(57)【要約】【課題】複数個の太陽電池セル又はその他の電源セルが直列に接続されて成る太陽光発電装置又は動作点制御回路に於いて、電源セルの出力調節のために費やされる時間と労力を大幅に削減できる構成を提供すること。【解決手段】出力端子間に直列に接続された複数の電源セル及び／又はコンデンサの各々に対しインダクタを介して直列に接続されたスイッチング素子を周期的に遮断することにより対応する電源セル又はコンデンサより電流を出力端子間へ送出する太陽光発電装置又は動作点制御回路において、全てのスイッチング素子を一渡り遮断する１サイクルの間には全てのスイッチング素子に対する遮断のデューティ比を一律に固定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電装置であって、出力端子間に複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサを直列に接続すると共に各太陽電池セル又は各太陽電池セルとコンデンサに対しインダクタとスイッチング素子を直列に接続して成る発電動作点制御回路装置により前記スイッチング素子の各々を周期的に遮断することにより対応する太陽電池セル又はコンデンサより電流を前記出力端子間へ送出する太陽光発電装置にして、前記発電動作点制御回路装置は前記複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサの全てに対応する前記スイッチング素子を一渡り遮断する１サイクルの間には全てのスイッチング素子に対する遮断のデューティ比を固定するようになっている装置。
【請求項２】
請求項１の装置であって、前記１サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断の時期は相互に重ならないようになっている装置。
【請求項３】
請求項１の装置であって、前記１サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断の時間的長さの合計が前記１サイクルの時間的長さより大きくされ、前記遮断の時期はその一部が互に隣接する遮断の間で重複されている装置。
【請求項４】
請求項１の装置であって、前記１サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断のうちの或る複数の遮断はその時期が互に同時期とされている装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかの装置であって、前記複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサは複数のユニットに分けられ、前記発電動作点制御回路装置はこれら複数のユニットの各々に対し個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属する前記スイッチング素子の遮断を制御するようになっている装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかの装置であって、前記複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサは境界にあるその一つを互に共有する複数のユニットに分けられ、前記発電動作点制御回路装置はこれら複数のユニットの各々に対し個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属する前記スイッチング素子の遮断を制御するようになっている装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかの装置であって、前記複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサは電圧制御装置を介して前記出力端子間に直列に接続されている装置。
【請求項８】
直列接続された複数の電源セルのための動作点制御回路装置であって、
一対の出力端子と、
前記一対の出力端子の間にて直列に接続される複数の電源セルの各々の電極端子に接続される複数の電極用接続端子と、
前記一対の出力端子の間にて、前記複数の電源セルの各々に対して、対応する前記電極用接続端子を介して並列に接続されるコンデンサと、
前記一対の出力端子の間にて、前記複数の電源セルの各々に対して、対応する前記電極用接続端子とインダクタとを介して並列に接続されて、前記接続された一対の前記電極用接続端子の間を選択的に互いに導通するスイッチング手段と、
前記スイッチング手段の各々の状態を、それぞれの、一対の電極用接続端子間又は前記コンデンサの一対の端子間に接続された両端子間を導通した導通状態と前記両端子間の導通を遮断した遮断状態との間にて交互に、同一の所定の周期にて、切換える制御手段と
を含み、
前記制御手段によって、常に、少なくとも一部のスイッチング手段が前記遮断状態となり、その他のスイッチング手段が前記導通状態となるように制御され、前記スイッチング手段の全ての前記所定の周期の長さに対する前記遮断状態となる期間の長さの比が互いに同一となるように一律に固定されている装置。
【請求項９】
請求項８の装置であって、更に、前記一対の出力端子の間に於いて、前記直列接続される複数の電源セルの一方の端側の前記電極用接続端子と前記出力端子の一方との間又は前記直列接続される複数の電源セルのうちの隣接する二つの電源セルの間の二つの前記電極用接続端子の間にて、前記コンデンサに対して直列して追加のコンデンサが接続され、該追加のコンデンサに対して並列に且つ前記スイッチング手段に対して直列して追加のスイッチング手段が接続されている装置。
【請求項１０】
請求項８又は９の装置であって、前記一対の出力端子間にて直列に接続された前記コンデンサに対して直列に更なる追加のコンデンサが接続され、該更なる追加のコンデンサに対して並列に且つ前記一対の出力端子間にて直列に接続された前記スイッチング手段に対して直列に更なる追加のスイッチング手段が接続されている装置。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のいずれかの装置であって、前記制御手段によって、全ての前記スイッチング手段の前記遮断状態となる時期が互いに異なっているよう前記スイッチング手段の状態が制御される装置。
【請求項１２】
請求項８乃至１０のいずれかの装置であって、前記制御手段によって、一時に前記遮断状態となるスイッチング手段が、隣接する二つのスイッチング手段であるよう前記スイッチング手段の状態が制御される装置。
【請求項１３】
請求項８乃至１０のいずれかの装置であって、前記制御手段によって、前記スイッチング手段のうち、一時に前記遮断状態となるスイッチング手段が、隣接する二つスイッチング手段であり、前記遮断状態となるスイッチング手段が前記直列に接続された前記スイッチング手段の列の一方の端から他方の端へ一つずつ順々にシフトしていくよう前記スイッチング手段の状態が制御される装置。
【請求項１４】
請求項８乃至１０のいずれかの装置であって、前記制御手段によって、前記直列に接続された前記スイッチング手段の列の一方から数えて奇数番目に接続された前記スイッチング手段の全てが前記遮断状態となり、前記スイッチング手段の列の前記一方から数えて偶数番目に接続された前記スイッチング手段の全てが導通状態となる第一の相と、前記スイッチング手段の列の前記一方から数えて奇数番目に接続された前記スイッチング手段が導通状態となり、前記スイッチング手段の列の前記一方から数えて偶数番目に接続された前記スイッチング手段が遮断状態となる第二の相との間で、前記直列に接続された前記スイッチング手段の状態が交互に切換えられる装置。
【請求項１５】
請求項１４の装置であって、前記直列に接続されたｎ個（ｎは、正の整数）の前記スイッチング手段の列のうち、一方から数えて２ｍ−１番目（ｍは、１からｎ／２までの全ての整数）と２ｍ番目に接続された前記スイッチング手段の組の全ての両端の各々に対して並列に電圧安定化コンデンサが接続され、前記一方から数えて２ｉ−２番目（ｉは、２からｎ／２までの全ての整数）と２ｉ−１番目に接続された前記スイッチング手段の組の全ての両端の各々に対して並列に電圧安定化コンデンサが接続されている装置。
【請求項１６】
請求項８乃至１５のいずれかの装置であって、複数の前記スイッチング手段が複数の群に分けられ、前記複数の群のそれぞれに属する前記スイッチング手段の状態が群毎に別々に制御される装置。
【請求項１７】
請求項１６の装置であって、前記一対の出力端子間に於いて、少なくとも一つの電源セルが第一の群の一つのスイッチング手段と第二の群の一つのスイッチング手段との双方に対して並列に接続されている装置。
【請求項１８】
請求項８乃至１７のいずれかの装置であって、前記一対の出力端子が該出力端子間の出力電圧を制御する出力電圧制御手段に接続されている装置。
【請求項１９】
請求項８乃至１８のいずれかの装置であって、前記直列に接続されたｎ個（ｎは、正の整数）の前記スイッチング手段の列に於いて、一方から数えて２ｍ−１番目（ｍは、１からｎ／２までの全ての整数）と２ｍ番目に接続された前記スイッチング手段の間の接続点と該スイッチング手段に対応する前記コンデンサの間の接続点との間の全てのそれぞれが前記インダクタを介して接続され、前記一方から数えて２ｉ−２番目（ｉは、２からｎ／２までの全ての整数）と２ｉ−１番目に接続された前記スイッチング手段の間の接続点と該スイッチング手段に対応する前記コンデンサの接続点との間の全てのそれぞれが前記インダクタを介さずに接続されている装置。
【請求項２０】
請求項８乃至１９のいずれかの装置であって、前記電源セルが太陽電池セル、化学電池セル、燃料電池セル、蓄電器セル、発電機、熱電素子及び／又はこれらの組み合わせである装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の太陽電池セルを直列に接続した太陽光発電装置又はその他の任意の電源（電池、蓄電器、燃料電池、発電機、熱電素子等）を直列に接続した電力出力装置に係り、より詳細には、直列接続された太陽電池セル又はその他の電源の動作点を制御する回路装置（動作点制御回路装置）に係る。
【背景技術】
【０００２】
一つの太陽電池（セル）の発電電圧は、一般的に、種々の機械器具や充電器の動作電圧よりも低いので、そのような機械器具の作動や充電器の充電に太陽電池を利用するための一つの方法として、太陽光発電システムに於いて、複数個の太陽電池セルを直列に接続した構成（太陽電池モジュール）が採用される。太陽電池モジュールに於いては、各太陽電池セルの設置角度の違いや建造物等によって一部のセル上に影が生じ、セル毎の受光量のバラつきが生じると、発電量の小さいセルは抵抗(逆バイアスのダイオード)となり、太陽電池モジュールの出力を低下させることとなり得る。
【０００３】
より具体的には、図１を参照して、この分野に於いてよく知られている如く、或る量の光を受けている太陽電池は、発電電圧が０Ｖから或る値まで増大するまでは、電流（細実線Ｉ１００〜Ｉ２５）が徐々に低減し、発電電圧が更に増大すると、電流が急激に低減する発電電圧−電流特性を有している。従って、太陽電池の発電電力（太実線Ｐ１００〜Ｐ２５）は、発電電圧に対して山形に変化する特性を呈し、発電電力の大きさが最大となる最適な動作点（最大電力点又は最適動作点と称される。）が存在する。そして、図示の如く、太陽電池の受光量が低減していくと（Ｒ＝１００％→Ｒ＝２５％）、その発電電圧−電流特性は、発電電圧に対する電流（Ｉ１００→Ｉ２５）が低減する方向に変化して、従って、発電電力（Ｐ１００→Ｐ２５）が低下し、最大出力点も変化する。このような特性の複数の太陽電池セルがそのまま単に直列に接続された回路構成の場合、全ての太陽電池セルに共通の電流が流通することとなるので、全ての太陽電池セルの受光量が実質的に等しく、それらの最大出力点が実質的に一致しているときには、最大出力点に於ける電流が等しくなり、全ての太陽電池セルを最大出力点にて動作させることが可能となるが、太陽電池モジュール内の一部の太陽電池セルの受光量が影などによって低減すると、その受光量が低減された太陽電池セルでは、受光量の大きいセルと共通の電流が流れることになるので、その動作点が最大出力点から外れ、その発電量が、受光量の低減に対応するよりも大きな程度にて低減することとなり、更に、受光量の低減された太陽電池セル自体が、かかる電流に対する抵抗となるので、太陽電池モジュールの更なる出力低下が惹起されることとなる。（即ち、太陽電池モジュールの受光量に対応した最大の発電出力が得られないだけでなく、出力の損失も生ずることとなる。）
【０００４】
そこで、そのような太陽電池モジュール内に於ける太陽電池セル毎の受光量のバラつきに起因する出力低下を回避するための装置として、直列に接続された太陽電池セルの各々の勳作点を個別に制御することが可能な発電動作点制御回路装置が提案されている（非特許文献１〜３）。かかる発電動作点制御回路装置は、複数の太陽電池セルが直列に接続された回路構成に対して、多段昇降圧チョッパ回路を用いて、太陽電池セル毎に、発電電圧を制御して、互いに異なる電流を流通させることが可能であり、これにより、直列接続された複数個の太陽電池セルの受光量が異なる場合であっても、各太陽電池セルにそれぞれの最大出力点に於ける電流が流通するように発電電圧が調節可能であり、従って、全ての太陽電池セルに実質的に最大出力点にて発電させることが可能となる。即ち、この発電動作点制御回路装置によれば、影などによって受光量が低減した太陽電池セルについても、その最大出力点にて動作させることができるので、太陽電池モジュール全体での受光量に対応して実質的に最大の発電電力を得ることができ、また、受光量が低減した太陽電池セルが逆バイアスのダイオードとはならないので、出力損失も回避できることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−２１４０６１
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】清水敏久他６名、太陽/風カエネルギー講演論文集、1996年57−60頁
【非特許文献２】清水敏久、ＦＢテクニカルニュース  Ｎｏ．５６  ２０００年１１月１日２２−２７頁
【非特許文献３】清水敏久他３名、“Generation  Control  Circuit  for  Photovoltaic  Modules”  IEEE  TRANSACTIONS  ON  POWER  ELECTRONICS,  VOL.16,  NO.  3,  MAY  2001年  ２９３−３００頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
複数の太陽電池セルを直列に接続してなる太陽電池モジュールに於いて、上記の如き発電動作点制御回路装置を用いて、太陽電池セルの各々の発電動作点を最適に制御しようとする場合、それらの発電動作点の探索のために或る程度の時間と労力とを要することとなる。かかる発電作動点制御回路装置の場合、具体的には、出力端子間にて直列に接続された太陽電池セルの各々に対して並列に接続されたスイッチング素子又はスイッチング手段のＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）の時間長さの比（デューティ比）をそれぞれ調節して、太陽電池セルの各々の発電電圧（動作電圧）を昇降する操作が実行される。例えば、ｎ個の直列に接続された太陽電池セルの各々について、発電動作点の探索のために、発電電圧の昇圧及び降圧の二通りの操作をｋ回ずつ実行したとすると、２ｎｋ通りの探索回数を要することとなる。従って、太陽電池セルの数が増大すればするほど、各太陽電池セルの受光量の変動に追従した発電動作点の探索制御に要する時間が長くなってしまうこととなる。
【０００８】
ところで、図１を再度参照して、上記の如く、太陽電池セルの受光量が低減すると（Ｒ＝１００％〜２５％）、発電電圧に対する発電電力（Ｐ１００〜Ｐ２５）が低減する方向に特性が変化し、これに対応して最大電力点（×）は図中点線にて示されている如く推移する。かかる受光量の低減に対する特性の変化に於いて、電力値（Ｐ１００〜Ｐ２５）及び電流値（Ｉ１００〜Ｉ２５）は大きく変化するのに対して、最大電力点の電圧値（×）の変化幅は比較的小さく、また更に、各々の受光量の場合の発電電力特性に於いて、最大電力点付近での電圧値の変化に対する発電電力値の変化も比較的緩やかであることが見出される。より具体的には、例えば、図示の如く、受光量Ｒが１００％から、７５％、５０％、２５％へと低減した太陽電池セルが在る場合に、それらの発電電圧の全てを、受光量が最大の太陽電池セル（Ｒ＝１００％）の最大電力点に於ける発電電圧（一点鎖線：Ｖｍｐｐ１００）に調節したとしても、各太陽電池セルの最大電力点に於ける電力に対する発電電力（Ｐ７５、Ｐ５０、Ｐ２５）の低減量は、図示の如く、ΔＰ１、ΔＰ２、ΔＰ３程度であり、然程に大きくならないことが理解される。即ち、太陽電池モジュールに於いて、それぞれの太陽電池セルの受光量の変化に追従してそれぞれの太陽電池セルが最大電力点にて発電動作するようにそれぞれの発電電力及び／又は発電電圧を調節する操作を実行するよりも、むしろ、全ての太陽電池セルの発電電圧を或る値に、例えば、受光量の最大の太陽電池セルの最大電力点の発電電圧値（Ｖｍｐｐ１００）に固定してしまった方が、それによる電力の損失は少々発生するが、各太陽電池セルの発電電力及び／又は発電電圧の調節のために費やされる時間と労力を大幅に省けることとなり、有利な場合がある。そして、各太陽電池セルの発電電圧は、それぞれに並列に接続されたスイッチング素子又はスイッチング手段のデューティ比と太陽電池モジュールの出力端子間電圧とにより決定されるので、スイッチング素子又はスイッチング手段のデューティ比を固定値にしてしまっても、出力端子間電圧を調節することによって、各太陽電池セルの発電電圧を、上記の如く調節することは可能である。本発明に於いては、この知見が利用される。
【０００９】
かくして、本発明の一つの主な課題は、複数個の太陽電池セルが直列に接続されて成る太陽電池モジュールに於いて、各太陽電池セルの発電電力及び／又は発電電圧の調節或いはスイッチング素子若しくはスイッチング手段のデューティ比の調節のために費やされる時間と労力を大幅に削減できる太陽光発電装置或いは発電動作点制御回路装置を提供することである。なお、「発電動作点制御回路装置」とは、直列に接続された太陽電池セルの各々の発電電圧・電流を制御するための回路部分（太陽電池セルへの接続端子、スイッチング素子、コンデンサ、インダクタ等）から成る装置を指し、「太陽光発電装置」という場合には、直列に接続された太陽電池セルから成る太陽電池モジュールと発電動作点制御回路とを含む構成の装置を指すものとする。
【００１０】
また、上記の如き太陽光発電装置或いは発電動作点制御回路を用いた太陽電池モジュールの太陽電池セルの発電動作制御は、より安定的であること或いはより損失が少ないことが好ましい。そこで、本発明のもう一つの課題は、より安定的に、及び／又は、より損失が少なく動作する太陽光発電装置或いは発電動作点制御回路装置の構成を提供することである。
【００１１】
ところで、後により詳細に説明される本発明による装置の回路構成は、太陽電池に限らず、任意の電力を出力する電源素子（例えば、化学電池、燃料電池、蓄電器、発電機、熱電素子など）が直列に接続されたモジュールに於ける各電源素子の動作電圧の制御にも利用可能である。従って、本発明の更なる課題は、複数個の太陽電池及び／又は電源素子（電池セル、蓄電器セル、発電機、熱電素子等）を直列に接続したモジュールに於ける個々の電源素子（セル）の動作点を制御する動作点制御回路装置であって、各電源素子の動作電力及び／又は動作電圧の調節のために費やされる時間と労力を大幅に削減できる構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、上記の課題の一つは、出力端子間に複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサを直列に接続すると共に各太陽電池セル又は各太陽電池セルとコンデンサに対しインダクタとスイッチング素子を直列に接続して成る発電動作点制御回路装置を含み、前記スイッチング素子の各々を周期的に遮断することにより対応する太陽電池セル又はコンデンサより電流を前記出力端子間へ送出する太陽光発電装置であって、前記発電動作点制御回路装置は前記複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサの全てに対応する前記スイッチング素子を一渡り遮断する１サイクルの間には全てのスイッチング素子に対する遮断のデューティ比を固定するようになっていることを特徴とする装置によって達成される。
【００１３】
即ち、上記の装置に於いて、発電動作点制御回路装置は、一対の出力端子と、一対の出力端子の間にて直列に接続される複数の太陽電池セルの各々の電極端子に接続される複数の電極用接続端子と、一対の出力端子の間にて、複数の太陽電池セルの各々に対して、対応する電極用接続端子を介して並列に接続されるコンデンサと、一対の出力端子の間にて、複数の太陽電池セルの各々に対して、対応する電極用接続端子とインダクタとを介して並列に接続されて、接続された一対の電極用接続端子の間を選択的に互いに導通するスイッチング手段（即ち、「スイッチング素子」）と、スイッチング手段の各々の状態を、それぞれの、一対の電極用接続端子間又はコンデンサの一対の端子間に接続された両端子間を導通した導通状態と両端子間の導通を遮断した遮断状態との間にて交互に、同一の所定の周期にて、切換える制御手段とを含む。そして、一連のスイッチング手段の制御に関して、制御手段によって、常に、少なくとも一部のスイッチング手段が遮断状態となり、その他のスイッチング手段が導通状態となるように制御され、スイッチング手段の全ての所定の周期の長さに対する遮断状態となる期間の長さの比（遮断のデューティ比）が互いに同一となるように一律に固定されることとなる。なお、発電動作点制御回路装置は、更に、一対の出力端子の間に於いて、直列接続される複数の太陽電池セルの一方の端側の電極用接続端子と出力端子の一方との間又は直列接続される複数の太陽電池セルのうちの隣接する二つの太陽電池セルの間の二つの電極用接続端子の間にて、前記のコンデンサに対して直列して追加のコンデンサが接続され、該追加のコンデンサに対して並列に且つ前記のスイッチング手段に対して直列して追加のスイッチング手段が接続されている構成であるか、或いは又、一対の出力端子間にて直列に接続されたコンデンサに対して直列に更なる追加のコンデンサが接続され、該更なる追加のコンデンサに対して並列に且つ一対の出力端子間にて直列に接続されたスイッチング手段に対して直列に更なる追加のスイッチング手段が接続されている構成となっていてもよい。それらの場合にも、スイッチング手段の制御は、追加のスイッチング手段及び／又は更なる追加のスイッチング手段を含めて、上記と同様に実行されてよい。
【００１４】
上記の本発明の装置は、要すれば、回路構成としては、基本的には、後述の図面を参照した説明から理解される如く、非特許文献１〜３に記載されている、多段型の昇降圧チョッパ回路を用いた直列接続された複数の太陽電池セルのための発電動作点制御回路装置と同様の構成を有する。なお、上記の如く、多段型の昇降圧チョッパ回路（太陽電池セル、コンデンサ、インダクタ、スイッチング素子から成る回路）の一方の端と一方の出力端子との間或いは多段型の昇降圧チョッパ回路の段の間に、更に、追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが並列に接続されて成る回路部分が追加されてもよく、或いは又、一対の出力端子間の外側に追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが並列に接続されて成る回路部分が追加されてもよい（この場合、回路構成は、端的に述べれば、非特許文献１〜３の発電動作点制御回路装置に於いて、一つの太陽電池セルを除去した構成と同様となる。）。そして、かかる多段型の昇降圧チョッパ回路に於いて、昇降圧チョッパ回路の各々の段のスイッチング素子の遮断のデューティ比は、従前では、既に述べた如く、対応する太陽電池セルの発電電圧が所望の電圧（好適には、最大電力点に於ける電圧）になるように、或いは、対応するコンデンサの両端の電圧が所望の電圧になるように、それぞれ、調節されていたところ、この操作が時間と労力とを要するものとなっていた。
【００１５】
一方、本発明の装置の場合には、要すれば、昇降圧チョッパ回路の各々の段のスイッチング素子又はスイッチング手段の遮断のデューティ比が、一律に固定される。これにより、遮断のデューティ比の調節のための操作を実行する必要がなくなり、装置の動作条件の調整のために要していた時間と労力とが大幅に削減されることとなる（後に、より詳細に説明される如く、発電電力効率を高めるためには、多段型の昇降圧チョッパ回路の全体の出力電圧（出力端子間の電圧）の調節は必要となる。）。かかる構成の場合、後に詳細に説明される如く、多段型の昇降圧チョッパ回路の各段にて印加される電圧、即ち、太陽電池セルの発電電圧（追加のコンデンサがある場合には、コンデンサの保持電圧も含む。）が、基本的には、或る値に一律に決定されるので、各太陽電池セルの動作点が、それぞれの受光量に依存して、最大電力点から外れた状態となり得る。しかしながら、上記の多段型の昇降圧チョッパ回路に於いては、各段に流通する電流は、それぞれの太陽電池セルの受光量に依存した発電電圧−電流特性に応じて個別に決定される一方、太陽電池セルに於いては、受光量の変化に対する、発電電圧の変化による発電電力の変化幅が小さいことから、発電電力の、最大電力点から発電電圧がずれることによる低下量は比較的小さく抑えられることとなる。即ち、本発明の構成によれば、発電電力の低下幅を比較的小さく抑えつつ、装置の動作条件の調整のために費やされる時間と労力を削減できるという利点が得られることとなる。
【００１６】
ところで、既に触れたように、上記の本発明の構成は、太陽電池に限らず、例えば、化学電池、燃料電池、蓄電器、発電機、熱電素子などの任意の電力を出力する電源素子（以下、「電源セル」と称する）が直列に接続されたモジュールに於ける各電源セルの動作電圧の制御にも適用可能である。従って、本発明のもう一つの態様に於いては、直列接続された複数の電源セルのための動作点制御回路装置であって、一対の出力端子と、前記一対の出力端子の間にて直列に接続される複数の電源セルの各々の電極端子に接続される複数の電極用接続端子と、前記一対の出力端子の間にて、前記複数の電源セルの各々に対して、対応する前記電極用接続端子を介して並列に接続されるコンデンサと、前記一対の出力端子の間にて、前記複数の電源セルの各々に対して、対応する前記電極用接続端子とインダクタとを介して並列に接続されて、前記接続された一対の前記電極用接続端子の間を選択的に互いに導通するスイッチング手段と、前記スイッチング手段の各々の状態を、それぞれの、一対の電極用接続端子間又は前記コンデンサの一対の端子間に接続された両端子間を導通した導通状態と前記両端子間の導通を遮断した遮断状態との間にて交互に、同一の所定の周期にて、切換える制御手段とを含み、前記制御手段によって、常に、少なくとも一部のスイッチング手段が前記遮断状態となり、その他のスイッチング手段が前記導通状態となるように制御され、前記スイッチング手段の全ての前記所定の周期の長さに対する前記遮断状態となる期間の長さの比が互いに同一となるように一律に固定されている装置が提供される。かかる構成に於いて、更に、前記一対の出力端子の間に於いて、前記直列接続される複数の電源セルの一方の端側の前記電極用接続端子と前記出力端子の一方との間又は前記直列接続される複数の電源セルのうちの隣接する二つの電源セルの間の二つの前記電極用接続端子の間にて、前記コンデンサに対して直列して追加のコンデンサが接続され、該追加のコンデンサに対して並列に且つ前記スイッチング手段に対して直列して追加のスイッチング手段が接続されている構成であってもよく、或いは又、前記一対の出力端子間にて直列に接続された前記コンデンサに対して直列に更なる追加のコンデンサが接続され、該更なる追加のコンデンサに対して並列に且つ前記一対の出力端子間にて直列に接続された前記スイッチング手段に対して直列に更なる追加のスイッチング手段が接続されている構成であってもよい。以下、特に断らない限り、「電源セル」というときは、太陽電池セル或いはその他の任意の電力を出力する電源素子を指すものとする。
【００１７】
上記の本発明の装置に於けるスイッチング素子又はスイッチング手段の導通／遮断状態の切換制御について、一つの態様に於いては、１サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断の時期は相互に重ならないようになっていてよい。即ち、制御手段によって、全てのスイッチング手段の遮断状態となる時期が互いに異なっているようスイッチング手段の状態が制御されてよい。この場合、本発明の装置の構成に於いては、遮断のデューティ比を一律に固定することによって、昇降圧チョッパ回路の各段の動作電圧（即ち、太陽電池セル若しくはその他の電源セル又はこれらに直列に接続されるコンデンサの各々の発電電圧若しくは動作電圧又は保持電圧）が一律に一つの値に決定される。そして、かかる構成に於いては、遮断のデューティ比は、昇降圧チョッパ回路の段数、即ち、直列接続されたスイッチング手段（追加のスイッチング手段、更なる追加のスイッチング手段が存在する場合はそれらを含む。）の数の逆数となるので、遮断のデューティ比の調節が簡単に実行されることとなる。また、この構成の場合、要すれば、スイッチング素子又はスイッチング手段が一時に一つずつ遮断されることとなるので、このことだけで、各スイッチング手段の対応する昇降圧チョッパ回路の段の動作電圧が安定的に決定できることとなる。
【００１８】
また、上記の本発明の装置に於けるスイッチング素子又はスイッチング手段の導通／遮断状態の切換制御について、別の態様に於いては、前記１サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断の時間的長さの合計が前記１サイクルの時間的長さより大きくされ、前記遮断の時期はその一部が互に隣接する遮断の間で重複されているようになっていてもよい。即ち、制御手段によって、一時に遮断状態となるスイッチング手段が、隣接する二つのスイッチング手段であるようスイッチング手段の状態が制御されてよい。かかる構成によれば、実施形態の欄で詳細に説明される如く、上記の全てのスイッチング素子又はスイッチング手段の遮断状態となる時期が互いに異なるようにスイッチング手段の状態が制御される構成に比して、スイッチング素子又はスイッチング手段にそれらが遮断状態にあるときに印加される電圧が低減されることとなり、従って、スイッチング素子又はスイッチング手段に要求される耐圧レベルを低減できる点で有利である。なお、この場合、実施の形態に於いては、制御手段によって、一時に遮断状態となるスイッチング手段が、隣接する二つスイッチング手段であり、遮断状態となるスイッチング手段が直列に接続されたスイッチング手段の列の一方の端から他方の端へ一つずつ順々にシフトしていくようスイッチング手段の状態が制御されてよい。この構成に於いては、後に説明される如く、先に遮断状態となっているスイッチング手段に於いては、寄生ダイオードの存在により一方向の電流の流通のみ許されることとなり、従って、一時に実質的に遮断状態とされるスイッチング手段は一つのみとなる。そうすると、実質的には、スイッチング素子又はスイッチング手段が一時に一つずつ遮断されることと同様となるので、このことだけで、各スイッチング手段の対応する昇降圧チョッパ回路の段の動作電圧が安定的に決定できることとなる。
【００１９】
更に、上記の本発明の装置に於けるスイッチング素子又はスイッチング手段の導通／遮断状態の切換制御について、もう一つの別の態様に於いては、１サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断のうちの或る複数の遮断はその時期が互に同時期とされていてよい。より具体的には、制御手段によって、直列に接続された前記スイッチング手段の状態が、かかる直列に接続されたスイッチング手段の列の一方から数えて奇数番目に接続されたスイッチング手段の全てが遮断状態となり、スイッチング手段の列の一方から数えて偶数番目に接続されたスイッチング手段の全てが導通状態となる第一の相と、スイッチング手段の列の一方から数えて奇数番目に接続されたスイッチング手段が導通状態となり、スイッチング手段の列の前記一方から数えて偶数番目に接続されたスイッチング手段が遮断状態となる第二の相との間で、交互に切換えられるように制御が実行されてよい。この場合、各スイッチング手段の状態は、第一の相と第二の相との間で切り替わることとなるので、遮断のデューティ比は、全て１／２に決定され、従って、煩わしい遮断のデューティ比の調節に要する時間と労力とが省かれることとなる。また、後に詳細に説明される如く、同時に複数のスイッチング手段が遮断状態となるので、各スイッチング手段に要求される耐圧も低減できることとなり、有利となる。
【００２０】
特に、上記の如く、スイッチング素子又はスイッチング手段の導通／遮断状態の切換制御に於いて、「第一の相」と「第二の相」との二つの相の間で状態を交互に切り換える場合には、より好適には、動作点制御回路装置に於いて、直列に接続されたｎ個（ｎは、正の整数）のスイッチング手段の列のうち、一方から数えて２ｍ−１番目（ｍは、１からｎ／２までの全ての整数）と２ｍ番目に接続されたスイッチング手段の組の全て（１番目と２番目の組、３番目と４番目の組、…）の両端の各々に対して並列に電圧安定化コンデンサが接続され、前記一方から数えて２ｉ−２番目（ｉは、２からｎ／２までの全ての整数）と２ｉ−１番目に接続された前記スイッチング手段の組の全て（２番目と３番目の組、４番目と５番目の組、…）の両端の各々に対して並列に電圧安定化コンデンサが接続されている構成が採用されてよい。後に詳細に説明される如く、「電圧安定化コンデンサ」が用いられると、各太陽電池セル又はその他の電源セルの動作電圧がより安定的となる利点が得られることとなる。
【００２１】
又、本発明の動作点制御回路装置の実施の形態に於いて、直列に接続されたｎ個（ｎは、正の整数）のスイッチング手段の列のうち、一方から数えて２ｍ−１番目（ｍは、１からｎ／２までの全ての整数）と２ｍ番目に接続されたスイッチング手段の間の接続点と該スイッチング手段に対応するコンデンサの間の接続点との間の全てのそれぞれがインダクタを介して接続され、一方から数えて２ｉ−２番目（ｉは、２からｎ／２までの全ての整数）と２ｉ−１番目に接続されたスイッチング手段の間の接続点と該スイッチング手段に対応するコンデンサの接続点との間の全てのそれぞれがインダクタを介さずに接続されているようになっていてよい。即ち、後に説明される図を参照してより容易に理解される如く、特に、スイッチング素子又はスイッチング手段の導通／遮断状態を「第一の相」と「第二の相」との二つの相の間で状態を交互に切り換える制御構成の場合、一方から数えて２ｉ−２番目（ｉは、２からｎ／２までの全ての整数）と２ｉ−１番目に接続されたスイッチング手段の間の接続点と該スイッチング手段に対応するコンデンサの接続点との間には、インダクタが必ずしも必要ではなく（在ってもよい）、従って、スイッチング手段とコンデンサとの間を接続する一連の線に於いて、インダクタは、一つ置きに設けられればよいこととなる。インダクタに於いては、通常の導線（例えば、直線状の銅線）よりも寄生抵抗が大きいので、上記の如く、使用されるインダクタの数が削減されると、その分、出力損失の更なる低減が期待できることとなる。
【００２２】
ところで、上記に述べたところの、直列に接続された太陽電池セルの各々に対して接続された昇降圧チョッパ回路に対して、追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが並列に接続されて成る回路部分が追加して接続される場合、その回路部分が出力端子間に接続されていると、出力端子間に流れる出力電流がそのまま追加のスイッチング手段へ流入する期間があり、その分、スイッチング手段による出力損失が発生することとなる。一方、追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが出力端子間の外側にある構成（更なる追加のコンデンサと更なる追加のスイッチング手段を接続する場合）には、追加のスイッチング手段には、出力電流が流れないので、そこに於ける出力損失は大幅に低減される。かかる追加される回路部分は、後に説明される如く、出力端子間電圧の昇圧の目的で設けられる場合もある（特許文献１参照）。かくして、昇降圧チョッパ回路に追加して接続される追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが並列に接続されて成る回路部分が用いられる場合、かかる回路部分は、出力損失の低減を重視する場合には、出力端子間の外側に付加され、出力端子間の昇圧を重視する場合には、出力端子間の内側に付加されるようになっていてよい。
【００２３】
また、上記の本発明の装置に於いては、既に触れた如く、昇降圧チョッパ回路の各段の電圧は、対応するスイッチング素子又はスイッチング手段の遮断のデューティ比と出力端子間電圧とにより決定され、それらのうち、出力端子間に挟まれた段に於ける電源セルの発電電圧若しくは動作電圧の総和（追加のコンデンサが在る場合には、その保持電圧を加算した総和）が出力端子間の電圧に一致することとなる。そして、後に説明される如く、デューティ比は一律に固定値となるので、電源セル又はコンデンサの発電電圧若しくは動作電圧又は保持電圧は、互いに等しくなり、出力端子間の電圧の関数となる。
【００２４】
従って、出力端子間電圧は、典型的には、電圧制御装置又は出力電圧制御手段によって制御されてよく、出力端子間電圧を調節することにより、出力端子間に挟まれた段に於ける電源セル又はコンデンサの各々の発電電圧若しくは動作電圧又は保持電圧が調節されるようになっていてよい。例えば、直列に接続された電源セルとして太陽電池セルが用いられている場合には、いずれか一つ又は受光量が最大の太陽電池セルの発電電圧が最大動作点の電圧となるように出力端子間の電圧が調節されてよい。これにより、他の太陽電池セルの発電電圧は、受光量が最大の太陽電池セルの発電電圧に一致し、受光量に依存して最大動作点の電圧からずれる可能性があるが、かかる電圧のずれは、比較的小さく、従って、出力の低下も比較的小さいことが期待されることとなる。なお、電圧制御は、太陽電池セルの場合には、好適には、最大電力点追従（ＭＰＰＴ:Maximum  Power  Point  Tracking）を実行するＭＰＰＴ制御器など電圧又は電流制御器を用いて、実行されてよい。また、出力端子間に対して、上記の如く調節された出力端子間電圧を、更に、接続される負荷の要求電圧に一致するように変圧するための電圧制御手段が接続されてよい。これにより、電源セルをできるだけ最適な状態にて動作させながら、負荷の駆動又は動作が達成可能となる。
【００２５】
本発明の装置の実施の形態に於いて、典型的には、スイッチング素子又はスイッチング手段の導通／遮断状態の切換制御は、一連のスイッチング素子又はスイッチング手段が一つのユニットとして制御される。しかしながら、別の実施の形態として、複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサは複数のユニットに分けられ、発電動作点制御回路装置はこれら複数のユニットの各々に対し個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属するスイッチング素子の遮断を制御するようになっていてよい。即ち、複数のスイッチング手段が複数の群に分けられ、複数の群のそれぞれに属するスイッチング手段の状態が群毎に別々に制御されるようになっていてもよい。太陽電池セル又は電源セルの数が多くなり、従って、昇降圧チョッパ回路の段数が多くなったときには、一連のスイッチング素子又はスイッチング手段を一つのユニットとして制御するのではなく、一連のスイッチング素子又はスイッチング手段の群を複数のユニットに分けて別々に分けて制御した方が（制御処理は別々必要となるが）有利な場合がある。その場合、後の実施形態の欄にも記載されている如く、実施の形態の一つとして、複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサは境界にあるその一つを互に共有する複数のユニットに分けられ、発電動作点制御回路装置はこれら複数のユニットの各々に対し個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属する前記スイッチング素子の遮断を制御するようになっていてもよい。即ち、一対の出力端子間に於いて、少なくとも一つの電源セルが第一の群の一つのスイッチング手段と第二の群の一つのスイッチング手段との双方に対して並列に接続されているようになっていてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
かくして、上記の本発明の構成では、直列接続された複数の太陽電池セルに対して、多段型の昇降圧チョッパ回路を用いて、発電電圧を制御する装置に於いて、複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサの全てに対応するスイッチング素子を一渡り遮断する１サイクルの間には全てのスイッチング素子に対する遮断のデューティ比を固定するようになっていること、換言すれば、スイッチング手段の全ての所定の周期の長さに対する遮断状態となる期間の長さの比（遮断のデューティ比）が互いに同一となるように一律に固定されることにより、スイッチング素子若しくはスイッチング手段のデューティ比の調節のために費やされる時間と労力は不要となり、各太陽電池セルの発電電力及び／又は発電電圧の調節に費やされる時間と労力を大幅に削減することが可能となる。かかる構成によれば、例えば、太陽電池モジュールの出力をできるだけ大きくしようとする場合には、遮断のデューティ比が固定のままで、出力電力が最大となるように出力端子間電圧を調整すればよいこととなる。この場合、既に触れた如く、全ての太陽電池セルをそれぞれの最大電力点にて発電させることは受光量の差異などによって困難となり得るが、受光量差による太陽電池セルに於ける最大電力点の発電電圧の差は比較的小さく、従って、発電出力の低減はさほどに大きくならないことが期待される一方、従前に比して調節が迅速に実行されるという利点が得られることとなる。同様の利点は、太陽電池セル以外の任意の電源セルを直列に接続して動作させる場合にも得られることは理解されるべきである。
【００２７】
また、上記の本発明の装置に於いて、スイッチング素子又はスイッチング手段の導通／遮断状態の切換制御に関して、「第一の相」と「第二の相」との二つの相の間で状態を交互に切り換える構成では、遮断のデューティ比を常に０．５とすればよく、スイッチング手段の制御が極めて容易となり、有利である。この点に関し、かかる構成に於いて、更に、上記の如き「電圧安定化コンデンサ」を備える構成によれば、比較的簡易な構成を追加するだけで、各太陽電池セル又は電源セルの発電又は動作電圧を安定化させることが可能となる点で有利である。
【００２８】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、種々の受光量Ｒを受けた太陽電池の発電電圧に対する発電電流ＩＲと発電電力ＰＲの変化を模式的に表す特性図である。Ｒは、Ｒ＝１００％のときの受光量を１００％として、それぞれの受光量の割合を示している。
【図２】図２は、本発明による太陽光発電装置の構成の実施形態を示す回路構成図である。図２（Ａ）は、多段型昇降圧チョッパ回路の全ての段に太陽電池セルが接続されている例であり、図２（Ｂ）は、多段型昇降圧チョッパ回路の一つの段に於いて太陽電池セルが接続されていない例（追加のコンデンサとスイッチング素子が設けられている例）である。
【図３】図３は、図２（Ａ）、（Ｂ）の回路構成に於いて採用可能なスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態の例示的なタイムチャートを示す図である。図３（Ａ）は、スイッチング素子のＯＦＦ状態にされる時期が互いに異なる場合（一時にスイッチング素子が一つずつＯＦＦ状態にされる場合）であり、図３（Ｂ）は、スイッチング素子のＯＦＦ状態にされる時期の一部が重複する場合（１サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断の時間的長さの合計が１サイクルの時間的長さより大きくされ、遮断の時期はその一部が互に隣接する遮断の間で重複されている場合）であり、図３（Ｃ）は、隣接する二つのスイッチング素子が同時にＯＦＦ状態にされ、且つ、ＯＦＦ状態にされるスイッチング素子が一方の端から他方の端へ一つずつシフトしていく場合である。
【図４】図４（Ａ）、（Ｂ）は、図３（Ｃ）のタイムチャートにてスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御した場合の電流の流れを模式的に示した回路構成図である。
【図５】図５（Ａ）右は、本発明の装置の回路構成の種々の実施形態にて採用可能なスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態のタイムチャートの例であって、スイッチング素子列のＯＮ／ＯＦＦ状態は、相１（Ｐｈ１）と相２（Ｐｈ２）の間で切換られる例を示している。図５（Ａ）左は、図２、図６、図８等に記載の回路構成に於いて、相１でＯＦＦとなるスイッチング素子群と相２にＯＦＦとなるスイッチング素子群の組み合わせの例を示している。図５（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、本発明の装置のスイッチング素子列のＯＮ／ＯＦＦ状態に於いて、相１にて、直列に接続されたスイッチング素子の列の一方から数えて奇数番目に接続されたスイッチング素子の全てがＯＦＦ状態となり、偶数番目に接続されたスイッチング素子の全てがＯＮ状態となる場合に於ける回路の状態と、相２にて、直列に接続されたスイッチング素子の列の一方から数えて奇数番目に接続されたスイッチング素子の全てがＯＮ状態となり、偶数番目に接続されたスイッチング素子の全てがＯＦＦ状態となる場合に於ける回路の状態とを模式的に示している。
【図６】図６（Ａ）は、本発明による太陽光発電装置の構成の更に他の一つの実施形態を示す回路図であり、出力端子間に接続された複数の太陽電池セルが複数のユニットに分けられ、これら複数のユニットの各々に対し発電動作点制御回路装置が個別に設けられ、各発電動作点制御回路装置が当該ユニットに属するスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態の切換を制御するようになっている。図６（Ｂ）は、本発明による太陽光発電装置の構成の更に他の一つの基本的な実施例を示す回路図であり、出力端子間に接続された複数の太陽電池セルは境界にあるその一つを互に共有する複数のユニットに分けられ、これら複数のユニットの各々に対し発電動作点制御回路装置が個別に設けられ、各発電動作点制御回路装置が当該ユニットに属するスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態の切換を制御するようになっている。
【図７】図７は、本発明による太陽光発電装置の構成の更に他の一つの実施形態を示す回路図であり、複数の直列に接続された太陽電池セルの出力端子ot+，ot-が電圧制御装置を介して負荷端子Ｔ１、Ｔ２に接続されている。
【図８】図８は、本発明による直列に接続された２ｋ個（ｋは、正の整数）の太陽電池セルから成る太陽電池モジュールとその発電動作点制御回路装置とを組み合わせて成る装置（太陽光発電装置）であって、電圧安定化コンデンサＣｖｊが備えられた実施形態を模式的に示した回路構成図である。
【図９】図９（Ａ）は、図８の回路構成に於いて、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態が相１［直列に接続されたスイッチング素子の列の一方から数えて奇数番目に接続されたスイッチング素子の全てがＯＦＦ状態となり、偶数番目に接続されたスイッチング素子の全てがＯＮ状態となる場合］に在るときの回路の構成であり、図９（Ｂ）は、その際の電圧安定化コンデンサ列の接続状態を示した図である。図９（Ｃ）は、図８の回路構成に於いて、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態が相２［直列に接続されたスイッチング素子の列の一方から数えて奇数番目に接続されたスイッチング素子の全てがＯＮ状態となり、偶数番目に接続されたスイッチング素子の全てがＯＦＦ状態となる場合］に在るときの回路の構成であり、図９（Ｄ）は、その際の電圧安定化コンデンサ列の接続状態を示した図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、本発明による直列に接続された２ｋ−１個（ｋは、正の整数）の太陽電池セルから成る太陽電池モジュールとその発電動作点制御回路装置との組み合わせて成る装置（太陽光発電装置）であって、電圧安定化コンデンサＣｖｊが備えられた実施形態を模式的に示した回路構成図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の回路構成に於いて、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態が相１に在るときの電圧安定化コンデンサ列の接続状態を示した図であり、図１０（Ｃ）は、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態が相２に在るときの電圧安定化コンデンサ列の接続状態を示した図である。
【図１１】図１１は、２ｋ−１個（奇数個）の太陽電池セルから成る太陽電池モジュールに対して電圧安定化コンデンサＣｖｊが備えられた２ｋ段（偶数段）の昇降圧チョッパ回路を接続した本発明による装置の実施形態の回路構成の例を示している。図１１（Ａ）は、出力端子間に追加のコンデンサＣ２ｋと追加のスイッチング素子Ｍ２ｋを接続した構成であり、図１１（Ｂ）は、出力端子間の外側に追加のコンデンサＣ２ｋと追加のスイッチング素子Ｍ２ｋを接続した構成である。
【図１２】図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、電圧安定化コンデンサＣｖｊが備えられた本発明による装置の実施形態のその他の回路構成例を示した図である。
【図１３】図１３は、電圧安定化コンデンサＣｖｊが備えられた本発明による動作点制御回路装置に於いて、太陽電池セルに置換して、任意のその他の電源セルを直列接続した場合の回路構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
ＰＶｊ…太陽電池セル（ｊは、正の整数。以下、同様）
Ｍｊ…スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）
Ｃｊ…コンデンサ
Ｌｊ…インダクタ
Ｓｊ…制御入力
ｃｔ…電極用接続端子
Ｃｖｊ…電圧安定化コンデンサ
ＣＰ…スイッチング素子の切換制御装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。
【００３２】
発電動作点制御回路装置の基本構成
本発明の実施形態による太陽光発電装置に於ける太陽電池セルの発電動作点制御回路装置の回路構成は、基本的には、非特許文献１〜３に記載されている多段型の昇降圧チョッパ回路の構成と同様である。具体的には、まず、図２（Ａ）を参照して、ｎ個（ｎは、正の整数。図では４個。）の太陽電池セルＰＶ１、ＰＶ２、…、ＰＶｊ、…、ＰＶｎを直列に接続して太陽電池モジュールが構成される場合には、太陽電池モジュールの両端の一対の出力端子ｏｔ＋、ｏｔ−の間にて、直列に接続された複数の太陽電池セルＰＶｊの各々に対して、電極用接続端子ｃｔを介して、コンデンサＣｊ（Ｃ１、Ｃ２、…Ｃｎ）とスイッチング素子Ｍｊ（Ｍ１、Ｍ２、…Ｍｎ）とが並列に接続され、太陽電池セルＰＶｊの各々の電極端子ｃｔとスイッチング素子Ｍｊの端子との間に於いて、インダクタＬｊ（Ｌ１、Ｌ２…Ｌｎ−１）がそれぞれ装入される。即ち、図２（Ａ）の回路構成の場合、ｎ個の直列に接続された太陽電池セルの各々に対してチョッパ回路を接続して成るｎ段のチョッパ回路が構成される。スイッチング素子Ｍｊは、それぞれ、制御入力Ｓｊを有し、その制御入力Ｓｊの入力に応じて、図中、上下の端子間、即ち、並列に接続された対応する太陽電池セルＰＶｊ及びコンデンサＣｊの両端の端子間、を選択的に導通又は遮断するスイッチング手段であってよく、典型的には、通常の太陽電池セルの発電動作点制御回路装置に於いて利用されているＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子であってよい。コンデンサとインダクタとは、この分野で通常使用されている任意のものであってよい。
【００３３】
発電動作点制御回路装置を実際に使用する場合には、更に、出力端子ｏｔ＋、ｏｔ−の間に、出力端子間の電圧Ｖｏｕｔを制御するＭＰＰＴ制御回路又はその他の任意の電圧／電流制御器（図示せず）が接続され、電圧／電流制御器は、出力端子間の出力電圧を、要求される電圧又は所望の電圧に保持する一方、切換制御装置ＣＰからスイッチング素子Ｍｊの制御入力Ｓｊ（Ｓ１、Ｓ２…Ｓｎ）へ制御信号が与えられ、スイッチング素子Ｍｊが、それぞれ、後に詳細に説明される態様にて、並列に接続された対応する太陽電池セルＰＶｊ及びコンデンサＣｊの両端の端子間を導通させるＯＮ状態（導通状態）と、かかる導通を遮断するＯＦＦ状態（遮断状態）との間で周期的に切換えられることとなる。
【００３４】
なお、図２（Ｂ）に例示されている如く、ｎ個（図では３個）の直列に接続すされた太陽電池セルの各々に対してチョッパ回路を接続して成るｎ段のチョッパ回路に対して、更に太陽電池セル列と出力端子ｏｔ−と間にて、コンデンサ列に対して直列にコンデンサＣｎ＋１が追加され、スイッチング素子列に対してスイッチング素子Ｍｎ＋１が追加されてもよい（特許文献１）。換言すれば、ｎ＋１段のチョッパ回路が構成され、そのうちの一段には、太陽電池セルが配置されない構成となっていてよい。かかる追加されるチョッパ回路部分（コンデンサＣｎ＋１、スイッチング素子Ｍｎ＋１、インダクタＬｎ）は、後に説明される如く、端的に述べれば、出力端子間の電圧を直列接続された太陽電池セルの発電電圧の総和よりも昇圧する機能を果たす。なお、出力端子間の昇圧機能のための追加のコンデンサとスイッチング素子は、直列接続された太陽電池セルの間の段に挿入されていてもよく、複数の組にて設けられてもよい（即ち、ｎ個の太陽電池セルを直列に接続する場合には、ｎ＋ｍ段のチョッパ回路（ｍは、正の整数）が用いられてもよい。）。
【００３５】
発電動作点制御回路装置のスイッチング素子の切換制御
図２（Ａ）又は図２（Ｂ）に例示された太陽電池モジュールと発電動作点制御回路装置とから成る太陽光発電装置に於いて、スイッチング素子Ｍｊの周期的なＯＮ状態とＯＦＦ状態との切換は、種々の態様にて実行されてよいところ、特に、本実施形態に於いては、遮断のデューティ比、即ち、所定の１周期（サイクル）の長さ（ＯＮ状態からＯＦＦ状態へ切換った時から、ＯＮ状態に切換えられた後、再びＯＦＦ状態に切換る時までの期間の長さ、即ち、ＯＦＦ状態の期間の長さとＯＮ状態の期間の長さの和）に対するＯＦＦ状態となる期間の長さの比、が、全てのスイッチング素子Ｍｊについて、一律に固定される（即ち、同一の値に設定される。）。なお、以下、“遮断のデューティ比”を単に「デューティ比」と称する。スイッチング素子ＭｊのＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）状態の切換制御の具体的な態様の例は、下記のいずれかであってよい。
【００３６】
（第一の態様）  スイッチング素子ＭｊのＯＮ／ＯＦＦ状態の切換制御の第一の態様に於いては、図３（Ａ）に示されている如く、全てのスイッチング素子Ｍｊのデューティ比が互いに等しい状態で且つ全てのスイッチング素子のＯＦＦ状態となる時期が互いに異なるように各スイッチング素子の状態が制御されてよい。即ち、この場合、一時期にＯＦＦ状態となるスイッチング素子の数は、常に一つとなる。この態様に於いては、ｎ段のチョッパ回路の各段に接続された太陽電池セル（又は太陽電池セルの接続されていない段のコンデンサ）には、互いに大きさの異なる電流が流通できるようになっているので、各段の太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊとデューティ比Ｄｊと出力端子間電圧Ｖｏｕｔとの間には、
Ｖｊ＝Ｄｊ・Ｖｏｕｔ      …（１ａ）
Ｄｊ＝Ｄ      …（１ｂ）
ΣＤｊ＝１      …（１ｃ）
（総和は、ｊ＝１〜ｎ）
Ｄ＝１／ｎ      …（１ｄ）
の関係が成立し、結局、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊは、
Ｖｊ＝Ｖｏｕｔ／ｎ      …（１ｅ）
により与えられることとなる。従って、例えば、Ｖｏｕｔ／ｎが、受光量の最大の太陽電池セルの最大電力点に於ける発電電圧Ｖｍｐｐ１００と等しくなるように、出力端子間電圧Ｖｏｕｔを調節すれば、図１に例示されている如く、全ての太陽電池セルの発電電圧が実質的にＶｍｐｐ１００に一致した状態が実現できることとなり、その場合、既に触れた如く、受光量の低下があっても、太陽電池セルの個別のデューティ比の調節を行うことなく、それによる出力低下幅を比較的小さく抑えられることとなる。
【００３７】
ところで、図２（Ａ）の如く、ｎ段の昇降圧チョッパ回路の全てに太陽電池セルが接続されている場合には、各太陽電池セルの発電電圧Ｖｐｊの総和は、
ΣＶｐｊ＝ｎ×Ｖｏｕｔ／ｎ＝Ｖｏｕｔ      …（２ａ）
（図２（Ａ）の例の場合  Ｖout＝ΣＶｐｊ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）
となるので、太陽電池セルの発電電圧の総和が出力端子間電圧となる。一方、図２（Ｂ）の如く、ｎ段の昇降圧チョッパ回路のうち、太陽電池セルが接続されていない段が存在する場合には、各太陽電池セルの発電電圧Ｖｐｊの総和ΣＶｐｊと、太陽電池セルが接続されていない段のコンデンサの保持電圧Ｖｃｊの総和ΣＶｃｊとの和がＶｏｕｔとなるので、結局、
Ｖｏｕｔ＝ΣＶｐｊ＋ΣＶｃｊ      …（２ａ）
（図２（Ｂ）の例の場合には、
ΣＶｐｊ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３
ΣＶｃｊ＝Ｖ４［コンデンサＣ４の保持電圧）
である。）
Ｖｏｕｔ＞ΣＶｐｊ      …（２ｂ）
が成立する。即ち、太陽電池セルが接続されていない段の回路部分は、太陽電池モジュールの出力電圧間電圧を実際の太陽電池セルの発電電圧の総和よりも昇圧する機能を果たすこととなる。この昇圧機能を果たす回路部分は、以下に説明される回路の全てに於いて同様に適用可能である。
【００３８】
（第二の態様）  スイッチング素子ＭｊのＯＮ／ＯＦＦ状態の切換制御の第二の態様に於いては、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示されている如く、全てのスイッチング素子Ｍｊのデューティ比が互いに等しい状態で、且つ、１サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断の時間的長さの合計が１サイクルの時間的長さより大きくされ、遮断の時期は、その一部が互に隣接する遮断の間で重複されているようになっているように、或いは、一時にＯＦＦ状態（遮断状態）となるスイッチング素子が、隣接する二つのスイッチング素子であるようスイッチング素子の状態が制御されてよい。この態様に於いては、又、スイッチング素子の状態の制御は、図示の如く、隣接する二つスイッチング素子が一時にＯＦＦ状態となり、且つ、そのＯＦＦ状態となるスイッチング素子が直列に接続されたスイッチング素子の列の一方の端から他方の端へ一つずつ順々にシフトしていくように実行されてよい。第一の態様の如く、スイッチング素子が一つずつのＯＦＦ状態にされる場合には、各スイッチング素子は、それぞれ、ＯＦＦ状態の際に、出力端子間電圧に耐えられるようになっている必要があるが、一時に二つのスイッチング素子がＯＦＦ状態となる場合には、出力端子間電圧が、そのＯＦＦ状態となった二つのスイッチング素子に分散されて印加されることとなるので、第一の態様の場合に比して、スイッチング素子一つ当たりの耐えるべき電圧（要求される耐圧）が低減できることとなる。
【００３９】
上記のスイッチング素子の切換制御の第二の態様の場合、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊは、第一の態様と同様に、式（１ｅ）により決定されることとなる。即ち、かかる態様に於いては、図４（Ａ）、（Ｂ）に例示されている如く、隣接する二つのスイッチング素子が同時にＯＦＦ状態となっている状態が存在しているところ、スイッチング素子には、一般に、そのソース側からドレイン側にのみ電流の流通を許す寄生ダイオードが存在し、隣接する二つのスイッチング素子のうち、先にＯＦＦ状態になっているスイッチング素子に於いては、スイッチング素子内の寄生ダイオードがそのソース側に接続されたインダクタから来る電流の流通を許すこととなる。そうすると、スイッチング素子の制御信号が、同時に隣接する二つのスイッチング素子がＯＦＦ状態となるように制御入力に入力された状態でも、実質的には、一時期に遮断状態となるスイッチング素子の数は、常に一つと成っている状態と同様となり、かくして、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊも第一の態様と同様に与えられることとなる。このことによれば、又、第一の態様の如く、全てのスイッチング素子のＯＦＦ状態となる時期が互いに異なるように各スイッチング素子の状態の制御を実行する場合にＯＮ／ＯＦＦ状態の切換えが然程に厳密でなくてもよいということもできる。
【００４０】
（第三の態様）  スイッチング素子ＭｊのＯＮ／ＯＦＦ状態の切換制御の、更に別の、第三の態様に於いては、図５（Ａ）右に例示されたタイムチャートの如く、直列に接続された複数のスイッチング素子（追加のスイッチング素子を含む。）が第一の組（Ｉ）と第二の組（II）とに分けられ、第一の組の全てのスイッチング素子がＯＦＦ状態となり、第二の組の全てのスイッチング素子がＯＮ状態となる相１（Ｐｈ１）と、第一の組の全てのスイッチング素子がＯＮ状態となり、第二の組の全てのスイッチング素子がＯＦＦ状態となる相２（Ｐｈ２）との間で、全てのスイッチング素子の状態が交互に切換えられるようになっていてよい。スイッチング素子の組分けは、任意であってよく、例えば、図２（Ａ）、（Ｂ）の如く、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４を含む回路構成の場合、図５（Ａ）左に例示されている如く、第一の組、第二の組のそれぞれに、（Ｍ１，Ｍ２）、（Ｍ３，Ｍ４）を割り当ててもよく、（Ｍ１，Ｍ３）、（Ｍ２，Ｍ４）を割り当ててもよい。また、図５（Ｂ）、（Ｃ）に例示されている如く、ｎ個のスイッチング素子が存在する回路構成の場合に、出力端子の一方、例えば、太陽電池モジュールの陽極側、から数えて奇数番目の段のチョッパ回路に接続されているスイッチング素子Ｍ２ｍ−１を第一の組に割り当て、偶数番目の段のチョッパ回路に接続されているスイッチング素子Ｍ２ｍを第二の組に割り当てるようになっていてもよい（ｍは、正の整数）。かかる態様の場合、図５（Ａ）右のタイムチャートに示されている如く、スイッチング素子の状態は、交互に１サイクルＴｓの間に相１（Ｐｈ１）と相２（Ｐｈ２）と成る一方、デューティ比は、全てのスイッチング素子で一律に固定されるので、結局、デューティ比Ｄは、
Ｄ＝１／２＝０．５      …（３）
となる。
【００４１】
上記の第三の態様の場合であって、特に、スイッチング素子Ｍ２ｍ−１を第一の組に割り当て、スイッチング素子Ｍ２ｍを第二の組に割り当てる構成の場合、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊは、出力端子間の挟まれているチョッパ回路の段数（即ち、コンデンサとスイッチング素子の数）によって決定される。具体的には、まず、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊの総和が出力端子間電圧Ｖｏｕｔに等しいという条件と、同時にスイッチング素子がＯＦＦ状態となる段の各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊは、互いに等しくなるという条件とから、
ΣＶｊ＝Ｖｏｕｔ      …（４ａ）
ＶｊＩ＝ＶＩ      …（４ｂ）
ＶｊII＝ＶII      …（４ｃ）
が成立する。ここで、ＶｊＩは、第一の組の各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊであり、ＶｊIIは、第二の組の各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊである。ＶＩ、ＶIIは、それぞれ、第一の組、第二の組の、太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）の電圧値である。そして、出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−に２ｋ段のチョッパ回路が存在するとき（ｋは、正の整数）、相１（図５（Ｂ））のときにスイッチング素子がＯＦＦ状態となる段数と相２（図５（Ｃ））のときにスイッチング素子がＯＦＦ状態となる段数とがそれぞれｋ段となり、同数となることから、
ＶｊＩ＝ＶＩ＝ＶｊII＝ＶII      …（４ｄ）
が成立し、結局、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊは、全て、互いに等しくなるので、
Ｖｊ＝Ｖｏｕｔ／２ｋ      …（４ｅ）
となる。
【００４２】
一方、出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−に２ｋ−１段のチョッパ回路が存在するとき、相１（図５（Ｂ））のときにスイッチング素子がＯＦＦ状態となる段数は、ｋ段であり、相２（図５（Ｃ））のときにスイッチング素子がＯＦＦ状態となる段数は、ｋ−１段となる。ところで、相１と相２とは、等間隔にて実現されるので、電圧が定常状態に在るときには、相１でＯＦＦ状態となる段（第一の組）の各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）ＶｊＩの総和と、相２でＯＦＦ状態となる段（第二の組）の各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）ＶｊIIの総和とが等しくなり、結局、
Ｖｏｕｔ＝ΣＶｊＩ＋ΣＶｊII      …（４ｆ）
ΣＶｊＩ＝ｋＶＩ＝ΣＶｊII＝（ｋ−１）ＶII＝Ｖｏｕｔ／２      …（４ｇ）
の関係が成立することとなる。かくして、第一の組の太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）ＶｊＩと第二の組の太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）ＶｊIIは、
ＶｊＩ＝Ｖｏｕｔ／２ｋ      …（４ｈ）
ＶｊII＝Ｖｏｕｔ／２（ｋ−１）      …（４ｉ）
により与えられることとなる。しかしながら、相１と相２との切換えが十分に速い場合（コンデンサＣｊの容量が十分に大きい場合）には、各チョッパ回路の担持する電圧が均一化され、結局、
Ｖｊ＝Ｖｏｕｔ／（２ｋ−１）
が成立することとなる。
［より一般化して、第一の組の段数がｘ個であり、第二の組の段数がｙ個である回路構成の場合に、ＶｊＩ、ＶｊIIは、
ＶｊＩ＝Ｖｏｕｔ／２ｘ
ＶｊII＝Ｖｏｕｔ／２ｙ
にて与えられることとなる。ただし、ｘとｙとの比が大きくなるほど、各太陽電池セルの発電電圧のずれが大きくなり、出力低下幅を小さく抑えられる利点がえ難くなる。］
【００４３】
上記の如く、複数のスイッチング素子のデューティ比を等しくし、且つ、ＯＮ／ＯＦＦ状態を相１と相２との２状態の間にて切換える態様によれば、スイッチング素子のデューティ比の調節のために要する時間と労力とは、実質的に不要となり、制御が大幅に簡単化できる点で有利である。また、第二の態様で説明されたことと同様に、同時のＯＦＦ状態にされるスイッチング素子の数が複数となるので（段数が４より多ければ、第二の態様に比しても、同時のＯＦＦ状態にされるスイッチング素子の数が更に増大することとなる。）、ＯＦＦ状態になっているスイッチング素子に印加される出力端子間電圧が、より多くの素子に分散され、これにより、スイッチング素子一つ当たりに要求される耐圧が有利に低減できることとなる。そして、第一の態様と同様に、Ｖｏｕｔ／ｎが、受光量の最大の太陽電池セルの最大電力点に於ける発電電圧Ｖｍｐｐ１００と等しくなるように、出力端子間電圧Ｖｏｕｔを調節すれば、図１に例示されている如く、全ての太陽電池セルの発電電圧が実質的にＶｍｐｐ１００に一致した状態が実現できることとなり、受光量の低下があっても、太陽電池セルの個別のデューティ比の調節を行うことなく、それによる出力低下幅を比較的小さく抑えられることとなる。
【００４４】
発電動作点制御回路装置のスイッチング素子の切換の分割制御の構成例
太陽電池モジュール内に接続されるセル数が多いときには、それらを幾つかの群に分割し、それぞれの群毎に分割してスイッチング素子の切換制御が実行されてよい。例えば、図６（Ａ）に例示されている如く、出力端子間に接続された複数の太陽電池セルが複数のユニットに分けられ、これら複数のユニットの各々に対し発電動作点制御回路装置が個別に設けられ、各発電動作点制御回路装置が当該ユニットに属するスイッチング素子の切換制御を実行するようになっていてよい。図示の例では、太陽電池セルＰＶ１〜ＰＶ８がＰＶ１〜ＰＶ４のユニットとＰＶ５〜ＰＶ８のユニットに分けられ、それぞれのユニットに対し制御装置ＣＰ１、ＣＰ２が個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属するスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４、Ｍ５〜Ｍ８のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御するよう構成されている。また、図６（Ｂ）に例示されている如く、出力端子間に接続された複数の太陽電池セルが境界にあるその一つを互に共有する複数のユニットに分けられ、これら複数のユニットの各々に対し発電動作点制御回路装置が別々に設けられ、それぞれが当該ユニットに属するスイッチング素子の切換制御を実行するようになっていてもよい。図示の例では、太陽電池セルＰＶ１〜ＰＶ７がＰＶ４を互に共有するＰＶ１〜ＰＶ４のユニットとＰＶ４〜ＰＶ７のユニットに分けられ、それぞれのユニットに対し制御装置ＣＰ１、ＣＰ２が個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属するスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４，Ｍ５〜Ｍ８のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御するようになっている。
【００４５】
上記の図６（Ａ）、（Ｂ）に例示されている如く、太陽電池モジュールを複数のユニットに分割する構成に於いて、各ユニットに於けるスイッチング素子の状態の切換制御の態様は、上記の第一の態様〜第三の態様のいずれであってもよい。特に、第三の態様によりスイッチング素子の状態の切換制御を実行する場合には、図５（Ａ）に例示されている如く、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４のユニットについて、第一の組に（Ｍ１、Ｍ２）、第二の組に（Ｍ３、Ｍ４）を割り当て、スイッチング素子Ｍ５〜Ｍ８のユニットについて、第一の組に（Ｍ５、Ｍ６）、第二の組に（Ｍ７、Ｍ８）を割り当てるようになっていてよい（隣接するスイッチング素子が同時にＯＦＦ状態となる制御態様）。また、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４のユニットについて、第一の組に（Ｍ１、Ｍ３）、第二の組に（Ｍ２、Ｍ４）を割り当て、スイッチング素子Ｍ５〜Ｍ８のユニットについて、第一の組に（Ｍ５、Ｍ７）、第二の組に（Ｍ６、Ｍ８）を割り当てるようになっていてもよい（スイッチング素子が交互にＯＦＦ状態となる制御態様）。
【００４６】
これらの構成によれば、各ユニット内における太陽電池セルの数は太陽電池セルの総数に対比して大幅に減るので、各ユニット内において、それぞれの両端間の電圧を何れの太陽電池セルに合わせて調節してどのようにスイッチング素子の切換制御を行うのが最適であるかの探索をより短い時間にて行うことができ、そのようにして各ユニットのスイッチング制御を最適化することにより、太陽光の照射状況の変化に対する太陽光発電装置全体の最適化制御の追随性を高めることができる。
【００４７】
出力端子間電圧の制御
既に触れた如く、上記の太陽電池モジュールの出力端子間の電圧は、太陽電池モジュール内の太陽電池セルの発電電圧が所望の値となるようにＭＰＰＴ制御回路等の電圧／電流制御器により調節制御される。この点に関し、本発明の構成に於いては、上記にも説明されている如く、スイッチング素子のデューティ比が一律に固定されているので、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）は、出力端子間電圧によってのみ調節される。そして、図１に関連して説明された如く、太陽電池セルの発電電圧を或る一つのセル（例えば、受光量の最大のセル）の最大電力点に於ける発電電圧に調節しようとする場合には、デューティ比が一律に固定値であるので、出力端子間電圧は、結局、一意に決定されることとなる（昇圧機能を果たす回路部分の昇圧幅（コンデンサの保持電圧）も出力端子間電圧とデューティ比とが決定された条件下では一意に決定され、変更できない。）。一方、太陽電池セルの発電電圧が或るセルの最大電力点に於ける発電電圧へ調節するなどした場合の、太陽電池モジュール（追加のコンデンサがある場合を含む。）の出力端子間電圧は、電力の出力先の負荷、例えば、充電器、の動作電圧と一致しているとは限らない。そして、もし出力端子間電圧が負荷の動作電圧とずれていると、出力端子間電圧が変動してしまうなど、太陽電池セルの発電電圧が或るセルの最大電力点に於ける発電電圧へ調節した状態を保つことが困難となり得る。そこで、本発明の太陽光発電装置の出力を負荷へ送出する際には、図７に模式的に示されている如く、太陽電池モジュールの出力端子ot+、ot-は、任意の電圧制御装置を介して、出力先（負荷）Ｔ１、Ｔ２へ接続され、出力端子間電圧が更に昇降圧されてから電力が送出されるようになっていてよい。かかる構成により、太陽光発電装置に於いて、太陽電池モジュールの出力端子間電圧をその作動に適した電圧に維持し、太陽光発電装置の出力が効率の良い状態を保ちながら、負荷の電圧要求に対応することが可能となる。
【００４８】
電圧安定化コンデンサの適用
図５を再度参照して、ｎ個のスイッチング素子が存在する回路構成に於いて、特に、出力端子の一方、例えば、太陽電池モジュールの陽極側、から数えて奇数番目の段のチョッパ回路に接続されているスイッチング素子Ｍ２ｍ−１を第一の組に割り当て、偶数番目の段のチョッパ回路に接続されているスイッチング素子Ｍ２ｍを第二の組に割り当てて、第一の組の全てのスイッチング素子がＯＦＦ状態となり、第二の組の全てのスイッチング素子がＯＮ状態となる相１（Ｐｈ１）と、第一の組の全てのスイッチング素子がＯＮ状態となり、第二の組の全てのスイッチング素子がＯＦＦ状態となる相２（Ｐｈ２）との間で、全てのスイッチング素子の状態が交互に切換えられる構成の場合、スイッチング素子の切換制御が簡単化され、太陽光発電装置の作動に際して調節されるべきパラメータは、出力端子間電圧Ｖｏｕｔだけでよくなるので、一連の制御のための時間と労力とが大幅に削減できる点で非常に有用である。かかる構成に関し、更に、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）を安定化させるために、図８に例示されている如く、直列接続されたスイッチング素子Ｍｊの列に対して、電圧安定化用のコンデンサＣｖｊ（Ｃｖ１，Ｃｖ２，Ｃｖ３…Ｃｖ２ｋ−１）が接続されてよい。なお、かかるコンデンサを（太陽電池セルに並列に接続されたコンデンサと区別する目的で）以下「電圧安定化コンデンサ」と称する。
【００４９】
「電圧安定化コンデンサ」は、より具体的には、図示の如く、直列に接続されたｎ個（ｎは、正の整数）のスイッチング素子の列のうちの一方の端、例えば、太陽電池モジュールの陽極側、から数えて２ｍ−１番目（ｍは、１からｎ／２までの全ての整数）と２ｍ番目に接続されたスイッチング素子の組の全て（１番目と２番目の組、３番目と４番目の組、…）の両端の各々に対して並列に、そして、前記の一方の端から数えて２ｉ−２番目（ｉは、２からｎ／２までの全ての整数）と２ｉ−１番目に接続されたスイッチング素子の組の全て（２番目と３番目の組、４番目と５番目の組、…）の両端の各々に対して並列に、それぞれ接続される。なお、電圧安定化コンデンサは、この分野で通常使用されているコンデンサであってよい。
【００５０】
上記の如く、スイッチング素子列に於いて、各スイッチング素子Ｍｊを交互にＯＦＦ状態する相１と相２との間にて周期的に切換える構成に於いて、もし「電圧安定化コンデンサ」が用いられない場合には、上記の式（４ｂ）、（４ｃ）の条件（同時にスイッチング素子がＯＦＦ状態となる段の各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊが互いに等しくなるという条件）がスイッチング素子の特性や寄生抵抗、インピーダンス等の特性の精度に依存して不安定となる場合（電圧が均等に分散されないなど）があるところ、電圧安定化コンデンサの存在によって、式（４ｂ）、（４ｃ）の条件がより確実に担保されることとなる。なお、図示していないが、「電圧安定化コンデンサ」は、図６に例示されている如き太陽電池モジュールを複数のユニットに分割する構成や図７に例示されている如き電圧制御装置を備えた構成に於いても適用可能であり、そのような場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。
【００５１】
電圧安定化コンデンサが適用された回路構成に於いては、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊは、具体的には、下記の如く決定される。
【００５２】
（ｉ）ｎ＝２ｋ（ｋは、正の整数）の場合、即ち、回路構成に於いて存在するスイッチング素子の数が偶数の場合、図８に模式的に描かれているように、スイッチング素子列Ｍ１〜Ｍ２ｋの間にて、電圧安定化コンデンサＣｖ１〜Ｃｖ２ｋ−１が、それぞれ、二つの隣接するスイッチング素子を交互に跨いで接続されることとなる。その作動中に於いては、スイッチング素子の状態は、相１と相２との間で、交互に、周期的に且つ等間隔にて繰り返し切換えられる。ここに於いて、相１では、太陽電池モジュールの陽極側から数えて奇数番目のスイッチング素子がＯＦＦ状態となり（図９（Ａ））、電圧安定化コンデンサＣｖ１〜Ｃｖ２ｋ−１が、図９（Ｂ）に示されているように、出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−にてＣｖ１が単独にて、Ｃｖ２〜Ｃｖ２ｋ−１が対になって互いに直列に接続され、コンデンサがｋ段の直列接続された回路が構成される一方、相２に於いては、太陽電池モジュールの陽極側から数えて偶数番目のスイッチング素子がＯＦＦ状態となり（図９（Ｃ））、電圧安定化コンデンサＣｖ１〜Ｃｖ２ｋ−１が、図９（Ｄ）に示されているように、出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−にてＣｖ１〜Ｃｖ２ｋ−２が対になり、Ｃｖ２ｋ−１が単独にて、互いに直列に接続され、コンデンサがｋ段の直列接続された回路が構成される。そうすると、図９（Ｂ）、（Ｄ）の電圧安定化コンデンサＣｖ１〜Ｃｖ２ｋ−１の接続状態が反復して実現されることから、相１及び相２が交互に現れる定常状態に於いては、電圧安定化コンデンサＣｖ１〜Ｃｖ２ｋ−１の電圧Ｖ（Ｃｖ１）〜Ｖ（Ｃｖ２ｋ−１）が全て等しくなる。（より具体的には、相1で、Ｖ（Ｃｖ２）＝Ｖ（Ｃｖ３）、…、Ｖ（Ｃｖ２ｋ−２）＝Ｖ（Ｃｖ２ｋ−１）となり、相２で、Ｖ（Ｃｖ２）＝Ｖ（Ｃｖ１）、…、Ｖ（Ｃｖ２ｋ−２）＝Ｖ（Ｃｖ２ｋ−３）となることから、定常状態では、Ｖ（Ｃｖ１）＝Ｖ（Ｃｖ２）＝Ｖ（Ｃｖ３）＝…＝Ｖ（Ｃｖ２ｋ−２）＝Ｖ（Ｃｖ２ｋ−１）となる。）また、出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−の電圧はＶｏｕｔに調節されるところ、ｋ段の電圧安定化コンデンサの直列回路で担持されることになるので、結局、
Ｖ（Ｃｖ１）＝Ｖ（Ｃｖ２）…＝Ｖ（Ｃｖ２ｋ−１）＝Ｖｏｕｔ／ｋ    …（５ａ）
の関係が成立することとなる。
【００５３】
ところで、各スイッチング素子がＯＦＦ状態にあるときに担持する電圧Ｕｊは、図９（Ａ）、（Ｃ）を参照して理解される如く、それぞれ、電圧安定化コンデンサＣｖｊによって安定的に保持されるので、
Ｕｊ＝Ｖ（Ｃｖｊ）＝Ｖｏｕｔ／ｋ      …（５ｂ）
［ただし、Ｕ２ｋ＝Ｖ（Ｃｖ２ｋ−１）］
であり、各スイッチング素子がＯＮ状態にあるときに担持する電圧Ｕｊは、
Ｕｊ＝０      …（５ｃ）
となる。そうすると、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊについて、対応するスイッチング素子ＭｊがＯＦＦ状態にあるとき、
Ｖｊ＋Ｌｊ・∫（ｄＩ／ｄｔ）＝Ｕｊ＝Ｖｏｕｔ／ｋ      …（５ｄ）
の関係が成立し（積分範囲は、ｊ＝２ｍ−１のとき、０〜Ｄ・Ｔｓであり、ｊ＝２ｍのとき、Ｄ・Ｔｓ〜Ｔｓである。）、対応するスイッチング素子ＭｊがＯＮ状態にあるとき、
Ｖｊ＋Ｌｊ・∫（ｄＩ／ｄｔ）＝Ｕｊ＝０      …（５ｅ）
の関係が成立する。ここで、Ｄ＝１／２であるので、（５ｄ）＋（５ｅ）によれば、
２Ｖｊ＋Ｌｊ・∫（ｄＩ／ｄｔ）［積分範囲が、０〜Ｔｓ］＝Ｖｏｕｔ／ｋ
となり、Ｌｊ・∫（ｄＩ／ｄｔ）＝０となるので、結局、
Ｖｊ＝Ｖｏｕｔ／２ｋ      …（５ｆ）
が成立することとなる。ここで、理解されるべきことは、各スイッチング素子がＯＦＦ状態にあるときに担持する電圧Ｕｊが、定常状態に於いて、対応する電圧安定化コンデンサＣｖｊにより、安定的に保持され、これにより、各太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）も更に安定的に確定されるという点である。即ち、スイッチング素子の特性に於いて、より大きな公差が許される点で有利となる。
【００５４】
（ii）ｎ＝２ｋ−１の場合、即ち、回路構成に於いて存在するスイッチング素子の数が奇数の場合、図１０（Ａ）に模式的に描かれているように、スイッチング素子列Ｍ１〜Ｍ２ｋ−１の間にて、電圧安定化コンデンサＣｖ１〜Ｃｖ２ｋ−２が、それぞれ、二つの隣接するスイッチング素子を交互に跨いで接続されることとなる。その作動中に於いては、電圧安定化コンデンサＣｖ１〜Ｃｖ２ｋ−２によって、相１では、に示されているように、コンデンサがｋ段の直列接続された回路が構成され（図１０（Ｂ））、相２では、コンデンサがｋ−１段の直列接続された回路が構成されることとなる（図１０（Ｃ））。ここで、スイッチング素子の状態は、上記の（ｉ）の場合と同様に、相１と相２との間で、交互に、周期的に且つ等間隔にて繰り返し切換えられるので、定常状態に於いては、電圧安定化コンデンサＣｖ１〜Ｃｖ２ｋ−２の電圧Ｖ（Ｃｖ１）〜Ｖ（Ｃｖ２ｋ−２）が全て等しくなることが期待され、出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−の電圧はＶｏｕｔに調節されるので、結局、
Ｖ（Ｃｖ１）＝Ｖ（Ｃｖ２）…＝Ｖ（Ｃｖ２ｋ−２）＝Ｖｏｕｔ／（ｋ−１／２）    …（６ａ）
の関係が成立することとなる。各スイッチング素子がＯＦＦ状態にあるときに担持する電圧Ｕｊは、同様に、
Ｕｊ＝Ｖ（Ｃｖｊ）＝Ｖｏｕｔ／（ｋ−１／２）      …（６ｂ）
となり、各スイッチング素子がＯＮ状態にあるときには、いずれの場合も担持電圧Ｕｊは、
Ｕｊ＝０      …（６ｃ）
となる。そして、各スイッチング素子Ｍｊに対応する太陽電池セル（又はコンデンサに対しては、ＯＮ／ＯＦＦ状態が均等に相１と相２とに於いて交互に現れることから、結局、太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊは、
Ｖｊ＝Ｖｏｕｔ／（２ｋ−１）      …（６ｄ）
となる。
【００５５】
なお、ｎ＝２ｋ−１の場合には、相１と相２との間の切換が十分に速くないと、式（６ａ）が成立せず、太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊが一様でなくなる場合がある。一方、ｎ＝２ｋの場合には、式（５ａ）の条件が安定的に成立し、太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊが式（５ｆ）の状態を安定的に満たすこととなる。このことから、本実施形態に於いては、より好ましくは、発電動作点制御回路装置は、昇降圧チョッパ回路の段数が偶数個となるように構成されてよい。例えば、直列接続される太陽電池セルの個数が奇数である場合には、チョッパ回路（コンデンサ、インダクタ、スイッチング素子）を追加して、段数が偶数となるように回路が構成されてよい。また、太陽電池モジュールの両端の出力電圧を昇圧する目的で、チョッパ回路部分が追加され、チョッパ回路の段数が奇数となっている場合には、更に、チョッパ回路を追加して、総段数が偶数となるように回路が構成されてよい。
【００５６】
スイッチング素子に於ける出力損失の低減
上記に於いて、本実施形態の発電動作点制御回路装置では、スイッチング素子列の各スイッチング素子Ｍｊを交互にＯＦＦ状態する相１と相２との間にて周期的に切換える構成の場合には、昇降圧チョッパ回路の段数が偶数であるときに、太陽電池セルの発電電圧（又はコンデンサの保持電圧）Ｖｊが、より安定化されるので、昇降圧チョッパ回路の段数が奇数の場合には、太陽電池セルを接続しないチョッパ回路を追加して、段数を偶数にすることが好ましい点を述べた。この点に関し、太陽電池セルを接続しないチョッパ回路の場合、そのスイッチング素子がＯＮ状態のときには、そのチョッパ回路部分を通過する全ての電流がスイッチング素子を通ることとなる。例えば、図１１（Ａ）に描かれている如く、太陽電池セルを接続しないチョッパ回路（Ｃ２ｋ、Ｍ２ｋ、Ｌ２ｋ−１）が出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−に追加されていると、スイッチング素子Ｍ２ｋがＯＮ状態のときには、出力端子間を流れる電流Ｉｏｕｔの実質的に全てがスイッチング素子Ｍ２ｋを通ることとなる。この場合、スイッチング素子は有意な寄生抵抗を有するので、スイッチング素子Ｍ２ｋに於ける電流Ｉｏｕｔの通過によって、抵抗による出力損失が生ずることとなる。
【００５７】
そこで、本実施形態の発電動作点制御回路装置に於いて、太陽電池セルを接続しないチョッパ回路を更に追加する場合には、図１１（Ｂ）に例示されている如く、出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−の外側に、当該回路部分を追加することが好ましい。かかる構成によれば、更に追加されたスイッチング素子Ｍ２ｋには、出力端子間を流れる電流Ｉｏｕｔは、実質的に流れないこととなり、その分、出力損失を回避できることとなり、有利である。
【００５８】
出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−の外側に追加されるチョッパ回路部分は、種々の態様にて構成されてよい。例えば、太陽電池モジュールの両端に負荷へ接続される出力端子ｏｔ＋〜ｏｔ−が形成されている場合に、追加されるチョッパ回路部分は、図１１（Ｂ）の如く、太陽電池モジュールの陰極側に構成されてもよく、図１２（Ａ）の如く、太陽電池モジュールの陽極側に構成されてもよく、図１２（Ｂ）の如く、太陽電池モジュールの両極側に構成されてもよい。又、図１２（Ｃ）の如く、既に出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−に、太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧するための太陽電池セルを接続しないチョッパ回路（Ｃ３、Ｍ３、Ｌ２）が追加されている場合にも、更に、出力端子間ｏｔ＋〜ｏｔ−の外側にチョッパ回路部分（Ｃ４、Ｍ４、Ｌ３）追加されてよい。
【００５９】
動作点制御回路に於けるインダクタの省略（短絡）
本実施形態の太陽光発電装置及び／又は発電動作点制御回路装置の一連の構成に於いて、太陽電池セルＰＶｊの電極用接続端子ｃｔ又はコンデンサＣｊの両端子は、インダクタＬｊを介してスイッチング素子Ｍｊに接続されている。かかるインダクタＬｊは、昇降圧チョッパ回路の一部として、それぞれ対応するコンデンサＣｊとスイッチング素子Ｍｊと協働して、スイッチング素子ＭｊのＯＮ／ＯＦＦ状態の切換に際して電流の変化に対して逆起電力を発生する機能を果たす。この点に関し、逆起電力を発生するインダクタは、ＯＦＦ状態となっているスイッチング素子Ｍｊと、これに対応するコンデンサＣｊとの間に少なくとも一つ介在していればよく、スイッチング素子Ｍｊの両側に存在していなくてもよい。即ち、端的に述べれば、本実施形態の多段型のチョッパ回路から成る構成に於いて、インダクタは、全段ではなく、一段置きに設けられれば、回路は正常に動作することとなる。また、インダクタは、通常の導線（例えば、直線状の銅線）よりも寄生抵抗が大きいので、数が多くなるほど、抵抗による電力損失が多くなる。かくして、出力端子の一方、例えば、太陽電池モジュールの陽極側、から数えて２ｉ−２番目（ｉは、２からｎ／２までの全ての整数）と２ｉ−１番目に接続されたスイッチング素子の間の接続点と該スイッチング素子に対応するコンデンサの接続点との間に接続されているインダクタ（Ｌ２、Ｌ４、…Ｌ２ｋ−２、図８〜図１３に於いて、符号が括弧内に記載されているインダクタ）は、通常の導線に置換されてよい。これにより、回路に於ける電力損失の更なる低減が図られることとなる。なお、インダクタＬ２、Ｌ４、…Ｌ２ｋ−２が省略されて短絡され、インダクタＬ１、Ｌ３…が残されるのは、太陽電池モジュールの両端と出力端子との間には、インダクタを設けない方が効率的に有利であり、その場合には、インダクタＬ１、Ｌ３…が必要となるからである（換言すると、出力端子から数えて、一段置きにインダクタが設けられる必要があるためである。）。
【００６０】
本発明による発電動作点制御回路装置のその他の電源素子への応用
上記に説明された本実施形態による太陽光発電装置及び／又は発電動作点制御回路装置の一連の構成は、太陽電池の他に、図１３に例示されている如く、化学電池セル、蓄電器セル、燃料電池セル（固形酸化物型燃料電池であってもよい。）、熱電発電素子、発電機セル（風力、水力、潮力、エンジン等による任意の発電機であってよい。）など、任意の電源セルを直列接続する際に適用されてよい。直列接続される電源セルの各々の最適な動作電圧が異なっていても、その動作電圧のずれによる出力低下が然程に大きくない場合には、本発明による教示に従って、デューティ比を一律に固定して動作点制御回路装置を利用することにより、出力を大きく低減させずに、動作電圧の調節のための時間と労力とを削減することが可能となる。また、上記の本発明による発電動作点制御回路装置の構成は、直列接続される電源の種類は同じ場合であっても異なる場合であっても適用されてもよい。例えば、図２、図６、図７、図８に例示されている如き本発明による回路構成を有する動作点制御回路装置に於いて、太陽電池セルに換えて、化学電池セル、蓄電器セル、燃料電池セル、熱電発電素子、発電機セル等の任意の電源セルが直列に接続されてよく、図１３に例示されている如く、互いに異なる電源セルが直列に接続された状態で使用されてよい。
【００６１】
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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