JPWO2011040325A1 - 直流電源給電システム - Google Patents

Abstract

実施例に係る直流電源給電システム１は、商用交流電源を利用して所定電圧を出力する直流電圧電源２と、自然エネルギを利用して発電し、変動する電圧を出力する変動電圧電源３、４と、前記直流電圧電源及び変動電圧電源とを、出力側を互いに同極性にして並列接続し、前記直流電圧電源及び変動電圧電源から得られる電力を負荷６に供給する逆流防止用素子５ａ、５ｂとを具備する。前記変動電圧電源３、４は、その出力電圧が前記直流電圧電源２から出力される前記所定電圧を下回るほど、発電量が少ない場合、前記負荷６に断続的に電力を供給する。

Description

本発明の実施形態は、交流電源及び自然エネルギーから直流電力を発電する発電手段を用いた直流電源給電システムに関する。

例えば太陽光発電システムは、ソーラーセルの出力が天候に大きく左右され、かつ夜間は発電しないことから、ソーラーセルと商用交流電源とを組合せ、前記不安定さを商用交流電源で補い、安定した電力を電気機器に供給することが行われている。例えば、日照が充分ある場合にはソーラーセルから電力供給を行い、日照不足でソーラーセルの出力電圧が低下したときには、商用交流電源から電力の供給を行っている。

また、商用交流電圧をソーラーセルの最大電力点の電圧とほぼ等しい電圧に調整して、日照が充分ある場合にはソーラーセルから電力供給を行い、日照不足でソーラーセルの出力が低下したときにはソーラーセルから最大電力を供給しつつ、商用電源から不足分の電力を補給することが行われている。

特開平５−１９９６７６号公報 特開平５−１０８１７６号公報

ソーラーセルと商用交流電源とを組合せた電源の場合、日照不足でソーラーセルの出力電圧が低下したとき、商用交流電源のみから電力が負荷に供給され、ソーラーセルにより発電された電力が活用されない。

本発明は、商用交流電源と自然エネルギの両方を利用して直流電源を供給するシステムにおいて、発電量が少ないときでも自然エネルギーを効率的に利用できる安価な直流電源給電システムを提供することを目的とする。

本発明の実施例に係る直流電源給電システムは、商用交流電源を利用して所定電圧を出力する直流電圧電源と、自然エネルギを利用して発電し、変動する電圧を出力する変動電圧電源と、前記直流電圧電源及び変動電圧電源とを、出力側を互いに同極性にして並列接続し、前記直流電圧電源及び変動電圧電源から得られる電力を負荷に供給する逆流防止用素子とを具備し、前記変動電圧電源は、その出力電圧が前記直流電圧電源から出力される前記所定電圧を下回るほど発電量が少ない場合、前記負荷に断続的に電力を供給する。

商用交流電源と自然エネルギの両方を利用して直流電源を供給するシステムにおいて、発電量が少ないときでも自然エネルギーを効率的に利用できる安価な直流電源給電システムが提供される。

本発明の第１実施例を示す直流電源給電システムの概略回路図。 （ａ）は全波整流装置から出力される全波整流電圧Ｖ１の波形図、（ｂ）はＤＣ−ＤＣ変換回路から出力される一定の直流電圧の波形図、（ｃ）はＤＣ−ＤＣ変換回路から出力される直流電圧の波形図、（ｄ）は共通の出力端子間に出力される直流電圧の波形図。 ＤＣ−ＤＣ変換回路の入力電圧に対する出力電圧の変化を示す相関図。 （ａ）は設定値の電圧波形図、（ｂ）は共通の出力端子間に出力される直流電圧Ｖ４の波形図。 照明器具の電源装置を示す概略回路図。 ＤＣ−ＤＣ変換回路の入力電圧に対する出力電圧の変化を示す他の相関図。 本発明の第２実施例を示す直流電源給電システムの概略回路図。 ソーラーセルの電流（左縦軸）−電圧（横軸）特性と、出力（右縦軸）−電圧（横軸）特性を示す図。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明において、発電手段は自然エネルギーから直流電力を発電し、ＤＣ−ＤＣ変換回路は、前記発電手段から出力された直流電圧を昇圧あるいは降圧する。前記ＤＣ−ＤＣ変換回路からの直流電圧が、全波整流装置から出力された全波整流電圧Ｖ１以上の期間では、前記発電手段から出力された直流電力が負荷に供給される。ここで、前記発電手段が発電する直流電力は、その発電量に係らず負荷側に供給される。

図１ないし図６は、本発明の第１実施例を示し、直流電源給電システムを説明するための図である。

図１において、直流電源給電システム１は、全波整流装置２、発電手段としてのソーラーセル３、ＤＣ−ＤＣ変換回路４、逆流防止用素子５ａ、５ｂ及び負荷としての複数の照明器具６及び電圧検出手段としての出力電圧検出回路７を含み、全波整流装置２とソーラーセル３を組合せて構成されている。

全波整流装置２は全波整流器から構成され、その入力端子がノイズフィルタ回路８を介して入力端子９ａ，９ｂに接続されている。入力端子９ａ，９ｂは、商用交流電源Ｖｓに接続されている。ノイズフィルタ回路８は、コモンモードチョークコイルＴ１を有している。全波整流装置２の負極出力端子は、コンデンサＣ１を介してアースＥに接続されている。

全波整流装置２は、商用交流電源Ｖｓからノイズフィルタ回路８を介して提供される交流電圧例えばＡＣ２００Ｖ（定格電圧）を全波整流する。この全波整流電圧Ｖ１は、図２（ａ）に示すように、最大値が２８２Ｖとなっている。

図１において、ソーラーセル３は、図示しない複数のソーラーセルが互いに直列または直並列接続されていて、自然エネルギーである太陽光から電力を発電し、発電した直流電力を出力する。ソーラーセル３の出力側は、ＤＣ−ＤＣ変換回路４に接続されている。

ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、その入力側がソーラーセル３の出力側に接続され、ソーラーセル３から出力された直流電力を入力する。また、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、その出力側が全波整流装置２の出力側に、互いに同極性となるようにして並列接続されている。すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換回路４の正極出力端子はダイオード５を介して、全波整流装置２の正極出力側及び出力端子１０ａに接続され、負極出力端子は抵抗Ｒ６を介して全波整流装置２の負極出力側及び出力端子１０ｂに接続されている。全波整流装置２の正極出力端子はダイオード５ｂを介して出力端子１０ａに接続され、負極出力端子は出力端子１０ｂに接続されている。出力端子１０ａ，１０ｂは、全波整流装置２及びＤＣ−ＤＣ変換回路４の共通出力端子となっている。

ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、例えば周知構成の昇降圧チョッパ回路であり、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のオンオフ動作により、ソーラーセル３の出力電圧をチョッピングして直流電圧を出力する。すなわちＤＣ−ＤＣ変換回路４は、ソーラーセル３の出力間に接続された電界効果トランジスタＱ１及び電流回生用のダイオードＤ１の直列回路と、ダイオードＤ１の両端間に接続されたインダクタＬ１及び電界効果トランジスタＱ２の直列回路と、電界効果トランジスタＱ２のドレイン、ソース間に接続された逆流防止用のダイオードＤ２及び平滑用コンデンサＣ２の直列回路を含んでいる。電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のそれぞれのゲートは、制御回路１１に接続されている。

ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、制御回路１１により、電界効果トランジスタＱ１がオンされた状態で電界効果トランジスタＱ２がオンオフ制御されると、昇圧チョッパ動作をし、電界効果トランジスタＱ２がオフされた状態で電界効果トランジスタＱ１がオンオフ制御されると、降圧チョッパ動作をする。これにより、平滑用コンデンサＣ２の両端に、ＤＣ−ＤＣ変換回路４の出力直流電圧が発生する。

そして、ＤＣ−ＤＣ変換回路４の入力側には、入力電圧検出回路１２及び入力電流検出回路１３が接続されている。入力電圧検出回路１２は、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の直列回路を含み、ソーラーセル３から出力された直流電圧（ＤＣ−ＤＣ変換回路４の入力電圧）を検出する。入力電流検出回路１３は、抵抗Ｒ３を含み、ソーラーセル３から出力された直流電流（ＤＣ−ＤＣ変換回路４の入力電流）を抵抗Ｒ３の両端電圧に基づいて検出する。検出されたＤＣ−ＤＣ変換回路４の入力電圧及び入力電流は、制御回路１１に入力される。

また、ＤＣ−ＤＣ変換回路４の出力側には、電圧検出手段としての出力電圧検出回路７及び出力電流検出回路１４が接続されている。出力電圧検出回路７は、抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ５の直列回路を含み、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧（出力電圧）を検出する。出力電流検出回路１４は抵抗Ｒ６を含み、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電流（出力電流）を抵抗Ｒ６の両端間電圧に基づいて検出する。ＤＣ−ＤＣ変換回路４の出力電圧値及び出力電流値は、制御回路１１に入力される。

制御回路１１は、ＤＣ−ＤＣ変換回路４の入力電圧及び入力電流により入力電力を演算し、ＤＣ−ＤＣ変換回路４の出力電圧及び出力電流により出力電力を演算する。また制御回路１１は、それぞれ演算した入力電力よりも出力電力が小さくなるように、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２をオンオフ制御する。これは、入力電力よりも出力電力が大きくなると、ソーラーセル３の出力電圧が下がり、変換効率が下がるからである。

また、制御回路１１は、ソーラーセル３から出力された直流電圧Ｖ２（ＤＣ−ＤＣ変換回路４の入力電圧）が予め設定された所定値以上のときには、一定の直流電圧が平滑用コンデンサＣ２の両端間に発生するように電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２をオンオフ制御する。このとき制御回路１１は、トランジスタＱ２をオフし、トランジスタＱ１に対するオンオフ信号のデューティ比を調節してＤＣ−ＤＣ変換回路４の出力電圧を一定の直流電圧に制御する。一定の直流電圧は、全波整流装置２から出力される全波整流電圧Ｖ１（ＡＣ２００Ｖ）の最大値（２８２Ｖ）以上に設定される。ここでは、図２（ａ）に示すように一定の直流電圧Ｖｂは、最大値（２８２Ｖ）よりも幾分大きい３００Ｖに設定している。また、所定値は、ソーラーセル３が十分な日照により十分に発電し、その発電した電力により負荷の照明器具６が動作可能な直流電圧（出力電圧）範囲の例えば下限値に設定される。

制御回路１１は、図３に示すように、ソーラーセル３から出力された直流電圧Ｖ２が予め設定された所定値Ｖａを下回るときには、ソーラーセル３から出力された直流電圧Ｖ２に応じた直流電圧が平滑用コンデンサＣ２の両端間に発生するように電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２をオンオフ制御する。例えば、日照の低下によってソーラーセル３から出力された直流電圧Ｖ２が所定値Ｖａから漸次低下するにしたがい、平滑用コンデンサＣ２の両端間に一定の直流電圧（３００Ｖ）から、入力電圧Ｖ２（ソーラーセル出力電圧）に正比例して低下する直流電圧が発生される。逆に、日照が上昇するとソーラーセル３から出力された直流電圧Ｖ２が漸次増加するにしたがい、平滑用コンデンサＣ２の両端間には、入力電圧（ソーラーセル出力電圧）に正比例して増加する直流電圧Ｖ３が発生される。すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、日照が十分ではなく、発電量が少ないときにはソーラーセル３から出力される直流電圧Ｖ２に対して漸次正比例して増減する直流電圧を出力し、日照が十分でソーラーセル３から出力される直流電圧Ｖ２が所定値Ｖａ以上のときには、一定の直流電圧（３００Ｖ）を出力するように動作する。

また、制御回路１１は、出力電圧検出回路７が検出した出力電圧Ｖ３が予め設定された設定値Ｖｃ以下であるときには、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のオンオフ動作を停止し、ＤＣ−ＤＣ変換回路４からの出力電圧（直流電圧）Ｖ３の出力を停止させる。設定値Ｖｃは、前記一定の直流電圧Ｖｂ（３００Ｖ）を大きく下回る電圧値に設定され、図４（ａ）に示すように、０Ｖ近くの例えばＤＣ５０Ｖに設定される。これにより、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、ソーラーセル３から出力された直流電圧Ｖ２に対して、設定値（５０Ｖ）から一定の直流電圧（３００Ｖ）までの電圧を出力する。

逆流防止用素子５ａ，５ｂはダイオードであって、それぞれのカソード側が共通に接続され、出力端子１０ａ，１０ｂよりも全波整流装置２側及びＤＣ−ＤＣ変換回路４側において、全波整流装置２の正極出力端子側及びＤＣ−ＤＣ変換回路４の正極出力端子側にそれぞれ接続されている。逆流防止用素子５ａ、５ｂは、出力電流の逆流を阻止する。

こうして、逆流防止用素子５ａ，５ｂは、全波整流装置２とＤＣ−ＤＣ変換回路４（ソーラーセル３）とを結合している。出力端子１０ａ，１０ｂは全波整流装置２及びＤＣ−ＤＣ変換回路４の共通の出力端である。逆流防止用素子５ａ，５ｂのカソード側は共に出力端子１０ａに接続され、出力端子１０ｂは全波整流装置２及びＤＣ−ＤＣ変換回路４の負極出力端子に接続される。

負荷としての照明器具６は、発光ダイオード１５が面状配列される。複数個の照明器具６が出力端子１０ａ，１０ｂ間に接続されている。照明器具６の内部には、図５に示す電源装置１６が配設されており、この電源装置１６は、所定範囲の電圧例えば２５０Ｖ〜３３０Ｖを入力し、発光ダイオード１５に所定電流を供給して発光ダイオード１５を点灯させるように形成されている。発光ダイオード１５は、点灯により可視光例えば白色光を放射する。

照明器具６の少なくとも１個には、センサ装置１７が接続されている。このセンサ装置１６は、例えば人感センサや照度センサなどである。そして、電源装置１６は、センサ装置１７の動作に応じて発光ダイオード１５を点灯／消灯または調光点灯させる。

電源装置１６は、図５に示すように、直流電圧が入力され電圧の変動に応答可能な降圧チョッパ回路１８を有して構成されている。降圧チョッパ回路１８は、電源装置１６の入力端子１０ｃ，１０ｄに接続されたダイオードＤ３及び電界効果トランジスタＱ３の直列回路と、ダイオードＤ３に接続されたインダクタＬ２及び平滑用コンデンサＣ３の直列回路を有し、電界効果トランジスタＱ３が制御回路２０によりオンオフ制御される。平滑用コンデンサＣ３の両端が電源装置１６の出力端子２１ａ，２１ｂに接続されている。この出力端子２１ａ，２１ｂに、複数個のＬＥＤ回路２２が並列接続されている。ＬＥＤ回路２２は、複数個の発光ダイオード１５を直列接続して形成している。

そして、入力端子１０ｃ，１０ｄ間には、コンデンサＣ４が接続されている。コンデンサＣ４の負極側は、コンデンサＣ５を介してアースＥに接続されている。また、降圧チョッパ回路１８の平滑用コンデンサＣ３の負極側及び出力端子２１ｂ間には、電源装置１６の出力電流検出回路２３が接続されている。出力電流検出回路２３は抵抗Ｒ７を含み、発光ダイオード１５に流れる電流を抵抗Ｒ７の両端間に発生する電圧により検出して制御回路２０に出力する。制御回路２０には、センサ装置１７が接続されている。

入力端子１０ｃ，１０ｄは、全波整流装置２及びＤＣ−ＤＣ変換回路４の共通の出力端子１０ａ，１０ｂに接続される。そして、入力端子１０ｃ，１０ｄ間には、全波整流装置２から出力された全波整流電圧Ｖ１（最大値２８２Ｖ）及びＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３のダイオードオア出力電圧が入力される。つまり、入力端子１０ｃ，１０ｄ間には、全波整流電圧Ｖ１と変換回路４の出力直流電圧Ｖ３のうち、高い方の電圧が供給される。このダイオードオア出力電圧は降圧チョッパ回路１８により、ＬＥＤ回路２２に適した電圧に変換される。すなわち、制御回路２０は、発光ダイオード１５に定電流が流れるように降圧チョッパ回路１８の電界効果トランジスタＱ３をオンオフ制御し、平滑用コンデンサＣ３の両端間に定電圧例えばＤＣ９０Ｖを発生させる。また、制御回路２０は、センサ装置１７の動作に応じて発光ダイオード１５を点灯／消灯または調光点灯させる。

次に、本発明の第１実施例の作用について述べる。

図１において、商用交流電源Ｖｓ（ＡＣ２００Ｖ）が投入されると、全波整流装置２から図２（ａ）に示す全波整流電圧Ｖ１が出力端子１０ａ，１０ｂ間に出力される。また、太陽光による日照によりソーラーセル３が発電すると、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３が出力端子１０ａ，１０ｂ間に出力される。そして、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３が全波整流装置２から出力された全波整流電圧Ｖ１以上の期間では、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３が負荷である照明器具６に入力され、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３が全波整流装置２から出力された全波整流電圧Ｖ１を下回る期間では、全波整流装置２から出力された全波整流電圧Ｖ１が照明器具６に入力される。照明器具６の電源装置１６は、発光ダイオード１５に定電流を供給する。これにより、発光ダイオード１５が点灯して、照明器具６から可視光例えば白色光が出射される。

太陽光による日照が十分であり、ソーラーセル３の出力電圧Ｖ２が所定値Ｖａ以上の電圧になると、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、図２（ｂ）に示すように、電圧値が変動しない一定の直流電圧Ｖｂ（３００Ｖ）を出力する。この一定の直流電圧Ｖｂは、全波整流装置２から出力された全波整流電圧Ｖ１の最大値（２８２Ｖ）よりも大きいので、照明器具６には当該一定の直流電圧Ｖｂが入力される。照明器具６は、ソーラーセル３で発電された電力により動作する。

そして、太陽光による日照が弱まり、ソーラーセル３から所定値Ｖａを下回る直流電圧が出力されると、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、ソーラーセル３から出力された直流電圧Ｖ２に応じた直流電圧を出力する。すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、図３に示すように、日照が弱まることによるソーラーセル３から出力される直流電圧Ｖ２の低下に比例して、出力電圧Ｖ３を低下させる。

また日照が弱まり、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３が、全波整流装置２から出力される全波整流電圧Ｖ１の最大値（２８２Ｖ）以下になると、全波整流電圧Ｖ１とＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３とのダイオードオア出力電圧が出力端子１０ａ，１０ｂ間に発生して照明器具６に入力される。例えば、図２（ｃ）に示すように、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から１４０Ｖの直流電圧が出力されると、図２（ｄ）に示すダイオードオア出力電圧Ｖ４が出力端子１０ａ，１０ｂ間に発生する。

ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３が全波整流装置２から出力される全波整流電圧Ｖ１を下回る期間Ｔａでは、全波整流電圧Ｖ１が照明器具６に入力される。ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３が全波整流電圧Ｖ１以上の期間Ｔｂでは、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力された直流電圧Ｖ３が照明器具６に入力される。すなわち期間Ｔｂでは、照明器具６には、ソーラーセル３が発電した電力量に応じた直流電力が供給され、その間、商用交流電源Ｖｓから全波整流装置２に入力する入力電力（入力電流）は削減される。このように日照が弱い場合でも、太陽光エネルギは有効に利用される。

さらに太陽光の日照が弱まってソーラーセル３から出力される直流電圧Ｖ２が低くなり、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から出力される直流電圧Ｖ３が予め設定された設定値Ｖｃ以下になると、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のオンオフ動作を停止して、出力電圧（直流電圧）の出力を停止させる。例えば、図４（ａ）に示すように、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、出力電圧Ｖ３が設定値Ｖｃの５０Ｖ以下に低下するようなときには、電圧出力を停止する。これにより、出力端子１０ａ，１０ｂ間には、図４（ｂ）の期間Ｔｂ’に示すように、全波整流装置２から出力された全波整流電圧Ｖ１が出力され、照明器具６には全波整流電圧Ｖ１が入力される。

ＤＣ−ＤＣ変換回路４から設定値例えば５０Ｖを下回る直流電圧が出力されても、図４（ｂ）に示すように、全波整流電圧Ｖ１以上の期間Ｔｂ’は非常に小さい。すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換回路４から設定値Ｖｃを下回る直流電圧が出力されたとしても、ソーラーセル３が発電する直流電力は非常に小さい。従って、そのときＤＣ−ＤＣ変換回路４からの直流電力が、負荷である照明器具６に供給されても、太陽エネルギの利用効率は低く、ＤＣ−ＤＣ変換回路４の駆動電力を停止した方がエネルギ消費効率上有利となる。

また、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は一般に、出力電圧が所定電圧Ｖｃ（例えば５０Ｖ）以下での動作が不安定になる。この所定電圧Ｖｃ以下の出力電圧領域においても安定に動作させるには、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のオンオフ制御を細かに精度よく行う必要がありコストがかかる。したがって、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、所定電圧Ｖｃから一定の直流電圧（３００Ｖ）の範囲で直流電圧を出力するように構成されることが好適である。

上述したように、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、ソーラーセル３から出力された直流電圧に対して漸次増減する直流電圧を出力端子１０ａ，１０ｂ間に出力し、負荷である照明器具６には、ソーラーセル３が発電した直流電力がその電力量に係らず供給される。詳細には、ＤＣ−ＤＣ変換回路４の出力電圧が設定値Ｖｃ（５０Ｖ）以下の場合を除き、日照量によらず、太陽エネルギが負荷に供給される。従って、ソーラーセル３で発電される電力すなわち太陽（自然）エネルギーを効率的に照明器具６に供給することができる。この結果、直流電源給電システム１における商用交流電源Ｖｓの省電力を図ることができる。また、全波整流装置２及びＤＣ−ＤＣ変換回路４を並列接続する簡素な構成であるので、直流電源給電システム１を安価に形成することができる。

そして、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、最大で一定の直流電圧（３００Ｖ）を出力するので、日照が強くなってソーラーセル３の発電量が相当に大きくなっても、照明器具６に過電圧が入力することを防止することができる。

また、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、出力される直流電圧が予め設定された設定値Ｖｃ以下のときに電圧出力を停止するように形成されているので、ソーラーセル３から出力される直流電圧が小さいときの不安定な調整を回避でき、かつ回路構成の高機能化を防止することができる。これにより、直流電源給電システム１を安価に構成することができる。

なお、直流電源給電システム１は、逆流防止用素子である逆流防止用ダイオード５ａ，５ｂと、全波整流装置２のダイオード及びＤＣ−ＤＣ変換回路４のダイオードＤ２とを兼用して構成してもよい。

また、ＤＣ−ＤＣ変換回路４は、図６に示すように、入力電圧すなわちソーラーセル３から出力される直流電圧Ｖ２に対して、３００Ｖを超えて漸次増減する直流電圧Ｖ３を出力するように形成されてもよい。この場合、負荷に一定の直流電圧（例えばＤＣ３００Ｖ）を上回り、許容範囲を超える直流電圧が供給されることがあるが、負荷側で当該直流電圧を調整するように構成すればよい。

図７は、本発明の第２実施例を示す直流電源給電システム３０の概略回路図である。

直流電源給電システム３０は、直流電源回路３２、発電手段としてのソーラーセル３、選択手段としての第１及び第２の逆流防止用素子３４，３５、複数の照明器具３６、平滑フィルタ回路３７、電圧検出手段としての電圧検出回路３８及び昇圧手段としての昇圧回路３９を有してなり、直流電源回路３２とソーラーセル３とを組み合わせて構成されている。

直流電源回路３２は、全波整流回路４０及び昇圧チョッパ回路４１により形成されている。全波整流回路４０は、全波整流器４２、ノイズフィルタ回路４３及びコンデンサＣ１１を有して形成されている。ノイズフィルタ回路４３は、トランスＴ１１を有して形成されている。そして、全波整流器４２の入力端子は、ノイズフィルタ回路４３を介して商用交流電源Ｖｓに接続されている。全波整流器４２の出力端子間にコンデンサＣ１１を接続している。コンデンサＣ１１の低電位側は、コンデンサＣ１２を介してアースＥに接続されている。

全波整流器４２は、商用交流電源Ｖｓからの交流電圧例えばＡＣ１００Ｖを全波整流し、この全波整流電圧をコンデンサＣ１１の両端間に出力する。コンデンサＣ１１は、ノイズフィルタ用として機能するものであり、その容量が例えば０．４７μＦに設定されている。

昇圧チョッパ回路４１は、電界効果トランジスタＱ１１のオンオフ動作により、全波整流回路４０の出力電圧をチョッピングして所定の直流電圧を出力するものであり、周知の構成で形成されている。すなわち、全波整流器４２の出力端子間に接続されたインダクタＬ１１及び電界効果トランジスタＱ１１の直列回路と、電界効果トランジスタＱ１１のドレイン及びソース間に接続されたダイオードＤ１１及び平滑用コンデンサＣ１３の直列回路、抵抗Ｒ１１及びＲ１２を含む電圧検出回路４８を有して形成されている。

電界効果トランジスタＱ１１のゲートは、第１の制御回路４４に接続されている。電圧検出回路４８の検出電圧は第１の制御回路４４に供給される。第１の制御回路４４は、平滑用コンデンサＣ１３の両端間に所定の直流電圧例えば３８０Ｖが発生するように、電界効果トランジスタＱ１１へのゲート信号のデューティ比を制御する。こうして、直流電源回路３２は、商用交流電源Ｖｓの交流電圧例えばＡＣ１００Ｖを所定の直流電圧例えばＤＣ３８０Ｖに変換して出力する。

ソーラーセル３は、多数個が直列または直並列接続されていて、自然エネルギーである太陽光から電力を発電する。ソーラーセル３の出力端はコンデンサＣ１５が接続されると共に、昇圧回路３９の入力端に接続される。昇圧回路３９の正側出力端は逆流防止用素子３５を介して直流電源回路３２の出力側に接続されている。

第１及び第２の逆流防止用素子３４，３５は、それぞれダイオードからなり、それぞれのカソード側が共通に接続されている。第１の逆流防止用素子３４は、直流電源回路３２の高電位側に接続され、第２の逆流防止用素子３５は、ソーラーセル３２の高電位側に接続されている。第１の逆流防止用素子３４及び第２の逆流防止用素子３５は、出力電流が逆流することを阻止する。

全波整流回路４０、昇圧チョッパ回路４１及びソーラーセル３の低電位側はノードＢで共に接続されている。第１及び第２の逆流防止用素子３４，３５のそれぞれのカソード側はノードＡで共に接続されている。こうして、直流電源回路３２とソーラーセルとが組み合わされ、ノードＡ及びＢは直流電源回路３２及びソーラーセル３の共通の出力端子となっている。共通の出力端子Ａ及びＢ間には、直流電源回路３２から出力された所定の直流電圧例えばＤＣ３８０Ｖ及びソーラーセル３側から出力された出力電圧のうち、大きい方の電圧が発生する。

照明器具３６は、照明負荷として発光ダイオード（ＬＥＤ）４５を面状配列していて、複数個が前記共通の出力端子Ａ及びＢ間に接続されている。照明器具３６の内部には、図示しない電源装置が配設されており、この電源装置は、所定範囲の電圧例えば３７０Ｖ〜４００Ｖを入力し、発光ダイオード４５に所定電流を供給して発光ダイオード４５を点灯させるように形成されている。発光ダイオード４５は、点灯により可視光例えば白色光を放射する。

照明器具３６の少なくとも１個には、センサ装置４６が接続されている。このセンサ装置４６は、例えば人感センサや照度センサなどである。そして、電源装置は、センサ装置４６の動作に応じて発光ダイオード４５を点灯／消灯または調光点灯させる。この負荷変動に応じて、前記共通の出力端子間の電圧が変動する。すなわち、電源装置に入力する入力電圧が変動する。

平滑フィルタ回路３７は、インダクタＬ１２及びコンデンサＣ１４からなり、前記共通の出力端子間に直列にインダクタＬ１２及び出力端子間にコンデンサＣ１４が接続されている。平滑フィルタ回路３７は、共通の出力端子間の電圧が短時間または急激に変動すると、当該電圧変動を抑制するように作用するものである。すなわち、共通の出力端子間の電圧が上昇すると、平滑フィルタ回路３７には、共通の出力端子間の高電位側から低電位側に電流が流れる。これにより、共通の出力端子間の電圧上昇が抑制される。また、共通の出力端子間の電圧が低下すると、平滑フィルタ回路３７から、インダクタＬ１２に蓄えられた電磁エネルギーによる電流やコンデンサＣ１４の放電電流が共通の出力端子間の高電位側に流れるものである。これにより、共通の出力端子間の電圧低下が抑制される。

前記共通の出力端子間の電圧が変動するのは、上述した照明器具３６の負荷変動の他に、昇圧回路３９（ソーラーセル３）側からの出力変動が挙げられる。すなわち、ソーラーセル３は、例えば太陽光が雲などで遮られると、その出力電圧が急激に変化する。

電圧検出回路３８は、抵抗Ｒ１３及び抵抗Ｒ１４の直列回路を含み、前記共通の出力端子間に接続されて、共通の出力端子間に発生する電圧を検出する。電圧検出回路３８は、直流電源回路３２からの所定直流電圧例えばＤＣ３８０Ｖと、この所定直流電圧を超える昇圧回路３９の出力電圧を検出する。

一方、昇圧回路３９は、インダクタＬ１３、電界効果トランジスタＱ１２、ダイオードＤ１２、平滑用コンデンサＣ１６、電圧検出回路４９及び第２の制御回路４７を有してなり、上記昇圧チョッパ回路４１と同様に形成されている。そして、第２の制御回路４７が電界効果トランジスタＱ１２をオンオフ動作することにより、ソーラーセル３の出力電圧を数倍ないし数十倍に昇圧して、前記共通の出力端子間に出力するように形成されている。

また、第２の制御回路４７は、電圧検出回路３８が検出した前記共通の出力端子間に発生している電圧を入力し、当該電圧が所定値例えばＤＣ４２０Ｖ以上のときには、電界効果トランジスタＱ１２のオンオフ動作を制御し、昇圧回路３９から所定値を下回る直流電圧が出力するように、昇圧回路３９の出力電圧を低減させる。

次に、本発明の第２実施例の作用について述べる。

商用交流電源Ｖｓが投入されると、直流電源回路３２から所定の直流電圧例えばＤＣ３８０Ｖが、直流電源回路３２から共通の出力端子Ａ及びＢ間に出力される。また、太陽光による日照により、ソーラーセル３が発電すると、発電された直流電圧が昇圧回路３９で昇圧されて、前記共通の出力端子間に出力される。直流電源回路３２から出力された所定の直流電圧例えばＤＣ３８０Ｖ及びソーラーセル３側から出力された出力電圧のうち、大きい方の電圧が照明器具３６に入力される。ソーラーセル３が通常の発電をしているときには、昇圧回路３９から例えばＤＣ３９０Ｖが出力される。照明器具３６の電源装置は、発光ダイオード４５に所定の電流を供給する。これにより、発光ダイオード４５が点灯して、照明器具３６から可視光例えば白色光が出射される。

図８はソーラーセル３の電流（左縦軸）−電圧（横軸）特性と、出力（右縦軸）−電圧（横軸）特性を示す。電圧Ｖｔｈは昇圧回路３９にて昇圧して所定電圧例えばＤＣ３８０Ｖになり得る電圧値、電圧Ｖｐはソーラーセル３の最大電力点電圧すなわち最大電力発生時の出力電圧である。

電源Ｖｓが投入されると、第２の制御回路４７は昇圧回路３９の動作を開始して、電荷がＣ１６に供給される。ソーラーセル３の出力電圧Ｖ５がＶｔｈを超えると（状態Ｓ１）、昇圧回路３９の出力電圧Ｖ６は上記所定電圧以上となり、昇圧回路３９から照明器具３６に電力が供給される。このとき、直流電源回路３２から照明器具３６への電流は停止する。日照が十分強いか、または負荷３６の消費電力が少ないと、出力電圧Ｖ５が最大電力点電圧Ｖｐを超えた電圧でソーラーセル３は動作し得る（状態Ｓ２）。

雲などにより日照が弱まり出力電圧Ｖ５が徐々に低下しＶｔｈより下がると、直流電源回路３２から照明器具３６へ電力が供給される。出力電圧Ｖ５がＶｔｈ以下の電圧Ｖｌにまで低下すると（状態Ｓ３）、第２の制御回路４７は昇圧回路３９の動作を停止する（状態Ｓ４）。このとき、昇圧回路３９には電流が流れないが、日照が継続していれば、日照の強弱に係わらずソーラーセル３はコンデンサＣ１５に電荷を蓄え、出力電圧Ｖ５は徐々に上昇する。

出力電圧Ｖ５が例えば最大電力点電圧Ｖｐを超えた所定電圧Ｖｈに到達すると（状態Ｓ５）、第２の制御回路４７は昇圧回路３９の動作を再開する（状態Ｓ６）。この時、出力電圧Ｖ５は閾値電圧Ｖｔｈ以上であるから、昇圧回路３９から照明器具３６へ電力が供給され、直流電源回路３２から照明器具３６への電流は停止する。

ここで、日照が弱い状態が継続していると、出力電圧Ｖ５は閾値電圧Ｖｔｈより低い電圧Ｖｌまで低下する（状態Ｓ３）。すると、第２の制御回路４７は昇圧回路３９の動作を停止する（状態Ｓ４）。このように日照が弱い状態が継続すると、第２の制御回路４７は昇圧回路３９の動作を制御して、状態Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ２を繰り返えす。

以上のように本実施例によれば、日照が弱く昇圧回路にて昇圧された電圧が、直流電源回路３２の所定出力電圧例えばＤＣ３８０Ｖ以下になった場合でも、ソーラーセルの電力を断続的に負荷３６に供給することが可能となる。従ってソーラーセルの電力を有効に活用することができ、省エネ動作が可能となる。尚、コンデンサＣ１５は無くとも、本実施例の動作は可能であるが、コンデンサＣ１５を設けた方が太陽エネルギをより有効に活用できることはいうまでも無い。

次に、本実施形態に係る平滑フィルタ回路３７について説明する。

電源Ｖｓが投入された後にセンサ装置４６が動作し、照明器具３６の発光ダイオード４５が点灯／消灯または調光点灯されると、この負荷変動により前記共通の出力端子間に電圧変動が発生する。この電圧変動が電圧上昇のときには、前記出力間の高電位側から低電位側に平滑フィルタ回路３７を介して電流が流れ、前記電圧変動が電圧低下のときには、前記共通の出力端子間の高電位側に平滑フィルタ回路３７側から電流が流れる。これにより、前記共通の出力問の電圧変動が抑制される。

また、ソーラーセル３側からの出力電圧が直流電源回路３２から出力された所定の直流電圧例えばＤＣ３８０Ｖを上回り、前記共通の出力端子間にソーラーセル３側からの出力電圧が発生しているときに、例えば太陽光による日照が強くなったり弱くなったりしてソーラーセル３側からの出力電圧が急激に変化すると、前記共通の出力端子間に急激な電圧変動が発生する。この電圧変動に対して、上記で説明した平滑フィルタ回路３７の作用により、前記共通の出力端子間の電圧変動が抑制される。

上述したように、照明器具３６の負荷変動またはソーラーセル３側の出力変動があっても、平滑フィルタ回路３７の上記作用により、直流電源回路３２及びソーラーセル３側の共通の出力端子間の電圧変動が抑制されるので、照明器具３６の電源装置に急激な電圧変化が入力することを防止することができる。これにより、照明器具３６から安定した可視光（照明光）を出射させることができる。

そして、太陽光による日照がさらに強くなり、ソーラーセル３側から出力される出力電圧が上昇して、前記共通の出力端子間の電圧が所定値例えば４２０Ｖ以上になると、第２の制御回路４７は、電界効果トランジスタＱ１２のオンオフ動作を制御して（デューティ比を小さくして）、昇圧回路３９から所定値を下回る直流電圧を出力させる。これにより、照明器具３６の電源装置には、所定値を下回る直流電圧が入力される。このように、ソーラーセル３側からの出力電圧が所定値以上になると、照明器具３６に電源装置に、入力の所定範囲３７０Ｖ〜４００Ｖを大きく超える過電圧が入力することを防止することができる。これにより、照明器具３６の電源装置などの故障や破壊などを防止することができる。

なお、昇圧回路３９は、ソーラーセル３側からの出力電圧が所定値以上になると、前記共通の出力端子間への出力を完全に遮断するように形成してもよい。

また、選択手段としての第１及び第２のダイオードＤ４，Ｄ５は、昇圧チョッパ回路４１のダイオードＤ１１及び昇圧回路３９のダイオードＤ１２と兼用するように、昇圧チョッパ回路４１及び昇圧回路３９を構成してもよい。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。また本発明は、太陽光発電システムや風力発電システムなど、自然エネルギーを利用する発電システムに利用することができる。

Claims (6)

1. 商用交流電源を利用して所定電圧を出力する直流電圧電源と；
   自然エネルギを利用して発電し、変動する電圧を出力する変動電圧電源と；
   前記直流電圧電源及び変動電圧電源とを、出力側を互いに同極性にして並列接続し、前記直流電圧電源及び変動電圧電源から得られる電力を負荷に供給する逆流防止用素子と；
   を具備し、
   前記変動電圧電源の出力電圧が前記直流電圧電源から出力される前記所定電圧を下回るときには、前記変動電圧電源から前記負荷への電力供給を一時的に停止することが可能であることを特徴とする直流電源給電システム。
2. 前記直流電圧源は、前記交流電源の交流電圧を全波整流する全波整流装置を具備し、
   前記変動電圧電源は、自然エネルギから直流電力を発電し直流電圧を出力する発電手段と、前記発電手段から出力された直流電圧を昇圧又は降圧するDC−DC変換回路とを具備し、
   前記逆流防止用素子の出力側には、前記全波整流装置出力電圧と前記DC−DC変換回路出力電圧の高い方の電圧が提供されることを特徴とする請求項１記載の直流電源給電システム。
3. 前記DC−DC変換回路の出力電圧を検出する電圧検出手段を具備し、
   前記DC−DC変換回路は、前記電圧検出手段が検出した出力電圧が、予め設定された設定値以下のときに、電圧出力を停止するように形成されていることを特徴とする請求項２記載の直流電源給電システム。
4. 前記DC−DC変換回路の出力電圧を検出する電圧検出手段と；
   前記DC−DC変換回路の出力電圧が所定値を超える場合、該出力電圧が該所定値を下回るよう前記DC−DC変換回路を制御する制御手段と；
   を具備することを特徴とする請求項２記載の直流電源給電システム。
5. 前記直流電圧電源は、前記交流電源の交流電圧を一定直流電圧に変換する定電圧回路を具備し、
   前記変動電圧電源は、
   自然エネルギーから電力を発電する発電手段と；
   前記発電された電力の電圧を昇圧して、前記逆流防止用素子に出力する昇圧手段と；
   前記発電手段の出力電圧を前記昇圧手段にて昇圧しても前記一定直流電圧に満たない場合、前記昇圧手段の動作を停止し、前記発電手段の出力電圧が、昇圧されると前記一定直流電圧以上の電圧となる場合、前記昇圧手段の動作を再開するよう前記昇圧手段を制御する制御手段と；
   を具備することを特徴とする請求項１記載の直流電源給電システム。
6. 前記逆流防止用素子と前記負荷の間に接続され、前記発電手段の出力変動に応じて変化する前記変動電圧電源の出力電圧変動を抑制する平滑フィルタ回路を具備していることを特徴とする請求項５記載の直流電源給電システム。

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