JP2015042016A - ソーラー充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の過充電・放電検出機能、パーソナルソーラー充電器パッドの防水・浮体機能も可能とする。【解決手段】太陽電池１で蓄電池５に充電するパーソナルソーラー充電器において、商用電力４で直接入力するか、又はスーパーキャパシター２５で電圧を平滑化した後、複数の太陽電池を日射量の少ない時は直列に、日射量の多い時は並列に結線し、出力電圧を定格値近くに制御できると共に、蓄電池５への過充電防止機能として、急速充電後に過電圧となる前に定電圧充電にマイコン２４で切り替えて充電を停止する。放電コントローラ６には過放電防止機能として低電圧抑制マイコン２４と小容量キャパシター２５を設置し、パーソナルソーラー充電器の太陽電池とパッドの防水機能をパッキングで強化して浮体とする。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池で蓄電池に充電して、非常時、レジャー及び日常生活で使用する小型のソーラーパーソナル充電器、中型のソーラーハウス、又は大型のメガソーラー充電器 に関するものである。

近年、地球環境を保護する観点からクリーンなエネルギー源として、太陽電池モジュールを利用する太陽光発電が注目されている。このような太陽電池モジュールを利用する太陽光発電は、屋外、建物の屋根や壁面などに太陽電池モジュールを設置して大電力を発電するものから、時計、電卓、携帯機器などに搭載した二次電池を充電すべく比較的小電力なものまで様々な形態のものがある。電力需要逼迫や災害時等の非常電源として、太陽電池パネルで発電した電力を二次電池に蓄えるソーラー充電器が注目されている。

このようなソーラー充電器は、発電量を高めるために直射日光が当たる場所に配置されため、太陽電池パネルの背面に配置された二次電池も、太陽光と、太陽電池パネルの発熱によって加熱されて、温度が高くなる。二次電池の充電を行なう蓄電池ば、過充電及び過放電をすると、寿命が短くなる問題があった。
太陽電池から充電コントローラに蓄電池への過充電防止機能として過電圧抑制回路を設置し、放電コントローラには過放電防止機能として低電圧抑制回路を設置するとともに、使い捨てのアルカリ乾電池には温度及び漏洩検出器で監視しながら充電し、充電器パッドの防水機能、及び太陽追尾も可能とするソーラーパーソナル充電器が期待されてきた。

スーパーキャパシタ(電気二重層キャパシタ)は、固体と液体が接する場所に電気が蓄えられる、電気二重層という現象を利用したキャパシタで、活性炭を使用した電極を二枚、セパレータ半透膜で隔てて、希硫酸などの電解質溶液に入れた構造をしている。この電極に、電解液の電気分解が起きないくらいの低い電圧（０．８ボルトほど）をかけると、活性炭の表面にイオンが蓄えられる。活性炭は、１グラムあたり千平方メートル余りの表面積を持っているので、膨大な量のイオンを吸着させることができ、その容量は普通のキャパシタ(コンデンサ)の１０万倍、１ファラッドにまで達する。この原理を応用したスーパーキャパシタは、今から２０年以上前に開発され、ビデオデッキなどのバックアップ電源や自動車等に利用されている。内部抵抗が非常に大きく、数１０マイクロ〜１ミリアンペアほどしか流せないスーパーキャパシタはその反面、電気を蓄え続ける性能（自己放電特性）が優れており、100 時間以上放電し続ける。コンセントに差し込めば充電され、十万回以上も使え電池のように取り替えの手間もないため、バックアップ電源等として適している。

特許文献１の特許公開２０１３−４８５３２は、小型化を維持しつつ、二次電池の温度上昇を効果的に阻止する為に、ソーラー充電器は、箱形のケースと、ケースの一面に設け
られた太陽電池パネルと、ケース内において太陽電池パネルの裏側に配置され、太陽電池パネルで発電された電力で充電可能な二次電池セルとを備えている。ソーラー充電器は、太陽電池パネルと二次電池セルとを離間させ、これらの間に空気層を設けると共に、空気層に連通して、前記ケースの両側側面に開口された空気穴を設けている。

特許文献２の特許公開２０１１−１７１６６９ は、設置場所についての自由度を広げ、設置できなかった場所にも設置可能とする太陽電池発電装置を提供する為に、太陽電池発電装置０は、ＬＥＤモジュールを有するＬＥＤ部、ソーラーパネル及びＬＥＤモジュールなどを有するソーラー部、インジケータ及びＬＥＤモジュールを有するインジケータ部、リチウム電池及びＬＥＤモジュールを有するバッテリ部などを備える。ＬＥＤ部、ソーラー部、インジケータ部、バッテリ部それぞれは、この順序で連結により屈曲可能に連結してある。

特許文献３の特許公開２０１３−３３４２８によると、緊急災害時とくに停電時に有用な小型軽量のインテリジェント機能付き太陽電池蓄発電一体パネルを搭載した信号機無停電電源システムの提供する。信号機無停電電源システムに停電検知器を含む無停電電源装置、リチウムイオン二次電池とキャパシタコンデンサーの両者を含む蓄電池ユニット、充放電制御ユニット、システム制御ユニット、および処理制御装置インターフェース部を一体化した、充放電、蓄電および補助充放電の制御システム機能を併せ有するインテリジェント機能付き太陽電池蓄発電一体パネルを開発した。

特許文献４の特許公開２０１２−２５４００４によると、太陽電池の発電量をより効率よく充電する為に、起動判定回路が、太陽電池からの不安定な出力電圧を監視するのではなく、太陽電池からＧＮＤ電位への最大出力電流を流し、その出力電流が充電制御回路の消費電流以上であることを検出して充電制御回路を起動するため、太陽電池の発電量だけで充電制御回路を動作する条件で、出力電圧を監視する場合に比べてより精度よく充電制御回路を起動させることができる。これによって、太陽電池の発電量をより効率よく電力機器に充電して用いることができる。

これら上記のソーラー充電器は、太陽電池に直結して電圧変動が顕著であり、蓄電池の過充電・放電防止機能及び防水機能が弱い。ソーラー充電器として、太陽電池から充電コントローラに蓄電池への過充電防止機能を設置し、放電コントローラには過放電防止機能として低電圧抑制回路を設置するとともに、充電器パッドの防水・浮体機能も可能とする充電器とする。

太陽電池で蓄電池に充電するソーラー充電器において、太陽電池で入力する場合は直結したスーパーキャパシターで電圧を平滑化した後、充電コントローラを使用して複数の太陽電池を日射量の少ない時は直列に結線し日射量の多い時は並列に結線すると、一日中に出力電圧を定格値近くに制御できる。充電コントローラに蓄電池への過充電防止機能として過電圧抑制回路、及び急速充電を定電圧充電に切り替える過充電抑制マイコンを設置し、放電コントローラには過放電防止機能として低電圧抑制回路を設置して二次電池を充電するすると共に、太陽電池とパッドの防水機能をパッキングや充填材で強化して浮体とする。

太陽電池で蓄電池に充電する数W級ソーラーパーソナル充電器として、充電コントローラに蓄電池への過充電防止機能として過電圧抑制回路を設置し、放電コントローラには過放電防止機能として低電圧抑制回路を設置している。充電器パッドの防水機能を強化して海水にも耐えるので、災害時にはパッドは浮体として活用できて、非常時、レジャー及び日常生活で使用する。このソーラー充電器は、中型の数kW級のソーラーハウス、並びに大型数MW級のメガソーラーにも活用できる。中大型のソーラー充電器のマイコンには、最大ピーク電力追従(MPPT)ではなく、複数の太陽電池モジュール1を有するメガソーラー又はソーラーハウスでは、モジュールを日射量の少ない時は直列に結線し、日射量の少ない時は並列に結線する最大ピーク充電追従(MPST)として、マイコン制御すると日中にわたり出力電圧を制御できる。

太陽電池１で蓄電池５に充電するソーラー充電器において、充電コントローラ２に蓄電池５への過充電防止機能として過電圧抑制回路を設置し、放電コントローラ６には過放電防止機能として低電圧抑制回路を設置してマイコン２４で制御することを特徴とするソーラー充電器とする。 ソーラー充電器において、充電コントローラに蓄電池への過充電防止機能として過電圧抑制回路、及び急速充電を定常充電に切り替える過充電抑制PICマイコンを設置し、放電コントローラには過放電防止機能として低電圧抑制回路を設置して二次電池を充電するすると共に、太陽電池とパッドの防水機能をパッキングや充填材で強化して浮体とする。 蓄電池の過充電防止機能として充電コントローラに、定電流で急速充電した後に、定電圧充電に切り替えて、充電電流が閾値以下になると充電を停止するPICマイコンを設置している。 充電コントローラ２に蓄電池５への過充電防止機能として過電圧抑制回路を設置し、放電コントローラ６には過放電防止機能として低電圧抑制回路を設置することを特徴とする大型のソーラー充電器とする。 晴天日の日射量と、ソーラーパーソナル充電器で制御して太陽電池から蓄電池への充電・放電特性を示す。 雲天日の日射量と、ソーラーパーソナル充電器で制御して太陽電池から蓄電池への充電特性を示す。太陽電池と充電コントローラの間にスーパーキャパシターCと充電抵抗Rを追加して、充電コントローラへの入力電圧を、時定数10s <RC <10minuteで平滑化できる。 金属空気電池の充電・放電特性の測定値を示す。 太陽電池１の防水機能とともに、充電器パッド１５の防水機能をシリコンパッキングに２２や充填材２３などで強化している。 複数の太陽電池モジュール1を有するメガソーラー又はソーラーハウスでは、モジュールを直列や並列にAVRマイコン２４で制御して定格電圧を日中制御する。

定格5Wの太陽電池１で6V蓄電池５に充電するソーラーパーソナル充電器において、図２に示すように充電コントローラ２に蓄電池５への過充電PICマイコン防止機能として100Fキャパシター２５と図３に示す過電圧抑制回路を設置し、太陽電池と充電コントローラの間にスーパーキャパシターCと充電抵抗Rを追加して、充電コントローラへの入力電圧を、時定数10s <RC <10minuteで図６に示すように平滑化できた。放電コントローラ６には過放電防止機能として1Fキャパシターと低電圧抑制回路を設置して、ニッケル金属ハイドライド二次電池を充電すると共に、蓄電池は温度検出器１０で監視しながら充電することを特徴とするソーラーパーソナル充電器とした。充電器への電気入力としては、直流と6Vも追加している。

ソーラーパーソナル充電器の蓄電池の表面には、図４に示すようにサーミスタなどの温度検出器２０で監視しながら、リチウムイオン電池の温度パラメータを自動的にPICマイコンで制御して充電した。図８に示すように太陽電池１の防水機能とともに、充電器パッド１５の防水機能をシリコンパッキングに２２や充填材２３などで強化して、浮き輪２１も作動して海水にも耐えられる材料を使用し、災害時にも使用できるようにした。

複数の太陽電池モジュール1を有する特にソーラーハウスでは、図９に示すように四個の太陽電池アレイを日射量の少ない時は直列に結線し、日射量の多い時は並列に結線するように、AVRマイコン２４でバワーエレクトロニクスを制御すると、図９に示すように朝から一日中にわたり出力電圧を定格値近くに制御して、シリコンマグネシウム二次電池を充電できた。

１ 太陽電池
２ 充電コントローラ
３ USB入力
４ AC100V
５ 蓄電池
６ 放電コントローラ
７ アルカリ電池
８ 二次電池
９ 電気出力
１０ 温度漏洩検出器
１１ 過充電検出器
１２ 低電圧警報
１３ 充電系
１４ 電圧計
１５ パッド
１６ 太陽追尾小型太陽電池
１７ 回転中心
１６ レール
１９ モータ
２０ 車輪
２１ 浮き輪
２２ パッキング
２３ 充填材
２４ マイコン
２５ キャパシター

Claims (5)

1. 太陽電池１で蓄電池５に充電するメガソーラー、ソーラーハウス又はパーソナルソーラー充電器において、太陽電池に直結したスーパーキャパシター２５で電圧を平滑化した後、充電コントローラ２に蓄電池５への過充電防止機能としてマイコン２４を設置すると共に、放電コントローラ６には過放電防止機能として低電圧抑制マイコン２４とキャパシターを設置して出力９し、さらに太陽電池とパッド１５の防水機能並びに浮体とすることを特徴とするソーラー充電器。
2. 請求項１において、太陽電池と充電コントローラの間にスーパーキャパシターCと充電抵抗Rを追加して、充電コントローラへの入力電圧を、時定数10s <RC <10minuteで平滑化すると共に、蓄電池５の過充電防止機能として充電コントローラ２に、定電流で急速充電中に充電電圧が過充電閾値の95%を超過した場合には、定電圧充電に切り替えて電流値が閾値以下になると充電を停止するる過充電抑制回路を制御するマイコン２４を設置したソーラー充電器。
3. 請求項１において、蓄電池５の過放電防止機能として放電コントローラ６に、放電電圧が限界値より低下したら放電を中止するマイコン、及び急速放電できる小容量キャパシター(コンデンサー)を設置したソーラー充電器。
4. 請求項１において、太陽電池１の防水機能とともに、充電器パッド１５の防水機能を追加する為に、パッキングや充填材などで強化して浮体となり、浮き輪２１も作動して海水にも耐えられる材料を使用することを特徴とする特にソーラーパーソナル充電器。
5. 請求項１において、複数の太陽電池モジュール1を有する特にメガソーラー又はソーラーハウスでは、モジュールを日射量の少ない時は直列に結線し、日射量の多い時は並列に結線するようにマイコン２４で制御して、日中にわたり出力電圧を定格日に制御できることを特徴とするソーラー充電器。