JP2012016253A - エネルギ管理システム - Google Patents

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Masaaki Terano
真明 寺野
Hiroaki Koshin
博昭 小新
Satoru Inakagata
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Abstract

【課題】電気エネルギや熱エネルギの生成と利用を効率よく行って省エネルギ化を図る。
【解決手段】本実施形態のエネルギ管理システムでは、太陽光発電システム１で生成される電気エネルギの余剰分が逆潮流されることで省エネルギ化と電気料金の削減を図ることができる。しかも、逆潮流ができないときはヒートポンプ給湯システム３や氷蓄熱式空調システム４を運転して電気エネルギの余剰分の一部(ヒートポンプ給湯機30や製氷装置40で消費される電力を差し引いた残りの分)が熱エネルギに変換されて貯蔵される。したがって、電気エネルギや熱エネルギの生成と利用を効率よく行って省エネルギ化を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、住宅や事務所などで消費されるエネルギを管理するエネルギ管理システムに関する。
従来、省エネルギ化を図るために、再生可能エネルギを電気エネルギに変換する太陽光発電システムや、大気中の熱エネルギを湯や氷として貯蔵し、給湯や冷暖房に利用するヒートポンプ給湯システムや氷蓄熱式空調システムなどが採用されている。なお、特許文献１には、電気料金の安い深夜の時間帯にヒートポンプ給湯機を運転して翌日に使用される湯を貯湯タンクに貯蔵することにより、電気料金の削減を図ったヒートポンプ給湯システムが記載されている。
特開平９−６８３６９号公報(段落００１６参照)
ところで、従来は電気エネルギを生成する太陽光発電システムや熱エネルギを貯蔵するヒートポンプ給湯システム又は氷蓄熱式空調システムなどは、それぞれ単独で運転されていた。そのため、生成された電気エネルギや貯蔵されている熱エネルギが効率よく利用(消費)できない場合があった。
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、電気エネルギや熱エネルギの生成と利用を効率よく行って省エネルギ化を図ることを目的とする。
本発明のエネルギ管理システムは、太陽電池並びに当該太陽電池で生成される電気エネルギを所定の電気エネルギに変換するパワーコンディショナを有する系統連系形の太陽光発電システムと、蓄電池並びに当該蓄電池に電気エネルギを蓄電し且つ蓄電されている電気エネルギを放電させる充放電装置を有する蓄電池システムと、電気エネルギを消費して湯を生成するヒートポンプ給湯機並びに貯湯槽を有するヒートポンプ給湯システムと、電気エネルギを消費して氷を生成する製氷装置並びに生成された氷を蓄える蓄熱槽を有する氷蓄熱式の空調システムとを有し、前記太陽光発電システムで生成される電気エネルギが前記蓄電池に蓄電され、当該蓄電池に充電できない余剰の電気エネルギが前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムで熱エネルギに変換されて消費又は保存されることを特徴とする。
このエネルギ管理システムにおいて、前記パワーコンディショナ、前記充放電装置、前記ヒートポンプ給湯機、前記製氷装置の間で相互に電気エネルギの余剰分に関する情報が伝送され、当該情報に基づいて、前記太陽光発電システム又は前記蓄電池システムから前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムに余剰の電気エネルギが供給されることが好ましい。
このエネルギ管理システムにおいて、前記パワーコンディショナ、前記充放電装置、前記ヒートポンプ給湯機、前記製氷装置の間で相互に熱エネルギの余剰分に関する情報が伝送され、当該情報に基づいて、前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムから前記太陽光発電システム又は前記蓄電池システムに余剰の熱エネルギが供給されることが好ましい。
このエネルギ管理システムにおいて、前記パワーコンディショナ及び前記充放電装置から電気エネルギの余剰分に関する情報が伝送され、当該情報に基づいて、前記太陽光発電システム又は前記蓄電池システムから前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムに余剰の電気エネルギを供給させる制御装置を備えることが好ましい。
このエネルギ管理システムにおいて、前記ヒートポンプ給湯機及び前記製氷装置から熱エネルギの余剰分に関する情報が伝送され、当該情報に基づいて、前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムから前記太陽光発電システム又は前記蓄電池システムに余剰の熱エネルギを供給させる制御装置を備えることが好ましい。
本発明のエネルギ管理システムは、電気エネルギや熱エネルギの生成と利用を効率よく行って省エネルギ化を図ることができるという効果がある。
(ａ)は実施形態１のシステム構成図、(ｂ)はブロック図である。 (ａ)は実施形態２のシステム構成図、(ｂ)はブロック図である。
以下、戸建住宅向けのエネルギ管理システムに本発明の技術思想を適用した実施形態について説明する。但し、本発明に係るエネルギ管理システムは戸建住宅向けに限定されるものではなく、集合住宅や商業施設、オフィスビルなどにも設置することが可能である。
(実施形態１)
本実施形態のエネルギ管理システムは、図１(ａ)に示すように太陽光発電システム１と、蓄電池システム２と、ヒートポンプ給湯システム３と、氷蓄熱式空調システム４と、電力量計６とで構成されている。
太陽光発電システムは、電力量計６を介して商用の交流電力系統７と接続された系統連系形のものであって、太陽エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池アレイ10と、太陽電池アレイ10で生成(変換)される電気エネルギを負荷(住宅内の電気機器など)に適した所定の電気エネルギに変換するパワーコンディショナ11とを備えている。パワーコンディショナ11は、太陽電池アレイ10又は交流電力系統７から供給される電気エネルギを、給電線L2を介して住宅内の種々の負荷(ヒートポンプ給湯システム３と氷蓄熱式空調システム４を含む。以下同じ。)に供給している。また、パワーコンディショナ11は、後述するように電気エネルギの余剰分を、電力線L1を介して交流電力系統７に逆潮流(売電)することもできる。
蓄電池システム２は、リチウムイオン電池などの蓄電池20と、パワーコンディショナ11から給電線L3を介して供給される電気エネルギを蓄電池20に充電するとともに、蓄電池20に蓄えられた電気エネルギを放電させてパワーコンディショナ11経由で負荷に供給する充放電装置21とを備えている。
ヒートポンプ給湯システム３は、給電線L2を介して供給される電気エネルギを消費して湯を生成するヒートポンプ給湯機30と、ヒートポンプ給湯機30で生成される湯を貯蔵する貯湯槽31とを備えている。なお、貯湯槽31には温水配管P1が接続されており、図示しない循環ポンプによって貯湯槽31に蓄えられた湯(熱エネルギ)が温水配管P1に循環されるようになっている。そして、太陽電池アレイ10並びに蓄電池20の近傍に熱交換器(図示せず)が設置され、温水配管P1を循環する湯(温水)の熱エネルギが熱交換器を介して供給されることで太陽電池アレイ10や蓄電池20が保温されるようになっている。
氷蓄熱式空調システム４は、給電線L2を介して供給される電気エネルギを消費して氷を生成する製氷装置40と、生成された氷を蓄える蓄熱槽41と、蓄熱槽41に蓄えられた氷(熱エネルギ)を放熱して室内を冷房する放熱器42とを備えている。なお、蓄熱槽41には冷気配管P2が接続されており、図示しない循環ポンプによって蓄熱槽41に蓄えられた熱エネルギ(冷気)が冷気配管P2に循環されるようになっている。そして、太陽電池アレイ10並びに蓄電池20の近傍に放熱器(図示せず)が設置され、冷気配管P2を循環する冷気の熱エネルギが放熱器を介して供給されることで太陽電池アレイ10や蓄電池20が冷却されるようになっている。
電力量計６は、交流電力系統７からパワーコンディショナ11に流れる電力量(買電電力量)と、パワーコンディショナ11から交流電力系統７に逆潮流する電力量(売電電力量)とを個別に計測する機能を有している。
ここで、パワーコンディショナ11並びに充放電装置21、ヒートポンプ給湯機30、製氷装置40、電力量計６は、それぞれコントローラ100と信号伝送部101を具備している(図１(ｂ)参照)。信号伝送部101は、電力線L1又は給電線L2,L3を伝送路としてデータ伝送を行うものであって、例えば、電力線L1や給電線L2,L3を介して供給される交流電圧や直流電圧に高周波の信号電圧を重畳している。但し、このように給電用の線路とデータ伝送用の伝送路とを共用する技術については、例えば、電力線搬送通信のように従来周知であるから詳細な説明は省略する。コントローラ100はCPUなどのプロセッサからなり、当該プロセッサでそれぞれ専用のプログラムを実行することによって、後述する処理を行っている。なお、各コントローラ100には固有の識別符号が割り当てられており、当該識別符号がデータ伝送における各コントローラ100のアドレスとなる。
次に、本実施形態の動作を説明する。まず、電気エネルギの利用について説明する。
パワーコンディショナ11は、太陽電池アレイ10で生成される電気エネルギを充放電装置21に送出することで蓄電池20に蓄電させる。充放電装置21のコントローラ100は蓄電池20の蓄電量を常に監視しており、蓄電池20が満充電になると充電停止のコマンドを信号伝送部101より給電線L3を介してパワーコンディショナ11のコントローラ100に伝送する。一方、パワーコンディショナ11のコントローラ100は、充放電装置21のコントローラ100から充電停止のコマンドを受け取るまでは給電線L3を介して電気エネルギを供給し、充電停止のコマンドを受け取るとその供給を停止する。さらに、パワーコンディショナ11のコントローラ100は、交流電力系統７への逆潮流(売電)の可否を問い合わせるコマンドを信号伝送部101より電力線L1を介して電力量計６に伝送する。電力量計６のコントローラ100は、前記コマンドを受け取ると、現在の交流電力系統７の状態に基づいて逆潮流(売電)の可否を判断し、その判断結果を信号伝送部101より電力線L1を介してパワーコンディショナ11のコントローラ100に伝送する。電力量計６は、交流電力系統７の系統電圧が所定の電圧を超えているとき、あるいは１日の売電量(積算電力量)が所定の上限値を超えているときは、何れも逆潮流不可と判断し、それ以外のときは逆潮流可と判断する。
パワーコンディショナ11のコントローラ100は、電力量計６のコントローラ100から受け取った判断結果が逆潮流可であれば、太陽電池アレイ10で生成される電気エネルギを電力線L1を介して交流電力系統７に逆潮流する。一方、電力量計６のコントローラ100から受け取った判断結果が逆潮流不可であれば、パワーコンディショナ11のコントローラ100は、ヒートポンプ給湯機30のコントローラ100又は製氷装置40のコントローラ100の少なくとも何れか一方に対して、運転開始を指示するコマンドを信号伝送部101より給電線L2を介して伝送する。
ヒートポンプ給湯機30のコントローラ100又は製氷装置40のコントローラ100は、パワーコンディショナ11のコントローラ100から運転開始のコマンドを受け取ると運転を開始し、給電線L2を介して供給される電気エネルギを消費して湯又は氷を生成し、貯湯槽31又は蓄熱槽41に貯蔵する。
また、本実施形態では電気エネルギだけでなく、熱エネルギについても各システム間で融通し合うことができる。例えば、気温が低下すると太陽電池アレイ10や蓄電池20の性能が低下することがあるので、貯湯槽31に貯蔵された熱エネルギを利用して太陽電池アレイ10や蓄電池20を暖めてやれば、低気温時の性能低下を抑制することができる。反対に、気温が上昇すると太陽電池アレイ10や蓄電池20の性能が低下することがあるので、蓄熱槽41に貯蔵された熱エネルギを利用して太陽電池アレイ10や蓄電池20を冷却してやれば、高気温時の性能低下を抑制することができる。
次に、熱エネルギの利用について説明する。パワーコンディショナ11のコントローラ100並びに充放電装置21のコントローラ100には、外気温を検出する温度センサ(図示せず)が接続されている。そして、温度センサで検出される外気温(１日の最高気温)が高温域(例えば、摂氏30度以上)に達すると、パワーコンディショナ11のコントローラ100並びに充放電装置21のコントローラ100から製氷装置40のコントローラ100に対して、冷却要求のコマンドが信号伝送部101より伝送される。当該コマンドを受け取った製氷装置40のコントローラ100は、蓄熱槽41の蓄熱量(氷の量)が満杯であるか、あるいは自身の製氷能力に余裕があれば、循環ポンプを動作させて蓄熱槽41から冷気配管P2を通して冷気を循環させる。そして、冷気配管P2を循環する冷気の熱エネルギが放熱器を介して太陽電池アレイ10や蓄電池20に供給されて冷却されることになる。
一方、温度センサで検出される外気温(１日の最低気温)が低温域(例えば、摂氏0度以下)に達すると、パワーコンディショナ11のコントローラ100並びに充放電装置21のコントローラ100からヒートポンプ給湯機30のコントローラ100に対して、保温要求のコマンドが信号伝送部101より伝送される。当該コマンドを受け取ったヒートポンプ給湯機30のコントローラ100は、貯湯槽31の湯量が満杯であるか、あるいは自身の給湯能力に余裕があれば、循環ポンプを動作させて貯湯槽31から温水配管P1を通して湯(熱エネルギ)を循環させる。そして、温水配管P1を循環する湯(温水)の熱エネルギが熱交換器を介して太陽電池アレイ10や蓄電池20に供給されて保温されることになる。
このように本実施形態のエネルギ管理システムでは、太陽光発電システム１で生成される電気エネルギの余剰分が逆潮流されることで省エネルギ化と電気料金の削減を図ることができる。しかも、逆潮流ができないときはヒートポンプ給湯システム３や氷蓄熱式空調システム４を運転して電気エネルギの余剰分の一部(ヒートポンプ給湯機30や製氷装置40で消費される電力を差し引いた残りの分)が熱エネルギに変換されて貯蔵される。したがって、電気エネルギや熱エネルギの生成と利用を効率よく行って省エネルギ化を図ることができる。
(実施形態２)
本実施形態のエネルギ管理システムは、図２(ａ)に示すように太陽光発電システム１と、蓄電池システム２と、ヒートポンプ給湯システム３と、氷蓄熱式空調システム４と、制御装置５と、電力量計６とで構成されている。但し、制御装置５以外の構成については、実施形態１と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
制御装置５は、図１(ｂ)に示すようにコントローラ50と信号伝送部51と記憶部52と環境センサ53とを具備している。信号伝送部51は、電力線L1並びに給電線L2,L3を伝送路としてデータ伝送を行うものであって、例えば、電力線L1並びに給電線L2,L3を介して供給される交流電圧や直流電圧に高周波の信号電圧を重畳している。環境センサ53は、外気温や外気湿度、日射量などを定期的(例えば、数分〜数十分毎)に検出し、それぞれの検出値をコントローラ50に出力する。コントローラ50はCPUなどのプロセッサからなり、当該プロセッサで専用のプログラムを実行することによって、後述する処理を行っている。またコントローラ50は、環境センサ53から受け取る外気温、外気湿度、日射量などの検出値のデータを、それぞれの検出値データが取得された日付及び時刻を示すタイムスタンプとともに、電気的に書換可能な不揮発性半導体メモリ(例えば、フラッシュメモリなど)からなる記憶部52に記憶する。なお、コントローラ50には固有の識別符号が割り当てられており、当該識別符号がデータ伝送における各コントローラ50のアドレスとなる。
本実施形態においては、パワーコンディショナ11、充放電装置21、ヒートポンプ給湯機30、製氷装置40、電力量計６のそれぞれのコントローラ100より、電気エネルギや熱エネルギの余剰分に関する情報が制御装置５に伝送される。パワーコンディショナ11のコントローラ100は、太陽電池アレイ10の発電量や発電効率(総合システム効率)、太陽電池アレイ10の温度などの計測値を信号伝送部101より制御装置５へ伝送している。充放電装置21のコントローラ100は、蓄電池20の充電量(あるいは満充電に対する割合)や放電量、充放電の効率、蓄電池20の温度などの計測値を信号伝送部101より制御装置５へ伝送している。ヒートポンプ給湯機30のコントローラ100は、貯湯槽310の貯湯量(あるいは満水量に対する割合)や給湯量などの計測値を信号伝送部101より制御装置５へ伝送している。製氷装置40のコントローラ100は、蓄熱槽41の蓄熱量(氷の量)や放熱量(放熱器42に供給される冷気の量)などの計測値を信号伝送部101より制御装置５へ伝送している。電力量計６のコントローラ100は、交流電力系統７から受電(買電)した電力量(系統受電電力量)や交流電力系統７へ逆潮流(売電)した電力量(逆潮流電力量)、１日の逆潮流電力量の上限値に対する達成率などの計測値及び逆潮流の可否の情報を信号伝送部101より制御装置５へ伝送している。
一方、制御装置５においては、パワーコンディショナ11、充放電装置21、ヒートポンプ給湯機30、製氷装置40、電力量計６の信号伝送部101から伝送されてくる計測値などの情報(データ)が信号伝送部101で受信され、タイムスタンプとともに記憶部52に記憶される。
次に、本実施形態の動作を説明する。まず、電気エネルギの利用について説明する。
制御装置５のコントローラ50は、記憶部52に記憶している情報(データ)を参照し、１乃至複数の情報(検出値や計測値等)が所定の条件を満たす場合、ヒートポンプ給湯機30のコントローラ100又は製氷装置40のコントローラ100の少なくとも何れか一方に対して、運転開始を指示するコマンドを信号伝送部51より給電線L2を介して伝送する。前記条件とは、例えば、太陽電池アレイ10の発電量が充分に多く、蓄電池20の充電量が満充電であり、逆潮流が不可又は逆潮流電力量の達成率が100%であり、日射量が所定量を超え、且つ貯湯量又は蓄熱量がしきい値を下回っていることである。但し、この条件は一例であって、その他の条件が設定される場合もある。
ヒートポンプ給湯機30のコントローラ100又は製氷装置40のコントローラ100は、制御装置５のコントローラ50から運転開始のコマンドを受け取ると運転を開始し、給電線L2を介して供給される電気エネルギを消費して湯又は氷を生成し、貯湯槽31又は蓄熱槽41に貯蔵する。
次に、熱エネルギの利用について説明する。制御装置５のコントローラ50は、記憶部52に記憶している情報(データ)を参照し、１乃至複数の情報(検出値や計測値等)が所定の条件を満たす場合、ヒートポンプ給湯機30のコントローラ100に対して保温要求のコマンドを信号伝送部51より伝送する。前記条件とは、例えば、発電効率が低く且つ太陽電池アレイ10の温度が下限値を下回っており、さらに貯湯槽31の貯湯量が満水量の60%以上残っていることである。あるいは、充放電の効率が低く且つ蓄電池20の温度が下限値を下回っており、さらに貯湯槽31の貯湯量が満水量の60%以上残っていることである。但し、これらの条件は一例であって、その他の条件が設定される場合もある。
制御装置５からコマンドを受け取ったヒートポンプ給湯機30のコントローラ100は、循環ポンプを動作させて貯湯槽31から温水配管P1を通して湯(熱エネルギ)を循環させる。そして、温水配管P1を循環する湯(温水)の熱エネルギが熱交換器を介して太陽電池アレイ10や蓄電池20に供給されて保温される。
また、発電効率や充放電効率が低く且つ太陽電池アレイ10の温度又は蓄電池20の温度が上限値を上回っており、さらに蓄熱槽41の蓄熱量が満氷量の60%以上残っていることを条件としてもよい。そして、この条件が満たされた場合、制御装置５のコントローラ50は、製氷装置40のコントローラ100に対して冷却要求のコマンドを信号伝送部51より伝送する。
制御装置５からコマンドを受け取った製氷装置40のコントローラ100は、循環ポンプを動作させて蓄熱槽41から冷気配管P2を通して冷気を循環させる。そして、冷気配管P2を循環する冷気の熱エネルギが放熱器を介して太陽電池アレイ10や蓄電池20に供給されて冷却される。
このように本実施形態のエネルギ管理システムは、実施形態１と同様に、太陽光発電システム１で生成される電気エネルギの余剰分が逆潮流されることで省エネルギ化と電気料金の削減を図ることができる。しかも、逆潮流ができないときはヒートポンプ給湯システム３や氷蓄熱式空調システム４を運転して電気エネルギの余剰分の一部が熱エネルギに変換されて貯蔵される。したがって、電気エネルギや熱エネルギの生成と利用を効率よく行って省エネルギ化を図ることができる。さらに、実施形態１では、パワーコンディショナ11、充放電装置21、ヒートポンプ給湯機30、製氷装置40、電力量計６が具備するコントローラ100が分散制御を行っているが、本実施形態では、制御装置５が集中制御を行っている。分散制御方式では、新たなシステムが追加されても他の既存のシステムに変更を加える必要が無いという利点がある。一方、集中制御方式では、新たなシステムが追加されると制御装置５の制御内容(プログラム)の変更が必要になるが、個々のシステム毎の専用プログラムが不要になるという利点がある。
１ 太陽光発電システム
２ 蓄電池システム
３ ヒートポンプ給湯システム
４ 氷蓄熱式空調システム
10 太陽電池アレイ
11 パワーコンディショナ
20 蓄電池
21 充放電装置
30 ヒートポンプ給湯機
31 貯湯槽
40 製氷装置
41 蓄熱槽

Claims (5)

  1. 太陽電池並びに当該太陽電池で生成される電気エネルギを所定の電気エネルギに変換するパワーコンディショナを有する系統連系形の太陽光発電システムと、蓄電池並びに当該蓄電池に電気エネルギを蓄電し且つ蓄電されている電気エネルギを放電させる充放電装置を有する蓄電池システムと、電気エネルギを消費して湯を生成するヒートポンプ給湯機並びに貯湯槽を有するヒートポンプ給湯システムと、電気エネルギを消費して氷を生成する製氷装置並びに生成された氷を蓄える蓄熱槽を有する氷蓄熱式の空調システムとを有し、前記太陽光発電システムで生成される電気エネルギが前記蓄電池に蓄電され、当該蓄電池に充電できない余剰の電気エネルギが前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムで熱エネルギに変換されて消費又は保存されることを特徴とするエネルギ管理システム。
  2. 前記パワーコンディショナ、前記充放電装置、前記ヒートポンプ給湯機、前記製氷装置の間で相互に電気エネルギの余剰分に関する情報が伝送され、当該情報に基づいて、前記太陽光発電システム又は前記蓄電池システムから前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムに余剰の電気エネルギが供給されることを特徴とする請求項１記載のエネルギ管理システム。
  3. 前記パワーコンディショナ、前記充放電装置、前記ヒートポンプ給湯機、前記製氷装置の間で相互に熱エネルギの余剰分に関する情報が伝送され、当該情報に基づいて、前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムから前記太陽光発電システム又は前記蓄電池システムに余剰の熱エネルギが供給されることを特徴とする請求項１又は２記載のエネルギ管理システム。
  4. 前記パワーコンディショナ及び前記充放電装置から電気エネルギの余剰分に関する情報が伝送され、当該情報に基づいて、前記太陽光発電システム又は前記蓄電池システムから前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムに余剰の電気エネルギを供給させる制御装置を備えることを特徴とする請求項１記載のエネルギ管理システム。
  5. 前記ヒートポンプ給湯機及び前記製氷装置から熱エネルギの余剰分に関する情報が伝送され、当該情報に基づいて、前記ヒートポンプ給湯システム又は前記氷蓄熱式空調システムから前記太陽光発電システム又は前記蓄電池システムに余剰の熱エネルギを供給させる制御装置を備えることを特徴とする請求項１又は４記載のエネルギ管理システム。
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