CN109196444A - 环境发电装置及电流控制电路 - Google Patents

环境发电装置及电流控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于将施加到外部设备的电压控制在固定范围内。根据本发明能够得到一种环境发电装置以及电流控制电路，具有：电流控制部；第一电压控制部，其控制所述电流控制部以使向所述电流控制部的输入电压为第一电压以上；第二电压控制部，其控制所述电流控制部以使来自所述电流控制部的输出电压为第二电压以下，所述第二电压为所述第一电压以上。

Description

环境发电装置及电流控制电路
技术领域
本发明涉及环境发电装置及电流控制电路。
背景技术
近年来，为了使用者在无法获得商用电源的户外等也能够利用智能手机、笔记本PC(Personal Computer)、平板PC等便携设备、其他外部设备，产生与外部环境对应的电力的环境发电装置的需求日益增加。作为这样的环境发电装置，可举出例如使用太阳能来发电的具有太阳能电池的装置、使用地热能来发电的装置等。
通过这样的环境发电装置产生的电力的输出功率、输出电压根据外部环境而变化。在外部设备经由例如USB(Universal Serial Bus：通用串行总线)等符合规定的规格的标准接口来连接的情况下，存在当输出电压小于固定电压时无法供给电力的问题。
因此，例如，作为环境发电装置，已知以如下方式构成的装置：即具有与太阳能电池连接的反馈电路，通过该反馈电路监控太阳能电池的电压，从而将太阳能电池的输出电压控制成为固定电压(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-17686号公报。
发明内容
发明要解决的课题
根据专利文献1公开的装置，能够将输出电压控制为固定电压，所以降低了变得无法向外部设备供给电力的可能性。然而，当外部设备没有连接到环境发电装置时，或者连接的外部设备因为某种理由无法接受供电时(例如，作为外部设备使用二次电池时二次电池是充满电的情况)，就会有无法供给电力至外部设备的情况发生。在这种情况下，在专利文献1公开的装置中，由于没有流过电流所以会产生开路电压，所以有可能对之后连接的外部设备、已经连接的外部设备施加超过容许范围的电压。
因此，本发明的目的在于解决上述课题，提供一种能够将施加到外部设备的电压控制在固定范围内的环境发电装置以及电流控制电路。
用于解决课题的方案
本发明的目的在于有利地解决上述课题，本发明的环境发电装置是向可拆卸的外部设备供给电力的环境发电装置，其特征在于，具有：环境发电部，其产生与外部环境对应的电力；电流控制部，其与所述环境发电部连接；第一电压控制部，其控制所述电流控制部以使向所述电流控制部的输入电压为第一电压以上；以及第二电压控制部，无论是否有所述外部设备的连接，其控制所述电流控制部以使来自所述电流控制部的输出电压为第二电压以下，所述第二电压为所述第一电压以上。通过设为这样的结构，能够将施加到外部设备的电压控制在固定范围内。
在此，在本发明的环境发电装置中，优选为：所述第一电压控制部包含：第一差分检测部，其对作为向所述电流控制部的输入电压与所述第一电压的差分的第一差分进行检测，将与该第一差分对应的值输出到所述电流控制部，所述电流控制部控制电流来减少所述第一差分。
此外，在本发明的环境发电装置中，优选为：在所述第一差分为表示向所述电流控制部的输入电压小于所述第一电压的差分的情况下，所述电流控制部使电流降低。
此外，在本发明的环境发电装置中，优选为：在来自所述电流控制部的输出电压超过所述第二电压的情况下，所述第二电压控制部通过控制来自所述电流控制部的电流，将该输出电压控制为所述第二电压以下。
此外，在本发明的环境发电装置中，优选为：所述第二电压控制部包含：电流电压转换部，其将来自所述电流控制部的电流转换成电压；以及第二差分检测部，其对作为所述转换的电压与第三电压的差分的第二差分进行检测，将与该第二差分对应的值输出到所述电流控制部，所述电流控制部控制电流来减少所述第二差分，所述第三电压是当与所述转换的电压相等时，来自所述电流控制部的输出电压等于所述第二电压的电压。
此外，在本发明的环境发电装置中，优选为：在所述第二差分为表示所述转换的电压超过所述第三电压的差分的情况下，所述电流控制部使电流降低。
此外，在本发明的环境发电装置中，优选为：所述环境发电部包含光电转换模块。
此外，在本发明的环境发电装置中，优选为：所述光电转换模块为薄型面板状的太阳能电池模块，所述太阳能电池模块包含太阳能电池单元组，所述太阳能电池单元组将多个太阳能电池单元电串联连结而成，在通常的使用方式下两端的开路电压为5.3V以上。
此外，在本发明的环境发电装置中，优选为：所述电流控制部包含晶体管或FET。
此外，在本发明的环境发电装置中，优选为：所述第二电压控制部包含串联连接的齐纳二极管和电阻。
此外，本发明的目的是为了有效地解决上述问题，本发明的环境发电装置，具有：环境发电部，其产生与外部环境对应的电力；电流控制部，其与所述环境发电部连接；第一电压控制部，其控制所述电流控制部以使向所述电流控制部的输入电压为第一电压以上；以及第二电压控制部，其控制所述电流控制部以使来自所述电流控制部的输出电压为第二电压以下，所述第二电压为所述第一电压以上，所述第一电压控制部包含：第一差分检测部，其对作为向所述电流控制部的输入电压与所述第一电压的差分的第一差分进行检测，将与该第一差分对应的值输出到所述电流控制部，所述第二电压控制部包含：电流电压转换部，其将来自所述电流控制部的电流转换成电压；以及第二差分检测部，其对作为所述转换的电压与所述第三电压的差分的第二差分进行检测，将与该第二差分对应的值输出到所述电流控制部，所述电流控制部控制电流来减少所述第一差分和所述第二差分，所述第三电压是当与所述转换的电压相等时，所述电流控制部的输出电压等于所述第二电压的电压，所述第一差分检测部与所述第二差分检测部由共同的差动放大器构成。通过这样的结构，能够将施加到外部设备的电压控制在固定范围内，此外，能够使电路的一部分共同化。
此外，本发明的目的在于有利地解决上述问题，本发明的电流控制电路的特征在于，具有：电流控制部，其能够与环境发电部连接；第一电压控制部，其控制所述电流控制部以使向所述电流控制部的输入电压为第一电压以上；以及第二电压控制部，其控制所述电流控制部以使来自所述电流控制部的输出电压为第二电压以下，所述第二电压为所述第一电压以上。通过这样的结构，能够将施加到外部设备的电压控制在固定范围内。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够将施加到外部设备的电压控制在固定范围内的环境发电装置以及电流控制电路。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式涉及的环境发电装置的概要结构的框图。
图2是表示本发明的一个实施方式涉及的环境发电部的结构例的图。
图3是表示本发明的一个实施方式涉及的环境发电部的发电功率的电流电压特性的图。
图4是表示在规定的负载连接时的不同照度条件下的电流与电压的关系的图。
图5是表示通过本发明的一个实施方式涉及的环境发电装置而执行的电流控制(其一)的流程图。
图6是表示通过本发明的一个实施方式涉及的环境发电装置而执行的电流控制(其二)的流程图。
图7是表示本发明的一个实施方式涉及的电流控制电路的结构例的图。
图8是表示齐纳二极管的电流电压特性的图。
图9是表示通过本发明的一个实施方式涉及的环境发电装置而获得的电流电压特性的测定结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明的一个实施方式涉及的环境发电装置1的概要结构的框图。
如图1所示，本实施方式涉及的环境发电装置1包含环境发电部10、电流控制部20、第一电压控制部30、第二电压控制部40以及输出部50。在此，电流控制部20、第一电压控制部30、第二电压控制部40以及输出部50构成电流控制电路2。
环境发电部10与电流控制部20连接，产生与外部环境对应的电力。即，通过环境发电部10产生的电力会根据外部环境而变化。另外，环境发电部10也可以采用与电流控制电路2可拆卸的结构。
电流控制部20与环境发电部10连接，是控制流过电流控制部20的电流的设备。电流控制部20由例如晶体管、FET等构成。当差分从后述的第一差分检测部31、第二差分检测部42输入时，电流控制部20控制电流以减少输入的差分。另外，在环境发电部10为与电流控制电路2可拆卸的结构的情况下，电流控制部20能够与环境发电部10连接。
第一电压控制部30是获得向电流控制部20的输入电压，控制电流控制部20以使向电流控制部20的输入电压为第一电压以上的设备。在此，第一电压是某固定的电压，在输出部50符合规定的供电的规格的情况下，优选为该规格所定的下限或者大于下限的电压。例如，在输出部50符合USB供电的规格的情况下，下限电压为4.75V(参照Battery ChargingSpecification,Rev 1.2(December 7，2010)P43Table 5-1Voltages“Charging PortOutput Voltage”(BC规格))，第一电压优选为4.75V～5V。第一电压控制部30包含第一差分检测部31。第一差分检测部31是对向电流控制部20的输入电压与第一电压的差分(以下，酌情称为“第一差分”)进行检测，将与该第一差分对应的值输出到电流控制部20的设备。
第二电压控制部40是获得来自电流控制部20的输出电压，在来自电流控制部20的输出电压超过第二电压的情况下，通过使来自电流控制部20的电流通电，从而将来自电流控制部20的输出电压控制为第二电压以下的设备。在此，第二电压是第一电压以上的某固定的电压，例如，在输出部50符合规定的供电的规格的情况下，优选为该规格所定的上限或者小于上限的电压。例如，在输出部50符合USB供电的规格的情况下，上限电压为5.25V(参照相同BC规格)，第二电压优选为5V～5.25V。
此外，第二电压控制部40包含电流电压转换部41和第二差分检测部42。电流电压转换部41为将来自电流控制部20的电流转换成电压的设备。在此，被电流电压转换部41转换前的电流与转换后的电压成比例关系。此外，第二差分检测部42是对通过电流电压转换部41转换的电压与第三电压的差分(以下，酌情称为“第二差分”)进行检测，并将与该第二差分对应的值输出到电流控制部20的设备。在此，第三电压为当与通过电流电压转换部41转换的电压相等时，来自电流控制部20的输出电压变得等于第二电压的电压。
输出部50与电流控制部20连接，是向外部设备供给电力的输出端子等的接口。优选输出部50符合规定的供电的规格，例如符合USB的规格。在此，作为输出部50供给电力的外部设备，可举出智能手机、笔记本PC、平板PC等便携设备、或者铅蓄电池、锂离子电池等能够充放电的二次电池等。输出部50与这些外部设备可拆卸地连接，并接受例如来自外部设备的供电要求而向外部设备供应电力。
图2是表示环境发电部10的结构的一个示例的图。如图2所示，例如，环境发电部10包含作为光电转换模块的太阳能电池模块11。在此，在图2中表示了三个太阳能电池模块11，但太阳能电池模块11也可以是1个或者2个，也可以是4个以上。太阳能电池模块11为薄型面板状，包含将多个太阳能电池单元13电串联连结而成的太阳能电池单元组12。太阳能电池单元13是由将太阳光、室内光等入射光进行光电转换并输出电力的太阳能电池所构成的部件。此外，太阳能电池模块11经由连结部彼此连结，例如，可以是能够以连结部为边界进行折叠的结构。
作为构成太阳能电池单元13的太阳能电池的种类大致分为：使用无机系材料的无机系太阳能电池和使用有机系材料的有机系太阳能电池。作为无机系太阳能电池，可举出例如：使用硅(Si)的Si系、使用化合物的化合物系等。此外，作为有机系太阳能电池，可举出例如：使用有机颜料的低分子蒸镀系、使用导电性高分子的高分子涂布系、使用转换型半导体的涂布转换系等的薄膜系、以及由二氧化钛、有机色素和电解质组成的染料敏化系等。此外，构成太阳能电池单元13的太阳能电池能够还包含有机无机混合动力太阳能电池、使用钙钛矿系化合物的太阳能电池。在本发明中，使用薄型面板状的太阳能电池单元13，优选在塑料膜等上制作的染料敏化太阳能电池。另外，太阳能电池单元13并不限定于在上述塑料膜等上制作的太阳能电池，显而易见，只要是同样的薄型则不限定其方式。
太阳能电池单元组12以充分数量的太阳能电池单元13串联连结的方式构成，以使在通常的使用方式下两端的开路电压为5.3V以上。在此，通常的使用方式是指在太阳能电池单元组12上没有产生部分阴影并在非极端恶劣天气的白天的户外使用的方式。在此，在图2中表示了太阳能电池模块11包含1个太阳能电池单元组12的例子，但也可以包含多个太阳能电池单元组12。太阳能电池模块11在包含多个太阳能电池单元组12的情况下以多个太阳能电池单元组12彼此并联地电连接的方式配置。此外，环境发电部10在包含多个太阳能电池模块11的情况下以各太阳能电池模块11所包含的太阳能电池单元组12彼此并联地电连接的方式配置。即，太阳能电池单元组12彼此并联地电连接在一起。
图3是表示环境发电部10的发电功率的电流电压特性的图。在此，短路电流Isc是当环境发电部10处于短路状态时，即电压为0时的电流，为最大电流值。此外，开路电压Voc是当环境发电部10处于开路状态时，即电流为0时的电压，为最大电压值。并且，最大输出Pmax是当电流与电压的积为最大时的功率，是环境发电部10的发电功率为最大的值。
图4是表示在连接规定负载时在不同照度条件下的环境发电部10的发电功率的电流与电压的关系的图。如图4所示，当向环境发电部10的入射光的照度为α时，连接了规定的负载作为外部设备时的电流是Iα，电压为5V。另一方面，当向环境发电部10的入射光的照度是比α小的β时，连接了规定的负载时的电流是比Iα小的Iβ，电压是比5V小的Vβ。
在此，参照图5的流程图来对通过本实施方式涉及的环境发电装置1执行的电流控制(其一)进行说明。
当第一电压控制部30获得向电流控制部20的输入电压时(步骤S101)，通过第一差分检测部31对向电流控制部20的输入电压与第一电压的差分(第一差分)进行检测，将与该第一差分对应的值输出到电流控制部20(步骤S102)。当与第一差分对应的值被输入时，电流控制部20控制电流以减少第一差分(步骤S103)。
在此，对于流程S103的处理进行详细描述。另外，设为第一电压为5V，连接有图4所示的规定的负载作为外部设备。此时，在输入电压为5V的情况下(照度为α)，第一差分为0，因此电流控制部20会使与输入电压5V对应的电流Iα保持原样而不变化。另一方面，在输入电压为比5V小的Vβ的情况下(照度为β)，第一差分为表示输入电压比第一电压5V小的差分。电流控制部20沿图4所示的照度为β时的电流电压特性的曲线来使电流降低以减少第一差分。即，使电流降低直到成为当输入电压变为与第一电压相等的5V时的电流Iβ’。
这样，根据环境发电装置1，即使在无法通过环境发电部10获得高的功率的情况下，也能够通过降低电流而升压到规定的电压来向外部设备供应电力。
接着，参照图6的流程图对通过本实施方式涉及的环境发电装置1而执行的电流控制(其二)进行说明。
当来自电流控制部20的输出电压超过第二电压时，第二电压控制部40使来自电流控制部20的电流导通(步骤S201)。接着，电流电压转换部41将来自电流控制部20的电流转换成电压(步骤S202)。接着，第二差分检测部42对转换的电压与第三电压的差分(第二差分)进行检测，将与该第二差分对应的值输出到电流控制部20(步骤S203)。并且，当第二差分输入时，电流控制部20控制电流以减少该第二差分(步骤S204)。
这样，根据环境发电装置1，当输出电压超过第二电压时，能够通过第二电压控制部40控制电流而使输出电压降低到第二电压以下。由此，能够抑制开路电压等高的电压输出。此外，通过以将从电流控制部20输出的电流转换为电压，使转换的电压降低到第三电压为止的方式降低电流，能够在输出电压不超过第二电压的范围，使电流降低。由此，能够将不向外部设备供给电力的时刻的电流抑制得低。
图7是表示电流控制电路2的结构例的图。另外，在图7中省略了输出部50的图示。在图7所示的结构例中，由晶体管构成了电流控制部20。此外，第一电压控制部30包含电阻为R1的第一电阻32、电阻为R2的接地的第二电阻33、电阻为R3的第三电阻34、使压降为VD的接地的二极管35以及差动放大器X。此外，第二电压控制部40包含齐纳电压为VZ的齐纳二极管(定电压二极管)43、电阻为R4的接地的第四电阻44、S极(源极)接地的FET(场效应晶体管)45以及差动放大器X。另外，差动放大器X作为第一差分检测部31以及第二差分检测部42而发挥功能，例如由轨到轨(Rail-to-Rail)动作的运算放大器构成。换言之，第一差分检测部31以及第二差分检测部42由共同的差动放大器X构成。
首先，对第一电压控制部30的动作进行说明。当向电流控制部20的输入电压设为电压VA时，在FET45为截止(off)的情况下，通过第一电阻32输入到差动放大器X的负的输入端子的电压V-为{R2/(R1+R2)}VA。此外，通过第三电阻34输入到差动放大器X的正的输入端子的电压V+为VD。在此，当V-小于V+时，由于差动放大器X以通过虚短路(imaginary short)而使V-＝V+的方式进行作用，所以V+是固定值，因此对电流控制部20进行作用以使V-等于V+。即，电流控制部20使电流控制部20的电流降低，直到VA上升为{(R1+R2)/R2}VD为止。在此，{(R1+R2)/R2}VD作为第一电压而发挥功能。
接着，对第二电压控制部40的动作进行说明。齐纳二极管43是从电流控制部20的输出侧反向地连接的。在此，齐纳二极管43显示出如图8所示的电流电压特性。即，齐纳二极管43具有当在反向施加固定的齐纳电压VZ时使电流通过的性质。当电流控制部20的输出电压VB变得比齐纳二极管43的齐纳电压VZ大时，来自电流控制部20的电流IB流过第二电压控制部40。由于齐纳二极管43与接地的第四电阻44串联连接在一起，所以VB等于齐纳电压VZ与R4和IB之积的和(即，VB＝VZ+IBR4)。
在此，输入到FET45的G极(门极)的电压为IBR4，其与电流IB成比例，将电流IB转换成电压。由于当输入到FET45的G极(门极)的电压IBR4超过门极阈值电压时，FET45导通(on)，所以通过第一电阻32输入到差动放大器X的负的输入端子的电压V-降低而变得比V+小。由于差动放大器X与上述同样地对电流控制部20进行作用以使V-等于V+，所以电流控制部20的电流降低，IB也降低。当IBR4变为门极阈值电压以下时，FET45截止(off)，电流控制部20的电流降低结束。在此，FET45的门极阈值电压作为第三电压而发挥功能。
具体而言，在欲将第二电压设为5V的情况下，当IB＝1μA时的VZ为4V时，R4能够以IB＝1μA时的第四电阻44的两端的电压为1V的方式设定，R4＝1MΩ。在该情况下，电流控制部20降低电流以使IB＝1μA。
图9为表示通过环境发电装置1获得的电流电压特性的测定结果(实施例)的图。在此，作为比较例，表示了不使用本实施方式涉及的电流控制电路2而从相当于环境发电部10的结构的发电设备直接向负载供给电力的情况下的测定结果。如图9所示，可知根据本实施方式涉及的环境发电装置1，与比较例相比，施加到外部设备的电压被控制在固定的范围内。
以上所述仅示出了本发明的一个实施方式，显而易见，在专利请求的范围内也可以施加各种变更。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种能够将施加到外部设备的电压控制在固定范围内的环境发电装置以及电流控制电路。
附图标记说明
1：环境发电装置；
2：电流控制电路；
10：环境发电部；
11：太阳能电池模块；
12：太阳能电池单元组；
13：太阳能电池单元；
20：电流控制部；
30：第一电压控制部；
31：第一差分检测部；
32：第一电阻；
33：第二电阻；
34：第三电阻；
35：二极管；
40：第二电压控制部；
41：电流电压转换部；
42：第二差分检测部；
43：齐纳二极管；
44：第四电阻；
45：FET；
50：输出部；
X：差动放大器。

Claims (12)

1.一种环境发电装置，其向可拆卸的外部设备供给电力，具有：
环境发电部，其产生与外部环境对应的电力；
电流控制部，其与所述环境发电部连接；
第一电压控制部，其控制所述电流控制部以使向所述电流控制部的输入电压为第一电压以上；以及
第二电压控制部，无论是否有所述外部设备的连接，其控制所述电流控制部以使来自所述电流控制部的输出电压为第二电压以下，所述第二电压为所述第一电压以上。
2.根据权利要求1所述的环境发电装置，其中，
所述第一电压控制部包含：
第一差分检测部，其对作为向所述电流控制部的输入电压与所述第一电压的差分的第一差分进行检测，将与该第一差分对应的值输出到所述电流控制部，
所述电流控制部控制电流来减少所述第一差分。
3.根据权利要求2所述的环境发电装置，其中，
在所述第一差分为表示向所述电流控制部的输入电压小于所述第一电压的差分的情况下，所述电流控制部使电流降低。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的环境发电装置，其中，
在来自所述电流控制部的输出电压超过所述第二电压的情况下，所述第二电压控制部通过控制来自所述电流控制部的电流，将该输出电压控制为所述第二电压以下。
5.根据权利要求4所述的环境发电装置，其中，
所述第二电压控制部包含：
电流电压转换部，其将来自所述电流控制部的电流转换成电压；
第二差分检测部，其对作为所述转换的电压与第三电压的差分的第二差分进行检测，将与该第二差分对应的值输出到所述电流控制部，
所述电流控制部控制电流来减少所述第二差分，
所述第三电压是当与所述转换的电压相等时，来自所述电流控制部的输出电压等于所述第二电压的电压。
6.根据权利要求5所述的环境发电装置，其中，
在所述第二差分为表示所述转换的电压超过所述第三电压的差分的情况下，所述电流控制部使电流降低。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的环境发电装置，其中，
所述环境发电部包含光电转换模块。
8.根据权利要求7所述的环境发电装置，其中，
所述光电转换模块为薄型面板状的太阳能电池模块，
所述太阳能电池模块包含太阳能电池单元组，所述太阳能电池单元组将多个太阳能电池单元电串联连结而成，在通常的使用方式下两端的开路电压为5.3V以上。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的环境发电装置，其中，
所述电流控制部包含晶体管或FET。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的环境发电装置，其中，
所述第二电压控制部包含串联连接的齐纳二极管和电阻。
11.一种环境发电装置，包含：
环境发电部，其产生与外部环境对应的电力；
电流控制部，其与所述环境发电部连接；
第一电压控制部，其控制所述电流控制部以使向所述电流控制部的输入电压为第一电压以上；以及
第二电压控制部，其控制所述电流控制部以使来自所述电流控制部的输出电压为第二电压以下，所述第二电压为所述第一电压以上，
所述第一电压控制部包含：第一差分检测部，其对作为向所述电流控制部的输入电压与所述第一电压的差分的第一差分进行检测，将与该第一差分对应的值输出到所述电流控制部，
所述第二电压控制部包含：电流电压转换部，其将来自所述电流控制部的电流转换成电压；以及第二差分检测部，其对作为所述转换的电压与第三电压的差分的第二差分进行检测，将与该第二差分对应的值输出到所述电流控制部，
所述电流控制部控制电流来减少所述第一差分和所述第二差分，
所述第三电压是当与所述转换的电压相等时，来自所述电流控制部的输出电压等于所述第二电压的电压，
所述第一差分检测部与所述第二差分检测部由共同的差动放大器构成。
12.一种电流控制电路，包含：
电流控制部，其能够与环境发电部连接；
第一电压控制部，其控制所述电流控制部以使向所述电流控制部的输入电压为第一电压以上；以及
第二电压控制部，其控制所述电流控制部以使来自所述电流控制部的输出电压为第二电压以下，所述第二电压为所述第一电压以上。
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