JP2009165225A

JP2009165225A - 分散型電力供給装置

Info

Publication number: JP2009165225A
Application number: JP2007340328A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Suzuki; 大介鈴木; Seiichi Kobayashi; 小林　　清一; Kazuyoshi Suzuki; 和芳鈴木
Original assignee: Vantec Corp
Current assignee: Vantec Corp
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2009-07-23

Abstract

【課題】ＤＣ−ＡＣ変換、ＡＣ−ＤＣ変換のプロセスを無くし、太陽光発電モジュールから発電するＤＣ電源を直接水の電気分解に供給できる分散型電力供給装置を提供することを目的とする。
【解決手段】電力供給量計測器１１及び電力需要量計測器１６を監視しながら電力供給量と電力需要量を比較し、この比較結果で電力需要量よりも電力供給量が大きい場合、蓄電池１８と電解セル１５へ適宜電源を供給して余剰電力を活用するように構成したものである。また、パワーコンディショナー１３と電解セル１５との入力電圧範囲が違う場合、複数の太陽光発電モジュール１〜９と２５〜３３を切替スイッチＢＳ１〜ＢＳ６で接続変更して適宜電力及び電圧調整を行い、パワーコンディショナー１３と蓄電池１８と電解セル１５へ電源を供給して余剰電力を活用するように構成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電エネルギーの余剰電力を効率的に太陽光水素発生システムの水電解装置へ供給するようにした太陽光発電を利用した分散型電力供給装置に関する。

近年、石油や石炭などの化石燃料はその燃焼によって排出される二酸化炭素が地球温暖化の要因といわれている。更には、その燃焼で排出される窒素酸化物や硫黄酸化物は人体へも悪影響を与え、森林を破壊する酸性雨を降らせたりする原因でもある。その上、化石燃料の埋蔵量にも限りがあるもので将来的に枯渇することが分かっている。そのため、上記のような問題が無く、かつ再生可能な自然エネルギーを化石燃料の代替とするための技術が早急に求められ種々の提案もなされている。また、地球が太陽から受けている１時間分のエネルギーは人類が消費している１年分以上のエネルギーに匹敵し、太陽光エネルギーだけで人類のエネルギー需要を満たす事も夢ではない。その為、太陽光発電などの太陽光エネルギー利用に関する種々の提案がなされている。
しかし、太陽光発電をはじめとする自然エネルギーは一般に不安定でエネルギー密度が低く、電力需要量と電力供給量を一致させる事は困難であるため使いにくい電源である。これが自然エネルギーシステムの普及を妨げている原因の一つとなっている。そこで、電力需要量よりも電力供給量が多い時の余剰電力を一旦貯蔵し、この余剰電力を有効に活用することが急務となっている。
しかし、電力はそのままでは貯蔵する事ができない為、自然エネルギーで得た電力を効果的に貯蔵する技術も求められている。かかる電力を貯蔵する技術としては蓄電池に充電して蓄える方法がよく知られているが、蓄電池は自己放電やメモリー効果があるため長期的なエネルギー保存には不向きである。一方、エネルギー源としての水素は、貯蔵も容易であり必要に応じて燃料電池を利用する事により、再度電力に戻す事ができて便利で、効率的であり、優れているため自然エネルギーで得た電力を水の電気分解により水素発生させることが検討されてきている。
太陽光発電システムは、商用電源と系統連携する方法が一般的であるためパワーコンディショナーを利用して太陽光発電モジュールからのＤＣ電源をＡＣ電源に変換している。さらに、水素発生装置は商用電源を利用することを前提として設計されているため、入力電源はＡＣ電源となっている。そのため、太陽光で発電したＤＣ電源をパワーコンディショナーによりＤＣ−ＡＣ変換を行い、更に水素発生装置内のサイリスターによってＡＣ−ＤＣ変換を行うことによって電解セルが要求する電源・電圧を調整して水素を発生させているシステムが公知のシステムとなっている。例えば、特開２００２−３６９４１３において、太陽光発電システムからの余剰電力をＤＣ−ＡＣ変換装置により水素／酸素発生装置へ供給し、ＡＣ−ＤＣ変換により水素及び酸素を発生させている。
特開２００２−３６９４１３号公報

しかしながら上記従来の構成では、太陽光発電モジュールからの入力電源エネルギー指数を１００とすると、ＤＣ−ＡＣ変換ではこれが９０となり、ＡＣ−ＤＣ変換では８１となる。さらに、水素発生においてはこれが５６．７となり、燃料電池にて発電を行った場合は２８．３５となる（効率として、ＤＣ−ＡＣ変換９０％、ＡＣ−ＤＣ変換９０％、水素発生効率７０％、燃料電池発電５０％で試算）。つまり、太陽光エネルギー１００を装置に投入すると、発生できる電力はわずか２８．３５％となる。このように、ＡＣ−ＤＣ変換、ＤＣ−ＡＣ変換は本装置において最も重要であるトータル電力効率を低下させる大きな原因となっている。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、ＤＣ−ＡＣ変換、ＡＣ−ＤＣ変換のプロセスを無くし、太陽光発電モジュールから発電するＤＣ電源を直接水の電気分解に供給できる分散型電力供給装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の分散型電力供給装置は、入力電圧の等しいパワーコンディショナー、蓄電池、電解セルと複数の太陽光発電モジュール及び電力需要量計測器と電力供給量計測器を備え、電力供給量計測器及び電力需要量計測器を監視しながら電力供給量と電力需要量を比較し、この比較結果で電力需要量よりも電力供給量が大きい場合、蓄電池と電解セルへ適宜電源を供給して余剰電力を活用するようにした構成としたものである。従って、パワーコンディショナー、蓄電池、及び電解セルへの入力電圧と等しい電圧を太陽光発電モジュールの直列接続にて提供し、また、負荷へ必要な電力を電力需要量計測器と電力供給量計測器において随時計測しながら太陽光モジュールの並列接続にて適宜電力を提供するという作用を有する。
また本発明の第２の分散型電力供給装置は、入力電圧の異なるパワーコンディショナー、蓄電池、電解セルと、複数の太陽光発電モジュール、及び切替スイッチと電力需要量計測器と電力供給量計測器を備え、パワーコンディショナーと電解セルとの入力電圧範囲が違う場合、複数の太陽光発電モジュールを切替スイッチで接続変更して適宜電力及び電圧調整を行い、パワーコンディショナーと蓄電池と電解セルへ電源を供給して余剰電力を活用するようにした構成としたものである。従って、パワーコンディショナーへ提供する電源は複数の太陽光発電モジュールを直列接続し適正な電圧を作り出して提供される。また、蓄電池及び電解セルへの電源は上記太陽光モジュールの直列接続を切替スイッチにて分割し、適正な電圧を作り出して提供するという作用を有している。また、負荷へ必要な電力を電力需要量計測器と電力供給量計測器において随時計測しながら、切替スイッチにて太陽光モジュールの並列接続を適宜調整することにより適正電力を提供するという作用を有することとなる。
さらに本発明の第３の分散型電力供給装置は、上記装置の蓄電池の直前に充電回路を具備し、蓄電池に充電開始時の蓄電池への急激な充電電流を軽減する充電器を接続した構成としたものである。従って、蓄電池への充電電流を制御し、蓄電池本体の寿命を長くする作用を有する。
さらに本発明の第４の分散型電力供給装置は、上記装置の水電解装置の後にバッファタンクを備え、余剰電力により発生した水素ガスをバッファタンクを経て流量の変動を最小化し、精製器へ供給するようにした構成としたものである。従って、水素精製プロセスにおいて流れる水素の流量が安定する為、より高純度の水素を精製できるという作用を有する。

本発明の分散型電力供給装置は、上記構成を備えたことによりＡＣ−ＤＣ変換及びＤＣ−ＡＣ変換における電力ロスを軽減することができる。すなわち、太陽光発電モジュールからの入力電源エネルギー指数を１００とすると、水素発生においてはこれが７０となり、燃料電池にて発電を行った場合は３５となる（効率として、水素発生効率７０％、燃料電池発電５０％で試算）。従って、ＡＣ−ＤＣ変換、ＤＣ−ＡＣ変換プロセスを省く事により６．６５％のトータル電力効率を上げることができる。また、例えパワーコンディショナー、蓄電池及び電解セルへの入力電圧が異なる場合でも、切替スイッチによる電圧及び電力調整により無駄なく余剰電力を蓄電及び水素として貯蔵することができる。また、蓄電池への充電電流を制御することにより蓄電池本体の寿命を長くすることが可能となる。さらには、発生した水素を安定して精製器へ供給することにより、より高純度の水素を得ることができるといったような多くの作用効果が得られる。

発明を実施する為の最良の形態

以下本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の分散型電力供給装置のブロック構成図である。図１のように太陽光発電モジュール１〜３がブロック１を、太陽光発電モジュール４〜６がブロック２を、太陽光発電モジュール７〜９がブロック３を構成し、これら各太陽光発電モジュールのブロック１〜３は電圧計測器１０、電力供給量計測器１１を介して分電盤１２へ供給される構成になっている。これら太陽光発電モジュールのブロックは負荷の絶対量の大きさに応じて同様のブロックnを増減接続する。分電盤１２を介した電力は電力供給量と電力需要量の条件に応じてパワーコンディショナー１３、充電器１４、電解セル１５へ供給される構成となっている。分電盤１２からパワーコンディショナー１３へ供給された電力は電力需要量計測器１６を介して負荷１７へ供給される構成になっている。また、分電盤１２から充電器１４へ供給された電力は蓄電池１８を介してパワーコンディショナー１３へ供給される回路と、インバーター１９を介して負荷１７へ電力を供給する回路を有する構成となっている。更に、分電盤１２から電解セル１５へ供給された電力は水素に変換される。発生した水素は背圧弁２０、バッファタンク２１、精製器２２を介して水素貯蔵器２３に供給され、必要に応じて水素が発電器２４に供給され、発電した電力はインバーター１９を介して負荷１７へ電力を供給する構成となっている。

例えば、図１において、各太陽光発電モジュール１〜３の１ブロック一枚の発電電圧は５０Vであり、パワーコンディショナー１３、蓄電池１８、電解セル１５への入力電圧が各々等しい１５０Vである場合、太陽光発電モジュールの各ブロック１〜３を３直列に繋ぐ事により１５０Vを作り出し、電圧計測器１０にて電圧が正常値以内であることを確認し、電力供給量計測器１１及び電力需要量計測器１６にて電力バランスを随時計測して太陽光発電モジュールのブロック１〜３の振り分けを判断し、適宜分電盤１２にてパワーコンディショナー１３、充電器１４、電解セル１５へ電源を供給する構成となっている。

つぎに、パワーコンディショナー１３、蓄電池１８、電解セル１５への入力電圧が異なる場合は図２のように構成される。なお、以降同一構成要素には同一符号を付す。すなわち、太陽光発電モジュール１〜３と太陽光発電モジュール２５〜２７はブロック１をなし、太陽光発電モジュール１〜３はブレーカースイッチによる切替スイッチＢＳ１を介して直列に太陽光発電モジュール２５〜２７に接続されて電圧計測器１９に接続される回路を有している。また、太陽光発電モジュール１〜３は切替スイッチＢＳ２を介して並列に太陽光発電モジュール２５〜２７に接続され、電圧計測器１９、電力供給量計測器１１を介して分電盤２１に接続される回路を有している。さらに、同様に太陽光発電モジュール７〜９と２８〜３０のブロック２、太陽光発電モジュール１３〜１５と３１〜３３のブロック３にても上記と同様な回路を構成しており、負荷の絶対量に応じて太陽光発電モジュールのブロックnを増減接続するようにしている。なお、分電盤２１以降の回路構成は図１と同様の構成となっている。

具体的には図３に示すように、各太陽光発電モジュール１〜３、４〜６、７〜９、２５〜２７、２８〜３０、３１〜３３の一枚の発電電圧は５０Vであり、パワーコンディショナー１３への入力電圧が３００Vで蓄電池１４及び電解セル１５への入力電圧が１５０Vである場合、太陽光発電モジュールを６シリーズに繋ぐことによりパワーコンディショナー１３への入力電圧である３００Vを作ることが可能である。また、太陽光発電モジュールを３シリーズ直列に繋ぐ事により電解セル及び蓄電池への入力電圧である１５０Vを作ることができる。切替スイッチＢＳ１からＢＳ６はブレーカースイッチになっている。電力供給量計測器１１と電力需要量計測器１６のバランスによってこれらの切替スイッチを操作する構成となっている。

太陽光発電システム全体の発電量、電解セルの最大入力電力、パワーコンディショナーの最大入力電力について説明する。図３に示すように太陽光発電システムの発電量は最大３０ｋｗであり、パワーコンディショナー１３の最大入力電力は３０ｋｗであり、電解セル１５の最大入力電力は３０ｋｗである。太陽光発電モジュールからの発電電力はパワーコンディショナー１３を通り、電力は優先的に負荷１７へ供給されることを前提とし余剰電力を蓄電池１８及び電解セル１５へ供給する。余剰電力は電力供給量計測器１１及び電力需要量計測器１６とのバランスによって決定し、その余剰電力に応じて太陽光発電モジュールの接続方法を最適に行い電力を調整する。電力供給量と電力消費量は急激に変動するため電力供給量が電力需要量を下回った場合、電力供給量と電力需要量とのバランスが崩れ、パワーコンディショナー１３の過電流による異常停止または負荷供給ＡＣ電圧の低下による機器の誤作動や故障を引き起こすため、蓄電池１８によって急激な電力不足を補うようにして機器の損傷を回避するようにしている。

例えば、太陽光発電システムが３０ｋｗの発電を行い負荷が１０ｋｗの場合、図４に示すごとく電力供給量計測器１１が太陽光発電システムの３０ｋｗを感知し、電力需要量計測器１６にて負荷１７の１０ｋｗを感知する。電力供給量計測器１１と電力需要量計測器１６との差により余剰電力が２０ｋｗであることを確認し、切替スイッチをＢＳ１閉、ＢＳ２開、ＢＳ３開、ＢＳ４閉、ＢＳ５開、ＢＳ６閉のように起動させて目的の電力及び電圧をパワーコンディショナー１３及び蓄電池１８と電解セル１５へ供給する。各太陽光発電モジュールが５０V、１．６７ｋｗの性能を有しているとすると、太陽光発電モジュール１〜３と２５〜２７にてパワーコンディショナー１３へ１０ｋｗ、３００Vの電力を供給することができる。一方、太陽光発電モジュール４〜９と２８〜３３にて２０ｋｗ、１５０Vの電力を電解セル２４及び蓄電池２７に供給し、エネルギーを貯蔵する。

また、太陽光発電システムが１５ｋｗの発電を行い負荷が３０ｋｗの場合、図５に示すごとく電力供給量計測器１１が太陽光発電システムの１５ｋｗを感知し、電力需要量計測器１６にて負荷３０ｋｗを感知する。電力供給量計測器１１と電力需要量計測器１６との差により１５kWの不足電力があることを確認し、切替スイッチをＢＳ１閉、ＢＳ２開、ＢＳ３閉、ＢＳ４開、ＢＳ５閉、ＢＳ６開のように起動させて目的の電力及び電圧をパワーコンディショナー１３へ供給する。各太陽光発電モジュールが５０V、０．８３ｋｗの性能を有しているとすると、太陽光発電モジュール１〜９と２５〜３３にてパワーコンディショナー１３へ１５ｋｗ、３００Vの電力を供給することができる。そして、不足電力１５ｋｗに対しては蓄電池１８からの電力と、水素貯蔵器２３で貯蔵されている水素で燃料電池又は水素エンジン等の発電器２４を発電させ、発電した電力をインバーター１９を介して負荷１７へ供給する。燃料電池及び水素エンジンは急激な負荷変動には電力供給が追従できないという特性があるため、蓄電池１８によって急激な負荷変動へ対応し、安定的な電力を負荷へ供給する。

太陽光発電システム及び負荷は変動が激しいため、電解セルへの電源は非常に不安定になる。そのため、水の電気分解による水素発生量は電圧が一定の場合、電流値に比例するという特性を有しているので発生水素量は入力電源と同様に激しく変動する。ところが水素流量が急激に変動（例えば、６Ｌ／ｍｉｎから１０Ｌ／ｍｉｎへ）する場合酸素濃度が急激に増加する。水の電気分解からの水素中には水分、酸素、アルカリが含有しており、水分はゼオライトなどによるモノキュラーシーブスによって、酸素はパラジウムを利用した触媒フィルターによって、アルカリは活性炭などによってそれぞれ除去を行うが、発生水素の流量が激しく変動する場合はこれらの不純物の除去ができない可能性がある。そのため、これらの精製装置に水素を供給する前工程にバッファタンク２１を設けて、精製器２２への水素流入量の変化をなるべく軽減するようにしている。

電解セル１５には複極式の電極を利用し、全体で７５枚セルの電極を利用する。２０℃・１気圧の標準状態における単セルあたりの理論必要電圧は１．２２９Vであり、電解セル全体で９２．１７５Vである。実際にはアノード過電圧、カソード過電圧、オーム損があり、単セルあたりの入力電圧は２V程度が必要であり、電解セル全体で１５０V程度の電圧が必要である。電解セル１５への入力電圧が低い場合、例えば９０Vの場合、理論電解電圧に達していないため水素の発生を行うことはできない。一方、電解セル１５への入力電圧が高い場合、例えば１７０Vの場合、電解セル１５の内部において一般に利用されているニッケルメッキ電極で電極の溶出が起こりうるため、電解セルの寿命が短くなる。そのため、電解セルの耐久性を向上させるためには入力電圧を１５０V以上高くさせない構造またはシステムが必要である。

また、パワーコンディショナーへの入力電圧が定格電圧より大きくかけ離れた場合、ＡＣ電源発生の効率が低くなる。そのため、パワーコンディショナーへの入力電圧は定格の３００V程度に維持することが効率よく電源を負荷へ供給するために必要である。また、蓄電池の直前に充電回路を備え、蓄電池に充電開始時の蓄電池への急激な充電電流を軽減する構成としたことで蓄電池への充電電流を制御し、蓄電池本体の寿命を長くする上で有用である。

本発明の分散型電力供給装置は、太陽光発電システムなどのモジュール単位に分割可能な発電装置の発電電源の電力及び電圧を調整し、余剰電力を最大限にエネルギー貯蔵する装置として有用である。そして、その貯蔵したエネルギーを利用して安定して利用できる分散型電力供給装置を提供できる。また、発生水素量が変動する装置において、より高純度の水素を得られる装置としても有用である。

本発明の分散型電力供給装置のブロック構成図本発明の分散型電力供給装置のブロック構成図本発明の分散型電力供給装置のブロック構成図本発明の分散型電力供給装置のブロック構成図本発明の分散型電力供給装置のブロック構成図

符号の説明

１太陽光発電モジュール
２太陽光発電モジュール
３太陽光発電モジュール
４太陽光発電モジュール
５太陽光発電モジュール
６太陽光発電モジュール
７太陽光発電モジュール
８太陽光発電モジュール
９太陽光発電モジュール
１０電圧計測器
１１電力供給量計測器
１２分電盤
１３パワーコンディショナー
１４充電器
１５電解セル
１６電力需要量計測器
１７負荷
１８蓄電池
１９インバーター
２１バッファタンク
２３水素貯蔵器
２４発電器
２５太陽光発電モジュール
２６太陽光発電モジュール
２７太陽光発電モジュール
２８太陽光発電モジュール
２９太陽光発電モジュール
３０太陽光発電モジュール
３１太陽光発電モジュール
３２太陽光発電モジュール
３３太陽光発電モジュール

Claims

電力供給量計測器及び電力需要量計測器を監視しながら電力供給量と電力需要量を比較し、この比較結果で前記電力需要量よりも前記電力供給量が大きい場合、蓄電池と電解セルへ適宜電源を供給して余剰電力を活用するようにしたことを特徴とする分散型電力供給装置。
パワーコンディショナーと電解セルとの入力電圧範囲が違う場合、複数の太陽光発電モジュールを切替スイッチで接続変更して適宜電力及び電圧調整を行い、記パワーコンディショナーと蓄電池と電解セルへ電源を供給して余剰電力を活用するようにしたことを特徴とする分散型電力供給装置。
前記蓄電池に充電開始時の前記蓄電池への急激な充電電流を軽減する充電器を接続したことを特徴とする請求項１および請求項２に記載の分散型電力供給装置。
前記余剰電力により発生した水素ガスをバッファタンクを経て流量の変動を最小化し、精製器へ供給するようにしたことを特徴とする請求項１および請求項２に記載の分散型電力供給装置。