JP6155288B2 - 単純化された接続を備える再生可能エネルギーユニット - Google Patents

Description

本発明は、コンバーターシステムに接続される電源モジュールを有する電子デバイスであって、電源モジュールが、直列に接続されており、かつ、再生可能エネルギーから電気を生産するための複数の素子を有し、これらの再生可能エネルギーから電気を生産する素子が、群を成すように集合している電子デバイスに関する。

住宅又は公共的及び商業的ビルに設置される太陽エネルギーシステムが知られている。これらの太陽エネルギーシステムは、一般に、図１に示す複数の太陽エネルギーユニット１からなる。この太陽エネルギーユニットは、それぞれコンバーターシステム１１に接続された太陽エネルギーパネル２を有する。コンバーターシステムは、すべて分配システムに接続され、この分配システムは、公共の電気網あるいは住宅又は公共的又は商業的ビルの電気網へと生産された電気を送る役割がある。この分配システムは、公共の電気網に対する依存を減らすために太陽エネルギーパネルによって生産された電気が売られたり使用されることを可能にする。

太陽エネルギーパネルは、それぞれ正端子と負端子をそれぞれ有する複数の光起電性セル３を有する。これらの光起電性セルは、直列に接続され、したがって、各太陽エネルギーパネルは、第１のセルと最後のセルを有する。これらの光起電性セルは、光起電性セルを同数有する群４の形態で集合している。例えば、１２の光起電性セルを有する太陽エネルギーパネルは、４つの光起電性セルの３つの群からなる。一般に、光起電性セルは列と行を構成するように配置され、光起電性セルの行はそれぞれ、１つの群を形成する。

太陽エネルギーパネルは、それぞれさらに、直列に接続している複数の保護ダイオード５を有し、この保護ダイオードは、それぞれ群４のうちの１つと並行に接続されている。したがって、群の第１の光起電性セルの負端子がダイオードのアノードに接続され、群の最後の光起電性セルの正端子がダイオードのカソードに接続されることが理解できるであろう。この構成は、光起電性セルの群の１つの電流が別の群の光起電性セルを通ることを防ぐことによって、光起電性セルを保護することを可能にする。

第１の光起電性セルの正端子及び最後の光起電性セルの負端子は、コンバーターシステム１１に接続される。後者は、複数のレギュレーター回路７を有するレギュレーターユニット６を有し、この複数のレギュレーター回路７は、並列に構成し、与えられた瞬間において単一のレギュレーター回路７が活性であるように調整されて制御される。レギュレーター回路によって供給される信号は、出力Ｓｏｕｔで連続的な電圧を交流に変換する役割を有するＤＣ／ＡＣコンバーター８に送られる。

このシステムの不利な点は、バイパスダイオードとも呼ばれる保護ダイオードの使用に起因する。実際に、これらのダイオードは、電力を消費し、太陽エネルギーシステムの効率を減らす原因となる部品である。このエネルギー源によっていずれ現在の化石燃料を入れ替えることを意図する場合、近年効率は非常に重要な性質となっている。

これらのダイオードには、さらに脆弱で高価であるという不利な点があり、これには、注意が必要である。これらのダイオードは手によって溶接しなければならないことを理解できるであろう。なぜなら、自動プロセスを使用することで大きな破損の可能性を増加させ、したがって、これに相当する大きなコストが増加するからである。

本発明の目的は、構成することがより簡単で、電源モジュールの保護を確実にし、さらに効率が改善された電源モジュールを備えた電子デバイスを提供することによって、上記の不利な点を解決することである。

このために、本発明は、コンバーターシステムに接続される電源モジュールを有する電子デバイスに関し、電源モジュールは直列に接続しており、かつ、再生可能エネルギーから電気を生産するための複数の素子を有し、再生可能エネルギーから電気を生産する素子は群を成すように集合する。コンバーターシステムは、複数のレギュレーター回路を有し、レギュレーター回路はそれぞれそうである接続するに再生可能エネルギーからの生産する電気用の一群の素子再生可能エネルギーから電気を生産する素子の群はそれぞれ別個に制御することができる。

第１の好ましい実施形態では、コンバーターシステムは、さらに、パルス幅変調によってレギュレーター回路を制御するマイクロコントローラを有する。

第２の好ましい実施形態では、レギュレーター回路は、再生可能エネルギーから電気を生産する素子の最大出力点の追跡を可能にする。

第３の好ましい実施形態において、群はそれぞれ、再生可能エネルギーから電気を生産する素子を同じ数有する。

別の好ましい実施形態では、再生可能エネルギーから電気を生産する素子は、光起電性セルである。

別の好ましい実施形態では、再生可能エネルギーから電気を生産する素子は、風力発電タービンである。

別の好ましい実施形態では、再生可能エネルギーから電気を生産する素子は、水力発電タービンである。

本デバイスの利点は、光起電性セルの群がそれぞれ独立して制御されることである。これによって、群をそれぞれ別個に調整することが可能になる。

また、この構成は、太陽エネルギーパネルの接続が単純化されることを可能にする。なぜなら、それらにはダイオードを有していないからである。実際に、レギュレーター回路がそれぞれ一群の光起電性セルの端子に直接接続されるので、電流はある群から別の群へと流れることができない。したがって、電流を遮断し、ある群から別の群へと電流が流れることを防ぐ保護ダイオードは必要でなくなる。よって、太陽エネルギーパネルが光起電性セルとは別に部品を有さないので、製造コストが低減され、生産プロセスが単純化される。

本発明の目的、利点及び特徴は、本発明に係る電子デバイスの例示的な実施形態についての以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。これらの実施形態は、単に純粋に、添付した図面に関連しての非限定的で例示的な目的のために与えられるものである。

図１は、従来技術に係る電源ユニットを示す。 図２は、本発明に係る電源ユニットを示す。 図３は、本発明に係るレギュレーター回路を示す。 図４−６は、それぞれ本発明に係る電源ユニットのレギュレーターの回線図である。 図７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、本発明に係る電源ユニットの動作の異なる位相を示す。

図２は、本発明に係る電源ユニットのような電子デバイス１０を示す。この電源ユニット１０は、コンバーターシステム１００に接続された電源モジュール１９を有する。この電源モジュール１９は、例えば、再生可能エネルギーから電気を生産する素子のような電気を生産するための複数の素子１８からなる。例えば、電源モジュール１９は、太陽エネルギーモジュール２０又は太陽エネルギーパネルである。太陽エネルギーパネル２０は、複数の光起電性セル２１を有する。光起電性セル２１はそれぞれ、正端子と負端子を有する。光起電性セル２１は、直列に接続されている。もちろん、電源ユニット１０の太陽エネルギーモジュール２０は、直列に接続している風力発電タービン又はミニ風力発電タービンを有する風力発電タービンモジュール、あるいは直列に接続している水力発電のタービン又はミニタービンを有する水力発電モジュールによって置き換えることができる。さらに、電源ユニット１０の太陽エネルギーモジュール２０は、直列に接続している電気化学セルを有する電気化学的モジュールによって置き換えることができる。

これらの光起電性セル２１は、群２２を成すように集合し、群２２はそれぞれ、少なくとも１つの光起電性セル２１、又は好ましくは多数の隣接する光起電性セル２１によって形成される。このようにして、光起電性セルの群２２はそれぞれ正端子と負端子とを有する。群の第１の光起電性セル２１の正端子が群の正端子であり、群の最後の光起電性セル２１の負端子が群の負端子であることを理解できるであろう。光起電性セルの群２２は、好ましくは、光起電性セル２１を同じ数有する。あるいは、異なる数の光起電性セル２１からなることができる。

コンバーターシステム１００は、並列に接続している複数のレギュレーター回路４０を有する。図３に示すレギュレーター回路４０は、それぞれスイッチング素子Ｃ１と直列に接続された変圧器Ｔ１を有する。レギュレーター回路４０は、それぞれスイッチング素子Ｃ１と直列に接続した電流測定素子Ｉ１をさらに有する。変圧器Ｔ１、スイッチング素子Ｃ１及び電流測定素子Ｉ１は、光起電性セル２１と並列に構成する。レギュレーター回路４０はそれぞれ、さらに、中間電圧を供給するために変圧器Ｔ１の出力に接続される整流器Ｒ１を有する。したがって、レギュレーター回路４０には、それぞれ自身用の整流器Ｒ１があることを理解できるであろう。

レギュレーター回路４０は、それぞれ好ましくはＭＰＰＴ（最大電力点追従）レギュレーターである。すなわち、非線形の発電装置の最大電力点の追跡を可能にするレギュレーター回路４０である。実際に、光起電性発電装置は、電圧の関数としての電流の特性が極めて非線形であるような発電装置である。したがって、同じ明るさの場合、負荷に応じて、分配される電力が異なる。このように、ＭＰＰＴレギュレーター回路４０は、負荷（例、バッテリー）と光起電性パネルを接続する静的インバーター、すなわち、太陽エネルギーモジュール２０を最大出力を負荷に対して連続的に供給するように制御することを可能にする。

電源ユニット１０は、さらに、時間シフト制御によってレギュレーター回路４０を制御するマイクロコントローラ８０を有する。すなわち、レギュレーター回路４０はパルス幅変調によって制御され、所定の時間窓内で連続的に切り替えられる。これを達成するために、マイクロコントローラ８０は各レギュレーター回路４０のスイッチング素子Ｃ１に信号を送る。

有利なことに、本発明によれば、光起電性セル２１の群２２は、それぞれその正及び負の端子によってレギュレーター回路４０に直接接続され、光起電性セル２１の群どうしは互いに並列に構成している。この構成によって、異なる群２２が独立となることができる。また、このように群２２が他の群２２から独立であることによって、光起電性セル２１の各群２２を保護することが可能になる。実際に、光起電性セルの群２２が互いに独立であること、すなわち、各群が１つのレギュレーター回路に接続されることによって、ある群から別の群へと電流が広がることを防ぐことができる。実際の事象において、１つの光起電性セル２１に問題がある場合に、電流の異常が現われ、レギュレーター回路４０がこの異常を最小限にしようとする傾向がある。この異常は、他のセル２１へと広がる傾向がある。対照的に、光起電性セル２１の群２２どうしが互いに独立である場合には、光起電性セルの群の他のセル２１へと電流の異常が広がるが、光起電性セルの他の群へは広がらない。

したがって、光起電性セル２１の群２２は、それぞれ別個に制御され、最適化も各群２２ごとに別個に行われる。実際に、群２２はそれぞれ自身のレギュレーター回路４０を有するので、レギュレーターはそれぞれ独立して動作する。この結果、１つの群の光起電性セル２１のうちの１つの効率が落ちれば、その群のレギュレーター回路４０がそれを修正する。

また、このように光起電性セル２１の群２２を別個に制御することは、電源モジュール１９に対する影響が小さいということを意味する。実際の事象において、この種の構成では、光起電性セル２１がすべて同じ電流を供給するようにレギュレーター回路４０による制御が行われる。図７Ａは、複数の光起電性セル２１からなる複数の太陽エネルギーモジュール２０上に影がない場合、モジュール２０がそれぞれ電力Ｐを伝えることが明白であることを示している。

したがって、光起電性セル２１が群を成していない場合、図７Ｂに明らかなように、影に起因する光起電性セル２１の電流の減少によって、すべての光起電性セル２１の電流が減少することをもたらす。

光起電性セル２１が、１つのレギュレーター回路によってそれぞれ制御される光起電性セルの群２２を成すように集合するような本発明に係る構成では、光起電性セルの群２２の光起電性セル２１の高さで影が存在しても、単に群２２に影響するだけで他の群には影響を及ぼさない。その結果、図７Ｃにおいて明らかなように、光起電性セルの他の群２２はそれらの最大能力で機能し続ける。

図４−６に示すように、これらのレギュレーター回路４０の制御には、パルス幅変調制御が使用される。この制御には、各レギュレーター回路４０のスイッチング素子Ｃ１（ＭＰＰＴ１、ＭＰＰＴ２、ＭＰＰＴ３）に対して、これらのレギュレーター回路４０の導電性を多くしたり少なくするということを伴う。与えられた瞬間において単一のレギュレーター回路４０が導通するように、レギュレーター回路４０が制御される。

このために、レギュレーター回路４０の制御どうしが位相シフトするようにすることが考えられる。実際に、レギュレーター回路４０それぞれの制御信号を位相シフトすることによって、電源ユニット１０から出力される必要電力の関数として電源ユニット４０の動作を適応させることができる。したがって、低消費電力の場合には、レギュレーター回路が各時限において活性化されるように、信号のシフト制御が構成される。これは、図４から明白なように、レギュレーター回路４０がそれぞれ３周期ごとに１回活性化されることを意味する。

より高い電力定格が要求される場合については、図５及び６に明らかなように、各レギュレーター回路４０が、位相はシフトされているが同じ周期内で活性化されるようにすることができる。この構成は、より多くの電流が通り抜け、よって、より大きな電力が得られるように、レギュレーター回路４０を切り替えられるようにすることを可能にする。したがって、図５によって明らかなように、このことは、与えられた瞬間において単一のレギュレーター回路４０の活性があるように、すべての周期においてすべてのレギュレーター回路が活性化されることを意味する。

大きな電力が要求され光起電性セルの３つの群がある図２に示す場合では、シフトは周期の３分の１である。すなわち、シフトはＴ／３であり、時点ｔ＝０では、第１のレギュレーター回路４０（ＭＰＰＴ１）は、０〜Ｔ／３の範囲のパルス幅で活性化する。ｔ＝Ｔ／３にて、第２のレギュレーター回路４０（ＭＰＰＴ２）は、Ｔ／３〜４Ｔ／３の範囲のパルス幅で活性化する。図６に明らかなように、ｔ＝２Ｔ／３にて、第３のレギュレーター回路４０（ＭＰＰＴ３）は、２Ｔ／３〜５Ｔ／３の範囲のパルス幅で活性化する。これらの活性化は重複する。

このようなレギュレーター回路４０（ＭＰＰＴ１、ＭＰＰＴ２及びＭＰＰＴ３）を制御する手法によって、作動頻度を事実上増加させることができる。実際に、図５に明らかなように、１つの周期当たりレギュレーター回路４０（ＭＰＰＴ１、ＭＰＰＴ２及びＭＰＰＴ３）が１回活性化されるのではなく、１つの期間当たり３回の活性化がある。特に、レギュレーター回路４０の活性化周波数の増加が反映されるのはバイパスコンデンサーのような部品である。

コンデンサーは、周波数に依存するインピーダンスを有する。したがって、周波数が増加する場合、同じインピーダンスを保持しつつコンデンサーの容量を減らすことができる。また、コンデンサーのサイズ及びコストがそのファラッドの値と連係しているので、その値の減少によって、効率を下げずにバイパスコンデンサーのサイズ及び価格を小さくすることができる。

レギュレーター回路によって供給される信号は、ＤＣ／ＡＣコンバーター段５０、すなわち、レギュレーター回路４０（ＭＰＰＴ）によって供給される連続的な電圧を網と互換性を有する交流へと変換する段へと送られる。このＤＣ／ＡＣコンバーター段５０の出力Ｓｏｕｔで供給される電圧は、例えば１１０〜２３０ＶＡＣの交流電圧、及び周波数５０−６０Ｈｚである。

上で概説した本発明の複数の実施形態に対して、添付の請求の範囲によって定義されるような本発明のフレームワークから逸脱せずに、当業者にとって明白な様々な変更、改善及び／又は組み合わせを適用することができることを理解できるであろう。

Claims (7)

1. コンバーターシステム（１００）に接続される電源モジュール（１９）を有する電子デバイス（１０）であって、
   前記電源モジュールは、直列に接続されており、かつ再生可能エネルギーから電気を生産するための複数の素子（１８）を有し、これらの再生可能エネルギーから電気を生産する素子（１８）は、直列に接続された群（２２）を成すように集合し、
   前記コンバーターシステムは、複数のレギュレーター回路（４０）を有し、前記レギュレーター回路のそれぞれは、再生可能エネルギーから電気を生産する素子（１８）の前記群（２２）のそれぞれと並列に接続されており、
   これによって、再生可能エネルギーから電気を生産する素子の群（２２）をそれぞれ別個に制御することができる
   ことを特徴とする電子デバイス。
2. 前記コンバーターシステム（１００）は、さらにパルス幅変調によって前記レギュレーター回路（４０）を制御するマイクロコントローラ（８０）を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記レギュレーター回路（４０）は、前記再生可能エネルギーから電気を生産する素子（１８）の最大出力点の追跡を可能にする
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子デバイス。
4. 各群（２２）は、前記再生可能エネルギーから電気を生産する素子（１８）を同じ数有する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子デバイス。
5. 前記再生可能エネルギーから電気を生産する素子（１８）は、光起電性セル（２１）である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電子デバイス。
6. 前記再生可能エネルギーから電気を生産する素子（１８）は、風力発電タービンである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電子デバイス。
7. 前記再生可能エネルギーから電気を生産する素子（１８）は、水力発電タービンである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電子デバイス。

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