JP4994476B2

JP4994476B2 - 直流電源利用システム

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Publication number: JP4994476B2
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Inventors: 雄三伊藤; 實村野
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Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2012-08-08
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Description

本発明は、交流の商用電源を直流電源に変換すると共に、その直流に変換した商用電源からの直流電力と、その他、例えば太陽電池などの直流電源からの直流電力を合成して直接直流負荷器に送出するに際し、前記太陽電池側からの直流電力を優先する直流電源利用システムに関するものである。

近年、地球温暖化により、すべての分野において環境に配慮したエコ製品あるいはエコシステムの開発が要請されている。
特に、電力分野については、地球温暖化に直結するもので、二酸化炭素を発生させないクリーンな電力供給が要請されている。
そこで、近年特に注目されているのは、枯渇の恐れがなく、しかも二酸化炭素の発生を全く危惧する必要のない太陽エネルギーを利用した太陽電池の普及である。
ところで、太陽電池の利用方法には大別して２種類あり、１つは発電した電力をパワーコンディッショナーを設備し、いわゆる交流電源の電源系統と連系して利用する方法である。
他の方法としては、発電した直流電力をそのまま直流電気負荷に接続して利用する方法とがある。
しかるにいずれの場合でも太陽電池からの発電電力を優先し、その最大電力点追従制御を行うことは必須となっている。

ここで、太陽電池の発電電力は太陽光の日射量に依存し、太陽電池だけを電源とするだけでは安定して負荷に電力供給することが不可能である。そのため電気負荷容量規模を超えるタイプの太陽電池と、さらに蓄電池を備えることが要求されるのである。
また、前記不安定な太陽電池からの電力供給を補う方法として交流の一般商用電力を直流に変換して電力連系し、太陽光の日射量が低い場合や夜間の様に太陽電池からの発電が期待できない場合には、直流変換した一般商用電力側から電気負荷に電力を供給するシステムが存在するのである（例えば、特許文献１、２及び３参照）。

しかるにこのような従来のシステムにおいては、特に太陽電池からの電力供給を優先的に行え、しかも日射量に変化があった場合でも太陽電池側からの最大限発電電力を使用できるシステムとして構築されていないとの課題があった。
また、従来、例えば太陽電池が蓄電池の充電時や電力負荷へ電力供給に利用される場合に、その発電電力が最大となるように制御する最大発電電力点追従制御法（いわゆる一般的にＭＰＰＴ制御法と称される）が実施されている。その主たる制御法としては、太陽電池の出力電圧と出力電流の積を計算しその値が最大となる動作点を徐々に探して利用する周知の「山登り法」などがある（例えば、特許文献４参照）。

さらに、燃料電池のエネルギー源である水素を生成する装置に最適動作電圧に太陽光電池電圧を追従させる方法で太陽光電池と電気負荷の間にDCチョッパーを設けて回路電流の脈動成分に着目し電流センサー計測値の飽和を防ぐ特徴を有した制御法で最大電力点を決定する方法が提案されている（例えば、特許文献４及び５、非特許文献１参照）。

実用新案登録第３１４９０２４号、「商用電力注入型太陽電池直流連系利用システム」特許番号３４８８３４８、「太陽電池併用の直流電源装置及びその制御法」特許番号３１４７２５７、「系統連系電源システム」特開２００９−１１７６５８、「太陽光発電制御装置及び太陽光発電制御における電力評価方法」特許番号３３９４９９６、「最大電力動作点追尾方式及びその装置」降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた太陽光発電システムのＭＰＰＴ制御法、電気設備学会誌、２８（１２）（通号３０３）、９６２〜９６７頁

前記したように、太陽電池の利用率を高めるためにその発電電力が常に最大となるように動作するよう制御する方法（以下、ＭＰＰＴ制御と略記）が採用されているが、その代表的なものとして「山登り法」と言われる最大発電電力点追従制御法が従来太陽光発電システムに装備されている。
この制御方法は図1の太陽電池の出力電圧と太陽電池の出力電力の関係に示すように太陽電池の電気負荷を徐々に階段状に変化させながら、太陽電池の電圧値と電流値の計測値から電力を計算し、発電電力が最大となる点（これを最適動作点という）を探査する手法である。
しかるに、当該制御精度は、電圧や電流計測に使用されるＡＤ変換器の精度、あるいは機器の内部雑音などに大きく影響され、もってＭＰＰＴ制御方式による最適動作点への収斂速度に影響を与えるとの課題がある。

更に、太陽電池の電気負荷を階段状に変化させるために変化させる刻みが大きい場合は持続的動揺振幅が生じ最適動作点への収斂が不安定となり、変化幅が小さい場合は最適動作点への収斂時間が長くなり、特に、日射量が頻繁に変化する場合には太陽電池を最適動作点で利用することが困難であるとの課題がある。

さらに、ＭＰＰＴ手法には日射量や太陽電池温度の外部環境の変化に対応して高速の応答で探査決定するには数種類の条件分岐が必要で従来のアナログ回路方式ではスムーズな制御が実現困難である。
このためデジタル制御の利用が有効で加えて製造原価を抑えるためにマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称）を採用するが、通常マイコンの処理速度は高速とは言えず、そのため制御演算アルゴリズム処理時間が冗長となり、制御精度を劣化させる原因となる課題がある。

また、従来の太陽電池で発生された直流電力をパワーコンデイッショナー（以下、パワコンと略称）を設備して電源系統に連系する方式では、日射量が低下する場合に運転を停止するため、太陽電池の利用効率が低下する。また電力を系統に流出させるいわゆる逆潮流時には線路電流の低下で電圧降下が減少するため配電線路の電圧上昇を招いて電力逆潮流動作に支障を来たし、線路電圧が配電条件規定を損なうことになる事象が明らかになっている。

送電側から眺めると進み力率負荷となって受電端での電圧上昇を引き起こす。加えて逆潮流可能な太陽電池利用システムが近隣に設備される場合には線路電圧の上昇により想定された逆潮流電力量が得られない場合があり設置契約でのトラブルが発生する恐れがある。
特に売電を重視するため太陽電池利用システムの発電電力を大きくすることから導入価格が高騰し、この高騰した導入価格が大きすぎて、当初期待した売電による購入価格の回収が実現できないことになっていた。

特に、一般家庭用では逆潮流太陽電池利用システムでは高価格で電力売電が可能であるが、事業所オフィスでは売電価格は電力購入価格と同一で、また電力消費時間帯が日中であることから売電は有効に働かないといわれている。従って一般事務所やオフィスでの太陽電池利用システムでは購入価格や設置費用を低く抑えるためにも電力逆潮流機能なしの太陽電池利用システムが望ましいと付言しておく。

かくして、本発明は前記従来の各種課題に対処するために創案されたものであって、特に、まず太陽電池からの直流電力の供給を優先的に行え、しかも日射量に変化があった場合においても太陽電池からの発電電力を最大限使用できる直流電源利用システムを提供することを目的とするものである。

また、前述した従来の制御法であるＭＰＰＴ制御方式に比較し、電圧や電流計測に使用されるＡＤ変換器の精度、あるいは機器の内部雑音などに大きく影響されず、もって従来のＭＰＰＴ制御方式の様に最適動作点への収斂速度に影響を与えず、更に、前記従来制御法に見られた、太陽電池の電気負荷を階段状に変化させるために変化させる刻みが大きい場合は持続的動揺振幅が生じ最適動作点への収斂が不安定となり、変化幅が小さい場合は最適動作点への収斂時間が長くなり、特に、日射量が頻繁に変化する場合には太陽電池を最適動作点で利用することが困難であるとの課題が解消でき、さらに、従来のＭＰＰＴ手法には日射量や太陽電池温度の外部環境の変化に対応して高速の応答で探査決定するには数種類の条件分岐が必要で従来のアナログ回路方式ではスムーズな制御が実現困難であったのが解消でき、従来、デジタル制御の利用が有効で加えて製造原価を抑えるためにマイコンを採用するが、通常マイコンの処理速度は高速とは言えず、そのため制御演算アルゴリズム処理時間が冗長となり、制御精度を劣化させる原因となっていた課題を解消でき、また、従来の太陽電池で発生された直流電力につきパワコンを設備して電源系統に連系する方式では、日射量が低下する場合に運転を停止するため、太陽電池の利用効率が低下し、また電力を系統に流出させるいわゆる逆潮流時には線路電流の低下で電圧降下が減少するため配電線路の電圧上昇を招いて電力逆潮流動作に支障を来たし、線路電圧が配電条件規定を損なうことになる事象が生じない直流電源利用システムを提供することを目的とするものである。

換言すれば、本発明は、事務所などの設置可能な場所が多いことと実用化の面から低日射量時であっても太陽電池からの発電電力を最大限に利用することができ、逆潮流機能なしでもって制御が簡略化され低価格の太陽電池利用システムを構成できるものでもある。

また、作製費を低減するために廉価なマイコンを用いたデジタル方式が有効であるが、ＭＰＰＴ制御を行う場合に動作の揺らぎや不安定動作を生じさせないシステムでもある。

さらに、太陽電池パネルは高価格であり、設置コストの経済的向上を図るために低日射量時であっても、太陽電池からの発電電力を最大限利用できる確実な制御法が提供できるのである。

このように、本発明は、太陽電池を含む複数の直流電源から構成される電力利用システムで、特に日射量の変化が生じても、すなわち日射量がたとえ減少したとしても、その日射量において発電した電力を最大限利用できる簡易な制御法を提供するものであり、もって設置コストを低減させつつ、しかも安定して直流負荷に電力供給出来ると共に、その電力供給能力を大きく向上させることが出来るのである。

本発明による直流電源利用システムは、
直流で出力する複数の直流電源と、交流の商用電源と、前記交流の商用電源を直流電源に変換する直流変換器と、前記複数の直流電源及び前記直流に変換された商用電源から出力合成された直流の電力供給を受ける直流負荷器と、
を備え、
前記複数の直流電源と直流負荷器との間及び前記直流変換器と直流負荷器との間には各々逆流防止のダイオードが取り付けられると共に、前記複数の直流電源と直流に変換された商用電源には各々電圧調整装置が設けられ、
前記電圧調整装置では、前記複数の直流電源及び直流に変換された商用電源につき各々出力電圧を異ならせる操作を行って、いずれの電源からの出力を優先して前記直流負荷器へ電力供給するかの選択決定が行え、
前記選択決定により出力電圧の高い電源の順から優先的に出力できると共に、前記逆流ダイオードを介して、各々の電力出力を合成させ、合成した電力を前記直流負荷器に供給できる、
ことを特徴とし、
または、
直流で出力する複数の直流電源と、交流の商用電源と、前記交流の商用電源を直流電源に変換する直流変換器と、前記複数の直流電源及び前記直流に変換された商用電源から出力合成された直流の電力供給を受ける直流負荷器と、
を備え、
前記複数の直流電源と直流負荷器との間及び前記直流変換器と直流負荷器との間には各々逆流防止のダイオードが取り付けられると共に、前記複数の直流電源と直流に変換された商用電源には各々電圧調整装置が設けられ、
前記電圧調整装置では、前記複数の直流電源及び直流に変換された商用電源につき各々出力電圧を異ならせる操作を行って、いずれの電源からの出力を優先して前記直流負荷器へ電力供給するかの選択決定が行え、
前記選択決定により出力電圧の高い電源の順から優先的に出力できると共に、前記逆流ダイオードを介して、各々の電力出力を合成させ、合成した電力を前記直流負荷器に供給できる直流電源利用システムであり、
前記直流で出力する少なくとも１つの直流電源は、太陽電池であり、該太陽電池には、変化する日射量を検出する日射量検出部材を有すると共に、該検出された値から、変化する日射量に応じた前記太陽電池からの発電電力を最大限利用可能とした発電量制御装置とを有し、
前記発電量制御装置は、変化する日射量に対応して増減する太陽電池の発電電力につき、前記変化する日射量に応じた最大発電電力が得られる様構成された制御装置であり、
あらかじめ、太陽電池の日射量変化を横あるいは縦軸に、前記日射量の変化に対応した最大発電電力時における太陽電池からの最大出力電流値の変化を縦あるいは横軸にとったグラフを形成すると共に、太陽電池における最大日射量時１０００Ｗ／平方メートルにおける最大発電電力時の最大出力電流値を求めて前記グラフ上の１点に据え、当該１点と当該グラフの原点とを結び、変化する日射量に対応した太陽電池の最大発電電力を示す直線状をなす最大出力電流値の目標値を形成してなり、
前記日射量検出部材により検出した、変化する日射量値と、当該日射量値に対応する時点での太陽電池から得られた実際の出力電流値とを検出し、
前記得られた実際の出力電力値につき、前記グラフから得られた該当日射量値に対応する出力電流目標値となるよう、前記電源優先供給装置を動作させて制御する、
ことを特徴とし、
または、
直流で出力する少なくとも１つの直流電源と、交流の商用電源と、前記交流の商用電源を直流電源に変換する直流変換器と、前記少なくとも１つの直流電源及び前記直流に変換された商用電源の双方から直流の電力供給を受ける直流負荷器と、
を備え、
前記少なくとも１つの直流電源と直流負荷器との間及び前記直流変換器と直流負荷器との間には各々逆流防止のダイオードが取り付けられると共に、前記直流電源側から優先的に前記直流負荷器に電力供給を行う電源優先供給装置が取り付けられてなり、
前記直流で出力する少なくとも１つの直流電源は、太陽電池であり、該太陽電池には、変化する日射量を検出する日射量検出部材を有すると共に、該検出された値から、変化する日射量に応じた前記太陽電池からの発電電力を最大限利用可能とした発電量制御装置とを有し、
前記発電量制御装置は、変化する日射量に対応して増減する太陽電池の発電電力につき、前記変化する日射量に応じた最大発電電力が得られる様構成された制御装置であり、
あらかじめ、太陽電池の日射量変化を横あるいは縦軸に、前記日射量の変化に対応した最大発電電力時における太陽電池からの最大出力電流値の変化を縦あるいは横軸にとったグラフを形成すると共に、太陽電池における最大日射量時１０００Ｗ／平方メートルにおける最大発電電力時の最大出力電流値を求めて前記グラフ上の１点に据え、当該１点と当該グラフの原点とを結び、変化する日射量に対応した太陽電池の最大発電電力を示す直線状をなす最大出力電流値の目標値を形成してなり、
前記日射量検出部材により検出した、変化する日射量値と、当該日射量値に対応する時点での太陽電池から得られた実際の出力電流値とを検出し、
前記得られた実際の出力電力値につき、前記グラフから得られた該当日射量値に対応する出力電流目標値となるよう、前記電源優先供給装置を動作させて制御する、
ことを特徴とし、
または、
前記電源優先供給装置は、電圧調整装置であるパルス幅変調型直流チョッパーで構成され、該パルス幅変調型直流チョッパーの通流率を比例微分積分制御演算して決定し、前記演算して決定された通流率により電流調節し、前記太陽電池からの実際の出力電流値を前記出力電流目標値となるよう制御する、
ことを特徴とし、
または、
前記電源優先供給装置は、前記直流に変換された商用電源側に取り付けられた電圧調整装置である、
ことを特徴とし、
または、
前記日射量検出部材は、前記太陽電池を構成する太陽電池パネルで構成し、あるいは別の太陽電池パネルからなる太陽電池で構成した、
ことを特徴とし、
または、
前記直流電源には、商用電源を全波整流若しくはパルス幅変調型ＤＣコンバータで直流に変換し、得られた直流電源、直流型風力発電装置若しくは風力発電装置が交流発電ならば全波整流して得られた直流型風力発電装置、直流型燃料電池、直流型バイオガス発電機、静電容量や充放電制御装置を備えた蓄電池を含む、
ことを特徴とするものである。

本発明による直流電源利用システムであれば、まず、特に、太陽電池からの直流電力の供給を優先的に行え、しかも日射量に変化があった場合においても、変化した日射量において太陽電池からの発電電力を最大限使用できるとの効果を奏する。

また、前述した従来の制御法であるＭＰＰＴ制御方式に比較し、電圧や電流計測に使用されるＡＤ変換器の精度、あるいは機器の内部雑音などに大きく影響されず、もって従来ＭＰＰＴ制御方式の様に最適動作点への収斂速度に影響を与えず、更に、前記従来制御法に見られた、太陽電池の電気負荷を階段状に変化させるために変化させる刻みが大きい場合は持続的動揺振幅が生じ最適動作点への収斂が不安定となり、変化幅が小さい場合は最適動作点への収斂時間が長くなり、特に、日射量が頻繁に変化する場合には太陽電池を最適動作点で利用することが困難であるとの課題が解消できる効果を奏する。

さらに、従来のＭＰＰＴ手法には日射量や太陽電池温度の外部環境の変化に対応して高速の応答で探査決定するには数種類の条件分岐が必要で従来のアナログ回路方式ではスムーズな制御が実現困難であったのが解消できる効果を奏する。
また、従来、デジタル制御の利用が有効で加えて製造原価を抑えるためにマイコンを採用するが、通常マイコンの処理速度は高速とは言えず、そのため制御演算アルゴリズム処理時間が冗長となり、制御精度を劣化させる原因となっていた課題を解消できる効果を奏する。

さらに、従来の太陽電池で発生された直流電力をパワコンを設備して電源系統に連系する方式では、日射量が低下する場合に運転を停止するため、太陽電池の利用効率が低下し、また電力を系統に流出させるいわゆる逆潮流時には線路電流の低下で電圧降下が減少するため配電線路の電圧上昇を招いて電力逆潮流動作に支障を来たし、線路電圧が配電条件規定を損なうことになる事象が生じないとの効果を奏する。

換言すれば、本発明は、事務所などの設置可能な場所が多いことと実用化の面から低日射量時であっても太陽電池からの発電電力を最大限に利用することができ、逆潮流機能なしでもって制御が簡略化され低価格の太陽電池利用システムを構成できる効果を奏する。
また、作製費を低減するために廉価なマイコンを用いたデジタル方式が有効であるが、いわゆる制御を行なう場合に動作の揺らぎや不安定動作を生じさせないシステムを提供できる効果を奏する。

さらに、太陽電池パネルは高価格であり、設置コストの経済的向上を図るために低日射量時であっても、太陽電池からの発電電力を最大限利用でき、確実な制御法が提供できる効果を奏する。

このように、本発明は、太陽電池を含む複数の直流電源から構成される電力利用システムで、日射量の変化が生じても太陽電池の発生電力が最大限利用できる簡易な制御法を提供するものであり、これによって設置コストを低減させ、安定して直流負荷に電力供給出来ると共に、その電力供給能力を大きく向上させる効果を奏する。

すなわち、太陽電池を最適動作点で運転する本発明の制御方法で演算処理時間が短縮され、例えばパルス幅変調型直流チョッパー周期間隔を小さくすることが可能となり、これによって直流電源のオンオフによる電源脈動を抑えるフィルターやインダクタンス、静電容量及びその値を小さくすることが出来、もってシステムの製作原価を安価に出来る効果を奏する。

また、制御実行時間が短いので、日射量の突変が生じても即応して太陽電池の最適動作点に移行させ太陽電池の利用率を高める能力を与える効果を奏する。
また全て低価格の部品で構成できるので製作コストを低く抑えることが出来るとの効果を奏することになる。

本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。
まず、図２について説明する。図２は太陽電池ＰＶに加えてｎ個の電圧可変の直流電源Ｅ１、Ｅ２、・・・・Ｅｎが逆流防止ダイオードＤを通じて接続されている回路を示す。
これは本発明の太陽電池発電利用システム、すなわち直流電源利用システムを一般化したもので、それぞれの直流電源Ｅ１、Ｅ２、・・・・Ｅｎは商用電力を整流したもの、蓄電池、風力発電直流電源あるいは蓄電器であって構わない。但しそれぞれの直流電源Ｅ１、Ｅ２、・・・・Ｅｎには出力電圧調整装置（図２においては図示していない）が備わっていることを条件とする。

電気磁気学では各直流電源からの各岐路電流は「キルヒホッフの法則」を適用して計算されるが、各岐路に逆流ダイオードＤを有する場合は全く電流分布が異なる。

即ち、太陽電池ＰＶ以外の全ての直流電源Ｅ１、Ｅ２、・・・・Ｅｎの出力電圧が零ならば太陽電池ＰＶのみからの負荷電流Ｉｐ＝Ｅｐ／ＲＬが、いわゆる直流負荷器ＲＬに流れる。この場合キルヒホッフの第１法則に従う。

次に、例えば直流電源Ｅ１の電圧が零からＥ１（但しＥ１＜Ｅｐ）に上昇すればＩ１＝Ｅ１／Ｒが直流電源Ｅ１から流れるものとなる。
但し、Ｅ１の内部抵抗は負荷抵抗Ｒに比べて無視できるほど小さいとする。この時負荷電流ＩＬは変化せず太陽電池ＰＶからの電流ＩｐがＩ１だけ減少することになる。

このような事象は他の直流電源Ｅ２・・・Ｅｎの電圧が上昇すれば同一の現象となる。但し、太陽電池ＰＶの電圧Ｅｐより高い電圧の直流電源Ｅ１、Ｅ２、・・・・Ｅｎを接続してしまうと負荷端子電圧がその直流電源Ｅ１、Ｅ２、・・・・Ｅｎによって上昇してしまうことに留意しなければならない。従って、太陽電池ＰＶから優先して負荷電流Ｉｐを前記直流負荷器ＲＬ側に送出するシステムにするのであれば、太陽電池ＰＶの電圧Ｅｐより低い電圧になるよう前記出力電圧調整装置によって直流電源Ｅ１、Ｅ２、・・・・Ｅｎの出力電圧を調整する必要があることになる。

このように、負荷端子電圧を支配するのは、太陽電池ＰＶを含めた全ての直流電源Ｅ１、Ｅ２、・・・・Ｅｎのうち出力電圧が一番高いものとなり、その時に該当する直流電源による電流が最大となるのである。
以上のことから太陽電池ＰＶの電流Ｉｐは他の直流電源Ｅ１、Ｅ２、・・・・Ｅｎの電圧大きさを調整することで太陽電池ＰＶの電流Ｉｐを制御することが出来ることが理解できる。

さらに具体的に説明を加える。
すなわち、図５に基づいて説明すると、３つの直流電源であるＥ１，Ｅ２及びＥ３には、それぞれ逆流防止ダイオードＤ・・・が接続されており、直流負荷器ＲＬへ合成された直流形式の電力を出力するよう構成される。
そして、いずれの直流電源Ｅ１，Ｅ２及びＥ３からの出力を優先するかについては、その端子電圧を異ならせることにより行える。すなわち、図６に示すように、Ｅ１の端子電圧は１２．３０Ｖ、Ｅ２の端子電圧は１２．２５Ｖそして、Ｅ３の端子電圧は１２．２６Ｖとしてある。

このような端子電圧のとき、直流電源Ｅ１，Ｅ２及びＥ３には、図６に示す電流が流れるものとなった。すなわち、Ｅ１には２４．７８ｍＡ、Ｅ２には６．４５０ｍＡそしてＥ３には１２．２６ｍＡの電流が流れた。このように端子電圧の高い順から優先して電流が流れることが理解されるのである。

しかして、逆流防止ダイオードＤを接続するのと共に、それぞれの端子電圧を異ならせて決定することにより、いずれの直流電源Ｅ１，Ｅ２及びＥ３からの出力を優先するかを選択決定できるのである。
そして、ここに示す直流電源は、変換された交流の商用電源、そして直流形式の電力を出力する、カーバッテリーやバッテリーなどの電力貯蔵器からなる複数の直流電源でも構わないのである。

図７は直流電源Ｅ１，Ｅ２及びＥ３のうち、２電源を使用した場合のグラフであり、やはり、端子電圧の高い順から優先して電流が流れているのが理解できるものとなる。

次に、太陽電池１と太陽電池１以外の直流電源について発電された直流電力を合成して直流負荷器３へ送出するに際し、前記太陽電池１からの発電電力を最大限利用できるよう構成した実施例につき説明する。

図３に日射量毎の太陽電池１の電圧対電流特性から得られた日射量対最適動作電流の近似直線関係のグラフを示す。
図３に示すグラフ内の各点（４点）は各日射量における最大発電電力点である。この４点は各々変化する各日射量における最大発電電力点を示す最適動作電流の値を示す点であり、複雑な計測手法により実際に計測した値である。
次に、このグラフ内に示された直線は、太陽電池１が最大日射量時（１０００Ｗ／平方メートル）の最大発電電力点（最大発電電力点は最適動作電流に置き換えてあり、ここでは、約３．３（Ａ）とされる）のときの点と日射量が零の点（原点）を結んだ直線である。
すると、実際複雑な計測手法で計測した前記の４点は、ほぼ前記の直線の近似した位置にあり、大きな差異がないことが分かる。しかして、本件発明者らはかかるグラフが利用出来ることを見出し、このグラフを利用して簡単な構成で制御が行えることをも創案しているのである。

すなわち、まず、補助太陽電池２によって日射量を連続的に検出する。なお、本実施例では日射量検出につき、補助太陽電池２を別に設置してこれにより検出したが、太陽電池１から日射量を検出する構成としても構わない。
そして、変化する日射量が分かれば、前記のグラフを利用して該当の日射量における最大発電電力、すなわち最適動作電流が概ね求められることになり太陽電池１の制御が容易に実行できるのである。

図４に本発明による太陽電池利用システム、すなわち直流電源利用システムを示す。
図４に示す実施例において、符号１０は交流の商用電源であり、該交流の商用電源１０は商用電源整流器１１により直流に変換される。
また、本実施例では、前記商用電源１０は１基接続されているが、複数基接続しても構わないものである。
ここで、図４において符号３は直流負荷器、符号４は蓄電器、符号５はパルス幅変調型直流チョッパー、符号６はマイクロコンピュータ、符号７は逆流防止ダイオード、符号８ａは平滑リアクトル、符号８ｂは高周波用リアクトル、符号９ａは平滑コンデンサー、符号９ｂは高周波用コンデンサーを示す。
蓄電池４には直流負荷器３に対する負荷が比較的軽度であったり、あるいは電力供給を必要としない場合にのみ充電される様構成され、日照量が低い場合や夜間においても前記直流負荷器３に電力供給が必要とする場合に充放電制御器４ａを通じ蓄電器４からの電力が使用される。なお、太陽電池１で発電された電力を蓄積しない場合は設置する必要がないものとなる。

ここで、補助太陽電池２では変化する日射量が連続して検出されており、この検出された日射量のデータはマイクロコンピュータ６に送出されている。
また、太陽電池１からの電流１ａについても、例えばＡＤ変換器を通してマイクロコンピュータ６に送出されている。
従って、マイクロコンピュータ６では随時変化している日射量のデータと、該当する日射量のときの太陽電池１の発電量を示す電流値１ａが取り込まれて認識されるものとなる。
しかして、この電流値１ａを図３に示すグラフで表される最適電流値になるよう制御することになる。

すなわち、図３より日射量に対応した最適動作点電流Ｉｐ＊を近似直線から得る。
これに対して下記の各式に基づく演算で、直流に変換された商用電源１０側のパルス幅変調型直流チョッパー５の通流率ｄ（具体的にはチョッパー周期中のオン時間を示す。）が求められ、マイクロコンピュータ６から出力される。

ここで、式１のｅ（ｋ）は最適動作点電流Ｉｐ＊と太陽電池１の電流Ｉｐ（ｋ）との誤差を示す。
また、式２のいわゆるデジタル系ＰＩＤ制御演算式で、次の制御時刻に於けるパルス幅変調型直流チョッパー５の通流率を調整する制御量△ｄ（ｋ）が求められ、この値を前回の通流率ｄ（ｋ−１）に加算補正されてＩｐ（ｋ）をＩｐ＊に近づける処理が、式３で実行されるのである。
なお、式２中のＫｐ、Ｋｉ及びＫｄはそれぞれ比例制御、積分制御及び微分制御の係数を示す。

以上が本発明におけるいわゆる簡易なＭＰＰＴ制御方法であるといえる。
ここで、太陽電池１と直流に変換された商用電源１０側には、逆流防止ダイオード７、７が向き合わせにして接続され、直流負荷器３に電力供給がされる。
変化する日射量は補助太陽電池２で、太陽電池１の電流Ｉａは、例えばＡＤ変換器を通してマイクロコンピュータ６に取り込まれていることは既に述べたとおりである。
しかして、これらの値から前記の式１乃至式３を使ってパルス幅変調型直流チョッパー５に通流率ｄを出力し、いわゆる制御が実行されるのである。

なお、商用電源１０などの交流を直流に変換する装置、すなわち商用電源整流器１１には全波整流器やパルス幅変調型ＤＣコンバータが使われ、それらの装置が発生する脈流を吸収するために、前記した平滑リアクトル８ａと平滑コンデンサー９ａが用いられる。またパルス幅変調型直流チョッバー５の矩形波状の電庄を平滑するために高周波用リアクトル８ｂと高周波用コンデンサー９ｂが挿入される。

また、日射量が十分で、直流負荷器３に対する負荷が僅かであったり電力供給を必要としない場合には充放電制御器４ａを介して蓄電池４に電力を貯蔵することも出来る。そして、夜間時などには前記の蓄電器４を介して直流負荷器３に電力を供給することが出来る。

太陽電池の最大発電電力点に関するＶ−Ｐ特性を説明する説明図である。本発明の基本的構成の回路を説明する説明図である。本発明による日射量一最大発電最適動作電流の特性を説明する説明図である。本発明の構成を説明する構成説明図である。本発明の基本的な構成を説明する構成説明図である（その１）。本発明の基本的な構成を説明する構成説明図である（その２）。本発明の基本的な構成を説明する構成説明図である（その３）。

１太陽電池
２補助太陽電池
３直流負荷器
４蓄電池
４ａ充放電制御器
５振幅変調型直流チョッパー
６マイクロコンピュータ
７逆流防止ダイオード
８ａ平滑リアクトル
８ｂ高周波用リアクトル
９ａ平滑コンデンサー
９ｂ高周波用コンデンサー
１０商用電源
１１商用電源整流器
ＰＶ太陽電池
Ｄ逆流防止ダイオード
Ｅ１・・・Ｅｎ直流電源
ＲＬ直流負荷器

Claims

直流で出力する複数の直流電源と、交流の商用電源と、前記交流の商用電源を直流電源に変換する直流変換器と、前記複数の直流電源及び前記直流に変換された商用電源から出力合成された直流の電力供給を受ける直流負荷器と、
を備え、
前記複数の直流電源と直流負荷器との間及び前記直流変換器と直流負荷器との間には各々逆流防止のダイオードが取り付けられると共に、前記複数の直流電源と直流に変換された商用電源には各々電圧調整装置が設けられ、
前記電圧調整装置では、前記複数の直流電源及び直流に変換された商用電源につき各々出力電圧を異ならせる操作を行って、いずれの電源からの出力を優先して前記直流負荷器へ電力供給するかの選択決定が行え、
前記選択決定により出力電圧の高い電源の順から優先的に出力できると共に、前記逆流ダイオードを介して、各々の電力出力を合成させ、合成した電力を前記直流負荷器に供給できる、
ことを特徴とする直流電源利用システム。
直流で出力する複数の直流電源と、交流の商用電源と、前記交流の商用電源を直流電源に変換する直流変換器と、前記複数の直流電源及び前記直流に変換された商用電源から出力合成された直流の電力供給を受ける直流負荷器と、
を備え、
前記複数の直流電源と直流負荷器との間及び前記直流変換器と直流負荷器との間には各々逆流防止のダイオードが取り付けられると共に、前記複数の直流電源と直流に変換された商用電源には各々電圧調整装置が設けられ、
前記電圧調整装置では、前記複数の直流電源及び直流に変換された商用電源につき各々出力電圧を異ならせる操作を行って、いずれの電源からの出力を優先して前記直流負荷器へ電力供給するかの選択決定が行え、
前記選択決定により出力電圧の高い電源の順から優先的に出力できると共に、前記逆流ダイオードを介して、各々の電力出力を合成させ、合成した電力を前記直流負荷器に供給できる直流電源利用システムであり、
前記直流で出力する少なくとも１つの直流電源は、太陽電池であり、該太陽電池には、変化する日射量を検出する日射量検出部材を有すると共に、該検出された値から、変化する日射量に応じた前記太陽電池からの発電電力を最大限利用可能とした発電量制御装置とを有し、
前記発電量制御装置は、変化する日射量に対応して増減する太陽電池の発電電力につき、前記変化する日射量に応じた最大発電電力が得られる様構成された制御装置であり、
あらかじめ、太陽電池の日射量変化を横あるいは縦軸に、前記日射量の変化に対応した最大発電電力時における太陽電池からの最大出力電流値の変化を縦あるいは横軸にとったグラフを形成すると共に、太陽電池における最大日射量時１０００Ｗ／平方メートルにおける最大発電電力時の最大出力電流値を求めて前記グラフ上の１点に据え、当該１点と当該グラフの原点とを結び、変化する日射量に対応した太陽電池の最大発電電力を示す直線状をなす最大出力電流値の目標値を形成してなり、
前記日射量検出部材により検出した、変化する日射量値と、当該日射量値に対応する時点での太陽電池から得られた実際の出力電流値とを検出し、
前記得られた実際の出力電力値につき、前記グラフから得られた該当日射量値に対応する出力電流目標値となるよう、前記電源優先供給装置を動作させて制御する、
ことを特徴とする直流電源利用システム。
直流で出力する少なくとも１つの直流電源と、交流の商用電源と、前記交流の商用電源を直流電源に変換する直流変換器と、前記少なくとも１つの直流電源及び前記直流に変換された商用電源の双方から直流の電力供給を受ける直流負荷器と、
を備え、
前記少なくとも１つの直流電源と直流負荷器との間及び前記直流変換器と直流負荷器との間には各々逆流防止のダイオードが取り付けられると共に、前記直流電源側から優先的に前記直流負荷器に電力供給を行う電源優先供給装置が取り付けられてなり、
前記直流で出力する少なくとも１つの直流電源は、太陽電池であり、該太陽電池には、変化する日射量を検出する日射量検出部材を有すると共に、該検出された値から、変化する日射量に応じた前記太陽電池からの発電電力を最大限利用可能とした発電量制御装置とを有し、
前記発電量制御装置は、変化する日射量に対応して増減する太陽電池の発電電力につき、前記変化する日射量に応じた最大発電電力が得られる様構成された制御装置であり、
あらかじめ、太陽電池の日射量変化を横あるいは縦軸に、前記日射量の変化に対応した最大発電電力時における太陽電池からの最大出力電流値の変化を縦あるいは横軸にとったグラフを形成すると共に、太陽電池における最大日射量時１０００Ｗ／平方メートルにおける最大発電電力時の最大出力電流値を求めて前記グラフ上の１点に据え、当該１点と当該グラフの原点とを結び、変化する日射量に対応した太陽電池の最大発電電力を示す直線状をなす最大出力電流値の目標値を形成してなり、
前記日射量検出部材により検出した、変化する日射量値と、当該日射量値に対応する時点での太陽電池から得られた実際の出力電流値とを検出し、
前記得られた実際の出力電力値につき、前記グラフから得られた該当日射量値に対応する出力電流目標値となるよう、前記電源優先供給装置を動作させて制御する、
ことを特徴とする直流電源利用システム。
前記電源優先供給装置は、電圧調整装置であるパルス幅変調型直流チョッパーで構成され、該パルス幅変調型直流チョッパーの通流率を比例微分積分制御演算して決定し、前記演算して決定された通流率により電流調節し、前記太陽電池からの実際の出力電流値を前記出力電流目標値となるよう制御する、
ことを特徴とする請求項２または請求項３記載の直流電流利用システム。
前記電源優先供給装置は、前記直流に変換された商用電源側に取り付けられた電圧調整装置である、
ことを特徴とする請求項２、請求項３または請求項４記載の直流電源利用システム。
前記日射量検出部材は、前記太陽電池を構成する太陽電池パネルで構成し、あるいは別の太陽電池パネルからなる太陽電池で構成した、
ことを特徴とする請求項２、請求項３、請求項４または請求項５記載の直流電源利用システム。
前記直流電源には、商用電源を全波整流若しくはパルス幅変調型ＤＣコンバータで直流に変換し、得られた直流電源、直流型風力発電装置若しくは風力発電装置が交流発電ならば全波整流して得られた直流型風力発電装置、直流型燃料電池、直流型バイオガス発電機、静電容量や充放電制御装置を備えた蓄電池を含む、
ことを特徴とする請求項２、請求項３，請求項４、請求項５または請求項６記載の直流電流利用システム。