JPWO2011074680A1 - Power extraction circuit and power supply system - Google Patents
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Abstract
最大電力点追従制御を行うことなく、直流電源から取り出すことのできる電力を増大させ、且つ、負荷に供給することができる電力を増大させる。第1のスイッチ及び第2のスイッチが共にONになると、キャパシタと直流電源とが直列接続され、電力供給システム全体としてみたときの起電力が高くなる。その結果、インダクタを通過する電流が増加し、直流電源から取り出すことができる電力が増大する。第1のスイッチ及び第2のスイッチが共にOFFになると、インダクタに蓄積された磁気エネルギーは、キャパシタに移管され、結果としてキャパシタの端子間電圧が高くなる。その結果、負荷に供給される電力が増大する。Without performing the maximum power point tracking control, the power that can be extracted from the DC power supply is increased, and the power that can be supplied to the load is increased. When both the first switch and the second switch are turned on, the capacitor and the DC power supply are connected in series, and the electromotive force when viewed as the entire power supply system is increased. As a result, the current passing through the inductor increases, and the power that can be extracted from the DC power supply increases. When both the first switch and the second switch are turned off, the magnetic energy stored in the inductor is transferred to the capacitor, and as a result, the voltage across the capacitor increases. As a result, the power supplied to the load increases.
Description
本発明は、太陽電池又は熱電素子等の電力源から強制的に電力を抽出して負荷に供給する電力抽出回路、及び、その電力抽出回路を備えた電力供給システムに関する。 The present invention relates to a power extraction circuit that forcibly extracts power from a power source such as a solar cell or a thermoelectric element and supplies the power to a load, and a power supply system including the power extraction circuit.
近年、太陽電池を用いた電力供給システムの開発が活発に行われている。太陽電池に関しては、日射量や温度によって出力特性が変化する。即ち、図1に示すように、太陽電池への放射照度及びモジュール温度に応じたV−I曲線が存在し、各V−I曲線毎に最大電力点Pmax(V−I曲線中でV×I=Pが最大となる点)が異なる。このような特性に基づいて、太陽電池から効率良く電力を取り出すべく、最大電力点追従制御(MPPT:Maximum Power Point Tracking)に関する技術が多く提案されている。 In recent years, development of power supply systems using solar cells has been actively conducted. Regarding solar cells, output characteristics vary depending on the amount of solar radiation and temperature. That is, as shown in FIG. 1, there is a VI curve according to the irradiance to the solar cell and the module temperature, and the maximum power point Pmax (V × I in the VI curve) for each VI curve. = P is the maximum). Based on such characteristics, many techniques relating to Maximum Power Point Tracking (MPPT) have been proposed in order to efficiently extract electric power from solar cells.
例えば、特許文献1には、太陽電池の出力をインバータで交流電力に変換する太陽光発電システムが開示されている。日射量及び温度に応じた最大電力点に対応する動作電圧をデータベースに記憶しておき、変動する日射量及び温度を逐次計測して、計測された日射量及び温度に対応する動作電圧をデータベースから選択して、その動作電圧(最適値)をインバータに対して設定する制御方法である。また、特許文献2には、太陽光発電装置に接続されたDC/DCコンバータを構成するスイッチング素子の導通比を変更することによって、最大電力点追従制御の追従性と安定性を両立させる技術が開示されている。
For example,
これらの技術は、いずれも直流電源としての太陽電池の内部インピーダンスを考慮して、これに接続される負荷に対して最大電力点に近い電力を供給しようとするものである。この最大電力点Pmaxは、直流電源の起電力をE、その内部抵抗をr、この直流電源に接続される負荷の抵抗をRとすると、R=rのときの負荷に供給される電力であり、Pmax=E2/4rであらわされる(図2)。言い換えると、最大電力点追従制御とは、負荷に対し、いかにしてPmax=E2/4rに近い電力を供給するかという技術である。ここで直流電源となりうるものとしては、太陽光発電を利用したものに限らず、風力発電を利用したもの、温度差発電を利用したもの(ゼーベック素子等の熱電素子によって構成された電源)等が存在する。いずれの発電方法についても最大電力点追従制御に関する技術が提案されており、時々刻々と変化する風速、気温又は水温等の条件に対応させてその時の最大電力点に近い電力を負荷に供給するようにしている。All of these technologies are intended to supply power close to the maximum power point to a load connected to the solar cell as a direct current power source in consideration of the internal impedance. This maximum power point Pmax is the power supplied to the load when R = r, where E is the electromotive force of the DC power supply, r is its internal resistance, and R is the resistance of the load connected to this DC power supply. Pmax = E 2 / 4r (FIG. 2). In other words, the maximum power point tracking control is a technique for supplying power close to Pmax = E 2 / 4r to the load. Here, what can be a direct current power source is not limited to one using solar power generation, one using wind power generation, one using temperature difference power generation (power supply constituted by thermoelectric elements such as Seebeck elements), etc. Exists. For each power generation method, a technology related to maximum power point tracking control has been proposed, and power close to the maximum power point at that time is supplied to the load in correspondence with conditions such as wind speed, air temperature, and water temperature that change every moment. I have to.
これら最大電力点追従制御に関する技術は既に多数提案されており、実用化されている。しかしながら、従来型の最大電力点追従制御は、環境及び負荷等によって変動する最大電力点を特定するための機構が必要である。また、特許文献1に示すインバータの動作電圧の設定するための機構、特許文献2に示すDC/DCコンバータを構成するスイッチング素子の導通比を変更する機構等のように、特定された最大電力点に追従するためのフィードバック機構等が必要であった。さらに、現状の出力電力自体をモニタリングしなければならない場合もあった。これらの要因により最大電力点追従制御のための回路及びソフトウェアを含めたシステムが複雑化してしまうという問題があった。
Many techniques relating to the maximum power point tracking control have been proposed and put into practical use. However, the conventional maximum power point tracking control requires a mechanism for specifying the maximum power point that varies depending on the environment and load. Further, the specified maximum power point, such as a mechanism for setting the operating voltage of the inverter shown in
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来型の最大電力点追従制御と比較して簡素な回路及びシステムによって直流電源から取り出すことのできる電力を増大させ、発電効率を高めることができる電力抽出回路、及び、その電力抽出回路を備えた電力供給システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to increase the power that can be extracted from the DC power supply by a simple circuit and system as compared with the conventional maximum power point tracking control. And providing a power extraction circuit capable of improving power generation efficiency and a power supply system including the power extraction circuit.
(電力抽出回路及び電力供給システムの構成)
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。(Configuration of power extraction circuit and power supply system)
The present invention solves the above problems by a power extraction circuit and a power supply system described below. FIG. 3 shows an outline of the
図3に示すように、電力抽出回路10は、直流電源2の正極に接続される正極側入力端子、及び負極に接続される負極側入力端子を備えている。電力抽出回路10は、直流電源2の正極と負極の間に接続されるインダクタ11、第1のダイオード12、及び第1のスイッチ15からなる第1の経路と、同じ直流電源2の正極と負極の間に接続される当該インダクタ11、第2のスイッチ16、及び第2のダイオード13からなる第2の経路を含む。このインダクタ11は直流電源2の正極に接続されている。第1のダイオード12のアノードはインダクタ11に接続され、カソードは第1のスイッチ15に接続され、第1のスイッチ15は当該カソードと直流電源2の負極間の導通を制御するものである。一方、第2のスイッチ16はインダクタ11に接続され、第2のダイオード13のアノードは第2のスイッチ16に接続され、カソードは直流電源2の負極に接続され、第2のスイッチ16は当該アノードとインダクタ11の導通を制御するものである。第1のダイオード12のカソードと第2のダイオード13のアノード間にはキャパシタ14が接続されている。このキャパシタ14の両端には出力端子が設けられており、キャパシタ14と並列に負荷3が接続されることになる。
As shown in FIG. 3, the
(電力抽出回路の動作)
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)(Operation of power extraction circuit)
3, the electromotive force of the
V 2 = V 1 − (V F1 + V F2 ) (1)
次に、スイッチ15、16が共にONになると(この状態を状態IIとする)、キャパシタ14と、起電力V1の直流電源2とが直列接続され、電力供給システム1全体としてみたときの起電力はV1よりも高くなる。その結果、状態Iと比較して、直流電源2の内部インピーダンス及びインダクタ11を通過する電流が増加する。ここでインダクタ11を通過する電流をIとし、インダクタ11のインダクタンスをLとすると、インダクタ11には以下の式(2)に示す磁気エネルギーUが蓄積される。
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。Next, when both the
U =
That is, when the current flowing through the
この状態Iから状態IIにかけて増加した磁気エネルギーをdUとすると、このdUは、スイッチ15、16が共にOFFとなっても瞬時に0にはならず、インダクタ11に流れる電流の減少に抗って、電流を流し続けようとする。その結果、最初にスイッチ15、16が共にOFFであった状態Iのときにインダクタ11に流れていた電流よりも大きな電流がインダクタ11に流れる。そして、最終的に増加した磁気エネルギーdUは、キャパシタ14に移管され、結果としてキャパシタ14の端子間電圧が状態Iのときよりも高くなる。
Assuming that the magnetic energy increased from state I to state II is dU, this dU does not instantaneously become zero even when both the
さらに、キャパシタ14の端子間電圧が状態Iのときよりも高くなることで、次にスイッチ15、16が共にONとなると、前回スイッチ15、16が共にONであった状態IIのときに直流電源2の内部インピーダンス及びインダクタ11に流れていた電流よりも大きな電流が、直流電源2の内部インピーダンス及びインダクタ11に流れることになる。このようにして、スイッチ15及び16のON/OFF制御を同時に繰り返すことによって、キャパシタ14の端子間電圧、即ち負荷の端子間電圧が高くなり、より多くの電力を直流電源2から取り出すことができるようになる。
Further, since the voltage between the terminals of the
上述したスイッチングの繰り返しによるキャパシタ14の端子間電圧の上昇幅は、負荷、スイッチング周波数及びスイッチング時間、インダクタンスLなどによって異なる。キャパシタ14に対するエネルギー供給と負荷によるエネルギー放出が平衡したときにキャパシタ14の端子間電圧(負荷3の端子間電圧)は一定になる。上記スイッチングの繰り返しに伴う端子間電圧の上昇によって負荷3に流れる電流も増加し、負荷によって消費される電力が大きくなる。ここでエネルギー保存の法則が成立するため、その電力は直流電源2から供給されていることになる。
The amount of increase in the voltage between the terminals of the
ここで図4に示すように、スイッチ15及び16を半導体スイッチ(例えばMOSFET)によって構成するようにすると良い。スイッチ15及び16を高速にスイッチングさせることが可能であるため、インダクタンスL及びキャパシタ14の容量Cを小さくすることができ、電力抽出回路10の小型化が可能となる。また、図5に示すようにスイッチ15及び16をONにしておく時間は、キャパシタ14の端子間電圧が最大となるように制御装置20によって制御すると良い。制御装置20は半導体回路によって構成される。
Here, as shown in FIG. 4, the
本発明によって、従来型の最大電力点追従制御を行うことなく、直流電源から取り出すことのできる電力を増大させ、発電効率を高めることができる。また、本発明の電力抽出回路及び電力供給システムにおいては、従来型の最大電力点追従制御を行うにあたって必要であった環境条件(日照量、風速、気温、水温等)の測定機構、電流及び電圧の計測機構、最大電力点の特定機構、最大電力点に追従するためのフィードバック機構(例えば特許文献1に示すインバータの動作電圧の設定するための機構、特許文献2に示すDC/DCコンバータを構成するスイッチング素子の導通比を変更する機構等)は一切必要なく、回路及びシステムを簡素化することができる。
According to the present invention, it is possible to increase the power that can be extracted from the DC power source without performing the conventional maximum power point tracking control, and to improve the power generation efficiency. Further, in the power extraction circuit and power supply system of the present invention, the measurement mechanism, current and voltage of environmental conditions (sunshine amount, wind speed, temperature, water temperature, etc.) required for performing the conventional maximum power point tracking control. Measurement mechanism, maximum power point specifying mechanism, feedback mechanism for following the maximum power point (for example, a mechanism for setting an operating voltage of an inverter shown in
本発明の電力抽出回路は、太陽電池に限らず、直流電源全般に適用可能である。また、本発明の電力供給システムは、太陽発電、風力発電、温度差発電等によって生じた電力を、最大電力点の制限を受けることなく、効率よく負荷に対して供給するものである。 The power extraction circuit of the present invention is applicable not only to solar cells but also to DC power supplies in general. In addition, the power supply system of the present invention efficiently supplies power generated by solar power generation, wind power generation, temperature difference power generation, and the like to a load without being limited by the maximum power point.
[1.電力抽出回路による効率向上の確認]
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。[1. Confirmation of efficiency improvement by power extraction circuit]
The inventors confirmed the operation of the power supply system of the present invention and the effect of the power extraction circuit using the apparatus shown in FIG. As the
(実験例1)
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。(Experimental example 1)
As described with reference to FIG. 3, first, the
次に、制御装置20によってスイッチ15及び16を繰り返しON/OFFさせた。スイッチング周波数は20kHzとした。これにより、前述した状態IIを経て、VLが上昇していく。VLが安定した状態におけるVO、IO、VL、及びILの値を表1(スイッチング状態)に示す。また、このときのPO及びPLの値も併せて示す。表1における比較から、スイッチング停止状態におけるPOが2.58Wであるのに対し、スイッチング状態におけるPOが4.66Wであるから、太陽電池から取り出している電力自体が80%増加している。また、負荷に供給する電力の比較では、スイッチング停止状態におけるPLが2.04Wであるのに対し、スイッチング状態におけるPLが3.21Wであるから、負荷に供給する電力が57%増加している。即ち、スイッチング停止状態において太陽電池から取り出されていた電力が2.58Wであるのに対し、スイッチング状態において負荷に供給されている電力が3.21Wとなり、スイッチング停止状態において負荷に供給できる電力の124%を負荷に対して供給可能としたものである。即ち、電力抽出回路10が太陽電池から強制的に電力を抽出して負荷に供給したことになる。Next, the
(実験例2)
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。(Experimental example 2)
Next, the same experiment as in Experimental Example 1 was performed by replacing the
表2における比較より、スイッチング停止状態におけるPOが2.60Wであるのに対し、スイッチング状態におけるPOが4.56Wであるから、太陽電池から取り出している電力自体が75%増加している。また、負荷に供給する電力の比較では、スイッチング停止状態におけるPLが2.04Wであるのに対し、スイッチング状態におけるPLが3.22Wであるから、負荷に供給する電力が58%増加している。即ち、スイッチング停止状態において太陽電池から取り出されていた電力が2.60Wであるのに対し、スイッチング状態において負荷に供給されている電力が3.22Wとなり、スイッチング停止状態において負荷に供給できる電力の124%を負荷に対して供給可能としたものである。即ち、電力抽出回路10が太陽電池から強制的に電力を抽出して負荷に供給したことになる。表1及び表2に示す結果から、キャパシタ14の容量を変更しても結果に大きな影響を与えなかった。From the comparison in Table 2, while P O is 2.60W in a switching stop state, since P O in the switching state is 4.56W, the power itself is taken out from the solar cell is increased to 75% . Further, in the comparison of the power supplied to the load, whereas P L is 2.04W in a switching stop state, since P L in the switching state is 3.22W, the power supplied to the load is increased 58% ing. That is, the power extracted from the solar cell in the switching stop state is 2.60 W, whereas the power supplied to the load in the switching state is 3.22 W, and the power that can be supplied to the load in the switching stop state is 124% can be supplied to the load. That is, the
(実験例3)
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。(Experimental example 3)
Next, an experiment similar to Experimental Example 1 was performed by bringing the positions of the 12 light bulbs closer to the surface of the solar cell panel. The switching frequency when the
(実験例4)
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。(Experimental example 4)
Next, V O , I O , V L , I L , P O when air is blown to the surface of the solar cell panel from the state of Experimental Example 3 (the state where the light bulb is close to the solar cell panel) and cooled. and Table 4 (switching state) the value of P L. Compared to the results in Table 3, P O is increased by cooling the solar panel surface, it has been an increase in the P L accordingly.
[2.最大電力点との比較]
(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。[2. Comparison with maximum power point]
(Experimental example 5)
The maximum power point of the solar cell used as the
(実験例6)
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。(Experimental example 6)
Next, an experiment similar to Experimental Example 1 was performed using an electronic load device as a load. The same
表5に示す結果より、電力抽出回路をスイッチング状態としたときに、取り出すことができる電力値は5.45Wとなった。図8に示すように、電力抽出回路を介さないときの最大電力Pmax=4.89Wの111.4%の電力を太陽電池から取り出すことができた。この図8から、本発明の電力抽出回路が、従来にない作用を奏することを把握することができる。特に昨今において、電力供給を最適化する技術として常用されている従来型の最大電力点追従とは一線を画する技術である。本発明では環境及び負荷等によって変動する最大電力点を特定するための機構が不要であり、また特定された最大電力点に追従するためのフィードバック機構等も一切不要である。図3に示す極めて簡潔な回路によって負荷への電力供給量を増大させることができる。 From the results shown in Table 5, when the power extraction circuit is switched, the power value that can be taken out is 5.45W. As shown in FIG. 8, 111.4% of the maximum power Pmax = 4.89 W when not passing through the power extraction circuit could be extracted from the solar cell. From FIG. 8, it can be understood that the power extraction circuit of the present invention has an unprecedented effect. In particular, in recent years, conventional maximum power point tracking, which is commonly used as a technology for optimizing power supply, is a technology that sets a line. In the present invention, there is no need for a mechanism for specifying the maximum power point that fluctuates depending on the environment, load, or the like, and no feedback mechanism or the like for following the specified maximum power point. The very simple circuit shown in FIG. 3 can increase the amount of power supplied to the load.
表5に示すように、負荷に供給することができる電力PLは4.79Wとなった。これは上記最大電力Pmax=4.89Wよりは低い値であるが、電力抽出回路で消費される電力が5.45−4.79=0.66Wとなっているからである。この電力抽出回路で消費される電力を低減させることで、負荷自体に対してさらに大きな電力を供給することが可能となる。例えば図6に示す制御装置20の消費電力を低減させることは可能であるため、これによりさらに大きな電力を負荷に供給することも可能となる。As shown in Table 5, the power P L which can be supplied to the load became 4.79W. This is because the power consumed by the power extraction circuit is 5.45-4.79 = 0.66 W, although the value is lower than the maximum power Pmax = 4.89 W. By reducing the power consumed by the power extraction circuit, it is possible to supply a larger amount of power to the load itself. For example, since it is possible to reduce the power consumption of the
[3.他の直流電源を使用した実験]
(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。[3. Experiments using other DC power supplies]
(Experimental example 7)
The present invention is not limited to a solar battery, but increases the power that can be extracted from a DC power source. The present inventors conducted an experiment using a power source constituted by a Seebeck element instead of a solar cell. The power source used is “Thermoelectric Modules for Power Generation” (model number TGM-287-1.0-1.5) from Kryotherm. For this power source, the maximum power point was measured by the method shown in Experimental Example 5 before connecting the
次に、上記ゼーベック素子によって構成された電源を直流電源2として使用し、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として使用して、図6に示す装置(太陽電池をゼーベック素子に置き換えたもの)を用いて実験例1と同様の実験を行った。ここで使用するキャパシタ14の容量は50Fである。また、スイッチング周波数は20kHzとし、スイッチングパルスのデューティ比を40%から50%まで1%区切りで増加させて、各々のデューティ比についてVO、IO、及びPOを測定した結果を表6及び図9に示す。Next, the power source configured by the Seebeck element is used as the
測定を開始したときのデューティ比は40%であり、このときの吸熱側温度は80.2℃、放熱側温度は26.2℃であった。その後、デューティ比を1%ずつ増大させて、VO、IO、及びPOを測定した。最終的に50%としたときの吸熱側温度は80.1℃、放熱側温度は26.3℃であった。測定後、電力抽出回路10を取り外して、再度、実験例5に示した方法で最大電力点を測定した。その結果、IO=0.445A、VO=1.85Vのときの電力が0.82Wとなり最大となった。図9の横軸はデューティ比であり、縦軸はPOを示す。図9に示されるように、スイッチング状態におけるPOは、デューティ比にかかわらず測定開始前の最大電力点、測定終了後の最大電力点のいずれも超過している。When the measurement was started, the duty ratio was 40%. At this time, the heat absorption side temperature was 80.2 ° C., and the heat release side temperature was 26.2 ° C. Thereafter, the duty ratio was increased by 1%, and V O , I O , and P O were measured. When the final temperature was 50%, the endothermic temperature was 80.1 ° C., and the endothermic temperature was 26.3 ° C. After the measurement, the
表6及び図9に示した結果から、電力抽出回路を動作させたことによる顕著な効果を確認することができた。電力抽出回路の動作中はゼーベック素子の吸熱量が増加しており、電力抽出回路によって強制的に電源から多くの電力を取り出していることを確認することができた。本発明の適用によって、温度差が小さい環境であっても、多くの電力を取り出すことができるようになる。 From the results shown in Table 6 and FIG. 9, it was possible to confirm a remarkable effect by operating the power extraction circuit. During operation of the power extraction circuit, the amount of heat absorbed by the Seebeck element increased, and it was confirmed that a large amount of power was forcibly extracted from the power source by the power extraction circuit. Application of the present invention makes it possible to extract a large amount of power even in an environment where the temperature difference is small.
その他、乾電池のような一次電池であっても、電圧が低くなったときに電力抽出回路によって強制的に電力を取り出すことで、効率よくエネルギーを利用することができる。燃料電池の場合には、電力抽出回路を利用することで酸素の消費量が大きくなるが、単位体積あたりの出力が増加し、小型化を図ることができる。 In addition, even a primary battery such as a dry battery can efficiently use energy by forcibly extracting power by a power extraction circuit when the voltage becomes low. In the case of a fuel cell, the consumption of oxygen is increased by using the power extraction circuit, but the output per unit volume is increased and the size can be reduced.
1…電力供給システム
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1 ...
3 ... Load (motor, electronic load device)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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。A first path composed of an inductor, a first diode, and a first switch connected between a positive electrode and a negative electrode of a DC power supply, and an inductor connected between the positive electrode and the negative electrode of the same DC power supply; And a second path comprising a second diode,
The inductor is connected to a positive electrode of the DC power supply;
The anode of the first diode is connected to the inductor, the cathode is connected to the first switch, and the first switch controls conduction between the cathode and the negative electrode of the DC power source,
The second switch is connected to the inductor, the anode of the second diode is connected to the second switch, the cathode is connected to the negative electrode of the DC power supply, and the second switch is connected to the anode and the anode. Which controls conduction between inductors,
A capacitor connected between the cathode of the first diode and the anode of the second diode;
By alternately repeating the control of making both the first switch and the second switch conductive and non-conductive, the current flowing through the inductor is increased, and the power that can be extracted from the DC power supply is increased. A power extraction circuit characterized by that.
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。A first path composed of an inductor, a first diode, and a first switch connected between a positive electrode and a negative electrode of a DC power supply, and an inductor connected between the positive electrode and the negative electrode of the same DC power supply; And a second path comprising a second diode,
The inductor is connected to a positive electrode of the DC power supply;
The anode of the first diode is connected to the inductor, the cathode is connected to the first switch, and the first switch controls conduction between the cathode and the negative electrode of the DC power source,
The second switch is connected to the inductor, the anode of the second diode is connected to the second switch, the cathode is connected to the negative electrode of the DC power supply, and the second switch is connected to the anode and the anode. Which controls conduction between inductors,
A capacitor connected between the cathode of the first diode and the anode of the second diode;
A load connected to the capacitor in parallel by increasing the voltage across the capacitor by alternately repeating the control of making both the first switch and the second switch conductive and alternately non-conductive. A power extraction circuit characterized by increasing the power supplied to the battery.
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。A first path composed of an inductor, a first diode, and a first switch connected between a positive electrode and a negative electrode of a DC power supply, and an inductor connected between the positive electrode and the negative electrode of the same DC power supply; And a second path comprising a second diode,
The inductor is connected to a positive electrode of the DC power supply;
The anode of the first diode is connected to the inductor, the cathode is connected to the first switch, and the first switch controls conduction between the cathode and the negative electrode of the DC power source,
The second switch is connected to the inductor, the anode of the second diode is connected to the second switch, the cathode is connected to the negative electrode of the DC power supply, and the second switch is connected to the anode and the anode. Which controls conduction between inductors,
A capacitor connected between the cathode of the first diode and the anode of the second diode;
By alternately repeating the control of making both the first switch and the second switch conductive and non-conductive, the current flowing through the inductor is increased, and the power that can be extracted from the DC power supply is increased. A power extraction circuit characterized by increasing the voltage between terminals of the capacitor, thereby increasing the power supplied to a load connected in parallel to the capacitor.
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。A power supply system comprising a DC power supply, a power extraction circuit connected to the DC power supply, and a load connected to the power extraction circuit,
The power extraction circuit is connected between a first path consisting of an inductor, a first diode, and a first switch connected between a positive electrode and a negative electrode of the DC power supply, and a positive electrode and a negative electrode of the same DC power supply. A second path consisting of the inductor, the second switch, and the second diode,
The inductor is connected to a positive electrode of the DC power supply;
The anode of the first diode is connected to the inductor, the cathode is connected to the first switch, and the first switch controls conduction between the cathode and the negative electrode of the DC power source,
The second switch is connected to the inductor, the anode of the second diode is connected to the second switch, the cathode is connected to the negative electrode of the DC power supply, and the second switch is connected to the anode and the anode. Which controls conduction between inductors,
A capacitor connected between the cathode of the first diode and the anode of the second diode;
The load is connected in parallel to the capacitor;
By alternately repeating the control of making both the first switch and the second switch conductive and non-conductive, the current flowing through the inductor is increased, and the power that can be extracted from the DC power supply is increased. And the power supply system characterized by increasing the voltage between the terminals of the capacitor and thereby increasing the power supplied to the load.
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。The power supply system according to claim 4,
The power supply system, wherein the DC power source is a solar battery.
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。The power supply system according to claim 4,
The DC power supply is configured by a Seebeck element.
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