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公開番号2021069276
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210430
出願番号2020180861
出願日20201028
発明の名称太陽電池式オフィス・工場照明
出願人マービン モッツエンボッカー
代理人個人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20210402BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】太陽光発電のEROI(投資に対するエネルギー収益率)を高め、再生可能エネルギーの新時代を切り開くのに役立つ太陽電池式オフィス・工場照明を提供する。
【解決手段】照明器具14などのデバイスにおいて、デバイスに電力を供給するためのインダクタベースの電圧インバータ15を、スイッチング定電流PWMコントローラに置き換えることで信頼性を向上させ、デバイスの電圧要件を超える高電圧入力によってインダクタと整合コンデンサの使用を避け、電力を、デューティサイクルを制御するための電流フィードバックでパルス幅変調し、デバイスの平均電流を制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
直列に接続された負荷を電圧を変えずに電源から給電する装置であって、
DC100ボルトまたはAC100ボルトの電源を受け入れることができる入力と、
入力と負荷間の電流を遮断する半導体スイッチと、
負荷への平均電流を検出する電流センサと、
半導体スイッチおよび電流センサに接続され、電流センサからの信号に応答し、半導体スイッチのスイッチングの直流を制御することにより、負荷への平均電流を変調するPWMコントローラとからなり、
前記装置は、インダクタベースの降圧、降圧昇圧、またはフライバックコンバータを使用して負荷への電圧を変化させない装置。
続きを表示(約 1,200 文字)【請求項2】
少なくとも98%の電気効率を有する請求項1の装置。
【請求項3】
入力と少なくとも2つのそれぞれの負荷との間で電流を遮断する少なくとも2つの半導体スイッチ、
各々の半導体スイッチのそれぞれについて負荷への平均電流を感知する電流センサ、及び
それぞれの半導体スイッチのためのPWMコントローラからなる、請求項1の装置。
【請求項4】
電源がソーラー電源とバックアップ電源を並列に接続したもので、ソーラー電源がLED照明器具に電力を供給するのに不十分な場合には、インダクタベースの電圧チェンジャーを使用せずにバックアップ電源が電力に取って代わるように構成されている請求項1の装置。
【請求項5】
バックアップ電源が、太陽光発電のVmax電圧よりも少なくとも2ボルト低い二乗平均電圧を有する交流電源である、請求項4の装置。
【請求項6】
さらに、照明が消灯しているとき、または照明が利用可能な太陽エネルギーをすべて消費できないときに、未使用の太陽エネルギーを消費する別の負荷への優先度の低い半導体スイッチを含んでいる、請求項4の装置。
【請求項7】
負荷がLED照明器具のセットである、請求項1の装置。
【請求項8】
さらに、太陽光発電の電源電圧を監視し、太陽光発電の電源電圧の負荷をしきい値以下に制限するフィードフォワード電圧制御を含む、請求項4の装置。
【請求項9】
ラップトップコンピュータや携帯電話の充電器を接続するのに適したコンセントをさらに備え、電圧変換なしでソーラー電力をラップトップコンピュータや携帯電話の充電器に流すことができるようにした請求項4の装置。
【請求項10】
電気機器への電源入力の電圧上昇を検出した場合に、他の電気機器と直列に接続された電気機器を定電流高圧電力にバイパスする回路であって、
a. 電圧センサ、及び
b. 電圧センサからの信号を受信し、電源入力と並列に電気的に接続される半導体スイッチからなり、
前記電気機器が過熱により故障すると、電源入力で提示された開回路が電圧センサにより高い電圧を提示し、電圧センサが半導体スイッチを焼き切り電源入力を横切る低抵抗経路を形成する回路。
【請求項11】
電気機器が、電気抵抗ヒータ、ファン、照明、モータ、放射ヒータ、ペルチェ素子、およびマイクロプロセッサ電源からなる群から選択される、請求項10の回路。
【請求項12】
電圧センサが、ツェナーダイオード、抵抗ブリッジ、ネオンライト、真空ライト、および電圧コンパレータからなる群から選択される、請求項10の回路。
【請求項13】
請求項10の回路を含む照明。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電子回路、照明、LED照明に関するものである。
続きを表示(約 9,300 文字)【背景技術】
【0002】
LED(発光ダイオード)技術は、一般にLED照明器具に電力を供給するための電圧を変化させる回路にインダクタとコンデンサを使用する。これらの電圧変換回路は、製造コストがかかり、廃熱として電力を失い、部品の故障により有限の寿命を持ち、交換が必要となりさらに維持費が発生する。このように、LED照明は、白熱灯よりも効率的ではあるが、電球に組み込まれて供給されるか、またはLED照明器具に箱として取り付けられて供給されることが多い変換回路からの余分なコストと効率の問題を抱えている。
【0003】
電源13を受け入れるためにスイッチ12によって制御される照明回路10の典型的な先行技術の設置例を示す図1を参照されたい。各LED照明器具は、LED群に高電圧(100ボルト以上)を変換するために電気的に接続された電力インバータ15を有する。
【0004】
電力インバータ15は、インダクタ(典型的には「降圧」、「降圧ブースト」または「フライバック」回路構成)を介して電力を渡し、多くの場合、AC(「交流」)をDC(「直流」)に変換する。すべてのインバータは熱としてエネルギーを失うが、これは各インバータから発せられる熱波として図面に示されている。この非効率性は、無駄なエネルギーと回路の故障の原因を散逸させるのに十分なヒートシンクを必要とすることで、さらにコストを増加させ、より頻繁な器具の交換を促す。
【0005】
接続された降圧/昇圧インバータが、電流が流れなければならない電解コンデンサへの高い要求のために燃え尽きるため、長いLED電球の寿命は、しばしば実現されない。これにより、照明器具の寿命が大幅に短くなり、数年以内に交換を要することが多くなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
米国特許第6084357号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
解決しようとする問題点は、LED照明器具に短寿命の電圧変換回路が付属することで照明器具の寿命が著しく短縮する点にある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
発明者らは、PWMコントローラ等で構成されるコンバータから出力される電力のデューティサイクルを調整することにより、LED照明器具などの負荷に供給される電圧や電流を変更できるため、インダクタを用いた電圧制御を使う必要がなくなり、インダクタに起因する過熱による故障を回避でき、LED照明器具などの負荷の製品寿命を延ばすことができることを見出した。
すなわち、本発明の一実施態様により以下を提供する。
(1)直列に接続された負荷を電圧を変えずに電源から給電する装置であって、
DC100ボルトまたはAC100ボルトの電源を受け入れることができる入力と、
入力と負荷間の電流を遮断する半導体スイッチと、
負荷への平均電流を検出する電流センサと、
半導体スイッチおよび電流センサに接続され、電流センサからの信号に応答し、半導体スイッチのスイッチングの直流を制御することにより、負荷への平均電流を変調するPWMコントローラとからなり、
前記装置は、インダクタベースの降圧、降圧昇圧、またはフライバックコンバータを使用して負荷への電圧を変化させない装置。
(2)少なくとも98%の電気効率を有する(1)の装置。
(3)入力と少なくとも2つのそれぞれの負荷との間で電流を遮断する少なくとも2つの半導体スイッチ、
各々の半導体スイッチのそれぞれについて負荷への平均電流を感知する電流センサ、及び
それぞれの半導体スイッチのためのPWMコントローラからなる、(1)の装置。
(4)電源がソーラー電源とバックアップ電源を並列に接続したもので、ソーラー電源がLED照明器具に電力を供給するのに不十分な場合には、インダクタベースの電圧チェンジャーを使用せずにバックアップ電源が電力に取って代わるように構成されている(1)の装置。
(5)バックアップ電源が、太陽光発電のVmax電圧よりも少なくとも2ボルト低い二乗平均電圧を有する交流電源である、(4)の装置。
(6)さらに、照明が消灯しているとき、または照明が利用可能な太陽エネルギーをすべて消費できないときに、未使用の太陽エネルギーを消費する別の負荷への優先度の低い半導体スイッチを含んでいる、(4)の装置。
(7)負荷がLED照明器具のセットである、(1)の装置。
(8)さらに、太陽光発電の電源電圧を監視し、太陽光発電の電源電圧の負荷をしきい値以下に制限するフィードフォワード電圧制御を含む、(4)の装置。
(9)ラップトップコンピュータや携帯電話の充電器を接続するのに適したコンセントをさらに備え、電圧変換なしでソーラー電力をラップトップコンピュータや携帯電話の充電器に流すことができるようにした(4)の装置。
(10)電気機器への電源入力の電圧上昇を検出した場合に、他の電気機器と直列に接続された電気機器を定電流高圧電力にバイパスする回路であって、
a. 電圧センサ、及び
b. 電圧センサからの信号を受信し、電源入力と並列に電気的に接続される半導体スイッチからなり、
前記電気機器が過熱により故障すると、電源入力で提示された開回路が電圧センサにより高い電圧を提示し、電圧センサが半導体スイッチを焼き切り電源入力を横切る低抵抗経路を形成する回路。
(11)電気機器が、電気抵抗ヒータ、ファン、照明、モータ、放射ヒータ、ペルチェ素子、およびマイクロプロセッサ電源からなる群から選択される、(10)の回路。
(12)電圧センサが、ツェナーダイオード、抵抗ブリッジ、ネオンライト、真空ライト、および電圧コンパレータからなる群から選択される、(10)の回路。
(13)(10)の回路を含む照明。
【発明の効果】
【0009】
本発明の装置およびこれを用いた戦略は、太陽光発電のEROI(投資に対するエネルギー収益率)を高め、再生可能エネルギーの新時代を切り開くのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1は、LED照明器具を接続するための先行技術の構成を示す図である。
図2は、電圧を変更せずに単一のコントローラからLED照明器具の配列に電力を供給するための実施形態を示す。
図3は、バックアップ電源を組み合わせるための実施形態と、優先順位の低い負荷を組み合わせるためのオプションの実施形態を示す図である。
図4は、ERIOI(Energy Returned On Investment)を高めるために優先度の低い負荷を組み合わせるためのオプションの実施形態を持つ装置の詳細を示す。
図5は、ある実施形態のための一般的な回路の詳細を示す。
図6は、一例で使用される回路の詳細を示す。
図7は、実施例から得られたいくつかのデータを示す。
図8は、実施例から得られたデータの一部を示す。
図9は、一実施形態に係る一般的な回路の詳細を示す。
【発明を実施するための形態】
【0011】
インダクタに電力を通すことによる無駄な電圧変化を回避
技術と装置は、驚くべきことに、機器内のインダクタベースの電圧変換回路を介したパルス電流なしに、正規の110V機器(日本と米国)と、LED照明などの正規の220V機器(アフリカや他の地域)に電力を供給するために太陽光エネルギーが電源供給できることを見出した。高価な、(各照明器具の回路におけるような)電力を奪う電圧変化を用いる代わりに、単一の非誘導PWMコントローラが、好ましくは、ユーザーが操作するスイッチで、高い効率で共通の回路上で直列接続されたLED器具を制御する。
【0012】
図2の基本的な構成では、コントローラ25に接続されたLED器具回路配列20が示されている。電源23は220ボルトとして示されており、200−300ボルト(ACまたはDC)が好ましい範囲であるが、その他のDC380ボルトまたはAC440ボルトのような高い電圧が特に好ましい。電源23からの電力は、コントローラ25によって制御されたPWM(「パルス幅変調」)で、1つ以上の配列20内の各LED器具24のための決められた平均電流に制御される。PWM制御によって確立された目標平均電流レベルを有する2つの配列が示されている。スイッチ22は、入力電源23とPWMコントローラ15との間に示されているが、コントローラ25と照明配列(複数可)20との間などの別の位置にあってもよい。
【0013】
太陽光発電との組み合わせの予期せぬ利点
太陽電気は、好ましくは、図2に示す装置に直接(より好ましくは、供給された太陽電気の電圧調整またはMPPT調整後に間接的に)接続される。図3は、コントローラ35へのソーラーパネル電力33の供給を示す。コントローラ35は、LED照明器具群34の直列接続配列30にパルス幅の制御を介して平均電流を設定する。
【0014】
太陽電池パネルから供給される電力を、LED配列によって必要とされる電圧以上の電圧(しかし、好ましくは、必要とされる電圧よりも50%未満高い電圧)で供給することによって、太陽エネルギーは、インダクタベースの降圧、降圧ブースト、またはフライバック回路構成による定期的な電圧変化を受ける必要がない。これは、太陽エネルギーへの設備投資支出を減少させ、太陽エネルギー投資からリターンされる有用エネルギーの量を増加させ、装置交換に必要な長期コストを減少させることにより、EROIを直接的に増加させる。
【0015】
好ましくは、太陽電池パネルは、(高温による電圧降下を考慮して)意図された使用電圧以上の電圧を提供するために、直列構成および並列構成で結合される。そして、出力された太陽光発電は、異なる設定平均電流負荷に対応するために、可変デューティサイクルで中断される。好ましい実施形態では、バックアップグリッド電力またはバッテリは、自動調節のためのキルチョフの法則に依存しながら、単純な(並列接続)方法で接続される。外部ユーティリティ電力31またはバッテリ電力は、日照強度が揺らぐにつれて太陽エネルギーを補うために、必要に応じてスムーズに追加することができる。これにより、2つの電力源をマージするための変換回路が不要または最小化され、コストが減少し、より高いEROIのためのエネルギー効率が向上する。
【0016】
コントローラ35内の回路は、好ましくは、出力電流を監視するが、オプションとして、MPPTまたはフィードフォワード電圧制御を介して太陽電池パネルの負荷を最適化するために、太陽電池パネル電力の入力電圧を監視する。LED配列および他の任意に接続された装置へのパルス幅変調電力のデューティサイクル(パーセントオンタイム)は、平均出力電流を調整するために必要に応じて調整される。
【0017】
一定の平均負荷電流のこの制御は、熟練した当業者であれば理解できるように、いくつかの方法で実施することができる。大量生産のためには、PWM機能を有し、少なくとも1つのコンパレータを有するプログラマブルマイクロコントローラであって、半導体スイッチに変化する持続時間パルス(出力に印加される電力のデューティサイクルのための)を出力するものが好ましい。
【0018】
一般に、LED負荷への平均電流の流れを監視し、電流センス信号を得て、記憶された基準と比較してデューティサイクルを調整するために使用される。デューティサイクル(パーセントスイッチオン時間)は、平均電流を増加させるために増加させ、デューティサイクルは、平均電流を低下させるために減少させる。好ましくは、感知された電流信号は、所望の出力レベルを目標とするために、デューティサイクルのための決定を行うために、基準値または記憶された値と比較される。好ましい実施形態では、誤差増幅器は、図4に示すように、電流センサ147(148)からの電流センス信号を、比較を行うための基準電圧と比較するためにコンパレータと協働する。
【0019】
また、LED照明配列30に電流調整された電力を供給する制御回路35を示す図3も参照されたい。コントローラ35の部分37は、定電流フィードバック回路である。配列への電流を制御することにより、配列内の各照明は同じ量の電流を受け取る。一実施形態では、各LED照明器具は、多数の個々のLEDからなり、インダクタベースの昇圧器または降圧器を使用せず、個々のLED間で電流をより均一に分配するための回路を含んでもよい。好ましくは、LED照明器具は、回路35によって供給される電圧を昇圧または降圧するのではなく、単に出力を受け入れるだけである。
【0020】
重要なことに、誘導電圧の昇圧または降圧を介して有意な電圧変化または制御は起こらない。ここでいう「有意な電圧変化または制御が生じない」という用語は、ほとんどまたは全く電流が電圧制御器を通過せず、電力の10%未満、より好ましくは電力の5%未満、最も好ましくは電力の10%未満、例えばインダクタベースの降圧、降圧昇圧、またはフライバックインバータを使用して電圧調整されないことを意味する。
【0021】
「平均電流の流れ」とは、LEDの温度放散特性が、より高い電流で短いパルスを可能にするという観点から、短い時間の間に負荷への電流を検出することを意味し、これは、熱放散を特徴付けるより長い時定数に見合ったより低い電流に平均化される。好ましくは、電流センサを使用して平均電流を調整するための時定数は、少なくとも10ミリ秒、場合によっては50ミリ秒以上、さらには200ミリ秒以上である。一実施形態では、PWMは、例えば500ヘルツの割り込みレートで動作する。この例では、少なくとも2つのデューティサイクルは40ミリ秒を占め、最小許容時定数は割り込み時間の2倍、例えば40ミリ秒から100ミリ秒の間である。
【0022】
多種多様な電流センサを使用してもよい。0.1Ω、0.01Ω等の小さな直列抵抗を挟んで電圧降下を測定するものが信頼性が高く使用されており、簡便性の点で好ましい。部品価格が十分に安い場合には、ホール効果センサが好ましい。
【0023】
実施形態における応答時間の限界は、一般に、ヒートシンクと電流パルス強度に基づくLEDの加熱時間である。LEDの寿命を著しく短くするレベルまで、パルス間でLEDが加熱しなければ、より高くても短時間の電流パルスでも問題ない。本実施形態の任意の1つの理論に拘束されることを望むことはなく、LEDは主に過熱により破壊され、電流のPWM制御は短いパルスで制限された高い電流を可能にすることが示唆され、これは、平均的に測定された値でより低い定電流と同程度の加熱効果に平均化される。
【0024】
一実施形態では、太陽電力は唯一のエネルギー源であり、フィードフォワード入力電圧制御またはMPPTコントローラは、その出力が負荷を駆動するために不十分であるときに太陽電池パネルに過負荷がかかることを防止する。そうでなければ、高負荷および曇りの状態は、それらの電圧を所望のレベル以下に低下させる。しかし、より好ましくは、ユーティリティ電源バックアップ31(図3)が並列に接続されており、太陽光が低下したときに負荷への電圧低下を防止する。好ましい実施形態では、フィードフォワード入力電圧制御回路および/またはフィードバック出力電流制御回路37は、LED照明配列30への出力電力のデューティサイクルを調整するために、2つのそれぞれのエラーアンプおよびコンパレータを使用する単一のプロセッサまたはPWMチップ内に実装されている。
【0025】
実施形態(図3)では、不十分な太陽エネルギーが利用可能である場合には、照明34を調光するために電流を減少させることができ、および/または1つ以上の他の負荷36を犠牲にすることができる。例えば、減少した太陽利用可能性(例えば、光センサからの信号の変化、または一定の負荷を有する太陽電池パネルからの電圧の減少によって感知される)に対応するために、電力を維持するために消灯または調光することによって、1つまたは複数の照明の配列を犠牲にすることができる。また、太陽エネルギーを共有するヒーター36のようなより低い優先順位の負荷は、オフにするか、または減少した電力の流れを受け取ることができる。この優先順位付けは、回路35によって最小の太陽入力電圧が検出されたときに、優先順位の低い負荷をオフにすることによって実施することができる。同様に、太陽入力電圧が閾値以上に上昇すると、より低い優先順位の負荷を追加することができる。太陽エネルギーのみの状態に対応するために(またはバックアップ電源31の遮断に応答するために)、コントローラ35は、パネル33への接続のデューティサイクルを変調することによって太陽電池パネル33の負荷を変化させる、太陽電池電圧または電力モニタ回路部分37を有する。同様に、部分38は、太陽光発電が減少すると、その負荷接続のデューティサイクルを減少させることにより、より低い優先度の負荷36への電力の流れを変調することにより、パネル33からの太陽光発電の利用可能性の変化に応答する。
【0026】
並列接続されたバックアップDC電源好ましくは、図4により具体的に示されているように、ACユーティリティラインまたはバッテリからの整流DCなどのバックアップDC電源が並列接続されている。ここで、ユーティリティAC電源41は、接続441を介して筐体45(別個の筐体として存在し得る)に入り、好ましくはブリッジ整流器またはアクティブ(MOSFETが実装された)ブリッジ整流器であるダイオード42によって整流される。ソーラーパネルDC電源43は、接続443を介して入り、逆流遮断ダイオード81を通過する。同時に、接続443からのソーラーパネルDC電力は、逆流遮断ダイオード82を通過してソーラー専用電源回路86に入る。回路86は、電源43の電圧を監視し、太陽光パネルDC電力43の電圧が閾値以下に低下した場合(これは、太陽光専用電力負荷への電力供給が不十分であることを示す)には、DC電力43への負荷を低下させる。
【0027】
ポーション87は、出力接続部444に接続された給湯器46や接続部4などの1つ以上の負荷への電力の流れを制御する。ポーション87は、過剰な太陽エネルギーが利用可能な場合には、優先順位の低い負荷のヒータ46への電力流をオンにする(または電力のデューティサイクルを増加させる)。これは、太陽光発電43の電圧を監視し(または、より好ましくは、光センサからの増加した光を監視すること)、電圧が閾値をトリガするのに十分に高いときに、負荷ヒータ46への接続をオンにするか、またはデューティサイクルを増加させることによって達成される。このようにして、より低い優先度の負荷を活性化することによって過剰な太陽エネルギーが吸い上げられるので、太陽エネルギーを最大限に利用することによって、より高いEROIが達成される。この場合、高い優先度の負荷が完全に満たされると、過剰な利用可能な太陽光発電(太陽光発電電圧の閾値へのわずかな増加または感知された光の増加によって検出される)は、より低い優先度のアプライアンス(複数可)に流出する。
【0028】
図2に示されたスキームへのこの任意の追加では、2つの逆流保護ダイオードは、優先度の高い負荷へのバックアップ電力供給から優先度の低い用途への太陽電力のみの供給の二分化を可能にする。バックアップ電源41からの電流は、ダイオードを通過して回路86、87に到達することができず、ヒータ46のような優先度の低い負荷に供給することができない。
【0029】
このようにして、太陽光の損失により太陽光発電が低下した場合には、LED照明配列30に供給される電流を一定に維持するために、ユーティリティから十分な電力が自動的に取り込まれるが、優先度の低い負荷には使用されないようになっている。センサ147からの出力を有するフィードバック回路47は、閾値に応じてLED照明配列30に供給される電流を調整し続ける。
【0030】
共通回路で動作する複数の照明配列
図4は、高ソーラーパネル電圧(100ボルト以上、好ましくは230ボルト以上)の電源43が、バックアップ電源41、例えばバッテリまたは整流されたユーティリティ電源と並列に接続されている、好ましいまたは切り替え可能に選択された構成を示している。この高電圧電力のわずかな割合(典型的には1%未満)は、インバータ49によって12ボルトまたは15ボルトなどの低電圧に変換され、このインバータ49はPWM回路47および48に電力を供給する。分かりやすくするために、2つのPWM回路のみが示されており、それぞれがLED照明器具の配列を制御しているが、より多くの数が使用されてもよい。PWM回路47および48は、それぞれ電流センサ147および148と協働するか、または組み込まれる。各電流センサは、それぞれLED照明配列407、408の平均目標電流値を達成するためにデューティサイクルを調整するために使用される電流信号を提供する。PWM回路47および48は、それぞれ半導体スイッチ149および150を制御する。スイッチは、好ましくはMOSFETまたはIGBTトランジスタであり、所望のPWMデューティサイクルを生成するために、それぞれの照明配列に電力を切り替える。
(【0031】以降は省略されています)

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