专利名称：发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过逆变器电路从太阳电池和燃料电池等产生的直流电发生交流电的发电系统，是在多级切换直流电的电压的开关机构、蓄电功能、发电性能的改善方面具有特征的发电系统。
背景技术：
近来，太阳发电系统的太阳电池制作成本逐渐降低，太阳发电系统正在普及到许多家庭。然而，大多数太阳发电系统是连接供给家庭的单相交流市电系统的系统连接型系统。家用太阳发电系统的太阳电池输出几千瓦，其中串联几十块发电组件。所述系统连接型太阳发电系统需要通过逆变器电路将直流电变换成适合单相交流系统的交流电。
图24所示的公知太阳发电系统是以PWM方式控制逆变器电路的普通系统连接型系统，设置并联多个将多个发电组件串联的组件的太阳电池100、逆变器电路101、控制切换逆变器电路101的控制装置102。控制装置102具有检测出交流系统的基准电压的电压检测器103、对检测出的电压进行放大的放大器104、三角波发生器105、PWM控制部106等。如图24所示，PWM控制部106根据基于图25所示基准电压的指令电压的正弦波107和三角波发生器105产生的图25所示的载波108，控制逆变器电路101的开关元件，产生图23所示方形波状的交流电压109，并利用滤波器电路使该方形波状的交流电压109平滑，从而变换成正弦波状交流电，输出到交流系统。
以上用PWM方式控制逆变器电路的技术中，由于以断续的方式将太阳电池输出变换成交流电，存在只能有效利用约90％太阳电池输出的问题。而且，由于产生与逆变器电路开关元件切换频度和交流系统阻抗关联的高次谐波分量，必须设置吸收该高次谐波分量用的大滤波器单元和电磁故障排除单元。而且，由于伴随大电压变化的开关次数多，存在逆变器电路的开关元件等动力器件损耗大的问题。
另一方面，提出通过切换多个太阳电池中取出输出的太阳电池数多级切换输出电压的电池切换方式太阳发电系统。如图26所示，该发电系统设置例如能产生10V、20V、40V、80V的4组太阳电池110，通过仅使开关S1、S2、S3、S4中的开关S1导通，输出10V的直流电，并适当组合切换导通的开关，以10V为电位使直流电的电压逐级增减，从而能切换成20V、30V、……、140V、150V。由逆变器电路111将直流电变换成图27(A)、(B)所示的交流电，输出到交流系统。在该电池切换方式太阳发电系统的情况下，与上述图24的发电系统相比，高次谐波和电池故障的产生得到改善。然而，由于只不过在产生峰值电压的极短时间有效利用4个太阳电池的输出，大部分时间中1个或多个太阳电池为闲置状态，存在太阳电池利用率显著降低的问题。
这4组太阳电池110中的任一组成为建筑物等的阴影，从而局部不受太阳光照射时，成为阴影的太阳电池110的发电量显著减小，输出电压降低，不能正常输出交流电。而且，在不照射太阳光的夜间，这4组太阳电池110都不产生直流电，使太阳电池110进行发电的发电时间受到限制，存在不能充分发挥发电系统的发电性能的问题。
近来，也进行燃料电池方式的发电系统的开发，估计不久的将来会作为家用发电系统逐渐付诸实用。
燃料电池结构上做成将多个单元电池设置成叠层状，并且串联该多个单元电池，输出直流电。各单元电池产生约0.6V～0.7V的直流电，因而将该发电系统连接家用单相交流系统以对交流系统供给发电系统产生的直流电的技术存在与上述太阳发电系统时相同的问题。
发明内容
本发明的发电系统，具有发生直流电的发电装置和将该发电装置发生的直流电变换成交流电的逆变器电路，其中，所述发电装置是多个发电组件，具有各自包括设置多个发电单元或发电部的多个发电组件、以及与多个发电组件的各组件并联连接的至少1个蓄电单元单元，并且设置连接所述逆变器电路的输入端的正负母线、能使多个发电组件的各正极对正母线导通或阻断的多个第1开关单元、能使多个发电组件的各正极对单侧相邻的发电组件的负极导通或阻断的多个第2开关单元、以及能使多个发电组件的各负极对负母线导通或阻断的多个第3开关单元。
多个发电组件分别接收太阳光，经常产生直流电；与此同时，与多个发电组件的各个组件并联的蓄电单元接收这些发电组件输出的规定电压的直流电，并经常储蓄该直流电。
其中，设使全部第1开关单元导通，全部第2开关单元阻断，全部第3开关单元导通，则全部发电组件与正负母线并联，直流输出电压变成最低电压Vmin。
将多个发电组件分成多个群，并且使各群的多个发电组件在由多个第2开关单元串联的状态下，可由第1、第3开关单元并联到正负母线。设串联的发电组件数为2个，则直流输出电压为2V min；串联的发电组件数为4个，则直流输出电压为4V min。这样，能使发电装置输出的直流输出电压逐级加大或减小。
而且，能一面有效利用全部发电组件的输出，一面如上文所述那样仅切换第1、第2、第3开关单元就逐级切换直流输出电压。不发生发电组件闲置，能充分提高发电组件的利用率。
即使进行多个的第1、第2、第3开关单元的切换，开关单元切换时的电压变化也小，所以比以往的PWM方式逆变器电路难以产生噪声和高次谐波。因此，使伴随减小吸收噪声和高次谐波、防范电磁故障用的滤波器电容等形成的电路能简化结构。多个的第1、第2、第3开关单元的切换频度也比PWM方式逆变器电路的开关元件切换频度低，因而多个的第1、第2、第3开关单元可用小型开关元件，使开关损耗减小，开关元件成本降低。
这里，发电组件是太阳电池发电组件时，可随阴天、早晨、傍晚等发电组件输出电压降低改变多个的第1、第2、第3开关单元的连接模式，调整发电装置输出的直流电的电压，所以不必设置升压交流变换器，形成通用性和自由度高的系统。而且，由于能切换多个的第1、第2、第3开关单元，使逐级升高输出电压时输出电流逐级减小，逐级降低输出电压时输出电流加大，可控制成发电装置工作在最大功率点。
对多个太阳电池发电组件中的任一个而言，在输出电压特性存在偏差或局部受建筑物遮蔽而发暗，导致发电量显著降低时，从与输出电压降低的发电组件并联的蓄电单元对正负母线输出规定电压的直流电，补偿发电组件的输出电压，因而可谋求输出功率均衡，改善发电组件的直流电压-直流电流特性。即使在不照射太阳光的夜间，该多个发电组件都不发生直流电时，蓄电的蓄电单元也将规定电压的直流电输出到正负母线，所以发电时间不受限制，能显著改善发电装置的发电性能。
上文所述是本发明发电系统的作用效果。
这里，最好可采用以下各种组成。
(a)多个的第1、第2、第3开关单元分别由半导体开关元件构成，并且设置通过控制切换该多个的第1、第2、第3开关单元逐级切换所述发电装置的输出电压的控制装置。
(b)结构上做成将所述多个发电组件分成多个群，并且由所述控制装置使各群的多个发电组件在由多个第2开关单元串联的状态下，可由第1、第3开关单元并联到正负母线。
(c)所述逆变器电路具有多个半导体开关元件，并且由所述控制装置控制这些半导体开关元件。
(d)设置检测出接受所述发电系统供电的交流电系统的电压的电压检测单元，所述控制装置根据电压检测单元的检测信号控制第1、第2、第3开关单元和所述逆变器电路的多个半导体开关元件。
(f)将所述发电组件的多个发电单元加以并联和串联连接，排列成多行、多列的矩阵状。
(g)所述各发电单元由在粒状半导体上添入p n结的太阳电池组成。
(h)所述发电装置由层叠多个单电池的燃料电池构成，所述单电池组成所述各发电单元。
(i)所述蓄电单元是电双层电容器。
(j)所述蓄电单元是二次电池。
图1是发电系统的组成图；图2是发电单元的截面图；图3是发电单元的截面图；图4是发电单元的截面图；图5是示出开关S1～S7的组成的晶体管电路图；图6是示出开关S11a～S17a和开关S11b～S17b的组成的晶体管电路图；图7是发电系统的控制装置的框图；图8是发电模式M1时的发电系统的作用说明图；图9是发电模式M2时的发电系统的工作说明图；图10是发电模式M4时的发电系统的工作说明图；图11是发电模式M8时的发电系统的工作说明图；图12是高入射状态的图1中发电系统输出的直流电电压波形和单相交流系统电压波形的图；图13是低入射状态的图1中发电系统输出的直流电电压波形和单相交流系统电压波形的图；图14是封装后的发电系统的俯视图；图15是图14的N-N线剖视图；图16是配置在上方的太阳电池电路板的俯视图；图17是配置在下方的电子部件电路板的后视图；图18是变换实施方式的发电系统的组成图；图19是发电组件的电路图；图20是图18的发电系统中的发电模式和输出电压等的说明图；图21是设置2组图18的发电系统的发电系统的组成图；
图22是图21的发电系统中的输出电压的说明图表；图23是发电系统所输出直流电的电压波形和单相交流系统的电压波形的图。
图24～图27示出先行技术；图24是PWM方式的发电系统的总体组成图；图25是PWM方式中的指令电压正弦波、载波和方形波交流电压等的时序图；图26是电池切换方式的发电系统的总体组成图；图27(A)是图24的发电系统产生的电压波形的图；图27(B)是图24的发电系统产生的电流波形的图。
具体实施例方式
下面，说明实施本发明发电系统用的最佳实施方式。
如图1～图7所示，此发电系统1具有发生直流电的发电装置2、将该发电装置2发生的直流电变换成交流电并输出到单相交流系统的逆变器电路3、对发电装置2的直流电的电压进行多级切换用的开关机构Sm、控制这些开关机构Sm和逆变器电路3的开关元件51～54的控制装置4、以及检测出单相交流系统的电压并输入到控制装置4的电压检测器5。
为了说明方便，本实施方式的发电装置2设置8个发电组件21～28、连接正极62和中段部的并联连接线59的蓄电用的电双层电容器29a以及连接并联连接线59和负极60的蓄电用的电双层电容器29b，使该电容器分别并联各发电组件21～28。将这些发电组件21～28配置成1列状，并且发电方向一致。
各发电组件21～28具有进行并联和串联并配置成2行、5列矩阵状的10个发电单元30。
各发电单元30由例如图2～图4所示的3种粒状太阳电池30A～30C中的任一种太阳电池组成，可接收太阳光并产生例如0.5～0.6V的直流电压。
图2的太阳电池30A由直径1.5mm～3.0mm左右的n形硅构成的球状半导体31、p形扩散层32、p n结33、氧化硅绝缘膜34、隔着球状半导体31的中心对置的正极35和负极36等组成。本案申请人申请的WO 98/15983号公报记载这种太阳电池30A。图3的太阳电池30B由尺寸与上述太阳电池相同的p形硅构成的球状半导体37、n形扩散层38、pn结39、氧化硅绝缘膜40、隔着球状半导体37的中心对置的正极41和负极42等组成，为了便于识别正极41和负极42，将正极41设在球状半导体37的底部形成的平坦面上。图4所示的太阳电池30C由直径约1.5mm～3.0mm的p形硅构成的圆柱状半导体43、n形扩散层44、pn结45、p+扩散层46、氧化硅绝缘膜47、设在两端部的正极48和负极49等组成。
但是，所述太阳电池30A～30C只不过示出一个例子，作为发电组件，可用具有发生1.0V～10.0V左右的直流电的功能的各种发电组件(例如1个板状太阳电池、汇集多个小的板状太阳电池的成板太阳电池、燃料电池等)。
所述蓄电用的电双层电容器29a、29b将接触电解液的活性炭用作电极，使电解液与活性炭接触，一施加电压就在其界面产生极化，与电容器同样地蓄电，其公害小，充放电次数方面优良，并且可储蓄较大的电量。各发电组件中，将电双层电容器29a连接正极62和并联连接线59，从而与并联的上级5个发电单元30并联。将电双层电容器29b连接并联连接线59和负极60，从而与并联的下级5个发电单元30并联。
因此，电双层电容器29a、29b接收这些并联的多个发电单元30发生的直流电，经常储蓄该直流电。但是，在任一个或多个发电单元30的发电量显著降低时，这些电双层电容器29a、29b将规定电压的直流电输出到正负母线6、7，补偿输出功率的降低。
逆变器电路3将例如n沟道型IGB组成的4个开关元件51～54连接成桥形，该开关元件51～54还连接回流二极管55～58。利用来自控制装置4的控制信号控制这4个开关元件51～54。
结构上做成使开关元件51和54、开关元件53和52形成组，交替导通，从而由输出端子8、9将交流电输出到单相交流系统。
接着，说明所述开关机构Sm。
在所述逆变器电路3的输入端连接正母线6和负母线7。将该开关机构Sm设在发电装置2与逆变器电路3之间，使8个发电组件每任意个串联，而且可将该串联的各发电组件群并联到逆变器电路3，以便按多级切换发电装置2发生并输出到逆变器电路3的直流电输出电压。此开关机构Sm具有多个开关S1～S7、S11a～S17a和S11b～S17b。开关S1～S7可切换7个发电组件21～27各自的负极60对负母线7的导通状态和阻断状态。如图5所示，例如用由控制装置4控制通断的npn型双极性晶体管61构成开关S1～S7。
开关S11a～S17a可切换7个发电组件22～28各自的正极62对正母线6的导通状态和阻断状态。开关S11b～S17b可切换7个发电组件22～28各自的正极62对正极62侧相邻的1个发电组件21～27的负极60的导通状态和阻断状态。如图6所示，例如用由控制装置4控制通断的npn型双极性晶体管63构成开关S11a～S17a。如图6所示，例如用由控制装置4控制通断的npn型双极性晶体管64构成开关S11b～S17b。
但是，晶体管63导通时晶体管64阻断，晶体管63阻断时晶体管64导通。
这样，可利用双极性晶体管63使正极62对正母线6导通或阻断，可利用双极性晶体管64使正极62对相邻的发电组件的负极60导通或阻断。
作为所述开关S11a～S17a的多个晶体管63相当于多个第1开关单元，作为所述开关S11b～S17b的多个晶体管64相当于多个第2开关单元，作为所述开关S1～S7的多个晶体管61相当于多个第3开关单元。npn型双极性晶体管61、63、64只不过是一个例子，可用能作与它们相同的通断控制的任一种开关元件。逆变器电路3的开关元件51～54只不过是一个例子，可用MOSFET等别的开关元件。
接着，说明控制装置4。
如图7所示，以CPU65，ROM65和RAM67组成的计算机以及输入输出接口68为主体，构成控制装置4，并将开关S1～S7、开关S11a～S17a和开关S11b～S17b分别连接输入输出接口68。设置检测出所述单相交流系统的交流电压的电压检测器5，将该电压检测器5的检测信号输入到控制装置4。
控制装置4的ROM65预先存放控制程序，该程序根据电压检测器5的检测信号，如后文所述那样控制切换开关S1～S7、开关S11a～S17a和开关S11b～S17b以及开关元件51～54。
控制装置4根据ROM66的控制程序控制开关S1～S7、开关S11a～S17a和开关S11b～S17b通断，从而逐级切换发电装置2的直流电的输出电压。
本实施方式的各发电组件21～28的发电电压为约1.0V～1.2V，因而如图8所示，将开关S1～S7和开关S11a～S 17a切换成导通的状态(将该状态取为发电模式M1)下，使全部发电组件21～28并联到正负母线6、7时，接收太阳光进行发电的发电装置2输出约1.0V～1.2V的直流电。
如图9所示，切换开关S1～S7、开关S11a～S17a和开关S11b～S 17b，将8个发电组件21～28分成各2个的4群，以串联各群的2个发电组件的状态(将该状态取为发电模式M2)在将4个发电组件群并联到正负母线6、7的状态下，发电装置2输出约2.0V～2.4V的直流电。
如图10所示，切换开关S1～S7、开关S11a～S17a和开关S11b～S17b，将8个发电组件21～28分成各4个的2群，以串联各群的4个发电组件的状态(将该状态取为发电模式M4)在将2个发电组件群并联到正负母线6、7的状态下，发电装置2输出约4.0V～4.8V的直流电。
如图11所示，切换开关S1～S7、开关S11a～S17a和开关S11b～S17b，在串联8个发电组件21～28的状态(将该状态取为发电模式M8)下，发电装置2输出约8.0V～9.6V的直流电。但是，任一所述发电模式M1、M2、M4、M8中，电双层电容器29a、29b各自以等同于其并联的发电单元30的发电电压(约0.5V～0.6V)的电压的直流电经常进行蓄电。尤其在单相交流系统的耗电量小的情况下，将发电单元30发生的未使用的直流电可靠地储蓄在电双层电容器29a、29b，形成充分充电状态。
因此，在晴天白日那样太阳光的入射光量大的高入射光状态下，如图12所示，由控制装置4依据电压检测器5检测出的单相交流系统的交流电压的交流波形70适当控制切换开关元件51～54、开关S1～S7、开关S11a～S17a和开关S11b～S17b(斜线表示导通状态，空白表示阻断状态)，依次进行切换控制，在第1时间t1切换到发电模式M1，第2时间t2切换到发电模式M2，接着的时间t3切换到M4，从而能从逆变器电路3的输出端子8、9将实线所示的阶梯状变化的电压波形71的交流电输出到单相交流系统。
另一方面，在阴天、早晨、傍晚那样太阳光的入射光量小的低入射光的状态下，如图13所示，由控制装置4依据电压检测器5检测出的单相交流系统的交流电压的交流波形70适当控制切换开关元件51～54、开关S1～S7、开关S11a～S17a和开关S11b～S17b(斜线表示导通状态，空白表示阻断状态)，依次进行切换控制，在第1时间t1切换到发电模式M1，第2时间t2切换到发电模式M2，第3时间t3切换到M4，接着的时间t4切换到发电模式M8，从而在入射光量小的情况下，也能从逆变器电路3的输出端子8、9将实线所示的阶梯状变化的电压波形72的交流电效率良好地输出到单相交流系统。
这时，通过以区分高入射光状态和低入射光状态并配合单相交流系统频率的方式，预先在计算机设定图中所示的时间t1、t2、t3、t4、……，根据来自电压检测器5的检测电压，随入射光状态切换开关S1～S7、开关S11a～S17a和开关S11b～S17b，从而能逐级切换输出电压。
然后，在单相交流系统的电压从负转到正时，将开关元件51、54切换到导通，开关元件53、52切换到阻断，而在单相交流系统的电压从正转到负时，将开关元件53、52切换到导通，开关元件51、54切换到阻断。
例如，发电组件21具有的多个发电单元30中，上级并联的5个发电单元30全部或部分输出电压特性存在偏差，或太阳受建筑物等遮蔽，造成这5个发电单元30的总发电量显著下降，其输出电压低于电双层电容器29a储存的蓄电电压时，电双层电容器29a将规定电量的直流电输出到正负母线6、7，补偿输出功率的下降，因而可谋求输出功率均衡，改善发电组件21的直流电压-直流电流特性。这里，说明了发电组件21，由于其它发电组件22～28也同样设置电双层电容器29a、29b，也同样高速工作。
在不照射太阳光的夜晚，该多个发电组件21～28都不发生直流电时，也将电双层电容器29a、29b储蓄的规定电压直流电输出到正负母线6、7，因而发电时间不受限制，能显著改善发电装置2的发电性。将电双层电容器29a、29b的电容预先设定成满足需要的适当电容。
以上说明的发电系统1中，按与发电模式对应的各种方式切换开关机构Sm的开关S1～S7、S11a～S17a和S11a～S17b，从而能使发电系统1输出的直流输出电压逐级增大或减小。
而且，能一面有效利用全部发电组件21～28的输出，一面如上文所述那样仅切换开关S1～S7、S11a～S17a和S11a～S17b，就逐级切换直流输出电压。因此，不发生发电组件21～28闲置，能充分提高发电组件21～28的利用率。
即使切换多个开关S1～S7、S11a～S17a和S11a～S17b，开关切换时的电压变化也不大，所以不容易发生噪声和高次谐波。因此，使伴随减小吸收噪声和高次谐波和防范电池故障用的滤波器电容等形成的电路能简化结构。开关S1～S7、S11a～S17a和S11a～S17b的切换频度也低于PWM方式逆变器电路中开关元件的切换频度，因而作为开关S1～S7、S11a～S17a和S11a～S17b，可用小型开关元件，能谋求降低成本，而且减小开关损耗。
这里，能随阴天、早晨、傍晚等发电组件21～28的输出电压降低切换开关S1～S7、S11a～S17a和S11a～S17b，改变模式，调整直流电的电压，因而不必设置升压交流变换器，形成通用性和自由度高的廉价系统。由于能进行开关S1～S7、S11a～S17a和S11a～S17b的切换，形成逐级升高输出电压时输出电流逐级减小、逐级降低输出电压时输出电流逐级加大的特性，可控制成发电装置2工作在最大功率点。
由于将电双层电容器29a和电双层电容器29b设置成与各发电组件21～28并联，在部分发电单元30的输出电压特性存在偏差，或部分发电单元30受建筑物遮蔽时，该发电单元30的输出电压低于电双层电容器29a、29b储蓄的蓄电电压的情况下，电双层电容器29a、29b将规定电压的直流电输出到正负母线6、7，补偿输出功率降低，所以可谋求发电组件21～28的输出功率均衡，改善发电组件21～28的直流电压-直流电流特性。
在夜间等发电组件21～28都不发电的状态下，单相交流系统要求供电时，将多个电双层电容器29a、29b储蓄的直流电输出到正负母线6、7，因而用电条件的约束小，能显著改善发电装置2的发电性能。
所述发电系统1中，能根据控制装置4的控制方法自由改变逆变器电路3输出的交流电频率，因而通用性和自由度优良。以上的说明将利用电压控制输出交流电的情况作为例子进行阐述，但结构上也可做成按开关S1～S7、S11a～S17a和S11a～S17b的切换方法，利用电流控制输出交流电。
这里，根据图14～图17说明将上述那样组成的发电系统1紧凑封装并可付诸实用的具体例子。
用强度良好的合成树脂组成的箱状主体外壳80、覆盖该主体外壳80的上表面的透明合成树脂组成的盖构件81、收装在主体外壳80内的太阳电池电路板82、电池部件电路板83，多个电双层电容器29a和29b以及逆变器电路3等构成此发电系统1。
如图15～图16所示，将太阳电池电路板82收装在主体外壳80内，使其朝上。该太阳电池电路板82利用蚀刻分别形成正极62、正母线6、负极60和负母线7，在负母线7和多个发电组件21～28的负极60设置多个开关S1～S7，在正母线6和多个发电组件21～28的正极62设置多个开关S11a～S17a，在正极62和负极60设置多个开关S11b～S17b。对各正极62如图中所示的那样形成布线，如图1所示那样将多个发电单元30配置成矩阵状。
如图15、图17所示，主体外壳80内朝下收装的电子部件电路板23利用通过蚀刻形成的连接线84，如图中所示那样连接电压检测器5、CPU65、ROM和RAM66和67、逆变器电路3的开关元件51～54以及回流二极管55～58。
将交流输出端子8和9分别设置在对置的角部，这些交流输出端子8和9的一部分穿通主体外壳80，露出到外部。符号83a是与太阳电池电路板82的正母线6连接的连接部，符号83b是与太阳电池电路板82的负母线7连接的连接部。虚线表示控制装置4的控制线。
在这些上方太阳电池电路板82和下方电子部件电路板83之间按夹层状配置多个电双层电容器29a、29b，各电双层电容器29a、29b电连接发电组件21～28，如图1所示。
将上下夹持多个电双层电容器29a、29b的太阳电池电路板82和下方的电子部件电路板83按水平状配置在主体外壳80内的高度方向中段部，在填充透明硅85的状态下，利用盖构件81按密封状态粘合其上端。该构件81的上表面侧分别形成半球状的半球透镜部81a，使其分别对应于设在太阳电池电路板82的多个发电单元30。
将这样形成封装的发电系统1设置在太阳光可入射的地方时，由于太阳光通过半球透镜效率良好地照射到发电单元30，从交流输出端子8、9输出足够的交流电。可将该形成封装的多个发电系统1配置成矩阵状，并适当连接交流输出端子8、9。
以上说明的实施方式中，为了便于理解本发明，以具有8个发电组件21～28的发电装置1为例进行了说明。然而，在连接到家用单相交流系统的发电系统的情况下，需要构成连接有效值100V、峰值约140V的交流系统。而且，在阴天、早晨、傍晚等情况下，鉴于发电系统产生的输出下降，希望将发电系统的最大输出电压设定成200V以上。根据图18～图23说明这种发电系统的例子。
图18所示的发电系统1A为组装到一块封装板的封装板结构，可称为发电板。
该发电系统1A具有配置成发电方向一致的发电单元21A～25A和多个电双层电容器29组成的例如48个发电装置2A、与所述逆变器电路3相同的逆变器电路3A、该逆变器电路3A输入侧的正母线6A和负母线7A、开关机构Sma(由开关S71～S74和开关S81～S84等组成)、输出端子8A和9A、以及控制装置(未示出)等。开关机构Sma用于取得与上述实施方式的图1所示的发电系统1的开关机构相同的功能，开关S71～S74切换发电组件21A～24A的负极60A对负母线7A接通的状态和阻断的状态，与上述开关S1～S7相同。开关S81～S84有选择地将发电组件22A～25A的正极62A连接到正极侧相邻的发电组件21A～24A的负极60A和正母线6A中的一个，与上述开关S11～S17相同。
所述发电组件21A～24A结构相同，因而说明发电组件21A和电双层电容器29。如图19所示，发电组件21A将发电单元30A配置成例如10行、100列的矩阵状，并且如图中所示那样将这些发电单元30A加以并联和串联。这时，每一按1个串联且并联成100个的并联发电单元30A分别并联1个电双层电容器29。所以，因输出电压特性偏差和阳光遮挡而部分发电单元30A为阻断状态时，并联的电双层电容器29输出储蓄的直流电，从而能大幅度提高发电组件21A的发电性能，实用性和耐久性良好。
上述“10行、100列的矩阵状”是示范的例子，行数不限于10行，有时为100行、几百行。列数不限于100列，有时为几十列、几百列、几千列。
这时，不必每一发电单元30A设置防止反向电流用的二极管，可谋求发电系统1A小型化和降低成本。
发电单元30A本身与上述发电单元30相同，各发电单元30A的输出电压为0.5V～0.6V，因而发电组件21A～25A各自的最大输出电压(晴天时的输出)为例如5.0V～6.0V。
然后，构成通过适当切换这些负极侧开关S71～S74和正极侧开关S81～S84，可切换成图20所示的“发电模式M1、M2、……、M48”和“输出电压”。
本案申请人申请的多个国际申请(例如PCT/JP00/07360、PCT/JP01/06972、PCT/JP01/09234、PCT/JP01/11416)已提出将所述发电组件21A那样的发电组件构成封装板状结构的技术。
可将以上说明的发电系统1A(发电板)构成不仅由1块而且由多块发电板组成的发电系统。但是，控制装置可仅设1个。如图21所示，例如此发电系统1A中，设置2块发电系统1A(发电板)，并设置将2块发电系统1A切换成串联状态和并联状态的开关机构。该开关机构由开关S65、S66等组成。开关S65可使图中所示的电路通断，并且与上述开关S1～S7相同，也例如由npn型双极性晶体管构成。开关66可切换有选择地连接1个任一方的接点的状态和不连接任一接点的状态，并且与上述开关S11a～S17a相同，也例如由2个npn型双极性晶体管构成。利用此开关机构，可切换成将2个发电装置1A串联的状态和将该装置并联的状态。然后，将这2个发电装置1A组成的发电装置的输出端子8B、9B连接到交流系统，并利用控制装置控制此发电系统，使其输出功率与交流系统的频率和电压等关联。
在并联2块发电板的状态下，可如图20所示那样切换此发电系统的输出电压。在错开2块发电板的发电模式并将发电板串联的状态下，可如图22的总计电压那样切换此发电系统的输出电压。
但是，也可通过一面适当切换将2块发电板并联的状态和串联的状态，一面适当设定2块发电板的发电模式，将该发电装置的输出电压切换成5V～6V、10V～12V、15V～18V、30V～36V、40V～48V、60V～92V、80V～96V、120V～144V、200V～240V、240V～288V、360V～432V、480V～576V。但是，上述输出电压和图20、图22的输出电压是表示全部发电单元发电输出最大时的例子的电压。在阴天、早晨、傍晚等因太阳光入射量减小而发电装置输出电压降低时，图22所示的总计输出电压实际上降低几％～几十％。如图23所示，这种发电系统可将实线所示的对交流电压的交流波形70阶梯状地变化的电压波形71的交流电输出到单相交流市电系统。
此发电系统1A将多个半导体组件21A～25A、多个电双层电容器29、逆变器电路3A、多个开关S71～S74和S81～S84全部装入到1块封装板，因而可根据需要做成在1块半导体芯片装入逆变器电路和多种开关的结构，使总体结构简化，能降低成本。
而且，可通过将多个发电系统(发电板)组合成各种形态，产生期望频率、期望输出电压或期望输出电流的交流电，所以通用性和自由度良好。
有关图21～图22的说明以装备2块发电板(发电系统)的发电系统为例进行了阐述，但实际上也能构成设置多块发电板，并且一面切换其并联状态和串联状态，一面输出适合供给家庭等的单相交流市电系统的电压或电流的功率。
图18的发电系统和图21所示的发电系统中，也能取得与上述发电系统1基本相同的作用效果，因而这里省略说明。
说明局部变换上述实施方式的例子。
(1)上述发电系统1、1A对设在逆变器电路3的输出端电路的滤波器和阻抗等省略其说明，但实际的发电系统中，根据需要设置滤波器和阻抗等。
(2)以产生单相交流电时为例说明了逆变器电路3、3A，但有时逆变器电路将发电装置2、2A发生的直流电变换成三相交流电；这时，从发电装置发生的直流电变换成与三相交流的各相对应的交流电。
(3)有时将整个发电系统1构成单一板状或封装板状。有时也对上述图18所示的发电系统将例如图21那样装备多组的发电系统构成单一板状或封装板状。
(4)不必分别制作各发电组件21～28、21A～25A，有时当作整体一起制作。例如，往往会使所取结构将图18的多个发电组件表观上构成1个发电组件，而电路上如图18那样具有多个发电组件。
(5)以连接外部的交流系统的他励型发电系统为例说明了上述发电系统1、1A，但备置产生基准交流电压的单元的自励型发电系统当然也能用本发明。
(6)上述发电系统1、1A中，也可在各电双层电容器29a、29b的并联位置将通断开关与电双层电容器29a、29b串联，并根据需要只在将通断开关切换到导通端时输出电双层电容器29a、29b储蓄的直流电。
(7)作为蓄电单元，不限于电双层电容器29a、29b，也可为蓄电容量大的电解电容器、二次电池、蓄电池等可积蓄发生的电的各种蓄电单元。
权利要求
1.一种发电系统，具有发生直流电的发电装置和将该发电装置发生的直流电变换成交流电的逆变器电路，其特征在于，所述发电装置，具有各自设置多个发电单元或发电部的多个发电组件、以及与多个发电组件的各组件并联连接的至少1个蓄电单元，并且设置连接所述逆变器电路的输入端的正负母线、能使多个发电组件的各正极对正母线导通或阻断的多个第1开关单元、能使多个发电组件的各正极对单侧相邻的发电组件的负极导通或阻断的多个第2开关单元、以及能使多个发电组件的各负极对负母线导通或阻断的多个第3开关单元。
2.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述多个的第1、第2、第3开关单元分别由半导体开关元件构成，并且设置通过控制切换这些多个的第1、第2、第3开关单元逐级切换所述发电装置的输出电压的控制装置。
3.如权利要求2所述的发电系统，其特征在于，结构上做成将所述多个发电组件分成多个群，并且由所述控制装置使各群的多个发电组件在由多个第2开关单元串联的状态下，可由第1、第3开关单元并联到正负母线。
4.如权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述逆变器电路具有多个半导体开关元件，并且由所述控制装置控制这些半导体开关元件。
5.如权利要求3所述的发电系统，其特征在于，设置检测出接受所述发电系统供电的交流电系统的电压的电压检测单元，所述控制装置根据电压检测单元的检测信号，控制第1、第2、第3开关单元以及所述逆变器电路的多个半导体开关元件。
6.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，将所述发电组件的多个发电单元加以并联和串联连接，而且排列成多行、多列的矩阵状。
7.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述各发电单元由在粒状半导体上添入pn结的太阳电池组成。
8.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述发电装置由层叠多个单电池的燃料电池构成，由所述单电池组成所述各发电单元。
9.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述蓄电单元是电双层电容器。
10.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述蓄电单元是二次电池。
全文摘要
本发电系统(1)具有发生直流电的发电装置(2)和将直流电变换成交流电的逆变器电路(3)，发电装置(2)具有各自设置多个发电单元(30)的多个发电组件(21～28)和与多个发电组件(21～28)的各组件并联的至少1个蓄电单元。设置能使多个发电组件(22～28)的各正极(62)对正母线(6)导通或阻断的多个第1开关单元(S11a～S17a)，设置能使多个发电组件(22～28)的各正极(62)对单侧相邻的发电组件(21～27)的负极(60)导通或阻断的多个第2开关单元(S11b～S17b)，设置能使多个发电组件(21～27)的各负极(60)对负母线(7)导通或阻断的多个第3开关单元(S1～S7)，并且可通过切换开关单元(S1～S7、S11a～S17a和S11b～S17b)使直流输出电压逐级增减。
文档编号H02J1/00GK1771641SQ0382649
公开日2006年5月10日 申请日期2003年6月9日 优先权日2003年6月9日
发明者中田仗祐 申请人:京半导体股份有限公司