電気二重層キャパシタを組み込んだ独立型太陽光発電システム

平成 12 年
電気学会
電力・エネルギー部門大会
平成 12 年 8 月
電気二重層キャパシタを組み込んだ独立型太陽光発電システム
学生員
博嗣* ,
川口
正
員
黒川
浩助（東京農工大学）,正
野崎
員
洋介（ＮＴＴ通信エネルギー研究所）
A Stand-Alone Photovoltaic System using Lead Acid Batteries and Electric Double Layer Capacitors
Hiroshi Kawaguchi *, Member, Kosuke Kurokawa *, Member, and Yosuke Nozaki**, Member
University of Agriculture & Technology, **NTT Telecommunications Energy Laboratories
*Tokyo
1.
まえがき
ＣＣ
負荷
近年，離島や山間部等の無電化地域での自立分散型電源
として独立型太陽光発電（ PV）システムの導入が検討され
ている。独立型 PV システムは一般的に，不日照時のバッ
クアップ電源として鉛蓄電池を用いているが，夜間や曇天
時には必ず放電が行われるため，鉛蓄電池依存率や充放電
サイクルの増加等が劣化の要因となる。このため，頻繁な
電池の点検や交換が必要である。この問題を解決するため
に筆者らは，充放電サイクルによる劣化がほとんどなく，
急速充放電特性に優れた電気二重層キャパシタ（EDLC）
[1] を鉛蓄電池と併用し，発電量の変動を平滑することによ
り鉛蓄電池の負荷を低減するシステムを提案している[2] 。
本論文では，提案しているシステムと鉛蓄電池の充電制御
としてチャージコントローラを用いた従来システムについ
(A)
負荷
ＰＶ
実験システムの各構成を図 1 に示す。（A）は PV 出力に
3.
E D L C 併用システムの制御
EDLC 併用システムの制御フローを図 2 に示す。コンバ
ータ 1 は，PV 出力電力を最大にするための最大電力追従
制御（MPPT）モードと EDLC の過電圧を防止するための
定電圧モードを設定する。コンバータ 2 は，負荷相当の電
流のみを出力する定電流モードと EDLC の電圧がほぼ定
格に上昇した場合に定電圧で一定とする定電圧モード，鉛
蓄電池が最適充電電圧に達すると浮動充電となるフローテ
ィングモードを設定する。このフローを用いることにより，
EDLC の充放電を優先して動作できるため，鉛蓄電池にか
かる負荷を低減することが可能である。
鉛蓄電池
ＥＤＬＣ
(B) EDLC 併用システム ( EDLC and battery system)
図 1 . システム構成
Fig.1. Configuration of stand-alone PV systems
スタート
V e >V 1m
V e ：ＥＤＬＣ電圧
yes
yes
V 2m = 23.5V
V 1m = 23.6V
V e <V 2m
no
システム構成
リレー式のチャージコントローラ(CC)を介して，鉛蓄電池
と直流負荷に接続したシステム（CC システム）である。
（B）は PV 出力に 2 台の DC‐DC コンバータ（コンバー
タ 1，コンバータ 2）を直列に接続し，コンバータ 1 の出
力に EDLC を，コンバータ 2 の出力に鉛蓄電池を接続した
システム（EDLC 併用システム）である。
CC システム (Charge Controller system)
コンバータ１コンバータ２
て，PV 模擬電源を用いて実時間における動作実験を行っ
た。また発電電力，負荷供給電力及びシステム各部の損失
を分析し，鉛蓄電池依存率の比較を行った。
2.
鉛蓄電池
ＰＶ
no
ＭＰＰＴモード
(A)
定電圧モード
コンバータ 1 の制御 (Control of Converter 1 )
スタート
V e> V er
no
yes
IC 2 定電流モード
V b ：鉛電圧
V e定電圧モード
yes
V e < V er1
V er = 2 1 . 5 V
no
V er1 = 2 1 . 1 V
V er2 = 1 9 . 2 V
no
V b > V opt
yes
V o p t= 1 3 . 3 V
フローティングモード
yes
(B)
V b < V er2
no
コンバータ 2 の制御 (Control of Converter 2)
図2.
E D L C 併用システムの制御フロー
Fig.2. Control flowchart of EDLC and battery system
4.
4.3
実験結果
4.1
実験条件
PV 模擬電源を使用して晴天時及び曇天時を模擬した日
射パターンを任意に作成し，3 日間を想定した試験を行っ
た。負荷は通信用を想定し，約 5W 一定の抵抗負荷を使用
した。蓄電容量は CC システムでは鉛蓄電池容量を 3 日分，
EDLC 併用システムでは鉛蓄電池容量(2.5 日分)と EDLC
容量（0.5 日分）合わせて３日分とした。初期条件として
鉛蓄電池は SOC95％，25℃一定とし，EDLC は電圧 3V（放
電状態）とした。
各システムに入出力される電力量の分析を図 4 に示す。
EDLC 併用システムは CC システムと比較して，PV ミス
マッチ損失が 11％程度低減されている。しかしながら，各
コンバータによる損失が 10％程度，また EDLC による充
放電損失が 7％程度発生する。今後，コンバータの効率向
上と EDLC の充放電損失の低減を図ることにより，システ
ムとしての損失低減も可能になると考えられる。
ＣＣシステム
4 . 2 任意に設定した３日間の実験
各システムの PV 出力電力，期待される発電電力，鉛蓄
入力
電池電圧及び EDLC 電圧の特性を図 2 に示す。CC システ
ムでは，鉛蓄電池の電圧により充電できる電力が決まり，
出力
70
20
50
鉛蓄電池電圧
40
15
30
10
20
5
ＰＶ出力電圧
10
0
ＰＶミスマッチ損失
負荷供給量
４９.５５％（３７０.５２Ｗｈ）
４６.２８％（３４６.０７Ｗｈ）
９８.６２％（７３８.００Ｗｈ）
ＰＶミスマッチ損失
出力
３８.４８％（２８７.９８Ｗｈ）
①コンバータ１損
②コンバータ２損
③ＥＤＬＣ充放電損
図4.
10
20
30
40
50
ＰＶ出力電圧
50
ＥＤＬＣ電圧
40
CC
EDLC
20
15
30
10
20
5.
5
10
0
0
0
10
20
30
40
50
60
時間〔ｈ〕
図3.
鉛蓄電池充放電量及び依存率
Table.1 Dependency on battery
25
鉛蓄電池電圧
システム入出力電力量分析図
EDLC 併用システムは，CC システムと比較して，充放電
量が半分程度に減少し，依存率は 20％程度低減することが
できる。このことから，EDLC 併用システムは，鉛蓄電池
の負荷低減に有効であることが確認できる。
60
期待される発電電力
60
鉛充放電損・配線損等
１.０７％（８.０２Ｗｈ）
鉛蓄電池の充放電量及び依存率を表 1 に示す。ここで，
依存率とは，負荷に対して鉛蓄電池が放電した割合を表す。
表1.
電圧〔Ｖ〕
電力〔Ｗ〕
70
４.０７％（３０.５１Ｗｈ）
５.８５％（４３.８４Ｗｈ）
６.６７％（４９.９３Ｗｈ）
負荷供給量
４３.８６％（３２８.０１Ｗｈ）
鉛蓄電池依存率
時間〔ｈ〕
ＥＤＬＣ併用システム
① ② ③
Fig. 4. Break down of input and output energy
0
0
鉛放電量１.３８％（１０.３１Ｗｈ）
期待される発電電力量
4.4
電圧〔Ｖ〕
電力〔Ｗ〕
25
期待される発電電力
60
９８.６８％（７３８.００Ｗｈ）
入力
鉛蓄電池の充電の際には，最適充電電圧（13.3V）で充電
が行われ，長時間の不日照時のみ鉛蓄電池の放電が行われ
るため，鉛蓄電池の負荷が軽減される。
ＣＣシステム
期待される発電電力量
ＥＤＬＣ併用システム
返されるため，期待される発電電力と比較して PV 出力電
力が減少する。一方，EDLC 併用システムでは，急速充放
電特性に優れた EDLC に優先して充電が行われ，夜間等の
不日照時に鉛蓄電池の充電及び負荷電力供給が可能である。
鉛放電量１.３２％（９.８３Ｗｈ）
ＣＣ損・鉛充放電損・配線損等４.１７％（３１.２３Ｗｈ）
過充電防止設定電圧（ 14.3V）に達すると充電は停止する。
その際，鉛蓄電池と太陽電池が開放され，鉛蓄電池の放電
が行われ，過充電復帰電圧（13.2V）まで低下すると充電
が再開される。快晴時の満充電状態では一連の動作が繰り
システム分析
各システムの出力特性
Fig.３ Systems output energy and voltage characteristics
充電量[ Wh ] 放電量[ Wh ] 依存率[ % ]
230.86
240.69
69.55
121.76
132.07
40.26
まとめ
提案している EDLC と鉛蓄電池を併用したシステムと
鉛蓄電池の充電制御に CC を用いたシステムを比較した結
果，鉛蓄電池依存率を 20％程度低減させることができ，鉛
蓄電池の劣化防止が期待できる。
文
献
[ 1 ] 斎藤，田淵，吉備他：大容量電気二重層コンデンサ，NEC
技報 Vol.46，No10，P89，1993
[ 2 ] 川口，野崎，黒川：EDLC を併用した独立型太陽光発電シ
ステム，太陽/風力エネルギー講演論文集，P495，1999

Download Report