JP2005530325A - 独立型固体照明システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 単一の電力コンバータ（双方向電力コンバータ）を持つ独立型固体照明システムを提供すること。
【解決手段】 本発明の独立型固体照明システム(100)は、固体エネルギー源(110)でエネルギーを収集して、電力を作り出し、双方向電力コンバータ(130)を用いて、その電力の電圧を変換して、エネルギー蓄積デバイス(140)に電力を蓄える充電モードを持ち、また、エネルギー蓄積デバイス(140)から電力を取り出し、双方向電力コンバータ(130)を用いて、その電力の電圧を変換して、固体光源(120)から光を作り出す放電モードを持っている。コントローラ(150)が、充電モードと放電モードを制御する。一実施例において、固体エネルギー源(110)は、太陽電池パネルであってもよく、固体光源(120)は、LEDモジュールであってもよく、エネルギー蓄積デバイス(140)は、バッテリ・パックであってもよい。

Description

本発明は、一般的には、固体照明システムに関するものである。具体的には、それは、双方向電力コンバータを備えた、固体の太陽電池、燃料電池、および、発光ダイオード(LED)技術を用いて、効率的な独立型照明システムを作り出すことに関するものである。
遠隔地域への電力の配送は、それらの地域への電力の伝送が、複雑で高価であるため、困難な難問をもたらす。電力を運ぶために構築される伝送線は、高価で、環境的に望ましくない。公益電力送電網からの分配は、変圧器およびスイッチヤードの構築を必要とし、それは、非実用的である、または、法外に高価である。また、農村照明および戸外照明にしばしば用いられるような水銀灯照明は、水銀に関する公衆の懸念により、さらに望ましくない。
固体エネルギー・セル技術は、電気機器のための有用な代替エネルギーとして出現してきている。太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するために用いられる固体セル技術の一形態である。発光ダイオード(LED)のような固体照明源は、技術が、進歩し、また、より費用効果性に優れるようになるにつれて、ますます頻繁に用いられるようになってきている。
太陽電池は、特に農村地域における、多くの異なる応用のためのクリーン・エネルギー源として、ますます用いられてきている。通常、電力コンバータが、太陽電池電流を、エンドユーザの機器に合う電圧／電流波形に変換するために用いられる。照明応用のためには、昼間、太陽電池パネルから収集されたエネルギーが、電力コンバータを通った後、バッテリ・パックに蓄えられる。夜間、バッテリに蓄えられていたエネルギーが、別の異なる電力コンバータを通って、光として放出される。2つの電力コンバータの使用は、別々の磁気部品および半導体部品を持つ、互いに独立のシステムを必要とし、それは、費用と複雑さを増加させる。
したがって、上述の欠点を克服する、単一の電力コンバータを持つ独立型固体照明システムを提供することが、望ましい。
本発明の1つの態様は、農村地域における、また、屋外照明のための電力を供給するのに適切な独立型固体照明システムを提供する。
本発明の別の1つの態様は、電力送電網と独立に電力を供給する独立型固体照明システムを提供する。
本発明の別の1つの態様は、水銀を用いることなく照明を提供する独立型固体照明システムを提供する。
本発明の別の1つの態様は、コストと複雑さを低減する、単一の電力コンバータを用いる独立型固体照明システムを提供する。
本発明の別の1つの態様は、燃料電池のような代替エネルギー源の使用を提供する。
本発明の上述の、および、他の特徴および利点は、現在好適な実施例の以下の詳細な記述から、より明らかになり、添付する図面と連係して読み出されるであろう。詳細な記述および図面は、本発明を制限するものではなくて、単に例示するものであるにすぎず、本発明の範囲は、付されている請求項、および、それに等価なものによって定められる。
本発明の独立型固体照明システムは、固体エネルギー源でエネルギーを収集して、電力を作り出し、双方向電力コンバータを用いて、その電力の電圧を変換して、エネルギー蓄積デバイスに電力を蓄える充電モードを持ち、また、エネルギー蓄積デバイスから電力を取り出し、双方向電力コンバータを用いて、その電力の電圧を変換して、固体光源から光を作り出す放電モードを持っている。コントローラが、充電モードと放電モードを制御する。一実施例において、固体エネルギー源は、太陽電池パネルであってもよく、固体光源は、LEDモジュールであってもよく、そして、エネルギー蓄積デバイスは、バッテリ・パックであってもよい。
図1は、本発明による、また、100で総体的に示されている独立型固体照明システムを提供するシステムの一実施例を示している。照明システム100は、1つ以上の固体エネルギー源110、1つ以上の固体光源120、少なくとも1つの双方向電力コンバータ130、1つ以上のエネルギー蓄積デバイス140、および、1つ以上のコントローラ150を具備していてもよい。電力160を、固体エネルギー源110から、双方向電力コンバータ130を通って、エネルギー蓄積デバイス140に、また、エネルギー蓄積デバイス140から、双方向電力コンバータ130を通って、固体光源120に移すことができる。
固体エネルギー源110は、空気、水、燃焼、または、光によって電力を供給されるものであってもよく、燃料電池であっても、または、電力を作り出す、如何なる他の適切な固体エネルギー源であってもよい。好適な一実施例において、エネルギー源は、太陽電池のような、太陽光を利用するエネルギー源である。固体エネルギー源110を、銅線、または、当業技術において知られている、如何なる他の適切な配線によって、固体光源120、双方向電力コンバータ130、エネルギー蓄積デバイス140、または、コントローラ150に接続してもよい。
固体光源120は、少なくとも1つの発光ダイオード、少なくとも1つの発光ダイオード(LED)モジュール、少なくとも1つ以上の有機LEDモジュール、または、当業技術において知られている、如何なる適切な固体光源であってもよい。好適な一実施例の場合、光源は、少なくとも1つのLEDモジュールである。固体光源120を、銅線、または、当業技術において知られている、如何なる他の適切な配線によって、固体エネルギー源110、および、双方向電力コンバータ130に接続してもよい。
双方向電力コンバータ130は、1つの電力源を取り上げて、照明システム100において適切に用いるために、電圧を増加させる（上げる／昇圧する）、または、減少させる（下げる／降圧する）ために用いられる。例えば、固体エネルギー源110は、太陽エネルギーを電力に変換する。固体エネルギー源110で作り出された電力の電圧が、双方向電力コンバータ130によって昇圧されて、エネルギー蓄積デバイス140に蓄えられる。エネルギー蓄積デバイス140に蓄えられた電力の電圧は、双方向電力コンバータ130によって下げられて、固体光源120の電力定格に基づいて、固体光源120に適切なレベルの電力を供給する。双方向電力コンバータ130を、銅線、または、当業技術において知られている、如何なる他の適切な配線によって、固体光源120、エネルギー蓄積デバイス140、または、コントローラ150に接続してもよい。
エネルギー蓄積デバイス140は、バッテリ・パック、燃料電池、コンデンサ、または、当業技術において知られている、如何なる他の適切なエネルギー源であってもよい。好適な一実施例において、このエネルギー蓄積デバイスは、バッテリ・パックである。エネルギー蓄積デバイス140は、電圧を上げられた電力を保持するために用いられ、また、要求に応じて、その電力を放出する。エネルギー蓄積デバイス140を、銅線、または、当業技術において知られている、如何なる他の適切な配線によって、固体光源120、固体エネルギー源110、双方向電力コンバータ130、または、コントローラ150に接続してもよい。
システム100は、さらに、固体エネルギー源110から、エネルギー蓄積デバイス140、固体光源120、双方向電力コンバータ130、または、コントローラ150に電力160を送ることができる、如何なる適切なハードウェア、または、ソフトウェア、または、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせであってもよいコントローラ150を具備してもよい。このコントローラを、銅線、または、当業技術においてよく知られている、如何なる適切なタイプの接続によって、固体エネルギー源110、エネルギー蓄積デバイス140、固体光源120、または、双方向電力コンバータ130に接続してもよい。
一実施例において、照明システム100の1つ以上の部品を、単一のシリコンチップに含めてもよいし、単一のプリント回路基板上に設けてもよい。例えば、固体エネルギー源110、および、固体光源120を、単一のチップまたはモジュール上に形成してもよい。
図2は、本発明による、そして、200で総体的に示されている独立型固体照明システムを提供するシステムの好適な一実施例を示している。照明システム200は、少なくとも1つ以上の太陽電池パネル210を具備していてもよい固体エネルギー源、1つ以上のパワー・ダイオード205、1つ以上のLEDモジュール220を具備していてもよい1つ以上の光源120、1つ以上のインダクタ217、1つ以上のコンデンサ225、内部整流器216, 231を持つ1つ以上のスイッチ215, 230、バッテリ・パック240であってもよい1つ以上のエネルギー蓄積デバイス140、および、1つのコントローラ235を具備してもよい。双方向電力コンバータ130は、インダクタ217、コンデンサ225、スイッチ215、および、スイッチ230を有する。
LEDモジュール220と、パワー・ダイオード205を含めた太陽電池パネル210とは、互いに逆極性に並列接続されている。太陽電池パネル210と、LEDモジュール220とは、太陽電池パネル210が、その電力ピークに達したとき、太陽電池パネル210の電圧が、LEDモジュール220の立ち上がり電圧より低くなっているように、選択される。これは、LEDモジュール220を、充電モード中に発光開始させないようにする。商業的に利用可能な典型的な太陽電池パネルは、例えば、6V, 12V, 24Vというような、特定の出力電圧(Vs)を持っている。最新のパワーLEDは、通常、LEDモジュール220内の各LEDとして、1.44Vから2.25Vに及ぶ立ち上がり電圧(Vknee)を持っている。太陽電池パネル210の電圧を、LEDモジュール220の立ち上がり電圧よりも低く保つために、LEDの数(N)は、個々のLEDの立ち上がり電圧(Vknee)と、LEDの数(N)との積が、太陽電池パネル出力電圧(Vs)よりも大きくなるように、選択される。バッテリ・パック240のバッテリ・パック電圧(Vbp)は、太陽電池パネル出力電圧(Vs)と、LEDの数(N)と個々のLEDの最大作動電圧(Vled)の積との大きい方よりも大きくなるように選択することができる。
照明システムは、日中、日光からエネルギーを収集して、蓄え、夜に、蓄えられたエネルギーを光に変換する。日中、照明システムは、充電モードで作動する。太陽電池パネル210は、双方向電力コンバータ130を介して、バッテリ・パック240を充電するために用いられる電力を発生させる。双方向電力コンバータ130は、バッテリ・パック240に供給される電圧を、太陽電池パネル210で発生した電圧から増加させるために、昇圧モードで作動される。スイッチ230は、コントローラ235によって指示されるとおりに、高周波でスイッチオン、および、スイッチオフし、また、スイッチ215は、開いた、非導通状態に維持される。スイッチ215の内部整流器216は、整流器ダイオードとして用いられる。別の一実施例において、この整流器ダイオードは、スイッチ215の外部の個別ダイオードであってもよい。回路効率を改善するために、双方向電力コンバータ130は、周波数可変の境界（臨界）導通モードで設計され、作動される。昇圧モードを用いることによって、システム200は、太陽電池パネル210によって、より少ない電力しか発生されない日の出時および日没時に、太陽エネルギーを最大に用いることができる。
夜間、照明システムは、放電モードで作動する。バッテリ・パック240に蓄えられていたエネルギーが、双方向電力コンバータ130の逆作動を介して、LEDモジュール220に放出されて、照明を供給することができる。双方向電力コンバータ130は、LEDモジュール220に供給される電圧を、バッテリ・パック240に供給される電圧から減少させるために、降圧モードで作動される。スイッチ215は、コントローラ235によって指示されるとおりに、高周波でスイッチオン、および、スイッチオフし、また、スイッチ230は、開いた、非導通状態に維持される。双方向電力コンバータ130は、周波数可変の境界導通モードで作動する。降圧モードを用いることは、LEDモジュール220に対して、より良い電流制御を可能にする。パワー・ダイオード205は、太陽電池パネル210に損傷を与えるかもしれない、如何なる逆方向電流の漏洩も阻止するために用いられる。一実施例の場合、照明システム200は、日光を利用可能であると予想される、あらかじめ定められた時間、即ち、計算された日の出と日没とにおいて、充電モードと放電モードとの間で切り換えることができる。別の一実施例では、コントローラ235に信号を供給するセンサまたは回路が、あらかじめ定められた光量が、太陽電池パネル210で受け取られていることを指示したときに、充電モードと放電モードとの間の切り換えを実行することができる。さらに、双方向コンバータを、作動周波数固定の連続導通モード、および／または、非連続導通モードで作動させることが、可能である。コントローラ235は、バッテリ寿命およびエネルギー利用能率を最大にするように、充電モードと放電モードとを管理することができる。
図3において、図2におけると同じ要素が、同じ参照数字を共用しており、図3は、本発明による独立型固体照明システムを提供するシステムの別の一実施例を示している。この例において、LEDモジュールおよび太陽電池パネルの選択に、さらなる柔軟性を与えるために、1つのスイッチが、加えられており、また、代替の電源が、加えられている。これらの特徴が、単一の実施例で示されているが、当業者であれば、いずれの特徴も、それぞれ、独立に与えることができることを認識するであろう。
LEDモジュールを通る電流を切り換えるスイッチの追加は、LEDモジュールおよび太陽電池パネルの電圧の選択に柔軟性を加える。コントローラ235からの信号に反応するLEDスイッチ245が、LEDモジュール220に直列に配線される。照明システム200が、充電モードにあるとき、即ち、電力が、太陽電池パネル210から、バッテリ・パック240に供給されているとき、LEDスイッチ245を、開いた、非導通状態にして、LEDモジュール220が、照明することを防止することができる。LEDスイッチ245の追加は、個々のLEDの立ち上がり電圧(Vknee)とLEDの数(N)との積が、太陽電池パネル出力電圧(Vs)よりも大きくなるように、LEDの数(N)を選択するという制限を回避する。スイッチ245が、開いているときには、LEDモジュール220中の各個々のLEDにかかる電圧は、立ち上がり電圧よりも低くて、点灯が、回避され、したがって、太陽電池パネル210からの電圧による、LEDモジュール220にかかる電圧に対する制限が、なくなる。照明システム200が、放電モードにあるときには、即ち、電力が、バッテリ・パック240から、LEDモジュール220に供給されているときには、LEDスイッチ245を閉じて、LEDモジュール220が、照明することを可能にすることができる。
燃料電池パックのような代替の電源250を加えて、LEDモジュールの照明のための補足電源を供給することができる。図3を参照すると、バッテリ・パック240を入れ替えて、燃料電池パックに切り換えることができる。コントローラ235からの信号に反応するSPDT（単極双投）スイッチ255を通して、代替の電源250とバッテリ・パック240とを交互に選択して、LEDモジュール220に電力を供給してもよい。代替の実施例において、代替の電源は、補助バッテリまたは小型発電機のような、電力供給のための異なる手段であってもよい。他の実施例において、スイッチ255の駆動を、専用のコントローラによって、または、手動で制御することができる。
図4において、図2におけると同じ要素が、同じ参照数字を共用しており、図4は、本発明による独立型固体照明システムを供給するシステムの、さらに別の一実施例を示している。双方向電力コンバータ130は、インダクタ280、コンデンサ225、内部整流器283を持つスイッチ282、および、内部整流器285を持つスイッチ284を有する。双方向電力コンバータ130は、双方向降圧−昇圧コンバータとして作動する。双方向電力コンバータ130のこの設計は、個々のLEDの立ち上がり電圧(Vknee)とLEDの数(N)との積が、太陽電池パネル出力電圧(Vs)よりも大きくなるように、LEDの数(N)を選択するという制限を回避する。電力が、太陽電池パネル210からバッテリ・パック240に流れる充電モードにおいて、コントローラ235は、スイッチ282を開閉し、また、スイッチ284を開く。電力が、バッテリ・パック240からLEDモジュール220に流れる放電モードにおいて、コントローラ235は、スイッチ282を開き、また、スイッチ284を開閉する。
本明細書に開示されている本発明の実施例を、現在のところ、好適であると考えているが、種々の変更および修正を、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、なすことができる。例えば、本照明システムは、太陽からではなくて、人工照明システムから、光を受け取ることができる。本発明の範囲は、付されている請求項に指示されており、それと等価な意味および範囲内にある全ての変更は、それらの中に包含されるものと解釈される。
本発明による独立型固体照明システムを提供するシステムの一実施例のブロック・ダイアグラムである。 本発明による独立型固体照明システムを提供するシステムの一実施例の線図的なダイアグラムである。 本発明による独立型固体照明システムを提供するシステムの別の一実施例の線図的なダイアグラムである。 本発明による独立型固体照明システムを提供するシステムの、さらに別の一実施例の線図的なダイアグラムである。
符号の説明
100, 200 独立型固体照明システム
110 固体エネルギー源
120 固体光源
130 双方向電力コンバータ
140 エネルギー蓄積デバイス
150 コントローラ
160 電力
205 パワー・ダイオード
210 太陽電池パネル
216, 231, 283, 285 内部整流器
220 LEDモジュール
235 コントローラ
240 バッテリ・パック
250 代替の電源

Claims (21)

  1. 固体エネルギー源から電力を収集するステップと、
    双方向電力コンバータを用いて、前記電力の電圧を増加させるステップと、
    より高い電圧の前記電力を蓄えるステップと、
    前記双方向電力コンバータを用いて、前記蓄えられた電力の前記電圧を減少させるステップと、
    より低い電圧の前記電力を固体光源に供給するステップと、を有する独立型固体照明システムを供給する方法。
  2. 前記固体エネルギー源から電力を収集している間、前記固体光源が照明することを防止するステップを、さらに、有する請求項1に記載の方法。
  3. 前記固体光源が照明することを防止するステップが、前記固体光源を点灯させるために必要な電圧が、前記固体エネルギー源によって供給される電圧より高くなるように、前記固体光源を選択するステップを有する請求項2に記載の方法。
  4. 前記固体光源が照明することを防止するステップが、固体エネルギー源から電力を収集している間、前記固体光源をスイッチ・アウトするステップを有する請求項2に記載の方法。
  5. より低い電圧の前記電力を前記固体光源に供給している間、前記固体エネルギー源を通る逆方向電流を防止するステップを、さらに、有する請求項1に記載の方法。
  6. 前記固体光源に電力を供給するための代替の電源を設けるステップを、さらに、有する請求項1に記載の方法。
  7. 固体である電力収集手段と、
    前記電力の前記電圧を変換するための手段と、
    前記電力を蓄えるための手段と、
    固体である照明手段と、を有する独立型固体照明システムであって、
    前記電圧変換手段が、前記電力収集手段から収集された前記電力の前記電圧を増加させて、前記電力蓄積手段に蓄え、また、前記電力蓄積手段に蓄えられた前記電力の前記電圧を減少させて、前記照明手段に電力を供給するシステム。
  8. 電力収集中、前記照明手段が照明することを防止するための手段を、さらに、有する請求項7に記載のシステム。
  9. 前記照明防止手段が、電力収集中、前記照明手段をスイッチ・アウトするための手段を有する請求項8に記載のシステム。
  10. 前記照明手段に電力を供給している間、前記電力収集手段を通る逆方向電流を防止するための手段を、さらに、有する請求項7に記載のシステム。
  11. 前記照明手段に電力を供給するための代替の手段を、さらに、有する請求項7に記載のシステム。
  12. 双方向電力コンバータと、
    前記双方向電力コンバータに、操作可能に接続された太陽電池パネルと、
    前記双方向電力コンバータに、操作可能に接続されたバッテリ・パックと、
    前記双方向電力コンバータに、操作可能に接続された発光ダイオード(LED)モジュールと、
    前記双方向電力コンバータを制御するコントローラと、を有する独立型固体照明システム。
  13. 前記太陽電池パネルが、太陽電池パネル出力電圧を供給し、
    前記LEDモジュールが、直列に接続された、いくつかのLEDであって、個々の立ち上がり電圧を持つLEDを有し、そして、
    前記個々の立ち上がり電圧と、前記LEDの数との積が、前記太陽電池パネル出力電圧より大きい請求項12に記載のシステム。
  14. 前記太陽電池パネルが、太陽電池パネル出力電圧を供給し、
    前記バッテリ・パックが、バッテリ・パック電圧を供給し、
    前記LEDモジュールが、直列に接続された、いくつかのLEDであって、個々のLED最大作動電圧を持つLEDを有し、そして、
    前記バッテリ・パック電圧が、前記太陽電池パネル出力電圧と、前記LEDの数と前記個々のLED最大作動電圧との積と、の大きい方よりも大きい請求項12に記載のシステム。
  15. 前記LEDモジュールに操作可能に接続され、そして、前記コントローラに反応するLEDスイッチを、さらに、有する請求項12に記載のシステム。
  16. 前記太陽電池パネルに操作可能に接続されているパワー・ダイオードを、さらに、有する請求項12に記載のシステム。
  17. 前記バッテリ・パックの両端の先に、切り換え可能に接続される代替の電源と、
    前記コントローラに反応して、前記双方向電力コンバータ（の接続）を、前記バッテリ・パックと前記代替の電源との間で切り替えるスイッチとを、さらに、有する請求項12に記載のシステム。
  18. 前記代替の電源が、燃料電池パック、補助バッテリ、および、小型発電機から成るグループから選択される請求項17に記載のシステム。
  19. 前記双方向電力コンバータが、さらに、
    前記LEDモジュールおよび前記太陽電池パネルに、操作可能に接続された誘導性／容量性回路と、
    第1のスイッチであって、前記コントローラに反応する第1のスイッチと、
    第1の整流器ダイオードであって、前記第1のスイッチの両端に接続されている第1の整流器ダイオードと、
    前記コントローラに反応する第2のスイッチと、
    前記第2のスイッチの両端に接続されている第2の整流器ダイオードと、を有する請求項12に記載のシステムであって、
    前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチが、前記バッテリ・パックの両端に、直列に接続され、前記誘導性／容量性回路が、前記第1のスイッチと前記第2のスイッチとの間に操作可能に接続され、前記コントローラが、充電モードにおいて、前記第1のスイッチを開いて、前記第2のスイッチを開閉し、そして、前記コントローラが、放電モードにおいて、前記第2のスイッチを開いて、前記第1のスイッチを開閉するシステム。
  20. 前記第1の整流器ダイオードが、前記第1のスイッチの内部にあり、そして、前記第2の整流器ダイオードが、前記第2のスイッチの内部にある請求項12に記載のシステム。
  21. 前記双方向電力コンバータが、さらに、
    前記LEDモジュールおよび前記太陽電池パネルに、操作可能に接続された容量性回路と、
    前記バッテリ・パックに、操作可能に接続された誘導性回路と、
    前記コントローラに反応する第1のスイッチと、
    前記第1のスイッチの両端に接続された第1の整流器ダイオードと、
    前記コントローラに反応する第2のスイッチと、
    前記第2のスイッチの両端に接続された第2の整流器ダイオードと、を有する請求項12に記載のシステムであって、
    前記第1のスイッチが、前記容量性回路と前記誘導性回路との間に操作可能に接続され、前記第2のスイッチが、前記誘導性回路と前記バッテリ・パックとの間に操作可能に接続され、前記コントローラが、充電モードにおいて、前記第1のスイッチを開閉して、前記第2のスイッチを開き、そして、前記コントローラが、放電モードにおいて、前記第1のスイッチを開いて、前記第2のスイッチを開閉するシステム。
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