(57)【要約】【課題】太陽エネルギを効率よく利用する。【解決手段】発電装置は、太陽電池２０と、二次電池２２と、インバータ２６と、第１のダイオード３０と、第２のダイオード３２とを含む。二次電池２２は、設置済みの太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１００パーセントまでのいずれかの電圧で電力を出力するように、電力を蓄積する。インバータ２６は、太陽電池２０と二次電池２２とが出力する直流電力を交流電力に変換する。第１のダイオード３０は、二次電池２２が出力した直流電力が太陽電池２０に逆流することを防止する。第２のダイオード３２は、太陽電池２０が出力した直流電力が二次電池２２に逆流することを防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、
前記太陽電池の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧で電力を出力するように、前記電力を蓄積するための蓄積手段と、
前記太陽電池と蓄積手段とが出力する直流電力を交流電力に変換するための変換手段と、
前記蓄積手段が出力した直流電力が前記太陽電池に逆流することを防止するための第１の防止手段と、
前記太陽電池が出力した直流電力が前記蓄積手段に逆流することを防止するための第２の防止手段とを含む、発電装置。
【請求項２】
前記蓄積手段は、天候の区分を表わす期間における前記最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧で前記電力を出力するように、前記電力を蓄積するための手段を含む、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記電力を蓄積するための手段は、１つの季節における前記最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧で前記電力を出力するように、前記電力を蓄積するための手段を含む、請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記電力を蓄積するための手段は、１年における前記最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧で前記電力を出力するように、前記電力を蓄積するための手段を含む、請求項２に記載の発電装置。
【請求項５】
前記発電装置は、前記変換手段における入力側と出力側とを一定とするように、前記蓄積手段に電力を供給するための供給手段をさらに含む、請求項１に記載の発電装置。
【請求項６】
前記供給手段は、
前記変換手段に接続され、前記変換手段が変換した交流電力を直流電力に変換する整流器と、
前記変換手段および整流器の一方に前記蓄積手段の接続先を切替えるスイッチとを含む、請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
太陽電池と、
前記太陽電池の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１００パーセントまでのいずれかの電圧で電力を出力するように、前記電力を蓄積するための蓄積手段と、
前記太陽電池と蓄積手段とが出力する直流電力を交流電力に変換するための変換手段と、
前記蓄積手段が出力した直流電力が前記太陽電池に逆流することを防止するための第１の防止手段と、
前記太陽電池が出力した直流電力が前記蓄積手段に逆流することを防止するための第２の防止手段とを含む、発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関し、特に、夜間や曇りのため日射が得られず太陽電池の出力が不足する場合に予め二次電池などに充電された電力を入力することで電気量を所望値へ復元する、発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９、図１０、図１１、図１２、図１３、および図１４を参照して、太陽電池と二次電池とを備える従来の発電装置を説明する。
【０００３】
太陽電池から家庭用の一般交流負荷に電力を供給するためには、太陽電池自身に加え、インバータが必要である。インバータは、太陽電池の直流電力を交流電力に変換するために必要とされる。また、太陽電池だけでは不足する電力を補う場合や太陽電池の余剰電力を蓄える場合には二次電池が必要とされる。太陽電池の供給電力は日射により変化する。日射の少ないときは負荷が要求する電力を供給できなくなる。二次電池が補う電力は、この時供給できなくなった電力である。
【０００４】
通常、太陽電池は、出力電流によって出力電圧が変化する。出力電圧が変化するので、太陽電池から最大の電力を取出すため、最大電力点追尾制御が一般に行なわれている。この制御はＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御とも呼ばれている。この制御は、インバータで電流と電圧とを監視することにより、電力が最大となるように電流と電圧とが調節される制御である。この制御が実施されると、日射量や表面温度によって太陽電池の出力が時々刻々と変化しても電力が最大となるようにインバータの入力電圧が追従する。
【０００５】
ＭＰＰＴ制御が実施されると、太陽電池と二次電池とをそのまま並列にインバータの入力に接続することはできない。放電状態により多少電圧が低下することを除けば、二次電池の出力電圧がほぼ一定であるためである。
【０００６】
ＭＰＰＴ制御が実施される場合、太陽電池と二次電池とを並列にインバータの入力に接続するためには、次の対策のうち１つを講じることが必要である。第１の対策は、ＤＣ／ＤＣ（direct current）コントローラ（以下「ＤＤコン」と称する）を回路に含めて太陽電池の電圧と二次電池の電圧とを合わせる対策である。第２の対策は、太陽電池をＭＰＰＴ制御させないで接続する対策である。
【０００７】
図９は、二次電池２２とインバータとの間にＤＤコン４２が入った発電装置の例を表わす。太陽電池２０からの出力が第１のダイオード３０を介してインバータ２６へ入力されている。二次電池２２からの出力が第２のダイオード３２を介してインバータ２６へ入力されている。第１のダイオード３０と第２のダイオード３２とは、逆流防止のために取付けられている。太陽電池２０からの出力はＭＰＰＴ制御により制御される。そのために、二次電池２２は、ＤＤコン４２を介してインバータ２６に接続される。ＤＤコン４２の入力電圧は二次電池２２の出力電圧に等しい。ＤＤコン４２の出力電圧は太陽電池２０の出力がＭＰＰＴ制御に基づき調節されることで得られた電圧に等しい。
【０００８】
図１０は、図９に示す発電装置における、出力電圧と電力との関係を説明する図である。太陽電池２０の出力電圧が最大電力点電圧に等しければ太陽電池２０から最も大きい電力が取出せることを太陽電池２０のＰ−Ｖカーブ（電力対電圧のカーブ）は示している。「最大電力点電圧」とは、太陽電池２０が出力する電力が最大となる電力（最大電力点）における太陽電池２０の電圧のことである。二次電池２２のＰ−Ｖカーブは縦線として表される。二次電池２２の電圧が一定であるからである。太陽電池２０と二次電池２２とを同時にインバータ２６に接続すると、太陽電池２０の電圧は最大電力点電圧よりも低くなる。これは、二次電池２２より太陽電池２０の方が電力を供給する能力が通常低いためである。二次電池２２の影響を受けると、太陽電池２０から最大電力を取出すことはできない。二次電池２２の電圧が太陽電池２０の最大電力点電圧に等しくなるようにＤＤコン４２が二次電池２２の電圧を制御することで、太陽電池２０から最大電力を取出しつつ、二次電池２２からインバータ２６へ電力を入力することができる。
【０００９】
特許文献１は、図９にかかる発電装置の発明を開示する。特許文献１に開示された発明は、与えられた指令値に対応した電力を発生するインバータと太陽電池とを接続し、インバータからバッテリまでの間に第１のＤＤコンと第２のＤＤコンとを並列に挿入し、バッテリから放電させるための指令の発生時に、第１のＤＤコンを選択的に動作させて太陽電池の発生電力が最大となるように電圧を制御し、バッテリを充電するための指令の発生時に、第２のＤＤコンを選択的に動作させて太陽電池の発生電力が最大となるように電圧を制御する発電設備を開示する。
【００１０】
特許文献１に開示された発明によると、太陽電池の発電能力を最大限に発揮させ、日射エネルギを有効に利用することができる。
【００１１】
図１１は、太陽電池２０とインバータ２６との間にＤＤコン４６が入った発電装置の例を表わす。インバータ２６の入力電圧は二次電池２２の出力電圧に等しい。ＤＤコン４６の入力電圧は太陽電池２０の最大電力点電圧に等しい。ＤＤコン４６は、ＭＰＰＴ制御により制御される。これにより、ＤＤコン４６の出力電圧は、インバータ２６の入力電圧に等しくなる。図１２でその関係を説明する。図１２は、図１１に示す発電装置における出力電圧と電力との関係を表わす図である。図９に示す発電装置は、二次電池２２のＰ−Ｖカーブが移動するようにＤＤコン４２を制御する。図１２に示す通り、図１１に示す発電装置は、太陽電池２０のＰ−Ｖカーブが移動するようにＤＤコン４６を制御する。これにより、最大電力点電圧と二次電池２２の出力電圧とが一致する。最大電力点電圧と二次電池２２の出力電圧とが一致すると、太陽電池２０から最大電力を取出しつつ、二次電池２２からもインバータ２６へ電力を入力することができる。
【００１２】
図１３は、ＤＤコンを使用せず、第１のダイオード３０を介して太陽電池２０をインバータ２６へ接続し、第２のダイオード３２を介して二次電池２２をインバータ２６へ接続している発電装置の例を表わす。図１４は、この発電装置における、出力電圧と電力との関係を表わす図である。負荷の要求に対して十分な電力を太陽電池２０が発電していれば、太陽電池２０は負荷へ電力を供給できる。負荷の要求する電力が多く、かつ日射量が少なければ、本来出せる筈の電力より低い電力しか太陽電池２０は供給できない。この場合、二次電池２２は不足する電力を負荷へ供給する。
【００１３】
一旦、二次電池２２から供給される状態になった場合、インバータ２６の入力側の電圧は最大電力点電圧へ移行していかないケースがある。そのようなケースの中には、太陽電池２０の最大電力点の発電量が負荷の要求する電力より上回った状態もしくは負荷の要求する電力が太陽電池２０の最大電力点の発電量より下回った状態に移行しても、電圧が最大電力点電圧へ移行しないケースがある。ただし、二次電池２２のＰ−Ｖカーブと太陽電池２０のＰ−Ｖカーブとの交点を辿るようにインバータ２６への入力電力が推移する場合はこの限りではない。
【特許文献１】特開平６−２６６４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図９に開示された発電装置や特許文献１にかかる発電設備や図１１に開示された発電装置には、次に述べる問題点がある。その第１の問題点は、太陽電池２０や二次電池２２の電圧を制御するために複雑な回路を必要とすることである。第２の問題点は、ＤＤコンが加わることによってエネルギの利用効率が悪くなるという問題点である。この問題点は、ＤＤコンにおいて電力のロスが発生することを原因とする。
【００１５】
図１３に開示された発電装置には、太陽エネルギを十分に利用することが難しいという問題点がある。図１５、図１６、および図１７を参照して、この問題点を具体的に説明する。
【００１６】
二次電池２２の電圧が太陽電池２０の開放電圧よりも低く、ある時点において、太陽電池２０が出力できる最大の電力よりも負荷２８が消費する電力が小さい場合を仮定する。
【００１７】
この場合、太陽電池２０の電圧は、負荷が消費する電力に対応する電力となる。図１５は、たとえばある日射条件のもとで二次電池２２の電圧が太陽電池２０の最大電力点電圧よりも低い場合の負荷２８が消費する電力を表わす図である。
【００１８】
その後、負荷２８が消費する電力が増加すると、太陽電池２０の電圧は低くなる。太陽電池２０のＰ−Ｖカーブによれば、太陽電池２０が出力する電力と太陽電池２０の電圧とは対応するからである。負荷２８が消費する電力が増加した結果、太陽電池２０が出力できる最大の電力と負荷２８が消費する電力とが等しくなると、太陽電池２０の電圧は最大電力点電圧に達する。図１６は、太陽電池２０の電圧が最大電力点電圧に達した場合に負荷２８が消費する電力を表わす図である。
【００１９】
その後、太陽電池２０が出力できる最大の電力を負荷２８が消費する電力が超えると、太陽電池２０と二次電池２２とが負荷２８に電力を供給するようになる。図１７は、このような場合に負荷２８が消費する電力を表わす図である。二次電池２２が負荷２８に電力を供給するようになると、太陽電池２０の電圧は二次電池２２の電圧に等しくなる。太陽電池２０が電力を供給する能力よりも二次電池２２が電力を供給する能力が高いためである。太陽電池２０の電圧が二次電池２２の電圧に等しくなると、太陽電池２０が供給できる電力は、本来供給できる電力よりも少なくなる。太陽電池２０が供給できる電力を二次電池２２が供給してしまうためである。この場合、太陽エネルギを十分に利用できず、かつ必要以上に二次電池２２の電力を使ってしまうため、太陽エネルギの利用効率は悪くなる。二次電池２２の電圧が太陽電池２０の最大電力点電圧より低ければ低いほど、太陽エネルギの利用効率は悪くなる。
【００２０】
図１５、図１６、図１７は二次電池２２の電圧が太陽電池２０の最大電力点電圧よりも低い場合の例について図示してきたが、二次電池２２の電圧が太陽電池２０の最大電力点電圧より高い場合にも、太陽エネルギの利用効率は悪くなる。図１８は、太陽エネルギの利用効率が悪くなることを表わす図である。図１８のようにＡ点で太陽電池２０が最大電力を出せば、負荷における電力需要を賄える場合でも、二次電池２２の電圧の方が高いためＢ点で動作してしまう。
【００２１】
以上の説明の通り、太陽電池２０の最大電力点電圧と二次電池２２の電圧との差が大きくなるにつれ、太陽エネルギの利用効率は悪くなる。この差を小さいままに維持することは困難である。太陽電池２０の最大電力点電圧が日射量や太陽電池２０表面の温度により刻々と変化するためである。
【００２２】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、太陽エネルギを効率よく利用できる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うと、発電装置は、太陽電池と、蓄積手段と、変換手段と、第１の防止手段と、第２の防止手段とを含む。蓄積手段は、太陽電池の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧で電力を出力するように、電力を蓄積する。変換手段は、太陽電池と蓄積手段とが出力する直流電力を交流電力に変換する。第１の防止手段は、蓄積手段が出力した直流電力が太陽電池に逆流することを防止する。第２の防止手段は、太陽電池が出力した直流電力が蓄積手段に逆流することを防止する。
【００２４】
また、上述した蓄積手段は、天候の区分を表わす期間における最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧で電力を出力するように、電力を蓄積するための手段を含むことが望ましい。
【００２５】
もしくは、上述した電力を蓄積するための手段は、１つの季節における最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧で電力を出力するように、電力を蓄積するための手段を含むことが望ましい。
【００２６】
もしくは、上述した電力を蓄積するための手段は、１年における最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧で電力を出力するように、電力を蓄積するための手段を含むことが望ましい。
【００２７】
また、上述した発電装置は、変換手段における入力側と出力側とを一定とするように、蓄積手段に電力を供給するための供給手段をさらに含むことが望ましい。
【００２８】
もしくは、上述した供給手段は、整流器と、スイッチとを含むことが望ましい。整流器は、変換手段に接続され、変換手段が変換した交流電力を直流電力に変換する。スイッチは、変換手段および整流器の一方に蓄積手段の接続先を切替える。
【００２９】
本発明の他の局面に従うと、発電装置は、太陽電池と、蓄積手段と、変換手段と、第１の防止手段と、第２の防止手段とを含む。蓄積手段は、太陽電池の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１００パーセントまでのいずれかの電圧で電力を出力するように、電力を蓄積する。変換手段は、太陽電池と蓄積手段とが出力する直流電力を交流電力に変換する。第１の防止手段は、蓄積手段が出力した直流電力が太陽電池に逆流することを防止する。第２の防止手段は、太陽電池が出力した直流電力が蓄積手段に逆流することを防止する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る発電装置は、太陽エネルギを効率よく利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００３２】
<第１の実施の形態>
図１は、本実施の形態に係る発電装置の構成を表わす図である。図１を参照して、本実施の形態に係る発電装置は、太陽電池２０と、二次電池２２と、インバータ２６と、第１のダイオード３０と、第２のダイオード３２とを含む。太陽電池２０は、光を受けると発電する。二次電池２２は、後述する電圧で電力を出力するように、電力を蓄積する。インバータ２６は、太陽電池２０と二次電池２２とが出力する直流電力を交流電力に変換する。本実施の形態に係るインバータ２６は、上述したＭＰＰＴ制御を実施しない。インバータ２６は、変換された交流電力を負荷２８に供給する。第１のダイオード３０は、二次電池２２が出力した直流電力が太陽電池２０に逆流することを防止する素子である。第２のダイオード３２は、太陽電池２０が出力した直流電力が二次電池２２に逆流することを防止する素子である。
【００３３】
本実施の形態に係る発電装置は、図示しないスイッチを含む。このスイッチは、第２のダイオード３２と並列に接続されている。これにより、二次電池２２は、インバータ２６を介して図示しない商用電源からの電力を蓄積できる。
【００３４】
二次電池２２が出力する直流電力の電圧は、次の要件を満たす電圧である。その要件とは、電圧Ｖｍｐに対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧であるという要件である。電圧Ｖｍｐは、設置済みの太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値である。本実施の形態の場合、電圧Ｖｍｐは、１年における最大電力点電圧の最大値を意味する。このため、本実施の形態に係る発電装置を設置する場合、電圧Ｖｍｐを設置前に特定する必要がある。電圧Ｖｍｐを特定する方法は特に限定されない。たとえば、過去の実験データに基づいて特定する方法がある。
【００３５】
図２は、太陽電池２０が発電する電力の大きさＰとその電圧Ｖとの関係（Ｐ−Ｖカーブ）を表わす図である。図２において、黒丸は太陽電池２０の最大電力点電圧を表わす。各曲線の近傍に付されている値は、各曲線の日射量を表わす。日射量の単位はワット毎平方メートルである。
【００３６】
図２によれば、日射量が５００ワット毎平方メートルまでであれば日射量が増えるにつれ最大電力点電圧が高くなり、日射量が５００ワット毎平方メートルを超えると日射量が増えるにつれ最大電力点電圧が低下する。これらの現象は、次の性質に基づく現象と考えられる。その第１の性質は、日射量が増加するにつれ最大電力点電圧が増加するという性質である。第２の性質は、太陽電池２０の温度が高くなるにつれ最大電力点電圧が低くなるという性質である。本実施の形態に係る発電装置の設置にあたっては、図２に示すような図を実験に基づいて予め作成し、二次電池２２が出力する直流電力の電圧をその図に基づいて決定する。
【００３７】
図３は、設定電圧の比率に対する発電量の比率を表わす図である。図３に基づいて、太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧を二次電圧２２の電圧とする理由を説明する。
【００３８】
図３において、細い線で描かれたカーブは晴天日におけるデータの軌跡を表わす。太い線で描かれたカーブは曇天日におけるデータの軌跡を表わす。図３において、横軸は設定電圧の比率を表す。図３において、縦軸は発電量の比率を表す。「設定電圧の比率」とは、二次電池２２の電圧を最大電力点電圧で除算した値を表わす。「発電量の比率」とは、本実施の形態にかかる太陽電池２０に対してＭＰＰＴ制御を実施したときとしないときとで、太陽電池２０の１日の発電量がどれだけ差があるかを表す比率である。「発電量の比率」は、ＭＰＰＴ制御を実施した場合の太陽電池２０の１日の発電量を分母とし、ＭＰＰＴ制御を実施しない場合の太陽電池２０の１日の発電量を分子とする。ＭＰＰＴ制御を実施しない場合、太陽電池２０の発電量は二次電池２２の電圧に依存する。
【００３９】
図３において、設定電圧の比率が「１」の場合、発電量の比率はほぼ１００パーセントである。このことは、晴天日においては、ＭＰＰＴ制御をせず、かつ太陽電池２０が出力する電力の電圧が二次電池２２の電圧に等しくなったとしても、ＭＰＰＴ制御をした場合とほぼ同量の電力を発電できることを意味する。設定電圧の比率が「１．１」から「１．２」へと増大して行った場合、発電量の比率は９７パーセントから８０パーセントへと低下する。これは、二次電池２２の設定電圧が高くなると太陽電池２０が効率よく発電できないためである。太陽電池２０が効率よく発電できないのは、太陽電池２０の出力電圧が最大電力点電圧を大きく上回るためである。設定電圧の比率が「１」を超えた場合に発電量の比率が低下する傾向は曇天日において特に顕著になる。曇天時の場合、設定電圧の比率が「１．０５」を超えると、発電量の比率は９５パーセントから急激に低下している。即ち、ＭＰＰＴ制御をしないシステムで、設定電圧の比率を「１．０５」より大きく設定すると天候が曇って来たときに、太陽電池が効率よく発電できなくなり利用効率が悪くなる。従って、ＭＰＰＴ制御をしないのであれば、設定電圧の比率を「０．９」から「１．０」までの間、即ち、太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１００パーセントまでの間となる電圧を二次電圧２２の電圧とすることが望ましい。なお、９０パーセント以上となる電圧が望ましい理由は後述する。曇天時に発電量の比率が急激に低下する限界点の設定電圧の比率「１．０５」に対し、望ましい上限を「１．０」としているが、晴天の多い地方に設置されたなどの理由により曇天時の効率低下を気にしなくてよい場合には、設定電圧の比率が「１．０」から「１．０５」までの間、即ち、二次電圧２２の電圧は、太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して１００パーセントから１０５パーセントまでの間であってもよい。一方、太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１００パーセントまでのいずれかの値に二次電圧２２の電圧が等しければ、本実施の形態に係る発電装置のユーザは、天候の影響をあまり受けることなく、適切な効率で変換された電力を得ることができる。
【００４０】
これより設定電圧の比率の望ましい上限は決まったが、望ましい下限については上限での発電量の比率９５パーセント以上の範囲から求める。図３において、晴天日の場合、設定電圧の比率が「０．９」を下回ると、発電量の比率は９５パーセントを下回る。日射量が大きくなる時間帯において太陽電池２０が効率よく発電できないためである。従って、ＭＰＰＴ制御をしないのであれば、設定電圧の比率が「０．９」以上、即ち、太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセント以上となる電圧を二次電圧２２の電圧とすることが望ましい。設定が可能であれば、太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセント以上となる電圧を二次電圧２２の電圧としてもよい。
【００４１】
以上の説明が、太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧を二次電圧２２の電圧とする理由である。太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧を二次電池２２の電圧とすることで、ＭＰＰＴ制御をせず、かつ太陽電池２０が出力する電力の電圧が二次電池２２の電圧に等しくなったとしても、ＭＰＰＴ制御をした場合の９５パーセント程度以上の電力を得ることができる。太陽電池２０の最大電力点電圧の最大値に対して９５パーセントから１００パーセントまでのいずれかの電圧を二次電池２２の電圧とすることで、ＭＰＰＴ制御をせず、かつ太陽電池２０が出力する電力の電圧が二次電池２２の電圧に等しくなったとしても、ＭＰＰＴ制御をした場合の９５パーセント程度以上の電力を得ることができる。
【００４２】
図４、図５、および図６は、日射量についての参考となる図である。図４は、晴天日の日射量の推移例を表わす図である。図４は、日本国の奈良県で２月に測定されたデータに基づいて描かれた図である。図４に示すデータの場合、日射量の最大値は９７４ワット毎平方メートルである。図５は、曇天日の日射量の推移例を表わす図である。図５も、日本国の奈良県で２月に測定されたデータに基づき描かれている。図５に示すデータの場合、日射量の最大値は３６０ワット毎平方メートルである。図４が表わすデータと図５が表わすデータとによれば、曇天日における日射量の総量は、晴天日における日射量の総量の１０分の１程度である。図６は、日射量と最大電力点電圧との関係を表わす図である。図６が表わすデータによると、日射量の最大値が９７４ワット毎平方メートルのとき最大電力点電圧は１９８ボルトである。日射量の最大値が３６０ワット毎平方メートルのとき最大電力点電圧は２１０ボルトである。
【００４３】
以上のような構造に基づく、本実施の形態に係る発電装置の動作について説明する。
本実施の形態に係る発電装置が設置された地域の電気は当初快晴であったとする。その地域の天候が快晴である間には、太陽電池２０は発電することとなる。太陽電池２０は、発電した直流電力を第１のダイオード３０を通じてインバータ２６に供給する。太陽電池２０が発電した直流電力をインバータ２６は交流電力に変換する。インバータ２６は変換した交流電力を負荷２８に供給する。ＭＰＰＴ制御は実施されないが、図３に示すデータから明らかなように、ＭＰＰＴ制御が実施された場合の少なくとも９５パーセントの電力が太陽電池２０から得られる。
【００４４】
その後、天候が曇りになると、太陽電池２０が発電する電力量は低下する。その結果、太陽電池２０が発電する電力量よりも負荷２８が消費する電力量が多くなると、二次電池２２はインバータ２６を介して負荷２８に電力を供給する。ＭＰＰＴ制御は実施されないが、図３に示すデータから明らかなように、ＭＰＰＴ制御が実施された場合の少なくとも９５パーセントの電力が太陽電池２０から得られる。
【００４５】
以上のようにして、本実施の形態に係る発電装置は、太陽光から得たエネルギを負荷に供給できる。その際負荷に供給される電力は、ＭＰＰＴ制御が実施された場合とほぼ同程度の電力である。これにより、本実施の形態に係る発電装置は、次の効果を得ることができる。第１の効果は、低コストで太陽光発電システムが実現できるという効果である。その理由は、高価なＤＤコンを使わないことにある。これに付随して、交換部品の点数が少なくなり、メンテナンスも容易になる効果もある。第２の効果は、次の点で、高いエネルギ効率を得ることができるという効果である。即ち、ＭＰＰＴ制御機能のないシンプルなシステムにおいても、効率９５％のＤＤコンバータを用いてＭＰＰＴ制御した場合に匹敵する高いエネルギー効率が得られているという点である。第３の効果は、制御回路などを簡略化できるという効果である。その理由は、複雑なＭＰＰＴ制御を行わないことにある。第４の効果は、蓄電池の消耗を抑え交換回数を減らすことができるという効果である。太陽電池から効率良く電力が供給され、かつ蓄電池からの電力の供給が抑制されることによる、充放電量の減少によるものである。第５の効果は、太陽光の有効利用ができるので、自然エネルギの利用拡大を図ることができるという効果である。
【００４６】
なお、本実施の形態の変形例にかかる発電装置は、太陽電池２０の容量と二次電池２２の容量との比が１：０．５から１：３の範囲に含まれる装置であってもよい。たとえば、太陽電池２０の容量が１ｋＷあれば、二次電池２２の容量が３ｋＷであってもよい。太陽電池２０の容量と二次電池２２の容量との比が上述した範囲にある場合、二次電池２２の容量が最適化されるためである。この比率は、太陽電池の電力を効率よく取り出したときに太陽電池の電力が多少余る程度の丁度よい比率である。二次電池の設定電圧が悪い従来のシステムは、太陽電池の電力を十分に引き出しきれていないため、二次電池を余分に用意する必要があった。即ち、太陽電池の容量の３倍以上の二次電池を用意していた。本実施の形態にかかる発明なら、太陽電池の電力を有効に利用できるので、二次電池の設置容量が少なくて済む。
【００４７】
<第２の実施の形態>
図７は、本実施の形態に係る発電装置の構成を表わす図である。図７を参照して、本実施の形態に係る発電装置は、太陽電池２０と、二次電池２２と、インバータ２６と、第１のダイオード３０と、第２のダイオード３２と、整流器３４と、スイッチ３６とを含む。第２のダイオード３２と並列に接続されるスイッチは設けられていない。整流器３４は、インバータ２６と二次電池２２とに接続され、負荷２８と共用される電線を通じてインバータ２６が変換した交流電力を直流電力に変換する。これにより、本実施の形態に係る発電装置は、インバータ２６における入力側と出力側とを一定とするように、二次電池２２に電力を供給する素子を含むこととなる。スイッチ３６は、インバータ２６および整流器３４の一方に二次電池２２の接続先を切替える。なお、その他のハードウェア構成については前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００４８】
以上のような構造に基づく、発電装置の動作について説明する。
スイッチ３６は、二次電池２２が整流器３４に接続されるような状態にあることとする。この状態で、整流器３４は太陽電池２０の余剰電力を直流電力に変換する。整流器３４はその直流電力を二次電池２２に供給する。これにより、二次電池２２は充電される。
【００４９】
二次電池２２が十分電力を蓄積した後、スイッチ３６は二次電池２２が接続される回路を切替える。スイッチ３６の切替え方法は特に限定されない。たとえばユーザがスイッチ３６を操作する方法であってもよい。スイッチ３６が回路を切替えた後、太陽電池２０が供給する電力が低下すると、二次電池２２は、インバータ２６を介して、先に蓄積した電力を負荷２８に供給する。
【００５０】
以上のようにして、本実施の形態に係る発電装置は、整流器３４を通じて二次電池２２を充電できる。これにより、本実施の形態に係る発電装置は、双方向インバータが含まれていなくても二次電池を充電できる。
【００５１】
なお、本実施の形態の変形例に係る発電装置の場合、整流器３４は、図示しない商用電源から供給された交流電力を二次電池２２に供給してもよい。
【００５２】
<第３の実施の形態>
図８は、本実施の形態に係る発電装置の構成を表わす図である。図８を参照して、本実施の形態に係る発電装置は、太陽電池２０と、第１の二次電池２３と、インバータ２６と、第１のダイオード３０と、第２のダイオード３２と、スイッチ３８と、第２の二次電池２４と、スイッチ４０と、第３の二次電池２５とを含む。第１の二次電池２３と第２の二次電池２４と第３の二次電池２５とは電力を蓄積する。スイッチ３８とスイッチ４０とは第１の二次電池２３と第２の二次電池２４と第３の二次電池２５とを直列に接続させる。第１の二次電池２３と第２の二次電池２４と第３の二次電池２５とは、スイッチ３８とスイッチ４０とによって、次に述べる電力を出力するように動作する蓄電ユニットとなることとする。その電力とは、次に述べる電圧に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧の電力である。その電圧とは、１つの季節における最大電力点電圧の最大値である。このために、第１の二次電池２３の容量と第２の二次電池２４の容量と第３の二次電池２５の容量とは、図２に示したデータと同様のデータに基づいて決定されていることとする。なお、その他のハードウェア構成については前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００５３】
以上のような構造に基づく発電装置の動作について説明する。
ユーザは、季節に応じてスイッチ３８とスイッチ４０とを操作する。これにより、二次電池２２と第２の二次電池と第３の二次電池とが負荷２８に供給する電圧は季節により変化する。
【００５４】
季節が夏であれば、スイッチ３８とスイッチ４０とをオフにする。春と秋とにおいて、ユーザはスイッチ３８をオンにし、かつスイッチ４０をオフにする。冬において、ユーザはスイッチ３８と４０とをオンにする。
【００５５】
以上のようにして、本実施の形態に係る発電装置は、季節に合わせて二次電池が供給する電力の電圧を変更できる。その電圧が変更されることにより、太陽電池は効率よく太陽エネルギを電力に変換する。二次電池の電圧が変更されることにより、太陽電池の最大電力点電圧が二次電池の電圧を下回るなどといった事態が回避されるからである。その結果、季節に応じた気温の変動が激しい環境にあっても太陽エネルギを効率よく利用できる発電装置を提供することができる。
【００５６】
なお、本実施の形態の第１の変形例にかかる発電装置は、複数の季節にまたがる期間に合わせて二次電池が供給する電力の電圧を変更できる装置であってもよい。たとえば、緯度が高い地域においては、寒暖の差にもよるが、四季に合わせて二次電池が供給する電力の電圧を変更するよりも、日の出から日没までの時間がどの範囲にあるかということに合わせて電圧を変更する方が合理的である場合もある。あるいは、発電装置は、乾季や雨季に合わせて二次電池が供給する電力の電圧を変更できる装置であってもよい。これらの変形例に基づき、二次電池は、定電圧源的な特性を持つ場合は、すなわち一定の電圧で電力を出力する電池である場合は、次に述べる電圧で電力を出力するように電力を蓄積するユニットであってもよいといえる。その電圧とは、天候の区分を表わす期間における最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧である。
【００５７】
また、本実施の形態の第２の変形例にかかる発電装置は、上述した期間とは異なる所定の期間に合わせて二次電池が供給する電力の電圧を変更できる装置であってもよい。そのような期間は発電装置が設置される場所その他の事情により特定される期間であってもよい。これらの変形例に基づき、二次電池は、定電圧源的な特性を持つ場合は、すなわち一定の電圧で電力を出力する電池である場合は、次に述べる電圧で電力を出力するように電力を蓄積するユニットであってもよいといえる。その電圧とは、設置済みの太陽電池の所定の期間における最大電力点電圧の最大値に対して９０パーセントから１０５パーセントまでのいずれかの電圧である。
【００５８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発電装置の構成を表わす図である。
【図２】太陽電池が出力する電力とその電圧との関係を表わす図である。
【図３】設定電圧の比率と発電量の比率との関係を表わす図である。
【図４】晴天日における日射量の推移を表わす図である。
【図５】曇天日における日射量の推移を表わす図である。
【図６】最大電力点電圧と日射量との関係を表わす図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る発電装置の構成を表わす図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る発電装置の構成を表わす図である。
【図９】二次電池からインバータまでの間にＤＤコンが入った発電装置の構成を表わす図である。
【図１０】二次電池からインバータまでの間にＤＤコンが入った発電装置における出力電圧と電力との関係を表わす図である。
【図１１】太陽電池からインバータまでの間にＤＤコンが入った発電装置の構成を表わす図である。
【図１２】太陽電池からインバータまでの間にＤＤコンが入った発電装置における出力電圧と電力との関係を表わす図である。
【図１３】太陽電池と二次電池とをＤＤコンを介さずにインバータに接続する発電装置を表わす図である。
【図１４】太陽電池と二次電池とをＤＤコンを介さずにインバータに接続する発電装置における出力電圧と電力との関係を表わす図である。
【図１５】二次電池の電圧が太陽電池の最大電力点電圧よりも低い場合の負荷が消費する電力を表わす図である。
【図１６】太陽電池の電圧が最大電力点電圧に達した場合に負荷が消費する電力を表わす図である。
【図１７】太陽電池が出力できる最大の電力を負荷が消費する電力が超える場合に負荷が消費する電力を表わす図である。
【図１８】二次電池の電圧が太陽電池の最大電力点電圧より高い場合にも太陽エネルギの利用効率が悪くなることを表わす図である。
【符号の説明】
【００６０】
２０  太陽電池、２２  二次電池、２３  第１の二次電池、２４  第２の二次電池、２５  第３の二次電池、２６  インバータ、２８  負荷、３０  第１のダイオード、３２  第２のダイオード、３４  整流器、３６，３８，４０  スイッチ、４２，４６  ＤＤコン。
【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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