JP2018129980A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池で発電した電力を効率良く利用することが可能な太陽光発電システムを提供すること。【解決手段】太陽光発電システムは、太陽電池と、太陽電池に接続されたキャパシタと、キャパシタに電圧変換器を介して接続された二次電池と、太陽電池の発電量が所定値Ｔｓを超える場合に、太陽電池からの電力を負荷に供給し、太陽電池の発電量が所定値Ｔｓ以下である場合に、太陽電池からの電力をキャパシタに充電し、キャパシタに蓄積された電力を二次電池に充電する制御回路とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。

低炭素社会へ向けた取り組みとして、太陽電池の使用が期待されている。太陽電池は、大きな物としてはビルディングなどの大型建築物から、一般家庭、道路のサイン標識や街灯に至るまで使用されている。しかし、太陽電池を利用した発電の効率は悪く、十分にその能力が発揮できていないのが現状である。太陽電池の使用時の出力は、日射量、日射方向、日射角度、天候、温度、季節、地域などの環境に大いに影響を受けるだけでなく、発電した電流の直流から交流への変換時の損失や、インバータやコンバータの使用による損失があり、元々の変換効率の悪さに加えて、更なる損失を許している。例えば、東京地区において１１月から２月までの期間は日照量に比して発電量が低いことが分かっている。これは、この期間の日射量が日照量に比して低いことに原因があると考えられる。日射量が低いと太陽電池の発電電流は微弱になりうまく使うことができない。

特開平７−３８１３０号公報

従来の技術では、太陽電池が発電した微弱な電流をうまく使うことができない。微弱な電流はパワーコンディショナやＤＣ−ＤＣコンバータ等でロスしてしまうため使用できていない。微弱な電流は季節によるものだけでなく、方位が悪い朝夕においても、直達日射がない曇りや雨天の場合も、太陽電池の発電電流は微弱になると考えられる。

従来の技術として、太陽電池で発電した電流を鉛蓄電池やリチウムイオン電池に蓄電するものがある。しかし、鉛蓄電池やリチウムイオン電池には微弱な電流を蓄電することができないため、コンバータで昇圧する必要があり、その際に電力損失が発生する。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、太陽電池で発電した電力を効率良く利用することが可能な太陽光発電システムを提供することにある。

（１）本発明は、太陽電池と、前記太陽電池に接続されたキャパシタと、前記キャパシタに電圧変換器を介して接続された二次電池と、前記太陽電池の発電量が所定値Ｔｓを超える場合に、前記太陽電池からの電力を負荷に供給し、前記太陽電池の発電量が所定値Ｔｓ以下である場合に、前記太陽電池からの電力を前記キャパシタに充電し、前記キャパシタに蓄積された電力を前記二次電池に充電する制御回路とを備えた、太陽光発電システムに関する。

本発明によれば、太陽電池の発電量が所定値を超える場合には、発電電力を負荷に供給し、発電量が所定値以下である場合には、発電電力をキャパシタに充電し、キャパシタに蓄積された電力を二次電池に充電することで、微弱な発電電流をキャパシタで効率良く回収して、太陽電池で発電した電力を効率的に利用することができる。

（２）また本発明に係る太陽光発電システムでは、前記制御回路は、前記キャパシタの残容量が所定値Ｔｃ１に達した場合に、前記キャパシタに蓄積された電力を前記二次電池に充電する制御を開始し、前記キャパシタの残容量が所定値Ｔｃ２（ｔｃ２＜ｔｃ１）以下となった場合に、前記キャパシタに蓄積された電力を前記二次電池に充電する制御を停止してもよい。

本発明によれば、キャパシタに溜めた電力を効率良く利用して、太陽電池で発電した電力を効率的に利用することができる。

（３）また本発明に係る太陽光発電システムでは、前記制御回路は、前記二次電池の残容量が所定値Ｔｂ未満である場合に、前記キャパシタに蓄積された電力を前記二次電池に充電し、前記二次電池の残容量が所定値Ｔｂ以上である場合には、前記キャパシタに蓄積された電力を負荷に供給してもよい。

本発明によれば、キャパシタに溜めた電力を効率良く利用して、太陽電池で発電した電力を効率的に利用することができる。

本実施形態に係る太陽光発電システムの構成を模式的に示す図である。 リチウムイオン電池とキャパシタのＩ−Ｖカーブを示す図である。 太陽電池の出力電圧及び電流値とキャパシタの充電電圧及び電流値を示す図である。 晴天の日の実験結果を示す図である。 曇天の日の実験結果を示す図である。 雨天の日の実験結果を示す図である。 燃料電池のＩ−Ｖカーブを示す図である。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．構成
図１は、本実施形態に係る太陽光発電システムの構成を模式的に示す図である。太陽光発電システム１は、太陽電池１０と、キャパシタ２０と、二次電池３０と、パワーコンディショナ４０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、４２（電圧変換器）と、インバータ４３と、スイッチ素子５０〜５２を備えた制御回路（電源回路）とを含む。

キャパシタ２０は、スイッチ素子５１を介して太陽電池１０に接続され、太陽電池１０により発電された電力を充電する。キャパシタ２０に蓄積された電力は、二次電池３０や負荷６０に供給される。キャパシタ２０としては、例えば、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）を用いることができる。

二次電池３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、４２を介してキャパシタ２０に接続され、キャパシタ２０に蓄積された電力を充電する。二次電池３０に蓄積された電力は、負荷６０に供給される。二次電池３０としては、例えば、リチウムイオン電池を用いることができる。

パワーコンディショナ４０は、スイッチ素子５０を介して太陽電池１０に接続され、太陽電池１０により発電された電力（直流）を、交流に変換し、その電圧を最適化して、負
荷６０に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、キャパシタ２０からの出力電力の電圧制御を行い、ＤＣ−ＤＣコンバータ４２は、二次電池３０への入力電力及び二次電池３０からの出力電力の電圧制御を行う。ＤＣ−ＤＣコンバータ４１としては、例えば、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることができ、ＤＣ−ＤＣコンバータ４２としては、例えば、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることができる。インバータ４３は、キャパシタ２０及び二次電池３０からの電力（直流）を交流に変換して負荷６０に供給する。

制御回路は、太陽電池１０の発電量を監視し、太陽電池１０の発電量が所定値Ｔｓを超える場合には、スイッチ素子５０をオンにし、スイッチ素子５１をオフにして、太陽電池１０からの電力を負荷６０に供給し、太陽電池１０の発電量が所定値Ｔｓ以下である場合（発電電流が微弱である場合）には、スイッチ素子５０をオフにし、スイッチ素子５１をオンにして、太陽電池１０からの電力をキャパシタ２０に充電する制御を行う。このように、太陽電池１０で発電した微弱な電力を直接キャパシタ２０に蓄電するように制御している。

図２（Ａ）に太陽電池のＩ−Ｖカーブ（Ｉ−Ｖ特性）を示す。図２（Ａ）に示すように、太陽電池では、発電が始まると０Ｖから段々に電圧が上がっていく。図２（Ｂ）にリチウムイオン電池の充電カーブ（Ｉ−Ｖ特性）を示し、図２（Ｃ）にキャパシタの充電カーブを示す。図２（Ｃ）に示すように、キャパシタの充電カーブは、電圧が０Ｖから段々に上がっていく。太陽電池で発電した電力をキャパシタで充電する場合、発電が進むにつれて太陽電池の出力電圧が上がっていくのを、キャパシタはそのまま一緒に電圧が上昇して充電していくことができる。そのため、キャパシタを用いれば、太陽電池で発電した電力をＤＣ−ＤＣコンバータなしに直接充電することができ、非常に効率的な充電が可能となる。一方、図２（Ｂ）に示すように、リチウムイオン電池は、ある一定の電圧で平坦な充電カーブを持つため、その電圧までＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧しなければ充電することができない。また、リチウムイオン電池では、安全性のため電流値の下限と上限が決められているため、キャパシタと比較して効率性に劣る。図３に、実際に測定した太陽電池の出力電圧及び電流値とキャパシタの充電電圧及び電流値を示す。図３を見ると、キャパシタが太陽電池の出力電圧に沿う形で電圧を変化させて充電している。また、キャパシタがコンバータ等を介さずに直接充電し且つ効率良くロスなく充電していることが、太陽電池の出力電流値と殆ど同じ電流値で充電されていることからも分かる。また、太陽電池の発電量は環境（日射量、日射方向、日射角度等）に応じて絶えず激しく変化するため、急速充放電特性が良好でサイクル特性（寿命）に優れたキャパシタは、太陽電池で発電した微弱な電力を蓄電するのに適している。なお、キャパシタ２０のＩ−Ｖ特性は、必ずしも図２（Ｃ）に示すような直線的な特性でなくてもよく、キャパシタ２０として、図２（Ｄ）に示すように、プラトーがないスロープ状のＩ−Ｖ特性を有する蓄電デバイスを用いてもよい。

また、制御回路は、キャパシタ２０の残容量（ＳＯＣ）を監視し、キャパシタ２０の残容量が所定値Ｔｃ１に達した場合に、スイッチ素子５２にオンにして、キャパシタ２０に蓄積された電力を二次電池３０に充電する制御を開始し、キャパシタ２０の残容量が所定値Ｔｃ２（Ｔｃ２＜Ｔｃ１）以下となった場合に、スイッチ素子５２にオフにして、キャパシタ２０に蓄積された電力を二次電池３０に充電する制御を停止する。このように、キャパシタ２０にある程度溜めた電力を二次電池３０に供給する制御を行っている。

また、制御回路は、二次電池３０の残容量（ＳＯＣ）を監視し、二次電池３０の残容量が所定値Ｔｂ１未満である場合に、キャパシタ２０に蓄積された電力を二次電池３０に充電し、二次電池３０の残容量が所定値Ｔｂ１以上である場合には、キャパシタ２０に蓄積された電力を負荷６０に供給する制御を行う。これにより、キャパシタ２０に溜めた電力を効率良く利用することができる。

このように、本実施形態に係る太陽光発電システム１によれば、太陽電池１０の発電量が所定値Ｔｓ以下である場合に、太陽電池１０からの電力をキャパシタ２０に充電し、キャパシタ２０に蓄積された電力を二次電池３０に充電し（或いは、二次電池３０の残容量がＴｂ１以上である場合には負荷６０に供給し）、二次電池３０に蓄積された電力を負荷６０に供給して使用することで、太陽電池１０で発電した微弱な電力をキャパシタ２０で効率良く回収して、太陽電池１０で発電した電力を効率的に利用することができる。

また、二次電池３０を有効利用するめ、制御回路は、深夜の時間帯に、外部電源からの電力を二次電池３０に充電し、白昼の時間帯（例えば、１０時〜１４時）に、二次電池３０の残容量が所定値Ｔｂ２（Ｔｂ２＜Ｔｂ１）を下回るまで、二次電池３０に蓄積された電力を負荷６０に供給する（放電する）制御を行う。

２．実験結果
本実施形態に係る太陽光発電システム１を評価する実験を、東京地区で行った。本実験では、太陽電池１０として、多結晶シリコン型太陽電池モジュール（最大出力：５．２ｋＷ、開放電圧：３８３．０Ｖ）を用い、キャパシタ２０として、電気二重層キャパシタモジュール（蓄電容量：１５０Ｗｈ、入力電圧範囲：０〜４１４Ｖ）を用い、二次電池３０として、リチウムイオン電池モジュール（負極材料：グラファイト、正極材料：ＬｉＦｅＰＯ_４、蓄電容量：２６．０ｋＷｈ、電圧範囲：２６０〜３７４．４Ｖ、最大電流：１８０Ａ）を用いた。また、所定値Ｔｓ（発電量が微弱であるか否かを判定する閾値）を１０００Ｗとし、所定値Ｔｃ１（キャパシタ２０の放電を開始する閾値）を、キャパシタ２０の蓄電容量の８０％とし、所定値Ｔｃ２（キャパシタ２０の放電を停止する閾値）を、キャパシタ２０の蓄電容量の４０％とし、所定値Ｔｂ１（キャパシタ２０から二次電池３０への充電を停止する閾値）を、二次電池３０の蓄電容量の１００％とし、所定値Ｔｂ２（二次電池３０の放電を停止する閾値）を、二次電池３０の蓄電容量の３１％とした。また、外部電源からの電力を二次電池３０に充電する深夜の時間帯を、２２時〜２時とし、二次電池３０に蓄積された電力を負荷６０に供給する白昼の時間帯を、１０時〜１４時とした。

晴天、曇天、雨天の日のそれぞれにおける、太陽電池１０の発電量、キャパシタ２０の充放電電力量及び電圧、二次電池３０の電圧及びＳＯＣの変化を測定した。

図４に、晴天の日（２０１６年７月３０日、晴れ）のデータを示す。図４を見ると、朝夕の激しく変化する１０００Ｗ（所定値Ｔｓ）以下の微弱な発電電流が、その変化の通りにキャパシタ２０に溜まっているのが分かる。また、昼間においても雲の陰り等により時折発電量が微弱になり、この微弱な電流がキャパシタ２０に溜められているのが分かる。この日の太陽電池１０の発電量は、８２．８７ＭＪ（２３．０２ｋＷｈ）であり、キャパシタ２０の放（充）電量は、７．８９ＭＪ（２．１９ｋＷｈ）であった。すなわち、総発電量の１０％弱にあたる微弱電流がキャパシタ２０に蓄電された。なお、キャパシタ２０から二次電池３０に充電された電力量は、２．８９ＭＪ（０．８０ｋＷｈ）であった。

図５に、曇天の日（２０１６年７月２１日、雨後一時曇）のデータを示す。図５を見ると、発電量は一日中僅かな時間を除いて微弱であり、この微弱な電流がその変化の通りにキャパシタ２０に溜められているのが分かる。この日の太陽電池１０の発電量は、２２．０８ＭＪ（６．１３ｋＷｈ）であり、キャパシタ２０の放（充）電量は、１３．１５ＭＪ（３．６５ｋＷｈ）であった。すなわち、総発電量の６０％弱にあたる微弱電流がキャパシタ２０に蓄電された。なお、キャパシタ２０から二次電池３０に充電された電力量は、３．６０ＭＪ（１．００ｋＷｈ）であった。

図６に、雨天の日（２０１６年８月２７日、雨時々曇）のデータを示す。図６を見ると、発電量は一日中微弱であり、この微弱な電流がその変化の通りにキャパシタ２０に溜められているのが分かる。この日の太陽電池１０の発電量は、１２．２０ＭＪ（３．３９ｋＷｈ）であり、キャパシタ２０の放（充）電量は、８．２６ＭＪ（２．２９ｋＷｈ）であった。すなわち、総発電量の６７．７％もの微弱電流がキャパシタ２０に蓄電された。なお、キャパシタ２０から二次電池３０に充電された電力量は、２．３０ＭＪ（０．６４ｋＷｈ）であった。

このように、本実験の結果、本実施形態に係る太陽光発電システム１により、微弱な発電電流をキャパシタ２０で効率良く回収することができ、朝夕であっても曇りや雨天の場合であっても、太陽電池１０で発電した電力を効率良く利用できることが確認された。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

例えば、上記実施形態では、太陽光発電システム１がキャパシタ２０を１つ備える場合について説明したが、太陽光発電システム１は複数のキャパシタ２０を備えてもよい。例えば、太陽光発電システム１が２つのキャパシタ２０を備える場合、制御回路は、太陽電池１０からの電力を一方のキャパシタ２０に充電する期間に、他方のキャパシタ２０に蓄積された電力を二次電池３０に充電（他方のキャパシタ２０を放電）し、一方のキャパシタ２０に蓄積された電力を二次電池３０に充電（一方のキャパシタ２０を放電）する期間に、太陽電池１０からの電力を他方のキャパシタ２０に充電するといった制御を繰り返してもよい。このようにすると、太陽電池１０で発電した微弱な電力を、継続して複数のキャパシタ２０に蓄電することができ、当該微弱な電力をより効率良く回収することができる。また、制御回路は、太陽電池１０からの電力を複数のキャパシタ２０に同時に充電し、複数のキャパシタ２０を同時に放電する制御を行ってもよい。これにより、キャパシタ２０の高出力化を図ることができる。

また、発電装置として燃料電池やエナジーハーベストを用いてもよい。図７に、燃料電池のＩ−Ｖカーブを示す。なお、図７には、二次電池（鉛蓄電池）の電圧も示している。図７に示すように、燃料電池は太陽電池と同様のＩ−Ｖ特性を有している。燃料電池では、電流値が上がっていくと、様々な抵抗が増して電圧が急激に低下する。そのため、燃料電池で発電した電力を二次電池で充電するには、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて降圧又は昇圧しなければならない。一方、キャパシタを用いれば、電圧の変化に関係なく効率良く充電することができる。特に低い電圧での微弱な発電は殆ど使われてこなかったため、燃料電池をキャパシタと組み合わせることで、効率的な充電が可能となる。また、エナジーハーベストでは、発電電力が非常に小さい（μＷ単位）ため、コンバータを使用するのは現実的ではない。一方、エナジーハーベストを小型のキャパシタと組み合わせれば、電圧の変化があり且つ微弱な電流をそのまま充電することができ、効率的な充電が可能となる。

１…太陽光発電システム、１０…太陽電池、２０…キャパシタ、３０…二次電池、４０…パワーコンディショナ、４１，４２…ＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧変換器）、４３…インバータ、５０，５１，５２…スイッチ素子、６０…負荷

Claims (3)

1. 太陽電池と、
   前記太陽電池に接続されたキャパシタと、
   前記キャパシタに電圧変換器を介して接続された二次電池と、
   前記太陽電池の発電量が所定値Ｔｓを超える場合に、前記太陽電池からの電力を負荷に供給し、前記太陽電池の発電量が所定値Ｔｓ以下である場合に、前記太陽電池からの電力を前記キャパシタに充電し、前記キャパシタに蓄積された電力を前記二次電池に充電する制御回路とを備えた、太陽光発電システム。
2. 請求項１において、
   前記制御回路は、
   前記キャパシタの残容量が所定値Ｔｃ１に達した場合に、前記キャパシタに蓄積された電力を前記二次電池に充電する制御を開始し、前記キャパシタの残容量が所定値Ｔｃ２（ｔｃ２＜ｔｃ１）以下となった場合に、前記キャパシタに蓄積された電力を前記二次電池に充電する制御を停止する、太陽光発電システム。
3. 請求項１又は２において、
   前記制御回路は、
   前記二次電池の残容量が所定値Ｔｂ未満である場合に、前記キャパシタに蓄積された電力を前記二次電池に充電し、前記二次電池の残容量が所定値Ｔｂ以上である場合には、前記キャパシタに蓄積された電力を負荷に供給する、太陽光発電システム。