TWI230492B - Power generation system - Google Patents

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TWI230492B
TWI230492B TW092120064A TW92120064A TWI230492B TW I230492 B TWI230492 B TW I230492B TW 092120064 A TW092120064 A TW 092120064A TW 92120064 A TW92120064 A TW 92120064A TW I230492 B TWI230492 B TW I230492B
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Josuke Nakata
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Description

1230492 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於利用太陽電池或燃料電池等所產生之 電力，經由反相器電路，用來產生交流電力之發電系 所具有之特徵是可以改善用以多階段式變換直流電力 壓之開關機構，儲電功能和發電性能。 【先前技術】 最近，太陽發電系統之太陽電池之製作成本逐漸 低，許多之家庭普及的使用太陽發電系統，但是大多 太陽發電系統是連接到供給家庭之商用單相交流電系 系統連接型之系統。家庭用之太陽發電系統之太陽電 數kW之輸出者，使數1 0片之發電模組串並聯連接。 述系統連接型之太陽發電系統中，需要經由反相器電 直流電力變換成為適合於單相交流電系統之交流電力 圖2 4所示之習知之太陽發電系統是以PWM方式控制 器電路之一般之系統連接型之系統，設有：太陽電池 其構成是使多個發電模組串聯連接，再使其多個並 接；反相器電路1 0 1 ;和控制裝置1 0 2，用來控制反相 路1 0 1之變換。控制裝置1 0 2具有·.電壓檢測器1 0 3， 檢測交流電系統之基準電壓；放大器 1 0 4，用來將檢 壓放大；三角波產生器1 0 5 ;和PM控制部1 0 6等。 2 4所示，P W Μ控制部1 0 6根據與圖2 5所示基準電壓對 指令電壓之正弦波1 0 7，和在三角波產生器1 0 5產生 2 5所示之載波1 0 8，用來控制反相器電路1 0 1之開關； 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 直流 統， 之電 的降 數之 統之 池為 在上 路將 〇 反相 ί 00， 聯連 器電 用來 測電 如圖 應之 之圖 :件， 6 1230492 藉以產生圖2 3所示之方形波狀之交流電壓1 0 9，利用濾波 器電路使該方形波狀之交流電壓1 0 9進行平滑化，用來變 換成為正弦波狀之交流電力，藉以輸出到交流電系統。 在利用以上之P W Μ方式控制反相器電路之技術中，因為 將太陽電池之輸出斷續的變換成為交流電力，所以太陽電 池之輸出只能活用大約 9 0 %之左右為其問題。另外，因為 反相器電路之開關元件之變換頻度變高，會產生與交流電 系統之阻抗（i n p e d a n c e )有關之高諸波成分，為著吸收該高 諧波成分，必需設置大的濾波機構或電磁干擾除去機構 等。另外，隨著大電壓變化，因為開關次數變多，所以在 反相器電路之開關元件等之功率裝置中之損失變大為其問 題。 另一方面，提案有電池變換方式之太陽發電系統，經由 變換取出多個太陽電池中之輸出之太陽電池之數目，用來 多階段式的變換輸出電壓。在該發電系統，如圖2 6所示， 設有4組之太陽電池1 1 0可以產生例如1 0 V、2 0 V、4 0 V、 80V之直流電力，當開關SI、S2、S3、S4中只有開關S1 進行0 N時，就輸出1 0 V之直流電力，經由適當的組合變換 成為0 N之開關，可以使直流電力之電壓以1 0 V為單位，階 段式的增減，可以變換成為20V、30V、...140V、150V。直 流電力經由反相器電路1 1 1，變換成為如圖2 7 ( A )、（ B )所 示之交流電力，然後輸出到交流電系統。在該電池變換方 式之太陽發電系統之情況，當與上述之圖2 4之發電系統比 較時，可以改善高諧波和電磁干擾之發生。但是，4個太 7 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 陽電池之輸出之活用因為產生尖峰電壓不過在極短之期 間，在大部份之期間有 1至多個之太陽電池成為閒置狀 態，所以太陽電池之利用率顯著變低為其問題。 但是，該等4組之太陽電池1 1 0之任何一個在建築物等 之影子，成為部份之太陽光照射不到之情況時，在影子之 太陽電池1 1 0之發電量顯著的減少，輸出電壓進行降低， 不能正常的輸出交流電力。另外，在沒有太陽光照射之夜 間，該4組之太陽電池1 1 0均不產生直流電壓，所以太陽 電池11 0之進行發電之發電時間受到限制，發電系統之發 電性能不能充分的發揮為其問題。 最近亦進行有燃料電池方式之發電系統之開發，.推想在 最近之將來可以逐漸實用化的供作家庭用之發電系統。 燃料電池被構建成將多個單位電池設置成積層狀態，使 該多個單位電池串聯連接用來輸出直流電力。各個單位電 池產生大約0 . 6〜0 . 7 V左右之直流電力，所以將該發電系 統連接到家庭用之單相交流電系統，將發電系統所產生之 直流電力供給到交流電系統，在此種技術中亦會有與上述 太陽發電系統之情況同樣之問題。 【發明内容】 本發明之發電系統具備有：發電裝置，用來發出直流電 力；和反相器電路，用來將該發電裝置所發出之直流電力 變換成為交流電力；其特徵是具備有：上述發電裝置，具有： 多個發電模組，分別具備有多個發電單位或發電部；和至 少1個之儲電機構，並聯連接在多個發電模組之各個；正 8 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 負之母線，連接到上述反相器電路之輸入側；多個第1開 關機構，用來使多個發電模組之各個之正極可以與正母線 連接·分離；多個第2開關機構，用來使多個發電模組之 各個之正極，可以與鄰接其一側之發電模組之負極連接· 分離；和多個第3開關機構，用來使多個發電模組之各個 之負極，可以與負母線連接·分離。 多個發電模組之各個接受太陽光，經常產生指定電壓之 直流電力，同時並聯連接在多個發電模組之各個之儲電機 構接受從該等發電模組輸出之指定電壓之直流電力，經常 儲存該直流電力。 當全部之第1開關機構成為0 N時，全部之第2開關機構 成為OFF，當全部之第3開關機構進行0N時，全部之發電 模組並聯連接在正負之母線，直流電之輸出電壓成為最低 電壓V m i η。 將多個發電模組區分成為多個群，在各個群之多個發電 模組，經由多個第2開關機構成為串聯連接之狀態，可以 利用第1、第3開關機構並聯連接在正負之母線。當串聯 連接之發電模組之數目成為2個時，直流電之輸出電壓成 為 2 V m i η，而當串聯連接的發電模組之數目設為 4個的時 候，直流電之輸出，電壓成為 4 V m i η。利用此種構成可以 使從發電裝置輸出之直流電之輸出電壓階段式的增加或減 〇 另外，可以有效的活用全部之發電模組之輸出，如上述 之方式，只要變換第1、第2、第3開關機構，就可以階段 9 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 式的變換直流電之輸出電壓。不會發生發電模組之閒置， 可以充分的提高發電模組之利用率。 即使進行多個第1、第2、第3開關機構之變換時，因為 開關機構之變換時之電壓變化減小，所以當與先前技術之 PWM 方式之反相器電路之情況比較時，不容易發生雜訊或 高諧波。因此，用以因應雜訊或高諧波之吸收或電磁干擾 之濾波器容量可以減小，因而可以使電路之構造簡化。多 個第1、第2、第3開關機構之變換頻度，小於P W Μ方式之 反相器電路之開關元件之變換頻度，多個第1、第2、第3 開關機構可以使用小型之開關元件，可以減小開關損失和 開關元件之成本。 在發電模組為太陽電池發電模組之情況時，由於陰天、 早上、黃昏等使發電模組之輸出電壓降低時，變化多個第 1、第2、第3開關機構之連接型式，可以調整從發電裝置 輸出之直流電力之電壓，所以不需要設置升壓截波器 (booster chopper)，就可以成為高通用性和自由度之系 統。另外，因為可以進行多個第1、第2、第3開關機構之 變換，使電力特性成為輸出電壓階段式的升高時，輸出電 流階段式的減少，輸出電壓階段式的降低時，輸出電流階 段式的增加，所以可以控制成使發電裝置以最大電力點進 行動作。 另外，對於多個太陽電池發電模組之任何一個，在輸出 電壓特性有變化之情況，或一部份被建築物遮蔽，發電量 顯著降低之情況，從與輸出電壓降低之發電模組並聯連接 10 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 之儲電機構，將指定電壓之直流電力，輸出到正負之母線， 用來補償發電模組之輸出電壓之降低，藉以使輸出電力平 均化，所以可以改善發電模組之直流電壓一直流電流特 性。另外，在沒有太陽光照射之夜間，該多個發電模組均 不產生直流電力之情況時，因為從儲電之儲電機構，將指 定電壓之直流電力輸出到正負之母線，所以發電時間不會 受到限制，可以顯著的改善發電裝置之發電性能。 以上是本發明之發電系統之作用和效果。 其中，最好亦可以採用下面所述之各種構造。 (a )多個第1、第2、第3開關機構設有控制裝置分別由 半導體開關元件構成，用來控制該多個第1、第 2、第 3 開關機構之變換，藉以階段式的變換上述發電裝置之輸出 電壓。 (b )將上述多個發電模組區分成為多個群，利用上述控制 裝置，使各群之多個發電模組，在經由多個第2開關機構 成為串聯連接之狀態，構建成可以利用第1、第3開關機 構形成與正負之母線並聯連接。 (c)上述反相器電路（inverter circuit)具備有多個半 導體開關元件，該等之半導體開關元件被上述控制裝置控 制。 (d )設有電壓檢測機構，用來接受來自上述發電系統之電 力之供給，藉以檢測交流電力系統之電壓，上述控制裝置 根據電壓檢測機構之檢測信號，用來控制第1、第2、第3 開關機構，和上述反相器電路之多個半導體開關元件。 11 312/發明說明書(補件)/92_ 10-92120064 1230492 (e )上述發電模組之多個發電單位排列成為多個行多個 列之矩陣列，形成並聯和串聯連接。 (f )上述各個發電單位由太陽電池構成，在粒狀之半導體 形成pn接面之形狀。 (g)上述發電裝置由積層有多個單電池之燃料電池構 成，上述各個發電單位由上述單電池構成。 (h )上述儲電機構使用電二重層電容器。 (i )上述儲電機構使用2次電池。 【實施方式】 下面將說明實施本發明之發電系統之最佳形態。 如圖1〜圖7所示，該發電系統1具有：發電裝置2，用 來發出直流電力；反相器電路3，用來將該發電裝置2所 發出之直流電力變換成為交流電力，將其輸出到單相交流 電系統；開關機構Sm，用來多階段式的變換發電裝置2之 直流電力之電壓；控制裝置4，用來控制該等開關機構Sm 和反相器電路3之開關元件5 1〜5 4 ;和電壓檢測器5等， 用來檢測單相交流電系統之電壓，將其輸入到控制裝置4。 為了方便說明，本實施形態之發電裝置2具備有8個之 發電模組2 1〜2 8，和成為與各個發電模組2 1〜2 8並聯連 接之具備有連接在正極6 2和中段部之並聯連接線5 9之儲 電用之電二重層電容器（electric double layer c ο n d e n s o r ) 2 9 a，和連接在並聯連接線5 9和負極6 0之儲電 用之電二重層電容器29b。該等之發電模組21〜28被配置 成為1行，使其發電方向成為一致，各個發電模組2 1〜2 8 12 312/發明說明書(補件)/92-10-9212〇064 1230492 具備有1 0個之發電單位3 0被配置成為2列5行之矩㈣ 形成並聯和串聯連接。 各個發電單位3 0由如圖2〜圖4所示之3種粒狀之 電池3 Ο Α〜3 0 C中之任何一種太陽電池構成，接受太陽 可以產生例如0 . 5 V〜0 . 6 V之直流電。 圖2之太陽電池30A之構成包含有直徑1.5〜3. Omm 之由η型碎構成之球狀半導體31，p型之擴散層32 接面3 3，氧化矽之絕緣膜3 4，和包夾球狀半導體3 1 心之互相面對之正極3 5和負極3 6等。另外，對於該 太陽電池30Α，被記載在本申請人申請之W098/15983 報。圖3之太陽電池30Β包含有與上述者同樣大小之 型石夕構成之球狀半導體37，η型之擴散層38，ρη接面 氧化矽之絕緣膜4 0，和包夾球狀半導體3 7之中心之 面對之正極4 1和負極4 2等，為著易於識別正極4 1和 4 2，所以在形成於球狀半導體3 7之底部之平坦面，設 極 41。圖 4所示之太陽電池30C包含有直徑大約1 3. Omm左右之由ρ型矽構成之圓柱狀之半導體43，η 擴散層4 4，ρ η接面4 5，ρ +擴散層4 6，氧化石夕之絕緣膜 和被設在兩端部之正極4 8和負極4 9等。 但是，上述之太陽電池30Α〜30C只是表示一實例者 電模組可以使用具有發出1 · 0〜1 0 . 0 V左右之直流電 功能之各模組（例如，1片之面板狀之太陽電池，或集 片之小面板狀太陽電池而構成之面板化太陽電池，或 電池等）。另外，發電單位3 0可以使用例如用以產生 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 Μ大， 太陽 光時 左右 ，ρ η 之中 種之 號公 由ρ 39， 互相 負極 置正 .5〜 型之 47， ，發 力之 合多 燃料 較低 13 1230492 電壓之直流電力之各種發電單位或發電部或發電 (例如，1片之面板狀之太陽電池，或集合多片之小 太陽電池而構成之面板化太陽電池所含之1個或多 電部或發電功能部或燃料電池）。 上述儲電用之電二重層電容器29a、29b，使用與 接觸之活性碳作為電極，使電解液和活性碳接觸， 電壓時，在其界面產生分極，用來進行與電容器同 電，可以降低公害性，充放電次數可以改良，可以 大電容量之儲電。在各個發電模組電二重層電容器 接在正極6 2和並聯連接線5 9之間，與並聯連接之 個發電單位3 0形成並聯連接。另外，電二重層電容 連接在並聯連接線5 9和負極6 0之間，與並聯連接 5個發電單位3 0形成並聯連接。 因此，電二重層電容器2 9 a、2 9 b接受該等並聯連 個發電單位3 0所產生之直流電力，經常儲存該直流 但是，在有任何1個或多個之發電單位3 0之發電量 低之情況時，就從該等之電二重層電容器2 9 a、2 9 b 電壓之直流電力輸出到正負之母線6、7，用來補償 力之降低。 反相器電路3例如使η通道型I G B T構成之4個開 5 1〜5 4連接成橋式，在各個開關元件5 1〜5 4亦連 流二極體5 5〜5 8。該等之4個開關元件5 1〜5 4被 制裝置4之控制信號控制。 組合開關元件51、5 4和開關元件5 3、5 2，經由 312/發明說明書(補件)/92-10-9212〇064 功能部 面板狀 個之發 電解液 當施加 樣之儲 進行較 29a連 上段5 器2 9b 之下段 接之多 電力。 顯著變 將指定 輸出電 關元件 接有回 來自控 使其交 14 1230492 替的導通，用來將交流電從輸出端子8、9輸出到單相交流 電糸統。 下面將說明上述開關機構Sm。 在上述反相器電路3之輸入側，連接有正母線6和負母 線7。該開關機構S m設在發電裝置2和反相器電路3之間， 用來對發電裝置2所發出和輸出到反相器電路3之直流電 力之輸出電壓進行多階段式之變換，8個發電模組2 1〜2 8 可以以各任意數串聯連接，使該串聯連接之各個發電模組 群並聯連接在反相器電路3。該開關機構S m具有多個之開 關S1〜S7， Slla〜S17a和Sllb〜S17b。開關S1〜S7可以 變換成使7個之發電模組2 1〜2 7之各個之負極6 0成為與 負母線7連接狀態或分離狀態。開關S 1〜S 7之各個，如圖 5所示，由被控制裝置4控制其0 N · 0 F F之η ρ η型雙極電 晶體6 1所構成。 開關S 1 1 a〜S 1 7 a可以變換成分別使7個之發電模組2 2 〜2 8之正極6 2成為與正母線6連接狀態或分離狀態。開 關S 1 1 b〜S 1 7 b可以變換成分別使7個之發電模組2 2〜2 8 之正極6 2成為與鄰接正極6 2側之1個之發電模組2 1〜2 7 之負極6 0形成連接狀態或分離狀態。開關S 1 1 a〜S 1 7 a之 各個，如圖6所示，由被控制裝置4控制其0 N · 0 F F之η ρ η 型雙極電晶體6 3所構成，開關S 1 1 b〜S 1 7 b之各個，如圖 6所示，由被控制裝置4控制其ON· OFF之npn型雙極電 晶體6 4所構成。 但是，在電晶體63為0N時，電晶體64成為OFF，在電 15 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 晶體6 4為0 N時，電晶體6 3成為0 F F。利用此種 用雙極電晶體6 3可以使正極6 2形成與正母線6 離，利用雙極電晶體6 4可以使正極6 2形成與鄰 模組之負極6 0連接·分離。 另外，作為上述開關S 1 1 a〜S 1 7 a之多個電晶遷 於多個第1開關機構，作為開關S 1 1 b〜S 1 7 b之多 6 4相當於多個第2開關機構，作為開關S 1〜S 7 晶體61相當於多個第3開關機構。另外，η ρ η型 體6 1、6 3、6 4只是一實例，亦可以使用能夠進行 樣之Ο Ν · 0 F F控制之任何開關元件。反相器電路 元件5 1〜5 4只是一實例，亦可以使用Μ 0 S F Ε Τ等 開關元件。 下面將說明控制裝置4。 如圖7所示，控制裝置4之構成主要的包含有d ROM66和 RAM67形成之電腦，和輸入/輸出介面 S 1〜S 7、開關S 1 1 a〜S 1 7 a及開關S 1 1 b〜S 1 7 b分 輸入/輸出介面6 8。設有電壓檢測器5用來檢測 交流電系統之交流電之電壓，該電壓檢測器5之 被輸入到控制裝置4。在控制裝置4之R Ο Μ 6 6預 控制程式，根據來自電壓檢測器5之檢測信號， S 1〜S 7、開關S 1 1 a〜S 1 7 a及開關S 1 1 b〜S 1 7 b、 5 1〜5 4，以後面所述之方式進行變換。
控制裝置4根據R Ο Μ 6 6之控制程式，對開關S 1 關Slla〜S17a及開關Sllb〜S17b進行ON· OFF 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 構成，利 連接·分 接之發電 t 63相當 個電晶體 之多個電 雙極電晶 與該等同 3之開關 之其他之 "PU65、 68、開關 別連接到 上述單相 檢測信號 先收納有 控制開關 開關元件 〜S 7、開 控制，用 16 1230492 來階段式的變換發電裝置2之直流電力之輸出電壓。 在本實施形態中之各個發電模組 2 1〜2 8之發電電 為大約為1 . 0〜1 . 2 V，所以在變換成為如圖8所示之 開關S 1〜S 7和開關S 1 1 a〜S 1 7 a之狀態（以此作為發電 Μ 1 )，當使全部之發電模組2 1〜2 8並聯連接到正負之 6、7時，接受太陽光進行發電之發電裝置2就輸出大約 〜1 · 2 V之直流電力。 如圖9所示，使開關S 1〜S 7、開關S 1 1 a〜S 1 7 a及 S 1 1 b〜S 1 7 b進行變換，將8個之發電模組2 1〜2 8區 為各2個之4群，各群之2個之發電模組以串聯連接 態（以此作為發電模態Μ 2 )，使4個之發電模組群成為 連接在正負之母線6、7之狀態，這時發電裝置2輸出 2.0〜2.4 V之直流電力。 如圖1 0所示，使開關S 1〜S 7、開關S 1 1 a〜S 1 7 a及 S 1 1 b〜S 1 7 b進行變換，將8個之發電模組2 1〜2 8區 為各4個之2群，各群之4個之發電模組以串聯連接 態（以此作為發電模態M4)，使2個之發電模組群成為 連接正負之母線6、7之狀態，這時發電裝置2輸出 4.0〜4.8 V之直流電力。 如圖1 1所示，使開關S 1〜S 7、開關S 1 1 a〜S 1 7 a及 S 1 1 b〜S 1 7 b進行變換，使8個之發電模組2 1〜2 8成 聯連接狀態（以此作為發電模態Μ 8 )，用來使發電裝置 出大約8.0〜9.6V之直流電力。但是，在上述之發電 Ml、M2、Μ4、Μ8之任何一個，電二重層電容器29a 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 壓因 連接 模態 母線 1 . 0 開關 分成 之狀 並聯 大約 開關 分成 之狀 並聯 大約 開關 為串 2輸 模態 、29b 17 1230492 之各個，經常儲存直流電力，其電壓與並聯連接之發 位3 0之發電電壓（大約0.5 V〜0.6 V )相同。特別是在單 流電系統之電力消耗量較少之情況，發電單位3 0所發 未使用之直流電力，可以確實的儲存在電二重層電 2 9a、2 9b，成為滿充電狀態。 其中，在如同晴天之白天時，在太陽光之射入光量 之高射入光狀態，如圖1 2所示，依照電壓檢測器5所 到之單相交流電系統之交流電壓之交流電波形7 0，利 制裝置4進行開關元件5 1〜5 4、開關S 1〜S 7、開關 〜S 1 7 a及開關 S 1 1 b〜S 1 7 b之適當變換之控制（Ο N狀 斜線表示，Ο F F狀態以空白表示），在最初之時間11 成為發電模態 Μ1，在其次之時間t2變換成為發電 M2，在其次之時間t3變換成為發電模態M4，以此方 序的進行變換控制，可以從反相器電路3之輸出端子 朝向單相交流電系統輸出實線所示之階段式變化之電 形7 1之交流電力。 另外一方面，在陰天、早上或黃昏時，在太陽光之 量較少之低射入光狀態，如圖1 3所示，依照電壓檢測 所檢測到之單相交流電系統之交流電壓之交流電 7 0，利用控制裝置4進行開關元件5 1〜5 4、開關S 1〜 開關 S 1 1 a〜S 1 7 a及開關 S 1 1 b〜S 1 7 b之適當變換之 (ON狀態以斜線表示，OFF狀態以空白表示），在最初 間t 1變換成為發電模態Μ 1，在其次之時間12變換成 電模態M2，在其次之時間t3變換成為發電模態M4， 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 電單 相交 出之 容器 較多 檢測 用控 S 1 1 a 態以 變換 模態 式順 8、9， 壓波 射入 器5 波形 S7、 控制 之時 為發 在其 18 1230492 次之時間14變換成為發電模態Μ 8，以此方式順序的進行 變換控制，即使在射入光量較少之情況時，亦可以從反相 器電路3之輸出端子8、9，朝向單相交流電系統有效的輸 出實線所示之階段式變化之電壓波形72之交流電力。 在此種情況，區別高射入光狀態和低射入光狀態，依照 單相交流電系統之頻率，將圖中所示之時間11、12、13、 14 ...預先設定在電腦，根據來自電壓檢測器5之檢測電壓， 依照射入光狀態，利用開關S 1〜S 7、開關S 1 1 a〜S 1 7 a及 開關S 1 1 b〜S 1 7 b之變換，可以階段式的變換輸出電壓。 另外，當要使單相交流電系統之電壓從負變換成為正 時，使開關元件5 1、5 4導通，或將開關元件5 3、5 2變換 成為OFF，當要使單相交流電系統之電壓從正變換成為負 時，使開關元件5 3、5 2導通，或將開關元件5 1、5 4變換 成為OFF。 例如，在具有發電模組21之多個發電單位3 0中，在上 段之並聯連接之5個發電單位3 0之全部或部份，具有輸出 電壓特性之參差變化時，或是建築物遮蔽太陽，該5個之 發電單位3 0之總發電量顯著降低，其輸出電壓變成低於被 儲存在電二重層電容器2 9 a之儲電電壓之情況時，就從電 二重層電容器2 9 a將指定電壓之直流電力輸出到正負之母 線6、7，用來補償輸出電力之降低，藉以使輸出電力平均 化，可以改善發電模組2 1之直流電壓一直流電流特性。在 此處所說明的是發電模組 2 1，但是在其他之發電模組 2 2 〜2 8因為亦同樣的設有電二重層電容器2 9 a、2 9 b，所以同 19 312/發明說明書(補件)/92· 10-92120064 1230492 樣的以高速進行動作。 另外，在未被太陽光照射之夜間，當該多個發電模 〜2 8均未產生直流電壓之情況時，就將被儲存在電二 電容器29a、29b之指定電壓之直流電力輸出到正負之 6、7，所以發電時間不受限制，可以顯著的改善發電 2之發電性能。另外，電二重層電容器29a、29b之電 可以依照需要設定在適當之電容量。 在以上所說明之發電系統1中，利用與發電模態對 各種型樣，變換開關機構S m之開關S 1〜S 7、S 1 1 a〜 及S 1 1 b〜S 1 7 b，可以用來使從發電系統1輸出之直流 輸出電壓，階段式的增加或減少。 另外，可以有效的活用全部之發電模組2 1〜2 8之輕 如上述之方式，只需變換開關S 1〜S 7、S 11 a〜S 1 7 a及 〜S 1 7 b，就可以階段式的變換直流電之輸出電壓。因 不會產生發電模組2 1〜2 8之閒置，可以充分的提高發 組2 1〜2 8之利用率。 即使在進行多個開關S 1〜S 7、S 1 1 a〜S 1 7 a及S 1 1 b〜 之變換時，因為開關之變換時之電壓變化很小，所以 易產生雜訊或高諧波。因此，用以吸收雜訊和高諧波 防止電磁干擾之濾波器容量可以減小，因而可以使電 構造簡化。開關S 1〜S 7、S 1 1 a〜S 1 7 a和S 1 1 b〜S 1 7 b 換頻率小於 P W Μ方式之反相器電路之開關元件之變 度，另夕卜，開關S1〜S7、Slla〜S17a及Sllb〜S17b 使用小型之開關元件，除了可以降低成本外，亦可以 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 組21 重層 母線 裝置 容量 應之 S 1 7a 電之 •出， Sllb 此， 電模 S 17b 不容 ，或 路之 之變 換頻 可以 減小 20 1230492 開關損失。 在回應陰天、早上、黃昏等之發電模組21〜28之輸 壓之降低時，變化開關S 1〜S 7、S 1 1 a〜S 1 7 a和S 1 1 b〜 之變換型樣，可以調整直流電力之電壓，所以不需要 升壓截波器，可以成為高通用性和自由度之廉價之系 另外，因為可以進行開關 S 1〜S 7，S 1 1 a〜S 1 7 a和S 1 S 1 7 b之變換，使輸出電壓階段式提高時，輸出電流階 的減小，和使輸出電壓階段式降低時，輸出電流階段 增加，所以可以控制發電裝置2使其以最大電力點進 作。 以並聯連接在各個發電模組2 1〜2 8之方式，設置電 層電容器 29a和電二重層電容器29b，所以在一部份 電單位3 0之輸出電壓特性具有變化，在一部份之發電 30被建築物遮蔽之情況，當來自該等發電單位30之 電壓低於被儲存在電二重層電容器 29a、29b之儲存 時，就從電二重層電容器2 9 a、2 9 b將指定電壓之直流 輸出到正負之母線6、7，藉以補償輸出電力之降低， 可以使來自發電模組2 1〜2 8之輸出電力平均化，可以 發電模組 2 1〜2 8之直流電壓一直流電流特性。在此 況，各個電二重層電容器29a、29b因為並聯連接在多 電單位3 0，所以在各個發電單位3 0不會受到異常之 壓之作用。因此，不需要在各個發電單位3 0附加的設 止逆流用之二極體，可以使發電系統1小型化和低成4 另外，在夜間等，任何一個發電模組2 1〜2 8均未發 312/發明說明書(補件),/92_ 10-9212〇064 出電 S 1 7b 設置 統， 1 b〜 段式 式的 行動 二重 之發 單位 輸出 電壓 電力 所以 改善 種情 個發 過電 置防 電之 21 1230492 狀態，在要求單相交流電系統之電力之情況時，因為將被 儲存在多個電二重層電容器29a、29b之直流電力輸出到正 負之母線6、7，用來減少電力使用條件之限制，可以顯著 的改善發電裝置2之發電性能。 在上述之發電系統1中，從反相器電路3輸出之電力之 頻率亦依照控制裝置4之控制，可以自由的變化，所以通 用性和自由度變成為優良。以上之說明是以利用電壓控制 使之輸出交流電力之情況為例進行說明，但是亦可以構建 成依照開關S 1〜S 7、S 1 1 a〜S 1 7 a和S 1 1 b〜S 1 7 b之變換， 利用電流控制用來使之輸出交流電力。 在此處使以此方式構成之發電系統1緊密的封裝化，對 於可實用化之具體例將根據圖1 4〜圖1 7進行說明。 該發電系統1之構成包含有：箱狀之本體殼體8 0，由強 度優良之合成樹脂構成；蓋構件8 1，由透明之合成樹脂構 成，用來蓋在該本體殼體80之上面；太陽電池基板82， 被收容在本體殼體80内；電子零件基板83;多個電二重 層電容器29a、29b;和反相器電路3等。 太陽電池基板82如圖15、圖16所示，在本體殼體80 内被收容成為向上，在該太陽電池基板8 2利用蝕刻分別形 成有正極6 2或正母線6，和負極6 0或負母線7，用來在負 母線7和多個發電模組2 1〜2 8之負極6 0之上，設置多個 開關 S 1〜S 7，和在正母線6和多個發電模組2 1〜2 8之正 極6 2之上，設置多個開關S 1 1 a〜S 1 7 a，以及在正極6 2和 負極6 0之上設置多個開關S 1 1 b〜S 1 7 b。在各個正極6 2將 22 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 多個發電單位3 0配置成如圖1所示之矩陣狀，其配線成如 圖所示。 被收容在本體殼體80内之向下之電子零件基板83，如 圖1 5、圖1 7所示，利用經由蝕刻形成之連接線8 4，用來 連接電壓檢測器5、CPU65、ROM和RAM66、67 ’反相器 電路3之開關元件5 1〜5 4和回流二極體5 5〜5 8，成為如 圖所示之方式。交流電輸出端子8、9分別被設在面對之角 部，該等之交流電輸出端子 8、9之一部份插穿本體殼體 8 0露出到外部。另外，符號8 3 a是連接部，形成與太陽電 池基板8 2之正母線6連接，符號8 3 b是連接部，形成與太 陽電池基板8 2之負母線7連接。另外，控制裝置4之控制 線以虛線表不。 形成在該等上側之太陽電池基板 82和下側之電子零件 基板83之間之多個電二重層電容器29a、29b，被配置成 為三明治狀，各個電二重層電容器2 9 a、2 9 b如圖1所示的 電連接到發電模組2 1〜2 8。 上下包夾多個之電二重層電容器29a、29b之太陽電池基 板8 2和下側之電子零件基板8 3，被配置在本體殼體8 0内 之高度方向中段部成為水平狀，以充填有透明矽 8 5之狀 態，上端被蓋構件8 1固定成為密閉狀。在蓋構件8 1之上 面側，分別形成有半球狀之半球透鏡部 8 1 a，成為與被設 在太陽電池基板8 2之多個發電單位3 0之各個對應。 當將此種被封裝化之發電系統1設置在太陽光可射入之 場所時，因為太陽光經由半球透鏡部8 1 a有效的照射在發 23 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 電單位30，所以變成為從交流電輸出端子8、9輸出充分 之交流電。亦可以將該封裝化之多個發電系統1配置成為 矩陣狀，適當的連接交流電輸出端子8、9。 在以上所說明之實施形態中，為著易於暸解本發明，以 具有8個之發電模組2 1〜2 8之發電裝置1為例進行說明。 但是，在連接到家庭之商用單相交流電系統之發電系統之 情況時，需要構建成為連接到有效值1 00V，波高值大約為 1 4 0 V之交流電系統。另外，在陰天、早上、黃昏等會產生 發電系統之輸出降低，針對此點最好將發電系統之最大輸 出電壓設定成為200V以上。下面將根據圖18〜圖23用來 說明此種發電系統之實例。 圖1 8所示之發電系統1 A是被組建在1片面板之面板構 造者，亦稱為發電面板。 該發電系統1 A具有：發電裝置2 A，由被配罝成發電方向 一致之例如4 8個之發電模組2 1 A〜2 5 A和多個之電二重層 電容器29構成；反相器電路3A，與上述之反相器電路3 相同；該反相器電路 3 A之輸入側之正母線 6 A和負母線 7 A ;開關機構S m a (由開關S 7 1〜S 7 4和開關 S 8 1〜S 8 4等 構成）；輸出端子 8 A、9 A ;和控制裝置（圖中未顯示）等。 開關機構S m a用來獲得與上述實施形態之圖1所示之發電 系統1之開關機構相同之功能，開關S 7 1〜S 7 4用來將發 電模組2 1 A〜2 4 A之負極6 0 A變換成為與負母線7 A連接 之狀態或分離之狀態，與上述之開關 S 1〜S 7相同。開關 S 8 1〜S 8 4，與上述之開關 S 1 1〜S 1 7相同，用來使發電模 24 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 組2 2 A〜2 5 A之正極6 2 A選擇其一的連接到鄰接正極側之 發電模組21A〜24A之負極60A或正母線6A。 上述發電模組2 1 A〜2 4 A因為具有相同之構造，所以只 說明發電模組2 1 A和電二重層電容器2 9。如圖1 9所示， 發電模組2 1 A之構成例如將發電單位3 0 A配置成為1 0列 1 0 0行之矩陣狀，該等之發電單位3 0 A成為如圖所示之並 聯和串聯連接。在此種情況，在串聯數為1個並聯數為1 0 0 個之並聯連接之每一個並聯連接之並聯發電單元3 0 A，分 別並聯連接1個之電二重層電容器2 9。因此，在輸出電壓 特性有變化或陰天使一部份之發電單位3 0 A成為Ο F F狀態 之情況時，因為從並聯連接之電二重層電容器29輸出所儲 存之直流電力，所以可以大幅的提高發電模組2 1 A之發電 性能，可以使實用性和耐久性變為優良。 另外，上述之「1 0列1 0 0行之矩陣狀」只是實例，列數 並不只限於1 0列，亦可以成為1 0 0列，或數個1 0 0列之情 況。另外，行數並不只限於1 0 0行，亦可以成為數個1 〇 行，數個1 0 0行，或數個1 0 0 0行之情況。 另外，即使在此種情況，因為不需要在每一個發電單位 3 0 A設置防止逆流用之二極體，所以可以使發電系統1 A 小型化和低成本化。 發電單位30A本身與上述之發電單位30相同，因為各 個發電單位3 0 A之輸出電壓為0 · 5〜0 · 6 V，所以發電模組 2 1 A〜2 5 A之各個之最大輸出電壓（晴天時之輸出）為例如 5.0 〜6.0 V。 25 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 另夕卜，亦可以構建成經由適當的變換該多個之負極側開 關S 7 1〜S 7 4和多個之正極側開關S 8 1〜S 8 4，用來變換成 為圖20所示之「發電模態Ml、M2、...M48」和「輸出電 壓」。 另外，將上述發電模組2 1 A之發電模組構建成為面板狀 之構造。 對於此種技術，見於本案申請人所申請之多個國際申請 案（例如，PCT/JP00/07360，PCT/JP01/06972，PCT/JP01/ 09234，PCT/JP01/11416)。 以上所說明之發電系統1 A (發電面板）不只是以1片，亦 可以以多片之發電面板用來構成發電系統。但是，控制裝 置亦可以只設置1組。例如，如圖21所示，在該發電系統 1 A設置2片之發電系統1 A (發電面板），和設置開關機構 用來將該2片之發電系統1 A變換成為串聯連接狀態或並 聯連接狀態。該開關機構由開關S 6 5、S 6 6構成，開關S 6 5 可以使如圖所示之電路進行連接·分離，與上述開關S 1 〜S7同樣的，例如由npn型雙極電晶體構成。開關S66可 以變換成為選擇其一的連接到任何一方之接點之狀態，或 不連接在任何一個接點之狀態，與上述開關S 1 1 a〜S 1 7 a 和開關S 1 1 b〜S 1 7b同樣的，例如由2個之npn型雙極電 晶體構成。利用該開關機構可以將2個之發電裝置1 A變 換成為串聯連接狀態，或並聯連接之狀態。由該2個之發 電裝置1 A構成之發電裝置之輸出端子8 B、9 B連接到交流 電系統，該發電系統被控制裝置控制成為使其輸出電力可 26 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 以連繫到交流電系統之頻率和電壓等。 在2片之發電面板並聯連接之狀態，該 電壓可以如圖20所示的變換。另外，在使 之發電模組錯開之串聯連接之狀態，該發 壓可以變換成為如圖22之合計輸出電壓。 但是，適當的變換2片之發電面板使其 狀態或串聯連接之狀態，同時經由適當的 板之發電模態，可以將該發電裝置之輸出 〜6V、10 〜12V、15 〜18V、30 〜36V、40 〜 80 〜96V、120 〜144V、200 〜240V、240 -432V、480〜576V。但是，上述之輸出電 2 2之輸出電壓所示之實例是全部之發電單 出之情況。因為在陰天或早上、黃昏等， 減少，所以在發電裝置之輸出電壓降低之 之合計輸出電力實際上降低數％〜數1 0 % 系統，如圖2 3所示，對於商用單相交流電 之交流電波形7 0，可以將實線所示之階段 形7 1之交流電力輸出到商用單相交流電| 在該發電系統1 A，將多個之半導體模翻 個之電二重層電容器29，反相器電路3A S71〜74、S81〜S84之全體組合到1片之 要將反相器電路和多個之開關類組合到1 片，因為可以成為此種構造，所以可以使全 和可以降低製作成本。 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 發電系統之輸出 2片之發電面板 電系統之輸出電 成為並聯連接之 設定兩片發電面 電壓變換成為5 48V、60 〜92V、 〆 2 8 8V、3 60 〜 壓，和圖2 0、圖 位發出最大輸 太陽光之射入量 情況，圖2 2所示 ^利用此種發電 系統之交流電壓 式變化之電壓波 流。 L 2 1 A〜25 A，多 ，和多個之開關 面板，和依照需 個之半導體晶 r體之構造簡化， 27 1230492 另外，將多個之發電系統（發電面板）組合成為各種形 態，可以產生所希望之頻率，所希望之輸出電壓或所希望 之輸出電流之交流電力，所以其通用性和自由度成為優良。 圖2 1、圖2 2之有關說明是說明裝備有2片之發電面板 (發電系統）之發電系統之實例，但是實際上亦可以構建成 設置多個之發電面板，將該等變換成為並聯連接狀態和串 聯連接狀態，同時輸出適合於供給到家庭等之商用單相交 流電系統之電壓或電流之電力。 在圖1 8之發電系統或圖2 1之發電系統，因為基本上可 以獲得與上述之發電系統1同樣之作用和效果，所以在此 處將其說明省略。 下面說明將上述實施形態部份變更之實例。 (1 ) 在上述發電系統1、1 A中是將被設在反相器電路3 之輸出側之電路之濾波器或阻抗器等之說明加以省略，但 是在實際之發電系統中，依照需要的設有濾波器或阻抗器 等。 (2) 反換器電路3、3 A所說明之實例是產生單相交流電 之情況，但是亦可利用反相器電路將利用發電裝置2、2 A 所發電之直流電力變換成為三相交流電，在此種情況，將 發電裝置所產生之直流電力變換成為與三相交流電之各相 對應之交流電力。 (3) 將上述發電系統1之全體構建成1個之板狀或面板 狀之構造。或將上述圖1 8所示之發電系統，例如圖2 1所 示之具有多組裝備之發電系統1，構建成1個之板狀或面 28 31W發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 板狀之構造。 (4) 不需要將多個發電模組21〜28、21A〜25A之各個 個別的製作，而是將全體一體的製作。例如，將圖1 8之多 個發電模組構建成上看成為1個之發電模組，在電路上構 建成具有圖1 8所示之多個發電模組。 (5) 上述之發電系統卜1 A所說明之實例是與外部之交 流電系統連接之他激型之發電系統，但是具備有用以產生 基準之交流電壓之機構之自激型之發電系統，亦可以使用 本發明。 (6) 在上述之發電系統卜1 A中亦可以在各個電二重層 電容器29a、29b之並聯連接位置，使ON-OFF開關與電二 重層電路器29a、29b串聯連接，依照需要使只有將ON-OFF 開關變換到ON側時，才將被儲電在電二重層電容器2 9 a、 2 9b之直流電予以輸出。 (7) 作為儲電機構者不只限於電二重層電容器2 9 a、 29b，亦可以使用大儲電容量之電解電容器、二次電池、電 池等可以儲存發電電力之各種儲電機構。 【圖式簡單說明】 圖1是發電系統之構造圖。 圖2是發電單位之剖面圖。 圖3是發電單位之剖面圖。 圖4是發電單位之剖面圖。 圖5是電晶體電路圖，用來表示開關S 1〜S 7之構造。 圖6是電晶體電路圖，用來表示開關Slla〜S17a和Sllb 29 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 〜S 1 7 b之構造。 圖7是發電系統之控制裝置之方塊圖。 圖8是發電模態Μ 1時之發電系統之作用說明圖。 圖9是發電模態M2時之發電系統之動作說明圖。 圖1 〇是發電模態Μ 4時之發電系統之動作說明圖。 圖1 1是發電模態Μ 8時之發電系統之動作說明圖。 圖1 2是在高射入光狀態，從圖1之發電系統輸出之直 流電力之電壓波形和單相交流電系統之電壓波形之波形 圖。 圖1 3是在低射入光狀態，從圖1之發電系統輸出之直 流電力之電壓波形和單相交流電系統之電壓波形之波形 圖。 圖1 4是封裝化之發電系統之平面圖。 圖1 5是圖1 4之Ν - Ν線剖面圖。 圖1 6是被配置在上側之太陽電池基板之平面圖。 圖1 7是被配置在下側之電子零件基板之背面圖。 圖1 8是變化形態之發電系統之構造圖。 圖1 9是發電模組之電路圖。 圖2 0是圖1 8之發電系統之發電模態和輸出電壓等之說 明圖表。 圖2 1是圖1 8之發電系統設置2組之發電系統之構造圖。 圖22是圖21之發電系統之輸出電壓之說明圖表。 圖2 3是從發電系統輸出之直流電力之電壓波形和單相 交流電系統之電壓波形之波形圖。 30 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 圖24〜圖27表示先前技術，圖24是PWM方式 系統之全體構造圖。 圖25是PWM方式之指令電壓正弦波和載波和方 流電壓等之時序圖。 圖2 6是電池變換方式之發電系統之全體構造圖。 圖2 7(A)是圖24之發電系統所產生之電壓波形之 圖。 圖2 7 ( B )是圖2 4之發電系統所產生之電流波形之 圖。 (元件符號說明） 1 發電系統 2 發電裝置 3 反相器電路 4 控制裝置 5 電壓檢測器 6 正母線 7 負母線 8 輸出端子 9 輸出端子 2 1〜2 8 發電模組 29 電二重層電路器 2 9a 電二重層電容器 2 9b 電二重層電容器 30 發電單位 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 之發電 形波交 波形 波形
1230492 30A、30B、30C 太陽電池
31 球 狀 半 導 體 32 擴 散 層 33 pn 接 面 34 絕 緣 膜 35 正 極 36 負 極 37 球 狀 半 導 體 38 擴 散 層 39 pn 接 面 40 絕 緣 膜 41 正 極 42 負 極 43 半 導 體 44 擴 散 層 45 pn 接 面 46 擴 散 層 47 絕 緣 膜 48 正 極 49 負 極 5 1〜 54 開 關 元 件 55〜 58 回 流 二 極 體 59 並 聯 連 接 線 60 負 極 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 32 1230492 6 1 η ρ η雙極電晶體 6 2 正極 6 3 η ρ η雙極電晶體 64 ηρη雙極電晶體
65 CPU
66 ROM
6 7 RAM 68 輸入/輸出介面 7 0 單相交流電系統的交流電電壓波形 7 1 強光時發電系統輸出之交流電力的電壓波形 72 弱 光 時 發 電 系統輸出之交流電力的電壓波形 80 本 體 殼 體 81 蓋 構 件 81a 半 球 透 鏡 部 82 太 陽 電 池 基 板 83 電 子 零 件 基 板 8 3a 連 接 部 83b 連 接 部 84 連 接 線 85 透 明 矽 S1〜 S7 開 關 SI 1 a 〜SI 7a 開 關 SI lb 〜SI 7B 開 關 S65、 S66 開 關 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 33 1230492 S71 〜S74 S81 〜S84 S m S m a
1 A、2A
3 A 6 A 7 A 8 A
8B、9B
9A 21 A〜25A 30 A 60A 62A 開關 開關 開關機構 開關機構 發電系統 反相器電路 正母線 負母線 輸出端子 輸出端子 輸出端子 發電模組 發電單位 負極 正極 31W發明說明書(補件)/92-10-92120064 34

Claims (1)

1230492 拾、申請專利範圍： 1 . 一種發電系統，具備有：發電裝置，用來發出直流電 力；和反相器電路，用來將該發電裝置所發出之直流電力 變換成為交流電力；其特徵是具備有： 上述發電裝置，具有：多個發電模組，分別具備有多個發 電單位或發電部；和至少1個之儲電機構，並聯連接在多 個發電模組之各個； 正負之母線，連接到上述反相器電路之輸入側； 多個第1開關機構，用來使多個發電模組之各個之正極 可以與正母線連接·分離； 多個第 2開關機構，用來使多個發電模組之各個之正 極，可以與鄰接其一側之發電模組之負極連接·分離；和 多個第 3開關機構，用來使多個發電模組之各個之負 極，可以與負母線連接·分離。 2.如申請專利範圍第1項之發電系統，其中，具備有控 制裝置，上述多個第1、第2、第3開關機構，分別由半導 體開關元件構成，而藉由控制裝置來控制該多個第 1、第 2、第3開關機構之變換，藉以階段式的變換上述發電裝置 之輸出電壓。 3 .如申請專利範圍第2項之發電系統，其中將上述多個 發電模組區分成為多個群，利用上述控制裝置，使各群之 多個發電模組，在經由多個第2開關機構成為串聯連接之 狀態，構建成可以利用第1、第3開關機構形成與正負之 母線並聯連接。 35 312/發明說明書(補件)/92-10-92120064 1230492 4 .如申請專利範圍第2項之發電系統，其中上述反相器 電路具備有多個半導體開關元件，設等之半導體開關元件 被上述控制裝置控制。 5 .如申請專利範圍第3項之發電系統，其中設有電壓檢 測機構，用來檢測接受來自上述發電系統之電力之供給的 交流電力系統的電壓，上述控制裝置根據電壓檢測機構之 檢測信號，用來控制第1、第2、第3開關機構，和上述反 相器電路之多個半導體開關元件。 6 .如申請專利範圍第1項之發電系統，其中上述發電模 組之多個發電單位排列成為多個行多個列之矩陣狀，且形 成並聯和串聯連接。 7. 如申請專利範圍第1項之發電系統，其中上述各個發 電單位由太陽電池構成，在粒狀之半導體中形成pn接面而 成。 8. 如申請專利範圍第1項之發電系統，其中上述發電裝 置由積層有多個單電池之燃料電池構成，上述各個發電單 位由上述單電池構成。 9 .如申請專利範圍第1項之發電系統，其中上述儲電機 構是電二重層電容器。 1 0 .如申請專利範圍第1項之發電系統，其中上述儲電機 構是2次電池。 36 312/發明說明書(補件)/92-10-9212⑻64
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