(57)【要約】【課題】太陽光発電等の自然エネルギーを電力に変換する発電を行う電源システムにおいて、蓄電池の充電不足を抑制するとともに、誘導雷サージ等によって発電源と蓄電池間が開状態となることによって発生する蓄電池の容量低下とこれによる電源システムのダウンを防止する。【解決手段】太陽光、風力、波力、潮力等の自然エネルギーを電力に変換する発電源により蓄電池を充電し、蓄電池より負荷に電力供給する電源システムにおいて、主発電源を備え、この主発電源からの電力を充電制御回路を介して前記蓄電池に充電するとともに、充電制御回路は充電時の蓄電池電圧が第１の設定電圧（Ｖ1）まで上昇すると充電回路を開放して主発電源からの充電を休止し、蓄電池電圧が第２の設定電圧（Ｖ2）まで低下すると充電回路を閉じて充電を行うとともに、主発電源よりも低出力の副発電源を備え、副発電源を充電制御回路と並列に充電制御回路を介さないで蓄電池に接続する。【選択図】図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光、風力、波力、潮力等の自然エネルギーを電力に変換する発電源により蓄電池を充電し、前記蓄電池から負荷に電力供給する電源システムにおいて、主発電源を備え、この主発電源からの電力を充電制御回路を介して前記蓄電池に充電するとともに、前記充電制御回路は充電時の蓄電池電圧が第１の設定電圧（Ｖ1）まで上昇すると充電回路を開放して主発電源からの充電を休止し、前記蓄電池電圧が第２の設定電圧（Ｖ2）まで低下すると前記充電回路を閉じて充電を行うとともに、前記主発電源よりも低出力の副発電源を備え、前記副発電源を前記充電制御回路と並列に前記充電制御回路を介さないで蓄電池に接続したことを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前記蓄電池として制御弁式鉛蓄電池を備え、前記副発電源の最大出力電流を、この最大出力電流で前記蓄電池を充電した際、前記蓄電池の制御弁から蓄電池内部のガスが外部に放出されないよう設定したことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記蓄電池の温度を計測する温度計測手段を設け、前記蓄電池温度が所定値以上の場合に前記充電回路を開放し、この主発電源から蓄電池への充電を休止し、前記副発電源で前記蓄電池を充電することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の電源システム。
【請求項４】
前記蓄電池の温度を計測する温度計測手段を設け、この蓄電池温度の上昇にしたがい、前記第１の設定電圧（Ｖ1）をより低くなるよう、前記第１の設定電圧（Ｖ1）が温度に対して負傾斜を有することを特徴とする請求項１、２もしくは３に記載の電源システム
【請求項５】
前記主発電源および前記副発電源として太陽電池を用いたことを特徴とする請求項１、２、３もしくは４に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池等の自然エネルギーから発電を行う発電源を用いて蓄電池を充電し、この蓄電池から負荷に電力供給する電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーの有効活用の観点で太陽光発電、風力発電を用いた電源システムが種々提案されている。これらの自然エネルギーを利用した発電方法で得られるエネルギー量は季節、時刻、天候により変動する。したがって、これらの発電方法を用いる電源システムでは電力を安定供給するために、バッファ用の蓄電池を併用することが行われている。例えば太陽光発電の場合、昼間に得られた余剰電力で蓄電池を充電しておき、太陽光発電ができない夜間に蓄電池に蓄えられた余剰電力を負荷に供給するものである。
【０００３】
このような電源システムに鉛蓄電池を長期間使用するために、蓄電池の過充電による劣化、あるいは充電不足を配慮した適切な充電を行う必要がある。例えば、特許文献１には蓄電池の充電電圧が所定値（ＶＨ）まで上昇した時から一定時間後の充電を停止し、その後充電電圧が低下して所定値ＶＬ（＜ＶＨ）まで低下すると再度充電回路を閉じて充電を再開する方法が示されている。また、充電回路と蓄電池間の開閉動作はリレー接点により、充電路を直接的に開閉したり、スイッチ素子の開閉によって間接的に充電路を開閉することが示されている。
【０００４】
さらに、この特許文献１には単に所定値（ＶＨ）まで充電電圧が上昇した時点で充電路を開状態とした場合、蓄電池が充電不足となることが示されている。そして、このような充電不足を解消するために、充電電圧が所定値（ＶＨ）まで上昇した後も、一定時間、充電を継続することが示されている。したがって、そのためのタイマー制御が別途必要となり、コスト上、不利である。
【０００５】
一方、発電源として太陽光発電を用いる場合、太陽電池は日照条件を考慮した設置位置の設定が必要である。通常は周囲に日照を遮る建造物や立木等の障害物がない、日照条件が良い場所に設置される。反面、このような設置場所は気象変化の影響を受けやすく、誘導雷によって発生したサージによる影響を受けることが比較的多い。このような誘導雷サージが発生した場合、充電回路と蓄電池との間の開閉回路が故障して開状態に固定することがある。このような場合、蓄電池は全く充電できず、蓄電池の容量は負荷への電力供給とともに減少し、最後には完全放電状態となり、電源システムがダウンすることがあった。
【０００６】
特に、太陽光発電等の自然エネルギーを発電源とする電源システムは、その性格上、商用交流電源が供給できない離島、山岳地帯あるいは海上といったメンテナンスが困難な場所に設置される場合も多く、電源システムがダウンした場合、復旧に数日を要する場合があり、その影響は深刻であった。
【特許文献１】特開平６−３１５２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は前記したような、太陽光発電、風力発電等の自然エネルギーを電力に変換する発電源からの電力を蓄電池に充電し、蓄電池から負荷機器に電力供給を行う電源システムにおいて、蓄電池の充電不足を抑制するとともに、誘導雷サージによって発生する電源システムのダウンを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、太陽光、風力、波力、潮力等の自然エネルギーを電力に変換する発電源により蓄電池を充電し、この蓄電池から負荷に電力を供給する電源システムにおいて、主発電源を備え、この主発電源からの電力を充電制御回路を介して前記蓄電池に充電するとともに、前記充電制御回路は充電時の蓄電池電圧が第１の設定電圧（Ｖ1）まで上昇すると充電回路を開放して主発電源からの充電を休止し、前記蓄電池電圧が第２の設定電圧（Ｖ2）まで低下すると前記充電回路を閉じて充電を行うとともに、前記主発電源よりも低出力の副発電源を備え、前記副発電源を前記充電制御回路と並列に前記充電制御回路を介さないで蓄電池に接続したことを特徴とする電源システムを示すものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１の電源システムにおいて、前記蓄電池として制御弁式鉛蓄電池を備え、前記副発電源の前記最大出力電流で前記蓄電池を充電した際、前記蓄電池の制御弁から蓄電池外部に蓄電池内部のガスが放出されないよう前記副発電電源の最大出力電流を設定したことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係る発明は、請求項１もしくは請求項２の電源システムにおいて、前記蓄電池の温度を計測する温度計測手段を設け、前記蓄電池温度が所定値以上の場合に前記充電回路を開放し、この主発電源から蓄電池への充電を休止し、前記副発電源で前記蓄電池を充電することを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、本発明の請求項４に係る発明は、請求項１、２もしくは３の電源システムにおいて、前記蓄電池の温度を計測する温度計測手段を設け、前記蓄電池温度の上昇にしたがい、前記第１の設定電圧（Ｖ1）をより低くなるよう、前記第１の設定電圧（Ｖ1）が温度に対して負傾斜を有することを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、本発明の請求項５に係る発明は、請求項１、２、３もしくは４の電源システムにおいて、主発電源および副発電源として太陽電池を用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電源システムは上記の構成を有し、誘導雷サージによって充電回路と蓄電池間の接続が開状態となった場合においても、副発電源によって蓄電池を充電するため、電源システムダウンの発生を抑制するとともに、通常時は主発電源による充電が終了した後も副発電源による充電を行うことによって、蓄電池の充電不足を抑制するという、顕著な効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は本発明による電源システム１を示す図である。なお、本実施の形態として自然エネルギーを電力に変換する発電源として太陽電池を用いた例について述べる。
【００１６】
本発明による電源システム１は主発電源としての主太陽電池２が充電制御回路３を介して蓄電池４に接続され、蓄電池４は主太陽電池２の電力によって充電される。充電制御回路３は充電時における蓄電池４の電圧を計測し、充電電圧が第１の設定電圧Ｖ1にまで上昇した時点で蓄電池４と主太陽電池２間の接続を開状態とすることによって充電を休止する。また、充電が休止することによって、蓄電池４の電圧が低下して、第２の設定電圧Ｖ2にまで低下した時点で蓄電池４と主太陽電池２間の接続を閉状態とすることによって充電を再開する。
【００１７】
充電制御回路３の具体的な回路構成例として以下に示すものを用いることができる。電圧検出部５で蓄電池４の電圧を検出し、論理回路６で蓄電池電圧が第１の設定電圧Ｖ1に到達したと判断された場合、出力制御部７でＦＥＴスイッチ８を開放する。一度開放されたＦＥＴスイッチ８は出力制御部７で開放状態に保持されるが、蓄電池電圧が電圧検出部５で第２の設定電圧Ｖ2以下となったことが検出された場合、出力制御部７をリセットし、ＦＥＴスイッチ８を閉じて再び主太陽電池２により蓄電池４を充電する。
【００１８】
本発明の電源システム１は主太陽電池２よりも低出力の副発電源としての副太陽電池９を充電制御回路３を介さず、この充電制御回路３と並列に蓄電池４に接続した構成を備えている。このような本発明の構成により、ＦＥＴスイッチ８が閉状態の場合、蓄電池４は主太陽電池２および副太陽電池９により充電される。
【００１９】
そして、蓄電池４の電圧が第１の設定電圧Ｖ1に到達すれば、ＦＥＴスイッチ８が開放され、主太陽電池２から蓄電池４への充電は休止し、副太陽電池９の発電電力のみで蓄電池４を充電する。その後、蓄電池４の電圧が第２の設定電圧Ｖ2まで低下すると、再度ＦＥＴスイッチ８が閉じられ、主太陽電池２と副太陽電池９の両方の発電電力で蓄電池４を充電する制御が繰り返して行われる。
【００２０】
そして、蓄電池４に負荷１０が接続され、主太陽電池２、副太陽電池９および蓄電池４から負荷１０に電力供給が行われる。なお、負荷１０が夜間照明等、夜間にのみ動作させる機器の場合、光センサー１１を設け、その照度が設定値未満になった場合に、スイッチ１２を動作させて、蓄電池４から負荷１０に電力を供給することができる。また、昼間・夜間を問わず動作する負荷の場合、照度が設定値以上の場合には主太陽電池２および／または副太陽電池９から負荷１０に電力供給を行い、照度設定値未満で蓄電池４から負荷１０に電力供給を行うことも可能である。
【００２１】
このような本発明の構成では、蓄電池電圧が第１の設定電圧Ｖ1に到達することによって、主太陽電池２による充電が休止した場合においても、副太陽電池９による充電が行われる。ここで副太陽電池９の出力が主太陽電池２よりも低く設定されており、副太陽電池９による充電電流Ｉ2は主太陽電池２の充電電流Ｉ1よりも低い。したがって、蓄電池電圧が第１の設定電圧Ｖ1に到達するまでの間、蓄電池４は主太陽電池２と副太陽電池９の両方、すなわち、Ｉ1とＩ2の和に相当する充電電流で充電される。そして蓄電池電圧が第１の設定電圧Ｖ1に到達した後、蓄電池４は副太陽電池９のみで充電される（充電電流Ｉ2）。すなわち、蓄電池４は２段階充電で充電される。そして、１段目の充電電流（Ｉ1＋Ｉ2）よりも低い充電電流（Ｉ2）で２段目の充電が行われるため、引用文献１のように単一の太陽電池で充電する１段階充電の場合に比較し、蓄電池の充電不足を抑制することができる。
【００２２】
また、誘導雷サージによって充電制御回路３が故障し、スイッチＦＥＴ８が開側に固定された場合においても、副太陽電池９によって引き続き充電が行われるので、蓄電池４が全く充電されない状態で負荷１０に電力を供給し、蓄電池４が残存容量不足に陥ることと、これによる電源システム１のシステムダウンの発生を抑制することができる。
【００２３】
また、蓄電池４として制御弁式鉛蓄電池を用いる場合、副太陽電池９の最大出力時の充電電流で制御弁式鉛蓄電池を充電した場合、制御弁式鉛蓄電池の密閉反応効率が１００％となる、すなわち、制御弁式鉛蓄電池内部で発生したガスが負極板ですべて吸収され、制御弁を通して排出されるガスがない状態になるよう設定する。このような構成により、充電中の電解液中の水分減少と、これによる蓄電池４の容量・寿命低下を抑制することができる。
【００２４】
さらに好ましくは蓄電池４の温度を計測する温度センサ１３と温度計測装置１４で構成される温度計測手段を設け、蓄電池温度が５０℃、６０℃といった別途に定める所定値以上の高温となった場合、ＦＥＴスイッチ８を開状態として、主太陽電池２から蓄電池４への充電を休止し、副太陽電池９のみから蓄電池４への充電を行う。このような構成により、蓄電池４の熱逸走とこれによる蓄電池の性能劣化を抑制することができる。なお、ＦＥＴスイッチ８を開状態とする温度は主太陽電池２による充電によって蓄電池４が熱逸走するときの温度未満に設定するものであり、蓄電池４の品種・機種に応じて設定する。
【００２５】
また、このような温度計測手段からの温度情報に基いて第１の設定温度Ｖ1に負の温度傾斜、すなわち、温度が上昇するにしたがいＶ1を低く、温度が下降するにしたがいＶ1を高くする傾斜を持たせた制御を行うことができる。このような制御により、４０℃を越えるような高温域での蓄電池４への過充電を抑制するとともに、０℃未満といった低温域での蓄電池４の充電不足を抑制することによって効率的に蓄電池４を充電できる。
【００２６】
なお、図１には本発明の電源システムにおける充電制御回路３の構成例を示したが、充電制御回路３は前記した充電制御を行う機能を備えていれば良いので図１に示した例に限定されるものではない。
【００２７】
なお、これまで主発電源および副発電源としてそれぞれ太陽電池を用いた例を述べたがそれぞれ、風力、波力、潮力発電を用いたり、主発電源のみ風力、波力および潮力発電を用い、副発電源として太陽電池を用いることも、もちろん可能であり、実施形態で示した例と同様の効果を得ることができる。但し、主発電源として風力、波力および潮力発電を用いる場合、ＦＥＴスイッチ８が開放状態となったときに主発電源からの発電電力を消費するためのダミー負荷回路（図示せず）が必要となる。一方、主発電源および副発電源の双方ともに太陽電池を用いる場合、このようなダミー負荷回路を必要としないので、回路構成上、簡素化されるとともに、コストもより削減されることは言うまでもない。
【実施例】
【００２８】
図１に示した本発明の実施の形態による電源システム１（本発明例）および比較例による電源システムを１月から１２月までの１１ヶ月間連続動作させたときの蓄電池の容量推移を測定した。なお、比較例による電源システムは本発明の実施形態の電源システム１から副太陽電池９を除いたものとした。
【００２９】
本発明例および比較例の電源システムの各種設定条件を以下に示す。
１．本発明例Ａ
１）主太陽電池出力：  ８０Ｗ（最大充電電流６．０Ａ）
２）副太陽電池出力：  ２０Ｗ（最大充電電流１．５Ａ）
３）蓄電池        ：  ２Ｖ１５０Ａｈ制御弁式鉛蓄電池  ６直列（１２Ｖ）
４）第１の設定電圧Ｖ1：  Ｖ1＝−０．０２６７Ｔ＋１５．７３３
（蓄電池温度Ｔ、−１０℃≦Ｔ≦５０℃）
５）第２の設定電圧Ｖ2：  Ｖ2＝１３．２Ｖ
２．本発明例Ｂ
１）主太陽電池出力：  ８０Ｗ（最大充電電流６．０Ａ）
２）副太陽電池出力：  ２０Ｗ（最大充電電流１．５Ａ）
３）蓄電池        ：  ２Ｖ１５０Ａｈ制御弁式鉛蓄電池  ６直列（１２Ｖ）
４）第１の設定電圧Ｖ1：  Ｖ1＝１５．５Ｖ
（蓄電池温度Ｔが−１０℃≦Ｔ≦５０℃において）
５）第２の設定電圧Ｖ2：  Ｖ2＝１３．２Ｖ
３．比較例Ｃ
１）主太陽電池出力：１００Ｗ（最大充電電流７．５Ａ）
２）副太陽電池出力：  なし
３）蓄電池        ：  ２Ｖ１５０Ａｈ制御弁式鉛蓄電池  ６直列（１２Ｖ）
４）第１の設定電圧Ｖ1：  Ｖ1＝１５．５Ｖ
（蓄電池温度Ｔが−１０℃≦Ｔ≦５０℃において）
５）第２の設定電圧Ｖ2：  Ｖ2＝１３．２Ｖ
上記の本発明例Ａ、本発明例Ｂおよび比較例Ｃの電源システムにおいて、夜間の１０時間のみ、蓄電池から負荷（図１に示した負荷１０に相当）に電力供給を行うよう設定した。負荷の平均放電電流は２Ａである。また、充電制御回路３の動作のため、常時０．１Ａの放電電流が流れる。
【００３０】
また、本発明例および比較例に用いた蓄電池はいずれも同一機種、同一製造ロットの制御弁式鉛蓄電池であり、副太陽電池による最大充電電流１．５Ａで充電したときの密閉反応効率は１００％（外部へのガス放出０）である。ちなみに、主太陽電池による最大充電電流７．５Ａで充電したときの密閉反応効率は７０％であった。
【００３１】
これらの本発明例Ａ、本発明例Ｂおよび比較例Ｃの電源システムを同一環境に設置し、１ヶ月に一度、１５．０Ａで１０．８Ｖまで放電して容量確認をした後、容量確認時の放電電気量の１１０％に相当する電気量を蓄電池に充電し、電源システムの運転を再開する試験を繰返して行った。その結果を図２に示す。なお、蓄電池容量は試験開始時の初期容量を１００とした容量比（％）で示した。
【００３２】
図２に示した結果から、本発明例Ａと本発明例Ｂとを比較した場合、第１の設定電圧Ｖ1に温度傾斜のない本発明例Ｂは夏期に容量増加、冬季に容量が低下する傾向にあった。本発明例Ａでは夏期の高温時には第１の設定電圧Ｖ1を下げることにより過充電を抑制し、冬季の低温時には第１の設定電圧Ｖ1を上げることにより、充電不足が抑制されていた。
【００３３】
一方、比較例Ｃのものは蓄電池の容量低下がほぼ直線的に連続して進行し、一年後の蓄電池容量は初期の５０％にまで低下していた。主太陽電池のみによる充電では充電量が不充分であり、充電不足サイクルが進行し、蓄電池容量が低下したと考えられる。
【００３４】
以上、記してきたように、本発明の電源システムでは比較例に比較して蓄電池の充電不足を抑制するとともに、主太陽電池と蓄電池間が誘導雷サージ等より開状態となった場合にも、副太陽電池による充電が行われることによって蓄電池の放電の進行による容量低下を抑制できることが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の電源システムは太陽光発電等の自然エネルギーを用いた発電源と蓄電池とを併用するものであり、蓄電池の容量低下とこれによる電源システムダウンを抑制できることから、高い信頼性が要求される、山間部・離島等の通信システム用電源、灯台あるいは灯浮標用電源として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態による電源システムを示す図
【図２】本発明例および比較例の電源システムに用いた蓄電池の容量推移を示す図
【符号の説明】
【００３７】
１    電源システム
２    主太陽電池
３    充電制御回路
４    蓄電池
５    電圧検出部
６    論理回路
７    出力制御部
８    ＦＥＴスイッチ
９    副太陽電池
１０    負荷
１１    光センサ
１２    スイッチ
１３    温度センサ
１４    温度計測装置
【図１】
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【図２】
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