(57)【要約】【課題】電流の逆流を防止する回路において、順方向に電流が流れるときの順方向電圧降下を抑止するとともに逆方向に電流が流れることを阻止すること。【解決手段】直流電源（太陽電池１）からの電力をスイッチ手段６を介して負荷（例えば負荷４）に供給するための直流電源装置であって、直流電源とスイッチ手段との間に設けた第１電圧検出手段７と、スイッチ手段６と負荷４との間に設けた第２電圧検出手段８と、スイッチ手段６の前段及び後段のいずれかに直列接続した電流方向検出手段１０とを備えて成り、第１電圧検出手段７により検出した電圧が第２電圧検出手段８により検出した電圧以上のときにのみスイッチ手段６を閉成して導通させ、電流方向検出手段１０が負荷４側から直流電源側に電流が流れていることを検出したときに、スイッチ手段６を開放して電流の流れを遮断するようにしたことを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源からの電力をスイッチ手段を介して負荷に供給するための直流電源装置であって、前記直流電源と前記スイッチ手段との間に設けた第１電圧検出手段と、前記スイッチ手段と前記負荷との間に設けた第２電圧検出手段と、前記スイッチ手段の前段及び後段のいずれかに直列接続した電流方向検出手段とを備えて成り、前記第１電圧検出手段により検出した電圧が前記第２電圧検出手段により検出した電圧以上のときにのみ前記スイッチ手段を閉成して導通させ、前記電流方向検出手段が前記負荷側から前記直流電源側に電流が流れていることを検出したときに、前記スイッチ手段を開放して電流の流れを遮断するようにしたことを特徴とする直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電や風力発電による電源等の直流電源からの電力を、スイッチ手段を介して負荷に供給するための直流電源装置に関し、特に蓄電池等の負荷側から直流電源側に電流が逆流するのを防止する逆流防止回路を備えた直流電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の太陽光発電システムについて、図４に基づき説明する。太陽電池１により光電変換された発電電力は、蓄電池の過充電と過放電を保護する充電制御コントローラ２に入力される。この充電制御コントローラ２は蓄電池３と負荷４に接続されており、天候や昼夜の別により変動する太陽電池１の発電電力を、蓄電池３を介して安定に負荷４に供給できる。太陽電池１は日中などの光が当っている間は、光電変換により電圧を発生し発電電流を蓄電池３に充電しているが、例えば夜間等暗闇においては太陽電池１に光が当たらないため、光電変換が起こらず電圧が発生しない。従って、夜間等においては蓄電池３の電圧が太陽電池１より高くなり、蓄電池３から太陽電池１に電流が流れることになる。
【０００３】
そこで、充電制御コントローラー２には、太陽電池１と蓄電池３の間に直列にダイオード５を挿入し、夜間に蓄電池３から太陽電池１に電流が逆流することを防いでいた。ここで、電流を一方向に流し逆流を防止するダイオード５は、安価で単純な構成であることから、太陽光発電システムの逆流防止機能を果たすものとして好適である。
【０００４】
ところが、ダイオード５には順方向に電流が流れるときに順方向電圧降下があり、これによる太陽光発電システムの発電損失が発生することに加え、太陽光発電システムの規模が大きくなり、ダイオード５に流れる電流が大きくなると、ダイオード５の順方向電圧降下による電力損失が大きくなり、ダイオード５自身の温度上昇や充電制御コントローラーの温度上昇により、放熱部品を必要とするなどの問題が生じる。
【０００５】
以上の問題を解決するために、一般的な手段として電圧効果の比較的小さいショットキーバリヤー型ダイオードを使用したり、一次電源側の電圧低下を検出して逆流防止用のダイオードの両端を短絡するリレーの接点を開閉するものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
また、図５に示すように、電磁リレー６の電流コイルを逆流防止用半導体ダイオードであるダイオード５と直列に挿入し、電磁リレー６の接点でダイオード６の両端を閉じて、ダイオード５に流れる電流をバイパスしてダイオード５による順方向挿入損失を低減する方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００７】
また、上記のように電磁リレー６といった接点を使用せずに、半導体スイッチング素子をダイオード５に対し並列に接続し、別途設けた電流検出手段の信号で半導体スイッチング素子を開閉するよう構成した方法も提案されている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００８】
〔特許文献１〕
特開平２−１６８８１９号公報
〔特許文献２〕
特開平７−１４７７３８号公報
〔特許文献３〕
特開平８−２５１８１８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
逆流防止用のダイオードとして順方向損失の少ないショットキーバリヤー型のダイオードを適用する場合、現在の技術では高電圧（１００Ｖ以上）の逆耐圧品の製作は難しく、順方向電圧降下もシリコンダイオード並である。また、上述した特許文献１の直流電源装置では、逆流防止用のダイオードと並列にリレー接点を設け、順方向に電流が流れている間は、接点を閉じてダイオードの両端を短絡し、ダイオードで生じる順方向電圧降下による電力損失を抑止している。
【００１０】
ところが、電流が逆流することを検出する手段として一次側電源の電圧が低下することを検出するものであるため、太陽電池と蓄電池の間に逆流防止手段を設ける場合、太陽電池の電圧が蓄電池の電圧に等しくなり、電流が逆流しても太陽電池の電圧低下を検出することが困難となる。このため、逆流防止の機能を果たすことができない。
【００１１】
また、特許文献２に開示された逆流防止方法では、太陽電池で発電した電流で電磁リレーのコイルを駆動するため、太陽電池の発電電流が天候で大きく増減しても、安定して接点が閉じていられるように、特殊な電磁リレーを使用する必要があるうえ、電磁リレーに電流が流れて接点が閉じるために、電磁リレーと直列に接続するダイオードが必要となり、電磁リレーが駆動できる電流値に達するまではダイオードによる順方向電圧降下の損失を抑止することができない。
【００１２】
また、特許文献３に開示された電流検出手段を有する方法では、電流検出手段に流れる電流により順方向に電圧が流れているか、逆方向に電流が流れているかを判断するため、リレー接点または半導体等によるスイッチング手段と並列にダイオードが必要であり、電流検出手段により順方向に電流が流れると判断される電流値に達するまでは、ダイオードによる順方向電圧降下による損失を抑止することができない。また、リレー接点を開閉する制御は電流の方向によって決定するため、電流の向きが順方向から逆方向またはその反対に切り替わるポイントでチャタリング現象が出やすく、機器の消耗を加速させ信頼性を低下させる。
【００１３】
そこで本発明は、ダイオードを使用せずに逆流防止を行うことができ、順方向に電流が流れているときに電圧降下による損失を極力抑えることができる、優れた逆流防止回路を備えた直流電源装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の直流電源装置は、直流電源からの電力をスイッチ手段を介して負荷に供給するための直流電源装置であって、前記直流電源と前記スイッチ手段との間に設けた第１電圧検出手段と、前記スイッチ手段と前記負荷との間に設けた第２電圧検出手段と、前記スイッチ手段の前段及び後段のいずれかに直列接続した電流方向検出手段とを備えて成り、前記第１電圧検出手段により検出した電圧が前記第２電圧検出手段により検出した電圧以上のときにのみ前記スイッチ手段を閉成して導通させ、前記電流方向検出手段が前記負荷側から前記直流電源側に電流が流れていることを検出したときに、前記スイッチ手段を開放して電流の流れを遮断するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
これにより、例えば、スイッチ手段の前段に太陽電池を接続し、スイッチ手段の後段に蓄電池を接続した場合、太陽電池から蓄電池へ順方向の電流が流れるときにスイッチ手段は閉じ、蓄電池から太陽電池へ電流が逆流すればスイッチ手段を開く簡便な逆流防止回路を構成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を太陽光発電システムに適用した実施形態について、模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１に示すように、直流電源である太陽電池１により発電された電力は、逆流防止回路を備えた充電コントローラ２を経由して負荷である蓄電池３やその他の負荷４に接続され負荷（蓄電池３やその他の負荷４）に電力を供給する。ここで、太陽電池１としては、多結晶シリコン太陽電池、単結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン、及び化合物半導体等から１種以上を用いたバルクもしくは薄膜等の各種太陽電池を使用することができ、複数の太陽電池セルを接続してなる太陽電池モジュールや、それをさらに直並列に接続してなる太陽電池アレイを用いることができる。
【００１８】
充電コントローラ２は、図２に示すように、例えばトランジスタやＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の半導体素子や接点式で構成されたスイッチ手段６と分圧抵抗や抵抗アレイ等で構成された太陽電池側の電圧を検出する第１電圧検出手段７及び、第１電圧検出手段７と同様な構成で負荷（蓄電池３やその他の負荷４）側の電圧を検出する第２電圧検出手段８、オペアンプやコンパレータ等で構成された電圧比較器９、シャント抵抗やホール素子のような電流センサー等で構成された電流方向検出器１０からなる逆流防止回路と、特に図示しないが電圧検出器、温度検出器、電流スイッチ等からなる充電制御回路等で構成される。また、図１における蓄電池３が過放電状態になったら負荷への電力供給を停止する過放電防止制御を含む回路を備えるようにしても良い。
【００１９】
このようにして構成された逆流防止回路は、第１電圧検出手段７及び第２電圧検出手段８で検出された電圧を電圧比較器９で比較し、第１電圧検出手段７により検出した電圧が第２電圧検出手段８により検出した電圧以上の場合、スイッチ手段６を閉成して導通させる制御（スイッチ手段が接点式の場合、接点を閉じる制御）を行う。また、電流方向検出器１０が検出した電流方向が逆流方向の場合、スイッチ手段６を開放して電流を遮断する制御（スイッチ手段が接点式の場合、接点を開く制御）を行う。
【００２０】
すなわち、直流電源（太陽電池１）からの電力をスイッチ手段６を介して負荷（蓄電池３やその他の負荷４）に供給するための太陽光発電システムにおいて、直流電源とスイッチ手段との間に設けた直流電源側の電圧（例えば、発電電圧）を検出する第１電圧検出手段７と、スイッチ手段６と負荷との間に設けた負荷側電圧を検出する第２電圧検出手段８と、スイッチ手段６の前段及び後段のいずれかに直列接続した電流方向検出手段１０とを備えて成り、第１電圧検出手段７により検出した電圧が第２電圧検出手段８により検出した電圧以上のときにのみスイッチ手段６を閉成して導通させ、電流方向検出手段１０が負荷側から直流電源側に電流が流れていることを検出したときに、スイッチ手段６を開放して電流の流れを遮断するようにして逆流防止回路を構成している。
【００２１】
次に、上記のように構成された逆流防止回路の具体的な動作を説明する。夜間等、暗闇においては太陽電池１の受光面に光が当たらないため光電変換が起こらず電圧が発生しない。このとき、スイッチ手段６の接点は開放されており逆流防止回路に電流は流れない。
【００２２】
一方、例えば夜が明けて周囲が明るくなると、太陽電池１の受光面に光があたり電圧が発生し徐々に電圧が上昇してくる。このとき、第１電圧検出手段７及び第２電圧検出手段８で検出された電圧を電圧比較器９で比較し、第１電圧検出手段７の電圧が第２電圧検出手段８の電圧以上になるまではスイッチ手段６は開放状態を維持したままである。
【００２３】
太陽電池の発電電圧が上昇してきて、第１電圧検出手段７で検出した電圧が第２電圧検出手段８で検出した電圧より大きくなると、電圧比較器９からスイッチ手段６を閉成するべく信号が出力される。この信号を受けてスイッチ手段６が閉じると、第１電圧検出手段７と第２電圧検出手段８の電圧は同じ電圧となるが、これは太陽電池の発電電力が負荷側に電流を供給することにより動作点が移動する現象であるので、電圧比較器９は電圧遮断手段６の閉成状態を維持する信号は送出し続ける。
【００２４】
さらに、太陽電池１に太陽光が強く当たるようになると、太陽電池１が発電した電流が逆流防止回路を通って蓄電池３に流れるが、スイッチ手段６の接点は電気抵抗の殆ど無い機械的接点または電気抵抗の極めて小さな（例えば、０．０２Ω程度）半導体スイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）等の微小抵抗のスイッチ手段を使用することにより、順方向電力損失を極力小さくすることができる。また、電流方向検出器１０はスイッチ手段６と直列に挿入されるため抵抗損失となりやすいが、本発明の回路では電流の流れる方向を検出するだけでよいため、極めて小さな挿入損失の電流検出器でよく、これによる順方向電力損失は非常に小さい。
【００２５】
かくして、本実施形態によれば、順方向に電流が流れる場合にはスイッチ手段を閉成して順方向電圧降下による損失を抑止することができ、逆流を防止するときはスイッチ手段が開放して逆方向の電流を阻止するため、逆流防止用のダイオードを省くことが可能になる。また、逆流防止用のダイオードに比較して損失が減少するため、トランジスタやＦＥＴ等の半導体素子で構成されるスイッチ手段の温度上昇を低減させることができる。
【００２６】
また、本実施形態の逆流防止回路を、例えば蓄電池のない系統連系システムにおいて、複数の太陽電池モジュールを直列接続したストリングを複数、並列に接続するための接続箱または接続箱機能つきパワーコンディショナに使用されている逆流防止用のダイオードのかわりに適用することにより、接続箱の温度上昇やパワーコンディショナの温度上昇を低減させ、放熱のために必要としていた箱体の小型化や軽量化を図ることが可能になる。
【００２７】
さらに、スイッチ手段を開閉するときは開閉電圧，電流ともに小さな電圧，電流であるので、開閉時のストレスが少なく、機械式接点をスイッチ手段として用いた場合にその寿命を極力延ばすことができる。
【００２８】
図３に他の実施形態を示す。この実施形態では、ホール素子を用いて、電線の周囲に発生する磁界の方向を検出することで、電流方向を検出する電流方向検出器を使用した例である。なお、太陽光発電システムの基本構成は図１に示す通りとする。
【００２９】
この実施形態を作用・効果について説明する。例えば夕方になって、太陽電池１の発電が低下し、太陽電池１の開放電圧が蓄電池３の電圧より低下すると、蓄電池３から太陽電池１へ電流が逆流し始める。電流方向検出器１０は電流の向きが逆方向になったことを検出して、スイッチ手段６に接点を開くよう信号を送る。接点が開くと逆電流が流れなくなり、図示のＡ点とＢ点の電圧は同一ではなくなる。すなわち、太陽電池１側の電圧（Ａ点の電圧）が蓄電池３側の電圧（Ｂ点の電圧）より低下しているため、電圧比較器９からスイッチ手段６を閉成させる信号は送出されず、開放状態となったままになる。電流方向検出器１０が逆電流を検出するということは、逆電流が流れていることになるが、太陽光発電システムでは少しの逆電流があっても故障したりすることはなく、信頼性を損ねることはない。
【００３０】
また、この実施形態の特徴としてスイッチ手段が開閉するときに、例えば機械式接点のスイッチ手段を用いた場合にも、特に過大な負荷がかかることがなく接点を電気的に磨耗させる要素が小さいため、機械式接点でスイッチ手段の開閉を行っても接点の寿命を長く持たせることができる。すなわち、第１電圧検出手段７の電圧が第２電圧検出手段８の電圧以上になったとき、接点の両端の電圧は小さく太陽電池の動作点は開放電圧に近いポイントにあり、太陽電池からは小さな電流しか出力されない。従って接点に過大な負担を引き起こすことはない。また、電流方向検出器１０が逆流の電流方向を検出したときも、スイッチ手段６の接点を開いた後の接点における両端の電圧は差が小さく、また逆流も小さな電流で検出できるようにすれば接点に過大な電流アークが発生することもなく接点に過大な負担を引き起こすことはない。
【００３１】
なお、本実施形態では直流電源として太陽電池を用いた太陽光発電システムを例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、風力発電による電源等の直流電源からの電力を使用した場合にも適用可能であることは容易に理解できる。また、このような直流電源からの電力をスイッチ手段を介して負荷に供給したり、ＤＣ／ＡＣコンバータを介して商用電力系統に供給する直流電源装置や、バッテリー充電器などのような負荷側に直流電力を生じさせる電源を有するシステムについても適用可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し実施が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の直流電源装置によれば、順方向に電流が流れる場合にはスイッチ手段を閉成して順方向電圧降下による損失を抑止することができ、逆流を防止するときはスイッチ手段が開放して逆方向の電流を阻止するため、逆流防止用のダイオードが不要になる。
【００３３】
また、逆流防止用のダイオードに比較して損失が減少するため、スイッチ手段としてトランジスタやＦＥＴ等の半導体素子を使用したときに、その温度上昇を低減させることができ、信頼性の高い直流電源装置を提供できる。
【００３４】
また、系統連系システムにおいて、複数の太陽電池モジュールを直列接続したストリングを並列に接続するための接続箱または接続箱機能つきパワーコンディショナに使用されている逆流防止ダイオードの代わりに、本発明を適用することにより、接続箱の温度上昇やパワーコンディショナの温度上昇を低減させることができ、従来、放熱のために必要としていた箱体の小型化や軽量化を図ることが可能になる。
【００３５】
さらに、スイッチ手段を開閉するときは、開閉電圧，電流ともに小さな電圧，電流ですむので、開閉時のストレスが少なく、接点式をスイッチ手段として用いた場合に、その寿命を極力延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る逆流防止回路の実施形態を模式的に説明する概略回路構成図である。
【図２】本発明に係る太陽光発電システムにおける実施例を説明するブロック図である。
【図３】本発明に係る請求項２の逆流防止回路の実施形態を模式的に説明する概略回路図である。
【図４】従来の逆流防止回路の一例を模式的に説明する概略構成図である。
【図５】従来の逆流防止回路の他の例を模式的に説明する概略構成図である。
【符号の説明】
１：太陽電池
２：充電コントローラ
３：蓄電池（負荷）
４：その他の負荷
５：ダイオード
６：スイッチ手段
７：第１電圧検出手段
８：第２電圧検出手段
９：電圧比較器
１０：電流方向検出器
１１：リレーコイル
【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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