JPH1140831A

JPH1140831A - 太陽電池電源装置

Info

Publication number: JPH1140831A
Application number: JP9191024A
Authority: JP
Inventors: Tsugiko Hara; 亜子原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】人工衛星の様々な状況における太陽電池の余
剰電力を全て消費できると共に、熱設計が容易なシャン
ト回路を小型に構成する。【解決手段】開示される太陽電池電源装置は、太陽光
エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池素子１７が
複数接続されて所定の電力を発生する太陽電池回路１１
と、電力を消費するシャント回路１５と、太陽電池回路
１１の発生電力が負荷１２で消費される電力より大きく
余剰電力がある場合に、その余剰電力の少なくとも一部
に対応した制御信号を出力すると共に、余剰電力の残り
をシャント回路１５で消費させる電力制御回路１３と、
制御信号に対応した電力を発生している少なくとも１個
の太陽電池素子１７を電気的に短絡して太陽電池回路１
１の発生電力を減少させる太陽電池出力制御部１６とを
備えてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、太陽電池電源装
置に係り、特に、人工衛星等に用いられ、太陽光エネル
ギを電気エネルギに変換する太陽電池から負荷へ供給さ
れる電力を制御する太陽電池電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の太陽電池電源装置としては、特開
昭６１−１９９４２１号公報に開示されているように、
シャント回路を用いたものがあった。シャント回路は、
太陽電池が発生した電力（以下、発生電力という）が負
荷で消費すべき電力（以下、負荷電力という）より大き
く余剰電力がある場合に、その余剰電力を消費すること
により、太陽電池の出力特性（電圧−電流特性）におけ
る動作点を低電圧側に移行させ、太陽電池の出力電圧を
規定の範囲内に保持するものであり、これにより、右動
作点が負荷電流に応じて高電圧側に移行し、太陽電池の
出力電圧が負荷に供給すべき電圧の許容範囲を越えてし
まうのを防止している。

【０００３】すなわち、電子機器を太陽電池電源装置の
負荷として使用する場合、一般的には電子機器の動作可
能電圧はある範囲内に限られているから、太陽電池電源
装置の出力電圧をこの範囲内に設定するためにシャント
回路で余剰電力を消費させるのである。要するに、シャ
ント回路は、太陽電池の発生電力を制御するものではな
く、既に発生してしまった電力を消費するものである。

【０００４】なお、一般的には、右動作点はシャント回
路が動作していない状態では、負荷電圧（バス電圧）よ
り高くなるように、太陽電池電源装置を設計する。この
ように設計しないと、太陽電池に余剰電力がない場合に
出力電圧が負荷電圧を下回ってしまうからである。ここ
で、バス電圧とは、電源、衛星姿勢制御、推進系などか
らなるバス機器に印加すべき電圧である。

【０００５】次に、従来の太陽電池電源装置の構成例を
図７を参照して説明する。この例の太陽電池電源装置
は、太陽電池回路１と、負荷２と、電力制御回路３と、
蓄電池４と、シャント回路５とから概略構成されてい
る。太陽電池回路１は、太陽光エネルギを電気エネルギ
に変換する太陽電池素子６，６，…が電気的に直並列に
接続されて所定の電力を発生するように構成されてい
る。負荷２は、太陽電池回路１が発生した電力を消費す
る。

【０００６】電力制御回路３は、太陽電池回路１の発生
電力に余裕がある場合、すなわち、余剰電力がある場合
にその余剰電力を蓄電池４に蓄積すると共に、蓄電池４
への充電が終了してもまだ余剰電力がある場合にその余
剰電力をシャント回路５で消費させ、一方、太陽電池回
路１の発生電力が負荷電力より小さい場合にその電力不
足分を蓄電池４から負荷２へ供給させることにより、太
陽電池回路１の出力電圧を規定の負荷電圧に制御する。

【０００７】次に、図８を参照して、図７に示す従来の
太陽電池電源装置の動作について説明する。図８は、太
陽電池回路１の出力特性（Ｖ−Ｉ特性）の一例である。
図８において、負荷２を流れる負荷電流Ｉ_Lと、蓄電池
４の充電時に流れる蓄電電流Ｉ_Bとの合計を電流Ｉ_A（ポ
イントＡ）とすると、シャント回路５を動作させないと
きの出力特性曲線Ｃ_O上の動作点はポイントＢとなり、
このときの太陽電池回路１の出力電圧は電圧Ｖ_F（ポイ
ントＦ）となる。

【０００８】太陽電池回路１の出力電圧を電圧Ｖ_Fから
負荷２の動作可能電圧の上限値であるバス電圧Ｖ_Bにす
るためには、出力特性曲線Ｃ_Oの動作点をポイントＢか
らポイントＤまでに移動させなければならないが、その
ためには、ポイントＤ、Ｃ、Ａ及びＦで囲まれた領域
（図中斜線部）の太陽電池回路１の出力電力をシャント
回路５において熱として消費することになる。すなわ
ち、図８に示すように、シャント回路５には、シャント
電流Ｉ_Sが流れることになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した従
来の太陽電池電源装置を人工衛星に採用した場合、人工
衛星の定常運用時（日照期間中）における太陽電池回路
１の出力特性をシャント回路５により制御する場合の動
作については、上記「従来の技術」で説明した動作と同
様であるが、この他に、人工衛星自身が地球などの影
（以下、日陰という）から出た直後という特殊な条件下
（時間的にみてミッションライフ中の僅かな時間）にお
いては、太陽電池素子６，６，…が低温になっている
（例えば、静止衛星の場合、約−１５０゜Ｃ）ため、太
陽電池回路１の出力電力や出力電圧が過大になってしま
う。

【００１０】また、太陽電池素子６，６，…は、一般
に、シリコンやガリウム・砒素等の半導体素子によって
構成されているが、太陽光に含まれている放射線や、地
球のバンアレン帯に捕捉される宇宙放射線が、宇宙空間
などで太陽電池素子６，６，…に照射されると、半導体
素子の結晶構造が破壊され、太陽電池素子６，６，…の
発電能力が劣化してしまう。

【００１１】そこで、太陽電池回路１の発電能力は、太
陽電池回路１が搭載される人工衛星に要求される電力
に、右劣化による電力の減少分を加えて設定される。長
寿命衛星やバンアレン帯を通過する人工衛星など、宇宙
放射線被爆量が多い環境で使用される人工衛星の場合に
は、短寿命衛星やバンアレン帯を通過しない人工衛星な
どと比べてこの電力減少分も大きいので、その分だけ予
め設定される太陽電池の電力も多くなる。

【００１２】したがって、太陽電池回路１の出力電圧を
規定の電圧に制御するためには、定常運用時、人工衛星
が日陰から出た直後、長寿命衛星やバンアレン帯を通過
する人工衛星などでミッションライフ初期等の様々な時
期における太陽電池の余剰電力を全て消費できる大規模
なシャント回路５が必要となった。

【００１３】また、シャント回路５が動作中において
は、シャント電流Ｉ_Sの発生により、シャント回路５で
発生する熱量が人工衛星内部に蓄積され、人工衛星内部
全体の温度が上昇する。そして、人工衛星内部全体の温
度が人工衛星に搭載されている各機器の許容温度を超え
てしまうと、各機器が誤動作したり、場合によっては、
重大な故障が発生してしまう虞がある。

【００１４】そこで、人工衛星の設計では、シャント回
路５で発生する熱量を予測して熱設計を行うが、人工衛
星の運用モード毎に負荷電流Ｉ_Lの大きさが違ったり、
太陽光の入射量が違ったりするなどにより、太陽電池回
路１の発生電力が異なるため、余剰電力の量が一定でな
く、熱設計が非常に難しい、という欠点があった。さら
に、シャント回路５の規模が大きくなると、その内部で
発生する熱量も増加するため、熱量を人工衛星の外部へ
排出するための放熱スペースも大きくなるので、人工衛
星のシステム設計に大きな制約を与えるという問題があ
った。

【００１５】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、人工衛星の様々な状況における太陽電池の余剰
電力を全て消費できると共に、熱設計が容易なシャント
回路を小型に構成できる太陽電池電源装置を提供するこ
とを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明に係る太陽電池電源装置は、太
陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池素子が
複数接続されて所定の電力を発生する太陽電池回路と、
電力を消費するシャント回路と、上記太陽電池回路の発
生電力が負荷で消費される電力より大きく余剰電力があ
る場合に、その余剰電力の少なくとも一部に対応した制
御信号を出力すると共に、上記余剰電力の残りを上記シ
ャント回路で消費させる電力制御回路と、上記制御信号
に対応した電力を発生している少なくとも１個の太陽電
池素子を電気的に短絡して上記太陽電池回路の発生電力
を減少させる太陽電池出力制御回路とを備えてなること
を特徴としている。

【００１７】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の太陽電池電源装置に係り、上記電力制御回路は、上
記太陽電池回路の出力電圧を検出し、その出力電圧に対
応した上記制御信号を出力することを特徴としている。

【００１８】また、請求項３記載の発明は、請求項１記
載の太陽電池電源装置に係り、上記上記電力制御回路
は、上記太陽電池回路で発生される熱の温度を検出し、
その温度に対応した上記制御信号を出力することを特徴
としている。

【００１９】また、請求項４記載の発明は、請求項１，
２又は３記載の太陽電池電源装置に係り、各太陽電池素
子は、バイパス機能付き又はバイパスダイオードが並列
接続とされており、かつ、上記太陽電池出力制御回路
は、上記制御信号に対応した電力を発生している少なく
とも１個の太陽電池素子に入射される太陽光を遮光手段
により遮ることを特徴としている。

【００２０】また、請求項５記載の発明は、請求項４記
載の太陽電池電源装置に係り、上記遮光手段が、バイメ
タルに連動する構成とされ、該バイメタルの近傍には上
記制御信号が供給されることで発熱するヒータが設けら
れていることを特徴としている。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の態様について説明する。説明は、実施例を用い
て具体的に行う。図１は、この発明の一実施例である太
陽電池電源装置の電気的構成を示すブロック図である。
この例の太陽電池電源装置は、太陽電池回路１１と、負
荷１２と、電力制御回路１３と、蓄電池１４と、シャン
ト回路１５と、太陽電池出力制御部１６とから概略構成
されている。太陽電池回路１１は、予め設定された数だ
け電気的に直列に接続されたバイパス機能付きの太陽電
池素子１７，１７，…が複数列設けられて所定の発生電
力を出力するように構成されている。負荷１２は、太陽
電池回路１１が発生した電力を消費する。

【００２２】電力制御回路１３は、充電制御回路１８
と、基準電圧回路１９と、制御回路２０とから概略構成
されている。制御回路２０は、太陽電池回路１１の出力
電圧を基準電圧回路１９に予め設定されている基準電圧
（太陽電池回路１１の出力電圧をバス電圧Ｖ_Bに設定す
るための基準値）と比較し、太陽電池回路１１の出力電
圧が高く、太陽電池回路１１に余剰電力がある場合に、
充電制御回路１８を制御してその余剰電力を蓄電池１４
に蓄積させると共に、蓄電池１４への充電が終了しても
まだ余剰電力がある場合に、太陽電池出力制御部１６へ
制御信号を供給してその余剰電力に相当する電力を発生
している太陽電池素子１７，１７，…を電気的に短絡さ
せる。

【００２３】一方、制御回路２０は、太陽電池回路１１
の出力電圧を上記基準電圧と比較し、太陽電池回路１１
の出力電圧が低く、太陽電池回路１の発生電力が負荷電
力より小さい場合に、充電制御回路１８を制御してその
電力不足分を蓄電池１４から負荷１２へ供給させること
により、太陽電池回路１１の出力電圧を規定の負荷電圧
に制御する。

【００２４】太陽電池出力制御部１６は、遮蔽板２１
と、駆動回路２２とから概略構成されている。ここで、
図２〜図４に、太陽電池出力制御部１６の構成の一例を
概略示す。遮蔽板２１は、駆動回路２２により駆動され
て直列に接続された太陽電池素子１７のうち、予め設定
された個数のものだけに入射する太陽光を遮る。

【００２５】太陽光を遮る太陽電池素子１７の個数は、
具体的には、人工衛星の軌道上の定常時（日陰から出て
数分後から次の日陰入りの前まで）における太陽電池回
路１１の出力電圧と、日陰から出た直後における太陽電
池回路１１の出力電圧との差分や、長寿命衛星やバンア
レン帯を通過する人工衛星等ミッションライフ中に放射
線被爆量が多い人工衛星の、ミッションライフ初期と末
期とのそれぞれの太陽電池回路１１の出力電圧の差分等
に相当する電力を発生する直列に接続された太陽電池素
子１７の個数である。

【００２６】図３において、遮蔽板２１の一端部近傍に
遮蔽板２１を貫通して取り付けられた回転軸２２ｃの一
端部にバイメタル２２ａが取り付けられており、バイメ
タル２２ａ近傍にヒータ２２ｂが設けられている。そし
て、制御回路２０から制御信号が供給されると、ヒータ
２２ｂの両端に所定の電圧が印加され、ヒータ２２ｂが
発生する熱によってバイメタル２２ａが変形し、図４に
示すように、ヒータ２２ｂに印加される電圧の大きさに
応じて遮蔽板２１が回転軸２２ｃの周りを回転する。こ
れにより、太陽電池素子１７のうち、所定の個数のもの
だけに入射する太陽光が遮られる。

【００２７】次に、上記構成の太陽電池電源装置の動作
について、図５及び図６を参照して説明する。図５及び
図６は、太陽電池回路１１の出力特性（Ｖ−Ｉ特性）の
一例である。図５において、出力特性曲線Ｃ_O1は、太陽
電池回路１１の発生電力が負荷電力及び充電電力の和と
等しい場合、出力特性曲線Ｃ_O2及びＣ_O3は、共に太陽電
池回路１１の発生電力が負荷電力及び充電電力の和より
大きい場合を示している。

【００２８】そこで、例えば、長寿命衛星のミッション
ライフの初期時であるため、太陽電池回路１１の出力特
性が、図５に示す出力特性曲線Ｃ_O2である場合、図６に
示すように、負荷１２を流れる負荷電流Ｉ_Lと、蓄電池
１４の充電時に流れる蓄電電流Ｉ_Bとの合計を電流Ｉ
_A（ポイントＡ）とすると、出力特性曲線Ｃ_O2上の動作
点はポイントＢとなり、このときの太陽電池回路１１の
出力電圧は電圧Ｖ_F（ポイントＦ）となるので、負荷１
２の動作可能電圧の上限値であるバス電圧Ｖ_Bより大き
くなる。

【００２９】これにより、電力制御回路１３において、
制御回路２０は、太陽電池回路１１の出力電圧、今の場
合、動作点の電圧Ｖ_Fを検出し、基準電圧回路１９に予
め設定されている基準電圧と比較し、太陽電池回路１１
の出力電圧が高く、太陽電池回路１１に余剰電力がある
と判断すると、充電制御回路１８を制御してその余剰電
力を蓄電池１４に蓄積させると共に、蓄電池１４への充
電が終了してもまだ余剰電力がある場合には、電圧Ｖ_F
をバス電圧Ｖ_Bと等しくするべき制御信号を太陽電池出
力制御部１６へ供給する。

【００３０】太陽電池出力制御部１６において、駆動回
路２２は、制御回路２０から供給された制御信号に基づ
いて、ヒータ２２ｂの両端に所定の電圧が印加され、ヒ
ータ２２ｂが発生する熱によってバイメタル２２ａが変
形し、図４に示すように、ヒータ２２ｂに印加される電
圧の大きさに応じて遮蔽板２１が回転軸２２ｃの周りを
回転する。

【００３１】これにより、遮蔽板２１の角度が変化する
ので、直列に接続された太陽電池素子１７，１７，…の
うち、予め設定された個数のものだけに入射される太陽
光が遮られる。太陽光が遮られた太陽電池素子１７は、
電気的に短絡された状態となり、電力を発生しないの
で、太陽電池回路１１の出力特性が図６に示す出力特性
曲線Ｃ_O2から出力特性曲線Ｃ_O22へ変化する。すなわ
ち、駆動回路２２が遮蔽板２１の角度を変化させること
により、電力を発生する太陽電池素子１７の個数自体が
増減されるので、太陽電池回路１１の出力特性は、図６
に示すように、出力特性曲線Ｃ_O2、出力特性曲線
Ｃ_O21、出力特性曲線Ｃ_O22と変化し、太陽電池回路１１
の発生電力が制御されるのである。

【００３２】なお、遮蔽板２１で太陽電池素子に入射さ
れる太陽光を遮ると、通常の場合、太陽電池素子に逆バ
イアス電圧が印加され、太陽電池素子が破壊されてしま
う虞がある。このため、太陽光が遮られる太陽電池素子
には、バイパスダイオードを並列接続しておく必要があ
るが、太陽電池素子１７は、バイパス機能付きであるの
で、バイパスダイオードの接続は不要である。

【００３３】このように、この例の構成によれば、余剰
電力がある場合には、その余剰電力に相当する電力を発
生している個数の太陽電池素子１７に入射されている太
陽光が遮られ、それらの太陽電池素子１７が電気的に短
絡された状態になり、太陽電池回路１１の発生電力自体
が減少する。したがって、従来のように、余剰電力の全
てをシャント回路１５で消費する必要がないので、シャ
ント回路１５の余剰電力処理能力を小さくできるので、
小型化が可能になると共に、熱設計も容易になる。これ
により、シャント回路で発生する熱を放熱する放熱スペ
ースも小型にでき、その分ミッション機器の設計の自由
度が増す。

【００３４】以上、この発明の実施例を図面を参照して
詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られる
ものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計
の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、上述
の実施例においては、駆動回路２２にバイメタル２２ａ
を用いた例を示したが、これに限定されず、形状記憶合
金を用いても良い。また、上述の実施例においては、太
陽電池素子１７を電気的に短絡する手段として、遮蔽板
２１を用いたが、これに限定されず、例えば、メカニカ
ルスイッチや電子スイッチ等を用いても良い。

【００３５】さらに、上述の実施例においては、制御回
路２０が太陽電池回路１１の出力電圧と基準電圧を比較
してその比較結果に基づいて太陽電池出力制御部１６へ
制御信号を供給する例を示したが、これに限定されな
い。例えば、太陽電池素子１７が発生する熱を温度セン
サにより検出してそれに基づいて制御信号を生成しても
良い。この場合には、人工衛星が日陰から日照へ移行す
る前に温度に対する太陽電池回路１１の出力電圧を予測
できる。このため、温度と出力電圧との関係に関するデ
ータを予め電力制御回路１３内部の記憶手段に記憶して
おくことにより、日照になる前に太陽電池出力制御回路
２１を用いて太陽電池素子１７を電気的に短絡でき、太
陽電池回路１１における過大電圧の発生を未然に防止す
ることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の太陽電
池電源装置の構成によれば、太陽電池回路が余剰電力を
発生した場合、その余剰電力をシャント回路だけで消費
するのではなく、その余剰電力に相当する電力を発生し
ている太陽電池素子を電気的に短絡し、太陽電池回路の
発生電力自体を制御しているので、人工衛星の様々な状
況における太陽電池の余剰電力を全て消費できると共
に、熱設計が容易なシャント回路を小型に構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である太陽電池電源装置の
電気的構成を示すブロック図である。

【図２】同太陽電池電源装置を構成する太陽電池出力制
御部の機械的構成を示す斜視図である。

【図３】同太陽電池出力制御部の機械的構成を示す斜視
図である。

【図４】同太陽電池出力制御部の機械的構成を示す側面
図である。

【図５】同太陽電池電源装置を構成する太陽電池回路の
出力特性を示す出力特性図である。

【図６】同太陽電池回路の出力特性を示す出力特性図で
ある。

【図７】従来の太陽電池電源装置の電気的構成例を示す
概略図である。

【図８】同太陽電池電源装置を構成する太陽電池回路の
出力特性の一例を示す図である。

【符号の説明】

１１太陽電池回路１２負荷１３電力制御回路１４蓄電池１５シャント回路１６太陽電池出力制御部（太陽電池出力制御回
路）１７太陽電池素子１８充電制御回路１９基準電圧回路２０制御回路２１遮蔽板（遮光手段）２２駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽光エネルギを電気エネルギに変換す
る太陽電池素子が複数接続されて所定の電力を発生する
太陽電池回路と、電力を消費するシャント回路と、前記太陽電池回路の発生電力が負荷で消費される電力よ
り大きく余剰電力がある場合に、その余剰電力の少なく
とも一部に対応した制御信号を出力すると共に、前記余
剰電力の残りを前記シャント回路で消費させる電力制御
回路と、前記制御信号に対応した電力を発生している少なくとも
１個の太陽電池素子を電気的に短絡して前記太陽電池回
路の発生電力を減少させる太陽電池出力制御回路とを備
えてなることを特徴とする太陽電池電源装置。
【請求項２】前記電力制御回路は、前記太陽電池回路
の出力電圧を検出し、その出力電圧に対応した前記制御
信号を出力することを特徴とする請求項１記載の太陽電
池電源装置。
【請求項３】前記電力制御回路は、前記太陽電池回路
で発生される熱の温度を検出し、その温度に対応した前
記制御信号を出力することを特徴とする請求項１記載の
太陽電池電源装置。
【請求項４】各太陽電池素子は、バイパス機能付き又
はバイパスダイオードが並列接続とされており、かつ、
前記太陽電池出力制御回路は、前記制御信号に対応した
電力を発生している少なくとも１個の太陽電池素子に入
射される太陽光を遮光手段により遮ることを特徴とする
請求項１，２又は３記載の太陽電池電源装置。
【請求項５】前記遮光手段は、バイメタルに連動する
構成とされ、該バイメタルの近傍には前記制御信号が供
給されることで発熱するヒータが設けられていることを
特徴とする請求項４記載の太陽電池電源装置。