JP4383391B2

JP4383391B2 - 蓄電回路

Info

Publication number: JP4383391B2
Application number: JP2005197669A
Authority: JP
Inventors: 佳恭武藤; 三昭小林
Original assignee: JR East Consultants Co
Current assignee: JR East Consultants Co
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: JP2007020272A

Description

本発明は、複数の微弱な電力を効率良く蓄電する蓄電回路に関する。

現在、環境問題、需給バランスの不均衡による地下資源の高騰、電力需要の増大による電力不足等から、エネルギー利用のより一層の効率化が求められている。これらの課題を解決する手段における身近なものでは、太陽光発電装置、風力発電装置、車の回生ブレーキ等の発電装置がある。これらの発電装置からは、常に安定した発電出力が得られるわけではなく、影に入る、または風が弱くなると、発電出力は大きく低下する。発電装置の出力電圧がバッテリ電圧に届かないような場合、発電された電力は蓄えられず、無駄に放電される。

発電装置から生じるこのようなバッテリ電圧よりも低い微弱な電力を無駄なく蓄電しようとする場合、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて発電出力を昇圧する必要がある。ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧してからバッテリに蓄電しても、発電出力が大きい場合、蓄電効率は９５％程度である。

しかしながら、発電出力が小さい場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの蓄電効率が５０％以下となることもあるなど、蓄電効率が大きく低下するという問題があった。また、微弱な電力を発生する装置および素子が多数存在する場合、ＤＣ−ＤＣコンバータも多数必要になるためコストがかかるという問題があった。

本発明の目的は、多数の圧電素子、風力発電装置、太陽光発電装置等からの起微弱電力の低損失な蓄電のための原理回路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、蓄電回路において、第１および第２の電極を有する複数の第１の蓄電手段と、第１および第２の電極を有し、および第２の電極が常に接地されている第２の蓄電手段と、前記複数の第１の蓄電手段および前記第２の蓄電手段の各々に前記第１の電極から電荷を供給する接地された複数の発電手段と、前記各発電手段から前記各第１の蓄電手段および前記第２の蓄電手段の方向にだけ電荷の移動を可能にする第１の整流手段と、コモン端子、メイク端子、およびブレイク端子を有する複数の同期された切り替え手段であって、各コモン端子が各第１の蓄電手段の第２の電極にそれぞれ接続され、各メイク端子が各第１の蓄電手段および第２の蓄電手段の第１の電極にそれぞれ接続され、各ブレイク端子がそれぞれ接地された切り替え手段と、第１および第２の電極を有し、第１の電極が複数の第１の蓄電手段の内の１つの第１の電極と接続され、および第２の電極が常に接地されている第３の蓄電手段と、第１の蓄電手段から第３の蓄電手段の方向にだけ電荷の移動を可能にする第２の整流手段とを備え、切り替え手段がコモン端子とブレイク端子との接続を確立しているとき、各発電手段が複数の第１の蓄電手段および第２の蓄電手段のそれぞれに個別に蓄電し、切り替え手段がコモン端子とメイク端子との接続が確立されているとき、複数の第１の蓄電手段および第２の蓄電手段のそれぞれが複数の切り替え手段を介して直列接続され、複数の第１の蓄電手段および第２の蓄電手段が第３の蓄電手段に蓄電することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蓄電回路であって、前記発電手段は、圧電素子であることを特徴とする。

本発明によれば、複数のキャパシタと、それら各キャパシタの電位を下げ、出力電圧の低い電力でも各キャパシタに蓄電可能にし、またはそれら複数のキャパシタを直列接続する複数の同期されたスイッチと、直列接続された複数のキャパシタの電力を蓄電するキャパシタとを備えたので、起微弱電力の低損失な蓄電が可能となる。

図１に、本発明の一実施形態に係る４層式の蓄電回路を示す。それぞれの圧電素子等から発生した起電力を効率良く貯める本発明の実施形態に係る蓄電回路は、圧電素子１−ａ〜１−ｄ、整流素子２−ａ〜２−ｄ、５、キャパシタ３−ａ〜３−ｄ、６、ＳＰＤＴ（Single Pole Double Throw）スイッチ４−ａ〜４−ｃから成り立つアナログ回路で構成される。

図２に、本発明の実施形態に係る蓄電回路において用いるＳＰＤＴスイッチを示す。コントロール端子８は、電界効果トランジスタ９−ａのゲート電極には直接接続され、電界効果トランジスタ９−ｂのゲート電極にはインバータ１０を介して接続されている。コモン端子５は、電界効果トランジスタ９−ａのソース（ドレイン）電極および電界効果トランジスタ９−ｂのソース（ドレイン）電極に接続されている。また、メイク端子６は、電界効果トランジスタ９−ａのドレイン（ソース）電極に接続され、ブレイク端子７は、電界効果トランジスタ９−ｂのドレイン（ソース）に接続されている。このＳＰＤＴスイッチ４−ａ〜４−ｃのコントロール端子８には、通常コモン端子５とブレイク端子７との間の接続が確立されるように電圧がかけられている。ＳＰＤＴスイッチ４−ａ〜４−ｃは、コントロール端子８にかかる電圧を反転させることにより、コモン端子５とブレイク端子７との間の接続と、コモン端子５とメイク端子６との間の接続とを切り替えることができる。

ここで挙げたＳＰＤＴスイッチ４−ａ〜４−ｃの実施形態は一例に過ぎず、ＳＰＤＴスイッチ４−ａ〜４−ｃを異なる機構によって同じ機能を有している他のスイッチで置き換えることもできる。

圧電素子１−ａ〜１−ｄは、それぞれ一方の配線を接地され、他方の配線を整流素子２−ａ〜２−ｄのアノードに接続されている。キャパシタ３−ａ〜３−ｄは、一方の配線を整流素子２−ａ〜２−ｄのカソードに接続され、他方の配線をＳＰＤＴスイッチ４−ａ〜４−ｃに接続されている。但し、キャパシタ３−ｄは、ＳＰＤＴスイッチを介さずに直接接地されている。このＳＰＤＴスイッチ４−ａ〜４−ｃは、それぞれブレイク端子が接地され、メイク端子が整流素子２−ｂ〜２−ｄとキャパシタ３−ｂ〜３−ｄとの間から分岐した分岐線に接続されている。また、ＳＰＤＴスイッチ４−ａ〜４−ｃは、全て同期して動作する。つまり、ＳＰＤＴスイッチ４−ａ〜４−ｃを切り替えることにより、各キャパシタ３−ａ〜３−ｄを接地して各圧電素子１−ａ〜１−ｄによる各キャパシタ３−ａ〜３−ｄへの蓄電を行えるようにし、またはキャパシタ３−ａ〜３−ｄを直列接続することができる。

さらに、整流素子２−ａとキャパシタ３−ａとの間から分岐した分岐線は、整流素子２−ｅのアノードに接続され、整流素子２−ｅのカソードは、キャパシタ３−ａ〜３−ｄの定格電圧の和以上の定格電圧を有するキャパシタ３−ｅに接続される。

各キャパシタ３−ａ〜３−ｄに圧電素子１−ａ〜１−ｄから発生した電力が貯められたところで、同期したＳＰＤＴスイッチ４−ａ〜４−ｃを切り替えて、キャパシタ３−ａ〜３−ｄを直列接続する。キャパシタ３−ａ〜３−ｄを直列接続することにより、電圧はキャパシタ３−ａ〜３−ｄの個々の電圧よりも高くすることができる。このように高められた電圧によって蓄電を行うことにより、キャパシタ３−ｅへの損失の少ない蓄電が可能となる。

本実施形態は、キャパシタ３−ａ〜３−ｅのみを用いた蓄電回路である。しかし本発明は、多数の微弱電力の蓄電が段階的に何段でも拡張可能な電気回路である。つまり、直列接続するキャパシタの数を増やすことや、複数のキャパシタによって蓄電されたキャパシタを複数直列接続し、このような電気回路を何段にも繋ぐことにより、さらに大容量の蓄電も可能である。

また、本実施形態では圧電素子を用いたが、圧電素子を風力発電装置、太陽光発電装置等に置き換えることにより、多数の風力発電、太陽光発電等からの起微弱電力を低損失で貯めていく蓄電回路としても利用することができる。

本発明の一実施形態に係る４層式の蓄電回路を示す図である。本発明の実施形態に係る蓄電回路において用いるスイッチの例を示す図である。

符号の説明

１−ａ〜１−ｄ圧電素子
２−ａ〜２−ｅ整流素子
３−ａ〜３−ｅキャパシタ
４−ａ〜４−ｃＳＰＤＴスイッチ
５コモン端子
６メイク端子
７ブレイク端子
８コントロール端子
９電界効果トランジスタ
１０インバータ

Claims

第１および第２の電極を有する複数の第１の蓄電手段と、
第１および第２の電極を有し、および該第２の電極が常に接地されている第２の蓄電手段と、
前記複数の第１の蓄電手段および前記第２の蓄電手段の各々に前記第１の電極から電荷を供給する接地された複数の発電手段と、
前記各発電手段から前記各第１の蓄電手段および前記第２の蓄電手段の方向にだけ電荷の移動を可能にする第１の整流手段と、
コモン端子、メイク端子、およびブレイク端子を有する複数の同期された切り替え手段であって、前記各コモン端子が前記各第１の蓄電手段の第２の電極にそれぞれ接続され、前記各メイク端子が前記各第１の蓄電手段および前記第２の蓄電手段の第１の電極にそれぞれ接続され、前記各ブレイク端子がそれぞれ接地された切り替え手段と、
第１および第２の電極を有し、該第１の電極が前記複数の第１の蓄電手段の内の１つの第１の電極と接続され、および該第２の電極が常に接地されている第３の蓄電手段と、
前記第１の蓄電手段から前記第３の蓄電手段の方向にだけ電荷の移動を可能にする第２の整流手段と
を備え、前記切り替え手段が前記コモン端子と前記ブレイク端子との接続を確立しているとき、前記各発電手段が前記複数の第１の蓄電手段および前記第２の蓄電手段のそれぞれに個別に蓄電し、前記切り替え手段が前記コモン端子と前記メイク端子との接続が確立されているとき、前記複数の第１の蓄電手段および前記第２の蓄電手段のそれぞれが前記複数の切り替え手段を介して直列接続され、前記複数の第１の蓄電手段および前記第２の蓄電手段が前記第３の蓄電手段に蓄電することを特徴とする蓄電回路。
請求項１に記載の蓄電回路であって、前記発電手段は、圧電素子であることを特徴とする蓄電回路。