(57)【要約】【課題】簡単な構成で太陽電池の出力を有効利用すること。【解決手段】太陽電池と、負荷と、電圧調整部と、蓄電部とを備え、電圧調整部は、太陽電池の出力時に太陽電池の温度に基づいて太陽電池の出力電圧を出力可能な最大値に調整して蓄電部に印加し、太陽電池の非出力時に蓄電部の電圧を所定値に調整して負荷に印加する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、負荷と、電圧調整部と、蓄電部とを備え、電圧調整部は、太陽電池の出力時に太陽電池の温度に基づいて太陽電池の出力電圧を出力可能な最大値に調整して蓄電部に印加し、太陽電池の非出力時に蓄電部の電圧を所定値に調整して負荷に印加する太陽電池システム。
【請求項２】
太陽電池は太陽電池の温度を検出する温度検出素子を備え、電圧調整部は双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記コンバータを制御する制御部からなり、制御部は、太陽電池の出力時に、太陽電池の出力電圧と温度検出素子の出力との差に基づいて前記コンバータをＰＭＷ制御する請求項１記載の太陽電池システム。
【請求項３】
制御部は、太陽電池の非出力時に、負荷の電圧と所定値との差に基づいて前記コンバータをPMW制御する請求項２記載の太陽電池システム。
【請求項４】
制御部は、蓄電部の電圧が所定値以上になると太陽電池から蓄電部への給電を阻止する過電圧保護部を備える請求項２記載の太陽電池システム。
【請求項５】
太陽電池と負荷との間に介在する開閉部をさらに備える請求項１に記載の太陽電池システム。
【請求項６】
負荷が照明用光源からなる請求項１記載の太陽電池システム。
【請求項７】
蓄電部は電気二重層コンデンサからなる請求項１〜６のいずれか１つに記載の太陽光発電システム。
【請求項８】
電圧調整部は、双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータを備えてなる請求項１記載の太陽電池システム。
【請求項９】
双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータは、太陽電池の出力時に降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動し、非出力時に昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動するコンバータからなる請求項８記載の太陽光発電システム。
【請求項１０】
双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータは、太陽電池の出力時に昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動し、非出力時に昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動するコンバータからなる請求項８記載の太陽光発電システム。
【請求項１１】
双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータは、太陽電池の出力時に昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動し、非出力時に昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動すると共に、太陽電池および負荷と蓄電部とを絶縁するように構成したコンバータからなる請求項８記載の太陽光発電システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の太陽電池システムにおいて、負荷として光源を使用して構成した照明器具。
【請求項１３】
光源が複数のLEDからなる請求項１２記載の照明器具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、太陽光発電システムおよびそれを用いた照明器具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この発明に関連する従来の技術としては、１つまたは複数の蓄電器で構成される蓄電器モジュールとチョッパ型電力変換器とを備える蓄電装置に於いて、前記蓄電器モジュールと直列にインダクタを挿入し、前記蓄電器モジュールと前記インダクタの直列接続部の両端にそれらと並列にコンデンサを付加したことを特徴とする蓄電装置（例えば、特許文献１参照）や、昇圧コンバータとインバータとの接続点に双方向コンバータを接続し、さらに蓄電手段を接続し、発電手段の出力電力が増大した際には蓄電手段を充電動作させて充電し、発電手段の出力電力が減少した際には、双方向コンバータを放電動作させて蓄電手段から放電することで、インバータの出力電力を安定化し、商用系統に発電手段の変動の影響を及びにくくするようにした装置（たとえば、特許文献２参照）などが知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１１６０２５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３８３５４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、太陽電池の出力を昼間に蓄電し夜間に照明光源を点灯させる街路灯のような太陽光発電システムにおいては、簡単な構成で太陽電池から常に最大電力を取り出しその出力を蓄電部に効率よく早く充電して太陽電池を有効に利用することが要望されている。しかしながら、従来の太陽光発電システムにおいては、一定電圧で蓄電部を充電するため長い充電時間を必要とすることや、太陽電池から最大電力を取り出すことが可能であってもその構成が複雑になるという問題点があった。
【０００５】
この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、太陽電池の最大出力を決定する最大の要因が太陽電池の温度であることに着目し、簡単な構成で太陽電池から最大出力を常に引き出して蓄電部を効率的に迅速に充電し、太陽電池を有効利用することが可能な太陽光発電システムおよびそれを用いた照明器具を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、太陽電池と、負荷と、電圧調整部と、蓄電部とを備え、電圧調整部は、太陽電池の出力時に太陽電池の温度に基づいて太陽電池の出力電圧を出力可能な最大値に調整して蓄電部に印加し、太陽電池の非出力時に蓄電部の電圧を所定値に調整して負荷に印加する太陽電池システムを提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明の太陽光発電システムは、太陽電池と、負荷と、電圧調整部と、蓄電部とを備え、電圧調整部は、太陽電池の出力時に太陽電池の温度に基づいて太陽電池の出力電圧を出力可能な最大値に調整して蓄電部に印加し、太陽電池の非出力時に蓄電部の電圧を所定値に調整して負荷に印加するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
太陽電池は太陽電池の温度を検出する温度検出素子を備え、電圧調整部は双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記コンバータを制御する制御部からなり、制御部は、太陽電池の出力時に、太陽電池の出力電圧と温度検出素子の出力との差に基づいて前記コンバータをPMW制御するものであってもよい。
なお、温度検出素子には、サーミスタや温度補償用ダイオードなどを好適に用いることができる。
【０００９】
太陽電池は太陽電池の温度を検出する温度検出素子を備え、電圧調整部は双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記コンバータを制御する制御部からなり、制御部は、太陽電池の出力時に、太陽電池の出力電圧と温度検出素子の出力との差に基づいて前記コンバータをＰＭＷ制御するものであってもよい。
制御部は、太陽電池の非出力時に、負荷の電圧と所定値との差に基づいて前記コンバータをPMW制御するものであってもよい。
太陽電池と負荷との間に介在する開閉部をさらに備えるものであってもよい。
負荷が照明用光源からなるものであってもよい。
照明用光源としては、白色電球や白色LEDなどが挙げられる。
蓄電部は電気二重層コンデンサからなることが好ましい。
【００１０】
電圧調整部は、双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータを備えるものであってもよい。
双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータは、太陽電池の出力時に降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動し、非出力時に昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動するコンバータであってもよい。
双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータは、太陽電池の出力時に昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動し、非出力時に昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動するコンバータであってもよい。
双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータは、太陽電池の出力時に昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動し、非出力時に昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして作動すると共に、太陽電池および負荷と蓄電部とを絶縁するように構成したコンバータであってもよい。
【００１１】
この発明は別の観点から、上記の太陽電池システムにおいて、負荷として光源を使用して構成した照明器具を提供するものである。この場合、光源は複数のLEDを用いて構成してもよい。
【００１２】
以下、図面に示す実施例を用いてこの発明を詳述する。これによって、この発明が限定されるものではない。
この発明における実施例の１つとしてソーラー街路灯を挙げる。図１に示すように支柱５の先に太陽電池１を取り付け、そのやや下方に２００個のLEDからなる照明用光源２が取り付けられている。太陽電池１の裏面には太陽電池１の温度を検出する温度補償用ダイオードDtmが貼りつけられている。支柱５の中には電圧調整部CNV，蓄電部EDが収められ、これらは太陽電池１，照明用光源２，ダイオードDtmと電気的に接続されている。
【００１３】
図２はこの実施例の全体構成を示すブロック図である。図２に示すように太陽電池１，照明用光源２としての負荷LD，電圧調整部CNVおよび蓄電部EDが順に接続されている。
【００１４】
図３は図２の詳細回路図である。同図に示すように、太陽電池１は複数枚の太陽電池セルが直列に接続され、これをガラスと樹脂フィルムで挟み、その周囲に枠を取り付けられたものである。太陽電池１と負荷LDとの間には太陽電池１へ逆電流が流れ込まないように逆流防止ダイオードDinが接続されている。
【００１５】
負荷LDには直列に電路開閉部Ｓ３が接続されている。電路開閉部S3にはフォトカプラ，電磁開閉器など外部からの電気信号によって開閉するものの他にスナップスイッチのような手動で開閉するものを使用できる。
【００１６】
電圧調整手段CNVは、ＤＣ−ＤＣコンバータCONと制御部CTLから構成され、ＤＣ−ＤＣコンバータCONとしては、図１１に示す降圧充電・昇圧放電型，図１２に示す昇降圧充電・昇降圧放電型，図１３に示す昇降圧充電・昇降圧放電絶縁型の３種類を用いることができる。何れも図に示すように入力コンデンサCin，スイッチング素子S1，S2，ダイオードD1，D2，リアクトルＬで構成される。なお、図１３の昇降圧充電・昇降圧放電絶縁型においてはリアクトルＬの代わりにトランスTrを用いている。
【００１７】
入力コンデンサCinには電解コンデンサを使用する。その容量はスイッチング素子S1又はS2がスイッチング動作をしていても、入力コンデンサCinの電圧の変動を少なくするだけの容量が必要とし、この実施例においては４７［μＦ］ のものを使用する。また、リアクトルＬは電流リップルを抑えるよう１００［μＨ］のものを使用する。
【００１８】
スイッチング素子S1又はS2は充放電電圧，充放電電流の容量にあわせてIGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ），FET（電界効果トランジスタ），BJT（バイポーラトランジスタ）のいずれかを使用する。スイッチング素子S1又はS2に流れる最大電流Im［Ａ］は概算で、
Ｉｍ＝Ｅｃ×（Ｃ／Ｌ）1/2＋Ｉｓ……（１）
で表すことができ、これ以上の電流が流れることはない。従って、この値を上回る定格電流容量を持つ素子をスイッチング素子S1又はS2として使用する。
なお、式（１）において、Ecは入力コンデンサCinの電圧［Ｖ］、Ｃは入力コンデンサCinの容量［Ｆ］、ＬはリアクトルＬの容量［Ｈ］、Isは太陽電池１の短絡電流［Ａ］である。
【００１９】
蓄電部EDは電気二重層コンデンサであり，充電する電圧にあわせて複数個直列接続されると共に、使用する負荷容量を考慮してこれらが１組又は複数組並列接続される。
【００２０】
制御部CTL自体の駆動電源（定電圧回路）PSへは太陽電池１、若しくは蓄電部EDからダイオードD5又はD6を介して電圧が入力される。太陽電池１の電力を優先的に用いるため、太陽電池１は電圧が蓄電部EDよりも高いほうがよい。駆動電源ＰＳの出力電圧VbはDC5［Ｖ］一定である。コンバータCONとして昇降圧充電・昇降圧放電型コンバータを用いると、太陽電池１と蓄電部EDの電圧とでは極性が反転するため、それぞれ絶縁した後２次側で合成する形を取ることで実現する。
【００２１】
蓄電部EDへの充電，放電モード切り替えについて，図３を用いて説明する。図３に示す回路JCは昼夜判別回路である。蓄電部EDの充電・放電モードは回路JCのNOTゲートG1によって決定される。NOTゲートG1は駆動電源PSによってDC5［Ｖ］で動作している。
【００２２】
昼間、太陽電池１が発電している時、フォトカプラPC1の入力側に抵抗R1を介して電流が流れ、フォトカプラPC1の出力側が導通する。フォトカプラPC1の出力側が導通することにより、フォトカプラPC2，PC3の入力側に電流が流れる。また、フォトカプラPC1の出力側とNOTゲートG1の入力側とが接続されおり、NOTゲートG1の入力がHighであることからNOTゲートG1の出力はLowとなり、フォトカプラPC4の入力側には電流は流れない。この状態が「充電モード」である。
【００２３】
夜間、太陽電池１が発電していない時、フォトカプラPC1の入力側には電流が流れない。よってフォトカプラPC1の出力側は開放となり、フォトカプラPC2，PC3の入力側に電流が流れない。一方，NOTゲートG1の入力がLowとなることからNOTゲートG1の出力はHighとなり、フォトカプラPC4の入力側に電流が流れる。この状態が「放電モード」である。
【００２４】
充電モードにおけるコンバータCONと制御部CTLの動作について説明する。この実施例において、太陽電池１には一般に１２［Ｖ］系の鉛蓄電池を充電できるように設計された太陽電池を使用することができる。この太陽電池はJISC8918で規定するエアマス（AM）1.5、放射照度１kW／m2、太陽電池温度２５℃の時の公称最大出力動作電圧を17.0［Ｖ］、その電圧が太陽電池の温度変化による割合を−0.4［％／℃］とする。使用温度を−１０℃〜＋６０℃とすると、最大出力動作電圧は14.6［Ｖ］（高温時）〜19.4［Ｖ］（低温時）となる。
【００２５】
まず、予め太陽電池１が最大出力する時の電圧、すなわち公称最大出力動作電圧とその電圧が太陽電池１の温度変化によってどの程度変化するかを太陽電池１の仕様書やカタログなどから知る必要がある。図６と図７はそれぞれ太陽電池１の日射強度とモジュール温度に対する最大出力電圧Vpmの変化を示す概略のグラフである。図６と図７に示すように日射強度の強弱に対しては大きな変化はないが、モジュール温度に対しては一定の割合で大きく変化する。
【００２６】
この実施例において、太陽電池１は日射強度の強弱に関係なく一定の値の電圧で発電し、また温度の変化に対して動作電圧が変化するように見なす方法を用いる。それを実現する回路が図３に示す制御部CTLである。
【００２７】
ここで、フォトカプラPC2の出力側の飽和電圧は0.3［Ｖ］とする。温度補償用ダイオードDtmは２５℃時の順方向電圧降下0.6［Ｖ］、順方向電圧の温度係数−0.2［％／℃］とする。これらの値をとるためには電流を１［ｍＡ］程度流す必要があるため、抵抗R11は3.9［ｋΩ］とする。
【００２８】
太陽電池１の電圧の検出について、電圧検出用の抵抗R13とR14をそれぞれ１５［ｋΩ］と１［ｋΩ］とする。それによって、太陽電池１の電圧のR14／（R13＋R14）倍の電圧が検出され（この電圧をVch2とする）、誤差アンプAMP1の非反転入力端子に入力される。
【００２９】
一方、フォトカプラPC2の出力側と温度補償用ダイオードDtmの電圧降下の和（この電圧をVch2とする）は、太陽電池１の目標電圧として誤差アンプAMP1の反転入力端子に入力される。
誤差アンプAMP1はＶｃ＝Vch2−Vch1を演算して制御電圧信号Ｖｃとして出力する。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、制御電圧信号Ｖｃと三角波電圧源TRIの出力する三角波電圧VtとがコンパレータCMPで比較されて、制御電圧信号Vcの方が大きければスイッチング素子S1をONにし，差の方が小さければOFFにするPMW制御を行うように図４（ｂ）に示すスイッチング信号VpがコンパレータCMPから生成される。
【００３１】
この結果、図８に示すように太陽電池１の電圧は一定で、蓄電部EDの充電電流は充電初期で大きな電流が流れることにより、充電電圧は急激に上昇していく。
ここで、制御部CTLにおいて、誤差アンプAMP1の出力電圧が三角波電圧Vtのピーク電圧の９０［％］を超えないように、誤差アンプAMP1の出力電圧は三角波電圧Vtの最大ピーク電圧の９０［％］以下になるよう制限される。
【００３２】
充電中、制御部CTLは蓄電部EDの電圧を常時監視し、過電圧充電から保護している。蓄電部EDの電圧が定電圧素子ZDの導通電圧に達すると、蓄電部EDから電流が抵抗R18，定電圧ダイオードZD，トランジスタＱのベース−エミッタを通り蓄電部EDへ戻る閉回路を通る。トランジスタＱのベース−エミッタ間を電流が通ると、トランジスタＱのコレクタ−エミッタ間が導通し、トランジスタＱのコレクタ電圧はDC5［Ｖ］から０［Ｖ］となる。コンバータCONへのスイッチング信号VpとトランジスタＱのコレクタはANDゲートG2に入力されているため、スイッチング信号Vpは強制的に止められる。よって充電は停止し，過電圧から保護される。
【００３３】
次に放電モードについて説明する。蓄電部EDから放電し、負荷LDに電力を送る場合、負荷電圧が検出される。検出には充電時に使用した抵抗R13，R14をそのまま使用し電圧Vch2が、誤差アンプAMP2の反転入力端子に入力される。設定電圧Vch1はR11，R12による分圧にて決められ、誤差アンプAMP2の非反転入力端子に入力される。
【００３４】
誤差アンプAMP2は電圧Vch1とVch2との差を演算して制御電圧信号Vcとして出力する。制御出力信号Vcと三角波電圧ＶｔとがコンパレータCMPで比較されて、図５（ａ）に示すように、制御出力信号Vcの方が大きければスイッチング素子S2をONにし、小さければOFFにするPMW制御を行うように、図５（ｂ）に示すスイッチング信号VpがコンパレータCMPから生成される。
【００３５】
負荷LDの電圧を１２［Ｖ］とする時、電圧Vch2は0.75［Ｖ］となる。駆動電圧VbはDC5［Ｖ］であるため、電圧Vch1も0.75［Ｖ］にするためには抵抗R11とR12の比を4.25：0.75にしなければならない。ここで、抵抗R11を3.9［ｋΩ］とすると、抵抗R12は680［Ω］となる。
この結果、図９に示すように負荷LDの電圧は一定で、蓄電部EDの放電電流は放電初期で小さな電流が流れ、蓄電部EDの電圧が下降するとともに大きくなる。
【００３６】
前述の各モードにおいて、電圧Vch1は、充電モード時には、フォトカプラPC2とダイオードDtmの順方向電圧降下値で決まる。放電モード時には、フォトカプラPC2によってダイオードDtmが切り離されているため抵抗R7とR8とで決まる。
【００３７】
誤差アンプAMP1とAMP2において、充電時は誤差アンプAMP1からは正の電圧が出力され、誤差アンプAMP2からは負の電圧が出力される。放電時は充電時の逆の極性の出力となる。従って、ダイオードD7，D8により誤差アンプAMP1とAMP2の出力の切り替えが行われる。なお、抵抗R15とR16は、誤差アンプAMP1とAMP2の増幅度を決定する帰還抵抗である。
【００３８】
負荷LDには直列に開閉部S3が接続されており、蓄電部ＥＤの充電，放電に関係なく動作させることが出来る。
負荷LDを常時使用する場合、開閉部S3を常時ONにしておけばよい。この時、太陽電池１の発電電力は負荷電力と充電電力との和に等しくなる。
【００３９】
夜間のみに負荷に自動給電する場合には、フォトカプラPC4の入力側と直列に電流検知センサを接続し、電流が検知されたときに開閉部S3をONにするようにすればよい。
【００４０】
【発明の効果】
この発明によれば、太陽電池の出力時に太陽電池の温度に基づいて太陽電池の出力電圧を出力可能な最大値に調整して蓄電部に印加するようにしているので、太陽電池による蓄電部への充電が簡単な構成で効率よく迅速に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例のソーラー街路灯の外形を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施例のシステムを示すブロック図である。
【図３】図２のシステムを示す電気回路図である。
【図４】この発明のシステムの制御部の要部の電圧波形を示すタイムチャートである。
【図５】この発明のシステムの制御部の要部の電圧波形を示すタイムチャートである。
【図６】一般的な太陽電池の日射強度と最大出力動作電圧との関係を示すグラフである。
【図７】一般的な太陽電池の温度と最大出力動作電圧との関係を示すグラフである。
【図８】この発明の充電時における太陽電池の電圧，蓄電部の充電電圧，電流の各時間的変化を示すグラフである。
【図９】この発明の放電時における負荷電圧，蓄電部の放電電圧，電流の各時間的変化を示すグラフである。
【図１０】従来の技術による充電時の太陽電池の電圧，蓄電部の充電電圧，電流の各時間的変化を示すグラフである。
【図１１】この発明の電圧調整部に使用可能な降圧充電・昇圧放電型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１２】この発明の電圧調整部に使用可能な昇降圧充電・昇昇圧放電型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１３】この発明の電圧調整部に使用可能な降圧充電・昇圧放電絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【符号の説明】
１  太陽電池
２  照明光源
３  支柱
LD  負荷
CNV  電圧調整部
ED  蓄電部
Dtm  温度補償用ダイオード
PC1  フォトカプラ
PC2  フォトカプラ
PC3  フォトカプラ
PC4  フォトカプラ
PC5  フォトカプラ
Din  逆流防止ダイオード
R1  抵抗
R2  抵抗
R3  抵抗
R11  抵抗
R12  抵抗
R13  抵抗
R14  抵抗
R15  抵抗
R16  抵抗
R17  抵抗
R18  抵抗
R19  抵抗
Cin  入力コンデンサ
S1  スイッチング素子
S2  スイッチング素子
L  リアクトル
Tr  トランス
D1  ダイオード
D2  ダイオード
D3  ダイオード
D4  ダイオード
D5  ダイオード
D6  ダイオード
AMP1  誤差増幅アンプ
AMP2  誤差増幅アンプ
TRI  三角波電圧電源
Q  ＮＰＮ型トランジスタ
ZD  定電圧ダイオード
G1  ＮＯＴゲート
G2  ＡＮＤゲート
CMP  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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