JP2015529377A - ソーラーパワーシステムを超低エネルギー消費に制御するための設計 - Google Patents

Abstract

本特許は、ソーラーパワーによるＬＥＤランプシステムのためのコントローラの設計を開示する。コントローラユニットは、スイッチングネットワークを有し、およびバッテリをソーラーパネルから選択的に充電して、ランプに出力するバッテリを選択的に放電する、コントローラを含む。ランプ自体は、バッテリのオーバーチャージおよびアンダーチャージ条件を阻止する制御ユニットの第２の部分を含む。これは、ＬＥＤおよびレジスタの低出力の受動ネットワークを使用して実現することができ、コントローラ自体がスイッチングのみを実行するようにさせる。従って、コントローラによって、およびＬＥＤランプシステムによって消費される電力は、全体としてかなり削減できる。

Description

ソーラーパワーによる街路照明システムは、商業利用されている。ソーラーパワーによる街路照明システムは、太陽からのソーラーエネルギーを光の形態で受け取る。光子は、ソーラーパネルによって電気に変換される。バッテリシステムは、電力を貯蔵し、そのシステムから後で電気が引かれ、必要に応じて街灯に出力できる。制御ユニットは、バッテリに入ってくる電力とバッテリから出ていく電力との両方を調節してバッテリをオーバーチャージまたはオーバードレインから保護し、他の基本的機能と共にエネルギー貯蔵および照明のオン／オフ制御を調節する。これを行うために、制御ユニットは、電力輸送のためにＤＣ電流をＡＣ電流に変換し、その後エネルギー貯蔵のためまたはＬＥＤランプに出力するためにＡＣ電流をＤＣ電流に変換し直す回路を使用する。制御ユニットは、電圧調節のためのパルス幅変調器(Pulse Width Modulator: PWM)をさらに含む。

従来の市販のソーラーパワーによる街路照明システムは、３日連続の雨天に対して照明を提供できるようにすることを目的としている。しかしながら、既存の市販のソーラーパワーによる街灯は、ある通常の、よく見られる状況においてこうした照明を実現することができない。従って、このようなソーラーパワーによる街灯が並ぶ街路は、暗いままであることが多い。

発明者は、前述の問題を（別個にまたはまとめて）含む結果となり得る根本的原因の重要な課題のすべてを完全に明らかにする研究を行った。発明者はさらに、設計を考案し、それに応じて、問題をまとめて克服するために独立した根本的原因の重要な課題のそれぞれを解決する。１つの課題は、制御ユニットがＤＣ−ＡＣ−ＤＣ変換、充電／放電電圧調節、およびバッテリ保護を行うためのノンストップのエネルギー消費（１日２４時間）に関係する。本明細書で説明される発明の原理に従って、直流は、コンバータまたはレギュレータを直接用いずに、バッテリを受動的に保護するために用いられる。さらに、制御ユニットは、スイッチング機能のみを実行する。従って、システムは、本特許開示において開示されるように、極めて少量のエネルギーを消費する。

本発明の概要は、以下の発明を実施するための形態でさらに説明される概念の選択を簡易な形式で紹介するために与えられる。本発明の概要は、特許請求される発明の主題の重要な特徴または不可欠な特徴を明らかにすることを意図せず、特許請求される発明の主題の範囲を決定する助けとして用いられることも意図しない。

上記に列挙されたおよび他の利点および特徴を得ることができる方法を説明するために、さまざまな実施形態のより詳細な説明が添付図面を参照して行われる。これらの図面は、単に実例となる実施形態を描いているにすぎず、従って本発明の範囲を限定するものと見なされないことを理解の上、実施形態が添付図面の使用を通じてさらに具体的に詳細に説明される。
本明細書で説明される原理に従って、ソーラーパネルランプシステムを抽象的に示す図である。 出力をセットドライバ／トリガに接続し、そして出力をリセットドライバ／トリガから切断する、オン状態からオフ状態にフリップされるスイッチの例を示す図である。 出力をリセットドライバ／トリガに接続し、そして出力をセットドライバ／トリガから切断する、オフ状態からオン状態にフリップされるスイッチの例を示す図である ２つのラッチリレーを、データ収集回路(data Acquisition circuit)、論理判定回路、セット＆リセットドライバトリガ回路、およびセットドライバ＆リセットドライバ回路で構成されたスイッチとして使用するように設計された制御ボックスの例を示す図である。

従来の市販のソーラーランプシステムは、３日連続の雨天に対して照明を提供できるようにすることを目的としている。しかしながら、既存の市販のソーラーパワーによる街灯は、ある通常の、よく見られる状況においてこうした目標を達成することができない（本明細書では「言及した問題」と呼ぶ）。

発明者は、言及した問題を（別個にまたはまとめて）含む結果となり得る根本的原因の重要な課題のすべてを完全に明らかにする研究を行った。見つかった根本的原因の重要な課題は、以下に関係する：（１）集められたソーラー実エネルギーが（受け取ったソーラーエネルギーに正しく配向された場合に生じ得る実エネルギーと比較して）大いに減少する誤ったソーラーパネルの配向、（２）ランプがバッテリの端子電圧の全域で動作せず、従って、バッテリに貯蔵されたエネルギーの一部しか照明に利用されないこと、（３）ＤＣ−ＡＣ−ＤＣ変換を行い、充電／放電電圧を調節し、そしてバッテリを１日２４時間保護し、従って、１日のエネルギーのかなりの（多い）量を消費する結果、晴れた日の非常に小さい正味エネルギー利得か、または暗い日の非常に大きいエネルギー損失が生じる、関連制御ユニット、および（４）不適合なサブシステムのシステムへの組み入れ。

発明者は、問題をまとめて克服するために根本的原因の重要な課題のそれぞれを解決するための設計を開発した。１つの課題は、（４つの根本的原因の３番目に挙げた）制御ユニットによるノンストップ（１日２４時間）の過剰なエネルギー消費に関係する。発明者は、電力を、コンバータまたはレギュレータを直接用いない直流（ＤＣ）形式で使用して、バッテリを受動的に保護し、そして制御ユニットがスイッチング機能のみを果たすように制御ユニットを設計する方法を見つけた。従って、制御ユニットは、極めて少量のエネルギーを消費する。このような根本的原因を緩和するコントローラ設計が本明細書でさらに説明される。

ソーラーランプシステムは、以下の４つのサブシステムを含む：１）太陽からの光子を受け取り、そして対応する光子エネルギーの一部を電気に変換するソーラーパネル、２）ソーラーパネルにより発生した電気を受け取って貯蔵するバッテリ、３）ランプが発光しようとする時にバッテリから電気を消費するランプ、４）制御ユニット。従来の制御ユニットは、以下を含むいくつかを制御する：（ａ）ランプがオンおよびオフになる時、（ｂ）バッテリ充電を開始するおよび停止する時、（ｃ）ＤＣ−ＡＣ−ＤＣ変換の実行、（ｄ）バッテリを充電／放電する電圧の調節、および（ｅ）オーバーチャージまたはオーバードレイン条件からバッテリを保護すること。構築されたランプを受動ネットワーク（２０１１年１２月６日に出願された、同時係属の、同一出願人による特許出願整理番号１３／３１２，９０２に記載されており、その内容のすべてが参照により本明細書に組み込まれる）に結合すると、制御ユニットは、上述した機能を単に実行するだけでなく、ランプがオンの時にランプに供給される電力量の制御も行う。

従って、本明細書で説明される制御ユニットを２つの部分に分けることができる。２つの部分のうちの１つ（これより「第１の部分」と呼ぶ）は、「制御ボックス」または「コントローラ」と呼ばれる。この部分は、スイッチのアクションを制御する回路設計に関係し、上述した最初の２つの機能を実行する、即ち：（ａ）ランプがオンおよびオフである時、および（ｂ）バッテリ充電を開始するおよび停止する時。この最初の部分の設計およびデバイスは、本明細書の以下においてさらに詳細に説明される。

制御ユニットの第２の部分（以下「第２の部分」と呼ばれる）は、参照により予め組み込まれた、関連特許出願において記載されたように、ＬＥＤランプに組み込まれる（およびその一部となる）。制御ユニットのこの第２の部分は、（ＬＥＤおよびレジスタネットワーキングの使用を介して）ＤＣ−ＡＣ−ＤＣ変換または充電／放電電圧調節のいずれも用いないＤＣ形式でランプをバッテリ電圧の全域で動作させることができるだけでなく、第２の部分は、ランプがオンの時にランプに供給される電力量の制御を行うこともでき、そして適切に設計された場合にオーバーチャージまたはオーバードレイン条件からバッテリを保護することもできる。制御ユニットのこの第２の部分は、ＬＥＤランプのＩ−Ｖ特性を変更するために発明されたＬＥＤおよびレジスタネットワーキングを使用するアイデアに関係する。第２の部分は、スイッチのアクションを制御する回路設計を利用する制御ユニットの第１の部分とは非常に異なる。従って、制御ユニットの第２の部分は、参照により予め組み込まれた関連特許出願においてさらに詳細に記載されているが、本特許出願は、コントローラの第１の部分に重点を置く。

制御ユニットは、以下を含む：（１）本明細書で説明されるような発明された制御ボックスまたは「コントローラ」（「第１の部分」と呼ばれる）、および２）（参照により予め組み込まれた関連特許出願において記載されたように、本明細書では「第２の部分」と呼ばれるような）ＬＥＤランプのＩ−Ｖ特性を変更するために発明されたＬＥＤおよびレジスタネットワーキングを使用する新規のＬＥＤランプ設計。これらのランプが実際に、（ＤＣ−ＡＣ−ＤＣ変換を用いずに）直接ＤＣ形式を用いてバッテリエネルギー貯蔵の全域で動作することができるかを検証するためのプロトタイプが構築された。そのシステムは、バッテリエネルギー貯蔵装置が上記の必要な輝度を提供するための排出を行う時にシステムの有効性を改善することもできる。言い換えれば、新規のシステムは、バッテリエネルギー貯蔵装置が排出する時に有効性を連続的に（および／または段階的に）改善することができ、そしてそのシステムのエネルギー貯蔵の全容量を効率的に利用することもできる。さらに、プロトタイプはさらに、バッテリがオーバーチャージまたはオーバードレインとなるのを阻止する能力があることも検証された。（制御ユニットの第２の部分で構築された）これらのプロトタイプは、制御ユニットが、長く続く暗い日に予備の照明持久力を有することができ、従来の市販のシステムと同じソーラーパネルおよびバッテリを使用する時でさえ予備の照明持久力を有することができることを検証した。

上記の設計されたＬＥＤランプが、バッテリのオーバーチャージまたはオーバードレインを阻止する機能を提供することもできるので、制御ユニットの第１の部分である、制御ボックスは、（かなりの量のエネルギーを消費する）ＤＣ−ＡＣ−ＤＣ変換および電圧調節だけでなく、その従来の「バッテリ保護」の義務から解放されることができる。その結果、本明細書で説明される制御ボックスは、制御ボックスがスイッチングに専念でき、バッテリ保護、ＤＣ−ＡＣ−ＤＣ変換、または電圧調節を行うことがないので、少量のエネルギーしか消費しない。

この制御ユニットの制御ボックス部、即ち、１）ソーラーパネルからバッテリを充電するまたは充電しない、または２）照明のためにバッテリ電気をＬＥＤランプに放電するまたは放電しない、スイッチング機能のみを実行する制御ボックス部について以下にさらに詳細に説明される。

本明細書で説明される実施形態の一般的な原理を説明したが、例示的実施形態自体は、これより図１から図４までに対して説明される。

図１は、バッテリ１１０、ソーラーパネル１２０、ランプ１３０、およびコントローラ１４０などの、４つのサブシステムを含む、ソーラーパワーによるランプシステム１００を示している。太陽からの光は、ソーラーパネル１２０に入射する。ソーラーパネル１２０は、単一のソーラーパネルまたはソーラーパネルのネットワークとすることができる。さらに、ソーラーパネルは、現在存在するソーラーパネルであってもよいし、または将来開発されるソーラーパネルであってもよい。それにもかかわらず、上述したように、たとえ既存のソーラーパネルを使用しても改善された性能を得ることができる。ソーラーパネル１２０は、ソーラーパネルのタイプに応じて異なる可能性がある特定の効率で、少なくとも一部の入射光を電気に変換する。

エネルギー収集ルーティング回路１２１は、ソーラーパネル１２０とバッテリ１１０が図に示すように連結されると、電力をソーラーパネル１１０からバッテリ１２０に送るように構成される。このようにして、エネルギー収集ルーティング回路１２１は、電気をソーラーパネル１２０からバッテリ１１０に送ってバッテリを充電し、従って、晴天条件の間にバッテリのエネルギー貯蔵が増える。バッテリ１２０を任意のタイプのバッテリにしてもよいが、本明細書で説明される原理によって、たとえ従来のソーラーランプシステムと同じバッテリを使用しても、改善された性能が可能となる。実際には、本明細書で説明される原理は、要素１１０が、例えば、電力系統によってサポートされる電力供給デバイスなどの、任意の電力源である事例まで拡大できる。その場合、ランプシステム１００がソーラーパネル１２０またはエネルギー収集ルーティング回路１２１を含む必要がなくなるであろう。従って、ランプシステムは、物理的な「バッテリ」を有しなくてよい。実際には、バッテリ１１０は、「電力源」に置き換えられる。バッテリ１１０は、以下で説明され、このような電力源の単なる一例である。

エネルギー消費ルーティング回路１２２は、バッテリ１１０とランプ１３０が図に示すように連結されると、電力をバッテリ１１０（またはより広範には「電力源」）からランプ１３０に選択的に送るように構成される。このようにして、エネルギー消費ルーティング回路１２２は、暗い条件の間にランプが電気を消費する時に、電気をバッテリ１１０（またはより広範には「電力源」）からランプ１３０に送る。いくつかの実施形態において、ランプ１３０は、１または複数のＬＥＤ（発光ダイオード）から発光することができ、および／または街路、道路、歩道、またはエリアよりも高い位置にある街灯とすることができる。

コントローラ１４０は、明るい条件の間に電気をソーラーパネル１２０からエネルギー収集ルーティング回路１２１経由でバッテリ１１０に選択的に送るように構成され、そして選択的に、暗い条件の間に電気をバッテリ１１０からランプ１３０に送るように構成される。コントローラ１４０は、単純なオン−オフスイッチング機能を実行する程度のかなり単純なものであってよい。その結果、コントローラによって消費される１日のエネルギーは、上述したように、かなり低いものとなる。電力源に応じて、（電力系統の事例などの）いくつかの事例において、このような選択的チャネリング(channeling)が不要となる。

ソーラーランプシステム１００は、エネルギー消費ルーティング回路１２２が電力をバッテリ１１０（またはより広範には「電力源」）からランプ１３０に送る時、システム１００が、エネルギー消費ルーティング回路１２２に沿って下方に送出される出力の量を、使用可能な電力のバッテリ内の残量の関数として調整できるように構成される。上述したように、端子電圧Ｖがバッテリ内に残存する電力の関数であるので、端子電圧を使用してこれが実現され得る。電力源のより一般的な事例において、電力源で使用可能なエネルギーに関係する任意のパラメータに基づいてこれを行うことができる。さらに、上述したように、電力消費のこの削減は、より少ない電力消費において改善された有効性のため、光の放射の削減に比べて大きい。

いくつかの実施形態において、端子電圧（またはより一般的には、電力源で使用可能なエネルギーまたは電力）が低下する時の電力消費の削減は、受動ネットワークを使用して実現できる。例えば、受動ネットワーク１３１は、ランプ内に含まれてもよいし、ＬＥＤダイオード、および潜在的にレジスタも含むことができる。しかしながら、本発明の原理は、このような設計に限定されない。例えば、受動ネットワークは、受動ネットワークの入力時の電圧が（より高いバッテリ端子電圧を反映して）より高い時に、受動ネットワークの入力時の電圧がより低い時よりも多く、受動ネットワークのＬＥＤダイオードが活発に発光するような電圧降下を介して電流を送ることができる。従って、端子電圧が減少するにつれ、受動ネットワークにおいて発光するＬＥＤダイオードの数および強度も減少する。

本明細書で説明される原理は、ランプ１３０によって消費される電力とバッテリ１１０の端子電圧との間の特定の機能的関係に限定されない。それにもかかわらず、機能的関係は、電力消費の削減によって光の放射の削減が比例的により小さくなるように定義される場合が最も有利である。

本明細書で説明される少なくとも１つの実施形態は、制御ボックスなどの、設計およびデバイスに関する。一実施形態において、デバイスは、２つのスイッチ、４つの駆動回路、４つの対応するトリガ回路、およびデータ取得および論理判定のための回路で構成される。図２は、スイッチ２０１とそれに対応するサポート回路を示す。コントローラ１４０は、２つのスイッチを含み、１つは、バッテリ１１０（または「電力源」）をソーラーパネル１２０に接続および切断するスイッチであり、そして１つは、バッテリ１１０（または「電力源」）をランプ１３０に接続および切断するスイッチである。図２は、スイッチ２０１がオンになる状況を示し、図３は、スイッチ２０１がオフになる状況を示す。図２および図３に示すように、各スイッチ２０１は、２つの駆動回路２０２Ａおよび２０２Ｂと関連付けられる。一方の駆動回路２０２Ａは、対応するスイッチをオフ状態からオン状態に駆動し、他方の駆動回路２０２Ｂは、対応するスイッチがオン状態からオフ状態に戻るように駆動する。各々の駆動回路２０２Ａと２０２Ｂは、適切な条件に遭遇すると駆動回路をトリガする、対応するトリガ回路２０３Ａと２０３Ｂとに関連付けられる。データ取得および論理判定回路サブシステム２０４は、この適切な条件が起きた時に信号をトリガ回路２０３Ａまたは２０３Ｂに提供する。従って、実駆動アクション時以外のエネルギーは、消費されず、従って、極めて低いエネルギー消費とする設計目標を達成する。

言い換えれば、２つのスイッチ（スイッチ２０１の２つのインスタンス）のそれぞれは、同一の（または同一でない）駆動サブシステムとトリガサブシステムとのセットを備える。上述したサブシステムの１つのセット（「第１のサブシステム」と呼ぼう）が、スイッチを一方の状態から他方の状態（オンからオフ、またはオフからオン）にする駆動アクションをアクティブにする（論理判定サブシステムからの）信号を待っている、待機状態などで電源に接続された条件を考慮する。第１のサブシステムがそのような待機状態である間、他方のセット（「第２のセット」と呼ぼう）は、そのセットが休止状態になるように電源から切断され、たとえアクティブ化信号がこの休止しているサブシステムに送出されてもアクションが誘発されないようにする。

スイッチは、出力を駆動／トリガサブシステムの２つのセットに接続／切断して、：（ａ）待機状態のセットがアクティブになってスイッチを駆動すると、アクションが、休止状態にするこの待機セットの電源もスイッチオフし、および（ｂ）同時に、このアクションは、他方のセットに接続してアクションをそのセットを待機状態する、制御を行うようにさらに設計されている。スイッチ、駆動回路、トリガ回路、およびデータ取得および論理判定のための回路の詳細な設計考察をそれぞれ以下に説明する。

２つのスイッチのうちの１つ（即ち、「バッテリ放電スイッチ」）は、以下の２つの機能を実行するように設計されている：（ａ）図２に示すように、バッテリの放電を開始するために、バッテリ放電スイッチがオフ状態からオン状態にフリップされる（本明細書ではバッテリ放電スイッチを「セットする(setting)」とも呼ばれる）、または（ｂ）図３に示すように、バッテリの放電を停止するために、バッテリ放電スイッチがオン状態からオフ状態にフリップされる（本明細書ではバッテリ放電スイッチを「リセットする(resetting)」とも呼ばれる）。他方のスイッチ（即ち、「バッテリ充電スイッチ」）は、以下の２つの機能を実行するように設計されている：（ａ）図２に示すように、バッテリの充電を開始するために、バッテリ充電スイッチがオフ状態からオン状態にフリップされる（本明細書ではバッテリ充電スイッチを「セットする(setting)」とも呼ばれる）か、または（ｂ）図３に示すように、バッテリの充電を停止するために、バッテリ充電スイッチがオン状態からオフ状態にフリップされる（本明細書ではバッテリ充電スイッチを「リセットする(resetting)」とも呼ばれる）。

通常の動作では、１日当たりのスイッチフリップアクション(switch-flipping actions)は、恐らくかなり少ないであろう。エネルギーの節約のため、バッテリ放電スイッチとバッテリ充電スイッチのそれぞれは、他方の状態に追い込まれるまで一方の状態に留まる。例えば、図４に示すように、各スイッチは、ラッチリレーとして実装され得る。ラッチリレーは、一方の状態に留まる時にはエネルギーをまったく消費しないリレーであり、むしろ状態が変化する時にエネルギーを消費する。各スイッチがラッチリレー（参照スイッチ４０１）である事例において、各スイッチは、２つの駆動回路（ドライバ）と関連付けられている。即ち、：（１）図３に示すように、スイッチをそのオフ状態からオンにすることができる出力を供給する「セットドライバ」２０２Ａ、および（２）図２に示すように、スイッチをそのオン状態からオフにすることができる出力を供給する「リセットドライバ」２０２Ｂである。各スイッチはさらに、それに対応する２つのドライバに送られる出力を制御するようにも設計されている。スイッチがオン状態の時に、スイッチは、出力をそのスイッチのリセットドライバに接続し、そしてセットドライバから出力を切断して、スイッチのリセットドライバを待機状態にし、そのセットドライバを休止状態にする。スイッチがオフ状態の間、スイッチは、スイッチのセットドライバを待機状態にし、そのリセットドライバを休止状態にする。この設計は、スイッチが最も被害をもたらす誤ったスイッチアクション、即ち、スイッチを駆動してセットとリセットを同時に行うことから保護する。トリガ回路は、その回路の出力を同様に接続するように設計されることができ、トリガするように準備されたドライバと同じ状態の、待機状態または休止状態にすることができる。

上述した重要なポイントをさらに詳しく説明するために、次のように言い換えられる。

待機状態において、ドライバは、バッテリ出力に接続されていて、スイッチをオンまたはオフのいずれかにする、設計されたアクションを実行するためにトリガされるのを待っている。アクションが実行される時、ドライバは、待機状態から休止状態に同時に切り替わる。休止状態の間、このドライバは、電源から切断されているので、ドライバの駆動能力を失う。言い換えれば、ドライバが待機状態である時、ドライバは、バッテリに接続されて、トリガされるのを待っている。ドライバがトリガされると、ドライバは、電力供給し設計されたアクションを実行するためのバッテリエネルギーを消費する。ドライバは、その後、スイッチの状態を逆転（オン状態からオフ状態、またはオフ状態からオン状態）する。このアクションは、このドライバからバッテリ出力を切断し、ドライバを休止状態にする。このアクションは、同時に他方のドライバを活性化して休止状態から待機状態にする。従って、１つのドライバのみで（トリガされた時に）スイッチの状態を逆転するスイッチングアクションを実行することができるので、被害をもたらす誤ったアクションが起こらない。さらに、駆動アクションの期間は、典型的には、百分の数秒間である。従って、典型的な５ワットのラッチリレードライバでさえも、スイッチングアクション毎に０．０１ジュール未満のエネルギーしか消費しないであろう。システムは、典型的には、１日当たり１０未満のスイッチアクションを実行し、従って、コントローラは、平均的に、１日当たり０．１ジュール未満か、または（１２ボルトバッテリからの）０．０１Ａｈｒｓ未満のエネルギーを消費する。これは、（典型的なソーラーパワーによるランプシステムでは）わずかな量のエネルギーである。

データ収集および論理回路は、情報（データ）を集めて、必要に応じてデータを増幅し、論理的考察を関連データに適用することによって動作または非動作の判定（決定）を下す。動作することを決定したとき、この回路は、この決定によって、適した信号を正しいトリガ回路に送信するように促され、スイッチングアクションを生成するスイッチモーションに電力供給する正しい待機ドライバがアクティブになる。典型的には、サブシステムは、およそ１５から３０分毎に１回、１日当たり１００アクション未満でこの決定を実行するように設計されている。設計された機能を０．０１秒未満であるアクション期間に実行するのに数ミリワット必要である。従って、データ収集および決定アクション機能は、１日１ジュール未満を消費し、これもまた、ソーラーランプシステムではわずかな量のエネルギーである。

制御ボックスが２つのラッチリレーをスイッチとして使用するように設計された、上記の説明に従ってプロトタイプが組み上げられた。図４に記載したように、一方のスイッチが以下を実行するように設計されている：（ａ）バッテリの放電を開始する（オフ状態からオン状態にフリップする）、または（ｂ）バッテリの放電を停止する（オン状態からオフ状態にフリップする）。他方のスイッチが以下を実行するように設計されている：（ａ）バッテリの充電を開始する（オフ状態からオン状態にフリップする）、または（ｂ）バッテリの充電を停止する（オン状態からオフ状態にフリップする）。２つのラッチリレーの状態を維持する際のエネルギー消費がないので、設計されたプロトタイプ（制御ボックス）は、その状態を逆転する必要がある度に電力を消費する。各状態の逆転は、非常に短時間に、数ワットのパルス出力で実現することができる。通常の動作では、１日当たりの１スイッチ当たりのスイッチフリップアクションは、恐らくかなり少ない（５未満）となる。従って、設計された制御ボックスは、バッテリからわずかな量のエネルギーを消費する。

プロトタイプは、１２ボルトのバッテリで、１日当たりの１スイッチ当たり１０スイッチフリップで動作され、設計された制御ボックスの測定エネルギー消費は、１日に０．０１アンペア時間未満のままである。この設計は、従って、エネルギーをかなり節約する。従って、従来の制御ボックスを本発明に置き換えることによって、エネルギー持久力をさらにもっと強化することができる。

発明の実装結果
本明細書で説明される原理は、一方では、コントローラとランプを再設計する。その結果、システムは、エネルギー貯蔵装置が排出にシステムの有効性を改善することができる。ランプは、上記の必要な輝度を提供するためにＤＣ−ＡＣ−ＤＣ変換を用いずに直接バッテリエネルギー貯蔵の全域で動作されることもできる。従って、このシステムは、長く続く暗い日に予備の照明持久力を有することが、同じソーラーパネルおよびバッテリを使用する時でさえできる。言い換えれば、本明細書で説明される実施形態は、電力消費を削減したことによる改善された有効性のため、輝度の削減よりもずっと高速に電力消費の削減を行うことができる。従って、既存のソーラーパネルの１日の再充電エネルギーは、同じソーラーパネルおよびバッテリを用いても、低エネルギー貯蔵状態において３日以上の削減された出力動作を提供することができる。

必要な輝度を提供する能力を保持するため、照明サブシステムは、バッテリ貯蔵エネルギーが排出するときに照明サブシステムがその有効性を改善することができるように設計されている。言い換えれば、バッテリに貯蔵された残りのエネルギーが少なくなるにつれ、ランプによって消費されるエネルギーも少なくなり、そしてさらにランプは、バッテリエネルギーが排出する間にシステムの有効性を改善することによって、必要な照明輝度をなおも提供する。これは、照明のエネルギー消費の削減が、輝度の結果生じる削減よりも比例してずっと高速であるからである。

さらに、設計された照明サブシステムがその電力消費を変えることができるので、このシステムは、バッテリがほぼ満杯のエネルギー貯蔵状態である時、充電された１日のエネルギーのすべてをランプが消費するようにさらに設計されている。システムは、バッテリのエネルギー貯蔵が枯渇条件に近づく時、ソーラーパネルによって充電された１日のエネルギーの４分の１未満をランプが消費するようにさらに設計されている。空条件に近づくにつれ、ランプの消費も少なくなり、バッテリの排出状態がゼロエネルギー消費に近づくと、オーバードレイン状況を阻止する。

従って、上記で説明した照明サブシステムの実施形態は、２つの利点を得ることができる：（１）晴れた１日のソーラー式充電は、実施形態において示すように、他のエネルギー入力装置を用いずに夜間照明の３日分よりも多い十分なエネルギーをバッテリに貯蔵することができる。（２）制御ボックスのアクティブな介入を用いずにバッテリのオーバーチャージまたはオーバードレインを防止する。実施形態は、制御ボックスがバッテリの充電および放電のためのオン／オフスイッチング機能だけを実行することを可能にする。このスイッチング機能は、本明細書で説明される発明された設計を用いて１日のエネルギーのわずかな量を消費する。

実施形態において示したように、本発明が組み込まれたＬＥＤ照明ユニットおよび関連する制御ユニットに置き換えれば、市販のシステムは、フルバッテリ貯蔵容量から開始して、最初の三晩においてより良い照明輝度を提供することができる。その後、エネルギー入力装置を用いずに追加の三晩の、連続６日分の必要な輝度を上回る照明をさらに保つことができる。さらに、このシステムは、元のシステムよりもコストを少なくすることができる。

システム性能が最適化されたとき、システムコストが市販のソーラーパワーによる街灯のコストよりも低く抑えられていても、新規の設計システムは、連続９日の雨の日よりも長く持ちこたえることができる。新規の設計システムは、最初の夜間３日に市販のソーラーパネルよりも高い輝度を提供する。新規の設計システムは、その後、照明をオフにすることなく追加の６日連続の暗い日のために前日の輝度の９０パーセントよりも高い輝度を提供し続ける。さらに、このシステムは、１０日目の有効な日光のわずか４時間を用いてリープバック(leap back)し、追加の三晩以上の照明を提供する。従って、これらの原理が組み合わされると、説明されるような、懸念される問題をまとめて克服することができる。

Claims (22)

1. ＬＥＤ照明システムのためのコントローラであって、前記コントローラは、制御ユニットの第１の部分であり、
   ソーラーパネルをバッテリに選択的に連結して前記バッテリの充電の選択的な開始および停止を行うためのバッテリ充電スイッチと、
   前記バッテリをランプに選択的に連結して前記ランプを選択的にオンおよびオフにするためのバッテリ放電スイッチと、
   を備え、前記ランプは、バッテリをオーバーチャージおよびオーバードレイン条件から保護するための前記制御ユニットの第２の部分を含み、前記制御ユニットの前記第２の部分が前記コントローラ内に存在しないことを特徴とするＬＥＤ照明システムのためのコントローラ。
2. 前記コントローラは、直流を交流に変換しない、および交流を直流に変換しないことを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
3. 前記コントローラは、パルス幅変調機能を果たさない、および電圧調節を行わないことを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
4. 前記バッテリ放電スイッチは、前記放電スイッチを駆動して後続の状態を逆にする電力が印加されるまで、以前の状態のままにするよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
5. 前記バッテリ放電スイッチは、ラッチリレーであることを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
6. トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオン状態にセットされるようにさせるバッテリ放電セットドライバであって、前記バッテリ放電セットドライバは、前記バッテリ放電セットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電セットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電セットドライバと、
   トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオフ状態にリセットされるようにさせるバッテリ放電リセットドライバであって、前記バッテリ放電リセットドライバは、前記バッテリ放電リセットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電リセットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電リセットドライバと、
   をさらに備え、前記バッテリ放電スイッチがオン状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電リセットドライバに接続して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電セットドライバから切断して、前記バッテリ放電セットドライバを前記休止状態にし、
   前記バッテリ放電スイッチがオフ状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電セットドライバに接続して、前記バッテリ放電セットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電リセットドライバから切断して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記休止状態にすることを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
7. 前記バッテリ充電スイッチは、前記放電スイッチを駆動して後続の状態を逆にする電力が印加されるまで、以前の状態のままにするよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
8. 前記バッテリ充電スイッチは、ラッチリレーであることを特徴とする請求項７に記載の前記コントローラ。
9. トリガされると、前記バッテリ充電スイッチがオン状態にセットされるようにさせるバッテリ充電セットドライバであって、前記バッテリ充電セットドライバは、前記バッテリ充電セットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ充電セットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ充電セットドライバと、
   トリガされると、前記バッテリ充電スイッチがオフ状態にリセットされるようにさせるバッテリ充電リセットドライバであって、前記バッテリ充電リセットドライバは、前記バッテリ充電リセットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ充電リセットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ充電リセットドライバと、
   をさらに備え、前記バッテリ充電スイッチがオン状態である時、前記バッテリ充電スイッチは、電力を前記バッテリ充電リセットドライバに接続して、前記バッテリ充電リセットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ充電セットドライバから切断して、前記バッテリ充電セットドライバを前記休止状態にし、
   前記バッテリ充電スイッチがオフ状態である時、前記バッテリ充電スイッチは、電力を前記バッテリ充電セットドライバに接続して、前記バッテリ充電セットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ充電リセットドライバから切断して、前記バッテリ充電リセットドライバを前記休止状態にすることを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
10. 前記ランプがオンである時、前記制御ユニットの前記第２の部分は、どれだけの電力が前記ランプに供給されるかを制御することを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
11. トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオン状態にセットされるようにさせるバッテリ放電セットドライバであって、前記バッテリ放電セットドライバは、前記バッテリ放電セットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電セットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電セットドライバと、
    トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオフ状態にリセットされるようにさせるバッテリ放電リセットドライバであって、前記バッテリ放電リセットドライバは、前記バッテリ放電リセットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電リセットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電リセットドライバと、
    トリガされると、前記バッテリ充電スイッチがオン状態にセットされるようにさせるバッテリ充電セットドライバであって、前記バッテリ充電セットドライバは、前記バッテリ充電セットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ充電セットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ充電セットドライバと、
    トリガされると、前記バッテリ充電スイッチがオフ状態にリセットされるようにさせるバッテリ充電リセットドライバであって、前記バッテリ充電リセットドライバは、前記バッテリ充電リセットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ充電リセットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ充電リセットドライバと、
    をさらに備え、前記バッテリ放電スイッチがオン状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電リセットドライバに接続して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電セットドライバから切断して、前記バッテリ放電セットドライバを前記休止状態にし、
    前記バッテリ放電スイッチがオフ状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電セットドライバに接続して、前記バッテリ放電セットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電リセットドライバから切断して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記休止状態にし、
    前記バッテリ充電スイッチがオン状態である時、前記バッテリ充電スイッチは、電力を前記バッテリ充電リセットドライバに接続して、前記バッテリ充電リセットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ充電セットドライバから切断して、前記バッテリ充電セットドライバを前記休止状態にし、
    前記バッテリ充電スイッチがオフ状態である時、前記バッテリ充電スイッチは、電力を前記バッテリ充電セットドライバに接続して、前記バッテリ充電セットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ充電リセットドライバから切断して、前記バッテリ充電リセットドライバを前記休止状態にすることを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
12. 前記バッテリ放電スイッチは、１日当たり１２回未満で切り替わることを特徴とする請求項１に記載の前記コントローラ。
13. 前記バッテリ放電スイッチは、１日当たり１２回未満で切り替わることを特徴とする請求項１２に記載の前記コントローラ。
14. コントローラと、
    ＬＥＤランプと、
    バッテリと、
    を備え、前記コントローラは、前記バッテリをランプに選択的に連結して前記ＬＥＤランプを選択的にオンおよびオフにするためのバッテリ放電スイッチを含む制御ユニットの第１の部分を含み、
    前記ＬＥＤランプは、バッテリ内のエネルギー貯蔵の状態に従って前記ランプの前記エネルギー消費を調節するための前記制御ユニットの第２の部分を含み、前記制御ユニットの前記第２の部分が前記コントローラ内に存在しないようにすることを備えることを特徴とするＬＥＤランプシステム。
15. 前記コントローラは、
    トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオン状態にセットされるようにさせるバッテリ放電セットドライバであって、前記バッテリ放電セットドライバは、前記バッテリ放電セットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電セットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電セットドライバと、
    トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオフ状態にリセットされるようにさせるバッテリ放電リセットドライバであって、前記バッテリ放電リセットドライバは、前記バッテリ放電リセットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電リセットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電リセットドライバと、
    をさらに備え、前記バッテリ放電スイッチがオン状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電リセットドライバに接続して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電セットドライバから切断して、前記バッテリ放電セットドライバを前記休止状態にし、
    前記バッテリ放電スイッチがオフ状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電セットドライバに接続して、前記バッテリ放電セットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電リセットドライバから切断して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記休止状態にすることを特徴とする請求項１４に記載の前記ＬＥＤランプシステム。
16. コントローラと、
    ＬＥＤランプと、
    バッテリと、
    を備え、前記コントローラは、ソーラーパネルをバッテリに選択的に連結して前記バッテリの充電の選択的な開始および停止を行うためのバッテリ充電スイッチと、前記バッテリをランプに選択的に連結して前記ランプを選択的にオンおよびオフにするためのバッテリ放電スイッチとを含む制御ユニットの第１の部分を含み、
    前記ＬＥＤランプは、バッテリをオーバーチャージおよびオーバードレインから保護するための前記制御ユニットの第２の部分を含み、前記制御ユニットの前記第２の部分が前記コントローラ内に存在しないようにすることを特徴とするＬＥＤランプシステム。
17. 前記コントローラは、
    トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオン状態にセットされるようにさせるバッテリ放電セットドライバであって、前記バッテリ放電セットドライバは、前記バッテリ放電セットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電セットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電セットドライバと、
    トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオフ状態にリセットされるようにさせるバッテリ放電リセットドライバであって、前記バッテリ放電リセットドライバは、前記バッテリ放電リセットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電リセットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電リセットドライバと、
    をさらに備え、前記バッテリ放電スイッチがオン状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電リセットドライバに接続して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電セットドライバから切断して、前記バッテリ放電セットドライバを前記休止状態にし、
    前記バッテリ放電スイッチがオフ状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電セットドライバに接続して、前記バッテリ放電セットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電リセットドライバから切断して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記休止状態にすることを特徴とする請求項１６に記載の前記ＬＥＤランプシステム。
18. 前記コントローラは、
    トリガされると、前記バッテリ充電スイッチがオン状態にセットされるようにさせるバッテリ充電セットドライバであって、前記バッテリ充電セットドライバは、前記バッテリ充電セットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ充電セットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ充電セットドライバと、
    トリガされると、前記バッテリ充電スイッチがオフ状態にリセットされるようにさせるバッテリ充電リセットドライバであって、前記バッテリ充電リセットドライバは、前記バッテリ充電リセットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ充電リセットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ充電リセットドライバと、
    をさらに備え、前記バッテリ充電スイッチがオン状態である時、前記バッテリ充電スイッチは、電力を前記バッテリ充電リセットドライバに接続して、前記バッテリ充電リセットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ充電セットドライバから切断して、前記バッテリ充電セットドライバを前記休止状態にし、
    前記バッテリ充電スイッチがオフ状態である時、前記バッテリ充電スイッチは、電力を前記バッテリ充電セットドライバに接続して、前記バッテリ充電セットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ充電リセットドライバから切断して、前記バッテリ充電リセットドライバを前記休止状態にすることを特徴とする請求項１６に記載の前記ＬＥＤランプシステム。
19. 前記コントローラは、
    トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオン状態にセットされるようにさせるバッテリ放電セットドライバであって、前記バッテリ放電セットドライバは、前記バッテリ放電セットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電セットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電セットドライバと、
    トリガされると、前記バッテリ放電スイッチがオフ状態にリセットされるようにさせるバッテリ放電リセットドライバであって、前記バッテリ放電リセットドライバは、前記バッテリ放電リセットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ放電リセットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ放電リセットドライバと、
    トリガされると、前記バッテリ充電スイッチがオン状態にセットされるようにさせるバッテリ充電セットドライバであって、前記バッテリ充電セットドライバは、前記バッテリ充電セットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ充電セットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ充電セットドライバと、
    トリガされると、前記バッテリ充電スイッチがオフ状態にリセットされるようにさせるバッテリ充電リセットドライバであって、前記バッテリ充電リセットドライバは、前記バッテリ充電リセットドライバが待機状態であればトリガされるが、前記バッテリ充電リセットドライバが休止状態であればトリガされない、バッテリ充電リセットドライバと、
    をさらに備え、前記バッテリ放電スイッチがオン状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電リセットドライバに接続して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電セットドライバから切断して、前記バッテリ放電セットドライバを前記休止状態にし、
    前記バッテリ放電スイッチがオフ状態である時、前記バッテリ放電スイッチは、電力を前記バッテリ放電セットドライバに接続して、前記バッテリ放電セットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ放電リセットドライバから切断して、前記バッテリ放電リセットドライバを前記休止状態にし、
    前記バッテリ充電スイッチがオン状態である時、前記バッテリ充電スイッチは、電力を前記バッテリ充電リセットドライバに接続して、前記バッテリ充電リセットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ充電セットドライバから切断して、前記バッテリ充電セットドライバを前記休止状態にし、
    前記バッテリ充電スイッチがオフ状態である時、前記バッテリ充電スイッチは、電力を前記バッテリ充電セットドライバに接続して、前記バッテリ充電セットドライバを前記待機状態にし、および電力を前記バッテリ充電リセットドライバから切断して、前記バッテリ充電リセットドライバを前記休止状態にすることを特徴とする請求項１６に記載の前記ＬＥＤランプシステム。
20. 前記ソーラーパネルをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の前記ＬＥＤランプシステム。
21. 前記バッテリをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の前記ＬＥＤランプシステム。
22. スイッチと、
    トリガされると、前記スイッチをオフ状態からオン状態に駆動するように構成される第１の駆動回路と、第１のトリガ回路は、第１の条件に遭遇すると発生する第１の信号を受信する時に前記第１の駆動回路をトリガするように構成される第１のトリガ回路とを備える第１のサブシステムと、
    トリガされると、前記スイッチをオン状態からオフ状態に駆動するように構成される第２の駆動回路と、第２のトリガ回路は、第２の条件に遭遇すると発生する第２の信号を受信する時に前記第１の駆動回路をトリガするように構成される第２のトリガ回路とを備える第２のサブシステムと、
    を備え、前記スイッチは、前記第１のサブシステムおよび前記第２のサブシステムへの電源の接続および切断を制御して、前記スイッチがある時間において前記第１および第２のサブシステムのうちの一方のみを前記電源に接続して、前記接続されたサブシステムを待機状態にさせ、およびその時間において前記第１および第２のサブシステムのうちの他方を切断されたサブシステムにすることによって休止状態にさせるようにし、
    前記第１のサブシステムが待機状態であるおよび前記第１の信号が受信される時、前記第１のトリガ回路は、前記スイッチを駆動してさらに前記第１のサブシステムから前記電源を切断することによって、前記第１のサブシステムが前記休止状態に入るようにさせ、およびさらに前記電源を前記第２のサブシステムに接続することによって、前記第２のサブシステムが前記待機状態に入るようにさせ、
    前記第２のサブシステムが待機状態であるおよび前記第２の信号が受信される時、前記第２のトリガ回路は、前記スイッチを駆動してさらに前記第２のサブシステムから前記電源を切断することによって、前記第２のサブシステムが前記休止状態に入るようにさせ、およびさらに前記電源を前記第１のサブシステムに接続することによって、前記第１のサブシステムが前記待機状態に入るようにさせることを特徴とするデバイス。

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