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私の仕事部屋は昔、納屋として使っていた建家の内部を改装したものです。
入り口に照明が無いので夜間の出入りが不便です。
内部からＡＣ電源を引くのも煩わしいので太陽電池による常夜灯を思いつきました。
１０年以上前に購入した太陽電池が使い道の無いまま遊んでいるという事もあります。
実際に製作し、設置したので製作記事として書けば良いのですが、あまりにもコストパフォーマンスが悪いので
実験項目として分類しました。
私自身の記録としては意味がありますが、真似て作ってもメリットはありません。
ランプは１０φの白色ＬＥＤに５ｍＡ流しているだけですので明るくはありませんが闇夜の時の目印にはなります。
使用した太陽電池は２８８ｍｍ×１７２ｍｍのアルミパネルになっています。
長い間眠っていて当時のデータが残っていないので型番を入力して検索したのですがヒットしませんでした。
当時はパネルの値段が高く４千円近くした記憶があります。
パネルの裏側に使用方法の簡単な説明が図示されています。
内部は２つのブロックに分割されていて直列接続で１２Ｖ、並列接続で６Ｖのバッテリーに接続するイメージがあります。
今回は並列接続にしますが出力ダイオードは実装済みです。
並列接続での開放電圧は９Ｖ以上あります。
短絡電流は正確には計れませんがマルチメーターの４００ｍＡレンジ（内部抵抗不明）でオーバーフローします。
晴れた日には十分過ぎる発電量がありますが曇りや雨の日は、この大きさでも不足します。
今回はスーパーキャパシタに充電しました。
ニッケル水素電池に充電することが面倒であることが理由です。
白色ＬＥＤに５ｍＡ流した時のＶＦは２．５Ｖ程度ですのでニッケル水素電池は４本直列になります。
４本直列で充電した場合、充電電流は４本同じですが１本に掛かる電圧は同じになりません。
例えば４本直列にして８Ｖを掛けた場合、全ての電池に２Ｖが掛かる訳ではありません。
高い電圧が掛かる電池は充電が進み、低い電圧の電池は充電されません。
逆に放電するときは充電されない電池が基準になるので能力が出ません。
私はニッケル水素の充電器を色々作って、この事を実感しました。
最初、マキシムの直列充電用のＩＣを使ったのですが上手くいきませんでした。
ニッケル水素電池は充電、過放電にも注意が必要です。
軽い充放電を繰り返すとメモリ効果で充電出来なくなります。
最初に購入したパナソニック製の充電器で充電が上手く出来なかった事が充電器製作のきっかけになりました。
４本充電すると必ず１本か２本の電池が充電出来ていません。
この４本を直列にしても使い物になりません。
その後、ずっと自作の充電器を使っていたのですが、長年経過して再びパナソニック製の充電器を購入してみました。
メーカー製の充電器は小型軽量で使い勝手が良く、最初は快適でした。
ところが３０〜４０回充電した電池が充電出来なくなりました。
ＬＥＤの点滅は 「電池が古くなったので新しいものに交換しろ。」 というサインです。
電池は充電器と同時に買ったパナソニック製で１０００回近く充電できるはずです。
結局、自作の充電器で充電し直す事になりました。
この 「古くなった電池」 は自作の充電器で、その後何十回も充電していますが普通に使えています。
結局、現在も自作の充電器を使い続けています。
話が横道にずれましたがニッケル水素電池の充電には苦労した思い出があります。
スーパーキャパシタにも欠点があります。
最も大きな欠点は二次電池に比べエネルギー密度が低い事です。
従って同一エネルギーのコストが非常に高くなります。
どれくらいのエネルギーが取りだせるか下の回路でテストしてみました。
１Ｆ５．５Ｖのスーパーキャパシタを５Ｖで充填後スイッチを切って何分間発光するか確認しました。
５．６ｍＡのＣＲＤを接続していますが５ＶからＬＥＤのＶＦを引いた電圧では５．６ｍＡは保てず５ｍＡしか流れません。
放電に因る電圧降下で、さらに電流は減っていきます。
１時間経過すると微かに光るだけですが完全に消えるには、さらに１時間以上かかりました。
光源として何とか使えるのは３０分以下でした。
単純に計算して１０時間発光させるには２０Ｆの容量が必要になります。
又、大容量のスーパーキャパシタは耐圧が低く３Ｖ以下の物が一般的ですので直列に接続する必要があります。
結局、通販で１００Ｆ３Ｖのものを４本購入し直列に接続しました。
これで２５Ｆ１２Ｖのキャパシタになります。
本当は、もっと大容量のものが欲しいのですが高価ですので精一杯です。
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キャパシタを直列に接続し電圧を掛けた場合、各キャパシタに均等に電圧が掛かる保証はありません。
従って各キャパシタに３Ｖ以上の電圧が加わらないような保護回路が必要になります。
今回は簡単に整流ダイオード３本を直列にし順方向の電圧降下で保護しています。
夏場で１．８Ｖを超える電圧で電流が流れ始めます。
２Ｖで数ｍＡ、２．４Ｖで２００ｍＡ程度２．６Ｖで５００ｍＡを超えます。
冬場を想定して冷蔵庫の冷凍室に入れると電圧が＋方向に０．２Ｖシフトしました。
３Ｖ耐圧のキャパシタが１．８Ｖしか使えない事になりますが簡単な保護回路ですので妥協します。
逆並列にショットキダイオードを入れていますが、これで逆電圧から保護できるかは不明です。
回路的には逆電圧が加わる事はありません。
点灯は太陽電池の出力電圧で判断します。
昼間は開放電圧が１０Ｖ程度になりますが夜間は限りなく０Ｖに近づきます。
基準電圧１．２５Ｖより低くなったら点灯します。
実際にはトランジスタＱ２のベース電流による電圧降下の影響で１．４Ｖで切り替わりました。
この電圧は日没後の結構暗い状況です。
判別回路は充電電圧２Ｖ程度まで動作します。
通常２Ｖまで放電する事は無いし、２．５Ｖ以下ではＬＥＤが点灯しないので問題ありません。
判別回路は点灯、消灯に拘わらず０．６ｍＡ程度を消費します。
その他キャパシタの分圧抵抗で最大０．２ｍＡ程度を消費します。
電圧は昼間に充電しているときは９Ｖ程度に上昇します。
暗くなって充電が止まれば過電圧防止ダイオードに吸収され、１ｍＡ近い回路電流も流れているので７Ｖ以下になります。
設置場所は直射日光の当たらない場所で条件は良くありません。
この後はＬＥＤの放電により徐々に電圧が下がります。
充電電圧が下がるにつれＣＲＤに掛かる電圧も減って定電流が保てなくなり放電電流は減っていきます。
３Ｖ以下になるとＬＥＤに電流が流れなくなります。
翌日に充電が開始されるまでに完全に放電してしまうことは無いと思います。
太陽電池出力には逆流防止ダイオードが入っているので夜間０Ｖになった太陽電池経由で放電することはありません。
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|---|---|---|---|
| 太陽電池パネル | 回路基板 | ケース内部 | ケースとＬＥＤ |
今回使用した太陽電池は１０年前に購入して眠っていたものです。
スーパーキャパシタは通販で購入したのですが１個９６０円の物を４個購入しました。
高価ですので余分には買えず壊さないように気を遣いました。
高価な基板を１００円ショップで買った木箱に収納しました。
ＬＥＤは１０φの白色のものです。
５ｍＡでも明るく光りますが、もう少し流したいところです。
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|---|---|
| 取り付け場所 | 点灯中 |
設置場所は直射日光の当たらない場所で条件は良くありません。
晴れた日は良好に動作しますが雨の日は上手く動作しません。
原因は充電量の不足です。
太陽電池の能力はあるのですが設置場所が直射日光の当たらない場所の為、絶対的に発電量が不足すると思われます。
これについては太陽電池を直射日光の当たる場所に移動するか、さらに大きなパネルに交換するしかありません。
次にスーパーキャパシタの容量不足です。
現在、２５Ｆ１２Ｖになっていますが晴れた日で７Ｖ程度しか充電出来ません。
やっと１日分です。
晴れた日に３日〜４日の充電量を確保する必要があります。
ネット広告見ると２．７Ｖ５００Ｆのキャパシタを６個直列に接続し１６Ｖ８３Ｆのキャパシタにしたものが５千円台で販売
されていました。
８３Ｆのキャパシタに１２．６Ｖ程度充電出来れば現在の電荷の６倍を蓄える事ができます。
ただし、常夜灯の実験に、そこまで投資する気分にはなってはいません。
さらに大きな電力を扱うにはスーパーキャパシタより鉛蓄電池に充電した方が現実的だと思われます。
今回の実験は中途半端な結果でしたが色々考えることがあり楽しめました。
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根本的には充電容量が足りないのですが少しでも増やすために
１ シャントレギュレーターの電圧を少し上げる。
２ 無駄な消費電力を減らす。
１に関してはダイオードの順方向電圧で対応していますがコンデンサー１本あたりショットキダイオードを
１本追加しました。
その結果、０．３Ｖ程度、充電電圧の最大値が上がっています。
２．０Ｖあたりから電流が流れ始め、２．８Ｖで０．５Ａ程度になりました。
２に関しては電圧検出回路の動作電流を１／３程度に抑えました。