JP2013135517A

JP2013135517A - 発電装置

Info

Publication number: JP2013135517A
Application number: JP2011283925A
Authority: JP
Inventors: Takashi Abe; 隆阿部
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-08
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: JP5864247B2

Abstract

【課題】電力負荷に対して、主に太陽電池からの電力を供給し、太陽電池の発電量が低下した場合には、エンジン発電機から電力を供給し、このエンジン発電機が立ち上がるまでの間、バッテリからの電力を供給して、安定的した電力を供給できる発電装置を提供する。
【解決手段】太陽電池２とバッテリ３とエンジン発電機４とインバータ５とを備える発電装置１であって、太陽電池２の出力電圧検知手段２２と、バッテリ出力切換手段３３と、エンジン始動手段４３と、制御手段７とを備え、制御手段７は、太陽電池２の出力電圧Ｖｓが第１設定値Ｖ１未満となると、エンジン始動手段４３を作動させるとともに、バッテリ出力切換手段３３を切り換えてバッテリ３から電力負荷６に電力を供給し、エンジン発電機４からの出力電圧Ｖｇが第３設定値Ｖ３に達すると、バッテリ出力切換手段３３を切り換えてバッテリ３から電力供給を停止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ発電装置の技術に関する。詳しくは、エンジン発電機に備えられたインバータの入力側に、太陽電池とバッテリからの電力供給を可能とするとともに、太陽電池の出力に応じて、バッテリの出力とエンジン発電機の出力を制御できるようにした発電装置の技術に関する。

従来から太陽電池や風力発電装置やバッテリやガスエンジン発電機の出力側を一つのインバータの入力側に接続し、該インバータから商用電源に安定的に電力を供給できるようにした技術が公知となっている。例えば、特許文献１に記載の技術である。
一方、商用電源網が配備されていない辺境の地、例えば、離島や山奥や砂漠等においては、電圧変動が大きい風力発電よりも太陽電池やエンジン発電機を利用して電力の供給が行われる。

特開２００３−２５０２２２号公報

前記特許文献１の技術のように、複数の分散型電力発生源からの電力は、一旦、直流変換装置により直流に変換し、この直流電力をインバータにより交流に変換して、商用電源に供給する。商用電源は、電圧や周波数を厳密に管理しておく必要があるために、前記分散型電力発生源からの電圧が低下すると、直流側変換装置において、電圧を上昇させる必要があり、設定電圧に維持するための制御は複雑となり、高価な電気機器が必要となる。
また、燃料電池で直流を発生させる場合、その応答性の悪さを解消するためにガスエンジン発電機を並列に接続し、所定の直流電力が得られるようにガスエンジン発電機を制御することも行われている。しかし、ガスエンジン発電機は常時作動させておく必要があり、ランニングコストが高くなる。

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、電力負荷に対しては、主に太陽電池からの電力を供給し、太陽電池の発電量が低下すると、エンジン発電機を作動して電力供給を継続できるようにし、このエンジン発電機の立ち上り時の電圧不安定期間は、バッテリから電力を供給して、電圧低下が生じることがなく安定して継続的に電力を供給できる発電装置を提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、太陽電池とバッテリとエンジン発電機とインバータとを備える発電装置であって、太陽電池の出力電圧検知手段と、バッテリ出力切換手段と、エンジン始動手段と、制御手段とを備え、制御手段は、太陽電池の出力電圧が設定値未満となると、エンジン始動手段を作動させてエンジンを始動するとともに、バッテリ出力切換手段を切り換えてバッテリから電力負荷に電力を供給し、エンジン発電機からの出力電圧が設定値に達すると、バッテリ出力切換手段を切り換えてバッテリからの電力供給を停止するものである。

請求項２においては、前記発電装置は、エンジン停止手段と電力検知手段とを備え、前記制御手段は、電力負荷への供給電力が設定電力未満となるとエンジンを停止し、バッテリより電力を供給するものである。

請求項３においては、前記バッテリの出力側に電圧検知手段が設けられ、前記制御手段は、バッテリの出力電圧が設定電圧未満の場合、バッテリ出力切換手段を切り換えて、太陽電池からバッテリを充電可能とするものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
即ち、商用電源を利用することができないような都市から遠く離れた場所での電力負荷であっても、太陽電池とバッテリとエンジン発電機とにより、切り換え時に電圧低下や停電することなく、安定して、効率よく電力を供給できる。また、発電装置の制御回路も厳密な電圧制御や周波数制御が不要で簡単な構成とすることができる。

本発明の実施形態に係る概略図。本発明の制御ブロック図。制御フローチャート。

まず、発電装置１の概略構成について、図１、図２を用いて説明する。
発電装置１は、太陽電池２とバッテリ３とエンジン発電機４とインバータ５とを備え、発電装置１の出力は電力負荷６と接続される。本実施形態では、バッテリを搭載したインバータ式エンジン発電機セット９のインバータ５の入力側に太陽電池（ソーラー発電機）２の出力をコンセント等で接続して使用する発電装置１を説明する。

電力負荷６は、照明器具やテレビやパソコンやモータ等の電気機器である。電力負荷６に電力を供給する発電装置１が設置される場所は、商用電源が配備されない離島や山間や平原や砂漠等である。電力負荷６への供給電力（消費電力）は電力検知手段６１により検知され、電力検知手段６１は制御手段７と接続されている。

太陽電池２は太陽光モジュールが複数格子状に並べて配置され、複数のモジュールが直列に接続されて、複数の系統を構成し、所定の電圧が得られるようにしている。この複数の系統は昇圧ユニット２１と接続され、電力負荷６への供給電圧に応じて系統からの出力電圧が昇圧される。太陽電池２からの出力電圧は、出力電圧検知手段２２により検知され、制御手段７と接続されている。

バッテリ３は、鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池であり、バックアップ用の電力を供給したり、エンジン始動手段４３（セルモータ）に電力を供給したりできるようにしている。該バッテリ３には充電器３１と電圧検知手段３２とバッテリ出力切換手段３３とが接続され、それぞれ制御手段７と接続されている。

インバータ式エンジン発電機セット９はエンジン発電機４とインバータ５とコンバータ４６を備える。
エンジン発電機４は、エンジン４１と発電機４２とからなり、エンジン４１の出力軸が発電機４２のロータと直結されて、エンジン４１を作動させることで発電機４２か発電される構成としている。エンジン４１はディーゼルエンジンであっても、ガソリンエンジンであっても、ガスエンジンであってもよく限定するものではない。

エンジン４１にはエンジン始動手段４３とエンジン停止手段４４が備えられ、それぞれ制御手段７と接続されている。なお、エンジン４１は負荷が大きくなり回転数が低下すると自動的に回転数を増加させて設定回転数に維持する図示しないガバナを備えているが、電子ガバナ式エンジンとして制御手段７と接続し、電力に応じた回転数に制御する構成とすることも可能である。

エンジン始動手段４３は、セルモータや燃料供給装置や点火装置等であり、エンジン停止手段４４は燃料供給を停止するアクチュエータ、または、点火装置を停止する装置である。

発電機４２は交流発電機であり、出力側はコンバータ４６と接続されている。発電機４２の出力電圧Ｖｇが電圧検知手段４５により検知され、制御手段７と接続されている。コンバータ４６は交流を所定の電圧の直流に変換する。

インバータ５は、直流を所定の周波数の所定の電圧の交流に変換する。
インバータ５の入力側には、前記コンバータ４６の出力と、バッテリ出力切換手段３３を介してバッテリ３と、昇圧ユニット２１を介して太陽電池２と並列に接続される。なお、太陽電池２とコンバータ４６には逆流しないように図示しない保護回路が設けられている。

インバータ５には制御部を有しており、昇圧ユニット２１の制御部と接続されて、電力負荷６の必要電力に応じて太陽電池２からの出力を昇圧できるようにしている。即ち、インバータ５と昇圧ユニット２１の間で電圧フィードバック制御が行われる。また、インバータ５の制御部は制御手段７と接続されている。
制御手段７は，具体的にはＣＰＵ（中央演算装置）や、記憶手段となるＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等からなり、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。

次に、制御手段７による具体的な制御を図２、図３より説明する。
まず、制御手段７は，出力電圧検知手段２２により太陽電池２からの出力電圧（検出値）Ｖｓを読み込み（Ｓ１）、該出力電圧Ｖｓと予め設定された第１設定電圧Ｖ１と比較する（Ｓ２）。この第１設定電圧Ｖ１はインバータ５により変換された後の交流電力で電力負荷６を作動させることが可能な電圧であり、制御手段７の記憶手段に記憶されている。出力電圧Ｖｓが第１設定電圧Ｖ１よりも高い場合、太陽電池２から十分発電されているのでインバータ５により交流に変換して電力負荷６に電力を供給する（Ｓ３）。

そしてこのとき、電圧検知手段３２によりバッテリ３の出力電圧Ｖｂを検知し（Ｓ４）、バッテリ３の出力電圧Ｖｂが予め設定された第２設定電圧Ｖ２未満であるか判断される（Ｓ５）。第２設定電圧Ｖ２はバッテリ容量が十分あり充電が不要な電圧（満充電電圧）である。バッテリ３の出力電圧Ｖｂが第２設定電圧Ｖ２未満であれば、バッテリ出力切換手段３３が切り換えられて（Ｓ６）充電器３１が作動され、太陽電池２から一部電力が供給されて充電が同時に行われる（Ｓ７）。なおこの時、太陽電池２からの電力は充電よりも電力負荷６への供給が優先される制御を行う。バッテリ３の出力電圧Ｖｂが第２設定電圧Ｖ２以上である場合、バッテリ容量が十分あるので、過充電とならないように、バッテリ出力切換手段３３を切り換えて遮断し充電できないようにする（Ｓ８）。

ステップＳ２において、太陽電池２からの発電量がほとんどない雨や夜間のときであって、太陽電池２からの出力電圧Ｖｓが第１設定電圧Ｖ１未満の場合（Ｓ２）、電力負荷６に供給されている供給電力Ｗ１を演算し（電力検知手段６１により検知し）（Ｓ１１）、供給電力Ｗ１が予め設定された設定電力Ｗ０よりも大きいか判断する（Ｓ１２）。この設定電力Ｗ０は、エンジン発電機４を作動させて電力供給するほどの大きな電力ではなく、言い換えれば、エンジン発電機４を作動させると、かえって、無駄に燃料が消費される電力であって、バッテリ３からの電力で十分カバーできる電力とする。具体的には、制御手段７の待機電力や、非常灯の点灯電力等である。この設定電力Ｗ０は、記憶手段に記憶されている。

ステップＳ１２において、供給電力Ｗ１が設定電力Ｗ０未満の場合、エンジン４１が作動しているか判断され（Ｓ１３）、エンジン４１が作動しているとエンジン停止手段４４により停止される（Ｓ１４）。但し、瞬間的に電力量が落ちるような場合は除く。そして、バッテリ出力切換手段３３が切り換えられて、バッテリ３からのみインバータ５に電力が供給される（Ｓ１５）。また、ステップＳ１３において、エンジン４１が停止している場合もバッテリ３からのみインバータ５に電力が供給される（Ｓ１５）。こうして、電力負荷６の電力消費が少ない場合は、エンジン発電機４を作動させることなく、バッテリ３から電力供給が行われる。

ステップＳ１２において、供給電力Ｗ１が予め設定された設定電力Ｗ０よりも大きい場合には、バッテリ出力切換手段３３を切り換えて、バッテリ３からインバータ５に電力が供給されるとともに、エンジン４の始動手段４３を作動させて、発電機４２から電力を取り出せるようにする（Ｓ２１）。つまり、バッテリ３と発電機４から同時に電力供給が行われる。
このとき、発電機４２の出力電圧Ｖｇが電圧検知手段４５により検知され（Ｓ２２）、該出力電圧Ｖｇと予め設定された第３設定電圧Ｖ３と比較演算される（Ｓ２３）。この第３設定電圧Ｖ３は電力負荷６に対して安定的に電力を供給できる電圧であり、記憶手段に記憶されている。

発電機４２の出力電圧Ｖｇが第３設定電圧Ｖ３未満の場合、つまり、過渡期の状態では、安定するまでステップＳ２２にもどり、バッテリ３から電力が供給されるとともに、発電機４２の出力がコンバータ４６により直流に変換されて、バッテリ出力に重畳される。

ステップＳ２３において、発電機４２の出力電圧Ｖｇが第３設定電圧Ｖ３以上となると、バッテリ出力切換手段３３が切り換えられて、バッテリ３からの電力供給が停止されて（Ｓ２４）、発電機４２からのみ電力が供給される。なおこの時、バッテリ３の出力電圧Ｖｂが第２設定電圧Ｖ２未満であれば、バッテリ出力切換手段３３を切り換えて充電するように制御することも可能である。

前述のように、太陽電池２からの発電量が低下し、エンジン発電機４から電力を供給するように切り換えるときに、エンジン発電機４は瞬時に作動することができないため、その過渡期における電圧低下が生じないように、過渡期にバッテリ３から電力を供給するようにしている。従って、無停電で電力負荷６に電力を供給することができるのである。また、エンジン発電機４からの出力の不足分のみバッテリ３から電力を供給するので、バッテリ３の容量は、太陽電池２やエンジン発電機４の容量よりも小さくて済み、コスト低減化を図ることができる。また、これら太陽電池２とバッテリ３とエンジン発電機４を一体的にユニット化することにより、搬送や設置やメンテナンス等が簡単にできるようになる。

また、別実施例として、前記制御をさらに簡単とすることもできる。
すなわち、太陽電池２の定格出力電圧Ｖｓ１はコンバータ４６からの定格出力電圧Ｖｃ１よりも高く設定され、コンバータ４６からの定格出力電圧Ｖｃ１はバッテリ３からの定格出力電圧Ｖｂ１よりも高く設定されている（Ｖｓ１＞Ｖｃ１＞Ｖｂ１）。そして、制御手段７は次のような制御を行う。
夜になり太陽電池２の出力電圧Ｖｓがバッテリ３からの定格出力電圧Ｖｂ１よりも低くなると、自動的にバッテリ３から電力負荷６に電力が供給されるとともに、エンジン発電機４が始動される。そして、エンジン発電機４が定格運転状態に近くなるとコンバータ４６からの出力電圧Ｖｃは、バッテリ３からの定格出力電圧Ｖｂよりも高くなるので、バッテリ３は充電されて出力されることはない。また、朝になり太陽電池２の出力電圧Ｖｓがコンバータ４６からの定格出力電圧Ｖｃ１よりも高くなると、エンジン発電機４は停止される。こうして、制御プログラムを簡単にすることができる。

以上のように、太陽電池２とバッテリ３とエンジン発電機４とインバータ５とを備える発電装置１であって、太陽電池２の出力電圧検知手段２２と、バッテリ出力切換手段３３と、エンジン始動手段４３と、制御手段７とを備え、制御手段７は、太陽電池２の出力電圧Ｖｓが第１設定値Ｖ１未満となると、エンジン始動手段４３を作動させてエンジン４１を始動するとともに、バッテリ出力切換手段３３を切り換えてバッテリ３から電力負荷６に電力を供給し、エンジン発電機４からの出力電圧Ｖｇが第３設定値Ｖ３に達すると、バッテリ出力切換手段３３を切り換えてバッテリ３から電力供給を停止するものである。

このように制御することにより、商用電源を利用することができないような都市から遠く離れた場所での電力負荷６であっても、太陽電池２とバッテリ３とエンジン発電機４とにより、切り換え時に電圧低下や停電することなく、安定して、効率よく電力を供給できる。また、発電装置１の制御回路も厳密な電圧制御や周波数制御が不要で簡単な構成とすることができる。

前記発電装置１は、エンジン停止手段４４と電力検知手段６１とを備え、前記制御手段７は、電力負荷６への供給電力Ｗ１が設定電力Ｗ０未満となるとエンジン４１を停止し、バッテリ３より電力を供給するものである。従って、電力負荷の必要電力が小さいため、エンジン発電機４で電力を供給するよりも、バッテリ３から供給するほうが無駄な燃料消費が防げ、ランニングコストを低減できる。

前記バッテリ３の出力側に電圧検知手段３２が設けられ、前記制御手段７は、バッテリ３の出力電圧Ｖｂが第２設定電圧Ｖ２未満の場合、バッテリ出力切換手段３３を切り換えて、太陽電池２からの電力によりバッテリ３を充電可能とするものである。こうして、エンジン３の始動や太陽電池２からエンジン発電機４の電力への切り換え時にバッテリ３から電力が供給されて蓄電量が減少しても、太陽電池２が発電しているときに充電できるため、バッテリ上がりがなく安定してバッテリ３から電力を供給できる。

１発電装置
２太陽電池
３バッテリ
４エンジン発電機
５インバータ５
６電力負荷
７制御手段
２２出力電圧検知手段
３３バッテリ出力切換手段
４３エンジン始動手段
４４エンジン停止手段
６１電力検知手段

Claims

太陽電池とバッテリとエンジン発電機とインバータとを備える発電装置であって、太陽電池の出力電圧検知手段と、バッテリ出力切換手段と、エンジン始動手段と、制御手段とを備え、制御手段は、太陽電池の出力電圧が設定値未満となると、エンジン始動手段を作動させてエンジンを始動するとともに、バッテリ出力切換手段を切り換えてバッテリから電力負荷に電力を供給し、エンジン発電機からの出力電圧が設定値に達すると、バッテリ出力切換手段を切り換えてバッテリから電力供給を停止することを特徴とする発電装置。
前記発電装置は、エンジン停止手段と電力検知手段とを備え、前記制御手段は、電力負荷への供給電力が設定電力未満となるとエンジンを停止し、バッテリより電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記バッテリの出力側に電圧検知手段が設けられ、前記制御手段は、バッテリの出力電圧が設定電圧未満の場合、バッテリ出力切換手段を切り換えて、太陽電池からバッテリを充電可能とすることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。