JP7082842B2

JP7082842B2 - 太陽光ユニット、太陽光システム、太陽光ユニットの制御方法および太陽光システムの制御方法

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Publication number: JP7082842B2
Application number: JP2021508602A
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Inventors: 雅人白方
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Current assignee: Tohoku University NUC
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Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2022-06-09
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Description

本発明は、太陽光ユニット、太陽光システム、太陽光ユニットの制御方法および太陽光システムの制御方法に関する。

再生可能エネルギーとして太陽光発電に注目が集まっている。太陽光発電は自然エネルギーを利用した発電であり、環境変化による発電電力の変動は避けられない。発電電力の変動による影響を抑制する一つの手段として、太陽光パネルと蓄電池とを接続する。太陽光パネルの発電時には余剰電力を蓄電池に蓄電し、非発電時には蓄電池に蓄えた電力を使用する。

例えば特許文献１には、太陽光パネルと制御装置により充放電が制御された蓄電池とを有する太陽光発電システムが記載されている。制御装置は、蓄電池が過放電、過充電することを制御し、蓄電池の劣化、熱暴走を抑制する。

特開２０１７－６０３５９号公報

太陽光パネルは、日照量に応じて発電量が異なる。例えば、日向に面する太陽光パネルは発電量が多く、日陰に面する太陽光パネルは発電量が少ない。それぞれの太陽光パネルに蓄電池を接続すると、それぞれの蓄電池に充電される充電量は、接続される太陽光パネルが曝される環境に応じて異なる。それぞれの蓄電池の電池電圧（充電電圧）にばらつきがある太陽光パネルと蓄電池とを含むユニットを直列に接続して外部への出力を行うと、充電量の少ない蓄電池が過放電してしまう場合がある。また充電量の少ない蓄電池に出力量を合わせようとすると、太陽光システム全体の出力効率が低下する。また外部に出力されない電流は、太陽光パネル内における励起子の再結合に利用されて、太陽光システム全体の出力効率の低下の原因となる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、出力効率を高めることができる太陽光ユニット、太陽光システム、太陽光ユニットの制御方法および太陽光システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、太陽光パネルと蓄電池とを直接接続し、蓄電池の充電量に応じて電流経路を変えることで、太陽光システムの出力効率を高めることができることを見出した。すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様に係る太陽光ユニットは、太陽光パネルと蓄電池とが接続された充放電部と、前記充放電部に接続された二つの端子と、前記二つの端子間を繋ぐバイパス配線と、前記二つの端子の一方と前記バイパスとの接続部に位置するスイッチング素子とを備え、前記スイッチング素子は、前記充放電部に電流が流れる第１電流経路と前記充放電部を回避しバイパス配線に電流が流れる第２電流経路とを切り替えるスイッチング素子と、を有する。

（２）上記態様に係る太陽光ユニットは、前記スイッチング素子に接続された制御部をさらに有し、前記制御部は、前記蓄電池の電圧に関する値を測定し、前記蓄電池の電圧に関する値に応じて前記スイッチング素子を切り替えてもよい。

（３）上記態様に係る太陽光ユニットにおいて、前記充放電部は、前記太陽光パネルと前記蓄電池とが直結され、前記蓄電池の最大充電電圧は、前記太陽光パネルの最大出力動作電圧より１０％大きな値以下であってもよい。

（４）第２の態様に係る太陽光システムは、上記態様に係る太陽光ユニットを複数有し、前記太陽光ユニットが互いに直列接続されている。

（５）第３の態様に係る太陽光システムの制御方法は、太陽光パネルと蓄電池とが接続された複数の充放電部を備え、前記複数の充放電部のうち充電量が規定値に満たない場合、前記充放電部をバイパスする。

（６）第４の態様に係る太陽光システムの制御方法は、上記態様に係る太陽光ユニットを複数有する太陽光システムまたは上記態様に係る太陽光システムを用いた太陽光システムの制御方法であって、前記蓄電池の充電量が規定値に満たない場合は、前記スイッチング素子を前記第２電流経路の状態にし、前記蓄電池の充電量が規定値に達している場合は、前記スイッチング素子を前記第１電流経路の状態にする。

上記態様にかかる太陽光システムは、出力効率を高めることができる。

本実施形態にかかる太陽光システムの模式図である。本実施形態にかかる太陽光システムの一つのユニット（太陽光ユニット）を拡大した模式図である。太陽光パネルのＩ－Ｖ特性である。本実施形態にかかる太陽光システムの動作を説明するための模式図である。本実施形態にかかる太陽光システムの動作を説明するための模式図である。比較例にかかる太陽光システムの動作を説明するための模式図である。太陽光パネルの等価回路図である。第１変形例にかかる太陽光システムの一つのユニットを拡大した模式図である。

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１は、本実施形態にかかる太陽光システム２００の模式図である。太陽光システム２００は、複数のユニット（太陽光ユニット）１００を有する。複数のユニット１００は、配線ｗで互いに直列に接続されている。

図２は、本実施形態にかかる太陽光システム２００の一つのユニット１００を拡大した模式図である。ユニット１００は、充放電部１０と第１配線２１と第２配線２２とバイパス配線２３とスイッチング素子ＳＷ１とを有する。

第１配線２１は、第１端子ｔ_Ａと充放電部１０とを接続する。第２配線２２は、第２端子ｔ_Ｂと充放電部１０とを接続する。第１端子ｔ_Ａ及び第２端子ｔ_Ｂは、配線ｗ（図１参照）で隣接するユニット１００又は外部と接続されている。バイパス配線２３は、第１配線２１と第２配線２２とを繋ぐ。

スイッチング素子ＳＷ１は、第２配線２２とバイパス配線２３との接続点に位置する。スイッチング素子ＳＷ１は、第１配線２１とバイパス配線２３との接続点に位置してもよい。スイッチング素子ＳＷ１は、２つの接続端子ｔ１、ｔ２のいずれかに接続される。スイッチング素子ＳＷ１が接続端子ｔ１と接続されると、充放電部１０と第２端子ｔ_Ｂとが接続される。スイッチング素子ＳＷ１が接続端子ｔ１と接続されると、電流は充放電部１０に流れる。充放電部１０を介して第１端子ｔ_Ａと第２端子ｔ_Ｂとを繋ぐ電流経路を第１電流経路と称する。スイッチング素子ＳＷ１が接続端子ｔ２と接続されると、バイパス配線２３と第２端子ｔ_Ｂとが接続される。スイッチング素子ＳＷ１が接続端子ｔ２と接続されると、電流は充放電部１０を回避しバイパス配線２３に流れる。バイパス配線２３を介して第１端子ｔ_Ａと第２端子ｔ_Ｂとを繋ぐ電流経路を第２電流経路と称する。スイッチング素子ＳＷ１は、第１電流経路と第２電流経路とを切り替える。

充放電部１０は、太陽光パネル１１と蓄電池１２とダイオードＤとスイッチング素子ＳＷ２とを有する。

ダイオードＤは、例えば、太陽光パネル１１と第１端子ｔ_Ａとの間に設けられる。ダイオードＤは、太陽光パネル１１からの電流の逆流を防ぐ。スイッチング素子ＳＷ２は、太陽光パネル１１と蓄電池１２との間に位置する。スイッチング素子ＳＷ２は、第１端子ｔ_Ａと太陽光パネル１１との間を接続または遮断する。

太陽光パネル１１は、１つ以上のセルを有する。それぞれのセルは、１Ｖ程度（結晶シリコンで０．８Ｖ程度）の出力電圧を有する。複数のセルを直列に接続すると、太陽光パネル１１は高い出力電圧を示す。

蓄電池１２は、１つ以上のセル（蓄電素子）からなる。１つのセルの電圧は、例えば、３．０Ｖ以上４．２Ｖ以下である。蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、蓄電池１２を構成する各セルの電圧を加算した値となる。複数のセルを直列に接続すると、蓄電池１２に充電できる最大充電電圧Ｖ_ｍａｘが大きくなる。

蓄電池１２は、例えば、リチウムイオン二次電池である。蓄電池１２を構成する各セルは、それぞれ正極と負極とセパレータとを有する。各セルにおける正極と負極の積層数は特に問わない。

正極は、正極集電体と、正極集電体の少なくとも一面に形成された正極活物質と、を有する。正極集電体は導電体であり、例えば、アルミニウムである。正極活物質は、例えば、スピネル構造、オリビン構造、ペロブスカイト構造のいずれかの結晶構造を有する。正極活物質は、例えば、ＬｉＭｎＯ_４、ＬｉＭｎ_１．５Ｎｉ_０．５Ｏ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４である。スピネル構造、オリビン構造及びペロブスカイト構造は、充放電に寄与するイオン（例えば、リチウムイオン）が除去された状態でも結晶構造が維持され、安定である。これらの結晶構造を有する正極活物質は、日照量の違いに応じでイオンの供給量が大きく変動しても壊れにくい。

負極は、負極集電体と、負極集電体の少なくとも一面に形成された負極活物質と、を有する。負極集電体は導電体であり、例えば、アルミニウム、銅、ニッケルである。負極活物質は、公知の活物質を用いることができる。また負極活物質は、充放電に寄与するイオンを除去した状態で結晶構造が維持される物質を含むことが好ましい。負極活物質は、例えば、グラファイト、スピネル構造を有するリチウムチタン酸化物（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２：ＬＴＯ）、リチウムバナジウム酸化物（ＬｉＶＯ_２、Ｌｉ_１．１Ｖ_０．９Ｏ_２）が好ましい。

セパレータは、正極と負極との間に挟まれる。セパレータは、公知のものを用いることができる。セパレータは、例えば、ポリエチレン又はポリプロピレン等のポリオレフィン、セルロース、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリアミド等のフィルムである。

太陽光パネル１１と蓄電池１２とは直接接続されている。太陽光パネル１１と蓄電池１２とは、１対１の関係で接続してもよいし、１対複数の関係で接続してもよい。直接接続されるとは、これらの動作を制御する制御回路を有さないことを意味する。太陽光パネル１１と蓄電池１２とが直接接続されると、太陽光パネル１１は蓄電池１２の電圧で制御される。太陽光パネル１１の動作電圧は蓄電池１２の電圧に依存する。

図３は、太陽光パネル１１のＩ－Ｖ特性を示したグラフである。太陽光パネル１１のＩ－Ｖ特性は、電圧が増加するに従い電流が垂下特性を示す。Ｉ_ｓｃは短絡電流であり、Ｖ_ｏｃは開放電圧である。ｐ１は最適動作点である。最適動作点ｐ１は、太陽光パネル１１が最大出力を示す際における太陽光パネル１１の出力電圧と出力電流の組み合わせを示す。最適動作点ｐ１における電圧は最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍと呼ばれ、最適動作点ｐ１における電流は最大出力動作電流Ｉ_ｐｍと呼ばれる。太陽光パネル１１は、最適動作点ｐ１で動作すると出力が最大となる。

蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、太陽光パネル１１の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより１０％大きな値以下に設定され、好ましくは太陽光パネル１１の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍ以下に設定されている。最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより１０％大きな値は、図３における動作点ｐ２における電圧である。最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＣ８９１４）の「結晶系太陽電池モジュール出力測定方法」に規定された標準状態におけるものとする。図３では、太陽光パネル１１のＩ－Ｖ特性において蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘと最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍとの位置関係の一例を示す。

蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、蓄電池１２を構成するセルの接続数で設定できる。例えば蓄電池１２を構成する単セルの充電電圧が４．１Ｖであり、最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍが２０Ｖの場合は、蓄電池１２を構成するセル数を４つ（最大充電電圧が１６．４Ｖ）とする。

また蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘを太陽光パネル１１の開放電圧Ｖ_ｏｃとの関係で設定してもよい。例えば、太陽光パネル１１の開放電圧Ｖ_ｏｃは、蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘの１００％以上３００％以下に設定することが好ましく、１２０％以上３００％以下に設定することがより好ましく、１２０％以上２００％以下に設定することがさらに好ましく、１３０％以上１６０％以下に設定することが特に好ましい。

次いで、太陽光システム２００の動作について説明する。図４及び図５は、太陽光システム２００の動作を説明するための模式図である。図４及び図５における蓄電池１２は、図示された四角内を占める斜線部の面積で、蓄電池１２の充電量を模式的に表す。

図４及び図５では、３つのユニット１００が直列に接続された例を示す。３つのユニット１００のそれぞれを第１ユニット１０１、第２ユニット１０２、第３ユニット１０３と称する。第１ユニット１０１の太陽光パネル１１を第１太陽光パネル１１Ａ、蓄電池１２を第１蓄電池１２Ａ、スイッチング素子ＳＷ１を第１スイッチング素子ＳＷ１Ａと称する。第２ユニット１０２の太陽光パネル１１を第２太陽光パネル１１Ｂ、蓄電池１２を第２蓄電池１２Ｂ、スイッチング素子ＳＷ１を第２スイッチング素子ＳＷ１Ｂと称する。第３ユニット１０３の太陽光パネル１１を第３太陽光パネル１１Ｃ、蓄電池１２を第３蓄電池１２Ｃ、スイッチング素子ＳＷ１を第３スイッチング素子ＳＷ１Ｃと称する。

第１太陽光パネル１１Ａ及び第３太陽光パネル１１Ｃへの光の照射量が、第２太陽光パネル１１Ｂへの光の照射量より多い場合を例に説明する。第１太陽光パネル１１Ａ及び第３太陽光パネル１１Ｃは、第２太陽光パネル１１Ｂより多くの発電をする。そのため、第１蓄電池１２Ａ及び第３蓄電池１２Ｃの充電量は、第２蓄電池１２Ｂの充電量より多い。図４に示すように、例えば、第１蓄電池１２Ａ及び第３蓄電池１２Ｃの充電量は規定量Ｖｓを超え、第２蓄電池１２Ｂの充電量は規定量Ｖｓを下回る。

この場合、第１スイッチング素子ＳＷ１Ａ及び第３スイッチング素子ＳＷ１Ｃは、接続端子ｔ１に接続される。第１ユニット１０１及び第３ユニット１０３の電流経路は、第１電流経路となる。第１ユニット１０１及び第３ユニット１０３は、蓄電池１２を介して第１端子ｔ_Ａと第２端子ｔ_Ｂとが接続される。蓄電池１２に充電された電力は、第２端子ｔ_Ｂを介して外部に出力される。図４では、スイッチング素子ＳＷ２を開放したが、接続してもよい。

これに対し、第２スイッチング素子ＳＷ１Ｂは、接続端子ｔ２に接続される。第２ユニット１０２は、バイパス配線２３を介して第１端子ｔ_Ａと第２端子ｔ_Ｂとが接続される。第２ユニット１０２の電流経路は、第２電流経路となる。第２太陽光パネル１１Ｂ及び第２蓄電池１２Ｂは、太陽光システム２００の出力経路から切り離される。

第１太陽光パネル１１Ａと第３太陽光パネル１１Ｃとの発電量の差は小さく、第１蓄電池１２Ａと第３蓄電池１２Ｃとの充電量の差は小さい。すなわち、第１ユニット１０１から出力できる電力量と、第３ユニット１０３から出力できる電力量の差は小さい。第１ユニット１０１が放電しきるのに要する時間と、第３ユニット１０３が放電しきるのに要する時間とは、近似する。すなわち、太陽光システム２００は、第１ユニット１０１及び第３ユニット１０３を所定時間放電することで、第１ユニット１０１及び第３ユニット１０３に蓄えられた電力を効率的に出力できる。

図５は、図４から一定時間経過後の太陽光システム２００の動作を示す。図４において、第２太陽光パネル１１Ｂ及び第２蓄電池１２Ｂは、太陽光システム２００の出力経路から切り離されている。一方で、第２蓄電池１２Ｂは、第２太陽光パネル１１Ｂと接続されている。第２蓄電池１２Ｂは、第２太陽光パネル１１Ｂにより充電される。第２蓄電池１２Ｂの充電量は時間の経過とともに増え、所定時間経過後に規定量Ｖｓを上回る（図５参照）。

図４において、第１ユニット１０１及び第３ユニット１０３は放電する。第１蓄電池１２Ａ及び第３蓄電池１２Ｃの充電量は時間の経過とともに減少する。第２蓄電池１２Ｂの充電量が増加し、第１蓄電池１２Ａ及び第３蓄電池１２Ｃの充電量が減少することで、第１蓄電池１２Ａ、第２蓄電池１２Ｂ及び第３蓄電池１２Ｃの間の充電量の差は小さくなる（図５参照）。例えば、第１蓄電池１２Ａ、第２蓄電池１２Ｂ及び第３蓄電池１２Ｃの充電量は、いずれも所定時間経過後に規定量Ｖｓ以上となる。

この場合、第１スイッチング素子ＳＷ１Ａ、第２スイッチング素子ＳＷ１Ｂ及び第３スイッチング素子ＳＷ１Ｃは、いずれも接続端子ｔ１に接続される。第１ユニット１０１、第２ユニット１０２及び第３ユニット１０３の電流経路は、いずれも第１電流経路となる。

第１ユニット１０１、第２ユニット１０２及び第３ユニットのそれぞれが出力できる電力量の差は小さい。したがって、太陽光システム２００は、第１ユニット１０１、第２ユニット１０２及び第３ユニット１０３に蓄えられた電力を効率的に出力できる。

図６は、比較例にかかる太陽光システム２０１の動作を説明するための模式図である。図６における蓄電池１２は、図４及び図５と同様に、図示された四角内を占める斜線部の面積で、蓄電池１２の充電量を模式的に表す。

図６では、３つのユニット１１０が直列に接続された例を示す。３つのユニット１１０のそれぞれを第１ユニット１１１、第２ユニット１１２、第３ユニット１１３と称する。３つのユニット１１０は、スイッチング素子ＳＷ１とバイパス配線２３とを有さない点で、図４及び図５に示すユニット１００と異なる。第１ユニット１１１の太陽光パネル１１を第１太陽光パネル１１Ｘ、蓄電池１２を第１蓄電池１２Ｘと称する。第２ユニット１０２の太陽光パネル１１を第２太陽光パネル１１Ｙ、蓄電池１２を第２蓄電池１２Ｙと称する。第３ユニット１１３の太陽光パネル１１を第３太陽光パネル１１Ｚ、蓄電池１２を第３蓄電池１２Ｚと称する。

第１太陽光パネル１１Ｘ及び第３太陽光パネル１１Ｚへの光の照射量が、第２太陽光パネル１１Ｙへの光の照射量より多い場合を例に説明する。第１太陽光パネル１１Ｘ及び第３太陽光パネル１１Ｚは、第２太陽光パネル１１Ｙより多くの発電をする。そのため、第１蓄電池１２Ｘ及び第３蓄電池１２Ｚの充電量は、第２蓄電池１２Ｙの充電量より多い。図６に示すように、例えば、第１蓄電池１２Ｘ及び第３蓄電池１２Ｚの充電量は規定量Ｖｓを超え、第２蓄電池１２Ｙの充電量は規定量Ｖｓを下回る。

第１太陽光パネル１１Ｘ及び第３太陽光パネル１１Ｚと第２太陽光パネル１１Ｙとの発電量の差は大きい。また第１蓄電池１２Ｘ及び第３蓄電池１２Ｚと第２蓄電池１２Ｙとの充電量の差は大きい。すなわち、第１ユニット１１１及び第３ユニット１１３から出力できる電力量と、第２ユニット１１２から出力できる電力量の差は大きい。第２ユニット１１２は、第１ユニット１１１及び第３ユニット１１３より早く放電しきる。第１ユニット１１１及び第３ユニット１１３に蓄えられた電力を出力するために放電を続けると、第２ユニット１１２の第２蓄電池１２Ｙは過放電となる。過放電は、第２蓄電池１２Ｙの故障の原因となる。一方で、第１ユニット１１１及び第３ユニット１１３の放電量を第２ユニット１１２の放電量に合わせると、第１ユニット１１１及び第３ユニット１１３に蓄えられた電力の多くを出力できない。出力できない電流は、第１太陽光パネル１１Ｘ及び第３太陽光パネル１１Ｚにおける励起子の再結合の原因となる。

上述のように、本実施形態に係る太陽光システム２００は、スイッチング素子ＳＷ１で電流経路を切り替えることで、電力の出力効率を高めることができる。また蓄電池１２の過放電等を防ぎ、故障を抑制することができる。

また本実施形態に係る太陽光システム２００において、蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘを太陽光パネル１１の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍ又は開放電圧Ｖ_ｏｃに対して設定すると、太陽光パネル１１で発電した電力を効率よく蓄電池１２に充電することができる。

太陽光パネル１１のＩ－Ｖ特性（図３参照）は、日照量によって変動する。例えば、日照量が多くなると短絡電流Ｉ_ｓｃは大きくなり、日照量が減ると短絡電流Ｉ_ｓｃは小さくなる。太陽光パネル１１がＭＰＰＴ回路によって制御されている場合、ＭＰＰＴ回路は太陽光パネル１１の出力電圧を上昇させながら、最大出力となる電力を特定し、最適動作点ｐ１を設定する。電力は、電圧と電流との積で求められる。日照量が一定の場合、短絡電流Ｉ_ｓｃは一定であり、出力電力は電圧の上昇と共に増加し、ある値で最大出力を示す。電力が最大出力となる電圧が最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍである。日照量が一定の場合は、電流量が日照量により変動しないため、最適動作点ｐ１を適切に規定できる。

一方で、ＭＰＰＴ回路の動作途中に日照量が変化すると、電圧の上昇とは別に電流量が変動する。その結果、電力が最大出力となる電圧が、最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍと一致しない場合がある。例えば、最適動作点ｐ１より高電圧において日照量が増加すると、その動作点で出力される電力が最適動作点ｐ１で出力される電力より多くなる場合がある。その結果、ＭＰＰＴ回路は、最適動作点ｐ１を誤認し、開放電圧Ｖ_ｏｃの近傍の電圧を最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍと誤認する場合がある。この場合の電圧値は最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより著しく低下しているため、太陽光パネル１１の出力電力は著しく低下する。

これに対し、太陽光パネル１１と蓄電池１２とを直接接続すると、太陽光パネル１１の電位は蓄電池１２の電位で固定される。太陽光パネル１１は、蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘ以下の電圧で動作する。最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、蓄電池１２で設定された値であり、日照量の変動の影響は受けない。最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより１０％大きな値以下の値に設定されている。すなわち、Ｉ－Ｖ特性において最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより著しく低下した電圧値を最大充電電圧Ｖ_ｍａｘと誤認することは無い。蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘを設定した上で、蓄電池１２と太陽光パネル１１とを直接接続すると、蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘで太陽光パネル１１の動作電圧を規定することができ、太陽光パネル１１の出力電力が低下することを抑制できる。

また図７は、太陽光パネル１１の等価回路図である。太陽光パネル１１は、発電部ＧとダイオードＤ１と並列抵抗Ｒ_ｓｈと直列抵抗Ｒ_ｓで表される。並列抵抗Ｒ_ｓｈと直列抵抗Ｒ_ｓとは、太陽光パネル１１の寄生抵抗である。太陽光パネル１１の両端は、負荷に接続される。ユニット１００における負荷は蓄電池１２である。

太陽光パネル１１から出力される出力電流Ｉは、以下の式で表される。
Ｉ＝Ｉ_ｐｈ－Ｉ_ｄ－（Ｖ＋Ｒ_ｓＩ）／Ｒ_ｓｈ…（１）
式（１）においてＩ_ｐｈは光誘起電流である。Ｉ_ｐｈは、太陽光パネル１１に光が入射することで生じる。式（１）においてＩ_ｄはダイオード電流である。太陽光パネル１１の各セルは、ｐ－ｎ接合を有するダイオードであるため、ダイオード電流は動作電圧に応じて生じる。式（１）において（Ｖ＋Ｒ_ｓＩ）／Ｒ_ｓｈは、並列抵抗に流れる電流である。式（１）においてＲ_ｓは直列抵抗の抵抗値であり、Ｒ_ｓｈは並列抵抗の抵抗値であり、Ｖは出力電圧である。

式（１）は、以下の式（２）で書き換えられる。
Ｉ＝（Ｒ_ｓｈＩ_ｐｈ－Ｒ_ｓｈＩ_ｄ－Ｖ）／（Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｓｈ）…（２）
式（２）においてＲ_ｓ＋Ｒ_ｓｈは寄生抵抗であり、変動するものではなく固定値とみなせる。またユニット１００の出力電圧Ｖは蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘで固定され、ほぼ定数とみなせる。したがって、式（２）において、出力電流Ｉの変動に影響を及ぼすのは、Ｒ_ｓｈ（Ｉ_ｐｈ－Ｉ_ｄ）の部分となる。Ｒ_ｓｈ（Ｉ_ｐｈ－Ｉ_ｄ）の値は、励起子の再結合が生じると小さくなる。

ここで、蓄電池１２の抵抗値は、太陽光パネル１１の寄生抵抗（Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｓｈ）における並列抵抗Ｒ_ｓｈより小さいことが好ましい。蓄電池１２の抵抗値は、並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値の５分の１であることが好ましく、並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値の２５分の１であることがより好ましい。例えば、蓄電池２０を構成する正極活物質が三元系化合物や鉄オリビン系の場合は、蓄電池２０の抵抗値は、並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値の５分の１から２５分の１となる。

蓄電池１２の抵抗値と並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値とが上記の関係を満たすと、分岐部ｐｂに至った電流の多くは、並列抵抗Ｒ￢_ｓｈ側ではなく外部に流れる。並列抵抗Ｒ￢_ｓｈに流れる電流量が増えると、太陽光パネル１１の温度が上昇し、太陽光パネル１１の発電効率が低下する。太陽光パネル１１の発電効率の低下は、蓄電池１２への充電効率の低下の原因となる。また太陽光パネル１１の温度上昇は、発電部Ｇにおける励起子（電子とホール）の再結合を促進する。励起子の再結合は、蓄電池１２への充電効率の低下の原因となる。

つまり、蓄電池１２の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘを太陽光パネル１１の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍ又は開放電圧Ｖ_ｏｃに対して設定すると、太陽光パネル１１からの出力電流Ｉに影響を及ぼすパラメータを限定することができる。また蓄電池１２の抵抗値を並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値に対して小さくすることで、発電部Ｇで生じた電流を効率よく外部に流し、励起子の再結合を防ぐことができる。その結果、太陽光パネル１１の発電効率を高め、かつ、蓄電池１２への充電効率を高めることができ、太陽光パネル１１で発電した電力を効率よく蓄電池１２に充電することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図８は、第１変形例にかかる太陽光システムの一つのユニット１０５を拡大した模式図である。第１変形例にかかるユニット１０５は制御部３０を有する点が、図２に示すユニット１００と異なる。その他の構成は同様であり、同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

制御部３０は、ＣＰＵ等のプロセッサーとメモリーとを用いて構成される。制御部３０は、プロセッサーがプログラムを実行することによって、測定部３１及び指示部３２として動作する。なお、制御部３０の動作の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されても良い。上記のプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されても良い。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、半導体記憶装置（例えばＳＳＤ：Solid State Drive）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスクや半導体記憶装置等の記憶装置である。上記のプログラムは、電気通信回線を介して送信されても良い。

制御部３０は、蓄電池１２の電圧を測定し、蓄電池１２の電圧に応じてスイッチング素子ＳＷ１を切り替える。制御部３０は、例えば以下のように動作する。測定部３１は、蓄電池１２の充電量を計測する。測定部３１は、例えば、蓄電池１２に接続された電圧計から出力信号を取得し、取得された信号を、電圧を示す工業値に変換する。指示部３２は、測定部３１で測定された蓄電池１２の充電量に応じて、スイッチング素子ＳＷ１を制御する。指示部３２は、例えば、蓄電池１２の充電量が規定量Ｖｓに至っていない場合はスイッチング素子ＳＷ１を接続端子ｔ２と接続した状態にする。一方、指示部３２は、蓄電池１２の充電量が規定量Ｖｓを超えている場合はスイッチング素子ＳＷ１を接続端子ｔ１と接続した状態にする。

なお、制御部３０が測定する値の具体例として電圧の値を例示したが、電圧の値そのものではなく電圧に関する値であればどのような値であってもよい。すなわち、制御部３０は、蓄電池１２の電圧に応じて変化する他の値を測定し、他の値に応じてスイッチング素子ＳＷ１を切り替えてもよい。

第１変形例に係る太陽光システムも、スイッチング素子ＳＷ１で電流経路を切り替えることで、電力の出力効率を高めることができる。また制御部３０は、自動でスイッチング素子ＳＷ１の切り替えを制御することができる。

１０充放電部
１１太陽光パネル
１２蓄電池
２１第１配線
２２第２配線
２３バイパス配線
３０制御部
１００、１０５、１１０ユニット
２００、２０１太陽光システム
ＳＷ１、ＳＷ２スイッチング素子
ｔ_Ａ第１端子
ｔ_Ｂ第２端子

Claims

太陽光パネルと蓄電池とが接続された充放電部と、
前記充放電部に接続された二つの端子と、
前記二つの端子間を繋ぐバイパス配線と、
前記二つの端子の一方と前記バイパス配線との接続部に位置するスイッチング素子とを有し、
前記スイッチング素子は、前記充放電部に電流が流れる第１電流経路と前記充放電部を回避しバイパス配線に電流が流れる第２電流経路とを切り替える、太陽光ユニット。
前記スイッチング素子に接続された制御部をさらに有し、
前記制御部は、前記蓄電池の電圧に関する値を測定し、前記蓄電池の電圧に関する値に応じて前記スイッチング素子を切り替える、請求項１に記載の太陽光ユニット。
前記充放電部は、前記太陽光パネルと前記蓄電池とが直結され、
前記蓄電池の最大充電電圧は、前記太陽光パネルの最大出力動作電圧より１０％大きな値以下である、請求項１又は２に記載の太陽光ユニット。
請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽光ユニットを複数有し、前記太陽光ユニットが互いに直列接続された、太陽光システム。
請求項１～３のいずれか一項に記載の太陽光ユニットを複数有する太陽光システム、または請求項４に記載の太陽光システムを用いた太陽光システムの制御方法であって、
前記蓄電池の充電量が規定値に満たない場合は、前記スイッチング素子を前記第２電流経路の状態にし、
前記蓄電池の充電量が規定値に達している場合は、前記スイッチング素子を前記第１電流経路の状態にする、太陽光システムの制御方法。