JP5028049B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池による発電出力を蓄電する蓄電機能を有する太陽光発電システムに関し、さらに詳しくは、蓄電池の電力と太陽電池の電力を合成出力とすることにより日射変動に伴う太陽電池の出力変動の平滑化または出力のタイムシフトを可能とする太陽光発電システムに関する。
さらに本発明は、太陽電池と太陽電池の発電出力を蓄える二次電池からなるストリングを複数備え、それらのストリングから供給される直流電圧を電力変換装置（インバータ）によって商用周波数に変換し、夏季の昼間など電力需要が局所的に大きくなる時間帯にタイムシフトして電力供給することで、既存の電力システムのピーク電力を抑制することに利用する大規模な太陽光発電システムに関する。

太陽電池により太陽光を電力に変換した出力は、電気負荷に供給し、または系統へ逆潮流することができる。しかしながら、従来は太陽電池と蓄電池の電力を一括してパワーコンディショナーで変換するため、蓄電池から系統への電力流出を避けるようパワーコンディショナーの変換電力を制限しなければならない。またこのようにパワーコンディショナーの変換電力を制限すると、太陽電池の発電電力を制限することになり、結局太陽電池の出力が低下し、余剰電力を十分に逆潮流することができないという問題があった。

このような問題を解決するため、特許文献１の電力貯蔵型太陽光発電システムは、太陽電池と系統との間に、系統との連系運転を行う第１の電力変換手段を接続し、電力貯蔵手段と前記第１の電力変換手段との間に第２の電力変換手段を接続した太陽光発電用パワーコンディショナーを備えるものである。そして、前記パワーコンディショナーと系統の間に負荷を接続し、負荷と系統の間に接続した受電電力検出手段によって、前記電力貯蔵手段からの電力出力時に、受電電力が所定の電力を下回らないように前記第２の電力変換手段を制御する制御手段を備えるものである。
特許文献１によれば、第２の電力変換手段によって蓄電池の出力を調整し、あらかじめ深夜電力を蓄電していた電力を効率よく放電しながら、太陽光発電による電力を系統に逆潮流する場合に蓄電池からの出力を停止させることが可能となる。

また、太陽電池から最大電力を取り出すために最大電力追従制御運転を行うとともに、太陽電池と蓄電池を並列接続し、蓄電池併用運転を煩雑な切り替え操作なしに運転する方法が特許文献２に開示されている。即ち、特許文献２の太陽光発電装置は、太陽電池と、前記太陽電池と充放電手段を介して並列に接続された蓄電池と、前記太陽電池の出力電力を交流電力に変換し他の交流電源と連系する電力変換器と、前記太陽電池の出力が増加する方向へ動作指令を変化させる最大電力追従制御手段と、前記太陽電池の電圧を一定に制御する直流定電圧制御手段と、外部からの電力指令による制御を行う手段を備えるものである。そして、前記蓄電池の電圧を前記太陽電池の直流定電圧より小さい値とするように設定し、前記蓄電池の電圧が前記太陽電池の電圧よりも小さいときに、前記蓄電池の放電を阻止するものである。このシステムによれば、太陽光発電の発電量がかなり低いときには蓄電池の電力を出力することができる。

また、太陽電池の発電能力を最大限に発揮させ、日射エネルギーを有効に利用し、バッテリの寿命を長くする技術が特許文献３に開示されている。即ち、電力出力指令値に対応した電力を発生するインバータと太陽電池とを接続し、太陽電池とインバータとの接続点とバッテリとの間に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータブロックを挿入し、この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータブロックにスイッチを並列に接続するものである。そして、バッテリ放電・充電指令発生時には、スイッチをオフにし双方向ＤＣ／ＤＣコンバータブロックを動作させて太陽電池の発生電力が最大となるように太陽電池とインバータとの接続点の電圧を制御する。電力系統による充電を指令するバッテリ充電指令発生時には、スイッチをオンにして、インバータをコンバータ動作させてバッテリへの充電電流または充電電力を一定に制御する。

これらのシステムは、太陽光発電を最大電力で運転し、発電電力を最大限に取り出すためになされたものであり、日射変動による出力変動に関係なく、最大電力点追尾を行なうことを主眼においたシステムである。
次に、太陽電池と二次電池からなるストリングを複数備える従来の太陽光発電システムを以下図１４〜図１５を使って説明する。

図１４は特許文献４に開示されている回路図である。特許文献４は、蓄電池併用運転と太陽電池のみの運転を煩雑な切替操作なしに運転し、昼間は優先的に蓄電池を充電して蓄電池を極力満充電状態に保ち、自律運転に備える太陽光発電装置である。この太陽光発電装置は、太陽電池と蓄電池と電力変換装置と、制御装置を備え、太陽電池の出力電圧により昼夜を判別し、蓄電池の電圧を監視することにより、系統正常時の昼間は蓄電池電圧が放電限界電圧に低下する毎に電力変換装置を充電運転に制御し、夜間は蓄電池電圧が放電限界電圧より高い充電状態の下限電圧に低下する毎に電力変換装置を充電運転に制御するものである。

図１４に示すように、各ストリング２０ａ、２０ｂ毎にインバータ２５ａ、２５ｂを備えている。日中太陽光が十分照射しているときは、太陽電池２１ａおよび２１ｂの発電出力はインバータ２５ａ、２５ｂへ供給される。日照が不足すると、二次電池２２ａおよび２２ｂから電力がインバータ２５ａ、２５ｂへ供給される。負荷２６の電力需要に合わせて各インバータ２５ａ、２５ｂを動作させて必要な電力を供給する。インバータ２５ａ、２５ｂがストリング毎にあるため、各ストリング毎に独立して、インバータ２５ａ、２５ｂの入力電圧、即ち、太陽電池２１ａ、２１ｂや二次電池２２ａ、２１ｂの電圧を設定することができる。
二次電池２２ａ、２２ｂへの充電は、予め二次電池２２ａ、２２ｂ側の逆流防止ダイオード２４ａ、２４ｂにバイパスさせるスイッチを設けておき、日照が十分あるときに充電させたい二次電池についてバイパススイッチをＯＮさせ、太陽電池２１ａ、２１ｂから充電する。

図１５は従来のシステムのもう一つ別の例である。二次電池２２とインバータ２５の間にＤＣ／ＤＣコンバータ２７ａ、２７ｂを設けることで、二次電池２２ａ、２２ｂの放電電力を制御し、インバータ２５の入力電圧に合わせることができる。太陽電池２１ａと太陽電池２１ｂの電圧は同じになるように設定する必要があるが、二次電池２２ａと二次電池２２ｂの電圧は任意に設定することができる。二次電池２２ａの電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２７ａによりインバータ２５の所定の入力電圧に昇圧または降圧される。同様に二次電池２２ｂの電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２７ｂによりインバータ２５の所定の入力電圧に昇圧または降圧される。このように制御することにより、どのストリングも同じ電圧になるため、一つの二次電池が偏って放電することがない。
二次電池２２ａ、２２ｂへの充電は、予めＤＣ／ＤＣコンバータ２７ａ、２７ｂをバイパスするスイッチを設けておき、日照が十分あるときに充電させたい二次電池についてバイパススイッチをＯＮさせ、太陽電池から充電する。
特開２００２−１７１６７４号公報 特開２００２−３４１７５号公報 特開平６−２６６４５８号公報 特開２００１−２２４１４２号公報

現在の太陽光発電システムは、太陽電池による発電出力を最大限取り出し、太陽光発電システムに接続された負荷が電力を消費できない場合は系統へ逆潮流するように運転しているが、太陽光発電システムの低コスト化、普及に伴い、太陽光発電システムの大型化、システム設置密度があがってくると、自然エネルギーの出力変動が、系統へ及ぼす影響も無視できなくなり、出力を平滑化したり、出力をシフトしたりする機能が重要となってくる。
また、システムが大型化した場合は、いくつか並列することによって、電池も大型化し、太陽電池ストリング全体に対して一つの蓄電池を設ける構成が多く、電流制御などの対策が必要となる。

図１４、図１５の従来例では、ストリング毎にインバータ２５ａ、２５ｂを備え、またＤＣ／ＤＣコンバータ２７ａ、２７ｂを使い、太陽電池の発電電力を最大にするために太陽電池の最大電力点での動作を実現することを目的としているが、部品点数が多くなり高価なシステムになってしまう。
本発明は上記のような課題を解決するために、安価なシステムで、出力の平滑化あるいはタイムシフトが可能な太陽光発電システムを提供するものである。

本発明の太陽光発電システムは、上記課題を解決するために、太陽電池と、該太陽電池に並列に接続された二次電池を含む太陽電池ストリングと、前記太陽電池ストリングの電力が入力される電力変換装置と、前記二次電池の状態を検出する電池状態検出部と、前記電力変換装置の出力電力値を検出する出力検出部と、前記電池状態検出部により検出された前記二次電池の状態と、前記出力検出部により検出された前記電力変換装置の出力により出力電力値を制御する制御部とを備える。
このように電力変換装置の出力電力値を制御するので、安価なシステムで、出力の平滑化あるいはタイムシフトが可能となる。

また本発明の別の太陽光発電システムは、太陽電池と、該太陽電池に並列に接続された二次電池を含む複数の太陽電池ストリングと、前記各太陽電池ストリングの電力が入力される電力変換装置と、前記各二次電池の状態を検出する電池状態検出部と、前記電力変換装置の出力を検知する出力検知部と、前記電池状態検出部により検出された前記二次電池の状態と、前記出力検出部により検出された前記電力変換装置の出力により出力電力値を制御する制御部とを備えるものである。これにより、二次電池の充電状態に合わせた出力調整が行なえるので、出力の平滑化あるいはタイムシフトが可能となる。

本発明によれば、安価なシステムで出力の平滑化やタイムシフトが可能となる。また、過剰に二次電池の放電電流が流れないので、システムの安定化を計ることが可能であり、さらに電池に過大電流が流れないため二次電池の寿命が延びる。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータなしで、複数のストリングから1台のインバータに接続できるので、システム構成が単純であり、設備投資を抑えることができる。
更に本発明は、システム起動後に定期的に電圧値の高い二次電池群を更新して、放電に寄与させる二次電池を増やして行くことができるので、最小の時間で確実にシステムを安定な状態に持ってゆくことができる。
また、各二次電池に充電スイッチを設けることで、日照時に太陽電池から二次電池を充電し、二次電池の充電ばらつき状態を緩和することができる。そして、夜間に二次電池の開閉スイッチを切ることで二次電池を放電させないので、早朝起動時の二次電池電圧のばらつきを少なくでき、よりシステムの起動を安定で容易にできる。

本発明の太陽光発電システムにおいて、太陽電池と、該太陽電池に並列に接続された二次電池により太陽電池ストリングが構成され、この太陽電池ストリングの電力が入力される電力変換装置と、前記二次電池の状態を検出する電池状態検出部と、前記電力変換装置の出力電力値を検出する出力検出部を備える。そして電池状態検出部により検出された二次電池の状態と、出力検出部により検出された電力変換装置の出力により出力電力値を制御するものである。

ここで、電池状態検出部は、二次電池の電圧、充電状態（ＳＯＣ）、時間当たりの充電状態（ＳＯＣ）変化率などのいずれか１つを検出するものである。更に、本発明は、データ記憶部または外部データを受信する通信部を備え、前記データ記憶部または通信部より、過去の日射データ、平均気温データ、モジュール温度データあるいは天気予報などによる予測日射量または予測気温、予測モジュール温度情報、電池の劣化情報などのいずれか１つの情報を取得し、前記制御部は、その情報に基づいて運転パターンを制御する。

また本発明の別の実施形態では、太陽電池と、この太陽電池に並列に接続された二次電池を含む太陽電池ストリングを複数備えて構成される。そして、各太陽電池ストリングの電力が電力変換装置に入力され、電池状態検出部により検出された各二次電池の状態と、出力検出部により検出された電力変換装置の出力により出力電力値を制御するものである。したがって、本発明の太陽光発電システムは、二次電池の充電状態に合わせた出力調整が行える。

本発明において、電圧比較部は、電池状態検出部により検出された各二次電池を電圧の高い順に番号付けする。そして、その番号付けられた高い電圧に属する高電圧二次電池群を決定し、太陽光発電システムの起動時に、高電圧二次電池群から許容される出力電力の合計値より電力変換装置の出力が小さくなるように、電力変換装置を制御する起動制御部を更に備えるものである。
これにより、太陽光発電システムが大規模である場合、最初の仕様は同一であっても、太陽電池の設置場所によって、出力の大きい太陽電池と小さい太陽電池が生じた場合や、二次電池の設置状況、周囲温度により出力の大きい二次電池と小さい二次電池が生じた場合でも、本発明の太陽光発電システムは二次電池の出力電圧の高い順に使用するので、充電状態のよい二次電池から出力に寄与させることができ、全部の太陽電池、二次電池を平準化することができる。

また本発明のＳＯＣ比較部は、電池状態検出部により検出された各二次電池を充電状態（ＳＯＣ）の大きい順に番号付けし、その番号付けられた充電状態（ＳＯＣ）の大きいグループに属するＳＯＣ二次電池群を決定し、太陽光発電システムの起動時に、前記ＳＯＣ二次電池群から許容される出力電力の合計値より電力変換装置の出力が小さくなるように、電力変換装置を制御する起動制御部を更に備えるものである。
このため、太陽光発電システムが大規模である場合、最初の仕様は同一であっても、二次電池の設置状況、周囲温度により出力の大きい二次電池と小さい二次電池が生じる。しかし、本発明は二次電池の充電状態（ＳＯＣ）の大きい順に使用するので、全部の二次電池を平準化することができる。

また、ストリング数をｎ、二次電池の内部抵抗をr、二次電池の出力電流の絶対最大定格ImaxからのマージンをΔImax、電力変換装置の効率をηとして、システム起動時の各ストリングの二次電池を電圧の高い順番にＳＢ１、ＳＢ２、・・・、ＳＢｎとし、各二次電池の起電力をＥ１、Ｅ２、・・・、Ｅｎ、電流をＩ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎ、としたとき、
（Ｅ１−Ｅｉ）/ｒ＜ΔＩmax
の条件を満たすストリングの数をｋを調べ、電力変換装置の出力Ｐが、
Ｐ＜（Ｅ１−ｒ×Ｉmax）×（Ｉmax＋Ｉ２max＋・・・＋Ｉｋmax）×η
（ここで Ｉｉmax＝Ｉmax ×（Ｅｉ−（Ｅ１―ｒ×Imax））／（Ｅ１−ｒ×Imax）、ｉ＝２、３、・・・、ｋである）
の関係式になるように、出力を制御する。これにより、二次電池から過電流を流すことのない出力を求めることができる。

さらに、起動時から定期的に各二次電池の電圧をモニタして、前記の判定を繰返し、ｋが増加したら、それに合わせて、電力変換装置の出力を増加させることで、安定で確実なシステムの起動ができる。このように、システム起動後に定期的に電圧値の高い二次電池群を更新して、放電に寄与させる二次電池を増やして行くことができるので、最小の時間で確実にシステムを安定な状態に持ってゆくことができる。
また、各ストリングの二次電池毎に充電スイッチを設け、日照時に二次電池の充電量が少なく起電圧が小さい場合、充電スイッチをオンして太陽電池により二次電池を充電し、二次電池が充電されて起電圧が高くなったら、充電スイッチをオフするので、充電量の少ない二次電池の充電が容易に行える。
また、各二次電池をシステムから切り離す開閉スイッチを設け、夜間等のシステム休止時に二次電池を開放するので、二次電池の自然放電を抑制し、二次電池の充電状態のばらつきを小さくすることができる。

次に、本発明の各構成部分について、詳細に説明する。
《太陽電池モジュール》
本発明に用いられる太陽電池モジュールは、結晶系の太陽電池セルを複数枚接続されて作製された結晶系太陽電池モジュールや、ガラス基板上にＣＶＤ等の方法により形成されたシリコン系半導体や化合物系半導体よりなる薄膜状の太陽電池を直列接続となるように加工したセルを用いた太陽電池モジュール、結晶系のシリコンとアモルファスシリコンを積層したタンデム構造の太陽電池を用いた太陽電池モジュールなどが挙げられる。

通常の太陽光発電は、日照条件、太陽電池モジュールの温度に応じて変化する最大電力点を追尾し、出力される電力が最大となるように動作点電圧が制御される。しかし本発明においては、接続される蓄電池モジュールの電圧が太陽電池モジュールの動作点電圧となるように作動させる。そのため、太陽電池モジュールの動作点電圧は蓄電池モジュールが動作する電圧範囲に限定される。

一般的に、太陽電池は、そのモジュール温度が上がると出力が低下し、その最大電力動作点は温度に対して負の傾き（温度係数）を有する直線関係が見られる。通常、結晶シリコンでは、その温度係数は、−０．４５〜―０．５％／℃程度である。アモルファスシリコン薄膜太陽電池はー０．１７〜−０．２％程度である。またアモルファスシリコンを結晶シリコン等と積層したものやＧａＡｓなどの化合物半導体太陽電池などでは、温度係数を−０.２〜−０.３％／℃に抑えたものが開発され、実用化されている。
一方、蓄電池モジュールの動作電圧は温度の影響をさほど受けない。したがって、本発明における太陽電池モジュールは温度によって出力電圧の変化を受け難い温度特性の優れた太陽光電池を選択することが望ましい。

上記のように太陽電池モジュールの温度係数は、−０．４２％／℃以下、さらに好ましくは−０．３％／℃以下の太陽電池モジュールを選択することが望ましい。これにより、高いシステム効率を得ることが可能となる。これは接続される蓄電池デバイスの種類にもよるが、蓄電池デバイスの動作電圧の温度変化による変動幅は、約２０〜３０％程度であり、一方太陽電池モジュールの使用温度幅が約６０℃であることから考慮し算出される。
特に、リチウムイオン電池は、温度による充電電圧の変化は非常に小さく、蓄電池モジュールの蓄電池デバイスとして、リチウムイオン電池を選択する場合は、特に温度係数が優れた太陽電池を組み合わせることが好ましい。

《電圧範囲の設定》
蓄電池モジュールを活用した充放電において、電圧の上限は充電終止電圧であり、電圧の下限は放電終止電圧と定義する。この上限と下限によって定められる電圧範囲は固定でもかまわないし、二次電池の劣化状況によって設定値を順次変えていくことも可能である。
上記電圧範囲において、その下限値は、好ましくは放電終止電圧により定められる電圧の６５％以上、より好ましくは７０％以上、更に好ましくは７５％以上である。この下限値は高いほどシステムの効率が高くなり好ましい。より効率を高くするためには、充放電による電圧の変動が少ない蓄電デバイスを選択するとよい。
また、この範囲は設置場所の想定される日射条件などによっても変更することも可能であり、日射が安定した地域などにおいては下限値を８０％以上とすることも可能である。
また、一般的に蓄電池は劣化が進むと内部抵抗が増加するため、段階的に上記範囲内で充電終止電圧を上げていき、放電末電圧は下げていくようにあらかじめ設定できるようにしておくことも可能である。

《蓄電モジュール》
本発明において、蓄電モジュールは、1つ以上の蓄電デバイスと、必要に応じて保護回路などを接続したものである。蓄電デバイスとしてはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池などの化学反応を利用した二次電池や、電気二重層キャパシタなどが使用可能である。上述したように、狭い電圧範囲でなるべくたくさん容量が取れることが好ましく、化学反応を利用した二次電池が好ましい。中でも、充放電反応に基本的に副反応を伴わない電池系が充放電による電力効率が高くより好ましい。その代表的な例としてリチウムイオン電池があげられる。

さらには、これまで蓄電デバイスとして使用されていた鉛蓄電池は、充電不足が続くと容量劣化が起こったり、ニッケル水素電池などは決まった範囲で充放電を繰り返すと、容量が十分に得られなくなるメモリー効果などが見られたりするが、リチウムイオン電池は充電不足によるサイクル劣化やメモリー効果などがなく、本発明の蓄電モジュールを構成するための電池としては好適に使用することができる。さらに、リチウムイオン電池は周囲温度による充電電圧の変化を受けにくいため、本発明の蓄電システムとしては非常に有効である。
リチウムイオン電池の材料には正極材料、負極材料ともに種々なものが提案されており、それらすべてが使用可能である。中でもLｉＦｅＰＯ4を正極に用いたリチウムイオン電池はその充放電曲線が平坦であり、特に好ましい。
保護回路としては、例えば過充電防止回路、過放電防止回路、過電流防止回路、蓄電池デバイスの各セルの電圧監視回路、各セルの電圧を調整するバランス回路などがある。

《太陽電池ストリング》
本発明において、太陽電池ストリングは、太陽電池モジュールと蓄電モジュールが並列接続されたものを指している。更に詳細には、太陽電池に接続した逆流防止ダイオード、二次電池に接続した逆流防止ダイオード、二次電池に接続した逆流防止ダイオードをバイパスするスイッチ、二次電池の充電または放電電流を検出する電流センサー、および二次電池の出力電圧を検出する電圧センサーを含んでもかまわない。
太陽電池モジュールは屋根や屋上のような日当りのよい場所に設置することが好ましい。蓄電池モジュールは太陽電池モジュールによって日陰になる太陽電池架台の一部や、配線をまとめる配線箱の中、または屋内や雨風の当らない場所に設置するのが望ましい。そして蓄電モジュールが上記電圧範囲になるよう設定して接続された複数の太陽電池モジュールと、蓄電モジュールを、それぞれペアになるように電気配線により接続する。

《充電制御方法》
本発明では、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力を制御することによって、蓄電池モジュールの充電を制御することが可能である。つまり、太陽光発電によって発電された電力からＤＣ/ＡＣ変換装置の出力を引き算したものが充電電力となるからである。これにより、太陽電池モジュールの出力を平滑化し、充電制御できる。
太陽電池モジュールからの出力変動を吸収するために一定の出力としてもかまわないし、または、充電電流が一定になるようにＤＣ／ＡＣ変換装置の出力を制御してもかまわない。
また、充電電圧を監視しておき、充電末期に近づいてきた際に徐々に二次電池へ充電される電流が徐々に少なくなるようにすることが好ましい。このような制御は、太陽電池からの出力が一定の場合は、徐々にＤＣ／ＡＣ変換装置の出力を増やしていくことで実現できる。

上記のような充電末期に充電電流を絞る制御は、通常あまり制御しなくても、一般的な日射変化に沿って本発明の太陽光発電システムを運転すれば、夕刻に近づくと徐々に日射量が落ち、電流値も下がるため、自然に電流値をだんだん落としていく効果（ＣＶ充電のような効果）があり、それを前提として制御することも可能である。

《容量のバランスについて》
太陽電池モジュールの出力をＰ1（Ｗ）、蓄電モジュールの蓄電容量をＷ1（Ｗｈ）とした場合、両者の容量バランスは、Ｐ1×0.3時間＜Ｗ1＜Ｐ1×５時間程度とすることが好ましい。このように両者の容量を設定すると、細かい時間間隔での出力の平準化と電力をタイムシフトする大きな時間での電力シフト（平準化）の両立が可能となる。太陽電池モジュールは、セル枚数や内部抵抗、配線抵抗により最大電流が制限されており、本来的に電流制限機能を有する。そのため太陽電池モジュールと蓄電モジュールの容量バランスを上記のように調整すると、通常必要であった充電時の電流制限回路が不要になる。従って、上記容量バランスはＰ1×0.５時間＜Ｗ1とするのが好ましく、更にＰ1×１時間＜Ｗ1とするのが好ましい。

蓄電モジュールの容量最大値は大きくても特に問題はないが、設備サイズ、コスト、設備の稼働率などの観点から、決定されればよく、例えば、Ｐ１×１０時間＜Ｗ1、より好ましくは、Ｐ１×５時間＜Ｗ１である。
また、太陽電池はデバイスによって最大出力電流は決まっているため、この容量の比率は、蓄電モジュールへの充電最大電流を決めることになり、そのためにも太陽電池と電池の容量バランスは重要である。

《所定の容量を出力する出力制御の説明》
一般的な太陽光発電システムは、その日射量で太陽電池が出力することができる最大電力点を追従しながら、出せる電力をすべて出すように制御される。
また自立型では、ＤＣ/ＡＣ変換装置に接続される機器の負荷容量にあわせて出力ように制御する。この場合の太陽電池の出力は負荷大きさに規定されるので、太陽電池の発電出力が有効に使えない場合がある。

本発明ではそのような従来の制御は行わず、ある時間幅の間は一定の出力を保つように制御や、日射強度に沿った出力を維持し、短時間の出力変動を吸収しながら出力を行う平滑化出力をおこなう。本発明において、太陽電池モジュールと、蓄電モジュールが直接接続されているとは、太陽光発電の電力が直接蓄電池に充電および放電が可能なように接続されていることである。
この出力幅と出力量を調整することによって、蓄電モジュールへの充放電量を制御することが可能であり、蓄電モジュールを徐々に満充電方向にシフトさせたり、逆に徐々に放電末方向へシフトさせたり、定期的に満充電→放電末期→満充電末期→放電末期となるようしたりすることが可能である。

蓄電モジュールの電圧範囲を、上記《電圧範囲の設定》で説明したように設定した場合、満充電側の電圧がより最大電力点に近づくため、発電開始からある程度の充電量に達するまではまず充電を行い、満充電側で出力変動を吸収すると、より高いシステム効率を得ることが可能となる。このように蓄電池の動作電圧範囲の中で、どのＳＯＣにて制御することが効率が高くなるのかを、季節、日射条件、気温、モジュール温度などから判断し、充放電量を制御することも可能であり、このような運転により、よりシステム効率を上げることが可能となる。
その他、上記の一定出力の出力量と時間の幅は電池の充電状態によって決定する方法や、気象情報や別途測定している日射量を参考にあらかじめ設定されたパターンを選択する方法などが考えられる。
このような制御のために、本発明はデータ記憶部または外部データを受信する通信部を備え、データ記憶部または通信部より、過去の日射データ、平均気温データ、モジュール温度データあるいは天気予報などによる予測日射量または予測気温、予測モジュール温度情報、電池の劣化情報を含むいずれか１つの情報を取得する。この情報に基づいて、制御部は、運転パターンを制御する。

また、平滑化運転として、たとえば発電開始から最初の１０分間の充電力を計測しておき、その積算発電量から１分当たりの平均発電量を計算し、その値を１１分目の１分間の出力とする。次いで１分から１１分目までの積算発電量から１分当たりの平均発電電力を算出し、その値を１２分目の発電電力とする。このように、１０分遅れて平均化しながら１分ずつ進めて出力制御を行うことにより、細かな出力変動を吸収しながら出力することが可能である。

《電圧比較部、高電圧二次電池群生成部、起動制御部、ＳＯＣ比較部、ＳＯＣ二次電池群生成部、》
これらの各部分は、本発明の制御部内に備えられ、一時的な情報記憶部であるＲＡＭを利用して、電圧の高い順に、またはＳＯＣの高い順に二次電池を番号付けし、その上位グループを生成する。上位グループは以下に説明する条件1によって決定するのが望ましいが、この他に、数に特別限定はないが、全蓄電池の半分または１／３のように予め数を設定してもよい。そして起動制御部は、起動時に、上位グループの電池群を使用して電力変換装置に電力を供給するように制御する。

（実施の形態１）
《システム構成》
図１は、本発明の太陽光発電システムの構成の一例を示すブロック図である。
太陽電池モジュール１は、薄膜結晶太陽電池パネル（Ｖpm＝５１Ｖ、Ｉsc=２Ａ、８５Ｗ）を、１２枚、４直３並列接続して構成され、１ｋＷ出力する。蓄電池モジュール２は、９．５Ａｈのリチウムイオン電池を４８直列として構成し、保護回路および電力カウンターを有する回路部を伴って構成される。
太陽電池モジュール１と蓄電池モジュール２は、蓄電池の電力が太陽電池に逆流しないように設けられた、逆流防止素子３を介してＤＣ／ＡＣ変換装置７に並列接続する。また、ストリングの電流を測定する電流センサー６がＤＣ／ＡＣ変換装置７との間に接続されている。またＤＣ／ＡＣ変換装置７は、蓄電池モジュール２からの信号線８によって、蓄電池の状態を検出できるようになっている。
このようにして構成された太陽電池ストリング１０をＤＣ/ＡＣ変換装置７に接続し、ＤＣ/ＡＣ変換装置７の出力によって、系統電力と連係させる。

《蓄電池の動作電圧範囲》
前記リチウムイオン電池の全電力を充放電する場合の電圧領域は、２０２Ｖ〜１４４Ｖであるが、本実施の形態１では上下２０％をカットしたＳＯＣ（state of charge）２０％〜ＳＯＣ８０％であり、全容量の６０％を使用することとした。放電時の下限電圧は１７４Ｖ、充電時の上限電圧は１９９Ｖである。
図２は、上記ＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％を説明する図であり、図２は、太陽電池モジュールの出力電力Ｐと出力電圧Ｖの関係を示し、太陽電池モジュールのＰ−Ｖ曲線Ａは、図に示すとおりである。このＰ−Ｖ曲線Ａにおいて、蓄電池モジュール２の動作電圧範囲は、ＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％とする。ＳＯＣは、蓄電池モジュールの充電状態を示し、ＳＯＣ１００％が満充電であり、ＳＯＣ０％が放電終了の状態である。ＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％の範囲の最大電力点電圧（Ｐｍａｘ）における効率は、右側縦軸目盛と、効率を表す曲線Ｂから、１０３％〜１０５％である。

図３は、充電容量と充放電電圧の関係を示し、蓄電池モジュールを充放電する場合の電圧範囲を説明するものである。蓄電池は充電曲線Ｃに示すように充電され、放電曲線Ｄに示すように放電する。このような充放電曲線において、充電の際の上限電圧値として充電終止電圧と、放電の際の下限電圧値として放電終止電圧が設定され、充電終止電圧から放電終止電圧までの電圧範囲は、任意に設定することができる。この実施の形態１では、ＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％の間の中央部分６０％が電圧範囲される。
したがって、上記太陽電池モジュールの１０００ｍＷ／ｍ２、２５℃における最大電力電点圧（Ｖpm）は、２０４Ｖであり、その際の発電電力は８５Ｗである。また同条件での、電池の下限電圧１７４Ｖ、上限電圧１９９Ｖでの出力電力はそれぞれ７８．２Ｗ（９２％）、８３．７Ｗ（９８．５％）である。

《出力の制御方法》
この実施の形態１では、出力制御は下記の条件で行った。ＳＯＣとは充電状態の略であり、この実施の形態１においては上記で規定した実際に使用する容量（蓄電デバイスの６０％容量）に対する比率で表している。
（１）ＳＯＣ１０％未満では出力停止。
（２）ＳＯＣ１０％以上２０％未満で２００Ｗ出力
（３）ＳＯＣ２０％以上４０％未満で３００Ｗ出力
（４）ＳＯＣ４０％以上９５％未満で７００Ｗ出力
（５）ＳＯＣ９５％以上で１０００Ｗ出力
（６）17：00になったら、５００Ｗ出力を行う。
但し、一度条件変更を行った際には２０分間条件変更をしない

《結果》
図４に、この実施の形態１の一日の動作データを示す。激しく大きく変動している線によって示すように、太陽電池の出力は日射変動に伴って、激しく大きく変動しているが、直線で示すように、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力は、平滑化されており、かつ17：00以降は昼間の発電電力をピークシフトできていることがわかる。
図５は、各発電時における日射強度とモジュール温度から算出される最大電力点での発電量と、実際に電池が接続されている電圧での発電量を比較により、最大電力点電力に対してどの程度の割合で発電電力が得られているかの比率を示す。この図では、1日間の積算電力での効率は９９％であった。
実施の形態１により、高効率で出力の平滑化および電力のタイムシフトが可能となることがわかる。

（実施の形態２）
実施の形態２のシステム構成は、太陽電池容量を３ｋＷ、蓄電池容量を１５Ａｈとした以外は、上記実施の形態1と同じであり、制御方法のみを下記のように設定し、制御を行った。
《出力の制御方法》
（１）電池のＳＯＣ変化量と決定された出力量の積算値から過去３０分間の太陽光発電 による発電量を計算
（２）計算された発電量からの1分当たりの平均発電量を計算し、次の一分間の出力とする。

《結果》
図６に示すように、３０分遅れで平滑化された出力を得ることができる。図７は、そのように平滑化された出力を行っている場合に、各発電時における日射強度とモジュール温度から算出される最大電力点での発電量と、実際に電池が接続されている電圧での発電量の比較により、最大電力点電力に対してどの程度の割合で発電電力が得られているかの比率を示す。また１日間の積算電力での効率は９７．８％であった。

太陽光発電の発電量は日射量を計測して、その日射量によって算出してもかまわないが、本発明におけるシステムでは、電池のＳＯＣと、システム自らが制御している出力量から過去の発電量を算出することが可能となり、日射の計測なしで平滑化出力を得ることができる。
一定時間経過後のＳＯＣを計測することは、一定時間の電池への充放電量の積算電力量を計測していることに相当する。また、制御された出力は基本的にはシステム自らが決定した出力であり、計測することなしにその量を知ることが出来る。従って、平滑化のために必要となる、過去の太陽光発電の発電量を、これまで、必要とされていた、日射変動に追従する高精度の計測器などを必要とせず、比較的簡単な計測で、正確に得ることが可能となる。

（実施の形態３）
図８は実施の形態３のブロック図である。
太陽電池１、二次電池２、インバータ７及びストリング１０の構成は実施の形態１に示した図１と同じであるが、各ストリング１０に逆流防止ダイオード９を接続している点が相違点である。またこの実施の形態３は、各ストリングの二次電池に電圧計（図示しない）が取り付けており、各二次電池の出力電圧値が信号線８により、インバータ７の制御回路１１によってモニタリングすることができる構成を備えている。
図８ではストリング数が２であるが、以下の説明は、ストリング数をｎ、二次電池の内部抵抗をr、二次電池の設定電圧をＥ０、二次電池の設定電流をＩ０、二次電池の設定電流から最大定格電流Imaxまでの電流マージンをΔimaxとする。電力変換装置の効率をη、最大出力をＰmaxとすると、
ｎ×（Ｅ０−ｒ×Ｉ０）×Ｉ０×η＝Ｐmax
即ち、全ストリングの二次電池が設定電圧・設定電流で出力したときに最大電力が出力できる関係になっている。

これはシステムが安定して、全ての二次電池が同じような充電状態のときには成り立つが、システム起動時等の二次電池の充電状態によって二次電池の電圧にバラツキがある場合は、Ｐmaxを出力しようとすると、電圧の高い二次電池から電流をとりすぎるので、以下のように出力を制限する。
システム起動時に先ず、各ストリングの二次電池の電圧を測定し、その電圧が高い順番にＳＢ１、ＳＢ２、・・・、ＳＢｎとし、各二次電池の起電力をＥ１、Ｅ２、・・・、Ｅｎ、電流をＩ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎ、としたとき、ｉ＝２から順番に、各二次電池の電圧Ｅｉについて、
（Ｅ１−Ｅｉ）/ｒ＜ΔＩmax ・・・（条件１）
の条件を満足するかどうかを調べる。

例えば図９は、二次電池の電圧Ｅと電流Ｉの関係を模式的に説明するための図であり、ｉ＝２の場合で、（Ｅ１−Ｅ２）／ｒ＞ΔＩmaxとすると、ＳＢ１とＳＢ２が同時に電流を流そうとしても、ＳＢ１の電圧Ｅ１が他の二次電池に対して高すぎるため、ＳＢ１からの電流Ｉ１が増えて内部抵抗ｒによる電圧降下が大きくなって、合流点Ｓの電圧が下がっても、ＳＢ２の電圧Ｅ２まで電圧が下がるまえに、Ｉ１がＩmaxを越えて過電流となってしまう。即ち、ＳＢ１のみからしか電流が取れないので、出力を1ストリング分の
Ｐ＜（Ｅ１−ｒ×Ｉmax）×Ｉmax×η
に制限する。

（Ｅ１−Ｅ２）／ｒ＜ΔImaxであれば、ＳＢ２からも電流Ｉ２を流すことができる。Ｉ１がImaxのとき、Ｉ２は、
Ｉ２max ＝ Ｉmax×（Ｅ２−（Ｅ１―ｒ×Ｉmax））／（Ｅ１−ｒ×Ｉmax）
となるから、
P＜（Ｅ１−ｒ×Ｉmax）×（Ｉmax＋Ｉ２max）×η
まで出力できる。

同様にｉ＝ｋまで条件１を満足するなら、
Ｐ＜（Ｅ１−ｒ×Ｉmax）×（Ｉmax＋Ｉ２max＋・・・＋Ｉｋmax）×η・・・（条件２）
（ここで Ｉｋmax＝Ｉmax ×（Ｅｋ−（Ｅ１―ｒ×Ｉmax））／（Ｅ１−ｒ×Ｉmax）である）まで出力できる。
このようにインバータの出力を制御することで、各二次電池から過電流を流すことなく、システムを起動することができる。
上記説明のように、二次電池の電圧を測定し、条件１を満たす二次電池によって、条件２までに制御することにより、二次電池を平準化することができる。このような制御は、制御回路１１に電圧比較部、高電圧二次電池群生成部、起動制御部を備え、これら各部分を動作させて実現することができる。
また上記実施の形態３は、二次電池の電圧を測定したが、二次電池のＳＯＣを測定し、ＳＯＣの大きい順に番号付けし、ＳＯＣの大きいグループに属するＳＯＣ二次電池群を生成し、そのＳＯＣ二次電池群によって、ＳＯＣ二次電池群が許容される出力の合計値より電力変換装置の出力が小さくなるようにしてもよい。この場合は、ＳＯＣ比較部、ＳＯＣ二次電池生成部、起動制御部を備えることにより実現できる。
また、ここでは、二次電池の電圧またはＳＯＣを測定し、高い順に番号付けすると、説明したが、電圧またはＳＯＣを測定し、条件１を満たすか否かにより、グループ化しても同様の結果を得ることができる。

以上のようにして、一旦システムが起動すると，放電している二次電池の電圧はだんだん低くなる。本発明の太陽光発電システムにおいて、制御回路１１にタイマーを備え、起動時から定期的に各二次電池の電圧をモニタして、前記の条件を確認することが望ましい。タイマーによって、一定時間が経過したことを計測したとき、もし、ｋが増加したら、それに合わせて、電力変換装置の出力を増加させることで、最終的には全ての二次電池を出力させることができる。

（実施の形態４）
図１０に別の実施の形態を示す。図１に示した実施の形態１に比べ、各二次電池に逆流防止ダイオード１５と、この逆流防止ダイオード１５をバイパスする充電スイッチ１６を追加した点が相違点である。その他は同じ構成である。
この構成によれば、通常の日照時で太陽電池の起電力が十分にあり、一方、二次電池の充電が空の状態の場合は、この充電スイッチ１６をオンすることで、太陽電池１から二次電池２に直接充電することができる。またスイッチ１６をオフにすれば、最大電力点制御を行い、太陽電池のみを動作させることが可能になる。
また、夜間等のシステム停止時にスイッチ１６をオフして全てのストリングについて二次電池を切り離すことで、自然放電する量を減らすことができ、システム起動時に充電量のばらつき状態を緩和することができる。

図１０に示したブロック図は、逆流防止ダイオード１５と、充電スイッチ１６を設けたが、逆流防止ダイオード１５をなくして、単なる開閉スイッチだけで構成することができる。このようにスイッチのみで構成する場合は、ＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチ素子を設けても実施の形態４と同様の運転を行い、同様の作用、効果を得ることが可能である。

本発明の別の制御方法としては、最大電力点追従制御や負荷容量に合わせた出力電力制御でなく、ある時間幅の間は一定の出力を保つように、図１１に示すような制御を行うことが可能である。図１１において、（ａ）は蓄電池モジュールの充電状態を示す。（ｂ）は日射量を示す。（ｃ）は太陽電池ストリングの出力を示す。

図１１に示すように、出力幅や出力量を調整することによって、蓄電池モジュールへの充放電量を制御することが可能であり、蓄電池モジュールを徐々に満充電方向にシフトさせたり、逆に徐々に放電終了方向へシフトさせたり、定期的に満充電→放電終了付近→満充電→放電終了付近となるようしたりすることが可能である。
即ち、図１１に示す運転結果より明らかなように、午前中に最大電力点追尾による運転によって得られた発電出力は、１２：００〜１４：００にタイムシフトして放電し、１４：００〜１７：００に最大電力点追尾による運転によって得られた発電出力は、１７：００〜翌日の８：００にタイムシフトして、二次電池を充電する。

図１２は、出力平滑化を重視した場合の制御方法を示し、ある日の１６：００〜１７：００の太陽電池モジュールの発電電力ＥとＤＣ／ＡＣ変換装置の出力Ｆ、蓄電池モジュールへの充電電力Ｇ、ＳＯＣ（充電状態）Ｈを示している。夕刻に近づくにつれて、日射量が少なくなると、発電電力Ｅが徐々に低下するが、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力Ｆは一定になるよう制御されているので、日射量が下がってくるにもかかわらず、一定の出力を得ることが可能である。また蓄電池モジュールの充電電力Ｇも徐々に下がり、二つの制御が同時に達成される。このような制御は、蓄電池モジュールの充電末期に利用すると、蓄電池モジュールの充電制御でよく活用される定電流・定電圧充電と同様の降下が得られ、非常に有効である。
通常は、充電制御装置によって電池の満充電が近くなってくると、充電電力を絞るような制御が行われるが、本発明の太陽光発電システムでは満充電の近くで充電電力を絞るような制御は必要なく、ＤＣ／ＡＣ変換装置の出力制御のみで同時に充電制御が達成できる。

図１３は、充電電流の制御を説明する図であり。ある日の１０：００〜１１：００の太陽電池モジュールの発電電力Ｉと、ＤＣ／ＡＣ変換装置の出力Ｊ、蓄電池モジュールへの充電電力Ｋを示す。日射量の変動に伴って、太陽電池モジュールの発電電力Ｉが急峻に変化しているが、本発明は追従制御ではなく、日射量の大きな流れに従って出力制御する。従って、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力Ｊを平滑化することが可能となる。さらに充電電力Ｋは、変動があるものの、常に一定電力以下になるように同時に制御されている。電池の制御において、定格充電電力以上の充電を行わないように制御することは電池の寿命を延ばすためにも重要であり、通常は専用の充電装置によって、そのような制御がなされるが、本発明ではＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力を平滑化すると同時に、充電電力の制御も達成される。

実施の形態１のブロック図である。 太陽電池モジュールの出力電圧と出力電力の関係を示す図である。 太陽電池モジュールの充電容量と充放電電圧の関係を示す図である。 実施の形態１の一日の動作データを示す図である。 日射強度と、太陽電池モジュールの発電量と、効率の関係を示す図である。 実施の形態２の一日の動作データを示す図である。 実施の形態２の日射強度と、太陽電池モジュールの発電量と、効率の関係を示す図である。 実施の形態３のブロック図である。 二次電池の電圧Ｅと電流Ｉの関係を模式的に説明する図である。 実施の形態４のブロック図である。 太陽光発電システムの制御方法を説明する図であり、ある時間幅は一定の出力を保つように制御する場合の説明図である。 太陽電池モジュールの出力平滑化を重視する制御方法の説明図である。 太陽電池モジュールの充電電池を制御する制御方法の説明図である。 従来の第１の太陽光発電システムのブロック図である。 従来の第２の太陽光発電システムのブロック図である。

符号の説明

１ 太陽電池
２ 二次電池
３ 逆流防止ダイオード
４ スイッチ
６ 電流センサー
７ 電力変換装置
５ 負荷
１０ 太陽電池ストリング

Claims (10)

1. 太陽電池と、該太陽電池に並列に接続された二次電池を含む太陽電池ストリングと、
   前記太陽電池ストリングの電力が入力される電力変換装置と、
   前記二次電池の状態を検出する電池状態検出部と、
   前記電力変換装置の出力電力値を検出する出力検出部と、
   前記電池状態検出部により検出された前記二次電池の状態と、前記出力検出部により検出された前記電力変換装置の出力により出力電力値を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記電池状態検出部は、二次電池の電圧、充電状態（ＳＯＣ）、時間当たりの充電状態（ＳＯＣ）の変化率を含む少なくともいずれか１つを検出することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 更に、データ記憶部または外部データを受信する通信部を備え、前記データ記憶部または通信部より、過去の日射データ、平均気温データ、モジュール温度データあるいは天気予報などによる予測日射量または予測気温、予測モジュール温度情報、電池の劣化情報を含むいずれか１つの情報を取得し、前記制御部は、その情報に基づいて運転パターンを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
4. 太陽電池と、該太陽電池に並列に接続された二次電池を含む複数の太陽電池ストリングと、
   前記各太陽電池ストリングの電力が入力される電力変換装置と、
   前記各二次電池の状態を検出する電池状態検出部と、
   前記電力変換装置の出力を検知する出力検知部と、
   前記電池状態検出部により検出された前記二次電池の状態と、前記出力検出部により検出された前記電力変換装置の出力により出力電力値を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
5. 前記電池状態検出部により検出された前記各二次電池を電圧の高い順に番号付けする電圧比較部と、前記電圧比較部によって番号付けられた高い電圧に属する二次電池群を決定する高電圧二次電池群生成部と、太陽光発電システムの起動時に、前記高電圧二次電池群から許容される出力電力の合計値より電力変換装置の出力が小さくなるように、電力変換装置を制御する起動制御部を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の太陽光発電システム。
6. 前記電池状態検出部により検出された前記各二次電池を充電状態（ＳＯＣ）の大きい順に番号付けするＳＯＣ比較部と、前記ＳＯＣ比較部によって番号付けられた充電状態（ＳＯＣ）の大きいグループに属するＳＯＣ二次電池群を決定するＳＯＣ二次電池群生成部と、太陽光発電システムの起動時に、前記ＳＯＣ二次電池群から許容される出力電力の合計値より電力変換装置の出力が小さくなるように、電力変換装置を制御する起動制御部を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の太陽光発電システム。
7. 前記ストリング数をｎ、前記二次電池の内部抵抗をr、二次電池の出力電流の絶対最大定格ImaxからのマージンをΔImax、前記電力変換装置の効率をηとして、太陽光発電システムの起動時の各二次電池を電圧の高い順番にＳＢ１、ＳＢ２、・・・、ＳＢｎとし、各二次電池の起電力をＥ１、Ｅ２、・・・、Ｅｎ、電流をＩ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎ、としたとき、
   （Ｅ１−Ｅｉ）/ｒ＜ΔImax
   の条件を満たすストリングの数をｋを調べ、電力変換装置の出力Ｐが、
   Ｐ＜（Ｅ１−ｒ×Ｉmax）×（Ｉmax＋Ｉ２max＋・・・＋Ｉｋmax）×η
   （ここで Ｉｉmax＝Ｉmax ×（Ｅｉ−（Ｅ１―ｒ×Ｉmax））／（ＥＩ−ｒ×Ｉmax）、
   ｉ＝２、３・・・、ｋ、である）
   の関係式になるように、出力を制御することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
8. 前記太陽光発電システムの起動時から定期的に各二次電池の電圧をモニタして、前記ｋが増加したとき、ｋの増加に対応して、前記電力変換装置の出力許容値を増加させることを特徴とする請求項７に記載の太陽光発電システム。
9. 前記各ストリングの二次電池毎に充電スイッチを備え、日照時に二次電池の充電量が少ない場合、充電スイッチをオンして前記太陽電池により二次電池を充電し、前記二次電池が充電されて起電圧が高くなったとき、前記充電スイッチをオフすることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
10. 前記二次電池にスイッチを設け、夜間などシステム休止時に二次電池を開放することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。

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