JP2016019415A - 太陽光発電用電力給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の消費する電力が、太陽電池からの電力と略等しいかそれより大きい場合において、太陽電池から発電された電力を最大限取り出すことが出来て無駄なく使用できる太陽光発電用電力給電システムを提供する。
【解決手段】太陽光電源装置１と、太陽光電源装置以外の電源装置２と、該電源装置からの電力を合成する電力合成装置３と、該電力合成装置で合成された電力が入力される負荷４とを備え前記負荷の消費電力が、前記太陽光電源装置の発電電力と略等しいかそれよりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置の電圧値を前記検出した電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記複数の電源装置からの電力を電力合成装置で合成し、合成した電力を負荷へ電力供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電の発電効率を落とさずに、安全に太陽光発電の電力を利用するための低コストの電力給電システムに関するものである。

商用電源における電力供給においては、供給電圧や周波数は法により規定されており、電化製品は、この規定の電圧で動作するように作られていた。

しかし、海外渡航の機会が増え、また、電化製品の輸出が増えるに従い、電化製品を、広く海外の、異なる電圧・周波数の環境で使いたいという要求が増加してきた。現在、半導体技術の進歩により、多くの電気製品は、内部にスイッチング電源回路を使用するようになり、それにより、世界中の異なる電圧（AC100V〜AC240V）、異なる周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対応できる、いわゆるユニバーサル電源対応となっている。

そのため、これらの電気製品を使う場合、電源電圧を厳密に一定に保つ必要性はなくなってきている。また、内部で整流し、直流に変換して利用するため、直流でもそのまま使用できる、もしくは、わずかな変更により直流で使用できるようになるものが多い。

太陽光発電を利用する場合、一般的には、太陽光発電によって得られた電力を、商用電源の系統と連携させ、利用するための装置（パワーコンディショナー）が使用される。この装置は、得られた太陽光発電の直流電力を、交流に変換し、商用電源が供給されているのと同じ電力線に流し込むことで電力を供給する。商用電源と太陽光発電から供給される電力が同じ回線で供給されるため、太陽光発電と、商用電源の位相が少しでもずれると、商用電源と、太陽光発電の電圧が逆転する時間が発生し、ショートしてしまうため、非常に危険である。このような事態を防ぐため、この装置は商用電源の位相を常にチェックし、供給する電力をそれに合わせなければならない。

また、太陽光発電で得られる電力が自家消費分より大きい場合、送電を受けるはずの設備から、外に電力が流れてしまう「逆潮流」が発生する。逆潮流を行う場合においては、事故、あるいは工事など、なんらかの事情で回線の電力を停止したい場合に、発電所からの送電を止めても、各所の太陽光発電から供給される電力のため、止められない場合もありうるので、送電の制御には注意を要する。また、逆潮流によって電源電圧規定を越脱しないようにしなければならない。近隣地域で太陽光発電による逆潮流が多くなると、幹線電圧が上昇してしまい、電源電圧規定を順守するために、太陽光発電の発電能力は充分にあっても、電力送出を制限しなければならなくなるような事態も発生している。

さらに、停電の際には、停電から復旧して再び商用電源から電力が供給されたときにショート状態にならないよう、装置の動作を停止させなければならない。このことは、たとえ充分な太陽光発電を行うだけの日照があるときでも、停電時には（自立運転モードに変更するなどの特殊な操作をしなければ）その電力を使うことができない、ということを意味している。

太陽光発電を行う場合、太陽電池から得られる電力は、同じ条件（同じ照度、同じ温度）でも、電力を取り出すときの電圧によって異なる。そのため、太陽電池から最大の電力を得られるよう、最大電力追従（ＭＰＰＴ）制御が行われる。例えば、現在の太陽電池の電圧を変化させ、変化させた値における電力採取量と、もとの状態における電力採取量を比較し、少しでも電力採取量の多いところで発電するようにする。この動作を繰り返すことにより、最大の発電電力となる状態に近づけることができる。ただし、このような方法では、最大の発電量となる状態になった場合でも、そこが最大の発電量となる状態であることを知るために、現在の状態と異なる状態にして、そのときの発電電力と比較してみる必要があるため、常に最大の発電量となる状態を維持することはできず、その近傍で動作することになる。

このように、太陽光発電の電力を供給する装置は、その回路および制御方法がきわめて複雑であり、装置自体が非常に高価なものとなっている。また、電力供給の際に、太陽光発電から得られる直流電力を交流電力に変換するため、そこで電力ロスが発生する（図１１）。

太陽光発電の電力を利用するため一般に使われている装置（パワーコンディショナー）は、前記したように、複雑な回路および制御を行っており、非常に高価なため、自然エネルギー利用の普及における障害となっている。また、電力変換によるロスも存在する。

特開２０１１−１８１０５５号公報

そこで本発明者らは、太陽光発電装置とそれ以外の電源装置からの直流電力を直流電力合成装置で合成すると共に、合成された直流電力を直流負荷で使用する画期的な電力供給システムを発明するに至った。

かくして、本発明は本件発明者らが既に発明した前記発明をさらに発展させたものであって、負荷の消費する電力が、太陽電池からの電力と略等しいかそれより大きい場合において、太陽電池から発電された電力を最大限取り出すことが出来て無駄なく使用できる太陽光発電用電力給電システムを提供することを目的とするものである。

本発明は、太陽光電源装置と、太陽光電源装置以外の電源装置と、該電源装置からの電力を合成する電力合成装置と、該電力合成装置で合成された電力が入力される負荷とを備え、
前記負荷の消費電力が、前記太陽光電源装置の発電電力と略等しいかそれよりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置の電圧値を前記検出した電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記複数の電源装置からの電力を電力合成装置で合成し、合成した電力を負荷へ電力供給する、
ことを特徴とし、
または、
太陽光電源装置と、太陽光電源装置以外の電源装置と、該電源装置からの電力を合成する電力合成装置と、該電力合成装置で合成された電力が入力される負荷とを備え、
前記負荷の消費電力が、前記太陽光電源装置の発電電力と略等しいかそれよりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置の電圧値を前記検出した電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記複数の電源装置からの電力を電力合成装置で合成し、合成した電力を負荷へ電力供給してなり、
前記負荷は、太陽光電源装置以外の電源装置で設定された出力電圧から太陽光電源装置の最大電圧までの範囲の直流で使用可能な負荷である、
ことを特徴とし、
または、
前記太陽光電源装置以外の電源装置には、複数の自然エネルギーによる発電電源装置が含まれる、
ことを特徴とし、
または、
前記負荷には、電圧変換回路を有する負荷が使用され、
前記電圧変換回路と負荷の間に、電力合成装置と該電力合成装置に繋がる太陽光電源装置とを追加し、太陽光電源装置からの電力と前記電力変換回路を通過する太陽光電源装置以外の電力とを電力合成装置で合成し、合成した電力を負荷へ電力供給する、
ことを特徴とし、
または、
前記負荷には、電圧変換回路を有する負荷が使用され、
前記電圧変換回路と負荷の間に、電力合成装置と該電力合成装置に繋がる太陽光電源装置と、前記電力合成装置に繋がる第２の電圧変換回路とを追加し、太陽光電源装置からの電力と前記電力変換回路を通過する太陽光電源装置以外の電力とを電力合成装置で合成し、合成した電力を負荷へ電力供給してなり、
前記負荷を、太陽光電源装置以外の電源装置で設定された出力電圧から太陽光電源装置の最大電圧までの範囲の直流で使用可能な負荷とした、
ことを特徴とするものである。

従来であれば、供給される電圧は狭い範囲に定められている（AC100V±6V、またはAC202V±20V）。

しかし、現在流通している電気製品の多くは、ユニバーサル電源対応となっており、幅広い電源（ＡＣ１００〜２４０Ｖ）、異なる周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）に対応しており、直流での動作も可能であるものも多い。そのため、狭い範囲（AC100V±6V、またはAC202V±20V内）の電源でなくても、充分動作する。

本発明による電力供給システムにおいては、このような状況から、直流を利用し、負荷に供給する電圧について、広い範囲を許容することで、電力供給システムの簡素化が実現できる。

すなわち、従来、太陽光発電は、パワーコンディショナーにより、系統に連携して使用されるが、パワーコンディショナーは、前述のように、ＭＰＰＴ制御、位相制御、ＤＣ/ＡＣ変換などを行うため、回路構成も動作も複雑であり、非常に高価なものである。

本発明によると、パワーコンディショナーのように高価な機器を使わずとも、直流を利用し、負荷の供給電圧範囲を広くすることで、非常に簡単な構成で、同等以上の効率で太陽光発電を利用することができるようになる。

このことは、太陽光発電の導入に要するコストを激減させ、自然エネルギーの普及に大きく役立つものである。図８に、一般的なパワーコンディショナーの構成を示すと、電圧変換装置１５で、太陽電池を最大効率で動作させるための制御と電圧変換を行い、インバーター１６で生成した直流電力を交流電力に変換する。このとき、インバーターの出力は商用電源５に接続されるため、商用電源５と出力電力の位相を合わせるとともに、商用電源５が消失した場合には動作を停止して出力を止める、商用電源の電圧が一定以上の場合には出力を制限するなどの処理を行うため、一般に複雑な回路構造となっている。

それに対し、本発明による構成は図１のようなものであり、きわめてシンプルであり、動作も単純なため、故障の心配も少ない。また、交流から直流への変換（ＤＣ／ＡＣ変換）も必要ないため、無駄な変換ロスがなく、パワーコンディショナーと比較して効率もよい。

また、本発明によると、逆潮流を簡単に防止でき（直流給電の場合は、図１０のように簡単な回路で逆流を防止できる）、小電力だけでなく大電力においても利用可能なのである。

本発明による電力供給システムであれば、負荷の消費する電力が、太陽電池からの電力より大きい場合において、太陽電池から発電された電力を最大限取り出すことが出来て無駄なく使用できるとの優れた効果を奏する。

本発明による電力供給システムの構成例である。 電源装置の構成例である。 直流電力合成装置の構成例である。 太陽電池の特性の説明図である。 可変電圧電源装置を使用した構成例の説明図である。 スイッチング電源を使用した可変電圧電源装置の構成を説明する説明図である。 トランスを使用した可変電圧電源装置の構成を説明する説明図である。 パワーコンディショナーの説明図である。 パワーコンディショナーの動作の説明図である。 逆潮流防止の説明図である。 電力ロスの説明図である。 発電電力・消費電力の説明図である。 整流回路及び電圧変換回路を有する負荷の説明図である。 電気製品の内部に本発明を適用する場合の説明図（１）である。 直流用の電気製品に本発明を適用する場合の説明図である。 蓄電池を使用する場合の説明図である。 充放電制御装置の説明図である。 複数の電源を使用する場合の説明図である。 単相３線の電源を使う場合の説明図である。 電気製品の内部に本発明を適用する場合の説明図（２）である。 力率改善回路を利用する場合の説明図である。 電気製品の内部に本発明を適用する場合の説明図（３）である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

図１に本実施例の一構成例を示す。本実施例は、太陽電池１と、電源装置２、直流電力合成装置３、負荷４を有して構成される。

そして、太陽電池１の電力と電源装置２の電力は直流電力合成装置３により合成されて負荷４に出力される。

ここで、負荷４の消費する電力が、太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１からの出力電圧は、電源装置２の電圧と略等しくなる。

一方、太陽電池１からの出力電圧が、ある特定の電圧（図４におけるＶｐ、最大電力点）になったとき、太陽電池１の特性により、太陽電池１の最大電力を取り出すことができる。

そこで、電源装置２の電圧を前述したある特定の電圧（図４におけるＶｐ、最大電力点）とすることで、簡単な構成にもかかわらず太陽電池１の最大電力を取り出すことを可能となる構成が実現できる。

まず、負荷４の消費する電力が太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１からの出力電圧が、電源装置２の電圧と略等しくなることを説明し、そのことから、電源装置２の電圧を太陽電池１の最大電力を取り出す際の電圧Ｖｐと略同等にしておけば、太陽電池１の発電電力を無駄にすることなく使用できることを説明する。

（負荷４の消費する電力が太1陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１からの出力電圧が、電源装置２の電圧と略等しくなることの説明）
本実施例において、負荷４の構成については、電源装置２の供給電圧から、太陽電池１における太陽光発電の最大電圧までの範囲の電圧で使用できる機器（負荷４）であることが前提となる。

しかして、当該負荷４の具体的構成例を図１３に示す。現在流通している多くの電化製品は、ユニバーサル電源（ＡＣ１００〜２４０Ｖ）に対応しており、供給電圧・周波数の異なる多くの国でそのまま使用できるようになっている。これは、図１３のように、内部で整流し、電圧変換回路１８によって、負荷４が必要とする電圧にして利用するようになっていることによる。

電圧変換回路１８で適正な電圧に調整するので、本来、負荷４が必要とする電圧に関わらず、入力する電源は、広い範囲での電圧を使用することができる。また、最初に整流回路６で整流されるので、交流電源でも直流電源でも同様に使用することができる。このことから、現在流通している多くの電気製品は、電圧範囲を条件に合わせれば、本発明をそのまま実施することができるのである。

電源装置２の構成例を図２に示す。電源装置２は、商用電源５を整流回路６で整流し、平滑回路7で平滑したものを使用することができる。

単相３線の電源を使う場合は、図１９で示されるように電源装置２を構成することができ、この場合は、中世線を対地アースとすることで、安全性を高めることができる。また、電源装置２は、「商用電源と水力発電による電力合成した電源」など、他の複数のエネルギーと合成したものを電源装置２として使用することも可能である。

直流電力合成装置３の構成例を図３に示す。直流電力合成装置３は、例えば、逆流防止装置8を備えた回路で構成することができる。そして、逆流防止装置8は、ダイオード、サイリスタ、ＦＥＴ、トランジスタなどを使用して構成される。

前記直流電力合成装置３により、太陽電池１の出力と、この電源装置２の出力とが合成され、負荷４へと供給される。ここで、電源装置２からの出力は充分大きな電力が供給できるものとし、電流を流しても電圧が下がらないものとする。

太陽電池１の出力電圧は、無負荷の場合、太陽電池１の特性によって決まる最大電圧まで上昇する。しかし、負荷４の消費電力が大きくなると、太陽電池１の出力電圧は低下するが、図１の構成において、電源装置２から充分な電力が供給されるため、太陽電池１の出力電圧は電源装置２の電圧より下がることはない。

従って、図１において、負荷４の消費する電力が、太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１の出力電圧は、電源装置２の電圧（電源電圧）と略同じ電圧で平衡状態に達するのである。繰り返すようであるが、負荷４の消費電力が大きくなると、太陽電池１の出力電圧は低下していくが、電源装置２から充分な電力が供給されるため、太陽電池１の出力電圧は電源装置２の電圧より下がることはないからである。

かかる事実、すなわち、「負荷４の消費する電力が、太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１の出力電圧は、電源装置２の電圧（電源電圧）と同じ電圧で平衡状態に達する。」との事実を考慮し、「太陽電池１からの出力電圧が、ある特定の電圧（図４におけるＶｐ、最大電力点）になったとき、太陽電池１の特性により、太陽電池１の最大電力を取り出すことができる。」とのことを考慮して、電源装置２の電圧を、太陽電池１の最大電力を取り出せる電圧Ｖｐとすることにより、太陽電池１の発電電力を無駄なく取り出すことができたのである。

そして、前述したように、負荷４に使用する装置は、電源電圧〜太陽電池１の最大電圧までの電圧範囲で使用される。すなわち、負荷４の一定範囲の電圧の変動が許容されているので、前記の電源装置２で設定される電圧が、前記許容された一定の範囲内に収まれば、本発明は、きわめて簡単な構成によって適切な電力供給を可能とすることが出来る。

前記したように、本発明は、負荷４の消費電力が太陽電池１の発電電力より等しいか大きいときに、太陽電池１を最大電力点で動作するようにするものである。太陽電池１の最大電力点は、図４に示す様に、太陽電池１からの出力電圧がＶｐであるときである。

太陽電池１の出力電圧は、負荷４の消費電力が発電電力より大きいときは、先に述べたように、電源装置２の電圧と略等しくなる。従って、Ｖｐがわかっている場合、電源装置２の電圧をＶｐと略同等とすることで、太陽電池１を最大電力点で動作させることができるのである。

以下、具体例を示して説明する。

図１において、太陽電池１に充分な光が当たっていて、このときの太陽電池１の最大出力動作電圧、すなわちＶｐは１４０Ｖ、開放電圧は１７２Ｖであったとする。
このとき、電源装置２の電圧を１４０Ｖとする。太陽電池１の出力電圧は、無負荷であれば、１７２Ｖまで上昇するが、負荷がかかると、出力電圧は低下する。

太陽電池１で発電している電力より、負荷４の消費電力のほうが大きい場合は、太陽電池１で出力電力を賄いきれないので、出力電圧は低下する。しかし、電源装置２から充分な量の電力が供給されるので、直流電力合成装置３から出力される電圧は、１４０Ｖとなる。また、このとき、太陽電池１の出力電圧も１４０Ｖとなるのである。ここで、この出力電圧140Ｖは、太陽電池１の最大出力動作電圧Ｖｐに等しいので、太陽電池１の最大電力が得られることになる。

一方、太陽電池１の発電電力よりも、負荷４の消費電力が小さい場合は、直流電力合成装置３から出力される電圧は、電源装置２の電圧１４０Ｖよりも高い電圧となる。負荷の消費電力が０であるとき、最も電圧は高くなり、このときの電圧は太陽電池１の開放電圧１７２Ｖとなる。負荷の消費電力が０より大きく、太陽電池１の発電量よりも小さい場合は、出力電圧は、１４０Ｖ〜１７２Ｖの間の範囲となる。表にすると、次のようになる。

従って、
太陽電池１の発電電力＞負荷４の消費電力
となっているときは、負荷４の消費電力が小さすぎるので、電力が余っている状態である。このときは、太陽電池１を最大効率で稼働させることはできない。

しかし、
太陽電池１の発電電力≦負荷の消費電力
のときは、太陽電池１の出力電圧は、電源装置２の電圧によって決まるので、電源装置２の電圧を太陽電池１の電圧Ｖｐとすることで、太陽電池１を最大電力点で動作させることができるのである。

なお、使用する負荷４は、前述したように、１４０〜１７２Ｖの範囲の直流電源で使えるものでなければならない。

次に、太陽電池１の最大電力点となる電圧Ｖｐを求める方法について述べる。
最大電力点追従方法
太陽電池から得られる電力は、図４に示される性質を持っている。すなわち、太陽電池から電力を取り出すときの太陽電池の電圧によって、得られる電力が決まる。図４におけるＶｐの電圧になったとき、太陽電池から最大の電力をとりだすことができる。

図９に、実際にパワーコンディショナーに接続した太陽電池の電圧（太線・実測値）と、Ｖｐの電圧（点線）を示す（太陽電池は４枚を直列接続して使用、公称最大出力電圧の合計は123.84V）。
これによると、パワーコンディショナーによる追従では、電圧が激しく変動していることがわかる。しかし、Ｖｐはもっとなだらかであり、時間を通して変化は少なく、１２１〜１２３Ｖの範囲を推移していることがわかる。

図１において、太陽電池１による発電電力＜負荷電力の場合、太陽電池１だけの電力だけでは不足するため、電源装置２から不足分の電力が供給される。このとき、負荷４の電圧は、電源装置２の電圧で平衡状態になる。このとき、太陽電池１の電圧も同じ電圧となる。したがって、電源装置２の電圧が太陽電池１の電圧となる。太陽電池１の電圧が決まると、太陽電池１から供給される電力は、図４から求めることができる。

ここで、電源装置２の電圧をＶｐとすることで、太陽電池１の出力電圧もＶｐとなる。このとき、図４の特性から、太陽電池１の最大電力を取り出せることがわかる。

太陽光発電によって得られる電力は、日照量によって変化する。また、負荷で消費する電力も、電力の利用状況により変化する（図１２）。パワーコンディショナーは、太陽電池から流す電流を調整することで、太陽電池から電力を得るときの電圧を調整するが、太陽電池の発電電力（電圧および電流）は、天候によって変化し、また、取り出すときの電流によっても電圧が変化する。一方、負荷に流す電流も、負荷の消費電力によって変化する。また、パワーコンディショナーの場合、負荷が交流であるため、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚを周期とする変動も存在する。このように、複数の状態（入力状況、負荷状況）が変化する場合の制御は非常に複雑である。

一方、本発明によると、太陽電池１の電圧は、電源装置２の電圧と一致するため、電源装置２の電圧を調整するだけでよく、簡単に制御することができる。

山登り法

従来から多くのパワーコンディショナーで使用されている山登り法は、太陽電池から電力を取り出すときの電圧を変動させて、そのときの電力値を測定し、フィードバックすることにより最大電力点に近づける方法である。本システムにおいては、電源装置２の電圧が太陽電池１の出力電圧に等しくなるので、電源装置２の電圧を変動させることで、同様に従来法を利用することができる。

図５に、電圧を変更できる電源装置（可変電圧電源装置９）を使用した構成例を示す。太陽電池１から得られる電力を電力計で測定し、これが最大になるように可変電圧電源装置９の出力電圧を調整する。

図６、図７に、可変電圧電源装置の構成例を示す。図６は、スイッチング電源を利用した回路である。あまり精度を必要としない場合は、図７のように、トランス（オートトランス）のタップをリレーあるいは接点などで機械的に切り替えて電圧を段階的に設定することも可能である。

固定電圧法

ＪＩＳで規定される特定の条件（AM（エアマス）1.5、放射照度1000W、モジュール温度25度）における、太陽電池の最大電力となる電圧（すなわち、公称最大出力動作電圧）およびそのときの電流、電力の情報は、太陽電池メーカーにより提供されている。

最大電力点となる電圧は、一日を通して大きくは変動しないことから、電源装置の電圧を、この公称最大出力動作電圧の値に固定することで、一日を通じ、ほぼ最大出力に近い電力を取り出すことが可能である。この方法では、山登り法などの最大電力点追従方式よりは効率が落ちるが、システムの構成がきわめてシンプルであり、設備コストを大幅に削減できるという利点がある。また、構成が単純なため、故障の可能性も少なくなり、メンテナンスコストも削減できる。

テーブル法

太陽電池の最大電力動作電圧Ｖｐは、環境条件（照度、温度）によって変化する。逆に、照度・温度が決まれば、太陽電池の最大電力動作電圧が決まることになる。

そこで、あらかじめ、あらゆる照度および温度において、太陽電池の最大電力動作電圧を調べておき、表（テーブル）を作成しておく。使用時に、照度および温度を調べ、あらかじめ作成した表より、その条件における最大電力動作電圧を求めることができる。このようにすると、山登り法などのような探索を行うことなく最大電力動作電圧を求めることができる。

自己学習法

上記テーブル法において、あらかじめ表（テーブル）を作成するのは大変である。そこで、テーブル法と山登り法を組み合わせた「自己学習法」により、その手間を解消することができる。

すなわち、まず山登り法により最大電力動作電圧を求める。最大電力動作電圧が決まったら、そのときの温度および照度を記録しておく。以後、運用時の温度および湿度の条件が、記録にある温度および照度の条件と同じになった場合は、この記録から最大電力動作電圧を求めることができる。したがって、山登り法を行うことなく、記録から、その時点での最大電力動作電圧を求めることができるのである。

このときに使用する表のデータは、多ければ多いほど、最大電力動作電圧のできる頻度が増える。そして、ある程度のデータ数が得られれば、表にない部分についても、得られているデータをもとに補間することができる。この場合、データ数が多ければ多いほど、推定の精度が向上することになる。

テーブルは、定期的に少しずつ更新していくことで、経年変化や使用環境の変化による変動にも対応できるようになる。

関数法

最大電力動作電圧は、温度および照度の関数と考えることができる。

上記の自己学習法において、充分な数のデータが得られれば、その関数を推定することができる。関数ができれば、あらゆる条件において、瞬時に最大電力動作電圧を推定することが可能である。

以上のようにして、図１の電源装置２（または図５の可変電圧電源装置９）の電圧を、太陽電池１の最大電力点Ｖｐとすることで、太陽電池１から最大電力を取り出すことができるのである。

本発明は、電気製品の内部に組み込むことも可能である。

本発明の第２実施例を図１４に示す。
交流を利用する電気製品３０は、一般的に、内部に整流回路６を持ち、電圧変換回路１８（フライバック方式などによる電圧変換回路、力率改善回路を含む場合もある）によって必要な直流電圧にした後、負荷４に供給される。

ここで、電圧変換回路１８の出力と負荷４の間に、直流電力合成装置３を入れ、ここで太陽電池１からの電力を、前記電圧変換回路１８により直流の電圧にされた電力と合成することで、容易に太陽電池１のエネルギーを利用できるようになる。

すなわち、図１４の整流回路６および電圧変換回路１８が図１の電源装置２（または図５の可変電圧電源装置９）の役割を果たすことになる。電圧変換回路１８の出力電圧を、太陽電池１の最大電力点となるように調整することで、太陽電池１の最大の電力を取り出すことができる。また、ここで電圧変換回路１８の部分に力率改善回路を使用している場合についても、力率改善回路の動作を変更することで、同様の効果を得ることが可能である。図２１に示す例のように、力率改善回路２３は、スイッチング電源回路と同様の構造をしているため、電圧変換回路としての動作と力率改善回路としての動作を兼用することが可能である。

そして、本実施例が使用可能である条件は、先に説明した実施例１と同様、直流電力合成装置２の出力電圧範囲は電圧変換回路１８の出力電圧から太陽電池の最大電圧（開放電圧）の間の電圧範囲をもつので、負荷４はこの範囲の電源に対応するものが要求される。

尚、前述した実施例と同様に、太陽電池１の最大電力点の追従については、電圧変換回路１８の出力電圧を調整することで実現可能である。

ここで、直流用の電気製品３０に関しては、整流回路６が不要となるが、この場合でも、電圧変換回路１８を持つ場合は、この出力と負荷の間に直流電力合成装置を入れることで、同様の動作をさせることができる（図１５）。

なお、負荷の電圧の制約がある場合などは、図２２のように、太陽電池１および直流電力合成装置３を、電圧変換回路１８の前に入れることも可能である。この場合は、電圧の詳細な制御ができないため、最大の効率は得られない場合があるが、簡易に太陽電池１の電力を利用することができる。

尚、図２０に示すように、負荷４と直流電力合成装置３の間に電圧変換回路１８を入れることで、電気製品３０内で直流合成を行い、太陽電池１の電力を一定の電圧の範囲内で取り込むようにすることができる。この場合は太陽電池１の電圧を電圧変換回路１８によって調整できるので、太陽電池１を最大電力点で動作させることができる。

この場合は、負荷４が所定の電圧変動（太陽電池１のとりうる最大電圧から、電力合成装置３の前段の電圧変換回路１８の出力電圧までの間の電圧）内で使用できることになり、すなわち、負荷４の一定範囲の電圧の変動が許容されることとなり、もって電源装置２で設定される電圧が、前記許容された一定の範囲内に収まれば、実施例１の場合と同様に、きわめて簡単な構成によって適切な電力供給を可能とすることが出来るのである。

太陽電池１の発電しうる電力よりも、負荷４の消費電力が小さい場合、この差は余剰電力となり、無駄になってしまう。しかし、太陽電池１の部分に、蓄電池を追加することで、余剰電力を有効利用することが可能となる。

この場合の構成例を図１６に示す。
図５の例に、蓄電池２０と充放電制御装置２１を追加した構成となっている。

太陽電池１の発電電力＞負荷４の消費電力
であるとき、太陽電池１の電圧は、可変電圧電源装置９の電圧より高い電圧となる。そこで、可変電圧電源装置９と太陽電池１の電圧の差を検出し、これが０になるように、太陽電池１から電力を取り出し、蓄電池２０を充電する。

太陽電池１の出力電力が低下した場合は、蓄電池２０からの電力を供給することで、余剰電力を有効利用することができる。

なお、可変電圧電源装置９の制御については、可変電圧電源装置９と太陽電池１の電圧の差が０になるように制御されるので、図５の場合と同様に制御することが可能である。

充放電制御装置２１について、図１７に構成例を示す。
充放電制御回路４０は、太陽電池１側の電圧計４１と電源装置２側の電圧計４２の電圧値を比較し、太陽電池１側の電圧が高い場合は充電回路４３を動作させ、太陽電池１側の電圧が低い場合は、放電回路４４を動作させ、二つの電圧が同じになるように調整する。

太陽電池１の入力において、太陽電池１と同等の性質を持つ電源であれば、複数の電力を入力することができるようにすることができる。１つの電源を追加し、電源装置２、太陽電池１、追加電源２２の３つの電源を使用する例を図１８に示す。

ここで、「太陽電池１と同等の性質を持つ」ということは、追加電源２２が、次の条件を満たすことを意味している。

・最大電力点となる電圧が太陽電池１と等しい
・最大電圧が負荷４の対応できる電圧内であること
・電力特性が図４に示されるような曲線であり、山がひとつであること
（極大点が二か所以上存在しないこと）
この条件を満たす場合、太陽電池１において、また、追加電源２２においても、最大電力となる電圧はひとつであり、同じ制御で電力を利用することができる。また、同じ条件を満たす電源であれば、２個以上追加することも可能である。

１ 太陽電池
２ 電源装置
３ 直流電力合成装置
４ 負荷
５ 商用電源
６ 整流回路
７ 平滑回路
８ 逆流防止装置
９ 可変電圧電源装置
１０ 電力計
１１ 制御装置
１２ スイッチング電源回路
１３ オートトランス
１４ タップ切り替え装置
１５ 電圧変換装置
１６ インバーター
１７ 逆流防止ダイオード
１８ 電圧変換回路
１９ 負荷
２０ 蓄電池
２１ 充放電制御装置
２２ 追加電源
２３ 力率改善回路
２４ 直流電力網
２５ 電力利用システム
３０ 電気製品
４０ 充放電制御回路
４１ 電圧計
４２ 電圧計
４３ 充電回路
４４ 放電回路

本発明は、太陽光発電の発電効率を落とさずに、安全に太陽光発電の電力を利用するための低コストの電力給電システムに関するものである。

商用電源における電力供給においては、供給電圧や周波数は法により規定されており、電化製品は、この規定の電圧で動作するように作られていた。

しかし、海外渡航の機会が増え、また、電化製品の輸出が増えるに従い、電化製品を、広く海外の、異なる電圧・周波数の環境で使いたいという要求が増加してきた。現在、半導体技術の進歩により、多くの電気製品は、内部にスイッチング電源回路を使用するようになり、それにより、世界中の異なる電圧（AC100V〜AC240V）、異なる周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対応できる、いわゆるユニバーサル電源対応となっている。

そのため、これらの電気製品を使う場合、電源電圧を厳密に一定に保つ必要性はなくなってきている。また、内部で整流し、直流に変換して利用するため、直流でもそのまま使用できる、もしくは、わずかな変更により直流で使用できるようになるものが多い。

太陽光発電を利用する場合、一般的には、太陽光発電によって得られた電力を、商用電源の系統と連携させ、利用するための装置（パワーコンディショナー）が使用される。この装置は、得られた太陽光発電の直流電力を、交流に変換し、商用電源が供給されているのと同じ電力線に流し込むことで電力を供給する。商用電源と太陽光発電から供給される電力が同じ回線で供給されるため、太陽光発電と、商用電源の位相が少しでもずれると、商用電源と、太陽光発電の電圧が逆転する時間が発生し、ショートしてしまうため、非常に危険である。このような事態を防ぐため、この装置は商用電源の位相を常にチェックし、供給する電力をそれに合わせなければならない。

また、太陽光発電で得られる電力が自家消費分より大きい場合、送電を受けるはずの設備から、外に電力が流れてしまう「逆潮流」が発生する。逆潮流を行う場合においては、事故、あるいは工事など、なんらかの事情で回線の電力を停止したい場合に、発電所からの送電を止めても、各所の太陽光発電から供給される電力のため、止められない場合もありうるので、送電の制御には注意を要する。また、逆潮流によって電源電圧規定を越脱しないようにしなければならない。近隣地域で太陽光発電による逆潮流が多くなると、幹線電圧が上昇してしまい、電源電圧規定を順守するために、太陽光発電の発電能力は充分にあっても、電力送出を制限しなければならなくなるような事態も発生している。

さらに、停電の際には、停電から復旧して再び商用電源から電力が供給されたときにショート状態にならないよう、装置の動作を停止させなければならない。このことは、たとえ充分な太陽光発電を行うだけの日照があるときでも、停電時には（自立運転モードに変更するなどの特殊な操作をしなければ）その電力を使うことができない、ということを意味している。

太陽光発電を行う場合、太陽電池から得られる電力は、同じ条件（同じ照度、同じ温度）でも、電力を取り出すときの電圧によって異なる。そのため、太陽電池から最大の電力を得られるよう、最大電力追従（ＭＰＰＴ）制御が行われる。例えば、現在の太陽電池の電圧を変化させ、変化させた値における電力採取量と、もとの状態における電力採取量を比較し、少しでも電力採取量の多いところで発電するようにする。この動作を繰り返すことにより、最大の発電電力となる状態に近づけることができる。ただし、このような方法では、最大の発電量となる状態になった場合でも、そこが最大の発電量となる状態であることを知るために、現在の状態と異なる状態にして、そのときの発電電力と比較してみる必要があるため、常に最大の発電量となる状態を維持することはできず、その近傍で動作することになる。

このように、太陽光発電の電力を供給する装置は、その回路および制御方法がきわめて複雑であり、装置自体が非常に高価なものとなっている。また、電力供給の際に、太陽光発電から得られる直流電力を交流電力に変換するため、そこで電力ロスが発生する（図１１）。

太陽光発電の電力を利用するため一般に使われている装置（パワーコンディショナー）は、前記したように、複雑な回路および制御を行っており、非常に高価なため、自然エネルギー利用の普及における障害となっている。また、電力変換によるロスも存在する。

特開２０１１−１８１０５５号公報

そこで本発明者らは、太陽光発電装置とそれ以外の電源装置からの直流電力を直流電力合成装置で合成すると共に、合成された直流電力を直流負荷で使用する画期的な電力供給システムを発明するに至った。

かくして、本発明は本件発明者らが既に発明した前記発明をさらに発展させたものであって、負荷の消費する電力が、太陽電池からの電力と略等しいかそれより大きい場合において、太陽電池から発電された電力を最大限取り出すことが出来て無駄なく使用できる太陽光発電用電力給電システムを提供することを目的とするものである。

本発明は、直流電力を出力する太陽光電源装置と、前記太陽光電源装置以外の電源装置と、前記太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を合成する直流電力合成装置と、該直流電力合成装置で合成された直流電力が入力される直流電力消費の負荷を有する電気製品とを備え、
前記直流電力消費の負荷を有する電気製品の消費電力が、前記太陽光電源装置の直流発電電力と略等しいか前記直流発電電力よりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ出力される電圧値を、前記検出した太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記直流電力を送出する太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を直流電力合成装置で合成し、合成した直流電力を前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ電力供給するシステムであって、
前記直流電力消費の負荷を有する電気製品内には、整流回路と電圧変換回路と前記直流電力合成装置を有し、前記太陽光電源装置からの最大効率の直流電力が取得できる電圧値が検出されたとき、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷への出力電圧を電気製品内の前記電圧変換回路により前記検出された電圧値に変更し、かつ前記整流回路により交流電源入力あるいは直流電源入力可能な構成とし、
前記電圧変換回路と直流電力消費の負荷との間に直流電力合成装置を配置して、該直流電力合成装置に電気製品の外部にある太陽光電源装置を連携させた、
ことを特徴とし、
または、
直流電力を出力する太陽光電源装置と、前記太陽光電源装置以外の電源装置と、前記太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を合成する直流電力合成装置と、該直流電力合成装置で合成された直流電力が入力される直流電力消費の負荷を有する電気製品とを備え、
前記直流電力消費の負荷を有する電気製品の消費電力が、前記太陽光電源装置の直流発電電力と略等しいか前記直流発電電力よりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ出力される電圧値を、前記検出した太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記直流電力を送出する太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を直流電力合成装置で合成し、合成した直流電力を前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ電力供給するシステムであって、
前記直流電力消費の負荷を有する電気製品内には、整流回路と第１と第２の２つの電圧変換回路と前記直流電力合成装置を有し、前記太陽光電源装置からの最大効率の直流電力が取得できる電圧値が検出されたとき、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷への出力電圧を前記第１の電圧変換回路により前記検出された電圧値に変更し、かつ前記整流回路により交流電源入力あるいは直流電源入力可能な構成とし、
前記第１と第２の２つの電圧変換回路の間に直流電力合成装置を配置すると共に、前記第２の電圧変換回路は前記負荷が必要とする電圧の変換用にし、前記直流電力合成装置には電気製品の外部にある太陽光電源装置を連携させた、
ことを特徴とし、
または、
前記太陽光電源装置以外の電源装置には、複数の自然エネルギーによる発電電源装置も含まれる、
ことを特徴とするものである。

従来であれば、供給される電圧は狭い範囲に定められている（AC100V±6V、またはAC202V±20V）。

しかし、現在流通している電気製品の多くは、ユニバーサル電源対応となっており、幅広い電源（ＡＣ１００〜２４０Ｖ）、異なる周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）に対応しており、直流での動作も可能であるものも多い。そのため、狭い範囲（AC100V±6V、またはAC202V±20V内）の電源でなくても、充分動作する。

本発明による電力供給システムにおいては、このような状況から、直流を利用し、負荷に供給する電圧について、広い範囲を許容することで、電力供給システムの簡素化が実現できる。

すなわち、従来、太陽光発電は、パワーコンディショナーにより、系統に連携して使用されるが、パワーコンディショナーは、前述のように、ＭＰＰＴ制御、位相制御、ＤＣ/ＡＣ変換などを行うため、回路構成も動作も複雑であり、非常に高価なものである。

本発明によると、パワーコンディショナーのように高価な機器を使わずとも、直流を利用し、負荷の供給電圧範囲を広くすることで、非常に簡単な構成で、同等以上の効率で太陽光発電を利用することができるようになる。

このことは、太陽光発電の導入に要するコストを激減させ、自然エネルギーの普及に大きく役立つものである。図８に、一般的なパワーコンディショナーの構成を示すと、電圧変換装置１５で、太陽電池を最大効率で動作させるための制御と電圧変換を行い、インバーター１６で生成した直流電力を交流電力に変換する。このとき、インバーターの出力は商用電源５に接続されるため、商用電源５と出力電力の位相を合わせるとともに、商用電源５が消失した場合には動作を停止して出力を止める、商用電源の電圧が一定以上の場合には出力を制限するなどの処理を行うため、一般に複雑な回路構造となっている。

それに対し、本発明による構成は図１のようなものであり、きわめてシンプルであり、動作も単純なため、故障の心配も少ない。また、交流から直流への変換（ＤＣ／ＡＣ変換）も必要ないため、無駄な変換ロスがなく、パワーコンディショナーと比較して効率もよい。

また、本発明によると、逆潮流を簡単に防止でき（直流給電の場合は、図１０のように簡単な回路で逆流を防止できる）、小電力だけでなく大電力においても利用可能なのである。

本発明による電力供給システムであれば、負荷の消費する電力が、太陽電池からの電力より大きい場合において、太陽電池から発電された電力を最大限取り出すことが出来て無駄なく使用できるとの優れた効果を奏する。

本発明による電力供給システムの構成例である。 電源装置の構成例である。 直流電力合成装置の構成例である。 太陽電池の特性の説明図である。 可変電圧電源装置を使用した構成例の説明図である。 スイッチング電源を使用した可変電圧電源装置の構成を説明する説明図である。 トランスを使用した可変電圧電源装置の構成を説明する説明図である。 パワーコンディショナーの説明図である。 パワーコンディショナーの動作の説明図である。 逆潮流防止の説明図である。 電力ロスの説明図である。 発電電力・消費電力の説明図である。 整流回路及び電圧変換回路を有する負荷の説明図である。 電気製品の内部に本発明を適用する場合の説明図（１）である。 直流用の電気製品に本発明を適用する場合の説明図である。 蓄電池を使用する場合の説明図である。 充放電制御装置の説明図である。 複数の電源を使用する場合の説明図である。 単相３線の電源を使う場合の説明図である。 電気製品の内部に本発明を適用する場合の説明図（２）である。 力率改善回路を利用する場合の説明図である。 電気製品の内部に本発明を適用する場合の説明図（３）である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

図１に本実施例の一構成例を示す。本実施例は、太陽電池１と、電源装置２、直流電力合成装置３、負荷４を有して構成される。

そして、太陽電池１の電力と電源装置２の電力は直流電力合成装置３により合成されて負荷４に出力される。

ここで、負荷４の消費する電力が、太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１からの出力電圧は、電源装置２の電圧と略等しくなる。

一方、太陽電池１からの出力電圧が、ある特定の電圧（図４におけるＶｐ、最大電力点）になったとき、太陽電池１の特性により、太陽電池１の最大電力を取り出すことができる。

そこで、電源装置２の電圧を前述したある特定の電圧（図４におけるＶｐ、最大電力点）とすることで、簡単な構成にもかかわらず太陽電池１の最大電力を取り出すことを可能となる構成が実現できる。

まず、負荷４の消費する電力が太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１からの出力電圧が、電源装置２の電圧と略等しくなることを説明し、そのことから、電源装置２の電圧を太陽電池１の最大電力を取り出す際の電圧Ｖｐと略同等にしておけば、太陽電池１の発電電力を無駄にすることなく使用できることを説明する。

（負荷４の消費する電力が太1陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１からの出力電圧が、電源装置２の電圧と略等しくなることの説明）
本実施例において、負荷４の構成については、電源装置２の供給電圧から、太陽電池１における太陽光発電の最大電圧までの範囲の電圧で使用できる機器（負荷４）であることが前提となる。

しかして、当該負荷４の具体的構成例を図１３に示す。現在流通している多くの電化製品は、ユニバーサル電源（ＡＣ１００〜２４０Ｖ）に対応しており、供給電圧・周波数の異なる多くの国でそのまま使用できるようになっている。これは、図１３のように、内部で整流し、電圧変換回路１８によって、負荷４が必要とする電圧にして利用するようになっていることによる。

電圧変換回路１８で適正な電圧に調整するので、本来、負荷４が必要とする電圧に関わらず、入力する電源は、広い範囲での電圧を使用することができる。また、最初に整流回路６で整流されるので、交流電源でも直流電源でも同様に使用することができる。このことから、現在流通している多くの電気製品は、電圧範囲を条件に合わせれば、本発明をそのまま実施することができるのである。

電源装置２の構成例を図２に示す。電源装置２は、商用電源５を整流回路６で整流し、平滑回路7で平滑したものを使用することができる。

単相３線の電源を使う場合は、図１９で示されるように電源装置２を構成することができ、この場合は、中世線を対地アースとすることで、安全性を高めることができる。また、電源装置２は、「商用電源と水力発電による電力合成した電源」など、他の複数のエネルギーと合成したものを電源装置２として使用することも可能である。

直流電力合成装置３の構成例を図３に示す。直流電力合成装置３は、例えば、逆流防止装置8を備えた回路で構成することができる。そして、逆流防止装置8は、ダイオード、サイリスタ、ＦＥＴ、トランジスタなどを使用して構成される。

前記直流電力合成装置３により、太陽電池１の出力と、この電源装置２の出力とが合成され、負荷４へと供給される。ここで、電源装置２からの出力は充分大きな電力が供給できるものとし、電流を流しても電圧が下がらないものとする。

太陽電池１の出力電圧は、無負荷の場合、太陽電池１の特性によって決まる最大電圧まで上昇する。しかし、負荷４の消費電力が大きくなると、太陽電池１の出力電圧は低下するが、図１の構成において、電源装置２から充分な電力が供給されるため、太陽電池１の出力電圧は電源装置２の電圧より下がることはない。

従って、図１において、負荷４の消費する電力が、太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１の出力電圧は、電源装置２の電圧（電源電圧）と略同じ電圧で平衡状態に達するのである。繰り返すようであるが、負荷４の消費電力が大きくなると、太陽電池１の出力電圧は低下していくが、電源装置２から充分な電力が供給されるため、太陽電池１の出力電圧は電源装置２の電圧より下がることはないからである。

かかる事実、すなわち、「負荷４の消費する電力が、太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１の出力電圧は、電源装置２の電圧（電源電圧）と同じ電圧で平衡状態に達する。」との事実を考慮し、「太陽電池１からの出力電圧が、ある特定の電圧（図４におけるＶｐ、最大電力点）になったとき、太陽電池１の特性により、太陽電池１の最大電力を取り出すことができる。」とのことを考慮して、電源装置２の電圧を、太陽電池１の最大電力を取り出せる電圧Ｖｐとすることにより、太陽電池１の発電電力を無駄なく取り出すことができたのである。

そして、前述したように、負荷４に使用する装置は、電源電圧〜太陽電池１の最大電圧までの電圧範囲で使用される。すなわち、負荷４の一定範囲の電圧の変動が許容されているので、前記の電源装置２で設定される電圧が、前記許容された一定の範囲内に収まれば、本発明は、きわめて簡単な構成によって適切な電力供給を可能とすることが出来る。

前記したように、本発明は、負荷４の消費電力が太陽電池１の発電電力より等しいか大きいときに、太陽電池１を最大電力点で動作するようにするものである。太陽電池１の最大電力点は、図４に示す様に、太陽電池１からの出力電圧がＶｐであるときである。

太陽電池１の出力電圧は、負荷４の消費電力が発電電力より大きいときは、先に述べたように、電源装置２の電圧と略等しくなる。従って、Ｖｐがわかっている場合、電源装置２の電圧をＶｐと略同等とすることで、太陽電池１を最大電力点で動作させることができるのである。

以下、具体例を示して説明する。

図１において、太陽電池１に充分な光が当たっていて、このときの太陽電池１の最大出力動作電圧、すなわちＶｐは１４０Ｖ、開放電圧は１７２Ｖであったとする。
このとき、電源装置２の電圧を１４０Ｖとする。太陽電池１の出力電圧は、無負荷であれば、１７２Ｖまで上昇するが、負荷がかかると、出力電圧は低下する。

太陽電池１で発電している電力より、負荷４の消費電力のほうが大きい場合は、太陽電池１で出力電力を賄いきれないので、出力電圧は低下する。しかし、電源装置２から充分な量の電力が供給されるので、直流電力合成装置３から出力される電圧は、１４０Ｖとなる。また、このとき、太陽電池１の出力電圧も１４０Ｖとなるのである。ここで、この出力電圧140Ｖは、太陽電池１の最大出力動作電圧Ｖｐに等しいので、太陽電池１の最大電力が得られることになる。

一方、太陽電池１の発電電力よりも、負荷４の消費電力が小さい場合は、直流電力合成装置３から出力される電圧は、電源装置２の電圧１４０Ｖよりも高い電圧となる。負荷の消費電力が０であるとき、最も電圧は高くなり、このときの電圧は太陽電池１の開放電圧１７２Ｖとなる。負荷の消費電力が０より大きく、太陽電池１の発電量よりも小さい場合は、出力電圧は、１４０Ｖ〜１７２Ｖの間の範囲となる。表にすると、次のようになる。

従って、
太陽電池１の発電電力＞負荷４の消費電力
となっているときは、負荷４の消費電力が小さすぎるので、電力が余っている状態である。このときは、太陽電池１を最大効率で稼働させることはできない。

しかし、
太陽電池１の発電電力≦負荷の消費電力
のときは、太陽電池１の出力電圧は、電源装置２の電圧によって決まるので、電源装置２の電圧を太陽電池１の電圧Ｖｐとすることで、太陽電池１を最大電力点で動作させることができるのである。

なお、使用する負荷４は、前述したように、１４０〜１７２Ｖの範囲の直流電源で使えるものでなければならない。

次に、太陽電池１の最大電力点となる電圧Ｖｐを求める方法について述べる。
最大電力点追従方法
太陽電池から得られる電力は、図４に示される性質を持っている。すなわち、太陽電池から電力を取り出すときの太陽電池の電圧によって、得られる電力が決まる。図４におけるＶｐの電圧になったとき、太陽電池から最大の電力をとりだすことができる。

図９に、実際にパワーコンディショナーに接続した太陽電池の電圧（太線・実測値）と、Ｖｐの電圧（点線）を示す（太陽電池は４枚を直列接続して使用、公称最大出力電圧の合計は123.84V）。
これによると、パワーコンディショナーによる追従では、電圧が激しく変動していることがわかる。しかし、Ｖｐはもっとなだらかであり、時間を通して変化は少なく、１２１〜１２３Ｖの範囲を推移していることがわかる。

図１において、太陽電池１による発電電力＜負荷電力の場合、太陽電池１だけの電力だけでは不足するため、電源装置２から不足分の電力が供給される。このとき、負荷４の電圧は、電源装置２の電圧で平衡状態になる。このとき、太陽電池１の電圧も同じ電圧となる。したがって、電源装置２の電圧が太陽電池１の電圧となる。太陽電池１の電圧が決まると、太陽電池１から供給される電力は、図４から求めることができる。

ここで、電源装置２の電圧をＶｐとすることで、太陽電池１の出力電圧もＶｐとなる。このとき、図４の特性から、太陽電池１の最大電力を取り出せることがわかる。

太陽光発電によって得られる電力は、日照量によって変化する。また、負荷で消費する電力も、電力の利用状況により変化する（図１２）。パワーコンディショナーは、太陽電池から流す電流を調整することで、太陽電池から電力を得るときの電圧を調整するが、太陽電池の発電電力（電圧および電流）は、天候によって変化し、また、取り出すときの電流によっても電圧が変化する。一方、負荷に流す電流も、負荷の消費電力によって変化する。また、パワーコンディショナーの場合、負荷が交流であるため、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚを周期とする変動も存在する。このように、複数の状態（入力状況、負荷状況）が変化する場合の制御は非常に複雑である。

一方、本発明によると、太陽電池１の電圧は、電源装置２の電圧と一致するため、電源装置２の電圧を調整するだけでよく、簡単に制御することができる。

山登り法

従来から多くのパワーコンディショナーで使用されている山登り法は、太陽電池から電力を取り出すときの電圧を変動させて、そのときの電力値を測定し、フィードバックすることにより最大電力点に近づける方法である。本システムにおいては、電源装置２の電圧が太陽電池１の出力電圧に等しくなるので、電源装置２の電圧を変動させることで、同様に従来法を利用することができる。

図５に、電圧を変更できる電源装置（可変電圧電源装置９）を使用した構成例を示す。太陽電池１から得られる電力を電力計で測定し、これが最大になるように可変電圧電源装置９の出力電圧を調整する。

図６、図７に、可変電圧電源装置の構成例を示す。図６は、スイッチング電源を利用した回路である。あまり精度を必要としない場合は、図７のように、トランス（オートトランス）のタップをリレーあるいは接点などで機械的に切り替えて電圧を段階的に設定することも可能である。

固定電圧法

ＪＩＳで規定される特定の条件（AM（エアマス）1.5、放射照度1000W、モジュール温度25度）における、太陽電池の最大電力となる電圧（すなわち、公称最大出力動作電圧）およびそのときの電流、電力の情報は、太陽電池メーカーにより提供されている。

最大電力点となる電圧は、一日を通して大きくは変動しないことから、電源装置の電圧を、この公称最大出力動作電圧の値に固定することで、一日を通じ、ほぼ最大出力に近い電力を取り出すことが可能である。この方法では、山登り法などの最大電力点追従方式よりは効率が落ちるが、システムの構成がきわめてシンプルであり、設備コストを大幅に削減できるという利点がある。また、構成が単純なため、故障の可能性も少なくなり、メンテナンスコストも削減できる。

テーブル法

太陽電池の最大電力動作電圧Ｖｐは、環境条件（照度、温度）によって変化する。逆に、照度・温度が決まれば、太陽電池の最大電力動作電圧が決まることになる。

そこで、あらかじめ、あらゆる照度および温度において、太陽電池の最大電力動作電圧を調べておき、表（テーブル）を作成しておく。使用時に、照度および温度を調べ、あらかじめ作成した表より、その条件における最大電力動作電圧を求めることができる。このようにすると、山登り法などのような探索を行うことなく最大電力動作電圧を求めることができる。

自己学習法

上記テーブル法において、あらかじめ表（テーブル）を作成するのは大変である。そこで、テーブル法と山登り法を組み合わせた「自己学習法」により、その手間を解消することができる。

すなわち、まず山登り法により最大電力動作電圧を求める。最大電力動作電圧が決まったら、そのときの温度および照度を記録しておく。以後、運用時の温度および照度の条件が、記録にある温度および照度の条件と同じになった場合は、この記録から最大電力動作電圧を求めることができる。したがって、山登り法を行うことなく、記録から、その時点での最大電力動作電圧を求めることができるのである。

このときに使用する表のデータは、多ければ多いほど、最大電力動作電圧のできる頻度が増える。そして、ある程度のデータ数が得られれば、表にない部分についても、得られているデータをもとに補間することができる。この場合、データ数が多ければ多いほど、推定の精度が向上することになる。

テーブルは、定期的に少しずつ更新していくことで、経年変化や使用環境の変化による変動にも対応できるようになる。

関数法

最大電力動作電圧は、温度および照度の関数と考えることができる。

上記の自己学習法において、充分な数のデータが得られれば、その関数を推定することができる。関数ができれば、あらゆる条件において、瞬時に最大電力動作電圧を推定することが可能である。

以上のようにして、図１の電源装置２（または図５の可変電圧電源装置９）の電圧を、太陽電池１の最大電力点Ｖｐとすることで、太陽電池１から最大電力を取り出すことができるのである。

本発明は、電気製品の内部に組み込むことも可能である。

本発明の第２実施例を図１４に示す。
交流を利用する電気製品３０は、一般的に、内部に整流回路６を持ち、電圧変換回路１８（フライバック方式などによる電圧変換回路、力率改善回路を含む場合もある）によって必要な直流電圧にした後、負荷４に供給される。

ここで、電圧変換回路１８の出力と負荷４の間に、直流電力合成装置３を入れ、ここで太陽電池１からの電力を、前記電圧変換回路１８により直流の電圧にされた電力と合成することで、容易に太陽電池１のエネルギーを利用できるようになる。

すなわち、図１４の整流回路６および電圧変換回路１８が図１の電源装置２（または図５の可変電圧電源装置９）の役割を果たすことになる。電圧変換回路１８の出力電圧を、太陽電池１の最大電力点となるように調整することで、太陽電池１の最大の電力を取り出すことができる。また、ここで電圧変換回路１８の部分に力率改善回路を使用している場合についても、力率改善回路の動作を変更することで、同様の効果を得ることが可能である。図２１に示す例のように、力率改善回路２３は、スイッチング電源回路と同様の構造をしているため、電圧変換回路としての動作と力率改善回路としての動作を兼用することが可能である。

そして、本実施例が使用可能である条件は、先に説明した実施例１と同様、直流電力合成装置２の出力電圧範囲は電圧変換回路１８の出力電圧から太陽電池の最大電圧（開放電圧）の間の電圧範囲をもつので、負荷４はこの範囲の電源に対応するものが要求される。

尚、前述した実施例と同様に、太陽電池１の最大電力点の追従については、電圧変換回路１８の出力電圧を調整することで実現可能である。

ここで、直流用の電気製品３０に関しては、整流回路６が不要となるが、この場合でも、電圧変換回路１８を持つ場合は、この出力と負荷の間に直流電力合成装置を入れることで、同様の動作をさせることができる（図１５）。

なお、負荷の電圧の制約がある場合などは、図２２のように、太陽電池１および直流電力合成装置３を、電圧変換回路１８の前に入れることも可能である。この場合は、電圧の詳細な制御ができないため、最大の効率は得られない場合があるが、簡易に太陽電池１の電力を利用することができる。

尚、図２０に示すように、負荷４と直流電力合成装置３の間に電圧変換回路１８を入れることで、電気製品３０内で直流合成を行い、太陽電池１の電力を一定の電圧の範囲内で取り込むようにすることができる。この場合は太陽電池１の電圧を電圧変換回路１８によって調整できるので、太陽電池１を最大電力点で動作させることができる。

この場合は、負荷４が所定の電圧変動（太陽電池１のとりうる最大電圧から、直流電力合成装置３の前段の電圧変換回路１８の出力電圧までの間の電圧）内で使用できることになり、すなわち、負荷４の一定範囲の電圧の変動が許容されることとなり、もって電源装置２で設定される電圧が、前記許容された一定の範囲内に収まれば、実施例１の場合と同様に、きわめて簡単な構成によって適切な電力供給を可能とすることが出来るのである。

太陽電池１の発電しうる電力よりも、負荷４の消費電力が小さい場合、この差は余剰電力となり、無駄になってしまう。しかし、太陽電池１の部分に、蓄電池を追加することで、余剰電力を有効利用することが可能となる。

この場合の構成例を図１６に示す。
図５の例に、蓄電池２０と充放電制御装置２１を追加した構成となっている。

太陽電池１の発電電力＞負荷４の消費電力
であるとき、太陽電池１の電圧は、可変電圧電源装置９の電圧より高い電圧となる。そこで、可変電圧電源装置９と太陽電池１の電圧の差を検出し、これが０になるように、太陽電池１から電力を取り出し、蓄電池２０を充電する。

太陽電池１の出力電力が低下した場合は、蓄電池２０からの電力を供給することで、余剰電力を有効利用することができる。

なお、可変電圧電源装置９の制御については、可変電圧電源装置９と太陽電池１の電圧の差が０になるように制御されるので、図５の場合と同様に制御することが可能である。

充放電制御装置２１について、図１７に構成例を示す。
充放電制御回路４０は、太陽電池１側の電圧計４１と電源装置２側の電圧計４２の電圧値を比較し、太陽電池１側の電圧が高い場合は充電回路４３を動作させ、太陽電池１側の電圧が低い場合は、放電回路４４を動作させ、二つの電圧が同じになるように調整する。

太陽電池１の入力において、太陽電池１と同等の性質を持つ電源であれば、複数の電力を入力することができるようにすることができる。１つの電源を追加し、電源装置２、太陽電池１、追加電源２２の３つの電源を使用する例を図１８に示す。

ここで、「太陽電池１と同等の性質を持つ」ということは、追加電源２２が、次の条件を満たすことを意味している。

・最大電力点となる電圧が太陽電池１と等しい
・最大電圧が負荷４の対応できる電圧内であること
・電力特性が図４に示されるような曲線であり、山がひとつであること
（極大点が二か所以上存在しないこと）
この条件を満たす場合、太陽電池１において、また、追加電源２２においても、最大電力となる電圧はひとつであり、同じ制御で電力を利用することができる。また、同じ条件を満たす電源であれば、２個以上追加することも可能である。

１ 太陽電池
２ 電源装置
３ 直流電力合成装置
４ 負荷
５ 商用電源
６ 整流回路
７ 平滑回路
８ 逆流防止装置
９ 可変電圧電源装置
１０ 電力計
１１ 制御装置
１２ スイッチング電源回路
１３ オートトランス
１４ タップ切り替え装置
１５ 電圧変換装置
１６ インバーター
１７ 逆流防止ダイオード
１８ 電圧変換回路
１９ 負荷
２０ 蓄電池
２１ 充放電制御装置
２２ 追加電源
２３ 力率改善回路
２４ 直流電力網
２５ 電力利用システム
３０ 電気製品
４０ 充放電制御回路
４１ 電圧計
４２ 電圧計
４３ 充電回路
４４ 放電回路

本発明は、太陽光発電の発電効率を落とさずに、安全に太陽光発電の電力を利用するための低コストの電力給電システムに関するものである。

商用電源における電力供給においては、供給電圧や周波数は法により規定されており、電化製品は、この規定の電圧で動作するように作られていた。

しかし、海外渡航の機会が増え、また、電化製品の輸出が増えるに従い、電化製品を、広く海外の、異なる電圧・周波数の環境で使いたいという要求が増加してきた。現在、半導体技術の進歩により、多くの電気製品は、内部にスイッチング電源回路を使用するようになり、それにより、世界中の異なる電圧（AC100V〜AC240V）、異なる周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対応できる、いわゆるユニバーサル電源対応となっている。

そのため、これらの電気製品を使う場合、電源電圧を厳密に一定に保つ必要性はなくなってきている。また、内部で整流し、直流に変換して利用するため、直流でもそのまま使用できる、もしくは、わずかな変更により直流で使用できるようになるものが多い。

太陽光発電を利用する場合、一般的には、太陽光発電によって得られた電力を、商用電源の系統と連携させ、利用するための装置（パワーコンディショナー）が使用される。この装置は、得られた太陽光発電の直流電力を、交流に変換し、商用電源が供給されているのと同じ電力線に流し込むことで電力を供給する。商用電源と太陽光発電から供給される電力が同じ回線で供給されるため、太陽光発電と、商用電源の位相が少しでもずれると、商用電源と、太陽光発電の電圧が逆転する時間が発生し、ショートしてしまうため、非常に危険である。このような事態を防ぐため、この装置は商用電源の位相を常にチェックし、供給する電力をそれに合わせなければならない。

また、太陽光発電で得られる電力が自家消費分より大きい場合、送電を受けるはずの設備から、外に電力が流れてしまう「逆潮流」が発生する。逆潮流を行う場合においては、事故、あるいは工事など、なんらかの事情で回線の電力を停止したい場合に、発電所からの送電を止めても、各所の太陽光発電から供給される電力のため、止められない場合もありうるので、送電の制御には注意を要する。また、逆潮流によって電源電圧規定を越脱しないようにしなければならない。近隣地域で太陽光発電による逆潮流が多くなると、幹線電圧が上昇してしまい、電源電圧規定を順守するために、太陽光発電の発電能力は充分にあっても、電力送出を制限しなければならなくなるような事態も発生している。

さらに、停電の際には、停電から復旧して再び商用電源から電力が供給されたときにショート状態にならないよう、装置の動作を停止させなければならない。このことは、たとえ充分な太陽光発電を行うだけの日照があるときでも、停電時には（自立運転モードに変更するなどの特殊な操作をしなければ）その電力を使うことができない、ということを意味している。

太陽光発電を行う場合、太陽電池から得られる電力は、同じ条件（同じ照度、同じ温度）でも、電力を取り出すときの電圧によって異なる。そのため、太陽電池から最大の電力を得られるよう、最大電力追従（ＭＰＰＴ）制御が行われる。例えば、現在の太陽電池の電圧を変化させ、変化させた値における電力採取量と、もとの状態における電力採取量を比較し、少しでも電力採取量の多いところで発電するようにする。この動作を繰り返すことにより、最大の発電電力となる状態に近づけることができる。ただし、このような方法では、最大の発電量となる状態になった場合でも、そこが最大の発電量となる状態であることを知るために、現在の状態と異なる状態にして、そのときの発電電力と比較してみる必要があるため、常に最大の発電量となる状態を維持することはできず、その近傍で動作することになる。

このように、太陽光発電の電力を供給する装置は、その回路および制御方法がきわめて複雑であり、装置自体が非常に高価なものとなっている。また、電力供給の際に、太陽光発電から得られる直流電力を交流電力に変換するため、そこで電力ロスが発生する（図１１）。

太陽光発電の電力を利用するため一般に使われている装置（パワーコンディショナー）は、前記したように、複雑な回路および制御を行っており、非常に高価なため、自然エネルギー利用の普及における障害となっている。また、電力変換によるロスも存在する。

特開２０１１−１８１０５５号公報

そこで本発明者らは、太陽光発電装置とそれ以外の電源装置からの直流電力を直流電力合成装置で合成すると共に、合成された直流電力を直流負荷で使用する画期的な電力供給システムを発明するに至った。

かくして、本発明は本件発明者らが既に発明した前記発明をさらに発展させたものであって、負荷の消費する電力が、太陽電池からの電力と略等しいかそれより大きい場合において、太陽電池から発電された電力を最大限取り出すことが出来て無駄なく使用できる太陽光発電用電力給電システムを提供することを目的とするものである。

本発明は、
直流電力を出力する太陽光電源装置と、前記太陽光電源装置以外の電源装置と、前記太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を合成する直流電力合成装置と、該直流電力合成装置で合成された直流電力が入力される直流電力消費の負荷を有する電気製品とを備え、
前記直流電力消費の負荷を有する電気製品の消費電力が、前記太陽光電源装置の直流発電電力と略等しいか前記直流発電電力よりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ出力される電圧値を、前記検出した太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記直流電力を送出する太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を直流電力合成装置で合成し、合成した直流電力を前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ電力供給するシステムであって、
前記直流電力消費の負荷を有する電気製品内には、整流回路と電圧変換回路と前記直流電力合成装置を有し、前記太陽光電源装置からの最大効率の直流電力が取得できる電圧値が検出されたとき、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷への出力電圧を電気製品内の前記電圧変換回路により前記検出された電圧値に設定し、かつ前記整流回路により交流電源入力可能な構成とし、
前記電圧変換回路と直流電力消費の負荷との間に直流電力合成装置を接続して、該直流電力合成装置に電気製品の外部にある太陽光電源装置を接続した、
ことを特徴とし、
または、
直流電力を出力する太陽光電源装置と、前記太陽光電源装置以外の電源装置と、前記太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を合成する直流電力合成装置と、該直流電力合成装置で合成された直流電力が入力される直流電力消費の負荷を有する電気製品とを備え、
前記直流電力消費の負荷を有する電気製品の消費電力が、前記太陽光電源装置の直流発電電力と略等しいか前記直流発電電力よりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ出力される電圧値を、前記検出した太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記直流電力を送出する太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を直流電力合成装置で合成し、合成した直流電力を前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ電力供給するシステムであって、
前記直流電力消費の負荷を有する電気製品内には、整流回路と第１と第２の２つの電圧変換回路と前記直流電力合成装置を有し、前記太陽光電源装置からの最大効率の直流電力が取得できる電圧値が検出されたとき、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷への出力電圧を前記第１の電圧変換回路により前記検出された電圧値に設定し、かつ前記整流回路により交流電源入力可能な構成とし、
前記第１と第２の２つの電圧変換回路の間に直流電力合成装置を接続すると共に、前記第２の電圧変換回路は前記負荷が必要とする電圧の変換用にし、前記直流電力合成装置には電気製品の外部にある太陽光電源装置を接続した、
ことを特徴とし、
または、
前記太陽光電源装置以外の電源装置には、複数の自然エネルギーによる発電電源装置も含まれる、
ことを特徴とするものである。

従来であれば、供給される電圧は狭い範囲に定められている（AC100V±6V、またはAC202V±20V）。

しかし、現在流通している電気製品の多くは、ユニバーサル電源対応となっており、幅広い電源（ＡＣ１００〜２４０Ｖ）、異なる周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）に対応しており、直流での動作も可能であるものも多い。そのため、狭い範囲（AC100V±6V、またはAC202V±20V内）の電源でなくても、充分動作する。

本発明による電力供給システムにおいては、このような状況から、直流を利用し、負荷に供給する電圧について、広い範囲を許容することで、電力供給システムの簡素化が実現できる。

すなわち、従来、太陽光発電は、パワーコンディショナーにより、系統に連携して使用されるが、パワーコンディショナーは、前述のように、ＭＰＰＴ制御、位相制御、ＤＣ/ＡＣ変換などを行うため、回路構成も動作も複雑であり、非常に高価なものである。

本発明によると、パワーコンディショナーのように高価な機器を使わずとも、直流を利用し、負荷の供給電圧範囲を広くすることで、非常に簡単な構成で、同等以上の効率で太陽光発電を利用することができるようになる。

このことは、太陽光発電の導入に要するコストを激減させ、自然エネルギーの普及に大きく役立つものである。図８に、一般的なパワーコンディショナーの構成を示すと、電圧変換装置１５で、太陽電池を最大効率で動作させるための制御と電圧変換を行い、インバーター１６で生成した直流電力を交流電力に変換する。このとき、インバーターの出力は商用電源５に接続されるため、商用電源５と出力電力の位相を合わせるとともに、商用電源５が消失した場合には動作を停止して出力を止める、商用電源の電圧が一定以上の場合には出力を制限するなどの処理を行うため、一般に複雑な回路構造となっている。

それに対し、本発明による構成は図１のようなものであり、きわめてシンプルであり、動作も単純なため、故障の心配も少ない。また、交流から直流への変換（ＤＣ／ＡＣ変換）も必要ないため、無駄な変換ロスがなく、パワーコンディショナーと比較して効率もよい。

また、本発明によると、逆潮流を簡単に防止でき（直流給電の場合は、図１０のように簡単な回路で逆流を防止できる）、小電力だけでなく大電力においても利用可能なのである。

本発明による電力供給システムであれば、負荷の消費する電力が、太陽電池からの電力より大きい場合において、太陽電池から発電された電力を最大限取り出すことが出来て無駄なく使用できるとの優れた効果を奏する。

本発明による電力供給システムの構成例である。 電源装置の構成例である。 直流電力合成装置の構成例である。 太陽電池の特性の説明図である。 可変電圧電源装置を使用した構成例の説明図である。 スイッチング電源を使用した可変電圧電源装置の構成を説明する説明図である。 トランスを使用した可変電圧電源装置の構成を説明する説明図である。 パワーコンディショナーの説明図である。 パワーコンディショナーの動作の説明図である。 逆潮流防止の説明図である。 電力ロスの説明図である。 発電電力・消費電力の説明図である。 整流回路及び電圧変換回路を有する負荷の説明図である。 電気製品の内部に本発明を適用する場合の説明図（１）である。 直流用の電気製品に本発明を適用する場合の説明図である。 蓄電池を使用する場合の説明図である。 充放電制御装置の説明図である。 複数の電源を使用する場合の説明図である。 単相３線の電源を使う場合の説明図である。 電気製品の内部に本発明を適用する場合の説明図（２）である。 力率改善回路を利用する場合の説明図である。 電気製品の内部に本発明を適用する場合の説明図（３）である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

図１に本実施例の一構成例を示す。本実施例は、太陽電池１と、電源装置２、直流電力合成装置３、負荷４を有して構成される。

そして、太陽電池１の電力と電源装置２の電力は直流電力合成装置３により合成されて負荷４に出力される。

ここで、負荷４の消費する電力が、太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１からの出力電圧は、電源装置２の電圧と略等しくなる。

一方、太陽電池１からの出力電圧が、ある特定の電圧（図４におけるＶｐ、最大電力点）になったとき、太陽電池１の特性により、太陽電池１の最大電力を取り出すことができる。

そこで、電源装置２の電圧を前述したある特定の電圧（図４におけるＶｐ、最大電力点）とすることで、簡単な構成にもかかわらず太陽電池１の最大電力を取り出すことを可能となる構成が実現できる。

まず、負荷４の消費する電力が太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１からの出力電圧が、電源装置２の電圧と略等しくなることを説明し、そのことから、電源装置２の電圧を太陽電池１の最大電力を取り出す際の電圧Ｖｐと略同等にしておけば、太陽電池１の発電電力を無駄にすることなく使用できることを説明する。

（負荷４の消費する電力が太1陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１からの出力電圧が、電源装置２の電圧と略等しくなることの説明）
本実施例において、負荷４の構成については、電源装置２の供給電圧から、太陽電池１における太陽光発電の最大電圧までの範囲の電圧で使用できる機器（負荷４）であることが前提となる。

しかして、当該負荷４の具体的構成例を図１３に示す。現在流通している多くの電化製品は、ユニバーサル電源（ＡＣ１００〜２４０Ｖ）に対応しており、供給電圧・周波数の異なる多くの国でそのまま使用できるようになっている。これは、図１３のように、内部で整流し、電圧変換回路１８によって、負荷４が必要とする電圧にして利用するようになっていることによる。

電圧変換回路１８で適正な電圧に調整するので、本来、負荷４が必要とする電圧に関わらず、入力する電源は、広い範囲での電圧を使用することができる。また、最初に整流回路６で整流されるので、交流電源でも直流電源でも同様に使用することができる。このことから、現在流通している多くの電気製品は、電圧範囲を条件に合わせれば、本発明をそのまま実施することができるのである。

電源装置２の構成例を図２に示す。電源装置２は、商用電源５を整流回路６で整流し、平滑回路７で平滑したものを使用することができる。

単相３線の電源を使う場合は、図１９で示されるように電源装置２を構成することができ、この場合は、中世線を対地アースとすることで、安全性を高めることができる。また、電源装置２は、「商用電源と水力発電による電力合成した電源」など、他の複数のエネルギーと合成したものを電源装置２として使用することも可能である。

直流電力合成装置３の構成例を図３に示す。直流電力合成装置３は、例えば、逆流防止装置８を備えた回路で構成することができる。そして、逆流防止装置８は、ダイオード、サイリスタ、ＦＥＴ、トランジスタなどを使用して構成される。

前記直流電力合成装置３により、太陽電池１の出力と、この電源装置２の出力とが合成され、負荷４へと供給される。ここで、電源装置２からの出力は充分大きな電力が供給できるものとし、電流を流しても電圧が下がらないものとする。

太陽電池１の出力電圧は、無負荷の場合、太陽電池１の特性によって決まる最大電圧まで上昇する。しかし、負荷４の消費電力が大きくなると、太陽電池１の出力電圧は低下するが、図１の構成において、電源装置２から充分な電力が供給されるため、太陽電池１の出力電圧は電源装置２の電圧より下がることはない。

従って、図１において、負荷４の消費する電力が、太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１の出力電圧は、電源装置２の電圧（電源電圧）と略同じ電圧で平衡状態に達するのである。繰り返すようであるが、負荷４の消費電力が大きくなると、太陽電池１の出力電圧は低下していくが、電源装置２から充分な電力が供給されるため、太陽電池１の出力電圧は電源装置２の電圧より下がることはないからである。

かかる事実、すなわち、「負荷４の消費する電力が、太陽電池１からの電力より大きい場合、太陽電池１の出力電圧は、電源装置２の電圧（電源電圧）と同じ電圧で平衡状態に達する。」との事実を考慮し、「太陽電池１からの出力電圧が、ある特定の電圧（図４におけるＶｐ、最大電力点）になったとき、太陽電池１の特性により、太陽電池１の最大電力を取り出すことができる。」とのことを考慮して、電源装置２の電圧を、太陽電池１の最大電力を取り出せる電圧Ｖｐとすることにより、太陽電池１の発電電力を無駄なく取り出すことができたのである。

そして、前述したように、負荷４に使用する装置は、電源電圧〜太陽電池１の最大電圧までの電圧範囲で使用される。すなわち、負荷４の一定範囲の電圧の変動が許容されているので、前記の電源装置２で設定される電圧が、前記許容された一定の範囲内に収まれば、本発明は、きわめて簡単な構成によって適切な電力供給を可能とすることが出来る。

前記したように、本発明は、負荷４の消費電力が太陽電池１の発電電力より等しいか大きいときに、太陽電池１を最大電力点で動作するようにするものである。太陽電池１の最大電力点は、図４に示す様に、太陽電池１からの出力電圧がＶｐであるときである。

太陽電池１の出力電圧は、負荷４の消費電力が発電電力より大きいときは、先に述べたように、電源装置２の電圧と略等しくなる。従って、Ｖｐがわかっている場合、電源装置２の電圧をＶｐと略同等とすることで、太陽電池１を最大電力点で動作させることができるのである。

以下、具体例を示して説明する。

図１において、太陽電池１に充分な光が当たっていて、このときの太陽電池１の最大出力動作電圧、すなわちＶｐは１４０Ｖ、開放電圧は１７２Ｖであったとする。
このとき、電源装置２の電圧を１４０Ｖとする。太陽電池１の出力電圧は、無負荷であれば、１７２Ｖまで上昇するが、負荷がかかると、出力電圧は低下する。

太陽電池１で発電している電力より、負荷４の消費電力のほうが大きい場合は、太陽電池１で出力電力を賄いきれないので、出力電圧は低下する。しかし、電源装置２から充分な量の電力が供給されるので、直流電力合成装置３から出力される電圧は、１４０Ｖとなる。また、このとき、太陽電池１の出力電圧も１４０Ｖとなるのである。ここで、この出力電圧140Ｖは、太陽電池１の最大出力動作電圧Ｖｐに等しいので、太陽電池１の最大電力が得られることになる。

一方、太陽電池１の発電電力よりも、負荷４の消費電力が小さい場合は、直流電力合成装置３から出力される電圧は、電源装置２の電圧１４０Ｖよりも高い電圧となる。負荷の消費電力が０であるとき、最も電圧は高くなり、このときの電圧は太陽電池１の開放電圧１７２Ｖとなる。負荷の消費電力が０より大きく、太陽電池１の発電量よりも小さい場合は、出力電圧は、１４０Ｖ〜１７２Ｖの間の範囲となる。表にすると、次のようになる。

従って、
太陽電池１の発電電力＞負荷４の消費電力
となっているときは、負荷４の消費電力が小さすぎるので、電力が余っている状態である。このときは、太陽電池１を最大効率で稼働させることはできない。

しかし、
太陽電池１の発電電力≦負荷の消費電力
のときは、太陽電池１の出力電圧は、電源装置２の電圧によって決まるので、電源装置２の電圧を太陽電池１の電圧Ｖｐとすることで、太陽電池１を最大電力点で動作させることができるのである。

なお、使用する負荷４は、前述したように、１４０〜１７２Ｖの範囲の直流電源で使えるものでなければならない。

次に、太陽電池１の最大電力点となる電圧Ｖｐを求める方法について述べる。
最大電力点追従方法
太陽電池から得られる電力は、図４に示される性質を持っている。すなわち、太陽電池から電力を取り出すときの太陽電池の電圧によって、得られる電力が決まる。図４におけるＶｐの電圧になったとき、太陽電池から最大の電力をとりだすことができる。

図９に、実際にパワーコンディショナーに接続した太陽電池の電圧（太線・実測値）と、Ｖｐの電圧（点線）を示す（太陽電池は４枚を直列接続して使用、公称最大出力電圧の合計は123.84V）。
これによると、パワーコンディショナーによる追従では、電圧が激しく変動していることがわかる。しかし、Ｖｐはもっとなだらかであり、時間を通して変化は少なく、１２１〜１２３Ｖの範囲を推移していることがわかる。

図１において、太陽電池１による発電電力＜負荷電力の場合、太陽電池１だけの電力だけでは不足するため、電源装置２から不足分の電力が供給される。このとき、負荷４の電圧は、電源装置２の電圧で平衡状態になる。このとき、太陽電池１の電圧も同じ電圧となる。したがって、電源装置２の電圧が太陽電池１の電圧となる。太陽電池１の電圧が決まると、太陽電池１から供給される電力は、図４から求めることができる。

ここで、電源装置２の電圧をＶｐとすることで、太陽電池１の出力電圧もＶｐとなる。このとき、図４の特性から、太陽電池１の最大電力を取り出せることがわかる。

太陽光発電によって得られる電力は、日照量によって変化する。また、負荷で消費する電力も、電力の利用状況により変化する（図１２）。パワーコンディショナーは、太陽電池から流す電流を調整することで、太陽電池から電力を得るときの電圧を調整するが、太陽電池の発電電力（電圧および電流）は、天候によって変化し、また、取り出すときの電流によっても電圧が変化する。一方、負荷に流す電流も、負荷の消費電力によって変化する。また、パワーコンディショナーの場合、負荷が交流であるため、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚを周期とする変動も存在する。このように、複数の状態（入力状況、負荷状況）が変化する場合の制御は非常に複雑である。

一方、本発明によると、太陽電池１の電圧は、電源装置２の電圧と一致するため、電源装置２の電圧を調整するだけでよく、簡単に制御することができる。

山登り法

従来から多くのパワーコンディショナーで使用されている山登り法は、太陽電池から電力を取り出すときの電圧を変動させて、そのときの電力値を測定し、フィードバックすることにより最大電力点に近づける方法である。本システムにおいては、電源装置２の電圧が太陽電池１の出力電圧に等しくなるので、電源装置２の電圧を変動させることで、同様に従来法を利用することができる。

図５に、電圧を変更できる電源装置（可変電圧電源装置９）を使用した構成例を示す。太陽電池１から得られる電力を電力計で測定し、これが最大になるように可変電圧電源装置９の出力電圧を調整する。

図６、図７に、可変電圧電源装置の構成例を示す。図６は、スイッチング電源を利用した回路である。あまり精度を必要としない場合は、図７のように、トランス（オートトランス）のタップをリレーあるいは接点などで機械的に切り替えて電圧を段階的に設定することも可能である。

固定電圧法

ＪＩＳで規定される特定の条件（AM（エアマス）1.5、放射照度1000W、モジュール温度25度）における、太陽電池の最大電力となる電圧（すなわち、公称最大出力動作電圧）およびそのときの電流、電力の情報は、太陽電池メーカーにより提供されている。

最大電力点となる電圧は、一日を通して大きくは変動しないことから、電源装置の電圧を、この公称最大出力動作電圧の値に固定することで、一日を通じ、ほぼ最大出力に近い電力を取り出すことが可能である。この方法では、山登り法などの最大電力点追従方式よりは効率が落ちるが、システムの構成がきわめてシンプルであり、設備コストを大幅に削減できるという利点がある。また、構成が単純なため、故障の可能性も少なくなり、メンテナンスコストも削減できる。

テーブル法

太陽電池の最大電力動作電圧Ｖｐは、環境条件（照度、温度）によって変化する。逆に、照度・温度が決まれば、太陽電池の最大電力動作電圧が決まることになる。

そこで、あらかじめ、あらゆる照度および温度において、太陽電池の最大電力動作電圧を調べておき、表（テーブル）を作成しておく。使用時に、照度および温度を調べ、あらかじめ作成した表より、その条件における最大電力動作電圧を求めることができる。このようにすると、山登り法などのような探索を行うことなく最大電力動作電圧を求めることができる。

自己学習法

上記テーブル法において、あらかじめ表（テーブル）を作成するのは大変である。そこで、テーブル法と山登り法を組み合わせた「自己学習法」により、その手間を解消することができる。

すなわち、まず山登り法により最大電力動作電圧を求める。最大電力動作電圧が決まったら、そのときの温度および照度を記録しておく。以後、運用時の温度および照度の条件が、記録にある温度および照度の条件と同じになった場合は、この記録から最大電力動作電圧を求めることができる。したがって、山登り法を行うことなく、記録から、その時点での最大電力動作電圧を求めることができるのである。

このときに使用する表のデータは、多ければ多いほど、最大電力動作電圧のできる頻度が増える。そして、ある程度のデータ数が得られれば、表にない部分についても、得られているデータをもとに補間することができる。この場合、データ数が多ければ多いほど、推定の精度が向上することになる。

テーブルは、定期的に少しずつ更新していくことで、経年変化や使用環境の変化による変動にも対応できるようになる。

関数法

最大電力動作電圧は、温度および照度の関数と考えることができる。

上記の自己学習法において、充分な数のデータが得られれば、その関数を推定することができる。関数ができれば、あらゆる条件において、瞬時に最大電力動作電圧を推定することが可能である。

以上のようにして、図１の電源装置２（または図５の可変電圧電源装置９）の電圧を、太陽電池１の最大電力点Ｖｐとすることで、太陽電池１から最大電力を取り出すことができるのである。

本発明は、電気製品の内部に組み込むことも可能である。

本発明の第２実施例を図１４に示す。
交流を利用する電気製品３０は、一般的に、内部に整流回路６を持ち、電圧変換回路１８（フライバック方式などによる電圧変換回路、力率改善回路を含む場合もある）によって必要な直流電圧にした後、負荷４に供給される。

ここで、電圧変換回路１８の出力と負荷４の間に、直流電力合成装置３を入れ、ここで太陽電池１からの電力を、前記電圧変換回路１８により直流の電圧にされた電力と合成することで、容易に太陽電池１のエネルギーを利用できるようになる。

すなわち、図１４の整流回路６および電圧変換回路１８が図１の電源装置２（または図５の可変電圧電源装置９）の役割を果たすことになる。電圧変換回路１８の出力電圧を、太陽電池１の最大電力点となるように調整することで、太陽電池１の最大の電力を取り出すことができる。また、ここで電圧変換回路１８の部分に力率改善回路を使用している場合についても、力率改善回路の動作を変更することで、同様の効果を得ることが可能である。図２１に示す例のように、力率改善回路２３は、スイッチング電源回路と同様の構造をしているため、電圧変換回路としての動作と力率改善回路としての動作を兼用することが可能である。

そして、本実施例が使用可能である条件は、先に説明した実施例１と同様、直流電力合成装置２の出力電圧範囲は電圧変換回路１８の出力電圧から太陽電池の最大電圧（開放電圧）の間の電圧範囲をもつので、負荷４はこの範囲の電源に対応するものが要求される。

尚、前述した実施例と同様に、太陽電池１の最大電力点の追従については、電圧変換回路１８の出力電圧を調整することで実現可能である。

ここで、直流用の電気製品３０に関しては、整流回路６が不要となるが、この場合でも、電圧変換回路１８を持つ場合は、この出力と負荷の間に直流電力合成装置を入れることで、同様の動作をさせることができる（図１５）。

なお、負荷の電圧の制約がある場合などは、図２２のように、太陽電池１および直流電力合成装置３を、電圧変換回路１８の前に入れることも可能である。この場合は、電圧の詳細な制御ができないため、最大の効率は得られない場合があるが、簡易に太陽電池１の電力を利用することができる。

尚、図２０に示すように、負荷４と直流電力合成装置３の間に電圧変換回路１８を入れることで、電気製品３０内で直流合成を行い、太陽電池１の電力を一定の電圧の範囲内で取り込むようにすることができる。この場合は太陽電池１の電圧を電圧変換回路１８によって調整できるので、太陽電池１を最大電力点で動作させることができる。

この場合は、負荷４が所定の電圧変動（太陽電池１のとりうる最大電圧から、直流電力合成装置３の前段の電圧変換回路１８の出力電圧までの間の電圧）内で使用できることになり、すなわち、負荷４の一定範囲の電圧の変動が許容されることとなり、もって電源装置２で設定される電圧が、前記許容された一定の範囲内に収まれば、実施例１の場合と同様に、きわめて簡単な構成によって適切な電力供給を可能とすることが出来るのである。

太陽電池１の発電しうる電力よりも、負荷４の消費電力が小さい場合、この差は余剰電力となり、無駄になってしまう。しかし、太陽電池１の部分に、蓄電池を追加することで、余剰電力を有効利用することが可能となる。

この場合の構成例を図１６に示す。
図５の例に、蓄電池２０と充放電制御装置２１を追加した構成となっている。

太陽電池１の発電電力＞負荷４の消費電力
であるとき、太陽電池１の電圧は、可変電圧電源装置９の電圧より高い電圧となる。そこで、可変電圧電源装置９と太陽電池１の電圧の差を検出し、これが０になるように、太陽電池１から電力を取り出し、蓄電池２０を充電する。

太陽電池１の出力電力が低下した場合は、蓄電池２０からの電力を供給することで、余剰電力を有効利用することができる。

なお、可変電圧電源装置９の制御については、可変電圧電源装置９と太陽電池１の電圧の差が０になるように制御されるので、図５の場合と同様に制御することが可能である。

充放電制御装置２１について、図１７に構成例を示す。
充放電制御回路４０は、太陽電池１側の電圧計４１と電源装置２側の電圧計４２の電圧値を比較し、太陽電池１側の電圧が高い場合は充電回路４３を動作させ、太陽電池１側の電圧が低い場合は、放電回路４４を動作させ、二つの電圧が同じになるように調整する。

太陽電池１の入力において、太陽電池１と同等の性質を持つ電源であれば、複数の電力を入力することができるようにすることができる。１つの電源を追加し、電源装置２、太陽電池１、追加電源２２の３つの電源を使用する例を図１８に示す。

ここで、「太陽電池１と同等の性質を持つ」ということは、追加電源２２が、次の条件を満たすことを意味している。

・最大電力点となる電圧が太陽電池１と等しい
・最大電圧が負荷４の対応できる電圧内であること
・電力特性が図４に示されるような曲線であり、山がひとつであること
（極大点が二か所以上存在しないこと）
この条件を満たす場合、太陽電池１において、また、追加電源２２においても、最大電力となる電圧はひとつであり、同じ制御で電力を利用することができる。また、同じ条件を満たす電源であれば、２個以上追加することも可能である。

１ 太陽電池
２ 電源装置
３ 直流電力合成装置
４ 負荷
５ 商用電源
６ 整流回路
７ 平滑回路
８ 逆流防止装置
９ 可変電圧電源装置
１０ 電力計
１１ 制御装置
１２ スイッチング電源回路
１３ オートトランス
１４ タップ切り替え装置
１５ 電圧変換装置
１６ インバーター
１７ 逆流防止ダイオード
１８ 電圧変換回路
１９ 負荷
２０ 蓄電池
２１ 充放電制御装置
２２ 追加電源
２３ 力率改善回路
２４ 直流電力網
２５ 電力利用システム
３０ 電気製品
４０ 充放電制御回路
４１ 電圧計
４２ 電圧計
４３ 充電回路
４４ 放電回路

Claims (5)

1. 太陽光電源装置と、太陽光電源装置以外の電源装置と、該電源装置からの電力を合成する電力合成装置と、該電力合成装置で合成された電力が入力される負荷とを備え、
   前記負荷の消費電力が、前記太陽光電源装置の発電電力と略等しいかそれよりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置の電圧値を前記検出した電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記複数の電源装置からの電力を電力合成装置で合成し、合成した電力を負荷へ電力供給する、
   ことを特徴とした太陽光発電用電力供給システム。
   
2. 太陽光電源装置と、太陽光電源装置以外の電源装置と、該電源装置からの電力を合成する電力合成装置と、該電力合成装置で合成された電力が入力される負荷とを備え、
   前記負荷の消費電力が、前記太陽光電源装置の発電電力と略等しいかそれよりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置の電圧値を前記検出した電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記複数の電源装置からの電力を電力合成装置で合成し、合成した電力を負荷へ電力供給してなり、
   前記負荷は、太陽光電源装置以外の電源装置で設定された出力電圧から太陽光電源装置の最大電圧までの範囲の直流で使用可能な負荷である、
   ことを特徴とした太陽光発電用電力供給システム。
   
3. 前記太陽光電源装置以外の電源装置には、複数の自然エネルギーによる発電電源装置が含まれる、
   ことを特徴とした請求項１または請求項２記載の太陽光発電用電力供給システム。
   
4. 前記負荷には、電圧変換回路を有する負荷が使用され、
   前記電圧変換回路と負荷の間に、電力合成装置と該電力合成装置に繋がる太陽光電源装置とを追加し、太陽光電源装置からの電力と前記電力変換回路を通過する太陽光電源装置以外の電力とを電力合成装置で合成し、合成した電力を負荷へ電力供給する、
   ことを特徴とした請求項１記載の太陽光発電用電力供給システム。
   
5. 前記負荷には、電圧変換回路を有する負荷が使用され、
   前記電圧変換回路と負荷の間に、電力合成装置と該電力合成装置に繋がる太陽光電源装置と、前記電力合成装置に繋がる第２の電圧変換回路とを追加し、太陽光電源装置からの電力と前記電力変換回路を通過する太陽光電源装置以外の電力とを電力合成装置で合成し、合成した電力を負荷へ電力供給してなり、
   前記負荷を、太陽光電源装置以外の電源装置で設定された出力電圧から太陽光電源装置の最大電圧までの範囲の直流で使用可能な負荷とした、
   ことを特徴とした請求項２記載の太陽光発電用電力供給システム。

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