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太陽能利用系統及其包括的保冷箱、空氣調節機或泵.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380071705.6

申請日:

2013.12.13

公開號:

CN104956283A

公開日:

2015.09.30

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):G05F 1/67申請公布日:20150930|||實質審查的生效 IPC(主分類):G05F 1/67申請日:20131213|||公開
IPC分類號: G05F1/67; F25B27/00; H02P27/06; H02J7/34; H02J7/35 主分類號: G05F1/67
申請人: 夏普株式會社
發明人: 柴田晃秀; 片岡耕太郎; 若生周治; 野村勝; 鹽見竹史; 巖田浩; 今出雅士; 宮田昭雄; 阿部慎一
地址: 日本大阪府
優先權: 2013-019654 2013.02.04 JP
專利代理機構: 北京市隆安律師事務所11323 代理人: 權鮮枝
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380071705.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.10.31|||2015.11.04|||2015.09.30

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

太陽能利用系統(100)具備:太陽能電池板(101)、由太陽能輸出電功率驅動的電機(122)以及防止驅動中的電機失速的電機失速防止裝置,選擇如下任意一種電機失速防止裝置作為上述電機失速防止裝置:(a)將太陽能輸出電壓限制為比太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的電機失速防止裝置;(b)將太陽能輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓的電機失速防止裝置;以及(c)包括與太陽能電池板并聯連接而積蓄太陽能電池板產生的電功率的電容器(317)的電機失速防止裝置。

權利要求書

權利要求書
1.  一種太陽能利用系統,其特征在于,具備:
太陽能電池板;
電機,其由上述太陽能電池板輸出的電功率驅動;以及
電機失速防止裝置,其防止驅動中的上述電機的失速,
選擇如下任意一種電機失速防止裝置作為上述電機失速防止裝置:
(a)將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為比上述太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的電機失速防止裝置,
(b)將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓的電機失速防止裝置,
(c)包括與上述太陽能電池板并聯連接而積蓄上述太陽能電池板輸出的電功率的電容器的電機失速防止裝置。

2.  根據權利要求1所述的太陽能利用系統,其中,
作為上述電機失速防止裝置,選擇進行將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為比上述太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的控制的電機失速防止裝置,
上述電機失速防止裝置進行控制,使得上述太陽能電池板的輸出電壓V相對于上述太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的最大電功率輸出電壓Vm和規定的正的偏置電壓值Voff1成為,
V>Vm+Voff1。

3.  根據權利要求2所述的太陽能利用系統,其中,
上述電機失速防止裝置在上述最大電功率輸出電壓Vm與上述輸出電壓V的差是上述偏置電壓值Voff1以下的情況下,使上述電機的轉速減小,
在上述最大電功率輸出電壓Vm與上述輸出電壓V的差是規定的正的偏置電壓值Voff2(>Voff1)以上的情況下,使上述電機的轉速增加。

4.  根據權利要求2或3所述的太陽能利用系統,其中,
將上述偏置電壓值Voff1設為0.18×Vm≥Voff1≥0.05×Vm。

5.  根據權利要求3所述的太陽能利用系統,其中,
將上述偏置電壓值Voff2設為Voff2≥Voff1+0.02×Vm、且Voff2≤0.2×Vm。

6.  根據權利要求2所述的太陽能利用系統,其中,
具備測定上述太陽能電池板的溫度的溫度計,上述電機失速防止裝置的控制電路根據上述溫度計測定出的溫度來校正上述最大輸出電壓Vm而進行電機失速防止控制。

7.  根據權利要求1所述的太陽能利用系統,其中,
作為上述電機失速防止裝置,選擇進行將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為比上述太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的控制的電機失速防止裝置,
上述電機失速防止裝置進行控制,使得通過根據上述電機的轉速的推測得到的或者通過實際測量得到的上述太陽能電池板的輸出電功率P,相對于使用上述電機的轉速和上述太陽能電池板的輸出電功率推定出的上述太陽能電池板在該時點的最大輸出電功率Pm和規定的正的偏置電功率值Poff1成為,
P<Pm-Poff1。

8.  根據權利要求7所述的太陽能利用系統,其中,
上述電機失速防止裝置在上述最大輸出電功率Pm與上述輸出電功率P的差是上述偏置電功率值Poff1以下的情況下,使上述電機的轉速減小,
在上述最大輸出電功率Pm與上述輸出電功率P的差是規定的電功率值Poff2以上的情況下,使上述電機的轉速增加。

9.  根據權利要求7或8所述的太陽能利用系統,其中,
將上述偏置電功率值Poff1設為0.4Pm≥Poff1≥0.03×Pm。

10.  根據權利要求8所述的太陽能利用系統,其中,
將上述偏置電功率值Poff2設為Poff2≥Poff1+0.02×Pm、且Poff2≤0.5Pm。

11.  根據權利要求7所述的太陽能利用系統,其中,
具備測定上述太陽能電池板的溫度的溫度計,上述電機失速防 止裝置的控制電路根據上述溫度計測定出的溫度來校正上述最大輸出電功率Pm而進行電機失速防止控制。

12.  根據權利要求1所述的太陽能利用系統,其中,
作為上述電機失速防止裝置,選擇進行將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓的控制的電機失速防止裝置,
上述電機失速防止裝置根據改變上述電機的消耗電功率時的上述太陽能電池板的輸出電壓的變化ΔV和上述太陽能電池板的輸出電功率的變化ΔP來求出上述太陽能電池板的輸出電功率的變化率ΔP/ΔV,
進行控制,使得上述變化率ΔP/ΔV的絕對值相對于規定的正的變化率s1成為,
|ΔP/ΔV|>s1。

13.  根據權利要求12所述的太陽能利用系統,其中,
上述電機失速防止裝置當上述變化率ΔP/ΔV的絕對值是上述變化率s1以下時,使上述電機的轉速減小,
當上述變化率ΔP/ΔV的絕對值是比上述變化率s1大的規定的正的變化率s2以上時,使上述電機的轉速增加。

14.  根據權利要求12或13所述的太陽能利用系統,其中,
將上述變化率s1設為1.0≤s1×(Vm/Pm)≤5.7(Vm、Pm分別是該時點的上述太陽能電池板的最大電功率輸出電壓和最大電功率)。

15.  根據權利要求13所述的太陽能利用系統,其中,
將上述變化率s2設為s2×(Vm/Pm)≥s1×(Vm/Pm)+0.4、且s2×(Vm/Pm)≤6.7(Vm、Pm分別是該時點的上述太陽能電池板的最大電功率輸出電壓和最大電功率)。

16.  根據權利要求12所述的太陽能利用系統,其中,
將求出上述變化率ΔP/ΔV時的ΔP設為負值。

17.  根據權利要求2至16中的任一項所述的太陽能利用系統,其中,
上述電機是逆變器控制電機,上述電機失速防止裝置包括逆變器和上述逆變器的控制電路。

18.  根據權利要求2至16中的任一項所述的太陽能利用系統,其中,
上述電機是直流換向器電機,上述電機失速防止裝置包括DC-DC轉換器和上述DC-DC轉換器的控制電路。

19.  根據權利要求1所述的太陽能利用系統,其中,
作為上述電機失速防止裝置,選擇包括與上述太陽能電池板并聯連接并積蓄上述太陽能電池板產生的電功率的電容器的電機失速防止裝置,
上述電容器的容量C是,

22.  2mF以上且100F以下。

20.  一種保冷箱、空氣調節機或者泵,其特征在于,
通過具備上述電機和上述電機失速防止裝置而被包括在權利要求1至19中的任一項所述的太陽能利用系統中。

說明書

說明書太陽能利用系統及其包括的保冷箱、空氣調節機或泵
技術領域
本發明涉及太陽能利用系統及其包括的保冷箱、空氣調節機或者泵。
背景技術
至今已提出了各種利用太陽能電池板(太陽能電池)將太陽光的能量轉換為電功率、用該電功率驅動設備的系統。在專利文獻1~8中可參見這種例子。
在專利文獻1中記載了將太陽能電池作為電源的空調裝置。該空調裝置將太陽能電池輸出的直流電通過DC-DC(直流-直流)轉換器轉換為負載所要求的電壓的直流電。并且,將上述DC-DC轉換器輸出的直流電通過變壓變頻逆變器轉換為與負載相應的電壓、頻率的交流電,用上述變壓變頻逆變器輸出的交流電驅動壓縮機。壓縮機通過MPPT(最大電功率點追蹤控制:maximum power point tracking)按太陽能電池的最大輸出點工作。
在專利文獻2中記載了冷藏箱。在該冷藏箱的電源系統中包括:太陽能電池;蓄電池,其由商用電源的深夜電功率充電;雙向轉換器,其與上述太陽能電池和蓄電池連接;逆變器電路,其驅動壓縮機;以及商用電源系統,其與上述雙向轉換器互連連接。除了由太陽能電池產生電功率以外,預先用深夜費用時間段的電功率對蓄電池充電來使用,因此能削減冷藏箱的電費。通過MPPT進行白天基于太陽能電池的冷藏箱的驅動。
在專利文獻3中記載了電功率供給系統。該電功率供給系統對由直流電驅動的負載供給電功率,具備輸出直流電并將其供給到上述負載的第1電源部(太陽能電池);以及供給從上述第1電源部對負載供給的直流電的不足部分的第2電源部(商用電源)。在用太陽能電池驅動空氣調節機的情況下,通過MPPT進行該驅動。
在專利文獻4中記載了使用太陽能電池的旋轉設備的控制裝 置。該裝置追蹤或者探求來自太陽能電池的輸入電功率成為最大的最大電功率點來控制旋轉設備的旋轉速度、即進行MPPT。該裝置以旋轉設備的運轉頻率為基礎來確定運轉頻率的增減值并追蹤或者探測最大電功率點。
在專利文獻5中記載了太陽能發電系統。該系統具備太陽能電池板、將上述太陽能電池板的輸出直流電轉換為交流電來驅動泵等負載的逆變器、以及控制上述逆變器的控制裝置。該系統以追蹤上述太陽能電池板的最大電功率點的方式對上述負載進行變速驅動、即進行MPPT。
在專利文獻6中記載了太陽能電池驅動的泵系統。該系統將太陽能電池的電源輸出經由逆變器從直流轉換為交流來驅動感應電動機。該系統在上述逆變器中使用PWM逆變器,針對上述感應電動機的供給電壓經由滯后元來確定上述逆變器的振蕩頻率,將上述逆變器的輸出電壓與輸入電壓之比維持在相對于振蕩頻率的規定比例的范圍內。
在專利文獻7中記載了使用太陽能電池的揚水裝置。在該裝置中將無刷電機用作泵驅動用電機,用不具有轉子的磁位探測單元的通用逆變器來驅動該無刷電機。
在專利文獻8中記載了太陽能電池驅動制冷劑循環裝置。由在太陽能電池中產生的電功率通過逆變器生成頻率可控的近似交流電,用該近似交流電使電動元件運轉。
在圖24中表示被太陽能電池板輸出的電功率驅動的設備的構成例。圖24的設備是空氣調節機。太陽能電池板991輸出的直流電通過DC-DC轉換器992轉換為空氣調節機的壓縮機996所要求的電壓的直流電,被輸入到進行VVVF(可變電壓可變頻率:variable voltage,variable frequency)控制的VVVF逆變器995。VVVF逆變器995將直流電轉換為與壓縮機996的轉速對應的頻率和電壓的交流電。DC-DC轉換器992輸出的直流電還用于驅動空氣調節機的配置于室內機的送風機的直流電機998和配置于室外機的送風機的直流電機999。系統控制電路997進行MPPT控制,使用太陽能電池 板991產生的電功率的最大電功率點來使壓縮機996和直流電機998、999高效地運轉。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1:特開平6-117678號公報
專利文獻2:特開平7-184331號公報
專利文獻3:特許第3294630號公報
專利文獻4:特開2003-9572號公報
專利文獻5:特許第3733481號公報
專利文獻6:特開昭60-249682號公報
專利文獻7:特開2004-153979號公報
專利文獻8:特開2005-226918號公報
發明內容
發明要解決的問題
在使用太陽能電池板輸出的電功率、通過MPPT控制驅動包括作為感應性負載的電機的負載的情況下,電機工作有可能不穩定。即在電機是同步電機的情況下,當按太陽能電池板輸出的最大電功率要求電機所輸出的轉矩以上的轉矩時,由于發生同步偏差,所以電機失步甚至停止。即使設為不按太陽能電池板輸出的最大電功率來要求電機輸出的轉矩以上的轉矩,在云遮住太陽、或者人或動物接近太陽能電池板而對太陽能電池板投下影子的情況等,也有可能太陽能電池板的輸出驟減,電機的轉矩不足而失步。電機一旦失步,則為了恢復原狀需要幾分鐘的規定時間,裝置運轉率降低。
即使電機是感應電機或者直流換向器電機,在通過MPPT控制被驅動的情況下,也無法排除工作不穩定化的可能性。當按太陽能電池板輸出的最大電功率要求電機所輸出的轉矩以上的轉矩時,流經電機的電流增加。電流增加是指在太陽能電池板的P-V曲線中工作點向左側移動。當工作點移動到最大電功率點的左側時,電機陷入轉矩不足而失速。
本發明是鑒于上述點而完成的,其目的在于提供一種太陽能利用系統,其利用太陽能電池板輸出的電功率驅動包括電機的負載,能有效地利用電功率且使電機穩定地工作。
用于解決問題的方案
本發明的太陽能利用系統如下構成。即具備:太陽能電池板;電機,其由上述太陽能電池板輸出的電功率驅動;以及電機失速防止裝置,其防止驅動中的上述電機的失速,選擇如下任意一種電機失速防止裝置作為上述電機失速防止裝置:
(a)將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為比上述太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的電機失速防止裝置,
(b)將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓的電機失速防止裝置,
(c)包括與上述太陽能電池板并聯連接并積蓄上述太陽能電池板產生的電功率的電容器的電機失速防止裝置。
根據該構成,由于具備防止電機的工作變得不穩定而失速的電機失速防止裝置,因此,能有效地利用電功率并使電機穩定地工作。
作為電機失速防止裝置,如果選擇進行將太陽能電池板的輸出電壓限制為比太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的控制的電機失速防止裝置,則在電機的負載增大的情況下,太陽能電池板的輸出電功率上升,因此能夠不使驅動中的電機失速。
作為電機失速防止裝置,如果選擇進行將太陽能電池板的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓的控制的電機失速防止裝置,則在電機的負載增大的情況下,太陽能電池板的輸出電功率上升,因此能夠不使驅動中的電機失速。
而且,太陽能電池板的輸出電功率的變化率隨著接近最大電功率點而單調地減小,在最大電功率點處成為零。因此,通過測定該變化率,即使完全不知道最大電功率點的位置,另外即使沒有到達最大電功率點,也能容易地推定某時點的工作點距離最大電功率點 多遠。因而,即使將太陽能電池板變為其它機型,或者太陽能電池板的特性由于溫度或者經時變化而變化,也能特別是不進行設定變更等而繼續電機的失速防止。
作為電機失速防止裝置,如果選擇包括與太陽能電池板并聯連接并積蓄太陽能電池板產生的電功率的電容器的電機失速防止裝置,則電機能高效地使用太陽能電池板輸出的電功率,由此即使電機的負載增大,也可不使驅動中的電機失速。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,作為上述電機失速防止裝置,選擇進行將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為比上述太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的控制的電機失速防止裝置,上述電機失速防止裝置進行控制,使得上述太陽能電池板的輸出電壓V相對于上述太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的最大電功率輸出電壓Vm和規定的正的偏置電壓值Voff1成為
V>Vm+Voff1。
根據該構成,電機失速防止裝置進行將太陽能電池板的輸出電壓限制為太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的控制,因此在電機的負載增大的情況下,太陽能電池板的輸出電功率上升,能夠不使電機失速。另外,進行控制,使得太陽能電池板的輸出電壓V相對于太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的最大電功率輸出電壓Vm和規定的正的偏置電壓值Voff1成為,
V>Vm+Voff1
由此,即使在太陽能電池板中存在劇烈的輸出變動的情況下,也能使電機穩定地工作。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,上述電機失速防止裝置在上述最大電功率輸出電壓Vm與上述輸出電壓V的差是上述偏置電壓值Voff1以下的情況下,使上述電機的轉速減小,在上述最大電功率輸出電壓Vm與上述輸出電壓V的差是規定的正的偏置電壓值Voff2(>Voff1)以上的情況下,使上述電機的轉速增加。
根據該構成,能使電機的工作穩定化、且能將太陽能電池板的工作點固定在最大電功率點的附近,因此,能有效地利用太陽能電池板的輸出電功率。另外,能通過僅測定太陽能電池板的輸出電壓來進行這種控制,因此能簡化控制電路。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,將上述偏置電壓值Voff1設為0.18×Vm≥Voff1≥0.05×Vm。
根據該構成,能充分地得到相對于太陽能電池板的突然的輸出變動而穩定地驅動電機的效果。另外,可得到能充分有效地使用太陽能電池板輸出的電功率的效果。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,將上述偏置電壓值Voff2設為Voff2≥Voff1+0.02×Vm、且Voff2≤0.2×Vm。
根據該構成,能得到無需過度且頻繁地改變電機轉速的效果。另外,可得到能充分有效地使用太陽能電池板輸出的電功率的效果。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,具備測定上述太陽能電池板的溫度的溫度計,上述電機失速防止裝置的控制電路根據上述溫度計測定出的溫度來校正上述最大輸出電壓Vm并進行電機失速防止控制。
根據該構成,能更準確地掌握最大電功率點的輸出電壓Vm,能可靠地防止電機的工作變得不穩定及電機失速,且能高效地使用太陽能電池板輸出的電功率。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,作為上述電機失速防止裝置,選擇進行將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為比上述太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的控制的電機失速防止裝置,上述電機失速防止裝置進行控制,使得通過根據上述電機的轉速的推測得到的或者通過實際測量得到的上述太陽能電池板的輸出電功率P相對于使用上述電機的轉速和上述太陽能電池板的輸出電功率推定出的上述太陽能電池板在該時點的最大輸出電功率Pm和規定的正的偏置電功率值Poff1成為
P<Pm-Poff1。
根據該構成,在太陽能電池板中存在劇烈的輸出變動的情況下,也能使電機穩定地工作。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即上述電機失速防止裝置在上述最大輸出電功率Pm與上述輸出電功率P的差是上述偏置電功率值Poff1以下的情況下使上述電機的轉速減小,在上述最大輸出電功率Pm與上述輸出電功率P的差是規定的電功率值Poff2以上的情況下使上述電機的轉速增加。
根據該構成,能使電機的工作穩定化,且能將太陽能電池板的工作點固定在最大電功率點的附近,因此能有效地使用太陽能電池板輸出的電功率。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,將上述偏置電功率值Poff1設為0.4Pm≥Poff1≥0.03×Pm。
根據該構成,能充分地得到針對太陽能電池板的突然的輸出變動而穩定地驅動電機的效果。另外,可得到能充分有效地使用太陽能電池板輸出的電功率的效果。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,將上述偏置電功率值Poff2設為Poff2≥Poff1+0.02×Pm、且Poff2≤0.5Pm。
根據該構成,能得到無需過度且頻繁地改變電機轉速的效果。另外,可得到能充分有效地使用太陽能電池板輸出的電功率的效果。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,具備測定上述太陽能電池板的溫度的溫度計,上述電機失速防止裝置的控制電路根據上述溫度計測定出的溫度來校正上述最大輸出電功率Pm并進行電機失速防止控制。
根據該構成,能更準確地掌握最大電功率點的輸出電功率Pm,能可靠地防止電機的工作變得不穩定及電機失速、且能高效地使用太陽能電池板輸出的電功率。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,作為上述電機失速防止裝置,選擇進行將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓的控制的電機失 速防止裝置,上述電機失速防止裝置根據改變上述電機的消耗電功率時的上述太陽能電池板的輸出電壓的變化ΔV和上述太陽能電池板的輸出電功率的變化ΔP來求出上述太陽能電池板的輸出電功率的變化率ΔP/ΔV,進行控制,使得上述變化率ΔP/ΔV的絕對值相對于規定的正的變化率s1成為
|ΔP/ΔV|>s1。
根據該構成,在太陽能電池板中存在劇烈的輸出變動的情況下,也能使電機穩定地工作。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即上述電機失速防止裝置當上述變化率ΔP/ΔV的絕對值是上述變化率s1以下時使上述電機的轉速減小,當上述變化率ΔP/ΔV的絕對值是比上述變化率s1大的規定的正的變化率s2以上時使上述電機的轉速增加。
根據該構成,能將太陽能電池板的發電量維持為高水平且有效地使用太陽能電池板的發電能力,且能使電機穩定地工作。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,將上述變化率s1設為1.0≤s1×(Vm/Pm)≤5.7(Vm、Pm分別是該時點的上述太陽能電池板的最大電功率輸出電壓和最大電功率)。
根據該構成,能充分地得到相對于太陽能電池板的突然的輸出變動而穩定地驅動電機的效果。另外,可得到能充分有效地使用太陽能電池板輸出的電功率的效果。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,將上述變化率s2設為s2×(Vm/Pm)≥s1×(Vm/Pm)+0.4、且s2×(Vm/Pm)≤6.7(Vm、Pm分別是該時點的上述太陽能電池板的最大電功率輸出電壓和最大電功率)。
根據該構成,能得到無需過度且頻繁地改變電機轉速的效果。另外,可得到能充分有效地使用太陽能電池板輸出的電功率的效果。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,將求出上述變化率ΔP/ΔV時的ΔP設為負值。
根據該構成,當求出太陽能電池板的輸出電功率的變化率 ΔP/ΔV時,由于工作點遠離最大電功率點,所以能防止電機的工作變得不穩定。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,上述電機是逆變器控制電機,上述電機失速防止裝置包括逆變器和上述逆變器的控制電路。
根據該構成,能容易地構成電機失速防止裝置。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,上述電機是直流換向器電機,上述電機失速防止裝置包括DC-DC轉換器和上述DC-DC轉換器的控制電路。
根據該構成,能容易地構成電機失速防止裝置。
優選上述構成的太陽能利用系統如下構成。即,作為上述電機失速防止裝置,選擇包括與上述太陽能電池板并聯連接并積蓄上述太陽能電池板產生的電功率的電容器的電機失速防止裝置,上述電容器的容量C是22.2mF以上、100F以下。
根據該構成,能充分地發揮電機失速防止的效果。
另外,本發明是保冷箱、空氣調節機或者泵,其特征在于,通過具備上述電機和上述電機失速防止裝置而包括在上述構成的太陽能利用系統中。
根據該構成,可設為能有效地使用太陽能電池板產生的電功率的保冷箱、空氣調節機或者泵。另外,在僅用太陽能電池板產生的電功率驅動的情況下,也能穩定地使其工作。
優選在通過用太陽能電池板輸出的電功率工作的電機來驅動壓縮機的保冷箱中,控制電路根據照射上述太陽能電池板的日照強度的增減來使上述電機的轉速增減。
根據該構成,在早晚的日照強度弱的時間段內也能驅動保冷箱的壓縮機。另外,能在白天的日照強度強的時間段中提高電機的轉速而強有力地進行冷卻,因此能更多地使用太陽能。
優選在上述構成的保冷箱中,上述太陽能電池板的最大輸出電功率PS和上述電機的最大消耗電功率PM滿足如下關系:
0.5≤PS/PM≤1.5。
根據該構成,電機能高效地使用太陽能電池板輸出的電功率,因此能將太陽能電池板實現小型化來抑制裝置成本。另外,能在白天充分地進行夜間的保冷所需的蓄冷工作。
優選在上述構成的保冷箱中,上述電機還能由商用電源驅動。
根據該構成,在沒有商用電源的區域中能使保冷箱作為獨立的系統工作。另外,在存在商用電源的區域中,能考慮成本、便利性、穩定性等各種因素而選擇使用太陽能電池板和商用電源中的任一種。
優選在上述構成的保冷箱中,在箱內配置蓄冷劑。
根據該構成,即使在太陽能電池板無法輸出電功率的夜間,也能可靠地將箱內保持為規定的溫度以下。或者即使由于天氣、例如由于雨天而無法輸出足夠的電功率,也能將箱內保持為規定的溫度以下,直至恢復為能進行充分的發電的天氣。
發明效果
根據本發明,具備:太陽能電池板;電機,其由上述太陽能電池板輸出的電功率驅動;以及電機失速防止裝置,其防止驅動中的上述電機的失速,作為上述電機失速防止裝置,選擇進行將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為比上述太陽能電池板在該時點輸出最大電功率的電壓高的電壓的控制的電機失速防止裝置、或者進行將上述太陽能電池板的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓的控制的電機失速防止裝置、或者包括與上述太陽能電池板并聯連接并積蓄上述太陽能電池板產生的電功率的電容器的電機失速防止裝置中的任一個,所以能有效地利用電功率并使電機穩定地工作。
附圖說明
圖1是本發明的第1實施方式的太陽能利用系統的概略構成圖。
圖2是說明本發明的第1P-V示意圖。
圖3是說明本發明的第2P-V示意圖。
圖4是表示太陽能電池板輸出的最大電功率和在其中使用的電功率在1天中如何變遷的第1坐標圖。
圖5是表示太陽能電池板輸出的最大電功率和在其中使用的電功率在1天中如何變遷的第2坐標圖。
圖6是表示太陽能電池板輸出的最大電功率和在其中使用的電功率在1天中如何變遷的第3坐標圖。
圖7是表示太陽能電池板輸出的最大電功率和在其中使用的電功率在1天中如何變遷的第4坐標圖。
圖8是太陽能電池板輸出電功率與利用電功率關系的坐標圖。
圖9是說明太陽能利用系統的工作的第1流程圖。
圖10是說明本發明的第3P-V示意圖。
圖11是說明本發明的第4P-V示意圖。
圖12是說明太陽能利用系統的工作的第2流程圖。
圖13是說明本發明的第5P-V示意圖。
圖14是太陽能電池板輸出電功率與電機轉速關系的第1坐標圖。
圖15是說明本發明的第6P-V示意圖。
圖16是本發明的第2實施方式太陽能利用系統的概略構成圖。
圖17是說明本發明的第7P-V示意圖。
圖18是說明太陽能利用系統的工作的第3流程圖。
圖19是表示太陽能電池板的輸出電功率與電機轉速的關系的第2坐標圖。
圖20是說明本發明的第8P-V示意圖。
圖21是本發明的第3實施方式太陽能利用系統的概略構成圖。
圖22是本發明的第4實施方式太陽能利用系統的概略構成圖。
圖23是本發明的第5實施方式太陽能利用系統的概略構成圖。
圖24是現有的太陽能利用系統的概略構成圖。
具體實施方式
以下,基于圖1到圖23的圖說明從第1實施方式到第5實施方式的實施方式。
<第1實施方式>
圖1所示的太陽能利用系統100包括:太陽能電池板101、控制部110以及成為負載的設備。保冷箱、空氣調節機、泵等各種設備可成為負載,但此處選擇保冷箱120作為負載。太陽能電池板101輸出的直流電被送到控制部110,從控制部110對保冷箱120輸出驅動保冷箱120的電功率。此外,在本說明書中,有時將太陽能電池板101輸出的直流電稱為“太陽能輸出電功率”。
作為構成太陽能電池板101的太陽能電池,除了單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池等硅類太陽能電池以外,能使用GaAs太陽能電池、InGaAs太陽能電池、CdTe-CdS類太陽能電池、黃銅礦類太陽能電池、色素敏化太陽能電池、有機薄膜太陽能電池等化合物類太陽能電池。目前,從成本方面來看優選使用多晶型或者非晶型的薄膜硅太陽能電池。太陽能電池板101不限于被封入玻璃等的平板狀的太陽能電池板。也可以是能彎曲的薄膜狀太陽能電池板。
在控制部110中配置有DC-DC轉換器111、逆變器112、控制電路部113、電壓傳感器電路114以及溫度傳感器電路115。
DC-DC轉換器111基于來自控制電路部113的指令將太陽能輸出電功率按照規定的電壓值升壓或者降圧。在太陽能輸出電功率的額定電壓例如是35V的情況下,能通過DC-DC轉換器111升壓到例如380V。
DC-DC轉換器111的電路方式能設為扼流器、正激轉換器、反激轉換器、半橋轉換器、全橋轉換器等。在太陽能輸出電功率是200W程度的情況下,優選使用在該電功率區域內轉換效率比較高、且成本比較便宜的正激轉換器。
逆變器112基于來自控制電路部113的指令將DC-DC轉換器111輸出的直流電轉換為保冷箱120所需電壓值的交流電。
逆變器112能設為基于PWM(脈沖寬度調制:pulse width modulation)方式的2級或者3級逆變器。另外,能采用VVVF(可變電壓可變頻率:variable voltage,variable frequency)控制。配合對保冷箱120所搭載的壓縮機進行驅動的電機(后述)來確定 逆變器112輸出的交流電的電壓和頻率。
電壓傳感器電路114將太陽能輸出電功率的電壓值轉換為信號并將其傳遞到控制電路部113。溫度傳感器電路115接受配置在太陽能電池板101的內部或者與太陽能電池板101相鄰的部位的溫度傳感器102的輸出信號,計算太陽能電池板101的溫度后將其傳遞到控制電路部113。
通過逆變器112轉換為交流的電功率被輸出到保冷箱120。保冷箱120可以是冷藏箱,可以是冷凍箱,也可以是冷凍冷藏箱。保冷箱120具備:壓縮機121,其由電機122驅動;保冷室123;蓄冷劑124,其配置在保冷室123內;冷凝器125,其接受從壓縮機121排出的高溫高圧的制冷劑;冷卻器126,其配置在保冷室123內,使由冷凝器125進行了散熱的制冷劑在內部蒸發從而得到冷熱來冷卻保冷室123;以及制冷劑配管127,其使制冷劑從壓縮機121向冷凝器125、從冷凝器125向冷卻器126、從冷卻器126再次向壓縮機121循環。此外,雖未圖示,但在冷凝器125和冷卻器126之間配置有膨脹閥。配置在保冷室123內的蓄冷劑124發揮在沒有供給太陽能輸出電功率的夜間也將保冷室123的溫度保持為低溫的功能。
根據作為負載的保冷箱120的消耗電功率來確定太陽能輸出電功率。保冷箱120優選的方式在于即使在太陽能電池板101沒有發電的夜間保冷室123也保持低溫。更優選的方式是,即使有時由于降雨而使太陽能電池板101沒有全天發電,保冷室123也保持低溫。為了實現上述“更優選的方式”,在1天的日照時間是10小時的情況下,在沒有太陽能電池板101的發電的狀態下,保冷室123需要保持38小時的低溫。
能實現上述“更優選的方式”的構成例如下所示。太陽能利用系統的設置場所設為緯度是12度且環境溫度是30℃的地點。在太陽能電池板中使用額定最大輸出為235W的太陽能電池板。保冷室的容積設為200升,作為設置于保冷室的蓄冷劑,將融解潛熱為230kJ/kg的蓄冷劑換算為重量而配置16.5kg。
驅動壓縮機121的電機122是作為逆變器控制電機的交流感應 電機或者交流同步電機。電機122按與逆變器112輸出的交流電的輸出頻率和輸出電壓相應的轉速和轉矩工作。作為電機122,例如能使用最小轉速為1500rpm、最大轉速為5000rpm、最大消耗電功率為150W、工作電壓為220V的電機。
作為逆變器112的負載,除了電機122以外,也可以連接保冷箱120內的溫度控制裝置(未圖示)、或設于保冷箱120的顯示裝置(未圖示)等輕的負載。電機122以外的負載也可以與DC-DC轉換器111的輸出部、或者太陽能電池板101的輸出部連接。
控制電路部113基于從電壓傳感器電路114傳遞的太陽能電池板101的輸出電壓來推定太陽能電池板101的目前的工作點。控制電路部113還基于從溫度傳感器電路115傳遞的太陽能電池板101的溫度來校正太陽能電池板101的工作點。控制電路部113在掌握太陽能電池板101的工作點的基礎上控制DC-DC轉換器111和逆變器112。此外,在本說明書中,有時將太陽能電池板101的輸出電壓稱為“太陽能輸出電壓”。
控制電路部113進行DC-DC轉換器111和逆變器112的工作開始和工作停止、DC-DC轉換器111的升壓(降圧)比率的變更、逆變器112的輸出電壓和頻率的變更。通過這種控制,控制電路部113根據太陽能輸出電功率使電機122盡可能高速旋轉、且對其穩定地驅動。
在太陽能電池板101和DC-DC轉換器111之間,能連接與商用電源連接的AC適配器(未圖示)的輸出。具體地,在太陽能電池板101的額定輸出電壓是35V的情況下,能連接輸出DC30V的AC適配器。這樣的話,在太陽能電池板101發生了非常大的輸出降低的情況下,也能防止電機122失步而停止。
(第1實施方式的電機失速防止裝置)
太陽能利用系統100具備防止驅動中的電機122失速的電機失速防止裝置。在圖2中進一步說明第1實施方式的電機失速防止裝置的基本工作原理。
在圖2的坐標圖中,將一般的太陽能電池板的輸出特性描述為 P-V曲線(反映了輸出電功率和輸出電壓的關系的曲線)。太陽能輸出電壓當開放時(無負載時)成為最大,隨著負載增大且輸出電功率增大而降低,當短路時成為零。另一方面,太陽能輸出電功率當輸出電壓是開放時電壓的約80%時成為最大。此時的工作點被稱為最大電功率點。在圖2中,將P-V曲線C中的最大電功率點cm處的輸出電壓設為Vm,將輸出電功率設為Pm。
第1實施方式的電機失速防止裝置包括逆變器112和控制逆變器112的控制電路部113。電機失速防止裝置將太陽能電池板101的輸出電壓限制為比太陽能電池板101在該時點輸出最大電功率Pm的電壓Vm高的電壓。即電機失速防止裝置不會將太陽能電池板101的輸出電壓設為電壓Vm以下的電壓來使用。如果進行圖解,則在圖2的P-V曲線C中,太陽能電池板101的工作點a被維持在比最大電功率點cm靠右側,與最大電功率點cm不重疊。
當對作為感應性負載的電機122施加負載時,流經電機122的電流增加而產生轉矩。在工作點a存在于比最大電功率點cm靠右側的情況下,當對電機122施加負載時,工作點a在P-V曲線C上自動地向左側移動。由此,太陽能輸出電壓降低而輸出電流增加,作為它們的乘積的輸出電功率增加。其結果是,電機122穩定地工作。
在工作點a比最大電功率點cm靠左側存在的情況下,當對電機122施加負載時,工作點a在P-V曲線C上自動地向左側移動。但是在這種情況下,盡管輸出電流幾乎不增加,但輸出電壓降低,因此輸出電功率減小。其結果是,電機122成為轉矩不足,失步而停止。
如從上述可知的,在將包括電機的負載連接到太陽能電池板的情況下,當按太陽能電池板的最大電功率點使其工作時,工作點易于向比最大電功率點靠左側移動。其結果是,電機的工作有可能變得不穩定,失步而停止。
為了將太陽能電池板101的輸出電壓限制為比太陽能電池板101在該時點輸出最大電功率Pm的電壓Vm高的電壓,首先必須知道最大電功率點。作為探測最大電功率點的方法,以往經常使用“登山法”。“登山法”是指一點點地提高電壓來探測最大電功率點的方 法。為了實現“登山法”而在P-V曲線中必須侵入最大電功率點的左側。因此,當用“登山法”探測最大電功率點而進行MPPT的控制時,無法避免電機的工作有可能變得不穩定、失步而停止的不良狀況。
而第1實施方式的電機失速防止裝置如前所述,將太陽能輸出電壓限制為比太陽能電池板101在該時點輸出最大電功率Pm的電壓Vm高的電壓,因此能避免在太陽能輸出電壓為電壓Vm以下的情況下不可避免的電機122的工作的不穩定化。因而,太陽能利用系統100能有效地使用太陽能電池板101的發電能力、且能使電機122穩定地工作。
更優選第1實施方式的電機失速防止裝置進行控制,使得太陽能輸出電壓V相對于太陽能電池板101在該時點輸出最大電功率的最大電功率輸出電壓Vm和規定的正的偏置電壓值Voff1成為
V>Vm+Voff1。
即更優選進行控制,使得在圖2的P-V曲線C上工作點a比點c1靠右側存在,上述點c1與比最大電功率輸出電壓Vm高出偏置電壓值Voff1的電壓V1對應。
這樣,設定規定的正的偏置電壓值Voff1,并進行控制使得太陽能輸出電壓V成為V>Vm+Voff1,由此在太陽能電池板101中發生了突然的輸出變動的情況下,也能穩定地驅動作為負載的電機122。
除了規定的正的偏置電壓值Voff1以外,還設定規定的正的偏置電壓值Voff2和規定的正的偏置電功率值Poff1、Poff2。在此,基于表1確定偏置電壓值Voff1、Voff2和偏置電功率值Poff1、Poff2。表1表示一般的硅類太陽能電池的特性,最大電功率點(Pm、Vm)成為基準。
[表1]
PPm0.97Pm0.95Pm0.9Pm0.8Pm0.7Pm0.6Pm0.5PmVVm1.05Vm1.07Vm1.1Vm1.13Vm1.15Vm1.18Vm1.2Vm
優選偏置電壓值Voff1設為0.18×Vm≥Voff1≥0.05×Vm。在上 述條件中,當作為太陽能電池使用了代表性的硅類太陽能電池時,當為V=Vm+Voff1時太陽能電池板的輸出電功率成為最大電功率的60%到97%。將偏置電壓值Voff1設為Voff1≥0.05×Vm,由此充分地得到相對于太陽能電池板101的突然的輸出變動而穩定地驅動電機122的效果。另外,設為0.18×Vm≥Voff1,由此得到能充分有效地使用太陽能電池板101輸出的電功率的效果。
如圖2所示,進一步優選設定比Voff1大的正的偏置電壓值Voff2,進行控制使得太陽能輸出電壓V相對于太陽能電池板101在該時點輸出最大電功率的最大電功率輸出電壓Vm和規定的正的偏置電壓值Voff1、Voff2成為
Vm+Voff2>V>Vm+Voff1。
即,將工作點a限制在點c1和點c2之間,將太陽能輸出電壓V限制在電壓V1和電壓V2之間。
優選偏置電壓值Voff2是Voff2≥Voff1+0.02×Vm、且設為Voff2≤0.2×Vm。將偏置電壓值Voff2設為Voff2≥Voff1+0.02×Vm,由此得到無需過度且頻繁地變更電機122的轉速的效果。另外,設為Voff2≤0.2×Vm,由此得到能充分有效地使用太陽能電池板101輸出的電功率的效果。
換句話說,上述電機失速防止裝置所優選的控制方法還可為如下所示。將點c1的太陽能輸出電功率設為P1,將Poff1設為正的偏置電功率值。此時,將太陽能輸出電壓V限制為比太陽能電池板101在該時點輸出最大電功率Pm的最大電功率輸出電壓Vm高的電壓,且進行控制使得太陽能輸出電功率P成為
P<Pm-Poff1。
此外,Pm-Poff1是P1,因此上式可改寫為
P<P1。
優選偏置電功率值Poff1設為0.4Pm≥Poff1≥0.03×Pm。在上述條件中,當作為太陽能電池使用了代表性的硅類太陽能電池時,當為P=Pm-Poff1時,太陽能電池板的輸出電壓成為從1.18Vm到1.05Vm。將偏置電功率值Poff1設為Poff1≥0.03×Pm,由此充分地 得到相對于太陽能電池板101的突然的輸出變動而穩定地驅動電機122的效果。另外,設為0.4Pm≥Poff1,由此得到能充分有效地使用太陽能電池板101輸出的電功率的效果。
或者將點c2的太陽能輸出電功率設為P2,另外將Poff2設為比Poff1大的正的偏置電功率值。此時,將太陽能輸出電壓V限制為比太陽能電池板101輸出最大電功率的電壓Vm高的電壓,且進行控制使得太陽能輸出電功率P成為
Pm-Poff2<P<Pm-Poff1。
此外,Pm-Poff2是P2,因此上式可改寫為
P2<P<P1。
將工作點a限制在點c1和點c2之間,由此能將太陽能電池板101的發電量維持為高水平而更有效地使用太陽能電池板101的發電能力,且能使電機122穩定地工作。
將工作點a限制在點c1和點c2之間,由此能將太陽能電池板101的發電量維持為高水平而更有效地使用太陽能電池板101的發電能力,且能使電機122穩定地工作。
使用圖3說明在實施了如上所述的電機失速防止裝置所優選的控制方法的情況下的優點。在圖3中描述的P-V曲線Ca表示某時點的太陽能電池板101的輸出特性。同樣地在圖3中描述的P-V曲線Cb表示當云遮住太陽、或者太陽能電池板101的一部分成為陰影等使太陽能電池板101的輸出突然降低時的輸出特性。P-V曲線Ca、Cb的最大輸出電功率分別是Pam、Pbm。
在P-V曲線Ca上的工作點aa的輸出電功率是Pbm以上的情況下,由于太陽能電池板101的輸出變動而無法避免驅動電機122的電功率的降低,有可能電機122的工作變得不穩定而失步并停止。但是,如圖3所示,如果位于比點c1靠右側的工作點aa的輸出電功率比P-V曲線Cb的最大輸出電功率Pbm小,則P-V曲線Ca上的工作點aa移動到P-V曲線Cb上的工作點ab,維持電機122的穩定工作。
這樣,將太陽能輸出電壓V限制為比太陽能電池板101在該時點輸出最大電功率的最大電功率輸出電壓Vm高的電壓,且設定規 定的正的偏置電功率值Poff1,進行控制使得太陽能輸出電功率P成為P<Pm-Poff1,由此在太陽能電池板101中存在突然的輸出變動的情況下,也能穩定地驅動作為負載的電機122。
優選偏置電功率值Poff1設為0.4Pm≥Poff1≥0.03×Pm。將偏置電功率值Poff1設為0.4Pm≥Poff1≥0.03×Pm,由此充分地得到相對于太陽能電池板101的劇烈的輸出變動而穩定地驅動電機122的效果。另外,設為0.4Pm≥Poff1,由此得到能充分有效地使用太陽能電池板101輸出的電功率的效果。
在此,說明最大電功率點cm的最大電功率輸出電壓Vm和最大輸出電功率Pm的確定方法。
以往,通過登山法等方法實際探測最大電功率點cm,實際測量最大電功率輸出電壓Vm和最大輸出電功率Pm。但是該方法在探測最大電功率點cm的階段或者到達了最大電功率點cm的階段的情況下電機122的工作有可能變得不穩定而失步,因此是不恰當的。
為了確定最大電功率輸出電壓Vm,只要預先掌握太陽能電池板101的特性、確定最大電功率輸出電壓Vm即可。此外,優選當確定最大電功率輸出電壓Vm時,進行基于日照強度的校正。可通過追加日照儀、根據某時點的輸出電壓和輸出電功率來推定日照強度等方法來進行基于日照強度的校正。
但是,太陽能電池板101的最大電功率輸出電壓Vm隨著溫度而變化,因此優選根據由溫度傳感器102和溫度傳感器電路115測定的太陽能電池板101的溫度來校正最大電功率輸出電壓Vm。由此,能更準確地掌握最大電功率點cm的最大電功率輸出電壓Vm,更可靠地防止電機122的工作的不穩定化或失步、且能更高效地使用太陽能電池板101輸出的電功率。
可如下所示進行上述最大電功率輸出電壓Vm的校正。例如在太陽能電池板101是一般的硅結晶類太陽能電池的情況下,當溫度上升1℃時,輸出電壓降低約0.35%。因而,如果太陽能電池板101的最大電功率輸出電壓Vm是30V,則在溫度上升了10℃的情況下,電壓降低3.5%、即降低1.05V,因此能將最大電功率輸出電壓Vm設 為28.95V。
最大輸出電功率Pm隨著日照強度而變化,因此為了確定最大輸出電功率Pm需要進行如下推定。即,測定某時點的電機122的轉速和太陽能輸出電壓V,由此能推定該時點的P-V曲線。能根據推定出的P-V曲線推定最大輸出電功率Pm。后面詳細地說明該方法。
(從日出到日落的期間內的電機轉速的變化)
在圖4中表示從日出到日落的期間內的太陽能利用系統100的電機122的消耗電功率如何變化。如果忽略由環境或熱負載的變化造成的電機消耗電功率的變化,則圖4的電機消耗電功率的變化也表示電機122的轉速的變化。
以往在以太陽能電池板為電源的保冷箱中,壓縮機的電機的轉速是固定的。即,當從日出后不久太陽能電池板的輸出成為固定值以上時,保冷箱的壓縮機開始工作。壓縮機的電機的轉速一直是固定的直至日落前太陽能電池板的輸出不足且電機停止為止。由于電機的轉速是固定的,所以如圖4所示負載的利用電功率也是固定的。
另一方面,保冷箱120從太陽能電池板101供給壓縮機121的電機122所需的電功率的一部分或者全部而工作。根據對太陽能電池板101照射的日照強度的增減,電機122的轉速也增減。如圖4所示,電機122從日出后經過較短時間后開始低速旋轉,轉速隨著日照強度增加而階段性地提高。在太陽的正午時點的前后,電機122的轉速成為固定的,電機122的消耗電功率也成為固定的,其原因是,電機122的轉速已達到最高轉速。之后,隨著日照強度減小,電機122的轉速階段性地降低,當日照強度降低到也無法維持電機122的最低轉速的水平時,電機122停止。
這樣,雖然同樣地將太陽能電池板設為電源,但如果將現有的保冷箱與保冷箱120進行比較,則可知保冷箱120更多地使用在圖4中用斜線示出的量的電功率。即,根據對太陽能電池板101照射的日照強度的增減使電機122的轉速增減,由此在早晚的日照強度弱的時間段內也能使壓縮機121工作。并且,在白天的日照強度強的時間段內能提高電機122的轉速并使壓縮機121強有力地運轉。由 此,能更多地使用太陽能電池板101輸出的電功率,能將保冷室123保持為更低溫度。
保冷箱構成太陽能利用系統的一環具有下面的意義。
在保冷箱的情況下,與空氣調節機相比壓縮機的壓縮率顯著地高。其原因是,與將房屋的溫度降低數℃程度即可的空氣調節機相比,在保冷箱的情況下,需要將保冷室的溫度從室溫起降低數十℃。因此,在驅動保冷箱的壓縮機的電機中,在其旋轉周期內發生非常大的轉矩變動。如已描述的,電機的轉矩變動有可能使電機的工作不穩定而引起失步。因而,如現有的將太陽能電池板設為電源的保冷箱那樣預先將電機的轉速設為固定的,在太陽能電池板的輸出時間段的大部分中太陽能電池板的最大輸出電功率超過電機的消耗電功率,所以可以說在電機的穩定工作方面是合理的。
進一步說明的話,具備根據對太陽能電池板照射的日照強度的增減而增減電機的轉速的構成的保冷箱起到優于上述現有的保冷箱的效果。
太陽能電池板無法進行夜間發電,因此保冷箱的壓縮機不得不在夜間休止。另一方面,食品或藥品等儲藏品一旦冷卻后,即使是臨時地也必須避免回到規定溫度以上的溫度。這是對空氣調節機或泵而言不存在的制約。因此,在白天被冷卻的食品或藥品等儲藏品或蓄冷劑在夜間釋放冷熱,由此在夜間也將保冷室內保持在規定溫度以下是非常重要的。
如果設為根據對太陽能電池板照射的日照強度的增減而增減電機的轉速,則在早晚的日照強度弱的時間段內也能驅動電機并延長電機的驅動小時數。另外,能在白天的日照強度強的時間段內增加電機的轉速并強有力地使保冷室冷卻。由此,能增大儲藏品或蓄冷劑儲存的冷熱量,在夜間也能較大地保持與周圍環境的溫度差。
如從以上可知的,在通過用太陽能電池板輸出的電功率工作的電機來驅動壓縮機的保冷箱中,進行根據照射太陽能電池板的日照強度的增減而增減電機的轉速的控制起到將由保冷箱儲藏的食品或藥品等的溫度在夜間也能保持在規定溫度以下的特別的效果。另 外,起到用比較小型的太陽能電池板也能應急的特別的效果。
在圖4中,太陽能電池板的最大輸出電功率與利用電功率在任何時點均不一致。其原因是,如圖2所示,將工作點a限制為點cm的右側、以及包括DC-DC轉換器111和逆變器112的控制部110的電功率傳送效率不是100%。
基于圖5~圖8說明在太陽能電池板101的最大輸出電功率和電機122的最大消耗電功率之間什么樣的關系是優選的。
電機122的最小轉速和最大轉速典型地設為最小轉速是1,500rpm,最大轉速是5,000rpm。最小轉速與最大轉速之比是3:10。當使用忽略由環境或熱負載的變化造成的電機消耗電功率的變化、電機的消耗電功率與轉速成比例的近似法時,電機122的最小消耗電功率與最大消耗電功率之比也成為3:10。
圖5表示太陽能電池板的發電峰值電功率為0.4、電機的最大消耗電功率為1.0、電機的最小消耗電功率為0.3(數字均是指數)的情況下的、太陽能電池板的最大發電功率(最大電功率點的發電功率)和電機的消耗電功率(利用電功率)的時間變化。此外,太陽能電池板的發電峰值電功率是指在太陽為正午時的太陽能電池板的最大發電功率。
在圖5中,在日出后和日落前的長時間內完全無法使用太陽能電池板產生的電功率。其原因是,太陽能電池板的發電功率沒有達到電機的最小消耗電功率。圖5的斜線部是能利用電功率的期間,其面積表示用電量。
圖6表示在太陽能電池板的發電峰值電功率是1.0、電機的最大消耗電功率是1.0、電機的最小消耗電功率是0.3的情況下的、太陽能電池板的最大發電功率和電機的利用電功率的時間變化。
在圖6中,在日出后電機迅速地開始工作,繼續工作直至日落緊前為止。由斜線部表示的用電量與圖5相比也變大。
圖7是表示在太陽能電池板的發電峰值電功率是1.7、電機的最大消耗電功率是1.0、電機的最小消耗電功率是0.3的情況下的、太陽能電池板的最大發電功率和電機的利用電功率的時間變化。
在圖7中,在日出后電機迅速開始工作,繼續工作直至日落緊前為止。由斜線部表示的用電量與圖5相比也變大。但是在太陽的正午時刻前后,在長時間內太陽能電池板的最大發電功率與電機的利用電功率較大地背離。其表示盡管太陽能電池板可產生較多的電功率,但電機用不完該電功率的狀態長期持續。
在圖5~圖7的坐標圖中存在兩點假設。一點是以當太陽處于正午時發電量成為最大的方式確定太陽能電池板的方向。另一點是用正弦函數表示基于時刻的太陽能電池板的發電量的推移。
太陽能電池板變得越大,則電機的消耗電功率(利用電功率)會變得越大,這是明確的。但是,太陽能電池板在太陽能利用系統的總成本中所占的比例較大,為了抑制成本優選太陽能電池板盡可能小。因而,太陽能電池板能發電的最大電量中的、電機的消耗電功率(利用電功率)成為什么比例這一指標變得重要。該指標在圖5~圖7中可定義為將電機的消耗電功率(利用電功率)的積分值(斜線部分的面積)除以太陽能電池板的發電功率的積分值而得到的值、即總用電量/總可發電電量。
圖8表示太陽能發電峰值電功率/最大電機消耗電功率發生變化時的、總用電量/總可發電電量的變化。如從圖8可知的,當太陽能發電峰值電功率/最大電機消耗電功率低于0.5時,總用電量/總可發電電量急劇地降低。其表示電機在早晚的長時間內不工作。另一方面,在太陽能發電峰值電功率/最大電機消耗電功率超過1.5的情況下,也是總用電量/總可發電電量低于80%。
如果總結以上內容,則優選將太陽能電池板的最大發電功率PS和電機的最大消耗電功率PM設為
0.5≤PS/PM≤1.5。
這樣的話,電機能高效地使用太陽能電池板產生的電功率,因此可提供使太陽能電池板小型化并抑制成本、且能在白天充分地積蓄夜間的保冷所需的冷熱的高性能的保冷箱。
根據照射太陽能電池板的日照強度的增減而增減電機的轉速,由此即使在白天保冷室被充分地冷卻,在夜間保冷箱的溫度上升而 超過規定溫度也不是優選的。如果在保冷室中存在充分量的儲藏品,則由于其所積蓄的冷熱,在夜間保冷室也易于被保持在規定溫度以下。但是,不限于總是存在充分量的儲藏品。
因而,優選在保冷室中配置蓄冷劑。由此,在太陽能電池板無法發電的夜間也能可靠地將保冷室內保持在規定的溫度以下。或者即使白天天氣不佳而無法充分地進行發電,也能將保冷室保持在規定溫度以下直至能進行下一次發電為止。
例如,如作為能實現“更優選的方式”的構成例而介紹的,在將太陽能利用系統的設置場所設為緯度為12度且環境溫度為30℃的地點、在太陽能電池板中使用額定最大輸出為235W的太陽能電池板、保冷室的容積設為200升、作為蓄冷劑將融解潛熱為230kJ/kg的蓄冷劑換算為重量而在保冷室中配置有16.5kg的情況下,在電機停止工作起的38小時的期間內,能將保冷室保持在-20℃以下。其表示即使由于雨天而無法進行整整一天的發電,也能將保冷室保持為充分低的溫度直至下一個晴天時太陽能電池板開始發電為止。
太陽能利用系統100基本上僅利用從太陽能電池板101供給的電功率來工作。由此,在沒有商用電源的情況下,也能作為獨立的(單機版的)系統而設置太陽能利用系統100。但是,也可以在太陽能電池板101和DC-DC轉換器111之間連接著與商用電源連接的AC適配器的輸出部、或者二次電池的輸出部。這樣的話,在太陽能電池板101發生了非常大的輸出降低的情況下,也能防止驅動中的電機122失步而停止。
優選由從AC適配器或者二次電池供給的電功率驅動時的電機122的最大轉速比僅由來自太陽能電池板101的電功率驅動時的電機122的最大轉速低。這樣的話,作為主電源的太陽能電池板101的作為輔助電源的AC適配器的額定電功率較小即可。同樣地太陽能電池板101的作為輔助電源的二次電池的容量較小即可。因而能降低太陽能利用系統100的成本。
如果不依賴AC適配器或二次電池而省略它們,則能大幅度地簡化電路而降低成本、能簡化維護。
(控制電機轉速的一種方法的詳細內容)
基于圖9~圖11說明在太陽能利用系統100中控制電機122的轉速的一種方法的詳細內容。
該電機轉速控制方法的要點是將太陽能電池板101的P-V曲線的工作點限制在比最大電功率點靠右側。即,將太陽能輸出電壓限制為比最大電功率點的輸出電壓高的電壓。由此,能在穩定的狀態下驅動電機122。另外,能盡可能有效地使用太陽能電池板101產生的電功率。
在上述方法中,比較太陽能電池板101的最大電功率點的最大電功率輸出電壓Vm與某時點的太陽能輸出電壓V成為基本。
在該方法中,為了確定最大電功率輸出電壓Vm,只要預先掌握太陽能電池板101的特性、確定最大電功率輸出電壓Vm即可。太陽能輸出電壓V能用電壓傳感器電路114來測定。
在明確DC-DC轉換器111的升壓比率的情況下,也可以測定DC-DC轉換器111的輸出電壓來推定太陽能輸出電壓V。該方法在用DC-DC轉換器111升壓到高圧(例如380V)的情況下是特別優選的。其原因是,施加高圧的逆變器112也是控制電路部113的控制對象,盡可能預先與DC-DC轉換器111的輸入側等的低壓部電分離。由此,不需要例如將來自位于低壓部的電壓傳感器114的信號通過光耦合器傳遞到控制電路部113的考慮。
在以下的說明中,忽略由電機的負載的變動造成的電機消耗電功率的變動。即,如果確定電機的轉速和施加電壓,則唯一地確定電機的消耗電功率。另外,還忽略太陽能電池板的輸出特性隨著溫度而變化。而且,還忽略太陽能電池板輸出最大電功率的電壓Vm由于日照強度的增減而變動。
圖9是電機的轉速控制的流程圖。圖10表示在日出后日照強度逐漸變強時的工作點的移動。
在圖10中,當日出后過一會,太陽能電池板101具備P-V曲線Ca的輸出特性,產生能使電機122按最低轉速Ra驅動的電功率。當將電機122進行Ra旋轉時的P-V特性設為P-V曲線Ra時,太陽能電池 板101的工作點位于P-V曲線Ca與P-V曲線Ra的交點a1,電機122按轉速Ra旋轉。此時,當太陽能輸出電壓V設為V3附近時,是V1<V<V2,所以根據圖9可知電機122的轉速沒有變化。
當日照強度逐漸變強、太陽能電池板101的輸出特性從P-V曲線Ca移動到P-V曲線Cb時,工作點a1在沿著P-V曲線Ra的狀態下移動到工作點a2。由此,太陽能輸出電壓V達到V2,因此如從圖9可知的,電機122的轉速增加直至太陽能輸出電壓V達到V3為止。此時工作點a2在沿著P-V曲線Cb的狀態下移動到工作點a3。以下,同樣地電機122的轉速增加到作為最高轉速的Rd為止,工作點移動到a7。
在日照強度進一步增加、太陽能電池板101的輸出特性比P-V曲線Cd進一步向上方移動的情況下,工作點a7在沿著P-V曲線Rd的狀態下向右側移動,電機122的轉速不會再增加。
下面,用圖11說明在太陽的正午后、日照強度逐漸變弱時的太陽能電池板101的工作點的移動。
在圖11中,當日照強度減小而太陽能電池板101的輸出特性向P-V曲線Ce移動時,工作點a7在沿著P-V曲線Re的狀態下向左側移動,移動到工作點a8。在此,太陽能輸出電壓V達到V1,因此如從圖9可知的,電機122的轉速減小直至太陽能輸出電壓V達到V4為止。此時,工作點a8在沿著P-V曲線Ce的狀態下移動到工作點a9。以下,同樣地電機122的轉速減小到作為最低轉速的Ri(=Ra),工作點移動到a15。
當日照強度進一步減小時,太陽能電池板101無法產生能按最低轉速Ri驅動電機122的電功率,因此電機122停止。
在上述電機旋轉控制方法中,太陽能輸出電壓V被限制為比太陽能電池板101輸出最大電功率的電壓Vm高的電壓,且被限制為成為V1<V<V2。為了將其實現,在太陽能電池板101輸出最大電功率的電壓Vm與太陽能電池板101的輸出電壓V的差是規定的偏置電壓值Voff1以下的情況下減小電機122的轉速。另外,在太陽能電池板101輸出最大電功率的電壓Vm與太陽能輸出電壓V的差是規定的 偏置電壓值Voff2以上的情況下增加電機122的轉速。
當使用上述電機旋轉控制方法時,能使太陽能利用系統100的電機122的工作穩定化、且能使太陽能電池板101的工作點固定在最大電功率點的附近。由此,能有效地使用太陽能電池板101產生的電功率。另外,能通過僅測定太陽能輸出電壓V來進行這種控制,因此能簡化電路。
上述V1、V2在使用了最大電功率輸出電壓Vm是30V的太陽能電池板的情況下,能設為例如32.5V和34V。此外,該值終究是例示,不是限定發明的值。
(控制電機轉速的其它方法的詳細內容)
基于圖12~圖15說明在太陽能利用系統100中控制電機122的轉速的其它方法的詳細內容。
該電機轉速控制方法也與前述的電機轉速控制的一種方法同樣地將太陽能電池板101的P-V曲線的工作點限制為比最大電功率點靠右側。即,將太陽能輸出電壓限制為比最大電功率點的輸出電壓高的電壓作為要點。由此,能在穩定的狀態下驅動電機122。另外,能盡可能有效地使用太陽能電池板101產生的電功率。
該電機轉速控制方法與前述的一種方法不同的點是如下點:不比較太陽能電池板101的最大電功率點的最大電功率輸出電壓Vm與某時點的太陽能輸出電壓V,而比較某時點的太陽能電池板101的最大電功率點的太陽能輸出電功率Pm與某時點的工作點的太陽能輸出電功率P。
最大電功率點的太陽能輸出電功率P即使是同一太陽能電池板也隨著日照強度而變化,因此需要根據某時點的工作點的太陽能輸出電壓V和太陽能輸出電功率P來推定。
某時點的太陽能輸出電功率P根據某時點的工作點的太陽能輸出電壓V和電機的轉速r來推定、還是實際測量某時點的電機的消耗電功率來推定、或者實際測量某時點的太陽能電池板的輸出電功率而求出。
在以下的說明中,忽略由電機的負載的變動造成的電機消耗電 功率的變動。即,如果確定電機的轉速和施加電壓,則唯一地確定電機的消耗電功率。另外,還忽略太陽能電池板的輸出特性隨著溫度而變化。而且,還忽略太陽能電池板輸出最大電功率的電壓Vm由于日照強度的增減而變動。
圖12是電機的轉速控制的流程圖。圖13是說明推定最大電功率點的太陽能輸出電功率Pm的方法的圖。
如圖12所示,當求出某時點的太陽能電池板101的最大電功率點的太陽能輸出電功率Pm時,測定某時點的太陽能輸出電壓V和電機轉速r。能用電壓傳感器電路114測定太陽能輸出電壓V。電機轉速r只要原樣使用控制電路部113對逆變器112指令的轉速即可。
下面,根據電機轉速r推定太陽能輸出電功率P。為此只要預先將電機轉速與電機消耗電功率的關系以及電機消耗電功率與太陽能輸出電功率P的關系存儲于控制部110即可。如從圖13可知的,如果電機轉速r是Rb,太陽能輸出電壓是V,則工作點是a16,能求出此時的太陽能輸出電功率P。
太陽能輸出電功率P如上所述能根據電機轉速r求出,但也可以實際測量電機消耗電功率或者太陽能輸出電功率P來求出。為了進行該測算,只要在適當部位配置電流計和電壓計即可。
如果根據上述方法求出某時點的太陽能輸出電壓V和太陽能輸出電功率P,則如圖13所示,能推定某時點的太陽能電池板101的P-V曲線和最大電功率點的太陽能輸出電功率Pm。如果預先存儲所連接的太陽能電池板的各日照強度下的P-V曲線,則能唯一地求出經過工作點a16的太陽能電池板101的P-V曲線Cb,因此還能推定最大電功率點的太陽能輸出電功率Pm。
下面,求出最大電功率點的太陽能輸出電功率Pm與太陽能輸出電功率P的差Pd。Pd是表示在太陽能電池板的發電能力中存在多少余力的值。
根據Pd的大小來增減電機轉速。如果是Pd≥Poff2,則使電機轉速增加固定值Δr1,如果是Pd≤Poff1,則使電機轉速減小固定值Δr2。如果是Poff2>Pd>Poff1,則不使電機轉速變化。
優選固定值Δr設為100rpm≤Δr1≤500rpm。將固定值Δr1設為100rpm≤Δr1≤500rpm,由此得到無需過度且頻繁地變更電機轉速的效果。另外,得到按適度的頻度變更電機轉速而能充分有效地使用太陽能電池板輸出的電功率的效果。優選固定值Δr2設為200rpm≤Δr2≤1000rpm。將固定值Δr2設為200rpm≤Δr2,由此充分地得到當發生了發電量的劇烈的減小時也穩定地驅動電機的效果。另外,設為Δr2≤1000rpm,由此得到抑制過度的電機轉速的降低而能充分有效地使用太陽能電池板輸出的電功率的效果。
圖14(a)~(e)是分別表示太陽能輸出電壓V、電機轉速r、太陽能輸出電功率P、太陽能最大輸出電功率Pm以及Pd(=Pm-P)的時間變化的坐標圖。
在圖14中的用m1、m2以及m3表示的測定期間內,測定太陽能輸出電壓V和電機轉速r,求出太陽能輸出電功率P、太陽能最大輸出電功率Pm,并且根據它們求出Pd。在測定期間m1中,是Pd≥Poff2,在期間a1中使電機轉速r增加Δr1。在測定期間m2中,是Poff2>Pd>Poff1,不改變電機轉速r。之后,發生日照強度的降低,太陽能輸出電壓V和太陽能最大輸出電功率Pm驟減。其結果是,在測定期間m3中,是Pd≦Poff1,在期間a3中使電機轉速r減小Δr2。
圖15表示圖14的時間t1~t5的太陽能電池板的工作點的變遷(a(t1)~a(t5))。可知進行控制使得成為Poff2>Pd>Poff1。
使用上述電機旋轉控制的方法也能使太陽能利用系統的電機的工作穩定化,且能將太陽能電池板的工作點固定在最大電功率點的附近,因此能有效地使用太陽能電池板產生的電功率。
上述偏置電功率值Poff1和Poff2在使用了額定輸出為200W的太陽能電池板的情況下,能設為例如10W和20W。此外,該數值終究是例示,不是限定發明的值。
<第2實施方式>
圖16是本發明的第2實施方式的太陽能利用系統的框圖。第2實施方式的太陽能利用系統200的以下點與第1實施方式的太陽能利用系統100不同。即,是不具備太陽能利用系統100所具備的溫度 傳感器102和溫度傳感器電路115的點、具備太陽能利用系統100不具備的電流傳感器電路216的點、以及電機失速防止裝置不同的點。
與太陽能利用系統100的情況同樣地,太陽能利用系統200具備:太陽能電池板201;控制部210,其接受太陽能電池板201產生的電功率;以及保冷箱220,其被控制部210輸出的電功率驅動。
控制部210具備DC-DC轉換器211、逆變器212、控制電路部213、電壓傳感器電路214以及電流傳感器電路216。
保冷箱220具備:壓縮機221,其被電機222驅動;保冷室223;蓄冷劑224,其配置在保冷室223內;冷凝器225,其收納從壓縮機221排出的高溫高圧的制冷劑;冷卻器226,其配置在保冷室223內,使由冷凝器225進行了散熱的制冷劑在內部蒸發從而得到冷熱來冷卻保冷室223;以及制冷劑配管227,其使制冷劑從壓縮機221向冷凝器225、從冷凝器225向冷卻器226、從冷卻器226再次向壓縮機221循環。
作為電流傳感器電路216,能使用使電流流經電阻器來測定電阻器的兩端的電位差的電路、或者檢測電流所產生的磁場的非接觸方式的電路等。
由電壓傳感器電路214測定太陽能電池板201的輸出電壓V,由電流傳感器電路216測定太陽能電池板201的輸出電流I。能根據這些輸出電壓V和輸出電流I求出太陽能電池板201的輸出電功率P。
(第2實施方式的電機失速防止裝置)
太陽能利用系統200具備防止驅動中的電機222失速的電機失速防止裝置。第2實施方式的電機失速防止裝置包括逆變器212、以及控制逆變器212的控制電路部213。該電機失速防止裝置將太陽能電池板201的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓。基于圖17說明其基本工作原理。
在圖17中,各種日照強度的、一般的太陽能電池板的輸出特性被描述為P-V曲線。在圖17中,將P-V曲線Ca、Cb、Cc、Cd的最大電功率點分別設為cam、cbm、ccm、cdm。
各P-V曲線的最大電功率點從其定義來看P-V曲線的傾斜度必 定為零,即成為dP/dV=0。另外,在比最大電功率點靠左側(輸出電壓V低的一側),傾斜度為正(dP/dV>0),在比最大電功率點靠右側(輸出電壓V高的一側),傾斜度為負(dP/dV<0)。
如上所述,太陽能利用系統200的電機失速防止裝置將太陽能電池板201的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的(dP/dV<0)電壓。換言之,將太陽能電池板201的工作點限制為比最大電功率點靠右側。由此,能避免將太陽能電池板201的輸出電壓按在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率成為正(dP/dV>0)的電壓使其工作時的電機工作的不穩定化。因而太陽能利用系統200能有效地使用太陽能電池板201的發電能力、且能使電機222穩定地工作。
太陽能電池板201的輸出電壓的變化率(dP/dV)隨著接近最大電功率點而單調地減小,在最大電功率點處成為0。因此,通過測定變化率(dP/dV),即使完全不知道最大工作點的位置,并且未到達最大工作點,也能容易地推定某時點的工作點距離最大工作點多遠。
因而,在將太陽能電池板201改變為其它機型、或者太陽能電池板201的特性由于基于溫度的變化或經時變化而變化的情況下,也能不特別地進行設定變更等地繼續電機的失速防止。
第2實施方式的太陽能利用系統200不具備在第1實施方式的太陽能利用系統100中存在的溫度傳感器102和溫度傳感器電路115。其原因是,如果通過電壓傳感器電路214和電流傳感器電路216測定太陽能電池板201的輸出電壓V和輸出電功率P、測定變化率(dP/dV),則能應對太陽能電池板特性的溫度變化。
更優選太陽能利用系統200的電機失速防止裝置設定規定的正的變化率s1,根據太陽能電池板201的輸出電壓的變化ΔV和太陽能電池板201的輸出電功率的變化ΔP求出太陽能電池板201的輸出電功率的變化率ΔP/ΔV,而且以成為|ΔP/ΔV|>s1的方式控制電機222。即,在圖17中,將工作點限制為比|dP/dV|=s1的點靠右側。
進行如上所述的控制,由此能得到與在第1實施方式中設定偏 置電壓值Voff1、以成為V>Vm+Voff1的方式控制太陽能輸出電壓V(圖2)的情況同樣的效果。即,在太陽能電池板201中存在突然的輸出變動的情況下,也能穩定地驅動作為負載的電機222。
如圖17所示,更優選進一步設定比s1大的正的變化率s2,以成為s2>|ΔP/ΔV|>s1的方式進行控制。即,將工作點限制為比|dP/dV|=s1的點靠右側、且比|dP/dV|=s2的點靠左側。將工作點限制為這種位置,由此能將太陽能電池板201的發電量維持為高水平而更有效地使用太陽能電池板201的發電能力、且使電機222穩定地工作。
在此,說明變化率s1和s2所優選的值。變化率s1和s2是P-V曲線的傾斜度,其隨著太陽能電池板的輸出電壓和輸出電功率而變化,因此將其原樣限定是不恰當的。但是,一般的硅類太陽能電池的P-V曲線的形狀通過進行標準化而成為大致普遍的形狀。在此,進行太陽能電池板的最大電功率輸出電壓Vm和最大電功率Pm均成為1的標準化(參照表2)。這樣的話,不管太陽能電池板的機型如何,P-V曲線的形狀成為固定的。如果代替s1和s2而使用標準化的變化率s1×(Vm/Pm)和s2×(Vm/Pm),則能不管電池板的機型地按無量綱量進行限定。
[表2]

優選標準化的變化率s1×(Vm/Pm)設為1.0≤s1×(Vm/Pm)≤5.7。將標準化的變化率s1×(Vm/Pm)設為1.0≤s1×(Vm/Pm),由此充分地得到針對太陽能電池板201的突然的輸出變動而穩定地驅動電機222的效果。另外,設為s1×(Vm/Pm)≤5.7,由此得到能充分有效地使用太陽能電池板201輸出的電功率的效果。
優選標準化的變化率s2×(Vm/Pm)是s2×(Vm/Pm)≥s1×(Vm/Pm)+0.4、且設為s2×(Vm/Pm)≤6.7。將標準化的變化 率s2×(Vm/Pm)設為s2×(Vm/Pm)≥s1×(Vm/Pm)+0.4,由此得到無需過度且頻繁地變更電機222的轉速的效果。另外,設為s2×(Vm/Pm)≤6.7,由此得到能充分有效地使用太陽能電池板201輸出的電功率的效果。
(控制電機轉速的方法的詳細內容)
基于圖18~圖20說明在太陽能利用系統200中控制電機222的轉速的方法的詳細內容。
該電機轉速控制方法的要點在于,將太陽能電池板201的P-V曲線的工作點限制為當改變太陽能輸出電壓V時太陽能輸出電功率P的變化率為負的(dP/dV<0)電壓。由此,能在穩定的狀態下驅動電機222。另外,能盡可能有效地使用太陽能電池板201產生的電功率。
在以下的說明中,忽略太陽能電池板的輸出特性隨著溫度而變化。而且,還忽略太陽能電池板輸出最大電功率的電壓Vm由于日照強度的增減而變動。
圖18是電機的轉速控制的流程圖。如圖18所示,測定某時點的太陽能輸出電壓Vi和太陽能輸出電流Ii。使用該結果計算某時點的太陽能輸出電功率Pi。
下面,使電機轉速減小固定值Δr1。固定值Δr1例如能設為100rpm,但不限于該數值。
在電機的減速結束后,測定太陽能輸出電壓Vf和太陽能輸出電流If。使用該結果計算電機減速后的太陽能輸出電功率Pf。
下面,計算電機減速前后的太陽能輸出電功率的相對于太陽能輸出電壓的變化率、即ΔP/ΔV=(Pf-Pi)/(Vf-Vi)。該變化率是為了與P-V曲線的傾斜度對應、使電機穩定地工作而應控制為負的值。該變化率越接近最大電功率點越接近零,因此能根據其絕對值來推定工作點距離最大電功率點多遠。
在上述步驟中,當求出太陽能輸出電功率的變化率ΔP/ΔV時,使電機轉速減小固定值Δr1,ΔP成為負。為了求出變化率ΔP/ΔV,也可以增加電機轉速、即ΔP成為正,但優選將ΔP設為負值。其原 因是,如果將ΔP設為負,則工作點遠離最大電功率點,因此通過測定變化率ΔP/ΔV能防止電機的工作變得不穩定。
下面,根據變化率的絕對值|ΔP/ΔV|的大小來改變電機轉速。如果是|ΔP/ΔV|≥s2,則使電機轉速增加固定值Δr3(Δr3>Δr1)。如果是|ΔP/ΔV|≤s1,則使電機轉速進一步減小固定值Δr2。如果是s2>|ΔP/ΔV|>s1,則使電機轉速增加固定值Δr1并使其回到電機減速前的轉速。
圖19(a)~(d)是分別表示電機轉速r、太陽能輸出電功率P、太陽能輸出電壓V以及太陽能輸出電功率的變化率ΔP/ΔV的坐標圖。
在圖19中,在由m1、m2以及m3表示的測定期間內,使電機轉速r減小Δr1,并且在電機轉速減小前后測定太陽能輸出電壓V和太陽能輸出電流I,使用其結果求出太陽能輸出電功率的變化率ΔP/ΔV。
在測定期間m1中,是|ΔP/ΔV|≥s2,在期間a1中使電機轉速r增加Δr3(Δr3>Δr1)。其結果是,電機轉速比測定期間m1之前增加Δr3-Δr1。
在測定期間m2中,是s2>|ΔP/ΔV|>s1,在期間a2中使電機轉速r增加Δr1。其結果是,電機轉速與測定期間m2之前相同。
之后,發生日照強度的降低,太陽能輸出電壓V驟減。其結果是,在測定期間m3中,是|ΔP/ΔV|≤s1,在期間a3中使電機轉速r減小Δr2。其結果是,電機轉速比測定期間m3之前減小Δr1+Δr2。
圖20表示圖19的時間t1~t5的太陽能電池板的工作點的變遷(a(t1)~a(t5))。
即使使用上述電機旋轉控制的方法也能使太陽能利用系統的電機的工作穩定化,且能將太陽能電池板的工作點固定在最大電功率點的附近,因此能有效地使用太陽能電池板產生的電功率。
如從圖17可知的,當日照強度弱時,P-V曲線的傾斜度整體地變得平緩。因此,如果將s1和s2設為固定的,則日照強度弱時的太陽能電池板的工作點被限制為遠離最大電功率點的位置。因而,當 日照強度弱時,太陽能電池板產生的電功率的使用率降低。為了防止該現象,用Pi或者Pf乘以s1和s2來對其進行校正是有效的。由此,日照強度弱時的太陽能電池板的工作點也接近最大電功率點,能提高太陽能電池板產生的電功率的使用率。
<第3實施方式>
圖21是本發明的第3實施方式的太陽能利用系統的框圖。第3實施方式的太陽能利用系統300的如下點與第1實施方式的太陽能利用系統100不同。即,是不具備太陽能利用系統100具備的溫度傳感器102和溫度傳感器電路115的點、具備太陽能利用系統100不具備的大容量的電容器317的點、以及電機失速防止裝置不同的點。
與太陽能利用系統100的情況同樣地,太陽能利用系統300具備:太陽能電池板301;控制部310,其接受太陽能電池板301產生的電功率;以及保冷箱320,其被控制部310輸出的電功率驅動。
控制部310具備DC-DC轉換器311、逆變器312、控制電路部313、電壓傳感器電路314以及電容器317。
保冷箱320具備:壓縮機321,其被電機322驅動;保冷室323;蓄冷劑324,其配置在保冷室323內;冷凝器325,其收納從壓縮機321排出的高溫高圧的制冷劑;冷卻器326,其配置在保冷室323內,使由冷凝器325進行了散熱的制冷劑在內部蒸發從而得到冷熱而冷卻保冷室323;以及制冷劑配管327,其使制冷劑從壓縮機321向冷凝器325、從冷凝器325向冷卻器326、從冷卻器326再次向壓縮機321循環。
(第3實施方式的電機失速防止裝置)
太陽能利用系統300具備防止驅動中的電機322失速的電機失速防止裝置。第3實施方式的電機失速防止裝置包括與太陽能電池板301或者電機322并聯連接、蓄積太陽能電池板301產生的電功率的電容器317。
存在電容器317,由此即使電機322的消耗電功率超過太陽能電池板301的最大發電功率,電機322的工作也不會立刻變得不穩定。在電機322的消耗電功率超過了太陽能電池板301的最大發電功率 的情況下,由電容器317積蓄的電荷慢慢地減少,電容器317的電壓也慢慢地降低。在電壓傳感器電路314探測到該電壓降低的情況下,控制電路部313對逆變器312發出降低電機322的轉速的指令,降低電機322的消耗電功率。
這樣,太陽能利用系統300作為電機失速防止裝置具備與太陽能電池板301并聯連接、積蓄太陽能電池板301產生的電功率的電容器317,因此能有效地使用太陽能電池板301的發電能力、且能使電機322穩定地工作。
在圖21中電容器317與太陽能電池板301的輸出部連接,但也可以與DC-DC轉換器311的輸出部連接。在這種情況下,作為電壓轉換裝置的DC-DC轉換器311插入電容器317和太陽能電池板301之間,但在這種情況下,電容器317實質上也與太陽能電池板301并聯連接,積蓄太陽能電池板301產生的電功率。
優選電容器317的容量在電機322安全地減速的期間內能供給所需的電功率。以下說明電容器317所優選的容量。
作為在保冷箱中使用的電機,典型的是最大轉速為5000rpm(此時的消耗電功率為150W)、最小轉速為1500W(此時的消耗電功率為45W)等規格的電機。另外,在保冷箱中使用的電機通常如果是在1秒鐘內為60rpm的減速速度,則能安全地減速。可如下所示考慮與這種電機組合的電容器317的容量。
保冷箱的電機的通常轉速是2000rpm,頻繁地發生太陽能電池板的輸出降低并需要10%的減速的情況,因此優選電容器317具有能應對這種狀況的容量。在這種情況下,太陽能電池板的輸出從60W驟減到54W,電機花費3.33秒從2000rpm(消耗電功率為60W)減速到1800W(消耗電功率為54W)。在此期間內,來自太陽能電池板的電功率的不足量成為10瓦特秒。當將太陽能電池板的輸出電壓設為30V時,為了在電容器317中積蓄10瓦特秒的電力,電容器317需要具備22.2mF的容量。
如下所示求出電容器317的進一步優選的容量。當電機以最大轉速為5000rpm(消耗電功率為150W)正在旋轉時,來自太陽能電 池板的電功率供給成為零。此時,電機安全地減速到最低轉速1500rpm(消耗電功率為45W)為止需要60秒。此時,電機消耗的電功率是5850瓦特秒,當將太陽能電池板317的輸出電壓設為30V時,在電容器317中需要13F的容量。
優選電容器317的容量的上限值在考慮成本和體積后設為100F。
將電容器317所積蓄的電功率量或者電容器317的容量設為上述范圍,由此能充分地發揮電機失速防止的效果。
電容器317必須是大容量,因此優選使用電雙層電容器。
<第4實施方式>
圖22是本發明的第4實施方式的太陽能利用系統的框圖。
如圖22所示,第4實施方式的太陽能利用系統400具備:太陽能電池板401;控制部410,其接受太陽能電池板401產生的電功率;以及空氣調節機的室外機440和室內機450,其被控制部410輸出的電功率驅動。
控制部410具備:DC-DC轉換器411、控制電路部413、電壓傳感器電路414、電流傳感器415以及3個逆變器431、432、433。
空氣調節機的室外機440具備由電機442驅動的壓縮機441和室外側送風機443。
空氣調節機的室內機450具備室內側送風機451。
此外,雖均未圖示,但在室外機440配置收納從壓縮機441排出的高溫高圧的制冷劑的冷凝器,在室外機450配置使由冷凝器進行了散熱的制冷劑在內部蒸發從而得到冷熱的冷卻器。
逆變器431、432、433分別驅動電機442、室外側送風機443以及室內側送風機451。控制電路部413統一控制DC-DC轉換器411和逆變器431、432、433。
(第4實施方式的電機失速防止裝置)
太陽能利用系統400具備防止驅動中的電機442失速的電機失速防止裝置。第4實施方式的電機失速防止裝置包括逆變器431以及控制逆變器431的控制電路部413。該電機失速防止裝置與第2實施 方式的電機失速防止裝置同樣,將太陽能電池板401的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓,從而防止驅動中的電機442的失速。
<第5實施方式>
圖23是本發明的第5實施方式的太陽能利用系統的框圖。
如圖23所示,第5實施方式的太陽能利用系統500具備:太陽能電池板501;控制部510,其接受太陽能電池板501產生的電功率;以及泵521,其被控制部510輸出的電功率驅動。泵521被電機522驅動。
控制部510具備DC-DC轉換器511、逆變器512、控制電路部513、電壓傳感器電路514以及電流傳感器515。
(第5實施方式的電機失速防止裝置)
太陽能利用系統500具備防止驅動中的電機522失速的電機失速防止裝置。第5實施方式的電機失速防止裝置包括逆變器512以及控制逆變器512的控制電路部513。該電機失速防止裝置與第2實施方式的電機失速防止裝置同樣,將太陽能電池板501的輸出電壓限制為在P-V曲線上當改變該輸出電壓時變化率為負的電壓,從而防止驅動中的電機522的失速。
以上,說明了本發明的實施方式,但本發明的范圍不限于此。只要不脫離發明的宗旨就能加以各種變更來實施。
工業上的可利用性
本發明能廣泛地應用于太陽能利用系統。
附圖標記說明
100   太陽能利用系統
101   太陽能電池板
102   溫度傳感器
110   控制部
111   DC-DC轉換器
112   逆變器
113   控制電路部
114   電壓傳感器電路
115   溫度傳感器電路
120   保冷箱
121   壓縮機
122   電機
123   保冷室
124   蓄冷劑
125   冷凝器
126   冷卻器
127   制冷劑配管
200   太陽能利用系統
201   太陽能電池板
210   控制部
211   DC-DC轉換器
212   逆變器
213   控制電路部
214   電壓傳感器電路
216   電流傳感器電路
220   保冷箱
221   壓縮機
222   電機
223   保冷室
224   蓄冷劑
225   冷凝器
226   冷卻器
227   制冷劑配管
300   太陽能利用系統
301   太陽能電池板
310   控制部
311   DC-DC轉換器
312   逆變器
313   控制電路部
314   電壓傳感器電路
317   電容器
320   保冷箱
321   壓縮機
322   電機
323   保冷室
324   蓄冷劑
325   冷凝器
326   冷卻器
327   制冷劑配管
400   太陽能利用系統
401   太陽能電池板
410   控制部
411   DC-DC轉換器
413   控制電路部
414   電壓傳感器電路
415   電流傳感器電路
431、432、433   逆變器
440   空氣調節機的室外機
441   壓縮機
442   電機
443   室外側送風機
450   空氣調節機的室內機
451   室內側送風機
500   太陽能利用系統
501   太陽能電池板
510   控制部
511   DC-DC轉換器
512   逆變器
513   控制電路部
514   電壓傳感器電路
515   電流傳感器電路
521   泵
522   電機

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