JP2018061309A - 可搬型太陽光発電給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】可搬型太陽光発電給電システムにおいて、システム全体の可搬性を確保しながらシステム全体の電力変換効率の向上を図ることである。
【解決手段】可搬型太陽光発電給電システム１０は、装置の質量１ｋｇ当り１５Ｗ以上の直流電力の出力を可能とする球状シリコン型の太陽電池１２と、１台の電力変換装置１４と、１台の蓄電装置１６とを備える。電力変換装置１４は、太陽電池１２を最大出力動作電圧の下で発電させる最大電力点追従部５０と、蓄電装置の直流出力電圧を所定の昇圧電圧に昇圧するスイッチングレギュレータ５２と、スイッチングレギュレータ５２の直流出力電力を所定の正弦波交流電力に変換する直流交流コンバータ５４とを一体化して含む。スイッチングレギュレータ５２には炭化珪素ショットキーバリアダイオード、直流交流コンバータ５４には炭化珪素ＭＯＳＦＥＴが用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、可搬型太陽光発電給電システムに係り、発電機能と給電機能が可搬型の１つのシステムにまとめられた可搬型太陽光発電給電システムに関する。

太陽光発電は無尽蔵でクリーンなエネルギー源として実用化されつつあるが、現在の太陽電池は、据置型を前提として適当な強度を有する構造であるので、装置の質量が大きい。また、太陽電池で発電されるのは直流電力であるので、これを商用交流電力に変換して出力するには電力変換装置が必要であるが、電力変換装置の電力変換効率が低いと、せっかく発電した太陽光エネルギーを十分に利用できない。

特許文献１には、可搬型太陽光発電給電システムとして、装置の質量１ｋｇ当り１５Ｗ以上の直流電力の出力を可能とする球状シリコン型の太陽電池を用い、直流電力を正弦波交流電力に変換する直流交流電力変換装置を備える構成が開示されている。ここで、直流交流電力変換装置は、スイッチングトランジスタとして、Ｎチャネル型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを用いている。

特開２０１６−０８２７９３号公報

東日本大震災等を契機として、緊急時に被災地等に配置できる可搬型の太陽光発電給電システムが要望されている。また、南アジアやアフリカの無電化人口は１２億人であり、ランプ等に使用される灯油やロウソク等に年間約３兆円が費やされ、小型可搬型の安定自立電源が求められている。従来、太陽電池と、これに用いられる電力変換装置とは個別の技術として発展してきている。例えば、可搬性に優れる球状シリコン型の太陽電池と、従来の電力変換装置とを単に組み合わせても、電力変換装置の電力変換効率が低いと、せっかく発電した太陽光エネルギーを十分に利用できず、緊急時の対策として不十分なものとなる。また、現在の市販の太陽電池システムには、太陽光の日射量が変化しても太陽電池を最大出力動作電圧の下で発電させる最大電力点追従機能を備えるものが多いが、電力変換装置と別に最大電力点追従機能を有する装置を設けると、太陽光発電給電システムの可搬性が低下する。

本発明の目的は、太陽光エネルギーによって発電し、これを交流電力に変換して給電するシステムについて、システム全体の可搬性を確保しながら、システム全体の電力変換効率の向上を図ることができる可搬型太陽光発電給電システムを提供することである。

本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムは、装置の質量１ｋｇ当り１５Ｗ以上の直流電力の出力を可能とする薄型軽量のフレームに支持された球状シリコン型の太陽電池と、１台の電力変換装置と、１台の蓄電装置とを備える可搬型太陽光発電給電システムであって、電力変換装置は、太陽電池と蓄電装置との間に設けられ、太陽電池を最大出力動作電圧の下で発電させる最大電力点追従部と、蓄電装置の直流出力電圧を所定の昇圧電圧に昇圧するスイッチングレギュレータと、スイッチングレギュレータの直流出力電力を所定の正弦波交流電力に変換する直流交流コンバータと、を一体化して含むことを特徴とする。

本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、スイッチングレギュレータは、動作周波数が１００ｋＨｚ以上であるスイッチングトランジスタと、フェライトコアを用いるトランスと、炭化珪素ショットキーバリアダイオードと、を有することが好ましい。

本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、直流交流コンバータは、動作周波数が１００ｋＨｚ以上である炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを有することが好ましい。

本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、最大電力点追従部は、スイッチングレギュレータよりも高い所定動作周波数で動作する最大電力点追従回路を有し、最大電力動作点の電圧を蓄電装置の端子間電圧に降圧するためのインダクタは所定動作周波数で動作することが好ましい。

本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、電力変換装置は、キャパシタとして、積層セラミックコンデンサと、フラットパック型のアルミ電解コンデンサとを用いることが好ましい。

本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、電力変換装置は、他の構成を同じとして、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのみを同等のゲート閾値電圧を有するＳｉＭＯＳＦＥＴに置き替えたときに比べ、スイッチングレギュレータ及び直流交流コンバータを合わせた電力変換効率が３％以上向上する動作範囲を有する。

上記構成の可搬型太陽光発電給電システムは、装置の質量１ｋｇ当り１５Ｗ以上の直流電力の出力を可能とする薄型軽量のフレームに支持された球状シリコン型の太陽電池を備える。装置の質量１ｋｇ当り１５Ｗ以上の太陽電池は、従来市販されている据置型の太陽電池パネルに比べ、装置の質量１ｋｇ当りの発電電力が約２倍であるので、可搬性が向上する。

また、本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムは、蓄電装置を備えるので、太陽光の日射量が変動することで太陽電池の発電電力が変動しても、一旦蓄電装置に蓄電し、そこから負荷に電力を出力できるので、安定した電力供給が可能となる。また、電力変換装置は、太陽電池の発電電力をいきなり交流電力に変換せずに、最大電力点追従部とスイッチングレギュレータを介する。最大電力点追従部を介することで、太陽電池を最大出力動作電圧で発電させて光発電の最大効率化を図ることができる。また、スイッチングレギュレータを用いることで昇圧回路の小型化が図れるので、可搬型太陽光発電給電システムの可搬性がさらに向上する。

また、本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおけるスイッチングレギュレータは、動作周波数が１００ｋＨｚ以上であるスイッチングトランジスタを用いる。トランスは、動作周波数が高周波になるほど小型化でき、コア材として高周波で損失の少ないフェライトを用いることができ、インダクタ電流のリップルも小さくできる。また、炭化珪素ショットキーバリアダイオードを用いることで、順バイアス状態から逆バイアス状態に切り替わるときの逆回復時間ｔｒｒをＳｉダイオードに比べて大幅に少なくできるので、ダイオードにおける損失を削減でき、高効率化が図れる。

また、本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、直流交流コンバータは、動作周波数が１００ｋＨｚ以上である炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを有する。炭化珪素ＭＯＳＦＥＴは、ＳｉＭＯＳＦＥＴに比べて、単位面積当たりのオン抵抗が格段に小さいので、小型化、高周波化ができ、スイッチング損失も少なく、特別な冷却装置が不要になる。

また、本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、最大電力点追従部は、スイッチングレギュレータよりも高い所定動作周波数で動作する最大電力点追従回路を有する。動作周波数が高くなることで、太陽電池の最大出力動作電圧と蓄電装置の端子間電圧との間の降圧に用いるインダクタを小型化できる。

また、本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、キャパシタとして、積層セラミックコンデンサと、フラットパック型のアルミ電解コンデンサとを用いる。動作周波数が高くなると、キャパシタも小型化できる。積層セラミックコンデンサは、アルミ電解コンデンサやタンタル電解コンデンサに比べ、等価直列抵抗ＥＳＲや等価直列インダクタンスが小さいので、高い動作周波数の使用に適している。積層セラミックコンデンサでは限界のある高容量では、アルミ電解コンデンサを用いることになるが、フラットパック型を用いることで、薄型化が図れる。

本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、電力変換装置は、他の構成を同じとして、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのみをＳｉＭＯＳＦＥＴに置き替えたときに比べ、電力変換効率が３％以上向上する動作範囲を有する。通常の電力変換装置の最大変換効率は８３％程度であるので、電力変換効率における向上可能な範囲は約１７％である。その中での３％以上の向上は、向上可能な範囲の約２０％近い改善に相当する。

本発明に係る実施の形態の可搬型太陽光発電給電システムの構成図である。図１（ａ）は、全体図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ部分の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 本発明に係る実施の形態の可搬型太陽光発電給電システムで用いた球状シリコン型の単体太陽電池と、市販の据置型太陽電池との間の仕様比較図である。 本発明に係る実施の形態の可搬型太陽光発電給電システムにおける電力変換装置と蓄電装置とについて、斜視図と共に外形寸法と質量とをまとめた図である。 本発明に係る実施の形態の可搬型太陽光発電給電システムにおける電力変換装置の回路構成図である。 本発明に係る実施の形態の可搬型太陽光発電給電システムにおける電力変換装置のカバーを外して内部の各要素の配置を示す図である。 本発明に係る実施の形態の可搬型太陽光発電給電システムにおける電力変換装置の主要な構成要素のメーカ、寸法、動作周波数を含む仕様等をまとめた図である。 太陽光の日射量の一日における変動の一例を示す図である。 本発明に係る実施の形態の可搬型太陽光発電給電システムにおいて、一定の負荷の下での一日に渡る電力変換効率の変化を調べた結果を示す図である。 本発明に係る実施の形態の可搬型太陽光発電給電システムにおいて、負荷を変化させたときの電力変換効率を、直流交流コンバータにＳｉＭＯＳＦＥＴを用いた場合と比較した結果を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、特定のメーカの太陽電池、蓄電装置、炭化珪素ショットキーバリアダイオード、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ等を述べるが、これらは、説明のための例示であって、同等の仕様を有するものであれば、これら以外のメーカのものであっても構わない。

以下で述べる形状、寸法、個数、電流、電圧、電力等は例示であって、可搬型太陽光発電給電システムの仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において、対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、可搬型太陽光発電給電システム１０の構成図である。図１（ａ）は全体の構成を示す図で、（ｂ）は（ａ）におけるＢ部分の拡大図、（ｃ）は（ｂ）におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。以下では、可搬型太陽光発電給電システム１０を、特に断らない限り、システム１０と呼ぶ。

可搬型太陽光発電給電システム１０は、商用電源の供給を受けることができない場所に一時的に搬入して設置し、このシステム１０のみで商用交流電力と同等の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで実効値が１００Ｖの正弦波交流電力を給電することができるシステムである。このシステム１０のみで、とは、例えば自家発電機のように燃料等を要することがない、との意味である。このような場所の例としては、震災等で一時的に商用交流電力の供給が不可能になった被災地や、商用電源線が敷設されていない高地や僻地、南アジアやアフリカの一地域等が挙げられる。

可搬型とは、自動車やヘリコプタ等の移動装置に積載して、このシステム１０の全体をそのまま運搬でき、場合によっては、いくつかの部分に分けて、人力で運搬できることを意味する。

システム１０は、太陽電池１２と、電力変換装置１４と、蓄電装置１６と、これらを互いに電気的に接続する電力線１８と、図示しないが、これらの要素を目的地に設置するための複数の設置具で構成される。設置具の例としては、折り畳み式の架台等である。負荷２０は、システム１０が供給する正弦波交流電力によって動作する機器等で、図１では、負荷２０の例として照明装置を図示した。

太陽電池１２は、装置の質量１ｋｇ当り１５Ｗ以上の直流電力の出力を可能とする薄型軽量のフレーム３０に支持された球状シリコン型の太陽電池パネルである。図１では、４つの球状シリコン型の単体太陽電池１３が電力線１８によって並列接続され、１つの太陽電池１２を構成する。図２に、球状シリコン型の単体太陽電池１３の代表的仕様を示す。比較例として、市販されている据置型の太陽電池の代表的仕様も示す。球状シリコン型の単体太陽電池１３としては、クリーンベンチャー２１社の型式ＣＶＦＭ−０５４０Ｔ２−ＷＨを示し、市販されている据置型の太陽電池としては、シャープ社の多結晶シリコンを用いた型式ＮＤ−１４２ＣＵを示す。シャープ社のこの太陽電池は自家発電用で、例えば、家屋の屋根に据付設置して用いられる。

図２に示されるように、球状シリコン型の単体太陽電池１３は、市販の据置型太陽電池に比べ、際立って相違する点が２つある。１つは、厚さが４ｍｍで、市販の据置型太陽電池の厚さ４６ｍｍの１／１２であり、手で撓ませることができる。これは、市販の据置型の太陽電池が厚いガラスで受光面側の保護がなされているのに対し、球状シリコン型の単体太陽電池１３はガラスレスで済むからである。もう１つは、厚さが薄いことによって、単位質量当たりの発電電力が多いことである。最大定格出力／質量で比較すると、球状シリコン型の単体太陽電池１３は、５４Ｗ／２．２ｋｇで、１ｋｇ当り１５Ｗ以上の２９．５Ｗである。これに対し、市販の据置型の太陽電池は、１４２Ｗ／１４．５ｋｇで、１ｋｇ当り９．８Ｗである。つまり、単位質量当たりで比較すると、球状シリコン型の単体太陽電池１３は、市販の据置型の太陽電池の約２〜３倍の最大定格出力を有する。この相違から、球状シリコン型の単体太陽電池１３が市販の据置型太陽電池に比べ可搬性に優れていることが分かる。また、球状シリコン型の単体太陽電池１３の質量は２．２ｋｇであるので、人力で容易に運搬できるが、市販の据置型太陽電池は、１つの質量が１４．５ｋｇであり、人力での運搬があまり容易ではない。

図１に戻り、図１（ｂ），（ｃ）を用いて、球状シリコン型の単体太陽電池１３が薄型と軽量の特徴を有する理由となっている球状シリコン型の光電変換部分の構造を説明する。図１（ａ）に示すように、球状シリコン型の単体太陽電池１３は、複数の太陽電池ブロック３２が互いに直列及び並列に接続され、これらがフレーム３０によって外形が保持される構造を有する。

図１（ｂ）は、（ａ）におけるＢ部分についての受光面側の拡大図である。球状シリコン型の単体太陽電池１３の太陽電池ブロック３２は、直径が約１ｍｍの球状シリコン３４が、六角形の輪郭線を有する凹部３６の底部に固定されたものを１つの光電変換素子として、これを２次元平面上で多数配置したものである。六角形の互いに平行な輪郭線の間の間隔は約２．３ｍｍである。凹部３６は、底部に球状シリコン３４を安定して固定する機能と共に、入射される太陽光を反射して球状シリコン３４に集光させる機能を有する。複数の凹部３６の外側底面は、図示しない適当な絶縁層を介し、アルミニウム板等で構成されるフレーム３０によって支持される。

図１（ｃ）は、（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。１つの球状シリコン３４は、コア部分がＰ型シリコン４０で、その外周面を覆うシェル部分がＮ型シリコン４２で、この２つの間のＰＮ接合によって太陽光エネルギーが電気エネルギーに変換される。凹部３６は、絶縁層４４を介して外面側の導電層４６がＰ型シリコン４０に電気的に接続して一方側の電極とされ、内面側の導電層４８がＮ型シリコン４２に電気的に接続して他方側の電極となる。図１（ｃ）の例では、複数の球状シリコン３４における各導電層４６が互いに接続され、各導電層４８も互いに接続されるので、複数の球状シリコン３４による複数の光電変換素子が互いに並列に接続される。

このように、球状シリコン型の単体太陽電池１３においては、複数の凹部３６がその内面に入射した太陽光を球状シリコン３４に集光する機能を有しているので、市販の据置型の太陽電池のように厚い保護ガラスを特に必要としない。フレーム３０は複数の凹部３６の集合体を単に支持することで足りるので、薄いアルミニウム板等で構成でき、軽量で可撓性を有する太陽電池とできる。

図１に戻り、システム１０は、球状シリコン型の太陽電池１２と、電力変換装置１４と蓄電装置１６とを備える。以下では、球状シリコン型の太陽電池１２を、特に断らない限り、太陽電池１２と呼ぶ。電力変換装置１４は、端子２１，２２によって太陽電池１２の電力線１８に接続され、端子２３，２４によって蓄電装置１６の端子２５，２６と接続され、端子２７，２８によって負荷２０に接続される。電力変換装置１４は、太陽電池１２と蓄電装置１６との間に設けられ、太陽電池１２を最大出力動作電圧の下で発電させる最大電力点追従部５０を含む。電力変換装置１４は、さらに、蓄電装置１６の直流出力電圧を所定の昇圧電圧に昇圧するスイッチングレギュレータ５２と、スイッチングレギュレータ５２の直流出力電力を所定の正弦波交流電力に変換する直流交流コンバータ５４とを含む。

蓄電装置１６は、電力変換装置１４の最大電力点追従部５０の出力側に接続され、最大出力動作電圧の下で発電された電力を蓄電装置１６の端子間電圧に降圧した直流電力を受け取って蓄電し、必要に応じ、電力変換装置１４側に放電する二次電池である。

図３は、電力変換装置１４と蓄電装置１６とについて、斜視図と共に外形寸法と質量と仕様とをまとめた図である。

電力変換装置１４は、１つの薄型の金属筐体内に全体が収納され、外形は、２５０ｍｍ×１８０ｍｍ×２８ｍｍで、体積が約１，２６０ｃｍ³、質量は約１．３ｋｇである。斜視図には、３つの同軸端子が示されているが、図３の紙面上において左側から、太陽電池１２に接続される端子２１，２２、蓄電装置１６に接続される端子２３，２４、負荷２０に接続される端子２７，２８である。図３に示す電力変換装置１４の仕様は、公称仕様で、図２で述べた太陽電池１２の仕様よりもやや広めの内容となっている。

蓄電装置１６は、端子間電圧が標準で約４．９３Ｖの単位電池を３つ直列接続して、公称端子間電圧を約１４．８Ｖとした１台のリチウムイオン電池で、外形は、１８０ｍｍ×７５ｍｍ×１６５ｍｍで、質量は約２．７５ｋｇである。

システム１０は、図２で述べた球状シリコン型の単体太陽電池１３を４つ並列に接続した太陽電池１２と、１台の電力変換装置１４と、１台の蓄電装置１６とで基本的に構成される。参考として、本実施の形態のシステム１０の原型に相当する特許文献１の可搬型太陽光発電給電システムは、図２で述べた球状シリコン型の単体太陽電池４台と、１台の直流交流電力変換装置とで構成され、蓄電装置はオプションである。特許文献１の直流交流電力変換装置は、本実施の形態の直流交流コンバータ５４に相当する機能を有し、その外形は、１４７ｍｍ×１８２ｍｍ×１１０ｍｍで、体積が約２，９４０ｃｍ³で、質量は約１．３ｋｇである。特許文献１の直流交流電力変換装置に比較すると、本実施の形態のシステム１０における電力変換装置１４は、最大電力点追従部５０と、スイッチングレギュレータ５２とをさらに含みながら、体積が約１，２６０ｃｍ³と、小型化されている。なお、特許文献１では開示されていないが、その動作周波数は約２７ｋＨｚである。以下では、電力変換装置１４の小型化の内容について、図４から図６を用いて、詳細に説明する。

図４は、電力変換装置１４の回路構成図であり、図５は、図３で示した電力変換装置１４の斜視図において、カバーを外したときの筐体内部の各要素の配置を示す図である。図５では、紙面上で筐体の下辺側に左側から右側に向かって、端子２１，２２、端子２３，２４、端子２７，２８が順に配置される。これに対応して、筐体の内部では、左辺側から右辺側に向かって、最大電力点追従部５０、スイッチングレギュレータ５２、直流交流コンバータ５４が配置される。図６は、電力変換装置１４の主要な構成要素のメーカ、寸法、動作周波数を含む仕様等をまとめた図である。

電力変換装置１４に含まれる最大電力点追従部５０は、第１制御回路６０と、２つのＮチャネル型ＳｉＭＯＳＦＥＴ６２，６４と、第１インダクタ６６とを含む。第１制御回路６０は、太陽電池１２を最大出力動作電圧の下で発電させる働きを有する回路である。図２に示すように、太陽電池１２は、開放電圧が２０．５Ｖであるが、最大定格のときの出力電圧である最大出力動作電圧Ｖ_pmは１６．２Ｖである。太陽電池１２は、この最大出力動作電圧Ｖ_pmで動作させると、最大定格の出力である最大出力Ｐ_maxを出力でき、発電効率が最大となる。一方で、太陽電池１２に接続される蓄電装置１６の端子間電圧の標準は１４．８Ｖである。太陽電池１２をそのまま蓄電装置１６に接続すると、太陽電池１２の出力電圧が１４．８Ｖとなって、最大出力動作電圧Ｖ_pmの１６．２Ｖより低くなり、最大出力Ｐ_maxを出力できない。第１制御回路６０は、太陽光の日射量が変動しても、太陽電池１２の動作電圧が最大出力動作電圧Ｖ_pmの１６．２Ｖに維持するようにし、さらに、１６．２Ｖの電圧を有する発電電力を、蓄電装置１６の端子間電圧１４．８Ｖを有する直流電力に変換する。第１制御回路６０は、２つのＮチャネル型ＳｉＭＯＳＦＥＴ６２，６４と、第１インダクタ６６を用いて、この２つの働きを行う最大電力点追従回路である。

かかる第１制御回路６０としては、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）と呼ばれる機能を有する市販の集積回路の中から、太陽電池１２と蓄電装置１６の仕様に適したものを用いることができる。ここでは、テキサスインスツルメント社の型式ＮＱ２４６５０ＲＶＡＴを用いる。ＮＱ２４６５０ＲＶＡＴは、表面実装用のフラットパック型で、外形は、３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×０．９５ｍｍであり、動作周波数は６００ｋＨｚである。この動作周波数は、後述するスイッチングレギュレータ５２の動作周波数２００ｋＨｚ、直流交流コンバータ５４の動作周波数１００ｋＨｚよりも高い周波数である。

第１制御回路６０の動作周波数が６００ｋＨｚと高周波数であるので、第１インダクタ６６は、小型化が可能になる。ここでは、図５、図６に示すように、第１インダクタ６６として、Ｖｉｓｈａｙ社製のインダクタを用いる。外形が２５ｍｍ×２５ｍｍ×１４ｍｍであり、インダクタンスは、３．３μＨ、定格電流は３５Ａである。

スイッチングレギュレータ５２は、蓄電装置１６の直流出力電圧を所定の昇圧電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。スイッチングレギュレータ５２は、第２制御回路７０と、２つのＮチャネル型ＳｉＭＯＳＦＥＴ７２，７４と、トランス７６と、第２インダクタ７８と、４つの炭化珪素ショットキーバリアダイオード８０とを含む。炭化珪素はＳｉＣであるので、炭化珪素ショットキーバリアダイオードは、ＳｉＣショットキーバリアダイオードまたはＳｉＣＳＢＤと表記することもできる。ここでは、後述の炭化珪素ＭＯＳＦＥＴをＳｉＣＭＯＳＦＥＴと表記するとＣＭＯＳと混同するおそれがあることを考え、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴと横並びに「炭化珪素」ショットキーバリアダイオードと表記する。

第２制御回路７０は、所定の動作周波数のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を用いて２つのＮチャネル型ＳｉＭＯＳＦＥＴ７２，７４の動作を制御し、トランス７６によって、蓄電装置１６の端子間電圧を所定の直流電圧に昇圧する働きを有する。所定の直流電圧は、直流交流コンバータ５４の交流出力が実効値で１００Ｖであるので、その２^1/2の１４１Ｖに損失余裕を見込んだ１８０Ｖとする。

第２制御回路７０は、内部に動作周波数を２ＭＨｚまでの範囲で設定可能なコントローラを含む。ここでは動作周波数を２００ｋＨｚに設定する。動作周波数を２００ｋＨｚの高周波数とすることで、トランス７６は小型化が可能となり、またコア材に高周波動作において低損失のフェライトを用いることができる。ここでは、ＥＰＣＯＳ社のフェライトコアトランスを用いる。外形は、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１７ｍｍである。

第２インダクタ７８も動作周波数が２００ｋＨｚと高周波数であることから小型化が可能であるが、効率を損なわないように、配置スペースの許す限り、電流定格の大きいもの、インダクタンスが大きいものとする。電流定格が大きいと銅損が低減でき、インダクタンスが大きいと、Ｎチャネル型ＳｉＭＯＳＦＥＴ７２，７４のピーク電流を低減することができる。ここでは、ＥＰＣＯＳ社のフェライトコアインダクタを用いる。その外形は、１７ｍｍ×１７ｍｍ×６ｍｍである。

炭化珪素ショットキーバリアダイオード８０は、トランス７６で昇圧された交流を直流に戻す整流用ダイオードである。炭化珪素ショットキーバリアダイオード８０は、ＳｉショットキーバリアダイオードやＳｉ高速ＰＮ接合ダイオードに比較して、高耐圧が可能である。また、順バイアス状態から逆バイアス状態に切り替わるときに過渡電流が流れず、接合容量を放電するのに要する程度の小さい電流が流れるのみで、逆回復時間ｔｒｒが短くでき、損失が少ない。ここでは、ローム社の型式ＳＣ２１０ＡＪＴＬＬを用いる。外形は、１０ｍｍ（端子含むと１５ｍｍ）×９ｍｍ×４．５ｍｍである。耐圧は６５０Ｖ、定格電流は１０Ａ、ｔｒｒは１５ｎｓである。

直流交流コンバータ５４は、スイッチングレギュレータ５２によって所定の電圧に昇圧された直流電力を、実効値１００Ｖ、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力に変換するＤＣ／ＡＣコンバータである。５０Ｈｚまたは６０Ｈｚは、ユーザの設定によって選択可能である。直流交流コンバータ５４は、入力側に設けられる比較的大容量のアルミ電解コンデンサ８２と、第３制御回路８４と、４つのＮチャネル型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ８６と、２つの第３インダクタ８８と、フィルタ９０とを含む。

第３制御回路８４は、後述する測定点処理モニタ部５６から供給される正弦波信号を基準信号として、４つのＮチャネル型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ８６の動作を制御し、１８０Ｖの直流電力を実効値１００Ｖの正弦波信号に変換する。第３制御回路８４は、第２制御回路７０と同様に、内部に動作周波数を２ＭＨｚまでの範囲で設定可能なコントローラを含む。ここでは動作周波数を１００ｋＨｚに設定する。

電力変換装置１４における動作周波数は、最大電力点追従部５０で６００ｋＨｚ、スイッチングレギュレータ５２で２００ｋＨｚ、直流交流コンバータ５４で１００ｋＨｚである。動作周波数が高くなると、キャパシタも小型化できる。積層セラミックコンデンサは、アルミ電解コンデンサやタンタル電解コンデンサに比べ、等価直列抵抗ＥＳＲや等価直列インダクタンスが小さいので、高い動作周波数の使用に適している。そこで、電力変換装置１４におけるキャパシタとしては、積層セラミックコンデンサを用いる。スイッチングレギュレータ５２と直流交流コンバータ５４との間に設けられるキャパシタは、電力変換装置１４に用いられる他のコンデンサに比較して最も容量が大きく、積層セラミックコンデンサを用いるのがやや困難であり、アルミ電解コンデンサが適している。ここでは、Ｃｏｒｎｅｌｌ社のフラットパック型のアルミ電解コンデンサを用いる。外形は、７５ｍｍ×４５ｍｍと図５に示すようにかなりの面積を占めるが、厚さは１２ｍｍに収まる。容量は３３０μＦ、耐圧は４００Ｖである。

４つのＮチャネル型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ８６は、インバータ回路を形成し、第３制御回路８４によるＰＷＭ制御によって直流電力を交流電力に変換する。炭化珪素は、絶縁破壊電界強度がＳｉの１０倍程度高い。これにより、低い比抵抗、薄い膜厚のドリフト層で高い耐圧が実現できるので、同じ耐圧で比較すると、単位面積当たりのオン抵抗が小さいデバイスが可能である。一例を挙げると、耐圧９００Ｖにおいて、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ８６は、ＳｉＭＯＳＦＥＴの約（１／３５）のチップサイズで同じオン抵抗とできる。このように、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ８６はＳｉＭＯＳＦＥＴに比較して小型化が可能となり、接合容量やゲート容量も小さくできる。したがって、スイッチング速度も高速化でき、逆回復時間ｔｒｒも短く、損失も少ないので、特別な冷却手段を必要としない。ここでは、ローム社の型式ＳＣＴ２１２０ＡＦを用いる。外形は、１５ｍｍ（端子含むと２９ｍｍ）×１０ｍｍ×４．５ｍｍである。耐圧は６５０Ｖ、定格電流は２９Ａ、ｔｒｒは２０ｎｓである。

２つの第３インダクタ８８は、ＰＷＭ制御を用いて４つのＮチャネル型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ８６によって形成された波形を平滑化する素子である。ここでは、Ｂｏｕｒｎｓ社のトロイダルコイルを用いる。外形の直径は２８ｍｍ、高さは１４ｍｍである。インダクタンスは、４７０μＨ、定格電流は４．９Ａである。

フィルタ９０は、コアにコイルを巻いたチョークコイルを２つ用いたコモンモードノイズ除去フィルタである。効率向上のためには、定格電流が大きいほどが好ましい。ここでは、Ｐｕｌｓｅ Ｅｌｅｃｔ社製の表面実装型のコモンモードフィルタを用いる。外形は、１８ｍｍ×１６ｍｍ×８ｍｍで、インダクタンスは１．３２ｍＨ、定格電流は３．３Ａである。

電力変換装置１４は、最大電力点追従部５０と、スイッチングレギュレータ５２と、直流交流コンバータ５４の他に、これらの入出力の電圧及び電流をモニタし、外部に出力する測定点処理モニタ部５６を含む。測定点処理モニタ部５６は、ＣＰＵ５７と、処理済みのデータを外部に出力するＵＳＢ端子２９とを備える。また、測定点処理モニタ部５６は、直流交流コンバータ５４に対して、基準となる正弦波信号を出力するための信号源と、Ｄ／Ａコンバータを含む。なお、図４に示す評価用シャント箱５８は、複数の電圧を切り替えて出力させる場合等に用いられる。

測定点処理モニタ部５６に入力されるＰ_PVの２本は、太陽電池１２の出力電流と出力電圧の測定データ線で、太陽電池１２の出力電力Ｐ_PVの評価に用いられる。Ｐ_BATの２本は、蓄電装置１６の充放電電流と端子間電圧の測定データ線で、蓄電装置１６の充放電電力Ｐ_BATの評価に用いられる。Ｉ_INは、スイッチングレギュレータ５２の入力電流の測定データ線であり、Ｐ_DCDCの２本は、スイッチングレギュレータ５２の出力電流と出力電圧の測定データ線であり、これらは、スイッチングレギュレータ５２の出力電力Ｐ_DCDCの評価に用いられる。Ｐ_ACの２本は、直流交流コンバータ５４の出力電流と出力電圧の測定データ線で、直流交流コンバータ５４の出力電力Ｐ_ACの評価に用いられる。

図５、図６に示されるように、電力変換装置１４は、動作周波数を１００ｋＨｚ以上の高周波数とすることで、トランス７６、第１インダクタ６６、第２インダクタ７８、第３インダクタ８８、フィルタ９０のインダクタンスを低減でき、小型化となる。また、動作周波数を高周波化することで、アルミ電解コンデンサ８２及び積層セラミックコンデンサのキャパシタンスが低減でき、小型化となる。さらに、整流用ダイオードに炭化珪素ショットキーバリアダイオード８０を用い、直流交流コンバータ５４に炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ８６を用いることで、Ｓｉデバイスに比較して小型化でき、スイッチング損失、逆回復時間による損失を低減できる。図６に示す各素子の高さの最大値はトランス７６の１７ｍｍであって、電力変換装置１４の筐体の高さ２８ｍｍの内に十分納まる大きさで、これによって、可搬性が向上した電力変換装置１４が実現される。

図７は、電力変換装置１４の電力変換効率を求めた結果を示す図である。横軸は、電力変換装置１４の出力、すなわち、直流交流コンバータ５４の出力電力Ｐ_ACである。縦軸は、電力変換効率である。例えば、直流交流コンバータ５４のみの電力変換効率は、スイッチングレギュレータ５２の出力電力Ｐ_DCDCが直流交流コンバータ５４の入力電力であるので、｛電力変換効率（直流交流コンバータ）｝＝｛（Ｐ_AC／Ｐ_DCDC）×１００｝％と算出できる。また、スイッチングレギュレータ５２と直流交流コンバータ５４を合わせた電力変換効率は、｛（スイッチングレギュレータ５２の入力電流Ｉ_IN）×（蓄電装置１６の端子間電圧）｝を（スイッチングレギュレータ５２の入力電力）とする。これを用いて、｛電力変換効率（スイッチングレギュレータと直流交流コンバータ）｝＝［｛Ｐ_AC／（スイッチングレギュレータ５２の入力電力）｝×１００］％と算出できる。

図７は、縦軸に｛電力変換効率（スイッチングレギュレータと直流交流コンバータ）｝を取り、負荷２０として抵抗を接続し、抵抗の値を変化させて横軸のＰ_ACを変化させた。電力変換効率１００を実線で示す。例えば、Ｐ_AC＝６０Ｗのときの電力変換効率は８４．５％である。電力変換効率はＰ_AC＝１２０Ｗ前後で最高値の８６．５％となり、Ｐ_AC＝１５５Ｗでも８６％程度を維持する。この結果から、電力変換効率は、Ｐ_AC＝６０Ｗ〜１５５Ｗの広い範囲で８４．５％以上であることが分かる。

図７の一点鎖線は、直流交流コンバータ５４の４つの炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ８６を、同程度の閾値を有するＳｉＭＯＳＦＥＴに取り替え、その他の条件を同じとしたときの電力変換効率１０２を実験で求めた結果である。実線の電力変換効率１００と、一点鎖線の電力変換効率１０２の差は、約１．５％〜５％ある。特に、Ｐ_AC＝９０Ｗ〜１５５Ｗの広い動作範囲で３％以上ある。ＳｉＭＯＳＦＥＴを用いたときの電力変換効率１０２の最大値は、約８３％であるので、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ８６にすることで、残り１７％について３％以上が改善される。この改善は、向上可能な範囲の約２０％に相当する。

図８と図９は、実際に太陽電池１２に太陽光を当て、一日の各時間における電力変換効率の変化を測定した結果を示す図である。図８は、横軸に一日の時間を朝の９時５５分から夕方の１５時５５分に取り、縦軸は、太陽光の日射量として、太陽電池１２の単位面積当たりの日射量（ｋＷ／ｍ²）を取った。図９は、図８の日射量の下での電力変換効率の変化を示す図で、横軸は図８と同じ一日の時間である。図９の下段の図の縦軸は電力（Ｗ）であり、上段の図の縦軸は電力変換効率である。

図９における電力変換効率は、図７と同じくスイッチングレギュレータ５２と直流交流コンバータ５４を合わせた電力変換効率である。この電力変換効率を求めるときのスイッチングレギュレータ５２への入力電力は、｛（スイッチングレギュレータ５２の入力電流Ｉ_IN）×（蓄電装置１６の端子間電圧）｝である。最大電力点追従部５０の作用によれば、太陽電池１２は、動作電圧が最大出力動作電圧Ｖ_pmで発電し、出力電力はＰ_PVである。この出力電力は、蓄電装置１６の電圧に降圧されて蓄電装置１６を充電する。蓄電装置１６からは、（スイッチングレギュレータ５２の入力電流Ｉ_IN）が放電される。放電電力は、Ｐ_BATである。この関係から、（スイッチングレギュレータ５２の入力電力）＝（Ｐ_PV＋Ｐ_BAT）となる。換言すれば、Ｐ_ACが一定のときは、｛Ｐ_AC／（電力変換効率）｝が（スイッチングレギュレータ５２の入力電力）となるが、日射量が変動してＰ_PVのみでは不足のとき、その分を蓄電装置１６が放電する。したがって、（Ｐ_PV＋Ｐ_BAT）がスイッチングレギュレータ５２の入力電力となる。

図９の下段の図において、一日の時間によって変動する太線はＰ_PVを示し、図８の日射量の変動にほぼ対応している。一日の時間によって変動する細線はＰ_BATであり、破線は（Ｐ_PV＋Ｐ_BAT）で、一日を通し、約７１Ｗで一定となっている。これがスイッチングレギュレータ５２の入力電力に相当する。Ｐ_ACは、直流交流コンバータ５４の出力電力で、一日を通し一定の約６０Ｗである。この結果から、電力変換効率＝｛Ｐ_AC／（スイッチングレギュレータ５２の入力電力）｝＝（６０Ｗ／７１Ｗ）×１００％＝８４．５％となり、図７の結果と一致する。

図８、図９の結果から、図１の構成のシステム１０は、太陽光の日射量が一日を通して変動しても、負荷２０に対応して一定の電力変換効率で動作する。また、図７の結果から、負荷２０の広い変化に対応して、ＳｉＭＯＳＦＥＴを用いたシステムに比べ、電力変換効率が約３％以上向上する。また、図４から図５で述べたように、電力変換装置１４は、動作周波数の高周波化等によって小型化となり、可搬性が向上する。このようにして、可搬型太陽光発電給電システム１０は、システム全体の可搬性を確保しながら、システム全体の電力変換効率の向上を図ることができる。

１０ （可搬型太陽光発電給電）システム、１２ （球状シリコン型の）太陽電池、１３ 球状シリコン型の単体太陽電池、１４ 電力変換装置、１６ 蓄電装置、１８ 電力線、２０ 負荷、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８ 端子、２９ ＵＳＢ端子、３０ フレーム、３２ 太陽電池ブロック、３４ 球状シリコン、３６ 凹部、４０ Ｐ型シリコン、４２ Ｎ型シリコン、４４ 絶縁層、４６，４８ 導電層、５０ 最大電力点追従部、５２ スイッチングレギュレータ、５４ 直流交流コンバータ、５６ 測定点処理モニタ部、５７ ＣＰＵ、５８ 評価用シャント箱、６０ 第１制御回路、６２，６４，７２，７４ ＳｉＭＯＳＦＥＴ、６６ 第１インダクタ、７０ 第２制御回路、７６ トランス、７８ 第２インダクタ、８０ 炭化珪素ショットキーバリアダイオード、８２ アルミ電解コンデンサ、８４ 第３制御回路、８６ 炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ、８８ 第３インダクタ、９０ フィルタ、１００，１０２ 電力変換効率。

Claims (6)

1. 装置の質量１ｋｇ当り１５Ｗ以上の直流電力の出力を可能とする薄型軽量のフレームに支持された球状シリコン型の太陽電池と、１台の電力変換装置と、１台の蓄電装置とを備える可搬型太陽光発電給電システムであって、
   電力変換装置は、
   太陽電池と蓄電装置との間に設けられ、太陽電池を最大出力動作電圧の下で発電させる最大電力点追従部と、
   蓄電装置の直流出力電圧を所定の昇圧電圧に昇圧するスイッチングレギュレータと、
   スイッチングレギュレータの直流出力電力を所定の正弦波交流電力に変換する直流交流コンバータと、
   を一体化して含むことを特徴とする可搬型太陽光発電給電システム。
2. 請求項１に記載の可搬型太陽光発電給電システムにおいて、
   スイッチングレギュレータは、
   動作周波数が１００ｋＨｚ以上であるスイッチングトランジスタと、
   フェライトコアを用いるトランスと、
   炭化珪素ショットキーバリアダイオードと、
   を有することを特徴とする可搬型太陽光発電給電システム。
3. 請求項１に記載の可搬型太陽光発電給電システムにおいて、
   直流交流コンバータは、
   動作周波数が１００ｋＨｚ以上である炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを有することを特徴とする可搬型太陽光発電給電システム。
4. 請求項１に記載の可搬型太陽光発電給電システムにおいて、
   最大電力点追従部は、
   スイッチングレギュレータよりも高い所定動作周波数で動作する最大電力点追従回路を有し、
   最大電力動作点の電圧を蓄電装置の端子間電圧に降圧するためのインダクタは所定動作周波数で動作することを特徴とする可搬型太陽光発電給電システム。
5. 請求項１に記載の可搬型太陽光発電給電システムにおいて、
   電力変換装置は、
   キャパシタとして、積層セラミックコンデンサと、フラットパック型のアルミ電解コンデンサとを用いることを特徴とする可搬型太陽光発電給電システム。
6. 請求項１に記載の可搬型太陽光発電給電システムにおいて、
   電力変換装置は、
   他の構成を同じとして、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのみを同等のゲート閾値電圧を有するＳｉＭＯＳＦＥＴに置き替えたときに比べ、スイッチングレギュレータ及び直流交流コンバータを合わせた電力変換効率が３％以上向上する動作範囲を有することを特徴とする可搬型太陽光発電給電システム。

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