JPS6123757B2 - - Google Patents

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JPS6123757B2
JPS6123757B2 JP51129550A JP12955076A JPS6123757B2 JP S6123757 B2 JPS6123757 B2 JP S6123757B2 JP 51129550 A JP51129550 A JP 51129550A JP 12955076 A JP12955076 A JP 12955076A JP S6123757 B2 JPS6123757 B2 JP S6123757B2
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JP
Japan
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current
photocell
motor
load
electrical energy
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JP51129550A
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Inventor
Deyuran Anri
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
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Publication of JPS5255485A publication Critical patent/JPS5255485A/ja
Publication of JPS6123757B2 publication Critical patent/JPS6123757B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S136/00—Batteries: thermoelectric and photoelectric
    • Y10S136/291—Applications

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、太陽エネルギーを、作動開始時に比
較的多量の電気エネルギーを消費する特性を呈す
る形式の負荷に供給する電気エネルギーに変換す
るため、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換
するホトセルと、ホトセルによつて供給される電
気エネルギーを蓄積できる蓄電池とを備えた太陽
エネルギー・電気エネルギー変換装置に関するも
のである。
かかる装置はフランス特許第2041243号明細書
から既知であり、この特許明細書には可変特性を
有する直流発生器（ホトセル）を負荷に自動的に
適合させる装置が記載されている。
上記形式の太陽エネルギー・電気エネルギー変
換装置では、日中は太陽電池により蓄電池は充電
する。このようにして蓄積したエネルギーは電動
機、例えば日射および乾燥の顕著な地域において
水汲み上げポンプの電動機を駆動するのに使用す
る。蓄積したエネルギーは白熱ランプによる照明
の如き他の多種多様な目的にも使用することがで
きる。
太陽エネルギーを利用する装置においては、太
陽によつて放出されるエネルギーの特性が規則的
でないことのためエネルギー蓄積装置が必要にな
る。かかる放出エネルギーは１日毎に反復する特
性を呈し、更に当該地域の気象条件に左右され
る。静止配置した太陽電池配列即ちアレイ、また
は季節毎に異なる方向を有する構成とした太陽電
池アレイにおいては、受光される放出太陽エネル
ギーは太陽電池アレイの垂直方向に対する太陽の
傾斜係数に左右される。従つて光電発生装置によ
つて供給される電気エネルギーは時間につき変化
し、そのため発生した電気エネルギーの蓄積装置
を設けない場合にはある種の用途に対する使用が
難かしくなり、不可能になることもある。水汲み
上げポンプ装置の如き太陽エネルギー利用装置で
使用する直流モータの電気抵抗はできるだけ小さ
くしてジユール効果に起因する損失を最小にし、
最大効率を達成するようにする。その場合電気エ
ネルギー蓄積装置は大電流を供給しなければなら
ないが、これは装置のある種の素子の寿命に悪影
響を及ぼす。
モータを円滑に起動するため既知の装置では電
流制限回路を設けているが、かかる回路の使用に
よつて種々の問題が生じ、更にかかる回路も電力
を消費する。
本発明の目的は、作動開始時に比較的多量の電
気エネルギーを消費するという特性を呈するモー
タその他の負荷を円滑に起動させることができ、
電力を消費する電流制限回路を必要とせず、構成
が簡単で高信頼度を有する太陽エネルギー・電気
エネルギー変換装置を提供するにある。
本発明は、ホトセルの数を適切に選定しかつホ
トセルを適切に構成配置して、最適日照の際ホト
セルにより供給される総ピーク電流が負荷の公称
電流に等しいかまたは公称電流より若干大きくな
るようにし、負荷の起動に当り負荷をホトセルア
レイの出力端子に接続するスイツチング装置を設
けて、起動に当り負荷に流れる電流をホトセルに
よつて供給される電流により決定する如く構成し
たことを特徴とする。
本発明では、ホトセルを電流源として使用でき
るという事実を利用する。ホトセルの端子電圧が
所定値より低い値を維持する限り、ホトセルはそ
の端子電圧とは無関係のほぼ一定電流を供給す
る。負荷例えばモータがスイツチオンされた場
合、ホトセルは負荷に供給される電流を制限す
る。
図面につき本発明を説明する。
第１ａ図に示した既知の太陽エネルギー・電気
エネルギー変換装置では、直流モータＭで構成し
た負荷を蓄電池A1およびA2の端子に直接接続す
る。モータの起動（このモータは井戸から水を汲
み上げるためのモータ／ポンプ装置のモータとす
ることができる）は蓄電池A1，A2の充電状態
（Ua）によつて制御される。モータ／ポンプ装置
は蓄電池A1，A2が過充電となる以前に起動され
る。
モータ／ポンプ装置は蓄電池の端子電圧が下限
電圧Uasi以下に低下した場合に停止する。蓄電
池の端子電圧は下限電圧検出装置S11によつて検
出し、下限電圧検出装置S11は起動に当り電流制
限回路L11を作動させ、起動期間の後は電流制限
回路L11を短絡する。
電流制限回路L11は抵抗値の漸減する抵抗、自
動可変抵抗器、または第１ｂ図に示したように数
個の並列接続電力トランジスタを有する回路で構
成することができる。
第１ｃ図はモータＭを流れる電流Im、蓄電池
の蓄積電荷Ｑ＝∫Iadt（ここでIaは蓄電池を流れ
る電流）、および蓄電池の端子電圧Uaを時間の関
数として示す。蓄電池の電荷が値Qsに達した場
合にモータＭは起動される。蓄電池の端子電圧が
Usに減少した場合、ポンプ作動サイクルは終了
する。
第１ａ図に示した既知の太陽エネルギー・電気
エネルギー変換装置の動作を時間の関数として第
２図に示す。第２図において 波形C1はホトセルBPXによつて供給される電
流Ipの変化を示し、 波形C2は蓄電池の充電周期を示し、 波形C3はポンプの間欠作動期間γ１，γ２，
γ３等を示す。
第２図は第１ａ図に示した既知の太陽エネルギ
ー・電気エネルギー変換装置の動作の間欠特性を
明瞭に示す。ホトセルBPXによつて供給されるピ
ーク電力は、特に負荷がモータ・ポンプで構成さ
れている場合、負荷の公称電力要求より小さい。
間欠的ポンプ作動サイクルにつき１日当りの有
効作用時間（従つて１日当りの出力）はホトセル
アレイの数に比例する。第１ａ図の既知の太陽エ
ネルギー・電気エネルギー変換装置によつて付勢
されるポンプは一般に比較的短時間にわたり作動
する。日射が強い場合にはモータＭは１日当り数
回起動される。第１ａ図の電流制限回路L11はモ
ータＭが起動される毎に電力を消費する。この電
力消費は純粋に損失で形成される。更に、電流制
限回路L11はその信頼性に対する要求が増大する
に従つて構成が複雑になる。
電流制限回路を除去することが考えられるが、
その場合にはスイツチング回路および蓄電池が大
電流にさらされることになる。更に、ある種のモ
ータ部品はモータが起動される毎に大電流のため
加熱され、かかる部品が悪い影響を受ける。
本発明では起動期間に当り負荷をホトセルの端
子に接続する。その場合には電流制限回路を使用
する必要がなくなる。その理由は、電圧が所定限
界電圧（屈曲部電圧と称し、第７図にUcで示
す）以下に維持されている場合ホトセルは一定電
流を供給する発電装置と考えることができるから
である。屈曲部電圧より高い電圧に対してはホト
セルによつて供給される電流は減少する。更に、
ホトセルによつて供給される電流は日射に左右さ
れる。
第３ａ図、第３ｂ図および第４図に示した本発
明の太陽エネルギー・電気エネルギー変換装置に
おいては、蓄電池A1，A2をダイオードを介して
ホトセルBPXに結合する。
ホトセルおよび蓄電池の間のダイオードは種々
の機能を有する。即ち ダイオードは蓄電池がホトセルを介して放電す
るのを防止し、従つて蓄電池に蓄積された電気エ
ネルギーはホトセルに逆流できなくなる。かかる
逆流は電気エネルギーの純損失となるという欠点
を生ずる： モータの起動期間に当りダイオードは、モータ
における電圧が零またはほぼ零となることに起因
して逆バイアスされる。モータの速度が零の場
合、逆起電力は生じない。従つて起動期間に当り
蓄電池は遮断されることとなる： 蓄電池を直列接続（例えば24V）から並列接続
（12V）へスイツチングするとき、２個の蓄電池
が正しく平衡していない場合に、２個のダイオー
ドにより２個の蓄電池枝路の間における過大な電
流サージが防止される。
最適な日照の場合にホトセルアレイによつて供
給されるピーク電流は負荷（例えば水汲み上げポ
ンプ用モータ）によつて消費される公称電流より
大きく選定するから、動作は実際上連続的にな
る。蓄電池が十分に充電され、かつホトセルが負
荷の起動電流より小さいが所定の下限電流Ｉpsi
より大きい電流を供給する場合（これは太陽の照
射が未だ弱い場合で一般的には毎朝）、リレー接
点S1が閉成されるから蓄電池は過充電されること
がない。この接点S1は、蓄電池の端子電圧が上限
電圧Uassより高くなつたことが検出装置Ｓla（ま
たはlb）により検出された場合に閉成される。そ
の場合ホトセルによつて供給される電流はモータ
Ｍを流れることができるので、蓄電池の過充電が
防止される。
この場合負荷（水汲み上げポンプのモータ）を
公称速度に達するまで起動できるようにすること
がしばしば所望される。これは第４図の構成によ
つて実現することができる。この構成において
は、太陽の照射が弱い場合でも負荷を作動させる
ことができる。第４図の構成は日照に応動する自
動スイツチング装置によつて実現することができ
る。第４図では２個のホトセルアレイを互に並列
接続し、かつ蓄電池A1，A2を並列接続し、これ
らを半導体ダイオードを介しモータＭと直列に接
続する。
モータＭを起動した場合モータの逆起電力が極
めて低いからモータの端子電圧は極めて低い。例
えばモータの内部抵抗ｒ＝0.1Ωおよび電流Ｉ＝
10Aの場合、モータの端子電圧Um＝1Vである。
その場合第４図において点Ａの電圧に対する点Ｂ
の電圧は例えば2Vである。その場合充電されか
つ並列接続した蓄電池の両端の電位差は12Vとな
る。そしてホトセルの両端の電圧は−10Vとな
る。そしてホトセルの動作点は第７図の座標領域
Q2に位置する。然るに第３ｂ図の装置の場合に
は起動時のホトセルの動作点は第７図の座標領域
Q1に位置する。
そのトルクがモータを流れる電流に左右される
モータが起動され、回転速度が増大する。そして
逆起電力が発生し、それはモータの速度が公称速
度に達したとき23Vまで増大する。それと同時に
ホトセルの動作点は領域Q1の方へ移動して、遂
にはホトセルによつて供給される電流を日照の関
数として示した曲線と負荷直線との交点に達する
（第７図参照）。
第４図の実施例においては、各ホトセルアレイ
によつて供給される電流Ippが小さい場合でも、
負荷を起動することができ、次いで正常に作動さ
せることができ、即ち公称モータ速度で回転させ
ることができる。ホトセルアレイが２個の場合に
は各ホトセルアレイによつて供給される電流はモ
ータを流れる公称電流の１／２にすることができ
る。更に、日照に応じて、並列接続蓄電池および
ホトセルアレイの数を増大し、これに相応して各
ホトセルアレイによつて供給される電流Ippを一
層減少させることができる。
起動期間が経過した後は、第３ａ図または第３
ｂ図の構成に切替えることができる。
第３ａ図および第３ｂ図のスイツチング装置は
限界検出装置Ｓ1a，Ｓ2aまたはＳ1b，Ｓ2bを備え、
これら限界検出装置はリレーS1，S2を切替える演
算増幅器または簡単なコイルで構成することがで
きる。
かかるスイツチング装置の動作は次の通りであ
る。リレーS1は、蓄電池が十分に充電され、かつ
ホトセルアレイが負荷の起動電流より小さいが所
定の下限電流Ｉpsiより大きい全電流Ipを供給す
る場合、または電流検出器Ｂを流れる電流が上限
電流Ipssを越えた場合、即ちホトセルが日照に適
切に露光された場合に閉成される。リレーS2は、
モータの速度が適正な場合（定常動作）に閉成さ
れ、その場合モータの端子電圧（Um）に蓄電池
の端子電圧（Ua）にほぼ等しくなる。リレーS1
は、電流Ipが下限電流Ｉpsiより小さくなつた場
合に開放される。そしてリレーS2は、モータの電
圧にほぼ等しい蓄電池の端子電圧が下限電圧
Uasiに達すると直ちに開放されるので、蓄電池
の過放電が防止される。第３ｂ図の並列回路配置
においてはホトセルおよび蓄電池の両方の端子電
圧は半分にする。従つて、モータの速度は直列接
続配置の場合の速度の半分である。第３ｂ図の構
成においては、太陽の照射量が第３ａ図の構成に
おいてモータを起動するものに必要な太陽の照射
量の半分になつた場合にも、ポンプを起動するこ
とができる。モータ・ポンプ装置のトルクは実際
上電流に比例する。第３ｂ図の場合モータは１／
２の速度で回転する一方、効率は第３ａ図の場合
に比べ極く僅かだけ低くなるに過ぎない。
第５図は、第３ａ図、第３ｂ図および第４図の
構成（直列構成、並列構成および直並列構成）の
一つから他の一つに切替えることができるスイツ
チング装置を例示する。第５図において点Ａ，Ｂ
およびＣは第３ａ図、第３ｂ図および第４図の点
Ａ，ＢおよびＣにそれぞれ対応する。第３ａ図の
構成はスイツチ１１〜１６において実線で示した
スイツチ位置に対応する。第３ｂ図の構成はスイ
ツチ１１〜１６において破線で示したスイツチ位
置に対応する。スイツチ１１〜１６を点線で示し
たスイツチ位置に切替えた場合には、第４図の構
成が得られる。すべてのスイツチを１つのスイツ
チング指令によつて同時に操作する必要があるこ
とは勿論である。
種々の構成の間でのスイツチングを行うための
条件は第７図につき後述する。
受光される太陽の照射量の関数として種々の構
成の間で選択を行うに当り、例えば２個のホトセ
ルアレイが使用可能である場合には、下記の事柄
に注意する必要がある。
１個のホトセルがモータＭを流れる公称電流
Imに等しい電流Ippを供給するような太陽の照射
が行われている場合、第３ａ図の構成を選択す
る。その場合負荷の起動および作動が保障され
る。この負荷をモータで構成し、選定された特性
につき許容誤差を見込めるようにすれば、このモ
ータの端子間に公称電圧が現われるからモータは
起動期間後に公称速度で回転することとなる。
電流IppがIm／２に等しいかまたかIm／２よ
り大きいがImより小さい場合には、第３ｂ図ま
たは第４図に従つて起動回路を構成することがで
きる。その場合直流モータには起動に必要な公称
電流が供給される。
第３ｂ図の場合にはモータの速度は公称速度の
１／２であり、蓄電池の電荷は減少しない。
第４図の場合には蓄電池の電荷は減少する。し
かしモータの速度は公称速度へ増大しようとする
傾向を示す。第４図の構成によれば、太陽の照射
が弱い場合にモータを起動し、その公称速度に到
達させることができる。
第６図は第３ａ図または第３ｂ図の実施例の動
作態様を時間の関数として示す。第６図には約２
日間の動作態様を示してある。第６ａ図の波形Ip
はホトセルによつて供給される全電流を示す。夜
間は電流Ipは０である。日中においては電流Ipは
まず第１レベルIpsiを越え、次いで第２レベル
Ipssを越える。
電流Ipが第２レベルIpssより大きい場合、モー
タは確実に起動される。電流Ipが第２レベルIpss
より小さい場合には、リレーS1が蓄電池の端子電
圧によつて閉成され、特定範囲内の電流でモータ
を起動することができる。電流Ipが過度に小さい
場合にはモータを起動できないこと勿論である。
リレーS1およびS2の開閉期間を第６ｂ図に示
し、図中の高レベル部分はリレーの閉成期間を示
す。
第６ｃ図にはモータ・ポンプ装置の速度Wm／
ｐを示す。本発明装置の実施例においては、効率
および比出力の点で永久磁石形直流モータを使用
した。その場合速度Wm／ｐは実際上電圧Umに
比例関係となつた。
使用したモータの特性は下記の通りであつた。
公称電圧 24V 出 力 400W 公称速度 1500rpm 固定損失はそれ程大きくない（80％効率）。例
えばピストンポンプ減速歯車装置を介しこのモー
タに結合し、このポンプを広いモータ速度範囲内
および広い水汲み上げ深さの範囲内で満足に（少
くとも60mの深さまで）作動させることができ
る。
第６ｂ図は蓄電池の端子電圧の変化を示す。か
かる蓄電池は過剰エネルギーを蓄積する。日没ま
た一時的な曇りの場合には、蓄積してあるエネル
ギーがモータに供給される。
本例では比較的自己放電係数の小さい普通の蓄
電池を使用する。例えば４個の蓄電池を使用し、
直列構成においてはこれら蓄電池のすべてを直列
接続し、並列構成においてはそれぞれ２個の並列
接続蓄電池より成る蓄電池群を２個並列に接続す
る。
第７図の曲線は、１個のホトセルアレイによつ
て供給される電流をホトセルの端子電圧の関数と
して示す。各曲線は種々の強度の太陽照射（１k
Ｗ／m2，２／３kW/m2，１／３kW/m2）に対する
ものである。更に第７図は屈曲部電圧Ucと、理
想的な場合水平な直線となる負荷線と各曲線の交
点に対応する電圧とを示す。
特にピストンポンプの場合（特に適切に構成配
置したフライホイールを使用した場合）、モータ
（永久磁石形直流モータ）によつて発生すべきト
ルクはほぼ一定であり、実際上は定常運転時の所
定ポンプ装置の速度とは無関係であり、モータを
流れる電流はほぼ一定であり、実際上はモータの
電圧とは無関係である。第７図においてはこれを
モータ・ポンプ装置の理想的負荷直線によつて示
す。第７図は領域Q1およびQ2に分ける。一つの
曲線を領域Q2からトレースを始めると点Ｎに到
達し、この点Ｎではホトセルアレイの端子電圧は
零である。この点Ｎにおいて第４図の構成から第
３ｂ図の構成に切替えることができる。点Ｍにお
いては第３ａ図の構成に切替えることができる。
更に第７図から明らかなように、蓄電池を使用
しない場合には、原理的に利用可能な過剰電流Ip
（従つて過剰電力）によつてモータの電圧、従つ
てモータの速度、その結果有効モータ出力が比較
的僅かだけ増大するに過ぎない。
蓄電池を使用することにより過剰電流はすべて
一時的に蓄積される。蓄電池の公称電圧はホトセ
ルの屈曲部電圧より若干低く選定する。第７図の
曲線は代表的な場合としてシリコンホトセルのも
のを示す。蓄電池に蓄積した電気エネルギーは、
電流Ipがモータの公称電流より小さい電流に減少
する期間中に送出される。蓄電池の容量は周期的
に使用可能な過剰アンペア時に適合させる。
約400Wのモータを装着した装置の場合には、
ホトセルによつて供給されるピーク電力を400W
に等しくするかまたは400Wより若干大きくし
た。
かかる太陽エネルギー・電気エネルギー変換装
置は次の利点を有する。
別個の電流制限装置を有しないため構成が簡単
になる： その結果利用可能なエネルギーが遥に良好に使
用され、装置の信頼度が高くなる： 装置が遥に安価になりかつ規則的に作動する。
以上、本発明を水汲み上げポンプ用の電力供給
につき詳細に説明したが、本発明は他の多数の用
途に使用できること勿論である。特にスイツチン
グの際過度現象を呈する負荷の給電に好適であ
る。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図は従来の太陽エネルギー・電気エネル
ギー変換装置の回路図、第１ｂ図は第１ａ図で使
用する電流制限回路図、第１ｃ図は第１ａ図の作
動説明波形図、第２図は第１ａ図の装置の約２日
間の動作を示す波形図、第３ａ図、第３ｂ図およ
び第４図は本発明実施例の３つの動作モードを示
す回路図、第５図はこれら３つの動作モードを実
現するスイツチング装置の一例を示す回路図、第
６図は第３ａまたは３ｂ図の作動説明図、第７図
は電流・電圧特性を示す図である。 Ｍ…モータ、A1，A2…蓄電池、S11…下限電圧
検出装置、L11…電流制限回路、BPX…ホトセ
ル、Ｓla，Ｓ2a，Ｓlb，Ｓ2b…限界検出装置、I1〜
I6…スイツチ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 太陽エネルギーを、作動開始時に比較的多量
    の電気エネルギーを消費する特性を呈する形式の
    負荷（Ｍ）に供給する電気エネルギーに変換する
    太陽エネルギー・電気エネルギー変換装置におい
    て、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する
    多数のホトセル（BPX）と、ホトセルによつて供
    給される電気エネルギーを蓄積する多数の蓄電池
    A1，A2とを備え、ホトセル（BPX）の個数を、
    最適分離状態の下で公称電力および公称電流に等
    しいかまたは公称電力および公称電流より若干大
    きい負荷（Ｍ）のピーク電力およびピーク・ホト
    セル電流をそれぞれ発生するに充分な個数とし、
    更に、ホトセル（BPX）を蓄電池A1，A2および
    負荷（Ｍ）に結合する手段と、負荷の起動期間に
    当り負荷をホトセルだけに接続して負荷電流がホ
    トセル電流だけによつて決定されるようにするス
    イツチング手段S1，S2と、ホトセル電流、負荷電
    圧および蓄電池の電圧に応動してスイツチング手
    段S1，S2の動作を制御する検出手段ＩPss，ＩPs
    ｉ，Ｓla，Ｓzaとを備えたことを特徴とする太陽
    エネルギー・電気エネルギー変換装置（第３ａ，
    ３ｂ，４図）。 ２ ホトセルに関連する電気パラメータに応動し
    てホトセル（BPX）および蓄電池A1，A2を電気
    パラメータの関数として選択的に直列（第３ａ
    図）、並列（第３ｂ図）または直並列（第４図）
    に接続する第２のスイツチング手段１１〜１６
    （第５図）を備える特許請求の範囲第１項記載の
    太陽エネルギー・電気エネルギー変換装置。
JP51129550A 1975-10-31 1976-10-29 Solar energyytooelectric energy converter Granted JPS5255485A (en)

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FR7533378A FR2330180A1 (fr) 1975-10-31 1975-10-31 Dispositif pour la transformation de l'energie solaire en energie motrice

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Publication Number Publication Date
JPS5255485A JPS5255485A (en) 1977-05-06
JPS6123757B2 true JPS6123757B2 (ja) 1986-06-07

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JP (1) JPS5255485A (ja)
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DE (1) DE2646877C2 (ja)
FR (1) FR2330180A1 (ja)
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