更新：2007年1月10日
作成： 2006年8月2日
太陽電池と充電式電池を組み合わせて、昼夜ノンストップでラジオを鳴らし続けるシステムを計画中です。気まぐれな太陽から得られる電気を、限られた容量のバッテリーを使って蓄え、昼夜ラジオに電気を送り続けます。
太陽電池の普及が進み、屋根に紫色のパネルが輝いている家も、ちらほら見られるようになりました。
太陽電池は、光を電気に変える装置です。直射日光が当たる昼間は、手のひらサイズの数百円の太陽電池でも、スピーカー式ラジオを鳴らせるくらいの出力が得られます。
太陽電池は物理電池なので、電気を蓄えられません。雲で光がさえぎられたり、夜間の暗い時などは、十分な電気が得られず、ラジオなどの負荷は使えません。
そこで、昼間の明るいうちに電気を充電式電池にたくわえ、暗いときは充電式電池から電気を取り出して使う、というアイデアがあります。
このアイデアは、夜になるとピカピカ光るような道路標識などで、よく使われています。
エネルギーの流れは、こんな感じになります。
| 時間帯 | 太陽電池 | 充電式電池 | 負荷(ラジオなど) |
|---|---|---|---|
| 昼 | 発電する | 充電 | 主に太陽電池の電気を利用 |
| 夜 | 休止 | 放電 | 充電式電池の電気を利用 |
昼間は、太陽電池がラジオなどの負荷に電気を供給し、同時に充電式電池を充電します。
太陽電池は、その日の夜に使うために充電する電気エネルギーと、昼間に負荷が使うエネルギーの両方を、発電する必要があります。
夜になると、太陽電池は発電をやめるので、充電式電池から放電して、負荷に電力を供給します。
充電式電池は、暗くなってから次の日に明るくなるまでの間、負荷が消費する電気エネルギーを供給します。充電式電池の電気を使い切ると、再び明るくなるまでは負荷を使えなくなります。
実際には、曇りや雨で、十分に発電できない日もありますので、太陽電池や充電式電池は、多めに用意しておいたほうがよいでしょう。
太陽電池と充電式電池を組み合わせて、しっかりと実用になるシステムを作ることは、実は、現在でも先進的な研究テーマとされている面があります。
ラジオが鳴り続けるおもちゃとして企画していますが、なるべく本当に役に立つように、きちんと理屈立てて作っていきたいです。
太陽電池と充電式電池を使って、ラジオをぶっ通しで鳴らし続けることを考えます。
太陽電池や充電式電池の量や、充電と放電を行うときのルールをよく考えないと、電池を使い尽くして止まってしまったり、充電しすぎて充電式電池の寿命を縮めたりします。
まずは、充電と放電をするときのルールを考えます。
最も簡単なルールです。次の回路図で容易に実現できます。
負荷に、充電式電池と太陽電池を並列につないでいます。
太陽電池の電圧が低下したときに、電流が逆流しないようにするために、ダイオードを入れています。
明るいときは、(太陽電池の電圧-ダイオードの電圧降下分)が充電式電池の起電力よりも高くなり、太陽電池から発電した電気が、充電式電池と負荷に送られます。
暗いときは、充電式電池の電圧が、(太陽電池の電圧-ダイオードの電圧降下分)よりも高くなり、充電式電池の電気が、負荷に送られます。
「なんだ、簡単じゃないか」と思われるかもしれません。ある程度までは、これでうまくいくようですが、このままでは充電式電池が早く劣化する傾向があります。
充電式電池の電気が満タンになっても、充電が止まりません。満タンな状態で、なお充電を続けることを、過充電といいます。過充電をすると、電池に加えられたエネルギーは、電池の中には蓄えられず、熱に変化します。充電電流が大きすぎると、激しく発熱して、液漏れなど危険な状態になる場合もあるようです。充電電流がそれほど大きくなくても、過充電は、充電式電池の寿命を縮める原因となります。ただし、短時間で少ない電流であれば、電池が温かくなる程度で、それほど問題がない場合もあります。
放電して、充電式電池の電気を使いきってしまうと、ラジオなどの負荷は使えなくなります。本来は、使えなくなった時点で負荷と電池を切り放すべきですが、電圧が下がってからも無理に電気を使おうとします。電池を使い切った状態で、さらに放電しようとすることを、過放電と言います。過放電もやはり、充電式電池の寿命を縮めます。
こちらの図のように、この方法は、過充電と過放電を起こしやすいという問題があります。
太陽電池が電気を作っているときは充電し、暗いときは充電式電池から放電するというアイデアは、単純で分かりやすいですが、充電式電池にとっては、過充電や過放電などの過酷な状況におかれがちで、早くだめになる可能性があります。
次のことが実現できれば、もう少し充電式電池にやさしいシステムになりそうです。
十分に充電できて充電式電池が満タンになったときは、充電をストップしたい。
充電式電池を使いきったら、放電をストップしたい。
次の回路で、充電や放電を、許可したり禁止したりできるようになります。
スイッチの部分は、半導体素子を使ったりします。
充電式電池が、どんなときに満タンで、どんな時にからっぽかを、見分ける方法が分かれば、状況に応じてスイッチを操作して、充電式電池をより長持ちさせる制御ができるようになります。
充電式電池の状態を見分ける方法は、充電式電池の種類によって違います。
自動車に使われている鉛蓄電池では、電池の端子電圧を見ると、電池の状態が分かるようです。
こんなときは、充電と放電は、次のルールで管理できます。
充電は、電池の電圧がXボルトに達したら終了する。充電式電池の電圧がXボルト以上のときは、充電制御スイッチをオフにして、太陽電池を回路から切り放せばよい。
放電は、電池の電圧がYボルトに達したら終了する。充電式電池の電圧がYボルト以下のときは、放電制御スイッチをオフにして、負荷を回路から切り放せばよい。
XとYの値は、電池の種類によって変わってきます。少しだけ、ヒステリシス特性を持たせたほうが、小刻みに充放電の許可・不許可が切り替わる現象を避けられるので、よいかもしれません。
このルールを実現したシステムは、CQ出版社の「トランジスタ技術」2005年9月号に例があります。
この方法は、鉛蓄電池を使う場合には役に立ちますが、乾電池のかわりによく使われる単３形のニッケル水素電池には、あまり向かないようです。
最近普及が進んでいる、乾電池と同じ形の充電式電池の多くは、ニッケル水素電池です。
例えばこちらの「エネループ」(eneloop)は、いちど充電すると、長期間放置しても電気が減りにくい特長があり、使い捨ての乾電池のかわりに使えます。
今回の作品では、このようなニッケル水素電池を使います。入手しやすいですし、自動車のバッテリーよりも軽く、正しく使えば比較的安全だからです。(この作品は、実験的なものですので、必ずしも安全ではありません。液漏れ、はれつなどにより、火災やけが、失明、死亡事故などの可能性もあります！試してみる場合は、ご自分の責任でお願いします。)
放電の終了判定は電圧でOK
電池を使うと、電気を消費するにつれて、少しずつ電圧が下がってきます。電気を使いきる頃には、電圧はかなり低くなります。
満タンの状態からニッケル水素電池を放電し続けると、電圧は次のようになります。
電圧の下がり方は直線的ではなく、かなりくせがあるようです。詳しいデータはhttp://www.oct.zaq.ne.jp/i-garage/dimage/newbat.htmなどで見られますので、読んでみると面白いでしょう。
満タンの状態から放電をはじめると、最初は電圧がすぐに少し下がりますが、それからは、からっぽになる直前まで、電圧は1.2ボルト付近に落ち着いていて、ほとんど下がりません。
電池が使えるうちは、端子電圧から残っている電気の量を推定することは、とても難しいです。
電池がからっぽになる直前になると、電圧が大きく下がります。1.1ボルトくらいになると、かなり速いペースで電圧が下がっていきます。
電池がからっぽになりかけているかは、電池の端子電圧から判断できます。例えば、1.0ボルトになったら、ほとんど電気が残っていないと判断できます。
ちなみに、放電をやめるときの充電式電池の電圧は、電池の寿命を考える上で、意味があります。
ほどよい電圧で放電を終わらせることが、大切です。
充電の終了判定はいろいろあります
ニッケル水素電池の充電で、充電が終わって電池が満タンになったかを判断する方法は、いろいろとあります。今回の作品では、太陽電池の電気で充電を行うため、充電電流が一定せず、断続的な充電となるかもしれないので、一般的な充電方法がそのまま当てはまるとは限らない点に注意が必要です。
一般的な、充電が終わったことを判断する方法を紹介します。
詳しいことは、電池応用ハンドブック(CQ出版社)に書いてありますので、読んでみると面白いと思います。
電圧が負に変化したら満タン
ニッケル水素電池は、充電している間は電圧が少しずつ上がっていきます。
ところが、充電が終わる頃になると、電圧が下がりはじめます。
この、電圧が下がる状態をとらえて、充電が終わったと判断します。
「-ΔV検出方式」と呼ばれています。
太陽電池を使った充電では、充電電流が断続的になるので、充電中に電圧が本当に下がるかは分かりません。必ずしも頼りにできない方法だと思われます。
温度が急上昇したら満タン
ニッケル水素電池は、充電中は温度が上がります。温度の上がり具合いは、充電が終わり電池が満タンになると、急に速くなります。
温度の急上昇をとらえて、充電が終わったと判断します。
「ΔT/Δt検出方式」と呼ばれています。
この方法は、充電電流をたえまなく供給できるときにしか使えないです。太陽電池を使った充電では、充電電流が一定しないので、温度が上昇する速さを定量的に扱うことは、難しいです。
一定時間以上充電すればたぶん満タンだろう
急速充電ができない、古い充電器で使われていた方法です。
ゆっくりと少しずつ電流を流して充電する場合は、多少充電をやりすぎても、そう簡単には充電式電池は壊れません。
充電する電流の量と充電する時間をかけ算して、電池の容量に対して十分な量を充電したら、満タンになったと判断します。
例えば、2000mAhの充電式電池では、200mA×15hour=3000mAhくらいを流し込むようです。100mAで充電する場合は、およそ30時間かかります。
古い充電器では、充電器には電気を止める仕組みがなく、人間が時間を計って電池を充電器から外していました。
充電を始めるときに電池を使いきっていないときは、早めに充電式電池を取り外さないと、充電の途中で電気が満タンになってしまいます。
ちなみに、最近の充電式電池は、大きさの割に容量が大きくなっているので、充電電流も大きくなりがちです。過充電状態での発熱も、大きくなっていると思われます。充電の終了を全て人に任せるのは、あまりよい考え方ではなくなってきているかもしれません。
電流を積分して一定量になったら満タン
太陽電池を使った充電システムで採用する予定の方法です。
太陽電池からの充電電流は、時間とともに変化するので、充電に必要な時間は天気などにより変わります。
単に充電の時間を測ったり、電池の温度や電圧の変化を見るだけでは、うまくいかないようです。
たえず充電電流を計測し、充電した電気の量を積分していけば、電池に送り込まれた電流の累積量が分かります。この累積量が、特定の値に達したときに、充電が終わったと判断します。
この方法は、充電電流が断続的であっても、役に立ちそうです。
ただし、計測した量に誤差があると、誤差分も積分されてしまうので、正確に充電量を把握することは、そう簡単ではないかもしれません。
太陽電池を使った充電システムでは、充電した電流の量をコンピュータで集計して、累積量が特定の値に達したら充電完了とみなす方法が使えそうです。
充電を正しく行うためには、いろいろと考えておくべきことがあります。
充電電流を測る必要があります。A/Dコンバーターが必要です。充電電流は、大きいときもあれば小さいときもあるので、幅広い範囲の値を正確に計測できる回路を用意する必要があります。
計測に用いる基準電圧源を用意する必要があります。太陽電池や充電式電池の電圧は、一定ではないので、どうやって調達するかが問題になります。
充電が終わらないうちに放電をはじめると、放電電流を正確に測る仕組みがない場合は、電池に蓄えられた電気の量が分からなくなってしまいます。放電の電流を測定できる場合でも、充電と放電をこまめにくり返すと、計測の誤差が累積して、実際に電池に入っている電気の量と、コンピュータが計算した量との差が大きくなってしまいそうです。
充電をはじめたら、充電が終わるまでは、その電池からは放電しないほうがよさそうです。
充電中にも電気を使う必要があるでしょうから、充電式電池を複数系統(複数バンク)用意します。あるバンクが充電中のときは、ほかのバンクで放電して負荷に電気を送ります。今回の作品では、充電式電池を3バンク用意しました。
充放電を管理するマイコンやスイッチング素子も、電源を必要とします。太陽電池や充電式電池、コンデンサから、電気を使います。消費電流が大きすぎると、充放電システムが電気を使い尽くしてしまい、役に立たなくなってしまうので、消費電流はなるべく低く抑える必要があります。
今回の作品は、コンセントから好きなだけ電気が得られるわけではなく、エネルギーは全て太陽に頼ります。
システムとしての、エネルギーの収支を考える必要があります。
太陽電池の量、充電式電池の量、負荷の大きさなどを考えます。
太陽電池で一日に得られる電気の量は、日によって変わります。夏のほうが冬よりも昼の時間が長いなど、季節によっても変わります。
とりあえず参考になる指標として、「平均日照時間」があります。天気や季節の問題を全て考えた上で、平均的に1日あたりで、太陽電池の定格出力何時間ぶんの出力が得られるかを示すものです。
CQ出版社の本「ガーデニングとホーム・セキュリティの電子工作入門」によると、日本の平均日照時間は、1日あたりで3.6から3.8時間とされているそうです。
充電式電池の充電は、電流の累積で考えるので、電流について考えると、今回の作品では、太陽電池の定格値は0.5Aです。毎日1.8Ahから1.9Ahくらいが期待できそうです。容量が小さめの単3形ニッケル水素電池を1回充電できる程度の量です。
今回の作品では、ラジオを負荷に考えていますが、どれくらいの出力電流まで使えるのでしょうか。
支出が収入を上回ると、家計が成り立たないのと同じで、充電できる量の範囲内で消費を行う必要があります。
毎日600mAh程度消費することにすれば、平均の消費電流は25mAとなります。具体的にラジオの機種をあげれば、AIWAのCR-AS10などは、小型で消費電力も小さく、よいかもしれません。
ちなみに、ラジオに外部電源の端子があるとよいのですが、ない場合は本体基板にはんだづけして、電源コネクタを増設するかもしれません。
充電式電池は、夜間や雨の日など、太陽電池が働かない時は常に、負荷に電気を送ります。もしもずっと雨の日が続くなどして、太陽電池が使えない状態が続いたときに、どれくらい耐えられるかを考えると、必要な充電式電池の容量が分かるかもしれません。
消費電流が25mAであれば、1日で600mAh、2日で1200mAhになります。eneloop電池は1900mAhとあるので、およそ3.17日ぶんになります。
3つバンクがあるので、全部が充電完了状態であれば、9.5日程度は持つことになります。実際には常に全てのバンクがいっぱいになるわけではないので、もう少し短い時間しか持ちません。
明るいときは、充電式電池と負荷に電気を送り、暗いときは負荷から電気を取り出す動作を、マイコンのプログラムとして記述する必要があります。
充電式電池が3つのバンクに分かれているので、それぞれのバンクで過充電や過放電を避け、かつ、充電と放電をこまめにくり返さないように制御する必要があります。
充放電を管理するシステムとしては、充電式電池を全て使いきった場合のことも考えておく必要があります。
放電をやめて、マイコンを待機状態にして待つような仕組みが必要になります。明るくなったら充電をしつつ、負荷への電力供給を始められるとよいでしょう。
電池を完全に使い尽くして、マイコンまで止まってしまったら、明るいときにリセットボタンを操作するしかなくなります。こだわれば、この部分も自動化できるかもしれないですが、何事にも限界があるので、妥協することにします。(BOD「ブラウンアウトディテクト」の仕組みを作り、マイコンの電源電圧が一定以下になったときは自動的にリセットボタンを押し続けるような制御を行えば、自動化できるようです。)
アルゴリズムをフローチャートに書いて、思ったとおりに動くかをよく考える必要があります。
今回の作品は、天気次第のシステムです。
天気の移り変わりに応じて、充電や放電の管理が正しく行われるかを検証する必要があります。
ずっと晴れていれば、電気の収支がよくて黒字経営かもしれませんが、いったん雨が降ると、とたんに赤字になります。
天気が変わるのをずっと待っているわけにもいかないので、太陽電池のかわりに電源装置を接続して充電し続けたり、太陽電池を外して放電し続けたりして、ある程度のテストを行うことになります。
それでうまくいったら、実際の環境に出して、充放電が繰り返される様子を見ることになります。
充電式電池を交換せずに、どれくらい長く動作するか、興味があります。
エネルギーの収支の様子を、LEDなどでモニターできると面白いと思います。
実験用に、ラジオを買ってきました。AIWA製のCR-AS10型で、880円しました。炎天下で長時間連続動作する過酷な用途ですが、どれくらいがんばってくれるかなあ。
AMラジオだけが聞ける、最もベーシックなモデルで、値段も比較的安いです。音質はそれほどよくなく、電力会社からの電気があるなら、ふつうのラジカセでラジオを聞いたほうが、よい音がします。
単３形電池２本で使う機種ですが、eneloop電池を電池ボックスに入れると、電池のプラス端子が電池ボックスの電極に届かず、使えないというワナがあって、びっくりしました。いまいち、品質がよくありません。Panasonic製にしたほうがよかったかもしれません。実験用と割りきって、さっそくACアダプタ接続用の改造をしました。
改造したので、保証は無効になってしまいました。改造をすると、発火や火災などの事故が起こりやすくなります。改造は、やらないほうが安全です。
ちなみに、このラジオのよいところは、消費電流が小さいことだと分かりました。イヤホンで使う場合は数mAしか消費しません。スピーカーを鳴らすときも、音量を下げれば消費電流が10mAを下回るときもあるようです。太陽電池での使用に適した機種だと言えるかもしれません。
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