JP2015164028A - 太陽光発電を利用した電解システム - Google Patents

Abstract

【課題】 日射量や負荷の変動にかかわらず、電解装置を効率良く駆動することができる太陽光発電を利用した電解システムを提供する。【解決手段】 太陽光を受光して電力に変換する太陽電池１１と、太陽電池１１から直流電力を受給し、太陽電池１１の発電効率を制御する電力調整装置１２と、電力調整装置１２から直流電力を受給し、化合物を電気分解する電解装置１３と、太陽電池１１の出力電圧Ｖ１及び出力電流Ｉ１を検出する電流計１４及び電圧計１５により構成される。電力調整装置１２は、出力電圧Ｖ１を降圧して出力するスイッチングレギュレータ部２０と、出力電圧Ｖ１及び参照電圧Ｖ１ｒｅｆの差分ΔＶ１に基づいて、チョッパ回路２１のスイッチング動作を制御するＰＷＭ制御部２６と、出力電圧Ｖ１及び出力電流Ｉ１に基づいて、太陽電池１１の出力電力Ｐ１が最大となるように、参照電圧Ｖ１ｒｅｆを調整するＭＰＰＴ制御部２４とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光発電を利用した電解システムに係り、さらに詳しくは、太陽電池の出力電力を利用して化合物を電気分解する電解システムに関する。

太陽光などの自然エネルギーを利用して、水を電気分解するシステムが提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の電解システムは、水を電気分解する電解装置と、自然エネルギーを利用して発電し、電力を電解装置へ供給する発電装置と、電解装置を駆動する電流及び電圧を制御する制御装置とを備える。自然エネルギーを利用して発電した電力を用いることにより、商用電源を利用する場合に比べ、低い電力コストで水を電気分解することができる。

しかしながら、太陽光を利用して発電した電力を用いる場合、日射量や負荷の変動によって、太陽光を受光して電力に変換する太陽電池の発電効率が変化する。このため、従来の電解システムでは、電解装置を効率良く駆動することができないという問題があった。

特開２００５−３３０５１５号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、日射量や負荷の変動にかかわらず、電解装置を効率良く駆動することができる太陽光発電を利用した電解システムを提供することを目的とする。

第１の本発明による太陽光発電を利用した電解システムは、太陽光を受光して電力に変換する太陽電池と、上記太陽電池から直流電力を受給し、上記太陽電池の発電効率を制御する電力調整装置と、上記電力調整装置から直流電力を受給し、化合物を電気分解する電解装置と、上記太陽電池の出力電圧及び出力電流を検出する電池出力検出手段とを備え、上記電力調整装置が、上記太陽電池の出力電圧を降圧して出力するスイッチングレギュレータ部と、上記出力電圧及び参照電圧の差分に基づいて、上記スイッチングレギュレータ部のスイッチング動作を制御するレギュレータ制御手段と、上記出力電圧及び上記出力電流に基づいて、上記太陽電池の出力電力が最大となるように、上記参照電圧を調整する最大電力点追従制御手段とを有するように構成される。

この電解システムでは、スイッチングレギュレータ部のスイッチング動作が太陽電池の出力電圧と参照電圧との差分に基づいて、制御される。この様な参照電圧を調整することにより、太陽電池の出力電力を最大化するので、日射量や負荷の変動によって、太陽電池の発電効率が変化した場合であっても、電解装置を効率良く駆動することができる。

第２の本発明による太陽光発電を利用した電解システムは、太陽光を受光して電力に変換する太陽電池と、上記太陽電池から直流電力を受給し、上記太陽電池の発電効率を制御する電力調整装置と、上記電力調整装置から直流電力を受給し、化合物を電気分解する電解装置と、上記太陽電池の出力電圧及び出力電流を検出する電池出力検出手段とを備え、上記電力調整装置が、上記太陽電池の出力電圧を降圧して出力するスイッチングレギュレータ部と、上記出力電流及び参照電流の差分に基づいて、上記スイッチングレギュレータ部のスイッチング動作を制御するレギュレータ制御手段と、上記出力電圧及び上記出力電流に基づいて、上記太陽電池の出力電力が最大となるように、上記参照電流を調整する最大電力点追従制御手段とを有するように構成される。

この電解システムでは、スイッチングレギュレータ部のスイッチング動作が太陽電池の出力電流と参照電流との差分に基づいて、制御される。この様な参照電流を調整することにより、太陽電池の出力電力を最大化するので、日射量や負荷の変動によって、太陽電池の発電効率が変化した場合であっても、電解装置を効率良く駆動することができる。

第３の本発明による太陽光発電を利用した電解システムは、上記構成に加え、上記電解装置が、液体の水を電気分解して、水素ガス及び酸素ガスを生成するように構成される。この様な構成によれば、日射量の変動によって太陽電池の発電効率が変化した場合であっても、水素ガス及び酸素ガスの生成量を最大化することができる。

本発明によれば、日射量や負荷の変動によって、太陽電池の発電効率が変化した場合であっても、電解装置を効率良く駆動することができる太陽光発電を利用した電解システムを提供することができる。

本発明の実施の形態による太陽光発電を利用した電解システム１の一構成例を示したブロック図である。 図１の電力調整装置１２におけるＭＰＰＴ制御の一例を示したフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態による太陽光発電を利用した電解システム１の一構成例を示したブロック図である。この電解システム１は、太陽電池１１、電力調整装置１２、電解装置１３、電流計１４及び電圧計１５により構成され、太陽電池１１の出力電力を利用して化合物を電気分解する。

太陽電池１１は、太陽光を受光して電力に変換する発電装置である。太陽電池１１では、光起電力効果を利用して、太陽光のエネルギーが直流電力に直接に変換される。例えば、太陽電池１１は、複数のセルを直列又は並列に接続した太陽光発電モジュール（photovoltaic module）からなる。

電流計１４は、太陽電池１１の出力電流Ｉ１を検出する電池出力検出手段である。電圧計１５は、太陽電池１１の出力電圧Ｖ１を検出する電池出力検出手段である。出力電流Ｉ１及び出力電圧Ｖ１は、一定時間Ｔ１ごとに繰り返し検出され、検出結果が電力調整装置１２へ出力される。

電力調整装置１２は、太陽電池１１から直流電力を受給し、出力電流Ｉ１及び出力電圧Ｖ１の検出値に基づいて、太陽電池１１の発電効率を制御するＰＶパワーコンディショナである。この電力調整装置１２は、スイッチングレギュレータ部２０、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御部２４、減算器２５及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部２６により構成される。

スイッチングレギュレータ部２０は、チョッパ回路２１、インバータ回路２２及びコンバータ回路２３からなり、スイッチング素子のスイッチングを利用して、太陽電池１１の出力電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に降圧して出力するレギュレータである。例えば、スイッチングレギュレータ部２０は、出力電圧Ｖ２に基づくフィードバック制御により、出力電圧Ｖ２の変動を抑えた定電圧電源として用いられる。なお、スイッチングレギュレータ部２０は、出力電流Ｉ２に基づくフィードバック制御により、出力電流Ｉ２の変動を抑えた定電流電源として用いるような構成であっても良い。

チョッパ回路２１は、太陽電池１１から入力される直流電圧を中間電圧Ｖ３に昇圧し、インバータ回路２２へ出力する昇圧チョッパである。インバータ回路２２は、チョッパ回路２１から入力される直流電圧を交流電圧Ｖ４に変換し、コンバータ回路２３へ出力する。コンバータ回路２３は、インバータ回路２２から入力される交流電圧Ｖ４を直流電圧Ｖ２に変換し、電解装置１３へ出力するＡＣ−ＤＣコンバータである。例えば、コンバータ回路２３は、サイリスタを用いた位相制御により、出力電圧Ｖ２を連続的に制御することが可能な整流器からなる。

減算器２５は、出力電圧Ｖ１及び参照電圧Ｖ１ｒｅｆの差分を電圧誤差ΔＶ１として求め、ＰＷＭ制御部２６へ出力する演算回路である。例えば、ΔＶ１＝（Ｖ１−Ｖ１ｒｅｆ）である。ＰＷＭ制御部２６は、減算器２５によって求められた電圧誤差ΔＶ１に基づいて、ＰＷＭ信号のデューティ比を調整することにより、チョッパ回路２１のスイッチング動作を制御するレギュレータ制御手段である。

ＰＷＭ信号は、チョッパ回路２１のスイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調された駆動信号である。デューティ比は、パルス（矩形波）の繰り返し間隔とパルス幅との割合である。ＰＷＭ制御部２６では、一定の周期Ｔ２（Ｔ２≧Ｔ１）で電圧誤差ΔＶ１をサンプリングし、ＰＷＭ信号のデューティ比が更新される。具体的には、電圧誤差ΔＶ１が小さくなるように、ＰＷＭ信号のデューティ比が調整される。

ＭＰＰＴ制御部２４は、出力電圧Ｖ１及び出力電流Ｉ１に基づいて、太陽電池１１の出力電力Ｐ１が最大となるように、参照電圧Ｖ１ｒｅｆを調整する最大電力点追従制御手段である。出力電力Ｐ１は、Ｐ１＝Ｉ１×Ｖ１である。太陽電池１１は、日射量や温度によって出力特性（Ｖ−Ｉ特性）が変化する。このため、ＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御により、太陽電池１１の出力電圧Ｖ１を制御し、出力特性上における動作点を最適化すれば、出力電力Ｐ１を最大化することができる。太陽電池１１の出力電力Ｐ１が最大化すれば、スイッチングレギュレータ部２０の出力電力Ｐ２も最大化する。

ＭＰＰＴ制御部２４では、山登り法を利用して、参照電圧Ｖ１ｒｅｆの最適値が求められる。山登り法では、現在の出力電圧Ｖ１及び出力電力Ｐ１をＶｏ，Ｐｏとし、参照電圧Ｖ１ｒｅｆを一定量ΔＶｒｅｆだけ変化させる。そして、ＰＷＭ制御の周期Ｔ２よりも長い一定時間Ｔ３が経過した後、再度、現在の出力電力Ｐ１を取得し、Ｐｏと比較することを繰り返すことにより、参照電圧Ｖ１ｒｅｆの最適値が求められる。

電解装置１３は、電力調整装置１２から直流電力を受給し、電気化学的に酸化還元反応を引き起こすことにより、化合物を電気分解する化合物分解装置であり、塩素、アルミニウム、銅などの様々な化学物質を電気分解によって生成することができる。例えば、電解装置１３は、液体の水を電気分解して、水素ガス（Ｈ_２）及び酸素ガス（Ｏ_２）を生成する。なお、海水を電気分解するような構成であっても良い。

水素ガスや酸素ガスの生成量は、スイッチングレギュレータ部２０の出力電流Ｉ２に比例する。このため、スイッチングレギュレータ部２０の出力電力Ｐ２が最大化することにより、出力電流Ｉ２が最大になれば、水素ガス及び酸素ガスの生成量も最大化する。従って、日射量の変動によって太陽電池１１の発電効率が変化した場合であっても、水素ガス及び酸素ガスの生成量を最大化することができる。

図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０６は、図１の電力調整装置１２におけるＭＰＰＴ制御の一例を示したフローチャートである。まず、ＭＰＰＴ制御部２４は、現在の出力電圧Ｖ１をＶｏとし、現在の出力電力Ｐ１をＰｏとして、参照電圧Ｖ１ｒｅｆを一定量ΔＶｒｅｆだけ変化させる（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）。

次に、ＭＰＰＴ制御部２４は、一定時間Ｔ３が経過した後（ステップＳ１０３）、再度、現在の出力電力Ｐ１を取得し、Ｐｏと比較する（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）。このとき、ＭＰＰＴ制御部２４は、現在の出力電力Ｐ１がＰｏよりも大きければ、現在の出力電力Ｐ１をＰｏとして、ステップＳ１０１以降の処理手順を繰り返す。

一方、ＭＰＰＴ制御部２４は、現在の出力電力Ｐ１がＰｏ未満であれば、ΔＶｒｅｆの符号を反転し（ステップＳ１０６）、現在の出力電力Ｐ１をＰｏとして、ステップＳ１０１以降の処理手順を繰り返す。

本実施の形態によれば、スイッチングレギュレータ部２０のスイッチング動作が太陽電池１１の出力電圧Ｖ１と参照電圧Ｖ１ｒｅｆとの差分ΔＶ１に基づいて、制御される。この様な参照電圧Ｖ１ｒｅｆを調整することにより、太陽電池１１の出力電力Ｐ１を最大化するので、日射量や負荷の変動によって、太陽電池１１の発電効率が変化した場合であっても、電解装置１３を効率良く駆動することができる。

なお、本実施の形態では、ＰＷＭ制御部２６が、出力電圧Ｖ１及び参照電圧Ｖ１ｒｅｆの差分ΔＶ１に基づいて、スイッチングレギュレータ部２０のスイッチング動作を制御する場合の例について説明したが、本発明は、スイッチングレギュレータ部２０の制御方法をこれに限定するものではない。例えば、ＰＷＭ制御部２６が、出力電流Ｉ１及び参照電流Ｉ１ｒｅｆの差分ΔＩ１に基づいて、スイッチングレギュレータ部２０のスイッチング動作を制御する。そして、ＭＰＰＴ制御部２４は、太陽電池１１の出力電力Ｐ１が最大となるように、参照電流Ｉ１ｒｅｆを調整するような構成であっても良い。

また、本実施の形態では、太陽光発電を利用して化合物を電気分解する場合の例について説明した。例えば、電気化学反応を利用して、水素ガスと空気中の酸素ガスとを化合させることにより、電力を生成する燃料電池を電解システム１と組み合わせても良い。この様な構成とすることにより、昼間は、太陽光発電による余剰電力を利用して電解装置１３を駆動し、水素ガスを発生させ、貯蔵する。一方、夜間は、当該水素ガスを用いて燃料電池を稼動させれば、夜間の電力不足を解消することができる。

また、本実施の形態では、電力調整装置１２のスイッチングレギュレータ部２０が、チョッパ回路２１、インバータ回路２２及びコンバータ回路２３からなる場合の例について説明したが、本発明は、発電装置から直流電力を受給し、電解装置へ直流電力を供給する電力調整装置の構成をこれに限定するものではない。例えば、電力調整装置が、昇圧チョッパを備えないチョッパレス型で交流出力のＰＶパワーコンディショナと、ＡＣ／ＤＣ変換回路とにより構成されるものや、電力調整装置のスイッチングレギュレータ部がＤＣ／ＤＣ変換回路により構成されるものにも本発明は適用することができる。具体的には、電解槽内の水を電気分解するのに適した出力が得られるのであれば、電力調整装置１２のスイッチングレギュレータ部２０からチョッパ回路２１やインバータ回路２２を省略し、太陽電池１１から入力される直流電圧を電解装置駆動用の直流電圧に変換するコンバータ回路によってスイッチングレギュレータ部２０を構成し、当該コンバータ回路をＭＰＰＴ制御するような構成であっても良い。

１ 太陽光発電を利用した電解システム
１１ 太陽電池
１２ 電力調整装置
１３ 電解装置
２０ スイッチングレギュレータ部
２１ チョッパ回路
２２ インバータ回路
２３ コンバータ回路
２４ ＭＰＰＴ制御部
２５ 減算器
２６ ＰＷＭ制御部

Claims (3)

1. 太陽光を受光して電力に変換する太陽電池と、
   上記太陽電池から直流電力を受給し、上記太陽電池の発電効率を制御する電力調整装置と、
   上記電力調整装置から直流電力を受給し、化合物を電気分解する電解装置と、
   上記太陽電池の出力電圧及び出力電流を検出する電池出力検出手段とを備え、
   上記電力調整装置は、上記太陽電池の出力電圧を降圧して出力するスイッチングレギュレータ部と、
   上記出力電圧及び参照電圧の差分に基づいて、上記スイッチングレギュレータ部のスイッチング動作を制御するレギュレータ制御手段と、
   上記出力電圧及び上記出力電流に基づいて、上記太陽電池の出力電力が最大となるように、上記参照電圧を調整する最大電力点追従制御手段とを有することを特徴とする太陽光発電を利用した電解システム。
2. 太陽光を受光して電力に変換する太陽電池と、
   上記太陽電池から直流電力を受給し、上記太陽電池の発電効率を制御する電力調整装置と、
   上記電力調整装置から直流電力を受給し、化合物を電気分解する電解装置と、
   上記太陽電池の出力電圧及び出力電流を検出する電池出力検出手段とを備え、
   上記電力調整装置は、上記太陽電池の出力電圧を降圧して出力するスイッチングレギュレータ部と、
   上記出力電流及び参照電流の差分に基づいて、上記スイッチングレギュレータ部のスイッチング動作を制御するレギュレータ制御手段と、
   上記出力電圧及び上記出力電流に基づいて、上記太陽電池の出力電力が最大となるように、上記参照電流を調整する最大電力点追従制御手段とを有することを特徴とする太陽光発電を利用した電解システム。
3. 上記電解装置は、液体の水を電気分解して、水素ガス及び酸素ガスを生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電を利用した電解システム。

Images