JP4719434B2 - 太陽電池発電装置 - Google Patents

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Description

この発明は太陽電池を利用した発電システムにおいて、環境変化に応じて太陽電池から最大電力出力を得る装置に関するものである。
広く使用されているシリコン結晶からなる太陽電池セルは、1V以下の起電力で図5に示すような凸型の出力電力特性(電力-電圧特性)を持ち、出力電力が最大となる点19が一箇所のみ存在する。この点は、太陽電池セルへの日射強度や太陽電池の温度により変化する。
一般に、こうした特性の太陽電池セルを用いて、発電装置を構成する場合には、出力側に接続される二次電池の充電電圧以上もしくは電子機器で使用する所望の駆動電圧以上の実用的な電圧を得るために、太陽電池セルを複数直列接続して太陽電池モジュールを構成している。
また、太陽電池モジュールから最大電力出力を得るための制御に関して、従来から下記のようないわゆる山登り制御が提案されている。
この制御方法は、太陽電池電圧と太陽電池電流とを検出する装置を用い電力値を演算して求め、太陽電池電圧を上下に変化させた時点での、各々の電力値を演算して比較し、太陽電池電圧を上下変更後の電力値の差から太陽電池の出力電力点を求め、差分が正ならば太陽電池電圧を上に、差分が負ならば太陽電池電圧を下に変化させ、最終的に、最大電力出力点に至るまで太陽電池電圧の上下変化を行うものである。
この方法では、太陽電池セルを数十枚直列接続し組み合わせた太陽電池モジュールでは、部分陰発生時の太陽電池セルの破壊予防対策として、もしくは出力電圧低下の軽減対策として太陽電池セルの端子間にバイパスダイオードを複数個配置していることが一般的であり、こうした太陽電池モジュールでは受光面の一部分に陰が出来た場合、太陽電池の電力−電圧特性が図6に示すような複数の極大点21が発生し、最大電力出力点を走査、選定する制御に時間が掛かる場合、あるいは太陽電池の最大電力出力点で制御が出来ない場合が発生し、発電効率が大幅に低下することがある。
そこで、例えば図7は、特開平7−302130号公報に示された太陽電池モジュールの受光面の一部に陰ができた場合でも、全体の発電効率を高めることが可能な装置である。
図7において、2は太陽電池モジュール、14は制御回路、6はコイル、7はスイッチ素子、8はダイオード、22は電力変換モジュール、11は太陽電池出力検知回路、23は直流−交流電力変換装置である。
次に特開平7−302130号公報の動作について説明する。電力変換モジュール22内の太陽電池2に太陽光が入射されると、太陽電池2の両端に起電力が発生し、その時の発生起電力は太陽電池に入射された日射強度に比例する。これを利用し、この発生電力が一定以上になると制御回路14が動作して、太陽電池2の出力電圧と出力電流を測定し、太陽電池の動作点を電流−電圧曲線の最大電力点になるようにスイッチ素子7であるMOS−FETのゲートに制御回路14からPWMパルスが印加され、MOS−FETがON−OFFすることでコイル6に電力を蓄える作用を利用したDC/DCコンバータで電力を送り出す。この動作を繰り返す事で、並列に接続された各電力変換モジュール22からの最大電力を直流−交流電力変換装置23に出力する。
また、図8は特許第3525992号公報に示された、上記の各電力変換モジュール22に電圧検出手段と電流検出手段、制御手段を備えることにより、太陽光発電装置のコストが上がってしまう問題を解決するために、発電電圧検出回路と発電電流検出回路を複数の電力変換モジュール22からなる発電装置の出力段で単一で構成し、コストを下げることができる装置である。
図8において、24は太陽電池ユニット、2は太陽電池、25は駆動・レギュレータ、26はスイッチ駆動回路、3は総出力電圧検出回路、11は総出力電流検出回路、14は集中制御装置である。
次に特許第3525992号公報動作について説明する。太陽電池ユニット24は太陽電池2と太陽電池の出力駆動を行う駆動・レギュレータ25を具備し、各太陽電池ユニット24の出力電力が合成されうる形態の回路網に構成され、各太陽電池ユニット24からの出力電力が合成された総出力電力は、総出力電圧検出回路3と総出力電流検出回路11の測定結果を演算する総電力演算回路によって検出され、総出力電力が最大値になるように、その総出力電力の値に基づいて、各太陽電池ユニット24に搭載されている駆動・レギュレータ25内蔵の半導体スイッチのデューティを、一局的に制御する集中制御装置14が各太陽電池ユニット24を順番に制御する。前記の総出力電力検出手段は、各太陽電池ユニット24の駆動・レギュレータ25からの出力電力が合成された総出力電圧を検出する総出力電圧検出回路3と各太陽電池ユニット24の駆動・レギュレータ25からの出力電力が合成された総出力電流を検出する総出力電流検出回路11からなり、総出力電圧検出回路3により検出された前記総出力電圧と、総出力電流検出回路11により検出された前記総出力電流とに基づいて所要の総出力電力が演算により求められる。
特開平7−302130号公報 特許第3525992号公報
以上のように従来の太陽光発電装置に使用される太陽電池モジュールは、太陽電池セルを複数直列接続し、太陽電池セル間にバイパスダイオードを複数個配置したことから、部分陰の発生時には、図6の21で示すような複数の極大点が発生し、最大電力出力点を走査する制御に時間が掛かる。あるいは最大電力出力点で制御ができない場合が発生し、発電効率を大幅に低下させる問題がある。
既に、特開平7−302130号公報に示された、従来の太陽光発電制御装置では、上記のように、太陽電池への日射強度や太陽電池の温度により変化する太陽電池最大電力出力点で駆動制御するために、各電力変換モジュール22に電圧検出手段3と電流検出手段11、更に制御回路14を備え、太陽電池出力電圧と出力電流を検知して、出力電力が最大となる点を走査し、制御を行なっているが、制御回路14が太陽電池モジュール2毎に必要とするために太陽光発電装置としての部品数量の増大や高価格化の問題がある。更に、電流検出手段11として従来のカレントトランス(CT)を使用する検出回路では、太陽電池をセル単位もしくは並列接続した各太陽電池モジュール2の出力端での検出は、シリコン結晶型の125mm×125mm程度の受光面積をもつ太陽電池セルを使用した場合、0.5V程度の低出力電圧値、最大6アンペア程度の大出力電流値であることから、広範囲、高精度で電力を検知する場合、定格電力に従って寸法が肥大化し易く、太陽光発電装置が大型になる問題がある。
また、特許第3525992号公報に示された太陽光発電装置のように、電流検出手段、電圧検出手段を単一にすることにより、部品数量の増大などの問題を軽減することはできるが、図8の太陽電池ユニット24の出力電力を合成した総出力電力で最大になるように、全ての太陽電池ユニット24を繰り返し制御する方法であることから、太陽光発電装置の最大電力で出力するための制御時間が長くなる問題がある。
更に、この構成の太陽光発電装置は、必要電力に応じて太陽電池ユニット24の数量を加減する場合には、総出力電力の増減に対し、総電力検出回路の定格入力、検出精度をその度に適正化する必要があることから、既に組込まれた前記総出力電圧検出回路3や総出力電流検出回路11が、前記太陽電池ユニットの加減による太陽光発電装置の発電力の変更を困難にし、制限を与える問題がある。
上記目的を達成すべく請求項1記載の太陽光発電装置は太陽電池単セルまたは複数並列接続された太陽電池セルにより構成される太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールの出力を昇圧する昇圧回路からなるDC/DCコンバータと、固定抵抗およびスイッチから構成されると共に前記DC/DCコンバータの出力端に接続され、当該スイッチを切り替えることによって当該DC/DCコンバータの出力を当該固定抵抗と実負荷に切替え接続する検知回路と、前記太陽電池モジュールの出力電圧を検知する電圧検知回路と、前記固定抵抗間の電圧測定および前記スイッチの切替制御、前記DC/DCコンバータを駆動させるための駆動周波数とデューティの算出および設定、並びに前記DC/DCコンバータの駆動制御を実行する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記電圧検知回路によって検知される前記太陽電池モジュールの前記出力電圧の変化を予め設定した周期で検知すると共に、検知したレベルが設定した範囲を超えた場合に、前記スイッチを制御して前記DC/DCコンバータの出力を前記実負荷から前記固定抵抗に切替え、次いで、前記固定抵抗間の電圧を測定しつつ、前記DC/DCコンバータを駆動する駆動周波数およびデューティを変化させて、当該固定抵抗間の前記電圧が最大となる当該駆動周波数および当該デューティを決定し、続いて、前記スイッチを制御して前記DC/DCコンバータの出力を前記固定抵抗から前記実負荷に切替えると共に、前記決定した駆動周波数およびデューティで前記DC/DCコンバータを駆動する。
上記目的を達成すべく請求項記載の太陽光発電装置は、DC/DCコンバータの出力端が直列接続または並列接続された構成であって、前記DC/DCコンバータを駆動、制御する手段を一制御回路で構成し、統合して制御することを特徴としている。
請求項1記載の発明により、DC/DCコンバータのスイッチ制御と固定抵抗とスイッチの簡素な検知回路構成で、実際に接続する負荷の大きさに関係無く、固定抵抗の端子間電圧から太陽電池の最大電力出力点を容易に算出し、選定することが可能な太陽電池発電装置が安価に実現できる。
また、太陽電池の出力電圧を検知することができることから、太陽電池への日射強度と太陽電池の温度変化に伴う太陽電池の最大電力出力点の変化に対し、予め設定した条件で敏速に制御、駆動することができる太陽光発電装置が実現できる。
請求項記載の発明により、太陽電池モジュールとDC/DCコンバータからなるユニットの出力を直列接続あるいは並列接続する構成で加減し、太陽光発電装置の発電電力を変更する場合にも、太陽光発電装置内の電力検知回路の構成や制御手段を変えることなく、太陽電池モジュール出力の最大電力点で駆動可能な太陽光発電装置が容易に構成できる。
図1は、本発明の第1の実施形態を示す回路構成図である。
同図に示すように、実施例では太陽電池セル1と、昇圧回路5からなるDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータの出力を固定抵抗13と実負荷15に切替え接続するスイッチ12と固定抵抗13から構成されるDC/DCコンバータの出力端に接続される検知回路11と、太陽電池セル1から構成される太陽電池モジュール2の出力電圧を検知する電圧検知回路3とこの電圧検知回路3、検知回路11の出力電圧測定および検知回路11、昇圧回路5の駆動制御を統括して行うための制御回路14で構成される。ただし、制御手法によっては、電圧検知回路3が無くても、太陽電池モジュール2の最大電力点で駆動制御する太陽光発電装置を構成することが可能で、必ずしも必要でない。
昇圧回路5は同図に示すように一般的な昇圧型チョッパ回路を4回路並列に接続した構成で、4つのスイッチ7を使用し、それぞれのスイッチを独立に駆動、制御する機能を持ち、太陽電池モジュール2から流れる電流を分割することで構成部品固有の抵抗損失を軽減し、太陽電池モジュール2の出力を高効率で昇圧することができる回路構成としている。コイル6とスイッチ7、ダイオード8の各部品1つと他の回路と共有するコンデンサ9から構成される昇圧チョッパ回路を1回路とした場合に、昇圧回路5を構成する並列接続する昇圧チョッパ回路の回路数は、特に4回路に限ったものでなく、複数の回路構成であれば上記と同様、電流分割により、構成部品固有の抵抗損失を軽減することが可能である。
検知回路11はスイッチ12と固定抵抗13で構成され、スイッチ12は、昇圧回路5の出力を固定抵抗13と実負荷15に切替える制御信号を制御回路14から受け、太陽電池への日射強度や太陽電池の温度によって変わる最大電力出力点の検出制御する時に固定抵抗13に接続し、太陽電池モジュール2の電力を昇圧回路5から実負荷15に出力する場合には、実負荷側に接続する。
制御回路14は、電圧検知回路3での太陽電池モジュール2の電圧検知、検知回路11での電圧検知および昇圧回路5の駆動制御、スイッチ12の切換え制御、太陽電池モジュール2の最大電力点の走査、選定制御を行ことが可能なマイクロコンピュータとFPGAにより構成される。
図3は本発明の第2の実施形態を示す。2は太陽電池セルを並列接続した太陽電池モジュールであり、電圧検知回路3を介して昇圧回路5からなるDC/DCコンバータに接続、DC/DCコンバータの出力は検知回路11を介して負荷に接続される。この太陽電池モジュール2から検知回路11までの回路構成を1ユニットとし、DC/DCコンバータの出力を複数並列接続し、これら全てのユニットに対し、太陽電池モジュール2の出力電圧を検知する電圧検知回路3と検知回路11の出力電圧測定および検知回路11、DC/DCコンバータのスイッチ制御を統括して行うための制御回路14で太陽光発電装置を構成する。ただし、制御手法によっては、電圧検知回路3が無くても、太陽電池モジュール2の最大電力点で駆動制御する太陽光発電装置を構成ことは可能である。
制御方法としては、太陽電池への日射強度や太陽電池の温度によって変わる太陽電池モジュール2の出力変化に対し、最適な条件で昇圧回路5からなるDC/DCコンバータの駆動条件を選定するために、検知回路11のスイッチ12を固定抵抗13への接続もしくは実負荷への接続を選択し、出力検知時は固定抵抗13へ瞬時に実負荷から切換える。瞬時的にDC/DCコンバータの出力を固定抵抗13に接続した状態で、太陽電池モジュール2の最大電力点で駆動する条件を測定のための駆動条件、電圧検知回路3の出力、検知回路11の出力から、予め用意したメモリーデータであるテーブルを引く形で算出、確定し、予め設定されたデータテーブルからDC/DCコンバータを太陽電池モジュール2の最大電力点で出力するための駆動条件で駆動する。ただし、初期駆動では太陽電池への日射強度や太陽電池の温度と無関係にDC/DCコンバータを予め設定した駆動周波数とデューティで駆動させる。更に、最大電力点の精度を高めるためや太陽電池モジュール2の特性ばらつきによる最大電力点のずれを補正するために、DC/DCコンバータの出力が最大になる条件を算出した駆動条件近傍で、駆動周波数とデューティを少しずつ変えて走査し、最適な駆動条件を選定し、DC/DCコンバータを駆動する。太陽電池への日射強度や太陽電池の温度によって変わる太陽電池モジュール2の出力変化に対しては、予め設定した周期で検知を行ない、検知したレベルが設定した範囲を超えた場合に、上記と同様な順序で太陽電池モジュール2の最大電力点での出力するための制御、駆動を実行する。次期走査によって駆動条件が選定されるまでは、前回選定した駆動条件で駆動する。
また、太陽電池モジュール2と昇圧回路5からなるDC/DCコンバータ、検知回路11で構成されるユニットの出力端を複数接続した太陽光発電装置の場合、太陽電池モジュール2毎に最大電力点をDC/DCコンバータの駆動条件を変えて一台ごと制御、駆動する。それに伴い、最大電力点を走査している太陽電池モジュール2以外の複数の太陽電池モジュール2は、次期走査によって駆動条件を選定するまでの間、前回選定した駆動条件で駆動する。
電圧検知回路3、検知回路11での電圧はマイクロコンピュータのアナログ−ディジタルコンバータ(以下ADC)で取り込み、FPGAはマイクロコンピュータから出力される情報に基づいて、DC/DCコンバータの駆動信号を出力する。一例として駆動信号は、駆動周波数が20kHz〜200kHz、デューティは75%〜90%の範囲とし、昇圧回路5を4つの昇圧チョッパ回路の構成とした場合で各スイッチ7のON−OFF駆動制御が、各チョッパ回路のスイッチ7の全てが同時にON状態になる事がない様に、時間差を設けて駆動信号のデューティを制御する。スイッチ7のON−OFFタイミング例を図2に示すが、同図において、切換信号の16a、16b、16c、16dのそれぞれが、同時にOFFになる事が無い様に同期させ制御する。
上記昇圧回路5からなるDC/DCコンバータの駆動周波数とデューティの駆動条件を固定し、DC/DCコンバータの出力が検知回路11の固定抵抗13に接続されている場合、固定抵抗13の端子間に発生する電圧は、一例として図4の17で示す特性で、太陽電池への日射強度に比例し、発生した電圧と前記太陽電池への日射強度の関係を予め設定した関係式と固定抵抗端の検出電圧から、太陽電池への日射強度による変化量を計算し、太陽電池モジュール2の最大電力点近傍を選定する。また、前記関係式の代わりにデータマップを使用しても最大電力点を選定することができる。
上記太陽電池への日射強度の測定時には、前記制御手段にてスイッチ12を固定抵抗13に接続し、一例としてDC/DCコンバータの駆動周波数とデューティを周波数:25kHz 、デューティ:90%に固定設定した駆動条件で、固定抵抗13の端子間電圧から、太陽電池への日射強度が判定できる。この測定時の駆動条件である周波数とデューティの値は、一条件に限定されるわけでなく、昇圧回路5で使用される回路定数、太陽電池の種類や寸法などによる最大電力の日射強度特性によって異なる。また、上記駆動条件でのDC/DCコンバータの駆動は図2に示すタイミングで行っている。
太陽電池の温度による最大電力点の変化量に関しては、上記DC/DCコンバータの駆動を停止した状態での電圧検知回路3の出力電圧が太陽電池の温度と相関がることから、太陽電池モジュールの出力電圧と太陽電池の温度の関係を予め設定した関係式と電圧検知回路3の出力電圧から、太陽電池の温度の変化量を算出し、太陽電池モジュールの最大電力点近傍で昇圧回路5を駆動するデータを得る。前記関係式の代わりにデータマップを使用しても最大電力点を選定することができる。
以下に、詳細な制御動作の一例を示す。太陽電池への日射強度や太陽電池の温度から決定されたDC/DCコンバータの駆動条件を初期選定駆動条件とし、初期選定駆動条件の初期選定周波数±10kHzの範囲を5kHzの変化幅で、デューティを、75%〜90%の範囲で2%の変化幅で変化させる。前記制御手段は初期選定周波数−10kHz、デューティ75%でDC/DCコンバータを駆動し、検知回路11の固定抵抗13の端子間に発生する電圧を前記制御手段のマイクロコンピュータにて取り込み、記憶する。次に、周波数は初期選定周波数−10kHzに固定のまま、デューティを77%に設定し、同様に、電圧検知回路の抵抗に発生する電圧を前記制御手段のマイクロコンピュータにて取り込み、前回のデューディ75%の時の抵抗電圧値よりも大きければ、この電圧値を前回の値と入れ替え記憶し、駆動周波数とデューティについても記憶する。仮に、この検知した電圧値が前回の電圧値よりも小さければ、前回記憶した値をそのまま維持する。次に、周波数は初期決定周波数−10kHzに固定のまま、デューティを79%に設定し、同様に前回の値と比較し、電圧値が大きければ、マイクロコンピュータ内の記憶の書き換えを、電圧値が小さければ、記憶値の維持を行う。順次デューティを変化させ、比較書き換えあるいは維持動作を、デューディが90%に至るまで実行する。ディーティが90%を超えたら、5kHz上昇させ周波数を初期決定周波数−5kHzに設定し、デューティは75%に設定する。以降、前記比較動作を継続する。この動作を初期決定周波数+10kHz、デューティ90%に至るまで実行し、固定抵抗13の端子間電圧が最大となった駆動周波数とデューティを決定する。この決定した駆動周波数とデューティでDC/DCコンバータを動作させ、太陽電池モジュールから最大電力出力を得る。
太陽電池への日射強度や太陽電池の温度とDC/DCコンバータの駆動条件が適していれば、太陽電池は最大電力出力点で動作するため、太陽電池出力端電圧は、一例として0.45V前後となる。しかし、表1に示すように、太陽電池への日射強度や太陽電池の温度とDC/DCコンバータの駆動条件が適していなければ、太陽電池は最大電力出力点で動作しなくなり、太陽電池出力端電圧は0.45Vから外れてしまう。これは同時に、太陽電池への日射強度や太陽電池の温度が変わったことを示し、0.45Vを設定ラインとして、太陽電池モジュール2の最大電力点で動作させるためDC/DCコンバータの駆動条件を再度選定する制御を行う。
この制御方法は、太陽電池への日射強度や太陽電池の温度が変化しことを判断し、日射強度や温度が変化を判定した場合のみ制御をやり直すので、日射強度や温度が安定している状態で制御時間が少なくて済み、高効率で動作する。更に、この制御方法では、複数の太陽電池モジュールを並列あるいは直列に接続した場合にも、最適駆動条件からずれた太陽電池モジュールのみを駆動制御するために、高効率な制御を行うことができる。
Figure 0004719434
本発明の第1の実施形態、 本発明の実施形態のスイッチタイミング図、 本発明の第2の実施形態、 太陽電池への日射強度と検知電圧の関係グラフ、 太陽電池単セルでの出力電圧―電力特性である、 部分陰発生時の従来太陽電池モジュールの特性、 従来の回路を示すブロック図、 従来の回路を示すブロック図、
符号の説明
1:太陽電池セル
2:太陽電池モジュール
3:電圧検知回路
4:固定抵抗
5:昇圧回路
6:コイル
7:スイッチ
8:ダイオード
9:コンデンサ
10:保護回路
11:検知回路
12:スイッチ
13:固定抵抗
14:制御回路
15:負荷
16:スイッチ切換信号
17:日射強度による検知回路電圧の特性
18:太陽電池セルの電力―電圧特性
19:最大電力点
20:従来太陽電池モジュールの電力―電圧特性
21:太陽電池モジュールの電力―電圧特性の極大点
22:電力変換モジュール
23:電力変換装置
24:太陽電池ユニット
25:駆動・レギュレータ
26:スイッチ駆動回路

Claims (2)

  1. 太陽電池単セルまたは複数並列接続された太陽電池セルにより構成される太陽電池モジュールと、
    前記太陽電池モジュールの出力を昇圧する昇圧回路からなるDC/DCコンバータと、
    固定抵抗およびスイッチから構成されると共に前記DC/DCコンバータの出力端に接続され、当該スイッチを切り替えることによって当該DC/DCコンバータの出力を当該固定抵抗と実負荷に切替え接続する検知回路と、
    前記太陽電池モジュールの出力電圧を検知する電圧検知回路と、
    前記固定抵抗間の電圧測定および前記スイッチの切替制御、前記DC/DCコンバータを駆動させるための駆動周波数とデューティの算出および設定、並びに前記DC/DCコンバータの駆動制御を実行する制御回路とを備え、
    前記制御回路は、
    前記電圧検知回路によって検知される前記太陽電池モジュールの前記出力電圧の変化を予め設定した周期で検知すると共に、検知したレベルが設定した範囲を超えた場合に、前記スイッチを制御して前記DC/DCコンバータの出力を前記実負荷から前記固定抵抗に切替え、次いで、前記固定抵抗間の電圧を測定しつつ、前記DC/DCコンバータを駆動する駆動周波数およびデューティを変化させて、当該固定抵抗間の前記電圧が最大となる当該駆動周波数および当該デューティを決定し、
    続いて、前記スイッチを制御して前記DC/DCコンバータの出力を前記固定抵抗から前記実負荷に切替えると共に、前記決定した駆動周波数およびデューティで前記DC/DCコンバータを駆動する太陽光発電装置。
  2. 前記DC/DCコンバータの出力端が直列接続または並列接続された構成であって、前記DC/DCコンバータを駆動、制御する手段を一制御回路で構成し、統合して制御することを特徴とする請求項記載の太陽電池発電装置。
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