(57)【要約】【課題】ＣＰＵ制御を不要としたより簡単な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現することができる太陽光発電システムを提供する。【解決手段】同一特性を有する第１の太陽電池と第２の太陽電池を備え、第１の太陽電池を用いて発電した電力を、第１の電池の発電電力を最大化するためのＭＰＰＴ制御回路を介して、二次電池に蓄える太陽光発電システムであって、ＭＰＰＴ制御回路は、第１及び第２の太陽電池において、発電電力が最大となる電力最大点電圧の開放端電圧に対する割合を示す割合情報と、第２の太陽電池の開放端電圧及び割合情報に基づいて、第２の太陽電池の出力電圧を電力最大点電圧に設定する参照用電圧設定手段と、参照用電圧設定手段で設定された第２の太陽電池の電力最大点電圧と第１の太陽電池の出力電圧を比較して、第１の太陽電池の出力電圧を電力最大点電圧に調整する充電用電圧調整手段と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一特性を有する第１の太陽電池と第２の太陽電池を備え、前記第１の太陽電池を用いて発電した電力を、前記第１の電池の発電電力を最大化するためのＭＰＰＴ制御回路を介して、二次電池に蓄える太陽光発電システムであって、
前記ＭＰＰＴ制御回路は、
前記第１及び第２の太陽電池において、発電電力が最大となる電圧である電力最大点電圧の開放端電圧に対する割合を示す割合情報と、
前記第２の太陽電池の開放端電圧及び前記割合情報に基づいて、前記第２の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に設定する参照用電圧設定手段と、
前記参照用電圧設定手段で設定された前記第２の太陽電池の前記電力最大点電圧と前記第１の太陽電池の出力電圧を比較して、前記第１の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に調整する充電用電圧調整手段と、
を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
前記充電用電圧調整手段は、負帰還をかけたオペアンプ及び分圧回路を含み、
前記第１の太陽電池と前記第２の太陽電池の発電電圧が異なる場合には、
前記分圧回路は、前記第１の太陽電池の出力電圧を前記第２の太陽電池の出力電圧となるように分圧し、
前記オペアンプは、前記参照用電圧設定手段により設定された前記第２の太陽電池の前記電力最大点電圧、及び前記分圧回路により分圧された前記第１の太陽電池の出力電圧をそれぞれ入力し、入力された２つの電圧が等しくなるようにオペアンプの出力電圧を制御することによって、前記充電用電圧調整手段は、前記第１の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に調整することを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
【請求項３】
前記充電用電圧調整手段は、負帰還をかけたオペアンプを含み、
前記第１の太陽電池と前記第２の太陽電池の発電電圧が同一である場合には、
前記オペアンプが、前記参照用電圧設定手段により設定された前記第２の太陽電池の前記電力最大点電圧、及び前記第１の太陽電池の出力電圧をそれぞれ入力し、入力された２つの電圧が等しくなるようにオペアンプの出力電圧を制御することによって、前記充電用電圧調整手段は、前記第１の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に調整することを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
前記参照用電圧設定手段は、前記第２の太陽電池の開放端電圧を測定可能な回路において、測定した前記第２の太陽電池の開放端電圧を前記割合情報に基づいて分圧することにより、前記第２の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
【請求項５】
前記第２の太陽電池の代わりに、照度を計測する照度計測器と、
前記照度計測器が計測した照度を電圧に換算する電圧換算回路と、を備え、
前記参照用電圧設定手段は、
前記電圧換算回路が換算した電圧から前記電力最大点電圧に設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池を用いて電力を二次電池に蓄える太陽光発電システムに関し、特に、太陽光発電システムのＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境への配慮や充電の容易性から、太陽電池を用いた太陽光発電システムの普及が著しい。このような太陽光発電システムの問題点としては、太陽電池を取り巻く環境は時々刻々変化していくため、太陽電池においては出力電力が一定でないという点が挙げられる。例えば、太陽電池に入射する光の量（日照量）や太陽電池自身の動作温度などによって、太陽電池の出力電力は変化する。
【０００３】
そこで、環境条件が変化しても、太陽電池の出力エネルギーを効率的に引き出せるように、太陽電池の発電電力が最大となる電力最大点付近で動作させるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御が考案されている。
【０００４】
このＭＰＰＴ制御には、大きく２つの方法がある。１つは、山登り法と呼ばれる方法であり、太陽電池の電圧及び電流を測定し最大電力点を追従する方法である（例えば、特許文献１、２参照）。山登り法の場合には、回路が複雑になるとともに、電力を算出するための電流及び電圧の乗算も必要となるので、ＣＰＵ負荷が大きくなり、消費電力も大きいという問題がある。
【０００５】
もう一つは、電圧追従法と呼ばれる方法であり、太陽電池の開放時電圧 (最大電圧)の約８０％（シリコン太陽電池の場合）の電圧を追従する方法である。これは、太陽電池の電力最大値は、環境の変化によらず（例えば、日照量の変化などによらず）、ほぼ一定の電圧値のときに得られることが知られているため、この特性を利用した方法である。例えば、シリコン太陽電池の場合には、開放端電圧（最大電圧）の約８０％の電圧が電力最大点であり、また、アモルファス太陽電池の場合には、開放端電圧の約６８％の電圧が電力最大点であることが知られている。電圧追従法は、山登り法に比べて、少し効率が悪いという問題があるが、回路が簡単であり、制御も簡単であるというメリットがある。また、その結果、山登り法に比べて、消費電力が小さいというメリットもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１１７４４０号公報
【特許文献２】特開平７−２２５６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の電圧追従法、例えば、ＰＩＣ（Peripheral Interface Controller）が太陽電池の電圧を確認し、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行う回路を用いて電圧追従法を実施する場合には、時々、太陽電池の開放端電圧を測定し直さなければならないという問題がある。このような観点から、電圧追従法においても、ＣＰＵ制御を不要としたより簡単な構成、及びさらなる消費電力の低減が望まれている。
【０００８】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、ＣＰＵ制御を不要としたより簡単な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現することができる太陽光発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る太陽光発電システムは、同一特性を有する第１の太陽電池と第２の太陽電池を備え、前記第１の太陽電池を用いて発電した電力を、前記第１の電池の発電電力を最大化するためのＭＰＰＴ制御回路を介して、二次電池に蓄える太陽光発電システムであって、前記ＭＰＰＴ制御回路は、前記第１及び第２の太陽電池において、発電電力が最大となる電圧である電力最大点電圧の開放端電圧に対する割合を示す割合情報と、前記第２の太陽電池の開放端電圧及び前記割合情報に基づいて、前記第２の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に設定する参照用電圧設定手段と、前記参照用電圧設定手段で設定された前記第２の太陽電池の前記電力最大点電圧と前記第１の太陽電池の出力電圧を比較して、前記第１の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に調整する充電用電圧調整手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様においては、２つの太陽電池を用意し、第１の太陽電池を充電用太陽電池、第２の太陽電池を計測用太陽電池として、第２の太陽電池の出力電圧を第２の太陽電池の発電電力が最大となる電力最大点電圧に設定し、この設定した電力最大点電圧と第１の太陽電池の出力電圧を比較することで、第１の太陽電池の出力電圧を第１の太陽電池の発電電力が最大となる電力最大点電圧に調整するので、簡単な回路構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現することができる。
【００１１】
また、前記充電用電圧調整手段は、負帰還をかけたオペアンプ及び分圧回路を含み、前記第１の太陽電池と前記第２の太陽電池の発電電圧が異なる場合には、前記分圧回路は、前記第１の太陽電池の出力電圧を前記第２の太陽電池の出力電圧となるように分圧し、前記オペアンプは、前記参照用電圧設定手段により設定された前記第２の太陽電池の前記電力最大点電圧、及び前記分圧回路により分圧された前記第１の太陽電池の出力電圧をそれぞれ入力し、入力された２つの電圧が等しくなるようにオペアンプの出力電圧を制御することによって、前記充電用電圧調整手段は、前記第１の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に調整するように構成してもよい。
【００１２】
この場合には、分圧回路が第１の太陽電池の出力電圧を第２の太陽電池の出力電圧となるように分圧し、オペアンプは第２の太陽電池の電力最大点電圧及び分圧された前記第１の太陽電池の出力電圧を入力して、入力された２つの電圧が等しくなるようにオペアンプの出力電圧を制御するので、簡単に第１の太陽電池の電力最大点電圧を追従することができる。すなわち、ＣＰＵ制御を不要とした回路構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現することができる。
【００１３】
また、前記充電用電圧調整手段は、負帰還をかけたオペアンプを含み、前記第１の太陽電池と前記第２の太陽電池の発電電圧が同一である場合には、前記オペアンプが、前記参照用電圧設定手段により設定された前記第２の太陽電池の前記電力最大点電圧、及び前記第１の太陽電池の出力電圧をそれぞれ入力し、入力された２つの電圧が等しくなるようにオペアンプの出力電圧を制御することによって、前記充電用電圧調整手段は、前記第１の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に調整するように構成してもよい。
【００１４】
この場合には、オペアンプは第２の太陽電池の電力最大点電圧及び前記第１の太陽電池の出力電圧を入力して、入力された２つの電圧が等しくなるようにオペアンプの出力電圧を制御するので、簡単に第１の太陽電池の電力最大点電圧を追従することができる。すなわち、ＣＰＵ制御を不要とした回路構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現することができる。
【００１５】
また、前記参照用電圧設定手段は、前記第２の太陽電池の開放端電圧を測定する回路において、測定した前記第２の太陽電池の開放端電圧を前記割合情報に基づいて分圧することにより、前記第２の太陽電池の出力電圧を前記電力最大点電圧に設定するように構成してもよい。
【００１６】
この場合には、簡単な回路構成で第２の太陽電池の出力電圧を電力最大点電圧に設定することができる。
【００１７】
また、前記第２の太陽電池の代わりに、照度を計測する照度計測器と、前記照度計測器が計測した照度を電圧に換算する電圧換算回路と、を備え、前記参照用電圧設定手段は、前記電圧換算回路が換算した電圧から前記電力最大点電圧に設定するように構成してもよい。
【００１８】
この場合には、照度計測器を用いることで、簡単に第１の太陽電池の電力最大点電圧を追従することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の太陽光発電システムによれば、ＣＰＵ制御を不要としたより簡単な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。
【図２】図１の電力制御部を構成する回路の一例である。
【図３】図１の電力制御部を構成する回路の別の一例である。
【図４】図２の点線部分を構成する別の回路の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る太陽光発電システム１の概略構成図である。図１に示す太陽光発電システム１は、同一特性を有する２つの太陽電池、すなわち、充電用太陽電池２と計測用太陽電池３を備える。充電用太陽電池２は、２次電池６に充電を行うための太陽電池であり、充電用太陽電池２が発電した電力は、ＭＰＰＴ制御回路４及び充電制御回路５を介して、２次電池６に蓄えられる。一方、計測用太陽電池３は、ＭＰＰＴ制御回路４が充電用太陽電池２の発電電力を最大化するために用いられる太陽電池である。
【００２３】
本実施の形態では、充電用太陽電池２及び計測用太陽電池３は、単結晶シリコン型の太陽電池を採用しているが、充電用太陽電池２及び計測用太陽電池３の種類はこれに限定されるものではなく、２つの太陽電池の特性が同一であれば他の材料を用いてもよい。例えば、多結晶シリコン型やアモルファスシリコン型の太陽電池でもよい。
【００２４】
また、本実施の形態では、計測用太陽電池３は１セルの太陽電池素子から構成し、充電用太陽電池２はＮセル（Ｎは２以上の自然数）の太陽電池素子を直列に接続して構成しているが、充電用太陽電池２と計測用太陽電池３のセル構成はこれに限定されない。例えば、充電用太陽電池２と計測用太陽電池３のセル数を同一にし、後述するように、１セルの太陽電池素子から構成された充電用太陽電池２と１セルの太陽電池素子から構成された計測用太陽電池３としてもよい。
【００２５】
なお、本実施の形態では、充電用太陽電池２と計測用太陽電池３は、日照条件及び動作温度が同一となるように配置されている。例えば、同一モジュール内に隣接して配設されるなどである。勿論、日照条件及び動作温度の同一が担保されるのであれば、充電用太陽電池２と計測用太陽電池３の配置は、これ以外の配置であってもよい。また、後述するように、太陽電池の電力が最大となるときの電圧値は、日照条件等によらず一定であるため、充電用太陽電池２と計測用太陽電池３は、必ずしも日照条件及び動作温度が同一となるように配置しなくてもよい。
【００２６】
ＭＰＰＴ制御回路４は、充電用太陽電池２の発電電力を最大化するための回路であり、本実施の形態では、電圧追従法に基づいて、充電用太陽電池２の出力電圧を、充電用太陽電池２の開放端電圧（最大電圧）の所定の割合（以下、電力最大化割合という）の電圧となるように調整している。
【００２７】
本実施の形態では、上述したように充電用太陽電池２及び計測用太陽電池３は、単結晶シリコンで構成されているので、電力最大化割合は約８０％となっている。すなわち、ＭＰＰＴ制御回路４は、充電用太陽電池２の出力電圧を開放端電圧の８０％となるように調整している。なお、この電力最大化割合は、日照条件等の影響を受けず、略一定であることが知られている。勿論、他の材料の太陽電池を採用する場合には、採用した太陽電池の電力最大化割合を用いて、充電用太陽電池２の出力電圧を調整すればよい。例えば、アモルファスシリコン型太陽電池の場合には、開放端電圧の約６８％の電圧が電力最大点である。
【００２８】
また、本実施の形態では、計測用太陽電池３の出力電圧を参照用電圧として用いることにより充電用太陽電池２の出力電圧を電力最大点に調整しているが、この調整方法に関しては詳しくは後述する。
【００２９】
充電制御回路５は、ＭＰＰＴ制御回路４から出力された電圧を所望の一定電圧に引き上げたり、引き下げたりして、２次電池６に出力するようになっている。
【００３０】
次に、図２を用いて、電力制御部７の回路の一例を説明する。図２は、図１の充電用太陽電池２、計測用太陽電池３及びＭＰＰＴ制御回路４から構成される電力制御部７の回路構成図である。
【００３１】
計測用太陽電池３が発電した電圧は、可変抵抗器９を介して分圧され、オペアンプ１０の反転入力端子（−）に入力される。本実施の形態においては、可変抵抗器９の最大抵抗値及びオペアンプ１０の入力インピーダンスは無限大と見なせるほど高くなっているため、可変抵抗器９を最大抵抗値とした場合には、開放端電圧に近い状況が再現されている。そのため、上述した電力最大化割合（具体的には８０％）を考慮して可変抵抗器９の抵抗を設定すれば、オペアンプ１０の反転入力端子には、計測用太陽電池３が発電した電力最大点の電圧（以下、電力最大点電圧ともいう。具体的には、計測用太陽電池３の開放端電圧の８０％の電圧）が入力されるようになる。
【００３２】
なお、図２に示す回路においては、可変抵抗器９が計測用太陽電池３の出力電圧を分圧したが、後述する分圧器８を用いて計測用太陽電池３の出力電圧を分圧するようにしてもよい。
【００３３】
一方、充電用太陽電池２が発電した電圧は、２つの抵抗で構成された分圧器８により分圧され、オペアンプ１０の非反転入力端子（＋）に入力される。具体的には、本実施の形態においては、充電用太陽電池２の発電電圧は計測用太陽電池３の発電電圧のＮ倍となっているので、充電用太陽電池２の出力電圧は、分圧器８を介して１／Ｎに分圧されて、オペアンプ１０の非反転入力端子に入力される。
【００３４】
この結果、負帰還をかけたオペアンプ１０は、２つの入力電圧が等しくなるようにオペアンプ１０の出力電圧を制御するので、分圧された充電用太陽電池２の電圧は、計測用太陽電池３の電力最大点電圧に等しくなるように制御される。なお、オペアンプ１０の出力電圧は、ＦＥＴ（Field effect transistor）１２のゲート電圧を制御するので、これにより、ＦＥＴ１２のソース・ドレイン間を流れる電流は調整され、結果、充電用太陽電池２からダイオード１３を介して、２次電池６側（充電制御回路５）に出力される電流は調整されることになる。すなわち、充電用太陽電池２から２次電池６側（充電制御回路５）には、充電用太陽電池２の電力最大点電圧が出力されることとなる。
【００３５】
以上、本実施の形態によれば、計測用太陽電池３を充電用太陽電池２とは別個に用意し、この計測用太陽電池３の電力最大点電圧を計測し、オペアンプ１０が充電用太陽電池２の１／Ｎ倍に分圧された電圧を、計測用太陽電池３の電力最大点電圧と等しくなるように調整するので、簡単に充電用太陽電池２の電力最大点電圧を追従することができる。この結果、本実施形態の太陽光発電システム１によれば、ＣＰＵ制御を必要としない簡単な回路構成でＭＰＰＴ制御を実現することができる。
【００３６】
また、本実施の形態によれば、オペアンプ１０の消費電力だけで太陽光発電システム１を稼働させることができるので、さらなる低消費電力を実現することもできる。なお、本実施の形態においては、外部電源によりオペアンプ１０を動作させたが、充電用太陽電池２の発電でオペアンプ１０を動作させるようにしてもよい。
【００３７】
さらに本実施の形態によれば、オペアンプ１０には、常時、計測用太陽電池３の電力最大点電圧が入力されているので、充電用太陽電池２の電力最大点電圧を追従するのが早いという効果がある。すなわち、従来の電圧追従法では、１つの太陽電池を用いてＭＰＰＴ制御を行っているため、時々、太陽電池の開放端電圧を測定し直すという工程が必要となり、日照条件等の環境条件が急減に変化した場合にはすぐには追随できないという欠点があったが、本実施の形態においては、日照条件等の環境条件が急減に変化したとしても、充電用太陽電池２の電力最大点電圧を迅速に追随することが可能である。
【００３８】
図３は、充電用太陽電池２及び計測用太陽電池３をそれぞれ１セルの太陽電池素子から構成した場合の電力制御部７の回路構成図の一例である。この場合には、充電用太陽電池２から出力される電圧は分圧する必要はないので、分圧器８は設けていない。すなわち、充電用太陽電池２の出力電圧が直接オペアンプ１０の非反転入力端子（＋）に入力される。また、この場合には、可変抵抗器９の代わりに２つの抵抗からなる分圧器１４によって、計測用太陽電池３から出力される電圧は分圧され、分圧された電圧がオペアンプ１０の反転入力端子（−）に入力されるようになっている。
【００３９】
この場合においても、計測用太陽電池３を充電用太陽電池２とは別個に用意し、この計測用太陽電池３の電力最大点電圧を計測し、オペアンプ１０が充電用太陽電池２の出力電圧を、計測用太陽電池３の電力最大点電圧と等しくなるように調整するので、簡単に充電用太陽電池２の電力最大点電圧を追従することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態においては、計測用太陽電池３を参照用電圧として用いて、充電用太陽電池２の電力最大点電圧を求めたが、他の装置や機器を計測用太陽電池３の代わりに用いて、充電用太陽電池２の電力最大点電圧を求めるようにしてもよい。例えば、計測用太陽電池３の代わりに、照度センサと、照度センサが計測した照度を電圧に換算する電圧換算回路を設けて、参照用電圧を取得するようにしてもよい。
【００４１】
また、本実施の形態においては、ＦＥＴ１２を用いてオペアンプ１０の出力電圧を調整したが、これとは別に、ＰＷＭ制御を用いて、デューティレシオ（オン／オフの時間の比）を制御するようにしてもよい。図４にこのような場合の回路例を示す。図４は、図２の点線で囲われた部分１５に相当する回路の一例である。この場合には、さらに制御素子内の電力損失を少なくすることができるという効果がある。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施の形態に対して種々の変形や変更を施すことができ、そのような変形や変更を伴うものもまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４３】
１  太陽光発電システム
２  充電用太陽電池
３  計測用太陽電池
４  ＭＰＰＴ制御回路
５  充電制御回路
６  ２次電池
７  電力制御部
８，１４  分圧器
９  可変抵抗器
１０  オペアンプ
１２  ＦＥＴ
１３  ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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