(57)【要約】  【課題】太陽電池でキャパシタに充電する電源装置において、短時間で効率良く、且つ簡単な回路構成で充電すること。  【解決手段】本発明の電源装置は、蓄電時には太陽電池からの電気エネルギーを蓄電スイッチを介して複数のキャパシタに蓄電し、放電時には前記蓄電スイッチを開いて前記キャパシタに蓄電された電気エネルギーを出力するように構成された電源装置において、前記複数のキャパシタを直列接続もしくは並列接続に切り替えるキャパシタ切替手段を備えていることを特徴とする。特に、キャパシタの端子電圧が蓄電満了状態を示す電圧になったときに、蓄電状態から放電状態へ切り替える。【選択図】      図２
2006042523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電時には太陽電池からの電気エネルギーを蓄電スイッチを介して複数のキャパシタに蓄電し、放電時には前記蓄電スイッチを開いて前記キャパシタに蓄電された電気エネルギーを出力するように構成された電源装置において、
前記複数のキャパシタを直列接続もしくは並列接続に切り替えるキャパシタ切替手段を備えていることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
所定の条件が満たされた時に前記キャパシタ切替手段を作動させる制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
蓄電時には複数の太陽電池からの電気エネルギーを蓄電スイッチを介してキャパシタに蓄電し、放電時には前記蓄電スイッチを開いて前記キャパシタに蓄電された電気エネルギーを出力するように構成された電源装置において、
前記複数の太陽電池を並列接続もしくは直列接続に切り替える太陽電池切替手段を備えていることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
所定の条件が満たされた時に前記太陽電池切替手段を作動させる制御手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昼間に太陽電池で発生した電気エネルギーを蓄電（もしくは充電）し、夜間には前記蓄電した電気エネルギーを出力するように構成された電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、図８に示したように、昼間は太陽電池２８で二次電池５８に充電し、充電した電気エネルギーで夜間に電子機器等を駆動するように構成された電源装置は知られている。
なお、図６、７に一般的な太陽電池パネルの出力特性を示した。
図８において、蓄電時は、蓄電スイッチ４８の開閉スイッチ４８１が閉じ、開閉スイッチ４８２が開いている。その後、電圧検出手段７８１が満充電を検出すると、スイッチ駆動回路７８２によって、蓄電スイッチ４８の開閉スイッチ４８１を開き、開閉スイッチ４８２を閉じて、放電状態になる。
二次電池５８の容量が１２Ｖ、１Ａｈｒで、太陽電池の出力が１２Ｖ（１Ａ）のとき、蓄電満了までに要する時間ｔ４は（１２Ｖ×１Ａｈｒ）／（１２Ｖ×１Ａ）＝１ｈｒとなる。図１０参照。
【０００３】
最近は、図９に示したように、従来の二次電池より充放電サイクル寿命が極めて長い電気二重層キャパシタ（EDLC）等のキャパシタ５９を蓄電手段として使用することが行われている。
図９に示したように、昼間の蓄電時は、蓄電スイッチ４９の開閉スイッチ４９１が閉じ、開閉スイッチ４９２が開いて、太陽電池２９でキャパシタ５９に蓄電する。
図９において、蓄電時は、蓄電スイッチ４９の開閉スイッチ４９１が閉じ、開閉スイッチ４９２が開いている。その後、電圧検出手段７９１が満充電を検出すると、スイッチ駆動回路７９２によって、蓄電スイッチ４９の開閉スイッチ４９１を開き、開閉スイッチ４９２を閉じて、放電状態になる。
ここで、図８と同様の条件において、キャパシタ５９の最大蓄電電圧を１２Ｖとすると、
１２ｗｈｒ＝１２×３６００（Ｊ）＝４３２００（Ｊ）
４３２００Ｊ＝１／２×Ｃ×Ｖ2＝１／２×Ｃ×１２×１２より、
Ｃ＝６００Ｆ，１２ＶＭＡＸが得られる。
充電満了までの所要時間ｔ５（ｈｒ）とすると、Ｃ・Ｖ＝Ｉ・Ｔ  より
ｔ５＝（Ｃ・Ｖ／Ｉ）／３６００秒＝（６００×１２／１）／３６００秒＝２ｈｒ
となる。
このように、二次電池の場合に比べてキャパシタの場合には２倍の時間を要する。
【０００４】
そして、キャパシタを蓄電手段とする多くの場合には、電子機器を駆動するために定電圧電源を構成するが、一般的には、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、変動するキャパシタの放電電圧を一定電圧となるように制御して電子機器を駆動するための出力を得るように構成されている。
この場合、キャパシタの放電特性は、満充電の状態から徐々に電圧が降下する特性であるため、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧はキャパシタの満充電電圧以上であるほうが、ＤＣ／ＤＣコンバータをいわゆる昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして、その構成を簡素にできる。その場合、キャパシタの満充電電圧はＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧以下に設定されている。
図８の場合と図９の場合の蓄電特性を図１０に示した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような構成で、太陽電池にて発電された電気エネルギーを蓄電する媒体としてキャパシタを用いる場合には、キャパシタと同等の蓄電能力を有する二次電池を用いる場合に比べて、蓄電効率が悪いという問題がある。
蓄電エネルギーが同じで、キャパシタの最大蓄電電圧が低い場合には更に条件が悪くなる。
その結果、満充電の状態になるまでに多くの時間を要するという問題がある。
また、そのような問題を解決するためには、太陽電池パネルの表面積を大型にする必要が有り、その結果、電源装置の大型化および高額化になるという問題が惹起する。
あるいは、太陽電池の最大出力ポイントを常時モニターしながら、充電媒体に最大電力を充電する、いわゆる「最大出力点追従システム（ＭＰＰＴシステム）」なる大がかりな回路構成が必要となる。
そこで、本発明は、短時間で効率良く、且つ簡単な回路構成で、キャパシタに充電できる電源装置の提供を目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる請求項１の電源装置は、蓄電時には太陽電池からの電気エネルギーを蓄電スイッチを介して複数のキャパシタに蓄電し、放電時には前記蓄電スイッチを開いて前記キャパシタに蓄電された電気エネルギーを出力するように構成された電源装置において、
前記複数のキャパシタを直列接続もしくは並列接続に切り替えるキャパシタ切替手段を備えていることを特徴とする。
請求項２では、所定の条件が満たされた時に前記キャパシタ切替手段を作動させる制御手段を備えていることを特徴とする。
所定の条件とは、例えば、キャパシタの端子電圧が蓄電満了状態を示す電圧になって、蓄電状態から放電状態へ切り替える条件である。または、別途、切替指令が入力される場合である。
【０００７】
請求項３の電源装置は、蓄電時には複数の太陽電池からの電気エネルギーを蓄電スイッチを介してキャパシタに蓄電し、放電時には前記蓄電スイッチを開いて前記キャパシタに蓄電された電気エネルギーを出力するように構成された電源装置において、前記複数の太陽電池を並列接続もしくは直列接続に切り替える太陽電池切替手段を備えていることを特徴とする。
請求項４では、所定の条件が満たされた時に前記太陽電池切替手段を作動させる制御手段を備えていることを特徴とする。
所定の条件とは、例えば、キャパシタの端子電圧が、１つの太陽電池の発生起電圧、または発生起電圧に近い電圧に到達する条件である。または、別途、切替指令が入力される場合である。
【発明の効果】
【０００８】
以上の構成により、キャパシタを、蓄電時には直列接続し、放電時には並列接続に切り替えるので、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧範囲を狭くできる。
また、複数の太陽電池を用いた蓄電時において、蓄電開始から所定の条件を満たすまでは太陽電池を並列接続し、その後、蓄電開始から所定の条件を満たした後は直列接続することによって、蓄電満了に要する所要時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明にかかる電源装置を、その実施の形態を示した図１を参照して詳細に説明する。
図１において、
１は電源装置であり、複数の太陽電池２，２，２，２と、これらの複数の太陽電池を直列接続もしくは並列接続に切り替える太陽電池切替手段３と、前記電源装置１を蓄電状態もしくは放電状態に切り替える蓄電スイッチ４と、複数のキャパシタ５，５，５，５と、複数のキャパシタを直列接続もしくは並列接続に切り替えるキャパシタ切替手段６と、前記太陽電池切替手段３、前記蓄電スイッチ４、前記キャパシタ切替手段６をそれぞれ制御する制御手段７と、電源を出力する出力端子８とを備えている。なお、前記蓄電スイッチ４と連動して、蓄電時には開き、放電時には閉じる出力スイッチ９を設けるとよい。
【００１０】
蓄電時に、キャパシタの端子電圧が１つの太陽電池の発生起電圧に到達すると、制御手段７は太陽電池切替手段によって太陽電池を直列接続に切り替え、さらにキャパシタの端子電圧が蓄電満了状態を示す電圧に到達すると、前記蓄電スイッチ４を開いて放電状態に切り替え、前記キャパシタ切替手段６によってキャパシタを並列接続に切り替える。
放電時に、キャパシタの端子電圧が放電完了状態を示す電圧になると、制御手段７は、前記蓄電スイッチ４を閉じて蓄電状態に切り替える。
【００１１】
このように、キャパシタを、蓄電時には直列接続し、放電時には並列接続することにより、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧範囲を狭くできる。
また、蓄電時において、太陽電池を並列接続から直列接続に切り替えることによって、蓄電満了に要する所要時間をさらに短縮することができる。
【実施例１】
【００１２】
前記電源装置の実施例１を図２を参照して詳細に説明する。
図２はキャパシタ電圧を６Ｖ以下で電源出力したい場合の実施例を示したものであり、（ａ）は蓄電時のスイッチの状態を示し、（ｂ）は放電時のスイッチの状態を示している。
図中、
１１は電源装置であり、太陽電池２１と、太陽電池２１への逆流を防止するためのダイオード２２と、蓄電状態と放電状態とを切り替える蓄電スイッチ４１と、２つのキャパシタ５１、５２と、２つのキャパシタ５１、５２を直列接続と並列接続とに切り替えるキャパシタ切替手段６１と、キャパシタの端子電圧が所定の電圧（満充電電圧）になったときに充電状態から放電状態へ切り替えるための制御信号を出力する電圧検出手段７１と、該電圧検出手段７１から出力される制御信号によって前記蓄電スイッチ４１とキャパシタ切替手段６１とを切替制御するスイッチ駆動回路７２とを備えている。
【００１３】
蓄電スイッチ４１は、２つの開閉スイッチ４１ａ，４１ｂを備えており、スイッチ駆動回路７２によって、蓄電時は開閉スイッチ４１ａが閉じ（図２の（ａ）参照）、開閉スイッチ４１ｂが開かれ（図２の（ａ）参照）、放電時は開閉スイッチ４１ａが開き（図２の（ｂ）参照）、開閉スイッチ４１ｂが閉じられる（図２の（ｂ）参照）。これらの開閉スイッチ４１ａ，４１ｂはラッチ動作をする。
蓄電時に、前記電圧検出手段７１がキャパシタの端子電圧が所定の蓄電完了電圧まで上昇したことを検出すると、蓄電時は開閉スイッチ４１ａが開き、開閉スイッチ４１ｂが閉じて、放電状態となる。
放電時に、前記電圧検出手段７１がキャパシタの端子電圧が所定の放電完了電圧まで低下したことを検出すると、蓄電時は開閉スイッチ４１ａが閉じ、開閉スイッチ４１ｂが開かれて、蓄電状態となる。
【００１４】
キャパシタ切替手段６１は、２つの切替スイッチ６１ａ，６１ｂを備えており、スイッチ駆動回路７２によって、蓄電時は切替スイッチ６１ａ，６１ｂが直列接続側へ切り替えられ（図２の（ａ）参照）、放電時は切替スイッチ６１ａ，６１ｂが並列接続側へ切り替えられる（図２の（ｂ）参照）。これらの切替スイッチ６１ａ，６１ｂはラッチ動作をする。
【００１５】
前記太陽電池２１の容量を１２Ｖ（１Ａ）とし、前記キャパシタ５１、５２のそれぞれの静電容量を１２００Ｆ（６Ｖ）とした場合、図２における充電満了までの所要時間ｔ1は次のように計算される。
１２ｗｈｒ＝１２×３６００（Ｊ）＝４３２００（Ｊ）
４３２００Ｊ＝１／２×Ｃ×Ｖ2＝１／２×Ｃ×１２×１２より、
Ｃ＝１２００Ｆ，６ＶＭＡＸ（６００Ｆ，１２ＶＭＡＸと等価。）が得られる。
充電満了までの所要時間ｔ１（ｈｒ）とすると、Ｃ・Ｖ＝Ｉ・Ｔ  より
ｔ１＝（Ｃ・Ｖ／Ｉ）／３６００秒＝（１２００×６／１）／３６００秒＝２ｈｒ
となる。
【００１６】
一方、１２００Ｆ，６ＶＭＡＸのキャパシタを並列状態で蓄電するのに要する所要時間ｔ２は、
ｔ２＝（Ｃ・Ｖ／Ｉ）／３６００秒＝（（１２００＋１２００）×６／１）／３６００秒＝４ｈｒ
となる。
従って、図２の構成によってキャパシタを切り替えることによって、図３のグラフに示したように、充電満了に要する時間を半分に短縮することができるのである。
【００１７】
このようにして蓄電中に前記所要時間ｔ１が経過して、前記電圧検出手段７１がキャパシタの端子電圧が所定の蓄電完了電圧まで上昇したことを検出すると、蓄電時は開閉スイッチ４１ａが開き、開閉スイッチ４１ｂが閉じて、放電状態となる。
放電時には、開閉スイッチ４１ａが開き（図２の（ｂ）参照）、開閉スイッチ４１ｂが閉じられる（図２の（ｂ）参照）。そして、前記切換スイッチ６１ａ，６１ｂが並列接続側へ切り替えられる（図２の（ｂ）参照）ので、１２００Ｆ（６Ｖ）＋１２００Ｆ（６Ｖ）の容量のキャパシタとして電源を出力するのである。
【実施例２】
【００１８】
図４は、太陽電池パネル１枚あたりの発生起電力がキャパシタの定格電圧（最大充電電圧）より低いものを採用し、太陽電池切換手段を用いた場合の実施例を示したものであり、（ａ）は太陽電池を並列接続した状態を示し、（ｂ）は直列接続した状態を示している。
図中、
１２は電源装置であり、太陽電池２２ａ，２２ｂと、２つの太陽電池を直列接続と並列接続とに切り替える太陽電池切換手段３２と、太陽電池への逆流を防止するためのダイオード２３と、蓄電状態と放電状態とを切り替える蓄電スイッチ４２と、キャパシタ５３と、キャパシタの端子電圧が所定の電圧（満充電電圧）になったときに充電状態から放電状態へ切り替えるための制御信号を出力する電圧検出手段７３と、該電圧検出手段７３から出力される制御信号によって前記蓄電スイッチ４２を切替制御するスイッチ駆動回路７４と、キャパシタの端子電圧が所定の切替電圧（この場合には６Ｖに設定する。）になったときに太陽電池を直列接続へ切り替えるための制御信号を出力する電圧検出手段７５と、該電圧検出手段７５から出力される制御信号によって前記太陽電池切換手段３２を制御して２つの太陽電池を並列接続から直列接続へ切替制御するスイッチ駆動回路７６とを備えている。
【００１９】
蓄電スイッチ４２、電圧検出手段７３、スイッチ駆動回路７４の動作は図２の場合と同様であるのでその説明を省略する。
【００２０】
図４において、
前記太陽電池２２の容量を６Ｖ（１Ａ）とし、前記キャパシタ５３の静電容量を６００Ｆ（１２Ｖ）（１２００Ｆ（６Ｖ）×２と同等。）とした場合における充電満了までの所要時間ｔ３は、図４（ａ）に示したキャパシタの端子電圧が６Ｖまでの蓄電時間ｔａと、図４（ｂ）に示した６Ｖ〜１２Ｖまでの蓄電時間ｔｂとに分けると次のように計算される。
ｔａ＝（Ｃ・Ｖ／Ｉ）／３６００秒＝（６００×６／２）／３６００秒＝０．５ｈｒ
ｔｂ＝（Ｃ・Ｖ／Ｉ）／３６００秒＝（６００×（１２−６）／１）／３６００秒＝１．０ｈｒ
従って、
ｔ３＝ｔａ＋ｔｂ＝１．５ｈｒ
となる。
従って、図４の構成によって太陽電池を並列接続から直列接続へ切り替えることによって、図５のグラフに示したように、充電満了に要する時間を、図２に示した実施例よりもさらに短縮することができるのである。
【００２１】
太陽電池パネルの１枚あたりの発生起電力がキャパシタの定格電圧（最大充電電圧）以上のものを用いる場合には、図１に示したように、図２の構成と図４の構成を併用することも可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明にかかる電源装置の実施の形態の構成を示した構成図である。
【図２】実施例１の構成図である。
【図３】実施例１の場合の蓄電特性を示す図である。
【図４】実施例２の構成図である。
【図５】実施例２の場合の蓄電特性を示す図である。
【図６】一般的な太陽電池パネルの出力特性（特定照度下でのＩ−Ｖ特性）図である。
【図７】一般的な太陽電池パネルの照度依存特性（各照度下でのＩ−Ｖ特性）図である。
【図８】従来の二次電池と太陽電池との組み合わせによる電源装置の一例である。
【図９】従来のキャパシタと太陽電池との組み合わせによる電源装置の一例である。
【図１０】従来の二次電池と太陽電池との組み合わせによる電源装置の充電特性を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１１  電源装置
２１  太陽電池
２２  ダイオード
４１  蓄電スイッチ
４１ａ，４１ｂ、  開閉スイッチ
５１、５２  キャパシタ
６１  キャパシタ切替手段
６１ａ，６１ｂ  切替スイッチ
７１  電圧検出手段
７２  スイッチ駆動回路
【図１】
2006042523.tif 000003
【図２】
2006042523.tif 000004
【図３】
2006042523.tif 000005
【図４】
2006042523.tif 000006
【図５】
2006042523.tif 000007
【図６】
2006042523.tif 000008
【図７】
2006042523.tif 000009
【図８】
2006042523.tif 000010
【図９】
2006042523.tif 000011
【図１０】
2006042523.tif 000012