WO2011074680A1 - 電力抽出回路及び電力供給システム - Google Patents

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高橋　久
武藤　佳恭
幸市郎 小路
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サイエンスパーク株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a power extraction circuit that forcibly extracts power from a power source such as a solar cell or a thermoelectric element and supplies the power to a load, and a power supply system including the power extraction circuit.
  • Patent Document 1 discloses a solar power generation system that converts the output of a solar cell into AC power using an inverter.
  • the operating voltage corresponding to the maximum power point corresponding to the amount of solar radiation and temperature is stored in the database, the varying amount of solar radiation and temperature are sequentially measured, and the operating voltage corresponding to the measured amount of solar radiation and temperature is stored from the database.
  • This is a control method that selects and sets the operating voltage (optimum value) for the inverter.
  • Patent Document 2 discloses a technology that achieves both the followability and stability of the maximum power point follow-up control by changing the conduction ratio of the switching elements constituting the DC / DC converter connected to the photovoltaic power generator. It is disclosed.
  • Pmax E 2 / 4r (FIG. 2).
  • what can be a direct current power source is not limited to one using solar power generation, one using wind power generation, one using temperature difference power generation (power supply constituted by thermoelectric elements such as Seebeck elements), etc.
  • power supply constituted by thermoelectric elements such as Seebeck elements power supply constituted by thermoelectric elements such as Seebeck elements
  • the conventional maximum power point tracking control requires a mechanism for specifying the maximum power point that varies depending on the environment and load.
  • a specified maximum power point such as a mechanism for setting an operating voltage of an inverter shown in Patent Document 1, a mechanism for changing a conduction ratio of a switching element constituting a DC / DC converter shown in Patent Document 2, and the like.
  • a feedback mechanism or the like for following the movement was necessary.
  • the current output power itself must be monitored. Due to these factors, there is a problem that a system including a circuit and software for maximum power point tracking control becomes complicated.
  • the present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to increase the power that can be extracted from the DC power supply by a simple circuit and system as compared with the conventional maximum power point tracking control. And providing a power extraction circuit capable of improving power generation efficiency and a power supply system including the power extraction circuit.
  • FIG. 3 shows an outline of the power extraction circuit 10 and the power supply system 1 of the present invention.
  • the power extraction circuit 10 forcibly extracts power from a DC power source 2 such as a solar cell or Seebeck element and supplies the power to the load 3. It comprises an inductor 11, diodes 12 and 13, a capacitor 14, and switches 15 and 16.
  • the power supply system 1 includes a DC power source 2 connected to an input terminal of the power extraction circuit 10, a power extraction circuit 10, and a load 3 connected to an output terminal of the power extraction circuit 10.
  • the power extraction circuit 10 includes a positive input terminal connected to the positive electrode of the DC power supply 2 and a negative input terminal connected to the negative electrode.
  • the power extraction circuit 10 includes a first path composed of an inductor 11, a first diode 12, and a first switch 15 connected between the positive electrode and the negative electrode of the DC power supply 2, and the positive electrode and the negative electrode of the same DC power supply 2.
  • a second path including the inductor 11, the second switch 16, and the second diode 13 connected to each other is included. This inductor 11 is connected to the positive electrode of the DC power source 2.
  • the anode of the first diode 12 is connected to the inductor 11, the cathode is connected to the first switch 15, and the first switch 15 controls conduction between the cathode and the negative electrode of the DC power supply 2.
  • the second switch 16 is connected to the inductor 11, the anode of the second diode 13 is connected to the second switch 16, the cathode is connected to the negative electrode of the DC power supply 2, and the second switch 16 is connected to the anode And the conduction of the inductor 11 is controlled.
  • a capacitor 14 is connected between the cathode of the first diode 12 and the anode of the second diode 13. Output terminals are provided at both ends of the capacitor 14, and the load 3 is connected in parallel with the capacitor 14.
  • the electromotive force of the DC power source 2 is assumed to be V 1.
  • a state I when both the switches 15 and 16 are in an OFF state (this state is referred to as a state I), assuming that the forward voltage drops of the diodes 12 and 13 are V F1 and V F2 , they are connected in parallel with the load 3.
  • the voltage V 2 between the terminals of the capacitor 14 is a value obtained by subtracting the forward voltage drop V F1 + V F2 of the diodes 12 and 13 from the electromotive force V 1 , and is expressed by Equation 1.
  • V 2 V 1 ⁇ (V F1 + V F2 ) (1)
  • the increase in the voltage between the terminals of the capacitor 14 due to repeated switching described above varies depending on the load, switching frequency and switching time, inductance L, and the like.
  • the terminal voltage of the capacitor 14 (terminal voltage of the load 3) becomes constant.
  • the current flowing through the load 3 increases due to the increase of the voltage between the terminals accompanying the repetition of the switching, and the power consumed by the load increases. Since the law of energy conservation is established here, the power is supplied from the DC power source 2.
  • the switches 15 and 16 may be constituted by semiconductor switches (for example, MOSFETs). Since the switches 15 and 16 can be switched at high speed, the inductance L and the capacitance C of the capacitor 14 can be reduced, and the power extraction circuit 10 can be downsized. Further, as shown in FIG. 5, the time for which the switches 15 and 16 are turned on may be controlled by the control device 20 so that the voltage between the terminals of the capacitor 14 is maximized.
  • the control device 20 is configured by a semiconductor circuit.
  • the present invention it is possible to increase the power that can be taken out from the DC power source without performing the conventional maximum power point tracking control, and to improve the power generation efficiency. Further, in the power extraction circuit and power supply system of the present invention, the measurement mechanism, current and voltage of environmental conditions (sunshine amount, wind speed, temperature, water temperature, etc.) required for performing the conventional maximum power point tracking control. Measurement mechanism, maximum power point specifying mechanism, feedback mechanism for following the maximum power point (for example, a mechanism for setting an operating voltage of an inverter shown in Patent Document 1, a DC / DC converter shown in Patent Document 2) No mechanism or the like for changing the conduction ratio of the switching element is required, and the circuit and system can be simplified.
  • the power extraction circuit of the present invention is applicable not only to solar cells but also to DC power sources in general.
  • the power supply system of the present invention efficiently supplies power generated by solar power generation, wind power generation, temperature difference power generation, and the like to a load without being limited by the maximum power point.
  • FIG. 1 is a diagram showing a VI curve according to the irradiance to the solar cell and the module temperature, and respective maximum power points.
  • FIG. 2 is a diagram showing the maximum power point in the VI curve.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a power extraction circuit and a power supply system.
  • FIG. 4 is a circuit diagram when a MOSFET is used as a switch of the power extraction circuit.
  • FIG. 5 is a circuit diagram when the switch of the power extraction circuit is controlled by the control device.
  • FIG. 6 is a circuit diagram when measuring input power and output power in the power extraction system.
  • FIG. 7 shows an apparatus for measuring the maximum power point.
  • FIG. 8 is a diagram comparing the maximum power point when not passing through the power extraction circuit and the power extracted by the power extraction circuit.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the duty ratio and the power (P O ).
  • Light bulbs were arranged so as to face the surface of the solar cell panel in parallel (4 ⁇ 3 rows), and the whole surface was adjusted so that the light bulbs were illuminated almost uniformly.
  • a motor was connected as the load 3. When the electric power supplied to the motor increases, the rotational speed of the motor increases, and it can be confirmed that more electric power is extracted from the solar cell.
  • Example 1 As described with reference to FIG. 3, first, the switches 15 and 16 are turned off (state I).
  • the inductance of the inductor 11 is 10 mH
  • the capacitance of the capacitor 14 is 2200 ⁇ F.
  • the power consumption of the control device 20 that controls the switching of the switches 15 and 16 is supplied from the solar cell. That is, the power supply source of the power supply system shown in FIG. 6 is only the solar battery as the DC power supply 2, and no other power is supplied from the outside.
  • the voltage between the terminals of the solar cell is measured by the voltmeter 31, and the current flowing through the inductor 11 is measured by the ammeter 32.
  • the voltage measured by the voltmeter 31 at this time is defined as the input voltage V O
  • the current measured by the ammeter 32 is defined as the input current I O
  • the voltage across the load 3 is measured by the voltmeter 33
  • the current flowing through the load 3 is measured by the ammeter 34.
  • a voltage measured by the voltmeter 33 is an output voltage V L
  • a current measured by the ammeter 34 is an output current I L.
  • VL rises through the state II mentioned above.
  • V L is V O in a stable state, I O, V L, and the value of I L shown in Table 1 (switching state). Also shows the values of P O and P L at this time. From comparison in Table 1, whereas P O is 2.58W in a switching stop state, since P O in the switching state is 4.66W, has increased the power itself is taken out from the solar cell 80% .
  • the power extraction circuit 10 forcibly extracts power from the solar cell and supplies it to the load.
  • Example 6 Next, an experiment similar to Experimental Example 1 was performed using an electronic load device as a load. The same solar cell 2 as in Experimental Example 1 was used, and the electronic load device set to the conditions (current value, voltage value) when the maximum power Pmax was obtained in Experimental Example 5 was used as the load 3. As a result, Table 5 (switching state) shows values of V O , I O , V L , I L , P O, and P L when the power extraction circuit is in the switching state.
  • the power value that can be taken out when the power extraction circuit is in the switching state is 5.45 W.
  • 111.4% of the maximum power Pmax 4.89 W when not passing through the power extraction circuit could be extracted from the solar cell. From FIG. 8, it can be understood that the power extraction circuit of the present invention has an unprecedented effect.
  • conventional maximum power point tracking which is commonly used as a technology for optimizing power supply, is a technology that sets a line.
  • the very simple circuit shown in FIG. 3 can increase the amount of power supplied to the load.
  • the power consumed by the power extraction circuit it is possible to supply a larger amount of power to the load itself. For example, since it is possible to reduce the power consumption of the control device 20 shown in FIG. 6, it is possible to supply a larger amount of power to the load.
  • the present invention is not limited to a solar battery, but increases the power that can be extracted from a DC power source.
  • the present inventors conducted an experiment using a power source constituted by a Seebeck element instead of a solar cell.
  • the power source used is “Thermoelectric Modules for Power Generation” (model number TGM-287-1.0-1.5) from Kryotherm.
  • TGM-287-1.0-1.5 Thermoelectric Modules for Power Generation
  • the power source configured by the Seebeck element is used as the DC power source 2, and the electronic load device set to the conditions (current value, voltage value) when the maximum power Pmax is obtained is used as the load 3.
  • An experiment similar to Experimental Example 1 was performed using the apparatus shown in FIG. 6 (a solar cell replaced with a Seebeck element).
  • the capacitance of the capacitor 14 used here is 50F.
  • the switching frequency was 20 kHz
  • the duty ratio of the switching pulse was increased from 40% to 50% in 1% increments
  • the results of measuring V O , I O , and P O for each duty ratio are shown in Table 6 and As shown in FIG.
  • the horizontal axis of FIG. 9 is a duty ratio and the vertical axis represents P O. As shown in FIG. 9, PO in the switching state exceeds both the maximum power point before the start of measurement and the maximum power point after the end of measurement regardless of the duty ratio.
  • a primary battery such as a dry battery can efficiently use energy by forcibly extracting power by a power extraction circuit when the voltage becomes low.
  • a power extraction circuit In the case of a fuel cell, the consumption of oxygen is increased by using the power extraction circuit, but the output per unit volume is increased and the size can be reduced.
  • Power supply system 2 ... DC power supply (solar cell, Seebeck element) 3 ... Load (motor, electronic load device) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Power extraction circuit 11 ... Inductor 12 ... Diode 13 ... Diode 14 ... Capacitor 15 ... Switch 16 ... Switch 20 ... Control device 31 ... Voltmeter 32 ... Ammeter 33 ... Voltmeter 34 ... Ammeter 35 ... Voltmeter 36 ... Current Total

Abstract

　最大電力点追従制御を行うことなく、直流電源から取り出すことのできる電力を増大させ、且つ、負荷に供給することができる電力を増大させる。第１のスイッチ及び第２のスイッチが共にＯＮになると、キャパシタと直流電源とが直列接続され、電力供給システム全体としてみたときの起電力が高くなる。その結果、インダクタを通過する電流が増加し、直流電源から取り出すことができる電力が増大する。第１のスイッチ及び第２のスイッチが共にＯＦＦになると、インダクタに蓄積された磁気エネルギーは、キャパシタに移管され、結果としてキャパシタの端子間電圧が高くなる。その結果、負荷に供給される電力が増大する。

Description

電力抽出回路及び電力供給システム
　本発明は、太陽電池又は熱電素子等の電力源から強制的に電力を抽出して負荷に供給する電力抽出回路、及び、その電力抽出回路を備えた電力供給システムに関する。
　近年、太陽電池を用いた電力供給システムの開発が活発に行われている。太陽電池に関しては、日射量や温度によって出力特性が変化する。即ち、図１に示すように、太陽電池への放射照度及びモジュール温度に応じたＶ－Ｉ曲線が存在し、各Ｖ－Ｉ曲線毎に最大電力点Ｐmax（Ｖ－Ｉ曲線中でＶ×Ｉ＝Ｐが最大となる点）が異なる。このような特性に基づいて、太陽電池から効率良く電力を取り出すべく、最大電力点追従制御（MPPT：Maximum Power Point Tracking）に関する技術が多く提案されている。
　例えば、特許文献１には、太陽電池の出力をインバータで交流電力に変換する太陽光発電システムが開示されている。日射量及び温度に応じた最大電力点に対応する動作電圧をデータベースに記憶しておき、変動する日射量及び温度を逐次計測して、計測された日射量及び温度に対応する動作電圧をデータベースから選択して、その動作電圧（最適値）をインバータに対して設定する制御方法である。また、特許文献２には、太陽光発電装置に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子の導通比を変更することによって、最大電力点追従制御の追従性と安定性を両立させる技術が開示されている。
特開２０００－１８１５５５号公報 特開２００３－２１６２５５号公報
　これらの技術は、いずれも直流電源としての太陽電池の内部インピーダンスを考慮して、これに接続される負荷に対して最大電力点に近い電力を供給しようとするものである。この最大電力点Ｐmaxは、直流電源の起電力をＥ、その内部抵抗をｒ、この直流電源に接続される負荷の抵抗をＲとすると、Ｒ＝ｒのときの負荷に供給される電力であり、Ｐmax＝Ｅ２／４ｒであらわされる（図２）。言い換えると、最大電力点追従制御とは、負荷に対し、いかにしてＰmax＝Ｅ２／４ｒに近い電力を供給するかという技術である。ここで直流電源となりうるものとしては、太陽光発電を利用したものに限らず、風力発電を利用したもの、温度差発電を利用したもの（ゼーベック素子等の熱電素子によって構成された電源）等が存在する。いずれの発電方法についても最大電力点追従制御に関する技術が提案されており、時々刻々と変化する風速、気温又は水温等の条件に対応させてその時の最大電力点に近い電力を負荷に供給するようにしている。
　これら最大電力点追従制御に関する技術は既に多数提案されており、実用化されている。しかしながら、従来型の最大電力点追従制御は、環境及び負荷等によって変動する最大電力点を特定するための機構が必要である。また、特許文献１に示すインバータの動作電圧の設定するための機構、特許文献２に示すＤＣ／ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子の導通比を変更する機構等のように、特定された最大電力点に追従するためのフィードバック機構等が必要であった。さらに、現状の出力電力自体をモニタリングしなければならない場合もあった。これらの要因により最大電力点追従制御のための回路及びソフトウェアを含めたシステムが複雑化してしまうという問題があった。
　本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来型の最大電力点追従制御と比較して簡素な回路及びシステムによって直流電源から取り出すことのできる電力を増大させ、発電効率を高めることができる電力抽出回路、及び、その電力抽出回路を備えた電力供給システムを提供することにある。
　（電力抽出回路及び電力供給システムの構成）
　本発明は、以下に説明する電力抽出回路及び電力供給システムによって上記課題を解決する。図３に、本発明の電力抽出回路１０及び電力供給システム１の概要を示す。電力抽出回路１０は、太陽電池又はゼーベック素子等の直流電源２から強制的に電力を抽出して負荷３に供給するものである。インダクタ１１、ダイオード１２、１３、キャパシタ１４、及びスイッチ１５、１６からなる。電力供給システム１は、電力抽出回路１０の入力端子に接続される直流電源２、電力抽出回路１０、及び電力抽出回路１０の出力端子に接続される負荷３により構成される。
　図３に示すように、電力抽出回路１０は、直流電源２の正極に接続される正極側入力端子、及び負極に接続される負極側入力端子を備えている。電力抽出回路１０は、直流電源２の正極と負極の間に接続されるインダクタ１１、第１のダイオード１２、及び第１のスイッチ１５からなる第１の経路と、同じ直流電源２の正極と負極の間に接続される当該インダクタ１１、第２のスイッチ１６、及び第２のダイオード１３からなる第２の経路を含む。このインダクタ１１は直流電源２の正極に接続されている。第１のダイオード１２のアノードはインダクタ１１に接続され、カソードは第１のスイッチ１５に接続され、第１のスイッチ１５は当該カソードと直流電源２の負極間の導通を制御するものである。一方、第２のスイッチ１６はインダクタ１１に接続され、第２のダイオード１３のアノードは第２のスイッチ１６に接続され、カソードは直流電源２の負極に接続され、第２のスイッチ１６は当該アノードとインダクタ１１の導通を制御するものである。第１のダイオード１２のカソードと第２のダイオード１３のアノード間にはキャパシタ１４が接続されている。このキャパシタ１４の両端には出力端子が設けられており、キャパシタ１４と並列に負荷３が接続されることになる。
　（電力抽出回路の動作）
　図３において、直流電源２の起電力がＶ１であるとする。最初にスイッチ１５、１６がいずれもＯＦＦの状態であるとき（この状態を状態Iとする）、ダイオード１２、１３の順方向電圧降下がＶＦ１、ＶＦ２とすると、負荷３と並列に接続されているキャパシタ１４の端子間電圧Ｖ２は、起電力Ｖ１からダイオード１２及び１３の順方向電圧降下ＶＦ１＋ＶＦ２を減じた値であり、式１によってあらわされる。
　　Ｖ２＝Ｖ１－（ＶＦ１＋ＶＦ２）　・・・式（１）
　次に、スイッチ１５、１６が共にＯＮになると（この状態を状態IIとする）、キャパシタ１４と、起電力Ｖ１の直流電源２とが直列接続され、電力供給システム１全体としてみたときの起電力はＶ１よりも高くなる。その結果、状態Iと比較して、直流電源２の内部インピーダンス及びインダクタ１１を通過する電流が増加する。ここでインダクタ１１を通過する電流をＩとし、インダクタ１１のインダクタンスをＬとすると、インダクタ１１には以下の式（２）に示す磁気エネルギーＵが蓄積される。
　Ｕ＝ＬＩ２／２　・・・式（２）
　即ち、インダクタ１１に流れる電流が増加するときは、電流の二乗に比例して、蓄積される磁気エネルギーＵも増加する。
　この状態Iから状態IIにかけて増加した磁気エネルギーをｄＵとすると、このｄＵは、スイッチ１５、１６が共にＯＦＦとなっても瞬時に０にはならず、インダクタ１１に流れる電流の減少に抗って、電流を流し続けようとする。その結果、最初にスイッチ１５、１６が共にＯＦＦであった状態Iのときにインダクタ１１に流れていた電流よりも大きな電流がインダクタ１１に流れる。そして、最終的に増加した磁気エネルギーｄＵは、キャパシタ１４に移管され、結果としてキャパシタ１４の端子間電圧が状態Iのときよりも高くなる。
　さらに、キャパシタ１４の端子間電圧が状態Iのときよりも高くなることで、次にスイッチ１５、１６が共にＯＮとなると、前回スイッチ１５、１６が共にＯＮであった状態IIのときに直流電源２の内部インピーダンス及びインダクタ１１に流れていた電流よりも大きな電流が、直流電源２の内部インピーダンス及びインダクタ１１に流れることになる。このようにして、スイッチ１５及び１６のＯＮ／ＯＦＦ制御を同時に繰り返すことによって、キャパシタ１４の端子間電圧、即ち負荷の端子間電圧が高くなり、より多くの電力を直流電源２から取り出すことができるようになる。
　上述したスイッチングの繰り返しによるキャパシタ１４の端子間電圧の上昇幅は、負荷、スイッチング周波数及びスイッチング時間、インダクタンスＬなどによって異なる。キャパシタ１４に対するエネルギー供給と負荷によるエネルギー放出が平衡したときにキャパシタ１４の端子間電圧（負荷３の端子間電圧）は一定になる。上記スイッチングの繰り返しに伴う端子間電圧の上昇によって負荷３に流れる電流も増加し、負荷によって消費される電力が大きくなる。ここでエネルギー保存の法則が成立するため、その電力は直流電源２から供給されていることになる。
　ここで図４に示すように、スイッチ１５及び１６を半導体スイッチ（例えばMOSFET）によって構成するようにすると良い。スイッチ１５及び１６を高速にスイッチングさせることが可能であるため、インダクタンスＬ及びキャパシタ１４の容量Ｃを小さくすることができ、電力抽出回路１０の小型化が可能となる。また、図５に示すようにスイッチ１５及び１６をＯＮにしておく時間は、キャパシタ１４の端子間電圧が最大となるように制御装置２０によって制御すると良い。制御装置２０は半導体回路によって構成される。
　本発明によって、従来型の最大電力点追従制御を行うことなく、直流電源から取り出すことのできる電力を増大させ、発電効率を高めることができる。また、本発明の電力抽出回路及び電力供給システムにおいては、従来型の最大電力点追従制御を行うにあたって必要であった環境条件（日照量、風速、気温、水温等）の測定機構、電流及び電圧の計測機構、最大電力点の特定機構、最大電力点に追従するためのフィードバック機構（例えば特許文献１に示すインバータの動作電圧の設定するための機構、特許文献２に示すＤＣ／ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子の導通比を変更する機構等）は一切必要なく、回路及びシステムを簡素化することができる。
　本発明の電力抽出回路は、太陽電池に限らず、直流電源全般に適用可能である。また、本発明の電力供給システムは、太陽発電、風力発電、温度差発電等によって生じた電力を、最大電力点の制限を受けることなく、効率よく負荷に対して供給するものである。
図１は、太陽電池への放射照度及びモジュール温度に応じたＶ－Ｉ曲線と、それぞれの最大電力点を示す図である。 図２は、Ｖ－Ｉ曲線における最大電力点を示す図である。 図３は、電力抽出回路及び電力供給システムを示す回路図である。 図４は、電力抽出回路のスイッチにMOSFETを用いたときの回路図である。 図５は、電力抽出回路のスイッチを制御装置によって制御するときの回路図である。 図６は、電力抽出システムにおける入力電力及び出力電力を計測するときの回路図である。 図７は、最大電力点を測定するための装置である。 図８は、電力抽出回路を介さないときの最大電力点と電力抽出回路によって取り出される電力を比較した図である。 図９は、デューティ比と電力（ＰＯ）の関係を示す図である。
［１．電力抽出回路による効率向上の確認］
　本発明者らは図６に示す装置を用いて、本発明の電力供給システムの動作及び電力抽出回路の効果を確認した。直流電源２としては太陽電池を用いた。この太陽電池は、秋月電子通商株式会社製の「ポータブル太陽電池パネル（型番738 SM1000-12V-FP）」を、一定距離から１２個の電球（ＡＣ１００Ｖ，４０Ｗ）で照らすことによって発電する。この太陽電池パネルの出力解放時の定格電圧は１２Ｖであり、短絡時の最大電流は１０００ｍＡである。この太陽電池パネルの表面に平行に対向させるように電球を配置し（４個×３列）、表面全体を概ね一様に電球が照らすように調整した。また、本実験においては負荷３としてモータを接続した。モータに供給される電力が増加するとモータの回転数が上がり、より多くの電力を太陽電池から抽出していることを確認することができる。
　（実験例１）
　図３を用いて説明したように、まず最初にスイッチ１５及び１６をＯＦＦの状態としておく（状態I）。本実験例においてインダクタ１１のインダクタンスは１０ｍＨ、キャパシタ１４の容量は２２００μＦである。ここでスイッチ１５及び１６のスイッチングを制御する制御装置２０の消費電力は、太陽電池から供給される。即ち、この図６に示す電力供給システムの電力供給源は直流電源２としての太陽電池のみであり、この他に外部からの電力供給はない。この状態で太陽電池の端子間電圧を電圧計３１によって計測し、インダクタ１１に流れる電流を電流計３２によって計測する。このときの電圧計３１で計測される電圧を入力電圧ＶＯ、電流計３２で計測される電流を入力電流ＩＯとする。一方、負荷３の両端の電圧（キャパシタ１４の端子間電圧）を電圧計３３によって計測し、負荷３に流れる電流を電流計３４によって計測する。このとき電圧計３３で計測される電圧を出力電圧ＶＬ、電流計３４で計測される電流を出力電流ＩＬとする。この状態におけるＶＯ、ＩＯ、ＶＬ、及びＩＬの値を表１（スイッチング停止状態）に示す。また、このときの入力電力ＰＯ＝ＶＯ×ＩＯ、出力電力ＰＬ＝ＶＬ×ＩＬの値も併せて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　次に、制御装置２０によってスイッチ１５及び１６を繰り返しＯＮ／ＯＦＦさせた。スイッチング周波数は２０ｋＨｚとした。これにより、前述した状態IIを経て、ＶＬが上昇していく。ＶＬが安定した状態におけるＶＯ、ＩＯ、ＶＬ、及びＩＬの値を表１（スイッチング状態）に示す。また、このときのＰＯ及びＰＬの値も併せて示す。表１における比較から、スイッチング停止状態におけるＰＯが２．５８Ｗであるのに対し、スイッチング状態におけるＰＯが４．６６Ｗであるから、太陽電池から取り出している電力自体が８０％増加している。また、負荷に供給する電力の比較では、スイッチング停止状態におけるＰＬが２．０４Ｗであるのに対し、スイッチング状態におけるＰＬが３．２１Ｗであるから、負荷に供給する電力が５７％増加している。即ち、スイッチング停止状態において太陽電池から取り出されていた電力が２．５８Ｗであるのに対し、スイッチング状態において負荷に供給されている電力が３．２１Ｗとなり、スイッチング停止状態において負荷に供給できる電力の１２４％を負荷に対して供給可能としたものである。即ち、電力抽出回路１０が太陽電池から強制的に電力を抽出して負荷に供給したことになる。
　（実験例２）
　次に、キャパシタ１４を容量１２２００μＦのキャパシタに交換して実験例１と同様の実験を行った。その結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２における比較より、スイッチング停止状態におけるＰＯが２．６０Ｗであるのに対し、スイッチング状態におけるＰＯが４．５６Ｗであるから、太陽電池から取り出している電力自体が７５％増加している。また、負荷に供給する電力の比較では、スイッチング停止状態におけるＰＬが２．０４Ｗであるのに対し、スイッチング状態におけるＰＬが３．２２Ｗであるから、負荷に供給する電力が５８％増加している。即ち、スイッチング停止状態において太陽電池から取り出されていた電力が２．６０Ｗであるのに対し、スイッチング状態において負荷に供給されている電力が３．２２Ｗとなり、スイッチング停止状態において負荷に供給できる電力の１２４％を負荷に対して供給可能としたものである。即ち、電力抽出回路１０が太陽電池から強制的に電力を抽出して負荷に供給したことになる。表１及び表２に示す結果から、キャパシタ１４の容量を変更しても結果に大きな影響を与えなかった。
　（実験例３）
　次に、１２個の電球の位置を太陽電池パネルの表面に近づけて、実験例１と同様の実験を行った。スイッチ１５及び１６を繰り返しＯＮ／ＯＦＦさせるときのスイッチング周波数は２０ｋＨｚとした。ＶＬが安定した状態におけるＶＯ、ＩＯ、ＶＬ、ＩＬ、ＰＯ及びＰＬの値を表３（スイッチング状態）に示す。表３に示すように、電球を太陽電池パネル表面に近づけたことによりＰＯが増加し、これに伴ってＰＬが増加している。なお、表１及び表２に示す実験を行った際、スイッチング状態において、太陽電池パネルの表面温度が上昇することを温度計で確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　（実験例４）
　次に、実験例３の状態（電球の位置を太陽電池パネルに近づけた状態）から太陽電池パネルの表面に送風し、冷却をしたときのＶＯ、ＩＯ、ＶＬ、ＩＬ、ＰＯ及びＰＬの値を表４（スイッチング状態）に示す。表３の結果と比較して、太陽電池パネル表面を冷却したことによりＰＯが増加し、これに伴ってＰＬが増加している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
［２．最大電力点との比較］
　（実験例５）
　図７に示す装置を用いて、上記実験において直流電源２として用いた太陽電池の最大電力点を測定した。負荷３として菊水電子工業株式会社製の電子負荷装置「ＰＬＺ１６４ＷＡ」を使用して、これを定電流モードにした。この状態で太陽電池から供給される電力が最大となる点を特定した。即ち図７に示す電圧計３５によって計測される電圧ＶＯと、電流計３６によって計測される電流ＩＯとを乗算した値が最大となるときの電力Ｐmaxを特定した。その結果、ＩＯ＝０．３３６Ａ、ＶＯ＝１４．５６Ｖのときの電力が４．８９Ｗとなり最大となった。
　（実験例６）
　次に、負荷として電子負荷装置を使用して実験例１と同様の実験を行った。実験例１と同じ太陽電池２を使用し、実験例５で最大電力Ｐmaxが得られたときの条件（電流値，電圧値）に設定した電子負荷装置を負荷３として使用した。その結果、電力抽出回路をスイッチング状態としたときの、ＶＯ、ＩＯ、ＶＬ、ＩＬ、ＰＯ及びＰＬの値を表５（スイッチング状態）に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５に示す結果より、電力抽出回路をスイッチング状態としたときに、取り出すことができる電力値は５．４５Ｗとなった。図８に示すように、電力抽出回路を介さないときの最大電力Ｐmax＝４．８９Ｗの１１１．４％の電力を太陽電池から取り出すことができた。この図８から、本発明の電力抽出回路が、従来にない作用を奏することを把握することができる。特に昨今において、電力供給を最適化する技術として常用されている従来型の最大電力点追従とは一線を画する技術である。本発明では環境及び負荷等によって変動する最大電力点を特定するための機構が不要であり、また特定された最大電力点に追従するためのフィードバック機構等も一切不要である。図３に示す極めて簡潔な回路によって負荷への電力供給量を増大させることができる。
　表５に示すように、負荷に供給することができる電力ＰＬは４．７９Ｗとなった。これは上記最大電力Ｐmax＝４．８９Ｗよりは低い値であるが、電力抽出回路で消費される電力が５．４５－４．７９＝０．６６Ｗとなっているからである。この電力抽出回路で消費される電力を低減させることで、負荷自体に対してさらに大きな電力を供給することが可能となる。例えば図６に示す制御装置２０の消費電力を低減させることは可能であるため、これによりさらに大きな電力を負荷に供給することも可能となる。
［３．他の直流電源を使用した実験］
　（実験例７）
　本発明は、太陽電池に限らず、直流電源から取り出すことができる電力を大きくするものである。本発明者らは、太陽電池に代えて、ゼーベック素子によって構成された電源を使用した実験を行った。使用した電源は、Kryotherm社の「Thermoelectric Modules for Power Generation（型番TGM-287-1.0-1.5)」である。この電源について、電力抽出回路１０を接続する前に、実験例５に示した方法で最大電力点を測定した。このとき吸熱側温度は８０℃、放熱側温度は２７．３℃とした。その結果、ＩＯ＝０．４３０Ａ、ＶＯ＝１．６６Ｖのときの電力が０．７１Ｗとなり最大となった。
　次に、上記ゼーベック素子によって構成された電源を直流電源２として使用し、最大電力Ｐmaxが得られたときの条件（電流値，電圧値）に設定した電子負荷装置を負荷３として使用して、図６に示す装置（太陽電池をゼーベック素子に置き換えたもの）を用いて実験例１と同様の実験を行った。ここで使用するキャパシタ１４の容量は５０Ｆである。また、スイッチング周波数は２０ｋＨｚとし、スイッチングパルスのデューティ比を４０％から５０％まで１％区切りで増加させて、各々のデューティ比についてＶＯ、ＩＯ、及びＰＯを測定した結果を表６及び図９に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　測定を開始したときのデューティ比は４０％であり、このときの吸熱側温度は８０．２℃、放熱側温度は２６．２℃であった。その後、デューティ比を１％ずつ増大させて、ＶＯ、ＩＯ、及びＰＯを測定した。最終的に５０％としたときの吸熱側温度は８０．１℃、放熱側温度は２６．３℃であった。測定後、電力抽出回路１０を取り外して、再度、実験例５に示した方法で最大電力点を測定した。その結果、ＩＯ＝０．４４５Ａ、ＶＯ＝１．８５Ｖのときの電力が０．８２Ｗとなり最大となった。図９の横軸はデューティ比であり、縦軸はＰＯを示す。図９に示されるように、スイッチング状態におけるＰＯは、デューティ比にかかわらず測定開始前の最大電力点、測定終了後の最大電力点のいずれも超過している。
　表６及び図９に示した結果から、電力抽出回路を動作させたことによる顕著な効果を確認することができた。電力抽出回路の動作中はゼーベック素子の吸熱量が増加しており、電力抽出回路によって強制的に電源から多くの電力を取り出していることを確認することができた。本発明の適用によって、温度差が小さい環境であっても、多くの電力を取り出すことができるようになる。
　その他、乾電池のような一次電池であっても、電圧が低くなったときに電力抽出回路によって強制的に電力を取り出すことで、効率よくエネルギーを利用することができる。燃料電池の場合には、電力抽出回路を利用することで酸素の消費量が大きくなるが、単位体積あたりの出力が増加し、小型化を図ることができる。
１…電力供給システム
２…直流電源（太陽電池，ゼーベック素子）
３…負荷（モータ，電子負荷装置）
１０…電力抽出回路
１１…インダクタ
１２…ダイオード
１３…ダイオード
１４…キャパシタ
１５…スイッチ
１６…スイッチ
２０…制御装置
３１…電圧計
３２…電流計
３３…電圧計
３４…電流計
３５…電圧計
３６…電流計

Claims (6)

  1. 　直流電源の正極と負極の間に接続されるインダクタ、第１のダイオード、及び第１のスイッチからなる第１の経路と、同じ直流電源の正極と負極の間に接続される当該インダクタ、第２のスイッチ、及び第２のダイオードからなる第２の経路を含み、
    　前記インダクタは前記直流電源の正極に接続され、
    　前記第１のダイオードのアノードは前記インダクタに接続され、カソードは前記第１のスイッチに接続され、当該第１のスイッチは当該カソードと前記直流電源の負極間の導通を制御するものであり、
    　前記第２のスイッチは前記インダクタに接続され、前記第２のダイオードのアノードは当該第２のスイッチに接続され、カソードは前記直流電源の負極に接続され、当該第２のスイッチは当該アノードと前記インダクタ間の導通を制御するものであり、
    　前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのアノード間に接続されたキャパシタをさらに含み、
    　前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを共に導通させ、共に非導通とする制御を交互に繰り返すことによって、前記インダクタに流れる電流を増大させ、前記直流電源から取り出すことができる電力を増大させることを特徴とする電力抽出回路。
  2. 　直流電源の正極と負極の間に接続されるインダクタ、第１のダイオード、及び第１のスイッチからなる第１の経路と、同じ直流電源の正極と負極の間に接続される当該インダクタ、第２のスイッチ、及び第２のダイオードからなる第２の経路を含み、
    　前記インダクタは前記直流電源の正極に接続され、
    　前記第１のダイオードのアノードは前記インダクタに接続され、カソードは前記第１のスイッチに接続され、当該第１のスイッチは当該カソードと前記直流電源の負極間の導通を制御するものであり、
    　前記第２のスイッチは前記インダクタに接続され、前記第２のダイオードのアノードは当該第２のスイッチに接続され、カソードは前記直流電源の負極に接続され、当該第２のスイッチは当該アノードと前記インダクタ間の導通を制御するものであり、
    　前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのアノード間に接続されたキャパシタをさらに含み、
    　前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを共に導通させ、共に非導通とする制御を交互に繰り返すことによって、前記キャパシタの端子間電圧を増大させ、これにより前記キャパシタに並列に接続される負荷に供給する電力を増大させることを特徴とする電力抽出回路。
  3. 　直流電源の正極と負極の間に接続されるインダクタ、第１のダイオード、及び第１のスイッチからなる第１の経路と、同じ直流電源の正極と負極の間に接続される当該インダクタ、第２のスイッチ、及び第２のダイオードからなる第２の経路を含み、
    　前記インダクタは前記直流電源の正極に接続され、
    　前記第１のダイオードのアノードは前記インダクタに接続され、カソードは前記第１のスイッチに接続され、当該第１のスイッチは当該カソードと前記直流電源の負極間の導通を制御するものであり、
    　前記第２のスイッチは前記インダクタに接続され、前記第２のダイオードのアノードは当該第２のスイッチに接続され、カソードは前記直流電源の負極に接続され、当該第２のスイッチは当該アノードと前記インダクタ間の導通を制御するものであり、
    　前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのアノード間に接続されたキャパシタをさらに含み、
    　前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを共に導通させ、共に非導通とする制御を交互に繰り返すことによって、前記インダクタに流れる電流を増大させ、前記直流電源から取り出すことができる電力を増大させ、且つ、前記キャパシタの端子間電圧を増大させ、これにより前記キャパシタに並列に接続される負荷に供給する電力を増大させることを特徴とする電力抽出回路。
  4. 　直流電源、当該直流電源と接続される電力抽出回路、及び当該電力抽出回路に接続される負荷から構成される電力供給システムであって、
    　前記電力抽出回路は、前記直流電源の正極と負極の間に接続されるインダクタ、第１のダイオード、及び第１のスイッチからなる第１の経路と、同じ直流電源の正極と負極の間に接続される当該インダクタ、第２のスイッチ、及び第２のダイオードからなる第２の経路を含み、
    　前記インダクタは前記直流電源の正極に接続され、
    　前記第１のダイオードのアノードは前記インダクタに接続され、カソードは前記第１のスイッチに接続され、当該第１のスイッチは当該カソードと前記直流電源の負極間の導通を制御するものであり、
    　前記第２のスイッチは前記インダクタに接続され、前記第２のダイオードのアノードは当該第２のスイッチに接続され、カソードは前記直流電源の負極に接続され、当該第２のスイッチは当該アノードと前記インダクタ間の導通を制御するものであり、
    　前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのアノード間に接続されたキャパシタをさらに含み、
    　前記負荷は前記キャパシタに並列に接続され、
    　前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを共に導通させ、共に非導通とする制御を交互に繰り返すことによって、前記インダクタに流れる電流を増大させ、前記直流電源から取り出すことができる電力を増大させ、且つ、前記キャパシタの端子間電圧を増大させ、これにより前記負荷に供給する電力を増大させることを特徴とする電力供給システム。
  5. 　請求項４に記載した電力供給システムであって、
    　前記直流電源は太陽電池であることを特徴とする電力供給システム。
  6. 　請求項４に記載した電力供給システムであって、
    　前記直流電源はゼーベック素子によって構成されていることを特徴とする電力供給システム。
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