JPWO2004109890A1 - 発電システム - Google Patents

Abstract

この発電システム１は、直流電力を発電する発電装置２と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路３とを備えており、発電装置２は各々が複数の発電ユニット３０を備えた複数の発電モジュール２１〜２８と、複数の発電モジュール２１〜２８の各々に並列接続された少なくとも１つの蓄電手段とを有する。複数の発電モジュール２２〜２８の各々の正極６２を正母線６に接続・分離可能な複数の第１スイッチ手段Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａを設け、複数の発電モジュール２２〜２８の各々の正極６２を片方側に隣接する発電モジュール２１〜２７の負極６０に接続・分離可能な複数の第２スイッチ手段Ｓ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを設け、複数の発電モジュール２１〜２７の各々の負極６０を負母線７に接続・分離可能な複数の第３スイッチ手段Ｓ１〜Ｓ７を設け、スイッチ手段Ｓ１〜Ｓ７、Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを切換えることにより、直流の出力電圧を段階的に増減することができる。

Description

本発明は、太陽電池や燃料電池などで発生させた直流電力からインバータ回路を介して交流電力を発生させる発電システムに関し、直流電力の電圧を多段階に切換えるスイッチング機構、蓄電機能、発電性能の改善に特徴を有するものである。

最近、ソーラ発電システムの太陽電池の製作コストが徐々に低減し、多くの家庭にソーラ発電システムが普及しつつあるが、大多数のソーラ発電システムは、家庭に供給されている商用単相交流系統に連係する系統連係型のシステムである。家庭用のソーラ発電システムの太陽電池は、数ｋＷの出力のものであり、数１０枚の発電モジュールを直並列接続してある。前記の系統連係型のソーラ発電システムでは、直流電力をインバータ回路を介して単相交流系統に適合する交流電力に変換する必要がある。
図２４に示す公知のソーラ発電システムは、インバータ回路をＰＷＭ方式で制御する一般的な系統連係型のシステムであり、複数の発電モジュールを直列接続したものを複数並列接続した太陽電池１００、インバータ回路１０１、インバータ回路１０１を切換え制御する制御装置１０２が設けられる。制御装置１０２は、交流系統の基準電圧を検出する電圧検出器１０３、検出電圧を増幅する増幅器１０４、三角波発生器１０５、ＰＷＭ制御部１０６等を有する。図２４に示すように、ＰＷＭ制御部１０６は、図２５に示す基準電圧に基づく指令電圧の正弦波１０７と三角波発生器１０５で発生した図２５に示す搬送波１０８とに基づいてインバータ回路１０１のスイッチ素子を制御し、図２３に示すような方形波状の交流電圧１０９を発生させ、その方形波状の交流電圧１０９をフィルタ回路により平滑化することにより、正弦波状の交流電力に変換して交流系統に出力する。
以上のＰＷＭ方式でインバータ回路を制御する技術においては、太陽電池の出力を断続させて交流電力に変換することになるから、太陽電池の出力を約９０％程度しか活用できないという問題がある。しかも、インバータ回路のスイッチング素子の切換え頻度や交流系統のインピーダンスに関連する高調波成分が発生するため、その高調波成分の吸収の為の大きなフィルタ手段や電磁障害除去手段等を設けなければならない。しかも、大きな電圧変化を伴うスイッチング回数が多いため、インバータ回路のスイッチング素子などのパワーデバイスにおける損失が大きくなるという問題もある。
他方、複数の太陽電池のうちの出力を取り出す太陽電池の数を切換えることによって、出力電圧を多段階に切換えるようにした電池切換え方式のソーラ発電システムも提案されている。この発電システムでは、図２６に示すように、例えば、１０Ｖ，２０Ｖ，４０Ｖ，８０Ｖの直流電力を発生できる４組の太陽電池１１０を設け、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のうち、スイッチＳ１のみをオンすることで、１０Ｖの直流電力を出力させ、オンに切換えるスイッチを適宜組み合わせることで、直流電力の電圧を１０Ｖ単位で段階的に増減させ、２０Ｖ、３０Ｖ、・・・１４０Ｖ、１５０Ｖに切換えることができる。直流電力はインバータ回路１１１により、図２７（Ａ）、（Ｂ）に示すような交流電力に変換して交流系統に出力する。この電池切換え方式のソーラ発電システムの場合、前記の図２４の発電システムに比較して、高調波や電磁障害の発生は改善される。しかし、４個の太陽電池の出力を活用するのはピーク電圧を発生させる極く短い期間に過ぎず、大部分の期間において１ないし複数の太陽電池がアイドル状態になるため、太陽電池の利用率が著しく低くなってしまうという問題がある。
ところで、これら４組の太陽電池１１０の何れかが建物等の影になり、部分的に太陽光が照射されない場合には、影になった太陽電池１１０からの発電量が著しく減少して出力電圧が低下するようになり、交流電力を正常に出力することができなくなる。しかも、太陽光が照射されない夜間においては、これら４組の太陽電池１１０の何れからも直流電圧が発生しなくなるため、太陽電池１１０により発電する発電時間が制限されるようになり、発電テステムによる発電性能を十分に発揮できなくなるという問題もある。
ところで、最近、燃料電池方式の発電システムの開発も進行し、近い将来には家庭用の発電システムとして徐々に実用に供されるものと推定される。
燃料電池は、多数の単位電池を積層状態に設け、それら多数の単位電池を直列接続して直流電力を出力するように構成してある。各単位電池は、約０．６〜０．７Ｖ程度の直流電力を発生するものであるから、この発電システムを家庭用の単相交流系統に連係させて、発電システムで発生させた直流電力を交流系統に供給する技術には、前記ソーラ発電システムの場合と同様の問題がある。

本発明の発電システムは、直流電力を発電する発電装置と、この発電装置で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路とを備えた発電システムにおいて、前記発電装置は、複数の発電モジュールであって各々が複数の発電ユニット又は発電部を備えた複数の発電モジュールと、複数の発電モジュールの各々に並列接続された少なくとも１つの蓄電手段とを有し、前記インバータ回路の入力側に接続された正負の母線と、複数の発電モジュールの各々の正極を正母線に接続・分離可能な複数の第１スイッチ手段と、複数の発電モジュールの各々の正極を片方側に隣接する発電モジュールの負極に接続・分離可能な複数の第２スイッチ手段と、複数の発電モジュールの各々の負極を負母線に接続・分離可能な複数の第３スイッチ手段とを備えたことを特徴とするものである。
複数の発電モジュールの各々は太陽光を受光して所定電圧の直流電力を常に発生するのと同時に、複数の発電モジュールの各々に並列接続された蓄電手段は、これら発電モジュールから出力される所定電圧の直流電力を受けて、この直流電力を常に蓄電する。
そこで、全部の第１スイッチ手段をオンとし、全部の第２スイッチ手段をオフとし、全部の第３スイッチ手段をオンとすると、全部の発電モジュールが正負の母線に並列接続され、直流の出力電圧は最低電圧Ｖｍｉｎとなる。
複数の発電モジュールを複数群に区分し、各群の複数の発電モジュールを、複数の第２スイッチ手段により直列接続した状態で、第１，第３スイッチ手段により正負の母線に並列接続することができる。直列接続した発電モジュールの数を２個にすると、直流の出力電圧は２Ｖｍｉｎとなり、直列接続した発電モジュールの数を４個にすると、直流の出力電圧は４Ｖｍｉｎとなる。このように、発電装置から出力する直流の出力電圧を、段階的に増加させたり、減少させたりすることが可能となる。
しかも、全ての発電モジュールの出力を有効活用しながら、前記のように、第１，第２，第３スイッチ手段を切換えるだけで、直流の出力電圧を段階的に切換えることができる。発電モジュールのアイドルが生じず、発電モジュールの利用率を十分に高めることができる。
複数の第１，第２，第３スイッチ手段の切換えは行うにしても、スイッチ手段の切換え時の電圧変化が小さいため、従来のＰＷＭ方式のインバータ回路の場合よりもノイズや高調波が発生しにくくなる。そのため、ノイズや高調波の吸収や電磁障害対策の為のフィルタ容量を小さくする等付随する電気回路の構造を簡単化することができる。複数の第１，第２，第３スイッチ手段の切換えの頻度も、ＰＷＭ方式のインバータ回路のスイッチング素子の切換えの頻度よりも少なくなるうえ、複数の第１，第２，第３スイッチ手段には、小型のスイッチング素子を適用可能となり、スイッチングロス及びスイッチング素子のコストも低減する。
ここで、発電モジュールが太陽電池発電モジュールである場合、曇天時、朝、夕方など発電モジュールの出力電圧の低下に応じて、複数の第１，第２，第３スイッチ手段の接続パターンを変えて、発電装置から出力する直流電力の電圧を調整することもできるから、昇圧チョッパーを設ける必要もなく、汎用性と自由度の高いシステムとなる。そして、出力電圧を段階的に高めると出力電流が段階的に減少し、出力電圧を段階的に低くすると出力電流が段階的に増加するような電力特性となるように複数の第１，第２，第３スイッチ手段の切換えを行うことができるため、発電装置を最大電力点で動作させるように制御することが可能となる。
また、複数の太陽電池発電モジュールの何れかについて、出力電圧特性にバラツキがあったり、建物等に一部が隠れて陰るようになって、発電量が著しく低下するような場合には、出力電圧が低下した発電モジュールに並列接続された蓄電手段から、発電モジュールの出力電圧の低下を補うように、所定電圧の直流電力が正負の母線に出力されるため、出力電力の平準化を図れ、発電モジュールの直流電圧−直流電流特性を改善することができる。更に、太陽光が照射されない夜間になり、これら複数の発電モジュールの何れからも直流電力が発生しなくなった場合であっても、蓄電された蓄電手段から所定電圧の直流電力が正負の母線に出力されるようになるため、発電時間が制限されるようなことがなく、発電装置による発電性能を著しく改善することができる。
以上が、本発明の発電システムの作用効果である。
ここで、好ましくは、次のような種々の構成を採用してもよい。
（ａ）複数の第１，第２，第３スイッチ手段は、夫々半導体スイッチング素子で構成され、これら複数の第１，第２，第３スイッチ手段を切換え制御することにより、前記発電装置の出力電圧を段階的に切換える制御装置を設ける。
（ｂ）前記複数の発電モジュールを複数群に区分し、前記制御装置により、各群の複数の発電モジュールを、複数の第２スイッチ手段により直列接続した状態で、第１，第３スイッチ手段により正負の母線に並列接続可能に構成する。
（ｃ）前記インバータ回路は複数の半導体スイッチング素子を備え、これら半導体スイッチング素子は前記制御装置で制御される。
（ｄ）前記発電シテスムから電力の供給を受ける交流電力系統の電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記制御装置は電圧検出手段の検出信号に基づいて、第１，第２，第３スイッチ手段と、前記インバータ回路の複数の半導体スイッチング素子を制御する。
（ｆ）前記発電モジュールの複数の発電ユニットは、複数列複数行のマトリックス状に配列されて並列且つ直列に接続される。
（ｇ）前記各発電ユニットは、粒状の半導体にｐｎ接合を形状してなるソーラセルからなる。
（ｈ）前記発電装置は複数の単電池を積層した燃料電池で構成され、前記各発電ユニットは前記単電池からなる。
（ｉ）前記蓄電手段は、電気二重層コンデンサである。
（ｊ）前記蓄電手段は、２次電池である。

図１は発電システムの構成図であり、図２は発電ユニットの断面図であり、図３は発電ユニットの断面図であり、図４は発電ユニットの断面図であり、図５はスイッチＳ１〜Ｓ７の構成を示すトランジスタ回路図であり、図６はスイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂの構成を示すトランジスタ回路図であり、図７は発電システムの制御装置のブロック図であり、図８は発電モードＭ１のときの発電システムの作用説明図であり、図９は発電モードＭ２のときの発電システムの作動説明図であり、図１０は発電モードＭ４のときの発電システムの作動説明図であり、図１１は発電モードＭ８のときの発電システムの作動説明図であり、図１２は高入射光状態における図１の発電システムから出力する直流電力の電圧波形と単相交流系統の電圧波形の図であり、図１３は低入射光状態における図１の発電システムから出力する直流電力の電圧波形と単相交流系統の電圧波形の図であり、図１４はパッケージ化した発電システムの平面図であり、図１５は図１４におけるＮ−Ｎ線断面図であり、図１６は上側に配置した太陽電池基板の平面図であり、図１７は下側に配置した電子部品基板の背面図であり、図１８は変更形態に係る発電システムの構成図であり、図１９は発電モジュールの回路図であり、図２０は図１８の発電システムにおける発電モードと出力電圧等の説明図表であり、図２１は図１８の発電システムを２組設けた発電システムの構成図であり、図２２は図２１の発電システムにおける出力電圧の説明図表であり、図２３は発電システムから出力される直流電力の電圧波形と単相交流系統の電圧波形の図である。
図２４〜図２７は先行技術を示すものであり、図２４はＰＷＭ方式の発電システムの全体構成図であり、図２５はＰＷＭ方式における指令電圧正弦波と搬送波と方形波交流電圧等のタイムチャートであり、図２６は電池切換え方式の発電システムの全体構成図であり、図２７（Ａ）は図２４の発電システムで発生する電圧波形の図であり、図２７（Ｂ）は図２４の発電システムで発生する電流波形の図である。

以下、本発明の発電システムを実施するための最良の形態について説明する。
図１〜図７に示すように、この発電システム１は、直流電力を発電する発電装置２と、この発電装置２で発電された直流電力を交流電力に変換して、単相交流系統に出力するインバータ回路３と、発電装置２の直流電力の電圧を複数段階に切換える為のスイッチング機構Ｓｍと、これらスイッチ機構Ｓｍとインバータ回路３のスイッチング素子５１〜５４とを制御する制御装置４と、単相交流系統の電圧を検出して制御装置４に入力する電圧検出器５などを有する。
説明の都合上、本実施形態における発電装置２は、８つの発電モジュール２１〜２８と、発電モジュール２１〜２８の各々に並列接続するように、正極６２と中段部の並列接続線５９に接続された蓄電用の電気二重層コンデンサ２９ａ及び並列接続線５９と負極６０に接続された蓄電用の電気二重層コンデンサ２９ｂとを備えている。これら発電モジュール２１〜２８は１列状に、発電方向を揃えて配置してあり、各発電モジュール２１〜２８は２行５列のマトリックス状に配置されて並列かつ直列接続された１０個の発電ユニット３０を備えている。
各発電ユニット３０は、例えば図２〜図４に示す３種類の粒状のソーラセル３０Ａ〜３０Ｃのうちの何れかのソーラセルからなり、太陽光を受光して例えば０．５〜０．６Ｖの直流を発生可能なものである。
図２のソーラセル３０Ａは、直径１．５〜３．０ｍｍ程度のｎ形シリコンからなる球状半導体３１、ｐ形の拡散層３２、ｐｎ接合３３、酸化シリコンの絶縁膜３４、球状半導体３１の中心を挟んで対向する正極３５と負極３６などからなる。尚、この種のソーラセル３０Ａについては、本願出願人の出願に係るＷＯ９８／１５９８３号公報に記載されている。図３のソーラセル３０Ｂは、前記と同様の大きさのｐ形シリコンからなる球状半導体３７、ｎ形の拡散層３８、ｐｎ接合３９、酸化シリコンの絶縁膜４０、球状半導体３７の中心を挟んで対向する正極４１と負極４２などからなり、正極４１と負極４２を識別しやすくする為に、球状半導体３７の底部に形成した平坦面に正極４１が設けられている。図４に示すソーラセル３０Ｃは、直径約１．５〜３．０ｍｍ程度のｐ形シリコンからなるの円柱状の半導体４３、ｎ形の拡散層４４、ｐｎ接合４５、ｐ＋拡散層４６、酸化シリコンの絶縁膜４７、両端部に設けられた正極４８と負極４９などからなる。
但し、前記のソーラセル３０Ａ〜３０Ｃは一例を示すものに過ぎず、発電モジュールとしては、１．０〜１０．０Ｖ程度の直流電力を発電する機能のある種々の発電モジュール（例えば、１枚のパネル状の太陽電池や複数の小さなパネル状太陽電池を集合してパネル化した太陽電池、燃料電池など）を適用可能である。また、発電ユニット３０としては、例えば比較的低い電圧の直流電力を発生する種々の発電ユニット又は発電部又は発電機能部（例えば、１枚のパネル状の太陽電池や複数の小さなパネル状太陽電池を集合してパネル化した太陽電池に含まれる１又は複数の発電部や発電機能部、燃料電池）を適用することも可能である。
前記蓄電用の電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂは、電解液に接触させた活性炭を電極として使用し、電解液と活性炭を接触させ、電圧を印加するとその界面に分極が生じて、コンデンサと同様に蓄電するものであり、公害性が低く、充放電回数に優れ、比較的大きな電気容量を蓄電可能である。各発電モジュールにおいて、電気二重層コンデンサ２９ａは正極６２と並列接続線５９に接続され、並列接続された上段の５つの発電ユニット３０に並列接続されている。また、電気二重層コンデンサ２９ｂは並列接続線５９と負極６０に接続され、並列接続された下段の５つの発電ユニット３０に並列接続されている。
そのため、電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂは、これら並列接続された複数の発電ユニット３０で発生した直流電力を受け、この直流電力を常に蓄電するようになる。但し、何れかの１又は複数の発電ユニット３０の発電量が著しく低下するような場合には、これら電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂから、出力電力の低下を補うように、所定電圧の直流電力が正負の母線６，７に出力される。
インバータ回路３は、例えばｎチャンネル型ＩＧＢＴからなる４個のスイッチング素子５１〜５４をブリッジ形に接続したものであり、各スイッチング素子５１〜５４には還流ダイオード５５〜５８も接続されている。これら４個のスイッチング素子５１〜５４は、制御装置４からの制御信号により制御される。
スイッチング素子５１，５４とスイッチング素子５３，５２を組にして、交互に導通させることにより、出力端子８，９から単相交流系統に交流を出力するように構成してある。
次に、前記スイッチング機構Ｓｍについて説明する。
前記インバータ回路３の入力側には、正母線６と負母線７とが接続されている。このスイッチング機構Ｓｍは、発電装置２とインバータ回路３の間に設けられ、発電装置２で発電されインバータ回路３へ出力する直流電力の出力電圧を複数段階に切換える為に、８つの発電モジュール２１〜２８を任意数ずつ直列接続し、その直列接続された各発電モジュール群をインバータ回路３に並列接続可能にするものである。このスイッチング機構Ｓｍは、複数のスイッチＳ１〜Ｓ７，Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを有する。スイッチＳ１〜Ｓ７は、７つの発電モジュール２１〜２７の各々の負極６０を負母線７に接続する状態と分離する状態とに切換え可能なスイッチである。スイッチＳ１〜Ｓ７の各々は、例えば図５に示すように、制御装置４によりオン・オフ制御されるｎｐｎ型バイポーラトランジスタ６１で構成されている。
スイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａは、夫々７つの発電モジュール２２〜２８の正極６２を正母線６に接続する状態と分離する状態とに切換え可能なスイッチである。スイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂは、夫々７つの発電モジュール２２〜２８の正極６２を正極６２側に隣接する１つの発電モジュール２１〜２７の負極６０に接続する状態と分離する状態とに切換え可能なスイッチである。スイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａの各々は、例えば図６に示すように、制御装置４によりオン・オフ制御されるｎｐｎ型バイポーラトランジスタ６３で構成され、スイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂの各々は、例えば図６に示すように、制御装置４によりオン・オフ制御されるｎｐｎ型バイポーラトランジスタ６４で構成されている。
但し、トランジスタ６３がオンのときトランジスタ６４がオフとされ、トランジスタ６４がオンのときトランジスタ６３がオフとされる。このように、バイポーラトランジスタ６３により正極６２を正母線６に接続・分離可能であり、バイポーラトランジスタ６４により正極６２を隣接する発電モジュールの負極６０に接続・分離可能である。
尚、前記スイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａとしての複数のトランジスタ６３が複数の第１スイッチ手段に相当し、スイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂとしての複数のトランジスタ６４が複数の第２スイッチ手段に相当し、スイッチＳ１〜Ｓ７としての複数のトランジスタ６１が複数の第３スイッチ手段に相当するものである。また、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ６１，６３，６４は一例に過ぎず、これらと同様のオン・オフ制御可能な何れかのスイッチング素子を適用してもよい。インバータ回路３のスイッチング素子５１〜５４も一例に過ぎず、ＭＯＳＦＥＴなど別のスイッチング素子を適用してもよい。
次に、制御装置４について説明する。
図７に示すように、制御装置４は、ＣＰＵ６５とＲＯＭ６６とＲＡＭ６７からなるコンピュータと、入出力インターフェース６８とを主体として構成され、スイッチＳ１〜Ｓ７、スイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びスイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂが入出力インターフェース６８に夫々接続されている。前記単相交流系統の交流の電圧を検出する電圧検出器５が設けられ、この電圧検出器５の検出信号が、制御装置４に入力される。制御装置４のＲＯＭ６６には、電圧検出器５からの検出信号に基づいて、スイッチＳ１〜Ｓ７と、スイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びスイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂと、スイッチング素子５１〜５４を、後述のように切換え制御する制御プログラムが予め格納されている。
制御装置４は、ＲＯＭ６６の制御プログラムに基づいて、スイッチＳ１〜Ｓ７とスイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びスイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂをオン・オフ制御することにより、発電装置２の直流電力の出力電圧を段階的に切換える。
本実施形態における各発電モジュール２１〜２８の発電電圧は約１．０〜１．２Ｖであるため、図８に示すようにスイッチＳ１〜Ｓ７とスイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａを接続するように切換えた状態（これを発電モードＭ１とする）において、全ての発電モジュール２１〜２８を正負の母線６，７に並列接続すると、太陽光を受光して発電する発電装置２は約１．０〜１．２Ｖの直流電力を出力する。
図９に示すようにスイッチＳ１〜Ｓ７とスイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びスイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを切換え、８つの発電モジュール２１〜２８を２つずつの４群に区分し、各群の２つの発電モジュールを直列接続した状態（これを発電モードＭ２とする）で、４つの発電モジュール群を正負の母線６，７に並列接続した状態において、発電装置２は約２．０〜２．４Ｖの直流電力を出力する。
図１０に示すようにスイッチＳ１〜Ｓ７とスイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ｂ及びスイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ｂを切換え、８つの発電モジュール２１〜２８を４つずつの２群に区分し、各群の４つの発電モジュールを直列接続した状態（これを発電モードＭ４とする）で、２つの発電モジュール群を正負の母線６，７に並列接続した状態において、発電装置２は約４．０〜４．８Ｖの直流電力を出力する。
図１１に示すようにスイッチＳ１〜Ｓ７とスイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びスイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを切換えて、８つの発電モジュール２１〜２８を直列接続した状態（これを発電モードＭ８とする）で、発電装置２は約８．０〜９．６Ｖの直流電力を出力する。但し、前述した発電モードＭ１，Ｍ２，Ｍ４，Ｍ８の何れにおいても、電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂの各々は、これに並列接続された発電ユニット３０の発電電圧（約０．５〜０．６Ｖ）と同じ電圧の直流電力で常に蓄電されている。特に、単相交流系統による電力消費量が少ない場合には、発電ユニット３０により発電された未使用の直流電力が電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂに確実に蓄電され、フル充電状態となる。
そこで、晴天の昼間時のように、太陽光による入射光量が多い高入射光状態においては、図１２に示すように、制御装置４により、電圧検出器５で検出される単相交流系統の交流の電圧の交流波形７０に合わせて、スイッチング素子５１〜５４と、スイッチＳ１〜Ｓ７と、スイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びスイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを適宜を切換え制御（オン状態を斜線で示し、オフ状態を空白で示す）を行い、最初の時間ｔ１において発電モードＭ１に切換え、次の時間ｔ２において発電モードＭ２に切換え、次の時間ｔ３において発電モードＭ４に切換える切換え制御を順々に行うことで、インバータ回路３の出力端子８，９から、実線で示す階段状に変化する電圧波形７１の交流電力を単相交流系統へ出力することができる。
一方、曇天時や朝、夕方のように、太陽光による入射光量が少ない低入射光状態においては、図１３に示すように、制御装置４により、電圧検出器５で検出される単相交流系統の交流の電圧の交流波形７０に合わせて、スイッチング素子５１〜５４と、スイッチＳ１〜Ｓ７とスイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びスイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを適宜を切換え制御（オン状態を斜線で示し、オフ状態を空白で示す）を行い、最初の時間ｔ１において発電モードＭ１に切換え、次の時間ｔ２において発電モードＭ２に切換え、次の時間ｔ３において発電モードＭ４に切換え、次の時間ｔ４において発電モードＭ８に切換える切換え制御を順々に行うことで、入射光量が少ない場合であっても、インバータ回路３の出力端子８，９から、実線で示す階段状に変化する電圧波形７２の交流電力を単相交流系統へ効率良く出力することができる。
この場合、高入射光状態と低入射光状態とに区別して、単相交流系統の周波数に合うように、図示の時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４・・・をコンピュータに予め設定しておくことにより、電圧検出器５からの検出電圧に基づいて、入射光状態に応じてスイッチＳ１〜Ｓ７とスイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びスイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを切換えることで、出力電圧を段階的に切換えることができる。
そして、単相交流系統の電圧が負から正に切換わるときに、スイッチング素子５１，５４を導通にまたスイッチング素子５３，５２をオフに切換え、単相交流系統の電圧が正から負に切換わるときに、スイッチング素子５３，５２を導通にまたスイッチング素子５１，５４をオフに切換えるものとする。
ところで、例えば、発電モジュール２１に有する複数の発電ユニット３０のうち、上段に並列接続された５つの発電ユニット３０の全て又は部分的に、出力電圧特性にバラツキがあったり、建物等に太陽が隠れるようになって、これら５つの発電ユニット３０からの総発電量が著しく低下し、その出力電圧が電気二重層コンデンサ２９ａに蓄電されている蓄電電圧よりも低くなった場合、電気二重層コンデンサ２９ａから、出力電力の低下を補うように、所定電圧の直流電力が正負の母線６，７に出力されるため、出力電力の平準化を図れ、発電モジュール２１の直流電圧−直流電流特性を改善することができる。ここでは、発電モジュール２１について説明したが、他の発電モジュール２２〜２８にも同様に電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂが設けられているため、同様に高速で作動する。
更に、太陽光が照射されない夜間になり、これら複数の発電モジュール２１〜２８の何れからも直流電圧が発生しなくなった場合には、電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂに蓄電された所定電圧の直流電力が正負の母線６，７に出力されるため、発電時間が制限されるようなことがなく、発電装置２による発電性能を著しく改善することができる。尚、電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂの容量は必要に応じた適切な容量に設定しておくものとする。
以上説明した発電システム１においては、スイッチング機構ＳｍのスイッチＳ１〜Ｓ７、Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを、発電モードに対応する種々のパターンで切換えることにより、発電システム１から出力する直流の出力電圧を、段階的に増加させたり、減少させたりすることが可能となる。
しかも、全ての発電モジュール２１〜２８の出力を有効活用しながら、前記のように、スイッチＳ１〜Ｓ７、Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂを切換えるだけで、直流の出力電圧を段階的に切換えることができる。そのため、発電モジュール２１〜２８のアイドルが生じず、発電モジュール２１〜２８の利用率を十分に高めることができる。
複数のスイッチＳ１〜Ｓ７、Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂの切換えは行うにしても、スイッチの切換え時の電圧変化が小さいため、ノイズや高調波が発生しにくくなる。そのため、ノイズや高調波の吸収や電磁障害対策の為のフィルタ容量を小さくする等付随する電気回路の構造を簡単化することができる。スイッチＳ１〜Ｓ７、Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂの切換えの頻度も、ＰＷＭ方式のインバータ回路のスイッチング素子の切換えの頻度よりも少なくなるうえ、スイッチＳ１〜Ｓ７、Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂとして、小型のスイッチング素子を適用可能となり、コスト低減が図れるうえ、スイッチングロスも低減することができる。
ここで、曇天時、朝、夕方など発電モジュール２１〜２８の出力電圧の低下に応じて、スイッチＳ１〜Ｓ７、Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂの切換えパターンを変えて、直流電力の電圧を調整することもできるから、昇圧チョッパーを設ける必要もなく、汎用性と自由度の高い安価なシステムとなる。また、出力電圧を段階的に高めると出力電流が段階的に減少し、出力電圧を段階的に低くすると出力電流が段階的に増加するような特性となるようにスイッチＳ１〜Ｓ７、Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂの切換えを行うことができるため、発電装置２を最大電力点で動作させるように制御することが可能となる。
発電モジュール２１〜２８の各々に並列接続するように、電気二重層コンデンサ２９ａと、電気二重層コンデンサ２９ｂとを設けてあるため、一部の発電ユニット３０の出力電圧特性にバラツキがあったり、一部の発電ユニット３０が建物に隠れるような場合で、発電ユニット３０これら発電ユニット３０からの出力電圧が電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂに蓄電されている蓄電電圧よりも低くなった場合には、電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂから、出力電力の低下を補うように、所定電圧の直流電力が正負の母線６，７に出力されるため、発電モジュール２１〜２８からの出力電力の平準化を図れ、発電モジュール２１〜２８の直流電圧−直流電流特性を改善することができる。この場合、各電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂを複数の発電ユニット３０に並列接続してあるため、各発電ユニット３０には異常な過電圧が作用しない。それ故、逆流防止用のダイオードを各発電ユニット３０に付随させて設ける必要がなく、発電システム１の小型化及び低コスト化が図れる。
更に、夜間など、発電モジュール２１〜２８の何れも発電しない状態で、単相交流系統で電力が要求される場合には、複数の電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂに蓄電された直流電力が正負の母線６，７に出力されるため、電力使用条件の制約が少なくなり、発電装置２による発電性能を著しく改善することができる。
前記の発電システム１では、インバータ回路３から出力する電力の周波数も制御装置４の制御如何により自由に変えることができるから、汎用性と自由度に優れる。以上の説明は、電圧制御により交流電力を出力する場合を例として説明したが、スイッチＳ１〜Ｓ７、Ｓ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂの切換え如何で、電流制御により交流電力を出力するように構成することもできる。
ここで、このように構成された発電システム１をコンパクトにパッケージ化し、実用化可能な具体例について、図１４〜図１７に基づいて説明する。
この発電システム１は、強度に優れる合成樹脂からなる箱状の本体ケース８０と、この本体ケース８０の上面を蓋する透明な合成樹脂からなる蓋部材８１と、本体ケース８０内に収容された太陽電池基板８２と、電子部品基板８３と、複数の電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂと、インバータ回路３等で構成されている。
太陽電池基板８２は、図１５〜図１６に示すように、本体ケース８０内に上向きに収容され、この太陽電池基板８２には、正極６２や正母線６、負極６０や負母線７がエッチングにより夫々形成され、負母線７と複数の発電モジュール２１〜２８の負極６０とに複数のスイッチＳ１〜Ｓ７が設けられ、正母線６と複数の発電モジュール２１〜２８の正極６２とに複数のスイッチＳ１１ａ〜１７ａが設けられ、正極６２と負極６０とに複数のスイッチＳ１１ｂ〜１７ｂが設けられている。各正極６２には複数の発電ユニット３０が図１に図示したようにマトリックス状に配置され、図示のように配線されている。
本体ケース８０内に下向きに収容された電子部品基板８３は、図１５，図１７に示すように、エッチングにより形成された接続線８４により、電圧検出器５と、ＣＰＵ６５と、ＲＯＭ及びＲＡＭ６６，６７と、インバータ回路３のスイッチング素子５１〜５４と還流ダイオード５５〜５８が図示のように接続されている。交流出力端子８，９が対向する角部に夫々設けられ、これら交流出力端子８，９の一部が本体ケース８０を挿通して外部に露出している。尚、符号８３ａは、太陽電池基板８２の正母線６と接続する接続部であり、符号８３ｂは、太陽電池基板８２の負母線７と接続する接続部である。また、制御装置４の制御線を点線で示す。
これら上側の太陽電池基板８２と下側の電子部品基板８３の間に複数の電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂがサンドイッチ状に配置され、各電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂは、図１に示すように発電モジュール２１〜２８に電気的に接続されている。
複数の電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂを上下に狭持した太陽電池基板８２と下側の電子部品基板８３が、本体ケース８０内の高さ方向中段部に水平状に配置され、透明シリコン８５を充填された状態で、上端が蓋部材８１により密閉状に固着されている。蓋部材８１の上面側には、太陽電池基板８２に設けられた複数の発電ユニット３０の各々に対応するように、半球状に形成された半球レンズ部８１ａが夫々形成されている。
このようにパッケージ化された発電システム１を太陽光が入射可能な場所に設置した場合、太陽光が半球レンズ部８１ａを介して効率良く発電ユニット３０に照射されるため、交流出力端子８，９から十分な交流が出力されることになる。このパッケージ化された複数の発電システム１をマトリックス状に配置し、交流出力端子８，９を適宜接続するようにしてもよい。
以上説明した実施の形態では、本発明を理解しやすくする為に、８個の発電モジュール２１〜２８を有する発電装置１を例にして説明した。しかし、家庭の商用単相交流系統に接続される発電システムの場合には、実効値１００Ｖ、波高値約１４０Ｖの交流系統に連係するように構成する必要がある。しかも、曇天時、朝、夕方などには、発電システムの出力低下が生じることに鑑み、発電システムの最大出力電圧が２００Ｖ以上に設定することが望ましい。そのような発電システムの例について、図１８〜図２３に基づいて説明する。
図１８に示す発電システム１Ａは、１枚のパネルに組み立てたパネル構造のもので、発電パネルともいうべきものである。
この発電システム１Ａは、発電方向を揃えて配置した例えば４８個の発電モジュール２１Ａ〜２５Ａと複数の電気二重層コンデンサ２９とからなる発電装置２Ａと、前記のインバータ回路３と同様のインバータ回路３Ａと、このインバータ回路３Ａの入力側の正母線６Ａおよび負母線７Ａと、スイッチング機構Ｓｍａ（これは、スイッチＳ７１〜Ｓ７４とスイッチＳ８１〜Ｓ８４などからなる）と、出力端子８Ａ，９Ａと、制御装置（図示略）などを有する。スイッチング機構Ｓｍａは、前記実施形態の図１に示す発電システム１のスイッチング機構と同様の機能を得る為のものであり、スイッチＳ７１〜Ｓ７４は、発電モジュール２１Ａ〜２４Ａの負極６０Ａを負母線７Ａに接続した状態と分離した状態とに切換えるものであり、前記のスイッチＳ１〜７と同様のものである。スイッチＳ８１〜Ｓ８４は、発電モジュール２２Ａ〜２５Ａの正極６２Ａを正極側に隣接する発電モジュール２１Ａ〜２４Ａの負極６０Ａと正母線６Ａに択一的に接続するものであり、前記のスイッチＳ１１〜Ｓ１７と同様のものである。
前記発電モジュール２１Ａ〜２４Ａは同構造のものであるので、発電モジュール２１Ａ及び電気二重層コンデンサ２９について説明する。図１９に示すように、発電モジュール２１Ａは、例えば１０行１００列のマトリックス状に発電ユニット３０Ａを配置し、それら発電ユニット３０Ａを図示のように並列且つ直列に接続したものである。この場合、直列数１個で並列数１００個に並列接続された並列発電ユニット３０Ａ毎に、１つの電気二重層コンデンサ２９が夫々並列接続されている。それ故、出力電圧特性のバラツキや日陰により、一部の発電ユニット３０Ａがオフ状態となった場合には、並列接続された電気二重層コンデンサ２９から蓄電された直流電力が出力されるため、発電モジュール２１Ａによる発電性能を大幅に高めることができ、実用性と耐久性に優れる。
尚、前記「１０行１００列のマトリックス状」とは例示であり、行数は１０行に限らず、１００行、数１００行にする場合もある。また、列数は１００列に限らず、数１０列、数１００列、数１０００列にする場合もある。
尚、この場合にも、各発電ユニット３０Ａ毎に逆流防止用のダイオードを設ける必要がなく、発電システム１Ａの小型化及び低コスト化が図れる。
発電ユニット３０Ａ自体は、前記の発電ユニット３０と同様のものであり、各発電ユニット３０Ａの出力電圧が０．５〜０．６Ｖであるため、発電モジュール２１Ａ〜２５Ａの各々の最大出力電圧（晴天時の出力）は例えば５．０〜６．０Ｖである。
そして、それら複数の負極側スイッチＳ７１〜Ｓ７４と複数の正極側スイッチＳ８１〜Ｓ８４とを適宜切換えることによって、図２０に示すような「発電モードＭ１，Ｍ２，・・・Ｍ４８」と「出力電圧」に切換え可能に構成されている。
前記発電モジュール２１Ａのような発電モジュールをパネル状の構造に構成する
技術については、本願出願人が出願した複数の国際出願（例えば、ＰＣＴ／ＪＰ００／０７３６０，ＰＣＴ／ＪＰ０１／０６９７２，ＰＣＴ／ＪＰ０１／０９２３４，ＰＣＴ／ＪＰ０１／１１４１６）に提案している。
以上説明した発電システム１Ａ（発電パネル）を１枚だけでなく、複数枚の発電パネルからなる発電システムを構成することもできる。但し、制御装置は１組だけ設ければよい。例えば、図２１に示すように、この発電システム１Ａでは、発電システム１Ａ（発電パネル）を２枚設け、２枚の発電システム１Ａを直列接続する状態と並列接続する状態とに切換えるスイッチ機構も設けられる。このスイッチ機構は、スイッチＳ６５、Ｓ６６などからなる。スイッチＳ６５は、図示の回路を接続・分離可能であり、前記スイッチＳ１〜Ｓ７と同様に、例えばｎｐｎ型パイポーラトランジスタで構成されている。スイッチＳ６６は、何れか一方の接点に択一的に接続する状態と、何れの接点にも接続しない状態とに切換え可能なものであり、前記スイッチＳ１１ａ〜Ｓ１７ａ及びスイッチＳ１１ｂ〜Ｓ１７ｂと同様に、例えば、２つのｎｐｎ型パイポーラトランジスタで構成されている。このスイッチ機構より、２つの発電装置１Ａを直列接続した状態と、並列接続した状態とに切換えることができる。そして、これら２つの発電装置１Ａからなる発電装置の出力端子８Ｂ，９Ｂが交流系統に接続され、この発電システムは、その出力電力が交流系統の周波数と電圧などに連係するように制御装置により制御される。
２枚の発電パネルを並列接続した状態では、この発電システムの出力電圧は、図２０に示すように切換えることができる。また、２枚の発電パネルの発電モードをずらして直列接続した状態では、この発電システムの出力電圧は、図２２の合計出力電圧のように切換えることができる。
但し、２枚の発電パネルを並列接続した状態と直列接続した状態とに適宜切換えながら、両発電パネルの発電モードを適切に設定することにより、この発電装置の出力電圧を、５〜６Ｖ，１０〜１２Ｖ，１５〜１８Ｖ，３０〜３６Ｖ，４０〜４８Ｖ，６０〜９２Ｖ，８０〜９６Ｖ，１２０〜１４４Ｖ，２００〜２４０Ｖ，２４０〜２８８Ｖ，３６０〜４３２Ｖ，４８０〜５７６Ｖのように切換えることも可能である。但し、上記の出力電圧や、図２０、図２２の出力電圧は、全ての発電ユニットが最大出力を発電する場合の例を示すものである。曇天時、朝、夕方など太陽光の入射量が減少するため、発電装置の出力電圧が低下した場合には、図２２に示す合計出力電力は、実際には、数％〜数１０％低下することになる。このような発電システムにより、図２３に示すように、商用単相交流系統の交流電圧の交流波形７０に対して、実線で示す階段状に変化する電圧波形７１の交流電力を商用単相交流系統へ出力することができる。
この発電システム１Ａでは、複数の半導体モジュール２１Ａ〜２５Ａと、複数の電気二重層コンデンサ２９と、インバータ回路３Ａと、複数のスイッチＳ７１〜７４、Ｓ８１〜Ｓ８４の全体を１枚のパネルに組み込んであるから、また、必要に応じてインバータ回路と複数のスイッチ類を１つの半導体チップに組み込んだ構造にすることも可能であるから、全体として構造も簡単化し、製作コストを低減することができる。
しかも、複数の発電システム（発電パネル）を種々の形態に組み合わせて、所望の周波数、所望の出力電圧又は所望の出力電流の交流電力を発生させることができるから、汎用性と自由度に優れる。
図２１〜図２２に関する説明は、２枚の発電パネル（発電システム）を装備した発電システムを例にして説明したが、実際には、複数の発電パネルを設け、それらを並列接続した状態と、直列接続した状態とに切換えながら、家庭等に供給されている商用単相交流系統の電圧又は電流に適合させた電力を出力するように構成することもできる。
図１８の発電システムや図２１示す発電システムにおいても、基本的に前記の発電システム１と同様の作用効果が得られるので、ここでは説明を省略する。
前記実施形態を部分的に変更する例について説明する。
（１）前記発電システム１，１Ａでは、インバータ回路３の出力側の回路に設けられるフィルタやインピーダンス等について説明を省略したが、実際の発電システムにおいては、必要に応じてフィルタやインピーダンス等が設けられる。
（２）インバータ回路３，３Ａは、単相交流を発生する場合を例にして説明したが、発電装置２，２Ａで発電した直流電力をインバータ回路により、三相交流に変換する場合もあり、この場合発電装置で発生させた直流電力から三相交流の各相に対応する交流電力に変換することになる。
（３）前記発電システム１の全体を、１つの板状ないしパネル状に構成する場合もある。前記図１８に示す発電システムを例えば図２１に示すように複数組装備した発電システムを１つの板状ないしパネル状に構成する場合もある。
（４）複数の発電モジュール２１〜２８，２１Ａ〜２５Ａの各々を個別に製作する必要はなく、全体として一体的に製作する場合もある。例えば、図１８の複数の発電モジュールを見かけ上は１つの発電モジュールに構成し、電気回路的には図１８のように複数の発電モジュールを有する構成とすることもあり得る。
（５）前記の発電システム１，１Ａは、外部の交流系統に連係する他励型の発電システムを例にして説明したが、基準の交流電圧を発生する手段を備えた自励型の発電システムにも、本発明を適用できることは勿論である。
（６）前記の発電システム１，１Ａにおいて、各電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂの並列接続位置で、オン−オフスイッチを電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂと直列に接続するようにし、必要に応じてオン−オフスイッチをオン側に切換えた場合に限って、電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂに蓄電した直流を出力するようにしてもよい。
（７）蓄電手段として、電気二重層コンデンサ２９ａ，２９ｂに限られるものではなく、蓄電容量が大きい電解コンデンサ、二次電池、バッテリ等、発電電力を蓄電可能な各種の蓄電手段であってもよい。

Claims (10)

1. 直流電力を発電する発電装置と、この発電装置で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路とを備えた発電システムにおいて、
   前記発電装置は、複数の発電モジュールであって各々が複数の発電ユニット又は発電部を備えた複数の発電モジュールと、複数の発電モジュールの各々に並列接続された少なくとも１つの蓄電手段とを有し、
   前記インバータ回路の入力側に接続された正負の母線と、
   複数の発電モジュールの各々の正極を正母線に接続・分離可能な複数の第１スイッチ手段と、
   複数の発電モジュールの各々の正極を片方側に隣接する発電モジュールの負極に接続・分離可能な複数の第２スイッチ手段と、
   複数の発電モジュールの各々の負極を負母線に接続・分離可能な複数の第３スイッチ手段と、
   を備えたことを特徴とする発電システム。
2. 前記複数の第１，第２，第３スイッチ手段は、夫々半導体スイッチング素子で構成され、これら複数の第１，第２，第３スイッチ手段を切換え制御することにより、前記発電装置の出力電圧を段階的に切換える制御装置を設けたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発電システム。
3. 前記複数の発電モジュールを複数群に区分し、前記制御装置により、各群の複数の発電モジュールを、複数の第２スイッチ手段により直列接続した状態で、第１，第３スイッチ手段により正負の母線に並列接続可能に構成したことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の発電システム。
4. 前記インバータ回路は複数の半導体スイッチング素子を備え、これら半導体スイッチング素子は前記制御装置で制御されることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の発電システム。
5. 前記発電シテスムから電力の供給を受ける交流電力系統の電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記制御装置は電圧検出手段の検出信号に基づいて、第１，第２，第３スイッチ手段と、前記インバータ回路の複数の半導体スイッチング素子を制御することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の発電システム。
6. 前記発電モジュールの複数の発電ユニットは、複数列複数行のマトリックス状に配列されて並列且つ直列に接続されていることを特徴とする請求の範囲第１項の発電システム。
7. 前記各発電ユニットは、粒状の半導体にｐｎ接合を形状してなるソーラセルからなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発電システム。
8. 前記発電装置は複数の単電池を積層した燃料電池で構成され、前記各発電ユニットは前記単電池からなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発電システム。
9. 前記蓄電手段は、電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発電システム。
10. 前記蓄電手段は、２次電池であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発電システム。

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