(57)【要約】      （修正有）【課題】電圧の変換ロスをなくし、蓄電機能を有し、安定性を高めた無損失ＤＣ−ＤＣ変換器を提供する。【解決手段】複数のキャパシタを逆流防止阻止を介して接続する。出力側にリップル防止コンデンサーを取り付ける。【選択図】図５
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
複数のキャパシタを逆流防止素子を介して接続して入力電圧を受け、当該キャパシタの直並列を所望出力電圧に合わせて接続変更して逆流防止素子を介して出力させる無損失ＤＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２】
入力電圧を計測してキャパシタ蓄電容量を推定して所望の電圧で入力を終了して出力に切り替えて、出力電圧を計測してキャパシタの直並列を切り替えて所望の出力電圧を得る請求項１の無損失ＤＣ−ＤＣ変換器。
【請求項３】
動作タイミングをずらした複数の請求項２の無損失出力を組み合わせた請求項２の無損失ＤＣ−ＤＣ変換器。
【請求項４】
出力側にリップル防止コンデンサーを取り付けた請求項３の無損失ＤＣ−ＤＣ変換器。
【請求項５】
多数のキャパシタをブロック化して、演算回路により各キャパシタの電圧測定を行い設計条件に基づき入力用か出力用判断し、逆流防止素子を介して直並列に接続して入力電圧を出力電圧に変換する請求項４の無損失ＤＣ−ＤＣ変換器。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は直流エネルギーの有効利用に関する物で、本考案の利用によって従来直流同士の電圧変換でもインバータ等により交流を介して行っていた為に発生していた変換ロスを無くすと共に、従来の数倍の電圧にワイドレンジ対応し、変換器自体に蓄電機能も持たせた、より安定性を高めたＤＣ−ＤＣ変換器に関するものです。また、高価な電源安定装置やバッテリーを取付けなければ、使用できなかった直流電源装置を安価に供給すると共に、災害等、万一の電力不足にも急速充電を可能にして利便性を高めたものでもあります。更に、太陽光発電パネルの不安定な電源から発電される朝夕の微小な電力や、風力発電、温度差発電等によって発生する微小な自然エネルギーを有効に蓄積して、変換するので、微小エネルギーを安定的に電力として供給できます。
【背景技術】
【０００２】  ＬＥＤ照明の発達による省エネルギーの兆しや大量に販売されている携帯電話等の電子機器が半導体で構成されている昨今、これらの半導体器機の実動作電圧は５Ｖ程度の低圧直流になっています。しかしながら、従来の配電システムが１００Ｖ交流等、交流を中心としたものであるため、近年の高効率器機に電力を供給する為に、わざわざ交流を低圧直流に変換して供給せざるを得なくなっています。また、太陽光発電等、自然エネルギーを利用した発電システムの多くは直流を発生するものの、これら自然エネルギーはその名の通り自然に由来するため、朝夕の太陽が昇って無い時や無風時の微小なエネルギーや風力発電が台風時に受ける設計値を越えるエネルギーまで時系列でワイドレンジに発生変化するため、従来の電力技術に合わせて、リミッター等を付けて、電力装置の破壊を防いだりしており、自然エネルギーの中から折角発電した電力を有効に利用出来ていません。太陽光発電を例に取ると、太陽光発電は太陽が出れば発電量が多くなり、雲がかかれば発電量が少なくなります。また、夜間や雨が降っても僅かながら発電しているにも関わらず、リミッター下限以下となり、発電していないと同等になってしまいます。また、太陽光発電では長雨が続いた場合には、もはや自然エネルギーには期待できず、この様な場合でも、困る事無く簡単に、電源からバックアップできなくてはユーザーの自然エネルギーに対する信頼は得られません。従って、従来は、バッテリーを使ったり、商用電力系統と電力疎通ができる様にコンディショナーと言われる部品を入れたりと複雑で購入価格も高く、法規制に縛られ、メンテナンスも大変な装置を使っていました。地球温暖化防止に伴い、電力使用量を抑制すると言う省エネルギーは大きなテーマになっていますが、それをカバーする為に、バッテリーを取付けたり、売電をしたりと、電気を使う為に何度も変換して、高価で多大な電装品を利用せざるを得ない状況にあり、採算性も悪い為に、補助金等の工夫がされているが、なかなか思うように普及せずに、自然エネルギー利用以前に、家庭やオフィスの省エネルギーが進行していません。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００３】    従来、直流のある電圧から所望する直流電圧に変換する場合、一度交流に変換して、再度、直流に直して変換していました。その為に、変換ロスが発生すると共に、変換装置を守る為に、設計値を越える微小エネルギーや大エネルギーでは、リミッターで切り捨てて変換装置の破壊を防いでいたため、狭い変換許容値であり、太陽光発電等の自然エネルギーの様なワイドレンジな入力に関しては結果的に大変効率の悪いものでした。また、ＤＣ−ＤＣ変換装置はその名の通り、変換だけを目的としており、外部にバッテリーやコンディショナー等の装置を別に取り付けなくては電力供給源として使えませんでした。本考案では、無損失でワイドレンジに電圧変換を可能にすると共に、電力蓄積機能を持たせる事で安定給電を計り、万一の欠電に急速充電を可能として、ただ単なる無損失ＤＣ−ＤＣ変換器ではなく実用電源にしようとするものです。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  本考案は、入力側はキャパシタが直流電源のリップル等の不安定な波動を吸収する性質と急速充電機能を持ち合わせる事を利用して、微小電力から大電力までを蓄積させます。太陽光発電パネル等発電量が不安定ではあるが、確実に発電する自然エネルギーの電力をまさにタンクの様に、バラツキを大きなリップルと考えてキャパシタに溜め込みます。当然、安定した直流電力であっても同様にキャパシタに貯め込みます。
キャパシタは最大電圧が規定されていますが、最小電圧の制限が無い為、入力電圧に対して十分余裕を持った許容電圧になるように設定します。この時に、入力電圧や電気蓄積目標容量に合わせて、複数個のキャパシタを直列や並列に接続して、入力電圧を各キャパシタに蓄積させます。キャパシタの直並列切替は従来力率改善に使われて来たため、接続切替そのものは大きな過去の実績があります。キャパシタは電気蓄積量と電圧が既知の特性線を描く特徴を持っていますので、各キャパシタ端子間の電圧を計測することにより、各キャパシタ内部の電気蓄積量を確実に把握することができます。
また、個々のキャパシタの過去の利用履歴と合計電圧を計測することにより、個別に電圧計測しなくとも演算によって各キャパシタ内部の電気蓄積量及び電圧を推定することも出来ます。
太陽光等の微小電力に限らず、緊急時等の瞬時加圧による電気蓄積や深夜電力による安価な電力供給も同様な仕組みで出来ます。
次に、出力側は必要な電圧に合わせて、電気蓄積されたキャパシタの中から選択的に接続するキャパシタを選び出します。入力側と同様に使用電圧や容量に合わせて、直列、並列の組み合わせ接続をします。選択されたキャパシタは電力使用と共に電気蓄積容量が減り電圧低下しますので、更に別のキャパシタを組み合わせ接続して電圧低下を防ぎます。また、接続切替時のリップルを防ぐ為に出力側にはリップル防止コンデンサーを入れておきます。その一方、ＬＥＤ照明の様に断続的な電圧によって流入電力を調整する器機には、接続切替を断続的に行う事により、特別な変換器無しに直接給電できます。
これらの接続切替を電圧計、リレー等の接続切替回路、演算コンピュータによって希望出力電圧に合わせる様に自動的に行う事により、安定的電圧を供給します。また、前述の通り、キャパシタは個々に電圧計測しなくとも、電気蓄積しそれに比例した電圧を出しますので、出力電圧変動が厳しくないものについては、過去の利用経歴と入力側印加電圧と出力電圧がわかれば、演算のみによって、順次切り替える事も可能です。
これらのキャパシタが電気的に混触しないように逆流防止素子を適宜に配置します。
【考案の効果】
【０００５】  本考案により、太陽光発電等の自然エネルギーが発生した微小電力から最大電力まで無駄なくキャパシタの組合せで蓄積し、使用することが出来ます。また、深夜電力や緊急充電、キャパシタグリッド等、電力需要の即応体制を作る事が出来ます。蓄積された電力はキャパシタの直並列接続の利用によりインバータやトランスを使用する事無く目標電圧で取り出す事が出来ますので、変換ロスが全くありません。キャパシタの急速充電機能を利用すれば、数秒単位での商用電源利用となり、本考案による無損失ＤＣ−ＤＣ変換器を使用することにより夜間電力利用、無効電力利用と大幅な省エネが達成できると共に、部品点数の減少やバッテリー不使用によるメンテナンスフリーを実現し、コストダウンが図れます。更に、自然エネルギーを信頼出来る電力として使う事が可能になります。
【考案を実施するための最良の形態】
【０００６】  考案を簡単に示す為に、図１に入力電圧１０Ｖを出力電圧２．５Ｖに降圧して使う場合と逆に入力電圧２．５Ｖを出力電圧１０Ｖに昇圧して使う場合の概念図を示します。まず、図１で入力電圧１０Ｖを出力２．５Ｖに降圧して使う場合を説明します。４個の最大許容電圧２．５Ｖのキャパシタ（１−１）から（１−４）を逆流防止素子（２−１−１）から（２−４−１）、を介して直列接続して入力電圧を印加して１０Ｖまでキャパシタに電力蓄積します。（図１（ａ））次にキャパシタ（１−１）から（１−４）を逆流防止阻止（２−１−２）から（２−４−２）を介して並列に接続して２．５Ｖ出力を得ます。（図１（ｂ））キャパシタ特性から電力利用と共に電圧が低下してくるので、キャパシタ（１−１）と（１−２）を直列にして、更に（１−３）と（１−４）を直列したものを逆流防止阻止（２−１−２）から（２−４−２）を介して並列接続して、再度２．５Ｖを得ます。（図１（ｃ））更に電圧使用と共に電圧が低下してきますので、キャパシタ（１−１）から（１−４）を防止阻止（２−１−２）から（２−４−２）を介して直列接続して、再度２．５Ｖを得ます。（図１（ｄ））また、蓄電を必要としない場合は図１（ａ）と図１（ｂ）のみの繰り返しのみで対応もできます。
次に同様に図２で電圧２．５Ｖ受電を１０Ｖに昇圧して使う場合を説明します。１６個の最大許容電圧２．５Ｖのキャパシタ（１−１）から（１−１６）を逆流防止素子（２−１−１）から（２−１６−１）、を介して並列接続して２．５Ｖまで電圧蓄積します。（図２（ａ））次にキャパシタ（１−１）から（１−４）を逆流防止阻止（２−１−２）から（２−４−２）を介して直列に接続して１０Ｖ出力を得ます。この時にキャパシタ（１−５）から（１−８）、（１−９）から（１−１２）、（１−１３）から（１−１６）も同様に直列にしてこれらを並列に接続します。（図２（ｂ））電力利用により、電圧が低下してくるので、キャパシタ（１−１）から（１−８）逆流防止素子（２−１−２）から（２−８−２）、を介して直列接続してキャパシタ（１−９）から（１−１６）を直列したものを並列に接続して再度、１０Ｖを得ます。（図２（ｃ））更に電圧が低下しきたら、キャパシタ（１−１）から（１−１６）を逆流防止素子（２−１−２）から（２−１６−２）を介して直列に接続して再度１０Ｖを得ます。（図２（ｄ））また、蓄電を必要としない場合は図２（ａ）と図２（ｂ）のみの繰り返しのみで対応もできます。
図１、図２の電力出力カーブを図３（ａ）（ｂ）に示します。また、電圧変動を小さくする為に、それぞれのユニットを、複数用意して、蓄電と放電を交互にして連続利用すると共に、若干の電圧低下した段階で次のユニットを並列にスタートして、電圧低下を平準化した例を図３（ｃ）に示します。
また、意図的に切替スイッチで出力ＯＮ−ＯＦＦして出力を調整して、ＬＥＤ等の入力制限回路に直接使う事も出来ます。図３（ｄ）
図４に図１から図３を実現する為の回路の一例を示します。入力電圧及び出力電圧を計測して、キャパシタ内の蓄積電力を推定して、入出力切替スイッチ（３）によって入力と出力を切り替えます。これと共に逆流防止阻止の極性を反対にします。また、直並列切替スイッチ（４）でキャパシタの直並列を切り替えます。
図５に更に、電力の安定を必要とする場合、多数のキャパシタをブロック化して、演算回路で、入力電圧、出力電圧、個々のキャパシタ電圧を計測して、選択的にキャパシタブロックから逆流防止素子を介して適宜のキャパシタを選択して接続する例を示します。
【図面の簡単な説明】
【図１】１０Ｖを２．５Ｖに変換する例
【図２】２．５Ｖを１０Ｖに変換する例
【図３】出力特性図
【図４】シンプルな実施回路の例１
【図５】演算でランダムにキャパシタを選択する実施回路の例
【符号の説明】（１）はキャパシタ（１−１〜１−１６）
（２）は逆流防止素子（２−１−１〜２−１６−１）（２−１−２〜２−１６−２）
（３）は入出力切替スイッチ
（４）は直並列切替スイッチ
（５）は出力リップル防止コンデンサー
（６）は電圧計
【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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