(57)【要約】【課題】電力容量の増設が簡単に行えて、高効率の太陽光発電装置を提供する。【解決手段】太陽電池の各セルにそれぞれ複数の昇圧チョッパー回路で構成されたＤＣ／ＤＣコンバータを接続し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力は並列接続され、太陽電池の各セルの出力する電力が最大となるように各ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御回路を備えたことを特徴とする太陽光発電装置。【選択図】        図１
2005115441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の出力をＤＣ／ＤＣコンバータの入力とした構成で電力変換を行う太陽光発電装置において、
太陽電池の各セルにそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータを少なくとも１ユニット接続し、
全ての前記セルのＤＣ／ＤＣコンバータの出力は１系統に並列接続され、
各前記セルの出力する電力が等しくなるように前記各ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する第１の制御回路を備えていることを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項２】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記セルに対し複数のチョッパー方式の昇圧回路を並列接続し、
当該各昇圧回路内のスイッチのオン／オフ時間を制御する第２の制御回路を備えていることを特徴とする請求項１の太陽光発電装置。
【請求項３】
一部または全ての前記セルを一時的に直列接続する切替回路と、
当該切替回路により直列接続にされた前記太陽電池の一部または全てのセルから得られる電力を一時的に蓄える蓄電回路とを備え、
必要に応じ前記蓄電回路に蓄えられた電力を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電源として使用することを特徴とする請求項１または請求項２の太陽光発電装置。
【請求項４】
前記各セルの受光面裏側に当該各セルと接続する前記ＤＣ／ＤＣコンバータを配置し、
当該各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を配線／接続するための手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３の太陽光発電装置。
【請求項５】
前記各セルの受光面を成す半導体の一部に前記各セルと接続する前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を一体として形成し、
当該各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を配線／接続するための手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３の太陽光発電装置。
【請求項６】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
スイッチング動作を行う電力変換回路としての起動用回路および駆動用回路と、
前記起動回路または駆動回路の出力を蓄える蓄電回路と、
当該蓄電回路に蓄電している電力レベルを検知する電力検知回路とを備え、
前記蓄電回路は前記駆動回路動作の為の電力を供給する為のものであり、
前記電力検知回路の検知レベルが所定値以下であれば起動用回路が動作し、前記検知レベルが所定値を越えた場合には駆動用回路が動作することを特徴とする請求項１から請求項５記載の太陽光発電装置。
【請求項７】
前記起動用回路内の起動用スイッチとして前記太陽電池セルの出力電力から変換された熱もしくは電磁力によりスイッチ動作するサーモスイッチ及び／またはリードスイッチを備え、
前記駆動用回路内の定常駆動用スイッチとしてＦＥＴを備えた
ことを特徴とする請求項６記載の太陽光発電装置。
【請求項８】
太陽電池の出力をＤＣ／ＤＣコンバータの入力とした構成で電力変換を行う太陽光発電装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
スイッチング動作を行う電力変換回路としての起動用回路および駆動用回路と、
前記起動回路または駆動回路の出力を蓄える蓄電回路と、
当該蓄電回路に蓄電している電力レベルを検知する電力検知回路とを備え、
前記蓄電回路は前記駆動回路動作の為の電力を供給する為のものであり、
前記電力検知回路の検知レベルが所定値以下であれば起動用回路が動作し、前記検知レベルが所定値を越えた場合には駆動用回路が動作することを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項９】
前記起動用回路内の起動用スイッチとして前記太陽電池セルの出力電力から変換された熱もしくは電磁力によりスイッチ動作するサーモスイッチ及び／またはリードスイッチを備え、
前記駆動用回路内の定常駆動用スイッチとしてＦＥＴを備えた
ことを特徴とする請求項８記載の太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池のセルにＤＣ／ＤＣコンバータを接続した構成で電力を変換、制御する太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から太陽電池モジュールの部分影の影響による発電電力の急激な低下を避けるために、前記モジュールを構成する太陽電池素子群を直列接続しないで電力を取出す構成が提案されている。例えば図６（ａ）、（ｂ）は、特開平６−２２４７２号公報に示された従来の装置を示す回路図であり、図６（ａ）、（ｂ）において、３８は直列接続されていない太陽電池セル、３９は昇圧回路、４０は二次電池、４１は負荷を示している。
【０００３】
この例では直列接続しない太陽電池素子から二次電池の充電が可能な電圧を得る手段の例として、太陽電池素子は光電変換層の積層化が可能であるアモルファスシリコンの使用し、光電変換層の積層化する構造によって太陽電池素子の出力電圧を高くして、次いで太陽電池素子の出力範囲である１Ｖ〜２Ｖで駆動可能なＩＣ化された昇圧回路で、二次電池を充電可能な電圧までの昇圧する構成を提案している。
【０００４】
また、従来から太陽電池モジュールの裏面に電力変換装置を取付けた太陽電池モジュールの提案がされている。例えば図７は、特開２００２−１４１５４０号公報に示された太陽電池モジュールの断面図であり、図７において、４２は太陽電池セル、４３は電力変換装置、４４は裏面補強材を示している。
【０００５】
この例では、太陽電池モジュール単位ごとに裏面の相対的に温度の低い部分に電力変換装置を取付け、太陽電池から発生する熱が電力変換装置に伝わることで、変換効率を低下させないような配置とする提案がなされている。
【特許文献１】特開平６−２２４７２号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１５４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の太陽光発電装置は以上のように構成されているので、必要な発電電力を得るためには、太陽電池素子及び昇圧回路の電力容量に合わせた個々の設計及び製造方法が必要となり、前記装置において電力容量を増設する場合においても大きな設計変更が必要で簡単でなく、また、太陽電池及び昇圧回路の寸法や特性の標準化が困難である問題があった。
【０００７】
従来の太陽光発電装置で大きな電力を得るためには、太陽光パネルの太陽電池素子を並列接続する必要あるが、太陽電池素子の出力電圧は２Ｖ以下と低く、ＩＣ化されたＤＣ／ＤＣコンバータを使用する場合には、太陽電池からの入力電流の増大に対して一つのＤＣ／ＤＣコンバータで大電力化を行うことは困難である。
【０００８】
従来の太陽光発電装置では、光電変換層の積層化が出来ない結晶シリコン及び化合物半導体を使用した太陽電池セルを使用する場合、セルの発電による開放電圧が現状でも０．９V以下であることからＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧をトランジスタ等の通常駆動電源電圧である最低３〜５Ｖ程度まで昇圧させると、スイッチング時のオン抵抗などの原因により出力電力及び昇圧するレベルが高くなるに従って変換時の損失が増大する問題があった。
【０００９】
また、従来の太陽光発電装置では、結晶シリコン及び化合物半導体を使用した太陽電池セルの０．９Ｖ以下の低出力電圧を電力変換するためには、トランジスタ等のスイッチングを安定して動作をさせるための駆動用電源が必要となるが、前記太陽電池セルの他に電源を持てない場合には、太陽光発電装置として機能できない問題がある。
【００１０】
さらに、従来の太陽光発電装置の太陽電池モジュールに電力変換装置を一体化させる構造では、太陽電池セルの集合体であるモジュール単位に配置されることから、電力変換装置が備え付けられた場所で電力変換時に発生する熱により、各太陽電池セル間で温度格差が発生し、発電効率が低下する原因となるほか、太陽電池セルから電力変換装置までの距離が長くなるほど導体抵抗が増大し、電力変換効率が低下する問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題を解決すべく請求項１記載の太陽光発電装置は、太陽電池の各セルにそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータを少なくとも１ユニット接続し、太陽電池の全セルのＤＣ／ＤＣコンバータの出力は１系統に並列接続され、太陽電池の各セルの出力する電力が等しくなるように各ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する第１の制御回路を備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の太陽光発電装置は、請求項１記載の太陽光発電装置において、
ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記太陽電池のセルに対し複数のチョッパー方式の昇圧回路を並列接続し、当該各昇圧回路内のスイッチのオン／オフ時間を制御する第２の制御回路を備えていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の太陽光発電装置は、請求項１または請求項２記載の太陽光発電装置において、
太陽電池の一部または全てのセルを一時的に直列接続する切替回路と、切替回路により直列接続にされた太陽電池の一部または全てのセルから得られる電力を一時的に蓄える蓄電回路とを備え、必要に応じ蓄電回路に蓄えられた電力をＤＣ／ＤＣコンバータの電源として使用することを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の太陽光発電装置は、請求項１から請求項３記載の太陽光発電装置において、
太陽電池の各セルの受光面裏側に各セルと接続するＤＣ／ＤＣコンバータを配置し、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を配線／接続するための手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の太陽光発電装置は、請求項１から請求項３記載の太陽光発電装置において、
太陽電池の各セルの受光面を成す半導体の一部に当該各セルと接続する前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を一体として形成し、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を配線／接続するための手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３の太陽光発電装置。
【００１６】
請求項６記載の太陽光発電装置は、請求項１から請求項５記載の太陽光発電装置において、
ＤＣ／ＤＣコンバータが、スイッチング動作を行う電力変換回路としての起動用回路および駆動用回路と、起動回路または駆動回路の出力を蓄える蓄電回路と、蓄電回路に蓄電している電力レベルを検知する電力検知回路とを備え、蓄電回路は前記駆動回路動作の為の電力を供給する為のものであり、電力検知回路の検知レベルが所定値以下であれば起動用回路が動作し、検知レベルが所定値を越えた場合には駆動用回路が動作することを特徴とする。
【００１７】
請求項７記載の太陽光発電装置は、請求項６記載の太陽光発電装置において、
起動用回路内の起動用スイッチとして太陽電池セルの出力電力から変換された熱もしくは電磁力によりスイッチ動作するサーモスイッチ及び／またはリードスイッチを備え、駆動用回路内の定常駆動用スイッチとしてＦＥＴを備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項８記載の太陽光発電装置は、
ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング動作を行う電力変換回路としての起動用回路および駆動用回路と、起動回路または駆動回路の出力を蓄える蓄電回路と、蓄電回路に蓄電している電力レベルを検知する電力検知回路とを備え、蓄電回路は前記駆動回路動作の為の電力を供給する為のものであり、電力検知回路の検知レベルが所定値以下であれば起動用回路が動作し、検知レベルが所定値を越えた場合には駆動用回路が動作することを特徴とする。
【００１９】
請求項９記載の太陽光発電装置は、請求項８記載の太陽光発電装置において、
起動用回路内の起動用スイッチとして太陽電池セルの出力電力から変換された熱もしくは電磁力によりスイッチ動作するサーモスイッチ及び／またはリードスイッチを備え、駆動用回路内の定常駆動用スイッチとしてＦＥＴを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１記載の発明により、太陽電池セルとＤＣ／ＤＣコンバータを標準ユニット化でき、必要とする電力に応じて前記ユニットを簡単に増設することが可能で、大きな電力を出力することが可能な太陽光発電装置が実現できる。
【００２１】
請求項２記載の発明により、太陽電池セルの低い出力電圧から昇圧レベルを上げることができると伴に、大きな電力を変換する時の電力損失を低減できる。
【００２２】
請求項３記載の発明により、太陽電池セル以外の電源を持たずに太陽電池セルの出力から電力変換するスイッチングが可能な電源を得て、太陽光発電装置を機能させることが出来る。
【００２３】
請求項４または請求項５記載の発明により、太陽電池セルの発電出力を電力変換する時のＤＣ／ＤＣコンバータで発生する熱を太陽電池パネルで分散させ、各セル間の温度差を減らすことで発電効率を上げるとが可能となり、太陽電池セルから配線長さを短く配置することが可能で導体抵抗を軽減させることが可能となり、変換効率の向上させることが出来る。
【００２４】
請求項６から請求項９記載の発明により、太陽光による発電を利用し、太陽電池セルの電圧出力からＤＣ／ＤＣコンバータを起動し、太陽光発電装置を機能させることが出来る。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置を示し、１は太陽電池セル、２はこの各太陽電池セル１の出力端子に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ、３は各太陽電池セル１の出力電力及び各ＤＣ／ＤＣコンバータ２からの出力電力を検知し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の電力変換動作を総合的に制御する制御回路で、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間は並列接続する。
【００２６】
太陽電池セル１は、一般的に使用されている結晶シリコンを使用した太陽電池セルの電力で、日射条件の良い状態で最大０．５Ｖ、１０ｍＷ／ｃｍ２程度であることから、太陽電池セル１に接続するＤＣ／ＤＣコンバータ２は、入力が０．５V以下から昇圧することが可能なチョッパー方式、チャージポンプ方式、スイッチトキャパシタ方式などの昇圧回路で構成し、制御回路３からの信号に従ってスイッチング動作し、所定の出力に電力を変換する。制御回路３は、マイクロコンピュータなどを使用し、日射条件で大きく変化する太陽電池セル１の各出力電圧、出力電流を検知した結果から各太陽電池セルの発電電力を演算するほか、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を並列接続するための電力を決定し、太陽光発電装置として最大発電電力を得られるように各ＤＣ／ＤＣコンバータでのスイッチ動作を制御する。各太陽電池セル及び各ＤＣ／ＤＣコンバータは同じ形状、特性を持つものを使用し、必要とする電力の増大に対して、太陽電池セルとＤＣ／ＤＣコンバータを単位ユニットとして増やすことで容易に対応できる装置である。また、上記の場合、前記の太陽電池セルとＤＣ／ＤＣコンバータからなる増設するユニットを同じ形状、特性をもつものとしたが、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御回路で制御することで特性が異なるユニットも増設が可能である。
【実施例２】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態２を図に基づいて説明する。図２は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置のＤＣ／ＤＣコンバータを示し、４は太陽電池セル、５はこの各太陽電池セル４の出力端子に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ、６はＤＣ／ＤＣコンバータ５の昇圧回路のインダクタ、７はＤＣ／ＤＣコンバータ５の昇圧回路のスイッチング動作を行うスイッチ、８はＤＣ／ＤＣコンバータ５の昇圧回路を構成するダイオード、９は昇圧回路を構成するコンデンサ、１０は太陽電池セル４の出力電圧及び出力電流を検知する検知器、１１は検知器１０の信号とＤＣ／ＤＣコンバータ５からの出力電圧を検知し、スイッチ７のスイッチング動作を総合的に制御する制御回路で、インダクタ６、スイッチ７、ダイオード８で構成するチョッパー方式の昇圧回路は複数で並列接続する。
【００２８】
太陽電池セル４に接続するＤＣ／ＤＣコンバータ５は、入力が０．７V以下から昇圧することが可能なチョッパー方式の昇圧回路などを並列接続した構造で、制御回路１１からの信号に従ってＯＮ抵抗が極めて低いＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ７でスイッチング動作し、所定の出力に電力を変換する。制御回路１１は、マイクロコンピュータなどを使用して、日射条件で大きく変化する太陽電池セル４の各出力を検知した結果から、太陽電池セルの発電電力を演算するほか、所定の電圧に昇圧するためにスイッチング動作のＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を制御すると同時に、複数並列接続されたＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作のＯＮ／ＯＦＦ時間を調節することでＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電力を制御する。並列接続するチョッパー方式の昇圧回路は、昇圧レベルに合わせて増設することが可能で、各昇圧回路のインダクタに蓄えられるエネルギーを分散することが可能となり、各スイッチ７に流れる電流による損失を減らすことが可能となり変換効率の高いＤＣ／ＤＣコンバータとなる。
【実施例３】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態３を図に基づいて説明する。図３は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置を示し、１は太陽電池セル、１２はこの各太陽電池セル１の出力端子に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ、１６及び１７は各太陽電池セル１の直列接続から各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２への接続に切換えるスイッチ、１８は直列接続された太陽電池セル１と接続したＤＣ／ＤＣコンバータ１２を起動・駆動させるための電源、１９は各太陽電池セル１の出力電力及び各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２からの出力電力を検知し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の電力変換動作を総合的に制御するほか、各スイッチ１６及び１７を切換えて太陽電池セル１を直列接続から各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２への接続し、起動・駆動電源１８の出力を制御するための制御回路で、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間は並列接続する。
【００３０】
基本構造や動作は、実施の形態１と同じであるが、更に太陽電池セル１に接続したＤＣ／ＤＣコンバータを起動・駆動させるための各太陽電池セル１を直列接続から各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２への接続に切換えるリードスイッチ等で構成されるスイッチ１６及び１７、及び起動・駆動電源１８を備えている。結晶シリコンを使用した太陽電池セルの電力は、日射条件の良い状態で最大０．７Ｖ、１０ｍW／ｃｍ２程度であるために、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動用の電源とするには、この駆動電圧まで太陽電池セルを直列接続する。スイッチ１６及び１７は、例えば５Vの起動・駆動電圧を必要とする場合には、太陽電池セルを１１枚程度、直列接続する必要がある。太陽電池の特性として僅かな日射量があれば出力電圧は大きく変わらないことから直列接続数は駆動電圧が決まれば容易に決定し、スイッチ１６及び１７の配置数も容易に決まる。起動時ではスイッチ１６及び１７が接続された各太陽電池セルは直列接続された状態で、制御回路１９を起動させる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が駆動する状態では、直列接続された太陽電池セルを各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の接続に切換える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の起動で平常駆動に必要な電力を得ると同時に太陽電池セルから得られる電力によって連続的に駆動が持続する。制御回路を駆動させるための電力は、電子機器の全体の消費電力と比べるとマイクロコンピュータを使用した場合でも１／１０以下であることから、直列接続する太陽電池セルの数量は太陽電池セル１の総数量に比べて非常に少なくなる。
【実施例４】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態４を図に基づいて説明する。図４は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置を示し、特に図４（ｂ）は、図４（ａ）の断面を示すものである。２０はＤＣ／ＤＣコンバータ、２１は太陽電池セル、２２はＤＣ／ＤＣコンバータ２０及び太陽電池セル２１を実装、配線接続する基板である。
【００３２】
太陽電池セル２１は、出力電圧が０．５Ｖ以下の一般的に使用される結晶シリコンを使用した太陽電池である。太陽電池セル２１は等間隔で、電気配線されたプリント基板の所定の位置に配置して半田付け等で電気接続され、配置された各太陽電池セルの日射を受ける面の裏側にＤＣ／ＤＣコンバータ２０を固定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子と太陽電池セルの出力端子はプリント基板を介して接続する。各ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、各太陽電池セルの面内で同じ位置に固定され、各太陽電池セルの出力端子と各ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子は可能な限り短く接続する。
【実施例５】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態５を図に基づいて説明する。図５は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置のＤＣ／ＤＣコンバータを示し、２３は太陽電池セル、２４は起動回路、２５は起動回路２４でスイッチング動作するスイッチ、２６はスイッチ２５に直列接続したスイッチ、２７は駆動回路用のスイッチ、２８は起動回路の昇圧回路部のインダクタ、２９はインダクタ２８に接続されるダイオード、３０はダイオード２９に接続されるコンデンサ、３１は起動・駆動回路の出力と接続する蓄電回路、３２はＤＣ／ＤＣコンバータの駆動回路、３３は駆動回路の昇圧回路部のインダクタ、３４はインダクタ３３に接続したダイオード、３５は太陽電池セル２３に接続され、起動回路２４と駆動回路３２を切換えるスイッチ、３６は太陽電池セル２３の出力電圧及び出力電流を検知する検知器、３７はスイッチ２６及びスイッチ２７のスイッチング動作、スイッチ３５の切換え、検知器３６の信号とＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を検知し、スイッチ２７のスイッチング動作を総合的に制御する制御回路である。
【００３４】
太陽電池セル２３に接続したＤＣ／ＤＣコンバータは駆動回路３２とそれを駆動させるための起動回路２４で構成する。結晶シリコンを使用した太陽電池セルの電力は、日射条件の良い状態で最大０．７Ｖ、１０ｍＷ／ｃｍ２程度であるために、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するには、駆動電圧まで太陽電池セルの出力電圧を昇圧する起動回路が必要である。起動回路２４をチョッパー方式の昇圧回路とし、起動するためのスイッチ２６を初期状態ＯＮとして、スイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦ動作をする。スイッチ２５を流れる電流により発生する熱で動作するサーモスイッチとし、太陽電池セル２３の電力を利用して起動する。スイッチ２５の初期状態はＯＮで、日射により太陽電池セル２３から出力された電流がサーモスイッチに流れ、サーモスイッチの抵抗で熱が発生してＯＦＦする。ＯＦＦしたサーモスイッチは電流が流れなくなり温度が低下することで再びＯＮ状態になる。この動作を周期的に繰返しコンデンサ３０および蓄電回路３１に昇圧された電力が蓄えられ、ＤＣ／ＤＣコンバータが駆動する。ＤＣ／ＤＣコンバータが駆動すると同時に、スイッチ３５で太陽電池セルの出力を起動回路から駆動回路に切換え、スイッチ２６は初期状態のＯＮからＯＦＦされ、スイッチ２５のスイッチング動作を止め、スイッチ２７が制御回路３７によってスイッチング動作を定常的に開始する。また、スイッチ２６及びスイッチ３５に比べ駆動回路のスイッチング動作を行うスイッチ２７は、耐久性に優れ、ＯＮ抵抗の極めて低いＦＥＴを使用する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態である。
【図２】本発明の第２の実施形態である。
【図３】本発明の第３の実施形態である。
【図４】本発明の第４の実施形態である。
【図５】本発明の第５の実施形態である。
【図６】従来の太陽光発電装置の回路である。
【図７】従来の太陽光発電装置の構造である。
【符号の説明】
【００３６】
１  太陽電池セル
２  ＤＣ／ＤＣコンバータ
３  制御回路
４  太陽電池セル
５  ＤＣ／ＤＣコンバータ
６  インダクタ
７  スイッチ
８  ダイオード
９  コンデンサ
１０  電圧・電流検知器
１１  制御回路
１６  スイッチ
１７  スイッチ
１８  起動・駆動電源
１９  制御回路
２０  ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１  太陽電池セル
２２  基板
２３  太陽電池セル
２４  起動回路
２５  スイッチ
２６  スイッチ
２７  スイッチ
２８  インダクタ
２９  ダイオード
３０  コンデンサ
３１  蓄電回路
３２  駆動回路
３３  インダクタ
３４  ダイオード
３５  スイッチ
３６  電圧・電流検知器
３７  制御回路
３８  太陽電池セル
３９  昇圧回路
４０  二次電池
４１  負荷
４２  太陽電池セル
４３  電力変換装置
４４  裏面補強材
【図１】
2005115441.tif 000003
【図２】
2005115441.tif 000004
【図３】
2005115441.tif 000005
【図４】
2005115441.tif 000006
【図５】
2005115441.tif 000007
【図６】
2005115441.tif 000008
【図７】
2005115441.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月21日(2004.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池セルと前記太陽電池セルの出力が入力されるＤＣ／ＤＣコンバータと該ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御回路とからなる太陽光発電装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、複数の昇圧チョッパー回路で構成するとともに、該各昇圧チョッパー回路の各入力は前記太陽電池セルに並列接続され、前記各昇圧チョッパー回路の各出力を並列接続した構成で、前記制御回路を用いて該各昇圧チョッパー回路のスイッチング動作のタイミングをそれぞれずらして制御することを特徴とした太陽光発電装置。
【請求項２】
太陽電池セルと前記太陽電池セルの出力が入力されるＤＣ／ＤＣコンバータと該ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御回路とからなる太陽光発電装置において、複数個の前記太陽電池セルの各出力をそれぞれの前記太陽電池セルの各出力に接続されたスイッチ手段を用いて前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの供給を遮断するとともに複数個の前記太陽電池セルを直列接続して回路から得られる出力を一時的に蓄える蓄電回路とを備え、前記太陽光発電装置の始動時に、該蓄電回路に一時的に出力を蓄えた後、前記スイッチ手段の切換を前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの接続に戻し、前記蓄電回路から得られる電力で前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動して太陽光発電手段を稼動させることを特徴とした太陽光発電装置。
【請求項３】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング動作を行う電力変換装置回路として、前記太陽電池セルの出力電力から変換された熱もしくは電磁力により動作するスイッチを備えた起動回路および定常駆動用スイッチとしてＦＥＴを備えた駆動回路を備え、前記起動回路または前記駆動回路の出力電力を蓄える蓄電回路と当該蓄電回路に蓄電電力のレベルを検知する回路を備え、前記蓄電電力のレベルを検知する回路の検知レベルに従って、起動回路と駆動回路を動作することを特徴とした請求項１または２記載の太陽光発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池単セルまたは複数並列接続された太陽電池セルにより構成される太陽電池モジュールのセルにＤＣ／ＤＣコンバータを接続した構成で電力を変換、制御する太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から太陽電池モジュールの部分影の影響による発電電力の急激な低下を避けるために、前記モジュールを構成する太陽電池素子群を直列接続しないで電力を取出す構成が提案されている。例えば図６（ａ）、（ｂ）は、特開平６−２２４７２号公報に示された従来の装置を示す回路図であり、図６（ａ）、（ｂ）において、３８は直列接続されていない太陽電池セル、３９は昇圧回路、４０は二次電池、４１は負荷を示している。
【０００３】
この例では直列接続しない太陽電池素子から二次電池の充電が可能な電圧を得る手段の例として、太陽電池素子は光電変換層の積層化が可能であるアモルファスシリコンを使用し、光電変換層を積層化する構造によって太陽電池素子の出力電圧を高くして、次いで太陽電池素子の出力範囲である１Ｖ〜２Ｖで駆動可能なＩＣ化された昇圧回路で、二次電池を充電可能な電圧まで昇圧する構成を提案している。
【０００４】
また、従来から太陽電池モジュールの裏面に電力変換装置を取付けた太陽電池モジュールの提案がされている。例えば図７は、特開２００２−１４１５４０号公報に示された太陽電池モジュールの断面図であり、図７において、４２は太陽電池セル、４３は電力変換装置、４４は裏面補強材を示している。
【０００５】
この例では、太陽電池モジュール単位ごとに裏面の相対的に温度の低い部分に電力変換装置を取付け、太陽電池セルから発生する熱が電力変換装置に伝わることで、変換効率を低下させないような配置とする提案がなされている。
【特許文献１】特開平６−２２４７２号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１５４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の太陽光発電装置は以上のように構成されているので、必要な発電電力を得るためには、太陽電池素子及び昇圧回路の電力容量に合わせた個々の設計及び製造方法が必要となり、前記装置において電力容量を増設する場合においても大きな設計変更が必要で簡単でなく、また、太陽電池モジュール及び昇圧回路の寸法や特性の標準化が困難である問題があった。
【０００７】
従来の太陽光発電装置では、光電変換層の積層化が出来ない結晶シリコン及び化合物半導体を使用した太陽電池セルを使用する場合、セルの発電による開放電圧が現状でも０．９V以下であることからＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧をトランジスタ等の通常駆動電源電圧である３〜５Ｖ程度まで昇圧させると、スイッチング時のオン抵抗などの原因により出力電力及び昇圧するレベルが高くなるに従って変換時の損失が増大する問題があった。
【０００８】
また、従来の太陽光発電装置では、結晶シリコン及び化合物半導体を使用した太陽電池セルの０．９Ｖ以下の低出力電圧を電力変換するためには、トランジスタ等のスイッチングを安定して動作をさせるための駆動用電源が必要となるが、前記太陽電池セルの他に電源を持てない場合には、太陽光発電装置として機能できない問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決すべく請求項１記載の太陽光発電装置は、太陽電池セルと前記太陽電池セルの出力が入力されるＤＣ／ＤＣコンバータと該ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部とからなる太陽光発電装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、複数の昇圧チョッパー回路で構成するとともに、該各昇圧チョッパー回路の各入力はそれぞれ並列に接続し、更に各昇圧チョッパー回路の各出力はそれぞれ並列に接続されて構成され、前記制御回路を用いて該各昇圧チョッパー回路のスイッチング動作のタイミングをそれぞれずらして制御することを特徴とする。
【００１０】
上記問題を解決すべく請求項２記載の太陽光発電装置は、太陽電池セルと前記太陽電池セルの出力が入力されるＤＣ／ＤＣコンバータと該ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部とからなる太陽光発電装置において、複数個の前記太陽電池セルの各出力をそれぞれの前記太陽電池の各出力に接続されたスイッチ手段を用いて前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの供給を遮断するとともに複数個の前記太陽電池セルの直列接続回路から得られる出力を一時的に蓄える蓄電回路とを備え、前記太陽光発電装置の起動時は、該蓄電回路に一時的に出力を蓄えた後、前記スイッチ手段の切換をＤＣ／ＤＣコンバータへの接続に戻し、前記蓄電回路から得られる電力でＤＣ／ＤＣコンバータを駆動して太陽光発電手段を稼動させることを特徴とする。
【００１１】
上記問題を解決すべく請求項３記載の太陽光発電装置は、請求項１または２記載の太陽光発電装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング動作を行う電力変換装置回路として、前記太陽電池セルの出力電力から変換された熱もしくは電磁力により動作するスイッチを備えた起動回路および定常駆動用スイッチとしてＦＥＴを備えた駆動回路を備え、前記起動回路または前記駆動回路の出力電力を蓄える蓄電回路と当該蓄電回路に蓄電電力のレベルを検知する回路を備え、前記蓄電電力のレベルを検知する回路の検知レベルに従って、起動回路と駆動回路を動作することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明により、太陽電池セルとＤＣ／ＤＣコンバータから構成される太陽光発電装置を標準化でき、必要とする電力に応じて前記太陽光発電装置を簡単に増設することが可能で、大きな電力を出力することが可能な太陽光発電装置が容易に実現できる。
【００１３】
また、太陽電池セルの低い出力電圧から昇圧レベルを上げることができると伴に、大きな電力を変換する時の電力損失を低減できる。
【００１４】
請求項２記載の発明により、太陽電池セル以外の電源を持たずに太陽電池セルの出力から電力変換するスイッチングが可能な電源を得て、太陽光発電装置を機能させることが出来る。
【００１５】
請求項３記載の発明により、太陽電池セル以外の電源を持たずに太陽電池セルの出力を昇圧する回路を得て、太陽光発電装置を機能させることが可能となる。
【実施例１】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置を示し、１は太陽電池セル、２はこの各太陽電池セル１の出力端子に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ、３は各太陽電池セル１の出力電力及び各ＤＣ／ＤＣコンバータ２からの出力電力を検知し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の電力変換動作を総合的に制御する制御回路で、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間は並列接続する。
【００１７】
太陽電池セル１は、一般的に使用されている結晶シリコンを使用した太陽電池セルの電力で、日射条件の良い状態で最大０．５Ｖ、１０ｍＷ／ｃｍ２程度であることから、太陽電池セル１に接続するＤＣ／ＤＣコンバータ２は、入力が０．５V以下から昇圧することが可能なチョッパー方式、チャージポンプ方式、スイッチトキャパシタ方式などの昇圧回路で構成し、制御回路３からの信号に従ってスイッチング動作し、所定の出力に電力を変換する。制御回路３は、マイクロコンピュータなどを使用し、日射条件で大きく変化する太陽電池セル１の各出力電圧、出力電流を検知した結果から各太陽電池セルの発電電力を演算するほか、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を並列接続するための電力を決定し、太陽光発電装置として最大発電電力を得られるように各ＤＣ／ＤＣコンバータでのスイッチ動作を制御する。各太陽電池セル及び各ＤＣ／ＤＣコンバータは同じ形状、特性を持つものを使用し、必要とする電力の増大に対して、太陽電池セルとＤＣ／ＤＣコンバータを単位ユニットとして増やすことで容易に対応できる装置である。また、上記の場合、前記の太陽電池セルとＤＣ／ＤＣコンバータからなる増設するユニットを同じ形状、特性をもつものとしたが、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御回路で制御することで特性が異なるユニットも増設が可能である。
【実施例２】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態２を図に基づいて説明する。図２は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置のＤＣ／ＤＣコンバータを示し、４は太陽電池セル、５はこの各太陽電池セル４の出力端子に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ、６はＤＣ／ＤＣコンバータ５の昇圧回路のインダクタ、７はＤＣ／ＤＣコンバータ５の昇圧回路のスイッチング動作を行うスイッチ、８はＤＣ／ＤＣコンバータ５の昇圧回路を構成するダイオード、９は昇圧回路を構成するコンデンサ、１０は太陽電池セル４の出力電圧及び出力電流を検知する検知器、１１は検知器１０の信号とＤＣ／ＤＣコンバータ５からの出力電圧を検知し、スイッチ７のスイッチング動作を総合的に制御する制御回路で、インダクタ６、スイッチ７、ダイオード８で構成するチョッパー方式の昇圧回路は複数で並列接続する。
【００１９】
太陽電池セル４に接続するＤＣ／ＤＣコンバータ５は、入力が０．７V以下から昇圧することが可能なチョッパー方式の昇圧回路などを並列接続した構造で、制御回路１１からの信号に従ってＯＮ抵抗が極めて低いＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ７でスイッチング動作し、所定の出力に電力を変換する。制御回路１１は、マイクロコンピュータなどを使用して、日射条件で大きく変化する太陽電池セル４の各出力を検知した結果から、太陽電池セルの発電電力を演算するほか、所定の電圧に昇圧するためにスイッチング動作のＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を制御すると同時に、複数並列接続されたＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作のＯＮ／ＯＦＦ時間を調節することでＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電力を制御する。並列接続するチョッパー方式の昇圧回路は、昇圧レベルに合わせて増設することが可能で、各昇圧回路のインダクタに蓄えられるエネルギーを分散することが可能となり、各スイッチ７に流れる電流による損失を減らすことが可能となり変換効率の高いＤＣ／ＤＣコンバータとなる。
【実施例３】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態３を図に基づいて説明する。図３は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置を示し、１は太陽電池セル、１２はこの各太陽電池セル１の出力端子に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ、１６及び１７は各太陽電池セル１の直列接続から各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２への接続に切換えるスイッチ、１８は直列接続された太陽電池セル１と接続したＤＣ／ＤＣコンバータ１２を起動・駆動させるための電源、１９は各太陽電池セル１の出力電力及び各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２からの出力電力を検知し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の電力変換動作を総合的に制御するほか、各スイッチ１６及び１７を切換えて太陽電池セル１を直列接続から各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２への接続し、起動・駆動電源１８の出力を制御するための制御回路で、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間は並列接続する。
【００２１】
基本構造や動作は、実施の形態１と同じであるが、更に太陽電池セル１に接続したＤＣ／ＤＣコンバータを起動・駆動させるための各太陽電池セル１を直列接続から各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２への接続に切換えるリードスイッチ等で構成されるスイッチ１６及び１７、及び起動・駆動電源１８を備えている。結晶シリコンを使用した太陽電池セルの電力は、日射条件の良い状態で最大０．７Ｖ、１０ｍW／ｃｍ２程度であるために、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動用の電源とするには、この駆動電圧まで太陽電池セルを直列接続する。スイッチ１６及び１７は、例えば５Vの起動・駆動電圧を必要とする場合には、太陽電池セルを１１枚程度、直列接続する必要がある。太陽電池の特性として僅かな日射量があれば出力電圧は大きく変わらないことから直列接続数は駆動電圧が決まれば容易に決定し、スイッチ１６及び１７の配置数も容易に決まる。起動時ではスイッチ１６及び１７が接続された各太陽電池セルは直列接続された状態で、制御回路１９を起動させる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が駆動する状態では、直列接続された太陽電池セルを各ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の接続に切換える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の起動で平常駆動に必要な電力を得ると同時に太陽電池セルから得られる電力によって連続的に駆動が持続する。制御回路を駆動させるための電力は、電子機器の全体の消費電力と比べるとマイクロコンピュータを使用した場合でも１／１０以下であることから、直列接続する太陽電池セルの数量は太陽電池セル１の総数量に比べて非常に少なくなる。
【実施例４】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態４を図に基づいて説明する。図４は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置を示し、特に図４（ｂ）は、図４（ａ）の断面を示すものである。２０はＤＣ／ＤＣコンバータ、２１は太陽電池セル、２２はＤＣ／ＤＣコンバータ２０及び太陽電池セル２１を実装、配線接続する基板である。
【００２３】
太陽電池セル２１は、出力電圧が０．５Ｖ以下の一般的に使用される結晶シリコンを使用した太陽電池である。太陽電池セル２１は等間隔で、電気配線されたプリント基板の所定の位置に配置して半田付け等で電気接続され、配置された各太陽電池セルの日射を受ける面の裏側にＤＣ／ＤＣコンバータ２０を固定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子と太陽電池セルの出力端子はプリント基板を介して接続する。各ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、各太陽電池セルの面内で同じ位置に固定され、各太陽電池セルの出力端子と各ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子は可能な限り短く接続する。
【実施例５】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態５を図に基づいて説明する。図５は本発明の実施の形態に用いる太陽光発電装置のＤＣ／ＤＣコンバータを示し、２３は太陽電池セル、２４は起動回路、２５は起動回路２４でスイッチング動作するスイッチ、２６はスイッチ２５に直列接続したスイッチ、２７は駆動回路用のスイッチ、２８は起動回路の昇圧回路部のインダクタ、２９はインダクタ２８に接続されるダイオード、３０はダイオード２９に接続されるコンデンサ、３１は起動・駆動回路の出力と接続する蓄電回路、３２はＤＣ／ＤＣコンバータの駆動回路、３３は駆動回路の昇圧回路部のインダクタ、３４はインダクタ３３に接続したダイオード、３５は太陽電池セル２３に接続され、起動回路２４と駆動回路３２を切換えるスイッチ、３６は太陽電池セル２３の出力電圧及び出力電流を検知する検知器、３７はスイッチ２６及びスイッチ２７のスイッチング動作、スイッチ３５の切換え、検知器３６の信号とＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を検知し、スイッチ２７のスイッチング動作を総合的に制御する制御回路である。
【００２５】
太陽電池セル２３に接続したＤＣ／ＤＣコンバータは駆動回路３２とそれを駆動させるための起動回路２４で構成する。結晶シリコンを使用した太陽電池セルの電力は、日射条件の良い状態で最大０．７Ｖ、１０ｍＷ／ｃｍ２程度であるために、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するには、駆動電圧まで太陽電池セルの出力電圧を昇圧する起動回路が必要である。起動回路２４をチョッパー方式の昇圧回路とし、起動するためのスイッチ２６を初期状態ＯＮとして、スイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦ動作をする。スイッチ２５を流れる電流により発生する熱で動作するサーモスイッチとし、太陽電池セル２３の電力を利用して起動する。スイッチ２５の初期状態はＯＮで、日射により太陽電池セル２３から出力された電流がサーモスイッチに流れ、サーモスイッチの抵抗で熱が発生してＯＦＦする。ＯＦＦしたサーモスイッチは電流が流れなくなり温度が低下することで再びＯＮ状態になる。この動作を周期的に繰返しコンデンサ３０および蓄電回路３１に昇圧された電力が蓄えられ、ＤＣ／ＤＣコンバータが駆動する。ＤＣ／ＤＣコンバータが駆動すると同時に、スイッチ３５で太陽電池セルの出力を起動回路から駆動回路に切換え、スイッチ２６は初期状態のＯＮからＯＦＦされ、スイッチ２５のスイッチング動作を止め、スイッチ２７が制御回路３７によってスイッチング動作を定常的に開始する。また、スイッチ２６及びスイッチ３５に比べ駆動回路のスイッチング動作を行うスイッチ２７は、耐久性に優れ、ＯＮ抵抗の極めて低いＦＥＴを使用する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態である。
【図２】本発明の第２の実施形態である。
【図３】本発明の第３の実施形態である。
【図４】本発明の第４の実施形態である。
【図５】本発明の第５の実施形態である。
【図６】従来の太陽光発電装置の回路である。
【図７】従来の太陽光発電装置の構造である。
【符号の説明】
【００２７】
１  太陽電池セル
２  ＤＣ／ＤＣコンバータ
３  制御回路
４  太陽電池セル
５  ＤＣ／ＤＣコンバータ
６  インダクタ
７  スイッチ
８  ダイオード
９  コンデンサ
１０  電圧・電流検知器
１１  制御回路
１６  スイッチ
１７  スイッチ
１８  起動・駆動電源
１９  制御回路
２０  ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１  太陽電池セル
２２  基板
２３  太陽電池セル
２４  起動回路
２５  スイッチ
２６  スイッチ
２７  スイッチ
２８  インダクタ
２９  ダイオード
３０  コンデンサ
３１  蓄電回路
３２  駆動回路
３３  インダクタ
３４  ダイオード
３５  スイッチ
３６  電圧・電流検知器
３７  制御回路
３８  太陽電池セル
３９  昇圧回路
４０  二次電池
４１  負荷
４２  太陽電池セル
４３  電力変換装置
４４  裏面補強材