(57)【要約】【課題】  日射量の分布が生じた場合であっても迅速に動作点を変更可能な太陽光発電システムを提供する。【解決手段】  太陽光発電システム１においては、太陽電池パネル１０のパネル面１０ｓに沿って複数の発電セル１１が配置されており、同様にパネル面１０ｓに沿って複数の日射センサ３０が配置されている。そして、動作点変更装置２０が、複数の日射センサ３０のそれぞれの検出結果に基づいて発電セル１１の動作点を変更する。したがって、例えば、信号機や建物等の建造物や木等によって太陽電池パネル１０に部分的に日陰が生じた場合であっても、すなわち、パネル面１０ｓ内において日射量の分布が生じた場合であっても、その分布を含む日射センサ３０の検出結果に基づいて、迅速に動作点を変更可能となる。【選択図】図１
2014206780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光の照射により起電力を生じさせる複数の発電セルを有する太陽電池パネルと、
前記発電セルの動作点を変更する動作点変更装置と、
太陽光の日射量を検出する複数の日射センサと、を備え、
複数の前記発電セル及び複数の前記日射センサは、それぞれ、前記太陽電池パネルのパネル面に沿って配置されており、
前記動作点変更装置は、複数の前記日射センサのそれぞれにおける日射量の検出結果に基づいて前記パネル面内における日射量の分布を示す日射分布を算出する日射分布算出部を有し、前記日射分布算出部が算出した前記日射分布に基づいて前記動作点を変更する、
ことを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
前記動作点変更装置は、前記日射分布算出部が算出した前記日射分布に基づいて前記太陽電池パネルの出力電力が最大となる最大電力点を推定して推定最大電力点を取得する最大電力点推定部を有し、前記最大電力点推定部が取得した前記推定最大電力点に基づいて前記動作点を変更する、ことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
【請求項３】
複数の前記発電セルは、前記パネル面に沿って行列状に配列されており、
複数の前記日射センサは、前記発電セルに対応するように配置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
移動体に搭載されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項５】
前記日射センサは、移動体の前後方向に沿った前記発電セルの列のそれぞれに対応するように、当該列の移動体前方側に配置されている、ことを特徴とする請求項４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、太陽光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、太陽電池の出力特性は、日射量や温度等により刻々と変化する。このため、太陽電池において効率よく発電を行うためには、太陽電池の動作点を、出力電力が最大となる最大電力点に追従させる動作が必要である。太陽電池の動作点を最大電力点に追従させるための方法として、山登り法、焼きなまし法、及び遺伝的アルゴリズム等の従来アルゴリズムや、全動作点を探索する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。特に特許文献１に記載の太陽光発電システムにおいては、従来の山登り法に加えて、予め最大電力点を推定して動作点の追従を行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１７０８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば太陽電池パネルに部分的な日陰が生じると（すなわち、パネル内において日照量の分布が生じると）、太陽電池の出力特性が非常に複雑なカーブとなるが、特許文献１に記載の太陽光発電システムにおいては、そのような状況について言及されていない。したがって、特許文献１に記載の太陽光発電システムにおいては、日射量の分布が生じた場合には、従来アルゴリズムである焼きなまし法や遺伝的アルゴリズム、或いは、全動作点を探索する方法に頼らざるを得ず、動作点の追従に時間がかかってしまう。さらに、太陽電池パネルが移動体に搭載されているような場合には、日射量の分布が頻繁に変化するおそれがあるため、最大電力点に到達することが困難になる。
【０００５】
本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、日射量の分布が生じた場合であっても迅速に動作点を変更可能な太陽光発電システム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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る太陽光発電システムは、太陽光の照射により起電力を生じさせる複数の発電セルを有する太陽電池パネルと、発電セルの動作点を変更する動作点変更装置と、太陽光の日射量を検出する複数の日射センサと、を備え、複数の発電セル及び複数の日射センサは、それぞれ、太陽電池パネルのパネル面に沿って配置されており、動作点変更装置は、複数の日射センサのそれぞれにおける日射量の検出結果に基づいてパネル面内における日射量の分布を示す日射分布を算出する日射分布算出部を有し、日射分布算出部が算出した日射分布に基づいて動作点を変更することを特徴とする。
【０００７】
この太陽光発電システムにおいては、太陽電池パネルのパネル面（例えば上面）に沿って複数の発電セル及び日射センサが配置されている。そして、動作点変更装置が、複数の日射センサのそれぞれの検出結果に基づいて日射分布を算出し、発電セルの動作点を変更する。したがって、例えば、太陽電池パネルに部分的に日陰が生じた場合であっても、すなわち、パネル面内において日射量の分布が生じた場合であっても、その分布を含む日射センサの検出結果に基づいて日射分布を算出し、迅速に動作点を変更可能となる。
【０００８】
本発明に係る太陽光発電システムにおいては、動作点変更装置は、日射分布算出部が算出した日射分布に基づいて太陽電池パネルの出力電力が最大となる最大電力点を推定して推定最大電力点を取得する最大電力点推定部を有し、最大電力点推定部が取得した推定最大電力点に基づいて動作点を変更する、ことができる。このように、パネル面内における日射量分布を算出し、その日射量分布に基づいて推定最大電力点を取得すれば、実際の最大電力点に迅速且つ確実に動作点を変更することが可能となる。
【０００９】
本発明に係る太陽光発電システムにおいては、複数の発電セルは、パネル面に沿って行列状に配列されており、複数の日射センサは、発電セルに対応するように配置されているものとすることができる。この場合、パネル面内の日射量の分布に応じて容易に動作点を変更することが可能となる。
【００１０】
本発明に係る太陽光発電システムは、移動体に搭載されているものとすることができる。このように、当該太陽光発電システムが移動体に搭載されている場合には、移動体の移動に伴ってパネル面内の日射量の分布が頻繁に変化するおそれがあるので、本発明がより有効となる。
【００１１】
本発明に係る太陽光発電システムにおいては、日射センサは、移動体の前後方向に沿った発電セルの列のそれぞれに対応するように、当該列の移動体前方側に配置されているものとすることができる。このように、移動体の前後方向に沿った発電セルの列のそれぞれに対応するように、当該列の移動体前方側に日射センサを配置すれば、移動体の前方への移動に伴って、一つの日射センサによって一列の発電セルの配置位置における日射量の分布を得ることが可能となる。よって、日射センサの量を低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、日射量の分布が生じた場合であっても迅速に動作点を変更可能な太陽光発電システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示された発電セルの等価回路を示す図である。
【図３】図１に示された太陽電池パネルの出力特性を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。
【図５】図４に示された日射分布算出装置における日射分布の算出方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る太陽光発電システムの一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素、或いは相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。図１に示されるように、太陽光発電システム１は、太陽電池パネル１０、動作点変更装置２０、及び複数の日射センサ３０を備えている。太陽光発電システム１は、例えば車両等の移動体に搭載されている。
【００１６】
太陽電池パネル１０は、ＤＣＤＣコンバータ２４を介して負荷４０に接続されている。したがって、太陽電池パネル１０で生じた電力はＤＣＤＣコンバータ２４を介して負荷４０に供給される。太陽電池パネル１０は、複数の発電セル１１を有している。発電セル１１は、太陽光の照射により起電力を生じさせる。発電セル１１において生じた電力は、負荷４０に供給される。発電セル１１は、太陽電池パネル１０のパネル面（例えば上面）１０ｓに沿って、２次元の行列状に配置されている。発電セル１１の配列の態様は、例えば、移動体の前後方向及び左右方向のそれぞれに沿うような行列状とすることができる。
【００１７】
発電セル１１は、例えば、インターコネクタによって互いに直列に接続されている。発電セル１１に対しては、必要に応じてバイパスダイオード等を設けてもよい。発電セル１１は、例えば、Ｓｉ単結晶、多結晶、アモルファスＳｉ、ＧａＡｓ、及び、ＣＩＧＳ（Copper  Indium  Gallium  DiSelenide）等から形成される層を含んで構成される。
【００１８】
動作点変更装置２０は、発電セル１１（太陽電池パネル１０）の動作点を変更する。より具体的には、動作点変更装置２０は、発電セル１１の動作点を、複数の日射センサ３０のそれぞれにおける日射量の検出結果に基づいて、太陽電池パネル１０の出力電力が最大となる最大電力点となるように（最大電力点に追従するように）変更する。動作点変更装置２０の詳細については後述する。
【００１９】
日射センサ３０は、太陽光の日射量を検出する。日射センサ３０は、太陽電池パネル１０のパネル面１０ｓに沿って互いに離間して配置されている。より具体的には、日射センサ３０は、発電セル１１のそれぞれに対応するように、パネル面１０ｓに沿って２次元の行列状に配列されている。したがって、ここでは、日射センサ３０は、太陽電池パネル１０のパネル面１０ｓ内における発電セル１１が配置される領域の全体わたって配置されている。
【００２０】
したがって、パネル面１０ｓ内における発電セル１１が配置される領域の全体にわたって、太陽光の日射量を検出することができる。日射センサ３０のそれぞれにおける日射量の検出結果は、動作点変更装置２０に出力される。このような日射センサ３０としては、例えば、汎用のフォトダイオードや小型の太陽電池セル等を用いることができる。日射センサ３０としてフォトダイオードを用いる場合には、日射量と短絡電流とが比例関係となることから、日射量を算出可能である。
【００２１】
引き続いて、動作点変更装置２０について詳細に説明する。動作点変更装置２０は、日射分布算出装置（日射分布算出部）２１、最大電力点推定装置（最大電力点推定部）２２、最大電力点追従装置（最大電力点追従部）２３、及び、ＤＣＤＣコンバータ２４（動作点変更部）を有している。日射分布算出装置２１、最大電力点推定装置２２、及び最大電力点追従装置２３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等を含むコンピュータを主体として構成され、以下に述べる各装置の機能は、そのコンピュータにおいて所定のプログラムを実行することによって実現される。
【００２２】
日射分布算出装置２１は、日射センサ３０から日射量の検出結果を入力する。日射分布算出装置２１は、入力した日射センサ３０のそれぞれにおける日射量の検出結果に基づいて、太陽電池パネル１０のパネル面１０ｓ内における日射量の分布を示す日射分布を算出する。ここでは、日射センサ３０がパネル面１０ｓ内において離散的に配置されているが、日射センサ３０間を線形補間等によって補間することにより、パネル面１０ｓ内の日射分布を算出することができる。日射分布算出装置２１は、算出した日射分布を最大電力点推定装置２２に出力する。
【００２３】
最大電力点推定装置２２は、日射分布算出装置２１から日射分布を入力する。最大電力点推定装置２２は、入力した日射分布に基づいて、太陽電池パネル１０の出力電力が最大となる発電セル１１の動作点（最大電力点）を推定する。最大電力点推定装置２２における最大電力点の推定について、より具体的に説明する。まず、各発電セル１１の等価回路は、例えば図２に示されるように表される。このような発電セル１１のうちの例えばｉ番目の発電セル１１における電圧Ｖｉと電流Ｉｉとの関係は、下記式（１）のように表される。
【数１】
2014206780.tif 000003
【００２４】
上記式（１）において、ｎはダイオード因子であり、ｋはボルツマン定数であり、ｑは電気素量であり、Ｔは絶対温度である。また、Ｉ０は飽和電流であり、Ｒｓは直列抵抗であり、Ｒｓｈはシャント抵抗を示しており発電セル１１の性能から決まる値である。また、ｆ（Ｖｉ）はバイパスダイオードの電圧−電流特性を示しており、各バイパスダイオードのデータシートから求めることができる。さらに、Ｉｐｈ＿ｉは光電流であり、日射センサ３０からの日射量の検出結果を用いて下記式（２）から求めることができる。
【数２】
2014206780.tif 000004
【００２５】
上記式（２）において、Ｉｐｈ０は、１０００Ｗ／ｍ２の日射量の条件下における発電セル１１の短絡電流であり、Ｉｒｒｉはｉ番目の発電セル１１における日射量（すなわち、パネル面１０ｓ内におけるｉ番目の発電セル１１が配置される位置における日射量）であり日射分布から求めることができる。一方、発電セル１１同士を直列接続した場合の太陽電池パネル１０の全体の電圧Ｖｐａｎｅｌと電流Ｉｐａｎｅｌとは、下記式（３），（４）を満たすこととなる。
【数３】
2014206780.tif 000005
【数４】
2014206780.tif 000006
【００２６】
したがって、日射センサ３０からの日射量の検出結果に基づいて日射分布算出装置２１が算出した日射分布から、各発電セル１１における日射量（Ｉｒｒｉ）を上記式（２）に代入したうえで上記式（１）〜（４）を解くことにより、太陽電池パネル１０の全体としての電圧−電流特性を算出することができ、例えば図３に示されるように出力特性が得られる。そして、図３に示されるように得られた出力特性から、最大電力点の推定値（推定最大電力点）Ｖｍｐｐを推定して取得することができる。
【００２７】
このように、最大電力点推定装置２２は、日射センサ３０からの日射量の検出結果に基づいて日射分布算出装置２１が算出したパネル面１０ｓ内の日射分布を用いて、推定最大電力点Ｖｍｐｐを取得する。したがって、最大電力点推定装置２２によって得られる推定最大電力点Ｖｍｐｐは、パネル面１０ｓ内の日射分布を反映したものとなる。最大電力点推定装置２２は、以上のように取得された推定最大電力点Ｖｍｐｐを示す情報を最大電力点追従装置２３に出力する。
【００２８】
最大電力点追従装置２３は、最大電力点推定装置２２によって推定された推定最大電力点Ｖｍｐｐを入力する。最大電力点追従装置２３は、例えば、山登り法や増大インダクタンス法等の従来のアルゴリズムを利用して、発電セル１１の動作点の最大電力点への追従を行う。その際に、最大電力点推定装置２２から入力した推定最大電力点Ｖｍｐｐと、ＤＣＤＣコンバータ２４から入力される太陽電池パネル１０の電力データとを利用する。すなわち、最大電力点追従装置２３は、最大電力点推定装置２２から入力した推定最大電力点Ｖｍｐｐから、実際の最大電力点の探索を開始する。
【００２９】
上述したように、推定最大電力点Ｖｍｐｐは、パネル面１０ｓ内の日射分布を反映したものであるため、日射量の分布が生じている場合の実際の最大電力点に近いと考えられる。したがって、最大電力点追従装置２３によれば、推定最大電力点Ｖｍｐｐから最大電力点の探索を開始することにより、高い精度で速やかに実際の最大電力点を得ることが可能となる。そして、最大電力点追従装置２３は、得られた実際の最大電力点に発電セル１１の動作点を追従させるためのスイッチングＤｕｔｙ比をＤＣＤＣコンバータ２４に出力する。ＤＣＤＣコンバータ２４は、実際に、最大電力点追従装置２３から入力したスイッチングＤｕｔｙ比を用いて、発電セル１１の動作点を最大電力点に変更する。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態に係る太陽光発電システム１においては、太陽電池パネル１０のパネル面１０ｓに沿って複数の発電セル１１が配置されており、同様にパネル面１０ｓに沿って複数の日射センサ３０が配置されている。そして、動作点変更装置２０が、複数の日射センサ３０のそれぞれの検出結果に基づいて日射分布を算出し、発電セル１１の動作点を変更する。したがって、例えば、信号機や建物等の建造物や木等によって太陽電池パネル１０に部分的に日陰が生じた場合であっても、すなわち、パネル面１０ｓ内において日射量の分布が生じた場合であっても、その分布を含む日射センサ３０の検出結果に基づいて日射分布を算出し、迅速に動作点を変更可能となる。
［第２実施形態］
【００３１】
引き続いて、本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムについて説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。図４に示されるように、本実施形態に係る太陽光発電システム１Ａは、第１実施形態に係る太陽光発電システム１と比較して、動作点変更装置２０に代えて動作点変更装置２０Ａを備える点、及び、日射センサ３０に代えて日射センサ３０Ａを備える点で相違している。太陽光発電システム１Ａは、例えば車両等の移動体に搭載されている。
【００３２】
動作点変更装置２０Ａは、動作点変更装置２０と同様に、発電セル１１（太陽電池パネル１０）の動作点を変更する。より具体的には、動作点変更装置２０Ａは、発電セル１１の動作点を、複数の日射センサ３０Ａのそれぞれにおける日射量の検出結果に基づいて、太陽電池パネル１０の出力電力が最大となる最大電力点となるように（最大電力点に追従するように）変更する。動作点変更装置２０Ａは、後述するように、日射分布算出装置２１に代えて日射分布算出装置２１Ａを有する点で動作点変更装置２０と異なっている。
【００３３】
日射センサ３０Ａは、太陽電池パネル１０のパネル面１０ｓに沿って複数配置されている。複数の日射センサ３０Ａは、発電セル１１に対応するように配置されている。より具体的には、移動体の前後方向（図中の矢印ＡＲ）に沿った発電セル１１の列（例えば列１００）のそれぞれに対応するように、当該列の移動体前方側に配置されている。換言すれば、日射センサ３０Ａは、太陽電池パネル１０における発電セル１１が配置された領域よりも移動体の前方側（移動体の進行方向ＡＲの先方側）において、発電セル１１の各列の先頭にそれぞれ配置されることにより一次元状に配列されている。
【００３４】
ここで、太陽光発電システム１Ａを搭載した移動体が、例えば前方に進行すると、部分的な日陰は（すなわち、パネル面１０ｓ内の日射量の分布は）、パネル面１０ｓ内において後方に移動する。このため、上述したように、移動体の前後方向に沿った発電セル１１の列の前側に日射センサ３０Ａを配置すれば、その日射センサ３０Ａの時系列データを用いることによって、パネル面１０ｓ内の二次元的な日射量分布を算出することができる。
【００３５】
すなわち、太陽光発電システム１Ａにおいては、日射センサ３０Ａからの日射量の時系列に沿った検出結果が日射分布算出装置２１Ａに出力される。日射分布算出装置２１Ａは、その時系列データ（時間を含む日射量の検出結果）を入力し、例えば、図５に示されるように、パネル面１０sの位置（ｘi，ｙi）に位置の時間ｔにおける日射分布を、下記式（５）から算出する。
【数５】
2014206780.tif 000007
【００３６】
上記式（５）において、Ｉｒｒ（ｘｉ，ｙｉ）（ｔ）は、位置（ｘｉ，ｙｉ）の時間ｔにおける日射量であり、ｌｙiは日射センサ３０Ａの位置（ｙｉ＝０）から位置ｙｉまでの距離である。また、ｖは、移動体の速度であり、移動体速度センサ５０から入力される。日射分布算出装置２１Ａは、パネル面１０ｓの各位置について同様の計算を行うことにより、パネル面１０ｓ内における発電セル１１が配置された領域の全体にわたる日射量の分布を算出することができる。
【００３７】
日射分布算出装置２１Ａは、そのようにして算出した日射分布を最大電力点推定装置２２に出力する。最大電力点推定装置２２、最大電力点追従装置２３、及び、ＤＣＤＣコンバータ２４の動作は、第１実施形態と同様である。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態に係る太陽光発電システム１Ａにおいても、第１実施形態に係る太陽光発電システム１と同様に、太陽電池パネル１０のパネル面１０ｓ内において日射量の分布が生じた場合であっても、迅速に動作点を変更可能となる。特に、本実施形態に係る太陽電池システム１Ａによれば、日射センサ３０Ａの量を低減することが可能となる。
【００３９】
以上の実施形態は、本発明に係る太陽光発電システムの一例を説明したものである。したがって、本発明に係る太陽光発電システムは、上述した太陽光発電システム１，１Ａに限定されない。本発明に係る太陽光発電システムは、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述した太陽光発電システム１，１Ａを任意に変形したものとすることができる。
【００４０】
例えば、太陽光発電システム１においては、二次元の行列状に配列された発電セル１１のそれぞれに対応するように、日射センサ３０を配置するものとしたが（すなわち、発電セル１１ごとに１つの日射センサ３０を配置したが）、日射センサ３０の配置の態様はこれに限定されない。日射センサ３０は、要求されるコストや精度に応じた数を適当な位置に配置すればよい。すなわち、日射センサ３０の数は、発電セル１１の数よりも多くてもよいし、少なくてもよい。
【００４１】
また、太陽光発電システム１，１Ａにおいて、発電セル１１の接続の態様は、互いに直列に接続するものに限定されない。発電セル１１の接続の態様は、例えば、所定数だけ直列に接続した発電セル１１の単位を互いに並列に接続するような態様であってもよい。
【００４２】
さらに、太陽光発電システム１は、車両等の移動体に搭載されている場合に限定されず、家屋等に設置して使用してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１，１Ａ…太陽光発電システム、１０…太陽電池パネル、１０ｓ…パネル面、１１…発電セル、２０…動作点変更装置、２１…日射分布算出装置（日射分布算出部）、２２…最大電力点推定装置（最大電力点推定装置）、３０，３０Ａ…日射センサ。 
【図１】
2014206780.tif 000008
【図２】
2014206780.tif 000009
【図３】
2014206780.tif 000010
【図４】
2014206780.tif 000011
【図５】
2014206780.tif 000012