JP5355715B2 - 電力抽出回路及び電力供給システム - Google Patents
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Description
本発明は、以下に説明する電力抽出回路及び電力供給システムによって上記課題を解決する。図3に、本発明の電力抽出回路10及び電力供給システム1の概要を示す。電力抽出回路10は、太陽電池又はゼーベック素子等の直流電源2から強制的に電力を抽出して負荷3に供給するものである。インダクタ11、ダイオード12、13、キャパシタ14、及びスイッチ15、16からなる。電力供給システム1は、電力抽出回路10の入力端子に接続される直流電源2、電力抽出回路10、及び電力抽出回路10の出力端子に接続される負荷3により構成される。
図3において、直流電源2の起電力がV1であるとする。最初にスイッチ15、16がいずれもOFFの状態であるとき(この状態を状態Iとする)、ダイオード12、13の順方向電圧降下がVF1、VF2とすると、負荷3と並列に接続されているキャパシタ14の端子間電圧V2は、起電力V1からダイオード12及び13の順方向電圧降下VF1+VF2を減じた値であり、式1によってあらわされる。
V2=V1−(VF1+VF2) ・・・式(1)
U=LI2/2 ・・・式(2)
即ち、インダクタ11に流れる電流が増加するときは、電流の二乗に比例して、蓄積される磁気エネルギーUも増加する。
本発明者らは図6に示す装置を用いて、本発明の電力供給システムの動作及び電力抽出回路の効果を確認した。直流電源2としては太陽電池を用いた。この太陽電池は、秋月電子通商株式会社製の「ポータブル太陽電池パネル(型番738 SM1000-12V-FP)」を、一定距離から12個の電球(AC100V,40W)で照らすことによって発電する。この太陽電池パネルの出力解放時の定格電圧は12Vであり、短絡時の最大電流は1000mAである。この太陽電池パネルの表面に平行に対向させるように電球を配置し(4個×3列)、表面全体を概ね一様に電球が照らすように調整した。また、本実験においては負荷3としてモータを接続した。モータに供給される電力が増加するとモータの回転数が上がり、より多くの電力を太陽電池から抽出していることを確認することができる。
図3を用いて説明したように、まず最初にスイッチ15及び16をOFFの状態としておく(状態I)。本実験例においてインダクタ11のインダクタンスは10mH、キャパシタ14の容量は2200μFである。ここでスイッチ15及び16のスイッチングを制御する制御装置20の消費電力は、太陽電池から供給される。即ち、この図6に示す電力供給システムの電力供給源は直流電源2としての太陽電池のみであり、この他に外部からの電力供給はない。この状態で太陽電池の端子間電圧を電圧計31によって計測し、インダクタ11に流れる電流を電流計32によって計測する。このときの電圧計31で計測される電圧を入力電圧VO、電流計32で計測される電流を入力電流IOとする。一方、負荷3の両端の電圧(キャパシタ14の端子間電圧)を電圧計33によって計測し、負荷3に流れる電流を電流計34によって計測する。このとき電圧計33で計測される電圧を出力電圧VL、電流計34で計測される電流を出力電流ILとする。この状態におけるVO、IO、VL、及びILの値を表1(スイッチング停止状態)に示す。また、このときの入力電力PO=VO×IO、出力電力PL=VL×ILの値も併せて示す。
次に、キャパシタ14を容量12200μFのキャパシタに交換して実験例1と同様の実験を行った。その結果を表2に示す。
次に、12個の電球の位置を太陽電池パネルの表面に近づけて、実験例1と同様の実験を行った。スイッチ15及び16を繰り返しON/OFFさせるときのスイッチング周波数は20kHzとした。VLが安定した状態におけるVO、IO、VL、IL、PO及びPLの値を表3(スイッチング状態)に示す。表3に示すように、電球を太陽電池パネル表面に近づけたことによりPOが増加し、これに伴ってPLが増加している。なお、表1及び表2に示す実験を行った際、スイッチング状態において、太陽電池パネルの表面温度が上昇することを温度計で確認した。
次に、実験例3の状態(電球の位置を太陽電池パネルに近づけた状態)から太陽電池パネルの表面に送風し、冷却をしたときのVO、IO、VL、IL、PO及びPLの値を表4(スイッチング状態)に示す。表3の結果と比較して、太陽電池パネル表面を冷却したことによりPOが増加し、これに伴ってPLが増加している。
(実験例5)
図7に示す装置を用いて、上記実験において直流電源2として用いた太陽電池の最大電力点を測定した。負荷3として菊水電子工業株式会社製の電子負荷装置「PLZ164WA」を使用して、これを定電流モードにした。この状態で太陽電池から供給される電力が最大となる点を特定した。即ち図7に示す電圧計35によって計測される電圧VOと、電流計36によって計測される電流IOとを乗算した値が最大となるときの電力Pmaxを特定した。その結果、IO=0.336A、VO=14.56Vのときの電力が4.89Wとなり最大となった。
次に、負荷として電子負荷装置を使用して実験例1と同様の実験を行った。実験例1と同じ太陽電池2を使用し、実験例5で最大電力Pmaxが得られたときの条件(電流値,電圧値)に設定した電子負荷装置を負荷3として使用した。その結果、電力抽出回路をスイッチング状態としたときの、VO、IO、VL、IL、PO及びPLの値を表5(スイッチング状態)に示す。
(実験例7)
本発明は、太陽電池に限らず、直流電源から取り出すことができる電力を大きくするものである。本発明者らは、太陽電池に代えて、ゼーベック素子によって構成された電源を使用した実験を行った。使用した電源は、Kryotherm社の「Thermoelectric Modules for Power Generation(型番TGM-287-1.0-1.5)」である。この電源について、電力抽出回路10を接続する前に、実験例5に示した方法で最大電力点を測定した。このとき吸熱側温度は80℃、放熱側温度は27.3℃とした。その結果、IO=0.430A、VO=1.66Vのときの電力が0.71Wとなり最大となった。
2…直流電源(太陽電池,ゼーベック素子)
3…負荷(モータ,電子負荷装置)
10…電力抽出回路
11…インダクタ
12…ダイオード
13…ダイオード
14…キャパシタ
15…スイッチ
16…スイッチ
20…制御装置
31…電圧計
32…電流計
33…電圧計
34…電流計
35…電圧計
36…電流計
Claims (6)
- 直流電源の正極と負極の間に接続されるインダクタ、第1のダイオード、及び第1のスイッチからなる第1の経路と、同じ直流電源の正極と負極の間に接続される当該インダクタ、第2のスイッチ、及び第2のダイオードからなる第2の経路を含み、
前記インダクタは前記直流電源の正極に接続され、
前記第1のダイオードのアノードは前記インダクタに接続され、カソードは前記第1のスイッチに接続され、当該第1のスイッチは当該カソードと前記直流電源の負極間の導通を制御するものであり、
前記第2のスイッチは前記インダクタに接続され、前記第2のダイオードのアノードは当該第2のスイッチに接続され、カソードは前記直流電源の負極に接続され、当該第2のスイッチは当該アノードと前記インダクタ間の導通を制御するものであり、
前記第1のダイオードのカソードと前記第2のダイオードのアノード間に接続されたキャパシタをさらに含み、
前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチを共に導通させ、共に非導通とする制御を交互に繰り返すことによって、前記インダクタに流れる電流を増大させ、前記直流電源から取り出すことができる電力を増大させることを特徴とする電力抽出回路。 - 直流電源の正極と負極の間に接続されるインダクタ、第1のダイオード、及び第1のスイッチからなる第1の経路と、同じ直流電源の正極と負極の間に接続される当該インダクタ、第2のスイッチ、及び第2のダイオードからなる第2の経路を含み、
前記インダクタは前記直流電源の正極に接続され、
前記第1のダイオードのアノードは前記インダクタに接続され、カソードは前記第1のスイッチに接続され、当該第1のスイッチは当該カソードと前記直流電源の負極間の導通を制御するものであり、
前記第2のスイッチは前記インダクタに接続され、前記第2のダイオードのアノードは当該第2のスイッチに接続され、カソードは前記直流電源の負極に接続され、当該第2のスイッチは当該アノードと前記インダクタ間の導通を制御するものであり、
前記第1のダイオードのカソードと前記第2のダイオードのアノード間に接続されたキャパシタをさらに含み、
前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチを共に導通させ、共に非導通とする制御を交互に繰り返すことによって、前記キャパシタの端子間電圧を増大させ、これにより前記キャパシタに並列に接続される負荷に供給する電力を増大させることを特徴とする電力抽出回路。 - 直流電源の正極と負極の間に接続されるインダクタ、第1のダイオード、及び第1のスイッチからなる第1の経路と、同じ直流電源の正極と負極の間に接続される当該インダクタ、第2のスイッチ、及び第2のダイオードからなる第2の経路を含み、
前記インダクタは前記直流電源の正極に接続され、
前記第1のダイオードのアノードは前記インダクタに接続され、カソードは前記第1のスイッチに接続され、当該第1のスイッチは当該カソードと前記直流電源の負極間の導通を制御するものであり、
前記第2のスイッチは前記インダクタに接続され、前記第2のダイオードのアノードは当該第2のスイッチに接続され、カソードは前記直流電源の負極に接続され、当該第2のスイッチは当該アノードと前記インダクタ間の導通を制御するものであり、
前記第1のダイオードのカソードと前記第2のダイオードのアノード間に接続されたキャパシタをさらに含み、
前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチを共に導通させ、共に非導通とする制御を交互に繰り返すことによって、前記インダクタに流れる電流を増大させ、前記直流電源から取り出すことができる電力を増大させ、且つ、前記キャパシタの端子間電圧を増大させ、これにより前記キャパシタに並列に接続される負荷に供給する電力を増大させることを特徴とする電力抽出回路。 - 直流電源、当該直流電源と接続される電力抽出回路、及び当該電力抽出回路に接続される負荷から構成される電力供給システムであって、
前記電力抽出回路は、前記直流電源の正極と負極の間に接続されるインダクタ、第1のダイオード、及び第1のスイッチからなる第1の経路と、同じ直流電源の正極と負極の間に接続される当該インダクタ、第2のスイッチ、及び第2のダイオードからなる第2の経路を含み、
前記インダクタは前記直流電源の正極に接続され、
前記第1のダイオードのアノードは前記インダクタに接続され、カソードは前記第1のスイッチに接続され、当該第1のスイッチは当該カソードと前記直流電源の負極間の導通を制御するものであり、
前記第2のスイッチは前記インダクタに接続され、前記第2のダイオードのアノードは当該第2のスイッチに接続され、カソードは前記直流電源の負極に接続され、当該第2のスイッチは当該アノードと前記インダクタ間の導通を制御するものであり、
前記第1のダイオードのカソードと前記第2のダイオードのアノード間に接続されたキャパシタをさらに含み、
前記負荷は前記キャパシタに並列に接続され、
前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチを共に導通させ、共に非導通とする制御を交互に繰り返すことによって、前記インダクタに流れる電流を増大させ、前記直流電源から取り出すことができる電力を増大させ、且つ、前記キャパシタの端子間電圧を増大させ、これにより前記負荷に供給する電力を増大させることを特徴とする電力供給システム。 - 請求項4に記載した電力供給システムであって、
前記直流電源は太陽電池であることを特徴とする電力供給システム。 - 請求項4に記載した電力供給システムであって、
前記直流電源はゼーベック素子によって構成されていることを特徴とする電力供給システム。
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