JPS5889038A - 太陽電池電源システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽電池電源システム、特に太陽電池に入射す
る光の強さおよび負荷条件にかかわらず太陽電池から最
大の出力電力を取り出し、まだ負荷装置に電力を安定に
供給する目的で電力を一時的に蓄えるだめの蓄電池を備
えた太陽電池電源システムに関−する。

従来の太陽電池電源／ステムでは一般に、主電源となる
太陽電池１に整流器２を直列に接続し、整流器２に直流
電力変換器３を直列に接続し、直流電力変換器３に蓄電
池４を直列に接続し、蓄電池４に電力変換器５を直列に
接続し、電力変換器５に負荷装置６を直列に接続する構
成・配置罠なっている。このうち、整流器２は太陽電池
ｌに外部から電流が流れ込むことを防止する装置であり
、直流電力変換器３は内部に含まれるスイッチ素子のオ
ン、オフの時間比（これを時比率と称す）を制御するこ
とにより電力の変換・処理を行ない、直流電力変換器３
に流れ込む電流を調節して、もって、負荷条件にかかわ
らず太陽電池ｌに入射する光の強さに応じてきまる太陽
電池ｌから最大出力電力を取り出し得る電流値（これを
太陽電池１の最適動作電流ｌｏｐと称す）において、太
陽電池１を常に動作させるだめの装置である。蓄電池４
は太陽電池ｌで発生する電力のうち負荷装置６で消費さ
れない余分々電力を蓄えまたは太陽電池ｌの不足電力を
補い供給するだめの装置である。電力変換器５は整流器
２、直流電力変換器３および蓄電池４を通して伝達され
る太陽電池ｌからの電力を変換・処理し、もって所用の
電圧値まだは電流値に調節して、負荷装置６に供給する
だめの装置である。負荷装置６は電力を消費し、所用の
仕門を行なう装置である。周知のとうり直流電力変換器
３および電力変換器５はスイッチ素子、ダイオード、チ
ョークコイル等から成り、スイッチ素子のオンζオフの
時比率の制御により電力の変換・処理を行なう装置であ
り、電力の変換・処理に伴ない、直流電力変換器３およ
び電力変換器５のそれぞれの内部において無視できない
電力損失カニ生じる。そして、太陽電池ｌで発生した電
力は負荷装置６で消費されるまでに、直流電力変換器３
および電力変換器５の両方の装置で常に２回の変換・処
理が行なわれ、変換・処理の回数だけ電力損失が増し、
このため、太陽電池電源システムの効率が低下するとい
う不都合な問題を生じる。また、直流電力変換器３では
負荷装置６で消費される電力と蓄電池４に一時的に蓄え
られる電力との和の電力が変換・処理されることになり
、直流電力変換器３におけるスイッチ素子、タ：イオー
ド、チョークコイル等に対する電気的ストレスが増大し
、このため、直流電力変換器３の信頼性が低下し、究局
的には、太陽電池電源７ステムの信頼性が低下すること
になる。直流電力変換器３の信頼性の低下を防ぐために
は、直流電力変換器３におけるスイッチ素子、ダイオー
ド、チョークコイル等の定格電力容量を増すことが必要
となり、この結果として、直流電力変換器３の価格およ
び容積、究局的には、太陽電池電源システムの価格およ
び容積が増大するという不都合な問題を生じる。以上述
べたように、従来の太陽電池電源システムにおいては、
装置の構成上原理的に電力効率および信頼性が低下し、
信頼性の低下を防ぐためには価格および容積が増大する
という欠点があった、この発明は、これらの問題に対し
て解決を与えるだめのンステム（装置の構成・配置）方
式を提供することを目的としており、これにより、太陽
電池電源システムにおける電力効率の向上を計り太陽電
池および蓄電池の有効な利用が可能となりまた、信頼性
を低下させることなく、太陽電池電源システムの小形化
、低価格化を実現することが可能となる。

上記目的を達成するために本発明は、蓄電池を備えた太
陽電池電源システムにおいて、スイッチ素子のオン、オ
フの時比率を制御することにより電力の伝達方向を両方
向に自動的に切換えることのできる両方向性の直流電力
変換器を用い、主電源となる太陽電池１に整流器２を直
列に接続し、整流器２に両方向性の直流電力変換器７を
直列に接続し、両方向性の直流電力変換器７に蓄電池４
を直列に接続し、さらに、整流器２と両方向性の直流電
力変換器７との接続中途より分岐させて、整流器２に電
力変換器５を直列に接続し、電力変換器５に負荷装置６
を直列に接続し、もって、両方向性の直流電力変換器７
と蓄電池４との直列接続回路と、電力変換器５と負荷装
置６との直列接続回路とを並列的に構成・配置し、これ
により、太陽電池ｌで発生した電力は電力変換器５のみ
で変換・処理されて負荷装置３に伝達され、変換・処理
の回数が１回で済ぼ、この結果、従来の太陽電池電源シ
ステムに比べて電力効率を著しく向上させ得ることを特
徴とする。また、太陽電池ｌで発生した電力のうち負荷
装置６で消費されない余分な電力は、整流器２および両
方向性の直流電力変換器７を通して蓄電池４に蓄えられ
、太陽電池１の不足電力は蓄電池４から両方向性の直流
電力変換器７を通して補い供給され、これにより、本発
明の太陽電池電源システムにおける両方向性の直流電力
変換器７の変換・処理す−る最大電力は、従来の太陽電
池電源システムにおける直流電力変換器３の変換・処理
する最大電力よりも原理的に小さく、この結果、両方向
性の直流電力変換器７におけるスイッチ素子、ダイオー
ド、チョークコイル等に対する電気的ストレスは減少し
、スイ。

チ素子、ダイオード、チョークコイル等の定格電力容量
を減少させることができ、信頼性を低下させることなく
、太陽電池電源システムの小形化、低価格化が可能とな
ることを特徴とするものである。

以下、図面に従って本発明を説明する０第１図は一般的
な、太陽電池ｌの出力電流Ｉｓ対出力電力Ｐｓ　　特性
であり、太陽電池ｌに入射する光の強さＥｅ　　をパラ
メータとして示している。

本図より、太陽電池ｌに入射する光の強さＥｅ　　に応
じて、太陽電池ｌから最大の出力電力ｐｖ　　を取り出
し得る太陽電池ｌの最適動作電流Ｉｏｐが存在すること
が分かる。従って、太陽電池電源システムにおいて、太
陽電池ｌから最大の出力電力ＰＭを取り出すためには、
太陽電池ｌに入射する光の強さＥｅ　　に応じて、出力
電流Ｉ８　　を最適動作電流Ｉａｐに調節しなければな
らない０第１図にお（１て太陽電池ｌに入射する光の強
さＥｅ　　がＥｅｌ　ＸＥｅ２、Ｅｅ３　　（Ｅｅｌ＞
Ｅｅ２＞Ｅｅ３　）と変化する場合には、これに伴ない
出力電流Ｉｓ　　の最適動作電流ＩｏｐをＩｏｐｌ、１
ｏｐ２、Ｉｏｐ３と変化させねばならず、これらに対応
した太陽電池ｌの最大出力電力ＰＭ　　はＰＭＩ　％　
ＰＭ２、ＰＭ３である。

第２図は一般的な、従来の太陽電池電源／ステムの構成
図である。本図において、ｌは太・陽電池、２は整流器
、３は直流電力変換器、４は蓄電池、５は電力変換器、
６は負荷装置である。整流器２は太陽電池ｌに直列に接
続され、直流電力変換器３は整流器２に直列に接続され
、蓄電池４は直流電力変換器３に直列に接続され、電力
変換器５は蓄電池４に直列に接続され、負荷装置６は電
力変換器５に直列に接続されている。そして、主電源と
なる太陽電池１で発生した電力は整流器２を通して直流
電力変換器３に加えられる。直流電力変換器３は内部に
含まれるスイッチ素子のオン、オフの時比率を制御する
ことによシ、電力の変換・、処理を行ない、電力を蓄電
池４に伝達するが、この場合、直流電力変換器３に流入
する入力電流、すなわち太陽電池ｌの出力電流Ｉｓ　　
を、太陽電池ｌに入射する光の強さＥｅ（第１図）に対
応した最適動作電流Ｉｏｐに調節し、負荷条件にかかわ
らず、太陽電池ｌから常に最大の出力電力ＰＭ　　を取
り出す働きをする。直流電力変換器３の出力電力は蓄電
池４を径由して電力変換器５に送られ、電力変換器５に
おいて変換・処理され、負荷装置６で必要とされる所用
の電圧値または電流値に調節され、負荷装置６に供給さ
れることになる。この場合、蓄電池４は太陽電池ｌで発
生し整流器２および直流電力変換器３を径由する電力の
うち、電力変換器５を径由して負荷装置６で消費されな
い余分な電力を蓄えまたは不足電力を補い供給する。直
流電力変換器３および電力変換器５はスイッチ素子ダイ
オード、チョークコイル等からなり、スイッチ素子のオ
ン、オフの時比率の制御により、電力の変換・処理を行
なう装置であり、電力の変換・処理に伴ない、直流電力
変換器３および電力変換器５のそれぞれの内部において
無視できない電力損失が生じる。第２図に示す従来の太
陽電池電源システムにおいては、直流電力変換器３と電
力変換器５とが直列に配置・構成されているために、太
陽電池１で発生した電力は負荷装置６で？肖費されるま
でに、直流電力変換器３および電力変換器５の両方の装
置で常−に２回の変換・処理が行なわれ、変換・処理の
回数分だけ電力損失が増し、このため、太陽電池電源シ
ステムの電力効率力；低下するという不都合な問題が生
じる。また、直流電力変換器３では、電力変換器５を通
り負荷装置６で消費される電力と蓄電池３に一時的に蓄
えられる電力との和の電力が変換・処理されることにな
り、直流電力変換器３に含まれるスイッチ素子、ダイオ
ード、チョークコイル等に対する電気的ストレスが増大
し、このため、直流電力変換器３の信頼性、究局的には
太陽電池電源システムの信頼性が低下することになる。

直流電力変換器３の信頼性の低下を防ぐためには、直流
電力変換器３に含まれるスイッチ素子、ダイオード、チ
ョークコイル等の定格電力容量を増すことが必要となり
、この結果、直流電力変換器３の価格および容積、究局
的には太陽電池電源／ステムの価格および容積が増大す
るという不都合な問題が生じる０、本発明は、従来の太
陽電池電源システムにおける直流電力変換器３と電力変
換器５との直列的な配置・構成に基づく電力効率および
信頼性の低下を取り除くだめに次に示す如き並列的な配
置・構成をもつシステムを提案する。第３図は本発明の
太陽電池電源システムの構成図である。ただし、第２図
と同一の構成装置に対しては同一の記号をもって表わす
。第３図において、７は両方向性の直流電力変換器であ
り、太陽電池ｌに整流器２を直列に接続し、整流器２に
両方向性の直流電力変換器７を直列に接続し、両方向性
の直流電力変換器７に蓄電池４を直列に接続し、さらに
整流器２と両方向性の直流°電力変換器７との接続中途
より分岐させて、整流器２に電力変換器５を直列に接続
し、電力変換器５に負荷装置６を直列に接続し、もって
両方向性の直流電力変換器７と蓄電池４とつ直列接続回
路と、電力変換器５と負荷装置６との直列接続回路とを
並列的に配置・構成する。これ−より、主電源となる太
陽電池１で発生した電力は整流器２を通して両方向性の
直流電力変換器７および電力変換器５に並列的に加えら
れる。電力変換器５は整流器２全通して太陽電池１から
送られる電力の変換・処理を行ない、負荷装置６で必要
とされる所用の電圧値または電流値に電力を調節し、負
荷装置６に供給する。この場合、電力変換器５に送られ
る電力は負荷装置６で消費される電力と電力変換器５に
おける損失電力との和の電力であり、太陽電池１で発生
し、整流器２を通った電力が電力変換器５の要求する電
力以上であれば、その差の電力は両方向性の直流電力変
換器７を通して蓄電池４に蓄えられる。逆に、太陽電池
ｌで発生し、整流器２を通った電力が電力変換器５の要
求する電力より小さい場合には、その差の不足電力は両
方向性の直流電力変換器７を通して蓄電池４から補い送
られる。

従って、太陽電池ｌで発生し、整流器２を通った電力は
電力変換器５のみで変換・処理されて負荷装置５に伝達
され、変換・処理の回数が１回で済み、このため、従来
の太陽電池電源／ステムに比べて電力効率を著しく向上
させることができる。

また、太陽電池Ｉで発生し、整流器２を通った電力のう
ち、蓄電池４に蓄えられる電力のみが両方向性の直流電
力変換器７を通り、負荷装置６で消費される電力は電力
変換器のみを通るため、両方向性の直流電力変換器７で
変換・処理する電力の最大値は従来の太陽電池電源７ス
テムにおける直流電力変換器３の変換・処理する電力の
最大値より小さくて済み、その分だけ両方向性の直流電
力変換器７を構成するスイッチ素子、ダイオード、チョ
ークコイル等に対する電気的ストレスを低減でき、信頼
性を低下させることなく太陽電池電源システムの小形化
、低価格化が可能となる。

第４図および第５図は両方向性の電力変換器７において
は、電力の伝達方向が内部に含まれるスイッチ素子のオ
ン、オフの時比率の制御により自動的に切り換えること
が可能であることを説明するための図であり、第４図は
両方向性の直流電力変換器７の１例を示す回路図、第５
（ａ）および（ｂ）は両方向性の直流型−カ変換器７に
含まれるスイッチ素子としてのトランジスタ。１　およ
び。２　のオン、オフを制御するだめに制御回路７で作
られるトランジスタＱ１　　およびＱ２　　のそれぞれ
のペース電流ＩＢＩオｊ：　Ｕ　ＩＢ２の波形である。

第４図において、■、は両方向性の直流電力変換器７の
入力電圧、ｖＢ　　は蓄電池４の端子電圧、ＩＬＩはチ
ョークコイルＬ１　　を矢印の向きに流れる（入力電圧
Ｖ１　　側から流れ込む）電流、Ｑｌ、Ｑ２　　はスイ
ッチ素子としてのトランジスタ、ＤＩ、Ｄ２　　はダイ
オード、７はトランジスタＱ＋、　Ｑ２　　のオン、オ
フを制御するだめの制御回路であり、トランジスタ。１
　とダイオードＤ　Ｉ　、およびトランジスタ。２　と
ダ仁オードＤ２とがそれぞれ逆並列に接続されている。

ま゛た、第５図（ａ）および（ｂ）において■旧および
ＩＢ２はそれぞれトランジスタＱ＋　　およびＱ２　　
のオン、オフを制御するペース電流であり、トランジス
タ。１　がオンのときトランジスタＱ２　　はオフであ
シ、逆にトランジスタＱ＋　　がオフのときトランジス
タ。２　はオンとなるように制御され、ＴｏＮはトラン
ジスタＱ＋　　のオン期間、Ｑ２　　のオフ期間、Ｔ、
ＯＦＦはトう／ジスタＱ＋　　のオフ期間、Ｑ２　　の
オン期間、Ｔｓ　　はトランジスタＱ１１Ｑ２　　のオ
ン、オフの１周期（ＴＳ−ＴＯＮ　＋　ＴＯＦＦ　）、
ｔは時間軸である。第４図において、チョークコイルＬ
ｌ　　を流れる電流ＩＬＩはチョークコイルＬ１　　の
巻線抵抗をＲＬＩとし、両方向性の直流電力変換器７に
おける他の内部損失を抵抗損失と見なし得るものと仮定
して、チョークコイルＬ＋　　の巻線抵抗に含めて考え
て、解析すれば ＩＬＩ　−［Ｖｉ　（１−Ｔ□Ｎ／Ｔｓ）ＶＢＩ／ＲＬ
Ｉ　　（１）となシ、両方向性の直流電力変換器７の入
力電圧ｖ１　　側から蓄電池４の方へ送られる電力ＰＬ
ＩはＰＬＩ　−ＩＬＩＶｉ −（Ｖｉ−（１−ＴｏＮ／Ｔｓ）ＶＢ）Ｖｉ／ＲＬ　　
　（２’）となる。ＴＯＮ／ＴＳ≧１−ＶＢ／Ｖｎ　　
なら−ばＰＬＩ≧０　であり、電力ｌＰｔ、＋ｌはＶｉ
　　側から蓄電池４の方へ送ら側からＶｌ　　の方へ送
られ、蓄電池は放電する。このことから、ＴｏＮ／Ｔｓ
の制御、すなわちトランジスタＱ１％　Ｑ２　　のオン
、オフの時比率の制御により、両方向性の直流電力変換
器７では電力の伝達方向および電力の大きさを自動的に
切り換えることができることが分かる。

第６図は本発明の１つの実施例であり、第３図および第
４図と同一の構成装置および素子に対しては同一の記号
をもって表わす。本図においては、太陽電池ｌへの電流
の逆流を防止する整流器２としてダイオードＤＯを用い
、電力変換器５として降圧形の直流電力変換器を用い、
−両方向性の直流電力変換器７としては第４図に示した
回路が用いられている。そして、電力変換器５としての
降圧形直流電力変換器において、ＣＩ　　およ−びＣ２
はそれぞれ入力電圧および出力電圧の平滑用コンデンサ
、Ｌ２　　はチョークコイル、Ｑ３　　はスイッチ素子
としてのトランジスタ、Ｄ３　　はダイオード、８は出
力電圧ｖＯを一定に保つためにＱ３　　のオン、オフの
時比率を制御するだめの制御回路である。第６図の回路
の７ステムとしての動作はすでに第３図において説明し
たものと同じになる。特に、第”６図の実−雄側は負荷
装置６に供給する電力に対して、電力変換器５はその出
力電圧すなわち負荷装置６の、入力電圧Ｖｏ　　を一定
に調節する場合の例であり、また、第６図の回路によれ
ば、太陽電池１に入射する光が無く、発生電力が零の場
合にトランジスタＱ＋　　をオフ、Ｑ２　　をオンに固
定することにより、両方向性の直流電力変換器７におけ
るスイッチングに伴なう損失をなくして、蓄電池４の電
力を電力変換器５に送ることができるという特徴が存在
する。

以上説明したように本発明によれば、供給電力安定化の
ために蓄電池を有する太陽電池電源システムにおいて、
両方向性の直流電力変換器７と蓄電池４との直列接続回
路と、電力変換器５と負荷装置６との直列接続回路とを
並列的に配置・構成することにより、電力効率の向上を
計り、停頓性を高め、また小形化、低価格化においても
優れた太陽電池電源システムが実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な、太陽電池へ入射する光の強さＥｅ　
　をノくラメータとした太陽電池の出力電流Ｉｓ対出力
電力Ｐｓ　　特性を示すグラフ、第２図は一般的な、従
来の太陽電池電源システムを示すプロ。 り図、第３図は本発明の太陽電池電源システムを示すブ
ロック図、第４図は出力側に蓄電池を接続した、本発明
で用いる両方向性の直流電力変換器の１例を示す回路図
、第５図（ａ、’ｌおよび（ｂ）はそれぞれ第４図にお
けるトランジスタＱ１　　のオン、オフを制御するペー
ス電流ＩＢＩおよびトランジスタＱ２のオン、オフを制
御するペース電流ＩＢ２の波形図、第６図は第３図に示
した本発明の太陽電池電源システムの一実施例を示す回
路図である。 図において、ｌは太陽電池、２は整流器、３は直流電力
変換器、４は蓄電池、５は電力変換器、６は負荷装置、
７は両方向性の直流電力変換器、８は両方向性の直流電
力変換器７の制御回路、９は電力変換器５０制御回路、
ＰＳ　　は太陽電池ｌの出力電力、ＴＳ　　は太陽電池
１の出力電流、Ｅｅ、　Ｅｅ　Ｉ、Ｅｅ２およびＥｅ３
は太陽電池に入射する光の強さ、Ｉｏｐｌ、　　Ｉｏｐ
２およびＩｏｐ、）はそ、れぞれ光の強さＥｅ　　がＥ
ｅｌ　、　Ｅｅ２およびＥｅ３の場合に対応した太陽電
池１の最適動作電流、ＰＭＩ　％　ＰＭ２およびＰＭ３
はそれぞれ光の強さＥｅ　　がＥｅｌ　、　Ｅｅ２およ
びＥｅ３の場合に対応した太陽電池ｌの最大出力電力、
Ｌ、　　およびＬ２　　はチョークコイル、Ｑｌ、　Ｃ
２およびＣ３はトランジスタ、Ｄｏ、　Ｄ＋ｙ　Ｄ２　
　およびＤ３　　はダイオード、Ｃ１およびＣ２は電圧
平滑用コ／デノサ、ＴＯＮおよびＴＯＦＦはそれぞれト
ランジスタＱ１　　のオン期間およびオフ期間、Ｔｓ　
　は、トランジスタＱ１およびＣ２のオン、オフ周期（
ＴＳ””　ＴＯＮ＋ＴＯＦＦ　）、ＩＢＩおよびＩＢ２
はそれぞれトランジスタＱ＋　　およびＣ２のオン、オ
フを制御するベース電°流、ｔは時間軸、Ｖｔ　　は両
方向性の直流電力変換器７の入力電圧、ｖＢ　　は蓄電
池４の端子電圧、ＶＯは電力変換器５の出力電圧である
。 特許出門人　松　尾　博　文 代　　理　　人　　松　　建　　憲−部第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 □ 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （イ）主電源となる太陽電池ｌに、太陽電池１に電流が
   流入、するのを防止するだめの整流器２を直列に接続し
   、整流器２Ｋ、電力を両方向に伝達するための両方向性
   の直流電力変換器７を直列に接続し、両方向性の直流電
   力変換器７に、電力を一時的に貯蔵するだめの蓄電池５
   を直列に接続し、さらに整流器２と両方向性の直流電力
   変換器７との接続中途より分岐させて、整流器２に、電
   力を変換・処理し所用の電圧値または電流値に調節する
   ための電力変換器５を直列に°接続し、電力変換器５に
   、電力ｉ消費するだめの負荷装置６を直列に接続し、両
   方向性の直流電力変換器７と蓄電池４との直列−接続回
   路と、電力変換器５と負荷装置６との直列接続回路とを
   並列的に構成する４とを特徴とした太陽電池電源システ
   ム。