JP2014508357A - ソーラーセルの出力電力を最適化するためのデバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

ソーラーセル（４）の出力電力を最適化するための電子デバイス（２）が、ソーラーセル及び負荷（８）間に直列に結合される可変レジスタ（６）、可変レジスタを制御するように構成される制御ユニット（１０）、出力電圧（Ｖ）を測定するためのセンサ（１２）及びソーラーセル（４）の出力電流（Ｉ）を測定するためのセンサ（１４）を有する。制御ユニット（１０）は、時間（ｔ）にわたる出力電圧（Ｖ）の一次導関数が一定の値を有するように、時間にわたって直列レジスタ（６）の抵抗を変えるように、時間にわたって出力電流（Ｉ）の二次導関数を同時に監視するように、時間（ｔ）にわたる出力電流（Ｉ）の二次導関数が所定の閾値を超えるか否かを判定するように、及び出力電圧及び電流の対応する値をソーラーセルの最大電力点（ＭＰＰ）として識別するように、構成される。

Description

本願は概してソーラーセルの出力電力を最適化するための電子デバイスに関連する。本発明は更に、ソーラーセルの出力電力を最適化するための電子デバイスを動作するための方法に関連する。

ソーラーセルの好ましい動作地点は、ソーラーセルが最大出力電力を搬送する最大電力点（ＭＰＰ）である。図１は、従来技術に従ったソーラーセルの典型的な電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す。ソーラーセルの出力電力は、Ｉ及びＶの積により与えられ、その最大値がＭＰＰを定める。

ＭＰＰを判定するための典型的な方法は、ソーラーセルの実際の負荷に直列に結合されるテスト負荷を変えることである。テスト負荷が変えられる一方で、出力電力が計算される。更に、Ｉ及びＶの積の一次導関数（first
order derivative）（即ち、ソーラーセルの出力電力）が決められる。図１の出力電力曲線から分かるように、その一次導関数はＭＰＰでその傾きを変える。電流Ｉを増大することにより、低電流値で開始するとき、出力電力がその最大値に達するまで対応する電圧Ｖが増大する。電圧Ｖが更に増大すると、電流Ｉの低下する値につながる。言い換えると、それぞれのＩ及びＶ値がＭＰＰから左に位置するか又は右に位置するかに応じて、一次導関数は正の又は負の傾きを有する。正の傾きは、ＭＰＰが一層高い電流値で見られ得るという情報を含み、一方、負の傾きは、ＭＰＰが一層低い電流値に位置することを示す。それに従って電流及び電圧を調節することにより、ソーラーセルはそのＭＰＰに設定され得る。

しかし、複数の外部パラメータが、ソーラーセルの出力電力特性に影響を与える。特に、光への露出及びセルの動作温度が出力電力曲線に影響を与える。従って、ＭＰＰも異なる電圧及び電流値にシフトされる。ソーラーセルを常にそのＭＰＰで動作させるため、この依存性は、ソーラーセルの動作電流及び電圧を頻繁に調節する必要性につながる。この調節は通常、前述の方式で動作するマイクロコントローラユニット又はデジタルシグナルプロセッサによって実行される。また、この調節は速くなくてはならない。というのは、ソーラーセルの実際の負荷が非常に急速に変化し得るためだけでなく、光露出及び動作温度などの動作条件も変化し得るためである。しかし、マイクロコントローラユニット又はデジタルシグナルプロセッサの適用は、これらの構成要素が高価であるため、システムのコストを増加させる。

ソーラーセルの出力電力を最適化するための代替の電子デバイスを提供することが本発明の一つの全般的な目的である。この電子デバイスを動作させるための代替の方法を提供することも一つの目的である。

本発明は、ソーラーセルの出力電力を最適化するための電子デバイスを提供する。電子デバイスは、制御ユニット、及びソーラーセルと負荷との間に直列に結合される可変直列レジスタを含む。制御ユニットは、可変レジスタを制御するように構成され、そして、更に、ソーラーセルの出力電圧及び出力電流を測定するためのセンサを含む。制御ユニットは、時間にわたる出力電圧の一次導関数が一定の値を有するように時間にわたって直列レジスタの抵抗を変えるように構成される。同時に、制御ユニットは、時間にわたって出力電流の二次導関数が所定の閾値を超えるか否かを判定するため、時間にわたって出力電流の二次導関数を監視するように構成される。対応する出力電圧及び電流の値が、そのソーラーセルの最大電力点（ＭＰＰ）として識別される。

本発明に従って、電子デバイスは、ソーラーセルの動作条件の信頼性の高い及びコスト効率のよい制御及び最適化を可能にする。例えばマイクロコントローラなどのコストのかかる構成要素は省かれ得る。

本発明の１つの側面に従って、制御ユニットは更に、時間にわたって出力電流の二次導関数の極値を検出することにより、ソーラーセルの最大電力点（ＭＰＰ）を識別するように構成される。

本発明の更なる側面に従って、電子デバイスはアナログ集積回路として実現される。これにより、電子デバイスの非常にコスト効率のよい実装が可能となる。

本発明は更に、ソーラーセルの出力電力を最適化するための電子デバイスを動作するための方法を提供する。制御ユニットがあり、ソーラーセルと負荷との間に直列に可変直列レジスタが結合される。制御ユニットは、可変レジスタを制御するように構成され、ソーラーセルの出力電圧及び電流を測定するためのセンサを更に含む。時間にわたって出力電圧の一次導関数が一定の値を有するように、直列レジスタの抵抗は時間にわたって変えられる。同時に、時間にわたって出力電流の二次導関数が監視され、時間にわたって出力電流の二次導関数が所定の閾値を超えるか否かが判定される。出力電圧及び電流の対応する値が、そのソーラーセルの最大電力点（ＭＰＰ）として識別される。

例示の実施例を添付の図面を参照して説明する。

図１は、従来技術に従った、ソーラーセルの典型的な電流電圧特性及び対応する出力電力を示す簡略化した図である。

図２は、本発明の一実施例に従った、ソーラーセルの最大電力点を判定するための電子デバイスの簡略化した概略回路図である。

図３は、本発明の一実施例に従った、時間にわたる出力電流の一次導関数及び時間にわたる電流の二次導関数を更に示す更なる簡略化した図である。

図１は、光に晒されるソーラーセルの典型的な電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す簡略化した図である。更に、ソーラーセルの対応する出力電力も図１に示す。このソーラーセルは、出力電力曲線の極値においてその最大出力電力を搬送し、これは最大電力点ＭＰＰと呼ぶこともある。ソーラーセルを動作させるとき、最大効率を達成するため、ソーラーセルをＭＰＰで又はその近辺で動作させることが望ましい。

図２は、本発明の電子デバイス２のための一実施例の簡略化した概略回路図である。電子デバイス２は、可変直列レジスタ６、出力電圧Ｖを測定するためのセンサ１２、及びソーラーセル４の出力電流Ｉを測定するためのセンサ１４を含む。

可変直列レジスタＲは、ソーラーセル４と負荷８との間に直列に結合される。出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉは適切な測定デバイス１２、１４によって決まる。出力値Ｖ、Ｉは制御ユニット１０に供給される。好ましくは、制御ユニットは、これ以降に説明する処理工程を実行するように適切に構成される集積アナログ回路である。

制御ユニット１０は、出力電圧Ｖの一次導関数が時間にわたって継続的に変化するように、可変レジスタ６の抵抗Ｒを変えるように構成される。言い換えると、式ｄＶ／ｄｔ＝一定、が有効である。出力電圧Ｖは、高い初期値から低い値へ変化し得、その逆も同様である。唯一の要件は出力電圧Ｖが時間にわたって継続的に変化することである。

図３は、Ｉ−Ｖ特性だけでなく、図１から既に分かっているソーラーセル４の出力電力を示す、更なる簡略化した図である。これに加えて及び本発明の一実施例に従って、それぞれ、ｄＩ／ｄｔ及びｄ^２Ｉ／ｄｔ^２と呼ぶ、時間にわたる出力電流Ｉの一次及び二次導関数を図３に示す。これらの曲線は非常に概略化されており、所与の縮尺を参照しない。しかし、曲線の勾配が関心事であるため、これは重要ではない細部である。

上述のように、式ｄＶ／ｄｔ＝一定、が有効である。例として開回路電圧Ｖ_ＯＣに近い高電圧Ｖで開始するとき、電圧Ｖの或る変化は、電流Ｉの或る変化につながる。電圧Ｖと電流Ｉとの間の相関は、ＭＰＰから離れた領域においてほぼ線形であるため、電流Ｉは電圧Ｖにおおむね比例して変化する。或るタイムインタバルにおいて電圧Ｖが継続的に変化するとき、これは、ｄＶ／ｄｔ＝一定、が有効であることを意味し、電流Ｉも時間で継続的に変化し得、これは、時間にわたる電流の一次導関数ｄＩ／ｄｔが一定であることを意味する。ｄＩ／ｄｔ曲線のこの挙動は、ＭＰＰから離れた領域においてみることができる。開回路電圧Ｖ_ＯＣに近い高電圧Ｖで開始するとき、電流Ｉはまず、変化する電圧Ｖと共に非常にわずかに変化する。時間にわたる変化で言えば及び時間にわたる電圧Ｖの変化が一定であると仮定すると、時間にわたる電流Ｉの対応する変化は、それがｄＩ／ｄｔのグラフの左の部分に見られるため、低い。

ＭＰＰの領域において、Ｉ−Ｖ曲線の傾きが劇的に変化するため、電圧Ｖとの電流Ｉの変化は劇的に変化する。電圧Ｖ非常に小さな変化は電流Ｉの大きな変化につながる。ここでも、時間にわたる電圧Ｖの変化は一定である。これは、時間にわたる電流Ｉの対応する変化が、中間的値から著しく高い値まで変化することを意味する。

更に一層顕著なのは、二次導関数ｄ^２Ｉ／ｄｔ^２で見るときの時間にわたる電流の変化である。これは、一次導関数が一層低い値から一層高い値まで上がるとき最大値を明確に示す。ｄ^２Ｉ／ｄｔ^２の曲線は、図３において破線として示されている。

時間にわたる電流の二次導関数の極値（図３の最大値）がＭＰＰに対応することが分かっている。対応する電流はＭＰＰに対応する。

これにより、時間にわたる電流の二次導関数ｄ^２Ｉ／ｄｔ^２を見ることによりソーラーセル４をＭＰＰに調節する可能性が開ける。電圧Ｖは、時間にわたって継続的に変えられ、同時にｄ^２Ｉ／ｄｔ^２が監視される。

第１のアプローチとして、ｄ^２Ｉ／ｄｔ^２の値が或る閾値Ｔを超えるときＭＰＰが見つかったと仮定され得る。更なる代替例は、ソーラーセル４をＭＰＰに正確に設定するため、それを超過し或るオフセット値に戻る、最大値自体を検出することであり得る。極値自体を検出することにより、ＭＰＰが非常に正確に判定され得る。

本発明に関連する技術に習熟した者であれば、本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得ること、及び他の実施例を実装し得ることが分かるであろう。

Claims (5)

1. ソーラーセルの出力電力を最適化するための電子デバイスであって、
   前記電子デバイスが、
   前記ソーラーセルと負荷との間に直列に結合される可変直列レジスタ、
   前記可変レジスタを制御するように構成される制御ユニット、
   出力電圧を測定するためのセンサ、及び
   前記ソーラーセルの出力電流を測定するためのセンサ、
   を含み、
   前記制御ユニットが、
   時間にわたる前記出力電圧の一次導関数が一定の値を有するように時間にわたって前記直列レジスタの抵抗を変えるように、
   同時に、時間にわたって前記出力電流の前記二次導関数を監視するように、
   時間にわたって前記出力電流の二次導関数が所定の閾値を超えるか否かを判定するように、及び
   前記出力電圧及び電流の対応する値を前記ソーラーセルの最大電力点（ＭＰＰ）として識別するように、
   構成される、
   デバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスであって、前記制御ユニットが更に、時間にわたって前記出力電流の前記二次導関数の極値を検出することにより、前記ソーラーセルの前記最大電力点（ＭＰＰ）を識別するように構成される、デバイス。
3. 請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスが個別のアナログ集積回路である、デバイス。
4. 請求項２に記載のデバイスであって、前記デバイスが個別のアナログ集積回路である、デバイス。
5. ソーラーセルの出力電力を最適化するための電子デバイスを動作するための方法であって、
   前記電子デバイスが、
   前記ソーラーセルと負荷との間に直列に結合される可変直列レジスタ、
   前記可変レジスタを制御するように構成される制御ユニット、及び
   出力電圧を測定するためのセンサ及び前記ソーラーセルの電流のためのセンサ、
   を含み、
   前記方法が、
   前記制御ユニットが、時間にわたって前記出力電圧の一次導関数が一定の値を有するように時間にわたって前記直列レジスタの抵抗を変えること、
   同時に、時間にわたって前記出力電流の前記二次導関数を監視すること、
   時間にわたって前記出力電流の二次導関数が所定の閾値を超えるか否かを判定すること、及び
   前記出力電圧及び電流の対応する値を前記ソーラーセルの最大電力点（ＭＰＰ）として識別すること、
   を含む、方法。