JP2005243326A - ハイブリッド電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】 家庭用や業務用の小規模な建物への適用が可能なハイブリッド電源システムを提供すること。
【解決手段】 このハイブリッド電源システムでは、レドックスフロー電池２を電池反応セル２１と電解液タンク２２とに分離して、電解液タンク２２を地上３に配置するとともに、この地上３よりも日当たりのよい屋根４上に設置される太陽電池パネル１の下部に電池反応セル２１を配置した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、太陽電池パネルとレドックスフロー電池とを備えたハイブリッド電源システムに関する。

従来より、太陽電池パネルとレドックスフロー電池との組み合わせにより、負荷の平準化と自然エネルギーの有効利用を図る、いわゆるハイブリッド電源システムが知られている（例えば特許文献１参照）。

ところが、かかるシステムにおいて大電力を得ようとすると、太陽電池パネルの占有面積が非常に大きくなるので、その分レドックスフロー電池の設置スペースが圧迫されるという問題があった。一方、レドックスフロー電池は、その主要部である電解液タンクと電池反応セルとを分離した状態で配置することができる。

そこで、上記特許文献１では、地上に設置された太陽電池パネルの下部にレドックスフロー電池の電解液タンクを配置するとともに、太陽電池パネル外に電池反応セルを配置して、レドックスフロー電池の設置スペースを確保している。
特開平１３−１８９１５８号公報

ところが、上記特許文献１は、地上に太陽電池パネルを設置した場合には適用できるものの、太陽電池パネルが太陽光の当たりやすい建物の屋根やビルの屋上等に敷設される場合にはそのまま適用することができない。

例えば図６に示すように、太陽電池パネル１の下部にレドックスフロー電池２の電解液タンク２２を重ねた状態で、両者を建物の屋根４上に設置したとすると、夏季等には電解液タンク２２内の電解液の温度上昇によって、レドックスフロー電池２の機能低下を招くおそれがあった。なお、太陽電池パネル１の重量に加えてさらに電解液タンク２２の大重量が加わることから、屋根４の強度上、不利となる点も否めない。

したがって、従来は、図７に示すように、太陽電池パネル１のみを建物の屋根上に設置し、レドックスフロー電池２は一体として地上３に設置せざるをえなかった。これでは、レドックスフロー電池２の設置のための大スペースが必要とされるため、家庭用や業務用の小規模な建物への適用は困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであった、その目的とするところは、家庭用や業務用の小規模な建物への適用が可能なハイブリッド電源システムを提供することである。

本発明は、太陽電池パネルとレドックスフロー電池とを備えたハイブリッド電源システムにおいて、レドックスフロー電池は電池反応セルと電解液タンクとが離間配置される分離型のものであって、少なくとも太陽電池パネルの一部は、所定の敷設領域面に支持架台を立設してその頂面をパネル敷設面とした嵩上げ配置部に敷設されるものであり、上記レドックスフロー電池の電池反応セルが、上記嵩上げ配置部の内部に設けられた配置空間内に収納されていることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明のように、上記電池反応セルは、該電池反応セルを空冷するためのファンを備えていることとしてもよい。

請求項３記載の発明のように、上記太陽電池パネルの敷設領域面が建造物の屋上部分に設定され、上記嵩上げ配置部は、上記屋上部分のそれぞれ所定箇所に立設される複数の縦フレームと、該縦フレーム下側間に架設される支持フレームと、上記縦フレーム上側間に架設されるパネル支持フレームとを組んで構成されることにより、各フレームで区画して上記配置空間を形成しており、上記配置空間内の上記支持フレーム上に上記電池反応セルが取り付けられていることとしてもよい。

請求項４記載の発明のように、上記電解液タンクは、建造物の下層部もしくは周辺地上部に設けられていることとしてもよい。

本発明によれば、太陽電池パネルが太陽光の当たりやすい場所に敷設され、この太陽電池パネルの下部にレドックスフロー電池の電池反応セルが重ねられたとしても、電池反応セル内の電解液保有量は電解液タンク内のそれよりも非常に少量であるので、レドックスフロー電池全体としての電解液の温度上昇は少なくなり、そのレドックスフロー電池の機能低下を招くおそれが少ない。また電池反応セルの重量は、電解液タンクの重量に比べて軽量であるので、建物の強度を低下させるおそれが少ない。

図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド電源システムの概念図である。ここでは、主電源としての太陽電池パネル１と、補助電源としてのレドックスフロー電池２と、両電源を屋内電力系統９又は商用電力系統１０に接続するための交直変換装置（パワーコンディショナ）６とを備えたハイブリッド電源システムが構成されている。

本発明は、このシステムの配置を特徴とするもので、例えば図２に示すように、電池反応セル２１と電解液タンク２２とに分離してなる、いわゆる分離型のレドックスフロー電池２の電解液タンク２２を地上（建造物の周辺地上部）３に配置するとともに、一般家庭の家の屋根（建造物の屋上部分）４上に設置される平板状の太陽電池パネル１の下部に電池反応セル２１を配置する。

図３は、その屋根上の配置の一例を示すものであって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ−Ｘ線断面図である。図３に示すように、一般家庭の家の屋根４は傾斜しているものが多く、その傾斜面（好ましくは南面）を嵩上げして、その嵩上げ配置部５に太陽電池パネル１が配置されることが多い。嵩上げ配置部５は、屋根４の図示しない強度部材からフレーム構造の支持架台５１が立設されている。

この支持架台５１は、太陽電池パネル１の敷設領域面となる屋根４の例えば南面上の４角付近にそれぞれ立設される縦フレーム５１１と、この縦フレーム５１１の下側間に架設され、屋根４の傾斜にほぼ沿った態様の支持フレーム５１２と、縦フレーム５１１の上端間に架設されるパネル支持フレーム５１３とを組んで構成されている。ここでは、支持フレーム５１２は屋根４に沿って傾斜させているが、パネル支持フレーム５１３は一年を通じての太陽光の当たり具合を考慮して支持フレーム５１２よりも緩やかに傾斜させている。そして、このパネル支持フレーム５１３上のパネル敷設面（支持架台５１の頂面）５１４に太陽電池パネル１の市販モジュールが敷設される。

また、各フレーム５１１〜５１３で区画されて所定の大きさの配置空間５０が形成され、この配置空間５０内の支持フレーム５１２上の平面視略中央に電池反応セル２１のセルスタックと空冷用ファン２４とが一体化して取り付けられる。したがって、屋根４上には、電池反応セル２１等は直置きされず、防水上有利であるとともに、屋根４上の雨水の流れを妨害することもない。そして、上記配置空間５０の大きさを確保することで、電池反応セル２１がより通風されやすくなる。

また、支持フレーム５１２は屋根４に沿って傾斜させているので、電池反応セル２１のセルスタックも傾斜状態となっている。かかる傾斜状態で電池反応セル２１のセルスタックを配置すると、それを縦配置や水平配置した場合に比べて、太陽電池パネル１の高さを極力抑えることができる。また、このように電池反応セル２１のセルスタックを傾斜状態で配置したとしても、電解液はポンプ２５で圧送されているので、そのセルスタック内がエアロックするおそれはない（後述する図４参照）。

一方、地上３には電解液タンク２２と、ポンプ２５と、交直変換装置（インバータ）６とが設置されている。この電解液タンク２２と上記電池反応セル２１との間にはポンプ２５で電解液を圧送するための２対の往復配管７が配設されており、交直変換装置６と上記太陽電池パネル１及び電池反応セル２１との間には電流を流すための２系統の電線８が導設されている。交直変換装置６は、上述したように屋内電力系統９と商用電力系統１０とに接続されている。

このようにして、屋根４上の機器を一体化して支持架台５１に取り付けることで、その強度を確保する一方、地上３にメンテナンスを要する機器を集中させることとしている。したがって、例えば長期にわたるシステム停止時等には、電解液タンク２２内を窒素ガスパージしておくのが好ましいが、その電解液タンク２２が地上３にあることで、高所作業がなくなり、システムの保守が容易となる。

本システムの配置の成立要件を検討すると、以下のようになる。

標準家庭の電力需要の実績から太陽電池パネル１の電気出力は、４．５ｋＷ×８ｈ＝３６ｋＷｈであるとすると、太陽電池パネル１は、約５０ｍ２（１０ｍ×５ｍ）の面積が必要とされる。したがって、この面積以上の屋根４の広さがあればよいことになる。

交直変換装置６は、レドックスフロー電池２と兼用タイプとして、交流単相３線２００Ｖ・１００Ｖ／直流２００Ｖの入出力が可能なものとする。なお、オール電化住宅では直直変換装置とされる。

レドックスフロー電池２の電気出力は、太陽電池パネル１の電気出力と一致させると、４．５ｋＷ×８ｈ＝３６ｋＷｈであって、この場合の電解液タンク２２の体積は、約５ｍ３となり、比重１．４で重量約７．０トンとなる。

そして、電解液タンク２２を地上設置すると、約４ｍ２の面積が必要とされる。また、電池反応セル２１は、１５セルのスタックであって、縦１ｍ×横１ｍ×高さ０．５ｍの大きさとなる。したがって、このセルスタックの屋根占有面積は約１．０ｍ２（１．０ｍ×１．０ｍ）となり、その重量は約０．５トンとなる。

地上３の電解液タンク２２から電解液を屋根４上の電池反応セル２１に圧送するためにポンプ２５が使用されるが、その必要とされるポンプ動力Ｐは、その電解液流量Ｑとヘッド差Ｈとから以下のように求めることができる。

Ｐ＝９．８ＱＨ
＝９．８×０．０４（ｍ３）／６０×１５ｍ
＝０．１（ｋＷｈ）
＝１００（Ｗ）
ここで、従来例で述べた各配置と比較すると、次のようになる。

すなわち、図６のように屋根４上の太陽電池パネル１の下部にレドックスフロー電池２の電解液タンク２２を配置するとともに、地上３に電池反応セル２１を配置した場合には、ポンプ動力は本システムと同じ１００Ｗとなる。しかし、屋根荷重は７．０トンとなって、本システムの０．５トンに比べてかなり重くなる。その一方、地上占有面積は１ｍ２で済み、本システムの４ｍ２に比べて少なくて済む。

また、図７のように屋根４上に太陽電池パネル１のみを設置するとともに、地上３にレドックスフロー電池２の全体を設置した場合には、ポンプ動力は２０Ｗとなって、本システムよりも小さくなり、屋根荷重の増加もない。しかし、地上占有面積は５ｍ２となり、本システムよりも大きくなる。かかる差がたとえ僅かなものであっても、本システムの配置の成立性を大きく左右する。

引き続き、本システムの配置を可能とするレドックスフロー電池２の構造を説明する。

レドックスフロー電池２の電池反応セル２１は、複数の単セルを積層したスタック構造となっている。各単セルは、図４に示すように、例えばイオン交換膜からなる隔膜２１ａにより中央部で仕切られており、一方側が負電極２１ｂを収容するセル負極側２１ｃ、他方側が正電極２１ｄを収容するセル正極側２１ｅを構成している。この隔膜２１ａの使用温度の制限から、電解液の温度を４０℃以下に保持することが好ましい。

そこで、本システムの配置では、電池反応セル２１が太陽電池パネル１によって直射日光から遮られるとともに、その電池反応セル２１に近接して配備された冷却用ファン２４で電池反応セル２１のセルスタックを強制的に空冷するようになっている。この冷却効率を向上させるために、熱交換器等を設けてもよい。

電解液タンク２２は、さらに負極液タンク２２ａと、正極液タンク２２ｂとからなっており、上記したポンプ２５、配管７等も全て２系統となっている。

すなわち、電池反応セル２１のセル負極側２１ｃと負極液タンク２２ａとは負極液循環ライン７１ａで連結され、セル正極側２１ｅと正電極タンク２２ｂとは正電極液循環ライン７１ｂで連結されている。負極液循環ライン７１ａには負極液循環用ポンプ２５ａが介装されており、二価のバナジウム（Ｖ²⁺）と、三価のバナジウム（Ｖ³⁺）とを硫酸水溶液に溶解させた負極液を循環させるようになっている。正極液循環ライン７１ｂには正極液循環用ポンプ２５ｂが介装されており、五価のバナジウム（Ｖ⁵⁺）と、四価のバナジウム（Ｖ⁴⁺）とを硫酸水溶液に溶解させた正極液を循環させるようになっている。

以下、本システムの全体の動作を、その配置による特有の動作を含めて説明する。

上記図１において、補助電源としてのレドックスフレー電池２は予め安価な深夜電力で充電しておくようになっている。すなわち、商用電力系統１０からの深夜電力（交流）が交直変換装置６で直流に変換されて、この直流が電池反応セル２１の両電極に供給される。このとき、負極液タンク２２ａに蓄えられた負極液が負極液循環用ポンプ２５ａによりセル負極側２１ｃに圧送され、負電極２１ｂにおいて電子（ｅ^-）を受け取り、三価のバナジウム（Ｖ³⁺）が二価のバナジウム（Ｖ²⁺）に還元された後に、負極液タンク２２ａに回収される。他方、正極液タンク２２ｂに蓄えられた正極液が正極液循環用ポンプ２５ｂによりセル正極側２１ｅに圧送され、正電極２１ｄにおいて電子（ｅ^-）を放出し、四価のバナジウム（Ｖ⁴⁺）が五価のバナジウム（Ｖ⁵⁺）に酸化された後に、正極液タンク２２ｂに回収される。このようにして、レドックスフロー電池２は充電状態とされる。

一方、主電源としての太陽電池パネル１は、日当たりのよい屋根４上に設置されているので、天気の良好な昼間等には太陽光を受けて電力（直流）を発生する。この発生した直流を、交直変換装置６で交流に変換して屋内電力系統９に供給し、屋内での電力需要を賄うことができる。そして、太陽電池パネル１での発電量がさらに増加して屋内での使用電力を超える電力が発生すると、その余剰電力を商用電力系統１０を介して電力会社に売電することもできる。

このときには、レドックスフロー電池２の上記充電状態を維持する必要がある。本システムの配置では、電池反応セル２１は太陽電池パネル１の下部にあってファン２４で空冷されており、しかも電池反応セル２１内の電解液保有量は電解液タンク２２内のそれよりも非常に少量である。したがって、レドックスフロー電池２全体としての電解液の温度上昇は少なくなる結果、レドックスフロー電池２の機能低下をきたさず、上記充電状態を維持することができる。

一方、悪天候や夜間等には太陽電池パネル１での発電量が著しく減少して屋内での電力需要を賄うことができなくなる。この場合には、補助電源としてのレドックスフレー電池２から放電される電力が使用される。すなわち、正極液タンク２２ｂに蓄えられた正極液が正極液循環用ポンプ２５ｂによりセル正極側２１ｅに圧送され、正電極２１ｄにおいて電子（ｅ^-）を受け取り、五価のバナジウム（Ｖ⁵⁺）が四価のバナジウム（Ｖ⁴⁺）に還元された後に、正極液タンク２２ｂに回収される。他方、負極液タンク２２ａに蓄えられた負極液が負極液循環用ポンプ２５ａによりセル負極側２１ｃに圧送され、負電極２１ｂにおいて電子（ｅ^-）を放出し、二価のバナジウム（Ｖ²⁺）が三価のバナジウム（Ｖ³⁺）に酸化された後に、負極液タンク２２ａに回収される。このようにして、レドックスフロー電池２は放電状態とされる。この放電された電力（直流）が交直変換装置６で交流に変換されて屋内電力系統９に供給される。それでも電力不足となる場合には、その不足分を商用電力系統１０から供給される商用電力で賄うこともできる。

以上説明したように、本実施形態のシステムによれば、太陽電池パネル１が太陽光の当たりやすい場所に敷設され、この太陽電池パネル１の下部にレドックスフロー電池２の電池反応セル２１が重ねられたとしても、レドックスフロー電池２の機能低下を招くおそれが少ない。また、電池反応セル２１の重量は、電解液タンク２２の重量に比べて軽量であるので、建物の強度を低下させるおそれも少ない。また、本システムは新築の家はもちろんのこと、既存の家にも容易に搭載できる。

なお、上記実施形態では、レドックスフロー電電池２を補助電源として使用しており、太陽電池パネル１で発電した電力をレドックスフロー電池２に蓄電するようにはなっていないが、太陽電池パネル１で発電した電力を直接レドックスフロー電池２に蓄電するような構成にしてもよい。

また、上記実施形態では、平板状の太陽電池パネル１の下部中央にレドックスフロー電池２の電池反応セル２１を配設したが、図５に示すように、太陽電池パネル１の中央部だけを持ち上げて、そのパネル下に電池反応セル２１を配設することもできる。その場合には太陽電池パネル１の中央部以外の高さを抑えることができるので、強度上さらに有利な構造が得られる。この持ち上げる部位は、太陽電池パネル１の範囲内であればどこでもよい。太陽電池パネル１の形状も四角形とは限らず、例えば円形やその他の形状のものがあるが、その場合でも上記と同様な配置ができる。

また、上記実施形態では、レドックスフロー電池２の電池反応セル２１をファン２４で強制冷却しているが、太陽電池パネル１下の通風状態によっては、自然冷却で充分な場合もある。

また、上記実施形態では、本システムの太陽電池パネル１とレドックスフロー電池２の電池反応セル２１を搭載するための屋上部分を有する建造物として、傾斜屋根を有する一般家庭の家について説明したが、フラットな屋根を有する家や事業用のビルであってもよい。また、レドックスフロー電池２の電解液タンク２２の設置場所としては、建造物の周辺地上部の代わりに建造物の下層部であってもよい。

本発明の実施形態に係る太陽電池パネルとレドックスフロー電池とを備えたハイブリッド電源システムの構成を示す概念図である。 ハイブリッド電源システムの全体配置を示す概念図である（レドックスフロー電池の電池反応セルを屋根上の太陽電池パネルの下部に配置した場合である）。 屋根上の配置の一例を示す概念図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ−Ｘ線断面図である。 各要素の詳細説明図である。 屋根上の配置の他の例を示す概念図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ−Ｘ線断面図である。 ハイブリッド電源システムの全体配置を示す概念図である（レドックスフロー電池の電解液タンクを屋根上の太陽電池パネルの下部に配置した場合である）。 ハイブリッド電源システムの全体配置を示す概念図である（レドックスフロー電池の全体を地上に配置した場合である）。

符号の説明

１ 太陽電池パネル
２ レドックスフロー電池
２１ 電池反応セル
２２ 電解液タンク
２４ ファン
２５ ポンプ
３ 地上（建造物の周辺地上部）
４ 屋根（建造物の屋上部分）
５ 嵩上げ配置部
５０ 配置空間
５１ 支持架台
５１１ 縦フレーム
５１２ 支持フレーム
５１３ パネル支持フレーム
５１４ パネル敷設面（支持架台の頂面）
６ 交直変換装置
７ 配管
８ 電線

Claims (4)

1. 太陽電池パネルとレドックスフロー電池とを備えたハイブリッド電源システムにおいて、
   レドックスフロー電池は電池反応セルと電解液タンクとが離間配置される分離型のものであって、
   少なくとも太陽電池パネルの一部は、所定の敷設領域面に支持架台を立設してその頂面をパネル敷設面とした嵩上げ配置部に敷設されるものであり、
   上記レドックスフロー電池の電池反応セルが、上記嵩上げ配置部の内部に設けられた配置空間内に収納されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
2. 上記電池反応セルは、該電池反応セルを空冷するためのファンを備えていることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド電源システム。
3. 上記太陽電池パネルの敷設領域面が建造物の屋上部分に設定され、
   上記嵩上げ配置部は、上記屋上部分のそれぞれ所定箇所に立設される複数の縦フレームと、該縦フレーム下側間に架設される支持フレームと、上記縦フレーム上側間に架設されるパネル支持フレームとを組んで構成されることにより、各フレームで区画して上記配置空間を形成しており、
   上記配置空間内の上記支持フレーム上に上記電池反応セルが取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッド電源システム。
4. 上記電解液タンクは、建造物の下層部もしくは周辺地上部に設けられていることを特徴とする請求項３記載のハイブリッド電源システム。

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