JP5738383B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池と他の電源を使用した電源装置による電力を合成して負荷側に送出する電源装置であり、前記太陽電池を構成する複数の太陽電池セルの組み合わせ状態を簡単に変更できることにより、簡単な構成で、太陽電池を最大電力点で動作させることを可能とする電源装置に関するものである。
太陽電池は、その使用条件、例えば、太陽電池から電力を取り出すときの電圧により、効率（同じ照度において、太陽電池から取り出せる電力）が大きく変化する（図９）。
したがって、太陽電池からのエネルギ−を最大限利用するためには、太陽電池から得られる電力が最大となる条件を維持する必要がある。そのためには、太陽電池の最大電力点を検出し追従させるための装置が必要であるが、この装置は一般的に複雑であり、電源装置の全体のコストを高くしてしまう要因となっていた。また、最大電力点の検出および追従においても、従来のいわゆる山登り法などは、電力ロスの原因となっている。
したがって、太陽電池からのエネルギ−を最大限利用するためには、太陽電池から得られる電力が最大となる条件を維持する必要がある。そのためには、太陽電池の最大電力点を検出し追従させるための装置が必要であるが、この装置は一般的に複雑であり、電源装置の全体のコストを高くしてしまう要因となっていた。また、最大電力点の検出および追従においても、従来のいわゆる山登り法などは、電力ロスの原因となっている。
使用する太陽電池を限定すれば（あらかじめ使用する太陽電池の特性がわかっている場合）、最大効率となる電圧範囲が限定されるので、いわゆる山登り法などを使用せずに、定電圧で最大効率に近い動作をさせることができるが、この場合も、電力を調整および変換するためになんらかの電源回路が必要であり、コストの増加と効率の低下の原因となっている。ここで、電源回路を使用しないでこれを実現することができれば、コストを大幅に削減し、効率を向上させることが可能となる。
かくして、本発明による電源装置は、前記従来の課題に対処すべく創案されたものであって、本発明により、きわめて簡単な構成でありながら、定電圧回路などの回路を使用せずに、太陽電池の最大効率点付近で動作することのできる電源装置が提供できるものとなる。
また、太陽電池の最大電力点の探索および追従制御においても、従来から使用されている「山登り法」などよりも、発電電力の低下が少ない手法が可能である。
太陽電池を最大電力点で利用するために一般によく利用されている山登り法では、異なる条件における発電電力を比較することで、より大きな電力を取り出せる条件へと近づけていく。例えば、図９において、太陽電池の出力電圧がVaであった場合、太陽電池の出力電力はPaとなる。次に、太陽電池の出力電圧をこれより少し高い電圧Vbになるように変更すると、出力電力はPbとなる。ここで、PaとPbを比較する。この例では、Pbのほうが大きいので、Vbに変更した状態を維持する（逆に、もしPbのほうが小さい値であれば、Vaに戻す）。
太陽電池を最大電力点で利用するために一般によく利用されている山登り法では、異なる条件における発電電力を比較することで、より大きな電力を取り出せる条件へと近づけていく。例えば、図９において、太陽電池の出力電圧がVaであった場合、太陽電池の出力電力はPaとなる。次に、太陽電池の出力電圧をこれより少し高い電圧Vbになるように変更すると、出力電力はPbとなる。ここで、PaとPbを比較する。この例では、Pbのほうが大きいので、Vbに変更した状態を維持する（逆に、もしPbのほうが小さい値であれば、Vaに戻す）。
このように、山登り法では、動作点を変更して、その前の発電電力と比較し、より発電電力の大きい状態へ移行することで、最大電力点に近づける。ただし、すでに動作点が最大電力点となっている場合は、本来は動作点を変更する必要はないが、異なる条件での発電電力と比較しないと、動作点の電力が最大かどうか判定できないので、常に異なる条件で発電させて比較することになる。そのため、最大電力点と異なる条件で発電を行うことになり、効率を下げる原因となってしまう。
本発明では、このような効率低下をも回避できることとなる。
本発明では、このような効率低下をも回避できることとなる。
本発明による電源装置は、
太陽電池により発電された電力と、他の電源装置からの電力とを電力合成装置により合成し、前記合成された電力を負荷側に送出する電源装置であり、
前記太陽電池を構成する複数の太陽電池セルの組み合わせ状態を変更することで、前記太陽電池の出力電圧を可変とし、前記他の電源装置の出力電圧に前記太陽電池の出力電圧をあわせ、太陽電池の最大効率での利用を可能としてなり、
太陽電池セルの接続枚数を異ならせた太陽電池セルの直列接続回路を複数種類形成し、前記形成した複数種類の太陽電池セル直列接続回路を流れる電流値を各々検出し、検出した電流値を直列接続した太陽電池セルの枚数で割った値が最大となる前記太陽電池セル直列接続回路を判定し、該判定した前記直列接続回路を太陽電池の略最大効率での利用となる接続枚数の直列接続回路としてなる、
ことを特徴とし、
または、
太陽電池により発電された電力と、他の電源装置からの電力とを電力合成装置により合成し、前記合成された電力を負荷側に送出する電源装置であり、
前記太陽電池を構成する複数の太陽電池セルの組み合わせ状態を変更することで、前記太陽電池の出力電圧を可変とし、前記他の電源装置の出力電圧に前記太陽電池の出力電圧をあわせ、太陽電池の最大効率での利用を可能としてなり、
太陽電池セルの接続枚数を異ならせた太陽電池セルの直列接続回路を複数種類形成し、前記形成した複数種類の太陽電池セル直列接続回路を流れる電流値を各々検出し、検出した電流値を直列接続した太陽電池セルの枚数で割った値が最大となる前記太陽電池セル直列接続回路を判定し、該判定した前記直列接続回路を太陽電池の略最大効率での利用となる接続枚数の直列接続回路としてなり、
天候の変化により、前記複数種類形成した太陽電池セルの直列接続回路へ流れる電流値が変化したときには、前記の判定操作を繰り返し行い、前記天候の変化に対応した、太陽電池の最大効率での利用を自動的に連続して行う、
ことを特徴とするものである。
すなわち、従来では、太陽電池からの発電電力を測定し、その電力が最大になるように、電力変換回路などを用いて、太陽電池から取り出すときの電圧を調整するが、本発明においては、逆に、出力電圧にあわせて、太陽電池が最大効率で動作するよう、太陽電池側の組み合わせを変更するものである。また、太陽電池の配列を工夫することで、最大電力点への追従を可能とするものである。
太陽電池により発電された電力と、他の電源装置からの電力とを電力合成装置により合成し、前記合成された電力を負荷側に送出する電源装置であり、
前記太陽電池を構成する複数の太陽電池セルの組み合わせ状態を変更することで、前記太陽電池の出力電圧を可変とし、前記他の電源装置の出力電圧に前記太陽電池の出力電圧をあわせ、太陽電池の最大効率での利用を可能としてなり、
太陽電池セルの接続枚数を異ならせた太陽電池セルの直列接続回路を複数種類形成し、前記形成した複数種類の太陽電池セル直列接続回路を流れる電流値を各々検出し、検出した電流値を直列接続した太陽電池セルの枚数で割った値が最大となる前記太陽電池セル直列接続回路を判定し、該判定した前記直列接続回路を太陽電池の略最大効率での利用となる接続枚数の直列接続回路としてなる、
ことを特徴とし、
または、
太陽電池により発電された電力と、他の電源装置からの電力とを電力合成装置により合成し、前記合成された電力を負荷側に送出する電源装置であり、
前記太陽電池を構成する複数の太陽電池セルの組み合わせ状態を変更することで、前記太陽電池の出力電圧を可変とし、前記他の電源装置の出力電圧に前記太陽電池の出力電圧をあわせ、太陽電池の最大効率での利用を可能としてなり、
太陽電池セルの接続枚数を異ならせた太陽電池セルの直列接続回路を複数種類形成し、前記形成した複数種類の太陽電池セル直列接続回路を流れる電流値を各々検出し、検出した電流値を直列接続した太陽電池セルの枚数で割った値が最大となる前記太陽電池セル直列接続回路を判定し、該判定した前記直列接続回路を太陽電池の略最大効率での利用となる接続枚数の直列接続回路としてなり、
天候の変化により、前記複数種類形成した太陽電池セルの直列接続回路へ流れる電流値が変化したときには、前記の判定操作を繰り返し行い、前記天候の変化に対応した、太陽電池の最大効率での利用を自動的に連続して行う、
ことを特徴とするものである。
すなわち、従来では、太陽電池からの発電電力を測定し、その電力が最大になるように、電力変換回路などを用いて、太陽電池から取り出すときの電圧を調整するが、本発明においては、逆に、出力電圧にあわせて、太陽電池が最大効率で動作するよう、太陽電池側の組み合わせを変更するものである。また、太陽電池の配列を工夫することで、最大電力点への追従を可能とするものである。
本発明によれば、単純な構造の装置で、太陽電池を高い効率で利用することができる。また、太陽電池側の電力変換回路が不要であり、電力ロスが少なく、最大電力点の追従においても、複雑な処理を必要とせず、発電効率を低下させない。
また、他の電源と合成することにより、太陽電池の発電電力が減少した場合でも、安定した電力供給が可能となるとの優れた効果を奏する。
また、他の電源と合成することにより、太陽電池の発電電力が減少した場合でも、安定した電力供給が可能となるとの優れた効果を奏する。
以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
図８に、本発明の構成例の全体図を示す。ここで、太陽電池スイッチ回路１とは、図５の構成のように、太陽電池を構成する複数の太陽電池のセル２・・・・とこれらセルの接続を変更できるスイッチ３・・・・などとを有して構成され、スイッチ３等により太陽電池のセル２・・・・の接続を変更することができるものとなっている。
図８に、本発明の構成例の全体図を示す。ここで、太陽電池スイッチ回路１とは、図５の構成のように、太陽電池を構成する複数の太陽電池のセル２・・・・とこれらセルの接続を変更できるスイッチ３・・・・などとを有して構成され、スイッチ３等により太陽電池のセル２・・・・の接続を変更することができるものとなっている。
１．変更可能な太陽電池のセル２の構成
太陽電池（パネル）は、多数の小さな太陽電池のセル２・・・・により構成されている。ここで、太陽電池の単体、すなわち、太陽電池のセル２は、多結晶あるいは単結晶のシリコン太陽電池や、アモルファス太陽電池などの種類があり、最大電力となる出力電圧は太陽電池の種類によって多少異なる。一般に使用されている太陽電池パネルは、これら太陽電池のセル２・・・・を直列・並列に接続することで、電流と電圧を確保している。
太陽電池（パネル）は、多数の小さな太陽電池のセル２・・・・により構成されている。ここで、太陽電池の単体、すなわち、太陽電池のセル２は、多結晶あるいは単結晶のシリコン太陽電池や、アモルファス太陽電池などの種類があり、最大電力となる出力電圧は太陽電池の種類によって多少異なる。一般に使用されている太陽電池パネルは、これら太陽電池のセル２・・・・を直列・並列に接続することで、電流と電圧を確保している。
たとえば、最大電力となる条件での出力が0.5V、100mAとなる太陽電池のセル２を４個直列に接続すると、2V、100mAの電圧を得ることができる（図１）。
また、同じ太陽電池のセル２を、２個直列に、これを２セット並列接続すると、同じ枚数の太陽電池でありながら、１V、200mAの電圧となる。
また、太陽電池のセル２を４枚すべて並列に接続すれば、電圧は0.5Vであるが、電流は400mA取り出すことができる。
また、同じ太陽電池のセル２を、２個直列に、これを２セット並列接続すると、同じ枚数の太陽電池でありながら、１V、200mAの電圧となる。
また、太陽電池のセル２を４枚すべて並列に接続すれば、電圧は0.5Vであるが、電流は400mA取り出すことができる。
このように、接続方法により、約0.5V単位で電圧を設定することが可能である。ただし、すべての太陽電池のセル２を無駄なく利用するためには、接続方法が制限される。４枚の太陽電池のセル２であれば、この４枚の太陽電池のセル２をすべて使った構成は、４枚直列（図１）、２枚直並列（図２）、４枚並列（図３）、の３種類となり、電圧はそれぞれ2V、1V、0.5Vとなる。
このような接続変更をスイッチ３により行う場合、図４のようになる。このように接続することで、図１〜図３のすべての接続を、スイッチ３を切り替えることで実現することができる。
このような接続変更をスイッチ３により行う場合、図４のようになる。このように接続することで、図１〜図３のすべての接続を、スイッチ３を切り替えることで実現することができる。
図５に、N枚接続した例を示す。
スイッチ３（SW1a,SW1b,SW1c,…,SWNa,SWNb,SWNc）を切り替えることで、太陽電池のセル３（１〜N）について、接続を変更することが可能である。
スイッチ３（SW1a,SW1b,SW1c,…,SWNa,SWNb,SWNc）を切り替えることで、太陽電池のセル３（１〜N）について、接続を変更することが可能である。
たとえば、スイッチ３のSW1a,SW1cをONとし、SW1bをOFFとし、同様に、SW2a,SW2cはON、SW2bはOFF、SW３以降SWNまでも同様にON・OFFを設定すれば（図６（ａ））、端子A〜端子B間に太陽電池のセル２が１枚接続される（図６（ｂ）と等価）。
図７（ａ）のようにスイッチ３を操作すれば、端子A〜端子B間には、太陽電池のセル２が２枚直列にしたものが接続されることになる（図７（ｂ）と等価）。
図７（ａ）のようにスイッチ３を操作すれば、端子A〜端子B間には、太陽電池のセル２が２枚直列にしたものが接続されることになる（図７（ｂ）と等価）。
このように、端子A〜端子Bの間に接続される太陽電池のセル２の数は、スイッチ３により自由に設定できる。電圧は、太陽電池のセル２の電圧（一般に0.5V）×（端子A〜端子Bの間に入れる太陽電池のセル２の枚数）であり、約0.5V単位で設定することが可能である。
ただし、太陽電池のセル２をすべて無駄なく使うためには、太陽電池のセル２の総数が、端子A〜端子Bの間に入れるセルの枚数の倍数になっていなければならない。
なお、ここで、スイッチ３には、リレーや半導体スイッチング素子（トランジスタやFETなど）などのような、外部から制御可能なスイッチ素子を使用すると、動的に接続を変更することが可能となる。
なお、ここで、スイッチ３には、リレーや半導体スイッチング素子（トランジスタやFETなど）などのような、外部から制御可能なスイッチ素子を使用すると、動的に接続を変更することが可能となる。
図８に、本発明による回路例（全体図）を示してさらに説明する。
ここで、符号Dは、逆流防止部材であり、図８では逆流防止用ダイオ−ドを使用している。しかし、半導体スイッチ（FETなど）のスイッチング素子を使用した、前記逆流防止用ダイオ−ドと同様の動作をする回路でもかまわない。
また、電源５は、低インピ−ダンスの電源であるとし、太陽電池の発電電力が足りない場合は、電源５のほうから電力が負荷４側に供給されることとなる。
ここで、符号Dは、逆流防止部材であり、図８では逆流防止用ダイオ−ドを使用している。しかし、半導体スイッチ（FETなど）のスイッチング素子を使用した、前記逆流防止用ダイオ−ドと同様の動作をする回路でもかまわない。
また、電源５は、低インピ−ダンスの電源であるとし、太陽電池の発電電力が足りない場合は、電源５のほうから電力が負荷４側に供給されることとなる。
なお、図５のスイッチ３についても、リレーなどのような機械的なスイッチだけではなく、半導体スイッチを使って構成することも可能である。
なお、図５の回路を、図１４のように、Ｄ１〜ＤＮの逆流防止ダイオ−ド（これについても、半導体スイッチ（FETなど）のスイッチング素子を使用した、前記逆流防止用ダイオ−ドDと同様の動作をする回路でもかまわない）を入れることができる（このようにすることで、一部の太陽電池が陰になった場合の効率低下をおさえることができる）。
なお、図５の回路を、図１４のように、Ｄ１〜ＤＮの逆流防止ダイオ−ド（これについても、半導体スイッチ（FETなど）のスイッチング素子を使用した、前記逆流防止用ダイオ−ドDと同様の動作をする回路でもかまわない）を入れることができる（このようにすることで、一部の太陽電池が陰になった場合の効率低下をおさえることができる）。
また、電流を確認するために、電流計Ａを取り付けることができる。ここで、逆流防止ダイオ−ド、電流計、スイッチ（SW1a〜SWNa）の順番を変えても動作には差し支えない（Ａ側にではなくＢ側に入れることも可能）。
図１４のように、太陽電池側に逆流防止装置を入れている場合は、図８の太陽電池スイッチ回路１側の逆流防止部材Ｄ、すなわち逆流防止用ダイオ−ドは不要であり、省略することができる。
図１４のように、太陽電池側に逆流防止装置を入れている場合は、図８の太陽電池スイッチ回路１側の逆流防止部材Ｄ、すなわち逆流防止用ダイオ−ドは不要であり、省略することができる。
ここで、太陽電池のセル２の構成と、電圧および電流について、例をあげて説明する。0.5V、100mAのセル２が１０枚あれば、電圧は、0.5V〜5Vまで、0.5V単位で設定可能である。取り出せる電圧と電流を表にすると、次のようになる。
たとえば、セル２が１０枚あった場合に、4.5Vを取り出すためには、９枚直列接続すればよいが、このとき、セル２が１枚余ることになる。表の「セル余り」に、このようなセル２の余りの数を示している。また、この表の「効率」は、セル余りにより、発電に寄与しないセル２の発電量を差し引いた発電量の割合を示している。セル２の直列枚数が１枚、２枚、５枚、１０枚の時には余りは発生しないため、１００％となる。
発電電圧がVpv（Ｖ）、このときの電流がIpv（Ａ）のセル２がＮ枚あり、これをＸ枚直列に接続した場合は、下記の式のように求めることができる。
２．太陽電池の最大効率点の設定法
図８において、電源５の電圧が決まった場合、太陽電池スイッチ回路１側の構成を変更して、最大効率となる電圧を、電源５の電圧にあわせる。
ただし、太陽電池スイッチ回路１側は、図５に示す構成になっているものとし、太陽電池のセル２の最大効率点となる電圧はあらかじめわかっているものとする（ここでは、例として0.5Vとしてある）。
図８において、電源５の電圧が決まった場合、太陽電池スイッチ回路１側の構成を変更して、最大効率となる電圧を、電源５の電圧にあわせる。
ただし、太陽電池スイッチ回路１側は、図５に示す構成になっているものとし、太陽電池のセル２の最大効率点となる電圧はあらかじめわかっているものとする（ここでは、例として0.5Vとしてある）。
前記の１．で説明したように、太陽電池のセル２の組み合わせ構成を変更することで、最大電力となる電圧を約0.5V単位で変更することが可能である。
たとえば、電源５が１０Vであるなら、太陽電池スイッチ回路１側においては、太陽電池のセル２は、0.5V×２０枚＝１０Vとなるので、図５のA〜B間に２０枚の太陽電池のセル２が直列になるように構成すればよい。
たとえば、電源５が１０Vであるなら、太陽電池スイッチ回路１側においては、太陽電池のセル２は、0.5V×２０枚＝１０Vとなるので、図５のA〜B間に２０枚の太陽電池のセル２が直列になるように構成すればよい。
図９に太陽電池の出力特性（出力電圧と電力の関係）を示しているが、同じ太陽電池について、出力電圧と出力電流の関係を図１２に示す。
負荷が小さい（負荷に流れる電流が小さい）場合は、出力電圧が高くなり、負荷が大きい（出力電流が大きい）場合は、出力電圧が小さくなる。
図９より、太陽電池の出力電圧がＶｐのとき、出力電力は最大であり、図１２より、このときの電流はＩｐであることがわかる。
負荷が小さい（負荷に流れる電流が小さい）場合は、出力電圧が高くなり、負荷が大きい（出力電流が大きい）場合は、出力電圧が小さくなる。
図９より、太陽電池の出力電圧がＶｐのとき、出力電力は最大であり、図１２より、このときの電流はＩｐであることがわかる。
出力電力が最大となる電圧Ｖｐが１０Ｖであると仮定する。
出力電流がIpより小さい場合は、出力電圧は１０Vよりも高くなる。したがって、逆流防止用ダイオ−ドの働きにより、電源５からは電流は流れない。一方、出力電流がIpよりも大きくなると、電源５から電流が流れるが、電源５は充分にインピ−ダンスの低い電源であるため、１０V以下にはならない。
したがって、太陽電池から見た負荷４の電圧は１０Vであり、太陽電池の特性の曲線より、負荷１０Vのときの電流Ipが流れることになる。また、これはすなわち太陽電池の最大出力の動作点でもあるのである。
出力電流がIpより小さい場合は、出力電圧は１０Vよりも高くなる。したがって、逆流防止用ダイオ−ドの働きにより、電源５からは電流は流れない。一方、出力電流がIpよりも大きくなると、電源５から電流が流れるが、電源５は充分にインピ−ダンスの低い電源であるため、１０V以下にはならない。
したがって、太陽電池から見た負荷４の電圧は１０Vであり、太陽電池の特性の曲線より、負荷１０Vのときの電流Ipが流れることになる。また、これはすなわち太陽電池の最大出力の動作点でもあるのである。
このようにして、低電流領域では太陽電池側の電力が優先され、負荷が大きい（出力電流が大きい）場合は、太陽電池側からは常にIpの電流が流れ、不足する分のみが電源５から供給されることとなる。
このようにして、太陽電池の電力使用において最大効率となる条件を実現することができることになる。
このようにして、太陽電池の電力使用において最大効率となる条件を実現することができることになる。
ところで、電源５には、たとえば、交流の商用電源を整流・平滑した電源などを使用することができる。
たとえば、１００Vの交流商用電源を整流・平滑すると、約１４０Vの直流電源となり、この場合は、同じ電圧の太陽電池を使うとすると、280枚の太陽電池のセル２が直列になるようにすればよい、ということになる。
なお、２０Ｖの電源を使用する例を図１３に示す。
たとえば、１００Vの交流商用電源を整流・平滑すると、約１４０Vの直流電源となり、この場合は、同じ電圧の太陽電池を使うとすると、280枚の太陽電池のセル２が直列になるようにすればよい、ということになる。
なお、２０Ｖの電源を使用する例を図１３に示す。
ここで、太陽電池のセル２が１枚のときの最大電力点の電圧・電流がそれぞれ0.5V、100mAである太陽電池のセル２を８０枚使用することを考える。
図８などで示す電源５の電圧を２０Ｖとすると、太陽電池のセル２を４０枚直列にすることで、太陽電池側の最大電力点となる電圧を２０Ｖとすることができる。太陽電池のセル２は８０枚あるので、これを２組構成することができ、これを並列に接続することで、最大電力点において、２０Ｖ、２００ｍＡの電流を得ることができることになる。
この例を図１２に当てはめて説明すると、図１２で示すＩpは２００ｍＡであり、出力電流が２００ｍＡより小さい場合は、太陽電池側の出力電圧は２０V（＝Ｖｐ）よりも高くなる。したがって、逆流防止用ダイオ−ドDの働きにより、電源５からは電流は流れない。
図８などで示す電源５の電圧を２０Ｖとすると、太陽電池のセル２を４０枚直列にすることで、太陽電池側の最大電力点となる電圧を２０Ｖとすることができる。太陽電池のセル２は８０枚あるので、これを２組構成することができ、これを並列に接続することで、最大電力点において、２０Ｖ、２００ｍＡの電流を得ることができることになる。
この例を図１２に当てはめて説明すると、図１２で示すＩpは２００ｍＡであり、出力電流が２００ｍＡより小さい場合は、太陽電池側の出力電圧は２０V（＝Ｖｐ）よりも高くなる。したがって、逆流防止用ダイオ−ドDの働きにより、電源５からは電流は流れない。
一方、出力電流が２００ｍＡよりも大きくなると、電源５から電流が流れるが、電源５は充分にインピ−ダンスの低い電源であるため、２０V以下にはならない。
したがって、太陽電池側から見た負荷４の電圧は２０Vであり、太陽電池の特性の曲線より、負荷２０Vのときの電流２００ｍＡがながれることになる。また、これはすなわち太陽電池の最大出力の動作点でもあるのである。
このようにして、低電流領域では太陽電池側の電力が優先され、負荷４が大きい（出力電流が大きい）場合は、太陽電池側からは常に２００ｍＡの電流が流れ、不足する分のみが電源５から供給されることとなるのである。
したがって、太陽電池側から見た負荷４の電圧は２０Vであり、太陽電池の特性の曲線より、負荷２０Vのときの電流２００ｍＡがながれることになる。また、これはすなわち太陽電池の最大出力の動作点でもあるのである。
このようにして、低電流領域では太陽電池側の電力が優先され、負荷４が大きい（出力電流が大きい）場合は、太陽電池側からは常に２００ｍＡの電流が流れ、不足する分のみが電源５から供給されることとなるのである。
３．電流測定によるいわゆる太陽電池の最大電力点追従制御
図１４のように電流計Ａを接続している場合、太陽電池の特性を知らなくても、また、電源５および太陽電池の電圧を測定する必要もなく、電流値と、スイッチ回路による太陽電池の構成変更のみによって、簡単に最大電力点追従制御を行うことができる。
図１４のように電流計Ａを接続している場合、太陽電池の特性を知らなくても、また、電源５および太陽電池の電圧を測定する必要もなく、電流値と、スイッチ回路による太陽電池の構成変更のみによって、簡単に最大電力点追従制御を行うことができる。
以下、図にもとづいて説明する。
直列に接続する枚数を変えた時の発電電力の変化を調べるために、ある１列について太陽電池の枚数を１枚多く、別な１列について、太陽電池の枚数を１枚少なく接続する（図１０）。
なお、ここでは、見やすくするために、スイッチ設定の状態を配線で表現している。また、図８における、逆流防止部材Ｄおよび電源５、負荷４の部分を、図１０においては「出力回路」としている。Ａ〜Ｂ間の電圧をVABとし、各電流計Ａ・・・の測定値をI1〜I7とする。また、太陽電池の個体差はないものとする。また、受光量・温度はすべての太陽電池において同じであるものとする。
直列に接続する枚数を変えた時の発電電力の変化を調べるために、ある１列について太陽電池の枚数を１枚多く、別な１列について、太陽電池の枚数を１枚少なく接続する（図１０）。
なお、ここでは、見やすくするために、スイッチ設定の状態を配線で表現している。また、図８における、逆流防止部材Ｄおよび電源５、負荷４の部分を、図１０においては「出力回路」としている。Ａ〜Ｂ間の電圧をVABとし、各電流計Ａ・・・の測定値をI1〜I7とする。また、太陽電池の個体差はないものとする。また、受光量・温度はすべての太陽電池において同じであるものとする。
電流I3が流れる経路において、同じ特性の太陽電池が４枚直列に接続されており、両端の電圧は VABなので、太陽電池１枚あたりの電圧V3は、
となる。
また、電流値はＩ３なので、この列における太陽電池１枚あたりの発電電力Ｐ3は、
となる。
なお、Ｉ３について説明したが、Ｉ４〜Ｉ７についても同様であり、したがって、点線内に示されるどの太陽電池についても、１枚あたりの発電電力はＰ3に等しい。
なお、Ｉ３について説明したが、Ｉ４〜Ｉ７についても同様であり、したがって、点線内に示されるどの太陽電池についても、１枚あたりの発電電力はＰ3に等しい。
同様にして、Ｉ１およびＩ２の経路における太陽電池１枚あたりの発電電力（P1およびP2とする）を求める。
Ｉ１では太陽電池は５枚直列になっており、Ｉ２では３枚直列になっているので、それぞれの列における太陽電池１枚あたりの電圧Ｖ１およびＶ２は次のようになる。
Ｉ１では太陽電池は５枚直列になっており、Ｉ２では３枚直列になっているので、それぞれの列における太陽電池１枚あたりの電圧Ｖ１およびＶ２は次のようになる。
このことから、それぞれの列での太陽電池１枚あたりの発電電力は次のようになる。
このようにして、１枚多く接続した場合、１枚少なく接続した場合の１枚あたりの発電電力を求めることができる。
ここで、Ｐ3は４枚直列にした場合の太陽電池１枚あたりの発電電力であり、Ｐ１は５枚直列にした場合の太陽電池１枚あたりの発電電力、Ｐ２は３枚直列にした場合の太陽電池１枚あたりの発電電力を示していることになる。
整理すると、次のようになる。
整理すると、次のようになる。
ここでVABは共通なので、Ｐ3、Ｐ１、Ｐ２の大小は、I3/4、I1/5、I2/3の大小と等価であり、電流値と直列接続の枚数のみ（電流値を直列枚数で割った値）で、太陽電池１枚あたりの発電電力を比較することができることがわかる。
このように、直列接続の枚数について、１枚多く構成した列、１枚少なく構成した列を用意することで、１枚増やした方が、太陽電池１枚あたりの発電量が大きくなるのか、あるいは１枚減らしたほうが大きくなるのか、それとも、変えない方がよいのか、ということを判定することができる。
このように、直列接続の枚数について、１枚多く構成した列、１枚少なく構成した列を用意することで、１枚増やした方が、太陽電池１枚あたりの発電量が大きくなるのか、あるいは１枚減らしたほうが大きくなるのか、それとも、変えない方がよいのか、ということを判定することができる。
その結果、最も大きな値となる直列数を太陽電池全体の構成に反映させることで、より発電電力の大きい状態にすることができ、この操作を繰り返し行うことで、最適な状態に達することができる。すなわち、最大電力点に到達することが可能である。
しかも、このとき、すべての構成を変更するのではなく、ごく一部（２列）のみ変更することで判定できるので、全体の発電効率をほとんど損なうことなく、より最適な直列枚数を選択することができる。また、山登り法などの手法では、ある条件での測定と、次の別な条件での測定との間にタイムラグが存在するため、その間に日照量が変化すると、正しい追従ができなくなってしまうが、本手法では同時刻での電力比較が可能なため、タイムラグが存在せず、天候（日照量）が急速に変化しているような状況でも、正しく最大電力点への追従が可能となる。
しかも、このとき、すべての構成を変更するのではなく、ごく一部（２列）のみ変更することで判定できるので、全体の発電効率をほとんど損なうことなく、より最適な直列枚数を選択することができる。また、山登り法などの手法では、ある条件での測定と、次の別な条件での測定との間にタイムラグが存在するため、その間に日照量が変化すると、正しい追従ができなくなってしまうが、本手法では同時刻での電力比較が可能なため、タイムラグが存在せず、天候（日照量）が急速に変化しているような状況でも、正しく最大電力点への追従が可能となる。
なお、説明では、太陽電池を４枚直列になっている状態から、３枚および５枚直列の構成を作ることで最大電力点への追従ができることを示したが、直列数が４枚以外の場合についても、同様のことがいえる。
４．電源電圧の変動への対応
本発明による手法では、電源５の電圧が変動した場合でも問題なく動作する。
先の説明において、Ｐ３、Ｐ１、Ｐ２の比較を行ったが、それぞれの式からわかるように、これらの電力の大小は電源電圧に影響されない。そのため、電源電圧が変動した場合でも、常に現在の電圧に対し最適な直列枚数を検出することが可能である。
本発明による手法では、電源５の電圧が変動した場合でも問題なく動作する。
先の説明において、Ｐ３、Ｐ１、Ｐ２の比較を行ったが、それぞれの式からわかるように、これらの電力の大小は電源電圧に影響されない。そのため、電源電圧が変動した場合でも、常に現在の電圧に対し最適な直列枚数を検出することが可能である。
５．構成の変更
太陽電池の構成変更を行う例を図１１に示す。制御装置には、ワンチップマイコンなどを、スイッチには、ラッチングタイプのリレーを使用ことができる。電流測定値を制御装置で受け取り、その値にしたがってスイッチのＯＮおよびＯＦＦを制御することで、先に説明したように太陽電池の構成を変更する。
太陽電池の構成変更を行う例を図１１に示す。制御装置には、ワンチップマイコンなどを、スイッチには、ラッチングタイプのリレーを使用ことができる。電流測定値を制御装置で受け取り、その値にしたがってスイッチのＯＮおよびＯＦＦを制御することで、先に説明したように太陽電池の構成を変更する。
６．効率
本発明において、接続方法（設定電圧）によっては太陽電池（セル）の余りが発生する場合がある（式３）。ただし、これは計算可能な値であり、最大電力点追従において、この値を考慮することで、本手法における最大の効率を実現することができる。
本発明において、接続方法（設定電圧）によっては太陽電池（セル）の余りが発生する場合がある（式３）。ただし、これは計算可能な値であり、最大電力点追従において、この値を考慮することで、本手法における最大の効率を実現することができる。
例えば、最大電力点追従の例と同様に、
太陽電池（セル）をＸ枚直列にしたときの１枚あたりの電力値をＰ3、
太陽電池（セル）をＸ＋１枚直列にしたときの１枚あたりの電力値をＰ１、
太陽電池（セル）をＸ−１枚直列にしたときの１枚あたりの電力値をＰ２
としたとき、それぞれの接続にしたときの太陽電池（セル）の有効枚数は次のようになるので、
太陽電池（セル）をＸ枚直列にしたときの１枚あたりの電力値をＰ3、
太陽電池（セル）をＸ＋１枚直列にしたときの１枚あたりの電力値をＰ１、
太陽電池（セル）をＸ−１枚直列にしたときの１枚あたりの電力値をＰ２
としたとき、それぞれの接続にしたときの太陽電池（セル）の有効枚数は次のようになるので、
このとき、全体の発電電力（それぞれＱ3、Ｑ１、Ｑ２とすると）について求めると、以下のようになる。
で求めることができる。最終的に、この値が最大になるように接続を変更すればよい、ということになる。この場合も、それぞれの式の中のＰ3、Ｐ１、Ｐ２のかわりに、I3/X、I1/(X+1)、I2/(X−1)を代入して使用しても大小関係は変わらないので、これで求めることができる。
具体的には、定期的に直列枚数を＋１および−１した列を作り、それぞれについて上記の値を計算し、最も高い値となる条件を選択して全体の構成とすればよい。例えば、直列枚数を＋１したときの値が最も大きければ、直列枚数を＋１した構成にし、逆に、直列枚数を−１したときの値が大きくなれば、直列枚数を−１した構成に、もとの直列枚数での計算結果が最も大きければ、そのままの状態を維持すればよい。
この様に、本発明では、太陽電池の最大効率での利用が行える様、すなわち太陽電池の最大電力点の探索において、従来利用されている山登り法などのように、異なる条件での測定（動作）をさせる必要がないため、高い電力効率を維持することができる。
そして、前記最大電力点の探索において、電流のみ測定すればよく、電圧を測定する必要がない。
さらに、太陽電池およびスイッチ回路と、他の電源のみで構成可能であり、電源回路（スイッチングレギュレ−タ−などの電源装置）を必要としないものである。
また、従来の山登り法などでは、測定と測定との間にタイムラグがあるため、急速な天候の変化においては、正しい最大電力点への追従ができない場合がありうるが、本発明では、そのようなタイムラグは存在しないため、急速な天候の変化においても安定して最大電力点への追従が可能である。
さらに、太陽電池およびスイッチ回路と、他の電源のみで構成可能であり、電源回路（スイッチングレギュレ−タ−などの電源装置）を必要としないものである。
また、従来の山登り法などでは、測定と測定との間にタイムラグがあるため、急速な天候の変化においては、正しい最大電力点への追従ができない場合がありうるが、本発明では、そのようなタイムラグは存在しないため、急速な天候の変化においても安定して最大電力点への追従が可能である。
なお、太陽電池のセル２の総数が多く、出力電圧が低い場合、セル２の余りの影響は少ないが、セル２の総数が少なかったり、出力電圧が高かったりする場合は、セル２の余りの数が最大電力点の追従に影響を及ぼす可能性がある。つまり、図９のように、山がひとつのグラフであれば、先に説明した方法で追従可能であるが、セル２の余りの影響で、山が二つ以上になる場合は、低い方の山にとどまってしまい、もっとも
高い山（最大電力点）に到達できない可能性がある。
高い山（最大電力点）に到達できない可能性がある。
この場合は、先に、セル２の余り数を考慮に入れないで（電流と枚数のみで）最大電流となるな直列数への変更を行い、次に、そのセル２の直列数から、セル２の数の余りがなくなる直列数までの各枚数において電流値を調べることで、全体をそれぞれの枚数にしたときに、最も総電力の大きい条件を求めることができ、最大電力点への追従を行うことができる。
１ 太陽電池スイッチ回路
２ 太陽電池のセル
３ スイッチ
４ 負荷
５ 電源
Ｄ 逆流防止部材
Ａ 電流計
２ 太陽電池のセル
３ スイッチ
４ 負荷
５ 電源
Ｄ 逆流防止部材
Ａ 電流計
Claims (2)
- 太陽電池により発電された電力と、他の電源装置からの電力とを電力合成装置により合成し、前記合成された電力を負荷側に送出する電源装置であり、
前記太陽電池を構成する複数の太陽電池セルの組み合わせ状態を変更することで、前記太陽電池の出力電圧を可変とし、前記他の電源装置の出力電圧に前記太陽電池の出力電圧をあわせ、太陽電池の最大効率での利用を可能としてなり、
太陽電池セルの接続枚数を異ならせた太陽電池セルの直列接続回路を複数種類形成し、前記形成した複数種類の太陽電池セル直列接続回路を流れる電流値を各々検出し、検出した電流値を直列接続した太陽電池セルの枚数で割った値が最大となる前記太陽電池セル直列接続回路を判定し、該判定した前記直列接続回路を太陽電池の略最大効率での利用となる接続枚数の直列接続回路としてなる、
ことを特徴とする電源回路。
- 太陽電池により発電された電力と、他の電源装置からの電力とを電力合成装置により合成し、前記合成された電力を負荷側に送出する電源装置であり、
前記太陽電池を構成する複数の太陽電池セルの組み合わせ状態を変更することで、前記太陽電池の出力電圧を可変とし、前記他の電源装置の出力電圧に前記太陽電池の出力電圧をあわせ、太陽電池の最大効率での利用を可能としてなり、
太陽電池セルの接続枚数を異ならせた太陽電池セルの直列接続回路を複数種類形成し、前記形成した複数種類の太陽電池セル直列接続回路を流れる電流値を各々検出し、検出した電流値を直列接続した太陽電池セルの枚数で割った値が最大となる前記太陽電池セル直列接続回路を判定し、該判定した前記直列接続回路を太陽電池の略最大効率での利用となる接続枚数の直列接続回路としてなり、
天候の変化により、前記複数種類形成した太陽電池セルの直列接続回路へ流れる電流値が変化したときには、前記の判定操作を繰り返し行い、前記天候の変化に対応した、太陽電池の最大効率での利用を自動的に連続して行う、
ことを特徴とする電源装置。
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