JP6256915B2

JP6256915B2 - 太陽電池の電力配分回路

Info

Publication number: JP6256915B2
Application number: JP2014030535A
Authority: JP
Inventors: 加藤　和彦; 和彦加藤; 祟大関; 隆夫山田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: JP2015156091A

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２３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２４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２５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２５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（最大値）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（最大値）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、ハッチングで示す領域（３）の部分は発電出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電力配分回路は、外部負荷に対して複数直列接続された太陽電池のそれぞれの正極端子と負極端子間を個別に連絡する複数の充電路と、前記それぞれの太陽電池の正極端子と負極端子間を個別に連絡する複数の放電路と、前後に隣合う前段の太陽電池の充電路と後段の太陽電池の放電路どうし並びに列後端の太陽電池の充電路と列前端の太陽電池の放電路どうし、又は、前後に隣合う前段の太陽電池の放電路と後段の太陽電池の充電路どうし並びに列前端の太陽電池の充電路と列後端の太陽電池の放電路どうしをそれぞれ磁気的に結合する複数のフライバックトランスと、それぞれの充電路中に、対応するフライバックトランスの１次側コイルと直列に組み込まれたスイッチング素子と、それぞれの放電路中に、対応するフライバックトランスの２次側コイルと直列に、且つ対応する太陽電池の負極端子側から正極端子側へ電流を通す向きに組み込まれたダイオードと、前記それぞれのスイッチング素子を周期的にＯＮ／ＯＦＦするスイッチング制御回路と、それぞれの太陽電池毎に、対応する充電路と放電路の電流変動を平滑化する少なくとも１つのコンデンサからなる平滑回路を備え、前記それぞれのフライバックトランスは、１次側コイルと直列に組み込まれたスイッチング素子がＯＮの期間に、当該１次側コイルを流れる電流のエネルギを蓄積し、当該スイッチング素子がＯＦＦになったときに、当該エネルギを２次側コイルから放出することを特徴としている。

本発明の電力配分回路においては、スイッチング制御回路は、各スイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦの周期的な切換動作中に、任意に選択したスイッチング素子のみＯＦＦの状態を保持する機能を有することが望ましい。

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、発電出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、発電出力として利用することができず、損失となっていた電力が利用可能となるため、発電効率を高めることができる。
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、本発明の電力配分回路の主要部分は、リレーやＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子やダイオード、フライバックトランス、コンデンサ等からなる極めて簡単な回路構成とすることができる。

しかも、スイッチング素子を充電路のみに組み込み、当該充電路とフライバックトランスによって結合されている放電路では、スイッチング素子がＯＦＦに切り換わるタイミングで電流が流れるように、スイッチング素子の代わりにダイオードを用いて電流の流れを制御しているため、回路全体の必要なスイッチング素子の数を少なくでき、スイッチング動作に伴うノイズの発生を極力抑えることができる。

また、スイッチング制御回路は、最低限、各スイッチング素子を周期的にＯＮ／ＯＦＦ動作させる機能を有していればよいため、製造コストを安くできるとともに、故障が発生し難く高い信頼性が得られる。

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その動作を停止して回路損失を無くすことができるため、発電効率の低下を防ぐことができる。

さらに、従来のＡＣ太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システムでは、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停止した場合でも、太陽光発電システム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、各スイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦの周期的な切換動作中に、任意に選択したスイッチング素子のみＯＦＦの状態を保持することができるため、太陽光発電システムの故障診断を行う場合に、当該スイッチング素子が組み込まれている充電路とフライバックトランスで結合されている放電路が繋がる太陽電池への電力配分を停止させることで、発電出力が低下している太陽電池への電力配分の停止によって生じるシステムの電流電圧特性の変化から、不具合が発生している太陽電池を容易に特定することができる。

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Ｍ１、Ｍ２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の１実施形態における、スイッチング制御回路のブロック図である。図２に示すスイッチング制御回路のパルス発振器から出力されるパルス信号の波形を示す図である。太陽電池モジュールＭ１の発電出力が太陽電池モジュールＭ２の発電出力より大きい場合における、フライバックトランスＴ１の電力蓄積過程を示す図である。太陽電池モジュールＭ１の発電出力が太陽電池モジュールＭ２の発電出力より大きい場合における、フライバックトランスＴ１からの電力放出過程を示す図である。電力配分回路によって改善されたシステムの電流電圧特性を示す図である。太陽電池モジュールＭ２の発電出力が太陽電池モジュールＭ１の発電出力より大きい場合における、フライバックトランスＴ２への電力蓄積過程を示す図である。太陽電池モジュールＭ２の発電出力が太陽電池モジュールＭ１の発電出力より大きい場合における、フライバックトランスＴ２からの電力放出過程を示す模式図である。本発明の電力配分回路の別の実施形態を示す、直列接続された２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２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のさらに別の実施形態を示す、直列接続された３つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３からなる太陽光発電システムの模式図である。太陽電池モジュールＭ３の発電出力より、２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の発電出力が小さい場合のシステムの電流電圧特性を示す図である。太陽電池モジュールＭ３からフライバックトランスＴ３への電力蓄積過程を示す図である。フライバックトランスＴ３から放出された電力がコンデンサＣ１に蓄積される過程を示す図である。コンデンサＣ１から放出された電力が、フライバックトランスＴ１に蓄積される過程を示す図である。フライバックトランスＴ１とコンデンサＣ１から電力が放出される過程を示す図である。太陽電池モジュールＭ３の発電出力が２つの太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３の発電発電出力より小さい場合のシステムの電流電圧特性を示す図である。太陽電池モジュールＭ２からフライバックトランスＴ２への電力蓄積過程を示す図である。フライバックトランスＴ２から電力が放出されて、太陽電池モジュールＭ３に加算され、一部の電力がコンデンサＣ３に蓄積される過程を示す図である。太陽電池モジュールＭ１からフライバックトランスＴ１への電力蓄積過程を示す図である。フライバックトランスＴ１から電力が放出され、同時にコンデンサＣ３から電力が放出される過程を示す図である。電力配分回路の定常動作時における、循環的な電力配分動作を模式的に示す図である。電力配分回路の通常稼働時のシステムの電流電圧特性と、発電出力が低下した太陽電池モジュールへ電力配分動作を停止した時のシステムの電流電圧特性を比較して示す図である。２つの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。一方の太陽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に示す実施形態は、外部負荷に対して直列接続された２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２から構成されている太陽光発電システムに、本発明の電力配分回路１を組み込んだ例を示している。

同図に示すように、太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１と太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２は、出力線路Ａを介して外部負荷と接続されており、また、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との間は連結線路Ｂで接続されている。また、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の間にはそれぞれ、バイパスダイオードＤが並列接続されている。

なお、以下の説明においては、これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の前後の向きは正極端子Ｐ１側を前側、負極端子Ｐ２側を後側とし、太陽電池モジュールＭ１を前段側、太陽電池モジュールＭ２を後段側とする。

本発明の電力配分回路１は、充電路Ｘ１、Ｘ２と、放電路Ｙ１、Ｙ２を有しており、充電路Ｘ１と放電路Ｙ１はそれぞれ、太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１と負極端子Ｐ２間をバイパスして連絡している。また、充電路Ｘ２と放電路Ｙ２はそれぞれ、太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１と負極端子Ｐ２間をバイパスして連絡している。

すなわち、充電路Ｘ１と放電路Ｙ１のそれぞれの一端は、接続点Ｊ１で出力線路Ａに接続され、この出力線路Ａを介して太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１に繋がっている。また、それぞれの他端は、接続点Ｊ２で連結線路Ｂに接続され、当該連結線路Ｂを介してこの太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２に繋がっている。

一方、充電路Ｘ２と放電路Ｙ２のそれぞれの一端は、接続点Ｊ３で連結線路Ｂに接続され、当該連結線路Ｂを介して太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１に繋がっている。また、それぞれの他端は、接続点Ｊ４で出力線路Ａに接続され、当該出力線路Ａを介してこの太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２に繋がっている。

また、電力配分回路１は、前段の太陽電池モジュールＭ１側の充電路Ｘ１と後段の太陽電池モジュールＭ２側の放電路Ｙ２どうしを磁気的に結合しているフライバックトランスＴ１と、後段（列後端）の太陽電池モジュールＭ２側の充電路Ｘ２と、前段（列前端）の太陽電池モジュールＭ１側の放電路Ｙ１どうしを磁気的に結合しているフライバックトランスＴ２を有している。

なお、図１においては、充電路Ｘ１と放電路Ｙ２の両方にフライバックトランスＴ１が、また、充電路Ｘ２と放電路Ｙ１の両方にフライバックトランスＴ２が図示されているが、それぞれ、同一のフライバックトランスを示している。また、本実施形態のものにおいては、これらのフライバックトランスＴ１、Ｔ２は、１次側と２次側の巻き線比が１：１の同じ仕様のものを用いている。

電力配分回路１はさらに、充電路Ｘ１中にフライバックトランスＴ１の１次側コイルＬ１１と直列に組み込まれたスイッチング素子Ｓ１と、充電路Ｘ２中にフライバックトランスＴ２の１次側コイルＬ２１と直列に組み込まれたスイッチング素子Ｓ２を有している。

これらのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２には、実用上は、ＯＮ／ＯＦＦ制御を迅速に行うため、リレーやトランジスタが用いられるが、図１においては、説明の便宜上ＯＮ／ＯＦＦの切換動作がわかるように、機械的なスイッチで模式的に図示している。

また、電力配分回路１は、放電路Ｙ１中に、フライバックトランスＴ２の２次側コイルＬ２２と直列に組み込まれたダイオードＤ１と、放電路Ｙ２中に、フライバックトランスＴ１の２次側コイルＬ１２と直列に組み込まれたダイオードＤ２を有している。これらのダイオードＤ１、Ｄ２はそれぞれ、対応する太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の負極端子Ｐ２側から正極端子Ｐ１側へ電流を通す向きに組み込まれている。

また、本実施形態の電力配分回路１においては、接続点Ｊ１、Ｊ２間と接続点Ｊ３、Ｊ４間にそれぞれ平滑回路としてのコンデンサＣ１、Ｃ２を接続してある。また、図１には図示していないが、電力配分回路１はさらに、前記２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２をそれぞれ周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御するための図２に示すスイッチング制御回路２を有している。

本実施形態のものにおいては、前記スイッチング制御回路２は、各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２毎に個別に設けられていて、それぞれ、パルス発振器とドライバ回路から構成されている。

パルス発振器は、図３に示すような、矩形波状のパルス信号をドライバ回路に出力し、ドライバ回路は前記パルス信号のタイミングでスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

なお、本実施形態のものにおいては、２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の間では、ＯＮ／ＯＦＦのタイミングは非同期である。また、これらのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２はデューティー比（図３におけるＴon／（Ｔon＋Ｔoff）：ＯＮ期間のパルス幅をパルス周期で割った値）を５０％に設定してある。

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に示すシステムにおいて、前段の太陽電池モジュールＭ１が発電出力が、後段の太陽電池モジュールＭ２が発電出力より大きい場合、図１のようにスイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の両方がＯＦＦ（電力配分回路１を機能させていない状態）のときは、このシステムは、図２５に示すような、最大出力動作点をＰとする階段状の電流電圧特性を示す。

この状態から電力配分回路１を起動して、図４に示すように、スイッチング素子Ｓ１がＯＮになったとき、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）が当該太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１から、出力線路Ａ、接続点Ｊ１、充電路Ｘ１、接続点Ｊ２、連結線路Ｂを経由して当該太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２へ還流する。

この際、前記電流Ｉ１がフライバックトランスＴ１の１次側コイルＬ１１を流れることにより、当該フライバックトランスＴ１に、太陽電池モジュールＭ１の発電出力の一部が磁気エネルギとして蓄積される。

次に、図５に示すように、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦになると、フライバックトランスＴ１に蓄積されていた前記磁気エネルギは、その２次側コイルＬ１２側に解放され、その結果、放電路Ｙ２に電流Ｉ２（矢印付きの点線で表示）が流れる。

このとき、前記２次側コイルＬ１２は、前段の太陽電池モジュールＭ１に対して、太陽電池モジュールＭ２と並列に接続されているため、電流Ｉ２が太陽電池モジュールＭ２が出力する電流に加算される。

なお、スイッチング素子Ｓ１がＯＮになって、フライバックトランスＴ１の１次側コイルＬ１１を流れる電流が増加する過程では、２次側コイルＬ１２には電流Ｉ２の向きと逆向きの誘導起電力が生じているが、放電路Ｙ２には、ダイオードＤ２が組み込まれているため、前記電流Ｉ２と逆向きの電流は流れない。

スイッチング素子Ｓ１のＯＮ／ＯＦＦの動作が周期的に反復されることにより、太陽電池モジュールＭ１で発電された電力の一部は、フライバックトランスＴ１を介して継続的に太陽電池モジュールＭ２側へ配分される。この際、充電路Ｘ１及び放電路Ｙ２を流れる電流の変動はそれぞれコンデンサＣ１、Ｃ２によって平滑化される。

電力配分回路１を使用していない場合には、図６に破線で示すように、システム全体の電流電圧特性を表す曲線は最大出力動作点をＰとする階段状となっている。これに対し、電力配分回路１を動作させることで、太陽電池モジュールＭ２の発電電力（２）に、太陽電池モジュールＭ１の発電電力の一部（３’）が加算される。

それぞれのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のデューティー比を５０％に設定している場合には、図２５にハッチングで示す領域（３）の利用できず損失となっていた電力分は、図６にハッチングで示すように、その略半分（３’）が太陽電池モジュールＭ１側から太陽電池モジュールＭ２側へ配分される。その結果、システムの電流電圧特性は、同図に実線で示すような、最大出力動作点をＰ’とする平滑化された特性に改善され、発電効率が向上する。

一方、前段の太陽電池モジュールＭ１の発電出力よりも、後段の太陽電池モジュールＭ２が発電出力の方が大きい場合、電力配分回路１を起動して図７に示すように、スイッチング素子Ｓ２がＯＮになったとき、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）がこの太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１から、連結線路Ｂ、充電路Ｘ２、出力線路Ａを経由して当該太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２へ還流する。

この際、電流Ｉ１がフライバックトランスＴ２の１次側コイルＬ２１を流れることにより、当該フライバックトランスＴ２に、太陽電池モジュールＭ２の発電出力の一部が磁気エネルギとして蓄積される。

次に、図８に示すように、スイッチング素子Ｓ２がＯＦＦになると、フライバックトランスＴ２に蓄積されていた前記磁気エネルギは、その２次側コイルＬ２２側に解放され、その結果、放電路Ｙ１に電流Ｉ２（矢印付きの点線で表示）が流れる。

このとき、前記２次側コイルＬ２２は、外部負荷に対して、太陽電池モジュールＭ１と並列に接続されているため、電流Ｉ２が太陽電池モジュールＭ１が出力する電流に加算される。

前述したようなスイッチング素子Ｓ２のＯＮ／ＯＦＦ動作が周期的に反復されることにより、太陽電池モジュールＭ２で発電された電力の一部は、継続的に太陽電池モジュールＭ１側へ配分される。この際、充電路Ｘ２及び放電路Ｙ１を流れる電流の変動はそれぞれコンデンサＣ１、Ｃ２によって平滑化される。

以上の説明においては、電力配分回路１の動作を分かり易くするため、太陽電池モジュールＭ１の発電出力が太陽電池モジュールＭ２よりも大きいときは、スイッチング素子Ｓ１のみのＯＮ／ＯＦＦ動作に着目し、太陽電池モジュールＭ２の発電出力が太陽電池モジュールＭ１よりも大きいときは、スイッチング素子Ｓ２のみのＯＮ／ＯＦＦ動作に着目して説明している。

しかしながら、実際はこれら２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２はそれぞれ非同期に個別にＯＮ／ＯＦＦ制御されているため、両方のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は、ＯＮの状態が重なる場合もある。

例えば、図５のように、フライバックトランスＴ１の２次側コイルＬ１２に起電力が発生して電流Ｉ２が流れている途中で、スイッチング素子Ｓ２がＯＮになった場合には、前記電流Ｉ２の一部は、フライバックトランスＴ２の１次側コイルＬ２１にも流れて当該フライバックトランスＴ２に磁気エネルギとして電力が一時的に蓄積される。

前記フライバックトランスＴ２に蓄積された電力は、次にスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦに切り換わると、２次側コイルＬ２２から前段の太陽電池モジュールＭ１側の放電路Ｙ１に放電され外部負荷へ流れる。

このように、電力配分回路１の実際の動作は、充電路Ｘ１と放電路Ｙ１間、充電路Ｘ２と放電路Ｙ２間でそれぞれ同時に電力の受け渡しが行われており、その現象は極めて複雑であるが、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２によって電流の不規則な変化は吸収されることで、電力配分回路１を起動後、極めて短時間内に太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間の電力配分量の時間的変動は消滅し、定常的な電力の配分動作が実現される。
なお、コンデンサＣ１、Ｃ２は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のＯＮ／ＯＦＦ動作時に発生するノイズを低減する役割も有している。

図９は、本発明の電力配分回路の別の実施形態を示す、直列接続された２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２からなる太陽光発電システムの模式図であって、同図中に示す電力配分回路１Ａは、前述した図１中に示す電力配分回路１におけるスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２として、それぞれＦＥＴ（電界効果トランジスタ）Ｑ１、Ｑ２を用いたものであり、図１で符号が共通している部分については、前述した電力配分回路１と同一構成となっている。

これらのＦＥＴＱ１、Ｑ２は、それぞれソース端子が各太陽電池Ｍ１、Ｍ２の負極端子Ｐ２側に繋がり、ドレイン端子が各フライバックトランスＴ１、Ｔ２の１次側コイルＬ１１、Ｌ２２側に繋がっている。なお、図中ＢＤは、これらのＦＥＴＱ１、Ｑ２内の寄生ダイオードを示している。

また、図示は省略しているが、図９中に示す電力配分回路１Ａは、これらのＦＥＴＱ１、Ｑ２の周期的なＯＮ／ＯＦＦ制御を行うために、前述した電力配分回路１のスイッチング制御回路２と同様なスイッチング制御回路を有している。

次に、図１０は、本発明の電力配分回路のさらに別の実施形態を示す、直列接続された３つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３からなる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における電力配分回路１Ｂは、それぞれ３つの充電路Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及び放電路Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３を有している。

前述した図１中に示す電力配分回路１と同様に、充電路Ｘ１と放電路Ｙ１のそれぞれの一端は、列前端の太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１の近傍の接続点Ｊ１で出力線路Ａに接続され、それぞれの他端は、接続点Ｊ２で前後の太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間を繋ぐ連結線路Ｂ１に接続されている。

また、充電路Ｘ２と放電路Ｙ２のそれぞれの一端は、前記接続点２より太陽電池モジュールＭ２寄りの接続点Ｊ３で前記連結線路１に接続され、それぞれの他端は、接続点Ｊ４で前後の太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間を繋ぐ連結線路Ｂ２に接続されている。

さらに、充電路Ｘ３と放電路Ｙ４のそれぞれの一端は、前記接続点４より太陽電池モジュールＭ３寄りの接続点Ｊ５で前記連結線路Ｂ２に接続され、それぞれの他端は、列後端の太陽電池モジュールＭ３の負極端子Ｐ２の近傍の接続点Ｊ６で出力線路Ａと接続されている。

充電路Ｘ１と放電路Ｙ２間、充電路Ｘ２と放電路Ｙ３間、及び、充電路Ｘ３と放電路Ｙ１間にはそれぞれ、対応する充電路と放電路間を磁気的に結合するフライバックトランスＴ１、Ｔ２、Ｔ３が組み込まれている。

充電路Ｘ１には、フライバックトランスＴ1の１次側コイルＬ１とスイッチング素子Ｓ１が直列に組み込まれ、充電路Ｘ２には、フライバックトランスＴ２の１次側コイルＬ２１とスイッチング素子Ｓ２が直列に組み込まれ、充電路Ｘ３には、フライバックトランスＴ３の１次側コイルＬ３１とスイッチング素子Ｓ３が直列に組み込まれている。

また、放電路Ｙ１には、フライバックトランスＴ３の２次側コイルＬ３２とダイオードＤ１が直列に組み込まれ、放電路Ｙ２には、フライバックトランスＴ１の２次側コイルＬ１２とダイオードＤ２が直列に組み込まれ、放電路Ｙ３には、フライバックトランスＴ２の２次側コイルＬ２２とダイオードＤ３が直列に組み込まれている。これらのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３はそれぞれ、対応する太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３の負極端子Ｐ２側から正極端子Ｐ１側へ電流を通す向きに組み込まれている。

また、本実施形態の電力配分回路１Ｂにおいては、接続点Ｊ１、Ｊ２間、接続点Ｊ３、Ｊ４間、及び接続点Ｊ５、Ｊ６間にそれぞれ平滑回路として機能するコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３が接続されている。また、各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、図示していないスイッチング制御回路によってそれぞれＯＮ／ＯＦＦ制御されるようになっている。

前記スイッチング制御回路は、前述の電力配分回路１で用いている図２の同じ構成のものを、各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３毎に個別に組み込んであり、これらのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３をそれぞれ周期的にＯＮ／ＯＦＦするようにしてある。
なお、これらのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のＯＮ／ＯＦＦ制御は非同期で行っている。

次に、前述したように構成されている電力配分回路１Ｂの動作について説明する。
図１０に示すシステムにおいて、前後に配列された３つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３の中で、列後端の太陽電池モジュールＭ３の発電出力に比較して、前段の２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の発電出力が小さい場合には、同図のように全てのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３がＯＦＦ（電力配分回路１Ｂを機能させていない状態）のときは、このシステムは、図１１に示すような電流電圧特性を示す。

ここで、電力配分回路１Ｂを起動し、図１２に示すように、充電路Ｘ３のスイッチング素子Ｓ３がＯＮになったとき、太陽電池モジュールＭ３が出力する一部の電流Ｉ１（矢印付きの点線で表示）がこの太陽電池モジュールＭ３の正極端子Ｐ１から、連結線路Ｂ２、接続点Ｊ５、充電路Ｘ３、接続点Ｊ６、出力線路Ａを経由して当該太陽電池モジュールＭ３の負極端子Ｐ２へ還流する。

この際、前記電流Ｉ１がフライバックトランスＴ３の１次側コイルＬ３１を流れることにより、当該フライバックトランスＴ３に、太陽電池モジュールＭ３の発電出力の一部が磁気エネルギとして蓄積される。

次いで、図１３に示すように、スイッチング素子Ｓ３がＯＦＦになると、フライバックトランスＴ３に蓄積されていた磁気エネルギは、その２次側コイルＬ３２側に解放され、その結果、放電路Ｙ１に電流Ｉ２（矢印付きの点線で表示）が流れる。

この際、列前端の太陽電池モジュールＭ１側から出力電路Ａを通って外部負荷に出力される電流の大きさは、後続の太陽電池モジュールＭ２を流れる電流の大きさで制限されているため、前記電流Ｉ２はコンデンサＣ１に流れ、ここに蓄電される。

そして、図１４に示すように、充電路Ｘ１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮになると、前記コンデンサＣ１に蓄電されている電力の一部は放電されて、その放電電流Ｉ３（矢印付きの点線で表示）がフライバックトランスＴ１の１次側コイルＬ１１を流れることにより、当該コンデンサＣ１に蓄積されていた電力の一部は磁気エネルギに変換されてフライバックトランスＴ１に蓄えられる。

次に、図１５に示すように、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦになると、フライバックトランスＴ１に蓄積されていた前記磁気エネルギは、その２次側コイルＬ１２側に解放され、その結果、放電路Ｙ２に電流Ｉ４（矢印付きの点線で表示）が流れる。

このとき、２次側コイルＬ１２は、太陽電池モジュールＭ２と並列に接続されているため、前記電流Ｉ４は太陽電池モジュールＭ２の出力電流に加算されて前段の太陽電池モジュールＭ１側に流れる。

そうすると、コンデンサＣ１に蓄電されていた残りの電力は、電流Ｉ５（矢印付きの点線で表示）として放電されて太陽電池モジュールＭ１の出力電流に加算されて、出力電路Ａから外部負荷へ流れる。

このような動作が反復されることによって、太陽電池モジュールＭ３で発電された一部の電力は、太陽電池モジュールＭ１と太陽電池モジュールＭ２に均等に配分され、その結果システム全体の電流電圧特性が平滑化されて発電効率が向上する。

次に、図１０に示すシステムにおいて、前後に配列された３つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３の中で、列後端の太陽電池モジュールＭ３の発電出力が、前段の２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の発電出力よりも小さい場合、同図のように全てのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３がＯＦＦ（電力配分回路１Ｂを機能させていない状態）のときは、このシステムは、図１６に示すような電流電圧特性を示す。

ここで、図１７に示すように、スイッチング素子Ｓ２がＯＮになったとき、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）がこの太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１から、連結線路Ｂ１、接続点Ｊ３、充電路Ｘ２、接続点Ｊ４、連結線路Ｂ２を経由して当該太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２へ還流する。

この際、前記電流Ｉ１がフライバックトランスＴ２の１次側コイルＬ２１を流れることにより、当該フライバックトランスＴ２に、太陽電池モジュールＭ２の発電出力の一部が磁気エネルギとして蓄積される。

次いで、図１８に示すように、スイッチング素子Ｓ２がＯＦＦになると、フライバックトランスＴ２に蓄積されていた前記磁気エネルギは、その２次側コイルＬ２２側に解放され、その結果、放電路Ｙ３に電流Ｉ２（矢印付きの点線で表示）が流れ、その一部の電流Ｉ３は、太陽電池モジュールＭ２の出力電流に加算されて前段の太陽電池モジュールＭ２側へ流れる。同時に、前記電流Ｉ２と電流Ｉ３の差分の電流Ｉ４がコンデンサＣ３に流れ、当該コンデンサＣ３が充電される。

次に、図１９に示すように、スイッチング素子Ｓ１がＯＮになると、太陽電池モジュールＭ１が出力する一部の電流Ｉ５（矢印付きの点線で表示）がこの太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１から、出力線路Ａ、接続点Ｊ１、充電路Ｘ１、接続点Ｊ２、連結線路Ｂ１を経由して当該太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２へ還流する。

この際、前記電流Ｉ５がフライバックトランスＴ１の１次側コイルＬ１１を流れることにより、当該フライバックトランスＴ１に、太陽電池モジュールＭ１の発電出力の一部が磁気エネルギとして蓄積される。

次いで、図２０に示すように、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦになると、フライバックトランスＴ１に蓄積されていた前記磁気エネルギは、その２次側コイルＬ１２側に解放され、放電路Ｙ２に電流Ｉ６（矢印付きの点線で表示）として放電される。前記電流Ｉ６は、太陽電池モジュールＭ２の出力電流に加算されて太陽電池モジュールＭ１側に流れる。その際その一部は、コンデンサＣ２に流れ、電流変動が抑えられる。

また、このとき、２次側コイルＬ１２に電流Ｉ６が誘起されることにより、コンデンサＣ３に蓄えられていた電力は、電流Ｉ７（矢印付きの点線で表示）として放電され、太陽電池モジュールＭ３の出力電流に加算されて前段の太陽電池モジュール２へ流れる。

このような動作を繰り返すことにより、太陽電池モジュールＭ１及び太陽電池モジュールＭ２で発電された一部の電力が太陽電池モジュールＭ３に配分されて均等化され、システム全体の電流電圧特性が平滑化されて発電効率が向上する。

なお、前述した説明においては、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３間の電力の配分動作を理解し易くするために、特定のスイッチング素子のＯＮ又はＯＦＦに着目して、電力配分回路の起動当初の電流の流れを模式的に説明しているが、実際の回路動作は、全てのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のＯＮ／ＯＦＦ動作が非同期で個別に反復されるため、現実の電力配分回路中の電流の流れは複雑になっている。

しかしながら、電力配分回路１Ｂが連続的に稼働している状態では、図２１に示すように、各太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３間で余剰電力の配分動作が同図に白抜き矢印で示すように循環的に繰り返され、パワーコンディショナ（外部負荷）では、図２２の実線で示すような、最大出力動作点を黒丸で示すＰａとする段差の無い電流電圧特性が得られている。

一方、故障等によって発電出力が低下している太陽電池モジュールへの電力配分を遮断すると、図２２に破線で示すような、最大出力動作点をＰｂとする、段差が生じた電流電圧特性に変化する。

そこで、スイッチング制御回路に、各スイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦの周期的な切換動作中に、任意に選択したスイッチング素子のみＯＦＦの状態を保持する機能を追加することによって、電力配分回路の稼働中に任意の太陽電池モジュールへの電力配分のみを遮断できるようにする。

そうすると、電力配分を遮断された太陽電池モジュールの発電出力が低下していた場合には、図２２に示すように、パワーコンディショナ側では、最大出力動作点がＰａからＰｂに変化するため、太陽光発電システムの稼働を停止しないで、不具合が生じている太陽電池モジュールを特定することができ、故障診断を効率的に行うことができる。

なお、以上に説明した各実施形態における電力配分回路１、１Ａ、１Ｂにおいては、それぞれ、対応する充電路Ｘ１と放電路Ｙ１、充電路Ｘ２と放電路Ｙ２、充電路Ｘ３と放電路Ｙ３にそれぞれ１つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を共通の平滑回路として組み込んでいるが、平滑回路はこれらの実施形態のものに限定するものではなく各充電路と放電路にそれぞれ個別に組み込んだコンデンサであってもよい。
さらに、太陽電池モジュール毎に、対応する充電路と放電路の電流変動を平滑化する少なくとも１つのコンデンサを含むローパスフィルタ回路であってもよい。

また、前述した各実施形態においては、２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２を直列接続したシステムと、３つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３を直列接続したシステムについて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定するものではなく、太陽電池モジュールが４つ以上直列接続された太陽光発電システムにも適用される。さらに、本発明の太陽電池の電力配分回路には、太陽電池モジュール内で直列接続されている複数のクラスタ間の電力配分回路も含まれる。

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発電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、裏面からの太陽光も受光する両面受光型太陽電池モジュールを備えたシステム等、様々なケースにおいて発電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発電効率改善にも利用可能である。

また、本発明の電力配分回路のスイッチング制御回路に、各スイッチング素子を個別にＯＦＦ状態で停止させる機能を組み込んた場合には、太陽電池モジュールの故障診断装置として利用することも可能である。

また、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、１Ａ、１Ｂ電力配分回路
２スイッチング制御回路
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３充電路
Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３放電路
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３スイッチング素子
Ｑ１、Ｑ２ＦＥＴ（スイッチング素子）
ＢＤボディーダイオード
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３フライバックトランス
Ｌ１１、Ｌ２１、Ｌ３１１次側コイル
Ｌ１２、Ｌ２２、Ｌ３２２次側コイル
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３コンデンサ（平滑回路）
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ダイオード
Ａ出力線路
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２連結線路
Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６接続点
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６、Ｉ７電流

Claims

外部負荷に対して複数直列接続された太陽電池のそれぞれの正極端子と負極端子間を個別に連絡する複数の充電路と、
前記それぞれの太陽電池の正極端子と負極端子間を個別に連絡する複数の放電路と、
前後に隣合う前段の太陽電池の充電路と後段の太陽電池の放電路どうし並びに列後端の太陽電池の充電路と列前端の太陽電池の放電路どうし、又は、前後に隣合う前段の太陽電池の放電路と後段の太陽電池の充電路どうし並びに列前端の太陽電池の充電路と列後端の太陽電池の放電路どうしをそれぞれ磁気的に結合する複数のフライバックトランスと、
それぞれの充電路中に、対応するフライバックトランスの１次側コイルと直列に組み込まれたスイッチング素子と、
それぞれの放電路中に、対応するフライバックトランスの２次側コイルと直列に、且つ対応する太陽電池の負極端子側から正極端子側へ電流を通す向きに組み込まれたダイオードと、
前記それぞれのスイッチング素子を周期的にＯＮ／ＯＦＦするスイッチング制御回路と、
それぞれの太陽電池毎に、対応する充電路と放電路の電流変動を平滑化する少なくとも１つのコンデンサからなる平滑回路を備え、
前記それぞれのフライバックトランスは、１次側コイルと直列に組み込まれたスイッチング素子がＯＮの期間に、当該１次側コイルを流れる電流のエネルギを蓄積し、当該スイッチング素子がＯＦＦになったときに、当該エネルギを２次側コイルから放出することを特徴とする太陽電池の電力配分回路。
スイッチング制御回路は、各スイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦの周期的な切換動作中に、任意に選択したスイッチング素子のみＯＦＦの状態を保持する機能を有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。