JP5347043B1

JP5347043B1 - 太陽電池システム

Info

Publication number: JP5347043B1
Application number: JP2012113547A
Authority: JP
Inventors: 仁森井泉; 勇人荒井; 憲市本田
Original assignee: Tateyama Kagaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tateyama Kagaku Kogyo Co Ltd
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: JP2013240253A

Abstract

【課題】太陽電池パネルの能力を最大限発揮させつつ、地域等によって異なる環境や気候に的確に対応し、効率の良い蓄電を可能とする太陽電池システムの提供。
【解決手段】太陽光を受けて電力を出力する太陽発電セル１を表裏に備えた太陽電池パネルと、表裏の太陽発電セル１の出力側に選択的に接続されるキャパシタ２及び蓄電池３と、当該太陽発電セル１の出力端子と当該キャパシタ２及び当該蓄電池３との間に介在し当該太陽発電セル１の出力電圧を最大電力点に維持する出力点制御手段４と、当該太陽発電セル１の出力、当該キャパシタ２の電位、又は当該蓄電池３の電位に応じて当該太陽発電セル１、当該キャパシタ２、及び当該蓄電池３相互の接続状態を切り替える充電制御手段５を備えることを特徴とする太陽電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光電池システムに関し、特に、太陽光により発電された電力を効率よく蓄電池に充電できるシステムに関する。

太陽電池パネルによる起電力は、設置場所の天候に大きく左右され、雨天時や降雪時における発電によって生じる電流（発電電流）は極めて小さい。発電電流が小さいと、蓄電池の自己放電と相俟って実際に充電される電気量がほとんどなくなる場合も少なくない。
この様に、太陽電池システムにおいては、発電効率を高めることと共に、充電効率を高めることも大きな目標となっており、表裏発電可能な太陽電池パネルを用いる手法（下記特許文献１参照）、集光レンズを採用する手法（下記特許文献２参照）、太陽電池パネルの発熱を抑える手法（下記特許文献３参照）等が紹介されている。

また、充電効率を高める手法（下記特許文献６参照）も紹介されており、蓄電池は、放電が進行した状態で放置するとサルフェーションによって性能が著しく低下することに鑑み、キャパシタを介在して発電量が不足している場合にも、確実に蓄電池に対する充電を可能とする手法（下記特許文献４参照）や、その際におけるキャパシタへの過充電により当該キャパシタの劣化を防止する手法（下記特許文献５参照）等も種々紹介されている。

特開２０１１−３５６１号公報特開２０１２−２３０９９号公報特開２０１０−１９９３６６号公報特開２００２−５８１７５号公報特開２０１１−１０４１８号公報特開２０１２−２９５１３号公報

しかしながら、表裏双方に太陽発電セルを備えている太陽電池パネルでは、置かれた環境が種々変化すると、発電量が表裏逆転する場合もあり、太陽電池パネル単位で発電量の検出による蓄電セルの切替え制御を行うだけでは、太陽電池システムの蓄電効率を高める上では不十分である。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、太陽電池パネルの能力を最大限発揮させつつ、地域等によって異なる環境や気候に的確に対応し、効率の良い蓄電を可能とする太陽電池システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明による太陽電池システムは、太陽光を受けて電力を出力する太陽発電セルを表裏に備えた太陽電池パネルと、表裏の太陽発電セルの出力側に選択的に接続されるキャパシタ及び蓄電池と、当該太陽発電セルの出力端子と当該キャパシタ及び当該蓄電池との間に介在し当該太陽発電セルの出力電圧を最大電力点に維持する出力点制御手段と、当該太陽発電セルの出力、当該キャパシタの電位、又は当該蓄電池の電位に応じて当該太陽発電セル、当該キャパシタ、及び当該蓄電池相互の接続状態を切り替える充電制御手段を備えることを特徴とする。
尚、ここで電位とは、出力点制御手段、キャパシタ、及び蓄電池について共通の基準電位に対する電位、即ち、一方の端子を共通電位に置いた際におけるキャパシタ又は蓄電池の端子間電圧を言う。

尚、太陽発電セルとキャパシタとの対応や、キャパシタと蓄電池との対応は、一対一で、複数対一、又は複数対複数のいずれでも良い。また、キャパシタとしては、リチウムイオンキャパシタ等の電気二重層キャパシタが挙げられ、蓄電池としては、鉛蓄電池等が挙げられる。

前記充電制御手段としては、セル・キャパシタ間制御手段と、キャパシタ・蓄電池制御手段と、セル・蓄電池制御手段とを備えたものが望ましい。
セル・キャパシタ間制御手段としては、例えば、当該太陽発電セルの出力が充電閾値未満である場合であって且つ当該キャパシタの電位がその上限閾値未満の場合に当該キャパシタと太陽発電セルを並列接続し、当該太陽発電セルの出力が充電閾値以上である場合又は当該キャパシタの電位がその上限閾値以上の場合に当該キャパシタと太陽発電セルの接続を遮断するものが挙げられる。

キャパシタ・蓄電池制御手段としては、当該キャパシタと太陽発電セルが接続された場合において、当該キャパシタの電位が蓄電池への放電閾値未満の場合に当該キャパシタと蓄電池の接続を遮断し、当該キャパシタの電位が蓄電池への放電閾値以上の場合に、当該蓄電池の電位がその上限閾値を超えた場合は当該キャパシタと蓄電池を遮断し、当該蓄電池の電位が上限閾値以下の場合は当該キャパシタと鉛電池を接続し、当該キャパシタと太陽発電セルが遮断された場合において、当該キャパシタの電位が蓄電池の電位未満の場合に当該キャパシタと蓄電池との接続を遮断し、当該電気二重層キャパシタの電位が蓄電池の電位以上の場合に当該キャパシタと蓄電池を並列接続するものが挙げられる。

セル・蓄電池制御手段としては、当該太陽発電セルの出力が充電閾値以上である場合又は当該キャパシタの電位がその上限閾値以上である場合において、当該蓄電池の電位がその上限閾値を超えた場合に当該太陽発電セルと蓄電池の接続を遮断し、当該蓄電池の電位がその上限閾値以下の場合に当該太陽発電セルと当該蓄電池を接続するものが挙げられる。

本発明による太陽電池システムによれば、太陽電池パネルの能力を最大限発揮させつつ、地域等によって異なる環境や気候に的確に対応し、設置方向、環境、若しくは天候に応じて出力が異なる表裏それぞれの太陽発電セルについて、キャパシタを介するか、キャパシタを介さず直接蓄電池に充電するかが適当に選択されて、受光量が異なる表裏太陽発電セルの出力を蓄電池へ効率よく充電することができる。

例えば、表面の太陽発電セルは、光を直接受け易いが、雪や埃等による汚れが堆積し易い一方、裏面の太陽発電セルは、光を直接受け難いが、雪や埃等による汚れが堆積し難いという実態があり、表裏太陽電池について対応するキャパシタについて個別の接続制御が行われることにより、充電効率を最適なものとすることができる。
また、キャパシタ及び蓄電池の充電し得る上限閾値に応じて、キャパシタと蓄電池とを接続するか、遮断するかが適当に選択されてキャパシタや蓄電池の保護を行うことができる。

本発明による太陽電池システムの実施態様例を示す回路図である。本発明による太陽電池システムにおける接続制御の実施態様例を示すフローチャートである。本発明による太陽電池システムに用いる太陽発電セルのIV特性の例を示すグラフである。

以下、本発明による太陽電池システムの実施の形態を街灯（照明灯）として具現した例として図面に基づき説明する。
図１に示す例は、太陽光を受けて発電する太陽電池パネルと、前記太陽光発電装置の電力で点灯する電灯と、その制御ボックスを、設置個所に固定立設されるポール等に支持したものである。

当該例における太陽電池パネルは、表裏両面での受光が可能な構成を持つ。
この様な構成を持つ限り、積層型の太陽発電セル１とそれを補強し且つ当該積層型太陽発電セルの通電部を密封するフレームとで構成される構成や、二枚の片面受光の太陽発電セル１，１と、表裏太陽発電セル１，１の外面を覆い保護する光透過性を持つ光透過板と、それらを支持し太陽電池パネルを密封するフレームとで構成される構成（図示省略）等、いかなる具体的構成を選択しても良い。

当該例における表裏太陽発電セル１，１は、太陽光を受けてそれぞれ所定の電力を出力し、その出力は各々導線を通じて前記制御ボックスへ引き入れられる。
当該制御ボックスは、その内部に、前記太陽発電セル１の出力端子から引き出された導線へ各々選択的に接続されるキャパシタ２及び蓄電池３と、前記太陽発電セル１の出力端子と前記キャパシタ２及び蓄電池３との間に介在し前記太陽発電セル１の出力電圧を各々最大電力点に維持する出力点制御手段４と、前記太陽発電セル１の出力、前記キャパシタ２の電位、又は前記蓄電池の電位に応じて、当該太陽発電セル１、当該キャパシタ２、及び当該蓄電池３相互の接続状態を選択的に切り替える充電制御手段５を備える。

太陽発電セルには、一般的にシリコン( Si )とガリウム・ヒ素( Ga-As )等がもちいられ、季節や時間帯や気象条件等の外的環境や接続する負荷に応じて出力電圧が大きく変化する（図３（Ａ）参照）。蓄電池３も負荷の一つであり、その様な外的環境や負荷に関わらず太陽発電セル１の出力電流を効率よく取り出すものが出力点制御手段４である。
図３（Ｂ）は、上記太陽発電セル１の動作のひとつたるIV特性の一例を示したものである。
当該例では、採用した太陽発電セル１のIV特性に基づき、太陽発電セル１から最も効率よく出力電流を取り出せる電圧：最大電力点に固定する様、太陽発電セル１の端子間電圧を制御する出力点制御手段（MPPT(Maximum Power Point Tracker)）４としてＤＣ−ＤＣコンバータを用いる。

当該例における前記キャパシタ２は、３V０．５Ahのリチウムイオンキャパシタを４個直列に接続してなるものを用い、前記蓄電池３にあっては、１２V８０Ahの鉛蓄電池を用いる。これらのキャパシタ２及び蓄電池３は、表裏太陽発電セル１，１それぞれについて備えられた前記出力点制御手段４，４の出力側に並列接続する。

蓄電池３は、比較的大きな容量を持つものの一定値以上の充電電流がなければ電荷の蓄積は叶わない。例えば、当該例で用いる鉛蓄電池は、充電電流が２Ａ未満、特に１Ａ未満の場合には、自己放電等で電力が消費され鉛蓄電池への効率的な充電が困難となる。
一方、キャパシタ２は、容量が比較的小さいものの充電電流が微小であっても比較的高効率な充電が可能である。

そこで、当該例にあっては、鉛蓄電池へ直接充電する際の閾値（充電閾値）を２Ａとし、リチウムイオンキャパシタにあっては、その充電終了電位（上限閾値）：１５．２Ｖ（１セル当たり３．８Ｖ）、放電終了電位：８．８Ｖとし、鉛蓄電池の充電終了電位（上限閾値）：１４．４Ｖ、放電終了電位：１０．５Ｖとする。

前記太陽発電セル１とキャパシタ２若しくは蓄電池３との間、及びキャパシタ２と蓄電池３との間は、断続可能な接点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を備え、各接点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、前記充電制御手段５によって各々の開閉が制御される。
その結果、前記太陽発電セル１が出力した電力（電流）は、キャパシタ２若しくは蓄電池３に選択的に供給され、若しくはそのいずれにも供給されない様に遮断されない様に制御され、又はキャパシタ２から蓄電池３への電流供給の断続が制御される。

前記充電制御手段５は、太陽発電セル１の出力電流、キャパシタ２の端子間電圧、及び蓄電池３の端子間電圧を測定するセンサｓｉ，ｓｃ，ｓｂと、前記接点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と、その開閉を制御する制御部６とで構成される。
前記制御部６は、セル・キャパシタ間制御手段と、セル・蓄電池間制御手段と、キャパシタ・蓄電池間制御手段を備え、各々は、太陽発電セル１の出力電流、キャパシタ２の端子間電圧、及び蓄電池３の端子間電圧を測定するセンサｓｉ，ｓｃ，ｓｂを以って制御要件を検出する。

前記セル・キャパシタ間制御手段は、当該太陽発電セル１の出力電流が充電閾値未満である場合であって且つ当該キャパシタ２の電位がその上限閾値未満の場合に、前記接点Ｓ１を閉じて当該キャパシタ２と太陽発電セル１を並列接続し、当該太陽発電セル１の出力が充電閾値以上である場合又は当該キャパシタ２の電位がその上限閾値以上の場合に、前記接点Ｓ１を開いて当該キャパシタ２と太陽発電セル１の接続を遮断する（図２参照）。

前記キャパシタ・蓄電池間制御手段は、当該キャパシタ２と太陽発電セル１が接続された場合において、当該キャパシタ２の電位が蓄電池３への放電閾値未満の場合に、前記接点Ｓ３を開いて当該キャパシタ２と蓄電池３の接続を遮断し、当該キャパシタ２の電位が蓄電池３への放電閾値以上の場合に、当該蓄電池３の電位がその上限閾値を超えた場合は、前記接点Ｓ３を開いて当該キャパシタ２と蓄電池３を遮断し、当該蓄電池３の電位が上限閾値以下の場合は、前記接点Ｓ３を閉じて当該キャパシタ２と蓄電池３を接続する（図２参照）。

また、同キャパシタ・蓄電池間制御手段は、当該キャパシタ２と太陽発電セル１が遮断された場合において、当該キャパシタ２の電位が蓄電池３の電位未満の場合に、前記接点Ｓ３を開いて当該キャパシタ２と蓄電池３との接続を遮断し、当該キャパシタ２の電位が蓄電池３の電位以上の場合に、前記接点Ｓ３を閉じて当該キャパシタ２と蓄電池３を並列接続する（図２参照）。

前記セル・蓄電池間制御手段は、当該太陽発電セル１の出力が充電閾値以上である場合又は当該キャパシタ２の電位がその上限閾値以上である場合において、当該蓄電池３の電位がその上限閾値を超えた場合に、前記接点Ｓ２を開いて当該太陽発電セル１と蓄電池３の接続を遮断し、当該蓄電池３の電位がその上限閾値以下の場合に、前記接点Ｓ２を閉じて当該太陽発電セル１と当該蓄電池３を接続する（図２参照）。尚、端子間電圧、電流の検知は制御部（マイコン等）により所定間隔で検知するものとする。

前記出力点制御手段４は、表裏太陽発電セル１，１の様に、置かれた環境が異なる太陽発電セル１の単体又は集合について個別に設けることが必要である。一方、充電制御手段５、並びにキャパシタ２及び蓄電池３については、表裏太陽発電セル１，１について個別に設けても良いし、前記出力点制御手段４の出力側において集約された出力電流が流れ込む共有部材として設けても良いが、上記例にあっては、後者を採用している。

上記例は、以上の如く構成されることによって、表裏太陽発電セル１，１が前記出力点制御手段４によって高効率で稼働され、悪天候時等において、例えば、表裏双方の出力電流を加え合わせて蓄電池３への直接充電が可能となった場合には、キャパシタ２への充電を経ることなく蓄電池３へ直接充電がなされ、表裏双方の出力電流を加え合わせても蓄電池３への直接充電が叶わない場合には、キャパシタ２へ一端充電された後に、キャパシタ２から蓄電池３へ十分な電流量をもって充電動作がなされるといった制御が可能となる。

晴天時であっても、表の太陽発電セル１が雪や埃などの光遮蔽物で覆われる等により、少なくとも片側の太陽発電セル１が満足に光を受けられない場合にあっても、同様に表裏太陽発電セル１，１が出力点制御手段４によって高効率で稼働され、例えば、表裏の出力電流を加え合わせることにより十分な電流量となる場合には、キャパシタ２への充電を経ることなく蓄電池３へ直接充電がなされ、表裏双方の出力電流を加え合わせても蓄電池３への直接充電が叶わない場合には、キャパシタ２へ一端充電された後に、キャパシタ２から蓄電池３へ十分な電流量をもって充電動作がなされるといった制御が可能となる。

また、キャパシタ２及び蓄電池３の充電上限値を超越することも有効に回避され、それらの故障や寿命短縮の原因を排除することができる他、蓄電池３からキャパシタ２への逆流も回避できるなど、太陽光発電セル１の能力を余すことなく有効利用した充電が可能となる。

１太陽発電セル，２キャパシタ，３蓄電池，
４出力点制御手段，
５充電制御手段，６制御部，
ｓｉ，ｓｃ，ｓｂセンサ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３接点，

Claims

太陽光を受けて電力を出力する太陽発電セルを表裏に備えた太陽電池パネルと、
表裏それぞれの太陽発電セルの出力側に選択的に接続されるキャパシタ及び蓄電池と、
表裏それぞれの太陽発電セルの出力端子と当該キャパシタ及び当該蓄電池との間に介在し当該太陽発電セルの出力電圧を最大電力点に維持する出力点制御手段と、
当該太陽発電セルの出力、当該キャパシタの電位、及び当該蓄電池の電位に応じて当該太陽発電セル、当該キャパシタ、及び当該蓄電池相互の接続状態を切り替える充電制御手段を表裏それぞれの太陽電池セルについて備えることを特徴とする太陽電池システム。
前記充電制御手段は、
当該太陽発電セルの出力が充電閾値未満である場合であって且つ当該キャパシタの電位がその上限閾値未満の場合に当該キャパシタと太陽発電セルを並列接続し、当該太陽発電セルの出力が充電閾値以上である場合又は当該キャパシタの電位がその上限閾値以上の場合に当該キャパシタと太陽発電セルの接続を遮断するセル・キャパシタ間制御手段と、
当該キャパシタと太陽発電セルが接続された場合において、当該キャパシタの電位が蓄電池への放電閾値未満の場合に当該キャパシタと蓄電池の接続を遮断し、当該キャパシタの電位が蓄電池への放電閾値以上の場合に、当該蓄電池の電位がその上限閾値を超えた場合は当該キャパシタと蓄電池を遮断し、当該蓄電池の電位が上限閾値以下の場合は当該キャパシタと蓄電池を接続し、
当該キャパシタと太陽発電セルが遮断された場合において、当該キャパシタの電位が蓄電池の電位未満の場合に当該キャパシタと蓄電池との接続を遮断し、当該キャパシタの電位が蓄電池の電位以上の場合に当該キャパシタと蓄電池を並列接続するキャパシタ・蓄電池制御手段と、
当該太陽発電セルの出力が充電閾値以上である場合又は当該キャパシタの電位がその上限閾値以上である場合において、当該蓄電池の電位がその上限閾値を超えた場合に当該太陽発電セルと蓄電池の接続を遮断し、当該蓄電池の電位がその上限閾値以下の場合に当該太陽発電セルと当該蓄電池を接続するセル・蓄電池制御手段とを備えることを特徴とする前記請求項１に記載の太陽電池システム。