JPS6079417A - 同期制御手段不要の太陽電池用電力変換装置 - 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】 （利用分野） 本発明は、太陽電池用電力変換装置に関１゛るものであ
り、特に、入力光量に応じた最大電力を太陽電池から取
出すことができ、しかも、太陽電池の商用電源への接続
も可能にすることができる太陽電池用電力変換装置に関
するものである。

（従来技術） 太陽電池は、周知のように、太陽光を吸収して電流を発
生するものであるから、その発生電流または電力は、日
射量の変動に伴なって変動するし、夜間には電力を取出
すことができない。

このために、現在実用化されている太陽電池電源装置で
は、蓄電池を併用し、いわゆる浮動充電回路を構成する
のが普通である。このような構成にしておけば、日射量
の多い昼間に充電できるので、夜間または、雨天や曇天
で、日射量の少ないときでも、必要な電力を取出すこと
ができるようになる。

しかし、従来装置において、蓄電池として、一般に普及
している鉛蓄電池を用いる場合でも、水素ガスや酸素ガ
スが発生して危険を伴なうばかりでなく、電解液の補充
等の保守が必要となるので、特に、一般小規模個所には
、・事実上利用できないという欠点がある。

他の型式の蓄電池は高価であるばかりでなく、容量も十
分でないという問題がある。

さらに、通常は、電源としては商用電源（１００／２０
０Ｖ、５０／６０サイクル）を利用していることが多い
ので、商用ｆｆｌ源と接続できることが望まれる。

しかし、このためには、さらにインバータなどを必要と
するので、構造が複雑となって大型化し、設備費がより
高価となる欠点がある。

（目的） 本発明は、前述の欠点を除去するためになされたもので
あり、その目的は、簡単な構成で太陽電池を商用電源へ
接続することを可能にし、しかも、日射量に応じた最大
電力を太陽電池から取出すことのできる太陽電池用電力
変換装置を提供することにある。

（実施例） 以下に、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例のブロック図である。

太陽電池１は、入射光量に応じた電力をインバータ２に
供給する。電圧制御発振器３は太陽電池１の出力電圧Ｅ
ｉに応じた周波数［で発振する。

前記インバータ２は前記周波数ｆで作動し、太陽電池１
からの直流電流を交流電流に変換する。前記発振周波数
ｆは、出力電圧Ｅｉが高いほど高くなる。

インバータ２の出力（交流）側は、インダクタ４を介し
て商用電源５に接続される。負荷６はインバータ２の出
力側あるいは商用電源５に接続される。

作動時に、太陽電池１から発生される電流１ｉは、イン
バータ２および電圧制御発振器３に供給される。このと
きの太陽電池１の端子電圧はＥｉである。このとき電圧
制御発振器３は、周波数ｒで発振し、これにより、イン
バータ２は前記周波数［の交流電圧Ｅｉｎｖ（ただし、
基本周波数成分の実効値）を発生ずる。

それ故に、商用型ｍ５の電圧実効値をＥａＣｌまたイン
ダクタ４のインダクタンスを［−とすれば、インダクタ
４を通してインバータ２から商用電源５の方へ、あるい
はその逆に供給される電圧Ｐは、良く知られているよう
に、つぎの（１）式であられされる。

なお、前記（１）式において、θはインバータ２の交流
電圧Ｅｉｎｖと商用型？ｌ１ｉ５の交流波形ＥａＣとの
位相差である。

したがって、インバータ２の交流電几［ｉｎｖの位相が
商用電源５の交流波形Ｆａｃのそれよりも進んでおれば
、電力はインバータ２の側から商用電源５の側へ流れ、
負荷６は太陽電池１によって電力を供給されることにな
る。

本発明では、インバータ２の出力周波数は、商用電源５
の周波数に自動的に同期づ−る。以下、その原理につい
て説明する。

いま、太陽電池１の出力［１にＪ、す、電圧制御発振器
３が周波数［で発振し、インバータ２は基本周波数ｆの
交流電圧Ｅｉｎｖを出力しているものと仮定する。また
、インバータ２の出力交流電圧１：ｉｎｖの位相は商用
電源５のそれより進んでおり、したがって、太陽電池１
の側から、インダクタ４を介して、商用電源５の側へ電
力が流れていると仮定する。

この状態で、太陽電池１への入射光が増加】゛ると、そ
の出力電圧Ｅ１が高くなるので、これに伴なって電圧制
御発振ｉ３の発振周波数ｆも高くなろうとする。これに
より、インバータ２の出力交流の周波数も高くなろうと
し、その位相が進む−すなわち、インバータ２の出力交
流電圧ＥｉｎＶの商用電源５の電圧ＥａＣに対する進相
角が大きくなろうとする。

そう゛すると、前記（１）式から明らかなように、イン
ダクタ４を通して、太陽電池１から商用電源５へ供給さ
れる電力が増加する。

これに伴なって、太陽電池１からインバータ２へ流入す
る電流が増加するので、太陽電池１の内部抵抗による電
圧降下が大きくなり、太陽電池１の出力電圧Ｅｉを減少
さゼるように作用し、結果として、太陽電池１の□出力
電圧Ｅｉの上昇−したがって、インバータ２の交流周波
数の増大が抑止される。゛ また、前述とは逆に、太陽電池１への入射光が減少する
と、その出力電圧Ｅｉが低下するので、これに伴なって
電圧制御発振器３の発振周波数ｆも低くなろうとする。

そうすると、インバータ２の出力交流の周波数も低くな
ろうとし、その位相が遅れる。

その結果、インダクタ４を通して、太陽電池１から商用
型ｍ５へ供給される電力が減少する。これに伴なって、
太陽電池１からインバータ２へ流入する電流が減少する
。

したがって、太゛陽電池１の内部抵抗による電圧降下が
小さくなり、太陽電池１の出力電圧Ｅ１を増加させるよ
うに作用し、結果として、太陽電池１の出力電圧Ｅｉの
低下−Ｌ／　７Ｃがって・、インバータ２の交流周波数
の低下が抑止される。

以上のようにし〔、太陽電池１への入射光ｍが変化して
も、インバータ２の出力交流電圧ＥｉｎＶの周波数は、
自動的に、一定に保持され、商用電源５の周波数との同
期がとられる。

このことはまた、太陽電池１の出力電圧がほぼ一定に保
持されることを意味しており、これによってさらに、以
下に述べるような好ましい特徴をもたらす。

第２図は、太陽電池１の端子電圧Ｖ（横軸）と出力電力
１１Ｗ（縦軸）の関係を、入射光量（または入射光エネ
ルギ）ｎｌＷ／ｃＩ１１２をパラメータとして示したも
のである。この図から分るように、太陽電池１から取出
し得る電力は、入射光エネルギの増加に伴って増加す−
るのはもらろんであるが、端子電圧によっても変化する
。

すなわち、入射光エネルギが一定でも、端子電圧の増加
に伴って出力電力は増加し１．また端子電圧がある値を
超えると、却って出力電力は減少する一換言すれば、出
力電力を最大にするような最適端子電圧が存在している
。しかも、前記最適端子電圧は、第２図から分るように
ほぼ一定（４ボルト付近）である。

したがって、第１図の実施例において、太陽電池１の出
力電圧が前記最適端子電圧に等しくなるように、各部の
回路定数を選定しておけば、常に、そのときの入射光量
に見合った最大電力を取出１ことができるようになる。

第３図は本発明の実施例の具体的な回路例を示す図であ
る。図において、第１図と同一の符号は、同一または同
等部分をあられしている。

可飽和鉄心７には一次巻線８．８ａ、二次巻線９．９ａ
および出力巻線１０．１０ａが巻装される。−次巻線８
，８ａの各一端は共通接続され、太陽電池１の正端子に
接続される。

またその他端は、それぞれ対応するトランジスタ１２．
１２ａのコレクタに接続される。前記各トランジスタ１
２．１２ａのエミッタは共通接続されて、太陽電池１の
負端子に接続される。

前記各トランジスタ１２，１２８のベースはそれぞれ二
次巻線９，９ａの一端に接続され、前記二次巻線９，９
ａの他端は抵抗を介して共通接続され、さらに、他の抵
抗を介して太陽電池１の正端子に接続される。

以上の説明から明らかなように、前記−次巻線８．８ａ
、二次巻線９．９ａ、、出力巻線１０゜１０ａ、ｌ−ラ
ンジスタ１２．１２ａなどは周知のロイＡ７−発振回路
を構成しており、本実施例では電圧制御発振器３として
動作する。

コンデンサ２３．２３ａは太陽電池１の正負端子間に直
列接続される。ダイオード２４．２４８は、太陽電池１
の正負端子間に、逆極性になるように、直列接続される
。

ントン接続トランジスタよりなり、前記ダイオード２４
．２４ａとそれぞれ逆並列に接続される。

前記各トランジスタ２１．２１ａのベースおよびエミッ
タは、それぞれ出力巻線１０，１０８の両端に接続され
る。前記タイΔ−ト２４．２４ａの１！続点はインタフ
タ４を介して出カドランス１６の入力端子の一方に接続
される。

前記コンデンサ２３．２３ａの接続点は前記出カドラン
ス１６の他方の入力端子および商用電源５の一極に接続
される。商用電源５の他端は、出力１〜ランス１６の出
力端子に接続される。

前述のトランジスタ２１，２１ａ、コンデンサ２３．２
３ａおよびダイＡ−−ド２４．２４ａはハーアブシジン
型インバータ２を構成している。

動作時には、トランジスタ１２または１２ａのいずれか
一方が導通する。１〜ランジスタ１２が導通したと仮定
すると、−次電流が太陽電池１→−次巻線８−◆１〜ラ
ンジスタ１２→太陽電池１の回路に流れ、これによって
二次巻線９．９ａ　Ｌこ電Ｆｉが誘起される。

二次巻線９の電圧はトランジスタ１２に順ノ＼イアスを
与え、二次巻線９ａの電圧はトランジスタ１２ａに逆バ
イアスを与える。これによって（Ａわゆる正帰還作用を
生じ、トランジスタ１２（よ急速に飽和する。

かくして、鉄心７は一次巻線を流れる電流によって励磁
され、やがて鉄心の磁束が飽和すると、二次巻１９の電
圧が消滅してトランジスタ１２のベース電流がＯに低下
し、トランジスタ１２が遮断される。

鉄心の磁束は減少しはじめるから、これによって二次巻
線９．９ａ＆二は今までとは逆極性の電圧が誘起され、
１−ランジスタ１２ａが順バイアスとなり、太陽電池１
→−次巻線８ａ→トランジスタ１９ａ→−に鴎雷油１の
回路に一次電流が流れる。

前に説明したのと同様の正帰還作用によって、こんどは
１ヘランジスタ１２ａが飽和状態になり、鉄心７の磁束
を逆方向に飽和１るまで励磁が行なわれる。

以上のようにしく、２つのｉ〜ランジスタ１２゜１２ａ
が交互に導通し、出力巻線１０には交流（矩形波）が発
生される。

その結果明らかなように、トランジスタ２１゜２１ａは
交互に順バイアスとなる。一方、コンデンサ２３．２３
ａは、太陽電池１によつ（−充電されている。したがっ
て、ｉ−ランジスタ２１が導通ずると、コンデンサ２３
の充電電荷は、］ンデンナ２３→トランジスタ２１→イ
ンタクタ４→出カドランス１６→コンデンサ２３の経路
で放電する。

一方、トランジスタ２１ａが導通り−ると、コンデンサ
２３ａの充電電荷は、コンデンサ２３ａ→出力１〜ラン
ス１６→インダクタ４→トランジスタ２１ａ→コンデン
サ２３ａの経路でｔＩｉ電する。

このようにして、出カドランス１６の一次側巻線部に交
流が供給され、二次・側には、商用電源５の電圧にマツ
チした電圧が発生する。

この場合、電圧制御発振器３における１−ランジスタ１
２，１２ａおよび可飽和鉄心７の飽和速麿は太陽電池１
の電圧に依存し、太陽電池１の電圧が高いほど急速に飽
和するので、このロイヤー発振器は電圧制御発振器３と
しての機能を満足する。

したがって、第３図の回路によって、第１図に関して前
述したのと同様の作用・効果が達成される。

第４図は、第３図の実施例において、太陽電池１を、６
４Ｖの電池と、内部抵抗としての可変抵抗とを直列接続
した電源装置で模擬し、内部抵抗を変化させて出力電流
１ｉを変化させＩＣときの、出力電圧（Ｅｉ）、出力電
力（Ｐ）、および変換効率（η）の変化状態を示すグラ
フである。

なお、この場合、インダクタ４のインダクタンスは３Ｑ
ｍ）ｌ、商用電［５の電圧およびインバータ２の出力交
流電圧は２５Ｖに設定した。

この図から、端子電圧はほぼ６０Ｖと、一定に保持され
、また約９０％という高い変換効率が得られることが分
るであろう。

第５図は、本発明の他の実施例の具体的回路図である。

同図において、第３図と同一の符号は、同一または同等
部分をあられしている。

出力巻線１０．１０ａの各一端は共通接続され、それぞ
れの他端は、トランジスタ２１．２１ａのベースに接続
される。前記出力巻線１０．１０ａの共通接続点は各ト
ランジスタ２１．２１ａのエミッタに接続されると共に
、太陽電池１の負端子およびコンデンサ２３ｃの一極に
接続される。

各トランジスタ２１．２１８のコレクタおよびエミッタ
間には、ダイオード２４，２４ａが逆極性に接続される
。各トランジスタ２１．２１ａのコレクタは出カドラン
ス１６の一次巻線１７、。

１７ａの各一端に接続される。

前記用）ｊトランス１６の一次巻線１７．１７ａの各他
端は共通接続され、前記接続点は、太陽電池１の正端子
およびコンデンサ２３ｃの他方の極に接続される。出カ
ドランス１６の二次巻線１８は、インダクタ４を介して
商用電源５に接続される。

動作時に、トランジスタ２１．２１ａが交互に導通され
ることは、第３図の場合と同様である。

トランジスタ２１が導通すると、コンデンナ２３ｃに充
電されていた電荷が、コンデレザ２３０→−次巻線１７
→トランジスタ２１→コン１、　デンザ２３の経路で放
電する。また、トランジスタ２１ａが導通ずると、コン
デンサ２３ｃに充電されていた電荷が、コンデンサ２３
０→−次巻線１７ａ→トランジスタ２１ａ→コンデンサ
２３の経路で放電する。

したがって、二次巻線１８には交流が発生され、これが
インダクタ４を介して、負荷６および商用電源５に供給
される。

第５図の構成によって、第３図の場合と同様の作用効果
が達成されることは明らかである。

第６図は本発明のさらに他の実施例の具体的回路図であ
鼠。図において、第５図と同一の符号は、同一または同
等部分をあられしている。

ンバータ２を一体化して、いわゆるジエンセン（Ｊ　ｅ
ｎｓｅｎ　）形インバータ回路を用いたものである。

いま、トランジスタ２１が導通状態になっていると仮定
すると、太陽電池１からの電流およびコンデンサ２３ｃ
に結電されていた電荷による放電電流は、−次巻線１７
およびトランジスタ２１を通して流れる。

これによって、三次巻線１９に誘起された電圧は、ｇ遠
巻線１９ａに印加される。帰還巻Ｆｊ１９ａによって出
力巻−１０，１０ａに誘起される電圧は、トランジスタ
２１に対しては順バイアスを与え、］・ラランジッタ２
１に対しては逆バイアスを与える。

これによって、いわ小る正帰還作用を生じ、１〜ランジ
スタ２１は急速に飽和する。一方、ＯＪ飽和鉄心７は帰
還巻線１９ａを流れる電流によって励磁され、ついには
可飽和鉄心７の磁束が飽和づる。

これにより、出力巻線１０の電１丁が消滅して、トラン
ジスタ２１のベース電流がＯになり、トランジスタ２１
が遮断される。その結果、可飽和鉄心７の磁束が減少し
はじめるので、出力巻線１０゜１０ａには、今までとは
逆極性の電圧が誘起される。

したがって、トランジスタ２１ａは順バイアス、トラン
ジスタ２１は逆バイアスとなる。トランジスタ２１ａが
導通し、−次巻線１７ａから１−ランジスタ２１ａを通
して電流が流れる。

そして、前に述べたのと同様の正帰還作用によって、今
度はトランジスタ２１ａが飽和状態になり、可飽和鉄心
７の磁束を逆方向に飽和するまで励磁が行なわれる。

以上のようにして、２つのトランジスタ２１゜２１ａが
交互に導通し、これによって−次巻線１７．１７ａに一
次電流が供給され、二次巻線１８には交流（矩形波）が
発生される。この交流はインダクタ４によって濾波され
、商用電源５および負荷６に供給される。

第６図においても、例えばｌ・ランジスタ２１が導通し
はじめてから、可飽和鉄心７が飽和してこれが遮断され
るまでの時間は、太陽電池１の端子電圧に依存するので
、第１図に関して述べたのと同様の作用効果を達成でき
ることは明らかであろう。

なお、以上においては、インバータの動作周波数−すな
わら、電圧制御発振器３０出カ周波数１は、インバータ
２の交流出力の基本周波数または商用電源５の周波数に
実質上等しいものとして説明したが、本発明のインバー
タ２として例えばＰＷＭ　（多重パルス幅変調）インバ
ータを用いることもできる。

この場合には、当業者には容易に即問されるように、前
記出力周波数［を商用電源５の周波数の整数倍に選定し
、これをクロックとして予定のタイミングでインバータ
２のオン、オフを制御する手段が必要である。

さらに、以上では、本発明を交流負荷に対１−る電源と
して用いる例について述べたが、本発明は直流負荷にも
適用できるものである。この場合には、例えば、直流負
荷を太陽電池１に直接接続りればよい。

太陽電池１の出力電力が、直流負荷の消費電力を上形る
場合には、前述のようにして、余剰電力が商用Ｎ源５の
側へ伝送され、逆に、太陽電池１の出力電力が負荷によ
る消！電力に満たない場合には、インバータ２が順変換
器として作用覆るので、商用電源５からインバータ２を
介して、直流負荷に直流電流が補助的に供給される。し
たがって、太陽電池１の端子電圧は実質上〜定に保たれ
る。

（効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、つぎ
のような効果が達成される。

（１）入射光量に応じた最大電力を太陽電池から取出す
ことができる。

（２）太陽電池を商用電源へ接続Ｊ−ることも可能にす
ることができる。太陽電池を商用電源と接続できれば、
蓄電池等を必要とせず、太陽電池からの電力が不足した
ときは、商用電源から電力を補充することができ、反対
に、太陽電池からの電力が余ったときは、商用電源へ返
してやることが、極めて容易にできるので便利であり、
保守などの必要もほとんど無くなる。したがって、一般
にも十分に実用に供することができるようになる。

（３）交流９萄のみならず直流９萄にも、安定した電力
供給ができる。

（４）蓄電池を用いていないので、保守が簡単になり、
一般に広く利用が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は、太
陽電池の端子電圧■（横軸）と出力電力ｍＷ（縦軸）と
の関係を、入射光口（または入射光エネルギ）　ｍ　Ｗ
／ｃ＋ｎ２をパラメータとしで示したグラフ、第３図は
、本発明の実施例の具体的な回路例を示す図、第４図は
、第３図の実施例において、太陽電池の内部抵抗を変化
させて出力電流１ｉを変化させたときの、出力電圧（Ｅ
ｉ）、出力電力（Ｐ）、および変換効率ηの変化を示す
グラフ、第５図および第６図は、それぞれ本発明の他の
実施例の具体的回路図である。 １・・・太陽電池、２・・・インバータ、３・・・電圧
制御発振器、４・・・インダクタ、５・・・商用電源、
６・・・負荷、７・・・可飽和鉄心、１６・・・出力］
−ランス代理人弁理士　平木通人　外１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　太陽電池と、前記太陽電池の直流比ツノ電圧の
   関数である周波数で発振する電圧制御発振器と、前記電
   圧制御発振器の出力周波数に基づいて制御され、かつ前
   記太陽電池の直流出力電流を供給されてこれを交流に変
   換するインバータと、前記インバータの交流出力および
   商用電源を接続するインダクタとを具備したことを特徴
   とする太陽電池用電力変換装置。 （′２Ｊ　前記電圧制御発振器の交流出力基本周波数が
   商用電源の周波数に実質上等しいことを特徴とする特許 池用電力変換装置。 （ａ　前記電圧制御発振器の交流出力基本周波数が商用
   電源の周波数の整数倍に実質上等しく、前記インバータ
   は多重パルス幅変調型であることを特徴とする前記特許
   請求の範囲第１項記載の太陽電池用電力変換装置。