JP2007159310A

JP2007159310A - Power supply apparatus

Info

Publication number: JP2007159310A
Application number: JP2005353127A
Authority: JP
Inventors: Hideo Yamaguchi; 栄雄山口; Hirotoshi Asai; 宏俊浅井
Original assignee: Kanagawa University
Current assignee: Kanagawa University
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: JP5060724B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power supply apparatus for extracting the maximum power from a thermoelectric power generator and stably supplying power to a load for requiring large power. <P>SOLUTION: The power supply apparatus has the thermoelectric power generator 11 for utilizing a thermoelectric element, a capacitor 13 charged by power generated from the thermoelectric power generator 11, and the load 14 supplied with power discharged from the capacitor 13. The thermoelectric power generator 11 and the load 14 are intermittently connected by a switch 12. A resistance of the load 14 is equivalently converted into a high resistance by a duty ratio of a pulse from a pulse generator 16, and controlled so as to be equal to an internal resistance of the thermoelectric power generator 11. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、外部の温度差を利用して発電する熱電素子を利用した熱電発電器から負荷に電力を供給するための電力供給装置に関する。 The present invention relates to an electric power supply device for supplying electric power to a load from a thermoelectric generator using a thermoelectric element that generates electricity using an external temperature difference.

従来より、外部の温度差による熱エネルギから熱電対を用いて発電し、その発電により得られる電気エネルギを利用して電子時計などの小型の携帯電子機器を駆動する電力供給装置が知られている。たとえば、複数の熱電対を電気的に直列に設けた熱電発電器の発電電圧を計測して、その発電電圧に応じて負荷手段への電力の供給および供給停止を制御する制御手段を設け、この制御手段は、熱電発電器から負荷手段へ所定時間以上連続して電力を供給したときに、発電電圧を補正して計測する補正手段を設けることにより、熱電発電器が負荷手段へ連続的に電力を供給するときに発生するペルチェ効果による発電電圧の低下を補正して、本来の発電電圧に相当する電圧を想定して負荷への電力の供給および停止を制御する構成が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
特開２０００−１２５５７８号公報（（００１３）、（００１８）、（００２２）〜（００３４）および図１など） 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a power supply device that generates power using a thermocouple from heat energy due to an external temperature difference, and drives a small portable electronic device such as an electronic timepiece using electric energy obtained by the power generation. . For example, the power generation voltage of a thermoelectric generator in which a plurality of thermocouples are electrically connected in series is measured, and control means for controlling the supply and stop of power supply to the load means according to the power generation voltage is provided. The control means includes a correction means for correcting and measuring the generated voltage when power is continuously supplied from the thermoelectric generator to the load means for a predetermined time or longer, so that the thermoelectric generator continuously supplies power to the load means. A configuration has been proposed in which a decrease in the generated voltage due to the Peltier effect that occurs when supplying power is corrected, and the supply and stop of power to the load are controlled assuming a voltage corresponding to the original generated voltage (for example, Patent Document 1).
JP 2000-125578 A ((0013), (0018), (0022) to (0034) and FIG. 1 etc.)

特許文献１による電力供給装置は、熱電発電器が負荷電流を流し続けることにより発生するペルチェ効果を用いて、発電電圧の低下を補正して計測することにより、熱電発電器の発電電圧に応じて負荷手段への電力の供給および供給停止を最適に制御でき、負荷手段は熱電発電器の発電電力を最も有効に利用することができる。しかし、熱電発電器から最大負荷電力を取り出す点についての考慮はなされていない。
ところで、電気回路理論で周知のように、内部抵抗の大きい電圧源から最大負荷電力を取り出す条件は、負荷抵抗の抵抗値を電圧源の内部抵抗の値と一致させることである。この条件を図５および図６により説明する。
一般に電圧源は、図５に示すように起電力Ｅｓと直列抵抗Ｒｓの直列回路で表わされる。この起電力Ｅｓに負荷抵抗ＲＬをつないだとき、負荷抵抗ＲＬに消費される電力ＰＬ、即ち起電力Ｅｓから取り出しうる電力は、
ＰＬ＝（Ｅｓ）²×ＲＬ／（Ｒｓ＋ＲＬ）²・・・（数１）
であることが知られている。
図６の曲線ａは負荷抵抗ＲＬを変化させたときの負荷抵抗ＲＬにおける負荷電圧ＶＬの関係、曲線ｂは負荷抵抗ＲＬにおける消費電力（取り出せる電力）ＰＬの関係である。図６の曲線ｂに示すように、負荷抵抗ＲＬを変化させると負荷電力ＰＬが変化し、ある負荷抵抗ＲＬの値で最大となる。このときの負荷抵抗ＲＬの値は周知のように直列抵抗Ｒｓと等しい値、すなわち、ＲＬ＝Ｒｓのときで、最大負荷電力ＰＬｍａｘは、
ＰＬｍａｘ＝（Ｅｓ）²／（４ＲＬ）＝（Ｅｓ）²／（４Ｒｓ）・・・（数２）
である。このとき、負荷抵抗ＲＬの電圧ＶＬは起電力Ｅｓの電圧の１／２、すなわち、ＶＬ＝Ｅｓ／２となる。
負荷抵抗ＲＬが電圧源の内部抵抗Ｒｓよりも大きい場合は、最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出すことはできないが、負荷抵抗ＲＬが大きいと消費電力が小さいので重大な問題になることは少ない。一方、負荷抵抗ＲＬが電圧源の内部抵抗Ｒｓより小さい場合は、最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出すことはできず、しかも、負荷抵抗ＲＬが小さいと素子内部における消費電力が大きくなるので、最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出せないことは重大な問題になる。
一般に、熱電発電器の内部抵抗は比較的大きいので、使用したい負荷抵抗の値より大きいことが多い。また、負荷抵抗は一定の値であることはなく、負荷の種類によって大きく変わる。また、同じ負荷でも使用中に大きく変動する。さらに、熱電発電器の起電力と内部抵抗も熱の供給状況に従って変化する。したがって、熱電発電器に目的とする負荷を直接接続しても発電器の発電能力のごく一部しか利用できないことになり、熱電発電器に単に負荷手段を連結するだけでは最大負荷電力を取り出すことはできない。
最大負荷電力を取り出すためには負荷抵抗を内部抵抗と同じになるように変換すればよい。しかし、熱電発電器の負荷は直流負荷のため変圧器のような交流用インピーダンス変換器を使用することはできない。 The electric power supply device according to Patent Document 1 uses the Peltier effect generated when the thermoelectric generator keeps flowing the load current, and corrects and measures the decrease in the generated voltage, thereby depending on the generated voltage of the thermoelectric generator. Supply and stop of power supply to the load means can be optimally controlled, and the load means can use the power generated by the thermoelectric generator most effectively. However, no consideration is given to taking out the maximum load power from the thermoelectric generator.
As is well known in electrical circuit theory, the condition for extracting the maximum load power from a voltage source having a large internal resistance is to make the resistance value of the load resistance coincide with the value of the internal resistance of the voltage source. This condition will be described with reference to FIGS.
In general, the voltage source is represented by a series circuit of an electromotive force Es and a series resistance Rs as shown in FIG. When the load resistance RL is connected to the electromotive force Es, the power PL consumed by the load resistance RL, that is, the power that can be extracted from the electromotive force Es is
PL = (Es) ² × RL / (Rs + RL) ² (Equation 1)
It is known that
A curve a in FIG. 6 is a relationship of the load voltage VL at the load resistor RL when the load resistor RL is changed, and a curve b is a relationship of the power consumption (retrievable power) PL at the load resistor RL. As shown by a curve b in FIG. 6, when the load resistance RL is changed, the load power PL is changed, and becomes maximum at a certain load resistance RL. As is well known, the value of the load resistance RL at this time is equal to the series resistance Rs, that is, when RL = Rs, the maximum load power PLmax is
PLmax = (Es) ² / (4RL) = (Es) ² / (4Rs) (Equation 2)
It is. At this time, the voltage VL of the load resistor RL becomes 1/2 of the voltage of the electromotive force Es, that is, VL = Es / 2.
When the load resistance RL is larger than the internal resistance Rs of the voltage source, the maximum load power PLmax cannot be taken out. However, when the load resistance RL is large, the power consumption is small, so there is little serious problem. On the other hand, when the load resistance RL is smaller than the internal resistance Rs of the voltage source, the maximum load power PLmax cannot be taken out. Moreover, if the load resistance RL is small, the power consumption inside the element increases, so the maximum load power PLmax Inability to take out becomes a serious problem.
In general, since the internal resistance of a thermoelectric generator is relatively large, it is often larger than the value of the load resistance to be used. Further, the load resistance is not a constant value, and varies greatly depending on the type of load. Also, even during the same load, it varies greatly during use. Furthermore, the electromotive force and internal resistance of the thermoelectric generator also change according to the heat supply status. Therefore, even if the target load is directly connected to the thermoelectric generator, only a part of the power generation capacity of the generator can be used, and the maximum load power can be extracted simply by connecting the load means to the thermoelectric generator. I can't.
In order to extract the maximum load power, the load resistance may be converted to be the same as the internal resistance. However, since the load of the thermoelectric generator is a DC load, an AC impedance converter such as a transformer cannot be used.

本発明はこのような課題を解決するもので、熱電発電器から最大負荷電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる電力供給装置を提供することを目的とする。 This invention solves such a subject, and it aims at providing the electric power supply apparatus which can supply the stable electric power to the load which requires large electric power, taking out the maximum load electric power from a thermoelectric generator. To do.

請求項１に記載の本発明の電力供給装置は、熱電素子を利用した熱電発電器から負荷に電力を供給するための電力供給装置であって、前記熱電発電器と、前記熱電発電器の発電電力により充電されるコンデンサと、前記コンデンサの放電電力が供給される負荷手段と、前記コンデンサの放電サイクルを制御する制御手段とを有することを特徴とする。
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の電力供給装置において、前記制御手段は前記コンデンサの充電および放電を切り換えるスイッチと、前記コンデンサの端子電圧を計測する電圧計測回路１７と、前記スイッチの切り換えを制御する制御信号を発生する制御回路とを有しており、前記制御信号は前記コンデンサの端子電圧を前記熱電発電器の発生電圧の１／２になるように前記スイッチの切り換えを制御することを特徴とする。
請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の電力供給装置において、前記制御信号がパルス信号であり、前記パルス信号のパルス幅に応じて前記スイッチの切り換えを制御することを特徴とする。
請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の電力供給装置において、前記制御手段は前記コンデンサの充電および放電を切り換えるスイッチと前記スイッチの切り換えを制御するパルス信号を発生する制御回路を有しており、前記パルス信号のパルス幅に応じて前記負荷手段の負荷抵抗を等価的に高い抵抗値に変換して前記熱電発電器の内部抵抗と等しくすることを特徴とする。
請求項５に記載の本発明の電力供給装置は、熱電素子を利用した熱電発電器から負荷に電力を供給するための電力供給装置であって、前記熱電発電器と、前記熱電発電器に並列に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに並列に接続された負荷手段と、前記熱電発電器を前記負荷手段に間欠的に接続するスイッチ手段とを有することを特徴とする。
請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の電力供給装置において、前記スイッチ手段は前記負荷手段の負荷抵抗と前記熱電発電器の内部抵抗が等しくなるように前記熱電発電器を前記負荷手段に間欠的に接続することを特徴とする。 The power supply device of the present invention according to claim 1 is a power supply device for supplying power to a load from a thermoelectric generator using a thermoelectric element, and the thermoelectric generator and the power generation of the thermoelectric generator It has a capacitor charged by electric power, load means to which discharge power of the capacitor is supplied, and control means for controlling the discharge cycle of the capacitor.
According to a second aspect of the present invention, in the power supply apparatus according to the first aspect, the control means switches a switch for switching charging and discharging of the capacitor, a voltage measuring circuit 17 for measuring a terminal voltage of the capacitor, A control circuit for generating a control signal for controlling the switching of the switch, and the control signal switches the switch so that the terminal voltage of the capacitor is ½ of the generated voltage of the thermoelectric generator. It is characterized by controlling.
According to a third aspect of the present invention, in the power supply device according to the second aspect, the control signal is a pulse signal, and the switching of the switch is controlled according to the pulse width of the pulse signal. To do.
According to a fourth aspect of the present invention, in the power supply apparatus according to the first aspect, the control means includes a switch for switching charging and discharging of the capacitor and a control circuit for generating a pulse signal for controlling switching of the switch. And the load resistance of the load means is converted into an equivalently high resistance value according to the pulse width of the pulse signal to equalize the internal resistance of the thermoelectric generator.
The power supply device of the present invention according to claim 5 is a power supply device for supplying power to a load from a thermoelectric generator using a thermoelectric element, and is parallel to the thermoelectric generator and the thermoelectric generator. A capacitor connected to the capacitor; load means connected in parallel to the capacitor; and switch means for intermittently connecting the thermoelectric generator to the load means.
According to a sixth aspect of the present invention, in the power supply apparatus according to the fifth aspect, the switch means sets the thermoelectric generator so that a load resistance of the load means is equal to an internal resistance of the thermoelectric generator. It is characterized by being intermittently connected to the load means.

本発明によれば、熱電発電器から最大負荷電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。 According to the present invention, it is possible to supply stable power to a load that requires high power while taking out the maximum load power from the thermoelectric generator.

本発明の第１の実施の形態による電力供給装置は、熱電素子を利用した熱電発電器の発電電力によりコンデンサを充電し、コンデンサに充電した電力を、放電サイクルを制御しながら負荷に放電するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による電力供給装置において、コンデンサの充電および放電を切り換えるスイッチの切り換えを、コンデンサの端子電圧が熱電発電器の発生電圧の１／２になるように制御するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による電力供給装置において、パルス信号のパルス幅に応じてスイッチの切り換えを制御するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による電力供給装置において、パルス信号のパルス幅に応じて負荷抵抗を等価的に高い抵抗値に変換して熱電発電器の内部抵抗と等しくするものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出すことができる。
本発明の第５の実施の形態による電力供給装置は、熱電素子を利用した熱電発電器にコンデンサおよび負荷手段を並列に接続し、熱電発電器を負荷手段に間欠的に接続するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態による電力供給装置において、負荷手段の負荷抵抗と熱電発電器の内部抵抗が等しくなるように熱電発電器を負荷手段に間欠的に接続するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器の内部抵抗が負荷手段の負荷抵抗より大きくても、負荷抵抗の値を等価的に高い抵抗値に変換して熱電発電器の内部抵抗と等しくすることができるので、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。 The power supply device according to the first embodiment of the present invention charges a capacitor with the generated power of a thermoelectric generator using a thermoelectric element, and discharges the power charged in the capacitor to a load while controlling a discharge cycle. It is. According to the present embodiment, it is possible to supply stable power to a load that requires high power while taking out the maximum power from the thermoelectric generator.
According to the second embodiment of the present invention, in the power supply apparatus according to the first embodiment, switching of the switch for switching between charging and discharging of the capacitor is performed, and the terminal voltage of the capacitor is ½ of the generated voltage of the thermoelectric generator. It controls to become. According to the present embodiment, it is possible to supply stable power to a load that requires high power while taking out the maximum power from the thermoelectric generator.
The third embodiment of the present invention controls switching of the switch in accordance with the pulse width of the pulse signal in the power supply apparatus according to the second embodiment. According to the present embodiment, it is possible to supply stable power to a load that requires high power while taking out the maximum power from the thermoelectric generator.
According to the fourth embodiment of the present invention, in the power supply apparatus according to the first embodiment, the load resistance is converted into an equivalently high resistance value according to the pulse width of the pulse signal, and the internal resistance of the thermoelectric generator is changed. Is equal to According to the present embodiment, the maximum power can be extracted from the thermoelectric generator.
The power supply apparatus according to the fifth embodiment of the present invention is such that a capacitor and load means are connected in parallel to a thermoelectric generator using a thermoelectric element, and the thermoelectric generator is intermittently connected to the load means. According to the present embodiment, it is possible to supply stable power to a load that requires high power while taking out the maximum power from the thermoelectric generator.
According to a sixth embodiment of the present invention, in the power supply apparatus according to the fifth embodiment, the thermoelectric generator is intermittently connected to the load means so that the load resistance of the load means is equal to the internal resistance of the thermoelectric generator. To connect. According to the present embodiment, even if the internal resistance of the thermoelectric generator is larger than the load resistance of the load means, the value of the load resistance is converted into an equivalently high resistance value to be equal to the internal resistance of the thermoelectric generator. Therefore, it is possible to supply stable power to a load that requires high power while taking out the maximum power from the thermoelectric generator.

以下、本発明の実施例について、図面とともに詳細に説明する。
まず、本発明の原理について説明する。なお、以下の説明では直流について説明する。
電源の電圧が一定の時、負荷に供給する電力を変えるには、負荷の重さ（負荷抵抗の値）を変えなくてはならない。しかし、実際には、負荷抵抗の値を電源の要求に合わせて自由に変えることはできない。一方、負荷抵抗は一定であっても、負荷をスイッチングして負荷と電源を間欠的に接続することによって負荷への供給電力の大きさを変えるチョッパ技術がある。チョッパ技術は、例えば、電車のモータへ与える電力を状況に応じて大幅に変える制御に使われている。モータへの電圧の供給は断続的になるが、モータの巻き線のインダクタンスやモータにつながった電車の質量による慣性で積分効果が出るために滑らかな動きになる。このように、電源の電圧が一定のままで負荷への電力を変えることは負荷抵抗を変えることと同じである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the principle of the present invention will be described. In the following description, direct current will be described.
In order to change the power supplied to the load when the voltage of the power source is constant, the weight of the load (the value of the load resistance) must be changed. However, in practice, the value of the load resistance cannot be freely changed according to the power supply requirements. On the other hand, even if the load resistance is constant, there is a chopper technology that changes the magnitude of power supplied to the load by switching the load and intermittently connecting the load and the power source. The chopper technology is used, for example, for control that greatly changes the electric power supplied to the motor of the train depending on the situation. Although the voltage supply to the motor is intermittent, the integration effect is produced by the inertia due to the inductance of the winding of the motor and the mass of the train connected to the motor, so that the movement is smooth. In this way, changing the power to the load while the voltage of the power supply remains constant is the same as changing the load resistance.

そこで、本発明においては、熱電発電器を負荷に接続した際に、負荷をスイッチングして間欠的に接続させ、低い抵抗値の負荷抵抗を等価的に高い抵抗値に変換して最大電力を取り出すようにする。すなわち、熱電発電器の電圧および内部抵抗が変化したり、負荷抵抗の抵抗値が変化しても、常に負荷抵抗の値を等価的に内部抵抗Ｒｓに一致させて電源から最大電力を取り出すようにする。
ここで、理想電圧源の電圧をＥとし、負荷抵抗をＲＬとし、負荷の接続を、全期間Ｔの内ＯＮの期間をＴｏｎ、ＯＦＦの期間をＴｏｆｆとする。また、Ｔｏｎ／Ｔ（Ｔ＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）の値をデューティ比Ｄ（０≦Ｄ≦１）とする。Ｔｏｎのとき、負荷抵抗ＲＬの電力Ｐｏｎは、Ｐｏｎ＝Ｅ²／ＲＬとなり、Ｔｏｆｆのとき、負荷抵抗ＲＬの電力Ｐｏｆｆは、Ｐｏｆｆ＝０となる。したがって、負荷の平均電力Ｐａｖは、
Ｐａｖ＝（Ｐｏｎ＋Ｐｏｆｆ）×Ｄ＝Ｐｏｎ×Ｄ＝Ｅ²×Ｄ／ＲＬ・・・（数３）
で表される。
一方、スイッチングしないで連続的につないだ負荷抵抗により（数３）で表されるＰａｖと同じ電力を得る負荷抵抗の値をＲｘとすると、
Ｐｘ＝Ｅ²／Ｒｘ＝Ｐａｖ＝Ｅ²×Ｄ／ＲＬ・・・（数４）
であるから、
Ｒｘ＝ＲＬ／Ｄ・・・（数５）
となる。デューティ比Ｄは０≦Ｄ≦１であるので、デューティ比Ｄの値を適切に制御すると負荷抵抗ＲＬの値を見かけ上大きい値Ｒｘに変換できる。
なお、電源と負荷抵抗ＲＬを単純にスイッチングして接続すると、負荷抵抗ＲＬに加わる電圧も大きく変動するので正常に動作しない。そこで、何らかの積分機能を設けて負荷抵抗ＲＬの瞬間的な変動をなくすように平滑することが必要である。このためには、図２に示すように、負荷抵抗ＲＬにコンデンサＣを並列に接続して積分、平滑する。コンデンサＣの静電容量Ｃは、Ｃ×ＲＬ＞＞Ｔになるように選ぶ。 Therefore, in the present invention, when the thermoelectric generator is connected to the load, the load is switched and intermittently connected, and the load resistance having a low resistance value is converted into an equivalently high resistance value to extract the maximum power. Like that. That is, even if the voltage and internal resistance of the thermoelectric generator change or the resistance value of the load resistance changes, the value of the load resistance is equivalently matched with the internal resistance Rs so that the maximum power is taken out from the power source. To do.
Here, it is assumed that the voltage of the ideal voltage source is E, the load resistance is RL, the connection of the load is Ton for the ON period of all the periods T, and Toff is the OFF period. The value of Ton / T (T = Ton + Toff) is assumed to be the duty ratio D (0 ≦ D ≦ 1). When Ton, the power Pon of the load resistor RL is Pon = E ² / RL, and when Toff, the power Poff of the load resistor RL is Poff = 0. Therefore, the average power Pav of the load is
Pav = (Pon + Poff) × D = Pon × D = E ² × D / RL (Equation 3)
It is represented by
On the other hand, when the load resistance value that obtains the same power as Pav represented by (Equation 3) by the load resistance connected continuously without switching is Rx,
Px = E ² / Rx = Pav = E ² × D / RL (Equation 4)
Because
Rx = RL / D (Expression 5)
It becomes. Since the duty ratio D is 0 ≦ D ≦ 1, when the value of the duty ratio D is appropriately controlled, the value of the load resistance RL can be converted into an apparently large value Rx.
If the power supply and the load resistor RL are simply switched and connected, the voltage applied to the load resistor RL also fluctuates greatly, so that it does not operate normally. Therefore, it is necessary to provide some integration function to smooth the load resistance RL so as to eliminate instantaneous fluctuations. For this purpose, as shown in FIG. 2, a capacitor C is connected in parallel to the load resistor RL to integrate and smooth. The capacitance C of the capacitor C is selected so that C × RL >> T.

図１は以上の原理に従って構成した本発明の実施例にかかる電力供給装置の全体構成を示す概念的ブロック図である。熱電発電器１１は多数の熱電対を電気的に直列に接続して構成された熱電素子を利用した熱電発電器で、与えられる温度差に応じて熱電発電して発電電圧Ｖｓとして出力する。熱電発電器１１は一端が接地され、他端は静電容量Ｃの出力調整用のコンデンサ１３に並列に接続される。
負荷１４は、一端が接地され、他端はスイッチ１２を介してコンデンサ１３に並列に接続される。負荷１４は、負荷抵抗ＲＬを有する。スイッチ１２はコンデンサ１３の放電サイクルを制御する制御回路１５で接続が切り換えられる。パルス発生器１６は、電圧計測回路１７で計測されたコンデンサ１３の電圧をもとにパルス幅が制御されたパルスを発生し、制御回路１５はこのパルスによりコンデンサ１３の放電サイクルを制御するようにスイッチ１２の動作を制御する。コンデンサ１３は、前述したように、積分、平滑の機能を有するが、その他にコンデンサ１３自体を充電して蓄電する機能を有する。すなわち、発電電力が負荷１４に供給する電力より大きいときは電力に余剰が生ずるので、コンデンサ１３を充電して電力を一時的に蓄電する。その後負荷１４が予定より多い電力を要求したときに、コンデンサに蓄電されている電力を発電電力と合わせて供給することができる。 FIG. 1 is a conceptual block diagram showing the overall configuration of a power supply apparatus according to an embodiment of the present invention configured according to the above principle. The thermoelectric generator 11 is a thermoelectric generator using a thermoelectric element configured by electrically connecting a large number of thermocouples in series. The thermoelectric generator 11 generates thermoelectric power according to a given temperature difference and outputs it as a generated voltage Vs. One end of the thermoelectric generator 11 is grounded, and the other end is connected in parallel to a capacitor 13 for adjusting the output of the capacitance C.
One end of the load 14 is grounded, and the other end is connected in parallel to the capacitor 13 via the switch 12. The load 14 has a load resistance RL. The connection of the switch 12 is switched by a control circuit 15 that controls the discharge cycle of the capacitor 13. The pulse generator 16 generates a pulse whose pulse width is controlled based on the voltage of the capacitor 13 measured by the voltage measuring circuit 17, and the control circuit 15 controls the discharge cycle of the capacitor 13 by this pulse. The operation of the switch 12 is controlled. As described above, the capacitor 13 has functions of integration and smoothing, but also has a function of charging and storing the capacitor 13 itself. That is, when the generated power is larger than the power supplied to the load 14, a surplus is generated in the power, so that the capacitor 13 is charged to temporarily store the power. Thereafter, when the load 14 requests more power than planned, the power stored in the capacitor can be supplied together with the generated power.

負荷１４から最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出すには、先に述べたように負荷抵抗ＲＬを熱電発電器１１の内部抵抗Ｒｓと等しくすれば良い。前述したように、熱電発電器１１の内部抵抗Ｒｓは負荷抵抗ＲＬより大きいので、デューティ比Ｄを用いて（数５）により負荷抵抗ＲＬを大きな抵抗値Ｒｘに変換する。この結果、（数５）は（数６）のように表される。
Ｒｓ＝Ｒｘ＝ＲＬ／Ｄ・・・（数６）
したがって、
Ｄ＝ＲＬ／Ｒｓ・・・（数７）
となるようにＤを制御すれば、負荷抵抗ＲＬを大きな抵抗値Ｒｘに変換することができる。 In order to extract the maximum load power PLmax from the load 14, the load resistance RL may be made equal to the internal resistance Rs of the thermoelectric generator 11 as described above. As described above, since the internal resistance Rs of the thermoelectric generator 11 is larger than the load resistance RL, the load resistance RL is converted into a large resistance value Rx using the duty ratio D (Equation 5). As a result, (Equation 5) is expressed as (Equation 6).
Rs = Rx = RL / D (Expression 6)
Therefore,
D = RL / Rs (Expression 7)
If D is controlled so as to be, the load resistance RL can be converted into a large resistance value Rx.

前述したように、負荷抵抗ＲＬは一定の値であることはなく、負荷の種類によって大きく変わる。また、同じ負荷でも使用中に大きく変動する。さらに、熱電発電器１１の起電力Ｅｓと内部抵抗Ｒｓも熱の供給状況に従って変化する。したがって、最適のデューティ比Ｄを予め求めることはできない。そこで、デューティ比Ｄを制御するには、電圧計測回路１７でコンデンサ１１の端子電圧Ｖｃを計測し、この端子電圧Ｖｃで制御回路１５の動作を制御して、コンデンサ１３の端子電圧Ｖｃが熱電発電器１１の発生電圧Ｖｓの１／２になるように、スイッチ１２のＯＮ、ＯＦＦのタイミングを制御する。
このように、スイッチ１２を切り換えるタイミングを調整し、負荷抵抗ＲＬが小さく、大電力を要求する負荷１４に電力供給する場合は、熱電発電器１１を連続して使用するのではなく、短時間使用してＶｃが少し低下した時点で負荷１４の使用を停止し、再充電によりＶｃを回復させ、ＶｃがＶｓの１／２まで回復した時点で再び負荷１４を接続するようにする。 As described above, the load resistance RL does not have a constant value and varies greatly depending on the type of load. Also, even during the same load, it varies greatly during use. Furthermore, the electromotive force Es and the internal resistance Rs of the thermoelectric generator 11 also change according to the heat supply status. Therefore, the optimum duty ratio D cannot be obtained in advance. Therefore, in order to control the duty ratio D, the voltage measuring circuit 17 measures the terminal voltage Vc of the capacitor 11, and the operation of the control circuit 15 is controlled by this terminal voltage Vc, so that the terminal voltage Vc of the capacitor 13 is the thermoelectric power generation. The ON / OFF timing of the switch 12 is controlled so as to be ½ of the generated voltage Vs of the device 11.
In this way, when the timing for switching the switch 12 is adjusted and the load resistance RL is small and power is supplied to the load 14 that requires high power, the thermoelectric generator 11 is not used continuously, but is used for a short time. Then, the use of the load 14 is stopped when Vc drops a little, Vc is recovered by recharging, and the load 14 is connected again when Vc recovers to ½ of Vs.

図３は図１における熱電発電器１１、スイッチ１２、コンデンサ１３および負荷１４の接続部の等価回路である。図３に示すように、コンデンサＣ、スイッチＳ、負荷抵抗ＲＬからなる回路は、スイッチＳのデューティ比Ｄを介してコンデンサＣの両端で抵抗値Ｒｘに等価変換される。起電力Ｅｓと直列抵抗Ｒｓの直列回路から成る熱電発電器１１に負荷抵抗Ｒｘをつないだときの負荷電力ＰＬは、（数８）で表される。
Ｅｓ²×ＲＬ／Ｄ
ＰＬ＝―――――――――――――・・・（数８）
（Ｒｓ＋ＲＬ／Ｄ）²
スイッチＳが連続ＯＮのときは、デューティ比Ｄ＝１であるので、（数８）は
ＰＬ＝Ｅｓ²×ＲＬ／（Ｒｓ＋ＲＬ）²・・・（数９）
となる。 FIG. 3 is an equivalent circuit of a connection portion of the thermoelectric generator 11, the switch 12, the capacitor 13, and the load 14 in FIG. As shown in FIG. 3, a circuit composed of a capacitor C, a switch S, and a load resistor RL is equivalently converted to a resistance value Rx at both ends of the capacitor C via a duty ratio D of the switch S. The load power PL when the load resistance Rx is connected to the thermoelectric generator 11 composed of a series circuit of the electromotive force Es and the series resistance Rs is expressed by (Equation 8).
Es ² × RL / D
PL = ―――――――――――――― ・・・ (Equation 8)
(Rs + RL / D) ²
Since the duty ratio D = 1 when the switch S is continuously ON, (Equation 8) is expressed as PL = Es ² × RL / (Rs + RL) ² (Equation 9)
It becomes.

図４に負荷電力ＰＬとデューティ比Ｄの関係を示す。負荷電力ＰＬはデューティ比Ｄを０から大きくしていくと急激に大きくなり、あるデューティ比ＲＬ／Ｒｓで最大になった後、徐々に小さくなっていく。最大負荷電力ＰＬｍａｘは、変換された負荷抵抗Ｒｘが熱電発電器１１の直列抵抗Ｒｓに等しくなるとき、すなわちデューティ比ＤがＤ＝ＲＬ／Ｒｘ＝ＲＬ／Ｒｓのときである。
最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出し得るデューティ比ＤはＤ＝ＲＬ／Ｒｘ＝ＲＬ／Ｒｓであるが、デューティ比ＤがＤ＝ＲＬ／Ｒｘ＝ＲＬ／Ｒｓとなるのは、コンデンサ１３の端子電圧Ｖｃが熱電発電器１１の発生電圧Ｖｓの１／２になるときであるが、１／２の近辺では負荷電力ＰＬの低下は小さい。したがって、コンデンサ１３の端子電圧Ｖｃが熱電発電器１１の発生電圧Ｖｓの１／２をずれても、デューティ比ＤがＤ＝ＲＬ／Ｒｘ＝ＲＬ／Ｒｓの近辺であれば熱電発電器１１から最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出すことができる。
図４の例では、最大負荷電力ＰＬｍａｘは、ＲｘがＲｓに等しくなるとき、すなわち、Ｄ＝ＲＬ／Ｒｘ＝０．２のときであり、負荷電力ＰＬが最大値２．５Ｗとなる。一方、スイッチＳが連続ＯＮであるＤ＝１のときは負荷電力ＰＬ＝１．３９Ｗである。 FIG. 4 shows the relationship between the load power PL and the duty ratio D. The load power PL increases rapidly when the duty ratio D is increased from 0, and gradually increases after reaching a maximum at a certain duty ratio RL / Rs. The maximum load power PLmax is when the converted load resistance Rx becomes equal to the series resistance Rs of the thermoelectric generator 11, that is, when the duty ratio D is D = RL / Rx = RL / Rs.
The duty ratio D from which the maximum load power PLmax can be extracted is D = RL / Rx = RL / Rs. The duty ratio D becomes D = RL / Rx = RL / Rs because the terminal voltage Vc of the capacitor 13 is a thermoelectric Although it is when it becomes 1/2 of the generated voltage Vs of the generator 11, the decrease in the load power PL is small in the vicinity of 1/2. Therefore, even if the terminal voltage Vc of the capacitor 13 deviates by half of the generated voltage Vs of the thermoelectric generator 11, if the duty ratio D is in the vicinity of D = RL / Rx = RL / Rs, the maximum from the thermoelectric generator 11 The load power PLmax can be taken out.
In the example of FIG. 4, the maximum load power PLmax is when Rx is equal to Rs, that is, when D = RL / Rx = 0.2, and the load power PL has a maximum value of 2.5W. On the other hand, when the switch S is continuously ON and D = 1, the load power PL = 1.39 W.

つぎに、デューティ比の制御方法について説明する。
パルス発生器１６はパルス幅Ｔ₁、パルス周期Ｔのパルスを発生する。パルス発生器１６が発生したパルスは制御回路１５に供給され、スイッチ１２の接続を切り換え制御する。そこで、パルス幅Ｔ₁を、負荷１４を接続する時間Ｔｏｎとなるように、パルス周期Ｔを、負荷１４を接続する時間Ｔｏｎと切り離す時間Ｔｏｆｆの和（＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）となるように設定すると、制御回路１５は、パルス発生器１６が発生したパルス幅Ｔ₁のパルスによりスイッチ１２の接続を切り換えて、コンデンサ１３の放電サイクルを設定する。パルス幅Ｔ₁の時間は負荷１４をコンデンサ１３に接続してコンデンサ１３を放電状態とし、Ｔ−Ｔ₁の時間はスイッチ１２を開放して負荷１４をコンデンサ１３から切り離し、コンデンサ１３を熱電発電器１１に接続して充電状態に制御する。したがって、デューティ比ＤはＴ₁／Ｔで表される。パルス幅Ｔ₁を変化させたとき、すなわち、デューティ比Ｄを変化させたときは、負荷１４の負荷抵抗ＲＬが等価的に高い抵抗値Ｒｘに変換されるので、熱電発電器１１の内部抵抗Ｒｓと等しくすることができる。 Next, a method for controlling the duty ratio will be described.
The pulse generator 16 generates a pulse having a pulse width T ₁ and a pulse period T. The pulse generated by the pulse generator 16 is supplied to the control circuit 15 to switch and control the connection of the switch 12. Therefore, when the pulse width T ₁ is set to be the time Ton for connecting the load 14 and the pulse period T is set to be the sum of the time Toff for disconnecting from the time Ton for connecting the load 14 (= Ton + Toff), the control is performed. The circuit 15 switches the connection of the switch 12 by the pulse having the pulse width T ₁ generated by the pulse generator 16 and sets the discharge cycle of the capacitor 13. During the time of the pulse width T ₁ , the load 14 is connected to the capacitor 13 so that the capacitor 13 is discharged, and during the time T−T ₁ , the switch 12 is opened to disconnect the load 14 from the capacitor 13. 11 to control the charging state. Therefore, the duty ratio D is represented by T ₁ / T. When the pulse width T ₁ is changed, that is, when the duty ratio D is changed, the load resistance RL of the load 14 is equivalently converted to a high resistance value Rx, so that the internal resistance Rs of the thermoelectric generator 11 is changed. Can be equal.

本発明によれば、負荷１４がコンデンサ１３へ間欠的に接続されるので、負荷１４を連続運転することはできないが、間欠的に熱電発電器１１から最大電力を供給することができるので、フラッシュライトやパルスモータなど間欠駆動する各種の機器への電力供給装置として利用できる。 According to the present invention, since the load 14 is intermittently connected to the capacitor 13, the load 14 cannot be continuously operated, but the maximum power can be intermittently supplied from the thermoelectric generator 11. It can be used as a power supply device for various devices such as lights and pulse motors that are intermittently driven.

本発明の電力供給装置は、電子時計などの小型の携帯電子機器を駆動するための電源、フラッシュライトの電源、あるいは、パルスモータを使用する各種のモータ制御装置などに直流電力を供給するための電源装置などに適用して好適である。 The power supply device of the present invention is for supplying DC power to a power source for driving a small portable electronic device such as an electronic watch, a power source for a flashlight, or various motor control devices using a pulse motor. It is suitable for application to a power supply device.

本発明の実施例にかかる電力供給装置の全体構成を示す概念的ブロック図The conceptual block diagram which shows the whole structure of the electric power supply apparatus concerning the Example of this invention 本発明の実施例にかかる電力供給装置の負荷抵抗およびコンデンサの積分、平滑作用を説明する回路図The circuit diagram explaining the integration of the load resistance and capacitor | condenser of a power supply device concerning the Example of this invention, and a smoothing effect 本発明の実施例にかかる電力供給装置の要部の等価回路図The equivalent circuit schematic of the principal part of the electric power supply apparatus concerning the Example of this invention 図３の等価回路における負荷電力とデューティ比の関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between load power and duty ratio in the equivalent circuit of FIG. 内部抵抗の大きい電圧源から最大負荷電力を取り出す条件を説明する回路図Circuit diagram explaining conditions for extracting maximum load power from voltage source with large internal resistance 図５の回路における負荷電力および負荷電圧と負荷抵抗との関係を示す特性図FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between load power and load voltage and load resistance in the circuit of FIG.

Explanation of symbols

１１熱電発電器
１２スイッチ
１３コンデンサ
１４負荷
１５制御回路
１６パルス発生器
１７電圧計測回路
11 Thermoelectric Generator 12 Switch 13 Capacitor 14 Load 15 Control Circuit 16 Pulse Generator 17 Voltage Measurement Circuit

Claims

A power supply device for supplying power to a load from a thermoelectric generator using a thermoelectric element, wherein the thermoelectric generator, a capacitor charged by power generated by the thermoelectric generator, and discharge power of the capacitor are An electric power supply apparatus comprising: a load means to be supplied; and a control means for controlling a discharge cycle of the capacitor.

The control means includes a switch for switching charging and discharging of the capacitor, a voltage measuring circuit for measuring a terminal voltage of the capacitor, and a control circuit for generating a control signal for controlling switching of the switch, The power supply device according to claim 1, wherein the control signal controls switching of the switch so that a terminal voltage of the capacitor is ½ of a generated voltage of the thermoelectric generator.

The power supply device according to claim 2, wherein the control signal is a pulse signal, and the switching of the switch is controlled according to a pulse width of the pulse signal.

The control means includes a switch for switching charging and discharging of the capacitor and a control circuit for generating a pulse signal for controlling switching of the switch, and the load resistance of the load means is set according to the pulse width of the pulse signal. The power supply device according to claim 1, wherein the power supply device is equivalently converted into a high resistance value to be equal to an internal resistance of the thermoelectric generator.

A power supply device for supplying power to a load from a thermoelectric generator using a thermoelectric element, the thermoelectric generator, a capacitor connected in parallel to the thermoelectric generator, and connected in parallel to the capacitor A power supply apparatus comprising: a load means; and a switch means for intermittently connecting the thermoelectric generator to the load means.

6. The power supply according to claim 5, wherein the switch means intermittently connects the thermoelectric generator to the load means so that a load resistance of the load means and an internal resistance of the thermoelectric generator are equal. apparatus.