JP2011250608A - 太陽電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の出力を、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく二次電池に供給して二次電池を効率よく充電し、また、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく二次電池から負荷に電力を供給して負荷を安定に動作させる。
【解決手段】太陽電池システムは、二次電池１と、この二次電池１を充電する太陽電池２と、この太陽電池２と二次電池１から電力が供給される負荷３と、この負荷３に商用電源９から電力を供給する電源回路４とを備え、太陽電池２の出力電圧を、安定化することなく二次電池１に供給している。太陽電池システムは、二次電池１の残容量を検出する制御回路６と、太陽電池２から二次電池１への電力供給を制御する太陽電池充電スイッチ１２とを備え、制御回路６が、二次電池１の残容量で太陽電池充電スイッチ１２をオンオフに切り換え、二次電池１を負荷３に接続する状態で二次電池１を充放電しながら二次電池１から負荷３に電力を供給している。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池で二次電池を充電し、太陽電池と二次電池から負荷の照明などに電力を供給する太陽電池システムに関し、とくに、太陽電池の電力を二次電池に蓄えて、野菜工場の照明などの負荷に供給するのに最適な太陽電池システムに関する。

太陽電池の出力を二次電池に蓄える太陽電池システムは開発されている。（特許文献１参照）
この太陽電池システムは、太陽電池と二次電池との間にＤＣ／ＤＣコンバータを接続している。ＤＣ／ＤＣコンバータは、太陽電池の出力電圧を一定の電圧に制御して出力する。このように、太陽電池の出力をＤＣ／ＤＣコンバータからなる安定化回路で一定の電圧に安定化して出力するシステムは、二次電池を一定の電圧で充電できる。

特開２００７−２８２２９６号公報

しかしながら、太陽電池の出力をＤＣ／ＤＣコンバータからなる安定化回路で安定化して二次電池を充電するシステムは、回路構成が複雑になって部品コストが高くなるばかりでなく、ＤＣ／ＤＣコンバータからなる安定化回路の電力損失によって、太陽電池の出力で効率よく二次電池を充電できなくなる欠点がある。とくに、太陽電池の出力が大きい装置にあっては、ＤＣ／ＤＣコンバータからなる安定化回路のコストが極めて高く、また電力損失も大きくなる弊害が発生する。また、太陽電池の出力電圧を安定化するＤＣ／ＤＣコンバータは、ＦＥＴなどのスイッチング素子に、高い電圧に耐える高耐圧のスイッチング素子を使用する必要があって部品コストも高くなる。二次電池の充電が進行して充電電流が小さくなるにしたがって、太陽電池の出力電圧が上昇するからである。

以上の欠点は、太陽電池の出力を安定化することなく、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータからなる安定化回路を使用することなく、太陽電池の出力を直接に二次電池に供給して解消できる。このシステムは、太陽電池をダイオードを介して二次電池に接続することで実現できる。太陽電池で二次電池を充電するシステムは、二次電池が満充電された状態で二次電池の充電を停止する必要がある。二次電池が過充電によって著しく劣化し、また安全に使用できなくなるからである。したがって、たとえば昼間に太陽電池で二次電池を充電して、二次電池が満充電されると、太陽電池を二次電池から切り離して二次電池の充電を停止する必要がある。

ところが、二次電池から切り離された太陽電池は、負荷電流が減少して出力電圧が相当に高くなる。このため、二次電池から切り離された太陽電池の出力を直接に負荷に供給する回路構成とすると、高くなった電圧が負荷に入力される状態となる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータからなる安定化回路を接続しない太陽電池システムは、負荷への供給電圧を一定範囲にコントロールできず、負荷を安定して動作できなくなる欠点がある。

本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、太陽電池の出力を、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく二次電池に供給して二次電池を効率よく充電し、また、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく二次電池から負荷に電力を供給して負荷を安定に動作できる太陽電池システムを提供することにある。

さらに、太陽電池システムは、負荷への供給電圧を一定範囲にコントロールするために、負荷の供給側にＤＣ／ＤＣコンバータを接続することができる。この太陽電池システムは、変動する二次電池の出力や、太陽電池の出力を一定の電圧範囲に安定化して負荷に供給できるので、負荷を安定して動作できる。

ただ、このＤＣ／ＤＣコンバータには、二次電池の充電が停止されて負荷電流が減少した状態で、太陽電池から相当に高くなった電圧が入力される。太陽電池から出力される高電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子に加えられる。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータには、負荷電流の減少した太陽電池の出力電圧に耐える耐圧、すなわち高耐圧のＦＥＴやトランジスタ等の高価なスイッチング素子を使用する必要があって、部品コストが高くなる。また、高耐圧のスイッチング素子はオン抵抗が大きく、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力効率を低下させる原因となる。このため、負荷に効率よく電力を供給できなくなる欠点がある。

本発明は、さらに以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の他の重要な目的は、負荷に接続しているＤＣ／ＤＣコンバータに高耐圧のスイッチング素子を使用することなく、部品コストを安価にして電力効率に優れたＤＣ／ＤＣコンバータを使用して、負荷には効率よく電力を供給し、さらに、太陽電池からはＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく二次電池を効率よく充電し、また二次電池から負荷に一定の電圧範囲に制御してなる電力を供給して負荷を安定に動作できる太陽電池システムを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の太陽電池システムは、二次電池１と、この二次電池１を安定化回路を介することなく充電する太陽電池２と、この太陽電池２と二次電池１から電力が供給される負荷３、３０と、この負荷３、３０に商用電源９から電力を供給する電源回路４とを備えている。太陽電池システムは、太陽電池２の出力電圧を、定電圧に安定化することなく二次電池１に供給している。さらに、太陽電池システムは、二次電池１の残容量を検出する制御回路６と、この制御回路６に制御されて、太陽電池２から二次電池１への電力供給を制御する太陽電池充電スイッチ１２とを備えている。制御回路６は、二次電池１を充電する最大容量と、この最大容量よりも小さい容量に設定している設定容量とを記憶している。制御回路６は、太陽電池２で充電される二次電池１が最大容量に充電される状態を検出して太陽電池充電スイッチ１２をＯＦＦに切り換えて、太陽電池２による二次電池１の充電を停止し、負荷３、３０に放電される二次電池１の残容量の設定容量を検出して、太陽電池充電スイッチ１２をＯＮに切り換えて、太陽電池２で二次電池１を充電する状態に切り換えている。太陽電池システムは、制御回路６が、二次電池１の残容量で太陽電池充電スイッチ１２をオンオフに切り換え、二次電池１を負荷３、３０に接続する状態で二次電池１を充放電しながら二次電池１から負荷３、３０に電力を供給している。

以上の太陽電池システムは、太陽電池の出力を、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく二次電池に供給して二次電池を効率よく充電しながら、二次電池から負荷にＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく電力を供給して、負荷を安定に動作できる特徴がある。それは、以上の太陽電池システムが、太陽電池の出力電圧を定電圧に安定化することなく二次電池に供給して二次電池を充電すると共に、太陽電池で充電される二次電池が最大容量に充電される状態では、太陽電池から二次電池への電力供給を制御する太陽電池充電スイッチをＯＦＦに切り換えて太陽電池による二次電池の充電を停止し、さらに、二次電池の残容量が設定容量まで放電されると太陽電池充電スイッチをＯＮに切り換えて太陽電池で二次電池を充電しているからである。この太陽電池システムは、太陽電池からＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく二次電池を充電するので、太陽電池で二次電池を効率よく充電できる。また、この太陽電池システムは、二次電池の残容量が最大容量となると、太陽電池充電スイッチをＯＦＦにして太陽電池の出力を遮断し、太陽電池から負荷に電力を供給することなく、二次電池から負荷に電力を供給するので、高電圧となった電力が太陽電池から負荷に供給されることがなく、負荷に高耐圧の素子を使用することなく、負荷を安定して動作できる。このように、二次電池の残容量で太陽電池充電スイッチをオンオフに切り換え、二次電池を負荷に接続する状態で二次電池を充放電しながら二次電池から負荷に電力を供給するので、二次電池から負荷に供給する電力を一定の電圧範囲に制御して、負荷を安定して動作できる。

本発明の太陽電池システムは、二次電池１の電圧を安定化して負荷３、３０に供給する安定化回路５を備えて、二次電池１の出力を安定化回路５で安定化して負荷３、３０に供給することができる。
以上の太陽電池システムは、二次電池から負荷への供給電圧を安定化回路で一定範囲にコントロールできるので、変動する二次電池の出力を安定化して負荷に供給し、負荷を安定して動作できる。とくに、この太陽電池システムは、負荷に接続している安定化回路（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ）に高耐圧のスイッチング素子を使用する必要がない。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子には、耐圧の低いＦＥＴやトランジスタ等の安価な部品を使用できる。また、高耐圧でないスイッチング素子は、オン抵抗を小さくしてＤＣ／ＤＣコンバータの優れた電力効率を実現して、負荷に効率よく電力を供給することができる。また、太陽電池からはＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく二次電池を充電するので、太陽電池で二次電池を効率よく充電できる。さらにまた、二次電池の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで一定の電圧に安定化して負荷に供給するので、電圧変化する二次電池で負荷を安定に動作できる特徴も実現する。

本発明の太陽電池システムは、電源回路４を、電源ダイオード２４を介して負荷３、３０に接続することができる。
以上の太陽電池システムは、二次電池の電圧が低下する状態となっても、スイッチなどで切り換えることなく、負荷に連続して電力を供給できる。このため、二次電池の電圧が低下しても瞬停などの弊害がおこらず、常に安定して負荷に電力を供給できる。

本発明の太陽電池システムは、太陽電池２を、充電ダイオード２２を介して二次電池１に接続し、かつ、二次電池１を、負荷ダイオード２３を介して負荷３、３０に接続し、さらに、電源回路４の電源ダイオード２４を、負荷ダイオード２３と負荷３、３０との間に接続することができる。
以上の太陽電池システムは、電源回路で二次電池を充電することなく、太陽電池で充電された二次電池と、電源回路から負荷に安定して電力を供給できる。

本発明の太陽電池システムは、太陽電池充電スイッチ１２を、太陽電池２のマイナス側の出力、又はプラス側の出力に接続することができる。

本発明の太陽電池システムは、電源回路４が負荷３、３０に電力を供給するのを制御する電源スイッチ１４を備え、この電源スイッチ１４を制御回路６で制御することができる。
以上の太陽電池システムは、電源回路から負荷への電力供給を電源スイッチで制御して、二次電池の放電状態をコントロールできる。このため、二次電池の放電を停止する残容量を最適値にコントロールして、二次電池を保護しながら放電して、二次電池の劣化を防止して寿命を長くできる。

本発明の太陽電池システムは、二次電池１から負荷３、３０への放電を制御する放電スイッチ１３を備えることができる。
以上の太陽電池システムは、二次電池から負荷への電力供給を放電スイッチで制御して、二次電池を放電する状態をコントロールできる。このため、二次電池の放電を停止する残容量を最適値にコントロールして二次電池を保護しながら放電して、二次電池１の劣化を防止して寿命を長くできる。

本発明の太陽電池システムは、二次電池１をリチウムイオン電池とすることができる。 以上の太陽電池システムは、二次電池を、残容量に対する電圧変化の大きいリチウムイオン電池とするので、ダイオードでもって、負荷への電力供給を安定して切り換えできる。それは、二次電池の電圧が低下すると、ダイオードを介して二次電池や電源回路から負荷に自動的に電力を供給できるように切り換えできるからである。

本発明の一実施例にかかる太陽電池システムのブロック図である。 太陽電池で充電される二次電池の残容量の変化を示す図である。 本発明の他の実施例にかかる太陽電池システムのブロック図である。 本発明の他の実施例にかかる太陽電池システムのブロック図である。 本発明の他の実施例にかかる太陽電池システムのブロック図である。 本発明の他の実施例にかかる太陽電池システムのブロック図である。 本発明の他の実施例にかかる太陽電池システムのブロック図である。 本発明の他の実施例にかかる太陽電池システムのブロック図である。 本発明の一実施例にかかる太陽電池システムが負荷に電力を供給するフローチャートである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための太陽電池システムを例示するものであって、本発明は太陽電池システムを以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

以下、太陽電池システムを、閉鎖された室内で野菜を栽培する野菜工場の照明に使用される具体例について詳述する。ただし、本発明の太陽電池システムは、用途を野菜工場の照明に特定するものでは決してなく、たとえば無停電電源装置や、昼間に太陽電池で二次電池１を充電して夜間に電力を供給し、あるいは昼間のピーク電力時に太陽電池で充電している二次電池１の出力を利用する装置などに使用することができる。

図１に示す太陽電池システムは、二次電池１と、この二次電池１を安定化回路を介することなく充電する太陽電池２と、この太陽電池２と二次電池１から電力が供給される負荷３と、この負荷３に商用電源９から電力を供給する電源回路４とを備える。以上の太陽電池システムは、太陽電池２の出力電圧を安定化回路で安定化することなく二次電池１に供給して、太陽電池２で二次電池１を効率よく充電する。

さらに、図１の太陽電池システムは、太陽電池２で充電される二次電池１の残容量を検出する制御回路６と、この制御回路６に制御されて、太陽電池２から二次電池１への電力供給を制御する太陽電池充電スイッチ１２を備える。さらに、制御回路６でオンオフに制御されて、二次電池１から負荷３への放電、すなわち二次電池１から負荷３への電力供給を制御する放電スイッチ１３も備えている。

太陽電池充電スイッチ１２は、直列に充電ダイオード２２を接続しており、これらの直列回路を介して、太陽電池２を二次電池１に接続している。太陽電池充電スイッチ１２は、制御回路６で検出される二次電池１の残容量よってオンオフに切り換えられて、二次電池１の充電状態を制御している。

放電スイッチ１３は、直列に負荷ダイオード２３を接続しており、これらの直列回路を介して、二次電池１を負荷３に接続している。さらに、電源回路４は、電源ダイオード２４を介して負荷３に接続している。負荷３は、負荷ダイオード２３を介して二次電池１から電力が供給され、また、電源ダイオード２４を介して電源回路４から電力が供給される。負荷３は、二次電池１の残容量が外部電力供給容量よりも大きい状態にあっては、二次電池１から電力供給され、二次電池１の残容量が外部電力供給容量よりも小さくなると、電源回路４から電力供給される。二次電池１から電力が供給される状態で、放電スイッチ１３はＯＮ、二次電池１からの電力供給を停止する状態で、放電スイッチ１３はＯＦＦに切り換えられる。

二次電池１は、複数の電池セル１０を直列に接続して出力電圧を高くしている。電池セル１０はリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、残容量に対する電圧変動が大きく、電圧から残容量を正確に検出できる。ただし、二次電池は、充電できる全ての電池とすることができる。たとえば、二次電池には、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの充電できる全ての電池とすることができる。複数の電池セル１０を直列に接続している二次電池１の定格電圧は４８Ｖ（１３直列、３．７Ｖ／ｃｅｌｌ×１３＝４８．１Ｖ）である。ただし、本発明の太陽電池システムは、二次電池の電圧を特定するものではなく、二次電池の電圧は例えば５Ｖ〜１００Ｖとすることができる。

図２は、太陽電池２に充電される二次電池１の残容量が時間と共に変化する状態を曲線Ａで示している。さらに、この図は、曲線Ｂで太陽電池２の出力が変化する状態を示し、さらに曲線Ｃで負荷３が電力を消費する状態を示している。この図は、野菜工場で使用される照明を負荷３として、負荷３の消費電力を約７００Ｗ、太陽電池２の定格出力を２ｋＷ、二次電池１の最大容量を３．１ｋＷｈとし、晴天時における太陽電池２の出力を示している。

制御回路６は、図２で示すように、二次電池１の残容量をコントロールするために、二次電池１を充電する最大容量と、この最大容量よりも小さい容量に設定している設定容量と、電源回路４から負荷３への電力供給を開始する外部電力供給容量と、電源回路４から負荷３への電力供給を停止する外部電力停止容量と、二次電池１の放電を停止する最低容量と、二次電池１の放電を再開する放電開始容量とを記憶している。最大容量は、二次電池１を満充電した状態、すなわち残容量を１００％とする状態に設定され、設定容量は、残容量を９５％とする状態に設定される。ただし、最大容量は、必ずしも残容量を１００％とする状態に設定せず、たとえば９０％〜１００％に設定することができる。また、設定容量は最大容量よりも、たとえば、２％〜５０％、望ましくは、３％〜１０％小さく設定することができる。設定容量を小さく設定すると、太陽電池充電スイッチ１２をＯＮ状態として一度に放電する容量が大きくなる。ただ、設定容量を小さくすると、太陽電池２の出力が低下して太陽電池２で二次電池１を充電できなくなってから、二次電池１で負荷３に電力を供給できる時間が短くなる。反対に設定容量を大きくすると、一度に放電する容量が小さくなって、頻繁に太陽電池充電スイッチ１２をオンオフに切り換える必要がある。そして、設定容量は、外部電力供給容量、外部電力停止容量、放電開始容量、最低容量よりも大きく設定する。外部電力供給容量は、二次電池１が放電されて残容量が低下した状態であって、たとえば、残容量を２０％とする状態に設定される。ただし、外部電力供給容量は、１０％〜５０％に設定することができる。また、外部電力停止容量は、残容量を４０％とする状態に設定される。ただし、外部電力停止容量は、２０％〜６０％に設定することができる。さらに、最低容量は、二次電池１を完全放電した状態、すなわち残容量を０％とする状態に設定される。ただし、最低容量は、必ずしも残容量を０％に設定せず、たとえば０％〜１０％に設定することもできる。さらにまた、放電開始容量は、最低容量よりも大きく、たとえば、３０％に設定することができる。ただし、放電開始容量は、１０％〜５０％に設定することができる。

さらに、制御回路６は、二次電池１の残容量を検出する残容量検出回路１６を備えている。残容量検出回路１６は、二次電池１の電圧で残容量を検出し、あるいは二次電池１の充放電電流の積算値から残容量を検出し、あるいはまた、二次電池１の充放電電流の積算値で検出される残容量を電圧で検出される残容量で補正して、残容量を検出する。二次電池１の電圧から残容量を検出する残容量検出回路１６は、電圧に対する残容量を関数として記憶し、あるいはルックアップテーブルとして記憶しており、検出される電圧を関数やルックアップテーブルに比較して残容量を演算する。充放電の電流を積算して残容量を検出する残容量検出回路１６は、充電電流の積算値を残容量に加算し、放電電流の積算値を残容量から減算して残容量を演算する。

以上の制御回路６は、二次電池１の充電状態を残容量で検出している。ただ、制御回路は、二次電池の充電状態を、電池電圧で検出することもできる。電池電圧から二次電池の充電状態を検出する方法は、回路構成を簡単にできる特徴がある。とくに、電池セルをリチウムイオン電池とする二次電池は、電池電圧から残容量を正確に特定できるので、検出する電池電圧でもって二次電池の充電状態を検出できる特徴がある。

制御回路６は、二次電池１の残容量で太陽電池充電スイッチ１２をオンオフに制御する。太陽電池充電スイッチ１２は、ＯＮ状態に制御されて太陽電池２で二次電池１を充電し、ＯＦＦ状態に切り換えられて、太陽電池２での二次電池１の充電を停止する。制御回路６は、太陽電池充電スイッチ１２をＯＮとする状態で、太陽電池２で充電される二次電池１の残容量を検出し、検出する残容量が最大容量になると、太陽電池充電スイッチ１２をＯＮからＯＦＦに切り換えて、太陽電池２による二次電池１の充電を停止する。太陽電池２で充電されなくなった二次電池１は、負荷３に電力を供給して残容量が低下する。二次電池１の残容量が設定容量よりも低くなると、制御回路６は太陽電池充電スイッチ１２をＯＦＦからＯＮに切り換えて、ふたたび二次電池１を充電する状態とする。

太陽電池２の発電電力が負荷３の消費電力より大きい発電状態において、すなわち、太陽電池２の出力が負荷３に電力を供給しながら二次電池１を充電する状態においては、図２の曲線Ａで示すように、太陽電池充電スイッチ１２はオンオフに切り換えられ、二次電池１は、残容量を最大容量と設定容量の間で上下させながら充放電される。二次電池１の残容量は、最大容量になると太陽電池充電スイッチ１２がＯＦＦに切り換えられて次第に減少し、設定容量まで放電されると太陽電池充電スイッチ１２がＯＮに切り換えられて次第に増加する。

電源回路４は、出力電圧を一定の電圧に制御する定電圧特性の安定化回路を内蔵するスイッチング電源である。スイッチング電源は、入力される交流を直流に変換し、この直流をＤＣ／ＤＣコンバータで一定の電圧に変換して出力する。定電圧特性の安定化回路を内蔵する電源回路４は、出力電圧を、二次電池１の定格電圧の４８Ｖに設定している。安定化回路を内蔵する電源回路４は、二次電池１に代わって負荷３に一定の電圧を出力することができる。ただし、電源回路は、必ずしも安定化回路を内蔵する必要はない。

電源回路４は、負荷３への電力供給を制御する電源スイッチ１４を備えている。電源スイッチ１４は、スイッチング電源の入力側、すなわち商用電源９を入力する入力側に設けている。入力側に設けている電源スイッチ１４は、ＯＮ状態でスイッチング電源を動作状態として負荷３に電力を供給する。電源スイッチ１４がＯＦＦ状態になると、スイッチング電源が動作しなくなって、電源回路４は負荷３に電力を供給しなくなる。この回路構成によると、電源スイッチ１４のオフ状態でのスイッチング電源の電力消費を０にできる。ただし、電源スイッチ１４は、スイッチング電源の出力側に設けることもできる。

制御回路６は、二次電池１の残容量で電源スイッチ１４をオンオフに制御する。電源スイッチ１４は、ＯＮ状態に制御されて、電源回路４から負荷３に電力を供給し、ＯＦＦに切り換えられて、電源回路４からの電力供給を停止する。制御回路６は、二次電池１から負荷３に電力を供給する状態で、二次電池１の残容量を検出し、検出する残容量が外部供給容量まで低下すると、電源スイッチ１４をＯＮに切り換えて、電源回路４から負荷３に電力を供給する。電源回路４から負荷３に電力を供給する状態で、二次電池１は、太陽電池２で充電されて残容量が増加する。二次電池１の残容量が外部電力停止容量よりも高くなると、制御回路６は電源スイッチ１４をＯＮからＯＦＦに切り換えて、電源回路４から負荷３への電力供給を停止する。

さらに、制御回路６は、二次電池１の残容量が最低容量まで低下すると、放電スイッチ１３をＯＦＦに切り換えて、二次電池１からの放電を停止する。放電スイッチをＯＦＦとする状態において、負荷３は、電源回路４から電力が供給される。放電が停止される二次電池１は、太陽電池２で充電されて残容量が増加する。二次電池１が放電再開容量まで充電されると、制御回路６は放電スイッチ１４をＯＦＦからＯＮに切り換えて、二次電池１からの放電を再開する。

以上の太陽電池システムは、二次電池１の残容量が最大容量になると太陽電池充電スイッチ１２をＯＦＦに切り換えて太陽電池２を二次電池１から切り離して、二次電池１から負荷３に電力を供給する。すなわち、二次電池１の残容量が最大容量となって太陽電池２からの充電を停止する状態では、太陽電池２の出力を太陽電池充電スイッチ１２で遮断して、太陽電池２から負荷３に電力を供給することなく、二次電池２から負荷３に電力を供給する。このため、負荷電流が減少して高電圧となった太陽電池２の出力は負荷３に供給されず、負荷３に高耐圧のＦＥＴやトランジスタ等の高価なスイッチング素子を使用することなく安定して動作できる。さらに、この太陽電池システムは、二次電池１の残容量が設定容量まで低下すると、太陽電池充電スイッチ１２をＯＮに切り換えて太陽電池２から負荷３に電力を供給し、また、太陽電池２の発電電力が負荷３の消費電力よりも小さい発電状態においては、二次電池１から負荷３に電力を供給し、二次電池１の残容量が外部電力供給容量まで低下すると、電源スイッチ１４をＯＮに切り換えて電源回路４から負荷３に電力を供給する。負荷３は、定格の入力電圧が約４８Ｖであり、負荷３の特性により、負荷３に供給される電圧が定格の入力電圧の値より多少大きく、あるいは多少小さくても（例えば、約４０Ｖ〜約６０Ｖ）、動作することができる。したがって、この太陽電池システムは、電源スイッチ１４をＯＮに切り換える外部電力供給容量を、二次電池１からの供給電圧で負荷３を安定して動作できる最低の容量よりも大きく設定することで、負荷３の入力側にＤＣ／ＤＣコンバータ等の安定化回路を接続することなく、二次電池１の出力で負荷３を安定して動作できる。

図１の太陽電池システムは、二次電池１の出力を安定化することなく負荷３に供給するが、本発明の太陽電池システムは、図３ないし図８に示すように、二次電池１の出力を安定化回路５で安定化して負荷３に供給することもできる。この太陽電池システムは、二次電池１から負荷３への供給電圧を安定化回路５で一定範囲にコントロールできるので、変動する二次電池１の出力を安定化して負荷３に供給し、負荷３を安定して動作できる。
なお、図３ないし図８に示す太陽電池システムおいて、前述の図１に示す太陽電池システムと同じ構成要素については、同符号を付して、その詳細な説明は省略する。

安定化回路５は、残容量によって変動する二次電池１の電圧を一定の電圧に安定化して負荷３に供給するＤＣ／ＤＣコンバータである。図３の太陽電池システムは、放電スイッチ１３と、安定化回路５と、負荷ダイオード２３との直列回路を介して、二次電池１を負荷３に接続している。この直列回路は、好ましくは、安定化回路５の入力側に放電スイッチ１３を接続する。放電スイッチ１３のＯＦＦ状態で、安定化回路５を動作しない状態として、二次電池１の無駄な電力消費を０にするためである。負荷ダイオード２３は、放電スイッチ１３と安定化回路５との間に接続することも、放電スイッチ１３と二次電池１との間に接続することもできる。

図３の太陽電池システムは、安定化回路５の出力側に電源回路４の出力側を接続している。ここに安定化回路５を接続する太陽電池システムは、安定化回路５の動作状態を切り換えて、二次電池１から負荷３への電力供給を制御できる。したがって、ここにＤＣ／ＤＣコンバータからなる安定化回路５を接続する太陽電池システムは、ＤＣ／ＤＣコンバータを放電スイッチに併用できる。ＤＣ／ＤＣコンバータを放電スイッチに併用する太陽電池システムは、制御回路でＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を制御して、二次電池から負荷への電力供給を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子をＯＦＦ状態に保持することでＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態として、二次電池から負荷への電力供給を停止でき、スイッチング素子を所定の周期でオンオフに切り換えて、二次電池から負荷に電力を供給できるからである。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの１次側と直列にスイッチング素子を接続している。このスイッチング素子を一定の周期でオンオフに切り換えて、トランスの２次側に交流を出力する。トランスの２次側に出力される交流は、整流回路で整流されて直流に変換して出力される。この回路構成のＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング素子をＯＮに切り換えるデューティーを制御して、出力電圧を一定の電圧に安定化して出力する。スイッチング素子がＯＦＦ状態に保持されると、トランスの１次側に電力が入力されず、トランスの２次側には交流が出力されなくなって出力は０Ｖとなる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータが非動作状態となって、二次電池の電力は負荷に供給されなくなる。スイッチング素子が一定の周期でオンオフに切り換えられると、トランスの２次側に出力される交流が直流に変換されて一定の電圧に制御して出力される。

図３の太陽電池システムは、安定化回路５の出力側に電源回路４の出力側を接続しているが、太陽電池システムは、図４に示すように、二次電池１と電源回路４の出力側との接続点１８よりも負荷３側に安定化回路５を接続することもできる。負荷３側に安定化回路５を接続する太陽電池システムは、安定化回路５でもって二次電池１の出力電圧と、電源回路４の出力電圧の両方を安定化して負荷３に供給できる。さらに、太陽電池システムは、図５に示すように、安定化回路５を負荷３０の内部に内蔵することもできる。

図１、及び図３ないし図５に示す太陽電池システムは、電源回路４で二次電池１を充電しない。図６に示す太陽電池システムは、電源回路４で二次電池１を充電する。この太陽電池システムは、電源回路４の出力側を電源ダイオード２４を介して二次電池１に接続している。二次電池１を充電する電源回路４は、定電圧・定電流回路を内蔵するスイッチング電源である。スイッチング電源は、二次電池１を充電する電圧に出力電圧を安定化する定電圧特性と、出力電流を一定の電流に制限する定電流特性とを有する。スイッチング素子の出力電圧は二次電池１の定格電圧の４８Ｖに、出力電流は、二次電池１を充電できる最大電流に設定している。この太陽電池システムは、深夜電力で充電する。深夜電力で二次電池１を充電する太陽電池システムは、安価な深夜電力を有効に利用しながら二次電池１を充電できる。このように、電源回路４で二次電池１を充電する太陽電池システムは、好ましくは、翌日の天候や日照状態の予想に基づいて二次電池１を充電する。たとえば、翌日の天候が良好と予想され、太陽電池２による発電が十分に見込まれる場合には、電源回路４で二次電池１を充電することなく、太陽光による発電電力を有効に利用する。反対に、翌日が悪天候と予想され、太陽電池２による発電が十分に見込まれない場合には、深夜電力を利用して電源回路４で二次電池１を充電することにより電気代を節約する。

さらに、電源回路４で二次電池１を充電できる太陽電池システムは、残容量が最低容量以下に低下した二次電池１を、電源回路４からの電力で強制的に充電することもできる。残容量が最低容量まで低下した二次電池１は過放電状態にあるため、この状態に長時間保持されるのは好ましくない。したがって、この太陽電池システムは、過放電状態にある二次電池１を電源回路４で強制的に充電することによって、二次電池の劣化を有効に防止できる。

さらに、図７に示す太陽電池システムは、図３に示す太陽電池システムにおける太陽電池充電スイッチ１２、放電スイッチ１３、及び電源スイッチ１４を、各々マイナス側の出力に接続する例を示している。すなわち、図７の太陽電池システムは、太陽電池充電スイッチ１２を太陽電池２のマイナス側の出力に接続すると共に、放電スイッチ１３を、二次電池１のマイナス側の出力と負荷３との間に接続し、さらに、電源スイッチ１４を電源回路４のマイナス側の出力に接続している。図７の太陽電池システムは、太陽電池２のプラス側の出力を充電ダイオード２２を介して二次電池１のプラス側の出力に接続すると共に、二次電池１のプラス側の出力を安定化回路５と負荷ダイオード２３の直列回路を介して負荷３に接続し、さらに、電源回路４のプラス側の出力を電源ダイオード２４を介して負荷３に接続している。この太陽電池システムは、制御回路６で太陽電池充電スイッチ１２と放電スイッチ１３と電源スイッチ１４とをオンオフに制御して、二次電池１の充電状態と、負荷３へ通電状態を制御する。

さらに、図８に示す太陽電池システムは、図６に示す太陽電池システムにおける太陽電池充電スイッチ１２、放電スイッチ１３、及び電源スイッチ１４を、各々マイナス側の出力に接続する例を示している。すなわち、図８の太陽電池システムは、太陽電池充電スイッチ１２を太陽電池２のマイナス側の出力に接続すると共に、放電スイッチ１３を、二次電池１のマイナス側の出力と負荷３との間に接続し、さらに、電源スイッチ１４を電源回路４のマイナス側の出力に接続している。さらに、図の太陽電池システムは、太陽電池２のプラス側の出力を充電ダイオード２２を介して二次電池１のプラス側の出力に接続すると共に、二次電池１のプラス側の出力を安定化回路５と負荷ダイオード２３の直列回路を介して負荷３に接続している。さらに、この太陽電池システムは、電源回路４で二次電池１を充電するために、電源回路４のプラス側の出力を電源ダイオード２４を介して二次電池１のプラス側に接続すると共に、二次電池１のマイナス側の出力を電源充電スイッチ１７を介して電源回路４のマイナス側に接続している。この太陽電池システムは、制御回路６で太陽電池充電スイッチ１２と放電スイッチ１３と電源スイッチ１４と電源充電スイッチ１７をオンオフに制御して、二次電池１の充電状態と、負荷３へ通電状態を制御する。

図７と図８に示すように、太陽電池充電スイッチ１２、放電スイッチ１３、電源スイッチ１４、さらに電源充電スイッチ１７をマイナス側の出力に接続する太陽電池システムは、これらのスイッチをＦＥＴ等のスイッチング素子として、その制御を簡単にできる特徴がある。
さらに、図７と図８に示す太陽電池システムは、二次電池１のプラス側の出力を安定化回路５を介して負荷３に接続しているが、この安定化回路は、省略することができ、あるいは、負荷に内蔵することもできる。

以上の太陽電池システムは、図２に示すように、太陽電池２の発電量によって、制御回路６が、二次電池１の充放電状態、及び負荷３、３０への電力供給状態を以下のように制御する。
［太陽電池２の発電量が負荷３の消費電力よりも小さい状態］
負荷３、３０に電力を供給するタイミングにおいて、制御回路６は、放電スイッチ１３をＯＮに切り換えて、二次電池１から負荷３、３０に電力を供給する。太陽電池充電スイッチ１２は、ＯＮ状態に保持されて、太陽電池２で発電される電力が二次電池１に供給される。このとき、日照不足等により、太陽電池２の発電量が負荷３、３０の消費電力よりも小さいので、不足する電力を二次電池１から負荷３、３０に供給する。二次電池１が放電されて、残容量が外部電力供給容量まで低下すると、制御回路６は、電源スイッチ１４をＯＮに切り換えて、電源回路４から負荷３、３０への電力供給を開始する。その後、二次電池１が太陽電池２の発電電力で充電されて、残容量が外部電力停止容量まで高くなると、制御回路６は、電源スイッチ１４をＯＦＦに切り換えて、電源回路４から負荷３、３０への電力供給を停止する。以上の状態を繰り返しながら、太陽電池２と二次電池１と電源回路４から負荷３、３０に電力を供給する。

［太陽電池２の発電量が負荷３、３０の消費電力よりも大きい状態］
二次電池１から負荷３、３０に電力を供給する状態で、太陽電池２で発電される電力が二次電池１に供給される。このとき、太陽電池２の発電量が負荷３、３０の消費電力よりも大きいので、太陽電池２の発電電力が負荷３、３０に供給されると共に、余剰の電力が二次電池１に供給されて二次電池１を充電する。二次電池１が充電されて、残容量が最大容量まで高くなると、制御回路６は、太陽電池充電スイッチ１２をＯＦＦに切り換えて、太陽電池２からの電力供給を停止する。この状態で、二次電池１から負荷３、３０に電力が供給される。二次電池１が放電されて、残容量が設定容量まで低下すると、制御回路６は、太陽電池充電スイッチ１２をＯＮに切り換えて、太陽電池２の発電電力を負荷３、３０に供給しながら、余剰の電力で二次電池２を充電する。以上の状態を繰り返しながら、太陽電池２と二次電池１から負荷３、３０に電力を供給する。

以上の太陽電池システムは、以下の動作をして負荷３、３０に電力を供給する。
［ｎ＝１のステップ］
負荷３、３０に電力を供給するタイミングにおいて、制御回路６は、放電スイッチ１３をＯＮに切り換えて、二次電池１から負荷３、３０に電力を供給する。このとき、太陽電池充電スイッチ１２はＯＮに、電源スイッチ１４はＯＦＦに保持している。
［ｎ＝２のステップ］
制御回路６が二次電池１の残容量を検出する。
［ｎ＝３、４のステップ］
検出された残容量を外部電力供給容量に比較する。残容量が外部電力供給容量より大きいと、ｎ＝５のステップに進む。残容量が外部電力供給容量以下であると、制御回路６は、電源スイッチ１４をＯＮに切り換えて、電源回路４から負荷３、３０に電力供給を開始した後、ｎ＝５のステップに進む。
［ｎ＝５、６のステップ］
検出された残容量を外部電力停止容量に比較する。残容量が外部電力停止容量より小さいと、ｎ＝７のステップに進む。残容量が外部電力停止容量以上であると、制御回路６は、電源スイッチ１４をＯＦＦに切り換えて、電源回路４から負荷３、３０への電力供給を停止した後、ｎ＝７のステップに進む。
［ｎ＝７ないし１１のステップ］
検出された残容量を最大容量に比較する。残容量が最大容量より小さいと、ｎ＝１２のステップに進む。残容量が最大容量以上であると、制御回路６は、太陽電池充電スイッチ１２をＯＦＦに切り換えて、太陽電池２からの電力供給を停止する。その後、二次電池１の残容量が設定容量に低下するまで、ｎ＝８ないし１０のステップをループする。二次電池１の残容量が設定容量まで低下すると、太陽電池充電スイッチ１２をＯＮに切り換えて、ｎ＝２のステップに戻る。
［ｎ＝１２ないし１６のステップ］
検出された残容量を最低容量に比較する。残容量が最低容量より大きいと、ｎ＝２のステップに戻る。残容量が最低容量以下であると、制御回路６は、放電スイッチ１３をＯＦＦに切り換えて、二次電池１からの放電を停止する。その後、二次電池１の残容量が放電開始容量になるまで、ｎ＝１３ないし１５のステップをループする。二次電池１の残容量が放電開始容量まで高くなると、放電スイッチ１３をＯＮに切り換えて、ｎ＝２のステップに戻る。

１…二次電池
２…太陽電池
３…負荷
４…電源回路
５…安定化回路
６…制御回路
９…商用電源
１０…電池セル
１２…太陽電池充電スイッチ
１３…放電スイッチ
１４…電源スイッチ
１６…残容量検出回路
１７…電源充電スイッチ
１８…接続点
２２…充電ダイオード
２３…負荷ダイオード
２４…電源ダイオード
３０…負荷

Claims (8)

1. 二次電池(1)と、この二次電池(1)を安定化回路を介することなく充電する太陽電池(2)と、この太陽電池(2)と前記二次電池(1)から電力が供給される負荷(3；30)と、この負荷(3；30)に商用電源(9)から電力を供給する電源回路(4)とを備え、前記太陽電池(2)の出力電圧が定電圧に安定化されることなく二次電池(1)に供給される太陽電池システムであって、
   前記二次電池(1)の残容量を検出する制御回路(6)と、この制御回路(6)に制御されて、前記太陽電池(2)から二次電池(1)への電力供給を制御する太陽電池充電スイッチ(12)とを備え、
   前記制御回路(6)は、二次電池(1)を充電する最大容量と、この最大容量よりも小さい容量に設定している設定容量とを記憶しており、
   前記制御回路(6)は、前記太陽電池(2)で充電される二次電池(1)が最大容量に充電される状態を検出して前記太陽電池充電スイッチ(12)をＯＦＦに切り換えて、太陽電池(2)による二次電池(1)の充電を停止し、
   負荷(3；30)に放電される二次電池(1)の残容量の設定容量を検出して、太陽電池充電スイッチ(12)をＯＮに切り換えて、太陽電池(2)で二次電池(1)を充電する状態に切り換え、
   前記制御回路(6)が、前記二次電池(1)の残容量で前記太陽電池充電スイッチ(12)をオンオフに切り換え、二次電池(1)を負荷(3；30)に接続する状態で二次電池(1)を充放電しながら二次電池(1)から負荷(3；30)に電力を供給するようにしてなる太陽電池システム。
2. 前記二次電池(1)の電圧を安定化して負荷(3；30)に供給する安定化回路(5)を備え、前記二次電池(1)の出力を安定化回路(5)で安定化して負荷(3；30)に供給するようにしてなる請求項１に記載される太陽電池システム。
3. 前記電源回路(4)が電源ダイオード(24)を介して負荷(3；30)に接続されてなる請求項１または２に記載される太陽電池システム。
4. 前記太陽電池(2)が充電ダイオード(22)を介して二次電池(1)に接続され、かつ二次電池(1)が負荷ダイオード(23)を介して負荷(3；30)に接続され、さらに前記電源回路(4)の電源ダイオード(24)が負荷ダイオード(23)と負荷(3；30)との間に接続されてなる請求項３に記載される太陽電池システム。
5. 前記太陽電池充電スイッチ(12)が、太陽電池(2)のマイナス側の出力、又はプラス側の出力に接続されてなる請求項１ないし４のいずれかに記載される太陽電池システム。
6. 前記電源回路(4)が負荷(3；30)に電力を供給するのを制御する電源スイッチ(14)を備え、この電源スイッチ(14)が前記制御回路(6)に制御される請求項１ないし５のいずれかに記載される太陽電池システム。
7. 前記二次電池(1)の負荷(3；30)への放電を制御する放電スイッチ(13)を備える請求項１ないし６のいずれかに記載される太陽電池システム。
8. 前記二次電池(1)がリチウムイオン電池である請求項１ないし７のいずれかに記載される太陽電池システム。

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