JPS61160122A - 太陽アレイ調整器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明線、一般的に太陽電池アレイに関し、そしてより
詳細には変化する状況においてアレイの電気出力を調整
する技術に関する。半導体太陽電池のアレイは、電池充
電回路を付勢するために、又は他の電気装置ｔｉ−直接
付勢するために、宇宙船や地球上の応用において主要電
源としてしばしば使用される。

従来の技術 太陽電池アレイは有効且つ信頼できる電源であるけれど
も、そのようなアレイの動作特性を変えるような普通に
遭遇する状況がいくつかある。温度変化によって太陽電
池アレイの出力電圧が広範囲に変化するので、何らかの
電圧調整技術が必要である。より詳細に言えば、アレイ
を構成している電池の温度が相対的に低いときに、アレ
イからの利用可能な最大電圧、すなわち開路電圧は、著
しく増加する。宇宙船が陰の状態、たとえば地球や他の
物体によって影にされたときのように、から現われると
きには、アレイの温度は、約−／’７６℃もの低温にな
っていることもめる。数分間太陽光に直接さらされると
、温度は、２０θ℃も上昇する。陰からちょうど現われ
たばかりのアレイからの出力電圧は、このアレイが太陽
光ｉｔ−うけて平衡温度に達りした後に得られる櫃のほ
ぼ２倍になることもめる。

温度が低い時間中アレイの電気負荷を増大しないならば
、出力電圧を調整して低い値に下げなければならない。

一般に使用されている技術は、高電力スイッチングトラ
ンジスタにより列から成る電池を側路させるか又は短絡
することである。それぞれの列の電池を適当なスイッチ
ングによって短絡するならば、スイッチングトランジス
タにおいて電力消費を犠牲にするだけでそのアレイの出
力を減少させる。すなわち、電圧がこのように調整され
ている間、トランジスタの電力消費が著しく増加する。

前述の記載からもわかるように、電圧が増加した状況の
ときに太陽電池アレイの電気出力を調整する新しい技術
の必要性がある。この必要性は、宇宙船の電源利用にお
いて特に切実であり、且りアレイが広範囲の温度変化を
受ける地球上の利用においても存在する。

発明の要約 本発明は、電気制御光学装置を使用して多重太陽電池を
有する太陽！池アレイからの出力全調整することでおる
。基本的には、そして一般的な月給で示せは、不発明の
装置は、次の工うな構成になっている。アレイの電気出
力における所望の変化を示す制御信号を与えるための手
段と、アレイのうちの被選択電池上に設置されそして制
御信号によって動作可能であり、且つ、被選択電池に達
つする放射量−そしてそれ故そのアレイの全電気出力−
を制御するための電気作動光弁手段とから成っている。

この制御信号を与えるための手段は、太陽電池アレイの
出力電圧を検出するだめの手段と、検出された出力電圧
を所望の基準値と比較し、且つ、差信号を生成するため
の手段と、その差信号に応答して制御信号全発生させア
レイの出力を調整するための制御手段とを備えている。

より詳細には、光弁手段は、液晶素子を含むカバーパネ
ルの形態をとることもある。制御信号は、太陽放射スペ
クトラムの少くともめる部分に対してカバーパネルを相
対的に不透明にするのに効果的である。

本発明の制御手段は、複数の制御信号を与えるように構
成されており、制御信号の数が差信号の大きさに従属す
る。実際の電圧と所望する基準電圧との差が大きい場合
に、多くの制御信号が生成され、制御信号はそれぞれア
レイ中の個々の電池や電池の集合体に結合されている。

または、光弁手段は、アナログ信号に応答して不透明さ
の度合いを変化させる。制御手段は、その後、単一のア
ナログ制御信号を生成し、この制御信号の大きさによっ
て全ての光弁手段を不透明にする度合いが決定される。

液晶表示装置は光弁として作用する必要な特性を与える
けれども、より良好な特性を有する他の材料が開発され
ている。ＰＬＺＴ（鉛・ランサネ−ト・ジルコニウム酸
塩・チタン醒＠）という陶磁器材料は、電気制御可能な
光伝達特性を有している。

本発明が太陽電池アレイの分野において者しい進歩を示
すものであることが前述の記載から理解されるだろう。

特に、不発明は、太陽電池アレイ中の電池を側路しない
で、そのアレイから電圧出力を調整するだめの有効な技
術を提供する。本発明の他の特徴及び長所は、添付図面
を参考として実施例から明白になるだろう。

実施例 箔付図面に示されているように、本発明は、太ｌＬ％　
ｌｉｔ池のアレイの出力電圧を調整するための新技術に
関する。単一の太陽電池ｅま、シリコンや他の手帳体材
料から成るダイオードであり、この４池に光が照射され
ると電流が生じる性質を有している。単一の太ｉ＆　亀
（ｒＭは、約０５ボルトの開路電圧、すなわち負荷がそ
の電池に接続されないときの電圧、を生じることができ
、そして約Ｓθミリアンペア（ｍＡ　）又はそれ以下の
短絡電流、すなわちその電池の出力端子が接続されて短
絡状態になるときに流れる電流、を有する。単一電池の
出力では電気的にほとんど実際的な利用の道がないので
、電池は、直列接続電池から成る多重の列を有するアレ
イをなすように一般的に一緒に接続される。

−列は、それぞれ単一電池の出力の何倍もの結合電圧出
力を有する。電流出力の増加は、アレイを形成するよう
に多重の列を並列に接続することにＬって与えられる。

そのようなアレイは、簡略された状態で第１図に示され
ている。多重電池は、参照番号１０で示され、直列の列
１２をなして接続されている。この直列の列１２は、二
つの出力バス１４，１６１１Ｊｊに一緒に並列に接続さ
れている。一つのアレイの代表的な電圧対電流特性が第
２図に示されている。

もし出力バスが開路状態でめるならば、出力゛電流は零
でありそして出力電圧が開路電圧でるる。この開路電圧
は、約３ｇボルトである。もし出力バスが一緒に接続さ
れると、出力電圧は零でありそして生じる電流がｌｓｃ
で示される短絡電流である。

短絡電流の条件は、負荷インピーダンスが零でおる。も
し負荷インピーダンスを徐々に増加させると、出力電圧
も上昇する。しかし電流は、曲線２０によって示される
ように初期の櫃に対して相対的に一定である。電圧が開
路値に近づくにつれて、電流は急激に降下し始める。

特性は、２２で示される限界動作点を有していて、この
２２で出力電力、すなわち電流と電圧との、潰、が煙火
となる。アレイが電気的に負荷されないと、開路出力電
圧が生じる。電気的負荷がこのアレイに加えられるので
、電圧がわずかに降下し、そして電流が増加し、アレイ
から増加した電力が与えられる。しかし、最大電力出力
点２２に達つするとき、さらに負荷を増加させようとす
ると、電圧及び出力電力が著しく減少する。代表的な部
分的負荷伯仲は、負荷＃ＪＩ２４によって示される。

アレイを設置した宇宙船が影からちょうど現われた時の
ように、このアレイが低い動作温度に置かれているとき
電流−電圧特性２Ｇが著しく変化するので、本発明に関
連する問題が生じる。そのような低温度条件に対する特
性が曲線２０′で示される。この曲線２　Ｇ’は、曲＠
２０と同じ外形を有しているが、短絡電流が減少しそし
て開路電圧が上昇する。一般的に、単一の太陽電池は、
コミリボルト／℃の温度係数、すなわち７℃の温度変化
に対して一ミリボルトの太陽電池の電圧出力変化を示す
。２００度の温度差にさらされた一列の１００個の太陽
電池に対して、全体の電圧変化は、グ０ボルト、すなわ
ち１００チ変化にもなる。電気的負荷を増加しないよう
にするならば、この増加した電圧を通常のレベルＫｆＪ
！４！！するために何らかの手段をとらねばならない。

従来、この手段は、高電力スイッチングトランジスタに
よって電池の下位列を選択的に短絡することによって行
なわれ、この高電力スイッチングトランジスタで電力が
消費されている。

本発明によれば、被選択電池１０′には光制御弁が与え
られていて、これらの電池を放射から”陰にする”よう
にそしてこれによってそれぞれの直列の列１２によって
生じた全電圧を減少させる。

眠気的に動作する光制御弁は、従来から知られているが
、太陽熱を利用するアレイ電圧調整の問題には適用され
ていない。メイヤース（Ｍｅｙｅｒｓ　）等に付与され
た米国特許第一、１ｇ３．３７９号によれば、投射テレ
ビジョンシステム用に提案された電気制御用光弁が開示
されている。回折格子を制御するために電場を使用する
方法がプーラ−（Ｂｕｈ−ｒｅｒ　）に付与された米国
特許第３．ざ／３　、　／４’−号に開示されている。

さらに、一般的な意味において、光スィッチとして使用
される液晶電池の性質は周知である。液晶及び液晶表示
装置ｔ（ＬＣＤ）に関しての多くの特許及び刊行物が存
在する。例えば、ソレフ（５ｏｒｅｆ　）に付与された
米国特許第’１．．３ｇ！；、７９９号及びポーンＡ／
　（Ｂｏｒｅｌ　）等に付与された米国特許第３．７９
／、７１ｂ号がある。

被選択電池１０′のそれぞれは、電気制御素子を有する
カバーパネルを備えており、この電気制御素子によって
その電池への光の伝達が制御される。

基本的に、制御素子は、電池が応答するスペクトラムの
ある部分についてカバーパネルを放射に対して相対的に
光を通さないようにできなければならない。

この条件を満足する一つの制御素子は、液晶表示装置用
素子である。広く知られているように、電場を液晶素子
に加えると、その素子を相対的に不透明に且つ外観上黒
色にするような結晶構造の配列を生じる。適切なＬＣＤ
用素子は、コネクチカット州θｂｇｓｓノル９オーク（
Ｎｏｒｗａｌｋ　）のＵＣＥ会社会社数晶モデル番号Ｃ
ｌＮ−６−ＩＴｃである。

＠３図は、太陽電池の出力特性が如何に電気制御素子の
活性化によって行なわれるかを示している。曲＠３０は
、ＬＣＤ素子が不活性であり且つ相対的に透明でめると
きのＩ−Ｖ特性を示す。曲線３２は、その素子の活性後
相対的に不透明になったときのｌ−Ｖ特性を示す、出力
電流は、約半分減少し、そして電圧は、多少減少する。

より理想的な光弁素子は、出力特性を実際に機能させず
、そして−列の電池に出力を生じさせない。

ＰＬＺＴ（鉛・テンサネート・ジルコニウム酸塩・チタ
ン酸塩）という光学陶磁器材料が光弁として使用される
可能性のめる材料でめる。この材料やこの関連材料が飛
行機の操縦室の窓や保縄用目かくしのように各種に応用
されるように研究されてきている。これらの陶出器材料
は、良好な反射性＊’ｒ与えるように制御されており、
入力放射線をアレイ中の仮選択太陽！池から反射するの
に適している。

本発明の原理の実際的な利用において、被選択電池１０
′のそれぞれは、制御線４０によって制御回路４２に接
続されている。この制御回路４２は、線４４上でアレイ
の実際の出力電圧と基準電圧との差を示す信号を受は取
る。この差信号は、差動増幅器４６によって与えられて
おり、この差動増幅器４６には実際の電圧を示す入力線
４８及び基準電圧を示す入力線５０が接続されている。

制御回路４２の機能は、制御Ｍｊ４０上に制御信号を送
出し電池１０′のうちの被選択電池を”陰にする”こと
である。制＃線４０上の制御信号の性質は、電池１０′
に使用されている光制御弁素子の性質に依存するという
事が理解されるだろう。もし制御弁がλ値の性質、すな
わちオン又はオフのいずれか、でめるならば、制御信号
も一値でるり、そしてこの制御信号は、各アレイ列１２
において適当な数の電池を活性化することによって、ア
レイからの出力を望みどおりに減少させるような方法で
送出される。制御弁が性質上アナログでｂり光の透過度
を連続的に変えるならば、制御線４０上の制御信号もア
ナログ信号であり全ての被選択電池の透過度を適当な量
だけ変えてその出力電圧を所望のレベルに調整する。

アレイ中の電池を選択的に陰にすることについての一つ
の内鑵な問題は、それぞれの陰にされた電池が全く出力
を生じないか又は出力を減少させアレイ上の電気負荷と
して作用することである。

−列中の一個の電池が選択されて影にされるならば、電
池間の電圧は、高くて有効電力が熱の形で電池内で消費
される。この工うにしてアレイ中に１ホツトスポツト”
が作り出され、アレイの機械的設計に重要な影４を及ぼ
している。影にするように選択された電池をそれぞれの
電池の列においである最小量だけ離して配置することに
よって、この問題を最小圧することができる。

本発明が太陽電池アレイの分野において顕著な進歩を示
していることが前述の記載から明らかでろろう。特許、
本発明は、列構成の電池を選択的に短絡させるためのス
イッチングトランジスタを用いないで、アレイの電気出
力ｔ”０４ｍするための新しい技術を提供している。こ
の技術の長所は、少数の付加部品を使うこと、軽量でろ
ること、アレイの制御にほとんど電力を消費しないこと
である。

本発明の特定の実施例が説明のために詳細に記載されて
いるけれども、本発明の精神及び範囲から逸脱すること
なく各種の変更をすることが可能である。従って、本発
明は、特許請求の範囲において限定した以外には制限さ
れないものでおる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、太陽ｇＬ池アレイを簡略化し、このアレイの
出力電圧が本発明によって調整されている図、 第２図は、太陽電池アレイの電流−電圧特性を示すグラ
フ、 第３図は、活性化された又は不活性化された代表的な太
＃電池の相対的な電流−電圧特性を示す図である。 １０・・・を醜、１０′・・・被選択電池、１２・・・
アレイ列、４２・・・光弁制御回路、４６・・・差動増
幅器。 手続補正書（方式） 特許庁長官　宇　賀　道　部　殿 １、事件の表示　　　昭和６０年特許願第２２９７９３
号２、発明の名称　　　太陽アレイ調整器３、補正をす
る者 事件との関係　　出願人 名　称　　ティアールダブリニー　インコーホレーテッ
ド４、代理人

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）多重太陽電池を有する太陽電池アレイの電気出力
   を調整するための装置において、 （ａ）前記アレイの電気出力における所望の変化を示す
   制御信号を供給するための手段と、 （ｂ）前記アレイの被選択電池上に設置されそして前記
   制御信号によつて動作可能であり、且つ、前記被選択電
   池に達つする放射線の量、それ故前記アレイの全電気出
   力を制御するための電気作動光弁手段と、 を備えることを特徴とする装置。
2. （２）前記制御信号を供給するための手段が（ａ）太陽
   電池アレイの出力電圧を監視するための手段と、 （ｂ）監視された出力電圧を所望の基準値に比較してそ
   して差信号を生成するための手段と、 （ｃ）前記差信号に応答して前記制御信号を発生させて
   前記アレイの出力を調整するための制御手段と、 を備える特許請求の範囲第（１）項記載の装置。
3. （３）前記電気作動光弁手段が相対的に透明な状況と相
   対的に不透明な状況との間でスイッチング可能な液晶素
   子を有する電池カバーパネルを備える特許請求の範囲第
   （１）項記載の装置。
4. （４）前記電気作動光弁手段が相対的に透明な状況と相
   対的に不透明な状況との間でスイッチング可能な液晶素
   子を有するカバーパネルを備える特許請求の範囲第（２
   ）項記載の装置。
5. （５）前記電気作動光弁手段が光学的な陶磁器材料から
   なるカバーパネルを備える特許請求の範囲第（１）項記
   載の装置。
6. （６）前記電気作動光弁手段が光学的な陶磁器材料から
   なるカバーパネルを備える特許請求の範囲第（２）項記
   載の装置。