JP2016042778A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用時、太陽電池モジュールに太陽光線が垂直に入射する角度設定が容易にでき、収納時はスペースを取らない、発電電力は安定化して出力され、夜間も使用できるよう蓄電池との組み合わせが容易な太陽光発電装置を提供する。【解決手段】太陽電池モジュール２とベース４の２要素で構成し、両者をヒンジ３で固定する。両者を多段階に長さを変えられるロック機構付ステー６で結ぶか、トルクヒンジを用いて太陽電池とベースを任意の角度で固定できるようにする。発電電力はＤＣ−ＤＣコンバーターにて定格出力電圧に変換し出力する。発電電力の短時間変動の平準化のため、所望により電気二重層コンデンサーでバックアップし、また電力を夜間にも利用できるよう、リチウムイオン等の蓄電池を容易に接続使用できる構成とする。【選択図】図２

Description

本発明は、系統に連携せず独立型電源として使用する太陽光発電装置に関するものである。

現在、系統に連携しない小型太陽電池の多くはモジュール単体で供給され、利用者は制御回路やバッテリーを自ら結線しなければならず、技術を要し、一般ユーザーには使用が困難である。また、一部、回路やバッテリーがセットされた製品もあるが、主にアウトドア用で家屋内での使用に適していない。使用時の太陽電池モジュールの傾き等のセッティングが容易で場所を取らず、不使用時には折りたたんで収納しやすい構成の発電セットがあれば、太陽光の当たる窓際やベランダ等でも簡単に発電でき、利便性が高く自然エネルギー利用促進に寄与する。

また、発電した小電力を有効に利用するには、太陽電池の直流出力を商用交流電源に変換せず直流のまま使用するのが効率的であるが、その際、雲の通過等で変化する太陽電池の出力を安定化するための蓄電デバイスの種類や容量は従来選択できなかったが、求める安定度、予算等を勘案し、容易に選択構築できることが望まれる。

特開２００３−６５２０８号公報 特開２０１３−５３１８８５号公報

従来の太陽光発電装置は、太陽電池モジュールの傾斜が固定であったり、変えられるものでも重心の高いスタンド上部の回転軸に取り付けられ、かさばる上に転倒しやすい欠点を持っていた。また、出力を平準化するためのバックアップ蓄電についてもユーザーが使用目的に合わせて選択することができず、出力の安定性に欠けたり、逆に容量の過剰な蓄電池により重量が過大になり使いづらい場合があった。

本発明は、このような従来の製品の不備を解決し、室内に設置可能で、季節に応じたモジュールの傾斜角の設定が容易で、不使用時には容積を小型化して収納しやすく、また、ユーザーの目的に応じて蓄電デバイスを選択取り付けできる構成を持った太陽光発電装置の提供を目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、太陽電池モジュールの傾斜角を容易に設定でき、不使用時には折りたためる構造とする。また、蓄電デバイスとして電気二重層コンデンサーや各種容量の２次電池を必要に応じて接続使用できる回路構成とする。

太陽電池モジュールの下端を、ヒンジにて太陽電池モジュールと概略同じ平面寸法を持つベースに取り付け、モジュールとベースを、多段階に長さを変えられるロック機構付ステーで結ぶことにより、モジュールの角度を太陽光線がモジュールに入射する角度が垂直になるよう設定することができ、発電効率が高まる。

ベースはその内部に制御回路、コネクター類、また所望によりバッテリー等を収納することで、装置全体をすっきりとコンパクトに構成でき、ベース上面は小テーブルとして、ＵＳＢグッズ、ラジオ、充電中のスマートフォンなどの置台として便利に使用できる。

太陽電池の出力電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバーターにより太陽光発電装置の定格出力電圧に変換される。太陽電池とＤＣ−ＤＣコンバーターの間に必要に応じ最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ）回路を設けると太陽電池の発電した電力がより有効に利用できるが、シンプルな回路構成が要求される場合は省略しても良い。

蓄電用電池は充電制御回路を組み合わせたユニットとしコネクターを設けてケーブルで接続すれば目的に応じた電池容量を選択でき、接続を外し異なった場所で蓄え使うこともできる。上記蓄電池ユニットとして市販のモバイルバッテリーを用いることもできる。

また、太陽電池の出力は雲の通過などによる日照量の変化で絶えず変化するが、電気二重層などの大容量コンデンサーを使うことで出力安定化が可能になる。コンデンサーは蓄電池に比べはるかに長寿命で安心して使用できる。コンデンサーは装置内に固定しても良いが、ユニットにまとめ外部に設けてケーブルで接続すればユーザーが予算等に応じて容量を選択することができる。

コンデンサーの電圧は貯えられた電荷の量により直線的に変化するため放電時は、なるべく低い電圧となるまで貯えた電荷を利用すると効率が良い。そのためには昇圧型コンバーターを用いて負荷へ出力すると低い電圧の電荷でも利用できる。

太陽光発電装置の出力には、少なくともＵＳＢ規格互換のＤＣ５Ｖ出力を設けると、携帯電話、モバイルバッテリー、モバイルオーディオ機器等の充電に使えるほか、ＵＳＢ電源で使える小型ファン、ＬＥＤライト等の電力としても使え、利便性が高い。さらに大容量のカーアクセサリー等に対応するには、必要に応じて１２Ｖ出力を設けても良い。

雨天など長時間太陽光が得られない状態や、急ぎ電力を必要な時に対応できるようＡＣアダプターにより得た直流電力を入力できるようにする方法もある。その場合、太陽電池から充分な出力電力が得られる場合は太陽電池からの電力が優先される回路にすると良い。

本発明の太陽光発電装置により、窓際、ベランダ、アウトドア等で、誰でも手軽に太陽光発電が行え、携帯電話、モバイル機器、ラジオ、常夜灯などの電源として便利に使用することができる。また、停電時には非常電源となり安心である。太陽電池モジュールの傾き角が調整できるため最適条件で発電でき、水平にたためるので収納時もスペースを取らない。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図１から図６を参照して説明する。なお、この形態は請求項１から６のすべてを満たした場合のものであり、実施に当たっては使用条件により不要な要素を削除して構成した形態で良い。

太陽電池モジュール２はヒンジ３により太陽電池モジュールと概略同じ平面寸法を持つベース４に固定され、指はさみ事故等の防止のためストッパーゴム５によりモジュールとベースの間隔を取る。太陽電池モジュール２とベース４はまた多段階に長さを変えられるロック機構付ステー６で結ばれ、ステー６が最も縮んだ状態で図１のようにモジュールはベース上に平らに畳まれ、収納に便利となる。なお、ステー６は安全上左右両方に設けることが望ましい。

太陽光発電装置の使用時にはロック機構付ステー６のロックを解除し、図２のように太陽光線１が太陽電池モジュール２に概略垂直に入射する角度まで太陽電池モジュール２を引き起こして、ステー６をロックする。なお、角度設定は通常、南中時の太陽光が直角に入射するよう設定すると効果的である。

ベース４内には、図３のように前面にスイッチ、コネクター類が取り付けられ、ＤＣ−ＤＣコンバーターなど必要な回路が組み込まれた制御回路ボックス７が納められ、ベース上面は小テーブルとして充電する携帯機器８を置くことができる。

ベース４内に非接触充電機構９を収納し、ベース上面に非接触充電に対応した携帯機器１０を置くと、ケーブル接続せずに充電が可能となる。

太陽電池モジュール２の出力はＤＣ−ＤＣコンバーター１２にて定格出力電圧に調整され、出力端子１４から出力される。ＤＣ−ＤＣコンバーターの前に最大電力点追従制御回路（ＭＰＰＴ）１１を設けると太陽電池から最適条件で電力を引き出せ、発電電力の効率が向上する。

出力端子１４には蓄電池２１と充放電制御回路２０が組み合わされた図７のような蓄電池ユニット１９や充電する携帯機器８等を１個または複数個接続可能とする。もちろんＵＳＢファンのように充電機能を持たない負荷機器を接続しても良い。出力電圧は市販携帯機器に適合するよう、ＵＳＢ規格適合の５Ｖ（±１０％）とする。将来的にＵＳＢ規格に１２Ｖ等が加わった場合はその電圧への対応も検討すると良い。

上記蓄電池ユニット１９には市販のモバイルバッテリーが使用できる。容量等が合わない場合は専用に製作して組み込んでも良い。

雲の通過など、日照の変動による発電電力の短時間低下を平準化するため、回路中に図６のような電気二重層コンデンサー１６を使用したコンデンサーユニット１５付加して発電した電力を充電し、電圧低下時に放電すると短時間の発電電力低下をカバーし、安定した出力を供給できる。コンデンサーユニットの接続には三つの方法がある。

第一の方法は、ＤＣ−ＤＣコンバーター１２の入力側に接続する方法で、太陽電池の出力もしくはＭＰＰＴ制御後の出力電圧がコンデンサーの電圧より低くなるとコンデンサーより電気が供給されてＤＣ−ＤＣコンバーターで定格電圧に変換され供給される。この場合はコンデンサーユニットにＤＣ−ＤＣコンバーター１７は不要である。

第二の方法は、コンデンサーに貯えられた電気は低電圧入力対応ＤＣ−ＤＣコンバーター１７で変換され、専用の出力端子１８より出力される。この方式はコンデンサーユニットを外付けして脱着使用しやすくする利点を持つ。

第三の方法は、上記のＤＣ−ＤＣコンバーター１７からの出力を切換器１３に入力し、主回路のＤＣ−ＤＣコンバーター１２の出力電圧が規定電圧より下がった時にコンデンサーユニットからの電気を供給する。

本発明の太陽光発電装置は、従来、部材が単体で供給され、一般のユーザーには利用が難しかった太陽電池および関連資材を使いやすい独立電源型装置としてまとめ上げたものである。本装置の使用によって太陽光発電が身近になり、発電した電力を携帯情報通信機器などの電源として有効に利用できる。商用電源に変換することなく直流給電で使えるので変換損失がなく、また停電など、非常時には通信情報インフラを支える生命線として大きな役割を果たすことができる。

本発明の太陽光発電装置を畳んだ状態の側面図。 本発明の太陽光発電装置を使用する状態の側面図。 本発明の太陽光発電装置に携帯電話をケーブル接続して充電する状態を表す見取図。 本発明の太陽光発電装置に非接触充電装置を組み込み、対応する携帯機器に充電する状態を表す見取図。 本発明の太陽光発電装置の回路ブロック図。 本発明の太陽光発電装置に付加使用するコンデンサーユニットの回路ブロック図。 本発明の太陽光発電装置に付加使用する蓄電池ユニットの回路ブロック図。

１． 太陽光線
２． 太陽電池モジュール
３． ヒンジ
４． ベース
５． ストッパーゴム
６． 多段階に長さを変えられるロック機構付ステー
７． 制御回路ボックス
８． 充電する携帯機器
９． 非接触充電機構
１０．非接触充電対応携帯機器
１１．最大電力点追従制御回路（ＭＰＰＴ）
１２．ＤＣ−ＤＣコンバーター
１３． 切替器
１４．出力端子
１５．コンデンサーユニット
１６．電気二重層コンデンサー
１７．低電圧入力対応ＤＣ−ＤＣコンバーター
１８．出力端子
１９．蓄電池ユニット
２０．充放電制御回路
２１．蓄電池
２２．出力端子

Claims (6)

1. 太陽電池モジュールはヒンジにてベースに固定され、両者を、多段階に長さを変えられるロック機構付ステーで結び、装置の収納時は太陽電池モジュールをベースと平行に畳むことにより容積を小さくし、使用時は太陽電池モジュールを太陽光線が垂直に入射する角度に引き起こしてロックすることにより、最適入射条件にて発電を行うことを可能にした太陽光発電装置。
2. 請求項１の太陽光発電装置において、ロック機構付ステーを用いる代わりに、摩擦力もしくはバネ力にて任意の角度に止められるトルクヒンジを用いて同等の機能を果たす太陽光発電装置。
3. 太陽電池モジュールの出力をＤＣ−ＤＣコンバーターにて定格出力電圧に変換して出力する回路を持つ太陽光発電装置において、出力電圧および電流容量をモバイルバッテリーに適合する条件とし、モバイルバッテリーに貯えた電力により常夜灯等の夜間電力使用を可能とした太陽光発電装置。
4. 太陽電池モジュールの出力をＤＣ−ＤＣコンバーターにて定格出力電圧に変換して出力する回路を持つ太陽光発電装置において、ＤＣ−ＤＣコンバーターの入力側に電気二重層コンデンサーを接続し、雲の通過など一時的な発電電力低下時にコンデンサーに貯えられた電力で平準化し安定した出力を供給できる太陽光発電装置。
5. 請求項４の太陽光発電装置において、主回路のＤＣ−ＤＣコンバーターの出力側に電気二重層コンデンサーを接続し、太陽電池の発電電力低下時に主回路ＤＣ−ＤＣコンバーターの出力電圧が規定より低下すると自動切替器にてコンデンサーに貯えた電気を低電圧対応ＤＣ−ＤＣコンバーターにて規定電圧に変換して出力する太陽光発電装置。
6. 請求項１から５の太陽光発電装置において、ベース内に非接触充電機構を組み込み、ベース上面に非接触充電に対応した携帯機器を置くことにより、ケーブル接続せずに携帯機器への充電を可能とした太陽光発電装置。

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