JP2021035203A - 電力供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、太陽電池から電力を取り出すところの電圧を、太陽電池パネルあるいは蓄電池の切り替え機構を追加することなく、常に最大電力点の電圧に維持できる太陽電池の最大出力動作電圧を維持して電力供給できる電力供給装置を提供することを目的とする。
【解決手段】直流発電装置からの直流入力部1と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部2と、直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍を検出する最大電力点取得部4と、前記直流発電装置からの電力と直流充放電装置からの電力を合成する電力合成部3と、電力を負荷に対して供給する電力供給部5、を有する電力供給装置であって、前記充放電装置入出力部2と前記電力合成部3の間に充放電装置入出力部2と前記電力合成部3との双方向への電力流通を可能とする変換部6を有することを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、直流発電装置、例えば太陽電池と直流充放電装置、例えば蓄電池を使用して電力を供給する電力供給装置に係り、特に常に太陽電池の最大電力点を維持して電力を取り出せる電力供給装置に関するものである。
従来、交流電力を生成するパワーコンディショナーを使用した太陽光発電では、いわゆるMPPT(Maximum Power Point Tracking、最大電力点追従)の仕組みが、前記パワーコンディショナー内にあらかじめ組み込まれており、太陽電池が発電しうるほぼ最大の電力を随時取り出すことができる様構成されている。
しかしながら、従来、太陽光発電で得られる電力はもともと直流電力であり、該直流電力を一般に使用されている交流電力に変換するパワーコンディショナーを介在させることは、太陽電池システム全体のコストを高騰させるものであり、また直流電力を交流電力に変換する際の変換ロスは避けられないものであった。
しかして本件発明者らは特願2017−169034号の発明を創案し、交流電力に変換しないで、直流電力のまま利用することにより、交流電力への変換ロスを回避するシステムを開発した。
ただし、蓄電池をも利用しているため、蓄電池の電圧により太陽電池から電力を取り出すところの電圧が決定されてしまい、必ずしも太陽電池側において最大出力動作電圧にはならない場合が生じ、太陽電池側で発電した最大電力を取り出せないとの課題があった。
しかし、直流発電装置(例えば太陽電池)および直流充放電装置(例えば蓄電池)の直列数を変更することで、多少の電圧のずれはあるものの、前記発電装置および蓄電池の単位電圧の範囲内で最大出力動作電圧(最大電力点)に近い電圧にすることができ、直流・交流の変換がないため、必ずしも効率が悪いわけではない。さらに、DCDCコンバータによるパルス状の、あるいは鋸歯状の電圧変動が発生しないため、蓄電池への悪影響が少ないなどが確認されていた。
また、特許第4994476号では、補助太陽電池により、太陽電池の最大電力点を決定でき、他の電源の電圧調整装置により、太陽電池の最大電力を取り出すことができることが示されている。さらに、蓄電池の利用について示しているが、蓄電池使用時に太陽電池を最大電力点で動作させる方法については示していない。また、太陽電池の発電量と負荷の電力消費量によって、蓄電池をどのように使うべきか、ということについては開示されていないものであった。
特願2017−169034号 特許第4994476号公報
上記のように、太陽電池と蓄電池を利用する電力供給装置で、電圧変換を行わない場合、太陽電池から電力を取り出すところの電圧は、蓄電池によって決定される。蓄電池の電圧は、必ずしも太陽電池の最大出力動作電圧と一致しないため、蓄電池および太陽電池の直列数を変更することで最大電力点に近づけることは可能ではあるが、単位電圧(太陽電池パネル1枚あるいは蓄電池1台の電圧)以下のずれがある。
また、物理的に太陽電池パネルあるいは蓄電池の接続を切り替える機構が必要となり、太陽電池あるいは蓄電池の配線も増えることから、装置全体のコストが高くなってしまうという課題があった。
かくして、本発明は前記課題を解決するために創案されたものであり、太陽電池から電力を取り出すところの電圧を、太陽電池パネルあるいは蓄電池の切り替え機構を追加することなく、常に最大電力点の電圧に維持できる太陽電池の最大出力動作電圧を維持して電力供給できる電力供給装置を提供することを目的とするものである。
本発明は、
直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍を検出する最大電力点取得部と、前記直流発電装置からの電力と直流充放電装置からの電力を合成する電力合成部と、電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有する、
ことを特徴とし、
または、
前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部が動作を変更する、
ことを特徴とし、
または、
前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部の合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の合成部側の電圧を変更でき、該変更した値を前記変換部の合成部側の目標電圧とした、
ことを特徴とし、
または、
前記変換部の合成部側の目標電圧と前記直流充放電装置の電圧の和が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値になるように変換部で変更できる、
ことを特徴とし、
または、
前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給する電力より大きく、前記変換部が前記直流充放電装置への充電を行う動作を行う、
ことを特徴とし、
または、
前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給する電力より小さく、前記変換部が直流充放電装置側から前記直流充放電装置の電力を受けとって合成部側に電力を供給する
ことを特徴とし、
または、
前記直流発電装置の発電電圧が前記直流充放電装置の電圧より低く、前記変換部の合成部側の電圧を負の電圧とする、
ことを特徴とし、
または、
補助電源を有し、前記電力供給部へ供給する電力が、前記直流発電装置および前記直流充放電装置から供給できる電力で不足する場合、前記補助電源で補充できる、
ことを特徴とし、
または、
前記直流充放電装置の電圧が充電停止電圧を上回る場合は充電を停止し、前記直流充放電装置の電圧が放電停止電圧を下回る場合は放電を停止する、
ことを特徴とするものである。
本発明によれば、太陽電池から電力を取り出すところの電圧を、太陽電池パネルあるいは蓄電池の切り替え機構を追加することなく、常に最大電力点の電圧に維持することが可能となるとの優れた効果を奏する。
すなわち、変換部を追加する必要はあるが、太陽電池パネルあるいは蓄電池の切り替え機構を利用する場合に比べ、太陽電池との配線あるいは蓄電池の配線が簡単であり、設備コストが抑えられる。また、切り替え機構では、切り替えのタイミングで急激な電流または電圧の変化が発生するが、本発明では、このような急激な変化は起きないなど優れた特徴を持つ。また、変換部自身は、蓄電池電圧と太陽電池の最大出力動作電圧の差分の電圧を確保できればよいので、小さい電力の電源でよく、機器のコスト高騰への影響はない。
そして、本発明では、電力供給装置の出力電圧を所定の範囲内で調整することができる。太陽電池の最大電力点に対する制御を行わない場合、あるいは夜間など、太陽電池の最大電力点に対する制御が必要ない場合等は、負荷の要求に合わせて出力電圧を微調整することも可能である。
さらに、本発明により、出力電圧を所定の範囲で変更できるので、これにより蓄電池の放電を制限することも可能である。例えば、災害対策用に十数%程度の蓄電池容量分電力を残しておくような運用も可能となる。
本発明の構成を説明する構成説明図である。 最大出力動作電圧を説明する説明図である。 本発明の動作説明図(1)である。 本発明の動作説明図(2)である。 本発明の動作説明図(3)である。 本発明の動作説明図(4)である。 本発明の動作説明図(5)である。 本発明の動作説明図(6)である。 本発明の動作説明図(7)である。 変換部の構成説明図(1)である。 本発明の動作説明図(8)である。 本発明の動作説明図(9)である。 変換部の構成説明図(2)である。 本発明の動作説明図(10)である。 本発明の動作説明図(11)である。 変換部の構成説明図(3)である。 極性切替機の動作説明図である。 本発明の変形例の構成説明図である。 変形例の動作説明図である。
以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
図1のように、直流発電装置からの直流入力部1と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部2が電力合成部3を介して接続されている。
そして、前記直流発電装置の電力と直流充放電装置からの電力が直流入力部1と充放電装置入出力部2を介して電力合成部3で電力合成出来るよう構成されている。
次に符号4は直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍の値を検出する最大電力点取得部であり、該最大電力点取得部4において検出された直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍の値が取得される。
ここで、直流発電装置の最大電力点検出は、電力供給装置内の検出機器で行っても構わないし、電力供給装置外の検出機器により行っても構わない。符号5は直流発電装置の電力、あるいは直流充放電装置からの電力を負荷に対して供給する電力供給部である。
そして、前記充放電装置入出力部2と前記電力合成部3の間には、充放電装置入出力部2と前記電力合成部3との双方向へ電力流通が可能とされた変換部6が設けられ、これら直流入力部1、充放電装置入出力部2、電力合成部3、最大電力点取得部4、電力供給部5及び変換部6を有して電力供給装置が構成されている。
ここで、変換部6の合成部側入出力部7と充放電装置入出力部2とは直列に接続され、さらに前記電力合成部3に接続される。
尚、変換部6における充放電装置側の入出力部8は、充放電装置入出力部2から電源の入力を取れるものとされている。なお、変換部6の合成部側の入出力部7と充放電装置側の入出力部8とは絶縁されている。
また、電力合成部3のそれぞれの入力と出力は同じ電圧になるものとする。
ここで、直流発電装置、例えば太陽電池から直流入力部1を介して電力を取り出すところの電圧は、変換部6の電圧(Vdc)と、例えば蓄電池から充放電装置入出力部2を介しての電圧(Vbatt)の合計となる様構成されている。
そして、環境条件(パネル温度、日射量など)が与えられたとき、太陽電池から取り出せる電力は、太陽電池から電力を取り出すところの電圧によって決まる(図2)。この電力が最大になる点を「最大電力点」とし、このときの電圧を「最大出力動作電圧」とする。この電圧または近傍の電圧を最大電力点取得部4によって得られるものとする(例えば、環境条件の測定あるいは算出方法の誤差で理想値の±5%の精度となる場合は、最大出力動作電圧の±5%の誤差の範囲内の電圧が得られることになる)。
したがって、Vdc+Vbattが最大出力動作電圧になるように変換部6の出力電圧を設定することで、太陽電池から最大の電力が取り出せる様に構成できる。直流発電装置としては、各種太陽電池(シリコン、InGaAsやGaAs、CISなどの化合物系、有機化合物によるもの、単結晶多結晶問わず、また、それらを直列・並列に組み合わせたものでも構わない)が使用可能である。太陽電池以外の熱電発電素子などの直流発電装置も使用することができる。また、直流に変換できるのであれば、交流で発電するものであっても構わない。
充放電装置入出力部2に接続するものとしては、充電および放電が可能な二次電池であれば、各種リチウム蓄電池、鉛蓄電池、NAS電池、ニッケル水素電池など、種類を問わず利用可能であり、また、それらを直列・並列に組み合わせたものでも利用可能である。
直流発電装置として太陽電池を使う場合について説明する。
図3に、直流発電装置(太陽電池)を直流入力部1に接続し、出力電圧端である電力供給部5に負荷が接続され、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力の方が大きい状態(Ppv < Prl)の例を示す。
このとき、矢印で示されている方向に電力が供給されることになる。
図4に、太陽電池の発電電力の方が、負荷の消費電力より大きい状態(Ppv > Prl)の例を示す。
この場合は、太陽電池の発電電力が負荷に供給され、さらに余った分の電力が充放電装置(蓄電池)の充電に使われることになる。
このときも、太陽電池の最大出力動作電圧を維持しなければならないため、変換部6は同じ電圧を維持しなければならない(Vpv=Vdc+Vbatt)。しかし、変換部6の出力の電流の向きは、図3の場合と逆向きになる。
通常、直流の電源装置は、出力で流せる電流は一方方向にのみ流れるよう設定されている。しかし、本発明においては、双方向に入出力できる双方向性の変換部6を使用するものとしている。すなわち、変換部6において、図中変換部6の左側に位置する合成部側の入出力部7は発電電力の入力部ともなり、図中変換部6の右側に位置する充放電装置側の入出力部8は出力部ともなるのである。そして、変換部6における合成部側の入出力部7が一定の電圧となるように、合成部側の入出力部7から充放電装置側の入出力部8へと電力が供給されるのである。
該変換部6としては、例えば、スイッチング方式の双方向入出力部を有する電圧変換回路を使用することが考えられ、該変換部6を使用すれば、太陽電池の発電電力の損失を少なくすることができるものとなる。
図10に、変換部6の構成の一例を示す。これは、DAB(Dual Active Bridge)と呼ばれる回路から構成されており、双方向DC/DCコンバータの一種である。
図10において、E1,E2は電源の入力および出力となる端子を示している。
該変換部6の回路は、左右対称になっているので、E1およびE2はどちらが入力、どちらが出力になっても構わないよう構成されている。C1,C2はコンデンサ、L1,L2はリアクトル、T1はトランス、Q1〜Q8はFETを示す(なお、この図は概略構成例を示すためのものであり、Q1〜Q8を駆動するドライバ回路、電流・電圧の測定回路等は省略している)。
一般論として、E1側の端子に直流電源を接続し、E2側の端子に負荷を接続したとする。このとき、Q1〜Q8に入れるパルス信号により、E2側の電圧を自在に設定することができるのである(なお、直流電源は、負荷に充分な電力を供給できるものとする)。
一般的な変換部6は、E1を電圧入力部、E2を電圧出力部とした場合、E2が一定電圧になるようにQ1〜Q8に入れるパルス信号によって制御される。
本発明においては、図5に示すように、充電方向、放電方向により、変換部6の電力の向きが逆となる。この場合も、図10に示す変換部6の回路であれば対応可能である。なお、図5の矢印は電流の向きを表している。
図5の右側(放電方向)に示す状態であれば、通常の変換部6としての制御により、Vbattを電源として、Vdcに希望する電圧を出力することが可能である。
一方、図5の左側(充電方向)に示す状態になった場合は、放電方向とは逆向きに電流が流れることになる。入力と出力が逆になる。Vdcを電源とし、Vbatt側を出力としうる。ただし、このとき、出力側(Vbatt側)の電圧を一定に保つのではなく、入力側(Vdc側)の電圧を一定に保つように、Q1〜Q8に入れるパルス信号で制御する。
このようにすることで、充電方向においても、放電方向においても、希望の電圧を維持することが可能となる。
本発明においては、太陽電池の最大出力動作電圧と蓄電池の電圧により、変換部6の取るべき電圧が定まる。電圧が決定されたら、その電圧になるように変換部6を設定操作する。尚、変換部6全体の構成例を図13に示す。
図14では、該最大電力点取得部4として、コントローラ9を使う例を示す。太陽電池の電圧・電流を監視し、該コントローラ9により、最大電力点の値を取り出し変換部6に前記の電圧指示を送れる構成としてある。
ここで、前記コントローラ9は、本発明の電力供給装置内に設けてあっても構わないし、外部機器内に設けてあるものを使用しても構わない。あるいは、変換部6内に設けてあるコントローラ9でもかまわない。
このように、双方向入出力部を有する変換部6を用いることで、太陽電池の発電電力が負荷の消費電力よりも大きい場合も、太陽電池の発電電力が負荷の消費電力より小さい場合であっても、常時最大電力点の電圧を維持することができる。
なお、最大電力点は、動作時点で最大電力点である必要はなく、一般の太陽光発電における最大電力点追従(MPPT, Maximum Power Point Tracking)でよく使われる「山登り法」(Hill Climbing)と同様、ある目標電圧で動作させたときの太陽電池から取り出せる電力を調べたのち、異なる目標電圧を設定して動作させ、そのときの太陽電池からとれる電力を調べ、この電力が大きくなる電圧を選択していくことを繰り返して最大電力点に近づけていく方法でも構わない。
次に、図6に本発明の動作例を示す。
これは、図3と同様の条件、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力の方が大きい状態(Ppv < Prl)についての説明である。
蓄電池の電圧範囲を310V〜340V、太陽電池の最大出力動作電圧を350Vとする。
蓄電池の電圧が最大電圧の340Vであるとき、最大出力動作電圧との電圧の差は
350−340=10
となる。
変換部6の合成部側入出力部7の電圧を10Vとすることで、太陽電池の電圧Vpv=350Vとなり、最大出力動作電圧と等しくなるので、太陽電池の最大電力を取り出すことができる。
ここで、変換部6の合成部側入出力部7から10Aの電流が流れているものとすると、変換部6の合成部側入出力部7から出力される電力は100Wとなる。このとき、変換部6の充放電装置側入出力部8の入力電圧は340Vなので、入力電流は約0.3Aとなる。
蓄電池には、変換部6に供給する分と直列接続で流れる分の電流(10A+0.3A)が流れることになる。したがって、蓄電池から供給される電力は3.5kWとなる。
次に、蓄電池の電圧が下がった場合の例について説明する(図7)。
これも、図3と同様の条件、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力の方が大きい状態(Ppv < Prl)についての説明である。
蓄電池の電圧が最小電圧の310Vであった場合は、最大出力動作電圧との電圧の差は
350−310=40
となる。
このとき、変換部6の出力電圧を40Vとすることで、太陽電池の電圧Vpv=350Vとなり、太陽電池の最大電力を取り出すことができる。
ここで、変換部6の出力から10Aの電流が流れているものとすると、変換部6から出力される電力は400Wとなる(このとき、変換部6の入力電圧は310Vなので、入力電流は約1.29Aとなる)。
蓄電池からは、変換部6に供給する分と直列接続で流れる分の電流(10A+1.29A)が流れることになる。したがって、蓄電池から供給される電力は3.5kWとなる。
このように、蓄電池の電圧が変動しても、変換部6の動作により一定の電圧を維持することができることがわかる。また、変換部6の出力電圧は、蓄電池の電圧よりも小さくて済むため、変換部6自身も小電力用の変換部6で充分である。
この例では、蓄電池の電圧範囲が310〜340Vであり、このときに必要となる変換部6の電圧は10〜50Vであり、蓄電池の電圧の16%程度以下となっている。電力に換算すると、蓄電池から供給する電力3.5kWに対して、100〜400Wの電力となっている。
仮に、太陽電池が3.5kWの電力を発電する場合、従来のパワーコンディショナーでのMPPT設定については、定格容量が3.5kW以上、耐圧350V以上の大型のパワーコンディショナー装置が必要となるが、本発明で使用する変換部6であれば、定格容量が400Wの変換部6で済むことになる。また、変換部6の扱う電圧も、最大50Vで済むので、装置自身のコストも安くなる。
また、変換部6では、電力変換を行うため、電力ロスが存在するが、変換部6で扱う電力そのものが小さいため、電力ロスも小さなものとなる。
この例で示している3.5kWの太陽光発電を使用する場合、従来のパワーコンディショナーによるシステムでは、太陽光発電電力を取り出すところの電圧が最大出力動作電圧の350Vになるように制御して電力を取り出すが、このときの電力変換効率を95%とすると、損失は5%になるので、3.5kW×5%=175Wの損失となる。
一方、本発明の方法では、電力変換を行うのは変換部6のみであり、変換する電力は最大400Wなので、変換部6の電力変換効率を95%とした場合、400W×5%=20Wとなり、電力損失はわずか20Wで済むことになる。
次に、図11の動作例について説明する。
これは、図4と同様の条件、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力の方が小さい状態(Ppv > Prl)についての説明である(負荷の消費電力が少なく、余剰分は蓄電池に充電される状態)。
蓄電池の電圧範囲を310V〜340V、太陽電池の最大出力動作電圧を350Vとする。
蓄電池の電圧が最大電圧の340Vであるとき、最大出力動作電圧との電圧の差は
350−340=10
となる。
変換部6の合成部側入出力部7の電圧を10Vとすることで、太陽電池の電圧Vpv=350Vとなり、太陽電池の最大電力を取り出すことができる。
このとき、合成部側に10Aの電流が流れているものとすると、変換部6に入る電力は100Wとなる(このとき、変換部6の充放電装置側入出力部8の電圧は340Vなので、充放電装置側入出力部8から出る電流は約0.3Aとなる)。
蓄電池には、変換部6の充放電装置側入出力部8から入る分(0.3A)と、直接入る分(10A)の電流(10A+0.3A)が流れることになる。このとき、蓄電池に充電される電力は3.5kWとなる。
このように、太陽電池の発電電力に対し、負荷の消費電力が小さい場合(充電方向に電流が流れる場合)についても、変換部6の電圧を制御することで、問題なく動作することがわかる。
図12に、蓄電池の電圧が低い場合の例を示す。
蓄電池の電圧が最小電圧の310Vであるとすると、電圧の差分は
350−310=40
となる。
このとき、変換部6の合成部側入出力部7の電圧を40Vとすることで、太陽電池の電圧Vpv=350Vとなり、太陽電池の最大電力を取り出すことができる。
ここで、変換部6の合成部側入出力部7に10Aの電流が流れ込んでいるものとすると、変換部6の合成部側入出力部7に入る電力は400Wとなる(このとき、変換部6の充放電装置側入出力部8の電圧は310Vなので、充放電装置側入出力部8から蓄電池に流れる電流は約1.29Aとなる)。
蓄電池には、変換部6から来る分(1.29A)と直接入り込む分の電流(10A)の合計(11.29A)が流れることになる。したがって、蓄電池に充電される電力は3.5kWとなる。
次に、太陽電池の最大出力動作電圧が蓄電池の電圧より低い場合について説明する。
図15に示すように、太陽電池の最大出力動作電圧が300Vであり、蓄電池電圧が310Vだった場合、最大電力点で動作させるためには、変換部6の合成部側入出力部7を負の電圧(−10V)にしなければならない。
ここで、変換部6が負の電圧を出力できるならば、このような状態でも最大電力点で動作させることができることになる。
図16に、負の電圧出力に対応した変換部6の例を示す。
この例では、極性切替機10によって、出力の極性を切り替えることができる。極性切替機10の構成については、図17に例を示す。SW−AとSW−Bは連動して動作する。SW−AおよびSW−Bをストレート側に切り替えた場合、ストレート(反転しない)状態となり、SW−AおよびSW−Bをクロス側に切り替えた場合はクロス(反転)状態となる。
図15のように、太陽電池の最大出力動作電圧が蓄電池の電圧より低くなった場合は、変換部6の極性切替機10をクロス側に切り替え、合成部側入出力部7の設定電圧を10Vとすればよい。
Vpv=Vbatt+Vdc
=310−10
=300
このようにして、太陽電池の最大出力動作電圧が蓄電池電圧より低い場合についても対応することが可能である。
最大電力点の電圧は、環境の変化(パネル温度)に応じて変化する。ここまでは蓄電池電圧の変化に対する最大電力点の維持について説明してきたが、最大出力動作電圧が変化した場合も、蓄電池の電圧が変化した場合と同様にして調整することが可能である。
また、夜間など、太陽電池が発電しない状況か、あるいは発電可能な場合であっても、太陽電池の最大電力点追跡を必要としない場合には、出力電圧を、追加した変換部6の可変範囲において調整することが可能となる。電圧範囲の狭い負荷を使う場合等の対応も可能である。
商用電源等による補助電源がある場合には、蓄電池+変換部の電圧をその補助電源電圧以下にすることで、蓄電池からの出力を制限することができる。例えば、蓄電池の過放電を防ぐ場合や、災害時等のためにある程度蓄電池の残量を残しておきたい場合は、この手法を用いることもできる。
なお、最大出力動作電圧の決定に関しては、前述したとおり、その方法を限定しない。一般的に広く使われている山登り法、あるいは温度等の環境条件から最大出力動作電圧を計算する方法、温度等の環境条件と最大出力動作電圧との関係を数値のテーブルとして持たせる使い方を含め、利用可能である。
(太陽電池側に変換部6を入れる方法)
本発明では、蓄電池に変換部6を接続して電圧を調整するが、変換部6は太陽電池側に入れて使うこともできる。
図8に、太陽電池Vpv、変換部電圧Vdc、蓄電池電圧Vbattの関係を示す。なお、図には電圧の正負の向きを示すために、+と−の符号を入れている。
それぞれの電圧の関係を式で表現すると、
Vpv = Vbatt + Vdc
となる。
一方、太陽電池側に変換部6を入れた場合(図9参照)は、電圧の関係は下記の式のようになる。
Vpv − Vdc = Vbatt
変形すると、
Vpv = Vbatt + Vdc
となる。
これは、蓄電池側に変換部6を接続した場合の式と同じであり、このことから、変換部6を太陽電池側に接続した場合(図9)も変換部6の電圧により、太陽電池からの電力を取り出すところの電圧を調整することができることがわかる。
すでに説明したが、一般的に、太陽電池の最大電力点の電圧が蓄電池電圧よりも高い場合(Vpv>Vbatt)は、Vdcは正の値となるが、太陽電池の最大電力点の電圧が蓄電池電圧よりも低い場合(Vpv<Vbatt)は、Vdcを負の電圧とすることで、同様に最大電力点の電圧とすることができるのである。
また、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力が小さい場合、変換部6は蓄電池に充電する方向に電力を供給するように働き、逆に、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力が大きい場合は、変換部6は蓄電池から電力をもらい、放電する方向に電力を供給するように働くことも、先に説明したとおりである。この動作は、最大電力点の電圧と蓄電池の電圧の関係が逆転している場合であっても同様である。
本発明の変形例について説明する。
さらに、電源装置が追加されても構わない。
図18のように、補助電源11を追加することで、蓄電池の充電残量がなくなった場合に、補助電源11からの電力を供給することができるようになる。
蓄電池のとりうる電圧範囲が310〜340Vであり、補助電源11の電圧を310Vとする。このとき、蓄電池の残量がなくなり、電圧が310Vに低下すると、補助電源11から電力が供給されることになり、蓄電池の電圧低下を防ぐことができる。
なお、補助電源11の出力端に、補助電源11の出力電圧より高い電圧が加えられても、補助電源11に電流が逆流することがない構成の電源である場合は、図18の逆流防止機構を省略することができる。逆流防止機構は、ダイオードを使うことができるが、半導体スイッチなどを使い、逆方向に電流が流れる場合にはスイッチを切るようにしてもかまわない。
また、蓄電池の過充電・過放電防止のためには、満充電電圧になった場合に、変換部6を停止して充電を停止する、あるいは蓄電池残量がなくなった場合に変換部6を停止して放電を停止することができる。
図10に示す構成の変換部6を使用する場合は、Q1〜Q8をOFFの状態にすることで、変換部6に流れ込む電流、および変換部6から出る電流を0とすることができる。
図10と異なる構成、あるいはQ1〜Q8をOFFにできない場合を含め、使用する変換部6の特性により、このような制御ができない場合は、変換部6と蓄電池の経路のいずれかにスイッチを入れることができる。このスイッチにより、満充電電圧になった場合、あるいは蓄電池残量がなくなった場合にスイッチをOFFにすることで、過充電・過放電を防ぐことができる。
過充電・過放電防止スイッチ、あるいは変換部6の制御により過充電・過放電を防止する場合は、補助電源11の電圧を、蓄電池の最低電圧よりも低い電圧にしておくことができる。
補助電源11は、商用電源などの交流電源を直流に変換したものや、他の直流電源などを使うことができる。補助電源11に使用する電源として、水力発電など、直流入力部1に接続される電源からの電力供給がない場合(例えば、太陽光発電設備を接続している場合の夜間など)にも電力を供給できるものを使用することで、停電となる時間を短くする、あるいはなくすることが可能である。
1 直流入力部
2 充放電装置入出力部
3 電力合成部
4 最大電力点取得部
5 電力供給部
6 変換部
7 合成部側の入出力部
8 充放電装置側の入出力部
9 コントローラ
10 極性切替機
11 補助電源

Claims (9)

  1. 直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍を検出する最大電力点取得部と、前記直流発電装置からの電力と直流充放電装置からの電力を合成する電力合成部と、電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
    前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有する、
    ことを特徴とした電力供給装置。
  2. 前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部が動作を変更する、
    ことを特徴とする請求項1記載の電力供給装置。
  3. 前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部の合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の合成部側の電圧を変更でき、該変更した値を前記変換部の合成部側の目標電圧とした、
    ことを特徴とする請求項2記載の電力供給装置。
  4. 前記変換部の合成部側の目標電圧と前記直流充放電装置の電圧の和が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値になるように変換部で変更できる、
    ことを特徴とする請求項3記載の電力供給装置。
  5. 前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給する電力より大きく、前記変換部が前記直流充放電装置への充電を行う動作を行う、
    ことを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3または請求項4記載の電力供給装置。
  6. 前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給する電力より小さく、前記変換部が直流充放電装置側から前記直流充放電装置の電力を受けとって合成部側に電力を供給する
    ことを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3または請求項4記載の電力供給装置。
  7. 前記直流発電装置の発電電圧が前記直流充放電装置の電圧より低く、前記変換部の合成部側の電圧を負の電圧とする、
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項6記載の電力供給装置。
  8. 補助電源を有し、前記電力供給部へ供給する電力が、前記直流発電装置および前記直流充放電装置から供給できる電力で不足する場合、前記補助電源で補充できる、
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項7記載の電力供給装置。
  9. 前記直流充放電装置の電圧が充電停止電圧を上回る場合は充電を停止し、前記直流充放電装置の電圧が放電停止電圧を下回る場合は放電を停止する、
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項8記載の電力供給装置。

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