JP2005510194A - 電圧及び周波数が変更可能な電源からのエネルギーの蓄積及び／または変換装置 - Google Patents

Abstract

電気的に直列で一定のセル電圧を有する多数の初期的セルよりなる一個またはそれ以上のレドックス バッテリにおいて、その値が予め決められたものではなく、また変動さえする特定の周波数のＡＣ電源からの電気エネルギーの蓄電方法が開示される。本方法は一個またはそれ以上のレドックス バッテリにエネルギーを蓄積するための極めて多目的なシステムに組み込まれ、それは容易に実現でき、エネルギーが発電される電気特性とは別個にレドックス バッテリに非常に効率よく蓄積でき、特定の電圧及び周波数特性の電源よりエネルギーを変換する「バッファ」としてもレドックス バッテリを利用できるようにし、そのエネルギーを負荷に供給し、また異なる電気特性を有する配電網に出力する。

Description

再生可能なエネルギー源の開発、電気エネルギーの発電及び配電網における「負荷均衡化」にはしばしばバッテリ、特にレドックス バッテリが使用される。
如何なる配電グリッドにも接続されていない「独立型」の光電（ソーラー）パネルにおいて、蓄電池の使用は必要である。レドックス フロー バッテリは他の型の蓄電池に比べてこれらの適用例において多くの利点を提供する。
レドックス フロー バッテリの中でも、全バナジウム バッテリ、即ち陽電解液のみならず陰電解液においてもバナジウム−バナジウム レドックス カプルを使用するバッテリ、は特に有利である。

バナジウム レドックス フロー バッテリを利用する蓄電施設での性能は、Daiichi Kaisuda及びTetsuo Sasaki ＩＥＥＥ 2000 による「Evaluation of control maintaining electric power
quality by use of rechargeable battery system」の記事で報告及び分析されている。
レドックス フロー バッテリ、特にバナジウム レドックス バッテリに関する文献は豊富にある。従って本発明を十分に説明するために他の型のバッテリに対するこのバッテリの特性及び利点を詳細に解説する必要はないと思われる。
しかしながらレドックス フロー バッテリの数多くの利点の中でも、異なる充電圧においても充電できるというその適性は指摘するに値する。これを達成するには、バッテリを構成する、電気的に直列な初期的セルで構成される電気的列の中間タップを使用してもよい。利用できる電源の電圧に応じて、適切な数のセルを再充電電圧に接続するために最も適当なタップが選ばれる。これは、他の型の蓄電池と異なり、レドックス フロー バッテリ 装置においては、エネルギーはセル中を循環し、個別のタンクに貯蔵される電解液に蓄積されることで可能になることである。このバッテリは専ら電気化学装置として具現され、そこにおいて電気エネルギーが化学エネルギーへ、またその逆方向に変換され、セルの電極は充電及び放電過程において如何なる化学的変換も行わない。

再生可能なエネルギー源施設において、変換過程及びその後のエネルギーの蓄積に影響を与えるような、一般的には一定ではない条件がある。
風力発電機の場合には電気負荷に供給される電気エネルギーの特性を一定に保つという問題がある。ＤＣ発電機（ダイナモ）が使用される場合には、発電された電圧は回転速度に応じて変化し、各風力発電機は、利用できる風の状態の範囲を広げるための機械装置をしばしば備えている。ＡＣ電圧を発生させるために同期発電機が用いられる場合には、速度の変化が発電ＡＣ電圧の周波数の変動の原因となり、整流器、ＤＣ−ＤＣ変換器及びインバータが必要になる。電気エネルギーをバッテリに蓄積する必要がある場合には、同期発電機にバッテリ充電機を接続する必要がある。

同様の問題が水力発電設備にも存在する。
地方電力幹線への相互接続が図られる場合には、例えばこれらの適用例において、いずれ再生可能なエネルギー源より現場で発電される電力はその地域のエネルギー需要を部分的に、または望ましい水量あるいは気候条件期間中は満たすようになっており、何れ生ずる過剰電力を配電網に出力し、現場で発電された電力は配電網と同様の電圧及び周波数特性を有しなくてはならない。
地方電力幹線と相互連結されたこれらの設備においてもレドックス バッテリをエネルギー蓄積に使用することは、天然の再生可能なエネルギー資源の開発を顕著に促進させることになり、（エネルギークレジットを増加させるため）配電幹線に過剰な電力を出力させるためと共に、地域の電気負荷によって要求される標準電圧及び周波数特性に合わないような、最善とは言えない条件のものとでの発電が可能になる。

予測できない特性を有する再生可能なエネルギー源を利用するこれらの発電施設の設計は、利用条件範囲の明示を伴うことは明らかである。これに基づけば、長期間、しかも経済的に投資に見合うレベルで再生可能なエネルギー源を開発するには、整流器、ＤＣ−ＤＣ変換器、変圧器、インバータ、機械的伝動比変換器等が必要である。既に述べたように、利用を促進するには蓄電池の使用は必要な条件である。
多くの場合付随的装置及び付属品の費用は発電機及び／又はその後の蓄電池の費用を越えるかもしれない。更にこれらの装置の効率桁が低いことが再生可能エネルギー源施設全体の効率桁を著しく低下させることがある。

一般に、配電網、よって大多数の電気的装置はＡＣ電圧で作動する。なぜなら変圧器等の簡単な静電機械を使用すれば変更が比較的に容易であるからである。
之は更に標準幹線周波数（５０又は６０Ｈｚ）（ＡＣ）の設定を課し、通常の家庭で使用される機器もこの決まった幹線周波数で設計及び／または作動される（例えば同期発電機）。
他方、バッテリは主として電気エネルギーをＤＣモードで蓄積及び供給することができる。
これらの二つのシステム間のインタフェースの問題は明白で、通常、一方の側にバッテリ充電機を、他方の側にインバータを使用することにより、克服されてきた。これらの付随装置はエネルギー変換処理（充電及び放電処理）の全体的効率を顕著に低下させる。

レドックス バッテリを使用し、電圧及び／または周波数という点での電源の電気特性とは独立してバッテリを効果的に充電することが可能になるようなＡＣ電力の発電及び／又は配電及び／または充電及びその連続的解放のための二個の別個の電気システムをインタフェースする必要性及び／またはその有用性は明白である。
この重要な目的は、一個またはそれ以上のレドックス バッテリにエネルギーを蓄積するための極めて多目的なシステムに関する本発明において達成でき、それは容易に実現でき、エネルギーが発電される電気特性とは別個にレドックス バッテリに非常に効率よく蓄積でき、特定の電圧及び周波数特性の電源よりエネルギーを変換する「バッファ」としてもレドックス バッテリを利用でき、よってそのエネルギーを負荷に供給し、あるいは異なる電気特性を有する配電網に出力することができる。

本発明によるインバータ装置は如何なるＤＣ及びＡＣ電源であっても、所定の最大制限値より低いかまたはそれと同じ電圧で利用できるものである。
ＤＣ−ＤＣ変換器、整流器、電圧安定器、電流調整器等の機能回路を使用することに基づく従来のバッテリ充電機とは異なり、本出願による装置のバッテリの充電過程のエネルギー効率は電源の電気特性からはほぼ独立している。
本発明の装置は、その最も基礎的な形態において、（上限値内の）ＤＣ電源のみならず如何なる電圧及び周波数のＡＣ電源を扱うこともできる万能バッテリ充電機に比することができる。この驚くべき柔軟性によって発電装置を最適化する多くの可能性が提供される。例えばこれは、風力発電所、水力発電所、あるいは回転機関を使用するあらゆる場合のように再生可能なエネルギー源を利用する発電所において、より高価でより信頼性のない発電機の代わりに同期発電機の使用が可能になる。

如何なる電力源と共に実用できるという本発明のバッテリ充電機装置の特異な多用性は明確である。
電気変圧器、整流器、電圧調整器等を必要とせずにＡＣ入力で、その後標準ＡＣ幹線電圧で作動させるという本発明のレドックス バッテリ充電機装置の性能は、以降詳細に説明するが、電気モータの効率的制御システムを実現するために理想的なものである。

同一出願人によるＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＩＴ０２／００４４８で説明されている誘導子不要の、あるいは変圧器不要のインバータ装置はレドックス バッテリに蓄積されたエネルギーよりＤＣあるいはＡＣ電力を制御可能な電圧及び／または周波数にて供給することができる。上記先行出願で説明されたインバータ装置を本出願のバッテリ充電機装置と連携させれば、その全体は多くの応用に使用できる非常に効率的で多目的な装置を構成することになる。例えばこれは、後に詳細に説明するが、電源よりいかなる固定または変動周波数のＤＣまたはＡＣ電圧においてもエネルギーを吸収し、所定の固定周波数及び電圧、例えば電力幹線の電圧及び周波数、あるいは可変でさえある他の周波数のＡＣ電圧を出力し、シンクロ電動機を制御する「周波数変換器」として使用できる。

本発明の装置のこれらの性能により、これを非常に低い周波数（数Ｈｚ）、通常の変圧器であるならば低効率で扱いにくいであろう低周波数においても（電圧）変圧器として使用することができる。
多様な応用における「変圧器」の電気特性を設定できるという能力は、エネルギーを蓄積する本来の性能とは別個のことであり、即ちその能力とは考慮されている応用においてその能力が利用されるか否かに拘わらず常に機能（無停電電源装置機能（ＵＰＳ機能））である。

電気的に直列な多数の初期的セルよりなり、一定のセル電圧を有する一個あるいはそれ以上のレドックス フロー バッテリにおいてその値は予め設定されたものでもなく、可変でもあり得る周波数のＡＣ電源より電気エネルギーを蓄積する方法は、
全波整流器を用いてＡＣ電圧を整流すること、
前記レドックス バッテリの直列な初期的セルに沿ってＮ個の電圧タップを設けること、
中間タップあるいは電気的直列な初期的セルの正端子を前記整流器の出力接続点に接続するＮ個の電源スイッチを設けること、
前記電気的直列な初期的セルの負端子を回路の共通電位接続点に接続すること、
整流電圧のゼロ電圧を検出し、第一条件及び第二条件信号のリセット信号を出力すること、
整流電圧のピークを検出し、第二条件及び第一条件信号のリセット信号を出力すること、
前記第一条件信号が作動したことにより決定される整流波のゼロ電圧が検出された時から夫々一定期間、前記スイッチが前記列の正端子を接続して前記第二条件信号が作動したことにより認知される前記整流波の電圧ピークが検出された時に走査方向を反転するまで、連続モードで順次且つ周期的に、また重複することなく、Ｎ個のスイッチを一個づつ切替えることとよりなることを特徴とする。

本発明による方法は、レドックス バッテリを充電するために利用されるＡＣ電源の周波数の変動に自己適用する。実際、そのアルゴリズムは各周期毎のＡＣ波形の突出時点と同期するようになっている。
他の好ましい実施例によれば、方法は更に、バッテリの負端子と前記整流器の出力接続点に接続された中間電圧タップとの間に設けられた前記バッテリの初期的セルを流れる充電電流をモニタすることと、二閾値あるいはウィンドウ比較器を用いて、充電電流を所定の最大閾値及び最小閾値と比較し、該閾値の一方を越えた時に第三条件信号を発することとよりなるようにしてもよい。前記第三条件信号が作動した時に現在オンのスイッチをオフにし、スイッチがオフになったとき（確認した時）最大及び最小充電電流閾値のどちらかを越えたかに応じて、その前に接続されていた中間電圧タップの電圧より高いか低い電圧で隣接する中間電圧タップをオンにする。

このような好ましい実施例によれば、理想的正弦に対して不規則な、あるいは極めて歪んだ波形に伴ってＡＣ電圧の瞬間的振幅が異常な仕方で変動したとしても、充電過程の適応性及び最適化は促進される。
このような条件下において、各四分円弧において、順次にまた周期的に駆動された一列のスイッチの切替えはもはや規則的間隔、即ち、四分円弧における電圧波形の離散化の同じ長さのフェーズ間隔では行われず、バッテリのセルの特性の関数として予め決定された最大及び最小閾値より充電電流が大きくなったか小さくなったかを実際に検出することに従属する。
更に、同一期間の連続した切替えに自動的に同期することのみを意図する基本的方法に従って、整流波形のゼロとピークを検出する毎に、遮断されたセルの数に拘わる中間タップの位置には相対的正弦機能が反映される一方で、上記の他の実施例のように電流をモニタし、比較することを組み込んだ場合には中間タップの配置は均一、即ち一つのタップとそれと連続するタップとの間のセルの数は略一定である。これは本装置が、連続する切替えフェーズの間、その時に充電回路に含まれるセルの中を実際に流れる充電電流の目標データ関数として、整流波形の下降電圧四分円弧のみならず上昇電圧四分円弧においても、各切替えフェーズの期間を自動調整することができる為可能なのである。

いずれにせよ、電源スイッチの制御及び駆動装置は、一度に一個以上のスイッチが導電（関係する電力トランジスタの状態がオン）となることを防ぐようになっている。オンフェーズが重複しないことを保証する技術は集積電力装置（トランジスタ）の多くの応用例で一般に使われている。本発明の状況においては、電源スイッチのオンを制御することはバッテリのセルの短絡を防ぐ為に機能的に必要なことである。
このオンフェーズを重複させないという条件は一般的に夫々のトランジスタをオンにする論理回路、あるいは電源トランジスタのオフにし、他の電源トランジスタをオンにする間の保護間隔を設定することによっても設定することができる。
本発明の異なる態様及び利点は以下の幾つかの実施例の説明により、また添付の図面を参照することによりより説明される。

図１は本発明の装置の基本図を示す。
レドックス バッテリ全体は符号１により示されており、電気的に直列で一定のセル電圧を有する多数の初期的セルよりなる。セルの数は数十個、あるいは更に数百セルでもよい。
バナジウム−バナジウム レドックス バッテリ装置のセル電圧は、セル室を流れる電解溶液の充電状態が約９０％に対応して約１．５ボルトの上限と、セルを流れる電解溶液の充電状態が約１０％に対応して約１．１ボルトの下限の間の利用範囲を有し、一個のバッテリ１が扱うことのできる最大バッテリ電圧、従って最大入力電圧は最大セル電圧と電気的に直列な初期的セルの数の積である。

言うまでもなく、蓄電施設を設計する際に一個のバッテリを構成する初期的セルの最小数、あるいはその後には二個あるいはそれ以上の直列のマルチセルバッテリからなる初期的セルの合計数は、特定の電源の最大ピーク電圧の値により決定される。
図1の簡略図において、陽及び陰の電解溶液（簡単に電解液）の二個の循環路が示されており、それらは夫々ポンプＰ１とＰ２によって強制されて、バッテリを構成する初期的セルの陽電極を有するハーフセル室と陰電極を有するハーフセル中を縦状に流れるようになっている。言うまでもなく、エネルギー蓄積容量は電解溶液におけるレドックスカップルを構成する一個あるいは複数の要素のモル濃度及び陽、陰電解液の体積により決定されるのであるから、十分な量の溶液が入れることができる陽電解液のタンクＴ１と陰電解液のタンクＴ２を十分な容積にすることにより、容易に要求に対応できる。

バッテリ１の負及び正端子の間には中間電圧タップＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４…Ｖ１１があり、図示された例ではその数は１１個である。
中間電圧タップは夫々のバイポーラ板を適切に形成する、あるいは初期的セルの第一極性の室と、隣接する初期的セルの反対極性の室とを分離する隔膜を導通させ、電気端子がセルの夫々の液流室における水圧密封ガスケットの外周を超えて突出するように機能させる一つあるいはそれ以上の付属品を有するようにすることにより容易に実現できる。
通常は前記第一極性のセル電極と前記反対極性のセル電極は、所謂「フィルタプレス」バイポーラ電解槽の代表的な形式に従って機械的に、また電気的にこれらのバイポーラ板または導電性材料の隔膜の反対面に接続される。

従って、各中間タップは、共通電位における回路接続点とされるバッテリの負端子と従来より言及される電圧、即ちバッテリの負端子とセルの間で、中間タップの導電性のバイポーラ隔膜で終わる中間タップで遮断されたセルの数に対応するセル電圧の倍数である。勿論セル電圧は既に述べたように一定ではなく、セル室にある電解溶液の充電状態による。
バッテリの正端子（＋）と同様、各中間タップも夫々の電源スイッチＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ１０、ＳＷ１１を介してＡＣ電源Ｖｉｎに接続される整流段階（図示の例において、また最も好ましくは全波段階）の出力接続点に接続される一方、バッテリ１の負端子（−）は整流段階を含む回路の共通電位接続点に接続されている。

整流段階の出力接続点はゼロ電圧検出器、ゼロ通過検出器、及びピーク検出回路、ピーク検出器に連結されている。勿論上記機能回路は規定の機能を達成し、所定のＡＣ電源の電圧範囲と両立する如何なる周知の回路でもよい。
上記両機能回路、即ちゼロ通過検出器及びピーク検出器は夫々ゼロ出力電圧及びピーク電圧を検出したことを確認する状態の論理信号を出力する。

ＩＧＢＴ制御及び駆動回路のブロックは、四分円弧（または交流入力電圧の期間の四分の一）に対応するゼロ電圧の検出時とピーク電圧の検出時の間の間隔の関数として、リアルタイムで入力ＡＣ電圧の周波数を決定する論理回路と、その長さが検出されたＡＣ電圧の周波数の関数として変化するクロック信号を発する回路（例えば周波数倍率器の使用に基づく回路）と、ステートマシンあるいはマイクロプロセッサとを有する。ステートマシンあるいはマイクロプロセッサはゼロ電圧検出器、即ちゼロ通過検出器により発せられた第一論理条件信号Ｌ０の作動により決定される通り、整流された波形のゼロ電圧が検出された時に電源スイッチＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ１１の配列を、スイッチＳＷ１から始めてバッテリの正端子（＋）を接続するスイッチＳＷ１１まで、連続モードで順次且つ周期的に、一定期間またはそのフェーズが重複することのないフェーズ間隔をもって、一個づつオンにし、ピーク検出器により発せられた第二条件信号Ｌ１の作動によって決定される通り、整流波形のピークを検出した時に走査順序をＳＷ１１からＳＷ１に逆にする指令をする。

異なる電源スイッチを連続的オンフェーズは略同一の長さでよい。即ち連続的フェーズ切替えは、均等間隔、またはフェーズの四分円弧、あるいは整流波形の長さの四分の一に相当する一定間隔の分割期間に相当する一定間隔で行えばよい。この場合、図１に図示したように、電圧タップは好ましくは一つのタップと次のタップのセルの数に関して一定間隔に配置するのではなく、コサイン関数に対応してセルの数に関して非均等距離を目標として配置すべきである。
代わりに、個別電源スイッチの連続的オンフェーズは同じコサイン関数に応じて非均等長さでもよく、あるいは、ＡＣ電源の電圧波形に応じて、例えば制御及び駆動ブロック、ＩＧＢＴ制御及び駆動回路にあるマイクロプロセッサにより読み取られる読み出し専用メモリの多数のスイッチのフェーズ切替え時期をプログラムすることにより別の期間関数に対応させてもよい。

この場合、どの隣接する二個の中間タップ間の距離は、セルの数に関して均等でよい。
実際には、入力電圧が正弦波状または略正弦波状である場合は、オン時期を一定にし、中間電圧タップをセル数に関し不均等間隔にすることにより、あるいは中間電圧タップをセル数に関して一定間隔にし、スイッチのオン時期を不均等にすることにより代わりに切替え期間の最適化を図ることができる。
言うまでもなく整流電圧波形の離散化は夫々の一つの四分円弧における切替えフェーズの数及び／または利用できる中間電圧タップの数に応じて多少なりとも荒くなる。

図２は本発明によるバッテリ充電機の他の実施例を表す。
図１の第一基本実施例と異なる点は、バッテリの電気的に直流なセル中を流れる充電電流に比例する信号を出力するセンサ回路、電流センサ及び各切替えフェーズにおける充電電流を示す信号と最大参照電圧閾値Ｔｈ_ＭＡＸ及び最小参照電圧閾値Ｔｈ_ＭＩＮとを比較する二閾値またはウィンドウ比較器、上限比較器、下限比較器が存在することである。
ウインドウ比較器の出力論理信号Ｌ_Ｍ及びＬ_ｍの何れかが作動することにより、実際には制御ブロックＩＧＢＴ制御及び駆動回路に入力される第三条件信号が発せられる。

本発明の装置のこの他の実施例によれば、上記最大参照閾値ＴＨ_ＭＡＸ及び最小参照閾値ＴＨ_ＭＩＮを固定することによりバッテリのセルの最大及び最小充電電流を設定し、依ってバッテリのセルの室を流れる電解溶液の充電処理のための充電電流の変化の最適範囲を決定することができる。
バッテリの負端子と整流器の出力接続点に接続された中間タップとの間に形成されたバッテリの初期的セルを効率的に強制される充電電流をモニタし、それを予め設定された最大及び最小閾値と比較することで、予め設定された閾値の一方を超えた時に論理信号が発せられる。

このような第三条件信号が作動した時に、ブロックＩＧＢＴ制御及び駆動回路で設定されたアルゴリズムによってオンであったスイッチはオフとなり、今完了したばかりの切替えフェーズ中に充電電流の最小あるいは最大閾値を超えたか否かに従って、隔離されたばかりの中間タップの電圧より高いまたは低い電圧で隣接する中間タップのスイッチをオンにする。
本発明のバッテリ充電機装置は、既に挙げた同一出願人によるＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＩＴ０２／００４４８において説明したレドックス バッテリの使用に基づくインバータ装置に、二つの装置の多くの特徴を合体及び／または共有させることにより、夫々レドックス フロー バッテリを充電させる、それよりＡＣ電力を取り出すという目的のため、組み込む、あるいは連携させることができる。これにより電気的ＡＣ電源を利用し、交流電圧で作動する電気負荷に電力を供給することのできるエネルギー蓄積装置を実現することができる。

図３はそのような一体化された装置の基本図を表す。
電源スイッチＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ１２は、電子発電装置の分野に精通した技術者によく知られているように、誘電負荷を駆動するのに必要な夫々の電流再循環ダイオードと共に表されている。
この場合、二個の端子、ＰＯＷＥＲＩ／Ｏはレドックス フロー バッテリ１の充電処理中は入力接続点を、端子に接続可能な電気負荷に電力を供給する放電処理中は出力接続点を表す。

上記先行特許出願に説明されているように、制御及び駆動回路により適切に駆動される四個の電源スイッチＳＷ１３、ＳＷ１４、ＳＷ１５及びＳＷ１６とよりなる出力ブリッジは一つまたは複数の負荷に供給されるＡＣ交流供給電圧の構成された正弦波の半期毎に出力電流路（即ち符号）を反転させて電気路を選択する。同じ出力ブリッジは、制御回路により機能上設定されており、バッテリを充電する時には全波整流器を構成する。よって、（充電段階においては）これは上述した図１のバッテリ充電機装置を再現したものである。
一体化された装置の基本実施例によれば、波形の「離散化」のための電源スイッチＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ１２は一列しかないので、その重複は避ける。

放電処理中は、制御プログラムによって設定されている適当な期間の一部に相当する時間間隔、即ち電気負荷に供給される交流電圧の四半期、一列の電源スイッチは連続モードで順次且つ周期的に切替る。従って、その極性が出力ブリッジにより半期毎に完全に同期して反転する、連続した半波が再構成される。
言うまでもなく、図３の「一体化された」充電及び放電装置の場合、中間電圧タップの配列は均等に間隔を置くことが望ましい。正弦波の離散化／再構成は通常の波形離散化技術に従って、各四半期中、電源スイッチの切替えフェーズを適当な長さにプログラムすることにより実行でき、各切替えフェーズに関するタイミングデータは、連続するＡＣ期間の四半期における電源スイッチの切替えの場合には反対方向に走査することのできるような不揮発性読み出し専用メモリに格納される。

このように構成された誘電器不要の（あるいは変圧器不要の）インバータ、及びその他の実施例の詳細な説明は上記の先行するイタリア特許出願に見出すことができる。

エネルギーを蓄積及び供給する本発明によるレドックス フロー バッテリに基づく一体化された装置の性能は、多くの実用的応用において予期しない特筆すべき性能を発揮する。
レドックス フロー バッテリを用いてエネルギーを蓄積及び供給する装置の第一の、そして最も重要な適用分野は風力エネルギーを利用する風力タービンである。
風力タービンにより駆動される（より高価な発電機の代わりの）同期発電機は、回転速度の関数で変化する、よって実質的に一定ではない周波数のＡＣ電圧を発電する。
前述した通り、本発明によるバッテリ充電機装置は、整流された入力電圧の周波数変化に対して自己適用し、多様な風力条件の元での風力発電を促進させる。
図４に注目するに、バッテリ１の左側の部分は図２のバッテリ充電機装置と同様の機能構成を示す。
バッテリ１の右側には所定の周波数の出力正弦波形を再構成する回路があり、それはバッテリと第二列の電圧タップを介して連結され、前記の先行ＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＩＴ０２／００４４８の誘電子不要（または変圧器不要）のインバータを再現する。

図５は自己発電の発電設備を基本的に表す。
気づかれるように、レドックス バッテリを充電し、ＡＣ電圧を電気負荷に供給する電気エネルギー変換装置の構成は、いろいろな面で図４のものと類似する。
主たる機能がバッファ（ＵＳＰ）として作動することではなく電気的特性を変換させる事にある他の多くの応用例と同様、この種の応用においては、バッテリを構成するセルの夫々の室を流れる電解溶液は適度な量で十分であるから、レドックス バッテリの蓄積容量を開発することさえないかもしれない。

勿論、必要あるいは望ましいならば、レドックス フロー バッテリの固有蓄積容量は例えばエンジンが故障した時に電力を供給するなど広範囲に開発できる。この場合、望ましい期間、ＵＰＳ機能を確保するに十分な一定量の溶液を保持し得るように、電解溶液槽を設計する必要が生じるのみである。
ＤＣ−ＤＣ変換器とインバータを用いて専らＵＳＰ機能を有する蓄電池を用いる通常の最適化の取り組みとは異なり、本発明の装置は、同期発電機によりエンジン回転数に応じて発電されるＡＣ電圧の変化する周波数を、所定の固定周波数に変換することができるので、エンジン速度を電気負荷による電力吸収の関数として、容易に、しかも効果的に制御することが可能になる。

エンジン速度を自動調整するために、負荷で吸収される電流を表す信号を用いる代わりに、片方、あるいは両方の電解液の充電状態を検出し、その振幅が一方、あるいは両方の電解液の充電状態に比例する電気信号を発することのできるセンサ、ＳＯＣ検出器を使用することがより有利であるかもしれない。この信号の関数としてエンジン速度を上昇あるいは低下させ、レドックス フロー バッテリの充電状態を望ましいレベルに保つ。バッテリ充電センサは、例えば電解液のレドックス電位を測定する機器でもよい。
言うまでもなくバッテリの充電状態と相関関係にあるあらゆる他の媒介変数をモニタし、それと関連する電気信号を使用してエンジンの速度を調整してもよい。

出力電力ではなくバッテリの充電状態をモニタすることにより、バッテリ充電状態にバッテリの電気負荷による吸収の不意な変化が与える過度の頻繁な、急激な変化をさけ、「ダンピング」及び「遅延」効果を利用することにより、「より緩やかな」変化傾斜を持ったエンジン速度の制御を組み込むことが容易である。
実際にはこのバッテリは、吸収された電力信号が用いられた時には、専用の集積回路手段により実施される必要のある集積機能を予め備えている。

本発明の装置は更に電気モータを制御する為に使用でき、その基本構成図は図6に表されている。
バッテリ１の左側のレドックス バッテリ充電機は勿論略固定された電圧と周波数の幹線からのエネルギーを吸収する、
整流正弦波は、図１と同様の機能構成に従って、バッテリの中間電圧タップに接続されたスイッチを重複せずに、周期的な切替えの連続と同期させるゼロ電圧（ゼロ通過検出器）及びピーク電圧（ピーク検出器）の検出器によってモニタされる。
上記のイタリア特許に説明されたインバータ装置がバッテリ１の他の中間電圧タップ列に接続されている。インバータ装置は、電源スイッチの順次且つ周期的切替え用の制御回路が発する指令ＲＥＦによりプログラムされ、モータの巻き線に供給される正弦出力電圧を再構成する。

本発明によるモータ制御装置は、約一あるいは数千ヘルツの周波数のＡＣ電圧を発電し、それを例えば５０Ｈｚの幹線周波数に変換するタービン発電施設の場合においても非常に好都合である。本応用例に関する図は図7に示す。
図７に示すように、本装置は更に、図５のエンジン設備の場合と同様に、好ましくは電解液の充電状態を表す信号を用いてタービンの回転速度の調整ループを図ってもよい。
図４、５、６及び７に関連して説明された応用例は必要な変更を加えれば、装置に含まれるレドックス バッテリの本来のエネルギー蓄積性能（ＵＰＳ機能）に加えて、「周波数変換器」という主機能を有する、本発明の装置を使用することに基づくものであると考えられる。

本発明の統一エネルギー変換装置は、レドックス フロー バッテリの使用に基づき、効果でより効率の悪いバッテリ充電機装置とインバータを必要としないという利点の他に、誘電子及び／又は変圧器が一切不必要であるので、高力率を確保でき、略あらゆる負荷条件においても、実際に電圧と電流間の如何なるフェーズ遅れ及び低調波留成分を除去することができる。切替えノイズさえ、低価格のフィルタを使用することにより容易に制限することができる。

本発明の多目的性は、光電パネルを用いた、グリッド接続のソーラー発電施設と共に使用されたときに十分に明らかになる。
グリッド接続の光電発電施設は、光電パネルにおいて発電されたＤＣ電力を、幹線周波数のＡＣ電力に変換し、電気負荷に電力供給する、または供給に貢献し、その後は、インバータを使用してパネルで発電されたＤＣ電圧を幹線周波数のＡＣ電圧に変換することにより、過剰な電力を配電グリッド（幹線）に出力することに基づくものであるから、通常如何なる蓄電池（ＵＰＳ機能）も必要としないと考えられている。
光電パネルは通常、従来の鉛電池の充電電圧と互換性があり、依って一定の照射条件で約１４−１５ボルトの公称電圧を出力するよう相互接続されるモジュールとして製造されている。

従って光電発電施設は、要求される公称電圧の関数として、適当な直列―並列構成に従って相互に接続される多数のパネル列を意図している。
しばしは、太陽照射の強度の不安定性を取り除くため、直列―並列構成を変更することができる配列スイッチが設けられ、十分な振幅のＤＣ電圧を出力するに最も適切なように照射条件に適応させ、比較的に低太陽照射の場合においてもソーラー発電施設が機能できるようになっている。
更に、通常のインバータを容認できる効率で稼動させるにはこれらの手段は絶対に必要である。

先行するＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＩＴ０２／００４４８に説明されたインバータ装置は、誘電子または変圧器を用いる従来のインバータを使用せずに幹線の電圧及び周波数で正弦波を再構成するとしても、パネルに入力されるソーラーエネルギーの完全な利用を不利にするような非効率を免れているわけではない。
上記のイタリア特許出願によるインバータ装置は、電気的に直列な光電モジュールは、安定で一定な照射があれば、全てが安定で一定であるとみなされる同一ＤＣ電圧を発する初期的セルまたはモジュールのバッテリを構成するという観点から、いかなるバッテリも用いない。
上記イタリア特許出願のインバータ装置において、各モジュール又はパネルは同等のＤＣ電圧を発電するにあたり、レドックス フロー バッテリの一定数の初期的セルのように機能する。

電源スイッチ列を順次切替えて正弦ＡＣ電圧波形を構成することは、その振幅が全ての直列の光電パネルの端子で取り出されるＤＣ電圧より大きくなることのない正弦波電圧を発生させる。
言い換えれば、ここに挙げた先行する出願によれば、構成されたＡＣ電圧の振幅には限度があると言うことである。この限度はレドックス フロー バッテリの存在に基づく本発明の統一装置ではもはや存在しない。初期的セルの数は、光電パネル列で発電される最大ＤＣ電圧とは独立して、本装置の正弦電圧出力の必要な振幅を満たすような数でもよく、本発明では光電パネル列は出力正弦波を構成するために直接使用されるのではなく、レドックス バッテリを充電する為に利用されている。

レドックス フロー バッテリのバッテリ充電機装置と、配電グリッド特性に適合した振幅及び周波数を有するＡＣ電圧を出力する連携するインバータ装置とよりなる、電気エネルギーをグリッド接続の光電パネル施設によって発電する本発明による統一装置は、極めて能率的である。これはあらゆる太陽照射条件においても光電パネルにより収集されたエネルギーを最大限利用することを可能にする。即ち、比較的低ＤＣ電圧であってもバッテリにより絶え間なく吸収され、従って幹線周波数におけるＡＣ電圧という形での変換に利用できる。

図８は本発明に従って実現される光電パネルを使用した発電施設の好ましい実施例を示す。
図示した図において、光電パネル列ＦＣは電気的に直列な６個のパネルと、一連のパネルのうちの第一パネルの接続点から始めて夫々の相互連結接続点とよりなり、その負端子がバッテリ１の負端子（即ち回路の共通電位接続点）に接続される接続点はバッテリの夫々の中間電圧タップに接続されており、完全充電状態ではバッテリの中間タップの電圧は、光電セルで活用される太陽照射の最低レベルの条件下でパネルによって発電されるＤＣ電圧に大体同一である。
実際には、光電パネルのような多数のＤＣ源という特殊な場合には、本発明のバッテリ充電機装置は単にパネルを、単にバッテリの夫々の中間電圧タップに直接接続することにより実現することができる。バッテリの夫々の中間電圧タップは適切な整合電圧レベルを有するよう構成され、最大照射条件から最小照射条件に至るまで、設定されたバッテリのセルの充電電流の変動範囲内でバッテリを充電することが可能となる。勿論セルはセル面積の点で大きさが決められ、最大照射状態においてもこの最後の要件を満たすようにしている。

図からわかるように、バッテリ１は、バッテリ充電の最低状態という条件下において出力される正弦波のピーク電圧と略同一なＤＣ電圧が、バッテリの端子より取り出すことを確保するに十分な合計数のセルを有する。バッテリのセルの合計数は、より少なくてもよい光電パネルの数とは別個に、各パネルによって提供される電力、及び、負荷に対して要求される最大電力（または入力側で得られる電力と公称最大出力電力要求の比）を考慮して設定される。
夫々中間電圧タップに接続され、幾つかは更に夫々の光電パネルに接続される電源スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、…Ｓ１２の列は、上記イタリア特許出願で言及された誘電子不要のインバータ装置を組み込むことにより、出力正弦波を構成するように使用される。

実際には、電気的に直列なパネル列の各々の光電パネルの正端子はレドックス フロー バッテリ１の夫々の中間電圧タップに、また夫々の電源スイッチを介して、出力正弦波形を構成するバッテリに基づくインバータ装置の出力側に接続される。
この種の応用例において、レドックス バッテリは光電パネルによって収集されたエネルギーを蓄積し、これを返還してＡＣ出力正弦波形を構成するバッファであると考えられる。
出力正弦波の一部は光電パネルから直接電力を引き出すことにより構成され、それはインバータの電気負荷に吸収された分を超えた全ての電力を用いてレドックス バッテリを充電し続ける。

本発明によるレドックス バッテリ充電機装置の機能ブロック図である。 本発明による他の実施例によるレドックス バッテリ充電機装置の機能ブロック図である。 図１のものと機能的に同様であり、更に同一出願人によるものであり、同じレドックス バッテリに基づく先行するＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＩＴ０２／００４４８による誘電子不要のインバータを実現させる要素を含む本発明によるレドックス バッテリ充電機装置の機能ブロック図である。 本発明の風力発電機への応用例の基本構成図である。 本発明のエンジン駆動の発電機への応用例の基本構成図である。 本発明により作成されたモータ制御装置の基本構成図である。 本発明によるタービン発電機の基本構成図である。 本発明による装置の光電パネルを用いたソーラー発電施設への応用例の簡略基本図である。

Claims (21)

1. 電気的に直列な複数の初期的セルよりなり、一定のセル電圧を有する一個あるいはそれ以上のレドックス フロー バッテリにおけるＡＣ電源より電気エネルギーを蓄積する方法において、
   全波整流器を用いてＡＣ電圧を整流すること、
   前記電気的直列な初期的セルに沿ってＮ個の電圧タップを設けること、
   夫々中間タップあるいは電気的直列な初期的セルの正端子を前記整流器の出力接続点に接続するＮ個の電源スイッチを設けること、
   前記電気的直列な初期的セルの負端子を回路の共通電位接続点に接続すること、
   整流電圧のゼロ電圧を検出し、第一条件及び第二条件信号のリセット信号を出力すること、
   整流電圧のピークを検出し、第二条件及び第一条件信号のリセット信号を出力すること、
   前記第一条件信号が作動したことにより決定される整流波のゼロ電圧が検出された時から夫々一定期間、前記スイッチが正端子を接続して前記第二条件信号が作動したことにより決定される前記整流波のピークが検出された時に走査方向を反転するまで、連続モードで順次且つ周期的に、また重複することなく、Ｎ個のスイッチを一個づつ切替えることとよりなることを特徴とする方法。
2. 前記電気的に直列な初期的セルの特定の中間電圧タップと、他の中間電圧タップあるいはそれに隣接するバッテリ端子との間に形成された初期的セルの数は、前記ＡＣ電圧の波形の四分円弧の離散化フェーズの数Ｎの夫々のフェーズ間隔の電圧と同等の電圧に対応し、前記スイッチの前記オン間隔は略同一の長さでることを特徴とする請求項１による方法。
3. 方法がバッテリの負端子と前記整流器の出力接続点に接続された中間電圧タップとの間に設けられた前記バッテリの初期的セルを流れる充電電流をモニタすることと、
   前記電流を所定の最大閾値及び最小閾値と比較し、該閾値の一方を越えた時に第三条件信号を発することと、
   前記第三条件信号が作動した時に現在導通状態にあるスイッチをオフにし、直前に完了した切替えフェーズ中に前記最大及び最小充電電流閾値のどちらかを越えたかに応じて、オフにしたばかりのスイッチの中間電圧タップの電圧より高いか低い電圧で隣接する中間電圧タップをオンにすることとよりなることを特徴とする請求項１による方法。
4. スイッチの前記オンフェーズが他のスイッチのそれと重複しないと言う前記条件は論理回路手段により確保されていることを特徴とする請求項１による方法。
5. スイッチの前記オンフェーズが他のスイッチのそれと重複しないと言う前記条件はオフ時点とそれに続くオン時点との間に保護間隔を設けることにより確保されていることを特徴とする請求項１による方法。
6. 電気的に直列な多数の初期的セルよりなり、一定のセル電圧を有する一個あるいはそれ以上のレドックス フロー バッテリにおけるＡＣ電源より電気エネルギーを蓄積する電気化学装置において、
   前記ＡＣ電源に接続された少なくとも一個の全波整流器と、
   該電気的直列な初期的セルに沿ってＮ個の電圧タップの第一列を有する電気的に直列な多数の初期的セルよりなる少なくとも一個のレドックス バッテリと、
   夫々前記第一列あるいは電気的に直列な初期的セルの正端子を前記整流器の出力接続点に接続し、前記電気的に直列な初期的セルの負端子を共通電位接続点に接続するＮ個の第一電源スイッチと、
   ＡＣの整流電圧のゼロ電圧を検出し、第一条件及び第二条件信号を無効にするリセット信号を発する手段と、
   ＡＣの整流電圧のピークを検出し、第二条件及び第一条件信号を無効にするリセット信号を発する手段と、
   前記第一条件信号が作動したことにより決定される整流波のゼロ電圧が検出された時から夫々一定期間、前記スイッチが正端子を接続して前記第二条件信号が作動したことにより決定される前記整流波のピークが検出された時に走査方向を反転するまで、連続モードで順次且つ周期的に、また重複することなく、Ｎ個のスイッチを一個づつ切替える手段とよりなる電気化学的蓄電装置。
7. 前記電気的に直列な初期的セルの特定の中間電圧タップと、他の中間電圧タップあるいはそれに隣接するバッテリ端子との間に形成された初期的セルの数は、前記ＡＣ電圧の波形の四分円弧の離散化フェーズの数Ｎの夫々のフェーズ間隔の電圧と同等の電圧に対応し、前記スイッチの前記オン間隔は略同一の長さでることを特徴とする請求項６による電気化学的蓄電装置。
8. 装置がバッテリの負端子と前記整流器の出力接続点に接続された中間電圧タップとの間に設けられた前記バッテリの初期的セルを流れる充電電流をモニタする手段と、
   前記電流を所定の最大閾値及び最小閾値と比較し、該閾値の一方を越えた時に第三条件信号を発する手段と、
   該手段は、前記第三条件信号が作動した時に現在導通状態にあるスイッチをオフにし、直前に完了した切替えフェーズ中に前記最大及び最小充電電流閾値のどちらかを越えたかに応じて、オフにしたばかりのスイッチの中間電圧タップの電圧より高いか低い電圧で隣接する中間電圧タップをオンにするように切替ることとよりなる請求項６による電気化学的蓄電装置。
9. 装置は論理回路手段を有して、あるスイッチのオンフェーズが他のスイッチのそれと重複しないと言う前記条件を確保することを特徴とする前記請求項６乃至８の何れかによる装置。
10. 装置は回路手段を有して、オフ時点とそれに続くオン時点との間に保護間隔を設けることを特徴とする上記請求項の何れかによる装置。
11. ＡＣ電源からの如何なる周波数の電気エネルギーをも特定のＡＣ電圧と周波数で電気負荷に配電し得る電気エネルギーに変換する電気化学装置において、
    前記ＡＣ電源に接続された少なくとも一個の全波整流器と、
    該電気的に直列な初期的セルに沿ってＮ個の電圧タップの第一列を有する電気的に直列な多数の初期的セルよりなる少なくとも一個のレドックス バッテリと、
    夫々前記第一列の各々の中間タップあるいは電気的に直列な初期的セルの正端子を前記整流器の出力接続点に接続し、前記電気的に直列な初期的セルの負端子を共通電位接続点に接続するＮ個の第一電源スイッチと、
    整流電圧のゼロ電圧を検出し、第一条件及び第二条件信号を無効にするリセット信号を発する手段と、
    整流電圧のピークを検出し、第二条件及び第一条件信号を無効にするリセット信号を発する手段と、
    前記第一条件信号が作動したことにより決定される整流波のゼロ電圧が検出された時から夫々一定期間、前記スイッチが正端子を接続して前記第二条件信号が作動したことにより決定される前記整流波のピークが検出された時に走査方向を反転するまで、連続モードで順次且つ周期的に、また重複することなく、Ｎ個のスイッチを一個づつ切替える手段と、
    前記電気的に直列な初期的セルの特定の中間タップと他のタップ、あるいはそれに隣接するバッテリの終端子との間に形成された初期的セルの数は、それに隣接する前記直列な初期的セルに沿って、前記特定のＡＣ電圧の波形の四分円弧の離散化フェーズの数Ｍの夫々のフェーズ間隔の最大電圧によって表される電圧値に対応するようなM個の中間電圧タップの第二列と、
    夫々のタップまたは電気的に直列な初期的セルの第一極性を有する第一端子の何れかを電気負荷回路の共通電圧接続点に夫々接続するＭ個の第二電源スイッチと、
    少なくとも四個の電源スイッチとよりなり、夫々前記共通電圧接続点と、前記電気的に直列な、前記第一極性とは反対の極性を有する初期的セルの他の端子とに接続された一対の第一の接続点と、ＡＣ電力出力を構成する一対の第二の接続点を有する、出力電流路を反転させるブリッジ段と、
    夫々前記出力ＡＣ電圧の期間の１／（４Ｍ）に対応する期間、連続モードで一個づつ、順次且つ周期的に前記Ｍ個の第二スイッチを切替え、前記出力ＡＣ電圧の半期毎に前記ブリッジ段の前記四個のスイッチを一対づつ切替える手段とよりなる電気化学的蓄電装置。
12. 前記第一列のＮ個の電圧タップは前記第二列のＭ個の電圧タップと一致することよりなる請求項１１による電気化学装置。
13. 前記電圧タップが直列初期的セルの特定の数の等間隔において配置されている請求項１２による電気化学装置。
14. 装置がバッテリの負端子と前記整流器の出力接続点に接続された中間電圧タップとの間に形成された前記バッテリの初期的セルを流れる充電電流をモニタする手段と、
    前記電流を所定の最大閾値及び最小閾値と比較し、該閾値の一方を越えた時に第三条件信号を発する手段と、
    前記第三条件信号が作動した時に現在導通状態にあるスイッチをオフにし、直前に完了した切替えフェーズ中に前記最大及び最小充電電流閾値のどちらかを越えたかに応じて、オフにしたばかりのスイッチの中間電圧タップの電圧より高いか低い電圧で隣接する中間電圧タップをオンにする手段とよりなることを特徴とする請求項１３による電気化学装置。
15. 少なくとも一個の風力駆動の同期発電機とよりなり、その振幅と周波数が変動するＡＣ電圧を発電する風力発電施設において、請求項１１の電気化学装置よりなり、該発電機で発電した電気エネルギーを変換して、所定で且つ一定の周波数及び振幅を有するＡＣ電気エネルギーに変換することを特徴とする発電施設。
16. 同期発電機を駆動してその振幅と周波数が変動するＡＣ電圧を発電する少なくとも一個の内燃エンジンよりなる風力発電施設において、請求項１１の電気化学装置よりなり、該発電機で発電した電気エネルギーを変換して、所定で且つ一定の振幅及び周波数を有するＡＣ電気エネルギーに変換することを特徴とする発電施設。
17. 施設がレドックス バッテリの少なくとも一つの電解液の充電を検出する少なくとも一個の検出器と、該検出器から発せられた信号の関数としてエンジン速度を変化させる手段とよりなることを特徴とする請求項１６の発電施設。
18. 変化する振幅及び周波数のＡＣ電圧を発電する少なくとも一個のタービン駆動の同期発電機よりなる発電施設において、施設が請求項１１の電気化学装置よりなり、該発電機で発電した電気エネルギーを変換して、所定で且つ一定の振幅及び周波数を有するＡＣ電気エネルギーに変換することを特徴とする発電施設。
19. 施設がレドックス バッテリの少なくとも一つの電解液の充電を検出する少なくとも一個の検出器と、該検出器から発せられた信号の関数としてタービンの回転速度を変化させる手段とよりなることを特徴とする請求項１８の発電施設。
20. 幹線に接続可能で、モータの速度を、それに供給されるＡＣ電圧の周波数を変化させることにより調整する装置よりなるＡＣモータ コントローラにおいて、コントローラは請求項１１による電気化学装置よりなり、幹線における電圧と周波数を有する電気エネルギーを、前記第二列の電源スイッチの制御及び駆動回路の入力側に供給され、モータの速度を調整する指令によって設定される振幅と周波数を有するＡＣ電圧でモータに供給される電気エネルギーに変換することを特徴とするコントローラ。
21. 電気的に直列な多数の光電パネルと、該パネルで発電された電圧のＤＣ電気エネルギーを幹線電圧と周波数の電気エネルギーに変換する少なくとも一個のインバータとよりなる風力発電施設において、前記インバータが、
    電気的に直列で、一定のセル電圧を有する多数の初期的セルよりなり、バッテリを構成する電気的に直列な該初期的セルに沿ってＮ個の中間電圧タップを含む少なくとも一個のレドックス バッテリと、
    Ｎ個の電源スイッチとよりなり、スイッチは各々、夫々のタップまたはバッテリの正接続点を、一対毎に駆動され、バッテリの負端子に接続された第二入力側を有する四個のスイッチよりなるブリッジ段の第一入力側に接続して出力電流路を反転させ、または直列に接続された多数の前記パネルの第一光電パネルの負端子に接続し、
    前記各光電パネルの正端子はバッテリの夫々の中間電圧タップに、バッテリの前記負端子の電位に関し、前記直列のパネル及び前記直列のパネルの第一光電パネルの夫々の正端子で発せられるＤＣ電圧より低い電圧で接続されており、
    夫々前記ＡＣ電圧の期間の１／（４Ｍ）に対応する期間、連続モードで一個づつ、順次且つ周期的に前記Ｍ個の第二スイッチを切替え、前記出力ＡＣ電圧の半期毎に前記ブリッジ段の前記四個のスイッチを一対づつ切替える手段とよりなる発電施設。
    

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