計測自動制御学会東北支部第267回研究集会（2011．10．28）
資料番号267−15

発電用ハイブリッドコントローラの検証

AVerificationoftheHybridController払rPowerSupply
O水口智貴＊，神田和也＊
OTomokiMizuguchi，KazuyaKanda＊鶴岡工業高等専門学校＊TsuruokaNationalCollegeofTechnology
キーワード：電子回路（electroniccircuit），太陽電池（solarcell）
MPPT（MaximumPointPowerTracker），DC−DCコンバータ（dc−dcconverter）
連絡先：〒997−0842 山形県鶴岡市井岡手沢田104兢岡工業高等専門学校 電気電子工学科
神田和也．Tel・：（0235）25−9095，Fax．：（0235）25−9095，E−mail：ka，nda＠tsuruoka−nCt．aC．jp

1．はじめに電力を効率良く一つに集め，負荷側へ提供し，日中は太陽光発電で負荷側に電力提供やバッテリーに充

近年，地球温暖化や化石燃料の消費を抑えるため電し，太陽光が使用できない夜間では，風力発電にに環境に優しい，かつクリーンな発電，自然エネル

よる発電や日中に充電したバッテリーの電力を負荷ギーを利用した発電として，風力発電や太陽光発電側に提供することが可能なコントローラであり，発が重要視されている．しかしながら，この二つの発電機器や，バッテリー，負荷との間に構成される．し電は発電量が火九 原子力に比べ小さく，気象条件

かし，風力発電の発電量は市街地での場合，有効発によって影響されやすく，天候の良し悪しによって電電力が発電機能力の10％程度になるため，発電電力の供給が不安定である．大型発電システムの場量が多い太陽光発電を重点とした制御コントローラ

合は単独の稼動が容易だが，小型発電システムではの作製を目的とした．

単独での稼動は少なく，太陽光発電と風力発電を組

本研究では太陽光発電と風力発電との発電量の差み合わせて使用されることが多い状況である．このがあるため，太陽光発電に着目し太陽光発電の発電ような二つ以上の発電システムを組み合わせたもの

量を向上させる制御コントローラの作製し，検証結を「ハイブリッド発電」と呼ばれ 太陽光発電，風果を報告する．

力発電の他に小水力発電や，バイオマスを組み合わせたものもあり，一般的には太陽光発電と風力発電

2．太陽電池充電コントローラの組み合わせが主流である．
ハイブリッド発電の使用例として電力供給が難し

2．1 概要い田畑や，公共施設などの保安照明などに使用され身近な場所にも現れるようになっている．しかし，そ太陽電池充電コントローラは太陽電池と蓄電池のれらを同時に制御することは困難であるため，ハイ間に繋いで使用し，主な機能として，過充電保護とブリッドコントローラが使用される．ハイブリッド

最大電力出力機能がある．最大電力出力機能とは，太陽電池の出力電力を最大にする機能である．太陽コントローラとは，風力発電と太陽光発電の二つの電池にはトⅤ出力特性があり．トⅤ出力特性につい−1一

てFig．1に示す．太陽電池は接続した負荷の電圧によって取り出せる電流が決定される性質があり，トV出力特性で電流と電圧のバランスの良い点が太陽電
最大出力電力：12【Wl・間放年足：21M
短櫨篭′た：0．74【A】︻＜︼鱈師尺玉G異相整堰

池の発電電力の最大となる．この点の出力で発電することが太陽電池の発電効率の向上といえる．1）2）

2．2 過充電保護バッテリーで使用した鉛蓄電池は過充電に避ける

太陽電池の出力電圧【Vl

必要があり，必要以上の充電はバッテリーに負荷を与え，バッテリー液の減少，寿命短縮，ガス発生による引火・爆発等を発生させる．これらの現象を防Fig．1Ⅰ−Vpoweroutputcharacteristics

ぐために，バッテリーの電圧を測定し，過充電と判断した場合，太陽電池とバッテリー間を切り離す必要がある．

2．3 降圧コンバータ

MOSFET

実際に使用される太陽光発電の電圧値は蓄電池よりも大きいものが多く，ダイオードのみ間に接続した場合（以降，直接接続と呼ぶ），太陽電池と蓄電池のマッチングが必要となり，蓄電池に合わせた太陽電池の選定となる．降圧コンバータを使用すれば，太陽電池の発電電圧を調整でき，Ⅰ−Ⅴ出力特性に適した値にすることが可能である．3）本研究では，変換効率の良く，簡単なチョッパ方式の降圧コンバー
タを作製する．Fig，2に示す

Fig．2 DC−DCBuckconverter

3．MPPT制御
3．1 概要太陽電池に接続されるバッテリーや，負荷により︻皇梶鱒雲雲慧盃蒜芸

出力が決定され，太陽電池が本来持つ定格の出力特性より低い出力電力となり，発電効率が低下する．

発電効率を向上させるためにMPPT制御が使用される．MTTP制御とは太陽電池の発電電圧と発電電流を測定し，発電電力が最大になるように追従させ，太陽電池の発電電力を効率良く充電する方法で

Vl

Vm V2

太陽電池の出力電圧【∨】ある．MPPT制御には，電圧追従法と山登り法があり，Ⅰ一Ⅴ出力特性を利用し，発電電力を最大にする

Fig．3 Themethodofvoltagetracker

方法である．

【2−

3．2 電圧追従法
電圧追従法とはⅠ−Ⅴ出力特性を利用する方法で︻︶己玉樹脚状Fig．3に示し説明する．枠の面積が発電電力を表し，Vlのように発電電流が高く，V2のように発電電圧が高くてもバランスが悪く，効率良く発電ができていない状態である．しかし，Vmのように発電電流と発電電圧のバランスが良い状態の時，太陽電池は最大発電電力で発電できる．

このときの電圧値は開放電圧の約80％（以降，最適電圧と呼ぶ）で、DC−DC
コンパ∵タを使用し太陽電池の発電電圧を変化させ，発電電圧［Ⅵ発電効率を向上させる．特徴として，太陽電池の動作点がバッテリーや負荷の電圧の影響を受けないた

Fig．4 The method of maximum power point
tracker

め，一定以上の効率で太陽電池から電力を取り出すことができる．電圧値の拙走で行うことができ，制御が容易で比較的安価であること．気象条件により最適電圧が変動するため，必ずしも最適電圧で動作しているとはいえず，精度が山登り法より低いことである．

3．3 山萱り法
山登り法をFig．4に示し説明する．Fig．4は縦軸を発電電九横軸を発電電圧にして示したものである．
この方法は太陽電池の発電電圧と発電電流を測定し，発電電力を算出し，逐一比較することにより，最大出力電力に近づけて発電することが可能な方法である．Fig．4のように，最大電力出力点が山の頂に見え，山に登って行くように見えることから山登り法といFig・5 ThemethodofvoltagetrackerFlowchart

われる．この方法も，電圧追従法と同様にDCrDCコンバータを使用して太陽電池の電圧を変化させる．

チャートをFig．5に示し，山登り法のフローチャー

特徴として，それぞれの気象条件化に合った太陽電トをFig．6に示す．これらのフローチャートは電圧池の最大出力電力を取り出すことが可能である．電値を測定してPWM制御のデューティー比を変化さ

圧追従法より制度が良い．回路・制御が電圧追従法

せる構成である，よりも複雑であるため，コストや消費電力が高い．

4．実験

3．4 制御方法

4．1 実験環境概要

MPPT制御にPICマイコン（16F88）を使用した．
A／D変換により電圧値を読み取り，過充電保護，MPPT

MPPT制御を利用したコントローラを使用して比制御の電圧値の比較に動作させた．山登り法での電流較検証を行う，Fig．7，Fig．8に実験概略図を示す．光測定には電流センサ（sparkfun社製，ACS712）で，源として，300［W〕の白熱電球を6つ使用し，太陽電圧値に変換し使用した．pwM出力機能により，降電池（OPTOSupplyLimited製，OSSMrSFOO12）に圧コンバータの制御を動作する．電圧追従法のフローー3一照射し，負荷としてバッテリー容量38［Ah】のバッテリー（イーグルピッチャー社製，CF−1238DC）を使用する．太陽電池と負荷間に逆流防止整流ダイオード（PANJITINTERNATIONALINC．製，ER504）と，コントローラを接続し，発電電圧，発電電流を測定する・室温は20［Oc］，室内照度は20【1Ⅹ］，5分間の計測を行う．Fig．7は，直接接続とコントローラを比較する実験回路であり，太陽電池が受ける四隅の照度を約10000［lx］にして，測定を行う・Fig．8は電圧追従法と山登り法を比較する実験回路であり，太陽電池が受ける四隅の照度を10000［1Ⅹ］と150叫1Ⅹ］として測定する．

4．2 結果Fig．7の実験回路より，直接接続とコントローラでの太陽電池の発電電力の様子をFig．9に示す．電圧追従法，山登り法，直接接続の順で発電電力が得られ，直接接続より電圧追従法では108％出力が増加

Fig．6 The method ofmaximum power point
tracker Flow chart

し，山登り法では104％出力が増加した結果となった．Fig．8の実験回路より，山登り法と電圧追従法の発電電力の様子をFig．10に示す．太陽電池が受ける照度を10000［1x］と15000［1Ⅹ］にし，実線が10000［1Ⅹト
破線が15000［呵を表している・10000〔1x］では電圧追従法の発電電力が大きくなり，15000［1xlでは、山登り法の発電電力が大きくなる結果となった．

4．3 考察直接接続とコントローラの比較ではコントローラ
Fig. 7 The comparison of direct circuit and aを使用した方が発電電力が得られることが分かるが，controller増加率が110％以下の結果となった．コントローラによって最適電圧付近で発電しているが，直接接続の場合，太陽電池の発電電圧はバッテリーの電圧に依存される．バッテリーの電圧が最適電圧に近い値の場合，最適電圧付近で発電できるため増加の割合が小さい結果になったと考えられる．

Fig・8 The comparison ofvoltage tr・aCker andmaximum power polnt traCker【4−電圧追従法と山登り法の比較では15000［叫の時，山登り法の発電電力が大きく，10000［1Ⅹ】の時電圧追従法の発電電力が大きくなる結果となった．電圧追従法の場合，照度を変えての測定のため，照度の変化により最適電圧が変化し，10000［1x］で調整した回
つ﹁−路では15000［1Ⅹ1の最適電圧で発電できなかったとを測定して比較するため，電流センサの感度の良さ29が求められる．使用した太陽電池は最大出力電力が︑一J︻き︼只紳紳辟

考えられる．山登り法の場合は発電電圧と発電電流2流が200［mA］程度なため，使用した電流センサでは2や直接接続12t叫の小型のもので，10000［lx］の照度では発電電一電圧追従法
7

ゆ山登り法

小さい電流の変動に対応できなかったと考えられる．
反対に15000［1Ⅹ］では，10000【1x］に比べ電流の変動21亡﹂が大きいため，電流センサの感度が良くなり最大電345

経過時間【分】力出力点に追従しやすい結果になったと考えられる．

Fig．9 Generated output by the direct circuit
and a controller

5．おわりに太陽電池での発電は、コントローラを使用することで発電効率を上昇させることができ，その方法をMPPT制御という．MPPTHiリ御にはI−V出力特性を利用する電圧追従法と，発電電力と発電電圧を測定し発電電力を算出し，随時比較し最大電力出力点に近づけていく山登り接がある．それらのMPPT制御機能をもつ太陽充電コントローラを2つ作製し比較検証を行った．直接接続での発電，電圧追従法，山一・一三、こ・・・・‥㌻義一−−ヨ、・‥王倣…一登り法を比較しコントローラが発電効率を上昇させ＿一−−■、ることを確認できた．電流センサの感度，照度によ性を向上させる必要がある．

￣，、■、■つ⊃︻≧︼只相聞娯る影響により発電電力の効率が変化するため，安定、t一■

今後の課題として，出力電力が異なる太陽電池で＿●＿電圧追従法1000叩×】の測定，電圧追従法の照度による最大電力出力点の−■電圧追従法15000【lx】

2．5

変動対策，山登り法の電流測定の検証，太陽電池に紳山登り法100001lx】
頑浄山登り法15000tx】

影ができるときの対策，異なるコンバータでの検証

2 ＿を挙げる．

01

2

34

経過時間【分】参考文献
1）吉富政信：太陽光パネルの基礎と取り扱い方，トラン
ジスタ技術，47−3，76／86（2010）

Fig・10 Generatedoutputbythevoltagetracker

aIld maximumpowerpointtracker

2）塚本聯考，延焼高志：太陽電池をフルパワー発電させるMPPTの製作，トランジスタ技術，42−9，164／174（2005）
3）久保大次郎：太陽電池と組み合わせる鉛害電池の高効率充電回路，トランジスタ技猟47−3，93／102（2010）

lJ二I−5