KR100737367B1

KR100737367B1 - 교류 발전 시스템

Info

Publication number: KR100737367B1
Application number: KR1020057013466A
Authority: KR
Inventors: 조스케 나카타
Original assignee: 교세미 가부시키가이샤
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2007-07-09
Also published as: KR20050099975A

Abstract

본 발명은 태양 전지나 연료 전지 등으로 발생시킨 직류 전력으로부터 인버터 회로를 통하여 교류 전력을 발생시키는 발전 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 발전 시스템(1)은, 직류 전력을 발전하는 발전 장치(2)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 회로(3)를 구비하고 있고, 상기 발전 장치(2)는 각각 복수개의 발전 유닛(30)을 구비한 복수개의 발전 모듈(21 ~ 28)과 복수개의 발전 모듈(21 ~ 28)의 각각에 병렬로 접속된 적어도 1개의 축전 수단을 가진다. 상기 복수개의 발전 모듈(22 ~ 28)의 각각의 양(+)극(62)을 양의 모선(6; 陽母線)에 접속 및 분리할 수 있는 복수개의 제1 스위치 수단 S11a ~ S17a를 설치하고, 복수개의 발전 모듈(22 ~ 28)의 각각의 양극(62)을 다른 한쪽에 인접하는 발전 모듈(21 ~ 27)의 음극(60)에 접속 및 분리할 수 있는 복수개의 제2 스위치 수단 S11b ~ S17b를 설치하고, 복수개의 발전 모듈(21 ~ 27)의 각각의 음(-)극(60)을 음의 모선(7; 陰母線)에 접속 및 분리할 수 있는 복수개의 제3 스위치 수단 S1 ~ S7을 설치하고, 스위치 수단 S1 ~ S7, S11a ~ S17a, 및 S11b ~ S17b를 절환함으로써, 직류의 출력 전압을 단계적으로 증감시킬 수 있다.

발전, 전지, 모선, 스위치 수단, 제어 장치, 인버터 회로

Description

교류 발전 시스템 {ALTERNATING CURRENT GENERATOR SYSTEM}

본 발명은, 태양 전지나 연료 전지 등으로 발생시킨 직류 전력으로부터 인버터 회로(inverter circuit)를 통하여 교류 전력을 발생시키는 발전 시스템에 관한 것으로서, 직류 전력의 전압을 다단계로 절환하는 스위칭 기구, 축전 기능, 발전 성능의 개선을 특징으로 한다.

최근, 솔라(solar) 발전 시스템의 태양 전지의 제작비가 점점 싸져서, 많은 가정에 솔라 발전 시스템이 보급되고 있지만, 대다수의 솔라 발전 시스템은, 가정에 공급되어 있는 상용 단상 교류 계통과 연계하는 계통 연계형 시스템이다. 가정용 솔라 발전 시스템의 태양 전지는, 수kW의 출력을 가지며, 수 10매의 발전 모듈을 직렬 및 병렬로 접속하고 있다. 상기 계통 연계형의 솔라 발전 시스템에서는, 직류 전력을 인버터 회로를 통하여 단상 교류 계통에 적합한 교류 전력으로 변환할 필요가 있다.

도 24에 나타낸 공지의 솔라 발전 시스템은, 인버터 회로를 PWM 방식으로 제어하는 일반적인 계통 연계형의 시스템이며, 복수개의 발전 모듈을 직렬로 접속한 것을 복수 병렬로 접속한 태양 전지(100), 인버터 회로(101), 인버터 회로(101)를 절환 제어하는 제어 장치(102)가 설치된다. 상기 제어 장치(102)는, 교류 계통의 기준 전압을 검출하는 전압 검출기(103), 검출 전압을 증폭하는 증폭기(104), 삼각파 발생기(105), PWM 제어부(106) 등을 포함한다. 도 24에 나타낸 바와 같이, PWM 제어부(106)는, 도 25에 나타낸 기준 전압에 따른 지령 전압의 정현파(107)와 삼각파 발생기(105)에서 발생한 도 25에 나타낸 반송파(108)에 따라 인버터 회로(101)의 스위치 소자를 제어하고, 도 23에 나타낸 바와 같은 직사각형의 교류 전압(109)을 발생시켜, 상기 직사각형의 교류 전압(109)을 필터 회로에 의해 평활화함으로써, 정현파 형상의 교류 전력으로 변환하여 교류 계통으로 출력한다.

이상의 PWM 방식으로 인버터 회로를 제어하는 도 24, 도 25의 기술에 있어서는, 태양 전지의 출력을 단속(斷續)시켜서 교류 전력으로 변환하기 때문에, 태양 전지의 출력을 약 90%정도 밖에 활용할 수 없는 문제가 있다. 또한, 인버터 회로의 스위칭 소자의 절환 빈도나 교류 계통의 임피던스에 관련되는 고조파 성분이 발생하기 때문에, 상기 고조파 성분을 흡수하기 위하여 우수한 필터 수단이나 전자 장해 제거 수단 등을 설치하여야 한다. 또한, 큰 전압 변화에 따른 스위칭 회수가 많아지므로, 인버터 회로의 스위칭 소자 등의 파워 디바이스에 있어서의 손실이 커지는 문제도 있다.

다른 한편으로는, 복수개의 태양 전지 중에서 실제로 출력하는 태양 전지의 수를 절환함으로써, 출력 전압을 다단계로 절환하는 전지 절환 방식의 솔라 발전 시스템도 제안되어 있다. 상기 발전 시스템에서는, 도 26에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 10V, 20V, 40V, 80V의 직류 전력을 발생할 수 있는 4개의 태양 전지(110)를 설치하고, 스위치 S1 , S2 , S3 , S4 중, 스위치 S1 만 온(on)하여, 10V의 직류 전력을 출력시켜, 온으로 절환하는 스위치를 적절하게 조합함으로써, 직류 전력의 전압을 10V단위로 단계적으로 증감시켜서, 20V, 30V,···140V, 150V로 절환할 수 있다. 직류 전력은 인버터 회로(111)에 의해, 도 27(a), (b)에 나타낸 바와 같은 교류 전력으로 변환하여 교류 계통에 출력한다.
상기 도 26, 도 27에 도시한 전지 절환 방식의 솔라 발전 시스템의 경우, 상기 도 24의 발전 시스템과 비교하면, 고조파나 전자 장해의 발생은 개선된다. 그러나, 4개의 태양 전지의 출력을 활용하는 것은 피크 전압을 발생시키는 극히 짧은 기간에 지나지 않고, 대부분의 기간에서 하나 내지 복수개의 태양 전지가 아이들(idle) 상태가 되기 때문에, 태양 전지의 이용율이 현저하게 낮아지는 문제가 있다.

그런데, 이들 4개의 태양 전지(110) 중에서 건물 등의 그림자에 위치하게 되어, 부분적으로 태양광이 조사(照射)되지 않는 경우에는, 그림자에 위치한 태양 전지(110)로부터의 발전량이 현저하게 감소하여 출력 전압이 저하하게 되어, 교류 전력을 정상적으로 출력할 수 없게 된다. 또한, 태양광이 조사되지 않는 야간에 있어서는, 이들 4개의 태양 전지(110)는 모두 직류 전압이 발생하지 않기 때문에, 태양 전지(110)에 의해 발전하는 발전 시간이 제한되어서, 발전 시스템에 의한 발전 성능을 충분히 발휘할 수 없게 되는 문제도 있다.

삭제

청구항 1의 교류 발전 시스템은, 태양광으로부터 직류 전력을 발전하는 발전 장치와, 상기 발전 장치로 발전한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 회로를 구비한 교류 발전 시스템에 있어서, 상기 발전 장치는, 복수개의 태양 전지 셀을 각각 구비한 복수개의 태양 전지 모듈과, 복수개의 태양 전지 모듈의 각각에 병렬 접속된 복수개의 축전 수단을 가지고, 상기 인버터 회로의 입력 측에 접속된 양(+)과 음(-)의 모선(母線)과, 복수개의 태양 전지 모듈의 각각의 양극을 양의 모선에 접속 및 분리 가능한 복수개의 제1 스위치 수단과, 복수개의 태양 전지 모듈의 각각의 양극을 다른 한쪽에 인접하는 태양 전지 모듈의 음극에 접속 및 분리 가능한 복수개의 제2 스위치 수단과, 복수개의 태양 전지 모듈의 각각의 음극을 음의 모선에 접속 및 분리 가능한 복수개의 제3 스위치 수단을 구비하고, 상기 각 태양 전지 모듈의 복수개의 태양 전지 셀은 복수행 복수열로 배열되고, 각 행의 복수개의 태양 전지 셀이 병렬 접속됨과 함께 각 열의 복수개의 태양 전지 셀이 직렬 접속되고, 상기 복수개의 축전 수단의 각각은 각 행의 복수개의 태양 전지 셀에 병렬 접속된 것을 특징으로 한다.

복수개의 태양 전지 모듈의 각각은 태양광을 수광(受光)하여 소정 전압의 직류 전력을 항상 발생함과 동시에, 복수개의 태양 전지 모듈의 각각에 병렬로 접속된 축전 수단은, 이들 태양 전지 모듈로부터 출력되는 소정 전압의 직류 전력을 받아서, 상기 직류 전력을 항상 축전한다.

그래서, 모든 제1 스위치 수단을 온하고, 모든 제2 스위치 수단을 오프(off)하고, 모든 제3 스위치 수단을 온하면, 모든 태양 전지 모듈이 양과 음의 모선에 병렬로 접속되어서, 직류의 출력 전압은 최저 전압 Vmin이 된다.

복수개의 태양 전지 모듈을 복수개의 군으로 구분하여, 각 군의 복수개의 태양 전지 모듈을, 복수개의 제2 스위치 수단에 의해 직렬로 접속한 상태에서, 제1, 제3 스위치 수단에 의해 양과 음의 모선에 병렬로 접속할 수 있다. 직렬로 접속한 태양 전지 모듈의 수를 2개로 하면, 직류의 출력 전압은 2Vmin이 되고, 직렬로 접속한 태양 전지 모듈의 수를 4개로 하면, 직류의 출력 전압은 4Vmin이 된다. 이같이, 발전 장치로부터 출력하는 직류의 출력 전압을, 단계적으로 증가시키거나 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 모든 태양 전지 모듈의 출력을 유효하게 활용하면서, 상기와 같이, 제1, 제2, 제3 스위치 수단을 절환하기만 하면, 직류의 출력 전압을 단계적으로 절환할 수 있다. 따라서, 태양 전지 모듈의 아이들(idle)이 생기지 않고, 태양 전지 모듈의 이용 비율을 충분히 높일 수 있다.

복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단을 절환하더라도, 스위치 수단의 절환 시의 전압 변화가 작기 때문에, 종래의 PWM 방식의 인버터 회로를 이용하는 경우보다 노이즈나 고조파가 잘 발생하지 않는다. 그러므로, 노이즈나 고조파의 흡수나 전자 장해 대책을 위한 필터 용량을 작게 하는 등 부수되는 전기 회로의 구조를 간단하게 할 수 있다. 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단의 절환 빈도도, PWM 방식의 인버터 회로의 스위칭 소자의 절환 빈도보다 적어지게 되고, 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단에는, 소형 스위칭 소자를 적용할 수 있어서, 스위칭 로스(switching loss) 및 스위칭 소자의 비용도 저감한다.

여기서, 날씨가 흐릴 때, 아침, 저녁 등 태양 전지 모듈의 출력 전압의 저하에 따라, 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단의 접속 패턴을 바꾸어서, 발전 장치로부터 출력하는 직류 전력의 전압을 조정할 수도 있기 때문에, 승압 쵸퍼(chopper)를 설치할 필요도 없고, 범용성과 자유도가 높은 시스템이 된다. 그리고, 출력 전압을 단계적으로 높이면, 출력 전류가 단계적으로 감소하고, 출력 전압을 단계적으로 낮게 하면 출력 전류가 단계적으로 증가하는 전력 특성을 가지도록 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단을 절환할 수 있기 때문에, 발전 장치를 최대 전력점에서 동작하도록 제어할 수 있게 된다.

또, 복수개의 태양 전지 모듈 중 임의의 모듈에 대하여, 출력 전압 특성이 고르지 못하거나 건물 등에 일부가 가려져서 그늘지게 되어, 발전량이 현저하게 저하하는 경우에는, 출력 전압이 저하된 태양 전지 모듈에 병렬로 접속된 축전 수단으로부터, 태양 전지 모듈의 출력 전압의 저하를 보충하도록, 소정 전압의 직류 전력이 양과 음의 모선에 출력되기 때문에, 출력 전력의 평준화를 도모하여 , 태양 전지 모듈의 직류 전압-직류 전류 특성을 개선할 수 있다. 또한, 태양광이 조사되지 않는 야간에, 이들 복수개의 태양 전지 모듈 전부로부터 직류 전력이 발생하지 않는 경우라도, 축전된 축전 수단으로부터 소정 전압의 직류 전력이 양과 음의 모선에 출력되기 때문에, 발전 시간이 제한되지 않고, 발전 장치에 의한 발전 성능을 현저하게 개선할 수 있다.

이상이, 본 발명의 발전 시스템의 작용 효과이다.

여기서, 본 발명에 다음과 같은 각종 구성을 채용할 수도 있다.

(a) 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단은, 각각 반도체 스위칭 소자로 구성되며, 이들 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단을 절환 제어함으로써, 상기 발전 장치의 출력 전압을 단계적으로 절환하는 제어 장치를 설치한다.

(b) 상기 복수개의 태양 전지 모듈을 복수개의 군으로 구분하고, 상기 제어 장치에 의해, 각 군의 복수개의 태양 전지 모듈을, 복수개의 제2 스위치 수단에 의해 직렬로 접속한 상태에서, 제1, 제3 스위치 수단에 의해 양과 음의 모선에 병렬로 접속할 수 있도록 구성한다.

(c) 상기 인버터 회로는 복수개의 반도체 스위칭 소자를 구비하고, 이들 반도체 스위칭 소자는 상기 제어 장치에 의해 제어된다.

(d) 상기 발전 시스템으로부터 전력의 공급을 받는 교류 전력 계통의 전압을 검출하는 전압 검출 수단을 설치하고, 상기 제어 장치는 전압 검출 수단의 검출 신호에 따라, 제1, 제2, 제3 스위치 수단과, 상기 인버터 회로의 복수개의 반도체 스위칭 소자를 제어한다.

(f) 상기 발전 장치의 복수개의 태양 전지 모듈과 복수개의 제1 스위치 수단과 복수개의 제2 스위치 수단과 복수개의 제3 스위치 수단은 공통의 제1 기판의 상면(上面)에 장착되고, 상기 인버터 회로와 제어 장치는 공통의 제2 기판의 하면(下面)에 장착되고, 상기 제1, 제2 기판의 사이에 복수개의 축전 수단이 협착되고, 상기 제1, 제2 기판과 복수개의 축전 수단을 수용하는 평면으로 볼 때 직사각형의 본체 케이스와 상기 본체 케이스의 상면을 커버하는 투명한 커버 부재가 구비되고, 상기 제1, 제2 기판과 복수개의 축전 수단을 본체 케이스 안에 수용하여 본체 케이스 안에 충전한 투명 합성 수지 안에 채우고, 본체 케이스의 상면을 커버 부재로 커버하는 것으로 패키지화하였다.
(g) 상기 각 태양 전지 셀은, 입상(粒狀)의 반도체에 pn접합을 형성하여 이루어지는 솔라셀(solar cell)로 이루어진다.

삭제

(h) 상기 축전 수단은 전기 이중층 콘덴서이다.

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(i) 상기 축전 수단은 2차 전지이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 관한 발전 시스템의 구성도이다.

도 2는 발전 유닛의 단면도이다.

도 3은 발전 유닛의 단면도이다.

도 4는 발전 유닛의 단면도이다.

도 5는 스위치 S1 ~ S7의 구성을 나타낸 트랜지스터 회로도이다.

도 6은 스위치 S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b의 구성을 나타낸 트랜지스터 회로도이다.

도 7은 발전 시스템의 제어 장치의 블록도이다.

도 8은 발전 모드 M1일 때의 발전 시스템의 작용 설명도이다.

도 9는 발전 모드 M2일 때의 발전 시스템의 작동 설명도이다.

도 10은 발전 모드 M4일 때의 발전 시스템의 작동 설명도이다.

도 11은 발전 모드 M8일 때의 발전 시스템의 작동 설명도이다.

도 12는 고입사광 상태에 있어서의 도 1의 발전 시스템으로부터 출력하는 직류 전력의 전압 파형과 단상 교류 계통의 전압 파형을 나타낸 도면이다.

도 13은 저입사광 상태에 있어서의 도 1의 발전 시스템으로부터 출력하는 직류 전력의 전압 파형과 단상 교류 계통의 전압 파형을 나타낸 도면이다.

도 14는 패키지화한 발전 시스템의 평면도이다.

도 15는 도 14에 있어서의 N-N선 단면도이다.

도 16은 상측에 배치한 태양 전지 기판의 평면도이다.

도 17은 하측에 배치한 전자 부품 기판의 배면도이다.

도 18은 변경 형태에 관한 발전 시스템의 구성도이다.

도 19는 태양 전지 모듈의 회로도이다.

도 20은 도 18의 발전 시스템에 있어서의 발전 모드와 출력 전압 등을 설명한 도표이다.

도 21은 도 18의 발전 시스템을 2개 설치한 발전 시스템의 구성도이다.

도 22는 도 21의 발전 시스템에 있어서의 출력 전압의 설명한 도표이다.

도 23은 발전 시스템으로부터 출력되는 직류 전력의 전압 파형과 단상교류 계통의 전압 파형을 나타낸 도면이다.

도 24 ~ 도 27은 선행 기술을 나타낸 것으로서,

도 24는 선행 기술에 관한 PWM 방식의 발전 시스템의 전체 구성도이다.

도 25는 상기 PWM 방식에 있어서의 지령 전압 정현파와 반송파와 직사각형파 교류 전압 등의 타임 차트이다.

도 26은 선행 기술에 관한 전지 절환 방식의 발전 시스템의 전체 구성도이다.

도 27(a)는 도 24의 발전 시스템에서 발생하는 전압 파형을 나타낸 도면 이다.

도 27(b)는 도 24의 발전 시스템에서 발생하는 전류 파형을 나타낸 도면이다.
<도면부호의 설명>
1, 1A : 발전 시스템
2, 2A : 발전 장치
3, 3A : 인버터 회로
4 : 제어 장치
5 : 전압 검출기
6 : (＋) 모선
7 : (―) 모선
21 ~ 28, 21A ~ 25A : 발전 모듈(태양 전지 모듈)
30, 30A, 30B, 30C : 발전 유닛(태양 전지 셀)
S1 ~ S7 : 스위치
S11a ~ S17a, S11b ~ S17b : 스위치
S71 ~ S74, S81 ~ S84 : 스위치
51 ~ 54 : 스위칭 소자
29, 29a, 29b : 전기 이중층 콘덴서
59 : 병렬 접속선
60 : (―) 극
62 : (＋) 극
61, 63, 64 : 트랜지스터(반도체 스위칭 소자)
80 : 본체 케이스
81 : 커버 부재
82 : 태양 전지 기판(제1 기판)
83 : 전자 부품 기판(제2 기판)
85 : 투명 실리콘 수지

이하, 본 발명의 발전 시스템을 실시하기 위한 실시예에 대하여 설명한다.

도 1 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 발전 시스템(1)은, 태양광으로부터 직류 전력을 발전하는 발전 장치(2)와, 상기 발전 장치(2)에 의해 발전된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 단상 교류 계통으로 출력하는 인버터 회로(3)와, 발전 장치(2)의 직류 전력의 전압을 복수 단계로 절환하기 위한 스위칭 기구 Sm과, 이들 스위칭 기구 Sm와 인버터 회로(3)의 스위칭 소자(51 ~ 54)를 제어하는 제어 장치(4)와, 단상 교류 계통의 전압을 검출하여 제어 장치(4)에 입력하는 전압 검출기(5) 등을 가진다.

설명의 편의상, 본 실시예에 있어서의 발전 장치(2)는, 8개의 발전 모듈(21 ~ 28)과, 발전 모듈(21 ~ 28)의 각각에 병렬로 접속하도록, 양극(62)과 중단부의 병렬 접속선(59)에 접속된 축전용의 전기 이중층 콘덴서(29a) 및 병렬 접속선(59)과 음극(60)에 접속된 축전용의 전기 이중층 콘덴서(29b)를 구비하고 있다. 이들 발전 모듈(21 ~ 28)은 1열 형태로, 발전 방향을 일치시켜 배치하고, 각 발전 모듈(21 ~ 28)은 2행 × 5열의 매트릭스 형태로 배치되어 병렬 및 직렬로 접속된 10개의 발전 유닛(30)을 구비하고 있다. 다시 말해, 각 행의 5개의 발전 유닛(30)은 병렬 접속되고, 각 열의 2개의 발전 유닛(30)은 직렬 접속되고 있다. 또한, 상기의 각 발전 모듈(21 ~ 28)이 태양 전지 모듈에 상당하고, 발전 유닛(30)은 태양 전지 셀에 상당한다.

각 발전 유닛(30)은, 예를 들면 도 2 내지 도 4에 나타낸 3종류의 입상의 솔라셀(30A ~ 30C) 중에서 선택된 솔라셀로 이루어지고, 태양광을 수광하여, 예를 들면 0.5 ~ 0.6 V의 직류를 발생할 수 있다.

도 2의 솔라셀(30A)은, 직경 1.5mm ~ 3.0mm정도의 n형 실리콘으로 이루어지는 구형 반도체(31), p형의 확산층(32), pn접합(33), 산화 실리콘의 절연막(34), 구형 반도체(31)의 중심을 협지하여 대향하는 양극(35)과 음극(36) 등으로 이루어진다. 또한, 이러한 종류의 솔라셀(30A)에 대하여는, 본원 출원인의 출원에 관한 WO98/15983호 공보에 기재되어 있다. 도 3의 솔라셀(30B)는, 상기와 동일한 크기의 p형 실리콘으로 이루어지는 구형 반도체(37), n형의 확산층(38), pn접합(39), 산화 실리콘의 절연막(40), 구형 반도체(37)의 중심을 협지하여 대향하는 양극(41)과 음극(42) 등으로 이루어지고, 양극(41)과 음극(42)을 식별하기 쉽게 하기 위해서, 구형 반도체(37)의 저부에 형성한 평탄면에 양극(41)이 형성되어 있다. 도 4에 나타낸 솔라셀(30C)은, 직경 약 1.5mm ~ 3.0mm정도의 p형 실리콘으로 이루어지는 원기둥형의 반도체(43), n형의 확산층(44), pn접합(45), p+ 확산층(46), 산화 실리콘의 절연막(47), 양단부에 설치된 양극(48)과 음극(49) 등으로 이루어진다.

단, 상기의 솔라셀(30A ~ 30C)은 일례를 나타낸 것에 지나지 않고, 발전 모듈로서는, 1.0V ~ 10.0V정도의 직류 전력을 발전하는 기능이 있는 각종 발전 모듈(예를 들면, 1매의 패널 형태의 태양 전지나 복수개의 작은 패널 형태의 태양 전지를 집합하여 패널화한 태양 전지 등)을 적용할 수 있다. 또, 발전 유닛(30)으로서는, 예를 들면 비교적 낮은 전압의 직류 전력을 발생하는 각종의 발전 유닛 또는 발전부 또는 발전 기능부(예를 들면, 1매의 패널 형태의 태양 전지나 복수개의 작은 패널 형태의 태양 전지를 집합하여 패널화한 태양 전지에 포함되는 하나 또는 복수개의 발전부나 발전 기능부)를 적용할 수도 있다.

상기 축전용의 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)는, 전해액에 접촉시킨 활성탄을 전극으로 사용하고, 전해액과 활성탄을 접촉시켜, 전압을 인가하면 그 계면에 분극이 생겨, 콘덴서와 같이 축전하는 것이며, 공해가 적고, 충방전 회수가 뛰어나서 비교적 큰 전기용량을 축전할 수 있다. 각 발전 모듈에 있어서, 전기 이중층 콘덴서(29a)는 양극(62)과 병렬 접속선(59)에 접속되고, 병렬로 접속된 상단의 5개의 발전 유닛(30)에 병렬로 접속되어 있다. 또, 전기 이중층 콘덴서(29b)는 병렬 접속선(59)과 음극(60)에 접속되고, 병렬로 접속된 하단의 5개의 발전 유닛(30)에 병렬로 접속되어 있다.

그러므로, 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)는, 상기 병렬로 접속된 복수개의 발전 유닛(30)으로부터 발생한 직류 전력을 받아서, 이 직류 전력을 항상 축전하게 된다. 단, 어느 하나 또는 복수개의 발전 유닛(30)의 발전량이 현저하게 저하하는 경우에는, 이들 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)로부터, 출력전력의 저하를 보충하도록, 소정 전압의 직류 전력이 양과 음의 모선(6, 7)에 출력된다.

인버터 회로(3)는, 예를 들면 n채널형 IGBT로 이루어지는 4개의 스위칭 소자(51 ~ 54)를 브리지 형으로 접속한 것이며, 각 스위칭 소자(51 ~ 54)에는 환류 다이오드(55 ~ 58)도 접속되어 있다. 이들 4개의 스위칭 소자(51 ~ 54)는, 제어 장치(4)로부터의 제어 신호에 의해 제어된다. 스위칭 소자(51, 54)와 스위칭 소자(53, 52)를 그룹화하여, 서로 번갈아 도통시킴으로써, 출력 단자(8, 9)로부터 단상교류 계통에 교류를 출력하게 구성되어 있다.

다음에, 상기 스위칭 기구 Sm에 대하여 설명한다.

상기 인버터 회로(3)의 입력 측에는, 양의 모선(6)과 음의 모선(7)이 접속되어 있다. 상기 스위칭 기구 Sm은, 발전 장치(2)와 인버터 회로(3)의 사이에 설치되어, 발전 장치(2)에 의해 발전되어 인버터 회로(3)에 출력하는 직류 전력의 출력 전압을 복수 단계로 절환하기 때문에, 8개의 발전 모듈(21 ~ 28)을 임의개씩 직렬로 접속하여, 직렬로 접속된 각 발전 모듈 군을 인버터 회로(3)에 병렬로 접속할 수 있게 하는 것이다. 상기 스위칭 기구 Sm은, 복수개의 스위치 S1 ~ S7, S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b를 가진다. 스위치 S1 ~ S7은, 7개의 발전 모듈(21 ~ 27)의 각각의 음극(60)을 음의 모선(7)에 접속하는 상태와 분리하는 상태로 절환 가능한 스위치이다. 상기 스위치 S1 ~ S7의 각각은, 예를 들어, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(4)에 의해 온/오프로 제어되는 npn형 바이폴라 트랜지스터(61; bipolar transistor)로 구성되어 있다.

스위치 S11a ~ S17a는, 각각 7개의 발전 모듈(22 ~ 28)의 양극(62)을 양의 모선(6)에 접속하는 상태와 분리하는 상태로 절환할 수 있는 스위치이다. 스위치 S11b ~ S17b는, 각각 7개의 발전 모듈(22 ~ 28)의 양극(62)을 양극(62) 측에 인접하는 1개의 발전 모듈(21 ~ 27)의 음극(60)에 접속하는 상태와 분리하는 상태로 절환 가능한 스위치이다. 스위치 S11a ~ S17a의 각각은, 예를 들면 도 6에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(4)에 의해 온/오프로 제어되는 npn형 바이폴라 트랜지스터(63)로 구성되며, 스위치 S11b ~ S17b의 각각은, 예를 들면 도 6에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(4)에 의해 온/오프로 제어되는 npn형 바이폴라 트랜지스터(64)로 구성되어 있다.

단, 트랜지스터(63)가 온되면 트랜지스터(64)가 오프로 되고, 트랜지스터(64)가 온되면 트랜지스터(63)가 오프로 된다. 이와 같이, 바이폴라 트랜지스터(63)에 의해 양극(62)을 양의 모선(6)에 접속 및 분리 가능하며, 바이폴라 트랜지스터(64)에 의해 양극(62)을 인접하는 발전 모듈의 음극(60)에 접속 및 분리할 수 있다.

그리고, 상기 스위치 S11a ~ S17a로서의 복수개의 트랜지스터(63)가 복수개의 제1 스위치 수단에 해당하고, 스위치 S11b ~ S17b로서의 복수개의 트랜지스터(64)가 복수개의 제2 스위치 수단에 해당하며, 스위치 S1 ~ S7로서의 복수개의 트랜지스터(61)가 복수개의 제3 스위치 수단에 해당한다. 또, npn형 바이폴라 트랜지스터(61, 63, 64)는 일례에 지나지 않고, 이들과 동일하게 온/오프로 제어 가능한 어떠한 스위칭 소자를 적용할 수도 있다. 인버터 회로(3)의 스위칭 소자(51 ~ 54)도 일례에 지나지 않고, MOSFET 등 다른 스위칭 소자를 적용할 수도 있다.

다음에, 제어 장치(4)에 대하여 설명한다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(4)는, CPU(65)와 ROM(66)과 RAM(67)으로 이루어지는 컴퓨터와, 입출력 인터페이스(68)를 주체로 해서 구성되며, 스위치 S1 ~ S7, 스위치 S11a ~ S17a 및 스위치 S11b ~ S17b가 입출력 인터페이스(68)에 각각 접속되어 있다. 상기 단상 교류 계통의 교류 전압을 검출하는 전압 검출기(5)가 설치되어, 상기 전압 검출기(5)의 검출 신호가, 제어 장치(4)에 입력된다. 제어 장치(4)의 ROM(66)에는, 전압 검출기(5)로부터의 검출 신호에 따라, 스위치 S1 ~ S7과 스위치 S11a ~ S17a 및 스위치 S11b ~ S17b와 스위칭 소자(51 ~ 54)를, 후술하는 바와 같이 절환 제어하는 제어 프로그램이 미리 저장되어 있다.

제어 장치(4)는, ROM(66)의 제어 프로그램에 따라, 스위치 S1 ~ S7과 스위치 S11a ~ S17a 및 스위치 S11b ~ S17b를 온/오프로 제어함으로써, 발전 장치(2)의 직류 전력의 출력 전압을 단계적으로 절환한다.

본 실시예에 있어서의 각 발전 모듈(21 ~ 28)의 발전 전압은 약 1.0V ~ 1.2V이므로, 도 8에 나타낸 바와 같이 스위치 S1 ~ S7과 스위치 S11a ~ S17a를 접속하도록 절환 상태(이것을 발전 모드 M1이라 한다)에 있어서, 모든 발전 모듈(21 ~ 28)을 양과 음의 모선(6, 7)에 병렬로 접속하면, 태양광을 수광하여 발전하는 발전 장치(2)는 약 1.0V ~ 1.2V의 직류 전력을 출력한다.

도 9에 나타낸 바와 같이 스위치 S1 ~ S7과 스위치 S11a ~ S17a 및 스위치 S11b ~ S17b를 절환하며, 8개의 발전 모듈(21 ~ 28)을 2개씩 4군으로 구분하고, 각 군의 2개의 발전 모듈을 직렬로 접속한 상태(이것을 발전 모드 M2라 한다)에서, 4개의 발전 모듈 군을 양과 음의 모선(6, 7)에 병렬로 접속한 상태에 있어서, 발전 장치(2)는 약 2.0V ~ 2.4V의 직류 전력을 출력한다.

도 10에 나타낸 바와 같이 스위치 S1 ~ S7과 스위치 S11a ~ S17b 및 스위치 S11a ~ S17b를 절환하며, 8개의 발전 모듈(21 ~ 28)을 4개씩 2개의 군으로 구분하고, 각 군의 4개의 발전 모듈을 직렬로 접속한 상태(이것을 발전 모드 M4라 한다)에서 2개의 발전 모듈 군을 양과 음의 모선(6, 7)에 병렬로 접속한 상태에 있어서, 발전 장치(2)는 약 4.0 ~ 4.8V의 직류 전력을 출력한다.

도 11에 나타낸 바와 같이 스위치 S1 ~ S7과 스위치 S11a ~ S17a 및 스위치 S11b ~ S17b를 절환하며, 8개의 발전 모듈(21 ~ 28)을 직렬로 접속한 상태(이것을 발전 모드 M8이라 한다)에서, 발전 장치(2)는 약 8.0V ~ 9.6V의 직류 전력을 출력한다. 단, 전술한 발전 모드 M1, M2, M4, M8의 어떤 모드에 있어서도, 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)의 각각은, 이것에 병렬로 접속된 발전 유닛(30)의 발전 전압(약 0.5V ~ 0.6V)과 같은 전압의 직류 전력으로 항상 축전되어 있다. 특히, 단상 교류 계통에 의한 전력 소비량이 적은 경우에는, 발전 유닛(30)에 의해 발전된 미사용의 직류 전력이 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)에 확실하게 축전되어서, 풀(full) 충전 상태가 된다.

그래서, 맑은 날의 주간처럼, 태양광에 의한 입사광 양이 많은 고입사광 상태에 있어서는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(4)에 의해, 전압 검출기(5)로 검출되는 단상 교류 계통의 교류 전압의 교류 파형(70)에 맞추어서, 스위칭 소자(51 ~ 54)와, 스위치(S1 ~ S7)와, 스위치(S11a ~ S17a) 및 스위치(S11b ~ S17b)를 적절하게 절환 제어(온 상태를 사선으로 나타내고, 오프 상태를 공백으로 나타내고 있다)를 행하고, 최초의 시간 t1에 있어서 발전 모드 M1으로 절환하고, 다음 시간 t2에 있어서 발전 모드 M2로 절환하고, 그 다음 시간 t3에 있어서 발전 모드 M4로 절환하는 절환 제어를 차례로 행함으로써, 인버터 회로(3)의 출력 단자(8, 9)로부터, 실선으로 나타낸 계단형으로 변화하는 전압 파형(71)의 교류 전력을 단상교류 계통으로 출력할 수 있다.

한편, 흐린 날이나 아침, 저녁과 같이, 태양광에 의한 입사광 양이 적은 저입사광 상태에 있어서는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(4)에 의해, 전압 검출기(5)에서 검출한 단상 교류 계통의 교류 전압의 교류 파형(70)에 맞추어, 스위칭 소자(51 ~ 54)와 스위치 S1 ~ S7와 스위치 S11a ~ S17a 및 스위치 S11b ~ S17b를 적절하게 절환 제어(온 상태를 사선으로 나타내고, 오프 상태를 공백으로 나타낸다)를 행하고, 최초의 시간 t1에 있어서 발전 모드 M1으로 절환하고, 다음 시간 t2에 있어서 발전 모드 M2로 절환하고, 그 다음 시간 t3에 있어서 발전 모드 M4로 절환하고, 그 다음 시간 t4에 있어서 발전 모드 M8로 절환하는 절환 제어를 차례로 행함으로써, 입사광 양이 적은 경우라도, 인버터 회로(3)의 출력 단자(8, 9)로부터, 실선으로 나타낸 계단형으로 변화하는 전압 파형(72)의 교류 전력을 단상 교류 계통에 효율적으로 출력할 수 있다.

이 경우, 고입사광 상태와 저입사광 상태를 구별하여, 단상 교류 계통의 주파수에 맞도록, 도시한 시간 t1, t2, t3, t4···를 컴퓨터에 미리 설정하여 둠으로써, 전압 검출기(5)로부터의 검출 전압에 따라, 입사광 상태에 따라 스위치 S1 ~ S7과 스위치 S11a ~ S17a 및 스위치 S11b ~ S17b를 절환함으로써, 출력 전압을 단계적으로 절환할 수 있다.

그리고, 단상 교류 계통의 전압이 음으로부터 양으로 바뀔 때, 스위칭 소자(51, 54)를 도통시키면서 스위칭 소자(52, 53)를 오프로 절환하고, 단상 교류 계통의 전압이 양으로부터 음으로 바뀔 때, 스위칭 소자(52, 53)를 도통시키면서 스위칭 소자(51, 54)를 오프로 절환한다.

그런데, 예를 들면, 발전 모듈(21)이 가지는 복수개의 발전 유닛(30), 상단에 병렬로 접속된 5개의 발전 유닛(30)의 전부 또는 부분적으로, 출력 전압 특성에 불균일이 있거나, 건물 등에 태양에 가려져서, 이들 5개의 발전 유닛(30)으로부터의 총발전량이 현저하게 저하되어, 그 출력 전압이 전기 이중층 콘덴서(29a)에 축전된 축전 전압보다 낮을 경우, 전기 이중층 콘덴서(29a)로부터, 출력 전력의 저하를 보충하도록, 소정 전압의 직류 전력이 양과 음의 모선(6, 7)에 출력되기 때문 에, 출력 전력의 평준화를 도모할 수 있고, 발전 모듈(21)의 직류 전압-직류 전류 특성을 개선할 수 있다. 여기서는, 발전 모듈(21)에 대하여 설명했지만, 다른 발전 모듈(22 ~ 28)에도 동일한 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)가 설치되어 있으므로, 마찬가지로 고속으로 작동한다.

또한, 태양광이 조사되지 않는 야간이 되어, 이들 복수개의 발전 모듈(21 ~ 28)의 전부로부터 직류 전압이 발생하지 않게 되었을 경우에는, 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)에 축전된 소정 전압의 직류 전력이 양과 음의 모선(6, 7)에 출력되기 때문에, 발전 시간이 제한되지 않고, 발전 장치(2)에 의한 발전 성능을 현저하게 개선할 수 있다. 그리고, 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)의 용량은 필요에 따른 적절한 용량으로 설정하여 두는 것으로 가정한다.

이상 설명한 발전 시스템(1)에 있어서는, 스위칭 기구 Sm의 스위치 S1 ~ S7, S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b를, 발전 모드에 대응하는 각종 패턴으로 절환함으로써, 발전 시스템(1)으로부터 출력하는 직류의 출력 전압을, 단계적으로 증가시키거나 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 모든 발전 모듈(21 ~ 28)의 출력을 효과적으로 활용하면서, 상기와 같이, 스위치 S1 ~ S7, S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b를 절환하기만 하면, 직류의 출력 전압을 단계적으로 절환할 수 있다. 그러므로, 발전 모듈(21 ~ 28)의 아이들이 생기지 않고, 발전 모듈(21 ~ 28)의 이용 비율을 충분히 높일 수 있다.

복수개의 스위치 S1 ~ S7, S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b를 절환한다 하더라도, 스위치의 절환 시의 전압 변화가 작기 때문에, 노이즈나 고조파가 잘 발생하지 않는다. 그러므로, 노이즈나 고조파의 흡수나 전자 장해 대책을 위한 필터 용량을 작게 하는 등 부수적인 전기 회로의 구조를 간단하게 할 수 있다. 스위치 S1 ~ S7, S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b의 절환 빈도도, PWM 방식의 인버터 회로의 스위칭 소자의 절환 빈도보다 적어지게 되고, 스위치 S1 ~ S7, S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b으로서, 소형 스위칭 소자를 적용할 수 있어서, 비용을 저감할 수 있고, 스위칭 로스도 저감할 수 있다.

여기서, 흐린 날이나, 아침, 저녁 등 발전 모듈(21 ~ 28)의 출력 전압의 저하에 따라, 스위치 S1 ~ S7, S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b의 절환 패턴을 바꾸어서, 직류 전력의 전압을 조정할 수도 있기 때문에, 승압 쵸퍼를 설치할 필요도 없고, 범용성과 자유도가 높은 염가의 시스템이 된다. 또, 출력 전압을 단계적으로 높이면 출력 전류가 단계적으로 감소하고, 출력 전압을 단계적으로 낮게 하면 출력 전류가 단계적으로 증가하는 특성이 되도록 스위치 S1 ~ S7, S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b의 절환이 가능하기 때문에, 발전 장치(2)를 최대 전력점에서 동작시키는 제어가 가능하게 된다.

발전 모듈(21 ~ 28)의 각각에 병렬로 접속하도록, 전기 이중층 콘덴서(29a)와, 전기 이중층 콘덴서(29b)를 설치하고 있으므로, 일부의 발전 유닛(30)의 출력 전압 특성에 불균일이 생기거나, 일부의 발전 유닛(30)이 건물에 가려지는 경우에, 이들 발전 유닛(30)으로부터의 출력 전압이 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)에 축전되어 있는 축전 전압보다 낮아질 경우에는, 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)로부터, 출력 전력의 저하를 보충하도록, 소정 전압의 직류 전력이 양과 음의 모선(6, 7)에 출력되기 때문에, 발전 모듈(21 ~ 28)로부터의 출력 전력의 평준화를 도모할 수 있어서, 발전 모듈(21 ~ 28)의 직류 전압-직류 전류 특성을 개선할 수 있다. 이 경우, 각 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)를 복수개의 발전 유닛(30)에 병렬로 접속하고 있으므로, 각 발전 유닛(30)에는 비정상적인 과전압이 작용하지 않는다. 그러므로, 역류 방지용 다이오드를 각 발전 유닛(30)에 부수적으로 설치할 필요가 없고, 발전 시스템(1)의 소형화 및 저비용화가 도모된다.

또한, 야간 등, 발전 모듈(21 ~ 28)이 전부 발전하지 않는 상태에서, 단상 교류 계통에서 전력이 요구되는 경우에는, 복수개의 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)에 축전된 직류 전력이 양과 음의 모선(6, 7)에 출력되기 때문에, 전력 사용 조건의 제약이 적게 되어, 발전 장치(2)에 의한 발전 성능을 현저하게 개선할 수 있다.

상기의 발전 시스템(1)에서는, 인버터 회로(3)로부터 출력하는 전력의 주파수도 제어 장치(4)의 제어 여하에 의해 자유롭게 바꿀 수가 있기 때문에, 범용성과 자유도가 뛰어나다. 이상의 설명은, 전압 제어에 의해 교류 전력을 출력하는 경우를 예로서 설명했지만, 스위치 S1 ~ S7, S11a ~ S17a 및 S11b ~ S17b의 절환을 어떻게 하는가에 따라, 전류 제어에 의해 교류 전력을 출력하도록 구성할 수도 있다.

여기서, 이와 같이 구성된 발전 시스템(1)을 컴팩트하게 패키지화하여, 실용화할 수 있는 구체예에 대하여, 도 14 내지 도 17에 따라 설명한다.

이 발전 시스템(1)은, 강도가 뛰어난 합성 수지로 이루어지는 상자 모양의 본체 케이스(80)와, 상기 본체 케이스(80)의 상면을 커버하는 투명한 합성 수지로 이루어지는 커버 부재(81)와, 본체 케이스(80) 내에 수용된 태양 전지 기판(82)과, 전자 부품 기판(83)과, 복수개의 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)와, 인버터 회로(3) 등으로 구성되어 있다.

태양 전지 기판(82)은, 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 본체 케이스(80)내에 상방으로 수용되고, 상기 태양 전지 기판(82)에는, 양극(62)이나 양의 모선(6), 음극(60)이나 음의 모선(7)이 에칭(etching)에 의해 각각 형성되고, 음의 모선(7)과 복수개의 발전 모듈(21 ~ 28)의 음극(60)에 복수개의 스위치 S1 ~ S7가 설치되고, 양의 모선(6)과 복수개의 발전 모듈(21 ~ 28)의 양극(62)에 복수개의 스위치 S11a ~ S17a가 설치되고, 양극(62)과 음극(60)에 복수개의 스위치 S11b ~ S17b가 설치되어 있다. 각 양극(62)에는 복수개의 발전 유닛(30)이 도 1에 도시한 바와 같이 매트릭스 형태로 배치되고, 도시한 바와 같이 배선되어 있다.

본체 케이스(80) 내에 하방으로 수용된 전자 부품 기판(83)은, 도 15, 도 17에 나타낸 바와 같이, 에칭에 의해 형성된 접속선(84)에 의해, 전압 검출기(5)와, CPU(65)와, ROM(66) 및 RAM(67)과, 인버터 회로(3)의 스위칭 소자(51 ~ 54)와 환류 다이오드(55 ~ 58)가 도시한 바와 같이 접속되어 있다. 또한, 교류 출력 단자(8, 9)가 대향하는 모서리부에 각각 설치되고, 이들 교류 출력 단자(8, 9)의 일부가 본체 케이스(80)를 관통하여 외부에 노출되어 있다. 그리고, 부호 83a는, 태양 전지 기판(82)의 양의 모선(6)과 접속하는 접속부이며, 부호 83b는, 태양 전지 기판(82)의 음의 모선(7)과 접속하는 접속부이다. 또, 제어 장치(4)의 제어선을 점선으로 나타내고 있다.

이들 상측의 태양 전지 기판(82)과 하측의 전자 부품 기판(83) 사이에 복수 개의 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)가 샌드위치 형태로 배치되고, 각 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)는, 도 1에 나타낸 바와 같이 발전 모듈(21 ~ 28)에 전기적으로 접속되어 있다.

복수개의 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)를 상하에 협지한 태양 전지 기판(82)과 하측의 전자 부품 기판(83)이, 본체 케이스(80) 내의 높이 방향의 중단부에 수평으로 배치되어, 투명 실리콘 수지(85)를 충전(充塡)된 상태에서, 상단이 커버 부재(81)에 의해 밀폐된 상태로 고착되어 있다. 커버 부재(81)의 상면 측에는, 태양 전지 기판(82)에 설치된 복수개의 발전 유닛(30)의 각각에 대응하도록, 반구형으로 형성된 반구 렌즈부(81a)가 각각 형성되어 있다.

상기와 같이 패키지화된 발전 시스템(1)을 태양광이 입사되는 장소에 설치할 경우, 태양광이 반구 렌즈부(81a)를 통하여 효과적으로 발전 유닛(30)에 조사되기 때문에, 교류 출력 단자(8, 9)로부터 충분한 교류가 출력되게 된다. 이 패키지화된 복수개의 발전 시스템(1)을 매트릭스 형태로 배치하여, 교류 출력 단자(8, 9)를 적절히 접속할 수도 있다.

이상 설명한 실시예에서는, 본 발명을 이해하기 쉽게 하기 위해, 8개의 발전모듈(21 ~ 28)을 가지는 발전 시스템(1)을 예를 들어 설명했다. 그러나, 가정의 상용 단상 교류 계통에 접속되는 발전 시스템의 경우에는, 실효치 100V, 파고치가 약 140V의 교류 계통에 연계하도록 구성할 필요가 있다. 또한, 흐린 날이나, 아침, 저녁 등에는, 발전 시스템의 출력 저하가 생기는 것을 감안하여, 발전 시스템의 최대 출력 전압을 200V이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같은 발전 시스템의 예에 대해서, 도 18 내지 도 23에 따라서 설명한다.

도 18에 나타낸 발전 시스템(1A)은, 1매의 패널에 조립한 패널 구조를 가지는 것으로서, 발전 패널이라고도 할 수 있다.

상기 발전 시스템(1A)은, 발전 방향을 일치시켜 배치한 예를 들면 48개의 발전 모듈(21A ~ 25A)과 복수개의 전기 이중층 콘덴서(29)로 이루어지는 발전 장치(2A)와, 상기 인버터 회로(3)와 마찬가지의 인버터 회로(3A)와, 상기 인버터 회로(3A)의 입력 측의 양의 모선(6A) 및 음의 모선(7A)과 스위칭 기구 Sma(이것은, 스위치 S71 ~ S74와 스위치 S81 ~ S84 등으로 이루어진다)와 출력 단자(8A, 9A)와 제어 장치(도시 생략) 등을 가진다. 스위칭 기구 Sma는, 상기 실시예의 도 1에 나타낸 발전 시스템(1)의 스위칭 기구와 마찬가지의 기능을 얻기 위한 것이며, 스위치 S71 ~ S74는, 발전 모듈(21A ~ 24A)의 음극(60A)을 음의 모선(7A)에 접속한 상태와 분리한 상태로 절환하기 위한 것이며, 상기의 스위치 S1 ~ S7과 마찬가지의 것이다. 스위치 S81 ~ S84는, 발전 모듈 22A ~ 25A의 양극(62A)을 양극 측에 인접하는 발전 모듈(21A ~ 24A)의 음극(60A)과 양의 모선(6A)에 택일적으로 접속되는 것으로, 상기의 스위치(S11 ~ S17)와 마찬가지의 것이다.

상기 발전 모듈(21A ~ 25A)은 각각 동일한 구조를 가지므로, 발전 모듈(22A) 및 전기 이중층 콘덴서(29)에 대해서만 설명한다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 발전 모듈(22A)은, 예를 들면 10행 100열의 매트릭스 형태로 발전 유닛(30A)을 배치하고, 이들 발전 유닛(30A)을 도시한 바와 같이 병렬 및 직렬로 접속한 것이다. 즉, 각 행의 100개의 발전 유닛(30A)은 병렬 접속되고, 각 열의 10개의 발전 유닛(30A)은 직렬 접속되어 있다. 이 경우, 직렬수 1개와 병렬수 100개가 병렬로 접속된 병렬 발전 유닛(30A)마다, 1개의 전기 이중층 콘덴서(29)가 각각 병렬로 접속되어 있다. 그러므로, 출력 전압 특성의 불균형이나 그늘에 의해, 일부의 발전 유닛(30A)이 오프 상태가 되었을 경우에는, 병렬로 접속된 전기 이중층 콘덴서(29)로부터 축전된 직류 전력이 출력되기 때문에, 발전 모듈(21A ~ 25A)에 의한 발전 성능을 대폭 향상시킬 수가 있어서 실용성과 내구성에서 뛰어나다.

그리고, 상기 「10행 100열의 매트릭스 형태」는 예시이며, 행수는 10행으로 한정되지 않고, 100행, 수 100행으로 할 수도 있다. 또, 열수도 100열로 한정되지 않고, 수 10열, 수 100열, 수 1000열로 할 수도 있다.

그리고, 이 경우에도, 각 발전 유닛(30A)마다 역류 방지용의 다이오드를 설치할 필요가 없어서, 발전 시스템(1A)의 소형화 및 저비용화를 실현할 수 있다.

발전 유닛(30A) 자체는, 상기의 발전 유닛(30)과 마찬가지의 것이며, 각 발전 유닛(30A)의 출력 전압이 0.5V ~ 0.6V이므로, 발전 모듈(21A ~ 25A)의 각각의 최대 출력 전압(날씨가 좋을 경우의 출력)은 예를 들면 5.0V ~ 6.0V이다.

그리고, 이들 복수개의 음극 측 스위치 S71 ~ S74와 복수개의 양극 측 스위치 S81 ~ S84를 적절히 절환함으로써, 도 20에 나타낸 바와 같은 「발전 모드 M1, M2,···M48」과 「출력 전압」으로 절환 가능하게 구성되어 있다.

상기 발전 모듈(21A)과 같은 발전 모듈을 패널 상태의 구조로 구성하는 기술에 대하여는, 본원 출원인이 출원한 복수개의 국제 출원(예를 들면, PCT/JP00/07360, PCT/JP01/06972, PCT/JP01/09234, PCT/JP01/11416)에 제안되어 있다.

이상에서 설명한 발전 시스템(1A)(발전 패널)을 1매뿐만이 아니라, 복수매의 발전 패널로 이루어지는 발전 시스템을 구성할 수도 있다. 단, 제어 장치는 1개만 설치하면 된다. 예를 들면, 도 21에 나타낸 바와 같이, 이 발전 시스템(1A)에서는, 발전 시스템(1A)(발전 패널)을 2매 설치하고, 2매의 발전 시스템(1A)을 직렬로 접속하는 상태와 병렬로 접속하는 상태를 절환하는 절환 스위칭 기구도 설치된다. 상기 스위칭 기구는, 스위치 S65, S66 등으로 이루어진다. 스위치 S65는, 도시의 회로를 접속 및 분리 가능하며, 상기 스위치 S1 ~ S7와 같이, 예를 들면 npn형 바이폴라 트랜지스터로 구성되어 있다. 스위치 S66은, 어느 한쪽의 접점에 택일적으로 접속하는 상태와 어느 쪽의 접점에도 접속하지 않는 상태로 절환할 수 있는 것이며, 상기 스위치 S11a ~ S17a 및 스위치 S11b ~ S17b와 같이, 예를 들면, 2개의 npn형 바이폴라 트랜지스터로 구성되어 있다. 상기 스위칭 기구에 의해, 2개의 발전 시스템(1A)을 직렬로 접속한 상태와 병렬로 접속한 상태를 절환할 수 있다. 그리고, 이들 2개의 발전 시스템(1A)으로부터 발전 장치의 출력 단자(8B, 9B)가 교류 계통에 접속되어, 이 발전 시스템은, 그 출력 전력이 교류 계통의 주파수와 전압 등에 연계되도록 제어 장치에 의해 제어된다.

2매의 발전 패널을 병렬로 접속한 상태에서, 이 발전 시스템의 출력 전압은,도 20에 나타낸 바와 같이 절환할 수 있다. 또, 2매의 발전 패널의 발전 모드를 변경하여 직렬로 접속한 상태에서는, 이 발전 시스템의 출력 전압은, 도 22의 합계 출력 전압과 같이 절환할 수 있다.

단, 2매의 발전 패널을 병렬로 접속한 상태와 직렬로 접속한 상태를 적절하 게 절환하면서, 양 발전 패널의 발전 모드를 적절하게 설정함으로써, 이 발전장치의 출력 전압을, 5 ~ 6V, 10 ~ 12V, 15 ~ 18V, 30 ~ 36V, 40 ~ 48V, 60 ~ 92V, 80 ~ 96V, 120 ~ 144V, 200 ~ 240V, 240 ~ 288V, 360 ~ 432V, 480 ~ 576V와 같이 절환할 수도 있다. 단, 상기의 출력 전압이나, 도 20, 도 22의 출력 전압은, 모든 발전 유닛이 최대 출력을 발전하는 경우의 예를 나타낸 것이다. 흐린 날이나, 아침, 저녁 등 태양광의 입사량이 감소에 의해, 발전 장치의 출력 전압이 저하된 경우에는, 도 22에 나타낸 합계 출력 전력은, 실제로는, 수% ~ 수10% 저하된다. 이와 같은 발전 시스템에 의해, 도 23에 나타낸 바와 같이, 상용 단상 교류 계통의 교류 전압의 교류 파형(70)에 대해서, 실선으로 나타낸 계단형으로 변화하는 전압 파형(71)의 교류 전력을 상용 단상 교류 계통에 출력할 수 있다.

상기 발전 시스템(1A)에서는, 복수개의 반도체 모듈(21A ~ 25A)과, 복수개의 전기 이중층 콘덴서(29)와, 인버터 회로(3A)와, 복수개의 스위치 S71 ~ S74, S81 ~ S84의 전체를 1매의 패널에 내장하고 있으므로, 또, 필요에 따라 인버터 회로와 복수개의 스위치 종류를 1개의 반도체 칩에 내장하는 구조로 할 수 있으므로, 전체적인 구조도 간단하여, 제작비를 저감할 수 있다.

또한, 복수개의 발전 시스템(발전 패널)을 각종 형태로 조합시켜, 원하는 주파수, 원하는 출력 전압 또는 원하는 출력 전류의 교류 전력을 발생시킬 수 있기 때문에, 범용성과 자유도에서 뛰어나다.

도 21 및 도 22에 관한 설명은, 2매의 발전 패널(발전 시스템)을 구비한 발전 시스템을 예를 들어 설명했지만, 실제로는, 복수개의 발전 패널을 설치하여, 그들을 병렬로 접속한 상태와 직렬로 접속한 상태를 절환하면서, 가정 등에 공급되는 상용 단상 교류 계통의 전압 또는 전류에 적합한 전력을 출력하도록 구성할 수도 있다.

도 18의 발전 시스템이나 도 21 나타낸 발전 시스템에 있어서도, 기본적으로 상기 발전 시스템(1)과 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있으므로, 여기서는 설명을 생략한다.

상기 실시예를 부분적으로 변경하는 예로 대해 설명한다.

(1) 상기 발전 시스템(1, 1A)에서는, 인버터 회로(3)의 출력 측의 회로에 설치되는 필터나 임피던스 등에 대한 설명을 생략했지만, 실제 발전 시스템에 있어서는, 필요에 따라 필터나 임피던스 등이 설치된다.

(2) 인버터 회로(3, 3A)는, 단상교류를 발생하는 경우를 예를 들어 설명했지만, 발전 장치(2, 2A)에 의해 발전한 직류 전력을 인버터 회로에 의해, 삼상 교류로 변환하는 경우도 있어서, 이 경우 발전 장치에 의해 발생시킨 직류 전력으로부터 삼상 교류의 각 상에 대응하는 교류 전력으로 변환하게 된다.

(3) 상기 발전 시스템(1)의 전체를, 1개의 판형 내지 패널 형태로 구성하는 경우도 있다. 상기 도 18에 나타낸 발전 시스템을 예를 들면 도 21에 나타낸 바와 같이 복수개 장비한 발전 시스템을 1개의 판형 내지 패널 상태로 구성하는 경우도 있다.

(4) 복수개의 발전 모듈(21 ~ 28, 21A ~ 25A)의 각각을 개별적으로 제작할 필요는 없고, 전체적으로 일체적으로 제작하는 경우도 있다. 예를 들면, 도 18의 복수개의 발전 모듈을 외관상으로 1개의 발전 모듈로 구성하고, 전기 회로적으로는 도 18과 같이 복수개의 발전 모듈을 가지는 구성으로 할 수도 있다.

(5) 상기 발전 시스템(1, 1A)은, 외부의 교류 계통에 연계하는 타려형(excited type)의 발전 시스템을 예로 하여 설명했지만, 기준의 교류 전압을 발생하는 수단을 구비한 자려형(self-resonance)의 발전 시스템에도, 본 발명을 적용할 수 있음은 물론이다.

(6) 상기의 발전 시스템(1, 1A)에 있어서, 각 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)의 병렬 접속 위치에서, 온-오프 스위치를 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)와 직렬로 접속하도록 하고, 필요에 따라 온-오프 스위치를 온 측에 절환한 경우에 한해서, 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)에 축전한 직류를 출력할 수도 있다.

(7) 축전 수단으로서, 전기 이중층 콘덴서(29a, 29b)에 한정되지 않고, 축전 용량이 큰 전해 콘덴서, 2차 전지, 배터리 등, 발전 전력을 축전할 수 있는 각종 축전 수단을 사용할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 모든 발전 모듈의 출력을 유효하게 활용하면서, 상기와 같이, 제1, 제2, 제3 스위치 수단을 절환하기만 하면, 직류의 출력 전압을 단계적으로 절환할 수 있다. 따라서, 발전 모듈의 아이들이 생기지 않고, 발전 모듈의 이용 비율을 충분히 높일 수 있다.

또한 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단을 절환하더라도, 스위치 수단의 절환 시의 전압 변화가 작기 때문에, 종래의 PWM 방식의 인버터 회로를 이용하는 경우보다 노이즈나 고조파가 잘 발생하지 않는다. 그러므로, 노이즈나 고조파의 흡수나 전자 장해 대책을 위한 필터 용량을 작게 하는 등 부수되는 전기 회로의 구조를 간단하게 할 수 있다. 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단의 절환 빈도도, PWM 방식의 인버터 회로의 스위칭 소자의 절환 빈도보다 적어지게 되고, 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단에는, 소형 스위칭 소자를 적용할 수 있어서, 스위칭 로스 및 스위칭 소자의 비용도 저감한다.

Claims

태양광으로부터 직류 전력을 발전하는 발전 장치와, 상기 발전 장치에 의해 발전된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 회로(inverter circuit)를 구비한 교류 발전 시스템에 있어서,

상기 발전 장치는, 복수개의 태양 전지 셀을 각각 구비한 복수개의 태양 전지 모듈과, 상기 복수개의 태양 전지 모듈의 각각에 병렬로 접속된 복수개의 축전(蓄電) 수단을 가지고,

상기 인버터 회로의 입력 측에 접속된 양(+)과 음(-)의 모선(母線)과,

상기 복수개의 태양 전지의 모듈의 각각의 양(+)극을 양의 모선에 접속 및 분리 가능한 복수개의 제1 스위치 수단과,

상기 복수개의 태양 전지 모듈의 각각의 양(+)극을 한쪽에 인접하는 태양 전지 모듈의 음극에 접속 및 분리 가능한 복수개의 제2 스위치 수단과,

상기 복수개의 태양 전지 모듈의 각각의 음극을 음의 모선에 접속 및 분리 가능한 복수개의 제3 스위치 수단을 구비하고,

상기 각 태양 전지 모듈의 복수개의 태양 전지 셀은 복수행 복수열로 배열되고, 각 행의 복수개의 태양 전지 셀이 병렬 접속됨과 함께 각 열의 복수개의 태양 전지 셀이 직렬 접속되고,

상기 복수개의 축전 수단의 각각은 각 행의 복수개의 태양 전지 셀에 병렬 접속된 것을 특징으로 하는 교류 발전 시스템.
제1항에 있어서,

상기 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단은, 각각 반도체 스위칭 소자로 구성되며, 상기 복수개의 제1, 제2, 제3 스위치 수단을 절환 제어함으로써, 상기 발전 장치의 출력 전압을 단계적으로 절환하는 제어 장치를 설치한 것을 특징으로 하는 교류 발전 시스템.
제2항에 있어서,

상기 복수개의 태양 전지 모듈을 복수개의 군으로 구분하고, 상기 제어 장치에 의해, 각 군의 복수개의 태양 전지 모듈을, 상기 복수개의 제2 스위치 수단에 의해 직렬로 접속한 상태에서, 상기 제1, 제3 스위치 수단에 의해 양과 음의 모선에 병렬로 접속 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 교류 발전 시스템.
제2항에 있어서,

상기 인버터 회로는 복수개의 반도체 스위칭 소자를 구비하고, 상기 반도체 스위칭 소자는 상기 제어 장치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 교류 발전 시스템.
제3항에 있어서,

상기 교류 발전 시스템으로부터 전력의 공급을 받는 교류 전력 계통의 전압을 검출하는 전압 검출 수단이 설치되어 있고, 상기 제어 장치는 상기 전압 검출 수단의 검출 신호에 따라, 상기 제1, 제2, 제3 스위치 수단과, 상기 인버터 회로의 상기 복수개의 반도체 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 교류 발전 시스템.
제2항에 있어서,

상기 발전 장치의 복수개의 태양 전지 모듈과 복수개의 제1 스위치 수단과 복수개의 제2 스위치 수단과 복수개의 제3 스위치 수단은 공통의 제1 기판의 상면에 장착되고, 상기 인버터 회로와 상기 제어 장치는 공통의 제2 기판의 하면에 장착되고, 상기 제1, 제2 기판의 사이에 복수개의 축전 수단이 협착되고,

상기 제1, 제2 기판과 상기 복수개의 축전 수단을 수용하는 평면에서 볼 때 직사각형의 본체 케이스와 상기 본체 케이스의 상면을 커버하는 투명한 커버 부재를 구비하고,

상기 제1, 제2 기판과 상기 복수개의 축전 수단을 상기 본체 케이스 안에 수용하여 상기 본체 케이스 안에 충전한 투명 합성 수지 안에 채우고, 상기 본체 케이스의 상면을 상기 커버 부재로 커버하는 것으로 패키지화한 것을 특징으로 하는 교류 발전 시스템.
제1항에 있어서,

상기 각 태양 전지 셀은, 입상(粒狀)의 반도체에 pn접합을 형성하여 이루어지는 솔라 셀(태양 전지; solar cell)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교류 발전 시스템.
삭제
제1항에 있어서,

상기 축전 수단은 전기 이중층 콘덴서인 것을 특징으로 하는 교류 발전 시스템.
제1항에 있어서,

상기 축전 수단은 2차 전지인 것을 특징으로 하는 교류 발전 시스템.