JP4587072B2

JP4587072B2 - 太陽電池モジュールの運転システムおよび運転方法

Info

Publication number: JP4587072B2
Application number: JP2005194660A
Authority: JP
Inventors: 伸二林
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-07-04
Also published as: JP2007013022A

Description

本発明は、負荷を直接駆動する太陽電池モジュールの運転システムおよび運転方法に関し、特に、太陽電池モジュールを日射強度に応じて効率良く運転する運転システムおよび運転方法に関するものである。

現在、太陽電池を用いた発電システムでは、太陽電池モジュール（または太陽電池アレイ）の直流出力をインバータによって交流電力に変換し、その電力を系統連携などに活用することが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
しかし、小型かつ軽量であることが要求される移動ロボット等のようなシステムにおいては、負荷を太陽電池モジュールの出力で直接駆動する必要がある。
特開平８−１８２３４３号公報

太陽電池モジュールの出力で負荷を直接駆動する場合には、負荷の抵抗値が電源となる太陽電池モジュールの最適内部抵抗の値と等しい時に、つまり、太陽電池モジュールと負荷とがインピーダンスマッチングしているときに該太陽電池モジュールが最大の電力を発生することになる。
しかし、太陽電池モジュールの最適内部抵抗の値と負荷の抵抗値とが一致するような場合はまれである。しかも、太陽電池モジュールの最適内部抵抗は、日射強度の変動に伴って変化する。このため、太陽電池モジュールに負荷を直接接続しても、該太陽電池モジュールを安定に動作させることはできない。

そこで、上記インピーダンスマッチングを実現する手段が必要となる。日射強度が一定であるという前提での、つまり、太陽電池の最適内部抵抗が一定であるという前提でのインピーダンスマッチングは比較的簡単に実現することができる。しかし、日射変動に対応できないこのようなインピーダンスマッチング技術は、実用性に欠けることになる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽電池モジュールで負荷を直接駆動する場合に、日射変動によらず太陽電池モジュールを常に最適動作させることができる太陽電池モジュールの運転システムおよび運転方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る太陽電池の運転システムは、太陽電池モジュールと負荷との間に挿入した可変インピーダンス素子としてのコンデンサと、日射強度を検出する日射強度検出手段と、前記日射強度に基づき、前記可変インピーダンス素子のインピーダンス値を該日射強度に逆比例するように変化させるインピーダンス制御手段と、を備えている。そして、前記インピーダンス制御手段は、前記太陽電池モジュールと負荷に対して前記コンデンサを選択的に接続して、前記コンデンサに充電と放電を行わせる切換スイッチと、前記日射強度をそれに比例した周波数に変換し、その周波数で前記切換スイッチを切換動作させるスイッチ制御手段と、を備える。

前記日射強度検出手段として、小面積太陽電池を使用することができる。その場合、この小面積太陽電池は、その光入射面が前記太陽電池モジュールの光入射面と一致するように設けることが好ましい。

本発明に係る太陽電池の運転方法方は、太陽電池モジュールと負荷との間に可変インピーダンス素子としてのコンデンサを挿入するステップと、日射強度を検出するステップと、前記日射強度に基づき、前記可変インピーダンス素子のインピーダンス値を該日射強度に逆比例するように変化させるステップと、を含む。そして、前記可変インピーダンス素子を日射強度に逆比例するように変化させるステップは、前記日射強度をそれに比例した周波数に変換するステップと、前記太陽電池モジュールと負荷に対して、前記比例した周波数で前記コンデンサを選択的に接続して該コンデンサに充電と放電を行わせるステップと、を含む。

本発明によれば、太陽電池モジュールで負荷を直接駆動する場合に、日射変動によらず太陽電池モジュールを常に最適動作させることができ、しかも、この太陽電池モジュールの最適動作を簡易かつ安価な手段を用いて実現することが可能である。したがって、移動ロボット等のようなシステムに直接電力を供給する手段として好適である。

太陽電池モジュールの最適内部抵抗は、後述するように，日射強度にほぼ逆比例する形態で変動する。そこで、太陽電池モジュールから最大の出力を得るためには、抵抗値が日射強度に逆比例する可変インピーダンス素子を太陽電池と負荷との間に挿入すればよいことになる。

図１は、上記の原理に従った本発明に係る太陽電池の運転システムの一実施形態を示す。
この太陽電池の運転システムは、太陽電池モジュール１と負荷２との間に挿入した切換スイッチ３と、可変インピーダンス素子としてのコンデンサ４と、日射強度を検出するセンサとしての小面積太陽電池５と、電流−周波数変換器（ＩＦＣ）６と、を備えている。

切換スイッチ３は、コンデンサ４を太陽電池モジュール１に並列接続させるスイッチ素子３ａと、コンデンサ４を負荷２に並列接続させるスイッチ素子３ｂとを有する。
電流−周波数変換器６は、日射強度に対応する小面積太陽電池５の出力電流をその電流の大きさに比例した周波数のパルス信号に変換するように構成されている。
小面積太陽電池５は、太陽電池モジュール１における日射強度を精度良く検出するため、その光入射面が太陽電池モジュール１の光入射面と一致するように設けられている。

この実施形態に係る太陽電池の運転システムにおいて、電流−周波数変換器６は、小面積太陽電池５によって検出される日射強度に対応した周波数のパルスを発生し、そのパルスによって切換スイッチ３のスイッチ素子３ａ，３ｂを交互にオンさせる。なお、この実施の形態では、切換スイッチ３として機械式リレーを使用しているが、耐久性を高めるために、ソリッドステートリレー等の半導体リレーを使用することも可能である。

上記スイッチ素子３ａがオンされているときには、太陽電池モジュール１の出力電流によりコンデンサ４が充電されるので、該コンデンサ４の端子電圧が上昇し、一方、上記スイッチ素子３ｂがオンされているときには、コンデンサ４の放電により負荷２に電流が供給されるので、該コンデンサ４の端子電圧が低下することになる。

このコンデンサ４の充電および放電は、電流−周波数変換器６におけるパルスの発生周期で繰り返されることになる。そして、ある日射強度下においては、上記コンデンサ４の充電時間と放電時間、つまり、スイッチ素子３ａ，３ｂのオン時間を等しくすることによって定常状態を維持する。
この定常状態においては、充電時の平均電流と放電時の平均電流とが等しくなる。そして、このとき、太陽電池モジュール１による充電電圧と負荷２に印加される放電電圧との間には差が生じる。このことは、等価的に見て、太陽電池モジュール１と負荷２との間に抵抗が存在することを意味する。この等価抵抗の値Ｒは、コンデンサ４の容量をＣ、電流−周波数変換器６が発生するパルスの周波数をｆとすると、Ｒ＝１／（Ｃ×ｆ）と表される。周波数ｆは、前記したように日射強度に比例する。したがって、上記等価抵抗の値Ｒは、日射強度に逆比例したインピーダンスの値を等価的に表していることになる。

太陽電池モジュール１の最適内部抵抗値をＲ_S、負荷２の抵抗値をＲ_Lとすると、太陽電池モジュール１を最適動作状態に保つためには、Ｒ_s＝Ｒ＋Ｒ_Lの関係が成立する必要がある。
太陽電池モジュール１の最適内部抵抗Ｒ_Sは、図２に例示するように、日射強度にほぼ逆比例する形態で変動するが、上記等価抵抗の値Ｒも日射強度に逆比例する形態で変動する。そこで、この実施の形態では、電流−周波数変換器６の電流−周波数変換係数とコンデンサ４の容量Ｃとを適宜に選定することによって上記したＲ_s＝Ｒ＋Ｒ_Lという関係を実現している。

上記実施の形態に係る太陽電池の運転システムによれば、最適内部抵抗値Ｒ_Sを有する太陽電池モジュール１のインピーダンスと、抵抗値（Ｒ＋Ｒ_L）を有する負荷インピーダンスとのマッチングを日射変動によらず実現することができるので、太陽電池モジュール１を最適動作させながら負荷２を駆動することが可能であり、しかも、少数の部品を用いて簡易かつ小型、軽量に、そして安価に構成することができる。それ故、この太陽電池の運転システムは、移動ロボット等のようなシステムに対する電力供給手段として最適である。

〔実施例〕
太陽電池モジュール１として、定格９６Ｗのアモルファス太陽電池モジュールを使用した。この太陽電池モジュール１の最適内部抵抗の日射強度依存性は、図２に示したとおりである。すなわち、この最適内部抵抗は、日射強度にほぼ逆比例する。
負荷２の抵抗値Ｒ_Lを１００Ω、コンデンサ４の容量Ｃを１μＦ、電流−周波数変換器６の電流−周波数変換係数を１．０６に設定した。この電流−周波数変換係数１．０６の設定下では、日射強度が１ｋｗ／ｍ²のときにおいて電流−周波数変換器６が周波数１．０６ｋＨｚのパルスを出力する。

図３は、日射強度が変動した時の負荷インピーダンスの変動、すなわち、コンデンサ４の切換接続に基づいて生じる等価抵抗の値Ｒと負荷２の抵抗値Ｒ_Lの合計値Ｒ＋Ｒ_Lの変動を示している。この図３において、丸印は、図２に示した最適内部抵抗を示している。上記丸印がほぼ実線ライン上に位置していることから明らかなように、上記最適内部抵抗の日射強度依存性と負荷インピーダンスの日射強度依存性は良く近似しているものの、厳密には一致せず、微妙なずれがある。

そこで、太陽電池モジュール１の実際の発生電力を該太陽電池モジュール１の最大電力の理論値と比較したところ、その差は０．１％未満であった。すなわち、上記電力差は実用上では無視し得る程度のものであった。なお、日射強度が０．１ｋＷ／ｍ²以下ではさらに上記の差が大きくなるが、このような日射強度では運転を継続できる電力は得られないので、運転する上でなんら支障は生じない。

本発明に係る太陽電池の運転システムの実施の形態を概念的に示す回路構成図である。太陽電池モジュールの最適内部抵抗の日射強度依存性を例示したグラフである。等価抵抗と負荷抵抗とを合計した抵抗の日射強度依存性を例示したグラフである。

符号の説明

１太陽電池モジュール
２負荷
３切換スイッチ
４コンデンサ
５小面積太陽電池
６電流−周波数変換器

Claims

太陽電池モジュールと負荷との間に挿入した可変インピーダンス素子としてのコンデンサと、
日射強度を検出する日射強度検出手段と、
前記日射強度に基づき、前記可変インピーダンス素子のインピーダンス値を該日射強度に逆比例するように変化させるインピーダンス制御手段と、
を備え、
前記インピーダンス制御手段は、
前記太陽電池モジュールと負荷に対して前記コンデンサを選択的に接続して、前記コンデンサに充電と放電を行わせる切換スイッチと、
前記日射強度をそれに比例した周波数に変換し、その周波数で前記切換スイッチを切換動作させるスイッチ制御手段と、
を備えることを特徴とする太陽電池の運転システム。
前記日射強度検出手段は、小面積太陽電池であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の運転システム。
前記小面積太陽電池は、その光入射面が前記太陽電池モジュールの光入射面と一致するように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池の運転システム。
太陽電池モジュールと負荷との間に可変インピーダンス素子としてのコンデンサを挿入するステップと、
日射強度を検出するステップと、
前記日射強度に基づき、前記可変インピーダンス素子のインピーダンス値を該日射強度に逆比例するように変化させるステップと、
を含み、
前記可変インピーダンス素子を日射強度に逆比例するように変化させるステップは、
前記日射強度をそれに比例した周波数に変換するステップと、
前記太陽電池モジュールと負荷に対して、前記比例した周波数で前記コンデンサを選択的に接続して該コンデンサに充電と放電を行わせるステップと、
を含むことを特徴とする太陽電池の運転方法。