JP3930999B2 - 太陽電池制御装置及び太陽光発電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、気象や温度等によりその出力電力が刻々と変化する太陽電池から常時、最大電力値を取り出し得るよう制御するための最大電力点追尾機能を有する太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池を用いた発電装置の開発が進んでおり、太陽電池の発電した直流電力を効率よく負荷や既存の電力系統に与えるための研究が広く行われている。
【０００３】
一般に、太陽電池の出力電力特性は気象（日射量）や温度等の環境条件によって変化する。すなわち、環境条件によって出力電力が最大となるときの出力電圧及び出力電流の値が変化するのである。よって、太陽電池を最も有効に利用するためには、常に最大電力を出力するよう太陽電池の出力電圧または出力電流を制御する最大電力点追尾機能が必要となる。
【０００４】
図７は、従来の最大電力点追尾機能を有する太陽光発電装置ＳＴ５を示したものである。この太陽光発電装置ＳＴ５は、太陽電池ＰＶ２と、負荷ＬＤとを備えている。そしてさらに太陽光発電装置ＳＴ５は、ノードＮ４，Ｎ５において太陽電池ＰＶ２の出力端に、ノードＮ６，Ｎ７において負荷ＬＤの入力端にそれぞれ接続されて太陽電池ＰＶ２の出力電力を負荷ＬＤに伝達する電力変換手段ＩＶを備え、また、ノードＮ４，Ｎ５間の太陽電池ＰＶ２の出力電圧を信号Ｓ２として出力する電圧検出手段ＶＤ２と、信号Ｓ２を得て太陽電池ＰＶ２の現在の最大電力点を検出し、太陽電池ＰＶ２をその最大電力点の下で動作させるよう電力変換手段ＩＶに制御信号Ｓ１を与える出力電圧制御手段ＣＴ２とを備えている。
【０００５】
この太陽光発電装置ＳＴ５の動作を、太陽電池の一般的な出力電力―出力電圧特性を示した図８を用いて説明する。図８に示すとおり、太陽電池の出力電力―出力電圧特性は、出力電圧が零から増大するにつれて出力電力が増加し、ピークとなる最大電力点Ｐ１を越えると出力電力が急激に減少する、というものである。よって、太陽電池から最大電力を取り出すためには、最大電力点Ｐ１に対応する出力電圧Ｖ１に一致するよう太陽電池の出力電圧を制御すればよい。
【０００６】
太陽光発電装置ＳＴ５の場合、例えば電力変換手段ＩＶとしてＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータを採用し、それらの有するスイッチング素子のゲートパルスのデューティ比を変化させることによって太陽電池ＰＶ２の出力電圧を任意の値に制御することが可能である。つまり、出力電圧制御手段ＣＴ２が、電圧検出手段ＶＤ２を介して太陽電池ＰＶ２の最大電力点を検出し、太陽電池ＰＶ２の出力電圧を最大電力点に対応する値に一致させるように、デューティ比を変化させる制御信号Ｓ１を電力変換手段ＩＶに送ることで、太陽電池ＰＶ２から最大電力を取り出すことが可能となる。
【０００７】
ここで、太陽電池ＰＶ２の最大電力点に対応する出力電圧の値を出力電圧制御手段ＣＴ２が検出する手法の一例を示す。まず、太陽電池ＰＶ２の出力電圧が低めの値（例えば図８の動作点Ｐ２に対応する電圧値）となるよう、出力電圧制御手段ＣＴ２の制御信号Ｓ１を設定しておく。次に、制御信号Ｓ１を変化させて太陽電池ＰＶ２の出力電圧を徐々に高くしてゆく。このとき出力電圧制御手段ＣＴ２は、電圧検出手段ＶＤ２の出力する信号Ｓ２から太陽電池ＰＶ２の出力電圧の値を得て、出力電圧が微小量変化するごとに出力電力を計算する。そしてそれとともに、出力電力の変化量を出力電圧の変化量で除した値、すなわち出力電力を出力電圧で微分した値の近似値をも計算する。
【０００８】
このようにすれば、出力電力を出力電圧で微分した値の近似値が正から負に転じたときに最大電力点Ｐ１を越えたと判断できる。すなわち、そのときの出力電圧の値が最大電力点Ｐ１に対応する値である。よって、太陽電池ＰＶ２がこの出力電圧値を発生するように制御信号Ｓ１を電力変換手段ＩＶに与えれば、太陽電池ＰＶ２から最大電力が取り出せることになる。
【０００９】
上記の手法は、動作点がＰ２からＰ１へと山を昇るように変化することから「山登り法」と呼ばれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
先述のように、最大電力点Ｐ１は環境条件によって時々刻々と変化する。よって従来の太陽光発電装置ＳＴ５では、常時、太陽電池から最大電力を取り出すために、山登り法のような検出動作が頻繁に行われていた。
【００１１】
しかし、上記の太陽光発電装置ＳＴ５でそのような検出動作を頻繁に行うと、環境条件にほとんど変化がなく太陽電池がほぼ一定の電力を出力することが可能な場合であっても、太陽電池の出力電圧及び出力電力を絶えず変動させてしまうことになる。そのため、太陽光発電装置全体の動作の安定度が損なわれる可能性があり、また、負荷ＬＤが商用周波電力系統である場合には電力系統全体に対しても安定度の低下をもたらす可能性があった。
【００１２】
またさらに、先述の山登り法自身にも問題が存在する。例えば太陽電池の受光面の一部が日陰となった場合などには、太陽電池の出力電力−出力電圧特性が、図８ではなく図９に示すグラフのようになる場合がある。図９では、出力電圧の値がＶ３のときに一つの出力電力のピークＰ５を有し、さらに、出力電圧の値がＶ２のときにＰ５よりも大きな値の出力電力のピークＰ４を有している。もしこのような出力電力−出力電圧特性のもとで山登り法を行えば、真の最大電力点である動作点Ｐ４を検出する前に、誤って動作点Ｐ５を最大電力点であると認識し、太陽電池の出力電圧の値をＶ２ではなくＶ３に設定してしまう可能性がある。
【００１３】
この発明は、上記の問題に鑑みて、太陽電池の出力電圧及び出力電力を不必要に変動させずに、かつ、太陽電池の出力電力−出力電圧特性が複数のピークを有する場合であっても正確に最大電力点を検出することが可能な、最大電力点追尾機能を有する太陽光発電装置を実現するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明のうち請求項１にかかるものは、第１の太陽電池と、前記第１の太陽電池に並列に接続された第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサの一端に接続された一端及び他端を有するスイッチと、前記スイッチの前記他端に接続された一端及び前記コンデンサの他端に接続された他端を有する抵抗と、前記スイッチを制御して前記第１の太陽電池の最大電力点に対応する出力電圧を検出する出力電圧制御手段とを備える太陽電池制御装置である。
【００１５】
そして前記第１の太陽電池の前記最大電力点は所定の範囲内にあることが既知であり、前記抵抗は、前記スイッチがオンして前記第１の太陽電池と前記第１のコンデンサと前記抵抗とが第１の定常状態にあるときに、前記第１の太陽電池の出力電圧が前記所定の範囲の下限よりも低くなる値を有し、前記出力電圧制御手段は、前記第１の太陽電池の出力電圧及び前記出力電力を検出しつつ、前記第１の定常状態から前記スイッチをオフして前記第１の太陽電池と前記第１のコンデンサとを第２の定常状態へと移行させる第１の動作、及び前記第２の定常状態から前記スイッチをオフして前記第１の定常状態へと移行させる第２の動作を行って、前記第１及び第２の動作のいずれにおいても前記第１の太陽電池の出力電圧及び出力電力の経時変化を求めることによって前記第１の太陽電池の前記最大電力点に対応する出力電圧を検出する。
【００１６】
この発明のうち請求項２にかかるものは、請求項１記載の太陽電池制御装置であって、前記抵抗に並列接続された第２のコンデンサをさらに備える。
【００１７】
この発明のうち請求項３にかかるものは、請求項１または請求項２記載の太陽電池制御装置と、前記第１の太陽電池の前記最大電力点と一定の関係を有する最大電力点を有し、前記第１の太陽電池と同じ環境条件に置かれた第２の太陽電池と、負荷と、前記第２の太陽電池の出力電圧を、前記第１の太陽電池の前記最大電力点に対応する出力電圧と前記一定の関係とに基づいて制御しつつ、前記負荷に伝達する電力変換手段とを備える太陽光発電装置である。
【００１８】
この発明のうち請求項４にかかるものは、請求項３記載の太陽光発電装置であって、前記第１の太陽電池は、複数の同特性の第３の太陽電池を直列に接続したものであり、前記第３の太陽電池の各々が、前記第２の太陽電池と絶縁されつつ前記第２の太陽電池の各部分と同じ環境条件に置かれている。
【００１９】
この発明のうち請求項５にかかるものは、請求項１または請求項２記載の太陽電池制御装置と、負荷と、前記第１の太陽電池の出力電圧を、前記第１の太陽電池の前記最大電力点に対応する出力電圧に基づいて制御しつつ、前記負荷に伝達する電力変換手段とを備える太陽光発電装置である。
【００２０】
この発明のうち請求項６にかかるものは、請求項５記載の太陽光発電装置であって、前記電力変換手段から前記太陽電池制御装置への電力の逆流を阻止する電力逆流阻止手段をさらに備える。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる太陽光発電装置ＳＴ１を示したものである。この太陽光発電装置ＳＴ１は、太陽電池ＰＶ２と、負荷の一例として交流負荷ＬＤ１とを備えている。そしてさらに太陽光発電装置ＳＴ１は、ノードＮ４において太陽電池ＰＶ２の正極に、ノードＮ５において太陽電池ＰＶ２の負極に、ノードＮ６，Ｎ７において交流負荷ＬＤ１の入力端にそれぞれ接続されて太陽電池ＰＶ２の出力電力を交流負荷ＬＤ１に伝達する電力変換手段の一例として電圧形インバータＩＶ１を備え、また、信号Ｓ２を出力し、太陽電池ＰＶ２の出力電力−出力電圧特性を検出するために用いられる特性検出手段ＣＤ１と、信号Ｓ２を受信し、特性検出手段ＣＤ１に制御信号Ｓ３を与え、太陽電池ＰＶ２を最大電力点の下で動作させるよう電圧形インバータＩＶ１に制御信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄを与える出力電圧制御手段ＣＴ１とを備えている。
【００２２】
なお、特性検出手段ＣＤ１は、特性検出用太陽電池ＰＶ１と、ノードＮ１，Ｎ２において特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力端にその両端が接続されたコンデンサＣ１と、ノードＮ１，Ｎ２間の特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧を信号Ｓ２として出力電圧制御手段ＣＴ１に出力する電圧検出手段ＶＤ１と、一端がノードＮ１に接続され、出力電圧制御手段ＣＴ１からの制御信号Ｓ３によりオンオフするスイッチＳＷと、一端がスイッチＳＷの他端に接続され、他端がノードＮ２に接続された抵抗ＲＳとを有している。
【００２３】
ここで太陽電池ＰＶ２は、特性検出用太陽電池ＰＶ１とほぼ同様の特性を有するものを例えば直列にＮ（Ｎ≧１を満たす整数）個接続して構成されたものであり、また、太陽電池ＰＶ２と特性検出用太陽電池ＰＶ１とは、日射量や温度等の環境条件が等しくなるよう、例えば両者が同一平面上に近接して設置されている。なお出力電圧の数値例としては、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧を例えば１０Ｖ程度とした場合、太陽電池ＰＶ２の出力電圧が２００Ｖ程度となるようにする。
【００２４】
なお、電圧形インバータＩＶ１は周知の構造と同じものであり、両端がノードＮ４，Ｎ５に接続されたコンデンサＣ２と、コレクタがノードＮ４に、エミッタがノードＮ７にそれぞれ接続されたトランジスタＴ１と、コレクタがノードＮ７に、エミッタがノードＮ５にそれぞれ接続されたトランジスタＴ２と、コレクタがノードＮ４に、エミッタがノードＮ６にそれぞれ接続されたトランジスタＴ３と、コレクタがノードＮ６に、エミッタがノードＮ５にそれぞれ接続されたトランジスタＴ４とを有し、直流電力を交流電力に変換する。なお、トランジスタＴ１〜Ｔ４の各ゲートには、制御信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄの各信号が与えられている。
【００２５】
以下に、この太陽光発電装置ＳＴ１の動作について図８を用いて説明する。
【００２６】
まず最初に、出力電圧制御手段ＣＴ１は、スイッチＳＷがオフとなるよう制御信号Ｓ３を設定する。するとコンデンサＣ１は、その両端の電圧が特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大発電可能電圧近くになるまで充電されて定常状態に至る（なお、特性検出用太陽電池ＰＶ１の内部抵抗が存在するため、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大発電可能電圧までは充電されない）。つまり、この定常状態での特性検出用太陽電池ＰＶ１の状態は、図８に示した出力電力−出力電圧特性の動作点Ｐ３に相当する。
【００２７】
そして、出力電圧制御手段ＣＴ１は、信号Ｓ２によってコンデンサＣ１の充電を検知してスイッチＳＷがオンとなるよう制御信号Ｓ３を設定する。すると、コンデンサＣ１と抵抗ＲＳとの並列接続が特性検出用太陽電池ＰＶ１にとっての新たな負荷となるので、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧はこの負荷に対応する他の定常状態へと移行することになる。抵抗ＲＳへと特性検出用太陽電池ＰＶ１から電流が流れるので、特性検出用太陽電池ＰＶ１の内部抵抗により特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧、すなわちノードＮ１，Ｎ２間の電圧は低下する。この際、コンデンサＣ１に蓄積された電荷の一部も抵抗ＲＳへと流れるので、ノードＮ１，Ｎ２間の電圧は、急峻にではなくコンデンサＣ１の容量値と抵抗ＲＳの抵抗値とで定まる時定数で変動する。よって、予め抵抗ＲＳの値を小さく調整しておけば、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧が図８における電圧Ｖ１よりも低い値となり、動作点Ｐ３から最大電力点Ｐ１を経て動作点Ｐ２へと所定の時定数で至るようにすることができる。なお、通常は最大電力点Ｐ１の位置は、ある程度の範囲内に収まっていることが既知であるので、抵抗ＲＳの値は、スイッチＳＷをオンして定常状態にしたときに動作点Ｐ２がこの範囲よりもグラフ上で左側に存在する程度に、小さく設定することができる。そして、コンデンサＣ１の容量値は、後述するサンプリング時間の間隔よりも時定数が大きくなるように設定される。
【００２８】
そして、出力電圧制御手段ＣＴ１は信号Ｓ２によってコンデンサＣ１の両端の電圧の低下を検知して、再びスイッチＳＷがオフとなるよう制御信号Ｓ３を設定し、コンデンサＣ１を充電して特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧の値を増加させる。すなわち、動作点Ｐ２の定常状態から最大電力点Ｐ１を経て動作点Ｐ３の定常状態にまで戻す。
【００２９】
以上のようなスイッチＳＷのオンオフの動作を繰り返すことで、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力及び出力電圧が、最大電力点Ｐ１を含む広い範囲の出力電力−出力電圧特性を何度も描くことになる。つまりこれによって、環境条件により時々刻々と変化する出力電力−出力電圧特性及び最大電力点Ｐ１の最新の情報を採取することができる。なお、スイッチＳＷのオンオフのスイッチング周波数をコンデンサＣ１の容量値と抵抗ＲＳの抵抗値とで定まる時定数の逆数よりも小さく、例えば数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度にしておけば、環境条件の時間変化には充分に対応できる。
【００３０】
また以上のことは、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力−出力電圧特性が図９に示すような複数のピークを有する形状やその他の形状になった場合であっても、同様に当てはまる。
【００３１】
さて特性検出手段ＣＤ１にこのような動作をさせている間、出力電圧制御手段ＣＴ１では、電圧検出手段ＶＤ１の出力する信号Ｓ２から特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧の値を微小時間ごとにサンプリングしており、それとともに各サンプリング時点において出力電力を計算している。このときのサンプリング周波数はコンデンサＣ１の容量値と抵抗ＲＳの抵抗値とで定まる時定数の逆数よりも大きく、例えば数百Ｈｚとしておけばよい。なお、出力電力は出力電圧と出力電流との積で求めることができるので、計算は以下のようにして行う。
【００３２】
まず特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電流は、スイッチＳＷがオフの場合は、
【００３３】
【数１】
【００３４】
で表される。ここで、ｉは出力電流を、ｖは出力電圧を、ｔは時間を、Ｃ1はコンデンサＣ１の容量をそれぞれ表している。よって、このときの出力電力をｐとすれば、
【００３５】
【数２】
【００３６】
として特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力を計算することが可能である。ここで、Δｖは一つ前のサンプリング時点と現在のサンプリング時点との間の出力電圧ｖの変化量を、Δｔはサンプリングの時間間隔をそれぞれ表している。
【００３７】
またスイッチＳＷがオンの場合、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電流は数１と同様に、
【００３８】
【数３】
【００３９】
で表される。ここで、Ｒは抵抗ＲＳの抵抗値を表している。よって、このときの出力電力ｐは、
【００４０】
【数４】
【００４１】
として計算することが可能である。
【００４２】
すると、スイッチＳＷがオンまたはオフするごとに、出力電圧制御手段ＣＴ１において特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力−出力電圧特性の数値データが得られることになる。よってそのデータから、そのとき採取した出力電力−出力電圧特性の最大電力点及び最大電力点に対応する出力電圧値が判明する。
【００４３】
さて太陽電池ＰＶ２は、特性検出用太陽電池ＰＶ１と同特性の太陽電池をＮ個直列に接続したものであって同じ環境条件下に置かれているので、その出力電力−出力電圧特性は、図８に示したグラフと同じ形で、縦軸、横軸をともにＮ倍しただけのものとなる。よって、太陽電池ＰＶ２の最大電力点と特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点とは一定の関係を有することになり、そのため、太陽電池ＰＶ２の最大電力点に対応する出力電圧値は、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点に対応する出力電圧値をＮ倍した値に一致する。
【００４４】
そこで、太陽電池ＰＶ２の出力電圧が、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点に対応する出力電圧値をＮ倍した値となるように、電圧形インバータＩＶ１の各トランジスタＴ１〜Ｔ４を動作させればよい。すなわち出力電圧制御手段ＣＴ１が、各トランジスタＴ１〜Ｔ４のオン期間を計算して、各トランジスタＴ１〜Ｔ４が上記の動作をするように制御信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄを与える。
【００４５】
本実施の形態にかかる太陽光発電装置ＳＴ１を用いれば、従来の太陽光発電装置ＳＴ５の場合と異なり、特性検出手段ＣＤ１を用いて太陽電池ＰＶ２の最大電力点及び最大電力点に対応する出力電圧を検出するので、太陽電池ＰＶ２の出力電圧及び出力電力を不必要に変動させることがなく、そのため太陽光発電装置全体の動作の安定度を損なうことがない。また、山登り法のように出力電力を出力電圧で微分した値の近似値を用いるのではなく、広い範囲の出力電力−出力電圧特性の数値データを採取した上で最大電力点を検出するので、出力電力−出力電圧特性が複数のピークを有する場合であっても、正確に最大電力点を検出することが可能である。
【００４６】
なお、図１のうちノードＮ２をノードＮ５と共通にして図２に示すような回路構成にしたとしても、上記の説明は全てそのまま当てはまり、動作上支障が生じることはない。図２のようにすれば、ノードＮ５とノードＮ２とのそれぞれに固定電位を与える必要がなくなる、必要配線数が削減できる、といった利点が生まれる。
【００４７】
また上記の説明では、太陽電池ＰＶ２は、特性検出用太陽電池ＰＶ１とほぼ同様の特性を有するものがＮ個直列に接続されて構成されていたが、この他にも直並列構造のものであってもよい。
【００４８】
さらに、上記の説明では負荷として交流負荷を用い、電力変換手段として電圧形インバータを用いていたが、例えば他に、負荷として直流負荷を採用する場合には、電力変換手段として昇降圧形チョッパなどのＤＣ／ＤＣコンバータを用いればよい。
【００４９】
なお、特性検出用太陽電池ＰＶ１については、例えば図３に示すように複数の同特性の太陽電池を直列に接続したものを用いてもよい。図３では、回路的に太陽電池ＰＶ２と絶縁されつつ太陽電池ＰＶ２が設けられたパネルの各部分に配置された複数の太陽電池ＰＶ１ａ〜ＰＶ１ｄを直列接続したものが、全体として一つの特性検出用太陽電池ＰＶ１を構成している。
【００５０】
もし特性検出用太陽電池ＰＶ１が一つの太陽電池しか有していなかったとすると、例えば、太陽電池ＰＶ２の受光面の一部は日陰になるが特性検出用太陽電池ＰＶ１の受光面が日陰にならないという状況になった場合に、太陽電池ＰＶ２の出力電力−出力電圧特性は変化するにもかかわらず、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力−出力電圧特性にその変化が反映されないことになる。
【００５１】
よって、図３のように太陽電池ＰＶ２の各部分に分散して太陽電池ＰＶ１ａ〜ＰＶ１ｄを配置しておれば、太陽電池ＰＶ２の受光面の環境条件の変化が、特性検出用太陽電池ＰＶ１でも検出できることになる。すなわち、太陽電池ＰＶ２がその各部分で異なる環境条件となった場合であっても、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点が、太陽電池ＰＶ２の最大電力点との一定の関係を保つようにすることができる。ただしこの場合、特性検出用太陽電池ＰＶ１が複数の同特性の太陽電池の直列接続から構成されているので、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点に対応する出力電圧値をＮ倍して太陽電池ＰＶ２の出力電圧とするのではなく、Ｎ／（特性検出用太陽電池ＰＶ１の有する太陽電池の数）倍して太陽電池ＰＶ２の出力電圧とする必要がある。
【００５２】
さて、本実施の形態と類似した技術思想として、特開平８−２９７５１６号公報に記載の太陽光発電装置がある。この技術を太陽光発電装置ＳＴ２として図４に示す。太陽光発電装置ＳＴ２は、太陽電池１と、負荷４と、太陽電池１の動作電圧を所望の電圧に変換しＰＷＭ制御する制御部２と、制御部２へ太陽電池１の最大電力点検出動作を指令するとともに最大電力点での動作電圧を指令する演算部３とを備え、太陽電池１と制御部２との間にスイッチ５、コンデンサ６及び抵抗７をさらに備えている。なお、制御部２はスイッチ５に対し、コンデンサ６を太陽電池１に並列に接続するか、放電のためにコンデンサ６を抵抗７に接続するかを切り替える制御信号１１を与える。
【００５３】
この太陽光発電装置ＳＴ２の動作は以下のようなものである。すなわち、コンデンサ６が太陽電池１に並列に接続されているときに、演算部３が、太陽電池１の出力電圧をサンプリングして、各サンプリング値とその時間微分値とから出力電力を計算し、太陽電池１の出力電力−出力電圧特性の数値データを得る。そして、演算部３はそのデータから、そのとき採取した出力電力−出力電圧特性の最大電力点に対応する出力電圧値を太陽電池１が出力するよう制御部２へと制御信号９，１０を送信する。そしてその後、コンデンサ６を抵抗７に接続してコンデンサ６に蓄積した電荷を放電させる。このような特性検出動作を頻繁に繰り返し、太陽電池１から常に最大電力を取り出すようにする。
【００５４】
この特開平８−２９７５１６号公報に記載の太陽光発電装置と本実施の形態にかかる太陽光発電装置とは、太陽電池と並列接続されたコンデンサの端子電圧を利用して太陽電池の出力電力−出力電圧特性を求め最大電力点を検出する、という発想においては類似しているものの、以下に示すような大きな差異が存在する。
【００５５】
まず、太陽光発電装置ＳＴ２ではコンデンサ６がスイッチ５によって太陽電池１に接続されたりされなかったりするが、本実施の形態にかかる太陽光発電装置ＳＴ１ではコンデンサＣ１が常に特性検出用太陽電池ＰＶ１に接続されている。そのため、太陽光発電装置ＳＴ２では、コンデンサ６を抵抗７に接続してコンデンサ６に蓄積した電荷を放電させている間は、太陽電池１の最大電力点を検出することはできない。一方、太陽光発電装置ＳＴ１では、コンデンサＣ１の両端の電圧は、常に特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧を示しているので、スイッチＳＷがオンであってもオフであっても特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点を検出することが可能である。すると、太陽光発電装置ＳＴ１と太陽光発電装置ＳＴ２との間で、同一回数分だけ太陽電池の出力電力−出力電圧特性を求めるのに、スイッチＳＷのオンオフのスイッチング周波数は、スイッチ５のスイッチング周波数の半分でよいことになる。スイッチング周波数を低く抑えることができると、出力電圧制御手段ＣＴ１での制御が容易になる、という利点がある。
【００５６】
また、スイッチＳＷのスイッチング周波数をスイッチ５のスイッチング周波数と同じ値にした場合には、太陽光発電装置ＳＴ２では一回しか最大電力点を検出できないところを、太陽光発電装置ＳＴ１では最大電力点を二回検出できるので、最大電力点の時間変化をより正確に捉えることが可能となる。
【００５７】
また、太陽光発電装置ＳＴ２では、特性を検出するためのコンデンサ６が直接、太陽電池１に接続されるので、コンデンサ６の検出動作が太陽電池１の出力電力に対して変動等の悪影響を与える可能性がないとはいえない。一方、太陽光発電装置ＳＴ１では、特性検出手段ＣＤ１が太陽電池ＰＶ２を含む主回路側と回路的に分離されているので、特性検出手段ＣＤ１での検出動作が主回路の太陽電池ＰＶ２の出力電力に対して悪影響を与える可能性はほとんどない。
【００５８】
さて、主回路の太陽電池とは別に特性検出用太陽電池を設けた太陽光発電装置の他の例として、例えば特開平６−１３１０６５号公報に記載の技術がある。しかし、この公報に記載の技術では制御信号Ｓ１に相当する信号を計算する際に主回路側から電流を抽出しているので、やはり太陽電池の特性検出動作が主回路の太陽電池の出力電力に対して悪影響を与える可能性がないとはいえない。
【００５９】
なお、本実施の形態を変形して、特性検出用太陽電池ＰＶ１を用いずに直接、太陽電池ＰＶ２の特性を検出することも不可能ではない。図５は、その場合の変形例である太陽光発電装置ＳＴ３を示したものである。この太陽光発電装置ＳＴ３は、太陽光発電装置ＳＴ１における特性検出手段ＣＤ１の代わりに、特性検出用太陽電池ＰＶ１を除去して、ノードＮ１をノードＮ４と共通にし、ノードＮ２をノードＮ５と共通にした構造の特性検出手段ＣＤ２を備えるものである。さらに太陽光発電装置ＳＴ４は、ノードＮ４にアノードが接続され、インバータＩＶ１のトランジスタＴ１のコレクタにカソードが接続されたダイオードＤＩをも備えている。このダイオードＤＩは、太陽電池ＰＶ２の出力電圧が小さくなってしまった場合に、コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーが太陽電池ＰＶ２またはコンデンサＣ１または抵抗ＲＳへと逆流して最大電力点を誤検知するのを防止する目的で挿入されている。
【００６０】
特性検出手段ＣＤ２を直接、太陽電池ＰＶ２に接続しても支障がないことが明らかな場合には、このような簡易な回路構成にしてもよい。
【００６１】
実施の形態２．
図６は、本実施の形態にかかる太陽光発電装置ＳＴ３を示したものである。この太陽光発電装置ＳＴ３は、太陽光発電装置ＳＴ１にさらに、抵抗ＲＳに並列に接続されたコンデンサＣ３を加えたものである。この太陽光発電装置ＳＴ３も、太陽光発電装置ＳＴ１とほぼ同様の動作を行う。
【００６２】
ただし、コンデンサＣ３が追加されていることから、スイッチＳＷがオンの場合の特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電流は、数３の代わりに、
【００６３】
【数５】
【００６４】
で計算される。ここで、Ｃ3はコンデンサＣ３の容量値を表している。よって、このときの出力電力ｐは、数４の代わりに、
【００６５】
【数６】
【００６６】
として計算される。
【００６７】
また、スイッチＳＷがオフのときには、コンデンサＣ３が追加されているので、抵抗ＲＳにはコンデンサＣ３からの放電電流が流れることになる。
【００６８】
本実施の形態にかかる太陽光発電装置を用いれば、スイッチＳＷのオンオフにかかわらず、常に抵抗ＲＳに電流を流し続けられるので、抵抗ＲＳで消費される電力の全部または一部を、例えば出力電圧制御回路ＣＴ１の直流電源用電力として有効に活用することが可能となる。そうすれば、太陽光発電装置ＳＴ３全体としての電力効率が上昇する。
【００６９】
さらに例えば、太陽電池ＰＶ２から出力電圧制御回路ＣＴ１の直流電源用電力を得るとすれば、そのために太陽電池ＰＶ２の２００Ｖ程度の出力電圧に耐え得る高耐圧の半導体素子を用いた降圧回路が必要となる。しかし、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧は１０Ｖ程度であるので、高耐圧素子を備えない簡単な降圧回路を使用することができる。
【００７０】
【発明の効果】
この発明のうち請求項１にかかる太陽電池制御装置を用いれば、第１のコンデンサの両端には常時第１の太陽電池の出力電圧が与えられているので、スイッチがオンする期間においても、オフする期間においても、第１の太陽電池の最大電力点を検出することが可能となる。
【００７１】
そして最大電力点を含む範囲の第１の太陽電池の出力電力−出力電圧特性が判明するので、環境条件により時々刻々と変化する最大電力点の最新の情報を採取することができる。さらに、第１の太陽電池の出力電力−出力電圧特性が複数のピークを有する形状やその他の形状になった場合であっても、最大電力点を正確に検出することができる。また、第１及び第２の動作を行うので第１の太陽電池の最大電力点の時間変化を正確に捉えることができ、スイッチのスイッチング周波数を高くする必要がなく、出力電圧制御手段の制御が容易である。
【００７２】
この発明のうち請求項２にかかる太陽電池制御装置を用いれば、スイッチのオンオフにかかわらず、常に抵抗に電流を流し続けられるので、抵抗で消費される電力の全部または一部を有効に活用することが可能となる。例えば、出力電圧制御手段に活用することができる。
【００７３】
この発明のうち請求項３にかかる太陽光発電装置を用いれば、第１の太陽電池を用いて第２の太陽電池の最大電力点に対応する出力電圧が検出されるので、第２の太陽電池の出力電圧及び出力電力を不必要に変動させることなく、常時その最大電力下で動作させることができる。従って動作が安定しつつ最大電力を供給する太陽光発電を行うことができる。
【００７４】
この発明のうち請求項４にかかる太陽光発電装置を用いれば、第２の太陽電池がその各部分で異なる環境条件となった場合であっても、第１の太陽電池の最大電力点が第２の太陽電池の最大電力点との関係を一定に保つようにすることができる。
【００７５】
この発明のうち請求項５にかかる太陽光発電装置を用いれば、簡易な回路構成で、最大電力を得るための制御を行って太陽光発電を行うことができる。
【００７６】
この発明のうち請求項６にかかる太陽光発電装置を用いれば、第１の太陽電池の出力電圧が小さくなった場合であっても、太陽電池制御装置の誤動作を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１の太陽光発電装置を示す回路図である。
【図２】 この発明の実施の形態１の太陽光発電装置の変形例を示す回路図である。
【図３】 この発明の実施の形態１の太陽光発電装置に用いられる太陽電池ＰＶ２と特性検出用太陽電池ＰＶ１の物理的配置例を示した図である。
【図４】 従来の太陽光発電装置を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態１の太陽光発電装置の変形例を示す回路図である。
【図６】 この発明の実施の形態２の太陽光発電装置を示す回路図である。
【図７】 従来の太陽光発電装置を示す図である。
【図８】 太陽電池の出力電力−出力電圧特性を示す図である。
【図９】 太陽電池の出力電力−出力電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
ＰＶ１ 特性検出用太陽電池、ＰＶ２ 太陽電池、ＶＤ１，ＶＤ２ 電圧検出手段、Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ、ＲＳ 抵抗、ＳＷ スイッチ、ＣＤ 特性検出手段、ＣＴ１ 出力電圧制御手段、ＩＶ１ 電圧形インバータ、ＬＤ１ 交流負荷。
【発明の属する技術分野】
この発明は、気象や温度等によりその出力電力が刻々と変化する太陽電池から常時、最大電力値を取り出し得るよう制御するための最大電力点追尾機能を有する太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池を用いた発電装置の開発が進んでおり、太陽電池の発電した直流電力を効率よく負荷や既存の電力系統に与えるための研究が広く行われている。
【０００３】
一般に、太陽電池の出力電力特性は気象（日射量）や温度等の環境条件によって変化する。すなわち、環境条件によって出力電力が最大となるときの出力電圧及び出力電流の値が変化するのである。よって、太陽電池を最も有効に利用するためには、常に最大電力を出力するよう太陽電池の出力電圧または出力電流を制御する最大電力点追尾機能が必要となる。
【０００４】
図７は、従来の最大電力点追尾機能を有する太陽光発電装置ＳＴ５を示したものである。この太陽光発電装置ＳＴ５は、太陽電池ＰＶ２と、負荷ＬＤとを備えている。そしてさらに太陽光発電装置ＳＴ５は、ノードＮ４，Ｎ５において太陽電池ＰＶ２の出力端に、ノードＮ６，Ｎ７において負荷ＬＤの入力端にそれぞれ接続されて太陽電池ＰＶ２の出力電力を負荷ＬＤに伝達する電力変換手段ＩＶを備え、また、ノードＮ４，Ｎ５間の太陽電池ＰＶ２の出力電圧を信号Ｓ２として出力する電圧検出手段ＶＤ２と、信号Ｓ２を得て太陽電池ＰＶ２の現在の最大電力点を検出し、太陽電池ＰＶ２をその最大電力点の下で動作させるよう電力変換手段ＩＶに制御信号Ｓ１を与える出力電圧制御手段ＣＴ２とを備えている。
【０００５】
この太陽光発電装置ＳＴ５の動作を、太陽電池の一般的な出力電力―出力電圧特性を示した図８を用いて説明する。図８に示すとおり、太陽電池の出力電力―出力電圧特性は、出力電圧が零から増大するにつれて出力電力が増加し、ピークとなる最大電力点Ｐ１を越えると出力電力が急激に減少する、というものである。よって、太陽電池から最大電力を取り出すためには、最大電力点Ｐ１に対応する出力電圧Ｖ１に一致するよう太陽電池の出力電圧を制御すればよい。
【０００６】
太陽光発電装置ＳＴ５の場合、例えば電力変換手段ＩＶとしてＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータを採用し、それらの有するスイッチング素子のゲートパルスのデューティ比を変化させることによって太陽電池ＰＶ２の出力電圧を任意の値に制御することが可能である。つまり、出力電圧制御手段ＣＴ２が、電圧検出手段ＶＤ２を介して太陽電池ＰＶ２の最大電力点を検出し、太陽電池ＰＶ２の出力電圧を最大電力点に対応する値に一致させるように、デューティ比を変化させる制御信号Ｓ１を電力変換手段ＩＶに送ることで、太陽電池ＰＶ２から最大電力を取り出すことが可能となる。
【０００７】
ここで、太陽電池ＰＶ２の最大電力点に対応する出力電圧の値を出力電圧制御手段ＣＴ２が検出する手法の一例を示す。まず、太陽電池ＰＶ２の出力電圧が低めの値（例えば図８の動作点Ｐ２に対応する電圧値）となるよう、出力電圧制御手段ＣＴ２の制御信号Ｓ１を設定しておく。次に、制御信号Ｓ１を変化させて太陽電池ＰＶ２の出力電圧を徐々に高くしてゆく。このとき出力電圧制御手段ＣＴ２は、電圧検出手段ＶＤ２の出力する信号Ｓ２から太陽電池ＰＶ２の出力電圧の値を得て、出力電圧が微小量変化するごとに出力電力を計算する。そしてそれとともに、出力電力の変化量を出力電圧の変化量で除した値、すなわち出力電力を出力電圧で微分した値の近似値をも計算する。
【０００８】
このようにすれば、出力電力を出力電圧で微分した値の近似値が正から負に転じたときに最大電力点Ｐ１を越えたと判断できる。すなわち、そのときの出力電圧の値が最大電力点Ｐ１に対応する値である。よって、太陽電池ＰＶ２がこの出力電圧値を発生するように制御信号Ｓ１を電力変換手段ＩＶに与えれば、太陽電池ＰＶ２から最大電力が取り出せることになる。
【０００９】
上記の手法は、動作点がＰ２からＰ１へと山を昇るように変化することから「山登り法」と呼ばれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
先述のように、最大電力点Ｐ１は環境条件によって時々刻々と変化する。よって従来の太陽光発電装置ＳＴ５では、常時、太陽電池から最大電力を取り出すために、山登り法のような検出動作が頻繁に行われていた。
【００１１】
しかし、上記の太陽光発電装置ＳＴ５でそのような検出動作を頻繁に行うと、環境条件にほとんど変化がなく太陽電池がほぼ一定の電力を出力することが可能な場合であっても、太陽電池の出力電圧及び出力電力を絶えず変動させてしまうことになる。そのため、太陽光発電装置全体の動作の安定度が損なわれる可能性があり、また、負荷ＬＤが商用周波電力系統である場合には電力系統全体に対しても安定度の低下をもたらす可能性があった。
【００１２】
またさらに、先述の山登り法自身にも問題が存在する。例えば太陽電池の受光面の一部が日陰となった場合などには、太陽電池の出力電力−出力電圧特性が、図８ではなく図９に示すグラフのようになる場合がある。図９では、出力電圧の値がＶ３のときに一つの出力電力のピークＰ５を有し、さらに、出力電圧の値がＶ２のときにＰ５よりも大きな値の出力電力のピークＰ４を有している。もしこのような出力電力−出力電圧特性のもとで山登り法を行えば、真の最大電力点である動作点Ｐ４を検出する前に、誤って動作点Ｐ５を最大電力点であると認識し、太陽電池の出力電圧の値をＶ２ではなくＶ３に設定してしまう可能性がある。
【００１３】
この発明は、上記の問題に鑑みて、太陽電池の出力電圧及び出力電力を不必要に変動させずに、かつ、太陽電池の出力電力−出力電圧特性が複数のピークを有する場合であっても正確に最大電力点を検出することが可能な、最大電力点追尾機能を有する太陽光発電装置を実現するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明のうち請求項１にかかるものは、第１の太陽電池と、前記第１の太陽電池に並列に接続された第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサの一端に接続された一端及び他端を有するスイッチと、前記スイッチの前記他端に接続された一端及び前記コンデンサの他端に接続された他端を有する抵抗と、前記スイッチを制御して前記第１の太陽電池の最大電力点に対応する出力電圧を検出する出力電圧制御手段とを備える太陽電池制御装置である。
【００１５】
そして前記第１の太陽電池の前記最大電力点は所定の範囲内にあることが既知であり、前記抵抗は、前記スイッチがオンして前記第１の太陽電池と前記第１のコンデンサと前記抵抗とが第１の定常状態にあるときに、前記第１の太陽電池の出力電圧が前記所定の範囲の下限よりも低くなる値を有し、前記出力電圧制御手段は、前記第１の太陽電池の出力電圧及び前記出力電力を検出しつつ、前記第１の定常状態から前記スイッチをオフして前記第１の太陽電池と前記第１のコンデンサとを第２の定常状態へと移行させる第１の動作、及び前記第２の定常状態から前記スイッチをオフして前記第１の定常状態へと移行させる第２の動作を行って、前記第１及び第２の動作のいずれにおいても前記第１の太陽電池の出力電圧及び出力電力の経時変化を求めることによって前記第１の太陽電池の前記最大電力点に対応する出力電圧を検出する。
【００１６】
この発明のうち請求項２にかかるものは、請求項１記載の太陽電池制御装置であって、前記抵抗に並列接続された第２のコンデンサをさらに備える。
【００１７】
この発明のうち請求項３にかかるものは、請求項１または請求項２記載の太陽電池制御装置と、前記第１の太陽電池の前記最大電力点と一定の関係を有する最大電力点を有し、前記第１の太陽電池と同じ環境条件に置かれた第２の太陽電池と、負荷と、前記第２の太陽電池の出力電圧を、前記第１の太陽電池の前記最大電力点に対応する出力電圧と前記一定の関係とに基づいて制御しつつ、前記負荷に伝達する電力変換手段とを備える太陽光発電装置である。
【００１８】
この発明のうち請求項４にかかるものは、請求項３記載の太陽光発電装置であって、前記第１の太陽電池は、複数の同特性の第３の太陽電池を直列に接続したものであり、前記第３の太陽電池の各々が、前記第２の太陽電池と絶縁されつつ前記第２の太陽電池の各部分と同じ環境条件に置かれている。
【００１９】
この発明のうち請求項５にかかるものは、請求項１または請求項２記載の太陽電池制御装置と、負荷と、前記第１の太陽電池の出力電圧を、前記第１の太陽電池の前記最大電力点に対応する出力電圧に基づいて制御しつつ、前記負荷に伝達する電力変換手段とを備える太陽光発電装置である。
【００２０】
この発明のうち請求項６にかかるものは、請求項５記載の太陽光発電装置であって、前記電力変換手段から前記太陽電池制御装置への電力の逆流を阻止する電力逆流阻止手段をさらに備える。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる太陽光発電装置ＳＴ１を示したものである。この太陽光発電装置ＳＴ１は、太陽電池ＰＶ２と、負荷の一例として交流負荷ＬＤ１とを備えている。そしてさらに太陽光発電装置ＳＴ１は、ノードＮ４において太陽電池ＰＶ２の正極に、ノードＮ５において太陽電池ＰＶ２の負極に、ノードＮ６，Ｎ７において交流負荷ＬＤ１の入力端にそれぞれ接続されて太陽電池ＰＶ２の出力電力を交流負荷ＬＤ１に伝達する電力変換手段の一例として電圧形インバータＩＶ１を備え、また、信号Ｓ２を出力し、太陽電池ＰＶ２の出力電力−出力電圧特性を検出するために用いられる特性検出手段ＣＤ１と、信号Ｓ２を受信し、特性検出手段ＣＤ１に制御信号Ｓ３を与え、太陽電池ＰＶ２を最大電力点の下で動作させるよう電圧形インバータＩＶ１に制御信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄを与える出力電圧制御手段ＣＴ１とを備えている。
【００２２】
なお、特性検出手段ＣＤ１は、特性検出用太陽電池ＰＶ１と、ノードＮ１，Ｎ２において特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力端にその両端が接続されたコンデンサＣ１と、ノードＮ１，Ｎ２間の特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧を信号Ｓ２として出力電圧制御手段ＣＴ１に出力する電圧検出手段ＶＤ１と、一端がノードＮ１に接続され、出力電圧制御手段ＣＴ１からの制御信号Ｓ３によりオンオフするスイッチＳＷと、一端がスイッチＳＷの他端に接続され、他端がノードＮ２に接続された抵抗ＲＳとを有している。
【００２３】
ここで太陽電池ＰＶ２は、特性検出用太陽電池ＰＶ１とほぼ同様の特性を有するものを例えば直列にＮ（Ｎ≧１を満たす整数）個接続して構成されたものであり、また、太陽電池ＰＶ２と特性検出用太陽電池ＰＶ１とは、日射量や温度等の環境条件が等しくなるよう、例えば両者が同一平面上に近接して設置されている。なお出力電圧の数値例としては、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧を例えば１０Ｖ程度とした場合、太陽電池ＰＶ２の出力電圧が２００Ｖ程度となるようにする。
【００２４】
なお、電圧形インバータＩＶ１は周知の構造と同じものであり、両端がノードＮ４，Ｎ５に接続されたコンデンサＣ２と、コレクタがノードＮ４に、エミッタがノードＮ７にそれぞれ接続されたトランジスタＴ１と、コレクタがノードＮ７に、エミッタがノードＮ５にそれぞれ接続されたトランジスタＴ２と、コレクタがノードＮ４に、エミッタがノードＮ６にそれぞれ接続されたトランジスタＴ３と、コレクタがノードＮ６に、エミッタがノードＮ５にそれぞれ接続されたトランジスタＴ４とを有し、直流電力を交流電力に変換する。なお、トランジスタＴ１〜Ｔ４の各ゲートには、制御信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄの各信号が与えられている。
【００２５】
以下に、この太陽光発電装置ＳＴ１の動作について図８を用いて説明する。
【００２６】
まず最初に、出力電圧制御手段ＣＴ１は、スイッチＳＷがオフとなるよう制御信号Ｓ３を設定する。するとコンデンサＣ１は、その両端の電圧が特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大発電可能電圧近くになるまで充電されて定常状態に至る（なお、特性検出用太陽電池ＰＶ１の内部抵抗が存在するため、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大発電可能電圧までは充電されない）。つまり、この定常状態での特性検出用太陽電池ＰＶ１の状態は、図８に示した出力電力−出力電圧特性の動作点Ｐ３に相当する。
【００２７】
そして、出力電圧制御手段ＣＴ１は、信号Ｓ２によってコンデンサＣ１の充電を検知してスイッチＳＷがオンとなるよう制御信号Ｓ３を設定する。すると、コンデンサＣ１と抵抗ＲＳとの並列接続が特性検出用太陽電池ＰＶ１にとっての新たな負荷となるので、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧はこの負荷に対応する他の定常状態へと移行することになる。抵抗ＲＳへと特性検出用太陽電池ＰＶ１から電流が流れるので、特性検出用太陽電池ＰＶ１の内部抵抗により特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧、すなわちノードＮ１，Ｎ２間の電圧は低下する。この際、コンデンサＣ１に蓄積された電荷の一部も抵抗ＲＳへと流れるので、ノードＮ１，Ｎ２間の電圧は、急峻にではなくコンデンサＣ１の容量値と抵抗ＲＳの抵抗値とで定まる時定数で変動する。よって、予め抵抗ＲＳの値を小さく調整しておけば、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧が図８における電圧Ｖ１よりも低い値となり、動作点Ｐ３から最大電力点Ｐ１を経て動作点Ｐ２へと所定の時定数で至るようにすることができる。なお、通常は最大電力点Ｐ１の位置は、ある程度の範囲内に収まっていることが既知であるので、抵抗ＲＳの値は、スイッチＳＷをオンして定常状態にしたときに動作点Ｐ２がこの範囲よりもグラフ上で左側に存在する程度に、小さく設定することができる。そして、コンデンサＣ１の容量値は、後述するサンプリング時間の間隔よりも時定数が大きくなるように設定される。
【００２８】
そして、出力電圧制御手段ＣＴ１は信号Ｓ２によってコンデンサＣ１の両端の電圧の低下を検知して、再びスイッチＳＷがオフとなるよう制御信号Ｓ３を設定し、コンデンサＣ１を充電して特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧の値を増加させる。すなわち、動作点Ｐ２の定常状態から最大電力点Ｐ１を経て動作点Ｐ３の定常状態にまで戻す。
【００２９】
以上のようなスイッチＳＷのオンオフの動作を繰り返すことで、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力及び出力電圧が、最大電力点Ｐ１を含む広い範囲の出力電力−出力電圧特性を何度も描くことになる。つまりこれによって、環境条件により時々刻々と変化する出力電力−出力電圧特性及び最大電力点Ｐ１の最新の情報を採取することができる。なお、スイッチＳＷのオンオフのスイッチング周波数をコンデンサＣ１の容量値と抵抗ＲＳの抵抗値とで定まる時定数の逆数よりも小さく、例えば数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度にしておけば、環境条件の時間変化には充分に対応できる。
【００３０】
また以上のことは、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力−出力電圧特性が図９に示すような複数のピークを有する形状やその他の形状になった場合であっても、同様に当てはまる。
【００３１】
さて特性検出手段ＣＤ１にこのような動作をさせている間、出力電圧制御手段ＣＴ１では、電圧検出手段ＶＤ１の出力する信号Ｓ２から特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧の値を微小時間ごとにサンプリングしており、それとともに各サンプリング時点において出力電力を計算している。このときのサンプリング周波数はコンデンサＣ１の容量値と抵抗ＲＳの抵抗値とで定まる時定数の逆数よりも大きく、例えば数百Ｈｚとしておけばよい。なお、出力電力は出力電圧と出力電流との積で求めることができるので、計算は以下のようにして行う。
【００３２】
まず特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電流は、スイッチＳＷがオフの場合は、
【００３３】
【数１】
で表される。ここで、ｉは出力電流を、ｖは出力電圧を、ｔは時間を、Ｃ1はコンデンサＣ１の容量をそれぞれ表している。よって、このときの出力電力をｐとすれば、
【００３５】
【数２】
として特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力を計算することが可能である。ここで、Δｖは一つ前のサンプリング時点と現在のサンプリング時点との間の出力電圧ｖの変化量を、Δｔはサンプリングの時間間隔をそれぞれ表している。
【００３７】
またスイッチＳＷがオンの場合、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電流は数１と同様に、
【００３８】
【数３】
で表される。ここで、Ｒは抵抗ＲＳの抵抗値を表している。よって、このときの出力電力ｐは、
【００４０】
【数４】
として計算することが可能である。
【００４２】
すると、スイッチＳＷがオンまたはオフするごとに、出力電圧制御手段ＣＴ１において特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力−出力電圧特性の数値データが得られることになる。よってそのデータから、そのとき採取した出力電力−出力電圧特性の最大電力点及び最大電力点に対応する出力電圧値が判明する。
【００４３】
さて太陽電池ＰＶ２は、特性検出用太陽電池ＰＶ１と同特性の太陽電池をＮ個直列に接続したものであって同じ環境条件下に置かれているので、その出力電力−出力電圧特性は、図８に示したグラフと同じ形で、縦軸、横軸をともにＮ倍しただけのものとなる。よって、太陽電池ＰＶ２の最大電力点と特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点とは一定の関係を有することになり、そのため、太陽電池ＰＶ２の最大電力点に対応する出力電圧値は、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点に対応する出力電圧値をＮ倍した値に一致する。
【００４４】
そこで、太陽電池ＰＶ２の出力電圧が、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点に対応する出力電圧値をＮ倍した値となるように、電圧形インバータＩＶ１の各トランジスタＴ１〜Ｔ４を動作させればよい。すなわち出力電圧制御手段ＣＴ１が、各トランジスタＴ１〜Ｔ４のオン期間を計算して、各トランジスタＴ１〜Ｔ４が上記の動作をするように制御信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄを与える。
【００４５】
本実施の形態にかかる太陽光発電装置ＳＴ１を用いれば、従来の太陽光発電装置ＳＴ５の場合と異なり、特性検出手段ＣＤ１を用いて太陽電池ＰＶ２の最大電力点及び最大電力点に対応する出力電圧を検出するので、太陽電池ＰＶ２の出力電圧及び出力電力を不必要に変動させることがなく、そのため太陽光発電装置全体の動作の安定度を損なうことがない。また、山登り法のように出力電力を出力電圧で微分した値の近似値を用いるのではなく、広い範囲の出力電力−出力電圧特性の数値データを採取した上で最大電力点を検出するので、出力電力−出力電圧特性が複数のピークを有する場合であっても、正確に最大電力点を検出することが可能である。
【００４６】
なお、図１のうちノードＮ２をノードＮ５と共通にして図２に示すような回路構成にしたとしても、上記の説明は全てそのまま当てはまり、動作上支障が生じることはない。図２のようにすれば、ノードＮ５とノードＮ２とのそれぞれに固定電位を与える必要がなくなる、必要配線数が削減できる、といった利点が生まれる。
【００４７】
また上記の説明では、太陽電池ＰＶ２は、特性検出用太陽電池ＰＶ１とほぼ同様の特性を有するものがＮ個直列に接続されて構成されていたが、この他にも直並列構造のものであってもよい。
【００４８】
さらに、上記の説明では負荷として交流負荷を用い、電力変換手段として電圧形インバータを用いていたが、例えば他に、負荷として直流負荷を採用する場合には、電力変換手段として昇降圧形チョッパなどのＤＣ／ＤＣコンバータを用いればよい。
【００４９】
なお、特性検出用太陽電池ＰＶ１については、例えば図３に示すように複数の同特性の太陽電池を直列に接続したものを用いてもよい。図３では、回路的に太陽電池ＰＶ２と絶縁されつつ太陽電池ＰＶ２が設けられたパネルの各部分に配置された複数の太陽電池ＰＶ１ａ〜ＰＶ１ｄを直列接続したものが、全体として一つの特性検出用太陽電池ＰＶ１を構成している。
【００５０】
もし特性検出用太陽電池ＰＶ１が一つの太陽電池しか有していなかったとすると、例えば、太陽電池ＰＶ２の受光面の一部は日陰になるが特性検出用太陽電池ＰＶ１の受光面が日陰にならないという状況になった場合に、太陽電池ＰＶ２の出力電力−出力電圧特性は変化するにもかかわらず、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電力−出力電圧特性にその変化が反映されないことになる。
【００５１】
よって、図３のように太陽電池ＰＶ２の各部分に分散して太陽電池ＰＶ１ａ〜ＰＶ１ｄを配置しておれば、太陽電池ＰＶ２の受光面の環境条件の変化が、特性検出用太陽電池ＰＶ１でも検出できることになる。すなわち、太陽電池ＰＶ２がその各部分で異なる環境条件となった場合であっても、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点が、太陽電池ＰＶ２の最大電力点との一定の関係を保つようにすることができる。ただしこの場合、特性検出用太陽電池ＰＶ１が複数の同特性の太陽電池の直列接続から構成されているので、特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点に対応する出力電圧値をＮ倍して太陽電池ＰＶ２の出力電圧とするのではなく、Ｎ／（特性検出用太陽電池ＰＶ１の有する太陽電池の数）倍して太陽電池ＰＶ２の出力電圧とする必要がある。
【００５２】
さて、本実施の形態と類似した技術思想として、特開平８−２９７５１６号公報に記載の太陽光発電装置がある。この技術を太陽光発電装置ＳＴ２として図４に示す。太陽光発電装置ＳＴ２は、太陽電池１と、負荷４と、太陽電池１の動作電圧を所望の電圧に変換しＰＷＭ制御する制御部２と、制御部２へ太陽電池１の最大電力点検出動作を指令するとともに最大電力点での動作電圧を指令する演算部３とを備え、太陽電池１と制御部２との間にスイッチ５、コンデンサ６及び抵抗７をさらに備えている。なお、制御部２はスイッチ５に対し、コンデンサ６を太陽電池１に並列に接続するか、放電のためにコンデンサ６を抵抗７に接続するかを切り替える制御信号１１を与える。
【００５３】
この太陽光発電装置ＳＴ２の動作は以下のようなものである。すなわち、コンデンサ６が太陽電池１に並列に接続されているときに、演算部３が、太陽電池１の出力電圧をサンプリングして、各サンプリング値とその時間微分値とから出力電力を計算し、太陽電池１の出力電力−出力電圧特性の数値データを得る。そして、演算部３はそのデータから、そのとき採取した出力電力−出力電圧特性の最大電力点に対応する出力電圧値を太陽電池１が出力するよう制御部２へと制御信号９，１０を送信する。そしてその後、コンデンサ６を抵抗７に接続してコンデンサ６に蓄積した電荷を放電させる。このような特性検出動作を頻繁に繰り返し、太陽電池１から常に最大電力を取り出すようにする。
【００５４】
この特開平８−２９７５１６号公報に記載の太陽光発電装置と本実施の形態にかかる太陽光発電装置とは、太陽電池と並列接続されたコンデンサの端子電圧を利用して太陽電池の出力電力−出力電圧特性を求め最大電力点を検出する、という発想においては類似しているものの、以下に示すような大きな差異が存在する。
【００５５】
まず、太陽光発電装置ＳＴ２ではコンデンサ６がスイッチ５によって太陽電池１に接続されたりされなかったりするが、本実施の形態にかかる太陽光発電装置ＳＴ１ではコンデンサＣ１が常に特性検出用太陽電池ＰＶ１に接続されている。そのため、太陽光発電装置ＳＴ２では、コンデンサ６を抵抗７に接続してコンデンサ６に蓄積した電荷を放電させている間は、太陽電池１の最大電力点を検出することはできない。一方、太陽光発電装置ＳＴ１では、コンデンサＣ１の両端の電圧は、常に特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧を示しているので、スイッチＳＷがオンであってもオフであっても特性検出用太陽電池ＰＶ１の最大電力点を検出することが可能である。すると、太陽光発電装置ＳＴ１と太陽光発電装置ＳＴ２との間で、同一回数分だけ太陽電池の出力電力−出力電圧特性を求めるのに、スイッチＳＷのオンオフのスイッチング周波数は、スイッチ５のスイッチング周波数の半分でよいことになる。スイッチング周波数を低く抑えることができると、出力電圧制御手段ＣＴ１での制御が容易になる、という利点がある。
【００５６】
また、スイッチＳＷのスイッチング周波数をスイッチ５のスイッチング周波数と同じ値にした場合には、太陽光発電装置ＳＴ２では一回しか最大電力点を検出できないところを、太陽光発電装置ＳＴ１では最大電力点を二回検出できるので、最大電力点の時間変化をより正確に捉えることが可能となる。
【００５７】
また、太陽光発電装置ＳＴ２では、特性を検出するためのコンデンサ６が直接、太陽電池１に接続されるので、コンデンサ６の検出動作が太陽電池１の出力電力に対して変動等の悪影響を与える可能性がないとはいえない。一方、太陽光発電装置ＳＴ１では、特性検出手段ＣＤ１が太陽電池ＰＶ２を含む主回路側と回路的に分離されているので、特性検出手段ＣＤ１での検出動作が主回路の太陽電池ＰＶ２の出力電力に対して悪影響を与える可能性はほとんどない。
【００５８】
さて、主回路の太陽電池とは別に特性検出用太陽電池を設けた太陽光発電装置の他の例として、例えば特開平６−１３１０６５号公報に記載の技術がある。しかし、この公報に記載の技術では制御信号Ｓ１に相当する信号を計算する際に主回路側から電流を抽出しているので、やはり太陽電池の特性検出動作が主回路の太陽電池の出力電力に対して悪影響を与える可能性がないとはいえない。
【００５９】
なお、本実施の形態を変形して、特性検出用太陽電池ＰＶ１を用いずに直接、太陽電池ＰＶ２の特性を検出することも不可能ではない。図５は、その場合の変形例である太陽光発電装置ＳＴ３を示したものである。この太陽光発電装置ＳＴ３は、太陽光発電装置ＳＴ１における特性検出手段ＣＤ１の代わりに、特性検出用太陽電池ＰＶ１を除去して、ノードＮ１をノードＮ４と共通にし、ノードＮ２をノードＮ５と共通にした構造の特性検出手段ＣＤ２を備えるものである。さらに太陽光発電装置ＳＴ４は、ノードＮ４にアノードが接続され、インバータＩＶ１のトランジスタＴ１のコレクタにカソードが接続されたダイオードＤＩをも備えている。このダイオードＤＩは、太陽電池ＰＶ２の出力電圧が小さくなってしまった場合に、コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーが太陽電池ＰＶ２またはコンデンサＣ１または抵抗ＲＳへと逆流して最大電力点を誤検知するのを防止する目的で挿入されている。
【００６０】
特性検出手段ＣＤ２を直接、太陽電池ＰＶ２に接続しても支障がないことが明らかな場合には、このような簡易な回路構成にしてもよい。
【００６１】
実施の形態２．
図６は、本実施の形態にかかる太陽光発電装置ＳＴ３を示したものである。この太陽光発電装置ＳＴ３は、太陽光発電装置ＳＴ１にさらに、抵抗ＲＳに並列に接続されたコンデンサＣ３を加えたものである。この太陽光発電装置ＳＴ３も、太陽光発電装置ＳＴ１とほぼ同様の動作を行う。
【００６２】
ただし、コンデンサＣ３が追加されていることから、スイッチＳＷがオンの場合の特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電流は、数３の代わりに、
【００６３】
【数５】
で計算される。ここで、Ｃ3はコンデンサＣ３の容量値を表している。よって、このときの出力電力ｐは、数４の代わりに、
【００６５】
【数６】
として計算される。
【００６７】
また、スイッチＳＷがオフのときには、コンデンサＣ３が追加されているので、抵抗ＲＳにはコンデンサＣ３からの放電電流が流れることになる。
【００６８】
本実施の形態にかかる太陽光発電装置を用いれば、スイッチＳＷのオンオフにかかわらず、常に抵抗ＲＳに電流を流し続けられるので、抵抗ＲＳで消費される電力の全部または一部を、例えば出力電圧制御回路ＣＴ１の直流電源用電力として有効に活用することが可能となる。そうすれば、太陽光発電装置ＳＴ３全体としての電力効率が上昇する。
【００６９】
さらに例えば、太陽電池ＰＶ２から出力電圧制御回路ＣＴ１の直流電源用電力を得るとすれば、そのために太陽電池ＰＶ２の２００Ｖ程度の出力電圧に耐え得る高耐圧の半導体素子を用いた降圧回路が必要となる。しかし、特性検出用太陽電池ＰＶ１の出力電圧は１０Ｖ程度であるので、高耐圧素子を備えない簡単な降圧回路を使用することができる。
【００７０】
【発明の効果】
この発明のうち請求項１にかかる太陽電池制御装置を用いれば、第１のコンデンサの両端には常時第１の太陽電池の出力電圧が与えられているので、スイッチがオンする期間においても、オフする期間においても、第１の太陽電池の最大電力点を検出することが可能となる。
【００７１】
そして最大電力点を含む範囲の第１の太陽電池の出力電力−出力電圧特性が判明するので、環境条件により時々刻々と変化する最大電力点の最新の情報を採取することができる。さらに、第１の太陽電池の出力電力−出力電圧特性が複数のピークを有する形状やその他の形状になった場合であっても、最大電力点を正確に検出することができる。また、第１及び第２の動作を行うので第１の太陽電池の最大電力点の時間変化を正確に捉えることができ、スイッチのスイッチング周波数を高くする必要がなく、出力電圧制御手段の制御が容易である。
【００７２】
この発明のうち請求項２にかかる太陽電池制御装置を用いれば、スイッチのオンオフにかかわらず、常に抵抗に電流を流し続けられるので、抵抗で消費される電力の全部または一部を有効に活用することが可能となる。例えば、出力電圧制御手段に活用することができる。
【００７３】
この発明のうち請求項３にかかる太陽光発電装置を用いれば、第１の太陽電池を用いて第２の太陽電池の最大電力点に対応する出力電圧が検出されるので、第２の太陽電池の出力電圧及び出力電力を不必要に変動させることなく、常時その最大電力下で動作させることができる。従って動作が安定しつつ最大電力を供給する太陽光発電を行うことができる。
【００７４】
この発明のうち請求項４にかかる太陽光発電装置を用いれば、第２の太陽電池がその各部分で異なる環境条件となった場合であっても、第１の太陽電池の最大電力点が第２の太陽電池の最大電力点との関係を一定に保つようにすることができる。
【００７５】
この発明のうち請求項５にかかる太陽光発電装置を用いれば、簡易な回路構成で、最大電力を得るための制御を行って太陽光発電を行うことができる。
【００７６】
この発明のうち請求項６にかかる太陽光発電装置を用いれば、第１の太陽電池の出力電圧が小さくなった場合であっても、太陽電池制御装置の誤動作を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１の太陽光発電装置を示す回路図である。
【図２】 この発明の実施の形態１の太陽光発電装置の変形例を示す回路図である。
【図３】 この発明の実施の形態１の太陽光発電装置に用いられる太陽電池ＰＶ２と特性検出用太陽電池ＰＶ１の物理的配置例を示した図である。
【図４】 従来の太陽光発電装置を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態１の太陽光発電装置の変形例を示す回路図である。
【図６】 この発明の実施の形態２の太陽光発電装置を示す回路図である。
【図７】 従来の太陽光発電装置を示す図である。
【図８】 太陽電池の出力電力−出力電圧特性を示す図である。
【図９】 太陽電池の出力電力−出力電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
ＰＶ１ 特性検出用太陽電池、ＰＶ２ 太陽電池、ＶＤ１，ＶＤ２ 電圧検出手段、Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ、ＲＳ 抵抗、ＳＷ スイッチ、ＣＤ 特性検出手段、ＣＴ１ 出力電圧制御手段、ＩＶ１ 電圧形インバータ、ＬＤ１ 交流負荷。
Claims (6)
- 第１の太陽電池と、
前記第１の太陽電池に並列に接続された第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサの一端に接続された一端及び他端を有するスイッチと、
前記スイッチの前記他端に接続された一端及び前記コンデンサの他端に接続された他端を有する抵抗と、
前記スイッチを制御して前記第１の太陽電池の最大電力点に対応する出力電圧を検出する出力電圧制御手段と
を備え、
前記第１の太陽電池の前記最大電力点は所定の範囲内にあることが既知であり、
前記抵抗は、前記スイッチがオンして前記第１の太陽電池と前記第１のコンデンサと前記抵抗とが第１の定常状態にあるときに、前記第１の太陽電池の出力電圧が前記所定の範囲の下限よりも低くなる値を有し、
前記出力電圧制御手段は、
前記第１の太陽電池の出力電圧及び前記出力電力を検出しつつ、
前記第１の定常状態から前記スイッチをオフして前記第１の太陽電池と前記第１のコンデンサとを第２の定常状態へと移行させる第１の動作、及び前記第２の定常状態から前記スイッチをオンして前記第１の定常状態へと移行させる第２の動作を行って、前記第１及び第２の動作のいずれにおいても前記第１の太陽電池の出力電圧及び出力電力の経時変化を求めることによって前記第１の太陽電池の前記最大電力点に対応する出力電圧を検出する
太陽電池制御装置。 - 前記抵抗に並列接続された第２のコンデンサ
をさらに備える請求項１記載の太陽電池制御装置。 - 請求項１または請求項２記載の太陽電池制御装置と、
前記第１の太陽電池の前記最大電力点と一定の関係を有する最大電力点を有し、前記第１の太陽電池と同じ環境条件に置かれた第２の太陽電池と、
負荷と、
前記第２の太陽電池の出力電圧を、前記第１の太陽電池の前記最大電力点に対応する出力電圧と前記一定の関係とに基づいて制御しつつ、前記負荷に伝達する電力変換手段と
を備える太陽光発電装置。 - 前記第１の太陽電池は、複数の同特性の第３の太陽電池を直列に接続したものであり、
前記第３の太陽電池の各々が、前記第２の太陽電池と絶縁されつつ前記第２の太陽電池の各部分と同じ環境条件に置かれた、
請求項３記載の太陽光発電装置。 - 請求項１または請求項２記載の太陽電池制御装置と、
負荷と、
前記第１の太陽電池の出力電圧を、前記第１の太陽電池の前記最大電力点に対応する出力電圧に基づいて制御しつつ、前記負荷に伝達する電力変換手段と
を備える太陽光発電装置。 - 前記電力変換手段から前記太陽電池制御装置への電力の逆流を阻止する電力逆流阻止手段
をさらに備える請求項５記載の太陽光発電装置。
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