JP2009538110A - モジュール式エネルギー制御システム - Google Patents

Abstract

無線基本ユニットは、無線負荷マネージャに接続された１つまたは複数の負荷についての電力測定値を受信するために、１つまたは複数の無線負荷マネージャと通信する。電気価格の変化などの動的変数に応じて、無線基本ユニットは、１つまたは複数の負荷によって消費される電力を遮断するか、または減少するために、無線負荷マネージャにコマンドを送信する。１つの変形形態で、無線アダプタもまた無線基本ユニットからコマンドを受信し、そのコマンドを、光起電（ＰＶ）インバータなどの別のデバイスを制御するために使用されるメーカ特有の形式に変換する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般にエネルギー管理の分野に関し、より詳細には、エネルギー生成および消費デバイスを制御するためのシステムおよび方法に関する。本出願は主題において、その内容が参照により組み込まれる、２００５年６月６日に出願した、所有者が共通の米国特許出願第１１／１４４，８３４号「Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ」に関連する。

世界中のエネルギー需要が高まり、環境に対する懸念およびエネルギー価格の不安定さから来る圧力は、エネルギー保存および代替エネルギー源に対する要求を強めている。プログラム可能な自動温度調節器によって、消費者は自分たちが外出または就寝している期間に消費量を減少するように、自分たちの冷暖房システムをプログラムすることができるようになった。自動タイマは、消費者が必要としないときに明かりを消すことを可能にした。ソーラーパネル、燃料電池、風車、バックアップジェネレータおよびその他のエネルギー源は、居宅および事業用で使用するために、ますます利用可能となってきた。しかしながらコスト回収の難しさ、代替エネルギー供給（例えば太陽、風など）の予測不可能性、ならびにそのような電源およびデバイスを従来の電気システムに組み込むことの難しさといった要素のために、そのような代替の電源および技術の使用は制限されてきた。従来のホームオートメーションシステムは一般に、発電変数を考慮して、予測スケジュールを要求するのに十分に高度化されていない。

上で確認された特許出願の中で説明されているようなシステムおよび方法は、住宅所有者などのエネルギー消費者が、例えば光起電（ＰＶ）パネルから生成された電気エネルギーを貯蔵する能力などを含めて、よりよく電気エネルギーの生成、消費および貯蔵のバランスをとるための手段を提供する。エネルギー供給を監視し、エネルギー要求を予測することによって、エネルギー消費者は、より効率的にエネルギー資源を使用することができる。

上述のようなエネルギーバランシングを調整するために必要とされる設備は、高価で、大型のものである可能性がある。したがって、居宅または事務所などの環境の中でエネルギー機器を測定し、制御するためのモジュール式構造を提供することが望ましい。

本発明の一実施形態は、１つまたは複数の負荷マネージャと無線通信するエネルギーマネージャ基本ユニットを含む。各負荷マネージャは、その負荷マネージャに結合された１つまたは複数のデバイスによって消費される電力を測定し、電力測定記録を基本ユニットに無線で返送し、基本ユニットによる無線制御によって、１つまたは複数のデバイスに対して電力を遮断するか、または減少することができる。新たな負荷マネージャは、最小の構成および容易に調整できるコストで、モジュール式にシステムに付加されることが可能である。

本発明の別の実施形態によって、エネルギーマネージャ基本ユニットは、ＰＶパネルによって生成された電気を制御する１つまたは複数の光起電（ＰＶ）インバータと、または代替として、そのようなＰＶインバータに結合された１つまた複数の無線アダプタと無線で通信する。各アダプタは、ソーラーパネルで入手可能なソーラーエネルギー量に関して無線で測定値を基本ユニットに返送し、ＰＶパネルからの電気の生成を制御するように各インバータを構成するために基本ユニットからコマンドを無線で受信してもよく、任意で、そのようなエネルギーが１つまたは複数のバッテリまたはその他のエネルギー貯蓄デバイスの中に貯蓄されるように指示してもよい。

本発明の別の実施形態によって、エネルギーマネージャ基本ユニットは、建物内に入ってくる電力を測定する「高性能」電力メータに結合された無線アダプタと無線で通信し、任意で、高性能電力メータによって使用されるプロトコルをシステムによって内部で使用されるプロトコルに変換する。

その他の変形形態および実施形態は以下でより詳細に説明され、本発明は決してこの概要によって限定されることが意図されない。

図１は、２００５年６月６日に提出した米国特許出願第１１／１４４，８３４号「Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ」の特許出願の中で説明されている型のシステムを示す。図１に示されるように、装置１０１は、コントローラ１０４および内部貯蔵デバイス１０５を備えるユニット１０３を含む。内部貯蔵デバイス１０５は、例えば電気エネルギーを貯蔵するための複数の鉛蓄電池またはニッケル水素蓄電池、フライホイールおよび／または、いわゆる「スーパーキャパシタ」などの大型キャパシタを備えてもよい。さらなる電気エネルギーを貯蔵するために、任意で外部貯蔵デバイス１０６が含められてもよい。貯蔵デバイス１０５および１０６は、電気グリッドの停電期間か、または電気グリッドのコストが特定のしきい値を上回る期間に、様々なデバイスに電力を供給してもよく、有利であると判定される期間には、電力事業者に電力を売り戻すために使用されてもよい。デバイス１０５および１０６の貯蔵能力は、典型的な居宅、事業所またはその他の電気消費者の要求など、特定の環境に適するように選択されてもよい。

図１の中に、ＤＣ電気エネルギーをＡＣエネルギーに変換するためのインバータ、回路ブレーカ、相数コンバータおよびその他を含む電力電子機器が含まれてもよいが、個別に示されてはいない。

コントローラ１０４は、電気の現在のコスト、バッテリの貯蔵充電、太陽エネルギーなどの代替エネルギー源の利用可能度、温度、および本明細書で説明されているその他のものなど、１つまたは複数の動的変数に基づいて、デバイス１１６から１２２までへの電力の分配を制御する目的で装置１０１の動作を制御するためのコンピュータソフトウェアでプログラムされたコンピュータおよびメモリを備えてもよい。

コントローラ１０４および内部貯蔵デバイス１０５は、適切な配線および支持構造を有するメタルラックなどのユニット１０３の中に収容されてもよい。装置１０１はまた、ユニット１０３の動作を制御するためのユーザインタフェース１０２を含む。このユーザインタフェースは、キーパッドおよびＣＲＴ、ＬＥＤもしくはＬＣＤディスプレイパネルまたは真空蛍光ディスプレイ、コンピュータディスプレイおよびキーパッド、あるいは任意のその他の同様のインタフェースを備えてもよい。このユーザインタフェースは動作の様々なモードを選択するため、装置の動作に関する情報を表示するため、および装置のプログラミングのために使用されてもよい。ユニット１０１の市販のバージョンは、どちらもワシントンのＧｒｉｄＰｏｉｎｔ社から入手可能なＧＲＩＤＰＯＩＮＴ ＣＯＮＮＥＣＴ（商標）およびＧＲＩＤＰＯＩＮＴ ＰＲＯＴＥＣＴ（商標）を含む。

ＷＡＮ１０７などのネットワーク（例えばインターネットなど）を通じてコマンドを装置１０１に送信するために、任意の制御センター１０８が与えられてもよい。制御センター１０８は、例えば異なる家庭または事業所に配置された複数のユニット１０１にコマンドを送信する中央制御施設などの遠隔の場所に配置されてもよい。制御センター１０８はコマンドを送信することに加えて、価格決定情報（例えば現在の電気の価格など）を送信してもよいので、コントローラ１０４は本発明の様々な原理によって、電気の制御および分配に関する判定を行うことができる。

装置１０１は、回路ブレーカ、サージサプレッサおよびその他の電気デバイスを含んでもよい電力インタフェース（不図示）を通じて、電力事業者のグリッド１１５に結合される。電気は、通常家庭で見られる１１０ボルトまたは２４０ボルトなどの様々な形態で供給されてもよい。また必要な場合にはバックアップジェネレータ１１４も与えられ、装置１０１によって制御されてもよい。１０９から１１３までの１つまたは複数の代替エネルギー源もまた、装置に電力を与える目的で与えられてもよい。そのような電源は、家または事業所の屋根に取り付けられてもよい光起電（ＰＶ）セル１０９、水の動きを元に電力を生成するマイクロ水力電力ジェネレータ１１０、ガスタービン１１１、風車またはその他の風ベースのデバイス１１２および燃料電池１１３を含んでもよい。その他の電源も当然与えられてもよい。

通常の動作の間、１つまたは複数の電源からの電力は、貯蔵ユニット１０５および１０６に充電するために、および／または電気グリッド１１５に加えて需要を満たすために使用されることが可能である。グリッド１１５からの停電または電力供給の削減の間、（貯蔵ユニット１０５および１０６とともに）これらのさらなる電源は、電力需要を満たすために使用されることが可能である。さらに余剰電力は、本明細書でさらに詳細に説明されるように、需要と供給の最適化計算に基づいて、電力グリッドに売り戻すことが可能である。

図１に示される太線は、電気分配経路を指す。様々なデバイスへの制御経路および様々なデバイスからの制御経路は個別に示されてはいないが、図１の中で暗示されている。
１１６から１２２までの１つまたは複数の電力消費デバイスはまた、装置１０１によって制御され、装置１０１から電力を受け取ってもよい。これらは１つまたは複数のセンサ１１６（例えば自動温度調節器、在室センサ、湿度計およびその他）、暖房／換気／空気調節ユニット１１７、温水ヒータ１１８、ブラインド１１９、窓１２０（例えば開／閉および／または陰影の制御）および１つまたは複数の機器１２１（例えば洗濯機、ドライヤ、食器洗い機、冷蔵庫など）を含む。一部の機器は、装置１０１から直接制御信号を受信することができる、いわゆる「高性能」機器であってもよい。その他の従来型機器は、１つまたは複数の制御可能な中継器１２２を使用して制御されることが可能である。すべての実施形態において、装置１０１が１１６から１１２までのデバイスに直接電気を与えることが必要なわけではない。例えば、装置１０１は家庭または事業所で電力システムに結び付けられることが可能であり、電気はその経路を通じてデバイスに供給される。その場合、例えば停電のときには、家の配線システムを電気グリッドから切り離し、装置１０１を配線ネットワークに接続するために、適切な遮断デバイスおよび迂回スイッチが使用される。そのような方式は従来のものであり、それらの動作を理解するために、さらなる詳細は必要ではない。

前述の特許出願の中で説明されているように、コントローラ１０４は、様々な電源（例えば光起電１０９およびその他）からの電力の利用可能度、貯蔵ユニット１０５および１０６の中の利用可能な貯蔵能力とともに、システムにおける現在および予測電気需要を測定するコンピュータソフトウェアを含み、効率的に資源を割り当ててもよい。例えば十分な太陽エネルギーが利用可能である場合、コントローラ１０４はシステムにおける需要を供給するために、ソーラーパネルからの電力を割り当て、そうした電力を貯蔵ユニット１０５および１０６に充電するために使用し、また超過能力が存在する場合には、任意で超過能力を電力グリッドに売り戻す。

本発明の様々な実施形態によって、使用されるエネルギー量、コスト、またはこの２つのバランスに関して効率が定められ、最も効率的な方法で電力を届けるために電力使用が最適化されることが可能である。従来のエネルギー管理システムでは、例えば部屋が使用されていないときには電気を消すこと、または夜には自動温度調節器の能力を弱めることなど、節約が強調されてきた。供給側の選択肢をエネルギー消費の選択に統合することによって、エネルギーおよびコスト削減の効果を高めるために様々なアルゴリズムが使用されることが可能である。

例えば小さな事業所では、課金期間のキロワット時のピークの数に対する追加料金とともに、キロワット時ごとの基準で料金を支払う場合がある。いわゆる需要料金は、短期間に多量の電力を供給するコストの高さによる急激な消費を防止するように設計されている。本発明の様々な実施形態によって、瞬間的なエネルギー使用は監視され、需要がしきい値を上回る場合には、バッテリからの電力はグリッドからの需要を減少するために使用されることが可能であり、または例えば影響がほとんどないか、もしくは全くない、長期間容易に電源を切られる／接続を断たれることが可能な大型の商業用冷凍庫などの重要ではないエネルギー使用は、一時的に遮断されることが可能である。このことは、複数の機能によって可能とされている。例えばセンサ（１１６）は、個々の負荷の監視を可能にする。直接制御（１１７、１１８、１１９、１２０）は特定の機器の中断を可能にし、一方で制御可能な中継器（１２２）は、内蔵型制御ロジックを伴わずに機器の制御を可能にする。機器を中断することができるかどうか、および機器をどの程度中断することができるかどうかということは、図３を参照して以下で説明されるように、エネルギー源構成要素（３１３）の中で定められる。後で説明される延期可能な負荷に対処するための方法は、電気サービス（この例では冷房）が、コストを減少するために後で最適に再スケジュールされることを可能にする。

別の例として、家の居住者が調理をしている、シャワーを浴びている、テレビを見ている、および洗濯を始めていると仮定する。その人たちは、朝および夕方がピークである使用時間料金を支払い、グリッドからの電力はＫＷｈ当たり１４セントである。様々な発明の原理によって、このシステムは価格の高さを考えて洗濯機を制御することができるので、洗濯機はエネルギーコストがより安い、その日のうちのより遅い時間まで起動されることはない。１つの変形形態で、このシステムは、ソーラーパネルからの生産量がおそらく高くなると思われる日付（例えば６月２１日など）および天気予報（例えば晴れなど）に基づいて判定し、家族が不在のとき、およびエネルギー使用量が最小である、その日のうちのより遅い時間にバッテリが再充電されることが可能であることを予測して、バッテリからの電力を（料金が高いときに）グリッドに売ることを決定することができる。代替としてバッテリは、電気コストがより低い、その日のうちのより遅い時間に、電力グリッドから再充電されることが可能である。

電力に対する需要、およびＰＶパネルなど、その生産能力が天気に左右されるエネルギー源からの供給を予測する場合、本発明の特定の変形形態は天気を考慮する。
さらに別の例として、停電が生じ、家から電力を除去することを仮定する。従来のバックアップシステムは、例えば冷凍庫、冷蔵庫、選択された照明など、事前に選択された「重要な」デバイスに電力を供給する目的で、直ちにバッテリのバックアップを与えるか、またはバックアップジェネレータに関与する。本発明の特定の原理によって、エネルギー供給および使用を最適化するようにプログラムされたコントローラは、冷凍庫または冷蔵庫などのデバイスが、結果をほとんど伴わないか、または全く伴わずに電力グリッドから接続を断たれることが可能であり、それによってエネルギーを保存するということを知っていることから、停電の最初の１時間か２時間の間、冷凍庫または冷蔵庫のスイッチを入れることを延期することができる。しかしながら停電が続く場合、電力バックアップは、他のものを抑制しながら、それらのデバイスに選択的に適用されることが可能である。その他の例および原理は、以下でより詳細に説明される。

簡単に図３を見ると、本発明の特定の実施形態によるエネルギーの生産および使用を制御するためのプロセスが示されている。クロック３０１は、このプロセスのための制御ループとして機能する。ステップ３０２で、エネルギー使用は回路またはサービスによって監視され、ステップ３０３で、エネルギー生産は電源によって監視される。ステップ３１２で、現在のグリッド価格、燃料価格、有効な課金サイクルのための現在の合計電気使用量、グリッド電圧、現在の／予測される天気、需要側管理（ＤＳＭ）要求（例えば、顧客が、特定の時間にユーザ制御の電源からの需要または供給電力を減少させることに同意するための確立された需要応答プログラムの下での公益企業からの要求など）などの変数に関する外部情報、および中央制御センター１０８から受信されたコマンドが監視される。どのような電源が利用可能であるか、および貯蔵デバイスにはどれだけエネルギーが貯蔵されているかなどを含めて、現在のエネルギー源構成が判定される（ステップ３１３）。照明などの小さな電源から主要なＨＶＡＣ機器にわたって、家庭または事業所でエネルギーを消費する技術の目録を含めて、技術構成の最終用途が取得される（ステップ３１４）。この目録はそのような機器の数、それらが配置される回路、それらがどのようにして、またどの程度制御されることが可能であるのかということ、典型的な１日の使用パターン、および機器の使用をスケジュールする際に融通性があるのかどうかということを含んでもよい。例えば食器洗い機は、ロードされる時間から、その時間にコストがより低いのであればもっと後の時間まで、起動される時間を遅らせることが可能であってもよい。ブロック３１４は、構成ステップの間にユーザインタフェースを通じて提供されることが可能である。これらのブロックからの情報は、基本需要予測ステップ３０４および基本生産能力予測３０５に入力される。

需要予測ステップ３０４は、多数の異なる方法で実行されることが可能である。一実施形態で、エネルギー需要は過去のデータ（例えば、デバイスが配置された特定の施設についての１日のうちの時間および１年のうちの時間に基づいたエネルギー需要など）に基づいて予測される。別の実施形態で、エネルギー需要は、温度および太陽光などの環境条件を考慮に入れることが可能である。さらに別の実施形態では、システムのユーザによって、複数の事前にプログラムされたエネルギー需要モデルのうちの１つが選択されることが可能である。これらの実施形態のうちの１つまたは複数で、エネルギー需要は、予測期間（例えば２４時間など）の特定の時点（例えば５分刻みなど）で予測されることが可能である。

基本生産能力予測ステップ３０５もまた、様々な方法で実行されることが可能である。太陽電池が利用可能である場合、生産予測は、１年のうちの時間と組み合わせて、過去のデータと組み合わせて天気予報（例えば晴れ、一時晴れ、一時曇り、曇り、にわか雨その他）に基づくことが可能である。燃料電池が利用可能である場合、燃料電池についての生産利用可能度に関するデータおよびその他が取得可能である。天気に左右されない電源については、生産能力（および＄／ｋＷｈに関して測定される効率性）は最初に技術データから推定されることが可能である。技術によって推定されるデータはその後、一般的なモデルではなく特定のユニットの特性を反映する実際のオペレーティングデータと置き換えられることが可能である。

太陽については、パネルの設計効率性データ特性を使用して、生産能力を太陽絶縁の関数として推定されることが可能である。当然のことながら、これも、例えば前回の雨以来ユニット上に堆積したちりの量など、実際の場所および要素によって異なると思われる。これらの要素は、２つの方法によって説明されることが可能である。施設に特有の要素（外装、陰影の程度）は、異なる季節にわたる実際のパフォーマンスデータの収集を通じて組み込まれることが可能である。短期の要素は、単に同じモデルを実行するのではなく、１５分ごとにモデルパラメータを再推定する方法によって組み込まれることが可能である。最良の次の１５分の生産の予測因子は、一般に前の１５分間である。１つの変形形態では、太陽の生産がどうあるべきかを推定するために、太陽光の強度を測定する日照計から測定値を受信するインタフェースが提供される。

基本需要予測３０４および基本生産能力予測３０５は、潜在的な電源による電力供給およびエネルギーの使用による需要の詳細な状況を示す。本質的に、これらは解決されることが可能な最適化問題を形作る。本発明の実施形態は、不必要なサービスを停止すること、および／またはその他のものを遅らせることによって、どのように需要を変更するのかということ、需要を満たすために様々な電源をどのように配備するのかということ、およびサービスの最低の可能なコストを達成するために（家庭または事業所が、ある期間に消費するよりも多くの電力を生産することができる場合にはマイナスであるかもしれないが）、どのように電力をグリッドに分配するのかを判定することができる。

入力需要および供給予測を考えると、この最適化は計算および実施の２つの基本的なステップによって行われることが可能である。この最適な方策の計算は、３つの部分で行われることが可能である。第１に、最小コストディスパッチモデルステップ３０８は、利用可能な電源を使用して、変更されていない需要を満たす最低のコストの方法を判定する。この計算は、予測期間の電力の期待値の推定を与える。次いでこの推定は、どのエネルギー使用がいつまで延期されるべきなのかを判定するために使用される。延期可能なサービススケジュール要素３０９は、どのデバイスが延期されることが可能なのかということ、およびそれらが負うことができる時間および遅延に関する情報を含むことが可能である。計算の最終ステップは、エネルギーがいつ売買されるべきなのかを判定すること（裁定）である。

３０８、３０９および３１０で最終用途技術、電源および貯蔵場所の使用が一旦判定されると、３１８でデバイスにはそれらの動作を達成するためにコマンドが発行される。デバイスの一部はシステムの直接制御（例えばバッテリ）の下にあることが可能であるが、その他のものは通信インタフェースの手段によって制御されることが可能である。機器と通信する手段は、デバイスと通信する物理的手段、通信プロトコル、アドレシングプロトコル、ならびにメッセージの構造および内容をシステムの設置者が指定する構成指定３１７の中で指定される。通信の手段は、無線手段（例えば様々な世代のＩＥＥＥ８０２．１１ネットワーク、またはＩＥＥＥ８０２．１５．４ネットワーク）、（Ｘ１０などを用いる）電力線を介した無線周波数伝送またはＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）を含むことが可能である。通信プロトコルはインターネットプロトコル、またはＬｏｎＷｏｒｋｓなどの低コスト、低帯域幅制御のために設計された方法を含むことが可能である。アドレシングプロトコルは、同一のネットワークに接続された多数の機器を区別するための任意の方法を含むことが可能である。ＩＰアドレスは、例えばＸ１０によって使用される命名方式のようなもの（ハウスコード、ユニットコード）であるが、多くのホームオートメーションコントローラは専用の方式を実施する。メッセージ構造は、機器の設計に特有のものであってよい。

図２は、本発明の様々な実施形態によるモジュール式構造を用いるシステムを示す。図２の構造によって、図１のシステムの部分は無線方式でモジュール化され、分散され、強化される。特に、エネルギーマネージャ基本ユニット２０１は無線トランシーバ２１３を介して、１つまたは複数の負荷マネージャユニット２０２および２０３と無線で通信する（一部の変形形態では、有線接続も可能である）。１つの変形形態で、エネルギーマネージャ基本ユニット２０１は、上述のように測定値を受信し、コマンドを発行するシステムの「頭脳」である、図１のコントローラ１０４に対応する。この基本ユニットは、貯蔵ユニット１０５および１０６とは別に与えられることが可能であり、それは邪魔にならない場所（例えばホームオフィスなど）に配置されることが可能であることを意味する。１つの変形形態で、エネルギーマネージャ基本ユニットは、以下でより詳細に説明されるような１つまた複数の無線インタフェースが装備されたパーソナルコンピュータを備えてもよい。各負荷マネージャ（または、より一般にはエネルギー制御ユニット）は、ユニットが測定値をエネルギーマネージャ基本ユニット２０１に返送し、基本ユニット２０１からコマンドを受信することを可能にする無線トランシーバ２１４および２１６を含む。各負荷マネージャは独立型ユニットとして与えられるか、または１つまたは複数の機器と統合されてもよい。

例えば、ＵＳＢなどのケーブルか、または無線手段を介して構成データおよびスケジューリング情報を提供することなど、基本ユニットを構成するために、ラップトップコンピュータ２１０などのコンピュータが使用されることが可能である。一実施形態で、基本ユニット２０１のコンピュータ上で実行されるウェブサーバアプリケーションは、基本ユニット２０１を監視および／または制御するためにラップトップコンピュータ２１０上で動作するウェブブラウザと通信し、ラップトップ２１０上での特別なソフトウェアの必要性を回避する。

１つの変形形態で、ラップトップコンピュータ２１０は、図１の専用ユーザインタフェース１０２の代わりとなり、このことは、おそらくコストの低減につながる。代替として、このユーザインタフェースは、例えばウェブサーバと通信するウェブブラウザか、またはカスタム設計のソフトウェアユーザインタフェースなど、基本ユニットの一部として含まれてもよい。基本ユニット２０１は、居宅で簡単に構成され、配置されることが可能な負荷マネージャ２０２を含む安価な「スターターキット」の一部を形成してもよい。基本ユニット２０１と負荷マネージャ２０２および２０３とは無線で通信するので、それらはワイヤを張り巡らせることを必要とせずに、任意の様々な場所に配置されることが可能である。

一実施形態で、各負荷マネージャは、例えばドライヤなどの１つまたは複数の負荷２２０へ流れる電流を測定する１つまたは複数の電流トランスデューサ２１５を含むか、またはそれらに結合される。この電流トランスデューサは回路に入る電力（例えば電圧、アンペア数および電力要素）を測定し、その測定値を負荷マネージャ２０２に与え、負荷マネージャ２０２はそれを無線で基本ユニット２０１に送信する。この場合「電流トランスデューサ」という用語は、例えば回路内分流器などの直接測定デバイスを含むように解釈されるべきである。基本ユニット２０１は、上述のような様々な要素に基づいてエネルギー使用を予測し、バランスをとるために、そのエネルギー管理プロセスの一部としてこの測定値を使用する。

負荷マネージャ２０２もまた、負荷２２１に対する電力を遮断するため、または減少するために負荷マネージャ２０２によって命令されることが可能な１つまたは複数の中継器２１９を含むか、またはそこに結合されてもよい。例えば、基本ユニット２０１が、エネルギーコストが高い期間、温水器に対して電気を遮断することがより効率的であると判定する場合、基本ユニット２０１は負荷マネージャ２０２に無線でコマンドを送信することができ、負荷マネージャ２０２は、ある期間電力を遮断するように中継器２１９に命令する。中継器もまた、２２２で示されているように、負荷に対して電流トランスデューサに結合されることが可能である。１つの変形形態で、基本ユニット２０１がトランスデューサを特定のデバイス（例えば温水器など）に関連させることができるように、負荷マネージャ２０２は関連した測定値とともにトランスデューサインデックスを送信する。一部の実施形態で、中継器２１９および／または電流トランスデューサは、負荷マネージャ２０２に直接結合された、いわゆる「高性能機器」の中に含まれることが可能である。様々な実施形態で、電流トランスデューサは、単一のユニットを形成するように中継器と組み合わせられてもよく、またはその一部であってもよい。

図２のモジュール式構造で、より多くの機器が購入されるか、またはシステムの中に含まれると、ユーザはシステムに付加するために、さらなる負荷マネージャ２０３を購入することができ、したがってユーザは合理的なコストで段階的に機能を付加することができる。上で説明されたように、「スターターキット」は合理的なコストで、いくつかの中継器および電流トランスデューサとともに、単一の基本ユニット２０１および単一の負荷マネージャ２０２を備えてもよい。さらなる付加キットは、以下で説明されるように、さらなる負荷マネージャおよびモジュールを含んでもよい。このように構造を分散することによって、より多くの消費者は、様々な発明の原理を有するシステムを買う余裕を持つことができる。

また図２に示されているのは、対応する無線トランシーバ２０６および２０７を含むか、またはそれに結合されてもよい関連した無線アダプタ２２４および２２３を各々が有するＰＶインバータ２０４および電力バックアップモジュール２０５である。本発明の一実施形態によって、ＰＶインバータ２０４は１つまたは複数のソーラーパネル２２４に結合されており、負荷２２５に分配される、および／または（特には図示されていない）充電回路を通じて電力バックアップモジュール２０５の中に含まれたバッテリを充電するために使用されるＡＣ電流に、ＤＣ電力を転換する。ＰＶインバータ２０４は、建物のいたる所に分散された高圧バス２１７にＡＣ電力を出力する。さらに、ＰＶインバータ２０４はソーラーパネル２２４による電力出力（例えば電圧など）を測定し、そのような測定値をＭＯＤＢＵＳ（商標）などのプロトコルを使用して、ＲＳ−４８５などのインタフェースを介し出力として与えてもよい。そのような測定値は無線アダプタ２２４に与えられてもよく、無線アダプタ２２４は（１つの変形形態の中で）測定値を基本ユニット２０１によって使用される異なるプロトコルに変換し、それを、無線トランシーバ２０７を介して基本ユニット２０１に送信する。

一実施形態によって、無線アダプタ２０７はまた、（例えばインバータをオンにするため、またはそのオペレーティングパラメータを変更するために）基本ユニット２０１からコマンドを受信し、そのようなコマンド（例えば任意の様々なＰＶインバータのメーカに適用可能な一般コマンドなど）を、そのＰＶインバータのメーカに特有の形式に変換する。結果的に、各々が異なるＰＶインバータのメーカに対応する、異なる無線アダプタ２２４のモデルが提供されてもよい。代替として、単一の無線アダプタが提供されることが可能であり、その無線アダプタ内のソフトウェアは、特定のＰＶインバータのモデルまたはメーカに相応しいように、構成、選択または変更されることが可能である。ここでもまた、無線のインタフェースであることから、基本ユニット２０１とＰＶインバータ２０４との間をワイヤが張り巡らされる必要はない。代替として、高圧バス２１７は基本ユニット２０１まで張り巡らされる必要はなく、（例えば）本棚に配置されることも可能である。

電力バックアップモジュール２０５は、図１に関して上で説明された型の（例えば図１の要素１０５および１０６など）１つまたは複数の貯蔵デバイス、インバータおよび充電回路を含んでもよい。ＰＶインバータ２０４と同様に、無線アダプタ２２３は、基本ユニット２０１と電力バックアップモジュール２０５との間の無線通信を提供し、またプロトコルを変換してもよい。例えば、基本ユニット２０１は電力バス２１７からバッテリを充電するために、一般メッセージを電力バックアップモジュールに送信してもよく、無線アダプタ２２３は一般メッセージを、メーカ特有のインタフェースを介するか、またはＭＯＤＢＵＳ（商標）プロトコルを使用して電力バックアップモジュール２０５に提供されるメーカ特有のコマンドに変換してもよい。一実施形態で、電力バックアップモジュール２０５とＰＶインバータ２０４との両方を制御するために単一の無線アダプタ２２３が使用されてもよく、したがって複数の無線アダプタに対する必要性を減少する。

基本ユニット２０１に温度測定値を送信し、例えば温度を調節するか、または一時的に空気調節を停止するためのコマンドを受信するために、当技術分野で知られている無線自動温度調節器２０８が使用されてもよい。風車および外気温センサからの測定値もまた、基本ユニット２０１に無線送信され、建物でのエネルギー使用を制御する際に使用されてもよい。

無線トランシーバ２１２を含む、いわゆる「高性能公益企業メータ」２１１（例えばＡＭＩメータなど）は、トランシーバ２１３を通じて、基本ユニット２０１によって受信される電力記録を送信してもよい。例えば、建物によって使用される平均および／または瞬間電力は基本ユニット２０１によって監視され、上述のようにエネルギー使用を延期するために使用されてもよい。高性能公益企業メータは当技術分野で知られており、消費者の家で操作することにより無線でメータを読み取るために、公益企業によって使用されることが可能である。本発明の一実施形態によって、そのような記録はまた、基本ユニット２０１によって受信され、個人の居宅または事業所でエネルギー使用をより効率的に割り当てるために使用される。本発明のさらに別の実施形態によって、１つまたは複数の変数（１日のうちの時間、需要など）の要素として異なる場合のある現在の電気コストを反映して、リアルタイムの電気料金は高性能メータ２１１によって基本ユニット２０１に通信される。

図４は、図２で示された型の無線アダプタのための１つの可能な構成を示す。この無線アダプタは無線トランシーバ４０１、ＣＰＵ４０２、メモリ４０４、およびインタフェースの型（ＵＳＢ、ＲＳ−４８５、ＲＳ−２３２など）に応じて１つまたは複数の入力／出力回路４０３を含んでもよい。一実施形態で、ＣＰＵ４０２およびメモリ４０４は、トランシーバ４０１から入力を受信し、それらを必要に応じて変換し（例えばプロトコル変換など）、Ｉ／Ｏ回路４０３を通じて１つまたは複数の出力にコマンドを送信するコンピュータ命令を含む。代替として、プロトコル変換は代わりに基本ユニット２０１で実行されてもよい。無線ネットワークは、メッシュネットワークまたはその他のものなど、任意の型のネットワークであってよく、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ互換の構成要素、Ｚｉｇｂｅｅ、Ｚ−Ｗａｖｅまたはその他を使用して構築されてもよい。

上述の任意のステップまたはモジュールはソフトウェアに提供され、１つまたは複数のコンピュータ可読媒体にコンピュータ実行可能命令として格納されてもよい。ユニットの各々（例えば基本ユニット、負荷マネージャおよび無線アダプタ）は、本明細書で説明される方法ステップまたは機能のうちの任意のものを実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリを含んでもよい。添付の特許請求の範囲の中で使用される数は、単に明快であるために与えられたものであり、特許請求の範囲の中で挙げられる任意のステップまたは要素の順序を限定するように解釈されるべきではない。

本明細書での「無線」という用語の使用は、ローカルエリアネットワークなどの電力線またはその他の非専用のワイヤを介した無線周波数伝送を含むことが可能であるが、専用ワイヤまたはケーブルを介した２つのデバイス間の通信を除外する。電力線伝送では、「無線トランシーバ」という用語は、電力線を介してコマンドを送信するために必要な変調回路およびフィルタのことを指す。

本発明の様々な原理が実行されることが可能なエネルギー管理システムを示す図である。 本発明の一実施形態による無線基本ユニット、無線負荷マネージャ、およびＰＶインバータのための無線アダプタを含むモジュール式構造を示す図である。 本発明の特定の態様によるエネルギーの生産および使用を制御するためのプロセスを示す図である。 本発明の様々な態様による無線アダプタのための１つの可能な構成を示す図である。

Claims (28)

1. プロセッサ、メモリおよび無線トランシーバを備える基本ユニットであって、前記プロセッサおよびメモリが、
   無線エネルギー制御ユニットに結合された１つまたは複数の負荷によって使用された電気を示す前記無線エネルギー制御ユニットからの測定値を前記無線トランシーバから受信し、
   １つまたは複数の動的変数に基づいて制御判定を行い、
   前記無線エネルギー制御ユニットに結合された前記１つまたは複数の負荷に対して電力を除去および減少するために、１つまたは複数のコマンドを前記無線トランシーバを通じて送信する
   ようにプログラムされた基本ユニット。
2. 前記制御判定は、電気の動的コストに基づく請求項１に記載の基本ユニット。
3. 前記制御判定は、１つまたは複数の貯蔵デバイスの貯蔵充電に基づく請求項１に記載の基本ユニット。
4. 前記制御判定は、代替の非グリッド電源の利用可能度に基づく請求項１に記載の基本ユニット。
5. 前記制御判定は、１つまたは複数のソーラーパネルから入手可能な太陽エネルギーの利用可能度に基づく請求項４に記載の基本ユニット。
6. 前記制御判定は、前記無線エネルギー制御ユニットから受信された前記測定値に基づく請求項１に記載の基本ユニット。
7. 前記プロセッサおよびメモリは、各々が異なる負荷に結合された複数のエネルギー制御ユニットから無線で前記測定値を受信し、前記複数のエネルギー制御ユニットに無線で１つまたは複数のコマンドを送信するようにプログラムされた請求項１に記載の基本ユニット。
8. 前記プロセッサおよびメモリは、ソーラーパネルによって作られたＤＣ電流を、前記無線エネルギー制御ユニットに結合された前記１つまたは複数の負荷に電流を供給するために利用可能なＡＣ電流に変換する光起電（ＰＶ）インバータに、無線でコマンドを送信するようにプログラムされた請求項１に記載の基本ユニット。
9. 前記プロセッサおよびメモリは、前記コマンドを受信し、それらを異なるプロトコルに変換して、前記異なるプロトコルに基づいて前記ＰＶインバータを制御する無線アダプタに、前記コマンドを無線で送信するようにプログラムされた請求項８に記載の基本ユニット。
10. 前記プロセッサおよびメモリは、無線自動温度調節器から温度測定値を無線で受信し、温度設定を変更するために前記無線温度調節器にコマンドを送信するようにプログラムされた請求項１に記載の基本ユニット。
11. 前記プロセッサおよびメモリは、建物に配置されたデバイスによって使用された電力を測定する無線電力メータから、データを無線で受信するようにプログラムされた請求項１に記載の基本ユニット。
12. 前記プロセッサおよびメモリは、前記無線電力メータから電気の変動コストを無線で受信するようにプログラムされた請求項１１に記載の基本ユニット。
13. 前記プロセッサおよびメモリは、前記制御判定に基づいて、過剰な電気を公益企業のグリッドに売り戻すようにプログラムされた請求項１に記載の基本ユニット。
14. 前記プロセッサおよびメモリは、外部で結合されたコンピュータにユーザインタフェースを提供するようにプログラムされ、前記ユーザインタフェースが、前記制御判定を行う際に使用される前記基本ユニットによって使用される設定をユーザが構成することを可能にする請求項１に記載の基本ユニット。
15. 前記プロセッサおよびメモリは、前記１つまたは複数の負荷による電力消費を、後の時間に延期するようにプログラムされた請求項１に記載の基本ユニット。
16. 前記測定値は、電圧、アンペア数および電力要素を含む電力測定値を備える請求項１に記載の基本ユニット。
17. プロセッサ、メモリおよび無線トランシーバを備えた無線負荷マネージャであって、前記プロセッサおよびメモリが、
    前記無線トランシーバを通じて、１つまたは複数の負荷によって現在消費されている電気の量を示す、前記無線負荷マネージャに結合された前記１つまたは複数の負荷からの測定値を無線基本ユニットに送信し、
    前記無線トランシーバを通じて、前記無線負荷マネージャに結合された１つまたは複数の負荷に対して電力が除去または減少されるべきであることを示す、前記無線基本ユニットからの１つまたは複数のコマンドを受信し、
    前記１つまたは複数のコマンドに応じて、前記１つまたは複数の負荷に対して電力を除去または減少するようにプログラムされた無線負荷マネージャ。
18. 前記測定値は、電圧、アンペア数および電力要素を備える請求項１７に記載の無線負荷マネージャ。
19. 前記無線負荷マネージャに結合された前記１つまたは複数の負荷によって使用された電力を測定する１つまたは複数の電流トランスデューサをさらに備える請求項１７に記載の無線負荷マネージャ。
20. 前記１つまたは複数の負荷に対して電力を除去するための１つまたは複数の中継器をさらに備える請求項１７に記載の無線負荷マネージャ。
21. 前記基本ユニットに送信される前記測定値は、前記トランスデューサを特定の負荷に関連させるトランスデューサインデックスを含む請求項１７に記載の無線負荷マネージャ。
22. 第１プロセッサ、第１メモリおよび第１無線トランシーバを備える無線基本ユニットであって、前記第１プロセッサおよび第１メモリが、前記第１無線トランシーバから１つまたは複数の負荷によって使用された電気を示す測定値を受信し、１つまたは複数の動的変数に基づいて制御判定を行い、前記１つまたは複数の負荷に対して電力を除去または減少するために、前記第１無線トランシーバを通じて１つまたは複数のコマンドを送信するようにプログラムされた無線基本ユニットと、
    第２プロセッサ、第２メモリおよび第２無線トランシーバを備える無線負荷マネージャであって、前記第２プロセッサおよび第２メモリが、前記第２無線トランシーバを通じて、１つまたは複数の負荷によって現在消費されている電気の量を示す、前記無線負荷マネージャに結合された前記１つまたは複数の負荷からの測定値を前記無線基本ユニットに送信し、前記第２無線トランシーバを通じて、前記無線負荷マネージャに結合された１つまたは複数の負荷に対して電力が除去または減少されるべきであることを示す前記無線基本ユニットからの１つまたは複数のコマンドを受信し、前記１つまたは複数のコマンドに応じて、前記１つまたは複数の負荷に対して電力を除去または減少するようにプログラムされた無線負荷マネージャとを組み合わせて備えるキット。
23. 前記制御判定は、電気の動的コストに基づく請求項２２に記載のキット。
24. 前記制御判定は、１つまたは複数の貯蔵デバイスの貯蔵充電に基づく請求項２２に記載のキット。
25. 前記制御判定は、代替の非グリッド電源の利用可能度に基づく請求項２２に記載のキット。
26. プロセッサ、メモリおよび無線トランシーバを備える無線デバイスであって、前記プロセッサおよびメモリが、
    ソーラーパネルによって作られたＤＣ電流を、無線基本ユニットによって制御される負荷によって使用されるＡＣ電流に変換するインバータに関連した少なくとも１つのインバータ設定を示す、前記無線基本ユニットから受信された１つまたは複数のコマンドを前記無線トランシーバから受信し、
    前記受信された１つまたは複数のコマンドに従って、前記インバータ上の設定を変更させる
    ようにプログラムされた無線デバイス。
27. 前記プロセッサおよびメモリは、前記１つまたは複数のコマンドを、前記基本ユニットに特有の第１プロトコルから前記インバータに特有の第２プロトコルに変換するようにプログラムされた請求項２６に記載の無線デバイス。
28. 前記プロセッサおよびメモリは、１つまたは複数のソーラーパネルから入手可能な電気を示す測定値を受信し、前記無線トランシーバを通じて、前記測定値を前記基本ユニットに無線で送信するようにプログラムされた請求項２６に記載の無線デバイス。

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