JP5636729B2

JP5636729B2 - 太陽電池装置

Info

Publication number: JP5636729B2
Application number: JP2010102958A
Authority: JP
Inventors: 佐野　勇司; 勇司佐野
Original assignee: Toyo University
Current assignee: Toyo University
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2011233725A

Description

本発明は、光電変換によって発電を行う太陽電池装置に関する。

太陽電池セルは、シリコン半導体のＰＮ接合に光が照射されると、直流電流が生じるという特性を利用した発電素子である。太陽電池装置は、複数の太陽電池セルが接続されることにより所望の電力を発生する。

太陽電池装置は、光エネルギーを利用するため、石油エネルギーや原子エネルギーの供給が不要であり、排出物もないので、地球環境の維持に適したクリーンエネルギー源として注目されている。

また、他の発電設備に比べて騒音や振動などがなく保守も容易であるという利点があり、家庭におけるエネルギー源として世界的に普及しており、家庭から電力会社への余剰エネルギーの売買も行われている。

しかしながら、太陽電池装置においては、光が照射されていないパネル部分が存在すると効率が大幅に低下するとともに、天候により太陽電池セルに照射される光量が変化すると発電電圧が大きく変化する。

そこで、最大電力を常時出力するために、太陽電池装置には、最大出力点追従制御回路（Maximum Power Point Tracker Circuit、以下「ＭＰＰＴ回路」という）が設けられている。ＭＰＰＴ回路は、複数の太陽電池セルからなる太陽電池モジュールの出力電流を制御するともに、出力電圧を負荷に必要な電圧に変換する（特許文献１参照）。

特開２００８−２５７３０９号公報

上述した従来の太陽電池装置に用いられているＭＰＰＴ回路では、電流コイルを用いたスイッチングレギュレータ回路が用いられているため、回路規模が大きくなり、太陽電池装置を低コストに構成できないという課題がある。

本発明の課題は、太陽電池セルの周辺回路の構成部品数および回路規模を縮小または最小限にして小型化し、コストを大幅に削減できる太陽電池装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、光照射に応じて発電する太陽電池セルと、前記太陽電池セルで発電された電力を制御する周辺回路部とが集積化され、前記周辺回路部は、容量性素子とダイオードとを有し前記太陽電池セルからの電圧を昇圧するチャージポンプ回路と、前記チャージポンプ回路を動作させるためのクロックを発生するクロック発振回路を備え、前記クロック発振回路の周波数は電力効率を最大化するように設定されることを特徴とする。例えば、太陽電池セル内に周辺回路部を集積化する。

また、本発明は、太陽電池セル内に周辺回路部を構成する半導体素子が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池セルの周辺回路の構成部品数および回路規模を縮小または最小限にして小型化できるので、太陽電池装置のコストを大幅に削減できる。また、チャージポンプ回路とクロック発振回路を備える周辺回路部を用いるので、電圧変換時の電力効率が著しく向上できる。

本発明の実施例１に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールの構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールで使用されるチャージポンプ回路の詳細な構成を示す回路図である。本発明の実施例１に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールで使用される集積化セルの構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールで使用される集積化セルを複数直列接続した状態を示す図である。本発明の実施例１に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールで使用される集積化セルを複数並列接続した状態を示す図である。本発明の実施例２に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールの構成を概略的に示すブロック図である。本発明の実施例２に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールの周辺回路部としてＭＰＰＴ回路が適用された具体例を示す図である。本発明の実施例２に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールの他の構成を概略的に示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態の太陽電池装置を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールの構成を示すブロック図である。この太陽電池モジュールは、各々が同一の構成を有する複数の或いは単一の集積化セル１_i〜１_n（ｎは任意の整数）を有して構成されている。複数の集積化セル１₁〜１_nは並列に接続されており、各集積化セル１₁〜１_nの出力は負荷ＲＬに供給される。複数の集積化セル１₁〜１_nの各々の構成は同じであるので、以下では、１つの集積化セル１₁についてのみ説明する。

集積化セル１₁は、太陽電池セル１１と周辺回路部１２を備えている。太陽電池セル１１は、例えばシリコン半導体のＰＮ接合によって構成されており、光照射に応じて発電を行う。この太陽電池セル１１で発電された電力は、周辺回路部１２に供給される。また、複数の太陽電池セル１１の並列接続や直列接続からの電力が周辺回路部１２に供給されていても構わない。

周辺回路部１２は、例えばＭＰＰＴ回路として機能する電圧変換回路により構成されている。この周辺回路部１２は、例えば制御回路２１およびチャージポンプ回路２２からなり、チャージポンプ回路２２は、クロック発振回路２３を有している。

制御回路２１は、太陽電池セル１１から出力される電流や電圧を検出し、その検出値に応じて、クロック発振回路２３が発生するクロックの周波数を決定するための周波数制御信号を生成し、チャージポンプ回路２２の内部のクロック発振回路２３に送る。

なお、制御回路２１は、集積化セル１_i（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）からの出力電流または太陽電池モジュールからの出力電流（複数の集積化セル１₁〜_nの全体からの出力電流）を検出し、検出した電流に応じて周波数制御信号を生成してチャージポンプ回路２２の内部のクロック発振回路２３に送るように構成することもできる。

チャージポンプ回路２２は、クロック発振回路２３で発生されたクロックＶφおよび反転クロック¬Ｖφ（クロックＶφの位相を１８０°だけ遅延させた信号であれば、例えばクロックと反転クロックが両方共にローレベルの期間を挟んで交互にハイレベルに反転する２相クロック信号であっても構わない。）に応じて、太陽電池セル１１から供給される電圧を昇圧し、集積化セルの１₁の外部に出力する。チャージポンプ回路２２の詳細は後述する。

クロック発振回路２３は、上述したように、チャージポンプ回路２２を動作させるためのクロックＶφおよび反転クロック¬Ｖφを生成し、チャージポンプ回路２２に送る。

次に、チャージポンプ回路２２の詳細を説明する。図２はチャージポンプ回路２２の詳細な構成例を示す回路図である。チャージポンプ回路２２は、ダイオードＤ１〜Ｄ３、コンデンサＣ１、Ｃ２および出力コンデンサＣｏｕｔを有している。ダイオードＤ１のアノードは太陽電池セル１１の出力端子に接続され、太陽電池セル１１からの電圧Ｖｉｎが供給される。

ダイオードＤ１のカソードは、ダイオードＤ２のアノードおよびコンデンサＣ１の一端に接続されている。コンデンサＣ１の他端には、クロック発振回路２３からクロックＶφが供給される。

ダイオードＤ２のアノードは、ダイオードＤ１のカソードに接続され、太陽電池セル１１からの電圧ＶｉｎにクロックＶφの振幅電圧が重畳された電圧が供給される。ダイオードＤ２のカソードは、ダイオードＤ３のアノードおよびコンデンサＣ２の一端に接続されている。コンデンサＣ２の他端には、クロック発振回路２３から反転クロック¬Ｖφが供給される。

ダイオードＤ３のアノードは、ダイオードＤ２のカソードに接続され、太陽電池セル１１からの電圧ＶｉｎにクロックＶφの振幅電圧が重畳された電圧に、さらに反転クロック¬Ｖφの振幅電圧が重畳された電圧が供給される。ダイオードＤ３のカソードは、出力コンデンサＣｏｕｔの一端および負荷ＲＬに接続されている。出力コンデンサＣｏｕｔの他端は、接地されている。出力コンデンサＣｏｕｔの電圧が負荷ＲＬに供給される。

このように構成される集積化セル１₁において、クロック発振回路２３で発生されるクロックＶφおよび反転クロック¬Ｖφの周波数を変更したり、チャージポンプ回路２２の昇圧段数（図２ではコンデンサＣ１およびコンデンサＣ２の２段の例を示している）を制御回路（図示しない）で切り換えたりすることにより、発電効率を向上させたり、出力電圧の低下を抑えたりすることができる。

図２に示すチャージポンプ回路２２を用いて実験した結果の一例として、次のことがわかった。すなわち、入力電圧Ｖｉｎを上げると出力電圧Ｖｏｕｔおよび電力効率も上がる。また、クロック周波数が高いほど出力電圧が高くなるが、最も高効率になる最適周波数が存在する。

さらに、チャージポンプの段数を上げると出力電圧は上がるが電力効率は低下する。具体的にな数値で示すと、集積化セル１_iの出力電圧３．９Ｖを１２Ｖに昇圧する場合は４段のチャージポンプ回路２２を用い、クロック周波数を１．０ＭＨｚにすれば最も高効率になった。

このように、実施例１に係る太陽電池装置に使用される複数の集積化セル１₁〜１_nの各々は、図３に符号１_iで示すように、太陽電池セル１１と周辺回路部１２とが集積化されて構成されている。

周辺回路部１２としては、コイルを用いずに集積化が可能なチャージポンプ回路を一例とする電圧変換回路などの発電電力の供給を受ける回路を例示することができる。なお、周辺回路部１２としては、発電電力の供給を受けない一般の回路を集積化することもできる。

図３に示した集積化セル１_iは、図４に示すように、複数の集積化セル１₁〜１_nを直列に接続して構成することができる。この構成によれば、出力電圧Ｖｏｕｔの高圧化が容易になる。

また、図３に示した集積化セル１_i〜１_nは、図５に示すように、複数の集積化セル１₁〜１_nを並列に接続して構成することができる。この構成によれば、出力電流の供給能力を向上できることは言うまでもないが、さらに集積化セル間の光照射状態の相違などによって発電電圧が変動するのを低減することができる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る太陽電池装置によれば、太陽電池セル１１と周辺回路部１２とを集積化して集積化セルを形成したので、周辺回路部１２の構成部品数および回路規模を縮小または最小限にして小型化することができ、太陽電池装置のコストを大幅に削減できる。

本発明の実施例２に係る太陽電池装置は、太陽電池セル内に周辺回路部の一部を構成する半導体素子を形成したものである。

図６は本発明の実施例２に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールの構成を概略的に示すブロック図である。太陽電池モジュールは、太陽電池セル１１と周辺回路部１２とから構成されており、周辺回路部１２の一部は、構成半導体１２ａとして太陽電池セル１１の内部に形成されている。

太陽電池セル１１は、例えばシリコン半導体のＰＮ接合から構成されており、光照射に応じて発電する。太陽電池セル１１で発電された電力の一部は、周辺回路部１２に供給され、他の一部は外部に出力される。

周辺回路部１２としては、ＭＰＰＴ回路として機能する電圧変換回路などといった、太陽電池セル１１から発電電力の供給を受ける回路を例示することができる。図７は周辺回路部１２としてＭＰＰＴ回路が適用された具体例を示す図である。

ＭＰＰＴ回路において、入力端子３１は太陽電池セル１１の正極に接続され、入力端子３２は太陽電池セル１１の負極に接続される。太陽電池セル１１から入力端子３１および入力端子３２に入力された電力は、並列コンデンサ３５ａによって電圧が安定化された後にコイル３６を介してスイッチング素子３７に送られる。

そして、制御マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略する）３９の制御によってオン／オフするスイッチング素子３７によって電圧変換され、整流ダイオード３８および平滑コンデンサ３５ｂを介して出力端子３３および３４から出力される。

整流ダイオード３８には、コイル３６から出力端子３３の方向に電流が流れ、そのアノードとカソードの電圧が電圧比較器４０に入力される。電圧比較器４０の出力は、制御マイコン３９に入力される。

出力端子３４は、グランドとして入力端子３２およびスイッチング素子３７に接続されている。ＭＰＰＴ回路のうち、スイッチング素子３７および整流ダイオード３８の少なくとも一方が、図６に示す構成半導体１２ａに対応する。なお、場合によっては、スイッチング素子３７と整流ダイオード３８と電圧比較器４０および制御マイコン３９の４素子のうち少なくとも一素子を構成半導体１２ａに含めるように構成することもできる。

ＭＰＰＴ回路が作動するとき、入力端子３１からコイル３６に流れた電流は、制御マイコン３９にてＰＷＭ制御されるスイッチング素子３７によりコイル３６の出力側がグランドから切断された時に一次側より高い逆起電力を発生する。その電圧が出力端子３３の電圧より高くなるとき整流ダイオード３８を通過して出力電流となる。

電流が整流ダイオード３８を通過できるときには、電圧比較器４０のコイル３６側が出力端子３３より高電圧となり、電流が出力された期間では電圧比較器４０の出力が反転され、制御マイコン３９の動作クロックによりカウントされ、電力に比例した時間のパラメータとなる。

このとき、スイッチング素子３７がオン／オフする時間の割合を変化させるとコイル３６に蓄積されると共に放出されるエネルギーが変化し、このエネルギーを時間のパラメータが最大電力となるように調整する。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る太陽電池装置によれば、太陽電池セル１１の内部に周辺回路部１２を構成する半導体を形成したので、周辺回路の構成部品数および回路規模を縮小または最小限にして小型化することができ、太陽電池装置のコストを大幅に削減できる。

なお、実施例２に係る太陽電池装置を形成する太陽電池モジュールで使用される周辺回路部１２は、太陽電池セル１１から電力の供給を受けるように構成したが、図８に示すように、太陽電池セル１１から電力の供給を受けない周辺回路部１２、例えば時計またはインジケータなどといった種々の回路を用い、周辺回路部１２の一部を、構成半導体１２ａとして太陽電池セル１１の内部に形成するように構成することもできる。

なお、上述した実施例１および実施例２において、半導体素子や半導体素子を含む集積回路などには、現在の太陽電池構造として活用されている単結晶シリコンや多結晶シリコン、アモルファスシリコンやゲルマニウムに形成される単層あるいはｐ層とｎ層と構造によってはｉ層などの複数の層構造からなるｐｎ接合が用いられることは言うまでもない。

シリコン以外でも半導体の性質を有する材料であれば、化合物系のガリウムやヒ素、インジウム、カドミウム、テルルや有機ＥＬなどにも活用されている有機薄膜や、これらの構造を複合したタンデム構造を用いることができることは言うまでもない。タンデム構造は発電効率の向上に活用されているが、半導体や集積素子の性能を多様化して有効に向上させる効果も期待できる。

本発明は、低コストが要求される太陽電池パネルに利用することができる。

１₁〜１_n 集積化セル
１１太陽電池セル
１２周辺回路部
１２ａ構成半導体
２１制御回路
２２チャージポンプ
２３クロック発振回路
ＲＬ負荷
Ｄ１〜Ｄ３ダイオード
Ｃ１、Ｃ２コンデンサ
Ｃｏｕｔ出力コンデンサ

Claims

光照射に応じて発電する太陽電池セルと、
前記太陽電池セルで発電された電力を制御する周辺回路部とが集積化され、
前記周辺回路部は、容量性素子とダイオードとを有し前記太陽電池セルからの電圧を昇圧するチャージポンプ回路と、前記チャージポンプ回路を動作させるためのクロックを発生するクロック発振回路を備え、前記クロック発振回路の周波数は電力効率を最大化するように設定されることを特徴とする太陽電池装置。
前記周辺回路部は、前記太陽電池セルで発電された電力の最大電力点を追従する最大電力点追従制御回路を備えることを特徴とする請求項１記載の太陽電池装置。