(57)【要約】【課題】いかなる天候の下でも太陽電池から得られる電力を最大限利用できるようにする。【解決手段】太陽電池モジュール１１と負荷１２とを接続する回路に定電圧ダイオード２１を介挿する。定電圧ダイオード２１は、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧をツェナー電圧とするものである。【選択図】      図５
2006067759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池モジュールから得られる電気エネルギーを負荷駆動用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、
前記太陽電池モジュールと負荷とを接続する回路に、当該太陽電池モジュールの最適動作電圧をツェナー電圧とする定電圧ダイオードを介挿したことを特徴とする太陽電池を使用した電源装置。
【請求項２】
太陽電池モジュールから得られる電気エネルギーを負荷駆動用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、
前記太陽電池モジュールと負荷とを接続する回路に、内蔵基準電圧が当該太陽電池モジュールの最適動作電圧と等しいシャントレギュレータを介挿したことを特徴とする太陽電池を使用した電源装置。
【請求項３】
太陽電池モジュールから得られる電気エネルギーを負荷駆動用電源とするとともに二次電池の充電用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、
前記太陽電池モジュールと負荷及び二次電池とを接続する回路に逆流防止用ダイオードを介挿し、この逆流防止用ダイオードの順方向電圧降下分の電圧と前記二次電池の電圧との和が前記太陽電池モジュールの最適動作電圧とほぼ等しくなるようにしたことを特徴とする太陽電池を使用した電源装置。
【請求項４】
太陽電池モジュールの出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで変換した電圧を負荷駆動用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、
前記太陽電池モジュールの出力電圧が当該太陽電池モジュールの最適動作電圧とほぼ等しくなるように前記ＤＣ−ＤＣコンバータの回路定数を設定したことを特徴とする太陽電池を使用した電源装置。
【請求項５】
太陽電池モジュールから得られる電気エネルギーを負荷駆動用電源とするとともに二次電池の充電用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、
前記二次電池として、前記太陽電池モジュールの最適動作電圧と公称電圧がほぼ等しい物を用いるとともに、前記太陽電池モジュールの出力端子間に前記二次電池の過充電防止回路を接続したことを特徴とする太陽電池を使用した電源装置。
【請求項６】
太陽電池モジュールから得られる電気エネルギーを負荷駆動用電源とするとともに二次電池の充電用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、
前記太陽電池モジュールと負荷及び二次電池とを接続する回路に、内蔵基準電圧が当該太陽電池モジュールの最適動作電圧と等しいシャントレギュレータを介挿するとともに、前記太陽電池モジュールとシャントレギュレータとを接続する回路に逆流防止用ダイオードを介挿し、この逆流防止用ダイオードの順方向電圧降下分の電圧と前記二次電池の電圧との和が前記太陽電池モジュールの最適動作電圧とほぼ等しくなるようにしたことを特徴とする太陽電池を使用した電源装置。
【請求項７】
太陽電池モジュールの出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで変換した電圧を負荷駆動用電源とするとともに二次電池の充電用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、
前記太陽電池モジュールの出力電圧が当該太陽電池モジュールの最適動作電圧とほぼ等しくなるように前記ＤＣ−ＤＣコンバータの回路定数を設定するとともに、前記二次電池の過充電を検知する回路と、この回路によって前記二次電池の過充電が検知されると前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させる回路とを設けたことを特徴とする太陽電池を使用した電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池から得られる電気エネルギーを使用した電源装置、特に、小型電子機器の主電源や、携帯電話やディジタルカメラ等の携帯型電子機器が有する二次電池の充電用電源として好適な電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電所の運転停止や電力需要の急速な増加に伴い、太陽や風力等のクリーンな自然エネルギーの活用に対する期待が高まっている。特に、携帯型通信機器の一態様である携帯電話や静止画撮影機器の一態様であるディジタルカメラ等のように二次電池を電源とする携帯型電子機器のユピキタス電源として、太陽電池への期待は大きい。
【０００３】
ところで太陽電池には、単結晶シリコン型太陽電池，アモルファスシリコン型太陽電池，色素増感型太陽電池等があるが、太陽光エネルギーを電力（電気エネルギー）に変換する効率は、単結晶シリコン型太陽電池で最大１６％程度であり、アモルファスシリコン型太陽電池で約２％程度であり、色素増感型太陽電池で約４％程度である。太陽光エネルギーは直射日光下で１平方メートル当たり１キロワットであるので、携帯型電子機器に取り付けられる小面積の太陽用電池モジュール（あるいは太陽電池パネル）から得られる電力は限られている。例えば、面積２０平方センチメートルの単結晶シリコン型太陽電池から得られる電力は、晴天時でも３００ミリワット以下である。このため、太陽電池モジュールからの起電力を効率よく二次電池または負荷に供給する手段が望まれている。
【０００４】
太陽電池モジュールの起電力によって二次電池を充電する、あるいは負荷に給電する代表的な例として、従来から図１９（ａ）〜（ｄ）に示す構成が提案され、実用に供されている。
【０００５】
同図（ａ）は、太陽電池モジュール１１の起電力によって電子機器等の負荷１２に直接電気エネルギーを供給する構成である。同図（ｂ）は、太陽電池モジュール１１からダイオード等の逆流防止回路１３を通してニッケルカドニウム，ニッケル水素，リチウムイオン等の二次電池１４を充電するとともに負荷１２に電気エネルギーを供給する構成である。同図（ｃ）は、太陽電池モジュール１１の起電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ１５によって所望の電圧に変換してから二次電池１４を充電するとともに負荷１２に電気エネルギーを供給する構成である。同図（ｄ）は、太陽電池モジュール１１から逆流防止回路１３を通して二次電池１４を充電するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５によって所望の電圧に変換してから負荷１２に電気エネルギーを供給する構成である（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００２−２３８１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、太陽電池モジュールから得られる電力は天候によって大きく左右されるのに対し、図１９（ａ）〜（ｄ）に示した従来の各構成は、天候によって大きく変動する電力を最大限に利用する設計とはなっていなかった。このため、晴天時には例えば太陽電池モジュールからの電力が９０％利用されている場合でも、曇天時にはほとんど利用できないようなケースが生じていた。
【０００７】
本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、いかなる天候の下でも太陽電池から得られる電力を最大限利用できる太陽電池を使用した電源装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に係る発明は、太陽電池モジュールから得られる電気エネルギーを負荷駆動用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、太陽電池モジュールと負荷とを接続する回路に、当該太陽電池モジュールの最適動作電圧をツェナー電圧とする定電圧ダイオードを介挿することによって、太陽電池モジュールから有能電力の大部分を引き出して負荷に供給するようにしたものである。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る発明の定電圧ダイオードに代えて、内蔵基準電圧が当該太陽電池モジュールの最適動作電圧と等しいシャントレギュレータを介挿することによって、太陽電池モジュールから有能電力の大部分を引き出して負荷に供給するようにしたものである。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、太陽電池モジュールから得られる電気エネルギーを負荷駆動用電源とするとともに二次電池の充電用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、太陽電池モジュールと負荷及び二次電池とを接続する回路に逆流防止用ダイオードを介挿し、この逆流防止用ダイオードの順方向電圧降下分の電圧と二次電池の電圧との和が太陽電池モジュールの最適動作電圧とほぼ等しくなるように設計することによって、太陽電池モジュールから有能電力の大部分を引き出して負荷と二次電池に供給するようにしたものである。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、太陽電池モジュールの出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで変換した電圧を負荷駆動用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、太陽電池モジュールの出力電圧が当該太陽電池モジュールの最適動作電圧とほぼ等しくなるようにＤＣ−ＤＣコンバータの回路定数を設定することによって、太陽電池モジュールから有能電力の大部分を引き出して負荷に供給するようにしたものである。
【００１２】
また、請求項５に係る発明は、太陽電池モジュールから得られる電気エネルギーを負荷駆動用電源とするとともに二次電池の充電用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、二次電池として、太陽電池モジュールの最適動作電圧と公称電圧がほぼ等しい物を用いるとともに、太陽電池モジュールの出力端子間に二次電池の過充電防止回路を接続することによって、太陽電池モジュールから有能電力の大部分を引き出して負荷と二次電池に供給するとともに、二次電池の過充電を防止するようにしたものである。
【００１３】
また、請求項６に係る発明は、太陽電池モジュールから得られる電気エネルギーを負荷駆動用電源とするとともに二次電池の充電用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、太陽電池モジュールと負荷及び二次電池とを接続する回路に、内蔵基準電圧が当該太陽電池モジュールの最適動作電圧と等しいシャントレギュレータを介挿するとともに、太陽電池モジュールとシャントレギュレータとを接続する回路に逆流防止用ダイオードを介挿し、この逆流防止用ダイオードの順方向電圧降下分の電圧と二次電池の電圧との和が太陽電池モジュールの最適動作電圧とほぼ等しくなるようにすることによって、太陽電池モジュールから有能電力の大部分を引き出して負荷と二次電池に供給するとともに、二次電池の過充電を防止するようにしたものである。
【００１４】
また、請求項７に係る発明は、太陽電池モジュールの出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで変換した電圧を負荷駆動用電源とするとともに二次電池の充電用電源とする太陽電池を使用した電源装置において、太陽電池モジュールの出力電圧が当該太陽電池モジュールの最適動作電圧とほぼ等しくなるようにＤＣ−ＤＣコンバータの回路定数を設定するとともに、二次電池の過充電を検知する回路と、この回路によって二次電池の過充電が検知されるとＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させる回路とを設けることによって、太陽電池モジュールから有能電力の大部分を引き出して負荷と二次電池に供給するとともに、二次電池の過充電を防止するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１５】
かかる手段を講じた本発明によれば、いかなる天候の下でも太陽電池から得られる電力を最大限利用できる太陽電池を使用した電源装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
はじめに、本発明の基礎となる太陽電池モジュール１１の電圧・電流特性について説明する。
【００１７】
図１は、複数の太陽電池セルをタンデムに接続してなる面積約３０平方センチメールの単結晶シリコン型太陽電池モジュールに、所定抵抗値の負荷を接続して測定した電圧・電流特性のグラフであって、太陽光の照度をパラメータとしている。すなわち、太陽光の照度が７５，０００ルックスのときの電圧・電流特性を一点鎖線で示し、４１，４００ルックスのときの電圧・電流特性を点線で示し、１０，９００ルックスのときの電圧・電流特性を実線で示している。
【００１８】
この電圧・電流特性は、下記（１）式のように近似される。なお、（１）式において、Ｉは太陽電池モジュールの出力電流、Ｖは太陽電池モジュールの出力電圧、Ｉｍは太陽電池モジュールの短絡時出力電流、Ｖｍは太陽電池モジュールの無負荷時開放電圧、Ｋは定数である。
【００１９】
Ｉ＝Ｉｍ｛１−expＫ（Ｖ−Ｖｍ）｝    …（１）
図１に示す電圧・電流特性から、図２に示す電圧・電力特性が得られる。この電圧・電力特性は上記（１）式により下記（２）式の関係を満たす電圧、すなわちＶ＝Ｖoptのときに最大となる。
【００２０】
（１＋ＫＶ）expＫ（Ｖ−Ｖｍ）＝１    …（２）
この太陽電池モジュールの出力電圧Ｖが最適動作電圧Ｖoptであるときの最大出力電力が太陽電池モジュールの有能電力である。ここで注目すべき点は、無負荷開放電圧Ｖｍはタンデム接続される太陽電池セルの数で決まり、太陽光の明るさにそれほど依存しないことである。すなわち、上記（２）式の端子電圧条件は太陽電池モジュールの構造で決まり、太陽電池モジュールの負荷接続時の動作電圧が最適動作電圧Ｖoptとなるように、太陽電池モジュールの構造あるいは負荷条件を決定することによって、太陽電池モジュールからの電気エネルギーを最も効率よく活用できるようになる。
【００２１】
以上のことから、太陽電池モジュールからその有能電力を引き出すときの負荷接続時の動作電圧は照度にほとんど依存せず、ほぼ一定であることがわかる。このことは、単結晶シリコン型の太陽電池モジュールに限るものではなく、例えばアモルファスシリコン型の太陽電池モジュールにも当てはまる。また、複数セルがタンデム接続された太陽電池モジュールのみならず、単一セルの太陽電池モジュールにも当てはまる。
【００２２】
因みに、単一セルからなる面積約５０平方センチメートルのアモルファスシリコン型太陽電池モジュールに、所定抵抗値の負荷を接続して測定した電圧・電流特性のグラフを図３に、電圧・電力特性のグラフを図４に示す。図３，図４において、実線は太陽光の照度が１２，０００ルックスのときの特性であり、点線は太陽光の照度が７７，０００ルックスのときの特性であり、一点鎖線は太陽光の照度が８８，５００ルックスのときの特性である。
【００２３】
同じ面積の単結晶シリコン型太陽電池モジュールと比較して有能電力が低いのは、アモルファスシリコン型太陽電池モジュールの方が単結晶シリコン型太陽電池モジュールよりも内部抵抗が大きいからである。しかし、有能電力が引き出されるときの太陽電池モジュールの負荷接続時出力電圧はほとんど照度に依存せず、最適動作電圧Ｖoptは、無負荷時開放電圧Ｖｍの１／２となっている。これは、単一セルからなる太陽電池モジュールは、電圧源とその内部抵抗で等価的に表わせることを示している。
【００２４】
上述したような基本特性の結果から、太陽電池モジュールの負荷接続時における動作電圧が常に有能電力を引き出すことができる前記（２）式の条件を満足するように回路あるいは太陽電池モジュールを設計すれば、太陽電池モジュールの起電力が明るさによって変化しても太陽電池モジュールを有効に活用できるのは明らかである。なお、電力特性におけるピークは比較的なだらかなので、前記（２）式の条件を厳密に満たさなくても、効率はそれほど低下しない。
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良な形態について、図５〜図１８を用いて説明する。なお、図１９と共通する部分には同一符号を付し、詳しい説明を簡略化する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図５は、太陽電池モジュール１１を電子機器等の負荷１２に直接接続して負荷駆動用電源として使用する場合において、太陽電池モジュール１１から有能電力を引き出すための第１の実施形態を示す構成図である。
【００２７】
本実施形態では、太陽電池モジュール１１の出力端子間に、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptをツェナー電圧とする定電圧ダイオード２１を、負荷１２及びコンデンサ２２とともに接続している。すなわち、定電圧ダイオード２１のカソードに太陽電池モジュール１１の正極端子を接続し、アノードに負極端子を接続している。
【００２８】
これにより、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptが定電圧ダイオード２１に印加されると定電圧ダイオード２１に電流が流れ、太陽電池モジュール１１の電気エネルギーが負荷１２に供給される。この電気エネルギーは太陽電池モジュール１１の有能電力であるので、結果的に、負荷１２の動作電圧として太陽電池モジュール１１の有能電力が引き出されることになる。
【００２９】
なお、本実施形態において、負荷１２の電源電圧が規定されている場合には、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptが電源電圧とほぼ等しくなるように、太陽電池モジュール１１を設計すればよい。
【００３０】
この第１の実施形態の具体例を図６を用いて説明する。同図において、太陽電池モジュール１１は、複数の太陽電池セルをタンデムに接続した面積約３０平方センチメートルの単結晶シリコン型太陽電池モジュールであって、図１及び図２に示した特性を有するものである。負荷１２には、１５０オームの抵抗を用いている。
【００３１】
本具体例では、太陽電池モジュールの最適動作電圧Ｖoptが約３．０ボルトであるので、定電圧ダイオード２１にはツェナー電圧が約３．０ボルトの型名［ＭＡＺ８０３０］を用いている。
【００３２】
このような構成を採用することにより、太陽光の照度が７５，０００ルックスのときに定電圧ダイオード２１に流れる電流は３５ミリアンペアとなる。また、太陽光の照度が４１，０００ルックスのときに定電圧ダイオード２１に流れる電流は７ミリアンペアとなる。そして、いずれの場合も、負荷１２には２０ミリアンペアの電流が流れている。したがって、いずれの場合も太陽電池モジュール１１から有能電力が引き出されて定電圧ダイオード２１と負荷１２に供給される。
【００３３】
（第２の実施形態）
図７は、第１の実施形態と同様に、太陽電池モジュール１１を電子機器等の負荷１２に直接接続して電源として使用する場合において、太陽電池モジュール１１から有能電力を引き出すための第２の実施形態を示す構成図である。
【００３４】
本実施の形態では、定電圧ダイオード２１の代わりに、シャントレギュレータ３０を用いている。シャントレギュレータ３０は、太陽電池モジュール１１の出力端子間に直列接続された２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２と、太陽電池モジュール１１の正極端子をカソードに接続し、同太陽電池モジュール１１の負極端子をアノードに接続し、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点を基準電圧端子に接続してなる定電圧ダイオード３１とから構成されている。
【００３５】
かかる構成において、シャントレギュレータ３０に内蔵されている基準電圧をＶｒとすると、当該シャントレギュレータ３０で調整される出力電圧は、下記（３）式のＶ１となる。
【００３６】
Ｖ１＝｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝×Ｖｒ    …（３）
この出力電圧Ｖ１が太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptとほぼ等しくなるように、シャントレギュレータ３０の抵抗Ｒ１，Ｒ２と基準電圧Ｖｒを選択すれば、太陽光の照度如何にかかわらず常に太陽電池モジュール１１から有能電力を引き出すことができる。
【００３７】
なお、本実施形態においても、負荷１２の電源電圧が規定されている場合には、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptが電源電圧とほぼ等しくなるように、太陽電池モジュール１１を設計すればよい。
【００３８】
この第２の実施形態の具体例を図８を用いて説明する。同図において、太陽電池モジュール１１は、第１の実施形態の具体例で使用した単結晶シリコン型太陽電池モジュールと同一である。電子機器の代用である負荷１２には、１５０オームの抵抗を用いている。
【００３９】
本具体例では、シャントレギュレータ３０には、内蔵されている基準電圧Ｖｒが２．５ボルトの型名「ＴＡ７６４３１Ｓ」を用いている。ここで、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptは約３．０ボルトであるので、シャントレギュレータ３０に内蔵されている抵抗Ｒ１を５キロオーム、抵抗Ｒ２を２５キロオームとすることによって、前記（３）式によりシャントレギュレータ３０で調整される出力電圧Ｖ１は３．０ボルトとなる。すなわち、シャントレギュレータ３０で調整される出力電圧Ｖ１が太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptとほぼ等しくなる。
【００４０】
このような構成を採用することにより、太陽光の照度が７５，０００ルックスのときにシャントレギュレータ３０に流れる電流は３５ミリアンペアとなる。また、太陽光の照度が４１，０００ルックスのときにシャントレギュレータ３０に流れる電流は７ミリアンペアとなる。そして、いずれの場合も、抵抗からなる負荷１２には２０ミリアンペアの電流が流れている。したがって、いずれの場合も太陽電池モジュール１１から有能電力が引き出されてシャントレギュレータ３０と負荷１２に供給される。
【００４１】
（第３の実施形態）
図９は、太陽電池モジュール１１を電子機器等の負荷１２に直接接続して負荷駆動用電源として使用するとともに、負荷１２に対する二次電池４１の充電用電源として使用する場合において、太陽電池モジュール１１から有能電力を引き出すようにした第３の実施形態を示す構成図である。
【００４２】
本実施の形態では、太陽電池モジュール１１の出力端子間に二次電池４１と負荷１２を並列に接続するとともに、アノードを太陽電池モジュール１１の正極端子に接続し、カソードを二次電池４１と負荷１２との接続点に接続してなる逆流防止用ダイオード４２を設けている。
【００４３】
かかる構成において、二次電池４１の電圧をＥｂ、逆流防止用ダイオード４２の順方向電圧降下分の電圧をＥｄとすると、その和［Ｅｂ＋Ｅｄ］が太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptとほぼ等しくなるようにそれぞれの電圧Ｅｂ，Ｅｄを設定することによって、太陽光の照度如何にかかわらず、常に太陽電池モジュール１１から有能電力を引き出すことができる。
【００４４】
この第３の実施形態の具体例を図１０を用いて説明する。同図において、太陽電池モジュール１１は、第１及び第２の実施形態の具体例で使用した単結晶シリコン型太陽電池モジュールと同一である。二次電池４１は、公称電圧１．２ボルトのニッケル・水素電池を２個直列に接続したものである。負荷１２には、５０オームの抵抗を用いている。
【００４５】
本具体例では、逆流防止用ダイオード４２には、順方向電圧降下Ｅｄが０．６ボルトの型名「１Ｓ１５５８」を用いている。
【００４６】
このような構成を採用することにより、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptは約３．０ボルトであり、二次電池４１の電圧Ｅｂは２．４ボルトであるので、二次電池４１の電圧Ｅｂと逆流防止用ダイオード４２の順方向電圧降下Ｅｄとの和［Ｅｂ＋Ｅｄ］が、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptとほぼ等しくなる。したがって、太陽電池モジュール１１から有能電力が引き出されて負荷１２に供給されるとともに、その有能電力によって二次電池４１が充電される。
【００４７】
（第４の実施形態）
図１１は、太陽電池モジュール１１の起電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ５１によって電圧変換した後、負荷駆動用電源として負荷１２に供給するとともに、充電用電源として二次電池４１に印加して二次電池４１を充電する場合において、太陽電池モジュール１１から有能電力を引き出すようにした第４の実施形態を示す構成図である。
【００４８】
本実施の形態では、太陽電池モジュール１１の出力端子間に抵抗Ｒ３，Ｒ４の直列回路を介してＤＣ−ＤＣコンバータ５１を接続している。ＤＣ−ＤＣコンバータ５１は、誤差増幅器５１１，基準電圧発生部５１２，パルス幅変調器（ＰＷＭ）５１３，スイッチングトランジスタ５１４，トランス５１５，整流ダイオード５１６及びキャパシタ５１７で構成されるフライバック方式のものである。誤差増幅器５１１は、抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧された太陽電池モジュール１１の出力電圧を基準電圧発生部５１２の基準電圧Ｖｒと比較し、その差を増幅してパルス幅変調器５１３へ出力する。パルス幅変調器５１３は、誤差増幅器５１１の出力を変調入力とする。
【００４９】
ここで、誤差増幅器５１１からの変調入力電圧が高くなるにつれてパルス幅変調器５１３の出力パルス幅が広くなるようにパルス幅変調器５１３を設計する。こうすることにより、抵抗Ｒ３，Ｒ４によって分圧された太陽電池モジュール１１の出力電圧が基準電圧Ｖｒより高くなると、パルス幅変調器５１３の出力パルス幅が広くなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１の動作電流が増加する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５１の動作電流が増加すると、太陽電池モジュール１１の内部抵抗による電圧降下が大きくなるため、太陽電池モジュール１１の出力電圧が低下する。逆に、抵抗Ｒ３，Ｒ４によって分圧された太陽電池モジュール１１の出力電圧が基準電圧Ｖｒより低くなると、パルス幅変調器５１３の出力パルス幅が狭くなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１の動作電流が減少する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５１の動作電流が減少すると、太陽電池モジュール１１の内部抵抗による電圧降下が小さくなるため、太陽電池モジュール１１の出力電圧が高くなる。
【００５０】
このように、太陽電池モジュール１１における内部抵抗の負帰還作用によって、太陽電池モジュール１１の出力電圧は、基準電圧をＶｒとすると、下記（４）式のＶ２に保たれる。
【００５１】
Ｖ２＝｛（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ４｝×Ｖｒ    …（４）
この出力電圧Ｖ２が太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptとほぼ等しくなるように、抵抗Ｒ３，Ｒ４とＤＣ−ＤＣコンバータ５１の基準電圧Ｖｒを選択すれば、太陽光の照度如何にかかわらず常に太陽電池モジュール１１から有能電力を引き出すことができる。
【００５２】
この第４の実施形態の具体例を図１２を用いて説明する。同図において、太陽電池モジュール１１は、第１乃至第３の実施形態の具体例で使用した単結晶シリコン型太陽電池モジュールと同一である。二次電池４１は、公称電圧１．２ボルトのニッケル・水素電池を２個直列に接続したものである。負荷１２には、２０オームの抵抗を用いている。
【００５３】
本具体例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１を構成する要素の１つにスイッチングレギュレータ５５を用いている。スイッチングレギュレータ５５は、パルス幅変調によって太陽電池モジュール１１の出力電圧をその最適動作電圧Ｖopt＝３．０ボルトに保つためのものであり、型名「ＭＡＸ６３０」を用いている。当該スイッチングレギュレータ５５に内蔵されている基準電圧Ｖｒは１．３１ボルトであるので、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４をそれぞれ１７０キロオームと１３０キロオームとする。こうすることによって、前記（４）式により太陽電池モジュール１１の出力電圧は約３．０ボルトとなる。すなわち、太陽電池モジュール１１の出力電圧が当該太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptとほぼ等しくなる。
【００５４】
抵抗５６とＭＯＳ型ＦＥＴを用いたスイッチングトランジスタ５１４は、スイッチングレギュレータ５１の出力を反転して負帰還制御を行うためのスイッチ回路であり、抵抗５６には５キロオームを用い、スイッチングトランジスタ５１４には型名「ＣＰＨ３４０９」を用いている。トランス５１５の一次巻線と二次巻線との巻数比は１：０．９である。整流ダイオード５１６には、型名「ＩＮ１８５８」のショットキーダイオードを用いている。
【００５５】
このような構成を採用することにより、太陽光の照度が７５，０００ルックスのときには１４０ミリワットの電力がトランス５１５の二次側に供給され、太陽光の照度が４１，０００ルックスのときには６０ミリワットの電力がトランス５１５の二次側に供給される。ＤＣ−ＤＣコンバータ５１の効率は約８０％であるので、これらの結果は、太陽電池モジュール１１の有能電力がほぼ１００％引き出されていることを示している。したがって、太陽光の照度如何にかかわらず常に太陽電池モジュール１１から有能電力が引き出されて負荷１２に供給されるとともに、その有能電力によって二次電池４１が充電される。
【００５６】
（第５の実施形態）
図１３は、太陽電池モジュール１１を電子機器等の負荷１２に接続して負荷駆動用電源として使用するとともに、負荷１２に対する二次電池４１の充電用電源として使用する場合において、太陽電池モジュール１１から有能電力を引き出すとともに、二次電池４１の過充電を防止するようにした第５の実施形態を示す構成図である。
【００５７】
本実施の形態では、太陽電池モジュール１１の出力端子間に過充電防止回路６１を介して二次電池４１と負荷１２を並列に接続している。過充電防止回路６１は、スイッチングトランジスタ６１１，コンパレータ６１２，基準電圧発生部６１３及び抵抗Ｒ５１，Ｒ５２，Ｒ５３によって構成されている。
【００５８】
また、本実施の形態では、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptが二次電池４１の電圧とほぼ等しくなるように太陽電池モジュール１１を設計している。こうすることにより、スイッチングトランジスタ６１１がオンである充電状態においては、太陽電池モジュール１１からその有能電力が二次電池４１及び負荷１２に供給される。このとき、二次電池４１の電圧は抵抗Ｒ５１と抵抗Ｒ５２とによって分圧され、コンパレータ６１２によって基準電圧発生部６１３の基準電圧Ｖｒと比較される。因みに、分圧された電圧は、二次電池４１の電圧をＥｂとすると、下記（５）式のＶ３で表される。
【００５９】
Ｖ３＝｛Ｒ５２／（Ｒ５１＋Ｒ５２）｝×Ｅｂ    …（５）
この分圧された電圧Ｖ３が基準電圧Ｖｒより高くなると、スイッチングトランジスタ６１１がオフとなるので、充電が停止される。したがって、二次電池４１の過充電に相当する電圧値でスイッチングトランジスタ６１１がオフとなる当該条件（Ｖ３＞Ｖｒ）を満たすように抵抗Ｒ５１〜Ｒ５３の抵抗値や基準電圧発生部６１３の基準電圧Ｖｒを設定することによって、過充電を防止できる。
【００６０】
この第５の実施形態の具体例を図１４を用いて説明する。同図において、太陽電池モジュール１１は、第１乃至第４の実施形態の具体例で使用した単結晶シリコン型太陽電池モジュールと同一である。二次電池４１は、太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptが約３．０ボルトであるので、公称電圧３ボルトのマンガン・リチウム電池を用い、太陽電池モジュール１１の端子間電圧をその有能電力を引き出すための最適動作電圧Ｖoptと等しくしている。負荷１２には、１００オームの抵抗を用いている。
【００６１】
本具体例では、過充電防止回路６１の基準電圧発生部６１３を、定電圧ダイオード６２と抵抗６３で構成している。すなわち、太陽電池モジュール１１の出力端子間に、図示極性の定電圧ダイオード６２と抵抗６３の直列回路を接続し、定電圧ダイオード６２と抵抗６３との接続点の電圧を基準電圧Ｖｒとして、コンパレータ６１２の負極入力端子に接続している。スイッチングトランジスタ６１１には型名「ＤＴＡ１２４」を用い、コンパレータ６１２には型名「ＮＪＵ７１０」を用い、定電圧ダイオード６２にはツェナー電圧２．４ボルトの型名「ＭＡＺ８０２４」を用いている。
【００６２】
ここで、二次電池４１の過充電電圧を３．５ボルトとする。そうすると、抵抗Ｒ５１を１００キロオームとし、抵抗Ｒ５２を２４０キロオームとすることにより、前記（５）式から二次電池４１の電圧Ｖｂが過充電電圧３．５ボルトのときの分圧電圧Ｖ３が２，４７ボルトとなり、基準電圧２．４ボルトより高くなるので、スイッチングトランジスタ６１１がオフする。すなわち、二次電池４１の過充電が防止される。なお、抵抗６３は６００オームであり、抵抗Ｒ５３は６．８キロオームである。
【００６３】
（第６の実施形態）
図１５は、前記第２の実施形態と同様に、シャントレギュレータ３０を用いて太陽電池モジュール１１の有能電力を引き出し、負荷１２に供給するとともに、二次電池４１を充電する場合において、二次電池４１の過充電を防止するようにした第６の実施形態を示す構成図である。
【００６４】
前述したように、前記（２）式を満たす電圧Ｖ＝Ｖoptが逆流防止用ダイオード７１の順方向電圧降下と二次電池４１の電圧との和とほぼ等しくなるように太陽電池モジュール１１を設計することによって、太陽電池モジュール１１の有能電力が負荷１２と二次電池４１に供給されるようになる。
【００６５】
二次電池４１の電圧は、分圧抵抗Ｒ６１，Ｒ６２によって分圧され、シャントレギュレータ３０に内蔵されている基準電圧と比較されている。したがって、シャントレギュレータ３０の内蔵基準電圧をＶｒとすると、二次電池４１の電圧は、下記（６）式のＶ４以下に保たれる。
【００６６】
Ｖ４＝｛（Ｒ６１＋Ｒ６２）／Ｒ６２｝×Ｖｒ    …（６）
この電圧Ｖ４を二次電池４１の過充電電圧と等しくなるように、抵抗Ｒ６１，Ｒ６２の抵抗値あるいはシャントレギュレータ３０の内蔵基準電圧Ｖｒを選べば、二次電池４１の過充電を防止できる。
【００６７】
この第６の実施形態の具体例を図１６に示す。同図において、太陽電池モジュール１１は、第１乃至第５の実施形態の具体例で使用した単結晶シリコン型太陽電池モジュールと同一である。二次電池４１は、公称電圧１．２ボルトのニッケル・水素電池を２個直列に接続したものである。負荷１２には、５０（または１００）オームの抵抗を用いている。
【００６８】
本具体例では、逆流防止用ダイオード７１として順方向電圧降下が０．６ボルトである型名「１Ｓ１５５８」を用いている。したがって、太陽電池モジュール１１はその最適動作電圧Ｖopt＝３．０ボルトで動作している。シャントレギュレータ３０には、内蔵基準電圧Ｖｒが２．５ボルトの型名「ＴＡ７６４３１Ｓ」を用いている。
【００６９】
ここで、二次電池４１の過充電電圧を３ボルトとする。そうすると、抵抗Ｒ６１を５キロオームとし、抵抗Ｒ６２を２５キロオームとすることにより、前記（６）式から二次電池４１の電圧Ｖ４は３ボルト以下に保たれる。すなわち、二次電池４１の過充電が防止される。
【００７０】
（第７の実施形態）
図１７は、前記第４の実施形態と同様に、太陽電池モジュール１１の起電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ８０によって電圧変換した後、負荷駆動用電源として負荷１２に供給するとともに、充電用電源として二次電池４１に印加して二次電池４１を充電する場合において、太陽電池モジュール１１からその有能電力を引き出すとともに、二次電池４１の過充電を防止するようにした第７の実施形態を示す構成図である。
【００７１】
本実施の形態では、太陽電池モジュール１１の出力端子間に抵抗Ｒ７１，Ｒ７２の直列回路を介してＤＣ−ＤＣコンバータ８１を接続している。ＤＣ−ＤＣコンバータ８１は、誤差増幅器８１１，基準電圧発生部８１２，パルス幅変調器（ＰＷＭ）８１３，スイッチングトランジスタ８１４，トランス８１５，整流ダイオード８１６及びキャパシタ８１７からなる基本構成に、過充電検出時にコンバータ動作を停止するための回路としてＡＮＤゲート８１８が追加されている。誤差増幅器８１１は、直列抵抗Ｒ７１，Ｒ７２で分圧された太陽電池モジュール１１の出力電圧と基準電圧発生部８１２から発生される基準電圧との差を増幅してパルス幅変調器８１３の変調入力としている。
【００７２】
ＡＮＤゲート８１８の一方の入力端子にはコンパレータ８２の出力端子が接続されている。コンパレータ８２は、抵抗Ｒ７３，Ｒ７４の分圧電圧と基準電圧発生部８３からの基準電圧とを比較することによって、二次電池４１の電圧Ｅｂを監視するもので、二次電池４１の電圧Ｅｂが下記（７）式で表される電圧Ｖ５を超えると、ＡＮＤゲート８１８に閉塞信号を出力する。
【００７３】
Ｖ５＝｛（Ｒ７３＋Ｒ７４）／Ｒ７４｝×Ｖｒ    …（７）
ここに、コンパレータ８２，基準電圧発生部８３及び抵抗Ｒ７３，Ｒ７４は、二次電池４１の過充電を検知する回路として機能する。
【００７４】
かかる構成において、充電時のＡＮＤゲート８１８が開放しているときの動作は、前記第４の実施形態の動作と同じである。すなわち、太陽電池モジュール１１の内部抵抗による負帰還作用により太陽電池モジュール１１の出力電圧制御が行われる。そこで、抵抗Ｒ７１，Ｒ７２の抵抗値やＤＣ−ＤＣコンバータ５１の基準電圧Ｖｒ等の回路定数を適宜設定することにより、太陽電池モジュール１１の有能電力を引き出すことができる。
【００７５】
一方、二次電池４１の電圧Ｅｂが上昇し、コンパレータ８２の負極入力端子に入力される電圧Ｖ５が基準電圧Ｖｒを越すと、ＡＮＤゲート８１８が閉鎖する。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１の動作が停止するので、二次電池４１への充電が停止する。このように、二次電池４１の過充電に相当する電圧でこの停止動作が起こるように抵抗Ｒ７３，Ｒ７４の抵抗値や基準電圧発生部８３の基準電圧Ｖｒを選べば、過充電を防止できる。
【００７６】
この第７の実施形態の具体例を図１８に示す。同図において、太陽電池モジュール１１は、第１乃至第６の実施形態の具体例で使用した単結晶シリコン型太陽電池モジュールと同一である。二次電池４１は、公称電圧１．２ボルトのニッケル・水素電池を２個直列に接続したものである。負荷１２には、２０オームの抵抗を用いている。
【００７７】
本具体例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１を構成する要素の１つにスイッチングレギュレータ８４を用いている。スイッチングレギュレータ８４は、パルス幅変調によって太陽電池モジュール１１の出力電圧をその最適動作電圧Ｖopt＝３．０ボルトに保つためのものであり、型名「ＭＡＸ６３０」を用いている。当該スイッチングレギュレータ８４に内蔵されている基準電圧Ｖｒは１．３１ボルトであるので、分圧抵抗Ｒ７１，Ｒ７２はそれぞれ１７０キロオームと１３０キロオームとする。こうすることによって、前記（４）式により太陽電池モジュール１１の出力電圧は約３．０ボルトとなる。すなわち、太陽電池モジュール１１の出力電圧が当該太陽電池モジュール１１の最適動作電圧Ｖoptとほぼ等しくなる。
【００７８】
抵抗８５とＭＯＳ型ＦＥＴを用いたスイッチングトランジスタ８１４は、スイッチングレギュレータ８１の出力を反転して負帰還制御を行うためのスイッチ回路であり、抵抗８５には５キロオームを用い、スイッチングトランジスタ８１４には型名「ＣＰＨ３４０９」を用いている。トランス８１５の一次巻線と二次巻線との巻数比は１：０．９である。整流ダイオード８１６には、型名「ＩＮ１８５８」のショットキーダイオードを用いている。
【００７９】
また、基準電圧発生部８３を、定電圧ダイオード８３１と抵抗８３２で構成している。すなわち、太陽電池モジュール１１の出力端子間に、図示極性の定電圧ダイオード８３１と抵抗８３２の直列回路を接続し、定電圧ダイオード８３１と抵抗８３２との接続点の電圧を基準電圧Ｖｒとして、コンパレータ８２の正極入力端子に接続している。定電圧ダイオード８３１にはツェナー電圧２．４ボルトの型名「ＭＡＺ８０２４」を用い、コンパレータ８２には型名「ＮＪＵ７１０」を用い、ＡＮＤゲート８１８には、型名「７４０８」を用いている。
【００８０】
ここで、二次電池４１の過充電を２．８ボルトとする。そうすると、抵抗Ｒ７３を８キロオームとし、抵抗Ｒ７４を４８キロオームとすることにより、前記（７）式からＶ５＝２．８ボルトを超えると、ＡＮＤゲート８１８が閉塞し、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１の動作が停止して、二次電池４１への充電が停止される。なお、抵抗８３２は２．４キロオームである。
【００８１】
因みに、定常時は、前記第４の実施形態の具体例である図１２に示す回路と同じであり、太陽電池モジュール１１の起電力がＤＣ−ＤＣコンバータ８１によって電圧変換された後、負荷１２に供給されるとともに、二次電池４１が充電される。
【００８２】
このように第１及び第２の実施形態によれば、天候に左右されることなく太陽電池モジュール１１の有能電力を負荷１２に供給できる。また、第３乃至第７の実施形態によれば、天候に左右されることなく太陽電池モジュール１１の有能電力を負荷１２に供給できるとともに、二次電池４１を充電できる。したがって、太陽エネルギーを有効に活用できる。このことは、太陽電池を電源とする小型電子機器や、二次電池を用いる携帯電話，ディジタルカメラなどの携帯型電子機器の電源としてきわめて有用であり、ユビキタス電源への道を拓くものである。
【００８３】
また、第５乃至第７の実施形態によれば、二次電池４１の過充電を防止することができるので、より有益である。
【００８４】
なお、前記各実施形態では、太陽電池モジュール１１から有能電力を引き出す技術、またその有能電力を引き出しつつ二次電池４１の過充電を防止する技術について説明したが、本発明の応用はこれに限定されるものではない。例えば、太陽電池モジュール１１の起電圧の電圧変換にここではフライバック方式のＤＣ−ＤＣコンバータを対象としたが、昇圧型，降圧型及び昇降型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いてもよいのはいうまでもないことである。
【００８５】
この他、前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合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】面積約３０平方センチメールの単結晶シリコン型太陽電池モジュールの電圧・電流特性図。
【図２】図１に示した太陽電池モジュールの電圧・電力特性図。
【図３】面積約５０平方センチメートルのアモルファスシリコン型太陽電池モジュールの電圧・電流特性図。
【図４】図３に示した太陽電池モジュールの電圧・電力特性図。
【図５】本発明の第１の実施形態の構成図。
【図６】同第１の実施形態の具体例を示す回路図。
【図７】本発明の第２の実施形態の構成図。
【図８】同第２の実施形態の具体例を示す回路図。
【図９】本発明の第３の実施形態の構成図。
【図１０】同第３の実施形態の具体例を示す回路図。
【図１１】本発明の第４の実施形態の構成図。
【図１２】同第４の実施形態の具体例を示す回路図。
【図１３】本発明の第５の実施形態の構成図。
【図１４】同第５の実施形態の具体例を示す回路図。
【図１５】本発明の第６の実施形態の構成図。
【図１６】同第６の実施形態の具体例を示す回路図。
【図１７】本発明の第７の実施形態の構成図。
【図１８】同第７の実施形態の具体例を示す回路図。
【図１９】太陽電池モジュールの起電力によって二次電池を充電する、あるいは負荷に給電する代表的な従来例を示す模式図。
【符号の説明】
【００８７】
１１…太陽電池モジュール、１２…負荷、２１…定電圧ダイオード、３０…シャントレギュレータ、４１…二次電池、４２，７１…逆流防止用ダイオード、５１，８１…ＤＣ−ＤＣコンバータ、６１…過充電防止回路、８２…コンパレータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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