JP2012213284A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】専用のコンセントを設けることなく、発電部の補機に対して効率よく電力を供給できる発電システムを提供する。
【解決手段】発電部２として、補機を備えていない太陽電池２ａと、補機２０を備えている燃料電池２ｂとを備え、パワーコンディショナ４がこれらに対応する一対のコンバータ５ａ，５ｂと、これらに共用される１のインバータ６とを備える構成において、補機２０に電力を供給する補機電源部８が、太陽電池２ａが接続されたコンバータ５ａと、燃料電池２ｂが接続されたコンバータ５ｂと、インバータ６とに接続され、これらのうちのいずれかより電力供給が受けられるようにされている。
【選択図】図１

Description

この発明は発電システムに関し、より詳細には、補機を備えた発電部を有する発電システムにおける補機への電力供給技術に関する。

近時、二酸化炭素排出量の削減やエネルギの有効利用などの観点から、燃料電池による発電（燃料電池発電）に太陽電池による発電（太陽光発電）を組み合わせて使用する家庭用の発電システムが提供されている。

これら燃料電池発電や太陽光発電の発電設備は、いずれも直流電力を生成するものであることから、これらの発電設備で発電された電力を家庭負荷（電力負荷）で使用するために、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であるパワーコンディショナが用いられている。

ところで、このように太陽光発電と燃料電池発電とを併用する発電システムにおいては、従来、図４に示すように、太陽電池ａと燃料電池ｂをそれぞれ別個のパワーコンディショナｃ，ｃに接続していることから、これら二つのパワーコンディショナｃ、ｃにおいて、ほぼ同様の機能を有するインバータｅと表示部ｆとが重複するという無駄があった。

そのため、これら二つのパワーコンディショナｃ、ｃの重複部分をなくすものとして、図５（ａ）に示すような構成のパワーコンディショナｇが提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

この図５（ａ）に示すパワーコンディショナｇは、太陽電池ａと燃料電池ｂのそれぞれに専用のコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）ｄ、ｄを備える一方で、インバータｅをこれら二つのコンバータｄ、ｄに共用させて１基だけとし、さらに、表示部ｆも太陽電池発電と燃料電池発電とに共通させて１つにしている。

特開２００２−１３６１１２号公報 特開２００５−１５１６６２号公報

しかしながら、このような従来の構成には以下のような問題があり、その改善が望まれていた。

すなわち、燃料電池ｂは、発電中はもとより発電を開始する前の起動準備中においても当該燃料電池ｂに備えられた補機ｈに電力を供給する必要があることから、この種の発電システムでは、燃料電池ｂが未発電の状態でも補機ｈに電力が供給できるように、系統３から電力供給を受ける専用のコンセントｉが備えられている。しかし、このようなコンセントｉを備える構成は部品点数の増加を招くという問題がある。

一方、燃料電池ｂが発電を開始した後は、図５（ｂ）に示すように、燃料電池ｂで発電された電力をインバータｅで一旦交流に変換した後に補機ｈに供給することになるが、インバータｅには変換ロスがあることから、このようにインバータｅを介して補機ｈに電力を供給していたのでは、発電した電力の有効な利用という観点から問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、専用のコンセントを設けることなく、発電部の補機に対して効率よく電力を供給できる発電システムを提供することにあった。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発電システムは、複数の発電部と、これら発電部に対応して設けられる複数のコンバータが１のインバータに接続されているパワーコンディショナとを備え、上記発電部のうち少なくとも１の発電部が補機を備えている発電システムにおいて、上記補機に対して電力を供給する補機電源部が、上記補機を備えた発電部が接続されたコンバータと、他の発電部が接続されたコンバータと、系統からの交流電力を直流電力に変換して出力可能とされている部位とに接続され、これらのうちのいずれかより電力供給が受けられるように構成されていることを特徴とする。

すなわち、この請求項１に係る発明では、補機に電力を供給する補機電源部が、補機を備えた発電部が接続されたコンバータと、他の発電部が接続されたコンバータと、系統からの交流電力を直流電力に変換して出力可能にとされている部位とに接続されており、これらのうちのいずれかより電力供給が受けられるように構成されているので、たとえば、補機を備えた発電部が発電をしている状態であれば、補機電源部は、当該補機を備えた発電部で発電された電力を、当該発電部が接続されたコンバータから受けることができる。つまり、この場合、補機電源部はインバータを介することなく発電部で発電された電力の供給を受ける。また、補機を備えた発電部が発電をしていない状態で補機への電力供給が必要な場合においては、補機電源部は、他の発電部が発電中であれば当該発電中の他の発電部で発電された電力を、当該他の発電部が接続されたコンバータから受けることができる。つまり、この場合も補機電源部はインバータを介することなく他の発電部で発電された電力の供給を受ける。そして、他の発電部も発電していない場合については、補機電源部は、系統からの交流電力を直流電力に変換して出力可能にとされている部位、たとえば、インバータを介して系統から電力供給を受ける。つまり、この場合に限り補機電源部はインバータから電力の供給を受けることになる。

また、本発明の請求項２に記載の発電システムは、請求項１に記載の発電システムにおいて、上記補機電源部が、上記他の発電部が接続されたコンバータから電力供給を受けているときは、上記系統からの交流電力を直流電力に変換して出力可能とされている部位から補機電源部への電力供給は停止される制御構成を備えていることを特徴とする。

すなわち、この請求項２に係る発明では、他の発電部が接続されたコンバータから補機電源部に電力が供給されているときには、インバータや整流器など、系統からの交流電力を直流電力に変換して出力可能とされている部位から補機電源部への電力供給は停止される。つまり、この請求項２に係る発明では、補機電源部に対する電力供給元として、ＡＣ／ＤＣ変換に伴う電力ロスが大きいインバータや整流器などによる系統電力供給よりも電力ロスの少ないコンバータを優先するように構成されているので、補機電源部へ電力供給するにあたり、無駄が少なく電力の有効利用が図られる。

また、本発明の請求項３に記載の発電システムでは、上記補機電源部は、上記補機を備えた発電部が収容されるユニット内に配設されていることを特徴とする。

すなわち、この請求項３に係る発明では、補機に対して電力を供給する補機電源部が、当該補機を備えた発電部と同じユニット内に収容されるので、パワーコンディショナに補機電源部を設けなくてすみ、パワーコンディショナの小型化が図られる。

本発明によれば、パワーコンディショナと接続される発電部のうちの少なくとも１の発電部に補機が備えられている発電システムにおいて、補機に対して電力を供給する補機電源部が、補機を備えた発電部が接続されたコンバータ、他の発電部が接続されたコンバータおよびインバータなどの系統からの交流電力を直流電力に変換して出力可能とされる部位とに接続され、これらのうちのいずれかより電力供給が受けられるように構成されているので、たとえば、当該補機が備えられた発電部が発電していない場合には、補機電源部には他の発電部が接続されたコンバータまたはインバータなどから電力を供給することができるので、補機電源部用に系統と接続されたコンセントを用意する必要がない。

そして、本発明は、補機電源部に対して補機が備えられた発電部以外の発電部のコンバータから電力が供給されているときにはインバータからの電力供給を停止するように構成されることで、補機電源部への電力供給にあたり、電力ロスが少ない供給元を優先させることができ、電力を有効に利用することができる。

しかも、補機電源部を補機が備えられた発電部のユニットに収容することで、小型のパワーコンディショナを提供することができる。

本発明に係る発電システムの一実施形態の概略構成を示す回路ブロック図である。 同発電システムにおける補機への電力供給の一例を示す説明図である。 同発電システムの他の実施形態の概略構成を示す回路ブロック図である。 従来の発電システムの概略構成を示す回路ブロック図である。 従来の発電システムの他の一例を示しており、図５（ａ）は同発電システムの概略構成を示す回路ブロック図を、図５（ｂ）は同発電システムにおける補機への電力供給の一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
実施形態１
図１は、本発明を適用した発電システムの概略構成を示している。この発電システム１は、家庭用の発電システムであって、図１に示すように、複数の発電部（発電設備）２と、これら発電部２で発電された直流電力を系統（商用電力系統）３に連系可能な交流電力に変換するパワーコンディショナ４とを主要部として備えている。

発電部２は、家庭に設置される発電設備であって、発電部の起動・運転時などに電力を消費する周辺機器である補機を備えていない発電部と、このような補機を備えている発電部とを含んで構成されており、図示の実施形態では、補機を備えていない発電部として太陽電池２ａが用いられ、また、補機を備えている発電部として燃料電池２ｂが用いられている。

上記太陽電池２ａは、太陽光のエネルギを直流電力に変換する発電装置であって、複数の太陽電池セルを接続してなる太陽電池パネルを主要部として備えている。一方、燃料電池２ｂは、天然ガスなどの水素を含む燃料ガスと、空気などの酸素を含む酸化剤ガスとを供給し、水素と酸素を化学反応させて直流電力を得る発電装置であって、この燃料電池２ｂには、当該燃料電池の起動準備中や発電運転時に電力を消費するブロワやポンプなどで構成された補機２０が備えられている。なお、これら太陽電池２ａおよび燃料電池２ｂの構造はいずれも公知であるのでここでは詳細な説明は省略するが、燃料電池２ｂは発電を行うスタックと上記補機２０などが同一の筐体（図示せず）に収容されており、燃料電池ユニットとして一つのユニットを構成している。

パワーコンディショナ４は、上記太陽電池２ａと燃料電池２ｂとに共用されるインバータ装置であって、図１に示すように、上記各発電部２ａ，２ｂに対応して設けられる複数のコンバータ５（５ａ，５ｂ）と、これらコンバータ５ａ，５ｂに共用される１のインバータ６と、パワーコンディショナ４の各部を制御する制御部７と、上記燃料電池２ｂの補機２０に電力を供給する補機電源部８とを主要部として備えている。

上記コンバータ５は、上記インバータ６が系統３に供給可能な電圧（たとえば、ＡＣ２００Ｖ）の交流電力を生成できるように、発電部２から供給される直流電力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータで構成されている。各コンバータ５ａ，５ｂの具体的な構成・制御については、各コンバータ５ａ，５ｂに接続される発電部２の特性に応じて決定されており、本実施形態では、太陽電池２ａが接続されるコンバータ５ａには非絶縁型で最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）のコンバータが用いられる。また、燃料電池２ｂが接続されるコンバータ５ｂには絶縁型で入力電流制御のコンバータが用いられている。

そして、これらコンバータ５ａ，５ｂは、昇圧した直流電力が合成されてインバータ６に供給されるように、各コンバータ５ａ，５ｂの出力が接続点Ｘで接続され、この接続点Ｘがインバータ６のＤＣリンク部（図示せず）に接続されている。

上記インバータ６は、上記コンバータ５ａ，５ｂで昇圧された直流電力を系統３に連系可能な電圧・周波数の交流電力（たとえば、単相三線式１００Ｖ）に変換するＤＣ−ＡＣインバータで構成される。そして、このインバータ６は、コンバータ５から供給される直流電力を交流電力に変換して系統３に供給する正動作（ＤＣ／ＡＣ変換動作）と、系統３から供給される交流電力を直流電力に変換してＤＣリンク部に供給する逆動作（ＡＣ／ＤＣ変換動作）とが行えるように構成されている。

上記制御部７は、図示しないマイコンを制御中枢として備える制御装置であって、パワーコンディショナ４の各部に備えられる各種のセンサ類で得られる情報に基づいて、パワーコンディショナ４の各部の動作を制御するように構成されている。具体的には、この制御部７は、コンバータ５ａ，５ｂの運転／停止や、インバータ６の運転／停止ならびに正動作／逆動作の制御などの各種制御を行うようになっている。

上記補機電源部８は、燃料電池２ｂの補機２０に電力を供給するための電源装置であって、この補機電源部８は入力部から直流電力の供給を受けて出力部から補機２０で必要とされている所望の電圧（たとえば、ＤＣ２４Ｖ）の直流電力を出力する絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータが用いられている。そして、その入力部は、上記コンバータ５ａ，５ｂの接続点Ｘと上記インバータ６のＤＣリンク部との間に接続されており（図１の接続点Ｙの位置を参照）、その出力部は配電線９を介して燃料電池２ｂの補機２０に接続されている。つまり、この補機電源部８は、太陽電池２ａが接続されるコンバータ５ａと、燃料電池（他の発電部）２ｂが接続されるコンバータ５ｂと、インバータ６とに接続されており、これらコンバータ５ａ、５ｂおよびインバータ６のいずれかより直流電力の供給が受けられるように構成されている。

しかして、このように構成された発電システム１においては、太陽電池２ａまたは燃料電池２ｂの少なくともいずれか一方が発電を開始する場合には、上記制御部７は、発電を開始した発電部２が接続されているコンバータ５を運転させるとともに、インバータ６を正動作させて、コンバータ５から出力される直流電力をインバータ６で交流電力に変換し、系統３に連系させるためのその他の処理（たとえば、図示しない系統連系用のリレーの接続処理など）を実行する。

そして、本実施形態の発電システムでは、燃料電池２ｂの補機２０に対する電力供給は、太陽電池２ａや燃料電池２ｂの発電の有無に応じて、その電力供給元を以下のように切り替えて行っている。

（１）太陽電池２ａおよび燃料電池２ｂの双方とも発電していない場合
太陽電池２ａおよび燃料電池２ｂの双方ともに発電をしていない場合、制御部７は、インバータ６を逆動作させて、系統３から供給される交流電力をインバータ６で直流電力に変換してＤＣリンク部から出力する。このとき、太陽電池２ａおよび燃料電池２ｂは双方ともに発電していないので、制御部７はコンバータ５ａ、５ｂの運転を停止させており、インバータ６から出力される直流電力が補機電源部８に供給され、補機電源部８から補機２０に電力が供給される。したがって、この場合、燃料電池２ｂの起動に必要な補機２０の電力は系統３から供給される（図２の矢符Ａ参照）。

（２）太陽電池２ａが発電中で、燃料電池２ｂは発電していない場合
太陽電池２ａが発電中である場合、制御部７は、太陽電池２ａの発電開始に伴ってコンバータ５ａを運転させるとともに、インバータ６を正動作させるので、太陽電池２ａで発電された電力はコンバータ５ａを介してインバータ６と補機電源部８に供給される。そのため、この場合には、補機電源部８に太陽電池２ａで発電された電力が供給される（図２の矢符Ｂ参照）。なお、このときインバータ６は正動作しているため、インバータ６から補機電源部８に対しての電力は供給されない。また、この場合、燃料電池２ｂは発電していないので、コンバータ５ｂからも補機電源部８に電力は供給されない。

（３）燃料電池２ｂが発電中である場合
燃料電池２ｂが発電中である場合、制御部７は、燃料電池２ｂの発電開始に伴ってコンバータ５ｂを運転させており、インバータ６は正動作をしているので、燃料電池２ｂで発電された電力はコンバータ５ｂを介してインバータ６と補機電源部８に供給される。そのため、この場合、補機電源部８には太陽電池２ａで発電された電力が供給される（図２の矢符Ｃ参照）。なお、このとき太陽電池２ａも発電中であれば、補機電源部８には太陽電池２ａで発電された電力と燃料電池２ｂで発電された電力の双方が供給される。

このように、本実施形態の発電システム１では、補機電源部８が太陽電池２ａのコンバータ５ａと、燃料電池２ｂのコンバータ５ｂと、インバータ６とに接続されているので、補機電源部８にはこれらのうちのいずれかより電力が供給されるので、太陽電池２ａや燃料電池２ｂの発電の有無を問わず、補機２０に対して常に電力が供給され得る。

しかもこの場合、補機電源部８が、補機２０を備えた燃料電池２ｂ以外の発電部である太陽電池２ａから電力供給を受けているときには、制御部７は，インバータ６から補機電源部８への電力供給を停止させているので、補機電源部８への電力供給にあたり、ＡＣ／ＤＣ変換時の電力ロスが多いインバータ６からの電力供給に優先して、かかるロスの少ないコンバータ５からの電力供給が選択されることとなり、無駄な電力の消費を抑えて電力を有効に利用することができる。

実施形態２
次に、本発明の第２の実施形態について図３に基づいて説明する。
この第２の実施形態は、図３に示すように、上述した実施形態１における補機電源部８の配設位置を改変したものであって、本実施形態では、補機電源部８は燃料電池２ｂ側に設けられている。なお、その他の基本構成は上述した実施形態１と共通するので、構成が共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。

具体的には、本実施形態の発電システム１では、補機電源部８は燃料電池２ｂのスタックなどを収容するユニット内に配設されている。つまり、補機電源部８は燃料電池２ｂを収容する同一筐体内に配設されている。そして、この改変に伴って、補機発電部８と上記パワーコンディショナ４における上記接続点Ｙとの間には配線１０が設けられる。

しかして、このように構成された発電システム１における補機電源部８への電力供給の方法は、上述した実施形態１と同様であり、したがって、この実施形態に示す発電システム１でも実施形態１と同様の効果が得られる。そして、本実施形態の発電システム１では、補機電源部８を燃料電池２ｂ側のユニットに収容したことから、パワーコンディショナ４の部品点数が少なくてすむので、パワーコンディショナ４の小型化を図ることができる。

なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、補機２０を備えていない発電部として太陽電池２ａを、また、補機２０を備えている発電部として燃料電池２ｂを用いた場合を示したが、これらは太陽電池や燃料電池に限られず他の発電設備で構成されていてもよい。

また、上述した実施形態では、上記コンバータ５ａとして非絶縁型で最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）のコンバータを用いた場合を示したが、このコンバータ５ａには絶縁型のコンバータを用いることも可能である。

また、上述した実施形態では、補機電源部８は、その入力部が太陽電池２ａが接続されるコンバータ５ａと、燃料電池（他の発電部）２ｂが接続されるコンバータ５ｂと、系統連系用のインバータ６とに接続されている場合を示したが、補機電源部８の入力部の接続先として、上記インバータ６に代えて、または、上記インバータ６とともに、系統３から供給される交流電力を直流電力に変換して出力可能とされている部位、たとえば、制御部７で開閉制御可能な制御スイッチのような開閉器を介して、系統３から供給される交流電力をダイオードブリッジなどの整流器で整流して直流電力として取り出せるように構成されている部位を接続するなどの構成を採用することができる。

また、上述した実施形態では、補機電源部８の入力部に接続されるコンバータ５が、太陽電池２ａが接続されるコンバータ５ａと燃料電池２ｂが接続されるコンバータ５ｂの２つである場合を示したが、これら以外にも発電部２と接続されるコンバータ５が設けられている場合には、当該コンバータも補機電源部８の入力部と接続しておくことができる。

さらに、上述した実施形態では、補機電源部８が太陽電池２ａから電力供給を受けているときには、インバータ６から補機電源部８への電力供給を停止させる構成を示したが、補機電源部８が太陽電池２ａから電力供給を受けている場合であっても、必要であれば、一時的にインバータ６や上記整流器などを通じて系統３からも補機電源部８に電力を供給するように構成してもよい。

１ 発電システム
２ 発電部
２ａ 太陽電池
２ｂ 燃料電池
３ 系統
４ パワーコンディショナ
５，５ａ，５ｂ コンバータ
６ インバータ
７ 制御部
８ 補機電源部
２０ 補機

Claims (3)

1. 複数の発電部と、これら発電部に対応して設けられる複数のコンバータが１のインバータに接続されているパワーコンディショナとを備え、前記発電部のうち少なくとも１の発電部が補機を備えている発電システムにおいて、
   前記補機に対して電力を供給する補機電源部が、前記補機を備えた発電部が接続されたコンバータと、他の発電部が接続されたコンバータと、系統からの交流電力を直流電力に変換して出力可能とされている部位とに接続され、これらのうちのいずれかより電力供給が受けられるように構成されていることを特徴とする発電システム。
2. 前記補機電源部が、前記他の発電部が接続されたコンバータから電力供給を受けているときは、前記系統からの交流電力を直流電力に変換して出力可能とされている部位から補機電源部への電力供給は停止される制御構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記補機電源部は、前記補機を備えた発電部が収容されるユニット内に配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。

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