JP2004064855A - 光電池を使用した電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】日射の少ない環境であってもそれなりに蓄電でき、しかも長期間の使用に耐え得る、低コストな光電池を使用した電源装置を提供する。
【解決手段】外部光エネルギーを受けて電気エネルギーに変換する光電池１０と、該光電池の電力を受けて蓄電するコンデンサ１４と、該コンデンサの電力を受けて蓄電する二次電池２４と、該二次電池とコンデンサとの間に介在するＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、前記コンデンサの電圧を監視し、所定上限電圧以上になればＤＣ／ＤＣコンバータをオンにさせて二次電池に充電させ、所定下限電圧以下になればＤＣ／ＤＣコンバータをオフにさせるコンバータ制御装置１８，２２とを具備するよう構成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池等の光電池を使用した電源装置に関する。特に、直射日光の乏しい日でも継続的に電力を蓄電でき、しかもその蓄電電力が自己放電に耐えて長持ちする電源装置に関する。従って、電力会社の電力供給がない場合やそれが有っても利用し難い状況等において、日射量の少ない地域や時期での利用価値が高い。
【０００２】
【従来の技術】
無人灯台、街路灯、路肩表示灯等の電源として用いられる太陽電池電源装置は、太陽電池を発電体とし、その太陽電池と負荷との間に二次電池を設け、その二次電池に太陽電池の発電した電力を蓄電し、雨の日や夜間でも、この二次電池によって安定した電力を供給できるようにしたものである。太陽電池電源装置では、通常、太陽電池は日射の強い方向に向かって設置され、晴天日射に対して確実に充電できるように設計されている。また、二次電池に要求される条件としては、長寿命、低価格、体積当りの電力容量が大きいこと、メンテナンスが容易であること等がある。このため、低価格で経済性に優れた鉛蓄電池や、過充電や過放電に強くてサイクル寿命の長いニカド電池が主に用いられている。この二次電池の容量は、太陽の日射しない日が何日続くか、二次電池のみで何日作動させたいか、等の使用条件で決められる。
特許第２９６４８５９号公報には、上記二次電池の代わりに、電気二重層コンデンサを用いた装置が開示されており、小型にできるとしている。この電源装置では、最近製品化され、コンデンサとしては極めて高容量であるが、小型である電気二重層コンデンサを使い、日射量の少ない環境でも多くの電荷を蓄電できる。このため、小型であって、１日分程度の電力を賄えるとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、太陽電池から二次電池に蓄電する一般の太陽電池電源装置では、二次電池が所定の電圧以上でなければ蓄電できないため、日射しない時間が長い環境では太陽電池における発電量が少なく、二次電池に蓄電できないという問題が有る。一方、上記公報に開示の電気二重層コンデンサは、やはりコンデンサであるため、自己放電が大きく、順次充電されない限りは、やはり長期間使用することはできない。また、比較的高コストであるため、電源としての大容量化は実用的でないという問題が有り、太陽電池の利用範囲の拡大が難しかった。
依って本発明は、日射の少ない環境であってもそれなりに蓄電でき、しかも長期間の使用に耐え得る、低コストな光電池を使用した電源装置の提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑みて請求項１では、外部光エネルギーを受けて電気エネルギーに変換する光電池と、該光電池の電力を受けて蓄電するコンデンサと、該コンデンサの電力を受けて蓄電する二次電池と、該二次電池とコンデンサとの間に介在するＤＣ／ＤＣコンバータ（直流・直流変換器）と、前記コンデンサの電圧を監視し、所定上限電圧以上になればＤＣ／ＤＣコンバータをオンにさせて二次電池に充電させ、所定下限電圧以下になればＤＣ／ＤＣコンバータをオフにさせるコンバータ制御装置とを具備することを特徴とする光電池を使用した電源装置を提供する。
【０００５】
曇り日等の日射量の少ない環境下でも、太陽電池等の光電池はそれなりの程度で発電がなされている。コンデンサであれば、このような少量の発電、即ち低電圧であっても蓄電できる。従って本発明では、まず、コンデンサに蓄電する。コンデンサは、耐電圧という最大の許容電圧値という制約があるため、それ以下の電圧範囲内であって、自己放電を強く起こさせないことを考慮して、所定の電圧値を上限電圧とし、これを越えて蓄電された場合は二次電池に対して放電させ、二次電池に蓄電させる。また、所定の下限電圧を定めておき、それ以下にまで放電すれば放電を停止させる。この制御のためにコンバータ制御装置を具備している。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータは、コンデンサによる入力電圧を、二次電池の蓄電に必要な所定の電圧に昇圧させて二次電池に蓄電させる作用を行うが、上記コンバータ制御装置によるオフ指令によって停止する。この停止期間中の光電池の発電電力は、コンデンサが蓄電する。即ち、本発明では、光電池による或る程度の量までの電力はコンデンサが蓄電するが、所定量以上になる毎に二次電池に移すのである。こうして実際の負荷に対してはコンデンサでなく二次電池が電力を供給するが、二次電池はコンデンサに比べて電気容量の大きさの割りに自己放電が小さいので長期間の使用に耐え得る。また、光電池の僅かな電力も、まずはコンデンサで蓄電するため蓄電可能となり、曇り日等であっても継続的に効率良く蓄電がなされるという利点がある。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光電地を使用した電源装置を添付図面に示す実施形態例に基づき、更に詳細に説明する。図１は本発明の電源装置の応用例の実施形態例をブロック図で示した図である。光電池の例としての太陽電池１０は、過電圧保護回路１２を介し、更にはダイオード１３を介してコンデンサ１４に接続されている。ダイオードは電流を逆流させないためである。太陽電池１０は、太陽電池モジュールを直列、並列に接続し、雨天や曇天が続く日射量の少ない場合を想定し、その場合でも所定数のＬＥＤ等の負荷が、予定する期間、例えば、梅雨時のように雨が連続する１週間等の間、電力を供給可能なサイズに設定している。
【０００７】
コンデンサ１４は一般の任意のコンデンサで良いが、既述の電気二重層コンデンサでもよい。コンデンサには耐電圧（最大許容電圧）があるため、常にこの電圧以下になるように保護する必要がある。後述のように、二次電池に対して放電している場合であっても、日射量の大きな晴天の場合に、その放電速度よりも太陽電池の発電量の方が所定以上大きい場合に、コンデンサが損傷することを防止する必要があり、この作用をするのが過電圧保護回路１２である。
【０００８】
コンデンサは、日射量の少ない曇天等の環境下における、太陽電池による僅かな量の発電に対しても蓄電が可能である。こうして、日射量の多い場合も少ない場合も、太陽電池１０の発電した電力を蓄電してゆく。自己放電を大きく生じさせない所定の電圧を上限電圧として設定するが、ここでは５Ｖとする。また、放電を行うことによって所定の電圧以下になると放電を停止させるように設定するが、この電圧を下限電圧とし、ここでは３Ｖとする。
【０００９】
このコンデンサの電圧を検出しているのが電圧検出回路１８であり、その検出結果を、図示しないＡ／Ｄコンバータを介して常時マイコン２０に送信している。マイコン内部のコンバータ制御部２２によって、図示しないＤ／Ａコンバータを介してＤＣ／ＤＣコンバータ１６を作動させたり、停止させたりの制御をしている。その制御は、この実施形態例ではソフトウエアによって行っており、その流れ図を図２に示す。請求項１のコンバータ制御装置は、電圧検出回路１８とコンバータ制御部２２を合わせたものである。
【００１０】
図２では、ステップ５０でコンバータ制御部２２がスタートし、ステップ５２で、電圧検出回路１８の検出したコンデンサ１４の電圧Ｖが上限電圧ＶＵ（５Ｖ）以上か否かが判定され、以上の場合Ｙは、ステップ５４でＤＣ／ＤＣコンバータをオン状態にさせる。即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、コンデンサ１４の入力電圧を受け、その出力電圧を７．４Ｖに昇圧調節させて電力を二次電池２４に蓄電させる。そしてステップ６０において、外部から何等かのストップ指示が有る場合Ｙはステップ６２で制御をストップするが、無い場合Ｎはステップ５２に戻る。
【００１１】
そしてステップ５２において検出電圧Ｖが上限電圧ＶＵより下に下がっていると判定された場合Ｎは、ステップ５６に進む。このステップ５６では、検出電圧Ｖが下限電圧ＶＬ（３Ｖ）以下であるか否かが判定される。下限電圧より大の場合Ｎは、ステップ５４のオン状態を維持する。そして下限電圧以下になった場合Ｙは、ステップ５８に進み、ＤＣ／ＤＣコンバータをオフにさせる。即ち、コンデンサ１４の電力を二次電池２４に移すことを中止する。その後、ステップ６０において、外部からストップの指示が無いＮ限り、ステップ５２に戻り、ステップ５６、ステップ５８のオフ状態維持というサイクルを経過する。やがて、再び太陽電池１０の電力がコンデンサ１４に十分に蓄電され、ステップ５２において検出電圧Ｖが上限電圧ＶＵ以上Ｙと判定されれば、再びステップ５４に進む。
【００１２】
ダイオード２３は電流の逆流防止用である。
次に、二次電池２４は負荷２６に対して電力を供給して作動させる。但し、二次電池は過度に放電すれば使用不可能となるため、これを保護すべく、過放電検出回路２８によって二次電池の電圧を検出している。その検出電圧Ｖを、図示しないＡ／Ｄコンバータを介して常時マイコン２０に送信している。マイコン内部の負荷制御部３０によって、負荷２６のオンオフ等制御を行い、二次電池が過放電しないようにしている。その制御は、ソフトウエアによって行っており、その流れ図を図３に示す。
【００１３】
図３では、ステップ７０で負荷制御部３０がスタートし、ステップ７２で、過放電検出回路２８の検出した二次電池２４の電圧Ｖが下限電圧ＶＴ以上か否かを判定し、以上の場合Ｙは、ステップ７４で負荷をオンにさせる（又はオン状態を保持する）。電圧Ｖが下限電圧ＶＴより下Ｎであれば、ステップ７６で負荷をオフにさせる。即ち、負荷への電力供給を停止させ、二次電池の過放電を防止して保護する。
【００１４】
その後、ステップ７２に戻り、電圧Ｖが下限電圧ＶＴ以上になるまでステップ７４には進まない。やがてコンデンサからの電力供給を蓄電して電圧Ｖが下限電圧ＶＴ以上Ｙとなれば、再びステップ７４に進む。ステップ７４の後はステップ７８にて外部からの負荷ストップの指令の有無を判定し、無い場合Ｎはステップ７２に戻り、有る場合Ｙはステップ８０にて負荷をオフにさせる。
【００１５】
上記コンバータ制御部２２と／又は負荷制御部３０の制御機能を、アナログ回路にて構成してもよい。コンバータ制御部２２をアナログ回路として、殆ど図１の装置と同じ装置を回路図的に図示すると図４となる。同じ機能の回路（装置）には同じ番号を付している。主として異なるところを説明する。
【００１６】
図１にいう過電圧保護回路１２は、図４では太陽電池１０の内部抵抗１２Ａを利用したシャントレギュレータ１２Ｂで構成している。図１の電圧検出回路１８とコンバータ制御部２２とに対応するのは、比較器を使用したコンバータ制御回路１８，２２である。コンデンサ１４の検出電圧が上限電圧以上であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を作動させる信号を回路Ｌ１を介して送信し、下限電圧以下であれば作動を停止させる信号を回路Ｌ２を介して送信する。この作用は、図２の流れ図で説明したものと同じである。
【００１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１７は、マイコン２０に対し、その駆動電圧５Ｖを安定供給するためである。負荷はＬＥＤ群２６を例としており、過放電検出回路２８による二次電池２４の検出電圧値を、図示しないＡ／Ｄコンバータを介してマイコン２０に送信している。この信号を受けたマイコンによる０か１かの制御信号を駆動用トランジスタ２６’に送信し、このＬＥＤ群のオンオフを制御する。図１の負荷２６は、図４ではトランジスタ２６’を合わせたＬＥＤ群２６に対応している。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、日射の少ない環境であってもそれなりに蓄電でき、しかも長期間の使用に耐え得る、低コストな光電池を使用した電源装置が提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係る電源装置を使用した応用装置のブロック図である。
【図２】図２は図１のコンバータ制御部の流れ図である。
【図３】図３は図１の負荷制御部の流れ図である。
【図４】図４は本発明に係る電源装置を使用した応用装置の回路図である。
【符号の説明】
１０　　　　　　　　　太陽電池
１４　　　　　　　　　コンデンサ
１６　　　　　　　　　ＤＣ／ＤＣコンバータ
１８　　　　　　　　　電圧検出回路
２２　　　　　　　　　コンバータ制御部
２４　　　　　　　　　二次電池

Claims (1)

1. 外部光エネルギーを受けて電気エネルギーに変換する光電池と、該光電池の電力を受けて蓄電するコンデンサと、該コンデンサの電力を受けて蓄電する二次電池と、該二次電池とコンデンサとの間に介在するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記コンデンサの電圧を監視し、所定上限電圧以上になればＤＣ／ＤＣコンバータをオンにさせて二次電池に蓄電させ、所定下限電圧以下になればＤＣ／ＤＣコンバータをオフにさせるコンバータ制御装置とを具備することを特徴とする光電池を使用した電源装置。

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