WO2004109890A1 - 発電システム - Google Patents

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WO2004109890A1
WO2004109890A1 PCT/JP2003/007298 JP0307298W WO2004109890A1 WO 2004109890 A1 WO2004109890 A1 WO 2004109890A1 JP 0307298 W JP0307298 W JP 0307298W WO 2004109890 A1 WO2004109890 A1 WO 2004109890A1
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power
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Josuke Nakata
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Kyosemi Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to a power generation system that generates AC power from a DC power generated by a solar cell, a fuel cell, or the like via an inverter circuit, and relates to a switching mechanism for switching a DC power voltage in multiple stages, a storage function, and an improvement in power generation performance It has the following features. Background art
  • the known solar power generation system shown in Fig. 24 is a general system-coupling type system that controls the inverter circuit by the PWM method, and is a solar cell system in which a plurality of power generation modules are connected in series and a plurality of power generation modules are connected in parallel.
  • the control device 102 includes a voltage detector 103 for detecting a reference voltage of an AC system, an amplifier 104 for amplifying the detected voltage, a triangular wave generator 105, a PWM control unit 106, and the like.
  • the PWM control unit 106 is based on the sine wave 107 of the command voltage based on the reference voltage shown in FIG.
  • the switch element of the inverter circuit 101 is controlled to generate a square-wave AC voltage 109 as shown in FIG. 23, and the square-wave AC voltage 109 is smoothed by a filter circuit. It converts it to sinusoidal AC power and outputs it to the AC system.
  • the output of the solar cell is intermittently converted into AC power, so that the output of the solar cell can only be used by about 90%. is there.
  • FIG. 26 for example, four sets of solar cells 110 capable of generating DC power of 10 V, 20 V, 40 V, and 80 V are provided, and switches SI, S 2 , S 3, and S 4, only switch S 1 is turned on to output 10 V DC power, and by appropriately turning on switches, the DC power voltage is increased in 10 V units. It can be changed to 20 V, 30 V,..., 140 V, 15 OV stepwise. The DC power is converted into AC power as shown in Figs.
  • the fuel cell is configured such that a large number of unit cells are provided in a stacked state, and the large number of unit cells are connected in series to output DC power. Since each unit battery generates DC power of about 0.6 to 0.7 V, this power generation system is linked to a single-phase AC system for home use, and DC power generated by the power generation system is converted to AC power.
  • the technology to supply has the same problems as in the case of the solar power generation system. Disclosure of the invention
  • the power generation system of the present invention is a power generation system comprising: a power generation device that generates DC power; and an inverter circuit that converts the DC power generated by the power generation device into AC power.
  • the inverter circuit comprising: a plurality of power generation modules each including a plurality of power generation units or power generation units; and at least one power storage unit connected in parallel to each of the plurality of power generation modules.
  • the positive and negative buses connected to the input side of each of the power generation modules, the respective positive electrodes of the plurality of power generation modules are connected to the positive bus.
  • a plurality of second switch means that can be connected to the negative electrode of the power generation module adjacent to the power supply module, and a plurality of third switches that can be connected to the negative electrode of each of the plurality of power generation modules. It is characterized in that a Tutsi means.
  • Each of the plurality of power generation modules receives the sunlight and constantly generates DC power of a predetermined voltage, and at the same time, the power storage means connected in parallel to each of the plurality of power generation modules outputs the predetermined power output from these power generation modules. Receiving voltage DC power, this DC power is always stored.
  • a plurality of power generation modules are divided into a plurality of groups, and a plurality of power generation modules of each group are connected in series by a plurality of second switch means, and are connected in parallel to the positive and negative buses by the first and third switch means. can do. If the number of power generation modules connected in series is two, the DC output voltage will be 2 Vmin, and if the number of power generation modules connected in series is four, the DC output voltage will be 4 Vmin. In this way, it is possible to gradually increase or decrease the DC output voltage output from the power generation device.
  • the DC output voltage can be switched stepwise simply by switching the first, second, and third switch means as described above while effectively utilizing the outputs of all the power generation modules.
  • the idle of the power generation module does not occur, and the utilization rate of the power generation module can be sufficiently increased.
  • the structure of the accompanying electric circuit can be simplified, for example, by reducing the filter capacitance for absorbing noise and harmonics and preventing electromagnetic interference.
  • the switching frequency of the plurality of first, second, and third switch means is also less than the switching frequency of the switching elements of the PWM type inverter circuit, and the switching frequency of the plurality of first, second, and third switch means is reduced. In this case, a small-sized switching element can be applied, and the cost of the switching gloss and the switching element can be reduced.
  • the connection pattern of the plurality of first, second, and third switch means is changed according to a decrease in the output voltage of the power generation module, such as in cloudy weather, morning, and evening.
  • the voltage of the DC power output from the power generator can be adjusted, so there is no need to provide a step-up chopper, and the system has high versatility and flexibility.
  • the output voltage is increased stepwise, the output current decreases stepwise, and when the output voltage is decreased stepwise, the first and second power characteristics are increased so that the output current gradually increases. 2. Since the third switch means can be switched, it is possible to control the power generator to operate at the maximum power point.
  • DC power of a predetermined voltage is output from the power storage means connected in parallel to the power generation module whose voltage has dropped to the positive / negative bus so as to compensate for the reduction of the output voltage of the power generation module, so that the output power can be leveled,
  • the DC voltage-DC current characteristics of the power generation module can be improved.
  • the DC power of a predetermined voltage is supplied from the stored power storage means to the positive and negative buses. Since the power is output to the power generator, the power generation time is not limited, and the power generation performance of the power generator can be significantly improved.
  • the plurality of first, second, and third switch means are each constituted by a semiconductor switching element, and by controlling the switching of the plurality of first, second, and third switch means, A control device for switching the output voltage stepwise is provided.
  • the plurality of power generation modules are divided into a plurality of groups, and the control device connects the plurality of power generation modules of each group in series by a plurality of second switch means.
  • the bus can be connected in parallel.
  • the inverter circuit includes a plurality of semiconductor switching elements, and the semiconductor switching elements are controlled by the control device.
  • Second and third switch means and a plurality of semiconductor switching elements of the impeller circuit.
  • the plurality of power generation units of the power generation module are arranged in a matrix with a plurality of columns and a plurality of rows, and are connected in parallel and in series.
  • Each of the power generation units is made of a solar cell in which a pn junction is formed in a granular semiconductor.
  • the power generation device is configured by a fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked, and each of the power generation units is configured by the unit cell.
  • the power storage means is an electric double layer capacitor.
  • the power storage means is a secondary battery.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of the power generation system
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the power generation unit
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the power generation unit
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the power generation unit
  • FIG. 6 is a transistor circuit diagram showing a configuration of switches S1 to S7
  • FIG. 6 is a transistor circuit diagram showing a configuration of switches Slla to S17a and Sllb to S17b.
  • FIG. 8 is a block diagram of the control device of the system
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of the operation of the power generation system in the power generation mode Ml
  • FIG. 9 is an operation explanatory diagram of the power generation system in the power generation mode M2
  • FIG. 0 is an operation explanatory diagram of the power generation system in the power generation mode M4
  • FIG. 11 is an operation explanatory diagram of the power generation system in the power generation mode M8,
  • FIG. 12 is a diagram of FIG. 1 in the high incident light state.
  • Fig. 13 is a diagram of the voltage waveform of the DC power output from the power generation system of Fig. 1 and the voltage waveform of the single-phase AC system in a low incident light state
  • Fig. 14 is the packaged power generation system.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line NN of FIG. 14
  • FIG. 16 is a plan view of the solar cell substrate arranged on the upper side
  • FIG. 17 is a plan view of the solar cell substrate arranged on the lower side.
  • FIG. 18 is a rear view of an electronic component substrate
  • FIG. 18 is a configuration diagram of a power generation system according to a modification
  • FIG. 19 is a circuit diagram of a power generation module
  • FIG. 20 is a power generation system of FIG. Fig. 21 is an explanatory diagram of modes and output voltages, etc.
  • Fig. 21 is a configuration diagram of a power generation system provided with two sets of power generation systems of Fig. 18;
  • Fig. 22 is a description of output voltage in the power generation system of Fig. 21
  • Fig. 23 shows the voltage waveform of the DC power output from the power generation system and the single-phase AC system. It is a diagram of the voltage waveform of.
  • Fig. 24 to Fig. 27 show the prior art
  • Fig. 24 is the overall configuration diagram of the PWM system
  • Fig. 25 is the command voltage sine wave and carrier wave in the PWM system
  • Fig. 26 is an overall configuration diagram of the battery switching type power generation system
  • Fig. 27 (A) is a time chart of the voltage waveform generated in the power generation system of Fig. 24.
  • FIG. 27 (B) is a diagram of a current waveform generated in the power generation system of FIG. 24.
  • the power generation system 1 includes a power generation device 2 that generates DC power, and a DC power generated by the power generation device 2 that is converted into AC power to form a single-phase AC system. It controls the inverter circuit 3 to be output, the switching mechanism Sm for switching the voltage of the DC power of the power generator 2 in a plurality of stages, and the switching mechanism Sm and the switching elements 51 to 54 of the inverter circuit 3.
  • the control device 4 includes a voltage detector 5 that detects a voltage of a single-phase AC system and inputs the voltage to the control device 4.
  • the power generator 2 in the present embodiment has a configuration in which the positive electrode 62 and the middle section are connected in parallel so as to be connected in parallel to each of the eight power generation modules 21 to 28 and the power generation modules 21 to 28.
  • An electric double-layer capacitor for electric storage 29 a connected to the line 59 and an electric double-layer capacitor for electric storage 29 b connected to the parallel connection line 59 and the negative electrode 60 are provided.
  • These power generation modules 21 to 28 are arranged in one row with the power generation direction aligned.Each power generation module 21 to 28 is arranged in a matrix of 2 rows and 5 columns and connected in parallel and in series. It has 10 power generation units 30.
  • Each power generation unit 30 is composed of any one of the three types of granular solar cells 30A to 30C shown in FIGS. It can generate 5 to 0.6 V DC.
  • the solar cell 3 OA in FIG. 2 is a spherical semiconductor 31 made of n-type silicon having a diameter of about 1.5 to 3.0 mm, a p-type diffusion layer 32, a pn junction 33, a silicon oxide insulating film 34, and a spherical semiconductor 31. And a negative electrode 36 and the like facing each other across the center.
  • This kind of solar cell 30A is described in WO98 / 15983 filed by the present applicant.
  • the solar cell 30C shown in Fig. 4 is a columnar semiconductor made of p-type silicon with a diameter of about 1.5 to 3.0 mm 43, an n-type diffusion layer 44, 11 junctions 45, and a p + diffusion layer 4 6, an insulating film 47 of silicon oxide, a positive electrode 48 and a negative electrode 49 provided at both ends.
  • the above-mentioned solar cells 30 A to 30 C are merely examples, and various power generation modules having a function of generating DC power of about 1.0 to 10.0 V (for example, 1 Solar cells in the form of a panel or multiple small panel-shaped solar cells are assembled into a panel to form a panel, a fuel cell, etc.).
  • the power generation unit 30 includes, for example, various power generation units or power generation units or power generation function units that generate DC power of a relatively low voltage (for example, a single panel-shaped solar cell or a plurality of small panel-shaped solar cells). It is also possible to apply one or more power generation units, power generation function units, and fuel cells included in a solar cell that is assembled into a panel.
  • the electric double-layer capacitors 29a and 29b for power storage use activated carbon in contact with an electrolyte as an electrode, contact the electrolyte with activated carbon, and apply a voltage to polarize the interface. When they occur, they accumulate electricity in the same way as capacitors. They have low pollution, have excellent charge / discharge times, and can accumulate relatively large electric capacity.
  • the electric double layer capacitor 29 a is connected to the positive electrode 62 and the parallel connection line 59, and is connected in parallel to the upper five power generation units 30 connected in parallel.
  • the electric double layer capacitor 29 b is connected to the parallel connection line 59 and the negative electrode 60, and is connected in parallel to the lower five power generation units 30 connected in parallel.
  • the electric double layer capacitors 29 a and 29 b receive the DC power generated by the plurality of power generation units 30 connected in parallel, and always store the DC power. However, if the power generation of any one or more of the power generation units 30 is significantly reduced, the electric double layer capacitors 29 a and 29 are used to compensate for the decrease in output power.
  • DC power of voltage is output to positive and negative buses 6 and 7
  • the inverter circuit 3 is composed of, for example, four switching elements 51 to 54 made of an n-channel IGBT connected in a bridge, and each of the switching elements 51 to 54 has a reflux diode 55 to 58. Is also connected. These four switching elements 5 :! to 54 are controlled by control signals from the controller 4.
  • the switching elements 51 and 54 and the switching elements 53 and 52 are paired and alternately turned on to output AC from the output terminals 8 and 9 to a single-phase AC system.
  • a positive bus 6 and a negative bus 7 are connected to the input side of the inverter circuit 3.
  • the switching mechanism S m is provided between the power generator 2 and the inverter circuit 3, and switches the output voltage of the DC power generated by the power generator 2 and output to the inverter circuit 3 in a plurality of stages. : An arbitrary number of! To 28 are connected in series, and the power generation module groups connected in series can be connected in parallel to the inverter circuit 3.
  • the switching mechanism Sm has a plurality of switches S1 to S7, S11a to S17a, and S11b to S17b.
  • the switches SI to S7 are switches that can be switched between a state in which the negative electrode 60 of each of the two power generation modules 2:!
  • Each of the switches S1 to S7 is composed of, for example, an npn type bipolar transistor 61 that is turned on and off by a control device 4, as shown in FIG.
  • the switches S11a to S17a are switches that can be switched between a state in which the positive electrodes 62 of the seven power generation modules 22 to 28 are connected to the positive bus 6 and a state in which the positive electrodes 62 are separated from each other.
  • Switches S11b to S17b connect the positive electrode 62 of the seven power generation modules 22 to 28 to the negative electrode 60 of one power generation module 2:! To 27 adjacent to the positive electrode 62 side, respectively. This is a switch that can be switched between a state to be separated and a state to be separated.
  • Each of the switches S11a to S17a is composed of an nn-type bipolar transistor 63, which is turned on and off by a control device 4, as shown in FIG. 6, for example.
  • Each of 7b is controlled on / off by the controller 4 as shown in FIG. 6, for example. It is composed of an npn-type bipolar transistor 64.
  • the transistor 63 when the transistor 63 is on, the transistor 64 is off, and when the transistor 64 is on, the transistor 63 is off.
  • the positive electrode 62 can be connected and separated to the positive bus 6 by the bipolar transistor 63, and the positive electrode 62 can be connected to and separated from the negative electrode 60 of the adjacent power generation module by the bipolar transistor 64.
  • a plurality of transistors 63 as the switches Slla to S17a correspond to a plurality of first switch means
  • a plurality of transistors 64 as the switches Sllb to S17b correspond to a plurality of second switch means.
  • the plurality of transistors 61 as switches S1 to S7 correspond to a plurality of third switch means.
  • the npn-type bipolar transistors 61, 63, and 64 are merely examples, and any of these switching elements capable of on / off control may be applied.
  • Inverter circuit 3 switching element 5 :! To 54 are merely examples, and another switching element such as a MOSFET may be applied.
  • control device 4 Next, the control device 4 will be described.
  • the control device 4 mainly includes a computer including a CPU 65, a ROM 66, and a RAM 67, and an input / output interface 68, and includes switches S1 to S7 and switches SI la to S17a. And switches SI lb to SI 7 b are connected to the input / output interface 68, respectively.
  • a voltage detector 5 for detecting an AC voltage of the single-phase AC system is provided, and a detection signal of the voltage detector 5 is input to the control device 4.
  • the switches S1 to S7 and the switches S11a to S17a and the switches Sllb to S17b are provided.
  • a control program for controlling switching of the switching elements 51 to 54 as described later is stored in advance.
  • the control device 4 controls the switches S1 to S7, the switches S11a to S17a, and the switches Sllb to S17b on and off based on the control program of the ROM 66.
  • the output voltage of the DC power of the power generator 2 is switched stepwise.
  • the power generation voltage of each of the power generation modules 21 to 28 in the present embodiment is about 1.0 to: 1.2 V Therefore, in a state where switches S1 to S7 and switches S11a to S17a are connected as shown in FIG.
  • the power generator 2 that receives sunlight and generates power outputs DC power of about 1.0 to 1.2V.
  • the switches S1 to S7 and the switches S11a to S17a and the switches Sllb to S17b are switched, and four groups of eight power generation modules 21 to 28 are provided.
  • power generation mode M2 a state where the two power generation modules of each group are connected in series
  • four power generation module groups are connected in parallel to the positive and negative buses 6 and 7, Outputs DC power of about 2.0 to 2.4 V.
  • the switches S1 to S7 and the switches SI1a to S17b and the switches Slla to S17b are switched, and the eight power generation modules 21 to 28 are divided into two groups of four.
  • the switches S1 to S7 and the switches SI1a to S17b and the switches Slla to S17b are switched, and the eight power generation modules 21 to 28 are divided into two groups of four.
  • power generation mode M4 In a state where the four power generation modules of each group are connected in series (this is called power generation mode M4), and two power generation module groups are connected in parallel to the positive and negative buses 6 and 7, Outputs about 4.0 to 4.8 V DC power.
  • switches S1 to S7 and switches SI1a to SI17a and switches Sllb to S17b were switched to connect eight power generation modules 2:! To 28 in series. In this state (this is power generation mode M8), power generator 2 outputs DC power of approximately 8.0 to 9.6 V.
  • each of the electric double layer capacitors 29a and 29b is connected to the power generation unit 30 connected in parallel to this (approximately 0.5 to 0.6 V). ) Is always stored with DC power of the same voltage. In particular, when the power consumption by the single-phase AC system is small, the unused DC power generated by the power generation unit 30 is securely stored in the electric double-layer capacitors 29a and 29b, and becomes fully charged. .
  • the controller 4 detects the single-phase AC system detected by the voltage detector 5 as shown in FIG.
  • the switching elements 51 to 54, the switches S1 to S7, the switches Slla to S17a, and the switches S11b to S17b are appropriately changed in accordance with the AC waveform 70 of the AC voltage of Switching control (ON state is indicated by diagonal lines, OFF state is blank ), And switches to power generation mode Ml at the first time t1, switches to power generation mode M2 at the next time t2, and switches to power generation mode M4 at the next time t3.
  • This allows the output terminals 8 and 9 of the inverter circuit 3 to output AC power having a voltage waveform 71 that changes stepwise as shown by a solid line to a single-phase AC system.
  • the controller 4 controls the single-phase AC
  • the switching elements 51 to 54, the switches S1 to S7, and the switches Slla to S17a and the switches S11b to S17b are appropriately set in accordance with the AC waveform 70 of the AC voltage of the system. (The ON state is indicated by diagonal lines and the OFF state is indicated by blanks), and the power generation mode is switched to the power generation mode Ml at the first time t1, and the power generation mode is switched to the power generation mode M2 at the next time t2.
  • step 3 the mode is switched to the power generation mode M4, and at the next time t4, the switching control to switch to the power generation mode M8 is performed in sequence, so that even when the amount of incident light is small, the output terminals 8 and From step 9, the voltage waveform that changes stepwise as shown by the solid line 72 AC power can be efficiency may output the single phase AC system.
  • the time tl, t2, t3, t4, ... shown in the figure is preset in the computer so as to match the frequency of the single-phase AC system, distinguishing between the high incident light state and the low incident light state.
  • the switches S1 to S7 and the switches Slla to S17a and the switches S11b to S17b according to the incident light state based on the detection voltage from the voltage detector 5 The output voltage can be switched stepwise.
  • the switching elements 51 and 54 are turned on and the switching elements 53 and 52 are turned off, and the voltage of the single-phase AC system is switched from positive to negative.
  • the switching elements 53 and 52 are turned on and the switching elements 51 and 54 are turned off.
  • the other power generation modules 22 to 28 are similarly provided with the electric double-layer capacitors 29a and 29b, and thus operate at a high speed. Further, when no DC voltage is generated from any of the plurality of power generation modules 21 to 28 at night when no sunlight is irradiated, the predetermined voltage stored in the electric double layer capacitors 29 a and 29 b is reduced. Since the DC power is output to the positive and negative buses 6 and 7, the power generation time is not limited, and the power generation performance of the power generator 2 can be significantly improved.
  • the capacity of the electric double layer capacitors 29a and 29b shall be set to an appropriate capacity as needed.
  • the switches S1 to S7, Slla to S17a and Sllb to S17b of the switching mechanism Sm are switched in various patterns corresponding to the power generation mode. Thereby, the DC output voltage output from the power generation system 1 can be increased or decreased stepwise.
  • the structure of the accompanying electric circuit can be simplified, for example, by reducing the filter capacity for absorbing noise and harmonics and preventing electromagnetic interference.
  • the switching frequency of the switches S1 to S7, S11a to S17a and S11b to S17b also depends on the switching frequency of the switching elements of the PWM inverter circuit.
  • switches S1 to S7, Slla to S17a and S11b to S17b make it possible to apply small-sized switching elements, reducing costs and switching losses. Can also be reduced.
  • the switches S1 to S7, S11a to S17a, and S11b to S Since the voltage of DC power can be adjusted by changing the switching pattern of 17b, there is no need to provide a step-up chopper, resulting in an inexpensive system with high versatility and flexibility.
  • the switches S 1 to S 7 and S 7 are configured such that the output current decreases stepwise when the output voltage is increased stepwise, and the output current increases stepwise when the output voltage is decreased stepwise. Since the switching between 11a to S17a and S11b to S17b can be performed, it is possible to control the power generator 2 to operate at the maximum power point.
  • Power generation module 2 Since an electric double-layer capacitor 29a and an electric double-layer capacitor 29b are provided so as to be connected in parallel to each of! ⁇ 28, some power generation units 3 In the case where the output voltage characteristics of the power generation unit 0 vary, or some of the power generation units 30 are hidden in the building, the output voltage from the power generation unit 30 is changed to an electric double layer capacitor 29 a, When the stored voltage becomes lower than the storage voltage stored in 29 b, the DC power of the specified voltage is applied to the positive and negative buses from the electric double layer capacitors 29 a and 29 b so as to compensate for the decrease in output power.
  • the output power from the power generation modules 21 to 28 can be leveled, and the DC voltage-DC current characteristics of the power generation modules 21 to 28 can be improved.
  • the electric double-layer capacitors 29 a and 29 b are connected in parallel to the plurality of power generation units 30, no abnormal overvoltage acts on each power generation unit 30. Therefore, it is not necessary to provide a diode for backflow prevention in connection with each power generation unit 30, and the power generation system 1 can be reduced in size and cost.
  • the power generation system 1 includes a box-shaped main body case 80 made of a synthetic resin having excellent strength, a lid member 81 made of a transparent synthetic resin for covering an upper surface of the main body case 80, and a main body case 80. It comprises a housed solar cell substrate 82, an electronic component substrate 83, a plurality of electric double layer capacitors 29a, 29b, an inverter circuit 3, and the like.
  • the solar cell substrate 82 is housed upward in the main body case 80 as shown in FIGS. 15 to 16, and the solar cell substrate 8.2 has a positive electrode 62, a positive bus 6,
  • the negative electrode 60 and the negative bus 7 are formed by etching, respectively.
  • the negative bus 7 and the negative electrodes 60 of the plurality of power generation modules 21 to 28 are provided with a plurality of switches S1 to S7, and the positive bus 6 and the plurality of switches.
  • a plurality of switches S11a to l7a are provided on the positive electrode 62 of! 2 to! 28, and a plurality of switches S11b1 to l7a are provided on the positive electrode 62 and the negative electrode 60.
  • b is provided.
  • a plurality of power generation units 30 are arranged in a matrix as shown in FIG. 1 and wired as shown.
  • the electronic component substrate 83 accommodated downward in the main body case 80 is connected to the voltage detector 5 and the CPU 65 by connection lines 84 formed by etching. , ROM and RAM 66, 67, the switching elements 5 :! to 54 of the inverter circuit 3, and the reflux diodes 55 to 58 are connected as shown.
  • the AC output terminals 8 and 9 are provided at opposing corners, respectively, and some of the AC output terminals 8 and 9 are exposed to the outside through the main body case 80.
  • Reference numeral 83a denotes a connection portion connected to the positive bus 6 of the solar cell substrate 82, and reference numeral 83b denotes a solar cell. This is a connection portion connected to the negative bus 7 of the substrate 82.
  • the control line of the control device 4 is indicated by a dotted line.
  • a plurality of electric double layer capacitors 29 a and 29 b are arranged in a sandwich between the upper solar cell substrate 82 and the lower electronic component substrate 83, and each electric double layer capacitor 29 a, 29 b is electrically connected to the power generation modules 21 to 28 as shown in FIG.
  • hemispherical lens portions 81a formed in a hemispherical shape are formed so as to correspond to each of the plurality of power generation units 30 provided on the solar cell substrate 82. ing.
  • the power generation system 1 packaged in this way When the power generation system 1 packaged in this way is installed in a place where sunlight can enter, the sunlight is efficiently radiated to the power generation unit 30 via the hemispherical lens portion 81a, so that the AC output Sufficient AC is output from terminals 8 and 9.
  • the plurality of packaged power generation systems 1 may be arranged in a matrix, and the AC output terminals 8 and 9 may be connected as appropriate.
  • the power generation device 1 having eight power generation modules 21 to 28 has been described as an example for easy understanding of the present invention.
  • a power generation system that is connected to a commercial single-phase AC system at home, it must be configured to link to an AC system with an effective value of 100 V and a peak value of approximately 140 V .
  • the power generation system 1A shown in Fig. 18 has a panel structure assembled into one panel, and can be called a power generation panel.
  • the power generation system 1A includes, for example, a power generation device 2 including 48 power generation modules 21A to 25A arranged in the same power generation direction and a plurality of electric double layer capacitors 29.
  • a power generation device 2 including 48 power generation modules 21A to 25A arranged in the same power generation direction and a plurality of electric double layer capacitors 29.
  • A an inverter circuit 3 A similar to the inverter circuit 3 described above, a positive bus 6 A and a negative bus 7 A on the input side of the inverter circuit 3 A, and a switching mechanism S ma (this is a switch S 7 1 to S74 and switches S81 to S84), output terminals 8A and 9A, and a control device (not shown).
  • the switching mechanism Sma is for obtaining the same function as the switching mechanism of the power generation system 1 shown in FIG. 1 of the embodiment, and the switches S71 to S74 are provided with the power generation modules 21A to 24.
  • the switches S81 to S84 are composed of the positive electrode 62A of the power generation module 22A to 25A and the negative electrode 60A of the power generation module 21A to 24A adjacent to the positive electrode side and the positive bus 6A. This is alternatively connected to the above, and is similar to the above-mentioned switches S11 to S17.
  • the power generation module 21 A has power generation units 3 OA arranged in a matrix of, for example, 10 rows and 100 columns, and the power generation units 3 OA are arranged in parallel as shown in the figure. They are connected in series. In this case, one electric double layer capacitor 29 is connected in parallel for each parallel power generation unit 30 A connected in parallel with one in series and 100 in parallel. Therefore, if some of the power generation unit 3OA is turned off due to variations in output voltage characteristics or shade, DC power stored from the electric double layer capacitor 29 connected in parallel is output. As a result, the power generation performance of the power generation module 21 A can be greatly improved, and the practicability and durability are excellent.
  • matrix of 100 rows and 100 columns is merely an example, and the number of rows is not limited to 100 rows, and may be 100 rows or 100 rows.
  • number of columns is not limited to 100 columns, but may be 10 columns, 100 columns, and 100 columns.
  • the power generation unit 3 OA itself is the same as the power generation unit 30 described above, and since the output voltage of each power generation unit 3 OA is 0.5 to 0.6 V, the power generation module 21
  • the maximum output voltage (output in fine weather) of each of A to 25 A is, for example, 5.0 to 6.0 V.
  • Switch S 6 5 is a circuit shown connected 'separable, similar to the switch S 1 to S 7, for example constituted by np n type bipolar transistor.
  • the switch S66 can be switched between a state of being selectively connected to any one of the contacts and a state of not being connected to any of the contacts, and the switches Slla to S17a and Like the switches S11b to S17b, for example, the switch is constituted by two npn-type bipolar transistors. With this switch mechanism, it is possible to switch between a state in which the two power generating apparatuses 1A are connected in series and a state in which the two power generating apparatuses 1A are connected in parallel.
  • the output terminals 8 B and 9 B of the power generation equipment S composed of these two power generation devices 1 A are connected to the AC system, and this power generation system is configured so that the output power is linked to the frequency and voltage of the AC system. Controlled by the controller.
  • the output voltage of this power generation device can be reduced to 5 to 6V, 10 ⁇ : 12V, 15 ⁇ 18V, 30 ⁇ 36V, 40 ⁇ 48V, 60 ⁇ 92V, 80 ⁇ 96V, 120 ⁇ 144V, 200 ⁇ 240V, 240 ⁇ 288V, 360 ⁇ 432V, 480 ⁇ 576V It is also possible to switch as follows. However, the output voltages described above and the output voltages in FIGS. 20 and 22 show examples in the case where all the power generation units generate the maximum output.
  • a plurality of semiconductor modules 21A to 25A, a plurality of electric double-layer capacitors 29, an inverter circuit 3A, and a plurality of switches S71 to S74 and S81 to S84 are integrated into one. Since it is built into a single panel, and if necessary, it is possible to build a structure in which an inverter circuit and multiple switches are built into a single semiconductor chip, simplifying the structure as a whole and reducing manufacturing costs. Can be reduced.
  • a plurality of power generation systems can be combined in various forms to generate AC power with a desired frequency, a desired output voltage, or a desired output current, it is excellent in versatility and flexibility. .
  • Figs. 21 and 22 have been made with reference to an example of a power generation system equipped with two power generation panels (power generation systems), in practice, multiple power generation panels are provided and connected in parallel. While switching between the state and the state of being connected in series, it is also possible to configure so as to output power adapted to the voltage or current of the commercial single-phase AC system supplied to the home or the like.
  • the inverter circuits 3 and 3 A convert the DC power generated by the power generators 2 and 2 A described in the example of generating single-phase AC to three-phase AC by an inverter circuit. In this case, DC power generated by the power generator is converted into AC power corresponding to each phase of three-phase AC.
  • the entire power generation system 1 may be formed in a single plate or panel.
  • a plurality of sets of the power generation system shown in FIG. 18 are provided to form a single plate or panel.
  • each of the plurality of power generation modules 21 to 28 and 21A to 25A individually, but may be manufactured as a whole.
  • a plurality of power generation modules in FIG. 18 may be apparently configured as one power generation module, and an electrical circuit may include a plurality of power generation modules as illustrated in FIG.
  • the on-off switch is connected to the electric double layer capacitors 29 a and 29 b at the parallel connection position of the electric double layer capacitors 29 a and 29 b.
  • the storage means is not limited to the electric double layer capacitors 29a and 29b, but may be various types of storage means capable of storing the generated power, such as electrolytic capacitors, secondary batteries, and batteries with large storage capacity. You may.

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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

明 細 書 発電システム 技術分野
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ィンバータ回路 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。 背景技術
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 k Wの出力のものであり、 数 1 0枚の発電モジュ一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 2 4に示す公知のソーラ発電システムは、 インバータ回路を P WM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 2 4に示すように、 PW M制御部 106 は、 図 2 5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 2 5に示す搬送波 108 とに基づいてインバータ回路 101 のスィッチ素子を制御し、図 2 3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 9 0 % 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ィッチン 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 2 6に示すように、 例えば 、 1 0 V , 2 0 V, 4 0 V, 8 0 Vの直流電力を発生できる 4組の太陽電池 110 を設け、 スィッチ S I 、 S 2 、 S 3 、 S 4 のうち、 スィッチ S 1 のみをオンする ことで、 1 0 Vの直流電力を出力させ、 オンに切換えるスィッチを適宜組み合わ せることで、 直流電力の電圧を 1 0 V単位で段階的に増減させ、 2 0 V、 3 0 V 、 · · · 1 4 0 ν、 1 5 O V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 2 7 (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 2 4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つ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 力 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 〜0.7 V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。 発明の開示
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ュニ 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スィツチ手段と、 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スィ ツチ手段と、 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スィツ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スィッチ手段をオンとし、 全部の第 2スィッチ手段をオフ とし、 全部の第 3スィ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スィッチ手段により直列接続した状態で、 第 1， 第 3スィッチ手段によ 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 2 Vmin 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 4 Vmin 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、 段階的に增加させたり、 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スィ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スィッチ手段の切換えは行うにしても、 スィッチ手段 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スィッチ手段の切換えの頻度も、 PWM方式のィンパータ回路のスィツ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スィッチ手段には、 小型のスイッチング素子を 適用可能となり、 スィツチングロス及ぴスィツ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 ィツ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增加するような電 力特性となるように複数の第 1 , 第 2 , 第 3スィ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 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 流電圧一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つ 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スィッチ手段は、 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スィ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スィツチ手段により直列接続した状態で 、 第 第 3スィツ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 体スイツ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スィッチ手段と、 前記インパ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ュニットは、 複数列複数行のマ 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 p n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 ュ-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。 図面の簡単な説明
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 スィッチ S 1〜S 7の構成を示すトランジスタ回路図であり、 図 6はスィッチ S l l a〜S 1 7 a及び S l l b〜S 1 7 b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 M l 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 M 2のときの発電 システムの作動説明図であり、 図 1 0は発電モード M 4のときの発電システムの 作動説明図であり、 図 1 1は発電モード M 8のときの発電システムの作動説明図 であり、 図 1 2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 1 3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 1 4はパッケージ化した発電システムの平面図であり、 図 1 5は図 1 4における N— N線断面図であり、 図 1 6は上側に配置した太陽電池基 板の平面図であり、 図 1 7は下側に配置した電子部品基板の背面図であり、 図 1 8は変更形態に係る発電システムの構成図であり、 図 1 9は発電モジュールの回 路図であり、 図 2 0は図 1 8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 2 1は図 1 8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 2 2は図 2 1の発電システムにおける出力電圧の説明図表であり 、 図 2 3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 2 4〜図 2 7は先行技術を示すものであり、 図 2 4は P WM方式の発電シス テムの全体構成図であり、 図 2 5は P WM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 2 6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 2 7 (A) は図 2 4の発電システムで発生する電 圧波形の図であり、 図 2 7 ( B ) は図 2 4の発電システムで発生する電流波形の 図である。 発明を実施するための最良の形態
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 切換える為のスィツチング機構 S mと、 これらスィツチ機構 S mとインバータ回 路 3のスイッチング素子 5 1〜5 4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 2 1 〜2 8と、 発電モジュール 2 1〜2 8の各々に並列接続するように、 正極 6 2と 中段部の並列接続線 5 9に接続された蓄電用の電気二重層コンデンサ 2 9 a及び 並列接続線 5 9と負極 6 0に接続された蓄電用の電気二重層コンデンサ 2 9 bと を備えている。 これら発電モジュール 2 1〜2 8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 2 1〜2 8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 1 0個の発電ュュット 3 0を備えている。
各発電ュ-ット 3 0は、 例えば図 2〜図 4に示す 3種類の粒状のソーラセル 3 0 A〜3 0 C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 〜0.6 Vの直流を発生可能なものである。
図 2のソーラセル 3 O Aは、 直径 1.5 〜3.0 mm程度の n形シリコンからなる 球状半導体 3 1、 p形の拡散層 3 2、 p n接合 3 3、 酸化シリコンの絶縁膜 3 4 、 球状半導体 3 1の中心を挟んで対向する正極 3 5と負極 3 6などからなる。 尚 、 この種のソーラセル 3 0 Aについては、 本願出願人の出願に係る WO 9 8 / 1 5 9 8 3号公報に記載されている。 図 3のソーラセル 3 0 B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 3 7、 n形の拡散層 3 8、 p n ¾-^ 3 9 、 酸化シリコンの絶縁膜 4 0、 球状半導体 3 7の中心を挟んで対向する正極 4 1 と負極 4 2などからなり、 正極 4 1と負極 4 2を識別しやすくする為に、 球状半 導体 3 7の底部に形成した平坦面に正極 4 1が設けられている。 図 4に示すソー ラセル 3 0 Cは、 直径約 1.5 〜3.0 mm程度の p形シリコンからなるの円柱状の 半導体 4 3、 n形の拡散層 4 4、 11接合4 5、 p +拡散層 4 6、 酸化シリコン の絶縁膜 4 7、 両端部に設けられた正極 4 8と負極 4 9などからなる。
但し、 前記のソーラセル 3 0 A〜3 0 Cは一例を示すものに過ぎず、 発電モジ ユールとしては、 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、 発電ュニット 3 0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 2 9 a， 2 9 b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 2 9 aは正極 6 2と並列接続線 5 9に接続され、 並列接続された上段の 5つの発電ュ-ット 3 0に並列接続されている。 また、 電 気二重層コンデンサ 2 9 bは並列接続線 5 9と負極 6 0に接続され、 並列接続さ れた下段の 5つの発電ュ-ット 3 0に並列接続されている。
そのため、 電気二重層コンデンサ 2 9 a , 2 9 bは、 これら並列接続された複 数の発電ユニット 3 0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 3 0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 2 9 a , 2 9 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 インパータ回路 3は、 例えば nチャンネル型 I G B Tからなる 4個のスィツチ ング素子 5 1〜5 4をブリッジ形に接続したものであり、 各スィツチング素子 5 1〜5 4には還流ダイォード 5 5〜5 8も接続されている。 これら 4個のスィッ チング素子 5：!〜 5 4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 5 1 , 5 4とスイッチング素子 5 3 , 5 2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、 前記スィツチング機構 S m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 S m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 2：!〜 2 8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ィンバータ回路 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 S mは、 複数のスィッチ S 1〜S 7， S 1 1 a〜S 1 7 a及び S 1 1 b〜S 1 7 bを有する。 スィッチ S I〜S 7は、 Ί つの発電モジュール 2：!〜 2 7の各々の負極 6 0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ィッチである。 スィッチ S 1〜S 7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 n p n型パイポ ーラトランジスタ 6 1で構成されている。
スィッチ S 1 1 a〜S 1 7 aは、 夫々 7つの発電モジュール 2 2〜2 8の正極 6 2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ィツチである 。 スィッチ S 1 1 b〜S 1 7 bは、 夫々 7つの発電モジュール 2 2〜2 8の正極 6 2を正極 6 2側に隣接する 1つの発電モジュール 2：!〜 2 7の負極 6 0に接続 する状態と分離する状態とに切換え可能なスィッチである。 スィッチ S 1 1 a〜 S 1 7 a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 n n型バイポーラトランジスタ 6 3で構成され、 スィッチ S 1 1 b〜S 1 7 b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 n p n型パ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、 パイポ 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、 前記スィツチ S l l a〜S 1 7 aとしての複数のトランジスタ 63が複数 の第 1スィッチ手段に相当し、 スィッチ S l l b〜S 1 7 bとしての複数のトラ ンジスタ 64が複数の第 2スィツチ手段に相当し、 スィッチ S 1〜S 7としての 複数のトランジスタ 61が複数の第 3スィッチ手段に相当するものである。 また 、 n p n型バイポーラトランジスタ 6 1， 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ィツ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 5：！〜 54も一例に過ぎず、 MOSFETなど 別のスィツ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、 CPU 65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 S 1〜S 7、 スィッチ S I l a〜S 1 7 a及びスィツチ S I l b〜 S I 7 b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、 スィッチ S 1〜S 7と、 スィッチ S 1 1 a〜S 1 7 a及ぴス ィツチ S l l b〜S 1 7 bと、 スィツチング素子 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、 R OM 66の制御プログラムに基づいて、 スィッチ S 1〜S 7 とスィッチ S 1 1 a〜S 1 7 a及びスィツチ S l l b〜S 1 7 b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 〜： 1.2 V であるため、 図 8に示すようにスィッチ S 1〜S 7とスィッチ S 1 1 a〜S 1 7 aを接続するように切換えた状態 （これを発電モード Ml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 〜1.2 Vの直流電力を出力する。
図 9に示すようにスィツチ S 1〜S 7とスィッチ S 1 1 a〜S l 7 a及びスィ ツチ S l l b〜S 1 7 b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 〜2.4 Vの直流電力を出力する。
図 10に示すようにスィツチ S 1〜S 7とスィッチ S I 1 a〜S l 7 b及びス イッチ S l l a〜S 1 7 b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 〜4.8 Vの直流電力を出力する。 図 1 1に示すようにスィッチ S 1〜S 7とスィッチ S I 1 a〜S l 7 a及びス イッチ S l l b〜S 1 7 bを切換えて、 8つの発電モジュール 2：!〜 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 〜9.6 V の直流電力を出力する。 但し、 前述した発電モード Ml, M2, M4， M8の何 れにおいても、 電気二重層コンデンサ 29 a, 29 b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 〜0.6 V) 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、 発電ュニット 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 2 9 a, 29 b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、 スィツチング素子 5 1〜 54と、 スィッチ S 1〜S 7と、 スィッチ S l l a〜S 1 7 a及びスィツチ S 1 1 b〜S 1 7 b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 t 1において発電モード Mlに切換え、 次の時間 t 2 において発電モード M 2に切換え、 次の時間 t 3において発電モード M 4に切換 える切換え制御を順々に行うことで、 インパータ回路 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 5 1〜54と、 スィッチ S 1〜S 7とスィッチ S l l a〜S 1 7 a及ぴスィツチ S 1 1 b〜S 1 7 b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 t 1において発電モード Mlに切換え、 次の時間 t 2において発電モード M 2に切換え、 次の時間 t 3において発電モード M 4に切 換え、 次の時間 t 4において発電モード M 8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 t l, t 2, t 3, t 4 · · '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 に応じてスィツチ S 1〜S 7とスィッチ S l l a〜S 1 7 a及びスィツチ S 1 1 b〜S 1 7 b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 の発電ュニット 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 29 aに蓄電されている蓄電電圧よりも低くなつた場合、 電気二重層 コンデンサ 29 aから、 出力電力の低下を捕うように、 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 2 1の直流電圧一直流電流特性を改善することができる。 ここでは、 発電モジユー 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 29 a， 29 b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 29 a, 29 b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 29 a， 29 b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、 スィツチング機構 Smのスィツチ S 1〜S 7、 S l l a〜S 1 7 a及ぴ S l l b〜S 1 7 b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、 スィッチ S 1〜S 7、 S l l a〜S 1 7 a及び S l l b〜S 1 7 b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 2：！〜 28のアイドルが生じず、 発電モジュール 2：!〜 28の利用 率を十分に高めることができる。
複数のスィツチ S 1〜S 7、 S l l a〜S 1 7 a及ぴ S l l b〜S 1 7 bの切 換えは行うにしても、 スィ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。 スィッチ S 1〜S 7、 S 1 1 a〜S 1 7 a及び S 1 1 b〜S 1 7 bの切換え の頻度も、 PWM方式のィンバータ回路のスィツチング素子の切換えの頻度より も少なくなるうえ、 スィッチ S 1〜S 7、 S l l a〜S 1 7 a及び S 1 1 b〜S 1 7 bどして、 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 2 1〜2 8の出力電圧の低下に 応じて、 スィッチ S 1〜S 7、 S 1 1 a〜S 1 7 a及ぴ S 1 1 b〜S 1 7 b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、 昇圧チヨ 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ィッチ S l〜 S 7、 S 1 1 a〜S 1 7 a及び S 1 1 b〜S 1 7 b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 2：!〜 2 8の各々に並列接続するように、 電気二重層コンデン サ 2 9 aと、 電気二重層コンデンサ 2 9 bとを設けてあるため、 一部の発電ュニ ット 3 0の出力電圧特性にバラツキがあったり、 一部の発電ュニット 3 0が建物 に隠れるような場合で、 発電ユニット 3 0これら発電ユニット 3 0からの出力電 圧が電気二重層コンデンサ 2 9 a , 2 9 b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 2 9 a , 2 9 b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 2 1〜2 8からの出力電力の平準化を図れ、 発電モジュール 2 1〜2 8 の直流電圧一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 2 9 a， 2 9 bを複数の発電ュニット 3 0に並列接続してあるため、 各 発電ユニット 3 0には異常な過電圧が作用しない。 それ故、 逆流防止用のダイォ 一ドを各発電ュ-ット 3 0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 2 1〜2 8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 2 9 a， 2 9 b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、 スィツチ S 1〜S 7、 S l l a〜S 1 7 a及ぴ S l l b〜S 1 7 b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 1 4〜図 1 7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 8 0 と、 この本体ケース 8 0の上面を蓋する透明な合成樹脂からなる蓋部材 8 1と、 本体ケース 8 0内に収容された太陽電池基板 8 2と、 電子部品基板 8 3と、 複数 の電気二重層コンデンサ 2 9 a， 2 9 bと、 インバータ回路 3等で構成されてい る。
太陽電池基板 8 2は、 図 1 5〜図 1 6に示すように、 本体ケース 8 0内に上向 きに収容され、 この太陽電池基板 8. 2には、 正極 6 2や正母線 6、 負極 6 0や負 母線 7がェツ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 2 1 〜 2 8の負極 6 0とに複数のスィツチ S 1〜 S 7が設けられ、 正母線 6と複数の 発電モジュール 2：!〜 2 8の正極 6 2とに複数のスィッチ S 1 1 a〜l 7 aが設 けられ、 正極 6 2と負極 6 0とに複数のスィツチ S 1 1 b〜l 7 bが設けられて いる。 各正極 6.2には複数の発電ユニット 3 0が図 1に図示したようにマトリツ 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 8 0内に下向きに収容された電子部品基板 8 3は、 図 1 5 , 図 1 7 に示すように、 エッチングにより形成された接続線 8 4により、 電圧検出器 5と 、 C P U 6 5と、 R OM及び R AM 6 6 , 6 7と、 インバータ回路 3のスィッチ ング素子 5：!〜 5 4と還流ダイォード 5 5〜5 8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 8 0を揷通して外部に露出している。 尚、 符号 8 3 aは、 太陽電池基板 8 2の正母線 6と接続する接続部であり、 符号 8 3 bは、 太陽電池 基板 8 2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 8 2と下側の電子部品基板 8 3の間に複数の電気二 重層コンデンサ 2 9 a， 2 9 bがサンドイッチ状に配置され、 各電気二重層コン デンサ 2 9 a , 2 9 bは、 図 1に示すように発電モジュール 2 1〜2 8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 2 9 a , 2 9 bを上下に狭持した太陽電池基板 8
2と下側の電子部品基板 8 3が、 本体ケース 8 0内の高さ方向中段部に水平状に 配置され、 透明シリコン 8 5を充填された状態で、 上端が蓋部材 8 1により密閉 状に固着されている。 蓋部材 8 1の上面側には、 太陽電池基板 8 2に設けられた 複数の発電ュニット 3 0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 8 1 a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 8 1 aを介して効率良く発電ュニット 3 0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レ、。
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 2 1〜2 8を有する発電装置 1を例にして説明した。 し力 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 1 0 0 V、 波高値 約 1 4 0 V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 2 0 0 V以上に設定 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 1 8〜図 2 3に基づいて説明する。
図 1 8に示す発電システム 1 A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 1 Aは、 発電方向を揃えて配置した例えば 4 8個の発電モジ ユール 2 1 A〜2 5 Aと複数の電気二重層コンデンサ 2 9とからなる発電装置 2 Aと、 前記のインバータ回路 3と同様のインバータ回路 3 Aと、 このインバータ 回路 3 Aの入力側の正母線 6 Aおよぴ負母線 7 Aと、 スイッチング機構 S m a ( これは、 スィッチ S 7 1〜S 7 4とスィッチ S 8 1〜S 8 4などからなる） と、 出力端子 8 A, 9 Aと、 制御装置 （図示略） などを有する。 スイッチング機構 S m a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、 スィッチ S 7 1〜S 7 4は、 発電モジュール 2 1 A 〜 2 4 Aの負極 6 O Aを負母線 7 A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、 前記のスィッチ S 1〜7と同様のものである。 スィッチ S 8 1〜S 8 4は、 発電モジュール 2 2 A〜2 5 Aの正極 6 2 Aを正極側に隣接する発電モ ジュール 2 1 A〜2 4 Aの負極 6 0 Aと正母線 6 Aに択一的に接続するものであ り、 前記のスィツチ S 1 1〜S 1 7と同様のものである。
前記発電モジュール 2 1 A〜 2 4 Aは同構造のものであるので、 発電モジユー ル 2 1 A及び電気二重層コンデンサ 2 9について説明する。 図 1 9に示すように 、 発電モジュール 2 1 Aは、 例えば 1 0行 1 0 0列のマトリックス状に発電ュニ ット 3 O Aを配置し、 それら発電ュュット 3 O A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 1 0 0個に並列接続された 並列発電ュ-ット 3 0 A毎に、 1つの電気二重層コンデンサ 2 9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、 一部の発電ュニッ ト 3 O A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 2 9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 2 1 A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 「 1◦行 1 0 0列のマトリックス状」 とは例示であり、 行数は 1 0行 に限らず、 1 0 0行、 数 1 0 0行にする場合もある。 また、 列数は 1 0 0列に限 らず、 数 1 0歹 lj、 数 1 0 0列、 数 1 0 0 0列にする場合もある。
尚、 この場合にも、 各発電ュニット 3 0 A毎に逆流防止用のダイォードを設け る必要がなく、 発電システム 1 Aの小型化及び低コスト化が図れる。
発電ユニット 3 O A自体は、 前記の発電ユニット 3 0と同様のものであり、 各 発電ュニット 3 O Aの出力電圧が 0.5 〜0.6 Vであるため、 発電モジュール 2 1 A〜25Aの各々の最大出力電圧 （晴天時の出力） は例えば 5.0 〜6.0 Vである。 そして、 それら複数の負極側スィツチ S 7 1〜S 7 4と複数の正極側スィツチ S 8 1〜S 8 4とを適宜切換えることによって、 図 2 0に示すような 「発電モー ド M l， M 2 , · · · Μ 4 8」 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/JP00/073 60, 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 1 Α (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 2 1に示すように、 この発電システム 1 Aでは、 発電システム 1 A (発電パネル） を 2枚設け、 2枚の発電システム 1 A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ツチ機構も設けられる。 このス イッチ機構は、 スィッチ S 6 5、 S 6 6などからなる。 スィッチ S 6 5は、 図示 の回路を接続'分離可能であり、 前記スィッチ S 1〜S 7と同様に、 例えば n p n型パイポーラトランジスタで構成されている。 スィッチ S 6 6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、 前記スィツチ S l l a〜S 1 7 a及ぴスィツチ S 1 1 b〜S 1 7 bと同様に、 例えば、 2つの n p n型パイポーラトランジスタで構成されてい る。 このスィッチ機構より、 2つの発電装置 1 A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 1 Aから なる発電装 Sの出力端子 8 B , 9 B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 2 0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 2 2の 合計出力電圧のように切換えることができる。 伹し、 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〜： 1 2V, 1 5〜18V, 30〜36V, 40 〜48V, 60〜92V, 80〜96V， 120〜144V, 200〜240V ， 240〜288V， 360〜432V， 480〜 576 V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 1 Aでは、 複数の半導体モジュール 21 A〜25 Aと、 複数 の電気二重層コンデンサ 29と、 インバータ回路 3 Aと、 複数のスィッチ S 71 〜74、 S 81〜S 84の全体を 1枚のパネルに組み込んであるから、 また、 必 要に応じてインパータ回路と複数のスィツチ類を 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、 インパータ回路 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) インパータ回路 3， 3 Aは、 単相交流を発生する場合を例にして説明した 力 発電装置 2, 2 A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， 2 1 A〜 25 A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， 1 Aにおいて、 各電気二重層コンデンサ 29 a， 29 bの並列接続位置で、 オン一オフスィッチを電気二重層コンデンサ 29 a，
29 bと直列に接続するようにし、 必要に応じてオン一オフスィツチをオン側に 切換えた場合に限って、 電気二重層コンデンサ 29 a， 29 bに蓄電した直流を 出力するようにしてもよレ、。
(7) 蓄電手段として、 電気二重層コンデンサ 29 a, 29 b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、 パッテリ等、 発電電力を 蓄電可能な各種の蓄電手段であつてもよい。

Claims

請 求 の 範 囲
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 力に変換するィ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、
前記ィンパ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スィツチ手段と、
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スィ.ツチ手段は、 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スィ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スィツチ手段により直列接続した状態で
、 第 1 , 第 3スィ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 体スイツ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スィッチ手段と、 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ュニットは、 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
5 1項の発電システム。
7 . 前記各発電ュ -ットは、 粒状の半導体に ρ η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0 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。
1 0 . 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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