(57)【要約】太陽電池のＩＶ特性によらず、太陽電池から高効率に電力を取り出す。太陽電池の出力を制御する太陽電池の出力制御装置は、太陽電池の出力を制御する太陽電池の出力制御装置であって、前記出力を取り出すための負荷を、該負荷の増加に対して前記出力が増加する増加領域の負荷から順次増加させる第１制御手段と、前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷の増加に対する前記出力の低下を検出する検出手段と、前記出力の変化が検出された場合に、前記負荷を、前記増加領域に属する初期負荷（ＲＬｏ）まで、前記負荷を順次増加させる過程と較べて急激に減少させる第２制御手段とを具備し、前記第１制御手段は、前記負荷が前記初期負荷（ＲＬｏ）まで減少した後に再び前記負荷を順次増加させる。
2012046317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の出力を制御する太陽電池の出力制御装置であって、
前記出力を取り出すための負荷を、該負荷の増加に対して前記出力が増加する増加領域の負荷から順次増加させる第１制御手段と、
前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷の増加に対する前記出力の低下を検出する検出手段と、
前記出力の変化が検出された場合に、前記負荷を、前記増加領域に属する初期負荷まで、前記負荷を順次増加させる過程と較べて急激に減少させる第２制御手段と
を具備し、
前記第１制御手段は、前記負荷が前記初期負荷まで減少した後に再び前記負荷を順次増加させる
ことを特徴とする太陽電池の出力制御装置。
【請求項２】
前記第２制御手段は、前記負荷を順次増加させる過程と較べて前記負荷の変化速度を大きくすることにより前記負荷を急激に減少させる
ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項３】
前記太陽電池はホットキャリア型太陽電池である
ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項４】
前記出力の低下が生じる前記負荷を特定する特定手段を更に具備する
ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項５】
前記第１制御手段は、前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷が前記特定された負荷に近付くに連れて前記負荷の増加幅を小さくする
ことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項６】
前記第１制御手段は、前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷が前記特定された負荷に対応する目標負荷となるように前記負荷を順次増加させる
ことを特徴とする請求の範囲第４項又は第５項に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項７】
前記目標負荷は、前記特定された負荷よりも低負荷側で設定される
ことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項８】
前記負荷を変化させることが可能な負荷可変手段を更に具備し、
前記第１制御手段は、前記負荷可変手段を制御することにより前記負荷を順次増加させ、
前記第２制御手段は、前記負荷可変手段を制御することにより前記負荷を急激に減少させる
ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項９】
前記負荷可変手段は、通電状態に応じて前記負荷を変化させる
ことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項１０】
前記負荷可変手段は、前記太陽電池を短絡させる短絡手段を含む
ことを特徴とする請求の範囲第８項又は第９項に記載の太陽電池の出力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池から効率良く出力を取り出すための太陽電池の出力制御装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置に関するものとして、太陽電池から最大出力を取り出すものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された太陽光発電システム及びその最大電力点追従制御方法によれば、太陽電池のＩＶ特性を瞬時にスキャンし、太陽電池電流を最適太陽電池電流に追従させることにより、最大電力動作点を確実に且つ高い精度で検出することができるとされている。【０００３】
尚、電池電源から最大電力を取り出す電力制御方法については、特許文献２にも開示がある。【０００４】
また、非特許文献１には、太陽電池の一種としての所謂ホットキャリア型太陽電池について、その動作原理が開示されている。更に、非特許文献２には、ホットキャリア型太陽電池についての数学的な解析手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２８０２２０号公報
【特許文献２】特開平７−１９１７６７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】R.T.Ross and A.J.Nozik, Journal Of Applied Physics 53, 1982
【非特許文献２】Takeda et al, Journal Of Applied Physics 105 074905, 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
太陽電池の中には、公知のＰＮ接合型太陽電池と異なり、最大出力点近傍且つ最大電力点を高負荷側に超えた領域において出力電圧が極めて急激に且つ一時的に低下することによるスパイク状の波形部分をＩＶ特性に有するものがある。この種の太陽電池は、高負荷側から低負荷側へ負荷を変化させる場合の最大電力点が、低負荷側から高負荷側へ負荷を変化させる場合の最大電力点よりも小さくなる場合がある。【０００８】
ここで、特許文献１には、ＩＶ特性が瞬時にスキャンされるとの記載があるが、出力電流を零から短絡電流まで変化させるとの記述からして、ＩＶ特性をスキャンするにあたっての負荷の変化方向は、高負荷側から低負荷側である。また、元より特許文献１には、ＩＶ特性にこの種のスパイク状の波形部分を有する太陽電池に関して、その記述も示唆も存在しない。【０００９】
従って、特許文献１に開示される手法を採用した場合、太陽電池の種類によっては、真の最大電力点を検出できぬまま出力制御が継続される可能性がある。即ち、特許文献１に開示される手法には、太陽電池から効率良く出力を取り出すことが困難であるという技術的問題点がある。また、係る技術的問題点は、特許文献２についても同様である。【００１０】
尚、このような技術的問題点は、最大電力点近傍の負荷領域において負荷を単純に往復変化させることにより最大電力点を探索しつつ太陽電池の出力点を最大電力点近傍に努めて維持する、所謂山登り法に基づいた従来の出力制御手法についても同様である。この場合においても、太陽電池の真の最大電力点を検出することが困難であり、例え真の最大電力点を検出し得たとしても、検出に至るまで大きな時間的ロスが生じる可能性が高いからである。【００１１】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、太陽電池から高効率に電力を取り出し得る太陽電池の出力制御装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するため、本発明に係る太陽電池の出力制御装置は、太陽電池の出力を制御する太陽電池の出力制御装置であって、前記出力を取り出すための負荷を、該負荷の増加に対して前記出力が増加する増加領域の負荷から順次増加させる第１制御手段と、前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷の増加に対する前記出力の低下を検出する検出手段と、前記出力の変化が検出された場合に、前記負荷を、前記増加領域に属する初期負荷まで、前記負荷を順次増加させる過程と較べて急激に減少させる第２制御手段とを具備し、前記第１制御手段は、前記負荷が前記初期負荷まで減少した後に再び前記負荷を順次増加させることを特徴とする。【００１３】
本発明に係る太陽電池の出力制御装置は、然るべき負荷装置の負荷（厳密には、負荷の大きさを意味する）に応じた太陽電池の出力を取り出すにあたっての取り出し態様を、物理的に、電気的に、機械的又は化学的に制御する装置及びこのような装置に上記負荷装置等の各種付帯装置が付帯してなる装置を包括する概念である。【００１４】
本発明に係る太陽電池の出力制御装置は、好適な一形態として、例えば、一又は複数のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、各種プロセッサ又は各種コントローラ、或いは更にＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、バッファメモリ又はフラッシュメモリ等の各種記憶手段等を適宜に含み得る、単体の或いは複数のＥＣＵ（Electronic Controlled Unit）等の各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等の形態を採り得る。但し、上述した概念が担保される限りにおいて、本発明に係る太陽電池の出力制御装置に係る実践的態様は何ら限定されない。【００１５】
尚、上述した負荷装置の負荷とは、文字通り、負荷装置としての各種電気駆動型補機や各種蓄電手段それ自体の負荷（直接的負荷）であってもよいし、システム構成上、太陽電池から見て負荷装置の負荷と実質的に同等な意味を有し得る、各種電気回路、デバイス又は素子等の制御状態や駆動状態等（間接的負荷）であってもよい。【００１６】
本発明に係る太陽電池の出力制御装置によれば、その動作時には、第１制御手段の作用により、上述した負荷が、当該負荷の増加に対して出力が増加する負荷領域としての増加領域に属する負荷点から、段階的に又は連続的に、順次増加される。この際、第１制御手段の制御対象は、負荷の増加を導き得る限りにおいて必ずしも負荷そのものでなくてよく、例えば、電流や電圧等の制御であってもよい。このような代替的な制御要素を使用する場合においては、好適な一形態としては、予め実験的に、経験的に、理論的に又はシミュレーション等に基づいて、負荷と一対一、一対多、多対一或いは多対多に対応するこの種の代替的制御要素が一種の相互関係として把握されているのが望ましい。【００１７】
ここで、太陽電池から最大出力（最大電力）が取り出される太陽電池の出力点（動作点とも称される）を意味する太陽電池の最大出力点は、負荷点により出力点を規定する場合には、開放負荷と短絡負荷との間の負荷領域に存在する。従って、増加領域から負荷を順次増加させる過程においては、必然的に、この最大出力点を境にして、負荷の増加に対し出力の減少が生じる。本発明に係る太陽電池の出力制御装置によれば、検出手段の作用により、この負荷の増加に対する出力の減少が検出される。【００１８】
この際、負荷の増加に対する出力の減少を検出し得る限りにおいて、検出手段の検出態様は何ら限定されない。例えば検出手段は、太陽電池の出力電圧と出力電流とに基づいて太陽電池の出力を推定し、その減少側への変化を検出してもよいし、出力電圧又は出力電流により負荷領域の変化を検出し得る場合には、それら一方の変化に基づいて負荷領域の変化が検出されてもよい。【００１９】
ところで、太陽電池は、その種類によっては、負荷の変化に対して得られる出力電流と出力電圧との関係（これ以降、適宜「ＩＶ特性」が称する）が、負荷の変化方向により異なる場合がある。例えば、最大出力点よりも高負荷側且つ最大出力点近傍の負荷点において、出力電圧が急激に低下する場合、或いはこの種の急激な出力電圧の低下が生じた後、出力電圧が急激に増加する場合（この場合、ＩＶ特性は一種のスパイク状のピーク波形を有し得る）、これら一種の過渡的な負荷領域においては、ＩＶ特性上、負荷点と太陽電池の出力点とが一義的な関係とならない場合がある（即ち、一の負荷点に対する太陽電池の出力点が複数存在し得る）。このため、高負荷側から低負荷側へ負荷を変化させた場合の最大出力点と、低負荷側から高負荷側へ負荷を変化させた場合の最大出力点とが異なるといった事態が生じ得る。より具体的には、前者が後者よりも小さくなる。【００２０】
即ち、このような太陽電池の場合、最大出力点付近で負荷を増減させることにより最大出力点を探索する、所謂山登り法では、太陽電池の出力点を、効率良く最大出力点或いはその近傍の出力点に維持することが難しい。何故なら、最大出力点を越えた高負荷側の負荷点から最大出力点未満の増加領域の負荷点へと向かう負荷変化では、太陽電池の出力点は真の最大出力点に決して到達することがなく、その制御に要する時間は、太陽電池からの効率的な出力の取り出しに寄与し難いからである。【００２１】
これに対し、本発明に係る太陽電池の出力制御装置によれば、負荷の増加に対する出力の低下が検出された場合、第２制御手段の作用により、負荷が初期負荷まで急激に減少させられる。ここで、「急激に」とは、第１制御手段が負荷を順次増加させる過程と較べて急激であることを意味する。即ち、本発明は、高負荷側から低負荷側へ負荷を変化させたところで最大出力点を得ることができない太陽電池が存在すること、言い換えれば、太陽電池から高効率に出力を取り出すにあたって、従来の山登り法の如く、高負荷側から低負荷側へ、低負荷側から高負荷側への場合と同様に太陽電池の出力状態を把握しつつ負荷を変化させることに何らの技術的な意義も存在しないことを見出してなされたものである。【００２２】
本発明に係る太陽電池の出力制御装置における、第２制御手段による負荷低減作用は、太陽電池から最大出力或いはそれに相当する出力を取り出すことに関して直接的な意義はなく、第１制御手段による負荷増加作用と元よりその技術的な位置付けが異なっている。より具体的には、第２制御手段による負荷低減作用は、最大出力或いはその相当出力を得るべく負荷を順次増加させる始点として適切な初期負荷まで、太陽電池側から見た負荷を速やかに低下させる意味をもつ。従って、第２制御手段に係る「急激に」とは、第１制御手段が負荷を増加させる場合と較べて急激であることをその概念として広く含みつつ、より好適には、予め設定された或いはその都度適宜に設定される、初期負荷まで瞬時に変化させることを意味する。【００２３】
このように、本発明に係る太陽電池の出力制御装置によれば、太陽電池から出力を取り出すための負荷の変化方向が、太陽電池から最大出力を取り出し得る方向（負荷を増加させる方向）に実質的に限定されている。或いは、増加領域内の負荷点から負荷を増加させる第１制御手段の作用と、出力低下検出後に増加領域内の初期負荷まで負荷を急激に減少させる第２制御手段の作用とにより規定される一制御期間において、第１制御手段の作用の占める割合が、第２制御手段の作用の占める割り合いと較べて十分に大きく設定されている。従って、負荷の変化方向によるＩＶ特性の相違に想到しない既存の如何なる出力制御に対しても、負荷の変化方向によってＩＶ特性が相違する太陽電池から出力を取り出す場合において生じ得る、高負荷側から低負荷側への無駄な負荷変化が可及的に排除される点において確実に効率的である。【００２４】
尚、上記一制御サイクルにおいて、太陽電池の出力点は、必然的に最大出力点或いはそれに相当する出力点を通過する。従って、本発明に係る太陽電池の出力制御装置に係る出力制御過程においては、必ずしも太陽電池の最大出力点が特定される必要はない。【００２５】
本発明に係る太陽電池の出力制御装置の一の態様では、前記第２制御手段は、前記負荷を順次増加させる過程と較べて前記負荷の変化速度を大きくすることにより前記負荷を急激に減少させる（請求項２）。【００２６】
この態様によれば、負荷を順次増加させる過程と較べて負荷の変化速度を大きくすることによって、負荷を急激に減少させる旨の第２制御手段の作用を比較的簡便に実現することができる。【００２７】
尚、負荷の変化速度とは、単位時間当たりの負荷の変化量を意味するから、その時点の負荷を目標となる負荷まで変化させるのに要する時間が、負荷の偏差によらず一定又は略一定であるならば、負荷の変化速度は、負荷の変化量、即ちこの場合、目標となる負荷の大きさにより制御されてもよい。また、好適には、この場合の目標となる負荷とは、上述の初期負荷であってもよい。【００２８】
本発明に係る太陽電池の出力制御装置の他の態様では、前記太陽電池はホットキャリア型太陽電池である（請求項３）。【００２９】
出願人は、その長年にわたる研究の成果により、ホットキャリア型太陽電池が、最大出力点よりも高負荷側の最大出力点近傍において、出力電圧の急激な減少を生ずる旨の結論を得るに至った。従って、本発明に係る太陽電池の出力制御装置は、好適な一形態として、ホットキャリア型太陽電池の出力制御に適用された場合に、顕著にその効果を発揮する。【００３０】
本発明に係る太陽電池の出力制御装置の他の態様では、前記出力の低下が生じる前記負荷を特定する特定手段を更に具備する（請求項４）。【００３１】
この態様によれば、特定手段により、負荷が順次増加する（好適には、太陽電池の出力電流が順次減少する）過程において、出力の低下が生じる負荷が特定される。ここで、出力の低下は、太陽電池の出力点が最大出力点を超えた時点で生じるから、この「出力の低下が生じる負荷」とは、最大出力点と等価な意味を有する。即ち、特定手段は、出力の低下が生じる負荷の特定により一義的に太陽電池の最大出力点を特定することとなる。この点に鑑み、これ以降、特定手段により特定された負荷を適宜「最大出力点」と称することとする。尚、「特定」とは、最終的に制御上の参照値として決定することを意味するものであって、特定するにあたっての実践的態様は、検出、算出、導出、同定、推定、選択或いは取得等様々であってよい。【００３２】
太陽電池の最大出力点が特定される場合、第１制御手段が負荷を順次増加させるにあたっての負荷の変化幅を、より効率的に変化させることが可能となるため、太陽電池から、より高効率に出力を取り出すことが可能となり、実践上有益である。【００３３】
尚、この最大出力点は、必ずしも真の最大出力点である必要はなく、第１制御手段の制御上の負荷の変化幅に応じた、現実的な或いは暫定的な最大出力点であってもよい。この種の現実的な或いは暫定的な最大出力点であったとしても、負荷の変化方向が、真の最大出力点に到達し得る方向である限りにおいて、本発明に係る実践上有益なる効果は担保される。【００３４】
尚、特定手段を備える態様では、前記第１制御手段は、前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷が前記特定された負荷に近付くに連れて前記負荷の増加幅を小さくしてもよい（請求項５）。【００３５】
最大出力点が既知であれば、このように最大出力点に近付くに連れて二値的に、段階的に又は連続的に負荷の増加幅を小さくする（即ち、定性的には、増加領域における最大出力点近傍の負荷領域において比較的緩慢に負荷を変化させる）ことによって、第１制御手段による負荷増加措置と第２制御手段による負荷急減措置とによって規定される一制御期間において、太陽電池の出力点を比較的高出力領域に比較的長期にわたって維持することが可能である。【００３６】
或いは、特定手段を備える態様では、前記第１制御手段は、前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷が前記特定された負荷に対応する目標負荷となるように前記負荷を順次増加させてもよい（請求項６）。【００３７】
太陽電池の動作特性、例えば、最大出力やＩＶ特性は、太陽電池の駆動条件、例えば日照条件や温度条件等により少なからず影響を受けるが、その一方で、太陽電池の状態が概ね安定する駆動条件もまた存在し得る。この態様によれば、例えば、太陽電池の動作特性が概ね安定している条件下等において、特定された最大出力点に応じて目標負荷（無論、最大出力点に相当する負荷又はそれ未満の負荷である）が設定され、負荷がこの目標負荷へ向けて順次増加されると共に、目標負荷到達後に負荷がこの目標負荷に維持される。このため、太陽電池から比較的高出力を比較的長期にわたって取り出すことが可能となり、好適である。【００３８】
この際、太陽電池から常時最大出力を取り出すことを考えるならば、目標負荷とは最大出力点（既に述べたように、最大出力が得られる負荷を意味する）であってもよい。或いは、最大出力点を高負荷側に超えた直後の出力の急激な低下を回避しようとする場合、目標負荷とは、最大出力点よりも低負荷側且つ最大出力点近傍の負荷点であってもよい。この際、「近傍」とは、駆動条件の微小な変化やノイズ等による恒常的な負荷変動又は出力変動に対するロバスト性を確保するために予め実験的に、経験的に、理論的に又はシミュレーション等に基づいて与えられ得るオフセット分、最大出力点から離れていること等を意味してもよい。【００３９】
尚、最大出力点を高負荷側に超えた途端に出力電圧が急激に低下する太陽電池においては、最大出力点の不規則な変化によって、出力点が、その時点の最大出力点よりも高負荷側の出力点となった場合に出力の急激な低下が生じ得るが、当然ながらこの場合には、第２制御手段の作用により負荷の急減措置が講じられ、再び第１制御手段の作用により負荷が順次増加させられるため実践上何らの問題も生じない。【００４０】
尚、上述したように太陽電池の動作特性の変化が頻繁に生じ得る駆動条件においては、基本的に、一定又は不定周期で、第１制御手段に係る負荷増加作用と第２制御手段に係る負荷急減作用とを含む一制御プロセスが繰り返されることが望ましい。この周期は、予め実験的に、経験的に、理論的に又はシミュレーション等に基づいて、太陽電池の最新の状態に実践上十分に適応し得る程度の周期として規定されていてもよい。或いは、特定手段に係るハードウェア上の処理周期等と同期していてもよい。【００４１】
尚、目標負荷に応じた負荷制御がなされる態様においては、前記目標負荷は、前記特定された負荷よりも低負荷側で設定されてもよい（請求項７）。【００４２】
既に述べたように、太陽電池によっては、最大出力点近傍の出力点において、太陽電池の動作が不安定となるが、この態様によれば、最大出力点よりも低負荷側の比較的動作が安定した領域で負荷が維持されるため、太陽電池から安定して出力を取り出すことが可能となり実践上有益である。【００４３】
本発明に係る太陽電池の出力制御装置の他の態様では、前記負荷を変化させることが可能な負荷可変手段を更に具備し、前記第１制御手段は、前記負荷可変手段を制御することにより前記負荷を順次増加させ、前記第２制御手段は、前記負荷可変手段を制御することにより前記負荷を急激に減少させる（請求項８）。【００４４】
この態様によれば、太陽電池の出力制御装置の一部として、例えば物理的、機械的、電気的又は化学的に負荷を変化させる仕組みとしての負荷可変手段が備わり、第１及び第２制御手段は、この負荷可変手段の制御により各手段の作用を実現することができる。【００４５】
尚、負荷可変手段を備える態様では、前記負荷可変手段は、通電状態に応じて前記負荷を変化させてもよい（請求項９）。【００４６】
この態様によれば、負荷可変手段が、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子やキャパシタ等の電荷保持手段を含むチョッパ回路等として構成される。この場合、例えば、トランジスタ素子のスイッチング状態等を含む各種通電状態に応じて、正確且つ迅速に負荷を増加させることが可能となり好適である。【００４７】
或いは、負荷可変手段を備える態様では、前記負荷可変手段は、前記太陽電池を短絡させる短絡手段を含んでもよい（請求項１０）。【００４８】
負荷可変手段の物理的或いは電気的構成によっては、第２制御手段が、制御上太陽電池の負荷を急減させたにもかかわらず、太陽電池から見た負荷の減少が緩慢となる場合がある。このような場合においては、太陽電池を直接短絡することにより、負荷を急減させる旨の第２制御手段の作用を補助することが可能となり、太陽電池から効率良く出力を取り出すことが、より確実に可能となる。【００４９】
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽電池システムのブロック図である。
【図２】図１の太陽電池システムに備わる太陽電池の概略構成図である。
【図３】図２の太陽電池のＩＶ特性を例示する図である。
【図４】本実施形態の比較例に係り、従来の最大電力点探索手法が適用された場合の出力点の遷移を例示する図である。
【図５】図１の太陽電池システムにおいてＥＣＵにより実行される出力制御のフローチャートである。
【図６】図４の出力制御の実行過程における負荷及び出力の一時間推移を例示するタイミングチャートである。
【図７】図４の出力制御の実行過程における負荷の遷移を概念的に表してなる図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
＜発明の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００５２】
＜実施形態の構成＞
始めに、図１を参照し、本実施形態に係る太陽電池システム１０の構成について説明する。ここに、図１は、太陽電池システム１０の概念図である。
【００５３】
図１において、太陽電池システム１０は、太陽電池１００、電流センサ２００、ＥＣＵ３００、負荷装置４００及び短絡回路５００を備えたシステムである。
【００５４】
太陽電池１００は、本発明に係る「太陽電池」の一例たるホットキャリア型太陽電池である。ここで、図２を参照し、太陽電池１００の構成について説明する。ここに、図２は、太陽電池１００の概略構成図である。尚、同図において、図１と重複する箇所には同一の符合を付してその説明を適宜省略することとする。
【００５５】
図２において、太陽電池１００は、比較的狭いバンドギャップを有する光吸収半導体層１１０を有し、この光吸収半導体層１１０を、特定のエネルギーを持つキャリア（ここでは、電子と正孔）のみを通過させる電子側エネルギー選択性コンタクト１２０及び正孔側エネルギー選択性コンタクト１３０で挟み込んだ構成を有する。
【００５６】
電子側エネルギー選択性コンタクト１２０は、電子側電極半導体層１４０を介して表面電極１６０に接続されている。また、正孔側エネルギー選択性コンタクト１３０は、正孔側電極半導体層１５０を介して裏面電極１７０に接続されている。夫々の電極半導体層は、エネルギー選択性コンタクトと電極との電気的接続を円滑に行うための半導体層である。尚、太陽電池１００においては、電子側及と正孔側とにエネルギー選択性コンタクトが形成されるが、エネルギー選択性コンタクトは、電子側のみに設けられてもよい。
【００５７】
ここで、ホットキャリア型太陽電池の基本的な動作について簡単に説明する。ホットキャリア型太陽電池では、ＰＮ接合を利用したＰＮ接合型太陽電池と異なり、光を吸収して生成された直後のキャリアが有する半導体のバンドギャップ相当値を超える余剰なエネルギーが比較的長時間保持される。また、これらは相互いに衝突して数千〜数百Ｋの高温状態に保たれる。
【００５８】
電子側エネルギー選択性コンタクト１２０及び正孔側エネルギー選択性コンタクト１３０は、これらキャリアのうち、特定のエネルギー（エネルギー選択レベルとも称される）を有するキャリアのみを選択的に透過させる。その結果、各キャリアは、電子側電極半導体層１４０及び正孔側電極半導体層１５０に導かれる。各電極半導体層は、そのフェルミ準位が上記特定のエネルギーに近い位置になるように設計されており、各電極半導体層に取り出されたキャリアは、殆ど余剰エネルギーを有することなく各電極に導かれ、出力電流となる。
【００５９】
尚、ホットキャリア型太陽電池の原理及び構成については、例えば上記非特許文献１に記載がある。従って、本明細書中では、説明の煩雑化を防ぐ目的から、これ以上の詳細な説明は省略することとする。
【００６０】
図１に戻り、電流センサ２００は、太陽電池１００の出力電流Ｉｏを検出可能に構成されたセンサである。電流センサ２００は、ＥＣＵ３００と電気的に接続されており、検出された出力電流Ｉｏは、ＥＣＵ１００により適宜参照される構成となっている。
【００６１】
ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を備え、太陽電池システム１０の動作全般を制御可能に構成された電子制御ユニットであり、本発明に係る「第１制御手段」、「第２制御手段」及び「特定手段」の一例である。ＥＣＵ３００は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って、後述する出力制御を実行可能に構成されている。
【００６２】
負荷装置４００は、太陽電池１００から電力Ｐ（本発明に係る「出力」の一例）を取り出すための装置であり、本発明に係る「負荷可変手段」の一例である。負荷装置４００は、充電池４１０及びチョッパ回路４２０を備える。太陽電池システム１０では、負荷装置４００の負荷ＲＬ（即ち、本発明に係る「負荷」の一例）に応じて太陽電池１００から電力Ｐ（本発明に係る「出力」の一例である）が取り出される構成となっている。
【００６３】
充電池４１０は、太陽電池１００の出力Ｐによる充電が可能な公知の各種蓄電池である。
【００６４】
チョッパ回路４２０は、入力平滑コンデンサＣｉ、コイルＬ、トランジスタＴｒｃ、整流器Ｄｈ、整流器Ｄｌ及び出力平滑コンデンサＣｏから構成され、チョッパ入力電圧Ｖｃｉをチョッパ出力電圧Ｖｃｏに昇圧する公知の昇圧回路である。トランジスタＴｒｃは、コイルＬ及び出力平滑コンデンサＣｏにより定まる特性周波数より十分に高い周波数でＯＮ／ＯＦＦを繰り返す構成となっている。
【００６５】
一方、チョッパ回路４２０において、チョッパ出力電圧Ｖｃｏとチョッパ入力電圧Ｖｃｉとの比Ｖｃｏ／Ｖｃｉは、トランジスタＴｒｃのオン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆとの比Ｔｏｎ／ＴｏｆｆをＫとすると、１＋Ｋとして表される。
【００６６】
ここで、チョッパ出力電圧Ｖｃｏを増加させれば、チョッパ回路４２０の出力電流が増加し、それに伴って太陽電池１００の出力電流Ｉｏも増加するから、太陽電池４００にとって、負荷装置４００の負荷ＲＬを増加させることは、Ｋを減少させることと等価である。即ち、Ｋは、負荷装置４００の負荷ＲＬの逆数として扱うことができる。従って、ＥＣＵ１００は、トランジスタＴｒｃの制御（即ち、本発明に係る「通電状態に応じて負荷を変化させる」態様の一例）により、負荷装置４００の負荷ＲＬを所望の値に制御することができる。
【００６７】
このように、本実施形態に係る太陽電池システム１０においては、狭義の負荷としての充電池４１０の負荷自体は固定であり、チョッパ回路４２０の制御状態により太陽電池１００から見た負荷装置４００の負荷ＲＬを変化させることによって、太陽電池１００から取り出される電力Ｐが制御される構成となっている。
【００６８】
短絡回路５００は、太陽電池１００とチョッパ回路４２０との間に設けられると共に、整流器ＤｉとトランジスタＴｒｓから構成された、太陽電池１００を短絡させるための回路であり、本発明に係る「短絡手段」の一例である。
【００６９】
トランジスタＴｒｓは、ＥＣＵ１００と電気的に接続され、ＥＣＵ１００により制御されるトランジスタであり、平常時はオフ状態に制御され、太陽電池１００の短絡要求時のみオン状態に制御される構成となっている。トランジスタＴｒｓがオン状態に制御されると、太陽電池１００は短絡状態となる。
【００７０】
チョッパ回路４２０に備わる入力平滑コンデンサＣｉは、チョッパ回路４２０の安定的動作を可能とする反面、上記Ｋの急激な変化に対して太陽電池１００側から見た負荷ＲＬの変化をなましてしまう。このため、太陽電池１００を短絡させる必要が生じても、入力平滑コンデンサＣｉが放電するまで実質的にＫが大きい状態（即ち、負荷ＲＬが小さい状態）を保持し続ける必要がある。Ｋが短絡相当の大きい状態に保持される期間は、太陽電池１００の出力点が最大出力点から大きく乖離するため、結果的に太陽電池１００からの電力の取り出し効率が低下する。また、Ｋが大きい状態とは、先のＫの定義から言えばチョッパ出力電圧Ｖｃｏが高い状態を意味する。チョッパ出力電圧Ｖｃｏが高い状態が継続することは、負荷たる充電池４１０に対しては望ましくない。
【００７１】
短絡回路５００によれば、このような問題点を解消し、太陽電池１００を迅速に短絡状態に移行させることが可能となる。尚、太陽電池１００の出力電流Ｉｏ及び出力電圧Ｖｏの検出点は、太陽電池１００から見て、整流器Ｄｉよりも手前側に位置している。
＜実施形態の動作＞
次に、本実施形態の動作について説明する。
【００７２】
＜太陽電池１００の動作の数学的解析＞
始めに、ホットキャリア型太陽電池たる太陽電池１００の動作を数学的に解析する。尚、この解析に関する記述は、上記非特許文献２に開示されており、説明の煩雑化を防ぐ目的から、ここでは、その詳細については触れないこととする。また、非特許文献２の記述を基礎とする関係上、一部上記本実施形態に係る記号と一致しないことを断っておく。
【００７３】
先ず、太陽電池１００の出力電流Ｊｅｘｔを下記（１）式により規定する。
【００７４】
【数１】
2012046317.tif 000003
また、上記（１）式においてＪａｂｓ（ε）は、下記（２）式により規定される。尚、（２）式におけるΩａｂｓは、太陽光の立体角であり、下記（３）式により規定される。
【００７５】
【数２】
2012046317.tif 000004
【００７６】
【数３】
2012046317.tif 000005
キャリアの再結合による損失Ｊｅｍは、最良の場合として下記（４）式、（５）式及び（６）式に規定されるモデルが採用される。
【００７７】
【数４】
2012046317.tif 000006
【００７８】
【数５】
2012046317.tif 000007
【００７９】
【数６】
2012046317.tif 000008
キャリアの熱エネルギーの収支は、下記（７）式、（８）式及び（９）式により与えられる。尚、下記式において、Ｅｅとは、先に述べた特定のエネルギーを有するキャリアを選択的に取り出すエネルギー選択性コンタクトの選択エネルギーレベルである。また、Ｕａｂｓは太陽から供給されるエネルギーであり、Ｕｅｍはキャリアの再結合によって失われるエネルギーであり、Ｕｔｈはキャリアが徐々に熱を放出してエネルギーを失うレートを意味する。
【００８０】
【数７】
2012046317.tif 000009
【００８１】
【数８】
2012046317.tif 000010
【００８２】
【数９】
2012046317.tif 000011
上記（１）式乃至（９）式は、上記非特許文献２に記載された（１）式乃至（９）式と同等であるが、キャリアが徐々に熱を放出してエネルギーを失う際のレートであるＵｔｈについては、改良の余地がある。上記非特許文献２のモデルでは、当該レートは、キャリアが電流として取り出されるまでの間滞在する時間で決まるとされる。然るにそのように考えると、エネルギー選択性コンタクトからのキャリアの取り出しがキャリアのエネルギー分布に影響を与え、更にそれがキャリアからの熱エネルギー放出に影響するといった現象が正しく記述されないことになる。また、キャリア温度Ｔｅ及びＴｈを決定することが出来ないという数学的問題点もある。
【００８３】
そこで、出願人は、キャリアの熱エネルギー放出について、今回新たに、下記（１０）式により規定される、キャリアの温度によって決まるモデルを構築した。
【００８４】
【数１０】
2012046317.tif 000012
一方、出力エネルギーＰｅと出力電圧Ｖｅとの関係は、下記（１１）式により規定される。尚、下記（１１）式は、上記非特許文献２における（１３）式と同等である。
【００８５】
【数１１】
2012046317.tif 000013
キャリアの分布関数は、適当なモデルとして、下記（１２）式を採用する。尚、下記（１２）式は、上記非特許文献２における（１６）式と同等である。
【００８６】
【数１２】
2012046317.tif 000014
また、キャリア密度ｎｃは、キャリアの滞在時間τｒｅから、下記（１３）式の如くに規定される。尚、ｄは光吸収半導体層１１０の厚さである。尚、下記（１３）式は、上記非特許文献２における（１７）式と同等である。
【００８７】
【数１３】
2012046317.tif 000015
ここで、上記（１０）式以外は、非特許文献２に記述されるモデルの流用であるが、（１０）式が出願人によって新たに提案された新規なモデルであるから、その解法は、非特許文献２によって表されるところではない。
【００８８】
そこで、出願人は、先ず、キャリア密度ｎｃの値を予め与え、上記（７）式及び（１０）式からキャリア温度Ｔｅを求めることとした。この際、電子のキャリア温度Ｔｅと正孔のキャリア温度Ｔｈを同じとし、電子の有効質量ｍｅと正孔の有効質量ｍｈとを、夫々真空中の電子の０，４倍で等しいものとした。
【００８９】
続いて、上記（１２）式の右辺にキャリア温度Ｔｅの値を代入し、ｎｃの値が予め与えた値と一致するようにμｅの値を探索した。その結果、出願人は、ホットキャリア型太陽電池たる太陽電池１００のＩＶ特性が、図３に例示するが如く、従来のＰＮ接合型太陽電池と大きく異なることを見出した。
【００９０】
ここで、図３を参照し、太陽電池１００のＩＶ特性について説明する。ここに、図３は、太陽電池１００のＩＶ特性を例示する図である。
【００９１】
図３において、縦軸には太陽電池１００の出力電流Ｉｏが、横軸には太陽電池１００の出力電圧Ｖｏが夫々表され、ＩＶ特性は、図示実線として表される。
【００９２】
図３から明らかなように、ホットキャリア型太陽電池たる太陽電池１００は、そのＩＶ特性に、スパイク状のピークを有する。より具体的には、低負荷側の出力点Ａ（尚、縦軸が電流であるから、原点と太陽電池１００の出力点（図中○参照）とを結ぶ線分の傾きは、負荷ＲＬの逆数である。従って、傾きが増加する程低負荷側であることを意味する）から負荷ＲＬを増加させた場合に、出力点Ｂを境に出力電圧Ｖｏが急激に落ち込む。出力電圧Ｖｏは、出力点Ｃに至るまで落ち込み、再び増加に転じて高負荷側の出力点Ｄに到達する。
【００９３】
図３から明らかなように、太陽電池１００の最大出力点は、出力点Ｂ（以下、適宜「最大出力点Ｂ」と称する）である。尚、図示Ｉｓｃは短絡電流であり、Ｖｏｃは開放電圧である。
【００９４】
ここで、出願人は、長年の研究に基づいて、この現象を以下の如く説明する。
【００９５】
即ち、出力点Ａから最大出力点Ｂまでの負荷領域においては、キャリアがエネルギー選択性コンタクトを介して素早く抜き出され、キャリアの滞在時間が相対的に短い。このため、キャリア温度は比較的高温状態に保たれている。この状態では、電極半導体層１４０のフェルミレベルＥｆｎ及び電極半導体層１５０のフェルミレベルＥｆｐと、光吸収半導体層１１０の電子側偽フェルミレベルＥｆｅ及び正孔側偽フェルミレベルＥｆｈとは、そのキャリア温度の差によって夫々違ったレベルにある。
【００９６】
そして、光吸収半導体層１１０における電子と正孔の偽フェルミレベルの位置関係が、キャリア密度に対し、上記（１２）式に従って変化する（キャリア密度が高い程、Ｅｆｅが高く且つＥｆｈが低くなる）ため、出力電圧Ｖｏが増加する。
【００９７】
ところが、キャリアの滞在時間が上記（１３）式に従って増加すると、キャリア温度が低下する。その結果、最大出力点Ｂを超えてキャリア密度が増加すると、キャリア温度が低いことの影響が上記（１１）式に従って顕在化し、出力電圧Ｖｏが低下する。その結果、出力電圧Ｖｏは、出力点Ｃに相当する値まで低下する。
【００９８】
一方、キャリア温度は、周囲温度であるＴＲＴよりも低下することはないから、出力電圧Ｖｏは自ずと下げ止まり、上述した電子と正孔との偽フェルミレベルの位置関係の変化の影響により出力電圧Ｖｏが再度増加する。それと共に、キャリアの再結合による出力電流Ｉｏの低下が顕著となって出力点Ｄに至るのである。
【００９９】
出力点Ｃから出力点Ｄに至る動作領域では、キャリア温度が周囲温度と等しい為に電極半導体層１４０及び１５０のフェルミレベルと光吸収半導体層１１０の偽フェルミレベルとが一致する。この領域では、太陽電池１００は、もはやホットキャリア型太陽電池としての動作はしておらず、従来のＰＮ接合型太陽電池と同等の動作をしている。これ以降の説明では、出力点Ａから最大出力点Ｂに至る動作領域（即ち、本発明に係る「増加領域」の一例である）を適宜「ホットキャリア動作領域」と称し、また出力点Ｃから出力点Ｄに至る動作領域を適宜「ＰＮ接合動作領域」と称することとする。また、最大出力点Ｂから出力点Ｃに至る動作領域を適宜「電圧低下領域」と称することとする。
【０１００】
＜出力制御の詳細＞
ホットキャリア型太陽電池たる太陽電池１００に対する出力制御は、上述のスパイク状ピークを有するホットキャリア型太陽電池に特有のＩＶ特性を考慮したものでなければならない。
【０１０１】
ここで、このような出力制御の必要性について、図４を参照して説明する。ここに、図４は、本実施形態の比較例に係り、従来の最大電力点探索手法が適用された場合の出力点の遷移を例示する図である。尚、同図において、図３と重複する箇所には同一の符合を付してその説明を適宜省略することとする。
【０１０２】
図４において、従来の最大電力点探索手法とは、例えば山登り法を意味する。即ち、負荷ＲＬを変化させていく過程において、出力の低下が生じたら負荷の変化方向を反転させ、常時最大電力点付近で負荷をスイープさせつつ最大電力点を探索する手法である。
【０１０３】
図４（ａ）には、太陽電池１００に対し負荷ＲＬをホットキャリア動作領域に属する低負荷側の負荷点から変化させた場合の、太陽電池１００の出力点の変化が示される。
【０１０４】
負荷ＲＬＡに対応する出力点Ａから順次負荷を増加させていく過程において、負荷ＲＬＢ（ＲＬＢ＞ＲＬＡ）に対応する最大出力点Ｂが得られたとする。先に述べたように、これ以降の負荷の増加に対して、出力点は電圧低下領域に突入するため、出力電圧Ｖｏｕｔは極端に低下する。
【０１０５】
一方、実際の電力制御過程において、当該電圧低下領域を検出することが困難であることは図からも明らかである。即ち、最大出力点Ｂから負荷を増加させた途端、太陽電池１００の出力点は最大出力点Ｂとは波形上不連続な出力点Ｂ’に遷移する。それ以降は、出力点はＰＮ接合動作領域を移動し、負荷ＲＬＤ（ＲＬＤ＞ＲＬＢ）に対応する出力点Ｄに到達する。
【０１０６】
図４（ｂ）には、この出力点Ｄから負荷を減少させていく過程における、太陽電池１００の出力点の変化が示される。即ち、最大出力点Ｂ以降、出力の低下傾向が確定したため、負荷ＲＬの変化方向が反転され、負荷が負荷ＲＬＤから順次低減されるのである。
【０１０７】
負荷ＲＬＤから順次負荷ＲＬを減少させていくと、出力点は、負荷ＲＬＣ（ＲＬＣ＜ＲＬＤ）に対応する、ＰＮ接合動作領域の端点である出力点Ｃまで移動する。ところが、出力点Ｃから負荷を減少させた途端、出力点は、出力点Ｃとは波形上不連続な出力点Ｃ’に遷移する。それ以降は、出力点はホットキャリア動作領域を移動し、出力点Ａに復帰する。このように、最大出力点Ｂよりも高負荷側の出力点から負荷を減少させる場合、最大出力点Ｂが検出されることはない。
【０１０８】
その結果、ホットキャリア型太陽電池に特有のスパイク状のピーク特性を考慮しないこの種の従来の電力制御手法では、最大出力点Ｂに到達すること自体に困難を伴い、最大出力点Ｂを検出し得たとして、それに至る時間的ロスが無視出来ない程度に大きくなる。その結果、太陽電池１００からの電力の取り出し効率が十分に確保されない。
【０１０９】
本実施形態に係る出力制御によれば、このような問題点が解消され、太陽電池１００から高効率に電力を取り出すことが可能である。ここで、図５を参照し、本実施形態に係る出力制御の詳細について説明する。ここに、図５は、出力制御のフローチャートである。
【０１１０】
図５において、ＥＣＵ３００は、出力電圧Ｖｏを取得する（ステップＳ１０１）。
【０１１１】
出力電圧Ｖｏを取得すると、ＥＣＵ３００は、最大電圧Ｖｍａｘから取得された出力電圧Ｖｏを減じてなる電圧差分値が、予め設定された基準値Ｖｓ未満であるか否かを判別する（ステップＳ１０２）。基準値Ｖｓは、理想的にはゼロでもよいが、実践的には、ノイズによる誤判別の発生を防止し得るように正値であってもよい。
【０１１２】
尚、上記電圧低下領域における極端な出力電圧Ｖｏの低下は、必ずしもその低下量が事前に決められた基準値を超えることを意味しない。従って、基準値Ｖｓとの比較に替えて或いは加えて、出力電圧Ｖｏの時間微分値が参照されてもよい。
【０１１３】
尚、本実施形態では、出力電圧Ｖｏが減少側に転じた時点での出力が最大出力とされる。これは、例えば図３に例示されるＩＶ特性を見れば明らかであるが、より厳密に最大電力点を探索する観点からは、負荷ＲＬの変化に対し出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏとの積たる電力Ｐが算出され、算出された電力Ｐに基づいた最大出力点の特定がなされてもよい。
【０１１４】
最大電圧Ｖｍａｘは、出力電圧Ｖｏの前回値である。従って、初期値を適切に設定（例えば、ゼロでもよい）しておけば、最大出力点に到達するまで（即ち、出力電圧Ｖｏが増加し続ける限りにおいて）、ステップＳ１０２に係る判別処理は「ＹＥＳ」側に分岐する。
【０１１５】
電圧差分値が基準値Ｖｓ未満である場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、出力電圧Ｖｏを最大電圧Ｖｍａｘとして設定し（ステップＳ１０３）、その時点の負荷ＲＬを最大負荷Ｒｍａｘとして記憶する（ステップＳ１０４）。
【０１１６】
最大負荷Ｒｍａｘが更新されると、ＥＣＵ３００は、負荷ＲＬを予め設定されたステップ幅ΔＲ１だけ増加させ（ステップＳ１０５）、処理をステップＳ１０１に戻す。このようにして、最大出力点（尚、ここでは、最大出力点は、最大負荷Ｒｍａｘとして記憶される）が確定するまで、ステップＳ１０１からステップＳ１０５に至るプロセスが繰り返される。即ち、ステップＳ１０１からステップＳ１０５に至るプロセスは、本発明に係る「第１制御手段」の動作の一例である。
【０１１７】
一方、太陽電池１００の出力点が最大出力点を超え、上記差分値が基準値Ｖｓ以上となった場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、ＥＣＵ３００は、負荷ＲＬを初期値ＲＬｏ（即ち、本発明に係る「初期負荷」の一例である）まで瞬時に減少させる（ステップＳ１０６）。初期値ＲＬｏは、出力電圧Ｖｏの低下を招いた現在の負荷ＲＬより低負荷側であることは言うに及ばず、少なくとも記憶された最大負荷Ｒｍａｘに対して十分に小さい値であり、実践的には、短絡相当の小さい値であってもよい。尚、ステップＳ１０６は、本発明に係る「第２制御手段」の動作の一例である。
【０１１８】
負荷ＲＬが初期値ＲＬｏに戻されるのに同期して、ＥＣＵ３００は、短絡回路５００のトランジスタＴｒｓをオン状態に制御して、太陽電池１００を短絡状態に制御すると共に、太陽電池１００がＰＮ接合動作領域から確実にホットキャリア動作領域に復帰するように、一定時間その状態を保持する（ステップＳ１０７）。
【０１１９】
次に、ＥＣＵ３００は、負荷ＲＬを初期値ＲＬｏから増加させる（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８に係るステップ幅は、上記ステップ幅ΔＲ１でもよいが、ここでは、ステップ幅ΔＲ１よりも大きいステップ幅ΔＲ２が採用される。即ち、初期値ＲＬｏは、最大出力点に対し遥かに短絡側の出力点に対応する負荷であるから、ある程度高負荷側の出力点までは負荷を急激に増大させても問題はなく、且つその方が電力の取り出し効率に優れるのである。
【０１２０】
尚、ステップ幅ΔＲ２は、その時点で記憶されている最大負荷Ｒｍａｘに基づいて決定されてもよい。太陽電池１００のＩＶ特性は、日照条件や温度条件等太陽電池１００の動作条件に応じて、その規模の大小はあれ変化している場合が多い。従って、前回の最大負荷Ｒｍａｘが、ステップＳ１０８の実行時点における最大負荷である保証はないが、参照値としては極めて信頼性が高いこともまた事実である。
【０１２１】
従って、負荷ＲＬをある程度高負荷領域まで増加させるにあたり、ステップ幅ΔＲ２が、例えば、最大負荷Ｒｍａｘに１未満の比率を乗じる、或いはＲｍａｘから所定値を減じる等の各種処理に従って決定された場合、最大出力点近傍での動作期間をより確保することが可能となる。
【０１２２】
負荷ＲＬがステップ幅ΔＲ２により増加されると、負荷ＲＬに応じた出力電圧Ｖｏが新たに最大電圧Ｖｍａｘに設定され（ステップＳ１０９）、処理がステップＳ１０１に戻される。出力制御は以上のように実行される。
【０１２３】
次に、図６を参照し、上記出力制御の実行過程における負荷及び出力の時間推移について説明する。ここに、図６は、出力制御の実行過程における負荷及び出力の一時間推移を例示するタイミングチャートである。
【０１２４】
図６において、負荷ＲＬの時間推移は上段に、太陽電池１００の出力の時間推移は下段に夫々表されている。
【０１２５】
ここで、図６において、最大出力を最大出力線（鎖線参照）として表し、当該最大出力が得られる最適負荷を最適負荷線（鎖線参照）として表すと、負荷ＲＬの時間推移及び出力の時間推移は、夫々図示Ｌ＿ＲＬ及びＬ＿Ｐのようになる。
【０１２６】
即ち、時刻Ｔ１において負荷ＲＬが最適負荷、即ち最大出力点に対応する負荷に到達すると、その瞬間に出力は急激に低下する。時刻Ｔ２において上記ステップＳ１０６が開始され、時刻Ｔ３において負荷ＲＬが初期値ＲＬｏに設定されると、時刻Ｔ４にかけてステップ幅ΔＲ２の効果により比較的短時間で出力は上昇する。それ以降は、ステップ幅ΔＲ１により負荷は漸増され、再び最大出力点に到達する。基本的にはこの繰り返しである。
【０１２７】
この様子を、ＩＶ特性上で表すと、図７のようになる。ここで、図７は、出力制御の実行過程における負荷の遷移を概念的に表してなる図である。
【０１２８】
図７において、最大負荷Ｒｍａｘ以降の負荷変化に対し、出力点が最大出力点Ｂから出力点Ｂ’に変化すると、上記ステップＳ１０６の動作により、負荷ＲＬは初期値ＲＬｏまで戻され、出力点は図示出力点Ｚとなる。
【０１２９】
一方、出力点Ｚは、最大出力点Ｂから大きく離れているため、ＥＣＵ３００は、ステップＳ１０８により負荷がＲＬｏ＋ΔＲ２まで大きく増加され、出力点は出力点Ｚから出力点Ｙまで変化する。その後、ステップ幅ΔＲ１に従って負荷ＲＬが漸増される過程で出力点は再び最大出力点Ｂに到達する。
【０１３０】
以上説明したように、本実施形態に係る出力制御によれば、太陽電池１００の最大出力点Ｂに相当する負荷点が、本発明に係る「目標負荷」の一例として採用され、負荷装置４００の負荷ＲＬは、太陽電池１００の出力点が最大出力点Ｂとなるようにホットキャリア領域（増加領域）の負荷点から順次増加制御される。
【０１３１】
一方、最大出力点近傍は、負荷の微小な変化に対する出力電圧Ｖｏの挙動が繊細であり、太陽電池１００の出力点を最大出力点Ｂに常時維持することは難しい。このため、出力点は、往々にして最大出力点Ｂよりも高負荷側に遷移し得るが、そのような場合も、太陽電池１００が短絡回路５００により短絡され、且つ負荷ＲＬが低負荷側の初期値ＲＬｏまで瞬時に戻され、高負荷側へ負荷ＲＬを順次増加させつつ目標負荷（ここでは最大出力点に相当する負荷）を目指す一連の制御プロセスが遅滞なく実行される。
【０１３２】
従って、本実施形態によれば、高負荷側からの負荷変化では決して検出されない最大出力点を確実に検出し得ると共に、ある一定の期間について見た場合に、太陽電池１００の出力点が目標出力点近傍に維持される期間を長くすることができる。即ち、太陽電池１００から高効率に出力を取り出すことが可能となるのである。
【０１３３】
尚、このような構成は、本発明に係る太陽電池の出力制御装置が採り得る実践的態様の一例に過ぎない。例えば、ホットキャリア動作領域からＰＮ接合動作領域への頻繁なシフトは、太陽電池１００からの効率的な電力の取り出しを目指すにあたっては必ずしも望ましくない。この点に鑑みれば、最大出力点を特定することが出来た場合に、この特定された最大出力点の近傍の出力点であって、且つＰＮ接合動作領域への遷移が生じる懸念が小さいホットキャリア動作領域内の出力点に相当する負荷点を目標負荷として、負荷の漸増制御を遂行するといった制御態様もまた、実践上極めて有益となり得る。特に、太陽電池１００のＩＶ特性が大きく変化しない或いは実質的に不変であるとみなし得るような場合については、このように太陽電池１００の出力点を常時最大出力点付近に維持する態様が効果的である。
【０１３４】
尚、本実施形態に係る出力制御においては、ステップＳ１０７における太陽電池１００のリセットに伴い、負荷ＲＬのステップ幅がΔＲ１よりも大きいΔＲ２に設定される。これは、本発明に係る「前記負荷が前記特定された負荷に近付くに連れて前記負荷の増加幅を小さくする」旨の第１制御手段の動作の一例であるが、他の例として、目標負荷に近付くに連れて、より多段階に或いは連続的に負荷のステップ幅が減少側に制御されてもよい。
【０１３５】
尚、本実施形態においては、太陽電池１００の最大出力点が特定されるとしたが、太陽電池１００から効率良く出力を取り出す旨の本発明に係る太陽電池の出力制御装置に係る実践上有益なる効果を得るに際しては、必ずしも太陽電池１００の最大出力点が明確に把握される必要は無い。即ち、負荷の増加に対して出力が増加する増加領域（本実施形態では上記ホットキャリア領域）に属する負荷から順次負荷を増加させる旨の本発明に係る第１制御手段の作用と、負荷の増加に対する出力の低下が検出された場合に負荷を初期負荷まで瞬時に急減させる旨の本発明に係る第２制御手段の作用とを含む限りにおいて、太陽電池１００から高効率に出力を取り出すことが可能である。
【０１３６】
最後に、本実施形態は、本発明に係る太陽電池としてホットキャリア型太陽電池が採用される。ホットキャリア型太陽電池は、上述したようにＩＶ特性にスパイク状のピークを有するため、負荷の変化方向に対し検出される最大出力点が顕著に変化する。このため上記出力制御の適用対象として極めて好適である。然るに、上記出力制御を一例とする、本発明に係る太陽電池の出力制御装置に係る一連の動作プロセスは、他の太陽電池に対する出力制御として適用することもできる。何故なら、負荷の変化方向に対し出力がロバストな太陽電池であれば、元より低負荷側から高負荷側へ負荷を変化させる旨が規定されていたところで、全く問題がないからである。即ち、より広範な種類の太陽電池に対し効率的な出力の取り出しを実現し得る点において、本発明は実践上有益である。
【０１３７】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う太陽電池の出力制御装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【産業上の利用の可能性】
【０１３８】
本発明は、太陽電池から出力を取り出す際の出力制御に適用可能である。
【符号の説明】
【０１３９】
１０…太陽電池システム、１００…太陽電池、２００…電流センサ、３００…ＥＣＵ、４００…負荷装置、４１０…充電池、４２０…チョッパ回路、５００…短絡回路。
【図１】
2012046317.tif 000016
【図２】
2012046317.tif 000017
【図３】
2012046317.tif 000018
【図４】
2012046317.tif 000019
【図５】
2012046317.tif 000020
【図６】
2012046317.tif 000021
【図７】
2012046317.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月21日(2013.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の出力を制御する太陽電池の出力制御装置であって、
前記出力を取り出すための負荷を、該負荷の増加に対して前記出力が増加する増加領域の負荷から順次増加させる第１制御手段と、
前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷の増加に対する前記出力の低下を検出する検出手段と、
前記出力の変化が検出された場合に、前記負荷を、前記増加領域に属する初期負荷まで、前記負荷を順次増加させる過程と較べて急激に減少させる第２制御手段と
を具備し、
前記第１制御手段は、前記負荷が前記初期負荷まで減少した後に再び前記負荷を順次増加させる
ことを特徴とする太陽電池の出力制御装置。
【請求項２】
前記第２制御手段は、前記負荷を順次増加させる過程と較べて前記負荷の変化速度を大きくすることにより前記負荷を急激に減少させる
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項３】
前記太陽電池はホットキャリア型太陽電池である
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項４】
前記出力の低下が生じる前記負荷を特定する特定手段を更に具備する
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項５】
前記第１制御手段は、前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷が前記特定された負荷に近付くに連れて前記負荷の増加幅を小さくする
ことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項６】
前記第１制御手段は、前記負荷を順次増加させる過程において、前記負荷が前記特定された負荷に対応する目標負荷となるように前記負荷を順次増加させる
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項７】
前記目標負荷は、前記特定された負荷よりも低負荷側で設定される
ことを特徴とする請求項６に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項８】
前記負荷を変化させることが可能な負荷可変手段を更に具備し、
前記第１制御手段は、前記負荷可変手段を制御することにより前記負荷を順次増加させ、
前記第２制御手段は、前記負荷可変手段を制御することにより前記負荷を急激に減少させる
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項９】
前記負荷可変手段は、通電状態に応じて前記負荷を変化させる
ことを特徴とする請求項８に記載の太陽電池の出力制御装置。
【請求項１０】
前記負荷可変手段は、前記太陽電池を短絡させる短絡手段を含む
ことを特徴とする請求項８又９に記載の太陽電池の出力制御装置。
【国際調査報告】
2012046317.tif 000023
2012046317.tif 000024