(57)【要約】【課題】電流を測定することなく、太陽電池セルの出力を最大電力点に追従させる。【解決手段】発電素子からの入力電力を変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、発電素子からの入力電圧を入力信号として、その入力信号と目標信号とのレベル差に基づき入力信号の電圧が一定になるようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御する入力電圧一定制御部と、ＤＣ／ＤＣコンバータが停止してから予め定められた期間の入力信号の電圧の変化量を測定し、変化量に基づいて目標信号のレベルを制御する変化量検出部と、を備える昇降圧回路を提供する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電素子からの入力電力を変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記発電素子の出力電圧を入力信号として、その入力信号と目標信号とのレベル差に基づき前記入力信号の電圧が一定になるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する入力電圧一定制御部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが停止してから予め定められた期間の前記入力信号の電圧の変化量を測定し、前記変化量に基づいて前記目標信号のレベルを制御する変化量検出部と、
を備える昇降圧回路。
【請求項２】
前記変化量検出部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが停止してから予め定められた期間の前記入力信号の電圧の変化量が、予め決められた最大電力点における前記入力信号の電圧の変化量と異なる場合、前記目標信号のレベルを変える請求項１に記載の昇降圧回路。
【請求項３】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータはＰＷＭ制御方式であり、
前記変化量検出部は、検出した前記変化量が、前記最大電力点における前記変化量と異なる場合、前記ＤＣ／ＤＣコンバータをＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号のデューティを変える
請求項２に記載の昇降圧回路。
【請求項４】
クロック信号をカウントするカウンタを備え、前記カウンタは前記ＤＣ／ＤＣコンバータを定期的に停止させる停止信号を生成する請求項１から３のいずれか一項に記載の昇降圧回路。
【請求項５】
前記変化量検出部は、前記発電素子からの前記入力信号における、時間に対する電圧の変化量を測定する請求項１から４のいずれか一項に記載の昇降圧回路。
【請求項６】
前記変化量検出部は、前記レベルの下限を示す下限閾値を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の昇降圧回路。
【請求項７】
前記変化量検出部は、前記レベルの上限を示す上限閾値、下限を示す下限閾値、１回の制御当たりの変化量を示すステップ幅を可変にする請求項１から６のいずれか一項に記載の昇降圧回路。
【請求項８】
前記変化量検出部は、前記発電素子からの前記入力信号の電圧の変化量を測定する変化量測定回路と、前記変化量測定回路が測定した前記変化量に基づいて前記目標信号の目標値を生成する目標電圧生成部と、を含む請求項１から７のいずれか一項に記載の昇降圧回路。
【請求項９】
前記入力電圧一定制御部は、前記入力信号と目標信号とのレベル差を検出するエラーアンプを含む請求項１から８のいずれか一項に記載の昇降圧回路。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の昇降圧回路と、前記発電素子と、を備える発電システム。
【請求項１１】
前記発電素子は色素増感型太陽電池を含む請求項１０に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに用いられる回路および方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化など環境問題や災害時の非常用電源ニーズの高まりで、太陽電池セルなどクリーンな発電素子から電力を取り出す発電システムの普及が一段と進んでいる。現在普及している太陽電池セルは、シリコンタイプのＰＮ接合を利用した構造のものがほとんどである。シリコンタイプの太陽電池セルは、大型で、屋外での普及が盛んに進んでいるが、室内においては、蛍光灯、あるいはＬＥＤ照明により波長が可視光域に限られるので、発電効率が悪い。また、発電効率は、光の入射角度にも大きく影響を受け、傾きを合わせないと効率が悪化する。
【０００３】
対して、室内向けには色素増感型の太陽電池セルが実用化されつつある。色素増感型太陽電池セルは、色素が全体に付着した微粒子を受光面に塗布した構造を備える。色素増感型太陽電池セルは、色素から電子が発生して、色素の吸収する光波長を可視光帯に最適化できる。また、色素増感型太陽電池セルは、微粒子で光を受けるので、光の入射角にも、それほど依存せず発電できる。
【０００４】
したがって、色素増感型太陽電池セルは、室内での使用においてはシリコンタイプよりも高効率と言われている。また、色素増感型太陽電池セルは、色素の色を変えることができ、様々な模様を描くことができるので、デザイン面での自由度が高く壁面などの装飾に用いることができる。
【０００５】
色素増感型太陽電池セルは、色素を全体に付着させた酸化チタン（ＴｉＯ２）の微粒子を内蔵する。色素は、吸収した光エネルギーによって、電子を放出する。放出した電子は、ＴｉＯ２から透明電極に伝わり、外部に出力される。外部に出力された電子は、外部負荷回路を通して対向電極に到達する。電解液中の三ヨウ化物イオンは、電子を受け取って、ヨウ素イオンになり、ヨウ素イオンは、色素に電子を渡して三ヨウ化イオンに戻る。色素増感型太陽電池セルは、このような化学反応を繰り返して発電する（例えば、非特許文献１参照）。
［非特許文献１］  太和田善久著、「プロが教える太陽電池が全てわかる本」  ナツメ社出版
【０００６】
色素増感型太陽電池セルは、化学変化を伴うので、ＰＮ接合で構成されたシリコン型太陽電池に比べ、太陽電池の負荷を変えた際の出力電圧の反応が非常に遅い。そのため、負荷を引いた後、開放電圧Ｖｏｃ（無負荷時の出力電圧）を正しく測定するためには秒オーダの待ち時間が必要である。
【０００７】
シリコンタイプの数Ｗ以下の太陽電池セルでは、百μ秒程度でセトリングするので、１秒以下のサンプリング周期で、１ｍｓ以下のサンプリング期間で開放電圧Ｖｏｃを測定して、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作電圧（＝入力電圧）Ｖｏｐを決められる。ＤＣ／ＤＣコンバータの動作電圧Ｖｏｐとは、開放電圧Ｖｏｃに係数ｋをかけた値である。なお、セトリングとは、動作電圧Ｖｏｐから開放電圧Ｖｏｃに遷移することを指す。
【０００８】
例えば、太陽電池セルに負荷を接続して、太陽電池セルから最大電力で電流を引いているとする。この場合において、太陽電池セルに接続された負荷をなくして電流を引かなくすると、その時の明るさに対する開放電圧Ｖｏｃに向けて、太陽電池セルの出力は上昇する。
【０００９】
図１は、太陽電池セル（１セル）の出力電力と出力電圧の関係すなわちＰＶカーブを示す。横軸は、出力電圧（Ｖ）を示し、縦軸は、電力Ｗ（μＷ）を示す。太陽電池セルは、シリコンタイプ、色素増感タイプによらず、形としては図１のようなＰＶカーブとなる。
【００１０】
ＰＶカーブは、最大電力点が太陽電池セルに入射する光の明るさによって異なる。しかしながら、最大電力点の電圧と開放電圧Ｖｏｃの比はほぼ一定となる。
【００１１】
太陽電池セルは、入力光の強さにより取り出せる電力が異なり、最大の電力を取り出すための工夫が数多く考案されている。従来の太陽電池セルの最大電力追従制御（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ、以下ＭＰＰＴ）には、山登り法、電圧追従法１および２の３通りの方式がある。
【００１２】
山登り法は、太陽電池セルの出力電力を計測して、出力電力が最大となるように制御する方式である。電圧追従法１は、開放電圧Ｖｏｃを用途・環境に合わせて、随時測定する方式である。また、電圧追従法２は、同一の特性を有する太陽電池を２つ用いて、１つの太陽電池セルで常に開放電圧Ｖｏｃを測定する方式である（例えば、特許文献１参照）。
［特許文献１］  特開２０１０−２３２５８６号公報
【００１３】
山登り法では、太陽電池セルに接続されて電流を引き込むＤＣ／ＤＣコンバータの平均電流をある周期で変化させて、その時の太陽電池セルの平均出力電圧を測定する。この時、ＭＰＰＴ回路は、取り出せる電力が最大となる平均出力電圧と、平均出力電流付近で動作するようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。
【００１４】
図２は、電圧追従法１による最大電力追従制御を行う発電システム５０５を示す。発電システム５０５は、太陽電池セル５１０および昇降圧回路５００を備える。電圧追従法１では、取り出す平均電流は測定せずに、予め測定した太陽電池セルの無負荷時の電圧である開放電圧Ｖｏｃと、最大電力時の電圧の関係を利用する。
【００１５】
単セルまたは複数セルを直列接続した太陽電池セル５１０は、太陽光もしくは室内光を受光して発電する。太陽電池セル５１０は、発電した電圧Ｖｉｎのエネルギーを昇降圧回路５００に出力する。
【００１６】
昇降圧回路５００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０およびＭＰＰＴ回路５５０を備える。昇降圧回路５００は、入力電圧Ｖｉｎとなる太陽電池セル５１０の出力から引き込まれた電流を、出力電圧Ｖｏｕｔの電流として出力する。
【００１７】
ＭＰＰＴ回路５５０は、入力電圧一定制御部５３０および開放電圧測定部５４０を備え、それぞれに入力電圧Ｖｉｎが入力される。ＭＰＰＴ回路５５０は、開放電圧Ｖｏｃを測定して、太陽電池セル５１０の出力する電圧が最大電力点となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ５２０を制御する。
【００１８】
開放電圧測定部５４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０の動作停止時に、太陽電池セル５１０の開放電圧Ｖｏｃを測定する。また、開放電圧測定部５４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０動作時の太陽電池セル５１０の平均出力電圧が、開放電圧Ｖｏｃと最適な比となる目標値を入力電圧一定制御部５３０に出力する。
【００１９】
開放電圧測定部５４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０にＤＣ／ＤＣストップ信号を出力する。開放電圧測定部５４０は、周期的にＤＣ／ＤＣコンバータ５２０をストップさせる。
【００２０】
入力電圧一定制御部５３０は、入力電圧Ｖｉｎが目標値となるように、ＯＮ，ＯＦＦの比率であるＤｕｔｙを決める信号をＤＣ／ＤＣコンバータ５２０に出力し、入力電圧Ｖｉｎが一定となるように制御する。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０は、入力電圧Ｖｉｎの太陽電池セル５１０から、電流を引き込み、出力電圧Ｖｏｕｔの電流を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０は、Ｄｕｔｙ信号およびＤＣ／ＤＣストップ信号により制御されて、入力電圧Ｖｉｎを一定にする。
【００２２】
図３は、電圧追従法１の方式による、開放電圧測定のタイミング図を示す。横軸は、時刻ｔであり、縦軸は、太陽電池セル５１０の出力する電圧値を示す。
【００２３】
電圧追従法１では、電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータ５２０を定期的に一定期間停止させて、開放電圧Ｖｏｃを測定する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０は、測定した開放電圧Ｖｏｃに対して、最適な比率ｋ（ｋ＜１）をかけた電圧（Ｖｏｐ）が入力電圧Ｖｉｎとなるように動作する。
【００２４】
例えば、開放電圧Ｖｏｃ１を測定した後に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０を動作電圧Ｖｏｐ１＝ｋ・Ｖｏｃ１で動作させ、開放電圧Ｖｏｃ２を測定した後に、動作電圧Ｖｏｐ２＝ｋ・Ｖｏｃ２で動作させる。これにより、電圧追従法１は、太陽電池セル５１０の最大電力点で動作させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
図４は、電圧追従法１における誤った開放電圧測定のタイミング図の例を示す。図４は、図３の場合と比較して、動作電圧Ｖｏｐから開放電圧Ｖｏｃに遷移する時間が長い点で異なる。
【００２６】
電圧追従法１の方式による制御方法では、開放電圧Ｖｏｃに達するまでに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０の動作が開始されるので、開放電圧Ｖｏｃの測定が常に低めに誤る。そのため、動作電圧Ｖｏｐは徐々に下がって、最適でない動作をしてしまう。
【００２７】
また、開放電圧Ｖｏｃにセトリングするまで待って開放電圧Ｖｏｃを測定する方法では、セトリングまでの秒程度の間、発電した電力を取り出すことができず、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０の出力が低下したり、光エネルギーの平均の回収効率が低下したりしてしまう。色素増感太陽電池セルなどの反応の遅い発電源では、特にこの課題に対して、解決策が望まれている。
【００２８】
最大電力追従の山登り法は、太陽電池セルの出力電圧電流を常に測定して、電力を計算するため、電流計測が必要に加え、電圧との掛け算が必要で、高精度なＡＤコンバータとマイコンが必要となる。そのため、発電システム５０５全体の消費電流が増え、コストも上がる。また、負荷を変える周期によっては、太陽電池の応答周期が遅い場合は、電圧を読み誤り、最適な制御ができない。
【００２９】
電圧追従法１および電圧追従法２は、太陽電池の特性として、開放電圧Ｖｏｃの７〜８割程度の電圧で動作させた場合、最大の電力が取り出せることを利用しており、回路は簡単で、低消費電力にできる。ただし、開放電圧Ｖｏｃは入射光量によって変化するので、開放電圧Ｖｏｃを必要な頻度で測定する必要がある。
【００３０】
太陽電池出力電圧を所定の値にする電圧追従法１では、開放電圧との比を一定にする方法が知られている。しかしながら、応答が遅い発電源の場合、開放電圧Ｖｏｃの測定に時間がかかり、その間の発電を有効に利用できない。
【００３１】
電圧追従法２の方式は、常に一方の太陽電池で開放電圧を測定して、電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータ５２０にフィードバックしているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２０を停止する必要はなく応答性に問題はなくなる。しかしながら、電圧追従法２の方式は、同一の太陽電池セルがもう一つ必要なので、装置が大型になるか、同じサイズであれば電力を取り出す発電有効面積が減ることになる。また、同一の光が２つの太陽電池セルに入らない場合や、２つの太陽電池セルの温度が異なる場合は、誤動作するなどの別の問題が生じる。そのため、電圧追従法２は、課題に対して最適な解決策ではない。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明の第１の態様においては、発電素子からの入力電力を変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、発電素子の出力電圧を入力信号として、その入力信号と目標信号とのレベル差に基づき入力信号の電圧が一定になるようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御する入力電圧一定制御部と、ＤＣ／ＤＣコンバータが停止してから予め定められた期間の入力信号の電圧の変化量を測定し、変化量に基づいて目標信号のレベルを制御する変化量検出部と、を備える昇降圧回路を提供する。
【００３３】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】太陽電池セルの出力電力と出力電圧の関係すなわちＰＶカーブを示す。
【図２】電圧追従法１による最大電力追従制御を行う発電システム５０５を示す。
【図３】電圧追従法１における開放電圧測定のタイミング図を示す。
【図４】電圧追従法１における誤った開放電圧測定のタイミング図の例を示す。
【図５】本実施形態に係る昇降圧回路１００を備えた発電システム１０５を示す。
【図６】シリコンタイプの太陽電池セル１１０の等価回路例を示す。
【図７】色素増感型の太陽電池セルの等価回路例を示す。
【図８】負荷切断時の太陽電池セル１１０の出力電圧Ｖｏｕｔの応答を示す。
【図９】入力電圧Ｖｉｎを一定に制御する発電システム１０５の一例である。
【図１０】目標電圧が可変である発電システム１０５の一例を示す。
【図１１】目標電圧生成部２８０の出力例を示す。
【図１２】変化量測定回路２９０の一例を示す。
【図１３】変化量測定回路２９０の動作時のタイミングチャートである。
【図１４】変化量測定回路２９０の動作時のタイミングチャートである。
【図１５】変化量測定回路２９０の動作時のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００３６】
図５は、本実施形態に係る昇降圧回路１００を備えた発電システム１０５を示す。発電システム１０５は、昇降圧回路１００および太陽電池セル１１０を備える。また、昇降圧回路１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０、入力電圧一定制御部１３０および変化量検出部１４０を備える。
【００３７】
太陽電池セル１１０は、太陽光もしくは室内光を受光して発電する。太陽電池セル１１０は、発電したエネルギーをＤＣ／ＤＣコンバータ１２０、入力電圧一定制御部１３０および変化量検出部１４０に出力する。太陽電池セル１１０は、一般的なシリコンタイプの太陽電池セルの他に、色素増感型太陽電池セルであってよい。
【００３８】
昇降圧回路１００は、測定した太陽電池セル１１０の出力電圧の変化量（スルーレート）と、予め定められた最大電力点における変化量との比較により、入力電圧Ｖｉｎの変化量が最大電力点の応答に近くなるように制御する。ここで、予め定められた最大電力点における入力電圧Ｖｉｎの変化量とは、各種照度条件下において最大電力点でＤＣ／ＤＣコンバータ１２０が停止した際の太陽電池セル１１０からの入力電圧Ｖｉｎの変化量であってよい。
【００３９】
昇降圧回路１００は、太陽電池セル１１０の出力電圧の変化量が、測定済みの最大電力点での変化量と異なる場合、取り出し電流を決めているＤＣ／ＤＣコンバータ１２０のＤｕｔｙ比を変えて、変化量が最大電力点の応答に近くなるように制御する。一方、発電システム１０５は、太陽電池セル１１０の出力電圧の変化量が、測定済みの最大電力点での変化量と同じ場合、Ｄｕｔｙ比を変化させない。
【００４０】
変化量検出部１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０停止時の入力電圧Ｖｉｎの変化量を測定して、ＤＣ／ＤＣコンバータが引き込む電流が目標になるための制御ループの目標信号のレベルを制御して、入力電圧一定制御部１３０に出力する。また、変化量検出部１４０は、変化量測定のためにＤＣ／ＤＣコンバータ１２０にＤＣ／ＤＣストップ信号を出力する。
【００４１】
変化量検出部ＤＣ／ＤＣストップ信号でＤＣ／ＤＣコンバータ１２０がスイッチング機能を停止すると、太陽電池セル１１０の出力は開放電圧Ｖｏｃに向かう。この時、変化量検出部１４０は変化量を検出し、事前に目標の変化量と比較する。
【００４２】
変化量検出部１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の動作中に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０を周期的に停止させる。また、変化量検出部１４０は、太陽電池セル１１０の出力電圧が、予め定められた下限電圧に到達したときにＤＣ／ＤＣコンバータ１２０を停止させてよい。
【００４３】
変化量検出部１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０が停止する際、太陽電池セル１１０からの入力電圧Ｖｉｎの時間に対する変化量を測定して、事前に測定した最適な変化量との差を検出する。変化量検出部１４０は、太陽電池セル１１０からの入力電圧Ｖｉｎの変化量と最適値との差を短時間に測定する。
【００４４】
入力電圧一定制御部１３０は、入力電圧Ｖｉｎと目標信号とのレベル差に基づき入力電圧Ｖｉｎが一定になるように制御する。入力電圧一定制御部１３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０をＰＷＭ制御してよい。入力電圧一定制御部１３０は、前回動作時のＤｕｔｙ比から最適な電流値に近づくように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０のＤｕｔｙ比を変化させる。
【００４５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０停止時の入力電圧Ｖｉｎの変化量が、予め定められた最大電力点における入力電圧Ｖｉｎの変化量と異なる場合、入力電圧一定制御部１３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０を制御するための目標信号のレベルを制御する。また、入力電圧一定制御部１３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号のＤｕｔｙ比を制御してもよい。
【００４６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０停止時の入力電圧Ｖｉｎの変化量が、予め定められた最大電力点における入力電圧Ｖｉｎの変化量と同じ場合、入力電圧一定制御部１３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号のＤｕｔｙ比を保持する。
【００４７】
このような制御により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０は、入力電圧一定制御部１３０からの制御信号および変化量検出部１４０からのＤＣ／ＤＣストップ信号に基づいて、入力電圧Ｖｉｎを最大電力点の電圧に制御して、出力電圧Ｖｏｕｔの電流として出力する。
【００４８】
本例の発電システム１０５は、太陽電池セル１１０の開放電圧Ｖｏｃを測定することなく、入力電圧Ｖｉｎの変化量から、入力電流が最適であるか否かを判定できる。そのため、本例の発電システム１０５は、太陽電池セル１１０の発電のロスを少なくして、入力電圧Ｖｉｎを最大電力点の電圧と等しい値に制御できる。
【００４９】
図６は、シリコンタイプの太陽電池セル１１０の等価回路を示す。シリコンタイプの太陽電池セルの等価回路は、並列に接続されたダイオード１５０、電流源１６０および並列抵抗１７０で表される。
【００５０】
シリコンタイプの太陽電池セルのように容量成分がほとんどない場合には、発電により急峻に容量成分はチャージされ、開放電圧Ｖｏｃにまで短時間で到達する。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０停止時に測定された開放電圧Ｖｏｃと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０動作時に測定される実際の開放電圧Ｖｏｃとの差が問題にならない。
【００５１】
図７は、色素増感型の太陽電池セルの等価回路例を示す。色素増感型の太陽電池セルの等価回路は、シリコンタイプの太陽電池セルの等価回路に加えて、並列に接続された並列容量１８０を備える。また、色素増感型の太陽電池セルの等価回路は、並列抵抗１７０と並列容量１８０との間に、並列に接続された等価直列抵抗１７５および並列容量１８０を更に備える。色素増感型の太陽電池セルの等価回路は、これらの素子の繰返しにより構成される。
【００５２】
色素増感型の太陽電池セルは、化学変化を伴うこともあり、発電および、コンデンサ成分への充電に時間がかかるので、開放電圧Ｖｏｃに収束するまで時間を要する。しかし、光入力量による開放電圧Ｖｏｃが異なる場合であっても、最大電力点で動作中に、引き出す電流を止めてから、初期の特定時間後の入力電圧Ｖｉｎの変化量から最大電力点における電圧を求められることが分かっている。
【００５３】
最大電力点における太陽電池出力電圧においては、光入力量による開放電圧Ｖｏｃが異なる場合であっても、入力電圧Ｖｉｎの変化量が、ほぼ一定となることから求められる。入力電圧Ｖｉｎの変化量がほぼ一定となることは、動作時に太陽電池セル１１０の発電部に貯められている電荷と、発電量に依存する等価直列抵抗１７５および並列容量１８０、動作中の入力電圧Ｖｉｎとその光量での開放電圧Ｖｏｃの差の関係から求められる。
【００５４】
図８は、負荷切断時の太陽電池セル１１０の出力電圧Ｖｏｕｔの応答を示す。横軸は、時刻ｔであり、縦軸は、太陽電池セル１１０の出力電圧Ｖｏｕｔを示す。ＤＣ／ＤＣ動作時において、太陽電池セル１１０の出力電圧は一定の動作電圧Ｖｏｐとなる。
【００５５】
太陽電池セル１１０の出力電圧（１）から（３）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の動作時の電圧がそれぞれ異なる。太陽電池セル１１０の出力電圧（１）は、ちょうど最大電力点で太陽電池セル１１０が動作している状態で、引き出す電流を停止した場合である。
【００５６】
太陽電池セル１１０の出力電圧（２）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の動作時に、太陽電池セル１１０から電流を引きすぎていた場合である。つまり、太陽電池セル１１０の出力電圧は、その光量にとっての最大電力点の電圧より低い状態で、引き出す電流を停止した場合である。
【００５７】
太陽電池セル１１０の出力電圧（３）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の動作時に、太陽電池セル１１０から電流を引かなすぎていた場合である。つまり、太陽電池セル１１０の出力電圧は、その光量での最大電力点の電圧より高い状態で、引き出す電流を停止した場合である。
【００５８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の動作時において、太陽電池セル１１０の出力電圧（２）の場合は、（１）の場合に比べ、電流を多く引いているので、開放電圧Ｖｏｃから遠い。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０停止時において、太陽電池セル１１０の出力電圧（２）の出力電圧の変化量は（１）に比べて非常に大きくなる。
【００５９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の動作時において、太陽電池セル１１０の出力電圧（３）の場合は、（１）の場合に比べ、取り出す電流が少ないので、開放電圧Ｖｏｃに近い。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０停止時において、太陽電池セル１１０の出力電圧（３）の出力電圧の変化量は（１）に比べて非常に少なくなる。
【００６０】
本例では、太陽電池セル１１０の出力電圧の変化量の違いに着目して、最大電力点で引き出す電流を停止してから特定時刻後において、現在の変化量を測定する。本実施形態昇降圧回路１００は、変化量の最適値に対する現在の変化量との大小から、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の目標入力電圧を制御する。
【００６１】
また、太陽電池セル１１０への光入力量の違いにより、最適点での変化量の違いも若干存在する。そのため、昇降圧回路１００は、あらかじめ特定のパネルで測定した各光量による最適点での電圧変化量の違いを考慮して、目標変化量を補正してもよい。このような方式では、数ｍｓ程度の時間で変化量の差を測定することができるので、１秒周期で制御電圧をアップデートするとしても、発電効率には１％以下の影響しか出ない。
【００６２】
図９は、入力電圧Ｖｉｎを一定に制御する発電システム１０５の一例である。本例のＤＣ／ＤＣコンバータ１２０は、ＰＷＭ制御回路２３０、オシレータＯＣＳ２４０、出力電圧制御コンパレータ２５０およびアンド回路２６０を備える。また、入力電圧一定制御部１３０は、入力電圧Ｖｉｎと目標信号とのレベル差を検出する入電圧制御エラーアンプ２００を備える。
【００６３】
入電圧制御エラーアンプ２００は、入力電圧Ｖｉｎを監視して、目標電圧Ｒｅｆ１との差を出力する。入電圧制御エラーアンプ２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０のＰＷＭ制御回路２３０のＯＮ／ＯＦＦのＤｕｔｙ比を制御して、入力電圧Ｖｉｎを一定にする。
【００６４】
出力電圧制御コンパレータ２５０は、出力電圧Ｖｏｕｔと目標値Ｒｅｆ２との比較結果をアンド回路２６０に出力する。これにより、出力電圧制御コンパレータ２５０は、出力電圧Ｖｏｕｔが目標値Ｒｅｆ２に到達した場合に、必要以上に出力を上昇させないために、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０を停止させる。
【００６５】
出力電圧制御コンパレータ２５０は、出力電圧Ｖｏｕｔが目標値Ｒｅｆ２に到達した場合に、アンド回路２６０にＨを出力する。また、出力電圧制御コンパレータ２５０は、出力電圧Ｖｏｕｔが目標値Ｒｅｆ２よりも低い場合は、アンド回路２６０にＬを出力する。
【００６６】
アンド回路２６０には、出力電圧制御コンパレータ２５０の出力および開放電圧測定用ＤＣ／ＤＣストップ信号が入力される。アンド回路２６０は、出力電圧制御コンパレータ２５０からＨが入力された場合、ＰＷＭ制御回路２３０に開放電圧測定用ＤＣ／ＤＣストップ信号を出力する。
【００６７】
ＰＷＭ制御回路２３０は、スイッチ２１０およびスイッチ２２０のＯＮ／ＯＦＦを切り替えて、入力電圧Ｖｉｎを一定に制御する。ＰＷＭ制御回路２３０には、入電圧制御エラーアンプ２００の比較結果、オシレータＯＣＳ２４０の出力およびアンド回路２６０の出力信号が入力される。
【００６８】
オシレータＯＣＳ２４０は、一定周期の交流を生成する。オシレータＯＣＳ２４０は、生成した交流をＰＷＭ制御回路２３０に出力する。
【００６９】
スイッチ２１０およびスイッチ２２０は、ＰＷＭ制御回路２３０からの制御信号に基づいて、太陽電池セル１１０からの入力電圧Ｖｉｎを開放するか否かを切り替える。スイッチ２１０の一端は、インダクタ１９０を介して太陽電池セル１１０に接続される。スイッチ２１０の他端は、グラウンドに接地される。
【００７０】
スイッチ２２０は、ＰＷＭ制御回路２３０からの制御信号に基づいて、太陽電池セル１１０からの入力電圧Ｖｉｎを出力容量２７０に出力するか否かを切り替える。スイッチ２２０の一端は、インダクタ１９０を介して太陽電池セル１１０に接続される。スイッチ２２０の他端は、出力容量２７０を介してグラウンドに接地される。
【００７１】
図１０は、目標電圧が可変である発電システム１０５の一例を示す。本例の変化量検出部１４０は、目標電圧生成部２８０および変化量測定回路２９０を備える。
【００７２】
変化量測定回路２９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０が停止した際、入力電圧Ｖｉｎの変化量を測定して、目標信号の目標値を可変にする。変化量測定回路２９０は、測定した変化量に基づいて、アップ（＋）、ダウン（−）制御信号を目標電圧生成部２８０に出力する。
【００７３】
変化量測定回路２９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０にＤＣ／ＤＣストップ信号を出力する。具体的には、変化量測定回路２９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０のスイッチング機能をＤＣ／ＤＣストップ信号で定期的に停止する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０が停止した場合、太陽電池セル１１０の出力電圧が開放電圧Ｖｏｃに向かう。
【００７４】
目標電圧生成部２８０は、変化量測定回路２９０からの制御信号に基づいて、目標信号の目標値を生成する。目標電圧生成部２８０に接続された目標電圧Ｒｅｆ１が、目標値の基準となる。目標電圧生成部２８０は、変化量測定回路２９０からのアップ（＋）、ダウン（−）制御信号に応じて、目標値を増減する。
【００７５】
目標電圧生成部２８０は、目標値の上限閾値、下限閾値、ステップ幅を有しており、それらを可変にする。目標電圧生成部２８０は、目標値が上限もしくは下限に到達した場合、その状態を保持する。
【００７６】
図１１は、目標電圧生成部２８０の出力例を示す。上段は、変化量測定回路２９０からの制御信号に対応する。下段は、上段の制御信号が変化量測定回路２９０から入力された場合の、目標電圧生成部２８０の出力を示す。図１１の初期値とは、変化量測定回路２９０からアップ（＋）、ダウン（−）制御信号のいずれも入力されない場合に、目標電圧生成部２８０が出力する目標値Ｒｅｆ１である。
【００７７】
目標電圧の上限、下限、ステップ幅は、太陽電池セル１１０および光入力条件により変えられる。図１１では、上限０．５Ｖ、下限０．３Ｖ、ステップ幅０．０２５Ｖとなる。しかしながら、図１１は、目標電圧の上限、下限、ステップ幅の制御方法の考え方を示すための一例を示すに過ぎない。
【００７８】
本例では１セルの太陽電池セル１１０を想定しているが、多セルの場合はセル数分を乗じて考えられる。また、本例では、デジタル的に目標電圧を変える場合を示したが、アナログ的に変える方式も考えられる。アナログ的に目標電圧を変える場合は、ＳＴＥＰ数を細かくするのと同様に考えられる。
【００７９】
図９に示した入電圧制御エラーアンプ２００は、目標電圧Ｒｅｆ１が固定であるが、本例では、変化量測定回路２９０の制御により、目標電圧が可変となる。
【００８０】
図１２は、変化量測定回路２９０の一例を示す。変化量測定回路２９０は、オフセット調整回路３００、ローパスフィルタＬＰＦ１、ローパスフィルタＬＰＦ２、コンパレータＣＯＭＰ１、コンパレータＣＯＭＰ２、発振器３１０、カウンタ３２０、ゲート回路３３０、アンド回路３４０およびノア回路３５０を備える。
【００８１】
変化量測定回路２９０は、ＤＣ／ＤＣストップ信号により、特定タイミングで、特定期間ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０を停止する。変化量測定回路２９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０動作中の入力電圧Ｖｉｎに対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０が停止してから特定時刻後の入力電圧Ｖｉｎが、２つの指定の電圧より上昇した場合、あるいは上昇しなかった場合に、アップ（＋）、ダウン（−）制御信号を目標電圧生成部２８０に出力する。
【００８２】
ローパスフィルタＬＰＦ１およびローパスフィルタＬＰＦ２は、帯域制限値がそれぞれ個別に設定される。ローパスフィルタＬＰＦ１およびローパスフィルタＬＰＦ２には、太陽電池セル１１０から入力電圧Ｖｉｎが入力される。
【００８３】
ローパスフィルタＬＰＦ１は、図８の出力電圧（１）の帯域の応答を通すように設定される。つまり、ローパスフィルタＬＰＦ１は、出力電圧（１）よりも高周波領域である出力電圧（２）の応答を除去する。
【００８４】
一方、ローパスフィルタＬＰＦ２は、図８の出力電圧（１）の帯域の応答を通さないように設定される。ローパスフィルタＬＰＦ２は、出力電圧（１）、（２）の帯域の応答を除去して、出力電圧（３）の帯域の応答を通過させてよい。
【００８５】
オフセット調整回路３００は、オフセットの付いた入力電圧Ｖｉｎであるオフセット電圧ＯＦＳＴを、コンパレータＣＯＭＰ１およびコンパレータＣＯＭＰ２に出力する。オフセット調整回路３００は、ノイズによる誤動作を防ぐように一例として数十ｍＶ程度のオフセットをつける。
【００８６】
コンパレータＣＯＭＰ１は、入力されたローパスフィルタＬＰＦ１の出力とオフセット電圧ＯＦＳＴとを比較する。コンパレータＣＯＭＰ１は、オフセット電圧ＯＦＳＴがローパスフィルタＬＰＦ１の出力よりも高くなった場合に、Ｈを出力する。
【００８７】
コンパレータＣＯＭＰ２は、入力されたローパスフィルタＬＰＦ２の出力とオフセット電圧ＯＦＳＴとを比較する。コンパレータＣＯＭＰ２は、オフセット電圧ＯＦＳＴがローパスフィルタＬＰＦ２の出力よりも高くなった場合に、Ｈを出力する。
【００８８】
アンド回路３４０には、コンパレータＣＯＭＰ１およびコンパレータＣＯＭＰ２の出力が入力される。アンド回路３４０は、入力された信号の論理積をとり、アンド回路３６０に出力する。
【００８９】
ノア回路３５０にはコンパレータＣＯＭＰ１およびコンパレータＣＯＭＰ２の出力が入力される。ノア回路３５０は、入力された信号の否定論理和をとり、アンド回路３６５に出力する。
【００９０】
発振器３１０は、クロック信号を生成する。発振器３１０は、生成したクロック信号をカウンタ３２０に出力する。
【００９１】
カウンタ３２０は、発振器３１０からのクロック信号の指定数をカウントする。カウンタ３２０は、ＤＣ／ＤＣストップ信号を生成して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０に出力する。ＤＣ／ＤＣストップ信号は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０を定期的に停止させて、入力電圧Ｖｉｎを太陽電池セル１１０の開放電圧Ｖｏｃに向かわせる。また、カウンタ３２０は、カウントした指定幅だけ、Ｈ信号をゲート回路３３０に出力する。
【００９２】
ゲート回路３３０は、アンド回路３６０、３６５を備える。ゲート回路３３０は、カウンタ３２０のＨ出力の特定時間後に特定時間だけＨ出力する。ゲート回路３３０のＨ出力は、アンド回路３４０とノア回路３５０のそれぞれの出力をアップ（＋）あるいはダウン（−）制御信号として出力する。
【００９３】
図１３から図１５に変化量測定回路２９０の動作時のタイミングチャートを示す。図１３は、変化量測定回路２９０がアップ（＋）制御信号を出力する、（＋）ケースのタイミングチャートである。図１４は、変化量測定回路２９０がダウン（−）制御信号を出力する、（−）ケースのタイミングチャートである。図１５は、変化量測定回路２９０がアップ（＋）、ダウン（−）制御信号のいずれとも出力しない、変更なしケースのタイミングチャートである。
【００９４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０動作時、オフセット電圧ＯＦＳＴは、動作電圧Ｖｏｐよりも小さくなるようにオフセットされる。これにより、コンパレータＣＯＭＰ１，２の誤動作を防止する。
【００９５】
ＤＣ／ＤＣストップ信号がＨとなると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０が停止して入力電圧Ｖｉｎが増加する。入力電圧Ｖｉｎが増加すると、オフセット電圧ＯＦＳＴ、ローパスフィルタＬＰＦ１およびローパスフィルタＬＰＦ２の出力が増加する。
【００９６】
図１３は、入力電圧Ｖｉｎの変化量が大きい場合である。この場合、コンパレータＣＯＭＰ１、２は、いずれもＨを出力して、変化量測定回路２９０は、アップ（＋）制御信号を出力する。具体的には、図１３は、図８に示した出力電圧（２）のような場合である。
【００９７】
（＋）ケースの入力電圧Ｖｉｎは、最大電力点における入力電圧Ｖｉｎよりも高周波成分を含むので、ローパスフィルタＬＰＦ１、２により、高周波成分が除去される。そのため、オフセット電圧ＯＦＳＴの傾きよりも、ローパスフィルタＬＰＦ１、２の傾きの方が小さくなる。
【００９８】
また、ローパスフィルタＬＰＦ１は、ローパスフィルタＬＰＦ２よりも高周波帯域まで通過させる。これにより、ローパスフィルタＬＰＦ１の出力の傾きは、ローパスフィルタＬＰＦ２の出力の傾きよりも大きくなる。
【００９９】
オフセット電圧ＯＦＳＴが、ローパスフィルタＬＰＦ１、２の出力よりも大きくなった場合に、コンパレータＣＯＭＰ１、２の出力がそれぞれＨとなる。ここで、カウンタ３２０の出力信号ＧＡＴＥ１が入力されると、コンパレータＣＯＭＰ１、２の出力の論理積に応じてアンド回路３６０は、アップ（＋）制御信号を出力する。
【０１００】
図１４は、入力電圧Ｖｉｎの変化量が少ない場合である。この場合、コンパレータＣＯＭＰ１、２は、いずれもＬを出力して、変化量測定回路２９０は、ダウン（−）制御信号を出力する。具体的には、図１４は、図８に示した出力電圧（３）のような場合である。
【０１０１】
（−）ケースの入力電圧Ｖｉｎは、最大電力点における入力電圧Ｖｉｎよりも高周波な成分を含まないので、ローパスフィルタＬＰＦ１，２ともに通過する。そのため、ローパスフィルタＬＰＦ１の出力の傾きは、ローパスフィルタＬＰＦ２の出力の傾きと等しくなる。
【０１０２】
図１４では、オフセット電圧ＯＦＳＴ、ローパスフィルタＬＰＦ１、２のいずれの出力も除去されないので、いずれの出力の傾きも等しくなる。コンパレータＣＯＭＰ１、２の出力はＬとなる。ここで、カウンタ３２０の出力信号ＧＡＴＥ１が入力されると、コンパレータＣＯＭＰ１、２の出力の否定論理和によりダウン（−）制御信号を出力する。
【０１０３】
図１５は、入力電圧Ｖｉｎの変化量が最適な場合である。この場合、コンパレータＣＯＭＰ２のみがＨ出力して、アップ（＋）、ダウン（−）制御信号のいずれも出力しない。具体的には、図１５は、図８に示した出力電圧（１）のような場合である。
【０１０４】
ローパスフィルタＬＰＦ１は、変更なしケースの入力電圧Ｖｉｎの信号を通過させて、ローパスフィルタＬＰＦ２が入力電圧Ｖｉｎの信号を除去するように設定されるので、ローパスフィルタＬＰＦ２の出力の傾きは、ローパスフィルタＬＰＦ１の出力の傾きよりも小さくなる。
【０１０５】
ローパスフィルタＬＰＦ１は、入力電圧Ｖｉｎを通過させるので、オフセット電圧ＯＦＳＴ電圧の傾きと等しくなる。ローパスフィルタＬＰＦ１の出力は、オフセット電圧ＯＦＳＴの出力よりも大きくなる。
【０１０６】
一方、ローパスフィルタＬＰＦ２は、入力電圧Ｖｉｎの高周波成分の一部を除去するので、オフセット電圧ＯＦＳＴよりも傾きが小さくなる。オフセット電圧ＯＦＳＴが、ローパスフィルタＬＰＦ２の出力よりも大きくなった場合、コンパレータＣＯＭＰ２の出力がＨとなる。ここで、カウンタ３２０の出力信号ＧＡＴＥ１が入力されると、コンパレータＣＯＭＰ１、２の出力の論理積に応じてアンド回路３６０は、アップ（＋）制御信号を出力する。
【０１０７】
本例のローパスフィルタＬＰＦ１、２の代わりにスルーレート制限回路を用いてもよい。また、Ａ／Ｄコンバータで変化量をデジタル化してから判定して、アップ（＋）、ダウン（−）制御信号を生成してもよい。
［発明の効果］
【０１０８】
本発明の最大電力回収のための回路および方法は、太陽電池セル１１０からの入力電圧Ｖｉｎをモニタして、予め定められた下限電圧閾値以下にならないような電流制限の機能を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０は、発電効率に影響しない範囲で短く停止される。
【０１０９】
昇降圧回路１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０が停止してから予め定められた期間の入力電圧Ｖｉｎの時間に対する変化量（スルーレート）を測定する。昇降圧回路１００は、変化量が最適になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の入力電圧一定制御部１３０の目標値にフィードバックする。
【０１１０】
この回路および方式により、開放電圧Ｖｏｃの測定がなくても、短時間で、その時の取り出す電流が最適であるか否かを判断できる。また、取り出す電流が最適でない場合は、目標の入力電圧を上下させ、最大電力点で動作させることができる。
【０１１１】
本発明の回路および方式は、開放電圧Ｖｏｃになるまでの時間が長い色素増感太陽電池セルなどの場合でも、ｍｓオーダの短時間で、最大電力を取り出す方法を簡単な回路で実現できる。また、本発明の回路および方式は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０停止時のサンプリング期間の発電はロスになるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０動作時との比率を１：１０００以下にできる。そのため、電圧追従法２の方式のように、パイロット用のパネルを使うことによる有効発電面積のロスに比べ、本発明に係る回路・方式は、発電のロスが圧倒的に少ない。
【０１１２】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１１３】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１１４】
１００・・・昇降圧回路、１０５・・・発電システム、１１０・・・太陽電池セル、１２０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、１３０・・・入力電圧一定制御部、１４０・・・変化量検出部、１５０・・・ダイオード、１６０・・・電流源、１７０・・・並列抵抗、１７５・・・等価直列抵抗、１８０・・・並列容量、１９０・・・インダクタ、２００・・・入電圧制御エラーアンプ、２１０・・・スイッチ、２２０・・・スイッチ、２３０・・・ＰＷＭ制御回路、２４０・・・オシレータＯＣＳ、２５０・・・出力電圧制御コンパレータ、２６０・・・アンド回路、２７０・・・出力容量、２８０・・・目標電圧生成部、２９０・・・変化量測定回路、３００・・・オフセット調整回路、３１０・・・発振器、３２０・・・カウンタ、３３０・・・ゲート回路、３４０・・・アンド回路、３５０・・・ノア回路、３６０・・・アンド回路、３６５・・・アンド回路、５００・・・昇降圧回路、５０５・・・発電システム、５１０・・・太陽電池セル、５２０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、５３０・・・入力電圧一定制御部、５４０・・・開放電圧測定部、５５０・・・ＭＰＰＴ回路
【図１】
2015002660.tif 000003
【図２】
2015002660.tif 000004
【図３】
2015002660.tif 000005
【図４】
2015002660.tif 000006
【図５】
2015002660.tif 000007
【図６】
2015002660.tif 000008
【図７】
2015002660.tif 000009
【図８】
2015002660.tif 000010
【図９】
2015002660.tif 000011
【図１０】
2015002660.tif 000012
【図１１】
2015002660.tif 000013
【図１２】
2015002660.tif 000014
【図１３】
2015002660.tif 000015
【図１４】
2015002660.tif 000016
【図１５】
2015002660.tif 000017