JP5013677B2

JP5013677B2 - 太陽電池制御装置の制御方法

Info

Publication number: JP5013677B2
Application number: JP2005128303A
Authority: JP
Inventors: 郁男深井; 学溝上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: JP2006310400A

Description

小規模なモーター駆動用太陽電池システムにおいて、負荷に電力を供給する太陽電池の出力電力を最大にすべく、前記太陽電池の短絡電流及び開放電圧を測定することによって前記太陽電池を判別し、前記太陽電池の出力電圧が最大出力動作電圧で動作するよう制御する太陽電池制御装置の制御方法に関するものである。

一般に太陽光を電気エネルギーに変換して負荷を駆動する太陽電池システムにおいては、従来、図９に示すように、太陽電池１１に負荷１２を接続するという構成であるが、例えば負荷が重いと、図１０のように太陽電池出力電圧が低下して、最大電力を得られる最大出力動作電圧から外れ、取得発電電力が低下して発電能力を十分に発揮できなくなる。そこで、各々のシステムに合った電力量を確保するには、出力が低下しても十分な発電量が確保できるだけの容量を持つ太陽電池を接続するか、もしくは、必要な電力量を最小限の太陽電池でまかなえるようにするために、発電電力をより多く取り出せる発電効率を向上させる制御を行う必要がある。発電効率を向上させる具体的な方法としては、太陽電池が常に最大電力で動作できるように最大出力動作電圧で制御する回路を太陽電池と負荷の間に設けるのが一般的である。

一方、前者における太陽電池の増加による方法では、設置面積の増大につながるため、住宅の屋根上など設置可能面積が限られた場所への設置においては好ましいとは云えない。また、太陽電池式換気システムのような小規模なシステムでは軒先などに小型太陽電池モジュールを簡易架台等で固定するものも多く、太陽電池モジュールの大型化は重量増による屋根への負担や、面積増大による風等の負圧荷重の増加によって架台の強度が不足する等の諸問題が生じるので、後者のような発電効率を向上させるために最大出力動作電圧で制御する方法を用いるのが好ましい。

また、太陽光発電を商用電源に変換する電力変換装置のようなシステムに用いられるＭＰＰＴ制御が挙げられる。これは太陽電池の出力電力を常時監視しているため、コントローラの入力電圧と入力電流の最大定格を越えない範囲であれば、どのような太陽電池においても最大の発電能力を発揮でき、出力電力から照度を推定して起動停止を行うことができる。よって、このようなＭＰＰＴ制御は新旧モジュール両方の選択制御にも有効であり、また、複数の太陽電池の制御にも有効な手法である（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００４−２９５６８８号公報

しかしながら、前述したようなＭＰＰＴ制御は、ソフト制御や回路構成が複雑となり、部品点数の増加や制御回路のスイッチングによる発熱増加につながるという課題があり、特に比較的小規模なシステムである換気装置などの簡易な装置を構築する場合においては回路による損失の影響を受け易い。

本発明の目的は、上述したような小規模太陽電池システムにおいて、太陽電池の短絡電流及び開放電圧を測定することによって前記太陽電池を判別し、前記太陽電池の出力電圧が最大出力動作電圧で動作するよう制御するものであって、しかも施工者による手動切換を必要とせず、前記太陽電池を自動判定させ、制御する太陽電池制御装置の制御方法を提供することにある。

本発明の太陽電池制御装置の制御方法は、負荷に電力を供給する太陽電池の出力電力を最大にすべく、前記太陽電池の短絡電流及び開放電圧を測定することによって前記太陽電池を判別し、前記太陽電池の出力電圧が最大出力動作電圧で動作するよう制御する太陽電池制御装置の制御方法であって、前記太陽電池制御装置にメモリ部を設け、このメモリ部に前記太陽電池を判別するための複数種類の判別用太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値を蓄えるとともに、前記太陽電池の短絡電流及び開放電圧を測定し、前記短絡電流から前記太陽電池が受けた照度を計算し、さらにこの照度での前記太陽電池の開放電圧値と前記メモリ部内の複数種類の前記判別用太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値とを比較することによって、前記太陽電池が複数種類の前記判別用太陽電池のいずれであることを認識して、認識された前記判別用太陽電池の最大動作電圧値を読み出して、前記太陽電池の出力電圧が前記最大動作電圧値で動作するよう制御することを特徴とする。

また、本発明の他の太陽電池制御装置の制御方法は、前記メモリ部に蓄えられた複数種類の前記判別用太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値は重なる部分があり、前記太陽電池の規定照度での開放電圧値が前記重なる部分の範囲内にあるとき、前記太陽電池を低いほうの開放電圧範囲値を有する前記判別用太陽電池として認識するようにしたことを特徴
とする。

また、本発明の他の太陽電池制御装置の制御方法は、前記太陽電池の規定照度での開放電圧値を１日のうち最初に規定照度に到達した時点で測定するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の他の太陽電池制御装置の制御方法は、前記メモリ部に蓄えられた複数種類の前記判別用太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値は重なる部分があり、前記太陽電池の規定照度での開放電圧値が前記重なる部分の範囲内にあって、さらに前日の前記太陽電池の規定照度での開放電圧値が前記重なる部分の範囲内にないとき、前日の前記太陽電池の判別結果を用いるようにしたことを特徴とする。

さらに、本発明の他の太陽電池制御装置の制御方法は、負荷としての換気装置を用いたことを特徴とする。

本発明の太陽電池制御装置の制御方法によれば、前記太陽電池の自動判定を可能とし、その太陽電池にあった制御を可能とする。

また、本発明の他の太陽電池制御装置の制御方法によれば、前記太陽電池の出力電力をより最大値に近づけさせることができる。

また、本発明の他の太陽電池制御装置の制御方法によれば、温度変化による影響を抑えることができる。

また、本発明の他の太陽電池制御装置の制御方法によれば、開放電圧範囲が重複して未判定となった場合においても判定可能とすることができる。

さらに、本発明の他の太陽電池制御装置の制御方法によれば、太陽電池が変わっても同じ太陽電池制御装置を用いる柔軟性のある換気システムを構築することができる。

以下に、本発明に係る太陽電池システムの太陽電池容量の自動判定制御方法の実施形態について、モーター負荷を用いた太陽電池式床下換気システムを例に取り、模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。

図１に示すように、本例の太陽電池式床下換気システムは、太陽電池１１と、前記太陽電池１１を電源として駆動されるファンモータなどの負荷１２と、制御装置３０とで構成される。制御装置３０は、太陽電池１１の出力制御と負荷１２の出力電圧を生成する電源制御部１３と、電源制御部１３を制御する制御回路１４と、制御部回路１４に電源を供給する制御電源部１５と、太陽電池１１を短絡する入力短絡回路１６と、太陽電池１１の出力電圧である入力電圧を計測する入力電圧検知回路１７からなる。

制御回路１４は、太陽電池判定の基になる各太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値やシステム起動させる短絡電流値などの各種制御データを記憶させるメモリ部である記憶部１８と、前記記憶部１８にある開放電圧範囲データと入力電圧検知回路１７から取得される開放電圧値を比較し、どのような太陽電池が接続されているかを判定したり、前記記憶部１８にある短絡電流値と入力電圧検知回路１７から取得される短絡電流値を比較して起動判断を行ったりする比較部１９と、短絡電流を計測するため入力短絡回路１６を短絡させたり比較部１９の判定データに基づき電源制御部１３を制御したりする制御部２０より成る。また、制御電源部１５は、安定した電源を制御回路に供給する電源であり、入力短絡回路１６は、制御部の信号により入力を短絡させるＦＥＴなどのスイッチ素子で構成されたスイッチ部２４と短絡電流値を電圧に変換する抵抗器２５よりなる。この短絡電流値を表す電圧は、入力検知回路１７を通して制御回路１４に伝送される。

制御回路１４は、あらかじめシステム起動前の低照度にて制御回路のみ起動させる。制御電源部１５が太陽電池とは独立した電源の場合や、独立せずに太陽電池１１より供給する場合においてもシステム起動前は制御回路１４以外動作させず、例えば表示回路がある場合でも点灯しないので、太陽電池１１が供給する電流は極めて少なく、その発電電圧は開放電圧に近似する。このようにシステム起動前は開放電圧を常時測定できる状態にしておく。

太陽電池の開放電圧は照度に影響を受けるので、太陽電池を開放電圧で認識する場合、照度についての配慮が必要である。具体的には一定の照度の時に開放電圧を測定するか、照度要素を配慮した計算によって判定する。照度は、太陽電池の短絡電流が照度におおよそ比例することから、短絡電流値によって照度予測でき、入力短絡回路１６において太陽電池１１を短絡させることで測定する。短絡電流は入力短絡回路１６にある抵抗器２５によって、電圧に変換され、入力電圧検知回路１７を通じて比較部１９に伝送される。記憶部１８には、あらかじめ開放電圧を取得する短絡電流条件を記憶させておき、伝送された短絡電流の実測値がこの条件となったときの開放電圧を取得する。以上により、一定照度での開放電圧の取得が可能となる。

さらに、太陽電池の開放電圧は温度にも影響を受けるので、一定の温度のときに計測を行うか、温度要素を配慮した計算によって判定することが望ましい。いずれにしても太陽電池温度を計測する必要があるが、太陽電池温度を測定するためには太陽電池までの信号伝達用ケーブルが必要となり、新たな部材や施工工数がかかる。また、無線でデータを飛ばすためには送信用電源の確保や防水対策等の問題が新たに生じる。

そこで、以下の簡易的な方法により、開放電圧の温度ばらつきを抑え、上述した算出を容易とすることができる。

本発明者が繰り返し行なった実験結果によれば、１日のうち最初に規定照度に到達した時点での開放電圧を計測すると、日々の温度差が抑えられた好適な測定が出来、これは、日中の日射急変時のように、一旦、照度や気温（太陽電池温度）が上昇した後に、雲等により照度が急激に低下して規定照度となった場合のような、太陽電池素子が高温状態での開放電圧値を用いるのに対して大変安定した数値が得られる。

具体的な方法としては、先に述べたように制御回路１４は低照度の時点から起動しており、曇りの間、一時的に日が陰ってシステムが停止する規定の照度以下になった場合でも継続して動作しており、日の出前に起動し、日の入以降に停止する。これを利用し、制御回路１４が起動した後に、規定の照度に最初に到達した開放電圧を測定する。すなわち、一日のうち最初に規定の照度に達した時点での開放電圧を測定するので、周囲の温度が上昇もしくは下降し切る前に測定することとなり、また、年間を通しても一日の中で最も温度差が少ない時間帯を用いることで、太陽電池の発電効率の誤差となる温度差を抑えることができる。

入力短絡回路１６によって太陽電池１１を短絡させ、この状態の短絡電流値を表す電圧が規定の電圧値に到達した時に、短絡を解除し開放電圧を読み取る方法で、一定の照度での開放電圧を読み取ることが可能となるが、この方法では、太陽電池を継続短絡させることになり、制御電源部が太陽電池の出力から供給している場合、制御回路１４を動作させることができない。そこで、制御電源部が太陽電池の出力により供給している場合には、図１１のように例えば、電解コンデンサ２２と逆流防止ダイオード２３よりなるバックアップ回路２１を設け、さらに、図３のように、制御回路の動作電圧に影響を与えない、極めて短時間の短絡を周期的に行うことで、制御回路１４を止めることなく、継続的に太陽電池の短絡電流を測定する。

なお、開放電圧は短絡電流測定直前に実施することで、短絡電流測定直後における過渡的な電圧変動による測定障害の影響を受けないようにすると好適である。

このようにして得られた規定照度での開放電圧値を、記憶部にある同じ規定照度の各太陽電池の開放電圧値と比較して太陽電池の認識を行う。記憶部にある開放電圧値は、考慮される太陽電池のばらつきをデータとして加味し、開放電圧範囲値として記憶させる。例えば、ＡとＢのふたつの太陽電池モジュールを考えた場合、１３Ｖ〜１６Ｖであれば太陽電池Ｂ、１７Ｖ〜２３Ｖであれば太陽電池Ａとして記憶部に記憶させ、格納する。

このような判定データに基づき、制御回路１４は太陽電池１１を判定し、図２に示す動作フロチャートのように最大出力制御を行なう。具体的には、記憶部１８から判定した側のデータを読み出し、入力電圧検知回路１７から伝送された実測データ値と比較し、制御部２０に伝達する。最大動作電圧制御では、記憶部１８にある認識された方の太陽電池の最大動作電圧値を読み出し、入力電圧の実測データが前記最大動作電圧になるように、比較部１９と制御部２０において最大出力制御する。また、起動停止制御では、記憶部１８にある認識された方の任意の短絡電流値を読み出し、比較部１９が規定の照度における短絡電流値を算出して、測定の短絡電流値が前記の算出した規定の短絡電流値となったところで起動または停止を行う。

次に、規定の照度以上で起動する場合について述べる。

前述した太陽電池制御はシステムでは起動前の規定の低い照度で太陽電池１１を認識し、システム起動後に制御させる方法であるが、施工時やメンテナンス時、あるいはＡＣアダプターなどの別電源で起動させた場合では、前述したような規定の照度での開放電圧を測定できないまま、高照度または温度上昇後の状態でシステム起動しなければならない場合が生じる。このような状態では、規定の照度での比較基準である記憶部１８に記憶されているそれぞれの開放電圧範囲値を採用することができない。よって、このように照度が一定でない開放電圧を扱う場合を考慮し、別に比較基準を設定する必要がある。そこで、図４に示す動作フロチャートのように記憶部１８に電圧範囲を広げた開放電圧範囲値を新たに設定し、規定照度以上の場合にはそちらのサブフローによる範囲判定をすることにより太陽電池１１を認識するようにするとよい。

以上、太陽電池１１の開放電圧範囲値が重複しない場合を例にとり説明したが、太陽電池素子の効率アップなどのように大きく出力が変らない太陽電池モジュールを識別しなければならない場合も多い。よって、以下に開放電圧範囲が少しでも重複した場合について説明する。

記憶部１８に在る開放電圧範囲において重複範囲がある場合、例えば、判別用太陽電池である太陽電池Ｂの開放電圧範囲が１３Ｖ〜１７Ｖ、判別用太陽電池である太陽電池Ａが１６Ｖ〜２３Ｖとしたとき、１６Ｖ〜１７Ｖは重複する範囲である。この範囲に入力電圧
検知回路１７の実測開放電圧データ値が入力されると太陽電池Ａまたは太陽電池Ｂのいずれを基準にした制御とするべきか判断できない。具体的には、図５に示すように、太陽電池Ａと太陽電池Ｂの２つの太陽電池モジュールにおいて、太陽電池Ａの最大動作電圧をａ、太陽電池Ｂの最大動作電圧をｂとしたとき、ａ＞ｂであった場合には、ａで入力制御を行うと太陽電池Ｂの電力はｂ１からｂ２に極端に低下する。特に温度が上昇するなどで太陽電池Ｂの開放電圧がａ以下になった場合は、ｃ１が動作点となり、まったく電力を取り出すことができない。逆にｂで入力制御を行った場合は、ａ１からａ２に発電電力は低下するがａで入力制御を行った場合に比べ、電力が極端に低下することはない。

このような場合、図６に示す動作フロチャートのように、最大動作電圧制御では、太陽電池Ａと太陽電池Ｂのうち低い方の最大動作電圧に設定する。また、起動停止制御では起動照度を決定する短絡電流値は、ふたつのモジュールの真ん中を起動の短絡電流値とすることで偏った起動照度となることを防ぐ。

以上、重複した開放電圧範囲に測定値が入った場合の処理方法について述べたが、以下に前記重複範囲内に測定値が入った場合でも、判定することが可能な場合について説明する。これは例えば、前日の判定では判定可能範囲にあった開放電圧が、今日は温度上昇により、重複範囲内となってしまった場合であり、実際には昨日と太陽電池は変わっておらず、気温の変動により重複範囲内となったことが予測される場合に対する制御方法であり、図７に示す動作フロチャートのように、前記メモリ部に蓄えられた太陽電池の種類を判別するための複数種類の判別用太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値は重なる部分があり、前記太陽電池の規定照度での開放電圧値が前記重なる部分の範囲内にあって、さらに前日の前記太陽電池の規定照度での開放電圧値が前記重なる部分の範囲内にないとき、前日の前記太陽電池の判別結果を用いるようにする。このようにすることにより、重複範囲内においても正しい制御を行なうことが可能となる。

以上のように、さまざまな場合においての判定方法を述べたが、以下の方法と併用すれば、より確度の高い太陽電池モジュールの識別判定をすることが可能となる。

（例１）短絡電流の違いによる認識
停止の照度を計測するため、システム起動後も制御部は周期的に短絡電流を計測する。ここで太陽電池ＡとＢそれぞれの短絡電流において通常考慮される短絡電流の最大値をそれぞれｃおよびｄとして、ｃ＜ｄのとき、ｄ〜ｃの範囲の短絡電流が計測された場合は、太陽電池は太陽電池Ｂに限定される。このように太陽電池の短絡電流の最大値によっても識別が可能で、未判定時や判定後の認識確認に適用でき、より正確な判定を行うことができる。

（例２）認識ミス保護
システム起動後、制御回路が電源制御部の出力を停止していないにもかかわらず、負荷への出力がない場合には、現在の制御とは逆の太陽電池での制御に変更する。例えば、太陽電池Ａで制御していたが負荷への出力がない場合は、太陽電池Ｂで制御を行う。具体的には、図８のように、出力側に出力電圧検知回路２６を構成して、比較部１９が出力電圧を監視する。出力電圧がない場合、制御回路１４が行っている太陽電池制御を現在とは反対の太陽電池制御に切り換える。どちらの制御でも出力電圧がない場合には未判定として前述した未判定時の太陽電池制御同様に低い方の最大動作電圧にて制御する。

本発明に係る太陽電池制御装置の実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。本発明に係わる太陽電池制御装置における第１の実施例の動作を示すフロチャートである。本発明に係わる太陽電池制御装置の起動動作におけるタイミング例を示す電圧波形図である。本発明に係わる太陽電池制御装置の第２の実施例の動作を示すフロチャートである。一般的な特性の違う２枚の太陽電池モジュールの出力特性の関係を示す特性図である。本発明に係わる太陽電池制御装置の第３の実施例の動作を示すフロチャートである。本発明に係わる太陽電池制御装置の第４の実施例の動作を示すフロチャートである。本発明に係る太陽電池制御装置の第５の実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。従来の太陽電池による負荷駆動の実施の形態を模式的に説明する概略回路構成図である。一般的な、負荷により太陽電池出力が低下すると発電電力も低下することを説明する太陽電池出力の特性図である。本発明に係る太陽電池システムの第６の実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。

符号の説明

１１：太陽電池
１２：負荷
１３：電源制御部
１４：制御回路
１５：制御電源部
１６：入力短絡回路
１７：入力電圧検知回路
１８：記憶部
１９：比較部
２０：制御部
２１：バックアップ回路
２２：電解コンデンサ
２３：逆流防止ダイオード
２４：スイッチ部
２５：抵抗器
２６：出力電圧検知回路
３０：制御装置

Claims

負荷に電力を供給する太陽電池の出力電力を最大にすべく、前記太陽電池の短絡電流及び開放電圧を測定することによって前記太陽電池を判別し、前記太陽電池の出力電圧が最大出力動作電圧で動作するよう制御する太陽電池制御装置の制御方法であって、前記太陽電池制御装置にメモリ部を設け、このメモリ部に前記太陽電池を判別するための複数種類の判別用太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値を蓄えるとともに、前記太陽電池の短絡電流及び開放電圧を測定し、前記短絡電流から前記太陽電池が受けた照度を計算し、さらにこの照度での前記太陽電池の開放電圧値と前記メモリ部内の複数種類の前記判別用太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値とを比較することによって、前記太陽電池が複数種類の前記判別用太陽電池のいずれであることを認識して、認識された前記判別用太陽電池の最大動作電圧値を読み出して、前記太陽電池の出力電圧が前記最大動作電圧値で動作するよう制御することを特徴とする太陽電池制御装置の制御方法。
前記メモリ部に蓄えられた複数種類の前記判別用太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値は重なる部分があり、前記太陽電池の規定照度での開放電圧値が前記重なる部分の範囲内にあるとき、前記太陽電池を低いほうの開放電圧範囲値を有する前記判別用太陽電池として認識するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池制御装置の制御方法。
前記太陽電池の規定照度での開放電圧値を１日のうち最初に規定照度に到達した時点で測定するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池制御装置の制御方法。
前記メモリ部に蓄えられた複数種類の前記判別用太陽電池の規定照度での開放電圧範囲値は重なる部分があり、前記太陽電池の規定照度での開放電圧値が前記重なる部分の範囲内にあって、さらに前日の前記太陽電池の規定照度での開放電圧値が前記重なる部分の範囲内にないとき、前日の前記太陽電池の判別結果を用いるようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽電池制御装置の制御方法。
請求項１ないし４に記載の太陽電池制御装置の制御方法において、負荷としての換気装置を用いたことを特徴とする太陽電池制御装置の制御方法。