JP2013185724A - 太陽光発電集熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ低コストでありながらも、発電した電力を安定的かつ継続的に電力系統に送電することができる太陽光発電集熱システムを提供する。
【解決手段】太陽光発電モジュールおよび太陽熱集熱ユニットが一体化された太陽光発電集熱装置１と、太陽熱集熱ユニットに接続され、ポンプＰの駆動により熱媒が内部を循環可能な熱媒循環路４と、熱媒の温度を制御する制御手段Ｃと、を備え、制御手段は、太陽光発電モジュールにおける発電出力の変動値の予測値が、予め設定された上昇閾値以上になると、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させる発電出力抑制制御を行い、発電出力の変動値の予測値が、予め設定された下降閾値以下になると、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させる発電出力向上制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電モジュールおよび太陽熱集熱ユニットが一体化された太陽光発電集熱装置を備えた太陽光発電集熱システムに関する。

近年、自然エネルギーを利用した発電システムへのニーズが高まりつつある。自然エネルギーを利用した発電システムとしては、太陽光発電システムの開発が長年にわたって行われており、一般家庭用および業務用を問わず、その普及が期待されている。

特許文献１、２には、太陽光発電モジュールの背面に集熱部が設置された、所謂、太陽光太陽熱ハイブリッドパネルが開示されている。この太陽光太陽熱ハイブリッドパネルは、集熱部で回収した太陽熱を利用することで、集熱部を循環する熱媒が冷却され、その結果、集熱部によって太陽光発電モジュールを冷却する作用がもたらされる。太陽光発電モジュールは、その表面温度が上昇すると発電出力が低下するという特性があるが、集熱部によって太陽光発電モジュールが冷却されるため、発電効率を向上させることが可能となる。また、集熱部で回収した太陽熱を給湯や暖房等に利用すれば、自然エネルギーから利用可能なエネルギーへの高い変換効率を実現することができる。

そして、上記のように、太陽光発電システムによって発電された電力（設置場所で自家消費される場合はその消費電力を除いた電力）は、発電所と需要家とを結ぶ電力系統に送電されるとともに、系統電力（発電所で発電された電力）とともに、さまざまな需要家に供給される。このとき、太陽光発電の出力は、日射の変化によって大きく変動するという問題があり、太陽光発電システムの普及が将来的に進むと、天候等で電力系統の周波数や電圧が変動してしまい、安定した電力供給ができなくなってしまうおそれがある。

そこで、特許文献３、４には、太陽光発電システムに、蓄電池やコージェネレーションシステム（ＣＧＳ）を併設し、出力変動に合わせて充放電や発電を行うことで、電力系統に送電する太陽光発電の出力変動を安定化させる技術が提案されている。

特開２００３−２３４４９１号公報 特開平１１−３２５６１０号公報 特開２０１１−９７８１６号公報 特開２００５−３１２１６３号公報

しかしながら、太陽光発電システムに蓄電池やＣＧＳを備えることとなると、当然のこととして設置コストが大幅に増加してしまい、その結果、太陽光発電システムの普及の妨げとなってしまう。また、蓄電池やＣＧＳは定期的なメンテナンスを要するが、メンテナンス中は、不安定な電力の送電を防ぐべく、電力系統から太陽光発電システムを解列させなければならない。

本発明は、このような課題に鑑み、簡易かつ低コストでありながらも、発電した電力を安定的かつ継続的に電力系統に送電することができる太陽光発電集熱システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の太陽光発電集熱システムは、太陽光発電モジュールおよび太陽熱集熱ユニットが一体化された太陽光発電集熱装置と、前記太陽熱集熱ユニットに接続され、ポンプの駆動により熱媒が内部を循環可能な熱媒循環路と、前記熱媒の温度を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記太陽光発電モジュールにおける発電出力の変動値の予測値が、予め設定された上昇閾値以上になると、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させる発電出力抑制制御を行い、前記発電出力の変動値の予測値が、予め設定された下降閾値以下になると、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させる発電出力向上制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の太陽光発電集熱システムは、太陽光発電モジュールおよび太陽熱集熱ユニットが一体化された太陽光発電集熱装置と、前記太陽光発電モジュールにおける発電出力を計測する発電出力実測部と、前記発電出力実測部によって計測された発電出力の実測値から、当該実測値の変動値を導出する変動値導出手段と、前記太陽熱集熱ユニットに接続され、ポンプの駆動により熱媒が内部を循環可能な熱媒循環路と、前記熱媒の温度を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記変動値導出手段によって導出された前記実測値の変動値が、予め設定された上昇閾値以上になると、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させる発電出力抑制制御を行い、前記実測値の変動値が、予め設定された下降閾値以下になると、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させる発電出力向上制御を行うことを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記発電出力抑制制御として、前記ポンプを制御して前記熱媒の循環流量を低下させる循環流量低下制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させるとよい。

また、前記熱媒循環路に接続され、前記太陽熱集熱ユニットで昇温された熱媒と給水との間で熱交換をさせる熱交換部と、前記熱媒循環路における前記熱交換部の上流側から下流側へと熱媒をバイパス可能なバイパス路と、前記熱媒の循環経路を、前記熱交換部およびバイパス路のいずれかに切り換える切換弁と、を備え、前記制御手段は、前記発電出力抑制制御として、前記切換弁を制御して前記熱媒の循環経路を前記バイパス路に切り換えるバイパス路切換制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させるとよい。

また、前記制御手段は、複数の前記発電出力抑制制御のうちのいずれか１または複数の制御を行い、予め設定された時間内に、当該発電出力抑制制御によって変動する制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力抑制制御を追加して行うとよい。

また、前記制御手段は、複数の前記発電出力抑制制御のうちのいずれか１または複数の制御を行い、予め設定された時間内に、当該発電出力抑制制御によって変動する制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力抑制制御に切り換えるとよい。

また、前記熱交換部は、給水を貯留可能な蓄熱タンクで構成され、前記蓄熱タンクに貯留された給水を排水する排水弁がさらに設けられ、前記制御手段は、前記発電出力向上制御として、前記排水弁を開弁して前記蓄熱タンクから給水を排水するとともに、前記蓄熱タンクに新たな給水を供給して当該蓄熱タンクの温度を低下させる蓄熱タンク温度低下制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させるとよい。

また、前記制御手段は、前記発電出力向上制御として、前記ポンプを制御して前記熱媒の循環流量を増加させる循環流量増加制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させるとよい。

また、前記熱媒循環路を循環する熱媒を冷却する冷却部を備え、前記制御手段は、前記発電出力向上制御として、前記熱媒を前記冷却部に導いて冷却させる冷却制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させるとよい。

また、前記制御手段は、複数の前記発電出力向上制御のうちのいずれか１または複数の制御を行い、予め設定された時間内に、当該発電出力向上制御によって変動する制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力向上制御を追加して行うとよい。

また、前記制御手段は、複数の前記発電出力向上制御のうちのいずれか１または複数の制御を行い、予め設定された時間内に、当該発電出力向上制御によって変動する制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力向上制御に切り換えるとよい。

また、前記太陽光発電モジュールにおける発電出力の実測値を導出する実測値導出手段と、前記太陽光発電モジュールで発電された電力を電力系統に送電する送電部と、前記送電部に設けられ、前記太陽光発電モジュールと前記電力系統とを解列可能な遮断器と、を備え、前記制御手段は、前記発電出力の実測値の変動値が予め設定された上昇遮断閾値以上になった場合に、前記太陽光発電モジュールと前記電力系統とを解列するとよい。

本発明によれば、簡易かつ低コストでありながらも、発電した電力を安定的かつ継続的に電力系統に送電することができる。

本実施形態の太陽光発電集熱システムを説明する概念図である。 太陽光発電集熱システムの制御ブロック図である。 発電出力抑制制御および発電出力向上制御の第１の処理例を説明するフローチャートである。 発電出力抑制制御および発電出力向上制御の第２の処理例を説明するフローチャートである。 発電出力抑制制御および発電出力向上制御の第３の処理例を説明するフローチャートである。 解列処理を説明するフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態の太陽光発電集熱システムを説明する概念図である。本実施形態の太陽光発電集熱システムは、商業用ビル、工場の建屋、マンション等の屋上、戸建て住宅の屋根や屋上、あるいは地面等に設置することが可能であり、その設置環境が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態の太陽光発電集熱システム１は、太陽光発電モジュールおよび太陽熱集熱ユニットが一体化された太陽光発電集熱装置２を備えている。この太陽光発電集熱装置２は、所謂、太陽光太陽熱ハイブリッドパネルと呼ばれるもので、発電機能を有する太陽光発電モジュールの背面に、集熱機能を有する太陽熱集熱ユニットが配設されている。

太陽光発電集熱装置２は周知の構成であるため詳細な説明は省略するが、太陽光発電モジュールには、パワーコンディショナー３（インバータ）が設けられた送電部３ａが接続されており、太陽光発電モジュールにおいて発電された直流の電気が、パワーコンディショナー３において交流に変換されて、電力系統（発電所と需要家とを結ぶ送電線）に送電される構成となっている。なお、電気は設置場所において自家消費される場合もあるが、そのための送電線については、ここでは図示を省略する。

また、太陽熱集熱ユニットは、熱媒が内部を循環するパイプを備えており、太陽熱集熱ユニット内部に熱媒を循環させることで、熱媒による太陽熱の回収および有効利用を可能とする。また、一方では、太陽光発電モジュールの表面温度よりも低温の熱媒を太陽熱集熱ユニット内部に循環させることで、太陽光発電モジュールを冷却し、発電効率を向上させることも可能である。なお、熱媒の種類は特に限定されるものではないが、冬季等の凍結を考慮した場合には、プロピレングリコール水溶液やエチレングリコール水溶液等の不凍液を利用することが望ましい。

このように、太陽熱集熱ユニットに熱媒を循環させるべく、太陽光発電集熱装置２には、内部を熱媒が流通可能な配管からなる熱媒循環路４が接続されている。この熱媒循環路４には、ポンプＰが接続されており、このポンプＰを駆動することにより、熱媒循環路４および太陽光発電集熱装置２（太陽熱集熱ユニット）を熱媒が循環することとなる。

また、熱媒循環路４は、給水源と給湯器等との間に設けられた蓄熱タンク５を経由するように配設されている。蓄熱タンク５は、給水源から供給される給水を貯留するものであり、給湯器等から給水要求があると、蓄熱タンク５の上部から給湯器等に給水が供給され、これと同時に、給水源から蓄熱タンク５の下部に新たな給水が供給される。このとき、熱媒循環路４は、太陽光発電集熱装置２内で昇温された熱媒と、蓄熱タンク５に貯留された給水との間で熱交換可能に構成されており、蓄熱タンク５に貯留された給水は、熱媒によって予熱されて給湯器等に供給されることとなる。

このように、太陽光発電集熱装置２で回収した太陽熱によって給水予熱をする構成により、太陽熱が有効に利用されることとなる。なお、本実施形態では、蓄熱タンク５が、太陽光発電集熱装置２で昇温された熱媒と、給水との間で熱交換を行う熱交換部として機能することとしたが、蓄熱タンク５で熱媒と熱交換をする対象は給水に限らず、回収した太陽熱はどのように利用してもよい。いずれにしても、回収した太陽熱を利用する場合には、熱媒循環路４を循環する熱媒の熱を、何らかの対象に伝熱可能な熱交換部を設ければよく、このとき、蓄熱タンク５のように、回収した太陽熱を蓄熱する機能は必須ではない。

ここで、太陽光発電集熱装置２の太陽光発電モジュールによる発電出力は、日射の変化によって短時間のうちに大きく変動する場合がある。そのため、太陽光発電の普及が進み、多くの太陽光発電システムから電力系統に電力が送電されるようになると、天候等で電力系統の周波数や電圧が大きく変動してしまい、電力系統から需要家への安定した電力供給ができなくなるおそれがある。そこで、本実施形態の太陽光発電集熱システム１は、電力系統に安定した電力を送電すべく、太陽光発電集熱装置２における発電電力の変動を抑制する構成を備えている。この発電電力の変動を抑制するための構成について、以下に詳細に説明する。

すなわち、熱媒循環路４には、蓄熱タンク５の上流側から下流側へと熱媒をバイパス可能であって、太陽光発電集熱装置２を流通した熱媒を、蓄熱タンク５を経由することなく、再び太陽光発電集熱装置２に循環させるためのバイパス路６が接続されている。このバイパス路６と熱媒循環路４との分岐点には、熱媒の循環路を、蓄熱タンク５に熱媒を循環させるライン、および、バイパス路６に熱媒を循環させるラインのいずれかに切り換える切換弁７が設けられている。

また、熱媒循環路４における太陽光発電集熱装置２の上流側、より詳細には、太陽光発電集熱装置２と切換弁７との間には、熱媒循環路４を循環する熱媒を冷却する冷却部８が、接続管９を介して接続されている。なお、本実施形態では、冷却部８がラジエータで構成されているものとするが、例えば、蓄熱タンク５に供給される給水と熱交換を行う熱交換器で冷却部８を構成する等、熱媒を冷却することができれば、冷却部８の具体的な構成は特に限定されるものではない。また、接続管９と熱媒循環路４との分岐点には、三方弁１０が設けられており、この三方弁１０の切り換えにより、熱媒循環路４を循環する熱媒を、冷却部８を介して太陽光発電集熱装置２に導いたり、あるいは、冷却部８を介さずに太陽光発電集熱装置２に導いたりすることが可能となっている。

さらに、蓄熱タンク５には、排水管１１が接続されており、この排水管１１に設けられた排水弁１２を開弁することで、蓄熱タンク５から排水することが可能となっている。なお、蓄熱タンク５に貯留された給水が給湯器等に供給されたり、あるいは、排水管１１から排水されたりすると、給水源から蓄熱タンク５へ自動的に給水が供給され、蓄熱タンク５には、常時、一定量の給水が貯留されるようになっている。

上記のように、太陽光発電集熱システム１は、太陽光発電集熱装置２における発電電力の変動を抑制する種々の構成を備えているが、これらの構成を制御するのが制御手段Ｃである。この制御手段Ｃは、各種の入力信号に基づいて演算処理を行うとともに、その処理結果に基づいて制御を行う。制御手段Ｃについて、図１および図２を用いて詳細に説明する。

図２は、太陽光発電集熱システム１の制御ブロック図である。制御手段Ｃは、入力信号に基づいて各種の演算処理を行う演算部Ｃ_１と、演算部Ｃ_１の演算結果を記憶する記憶部Ｃ_２と、演算部Ｃ_１の演算結果に基づいて、上記のポンプＰ、切換弁７、冷却部８、三方弁１０、排水弁１２、および、送電部３ａに設けられ太陽光発電モジュールと電力系統とを解列可能な遮断器１６を制御する制御部Ｃ_３と、を備えて構成される。

また、図１および図２に示すように、太陽光発電集熱装置２には、太陽光発電モジュールの表面温度を検出する温度センサ１３が設けられており、この温度センサ１３から、太陽光発電モジュールの表面温度が、常時、制御手段Ｃに入力されている。

また、パワーコンディショナー３には、太陽光発電集熱装置２における発電出力を計測（実測）する発電出力実測部１４が設けられており、太陽光発電集熱装置２における発電出力の実測値が、常時、制御手段Ｃに入力されている。制御手段Ｃでは、発電出力実測部１４から発電出力の実測値が入力されると、当該発電出力の実測値を記憶部Ｃ_２に記憶する。

詳しくは後述するが、記憶部Ｃ_２に発電出力の実測値が記憶されると、その都度、演算部Ｃ_１が、単位時間当たりの発電出力の実測値の変動値（以下、単に「実測値の変動値」という）を演算する。そして、この実測値の変動値が、予め設定された上昇遮断閾値以上になった場合に、制御部Ｃ_３が、太陽光発電モジュール（パワーコンディショナー３）と電力系統との間に設けられた遮断器１６を制御して、電力系統と太陽光発電モジュールとを解列する。

なお、実測値の変動値は、絶対値としてプラスおよびマイナスのいずれの値ももつものであり、発電出力が増加した場合には、実測値の変動値はプラスの値となり、発電出力が低下した場合には、実測値の変動値はマイナスの値となる。また、上昇遮断閾値は、プラスの絶対値である。したがって、例えば、太陽光発電モジュールにおける実際の発電出力が急激に増加した場合には、実測値の変動値はプラスとなり、この値が、上昇遮断閾値以上となれば解列制御がなされることとなる。

なお、ここでは、パワーコンディショナー３に発電出力実測部１４を設けることとしたが、発電出力実測部１４は、太陽光発電集熱装置２における発電出力を実測することができれば、その構成や配置が限定されることはなく、例えば、太陽光発電集熱装置２に設けても構わない。

さらに、太陽光発電集熱システム１は、上記の温度センサ１３および制御手段Ｃに接続された発電出力予測部１５を備えている。この発電出力予測部１５は、例えば、特開２００４−４７８７５号公報、特開平１１−５４７７６号公報等に開示されているように、外部から提供される気温、日射量等の気象情報や、温度センサ１３によって検出される現在の太陽光発電モジュールの表面温度や設置面積等に基づいて、所定時間（例えば数分〜数時間）後の発電出力を予測する。そして、その予測結果から、単位時間当たりの発電出力の変動値の予測値（以下、単に「変動値の予測値」という）を算出し、制御手段Ｃに一定の間隔で送信する。

なお、発電出力予測部１５における発電出力の予測方法や、変動値の予測値の演算方法は特に限定されるものではない。また、本実施形態では、太陽光発電集熱システム１に発電出力予測部１５を設けることにより、太陽光発電集熱システム１において発電出力を予測したり、変動値の予測値を算出したりすることとしたが、発電出力予測部１５は必須の構成ではなく、例えば、変動値の予測値を外部の装置から制御手段Ｃに送信することとしてもよい。

詳しくは後述するが、制御手段Ｃに変動値の予測値が入力されると、その都度、演算部Ｃ_１は、入力された変動値の予測値が予め設定された上昇閾値以上であるか、また、入力された変動値の予測値が予め設定された下降閾値以下であるかを演算する。そして、演算部Ｃ_１によって、変動値の予測値が上昇閾値以上であるという演算結果が導出された場合には、制御部Ｃ_３が太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させる発電出力抑制制御を行う。一方、演算部Ｃ_１によって、変動値の予測値が下降閾値以下であるという演算結果が導出された場合には、制御部Ｃ_３が太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させる発電出力向上制御を行う。

なお、変動値の予測値は、絶対値としてプラスおよびマイナスのいずれの値ももつものであり、発電出力が増加すると予測された場合には、変動値の予測値はプラスの値となり、発電出力が低下すると予測された場合には、変動値の予測値はマイナスの値となる。また、上昇閾値は、プラスの絶対値であり、下降閾値は、マイナスの絶対値である。したがって、例えば、発電出力が急激に増加すると予測された場合には、変動値の予測値はプラスとなり、この値が、上昇閾値以上となれば発電出力抑制制御がなされ、また、発電出力が急激に低下すると予測された場合には、変動値の予測値はマイナスとなり、この値が、下降閾値以下となれば発電出力向上制御がなされることとなる。

このように、制御手段Ｃは、発電出力抑制制御および発電出力向上制御によって、熱媒の温度を制御し、太陽光発電モジュールの表面温度を制御する。太陽光発電集熱システム１の一般的な設置環境下では、太陽光発電モジュールにおける発電効率は、表面温度が高くなるほど低下し、表面温度が低くなるほど向上するという特性を有する。したがって上記のように、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を制御して、太陽光発電モジュールの表面温度を制御すれば、発電出力の変動を安定化させることが可能となる。以下に、熱媒の温度を制御するための発電出力抑制制御および発電出力向上制御について、図３〜図５を用いて具体的に説明する。

図３は、発電出力抑制制御および発電出力向上制御の第１の処理例を説明するフローチャートである。この処理は、発電出力予測部１５から制御手段Ｃに変動値の予測値が入力されたことを契機として開始される。

（ステップＳ１０１）
発電出力予測部１５から制御手段Ｃに変動値の予測値が入力されると、まず、演算部Ｃ_１は、変動値の予測値を記憶部Ｃ_２に記憶する。

（ステップＳ１０２）
次に、演算部Ｃ_１は、記憶部Ｃ_２に記憶した変動値の予測値が、予め設定された上昇閾値以上であるかを判定する。その結果、変動値の予測値が上昇閾値以上であると判定した場合にはステップＳ１０３に処理を移し、変動値の予測値は上昇閾値以上ではないと判定した場合にはステップＳ１０５に処理を移す。

（ステップＳ１０３）
上記ステップＳ１０２において、変動値の予測値が上昇閾値以上であると判定した場合には、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力抑制制御として、ポンプＰの回転数を定格運転時よりも低下させる等、ポンプＰを制御して熱媒循環路４における熱媒の循環流量を低下させる循環流量低下制御を行う。

（ステップＳ１０４）
次に、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力抑制制御として、切換弁７を制御して、熱媒の循環路を、蓄熱タンク５に熱媒を循環させるラインから、バイパス路６に熱媒を循環させるラインに切り換えるバイパス路切換制御を行う。

このように、熱媒循環路４における熱媒の循環流量を低下させれば、熱媒が太陽光発電集熱装置２の太陽熱集熱ユニット内に滞留する時間が長くなり、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度が上昇する。しかも、熱媒の循環路が、蓄熱タンク５を経由しないバイパス路６に切り換えられることから、蓄熱タンク５における熱媒と給水との熱交換が行われなくなり、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を短時間で上昇させることができる。これにより、太陽光発電モジュールの表面温度が上昇して発電効率が低下し、よって、発電出力の変動幅（上昇幅）が抑制されることとなる。

（ステップＳ１０５）
一方、上記ステップＳ１０２において、変動値の予測値は上昇閾値以上ではないと判定した場合には、演算部Ｃ_１は、記憶部Ｃ_２に記憶した変動値の予測値が、予め設定された下降閾値以下であるかを判定する。その結果、変動値の予測値が下降閾値以下であると判定した場合にはステップＳ１０６に処理を移し、変動値の予測値は下降閾値以下ではないと判定した場合には当該処理を終了する。

（ステップＳ１０６）
上記ステップＳ１０５において、変動値の予測値が下降閾値以下であると判定した場合には、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力向上制御として、ポンプＰの回転数を定格運転時よりも向上させる等、ポンプＰを制御して熱媒循環路４における熱媒の循環流量を増加させる循環流量増加制御を行う。

（ステップＳ１０７）
次に、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力向上制御として、冷却部８を駆動するとともに、三方弁１０を制御して、熱媒を冷却部８に導いて冷却する冷却制御を行う。

（ステップＳ１０８）
次に、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力向上制御として、排水弁１２を開弁して蓄熱タンク５から給水を排水することで、蓄熱タンク５に新たな給水を供給して当該蓄熱タンク５の温度を低下させる蓄熱タンク温度低下制御を行う。

上記のように、熱媒循環路４における熱媒の循環流量を増加させれば、熱媒が太陽光発電集熱装置２の太陽熱集熱ユニット内に滞留する時間が短くなり、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度が低下する。しかも、排水弁１２の開弁によって排水管１１から蓄熱タンク５に貯留された給水が排水され、新たに低温の給水が蓄熱タンク５に供給されるので、蓄熱タンク５の温度が低下する。

したがって、蓄熱タンク５を経由する過程で、給水との熱交換による熱媒の温度低下が顕著となり、しかも、熱媒は、その循環過程で冷却部８によってさらに冷却されるので、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を短時間で低下させることができる。これにより、太陽光発電モジュールの表面温度が低下して発電効率が向上し、よって、発電出力の変動幅（下降幅）が抑制されることとなる。

（ステップＳ１０９）
上記ステップＳ１０３およびステップＳ１０４で発電出力抑制制御を行うか、もしくは、上記ステップＳ１０６〜ステップＳ１０８で発電出力向上制御を行うと、演算部Ｃ_１は、上記ステップＳ１０１で記憶した変動値の予測値から、発電出力抑制制御または発電出力向上制御によって変動する制御値の目標値である制御目標値を設定する。

ここで、制御値というのは、制御手段Ｃに入力される入力値や、演算部Ｃ_１によって算出される算出値であり、例えば、太陽光発電集熱装置２における太陽光発電モジュールの表面温度や発電出力の実測値、太陽熱集熱部内の熱媒の温度等、発電出力抑制制御または発電出力向上制御によって変動するものを広く含むものである。また、制御目標値というのは、発電出力の変動値を許容範囲内に抑制するために必要と考えられる値をいうものである。

つまり、ここでは、変動値の予測値から、発電出力の変動値を抑制するために必要となる制御目標値を算出して設定することとなる。ただし、制御目標値は、必ずしも変動値の予測値に基づいて算出しなければならないものではなく、変動値の予測値とは無関係に、常に所定の制御目標値が設定されることとしてもよい。

（ステップＳ１１０）
次に、演算部Ｃ_１は、制御手段Ｃに入力される入力値や、演算部Ｃ_１によって算出される算出値（制御値）が、制御目標値に到達したか否かを判定する。そして、制御目標値に到達するまで待機するとともに、制御目標値に到達した場合にはステップＳ１１１に処理を移す。なお、例えば、制御目標値として、太陽光発電モジュールの表面温度が設定されている場合には、温度センサ１３から入力される温度が入力値となる。したがって、温度センサ１３から入力される温度が、目標とする温度に到達すると、ステップＳ１１１に処理が移されることとなる。

（ステップＳ１１１）
上記ステップＳ１１０において、制御目標値に到達したと判定した場合には、制御部Ｃ_３は、発電出力抑制制御または発電出力向上制御を終了し、定格運転時の状態に復帰させるように、ポンプＰ、切換弁７、冷却部８、三方弁１０および排水弁１２を制御して、当該処理を終了する。

以上のように、上記の第１の処理例によれば、発電出力の変動値が許容範囲から逸脱すると予測された場合に、当該発電出力の変動値が許容範囲内に収まるように制御がなされ、発電出力の変動値が許容範囲内に収まると判断すると、再び、太陽光発電集熱システム１が定格運転されることとなる。これにより、発電出力の変動値が抑制され、簡易かつ低コストでありながらも、発電電力を安定的かつ継続的に電力系統に送電することができる。しかも、複数の発電出力抑制制御が同時に実行され、また、複数の発電出力向上制御が同時に実行されるので、短時間のうちに発電出力を変動させることができ、発電出力の変動値が許容範囲から逸脱する可能性を低くすることができる。

図４は、発電出力抑制制御および発電出力向上制御の第２の処理例を説明するフローチャートである。この処理は、発電出力予測部１５から制御手段Ｃに変動値の予測値が入力されたことを契機として開始される。

（ステップＳ２０１）
発電出力予測部１５から制御手段Ｃに変動値の予測値が入力されると、まず、演算部Ｃ_１は、変動値の予測値を記憶部Ｃ_２に記憶する。

（ステップＳ２０２）
次に、演算部Ｃ_１は、記憶部Ｃ_２に記憶した変動値の予測値が、予め設定された上昇閾値以上であるかを判定する。その結果、変動値の予測値が上昇閾値以上であると判定した場合にはステップＳ２０３に処理を移し、変動値の予測値は上昇閾値以上ではないと判定した場合にはステップＳ２０８に処理を移す。

（ステップＳ２０３）
上記ステップＳ２０２において、変動値の予測値が上昇閾値以上であると判定した場合には、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力抑制制御として、ポンプＰの回転数を定格運転時よりも低下させる等、ポンプＰを制御して熱媒循環路４における熱媒の循環流量を低下させる循環流量低下制御を行う。

（ステップＳ２０４）
次に、演算部Ｃ_１は、上記ステップＳ２０１で記憶した変動値の予測値から、上記と同様に、制御目標値を設定し、一定時間待機する。

（ステップＳ２０５）
一定時間が経過すると、演算部Ｃ_１は、制御手段Ｃに入力される入力値や、演算部Ｃ_１によって算出される算出値（制御値）が、制御目標値に到達したか否かを判定する。そして、制御目標値に到達したと判定した場合にはステップＳ２１５に処理を移し、制御目標値に到達していないと判定した場合にはステップＳ２０６に処理を移す。

（ステップＳ２０６）
上記ステップＳ２０５において、制御目標値に到達していないと判定した場合には、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力抑制制御として、切換弁７を制御して、熱媒の循環路を、蓄熱タンク５に熱媒を循環させるラインから、バイパス路６に熱媒を循環させるラインに切り換えるバイパス路切換制御を行う。

（ステップＳ２０７）
次に、演算部Ｃ_１は、制御手段Ｃに入力される入力値や、演算部Ｃ_１によって算出される算出値（制御値）が、制御目標値に到達したか否かを再び判定する。そして、制御目標値に到達するまで待機するとともに、制御目標値に到達した場合にはステップＳ２１５に処理を移す。

（ステップＳ２０８）
一方、上記ステップＳ２０２において、変動値の予測値は上昇閾値以上ではないと判定した場合には、演算部Ｃ_１は、記憶部Ｃ_２に記憶した変動値の予測値が、予め設定された下降閾値以下であるかを判定する。その結果、変動値の予測値が下降閾値以下であると判定した場合にはステップＳ２０９に処理を移し、変動値の予測値は下降閾値以下ではないと判定した場合には当該処理を終了する。

（ステップＳ２０９）
上記ステップＳ２０８において、変動値の予測値が下降閾値以下であると判定した場合には、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力向上制御として、ポンプＰの回転数を定格運転時よりも向上させる等、ポンプＰを制御して熱媒循環路４における熱媒の循環流量を増加させる循環流量増加制御を行う。

（ステップＳ２１０）
次に、演算部Ｃ_１は、上記ステップＳ２０１で記憶した変動値の予測値から、上記と同様に、制御目標値を設定し、一定時間待機する。

（ステップＳ２１１）
一定時間が経過すると、演算部Ｃ_１は、制御手段Ｃに入力される入力値や、演算部Ｃ_１によって算出される算出値（制御値）が、制御目標値に到達したか否かを判定する。そして、制御目標値に到達したと判定した場合にはステップＳ２１５に処理を移し、制御目標値に到達していないと判定した場合にはステップＳ２１２に処理を移す。

（ステップＳ２１２）
上記ステップＳ２１１において、制御目標値に到達していないと判定した場合には、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力向上制御として、冷却部８を駆動するとともに、三方弁１０を制御して、熱媒を冷却部８に導いて冷却する冷却制御を行う。

（ステップＳ２１３）
次に、制御部Ｃ_３は、上記の発電出力向上制御として、排水弁１２を開弁して蓄熱タンク５から給水を排水することで、蓄熱タンク５に新たな給水を供給して当該蓄熱タンク５の温度を低下させる蓄熱タンク温度低下制御を行う。

（ステップＳ２１４）
次に、演算部Ｃ_１は、制御手段Ｃに入力される入力値や、演算部Ｃ_１によって算出される算出値（制御値）が、制御目標値に到達したか否かを再び判定する。そして、制御目標値に到達するまで待機するとともに、制御目標値に到達した場合にはステップＳ２１５に処理を移す。

（ステップＳ２１５）
上記ステップＳ２０５、ステップＳ２０７、ステップＳ２１１、ステップＳ２１４において、制御目標値に到達したと判定した場合には、制御部Ｃ_３は、発電出力抑制制御または発電出力向上制御を終了し、定格運転時の状態に復帰させるように、ポンプＰ、切換弁７、冷却部８、三方弁１０および排水弁１２を制御して、当該処理を終了する。

この第２の処理例によれば、発電出力抑制制御として、まず、熱媒の循環流量を低下させる循環流量低下制御を行い、予め設定された時間内に、制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、バイパス路切換制御を循環流量低下制御と合わせて行うこととなる。このように、発電出力抑制制御を段階的に行うことで、必要以上に発電出力が抑制されて、発電出力の変動値が下降閾値を下回ってしまうおそれを回避することができる。

また、上記の第２の処理例によれば、発電出力向上制御として、まず、熱媒の循環流量を増加させる循環流量増加制御を行い、予め設定された時間内に、制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、冷却制御および排水弁１２の開弁制御を循環流量増加制御と合わせて行うこととなる。このように、発電出力向上制御を段階的に行うことで、必要以上に発電出力が向上して、発電出力の変動値が上昇閾値を上回ってしまうおそれを回避することができる。

図５は、発電出力抑制制御および発電出力向上制御の第３の処理例を説明するフローチャートである。この処理は、発電出力予測部１５から制御手段Ｃに変動値の予測値が入力されたことを契機として開始される。なお、この第３の処理例では、上記第２の処理例におけるステップＳ２０５とステップＳ２０６との間で、ステップＳ２０５−２の処理が行われる点、および、ステップＳ２１１とステップＳ２１２との間で、ステップＳ２１１−２の処理が行われる点のみが、上記の第２の処理例と異なり、他の処理は上記第２の処理例と同じである。したがって、ここでは、上記の第２の処理例と異なる点のみ説明する。

この第３の処理例では、上記ステップＳ２０５において、制御値が制御目標値に到達していないと判定した場合（ステップＳ２０５のＮｏ）に、ポンプＰを定格運転時の制御に復帰させた後（ステップＳ２０５−２）に、バイパス路切換制御を行う。つまり、この第３の処理例では、発電出力抑制制御として、まず、循環流量低下制御を行い、予め設定された時間内に制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、循環流量低下制御からバイパス路切換制御に制御を切り換えることとしている。

また、この第３の処理例では、上記ステップＳ２１１において、制御値が制御目標値に到達していないと判定した場合（ステップＳ２１１のＮｏ）に、ポンプＰを定格運転時の制御に復帰させた後（ステップＳ２１１−２）に、冷却制御および開弁制御を行う。つまり、この第３の処理例では、発電出力向上制御として、まず、循環流量増加制御を行い、予め設定された時間内に制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、循環流量増加制御から冷却制御および開弁制御に制御を切り換えることとしている。

このように、複数の発電出力向上制御（発電出力抑制制御）のいずれか１または複数を行い、予め設定された時間内に、制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力向上制御（発電出力抑制制御）に切り換えることで、特に、発電出力の変動値の抑制に要する時間等が、複数の制御間で大きく異なる場合等には、発電出力の変動値を細やかに制御することが可能となる。

なお、上記の第２の処理例および第３の処理例では、発電出力抑制制御として、循環流量低下制御を先に行い、その後、バイパス路切換制御を、循環流量低下制御と併せて、もしくは、循環流量低下制御から切り換えて行うこととしたが、これとは逆に、バイパス路切換制御を先に行い、その後、循環流量低下制御を行ってもよく、制御の順番は特に限定されるものではない。

また、上記の第２の処理例および第３の処理例では、発電出力抑制制御として、循環流量増加制御を先に行い、その後、冷却制御および開弁制御を、循環流量増加制御と併せて、もしくは、循環流量増加制御から切り換えて行うこととした。しかしながら、各発電出力向上制御の順番は特に限定されるものではない。

いずれにしても、複数の前記発電出力抑制制御（発電出力向上制御）のうちのいずれか１または複数の制御を行い、予め設定された時間内に、当該発電出力抑制制御（発電出力向上制御）によって変動する制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力抑制制御（発電出力向上制御）を追加して行ったり、あるいは、他の発電出力抑制制御（発電出力向上制御）に切り換えたりすることが可能である。

以上のように、第１の処理例〜第３の処理例によれば、発電出力抑制制御および発電出力向上制御によって、発電出力の変動値を、予め設定された許容範囲内に収めることができる。しかしながら、太陽光発電集熱システム１の稼働状況や、日射状況の急激な変化等によっては、発電出力の変動値が許容範囲を逸脱してしまう可能性も否定できない。そこで、制御手段Ｃは、仮に、実測値の変動値が許容範囲を逸脱してしまった場合に、上記したとおり、太陽光発電モジュール（パワーコンディショナー３）と電力系統との間に設けられた遮断器１６を制御して送電部３ａを解列する解列処理を実行する。以下に、制御手段Ｃにおける解列処理について、図６を用いて説明する。

なお、本実施形態の太陽光発電集熱システム１が、天候や日射条件の等しい同一地域に多数設置されたとする。この場合、いずれかの太陽光発電集熱システム１において実測値の変動値が許容範囲を逸脱すると、他の太陽光発電集熱システム１においても、同時に、実測値の変動値が許容値を逸脱する可能性が高い。

こうした状況で、全ての太陽光発電集熱システム１において解列処理が実行されると、それまで電力系統に送電されていた発電出力が一斉に停止されるため、結果的に、解列処理を実行することで、電力系統の周波数や電圧をかえって変動させてしまうことになる。そこで、特に、太陽光発電集熱システム１が密集して設置されている場合には、複数の太陽光発電集熱システム１において、解列処理を実行するものと実行しないものとを予め設定しておくことが望ましい。

図６は、解列処理を説明するフローチャートである。この処理は、発電出力実測部１４から制御手段Ｃに発電出力の実測値（計測値）が入力されたことを契機として開始され、上記図３〜図５に示す処理と並行して実行される。

（ステップＳ３０１）
発電出力実測部１４から制御手段Ｃに発電出力の実測値が入力されると、まず、演算部Ｃ_１は、入力された発電出力の実測値を記憶部Ｃ_２に記憶する。

（ステップＳ３０２）
次に、演算部Ｃ_１は、上記ステップＳ３０１で新たに記憶された実測値と、過去に記憶部Ｃ_２に記憶された実測値とから、実測値の単位時間当たりの実測値の変動値を算出する。

（ステップＳ３０３）
次に、演算部Ｃ_１は、上記ステップＳ３０２で算出した単位時間当たりの実測値の変動値が、予め設定された上昇遮断閾値以上であるかを判定する。その結果、上昇遮断閾値以上であると判定した場合にはステップＳ３０４に処理を移し、上昇遮断閾値以上ではないと判定した場合には当該処理を終了する。

（ステップＳ３０４）
上記ステップＳ３０３において、上昇遮断閾値以上であると判定した場合には、制御部Ｃ_３が、遮断器１６を制御して送電部３ａと電力系統とを解列する解列制御を行い、当該解列処理を終了する。

以上の解列処理により、太陽光発電集熱システム１の稼働状況や、日射状況の急激な変化等によって、仮に、実測値の変動値が許容範囲を逸脱してしまったとしても、不安定な電力が電力系統に送電されるのを抑制することができ、電力系統における周波数や電圧の安定性を確保することができる。

なお、上記実施形態では、発電出力予測部１５によって発電出力の変動値の予測値を導出し、この予測値に基づいて、制御手段Ｃが、発電出力抑制制御および発電出力向上制御を実行することとした。しかしながら、制御手段Ｃは、発電出力実測部１４によって計測される発電出力の実測値の変動値に基づいて、発電出力抑制制御および発電出力向上制御を実行することとしてもよい。つまり、制御手段Ｃは、発電出力実測部１４によって算出された発電出力の変動値が、予め設定された上昇閾値以上になると、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させる発電出力抑制制御を行い、太陽光発電モジュールにおける発電出力の変動値が、予め設定された下降閾値以下になると、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させる発電出力向上制御を行うこととしてもよい。

この場合、図３〜図５に示すステップＳ１０１およびステップＳ２０１の処理に代えて、図６に示すステップＳ３０１およびステップＳ３０２の処理を実行すればよく、上記の演算部Ｃ_１が、本発明の変動値導出手段としての役割を担うこととなる。なお、発電出力の実測値の変動値に基づいて発電出力抑制制御および発電出力向上制御を実行する場合には、発電出力の予測値の変動値に基づいて発電出力抑制制御および発電出力向上制御を実行する場合よりも、上昇閾値を低く、下降閾値を高く設定しておくことが望ましい。

また、上記実施形態における発電出力抑制制御および発電出力向上制御の具体的な内容は一例に過ぎない。いずれにしても、発電出力抑制制御は、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させる制御を広く含み、発電出力向上制御は、太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させる制御を広く含むものである。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、太陽光発電モジュールおよび太陽熱集熱ユニットが一体化された太陽光発電集熱装置を備えた太陽光発電集熱システムに利用することができる。

１ …太陽光発電集熱システム
２ …太陽光発電集熱装置
３ａ …送電部
４ …熱媒循環路
５ …蓄熱タンク
６ …バイパス路
７ …切換弁
８ …冷却部
１２ …排水弁
１３ …温度センサ
１４ …発電出力実測部
１５ …発電出力予測部
１６ …遮断器
Ｃ …制御手段
Ｃ_１ …演算部
Ｃ_２ …記憶部
Ｃ_３ …制御部
Ｐ …ポンプ

Claims (12)

1. 太陽光発電モジュールおよび太陽熱集熱ユニットが一体化された太陽光発電集熱装置と、
   前記太陽熱集熱ユニットに接続され、ポンプの駆動により熱媒が内部を循環可能な熱媒循環路と、
   前記熱媒の温度を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記太陽光発電モジュールにおける発電出力の変動値の予測値が、予め設定された上昇閾値以上になると、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させる発電出力抑制制御を行い、前記発電出力の変動値の予測値が、予め設定された下降閾値以下になると、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させる発電出力向上制御を行うことを特徴とする太陽光発電集熱システム。
2. 太陽光発電モジュールおよび太陽熱集熱ユニットが一体化された太陽光発電集熱装置と、
   前記太陽光発電モジュールにおける発電出力を計測する発電出力実測部と、
   前記発電出力実測部によって計測された発電出力の実測値から、当該実測値の変動値を導出する変動値導出手段と、
   前記太陽熱集熱ユニットに接続され、ポンプの駆動により熱媒が内部を循環可能な熱媒循環路と、
   前記熱媒の温度を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記変動値導出手段によって導出された前記実測値の変動値が、予め設定された上昇閾値以上になると、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させる発電出力抑制制御を行い、前記実測値の変動値が、予め設定された下降閾値以下になると、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させる発電出力向上制御を行うことを特徴とする太陽光発電集熱システム。
3. 前記制御手段は、
   前記発電出力抑制制御として、前記ポンプを制御して前記熱媒の循環流量を低下させる循環流量低下制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させることを特徴とする請求項１または２記載の太陽光発電集熱システム。
4. 前記熱媒循環路に接続され、前記太陽熱集熱ユニットで昇温された熱媒と給水との間で熱交換をさせる熱交換部と、
   前記熱媒循環路における前記熱交換部の上流側から下流側へと熱媒をバイパス可能なバイパス路と、
   前記熱媒の循環経路を、前記熱交換部およびバイパス路のいずれかに切り換える切換弁と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記発電出力抑制制御として、前記切換弁を制御して前記熱媒の循環経路を前記バイパス路に切り換えるバイパス路切換制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を上昇させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光発電集熱システム。
5. 前記制御手段は、
   複数の前記発電出力抑制制御のうちのいずれか１または複数の制御を行い、予め設定された時間内に、当該発電出力抑制制御によって変動する制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力抑制制御を追加して行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽光発電集熱システム。
6. 前記制御手段は、
   複数の前記発電出力抑制制御のうちのいずれか１または複数の制御を行い、予め設定された時間内に、当該発電出力抑制制御によって変動する制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力抑制制御に切り換えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽光発電集熱システム。
7. 前記熱交換部は、給水を貯留可能な蓄熱タンクで構成され、
   前記蓄熱タンクに貯留された給水を排水する排水弁がさらに設けられ、
   前記制御手段は、
   前記発電出力向上制御として、前記排水弁を開弁して前記蓄熱タンクから給水を排水するとともに、前記蓄熱タンクに新たな給水を供給して当該蓄熱タンクの温度を低下させる蓄熱タンク温度低下制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の太陽光発電集熱システム。
8. 前記制御手段は、
   前記発電出力向上制御として、前記ポンプを制御して前記熱媒の循環流量を増加させる循環流量増加制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させることを特徴とする請求項１〜７記載の太陽光発電集熱システム。
9. 前記熱媒循環路を循環する熱媒を冷却する冷却部を備え、
   前記制御手段は、
   前記発電出力向上制御として、前記熱媒を前記冷却部に導いて冷却させる冷却制御を行い、前記太陽熱集熱ユニット内の熱媒の温度を低下させることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の太陽光発電集熱システム。
10. 前記制御手段は、
    複数の前記発電出力向上制御のうちのいずれか１または複数の制御を行い、予め設定された時間内に、当該発電出力向上制御によって変動する制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力向上制御を追加して行うことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の太陽光発電集熱システム。
11. 前記制御手段は、
    複数の前記発電出力向上制御のうちのいずれか１または複数の制御を行い、予め設定された時間内に、当該発電出力向上制御によって変動する制御値が制御目標値に到達しなかった場合に、他の発電出力向上制御に切り換えることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の太陽光発電集熱システム。
12. 前記太陽光発電モジュールにおける発電出力の実測値を導出する実測値導出手段と、
    前記太陽光発電モジュールで発電された電力を電力系統に送電する送電部と、
    前記送電部に設けられ、前記太陽光発電モジュールと前記電力系統とを解列可能な遮断器と、を備え、
    前記制御手段は、
    前記発電出力の実測値の変動値が予め設定された上昇遮断閾値以上になった場合に、前記太陽光発電モジュールと前記電力系統とを解列することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の太陽光発電集熱システム。

Images