(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の発電電力をインバータを介して負荷へ給電するように成した太陽光発電装置であって、
前記太陽電池と前記インバータとの間に、前記インバータの運転を制御する制御回路と、前記太陽電池の発電電力を蓄える蓄電池を備え、該蓄電池から前記制御回路へ給電を行う給電回路と、を接続するとともに、
前記給電回路は、前記蓄電池に所定電圧まで充電するための充電手段と、前記蓄電池の蓄電量を検出する検出手段とを備え、
前記蓄電池の蓄電量が所定値に達した場合に、前記蓄電池の充電を停止するとともに前記制御回路に給電し、
前記インバータ起動後に前記蓄電池の蓄電量が前記所定値以下となったときは、前記インバータの入力電力が前記充電手段の定格容量値より大きい場合に前記充電手段を起動し、小さい場合に前記インバータを停止させた後に前記充電手段を起動することを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項２】
太陽電池の発電電力をインバータを介して負荷へ給電するように成した太陽光発電装置であって、
前記太陽電池と前記インバータとの間に、前記インバータの運転を制御する制御回路と、前記太陽電池の発電電力を蓄える蓄電池を備え、該蓄電池から前記制御回路へ給電を行う給電回路と、を接続するとともに、
前記給電回路は、前記蓄電池に所定電圧まで充電するための充電手段と、前記蓄電池の蓄電量を検出する検出手段とを備え、
前記蓄電池の蓄電量が所定値に達した場合に、前記蓄電池の充電を停止するとともに前記制御回路に給電し、
前記蓄電池への充電を前記インバータの入力電圧が第１の設定値以下の状態と、この第１の設定値より大きな第２の設定値以上の状態の時に行うように制御することを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項３】
前記蓄電池に電気二重層コンデンサを用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、太陽電池の直流を交流に変換して負荷へ電力を供給する太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
従来より、太陽電池から負荷へ電力を供給する太陽光発電装置において、太陽電池といった直流電源を有効な汎用用途に資するために、太陽電池と商用電源系統との連係システムを構築することが行われている。このような系統連係システムは、電力需要の平準化（ピークカット）の要請に応えるだけでなく、省エネルギーの観点からも大いに注目されている。
【０００３】
ところで、系統連係システムに使用されるインバータは、変換効率（以下、効率という）が高いものが要求されているが、例えば図４に示すように、いったんは出力電力の上昇とともに変換効率が上昇してピークを迎えるが、出力電力が定格の４０〜５０％を超えると、逆に減少する特性を有し、全体として５〜１０％程度の損失を生じるのが普通である。
【０００４】
このような損失の要因は、例えば商用変圧器で絶縁する系統連係システムでは、商用変圧器の励磁損、インバータの制御回路での損失、回路を構成する半導体素子の銅損などに大別されるが、特にインバータの低出力範囲では、励磁損によりインバータの変換効率は著しく低下する。
【０００５】
一方、高周波絶縁変圧器を使用した系統連係システムでは、変圧器が小型となるので、励磁損が軽減される反面、半導体素子の使用個数が増加するため銅損が増加する。特に最近では、半導体素子の銅損は素子の特性向上に伴い減少する傾向にあるが、それでもインバータの軽負荷時の変換効率が若干向上するだけであって、高周波を低周波に変換するときに用いる半導体素子の使用個数が増加し、これによって銅損が増大することになるので、定格負荷時の変換効率は低下してしまうのが実状である。
【０００６】
また、インバータの制御回路での損失は、以下の理由により低減することは困難となっている。これは、システムにおけるユーザーの多機能化等の要請により、電力変換に直接的に関わる一般的な制御回路での損失以外の損失が増加する傾向にあるからである。例えば、現在の発電量を使用者に表示する機能を付加したり、システムの稼働状態を外部からリモートコントロールを行うために、運転データーを処理する機能部分と外部との連係を図るための新たな回路を付加する等により、制御回路全体での損失はますます増加する傾向にある（特開平６−１６５３９２等を参照）。
【０００７】
さらに、太陽電池は日射強度にほぼ比例した電力を出力するが、日本のように空気中で散乱する散乱光の割合が直達光に比べて多い地域では、快晴時の最大日射量の５〜２０％程度の低日射状態でも太陽光発電装置を運転することが大変多い。このため、低日射時においても高効率で作動するインバータが必要とされるが、低日射時にはシステムの全損失を上回る日射が発生しているかどうかの判定が困難であり、たとえ何らかの基準でインバータを起動させても、インバータから有効な出力が得られない場合には、インバータの起動・停止が頻繁に繰り返される、いわゆるチャタリング現象が生じる。
【０００８】
また、インバータの固定損失部分で消費する電力に満たない低日射時には、たとえ太陽電池が発電可能な状態でもその電力を全く利用出来ないという問題がある。
【０００９】
そこで本発明では、従来利用できなかった、特に低日射時の発電電力を有効に利用し、太陽光発電装置における電力変換効率の向上を図るとともに、特に低日射時に発生していたインバータのチャタリング現象を極力防止するようにした、信頼性の高い太陽光発電装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の太陽光発電装置は、太陽電池の発電電力をインバータを介して負荷へ給電するように成した太陽光発電装置であって、前記太陽電池と前記インバータとの間に、前記インバータの運転を制御する制御回路と、前記太陽電池の発電電力を蓄える蓄電池を備え、該蓄電池から前記制御回路へ給電を行う給電回路と、を接続するとともに、前記給電回路は、前記蓄電池に所定電圧まで充電するための充電手段と、前記蓄電池の蓄電量を検出する検出手段とを備え、前記蓄電池の蓄電量が所定値に達した場合に、前記蓄電池の充電を停止するとともに前記制御回路に給電し、前記インバータ起動後に前記蓄電池の蓄電量が前記所定値以下となったときは、前記インバータの入力電力が前記充電手段の定格容量値より大きい場合に前記充電手段を起動し、小さい場合に前記インバータを停止させた後に前記充電手段を起動する。
【００１１】
このように、インバータを起動後、検出手段からの検出信号、すなわち蓄電池の蓄電量が前記所定値以下に降下した場合で且つインバータの入力電力が充電手段の定格容量値より大きい場合には、この充電手段を起動し、逆に小さい場合にはインバータを停止させた後に、充電手段を起動するようにしたので、太陽電池の出力を無駄にすることがない。
【００１２】
また、本発明の太陽光発電装置は、太陽電池の発電電力をインバータを介して負荷へ給電するように成した太陽光発電装置であって、前記太陽電池と前記インバータとの間に、前記インバータの運転を制御する制御回路と、前記太陽電池の発電電力を蓄える蓄電池を備え、該蓄電池から前記制御回路へ給電を行う給電回路と、を接続するとともに、前記給電回路は、前記蓄電池に所定電圧まで充電するための充電手段と、前記蓄電池の蓄電量を検出する検出手段とを備え、前記蓄電池の蓄電量が所定値に達した場合に、前記蓄電池の充電を停止するとともに前記制御回路に給電し、前記蓄電池への充電を前記インバータの入力電圧が第１の設定値以下の状態と、この第１の設定値より大きな第２の設定値以上の状態の時に行うように制御する。
【００１３】
このように、蓄電池への充電をインバータの入力電力が第１の設定値以下の状態と、第１の設定値より大きな第２の設定値以上の状態の時に行うように制御したので、太陽光発電装置における電力変換効率を向上させることが可能となる。すなわち、第１の設定値以下において蓄電池への充電を行うようにすることによって、従来利用することができなかった低日射時の効率を向上させることができる。また、第２の設定値以上において蓄電池への充電を行うようにすることによって、電力変換効率が高出力時に低下するような高周波絶縁タイプにおいて、太陽電池出力を蓄電にまわすことによって電力変換効率の高い領域で運転が可能となり、全体として太陽光発電装置の効率を向上させることが可能となる。
【００１４】
また、蓄電池が電気二重層コンデンサであれば、残存容量を正確に測定できる上、何度でも充放電を繰り返すことができるという利点を有する。
【００１５】
また、太陽電池の出力が所定値以上の場合に、前記蓄電池から前記制御回路へ給電して前記インバータを起動することによって、制御回路による損失を最小限に抑えることが可能となる。
【００１６】
【作用】
上記太陽光発電装置によれば、従来の太陽光発電装置では低日射状態時には、太陽電池が発電しているにもかかわらず、各損失要因によってインバータからの出力がほぼゼロとなり、負荷への給電は停止してしまう。このようなときには、太陽電池からの発電電力は、給電を停止してしまう程の低日射時においても、太陽電池電源の出力を制御回路用のエネルギーとして有効に利用する事が可能となる。
【００１７】
また、太陽光発電装置の起動後の低日射時においては、固定損として生じていた制御回路損は、独立して蓄電手段により制御回路へ供給されるため、電力変換部の変換効率だけの状態となりシステムの太陽光エネルギーの利用効率が飛躍的に向上する。さらに、少なくとも補助電源でもって蓄電するようにしたので、低日射時に生じるインバータの起動、停止が繰り返されるチャタリング現象を防止できる。
【００１８】
【実施例】
本発明に係る太陽光発電装置の一実施例について図面に基づき詳細に説明する。
図１に示すように、太陽電池ＰＶと負荷（商用電源系統）ＬＤとの間に、太陽電池ＰＶの直流を交流に変換するインバータ（電力変換手段）ＩＮ、このインバータＩＮへの入力制御を行う制御回路ＭＡ、及びこの制御回路ＭＡへ給電を行う給電回路ＭＢを設けて太陽光発電装置Ｓ１を構成している。
【００１９】
ここで、制御回路ＭＡは、太陽電池ＰＶの動作点を検出し、インバータＩＮの入力電圧を制御することにより太陽電池ＰＶの最大電力点を自動的に追尾できるようにしたものであり、太陽電池ＰＶの出力電流及び出力電圧、インバータＩＮの出力電流及び出力電圧をそれぞれ検出する電流検出回路ＣＡ，電圧検出回路ＣＢ、インバータＩＮの運転情報を経時的に記憶しておくメモリＭＥ、インバータＩＮの運転時間や毎月の積算処理に必要な時計回路ＲＴ、系統の保護、監視、及び太陽電池ＰＶの故障診断等を行う診断回路ＴＭ、太陽電池ＰＶの発電量や太陽光発電装置Ｓ１の稼働状態の表示を行う表示回路ＤＳ、及び外部との連係を行うためのホームオートメーション用回路ＨＡ等から構成されている。
【００２０】
また、制御回路ＭＡに電力供給を行う給電回路ＭＢは、太陽光発電システムＳ１の１〜１０％程度の電力比容量を有する電力変換回路ＤＭ（DC/DC コンバータ）、電気二重層コンデンサである蓄電手段ＢＣ、電圧安定化回路ＤＣ、蓄電量検出回路ＦＣ等により構成されている。なお、電力変換回路ＤＭの電力比容量を太陽光発電システムＳ１の１〜１０％程度としている。電力変換回路ＤＭは蓄電手段ＢＣを充電するものであるから、一般的な蓄電池充電制御装置が備える過充電防止機能を有する。
【００２１】
まず、給電回路ＭＢの回路動作について説明する。
太陽電池ＰＶの出力は、夜明けと同時に日射強度にほぼ比例した直流電力を発生し、蓄電手段ＢＣは太陽電池ＰＶの発電とほぼ同時に起動する電力変換回路ＤＭでもって充電される。電力変換回路ＤＭは小容量に設定してあるので、この起動に必要な日射エネルギーは極微小な日射で良く、蓄電手段ＢＣを充電することができる時間はほぼ日照時間と一致する。
【００２２】
なお、日射の発生とともに蓄電手段ＢＣへ電気エネルギーが蓄えられる。蓄電量検出回路ＦＣは、電力変換回路ＤＭによって充電される蓄電手段ＢＣの蓄電量を監視し、これが所定値に達した場合に、電圧安定化回路ＤＣの起動信号を出力すると同時に制御回路ＭＡの起動信号も出力するものである。さらに電力変換回路ＤＭは、過充電を抑制するように蓄電手段ＢＣへの充電電流を制限する。
【００２３】
次に、制御回路ＭＡの回路動作について説明する。
給電回路ＭＢの動作と同様に蓄電手段ＢＣの蓄電量が所定値に達すると、制御回路ＭＡに電圧安定化回路ＤＣを介して蓄電手段ＢＣより電源供給されて制御回路ＭＡを起動させる。この時、太陽電池ＰＶの出力電流が所定値以上である場合（日射が所定の日射量以上である場合）、制御回路ＭＡでもってインバータＩＮを起動し、これにより太陽光発電装置Ｓ１が稼働を開始することとなり、負荷ＬＤ側へ太陽電池ＰＶの電力が供給されるようになる。ここで、太陽光発電装置Ｓ１の稼働は、蓄電手段ＢＣへの充電が充分行われた後に行われる。
【００２４】
１日の日射量は、例えば図２（ａ）に示すように変化する。すなわち、昼間ずっと快晴であれば日射量の時間変化は点線で示した曲線Ｃ１のごとくとなり、昼間ずっと薄曇りであれば実線で示した曲線Ｃ２のごとくに変化する。
【００２５】
ここで、図４に示した特性を有するインバータでは、上記薄曇りの場合に図２（ｂ）の実線で示した曲線Ｃ３のごとくに、上記薄曇りにおける曲線Ｃ２のレベルＬ１より多くの日射量変化にほぼ比例した出力を取り出せるに過ぎない。すなわち、図２（ａ）のレベルＬ１以下の日射量では、太陽光発電装置Ｓ１の全損失を補うだけの日射量がないので、太陽電池ＰＶが発電していてもインバータＩＮから負荷ＬＤへ電力は全く供給されないのである。すなわち、期間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４においては、インバータＩＮからの出力はゼロとなる。なお、図２（ｂ）の点線で示した曲線Ｃ４は、上記薄曇りのときに損失がゼロの場合におけるインバータＩＮの出力である。
【００２６】
一方、本実施例では、図２（ａ）と同様な日射状態では、図３（ｂ）の実線に示す日射量にほぼ比例した出力を取り出せる。すなわち、図３（ｂ）において出力を全く取り出せない期間ｔ５，ｔ６では、主に電力損失を生じる電力変換部分のみだけでなくその制御回路をも停止しておき、蓄電手段ＢＣを充電する給電回路ＭＢのみを動作させ、従来は全く利用出来なかった低日射エネルギーを蓄電手段ＢＣへ蓄えるように制御を行うのである。
【００２７】
ここで、蓄電手段ＢＣは近年性能向上が著しい電気二重層コンデンサを使用するとよい。この電気二重層コンデンサは、従来、蓄電池として一般的な鉛蓄電池やニッケルカドニウム蓄電池と異なり、充放電サイクルをほぼ無制限に行えるという特徴があり、さらに、人体に有害な物質を使用せず、長寿命で且つ補水等のメンテナンスが不要なことから、太陽光発電装置には最も適した蓄電デバイスであるといえる。
【００２８】
この蓄電手段ＢＣとして電気二重層コンデンサーを使用した場合の端子電圧の変化は、図３（ａ）のような変化を示す。すなわち、まず図３（ｂ）の期間ｔ５で充電され、図３（ｂ）の点Ｐ１に達する。電気二重層コンデンサーは、その蓄電量Ｅ＝（１／２）Ｃ・Ｖ2 で表されるように端子電圧から容易にかつ正確に蓄電量を計ることができる。
【００２９】
ここで、設定充電量レベルＬ２に達した後、蓄電量検出回路ＦＣは蓄電池充電回路ＤＭを停止するとともに、電圧安定化回路ＤＣを起動し、制御回路ＭＡに起動信号を送る。この起動信号によって制御回路ＭＡが動作しインバータＩＮに起動をかけ負荷ＬＤへの給電を開始する。この負荷ＬＤへの給電を開始した様子は図３（ｂ）の点Ｐ０に当たる。
【００３０】
ここで、本発明の特徴である高効率な点は、インバータＩＮを制御している制御回路ＭＡの電源は、従来、低日射状態で利用できないでいた期間ｔ５によって充電されたエネルギーによって動作していることが最大の特徴である。このため、図３（ｂ）の起動点Ｐ１からの電力変換効率は、従来の太陽光発電装置が生じている制御回路ＭＡの損失を除いた部分での効率で運転できることが言え、非常に効率の高い状態であることは言うまでもない。次に、制御回路ＭＡの電源は蓄電装置ＢＣに蓄えられたエネルギーでもって運転しているので、図３（ｂ）の点Ｐ２において蓄電量が所定値に低下する事になる。
【００３１】
この時、既に日射は充分な強さまで発生していれば、インバータＩＮを停止することなく給電回路ＭＢを作動させて起動し蓄電装置ＢＣを充電する。その後再び蓄電手段ＢＣの端子電圧が上昇し、点Ｐ３に達した場合は再び充電回路ＤＭを停止する制御を行い、前述と同様の動作を繰り返す。また、日射が低下し、図３（ｂ）点Ｐ４のようにインバータＩＮが運転しており、太陽電池ＰＶの出力が蓄電池充電回路ＤＭの定格容量を下回る場合には、インバータＩＮを停止させ、さらに制御回路ＭＡを停止した後、充電回路ＤＭを起動する制御をおこなうことによって、前述の期間ｔ５と同様の低日射状態の期間ｔ６の間も充電回路ＭＤによって蓄電手段ＢＣへ未利用のエネルギーを蓄えることができる。この様子は図３（ａ）の点Ｐ４→点Ｐ５の変化より明らかである。
【００３２】
また、図４の出力範囲において、すなわち定格出力や高日射の場合などは効率が低下する。そこで、系統に供給している電力の一部を充電にまわすようにすれば、太陽光発電装置Ｓ１の全体として効率が上がる。ただし、高出力時なので充分なエネルギーがあるので、蓄電池ＢＣの制御回路ＭＡに対するバックアップ時間を少なくとも日照時間（例えば１２時間）以上とすれば、この出力範囲にある場合に充電することによって効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の太陽光発電装置によれば、従来、太陽電池が発電していても、インバータの出力が無い状態の低日射時においても、太陽電池の出力を制御回路用のエネルギーとして有効に利用する事が可能となる。
【００３４】
また、太陽光発電装置の起動後の低日射時においては、固定損として生じていた制御回路損は、独立して蓄電池により制御回路へ供給されるため、電力変換部の変換効率だけの状態となり、太陽光発電装置の太陽光エネルギーの利用効率が飛躍的に向上する。
【００３５】
さらに、蓄電池に補助電源的に蓄電するようにしたので、低日射時に生じるインバータの起動、停止が繰り返されるチャタリング現象を極力防止が可能な、信頼性の非常に優れた太陽光発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽光発電装置の一実施例を示す回路図である。
【図２】（ａ）は日射量の時間変化を示す図であり、（ｂ）は従来のインバータの出力の時間変化を示す図である。
【図３】（ａ）は蓄電池の端子電圧の時間変化を示す図であり、（ｂ）は本発明のインバータの出力の時間変化を示す図である。
【図４】インバータの出力特性の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
Ｓ１  ・・・  太陽光発電装置
ＰＶ  ・・・  太陽電池
ＩＮ  ・・・  インバータ
ＢＣ  ・・・  蓄電池
ＭＡ  ・・・  制御回路
ＬＤ  ・・・  負荷
ＭＢ  ・・・  給電回路
【図１】
0003688744.tif 000002
【図２】
0003688744.tif 000003
【図３】
0003688744.tif 000004
【図４】
0003688744.tif 000005