JP2006230136A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 河川敷や国立公園等に設けられる太陽光発電や風力発電を有する独立電源システムにおいて、発電量が十分得られない場所にも十分な電力量を確保するための発電システムを提供する。
【解決手段】 太陽電池１及び風力発電機２の両方あるいは片方のみからなる発電装置に、発電装置が発電した電力を蓄電するバッテリを設ける。そして、これらのバッテリを並列にケーブルで接続し、各バッテリの充電量を平準化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池や風力発電機を用いた独立電源の発電システムに関する。

国土交通省の規制として、河川敷や国立公園などにおいては、景観や災害時安全上の観点から商用電源の電線敷設が出来ない地域がある。これらの地域でも自然エネルギーによる単独電源型街路灯の設置は許可されることが多い。

したがって、公園や河川敷、山岳などの無電源地域に風力・太陽光発電による蓄電装置を備えた独立電源を設置し、夜間照明などに利用することが多い。照明の場合、複数の装置が距離的に分散されて設置されることがある。一方、周囲に障害物があることにより、風力による発電電力量が十分に得られないことや太陽電池パネルへの日陰や日照時間の短縮により発電電力量が低下することがある。

また、現行の風力・太陽光発電電力を蓄え夜間照明などに利用する独立電源システムでは、蓄電電力量と負荷電力使用量の収支をあわせるためにタイマによる運転時間制限が行われている。蓄電電力量は風力発電機では地域の風況や設置環境、太陽電池では日射量や日陰時間などの設置環境などの要素により大きく変動する。また、気象や季節による変動も大きい。バッテリの数量を大きくすれば、蓄電電力量も大きく出来、気象や季節による変動が平均化されるが、個数が限定された場合には蓄電量の限度により制限を受ける。

通常の設計では、一日の必要運転時間から算出された負荷使用電力量と一日平均の発電電力量（風力発電機の台数や太陽電池の面積）、無風・無日照が所定期間継続した場合でも運転保証できるバッテリ蓄電容量（台数）が算出される。当然、一日の平均発電電力量は負荷使用電力量を十分上回ることが必要であり、バッテリは満充電にされることが必要である。また、無風・無日照保証日数に応じてバッテリの蓄電容量は算出されるが、低温時の蓄電量低下や寿命末期の蓄電量減少を考慮して数倍の余裕を持った容量に決定されることが多い。

この独立電源システムでは、発電量予測に対して設置後の発電量が不足することや、無風・無日照が所定日数より多く続くことがあり、バッテリを過放電から保護するために、バッテリ電圧が一定電圧以下に低下した場合に負荷を切断する機能を設ける。

本発明の課題は、河川敷や国立公園等に設けられる太陽光発電や風力発電を有する独立電源システムにおいて、発電量が十分得られない場所にも十分な電力量を確保するための発電システムを提供することである。

本発明の更なる課題は、蓄電電力量と負荷電力使用量の収支を適切に合わせてバッテリに蓄電された電力を使用できる発電システムを提供することである。

本発明の第１の発電システムは、所定の領域に分散して設けられる、自然エネルギーを使って発電を行う複数の発電手段と、該複数の発電手段と共に設けられる複数の蓄電手段と、該複数の蓄電手段を並列に接続する配線とからなることを特徴とする。

本発明の第２の発電システムは、自然エネルギーを使って発電を行う発電手段と、該発電手段の発電した電力を蓄電する蓄電池と、該蓄電池の電力を使って駆動される負荷手段と、該蓄電池から該負荷手段への電力の供給を終了する時間を計測するタイマと、該蓄電池の電圧を測定することにより、該蓄電池の残容量を推定し、該残容量が所定値以上ある場合には、タイマの測定時間に関わらず、該蓄電池から該負荷手段への電力の供給を延長する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、河川敷や国立公園などの広い地域に配設された独立電源の電力を全ての場所に均等に分配し、どこでも一定の電力使用を可能とすることが出来る。
また、バッテリに蓄電される電力を適切に使用することが出来るので、有効な電力供給を行うことが出来る。

本考案は、設置環境の相違による発電電力量の差異を平準化するのが第１の目的であり、それぞれの装置に持つバッテリを追加電線により並列接続する方式である。この結線により、発電量が多くバッテリ電圧が高くなった装置から、他の装置との間に生じた電圧差により電流が流れ、やがて全装置の電圧つまり蓄電量が平準化される。追加の結線方式は直線状、ループ状、放射状など設置状況において適宜選択する。また、蓄電量増強の目的で、その結線に別途バッテリを追加することができる。また、負荷装置や発電装置も適宜追加できる。

複数の装置において発電電力量の差異が発生する理由としては、太陽光発電の場合には、太陽電池パネルにあたる日照時間の差異があり、建物の日陰、樹木の日陰により発電時間の長短が発生する。風力発電の場合には、風力発電機の風況相違があり、建物、樹木、周囲土地形状による障害や乱流が発生し、風速の減衰や風向の乱れによる発電電力低下が起きる。太陽光発電と風力発電の両方を持つハイブリッド発電は、太陽光は曇天が継続した場合には一日の発電電力量が大幅に低下することがあるが、風力発電では２４時間発電可能で、風が強いときのほうが一日の発電電力量が上昇するという、双方の発電システムが補い合うという優位性を有している。特性の異なる不安定な発電特性を組み合わせることにより、一日の発電電力量を安定に確保することが出来る。

本発明の実施形態では、河川敷や国立公園等の分散された場所に複数の発電機を設け、各発電機にバッテリを設け、各バッテリをケーブルで並列に接続して、どのバッテリも同じ電力量だけ充電された状態とする。各バッテリには、照明等の負荷が設けられ、それぞれの負荷はローカルに設けられたバッテリの電力を使って動作する。

図１及び図２は、本発明の実施形態の優位性を説明する図である。
図１においては、各太陽電池や風力発電機にローカルなバッテリを設け、これらをケーブルで結線した構成を示す図である。図２は、従来の構成であり、一ヶ所に集中してバッテリを設ける構成を示す図である。

一日当たりの発電電力量の例としては、以下のとおりである。
太陽光：（定格１００Ｗの太陽電池パネル）
晴天時 ５４０Ｗｈ
曇天時 ２０Ｗｈ
降雨・降雪時 ３Ｗｈ
年間平均 ３５０Ｗｈ
風力発電機：（定格４００Ｗの風力発電機を平地市街地に設置）
強風時 ８８０Ｗｈ
晴天無風時 ４６Ｗｈ
年間平均 １５０Ｗｈ
合成の発電電力量（一日当たりの発電電力量）
年間平均 ４５０Ｗｈ
負荷消費電力量
照明器具の消費電力量は、独立電源システムでは、一日当たりの負荷消費電力量を平均発電電力量の５０〜７０％程度を目安とする。これは無風・無日照が継続した場合でも数日間はバッテリに蓄電された電力で点灯するために、蓄電電力量を十分に確保しておく理由である。上記発電電力量を例として計算すると、２５０Ｗｈ〜３２０Ｗｈである。

図２の従来の装置では、バッテリを一箇所に集合し、発電装置や負荷装置を結線していたが、発電機器の発電容量が大きい場合には、電流容量の大きい配線材料を使用する必要がある。図１の本実施形態の方式では、太陽電池１及び風力発電機２で発電された電力は、分散化された発電装置の近くにあるバッテリに一旦充電されるので、バッテリ間の結線には電流容量の小さい配線材料が使用できる。また、各バッテリ間の充電量の平準化により発電装置側のバッテリの蓄電容量も低く出来、小型化が出来る。

この装置の発展型として発電装置側の蓄電装置には大容量コンデンサ、集中蓄電装置には蓄電池などを設けるなど、異種蓄電装置の組み合わせも可能となる。
並列結線が有利な理由は、発電電力量が平準化され、それぞれの施設に発生する発電電力量の差異を平準化することができることである。

並列接続に使用する電線径は小さくてよく、太陽光・風力とも発電状態でない状態がしばらく継続したときには、それぞれ距離が離れている全施設の蓄電池電圧は等しい状態となっている。ここで１台の施設が発電を開始した場合、その電力は、その施設の蓄電池に殆ど充電され、その蓄電池電圧が少々上昇する。他の施設と並列に接続している場合、他の蓄電池に向かって充電電流が流れる。この際、発電中の施設と非発電中の各装置間の電圧差が小さいので、電流値が少なくなり、電線による電力損失は大幅に少なくなる。

全部の発電施設が非発電状態となると、しばらくすると全装置のバッテリ電圧が等しい値になる。
図２のように発電装置と蓄電池との距離が遠い場合には、大電流が流れるため電力損失を低減するために、電線径を太くする必要がある。直近に蓄電池を置いた場合には電線が短いので、細くすることが可能である。図２の場合では、全電流が電線を経由するので、電力損失は、Ｉ²Ｒとなる。図１の本発明の実施形態の分散バッテリ方式に比べ１0０倍程度損失が大きくなる。

一方、本発明の実施形態では、一直線、ループ、スター、放射または、これらの複合方式など、なるべく均等化しやすい方法で各バッテリを結線する。太陽電池１と風力発電機２が離れて設置される場合や、負荷が離れて設置される場合には、それぞれ機器の近くに蓄電池を設置することも効果がある。

図１においては、
Ｉ：発電電流
Ｖ１：発電装置直近に設置したバッテリの端子電圧
Ｒｂ：バッテリの内部抵抗
Ｖ０：バッテリの開放電圧
Ｖ０１：バッテリ１の開放電圧
Ｖ０２：バッテリ２の開放電圧
Ｖ２：他の場所に設置したバッテリの端子電圧
Ｉ１：発電装置直近に設置したバッテリに充電される電流
Ｒｃ：並列接続用ケーブルの抵抗
Ｉ２：他の場所に設置したバッテリに充電される電流
とすると、
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２
Ｖ１＝Ｖ０１＋Ｉ１×Ｒｂ
Ｖ２＝Ｖ０２＋Ｉ２×（Ｒｂ＋Ｒｃ）
Ｉ２／Ｉ１＝Ｒｂ／（Ｒｂ＋Ｒｃ）
から、通常の例で、Ｒｂ＝０．０５Ω、Ｒｃ＝５Ωとすると、
Ｉ２／Ｉ１＝１／１００となり、発電電力の殆どが直近のバッテリに充電される。発電が停止すると、平衡状態になるようＩ２’＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｒｃの電流によりＶ１＝Ｖ２となる（電線の電流が少なく電力損失が少ない）。

以上の実施形態によれば、同じ河川敷あるいは国立公園に設けられた照明が一部の場所だけ早く消灯してしまうことを避けることが出来る。
本発明の他の実施形態では、現在のバッテリの蓄電容量に関わらず、毎日一定時間運転することで負荷使用電力量の制限を行っている方式をバッテリの残量に応じて運転時間を延長する。バッテリの残容量の概略値は負荷状態でのバッテリ電圧を測定することにより知ることが出来る。バッテリの残容量は常に無風・無日照の保証日数に応じて余裕分を加えて残す必要があるが、晴天・強風が続いた場合には、残容量は多くなることがある。そこでタイマ運転終了寸前のバッテリ電圧の測定結果から、無風・無日照保証分以上の残容量があると判定できた場合には、その余裕分に応じて運転時間を延長する。

具体例としては、１２Ｖのバッテリを使用したシステムにおいて、無風・無日照保証の残容量を６５％とし、そのバッテリ負荷電圧を１２．３Ｖとすると、例えば、タイマＯＦＦ時のバッテリ電圧値が１２．５Ｖであり、残容量が７５％と判定された場合には一定時間の延長を行う。

また、タイマＯＦＦ時にバッテリが満充電状態となり、充電上限電圧を所定以上時間積算して経過した場合に負荷運転を開始する。具体例としては、バッテリ電圧が１３．８Ｖを超えた積算時間が一日のうち二時間を越えた場合に、一定時間の負荷運転を行う。

図３は、バッテリの電圧とバッテリの残容量との関係を示す図である。
図３に見られるように、バッテリの残容量の変化に伴って、バッテリの電圧が変化しているのが分かる。この曲線は経験的に得られるもので、本発明の実施形態のシステムを制御するプロセッサのメモリにデータとして予め格納しておくものである。本発明の実施形態では、このように、バッテリの電圧を測定することにより、バッテリの残容量を推定する。

図４は、本発明の他の実施形態に従った、夜間街路灯を負荷として駆動する場合の発電システムのプロセッサの動作フローチャートである。図５は、従来の夜間街路灯の負荷として駆動する場合の発電システムのプロセッサの動作フローチャートである。なお、以下のフローにおいては、バッテリの電圧と閾値の電圧を直接比較しているが、図３のグラフから閾値は決定され、したがって、電圧の閾値とバッテリの電圧の比較は、バッテリの残容量の閾値との比較に等価である。

図４の本発明の他の実施形態においては、ステップＳ１０において、昼か夜かを判断する。昼であった場合には、何もしない。夜であると判断された場合には、ステップＳ１１において、日没後タイマ（Ｎ時間）の設定に従い、日没後タイマをスタートすると共に、街路灯を点灯する。ステップＳ１２において、バッテリの電圧を測定し、過放電保護電圧Ｖａよりバッテリ電圧が大きいか否かを判断する。ステップＳ１２の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１２の判断がＮｏの場合には、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１３においては、タイマがＮ時間を計測したか否かを判断する。ステップＳ１３の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１３の判断がＮｏの場合には、ステップＳ１２に戻る。

ステップＳ１４においては、バッテリ電圧が延長可能残量電圧Ｖｂより大きいか否かを判断する。ステップＳ１４の判断がＮｏの場合には、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１４の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ１５において、街路灯の点灯を延長して行い、ステップＳ１６において、昼か夜かを判断する。ステップＳ１６の判断が夜であった場合には、ステップＳ１４に戻る。ステップＳ１６の判断が昼であった場合には、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７においては、街路灯を消灯する。そして、ステップＳ１８において、バッテリ電圧が再延長可能残量電圧Ｖｃより大きいか否かを判断し、大きかった場合には、ステップＳ１５に進む。

これに対し、図５の従来の場合には、ステップＳ２０において、昼か夜かを判断し、夜であった場合には、ステップＳ２１において、日没後タイマ（Ｎ時間）をスタートし、街路灯を点灯開始する。ステップＳ２２において、バッテリ電圧が過放電保護電圧Ｖａ以上か否かを判断し、Ｎｏの場合には、ステップＳ２４において、街路灯を消灯する。ステップＳ２２の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ２３において、タイマがＮ時間を計測したか否かを判断し、Ｙｅｓの場合には、ステップＳ２４で街路灯を消灯し、ステップＳ２3の判断がＮｏの場合には、ステップＳ２２に戻る。

このように、従来では、バッテリの電圧が過放電保護電圧より小さくなった場合と、日没後所定時間が経過した場合には、強制的に街路灯を消灯することとしている。これに対し、本発明の実施形態では、バッテリの電圧を測定し、まだ、十分残容量がある場合には、タイマがタイムアウトしても、延長して街路灯を点灯する。これにより、バッテリの残容量に余裕がある場合には、街路灯をより長く点灯することが出来る。

なお、上記実施形態は２つの実施形態を別々に記載したが、勿論、両方を組み合わせたシステムを構築すればより効果の高いシステムが構築できる。

本発明の実施形態の優位性を説明する図（その１）である。 本発明の実施形態の優位性を説明する図（その２）である。 バッテリの電圧とバッテリの残容量との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態に従った、夜間街路灯を負荷として駆動する場合の発電システムのプロセッサの動作フローチャートである。 従来の夜間街路灯の負荷として駆動する場合の発電システムのプロセッサの動作フローチャートである。

符号の説明

１ 太陽電池
２ 風力発電機

Claims (6)

1. 所定の領域に分散して設けられる、自然エネルギーを使って発電を行う複数の発電手段と、
   該複数の発電手段と共に設けられる複数の蓄電手段と、
   該複数の蓄電手段を並列に接続する配線と、
   からなることを特徴とする発電システム。
2. 前記複数の発電手段は、太陽電池と風力発電を含むことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記複数の蓄電手段は、蓄電池と大容量コンデンサを含むことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
4. 自然エネルギーを使って発電を行う発電手段と、
   該発電手段の発電した電力を蓄電する蓄電池と、
   該蓄電池の電力を使って駆動される負荷手段と、
   該蓄電池から該負荷手段への電力の供給を終了する時間を計測するタイマと、
   該蓄電池の電圧を測定することにより、該蓄電池の残容量を推定し、該残容量が所定値以上ある場合には、タイマの測定時間に関わらず、該蓄電池から該負荷手段への電力の供給を延長する制御手段と、
   を備えることを特徴とする発電システム。
5. 前記発電手段は、太陽電池と風力発電を含むことを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
6. 前記負荷手段は、照明であることを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
   
   

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