WO2003075113A1 - Power generating system - Google Patents

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Josuke Nakata
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Josuke Nakata
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66Regulating electric power
    • G05F1/67Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell

Definitions

  • the DC output voltage can be switched stepwise only by switching the first, second, and third switch means as described above while effectively utilizing the outputs of all the power generation modules.
  • the idle of the power generation module does not occur, and the utilization rate of the power generation module can be sufficiently increased.
  • Fig. 19 to Fig. 22 show the prior art
  • Fig. 19 shows the overall configuration of the PWM type power generation system
  • Fig. 20 shows the command voltage sine wave, carrier wave and square wave AC in the PWM system
  • Fig. 21 is the overall configuration diagram of the battery switching type power generation system
  • Fig. 22 (A) is a diagram of the voltage waveform generated in the power generation system of Fig. 19
  • Figure 22 (B) shows the current waveform generated in the power generation system of ⁇ 19.
  • the solar cell 30 C shown in FIG. 1 includes a spherical semiconductor 37 made of a P-type syringe having the same size as described above, an n-type diffusion layer 38, a ⁇ 11 junction 39, a silicon oxide insulating film 40, and a sphere.
  • the positive electrode 41 and the negative electrode 42 oppose each other with the center of the semiconductor 37 interposed therebetween.
  • the negative electrode is formed on a flat surface formed at the bottom of the spherical semiconductor 37. 42 are provided.
  • the transistor 64 in the switches S11 to S17 corresponds to the first switch means
  • the transistor 63 in the switches S11 to S17 corresponds to the second switch means
  • the transistor 61 in the switches S1 to S7 corresponds to the first switch means.
  • the third switch means is equivalent to the third switch means.
  • the npn-type bipolar transistors 61, 63, and 64 are merely examples, and any of these switching elements capable of on / off control may be applied.
  • the switching elements 51 to 54 of the inverter circuit 3 are merely examples, and another switching element such as M0S FET may be applied.
  • the control device 4 mainly includes a computer including a CPU 65, a ROM 66, and a RAM 67, and an input / output interface 68, and includes switches S1 to S7 and switches S11 to S17. Connected to input / output interface 68.
  • a voltage detector 5 for detecting the AC voltage of the single-phase AC system is provided, and a detection signal of the voltage detector 5 is input to the control device 4.
  • the ROM 66 of the control device 4 controls to switch the switches S1 to S7, the switches S11 to S17, and the switching elements 51 to 54 based on the detection signal from the voltage detector 5 as described later.
  • the program is stored in advance.
  • the DC output voltage output from the power generation system 1 is stepwisely changed. It can be increased or decreased.
  • the structure of the accompanying electric circuit can be simplified, for example, by reducing the filter capacity for absorbing noise and harmonics and preventing electromagnetic interference.
  • the switching frequency of the switches S1 to S7 and S11 to S17 is also lower than the switching frequency of the switching elements of the PWM inverter circuit, and the switches S1 to S7 and S1 As 1 to S 17, a small-sized switching element can be applied, and switching loss can be reduced.
  • This power generation system 1A includes a power generation device 2A composed of, for example, 48 power generation modules 21A to 25A arranged in the same power generation direction, and an inverter circuit 3 similar to the inverter circuit 3 described above.
  • A a positive bus 6 A and a negative bus 7 A on the input side of this circuit 3 A, and a switching mechanism S ma (this is a switch S 71 1 to S 74 and a switch S 81 to S 8 4), output terminals 8A and 9A, and a control device (not shown).
  • the switching mechanism Sma is for obtaining the same function as the switching mechanism of the power generation system 1 shown in FIG. 1 of the embodiment, and the switches S71 to S74 include the power generation modules 21A to 2A.
  • matrix of 10 rows and 100 columns is an example, and the number of rows is not limited to 10, and may be 100 rows or several hundred rows. The number of columns is not limited to 100, but may be several tens, several hundred, or several thousand.
  • a power generation system composed of not only one power generation system 1 (power generation panel) described above but also a plurality of power generation panels.
  • only one set of control devices is required.
  • the power generation system 1A two power generation systems 1A (power generation panels) are provided, and the two power generation systems 1A are connected in series and in parallel.
  • a switch mechanism for switching is also provided.
  • This switch mechanism is composed of switches S65, S66 and the like.
  • the switch S65 is capable of connecting and disconnecting the illustrated circuit, and is formed of, for example, an npn-type bipolar transistor, like the switches S1 to S7.
  • the output voltage of this power generation system can be switched as shown in FIG.
  • the output voltage of this power generation system can be switched as shown in the total output voltage of FIG.
  • the description of the filter, impedance, and the like provided in the circuit on the output side of the inverter circuit 3 has been omitted. However, in an actual power generation system, a filter may be used if necessary. A dance dance is provided.
  • the inverter circuits 3 and 3 A have been described as an example of generating single-phase AC.However, the DC power generated by the power generators 2 and 2 A is converted into three-phase AC by the inverter circuit. In some cases, the DC power generated by the power generator is converted into AC power corresponding to each phase of three-phase AC.
  • each of the plurality of power generation modules 21 to 28 and 21A to 25A individually, but may be manufactured integrally as a whole.
  • the plurality of power generation modules in FIG. 13 may be apparently configured as one power generation module, and the electrical circuit may include a plurality of power generation modules as illustrated in FIG.

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Abstract

A power generating system (1) comprising a power generator (2) generating DC power, and an inverter circuit (3) for converting DC power into AC power, wherein the power generator (2) comprises a plurality of power generating modules (21-28) each comprising a plurality of power generating units (30). A plurality of first switch means (S11-17) connect/separate the positive electrodes (62) of the plurality of power generating modules (21-28) with/from a positive bus (6), a plurality of second switch means (S11-17) connect/separate the positive electrodes (62) of the plurality of power generating modules (21-28) with/from the negative electrodes (60) of the power generating modules (21-27) contiguous to the one side, a plurality of third switch means (S1-7) connect/separate the negative electrodes (60) of the plurality of power generating modules (21-27) with/from a negative bus (7), and the DC output voltage can be increased/decreased stepwise by switching the switch means (S1-S7, S11-17).

Description

明 細 書  Specification
発電システム 技術分野  Power generation system technical field
本発明は、 太陽電池や燃料電池などで発生させた直流電力からィンバー夕回路 を介して交流電力を発生させる発電システムに関し、 直流電力の電圧を多段階に 切換えるスイッチング機構に特徴を有するものである。 背景技術  The present invention relates to a power generation system that generates AC power from DC power generated by a solar cell, a fuel cell, or the like via an inverter circuit, and is characterized by a switching mechanism that switches the voltage of DC power in multiple stages. . Background art
最近、 ソーラ発電システムの太陽電池の製作コストが徐々に低減し、 多くの家 庭にゾーラ発電システムが普及しつつあるが、 大多数のゾーラ発電システムは、 家庭に供給されている商用単相交流系統に連係する系統連係型のシステムである 。 家庭用のソーラ発電システムの太陽電池は、 数 k Wの出力のものであり、 数 1 0枚の発電モジュールを直並列接続してある。 前記の系統連係型のゾーラ発電シ ステムでは、 直流電力をィンバ一夕回路を介して単相交流系統に適合する交流電 力に変換する必要がある。  Recently, the cost of producing solar cells for solar power generation systems has been gradually reduced, and Zola power generation systems are becoming popular in many homes.The majority of Zola power generation systems are commercial single-phase AC power supplied to homes. It is a system linkage type system linked to the system. The solar cell of the home solar power generation system has an output of several kW, and several ten power generation modules are connected in series and parallel. In the above-mentioned system-linked Zora power generation system, it is necessary to convert DC power into AC power suitable for a single-phase AC system via an inverter circuit.
図 1 7に示す公知のソ一ラ発電システムは、 インバ一タ回路を P WM方式で制 御する一般的な系統連係型のシステムであり、 複数の発電モジュールを直列接続 したものを複数並列接続した太陽電池 100 、 インバー夕回路 101 、 インバー夕回 路 101 を切換え制御する制御装置 102 が設けられる。 制御装置 102 は、 交流系統 の基準電圧を検出する電圧検出器 103 、 検出電圧を増幅する増幅器 104 、 三角波 発生器 105 、 P WM制御部 106等を有する。 図 1 7に示すように、 P WM制御部 106 は、 基準電圧に基づく指令電圧の正弦波 107 と三角波発生器 105 で発生した 搬送波 108 とに基づいてインバ一タ回路 101 のスィッチ素子を制御し、 図 1 8に 示すような方形波状の交流電圧 109 を発生させ、 その方形波状の交流電圧 109 を フィルタ回路により平滑ィヒすることにより、 正弦波状の交流電力に変換して交流 系統に出力する。 以上の PWM方式でインバ一タ回路を制御する技術においては、 太陽電池の出 力を断続させて交流電力に変換することになるから、 太陽電池の出力を約 9 0 % 程度しか活用できないとうい問題がある。 しかも、 インバー夕回路のスィッチン グ素子の切換え頻度や交流系統のインピーダンスに関連する高調波成分が発生す るため、 その高調波成分の吸収の為のフィルタ手段や電磁障害除去手段等を設け なければならない。 しかも、 大きな電圧変化を伴うスイッチング回数が多いため 、 ィンバ一夕回路のスィツチング素子などのパワーデバイスにおける損失が大き くなるという問題もある。 The known solar power generation system shown in Fig. 17 is a general system-coupling system that controls the inverter circuit by the PWM method.A plurality of power generation modules connected in series are connected in parallel. A control device 102 for switching and controlling the solar cell 100, the inverting circuit 101, and the inverting circuit 101 is provided. The control device 102 includes a voltage detector 103 for detecting a reference voltage of the AC system, an amplifier 104 for amplifying the detected voltage, a triangular wave generator 105, a PWM control unit 106, and the like. As shown in FIG. 17, the PWM control unit 106 controls the switch elements of the inverter circuit 101 based on the sine wave 107 of the command voltage based on the reference voltage and the carrier wave 108 generated by the triangular wave generator 105. Then, a square-wave AC voltage 109 as shown in Fig. 18 is generated, and the square-wave AC voltage 109 is smoothed by a filter circuit, converted into a sine-wave AC power, and output to the AC system. . In the above-mentioned technology for controlling the inverter circuit using the PWM method, the output of the solar cell is intermittently converted into AC power, so only about 90% of the output of the solar cell can be used. There's a problem. Moreover, since harmonic components related to the switching frequency of the switching elements of the inverter circuit and the impedance of the AC system are generated, it is necessary to provide a filter means for absorbing the harmonic components and a means for removing electromagnetic interference. No. In addition, since the number of times of switching accompanied by a large voltage change is large, there is also a problem that a loss in a power device such as a switching element of an inverter circuit increases.
他方、 複数の太陽電池のうちの出力を取り出す太陽電池の数を切換えることに よって、 出力電圧を多段階に切換えるようにした電池切換え方式のソ一ラ発電シ ステムも提案されている。 この発電システムでは、 図 1 9に示すように、 例えば 、 1 0 V, 2 0 V, 4 0 V, 8 0 Vの直流電力を発生できる 4組の太陽電池 110 を設け、 スィッチ S i 、 S 2 、 S 3 、 S 4 のうち、 スィッチ S i のみをオンする ことで、 1 0 Vの直流電力を出力させ、 オンに切換えるスィッチを適宜組み合わ せることで、 直流電力の電圧を 1 0 V単位で段階的に増減させ、 2 0 V、 3 0 V 、 · · · 1 4 0 V、 1 5 O Vに切換えることができる。 直流電力はインバ一タ回 路 111 により、 図 2 0 (A) 、 (B ) に示すような交流電力に変換して交流系統 に出力する。 この電池切換え方式のソ一ラ発電システムの場合、 前記の図 1 7の 発電システムに比較して、 高調波や電磁障害の発生は改善される。 しかし、 4個 の太陽電池の出力を活用するのはピーク電圧を発生させる極く短い期間に過ぎず 、 大部分の期間において 1ないし複数の太陽電池がアイドル状態になるため、 太 陽電池の利用率が著しく低くなつてしまうという問題がある。 On the other hand, a battery switching type solar power generation system has been proposed in which the output voltage is switched in multiple stages by switching the number of solar cells from which outputs are taken out of a plurality of solar cells. In this power generation system, as shown in FIG. 19, for example, four sets of solar cells 110 capable of generating DC power of 10 V, 20 V, 40 V, and 80 V are provided, and switches S i, S 2 , by switching on only switch S i out of S 3 and S 4 , the DC power of 10 V is output, and by appropriately combining the switches that switch on, the DC power voltage is reduced by 10 V units. Can be increased or decreased step by step, and can be switched to 20 V, 30 V,..., 140 V, 15 OV. The DC power is converted into AC power as shown in FIGS. 20 (A) and (B) by the inverter circuit 111 and output to the AC system. In the case of this battery switching type solar power generation system, generation of harmonics and electromagnetic interference is improved as compared with the power generation system of FIG. 17 described above. However, the use of the output of the four solar cells is only for a very short period during which the peak voltage is generated, and one or more solar cells are in an idle state during most of the period. There is a problem that the rate becomes extremely low.
ところで、 最近、 燃料電池方式の発電システムの開発も進行し、 近い将来には 家庭用の発電システムとして徐々に実用に供されるものと推定される。  By the way, recently, the development of a fuel cell type power generation system is also progressing, and it is estimated that it will gradually be put into practical use as a household power generation system in the near future.
燃料電池は、 多数の単位電池を積層状態に設け、 それら多数の単位電池を直列 接続して直流電力を出力するように構成してある。 各単位電池は、 約 0. 6 〜0. 7 V程度の直流電力を発生するものであるから、 この発電システムを家庭用の単相 交流系統に連係させて、 発電システムで発生させた直流電力を交流系統に供給す る技術には、 前記ゾーラ発電システムの場合と同様の問題がある。 発明の開示 The fuel cell is configured such that a large number of unit cells are provided in a stacked state, and the large number of unit cells are connected in series to output DC power. Each unit battery generates DC power of about 0.6 to 0.7 V, so this power generation system is linked to a single-phase AC system for home use, and the DC power generated by the power generation system is To the AC system This technique has the same problems as those of the Zora power generation system. Disclosure of the invention
本発明の発電システムは、 直流電力を発電する発電装置と、 この発電装置で発 電した直流電力を交流電力に変換するインバー夕回路とを備えた発電システムに おいて、 前記発電装置は、 複数の発電モジュールであって、 各々が複数の発電ュ ニット又は発電部を備えた複数の発電モジュールを有し、 前記インバー夕回路の 入力側に接続された正負の母線と、 複数の発電モジュールの各々の正極を正母線 に接続 ·分離可能な複数の第 1スィッチ手段と、 複数の発電モジュールの各々の 正極を片方側に隣接する発電モジュールの負極に接続 ·分離可能な複数の第 2ス ィツチ手段と、 複数の発電モジュールの各々の負極を負母線に接続 ·分離可能な 複数の第 3スィッチ手段とを備えたことを特徴とするものである。  A power generation system according to the present invention is a power generation system including: a power generation device that generates DC power; and an inverter circuit that converts DC power generated by the power generation device into AC power. Each of the power generation modules has a plurality of power generation units or a plurality of power generation modules each including a plurality of power generation units, and a positive / negative bus connected to an input side of the inverter circuit, and each of the plurality of power generation modules. A plurality of first switch means that can be separated and a plurality of separable second switch means that connect the positive electrode of each of the plurality of power generation modules to the negative electrode of an adjacent power generation module on one side And a plurality of third switch means capable of connecting and separating each negative electrode of the plurality of power generation modules to the negative bus.
全部の第 1スィッチ手段をオンとし、 全部の第 2スィッチ手段をオフとし、 全 部の第 3スィッチ手段をオンとすると、 全部の発電モジュールが正負の母線に並 列接続され、 直流の出力電圧は最低電圧 Vmin となる。  When all the first switch means are turned on, all the second switch means are turned off, and all the third switch means are turned on, all the power generation modules are connected in parallel to the positive and negative buses, and the DC output voltage is changed. Is the minimum voltage Vmin.
複数の発電モジュールを複数群に区分し、 各群の複数の発電モジュールを、 複 数の第 2スィッチ手段により直列接続した状態で、 第 1 , 第 3スィッチ手段によ り正負の母線に並列接続することができる。 直列接続した発電モジュールの数を 2個にすると、 直流の出力電圧は 2 Vmin となり、 直列接続した発電モジュール の数を 4個にすると、 直流の出力電圧は 4 Vmin となる。 このように、 発電装置 から出力する直流の出力電圧を、 段階的に増加させたり、 減少させたりすること が可能となる。  A plurality of power generation modules are divided into a plurality of groups, and a plurality of power generation modules of each group are connected in series by a plurality of second switch means, and are connected in parallel to positive and negative buses by first and third switch means. can do. If the number of power generation modules connected in series is two, the DC output voltage will be 2 Vmin, and if the number of power generation modules connected in series is four, the DC output voltage will be 4 Vmin. In this way, the DC output voltage output from the power generator can be increased or decreased stepwise.
しかも、 全ての発電モジュールの出力を有効活用しながら、 前記のように、 第 1, 第 2 , 第 3スィッチ手段を切換えるだけで、 直流の出力電圧を段階的に切換 えることできる。 発電モジュールのアイドルが生じず、 発電モジュールの利用率 を十分に高めることができる。  Moreover, the DC output voltage can be switched stepwise only by switching the first, second, and third switch means as described above while effectively utilizing the outputs of all the power generation modules. The idle of the power generation module does not occur, and the utilization rate of the power generation module can be sufficiently increased.
複数の第 1 , 第 2 , 第 3スィッチ手段の切換えは行うにしても、 スィッチ手段 の切換え時の電圧変化が小さいため、 従来の PWM方式のィンバ一夕回路の場合 よりもノイズや高調波が発生しにくくなる。 そのため、 ノイズや高調波の吸収や 電磁障害対策の為のフィルタ容量を小さくする等付随する電気回路の構造を簡単 化することができる。 複数の第 1 , 第 2 , 第 3スィッチ手段の切換えの頻度も、 PWM方式のィンバ一夕回路のスィツチング素子の切換えの頻度よりも少なくな るうえ、 複数の第 1 , 第 2, 第 3スィッチ手段には、 小型のスイッチング素子を 適用可能となり、 スイッチングロスも低減する。 Even if a plurality of first, second, and third switch means are switched, the voltage change at the time of switching the switch means is small. Noise and harmonics are less likely to occur. Therefore, the structure of the accompanying electric circuit can be simplified, for example, by reducing the filter capacitance for absorbing noise and harmonics and for measures against electromagnetic interference. The frequency of switching of the plurality of first, second, and third switch means is also less than the frequency of switching of the switching elements of the inverter circuit of the PWM system, and the plurality of first, second, and third switches are switched. As a means, a small switching element can be applied, and the switching loss is reduced.
ここで、 発電モジュールが太陽電池発電モジュールである場合、 曇天時、 朝、 夕方など発電モジュールの出力電圧の低下に応じて、 複数の第 1, 第 2, 第 3ス イッチ手段の接続パターンを変えて、 発電装置から出力する直流電力の電圧を調 整することもできるから、 昇圧チョッパーを設ける必要もなく、 汎用性と自由度 の高いシステムとなる。 そして、 出力電圧を段階的に高めると出力電流が段階的 に減少し、 出力電圧を段階的に低くすると出力電流が段階的に増加するような特 性となるように複数の第 1 , 第 2 , 第 3スィッチ手段の切換えを行うことができ るため、 発電装置を最大電力点で動作させるように制御することが可能となる。 以上が、 本発明の発電システムの作用効果である。  Here, when the power generation module is a solar cell power generation module, the connection pattern of the plurality of first, second, and third switch means is changed according to a decrease in the output voltage of the power generation module, such as in cloudy weather, morning, or evening. In addition, the voltage of the DC power output from the power generator can be adjusted, so that there is no need to provide a boost chopper, and the system has high versatility and flexibility. When the output voltage is increased stepwise, the output current decreases stepwise, and when the output voltage is decreased stepwise, the output current increases stepwise so that the first and second output currents gradually increase. Since the third switch means can be switched, it is possible to control the power generator to operate at the maximum power point. The above is the operation and effect of the power generation system of the present invention.
ここで、 好ましくは、 次のような種々の構成を採用してもよい。  Here, preferably, the following various configurations may be adopted.
( a ) 複数の第 1, 第 2, 第 3スィッチ手段は、 夫々半導体スイッチング素子で 構成され、 これら複数の第 1, 第 2, 第 3スィッチ手段を切換え制御することに より、 前記発電装置の出力電圧を段階的に切換える制御装置を設ける。  (a) The plurality of first, second, and third switch means are respectively constituted by semiconductor switching elements, and by controlling the switching of the plurality of first, second, and third switch means, A control device for switching the output voltage stepwise is provided.
( b ) 前記複数の発電モジュールを複数群に区分し、 前記制御装置により、 各群 の複数の発電モジュールを、 複数の第 2スィッチ手段により直列接続した状態で 、 第 1 , 第 3スィッチ手段により正負の母線に並列接続可能に構成する。  (b) The plurality of power generation modules are divided into a plurality of groups, and the plurality of power generation modules of each group are connected in series by the plurality of second switch means by the control device. It is configured to be connectable in parallel to the positive and negative buses.
( c ) 前記インバー夕回路は複数の半導体スイッチング素子を備え、 これら半導 体スィツチング素子は前記制御装置で制御される。  (c) The inverter circuit includes a plurality of semiconductor switching elements, and the semiconductor switching elements are controlled by the control device.
( d ) 前記発電シテスムから電力の供給を受ける交流電力系統の電圧を検出する 電圧検出手段を設け、 前記制御装置は電圧検出手段の検出信号に基づいて、 第 1 , 第 2 , 第 3スィッチ手段と、 前記インパー夕回路の複数の半導体スイッチング 素子を制御する。 ( f ) 前記発電モジュールの複数の発電ュニットは、 複数列複数行のマトリック ス状に配列されて並列且つ直列に接続される。 (d) voltage detection means for detecting a voltage of an AC power system receiving power supply from the power generation system; and the control device detects first, second, and third switch means based on a detection signal of the voltage detection means. And controlling a plurality of semiconductor switching elements of the impeller circuit. (f) The plurality of power generation units of the power generation module are arranged in a matrix of a plurality of columns and a plurality of rows, and are connected in parallel and in series.
( g ) 前記各発電ユニットは、 粒状の半導体に p n接合を形状してなるソ一ラセ ルからなる。  (g) Each of the power generation units is a solar cell formed by forming a pn junction on a granular semiconductor.
( h ) 前記発電装置は複数の単電池を積層した燃料電池で構成され、 前記各発電 ュニットは前記単電池からなる。 図面の簡単な説明  (h) The power generation device is configured by a fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked, and each of the power generation units is configured by the unit cell. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1は発電システムの構成図であり、 図 2は発電ユニットの断面図であり、 図 3は発電ユニットの断面図であり、 図 4は発電ユニットの断面図であり、 図 5は スィッチ S 1〜S 7の構成を示すトランジスタ回路図であり、 図 6はスィッチ S 1 1〜 S 1 7の構成を示すトランジスタ回路図であり、 図 7は発電システムの制 御装置のブロック図であり、 図 8は発電モード M lのときの発電システムの作用 説明図であり、 図 9は発電モ一ド M 2のときの発電システムの作動説明図であり 、 図 1 0は発電モード M 4のときの発電システムの作動説明図であり、 図 1 1は 発電モード M 8のときの発電システムの作動説明図であり、 図 1 2は図 1の発電 システムから出力する直流電力の電圧波形と単相交流系統の電圧波形の図であり 、 図 1 3は変更形態に係る発電システムの構成図であり、 図 1 4は発電モジユー ルの回路図であり、 図 1 5は図 1 3の発電システムにおける発電モードと出力電 圧等の説明図表であり、 図 1 6は図 1 3の発電システムを 2組設けた発電システ ムの構成図であり、 図 1 7は図 1 6の発電システムにおける出力電圧の説明図表 であり、 図 1 8は発電システムから出力される直流電力の電圧波形と単相交流系 統の電圧波形の図である。  1 is a configuration diagram of the power generation system, FIG. 2 is a cross-sectional view of the power generation unit, FIG. 3 is a cross-sectional view of the power generation unit, FIG. 4 is a cross-sectional view of the power generation unit, and FIG. FIG. 6 is a transistor circuit diagram showing a configuration of switches S11 to S17, and FIG. 7 is a block diagram of a control device of the power generation system. 8 is an explanatory diagram of an operation of the power generation system in the power generation mode Ml, FIG. 9 is an operation explanatory diagram of the power generation system in the power generation mode M2, and FIG. 10 is a diagram in the power generation mode M4. Fig. 11 is a diagram illustrating the operation of the power generation system. Fig. 11 is a diagram illustrating the operation of the power generation system in the power generation mode M8. Fig. 12 is a diagram illustrating the voltage waveform of the DC power output from the power generation system of Fig. 1 and the single-phase AC. FIG. 13 is a diagram of voltage waveforms of a power system, and FIG. 13 shows a power generation system according to a modified embodiment. FIG. 14 is a circuit diagram of the power generation module, FIG. 15 is an explanatory diagram of the power generation mode and output voltage in the power generation system of FIG. 13, and FIG. 16 is a diagram of FIG. Fig. 17 is a configuration diagram of a power generation system provided with two sets of power generation systems of Fig. 3, Fig. 17 is an explanatory diagram of output voltage in the power generation system of Fig. 16, and Fig. 18 is a diagram of DC power output from the power generation system. It is a figure of a voltage waveform and a voltage waveform of a single phase alternating current system.
図 1 9〜図 2 2は先行技術を示すものであり、 図 1 9は PWM方式の発電シス テムの全体構成図であり、 図 2 0は PWM方式における指令電圧正弦波と搬送波 と方形波交流電圧等のタイムチャートであり、 図 2 1は電池切換え方式の発電シ ステムの全体構成図であり、 図 2 2 (A) は図 1 9の発電システムで発生する電 圧波形の図であり、 図 2 2 (B ) は闵 1 9の発電システムで発生する電流波形の 図である。 発明を実施するための最良の形態 Fig. 19 to Fig. 22 show the prior art, Fig. 19 shows the overall configuration of the PWM type power generation system, and Fig. 20 shows the command voltage sine wave, carrier wave and square wave AC in the PWM system. Fig. 21 is the overall configuration diagram of the battery switching type power generation system, and Fig. 22 (A) is a diagram of the voltage waveform generated in the power generation system of Fig. 19; Figure 22 (B) shows the current waveform generated in the power generation system of 闵 19. FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 本発明の発電システムを実施するための最良の形態について説明する。 図 1〜図 7に示すように、 この発電システム 1は、 直流電力を発電する発電装 置 2と、 この発電装置 2で発電された直流電力を交流電力に変換して、 単相交流 系統に出力するインバータ回路 3と、 発電装置 2の直流電力の電圧を複数段階に 切換える為のスィツチング機構 S mと、 これらスィツチ機構 S mとィンバー夕回 路 3のスイッチング素子 5 1〜 5 4とを制御する制御装置 4と、 単相交流系統の 電圧を検出して制御装置 4に入力する電圧検出器 5などを有する。 説明の都合上 、 本実施形態における発電装置 2は、 8つの発電モジュール 2 1〜2 8を 1列状 に、 発電方向を揃えて配置してあり、 各発電モジュール 2 1〜2 8は 2行 5列の マトリックス状に配置されて並列かつ直列接続された 1 0個の発電ュニット 3 0 を備えている。  Hereinafter, the best mode for carrying out the power generation system of the present invention will be described. As shown in FIGS. 1 to 7, the power generation system 1 includes a power generation device 2 that generates DC power, and a DC power generated by the power generation device 2 that is converted into AC power to form a single-phase AC system. Controls the inverter circuit 3 to be output, the switching mechanism S m for switching the DC power voltage of the power generator 2 in multiple stages, and the switching mechanism S m and the switching elements 51 to 54 of the evening circuit 3 And a voltage detector 5 that detects the voltage of the single-phase AC system and inputs the voltage to the control device 4. For convenience of explanation, the power generation device 2 in the present embodiment has eight power generation modules 21 to 28 arranged in one row in the same power generation direction, and each power generation module 21 to 28 has two rows. It has 10 power generation units 30 arranged in a matrix of 5 rows and connected in parallel and in series.
各発電ユニット 3 0は、 例えば図 2〜図 4に示す 3種類の粒状のソ一ラセル 3 0 A〜3 0 Cのうちの何れかのソ一ラセルからなり、 太陽光を受光して例えば 0. 5 〜0. 6 Vの直流を発生可能なものである。  Each of the power generation units 30 is composed of any one of the three types of granular solar cells 30 A to 30 C shown in FIGS. 2 to 4, for example. It can generate DC of 5 to 0.6 V.
図 2のゾーラセル 3 O Aは、 直径 1. 5 〜3. 0 mm程度の n形シリンコからなる 球状半導体 3 1、 p形の拡散層 3 2、 p n接合 3 3、 酸化シリコンの絶縁膜 3 4 、 球状半導体 3 1の中心を挟んで対向する正極 3 5と負極 3 6などからなる。 尚 、 この種のソーラセル 3 O Aについては、 本願出願人の出願に係る W〇 9 8ノ 1 5 9 8 3号公報に記載されている。 図 3のゾーラセル 3 0 Bは、 前記と同様の大 きさの P形シリンコからなる球状半導体 3 7、 n形の拡散層 3 8、 ∑ 11接合3 9 、 酸化シリコンの絶縁膜 4 0、 球状半導体 3 7の中心を挟んで対向する正極 4 1 と負極 4 2などからなり、 正極 4 1と負極 4 2を識別しやすくする為に、 球状半 導体 3 7の底部に形成した平坦面に負極 4 2が設けられている。 図 4に示すソ一 ラセル 3 0 Cは、 直径約 1. 5 〜3. 0 mm程度の p形シリンコからなるの円柱状の 半導体 4 3、 n形の拡散層 4 4、 1接合4 5、 p + 拡散層 4 6、 酸化シリコン の絶縁膜 4 7、 両端部に設けられた正極 4 8と負極 4 9などからなる。 The zora cell 3 OA in FIG. 2 is composed of a spherical semiconductor 31 composed of an n-type syringe with a diameter of about 1.5 to 3.0 mm, a p-type diffusion layer 32, a pn junction 33, a silicon oxide insulating film 34, It comprises a positive electrode 35 and a negative electrode 36 which face each other across the center of the spherical semiconductor 31. This type of solar cell 3OA is described in WO98 / 15983 filed by the present applicant. The zora cell 30 B in FIG. 3 includes a spherical semiconductor 37 made of a P-type syringe having the same size as described above, an n-type diffusion layer 38, a ∑11 junction 39, a silicon oxide insulating film 40, and a sphere. The positive electrode 41 and the negative electrode 42 oppose each other with the center of the semiconductor 37 interposed therebetween.To facilitate identification of the positive electrode 41 and the negative electrode 42, the negative electrode is formed on a flat surface formed at the bottom of the spherical semiconductor 37. 42 are provided. The solar cell 30 C shown in FIG. 4 is a columnar semiconductor 43 made of a p-type syringe having a diameter of about 1.5 to 3.0 mm, an n-type diffusion layer 44, 1 junction 45, p + diffusion layer 4 6, silicon oxide And a positive electrode 48 and a negative electrode 49 provided at both ends.
但し、 前記のソーラセル 3 0 A〜 3 0 Cは一例を示すものに過ぎず、 発電モジ ユールとしては、 5〜1 0 V程度の直流電力を発電する機能のある種々の発電モ ジュール (例えば、 1枚のパネル状の太陽電池や複数の小さなパネル状太陽電池 を集合してパネル化した太陽電池、 燃料電池など) を適用可能である。 また、 発 電ュニット 3 0としては、 例えば比較的低い電圧の直流電力を発生する種々の発 電ユニット又は発電部又は発電機能部 (例えば、 1枚のパネル状の太陽電池ゃ複 数の小さなパネル状太陽電池を集合してパネル化した太陽電池に含まれる 1又は 複数の発電部や発電機能部、 燃料電池の 1又は複数の単電池、 或いは、 1又は複 数の乾電池や蓄電池等のバッテリ) を適用することも可能である。  However, the above-mentioned solar cells 30 A to 30 C are merely examples, and various types of power generation modules having a function of generating DC power of about 5 to 10 V (for example, A single panel-shaped solar cell or a solar cell or a fuel cell that is a collection of multiple small panel-shaped solar cells can be applied. The power generation unit 30 includes, for example, various power generation units or power generation units or power generation function units that generate DC power of a relatively low voltage (for example, one panel-shaped solar cell / a plurality of small panels). One or more power generation units and power generation function units included in a solar cell that is assembled into a panel by grouping solar cells, one or more single cells of a fuel cell, or one or more batteries such as dry cells and storage batteries) It is also possible to apply
インバー夕回路 3は、 例えば nチャンネル型 I G B Tからなる 4個のスィッチ ング素子 5:!〜 5 4をブリッジ形に接続したものであり、 各スイッチング素子 5 1〜5 4には還流ダイオード 5 5〜5 8も接続されている。 これら 4個のスィ ツチング素子 5 1〜5 4は、 制御装置 4からの制御信号により制御される。 スイッチング素子 5 1 , 5 4とスイッチング素子 5 3, 5 2を組にして、 交互 に導通させることにより、 単相交流系統に交流を出力するように構成してある。 次に、 前記スイッチング機構について説明する。  The inverter circuit 3 is composed of, for example, four switching elements 5:! To 54, which are composed of n-channel IGBTs, connected in a bridge form, and each of the switching elements 51 to 54 has a freewheeling diode 55 to 54. 5 and 8 are also connected. These four switching elements 51 to 54 are controlled by a control signal from the control device 4. The switching elements 51, 54 and the switching elements 53, 52 are paired and alternately turned on to output AC to a single-phase AC system. Next, the switching mechanism will be described.
前記インバー夕回路 3の入力側には、 正母線 6と負母線 7とが接続されている 。 このスイッチング機構 S mは、 発電装置 2とインバー夕回路 3の間に設けられ 、 発電装置 2で発電されインバー夕回路 3へ出力する直流電力の出力電圧を複数 段階に切換える為に、 8つの発電モジュール 2 1〜2 8を任意数ずつ直列接続し 、 その直列接続された各発電モジュール群をィンバータ回路 3に並列接続可能に するものである。 このスイッチング機構 S mは、 複数のスィッチ S 1〜S 7, S 1 1〜S 1 7を有する。 スィッチ S 1〜S 7は、 7つの発電モジュール 2 1〜2 7の各々の負極 6 0を負母線 7に接続する状態と分離する状態とに切換え可能な スィッチである。 スィッチ S 1〜S 7の各々は、 例えば図 5に示すように、 制御 装置 4によりオン ·オフ制御される n p n型バイポーラトランジスタ 6 1で構成 されている。 スィッチ S 1 1〜S 1 7は、 7つの発電モジュール 2 2〜2 8の各 々の正極 62を、 正極 62側に隣接する 1つの発電モジュール 21〜27の負極 62と、 正母線 6に択一的に接続する機能を有するものである。 スィッチ S 11 〜S 17の各々は、 例えば図 6に示すように、 制御装置 4によりオン .オフ制御 される 2つの npn型バイポーラトランジスタ 63, 64で構成され、 一方のバ イボ一ラトランジス夕 63により正極 62を隣接する発電モジュールの負極 61 に接続 ·分離可能であり、 他方のバイポーラトランジスタ 64により正極 62を 正母線 6に接続 ·分離可能である。 そして、 トランジスタ 63がオンのときトラ ンジスタ 64がオフとされ、 トランジスタ 64がオンのときトランジスタ 63が オフとされる。 The input side of the inverter circuit 3 is connected to a positive bus 6 and a negative bus 7. The switching mechanism S m is provided between the power generator 2 and the inverter circuit 3, and switches the output voltage of the DC power generated by the power generator 2 and output to the inverter circuit 3 in eight stages. An arbitrary number of modules 21 to 28 are connected in series, and each of the series-connected power generation module groups can be connected to the inverter circuit 3 in parallel. The switching mechanism Sm has a plurality of switches S1 to S7 and S11 to S17. The switches S1 to S7 are switches that can be switched between a state in which the negative electrode 60 of each of the seven power generation modules 21 to 27 is connected to the negative bus 7 and a state in which the negative electrode 60 is separated. Each of the switches S1 to S7 is composed of, for example, an npn-type bipolar transistor 61 that is turned on and off by a control device 4, as shown in FIG. Each of the switches S11 to S17 has seven power generation modules 22 to 28. Each of the positive electrodes 62 has a function of selectively connecting to the positive bus 6 with the negative electrodes 62 of one of the power generation modules 21 to 27 adjacent to the positive electrode 62 side. Each of the switches S11 to S17 is composed of, for example, two npn-type bipolar transistors 63 and 64 that are turned on and off by the control device 4, as shown in FIG. The positive electrode 62 can be connected and separated to the negative electrode 61 of the adjacent power generation module, and the positive electrode 62 can be connected and separated to the positive bus 6 by the other bipolar transistor 64. Then, when the transistor 63 is on, the transistor 64 is off, and when the transistor 64 is on, the transistor 63 is off.
尚、 前記スィッチ S 11〜S 17におけるトランジスタ 64が第 1スィッチ手 段に相当し、 スィッチ S 11〜S 17におけるトランジスタ 63が第 2スィッチ 手段に相当し、 スィッチ S 1〜S 7におけるトランジスタ 61が第 3スィッチ手 段に相当するものである。 また、 npn型バイポーラトランジスタ 61, 63, 64は一例に過ぎず、 これらと同様のオン ·オフ制御可能な何れかのスィッチン グ素子を適用してもよい。 インバ一夕回路 3のスイッチング素子 51〜54も一 例に過ぎず、 M 0 S F E Tなど別のスィッチング素子を適用してもよい。  The transistor 64 in the switches S11 to S17 corresponds to the first switch means, the transistor 63 in the switches S11 to S17 corresponds to the second switch means, and the transistor 61 in the switches S1 to S7 corresponds to the first switch means. This is equivalent to the third switch means. In addition, the npn-type bipolar transistors 61, 63, and 64 are merely examples, and any of these switching elements capable of on / off control may be applied. The switching elements 51 to 54 of the inverter circuit 3 are merely examples, and another switching element such as M0S FET may be applied.
次に、 制御装置 4について説明する。  Next, the control device 4 will be described.
図 7に示すように、 制御装置 4は、 CPU65と ROM66と RAM67から なるコンピュータと、 入出力インタ一フェース 68とを主体として構成され、 ス ィツチ S 1〜S 7、 スィッチ S 11〜S 17が入出力インターフェース 68に接 続されている。 前記単相交流系統の交流の電圧を検出する電圧検出器 5が設けら れ、 この電圧検出器 5の検出信号が、 制御装置 4に入力される。 制御装置 4の R OM66には、 電圧検出器 5からの検出信号に基づいて、 スィッチ S 1〜S 7と スィツチ S 11〜S 17とスイッチング素子 51〜54を、 後述のように切換え 制御する制御プログラムが予め格納されている。  As shown in FIG. 7, the control device 4 mainly includes a computer including a CPU 65, a ROM 66, and a RAM 67, and an input / output interface 68, and includes switches S1 to S7 and switches S11 to S17. Connected to input / output interface 68. A voltage detector 5 for detecting the AC voltage of the single-phase AC system is provided, and a detection signal of the voltage detector 5 is input to the control device 4. The ROM 66 of the control device 4 controls to switch the switches S1 to S7, the switches S11 to S17, and the switching elements 51 to 54 based on the detection signal from the voltage detector 5 as described later. The program is stored in advance.
制御装置 4は、 ROM66の制御プログラムに基づいて、 スィッチ S 1〜S 7 とスィッチ S 11〜S 17をオン .オフ制御することにより、 発電装置 2の直流 電力の出力電圧を段階的に切換える。 本実施形態における各発電モジュール 21〜28の発電電圧は約 1.0 〜1.2 V であるため、 図 8に示すようにスィッチ S 1〜S 7とスィッチ S11〜S17を切換 えた状態 (これを発電モード M 1モードとする) において、 全ての発電モジユー ル 21〜28を正負の母線 6 , 7に並列接続すると、 太陽光を受光して発電する 発電装置 2は約 1.0 〜1.2 Vの直流電力を出力する。 図 9に示すようにスィッチ S 1〜S 7とスィッチ S 11〜S 17を切換え、 8つの発電モジュール 21〜2 8を 2つずつの 4群に区分し、 各群の 2つの発電モジュールを直列接続した状態 (これを発電モード M 2とする) で、 4つの発電モジュール群を正負の母線 6, 7に並列接続した状態において、 発電装置 2は約 2.0 〜2.4 Vの直流電力を出力 する。 図 10に示すようにスィッチ S 1〜S 7とスィッチ S 11〜S 17を切換 え、 8つの発電モジュール 21〜28を 4つずつの 2群に区分し、 各群の 4つの 発電モジュールを直列接続した状態 (これを発電モード M4とする) で、 2つの 発電モジュール群を正負の母線 6, 7に並列接続した状態において、 発電装置 2 は約 4.0 〜4.8 Vの直流電力を出力する。 図 11に示すようにスィッチ S 1〜S 7とスィッチ S 11〜S 17を切換えて、 8つの発電モジュール 21〜28を直 列接続した状態 (これを発電モード M 8とする) で、 発電装置 2は約 8.0 〜9.6 Vの直流電力を出力する。 The control device 4 controls the switches S1 to S7 and the switches S11 to S17 on and off based on the control program of the ROM 66, thereby switching the output voltage of the DC power of the power generation device 2 stepwise. Since the power generation voltage of each of the power generation modules 21 to 28 in this embodiment is about 1.0 to 1.2 V, as shown in FIG. 8, the state where the switches S1 to S7 and the switches S11 to S17 are switched (this is the power generation mode M 1 mode), when all the power generation modules 21 to 28 are connected in parallel to the positive and negative buses 6 and 7, power is generated by receiving sunlight. Power generator 2 outputs DC power of about 1.0 to 1.2 V . As shown in Fig. 9, switches S1 to S7 and switches S11 to S17 are switched, the eight power generation modules 21 to 28 are divided into two groups of two, and the two power generation modules of each group are connected in series. When the four power generation modules are connected in parallel to the positive and negative buses 6 and 7 in the connected state (this is referred to as the power generation mode M2), the power generator 2 outputs DC power of about 2.0 to 2.4 V. As shown in Fig. 10, switches S1 to S7 and switches S11 to S17 are switched, the eight power generation modules 21 to 28 are divided into two groups of four, and the four power generation modules of each group are connected in series. In the connected state (this is referred to as power generation mode M4), when the two power generation module groups are connected in parallel to the positive and negative buses 6, 7, the generator 2 outputs DC power of about 4.0 to 4.8 V. As shown in Fig. 11, switches S1 to S7 and switches S11 to S17 are switched, and eight power generation modules 21 to 28 are connected in series (this is referred to as power generation mode M8). 2 outputs DC power of about 8.0 to 9.6 V.
図 12に示すように、 前記制御装置 4により、 前記電圧検出器 5で検出される 単相交流系統の交流の電圧の交流波形 70に合わせて、 スィッチ S 1〜S 7とス イッチ S 11〜S 17を切換え、 スイッチング素子 51〜54を切換え制御する ことにより、 インパー夕回路 3の出力端子 8, 9から、 実線で示す階段状に変化 する電圧波形 71の交流電力を単相交流系統へ出力することができる。  As shown in FIG. 12, the control device 4 switches S1 to S7 and S11 to S11 in accordance with the AC waveform 70 of the AC voltage of the single-phase AC system detected by the voltage detector 5. By switching S17 and controlling the switching of the switching elements 51 to 54, the AC power of the voltage waveform 71 that changes stepwise as shown by the solid line is output from the output terminals 8 and 9 of the impeller circuit 3 to the single-phase AC system. can do.
この場合、 単相交流系統の周波数に合うように、 図示の時間 t l, t 2, t 3 , t 4をコンピュータに予め設定しておくことにより、 スィッチ S 1〜S 7とス イッチ S 11〜S 17を切換えて出力電圧を段階的に切換えることができる。 そして、 単相交流系統の電圧が負から正に切換わるときに、 スイッチング素子 51, 54を導通にまたスイッチング素子 53, 52をオフに切換え、 単相交流 系統の電圧が正から負に切換わるときに、 スイッチング素子 53, 52を導通に またスイッチング素子 5 1, 5 4をオフに切換えるものとする。 In this case, the times tl, t2, t3, and t4 shown in the figure are preset in the computer so as to match the frequency of the single-phase AC system, so that the switches S1 to S7 and the switches S11 to S11 are set. By switching S17, the output voltage can be switched stepwise. Then, when the voltage of the single-phase AC system switches from negative to positive, the switching elements 51 and 54 are turned on and the switching elements 53 and 52 are turned off, and the voltage of the single-phase AC system is switched from positive to negative. Sometimes, the switching elements 53 and 52 become conductive The switching elements 51 and 54 are switched off.
以上説明した発電システム 1においては、 スィツチング機構のスィツチ S 1〜 S、 S 1 1〜S 1 7を種々のパターンで切換えることにより、 発電システム 1か ら出力する直流の出力電圧を、 段階的に増加させたり、 減少させたりすることが 可能となる。  In the power generation system 1 described above, by switching the switches S 1 to S and S 11 to S 17 of the switching mechanism in various patterns, the DC output voltage output from the power generation system 1 is stepwisely changed. It can be increased or decreased.
しかも、 全ての発電モジュール 2 1〜2 8の出力を有効活用しながら、 前記の ように、 スィッチ S 1〜S、 S 1 1〜S 1 7を切換えるだけで、 直流の出力電圧 を段階的に切換えることできる。 そのため、 発電モジュール 2 1〜2 8のアイド ルが生じず、 発電モジュール 2 1〜2 8の利用率を十分に高めることができる。 各発電モジュール 2 1〜2 8の中段部に並列接続線を設けてあるため、 一部の 発電ユニットが故障したり、 日陰により発電しない場合にも、 電流は必要に応じ て並列接続線を通って流れ、 確実に出力される。  Moreover, while effectively utilizing the outputs of all the power generation modules 21 to 28, as described above, only by switching the switches S1 to S and S11 to S17, the DC output voltage can be gradually increased. Can be switched. Therefore, the power generation modules 21 to 28 are not idled, and the utilization rate of the power generation modules 21 to 28 can be sufficiently increased. Since a parallel connection line is provided in the middle section of each power generation module 21 to 28, even if some of the power generation units are broken or power is not generated due to shade, current flows through the parallel connection lines as necessary. And output reliably.
複数のスィッチ S 1〜S 7、 S 1 1〜S 1 7の切換えは行うにしても、 スイツ チの切換え時の電圧変化が小さいため、 ノイズや高調波が発生しにくくなる。 そ のため、 ノイズや高調波の吸収や電磁障害対策の為のフィルタ容量を小さくする 等付随する電気回路の構造を簡単化することができる。 スィッチ S 1〜S 7、 S 1 1〜S 1 7の切換えの頻度も、 PWM方式のインバ一タ回路のスイッチング素 子の切換えの頻度よりも少なくなるうえ、 スィッチ S 1〜S 7、 S 1 1〜S 1 7 として、 小型のスイッチング素子を適用可能となるうえ、 スイッチングロスも低 減することができる。  Even if a plurality of switches S1 to S7 and S11 to S17 are switched, noise and harmonics are less likely to be generated because the voltage change when the switches are switched is small. Therefore, the structure of the accompanying electric circuit can be simplified, for example, by reducing the filter capacity for absorbing noise and harmonics and preventing electromagnetic interference. The switching frequency of the switches S1 to S7 and S11 to S17 is also lower than the switching frequency of the switching elements of the PWM inverter circuit, and the switches S1 to S7 and S1 As 1 to S 17, a small-sized switching element can be applied, and switching loss can be reduced.
ここで、 曇天時、 朝、 夕方など発電モジュール 2 1〜2 8の出力電圧の低下に 応じて、 スィッチ S 1〜S 7、 S 1 1〜S 1 7の切換えパターンを変えて、 直流 電力の電圧を調整することもできるから、 昇圧チヨッパーを設ける必要もなく、 汎用性と自由度の高いシステムとなる。 また、 出力電圧を段階的に高めると出力 電流が段階的に減少し、 出力電圧を段階的に低くすると出力電流が段階的に増加 するような特性となるようにスィッチ S 1〜S 7、 S 1 1〜S 1 7の切換えを行 うことができるため、 発電装置 2を最大電力点で動作させるように制御すること が可能となる。 前記の発電システム 1では、 インバー夕回路 3から出力する電力の周波数も制 御装置 4の制御如何により自由に変えることができるから、 汎用性と自由度に優 れる。 以上の説明は、 電圧制御により交流電力を出力する場合を例として説明し たが、 スィッチ S 1〜S 7、 S 1 1〜S 1 7の切換え如何で、 電流制御により交 流電力を出力するように構成することもできる。 Here, the switching pattern of the switches S1 to S7 and S11 to S17 is changed according to the decrease in the output voltage of the power generation modules 21 to 28 in cloudy weather, morning, evening, etc. Since the voltage can be adjusted, there is no need to provide a booster chopper, and the system is highly versatile and flexible. Also, the switches S1 to S7 and S7 are configured so that the output current decreases stepwise when the output voltage is increased stepwise, and the output current increases stepwise when the output voltage is decreased stepwise. Since the switching from 11 to S17 can be performed, it is possible to control the power generator 2 to operate at the maximum power point. In the power generation system 1 described above, the frequency of the power output from the inverter circuit 3 can be freely changed depending on the control of the control device 4, so that the versatility and flexibility are excellent. In the above description, the case where AC power is output by voltage control has been described as an example.However, AC power is output by current control by switching the switches S1 to S7 and S11 to S17. It can also be configured as follows.
以上説明した実施の形態では、 本発明を理解しやすくする為に、 8個の発電モ ジュール 2 1〜2 8を有する発電装置 1を例にして説明した。 しかし、 家庭の商 用単相交流系統に接続される発電システムの場合には、 実効値 1 0 0 V、 波高値 約 1 4 0 Vの交流系統に連係するように構成する必要がある。 しかも、 曇天時、 朝、 夕方などには、 発電システムの出力低下が生じることに鑑み、 発電システム の最大出力電圧が 2 0 0 V以上に設定することが望ましい。 そのような発電シス テムの例について、 図 1 3〜図 1 8に基づいて説明する。  In the above-described embodiment, the power generation device 1 having eight power generation modules 21 to 28 has been described as an example for easy understanding of the present invention. However, in the case of a power generation system that is connected to a commercial single-phase AC system at home, it must be configured to link to an AC system with an effective value of 100 V and a peak value of approximately 140 V. In addition, it is desirable to set the maximum output voltage of the power generation system to 200 V or more, considering that the output of the power generation system will decrease during cloudy weather, morning, and evening. An example of such a power generation system will be described with reference to FIGS.
図 1 3に示す発電システム 1 Aは、 1枚のパネルに組み立てたパネル構造のも ので、 発電パネルともいうべきものである。  The power generation system 1A shown in Fig. 13 has a panel structure assembled into one panel, and can be called a power generation panel.
この発電システム 1 Aは、 発電方向を揃えて配置した例えば 4 8個の発電モジ ユール 2 1 A〜2 5 Aからなる発電装置 2 Aと、 前記のインバー夕回路 3と同様 のィンバー夕回路 3 Aと、 このィンバ一夕回路 3 Aの入力側の正母線 6 Aおよび 負母線 7 Aと、 スイッチング機構 S m a (これは、 スィッチ S 7 1〜 S 7 4とス イッチ S 8 1〜S 8 4などからなる) と、 出力端子 8 A, 9 Aと、 制御装置 (図 示略) などを有する。 スイッチング機構 S m aは、 前記実施形態の図 1に示す発 電システム 1のスィツチング機構と同様の機能を得る為のものであり、 スィツチ S 7 1〜S 7 4は、 発電モジュール 2 1 A〜2 4 Aの負極 6 O Aを負母線 7 Aに 接続した状態と分離した状態とに切換えるものであり、 前記のスィッチ S 1〜7 と同様のものである。 スィッチ S 8 1〜S 8 4は、 発電モジュール 2 2 A〜 2 5 Aの正極 6 2 Aを正極側に隣接する発電モジュール 2 1八〜2 4八の負極6 O A と正母線 6 Aに択一的に接続するものであり、 前記のスィッチ S 1 1〜S 1 7と 同様のものである。  This power generation system 1A includes a power generation device 2A composed of, for example, 48 power generation modules 21A to 25A arranged in the same power generation direction, and an inverter circuit 3 similar to the inverter circuit 3 described above. A, a positive bus 6 A and a negative bus 7 A on the input side of this circuit 3 A, and a switching mechanism S ma (this is a switch S 71 1 to S 74 and a switch S 81 to S 8 4), output terminals 8A and 9A, and a control device (not shown). The switching mechanism Sma is for obtaining the same function as the switching mechanism of the power generation system 1 shown in FIG. 1 of the embodiment, and the switches S71 to S74 include the power generation modules 21A to 2A. It switches between a state in which the 4 A negative electrode 6 OA is connected to the negative bus 7 A and a state in which the negative electrode 6 OA is separated, and is the same as the above-mentioned switches S 1 to S 7. The switches S81 to S84 are used to select the positive electrode 62A of the power generation module 22A to 25A to the negative electrode 6OA and the positive bus 6A of the power generation module 21 to 2448 adjacent to the positive electrode side. They are connected in a unified manner, and are the same as the switches S11 to S17.
前記発電モジュール 2 1 A〜 2 4 Aは同構造のものであるので、 発電モジユー ル 21 Aについて説明する。 図 14に示すように、 発電モジュール 21 Aは、 例 えば 10行 100列のマトリックス状に発電ュニット 3 OAを配置し、 それら発 電ユニット 3 OAを図示のように並列且つ直列に接続したものである。 日陰や故 障により、 一部の発電ユニット 3 OAがオフ状態となった場合にも、 並列接続線 を通って発電電流が流れるため、 発電ュニット 30 Aを利用する利用率が高く、 実用性と耐久性に優れる。 Since the power generation modules 21A to 24A have the same structure, the power generation module Le 21A will be described. As shown in Fig. 14, the power generation module 21A is configured by arranging power generation units 3OA in a matrix of, for example, 10 rows and 100 columns, and connecting the power generation units 3OA in parallel and in series as shown. is there. Even when some of the power generation units 3OA are turned off due to shade or a failure, the power generation current flows through the parallel connection line, so the utilization rate of the power generation unit 30A is high, and Excellent durability.
尚、 前記 「10行 100列のマトリックス状」 とは例示であり、 行数は 10行 に限らず、 100行、 数 100行にする場合もある。 また、 列数は 100列に限 らず、 数 10列、 数 100列、 数 1000列にする場合もある。  Note that the “matrix of 10 rows and 100 columns” is an example, and the number of rows is not limited to 10, and may be 100 rows or several hundred rows. The number of columns is not limited to 100, but may be several tens, several hundred, or several thousand.
尚、 発電モジュール 21 Aのうちの各列の正極側端部に逆流防止用のダイォー ドを組み込むことも望ましい。  It is also desirable to incorporate a diode for preventing backflow at the positive end of each row of the power generation module 21A.
発電ユニット 3 OA自体は、 前記の発電ユニット 30と同様のものであり、 各 発電ュニット 3 OAの出力電圧が 0.5 〜0.6 Vであるため、 発電モジュール 21 A〜25Aの各々の最大出力電圧 (晴天時の出力) は例えば 5.0 〜6·0 Vである。 そして、 それら複数の負極側スィツチ S 71〜S 74と複数の正極側スィツチ S 81〜S 84とを適宜切換えることによって、 図 1 5に示すような 「発電モー ド Ml, M2, · · · Μ48」 と 「出力電圧」 に切換え可能に構成されている。 前記発電モジュール 21Aのような発電モジュールをパネル状の構造に構成する 技術については、 本願出願人が出願した複数の国際出願 (例えば、 PCT/JPOO/073 60, PCT/JP01/06972, PCT/JP01/09234, PCT/JP01/11416) に提案している。  The power generation unit 3OA itself is the same as the above-described power generation unit 30. Since the output voltage of each power generation unit 3OA is 0.5 to 0.6 V, the maximum output voltage of each of the power generation modules 21A to 25A (clear weather) The output at the time is, for example, 5.0 to 6.0 V. By appropriately switching between the plurality of negative switches S71 to S74 and the plurality of positive switches S81 to S84, the "power generation modes Ml, M2, ”And“ output voltage ”. Regarding technology for configuring a power generation module such as the power generation module 21A into a panel-like structure, a plurality of international applications filed by the present applicant (for example, PCT / JPOO / 073 60, PCT / JP01 / 06972, PCT / JP01 / 09234, PCT / JP01 / 11416).
以上説明した発電システム 1 Α (発電パネル) を 1枚だけでなく、 複数枚の発 電パネルからなる発電システムを構成することもできる。 但し、 制御装置は 1組 だけ設ければよい。 例えば、 図 16に示すように、 この発電システム 1 Aでは、 前記の発電システム 1 A (発電パネル) を 2枚設け、 2枚の発電システム 1 Aを 直列接続する状態と並列接続する状態とに切換えるスィツチ機構も設けられる。 このスィッチ機構は、 スィッチ S 65、 S 66などからなる。 スィッチ S 65は 、 図示の回路を接続 ·分離可能であり、 前記スィッチ S 1〜S 7と同様に、 例え ば npn型パイポーラトランジスタで構成されている。 スィッチ S 66は、 何れ か一方の接点に択一的に接続する状態と、 何れの接点にも接続しない状態とに切 換え可能なものであり、 前記スィッチ S 11〜S 17と同様に、 例えば、 2つの npn型パイポーラトランジスタで構成されている。 このスィッチ機構より、 2 つの発電装置 1 Aを直列接続した状態と、 並列接続した状態とに切換えることが できる。 そして、 これら 2つの発電装置 1 Aからなる発電装置の出力端子 8 B, 9 Bが交流系統に接続され、 この発電システムは、 その出力電力が交流系統の周 波数と電圧などに連係するように制御装置により制御される。 It is possible to configure a power generation system composed of not only one power generation system 1 (power generation panel) described above but also a plurality of power generation panels. However, only one set of control devices is required. For example, as shown in FIG. 16, in the power generation system 1A, two power generation systems 1A (power generation panels) are provided, and the two power generation systems 1A are connected in series and in parallel. A switch mechanism for switching is also provided. This switch mechanism is composed of switches S65, S66 and the like. The switch S65 is capable of connecting and disconnecting the illustrated circuit, and is formed of, for example, an npn-type bipolar transistor, like the switches S1 to S7. Switch S 66 The switch can be switched between a state in which it is selectively connected to one of the contacts and a state in which it is not connected to any of the contacts. Like the switches S11 to S17, for example, two npn-type pipes are provided. It is composed of a polar transistor. With this switch mechanism, it is possible to switch between a state in which the two power generators 1A are connected in series and a state in which the two power generators 1A are connected in parallel. Then, the output terminals 8B and 9B of the power generating device composed of these two power generating devices 1A are connected to the AC system, and this power generating system is designed so that the output power is linked to the frequency and voltage of the AC system. It is controlled by the control device.
2枚の発電パネルを並列接続した状態では、 この発電システムの出力電圧は、 図 15に示すように切換えることができる。 また、 2枚の発電パネルの発電モ一 ドをずらして直列接続した状態では、 この発電システムの出力電圧は、 図 17の 合計出力電圧のように切換えることができる。  When two power generation panels are connected in parallel, the output voltage of this power generation system can be switched as shown in FIG. In a state where the power generation modes of the two power generation panels are shifted and connected in series, the output voltage of this power generation system can be switched as shown in the total output voltage of FIG.
但し、 2枚の発電パネルを並列接続した状態と直列接続した状態とに適宜切換 えながら、 両発電パネルの発電モードを適切に設定することにより、 この発電装 置の出力電圧を、 5〜6V, 10〜12V, 15〜18V, 30〜 36 V, 40 〜48V, 60〜92V, 80〜96V, 120〜144V, 200〜240V , 240〜288V, 360〜432V, 480〜 576 Vのように切換えるこ とも可能である。 但し、 上記の出力電圧や、 図 15、 図 17の出力電圧は、 全て の発電ユニットが最大出力を発電する場合の例を示すものである。 曇天時、 朝、 夕方など太陽光の入射量が減少するため、 発電装置の出力電圧が低下した場合に は、 図 17に示す合計出力電力は、 実際には、 数〜数 10%低下することになる 。 このような発電システムにより、 図 18に示すように、 商用単相交流系統の交 流電圧の交流波形 70に対して、 実線で示す階段状に変化する電圧波形 71の交 流電力を商用単相交流系統へ出力することができる。  However, by appropriately setting the power generation mode of both power generation panels while appropriately switching between a state in which the two power generation panels are connected in parallel and a state in which the two power generation panels are connected in series, the output voltage of the power generation equipment is 5 to 6 V , 10 ~ 12V, 15 ~ 18V, 30 ~ 36V, 40 ~ 48V, 60 ~ 92V, 80 ~ 96V, 120 ~ 144V, 200 ~ 240V, 240 ~ 288V, 360 ~ 432V, 480 ~ 576V This is also possible. However, the output voltages described above and the output voltages in FIGS. 15 and 17 show examples in the case where all the power generation units generate the maximum output. When the output voltage of the power generator decreases due to the decrease in the amount of sunlight, such as when it is cloudy, morning, or evening, the total output power shown in Fig. 17 may actually decrease by several to several tens of percent. become . With such a power generation system, as shown in Fig. 18, the AC power of AC voltage 70 of the AC voltage of the commercial It can be output to the AC system.
この発電システム 1 Aでは、 複数の半導体モジュール 21 A〜 25 Aと、 イン バー夕回路 3 Aと、 複数のスィッチ S 71〜74、 S 81〜 S 84の全体を 1枚 のパネルに組み込んであるから、 また、 必要に応じてインバー夕回路と複数のス ィツチ類を 1つの半導体チップに組み込んだ構造にすることも可能であるから、 全体として構造も簡単化し、 製作コストを低減することができる。 しかも、 複数の発電システム (発電パネル) を種々の形態に組み合わせて、 所 望の周波数、 所望の出力電圧又は所望の出力電流の交流電力を発生させることが できるから、 汎用性と自由度に優れる。 In this power generation system 1A, a plurality of semiconductor modules 21A to 25A, an inverter circuit 3A, and a plurality of switches S71 to 74 and S81 to S84 are integrated into one panel. In addition, if necessary, it is possible to adopt a structure in which an inverter circuit and multiple switches are incorporated in one semiconductor chip, so that the structure can be simplified as a whole and the manufacturing cost can be reduced. . In addition, since a plurality of power generation systems (power generation panels) can be combined in various forms to generate AC power having a desired frequency, a desired output voltage, or a desired output current, it is excellent in versatility and flexibility. .
図 1 6〜図 1 7に関する説明は、 2枚の発電パネル (発電システム) を装備し た発電システムを例にして説明したが、 実際には、 複数の発電パネルを設け、 そ れらを並列接続した状態と、 直列接続した状態とに切換えながら、 家庭等に供給 されている商用単相交流系統の電圧又は電流に適合させた電力を出力するように 構成することもできる。  The explanations regarding Figs. 16 to 17 are based on the example of a power generation system equipped with two power generation panels (power generation systems). In practice, however, multiple power generation panels are provided and they are connected in parallel. While switching between the connected state and the series connected state, it is also possible to configure so as to output electric power adapted to the voltage or current of the commercial single-phase AC system supplied to the home or the like.
図 1 3の発電システムや図 1 6に示す発電システムにおいても、 基本的に前記 の発電システム 1と同様の作用効果が得られるので、 ここでは説明を省略する。 前記実施形態を部分的に変更する例について説明する。  The power generation system shown in FIG. 13 and the power generation system shown in FIG. 16 can basically obtain the same operation and effect as the power generation system 1 described above, and thus the description thereof is omitted here. An example in which the embodiment is partially changed will be described.
( 1 ) 前記発電システム 1 , 1 Aでは、 インバ一タ回路 3の出力側の回路に設け られるフィルタやインピーダンス等について説明を省略したが、 実際の発電シス テムにおいては、 必要に応じてフィルタゃィンピ一ダンス等が設けられる。 ( 2 ) インバ一タ回路 3 , 3 Aは、 単相交流を発生する場合を例にして説明した が、 発電装置 2 , 2 Aで発電した直流電力をインバ一タ回路により、 三相交流に 変換する場合もあり、 この場合発電装置で発生させた直流電力から三相交流の各 相に対応する交流電力に変換することになる。  (1) In the power generation systems 1 and 1A, the description of the filter, impedance, and the like provided in the circuit on the output side of the inverter circuit 3 has been omitted. However, in an actual power generation system, a filter may be used if necessary. A dance dance is provided. (2) The inverter circuits 3 and 3 A have been described as an example of generating single-phase AC.However, the DC power generated by the power generators 2 and 2 A is converted into three-phase AC by the inverter circuit. In some cases, the DC power generated by the power generator is converted into AC power corresponding to each phase of three-phase AC.
( 3 ) 前記発電システム 1の全体を、 1つの板状ないしパネル状に構成する場合 もある。 前記図 1 3に示す発電システムを例えば図 1 6に示すように複数組装備 した発電システムを 1つの板状ないしパネル状に構成する場合もある。  (3) The whole of the power generation system 1 may be formed in one plate or panel. In some cases, for example, as shown in FIG. 16, a plurality of sets of the power generation system shown in FIG. 13 are provided in a plate or panel shape.
( 4 ) 複数の発電モジュール 2 1〜2 8, 2 1 A〜2 5 Aの各々を個別に製作す る必要はなく、 全体として一体的に製作する場合もある。 例えば、 図 1 3の複数 の発電モジュールを見かけ上は 1つの発電モジュールに構成し、 電気回路的には 図 1 3のように複数の発電モジュールを有する構成とすることもあり得る。 (4) It is not necessary to manufacture each of the plurality of power generation modules 21 to 28 and 21A to 25A individually, but may be manufactured integrally as a whole. For example, the plurality of power generation modules in FIG. 13 may be apparently configured as one power generation module, and the electrical circuit may include a plurality of power generation modules as illustrated in FIG.
( 5 ) 前記の発電システム 1, 1 Aは、 外部の交流系統に連係する他励型の発電 システムを例にして説明したが、 発電電力をためるバッテリを備えると共に基準 の交流電圧を発生する手段を備えた自励型の発電システムにも、 本発明を適用で (5) The above-described power generation systems 1 and 1A have been described by way of example of a separately-excited power generation system linked to an external AC system, but are provided with a battery for storing generated power and a means for generating a reference AC voltage. The present invention can be applied to a self-excited power generation system equipped with
4 きることは勿論である。 Four Of course you can.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
1 . 直流電力を発電する発電装置と、 この発電装置で発電した直流電力を交流電 力に変換するインバータ回路とを備えた発電システムにおいて、  1. In a power generation system including a power generation device that generates DC power, and an inverter circuit that converts DC power generated by the power generation device into AC power,
前記発電装置は、 複数の発電モジュールであって、 各々が複数の発電ユニット 又は発電部を備えた複数の発電モジュールを有し、  The power generation device includes a plurality of power generation modules, each including a plurality of power generation units or a plurality of power generation modules including a power generation unit,
前記ィンバ一夕回路の入力側に接続された正負の母線と、  Positive and negative buses connected to the input side of the inverter circuit;
複数の発電モジュールの各々の正極を正母線に接続 ·分離可能な複数の第 1ス イッチ手段と、  A plurality of first switch means capable of connecting each positive electrode of the plurality of power generation modules to the positive bus
複数の発電モジュールの各々の正極を片方側に隣接する発電モジュールの負極 に接続 ·分離可能な複数の第 2スィツチ手段と、  A plurality of second switch means capable of connecting and separating each positive electrode of the plurality of power generation modules to a negative electrode of an adjacent power generation module on one side;
複数の発電モジュールの各々の負極を負母線に接続 ·分離可能な複数の第 3ス イッチ手段と、  A plurality of third switch means capable of connecting each negative electrode of the plurality of power generation modules to the negative bus
を備えたことを特徴とする発電システム。  A power generation system comprising:
2 . 前記複数の第 1 , 第 2, 第 3スィッチ手段は、 夫々半導体スイッチング素 子で構成され、 これら複数の第 1 , 第 2, 第 3スィッチ手段を切換え制御するこ とにより、 前記発電装置の出力電圧を段階的に切換える制御装置を設けたことを 特徴とする請求の範囲第 1項に記載の発電システム。  2. The plurality of first, second, and third switch means are each constituted by a semiconductor switching element, and by controlling switching of the plurality of first, second, and third switch means, 2. The power generation system according to claim 1, further comprising a control device that switches an output voltage of the power generation in a stepwise manner.
3 . 前記複数の発電モジュールを複数群に区分し、 前記制御装置により、 各群 の複数の発電モジュールを、 複数の第 2スィッチ手段により直列接続した状態で 3. The plurality of power generation modules are divided into a plurality of groups, and the plurality of power generation modules of each group are connected in series by the plurality of second switch means by the control device.
、 第 1 , 第 3スィッチ手段により正負の母線に並列接続可能に構成したことを特 徴とする請求の範囲第 2項に記載の発電システム。 3. The power generation system according to claim 2, characterized in that the power generation system is configured to be connectable in parallel to the positive and negative buses by first and third switch means.
4 . 前記インバ一タ回路は複数の半導体スイッチング素子を備え、 これら半導 体スイッチング素子は前記制御装置で制御されることを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の発電システム。  4. The power generation system according to claim 2, wherein the inverter circuit includes a plurality of semiconductor switching elements, and the semiconductor switching elements are controlled by the control device.
5 . 前記発電シテスムから電力の供給を受ける交流電力系統の電圧を検出する 電圧検出手段を設け、 前記制御装置は電圧検出手段の検出信号に基づいて、 第 1 , 第 2, 第 3スィッチ手段と、 前記インパ一タ回路の複数の半導体スイッチング 素子を制御することを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の発電システム。5. Voltage detecting means for detecting a voltage of an AC power system receiving power supply from the power generation system is provided, and the control device is configured to perform first, second, and third switching based on a detection signal of the voltage detecting means. A plurality of semiconductor switching of said inverter circuit 4. The power generation system according to claim 3, wherein the element is controlled.
6 . 前記発電モジュールの複数の発電ュニットは、 複数列複数行のマトリック ス状に配列されて並列且つ直列に接続されていることを特徴とする請求の範囲第 1項の発電システム。 6. The power generation system according to claim 1, wherein the plurality of power generation units of the power generation module are arranged in a matrix of a plurality of columns and a plurality of rows and connected in parallel and in series.
7 . 前記各発電ユニットは、 粒状の半導体に p n接合を形状してなるソーラセ ルからなることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の発電システム。  7. The power generation system according to claim 1, wherein each of the power generation units is formed of a solar cell in which a pn junction is formed in a granular semiconductor.
8 . 前記発電装置は複数の単電池を積層した燃料電池で構成され、 前記各発電 ュニットは前記単電池からなることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の発電 システム。  8. The power generation system according to claim 1, wherein the power generation device is configured by a fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked, and each of the power generation units includes the unit cell.
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