JP3692801B2 - 融雪制御装置、パワーコンディショナおよび太陽光発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池上に積もった雪や氷を融雪する融雪動作を制御する融雪制御装置、それを用いたパワーコンディショナおよび太陽光発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光発電システムは、広く普及実施されており、特に、積雪の多い地域などでは、太陽電池上に積雪があると、系統電源などから電力を太陽電池に供給して太陽電池を発熱させることにより融雪できる機能を備えた太陽光発電システムも実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の融雪機能付太陽光発電システムにおいては、次の課題が指摘される。すなわち、太陽電池へ供給する融雪用電力が、適正な範囲内でないと、融雪までに長時間を要したり、あるいは、過度な電力の供給によって太陽電池の早期の寿命到来を招くことになり、したがって、前記融雪用電力は、一定の適正な範囲内に設定される必要がある。
【０００４】
一方、太陽電池の直列数や並列数といった設置個数とか接続態様などの設置条件は、住宅の設置地域、屋根等などの傾斜角度、広さ、あるいは東向きとか南向きといった立地条件など、太陽電池の設置現場毎に相違することが不可避であり、また、太陽電池がその製造メーカ毎に異なることから、そのシステムの敷設作業者にとっては太陽電池の設置現場で、前記設定条件を考慮しながら、融雪用電力を前記一定の適正な範囲に設定する作業は、決して容易なことではなく、相当な時間をかけた労力がかかり、場合によっては、設定を誤る場合も可能性として存在し、かつ、その誤設定をシステム利用者が発見することは極めて困難である。
【０００５】
そのため、システム利用者からすれば、融雪機能付のシステムを購入したものの、前記設定作業に要する手数がそのシステムのコストに反映されてしまい得るうえ、システムを利用するうえでの信頼性という点で決して望ましいことではない。
【０００６】
したがって、本発明においては、適正な融雪用電力の自動設定を可能とし、これによって、敷設作業者の融雪用電力の設定作業に要する時間の大幅な短縮化と、それによる敷設作業に要するコストの大幅な低減とを可能とし、さらには、誤設定をなくしてシステムの信頼性の向上を図ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【０００８】
すなわち、本発明の融雪制御装置は、太陽電池に直流電力を供給して該太陽電池を発熱させて太陽電池上の氷雪を融かす融雪動作を制御するものであって、融雪動作時に太陽電池の両端の直流電圧を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された直流電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、比較手段の出力に基づいて、前記直流電圧が、前記基準電圧に一致するように制御する制御手段を備えている。
【０００９】
また、前記基準電圧を、太陽電池が発電しているときの最大電力追従制御における最大電力点電圧または発電停止時における開放電圧から算出するようにしており、さらに、前記最大電力点電圧を、太陽電池の発電電力が一定以上のときの動作電圧あるいは最大電力追従制御における一定期間毎の動作電圧の平均値としている。
【００１０】
また、前記基準電圧を、融雪動作時における太陽電池の両端の直流電圧の変化に対する前記直流電力の変化率が閾値を越えたときの直流電圧から算出するようにしている。
【００１１】
（作用）
本発明の融雪制御装置によれば、融雪動作時に、太陽電池の両端の直流電圧を検出して基準電圧に一致するように制御するので、太陽電池の並列数が異なっても太陽電池に供給する直流電流を設定変更する必要がない。
【００１２】
また、基準電圧を、最大電力点電圧、開放電圧あるいは直流電力が急変するときの直流電圧に基づいて算出するので、太陽電池の直列数が異なってもその直列数に対応した基準電圧に自動的に設定されることなり、設定が不要となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１ないし図４を参照して、本発明の実施の形態１に従う太陽光発電システム（以下、「本システム」という）について説明する。
【００１５】
図１は、本システムの回路ブロック図であり、図２は、図１のパワーコンディショナ内の詳細回路図であり、図３は、図１および図２のパワーコンディショナ内において融雪動作時に必要とされる回路構成を、等価回路として示したものである。ただし、図３は、説明の都合でハードウェア的に示されているが、これをマイクロコンピュータ内のソフトウェアで構成している。勿論、ハードウェアで構成しても構わない。
【００１６】
これらの図を参照して、本システムは、太陽電池１と、本発明に係る融雪制御装置を内蔵したパワーコンディショナ２とを有している。パワーコンディショナ２は、太陽電池１と系統電源３との間において、太陽電池１の発電出力を交流変換する通常制御機能と、系統電源３を処理して太陽電池１に発熱電流を供給して融雪するための融雪制御機能とを備えたものであり、第１フィルタ２ａ、第１平滑コンデンサＣ３、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ、第２平滑コンデンサＣ４、インバータ２ｃ、第２フィルタ２ｄ、系統側開閉器２ｅおよび制御装置２ｆを備えている。
【００１７】
制御装置２ｆは、通常動作指令入力があると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ内のトランジスタＴＲ２をＯＦＦにし、トランジスタＴＲ１をスイッチング駆動し、インバータ２ｃ内の各トランジスタＴＲ３〜ＴＲ６をスイッチング駆動するとともに、系統側開閉器２ｅを必要に応じてＯＮまたはＯＦＦに駆動する。
【００１８】
このような通常動作の駆動制御状態において、太陽電池１の発電出力は、第１フィルタ２ａを介し、第１平滑コンデンサＣ３で平滑化された後、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ内のトランジスタＴＲ１のスイッチング動作によって、昇圧される。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂは昇圧チョッパとして機能する。このＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂで昇圧された太陽電池１の発電出力は、第２平滑コンデンサＣ４で平滑化されて、インバータ２ｃに入力され、このインバータ２ｃより、交流に変換される。交流に変換された太陽電池１の発電出力は、第２フィルタ２ｄで正弦波にされて不図示の負荷に供給されたり、あるいは、系統側開閉器２ｅを介し、系統電源３側に逆潮流される。この場合、制御装置２ｆは、太陽電池１の発電出力とインバータ２ｃ出力とを監視し、所要の制御動作を行うようになっている。
【００１９】
制御装置２ｆは、融雪動作指令入力があると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ内のトランジスタＴＲ２をスイッチング駆動するとともに、系統側開閉器２ｅをＯＮに駆動する。
【００２０】
このような融雪動作の駆動制御状態において、系統電源３が、系統側開閉器２ｅおよび第２フィルタ２ｄを介し、インバータ２ｃに入力される。インバータ２ｃ内の各トランジスタＴＲ３〜ＴＲ６それぞれはＯＦＦのため、各トランジスタＴＲ３〜ＴＲ６それぞれに並列のダイオードＤ３〜Ｄ６で系統電源３の出力は全波整流され、この後、第２平滑コンデンサＣ４で平滑化される。また、ＴＲ３〜ＴＲ６を所定のタイミングでＯＮ，ＯＦＦし、交流電圧を昇圧した直流電圧を得る。この平滑化された融雪用電源出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ内のトランジスタＴＲ２のスイッチング動作で降圧される。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂは降圧チョッパとして機能する。こうしてＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂで降圧された系統電源３出力は、第１平滑コンデンサＣ３および第１フィルタ２ａを介し、太陽電池１に与えられる。太陽電池１は、系統電源３出力によって発熱し発熱体として融雪する。 このような融雪動作状態において、図３について説明する。この図３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂは、トランジスタＴＲ１とダイオードＤ２の図示は省略され、ダイオードＤ１とトランジスタＴＲ２とコイルＬ３だけが図示された降圧チョッパ構成とされ、またＤＣ（直流）電源は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂへの入力を表すものとして、ＤＣ電源２ｇとして示され、制御装置２ｆは、抵抗手段ｆ１，ｆ２，ｆ３と、電圧検出手段ｆ４と、電圧制御手段ｆ５と、パルス発生手段ｆ６と、駆動手段ｆ７とが示されており、その他の構成は図示省略されている。勿論、これらのほとんどは、上述したようにマイクロコンピュータのソフトウェア上で構成可能なものである。
【００２１】
以下においては、図３および図４を参照して、本システムにおける融雪動作について説明する。ここで、図４は、積雪によって照度がない状態における太陽電池の電流−電圧特性を示す図である。
【００２２】
先ず、融雪動作時における太陽電池１の両端の直流電圧は、抵抗手段ｆ１，ｆ２を介して電圧検出手段ｆ４に入力され、この電圧検出手段ｆ４でその大きさを検出され検出電圧Ｖｄとして出力される。電圧検出手段ｆ４からの検出電圧Ｖｄは、電圧制御手段ｆ５に入力される。電圧制御手段ｆ５は、基準電圧Ｖｄｒと検出電圧Ｖｄとを比較し、検出電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｄｒに等しくなるように、その比較に対応した制御電圧をパルス発生手段ｆ６に入力する。パルス発生手段ｆ６は、制御電圧に応じたＰＷＭパルスを、駆動手段ｆ７を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂのトランジスタＴＲ２のベースに与え、これによって、太陽電池１の両端の直流電圧が、基準電圧Ｖｄｒになるように制御されることになる。
【００２３】
したがって、図４に示されるように、太陽電池１には、基準電圧Ｖｄｒに対応した一定の直流電流Ｉｄが供給されて太陽電池１が発熱して該太陽電池１の上に積もった雪や氷を融かすことになる。
【００２４】
この基準電圧Ｖｄｒは、太陽電池の特性および直列数等に応じて予め設定されるものである。
【００２５】
このように、融雪動作時には、太陽電池１の直流電圧を検出して基準電圧に一致するように制御するので、並列に接続する太陽電池の数が変化しても常に一定の直流電流Ｉｄが太陽電池１に流れることになり、並列数が異なる太陽電池においても基準電圧の設定を変更するといった面倒な作業の必要がない。
【００２６】
（実施の形態２）
上述の実施の形態では、基準電圧Ｖｄｒを、太陽電池１の特性や直列数などに基づいて、予め設定したけれども、この実施の形態では、基準電圧を自動的に設定できるようにし、並列数や直列数が異なる太陽電池１であっても対応できるように次のように構成している。
【００２７】
すなわち、この実施の形態では、図１に示される制御装置２ｆは、太陽電池１の発電中において、従来例と同様に、太陽電池１の動作点が常に最大出力点を追従するように変化させて太陽電池１から最大出力を取り出す最大電力追従制御（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）を行うものであり、この最大電力追従制御における最大電力点電圧を記憶しておき、融雪動作時には、この最大電力点電圧から上述の基準電圧を算出し、以後は、上述の実施の形態１と同様に、太陽電池１の両端の直流電圧が、算出した基準電圧に一致するように制御するものである。
【００２８】
図５（ａ）は、最大電力追従制御における太陽電池の電圧と出力電力との関係を示し、同図（ｂ）は、積雪によって照度がない状態の太陽電池の電流−電圧特性とを示しており、この図５に示されるように、最大出力電力Ｐ２に対応する最大電力点電圧Ｖｄｏ2は、電流−電圧特性の変曲点付近に対応するので、この最大電力点電圧Ｖｄｏ2から融雪動作時の基準電圧Ｖｄｒを算出することができる。
【００２９】
この実施の形態では、基準電圧Ｖｄｒは、最大電力点電圧に、実験的に定められる定数、例えば１.７を乗じることによって得られる。
【００３０】
最大電力点電圧は、例えば、昼間の発電時の最大電力追従制御において、最も発電電力が大きかったときの電圧とされる。
【００３１】
このように発電時の最大電力追従制御における最大電力点電圧を検出し、この最大電力点電圧に基づいて基準電圧Ｖｄｒを算出して記憶しておき、融雪動作時には、太陽電池１の直流電圧が、この基準電圧Ｖｄｒになるように制御するので、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、融雪動作に必要な適正の電力が太陽電池１に供給されることになり、面倒な設定作業が不要となる。
【００３２】
その他の構成および効果は、上述の実施の形態１と同様である。
【００３３】
照度が低いときには、図５（ａ）の一点鎖線で示されるように、最大出力電力Ｐ１に対応する最大電力点電圧Ｖｄｏ1が下がることになるので、それに基づいて算出される基準電圧Ｖｄｒも低くなり、融雪動作時に太陽電池１に供給される電力が不足してしまう虞れがある。そこで、この実施の形態の変形例として、最大電力追従制御において発電電力が一定Ｐｏ以上の場合の動作電圧を最大電力点電圧とするようにしてもよい。
【００３４】
すなわち、図６に示されるように、最大電力追従制御（ＭＰＰＴ）動作が開始されたか否かを判断し（ステップｎ１）、開始されたときには、動作電流Ｉｄおよび動作電圧Ｖｄを検出して電力Ｐ＝Ｉｄ・Ｖｄを算出し（ステップｎ２）、算出された電力Ｐが予め定めた電力Ｐｏを越えるか否かを判断し（ステップｎ３）、越えないときには、ステップｎ２に戻り、越えたときには、その時の直流電圧Ｖｄを、最大電力点電圧Ｖｄｏとし（ステップｎ４）、この最大電力点電圧Ｖｄｏに、実験的に得られる定数、例えば、１.７を乗じて基準電圧Ｖｄｒを算出し（ステップｎ５）、この算出した基準電圧Ｖｄｒを格納するものである（ステップｎ６）。融雪動作時には、この基準電圧Ｖｄｒに、太陽電池１の両端の直流電圧が一致するように制御するものである。
【００３５】
さらに、この実施の形態の変形例として、最大電力追従制御において一定期間毎の動作電圧を検出し、その平均値を求めて最大電力点電圧として基準電圧を算出するようにしてもよい。
【００３６】
すなわち、図７に示されるように、最大電力追従制御（ＭＰＰＴ）動作が開始されたか否かを判断し（ステップｎ１）、開始されたときには、一定期間、例えば１時間が経過したか否かを判断し（ステップｎ２）、経過したときには、動作電圧Ｖｄを検出し（ステップｎ３）、動作電圧Ｖｄの検出回数が所定回数Ｎ回に達したか否かを判断し（ステップｎ４）、達していないときには、ステップｎ２に戻り、達したときには、その検出電圧Ｖｄの平均値Ｖａｖｄを算出し（ステップｎ５）、この平均値Ｖａｖｄを最大電力点電圧とし、実験的に得られる定数、例えば、１.７を乗じて基準電圧Ｖｄｒを算出し（ステップｎ６）、この算出した基準電圧Ｖｄｒを格納するものである（ステップｎ７）。融雪動作時には、この基準電圧Ｖｄｒに、太陽電池１の両端の直流電圧が一致するように制御するものである。
【００３７】
このように、一定期間毎に動作電圧を検出してその平均値を用いることにより、照度や温度の影響を可及的に低減できることになる。
【００３８】
（実施の形態３）
上述の実施の形態２では、発電時の最大電力追従制御における最大電力点電圧に基づいて基準電圧Ｖｄｒを算出したけれども、この実施の形態では、融雪動作時において直流電圧の変化に対する直流電力の変化率を算出し、直流電力の変化率が閾値を越えるときの直流電圧、すなわち、上述の図５（ｂ）の変曲点近傍の直流電圧に基づいて基準電圧Ｖｄｒを算出するものである。
【００３９】
すなわち、融雪動作時において、太陽電池１の両端の直流電圧を変化させ、その変化に対する直流電力の変化率を検出し、その変化率が閾値を越えたときの直流電圧を、最大電力点電圧に近い値であるとし、この直流電圧に、実験に得られる定数、例えば、１.７を乗じて基準電圧Ｖｄｒを算出し、以後は、上述の実施の形態１と同様に、太陽電池１の両端の直流電圧が、算出した基準電圧に一致するように制御するものである。
【００４０】
図８は、この実施の形態の動作説明に供するフローチャートである。
【００４１】
先ず、ｋを初期値０とし、ｋ時点における指令電圧Ｖｒｋを、最小指令電圧Ｖｍｉｎとし（ステップｎ１）、この指令電圧Ｖｒ，ｋが最大指令電圧Ｖｍａｘ以下であるか否かを判断し（ステップｎ２）、最大指令電圧Ｖｍａｘ以下であるときには、安定するまで一定期間待機し（ステップｎ３）、その時の直流電流Ｉｄｋ、直流電圧Ｖｄｋを検出するとともに、直流電力Ｐk＝Ｉｄｋ・Ｖｄｋを算出し、さらに、直流電力の変化率（加速度）ｄ2Ｐk＝（Ｐk−Ｐk-1）−（Ｐk-1−Ｐk-2）＝Ｐk−２Ｐk-1＋Ｐk-2を算出し（ステップｎ４）、その直流電力の変化率がそれまでの最大値であるときには、電力変化率の最大値ｄ2Ｐｍａｘとするとともに、そのときの直流電圧Ｖｄｋを最大電力点電圧Ｖｄｏとし（ステップｎ５）、ｋに１を加算するとともに、指令電圧をΔＶ増加させて新たな指令電圧としてステップｎ２に戻る（ステップｎ６）。
【００４２】
また、ステップｎ２において、指令電圧Ｖｒ，ｋが最大指令電圧Ｖｍａｘ以下でないときには、電力変化率の最大値ｄ2Ｐｍａｘが閾値ｄＰｏを越えているか否かを判断し（ステップｎ７）、越えているときには、最大電力点電圧が検出できたとして、そのときの直流電圧Ｖｄｋを最大電力点電圧Ｖｄｏとし、この最大電力点電圧Ｖｄｏに、実験に得られる定数、例えば、１.７を乗じて基準電圧Ｖｄｒを算出し（ステップｎ８）、太陽電池１の両端の直流電圧が、算出した基準電圧に一致するように制御し（ステップｎ９）、また、電力変化率の最大値ｄ2Ｐｍａｘが閾値ｄＰｏを越えていないときには、最大電力点電圧が検出できなかったとして、最大指令電圧Ｖｍａｘを基準電圧とし（ステップｎ１０）、制御を行うものである。
【００４３】
この実施の形態によれば、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、融雪動作に必要な適正な電力が太陽電池１に供給されることになり、面倒な設定作業が不要となる。
【００４４】
その他の構成および効果は、上述の実施の形態１と同様である。
【００４５】
（その他の実施の形態）
上述の実施の形態２では、発電時における最大電力点電圧を検出して基準電圧を算出したけれども、本発明の他の実施の形態として、発電を停止しているときの開放電圧を検出し、この開放電圧と実験的に得られる定数とを用いて基準電圧を算出するように構成してもよい。
【００４６】
本発明の他の実施の形態として、例えば、上述の実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせて用いるようにしてもよく、例えば、実施の形態２で得られた最大電力点電圧と実施の形態３で得られた最大電力点電圧の平均値を用いるようにしてもよい。
【００４７】
上述の実施の形態では、融雪制御装置をパワーコンディショナに内蔵したけれども、本発明の他の実施の形態として、パワーコンディショナとは別体としてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、次のような効果が奏される。
【００４９】
請求項１の本発明によれば、融雪動作時に太陽電池の両端の直流電圧を検出し、検出された直流電圧が、基準電圧に一致するように制御するので、太陽電池の並列数が異なっても太陽電池に供給する直流電流を設定変更するといった必要がない。
【００５０】
請求項２の本発明によれば、太陽電池が発電しているときの最大電力追従制御における最大電力点電圧または発電停止時における開放電圧から前記基準電圧を算出するようにしているので、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、融雪動作に必要な電力が太陽電池に供給されることになり、従来のような面倒な設定作業が不要になるとともに、誤設定もなくなり、太陽光発電システムのコストの低減を図ることができるとともに、信頼性が向上する。
【００５１】
請求項３の本発明によれば、最大電力点電圧を、太陽電池の発電電力が一定以上のときの動作電圧としているので、照度が低く発電電力が低い場合の最大電力点電圧を用いて基準電圧を算出し、それに基づいて融雪動作時に直流電力を供給するといったことを回避することができ、これによって、融雪動作時に太陽電池に供給する直流電力が不足するといった事態を有効に防止できる。
【００５２】
請求項４の本発明によれば、最大電力点電圧を、最大電力追従制御における一定期間毎の動作電圧の平均値としているので、照度や温度の変化の影響を可及的に低減して基準電圧を算出し、それに基づいて融雪動作時には、太陽電池に直流電力を供給するので、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、適正な直流電力を太陽電池に供給できることになる。
【００５３】
請求項５の本発明によれば、融雪動作時において、直流電圧の変化に対する直流電力の変化率が閾値を越えたときの直流電圧から基準電圧を算出するので、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、融雪動作に必要な適正な電力が太陽電池に供給されることになり、従来のような面倒な設定作業が不要になるとともに、誤設定もなくなり、太陽光発電システムのコストの低減を図ることができるとともに、信頼性が向上する。
【００５４】
請求項６の本発明によれば、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、パワーコンディショナから太陽電池に供給される融雪用電力が適正に制御される。
【００５５】
請求項７本発明によれば、太陽光発電システムコストの低減および信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図２】図１のパワーコンディショナの詳細構成を示す図である。
【図３】融雪動作を説明するための等価回路図である。
【図４】積雪によって照度がない状態における太陽電池の電流−電圧特性図である。
【図５】最大電力点電圧と融雪動作時の基準電圧との関係を示す特性図である。
【図６】動作説明に供するフローチャートである。
【図７】変形例の動作説明に供するフローチャートである。
【図８】本発明の他の実施の形態の動作説明に供するフローチャートである。
【符号の説明】
１ 太陽電池
２ パワーコンディショナ
２ｆ 制御装置
３ 系統電源
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池上に積もった雪や氷を融雪する融雪動作を制御する融雪制御装置、それを用いたパワーコンディショナおよび太陽光発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光発電システムは、広く普及実施されており、特に、積雪の多い地域などでは、太陽電池上に積雪があると、系統電源などから電力を太陽電池に供給して太陽電池を発熱させることにより融雪できる機能を備えた太陽光発電システムも実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の融雪機能付太陽光発電システムにおいては、次の課題が指摘される。すなわち、太陽電池へ供給する融雪用電力が、適正な範囲内でないと、融雪までに長時間を要したり、あるいは、過度な電力の供給によって太陽電池の早期の寿命到来を招くことになり、したがって、前記融雪用電力は、一定の適正な範囲内に設定される必要がある。
【０００４】
一方、太陽電池の直列数や並列数といった設置個数とか接続態様などの設置条件は、住宅の設置地域、屋根等などの傾斜角度、広さ、あるいは東向きとか南向きといった立地条件など、太陽電池の設置現場毎に相違することが不可避であり、また、太陽電池がその製造メーカ毎に異なることから、そのシステムの敷設作業者にとっては太陽電池の設置現場で、前記設定条件を考慮しながら、融雪用電力を前記一定の適正な範囲に設定する作業は、決して容易なことではなく、相当な時間をかけた労力がかかり、場合によっては、設定を誤る場合も可能性として存在し、かつ、その誤設定をシステム利用者が発見することは極めて困難である。
【０００５】
そのため、システム利用者からすれば、融雪機能付のシステムを購入したものの、前記設定作業に要する手数がそのシステムのコストに反映されてしまい得るうえ、システムを利用するうえでの信頼性という点で決して望ましいことではない。
【０００６】
したがって、本発明においては、適正な融雪用電力の自動設定を可能とし、これによって、敷設作業者の融雪用電力の設定作業に要する時間の大幅な短縮化と、それによる敷設作業に要するコストの大幅な低減とを可能とし、さらには、誤設定をなくしてシステムの信頼性の向上を図ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【０００８】
すなわち、本発明の融雪制御装置は、太陽電池に直流電力を供給して該太陽電池を発熱させて太陽電池上の氷雪を融かす融雪動作を制御するものであって、融雪動作時に太陽電池の両端の直流電圧を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された直流電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、比較手段の出力に基づいて、前記直流電圧が、前記基準電圧に一致するように制御する制御手段を備えている。
【０００９】
また、前記基準電圧を、太陽電池が発電しているときの最大電力追従制御における最大電力点電圧または発電停止時における開放電圧から算出するようにしており、さらに、前記最大電力点電圧を、太陽電池の発電電力が一定以上のときの動作電圧あるいは最大電力追従制御における一定期間毎の動作電圧の平均値としている。
【００１０】
また、前記基準電圧を、融雪動作時における太陽電池の両端の直流電圧の変化に対する前記直流電力の変化率が閾値を越えたときの直流電圧から算出するようにしている。
【００１１】
（作用）
本発明の融雪制御装置によれば、融雪動作時に、太陽電池の両端の直流電圧を検出して基準電圧に一致するように制御するので、太陽電池の並列数が異なっても太陽電池に供給する直流電流を設定変更する必要がない。
【００１２】
また、基準電圧を、最大電力点電圧、開放電圧あるいは直流電力が急変するときの直流電圧に基づいて算出するので、太陽電池の直列数が異なってもその直列数に対応した基準電圧に自動的に設定されることなり、設定が不要となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１ないし図４を参照して、本発明の実施の形態１に従う太陽光発電システム（以下、「本システム」という）について説明する。
【００１５】
図１は、本システムの回路ブロック図であり、図２は、図１のパワーコンディショナ内の詳細回路図であり、図３は、図１および図２のパワーコンディショナ内において融雪動作時に必要とされる回路構成を、等価回路として示したものである。ただし、図３は、説明の都合でハードウェア的に示されているが、これをマイクロコンピュータ内のソフトウェアで構成している。勿論、ハードウェアで構成しても構わない。
【００１６】
これらの図を参照して、本システムは、太陽電池１と、本発明に係る融雪制御装置を内蔵したパワーコンディショナ２とを有している。パワーコンディショナ２は、太陽電池１と系統電源３との間において、太陽電池１の発電出力を交流変換する通常制御機能と、系統電源３を処理して太陽電池１に発熱電流を供給して融雪するための融雪制御機能とを備えたものであり、第１フィルタ２ａ、第１平滑コンデンサＣ３、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ、第２平滑コンデンサＣ４、インバータ２ｃ、第２フィルタ２ｄ、系統側開閉器２ｅおよび制御装置２ｆを備えている。
【００１７】
制御装置２ｆは、通常動作指令入力があると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ内のトランジスタＴＲ２をＯＦＦにし、トランジスタＴＲ１をスイッチング駆動し、インバータ２ｃ内の各トランジスタＴＲ３〜ＴＲ６をスイッチング駆動するとともに、系統側開閉器２ｅを必要に応じてＯＮまたはＯＦＦに駆動する。
【００１８】
このような通常動作の駆動制御状態において、太陽電池１の発電出力は、第１フィルタ２ａを介し、第１平滑コンデンサＣ３で平滑化された後、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ内のトランジスタＴＲ１のスイッチング動作によって、昇圧される。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂは昇圧チョッパとして機能する。このＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂで昇圧された太陽電池１の発電出力は、第２平滑コンデンサＣ４で平滑化されて、インバータ２ｃに入力され、このインバータ２ｃより、交流に変換される。交流に変換された太陽電池１の発電出力は、第２フィルタ２ｄで正弦波にされて不図示の負荷に供給されたり、あるいは、系統側開閉器２ｅを介し、系統電源３側に逆潮流される。この場合、制御装置２ｆは、太陽電池１の発電出力とインバータ２ｃ出力とを監視し、所要の制御動作を行うようになっている。
【００１９】
制御装置２ｆは、融雪動作指令入力があると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ内のトランジスタＴＲ２をスイッチング駆動するとともに、系統側開閉器２ｅをＯＮに駆動する。
【００２０】
このような融雪動作の駆動制御状態において、系統電源３が、系統側開閉器２ｅおよび第２フィルタ２ｄを介し、インバータ２ｃに入力される。インバータ２ｃ内の各トランジスタＴＲ３〜ＴＲ６それぞれはＯＦＦのため、各トランジスタＴＲ３〜ＴＲ６それぞれに並列のダイオードＤ３〜Ｄ６で系統電源３の出力は全波整流され、この後、第２平滑コンデンサＣ４で平滑化される。また、ＴＲ３〜ＴＲ６を所定のタイミングでＯＮ，ＯＦＦし、交流電圧を昇圧した直流電圧を得る。この平滑化された融雪用電源出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ内のトランジスタＴＲ２のスイッチング動作で降圧される。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂは降圧チョッパとして機能する。こうしてＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂで降圧された系統電源３出力は、第１平滑コンデンサＣ３および第１フィルタ２ａを介し、太陽電池１に与えられる。太陽電池１は、系統電源３出力によって発熱し発熱体として融雪する。 このような融雪動作状態において、図３について説明する。この図３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂは、トランジスタＴＲ１とダイオードＤ２の図示は省略され、ダイオードＤ１とトランジスタＴＲ２とコイルＬ３だけが図示された降圧チョッパ構成とされ、またＤＣ（直流）電源は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂへの入力を表すものとして、ＤＣ電源２ｇとして示され、制御装置２ｆは、抵抗手段ｆ１，ｆ２，ｆ３と、電圧検出手段ｆ４と、電圧制御手段ｆ５と、パルス発生手段ｆ６と、駆動手段ｆ７とが示されており、その他の構成は図示省略されている。勿論、これらのほとんどは、上述したようにマイクロコンピュータのソフトウェア上で構成可能なものである。
【００２１】
以下においては、図３および図４を参照して、本システムにおける融雪動作について説明する。ここで、図４は、積雪によって照度がない状態における太陽電池の電流−電圧特性を示す図である。
【００２２】
先ず、融雪動作時における太陽電池１の両端の直流電圧は、抵抗手段ｆ１，ｆ２を介して電圧検出手段ｆ４に入力され、この電圧検出手段ｆ４でその大きさを検出され検出電圧Ｖｄとして出力される。電圧検出手段ｆ４からの検出電圧Ｖｄは、電圧制御手段ｆ５に入力される。電圧制御手段ｆ５は、基準電圧Ｖｄｒと検出電圧Ｖｄとを比較し、検出電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｄｒに等しくなるように、その比較に対応した制御電圧をパルス発生手段ｆ６に入力する。パルス発生手段ｆ６は、制御電圧に応じたＰＷＭパルスを、駆動手段ｆ７を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂのトランジスタＴＲ２のベースに与え、これによって、太陽電池１の両端の直流電圧が、基準電圧Ｖｄｒになるように制御されることになる。
【００２３】
したがって、図４に示されるように、太陽電池１には、基準電圧Ｖｄｒに対応した一定の直流電流Ｉｄが供給されて太陽電池１が発熱して該太陽電池１の上に積もった雪や氷を融かすことになる。
【００２４】
この基準電圧Ｖｄｒは、太陽電池の特性および直列数等に応じて予め設定されるものである。
【００２５】
このように、融雪動作時には、太陽電池１の直流電圧を検出して基準電圧に一致するように制御するので、並列に接続する太陽電池の数が変化しても常に一定の直流電流Ｉｄが太陽電池１に流れることになり、並列数が異なる太陽電池においても基準電圧の設定を変更するといった面倒な作業の必要がない。
【００２６】
（実施の形態２）
上述の実施の形態では、基準電圧Ｖｄｒを、太陽電池１の特性や直列数などに基づいて、予め設定したけれども、この実施の形態では、基準電圧を自動的に設定できるようにし、並列数や直列数が異なる太陽電池１であっても対応できるように次のように構成している。
【００２７】
すなわち、この実施の形態では、図１に示される制御装置２ｆは、太陽電池１の発電中において、従来例と同様に、太陽電池１の動作点が常に最大出力点を追従するように変化させて太陽電池１から最大出力を取り出す最大電力追従制御（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）を行うものであり、この最大電力追従制御における最大電力点電圧を記憶しておき、融雪動作時には、この最大電力点電圧から上述の基準電圧を算出し、以後は、上述の実施の形態１と同様に、太陽電池１の両端の直流電圧が、算出した基準電圧に一致するように制御するものである。
【００２８】
図５（ａ）は、最大電力追従制御における太陽電池の電圧と出力電力との関係を示し、同図（ｂ）は、積雪によって照度がない状態の太陽電池の電流−電圧特性とを示しており、この図５に示されるように、最大出力電力Ｐ２に対応する最大電力点電圧Ｖｄｏ2は、電流−電圧特性の変曲点付近に対応するので、この最大電力点電圧Ｖｄｏ2から融雪動作時の基準電圧Ｖｄｒを算出することができる。
【００２９】
この実施の形態では、基準電圧Ｖｄｒは、最大電力点電圧に、実験的に定められる定数、例えば１.７を乗じることによって得られる。
【００３０】
最大電力点電圧は、例えば、昼間の発電時の最大電力追従制御において、最も発電電力が大きかったときの電圧とされる。
【００３１】
このように発電時の最大電力追従制御における最大電力点電圧を検出し、この最大電力点電圧に基づいて基準電圧Ｖｄｒを算出して記憶しておき、融雪動作時には、太陽電池１の直流電圧が、この基準電圧Ｖｄｒになるように制御するので、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、融雪動作に必要な適正の電力が太陽電池１に供給されることになり、面倒な設定作業が不要となる。
【００３２】
その他の構成および効果は、上述の実施の形態１と同様である。
【００３３】
照度が低いときには、図５（ａ）の一点鎖線で示されるように、最大出力電力Ｐ１に対応する最大電力点電圧Ｖｄｏ1が下がることになるので、それに基づいて算出される基準電圧Ｖｄｒも低くなり、融雪動作時に太陽電池１に供給される電力が不足してしまう虞れがある。そこで、この実施の形態の変形例として、最大電力追従制御において発電電力が一定Ｐｏ以上の場合の動作電圧を最大電力点電圧とするようにしてもよい。
【００３４】
すなわち、図６に示されるように、最大電力追従制御（ＭＰＰＴ）動作が開始されたか否かを判断し（ステップｎ１）、開始されたときには、動作電流Ｉｄおよび動作電圧Ｖｄを検出して電力Ｐ＝Ｉｄ・Ｖｄを算出し（ステップｎ２）、算出された電力Ｐが予め定めた電力Ｐｏを越えるか否かを判断し（ステップｎ３）、越えないときには、ステップｎ２に戻り、越えたときには、その時の直流電圧Ｖｄを、最大電力点電圧Ｖｄｏとし（ステップｎ４）、この最大電力点電圧Ｖｄｏに、実験的に得られる定数、例えば、１.７を乗じて基準電圧Ｖｄｒを算出し（ステップｎ５）、この算出した基準電圧Ｖｄｒを格納するものである（ステップｎ６）。融雪動作時には、この基準電圧Ｖｄｒに、太陽電池１の両端の直流電圧が一致するように制御するものである。
【００３５】
さらに、この実施の形態の変形例として、最大電力追従制御において一定期間毎の動作電圧を検出し、その平均値を求めて最大電力点電圧として基準電圧を算出するようにしてもよい。
【００３６】
すなわち、図７に示されるように、最大電力追従制御（ＭＰＰＴ）動作が開始されたか否かを判断し（ステップｎ１）、開始されたときには、一定期間、例えば１時間が経過したか否かを判断し（ステップｎ２）、経過したときには、動作電圧Ｖｄを検出し（ステップｎ３）、動作電圧Ｖｄの検出回数が所定回数Ｎ回に達したか否かを判断し（ステップｎ４）、達していないときには、ステップｎ２に戻り、達したときには、その検出電圧Ｖｄの平均値Ｖａｖｄを算出し（ステップｎ５）、この平均値Ｖａｖｄを最大電力点電圧とし、実験的に得られる定数、例えば、１.７を乗じて基準電圧Ｖｄｒを算出し（ステップｎ６）、この算出した基準電圧Ｖｄｒを格納するものである（ステップｎ７）。融雪動作時には、この基準電圧Ｖｄｒに、太陽電池１の両端の直流電圧が一致するように制御するものである。
【００３７】
このように、一定期間毎に動作電圧を検出してその平均値を用いることにより、照度や温度の影響を可及的に低減できることになる。
【００３８】
（実施の形態３）
上述の実施の形態２では、発電時の最大電力追従制御における最大電力点電圧に基づいて基準電圧Ｖｄｒを算出したけれども、この実施の形態では、融雪動作時において直流電圧の変化に対する直流電力の変化率を算出し、直流電力の変化率が閾値を越えるときの直流電圧、すなわち、上述の図５（ｂ）の変曲点近傍の直流電圧に基づいて基準電圧Ｖｄｒを算出するものである。
【００３９】
すなわち、融雪動作時において、太陽電池１の両端の直流電圧を変化させ、その変化に対する直流電力の変化率を検出し、その変化率が閾値を越えたときの直流電圧を、最大電力点電圧に近い値であるとし、この直流電圧に、実験に得られる定数、例えば、１.７を乗じて基準電圧Ｖｄｒを算出し、以後は、上述の実施の形態１と同様に、太陽電池１の両端の直流電圧が、算出した基準電圧に一致するように制御するものである。
【００４０】
図８は、この実施の形態の動作説明に供するフローチャートである。
【００４１】
先ず、ｋを初期値０とし、ｋ時点における指令電圧Ｖｒｋを、最小指令電圧Ｖｍｉｎとし（ステップｎ１）、この指令電圧Ｖｒ，ｋが最大指令電圧Ｖｍａｘ以下であるか否かを判断し（ステップｎ２）、最大指令電圧Ｖｍａｘ以下であるときには、安定するまで一定期間待機し（ステップｎ３）、その時の直流電流Ｉｄｋ、直流電圧Ｖｄｋを検出するとともに、直流電力Ｐk＝Ｉｄｋ・Ｖｄｋを算出し、さらに、直流電力の変化率（加速度）ｄ2Ｐk＝（Ｐk−Ｐk-1）−（Ｐk-1−Ｐk-2）＝Ｐk−２Ｐk-1＋Ｐk-2を算出し（ステップｎ４）、その直流電力の変化率がそれまでの最大値であるときには、電力変化率の最大値ｄ2Ｐｍａｘとするとともに、そのときの直流電圧Ｖｄｋを最大電力点電圧Ｖｄｏとし（ステップｎ５）、ｋに１を加算するとともに、指令電圧をΔＶ増加させて新たな指令電圧としてステップｎ２に戻る（ステップｎ６）。
【００４２】
また、ステップｎ２において、指令電圧Ｖｒ，ｋが最大指令電圧Ｖｍａｘ以下でないときには、電力変化率の最大値ｄ2Ｐｍａｘが閾値ｄＰｏを越えているか否かを判断し（ステップｎ７）、越えているときには、最大電力点電圧が検出できたとして、そのときの直流電圧Ｖｄｋを最大電力点電圧Ｖｄｏとし、この最大電力点電圧Ｖｄｏに、実験に得られる定数、例えば、１.７を乗じて基準電圧Ｖｄｒを算出し（ステップｎ８）、太陽電池１の両端の直流電圧が、算出した基準電圧に一致するように制御し（ステップｎ９）、また、電力変化率の最大値ｄ2Ｐｍａｘが閾値ｄＰｏを越えていないときには、最大電力点電圧が検出できなかったとして、最大指令電圧Ｖｍａｘを基準電圧とし（ステップｎ１０）、制御を行うものである。
【００４３】
この実施の形態によれば、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、融雪動作に必要な適正な電力が太陽電池１に供給されることになり、面倒な設定作業が不要となる。
【００４４】
その他の構成および効果は、上述の実施の形態１と同様である。
【００４５】
（その他の実施の形態）
上述の実施の形態２では、発電時における最大電力点電圧を検出して基準電圧を算出したけれども、本発明の他の実施の形態として、発電を停止しているときの開放電圧を検出し、この開放電圧と実験的に得られる定数とを用いて基準電圧を算出するように構成してもよい。
【００４６】
本発明の他の実施の形態として、例えば、上述の実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせて用いるようにしてもよく、例えば、実施の形態２で得られた最大電力点電圧と実施の形態３で得られた最大電力点電圧の平均値を用いるようにしてもよい。
【００４７】
上述の実施の形態では、融雪制御装置をパワーコンディショナに内蔵したけれども、本発明の他の実施の形態として、パワーコンディショナとは別体としてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、次のような効果が奏される。
【００４９】
請求項１の本発明によれば、融雪動作時に太陽電池の両端の直流電圧を検出し、検出された直流電圧が、基準電圧に一致するように制御するので、太陽電池の並列数が異なっても太陽電池に供給する直流電流を設定変更するといった必要がない。
【００５０】
請求項２の本発明によれば、太陽電池が発電しているときの最大電力追従制御における最大電力点電圧または発電停止時における開放電圧から前記基準電圧を算出するようにしているので、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、融雪動作に必要な電力が太陽電池に供給されることになり、従来のような面倒な設定作業が不要になるとともに、誤設定もなくなり、太陽光発電システムのコストの低減を図ることができるとともに、信頼性が向上する。
【００５１】
請求項３の本発明によれば、最大電力点電圧を、太陽電池の発電電力が一定以上のときの動作電圧としているので、照度が低く発電電力が低い場合の最大電力点電圧を用いて基準電圧を算出し、それに基づいて融雪動作時に直流電力を供給するといったことを回避することができ、これによって、融雪動作時に太陽電池に供給する直流電力が不足するといった事態を有効に防止できる。
【００５２】
請求項４の本発明によれば、最大電力点電圧を、最大電力追従制御における一定期間毎の動作電圧の平均値としているので、照度や温度の変化の影響を可及的に低減して基準電圧を算出し、それに基づいて融雪動作時には、太陽電池に直流電力を供給するので、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、適正な直流電力を太陽電池に供給できることになる。
【００５３】
請求項５の本発明によれば、融雪動作時において、直流電圧の変化に対する直流電力の変化率が閾値を越えたときの直流電圧から基準電圧を算出するので、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、融雪動作に必要な適正な電力が太陽電池に供給されることになり、従来のような面倒な設定作業が不要になるとともに、誤設定もなくなり、太陽光発電システムのコストの低減を図ることができるとともに、信頼性が向上する。
【００５４】
請求項６の本発明によれば、太陽電池の特性やその並列数あるいは直列数に拘わらず、パワーコンディショナから太陽電池に供給される融雪用電力が適正に制御される。
【００５５】
請求項７本発明によれば、太陽光発電システムコストの低減および信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図２】図１のパワーコンディショナの詳細構成を示す図である。
【図３】融雪動作を説明するための等価回路図である。
【図４】積雪によって照度がない状態における太陽電池の電流−電圧特性図である。
【図５】最大電力点電圧と融雪動作時の基準電圧との関係を示す特性図である。
【図６】動作説明に供するフローチャートである。
【図７】変形例の動作説明に供するフローチャートである。
【図８】本発明の他の実施の形態の動作説明に供するフローチャートである。
【符号の説明】
１ 太陽電池
２ パワーコンディショナ
２ｆ 制御装置
３ 系統電源
Claims (7)
- 太陽電池に直流電力を供給して該太陽電池を発熱させて太陽電池上の氷雪を融かす融雪動作を制御するものであって、
融雪動作時に太陽電池の両端の直流電圧を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された直流電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、比較手段の出力に基づいて、前記直流電圧が、前記基準電圧に一致するように制御する制御手段とを備えることを特徴とする融雪制御装置。 - 太陽電池が発電しているときの最大電力追従制御における最大電力点電圧または発電停止時における開放電圧を記憶する記憶手段と、前記最大電力点電圧または開放電圧から前記基準電圧を算出する算出手段とを備える請求項１記載の融雪制御装置。
- 前記最大電力点電圧は、太陽電池の発電電力が一定以上のときの動作電圧である請求項２記載の融雪制御装置。
- 前記最大電力点電圧は、最大電力追従制御における一定期間毎の動作電圧の平均値である請求項２記載の融雪制御装置。
- 融雪動作時に太陽電池に供給する直流電力を算出する手段と、太陽電池の両端の直流電圧の変化に対する前記直流電力の変化率を算出する手段と、前記直流電力の変化率が閾値を越えたときの直流電圧から前記基準電圧を算出する手段とを備える請求項１記載の融雪制御装置。
- 請求項１ないし５のいずれかに記載の融雪制御装置を備え、融雪時には、系統電源からの交流電力を直流電力に変換して太陽電池に供給することを特徴とするパワーコンディショナ。
- 太陽電池と、請求項６記載のパワーコンディショナとを備えることを特徴とする太陽光発電システム。
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