(57)【要約】【課題】商用交流電源と自然エネルギの両方を利用して直流電源を供給するシステムにおいて、発電量が少ないときでも自然エネルギーを効率的に利用できる安価な直流電源給電システムを提供する。【解決手段】実施形態に係る直流電源給電システム１０は、商用交流電源を利用して所定電圧を出力する全波整流回路４０と、太陽光エネルギを利用して発電するソーラーセル３、該ソーラーセル３の出力電圧を昇圧する昇圧回路３９、該昇圧回路のスイッチングを制御する制御手段４７を含むソーラーセル電源回路３３と、アノードが前記全波整流回路４０に接続される第1ダイオード３４、アノードが前記ソーラーセル電源回路３３に接続され、カソードが前記第1ダイオード３４のカソードと共に出力端に接続される第２ダイオード３５を含み、負荷に電力を供給する逆流防止用素子とを具備する。前記制御手段４７は、前記ソーラーセル３の出力電圧が所定電圧を維持するように、前記昇圧回路３９に対するスイッチング制御信号のデューティー比を可変する。【選択図】図１
2013069225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源を利用して所定電圧を出力する全波整流回路と；
太陽光エネルギを利用して発電するソーラーセルと、該ソーラーセルの出力電圧を昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路のスイッチングを制御する制御手段とを含むソーラーセル電源回路と；
アノードが前記全波整流回路に接続される第1ダイオード、アノードが前記ソーラーセル電源回路に接続され、カソードが前記第1ダイオードのカソードと共に出力端に接続される第２ダイオードを含み、負荷に電力を供給する逆流防止手段と；
を具備し、
前記制御手段は、前記ソーラーセルの出力電圧が所定電圧を維持するように、前記昇圧回路に対するスイッチング制御信号のデューティー比を可変することを特徴とする直流電源システム。
【請求項２】
前記所定電圧は、前記ソーラーセルの出力電力が最大となる電圧であることを特徴とする請求項１記載の直流電源システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の直流電源システムと、
複数のＬＥＤを含み、前記直流電源システムからの電力を受け発光する照明部と、
を具備することを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、交流電源を直流電源に変換する直流電源回路と、自然エネルギーを直流電源に変換する発電手段とを用いた直流電源給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば太陽光発電システムは、ソーラーセル出力が天候に大きく左右され、かつ夜間は発電しないことから、ソーラーセルと商用交流電源とを組み合わせ、前記不安定さを商用交流電源で補い、安定した電力を電気機器に供給することが行われている。そして、当該ソーラーセルの日照低下時の出力不足を、瞬断を起すことなくかつハードウェアを増大させずに、連続的に商用交流電源から電力補給を行うことができる太陽電池電源が提案されている。
【０００３】
この従来技術の太陽電池電源は、商用交流電源とソーラーセルとをそれぞれ逆流防止用ダイオードを介して直流連系し、ソーラーセルの動作電圧を商用交流電源よりも大きく設定し、日照が充分ある場合にはソーラーセルから電力供給を行い、日照不足でソーラーセルの出力電圧が低下したときには、商用交流電源から電力の供給を行うものである。そして、商用交流電源またはソーラーセルの出力は、電圧変換回路で負荷（例えば照明器具）に対して適切な電圧に変換されるものである。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１９９６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ソーラーセルを照射する日照は、常時変化しているので、ソーラーセルの出力電圧は、常時かつ短時間で変動する。例えば、太陽光が雲などにより遮られると、日照が急激に変化し、ソーラーセルの出力電圧が急激に低下する。 
上記したように、従来技術の太陽電池電源は、商用交流電源とソーラーセルとを逆流防止用ダイオードを介して結合しているため、曇りの日はソーラーセルの出力電圧が低減し、終日商用交流電源から電力の供給を行なうという欠点を有する。
【０００６】
ソーラーセルと商用交流電源とを組合せた電源の場合、日照不足でソーラーセルの出力電圧が低下したとき、商用交流電源のみから電力が負荷に供給され、ソーラーセルにより発電された電力が活用されない。
【０００７】
本発明の実施形態は、商用交流電源と自然エネルギの両方を利用して直流電源を供給するシステムにおいて、発電量が少ないときでも自然エネルギーを効率的に利用できる安価な直流電源給電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る直流電源給電システムは、商用交流電源を利用して所定電圧を出力する全波整流回路と、太陽光エネルギを利用して発電するソーラーセル、該ソーラーセルの出力電圧を昇圧する昇圧回路、該昇圧回路のスイッチングを制御する制御手段４７を含むソーラーセル電源回路と、アノードが前記全波整流回路に接続される第1ダイオード、アノードが前記ソーラーセル電源回路に接続され、カソードが前記第1ダイオードのカソードと共に出力端に接続される第２ダイオードを含み、負荷に電力を供給する逆流防止手段とを具備する。前記制御手段は、前記ソーラーセルの出力電圧が所定電圧を維持するように、前記昇圧回路に対するスイッチング制御信号のデューティー比を可変する。
【発明の効果】
【０００９】
商用交流電源と自然エネルギの両方を利用して直流電源を供給するシステムにおいて、発電量が少ないときでも自然エネルギーを効率的に利用できる安価な直流電源給電システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態を示す直流電源給電システムの概略回路図である。
【図２】ソーラーセル３を構成する単位ソーラーセル１枚の電気的特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
請求項１の発明は、商用交流電源を利用して所定電圧を出力する全波整流回路と；太陽光エネルギを利用して発電するソーラーセルと、該ソーラーセルの出力電圧を昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路のスイッチングを制御する制御手段とを含むソーラーセル電源回路と；アノードが前記全波整流回路に接続される第1ダイオード、アノードが前記ソーラーセル電源回路に接続され、カソードが前記第1ダイオードのカソードと共に出力端に接続される第２ダイオードを含み、負荷に電力を供給する逆流防止手段と；を具備し、前記制御手段は、前記ソーラーセルの出力電圧が所定電圧を維持するように、前記昇圧回路に対するスイッチング制御信号のデューティー比を可変することを特徴とする直流電源システム。
【００１２】
請求項２の発明は、前記所定電圧は、前記ソーラーセルの出力電力が最大となる電圧であることを特徴とする請求項１記載の直流電源システム。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の直流電源システムと、複数のＬＥＤを含み、前記直流電源システムからの電力を受け発光する照明部とを具備することを特徴とする照明装置。
【００１４】
以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１は、実施形態を示す直流電源給電システム１０の概略回路図である。
【００１６】
直流電源給電システム１０は、発電手段としてのソーラーセル３、昇圧手段としての昇圧回路３９、第１及び第２の逆流防止用素子３４、３５、電圧検出手段としての電圧検出回路３６、平滑フィルタ回路３７、及び複数の照明器具３８を含み、昇圧回路３９と全波整流回路４０とが逆流防止用素子３４、３５を介して結合された構成となっている。
【００１７】
全波整流回路４０は、ノイズフィルタ回路４２、全波整流器４３、及びコンデンサＣ１１を含む。ノイズフィルタ回路４２は、トランスＴ１１を有して形成されている。全波整流器４３の入力端子は、ノイズフィルタ回路４２を介して商用交流電源Ｖｓに接続されている。全波整流器４３の出力端子間にコンデンサＣ１１を接続している。コンデンサＣ１１の低電位側は、コンデンサＣ１２を介してアースＥに接続されている。
【００１８】
全波整流器４０は、商用交流電源Ｖｓからの交流電圧例えばＡＣ１００Ｖを全波整流し、この全波整流電圧をコンデンサＣ１１の両端間に出力する。コンデンサＣ１１は、電圧平滑化及びノイズフィルタ用として機能するものであり、その容量が例えば０．４７μＦに設定されている。
【００１９】
ソーラーセル３は、複数（例えば１１枚）の単位ソーラセルが直列接続されていて、自然エネルギーである太陽光から電力を発電する。ソーラーセル３の出力端はコンデンサＣ１５が接続されると共に、電界効果トランジスタＱ１２を介して昇圧回路３９の入力端に接続される。昇圧回路３９の正側出力端は逆流防止用素子３５を介して全波整流回路４０の出力側に接続されている。ソーラーセル３及び昇圧回路３９はソーラーセル電源回路３３を構成する。
【００２０】
第１及び第２の逆流防止用素子３４、３５は、それぞれダイオードからなり、それぞれのカソード側が共通に接続されている。第１の逆流防止用素子３４は、全波整流回路４０の高電位側出力端に接続され、第２の逆流防止用素子３５は、昇圧回路３９の高電位側出力端に接続されている。第１の逆流防止用素子３４及び第２の逆流防止用素子３５は、照明器具３８への出力電流が逆流することを阻止する。
【００２１】
全波整流回路４０、及びソーラーセル電源回路３３の低電位側出力端はノードＢで共に接続されている。第１及び第２の逆流防止用素子３４、３５のそれぞれのカソード側はノードＡで共に接続されている。こうして、全波整流回路４０とソーラーセル電源回路３３とが組み合わされ、ノードＡ及びＢは全波整流回路４０及びソーラーセル電源回路３３の共通の出力端子となっている。共通の出力端子Ａ及びＢ間には、全波整流回路４０から出力された電圧及びソーラーセル電源回路３３から出力された出力電圧のうち、大きい方の電圧が発生する。
【００２２】
照明器具３８は、負荷として発光ダイオード（ＬＥＤ）４５を面状配列していて、複数個の照明器具３８が平滑フィルタ回路３７を介して前記共通の出力端子Ａ及びＢ間に並列に接続されている。照明器具３８の内部には、図示しない電源装置が配設されており、この電源装置は、所定範囲の電圧例えば３７０Ｖ〜４００Ｖを入力し、発光ダイオード４５に所定電流を供給して発光ダイオード４５を点灯させるように構成されている。発光ダイオード４５は、点灯して可視光例えば白色光を放射する。
【００２３】
照明器具３８の少なくとも１個には、センサ装置４６が接続されている。このセンサ装置４６は、例えば人感センサや照度センサなどである。そして、照明器具３８内の電源装置は、センサ装置４６の動作に応じて発光ダイオード４５を点灯／消灯または調光点灯させる。この負荷変動に応じて、前記共通の出力端子間の電圧が変動する。すなわち、照明器具３８の電源装置に入力する入力電圧が変動する。
【００２４】
平滑フィルタ回路３７は、インダクタＬ１２及びコンデンサＣ１４からなり、前記共通の出力端子間に直列にインダクタＬ１２及びコンデンサＣ１４の直列回路が接続されている。平滑フィルタ回路３７は、共通の出力端子間の電圧が短時間または急激に変動すると、当該電圧変動を抑制するように作用する。すなわち、共通の出力端子間の電圧が上昇すると、平滑フィルタ回路３７には、共通の出力端子間の高電位側から低電位側に電流が流れる。これにより、共通の出力端子間の電圧上昇が抑制される。また、共通の出力端子間の電圧が低下すると、平滑フィルタ回路３７から、インダクタＬ１２に蓄えられた電磁エネルギーによる電流やコンデンサＣ１４の放電電流が共通の出力端子間の高電位側に流れるものである。これにより、共通の出力端子間の電圧低下が抑制される。
【００２５】
前記共通の出力端子Ａ、Ｂ間の電圧が変動するのは、上述した照明器具３８の負荷変動の他に、ソーラーセル電源回路３３の出力変動が挙げられる。すなわちソーラーセル３は、例えば太陽光が雲などで遮られると、その出力電圧が急激に低下する。
【００２６】
電圧検出回路３６は、抵抗Ｒ１３及び抵抗Ｒ１４の直列回路を含み、前記共通の出力端子Ａ、Ｂ間に接続されて、共通の出力端子間に発生する電圧を検出する。また電圧検出回路３６は、全波整流回路４０からの電圧と、この電圧を超えるソーラーセル電源回路３３の出力電圧を検出するために設けられている。
【００２７】
一方、昇圧回路３９は、電圧検出回路４９、電界効果トランジスタＱ１２、Ｑ１３、インダクタＬ１３、ダイオードＤ１２、平滑用コンデンサＣ１６、電圧検出回路４９及び第２の制御回路４７を含む。第２の制御回路４７は電界効果トランジスタＱ１３をオンオフ制御してソーラーセル３の出力電圧Ｖ１を昇圧する。昇圧された電圧は平滑用コンデンサＣ１６により平滑化され、前記共通の出力端子間に出力される。
【００２８】
また第２の制御回路４７は、電圧検出回路３６が検出した前記共通の出力端子間に発生している電圧に対応する電圧を入力し、当該出力端子間電圧が所定値例えばＤＣ４２０Ｖ以上のときには、昇圧回路３９の出力電圧が低下するように電界効果トランジスタＱ１３のオンオフ動作を制御する。
【００２９】
更に第２の制御回路４７は、電圧検出回路４９で検出されたソーラーセル３の出力電圧Ｖ１に応じて、電界効果トランジスタＱ１２をオンオフ制御する。例えば、日照量がある程度あり、ソーラーセル３の出力電圧Ｖ１が所定値以上であれば、電界効果トランジスタＱ１２をオン状態とする。詳細は後述する。
【００３０】
次に、本実施形態の作用を詳細に説明する。
【００３１】
図２は、ソーラーセル３を構成する単位ソーラーセル１枚の電気的特性の一例を示す図である。横軸は出力電圧[Ｖ]、左縦軸は出力電流[Ａ]、右縦軸は出力電力[Ｗ]である。ソーラーセル３は前述したように単位ソーラーセルが例えば１１枚直列に接続して構成されている。
【００３２】
左上に示す数値は日照量である。すなわち、特性ａ、ｂ、ｃは、日照量がそれぞれ１０００Ｗ／ｍ２、８００Ｗ／ｍ２、６００Ｗ／ｍ２の場合の電流／電圧特性である。このようにソーラーセルは、０−２５Ｖ程度までは定電流特性を示し、その後、負荷抵抗の増大に応じて出力電流は減少する。
【００３３】
特性ｄ、ｅ、ｆは、日照量がそれぞれ１０００Ｗ／ｍ２、８００Ｗ／ｍ２、６００Ｗ／ｍ２の場合の出力電力を示す。このようにソーラーセルの出力電力は、電圧（負荷）の増加に伴い２５Ｖ程度までは直線的に増加するが、その後、傾きは小さくなり、所定電圧Ｖｐ（本例では２６．２Ｖ）でピーク値となり、その後、電圧の増加に伴い急激に減少する。
【００３４】
このようにソーラーセルの出力電力は、日照量に関わらず、所定電圧Ｖｐでピークとなる。前述したように、ソーラーセル３は単位ソーラーセルを１１枚直列に接続して構成されているので、この電圧Ｖｐはソーラーセル３の出力電圧としては１１×Ｖｐ[Ｖ]（＝２８８．２Ｖ）として発生する。この電圧（１１×Ｖｐ）をＶｐｔとする。
【００３５】
第２の制御部４７は、電圧検出回路４９にてソーラーセル出力電圧Ｖ１を常に検出し、出力電圧Ｖ１が電圧Ｖｐｔに一致するように、昇圧回路３９の電圧効果トランジスタＱ１３に与えるスイッチング制御信号のデューティ比を可変する。この結果、電圧検出器３６で検出される電圧Ｖ３が所定値例えばＤＣ４２０Ｖ以上のときを除き、ソーラーセル３は常に電圧Ｖｐｔ、ピーク電力値で発電することになる。従って本実施形態によれば、ソーラーセルの効率的な発電が実現される。
【００３６】
更に第２の制御回路４７は、電圧検出回路４９で検出されたソーラーセル３の出力電圧Ｖ１に応じて、電界効果トランジスタＱ１２を制御する。
【００３７】
ソーラーセル３は日照量が少ないと発電量は少なく、昇圧回路３９を動作させ電流を流し続けると、出力電圧Ｖ１は低電圧を維持する。しかし電流を実質的に停止すると、出力電圧Ｖ１は上昇し、昇圧回路３９で昇圧した場合に３８０Ｖを超える電圧となる。
【００３８】
第２の制御回路４７はシステムの起動時に、電界効果トランジスタＱ１２をオフし、出力電圧Ｖ１が電力ピーク時の電圧Ｖｐｔより低い所定電圧Ｖｓ１に到達している場合に、電界効果トランジスタＱ１２をオンすると共に電界効果トランジスタＱ１３の動作を開始する。また第２の制御回路４７はシステムの動作中、出力電圧Ｖ１が上記所定電圧Ｖｓ１より低いＶｓ２に達した場合、電界効果トランジスタＱ１２をオフすると共に電界効果トランジスタＱ１３の動作を停止する。第２の制御回路４７は出力電圧Ｖ１が所定電圧Ｖｓ１に到達してした場合に、電界効果トランジスタＱ１２をオンすると共に電界効果トランジスタＱ１３のチョッパー動作を再開する。従って本実施形態によれば、日照が少ない場合でもソーラーセルの効率的な発電を実現することが可能となる。
【００３９】
以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。また本発明は、太陽光発電システムや風力発電システムなど、自然エネルギーを利用する発電システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
３３…ソーラーセル電源回路、３６、４９…電圧検出回路、３７…平滑フィルタ回路、３８…照明器具、３９、４０…全波整流回路。
【図１】
2013069225.tif 000003
【図２】
2013069225.tif 000004