JP2015231327A - 直流電源システム及び整流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設備コストの増加を抑えつつ、太陽光発電による余剰電力を有効利用することができる直流電源システム及び整流装置を提供する。【解決手段】直流電源システム１は、直流電流を発生させる整流装置２と、蓄電池３と、太陽光発電装置４とを備える。太陽光発電装置４は、発電電力のうち余剰電力を蓄電池３に供給可能とされている。整流装置２は、蓄電池３のＳＯＣが予め定められた目標充電量となるときの蓄電池３の電圧と整流装置２の出力電圧とが一致するように、整流装置２の出力電圧を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば無線基地局等の電源システムとして用いられる直流電源システム及び当該直流電源システムに含まれる整流装置に関する。

近年、再生可能エネルギーの利用が促進されている中で、太陽光発電の導入が進められている。太陽光発電の特徴としては、小規模な発電装置でも発電効率が変わらず、一般家庭でも発電が可能であることである。例えば無線基地局においても家庭と同様の規模の太陽光発電を設置できるスペースがあることが多い。従って、無線基地局でも太陽光発電を設置し、太陽光発電を有効利用して商用電力の利用を削減できる。

無線基地局の電源システムは、例えば直流電源システムで構成され、停電用に蓄電池を備えている。太陽光発電を導入する場合、太陽光発電は直流電源であるため、太陽光発電装置を直流のまま直流電源システムに接続することにより、直流／交流の変換をすることなく発電電力を利用でき、効率が良い。

家庭等で利用される太陽光発電による発電電力は交流に変換されるため、余った発電電力（余剰電力）を売電することができる。しかし、太陽光発電による発電電力を直流のまま利用する場合は、余剰電力を売電することができない。そこで、このような余剰電力は、例えば蓄電池の充電に用いられる。余剰電力を蓄電池に充電するための構成としては、蓄電池と直流電力バスとの間に充放電制御装置を備える構成がある（下記特許文献１参照）。

特開２０１０−１７８４７９号公報

しかしながら、蓄電池に充電可能な空き領域を用意しておくために充放電制御装置を備えるということは、直流電源システムに新たなハードウェアを備えることに他ならず、設備コストが増加するという問題があった。また、蓄電池の種類毎に異なる充放電制御装置が必要となるため、開発コストもかかるという問題もあった。

そこで、本発明は、設備コストの増加を抑えつつ、太陽光発電による余剰電力を有効利用することができる直流電源システム及び整流装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る直流電源システムは、直流電流を発生させる整流装置と、蓄電池と、太陽光発電装置とを備える直流電源システムであって、太陽光発電装置は、発電電力のうち余剰電力を蓄電池に供給可能とされ、整流装置は、蓄電池の充電量が予め定められた目標充電量となるときの蓄電池の電圧と整流装置の出力電圧とが一致するように、整流装置の出力電圧を調整する。

本発明の一形態に係る整流装置は、直流電流を発生させる整流装置と、蓄電池と、発電電力のうち余剰電力を蓄電池に供給可能な太陽光発電装置とを備える直流電源システムにおける整流装置であって、蓄電池の充電量が予め定められた目標充電量となるときの蓄電池の電圧と整流装置の出力電圧とが一致するように、整流装置の出力電圧を調整する。

上記形態では、蓄電池の充電量が目標充電量となるときの蓄電池の電圧と整流装置の出力電圧とが一致するように整流装置の出力電圧が調整される。このため、定常状態において蓄電池の充電量が目標充電量に保たれるものとなる。一方、太陽光発電装置による発電電力に余剰電力が発生した場合には、余剰電力が蓄電池に充電され、蓄電池の充電量が目標充電量よりも増加する。その後、太陽光発電装置による発電電力が低下し、余剰電力がなくなると、蓄電池の電圧は、充電量の増加により整流装置の出力電圧よりも高くなっているため、太陽光発電で不足する電力は、蓄電池の放電により賄われることとなる。蓄電池の充電量が目標充電量になるまで放電が行われた後は、蓄電池の電圧が整流装置の出力電圧と同等となるため、蓄電池からの放電が停止され、太陽光発電で不足する電力は、整流装置から供給されることとなる。

以上のように、上記形態によれば、太陽光発電装置による余剰電力を蓄電池に充電させると共に、太陽光発電装置による余剰電力がなくなった際には、蓄電池の充電量が目標充電量となるまで蓄電池に放電させることができる。従って、例えば充放電制御装置等のハードウェア導入等にかかる設備コストの増加を抑えつつ、太陽光発電による余剰電力を有効利用することができる。

上記直流電源システムでは、整流装置は、蓄電池の充電量と蓄電池の充放電電流とに基づいて、蓄電池の充電量が目標充電量となるときに充放電電流が０になるように整流装置の出力電圧を調整してもよい。

上記直流電源システムによれば、蓄電池の充電量が目標充電量となるときの蓄電池の電圧が予め把握されていない場合や、蓄電池の周囲の環境変化等によって蓄電池の充電量に対応する蓄電池の電圧が変化し得る場合であっても、蓄電池の充電量と蓄電池の充放電電流とに基づいて、整流装置の出力電圧を適切に調整することができる。

上記直流電源システムでは、整流装置は、太陽光発電装置の余剰電力に基づいて目標充電量を決定してもよい。

上記直流電源システムによれば、太陽光発電装置により一日に発電される余剰電力に基づいて、目標充電量を適切に決定することができる。

本発明によれば、設備コストの増加を抑えつつ、太陽光発電による余剰電力を有効利用することができる。

本発明の一実施形態に係る直流電源システムの全体構成を示すブロック図である。 図１に示す整流装置の機能構成を示すブロック図である。 （ａ）は太陽光発電装置の発電電力の時系列図であり、（ｂ）は蓄電池の充電量（ＳＯＣ）の時系列図である。

本発明に係る直流電源システム及び整流装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る直流電源システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る直流電源システム１は、直流電流を発生させる整流装置２と、蓄電池３と、発電電力のうち余剰電力を蓄電池３に供給可能な太陽光発電装置４とを備える。本実施形態では一例として、直流電源システム１は、無線基地局の電源システムとして、無線基地局の通信装置６に接続されている。具体的には、直流電源システム１は、整流装置２、蓄電池３、及び太陽光発電装置４の少なくとも一つから負荷としての通信装置６に直流電力が供給されるように構成されている。本実施形態では、通信装置６は、稼働するために一定の消費電力を必要とするものとする。

整流装置２は、商用電源等の交流電源５に接続されている。整流装置２は、交流電源５から供給される交流電流を直流電流に変換し、当該直流電流を蓄電池３又は通信装置６に供給する装置である。整流装置２は、後述する構成により、出力する直流電圧（出力電圧）を任意に変化させることが可能になっている。なお、無線基地局の通信装置６が供給を受ける直流電圧は、例えば４１Ｖ〜５７Ｖの範囲となっている。このため、本実施形態では、整流装置２は、出力電圧を４１Ｖ〜５７Ｖの範囲で可変となるように構成される。整流装置２の各機能の詳細については後述する。

蓄電池３は、例えばフロート充電型の蓄電池である。蓄電池３は、電力の充電及び放電を行うことができる。具体的には、蓄電池３は、整流装置２又は太陽光発電装置４から供給される電力により充電されたり、充電された電力を放電して通信装置６に供給したりすることができる。また、蓄電池３は、自身の充電量（ＳＯＣ：State of Charge）を示すＳＯＣ情報を把握し、当該ＳＯＣ情報を定期的に整流装置２の出力電圧調整部２２（詳しくは後述）に出力する。また、蓄電池３の電圧は、ＳＯＣが大きくなるほど大きくなり、満充電のときに最も大きくなる。

太陽光発電装置４は、例えば太陽光パネル等を備えており、太陽光パネルに照射された太陽光を直流電力に変換して出力する発電装置である。太陽光発電装置４は、発電電力を負荷としての通信装置６に供給する。

続いて、直流電源システム１における電力（電流）の流れについて説明する。太陽光発電装置４の発電電力が通信装置６の消費電力を上回っている場合には、通信装置６の消費電力は、太陽光発電装置４の発電電力によって賄われる。また、太陽光発電装置４は、発電電力から通信装置６への供給電力を差し引いた残りの電力（余剰電力）を蓄電池３に供給する。この場合、整流装置２から蓄電池３及び通信装置６への電力供給は行われず、蓄電池３は、太陽光発電装置４により発生した余剰電力により充電されることとなる。

一方、太陽光発電装置４の発電電力が通信装置６の消費電力に満たない場合には、太陽光発電装置４の発電電力が全て通信装置６に供給された上で、不足電力は、整流装置２又は蓄電池３によって賄われる。ここで、不足電力が整流装置２及び蓄電池３のいずれによって賄われるかは、整流装置２の出力電圧と蓄電池３の電圧の大小関係によって切り替わる。

即ち、整流装置２の出力電圧が蓄電池３の電圧より大きい場合には、整流装置２から通信装置６に電力が供給される。また、整流装置２から蓄電池３に電力が供給され、蓄電池３が充電される。蓄電池３が充電され、ＳＯＣが上昇することによって蓄電池３の電圧が上昇し、蓄電池３の電圧が整流装置２の出力電圧と同等になると、整流装置２から蓄電池３への電力供給は行われなくなる。

一方、整流装置２の出力電圧が蓄電池３の電圧未満である場合には、蓄電池３から通信装置６への電力供給（放電）が行われる。蓄電池３が放電され、ＳＯＣが下降することによって蓄電池３の電圧が下降し、蓄電池３の電圧が整流装置２の出力電圧と同等になると、蓄電池３の放電は停止され、整流装置２から通信装置６に電力が供給されるようになる。

上述の通り、整流装置２の出力電圧が蓄電池３の電圧と同等である場合には、整流装置２から通信装置６に電力が供給される一方で、整流装置２から蓄電池３への電力供給は行われない。また、蓄電池３から通信装置６への放電も行われない。即ち、蓄電池３の充放電電流（蓄電池３に供給される充電電流及び蓄電池３から放電される放電電流）は０となる。ここで、「充放電電流が０である」とは、蓄電池３に供給される充電電流及び蓄電池３から放電される放電電流のいずれも発生しない定常状態となっていることを意味する。

直流電源システム１では、例えば日中の太陽光の照射量が多い時間帯等に太陽光発電装置４による余剰電力が発生したときには、余剰電力を蓄電池３の充電のために用いることができる。しかし、このとき蓄電池３が満充電状態（ＳＯＣが１００％の状態）になっていると、蓄電池３をそれ以上充電することはできないため、余剰電力を利用することができず無駄になってしまう。そこで、直流電源システム１は、太陽光発電装置４により生じた余剰電力を蓄電池３の充電用として有効利用すべく、蓄電池３に充電可能な空き領域が確保される（例えばＳＯＣが７０％程度に維持される）ように、整流装置２の出力電圧の調整制御を実行する。以下、整流装置２の出力電圧の調整制御の詳細について説明する。

図２は、整流装置２の機能構成を示すブロック図である。図２に示すように、整流装置２は、機能的構成要素として、出力電流検出部２１、出力電圧調整部２２、及び交流／直流変換部２３を備えている。

出力電流検出部２１は、整流装置２の出力電流及び蓄電池３の充放電電流を検出する。本実施形態では一例として、出力電流検出部２１は、交流電源５から供給される交流電流を直流電流に変換する交流／直流変換部２３の下流側で整流装置２の出力電流を検知する第１検知部２１ａと、蓄電池３の充放電電流を検知する第２検知部２１ｂとを有する。出力電流検出部２１は、第１検知部２１ａ及び第２検知部２１ｂで検知された各電流値を示す情報を出力電圧調整部２２に出力する。

出力電圧調整部２２は、蓄電池３のＳＯＣが予め定められた目標充電量（例えば７０％）となるときの蓄電池３の電圧と整流装置２の出力電圧とが一致するように、整流装置２の出力電圧を調整する。このように出力電圧が調整されることにより、蓄電池３のＳＯＣは、太陽光発電装置４が発生させた余剰電力により充電されるとき及び余剰電力により充電された電力を放電しているときを除いて、目標充電量に維持されることとなる。

ここで、目標充電量は、例えば直流電源システム１の管理者等により予め設定されてもよい。また、出力電圧調整部２２は、例えば太陽光発電装置４が一日に発生させる余剰電力（例えば所定期間における平均値や最大値等）に関するデータに基づいて目標充電量を決定してもよい。より具体的には、出力電圧調整部２２は、例えば余剰電力の全てを蓄電池３に充電可能な空き領域が確保されるように、目標充電量を決定してもよい。これにより、太陽光発電装置４により一日に発電される余剰電力に基づいて、目標充電量を適切に決定することができる。なお、余剰電力に関するデータは、出力電圧調整部２２が参照可能なように、太陽光発電装置４や図示しないデータベース装置（不図示）等に記憶されてもよい。

具体的には、出力電圧調整部２２は、例えば、蓄電池３により出力されたＳＯＣ情報を取得すると共に、出力電流検出部２１の第１検知部２１ａ及び第２検知部２１ｂにより検知された各電流値を示す情報を取得する。そして、出力電圧調整部２２は、蓄電池３から取得したＳＯＣ情報と出力電流検出部２１から取得した各電流値を示す情報とに基づいて、整流装置２の出力電圧を調整する。例えば、出力電圧調整部２２は、蓄電池３のＳＯＣと蓄電池３の充放電電流とに基づいて、蓄電池３のＳＯＣが目標充電量となるときに蓄電池３の充放電電流が０となるように整流装置２の出力電圧を調整してもよい。これにより、蓄電池３のＳＯＣが目標充電量となるときの蓄電池３の電圧が予め把握されていない場合や、蓄電池３の周囲の環境変化等によって蓄電池３のＳＯＣに対応する蓄電池３の電圧が変化し得る場合であっても、蓄電池３のＳＯＣと蓄電池３の充放電電流とに基づいて、整流装置２の出力電圧を適切に調整することができる。

より具体的には、出力電圧調整部２２は、例えば蓄電池３の充放電電流が０となったときの蓄電池３のＳＯＣに基づいて整流装置２の出力電圧を調整してもよい。例えばＳＯＣが目標充電量（７０％）よりも低い状態（例えば６０％）で充放電電流が０となっている場合について考える。この場合、出力電圧調整部２２は、整流装置２の出力電圧がＳＯＣ６０％の状態での蓄電池３の電圧と一致していることを把握することができる。従って、出力電圧調整部２２は、整流装置２の出力電圧を所定の大きさ（例えば目標充電量と現在のＳＯＣとの差分に応じた大きさ）だけ上げることにより、整流装置２の出力電圧をＳＯＣが目標充電量となるときの蓄電池３の電圧に近づけることができる。

一方、ＳＯＣが目標充電量よりも高い状態（例えば８０％）で充放電電流が０となっている場合について考える。この場合、出力電圧調整部２２は、整流装置２の出力電圧がＳＯＣ８０％の状態での蓄電池３の電圧と一致していることを把握することができる。従って、出力電圧調整部２２は、整流装置２の出力電圧を所定の大きさ（例えば目標充電量と現在のＳＯＣとの差分に応じた大きさ）だけ下げることにより、整流装置２の出力電圧をＳＯＣが目標充電量となるときの蓄電池３の電圧に近づけることができる。

なお、上述の電圧の調整は、整流装置２の出力電流が０より大きい場合に行われることになる。整流装置２の出力電流が０である場合には、上述のように太陽光発電装置４の余剰電力による蓄電池３の充電又は放電が実行されており、蓄電池３の充放電電流が０とはならないからである。ただし、厳密には、蓄電池３の充電と放電とが切り替わる瞬間（後述する図３の時点ｔ２）には、蓄電池３の充放電電流が０となる。このときの蓄電池３のＳＯＣに基づいて上述の出力電圧の調整がされてしまうことは好ましくない。このときの整流装置２の出力電圧は、蓄電池３の電圧と一致しているとは限らないからである。従って、出力電圧調整部２２は、第１検知部２１ａにより検知された整流装置２の出力電流が０より大きいか否かを判定し、当該出力電流が０より大きい場合にのみ上述の出力電圧の調整を実行してもよい。

出力電圧調整部２２は、上述の調整により得られた出力電圧（設定電圧）を交流／直流変換部２３に出力する。

交流／直流変換部２３は、交流電源５から供給される交流電力を直流電力に変換し、出力電圧調整部２２により出力された設定電圧で当該直流電力を出力する。

上述の出力電流検出部２１、出力電圧調整部２２、及び交流／直流変換部２３の処理は、蓄電池３のＳＯＣが予め定められた目標充電量となるときに蓄電池３の充放電電流が０となるまで、繰り返し実行される。

図３は、直流電源システム１における太陽光発電装置４の発電電力及び蓄電池３のＳＯＣの一日の推移を示している。図３（ａ）は、太陽光発電装置４による発電電力の時系列図であり、図３（ｂ）は、蓄電池３のＳＯＣの時系列図である。

（時点ｔ０から時点ｔ１までの時間帯）
時点ｔ０から時点ｔ１までの時間帯は、例えば太陽光の照射量がない（或いは少ない）深夜から早朝にかけての時間帯であり、太陽光発電装置４の発電電力は、通信装置６の消費電力に満たない（図３（ａ）参照）。このため、通信装置６の消費電力のうち太陽光発電装置４の発電電力では賄うことができない不足電力は、整流装置２からの出力電流により賄われる。整流装置２の出力電圧は、蓄電池３のＳＯＣが目標充電量（７０％）となるときの電圧と一致するように調整されるため、蓄電池３のＳＯＣは、７０％に維持される（図３（ｂ）参照）。

（時点ｔ１から時点ｔ２までの時間帯）
時点ｔ１から時点ｔ２までの間の時間帯は、例えば太陽光の照射量が多くなる日中の時間帯であり、太陽光発電装置４の発電電力は、通信装置６の消費電力よりも多くなっている（図３（ａ）参照）。このため、太陽光発電装置４は、発電電力から通信装置６の消費電力を差し引いた余剰電力を発生させ、当該余剰電力が蓄電池３に充電されることにより、蓄電池３のＳＯＣが上昇していく（図３（ｂ）参照）。

（時点ｔ２から時点ｔ３までの時間帯）
時点ｔ２から時点ｔ３までの時間帯は、例えば日中の時間帯を過ぎて太陽光の照射量が少なくなる夕方以降の時間帯であり、太陽光発電装置４の発電電力は、通信装置６の消費電力に満たなくなる（図３（ａ）参照）。このとき、蓄電池３の電圧は、余剰電力による充電によってＳＯＣが上昇したことにより、整流装置２の出力電圧（ＳＯＣ７０％の状態での蓄電池３の電圧と同等の電圧）よりも高くなっている。このため、通信装置６の消費電力のうち太陽光発電装置４の発電電力では賄うことができない不足電力は、蓄電池３からの放電により賄われる。この放電により、蓄電池３のＳＯＣは下降していく（図３（ｂ）参照）。

（時点ｔ３以降の時間帯）
時点ｔ３は、蓄電池３のＳＯＣが目標充電量（７０％）になる時点である。蓄電池３のＳＯＣが７０％になると、蓄電池３の電圧は、整流装置２の出力電圧と同等となるため、蓄電池３の放電は停止され、整流装置２から通信装置６に電力が供給されるようになる。整流装置２の出力電圧は、蓄電池３のＳＯＣが目標充電量（７０％）となるときの電圧と一致するように調整されるため、蓄電池３のＳＯＣは、７０％に維持される（図３（ｂ）参照）。

以上述べた直流電源システム１及び整流装置２によれば、蓄電池３のＳＯＣが目標充電量（一例として７０％）となるときの蓄電池３の電圧と整流装置２の出力電圧とが一致するように整流装置２の出力電圧が調整される。このため、定常状態において蓄電池３のＳＯＣが目標充電量に保たれるものとなる。一方、太陽光発電装置４による発電電力に余剰電力が発生した場合には、余剰電力が蓄電池３に充電され、蓄電池３のＳＯＣが目標充電量よりも増加する。その後、太陽光発電装置４による発電電力が低下し、余剰電力がなくなると、蓄電池３の電圧は、ＳＯＣの増加により整流装置２の出力電圧よりも高くなっているため、太陽光発電で不足する電力は、蓄電池３の放電により賄われることとなる。蓄電池３のＳＯＣが目標充電量になるまで放電が行われた後は、蓄電池３の電圧が整流装置２の出力電圧と同等となるため、蓄電池３からの放電が停止され、太陽光発電で不足する電力は、整流装置２から供給されることとなる。

以上のように、上記形態によれば、太陽光発電装置４による余剰電力を蓄電池３に充電させると共に、太陽光発電装置４による余剰電力がなくなった際には、蓄電池３のＳＯＣが目標充電量となるまで蓄電池３に放電させることができる。従って、例えば充放電制御装置等のハードウェア導入等にかかる設備コストの増加を抑えつつ、太陽光発電による余剰電力を有効利用することができる。特に昼間（日中）の太陽光発電の発電ピーク時に生じる余剰電力を有効利用できる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、本実施形態では、直流電源システム１が無線基地局の通信装置６の電源システムとして用いられる場合について説明したが、直流電源システム１は、他の装置又はシステムの電源システムとして用いられてもよい。

１…直流電源システム、２…整流装置、３…蓄電池、４…太陽光発電装置、２１…出力電流検出部、２２…出力電圧調整部、２３…交流／直流変換部。

Claims (4)

1. 直流電流を発生させる整流装置と、蓄電池と、太陽光発電装置とを備える直流電源システムであって、
   前記太陽光発電装置は、発電電力のうち余剰電力を前記蓄電池に供給可能とされ、
   前記整流装置は、前記蓄電池の充電量が予め定められた目標充電量となるときの前記蓄電池の電圧と前記整流装置の出力電圧とが一致するように、前記整流装置の出力電圧を調整する、
   直流電源システム。
2. 前記整流装置は、前記蓄電池の充電量と前記蓄電池の充放電電流とに基づいて、前記蓄電池の充電量が前記目標充電量となるときに前記充放電電流が０になるように前記整流装置の出力電圧を調整する、
   請求項１記載の直流電源システム。
3. 前記整流装置は、前記太陽光発電装置の前記余剰電力に基づいて前記目標充電量を決定する、
   請求項１又は２記載の直流電源システム。
4. 直流電流を発生させる整流装置と、蓄電池と、発電電力のうち余剰電力を前記蓄電池に供給可能な太陽光発電装置とを備える直流電源システムにおける整流装置であって、
   前記蓄電池の充電量が予め定められた目標充電量となるときの前記蓄電池の電圧と前記整流装置の出力電圧とが一致するように、前記整流装置の出力電圧を調整する、
   整流装置。

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