JP3585527B2 - 太陽光発電方法および太陽光発電モジュール - Google Patents
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Description
【産業上の利用分野】
この発明は太陽光発電方法および太陽光発電モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
太陽電池を家電品や更に大きい重電機等の電源として用いる場合は、太陽電池の出力を交流に変換したり高電圧に昇圧する必要がある。この場合、従来の太陽光発電方法では、電気学会太陽電池調査専門委員会編「太陽電池ハンドブック」電気学会259頁に示されるように、太陽電池で得られた直流電力を一旦蓄電池に蓄電し、これをインバータによって高電圧の交流電源に変換して用いている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような太陽光発電方法では、最大出力電力点で動作させることにより、太陽電池からの出力の最大値が得られるように調整したとしても、発電効率が良好ではない。
【0004】
この発明は上述の課題を解決するためになされたもので、発電効率が良好である太陽光発電方法、太陽光発電モジュールを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、この発明においては、太陽電池を用いて発電を行なう太陽光発電方法において、上記太陽電池の出力電流値を変動させ、上記出力電流値の変動の周期を、上記太陽電池を含む電気回路のCR時定数より長く、上記太陽電池の光電流発生層の電子担体の消滅時間より短くする。
【0006】
この場合、上記出力電流値のオン、オフを繰り返す。
【0007】
また、上記出力電流値を正弦波状に変動させる。
【0009】
また、上記出力電流値をスイッチを用いて変動させる。
【0010】
また、上記出力電流値を電流制御器を用いて変動させる。
【0011】
また、少なくとも2組の上記太陽電池を用いる。
【0012】
また、上記太陽電池からの交流電圧を変圧器を用いて変換する。
【0013】
また、上記太陽電池からの直流電力成分を絶縁器を用いて外部回路から遮断する。
【0014】
また、上記スイッチまたは上記電流制御器を信号発生器により制御する
この場合、上記信号発生器を無線信号により制御する。
【0015】
また、少なくとも1つ以上の太陽電池と、上記太陽電池の出力電流値を変動させるスイッチと、上記太陽電池からの交流電圧を変換する変圧器とを設け、上記出力電流値の変動の周期を、上記太陽電池を含む電気回路のCR時定数より長く、上記太陽電池の光電流発生層の電子担体の消滅時間より短くする。
【0016】
また、少なくとも1つ以上の太陽電池と、上記太陽電池の出力電流値を変動させる電流制御器と、上記太陽電池からの交流電圧を変換する変圧器とを設け、上記出力電流値の変動の周期を、上記太陽電池を含む電気回路のCR時定数より長く、上記太陽電池の光電流発生層の電子担体の消滅時間より短くする。
【0017】
これらの場合、上記変圧器に接続されたインバータを設ける。
【0018】
また、上記変圧器に接続されたコンデンサまたは蓄電池を設ける。
【0019】
また、上記スイッチまたは上記電流制御器を制御する信号発生器を設ける。
【0020】
【作用】
この太陽光発電方法、太陽光発電モジュールにおいては、出力電圧の平均値が直流動作時より高くなる。
【0021】
また、出力電流値の変動の周期を、太陽電池を含む電気回路のCR時定数より長く、太陽電池の光電流発生層の電子担体の消滅時間より短くしたときには、高い光電変換効率を得ることができる。
【0022】
【実施例】
図1はこの発明に係る太陽光発電方法を示す図である。図に示すように、太陽電池1と負荷2との間にスイッチ10が設けられている。
【0023】
この太陽光発電方法においては、スイッチ10を所定周期でオン、オフすると、交流電流を得ることができる。
【0024】
ところで、従来の直流発電方式では、図2に示すように、太陽電池1に入射した太陽光3によって発電した電流4を負荷2に流して消費する。この場合、負荷2の抵抗を変えることにより、図3に示す電流−電圧曲線のどの位置で動作させるかを選択することができる。通常は、最大電力点7で動作させることにより、太陽電池1からの出力の最大値が得られるように調整している。このときの出力は、短絡電流5と開放電圧6との積の約8割程度の電力を得ることができる。この電流−電圧曲線上の短絡電流5は太陽光3で単位時間当たりに生成される電荷量にほぼ等しい値を持つ。このような直流発電方式では太陽光3の強度が変化しない場合は、負荷2にかかる電圧および電流は一定である。
【0025】
これに対して、図1に示した太陽光発電方法では、図4に示すように、太陽電池1から電流8を一定時間流し、次に一定時間電流を遮断した場合、太陽電池1の電圧9はスイッチ10がオンの間にわずかに減少し、スイッチ10がオフの間に増加する。すなわち、スイッチ10が閉じている間は負荷2の抵抗値をR、太陽電池1の電圧をV、電流4をIとすると、I=V/Rとなる。この電流Iを直流方式での最大電力点7での最大電力電流Imの2倍とし、デューティー比50%でオン、オフを繰り返した。この結果、出力電圧9の平均は直流方式での最大電力電圧Vmより約20mV上昇した。また、出力電流8の平均は直流動作時の最大電力電流Imの2倍であるため、平均出力電力を直流方式で得られる最大電力より3%程度大きくすることができる。
【0026】
このような太陽光発電方法では、太陽電池1内で光生成された電子担体が一定時間放電せずに太陽電池1内に蓄積されるため、太陽電池1内のキャリヤ密度は直流動作時の最大電力点7や短絡電流5の状態より高く、ほぼ開放電圧6の状態でのキャリヤ密度に近くなっている。この状態で、電流を流すと、直流動作時の短絡電流5の2倍程度の電流であれば短時間はその電流を取り出すことができる。もちろん、この電流を取り出し続けると出力電流は短絡電流5まで減少する。そこで、電流の減少が小さいうちに再び回路をオフにして電流の取り出しを停止する。これを繰り返して交流電流を取り出すことができる。このときの太陽電池1内のキャリヤ密度の時間平均は、直流動作時のキャリヤ密度より高いため、出力電圧の平均値は直流動作時より高くなる。したがって、発電効率が良好である。また、直流−交流変換回路を省略することができる。
【0027】
図5はこの発明に係る他の太陽光発電方法を示す図である。図に示すように、太陽電池1と負荷2との間に電流制御器11が設けられている。
【0028】
この太陽光発電方法においては、電流制御器11を用いてオン時の電流を一定にして動作させることにより、さらに安定な交流発電を行なうことができる。また、電流制御器11を用いることにより、オン、オフの矩形波だけではなく、三角波や正弦波を作ることもできる。
【0029】
図6はこの発明に係る他の太陽発電方法を示す図である。この太陽発電方法においては、太陽電池1に複数のシリコン太陽電池を用いた。また、スイッチ10にはパワーMOSトランジスタを用いた。スイッチ10のゲートに矩形波の信号を入力することにより、矩形波をした電流4を得た。また、もう一対の太陽電池1およびスイッチ10を対称に配置し、このスイッチ10のゲートに他のスイッチ10のゲートに加えた信号の半周期ずれた信号を加える。これにより、変圧器12にはVから−Vまで変化する矩形波の交流電流を発生させることができる。
【0030】
この場合、ゲート信号の周波数は太陽電池1の電気容量Cが2.6μF、回路抵抗Rが0.4Ωであるため、CR=1.04e−6(秒)であり、これより長い周期を持つゲート信号、言い換えると周波数962kHzより小さい周波数を持つ信号を用いることが望ましい。また、本実施例に用いたシリコン太陽電池の光電流発生層の電子担体の消滅時間(キャリヤライフタイム)が300μsであるため、これより短い周期を持つゲート信号、言い換えると周波数3.3kHzより大きい周波数を持つ信号を用いることが望ましい。これらの3.3〜962kHzの間の信号を用いたところ、特に高い光電変換効率を得ることができた。このため、発電効率をさらに良好にすることができた。
【0031】
図7はこの発明に係る他の太陽発電方法を示す図である。この太陽発電方法においては、2組の太陽電池1とスイッチ10とを配置し、スイッチ10のゲートに半周期ずれた信号を与えることにより、変圧器12に交流電力を発生させた。その他の構成は図6に示した太陽発電方法と同様である。
【0032】
図8はこの発明に係る他の太陽発電方法を示す図である。この太陽発電方法においては、図6に示した回路を一体化して太陽光発電モジュール14を形成し、この高周波出力をインバータ13で50Hzまたは60Hzの交流電力に変換する。また、モジュール14内のスイッチには、矩形波ではなく半波状の正弦波を加え、モジュール14の出力を高周波の正弦波とすることにより、高周波ノイズの低減を図る。
【0033】
図9はこの発明に係る他の太陽発電方法を示す図である。この太陽発電方法においては、太陽光発電モジュール14の後段に電流整流器および蓄電器15を配置する。このように電流整流器および蓄電器15を用いることにより、複雑な電子回路を用いることなく簡便に高電圧の直流電源を得ることができる。
【0034】
図10は他の太陽発電方法を示す図である。この太陽発電方法においては、太陽電池1、蓄電池16、スイッチ回路および変圧器17を用いて交流電力を得ている。このように蓄電池16に一旦直流電力を蓄えることは、電池内蔵型モジュールとして既知の構成であるが、これにスイッチおよび変圧器17を内蔵させることにより、上記モジュールの直流電力が直接外部回路に流れるのを防止することができる。これは、実質的に直流成分を絶縁することのできる絶縁器例えば変圧器をモジュール内に具備することにより達成できる。この場合、変圧器は電圧を昇圧または降圧することなく単なる直流成分の絶縁器として動作させてもよい。これらのモジュールを実際に発電所に設置する場合には、スイッチに信号を送らなければモジュールからは電力が出力されないため、安全に設置することができる。また、設置後には各モジュールのスイッチに信号を送ることにより発電を開始することができる。また、各モジュールに送る信号の周期を合わせることにより、変圧器を共有したり、インバータを共有することができる。
【0035】
図11はこの発明に係る他の太陽発電方法を示す図である。この太陽発電方法においては、太陽電池1に複数のシリコン太陽電池を用いた。また、スイッチ10にはパワーMOSトランジスタを2個用いた。スイッチ10の数はパワーMOSトランジスタの容量と太陽電池1の最大発電量により適宜選べることは当然である。このパワーMOSトランジスタのゲートに矩形波の信号を入力するにあたり、電源18から電力供給を受けた信号発生回路19により極性の異なる2種の信号を生成し、この信号を同図のごとく2個のパワーMOSトランジスタそれぞれのゲートに印加する。電源18は外部から供給されたエネルギーでもよいが、本実施例では太陽電池によって作られたエネルギーを利用した。また、信号発生回路19は電源18のすぐ脇に設置し、モジュール内に組み込んだ。このような構成にしたことにより、配線引き回しの少ないシンプルな太陽電池システムにすることができた。本実施例においても図7に示した太陽発電方法と同様に、変圧器12にはVから−Vまで変化する矩形波の交流電流を発生させることができる。本実施例ではスイッチ10としてパワーMOSトランジスタを用いたが、電流制御器であってもよいことは明白である。
【0036】
図12はこの発明に係る他の太陽発電方法を示す図である。この太陽発電方法においては、信号発生回路19にアンテナ21および受信回路を設け、更に無線発信器20を太陽光発電モジュール外に設置した。その他の構成は図11に示した太陽発電方法と同様である。
【0037】
信号発生回路19の制御は、そのオン、オフや信号の周波数、同期制御などを外部から行なうことが必要となる場合がある。これらの制御を有線で行なうためには、太陽光発電装置からの出力を電送するケーブルの他に、制御信号用のケーブルを設置する必要がある。これに対し、本実施例のように無線で制御することにより、特に大規模な太陽光発電所においては発電装置の制御が容易になる。また、無線制御信号は空中を伝搬する信号のみならず、出力電送用のケーブルをアンテナ代わりにして伝搬する信号であってもよい。
【0038】
なお、上述実施例においては、太陽電池にシリコン太陽電池を用いて説明したが、これは他の半導体を用いた発電装置や、その他の原理を用いた発電装置でもよいことはいうまでもない。また、太陽電池、スイッチ、変圧器、インバータ、コンデンサ、蓄電池などは、モジュールに組み込んでも、外部に設置してもよく、それぞれの目的が達成される組み合わせで用いることができる。また、蓄電池の代わりに大容量のコンデンサを用いてもよい。さらに、スイッチには電流制限器を含むものとする。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る太陽光発電方法、太陽光発電モジュールにおいては、出力電圧の平均値が直流動作時より高くなるから、発電効率が良好である。
【0040】
また、出力電流値を正弦波状に変動させたときには、高周波ノイズの低減を図ることができる。
【0041】
また、出力電流値の変動の周期を、太陽電池を含む電気回路のCR時定数より長く、太陽電池の光電流発生層の電子担体の消滅時間より短くしたときには、高い光電変換効率を得ることができるから、発電効率がさらに良好である。
【0042】
また、出力電流値を電流制御器を用いて変動させたときには、三角波や正弦波を作ることができる。
【0043】
また、太陽電池からの直流電力成分を絶縁器を用いて外部回路から遮断したときには、安全性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る太陽光発電方法を示す図である。
【図2】従来の直流発電方式を示す図である。
【図3】図2に示した直流発電方式の電流−電圧曲線を示す図である。
【図4】図1に示した太陽光発電方法の動作説明図である。
【図5】この発明に係る他の太陽光発電方法を示す図である。
【図6】この発明に係る他の太陽光発電方法を示す図である。
【図7】この発明に係る他の太陽光発電方法を示す図である。
【図8】この発明に係る他の太陽光発電方法を示す図である。
【図9】この発明に係る他の太陽光発電方法を示す図である。
【図10】この発明に係る他の太陽光発電方法を示す図である。
【図11】この発明に係る他の太陽光発電方法を示す図である。
【図12】この発明に係る他の太陽光発電方法を示す図である。
【符号の説明】
1…太陽電池
2…負荷
3…太陽光
4…電流
5…短絡電流
6…開放電圧
7…最大電力点
8…電流
9…電圧
10…スイッチ
11…電流制御器
12…変圧器
13…インバータ
14…太陽光発電モジュール
15…電流整流器および蓄電池
16…蓄電池
17…スイッチおよび変圧器
18…電源
19…信号発生回路
20…無線発信器
21…アンテナ
Claims (15)
- 太陽電池を用いて発電を行なう太陽光発電方法において、上記太陽電池の出力電流値を変動させ、上記出力電流値の変動の周期を、上記太陽電池を含む電気回路のCR時定数より長く、上記太陽電池の光電流発生層の電子担体の消滅時間より短くすることを特徴とする太陽光発電方法。
- 上記出力電流値のオン、オフを繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電方法。
- 上記出力電流値を正弦波状に変動させることを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電方法。
- 上記出力電流値をスイッチを用いて変動させることを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電方法。
- 上記出力電流値を電流制御器を用いて変動させることを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電方法。
- 少なくとも2組の上記太陽電池を用いることを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電方法。
- 上記太陽電池からの交流電圧を変圧器を用いて変換することを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電方法。
- 上記太陽電池からの直流電力成分を絶縁器を用いて外部回路から遮断することを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電方法。
- 上記スイッチまたは上記電流制御器を信号発生器により制御することを特徴とする請求項4または5に記載の太陽光発電方法。
- 上記信号発生器を無線信号により制御することを特徴とする請求項9に記載の太陽光発電方法。
- 少なくとも1つ以上の太陽電池と、上記太陽電池の出力電流値を変動させるスイッチと、上記太陽電池からの交流電圧を変換する変圧器とを具備し、上記出力電流値の変動の周期を、上記太陽電池を含む電気回路のCR時定数より長く、上記太陽電池の光電流発生層の電子担体の消滅時間より短くしたことを特徴とする太陽光発電モジュール。
- 少なくとも1つ以上の太陽電池と、上記太陽電池の出力電流値を変動させる電流制御器と、上記太陽電池からの交流電圧を変換する変圧器とを具備し、上記出力電流値の変動の周期を、上記太陽電池を含む電気回路のCR時定数より長く、上記太陽電池の光電流発生層の電子担体の消滅時間より短くしたことを特徴とする太陽光発電モジュール。
- 上記変圧器に接続されたインバータを設けたことを特徴とする請求項11または12に記載の太陽光発電モジュール。
- 上記変圧器に接続されたコンデンサまたは蓄電池を設けたことを特徴とする請求項11または12に記載の太陽光発電モジュール。
- 上記スイッチまたは上記電流制御器を制御する信号発生器を設けたことを特徴とする請求項11または12に記載の太陽光発電モジュール。
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