JPH0833231A - バッテリーチャージャー付ポータブル電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の問題を解消し、実用上有益な電源を供
給する。 【構成】 高速で充電する二次電池を太陽光を受光し発
電するセルの後段に配置し、該二次電池と並列に該二次
電池電圧より極めて低い電圧で作動し、一旦この電圧を
昇圧して次段にパワーを供給するコンバーターを設け、
このコンバーターの出力により充電され、且つ後段の負
荷に電力を供給する次段二次電池を設置してなるバッテ
リーチャージャー付ポータブル電源。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電池電源の製作に係るも
のであり、特に太陽光を電気に変換し、変換された電気
を蓄える二次電池の製作を主体とする、ソーラー電池と
いう太陽光エネルギーを電気として蓄える電池がある。
ソーラー電池とは、太陽光を電気に換えたのち、これを
蓄電池に蓄え、蓄えらえた電気を少量づつ、もっぱら数
種類のトランジスタ機器に同時に与え、これらを並列に
稼働せしめることを可能にした電源である。

【０００２】太陽光を電気に換えるためのセルを日本人
は「太陽電池」とよんでいるが、これは誤りである。セ
ルは太陽光を電気に変換する変換器の機能を有するだけ
で蓄電の機能は全くない。発生した電気を貯めるには他
に蓄電池が必要なのである。ソーラー電池は、この言葉
のあいまいさを少なくすることから始まっている技術で
もある。

【０００３】太陽は地球上赤道を中心として南北緯各６
５°の範囲を平均１ｍ² （１ｍ×１ｍ）１ＫＷのエネル
ギーを注いでいる。このエネルギーを電気に換えるのに
半導体単結晶では、１５〜１６％、多結晶では１４％内
外、アモルファス（非結晶）では７〜８％の効率（変換
効率）のものが使われている。これらを使って家庭の電
球（１００Ｗ）を光らせると、１ｍ² のセルには、太陽
が注がれている間、単結晶、多結晶セルでは電球１個だ
けが光る量の電気を生み、アモルファスではこの電球を
点灯することはできい。これらを技術の根本であるコス
ト面から比較してみると、単結晶の多くは、一旦、多結
晶を精製し、これを更に引き上げ法などの過程を通して
再精製して造るもので、そのコストは多結晶よりも高
い。変換効率が上記のように１〜２％のアップ差であっ
ても、そのコストは多結晶セルの倍以上かかっているの
が普通である。

【０００４】一方アモルファスでは、その変換効率が多
結晶の半分にしか達していない。その製造工程におい
て、非結晶と多結晶とのコスト差は殆どない。その上、
非結晶（アモルファス）のセルは経年変化という、日時
がたつにつれてその特性が劣化する不利がまとわりつい
ている。そうなると、同一性能を出すためには、多結晶
のセルの面積の倍の面積を必要とすることになる。さき
ほど述べた１ｍ² 当り１４％内外の変換効率を持つ多結
晶が１３０〜１４０Ｗの電気エネルギーを作り出すのに
対し、アモルファスではセル平面が２倍の２ｍ² 必要と
なる。すなわち、コスト的に余り合うものではない。

【０００５】現在、電灯や重工業の電源は１００〜２０
０Ｖの交流商用電源でまかなわれている。そのもとは、
水力、石炭火力、石油火力、ＬＰＧ火力、または原子力
である。これらのエネルギー源は非常に大きなもので、
家庭の一軒一軒においてまかなえるような小さなエネル
ギーではない。同時に家庭一軒一軒で使うにはあまりに
も危険である。このために山や谷や海だとか、民家から
離れたところに大規模に設置し、このエネルギーを遠く
まで配達するために１００Ｖ、２００Ｖと電圧を高め、
送電線をとおして送り、各家庭や工場に配っているのが
現状である。こうしなければ管理ができず、またコスト
も安くならない。我々はこれを集中管理方式と呼んでお
り、この管理方式は電力会社、国にまかされている。

【０００６】一方、ソーラーセルは先に述べたように１
ｍ² のセルがたとえば１００％の変換効率でも１００Ｗ
電球１０個がお天道様が照っている間発生するだけのエ
ネルギーでしかない。これを家庭や工場において、送配
電によってまかない、必要に応じては売電と称し、家庭
の屋根や塀にセルをつけ、その発生電源の一部を昼間は
電力会社に買ってもらうという方式が一部採用されてい
る。しかしこの方式はそれなりに極めて意義があるが、
技術面からみれば、余りにもコストが高くなり過ぎる
し、これで２０％以下のエネルギーしかまかないきれな
い。さらに日本のように送配電が行き届いている国は世
界でもまれで、お隣の中国をはじめ、東南アジアや中近
東諸国の多くでは、これら送電は全く不可能である。海
上や山中での配線のないところでも同様その生活は難し
い。現在、各家庭の電化製品で使われている半導体回路
は、メモリー素子が３．３Ｖ駆動、ドライバー回路素子
が５．５Ｖ駆動のものが圧倒的に多く、これら回路を動
かすのにも、もっぱら１００Ｖの商用電源が使われてい
る。１００Ｖの交流を電圧やアンペアを落とし、デジタ
ル信号用直流電源に直して、使用しているのである。１
００Ｖの商用電源をして１２Ｖ以下のＩＣ回路用の電圧
・電流に落とす場合、 イ） 電気事業法による法的規制があり、取り扱いには
種々の制約を受け、家庭で勝手にいじることは許されな
い。 ロ） もしトランジスタ回路がＰＮＰ−ＮＰＮのコンプ
リメンタリーの構成であるときは、両者が近似の特性で
ないと、開閉トランジスタ側の電極にアンバランス電流
が発生し、ショートしたり、大きな電流が流れて火災に
なるといった不本意な現象が起きることがある。ＰＮＰ
あるいはＮＰＮ単独の接地型トランジスタ回路素子によ
る電源では、大きな電流が流れるため、電源の消耗が激
しく、時には、この電流量が多くなりすぎて、回路もシ
ョートしたり、負荷に過電流を流してこれをショートし
てしまったりすることがある。

【０００７】そこで２０Ｖ以下の電圧、２Ａ以下の電流
にたよるトランジスタ回路に最もふさわしい電源は、ソ
ーラーセルで電気を起こし、その電気を貯めたソーラー
電池を電源として使うということになる。

【０００８】もう少し詳しくいうと、半導体を使ってい
る機器（その大部分は６Ｖ以下の電極で駆動している機
器）、あるいは、自動車のように１２Ｖ電圧で駆動する
のに、セルと一緒に二次電池を積むことによって、（こ
の二次電池は自動車搭載鉛電池を兼用しても良い）、さ
らにこれにガソリンによるエネルギーとのハイブリッド
構成によって駆動させる機構−これは配線を使わない
で、一戸単位で処理出来るので分散処理機構と呼んでい
るが−においては、機器を動かすエネルギーは従来の集
中管理システム電源エネルギーの数百・数千分の一で済
む分散処理機構電源によってその大部分をまかなうこと
が出来る。つまり、集中管理システムとは別に分散処理
システムでソーラー電池技術による電源は、機器に優し
く、また、何年、何十年と電池交換をしないで済む環境
破壊を防ぐ電源として役に立つのである。ソーラー電池
はその意味ではトータル・エネルギー量の１％程度のエ
ネルギーで主として半導体回路機器の９０％以上を長時
間まかなえ得る技術なのである。

【０００９】

【従来の技術】従来の技術としては、シリコンセルから
の電気を自動車用鉛蓄電池やニッカド電池に蓄え、これ
を用いてトランジスタ機器を稼働せしめる方式がある。
しかしながらこの方式では 二次電池の充放電が４００回以下であること。 二次電池のうち鉛蓄電池の電極では硫酸鉛（ＰｂＳＯ
₄ ）の絶縁層が形成され、このために充電が思うように
ゆかない。強力な充電をしないと硫酸鉛を分解すること
ができない。このため充放電２００回以下になってしま
う。 重量がおもくなる。鉛蓄電池の場合１２Ｖ用で８ｋｇ
から１０ｋｇぐらいになる。 ニッカド電池、リチウム電池は充放電回数には制限が
あるのでコストが高くなる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠陥を
改良せんとするもので二次電池の寿命を大巾に改善し、
これ迄の二次電池を連続して５年以上ほぼ永久に連続使
用することが出来るものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のバッテリーチャ
ージャ付ポータブル電源は、高速で充電する二次電池、
例えば活性炭を電極とする電気二重層電池などを太陽光
を受光し発電するセルの後段に設置し、該二次電圧より
極めて低い電圧で作動し、一旦この電圧を昇圧して次段
にパワーを供給する一次コンバーターを設け、更に必要
に応じその後段に定電圧、供給用ＤＣ−ＤＣコンバータ
ーを介して後、前記一次コンバーターの出力により充電
され、且つ後段の負荷に電力を供給する次段二次電池、
例えばニッカドやリチウム等の二次電池を設置したこと
を特徴とする。

【００１２】

【作用】日本の気象庁の発表によると日本の一年間にお
ける一日の平均日照時間は３．８時間である。一方、１
２Ｖ用一般電池、例えば鉛二次電池、ニッカド二次電
池、リチウム二次電池の１Ｖ以下からの充電時間は早く
て４乃至６時間である。これは平均一日では充電を完了
しないことを意味する。本発明は上記の手段を講ずるこ
とにより、少なくとも１時間以内（数１０分）でセルに
ての発生電力を初段の二次電池に蓄積完了し、この二次
電池の蓄電量（Ｆ＝１×Ｔ／Ｖ）を有効に活用するた
め、できるだけ小電圧、例えば１Ｖで、一次側を稼働
し、２次側を次段二次電池の電圧より若干高い電圧まで
上昇せしめた上でこのパワーを次段二次電池に供給する
ことにより、次段二次電池の充放電回数−普通これを二
次電池の呼吸という−を延ばすことにより（普通の二次
電池の呼吸は４００回が限度であるとされているが、そ
の電池の呼吸時間を長くすることにより）実質１０００
回以上の呼吸回数を可能とするもので、次段二次電池の
寿命を５年以上ほぼ永久に連続して使用することを可能
にしたものである。尚初段の高速充電用二次電池は普通
は電気二重層電池を使用することにより、充・放電の回
数はほぼ無限とすることができる。

【００１３】

【実施例】本実施例を図面の説明を交えた実施例によっ
て説明してゆきたい。図１に於いて１は太陽光を電気に
変換するセルで具体的には同図に示す如き大きさ、出力
のものを用いた。２は逆流防止ダイオード、３はセル１
と並列に接続し、セルより送られてくる電気を蓄える高
速充電用二次電池（電気二重層電池を用いたが、高速充
電が可能であれば必ずしも電気二重層電池に限らな
い）、４はＤＣ−ＤＣコンバーターで該高速充電用二次
電池を一旦低電圧とし、更にその直流出力をチョッパで
パルスに変換し、その出力を昇圧した後平滑し、次段の
二次電池より高圧とした後、必要に応じて電圧変換装置
５を介して後二次電池（ニッカド電池又はリチウム電池
など）にパワーを供給する。なお６は逆流防止ダイオー
ド、８は負荷である。具体的値をそれぞれの下部に記載
しておいた。又、ここで用いた電気二重層電池の容量は
一般電池のおよそ１／１０であることに注意を要する。

【００１４】それならば電気二重層電池は役に立たない
かというとそうでない。電気二重層の電圧特性は人も知
るコンデンサの特性、即ち図２に示す如く右肩下りの低
電流型特性である。そこでセル２の出力を１２Ｖ程度に
し短時間で電気二重層電池３に蓄えるようにする。ちな
みに電気二重層電池３の電気容量を７５Ｆとすると

【００１５】

【数１】

【００１６】と３０分以内（計算上では２７．５分）で
飽和に達し、以後２３０ｍＡｈの電流を出力側に供給す
る。ちなみに純電池、例えば自動車用１２Ｖの鉛電池で
は５Ａで充電しても

【００１７】

【数２】

【００１８】と約３時間、２Ａ充電では７〜８時間を要
することとなり、２日間掛かりで充電しなければならな
いことは日頃自動車をもつ者にとっては納得の事柄であ
る。このように電気二重層電池３は現在の容量では単独
で電池としての役割を過すのは難しい。勿論０．００１
Ａ（１ｍＡ）内外の時計とか液晶製品の一部には電池と
して使用出来るが１Ａ程度のトランジスタ機器にたいし
ては難しいのである。なぜかそれは前述の計算の如く

【００１９】

【数３】

【００２０】約１４分で電池の作用がなくなるからであ
る。勿論お天道さんが出ていれば１Ａ以上の充電がなさ
れるのでこれでまかなえるが、要は日没後の問題であ
る。

【００２１】そこでどうしても純二次電池のお世話にな
らなければならない。二次電池例えばニッカド二次電池
がメイン電池として必要になってくる。ところがこの二
次電池は充放電が４００回程度が最高である。１０００
回程度のものも出来るそうであるが現在は存在しない
し、又コスト的にもまったく合わない。４００回程度の
充放電といえばせいぜい１年間か多くても２年間でだめ
になってしまう。そこでこの４００回程度の充電を充電
パワーは少ない乍ら常時行うことによって二次電池の有
効時間を図３の如く実質的に長時間にしてやることであ
る。その為には初段の高速充電用二次電池３を電気二重
層電池とし、数１で示したように３０分以内で満タンに
するようにする。このとき重要なことは満タン以後の高
速充電用二次電池の電圧はともかく、電池はカットする
ような回路を出来れば構成してやることである。これは
余分の電流により二次電池内の熱発生を出来るだけ小に
してやるためである。今図１のセル１の出力を１６Ｖ、
３００ｍＡ、５．３Ｗ級のものを使用したとし、電気二
重層７５Ｆ、２３０ｍＡ出力のものを使用したときは数
１の式の如く２５分内外で満タンとなり、これ以降は２
３０ｍＡｈの出力で電流を供給出来る。ところで電気二
重層電池は先にも述べた如く、又図２にもある如く右肩
下りの低電流型特性を有している。そこでこの電気二重
層電池の出力電圧を例えば１Ｖという低電圧まで下げる
ことによって電気二重層電池の稼働時間を一般電池並に
長時間確保し、次いでチョッパ等により交流化しこれを
再度昇圧し、例えば８Ｖ、１００ｍＡの出力とするよう
になし、然る後に後段の二次電池例えば通常のニッカド
電池（定格６Ｖ，９００ｍＡｈ）のワイヤレステレホン
用電池を充電してやれば、この二次電池により作動する
ワイヤレステレホン（例えば６Ｖ，５０ｍＡ，０．３
Ｗ）を万年稼働しうることが出来る。その根拠今市販さ
れている次段二次電池のうちニッカド電池はその定格が
６．０Ｖ、９００ｍＡであり、連続通話時間は１２０分
４５０ｍＡ、連続待ち受け時間は２１時間４３ｍＡであ
るので、もしワイヤレステレホンが通話中であるなら
ば、２３０ｍＡ≒４５０ｍＡ／２で約３０分間電気二重
層電池で電流を供給出来、次段二次電池はなお９００ｍ
Ａ−２３０ｍＡ＝６７０ｍＡでこれが連続待ち受け時間
とすれば、６７０÷４３≒１６時間となる。平均日照時
間は、前述の如く３．８時間／日であるのでこの時間は
完全に電気二重層電池によってまかなえるし、ほぼ２４
時間電源をオフにすることなく使用することが出来る。

【００２２】ここでＤＣ−ＤＣコンバーター４について
少し述べておく必要がある。電気二重層電池は右肩下り
の電圧特性を有する。そこでこれを有効に使用する為に
は、コンバーター４の入力は低く保つべきで今１Ｖ内外
とする（尚電流は２３０ｍＡと定電流が得られる）。こ
れをチョッパなどで一旦交流にし、次に昇圧、平滑によ
り８Ｖ・１００ｍＡ程度の出力とすることが出来、これ
によって、次段二次電池を充分充電することが出来る。
又ワイヤレステレホンは普通６Ｖ、５０ｍＡ、０．３Ｗ
程度であるので、この稼働にも差し支えない。

【００２３】以上ワイヤレステレホン用ソーラー電池電
源について述べた。

【００２４】では、６０Ｖ、３Ａ、１８Ｗを消費するラ
ップトップパソコン用電源をソーラー電池で賄うにはど
うしたらよいか。

【００２５】先ずセルを少し大型とし（０．８Ｖ、３
Ａ、２．４Ｗのもので一枚１０ｃｍ×１０ｃｍ×０．５
ｍｍのウェハがある）１６Ｖ、６Ａ、１００Ｗのセル
（５０ｃｍ×４０ｃｍ×０．５ｍｍのもの二枚）を用意
しなければならない。

【００２６】

【数４】

【００２７】の容量のソーラー電池が必要となる。

【００２８】今パソコンの不稼働時を稼働時の１／３以
下の電流におさえるとすれば、このソーラー電池で充分
賄える筈である。

【００２９】

【発明の効果】之れを要するに本発明バッテリーチャー
ジャ付ポータブル電源によれば半導体電気機器の９０％
以上のものが分散処理により各家庭であつかうことが出
来、自動車のイグニションをはじめとする瞬間パルス電
圧、電流の供給等搬送車の電源の一部にも使用できる電
源が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバッテリーチャージャ付ポータブル電
源の回路図である。

【図２】電気二重層電池３の電圧特性である。

【符号の説明】

１ セル ２・６ 逆流防止ダイオード ３ 高速充電用二次電池 ４ ＤＣ−ＤＣコンバーター ５ 電圧変換装置 ７ 二次電池 ８ 負荷

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速で充電する二次電池を太陽光を受光
   し発電するセルの後段に配置し、該二次電池と並列に該
   二次電池電圧より極めて低い電圧で作動し、一旦この電
   圧を昇圧して次段にパワーを供給するコンバーターを設
   け、このコンバーターの出力により充電され、且つ後段
   の負荷に電力を供給する次段二次電池を設置してなるバ
   ッテリーチャージャー付ポータブル電源。