JP2006042523A - Power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、昼間に太陽電池で発生した電気エネルギーを蓄電(もしくは充電)し、夜間には前記蓄電した電気エネルギーを出力するように構成された電源装置に関するものである。 The present invention relates to a power supply device configured to store (or charge) electrical energy generated by a solar cell during the day and to output the stored electrical energy at night.
従来から、図8に示したように、昼間は太陽電池28で二次電池58に充電し、充電した電気エネルギーで夜間に電子機器等を駆動するように構成された電源装置は知られている。
なお、図6、7に一般的な太陽電池パネルの出力特性を示した。
図8において、蓄電時は、蓄電スイッチ48の開閉スイッチ481が閉じ、開閉スイッチ482が開いている。その後、電圧検出手段781が満充電を検出すると、スイッチ駆動回路782によって、蓄電スイッチ48の開閉スイッチ481を開き、開閉スイッチ482を閉じて、放電状態になる。
二次電池58の容量が12V、1Ahrで、太陽電池の出力が12V(1A)のとき、蓄電満了までに要する時間t4は(12V×1Ahr)/(12V×1A)=1hrとなる。図10参照。
Conventionally, as shown in FIG. 8, a power supply device configured to charge a
6 and 7 show the output characteristics of a general solar cell panel.
In FIG. 8, during power storage, the open /
When the capacity of the
最近は、図9に示したように、従来の二次電池より充放電サイクル寿命が極めて長い電気二重層キャパシタ(EDLC)等のキャパシタ59を蓄電手段として使用することが行われている。
図9に示したように、昼間の蓄電時は、蓄電スイッチ49の開閉スイッチ491が閉じ、開閉スイッチ492が開いて、太陽電池29でキャパシタ59に蓄電する。
図9において、蓄電時は、蓄電スイッチ49の開閉スイッチ491が閉じ、開閉スイッチ492が開いている。その後、電圧検出手段791が満充電を検出すると、スイッチ駆動回路792によって、蓄電スイッチ49の開閉スイッチ491を開き、開閉スイッチ492を閉じて、放電状態になる。
ここで、図8と同様の条件において、キャパシタ59の最大蓄電電圧を12Vとすると、
12whr=12×3600(J)=43200(J)
43200J=1/2×C×V2=1/2×C×12×12より、
C=600F,12VMAXが得られる。
充電満了までの所要時間t5(hr)とすると、C・V=I・T より
t5=(C・V/I)/3600秒=(600×12/1)/3600秒=2hr
となる。
このように、二次電池の場合に比べてキャパシタの場合には2倍の時間を要する。
Recently, as shown in FIG. 9, a
As shown in FIG. 9, during the daytime power storage, the open /
In FIG. 9, during storage, the open /
Here, under the same conditions as in FIG. 8, if the maximum stored voltage of the
12whr = 12 × 3600 (J) = 43200 (J)
43200J = 1/2 × C × V2 = 1/2 × C × 12 × 12
C = 600F, 12VMAX is obtained.
Assuming the required time t5 (hr) to the end of charging, from C · V = I · T, t5 = (C · V / I) / 3600 seconds = (600 × 12/1) / 3600 seconds = 2 hr
It becomes.
Thus, the capacitor requires twice as much time as the secondary battery.
そして、キャパシタを蓄電手段とする多くの場合には、電子機器を駆動するために定電圧電源を構成するが、一般的には、DC/DCコンバータを介して、変動するキャパシタの放電電圧を一定電圧となるように制御して電子機器を駆動するための出力を得るように構成されている。
この場合、キャパシタの放電特性は、満充電の状態から徐々に電圧が降下する特性であるため、前記DC/DCコンバータの出力電圧はキャパシタの満充電電圧以上であるほうが、DC/DCコンバータをいわゆる昇圧型DC/DCコンバータとして、その構成を簡素にできる。その場合、キャパシタの満充電電圧はDC/DCコンバータの出力電圧以下に設定されている。
図8の場合と図9の場合の蓄電特性を図10に示した。
In many cases, a capacitor is used as a power storage unit, and a constant voltage power source is configured to drive an electronic device. In general, a variable capacitor discharge voltage is constant via a DC / DC converter. It is configured to obtain an output for driving the electronic device by controlling the voltage to be a voltage.
In this case, since the discharge characteristic of the capacitor is a characteristic in which the voltage gradually decreases from the fully charged state, the output voltage of the DC / DC converter is higher than the full charge voltage of the capacitor so that the DC / DC converter is so-called. As a step-up DC / DC converter, the configuration can be simplified. In that case, the full charge voltage of the capacitor is set to be equal to or lower than the output voltage of the DC / DC converter.
The storage characteristics in the cases of FIG. 8 and FIG. 9 are shown in FIG.
ところで、上述したような構成で、太陽電池にて発電された電気エネルギーを蓄電する媒体としてキャパシタを用いる場合には、キャパシタと同等の蓄電能力を有する二次電池を用いる場合に比べて、蓄電効率が悪いという問題がある。
蓄電エネルギーが同じで、キャパシタの最大蓄電電圧が低い場合には更に条件が悪くなる。
その結果、満充電の状態になるまでに多くの時間を要するという問題がある。
また、そのような問題を解決するためには、太陽電池パネルの表面積を大型にする必要が有り、その結果、電源装置の大型化および高額化になるという問題が惹起する。
あるいは、太陽電池の最大出力ポイントを常時モニターしながら、充電媒体に最大電力を充電する、いわゆる「最大出力点追従システム(MPPTシステム)」なる大がかりな回路構成が必要となる。
そこで、本発明は、短時間で効率良く、且つ簡単な回路構成で、キャパシタに充電できる電源装置の提供を目的としてなされたものである。
By the way, in the configuration as described above, when a capacitor is used as a medium for storing electrical energy generated by a solar battery, the storage efficiency is higher than when a secondary battery having a storage capacity equivalent to that of the capacitor is used. There is a problem that is bad.
The condition becomes worse when the stored energy is the same and the maximum stored voltage of the capacitor is low.
As a result, there is a problem that it takes a long time to reach a fully charged state.
In order to solve such a problem, it is necessary to increase the surface area of the solar cell panel, and as a result, there arises a problem that the power supply device becomes larger and expensive.
Alternatively, a large-scale circuit configuration called a “maximum output point tracking system (MPPT system)” in which the charging medium is charged with the maximum power while constantly monitoring the maximum output point of the solar cell is required.
Therefore, the present invention has been made for the purpose of providing a power supply device capable of charging a capacitor with a simple and efficient circuit configuration in a short time.
本発明にかかる請求項1の電源装置は、蓄電時には太陽電池からの電気エネルギーを蓄電スイッチを介して複数のキャパシタに蓄電し、放電時には前記蓄電スイッチを開いて前記キャパシタに蓄電された電気エネルギーを出力するように構成された電源装置において、
前記複数のキャパシタを直列接続もしくは並列接続に切り替えるキャパシタ切替手段を備えていることを特徴とする。
請求項2では、所定の条件が満たされた時に前記キャパシタ切替手段を作動させる制御手段を備えていることを特徴とする。
所定の条件とは、例えば、キャパシタの端子電圧が蓄電満了状態を示す電圧になって、蓄電状態から放電状態へ切り替える条件である。または、別途、切替指令が入力される場合である。
The power supply device according to
Capacitor switching means for switching the plurality of capacitors to series connection or parallel connection is provided.
According to a second aspect of the present invention, there is provided control means for operating the capacitor switching means when a predetermined condition is satisfied.
The predetermined condition is, for example, a condition in which the terminal voltage of the capacitor becomes a voltage indicating a storage expiration state, and the storage state is switched to the discharge state. Or it is a case where a switching command is inputted separately.
請求項3の電源装置は、蓄電時には複数の太陽電池からの電気エネルギーを蓄電スイッチを介してキャパシタに蓄電し、放電時には前記蓄電スイッチを開いて前記キャパシタに蓄電された電気エネルギーを出力するように構成された電源装置において、前記複数の太陽電池を並列接続もしくは直列接続に切り替える太陽電池切替手段を備えていることを特徴とする。
請求項4では、所定の条件が満たされた時に前記太陽電池切替手段を作動させる制御手段を備えていることを特徴とする。
所定の条件とは、例えば、キャパシタの端子電圧が、1つの太陽電池の発生起電圧、または発生起電圧に近い電圧に到達する条件である。または、別途、切替指令が入力される場合である。
The power supply device according to claim 3 stores the electric energy from the plurality of solar cells in the capacitor via the storage switch when storing electricity, and outputs the electrical energy stored in the capacitor by opening the storage switch when discharging. The configured power supply device is characterized by comprising solar cell switching means for switching the plurality of solar cells to parallel connection or series connection.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided control means for operating the solar cell switching means when a predetermined condition is satisfied.
The predetermined condition is, for example, a condition in which the terminal voltage of the capacitor reaches a generated electromotive voltage of one solar cell or a voltage close to the generated electromotive voltage. Or it is a case where a switching command is inputted separately.
以上の構成により、キャパシタを、蓄電時には直列接続し、放電時には並列接続に切り替えるので、昇圧型DC/DCコンバータの入力電圧範囲を狭くできる。
また、複数の太陽電池を用いた蓄電時において、蓄電開始から所定の条件を満たすまでは太陽電池を並列接続し、その後、蓄電開始から所定の条件を満たした後は直列接続することによって、蓄電満了に要する所要時間を短縮することができる。
With the above configuration, the capacitors are connected in series during power storage and switched to parallel connection during discharging, so that the input voltage range of the step-up DC / DC converter can be narrowed.
Further, during power storage using a plurality of solar cells, the solar cells are connected in parallel from the start of power storage until a predetermined condition is satisfied, and then connected in series after satisfying the predetermined condition from the start of power storage. The time required for expiration can be shortened.
以下に、本発明にかかる電源装置を、その実施の形態を示した図1を参照して詳細に説明する。
図1において、
1は電源装置であり、複数の太陽電池2,2,2,2と、これらの複数の太陽電池を直列接続もしくは並列接続に切り替える太陽電池切替手段3と、前記電源装置1を蓄電状態もしくは放電状態に切り替える蓄電スイッチ4と、複数のキャパシタ5,5,5,5と、複数のキャパシタを直列接続もしくは並列接続に切り替えるキャパシタ切替手段6と、前記太陽電池切替手段3、前記蓄電スイッチ4、前記キャパシタ切替手段6をそれぞれ制御する制御手段7と、電源を出力する出力端子8とを備えている。なお、前記蓄電スイッチ4と連動して、蓄電時には開き、放電時には閉じる出力スイッチ9を設けるとよい。
Below, the power supply device concerning this invention is demonstrated in detail with reference to FIG. 1 which showed the embodiment.
In FIG.
蓄電時に、キャパシタの端子電圧が1つの太陽電池の発生起電圧に到達すると、制御手段7は太陽電池切替手段によって太陽電池を直列接続に切り替え、さらにキャパシタの端子電圧が蓄電満了状態を示す電圧に到達すると、前記蓄電スイッチ4を開いて放電状態に切り替え、前記キャパシタ切替手段6によってキャパシタを並列接続に切り替える。
放電時に、キャパシタの端子電圧が放電完了状態を示す電圧になると、制御手段7は、前記蓄電スイッチ4を閉じて蓄電状態に切り替える。
When the terminal voltage of the capacitor reaches the generated electromotive voltage of one solar cell during power storage, the control means 7 switches the solar cells to the serial connection by the solar battery switching means, and further the terminal voltage of the capacitor becomes a voltage indicating the storage expiration state. When it reaches, the storage switch 4 is opened and switched to a discharge state, and the capacitor switching means 6 switches the capacitor to parallel connection.
At the time of discharging, when the terminal voltage of the capacitor becomes a voltage indicating a discharge completion state, the control means 7 closes the storage switch 4 and switches to the storage state.
このように、キャパシタを、蓄電時には直列接続し、放電時には並列接続することにより、昇圧型DC/DCコンバータの入力電圧範囲を狭くできる。
また、蓄電時において、太陽電池を並列接続から直列接続に切り替えることによって、蓄電満了に要する所要時間をさらに短縮することができる。
Thus, the input voltage range of the step-up DC / DC converter can be narrowed by connecting the capacitors in series during power storage and connecting them in parallel during discharge.
Moreover, the time required for power storage expiration can be further shortened by switching the solar cell from parallel connection to serial connection during power storage.
前記電源装置の実施例1を図2を参照して詳細に説明する。
図2はキャパシタ電圧を6V以下で電源出力したい場合の実施例を示したものであり、(a)は蓄電時のスイッチの状態を示し、(b)は放電時のスイッチの状態を示している。
図中、
11は電源装置であり、太陽電池21と、太陽電池21への逆流を防止するためのダイオード22と、蓄電状態と放電状態とを切り替える蓄電スイッチ41と、2つのキャパシタ51、52と、2つのキャパシタ51、52を直列接続と並列接続とに切り替えるキャパシタ切替手段61と、キャパシタの端子電圧が所定の電圧(満充電電圧)になったときに充電状態から放電状態へ切り替えるための制御信号を出力する電圧検出手段71と、該電圧検出手段71から出力される制御信号によって前記蓄電スイッチ41とキャパシタ切替手段61とを切替制御するスイッチ駆動回路72とを備えている。
A first embodiment of the power supply apparatus will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 2 shows an embodiment in the case where it is desired to output a power supply with a capacitor voltage of 6 V or less. (A) shows the state of the switch during storage, and (b) shows the state of the switch during discharge. .
In the figure,
11 is a power supply device, which includes a
蓄電スイッチ41は、2つの開閉スイッチ41a,41bを備えており、スイッチ駆動回路72によって、蓄電時は開閉スイッチ41aが閉じ(図2の(a)参照)、開閉スイッチ41bが開かれ(図2の(a)参照)、放電時は開閉スイッチ41aが開き(図2の(b)参照)、開閉スイッチ41bが閉じられる(図2の(b)参照)。これらの開閉スイッチ41a,41bはラッチ動作をする。
蓄電時に、前記電圧検出手段71がキャパシタの端子電圧が所定の蓄電完了電圧まで上昇したことを検出すると、蓄電時は開閉スイッチ41aが開き、開閉スイッチ41bが閉じて、放電状態となる。
放電時に、前記電圧検出手段71がキャパシタの端子電圧が所定の放電完了電圧まで低下したことを検出すると、蓄電時は開閉スイッチ41aが閉じ、開閉スイッチ41bが開かれて、蓄電状態となる。
The
When the
When the
キャパシタ切替手段61は、2つの切替スイッチ61a,61bを備えており、スイッチ駆動回路72によって、蓄電時は切替スイッチ61a,61bが直列接続側へ切り替えられ(図2の(a)参照)、放電時は切替スイッチ61a,61bが並列接続側へ切り替えられる(図2の(b)参照)。これらの切替スイッチ61a,61bはラッチ動作をする。
The capacitor switching means 61 includes two
前記太陽電池21の容量を12V(1A)とし、前記キャパシタ51、52のそれぞれの静電容量を1200F(6V)とした場合、図2における充電満了までの所要時間t1は次のように計算される。
12whr=12×3600(J)=43200(J)
43200J=1/2×C×V2=1/2×C×12×12より、
C=1200F,6VMAX(600F,12VMAXと等価。)が得られる。
充電満了までの所要時間t1(hr)とすると、C・V=I・T より
t1=(C・V/I)/3600秒=(1200×6/1)/3600秒=2hr
となる。
When the capacity of the
12whr = 12 × 3600 (J) = 43200 (J)
43200J = 1/2 × C × V 2 = 1/2 × C × 12 × 12
C = 1200F, 6VMAX (equivalent to 600F, 12VMAX) is obtained.
Assuming the required time t1 (hr) to the end of charging, from C · V = I · T, t1 = (C · V / I) / 3600 seconds = (1200 × 6/1) / 3600 seconds = 2 hr
It becomes.
一方、1200F,6VMAXのキャパシタを並列状態で蓄電するのに要する所要時間t2は、
t2=(C・V/I)/3600秒=((1200+1200)×6/1)/3600秒=4hr
となる。
従って、図2の構成によってキャパシタを切り替えることによって、図3のグラフに示したように、充電満了に要する時間を半分に短縮することができるのである。
On the other hand, the time t2 required to store 1200F, 6VMAX capacitors in parallel is
t2 = (C · V / I) / 3600 seconds = ((1200 + 1200) × 6/1) / 3600 seconds = 4 hr
It becomes.
Therefore, by switching the capacitor according to the configuration of FIG. 2, as shown in the graph of FIG. 3, the time required to complete the charging can be reduced by half.
このようにして蓄電中に前記所要時間t1が経過して、前記電圧検出手段71がキャパシタの端子電圧が所定の蓄電完了電圧まで上昇したことを検出すると、蓄電時は開閉スイッチ41aが開き、開閉スイッチ41bが閉じて、放電状態となる。
放電時には、開閉スイッチ41aが開き(図2の(b)参照)、開閉スイッチ41bが閉じられる(図2の(b)参照)。そして、前記切換スイッチ61a,61bが並列接続側へ切り替えられる(図2の(b)参照)ので、1200F(6V)+1200F(6V)の容量のキャパシタとして電源を出力するのである。
In this way, when the required time t1 has elapsed during power storage and the voltage detection means 71 detects that the terminal voltage of the capacitor has increased to a predetermined power storage completion voltage, the open /
At the time of discharging, the open /
図4は、太陽電池パネル1枚あたりの発生起電力がキャパシタの定格電圧(最大充電電圧)より低いものを採用し、太陽電池切換手段を用いた場合の実施例を示したものであり、(a)は太陽電池を並列接続した状態を示し、(b)は直列接続した状態を示している。
図中、
12は電源装置であり、太陽電池22a,22bと、2つの太陽電池を直列接続と並列接続とに切り替える太陽電池切換手段32と、太陽電池への逆流を防止するためのダイオード23と、蓄電状態と放電状態とを切り替える蓄電スイッチ42と、キャパシタ53と、キャパシタの端子電圧が所定の電圧(満充電電圧)になったときに充電状態から放電状態へ切り替えるための制御信号を出力する電圧検出手段73と、該電圧検出手段73から出力される制御信号によって前記蓄電スイッチ42を切替制御するスイッチ駆動回路74と、キャパシタの端子電圧が所定の切替電圧(この場合には6Vに設定する。)になったときに太陽電池を直列接続へ切り替えるための制御信号を出力する電圧検出手段75と、該電圧検出手段75から出力される制御信号によって前記太陽電池切換手段32を制御して2つの太陽電池を並列接続から直列接続へ切替制御するスイッチ駆動回路76とを備えている。
FIG. 4 shows an embodiment in which the generated electromotive force per solar cell panel is lower than the rated voltage (maximum charging voltage) of the capacitor, and the solar cell switching means is used. a) shows a state in which solar cells are connected in parallel, and (b) shows a state in which the solar cells are connected in series.
In the figure,
12 is a power supply device,
蓄電スイッチ42、電圧検出手段73、スイッチ駆動回路74の動作は図2の場合と同様であるのでその説明を省略する。
The operations of the
図4において、
前記太陽電池22の容量を6V(1A)とし、前記キャパシタ53の静電容量を600F(12V)(1200F(6V)×2と同等。)とした場合における充電満了までの所要時間t3は、図4(a)に示したキャパシタの端子電圧が6Vまでの蓄電時間taと、図4(b)に示した6V〜12Vまでの蓄電時間tbとに分けると次のように計算される。
ta=(C・V/I)/3600秒=(600×6/2)/3600秒=0.5hr
tb=(C・V/I)/3600秒=(600×(12−6)/1)/3600秒=1.0hr
従って、
t3=ta+tb=1.5hr
となる。
従って、図4の構成によって太陽電池を並列接続から直列接続へ切り替えることによって、図5のグラフに示したように、充電満了に要する時間を、図2に示した実施例よりもさらに短縮することができるのである。
In FIG.
The required time t3 until the charging is completed when the capacity of the
ta = (C · V / I) / 3600 seconds = (600 × 6/2) / 3600 seconds = 0.5 hr
tb = (C · V / I) / 3600 seconds = (600 × (12−6) / 1) / 3600 seconds = 1.0 hr
Therefore,
t3 = ta + tb = 1.5 hr
It becomes.
Therefore, by switching the solar cell from parallel connection to series connection with the configuration of FIG. 4, as shown in the graph of FIG. 5, the time required for charging expiration is further shortened than the embodiment shown in FIG. Can do it.
太陽電池パネルの1枚あたりの発生起電力がキャパシタの定格電圧(最大充電電圧)以上のものを用いる場合には、図1に示したように、図2の構成と図4の構成を併用することも可能であることは言うまでもない。
When the generated electromotive force per one solar cell panel is higher than the rated voltage (maximum charging voltage) of the capacitor, as shown in FIG. 1, the configuration of FIG. 2 and the configuration of FIG. 4 are used together. It goes without saying that it is possible.
11 電源装置
21 太陽電池
22 ダイオード
41 蓄電スイッチ
41a,41b、 開閉スイッチ
51、52 キャパシタ
61 キャパシタ切替手段
61a,61b 切替スイッチ
71 電圧検出手段
72 スイッチ駆動回路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複数のキャパシタを直列接続もしくは並列接続に切り替えるキャパシタ切替手段を備えていることを特徴とする電源装置。 In a power supply device configured to store electrical energy from a solar cell in a plurality of capacitors via a storage switch during power storage, and to output the electrical energy stored in the capacitor by opening the power storage switch during discharge,
A power supply device comprising a capacitor switching means for switching the plurality of capacitors to a serial connection or a parallel connection.
前記複数の太陽電池を並列接続もしくは直列接続に切り替える太陽電池切替手段を備えていることを特徴とする電源装置。 In a power supply device configured to store electrical energy from a plurality of solar cells in a capacitor via a storage switch during power storage, and to output the electrical energy stored in the capacitor by opening the power storage switch during discharge,
A power supply device comprising solar cell switching means for switching the plurality of solar cells to parallel connection or series connection.
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