JP6729817B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

従来、日本特開２００２−１６２７９号公報に開示されているように、太陽電池の表面に積もった雪を融かすための融雪装置が知られている。上記公報にかかる融雪装置は、太陽光発電システムに搭載されている。太陽光発電システムは、太陽電池パネルと、この太陽電池パネルで発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を備えている。上記従来の融雪装置は、太陽電池に直流の逆電圧を印加することで太陽電池を発熱体として動作させる。電力印加により太陽電池を発熱させることで、太陽電池の表面に積もった雪を溶かすことができる。

日本特開２００２−１６２７９号公報

従来、日本国においては、電力変換装置を屋外に設置することは少なく、建屋を設置してその中に電力変換装置を設置することが多かった。しかしながら、近年では屋外設置用の電力変換装置も普及している。電力変換装置を屋外に設置する場合、降雪地域では積雪によって電力変換装置の筐体に過度の荷重がかかることがある。上記従来の技術は、太陽光発電のための太陽電池パネルについての融雪を行うものであり、電力変換装置への積雪については何ら配慮されていない。この点に関し、従来の技術は未だ改善の余地を残すものであった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、積雪被害を抑制することができるように改善された電力変換装置を提供することを目的とする。

本願で開示される電力変換装置は、
屋根部を持つ筐体と、
前記筐体に内蔵された電力変換回路と、
前記屋根部の上に設置され、表面で受光した太陽光エネルギの少なくとも一部を熱エネルギに変換する発熱部と、
を備え、
前記発熱部は、太陽電池パネルを含み、
前記電力変換回路は、太陽電池アレイと接続し前記太陽電池アレイからの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路を含み、
前記太陽電池パネルは、前記インバータ回路と接続されていない。

筐体の屋根部に積もった雪を溶かすことができるので、電力変換装置の積雪被害を抑制することができる。

実施の形態１にかかる電力変換装置およびこれを用いた電力システムを示す図である。 実施の形態１にかかる電力変換装置の正面図である。 実施の形態１にかかる電力変換装置の上面図である。 実施の形態１の変形例にかかる電力変換装置およびこれを用いた電力システムを示す図である。 実施の形態２にかかる電力変換装置およびこれを用いた電力システムを示す図である。 実施の形態２にかかる電力変換装置の正面図である。 実施の形態２にかかる電力変換装置の上面図である。 実施の形態２の変形例にかかる電力変換装置およびこれを用いた電力システムを示す図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置２０およびこれを用いた電力システム１を示す図である。電力システム１は、複数の太陽電池モジュール１２で構成された太陽電池アレイ１０と、電力変換装置２０と、出力配線１６を介して電力変換装置２０から交流電力を受け取る変圧器１８と、を備えている。電力変換装置２０は、入力配線１４を介して太陽電池アレイ１０から受け取った直流電力を交流電力に変換する。電力システム１は、いわゆる分散型電源である。太陽電池アレイ１０の代わりに、他の直流電源を設けてもよい。他の直流電源は、蓄電池、燃料電池、あるいは直流電力を出力する風力発電装置を含む。

電力システム１が持つ電力変換装置２０は、変圧器１８を介して電力系統１９と接続している。電力システム１は、電力系統１９と連系運転している。電力変換装置２０は、一つの制御装置２２ａと、四つのインバータ装置２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅと、を備えている。インバータ装置２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅは、インバータ回路基板を内蔵している。インバータ回路基板には、半導体スイッチング素子などの回路素子が実装されている。制御装置２２ａは、インバータ制御回路基板を内蔵している。インバータ制御回路基板には、各種の制御回路などが設けられている。この各種の制御回路は、インバータ回路基板の半導体スイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。

図１に示すように、電力変換装置２０は、屋根部２１ａおよび収納部２１ｂを持つ筐体２１と、筐体２１の収納部２１ｂに内蔵された電力変換回路と、屋根部２１ａの上に設置された太陽光発熱部３０と、を備える。屋根部２１ａは、ひさし部２４を備えている。ひさし部２４は、収納部２１ｂよりも外側に突き出ている。

太陽光発熱部３０は、太陽電池パネルである。太陽電池パネルは、裏面保護用のバックシートと、バックシートの上に重ねられた下部封止材と、下部封止材の上に配置された太陽電池セルと、太陽電池セルの上に配置された上部封止材と上部封止材の上に重ねられたガラスと、ガラスの上に設けられたフレームと、を備えている。太陽電池セルは、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する素子である。しかし、太陽電池セルに入射した太陽光エネルギの全てが電気エネルギに変換されるのではなく、一部は熱エネルギに変換される。太陽電池セルは、シリコンなどの半導体材料で形成されている。

太陽光発熱部３０の太陽電池パネルは、負荷３９と接続している。負荷３９は、太陽光発熱部３０の太陽電池パネルに電流を流すことで太陽電池パネルの発熱を促すためのものである。図１では模式的に負荷３９が筐体２１の外部周辺に接地されているが、負荷３９は筐体２１の内部に配置されてもよく、太陽光発熱部３０と同様に屋根部２１ａの上に配置されてもよい。実施の形態１において太陽光発熱部３０を構成する太陽電池パネルは、電力変換装置２０が内蔵するインバータ回路およびインバータ制御回路に接続されていない。この点において、実施の形態１にかかる太陽光発熱部３０に使用される太陽電池パネルは、太陽電池アレイ１０とは異なる使い方がされている。

実施の形態１においても、感電防止のために太陽光発熱部３０が接地ケーブルを介して接地されている。太陽電池アレイ１０と太陽光発熱部３０の太陽電池パネルとを比較すると、太陽電池アレイ１０が電力変換装置２０に電力供給をするのに対して、太陽光発熱部３０の太陽電池パネルは電力変換装置２０への電力供給を行わない点で違いがある。

図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置２０の正面図である。図３は、実施の形態１にかかる電力変換装置２０の上面図である。制御装置２２ａと、インバータ装置２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅは、それぞれ、筐体２１を備えている。インバータ装置２２ｂからインバータ装置２２ｅのそれぞれは、筐体２１の内部に、インバータ回路基板を備えている。インバータ回路基板は、ＩＧＢＴあるいはＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子と、フライホイールダイオードと、を備えている。制御装置２２ａは、筐体２１の内部に、インバータ制御回路基板を備えている。インバータ制御回路基板は、インバータ回路基板が備える半導体スイッチング素子をオンオフするＰＷＭ信号を生成する。

太陽電池パネル全体の光電変換効率は、一般的に２０％前後である。そのため発電時の８０％程度が損失として熱になる。この熱により太陽電池パネルの温度は、周囲温度より３０℃〜４０℃高くなる。この熱で、筐体の屋根部２１ａに積もった雪を溶かすことができる。太陽光による発電により、太陽電池パネルに電流が流れる。この電流で太陽電池パネルが発熱することで、太陽電池パネルに積もった雪を溶かすことができる。融雪により筐体２１への荷重を減らすことで、電力変換装置２０の積雪被害を抑制することができる。実施の形態１にかかる太陽光発熱部３０では、太陽電池パネルから発生する熱を利用して雪を溶かすだけであり、外部から太陽電池パネルに直流逆電圧を印加するものではない。したがって、実施の形態１にかかる太陽光発熱部３０は、外部からエネルギを投入することなく太陽光から発生させた熱で自然に雪を溶かすことができるので、融雪のために電力を消費しない。よって、融雪機を使用した場合と比較して、ランニングコストを低減できる。

なお、従来の太陽光発電システムにおける融雪装置と上記実施の形態１は、本質的な目的において違いがある。従来の融雪装置は、太陽光発電を円滑に行うために、太陽電池パネルの上の雪をなるべく全て溶かしきることを目的としている。これに対し、実施の形態１における太陽光発熱部３０は、電力変換装置２０の筐体２１に過大な積雪荷重がかかることを防止したり、屋根部２１ａからの落雪による被害を防止したりすることを目的としている。したがって、実施の形態１における太陽光発熱部３０は、表面に積もった雪をすべて溶かすことを要求されていない。実施の形態１では、筐体２１への荷重を抑制したり、落雪被害を防止したりできる程度であれば、屋根部２１ａの上に雪が残っていてもよい。

図４は、実施の形態１の変形例にかかる電力変換装置２０およびこれを用いた電力システムを示す図である。電力システム１は、負荷３９の代わりに、蓄電池４０を備えている。太陽光発熱部３０で発電された電力を、蓄電池４０に蓄えてもよい。蓄電池４０に蓄えられた電気エネルギは、電力変換装置２０によって消費されてもよいし、電力変換装置２０以外の他の電子機器に供給されてもよい。さらなる変形例として、太陽光発熱部３０と蓄電池４０との間にＤＣ／ＤＣコンバータ装置を設けてもよい。

太陽光発熱部３０を構成する太陽電池パネルは、フィルム型の太陽電池に置換されてもよい。フィルム型太陽電池であれば撓むことが可能な性質があるので、屋根部２１ａの上面を例えば凸曲面形状としてその曲面にフィルム型太陽電池を設置してもよい。実施の形態１では太陽光発熱部３０が屋根部２１ａの上に水平に設置されているが、変形例として太陽光発熱部３０が傾斜配置されてもよい。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２にかかる電力変換装置１２０およびこれを用いた電力システムを示す図である。太陽光発熱部３０を太陽光発熱部１３０に置換した点を除いて、実施の形態２と実施の形態１は同様の構成を備えている。太陽光発熱部１３０は、太陽光集熱器である。

図６は、実施の形態２にかかる電力変換装置１２０の正面図である。図７は、実施の形態２にかかる電力変換装置１２０の上面図である。太陽光集熱器の具体的な構造は問わないが、例えば平板型集熱器と真空ガラス管型集熱器とが普及している。

平板型集熱器は、太陽光集熱効果を持つ集熱塗料が塗布された集熱平面体と、集熱平面体の上に設けられ集熱平面体により加熱される水路と、水路の上に設けられた保護ガラスと、水路と接続して水を貯留する貯留タンクと、を備えている。

真空ガラス管型集熱器は、内ガラスと内ガラスから離間しつつ内ガラスを覆う外ガラスとを備えるガラス管を備えている。複数のガラス管が平面上に並べられることで、平面的な広がりを持つ集熱部を構成している。外ガラスと内ガラスの間には、両者の間に隙間を形成するための支持金具が備えられている。内ガラスと外ガラスの間に設けられた隙間に、真空層が設けられている。内ガラスの表面には、選択吸収膜が設けられている。選択吸収膜が太陽光エネルギを効率よく熱に変換することができる。

実施の形態２にかかる太陽光発熱部１３０によれば、筐体の屋根部２１ａに積もった雪を溶かすことができる。融雪により筐体２１への荷重を減らすことで、電力変換装置１２０の積雪被害を抑制することができる。実施の形態２にかかる太陽光発熱部１３０では、太陽光集熱器が集めた熱を利用して雪を溶かすので、電力が消費されない。よって、融雪機を使用した場合と比較して、ランニングコストを低減できる。集熱による温度範囲は４０〜６０℃となるため、この熱を利用して電力変換装置１２０の屋根に積もった雪を溶かすことができる。太陽熱集熱によるエネルギ変換効率は、５０％〜６０％であり、太陽光発電に比べて高いという利点もある。

図８は、実施の形態２の変形例にかかる電力変換装置１２０およびこれを用いた電力システムを示す図である。ヒートポンプ装置１４０に、熱を蓄えてもよい。実施の形態２では太陽光発熱部１３０が屋根部２１ａの上に水平に設置されているが、変形例として太陽光発熱部１３０が傾斜配置されてもよい。

実施の形態１では太陽電池パネルを太陽光発熱部１３０とし、実施の形態２では太陽光集熱器を太陽光発熱部１３０としたが、さらなる変形例として、太陽光発熱部１３０の一部を太陽電池パネルとし残部を太陽光集熱器としてもよい。

１ 電力システム、１０ 太陽電池アレイ、１２ 太陽電池モジュール、１４ 入力配線、１６ 出力配線、１８ 変圧器、１９ 電力系統、２０、１２０ 電力変換装置、２１ 筐体、２１ａ 屋根部、２１ｂ 収納部、２２ａ 制御装置、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ インバータ装置、２４ ひさし部、３０、１３０ 太陽光発熱部、４０ 蓄電池、１４０ ヒートポンプ装置

Claims (4)

1. 屋根部を持つ筐体と、
   前記筐体に内蔵された電力変換回路と、
   前記屋根部の上に設置され、表面で受光した太陽光エネルギの少なくとも一部を熱エネルギに変換する発熱部と、
   を備え、
   前記発熱部は、太陽電池パネルを含み、
   前記電力変換回路は、太陽電池アレイと接続し前記太陽電池アレイからの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路を含み、
   前記太陽電池パネルは、前記インバータ回路と接続されていない電力変換装置。
2. 前記太陽電池パネルが負荷または蓄電池に接続された請求項１に記載の電力変換装置。
3. 屋根部を持つ筐体と、
   前記筐体に内蔵された電力変換回路と、
   前記屋根部の上に設置され、表面で受光した太陽光エネルギの少なくとも一部を熱エネルギに変換する発熱部と、
   を備え、
   前記発熱部は、太陽光集熱器を含む電力変換装置。
4. 前記太陽光集熱器がヒートポンプ装置に接続された請求項３に記載の電力変換装置。

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