JP2007124830A - 直流配電システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、過剰な電力を供給する費やす必要のない直流配電システムを提供することにある。
【解決手段】燃料電池発電装置２と、前記燃料電池発電装置２の発電により得られた直流電力の電圧を変換する直流電力変換装置３と、交流電力を直流電力に変換する交流−直流電力変換装置４２と、を具備し、前記直流電力変換装置４１の出力側の端子には、前記交流−直流電力変換装置４２の直流出力側の端子と、直流負荷５とが接続され、前記交流−直流電力変換装置４２の交流入力側の端子には交流電力系統６が接続され、前記交流電力系統６は交流負荷７と接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流負荷へ電力を供給する為の直流配電システムに関し、特に、同一の屋内において直流負荷と交流負荷の双方が設置される場合の直流配電システムに関する。

限られた空間内に、系統電源からの交流を直流に変換する直流−交流変換器と、系統電源からの交流電力を使用する交流負荷と、直流−交流変換器により変換された直流電力を使用する直流負荷とを備えた直流配電システムが知られている。

図１に屋内に設置された上述のような構成を有する直流配電システムを示す。直流負荷への電力供給は、系統からの交流電力が交流−直流変換器により直流電力に変換されて供給される。交流−直流変換器による電力の変換時には、電力の変換ロスが発生する。その変換ロス、直流負荷における電気的損失及び外部環境は熱となって屋内の内部に発散し、畜熱していく。畜熱による屋内の温度上昇を防ぐために、交流負荷としてエアコン等の冷却設備が使用される。即ち、系統から直流負荷へ配電を行う際には、直流負荷へ供給する電力の他に、直流−交流変換器における変換ロスと、冷却設備を稼動させるための電力が費やされていた。系統からの過剰な電力の供給は、配電システムの効率低下につながる。直流負荷へ供給される以外の電力を費やすことのない高効率な配電システムの提供が望まれる。

また、上述のような直流配電システムに望まれることとして、直流負荷へ安定的に電力を供給できることが挙げられる。直流負荷へ安定的に電力を供給する為に、系統が停電した際のバックアップとして、二次電池が直流負荷に接続されることもある。しかしながら、バックアップ用の電源を追加することは構成機器数の増加につながり、さらに定期的な交換が必要となるため、機器構成が簡略化されメンテナンスが不要となった上で安定的に直流負荷へ電力を供給できる技術の提供が望まれる。

上記と関連して、特許文献１は、直流発電装置と、双方向電力変換装置と、第１の直流電力変換装置とを含む直流配電システムであって、前記直流発電装置の出力側の端子に前記双方向電力変換装置の直流側の端子と前記第１の直流電力変換装置の入力端子とが接続され、前記双方向電力変換装置の交流側の端子に交流電力系統及び交流負荷が接続され、前記第１の直流電力変換装置の出力端子には第１の直流負荷が接続される構成となっていることを特徴とする直流配電システム、を開示している。

即ち、特許文献１は、交流電力系統以外に直流発電装置を備え、系統から必要な電力を抑制させることを目的としている。交流電力系統からの電力は、二つの電力変換装置（双方向電力変換装置及び第１の直流電力変換装置）を経由して直流負荷へ供給される。尚、交流電力系統からの電力は、双方向電力変換装置において、直流発電装置による発電の電圧に併せた直流電圧に変換される。このように、直流発電装置を備えた直流配電システムにおいては、電力の変換ロスを更に低減させるとともに、直流発電装置が安定して発電を行うことのできる技術が望まれる。
特開２００３−２０４６８２

即ち、本発明の目的は、高効率な直流配電システムを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、機器構成を簡略化した上で安定的に電力を供給することのできる直流配電システムを提供することにある。

その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。

本発明に係る直流配電システム（１）は、
燃料電池（２）と、
燃料電池発電装置（２）の発電により得られた直流電力の電圧を変換する直流電力変換装置（３）と、
交流電力を直流電力に変換する交流−直流電力変換装置（４２）と、
を備え、
直流電力変換装置（３）の出力側の端子には、交流−直流電力変換装置（４２）の直流出力側の端子と、直流負荷（５）とが接続され、
交流−直流電力変換装置（４２）の交流入力側の端子には交流電力系統（６）が接続され、
交流電力系統（６）は交流負荷（７）と接続している。

上述の構成に依れば、燃料電池発電装置（２）によって直流負荷（５）へ電力を供給することができる。よって、交流電力系統（６）から供給される電力量が低減される。交流−直流電力変換装置（４２）によって変換される電力量が低減されるので、変換ロスも低減される。また、直流電力変換装置（３）の出力側の端子と交流−直流電力変換装置（４２）が接続していることにより、交流−直流電力変換装置（４２）の直流出力の電圧を燃料電池発電装置の発電量に応じて制御する必要はない。よって、交流−直流電力変換装置（４２）の出力を制御する為の制御装置を必要とせず、機器構成が簡略化できる。

本発明に係る直流配電システム（１）において、
交流負荷（７）及び直流負荷（５）は同一の屋内（１０）に設置され、
燃料電池発電装置（２）及び直流電力変換装置（３）は屋外に設置されている。

燃料電池発電装置（２）及び直流電力変換装置（３）が屋外（１１）に設置されることで、屋内（１０）に直流電力変換装置（３）から発散した熱が畜熱されない。よって、屋内（１０）内を冷却する為の電力が低減され、高効率化を図ることができる。

本発明に係る直流配電システム（１）において、
交流負荷（７）は冷却設備（７１）を含み、
直流負荷（５）は、携帯電話用の信号の送信、受信、及び変換を行う無線設備（５１）を含む。

上述のような構成を有する直流配電システム（１）は、携帯電話無線の無線設備（５１）電力を供給するシステムとして好適である。

本発明に係る直流配電システム（１）において、
直流電力変換装置（３）は、出力側から入力側へは電流が流れないように絶縁されている。

燃料電池発電装置（２）は、外部から燃料電池発電装置（２）へ流れ込む逆充電が発生すると破損する恐れがある。直流電力変換装置（３）において、逆充電（出力側から入力側へ流れる電流）が発生しないように絶縁させることにより、燃料電池発電装置（２）の破損が防止される。

本発明に係る直流配電システム（１）は、
燃料電池発電装置（２）と、
燃料電池発電装置（２）の発電により得られた直流電力の電圧を変換する直流電力変換装置（３）と、
直流電力を交流電力に変換する直流−交流電力変換装置（４１）と、
を備え、
直流電力変換装置（３）の出力側の端子には、直流−交流電力変換装置（４１）の直流出力側の端子と、直流負荷（５）とが接続され、
直流−交流電力変換装置（４１）の交流出力側の端子には交流負荷（７）が接続されている。

上述の構成に依れば、燃料電池発電装置（２）の発電による電力は、直流負荷（５）のみならず交流負荷（７）へも供給される。従って、交流電力系統との接続を必ずしも必要としない。交流電力系統との接続が必要ないことにより、山中などの交流電力系統の存在しない地域においても直流配電システム（１）を設置することができる。

本発明に係る直流配電システム（１）は、
更に、
直流負荷（５）に供給される電流及び電圧を測定する測定器（８）と、
測定器（８）による測定結果に基いて、燃料電池発電装置（２）の発電量を制御する燃料電池制御装置（１２）と、
を備える。

上述の構成によれば、燃料電池発電装置（２）の発電量を直流負荷（５）の電力消費量に併せて制御することができる。よって、燃料電池発電装置（２）の発電量が、不足又は過剰とならない最適量で調整される。即ち、安定的に直流負荷（５）に対して電力が供給される。

本発明に係る直流配電システム（１）において、
交流負荷（７）及び直流負荷（５）は同一の屋内（１０）に設置され、
燃料電池発電装置（２）及び直流電力変換装置（３）は屋外（１１）に設置されている。

燃料電池発電装置（２）及び直流電力変換装置（３）が屋外（１１）に設置されることで、屋内（１０）に直流電力変換装置（３）から発散した熱が畜熱されない。よって、屋内（１０）内を冷却する為の電力が低減され、高効率化を図ることができる。

本発明に係る直流配電システム（１）において、
交流負荷（７）は冷却設備（７１）を含み、
直流負荷（５）は、携帯電話用の信号の送信、受信、及び変換を行う無線設備（５１）を含む。

上述のような構成を有する直流配電システム（１）は、携帯電話無線の無線設備（５１）電力を供給するシステムとして好適である。

本発明に係る直流配電システム（１）において、
直流電力変換装置（３）は、出力側から入力側へは電流が流れないように絶縁されている。

燃料電池発電装置（２）は、外部から燃料電池発電装置（２）へ流れ込む逆充電が発生すると破損する恐れがある。直流電力変換装置（３）において、逆充電（出力側から入力側へ流れる電流）が発生しないように絶縁させることにより、燃料電池発電装置（２）の破損が防止される。

本発明に依れば、高効率な直流配電システムが提供される。

更に、本発明に依れば、安定的に電力を供給することのできる直流配電システムが提供される。

（第１の実施形態）
図２は本実施の形態に係る直流配電システム１の構成を示す図である。直流配電システム１は屋外１１に設置された燃料電池発電装置２及び直流電力変換装置３と、屋内１０に設置された交流−直流電力変換装置４２、直流負荷５、及び交流負荷７を備えている。

燃料電池発電装置２は、灯油やＬＰＧなどの燃料種を燃料として発電を行う。燃料電池発電装置２は直流電力変換装置３と接続しており、燃料電池発電装置２の発電により得られた電力は直流電力変換装置３へ送電される。

直流電力変換装置３は、直流電力の電圧を昇圧又は降圧し、電圧の変化した直流電力に変換する装置であり、スイッチング素子と変圧器を備えている。直流電力変換装置３は、入力側端子で燃料電池発電装置２に接続され、出力側の端子で直流負荷５及び交流−直流電力変換装置４２に接続されている。

交流−直流電力変換装置４２は、交流電力を直流電力に変換する装置である。交流−直流電力変換装置４２の直流出力側の端子は、直流電力変換装置３の出力側の端子及び直流負荷５に接続されている。また、交流−直流電力変換装置４２の交流入力側の端子は、交流電源系統６に接続している。

直流負荷５の入力側端子は、直流電力変換装置３及び交流−直流電力変換装置４２と接続している。即ち、直流負荷５に対しては、燃料電池発電装置２の発電による電力が直流電力変換装置３を介して供給されるとともに、交流電力系統６からの電力が交流―直流電力変換装置４２を介して供給される。

本実施形態において、交流負荷７はエアコン等の冷却設備７１であり、屋内１０の温度が上昇するのを防ぐために使用される。また、直流負荷５としては携帯電話無線の信号を変換する為の無線設備５１が挙げられる。

上述のような構成を有する直流配電システム１の電力供給の流れを以下に記載する。

例えば、直流負荷５が消費する電力が１０ｋｗであった場合、燃料電池発電装置２は約８ｋｗの電力を発電する。燃料電池発電装置２の発電した電力は、直流電力変換装置３によって電圧を調整されて、直流負荷５へ供給される。一方、残りの約２ｋｗは、交流電力系統６から供給される。即ち、交流電力系統６からの２ｋｗの交流電力が、交流−直流電力変換器４２によって直流電力に変換されて直流負荷５へ供給される。直流負荷５が消費する電力量は、瞬時に変動する場合があるが、燃料電池発電装置２の出力を、このような急峻な負荷変動に追従させることは難しい。よって、交流−直流変換装置を介して、交流電力系統からの電力供給量を瞬時に変動させることにより、直流負荷５での消費電力変動に追従させることができる。

交流−直流電力変換器４２における電力の変換時には変換ロスが発生し、主として熱になって屋内１０に拡散する。交流電力系統６から交流負荷７に電力が供給されることで、冷却設備７１が稼動して屋内１０が冷却される。

本実施の形態に依れば、燃料電池発電装置２から直流負荷５へ電力を供給することができるので、交流電力系統６からの電力の供給量が低減される。交流電力系統６からの電力の供給量が低減されるので、交流−直流電力変換器４２における電力の変換ロスも低減される。加えて、交流電力系統６からの電力は、交流−直流電力変換器４２のみを介して直流負荷５へ供給されるので、複数の変換器を介して直流負荷５へ電力が供給される場合と比較して、変換ロスが低減される。

また、交流−直流電力変換器４２における変換ロスが低減されるために、変換ロスによって屋内１０に発散される熱量も低減される。よって、冷却装置７１が屋内１０を冷却する為に必要な電力量も低減される。即ち、交流電力系統６から交流負荷７へ供給される電力が低減される。

更に、交流−直流電力変換器４２が燃料電池発電装置２と直接接続していないので、交流−直流電力変換器４２の出力側の電圧は、出力電圧の時間的変動が安定している直流電力変換器３の出力側の電圧に対して調整すればよい。即ち、発電量の時間的変動が大きい燃料電池発電装置２の発電電圧に併せて、交流−直流電力変換器４２の出力側の電圧を制御する必要はない。よって、このような制御機能を有する装置を交流−直流電力変換器４２に設ける必要はなく、機器構成が簡略化できる。

更に、燃料電池発電装置２がスイッチング素子と変圧器を備えた直流電力変換器３と接続していることにより、燃料電池発電装置２への逆充電が防止される。

（第２の実施形態）
（構成）
図３は、本実施の形態に係る直流配電システム１の構成を示す図である。本実施の形態に係る直流配電システム１は、第１の実施の形態に対して直流負荷５として燃料電池監視部５２が追加されている。また、無線設備５１は、監視センターに対して緊急信号を発信することのできる構成となっている。なお、これら以外の構成は第１の実施形態と同様であるので、説明は省略される。

燃料電池監視部５２は直流負荷５として設けられている。燃料電池監視部５２は、燃料電池発電装置２の発電状態が正常であるか異常であるかを監視する。燃料電池発電装置２の発電状態は、例えば、燃料電池発電装置２の温度や発電量を測定することにより、監視することができる。燃料電池監視部５２は、燃料電池発電装置２の発電状態が異常であると判断した場合には、無線設備５１に対して異常である旨を通知する。

無線設備５１は、第１の実施形態と同様に携帯電話で使用される信号の送受信及び変換を行う機能に加えて、監視センター１３に対して燃料電池発電装置２が異常状態である旨を示す信号を発信する機能を実現する。即ち、燃料電池監視部５２が燃料電池発電装置２の異常を検知して無線設備５１に通知すると、無線設備５１は監視センター１３に対して、燃料電池発電装置２の状態が異常である旨を示す信号を発信する。

本実施の形態に依れば、第１の実施形態における作用・効果に加えて、次の作用・効果を奏する。即ち、監視センター１３が遠隔地にある場合においても、燃料電池発電装置２に異常を発生した場合に、遠隔地の監視センター１３に信号を送ることができるので、燃料電池発電装置２の状態を遠隔地から監視できる。

（第３の実施形態）
図４は本実施の形態に係る直流配電システム１の構成を示す図である。直流配電システム１は屋外１１に設置された燃料電池発電装置２及び直流電力変換装置３と、屋内１０に設置された直流−交流電力変換装置４１、直流負荷５、交流負荷７、直流負荷５に供給される電力の電圧及び電流を測定する測定器８、及び測定器８の測定結果に基いて燃料電池発電装置２の発電量を制御する燃料電池制御装置１２を備えている。

燃料電池発電装置２は、灯油やＬＰＧなどの燃料種を燃料として発電を行う。灯油やＬＰＧなどのタンクやボンベで供給できる燃料種を選択することにより、都市ガス配管などのようにインフラが整備されていない地域にも設置することができる。燃料電池発電装置２は直流電力変換装置３と接続しており、燃料電池発電装置２の発電により得られた電力は直流電力変換装置３へ送電される。

燃料電池制御装置１２は、燃料電池発電装置２に供給される燃料の量を調節して、燃料電池発電装置２の発電量を制御する。ここで、燃料電池制御装置１２は、測定器８から取得した直流負荷５の消費電力に基いて、燃料電池発電装置２の発電量を制御する。

直流電力変換装置３は、直流電力を電圧が変化された直流電圧に変換する装置である。直流電力変換装置３は、入力側の端子で燃料電池発電装置２に接続され、出力側の端子で直流負荷５及び交流−直流電力変換装置４１に接続されている。

直流−交流電力変換装置４１は、直流電力を交流電力に変換する装置である。直流−交流電力変換装置４１の直流入力側の端子は、直流電力変換装置３の出力側の端子に接続されている。また、直流−交流電力変換装置４１の交流出力側の端子は、交流負荷７に接続されている。

直流負荷５の入力側端子は、直流電力変換装置３に接続されている。即ち、直流負荷５に対しては、燃料電池発電装置２の発電による電力のみが直流電力変換装置３を介して供給される。直流負荷５としては携帯電話無線の信号の変換や送受信を行う無線設備５１が挙げられる。

本実施形態において、交流負荷７はエアコン等の冷却設備７１であり、屋内１０の温度が上昇するのを防ぐために使用される。交流負荷７が消費する電力は、燃料電池発電装置２により供給される。即ち、燃料電池発電装置２の発電によって得られた直流電力に一部が、直流電力変換装置３及び直流−交流電力変換装置４１を介して交流負荷７へ供給される。

（動作）
上述のような構成を有する直流配電システム１の電力供給の流れを以下に記載する。

燃料電池発電装置２の発電した直流電力は、直流電力変換装置３によって電圧を調整されて、一部が直流負荷５へ供給され、他が直流−交流電力変換装置４１へ入力される。直流−交流電力変換装置４１へ入力された電力は、交流電力に変換されて交流負荷７へ供給される。

直流負荷５へ供給される電力量は、測定器８により測定される。測定器８は電力量の測定結果を燃料電池制御装置１２に通知する。燃料電池制御装置１２は、測定器より取得した電力量のデータに基いて、燃料電池発電装置２の発電量を調整する。

直流−交流電力変換器４１の変換ロス２４って発生した熱は、屋内１０に拡散する。屋内１０は、冷却設備である交流負荷７に電力が供給されることで、冷却される。

（作用・効果）
本実施の形態に依れば、燃料電池発電装置２から直流負荷５及び交流負荷７の双方へ電力を供給することができるので、交流電力系統６との接続は必要でなくなる。

また、直流負荷５により消費される電力の全ては燃料電池発電装置２による発電から供給され、直流−交流電力変換器４１を介さない。直流−交流電力変換器４１での電力の変換は、交流負荷７へ供給される電力のみに対して行われるので、変換ロスによる発熱が抑制される。

交流電力系統６との接続を必要としないために、交流電力系統６が存在しない場所（例えば、山中）や、災害時に交流電力系統６が使用できない環境においても直流負荷５へ配電を行うことができる。

（第４の実施の形態）
（構成）
図５は、本実施の形態に係る直流配電システム１の構成を示す図である。本実施の形態に係る直流配電システム１は、第３の実施の形態に対して直流負荷５として燃料電池監視部５２が追加されている。また、無線設備５１は、監視センター１３に対して緊急信号を発信することのできる構成となっている。なお、これら以外の構成は第３の実施形態と同様であるので、説明は省略される。

燃料電池監視部５２は直流負荷５に備えられており、直流負荷５へ入力された電力によって稼動する。燃料電池監視部５２は、燃料電池発電装置２の発電状態が正常であるか異常であるかを監視する。燃料電池発電装置２の発電状態は、例えば、燃料電池発電装置２の温度や発電量を測定することにより、監視することができる。燃料電池監視部５２は、燃料電池発電装置２の発電状態が異常であると判断した場合に、無線設備５１に対して異常である旨を通知する。

無線設備５１は、第１の実施形態と同様に携帯電話で使用される信号の送受信及び変換を行う機能に加えて、監視センター１３に対して燃料電池発電装置２が異常状態である旨を示す信号を発信する機能を実現する。即ち、燃料電池監視部５２が燃料電池発電装置２の異常を検知して無線設備５１に通知すると、無線設備５１は監視センター１３に対して、燃料電池発電装置２の状態が異常である旨を示す信号を発信する。

本実施の形態に依れば、第３の実施形態における作用・効果に加えて次の作用・効果を奏する。即ち、監視センター１３が遠隔地にある場合においても、燃料電池発電装置２に異常を発生した場合に、遠隔地の監視センター１３に信号を送ることができるので、燃料電池発電装置２の状態を遠隔地から監視できる。

従来の直流配電システムの構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る直流配電システム１の構成を示す図である。 第２の実施の形態に係る直流配電システム１の構成を示す図である。 第３の実施の形態に係る直流配電システム１の構成を示す図である。 第４の実施の形態に係る直流配電システム１の構成を示す図である。

符号の説明

１ 直流配電システム
２ 燃料電池発電装置
３ 直流電力変換装置
５ 直流負荷
６ 交流電力系統
７ 交流負荷
８ 測定器
１０ 屋内
１１ 屋外
１２ 燃料電池制御装置
１３ 監視センター
４１ 直流−交流電力変換装置
４２ 交流−直流電力変換装置
５１ 無線設備
５２ 燃料電池監視部
７１ 冷却設備

Claims (9)

1. 燃料電池発電装置と、
   前記燃料電池発電装置の発電により得られた直流電力の電圧を変換する直流電力変換装置と、
   交流電力を直流電力に変換する交流−直流電力変換装置と、
   を具備し、
   前記直流電力変換装置の出力側の端子には、前記交流−直流電力変換装置の直流出力側の端子と、直流負荷とが接続され、
   前記交流−直流電力変換装置の交流入力側の端子には交流電力系統が接続され、
   前記交流電力系統は交流負荷と接続している
   直流配電システム。
2. 請求項１に記載された直流配電システムであって、
   前記交流負荷及び前記直流負荷は同一の屋内に設置され、
   前記燃料電池発電装置及び前記直流電力変換装置は屋外に設置されている
   直流配電システム。
3. 請求項１又は２に記載された直流配電システムであって、
   前記交流負荷は冷却設備を含み、
   前記直流負荷は、携帯電話用の信号の送信、受信、及び変換を行う無線設備を含む
   直流配電システム。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載された直流配電システムであって、
   前記直流電力変換装置は、出力側から入力側へは電流が流れないように絶縁されている
   直流配電システム。
5. 燃料電池発電装置と、
   前記燃料電池発電装置の発電により得られた直流電力の電圧を変換する直流電力変換装置と、
   直流電力を交流電力に変換する直流−交流電力変換装置と、
   を具備し、
   前記直流電力変換装置の出力側の端子には、前記直流−交流電力変換装置の直流出力側の端子と、直流負荷とが接続され、
   前記直流−交流電力変換装置の交流出力側の端子には交流負荷が接続されている
   直流配電システム。
6. 請求項５に記載された直流配電システムであって、
   更に、
   前記直流負荷に供給される電流及び電圧を測定する測定器と、
   前記測定器による測定結果に基いて、前記燃料電池発電装置の発電量を制御する燃料電池制御装置と、
   を具備した
   直流発電システム。
7. 請求項５乃至６のいずれかに記載された直流配電システムであって、
   前記交流負荷及び前記直流負荷は同一の屋内に設置され、
   前記燃料電池発電装置及び前記直流電力変換装置は屋外に設置されている
   直流配電システム。
8. 請求項５乃至７のいずれかに記載された直流配電システムであって、
   前記交流負荷は冷却設備を含み、
   前記直流負荷は、携帯電話用の信号の送信、受信、及び変換を行う無線設備を含む
   直流配電システム。
9. 請求項５乃至８の何れかに記載された直流配電システムであって、
   前記直流電力変換装置は、出力側から入力側へは電流が流れないように絶縁されている
   直流配電システム。

Images