(57)【要約】【課題】気象状況に影響されずに発光機を継続的に発光させることが可能な海上ブイ。【解決手段】ブイ本体に搭載される電力監視制御器と、ブイ本体に電力監視制御器と接続されるように取り付けられる波力発電装置と、ブイ本体に電力監視制御器と接続されるように取り付けられる太陽光発電装置と、ブイ本体に電力監視制御器と接続されるように搭載される放電制御器と、ブイ本体に放電制御器と接続されるように取り付けられる発光機と、ブイ本体に電力監視制御器と接続されるように取り付けられ、大電流の電力を放電するキャパシタと、ブイ本体にキャパシタに接続されるとともに、放電制御器にスイッチを通して接続されるように装填され、リチウムチタン酸化物を負極活物質として含む負極およびγ−ブチルラクトンを含む電解液を有するリチウムイオン二次電池とを備え、放電制御器は、電力監視制御器から供給される電力量を検出し、その検出電力量が前記発光機を発光させるのに必要な電力量未満のときに前記スイッチをオンさせる機能を有する。【選択図】    図１
2007237823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海洋上に設置されるブイ本体と、
前記ブイ本体に搭載される電力監視制御器と、
前記ブイ本体に前記電力監視制御器と接続されるように取り付けられる波力発電装置と、
前記ブイ本体に前記電力監視制御器と接続されるように取り付けられる太陽光発電装置と、
前記ブイ本体に前記電力監視制御器と接続されるように搭載される放電制御器と、
前記ブイ本体に前記放電制御器と接続されるように取り付けられる発光機と、
前記ブイ本体に前記電力監視制御器と接続されるように取り付けられ、大電流の電力を放電するキャパシタと、
前記ブイ本体に前記キャパシタに接続されるとともに、前記放電制御器にスイッチを通して接続されるように装填され、リチウムチタン酸化物を負極活物質として含む負極およびγ−ブチルラクトンを含む電解液を有するリチウムイオン二次電池と
を備え、
前記放電制御器は、前記電力監視制御器から供給される電力量を検出し、その検出電力量が前記発光機を発光させるのに必要な電力量未満のときに前記スイッチをオンさせる機能を有することを特徴とする海上ブイ。
【請求項２】
前記電力監視制御器から前記放電制御器と前記キャパシタとに分岐される分岐部と前記キャパシタの間に介装され、前記電力監視制御器から前記放電制御器に供給される電力量が余剰のときにその電力を前記キャパシタに供給するための第１充電制御器と、前記キャパシタと二次電池の間に介装され、前記二次電池の充電状態を制御するとともに、前記二次電池が満充電状態のときに二次電池への電力供給を制限するための第２充電制御器とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の海上ブイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海洋上に設置される灯浮標、いわゆる海上ブイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、船舶の安全な航行、海上事故の察知、宇宙から信号受信、緊急時の信号発信、気象情報の収集などを目的にさまざまな海上ブイが設置されている。この海上ブイに組み込まれる発電システムとしては、一般的に太陽光発電装置、波力発電装置および空気電池などの一次電池を組み合せて構成されている。
【０００３】
しかしながら、一次電池の場合は充電ができないことより大洋上に設置される海上ブイのメンテナンスに費用と労苦が必要である。
【０００４】
一方、特許文献１には太陽電池装置、燃料電池装置および信号発信、表示発光を行う電気を逐電する蓄電池を備えたブイが開示されている。また、特許文献２には蓄電池（二次電池）およびこの蓄電池を充電するための発電機を備えた自己充電式観測ブイが開示されている。
【０００５】
しかしながら、従来の二次電池、例えば負極活物質に炭素材料を使用したリチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池またはニッケルカドミウム二次電池のような蓄電池は、通常その充電に１時間から２時間を要するため、太陽光発電装置、波力発電装置からの余剰の電力を効率よく充電できない。また、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池または一次電池である空気電池は水溶液系電解液が収容されているため、マイナスの温度に達する洋上の環境下において電解液の一部が凍結して電池本来の動作が制限される。その結果、海上ブイの動作に支障を来たす。
【特許文献１】特開２００１−２７８１８３
【特許文献２】特開平７-２２３５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、気象状況に影響されずに発光機を継続的に発光させることが可能な海上ブイを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、海洋上に設置されるブイ本体と、
前記ブイ本体に搭載される電力監視制御器と、
前記ブイ本体に前記電力監視制御器と接続されるように取り付けられる波力発電装置と、
前記ブイ本体に前記電力監視制御器と接続されるように取り付けられる太陽光発電装置と、
前記ブイ本体に前記電力監視制御器と接続されるように搭載される放電制御器と、
前記ブイ本体に前記放電制御器と接続されるように取り付けられる発光機と、
前記ブイ本体に前記電力監視制御器と接続されるように取り付けられ、大電流の電力を放電するキャパシタと、
前記ブイ本体に前記キャパシタに接続されるとともに、前記放電制御器にスイッチを通して接続されるように装填され、リチウムチタン酸化物を負極活物質として含む負極およびγ−ブチルラクトンを含む電解液を有するリチウムイオン二次電池と
を備え、
前記放電制御器は、前記電力監視制御器から供給される電力量を検出し、その検出電力量が前記発光機を発光させるのに必要な電力量未満のときに前記スイッチをオンさせる機能を有することを特徴とする海上ブイが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、気象状況により波力発電装置および太陽光発電装置のいずれからも長い時間に亘って電力を取得できない場合やマイナスの温度（例えばマイナス２０℃）に達する洋上の環境下に曝された場合おいても発光機を安定的に発光させることが可能な海上ブイを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態に係る海上ブイを図１および図２を参照して詳細に説明する。図１は、実施形態に係る海上ブイの概略断面図、図２は図１の海上ブイの等価回路図である。
【００１０】
ブイ本体１は、中空円形体２とこの中空円形体２の中心を貫通して垂直方向に延びるに支持軸３と、前記中空円形体２上に前記支持軸３に同軸的に固定された円筒体４と、前記中空円形体２内に配置され、前記支持軸３に上下に軸着された第１支持台５および第２支持台６とを有する。このブイ本体１の中空円形体２底部には、接続環７が取り付かれ、ワイヤ８を通して水底の錘９に連結することにより海上の一定位置に浮遊する。
【００１１】
太陽光発電装置１０は、前記ブイ本体１の前記円筒体４上部に取り付けられた太陽光パネル１１と、前記円筒体４に内蔵されて発電制御器１２とから構成されている。波力発電装置１３は、前記ブイ本体１の中空円形体２上に取り付けられている。波力発電装置１２は、図２に示す回路図に示すようにエアータービン１４および発電機１５とから構成されている。アンテナ１６は、前記ブイ本体１の前記円筒体４頂部に取り付けられている。このアンテナ１６は図示しない信号の送受信装置に接続されている。
【００１２】
リチウムイオン二次電池１７は、前記ブイ本体１の中空円形体２内の第２支持台６上に装填されている。この二次電池１７は、リチウムチタン酸化物を負極活物質として含む負極およびγ−ブチルラクトンを含む電解液を有する。発光機１８は、前記ブイ本体１の前記円筒体４側面に取り付けられている。電力監視制御器１９は、前記ブイ本体１の中空円形体２内の第１支持台５上に取り付けられている。電力監視制御器１９には、前記太陽光発電装置１０、波力発電装置１２、二次電池１７および発光機１８が接続されている。
【００１３】
前述した海上ブイを図２に示すブロック図を参照して説明する。
【００１４】
波力で動作するエアータービン１４によって発電する発電機１５は、電力監視制御器１９に接続され、発電された交流電力をその電力監視制御器１９に供給する。太陽光で直流電力を発生する太陽光パネル１１は、発電制御器１２を通して前記電力監視制御器１９に接続され、発電された直流電力をその電力監視制御器１９に供給する。この電力監視制御器１９は、波力発電装置１３および太陽光発電装置１０での発生電力に応じていずれか一方または両方を選択する機能、それらの電力を安定化する機能、波力発電装置１３からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを備えている。
【００１５】
前記電力監視制御器１９は、放電制御器２０および第１充電制御器２１に接続されている。この放電制御器２０は、発光機１８に接続され、その発光機１８を発光させるための直流電力を供給する。前記第１充電制御器２１は大電流の放電がなされるキャパシタ２２に接続されている。このキャパシタ２２は、第２充電制御器２３を通してリチウム二次電池１７に接続されている。
【００１６】
前記放電制御器２０は、また前記二次電池１７と接続されている。例えばＦＥＴからなるスイッチ２４は、前記放電制御器２０と前記二次電池１７の間に介装され、通常時（充電時）においてはオフ状態になっている。前記放電制御器２０は、前記電力監視制御器１９から供給される直流電力量を検出し、その検出電力量が前記発光機１８を発光させるのに必要な電力量（しきい値）未満のときに、前記スイッチ２４に所定の電圧を印加してオンさせる機能を有する。つまり、前記電力監視制御器１９から供給される直流電力量が前記発光機１８を発光させるのに必要な電力量に満たないとき、または前記電力監視制御器１９から前記放電制御器２０に電力が供給されないとき、二次電池１７の放電で発生した直流電力が放電制御器２０を経由して発光機１８に供給されて発光がなされる。
【００１７】
前記第１充電制御器２１は、前記電力監視制御器１９から前記放電制御器２０に供給される電力量が余剰のときにその電力を前記キャパシタ２２に供給するとともに、このキャパシタ２２を充電する際の充電制御をなす。前記第２充電制御器２３は、上流側の前記キャパシタ２２の放電タイミングおよび前記二次電池１７の充電状態を制御するとともに、前記二次電池１７が満充電状態のときに二次電池への電力供給を制限する機能を有する。
【００１８】
なお、前記電力監視制御器１９は図示しない信号の送受信装置に接続され、この装置の駆動のための電力が供給される。
【００１９】
このような構成の海上ブイにおいて、海上に波が発生し、かつ太陽光が降り注ぐ気象状況の場合には波力エネルギーは波力発電装置１３により交流電力に変換され、電力監視制御器１９に供給され、ここでＡＣ／ＤＣコンバータにより直流電力に変換される。また、太陽光のエネルギーは太陽光発電装置１０により直流電力に変換されて電力監視制御器１９に供給される。電力監視制御器１９に供給された直流電力は、ここで安定化され、その電力は放電制御器２０および第１充電制御器２１にそれぞれ供給される。
【００２０】
前記放電制御器２０では、前記電力監視制御器１９から供給される直流電力量を検出し、その検出電力量が前記発光機１８を発光させるのに必要なしきい値以上であるか、しきい値未満であるかを判定する。供給される直流電力量がしきい値以上である場合には、二次電池１７と放電制御器２０の間のスイッチ２４をオンすることなく、つまり二次電池１７からの電力供給（放電電力）を受けることなく、前記電力監視制御器１９から供給される直流電力を発光機１８に供給して発光させる。
【００２１】
前記第１充電制御器２１では、供給された直流電力量が余剰であるかを判定し、余剰である場合にはその電力をキャパシタ２２に供給して電荷として充電する。ここで、『余剰』とは前記発光機１８を発光させるのに必要な電力量を超えていることを意味する。このキャパシタ２２への電荷蓄積において、第２充電制御器２３によりキャパシタ２２から目的とする大電流の放電がなされる十分な電荷が蓄積されたことを検出すると、キャパシタ２２から大電流が第２充電制御器２３を通してリチウムチタン酸化物を負極活物質として含む負極を有する急速充電が可能なリチウムイオン二次電池１７に放電され、急速充電される。前記キャパシタ２２から大電流を第２充電制御器２３を通して二次電池１７に放電し、急速充電する操作を複数回繰り返し、前記二次電池１７が満充電状態のときには、前記第２充電制御器２３により二次電池１７への電力供給が制限される。
【００２２】
一方、海上が凪状態で、曇天のような気象状況に変化した場合には波力発電装置１３および太陽光発電装置１０から電力監視制御器１９への電力供給が僅かになる。このような状況では、前記第１充電制御器２１に供給される電力量を余剰と判定されず、キャパシタ２２への電力供給がなされない。また、前記放電制御器２０で検出される直流電力量がしきい値未満になるため、二次電池１７と放電制御器２０の間のスイッチ２４がオンする。このスイッチ２４のオンにより、二次電池１７の放電電力が放電制御器２０を通して発光機１８に供給され、気象状況が変化しても発光機１８を継続的に発光させる。
【００２３】
前記リチウム二次電池は、リチウムチタン酸化物を活物質として含む負極およびγ−ブチルラクトンを含む電解液（例えばγ−ブチルラクトンとエチレンカーボネートを有機溶媒として含む電解液）を備えている。
【００２４】
活物質である前記リチウムチタン酸化物は、特開２００５−１２３１８３に開示されるとおり、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、リチウムイオンの挿入・離脱が１．４Ｖから１．７Ｖ／Ｌｉ付近で行われる。このため、この二次電池は大電流での急速充電を行っても、従来の負極活物質に炭素材料を用いた場合と比べてリチウムの析出が起こらずに安全性を確保できる。また、リチウムの吸蔵放出に伴う膨張収縮が生じるのを抑制することができるため、２０Ｃ電流の急速充電を繰り返し行った際にも負極活物質の構造破壊を抑えることができる。その結果、充放電を繰り返し行った場合においても長い寿命を維持できる。
【００２５】
また、電解液中の有機溶媒であるγ−ブチルラクトンは、低温特性に優れているため、この電解液を有するリチウムイオン二次電池はマイナスの温度（例えばマイナス２０℃）に達する洋上の環境下においても正常な充放電を行うことが可能になる。
【００２６】
具体的には、以下のような方法で組み立てたリチウムイオン二次電池は−１０℃の環境下にて２０Ｃで３分間充電することにより約８０％の電池容量まで充電することが可能な急速充電二次電池であることを確認した。ここで、『Ｃ』は充放電率を表す単位であり、完全放電から完全充電（または完全充電から完全放電）までを定電流充電した場合に計算上１時間で行えるレートを１Ｃとして表現する。１／１０時間の場合、１０Ｃと表現する。したがって、例えば２０Ｃ充電とは、１Ｃ充電の２０倍の電流が必要になる。
【００２７】
＜負極の作製＞
活物質として、平均粒子径５μｍでＬｉ吸蔵電位が１．５５Ｖ(ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ+)のチタン酸リチウム（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12）粉末と、導電剤として平均粒子径０．４μｍの炭素粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを重量比で９０：７：３となるように配合し、これらをｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散してスラリーを調製した。
【００２８】
なお、活物質の粒子径の測定には、レーザー回折式粒度分布測定装置（島津製作所株式会社  型番ＳＡＬＤ−３００）を用いた。まず、ビーカー等に試料約０．１ｇを入れた後、界面活性剤と１〜２ｍＬの蒸留水を添加して十分に攪拌し、攪拌水槽に注入した。２秒間隔で、６４回光強度分布を測定し、粒度分布データを解析し、累積度数分布が５０％の粒径（Ｄ５０）を平均粒子径とした。
【００２９】
次いで、厚さ１０μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）を負極集電体に前記スラリーを塗布し、乾燥した後、プレスを施すことにより電極密度２．４ｇ／ｃｍ3の負極を作製した。
【００３０】
＜正極の作製＞
活物質としてリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ2）と、導電材として黒鉛粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを重量比で８７：８：５となるように配合し、これらをｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散させてスラリーを調製した。厚さ１５μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）にスラリーを塗布し、乾燥した後、プレスすることにより電極密度３．５ｇ／ｃｍ3の正極を作製した。
【００３１】
＜二次電池の組み立て＞
容器（外装部材）の形成材料として、厚さが０．１ｍｍのアルミニウム含有ラミネートフィルムを用意した。このアルミニウム含有ラミネートフィルムのアルミニウム層は、膜厚約０．０３ｍｍであった。アルミニウム層を補強する樹脂には、ポリプロピレンを使用した。このラミネートフィルムを熱融着で貼り合わせることにより、容器（外装部材）を得、さらに金属アルミニウムの容器に収めた。
【００３２】
次いで、前記正極に帯状の正極端子を電気的に接続すると共に、前記負極に帯状の負極端子を電気的に接続した。厚さ１２μｍのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータを正極に密着させて被覆した。セパレータで被覆された正極に負極を対向するように重ね、これらを渦巻状に捲回して電極群を作製した。この電極群をプレスして扁平状に成形した。容器（外装部材）に扁平状に成形した電極群を挿入した。
【００３３】
エチレンカーボネート（ＥＣ）とγ−ブチルラクトン（ＧＢＬ）が体積比（ＥＣ：ＧＢＬ）で１：２の割合で混合された有機溶媒にリチウム塩であるＬｉＢＦ4を１．５ｍｏｌ／Ｌ溶解させ、液状の非水電解質を調製した。得られた非水電解質を前記容器内に注液し、リチウム二次電池を組み立てた。
【００３４】
直流電源に第１充電制御器、１００Ｆのキャパシタおよび第２充電制御器をこの順序で接続し、最後に得られた二次電池を第２充電制御器に接続した。直流電源から−１０℃の環境下にて直流電力を２０Ｃで３分間、第１充電制御器を通してキャパシタに供給し、このキャパシタから大電流の電力を第２充電制御器を通して二次電池に供給した。その結果、約８０％の電池容量まで充電することが可能であった。なお、この二次電池は満充電時電圧２．８Ｖ、放電終止電圧１．５Ｖで使用できた。
【００３５】
以上説明した実施形態によれば、リチウムチタン酸化物を活物質として含む負極を有するリチウムイオン二次電池１７、つまり大電流での急速充電が可能なリチウムイオン二次電池１７をキャパシタ２２と組み合わせてブイ本体１に装填することによって、気象状況に影響されることなく発光機１８を継続的に発光させることができるため、船舶の安全な航行等に寄与できる。
【００３６】
すなわち、波力発電装置１３および太陽光発電装置１０での発電電力量が余剰であるときには、その余剰電力を電力監視制御器１９から第１充電制御器２１、キャパシタ２２、第２充電制御器２３を通して前記二次電池１７に急速充電でき、海上が凪状態で、曇天のような気象状況に変化した場合にその二次電池１７からの放電電力により発光機１８を発光できる。
【００３７】
また、例えば海上が凪状態で、晴れたり、曇たりする気象状況のように太陽光発電装置１０で発電した余剰電力を電力監視制御器１９から第１充電制御器２１、キャパシタ２２、第２充電制御器２３を通して二次電池１７に十分に長い時間に亘って供給できない場合においても、前記二次電池１７は急速充電が可能（例えば２０Ｃで３分間充電することにより約８０％の電池容量まで充電することが可能）であるため、二次電池１７に満充電に近い状態まで充電できる。つまり、充電に１時間から２時間を要する二次電池が装填された従来の海上ブイではこのような気象状況下で二次電池を満充電に近い状態まで充電することは実質的に困難であり、発光機のバックアップ電源として十分に機能させることができなくなる。
【００３８】
したがって、大電流での急速充電が可能なリチウムイオン二次電池１７をキャパシタ２２と組み合わせてブイ本体１に装填することによって、気象状況に影響されることなく発光機１８を継続的に発光させることができるため、船舶の安全な航行等に寄与できる。
【００３９】
さらに、前記リチウムイオン二次電池１７は従来使用されている炭酸ジメチルや炭酸ジエチルに比べてマイナス温度（例えばマイナス２０℃）での電気伝導度が高く低温特性に優れたγ−ブチルラクトンを含む電解液を有するため、マイナスの温度（例えばマイナス２０℃）に達する洋上の環境下においても正常な充放電でなされ、発光機１８のバックアップ電源として機能させることができる。
【００４０】
さらに、大電流での急速充電が可能なリチウムイオン二次電池１７をキャパシタ２２と組み合わせにおいて、電力監視制御器から前記放電制御器に供給される電力量が余剰のときにその電力を前記キャパシタに供給するための第１充電制御器２１をキャパシタ２２の上流側に設け、かつ前記二次電池１７の充電状態を制御するとともに、前記二次電池１７が満充電状態のときに二次電池１７への電力供給を制限するための第２充電制御器２３を前記キャパシタ２２と二次電池１７の間に介装することによって、波力発電装置１３および太陽光発電装置１０での発電電力を二次電池１７に効率よく充電できるとともに、二次電池１７の寿命を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る海上ブイを示す概略断面図。
【図２】図１の海上ブイのブロック図。
【符号の説明】
【００４２】
１…ブイ本体、１０…太陽光発電装置、１２…波力発電装置、１７…リチウムイオン二次電池、１８…発光機、１９…電力監視制御器、２０…放電制御器、２１…第１充電制御器、２２…キャパシタ、２３…第２充電制御器、２４…スイッチ。
【図１】
2007237823.tif 000003
【図２】
2007237823.tif 000004