(57)【要約】【課題】  複数系統の蓄電手段から各々の放電深度を低く抑えつつ選択的に放電を促進又は抑制し、途切れない安定した電力を供給し得る電源装置の提供。【解決手段】  自然力発電装置及びその出力を蓄える充放電制御可能な蓄電手段を具備する複数の電源系統と、当該複数の電源系統のうちから優先して放電せしめる電源系統を決定する系統制御手段を備え、前記系統制御手段は、全ての電源系統が各々異なる電源系統の充電状態を検知しその充電状態が規定の値より低い場合に当該電源系統の放電を促進し規定の値より高い場合に放電を抑制する出力調整手段の連鎖を構成することを特徴とする電源装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然力発電装置及びその出力を蓄える充放電制御可能な蓄電手段を具備する複数の電源系統と、当該複数の電源系統のうちから優先して放電せしめる電源系統を決定する系統制御手段を備え、
前記系統制御手段は、全ての電源系統が各々異なる電源系統の充電状態を検知しその充電状態が規定の値より低い場合に当該電源系統の放電を促進し規定の値より高い場合に放電を抑制する出力調整手段の連鎖を構成することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記出力調整手段を、検知した充電状態が規定の値より高い場合に比べて、検知した充電状態が規定の値より低い場合に当該電源系統におけるグラウンド電位を低下させるものであることを特徴とする前記請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
太陽光発電パネルからなる自然力発電装置と、前記請求項１又は請求項２に記載の電源装置を備えることを特徴とする航空障害灯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光や風力など発電に資するエネルギーの供給が不安定な発電手法を採りながらも、電力の安定供給が可能な電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムや風力発電システム等の自然力発電システムにおいては、充電効率及び放電効率に種々の工夫が施されている（例えば、下記特許文献１参照。）。
例えば、太陽光発電においては、天候や時刻等に基づく日照状況に応じて発電量が極めて不安定となるが、特に、航空障害灯の様に、電力供給の途絶が危険を惹起する用途に用いられる電源装置においては、最悪の日照状況にも適応できる十分な発電能力及び蓄電能力を具備する必要がある。
【０００３】
従来、航空障害灯の電源は、配電線を経て供給できない場合、太陽光や風力などの自然エネルギーと、それを蓄える鉛蓄電池により電力を確保している。その様な状況のなか、近年リチウムイオン蓄電池が普及しつつあるが、低温など劣悪な気象環境では充放電の効率が悪く採用できないという実情にあった。
また、蓄電池の定期交換など保守の面では、耐用期間が比較的短く短周期での交換が強いられ、しかもその蓄電池は重量が嵩むことから、多大な労力と高額な運用コスト（例えば、１２，０００千円／４年。）が生じるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０３５５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる状況の下、リチウムイオン蓄電池についての低温対策として、外気の温度が氷点下に達しても当該蓄電池自体の温度を５℃以上に維持する手法と共に、蓄電池の耐用年数を最大限に延長するための手法を採ることも、当該分野においては強く求められるところであり、その対策として、放電深度を考慮しながらも、システムの設備コストや消費電力等によるランニングコストを低く抑え、安定した電力供給を達成し得る電源装置の提供が求められている。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、複数系統の蓄電手段から各々の放電深度を低く抑えつつ選択的に放電を促進し又は抑制し、途切れのない安定した電力を供給し得る電源装置及び航空障害灯システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた本発明による電源装置は、自然力発電装置及びその出力を蓄える充放電制御可能な蓄電手段を具備する複数の電源系統と、当該複数の電源系統のうちから優先して放電せしめる電源系統を決定する系統制御手段を備え、前記系統制御手段は、全ての電源系統が各々異なる電源系統の充電状態を検知しその充電状態が規定の値より低い場合に当該電源系統の放電を促進し規定の値より高い場合に、当該電源系統の放電を抑制する出力調整手段の連鎖を構成することを特徴とする。
【０００８】
前記出力調整手段を、検知した充電状態が規定の値より高い場合に比べて、検知した充電状態が規定の値より低い場合に当該電源系統におけるグラウンド電位を低下させる構成としてもよい。
前記電源系統におけるグラウンド電位とは、当該電源装置から負荷回路へ供給される出力の負電位（下位電位）である。
例えば、前記蓄電手段の負電極（下位電極）と負荷回路が、単数又は複数のダイオードを介して接続されている場合において、一個のダイオードのアノード−カソード間を短絡することによって、一個のダイオードの順方向電圧分が、その電源系統におけるグラウンド電位の低下となる。
【０００９】
前記自然力発電装置として太陽光発電パネルを使用し、上記電源装置を採用しつつ航空障害灯システムを構成することが可能である。
【発明の効果】
【００１０】
以上の如く、本発明による電源装置によれば、不安定な発電手法にあっても複数の電源系統で十分な電力を賄うことができる他、蓄電池の耐用年数を抑制することなく効率的な放電を促すことができる。
更に、前記出力調整手段を検知した充電状態が規定の値より低い場合に当該電源系統におけるグラウンド電位を低下させる構成とすることによって、電源系統に接点を介在する例の様に、電源系統の切替えの際に電力供給の瞬停や遮断等を伴うこともなく、供給電源を切り替えながらも継続的で且つ安定した電力の供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による電源装置の一例を示す回路図である。
【図２】（Ａ）：本発明による電源装置の一例を示すブロック図及び（Ｂ）：航空障害灯の配置例を示す説明図である。
【図３】本発明による電源装置における負荷の接続状態の一例を示す回路図である。
【図４】本発明による電源装置における蓄電手段の放電深度と耐用サイクル数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明による電源装置の実施の形態を図面に基づき説明する。
本発明による電源装置は、太陽光や風力など、自然界において生じる不確定で不安定な自然エネルギーを利用する発電装置（以下、自然力発電装置１と呼ぶ。）の採用に適したものである。
【００１３】
本発明による電源装置は、複数の電源系統Ａと、当該複数の電源系統Ａのうちから優先放電系統を設定する系統制御手段２を備えた電源装置である。
各電源系統Ａは、前記自然力発電装置１及びその出力の充放電制御可能な蓄電手段３を具備し、前記系統制御手段２は、適切な放電深度（以下、規定放電深度と記す。）を維持しつつ各々異なる電源系統の出力電圧に応じて各電源系統Ａの放電を制御する複数の出力調整手段４を具備する。
【００１４】
図１に示す例は、前記自然力発電装置１として太陽光発電パネルを採用し、前記蓄電手段３としてリチウムイオン蓄電池（蓄電池の種類は前記本発明の目的を達成するものであれば特に限定するものではない。）を備える。
当該例は、単数又は複数の太陽光発電パネルを一単位とする太陽光発電モジュールＢ毎に、単数又は複数の蓄電手段３を具備する一単位の蓄電モジュールＣと、一単位の出力調整手段４を備える（図２（Ａ）参照）。
尚、当該例においては、前記太陽光発電モジュールＢの出力端子に、逆流を防止するダイオード（以下、逆流防止ダイオードと記す。）８等を備える。
【００１５】
＜保温＞
前記蓄電手段３についての低温対策として、気温が氷点下に達しても当該蓄電手段３自体の温度を５℃以上に維持すべく、真空断熱材とヒーターを併用した保温格納箱５の中に収納する手法、即ち、日中は太陽光発電パネルによる電力でヒーターを稼働させ、夜間は真空断熱材による保温で保温格納箱５内の温度を維持する手法を採る（図１最下位の太陽光発電パネル及びそれに続く破線部参照）。
【００１６】
＜充放電制御手段の構成＞
前記蓄電モジュールＣは、電力を蓄える前記蓄電手段３の他、当該蓄電手段３への充電と蓄電手段３からの放電の制御を行う充放電制御手段６、及び充電回路及び放電回路の開閉及び充放電時における通過電流量を制御する調流回路７を備える。
【００１７】
当該例における前記充放電制御手段６は、前記蓄電手段３の過充電と過放電を回避するための制御を行うものであって、その検出端子を前記蓄電手段３の出力端子に接続し、太陽光発電モジュールＢの出力端子と前記系統制御手段２との間に介在する調流回路７を制御する。
【００１８】
前記調流回路７は、例えば、二つのＦＥＴを充電素子（充電側ＦＥＴ７ａ）及び放電素子（放電側ＦＥＴ７ｂ）として用いる態様で構成することができる。即ち、前記充電側ＦＥＴ７ａのソースと放電側ＦＥＴ７ｂのドレインを接続し、その接続点を前記蓄電手段３に接続された前記充放電制御手段６の通電端子に接続し、両ＦＥＴ７ａ，７ｂのゲートを前記充放電制御手段６の制御端子に接続することによって、前記蓄電モジュールＣについての充電及び放電を制御する。
この様に、前記充電側ＦＥＴ７ａは、前記太陽光発電モジュールＢと充放電制御手段６（通電端子）との間に介在して充電回路を構成し、前記放電側ＦＥＴ７ｂは、前記充放電制御手段６（通電端子）と当該電源装置の出力（＋）の間に介在して放電回路を構成する。
【００１９】
＜充放電制御手段の動作＞
前記充放電制御手段６は、その検出端子で蓄電手段３の電圧を検出し、その蓄電手段３の定格値から定めた充電禁止解除電圧を下回る値を検出した時に、前記充電回路に介在する前記充電側ＦＥＴ７ａのドレイン−ソース間を導通させ、充電禁止電圧以上の値を検出した時に同充電側ＦＥＴ７ａのドレイン−ソース間を遮断する。
【００２０】
更に、前記充放電制御手段６は、その検出端子で蓄電手段３の電圧を検出し、その蓄電手段３の定格値から定めた放電禁止解除電圧（下記充放電許容帯域内の電圧）以上の値を検出した時に、前記放電回路に介在する放電側ＦＥＴ７ｂのドレイン−ソース間を導通させ、その蓄電手段３の定格値から定めた放電禁止電圧（例えば、下記充放電許容帯域の下限）を下回る値を検出した時に、同ＦＥＴ７ｂのドレイン−ソース間を遮断する。
【００２１】
上記充放電制御手段６の構成によって、充電に適した電圧に達している単数又は複数の充電回路のみを導通させ、放電に適した電圧に達している単数又は複数の蓄電モジュールＣの蓄電手段３のみを放電させ（その放電回路を導通させる）、各蓄電モジュールＣの蓄電手段３の充電量に応じた出力電圧を系統制御手段２に供給することができる。
【００２２】
前記規定放電深度（充放電を許容する帯域の幅）は、前記蓄電手段３の定格容量（Ｗｈ）に対して、８０％未満２０％以上、好ましくは５０％未満３０％以上のいずれかに設定する。
例えば、前記規定放電深度を３０％に設定し、充放電許容帯域（充放電を許容する帯域）を、満充電時における定格容量（Ｗｈ）の９０％から６０％に設定する場合には、前記充電禁止電圧を、前記蓄電手段３における満充電時における定格容量（Ｗｈ）の９０％充電時の電圧とし、前記放電禁止電圧を、前記蓄電手段３における満充電時における定格容量（Ｗｈ）の６０％充電時の電圧に設定すればよい。
【００２３】
尚、放電深度とは、電池の定格容量（Ｗｈ）に対する放電量（Ｗｈ）の比であるが、同じ放電深度を規定放電深度として採用するにしても、電源の安定供給の面より、出来るだけ大容量の蓄電手段３を採用し、前記充放電許容帯域を、前記蓄電手段３の満充電時における定格容量（Ｗｈ）の１００％充電時より出来る限り低い帯域に設定することが望ましい。
【００２４】
上記構成に加え、前記充放電制御手段６に、当該太陽光発電モジュールＢの出力電圧を検知端子で検出し、前記蓄電モジュールＣに充電できるレベルの出力（以下、適正出力と記す。）であるか否かを判定し、前記適正出力以上の出力電圧を検出した時にのみ前記蓄電モジュールＣへの回路を閉じて前記太陽光発電モジュールの出力を給電する手法等を採っても良い。そうすることによって、微量の電荷を長時間かけて充電することによる蓄電手段３の劣化を回避することができる。
【００２５】
＜系統制御手段の構成＞
当該例における前記系統制御手段２は、複数の電源系統Ａの各々が有する一単位の出力調整手段４で構成され、複数の電源系統Ａの豊富な容量を持つ各蓄電モジュールＣから最も充電量の多い電源系統（優先放電系統）Ａから優先的に放電を促し、その電力を負荷に供給する動作を行う。
【００２６】
当該例における前記出力調整手段４として、ＦＥＴとダイオードと抵抗器を備えて構成した例を以下に示す。
前段の電源系統が備える蓄電モジュールＣの出力（＋）にツェナーダイオードのカソードを接続し、アノードをＦＥＴのゲートに接続し、その接続点に抵抗器の一端に接続し、当該抵抗器の他端を、当該電源系統の蓄電モジュールＣの出力（−）、前記ＦＥＴのドレイン、及びバイパスダイオード（前記ＦＥＴのソース−ドレイン間に介在するダイオード）を含む二連ダイオード（連結数は適宜調整可能）の最端カソードに接続し、アノードを前記ＦＥＴのソース及び他のダイオード（以下、後段ダイオードと記す。）のカソードに接続し、当該後段ダイオードのアノードを当該電源装置の出力（−）に接続するものである。
【００２７】
図１に示す例は、電源系統Ａを四系統具備し、その電源系統Ａにおける一単位の出力調整手段４を、その各々について上記の通り等しく接続することによって全四系統の出力調整手段４を無端連結する。
ここで、無端連結とは、四系統の電源系統Ａが、各々前段の出力を検出し、その検出結果をその後段たる当該電源系統Ａの放電の促進及び抑制の基準とし得る連鎖を構成し、結果として最後段の電源系統Ａの前段が最前段の電源系統Ａとなる様に連結することである。
【００２８】
＜系統制御手段の動作＞
前記出力調整手段４のＦＥＴは、前段蓄電モジュールＣの出力電圧、即ち、そのゲート電圧が一定値（例えば、前記放電禁止電圧。）に満たない場合には、そのソース−ドレイン間が導通して前記バイパスダイオードのアノード−カソード間を短絡させることによって、バイパスダイオードの順方向電圧降下分が減少し、当該出力調整手段４を有する電源系統Ａの蓄電モジュールＣからの放電を促進させる。
【００２９】
一方、前段蓄電モジュールＣの出力電圧が一定値（例えば、前記放電禁止電圧より充分に（ＦＥＴのオン／オフに実行性のあるヒステリシス特性を与える程度に）高い電圧。）を超える場合には、そのソース−ドレイン間が遮断され、前記バイパスダイオードのアノード−カソード間が導通することによって当該バイパスダイオードの順方向電圧降下分が維持され、当該出力調整手段４を有する電源系統の蓄電モジュールＣからの放電が抑制される。
各出力調整手段４の前記ＦＥＴは、特定の電源系統Ａの充電量に基づく当該電源系統Ａの放電制御素子として機能するが、トランジスタ等、他の素子を用いても良い。
【００３０】
当該例における前記出力調整手段４は、前段蓄電モジュールＣの出力電圧に応じてその電源系統Ａの出力電圧を増減する上記動作を、前記の通り無端連結された相隣接する電源系統Ａ−Ａ間で途絶することなく順次行い、最も放電優位な電源系統Ａから負荷回路（負荷及びインターフェース（ＤＣ／ＡＣインバータ等）を含む回路）への給電を促進し負荷に対する安定した電力の供給を行う。この様な動作によって、劣悪な環境でいずれかの電源系統が規定の前記放電禁止電圧を下回り、前記充放電制御手段６により放電側ＦＥＴ７ｂのドレイン−ソース間がされたとしても、他のいずれかの電源系統Ａから負荷に対して必要な電力を安定供給することができる。
【００３１】
全ての電源系統Ａが規定の前記放電禁止電圧を下回る万が一の非常時に備えて、蓄電手段３の耐用年数を延長するよりも航空障害灯の稼働維持という使命を最優先すべく、前記非常時の状況を検知して、通常より低い非常用の放電禁止電圧に切り替える放電深度更新手段を備えた構成を採っても良い。尚、当該放電禁止電圧の切替えは、一段のみの切替えでも良いし、多段的な切替えを可能とするものでも良い。
【００３２】
上記の様に、上記系統制御手段２を、各電源系統Ａについて、前記蓄電手段３の放電深度を、前記規定放電深度に設定して運用することによって、耐用サイクル数を増加させることに寄与し、高所における比較的重量な蓄電手段３の交換期間を延ばすことができる（図４参照）。
これによって、各電源系統Ａの蓄電手段３は、不適当な電位での充放電によって耐用期間を害されることなく、長期に亘って交換無く蓄電手段３を使用することができる。
【００３３】
＜蓄電手段の仕様選択による放電深度の設定＞
前記規定放電深度は、前記の如く、蓄電手段３の電圧を検出することにより、その検出電圧に応じて強制的に、充電を禁止し、その禁止を解除しても良いが、採用する前記自然力発電装置１の仕様に応じて、設定した前記規定放電深度の下、一定の耐用期間を満たし得る様に蓄電手段３を選択し、前記耐用期間の放電にあっても、当該蓄電手段３に対する充放電が前記規定放電深度以下に調整される構造の充放電制御手段６を選択しても良い。
【００３４】
例えば、前記自然力発電装置１として太陽光発電パネルを採用し、前記一定の耐用期間を一日とし、一日一系統ずつ放電深度３０％の範囲で放電できる容量を持つ前記蓄電手段３を選択すれば、日中よほど日照量が少なくない限り放電深度が３０％を超える状況を自動的に回避できる構成となる。
【００３５】
前記強制的に制御を行う手法においては、放電深度が３０％を上回らない様に制御するのであるから、前記放電禁止解除電圧は、前記放電禁止電圧を超える値に設定すべきであり、前記充電禁止解除電圧は、前記放電禁止電圧以上に設定すべきであるが、前記蓄電手段３の容量で規定放電深度以下に調整する手法にあっては、設計の想定以上に日照量が少ないなど、発電環境が悪い場合に、事実上放電深度が３０％を上回る事態も考慮すべきである。
【００３６】
よって、この手法を採る場合にあっては、前記放電禁止電圧は、先に記した強制的な手法よりも相対的に低い値（事実上、放電深度３０％を超えることを許容できる値）に設定することが望ましく、前記充電禁止解除電圧にあっても、前記放電禁止電圧以上ではあるが、先の手法よりも相対的に低い値（事実上、放電深度３０％を超えた時にもその値から再充電を許容できる値）に設定することが望ましい。
【００３７】
例えば、蓄電手段３の全放電を回避するには、最低充電量に相当する前記放電禁止電圧を、前記蓄電手段３における満充電時における定格容量（Ｗｈ）の１０％とし、前記放電禁止解除電圧を、前記蓄電手段３における満充電時における定格容量（Ｗｈ）の２０％に設定する等すればよい。
前記充電禁止解除電圧にあっても、前記蓄電手段３における満充電時における定格容量（Ｗｈ）の２０％とし、緊急時における蓄電量をより多く確保すべく、出来るだけ大容量の蓄電手段３を採用し、前記充放電許容帯域を、前記蓄電手段３の満充電時における定格容量（Ｗｈ）の１００％充電時より出来る限り低い帯域に設定することが望ましい。
【００３８】
＜航空障害灯への適用＞
図２及び図３に示す例は、航空機の運航や設備並びに乗客及び住民の安全を図る航空障害灯９を負荷とするものである。
上記構成による途絶することない電力の安定供給は、前記航空障害灯９を安定して可動するためには極めて重要な問題である。
【００３９】
当該例では、航空障害灯９に用いる負荷回路を、ＤＣ／ＡＣインバータ１０と、自動点滅器１１と、負荷分電盤１２とで構成する。
全電源系統Ａの出力側に接続するＤＣ／ＡＣインバータ１０で当該航空障害灯９に適した電源に変換し、当該ＤＣ／ＡＣインバータ１０の出力に接続する自動点滅器１１で当該航空障害灯９の点滅を制御し、当該自動点滅器１１の出力に接続する負荷分電盤１２で、当該電源装置に接続される全ての航空障害灯９について、その際稼働させるべき航空障害灯９を選択できる構成を採る（図３参照）。
【００４０】
当該例においては、図２（Ｂ）の如く、鉄塔の高所に航空障害灯９を設置すると共に、負荷回路を含む制御盤及び電源装置を収めた電源箱と、自然力発電装置１たる太陽光発電パネルを前記航空障害灯９にできるだけ近接して設置する。
【００４１】
航空障害灯は、その役割上夜間のみ点灯し、日中は、負荷たる航空障害灯の運用は停止し、前記電源装置は、専ら充電及び前記保温を目的とした放電に終始するため、ＤＣ／ＡＣインバータが無負荷となり、前記電源装置が具備する全ての電源系統Ａを経た放電が停止する。
前記電源装置は、上記の如く構成することによって、日中から次の夜間の航空障害灯９の運用を開始する際には、前記系統制御手段２の動作によって、前記蓄電モジュールＣの出力電圧が最も高い電源系統Ａを優先放電系統として選択し、負荷に対する放電を開始する。
【符号の説明】
【００４２】
Ａ  電源系統，Ｂ  太陽光発電モジュール，Ｃ  蓄電モジュール，
１  自然力発電装置，２  系統制御手段，３  蓄電手段，４  出力調整手段，
５  保温格納箱，６  充放電制御手段，
７  調流回路，７ａ  充電側ＦＥＴ，７ｂ  放電側ＦＥＴ，
８  逆流防止ダイオード，９  航空障害灯，１０  ＤＣ／ＡＣインバータ，
１１  自動点滅器，１２  負荷分電盤，
【図１】
2015192488.tif 000003
【図２】
2015192488.tif 000004
【図３】
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【図４】
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