(57)【要約】【課題】太陽電池セル単位に電力変換器を配置して、低電圧大電流を電力変換器に入力して、発電装置のコストを大幅に押し上げる配線作業をできるだけ削減することができる。しかし、太陽電池のような非安定な電源に対して、どのような電力変換器が、運転効率がよく、低コストな発電装置を構築できるかは未知である。【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、太陽電池セル７から供給される直流電力をスイッチングしてトランス１５に供給し、太陽電池セル７の出力電圧を数十から数百倍に昇圧する。トランス１５の一次巻線は２または３ターンにする。【選択図】　　図４
2004129483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力電圧が非安定な電源の出力を電力変換する電力変換装置であって、
前記電源から供給される直流電力をスイッチングしてトランスに供給し、前記電源の出力電圧を数十から数百倍に昇圧するコンバータを有し、
前記トランスの一次巻線は２または３ターンであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記コンバータは、前記電源の出力電圧を２５から５００倍に昇圧することを特徴とする請求項１に記載された電力変換装置。
【請求項３】
前記電源は太陽電池であることを特徴とする請求項１に記載された電力変換装置。
【請求項４】
前記電源は単セルの太陽電池であることを特徴とする請求項１に記載された電力変換装置。
【請求項５】
前記コンバータは、固定周波数かつ固定デューティのスイッチングを行うことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載された電力変換装置。
【請求項６】
さらに、前記コンバータの出力電圧が略一定になるようにスイッチングを行って、前記コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータを有することを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載された電力変換装置。
【請求項７】
出力電圧が非安定な電源と、
請求項１から請求項６の何れかに記載された電力変換装置とを有することを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換装置および発電装置に関し、例えば、非安定な電源を電力供給源とする電力変換に関する。
【０００２】
【従来の技術】
出力が非安定な電源が数多く知られている。例えば、温度による電力変動が激しい燃料電池、日射による電力変動が大きい太陽電池、風力による電力変動が大きい風力発電機などが、非安定な電源の代表例である。
【０００３】
これら電源は、出力が非安定であるため、その発電電力をそのまま利用することはできない。そこで、これら電源が低出力時に電力を補う手段として、一般的に、これら電源を商用系統（以下「系統」と呼ぶ）に連系する方法がとられる。例えば、太陽光発電装置を１００Ｖの系統に連系するには、必要な電圧（１４０Ｖ程度）が得られるように太陽電池セルを直列接続して、直列接続した太陽電池セルを系統連系型のインバータに接続する形態とする。
【０００４】
非安定な電源を利用するには、上述したように、低出力時の電力を補う手段が必須である。そのため、発電装置のコストが嵩む問題がある。コストの削減を考慮した場合、とくに問題になるのは、非安定な電源の直列接続である。
【０００５】
この問題は、電源電圧が低い太陽電池セルや燃料電池セルで深刻である。太陽電池セルの出力電圧は０．５〜１．８Ｖ程度で、１００Ｖの系統に連系する場合、少なくとも数十個太陽電池セルを直列に接続する必要がある。これを大規模な太陽光発電装置に適用する場合は、さらに、太陽電池セルを直列接続した直列体を複数、並列に接続する必要があり、その配線作業に多大な手間を必要とし、太陽光発電装置のコストを大幅に押し上げている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、発電装置のコストを削減するために、非安定な電源単位に電力変換器を配置して、低電圧大電流を電力変換器に入力し、コストを大幅に押し上げる配線作業をできるだけ削減した発電装置を提案している。しかし、非安定な電源に対して、どのような電力変換器が、運転効率がよく、低コストな発電装置を構築できるかは未知である。
【０００７】
本発明は、上述の問題を個々にまたはまとめて解決するためのもので、出力電圧が非安定な電源に最適な電力変換装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。
【０００９】
本発明にかかる出力電圧が非安定な電源の出力を電力変換する電力変換装置は、電源から供給される直流電力をスイッチングしてトランスに供給し、電源の出力電圧を数十から数百倍に昇圧するコンバータを有し、トランスの一次巻線は２または３ターンであることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、コンバータは、電源の出力電圧を２５から５００倍に昇圧することを特徴とする。
【００１１】
本発明にかかる発電装置は、出力電圧が非安定な電源と、上記の電力変換装置とを有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる実施形態の発電装置を図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
以下では、非安定な電源として太陽電池セルを用いる発電装置を代表として説明するが、非安定な電源は、太陽電池セルに限らず、上述した燃料電池や風力発電機など、温度、湿度、日射、風力などの環境条件によって電力変動が大きい電源であればよい。
【００１４】
また、以下では、太陽電池セルと電力変換器とを組み合わせた発電装置であることから、この発電装置を「セルコンバータ」と呼ぶことにする。
【００１５】
［概要］
発明者らは、セルコンバータに最適な電力変換器の検討を行った。
【００１６】
まず、電力変換器の入力が低電圧であることを考慮すると、変圧比が大きいトランスの使用が必要になる。高い電力変換効率を得て、かつ、小型化、低コストを実現するには、トランスの一次巻線のターン数は少ない方が好ましいから、当初、１ターンが理想的であると考えた。つまり、一次巻線が１ターンであれば、二次巻線のターン数を最小にすることができ、一次および二次巻線の抵抗成分によって発生する電力損失（銅損）が最低になるからである。
【００１７】
その後、発明者らは、トランスの一次巻線のターン数、入力電圧および変換効率の間には密接な関係があることを見出した。とくに、非安定な電源の場合、その出力電圧が大きく変化するため、電力変換器の出力の積算電力は一次巻線が１ターンの場合に最良とはならない場合があるという知見を得た。
【００１８】
［構成］
図１はセルコンバータを使用する太陽光発電システムの概要を示す図である。
【００１９】
図１に示す太陽光発電システムは、セルコンバータ１から出力される交流電力を、コンセント５５を介して、系統５１へ逆潮流可能に構成されている。系統５１は、売買電メータ５２を介して、分電盤５３に接続されている。売買電メータ５２には、系統５１から負荷５４に供給された電力を積算する買電電力メータ、および、太陽光発電システムから系統５１に逆潮流された電力を積算する売電電力メータが含まれる。分電盤５３には、負荷５４へ電力を供給するコンセント５５、セルコンバータ１から交流電力が入力されるコンセント５５など複数のコンセントが接続されている。
【００２０】
●　セルコンバータ
図２はセルコンバータ１の構成例を示すブロック図、図３はセルコンバータ１の外観図である。
【００２１】
セルコンバータ１は、太陽電池セル７、太陽電池セル７の非受光面（裏面）に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータ９およびインバータ２１から構成され、太陽電池セル７の出力電力（直流電力）を、１００Ｖの交流電力に変換して、コンセント５５に対応するプラグ３２を介して出力する。
【００２２】
●　太陽電池セル
セルコンバータ１に使用する太陽電池セル７には、アモルファスシリコン系、多結晶シリコン系、単結晶シリコン系などの太陽電池が使用可能である。セルコンバータ１の入力電圧として好ましい０．８〜１．８Ｖの範囲の電圧は、太陽電池セルを直列接続して得ることができる。しかし、積層型太陽電池セルを用いれば、０．８〜１．８Ｖの範囲の電圧を容易に得ることができ、太陽電池セルの直列接続が不要になって好ましい。積層型太陽電池セルとしては、タンデムセル構造やトリプルセル構造のものがよく知られている。
【００２３】
また、太陽電池セル７の電力容量は、以下の範囲が好ましい。
【００２４】
太陽電池の変換効率は１０％程度である。太陽電池セル７を大型化すれば、太陽電池セルと電力変換器との間の距離が長くなり、その分、配線の抵抗が増して損失を増大させる。まして、もともと出力電圧が低い太陽電池セル７の大型化は、電流を増大させることになり、太陽電池セル７と電力変換器との間の配線における損失を急増させる。言い換えれば、太陽電池セル７と電力変換器との間の距離はできるだけ短く太くするにしても、配線における損失を抑えるために、太陽電池セル７の大容量化（大型化）には限界がある。
【００２５】
一方、太陽電池セル７に電力変換器を取り付ける場合、配線での損失を抑えるために、太陽電池セル７のできるだけ近傍に電力変換器を配置する必要がある。太陽電池セル７を小容量化（小型化）すると、電力変換器の配置が難しくなる上、必要な電力を得るために必要なセルコンバータ１の数を増すことになり、太陽光発電システムのコストを増大させる。
【００２６】
従って、太陽電池セル７の電力容量は、損失とコストとの関係から自ずと５〜４０Ｗの範囲になる。
【００２７】
●　ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ
ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、太陽電池セル７の出力電圧を昇圧して、インバータ２１に供給するが、太陽電池セル７の比較的小さい発電電力を有効に活用するために、高効率かつ低損失であることが要求される。
【００２８】
図４はＤＣ／ＤＣコンバータ９およびインバータ２１の構成例を示す図である。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９のゲート駆動回路４６は、位相が逆の二つのゲート駆動信号をプッシュプルスイッチング回路を構成するスイッチング素子３３および３４に供給するが、ゲート駆動信号（矩形波）のデューティは固定である。ゲート駆動信号のデューティは、プッシュプルスイッチング回路の最大デューティである５０％が、変換効率が高く好ましい。ゲート駆動信号のデューティを固定にするのは、ゲート駆動回路４６の簡単化、コストダウンおよび信頼性向上のためである。なお、スイッチング周波数は、スイッチングによる損失およびトランスの小型化のトレードオフにより、２０ｋ〜数百ｋＨｚの間で設定する。
【００３０】
セルコンバータ１は、前述したように、入力電圧が低く、その分、入力電流が大きい。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の全損失のうち、一次側の導通時の損失が占める割合が非常に大きい。ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力電圧および出力電力を同じとすると、オンデューティを半分にすれば、オン時にスイッチング素子に流れる電流は二倍になる。従って、式（１）に示すように、オンデューティを小さくしてスイッチング素子３３および３４を駆動すれば一次側の損失を増加させることになる。
Ｌ　＝　Ｉｓ２・Ｒ・Ｄ　　　　　…（１）
ここで、Ｌは一次側の損失
Ｉｓはスイッチング素子に流れる電流
Ｒは抵抗値
Ｄはオンデューティ
【００３１】
例えばオンデューティを半分（Ｄ／２）にすると、スイッチング素子に流れる電流は二倍（２・Ｉｓ）になり、一次側の導通時の損失は下式に示すように二倍になる。
Ｌ　＝　（２・Ｉｓ）２・Ｒ・Ｄ／２　＝　４Ｉｓ２・Ｒ・Ｄ／２　＝　２・Ｉｓ２・Ｒ・Ｄ
【００３２】
つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ９においては、ゲート駆動信号のデューティを最大値の５０％（または、スイッチング素子の遅れによるスイッチング素子３３および３４の両方がオンの期間を防ぐために５０％弱）に固定とすることで、一次側の損失を最小にすることができる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の二次側の電圧は充分に高く（１００Ｖの系統に連系する場合は１４０Ｖ程度）、二次側の電流は一次側に比べて充分に小さく（例えば１／１４０程度）なるから、一次側に比べて発生する損失の割合は小さい。
【００３３】
また、スイッチング素子３３および３４は、太陽電池セル７の出力電圧が低いため、オン抵抗が低いＭＯＳＦＥＴを使用することが好ましい。現時点では、ユニポーラ素子であるＭＯＳＦＥＴが、オン抵抗の面でとくに優れている。
【００３４】
入力キャパシタ３２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の電力供給源が電圧源とみなせるように、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が小さく、高周波特性に優れるＯＳコン（三洋電機製）を使用することが好ましい。そのほか、積層セラミックキャパシタ、タンタル電解キャパシタなどＥＳＲが小さいものが使用可能である。入力キャパシタ３２によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の電力供給源は電圧源と見なせるようになり、ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、所謂電圧型コンバータと呼ばれるものになる。
【００３５】
トランス１５の変圧比（巻線比）は、太陽電池セル７の運転電圧が最小時において、インバータ２１が交流電圧１００Ｖを出力するために必要な直流電圧（例えば１４０Ｖ以上）がインバータ２１に供給されるように設定する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ９のスイッチング回路を最大デューティ５０％で動作させた場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧は、入力電圧にトランス１５の変圧比を掛けた値になる。
【００３６】
実施形態の変圧比の範囲は、出力先の最小電圧を４８Ｖの通信用直流電源、最大電圧を交流２００Ｖ出力の電圧変動を考慮した３８０Ｖとし、入力源である太陽電池の好適な範囲が０．８Ｖ−１．８Ｖであることから、トランス１５の変圧比は２５から５００倍程度である。
【００３７】
また、トランス１５のターン数が大きいほど、太陽電池セル７が低出力時における電力変換効率が向上するが、逆に、太陽電池セル７が高出力時は電力変換効率を低下させる挙動を示す。発明者らは、温度変化や日射変動により、その出力電圧が大幅に変動する非安定な電源が接続される電力変換器の変換効率の積算値（以下「積算変換効率」と呼ぶ）を改善するには、トランス１５の一次巻線のターン数を２〜３ターンにすることが好ましいことを見出した。
【００３８】
一次巻線のターン数を２〜３ターンにすれば、１ターンに比べて、一次巻線の長さが二〜三倍になるデメリットがある。さらに、巻線領域は一定であるから１ターン当りに割り当てられる巻線断面積は１／２〜１／３になり、その結果、一次巻線の抵抗値は概ね四〜九倍になる。しかし、トランスのコアの磁束密度は１／２〜１／３になるのでトランスの鉄損を低減することができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９全体の一次側の損失には、上記のトランス１５の鉄損および一次巻線の銅損のほかに、スイッチング素子３３および３４のオン抵抗による損失や配線における損失があり、トランス１５の一次巻線の抵抗値が四倍になっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ９全体の損失が四倍になるわけではない。なお、ターン数とは、磁束の通り道である「コア」と、電流の通り道である「電線」とが鎖交（ｌｉｎｋａｇｅ）する数のことをいう。
【００３９】
【セルコンバータの動作】
図４に示す構成において、ＤＣ／ＤＣコンバータ９には、太陽電池セル７から直流電力が入力される。入力された直流電力は、入力キャパシタ３２によって平滑され、ゲート駆動回路４６、スイッチング素子３３および３４、並びに、トランス１５から構成される昇圧回路によって昇圧される。トランス１５の二次巻線から出力される電力は、ダイオードブリッジ３６で整流され、平滑回路３７で平滑された後、インバータ２１へ供給される。
【００４０】
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ９のスイッチング回路のデューティは固定されているから、入力電圧と出力電圧との比は常に一定になる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧は、式（２）で表され、太陽電池セル７の動作点電圧が変動すればＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧も変動する。
Ｖｄ　＝　Ｔｒ×Ｖｏｐ　　　…（２）
ここで、ＶｄはＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧
Ｖｏｐは太陽電池セル７の動作点電圧
Ｔｒは昇圧比
【００４１】
インバータ２１の制御回路５３は、入力電圧検出器５４および入力電流検出器５５により、ＤＣ／ＤＣコンバータ９から入力される電圧および電流をモニタして、インバータブリッジ５２のスイッチング動作をＰＷＭ制御する。この制御によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧および電流が制御され、その結果、太陽電池セル７の動作点電圧および電流を制御することができる。言い換えれば、制御回路５３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と太陽電池セル７とを合わせた最大電力追尾制御を行うことで、太陽電池セル７の発電電力を有効に活用する。
【００４２】
インバータ２１へ入力される直流電力は、インバータブリッジ５２および連系リアクタを含むフィルタ５８によって交流電力に変換され、プラグ３２へ供給される。
【００４３】
インバータ２１の入力電圧および電流をモニタして、インバータブリッジ６２をＰＷＭ制御する方法は、公知公用の多数の方法が知られているが、その一例を説明する。
【００４４】
ワンチップマイクロプロセッサなどで構成される制御回路５３は、ブリッジ接続された四つのスイッチング素子から構成されるインバータブリッジ５２に供給するスイッチング制御信号を次のように生成する。
【００４５】
制御回路５３は、入力電圧検出器５４および入力電流検出器５５により、入力電圧および入力電流を検出して、太陽電池セル７の最適動作点電圧の指令値を設定する。そして、最適動作点電圧の指令値と、入力電圧とを比較して、入力誤差信号を生成する。
【００４６】
その一方、制御回路５３は、バンドパスフィルタを有する交流電圧検出器５６により、連系点の基本周波数成分の電圧を検出する。そして、入力誤差信号と、検出された基本周波数成分の電圧を示す信号とを乗算して、制御目標値を示す電流指令値信号を生成する。さらに、電流指令値信号と、出力電流検出器５７によって検出される交流電流を示す信号とを演算して、電流誤差信号を生成する。
【００４７】
制御回路５３の一部であるゲート制御回路は、電流誤差信号と数十ｋＨｚ程度の基準三角波信号とを比較して、ＰＷＭスイッチング信号を生成し、インバータブリッジ６２の各スイッチング素子に供給する。
【００４８】
このような最大電力追尾制御およびフィードバック制御により、インバータ２１は、太陽電池セル７およびＤＣ／ＤＣコンバータ９から最大電力を引き出しつつ、系統５１と同一の電流位相をもつ、力率が１の交流電力を出力する。
【００４９】
以下では、本発明にかかる代表的な実施例を示し、比較例との比較結果から、その効果を検証する。
【００５０】
【実施例】
以下で説明する各実施例における太陽光発電システムの形態は図１と、セルコンバータ４の構成は図４と同じである。
【００５１】
［実施例１］
実施例１は、太陽電池セル７として、アモルファス層と微結晶層とが積層された薄膜太陽電池を使用する例である。なお、積層太陽電池の構造や製法、集電電極の取り付け方などは、本発明の本質とは無関係であるから、その詳細な説明は省略するが、特開平１１−２４３２１９号公報や特開平８−１３９４３９号公報などに開示されている。
【００５２】
太陽電池セル７の単セル性能は、定格日射（スペクトルＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２、セル温度５５℃）において、出力１．０Ｖ、１５．０Ａである。一枚の太陽電池セル７にＤＣ／ＤＣコンバータ９を取り付けて発電装置にする。
【００５３】
●　トランス
太陽電池セル７の最小運転電圧を０．８Ｖに定めると、１００Ｖの系統５１を連系先とする場合の昇圧比は０．８：１４０＝１：１７５でよいが、余裕をみて、トランス１５の変圧比（一次巻線数：二次巻線数）は１：２００にした。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９のスイッチング周波数は４０ｋＨｚ、デューティは５０％固定とした。
【００５４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９はプッシュプル構成であるから、トランス１５の二つの一次巻線のターン数をＰ１およびＰ２、二次巻線のターン数をＳ１とすると巻線比Ｐ１：Ｐ２：Ｓ１は１：１：２００になる。実施例１で使用したトランス１５の仕様を下に示す。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
コア部
―――――――――――――――――――――
材質：フェライト
形状：ＥＰコア
有効断面積：３３．９ｍｍ２
有効磁路長：２８．５ｍｍ
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コイル部
―――――――――――――――――――――
一次巻線：２ターン×２（プッシュプル構成）
材質：平角銅線、巻線抵抗９．２ｍΩ
二次巻線：４００ターン
材質：ウレタン絶縁電線、直径０．１４ｍｍ
―――――――――――――――――――――
【００５５】
●　出力特性
太陽電池セル７の出力電圧は、周囲温度や日射などの環境によって刻々と変化し、太陽電池セル７の発電電力を入力するＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力電圧も環境によって大きく変化することになる。
【００５６】
図５は、太陽電池の温度をパラメータとする、太陽電池のＩＶ特性の一例を示す図である。太陽電池は、その種類にもよるが、温度が低くなると動作電圧が高くなる傾向をもつ。勿論、日射量によって動作電圧は変化する。
【００５７】
図６は実施例１におけるＤＣ／ＤＣコンバータ９の電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図である。なお、各特性を示す線が重なり合わないように、低日射時（入力電力が１〜８Ｗ）と、高日射時（入力電力が９〜１５Ｗ）の二つに分けて示す。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の電力変換効率ηは式（３）で示される。
η［％］　＝　（Ｖｏ・Ｉｏ／Ｖｉ・Ｉｉ）×１００　　　…（３）
ここで、ＶｏはＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧
ＩｏはＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電流
ＶｉはＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力電圧
ＩｉはＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力電流
【００５８】
環境の変化により入力電圧が変化するが、図６に示すように、約０．８〜１．２Ｖの範囲で、安定して高い変換効率（８０〜９５％）を示した。
【００５９】
［実施例２］
実施例２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９に使用するトランス１５の一次巻線を３ターンにしたものである。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
コア部
―――――――――――――――――――――
材質：フェライト
形状：ＥＰコア
有効断面積：３３．９ｍｍ２
有効磁路長：２８．５ｍｍ
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
コイル部
―――――――――――――――――――――
一次巻線：３ターン×２（プッシュプル構成）
材質：平角銅線、巻線抵抗２０．７ｍΩ
二次巻線：６００ターン
材質：ウレタン絶縁電線、直径０．１１５ｍｍ
―――――――――――――――――――――
【００６０】
図７は、図６と同様に、実施例２におけるＤＣ／ＤＣコンバータ９の電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図である。
【００６１】
実施例１に比べて、実施例２のＤＣ／ＤＣコンバータ９は、概ね、低日射時（入力電力が１〜８Ｗ）の変換効率が良好であり、高日射時（入力電力が９〜１５Ｗ）の変換効率が低下する傾向を示した。
【００６２】
［比較例１］
実施例１および実施例２の有効性を示すために、比較例１として一次巻線が１ターンのトランス１５を組み込んだＤＣ／ＤＣコンバータ９を作成した。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
コア部
―――――――――――――――――――――
材質：フェライト
形状：ＥＰコア
有効断面積：３３．９ｍｍ２
有効磁路長：２８．５ｍｍ
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
コイル部
―――――――――――――――――――――
一次巻線：１ターン×２（プッシュプル構成）
材質：平角銅線　巻線抵抗２．３ｍΩ
二次巻線：２００ターン
材質：ウレタン絶縁電線、直径０．２ｍｍ
―――――――――――――――――――――
【００６３】
図８は、図６および図７と同様に、比較例１におけるＤＣ／ＤＣコンバータ９の電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図である。
【００６４】
実施例１および実施例２に比べて、比較例１のＤＣ／ＤＣコンバータ９は、定格時（１Ｖ、１５Ｗ入力時）の変換効率は優れるが、とくに入力電圧が高い場合に変換効率が低い。従って、朝夕の太陽電池セル７の温度が低く日射が弱い場合、または、気温が低い冬期などに変換効率が低下すると予測される。
【００６５】
［比較試験］
図９から図１２は、ある一日における実施例１、２および比較例１のセルコンバータ１の積算電力を比較した結果を示す図で、図９は外気温度および日射量の変遷を、図１０は太陽電池セル７の最適動作点電圧（言い換えればＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力電圧の変遷）を、図１１は各セルコンバータ１の３０分毎の積算電力を、図１２は各セルコンバータ１の一日の積算電力を、それぞれ示している。
【００６６】
図１１に示すように、一次巻線を２、３ターンとした実施例１、２は、一次巻線が１ターンの比較例１に比べ、低日射時に優れた出力特性を示す。また、図１１からはわかり難いが、同じ日射条件の午前と午後を比較すると、午前中のセルコンバータ１の温度が低い時間帯の方が出力差が大きい。これは図６から図８に示したように、太陽電池セル７の温度が低く、太陽電池セル７の出力電圧が高い（入力電圧が高い）場合に比較例１の変換効率が低いためである。
【００６７】
図１１に示す３０分毎の積算電力を合計して、一日の積算電力としたものが図１２である。図１２に示すように、実施例１、２は、比較例１に比べて、朝夕を除く昼間の発電量は劣るものの、朝夕の発電量が多く、一日の積算電力は実施例１、２の方が比較例１よりも大きい。また、図９から図１２には晴天時のデータを示したが、曇天時は、一日を通して実施例１、２の発電量が比較例１の発電量を上回ることが多い。また、晴天時でも朝夕やセルコンバータ１の温度が低い冬期なども、実施例１、２の発電量が比較例１の発電量を上回るから、実施例１、２は、比較例１に比べ、年間を通した発電量が多くなると予測される。
【００６８】
さらに、図８に示す変換効率特性に比べて、図６および図７に示す変換効率特性は、入力電圧の変化に対して安定していることから、一次巻線を２〜３ターンにすることで、太陽電池セル７の動作点電圧の範囲を拡げる効果も期待される。
【００６９】
［実施例３］
実施例３は、太陽電池セル７に、アモルファスシリコンを含む光電変換層を三層に積層した太陽電池セルを使用した。このような太陽電池セルの製造方法は特開平６−２１４９４号公報などに開示されている。
【００７０】
太陽電池セル７の性能は、定格日射（スペクトルＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２、セル温度５５℃）において、出力１．５Ｖ、３０Ｗである。なお、太陽電池セル７の最適動作点電圧は、環境（日射、温度）の変化により１．２〜１．８Ｖの間で変化する。
【００７１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、他の実施例と同様に、プッシュプル回路で構成し、そのスイッチング周波数は４０ｋＨｚ、デューティは５０％固定とした。ただし、実施例１と太陽電池セル７の電圧が異なるため、使用するトランス１５の変圧比を変えた。
【００７２】
●　トランス
太陽電池セル７の最適動作点電圧の最小値は１．２Ｖであるから、１００Ｖの系統５１を連系先とする場合の昇圧比は１．２：１４０＝１：１１７であるが、余裕をみて、トランス１５の変圧比を１：１３３にした。
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コア部
―――――――――――――――――――――
材質：フェライト
形状：ＥＰコア
有効断面積：３３．９ｍｍ２
有効磁路長：２８．５ｍｍ
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コイル部
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一次巻線：２ターン×２（プッシュプル構成）
材質：平角銅線、巻線抵抗９．２ｍΩ
二次巻線：２６６ターン
材質：ウレタン絶縁電線、直径０．１７ｍｍ
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【００７３】
●　出力特性
図１３は実施例３におけるＤＣ／ＤＣコンバータ９の電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図である。
【００７４】
環境の変化により入力電圧が変化するが、図１３に示すように、約１．２〜１．８Ｖの範囲で、安定して高い変換効率（９０〜９５％）を示した。
【００７５】
［実施例４］
実施例４は、実施例３と同じ太陽電池セル７を使用して、ＤＣ／ＤＣコンバータ９に使用するトランス１５の一次巻線を３ターンにしたものである。
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コア部
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材質：フェライト
形状：ＥＰコア
有効断面積：３３．９ｍｍ２
有効磁路長：２８．５ｍｍ
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コイル部
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一次巻線：３ターン×２（プッシュプル構成）
材質：平角銅線、巻線抵抗２０．７ｍΩ
二次巻線：３９９ターン
材質：ウレタン絶縁電線、直径０．１４ｍｍ
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【００７６】
図１３は実施例４におけるＤＣ／ＤＣコンバータ９の電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図である。
【００７７】
実施例３に比べて、実施例４のＤＣ／ＤＣコンバータ９は、概ね、低日射時（入力電力が１〜８Ｗ）の変換効率が良好であり、高日射時（入力電力が９〜１５Ｗ）の変換効率が低下する傾向を示した。
【００７８】
［比較例２］
実施例３および実施例４の有効性を示すために、比較例２として一次巻線が１ターンのトランス１５を組み込んだＤＣ／ＤＣコンバータ９を作成した。
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コア部
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材質：フェライト
形状：ＥＰコア
有効断面積：３３．９ｍｍ２
有効磁路長：２８．５ｍｍ
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コイル部
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一次巻線：１ターン×２（プッシュプル構成）
材質：平角銅線、巻線抵抗２．３ｍΩ
二次巻線：１３３ターン
材質：ウレタン絶縁電線、直径０．２４ｍｍ
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【００７９】
図１５は、図１３および図１４と同様に、比較例２におけるＤＣ／ＤＣコンバータ９の電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図である。
【００８０】
実施例３および実施例４に比べて、比較例２のＤＣ／ＤＣコンバータ９は、定格時（１．５Ｖ、３０Ｗ入力時）の変換効率は優れるが、とくに入力電圧が高い場合に変換効率が低い。従って、朝夕の太陽電池セル７の温度が低く日射が弱い場合、または、気温が低い冬期などに変換効率が低下すると予測される。
【００８１】
［比較試験］
図１６から図１９は、ある一日における実施例３、４および比較例２のセルコンバータ１の積算電力を比較した結果を示す図で、図１６は外気温度および日射量の変遷を、図１７は太陽電池セル７の最適動作点電圧（言い換えればＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力電圧の変遷）を、図１８は各セルコンバータ１の３０分毎の積算電力を、図１９は各セルコンバータ１の一日の積算電力を、それぞれ示している。
【００８２】
図１８に示すように、一次巻線を２、３ターンとした実施例３、４は、一次巻線が１ターンの比較例２に比べ、低日射時に優れた出力特性を示す。また、図１１からはわかり難いが、同じ日射条件の午前と午後を比較すると、午前中のセルコンバータ１の温度が低い時間帯の方が出力差が大きい。これは図１３から図１５に示したように、太陽電池セル７の温度が低く、太陽電池セル７の出力電圧が高い（入力電圧が高い）場合に比較例２の変換効率が低いためである。
【００８３】
図１８に示す３０分毎の積算電力を合計して、一日の積算電力としたものが図１９である。図１９に示すように、実施例３、４は、比較例２に比べて、朝夕を除く昼間の発電量は劣るものの、朝夕の発電量が多く、一日の積算電力は実施例３、４の方が比較例２よりも大きい。また、図１６から図１９には晴天時のデータを示したが、曇天時は、一日を通して実施例３、４の発電量が比較例２の発電量を上回ることが多い。また、晴天時でも朝夕やセルコンバータ１の温度が低い冬期なども、実施例３、４の発電量が比較例２の発電量を上回るから、実施例３、４は、比較例２に比べ、年間を通した発電量が多くなると予測される。
【００８４】
さらに、図１５に示す変換効率特性に比べて、図１３および図１４に示す変換効率特性は、入力電圧の変化に対して安定していることから、一次巻線を２〜３ターンにすることで、太陽電池セル７の動作点電圧の範囲を拡げる効果も期待される。
【００８５】
このように、本実施形態によれば、出力電圧が非安定な電源を入力とする電力変換器において、非安定な電源から出力される直流電力を昇圧するためのトランスの一次巻線を２または３ターンにすることで、発電装置の一日当りの積算電力（言い換えれば一日当りの変換効率）を向上することができる。とくに、非安定な電源として太陽電池を用いるセルコンバータで、太陽電池の発電電力を有効に利用することができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、出力電圧が非安定な電源に最適な電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セルコンバータを使用する太陽光発電システムの概要を示す図、
【図２】セルコンバータの構成例を示すブロック図、
【図３】セルコンバータの外観図、
【図４】ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータの構成例を示す図、
【図５】太陽電池の温度をパラメータとする、太陽電池のＩＶ特性の一例を示す図、
【図６】実施例１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図、
【図７】実施例２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図、
【図８】比較例１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図、
【図９】外気温度および日射量の変遷を示す図、
【図１０】太陽電池セルの最適動作点電圧を示す図、
【図１１】各セルコンバータの３０分毎の積算電力を示す図、
【図１２】各セルコンバータの一日の積算電力を示す図、
【図１３】実施例３におけるＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図、
【図１４】実施例４におけるＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図、
【図１５】比較例２におけるＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率と、入力電圧との関係を入力電力別にプロットした図、
【図１６】外気温度および日射量の変遷を示す図、
【図１７】太陽電池セルの最適動作点電圧を示す図、
【図１８】各セルコンバータの３０分毎の積算電力を示す図、
【図１９】各セルコンバータの一日の積算電力を示す図である。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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