JP2009247108A - 蓄電装置及びその充放電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然エネルギーを無駄なく有効に利用すると共に、優れた種々の電気的特性をもたらす蓄電装置を提供する。
【解決手段】 自然エネルギー利用の発電装置1と、該発電装置1により個別に充電される複数の蓄電器群3-1,3-2,…3-nと、各蓄電器群からの放電出力が印加される負荷6と、各蓄電器群の充放電状態を検出し、集中監視制御装置7に出力する充放電検出装置4-1,4-2,…4-nから成り、且つ該集中監視制御装置7は、各蓄電器群に対する充放電検出の出力が印加される情報管理部7aと該情報管理部7aの出力が印加され夫々の蓄電器群に接続する開閉器SW1,SW2,…SW3の充電側と放電側への開閉を夫々制御する出力を送出する開閉器制御部7bとから成る。
【選択図】 図1

Description

本発明は、風力発電や太陽光発電などの自然エネルギー発電による電力を安定化し且つ有効に利用できる蓄電装置及びその充放電制御方法に関する。

近年、CO₂対策・地球温暖化対策の一環として自然エネルギーによる発電が盛んになり、大規模設備の導入が推進されている。
このような自然エネルギーによる発電は再生可能なエネルギーであり、環境面では優れているものの、天候などに依存するため不安定であるという課題がある。このため、発電した電力を安定的に利用するための蓄電装置が種々検討されている。
即ち、此種の蓄電装置は、自然エネルギーにより発電した電力を一旦蓄電池に貯蔵し、必要な時に取り出し、貯蔵電力変換装置を介して必要な電力機器又は電力系統などの負荷に供給するように用いられる。
従来の此の種蓄電装置としては、例えば、特許文献1として引用する特許第2844748号公報や特許文献2として引用する特開平11-46455号公報に公知である。
特許文献1には、第1図に示すように、太陽光発電設備1で発電した直流電力を充放電制御装置2と直交流変換装置3を介して交流電力に変換された昇圧変圧器4で昇圧されて負荷(図示しない)へ供給する太陽光発電システムにおいて、2個の電力貯蔵用電池5,6(代表的には、過放電に強く呼称容量100%の実用容量で使用できる亜鉛-臭素電池)を夫々開閉器7,8を介して太陽光発電設備1に連係させ、該電池5,6を完全放電させた状態で順番に切換えるように該開閉器を開閉指令に基づいて開閉制御する開閉器制御部9と受光量に比例した出力を得る光センサ10とを設け、開閉器制御部9で設定値と該光センサ10の出力とを比較して余剰電力が発生する日照時間帯か否かの判定を行うと共に、該電力貯蔵用電池5,6の各電池電圧に基づいてどちらの電池が完全放電状態か否かを判定し、判定結果から該開閉器7,8に開閉指令を与えるようにした太陽光発電システムが開示されている。
特許文献2には、第1図に示すように、太陽電池1から出力される電力が蓄電器2に充電され、その各蓄電器2よりの出力電圧を定電圧回路4に入力し、定電圧回路4により一定の電圧にして負荷7に供給されるようになされた太陽電池式電源装置であって、太陽電池1の発電量に対して容量の小さい二次電池や電気二重層キャパシタなどの複数個の蓄電器2が複数個設けられると共に各蓄電器2にスイッチ回路5が直列に接続され、且つ各蓄電器2の端子電圧を検出して充電状態を判別するための電圧検出回路6が設けられ、電圧検出回路6で検出された端子電圧に基づいてスイッチ回路5が制御され、各蓄電器2に対して端子電圧が基準値以上となるように1個ずつ順に太陽電池の電力が充電されると共に、充電された蓄電器2を1個ずつ順に出力させることにより基準値以上の電圧が継続して定電圧回路6に入力させ、一定の電圧に昇圧して負荷7に供給するようにした太陽電池式電源装置が開示されている。
特許第2844748号公報 特開平11-46455号公報

しかし乍ら、特許文献1に記載の蓄電装置の発明は、所定容量の半分の容量を持つ電池群を2組用意し、充電時に2組とも100%充電し、放電時、その1組を完全放電させ、次いで、2組目を放電させる。その後、充電時は、また、2組とも充電し、放電時、今度は、先の放電で完全放電はしなかった2組目を完全放電させてから、次いで1組目を放電させることで、定期的に電池を交互に完全放電させるものであるが、このものでは、充電時に、充電完了すれば、その後の自然エネルギーを利用することがかなわないものである。
また、特許文献2に記載の蓄電装置の発明は、複数の蓄電器2から成る一群の蓄電器群を構成する蓄電器2,2,…の全てを順次に或いは同時に満充電するには長時間を要する。また、蓄電器群2,2,…の全てを満充電した場合には、その後、太陽電池からの電力を受電できなくなり無駄を生ずる。同文献には、蓄電器2,2,…を順次に放電するようにしているが、この間に太陽電池からの電力を受電しないので、自然エネルギーの有効利用ができない不都合を生ずる。
本発明は、上記従来の蓄電装置の上記の不都合を解消すると共に、上記特許文献1,2に使用される複数個の蓄電器を一群の蓄電池群を用いた場合と異なり、負荷への放電を行い乍ら、一方、自然エネルギーの発電電力の受け入れを常に確保し、安定した電力貯蔵と有効利用の向上をもたらすと共に、蓄電器群を満充電する時間の短縮、充電率、容量維持率などの向上をもたらす蓄電装置と蓄電装置の充放電制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、請求項1に記載の通り、自然エネルギー利用の発電装置と、該発電装置により個別に充電される複数の蓄電器群と、各蓄電器群からの放電出力が印加される負荷と、各蓄電器群の充放電状態を検出し、集中監視制御装置に出力する充放電検出装置から成り、且つ該集中監視制御装置は、各蓄電器群に対する充放電検出の出力が印加される情報管理部と該情報管理部の出力が印加され夫々の蓄電器群に接続する開閉器の充電側と放電側への開閉を夫々制御する出力を送出する開閉器制御部とから成ることを特徴とする蓄電装置に存する。
更に、本発明は、上記の蓄電装置において、請求項2〜4に記載のように、各蓄電器群は、二次電池群、電気二重層キャパシタ群、或いは鉛蓄電池群と電気二重層キャパシタ群とを並列接続して成る混成群から成る。
更に、本発明は、請求項5に記載の通り、充電レベルの異なる蓄電器群を組み合わせて複数の蓄電器群を構成し、該開閉器制御部は該情報管理部を介して夫々の蓄電器群の充電レベルを記録・管理し、各蓄電器群が所定の充電レベルより高い充電レベルに達したときに放電させ、且つ所定の充電レベルより低い充電レベルに達したとき充電させるように、各開閉器の開閉動作を制御する出力を送出することを特徴とする。
更に、本発明は、請求項6に記載の通り、上記の蓄電装置において、該開閉器制御部は各蓄電器群の充放電回数を記憶し、所定のサイクルに続く充電動作を行うとき、当該蓄電器群に対し満充電動作を実行するように開閉器の開閉動作を制御する出力を送出することを特徴とする。
更に本発明は、請求項7に記載の通り、請求項1〜6のいずれか1つに記載の蓄電装置を用い、該集中監視制御装置により少なくとも1つの蓄電器群に対し放電側を閉じ放電を開始するように閉開器の開閉動作を制御する出力を送出する一方、残余の蓄電器群の少なくとも1つの蓄電器群に対し、充電側を閉じ充電を開始するように開閉器の開閉動作を制御する出力を送出することを特徴とする蓄電装置の充放電制御方法に存する。
更に本発明は、請求項8に記載の通り、請求項1〜6のいずれか1つに記載の蓄電装置を用い、該集中監視制御装置により各蓄電器群の充放電サイクルの所望サイクル回数毎に満充電を行うように閉開器の開閉動作を制御する出力を送出することを特徴とする蓄電装置の充放電制御方法に存する。

請求項1〜4に係る発明によれば、複数の蓄電池群の少なくとも1つの蓄電器群を放電し負荷への電力供給を行う一方、同時に、残る全ての蓄電器群を発電装置からの電力を受電でき、常に発電電力を無駄なく有効に利用することができ、上記従来の課題を解消できる。更に、後記に明らかにするように、発電率、電力品質、蓄電器維持率などの特性を向上することができる。
請求項5及び7に係る発明によれば、夫々の蓄電器群の充電状態を夫々所望の上限から所望の下限の範囲に定めることができる
請求項6及び8に係る発明によれば、夫々の蓄電器群を適時、満充電することにより、夫々の蓄電器群が鉛蓄電池群から成る場合には、サルフェーションを防止でき、使用寿命を延長することができる。

本発明を実施するための形態例を添付図面に基づいて以下に説明する。
図1は、本発明の実施の形態例を示す。同図において、1は、自然エネルギー利用の発電装置を示す。該発電装置1は、接続線2により複数の、通常3個以上の蓄電器群3-1,3-2,…3-nの個々に、夫々の単極双投開閉器SW1,SW2,…SWnの接片SW1-1,SW2-1,…SWn-1を介し接続される。尚、必要に応じ、該発電装置1と夫々の蓄電器群3-1,3-2,…3-nに接続する開閉器SW1,SW2,…SWnとの間に電力変換装置(図示しない)を介入してもよい。また、一方、夫々の蓄電器群3-1,3-2,…3-nは、その開閉器SW1,SW2,…SWnの接片SW1-2,SW2-2,…SWn-2を接続線10により、必要に応じ介入させる電力変換装置5を介して夫々の蓄電器群3-1,3-2,…3nの放電出力の印加される負荷6に接続される。
尚、これらの蓄電器群3-1,3-2,…3-nを設置するに当たり、各蓄電器群の充電状態(SOC)は90%〜20%の範囲、好ましくは、80%〜30%の範囲の部分充電状態(PSOC)にしておき、いずれの蓄電器群によっても該発電電力の受電を可能とする一方、負荷6への放電も可能とする状態に準備することが一般である。この充電に当たり、発電装置1の電力を利用して上記の部分充電状態にすることが好ましい。本発明によれば、後記に明らかにするように、複数の蓄電器群のうち、好ましくは、3個以上の蓄電器群のうち、少なくとも1群を満充電状態(FSOC)としておくことも可能であり、また、後記するように、これらの蓄電器群の夫々を充放電サイクルを繰り返した後、適時に発電電力により満充電状態とするようにしてもよい。かくして、蓄電器群を構成する蓄電器として鉛蓄電池を使用したときは、サルフェーションが防止され、電池寿命の短縮や電池特性の劣化が防止できる。
また、配置される複数の蓄電器群の充電状態は、例えば、上記の80%〜30%の範囲において異にするように、例えば、5つの蓄電器群(即ち、3-n=3-5)を使用する場合、夫々の部分充電状態の充電レベルを80%、70%、60%、50%、40%としても良く、また、全てを同じ充電レベル80%としてもよい。

各蓄電器群を構成する多数の蓄電器としては、二次電池、図1においては、鉛蓄電池Bを用い、その所望数を直列に接続して蓄電器群としたものを示す。その蓄電器群の数nは、その蓄電器群の総容量、例えば、要求される負荷の容量に対し、例えば2倍の充電容量となるようにする。更に詳細には、例えば、2Vの鉛蓄電池セルを156個直列に接続した蓄電器群を1群とし、これを5群(即ち、n=5)を用意し、鉛蓄電池群3-1,3-2,…3-5を個々に発電装置1にその夫々の開閉器SW1,SW2,…SWn(従って、nの数は5)を介して接続したものとする。

更に、本発明によれば、夫々の蓄電器群3-1,3-2,…3-nの夫々に正極端子側に夫々の充放電状態を検出する充放電検出装置4-1,4-2,…4-nを夫々の接続線11-1,11-2,…11-nにより接続し、夫々の充放電検出装置4-1,4-2,…4-nにより検出した充放電状態を夫々の接続線11-1,11-2,…11-nを介し集中監視制御装置7内の情報管理部7aに印加するようにし、更に、該情報管理部7aに印加された夫々の蓄電器群の充電レベルの出力は、該制御装置7内の開閉器制御部7bに印加されるようにし、かくして、該開閉器制御部7bの出力は夫々制御線12-1,12-2,…12-nを介し、夫々対応する蓄電器群3-1,3-2,…3-nの夫々の開閉器SW1,SW2,…SWnの夫々の接片SW1-1及びSW1-2、接片SW1-1及びSW1-2、接片SW2-1及びSW2-2,…接片SWn-1及びSWn-2の夫々の開閉を制御し、夫々の蓄電池群3-1,3-2,…3-nの充電と放電を夫々制御するようにし、夫々の充放電検出装置4-1,4-2,…4-nによる夫々の蓄電器群の充電状態の算出は通常、充放電量の積算で行うことができるが、より単純化して電圧等を利用してもよい。かくして、本発明の蓄電装置を構成した。

次に、上記の本発明の蓄電装置による充放電制御方法の実施の形態例を説明する。
図1における蓄電器群を5群(即ち、n=5)から成るものとし、蓄電器群3-1〜3-5の充電状態が夫々80%、70%、60%、50%及び40%と異なる部分充電状態としておく。かくして、夫々の蓄電池群の夫々の上記の充電状態は、夫々対応する充放電検出装置4-1,4-2,…4-nにより検出し、これを該集中監視制御装置7内の該情報管理部7aに印加する。該情報管理部7aは、蓄電器群3-1,3-2,…3-5の各々の充放電状態を把握し、これを該開閉器制御部7bに印加する。該開閉器制御部7bは、充電レベルが例えば40%以下のものについては初期放電の作動することを排除するように蓄電器群の開閉器が充電側に閉路するように制御し、発電装置1からの電力を受電するようにする一方、残余の4つの蓄電器群については初期放電の作動が可能とするように夫々の開閉器を放電側に閉じるように制御し、負荷6へ電力を供給する。その後、該負荷6へ電力を供給している4つの蓄電器群の充電レベルが順次30%に低下したとき、該情報管理部7aより、その夫々の情報を出力し該開閉器制御部7bに送出され、その夫々の情報に基づいて該開閉器制御部7bにより夫々の4つの蓄電器群の開閉器を充電側に閉路するように順次切り換わり、発電装置1よりの電力を受電し、各蓄電器群の充電レベルが80%まで順次充電されたとき、夫々の開閉器を放電側に閉路するように順次切り換わる。一方、充電側に閉路していた1つの蓄電器群は、発電装置1から充電され充電レベルが80%に達したところで、該開閉器制御部7bによりその開閉器を放電側に閉路するように切り換え、負荷6へ電力を供給するように制御され、その充電レベルが30%に達したとき、これを該情報管理部7aで検出し、これを受信した該情報管理部7aにより、その開閉器を充電側に閉路するように切り換わる。
以後は、該情報管理部7aにより夫々の蓄電器群の開閉器は、夫々の充電レベルが上限80%と下限30%の範囲内の部分充電状態で充電と放電を繰り返すように、充電側、放電側と切り換わる。更に、該集中監視制御装置7の該開閉器制御部7bは、各蓄電器群はこのような充放電サイクルを例えば少なくとも数回繰り返した後は、充電レベルが、満充電状態、即ち、充電レベル100%となるように夫々の開閉器を制御するようにコンピューター制御するようにすることができる。

更に、図1に示す本発明の蓄電装置による充放電制御方法(即ち、運用法)の他の実施の形態例を説明する。
上記実施の形態例に示す複数の蓄電池群は、個別に所望回数の充放電サイクルを繰り返すが、その経過は該開閉器制御部7bが内部に具備する記憶装置において把握しているから、該開閉器制御部7bは次の充電は80%充電ではなく、100%充電(満充電)状態になるように各開閉器を制御する結果、各蓄電器群を構成する蓄電池Bがサルフェーションを生ずることが防止されるので、寿命が長くなり、電池特性を良好に維持することができる効果が得られる。
このようにして所定回数毎に複数個の蓄電器群の全てを満充電する操作を行う充放電制御方法において、負荷6の容量に対する個々の蓄電器群の容量を小さく分割して設置することができると共に、所定の放電検出後から、満充電終了までの所要時間を短縮することができる。

尚、この時負荷6の状態により開閉器を放電側に直ちに転換する必要のない場合もあるから、蓄電器群における開閉器として、開閉のみでなく、中間状態となり得る三路開閉器を使用してもよい。
この場合においては、80%の蓄電器群を放電側へ閉路し、70%の蓄電器群を充電側へ閉路し、他は中間状態とし、70%の蓄電器群が80%になったら中間状態として、次に60%の蓄電器群を充電側へ閉路して充電し、放電している80%の蓄電器群が30%へ低下したら、80%になった蓄電器群を負荷側へ閉路して負荷への電力供給を供給し、30%に低下した蓄電器群は中間状態として、充電に備える。以下順次同様の操作により負荷へ切れ目なく電力を供給できる。

上記から判るように、本発明の蓄電装置は、複数個の蓄電器群3-1,3-2,…3-nの個々の充放電状態を検出装置4で検出し、その夫々の出力を受信した集中監視装置7内の情報管理部7aからの夫々の情報を受信した開閉器制御部7bに予め定めた所定のコンピューター制御により、夫々の蓄電器群のその時の充電レベルに従って、夫々対応する開閉器SW1,SW2,…SWnを制御し、これら蓄電器群のうち、少なくとも1つの蓄電器群への受電装置1の電力の受電を可能にすると同時に、残る少なくとも1つの蓄電器群からの出力を負荷6へ受信することができ、常に自然エネルギーによる発電電力の無駄をなくし、利用率の向上をもたらす。

従って、本発明の蓄電装置とこれによる充放電方法、即ち、運用法は、自然エネルギーの種類や負荷の容量などにより種々考えられる。その数例につき以下に概説する。
蓄電器群を10群配置し、その5群の充電状態を100%とし、他の5群を30%とし、該開閉器制御部7bにより、各蓄電器群が充電レベルの上限は100%、下限は30%の充放電サイクルが行われるようにコンピューター制御することにより、10群の蓄電器群のうち、その半分の5群への発電装置1からの受電、即ち充電、残る半分の5群による負荷6への電力供給を同時に交互に行うことができ、且つ鉛蓄電池から成る蓄電器群のサルフェーション現象を防止でき、使用寿命を延長できる。

更には、本発明によれば、蓄電装置に配設する複数個の蓄電器群の夫々の充電状態を、同じ部分充電状態に、例えば80%の部分充電状態に揃えておき、そのうちの少なくとも1つの蓄電器群を放置し負荷6に供給し、残る蓄電器群を発電装置1からの電力を受電することを同時に行うようにし、且つ夫々の蓄電器群の充電状態が80%〜30%の範囲で夫々の開閉器が切り換わるように充放電制御を行うようにすることができる。

比較試験例1
下記表1に示すように、所定の容量の単一の蓄電池群を具備した従来型の蓄電装置と、該従来型の蓄電装置の単一の蓄電器群の容量の5分の1ずつの小容量の蓄電器群を5群具備した図1に示す本発明の蓄電装置とを、夫々1年間運用した。その比較試験結果を下記表1に示す。
尚、本発明の各蓄電器群は、2Vの鉛蓄電池を156セル直列に接続して成る100Ah×312Vのものである。従来型の蓄電装置の構成は、100Ahの2Vの鉛蓄電池を156セル直列に接続して成るものを5個並列に接続して成る500Ah×312Vの単一の蓄電池群を開閉器を介して発電装置1に接続され、開閉器の切り換えにより負荷に接続し、その開閉器を制御装置に接続して蓄電装置に構成したものである。

表1から明らかなように、本発明の複数の蓄電器群から成る蓄電装置は、従来型の単一の蓄電器群から成る蓄電装置に比し、充電率、電力品質、容量維持率、SOC計誤差のいずれの特性においても優れていることが確認できた。

比較試験例2
本発明の蓄電装置の各蓄電器群を構成する鉛蓄電池に代え、2Vの電気二重層キャパシタを用い、これを200セルを直列接続して240Vの蓄電器群とし、これを5群を図1に示すように用いた蓄電装置である。従来型の蓄電装置は、2Vの電気二重層キャパシタ200個を直列接続したものを5個並列に接続して成る単一に1000F×240Vの単一の蓄電器群の一端と他端を開閉器を介して発電装置1に接続し、その他端を開閉器を介し負荷に接続し、その両端の開閉器を制御装置に接続して蓄電装置を構成したものである。
両者の蓄電装置を1年間運用した。その比較試験結果を下記表2に示す。

上記表2から明らかなように、本発明の蓄電装置は、充電率、電力品質、容量維持率、SOC計誤差、直列キャパシタ間電圧バラツキ幅の全てにおいて、比較用蓄電装置に比し優れていることが確認された。

比較試験例3
図1に示す本発明の蓄電装置の5群の蓄電器群の夫々を構成する蓄電器群を、図2に示すように、鉛蓄電池を直列接続して成る蓄電池群B(100Ah×200V)と複数の電気二重層キャパシタを直列接続して成るキャパシタ群C(200F×250V)を並列接続して成る混成群から成る蓄電器群を5群用いて成る蓄電装置に構成した。従来型の蓄電装置は、鉛蓄電池を直列接続して成る蓄電池群(500Ah×200V)と複数の電気二重層キャパシタを直列接続して成る電気二重層キャパシタ群(10000F×250V)を並列接続して成る混成群から成るものを6個並列に接続して成る単一の混成蓄電器群の一端と他端を開閉器を介して発電装置1に接続し、その他端を開閉器を介し負荷に接続し、その両端の開閉器を制御装置に接続して蓄電装置を構成したものである。
両蓄電装置を1年間運用した。その比較試験結果を下記表3に示す。

上記表3から明らかなように、本発明の蓄電装置は、表1、表2と同様に、夫々の特性において、比較用蓄電装置に比し優れていることが確認された。

本発明の実施の1例の蓄電装置の構成を示す図。 本発明の他の実施例の蓄電装置の構成の一部を示す図。

符号の説明

1 発電装置
3-1,3-2,3-n 各蓄電器群
4-1,4-2,4-5 各充放電検出装置
6 負荷
7 集中監視制御装置
7a 情報管理部
7b 開閉器制御部
SW1,SW2,SWn 各開閉器
B 鉛蓄電池
C 電気二重層キャパシタ

Claims (8)

1. 自然エネルギー利用の発電装置と、該発電装置により個別に充電される複数の蓄電器群と、各蓄電器群からの放電出力が印加される負荷と、各蓄電器群の充放電状態を検出し、集中監視制御装置に出力する充放電検出装置から成り、且つ該集中監視制御装置は、各蓄電器群に対する充放電検出の出力が印加される情報管理部と該情報管理部の出力が印加され夫々の蓄電器群に接続する開閉器の充電側と放電側への開閉を夫々制御する出力を送出する開閉器制御部とから成ることを特徴とする蓄電装置。
2. 各蓄電器群は、二次電池群から成ることを特徴とする請求項1に記載の蓄電装置。
3. 各蓄電器群は、電気二重層キャパシタ群から成ることを特徴とする請求項1に記載の蓄電装置。
4. 各蓄電器群は、鉛蓄電池群と電気二重層キャパシタ群とを並列接続して成る混成群から成ることを特徴とする請求項1に記載の蓄電装置。
5. 充電レベルの異なる蓄電器群を組み合わせて複数の蓄電器群を構成し、該開閉器制御部は該情報管理部を介して夫々の蓄電器群の充電レベルを記録・管理し、各蓄電器群が所定の充電レベルより高い充電レベルに達したときに放電させ、且つ所定の充電レベルより低い充電レベルに達したとき充電させるように、各開閉器の開閉動作を制御する出力を送出することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の蓄電装置。
6. 該開閉器制御部は各蓄電器群の充放電回数を記憶し、所定のサイクルに続く充電動作を行うとき、当該蓄電器群に対し満充電動作を実行するように開閉器の開閉動作を制御する出力を送出することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の蓄電装置。
7. 請求項1〜6のいずれか1つに記載の蓄電装置を用い、該集中監視制御装置により少なくとも1つの蓄電器群に対し放電側を閉じ放電を開始するように閉開器の開閉動作を制御する出力を送出する一方、残余の蓄電器群の少なくとも1つの蓄電器群に対し、充電側を閉じ充電を開始するように開閉器の開閉動作を制御する出力を送出することを特徴とする蓄電装置の充放電制御方法。
8. 請求項1〜6のいずれか1つに記載の蓄電装置を用い、該集中監視制御装置により各蓄電器群の充放電サイクルの所望サイクル回数毎に満充電を行うように閉開器の開閉動作を制御する出力を送出することを特徴とする蓄電装置の充放電制御方法。

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