(57)【要約】【課題】太陽電池アレイの発電出力を利用し、日陰に入っても連続して電力を発生できる電源装置を備えた長寿命な太陽電池電源を実現する。【解決手段】日照により太陽電池アレイを用いて発電する電源装置を備えた太陽電池電源であって、太陽電池アレイと、そこに搭載された太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールアレイに日照時、蓄電し日陰時に放電する。この太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールアレイは電気二重層キャパシタと太陽電池セルを接続した太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールを複数接続して構成したものであり、日照と日陰時に休みなく電力を発生し供給することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
日照により太陽電池アレイを用いて発電する電源装置を備えた太陽電池電源において、太陽電池アレイと、太陽電池アレイに複数個搭載された、太陽電池セルと電気二重層キャパシタを接続した太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールと、この発生電力を安定化する電圧安定化回路とを備えた電源装置において、太陽電池セルから直接太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールに蓄電し、日照時は前記太陽電池セルから電力を発生し、日陰時は電気二重層キャパシタから蓄電電力を取り出すことを特徴とする太陽電池電源。
【請求項２】
前記太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールの電力を、これに接続されたピークパワートラッカ付電圧安定化回路を経由して供給することを特徴とする請求項１記載の太陽電池電源。
【請求項３】
前記太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールの電力を、電圧安定化回路なしで直接負荷に供給することを特徴とする請求項１記載の太陽電池電源。
【請求項４】
前記太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールの電力を、これに接続された複数のピークパワートラッカ付電圧安定化回路を経由して供給することを特徴とする請求項１記載の太陽電池電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、日照により太陽電池アレイ１を用いて発電する電源装置を備えた太陽電池電源に関する。
【背景技術】
【０００２】太陽電池電源を宇宙空間の軌道上で長期間、たとえば１０年以上運用すると、二次電池８の充放電サイクルにより二次電池８の化学変化が進行し、著しく充放電性能が劣化する。従来の太陽電池電源には、リチュウムイオンやニッケル水素などの二次電池８を電源として搭載しているが、これらの電源では、劣化が問題になり、特に二次電池８は熱に弱いため、その利用に大きな制約が課せられている。【０００３】従来、図１０のように太陽電池アレイ１と二次電池８を取り付けたものがあるが、これは、太陽電池アレイ１と二次電池８とを二次電池８充放電制御回路７経由接続し、太陽電池アレイ１と二次電池８より得たエネルギーを電力分配器４経由搭載機器へ供給している。太陽電池アレイ１の発生電力が余った場合にはシャント回路９をオンして太陽電池アレイ１を短絡し、電力を抑える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】上記のような従来のシステムでは、太陽電池アレイ１と電力分配器４の間に二次電池８を持ち、太陽電池アレイ１の発電出力により充電しながら電力分配器４へ電力を供給する。電力分配器４は、日照のある間は太陽電池アレイ１の発生電力を搭載機器に供給する。軌道上の日陰においては二次電池８から電力を供給する。太陽電池アレイ１の余剰電力を処分するシャント回路の発熱が大きく、重量も重くなりその改善が必要であった。
実際のところ二次電池８のサイクル劣化があるため、軌道上での動作時間が制約される。また、過充電で熱暴走して破壊する恐れもある。さらに二次電池８の温度範囲が狭いため、特別な熱制御を必要とするなど、問題が多かった。【０００５】軌道上で長期間の運用をし、十分な信頼性を確保するためには、太陽電池アレイ１と電力分配器４との間に大容量の二次電池８を接続し、太陽電池アレイ１より充電しつつ電力分配器４を運転する方法が考えられる。しかし、従来の二次電池８では、大きな容量のものを積載しない限り、負荷の急激な変化による尖頭電力の供給には間に合わない。しかも頻繁に充放電を繰り返せばサイクル寿命の制約が起こり、また、不使用時に放置して完全放電させると電池が劣化したり、動作温度範囲が０度から３０度と狭いなど、種々の問題があって実用的とはいえない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】本発明は、上記課題を解決するものであって、太陽電池アレイ１の発電出力を利用し、日陰に入っても連続して運用でき、長寿命で効率よく電力供給を行える太陽電池電源を提供するものである。【０００７】そのために本発明は、太陽電池電源であって、太陽電池アレイ１に取り付けられる太陽電池セル１１と、この太陽電池セル１１により充電される電気二重層キャパシタ２で構成された太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６と、前記太陽電池セル１１の発電電力及び、又は前記電気二重層キャパシタ２の蓄電電力を安定化する、電圧安定化回路３を備え、日陰と日照の両方で電力の供給を行うことを特徴とする太陽電池電源である。
【発明の効果】
【０００８】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、太陽電池アレイ１に取り付けられる太陽電池セル１１と、この太陽電池セル１１により充電される電気二重層キャパシタ２で構成された太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６と、前記太陽電池セル１１の発電電力及び、又は前記電気二重層キャパシタ２の蓄電電力を安定化する、電圧安定化回路３を備え、前記電気二重層キャパシタ２に蓄電し、電圧安定化回路３により一定の電圧に制御して電力分配器４経由負荷に電力を供給するので、太陽電池電源が日陰に入って太陽電池アレイ１の発電電力が得られない場合でも、電気二重層キャパシタ２の蓄電電力により連続して電力を供給することができる。
また。太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６は動作寿命がほぼ無制限と長く、許容温度範囲も広いので搭載性のよい長寿命な太陽電池電源用電源を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る太陽電池電源の実施の形態を示す図、図２は本発明に係る太陽電池電源の電源システムを説明するブロック図である。図中、１は太陽電池アレイ１、１０は人工衛星である。図２は実施例の構成を示すブロック図で、図中、２は電気二重層キャパシタ、３は電圧安定化回路、４は電力分配器、５はテレメトリコマンド信号インタフェース回路、６電力制御回路、１５は直並列切り替え回路、１７は太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールアレイを示す。【００１０】図１において、太陽電池アレイ１は、人工衛星１０の側面に取り付けられ、その発電電力を図２に示す太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６に蓄電して蓄電電力と発電電力を電力分配器４経由、負荷に供給するものである。太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６は、図５に示されているように、電気二重層電気二重層キャパシタ２に太陽電池セル１１を接続したものであり、電圧安定化回路３は電圧を安定化させる、公知のレギュレータである。太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールアレイ１７は太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６を直列に積み上げたもので、所定の電圧を発生するよう必要な段数を積む。この太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールアレイ１７の直並列段数を図３のようにＦＥＴスイッチなどで切り替えて、形状を変更して蓄積された電荷を９５％以上取り出す。この切り替え方式を図３に示す。
図４に示す太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６において、太陽電池セル１１が直接、電気二重層キャパシタ２に接続され、端子１２と端子１４を同極性で接続する。このようにすると、太陽電池セル１１に日照があるときは電気二重層キャパシタ２に充電し、充電が完了すると自然に充電電力が小さくなるので、太陽電池セル１１から直接負荷に電力が供給される。日陰になると、電気二重層キャパシタ２から電力を供給する。この構成においては、電気二重層キャパシタ２に独立した充電が行われるので、過充電の問題はなくなり、特別な制御回路が不要となる。
図５は太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６の構成ブロック図である。
図６は太陽電池パドル１の構成を示すブロック図で、１７は太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６を直列に複数接続した、太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールアレイである。１８はこの太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールアレイ１７を複数個接続した直並列切り替え回路で、ＦＥＴスイッチなどで構成される。
１９は端子で、ここに安定化された電力が出力される。
人工衛星１０の内部に搭載された機器に電力分配器４経由、電力を分配する。
電力分配器４は負荷電量を計測したり、過電流保護を行いながら、負荷に電力を供給する。地上から送信されたコマンド信号で電力制御回路６の内部設定を変更したり、電圧などのデータを地上へ伝送するテレメトリ信号を編集するテレメトリコマンド信号インタフェース回路５を備えている。【００１１】上記太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６の電気二重層キャパシタ２の切り替え形態を示したものが図３であり、図中（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のように直並列をＦＥＴスイッチなどで切り替える。【００１２】図７は本発明に係る太陽電池電源の他の実施の形態を示す図であり、電圧安定化回路３にピークパワートラッキング回路を付加したものである。効率よく発電電力を利用できる利点がある。【００１３】図８は本発明に係る太陽電池電源の他の実施の形態を示す図であり、電圧安定化回路３を省略したものである。電圧安定化回路３がなくとも、負荷側でＤＣＤＣコンバータなどを用いて安定化することで問題ない。この場合は、構成を簡単にし、軽量化できる利点がある。【００１４】図９において、複数の太陽電池アレイ１にそれぞれ独立した電圧安定化回路３や太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール１６、および放電制御回路４を備えることにより、１系統故障時の電力損失を少なくすることができる。【００１５】通常の二次電池８は、種類や使い方によって異なるが、３００回〜５００回程度の充放電回数が寿命といわれている。また、短時間での充放電に弱く、しかも放電深度を浅くして使用しないと寿命が短くなったり、充分放電してから充電を開始しないとメモリ効果と呼ばれる容量低下が起こったりする、などの問題があった。特に、太陽電池電源の場合には、軌道上で万一バッテリが完全放電した場合、バッテリの劣化のみならず破損する場合もある。（リチュウムイオンバッテリなどの場合）
電気二重層電気二重層キャパシタ２を単独で用いた場合には、短時間の充放電は可能で、サイクル寿命も長いが、エネルギー密度が小さいため、大量の電気二重層キャパシタ２を積載する必要が生じ、実用的でない。
これらに対して本発明のように太陽電池セル１１と電気二重層キャパシタ２とを組み合わせて太陽電池パドル１に配置すると、電気二重層キャパシタ２の過充電の問題がなくなるため、保護回路が不要となり、その結果、周辺回路を簡単にできるので、軽量化や高信頼性化を可能とする。また、従来の二次電池８を搭載するスペースが不要となるので人工衛星の性能を向上させるので、その実用的な効果はきわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る太陽電池電源の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明に係る太陽電池電源、電源システムの構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る電気二重層キャパシタの切り替え形態を示す図である。
【図４】本発明の太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールの構成を示す図である。
【図５】本発明の太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールの構成ブロック図である。
【図６】本発明の太陽電池パドルの構成ブロック図である。
【図７】本発明の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態を示すブロック図である。
【図９】本発明のさらに他の実施の形態を示すブロック図である。
【図１０】従来の太陽電池電源を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】１…太陽電池アレイ１、２…電気二重層キャパシタ２、３…電圧安定化回路、４…電力分配器、５…テレメトリコマンド信号インタフェース回路、６…電力制御回路、７…二次電池充放電制御回路、８…二次電池、９…シャント回路、１０…人工衛星、１１…太陽電池セル、１２…太陽電池セルの電極、１３…電気二重層キャパシタの電極、１４…端子、１５…直並列切り替え回路、１６…太陽電池セル・キャパシタ結合モジュール、１７…太陽電池セル・キャパシタ結合モジュールアレイ、１８…ピークパワートラッキング電圧安定化回路、１９…端子、２０…負荷。
【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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