WO2019240192A1

WO2019240192A1 - 太陽光発電・蓄電ユニットおよび太陽光発電・蓄電システム

Info

Publication number: WO2019240192A1
Application number: PCT/JP2019/023338
Authority: WO
Inventors: 白方　雅人; 知秀伊達; 史彦長谷川; 賢介畠山; 政明引地
Original assignee: 国立大学法人東北大学
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2019-12-19
Also published as: EP3809556A4; JP7042527B2; US20210091716A1; EP3809556A1; JPWO2019240192A1; CN111052535A; KR20210019983A

Abstract

この太陽光発電・蓄電ユニットは、太陽光パネルと、前記太陽光パネルに直結された蓄電池と、を備え、前記蓄電池の最大充電電圧は、前記太陽光パネルの最大出力動作電圧より１０％大きな値以下である。

Description

太陽光発電・蓄電ユニットおよび太陽光発電・蓄電システム

　本発明は、太陽光発電・蓄電ユニットおよび太陽光発電・蓄電システムに関する。
　本願は、２０１８年６月１４日に日本に出願された特願２０１８－１１３９１９、及び、２０１９年３月２８日に日本に出願された特願２０１９－０６３９３７に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　再生可能エネルギーとして太陽光発電に注目が集まっている。太陽光発電は自然エネルギーを利用した発電であり、環境変化による発電電力の変動は避けられない。発電力の変動による影響を回避する一つの手段として、太陽光パネルと蓄電池とを接続する。太陽光パネルの発電時には余剰電力を蓄電池に蓄電し、非発電時には蓄電池に蓄えた電力を使用する。

　太陽光パネルと蓄電池との間には、パワーコンディショナー等の制御装置が設けられる。制御装置は、蓄電池が過放電、過充電することを制御し、蓄電池の劣化、熱暴走を抑制する。

　例えば、特許文献１の段落００２０には、蓄電モジュールがパワーコンディショナー等の制御装置によって充放電制御されていることが記載されている。また例えば、特許文献２には、太陽光発電装置と蓄電池との間に、複数のコンバータを接続することが記載されている。

特開２０１７－６０３５９号公報特開２０１５－１３３８７０号公報

　制御装置は、太陽光発電・蓄電ユニットの動作点を制御する。動作点は、太陽光発電・蓄電ユニットが効率的に動作するポイントであり、動作電圧と動作電流の組み合わせである。制御装置が動作点を決定する際に用いる一つの方式が、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）方式である。ＭＰＰＴ方式は、日照量が一定の場合は適切な動作点(最適動作点)を特定できる。一方で、ＭＰＰＴ方式は、日照量が変化する場合に、最適動作点を誤認し、発電効率の悪い動作点を選択する場合がある。また制御装置は、自身が電力を消費し、電力ロスの原因となる。つまり、太陽光パネルの発電効率を高めるために設けた制御装置が、結果的に太陽光発電・蓄電ユニットの充電効率を低下させる原因となる。

　また太陽光パネルにおける励起した電子と正孔の再結合は、太陽光パネルの発電効率の低下の原因となる。太陽光パネルの発電効率の低下は、太陽光発電・蓄電ユニットの充電効率を低下させる原因となる。

　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、充電効率を高めることができる太陽光発電・蓄電ユニットおよび太陽光発電・蓄電システムを提供することを目的とする。

　本発明者らは、太陽光パネルと蓄電池とを直接接続し、太陽光パネルの発電を蓄電池の電圧で制御し、太陽光発電・蓄電ユニットの充電効率を高めることができることを見出した。すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットは、太陽光パネルと、前記太陽光パネルに直結された蓄電池と、を備え、前記蓄電池の最大充電電圧は、前記太陽光パネルの最大出力動作電圧より１０％大きな値以下である。

（２）上記態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットにおいて、前記蓄電池の抵抗値が、前記太陽光パネルの寄生抵抗における並列抵抗より小さくてもよい。

（３）上記態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットにおいて、前記蓄電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、前記正極と前記負極との間に挟まれたセパレータと、を有する蓄電素子を有し、前記正極活物質は、充放電に寄与するイオンを除去した状態で結晶構造が維持される物質を含んでもよい。

（４）上記態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットにおいて、前記正極活物質がスピネル構造を有してもよい。

（５）上記態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットは、前記蓄電池が過充電の際に、前記太陽光パネルと前記蓄電池との間を遮断する第１遮断素子をさらに有してもよい。

（６）上記態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットは、前記蓄電池が過放電の際に、前記蓄電池と外部との間を遮断する第２遮断素子をさらに有してもよい。

（７）上記態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットにおける前記蓄電池は、正極と、負極と、前記正極または前記負極に接続された第１端子、第２端子及び第３端子と、を少なくとも有し、前記第１端子及び前記第３端子は、前記正極または前記負極に互いに離間して接続され、前記第２端子は、前記正極または前記負極のうち前記第１端子及び前記第３端子が接続されていない電極に接続されていてもよい。

（８）上記態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットにおける前記蓄電池は、複数の蓄電素子を備え、前記複数の蓄電素子のうち少なくとも一つは、第１端子、第２端子及び第３端子を少なくとも有し、前記第１端子は、正極または負極のいずれか一方と、前記太陽光パネルと、を接続し、前記第２端子は、前記正極または前記負極のうち前記第１端子が接続されていない電極と、異なる蓄電素子と、を接続し、前記第３端子は、前記正極または前記負極のうち前記第１端子が接続されている電極と、外部と、を接続している。

（９）第２の態様にかかる太陽光発電・蓄電システムは、上記態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットを複数有する。

（１０）上記態様にかかる太陽光発電・蓄電システムは、複数の太陽光発電・蓄電ユニットは、共通の外部配線により外部と接続され、前記外部配線は、逆流防止素子を有してもよい。

　上記態様にかかる太陽光発電・蓄電ユニットおよび太陽光発電・蓄電システムは、蓄電池への充電効率を高めることができる。

本実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニットの模式図である。太陽光パネルのＩ－Ｖ特性を示したグラフである。太陽光パネルの等価回路図である。蓄電池の抵抗値と、太陽光パネルの寄生抵抗における並列抵抗との関係を示すグラフである。実施例１及び比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットにおけるパネル電圧の時間変化を示す。実施例１及び比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットにおけるパネル電流の時間変化を示す。実施例１及び比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットの発電効率の時間変化を示す。比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットに対する実施例１の太陽光発電・蓄電ユニットの発電効率の改善率を示す。太陽光パネルと蓄電池とを直結した際に、蓄電池に充電される電力量を求めたグラフである。太陽光パネルと蓄電池とを直結した際に、蓄電池に充電される電力量の時間変化を求めたグラフである。本実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニットに用いられる蓄電素子の模式図である。正極活物質の結晶構造を模式的に示した図である。スイッチング素子の一例を示す図である。スイッチング素子の別の例を示す図である。第２実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニットの模式図である。第２実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニットに用いられる蓄電素子の模式図である。第２実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニットにおける蓄電素子の具体的な接続関係を示す図である。第３実施形態にかかる太陽光発電・蓄電システムを模式的に示した図である。

　以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

「第１実施形態」
（太陽光発電・蓄電ユニット）
　図１は、本実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１００の模式図である。太陽光発電・蓄電ユニット１００は、太陽光パネル１０と蓄電池２０とを備える。太陽光パネル１０と蓄電池２０とは、配線で直結されている。直結されるとは、これらの動作（例えば、動作電圧）を制御する制御回路を有さないことを意味する。太陽光パネル１０と蓄電池２０とが直結されると、太陽光パネル１０は蓄電池２０の電圧で制御される。太陽光パネル１０の動作電圧は蓄電池２０の電圧に依存する。太陽光パネル１０と蓄電池２０との間には、電位を規定しないスイッチング素子３０等の素子が接続されていてもよい。

　太陽光パネル１０は、複数のセル１２を有する（図１参照）。それぞれのセル１２は、１Ｖ程度（結晶シリコンで０．８Ｖ程度）の出力電圧を有する。複数のセル１２が接続されることで、太陽光パネル１０の出力電圧が高まる。

　図２は、太陽光パネル１０のＩ－Ｖ特性を示したグラフである。太陽光パネル１０のＩ－Ｖ特性は、電圧が増加するに従い電流が垂下特性を示す。Ｉ_ｓｃは短絡電流であり、Ｖ_ｏｃは開放電圧である。ｐ１は最適動作点である。最適動作点ｐ１は、太陽光パネル１０が最大出力を示す際における太陽光パネル１０の出力電圧と出力電流の組み合わせを示す。最適動作点ｐ１における電圧は最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍと呼ばれ、最適動作点ｐ１における電流は最大出力動作電流Ｉ_ｐｍと呼ばれる。太陽光パネル１０は、最適動作点ｐ１で動作すると出力が最大となる。

　蓄電池２０は、複数のセル（蓄電素子）からなる。１つのセルの電圧は、例えば、３．０Ｖ以上４．２Ｖ以下である。蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、蓄電池２０を構成する各セルの電圧を加算した値となる。

　蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、太陽光パネル１０の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより１０％大きな値以下に設定され、好ましくは太陽光パネル１０の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍ以下に設定されている。最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより１０％大きな値は、図２における動作点ｐ２における電圧である。最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｃ　８９１４）の「結晶系太陽電池モジュール出力測定方法」に規定された標準状態におけるものとする。図２では、太陽光パネル１０のＩ－Ｖ特性において蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘと最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍとの位置関係の一例を示す。蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、太陽光パネル１０の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより５０％小さな値以上に設定されていることが好ましく、太陽光パネル１０の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより４０％小さな値以上に設定されていることがより好ましく、太陽光パネル１０の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより３０％小さな値以上に設定されていることがさらに好ましい。

　蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、蓄電池２０を構成するセルの接続数で設定できる。例えば蓄電池２０を構成する単セルの充電電圧が４．１Ｖであり、最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍが２０Ｖの場合は、蓄電池２０を構成するセル数を４つ（最大充電電圧が１６．４Ｖ）とする。

　また蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘを太陽光パネルの開放電圧Ｖ_ｏｃとの関係で設定してもよい。例えば、太陽光パネル１０の開放電圧Ｖ_ｏｃは、蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘの１００％以上３００％以下に設定することが好ましく、１２０％以上３００％以下に設定することがより好ましく、１２０％以上２００％以下に設定することがさらに好ましく、１３０％以上１６０％以下に設定することが特に好ましい。

　蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、６０Ｖ以下であることが好ましく、３０Ｖ以下であることがより好ましい。太陽光パネル１０と蓄電池２０とは、直結され、一体化している。太陽光パネル１０の開放電圧Ｖ_ｏｃが高い場合でも、太陽光パネル１０の電位は蓄電池２０の電位（最大充電電圧Ｖ_ｍａｘ）となる。その結果、高電圧が直流配線に印加されることを抑制できる。直流配線に印加される電圧が６０Ｖ以下であれば、配線工事等が容易であり、感電、発火のリスクも低減する。

　蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘを太陽光パネル１０の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍ又は開放電圧Ｖ_ｏｃに対して設定すると、太陽光パネル１０で発電した電力を効率よく蓄電池２０に充電することができる。その理由について具体的に説明する。

　太陽光パネル１０のＩ－Ｖ特性は、日照量によって変動する。例えば、日照量が多くなると短絡電流Ｉ_ｓｃは大きくなり、日照量が減ると短絡電流Ｉ_ｓｃは小さくなる。太陽光パネル１０がＭＰＰＴ回路によって制御されている場合、ＭＰＰＴ回路は太陽光パネル１０の出力電圧を上昇させながら、最大出力となる電力を特定し、太陽光パネル１０の最適動作点ｐ１を設定する。電力は、電圧と電流との積で求められる。日照量が一定の場合、短絡電流Ｉ_ｓｃは一定であり、出力電力は太陽光パネル１０の出力電圧の上昇と共に増加し、ある値で最大出力を示す。電力が最大出力となる太陽光パネル１０の出力電圧が最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍである。日照量が一定の場合は、電流量が日照量により変動しないため、太陽光パネル１０の最適動作点ｐ１を適切に規定できる。

　一方で、ＭＰＰＴ回路の動作途中に日照量が変化すると、太陽光パネル１０の出力電圧の上昇とは別に電流量が変動する。その結果、電力が最大出力となる電圧が、最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍと一致しない場合がある。例えば、太陽光パネル１０の出力電圧を最適動作点ｐ１より高電圧にした場合に日照量が増加すると、その点における出力電流値は日照量が増加する前の出力電流値より大きくなる。それぞれの動作点で出力される電力は電圧と電流の積である。電流値が変動すると、出力される電力も変動し、最適動作点ｐ１より高電圧な動作点における電力が最適動作点ｐ１で出力される電力より多くなる場合がある。その結果、ＭＰＰＴ回路は、最適動作点ｐ１を誤認し、開放電圧Ｖ_ｏｃの近傍の電圧を最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍと誤認する場合がある。この場合の電圧値は最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより著しく低下しているため、太陽光パネル１０の出力電力は著しく低下する。

　これに対し、太陽光パネル１０と蓄電池２０とを直接接続すると、太陽光パネル１０の電位は蓄電池２０の電位で固定される。太陽光パネル１０は、蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘ以下の電圧で動作する。最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、蓄電池２０で設定された値であり、日照量の変動の影響は受けない。最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより１０％大きな値以下の値に設定されている。すなわち、太陽光パネル１０の動作電圧が変動することがなく、Ｉ－Ｖ特性において出力電流量が著しく小さくなった電圧値を最適動作点と誤認することは無い。蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘを設定した上で、蓄電池２０と太陽光パネル１０とを直接接続すると、蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘで太陽光パネル１０の動作電圧を規定することができ、太陽光パネル１０の出力電力が低下することを抑制できる。

　また図３は、太陽光パネル１０の等価回路図である。太陽光パネル１０は、発電部ＧとダイオードＤと並列抵抗Ｒ_ｓｈと直列抵抗Ｒ_ｓで表される。並列抵抗Ｒ_ｓｈと直列抵抗Ｒ_ｓとは、太陽光パネル１０の寄生抵抗である。太陽光パネル１０の第１端子ｔ１と第２端子ｔ２は、負荷に接続される。本実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１００の場合、負荷は蓄電池２０である。

　太陽光パネル１０から出力される出力電流Ｉは、以下の式で表される。
　Ｉ＝Ｉ_ｐｈ－Ｉ_ｄ－（Ｖ＋Ｒ_ｓＩ）／Ｒ_ｓｈ…（１）
　式（１）においてＩ_ｐｈは光誘起電流である。Ｉ_ｐｈは、太陽光パネル１０に光が入射することで生じる。式（１）においてＩ_ｄはダイオード電流である。太陽光パネル１０の各セル１２は、ｐ－ｎ接合を有するダイオードであるため、ダイオード電流は動作電圧に応じて生じる。式（１）において（Ｖ＋Ｒ_ｓＩ）／Ｒ_ｓｈは、並列抵抗に流れる電流である。式（１）においてＲ_ｓは直列抵抗の抵抗値であり、Ｒ_ｓｈは並列抵抗の抵抗値であり、Ｖは出力電圧である。

　式（１）は、以下の式（２）で書き換えられる。
　Ｉ＝（Ｒ_ｓｈＩ_ｐｈ－Ｒ_ｓｈＩ_ｄ－Ｖ）／（Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｓｈ）…（２）
　式（２）においてＲ_ｓ＋Ｒ_ｓｈは寄生抵抗であり、変動するものではなく固定値とみなせる。また本実施形態に係る太陽光発電・蓄電ユニット１００の場合、出力電圧Ｖは蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘで固定され、ほぼ定数とみなせる。したがって、式（２）において、出力電流Ｉの変動に影響を及ぼすのは、Ｒ_ｓｈ（Ｉ_ｐｈ－Ｉ_ｄ）の部分となる。Ｒ_ｓｈ（Ｉ_ｐｈ－Ｉ_ｄ）の値は、励起子の再結合が生じると小さくなる。

　ここで、第１端子ｔ１と第２端子ｔ２に接続される蓄電池２０の抵抗値は、太陽光パネル１０の寄生抵抗（Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｓｈ）における並列抵抗Ｒ_ｓｈより小さいことが好ましい。蓄電池２０の抵抗値は、並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値の５分の１以下であることが好ましく、並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値の２５分の１以下であることがより好ましく、５０分の１以下であることがさらに好ましく、１００分の１以下であることが特に好ましい。図４は、蓄電池の抵抗値と、太陽光パネルの寄生抵抗における並列抵抗との関係を示すグラフである。図４における縦軸は、蓄電池の抵抗値が並列抵抗の抵抗値の１１０分の１（抵抗比が０．０１）における太陽光パネル１０の発電効率を１として規格化した場合における太陽光パネル１０の発電効率であり、横軸は蓄電池の抵抗値と並列抵抗の抵抗値との抵抗比である。図４に示すように、蓄電池の抵抗値が並列抵抗の抵抗値の５０分の１以下（抵抗比が０．０４以下）になると、太陽光パネル１０の発電効率は急激に高くなる。例えば、蓄電池２０を構成する正極活物質が三元系化合物や鉄オリビン系の場合は、蓄電池２０の抵抗値は、並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値の５分の１から２５分の１となる。

　蓄電池２０の抵抗値と並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値とが上記の関係を満たすと、分岐部ｐｂに至った電流の多くは、並列抵抗Ｒ_ｓｈ側ではなく第１端子ｔ１側に流れ、外部に出力される。並列抵抗Ｒ_ｓｈに流れる電流量が増えると、太陽光パネル１０の温度が上昇し、太陽光パネル１０の発電効率が低下する。太陽光パネル１０の発電効率の低下は、蓄電池２０への充電効率の低下の原因となる。また太陽光パネル１０の温度上昇は、発電部Ｇにおける励起子（電子とホール）の再結合を促進する。励起子の再結合は、蓄電池２０への充電効率の低下の原因となる。

　つまり、蓄電池２０の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘを太陽光パネル１０の最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍ又は開放電圧Ｖ_ｏｃに対して設定すると、太陽光パネル１０からの出力電流Ｉに影響を及ぼすパラメータを限定することができる。また蓄電池２０の抵抗値を並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値に対して小さくすることで、発電部Ｇで生じた電流を効率よく第１端子ｔ１側に流し、励起子の再結合を防ぐことができる。その結果、太陽光パネル１０の発電効率を高め、かつ、蓄電池２０への充電効率を高めることができ、太陽光パネル１０で発電した電力を効率よく蓄電池２０に充電することができる。

　図５から図８は、蓄電池と太陽光パネルを直結した場合（実施例１）と、ＭＰＰＴ回路用いて太陽光パネルを制御した場合（比較例１）との発電効率の違いを示すグラフである。図５は、実施例１及び比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットにおけるパネル電圧の時間変化を示す。図６は、実施例１及び比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットにおけるパネル電流の時間変化を示す。図７は、実施例１及び比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットの発電効率の時間変化を示す。図８は、比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットに対する実施例１の太陽光発電・蓄電ユニットの発電効率の改善率を示す。図５から図８に示す横軸の時間は、測定時刻を示す。図５から図８において、蓄電池の最大充電電圧は１５．４９Ｖとし、太陽光パネルの開放電圧は２２．５Ｖとした。太陽光パネルの最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍは、蓄電池の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘより大きいものとした。

　図５に示すように、太陽光パネルのパネル電圧は時刻ごとに変化する。実施例１における太陽光パネルは、蓄電池の電圧によって太陽光パネルのパネル電圧が規定されている。実施例１の太陽光パネルのパネル電圧は、日照量によらず蓄電池の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘに向って漸近する。これに対し、比較例１における太陽光パネルは、ＭＰＰＴ回路が日照量に応じて時刻ごとに電圧値を変動させている。

　また図６に示すように、太陽光パネルのパネル電流も時刻ごとに変化する。実施例１における太陽光パネルは、太陽光パネルと蓄電池の電位差が少なくなるごとに、パネル電流量が徐々に減少している。実施例１における太陽光パネルは、太陽光パネルと蓄電池の電位差がゼロになるまでは、大きな電流量のパネル電流を出力している。これに対し、比較例１における太陽光パネルは、一定の時間が経過すると、出力されるパネル電流量が急激に減少している。このパネル電流量の急激な現象は、励起子の再結合によるものである。比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットは、ＭＰＰＴ回路が適切に最適動作点ｐ１を特定できない場合があり、並列抵抗Ｒ￢_ｓｈ（図３参照）側に電流が流れることで、励起子の再結合が誘発される。

　太陽光発電・蓄電ユニットの発電効率は、パネル電圧とパネル電流との積で換算される。図７及び図８に示すように、実施例１の太陽光発電・蓄電ユニットの発電効率は、比較例１の太陽光発電・蓄電ユニットの発電効率より高い。すなわち、実施例１のように、蓄電池の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘで太陽光パネルの動作電圧を規定すると、太陽光発電・蓄電ユニットの発電効率が向上する。

　また図９は、太陽光発電・蓄電ユニットの蓄電池に蓄電される電力量を求めたグラフである。太陽光パネルは、公称最大出力１００Ｗ（１８．５Ｖ、５．４Ａ）、開放電圧２２．５Ｖ、短絡電流５．９Ａのパネルを用いた。蓄電池は、複数のセル（蓄電素子）を有し、直列接続するセル数を変えた。図９の縦軸は、左欄が蓄電池に蓄電された電力量（Ｗ）であり、右欄が蓄電池に印加された電圧（Ｖ）及び電流量（Ａ）である。図９の横軸は、蓄電池を構成するセル数である。

　図９に示すように、蓄電池を構成するセル数が増加すると、蓄電池にかかる電圧（Ｖ）は増加する。電圧（Ｖ）は、蓄電池の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘに対応する。一方で、蓄電池に蓄電される電力量（Ｗ）は、接続セル数が４つの場合までは増加しているが、接続セル数が５つとなると減少している。この減少は、接続セル数が５つとなった時点で、蓄電池にかかる電流量（Ａ）が減少し始めたことに起因する。太陽光パネル１０と蓄電池２０との電位差が小さくなり、電流量（Ａ）は減少する。

　図９に示す蓄電池は、接続セル数が４つの場合に、太陽光パネルで発電した電力を最も効率的に充電する。接続セル数が４つの場合の蓄電池の最大充電電圧は１５．４９Ｖである。太陽光パネルの開放電圧（２２．５Ｖ）は、蓄電池の最大充電電圧の１４５％である。また蓄電池の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘは、太陽光パネルの最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍより小さい。蓄電池の最大充電電圧Ｖ_ｍａｘを太陽光パネルの最大出力動作電圧Ｖ_ｐｍ又は開放電圧Ｖ_ｏｃに対して設定すると、蓄電池に効率的に電力を充電できる。

　また図１０は、太陽光発電・蓄電ユニットの蓄電池に蓄電される電力量の時間変化を求めたグラフである。横軸は充電時間であり、縦軸は単位時間当たりに蓄電池に蓄電された電力量である。太陽光パネル及び蓄電池は、図９の実験と同じ構成である。またグラフには、太陽光パネルと蓄電池との間に、制御素子であるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）回路を介した場合の例（比較例１）を同時に図示した。

　図１０に示すように、直列セル数が４つの場合は、直列セル数が３つの場合より効率的に蓄電することができる。この結果は、図９に示す結果と相関がある。またＭＰＰＴ回路を介して太陽光パネルを制御した場合は、ＭＰＰＴ回路を有さない場合と比較して充電効率が悪い。ＭＰＰＴ回路が電力ロスの原因となっていると考えられる。

　次いで、太陽光発電・蓄電ユニット１００の各構成について具体的に説明する。図１１は、蓄電池２０を構成する蓄電素子２１（セル）の模式図である。蓄電池２０は、一つ又は複数の蓄電素子２１を有する。複数の蓄電素子２１を直列で接続すると、蓄電池２０が充電できる最大充電電圧Ｖ_ｍａｘが大きくなる。蓄電池２０は、リチウムイオン二次電池であることが好ましい。蓄電素子２１は、正極２２と負極２４とセパレータ２６とを有する。正極２２には第１端子２２Ａが接続され、負極２４には第２端子２４Ａが接続されている。正極２２と負極２４とは、セパレータ２６を介して積層されていれば、その積層数は問わない。

　正極２２は、正極集電体と、正極集電体の少なくとも一面に形成された正極活物質と、を有する。正極集電体は導電体であり、例えば、アルミニウムである。

　正極活物質は、充放電に寄与するイオンを除去した状態で結晶構造が維持される物質を含むことが好ましい。蓄電池２０がリチウムイオン二次電池の場合、「充放電に寄与するイオン」は、リチウムイオンである。「充放電に寄与するイオンを除去した状態で結晶構造が維持される物質」は、例えばスピネル構造、オリビン構造、ペロブスカイト構造を有する物質である。正極活物質は、例えば、ＬｉＭｎＯ_４、ＬｉＭｎ_１．５Ｎｉ_０．５Ｏ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４等が好ましい。

　図１２は、正極活物質の結晶構造を模式的に示した図である。図１２（ａ）はＬｉＣｏＯ_２の結晶構造であり、図１２（ｂ）は、ＬｉＭｎＯ_４の結晶構造である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、結晶構造を一方向から見たものに対応する。

　ＬｉＣｏＯ_２は、ＣｏとＯの八面体で構成されるスラブとリチウムとが交互に積層した構造である（図１２（ａ）参照）。リチウムイオンは、充放電時にＣｏとＯの八面体で構成されるスラブの層間を出入りする。ＬｉＣｏＯ_２は、リチウムイオンが完全に除かれると結晶構造を維持できない。層間を維持するために、充電時（リチウムイオンを脱離した状態）においても、リチウムイオンを３０％程度残す必要がある。したがって、ＬｉＣｏＯ_２は、「充放電に寄与するイオンを除去した状態で結晶構造が維持される物質」には該当しない。

　これに対し、ＬｉＭｎＯ_４はスピネル構造の化合物である（図１２（ｂ）参照）。ＬｉＭｎＯ_４は、ＭｎとＯの八面体が３次元に結合している。リチウムイオンは、充放電時に八面体同士の間に挿入、脱離する。ＬｉＭｎＯ_４は、リチウムイオンが完全に除かれても、ＭｎとＯの八面体が柱として機能し、結晶構造が維持される。したがって、ＬｉＭｎＯ_４は、「充放電に寄与するイオンを除去した状態で結晶構造が維持される物質」には該当する。

　「充放電に寄与するイオンを除去した状態で結晶構造が維持される物質」は、該当イオンが除かれても、結晶構造が維持される。したがって、正極活物質中に含まれる該当イオン（例えば、リチウムイオン）量が変動しても、蓄電池は安定的に動作する。換言すると、この物質を含む蓄電池は、充放電時における結晶構造内の該当イオン量の制御は求められない。この物質を含む蓄電池は、制御装置（例えば、ＭＰＰＴ回路を含むパワーコンディショナー）を介さずに出力電圧が不安定な電源（例えば、太陽光パネル）と直結しても、安定した動作を行うことができる。またスピネル構造を有する正極活物質を用いた蓄電池は抵抗値が小さく、蓄電池２０の抵抗値を並列抵抗Ｒ_ｓｈの抵抗値に対して小さくできる。

　負極２４は、負極集電体と、負極集電体の少なくとも一面に形成された負極活物質と、を有する。負極集電体は導電体であり、例えば、アルミニウム、銅、ニッケルである。

　負極活物質は、公知の活物質を用いることができる。また負極活物質は、充放電に寄与するイオンを除去した状態で結晶構造が維持される物質を含むことが好ましい。負極活物質は、例えば、グラファイト、スピネル構造を有するリチウムチタン酸化物（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２：ＬＴＯ）、リチウムバナジウム酸化物（ＬｉＶＯ_２、Ｌｉ_１．１Ｖ_０．９Ｏ_２）が好ましい。なお、グラファイトは、層間にリチウムイオンが挿入、脱離する点で図１２（ａ）と一致するが、リチウムイオンが完全脱離しても結晶構造は維持される。

　セパレータ２６は、正極２２と負極２４との間に挟まれる。セパレータ２６は、公知のものを用いることができる。例えばセパレータ２６には、ポリエチレン又はポリプロピレン等のポリオレフィン、セルロース、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリアミド等のフィルムを用いることができる。

　蓄電池２０は、蓄電素子２１を単体（単セル）として用いても、蓄電素子２１を複数（複数セル）接続して用いてもよい。複数の蓄電素子２１を直列で接続すると、蓄電池２０が充電できる最大充電電圧Ｖ_ｍａｘが大きくなる。

　スイッチング素子３０は、例えば、３つの状態を切り替える。第１状態は、太陽光パネル１０と蓄電池２０とを接続し、太陽光パネル１０で発電された電力を蓄電池２０に充電する。第２状態は、太陽光パネル１０と外部とを接続し、太陽光パネル１０で発電された電力をそのまま外部に出力する。第３状態は、蓄電池２０と外部とを接続し、蓄電池２０に充電された電力を放電する。スイッチング素子３０は、接続状態を日照量に応じて変える。例えば、日照量が多く過剰な電力が発生する場合は、スイッチング素子３０の接続状態を第１状態または第２状態とし、太陽光パネル１０で生じた電力を外部に出力しつつ、過剰分で蓄電池２０を充電する。

　図１３及び図１４は、スイッチング素子３０の具体例を示す図である。図１３に示すスイッチング素子３０は、第１遮断素子３１と第２遮断素子３２とを有する。第１遮断素子３１は、太陽光パネル１０と蓄電池２０との接続（第１状態）を遮断する。第１遮断素子３１は、満充電の状態からさらに充電すること（過充電）を抑制する。第２遮断素子３２は、蓄電池２０と外部との接続（第３状態）を遮断する。第２遮断素子３２は、過放電を抑制する。

　図１４に示すスイッチング素子３０は、第１遮断素子３１と第２遮断素子３２と第３遮断素子３３とを有する。
　第１遮断素子３１及び第２遮断素子３２を開放し、第３遮断素子３３を接続すると、太陽光パネル１０で発電した電力がそのまま外部に出力される。
　第２遮断素子３２及び第３遮断素子３３を開放し、第１遮断素子３１を接続すると、太陽光パネル１０で発電した電力は蓄電池２０に充電される。
　第１遮断素子３１及び第３遮断素子３３を開放し、第２遮断素子３２を接続すると、蓄電池２０に充電された電力が外部に出力される。
　第１遮断素子３１を開放し、第２遮断素子３２及び第３遮断素子３３を接続すると、太陽光パネル１０で発電した電力を外部に出力しつつ、不足分を蓄電池２０から外部に出力される。
　第２遮断素子３２を開放し、第１遮断素子３１及び第３遮断素子３３を接続すると、太陽光パネル１０で発電した電力を外部に出力しつつ、余剰分を蓄電池２０に充電できる。
　第３遮断素子３３を開放し、第１遮断素子３１及び第２遮断素子３２を接続すると、太陽光パネル１０で発電した電力を蓄電池２０に蓄電しつつ、外部に出力できる。

　太陽光パネル１０と蓄電池２０とを図１４に示すように接続すると、外部環境の変化が生じた場合でも、第１遮断素子３１、第２遮断素子３２及び第３遮断素子３３の切り替えにより出力電圧を一定に保つことができる。

　太陽光パネル１０及び蓄電池２０から外部に出力される電流は直流である。直流駆動の素子に接続する場合は、そのまま利用することができる。他方、交流駆動の素子に接続する場合は、交流に変換する必要がある。外部素子が交流駆動の場合は、太陽光発電・蓄電ユニット１００と外部素子との間にＤＣ／ＡＣコンバータを設けることが好ましい。

　上述のように、第１実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１００によれば、太陽光パネル１０で発電した電力を直結する蓄電池２０に伝えることができ、蓄電池２０に効率的に蓄電できる。

「第２実施形態」
　図１５は、第２実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１０１の模式図である。第２実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１０１は、蓄電池４０の構成が異なる点、スイッチング素子３０を有さない点が、第１実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１００と同様であり、同様の構成については説明を省く。

　図１６は、第２実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニットに用いられる蓄電池４０を構成する蓄電素子４１の模式図である。蓄電素子４１は、リチウムイオン二次電池であることが好ましい。蓄電素子４１は、正極４２と負極４４とセパレータ４６とを有する。蓄電素子４１は、正極４２に２つの端子が接続されている点が、蓄電素子２１と異なる。その他の点は、蓄電素子２１と蓄電素子４１は同様である。正極４２には、第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとが分離して接続され、負極４４には第２端子４４Ａが接続されている。第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとは、互いに離間している。

　図１５に示すように、蓄電素子４１の第１端子４２Ａと第２端子４４Ａは太陽光パネル１０に接続され、第２端子４４Ａと第３端子４２Ｂは外部に接続されている。蓄電素子４１は、第１端子４２Ａ及び第２端子４４Ａを介して充電しながら、第２端子４４Ａ及び第３端子４２Ｂを介して放電できる。

　蓄電素子４１は、太陽光パネル１０から供給される電圧（充電電圧）に変動があっても、外部への出力する電圧（放電電圧）を一定に保つことができる。その理由は２つ考えられる。

　一つ目の理由は、第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとの間に正極活物質が存在することである。蓄電素子４１の正極４２の電位は、正極活物質中に含まれる伝導イオン（リチウムイオン）の含有量によって変動する。つまり、蓄電素子４１の正極４２の電位は、外部からの充電電圧によらず、伝導イオンの移動量に律速する。すなわち、第１端子４２Ａにおける充電電圧に変動があっても、正極活物質中における伝導イオンが移動することで、電圧変動は減衰する。その結果、第３端子４２Ｂに至った時点で電圧変動は抑えられ、放電電圧が一定になる。

　また二つ目の理由は、太陽光パネル１０と蓄電素子４１とのインピーダンスの違いである。一般に、太陽光パネル１０のインピーダンスは、蓄電素子４１のインピーダンスより高い。すなわち、太陽光パネル１０から細い配線を介して供給される充電電圧の変動量は、十分広い領域を有する蓄電素子４１において緩和される。その結果、第３端子４２Ｂに至った時点で電圧変動は抑えられ、放電電圧が一定になる。

　第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとは、正極４２の平面視形状が矩形の場合は、異なる辺に設けることが好ましい。第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとの距離を確保することで、充電電圧の変動を十分抑制できる。

　一方で、正極４２の平面視形状が矩形の場合において、第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとを、同一の辺に設けてもよい。ただし、第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとが同一辺にある場合、第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとの間をつなぐ正極活物質が何らかの理由で剥離する恐れがある。この場合、伝導性に優れる正極集電体を介して第１端子４２Ａから入力された充電電圧の変動が第３端子４２Ｂに伝わる恐れがある。この場合でも充電電圧の変動を十分緩和するために、第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとは所定の距離以上離すことが好ましい。

　所定の距離は、端子間抵抗と蓄電素子４１の内部抵抗との比率によって求められるノイズ吸収能力によって決定する。端子間抵抗Ｒは、Ｒ＝ρ×Ｌ／Ａで求められる。ここでρは正極集電体と正極活物質の合成抵抗の比抵抗であり、Ｌは第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとの距離であり、Ａは正極活物質が剥離し露出した正極集電体の断面積である。したがって、蓄電素子４１の内部抵抗をＲ’とすると、Ｒ／Ｒ’×１００がノイズ吸収能力となる。Ｒ／Ｒ’×１００は、５０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。すなわち、端子間距離は、ノイズレベルが５０％以下になるように設定することが好ましく、３０％以下になるように設定することがより好ましく、１０％以下になるように設定することがさらに好ましい。なお、内部抵抗Ｒ’は正極活物質と集電体との合成抵抗（並列接続）に対応する。

　例えば、正極集電体が比抵抗２．８μΩｃｍ、厚み２０μｍのアルミニウムであり、第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとの間に、正極活物質が剥離した非形成領域が０．１ｍｍ幅で存在した場合を考える。蓄電素子４１は、正極の積層数が３０枚であり、内部抵抗が２．８ｍΩとする。この場合、第１端子４２Ａと第３端子４２Ｂとの距離を１ｍｍとするとノイズレベルは３０％まで低下し、２ｍｍとするとノイズレベルは２０％まで低下し、４ｍｍとすると１０％まで低下する。

　また上記のような３端子型の蓄電素子を用いる場合、それぞれの蓄電素子４１を図１７に示すように接続することが好ましい。図１７は、蓄電素子４１の具体的な接続関係を示す図である。図１７（ａ）は、２端子型の蓄電素子２１と３端子型の蓄電素子４１とを接続した例であり、図１７（ｂ）は、３端子型の蓄電素子４１を複数接続した例である。いずれの場合も、太陽光パネル１０から入力される充電電圧は、蓄電素子２１，４１を介して外部に出力される。すなわち、太陽光パネル１０から供給される電圧（充電電圧）に変動があっても、外部への出力する電圧（放電電圧）を一定に保つことができる。

　またここまで、正極４２側に第３端子４２Ｂを設ける例について説明したが、第３端子４２Ｂは負極４４側に設けてもよい。また３端子以上の端子を同時に設けてもよい。

　以上のように、第２実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１０１によれば、第１実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１００と同様の効果を奏することができる。また第２実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１０１によれば、充放電を同時に行うことができ、太陽光パネル１０から供給される電圧（充電電圧）に変動があっても、外部への出力する電圧（放電電圧）を一定に保つことができる。

「第３実施形態」
（太陽光発電・蓄電システム）
　図１８は、第３実施形態にかかる太陽光発電・蓄電システムを模式的に示した図である。図１８に示す太陽光発電・蓄電システム２００は、第１実施形態にかかる太陽光発電・蓄電ユニット１００を複数有する。

　図１８に示す太陽光発電・蓄電システム２００は、太陽光発電・蓄電ユニット１００から外部に出力するための外部配線が共有化されている。配線はそれぞれ別に設けてもよいが、共有化することで、配線を簡素化することができる。

　一方で、図１８に示すように外部配線を共有化する場合は、太陽光発電・蓄電ユニット１００同士の間に逆流防止素子５０を設けることが好ましい。逆流防止素子５０は、ダイオード等を用いることができる。

　太陽光パネル１０は、照射量によって発電量が変動する。それぞれの太陽光パネル１０の発電量、蓄電池２０に蓄電された蓄電量は、太陽光発電・蓄電ユニット１００ごとに異なる。逆流防止素子５０を設けることで、太陽光発電・蓄電ユニット１００間に電流が流れることを防止できる。また最も電位が高い太陽光発電・蓄電ユニット１００から順次放電されることとなり、太陽光発電・蓄電システム２００全体の電圧が均一化する。

　さらに太陽光発電・蓄電ユニット１００を増設する場合、故障した太陽光発電・蓄電ユニット１００を交換する場合においても、個々の太陽光発電・蓄電ユニット１００の電圧を調整する必要が無い。そのため、上記の場合においても、太陽光発電・蓄電システム２００全体を停止させる必要が無くなる。

　また図１８に示す太陽光発電・蓄電システム２００は、直流駆動の素子に接続する場合は、そのまま利用することができる。他方、交流駆動の素子に接続する場合は、交流に変換する必要がある。外部素子が交流駆動の場合は、太陽光発電・蓄電システム２００と外部素子との間にＤＣ／ＡＣコンバータを設けることが好ましい。

　以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０　太陽光パネル
１２　セル
２０、４０　蓄電池
２１、４１　蓄電素子
２２、４２　正極
２４、４４　負極
２６、４６　セパレータ
２２Ａ、４２Ａ　第１端子
２４Ａ、４４Ａ　第２端子
４２Ｂ　第３端子
３０　スイッチング素子
５０　逆流防止素子
１００　太陽光発電・蓄電ユニット
２００　太陽光発電・蓄電システム

Claims

　太陽光パネルと、
　前記太陽光パネルに直結された蓄電池と、を備え、
　前記蓄電池の最大充電電圧は、前記太陽光パネルの最大出力動作電圧より１０％大きな値以下である、太陽光発電・蓄電ユニット。
　前記蓄電池の抵抗値が、前記太陽光パネルの寄生抵抗における並列抵抗より小さい、請求項１に記載の太陽光発電・蓄電ユニット。
　前記蓄電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、前記正極と前記負極との間に挟まれたセパレータと、を有する蓄電素子を有し、
　前記正極活物質は、充放電に寄与するイオンを除去した状態で結晶構造が維持される物質を含む、請求項１又は２に記載の太陽光発電・蓄電ユニット。
　前記正極活物質がスピネル構造を有する、請求項３に記載の太陽光発電・蓄電ユニット。
　前記蓄電池が過充電の際に、前記太陽光パネルと前記蓄電池との間を遮断する第１遮断素子をさらに有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の太陽光発電・蓄電ユニット。
　前記蓄電池が過放電の際に、前記蓄電池と外部との間を遮断する第２遮断素子をさらに有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の太陽光発電・蓄電ユニット。
　前記蓄電池は、正極と、負極と、前記正極または前記負極に接続された第１端子、第２端子及び第３端子と、を少なくとも有し、
　前記第１端子及び前記第３端子は、前記正極または前記負極に、互いに離間して接続され、
　前記第２端子は、前記正極または前記負極のうち前記第１端子及び前記第３端子が接続されていない電極に接続されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の太陽光発電・蓄電ユニット。
　前記蓄電池は、複数の蓄電素子を備え、
　前記複数の蓄電素子のうち少なくとも一つは、第１端子、第２端子及び第３端子を少なくとも有し、
　前記第１端子は、正極または負極のいずれか一方と、前記太陽光パネルと、を接続し、
　前記第２端子は、前記正極または前記負極のうち前記第１端子が接続されていない電極と、異なる蓄電素子と、を接続し、
　前記第３端子は、前記正極または前記負極のうち前記第１端子が接続されている電極と、外部と、を接続している、請求項１～７のいずれか一項に記載の太陽光発電・蓄電ユニット。
　請求項１～８のいずれか一項に記載の太陽光発電・蓄電ユニットを複数有する、太陽光発電・蓄電システム。
　複数の前記太陽光発電・蓄電ユニットは、共通の外部配線により外部と接続され、
　前記外部配線は、逆流防止素子を有する、請求項９に記載の太陽光発電・蓄電システム。