JP5738383B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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)。
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)。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
整理すると、次のようになる。
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。
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。
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。
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。
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。
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、
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。
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。
高い山(最大電力点)に到達できない可能性がある。
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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