(57)【要約】  【課題】  小規模なモーター駆動用太陽電池システムにおいて、温度センサを必要とせず、簡易的に温度、照度を測定し、実際の環境にあった最大電力点での制御を可能とするものである。  【解決手段】  太陽電池の発電した出力電力を最大にすべく、太陽電池の出力電圧が略最大出力動作電圧になるように制御するための太陽電池用制御装置であって、前記太陽電池用制御装置は前記太陽電池の開放電圧及び短絡電流を測定する測定手段と、前記開放電圧及び短絡電流から温度及び照度を計算し、さらに前記温度及び照度から前記最大出力動作電圧を計算するための計算手段と、前記太陽電池の出力電圧が略最大出力動作電圧になるように前記太陽電池の出力電圧を制御するための制御手段とを備えたことを特徴とする。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の発電した出力電力を最大にすべく、太陽電池の出力電圧が略最大出力動作電圧になるように制御するための太陽電池用制御装置であって、前記太陽電池用制御装置は前記太陽電池の開放電圧及び短絡電流を測定する測定手段と、前記開放電圧及び短絡電流から温度及び照度を計算し、さらに前記温度及び照度から前記最大出力動作電圧を計算するための計算手段と、前記太陽電池の出力電圧が略最大出力動作電圧になるように前記太陽電池の出力電圧を制御するための制御手段とを備えたことを特徴とする太陽電池用制御装置。
【請求項２】
前記太陽電池の開放電圧及び短絡電流を測定する測定手段は周期的に前記太陽電池の出力の開放及び短絡を行うとともに、それぞれ前記太陽電池の出力の開放時に前記太陽電池の開放電圧を測定し、前記太陽電池の出力の短絡時に前記太陽電池の短絡電流を測定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
モーター駆動などの小規模な負荷用太陽電池システムにおいて、温度センサを必要とせず、簡易的に温度、照度を測定し、実際の環境にあった太陽電池の最大出力電力点である最大出力動作電圧での制御を可能とする太陽電池用制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池を駆動電力源とする換気装置やポンプ等の駆動用モーターに供給するような小規模な太陽電池システムにおいて、従来の図８のような単純に太陽電池１１に負荷１２を接続するという構成では、例えば負荷が重いと、図９のように太陽電池の出力電圧が低下して、太陽電池の最大出力電力を得られる太陽電池の最大出力動作電圧から外れ、取得発電電力が低下して発電能力を無駄にしてしまう。したがって、そのシステムに合った電力量を確保するには、出力電圧が低下しても、十分な発電量が確保できるだけの容量を持つ太陽電池を接続するか、もしくは、必要な流量を最小限の太陽電池でまかなえるように発電電力をより多く取り出せる制御を行う。具体的には、太陽電池が常に最大電力で動作できるよう、最大出力動作電圧で追尾する制御回路を太陽電池と負荷の間に設けて常に太陽電池の最大電力を得られるようにすることである。前者における太陽電池の増加による方法では、設置面積の増大につながるため住宅の屋根上など設置可能面積が限られた場所への設置においては、後者による最大出力動作電圧で追尾する方法を行うことが望ましい。
【０００３】
そこで、太陽光発電を商用電源に変換するパワーコンディショナーのようなシステムでは、一般にＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御が用いられる。ＭＰＰＴ制御は、太陽電池の出力電力を常時監視させる方法で、太陽電池の発電電力を常に最大限にすることができ非常に有効な手法であるが、ソフト制御や回路構成が複雑となり、部品点数の増加や制御回路の発熱増加につながり、比較的小規模なシステムである換気装置などの簡易な装置を構築する場合においては好ましくない。
【０００４】
そこで換気装置のような比較的小規模なシステムでは、最も頻度の多い温度における最大出力動作電圧で動作するように太陽電池を一定の電圧で制御するのが一般的である。
【０００５】
しかし、太陽電池の出力電圧には温度依存性があり、温度変動により、制御している動作電圧が、実際の温度での最大出力動作電圧からずれることが発生する。例えば、図６は結晶系太陽電池の出力電圧・電力特性図であるが、温度上昇とともに最大電力点における最大出力動作電圧は低下する。５０℃の最大出力動作電圧で制御されていた太陽電池が７５℃に温度上昇すると最大出力動作電圧が下がるが、５０℃の最大出力動作電圧のまま制御すると発電能力より大幅に発電電力量が低下してしまう。このような最大出力動作電圧の温度依存性より生じる発電電力量の低下を解消するには、温度センサを太陽電池に接続して温度計測を行い、動作電圧に温度補償を与えて制御する方法がある。
【０００６】
また、温度変動による電力量の低下を極力抑えるため、最大電力点より低い電圧値で制御を行う方法がある（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平０６−２０２７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述したような方法においても課題があり、温度センサを接続する方法においては、制御装置から太陽電池までの接続にかかる配線等により施工が煩雑になり、加えて、太陽電池へのセンサ埋め込みも容易ではない。また、制御する動作電圧を最大動作点よりあらかじめ低い電圧にて制御させる方法においては、温度による大幅な出力低下は抑えられるが、特定範囲の温度については発電電力を強制的に下げており、使用温度範囲全般における発電電力を上げているものではない。
【０００８】
また、動作電圧は前述の温度依存同様に照度においても依存しており、図７に示すように照度の増減によっても最大電力点が変動するが、前述した方法においては照度における出力電圧の影響は考慮していない。
【０００９】
本発明の太陽電池用制御装置の目的は、モーター駆動などの小規模な負荷用太陽電池システムにおいて、温度センサを必要とせず、太陽電池の開放電圧特性と短絡電流特性を利用して、簡易的に温度、照度を測定し、実際の環境にあった最大電力点での制御を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の太陽電池用制御装置は、太陽電池の発電した出力電力を最大にすべく、太陽電池の出力電圧が略最大出力動作電圧になるように制御するための太陽電池用制御装置であって、前記太陽電池用制御装置は前記太陽電池の開放電圧及び短絡電流を測定する測定手段と、前記開放電圧及び短絡電流から温度及び照度を計算し、さらに前記温度及び照度から前記最大出力動作電圧を計算するための計算手段と、前記太陽電池の出力電圧が略最大出力動作電圧になるように前記太陽電池の出力電圧を制御するための制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の太陽電池用制御装置は、前記太陽電池の開放電圧及び短絡電流を測定する測定手段は周期的に前記太陽電池の出力の開放及び短絡を行うとともに、それぞれ前記太陽電池の出力の開放時に前記太陽電池の開放電圧を測定し、前記太陽電池の出力の短絡時に前記太陽電池の短絡電流を測定するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の太陽電池用制御装置によれば、太陽電池の発電した出力電力を最大にすべく、太陽電池の出力電圧が略最大出力動作電圧になるように制御するための太陽電池用制御装置であって、前記太陽電池用制御装置は前記太陽電池の開放電圧及び短絡電流を測定する測定手段と、前記開放電圧及び短絡電流から温度及び照度を計算し、さらに前記温度及び照度から前記最大出力動作電圧を計算するための計算手段と、前記太陽電池の出力電圧が略最大出力動作電圧になるように前記太陽電池の出力電圧を制御するための制御手段とを備えたことで、短絡電流は照度に比例的に増加し、温度による変動は比較的少ない。これを利用し、基準照度での短絡電流値と、任意の照度に対する短絡電流との比例関数式を既知とすることにより、短絡電流を測定することでおおよその照度の認識を可能とした。
【００１３】
また、開放電圧は温度に影響を受け、照度においても影響を受ける（特に低照度の場合に影響を受ける）。これを利用し、任意の照度に対する開放電圧のデータあるいは関数式と、任意の温度に対する開放電圧の比例関数式を記憶させ、先の方法により認識された照度と、前記入力検知部より入力される開放電圧値とで温度認識を可能とした。
【００１４】
上記のようにして、センサを使用せず、簡易的な方法で温度や照度の認識を行うことができ、さらに、任意の温度や照度に対する最大出力動作電圧のデータあるいは関数式を記憶しておけば、認識した温度と照度により前記最大出力動作電圧を決定し、太陽電池に対して任意の温度や照度において簡易的な方法で最適な動作点での制御を可能にすることができる。
【００１５】
また、本発明の太陽電池用制御装置によれば、前記太陽電池の開放電圧及び短絡電流を測定する測定手段は周期的に前記太陽電池の出力の開放及び短絡を行うとともに、それぞれ前記太陽電池の出力の開放時に前記太陽電池の開放電圧を測定し、前記太陽電池の出力の短絡時に前記太陽電池の短絡電流を測定するようにしたことで、動作中において、周期的に極めて短期間に太陽電池の開放、短絡を行い、出力電圧に生じる負荷への影響を極力抑え、動作中においても随時、太陽電池の動作電圧を補正でき、より精度の高い制御を可能とすることができる。
【００１６】
さらに、前記電源制御部の出力部に平滑コンデンサを付加すれば前述の出力電圧に生じる負荷への影響を失くすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係るモーター駆動用等小規模太陽電池システムの太陽電池用制御装置の実施形態について、模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
図１のように本発明に係る太陽光発電システムの構成は、太陽電池１１と、前記太陽電池を電源とする例えば換気ファンなどの負荷１２と、太陽電池用制御装置３０とからなり、太陽電池用制御装置３０は、太陽電池１１の出力電圧が略最大出力動作電圧になるように太陽電池１１の出力電圧を制御するための制御手段の機能を有する電源生成部１３、制御部１５と、太陽電池１１の出力電圧を測定する測定手段の機能を有する入力電圧検知部１６、短絡部１４、電源生成部１３と、太陽電池１１の開放電圧及び短絡電流から温度及び照度を計算し、さらに前記温度及び照度から前記最大出力動作電圧を計算するための計算手段の機能を有する制御部１５とを備える。
【００１９】
短絡部１４には太陽電池１１を短絡させるためのスイッチ部１７と、短絡電流を短絡電圧に変換する抵抗器１８よりなり、制御部１５は制御に係わる諸データを記憶する記憶部１９と、入力電圧検知部１６より伝送されたデータと前記記憶部１９のデータより演算を行う演算部２０と、前記演算部結果などにより各種制御を行う主制御部２１よりなる。
【００２０】
図２のように、起動時または動作中に主制御部２１は、負荷１２への影響のない極めて短期間に、周期的に、電源生成部１３と短絡部１４を通して太陽電池１１の開放、短絡を行う。このようにして、短絡１２による出力負荷１２への影響を極力抑えつつ、動作中においても随時、開放電圧値や短絡電圧値を取得できるようにする。ただし、図２にあるように出力電圧に多少の欠落が生じ、欠落幅によっては、負荷への弊害も予測できる。このような場合でも、図３のように新たに太陽電池用制御装置の出力側に充電用のコンデンサ２２を付加することで、欠落は解消され、上述した弊害を失くすことができる。
【００２１】
さて、入力電圧検知部１６により取得された開放電圧および、短絡電流が短絡部１４の抵抗器１８により電圧に変化された短絡電圧は、演算部２０に入力される。記憶部１９には、基準照度での短絡電流値と、任意の照度に対する短絡電流との比例関数式と、任意の照度に対する開放電圧のデータあるいは関数式と、任意の温度に対する開放電圧の比例関数式と、任意の温度や照度に対する太陽電池の最大出力動作電圧のデータあるいは関数式が記憶されている。
【００２２】
短絡電流は照度に比例的に増加し、温度による変動は比較的少ない。したがって、基準照度での短絡電流値と、任意の照度に対する短絡電流との比例関数式が既知であれば、短絡電流を測定することで、おおよその照度の認識が可能である。開放電圧は温度に影響を受け、照度においても影響を受け、特に低照度の場合に影響を受ける。任意の照度に対する開放電圧のデータあるいは関数式と、任意の温度に対する開放電圧の比例関数式を記憶させておけば、先の方法により認識された照度と、前記入力電圧検知部より入力される開放電圧値とで温度認識が可能となる。このようにして簡易的な方法で温度や照度の認識を行い、簡易的な方法で最適な動作点での制御を可能にすることができる。具体的な方法を以下に示す。
【００２３】
短絡電流の温度に対する特性は、図４にあるように比例的に増加する。一方、照度に対する特性も図５にあるように比例的に増加する。ここで、短絡電流の対温度変動率は照度に比べ小さく、これを無視すると短絡電流は照度のみの関数となる。つまり、あらかじめ基準照度での短絡電流値と照度に対する短絡電流との比例関数式を記憶させておけば、実測の短絡電流によって照度を求めることができる。
【００２４】
次に、太陽電池１１が結晶系の場合、開放電圧の温度に対する特性は、図４のように比例的に減少する。一方、照度に対する特性は図５のような曲線で増加する。あらかじめ図７のような照度に対する開放電圧のデータあるいは関数式を記憶させ、先の手順により求めた照度での基準温度での開放電圧を求める。図４のように、さらに開放電圧は温度に比例的に減少することから、あらかじめ温度に対する開放電圧の比例関数式を記憶させておけば、実測の開放電圧によって温度を求めることができる。
【００２５】
太陽電池の最大出力電力時の電圧である最大出力動作電圧も、図７のように温度とともに増加し、図６のように温度に比例的に減少する。あらかじめ図６や図７のような温度や照度に対する最大出力動作電圧のデータあるいは関数式を記憶させておけば、先に求めた温度や照度により、最大出力動作電圧を決定することができる。
【００２６】
このように記憶部にある諸データをもとに、前記演算部２０に入力された実測の開放電圧や短絡電圧により制御する太陽電池の最大出力動作電圧を決定し、主制御部２１が電源生成部１３を通して太陽電池を制御することにより、太陽電池の環境に係わらず、最大の出力電力で出力するように制御することが可能となり、より多くの電力を負荷に伝えることができる。
【００２７】
以上、結晶系の太陽電池を例に述べたが、アモルファス太陽電池での特性においては、開放電圧や最大出力動作電圧が温度に比例して大きくなる。アモルファス太陽電池においても図４や図７における温度特性の正負の性質が逆になるだけで、同様の手法を用いて制御することが可能である。つまり、太陽電池の特性が既知であれば、太陽電池の種類によらず、どのような環境においても、発電能力を最大限活用できる太陽電池用制御装置を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る実施例の形態を模式的に説明する概略回路構成図である。
【図２】本発明に係わる測定動作におけるタイミング波形例である。
【図３】本発明に係る実施例の形態を模式的に説明する概略回路構成図である。
【図４】太陽電池の照度を一定とした時の温度に対する短絡電流と開放電圧の特性図である。
【図５】太陽電池の温度を一定とした時の照度に対する短絡電流と開放電圧の特性図である。
【図６】太陽電池の照度を一定として、温度をパラメータとした時の電圧・電力特性図である。
【図７】太陽電池の温度を一定として、照度をパラメータとした時の電圧・電力特性図である。
【図８】従来の実施例の形態を模式的に説明する概略回路構成図である。
【図９】負荷により太陽電池出力が低下して発電電力が下がることを説明した特性図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１：太陽電池
１２：負荷
１３：電源生成部
１４：短絡部
１５：制御部
１６：入力電圧検知部
１７：スイッチ部
１８：抵抗器
１９：記憶部
２０：演算部
２１：主制御部
２２：コンデンサ
３０：制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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