(57)【要約】【課題】小型かつ低コストの低出力型ＤＣ−ＤＣコンバータを使用でき、太陽電池の出力を効率よく利用でき、さらにシステムの動作効率を高めることができる太陽電池を備えた電源システムを提供する。【解決手段】本発明に係る電源システムは、入力側に太陽電池１１を備えると共に、可変抵抗要素Ｒと可変電源要素ＶＳを有しかつ太陽電池１１の発電電力を負荷供給電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、可変抵抗要素Ｒの抵抗値を、太陽電池の発電特性と負荷１２の特性とに応じて、可変電源要素ＶＳから出力される電力が太陽電池の供給可能最大電力Ｅｐｍａｘに近づくように制御するコントローラ１５とから構成されている。【選択図】      図１
2004259762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、
可変抵抗部と可変電源部を有し、前記太陽電池の発電電力を負荷供給電力に変換する変換部と、
前記可変抵抗部の抵抗値を、前記太陽電池の発電特性と負荷の特性とに応じて、前記可変電源部側から前記負荷に供給される電力が前記太陽電池の供給可能最大電力に近づくように制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする太陽電池を備えた電源システム。
【請求項２】
太陽電池と、
可変抵抗部と可変電源部を有し、前記可変抵抗部の抵抗値を変化させることで前記太陽電池の発電電力の一部を電力変換して前記可変電源部を介して負荷に電力を供給する変換部と、
前記負荷に供給される電力が最大になるように前記可変抵抗部の抵抗値を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする太陽電池を備えた電源システム。
【請求項３】
さらに、前記太陽電池と前記負荷の各々の電気的特性に関する関係情報を記憶するメモリと、前記太陽電池の温度を検出する温度センサと、前記太陽電池に照射される日射量を検出する日射量センサとを備え、
前記制御手段は、所定時間ごとに前記温度センサおよび前記日射量センサから前記温度および前記日射量の検出値を入力し、これらの検出値を前記関係情報に適用してその時点での前記太陽電池と前記負荷の電気的特性を特定し、この電気的特性に基づいて前記負荷に供給される電力が最大になるように前記可変抵抗部の抵抗値を制御する、
ことを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池を備えた電源システム。
【請求項４】
さらに、前記負荷に供給される電流を検出する電流センサと、前記負荷に供給される電圧を検出する電圧センサを備え、
前記制御手段は、所定時間ごとに前記電流センサおよび電圧センサから前記電流および前記電圧の検出値を入力し、これらの検出値に基づいて前記負荷に供給される電力が最大になるように前記抵抗値を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池を備えた電源システム。
【請求項５】
前記太陽電池の直後に電流センサと電圧センサを備え、
前記制御手段は、所定時間ごとに前記電流センサおよび電圧センサから前記電流および前記電圧の検出値を入力し、これらの検出値に基づいて前記負荷に供給される電力が最大になるように前記抵抗値を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池を備えた電源システム。
【請求項６】
前記変換部は、前記太陽電池の発電電流の一部を変換して、前記太陽電池の出力電圧値に加算するＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池を備えた電源システム。
【請求項７】
前記可変抵抗部はスイッチング回路であり、前記制御手段は前記スイッチング回路に含まれるスイッチ要素を可変パルス幅のパルス信号でオン・オフさせることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池を備えた電源システム。
【請求項８】
前記スイッチング回路は４つのスイッチ要素で構成されるブリッジ回路であることを特徴とする請求項７記載の太陽電池を備えた電源システム。
【請求項９】
前記スイッチング回路は２つのスイッチ要素で構成されるプッシュプル型回路であることを特徴とする請求項７記載の太陽電池を備えた電源システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池を備えた電源システムに関し、特に、太陽電池を備えかつ当該太陽電池から出力される電力を効率よく負荷に供給する電源システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池を備えた電源システムの開発が進められている。この電源システムは、昼間の日射を受けて太陽電池に発電作用を行わせ、発電した電力を負荷に与える。負荷が例えば水電解装置の場合、水電解が行われ、水素等が生成される。水電解装置に電力を供給する当該電源システムは、水素ステーションの電源システムとして知られている。
【０００３】
上記電源システムに備えられた太陽電池の電流・電圧特性では、負荷に対して最大電力を供給できるという意味で最適な動作点が存在する。太陽電池での最適動作点における動作電圧および動作電流と、負荷の電流・電圧特性とを一致させることができれば、電源システムを効率よく動作させることができる。
【０００４】
ところが、太陽電池の最適動作点は、太陽電池自体の温度や日射量などによって変動するという特性を有し、実際上、太陽電池の最適動作点と負荷の電流・電圧特性とを一致させ続けることは困難である。従って、太陽電池と負荷を単に直列的に接続するだけでは、電源システムを常に高効率で動作させることはできない。
【０００５】
そこで太陽電池を備えた上記電源システムでは、太陽電池に電力変換処理を行う回路部を付設した構成が知られている（例えば特許文献１）。この特許文献１では、その図１に示されるように、太陽電池と水電解装置の間にＤＣ−ＤＣコンバータが設けられる。ＤＣ−ＤＣコンバータは主回路と制御回路から構成される。制御回路は、蓄電池電圧に係る信号と水電解装置に供給される電流に係る信号とに基づいて、主回路から水電解装置へ供給される電流の値を段階的に変化させるように制御を行う。すなわち特許文献１に開示された電力変換装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータを利用して太陽電圧の出力に応じて出力電流を段階的に切り換えることにより、システム効率を高め、かつ蓄電圧の小容量化を図っている。
【０００６】
また太陽電池を備えた電源システムとして、その他に、特許文献２に示された水電解システムも存在する。このシステムでは、負荷である水電解装置に供給される電力を高め、システム効率を良好にする技術が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２３３４９３号公報
【特許文献２】
特開２００２−８８４９３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１に示されたシステムの構成では、ＤＣ−ＤＣコンバータを太陽電池と水電解装置の間に直列的に接続しているので、太陽電池の高出力化に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータに高出力型の装置を用いなければならず、大型かつ高コストになるという問題が起きる。さらにＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率を８０〜９０％にしたとしても、太陽電池から供給される全電力を変換する構成を採用しているため、全電力のうち１０〜２０％の損失は必然的に生じてしまうという問題も起きる。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、小型かつ低コストの低出力型ＤＣ−ＤＣコンバータを使用でき、太陽電圧の出力を効率よく利用でき、さらにシステムの動作効率を高めることができる太陽電池を備えた電源システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る太陽電池を備えた電源システムは、上記目的を達成するために、次の通り構成される。
【００１１】
第１の本発明に係る電源システム（請求項１に対応）は、入力側に太陽電池を備えると共に、可変抵抗部（可変抵抗要素Ｒ）と可変電源部（図３で仮想的に示された可変電源要素ＶＳ）を有しかつ太陽電池の発電電力を負荷供給電力に変換する変換部と、可変抵抗部の抵抗値を、太陽電池の発電特性と負荷の特性とに応じて、可変電源部側から負荷に供給される電力が太陽電池の供給可能最大電力に近づくように制御する制御部（コントローラ１５）とから構成されている。
【００１２】
上記の電源システムによれば、太陽電池の発電出力が温度および日射量などの自然環境に応じて変動性を有するものであることから、太陽電池の発電電力を最も効率よく取り出せる変換部を設けるようにしている。この変換部では、太陽電池の発電電力である電力を、最大供給電力に近い負荷電力を供給できるように、仮想的な可変抵抗部と仮想的な可変電源部を設ける回路構成を採用した。電力は直流電流と電流電圧の積で算出できることから、変換部の出力側において直流電流と直流電圧の積の値が、太陽電池による供給可能な最大電力値に最も近づくように制御が行われる。この電力変換のための制御は、制御部が諸特性に係るデータを取り込みながら可変抵抗部の抵抗値を下げる等の抵抗値調整を行うことによって行われる。
【００１３】
第２の本発明に係る電源システム（請求項２に対応）は、入力側に太陽電池を備えると共に、可変抵抗部と可変電源部を有しかつ可変抵抗部の抵抗値を変化させる（好ましくは抵抗値を下げる）ことで太陽電池の発電電力の一部を電力変換して可変電源部を介して負荷に電力を供給する変換部と、負荷に供給される電力が最大になるように可変抵抗部の抵抗値を制御する制御部と、を備えるように構成される。この構成によって、基本的に第１の発明と同様に、制御部によって、変換部の出力側において直流電流と直流電圧の積の値が、太陽電池による供給可能な最大電力値に最も近づくように変換部の制御が行われる。
【００１４】
第３の本発明に係る電源システム（請求項３に対応）は、上記の第１および第２の構成において、好ましくは、さらに、太陽電池と負荷の各々の電気的特性に関する関係図（マップ）等の関係情報を記憶するメモリと、太陽電池の温度を検出する温度センサと、太陽電池に照射される日射量を検出する日射量センサとを備える。上記制御部は、所定時間ごとに温度センサおよび日射量センサから温度および日射量の検出値を入力し、これらの検出値を上記関係情報に適用してその時点での太陽電池と負荷の電気的特性を特定し、この電気的特性に基づいて負荷に供給される電力が最大になるように可変抵抗部の抵抗値を制御する。
【００１５】
第４の本発明に係る電源システム（請求項４に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、さらに、負荷に供給される電流を検出する電流センサと、負荷に供給される電圧を検出する電圧センサを備えることもできる。この構成で、上記制御部は、所定時間ごとに電流センサおよび電圧センサから電流および電圧の検出値を入力し、これらの検出値に基づいて負荷に供給される電力が最大になるように抵抗値を制御する。
【００１６】
第５の本発明に係る電源システム（請求項５に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、さらに、太陽電池の直後に電流センサと電圧センサを備えることもできる。この構成で、制御部は、所定時間ごとに電流センサおよび電圧センサから電流および電圧の検出値を入力し、これらの検出値に基づいて負荷に供給される電力が最大になるように抵抗値を制御する。
【００１７】
第６の本発明に係る電源システム（請求項６に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、変換部が、太陽電池の発電電流の一部を変換して、前記太陽電池の出力電圧値に加算するＤＣ／ＤＣコンバータであることで特徴づけられる。この構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、太陽電池の発電電流の全部を電力変換する必要がなく、その一部のみについて電力変換を行えばよいので、小型かつ低出力型のものを用いることができ、コストがかからない。
【００１８】
第７の本発明に係る電源システム（請求項７に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、可変抵抗部はスイッチング回路であり、制御部はスイッチング回路に含まれるスイッチ要素を可変パルス幅のパルス信号でオン・オフ（ＯＮ・ＯＦＦ）させるように構成される。この構成によれば、制御用パルス信号のパルス幅を変えてスイッチング回路のスイッチ要素のＯＮ時間を調整することにより、抵抗値を変えることを可能にしている。
【００１９】
第８の本発明に係る電源システム（請求項８に対応）は、上記の構成において、好ましくは、スイッチング回路は４つのスイッチ要素で構成されるブリッジ回路であることで特徴づけられる。この構成によれば、高圧タイプの太陽電池の電力変換に適している。
【００２０】
第９の本発明に係る電源システム（請求項９に対応）は、上記の構成において、好ましくは、スイッチング回路は２つのスイッチ要素で構成されるプッシュプル型回路であることで特徴づけられる。この構成によれば、低圧タイプの太陽電池の電力変換に適している。またブッシュブル型回路は、ブリッジ型回路よりも電力変換損失が少ないメリットがある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
実施形態で説明される構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成要素の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【００２３】
図１は本発明に係る電源システムを概念的に示した電気回路図である。この電源システム１０は、太陽電池１１を備えて成り、当該太陽電池１１で出力される発電電力を効率よく負荷１２に供給するための電力供給システムである。
【００２４】
負荷１２としては、この実施形態では水電解装置であるとする。水電解装置は、水の電気分解現象を利用して水素等を発生させる装置である。水電解装置は、陽極と陰極の２つの電極を有し、当該２つの電極の間に電圧が印加され電力が供給されるように構成されている。なお負荷１２は水電解装置には限定されず、太陽電池１１が出力する電力の供給を受けて仕事を行う装置であれば、任意の装置を接続することができる。
【００２５】
電源システム１０において太陽電池１１と負荷１２の間には、図示された結線構造によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が接続される。太陽電池１１は、太陽光線（日射）１４が生じた時、出力電圧Ｖ１、出力電流Ｉ１で発電作用を行うものとする。Ｖ１は直流電圧であり、Ｉ１は直流電流である。太陽電池１１の出力電圧Ｖ１と出力電流Ｉ１は日射の強さや太陽電池の温度等に応じて変動する。本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、太陽電池１１が出力した直流電圧Ｖ１を直流電圧Ｖｏに変換し、太陽電池１１が出力した直流電流Ｉ１を直流電流Ｉｏに変換する。
【００２６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、入力側では２つの入力端子ａ，ｂを有し、出力側では１つの出力端子ｃを有し、かつ接地端子ｄを有している。２つの入力端子ａ，ｂのそれぞれには、上記の出力電流Ｉ１のうち、分岐点Ａで分流された直流電流Ｉ２と直流電流（Ｉ１−Ｉ２）が供給される。出力端子ｃには変換された直流電流Ｉｏが出力され、かつ上記の電圧Ｖｏが出力される。接地端子ｄは接地されている。
【００２７】
電源システム１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１３による変換動作は、ＣＰＵを含んで構成されるコントローラ１５によって制御される。コントローラ１５は、温度センサ１６ａおよび日射量センサ１６ｂから与えられる周囲環境の温度や日射量の情報に係る信号、およびメモリ１７に格納される各種の特性マップ（電気的特性を表す関係図）のデータを用いて制御信号ｓ１を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の変換特性を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３によって太陽電池１１の生成電力を負荷１２に供給する時、その供給効率が最大になるように制御する。
【００２８】
なお図１では、太陽電池１１を用いた電源システム１０だけを示しているが、太陽電池１１が負荷１２に電力を供給できるのは日射１４が生じている時だけであり、日射１４が生じていない時には電源システム１０からは負荷１２に電力を供給できないので、併設された他の発電装置（図示せず）を用いて負荷１２に直流電力を供給するようにしている。なお、負荷１２の電流−電圧特性はその構造だけでなく、温度等の他の要素によっても変化する。従って、本発明では負荷１２の温度を測定するため、図示しない温度センサも設けられている。
【００２９】
本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１３では、実質的に、分流されて入力される直流電流Ｉ２に対してのみＤＣ／ＤＣ変換を行うように構成される。具体的な回路および変換作用は後述される。従ってＤＣ／ＤＣコンバータ１３は直流電流Ｉ２のみを変換対象とすればよく、すなわち、太陽電池１１から出力されるすべての電力を変換するのではなく、その一部の電力について変換すればよいので、低出力型の装置で構成することができる。
【００３０】
図２に、本発明に係る電源システムの具体的回路の例を示す。図１で説明した要素と同一の要素には同一の符合を付している。この回路図では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の内部構造が明らかにされている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３における入力端子ａ，ｂと出力端子ｃと接地端子ｄ、および分岐点Ａは図１で説明したそれぞれと同じである。
【００３１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３では、４つのスイッチ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄをブリッジ回路構造で接続して成るスイッチング回路２１と、変圧器２２と、整流回路２３によって構成される。このＤＣ／ＤＣコンバータ１３はフルブリッジ型である。
【００３２】
スイッチング回路２１の４つのスイッチ素子２１ａ〜２１ｄのそれぞれのＯＮ・ＯＦＦの動作はコントローラ１５から与えられる制御信号ｓ１によって制御される。制御信号ｓ１は、４つのスイッチ素子２１ａ〜２１ｄのそれぞれにゲート信号を与える４種類の信号（パルス信号）から構成されている。制御信号ｓ１によれば、スイッチング回路２１のブリッジにおける対角位置にある２つのスイッチ素子（２１ａ，２１ｃ），（２１ｂ，２１ｄ）の組合せで同時にＯＮ・ＯＦＦさせることができる。さらにスイッチ素子２１ａ〜２１ｄのＯＮ時間（パルス幅）を変化させることによりスイッチング回路２１による通電量（直流電流Ｉ２）を変化させることができる。スイッチング回路２１によって、供給される直流電流はパルス状の交流電流に変換される。スイッチング回路２１から出力された交流電流（交流電圧）の実効電流値は、スイッチング回路２１のスイッチ素子に供給されるパルス信号のパルス幅を変えることにより、変えることができる。
【００３３】
スイッチング回路２１の入力端（上端）は上記の入力端子ａに接続され、スイッチング回路２１に分岐点Ａで分流された直流電流Ｉ２が供給されるようになっている。直流電流Ｉ２の電流値は、スイッチング回路２１をＯＮ・ＯＦＦさせるパルス信号（制御信号ｓ１）のパルス幅で調整される。従ってスイッチング回路２１は、そのＯＮ・ＯＦＦ動作状態に基づき、電気回路的には、直流電流Ｉ２の電流値を変化させる可変抵抗要素（後述する「Ｒ」）として機能する。
【００３４】
変圧器２２の一次側コイルにはスイッチング回路２１から出力された交流電流（交流電圧）が供給される。変圧器２２の二次側コイルの中点は入力端子ｂに接続されており、この二次側コイルに分岐点Ａで分流された直流電流（Ｉ１−Ｉ２）が供給されている。変圧器２２では、一次側コイルに供給された交流電圧が変圧され、二次側コイルに変圧された電圧（図３で示すｄＶ）が発生する。なお変圧器２２の一次側コイルに供給される交流電圧は、前述のごとく、スイッチング回路２１によって変化させられる。これによって、変圧器２２の二次側コイルに発生させる電圧を調整することができる。
【００３５】
整流回路２３は、変圧器２２の二次側コイルの両端子にはそれぞれダイオード２４が順方向に接続され、下流側の共通端子にチョークコイル２５を接続し、チョークコイル２５の下流側端子と接地端子ｄとの間に整流機能を有した蓄電用コンデンサ２６を接続している。コンデンサ２６の両端子が出力端になり、上端子が上記出力端子ｃに接続されている。
【００３６】
図２に示した電源システム１０の電気回路では、太陽電池１１から出力された直流電流Ｉ１を、直流電流Ｉ２と直流電流（Ｉ１−Ｉ２）に分流する。直流電流Ｉ２は、スイッチング回路２１で交流電流（交流電圧）に変換され、変圧器２２で変圧される。直流電流（Ｉ１−Ｉ２）は変圧器２２の二次側コイルに給電される。変圧器２２の二次側コイルを流れる電流については、整流回路２３によって直流電流（Ｉ１−Ｉ２）はそのまま出力側に流れ、コンデンサ２６に蓄電・平滑されながら出力端子ｃへ出力される。従って上記Ｉｏは（Ｉ１−Ｉ２）である。
【００３７】
また変圧器２２の二次コイル側の電圧については、出力端子ｃで見ると、太陽電池１１から出力された直流電圧Ｖ１と、変圧器２２の変圧作用に基づき生成されかつ整流された直流電圧（ｄＶ）が加算されることになる。従って上記Ｖｏは（Ｖ１＋ｄＶ）である。
【００３８】
上記のようにして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力端では、直流電流（Ｉ１−Ｉ２）はほぼそのままの状態で出力端子ｃに生じ、直流電圧は（Ｖ１＋ｄＶ）の形式で生じる。
【００３９】
次に、図２で示した本実施形態に係る電源システム１０の電力変換回路としての回路特性を図３を参照して説明する。
【００４０】
図３は、図２で示した電源システム１０を、太陽電池１１の発電電力からＤＣ／ＤＣコンバータ１３による出力電力への変換という観点で解説するための説明用回路図である。図１および図２で説明した要素には同一の符合を付している。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３では、前述した通りスイッチング回路２１は、直流電流Ｉ２の値を変化させることができるので、その機能的面から可変抵抗要素Ｒとして等価的に表現でき、変圧器２２と整流回路２３から成るその他の部分は後述する理由に基づき可変電源要素ＶＳとして等価的に表現することができる。図３において太陽電池１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、負荷１２、分岐点Ａ、入力端子ａ，ｂ、出力端子ｃが示される。
【００４１】
図３ではさらに、太陽電池１１の出力端子ｆでは直流電流Ｉ１、直流電圧Ｖ１が出力要素として示されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の可変抵抗要素Ｒ（コントローラ１５で制御されるスイッチング回路２１）は直流電流Ｉ２の電流値を変化させる。図３で、可変抵抗要素Ｒから可変電源要素ＶＳに向う矢印３１は、可変抵抗要素Ｒすなわちスイッチング回路２１から出力される交流電圧を変圧器２２が変圧する作用に基づいて、可変電源要素ＶＳでの直流電圧Ｖ１に加えられる直流電圧ｄＶを生成するという関係を作用イメージ的に表現したものである。スイッチング回路２１を動作させる制御信号（パルス信号）ｓ１のパルス幅を変えることにより、実質的に可変抵抗要素Ｒの抵抗値を変え、直流電圧ｄＶを変えることが可能である。上記の可変電源要素ＶＳによれば、太陽電池１１から与えられるその出力電圧Ｖ１に可変直流電圧ｄＶを加えるという構成に基づいて、仮想的に可変電源要素としての構成が実現されている。可変電源要素ＶＳが出力する直流電圧（Ｖ１＋ｄＶ）は前述の電圧Ｖｏに相当している。以上によって、可変電源要素ＶＳでは、出力される要素として、直流電流（Ｉ１−Ｉ２）と直流電圧（Ｖ１＋ｄＶ）が示される。
【００４２】
上記の図３の回路説明で明らかなように、本実施形態に係る太陽電池を備えた電源システム１０に従えば、負荷１２の側からＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して太陽電池１１を見れば、太陽電池１１から出力されるＩ１，Ｖ１は（Ｉ１−Ｉ２），（Ｖ１＋ｄＶ）に変換して出力されることになる。換言すれば、太陽電池１１を備えかつ上記回路構成および回路特性を有するＤＣ／ＤＣコンバータ１３を備える電源システム１０によれば、可変抵抗要素Ｒの抵抗値（実質的にはスイッチング回路２１を駆動する制御信号１のパルス幅）を適宜に調整することにより、太陽電池１１から出力される電力（Ｉ１×Ｖ１）から最大限の電力（（Ｉ１−Ｉ２）×（Ｖ１＋ｄＶ））を取り出すことが可能となる。可変電源要素ＶＳの出力は、可変抵抗要素Ｒの抵抗値に基づいて自動的に決まるようになっている。
【００４３】
次に、上記電源システム１０において、可変抵抗要素Ｒの抵抗値の調整し、太陽電池１１の出力電力から最大限の電力を取り出すための制御について説明する。太陽電池１１の出力電力は温度条件や日射量に応じて変動するので、可能な限り大きい電力が負荷に供給され続けるように、可変抵抗要素Ｒの抵抗値は調整され続けられる。
【００４４】
電源システム１０での電力変換制御の内容は、図４のフローチャートに示される。この電力変換制御では、負荷１２のＩＶ特性（電流・電圧特性）と、太陽電池１１のＩＶ特性（前述したＩ１とＶ１の関係特性）および電圧・電力特性の情報とが必要となる。
【００４５】
図５に上記の各特性の一例を示す。図５において横軸は電圧を示し、左縦軸は電流を示し、右縦軸は太陽電池１１の電力を示している。さらに図５で、曲線Ｌ１は太陽電池１１が温度２８℃、日射量１０４０Ｗ／ｍ２であるときのＩＶ特性（Ｉ１とＶ１の関係特性）を示し、曲線Ｌ２は同条件での太陽電池１１の電圧・電力特性を示し、線Ｌ３は負荷（水電解装置）１２のＩＶ特性を示す。曲線Ｌ１，Ｌ２の関係から明らかなように、太陽電池１１は最適動作点Ｐ１においてその出力が最大出力となる。最適動作点Ｐ１で最大出力電圧（Ｖｐｍａｘ：電圧値１６．１Ｖ）と最大電流（Ｉｐｍａｘ：電流値９４．１Ａ）が規定される。曲線Ｌ２の頂点が最大出力Ｅｐｍａｘ（１５１５Ｗ）となっておリ、最適動作点Ｐ１に対応している。以上の各特性線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に係る情報は、温度条件や日射量等に応じた特性マップデータとして前述のメモリ１７に記憶され、用意されている。
【００４６】
なお上記において、最適動作点Ｐ１では、図５に示されるごとく、太陽電池１１から出力される直流電流Ｉ１はＩｐｍａｘとなっており、直流電圧Ｖ１はＶｐｍａｘとなっている。
【００４７】
ここで図５を参照して数値的な面で電圧・電流の議論を行う。特性曲線Ｌ１を有する太陽電池１１と特性線Ｌ３を有する負荷１２を仮に直列的に接続して電力を供給したと仮定する。この場合には、曲線Ｌ１と線Ｌ３の交点Ｐ２で動作点が決まる。動作点Ｐ２での電圧値（１７．６Ｖ）と電流値（８０．６Ａ）によって負荷である水電解装置１２は水電解処理を行うことになる。この場合、太陽電池１１の出力のうち、１７．６（Ｖ）×８０．６（Ａ）＝１４１９Ｗが負荷１２で利用されることになる。しかし、特性曲線Ｌ２において最大電力Ｅｐｍａｘは１５１５Ｗを発電できる能力を有しているので、９６Ｗ（＝１５１５Ｗ−１４１９Ｗ）分が電力損失になっている。
【００４８】
上記に対して、図４のフローチャートを参照して、電源システム１０での電力変換制御方法を説明する。
【００４９】
電源システム１０は、図４に示す処理を行うことで可能な限り、その時点での太陽電池１１の最大出力Ｅｐｍａｘに近い電力が負荷１２に供給されるようにする。
【００５０】
実際の状況では、太陽電池１１のＩＶ特性は、セルの特性や数、複数のセルの接続方法、温度条件や日射量等に応じて決まり、負荷１２のＩＶ特性は装置の構造や温度などに応じて決まっている。
【００５１】
図４に示したフローチャートでの制御はコントローラ１５内のＣＰＵによって実行される。メモリ１７には、特性線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に係る情報等が必要に応じてかつ温度条件や日射量等に応じた特性マップデータとして前述のメモリ１７に記憶されている。コントローラ１５は、温度センサ１６ａや日射量センサ１６ｂ等の温度情報等を取り込んで特性マップデータから太陽電池１１のＩＶ特性線と電圧・電力特性線を特定し、最大動作点等を特定する。ここでは、セルの数や接続方法等の設定によって、図５に示したように交点Ｐ２が最大動作点Ｐ１によりも高電圧側になるように電源システム１０が設計されている場合について説明する。なお、メモリ１７には特性マップデータの代わりに、近似計算式を記憶して、各センサから取得される情報に応じて太陽電池１１のＩＶ特性線や電圧・電流特性線等を特定するように構成してもよい。
【００５２】
最初のステップＳ１０１では、可変抵抗要素Ｒの抵抗値について初期値にセットする。この初期値ではＩ２＝０の条件が満たされる。可変抵抗要素Ｒの抵抗値が初期値に設定されると、これによって、図５に示された点Ｐ２にて、負荷１２に電力が供給される状態に一瞬にして自動的に設定される。次のステップＳ１０２では、負荷への供給電力Ｗｔが計算が行われ、その値が算出される。この供給電力Ｗｔの計算では、メモリ１７に格納されているマップデータが利用される。この電源システム１０では、前述した通り、システム設計上、交点Ｐ２が最大動作点Ｐ１によりも高電圧側になるように設定されている。
【００５３】
上記において、太陽電池１１の最適動作点Ｐ１が特定されるとＩｐｍａｘ（９４．１Ａ）とＶｐｍａｘ（１６．１Ｖ）とが決まリ、Ｅｐｍａｘが１５１５Ｗと計算できる。さらに交点Ｐ２が特定されると、その電流値（８０．６Ａ）と電圧値（１７．６Ｖ）が決まり、現状で負荷１２に供給される電力が１４１９Ｗであることが算出される。
【００５４】
次に、交点Ｐ２は最大動作点Ｐ１よりも高電圧側にあるので、その後のステップで、水分解装置である負荷１２の特性線Ｌ３上の動作点で負荷供給電力値がＥｐｍａｘに最大限近づくように、電力変換制御が行われる。すなわち、次のステップＳ１０３では、前述の可変抵抗要素Ｒの抵抗値が読み込まれ、その抵抗値を下げるという処理が行われる。
【００５５】
ここで、上記の「可変抵抗要素Ｒの抵抗値」とは、実質的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３において分流される直流電流Ｉ２の電流値を決めるスイッチング回路２１のＯＮ・ＯＦＦ動作を制御する制御信号（パルス信号）のパルス幅に係る値という意味である。
【００５６】
可変抵抗要素Ｒの抵抗値は、前述した通り、電気回路上において、その値が小さいときには分流電流Ｉ２が大きくなり、その値が大きいときには分流電流Ｉ２が小さくなるという特性を作る。
【００５７】
交点Ｐ２は最大動作点Ｐ１よりも高電圧側にあるので、可変抵抗要素Ｒの抵抗値を下げる（ステップＳ１０３）。これによって分流電流Ｉ２が大きくなる。さらに、前述したごとく、図３に示した可変抵抗要素Ｒによる変換特性３１（変圧器２２の変換作用）に基づいて、作用的に分流電流Ｉ２の電流値に対応する上記の直流電圧ｄＶが生成される。
【００５８】
次のステップＳ１０４では負荷１２に供給される電力Ｗｔ＋１の計算が再び行われる。すなわち負荷１２に供給される今回の電力値Ｗｔ＋１が、Ｗｔ＋１＝（Ｉｐｍａｘ−Ｉ２）×（Ｖｐｍａｘ＋ｄＶ）の式に基づいて計算される。実際には、メモリ１７に記憶されたマップデータを利用して電力値が算出される。
【００５９】
次の判断ステップＳ１０５では、今回の処理ルーチンで算出された供給電力電力Ｗｔ＋１と、ステップＳ１０２で算出された供給電力値Ｗｔとの大小関係が比較され、Ｗｔ＋１がＷｔよりも大きいか否かが判定される。判断ステップＳ１０５でＹＥＳであるときには、変換制御処理において今回の抵抗値がそのまま継続して使用されると共にｔがインクリメントされ、再び上記のステップＳ１０３〜Ｓ１０５が繰り返される。判断ステップＳ１０５でＮＯであるときには負荷１２に供給できる最大電力が得られたとして上記の処理ルーチンで計算された可変抵抗要素Ｒの抵抗値すなわち供給電力値がＷｔであるときの抵抗値を採用する決定を行う（ステップＳ１０６）。その後のＤＣ／ＤＣコンバータ１３での変換制御処理では、決定された新しい可変抵抗要素Ｒの抵抗値が維持・使用される。
【００６０】
その後においては判断ステップＳ１０７で所定時間が経過したか否かが判定され、このステップでＹＥＳであるときにはステップＳ１０１に戻り、ＮＯであるときにはステップＳ１０６に戻る。ステップＳ１０１に戻ったときには、前述の処理Ｓ１０１〜Ｓ１０５が繰り返される。ステップＳ１０６に戻った時には決定された抵抗値の維持・使用が継続される。なお外部から停止指令Ｓ１０８が強制的に与えられたときには、図４に示された処理ルーチンは終了する。なお、ステップＳ１０７で「ＹＥＳ」と判断された場合、ステップＳ１０１に戻るのではなく、Ｉ２を正の所定値になるように可変抵抗要素Ｒの抵抗値をセットしたり、Ｉ２が所定値だけ下がるように可変抵抗要素Ｒの抵抗値をセットして、再びステップＳ１０２以降の処理を進めるようにしてもよい。
【００６１】
上記のステップＳ１０３〜Ｓ１０５で実行される処理の内容を図５で見てみると、最適動作点Ｐ１に対応するＩｐｍａｘに対して分流電流Ｉ２を適宜に大きくし、かつ前述の変換作用に基づきＶｐｍａｘに対してｄＶを発生させることにより、負荷（水電解装置）１２のＩＶ特性線Ｌ３の上で動作点をＰ２からＰ３へ移すように制御が行われることを意味する。動作点Ｐ３では、電流値は８４．９Ａ、電圧値は１７．７Ｖとなり、その結果、負荷供給電力は１５０３Ｗになる。すなわち、動作点がＰ２である場合の１４１９Ｗに比較して負荷供給電力を８４Ｗ分高めることができる。これは、太陽電池１１のＥｐｍａｘ＝１５１５Ｗをより効率良く負荷１２に与えることができることを意味する。
【００６２】
上記のごとく、太陽電池１１を備えかつＤＣ／ＤＣコンバータ１３を備える電源システム１０によれば、可変抵抗要素Ｒの抵抗値を負荷供給電力値が最大になるように適宜に調整することにより、太陽電池１１から出力される電力（Ｉｐｍａｘ×Ｖｐｍａｘ）から最大限の電力（（Ｉｐｍａｘ−Ｉ２）×（Ｖｐｍａｘ＋ｄＶ））を取り出すことができる。
【００６３】
なお上記の実施形態の説明では、メモリ１７において予め用意された特性マップのデータを利用して負荷供給電力を算出するようにしたが、当該マップを持たず、負荷１２の直前の電流値および電圧値を測定し、その測定結果に基づいて図４に示した処理の内容をコントローラ１５が実行するように構成することもできる。なおこの場合には、負荷１２へ流れる電流の値を検出する電流センサ、および負荷１２に印加される電圧の値を検出する電圧センサが設けられる。電流センサおよび電圧センサで検出された信号は、コントローラ１５に入力されるようになっている。また電流センサおよび電圧センサを用いて、太陽電池１１直後の電流・電圧値を検出し、上記と同様の処理をするように構成してもよい。
【００６４】
次に、図５に示した場合について上記の電源システム１０におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１３の電力供給効率と具体的数値例について説明する。太陽電池１１の出力要素Ｉｐｍａｘ，Ｖｐｍａｘで決まる電力Ｅｐｍａｘに対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力要素（Ｉｐｍａｘ−Ｉ２），（Ｖｐｍａｘ＋ｄＶ）により決まる電力Ｅｏ（＝（Ｉｐｍａｘ−Ｉ２）×（Ｖｐｍａｘ＋ｄＶ））ので電力供給効率αを定義する。Ｅｏ＝α・Ｅｐｍａｘの関係が成立する。図５で示された具体的な数値は、αが９９％（１５０３Ｗ／１５１５Ｗ＝９９）の場合の例である。
【００６５】
太陽電池１１の最大動作点Ｐ１ではＩｐｍａｘ＝９４．１Ａ、Ｖｐｍａｘ＝１６．１Ｖである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の変換動作に基づく電力変換を行う時、可変抵抗要素Ｒに流れる分流電流Ｉ２は９．２Ａである。この結果、負荷１２に供給される電流値は８４．９Ａになる。この時、可変抵抗要素Ｒの作用に基づくＤＣ／ＤＣコンバータ１３による電力変換によって、０．９９×（９４．１×１６．１）／８４．９＝１７．７Ｖの電圧が負荷１２に印加される。水電解装置である負荷１２に供給される電力は１５０３Ｗである。
【００６６】
なお、上記の電力供給効率αはＤＣ−ＤＣコンバータ１３の回路構成、太陽電池１１の特性等に応じて決定される。
【００６７】
上記の電力変換処理の説明では、図５に示したように交点Ｐ２が最大動作点Ｐ１によりも高電圧側にある場合を前提としたが、本発明はこれに限定されない。交点Ｐ２が最大動作点Ｐ１によりも低電圧側にある電源システムを使用する場合であっても、負荷１２の特性線Ｌ３上の動作点で負荷供給電力値がＥｐｍａｘに最大限近づくように、同様な電力交換制御が行われる。この場合にも、可変抵抗要素Ｒの抵抗値を変化させ、負荷供給電力を計算し、電力計算値の大小関係を判断して、抵抗値を決定するように制御が行われる。
【００６８】
図６は、交点Ｐ２が最大動作点Ｐ１によりも低電圧側にある場合の図５に対応する図である。図６において、図５で説明した要素と同一の要素には同一の符合を付し、その説明を省略する。図６においても、Ｉｐｍａｘに対する分流電流Ｉ２を決め、Ｖｐｍａｘに対するｄＶを決めることにより、動作点をＰ２からＰ３に移行させ、最大限の負荷供給電力を負荷１２に与えることができる。この場合には、分流電流Ｉ２はＩｐｍａｘに加算され、電圧ｄＶはＶｐｍａｘから減算されるように制御が行われる。従って図３に示した回路は図７のごとく構成されることになる。
【００６９】
図８に、本発明に係る電源システムの具体的回路の他の例を示す。図２で説明した要素と同一の要素には同一の符合を付している。この回路図では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の内部構造が明らかにされている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３における入力端子ａ，ｂと出力端子ｃと接地端子ｄ、および分岐点Ａは図１および図２で説明したそれぞれと同じである。
【００７０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３では、２つのスイッチ素子４１ａ，４１ｂを接続して成るスイッチング回路４１と、変圧器４２と、コンデンサ４３と、整流回路２３によって構成される。このＤＣ／ＤＣコンバータ１３はプッシュプル型であり、図２に比して低圧タイプのコンバータである。スイッチング回路４１は、スイッチ素子が２つしかなく、耐圧が低いため、当該ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は低圧タイプの太陽電池１１に向いている。変圧器４２は、一次側コイルの中点に分流電流Ｉ２が流れ込み、一次側コイルの両端子がそれぞれ上記のスイッチ素子４１ａ，４１ｂを介して接地端子ｄに接続されている。また一次側コイルの中点は、他方、コンデンサ４３を介して接地端子ｄに接続されている。変圧器４２では、二次側コイルと同様に一次側コイルもｐ−ｐ（ｐｕｓｈ  ｐｕｌｌ）化され、電力損失を抑制している。スイッチング回路４１の２つのスイッチ素子４１ａ，４１ｂの各ゲートにはコントローラ１５から制御信号（パルス信号）ｓ１が供給される。その他の構成は、図２で説明した構成と同じであるので、説明を省略する。
【００７１】
スイッチング回路４１の２つのスイッチ素子４１，４１ｂのそれぞれのＯＮ・ＯＦＦの動作はコントローラ１５から与えられる制御信号ｓ１によって制御される。制御信号ｓ１は、２つのスイッチ素子４１ａ，４１ｂのそれぞれにゲート信号を与える２種類の信号（パルス信号）で構成されている。制御信号ｓ１によれば、２つのスイッチ素子４１ａ，４１ｂを交互にＯＮ・ＯＦＦさせることができる。さらにスイッチ素子４１ａ，４１ｂのＯＮ時間（パルス幅）を変化させることによりスイッチング回路４１による通電量（直流電流Ｉ２）を変化させることができる。スイッチング回路４１によって、供給される直流電流はパルス状の交流電流に変換される。スイッチング回路４１から出力された交流電流（交流電圧）の実効電流値は、スイッチング回路４１のスイッチ素子に供給されるパルス信号のパルス幅を変えることにより、変えることができる。
【００７２】
図８に示した電源システム１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１３でもスイッチング回路４１は前述の可変抵抗要素Ｒに対応しており、この実施形態の電源システム１０は、図１で説明した回路構成、および図３で説明した回路構成と同等な回路と考えることができる。従って、この電源システム１０によっても、図４および図５等を参照して先に説明した電力変換機能に基づき、低電圧タイプの太陽電池１１から効率よく電力を取り出すことができる。以上説明してきたように、本発明によれば、太陽電池１１の出力の全部ではなく一部のみを電力変換するので、従来と同等の変換効率のＤＣ−ＤＣコンバータを使用した場合であっても、トータルの電力損失量を低減させることができ、またＤＣ−ＤＣコンバータ１３自体を小型／低出力型にすることができる。この結果、電源システム全体のコスト低減と高効率の電力供給が両立する。
【００７３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００７４】
請求項１〜５に係る本発明によれば、変換部の可変抵抗部の抵抗値を、太陽電池の発電特性と負荷の特性とに応じて、可変電源部から出力される電力が太陽電池の供給可能最大電力に近づくように制御したため、小型かつ低コストの低出力型ＤＣ−ＤＣコンバータを使用でき、太陽電圧の出力を効率よく利用でき、さらにシステムの動作効率を高めることができる。
【００７５】
請求項６に係る本発明によれば、変換部として太陽電池の発電電流の一部を変換して太陽電池の出力電圧値に加算するＤＣ／ＤＣコンバータを用いたため、ＤＣ／ＤＣコンバータは、太陽電池の発電電流の一部のみに関連して電力変換を行えばよく、小型かつ低出力型のものを用いることができ、低コストでシステムを構成することができる。また、全体として電力供給効率の良い電源システムを提供することができる。
【００７６】
請求項７に係る本発明によれば、可変抵抗部にスイッチング回路を用いたため、制御用パルス信号のパルス幅を変えることにより、スイッチング回路のスイッチ要素のＯＮ時間を調整し、抵抗値を変えることができる。
【００７７】
請求項８に係る本発明によれば、ブリッジ型スイッチング回路を用いたため、高圧タイプの太陽電池の電力変換を行うことができる。
【００７８】
請求項９に係る本発明によれば、２つのスイッチ要素で構成されるプッシュプル型スイッチング回路を用いたため、低圧タイプの太陽電池の電力変換に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池を備えた電源システムの基本的概念を示す電気回路図である。
【図２】本発明に係る太陽電池を備えた電源システムの第１の実施形態を示す電気回路図である。
【図３】本発明に係る電源システムを電力変換の観点で解説するための変換イメージを示した電気回路図である。
【図４】第１の実施形態におけるコントローラによる可変抵抗要素の制御内容を説明するフローチャートである。
【図５】太陽電池の発電特性および負荷のＩＶ特性の第１の例を示すグラフである。
【図６】太陽電池の発電特性および負荷のＩＶ特性の第２の例を示すグラフである。
【図７】図６で示した第２の例に対応する図３と同様な電気回路図である。
【図８】本発明に係る太陽電池を備えた電源システムの第２の実施形態を示す電気回路図である。
【符号の説明】
１０              電源システム
１１              太陽電池
１２              負荷
１３              ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４              太陽光線
２１，４１        スイッチング回路
２２，４２        変圧器
２３              整流回路
【図１】
2004259762.tif 000003
【図２】
2004259762.tif 000004
【図３】
2004259762.tif 000005
【図４】
2004259762.tif 000006
【図５】
2004259762.tif 000007
【図６】
2004259762.tif 000008
【図７】
2004259762.tif 000009
【図８】
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