JP6346542B2 - Portable solar power supply system - Google Patents
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Description
本発明は、可搬型太陽光発電給電システムに係り、発電機能と給電機能が可搬型の1つのシステムにまとめられた可搬型太陽光発電給電システムに関する。 The present invention relates to a portable solar power feeding system, and more particularly to a portable solar power feeding system in which a power generation function and a power feeding function are combined into one portable system.
太陽光発電は無尽蔵でクリーンなエネルギー源として実用化されつつあるが、現在の太陽光発電パネルは、据置型を前提として適当な強度を有する構造であるので、装置重量が重い。また、太陽光パネルで発電されるのは直流電力であるので、商用交流電力で動作する照明や機器等を直接駆動することができない。発電給電装置として1台の装置にまとめるには、太陽光発電パネルの他に直流電力を商用交流電力に変換する正弦波インバーター等が必要であるが、この正弦波インバーター等の電力変換装置の変換効率が低いと、せっかく発電した太陽光エネルギーを十分に利用できない。 Although photovoltaic power generation is being put into practical use as an inexhaustible and clean energy source, the current photovoltaic power generation panel has a structure with an appropriate strength on the premise of a stationary type, and thus the weight of the apparatus is heavy. In addition, since it is direct-current power that is generated by the solar panel, it is not possible to directly drive lighting or equipment that operates with commercial alternating-current power. In order to combine the power generation and supply device into a single device, in addition to the photovoltaic power generation panel, a sine wave inverter or the like that converts DC power into commercial AC power is required. Conversion of a power conversion device such as this sine wave inverter If the efficiency is low, the generated solar energy cannot be fully utilized.
特許文献1には、太陽電池等の直流電力を50Hzまたは60Hzの正弦波交流電力に変換する電力変換装置の損失を電流共振型のソフトスイッチング方式で低減する技術が開示されている。ここでは従来技術として、昇圧コンバータと、4つのスイッチング素子から構成されるフルブリッジ型インバーターと、正弦波基準信号を三角波と比較してPWM制御信号を4つのスイッチング素子に供給する回路を含む構成が述べられている。 Patent Document 1 discloses a technique for reducing the loss of a power conversion device that converts DC power of a solar battery or the like into sinusoidal AC power of 50 Hz or 60 Hz by a current resonance type soft switching method. Here, as a conventional technique, there is a configuration including a boost converter, a full-bridge inverter composed of four switching elements, and a circuit that compares a sine wave reference signal with a triangular wave and supplies a PWM control signal to the four switching elements. It is stated.
また、特許文献2には、軽量でフレキシブルな光電変換装置として、ほぼ球状のシリコン光電変換素子とこれを支持するための複数の六角形凹部を有する支持体を含む構成が開示されている。球状のシリコン光電変換素子の直径は約1mm、支持体はアルミニウム薄板でその凹部の開口面積S1と球状のシリコン光電変換素子の横断面積S2の比S1/S2=4である。
また、本発明に関連する技術について、特許文献3には、双方向交流スイッチングと高耐圧と低いオン抵抗を有する交流スイッチとして、Nチャネル炭化珪素(SiC)MOSFETを2つ用い、それぞれのソースを互いに接続し、それぞれのゲートを接続して1つの制御端子とし、それぞれのドレインを2つの出力端子とする直列接続構成が開示されている。炭化珪素MOSFETは、n+SiC基板上にn-SiCエピタキシャル層を形成し、その表層部にpウエル、n+ソースが形成されるプレーナ構造である。n-SiCエピタキシャル層の厚さtを4μm、n-濃度を1×1016/cm3とすることでオフ時耐圧を400Vとでき、tを6μmとすることでオフ時耐圧を600Vとでき、tを10μmとしてn-濃度を5×1015/cm3とすることでオフ時耐圧を1200Vとできると述べている。また、炭化珪素MOSFETは単位面積当たりのオン抵抗が低いので、この双方向交流スイッチの2つの炭化珪素MOSFETが共にオンしたときのオン抵抗を10mΩ〜20mΩにできると述べている。 In addition, regarding the technology related to the present invention, Patent Document 3 uses two N-channel silicon carbide (SiC) MOSFETs as bidirectional AC switching, an AC switch having a high breakdown voltage and a low on-resistance, and each source is A series connection configuration is disclosed in which the gates are connected to each other to form one control terminal and each drain to two output terminals. The silicon carbide MOSFET has a planar structure in which an n − SiC epitaxial layer is formed on an n + SiC substrate, and a p-well and an n + source are formed on the surface layer portion. By setting the thickness t of the n − SiC epitaxial layer to 4 μm and the n − concentration to 1 × 10 16 / cm 3 , the withstand voltage at off time can be 400V, and by setting t to 6 μm, the withstand voltage at off time can be 600V. It is stated that withstand voltage at off can be set to 1200 V by setting t to 10 μm and n − concentration to 5 × 10 15 / cm 3 . In addition, since the silicon carbide MOSFET has a low on-resistance per unit area, it is stated that the on-resistance when the two silicon carbide MOSFETs of the bidirectional AC switch are both turned on can be 10 mΩ to 20 mΩ.
東北大震災等を契機として、緊急時に被災地等に配置できる可搬型の太陽光発電給電システムが要望されてきた。従来、太陽光発電パネルと、正弦波インバーター等の電力変換装置とは、個別の技術として発展してきているので、例えば、可搬性に優れる球状シリコン光電変換装置と、従来の正弦波インバーター等の電力変換装置とを単に組み合わせても、電力変換装置の変換効率が低いと、せっかく発電した太陽光エネルギーを十分に利用できず、緊急時の対策として不十分なものとなる。 With the Great East Japan Earthquake, there has been a demand for a portable solar power supply system that can be placed in disaster areas in an emergency. Conventionally, photovoltaic power generation panels and power conversion devices such as sine wave inverters have been developed as separate technologies. For example, spherical silicon photoelectric conversion devices with excellent portability and conventional sine wave inverter power Even if the conversion device is simply combined, if the conversion efficiency of the power conversion device is low, the generated solar energy cannot be fully utilized, which is insufficient as an emergency measure.
本発明の目的は、太陽光エネルギーによって発電し、これを交流電力に変換して給電するシステムについて、システム全体の可搬性を確保しながら、システム全体の電力変換効率の向上を図ることができる可搬型太陽光発電給電システムを提供することである。 The object of the present invention is to improve the power conversion efficiency of the entire system while ensuring the portability of the entire system for a system that generates power by solar energy, converts this into AC power, and supplies power. It is to provide a portable solar power supply system.
本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムは、最大定格電圧が16V、最大出力が50Wの直流電力を出力し、かつ、支持フレームを含む全体質量が3kgである球状シリコン型の太陽電池と、太陽電池とは独立の装置で、太陽電池の出力電圧を100Vの直流電圧に昇圧する昇圧回路、及び、2つのNチャネル炭化珪素MOSFETが直列接続されたアーム回路が2つ並列接続されて100Vの直流電力を100V50Hzまたは100V60Hzの正弦波交流電力に変換するインバーター回路を含み、定格出力が300Wで、全体質量が1.3kgである直交電力変換装置と、太陽電池及び直交電力変換装置を互いに電気的に接続する電力線と、互いに電気的に接続された太陽電池及び直交電力変換装置を設置目的地に設置するための設置具と、で構成され、二次電池を含まないことを特徴とする。
本発明に係る可搬型太陽光発電給電システムにおいて、太陽電池が4台並列に接続され、最大定格電圧が16V、最大出力が200Wの直流電力を出力し、かつ、支持フレームを含む全体質量が12kgである太陽電池接続体と、定格出力が300Wの直交電力変換装置の1台とが電力線で接続されていることが好ましい。
A portable photovoltaic power generation system according to the present invention outputs a DC power having a maximum rated voltage of 16 V and a maximum output of 50 W, and a spherical silicon solar cell having a total mass of 3 kg including a support frame , A device independent of the solar cell, and a booster circuit that boosts the output voltage of the solar cell to a DC voltage of 100V, and two arm circuits in which two N-channel silicon carbide MOSFETs are connected in series are connected in parallel to provide 100V An orthogonal power converter that includes an inverter circuit that converts DC power into 100V50Hz or 100V60Hz sinusoidal AC power, has a rated output of 300 W, and an overall mass of 1.3 kg, and a solar cell and an orthogonal power converter are electrically connected to each other. For installing the power line connected to the solar cell, the solar cell and the orthogonal power converter electrically connected to each other at the installation destination And置具, in the configuration, and wherein the free of the secondary battery.
In the portable photovoltaic power supply system according to the present invention, four solar cells are connected in parallel, the DC power having a maximum rated voltage of 16 V and a maximum output of 200 W is output, and the total mass including the support frame is 12 kg. It is preferable that the solar cell connector and the one of the orthogonal power converters with a rated output of 300 W are connected by a power line.
上記構成の可搬型太陽光発電給電システムは、装置の重さ1kg当り15W以上の直流電力の出力を可能とする薄型軽量のフレームに支持された球状シリコン型の太陽電池と、4つのNチャネル炭化珪素MOSFETで構成される直交電力変換装置とを備える。装置の重さ1kg当り15W以上の太陽電池は、従来市販されている据置型の太陽電池パネルに比べ、装置の重さ1kg当りの発電電力が約2倍であるので、可搬性が向上する。また、炭化珪素MOSFETはシリコンMOSFETに比べオン抵抗を低くできる。この組合せによって、太陽光発電給電システム全体の可搬性を確保しながら、太陽光発電給電システム全体の電力変換効率の向上を図ることができる。 The portable solar power feeding system having the above-described configuration includes a spherical silicon solar cell supported by a thin and lightweight frame capable of outputting DC power of 15 W or more per kg of the device, and four N-channel carbonizations. And a quadrature power conversion device including a silicon MOSFET. A solar cell having a weight of 15 W or more per kg of the device has about twice the generated power per kg of the device as compared with a conventionally-installed stationary solar cell panel, so that the portability is improved. Further, the silicon carbide MOSFET can have a lower on-resistance than the silicon MOSFET. With this combination, it is possible to improve the power conversion efficiency of the entire photovoltaic power supply system while ensuring the portability of the entire photovoltaic power supply system.
また、可搬型太陽光発電給電システムにおいて、直交電力変換装置は、2つのNチャネル炭化珪素MOSFETが直列接続されたアーム回路が2つ並列接続されて構成されるインバーター回路を含む。4つの炭化珪素MOSFETのオンオフを適切に制御し、それぞれのアームにおける2つのNチャネル炭化珪素MOSFETの直列接続点からそれぞれ出力端子を引き出すことで、正弦波交流電力を効率よく取り出すことができるので、太陽光発電給電システム全体の電力変換効率の向上を図ることができる。 In the portable photovoltaic power supply system, the orthogonal power conversion device includes an inverter circuit configured by connecting two arm circuits in which two N-channel silicon carbide MOSFETs are connected in series. By appropriately controlling on / off of the four silicon carbide MOSFETs and extracting the output terminals from the series connection points of the two N-channel silicon carbide MOSFETs in the respective arms, the sinusoidal AC power can be efficiently extracted. It is possible to improve the power conversion efficiency of the entire photovoltaic power supply system.
また、可搬型太陽光発電給電システムにおいて、直交電力変換装置は、他の構成を同じとして、4つのNチャネル炭化珪素MOSFETのみを同等のゲート閾値電圧を有する4つのNチャネルシリコンMOSFETに置き替えたときに比べ、電力変換効率が2%以上向上する動作範囲を有する。通常の直交電力変換装置の最大変換効率は85%程度であるので、電力変換効率における向上可能な範囲は約15%である。その中での2%以上の向上は、向上可能な範囲の約15%近い改善に相当する。 In the portable photovoltaic power generation system, the orthogonal power converter replaces only four N-channel silicon carbide MOSFETs with four N-channel silicon MOSFETs having the same gate threshold voltage with the same configuration. Compared to sometimes, it has an operating range in which the power conversion efficiency is improved by 2% or more. Since the maximum conversion efficiency of a normal orthogonal power converter is about 85%, the range in which the power conversion efficiency can be improved is about 15%. An improvement of 2% or more among them corresponds to an improvement of about 15% of the range that can be improved.
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、特定のメーカの太陽電池、Nチャネルトランジスタ、交直電力変換装置等について述べるが、これらは、実験に用いた例示であって、これ以外のメーカのものであっても構わない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, solar cells, N-channel transistors, AC / DC power converters, etc., of a specific manufacturer will be described, but these are examples used for experiments and may be of other manufacturers.
以下で述べる形状、寸法、個数、電流値、電圧値、電力値等は例示であって、可搬型太陽光発電給電システムの仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において、対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 The shape, dimensions, number, current value, voltage value, power value, and the like described below are examples, and can be appropriately changed according to the specifications of the portable solar power supply system. Hereinafter, in all the drawings, corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、可搬型太陽光発電給電システム10の構成図である。図1(a)は全体の構成を示す図で、(b)は(a)におけるB部分の拡大図、(c)は(b)におけるC−C線に沿った断面図である。以下では、可搬型太陽光発電給電システム10を、特に断らない限り、システム10と呼ぶ。
FIG. 1 is a configuration diagram of a portable photovoltaic
可搬型太陽光発電給電システム10は、商用電源の供給を受けることができない場所に一時的に搬入して設置し、このシステム10のみで商用交流電力と同等の50Hzまたは60Hzで実効電圧値が100Vの正弦波交流電力を給電することができるシステムである。
The portable photovoltaic power generation
このシステム10のみで、とは、例えば自家発電機のように燃料や蓄電装置等を要することがない、との意味である。このような場所の例としては、震災等で一時的に商用交流電力の供給が不可能になった被災地や、商用電源線が敷設されていない高地や僻地等が挙げられる。
By this
可搬型とは、自動車やヘリコプタ等の移動装置に積載して、このシステム10の全体をそのまま運搬でき、場合によっては、各構成要素の単体に分けて、人力で運搬できることを意味する。
The portable type means that the
システム10は、複数の球状シリコン型の太陽電池12と、直交電力変換装置14と、これらを互いに電気的に接続する電力線16と、図示しないが、これらの要素を目的地に設置するための複数の設置具で構成される。設置具の例としては、折り畳み式の架台等である。負荷18は、システム10が供給する正弦波交流電力によって動作する機器等で、図1では、負荷18の例として照明装置を図示した。破線枠で示した入力側電力計測装置20と出力側電力計測装置22は、システム10の構成要素ではないが、後述する電力変換効率を測定するために用いられる装置である。
The
球状シリコン型の太陽電池12は、装置の重さ1kg当り15W以上の直流電力の出力を可能とする薄型軽量のフレームに支持された太陽電池パネルである。図1では、4つの球状シリコン型の太陽電池12が電力線によって並列接続される。図2に、球状シリコン型の太陽電池12の代表的仕様を示した。比較例として、市販されている据置型の太陽電池の代表的仕様も示した。球状シリコン型の太陽電池12としては、クリーンベンチャー21社の型式CVFM−0540T2−WHを示し、市販されている据置型の太陽電池としては、シャープ社の多結晶シリコンを用いた型式ND−142CUを示した。シャープ社のこの太陽電池は自家発電用で、例えば、家屋の屋根に据付設置して用いられる。
The spherical silicon type
図2に示されるように、球状シリコン型の太陽電池12は、市販の据置型太陽電池に比べ、際立って相違する点が2つある。1つは、厚さが4mmで、市販の据置型太陽電池の厚さ46mmの1/12であり、手で撓ませることができる。これは、市販の据置型の太陽電池が厚いガラスで受光面側の保護がなされているのに対し、球状シリコン型の太陽電池12はガラスレスで済むからである。もう1つは、厚さが薄いことによって、単位重さ当たりの発電電力が多いことである。最大定格出力/重さで比較すると、球状シリコン型の太陽電池12は、54W/3.0kgで、1kg当り15W以上の18Wである。これに対し、市販の据置型の太陽電池は、142W/14.5kgで、1kg当り9.8Wである。つまり、単位重さ当たりで比較すると、球状シリコン型の太陽電池12は、市販の据置型の太陽電池約2倍の最大定格出力を有する。この相違から、球状シリコン型の太陽電池12が市販の据置型太陽電池に比べ可搬性に優れていることが分かる。また、球状シリコン型の太陽電池12の重さが3.0kgであるので、人力で容易に運搬できるが、市販の据置型太陽電池は、1つの重さが14.5kgであり、人力での運搬があまり容易ではない。
As shown in FIG. 2, the spherical silicon
再び図1に戻り、図1(b),(c)を用いて、球状シリコン型の太陽電池12が薄型と軽量の特徴を有する理由となっている球状シリコン型の光電変換部分の構造を説明する。図1(a)に示すように、球状シリコン型の太陽電池12は、複数の太陽電池ブロック32が互いに直列及び並列に接続され、これらがフレーム30によって外形が保持される構造を有する。
Returning to FIG. 1 again, the structure of the spherical silicon type photoelectric conversion portion, which is the reason why the spherical silicon type
図1(b)は、(a)におけるB部分についての受光面側の拡大図である。球状シリコン型の太陽電池12の太陽電池ブロック32は、直径が約1mmの球状シリコン34が、六角形の輪郭線を有する凹部36の底部に固定されたものを1つの光電変換素子として、これを2次元平面上で多数配置したものである。六角形の互いに平行な輪郭線の間の間隔は約2.3mmである。凹部36は、底部に球状シリコン34を安定して固定する機能と共に、入射される太陽光を反射して球状シリコン34に集光させる機能を有する。複数の凹部36の外側底面は、適当な絶縁層を介し、アルミニウム板等で構成されるフレーム30によって支持される。
FIG.1 (b) is an enlarged view by the side of the light-receiving surface about B part in (a). The
図1(c)は、(b)のC−C線に沿った断面図である。1つの球状シリコン34は、コア部分がp型シリコン40で、その外周面を覆うシェル部分がn型シリコン42で、この2つの間のpn接合によって太陽光エネルギーが電気エネルギーに変換される。凹部36は、絶縁層44を介して外面側の導電層46がp型シリコン40に電気的に接続して一方側の電極とされ、内面側の導電層48がn型シリコン42に電気的に接続して他方側の電極となる。図1(c)の例では、複数の球状シリコン34における各導電層46が互いに接続され、各導電層48も互いに接続されるので、複数の球状シリコン34による複数の光電変換素子が互いに並列に接続される。
FIG.1 (c) is sectional drawing along CC line of (b). One
このように、球状シリコン型の太陽電池12においては、複数の凹部36がその内面に入射した太陽光を球状シリコン34に集光する機能を有しているので、市販の据置型の太陽電池のように厚い保護ガラスを特に必要としない。フレーム30は複数の凹部36の集合体を単に支持することで足りるので、薄いアルミニウム板等で構成でき、軽量で可撓性を有する太陽電池とできる。
Thus, in the spherical silicon
直交電力変換装置14は、立方体の筐体を有する独立の装置である。筐体には、直流電力を受け取る入力端子50,52と、正弦波交流電力を出力する出力端子54,56が設けられる。なお、図1では図示されていないが、正弦波交流電力の周波数を50Hzと60Hzの間で切り替えられる切替スイッチも設けられる。それ以外の端子は特に必要なく、筐体内部の回路は、入力端子50,52から入力される直流電力のみに基づいて動作する。
The orthogonal
直交電力変換装置14は、内部に直交電力変換を行う回路を備える。直交電力変換を行う回路は、昇圧回路58と、正弦波インバーター60と、ローパスフィルタ62と、PWM回路64と、正弦波基準信号発生器66と、三角波信号発生器68を含んで構成される。
The orthogonal
昇圧回路58は、入力端子50,52に入力される直流電力の電圧値を100Vの直流電圧に昇圧する回路である。昇圧回路58としては、スイッチング素子とリアクトルと容量素子とで構成され、リアクトルに一時的に蓄積された電磁エネルギーを容量素子に放出して昇圧するリアクトル型の回路を用いることができる。昇圧比は、電磁エネルギーを蓄積する時間と放出する時間の比についてスイッチング素子のオンオフのデューティ比によって設定することで行うことができる。
The
これに代えて、入力された直流電力をその電圧値を有する交流電力に一旦変換し、トランスの1次側巻線と2次側巻線の間の巻線比を用いて入力側交流電力の電圧値を昇圧して出力側の交流電力に交流電圧変換し、昇圧された交流電力を再び直流電力に変換して、昇圧された電圧値を有する直流電力とするトランス型の回路を用いてもよい。 Instead, the input DC power is once converted into AC power having the voltage value, and the input-side AC power is converted using the winding ratio between the primary winding and the secondary winding of the transformer. Even if a transformer type circuit is used that boosts the voltage value and converts the AC voltage to AC power on the output side, converts the boosted AC power to DC power again, and converts the boosted AC power to DC power having the boosted voltage value. Good.
正弦波インバーター60は、100Vの電圧値を有する直流電力を100Vの実効交流電圧値を有する50Hzまたは60Hzの正弦波交流電力に変換するインバーター回路である。正弦波インバーター60は、2つのNチャネル炭化珪素MOSFETである2つのスイッチングトランジスタ70,72が直列接続された第1アーム回路と、2つのNチャネル炭化珪素MOSFETである2つのスイッチングトランジスタ74,76が直列接続された第2アーム回路とが互いに並列接続されて構成される。第1アーム回路においてスイッチングトランジスタ70,72が互いに接続される接続点から第1の出力線が引き出され、第2アーム回路においてスイッチングトランジスタ74,76が互いに接続される接続点から第2の出力線が引き出される。第1の出力線と第2の出力線は50Hzまたは60Hzの低周波信号のみを通過させるローパスフィルタ62を介して、出力端子54,56にそれぞれ接続される。
The
PWM回路64は、50Hzまたは60Hzの正弦波基準信号発生器66から出力される正弦波基準信号と、三角波信号発生器68から出力される三角波信号を比較して正弦波インバーター60の4つのスイッチングトランジスタ70,72,74,76に対する制御信号を生成する回路である。PWM回路64は、正弦波基準信号が三角波信号よりも大きな電圧値を有する期間をHレベルとし、正弦波基準信号が三角波信号よりも小さな電圧値を有する期間をLレベルとする矩形波のPWM(Pulse width Modulation)信号を生成する。そして、このPWM信号に基づいて4つの制御信号を生成し、これらを正弦波インバーター60の4つのスイッチングトランジスタ70,72,74,76にそれぞれ供給する制御信号とする。
The
このように正弦波基準信号を4つのPWM制御信号に変換して、これを4つのスイッチングトランジスタ70,72,74,76にそれぞれ供給することで、出力端子54,56の間には、複数の矩形波の集合で形成されたデジタル波形が出力される。複数の矩形波の集合で形成されたデジタル波形は、平滑化した波形の一周期が50Hzまたは60Hzの正弦波となる模擬的な正弦波波形である。このようにして、出力端子54,56に、実効電圧値が100Vで一周期が50Hzまたは60Hzの正弦波交流信号が出力される。
In this way, the sine wave reference signal is converted into four PWM control signals and supplied to the four
かかる直交電力変換装置14としては、大自工業社の型式SXCD−300の正弦波インバーター300W(商品名)を改造したものを用いることができる。型式SXCD−300の正弦波インバーター300W(商品名)は、縦横寸法が147mm×182mmで高さ寸法が110mmの立方体の外形を有し、重さは1.30kgで、12Vの直流電力を、実効電圧値100Vで50Hzまたは60Hzの周期を有する正弦波交流電力を出力できる。定格出力は300Wであり、これ1台で、球状シリコン型の太陽電池12を5つまで並列接続したものから出力される直流電力を、実効電圧値100Vで50Hzまたは60Hzの周期を有する正弦波交流電力に変換して出力することができる。
As this
ただし、型式SXCD−300の正弦波インバーター300W(商品名)は、正弦波インバーター60を構成する4つのスイッチングトランジスタ70,72,74,76が、いずれもNチャネルシリコンMOSFETであり、Nチャネル炭化珪素MOSFETではない。そこで、この4つのNチャネルシリコンMOSFETを、4つのNチャネル炭化珪素MOSFETに置き替え、その他の構成はそのままとした改造版を、図1に示す直交電力変換装置14として用いた。なお、炭化珪素MOSFETをSiCMOSFETとすると、CMOSと紛らわしいので、SiCに代えて炭化珪素とした。
However, in the sine wave inverter 300W (product name) of the model SXCD-300, the four
具体的には、型式SXCD−300の正弦波インバーター300W(商品名)の正弦波インバーター60を構成する4つのNチャネルシリコンMOSFETは、フェアチャイルド社の型式FQPF16N25Cであるが、これらを、同等のゲート閾値電圧を有するローム社の型式SCT2120AFのNチャネル炭化珪素MOSFETに置き替えた。
Specifically, the four N-channel silicon MOSFETs constituting the
図3は、フェアチャイルド社の型式FQPF16N25CのNチャネルシリコンMOSFETと、ローム社の型式SCT2120AFのNチャネル炭化珪素MOSFETの代表的特性をまとめた比較図である。型式SCT2120AFのNチャネル炭化珪素MOSFETは、型式FQPF16N25CのNチャネルシリコンMOSFETに比べ、際立って相違する点が2つある。1つは、最大定格ドレインソース間電圧で、NチャネルシリコンMOSFETが250Vの耐圧であるのに対し、Nチャネル炭化珪素MOSFETが650Vの高耐圧を有することである。図1のシステム10では、実効電圧値が100Vであるので、この特性の相違は関係がない。もう1つは、ドレインソース間オン抵抗で、NチャネルシリコンMOSFETが220mΩ〜270mΩであるのに対し、Nチャネル炭化珪素MOSFETが120mΩ〜156mΩとかなり低い値である。これは、特許文献3に述べられているように、炭化珪素MOSFETはその構造上、シリコンMOSFETに比べて単位面積当たりのオン抵抗が低いためである。この低いドレインソース間オン抵抗によって、正弦波インバーター60において直流電力から交流電力への変換効率が向上することが期待される。
FIG. 3 is a comparative diagram summarizing representative characteristics of a Fairchild Model FQPF16N25C N-channel silicon MOSFET and a Rohm Model SCT2120AF N-channel silicon carbide MOSFET. The N channel silicon carbide MOSFET of the type SCT2120AF has two distinct differences from the N channel silicon MOSFET of the type FQPF16N25C. One is that the N channel silicon MOSFET has a withstand voltage of 250V, whereas the N channel silicon carbide MOSFET has a high withstand voltage of 650V at the maximum rated drain-source voltage. In the
以下では、型式SXCD−300の正弦波インバーター300W(商品名)の4つのスイッチングトランジスタ70,72,74,76を炭化珪素MOSFETに交換した改造版を直交電力変換装置14とし、型式SXCD−300の正弦波インバーター300W(商品名)のままで4つのスイッチングトランジスタがシリコンMOSFETである改造前のものを直交電力変換装置15として区別する。
Hereinafter, a modified version in which the four
図4は、直交電力変換装置14の単体と直交電力変換装置15の単体のそれぞれについて、電力変換効率を比較した実験結果を示す図である。この実験では、入力端子50,52に、球状シリコン型の太陽電池12を接続せず、独立の定電圧直流電源を接続した。負荷18には可変抵抗器を接続し、定電圧直流電源の出力電圧は11.98Vに固定し、出力側電力計測装置22の値WOUTが所定の段階的出力電力値となるように、負荷18である可変抵抗値を変更し、そのときの入力側電力計測装置20の値WINを求め、電力変換効率を(WOUT/WIN)×100%として求めた。
FIG. 4 is a diagram showing experimental results comparing the power conversion efficiencies for each of the single unit of the orthogonal
実験では、定電圧直流電源として菊水電子工業社の型式PAT60−133Tを用いた。出力側電力計測装置22として横河電機社の型式2041の携帯型単相電力計を用い、その読み値を出力側電力値WOUTとした。入力側電力計測装置20としては、単体の電力計でなく、シャント抵抗と2つの電圧計を用いて計算によって入力側電力値WINを取得した。すなわち、入力端子50,52の間に三和電気計器社の型式PC5000aの直流電圧計を接続してその読み値を入力電圧値VINとした。また、入力端子50と上記菊水電子工業社の型式PAT60−133Tプラス側端子との間に抵抗値が予め正確にわかっているシャント抵抗を接続し、その両端の電圧値をADCMT社の型式7461のデジタルマルチメータで読み、その読み値をシャント抵抗の抵抗値で除して入力電流値IINとした。そして、入力側電力をWIN=VIN×IINの式から求めた。なお、入力端子52には菊水電子工業社の型式PAT60−133Tのマイナス側端子を接続した。
In the experiment, model PAT60-133T manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd. was used as a constant voltage DC power source. A portable single-phase wattmeter of model 2041 manufactured by Yokogawa Electric Corporation was used as the output-side
図4の横軸の出力電力は、上記のようにして取得したWOUTの値である。縦軸の電力変換効率は、WOUTを上記のようにして取得したWINで除して百分率で示した値である。実線が直交電力変換装置14の特性線で、破線が直交電力変換装置15の特性線である。
The output power on the horizontal axis in FIG. 4 is the value of W OUT acquired as described above. The power conversion efficiency on the vertical axis is a value expressed as a percentage by dividing W OUT by W IN obtained as described above. A solid line is a characteristic line of the orthogonal
図4に示されるように、出力電力が約50W〜約160Wの広い範囲で、炭化珪素MOSFETを用いた直交電力変換装置14の電力変換効率がシリコンMOSFETを用いた直交電力変換装置15の電力変換効率よりも約1〜2%改善される。
As shown in FIG. 4, the power conversion efficiency of the orthogonal
図5は、入力端子50,52に、球状シリコン型の太陽電池12を4つ並列に接続し、直交電力変換装置14を用いた場合と直交電力変換装置15を用いた場合のそれぞれについて、システム10の全体の電力変換効率を比較した実験結果を示す図である。図5の横軸と縦軸は、図4と同じであるが、測定は、出力電力の約30Wから約120Wの範囲とし、その範囲の測定点を増やした。また、直交電力変換装置14,15の入力電力源を定電圧電源から球状シリコン型の太陽電池12に変更すると、測定値にある程度のばらつきが生じる。これは、球状シリコン型の太陽電池12が定電圧源でないためと考えられる。そこで、図5では、測定におけるばらつき範囲も合わせて示した。実線が直交電力変換装置14を用いたときの特性線で、破線が直交電力変換装置15を用いたときの特性線である。
FIG. 5 shows a system in which four spherical silicon
図5に示されるように、出力電力が約30W〜約120Wの広い範囲で、炭化珪素MOSFETを用いる直交電力変換装置14の電力変換効率がシリコンMOSFETを用いる直交電力変換装置15の電力変換効率よりも、ばらつきを考慮しても、約1〜3%改善される。
As shown in FIG. 5, the power conversion efficiency of the orthogonal
図4、図5から、直交電力変換装置14は、他の構成を同じとして、4つのNチャネル炭化珪素MOSFETのみを同等のゲート閾値電圧を有する4つのNチャネルシリコンMOSFETに置き替えたときに比べ、出力電力のかなり広い範囲に渡って電力変換効率が改善され、電力変換効率が2%以上向上する動作範囲を有することが分かる。
From FIG. 4 and FIG. 5, the orthogonal
このように、従来型のシリコンMOSFETを内蔵する正弦波インバーターによる直交電力変換装置を用いる太陽光発電給電システムと比較して、炭化珪素MOSFETを内蔵する正弦波インバーターによる直交電力変換装置と軽量で可撓性を有する球状シリコン型の太陽電池を用いる太陽光発電給電システムの電力変換効率を向上させることができる。 Thus, compared with the photovoltaic power generation system using the orthogonal power converter using the sine wave inverter incorporating the conventional silicon MOSFET, the orthogonal power converter using the sine wave inverter incorporating the silicon carbide MOSFET can be reduced in weight. It is possible to improve the power conversion efficiency of a photovoltaic power generation system using a spherical silicon solar cell having flexibility.
10 (可搬型太陽光発電給電)システム、12 球状シリコン型の太陽電池、14,15 直交電力変換装置、16 電力線、18 負荷、20 入力側電力計測装置、22 出力側電力計測装置、30 フレーム、32 太陽電池ブロック、34 球状シリコン、36 凹部、40 p型シリコン、42 n型シリコン、44 絶縁層、46,48 導電層、50,52 入力端子、54,56 出力端子、58 昇圧回路、60 正弦波インバーター、62 ローパスフィルタ、64 PWM回路、66 正弦波基準信号発生器、68 三角波信号発生器、70,72,74,76 スイッチングトランジスタ。 10 (portable solar power supply) system, 12 spherical silicon type solar cell, 14, 15 orthogonal power converter, 16 power line, 18 load, 20 input side power measuring device, 22 output side power measuring device, 30 frame, 32 solar cell block, 34 spherical silicon, 36 recess, 40 p-type silicon, 42 n-type silicon, 44 insulating layer, 46, 48 conductive layer, 50, 52 input terminal, 54, 56 output terminal, 58 booster circuit, 60 sine Wave inverter, 62 low-pass filter, 64 PWM circuit, 66 sine wave reference signal generator, 68 triangular wave signal generator, 70, 72, 74, 76 switching transistor.
Claims (2)
前記太陽電池とは独立の装置で、前記太陽電池の出力電圧を100Vの直流電圧に昇圧する昇圧回路、及び、2つのNチャネル炭化珪素MOSFETが直列接続されたアーム回路が2つ並列接続されて前記100Vの直流電力を100V50Hzまたは100V60Hzの正弦波交流電力に変換するインバーター回路を含み、定格出力が300Wで、全体質量が1.3kgである直交電力変換装置と、
前記太陽電池及び前記直交電力変換装置を互いに電気的に接続する電力線と、
互いに電気的に接続された前記太陽電池及び前記直交電力変換装置を設置目的地に設置するための設置具と、
で構成され、二次電池を含まないことを特徴とする可搬型太陽光発電給電システム。 A spherical silicon solar cell that outputs DC power having a maximum rated voltage of 16 V, a maximum output of 50 W, and a total mass of 3 kg including the support frame ;
The independent device from the solar cell, the booster circuit for boosting an output voltage of said solar cell into a DC voltage of 100 V, and two N-channel silicon carbide MOSFET is connected arm circuits are two parallel connections in series An orthogonal power converter including an inverter circuit that converts the DC power of 100 V into a sinusoidal AC power of 100 V 50 Hz or 100 V 60 Hz, a rated output of 300 W, and an overall mass of 1.3 kg ;
A power line that electrically connects the solar cell and the orthogonal power converter, and
An installation tool for installing the solar cell and the orthogonal power conversion device electrically connected to each other at an installation destination;
A portable solar power feeding system characterized by comprising a secondary battery .
前記太陽電池が4台並列に接続され、最大定格電圧が16V、最大出力が200Wの直流電力を出力し、かつ、支持フレームを含む全体質量が12kgである太陽電池接続体と、
定格出力が300Wの前記直交電力変換装置の1台とが前記電力線で接続されていることを特徴とする可搬型太陽光発電給電システム。 The portable solar power supply system according to claim 1,
Four solar cells are connected in parallel, the maximum rated voltage is 16V, the maximum output is 200W DC power, and the total mass including the support frame is 12kg,
A portable solar power feeding system, wherein one of the orthogonal power converters with a rated output of 300 W is connected by the power line .
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