KR20050013992A

KR20050013992A - 전원장치

Info

Publication number: KR20050013992A
Application number: KR10-2004-7018268A
Authority: KR
Inventors: 에노모토마사시; 혼다토시오
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2005-02-05
Also published as: CN1653623A; JP2003333757A; US20050268957A1; AU2003235234A1; EP1505659A1; WO2003100867A1

Abstract

출력 특성이 다른 복수의 전지의 출력이 공통의 단자로부터 추출되고, 더욱이, 전지 사이의 접속에 의한 에너지 효율의 저하가 매우 억제되도록 구성된 전원장치이다. 출력전압 및 출력전류가 다른 복수의 전지(10a∼10c)의 출력이, 서로 동일한 출력전압으로 조절된 후, 병렬의 관계를 만족하도록 단자(4, 5)에 출력되게 한다. 각 전지의 출력이 병렬로 출력되므로, 직렬접속과 다르고, 출력전류가 작은 전지가 전원 전체의 출력전류를 제한한다는 문제가 없다. 또한, 동일한 출력전압으로 조절된 후에 접속되므로, 역류 등의 문제점이 생길 일도 없다. 탠덤형 태양전지에 응용한 경우에는, 각 탠덤 광전변환소자에 대하여, 태양광을 최대 효율로 이용 할 수 있게 광흡수파장 특성을 할당할 수 있고, 태양광의 파장분포가 표준의 분포로부터 크게 편중되는 경우에도, 광전 에너지 변환효율이 저하하는 경우는 없다.

Description

전원장치{POWER SOURCE DEVICE}

화석연료를 대신하는 에너지원으로서, 태양광을 이용하는 태양전지가 주목되어, 여러가지의 연구가 행해져 왔다. 태양전지는, 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전변환장치의 1종이다.

현재 가장 보급되어 있는 반도체의 pn 접합, 혹은 이종재료 헤테로 접합을 이용하는 태양전지에서는, 예를 들면 pn 접합에 입사한 광자 중 반도체의 밴드갭 에너지보다도 큰 에너지를 갖는 광자를 흡수하고, 가전자대의 전자가 전도대에 여기되고, 동시에 가전자대에는 정공이 발생한다. 이렇게 반도체 내에서 발생한 전자-정공쌍은, pn 접합부에 형성된 내부 전계에 의해, 전자가 n형 반도체층 쪽으로, 정공이 p형 반도체층 쪽으로 이동하고, 기전력이 발생한다.

한편, 새로운 원리에 의한 태양전지로서, 광 유기 전자이동을 응용한 습식 태양전지가 알려져 있다. 도 9a는, 습식 태양전지의 일례의 개략적인 단면도이다.이 습식 태양전지는, 주로, 유리 등의 투명기판(11), ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명전극(12), 산화티탄 TiO₂등의 반도체층(14), 대향전극(17), 반도체층(14)과 대향전극(17)과의 사이에 유지된 전해질층(16), 기판(19) 등으로 구성되고, 또한 반도체층(14)의 전해질층(16)측 표면에는, 루테늄 착체로 이루어지는 광증감 색소 등의 가시광영역 부근에 흡수 스펙트럼을 갖는 광흡수 물질이 흡착되어 있다.

도 9a의 장치는, 광이 입사하면, 대향전극(17)을 정극, 투명전극(12)을 부극으로 하는 전지로서 동작한다. 그 원리는 다음과 같다.

광흡수 물질(15)이 반도체층(14)에 입사한 광자를 흡수하면, 광흡수 물질(15) 중의 전자가 기저상태로부터 여기상태로 여기된다. 광흡수 물질(15)과 반도체층(14)과의 사이에는 카르복시기 등에 의한 전기적 결합이 형성되어 있기 때문에, 여기상태의 전자는 신속하게 반도체층(14)의 전도대로 이동하고, 반도체층(14)을 경과해서 투명전극(12)에 도달한다.

한편, 광흡수 물질(15)이 전자를 잃어버려 생긴 양이온은 전해질층(16)의 음이온으로부터 전자를 받고, 전기적으로 중화된다. 전자를 잃어버린 음이온은 확산에 의해 대향전극(17)에 도달하고, 대향전극(17)으로부터 전자를 받는다.

상기한 어느 하나의 태양전지에서도, 가장 중요한 특성의 하나는, 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지의 변환효율이다. 이 변환효율을 높이는 데에 큰 문제점이 존재한다.

광자 1개가 갖는 에너지는 광의 진동수에 비례하고, 광의 파장에 대해서는반비례한다. 태양광 등의 일반적인 광에는 여러가지의 파장의 광이 포함되어 있기 때문에, 일반적인 광은 가지가지인 에너지를 갖는 광자의 집합이다.

그것에 비해, 물질 중의 전자는 양자역학적으로 결정된다, 그 물질 고유의 몇개의 에너지 상태로밖에 취할 수 없다. 따라서, 기저상태에 있는 전자와 여기상태에 있는 전자와의 에너지차, 요컨대, 전자를 기저상태로부터 여기상태로 여기하는 데 필요한 에너지도, 그 물질 고유의 값으로서 정해져 있다(이하, 이 에너지를 「여기 에너지 Ex」라 부르고, 그것과 같은 에너지를 갖는 광자의 파장을 λx라 기재하는 것으로 함).

pn 접합을 이용하는 태양전지에서는, 가전자대(기저상태)와 전도대(여기상태)와의 에너지차, 즉 밴드갭 에너지가 여기 에너지 Ex이다. 습식 태양전지에서는, 광흡수 물질의 기저상태와 여기상태와의 에너지차가 여기 에너지 Ex이다.

도 8은 가시광 부근의 모든 파장의 광을 균등하게 포함하는 광이 태양전지에 입사한 경우에, 광 에너지가 전기 에너지로 변환되는 비율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.

파장이 λx보다도 길고), 광자의 에너지가 여기 에너지 Ex에 충만하지 않는 광은 전자를 여기할 수 없으므로 흡수되지 않고, 그 에너지가 전기 에너지로 변환되지도 않는다. 즉, 파장이 λx보다도 긴 광의 에너지는 이용할 수 없고 무효하게 된다(도 8 사선부 (I)).

한편, 파장이 λx보다도 짧고, 광자의 에너지가 여기 에너지 Ex보다 큰 광이 흡수되었다고 해도, 전자에 의해 획득되는 에너지가 Ex를 초과하지는 않는다. 즉,Ex를 초과하는 강력한 에너지를 갖는 광에 의해 여기해도, Ex를 초과하는 에너지는 열 에너지가 되어 버려 무효하게 된다(도 8 사선부 (II).

Ex를 작게 하면, 사선부 (I)의 낭비는 작아지지만, 사선부 (II)의 낭비가 커진다.Ex 을 크게 하면, 사선부 (II)의 낭비는 작아지지만, 사선부 (I)의 낭비가 커진다. 이렇게, 사선부 (I) 및 (II)에서 나타나는 이용할 수 없는 에너지에는 한쪽을 작게 하면 다른쪽이 커진다는 이율 배반의 관계가 있다.

도 9b는 도 9a의 습식 태양전지에 의해, 태양광의 에너지가 전기 에너지로 변환되는 비율을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 태양으로부터 지구에 쏟아지는 광은 도 9b에 나타내는 파장분포를 가지고 있다. 단일한 광흡수 물질만에 의한 태양전지에서는, 상기한 이율 배반의 관계 때문에, 여기 에너지에 충만하지 않고 무효하게 되는 에너지와 여기 에너지를 초과하여 무효하게 되는 에너지와의 총합이 최소가 되도록 여기 에너지 Ex를 선택해도, 에너지 변환효율의 최대값은 약 33%를 초과할 수는 없다.

이러한 이율 배반의 관계를 극복하고, 보다 높은 에너지 변환효율을 실현하기 위해, 다른 광흡수파장 특성(즉, 다른 Ex)을 갖는 복수의 광전변환소자가 광의 투과 방향으로 적층된 탠덤형 태양전지가 제안되어 있다(특개평 11-273753호 공보, 특개 2000-90989호 공보, 특개 2000-100483호 공보 등 ; 이하, 탠덤형 태양전지에서 적층되어 있는 각 광전변환소자를 탠덤 광전변환소자라 부르기로 함).

탠덤형 태양전지에서는, 전단의 탠덤 광전변환소자에서 흡수할 수 없었던 파장의 광을 후단의 탠덤 광전변환소자로 흡수할 수 있고, 광의 흡수효율, 나아가서는, 에너지 변환효율을 높일 수 있다.

도 10a는, 습식 태양전지에 의한 탠덤형 태양전지(10)의 일례의 개략 단면도이다. 입사광에 가까운 측으로부터, 3개의 탠덤 광전변환소자(10a , 10b, 10c)가 이 순서대로 적층되어 있다.

각 탠덤 광전변환소자는, 도 9a에 나타낸 단층의 습식 태양전지와 거의 동일한 구성을 갖는다. 예를 들면, 탠덤 광전변환소자 10a는, 유리기판(11), 투명전극(12a), 반도체층(14a), 광흡수 물질(15a), 전해질층(16a), 대향전극(17a)이나 스페이서(20)(기판(19)에 해당)로 구성되어 있다. 단, 광흡수 물질(15a)에 흡수되지 않았던 광이 다음의 탠덤 광전변환소자까지 투과하고 있도록, 대향전극(17a)이나 스페이서(20)는 광이 투과하기 쉬운 재질 및 구조의 것으로 이루어진다.

넓은 파장범위의 광을 높은 변환효율로 광전변환하기 위해서는, 각 탠덤 광전변환소자의 광흡수 물질(15a∼15c)의 흡수 파장은, 서로 달라져 있고, 광의 입사방향으로부터 먼 층의 광흡수 물질만큼, 보다 장파장의 광을 흡수하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 광흡수 물질 15a로서 안트라퀴논계 옐로우 색소, 광흡수 물질 15b로서 안트라퀴논계 마젠타(Magenta) 색소, 광흡수 물질 15c로서 안트라퀴논계 시안 색소를 사용하는 등이다.

또한, 광흡수 물질의 전자가 흡수한 여기 에너지가 가능한 한 낭비가 안되고, 반도체층의 전도대 전자의 에너지로서 보존되고, 전지의 기전력으로서 추출하도록, 반도체층(14a∼14c)도 광흡수 물질(15a∼15c)에 맞추어 최적화하는 것이 바람직하다. 즉 광흡수 물질(15a∼15c)의 각각에 대하여 그 여기 에너지에 가능한 한 가까운 밴드갭 에너지를 갖는 반도체를 조합한다.

예를 들면, 파장이 짧은 광을 흡수하는 여기 에너지가 큰 광흡수 물질에는, 산화티탄 TiO₂대신에 산화지르코늄 ZrO₂를 조합하고, 파장이 긴 광을 흡수하는, 여기 에너지가 작은 광흡수 물질에는 산화 주석 SnO₂를 조합한다.

도 10b는, 이렇게 구성된 탠덤형 태양전지에 의해, 태양광의 에너지가 전기 에너지로 변환되는 비율을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 도 9b와 비교하면, 탠덤형 태양전지에서는, 단층의 태양전지에서는 버려져 있었던 태양광의 장파장 성분을 이용할 수 있는 동시에, 단파장 성분의 에너지 변환효율도 높아지는 것을 안다.

탠덤형 태양전지에서는, 적층된 각 탠덤 광전변환소자의 전기출력을 직렬로 접속하고, 각 소자의 출력전류가 서로 같아지도록, 각 소자가 흡수하는 파장범위를 분할하는 것이 많다.

이 방식에서는, 표준이 되는 태양광의 파장분포에 대해서는 각 소자로부터의 출력전류가 같아지도록 설정되어 있다고 해도, 하절기와 동절기, 한낮과 아침 저녁 등, 태양광의 파장분포가 표준의 분포로부터 크게 편중되는 경우에는, 적층된 각 소자로부터의 출력전류에 큰 차이가 생긴다. 이러한 상태에서 각 소자를 직렬로 연결시키면, 광량 부족으로 출력전류가 작은 소자가 전지 전체의 내부 저항을 증대시켜, 출력전류를 제한해 버리는 문제가 생긴다.

그렇다고 해서, 각 탠덤 광전변환소자를 병렬로 연결시키면, 각 소자의 출력전압이 다르기 때문에, 최대 전압을 출력하는 소자의 전기 에너지가 그것 이외의 소자 중을 역류해서 일부가 소멸해 버린다는 문제점이 생긴다.

다른 문제점은 각 탠덤 광전변환소자로부터의 출력전류를 같게 하는 파장분할패턴이 태양광을 최대 효율에서 이용하기 위한 파장분할패턴과, 일반적으로 일치하지 않는 것이다. 상기한 방식에서는, 직렬접속이라는 출력의 추출 방법이, 각 탠덤 광전변환소자에 할당하는 광흡수 파장 특성을 제한하고, 태양광을 최대 효율로 이용하는 데에 장해로 되어 있다.

본 발명은, 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 출력 특성이 다른 복수의 전지의 출력이 공통의 단자로부터 추출되고, 더욱이, 전지 사이의 접속에 의한 에너지 효율의 저하가 매우 억제되도록 구성된 전원장치를 제공하는 것에 있다.

(발명의 개시)

즉, 본 발명은 출력 특성이 다른 복수의 전지가 서로 병치되고, 상기 복수의 전지의 각 출력이 서로 동일한 전압으로 조절되고, 이들 출력이 공통의 단자로부터 추출되도록 구성된 전원장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 출력전압 및 출력전류가 다른 상기 복수의 전지의 출력이, 서로 동일한 출력전압으로 조절된 후, 병렬의 관계를 만족하도록 공통의 단자에 출력된다.

상기 복수의 전지의 출력이 병렬의 관계를 만족시키도록 출력되므로, 직렬접속인 경우와 달리, 출력전류가 작은 전지가 전원 전체의 내부 저항을 증대시켜, 출력전류를 제한해 버린다는 문제가 없다.

또한, 동일한 출력전압으로 조절된 후에 공통의 단자에 출력되므로, 다른 출력전압의 출력을 병렬로 접속했을 경우에 생기는 역류 등의 문제점이 생기는 것도 없다.

본 발명은, 태양전지(광전변환장치)나 화학전지 등의 전지로 이루어지는 전원장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 근거하는 전원장치를 나타내는 개략 구성도이다.

도 2는 전압조정회로의 일례인 승압형 초퍼방식 레귤레이터의 회로를 나타내는 개략이다.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 근거하는 전원장치를 나타내는 개략 구성도이다.

도 4는 본 발명의 실시예 3에 근거하는 전원장치를 나타내는 개략 구성도이다.

도 5a∼도 5c는 소형셀에 의한 전지 매트릭스의 배선패턴을 나타내는 개략적인 평면도이다.

도 6은 본 발명의 실시예 3에서 사용하는 데 적합한 직렬단수 변경회로를 나타내는 개략도이다.

도 7은 동일, 다른 직렬단수 변경회로를 나타내는 개략도이다.

도 8은 모든 파장의 광을 균등하게 포함하는 광이 태양전지에 입사한 경우에, 광 에너지가 전기 에너지로 변환되는 비율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.

도 9a는 습식 태양전지의 일례의 개략적인 단면도이고, 도 9b는 습식 태양전지에 의해, 태양광의 에너지가 전기 에너지로 변환되는 비율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.

도 10a는 습식 태양전지에 의한 탠덤형 태양전지의 일례의 개략 단면도이고, 도 10b는 탠덤형 습식 태양전지에 의해, 태양광의 에너지가 전기 에너지로 변환되는 비율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.

본 발명에 있어서, 상기 복수의 전지가 각각의 전압조정회로를 통해 서로 병렬로 접속되는 것이 좋다.

또한, 상기 복수의 전지로부터의 각 출력이 일단 콘덴서에 축적되고, 이들 각 콘덴서에 대하여 전환가능하게 접속된 상기 전압조정회로에 의해, 상기 각 콘덴서의 축적 전하가 상기 동일한 전압으로서 시분할로 추출되도록 하는 것도 좋다.

또한, 상기 복수의 전지의 각각이 여러개로 분할되고, 이들 분할된 전지의 직렬접속단수 및 병렬접속개수가 조정되도록 구성하는 것도 좋다.

본 발명에 있어서, 상기 복수의 전지가 태양전지 등의 광전변환소자이고, 예를 들면 광의 투과 방향으로 적층되고, 또한 서로 다른 광 흡수특성을 갖는 광전변환소자인 것이 좋다.

이하, 본 발명에 근거하는 실시예를 도면 참조 하에 구체적으로 설명한다.

실시예 1

도 1은, 탠덤형 습식 태양전지(10)의 각 탠덤 광전변환소자(10a∼10c)의 출력이 각각의 전압조정회로(3a∼3c)를 통해 서로 병렬로 접속되고, 공통의 출력단자 1과 2의 사이에 출력되는 전원장치를 나타내는 개략 구성도이다.

도 10a는 탠덤형 습식 태양전지(10)의 개략적인 단면도이다. 텐덤형 습식 태양전지(10)에서는, 유리기판(11), 2장의 스페이서(20), 또 한쪽의 기판(19)의 각각의 사이에, 입사광에 가까운 측으로부터 1층째에 탠덤 광전변환소자 10a, 2층째에 탠덤 광전변환소자 10b, 3층째에 탠덤 광전변환소자 10c가 유지되어 있다.

스페이서(20)는 광이 투과하기 쉬운 재질과 형상인 것, 예를 들면 투명한 유리판, 혹은 폴리에틸렌테레프탈레이트나 폴리카보네이트 등의 투명한 플라스틱판으로 한다. 기판(19)은, 광을 투과시킬 필요는 없으므로, 불투명한 유리판, 플라스틱판, 세라믹판, 금속판을 사용해도 상관없다.

각 탠덤 광전변환소자(10a∼10c)는 동일한 구조를 갖고, 각각, ITO(Indium Tin Oxide) 등으로 이루어지는 투명전극(12a∼12c) 및 대향전극(17a∼17c), 산화티탄 TiO₂등으로 이루어지는 반도체층(14a∼14c), 광흡수 물질(15a∼15c), 전해질층(16a∼16c) 등에 의해 구성된다.

전해질층(16a∼16c)으로서는, 전해질 용액 또는 겔형 혹은 고체형의 전해질이 사용가능하다. 전해질 용액으로서는, I-/I_3-등의 산화 환원계(레독스쌍)를 포함하는 용액을 들 수 있다. 구체적으로는, 요오드소와 요오드화 암모늄을 아세토니트릴 등의 용매에 용해시킨 용액을 사용한다. 전지의 측면은, 에폭시계 열경화성수지, 아크릴계 자외선 경화수지, 물 유리 등의 밀봉재(18)에 의해 밀폐된다.

광흡수 물질(15a∼15c)의 흡수 파장은, 서로 다르게 되어 있고, 광의 입사방향에서 먼 층의 광흡수 물질만큼, 보다 장파장의 광을 흡수하는 것이다. 예를 들면 광흡수 물질 15a로서 안트라퀴논계 옐로우 색소, 광흡수 물질 15b로서 안트라퀴논계 마젠타 색소, 광흡수 물질 15c로서 안트라퀴논계 시안 색소를 사용할 수 있다.

전압조정회로(3a∼3c)로서는, 승압형, 강압형, 승강압형 중 어느 한쪽이라도 되고, 저소비전력에서 고효율인 것이 바람직하다. 기존의 DC-DC 컨버터 회로를 사용할 수 있다.

도 2에, 일례로서 승압형 초퍼방식 정전압회로의 예를 나타낸다. 텐덤 광전변환소자로부터의 출력전압 V₁은, 입력단자(51)와 접지단자(52)에 입력되고, 원하는 전압으로 승압된 출력전압 V₀은, 출력단자(53)와 접지단자(54)에 출력된다.

도 2의 좌측의 회로에서는, 입력단자 51과 접지단자 52의 사이에 코일(55)과 스위칭 트랜지스터(56)가 직렬로 삽입되어 있고, 트랜지스터(56)가 ON의 상태로 있는 동안에 전류 I₁이 흐르게 되어, 코일(55)에 에너지를 축적한다.

도 2의 바깥 주위의 회로, 즉, 입력단자 51과 접지단자 52의 사이에 코일(55), 다이오드(57), 콘덴서(58)가 직렬로 삽입되어 있다. 회로에서는, 트랜지스터(56)가 OFF인 상태로 있는 동안에, 코일(55)의 역기전력에 의해 승압된 전류 I₂가흐르게 되고, 다이오드(57)를 경유하여 콘덴서(58)를 충전하도록 되어 있다. 이때, 코일(55)에 축적되어 있었던 탠덤 광전변환소자로부터의 출력 에너지는, 콘덴서(58)의 충전 에너지로서 출력측에 송출된다.

상기한 2개의 동작을 전환하기 위해, 스위칭 트랜지스터(56)의 베이스 단자에 제어회로(59)로부터 구형 파형의 제어펄스가 인가된다.

이하, 전압조절작용에 중점을 두고, 정상상태에서의 도 2의 회로의 동작을 설명한다.

트랜지스터(56)의 베이스 단자에 정의 펄스가 인가되고, 트랜지스터 56이 ON 상태가 되면, 탠덤 광전변환소자로부터 코일(55)과 트랜지스터(56)에 전류 I₁이 흐르기 시작한다. 적어도 수사이클 동안 VI은 일정하게 간주할 수 있기 때문에, 코일(55)을 흐르는 전류 I₁은 다음식과 같이, 흐르기 시작할 때부터 시간에 비례해서 증가한다.

dI₁/dt=V₁/L 여기서, L은 코일(55)의 인덕턴스이다.

따라서, 트랜지스터(56)가 ON 상태에 있는 기간을 t_ON, ON 상태의 처음의 I₁의 값을 I_1S, ON 상태의 종료시의 I₁의 값을 I_1E로 두면, 다음식의 관계가 성립된다.

I_1E=I_1S+(V₁/L)t_ON

트랜지스터(56)의 베이스 전위가 접지전위로 떨어져, 트랜지스터(56)가 OFF 상태가 되면, 코일(55)의 양단 사이에 역기전력 V_L이 유기되고, 다이오드(57)가 도통상태가 되며, 코일(55)로부터 콘덴서(58)에 전류 I2가 흐르기 시작한다. 다이오드(57)에서의 전압강하를 무시하면, 다음 관계가 성립된다.

V_L=-(dI₂/dt)L

V_I+V_L=V₀

여기서, 콘덴서(58)의 리플전압은 무시할 수 있고, V₀은 거의 일정하다고 간주한다고 하면, 다음식과 같이 , 전류 I₂는, 흐르기 시작하기 때문에 시간에 비례해서 감소한다.

dI₂/dt=-V_L/L=-(V₀-V_I)/L

따라서, 트랜지스터(56)가 OFF 상태로 있는 기간을 t_OFF, OFF 상태의 처음의 I₂의 값을 I_2S, OFF 상태의 종료시의 I₂의 값을 I_2E로 두면 , 다음식의 관계가 성립된다.

I_2E=I_2S-(V₀-V_I)t_OFF/L

코일(55)의 성질로부터, OFF 상태의 종료시의 I₂의 값 I_2E는 상기 I_1S와 같고, OFF 상태의 처음의 I₂의 값 I_2S는, 상기 I_1E와 같기 때문에, 다음의 관계가 성립된다.

I_1S=I_1E-(V₀-V₁)t_OFF/L

=(I_1S+V₁t_ON/L)-(V₀-V_I)t_OFF/L

상기 식을 정리하면,

V₀=(t_ON+t_OFF)V₁/t_OFF가 되고, 입력전압 V₁이 변화되어도, t_ON/t_OFF를 조절함으로써, 출력전압 V₀을 일정하게 유지할 수 있는 것을 안다. 더 구체적으로는, 제어회로(59)가, 출력전압 V₀을 모니터하고, 소정의 값으로부터 어긋남에 따라 구형파 펄스의 듀티비를 증감함으로써 V₀은 일정하게 유지된다.

전압조정회로는 반드시 모든 탠덤 광전변환소자에 붙일 필요는 없고, 어느 하나 기준이 되는 탠덤 광전변환소자를 결정하고, 그 밖의 탠덤 광전변환소자에 붙이는 것만이라도 된다.

본 실시예에서는, 각 탠덤 광전변환소자로부터의 출력전류는 병렬의 관계를 만족시키도록 출력되므로, 직렬접속인 경우와 다르고, 각 소자로부터의 출력전류를 서로 같게 할 필요가 없다. 따라서, 태양광을 최대 효율로 이용 할 수 있도록, 각 탠덤 광전변환소자의 광흡수 파장 특성을 할당할 수 있다.

또한, 하절기와 동절기, 한낮과 아침 저녁 등, 태양광의 파장분포가 표준의 분포로부터 크게 편중되는 경우에도, 출력전류가 작은 전지가 전원 전체의 출력전류를 제한해 버린다는 문제가 없다.

또한, 동일한 출력전압으로 조절된 후에 공통의 단자에 출력되므로, 다른 출력전압의 출력을 병렬로 접속한 경우에 생기는 역류 등의 문제점이 생길 일도 없다.

실시예 2

도 3은, 탠덤형 습식 태양전지(10)의 각 탠덤 광전변환소자(10a∼10c)에 의해 발전된 에너지가 일단 전하로서 각 콘덴서(4a∼4c)에 축적되고, 이들 각 콘덴서에 대하여 전환가능하게 접속된 전압조정회로(3d)에 의해, 각 콘덴서에 축적된 에너지가 동일한 전압을 갖는 전류로서 시분할로 공통인 출력단자 1과 2의 사이에 출력되도록 구성되어 있는 전원장치를 나타내는 개략 구성도이다.

이 스위치트 커패시터 방식의 출력 방식은, 실시예 1의 출력방식의 변형이라 간주할 수 있는 것이다. 각 탠덤 광전변환소자(10a∼10c)의 전압조정 후의 출력이 공통인 출력단자 1에 동시에 접속되는 것은 아니므로, 엄밀한 의미에서는 출력이 병렬접속되어 있다고 말할 수 없지만, 각 탠덤소자(10a∼10c)가 공통의 출력단자 1에 대하여 대등한 관계로 병치되어 있는 점에서 병렬의 관계를 만족시키고 있고, 병렬접속의 변형이라 할 수 있다.

또 말하면, 양자의 차이는, 실시예 1에서는, 탠덤 광전변환소자와 동일수의 전압조절회로(3a∼3c)를 설치하고, 모든 탠덤소자의 출력을 항상 전압조절하고 있는 것에 비해, 실시예 2에서는, 복수의 전압조절회로의 기능을 1개의 전압조절회로(3d)에 집약하고, 각 탠덤 광전변환소자의 출력을 시분할로 전압조절하고 있는 점뿐이다. 실시예 2의 콘덴서(4a∼4c)는 처리를 대기하는 동안의 각 탠덤 광전변환소자(10a ∼10c)로부터의 출력을 일시적으로 보존하기 위해 부가된 것이다.

따라서, 전압조절회로(3d)로서는, 실시예 1에서 사용되는 것과 거의 동일한것을 사용할 수 있다. 단, 한정된 시간 내에 처리를 끝내지 않으면 안되기 때문에, 그 만큼 응답속도가 빠른 회로인 것이 필요하다.

전압조절회로(3d)의 입력을 바꾸는 방식으로서는, 공지의 반도체 스위치를 사용한 멀티플렉서가 좋다. 단, 원리적으로는 이것에 한정되지 않고, 접점을 바꾸는 기계식 스위치도 사용가능하다.

겉보기와는 달리, 각 탠덤 광전변환소자의 출력이 병렬의 관계를 만족하도록 공통의 단자에 출력되는 점은, 실시예 1과 동일하기 때문에, 실시예 1에 기술한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있는 것은, 말 할 필요도 없다.

실시예 3

도 4는 각 광전변환층의 탠덤 광전변환소자(10a∼10c)가 미리 동일한 크기의 다수의 소형셀로 분할되고, 소형셀의 접속 관계의 설정만으로 각 층마다 서로 동일한 출력전압이 형성되며, 그것들이 병렬의 관계로 공통의 단자 1과 2의 사이에 출력되도록 구성된, 실시예 3의 전원장치를 나타내는 개략 구성도이다. 여기서는 실시예 1이나 2와 달리, 승강압회로 등의 전압조절회로는 사용하지 않아도 된다.

도 4에서의 이중선의 접속선은, 직렬과 병렬의 병용에 의해 소형셀이 매트릭스적으로 접속되어 있는 것을 나타내고, 실제로는, 소형셀이 일정 개수 직렬로 접속된 것이 복수 있고, 그것들이 서로 병렬의 관계로 접속되어 있다(이하, 이 매트릭스적으로 접속된 소형셀 전체를 전지 매트릭스라 부르는 것으로 한다).

전지 매트릭스의 출력전압은, 각 층의 기전력과 소형셀의 직렬접속단수의 곱이 된다. 각 층의 전지 매트릭스의 출력전압을 서로 동일해지도록 하기 위해서는,각 층의 기전력을 고려하고, 적절한 직렬단수 및 그것을 가능하게 하는 소형셀에의 분할수를 결정하지 않으면 안된다.

이하, 그 결정의 순서를 설명한다. 예를 들면, 1층째의 기전력이 0.6V, 2층째의 기전력이 0.4V, 3층째의 기전력이 0.3V이라고 한다. 6과 4와 3의 최소 공배수는 12이기 때문에, 공통의 출력전압을 1.2V 또는 그 정수배 1.2nV(n은 정수)로 정한다.

설명을 간단하게 하기 위해, 출력전압을 1.2V로 정했다고 한다. 그 출력전압을 형성하기 위해, 1층째의 소형셀은 2개, 2층째의 소형셀은 3개, 3층째의 소형셀은 4개를 직렬로 접속할 필요가 있기 때문에, 각 광전변환층의 탠덤 광전변환소자(10a∼10c)를 미리 (2와 3과 4의 최소 공배수임) 12개의 소형셀로 분할해 두면 되게 된다.

도 5a∼도 5c는, 각 광전변환층의 탠덤 광전변환소자(10a∼10c)가 12개의 소형셀(6a∼6c)로 분할되고, 각 전지 매트릭스가 동일한 출력전압 1.2V를 출력하도록 배선된 상태를 나타내는 개략 평면도이다. 도 5a는 일층째 전지 매트릭스, 도 5b는 2층째 전지 매트릭스, 도 5c는 3층째 전지 매트릭스를 나타내는 도면이다. 각 층의 전지 매트릭스의 출력은, 각각, 출력단자 7a∼7c 및 8a∼8c로부터 추출된다.

직렬단수의 설정 방법에는 2종류의 방법이 있다. 간단한 것은, 상기한 바와 같이 하여 미리 결정해 둔 직렬/병렬 배선패턴을 사용하고, 이것에 고정해서 이후는 변경하지 않는 방법이다. 또 하나의 방법은 입사광의 파장분포의 변화나 전지의 경년변화 등에 의해 각 층의 기전력이 변화된 경우에도, 전지 매트릭스가 동일한출력전압을 유지 할 수 있도록, 소형셀의 직렬/병렬 배선패턴을 변화시키고, 직렬접속단수를 변화시키는 방법이다.

후자의 예를 도 6과 도 7에 나타낸다. 도 6은 다접점의 슬라이드 스위치를 사용하고, 직렬단수를 바꾸는 회로의 예다. 슬라이드 스위치(62)가 점선의 위치에 있을 때, 소형셀(61)이 3단으로 직렬접속된 출력이 출력단자 63과 64 사이에 출력된다. 한편, 슬라이드 스위치가 실선의 위치에 있을 때, 소형셀이 4단으로 직렬접속된 출력이 출력단자 65와 66의 사이에 출력된다.

도 7은 트랜지스터를 사용한 게이트회로에 의한 직렬단수 전환회로의 예이다. 트랜지스터(72∼76)는, 제어단자(72a∼76a)에 제어신호를 인가해서 ON, OFF를 제어한다.

트랜지스터 72만을 도통시키면, 출력단자 77과 78의 사이에는 소형셀 81의 기전력이 출력된다. 트랜지스터73과 75뿐을 도통시키면, 출력단자 77과 78의 사이에는 소형셀 81과 82를 직렬로 연결시킨 전압이 출력된다. 트랜지스터 74와 75와 76을 도통시켜 트랜지스터 72와 73을 차단하면, 출력단자 77과 78의 사이에는 소형 셀 81과 82와 83을 직렬로 연결한 전압이 출력된다.

방식은 달라도, 출력이 병렬인 관계를 만족하도록 공통의 단자에 출력되는 점은, 실시예 1 및 2와 동일하기 때문에, 전술한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있는 것은, 말할 필요도 없다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했지만, 본 발명은 이들 예에 조금도 한정되는 것은 아니며, 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경가능하다.

예를 들면, 실시예 1 또는 2와 실시예 3을 병용하는 것도 가능하다. 요컨대, 실시예 3의 방식에서 소형셀을 여러개 직렬로 연결시키고, 목표로 하는 출력전압값에 가까운 값으로 미리 조정된 출력을, 실시예 1 또는 2의 전압조절회로의 입력으로서 사용하는 것이다.

이 병용방식에 의하면, 실시예 1 또는 2의 측에서 보면, 목표로 하는 출력전압값에 가까운 값으로 조정된 전압이 입력되므로, 전압조절회로의 부담이 작아지고, 전압조절 때문에 소비되는 에너지의 손실이 작아진다는 이점이 있다. 실시예 3의 측에서 보면, 최종적으로는 전압은 전압조절회로에 의해 동일전압으로 조절되므로, 각 층의 전지 매트릭스의 출력전압을 엄밀하게 일치시킬 필요가 없다. 따라서, 직렬단수 및 소형셀에의 분할수를 꽤 자유롭게 선택할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명은, 태양전지로 이루어지는 전원장치 뿐만 아니라, 화학전지 등 모든 전지로 이루어지는 전원장치, 예를 들면 연축전지 등으로 이루어지는 비상용 전원장치나 연료전지로 이루어지는 발전장치에 대하여, 효과적으로 적용가능하다.

어느 하나의 전지에서도, 기전력이나 전지 한 개당 출력전류가 비교적 작게 한정되기 때문에, 실제의 사용에서는 다수의 전지가 직렬 및/또는 병렬로 접속되어 사용되는 것이 많다. 더욱이, 제작조건, 경년변화, 충전상태나 전지활 물질의 공급 속도 등의 동작조건 등의 차이점에 의해, 각 전지의 기전력과 출력전류가 모두 상위하고 있다. 이상과 같이, 전지로 이루어지는 전원장치는 일반적으로 태양전지로이루어지는 전원장치와 공통된 문제점을 포함하고 있기 때문이다.

본 발명에 의하면, 출력전압 및 출력전류가 다른 복수의 전지의 출력이, 서로 동일한 출력전압으로 조절된 후, 병렬의 관계를 만족하도록 공통의 단자에 출력된다.

복수의 전지의 출력이 병렬의 관계를 만족시키도록 출력되므로, 직렬접속의 경우와 달리, 출력전류가 작은 전지가 전원 전체의 내부 저항을 증가시켜, 출력전류를 제한해 버린다는 문제가 없다.

탠덤형 태양전지에 응용한 경우에는, 하절기와 동절기, 한낮과 아침 저녁 등, 태양광의 파장분포가 표준의 분포로부터 크게 편중되는 경우에도, 출력전류의 작은 전지가 전원 전체의 출력전류를 제한하여 광전 에너지 변환효율이 저하한다는 문제가 없다.

또한, 적층된 각 탠덤 광전변환소자로부터의 출력전류를 서로 같게 할 필요가 없으므로, 각 탠덤 광전변환소자에 대하여, 태양광을 최대 효율로 이용할 수 있게 광흡수파장 특성을 할당할 수 있다.

Claims

출력특성이 다른 복수의 전지가 서로 나란하게 설치되고, 상기 복수의 전지의 각 출력이 서로 동일한 전압으로 조절되고, 이들 출력이 공통의 단자로부터 추출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전원장치.
제1항에 있어서,

상기 복수의 전지가 각각의 전압조정회로를 통해 서로 병렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
제1항에 있어서,

상기 복수의 전지로부터의 각 출력이 일단 콘덴서에 축적되고, 이들 각 콘덴서에 대하여 전환가능하게 접속된 전압조정회로에 의해, 상기 각 콘덴서의 축적전하가 상기 동일한 전압으로서 시분할로 추출되는 것을 특징으로 하는 전원장치.
제1항에 있어서,

상기 복수의 전지의 각각이 복수개로 분할되고, 이들 분할된 전지의 직렬접속단수 및 병렬접속개수가 조정되는 것을 특징으로 하는 전원장치.
제1항에 있어서,

상기 복수의 전지가 광전변환소자인 것을 특징으로 하는 전원장치.
제5항에 있어서,

상기 복수의 전지가, 광의 투과방향으로 적층되고, 또한 서로 다른 광흡수 특성을 갖는 광전변환소자인 것을 특징으로 하는 전원장치.