JP2015080348A

JP2015080348A - 複合発電システム及び発電機の過回転抑制方法

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Publication number: JP2015080348A
Application number: JP2013216564A
Authority: JP
Inventors: 貞夫谷口; Sadao Taniguchi; 弘雄南; Hiroo Minami; 博樹田川; Hiroki Tagawa
Original assignee: HOKURIKU SEIKI KK
Current assignee: HOKURIKU SEIKI KK
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-04-23

Abstract

【課題】負荷遮断時の無拘束状態を防止しながら、低コスト化及び省スペース化が可能な複合発電システム、及び複合発電システムにおける発電機の過回転を抑制する発電機の過回転抑制方法を提供する。【解決手段】複合発電システム１は、複数の太陽電池セル２００を直列に接続してなり、太陽光を受けて直流電力を出力する太陽光発電パネル２と、外力によって回転駆動される回転軸３１０の回転による機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、直流電力を出力する発電装置３と、太陽光発電パネル２及び発電装置３から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統側に送電するパワーコンディショナ４と、太陽光発電パネル２及び発電装置３とパワーコンディショナ４とを接続する配線部材５とを備え、発電装置３の負荷遮断が発生した際、発電装置３の直流電力が太陽光発電パネル２に出力される。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電パネル及び発電機を備えた複合発電システム、及び複合発電システムにおける発電機の過回転を抑制する発電機の過回転抑制方法に関する。

従来、太陽光を受けて電力を出力する太陽光発電パネルと、風力や水力によって回転駆動される回転軸の回転によって生じる機械エネルギーを電力エネルギーに変換する発電装置とを備えた複合発電システムが知られている（例えば、特許文献１乃至３参照）。

この種の複合発電システムは、電力消費量が比較的多い日中に太陽光発電と風力又は水力発電とを併用することで大きな発電量を得られると共に、太陽光発電が行えない夜間にも風力又は水力によって発電を継続できるという利便性により、普及が拡大しつつある。

また、機械エネルギーを電力エネルギーに変換する発電装置を備えた発電システムでは、例えば負荷側に障害が発生して負荷遮断すると、発電機の回転軸が無拘束状態となり、回転軸の回転速度が急激に上昇する場合がある。回転軸の回転速度が過度に高くなると、回転軸を支持する軸受等が破損するおそれがあるので、回転軸の回転速度を抑制する必要がある。

このため、特許文献４に記載の水車用負荷ガバナ装置では、水車が受ける水力によって回転駆動される発電機の負荷遮断時に、発電機で発生する電力をダミー回路に供給してダミー抵抗の発熱によって消費することで、水車及び発電機の回転軸の無拘束状態を防止するように構成されている。

特開２０１２−７５２２４号公報特開２００７−１１６８０９号公報特開２００１−１４５３９６号公報特開平６−２０７５８０号公報

このような自然エネルギーを利用した複合発電システムの普及を推進するためには、低コスト化を図る必要がある。また、複合発電システムが一般家庭にも導入され得ることを考慮すれば、その設置スペースの省スペース化も図る必要がある。ここで、例えば特許文献４に記載されたもののように、負荷遮断時における無拘束状態の発生を防止するためにダミー抵抗を備えたダミー回路を設けることとすれば、コストの上昇と設置スペースの増大を招来してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、負荷遮断時の無拘束状態を防止しながら、低コスト化及び省スペース化が可能な複合発電システム、及び複合発電システムにおける発電機の過回転を抑制する発電機の過回転抑制方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、複数の太陽電池セルを直列に接続してなり、太陽光を受けて直流電力を出力する太陽光発電パネルと、外力によって回転駆動される回転軸の回転によって生ずる機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、直流電力を出力する発電装置と、前記太陽光発電パネル及び前記発電装置から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統側に送電する変換器と、前記太陽光発電パネル及び前記発電装置と前記変換器とを接続する配線部材とを備え、前記発電装置の負荷遮断が発生した際、前記発電装置の直流電力が前記太陽光発電パネルに出力される複合発電システムを提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、太陽光を受けて直流電力を出力する太陽光発電パネル、及び外力によって回転駆動される回転軸の回転によって生ずる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する発電機を備えた複合発電システムの負荷遮断時に、前記発電機によって発電された電力を前記太陽光発電パネルで消費することにより、前記発電機の過回転を抑制する発電機の過回転抑制方法を提供する。

本発明によれば、負荷遮断時の無拘束状態を防止しながら、低コスト化及び省スペース化が可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る複合発電システムの構成例を示すブロック図である。太陽光発電パネルの構成例を示す模式図である。２つの太陽電池セルの接続状態を示す太陽光発電パネルの断面図である。太陽電池セルの等価回路を示す回路図である。（ａ）は、発電装置の構成例を示す概略構成図である。（ｂ）は、発電装置の整流器の構成例を示す回路図である。本発明の第２の実施の形態に係る複合発電システムの構成例を示すブロック図である。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る複合発電システムの構成例を示すブロック図である。この複合発電システム１は、太陽光を受けて直流電力を出力する太陽光発電パネル２と、外力によって回転駆動される回転軸の回転による機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、直流電力を出力する発電装置３と、太陽光発電パネル２及び発電装置３から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統側の負荷Ｌに送電する変換器としてのパワーコンディショナ４と、太陽光発電パネル２及び発電装置３とパワーコンディショナ４とを接続する配線部材５とを備えている。

太陽光発電パネル２は、複数の太陽電池モジュール２０を直列に接続してなり、それぞれの太陽電池モジュール２０は、複数の太陽電池セル２００を直列に接続して構成されている。本実施の形態では、太陽光発電パネル２が８個の太陽電池モジュール２０を直列に接続してなり、１つの太陽電池モジュール２０には７２個の太陽電池セル２００が直列に接続されている。つまり、太陽光発電パネル２は、５７６（＝７２×８）個の太陽電池セル２００を直列に接続してなる。各太陽電池セル２００は、太陽光を受けて所定の電圧（例えば０．６Ｖ）の直流電力を出力し、太陽光発電パネル２の開放電圧は、例えば３４５．６Ｖ（＝０．６Ｖ×５７６）である。

図２は、複数の太陽電池セル２００、及び隣り合う太陽電池セル２００同士を接続するリード線（インターコネクタ）２１を示す太陽電池モジュール２０の模式図である。図３は、隣り合う２つの太陽電池セル２００の接続状態を示す太陽電池モジュール２０の断面図である。

図２に示すように、太陽電池モジュール２０における複数の太陽電池セル２００は、複数のリード線２１によって直列に接続されている。また、図３に示すように、太陽電池セル２００及びリード線２１は、樹脂からなる充填剤２２によって表面カバー材２３と裏面カバー材２４との間に固定されている。

太陽電池セル２００は、ｐ型シリコン基板２０１を備え、このｐ型シリコン基板（以下、単に基板）２０１の受光面には、リン拡散によって図略のｎ型拡散層が形成されている。また、基板２０１の受光面側には、太陽光の光エネルギーから変換された電気エネルギーを取り出す受光面側電極２０２が形成され、この受光面側電極２０２が基板２０１の受光面に形成されたｎ型拡散層と電気的に接続されている。また、基板２０１における受光面とは反対側の裏面には、高濃度不純物を含んだ図略のｐ＋層が形成され、さらに入射光の反射および電力の取り出しを目的として裏面のほぼ全面にわたってアルミニウムからなる裏面集電電極２０３が設けられている。

太陽電池セル２００は、基板２０１の受光面側に太陽光が当たることによって、太陽光の光エネルギーが電気エネルギーに変換され、受光面側電極２０２が−電極、裏面集電電極２０３が＋電極となる。リード線２１は、隣り合う太陽電池セル２００のうち、一方の太陽電池セル２００の受光面側電極２０２と、他方の太陽電池セル２００の裏面集電電極２０３とを接続する。

図４は、太陽電池セル２００の等価回路を示す回路図である。太陽電池セル２００の等価回路は、電流源２００ａと、並列ダイオード２００ｂと、並列抵抗２００ｃと、直列抵抗２００ｄとで表される。直列抵抗２００ｄは太陽電池セル２００の各部を電流が流れる時の抵抗成分である。太陽電池セル２００に励起光（太陽光）が照射されると電子が励起され、光起電力効果によって並列ダイオード２００ｂにおけるカソード側からアノード側へ電流を流す起電力が発生する。なお、並列抵抗２００ｃの抵抗値は、並列ダイオード２００ｂの飽和領域の電圧では小さく、飽和領域未満の電圧では極めて大きくなる。したがって、例えば太陽電池セル２００が発電を行わない夜間には、並列抵抗２００ｃを流れる電流はごく僅かであるので、太陽電池セル２００を順方向に流れる電流による電力の損失（発電装置３で発電された電力の損失）は殆どない。

図５（ａ）は、発電装置３の構成例を示す概略構成図である。図５（ｂ）は、発電装置３の整流器３４の構成例を示す回路図である。

この発電装置３は、例えば０．５〜３ｍの落差で水力発電を行う低落差水力発電装置であり、装置本体３０と、発電機３１と、発電機３１にカップリング３２を介して連結された増速機３３と、発電機３１が出力する交流電力を直流電力に変換する整流器３４と有している。

装置本体３０は、取水口３００から円筒状の取水胴３０１内に水が取り込まれ、取り込まれた水の水力によって取水胴３０１の下部に設けられたスクリュウ３０２が回転する。取水胴３０１の下端開口部には、下方に向かうほど内径が小さくなる水絞り部３０３が同軸に固定されている。また、水絞り部３０３の中心軸上には、流路断面積を狭めるための水絞りドラム３０４が設けられている。この水絞りドラム３０４は、下方に向かって直径が大きくなる円錐台状部分３０４ａと、円錐台状部分３０４ａの大径端部に連続した筒状部３０４ｂとを有している。水絞り部３０３の内面と水絞りドラム３０４の筒状部３０４ｂとの間には、複数枚の固定ガイドベーン３０５が設けられている。

スクリュウ３０２の中心側の回転筒部３０２ａには、シャフト３０６が一体回転するように連結されている。シャフト３０６は、水絞りドラム３０４から上方に延在する筒体３０７を貫通し、増速機３３にスクリュウ３０２の回転を伝達する。また、シャフト３０６の下端部は軸受３０８に軸承されている。スクリュウ３０２の下方に流れ出た水は、吸出し管３０９から排出される。

このように構成された発電装置３は、取水口３００から取水胴３０１に水が取り込まれると、この水が水絞り部３０３及び水絞りドラム３０４で流路断面積が狭くなることにより流速が増し、スクリュウ３０２を回転させる。このスクリュウ３０２の回転力は、シャフト３０６及び増速機３３を介して発電機３１の回転軸３１０に伝達される。発電機３１は、シャフト３０６及び増速機３３を介して伝達される外力（水力）によって回転駆動される回転軸３１０の回転による機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。

本実施の形態では、発電機３１が三相交流発電機であり、互いに位相が１２０°ずつずれたＵ相，Ｖ相，Ｗ相の交流電流を出力する。整流器３４は、図５（ｂ）に示すように、これら各相に対応してアノードが発電機３１側に接続された３つのダイオード３４１、及びカソードが発電機３１側に接続された３つのダイオード３４２を有している。発電装置３は、発電機３１で発生した交流電力を整流器３４で整流した直流電力を出力する。

パワーコンディショナ４は、図略の遮断器ならびにインバータ及びコンバータを備え、太陽光発電パネル２及び発電装置３で発電された電力を商用電源の電圧及び周波数に同期し、電力系統との電力の授受の制御を行う。

配線部材５は、図１に示すように、整流器３４の＋側出力端子３４ａ（発電装置３の＋側出力端子）とパワーコンディショナ４の＋側入力端子４ａとを接続する第１の導電路５１と、整流器３４の−側出力端子３４ｂ（発電装置３の−側出力端子）とパワーコンディショナ４の−側入力端子４ｂとを接続する第２の導電路５２とを有している。

また、配線部材５は、第１の導電路５１の経路中に設けられた接点５１ａと太陽光発電パネル２の＋側出力端子２ａとを接続する第３の導電路５３と、第２の導電路５２の経路中に設けられた接点５２ａと太陽光発電パネル２の−側出力端子２ｂとを接続する第４の導電路５４とを有している。すなわち、太陽光発電パネル２の＋側出力端子２ａと整流器３４の＋側出力端子３４ａ、及び太陽光発電パネル２の−側出力端子２ｂと整流器３４の−側出力端子３４ｂが、配線部材５によってそれぞれ接続（短絡）されている。

上記のように構成された複合発電システム１は、例えばパワーコンディショナ４の故障等によって負荷Ｌ側（電力系統側）に電力を送れなくなった負荷遮断時に、発電機３１によって発電された電力を太陽光発電パネル２で消費することにより、発電機３１の過回転を抑制する。つまり、仮に発電装置３に太陽光発電パネル２が接続されていない場合には、発電装置３の負荷遮断が発生した際、発電機３１の回転軸３１０が無拘束状態となり、回転軸３１０に増速機３３を介して連結されたシャフト３０６及びスクリュウ３０２の回転が急激に上昇してしまい、シャフト３０６を軸承する軸受３０８等が破損するおそれがあるが、本実施の形態では、発電機３１によって発電された電力を太陽光発電パネル２で消費することによって、負荷遮断時における発電機３１の回転軸３１０の無拘束状態を防止する。

このように、発電装置３の負荷遮断が発生した際、発電装置３の直流電力が太陽光発電パネル２に出力されると、太陽光発電パネル２の各太陽電池セル２００には、太陽光による発電時とは逆方向に電流が流れる。すなわち、各太陽電池セル２００において、裏面集電電極２０３から受光面側電極２０２に向かって電流が流れる。この電流の向きは、図４に示す太陽電池セル２００の等価回路における並列ダイオード２００ｂの順方向であり、この方向に並列ダイオード２００ｂ（並列抵抗２００ｃ）を電流が流れることにより、順方向電圧（例えば０．６Ｖ）分の電圧降下が発生する。

ここで、発電装置３の発電機３１における起電力によって太陽光発電パネル２に流れる電流をＩａ（Ａ）とし、各太陽電池セル２００における電圧降下をＶｄ（Ｖ）とし、太陽電池セル２００の等価回路における直列抵抗２００ｄの抵抗値をＲａ（Ω）とすると、各太陽電池セル２００で消費される電力Ｐａ（Ｗ）は、Ｐａ＝Ｉａ×Ｖｄ＋Ｉａ^２×Ｒａとなる。本実施の形態では、前述のように太陽光発電パネル２に５７６個の太陽電池セル２００が直列に接続されているので、太陽光発電パネル２全体で消費される電力Ｐｔは、Ｐｔ＝Ｐａ×５７６で表される。

すなわち、本実施の形態によれば、パワーコンディショナ４の故障等によって負荷側に電力を送れなくなった場合でも、発電装置３が発電した電力が太陽光発電パネル２で消費されるので、発電機３１の回転軸３１０に回転拘束力が発生し、発電機３１の過回転が抑制される。これにより、発電装置３の装置本体３０において軸受３０８等が破損することを回避することができる。また、例えば従来の発電システムのようにダミー抵抗を備えたダミー回路を設ける必要がなく、負荷遮断時の無拘束状態を防止しながら、低コスト化及び省スペース化が可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る複合発電システム１Ａについて、図６を参照して説明する。

図６は、第２の実施の形態に係る複合発電システム１Ａの構成例を示すブロック図である。図６において、第１の実施の形態について図１等を参照して説明したものと機能が共通する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。

第１の実施の形態に係る複合発電システム１では、パワーコンディショナ４に１つの太陽光発電パネル２が接続されていたが、本実施の形態に係る複合発電システム１Ａでは、パワーコンディショナ４に複数（４つ）の太陽光発電パネル２が接続され、そのうちの一つの太陽光発電パネル２の＋側出力端子２ａが整流器３４の＋側出力端子３４ａに、また−側出力端子２ｂが整流器３４の−側出力端子３４ｂに、それぞれ配線部材５によって接続（短絡）されている。これら４つの太陽光発電パネル２は、第１の実施の形態に係る太陽光発電パネル２と同様に構成されている。以下の説明では、発電装置３と並列に接続された一つの太陽光発電パネル２を第１の太陽光発電パネル２Ａとし、他の３つの太陽光発電パネル２を第２乃至第４の太陽光発電パネル２Ｂ〜２Ｄとして説明する。

整流器３４の＋側出力端子３４ａ及び第１の太陽光発電パネル２Ａの＋側出力端子２ａは、並列に接続された３つのダイオード６１，６２，６３を介してパワーコンディショナ４の＋側入力端子４ａに接続されている。第２乃至第４の太陽光発電パネル２Ｂ〜２Ｄの＋側出力端子２ａは、それぞれ１つのダイオード６４，６５，６６を介してパワーコンディショナ４の＋側入力端子４ａに接続されている。また、整流器３４の−側出力端子３４ｂ及び第１乃至第４の太陽光発電パネル２Ａ〜２Ｄの−側出力端子２ｂは、パワーコンディショナ４の−側入力端子４ｂに直接接続されている。

本実施の形態によれば、パワーコンディショナ４の故障等によって負荷側に電力を送れなくなった場合に、発電装置３が発電した電力が第１の太陽光発電パネル２Ａで消費されるので、第１の実施の形態と同様に発電機３１の回転軸３１０に回転拘束力が発生し、発電機３１の過回転が抑制される。また、４つの太陽光発電パネル２（第１乃至第４の太陽光発電パネル２Ａ〜２Ｄ）が並列に接続されているので、太陽光による発電能力を増大させることができる。

表１は、この複合発電システム１Ａを用いて太陽光発電と水力発電を共に行う通常運転時と連系開放時（負荷遮断時）における各部の電圧、電流等の測定結果の例を示す。なお、負荷遮断はパワーコンディショナ４に内蔵された遮断器を開放することによって行った。

表１に示すように、複合発電システム１Ａを負荷遮断することにより、パワーコンディショナ４の入力端子電圧（＋側入力端子４ａと−側入力端子４ｂとの間の電圧）が２５２Ｖから上昇し、発電装置３から第１の太陽光発電パネル２Ａへ電流が供給される。この場合の第１の太陽光発電パネル２Ａの＋側出力端子２ａ及び−側出力端子２ｂ間の電圧は、第１の太陽光発電パネル２Ａの開放電圧に略等しい３４５Ｖであった。発電装置３から第１の太陽光発電パネル２Ａへ供給される電流は、負荷遮断直後は５．０Ａであり、その後３秒程度で４．０Ａまで減少して一定となった。なお、この電流値は、発電装置３（整流器３４）の＋側出力端子３４ａから第１の太陽光発電パネル２Ａの＋側出力端子２ａへ向かって流れる電流を測定した結果である。

また、第１の太陽光発電パネル２Ａを複合発電システム１Ａから切り離し、同様の実験を行った際には、負荷遮断直後のパワーコンディショナ４の入力端子電圧が５８０Ｖとなり、その後３秒程度で４７０Ｖまで低下して一定となった。つまり、本実施の形態では、発電装置３から第１の太陽光発電パネル２Ａへ電力が供給され、この電力が第１の太陽光発電パネル２Ａで消費されることにより、負荷遮断後のパワーコンディショナ４の入力端子電圧の上昇が抑えられていることが分かる。このことは、発電装置３から第１の太陽光発電パネル２Ａへの電力供給によって発電機３１の回転軸３１０の過回転が抑制されていることを示している。

以上、本発明の本発明の複合発電システム１，１Ａを第１及び第２の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。

例えば、第１及び第２の実施の形態では、発電機３１の回転軸３１０を回転させる外力として水力を用いる場合について説明したが、この外力としては水力に限定されず、風力その他の自然エネルギーを用いてもよい。また、風力と水力とを併用するものであってもよい。また、太陽光発電パネル２の具体的な構成は、図２及び図３に例示したものに限定されず、適宜変形して実施することが可能である。発電装置３の構成についても同様である。

１，１Ａ…複合発電システム、２…太陽光発電パネル、２Ａ〜２Ｄ…第１乃至第４の太陽光発電パネル、２ａ…＋側出力端子、２ｂ…−側出力端子、３…発電装置、４…パワーコンディショナ、４ａ…＋側入力端子、４ｂ…−側入力端子、５…配線部材、２０…太陽電池モジュール、２１…リード線、２２…充填剤、２３…表面カバー材、２４…裏面カバー材、３０…装置本体、３１…発電機、３２…カップリング、３３…増速機、３４…整流器、３４ａ…＋側出力端子、３４ｂ…−側出力端子、５１〜５４…第１乃至第４の導電路、５１ａ，５２ａ…接点、６１〜６６…ダイオード、２００…太陽電池セル、２００ａ…電流源、２００ｂ…並列ダイオード、２００ｃ…並列抵抗、２００ｄ…直列抵抗、２０１…ｐ型シリコン基板（基板）、２０２…受光面側電極、２０３…裏面集電電極、３００…取水口、３０１…取水胴、３０２…スクリュウ、３０２ａ…回転筒部、３０３…水絞り部、３０４…水絞りドラム、３０４ａ…円錐台状部分、３０４ｂ…筒状部、３０５…固定ガイドベーン、３０６…シャフト、３０７…筒体、３０８…軸受、３０９…吸出し管、３１０…回転軸、３４１，３４２…ダイオード

Claims

複数の太陽電池セルを直列に接続してなり、太陽光を受けて直流電力を出力する太陽光発電パネルと、
外力によって回転駆動される回転軸の回転による機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、直流電力を出力する発電装置と、
前記太陽光発電パネル及び前記発電装置から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統側に送電する変換器と、
前記太陽光発電パネル及び前記発電装置と前記変換器とを接続する配線部材とを備え、
前記発電装置の負荷遮断が発生した際、前記発電装置の直流電力が前記太陽光発電パネルに出力される
複合発電システム。
前記太陽光発電パネルの＋側出力端子と前記発電装置の＋側出力端子、及び前記太陽光発電パネルの−側出力端子と前記発電装置の−側出力端子が、前記配線部材によってそれぞれ接続された、
請求項１に記載の複合発電システム。
太陽光を受けて直流電力を出力する太陽光発電パネル、及び外力によって回転駆動される回転軸の回転による機械エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する発電機を備えた複合発電システムの負荷遮断時に、前記発電機によって発電された電力を前記太陽光発電パネルで消費することにより、前記発電機の過回転を抑制する発電機の過回転抑制方法。