JP6128684B2 - 太陽電池の電力配分回路 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電システムに用いられる太陽電池の設置環境が悪く、一部が日陰等になった場合や、太陽電池間の出力特性にバラツキを生じた場合でも、システム全体の発電効率を高めることのできる、太陽電池の電力配分回路に関する。

なお、ここで「太陽電池」という用語は、複数直列接続された太陽電池セル（光発電素子）のストリングの両端に、バイパスダイオードが並列接続されたクラスタと、このようなクラスタを、単一もしくは複数直列接続して構成される太陽電池モジュールの両方を意味するものとする。

現在、太陽光発電システムの発電効率を上げるために、変換効率が高い太陽電池セル（モジュール）やパワーコンディショナの開発が進められている。現用されている太陽光発電システムは、特許文献１に記載されているように、複数の太陽電池モジュールを直並列に接続して、電圧を高めた後に、インバータで交流に変換する集中型インバータ方式が主流となっている。

しかしながら、このような集中型インバータ方式の太陽光発電システムは、実際の使用時においては、一部の太陽電池モジュールが、日陰等の設置環境下に置かれるために、それぞれの部位の太陽電池モジュールの発電能力を十分に発揮させることができない場合がある。

図１３は、２枚の直列接続された太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２からなる太陽光発電システムを模式的に示した図であって、これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２は、同一仕様のものが用いられている。

また、前記太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２のそれぞれの正極端子Ｐ１と負極端子Ｐ２間にはバイパスダイオードＤが接続されているとともに、太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１と太陽電池ジュールＭ２の負極端子Ｐ２はそれぞれ、出力線路Ａを介して外部負荷に接続されている。

これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２が両方とも日向に設置されていて、十分な太陽光が当たっている場合には、これらを総合した外部出力は、図１４に太い実線で表示したような、最大出力動作点をＰとする電流・電圧特性を示す。

ところが、例えば、一方の太陽電池モジュールＭ２が日陰に入った場合には、これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２は、出力電流に違いが生じて、図１５に太い実線で表示したような、階段状の電流電圧特性を示す。

図１５において、領域（１）と領域（３）の面積を合わせたものは、太陽電池モジュールＭ１の発電出力を表し、また、領域（２）の面積は、太陽電池モジュールＭ２の発電出力を表している。

このような電流・電圧特性において、最大出力動作点Ｐが同図に示す位置にあった場合に得られる発電出力は、領域（１）と領域（２）の面積の和となり、領域（３）の部分は出力電力には寄与することができないため損失となる。

一方、特許文献２に記載されているように、個々の太陽電池モジュールに、マイクロコンバータを搭載したＡＣ太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システムがある。この方式は、各々の太陽電池モジュールに対して最大電力追従（ＭＰＰＴ）制御を行い、その出力をＤＣ／ＡＣ変換するようにした太陽電池モジュールで、日陰等による損失が少ないとされている。

特開２０００−３４７７５３号公報 特開平１１−３１８０４２号公報

しかしながら、前述したような、ＡＣ太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システムでは、複雑な変換回路を有するため、個々の太陽電池モジュールの製造コストが高くなるとともに、常時変換動作を行っているため、日陰が無い状態においても変換ロスが発生する問題があった。

また、変換回路が故障した場合には、これを搭載している太陽電池モジュール自体が使用できなくなるため、信頼性にも問題があった。このようなことから、今後如何なる設置環境に対しても、高いシステム効率を維持できるシステムの開発が望まれる。

そこで、本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決し、太陽光発電システムの一部の太陽電池の出力が、日陰等によって低下した場合に、システムの電流電圧特性に現れる段差を平滑化して出力電力の効率を高めることのできる、太陽電池の電力配分回路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電池の電力配分回路は、複数直列に接続された太陽電池の相互間に設けられ、前段の太陽電池の負極端子と後段の太陽電池の正極端子間の連結線路に繋がる第１の充放電路と、前記前段の太陽電池の正極端子に繋がる第２の充放電路と、前記後段の太陽電池の負極端子に繋がる第３の充放電路と、前記第１の充放電路と第２の充放電路間を連絡する第１の連絡線路と、前記第１の充放電路と第２の充放電路間を連絡する第２の連絡線路と、前記第１の充放電路と第３の充放電路間を連絡する第３の連絡線路と、前記第１の充放電路と第３の充放電路間を連絡する第４の連絡線路と、前記第１の連絡線路と第３の連絡線路間に跨って接続された第１の電力配分用コンデンサと、前記第２の連絡線路と第４の連絡線路間に跨って接続された第２の電力配分用コンデンサと、前記第１の充放電路と第２の充放電路間に跨って接続された第１の平滑用コンデンサと、前記第１の充放電路と第３の充放電路間に跨って接続された第２の平滑用コンデンサと、前記第１の連絡線路途中の、第２の充放電路との接続位置と第１の電力配分用コンデンサとの接続位置間に組み込まれた第１のスイッチング素子と、前記第１の連絡線路途中の、第１の電力配分用コンデンサとの接続位置と第１の充放電路との接続位置間に組み込まれた第２のスイッチング素子と、前記第２の連絡線路途中の、第２の充放電路との接続位置と第２の電力配分用コンデンサとの接続位置間に組み込まれた第３のスイッチング素子と、 前記第２の連絡線路途中の、第２の電力配分用コンデンサとの接続位置と第１の充放電路との接続位置間に組み込まれた第４のスイッチング素子と、前記第３の連絡線路途中の、第１の充放電路との接続位置と第１の電力配分用コンデンサとの接続位置間に組み込まれた第５のスイッチング素子と、前記第３の連絡線路途中の、第１の電力配分用コンデンサとの接続位置と第３の充放電路との接続位置間に組み込まれた第６のスイッチング素子と、前記第４の連絡線路途中の、第１の充放電路との接続位置と第２の電力配分用コンデンサとの接続位置間に組み込まれた第７のスイッチング素子と、前記第４の連絡線路途中の、第２の電力配分用コンデンサとの接続位置と第３の充放電路との接続位置間に組み込まれた第８のスイッチング素子と、前記第１、第４、第５、第８のスイッチング素子の組と、第２、第３、第６、第７のスイッチング素子の組に対して、組毎に各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを同期させ、且つ一方の組の各スイッチング素子がＯＮの時に、他方の組の各スイッチング素子がＯＦＦであるように、前記２つの組間で相補的且つ周期的に各スイッチング素子の切換を行うスイッチング制御回路とを備えたものである。

本発明の太陽電池の電力配分回路においては、スイッチング制御回路は、全てのスイッチング素子が同時にＯＦＦになる短絡防止期間が存在するように、第１、第４、第５、第８のスイッチング素子の組と、第２、第３、第６、第７のスイッチング素子の組間で、ＯＮ／ＯＦＦの切り換えタイミングを制御することが望ましい。

また、本発明の太陽電池の電力配分回路においては、直列に接続された太陽電池が３つ以上の場合に、前後に隣合う電力配分回路どうしは、前段の電力配分回路の第１の充放電路と第３の充放電路がそれぞれ、後段の電力配分回路の第２の充放電路と第１の充放電路に兼用され、前段の電力配分回路の第３の連絡線路と第４の連絡線路がそれぞれ、後段の電力配分回路の第１の連絡線路と第２の連絡線路に兼用され、前段の電力配分回路の第５、第６、第７、第８の各スイッチング素子がそれぞれ、後段の電力配分回路の第１、第２、第３、第４の各スイッチング素子に兼用され、前段の電力配分回路の第２の平滑用コンデンサが、後段の電力配分回路の第１の平滑用コンデンサに兼用されていることが望ましい。

請求項１に記載された発明によれば、太陽光発電システムに使用される各太陽電池間に、日陰や受光面の汚れ、経年劣化等によって、出力電力にバラツキが生じた場合に、各太陽電池間でバランス良く電力を配分することができる。

その結果、太陽光発電システム全体の電流電圧特性の段差が平滑化されて、本来、出力電力として利用することができなかった電力が利用可能となるため、出力電力を向上させることができる。また、電流電圧特性の段差が平滑化されるため、パワーコンディショナの最大出力動作点の検出が容易となり、ＭＰＰＴミスマッチ損失を回避することができる。

また、出力電力の大きい太陽電池側から小さい太陽電池側への電力配分を、２つのコンデンサを交互に充放電させることで行うインターリーブ機能を有しているため、リップル等のノイズが軽減されるとともに、高効率化を図ることができる。

また、本発明の電力配分回路が主に、ＦＥＴやリレー等で構成されるスイッチング素子とコンデンサからなる簡単な回路構成であるため、故障が発生し難く、高い信頼性が得られるとともに製造コストを安くできる。

また、従来のＡＣ太陽電池モジュールを用いたシステムでは、日陰が無い時も、常時ＡＣ／ＤＣ変換による回路損失が生じているのに対して、本発明の電力配分回路は、日陰が無い場合には動作を停止して回路部分での損失を無くすことができるため、発電出力を向上させることができる。

さらに、従来のＡＣ太陽電池モジュールを用いたシステムでは、太陽電池モジュールに搭載されているマイクロコンバータが故障すると、太陽電池モジュール自体も使用不能となるが、本発明の電力配分回路では、万一故障が発生してその機能が損なわれた場合でも太陽電池自体の機能に支障を生じる恐れがない。

請求項２に記載された発明によれば、全てのスイッチング素子が同時にＯＦＦになる短絡防止期間を設けることで、第１、第４、第５、第８のスイッチング素子の組と、第２、第３、第６、第７のスイッチング素子の組間で、安定したＯＮ／ＯＦＦの切換動作を行うことができるため、隣合う太陽電池間での電力の配分動作を確実に行うことができる。

請求項３に記載された発明によれば、３つ以上直列接続された太陽電池の相互間に電力配分回路を設ける場合に、スイッチング素子や平滑用コンデンサの数を減らして回路構成を簡略化することができ、製造コストの低減を図ることができる。
また、必要なスイッチング素子数を減らすことができるため、電力配分回路の消費電力を低減できるとともに、スイッチング動作時のノイズの発生を低減することができる。

本発明の電力配分回路の１実施形態を示す、直列接続された２つの太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムの模式図である。 本発明の電力配分回路に含まれるスイッチング制御回路のブロック図である。 各スイッチング素子の動作タイミングを示す図である。 太陽電池モジュールＭ１からコンデンサＣ１への充電過程を示す図である。 コンデンサＣ１からの放電と太陽電池モジュールＭ１からコンデンサＣ２への充電の過程を示す図である。 太陽電池モジュールＭ１からコンデンサＣ１への充電とコンデンサＣ２からの放電の過程を示す図である。 電力配分回路によって平滑化された電流電圧特性を示す図である。 太陽電池モジュールＭ２からコンデンサＣ１への充電過程を示す図である。 コンデンサＣ１からの放電と太陽電池モジュールＭ２からコンデンサＣ２への充電の過程を示す図である。 太陽電池モジュールＭ２からコンデンサＣ１への充電とコンデンサＣ２からの放電の過程を示す図である。 本発明の電力配分回路の別の実施形態を示す、３つの太陽電池モジュールが直列接続された太陽光発電システムの模式図である。 図１１中の電力配分回路に用いられるスイッチング制御回路のブロック図である。 ２枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図である。 両方の太陽電池モジュールが日向にある場合の電流電圧特性を示す図である。 一方の対応電池モジュールが日陰に入った場合の電流電圧特性を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の電力配分回路の１実施形態を示す、太陽光発電システムの模式図であって、同図に示すシステムは、直列に接続された２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２から構成されている。

これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の正極端子Ｐ１と負極端子Ｐ２間にはそれぞれバイパスダイオードＤが接続されており、前段の太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１と、後段の太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２は、出力線路Ａを介して外部負荷に接続されている。

本発明の電力配分回路１は、これらの２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２相互間に設けられていて、太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２と太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１の間を結ぶ連結線路Ｂに繋がる充放電路２（第１の充放電路）と、太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１と出力線路Ａを介して繋がる充放電路３（第２の充放電路）と、太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２と出力線路Ａを介して繋がる充放電路４（第３の充放電路）を備えている。

充放電路２と充放電路３の間は、連絡線路５（第１の連絡線路）と連絡線路６（第２の連絡線路）によって連絡されているとともに、充放電路２と充放電路４の間は、連絡線路７（第３の連絡線路）と連絡線路８（第４の連絡線路）によって連絡されている。

また、連絡線路５と連絡線路７の間に跨って、コンデンサＣ１（第１の電力配分用コンデンサ）が接続されているとともに、連絡線路６と連絡線路８の間に跨ってコンデンサＣ２（第２の電力配分用コンデンサ）が接続されている。

さらに、充放電路２と充放電路３の間、ならびに、充放電路２と充放電路４の間にそれぞれ跨って、コンデンサＣ３（第１の平滑用コンデンサ）とコンデンサＣ４（第２の平滑用コンデンサ）が接続されている。

連絡線路５途中の、充放電路３との接続位置Ｊ１と、コンデンサＣ１との接続位置Ｊ２の間には、スイッチング素子Ｓ１（第１のスイッチング素子）が組み込まれており、また、当該連絡線路５途中の、接続位置Ｊ２と、充放電路２との接続位置Ｊ３との間には、スイッチング素子Ｓ２（第２のスイッチング素子）が組み込まれている。

また、連絡線路６途中の、充放電路３との接続位置Ｊ４と、コンデンサＣ２との接続位置Ｊ５の間には、スイッチング素子Ｓ３（第３のスイッチング素子）が組み込まれており、また、当該連絡線路６途中の、接続位置Ｊ５と、充放電路２との接続位置Ｊ６との間には、スイッチング素子Ｓ４（第４のスイッチング素子）が組み込まれている。

さらに、連絡線路７途中の、充放電路２との接続位置Ｊ３と、コンデンサＣ１との接続位置Ｊ７の間には、スイッチング素子Ｓ５（第５のスイッチング素子）が組み込まれており、また、当該連絡線路７途中の、前記接続位置Ｊ７と、充放電路４との接続位置Ｊ８との間には、スイッチング素子Ｓ６（第６のスイッチング素子）が組み込まれている。

また、連絡線路８途中の、充放電路２との接続位置Ｊ６と、コンデンサＣ２との接続位置Ｊ９の間には、スイッチング素子Ｓ７（第７のスイッチング素子）が組み込まれており、また、当該連絡線路８途中の、前記接続位置Ｊ９と、充放電路４との接続位置Ｊ１０との間には、スイッチング素子Ｓ８（第８のスイッチング素子）が組み込まれている。

本実施形態のものにおいては、前記各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８には、トランジスタ（ＦＥＴ）を用いている。なお、これらのスイッチング素子には、リレーを用いることも可能である。

また、図１には図示していないが、電力配分回路１は、これら８つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８をそれぞれＯＮ／ＯＦＦ切換動作させるための、図２にブロック図で示すスイッチング制御回路９を備えている。

前記スイッチング制御回路９は、パルス発振器、相補回路、及び、ドライバ回路Ａ、ドライバ回路Ｂから構成されており、パルス発振器は、図３の（１）に示す、周期的なパルス信号を生成する。

パルス発振器により生成されたパルス信号は相補回路に入力される。相補回路は前記パルス信号に基づいて、図３の（２）と（３）に示す、２種類のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成し、その一方をドライバ回路Ａに、他方をドライバ回路Ｂに出力する。

ドライバ回路Ａは、図３の（２）のＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて、図１に示すスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８を同期させてＯＮ／ＯＦＦ動作させる。また、ドライバ回路Ｂは、図３の（３）のＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて、スイッチングＳ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７を同期させてＯＮ／ＯＦＦ動作させる。

なお、本実施形態のものにおいては、図３に示すように、ドライバ回路Ａへ入力されるＯＮ／ＯＦＦ信号（２）とドライバ回路Ｂへ入力されるＯＮ／ＯＦＦ信号（３）との間に、全てのスイッチング素子が同時にＯＦＦになる短絡防止期間ａを存在させて、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８の組と、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７の組との間で、ＯＮ／ＯＦＦの切換動作が確実に行えるようにしている。

次に、前述したように構成されている電力配分回路１の動作について説明する。
図１において、前段の太陽電池モジュールＭ１で発電された電力が、後段の太陽電池モジュールＭ２で発電された電力より大きい場合において、同図のように全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８が全てＯＦＦ（電力配分回路１が停止して機能していない状態）のときは、このシステムは、図１５に示すように、最大出力動作点をＰとする階段状の電流電圧特性を有している。

ここで、電力配分回路１を起動して、図４に示すように、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ５をＯＮ、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ６をＯＦＦにすると、太陽電池モジュールＭ１が出力する一部の電流Ｉ１（矢印付きの点線で表示）が、出力線路Ａ、充放電路３、接続位置Ｊ１、連絡線路５、スイッチング素子Ｓ１、連絡線路５、接続位置Ｊ２を経由してコンデンサＣ１に流れ、当該コンデンサＣ１に太陽電池モジュールＭ１の発電出力の一部が充電される。

このとき、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子７はＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ４とスイッチング素子Ｓ８はＯＮになっていて、コンデンサＣ２は太陽電池モジュールＭ１から切り離されている。そのため、太陽電池モジュールＭ１からコンデンサＣ２への充電は行われない。

次に、図５に示すように、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ５をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ６をＯＮにすると、コンデンサＣ１から、接続位置Ｊ２、連絡線路５、スイッチング素子Ｓ２、連絡線路５、接続位置Ｊ３、充放電路２を経由して連結線路Ｂに至る回路が形成され、コンデンサＣ１に充電されていた電力は電流Ｉ２（矢印付きの点線で表示）として放電される。

このとき、コンデンサＣ１は太陽電池モジュールＭ２と並列接続された状態になるため、前記電流Ｉ２が太陽電池モジュールＭ２を流れる電流と加算されて前段の太陽電池モジュールＭ１に流れる。

また同時に、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ７をＯＮ、スイッチング素子Ｓ４とスイッチング素子Ｓ８をＯＦＦにすることにより、太陽電池モジュールＭ１が出力する一部の電流Ｉ３（矢印付きの点線で表示）が、出力線路Ａ、充放電路３、接続位置Ｊ４、連絡線路６、スイッチング素子Ｓ３、連絡線路６、接続位置Ｊ５を経由してコンデンサＣ２に流れ、当該コンデンサＣ２に、太陽電池モジュールＭ１の発電出力の一部が充電される。

次に、図６に示すように、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ５をＯＮ、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ６をＯＦＦにすると、コンデンサＣ１は、再び太陽電池モジュールＭ１から電流Ｉ１が流れて充電される。

また同時に、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ７をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ４とスイッチング素子Ｓ８をＯＮにすることにより、コンデンサＣ２から、接続位置Ｊ５、連絡線路６、スイッチング素子Ｓ４、連絡線路６、接続位置Ｊ６、充放電路２を経由して連結線路Ｂに至る回路が形成され、コンデンサＣ２に充電されていた電力は電流Ｉ４（矢印付きの点線で表示）として放電される。

この時、コンデンサＣ２は太陽電池モジュールＭ２と並列接続された状態になるため、前記電流Ｉ４が太陽電池モジュールＭ２を流れる電流と加算されて、前段の太陽電池モジュールＭ１に流れる。

以降、前述したような、図５に示す、コンデンサＣ１の放電とコンデンサＣ２の充電の過程と、図６に示す、コンデンサＣ１の充電とコンデンサＣ２の放電の過程とを交互に反復することにより、太陽電池モジュールＭ１で発電された電力の一部は太陽電池モジュールＭ２に継続的に分配され、両者の出力電力が均等化される。

その結果、先に述べた図１５に示した領域（３）は、その一部が図７に示すように、領域（２）の電流に加算されて、平滑化された電流電圧特性に改善することができる。このようにして、本来出力として得られずに損失となっていた発電出力を、有効に利用することが可能となる。

なお、前述した電力配分回路１の動作の過程において、コンデンサＣ３（第１の平滑コンデンサ）とコンデンサＣ４（第２の平滑コンデンサ）は、それぞれの充放電路２、３、４を流れる電流の変動を緩和するとともに、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８が発生するスイッチングノイズを低減する役割を果たしている。

次に、後段の太陽電池モジュールＭ２で発電された電力が、前段の太陽電池モジュールＭ１で発電された電力より大きい場合の電力配分回路１の動作について説明する。この場合には、図１に示すように、全てのスイッチング素子Ｓ１からＳ８が全てＯＦＦになっている停止状態から電力配分回路１を起動して、図８に示すように、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ５をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ６をＯＮにすると、太陽電池モジュールＭ２が出力する一部の電流ｉ１（矢印付きの点線で表示）が、連結線路Ｂ、充放電路２、接続位置Ｊ３、連絡線路５、スイッチング素子Ｓ２、連絡線路５、接続位置Ｊ２を経由してコンデンサＣ１に流れ、当該コンデンサＣ１に太陽電池モジュールＭ２の発電出力の一部が充電される。

このとき、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ７はＯＮ、スイッチング素子Ｓ４とスイッチング素子Ｓ８はＯＦＦになっていて、コンデンサＣ２と太陽電池モジュールＭ２は切り離されている。そのため、太陽電池モジュールＭ２からコンデンサＣ２への充電は行われない。

次に、図９に示すように、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ５をＯＮ、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ６をＯＦＦにすると、コンデンサＣ１から、接続位置Ｊ２、連絡線路５、スイッチング素子Ｓ１、連絡線路５、接続位置Ｊ１、充放電路３を経由して出力線路Ａに至る回路が形成され、コンデンサＣ１に充電されていた電力は電流ｉ２（矢印付きの点線で表示）として放電される。

このとき、コンデンサＣ１は、太陽電池モジュールＭ１と並列接続された状態になるため、前記電流ｉ２が太陽電池モジュールＭ１を流れる電流と加算されて、出力線路Ａから外部負荷に流れる。

また、同時にスイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ７をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ４とスイッチング素子Ｓ８をＯＮにすることにより、太陽電池モジュールＭ２が出力する一部の電流ｉ３（矢印付きの点線で表示）が、連結線路Ｂ、充放電路２、接続位置Ｊ６、連絡線路６、スイッチング素子Ｓ４、連絡線路６、接続位置Ｊ５を経由してコンデンサＣ２に流れ、当該コンデンサＣ２に、太陽電池モジュールＭ２の発電出力の一部が充電される。

次に、図１０に示すように、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ５をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ６をＯＮにすると、コンデンサＣ１は、再び太陽電池モジュールＭ２から電流ｉ１が流れて充電される。

また同時に、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ７をＯＮ、スイッチング素子Ｓ４とスイッチング素子Ｓ８をＯＦＦにすることにより、コンデンサＣ２から、接続位置Ｊ５，連絡線路６、スイッチング素子Ｓ３、連絡線路６、接続位置Ｊ４、充放電路３を経由して出力線路Ａに至る回路が形成され、コンデンサＣ２に充電されていた電力は電流ｉ４（矢印付きの点線で表示）として放電される。

このとき、コンデンサＣ２は、太陽電池モジュールＭ１と並列接続された状態になるため、前記電流ｉ４が太陽電池モジュールＭ１を流れる電流と加算されて、出力線路Ａから外部負荷に流れる。

以降、前述したような、図９に示すコンデンサＣ１の放電とコンデンサＣ２の充電の過程と、図１０に示すコンデンサＣ１の充電とコンデンサＣ２の放電の過程とを交互に反復することにより、太陽電池モジュールＭ２で発電された電力の一部は太陽電池モジュールＭ１に継続的に分配され、両者の出力電力が均等化される。

以上に説明したように、太陽電池モジュールＭ１と太陽電池モジュールＭ２間で発電出力に差が生じている場合に、４つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８からなるスイッチング素子の組と、４つのスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７からなるスイッチング素子の組の間でＯＮ／ＯＦＦの切換動作を交互に（相補的に）反復させることで、両者の出力電力が均等化され、システムの電流電圧特性を改善することができる。

次に、図１１は、本発明の電力配分回路の別の実施形態を示す、３つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３が直列接続された太陽光発電システムの模式図であって、このシステムにおいては、２つの電力配分回路１、１’が用いられている。

同図において、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間に設けられている電力配分回路１（一点鎖線で囲んでいる部分）は、前述した実施形態における図１に記載されているものと実質的に同じであるので、図１との対応する部分については同じ符号で表示してある。

また、前記電力配分回路１を構成している、一部のスイッチング素子やコンデンサは、部品点数を削減するために、太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間に設けられている電力配分回路１’に兼用されている。

図１１図に示す実施形態のものにおいては、太陽電池モジュールＭ２の後段にある太陽電池モジュールＭ３の負極端子Ｐ２に繋がる充放電路４’が、電力配分回路１に追加されており、この充放電路４’と充放電路４との間は、２つの連絡線路７’と連絡線路８’によって連絡されている。

さらに、連絡線路７と連絡線路７’間に亘って、コンデンサＣ’１が接続されているとともに、連絡線路８と連絡線路８’間に亘って、コンデンサＣ’２が接続されている。また、これらの充放電路４、４’間に亘って、コンデンサＣ５が接続されている。

連絡線路７’途中の、充放電路４との接続位置Ｊ８と、コンデンサＣ’１との接続位置Ｊ１１の間には、スイッチング素子Ｓ９が組み込まれており、また、当該連絡線路７’途中の、前記接続位置Ｊ１１と、充放電路４’との接続位置Ｊ１２との間には、スイッチング素子Ｓ１０が組み込まれている。

また、連絡線路８’途中の、充放電路４との接続位置Ｊ１０と、コンデンサＣ’２との接続位置Ｊ１３との間には、スイッチング素子Ｓ１１が組み込まれている。また、当該連絡線路８’途中の前記接続位置Ｊ１３と、充放電路４’との接続位置Ｊ１４との間には、スイッチング素子Ｓ１２が組み込まれている。

なお、図１１に示す実施形態のものにおいては、特許請求の範囲中の記載との対応において、充放電路２は、電力配分回路１における第１の充放電路と、電力配分回路１’における第２の充放電路を兼用している。

また、充放電路４は、電力配分回路１における第３の充放電路と、電力配分回路１’における第１の充放電路を兼用している。さらに、充放電路４’は、電力配分回路１’における第３の充放電路に該当している。

また、連絡線路７は、電力配分回路１における第３の連絡線路と、電力配分回路１’における第１の連絡線路を兼用している。また、連絡線路８は、電力配分回路１における第４の連絡線路と、電力配分回路１’における第２の連絡線路を兼用している。
さらに、連絡線路７’と連絡線路８’はそれぞれ、電力配分回路１’における第３の連絡線路と第４の連絡線路に該当している。

さらに、コンデンサＣ４は、電力配分回路１における第２の平滑用コンデンサと、電力配分回路１’における第１の平滑用コンデンサを兼用している。なお、コンデンサＣ’１とコンデンサＣ’２、コンデンサＣ５はそれぞれ、電力配分回路１’における第１の電力配分用コンデンサ、第２の電力配分用コンデンサ、及び、第２の平滑用コンデンサに該当している。

また、スイッチング素子Ｓ５は、電力配分回路１における第５のスイッチング素子と、電力配分回路１’における第１のスイッチング素子を兼用している。
スイッチング素子Ｓ６は、電力配分回路１における第６のスイッチング素子と、電力配分回路１’における第２のスイッチング素子を兼用している。

スイッチング素子Ｓ７は、電力配分回路１における第７のスイッチング素子と、電力配分回路１’における第３のスイッチング素子を兼用している。
スイッチング素子Ｓ８は、電力配分回路１における第８のスイッチング素子と、電力配分回路１’における第４のスイッチング素子を兼用している。

さらに、スイッチング素子Ｓ９は、電力配分回路１’における第５のスイッチング素子に、スイッチング素子Ｓ１０は、第６のスイッチング素子に、スイッチング素子Ｓ１１は、第７のスイッチング素子に、スイッチング素子Ｓ１２は、第８のスイッチング素子にそれぞれ該当している。

スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１２の組と、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１０、Ｓ１１の組は、組毎に各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを同期させ、一方の組の各スイッチング素子がＯＮの時に他方の組の各スイッチング素子がＯＦＦであるように、図１２にブロック図で示すスイッチング制御回路９Ａにより、前記２つの組間で相補的且つ周期的に各スイッチング素子の切換動作が行われる。

前記スイッチング制御回路９Ａは、図１１中の電力配分回路１と電力配分回路１’の両方のスイッチング制御回路を１つに統合した回路であり、パルス発振器が生成するパルス信号（１）を受けて、相補回路からドライバ回路Ａに出力される信号（２）により、６つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１２が同期してＯＮ／ＯＦＦ動作し、また、ドライバ回路Ｂに出力される信号（３）により、残りの６つのスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１０、Ｓ１１がＯＮ／ＯＦＦ動作する。

図１１は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１２の組がＯＮ、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１０、Ｓ１１の組がＯＦＦになっている瞬間を示しており、次の瞬間には、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１２の組はＯＦＦに、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１０、Ｓ１１の組はＯＮに一斉に切り換えられる。

なお、この実施形態のものにおいても、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１２の組と、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１０、Ｓ１１の組との間でＯＮ／ＯＦＦの状態が切り換えられる途中において、これらのスイッチング素子全てがＯＦＦとなる短絡防止期間を設けている。

前述したように、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１２の組とスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１０、Ｓ１１の組は、相補的にＯＮ／ＯＦＦの切換が行われるため、太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１に繋がった充放電路３と、太陽電池モジュールＭ３の負極端子Ｐ２に繋がった充放電路４’は直接導通することはなく、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間に構成された電力配分回路１と、太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間に構成された電力配分回路１’は互いに独立して機能する。

そのため、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間、または、太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間で発電出力に差が生じた場合には、隣合う太陽電池モジュール間で電力の配分が行われ、このような配分が継続的に行われることによって、最終的には全ての太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３間で出力電力が均等化される。

なお、図１１に示す実施形態のものでは、回路を構成する部品点数を削減するために、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間に設けられる電力配分回路１と、太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間に設けられている電力配分回路１’との間で一部のスイッチング素子やコンデンサ等と兼用しているが、隣合う各太陽電池モジュール間に、それぞれ独立した電力配分回路を設けることも可能である。

この場合、電力配分回路間で、各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作のタイミングを同期させる必要があるため、それぞれのスイッチング制御回路が１つのパルス発振器を共有し、そのパルス信号を同期信号として動作させることが望ましい。

また、前述した各実施形態においては、太陽電池モジュールを２つもしくは３つ直列接続したシステムに、電力配分回路を組み込んだ例を説明したが、本発明の電力配分回路は、これらの実施形態のものに限定されるものではなく、太陽電池（太陽電池モジュールもしくは太陽電池クラスタ）が４つ以上直列接続されたシステムに拡張して使用することも可能である。

本発明の太陽電池の電力配分回路は、太陽光発電システムの日陰等による太陽電池モジュールやクラスタの出力電力の効率低下を改善するために有効に利用することができる。
また、特性の異なる種類の太陽電池モジュールを組み合わせた太陽光発電システムや、フレキシブルな太陽電池を含む複数の太陽電池モジュールが、異なる向きに設置された太陽光発電システム、さらに、追尾集光型の高効率太陽光発電システムのような、集光レンズの集光特性によって個々の太陽電池セルの出力特性が異なるシステム等、様々なケースにおいて出力電力の効率を高める手段としても利用可能である。

また、本発明の太陽電池の電力配分回路は、既設の太陽光発電システムにおいて、経年劣化や受光面の汚れ等によって太陽電池モジュール間の出力特性にバラツキが生じた場合における出力電力の効率改善にも利用可能である。

さらに、太陽光発電の分野だけでなく、太陽電池モジュールと同様な電流電圧特性を示す、バッテリーや燃料電池等を直並列に接続した電力供給システムにおいても、利用可能である。

１、１’ 電力配分回路
２ 充放電路（電力配分回路１の第１の充放電路兼電力配分回路１’の第２の充放電路）
３ 充放電路（電力配分回路１の第２の充放電路）
４ 充放電路（電力配分回路１の第３の充放電路兼電力配分回路１’の第１の充放電路）
４’ 充放電路（電力配分回路１’の第３の充放電路）
５ 連絡線路（電力配分回路１の第１の連絡線路）
６ 連絡線路（電力配分回路１の第２の連絡線路）
７ 連絡線路（電力配分回路１の第３の連絡線路兼電力配分回路１’の第１の連絡線路）
８ 連絡線路（電力配分回路１の第４の連絡線路兼電力配分回路１’の第２の連絡線路）
７’ 連絡線路（電力配分回路１’の第３の連絡線路）
８’ 連絡線路（電力配分回路１’の第４の連絡線路）
９、９Ａ スイッチング制御回路
Ａ 出力線路
Ｂ 連結線路
Ｃ１、Ｃ’１ コンデンサ（第１の電力配分用コンデンサ）
Ｃ２、Ｃ’２ コンデンサ（第２の電力配分用コンデンサ）
Ｃ３ コンデンサ（電力配分回路１の第１の平滑用コンデンサ）
Ｃ４ コンデンサ（電力配分回路１の第２の平滑用コンデンサ兼電力配分回路１’の第１の平滑用コンデンサ）
Ｃ５ コンデンサ（電力配分回路１’の第２の平滑用コンデンサ）
Ｄ バイパスダイオード
Ｊ１〜Ｊ１４ 接続位置
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ 太陽電池モジュール（太陽電池）
Ｐ１ 正極端子
Ｐ２ 負極端子
Ｓ１ スイッチング素子（電力配分回路１の第１のスイッチング素子）
Ｓ２ スイッチング素子（電力配分回路１の第２のスイッチング素子）
Ｓ３ スイッチング素子（電力配分回路１の第３のスイッチング素子）
Ｓ４ スイッチング素子（電力配分回路１の第４のスイッチング素子）
Ｓ５ スイッチング素子（電力配分回路１の第５のスイッチング素子兼電力配分回路１’の第１のスイッチング素子）
Ｓ６ スイッチング素子（電力配分回路１の第６のスイッチング素子兼電力配分回路１’の第２のスイッチング素子）
Ｓ７ スイッチング素子（電力配分回路１の第７のスイッチング素子兼電力配分回路１’の第３のスイッチング素子）
Ｓ８ スイッチング素子（電力配分回路１の第８のスイッチング素子兼電力配分回路１’の第４のスイッチング素子）
Ｓ９ スイッチング素子（電力配分回路１’の第５のスイッチング素子）
Ｓ１０ スイッチング素子（電力配分回路１’の第６のスイッチング素子）
Ｓ１１ スイッチング素子（電力配分回路１’の第７のスイッチング素子）
Ｓ１２ スイッチング素子（電力配分回路１’の第８のスイッチング素子）

Claims (3)

1. 複数直列に接続された太陽電池の相互間に設けられ、前段の太陽電池の負極端子と後段の太陽電池の正極端子間の連結線路に繋がる第１の充放電路と、
   前記前段の太陽電池の正極端子に繋がる第２の充放電路と、
   前記後段の太陽電池の負極端子に繋がる第３の充放電路と、
   前記第１の充放電路と第２の充放電路間を連絡する第１の連絡線路と、
   前記第１の充放電路と第２の充放電路間を連絡する第２の連絡線路と、
   前記第１の充放電路と第３の充放電路間を連絡する第３の連絡線路と、
   前記第１の充放電路と第３の充放電路間を連絡する第４の連絡線路と、
   前記第１の連絡線路と第３の連絡線路間に跨って接続された第１の電力配分用コンデンサと、
   前記第２の連絡線路と第４の連絡線路間に跨って接続された第２の電力配分用コンデンサと、
   前記第１の充放電路と第２の充放電路間に跨って接続された第１の平滑用コンデンサと、
   前記第１の充放電路と第３の充放電路間に跨って接続された第２の平滑用コンデンサと、
   前記第１の連絡線路途中の、第２の充放電路との接続位置と第１の電力配分用コンデンサとの接続位置間に組み込まれた第１のスイッチング素子と、
   前記第１の連絡線路途中の、第１の電力配分用コンデンサとの接続位置と第１の充放電路との接続位置間に組み込まれた第２のスイッチング素子と、
   前記第２の連絡線路途中の、第２の充放電路との接続位置と第２の電力配分用コンデンサとの接続位置間に組み込まれた第３のスイッチング素子と、
   前記第２の連絡線路途中の、第２の電力配分用コンデンサとの接続位置と第１の充放電路との接続位置間に組み込まれた第４のスイッチング素子と、
   前記第３の連絡線路途中の、第１の充放電路との接続位置と第１の電力配分用コンデンサとの接続位置間に組み込まれた第５のスイッチング素子と、
   前記第３の連絡線路途中の、第１の電力配分用コンデンサとの接続位置と第３の充放電路との接続位置間に組み込まれた第６のスイッチング素子と、
   前記第４の連絡線路途中の、第１の充放電路との接続位置と第２の電力配分用コンデンサとの接続位置間に組み込まれた第７のスイッチング素子と、
   前記第４の連絡線路途中の、第２の電力配分用コンデンサとの接続位置と第３の充放電路との接続位置間に組み込まれた第８のスイッチング素子と、
   前記第１、第４、第５、第８のスイッチング素子の組と、第２、第３、第６、第７のスイッチング素子の組に対して、組毎に各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを同期させ、且つ一方の組の各スイッチング素子がＯＮの時に、他方の組の各スイッチング素子がＯＦＦであるように、前記２つの組間で相補的且つ周期的に各スイッチング素子の切換を行うスイッチング制御回路とを備えたことを特徴とする太陽電池の電力配分回路。
2. スイッチング制御回路は、全てのスイッチング素子が同時にＯＦＦになる短絡防止期間が存在するように、第１、第４、第５、第８のスイッチング素子の組と、第２、第３、第６、第７のスイッチング素子の組間で、ＯＮ／ＯＦＦの切り換えタイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の電力配分回路。
3. 直列に接続された太陽電池が３つ以上の場合に、前後に隣合う電力配分回路どうしは、前段の電力配分回路の第１の充放電路と第３の充放電路がそれぞれ、後段の電力配分回路の第２の充放電路と第１の充放電路に兼用され、
   前段の電力配分回路の第３の連絡線路と第４の連絡線路がそれぞれ、後段の電力配分回路の第１の連絡線路と第２の連絡線路に兼用され、
   前段の電力配分回路の第５、第６、第７、第８の各スイッチング素子がそれぞれ、後段の電力配分回路の第１、第２、第３、第４の各スイッチング素子に兼用され、
   前段の電力配分回路の第２の平滑用コンデンサが、後段の電力配分回路の第１の平滑用コンデンサに兼用されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池の電力配分回路。

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