JP7009541B2

JP7009541B2 - 光発電デバイスを用いた電源システム

Info

Publication number: JP7009541B2
Application number: JP2020063020A
Authority: JP
Inventors: 健甲斐
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: JP2021164251A

Description

本発明はバッテリを提供する電源システムに係り、特に光起電力を用いたバッテリ充電が可能な電源システムに関する。

バッテリの充電に太陽光発電を利用した電源システムは数多く提案されている。たとえば、特許文献１には太陽光発電と商用電源を利用した電気自動車用バッテリの充電システムが記載されており、特許文献２には色素増感太陽電池を用いてモバイル機器を充電するソーラー充電器が開示されている。

また、特許文献３に開示された太陽電池パネルは、異なる波長域の集光性染料を含有した複数の透明樹脂を積層し、各層のエッジに太陽電池を設け、さらに最下層に太陽電池を配置した構成を有する。

また充電されたバッテリをレンタルする電源システムも提案されている。たとえば、特許文献４には電気自動車用バッテリのレンタルシステムが開示されている。

特開２０１４－０５４０２２号公報特開２０１９－１４９５８３号公報特開平７－１３１０５１号公報特開２００２－２９１１１０号公報

しかしながら、上述した特許文献１および２では、太陽電池パネルにより太陽光を電力に変換して取り出すだけである。このために、発電効率は太陽電池パネル自体の光電変換効率にのみ依存しており、光発電効率をさらに向上させることが容易ではなかった。

また、特許文献３に開示された太陽電池パネルは、入射する太陽光の電力変換効率を最大限に高めることを企図したものである。したがって、特許文献３の太陽電池パネルも太陽光のみに依存しており、発電効率は太陽電池パネル自体の光電変換効率にのみ依存している。

また、特許文献４に開示された電源システムは商用電源による充電を前提としており、このために災害等の発生により停電した場合、サービスを提供することができない。

そこで、本発明の目的は、環境に存在する光を無駄なく利用することで商用電源に依存することなく効率的なバッテリ充電およびバッテリ提供を可能にする電源システムを提供することにある。

本発明の一態様によれば、複数のバッテリ（３０）を受入／取出可能に収納するバッテリ収納手段（４０２）と、第１光発電パネル（１１）と第２光発電パネル（１２）とを重ねた光発電デバイス（１０）と、前記第１光発電パネル（１１）の光起電力と前記第２光発電パネル（１２）の光起電力とを用いて前記バッテリ（３０）の充電を行う充電回路（４０１）と、前記充電回路（４０１）により前記複数のバッテリ（３０）を充電し、登録済みのユーザに前記バッテリ収納手段（４０２）から前記バッテリ（３０）を提供する管理手段（４０４）と、を有し、前記第１光発電パネル（１１）側から第１の光を入射させ、前記第２光発電パネル（１２）側から第２の光を入射させ、前記第１光発電パネル（１１）が前記第１の光と前記第２光発電パネル（１２）を透過した前記第２の光とから光発電を行い、前記第２光発電パネル（１２）が前記第２の光と前記第１光発電パネル（１１）を透過した前記第１の光とから光発電を行う。これにより、光発電デバイスの両側から第１の光と第２の光とが入射することで、第１光発電パネルは第１の光の光電変換を行い、さらに第２光発電パネルを透過した第２の光の光電変換も行う。同時に、第２光発電パネルは第２の光の光電変換を行い、さらに第１光発電パネルを透過した第１の光の光電変換も行う。このように、光発電デバイスの両面から入射する光を発電に利用することができ、簡単な構成で環境に存在する光を無駄なく利用して発電効率を向上させることができる。また、バッテリの貸与など種々のサービスを光発電だけで提供することが可能となる。
前記第１光発電パネル（１１）が透明あるいは半透明の第１太陽電池パネル（１０１）からなり、前記第２光発電パネル（１２）が集光性パネル（１０２）と前記集光性パネル（１０２）のエッジ面に設けられた第２太陽電池パネル（１０３）から構成することができる。これにより、第１太陽電池パネル（１０１）は第１の光を全面で受けることで効率的な光電変換が可能となり、第２太陽電池パネル（１０３）は所望の波長域で光電変換が可能となる。
前記集光性パネル（１０２）は、透明媒質に所定波長域の光を吸収し前記所定波長域の光を再放出する蛍光染料を分散させた透明板にすることができる。これにより所定波長域の光を効率的に集光して発電に利用することができる。
前記第２太陽電池パネル（１０３）は光を透過しない太陽電池パネルであってもよい。たとえば、第２太陽電池パネルは基板実装された太陽電池パネルである。
前記充電回路（４０１）により充電可能であり、前記管理手段（４０４）に電源を供給するシステムバッテリと、をさらに有することもできる。また前記充電回路（４０１）が前記複数のバッテリ（３０）から前記システムバッテリへの充電あるいはその逆方向の充電を行ってもよい。これにより、光発電された電力を互いに融通して効率的な利用が可能となる。

上述したように、本発明によれば、環境に存在する光を無駄なく利用することで商用電源に依存することなく効率的なバッテリ充電およびバッテリ提供が可能となる。

本発明の一実施形態による電源システムに用いられる光発電デバイスの一例を示す図である。本実施形態による電源システムに使用される光発電デバイスの模式的構成を示す図である。本実施形態による電源システムであるバッテリレンタルサーバの一例を示す図である。本実施形態による電源システムであるバッテリレンタルサーバの概略的構成を示す斜視図である。図４に示すバッテリレンタルサーバのバッテリ返却口側から見た概略的な平面図である。図４に示すバッテリレンタルサーバで使用されるバッテリの正面図（Ａ）、平面図（Ｂ）および側面図（Ｃ）である。図４に示すバッテリレンタルサーバの内部構成を概略的に示す側面構成図である。図４に示すバッテリレンタルサーバの回路構成を示すブロック図である。図４に示すバッテリレンタルサーバにおけるバッテリ貸与・返却方法の一例を示すシーケンス図である。本発明の他の実施形態による電源システムの概略的構成を示す図である。

＜実施形態の概要＞
本発明の実施形態によれば、複数のバッテリが受入／取出可能に収納されており、第１光発電パネルの光起電力と第１光発電パネルに重ねた第２光発電パネルの光起電力とを用いて複数のバッテリの充電を行い、登録済みのユーザに充電されたバッテリを提供する。たとえば、第１光発電パネルを屋外に向け、第２光発電パネルを屋内に向けてそれぞれ設置した場合、第１光発電パネルは屋外光の光電変換を行い、さらに第２光発電パネルを透過した屋内光の光電変換も行う。同時に、第２光発電パネルは屋内光の光電変換を行い、さらに第１光発電パネルを透過した屋外光の光電変換も行う。

このように、本発明の実施形態によれば、光発電デバイスの両面から入射する光を発電に利用することができ、簡単な構成で環境に存在する光を無駄なく利用して発電効率を向上させることができる。特に災害発生時に停電した場合であっても、商用電源に依存することなく効率的なバッテリ充電およびバッテリ提供が可能となる。以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成要素は単なる例示であって、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨ではない。

１．一実施形態
図１に例示するように、本発明の一実施形態による電源システムは複数のバッテリを充電し提供するシステムであり、光発電デバイス１０および充電回路２０を有し、充電回路２０が光発電デバイス１０から出力される光起電力を電力変換しバッテリ３０を充電する。

図１および図２に例示するように、光発電デバイス１０は、第１光発電パネル１１と第２光発電パネル１２とを重ねた構成を有する。第１光発電パネル１１と第２光発電パネル１２とは別個のパネルを一定の空間を隔てて重ねた構成でも良いし、透明基板上に第１光発電パネル１１と第２光発電パネル１２を積層した構成でも良い。第１光発電パネル１１および第２光発電パネル１２は入射光を電気エネルギに変換するが、特定の波長域を透過してもよい。第１光発電パネル１１は透明あるいは半透明の太陽電池であってもよく、たとえば薄膜型あるいは有機薄膜型太陽電池フィルムを用いることができる。

図２に例示するように、第２光発電パネル１２は、集光性パネル１０２とそのエッジ面に設けられた太陽電池パネル１０３とからなる。本実施形態では、集光性パネル１０２の４辺にそれぞれ太陽電池パネル１０３が設けられ、それらが直列に接続されている。集光性パネル１０２は、アクリル等の透明媒質中に蛍光染料を均一に分散させた透明板であり、ＬＳＣ（Luminescent Solar Concentrator）とも呼ばれている。入射光のうち特定波長の光が蛍光染料にトラップされ、再放出される。再放出された特定波長光は集光性パネル１０２の主面で全反射を繰り返し、エッジに集光する。蛍光染料でトラップされなかった光は透過光となる。

こうしてエッジから出射した光が太陽電池パネル１０３により電気エネルギに変換される。太陽電池パネル１０３は、光を透過しない半導体基板上に形成された太陽電セル配列からなり、エッジから出射する光だけなく広範囲の波長光を光電変換可能な基板実装された太陽電池パネルであることが望ましい。あるいは、太陽電池パネル１０３は、蛍光染料によりトラップされ再放出される波長域で高い効率を有してもよい。なお、集光性パネル１０２のエッジ面の面積を大きくして入射面の面積に対する比率を大きくし、集光比を上げることもできる。

図１に戻って、第１光発電パネル１１の太陽電池パネル１０１と第２光発電パネル１２の集光性パネル１０２とは透明保護カバー１０４により覆われてもよい。この場合、透明保護カバー１０４の屈折率は集光性パネル１０２の透明材料の屈折率との間で上述した集光性パネル１０２内での全反射を起こすように選択される。なお、他の構成として、アクリル等の透明板あるいは透明偏光板の表面と裏面に太陽電池パネル１０１と集光性パネル１０２とを積層させた構成であってもよい。

第１光発電パネル１１の太陽電池パネル１０１は、外部から入射した第１の光を電気エネルギに変換し、さらに集光性パネル１０２を透過した第２の光を電気エネルギに変換することで、光起電力Ｖ１を出力する。また、第２光発電パネル１２の太陽電池パネル１０３は、外部から集光性パネル１０２に入射した第２の光を電気エネルギに変換し、さらに太陽電池パネル１０１を透過した第１の光を電気エネルギに変換することで、光起電力Ｖ２を出力する。

図１において、充電回路２０は太陽電池パネル１０１および１０３からそれぞれ入力した光起電力Ｖ１およびＶ２をＤＣ－ＤＣコンバータ等により必要な出力電圧へ変換し、バッテリ３０へ充電する。このような充電回路２０はエネルギーハーベスティング技術として知られている。

上述したように、本発明の一実施形態による電源システムは、光発電デバイス１０が第１光発電パネル１１と第２光発電パネル１２とを重ねた構成を有する。したがって、光発電デバイス１０の両側から第１の光と第２の光とが入射することで、第１光発電パネル１１は第１の光の光電変換を行い、さらに第２光発電パネル１２を透過した第２の光の光電変換も行う。同時に、第２光発電パネル１２は第２の光の光電変換を行い、さらに第１光発電パネル１１を透過した第１の光の光電変換も行う。このように、光発電デバイス１０の両面から入射する光を発電に利用することができ、簡単な構成で発電効率を向上させることができる。

２．実施例
上述した実施形態による電源システムは種々のバッテリ充電システムに適用可能である。以下、一実施例として複数のユーザがバッテリを共有することができるバッテリレンタルシステムについて図３～図１０を参照しながら説明する。

２．１）バッテリレンタルサーバ
図３に例示するように、バッテリレンタルサーバ４０は電源として上述した電源システム１を備えている。光発電デバイス１０を建物の窓等（Ｗ）に設置することで、太陽光あるいは屋外光（第１の光）および屋内光（第２の光）を電力に変換しバッテリ充電用に利用する。光発電デバイス１０を設置するだけでバッテリ充電が可能となるので、商用電源を必要とせず、災害発生による停電時などに使用可能である。

図４に例示するように、バッテリレンタルサーバ４０はバッテリ返却口４１、バッテリ取出口４２および認証窓４３を有し、バッテリ返却口４１およびバッテリ取出口４２にはそれぞれ保護用の開閉カバー４４および開閉扉４５が取り付けられている。取出口４２の開閉扉４５は透明であることが望ましい。後述するように、ユーザ認証はユーザ端末５０に表示された認証情報を認証窓４３を通して読み取ることで行われる。バッテリレンタルサーバ４０は、ユーザが認証されると、携帯端末用のバッテリ３０をバッテリ取出口４２に落とし、ユーザは開閉扉４５を開けてバッテリ取出口４２からバッテリ３０を取り出す。ユーザは使用済みバッテリ３０をバッテリ返却口４１に返却する。

図５に例示するように、バッテリレンタルサーバ４０の上面には、バッテリ返却口４１の開閉カバー４４を開くと、バッテリ３０の断面形状と同じバッテリ投入口４６が設けられている。バッテリ投入口４６にはバッテリガイドレール４７が設けられているので、ユーザは返却するバッテリ３０をバッテリ投入口４６に合わせて投入するだけでよい。

図６に例示するように、バッテリ３０には厚さ方向にガイド溝３１と傾斜部３２とが設けられる。これによりバッテリ３０の形状が左右および上下で非対称となり、バッテリ３０の投入方向が規定される。バッテリ３０の上面後端部には正負の電極３３が設けられているので、図６に示すバッテリ投入口４６にバッテリ３０を投入するだけで電極３３の位置を正しく確定できる。

図７において、ユーザが返却バッテリ３０をバッテリ投入口４６に投入すると、バッテリ３０はガイド溝３１をバッテリガイドレール４７にかみ合わせて下降し、すでに格納されたバッテリの上に積み上がって充電が開始される。またユーザから貸出し要求があれば、認証を行った上で充電が完了したバッテリを順次バッテリ取出口４２へ落下させる。バッテリの充電および取出は管理装置４８により制御される。管理装置４８の電源として、上述した光発電デバイス１０からの光起電力がケーブル４９を通して供給される。以下、管理装置４８の構成について図８を参照しながら説明する。

２．２）管理装置
図８に例示するように、バッテリレンタルサーバ４０における上記管理装置４８は、光発電デバイス１０に接続された充電回路４０１、バッテリ収納部４０２、認証部４０３、レンタル管理部４０４およびサーバ電源回路４０５を含む。光発電デバイス１０および充電回路４０１については図１および図２で説明した通りである。充電回路４０１はバッテリ収納部４０２に収納されている複数のバッテリ３０（図中ではＢＡＴ１，ＢＡＴ２、・・・ＢＡＴｎと記されている。）を順次充電し、これらの充電状態を監視する。バッテリ収納部４０２は複数のバッテリ３０を充電可能に格納し、レンタル指示があれば、上述したように充電を完了したバッテリを順次ユーザへ提供する。

認証部４０３は、ユーザ端末５０に表示された認証情報を認証窓４３を通して読み取り、当該ユーザの認証を行う。認証情報はユーザがサービス提供者から事前に、あるいはその場で取得した情報であり、たとえばユーザ端末５０の表示部にＱＲコードとして表示できる。他の方法として、認証情報を近距離無線通信や赤外線通信により認証部４０３へ送信してもよい。また、認証部４０３は通信機能を有し、ユーザが提示したＱＲコードからサービス提供者のサーバにアクセスして当該ＱＲコードの認証判定を行うこともできる。

レンタル管理部４０４は、認証部４０３によりユーザが認証されると、バッテリ収納部４０２へレンタルＯＫの指示を出力する。それを受けたバッテリ収納部４０２は充電が完了したバッテリ３０をバッテリ取出口４２へ落としてユーザに貸与し、貸与したバッテリ３０の識別番号を貸与情報としてレンタル管理部４０４へ出力する。レンタル管理部４０４は、当該ユーザのＩＤ情報と貸与したバッテリの識別番号とを紐付けてユーザ管理およびバッテリ貸与／返却管理を行う。バッテリ貸与後、所定期間内に返却されない場合は、そのユーザを特定することができる。

バッテリレンタルサーバ４０には自身の電源としてサーバ電源回路４０５が設けられ、充電回路４０１は光発電デバイス１０を用いてサーバ電源回路４０５内のサーババッテリ（図示せず。）を充電することもできる。なお、サーバ電源回路４０５は補完的に商用電源を利用してサーババッテリおよびレンタル用バッテリを充電することも可能である。あるいは、サーバ電源回路４０５から充電回路４０１を通してレンタル用バッテリを充電することも可能である。

２．３）認証方法
図９に例示するように、バッテリレンタルサーバ４０の認証部４０３はユーザの認証を行うが、ユーザはその際に用いられる認証情報をサービス提供者のサーバ６０から取得することができる。ユーザ端末５０はいわゆる「スマホ」であり、モバイルネットワークを通してインタネット上のサーバ６０と通信可能であるものとする。なお、バッテリレンタルサーバ４０も同様に無線ＬＡＮ等を通してインタネット上のサーバ６０と通信可能であってもよい。

ユーザは、サーバ６０に登録済みであれば、ユーザ端末５０からバッテリレンタルのための所定アプリケーションを起動してサーバ６０にアクセスし、認証情報の発行要求を送信する（動作５０２）。この発行要求はユーザのＩＤ情報を含む。ユーザのＩＤ情報としては、ユーザを特定するための情報および登録要求した日時、場所、ユーザ端末５０にセットしているバッテリ識別番号、電圧ログ等の情報を含む。場所情報はユーザ端末５０の位置情報であってもよい。あるいは、バッテリレンタルサーバ４０の前面に当該サーバ４０の位置情報等を記録したＱＲコードを用意し、ユーザ端末５０に搭載されたカメラで入力することにより同様のＩＤ情報をサーバ６０へ送信してもよい。

サーバ６０は、ユーザ端末５０から発行要求を受信すると、ユーザのＩＤ情報を参照して当該ユーザの認証を行う（動作５０３）。当該ユーザが正規の登録者であれば、正規の登録者であることを示すＱＲコードをユーザ端末５０へ発行する（動作５０４）。ユーザ端末５０は発行されたＱＲコードを格納する（動作５０５）。続いてユーザはユーザ端末５０の表示部にＱＲコードを表示させ、バッテリレンタルサーバ４０の認証窓４３にかざす（動作５０６）。なお、ＱＲコードは事前に取得し、必要なときに表示部に表示させても良い。

バッテリレンタルサーバ４０の認証部４０３は、認証窓４３からＱＲコードの画像情報を入力すると、ＱＲコードを復号して必要な情報を読み出し、レンタル要求をしているユーザが正規の登録者であるか否かを判定する（動作５０７）。その際、認証部４０３はサーバ６０に必要な情報（ＩＤ情報）を送信して正規の登録者であるか否かを問い合わせることができる。正規の登録者であれば、バッテリレンタル「可」と判定し、上述したように充電済みのバッテリ３０を提供する。その際、提供したバッテリ３０の識別番号と当該ユーザの情報とを紐付けして記憶装置に格納し貸与／返却管理を行う。

ユーザがレンタルしたバッテリ３０を返却する場合は、まず保持しているＱＲコードをユーザ端末５０の表示部に表示させ、バッテリレンタルサーバ４０の認証窓４３にかざす（動作５０８）。バッテリレンタルサーバ４０の認証部４０３は、認証窓４３からＱＲコードの画像情報を入力すると、ＱＲコードを復号して必要な情報を読み出し、保持している貸与／返却管理用のユーザ情報と照合する。一致すれば、バッテリ３０をバッテリ返却口４１への投入を促し、返却されたバッテリ３０の識別番号が貸与したバッテリのそれと一致すれば返却が確認される（動作５０９）。その際、認証部４０３はサーバ６０にユーザ情報を送信して正規の登録者であるか否かを問い合わせてもよい。

なお、ユーザがバッテリ３０を紛失あるいは破損した場合を考慮して、ユーザの登録時に保証金を預かるようにすることが望ましい。また、本実施例ではユーザ管理および貸与／返却管理をレンタル管理部４０４が行っているが、ネットワーク上のサーバ６０が同様の管理を行うこともできる。その場合、バッテリレンタルサーバ４０のレンタル管理部４０４が不要となるので消費電力の削減が可能となる。

２．４）効果
上述したように、本発明の一実施例による電源システムを用いたバッテリレンタルサーバは、光発電デバイス１０を建物の窓等（Ｗ）に設置することで、太陽光等の屋外光（第１の光）および屋内光（第２の光）の両方を電力に変換しバッテリ充電に利用することができる。これにより商用電源を必要とせず、災害発生による停電時でもモバイル電源の提供サービスを継続することができる。

また、補完的に商用電源を利用してサーババッテリおよびレンタル用バッテリを充電することで、停電時にサーババッテリとレンタル用バッテリとの間で電力の融通をすることができ、電力のさらなる有効活用が可能となる。

３．他の実施形態
上述した実施形態および実施例では、第１光発電パネル１１と第２光発電パネル１２とを重ねた光発電デバイス１０を用いたが、本発明はこれに限定されない。

図１０に例示するように、複数の光発電デバイス１０を折りたたみ可能に接続した構成であってもよい。光電変換面積が大きくなるのでより効率的な発電が可能となる。また複数の光発電デバイス１０を屏風状に折りたたむことで携帯に優れ、バッテリレンタルサーバ４０の設置場所の制約を緩和できる利点もある。

１電源システム
１０光発電デバイス
１１第１光発電パネル
１２第２光発電パネル
１０１太陽電池パネル
１０２集光性パネル
１０３太陽電池パネル
１０４透明保護カバー
２０充電回路
３０バッテリ
４０バッテリレンタルサーバ
４１バッテリ返却口
４２バッテリ取出口
４３認証窓

Claims

複数のバッテリを受入／取出可能に収納するバッテリ収納手段と、
第１光発電パネルと第２光発電パネルとを重ねた光発電デバイスと、
前記第１光発電パネルの光起電力と前記第２光発電パネルの光起電力とを用いて前記バッテリの充電を行う充電回路と、
前記充電回路により前記複数のバッテリを充電し、登録済みのユーザに前記バッテリ収納手段から前記バッテリを提供する管理手段と、
を有し、
前記第１光発電パネル側から第１の光を入射させ、前記第２光発電パネル側から第２の光を入射させ、
前記第１光発電パネルが前記第１の光と前記第２光発電パネルを透過した前記第２の光とから光発電を行い、
前記第２光発電パネルが前記第２の光と前記第１光発電パネルを透過した前記第１の光とから光発電を行う電源システム。
前記第１光発電パネルが透明あるいは半透明の第１太陽電池パネルからなり、
前記第２光発電パネルが集光性パネルと前記集光性パネルのエッジ面に設けられた第２太陽電池パネルからなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
前記集光性パネルは、透明媒質に所定波長域の光を吸収し前記所定波長域の光を再放出する蛍光染料を分散させた透明板であることを特徴とする請求項２に記載の電源システム。
前記第２太陽電池パネルは光を透過しない太陽電池パネルであることを特徴とする請求項２または３に記載の電源システム。
前記第１の光が屋外光、前記第２の光が屋内光となるように前記光発電デバイスが建物の窓に設置されたことを特徴とする請求項１－４のいずれか１項に記載の電源システム。
前記充電回路により充電可能であり、前記管理手段に電源を供給するシステムバッテリをさらに有することを特徴とする請求項１－５のいずれか１項に記載の電源システム。
前記充電回路が前記複数のバッテリから前記システムバッテリへの充電あるいはその逆方向の充電を行うことを特徴とする請求項６に記載の電源システム。