JP6923121B2 - 電力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流発電装置、例えば太陽電池と直流充放電装置、例えば蓄電池を使用して電力を供給する電力供給装置に係り、特に常に太陽電池の最大電力点を維持して電力を取り出せる電力供給装置に関するものである。

従来、交流電力を生成するパワーコンディショナーを使用した太陽光発電では、いわゆるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking、最大電力点追従）の仕組みが、前記パワーコンディショナー内にあらかじめ組み込まれており、太陽電池が発電しうるほぼ最大の電力を随時取り出すことができる様構成されている。

しかしながら、従来、太陽光発電で得られる電力はもともと直流電力であり、該直流電力を一般に使用されている交流電力に変換するパワーコンディショナーを介在させることは、太陽電池システム全体のコストを高騰させるものであり、また直流電力を交流電力に変換する際の変換ロスは避けられないものであった。

しかして本件発明者らは特願２０１７−１６９０３４号の発明を創案し、交流電力に変換しないで、直流電力のまま利用することにより、交流電力への変換ロスを回避するシステムを開発した。

ただし、蓄電池をも利用しているため、蓄電池の電圧により太陽電池から電力を取り出すところの電圧が決定されてしまい、必ずしも太陽電池側において最大出力動作電圧にはならない場合が生じ、太陽電池側で発電した最大電力を取り出せないとの課題があった。

しかし、直流発電装置（例えば太陽電池）および直流充放電装置（例えば蓄電池）の直列数を変更することで、多少の電圧のずれはあるものの、前記発電装置および蓄電池の単位電圧の範囲内で最大出力動作電圧（最大電力点）に近い電圧にすることができ、直流・交流の変換がないため、必ずしも効率が悪いわけではない。さらに、ＤＣＤＣコンバータによるパルス状の、あるいは鋸歯状の電圧変動が発生しないため、蓄電池への悪影響が少ないなどが確認されていた。

また、特許第４９９４４７６号では、補助太陽電池により、太陽電池の最大電力点を決定でき、他の電源の電圧調整装置により、太陽電池の最大電力を取り出すことができることが示されている。さらに、蓄電池の利用について示しているが、蓄電池使用時に太陽電池を最大電力点で動作させる方法については示していない。また、太陽電池の発電量と負荷の電力消費量によって、蓄電池をどのように使うべきか、ということについては開示されていないものであった。

特願２０１７−１６９０３４号 特許第４９９４４７６号公報

上記のように、太陽電池と蓄電池を利用する電力供給装置で、電圧変換を行わない場合、太陽電池から電力を取り出すところの電圧は、蓄電池によって決定される。蓄電池の電圧は、必ずしも太陽電池の最大出力動作電圧と一致しないため、蓄電池および太陽電池の直列数を変更することで最大電力点に近づけることは可能ではあるが、単位電圧（太陽電池パネル１枚あるいは蓄電池１台の電圧）以下のずれがある。
また、物理的に太陽電池パネルあるいは蓄電池の接続を切り替える機構が必要となり、太陽電池あるいは蓄電池の配線も増えることから、装置全体のコストが高くなってしまうという課題があった。

かくして、本発明は前記課題を解決するために創案されたものであり、太陽電池から電力を取り出すところの電圧を、太陽電池パネルあるいは蓄電池の切り替え機構を追加することなく、常に最大電力点の電圧に維持できる太陽電池の最大出力動作電圧を維持して電力供給できる電力供給装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、
直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍を検出する最大電力点取得部と、前記直流発電装置からの直流の電力と直流充放電装置からの直流の電力を合成する電力合成部と、直流の電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有し、
前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給する電力より小さい場合は、
前記変換部は、前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部の合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和が、前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の合成部側の電圧を変更し、
前記電圧を変更した変換部の合成部側の電力と、前記直流充放電装置からの電力を前記電力合成部に供給すべく前記直流発電装置からの電力を前記電力合成部で合成してなり、
前記直流充放電装置の電圧に、前記変換部による電圧を加えることで、前記直流発電装置から電力を取り出すところの電圧を、最大電力点の電圧にあわせて前記電力供給部へ供給できる、
ことを特徴とし、
または、
直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍を検出する最大電力点取得部と、前記直流発電装置からの直流の電力と直流充放電装置からの直流の電力を合成する電力合成部と、直流の電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有し、
前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給する電力より大きい場合は、前記変換部の前記電力合成部側を入力部、前記変換部の前記充放電装置入出力部側を出力部とし、
前記変換部は、前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部の電力合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和の電圧が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の電力合成部側の電圧を変更し、
前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給して余った電力を、
前記充放電装置入出力部と前記変換部の電力合成部側に供給し、前記電力合成部から直接供給される電力と、前記変換部によって電圧変換された電力を前記直流充放電装置に充電する、
または、
直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、前記直流発電装置からの直流入力部の電圧・電流を監視するコントローラと、前記直流発電装置からの直流の電力と直流充放電装置からの直流の電力を合成する電力合成部と、直流の電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有し、
前記コントローラは、前記直流発電装置からの直流入力部の電圧・電流を監視することにより、前記直流発電装置の最大電力点の値を取り出し前記変換部に電圧指示を送り、
前記変換部は、前記コントローラからの電圧指示をもとに、前記変換部の合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和の電圧が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の合成部側の電圧を変更する、
ことを特徴とし、
または、
直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍を検出する最大電力点取得部と、前記直流発電装置からの直流の電力と直流充放電装置からの直流の電力を合成する電力合成部と、直流の電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有し、
前記最大電力点取得部により検出された前記直流発電装置の最大電力点となる最大出力動作電圧が前記直流充放電装置の最小電圧より低い場合は、
前記変換部は、前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部の合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の合成部側の電圧を負の電圧に変更する、
ことを特徴とし、
または、
前記電力合成部と前記電力供給部との間に補助電源を有し、
前記電力供給部へ供給する直流の電力が、前記電力合成部から供給できる直流の電力で不足する場合、前記補助電源で補充できる、
ことを特徴とし、
または、
前記直流充放電装置の電圧が充電停止電圧を上回る場合は充電を停止し、前記直流充放電装置の電圧が放電停止電圧を下回る場合は放電を停止する、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、太陽電池から電力を取り出すところの電圧を、太陽電池パネルあるいは蓄電池の切り替え機構を追加することなく、常に最大電力点の電圧に維持することが可能となるとの優れた効果を奏する。

すなわち、変換部を追加する必要はあるが、太陽電池パネルあるいは蓄電池の切り替え機構を利用する場合に比べ、太陽電池との配線あるいは蓄電池の配線が簡単であり、設備コストが抑えられる。また、切り替え機構では、切り替えのタイミングで急激な電流または電圧の変化が発生するが、本発明では、このような急激な変化は起きないなど優れた特徴を持つ。また、変換部自身は、蓄電池電圧と太陽電池の最大出力動作電圧の差分の電圧を確保できればよいので、小さい電力の電源でよく、機器のコスト高騰への影響はない。

そして、本発明では、電力供給装置の出力電圧を所定の範囲内で調整することができる。太陽電池の最大電力点に対する制御を行わない場合、あるいは夜間など、太陽電池の最大電力点に対する制御が必要ない場合等は、負荷の要求に合わせて出力電圧を微調整することも可能である。

さらに、本発明により、出力電圧を所定の範囲で変更できるので、これにより蓄電池の放電を制限することも可能である。例えば、災害対策用に十数％程度の蓄電池容量分電力を残しておくような運用も可能となる。

本発明の構成を説明する構成説明図である。 最大出力動作電圧を説明する説明図である。 本発明の動作説明図（１）である。 本発明の動作説明図（２）である。 本発明の動作説明図（３）である。 本発明の動作説明図（４）である。 本発明の動作説明図（５）である。 本発明の動作説明図（６）である。 本発明の動作説明図（７）である。 変換部の構成説明図（１）である。 本発明の動作説明図（８）である。 本発明の動作説明図（９）である。 変換部の構成説明図（２）である。 本発明の動作説明図（１０）である。 本発明の動作説明図（１１）である。 変換部の構成説明図（３）である。 極性切替機の動作説明図である。 本発明の変形例の構成説明図である。 変形例の動作説明図である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
図１のように、直流発電装置からの直流入力部１と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部２が電力合成部３を介して接続されている。

そして、前記直流発電装置の電力と直流充放電装置からの電力が直流入力部１と充放電装置入出力部２を介して電力合成部３で電力合成出来るよう構成されている。

次に符号４は直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍の値を検出する最大電力点取得部であり、該最大電力点取得部４において検出された直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍の値が取得される。

ここで、直流発電装置の最大電力点検出は、電力供給装置内の検出機器で行っても構わないし、電力供給装置外の検出機器により行っても構わない。符号５は直流発電装置の電力、あるいは直流充放電装置からの電力を負荷に対して供給する電力供給部である。

そして、前記充放電装置入出力部２と前記電力合成部３の間には、充放電装置入出力部２と前記電力合成部３との双方向へ電力流通が可能とされた変換部６が設けられ、これら直流入力部１、充放電装置入出力部２、電力合成部３、最大電力点取得部４、電力供給部５及び変換部６を有して電力供給装置が構成されている。
ここで、変換部６の合成部側入出力部７と充放電装置入出力部２とは直列に接続され、さらに前記電力合成部３に接続される。

尚、変換部６における充放電装置側の入出力部８は、充放電装置入出力部２から電源の入力を取れるものとされている。なお、変換部６の合成部側の入出力部７と充放電装置側の入出力部８とは絶縁されている。
また、電力合成部３のそれぞれの入力と出力は同じ電圧になるものとする。

ここで、直流発電装置、例えば太陽電池から直流入力部１を介して電力を取り出すところの電圧は、変換部６の電圧（Vdc）と、例えば蓄電池から充放電装置入出力部２を介しての電圧（Vbatt）の合計となる様構成されている。

そして、環境条件（パネル温度、日射量など）が与えられたとき、太陽電池から取り出せる電力は、太陽電池から電力を取り出すところの電圧によって決まる（図２）。この電力が最大になる点を「最大電力点」とし、このときの電圧を「最大出力動作電圧」とする。この電圧または近傍の電圧を最大電力点取得部４によって得られるものとする（例えば、環境条件の測定あるいは算出方法の誤差で理想値の±５％の精度となる場合は、最大出力動作電圧の±５％の誤差の範囲内の電圧が得られることになる）。

したがって、Vdc+Vbattが最大出力動作電圧になるように変換部６の出力電圧を設定することで、太陽電池から最大の電力が取り出せる様に構成できる。直流発電装置としては、各種太陽電池（シリコン、InGaAsやGaAs、CISなどの化合物系、有機化合物によるもの、単結晶多結晶問わず、また、それらを直列・並列に組み合わせたものでも構わない）が使用可能である。太陽電池以外の熱電発電素子などの直流発電装置も使用することができる。また、直流に変換できるのであれば、交流で発電するものであっても構わない。

充放電装置入出力部２に接続するものとしては、充電および放電が可能な二次電池であれば、各種リチウム蓄電池、鉛蓄電池、ＮＡＳ電池、ニッケル水素電池など、種類を問わず利用可能であり、また、それらを直列・並列に組み合わせたものでも利用可能である。

直流発電装置として太陽電池を使う場合について説明する。
図３に、直流発電装置（太陽電池）を直流入力部１に接続し、出力電圧端である電力供給部５に負荷が接続され、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力の方が大きい状態（Ｐｐｖ ＜ Ｐｒｌ）の例を示す。
このとき、矢印で示されている方向に電力が供給されることになる。

図４に、太陽電池の発電電力の方が、負荷の消費電力より大きい状態（Ｐｐｖ ＞ Ｐｒｌ）の例を示す。
この場合は、太陽電池の発電電力が負荷に供給され、さらに余った分の電力が充放電装置（蓄電池）の充電に使われることになる。

このときも、太陽電池の最大出力動作電圧を維持しなければならないため、変換部６は同じ電圧を維持しなければならない（Vpv=Vdc+Vbatt）。しかし、変換部６の出力の電流の向きは、図３の場合と逆向きになる。

通常、直流の電源装置は、出力で流せる電流は一方方向にのみ流れるよう設定されている。しかし、本発明においては、双方向に入出力できる双方向性の変換部６を使用するものとしている。すなわち、変換部６において、図中変換部６の左側に位置する合成部側の入出力部７は発電電力の入力部ともなり、図中変換部６の右側に位置する充放電装置側の入出力部８は出力部ともなるのである。そして、変換部６における合成部側の入出力部７が一定の電圧となるように、合成部側の入出力部７から充放電装置側の入出力部８へと電力が供給されるのである。

該変換部６としては、例えば、スイッチング方式の双方向入出力部を有する電圧変換回路を使用することが考えられ、該変換部６を使用すれば、太陽電池の発電電力の損失を少なくすることができるものとなる。

図１０に、変換部６の構成の一例を示す。これは、DAB（Dual Active Bridge）と呼ばれる回路から構成されており、双方向DC/DCコンバータの一種である。

図１０において、E1,E2は電源の入力および出力となる端子を示している。
該変換部６の回路は、左右対称になっているので、E1およびE2はどちらが入力、どちらが出力になっても構わないよう構成されている。C1,C2はコンデンサ、L1,L2はリアクトル、T1はトランス、Q1〜Q8はFETを示す（なお、この図は概略構成例を示すためのものであり、Q1〜Q8を駆動するドライバ回路、電流・電圧の測定回路等は省略している）。

一般論として、E1側の端子に直流電源を接続し、E2側の端子に負荷を接続したとする。このとき、Q1〜Q8に入れるパルス信号により、E2側の電圧を自在に設定することができるのである（なお、直流電源は、負荷に充分な電力を供給できるものとする）。
一般的な変換部６は、E1を電圧入力部、E2を電圧出力部とした場合、E2が一定電圧になるようにQ1〜Q8に入れるパルス信号によって制御される。

本発明においては、図５に示すように、充電方向、放電方向により、変換部６の電力の向きが逆となる。この場合も、図１０に示す変換部６の回路であれば対応可能である。なお、図５の矢印は電流の向きを表している。

図５の右側（放電方向）に示す状態であれば、通常の変換部６としての制御により、Vbattを電源として、Vdcに希望する電圧を出力することが可能である。
一方、図５の左側（充電方向）に示す状態になった場合は、放電方向とは逆向きに電流が流れることになる。入力と出力が逆になる。Vdcを電源とし、Vbatt側を出力としうる。ただし、このとき、出力側（Vbatt側）の電圧を一定に保つのではなく、入力側（Vdc側）の電圧を一定に保つように、Q1〜Q8に入れるパルス信号で制御する。
このようにすることで、充電方向においても、放電方向においても、希望の電圧を維持することが可能となる。

本発明においては、太陽電池の最大出力動作電圧と蓄電池の電圧により、変換部６の取るべき電圧が定まる。電圧が決定されたら、その電圧になるように変換部６を設定操作する。尚、変換部６全体の構成例を図１３に示す。

図１４では、該最大電力点取得部４として、コントローラ９を使う例を示す。太陽電池の電圧・電流を監視し、該コントローラ９により、最大電力点の値を取り出し変換部６に前記の電圧指示を送れる構成としてある。

ここで、前記コントローラ９は、本発明の電力供給装置内に設けてあっても構わないし、外部機器内に設けてあるものを使用しても構わない。あるいは、変換部６内に設けてあるコントローラ９でもかまわない。

このように、双方向入出力部を有する変換部６を用いることで、太陽電池の発電電力が負荷の消費電力よりも大きい場合も、太陽電池の発電電力が負荷の消費電力より小さい場合であっても、常時最大電力点の電圧を維持することができる。

なお、最大電力点は、動作時点で最大電力点である必要はなく、一般の太陽光発電における最大電力点追従（MPPT, Maximum Power Point Tracking）でよく使われる「山登り法」（Hill Climbing）と同様、ある目標電圧で動作させたときの太陽電池から取り出せる電力を調べたのち、異なる目標電圧を設定して動作させ、そのときの太陽電池からとれる電力を調べ、この電力が大きくなる電圧を選択していくことを繰り返して最大電力点に近づけていく方法でも構わない。

次に、図６に本発明の動作例を示す。
これは、図３と同様の条件、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力の方が大きい状態（Ｐｐｖ ＜ Ｐｒｌ）についての説明である。

蓄電池の電圧範囲を３１０Ｖ〜３４０Ｖ、太陽電池の最大出力動作電圧を３５０Vとする。
蓄電池の電圧が最大電圧の３４０Ｖであるとき、最大出力動作電圧との電圧の差は
３５０−３４０＝１０
となる。
変換部６の合成部側入出力部７の電圧を１０Ｖとすることで、太陽電池の電圧Ｖｐｖ＝３５０Ｖとなり、最大出力動作電圧と等しくなるので、太陽電池の最大電力を取り出すことができる。

ここで、変換部６の合成部側入出力部７から１０Ａの電流が流れているものとすると、変換部６の合成部側入出力部７から出力される電力は１００Ｗとなる。このとき、変換部６の充放電装置側入出力部８の入力電圧は３４０Ｖなので、入力電流は約０．３Ａとなる。

蓄電池には、変換部６に供給する分と直列接続で流れる分の電流（１０Ａ＋０．３Ａ）が流れることになる。したがって、蓄電池から供給される電力は３．５ｋＷとなる。

次に、蓄電池の電圧が下がった場合の例について説明する（図７）。
これも、図３と同様の条件、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力の方が大きい状態（Ｐｐｖ ＜ Ｐｒｌ）についての説明である。

蓄電池の電圧が最小電圧の３１０Ｖであった場合は、最大出力動作電圧との電圧の差は
３５０−３１０＝４０
となる。
このとき、変換部６の出力電圧を４０Ｖとすることで、太陽電池の電圧Ｖｐｖ＝３５０Ｖとなり、太陽電池の最大電力を取り出すことができる。

ここで、変換部６の出力から１０Ａの電流が流れているものとすると、変換部６から出力される電力は４００Ｗとなる（このとき、変換部６の入力電圧は３１０Ｖなので、入力電流は約１．２９Ａとなる）。

蓄電池からは、変換部６に供給する分と直列接続で流れる分の電流（１０Ａ＋１．２９Ａ）が流れることになる。したがって、蓄電池から供給される電力は３．５ｋＷとなる。

このように、蓄電池の電圧が変動しても、変換部６の動作により一定の電圧を維持することができることがわかる。また、変換部６の出力電圧は、蓄電池の電圧よりも小さくて済むため、変換部６自身も小電力用の変換部６で充分である。

この例では、蓄電池の電圧範囲が３１０〜３４０Ｖであり、このときに必要となる変換部６の電圧は１０〜５０Ｖであり、蓄電池の電圧の１６％程度以下となっている。電力に換算すると、蓄電池から供給する電力３．５ｋＷに対して、１００〜４００Ｗの電力となっている。

仮に、太陽電池が３．５ｋＷの電力を発電する場合、従来のパワーコンディショナーでのMPPT設定については、定格容量が３．５ｋＷ以上、耐圧３５０Ｖ以上の大型のパワーコンディショナー装置が必要となるが、本発明で使用する変換部６であれば、定格容量が４００Ｗの変換部６で済むことになる。また、変換部６の扱う電圧も、最大５０Ｖで済むので、装置自身のコストも安くなる。
また、変換部６では、電力変換を行うため、電力ロスが存在するが、変換部６で扱う電力そのものが小さいため、電力ロスも小さなものとなる。

この例で示している３．５ｋＷの太陽光発電を使用する場合、従来のパワーコンディショナーによるシステムでは、太陽光発電電力を取り出すところの電圧が最大出力動作電圧の３５０Ｖになるように制御して電力を取り出すが、このときの電力変換効率を９５％とすると、損失は５％になるので、３．５ｋＷ×５％＝１７５Ｗの損失となる。

一方、本発明の方法では、電力変換を行うのは変換部６のみであり、変換する電力は最大４００Ｗなので、変換部６の電力変換効率を９５％とした場合、４００Ｗ×５％＝２０Ｗとなり、電力損失はわずか２０Ｗで済むことになる。

次に、図１１の動作例について説明する。
これは、図４と同様の条件、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力の方が小さい状態（Ｐｐｖ ＞ Ｐｒｌ）についての説明である（負荷の消費電力が少なく、余剰分は蓄電池に充電される状態）。

蓄電池の電圧範囲を３１０Ｖ〜３４０Ｖ、太陽電池の最大出力動作電圧を３５０Vとする。
蓄電池の電圧が最大電圧の３４０Ｖであるとき、最大出力動作電圧との電圧の差は
３５０−３４０＝１０
となる。
変換部６の合成部側入出力部７の電圧を１０Ｖとすることで、太陽電池の電圧Ｖｐｖ＝３５０Ｖとなり、太陽電池の最大電力を取り出すことができる。

このとき、合成部側に１０Ａの電流が流れているものとすると、変換部６に入る電力は１００Ｗとなる（このとき、変換部６の充放電装置側入出力部8の電圧は３４０Ｖなので、充放電装置側入出力部８から出る電流は約０．３Ａとなる）。

蓄電池には、変換部６の充放電装置側入出力部８から入る分（０．３Ａ）と、直接入る分（１０Ａ）の電流（１０Ａ＋０．３Ａ）が流れることになる。このとき、蓄電池に充電される電力は３．５ｋＷとなる。

このように、太陽電池の発電電力に対し、負荷の消費電力が小さい場合（充電方向に電流が流れる場合）についても、変換部６の電圧を制御することで、問題なく動作することがわかる。

図１２に、蓄電池の電圧が低い場合の例を示す。
蓄電池の電圧が最小電圧の３１０Ｖであるとすると、電圧の差分は
３５０−３１０＝４０
となる。
このとき、変換部６の合成部側入出力部７の電圧を４０Ｖとすることで、太陽電池の電圧Ｖｐｖ＝３５０Ｖとなり、太陽電池の最大電力を取り出すことができる。

ここで、変換部６の合成部側入出力部７に１０Ａの電流が流れ込んでいるものとすると、変換部６の合成部側入出力部７に入る電力は４００Ｗとなる（このとき、変換部６の充放電装置側入出力部８の電圧は３１０Ｖなので、充放電装置側入出力部８から蓄電池に流れる電流は約１．２９Ａとなる）。

蓄電池には、変換部６から来る分（１．２９Ａ）と直接入り込む分の電流（１０Ａ）の合計（１１．２９Ａ）が流れることになる。したがって、蓄電池に充電される電力は３．５ｋＷとなる。

次に、太陽電池の最大出力動作電圧が蓄電池の電圧より低い場合について説明する。
図１５に示すように、太陽電池の最大出力動作電圧が３００Ｖであり、蓄電池電圧が３１０Ｖだった場合、最大電力点で動作させるためには、変換部６の合成部側入出力部７を負の電圧（−１０Ｖ）にしなければならない。
ここで、変換部６が負の電圧を出力できるならば、このような状態でも最大電力点で動作させることができることになる。

図１６に、負の電圧出力に対応した変換部６の例を示す。
この例では、極性切替機１０によって、出力の極性を切り替えることができる。極性切替機１０の構成については、図１７に例を示す。ＳＷ−ＡとＳＷ−Ｂは連動して動作する。ＳＷ−ＡおよびＳＷ−Ｂをストレート側に切り替えた場合、ストレート（反転しない）状態となり、ＳＷ−ＡおよびＳＷ−Ｂをクロス側に切り替えた場合はクロス（反転）状態となる。

図１５のように、太陽電池の最大出力動作電圧が蓄電池の電圧より低くなった場合は、変換部６の極性切替機１０をクロス側に切り替え、合成部側入出力部７の設定電圧を１０Ｖとすればよい。
Ｖｐｖ＝Ｖｂａｔｔ＋Ｖｄｃ
＝３１０−１０
＝３００
このようにして、太陽電池の最大出力動作電圧が蓄電池電圧より低い場合についても対応することが可能である。

最大電力点の電圧は、環境の変化（パネル温度）に応じて変化する。ここまでは蓄電池電圧の変化に対する最大電力点の維持について説明してきたが、最大出力動作電圧が変化した場合も、蓄電池の電圧が変化した場合と同様にして調整することが可能である。

また、夜間など、太陽電池が発電しない状況か、あるいは発電可能な場合であっても、太陽電池の最大電力点追跡を必要としない場合には、出力電圧を、追加した変換部６の可変範囲において調整することが可能となる。電圧範囲の狭い負荷を使う場合等の対応も可能である。

商用電源等による補助電源がある場合には、蓄電池＋変換部の電圧をその補助電源電圧以下にすることで、蓄電池からの出力を制限することができる。例えば、蓄電池の過放電を防ぐ場合や、災害時等のためにある程度蓄電池の残量を残しておきたい場合は、この手法を用いることもできる。

なお、最大出力動作電圧の決定に関しては、前述したとおり、その方法を限定しない。一般的に広く使われている山登り法、あるいは温度等の環境条件から最大出力動作電圧を計算する方法、温度等の環境条件と最大出力動作電圧との関係を数値のテーブルとして持たせる使い方を含め、利用可能である。

（太陽電池側に変換部６を入れる方法）
本発明では、蓄電池に変換部６を接続して電圧を調整するが、変換部６は太陽電池側に入れて使うこともできる。

図８に、太陽電池Ｖｐｖ、変換部電圧Ｖｄｃ、蓄電池電圧Ｖｂａｔｔの関係を示す。なお、図には電圧の正負の向きを示すために、＋と−の符号を入れている。

それぞれの電圧の関係を式で表現すると、
Vpv = Vbatt + Vdc
となる。

一方、太陽電池側に変換部６を入れた場合（図９参照）は、電圧の関係は下記の式のようになる。
Vpv − Vdc = Vbatt
変形すると、
Vpv = Vbatt ＋ Vdc
となる。

これは、蓄電池側に変換部６を接続した場合の式と同じであり、このことから、変換部６を太陽電池側に接続した場合（図９）も変換部６の電圧により、太陽電池からの電力を取り出すところの電圧を調整することができることがわかる。

すでに説明したが、一般的に、太陽電池の最大電力点の電圧が蓄電池電圧よりも高い場合（Vpv＞Vbatt）は、Ｖｄｃは正の値となるが、太陽電池の最大電力点の電圧が蓄電池電圧よりも低い場合（Vpv＜Vbatt）は、Ｖｄｃを負の電圧とすることで、同様に最大電力点の電圧とすることができるのである。

また、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力が小さい場合、変換部６は蓄電池に充電する方向に電力を供給するように働き、逆に、太陽電池の発電電力よりも負荷の消費電力が大きい場合は、変換部６は蓄電池から電力をもらい、放電する方向に電力を供給するように働くことも、先に説明したとおりである。この動作は、最大電力点の電圧と蓄電池の電圧の関係が逆転している場合であっても同様である。

本発明の変形例について説明する。
さらに、電源装置が追加されても構わない。
図１８のように、補助電源１１を追加することで、蓄電池の充電残量がなくなった場合に、補助電源１１からの電力を供給することができるようになる。

蓄電池のとりうる電圧範囲が３１０〜３４０Ｖであり、補助電源１１の電圧を３１０Ｖとする。このとき、蓄電池の残量がなくなり、電圧が３１０Ｖに低下すると、補助電源１１から電力が供給されることになり、蓄電池の電圧低下を防ぐことができる。

なお、補助電源１１の出力端に、補助電源１１の出力電圧より高い電圧が加えられても、補助電源１１に電流が逆流することがない構成の電源である場合は、図１８の逆流防止機構を省略することができる。逆流防止機構は、ダイオードを使うことができるが、半導体スイッチなどを使い、逆方向に電流が流れる場合にはスイッチを切るようにしてもかまわない。

また、蓄電池の過充電・過放電防止のためには、満充電電圧になった場合に、変換部６を停止して充電を停止する、あるいは蓄電池残量がなくなった場合に変換部６を停止して放電を停止することができる。

図１０に示す構成の変換部６を使用する場合は、Ｑ１〜Ｑ８をＯＦＦの状態にすることで、変換部６に流れ込む電流、および変換部６から出る電流を０とすることができる。

図１０と異なる構成、あるいはＱ１〜Ｑ８をＯＦＦにできない場合を含め、使用する変換部６の特性により、このような制御ができない場合は、変換部６と蓄電池の経路のいずれかにスイッチを入れることができる。このスイッチにより、満充電電圧になった場合、あるいは蓄電池残量がなくなった場合にスイッチをＯＦＦにすることで、過充電・過放電を防ぐことができる。

過充電・過放電防止スイッチ、あるいは変換部６の制御により過充電・過放電を防止する場合は、補助電源１１の電圧を、蓄電池の最低電圧よりも低い電圧にしておくことができる。

補助電源１１は、商用電源などの交流電源を直流に変換したものや、他の直流電源などを使うことができる。補助電源１１に使用する電源として、水力発電など、直流入力部１に接続される電源からの電力供給がない場合（例えば、太陽光発電設備を接続している場合の夜間など）にも電力を供給できるものを使用することで、停電となる時間を短くする、あるいはなくすることが可能である。

１ 直流入力部
２ 充放電装置入出力部
３ 電力合成部
４ 最大電力点取得部
５ 電力供給部
６ 変換部
７ 合成部側の入出力部
８ 充放電装置側の入出力部
９ コントローラ
１０ 極性切替機
１１ 補助電源

Claims (6)

1. 直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍を検出する最大電力点取得部と、前記直流発電装置からの直流の電力と直流充放電装置からの直流の電力を合成する電力合成部と、直流の電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
   前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有し、
   前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給する電力より小さい場合は、
   前記変換部は、前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部の合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和が、前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の合成部側の電圧を変更し、
   前記電圧を変更した変換部の合成部側の電力と、前記直流充放電装置からの電力を前記電力合成部に供給すべく前記直流発電装置からの電力を前記電力合成部で合成してなり、
   前記直流充放電装置の電圧に、前記変換部による電圧を加えることで、前記直流発電装置から電力を取り出すところの電圧を、最大電力点の電圧にあわせて前記電力供給部へ供給できる、
   ことを特徴とした電力供給装置。
   
2. 直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍を検出する最大電力点取得部と、前記直流発電装置からの直流の電力と直流充放電装置からの直流の電力を合成する電力合成部と、直流の電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
   前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有し、
   前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給する電力より大きい場合は、前記変換部の前記電力合成部側を入力部、前記変換部の前記充放電装置入出力部側を出力部とし、
   前記変換部は、前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部の電力合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和の電圧が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の電力合成部側の電圧を変更し、
   前記直流発電装置の発電電力が前記電力供給部へ供給して余った電力を、
   前記充放電装置入出力部と前記変換部の電力合成部側に供給し、前記電力合成部から直接供給される電力と、前記変換部によって電圧変換された電力を前記直流充放電装置に充電する、
   ことを特徴とした電力供給装置。
   
3. 直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、前記直流発電装置からの直流入力部の電圧・電流を監視するコントローラと、前記直流発電装置からの直流の電力と直流充放電装置からの直流の電力を合成する電力合成部と、直流の電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
   前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有し、
   前記コントローラは、前記直流発電装置からの直流入力部の電圧・電流を監視することにより、前記直流発電装置の最大電力点の値を取り出し前記変換部に電圧指示を送り、
   前記変換部は、前記コントローラからの電圧指示をもとに、前記変換部の合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和の電圧が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の合成部側の電圧を変更する、
   ことを特徴とした電力供給装置。
   
4. 直流発電装置からの直流入力部と、直流充放電装置を接続する充放電装置入出力部と、直流発電装置の最大電力点もしくは最大電力点近傍を検出する最大電力点取得部と、前記直流発電装置からの直流の電力と直流充放電装置からの直流の電力を合成する電力合成部と、直流の電力を負荷に対して供給する電力供給部、を有する電力供給装置であって、
   前記充放電装置入出力部と前記電力合成部の間に充放電装置入出力部と前記電力合成部との双方向への電力流通を可能とする変換部を有し、
   前記最大電力点取得部により検出された前記直流発電装置の最大電力点となる最大出力動作電圧が前記直流充放電装置の最小電圧より低い場合は、
   前記変換部は、前記最大電力点取得部からの情報をもとに、前記変換部の合成部側の電圧と前記直流充放電装置の電圧の和が前記直流発電装置の最大動作電圧点若しくは最大動作電圧点近傍の値となるよう前記変換部の合成部側の電圧を負の電圧に変更する、
   ことを特徴とした電力供給装置。
   
5. 前記電力合成部と前記電力供給部との間に補助電源を有し、
   前記電力供給部へ供給する直流の電力が、前記電力合成部から供給できる直流の電力で不足する場合、前記補助電源で補充できる、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の電力供給装置。
   
6. 前記直流充放電装置の電圧が充電停止電圧を上回る場合は充電を停止し、前記直流充放電装置の電圧が放電停止電圧を下回る場合は放電を停止する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の電力供給装置。
   

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