JP4797142B2

JP4797142B2 - 太陽光発電制御装置

Info

Publication number: JP4797142B2
Application number: JP2005274954A
Authority: JP
Inventors: 和彦加藤; 工高島; 謙仁大谷; 理正小柳; 隆夫山田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP2007088195A

Description

本発明は、太陽光発電システムにおける損失を最小限に抑え、システムの効率を上げるための太陽光発電システムに関する。

従来の一般的な太陽光発電システムは、図５に示すように、太陽光のエネルギを電気エネルギに変換する太陽電池アレイ（太陽電池パネル）Ａ１とパワーコンディショナＡ２から構成されており、太陽電池アレイＡ１の出力はパワーコンディショナＡ２を介して調整されて負荷Ａ３に供給されるようになっている。

また、負荷Ａ３は、曇天時や夜間等のように、太陽電池アレイＡ１から必要な発電量が得られない場合には、商用電源Ａ４側から電力供給が行えるようになっている。太陽電池アレイＡ１は、例えば、図６に示すように複数の太陽電池モジュールＡ５のストリング（直列接続）どうしをそれぞれ逆流防止ダイオードＡ６を介して複数並列に接続して構成されている。

また、それぞれの太陽電池モジュールＡ５は、さらに、図７に示すように複数直列に接続されたセルＡ７からなるクラスタＡ８どうしをさらに複数（同図の場合はクラスタ２つ）直列に接続して構成されている。また、それぞれのクラスタＡ８の両端にはバイパスダイオードＡ９が並列に接続されている。

ここで、太陽電池アレイの構成要素をクラスタ単位で捉えると、従来の太陽電池アレイは、複数のクラスタ群からなるストリングどうしがそれぞれ逆流防止ダイオードを介して複数並列接続されて構成されているとともに、それぞれのクラスタの両端にバイパスダイオードが並列に接続されている構造になっているものと見ることができる。（例えば、特許文献１参照）
特開平５−３４３７２４号公報

このような多数のクラスタ群の直並列構造を有する太陽電池アレイにおいては、一部のクラスタが日陰に入った場合に、日陰になったクラスタには起電力は発生しなくなるが、バイパスダイオードを設けることによって、日陰のクラスタの前後で電流がバイパスダイオードを抜けて流れるようにし、当該クラスタの内部抵抗による損失を防止して一部のクラスタにかかる部分的な日陰による太陽電池アレイ全体に影響を及ぼす出力低下を回避するようにしている。

また、クラスタ群からなるストリングのそれぞれに組み込まれた逆流防止ダイオードによって、起電力が低下したストリングへ他のストリングから電流が逆流して出力損失が生じることを防止するようにしている。

前述したような従来の太陽光発電システムにおいては、太陽電池モジュールやパワーコンディショナ等の構成機器の性能が重要視されており、日陰による損失の対策としては、一般的に、日陰になって起電力が低下したクラスタをバイパスダイオードにより回避する方法が行われていた。

この方法は、回路構成としては簡単であるが、太陽電池アレイは、複数のクラスタの直並列接続によって構成されているため、太陽電池アレイに部分的な日陰がある場合、複雑な電流電圧特性を示し、太陽電池アレイの電流電圧特性における最大動作点の取り方によっては大きな損失が生じることがあり、たとえば、最も発電量が期待される南中時においては日陰がある場合の損失が大きくなり、太陽光発電システム全体の効率が予想以上に低下してしまう問題があった。

図８は、従来の太陽光発電システムにおける、太陽電池アレイの簡略回路図である。ここでは、説明を簡略化するために太陽電池アレイＡ１は、それぞれ、２つのクラスタＡ８からなるストリング（直列接続）ＳＴ１とストリングＳＴ２どうしがそれぞれ逆流防止ダイオードＡ６を介して並列接続されて構成されており、また、各クラスタＡ８には、それぞれバイパスダイオードＡ９が並列に接続されているものとする。

同図に示す太陽電池アレイＡ１は、日陰等の障害が無ければ、図９に曲線ａで示すような電流電圧特性となる。この特性に対し、太陽光発電アレイＡ１の一部に日陰が生じた場合、例えば、図８において、ひとつのクラスタＡ８（図中クロスハッチングで示すもの）が日陰に入って発電能力が低下した場合には、図９に曲線ｂで示すような階段状の特性となり、これら２つの曲線ａ、ｂに挟まれたハッチングした領域が、この日陰により生じる電力損失となる。

一方、太陽電池アレイＡ１に接続されているパワーコンディショナは、太陽電池アレイＡ１の電流電圧特性上で、出力される電力が最大となる点（電流と電圧の積が最大となる点）、すなわち最大出力動作点を見つけ出して出力するように機能する。

そのため、日陰の影響により太陽電池アレイＡ１が前記曲線ｂで示すような階段状の電流電圧特性になっている場合には、図１０に示すように、前記日陰による損失に加えて、最大出力動作点Ｐの上方にあるハッチングした領域も実際には電力として利用することができなくなり、出力される電力は著しく低減してしまう問題があった。

また、長期の使用等によって太陽電池アレイの中の何れかのクラスタが劣化してその発電性能が低下した場合、当初の発電性能を回復するためには、屋根等から太陽電池アレイを取り外して、欠陥クラスタ部分を交換する作業を必要としていた。

そこで、本発明は、前述したような従来の太陽光発電システムにおける日陰による損失の問題を解決し、高い発電効率が得られるとともに、屋根等に太陽電池アレイを設置した後において、発電性能が劣化したクラスタを交換することなく、設置当初の発電性能を長期に亘って維持することができる太陽光発電制御装置を提供することを目的とする。

前記目的のために提供される、本発明の太陽光発電制御装置は、太陽電池アレイを構成する複数のクラスタのそれぞれに、クラスタの両端をバイパスするバイパス線路と、前記バイパス線路の途中に介挿された電源供給部と、前記クラスタの両端間の電位差を検出するセンサ部と、前記センサ部によって検出された電位差が所定の閾値を超えているときは、前記電源供給部をＯＦＦにし、前記電位差が前記閾値以下になったときは、前記電源供給部をＯＮにして、当該クラスタの両端間に前記閾値を超える所定の電位差を生じさせる制御部とを設けたものである。

前記太陽光発電制御装置においては、それぞれのクラスタにおいて、制御部は、所定の時間間隔毎に電源供給部をＯＦＦにし、前記電源供給部がＯＦＦの状態でセンサ部によって検出された電位差が所定の閾値を超えているときは、前記電源供給部をＯＦＦにし、前記電位差が前記閾値以下のときは、前記電源供給部をＯＮにして、当該クラスタの両端間に前記閾値を超える所定の電位差を生じさせるように構成されていることが望ましい。

なお、ここでは、「クラスタ」という語は、単一のセル、もしくは、複数のセル（太陽光発電素子）のストリング（直列接続）からなる発電素子の構成単位という意味で用いている。したがって、一般に使用されている「太陽電池モジュール」という用語は、ここでいうクラスタを複数直列接続したものである。

請求項１の発明に係る太陽光発電制御装置によれば、太陽電池アレイを構成しているそれぞれのクラスタに対し、クラスタの起電力が低下した場合にこれに代わって起電力を発生する電源供給部を設けたことにより、木立や建造物等の周囲の障害物によって太陽電池アレイに生じる日陰による損失を最小限に抑えることができ、太陽光発電システムの発電効率を高めることができる。

また、多数のクラスタの直並列接続から構成される太陽電池アレイは、それぞれのクラスタの特性のバラツキによっても損失を生じるが、本発明によれば、電源供給部が発電性能が低下しているクラスタに代わって電位差を生じさせることで、当該クラスタによる太陽電池アレイの電流電圧特性の劣化を改善することができる。
そのため、屋根等に太陽電池アレイを設置した後において、発電性能が劣化したクラスタを交換することなく、設置当初の発電性能を長期に亘って維持することができる。

また、請求項２の発明に係る太陽光発電制御装置によれば、太陽の位置や雲の動きによって時々刻々変化する日陰位置に追従して、クラスタ毎に発電性能が低下した時だけ電源供給部が当該クラスタに代わって電圧を発生させるので、電源供給部が消費する電力に無駄が無くなり、太陽光発電システムの効率をより高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の太陽光発電制御装置の１実施形態を示す概略図であって、太陽光発電制御装置１は、クラスタ２の両端に接続された線路３Ａ、３Ｂからそれぞれバイパスするバイパス線路４Ａ、４Ｂの途中に介挿された電源供給部５と、前記線路４Ａ、４Ｂを介してクラスタ２の両端間の電位差を検出するセンサ部６と、このセンサ部６によって検出された電位差に基づいて電源供給部５を制御する制御部７から構成されている。

なお、ここでは、図示は省略しているが、クラスタ２は前記線路３Ａ、３Ｂを介して複数連結されてひとつのストリングが構成され、また、このようなストリングが複数並列接続されて太陽電池アレイが構成されている。また、それぞれのクラスタ２は、太陽光等を受光して発電する単一のセル、あるいは、これらのセルを複数直列接続したもので構成されている。

センサ部６が検出したクラスタ２の両端間の電位差データは、信号線８Ａを介して制御部７に送出される。制御部７は、本実施形態においては、マイクロコンピュータによって構成されていて、センサ部６から所定の時間間隔で電位差データを取り込んでその変化を監視し、電源供給部５の制御を行う。

電源供給部５は、日向にあるクラスタ２と同等の起電力を有する定電圧を供給する直流電源と、前記直流電源をＯＮ／ＯＦＦするためのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）で構成されたスイッチング回路を有していて、前記制御部７から信号線８Ｂを介して送られてくる指令信号によって、そのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられるようになっている。なお、前記スイッチング回路は、制御部７によってＯＮ／ＯＦＦ制御可能であれば、これに代えてIGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)による回路やリレー回路等で構成してあってもよい。

また、電源供給部には、定電圧電源として機能する蓄電池やコンデンサ等を含む蓄電機能を有するものを用いてもよく、この場合には、需要負荷が無く電力が余剰である場合に蓄電し、電力が必要な時に蓄電した電力を供給することができる。

制御部７は、クラスタ２が太陽光を受けて発電し、センサ部６によって検出されるクラスタ２の両端間、すなわち、前記クラスタ２を挟んだ線路３Ａ、３Ｂ間の電位差が所定の閾値を超えているときは、電源供給部５をＯＦＦにしている。

一方、日陰等の原因で、クラスタ２の起電力が低下し、前記電位差が当該閾値以下に低下したことをセンサ部６が検出すると、制御部７は電源供給部５をＯＮに切り替え、その結果、電源供給部５から印加される電圧によって、クラスタ２の両側に接続された線路３Ａ、３Ｂ間の電位差は、クラスタ２に太陽光が当たっている場合のような正常動作時に生じる電位差とほぼ同じ電位差に保たれる。

次に、本発明の太陽光発電制御装置の動作原理を説明する。ここでは、説明を簡略にするために、太陽電池アレイは、図２に示すようにクラスタ２Ａ、２ＢからなるストリングＳＴ１とクラスタ２Ｃ、２ＤからなるストリングＳＴ２、これらのストリングＳＴ１、ＳＴ２電流の逆流を防止する、逆流防止ダイオードＤ１、Ｄ２、バイパスダイオードＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６等から構成されているものとする。

同図に示す太陽電池アレイにおいては、クラスタ２Ａ、２Ｂ、２Ｃは日向にあって十分な太陽光を受けているのに対して、クラスタ２Ｄは日陰にあって、他の日向のクラスタに対して発電能力が低下している。

そこで、この日陰のクラスタ２Ｄに並列に、他の日向のクラスタ２Ａ、２Ｂ、２Ｃと同等な起電力を発生させる直流電源Ｅを接続する。そうすると、この直流電源Ｅからの電力供給によって、電流電圧特性は、図３に示すように、直流電源Ｅを接続していない場合の曲線ｂから曲線ａ１に変化し、最大出力動作点Ｐが同図右上方へ移動することで、全てのクラスタが日向にある場合と同等な電力を得ることができる。

図１に示した太陽光発電制御装置１においては、前記直流電源Ｅの役割を電源供給部５が果たすものであり、これが接続されているクラスタ２の発電能力が低下した場合に、制御部７からの指令信号を受けて電源供給部５から給電されるようにしている。

以下、本発明の太陽光発電制御装置１の動作フローを図４を参照して説明する。
太陽光発電制御装置１が起動されると、制御部７は信号線８Ｂを介して電源供給部５にＯＦＦの信号を送出する。

その結果、電源供給部５は、初期状態においてＯＦＦの状態（図１において、線路４Ａ、４Ｂ間が電源供給部５と回路的に切り離されている状態）になる。（ステップＳ１）

この状態で、センサ部６は、クラスタ２の両端間、すなわち線路３Ａと線路３Ｂ間の電位差ΔＶを検出する（ステップＳ２）。次いで、制御部７では、前記電位差ΔＶを制御部に内蔵されているメモリにあらかじめ記憶されている所定の閾値ΔＶ０と比較し、電位差ΔＶが閾値ΔＶ０を超えているか否かを判定する。（ステップＳ３）

ここで、制御部７が、電位差ΔＶが閾値ΔＶ０を超えていると判定した場合には、ステップＳ１に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。このときは電源供給部５はＯＦＦの状態が保たれている。

一方、電位差ΔＶが閾値ΔＶ０以下に低下していると判定した場合には、制御部７は、電源供給部５をＯＮの状態に切り換える。（ステップＳ４）
その結果、図１に示すクラスタ２の両端に接続された線路７Ａ、７Ｂ間には、電源供給部５によって、前記閾値ΔＶ０を超える電位差が生じる。

一方、制御部７は、その内部に計時機能を有していて、電源供給部５をＯＮにした時点からの経過時間を監視し、予めセットされている所定時間に達するまでは、電源供給部５をＯＮの状態に維持している。

そして、前記所定時間が経過すると、再びステップＳ１に戻って電源供給部５を再びＯＦＦにし、それ以降の処理を繰り返す。すなわち、本実施形態の太陽光発電制御装置１においては、その制御部７は電源供給部５をＯＦＦの状態にして、クラスタ２の発電によって生じる電位差ΔＶをセンサ部６に検出させ、クラスタ２の発電能力が低下して、前記電位差ΔＶが閾値ΔＶ０以下になった時に電源供給部５からクラスタ２に代わって前記閾値を超える電位差を供給するようにしている。

また、前記ステップＳ５で所定時間が経過した場合にステップＳ１に戻って電源供給部５を強制的にＯＦＦの状態に切り換えることで、その間にクラスタ２に太陽光が当たるようになって発電能力が回復した場合等において、電源供給部５から無駄に電力を供給し続けることなく、必要な時のみ電源供給部５がクラスタ２の役割を代替できるようにしている。

本発明の太陽光発電制御装置は、建物の屋根等に設置される太陽光発電システムの太陽電池アレイに組み込んで、発電効率の向上を図るために利用することができる。

本発明の太陽光発電制御装置の１実施形態を示す概略図である。太陽光発電制御装置の動作原理を説明する図である。日陰クラスタ部分に直流電源を適用した場合の太陽電池アレイにおける最大出力動作点の変化を説明する図である。本発明の太陽光発電制御装置の動作フローを示す図である。従来の一般的な太陽光発電システムの概略構成を示す図である。従来の太陽光発電システムにおける太陽電池アレイの概略構成図である。図６に示す太陽電池モジュール内部の概略構成図である。従来の太陽光発電システムにおける、太陽電池アレイの簡略回路図である。図８に示す太陽電池アレイの電流電圧特性を示す図である。図８に示す太陽電池アレイに日陰クラスタが存在する場合の最大出力動作点を示す図である。

符号の説明

１太陽光発電制御装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄクラスタ
３Ａ、３Ｂ線路
４Ａ、４Ｂバイパス線路
５電源供給部
６センサ部
７制御部
８Ａ、８Ｂ信号線

Claims

太陽電池アレイを構成する複数のクラスタのそれぞれに、
クラスタの両端をバイパスするバイパス線路と、
前記バイパス線路の途中に介挿された電源供給部と、
前記クラスタの両端間の電位差を検出するセンサ部と、
前記センサ部によって検出された電位差が所定の閾値を超えているときは、前記電源供給部をＯＦＦにし、前記電位差が前記閾値以下になったときは、前記電源供給部をＯＮにして、当該クラスタの両端間に前記閾値を超える所定の電位差を生じさせる制御部とを設けたことを特徴とする太陽光発電制御装置。
それぞれのクラスタにおいて、制御部は、所定の時間間隔毎に電源供給部をＯＦＦにし、前記電源供給部がＯＦＦの状態でセンサ部によって検出された電位差が所定の閾値を超えているときは、前記電源供給部をＯＦＦにし、前記電位差が前記閾値以下のときは、前記電源供給部をＯＮにして、当該クラスタの両端間に前記閾値を超える所定の電位差を生じさせることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電制御装置。