JP2010104117A - 太陽電池による電源装置及びその充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】曇天時の日照時間の変動が多い場合においても効率良く太陽電池から電力を取り出すことが可能な太陽電池による電源装置及びその充電方法を提供する。
【解決手段】センサ部から日射量を取得しその差分によって、日射量が安定しているか変動しているかを任意の閾値によって判定し、安定している場合は充電時間に時間のかかる鉛蓄電池を充電し、変動する場合は、キャパシタモジュールに接続を切替えて充電する。ここで、キャパシタモジュールは少なくとも一つ以上のキャパシタで構成されている。キャパシタの充電時間は静電容量の逆数に比例するため、比較的小さい静電容量のキャパシタで構成する。また、太陽電池から取り出せる充電電流を取得し、一つ当たりの充電時間を計算する。この充電時間によって複数のキャパシタを順次切替えて充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用電源を得ることが出来ない場所などに設置される電気機器における電源の充電方法に関し、特に、鉛蓄電池などの蓄電池と共にキャパシタとを利用して太陽電池により充電を行う太陽電池による電源装置及びその充電方法に関する。

種々の電気機器の中には、例えば、プラント内の隔離された場所など、通常の商用電源からの電力の供給が困難な場所に設置される機器が存在し、かかる場合、一般に、太陽電池を利用して、当該機器に必要な電力を供給することが行われている。

一方、太陽電池では、その出力が最大となる点が存在し、この点（最大出力点）は、例えば、日射量や気温などの自然環境によって変化し、そのため、太陽電池による発電効率を低下させる要因となっている。

また、太陽電池から取り出した電力を蓄電するためには、一般に、鉛蓄電池が用いられている。しかしながら、かかる鉛蓄電池には、その充放電が可能な回数に限界があり、更には、鉛蓄電池の充電時間は比較的長いため、太陽電池のように出力電圧の変動が大きい電源にはあまり適していないという問題点があった。

そこで、従来、充放電回数が蓄電池と比べて非常に多く、急速充電の可能な大容量キャパシタを利用した方法が提案されており、また、太陽電池から効率良く電力を得る方法として、様々な最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）回路による充電方法が提案されている。

例えば、以下の特許文献１には、太陽電池より得られる電気エネルギを電気二重層コンデンサに充電する充電方法であって、太陽電池と電気二重層コンデンサとの間に、太陽電池の最大出力点に相当する負荷として動作するパワートラック機能を有する電流出力型のスイッチング・レギュレータを介在させ、スイッチング・レギュレータの電流出力の電流設定値（充電電流値）を電気二重層コンデンサの電圧と充電電流との積が上記太陽電池の最大出力に可及的に等しくなるように制御し、もってスイッチング・レギュレータにより電気二重層コンデンサを充電する方法が記載されている。

また、以下の特許文献２には、複数のキャパシタを切替えて効率良く充放電を行い、太陽電池のように電圧変動の大きな電源を使用する場合にも有効な方法が記載されている。

特許第３５５９８０３号公報 特開２００１−３０９５６９号公報

しかしながら、太陽電池より得られる電気エネルギをキャパシタに充電する場合、晴天時においては十分な充電能力を得ることが出来るが、特に、曇天時においては、日射量が数分単位で変動する。一方、大容量のキャパシタの充電時間は、定電流充電時においては静電容量の逆数に比例している。すなわち、静電容量が大きいほど充電時間が長く、小さいほど充電時間が短いことになる。従って、変動の多い電力を大容量バッテリに充電するのは好ましくない。

一方、複数のキャパシタを並列にして合成静電容量を増やして運用する際には、各キャパシタの充電後の電圧を一致させるための回路が、別途、必要となる。また、日照時間が短く、しかし充電時間が長いことで電圧が上昇していない場合には、後段にＤＣ−ＤＣコンバータなどを配置する必要があり、かかる場合には、太陽電池の発電効率も、当該ＤＣ−ＤＣコンバータによって制限されることとなり、好ましくない。

そこで、本発明では、上述した従来技術における問題点に鑑み、曇天時の日照時間の変動が多い場合においても、太陽電池から効率良く電力を取り出すことが可能な太陽電池による電源装置及びそのための充電方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、太陽電池と、蓄電部と、前記太陽電池で発生した電力を前記蓄電部へ充電する充電回路と、少なくとも前記充電回路の動作を制御するための制御部とを備え、電気的に接続された負荷部へ当該蓄電部からの電力を供給する太陽電池による電源装置であって、更に、前記太陽電池への日射量を取得するセンサ部を備えると共に、前記蓄電部は、蓄電池を含め、複数の並列に接続されたキャパシタとから構成されており、そして、前記制御部は、前記充電部から前記太陽電池からの充電電流を取得すると共に、前記センサ部から日射量を取得し、前記取得した日射量の変動に応じて、前記蓄電部を構成する前記蓄電池及び複数並列接続された前記キャパシタを含むキャパシタモジュールの何れか一方に、前記太陽電池で発生した電力を充電する太陽電池による電源装置が提供される。

また、本発明では、前記に記載した電源装置において、更に、前記蓄電部と前記充電回路との間にはスイッチングを備えており、前記制御部は、当該スイッチングを介して、前記蓄電部を構成する前記蓄電池及び複数並列接続された前記キャパシタを含むキャパシタモジュールの何れか一方に、前記太陽電池で発生した電力を充電することが好ましく、更には、前記キャパシタモジュールは第２のスイッチング部を備えており、前記制御部は、前記太陽電池で発生した電力を前記キャパシタモジュールに充電する場合、前記取得した充電電流と前記日射量とから前記キャパシタモジュールを構成するキャパシタの充電時間を計算し、もって、前記複数のキャパシタモジュールを構成するキャパシタへの充電を、前記第２のスイッチング部を介して、当該計算した充電時間で切替えることが好ましい、さらに、前記充電回路は、ＭＰＰＴ充電回路から構成されていることが好ましい。

また、本発明では、やはり、上記の目的を達成するため、太陽電池と、蓄電池を含め、複数の並列に接続されたキャパシタとから構成された蓄電部と、前記太陽電池で発生した電力を前記蓄電部へ充電する充電回路とを備え、電気的に接続された負荷部へ当該蓄電部からの電力を供給する電源装置において、前記太陽電池からの電力を前記蓄電部へ充電するための充電方法であって、前記太陽電池への日射量を取得し、前記太陽電池からの充電電流を取得し、そして、前記取得した日射量の変動に応じて、前記蓄電部を構成する前記蓄電池及び複数並列接続された前記キャパシタを含むキャパシタモジュールの何れか一方に、前記太陽電池で発生した電力を充電する太陽電池による充電方法が提供される。

そして、本発明では、前記に記載した充電方法において、前記太陽電池で発生した電力を前記キャパシタモジュールに充電する場合、前記取得した充電電流と前記日射量とから前記キャパシタモジュールを構成するキャパシタの充電時間を計算し、もって、前記複数のキャパシタモジュールを構成するキャパシタへの充電を、前記第２のスイッチング部を介して、当該計算した充電時間で切替えることが好ましい。

上述した本発明になる太陽電池による電源装置及びそのための充電方法によれば、晴天時には勿論、曇天時のように日照時間の変動が大きい場合においても効率良く充電を行うことが可能であり、特に、負荷が小電流駆動の機器に適している。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

添付の図１は、本発明の一実施の形態になる太陽電池による発電システム（電源装置）、即ち、太陽電池により電池とキャパシタとを備えた蓄電部に、効率よく充電を行うための充電回路を示すブロック図である。図からも明らかなように、この発電システム（電源装置）は、基本的には、発電手段である太陽電池１と、充電部（回路）２と、鉛蓄電池９とキャパシタモジュール１０とから成る蓄電部とを備えており、当該太陽電池１により発電され、又は、蓄電部に蓄積された電力を、上記充電回路を介して、例えば、プラント内の隔離された通常の商用電源からの電力の供給が困難な場所に設置された電機機器である負荷１１に対して、必要な電力を供給する。なお、以下に詳細に説明する実施の形態では、その一例として、例えば、省電力機器である、例えば無線センサネットワークの中継端末を、屋外に配置し、太陽電池によって運用する場合について説明する。

なお、上記の充電部（回路）２は、その内部に、最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）回路からなるＭＰＰＴ充電部３と、スイッチング部５と、そして、例えば、マイクロコンピュータから構成され、本システムの各部の動作を制御するための制御部６とを備えている。また、図中の符号７、８は、それぞれ、鉛蓄電池９とキャパシタモジュール１０に接続されたスイッチＡ、スイッチＢを示しており、そして、本発明では、更に、日射量をリアルタイムで測定するセンサ部５が設けられている。

即ち、上記に概略構成を説明した発電システム（電源装置）においては、当該充電部（回路）２は、上記太陽電池１からの電力を、負荷１１に対して供給し、又は、上記スイッチング部５により制御されるスイッチＡ７、スイッチＢ８を介して、上記蓄電部を構成する鉛蓄電池９とキャパシタモジュール１０に対し、選択的に供給することとなる。

続いて、発電システムを構成する各部の詳細について説明すると、上記ＭＰＰＴ充電部３は、太陽電池から電力を効率よく取り出すためのものである。なお、ＭＰＰＴ回路としては様々な回路が提案されているが、本実施例では、最も基本的なものを使用するものとする。ただし、太陽電池は定電流電源の性質があるため、充電電圧が多少低くても、最大動作点と同等の電流を太陽電池から取り出すことができる。即ち、上記ＭＰＰＴ充電部３は、その最大電力点追従回路により蓄電部を効率良く充電すると共に、充電電流の値を、信号Ｓ１として上述した制御部６へ出力している。更に、日射量をリアルタイムで測定するセンサ部５により測定された日射量も、信号Ｓ２として出力され、やはり、上述した制御部６へ送られている。

一方、上述した制御部６は、各部の動作を制御すると共に、特に、上記ＭＰＰＴ充電部３からの充電電流の値を示す信号Ｓ１や上記センサ４からの日射量を示す信号Ｓ２を入力して、スイッチ７、スイッチ８に対してその開閉を制御する信号（スイッチング制御信号）Ｓ３を発生してスイッチング部５へ送信する。スイッチング部５は、制御部６からのスイッチング制御信号Ｓ３を使用して、これらのスッチＡ７、Ｂ８の開閉（オン・オフ）動作を、上記制御部６からのスイッチング制御信号によって制御する。特に、スッチＡ７は、鉛蓄電池への充放電を制御するものであり、スイッチＢ８は、以下に詳細を説明するキャパシタモジュールへの充放電を制御するものである。

また、制御部６は、上記スイッチング部５へのスイッチング制御信号Ｓ３に加え、更に、そのスイッチ開閉（オン・オフ）動作を制御する信号（スイッチング制御信号）Ｓ４を発生し、以下にその詳細な構造を述べるキャパシタモジュール１０へ送信する。

ここで、添付の図２は、前記キャパシタモジュール１０の詳細な構造を示す図であり、当該図において、キャパシタモジュールは、（第２の）スイッチング部１２、スイッチ１３、スイッチ１４、スイッチ１５、キャパシタ１６、キャパシタ１７、キャパシタ１８…で構成されている。なお、上記のスイッチ及びキャパシタは、それぞれ、複数が配置されている。また、これらキャパシタ１６、１７、１８…の静電容量は、全て同じものでも良く、又は、異なっていても良い。そして、上記キャパシタモジュール１０のスイッチング部１２には、上述した制御部６からのスイッチング制御信号Ｓ４が入力されており、これにより、これら複数のスイッチ１３、１４、１５の何れかの開閉（オン・オフ）動作が制御されて、これら複数のキャパシタ１６、１７…への充電が制御されることとなる。

次に、添付の図３は、太陽電池による発電システム（電源装置）における本発明の充電方法の詳細を示すフローチャートである。なお、このフローチャートは、例えば、上記図１にも示した制御部６を構成するマイクロコンピュータにより、予めその記憶素子内に格納されたソフトウェアによって（例えば、数分単位のサイクルで）実行することが考えられるが、しかしながら、本発明ではこれに限定されることなく、その他の方法で実現することも可能であろう。なお、本発電システムにおける負荷１１への給電方法については、本発明とは直接関連しないため、ここでは、その説明は省略する。

上記図３に示すフローチャートでは、その処理が開始（起動）されると、まず、ステップＦ１において、センサ部４から、日射量を取得する。続いて、ステップＦ２において、取得したセンサ信号Ｓ２を前回のセンサ信号と比較し、即ち、日射量の差分を計算し、日射量の変動を監視する。これによれば、曇天時などでは、日射量が数分単位で大きく変動する。そこで、かかる場合（図の「ＮＯ」）には、以下に説明する処理を行うが、他方、日射量の変動がない場合には（例えば、晴天の場合には、日射量の変動は大きくない）、ステップＦ４に進む。なお、このステップＦ４では、上記制御部６からのスイッチング制御信号Ｓ３により、上記スイッチング部５を切り換える。即ち、スイッチング部によって、鉛蓄電池９へのスイッチ７を閉止（ＯＮ）し、他方、キャパシタモジュール１０へのスイッチ８を開放（ＯＦＦ）する。その後、再び、上記のステップＦ１戻る。

即ち、上記の動作によれば、晴天時などにおいて日射量が大きく変動しない場合には、太陽電池１からは比較的大きな充電能力を長時間得ることが出来ることから、蓄電部のうち、充電時間の比較的長い鉛蓄電池９に充電を行いこと、すなわち、大容量バッテリに充電することが好ましい。なお、当該差分（変動量）の大小を判定するための閾値としては、実際の使用状況や季節などを考慮して適宜設定され、任意に設定できるものとする。

これに対し、上記のステップＦ３において日射量の変動が大きいと判断される場合（図の「ＹＥＳ」）には、ステップＦ５において、上記スイッチング部５によって、キャパシタモジュール１０のスイッチ８を閉止（ＯＮ）し、鉛蓄電池９のスイッチ７を開放（ＯＦＦ）する。その後、ステップＦ６において、太陽電池からの充電電流値、即ち、上記ＭＰＰＴ充電部３から出力される充電電流値の信号Ｓ１を取得する。続いて、ステップＦ７では、上記で取得した充電電流値から、以下の式により、キャパシタの充電時間「ｔ」を計算する。なお、下記の式において、「Ｃ」は、静電容量を、「Ｉ」は充電電流を、そして、「Ｖ」、「Ｖ０」は充電電圧を示す。
Ｖ＝１／Ｃ・Ｉ・ｔ＋Ｖ０

上記の式からも明らかなように、キャパシタの充電時間は、定電流充電時においては静電容量の逆数に比例しており、静電容量が大きいほど充電時間が長く、小さいほど充電時間が短いことが分かる。これにより、上記ステップＦ７では、太陽電池１から発電電力に適合して、複数のキャパシタ１６、１７…を並列に備えた上記キャパシタモジュール１０のうち、充電すべき一つのキャパシタと、当該キャパシタを他のキャパシタへ切替えるタイミングなどを設定することが可能となる。なお、このタイミングは、遅すぎる場合には、キャパシタへの過充電となり、これとは反対に早過ぎる場合にも、充電に必要なキャパシタの数が多く必要となり、無駄となることから、最適に設定することが望まれる。

その後、この設定されたタイミングに従って、上記図２に示したキャパシタモジュール１０のスイッチング部１２は、そのスイッチ１３、スイッチ１４、スイッチ１５…を切り換えながら各キャパシタ１６、１７…への充電を行う。なお、このタイミングの一例として、例えば、曇天時における日照時間が数秒から数分程度で変化する場合には、それに適合したタイミングでスイッチをＯＮ／ＯＦＦして、各キャパシタへ充電していく。その後は、やはり、上記のステップＦ１戻り、上記の処理を、順次、繰り返す。

なお、以上に説明した実施の形態では、上記図２に示したキャパシタモジュール１０のキャパシタ１６、１７…への充電を行う場合、一つのキャパシタを設定して充電するものとして説明したが、本発明はこれに限定することなく、例えば、複数のキャパシタに対して並列に充電を行うように、スイッチ１３、スイッチ１４、スイッチ１５…を切り換えながら、各キャパシタ１６、１７…への充電を行うことも可能であろう。また、上記の実施の形態では、キャパシタ１６、１７、１８…の静電容量は全て同じものとして説明したが、しかしながら、その静電容量が異なる場合には、太陽電池１による発電電力に適合しながら適切なキャパシタを選択して充電するように、キャパシタモジュール１０のスイッチ１３、スイッチ１４、スイッチ１５…を切り換えることも考えられる。

以上に述べた本発明の実施の形態になる太陽電池による発電システム（電源装置）によれば、負荷として省電力機器である、例えば、無線センサネットワークの中継端末を屋外で太陽電池によって運用する際、晴天時だけではく、曇天時においても効率よく充電することが可能となる。

本発明の一実施の形態になる太陽電池による発電システム（電源装置）の内部詳細構造示すブロック図である。 上記発電システム（電源装置）の、特に、キャパシタモジュールの詳細構造を示すブロック図である。 上記発電システム（電源装置）における充電方法の詳細を示すフローチャート図である。

符号の説明

１…太陽電池
２…充電部
３…ＭＰＰＴ充電回路
４…センサ部
５…スイッチング部
６…制御部
７、８…スイッチ
９…鉛蓄電池
１０…キャパシタモジュール
１１…負荷
１２…（第２の）スイッチング部
１３、１４、１５…スイッチ
１６、１７、１８…キャパシタ。

Claims (6)

1. 太陽電池と、蓄電部と、前記太陽電池で発生した電力を前記蓄電部へ充電する充電回路と、少なくとも前記充電回路の動作を制御するための制御部とを備え、電気的に接続された負荷部へ当該蓄電部からの電力を供給する太陽電池による電源装置であって、
   更に、前記太陽電池への日射量を取得するセンサ部を備えると共に、
   前記蓄電部は、蓄電池を含め、複数の並列に接続されたキャパシタとから構成されており、そして、
   前記制御部は、前記充電部から前記太陽電池からの充電電流を取得すると共に、前記センサ部から日射量を取得し、前記取得した日射量の変動に応じて、前記蓄電部を構成する前記蓄電池及び複数並列接続された前記キャパシタを含むキャパシタモジュールの何れか一方に、前記太陽電池で発生した電力を充電することを特徴とする太陽電池による電源装置。
2. 前記請求項１に記載した電源装置において、更に、前記蓄電部と前記充電回路との間にはスイッチングを備えており、
   前記制御部は、当該スイッチングを介して、前記蓄電部を構成する前記蓄電池及び複数並列接続された前記キャパシタを含むキャパシタモジュールの何れか一方に、前記太陽電池で発生した電力を充電することを特徴とする太陽電池による電源装置。
3. 前記請求項１に記載した電源装置において、更に、前記キャパシタモジュールは第２のスイッチング部を備えており、
   前記制御部は、前記太陽電池で発生した電力を前記キャパシタモジュールに充電する場合、前記取得した充電電流と前記日射量とから前記キャパシタモジュールを構成するキャパシタの充電時間を計算し、もって、前記複数のキャパシタモジュールを構成するキャパシタへの充電を、前記第２のスイッチング部を介して、当該計算した充電時間で切替えることを特徴とする太陽電池による電源装置。
4. 前記請求項２に記載した電源装置において、
   前記充電回路は、ＭＰＰＴ充電回路から構成されていることを特徴とする太陽電池による電源装置。
5. 太陽電池と、蓄電池を含め、複数の並列に接続されたキャパシタとから構成された蓄電部と、前記太陽電池で発生した電力を前記蓄電部へ充電する充電回路とを備え、電気的に接続された負荷部へ当該蓄電部からの電力を供給する電源装置において、前記太陽電池からの電力を前記蓄電部へ充電するための充電方法であって、
   前記太陽電池への日射量を取得し、
   前記太陽電池からの充電電流を取得し、そして、
   前記取得した日射量の変動に応じて、前記蓄電部を構成する前記蓄電池及び複数並列接続された前記キャパシタを含むキャパシタモジュールの何れか一方に、前記太陽電池で発生した電力を充電することを特徴とする太陽電池による充電方法。
6. 前記請求項５に記載した充電方法において、
   前記太陽電池で発生した電力を前記キャパシタモジュールに充電する場合、前記取得した充電電流と前記日射量とから前記キャパシタモジュールを構成するキャパシタの充電時間を計算し、もって、前記複数のキャパシタモジュールを構成するキャパシタへの充電を、前記第２のスイッチング部を介して、当該計算した充電時間で切替えることを特徴とする太陽電池による充電方法。

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