JP2016127617A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池に充電された電力を効率良く負荷に供給する太陽光発電システムを提供する。【解決手段】太陽電池モジュールで発電した電力を充電する蓄電池と、蓄電池の充放電を制御する充放電コントローラ２と、を備える。充放電コントローラ２は、気象予報データを取得する通信部２５と、天気と太陽電池モジュールの発電量に関する発電量データとの関係を規定したテーブルを格納するメモリ２６と、蓄電池及び負荷への供給電力を制御し、予測された充電率に基づいて負荷の供給電力を調整する電力制御部２１と、蓄電池の現在の充電率を算出する算出部２２と、前記テーブルを参照して気象予報データから明日及び明後日の太陽電池モジュールの予想発電量を求め、予想発電量、現在の充電率及び負荷の消費電力に基づいて、明日及び明後日の蓄電池の充電率を予測する予測部２３と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光発電システムに関し、特に、蓄電池に充電された電力を効率良く負荷に供給する太陽光発電システムに関するものである。

太陽光発電システムには、商用電力系統と連系し、太陽電池で発電した電気を構内の配電線に送ることができる系統連系型太陽光発電システムと、商用電力系統から完全に分離された独立型太陽光発電システムとがある。独立型太陽光発電システムでは、太陽電池によって発電した電気を蓄電池に蓄えておき、昼間は太陽光による発電の電気を利用し、夜間は昼間充電しておいた蓄電池の電気を負荷に供給する。

独立型太陽光発電システムは、送電網と接続されていない設備や施設における電力源として利用される。

独立型太陽光発電システムの蓄電池は、過充電や過放電などが発生すると性能が低下する。そのため、蓄電池の状態を常時監視する充放電コントローラを設け、蓄電池の満充電時には太陽電池からの充電電流を遮断し、蓄電池の放電が進み残量が少なくなった場合には蓄電池から負荷への電流を遮断するといった制御が行われている。

特開２０１４−１１８７３号公報

従来の独立型太陽光発電システムでは、太陽電池の発電量の少ない雨天が続くと、蓄電池の残量が少なくなり、負荷に電力が供給されなくなっていた。このような蓄電池の過放電に伴う運転停止を回避するためには、太陽電池と蓄電池の容量を大きくしたり、ディーゼルエンジン等の調整用電源を別途設けたりする必要があるが、設置コストが高くなっていた。

本発明は、上記従来の実状に鑑みてなされたものであり、蓄電池に充電された電力を効率良く負荷に供給する太陽光発電システムを提供することを課題とする。

本発明の一態様による太陽光発電システムは、太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールで発電した電力を充電する蓄電池と、前記太陽電池モジュールで発電した電力を前記蓄電池又は負荷に供給し、該蓄電池の充放電を制御する充放電コントローラと、を備える独立型の太陽光発電システムであって、前記充放電コントローラは、気象予報データを取得する通信部と、天気と前記太陽電池モジュールの発電量に関する発電量データとの関係を規定したテーブルを格納するメモリと、前記蓄電池及び前記負荷への供給電力を制御し、予測された充電率に基づいて負荷への供給電力を調整する電力制御部と、前記蓄電池の現在の充電率を算出する算出部と、前記テーブルを参照して前記気象予報データから明日及び明後日の前記太陽電池モジュールの予想発電量を求め、該予想発電量、現在の充電率、及び前記負荷の消費電力に基づいて、明日及び明後日の前記蓄電池の充電率を予測する予測部と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様による太陽光発電システムにおいて、前記メモリは、電力を供給する時間を設定する供給時間テーブルを格納してもよい。

本発明の一態様による太陽光発電システムにおいて、前記電力制御部は、前記予測された充電率と前記供給時間テーブルに基づいて前記負荷へ電力を供給する時間を調整してもよい。

本発明の一態様による太陽光発電システムにおいて、前記電力制御部は、前記予測された充電率と前記供給時間テーブルに基づいて前記負荷へ供給する電流の大きさを調整してもよい。

本発明の一態様による太陽光発電システムにおいて、前記電力制御部は、予測された充電率が所定値以下の場合、前記負荷への供給電力を下げることが好ましい。

本発明の一態様による太陽光発電システムにおいて、前記負荷は照明器具であり、前記電力制御部は、照度、又は点灯させる照明の数を変えてもよい。

本発明の一態様による太陽光発電システムにおいて、前記予測部は、明々後日以降の蓄電池の充電率をさらに予測してもよい。

本発明の一態様による太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールの実際の発電量に基づいて前記発電量データを更新する更新部をさらに備えることが好ましい。

本発明の一態様による太陽光発電システムにおいて、前記メモリは、複数の日について、前記気象予報データで予報されていた天気と、各日における前記太陽電池モジュールの実際の発電量とを記録し、前記更新部は、予報されていた天気毎の実際の発電量の平均値を求め、該平均値に基づいて前記発電量データを更新してもよい。

本発明によれば、気象予報データに基づいて蓄電池の蓄電量を予測し、蓄電池に充電された電力を効率良く長期にわたって負荷に供給し、蓄電池の過放電に伴う運転停止を回避することができる。

本発明の実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。 同実施形態による充放電コントローラの機能ブロック図である。 発電量係数テーブルの一例を示す図である。 変形例による充放電コントローラの機能ブロック図である。 発電量係数テーブルの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。図１に示すように、太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１と、充放電コントローラ２と、蓄電池３とを備え、商用電力系統から完全に分離された独立型太陽光発電システムである。

太陽電池モジュール１は、光起電力効果により光を電気に変換する太陽電池セルを、必要な電圧及び電流に応じて直列に複数接続し、ガラスやアルミフレーム等を用いてパッケージ化したものである。

太陽電池モジュール１に使用される太陽電池の種類は限定されないが、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、微結晶シリコン太陽電池、球状シリコン太陽電池などのシリコン系太陽電池、ＣＩＳ系太陽電池、ＣＩＧＳ系太陽電池、ＧａＡｓ系太陽電池などの化合物系太陽電池、色素増感型太陽電池、有機太陽電池等が挙げられる。施工性の点では薄膜太陽電池が好ましい。薄膜太陽電池としては、アモルファスシリコン太陽電池、球状シリコン太陽電池、化合物系太陽電池、色素増感型太陽電池、有機太陽電池が好ましく、意匠性の点で、有機太陽電池が好ましい。

充放電コントローラ２は、蓄電池３の制御を行う装置であり、蓄電池３の充電量を監視し、蓄電池３の満充電時には太陽電池モジュール１からの充電電流を遮断し、蓄電池３の残量が少なくなると、過放電を回避するために負荷５への電力供給を遮断する。

充放電コントローラ２は、例えばＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を行い、日射変動やモジュール温度の変化により変動する最適動作点を追従し、太陽電池モジュール１の最大電力を得る。充放電コントローラ２は、図示しない電圧センサから蓄電池３の端子電圧を取得し、バルク充電、吸収充電、フロート充電等の充電モードの切り替えを行うことができる。

また、充放電コントローラ２は、後述するように、気象予報データから今後の蓄電池３の充電量を算出（予測）し、負荷５への電力供給量を制御する。

蓄電池３は、太陽電池モジュール１で発電した電力を蓄えるものであり、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを用いることができる。

太陽電池モジュール１で発電した直流（ＤＣ）電力又は蓄電池３から放電された直流電力は、インバータ４により交流（ＡＣ）電力に変換され、蛍光灯等の負荷５に供給される。負荷５が発光ダイオード等の直流電力で稼働する負荷である場合は、インバータ４を省略することができる。

図２は充放電コントローラ２の機能ブロック図である。充放電コントローラ２は、制御部２０、通信部２５及びメモリ２６を有する。

通信部２５は、インターネット等のネットワークを介して気象予報データを取得する。気象予測データはメモリ２６に格納される。更に、通信部２５はインターネット等のネットワークを介して日没時間および日の出時間の情報を取得する。日没時間および日の出時間の情報はメモリ２６に格納される。

メモリ２６は、フラッシュメモリタイプ、ハードディスクタイプ、マルチメディアカードマイクロタイプ、カードタイプのメモリ（例えば、ＳＤ又はＸＤメモリなど）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、ＰＲＯＭ（Programmable Read-Only Memory）、磁気メモリ、磁気ディスク、光ディスクの少なくとも１つのタイプの記憶媒体を含む。メモリ２６は、制御プログラムを格納する。

メモリ２６は、気象予報データや、天気と太陽電池モジュール１の発電量に関する発電量データとの関係を規定した天気予報テーブルを格納する。天気予報テーブルの一例を図３（ａ）に示す。図３（ａ）に示すように、天気予報テーブルには、天気と、発電量データとしての予想発電量係数（＝予想発電量／最大発電量）との関係が規定され、これは後述する蓄電池３の充電率予測に用いられる。例えば、天気予報が晴れの場合、予想発電量は最大発電量の１００％（＝１．０）となり、曇りの場合、予想発電量は最大発電量の５０％（＝０．５）となる。

メモリ２６は、負荷５に電力を供給する時間（負荷５が稼働する時間）を設定した電力供給時間テーブルを格納してもよい。供給時間テーブルの例を図３（ｂ）、（ｃ）に示す。図３（ｂ）は、負荷５が屋外灯や防犯灯である場合の供給時間テーブルを示し、負荷５の稼働時間は、日没から日の出までと設定される。図３（ｃ）は、負荷５が空調機器である場合の供給時間テーブルを示し、負荷５は２４時間稼働すると設定される。

制御部２０は、充放電コントローラ２の各部を制御する。ＣＰＵが制御プログラムを実行することで制御部２０として機能する。ＣＰＵが制御プログラムを実行することで、電力制御部２１、充電率算出部２２、及び充電率予測部２３が実現される。

電力制御部２１は、太陽電池モジュール１での発電電力のうち、蓄電池３及び負荷５に供給する電力を調整する。また、電力制御部２１は、蓄電池３から放電され、負荷５に供給される電力を調整する。

具体的には、充電率予測部２３により予測された今後数日間の蓄電池３の充電率に基づいて、負荷５の供給電力を調整する。

充電率算出部２２は、蓄電池３の現在の充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）を算出する。蓄電池３の充電率は、例えば、蓄電池３に流れ込む充電電流や蓄電池３から流れ出る放電電流を図示しない電流センサにより測定し、測定された電流値と電流の流れた時間とを乗算して電気量を求め、電気量を積算することで算出することができる。

充電率予測部２３は、現在の蓄電池３の充電率、負荷５への電力供給量、気象予報データ、及び予想発電量係数テーブルとから、今後の蓄電池３の充電率を予測する。

例えば、充電率予測部２３は、毎日、日没時に今後の（数日後までの）蓄電池３の充電率を予測する。充電率予測部２３は、日が暮れて太陽電池モジュール１の発電量がゼロになると、現時点での蓄電池３の充電率、負荷５への電力供給量、及び明日の天気から、明日の日没時の蓄電池３の充電率を予測する。具体的には、気象予報データに基づく明日の天気と、明日の天気に対応する予想発電量係数とから明日の予想発電量を算出し、算出した明日の予想発電量、現時点での蓄電池３の充電率、及び明日の日没時までの負荷５への電力供給量から、明日の日没時の蓄電池３の充電率を予測する。

同様に、気象予報データに基づく明後日の天気と、明後日の天気に対応する予想発電量係数とから明後日の予想発電量を算出し、算出した明後日の予想発電量、明日の日没時の蓄電池３の予想充電率、及び明日の日没時から明後日の日没時までの負荷５への電力供給量に基づいて、明後日の日没時の蓄電池３の充電率を予測する。

同様に、気象予報データに基づく明々後日の天気と、明々後日の天気に対応する予想発電量係数とから明々後日の予想発電量を算出し、算出した明々後日の予想発電量、明後日の日没時の蓄電池３の予想充電率、及び明後日の日没時から明々後日の日没時までの負荷５への電力供給量に基づいて、明々後日の日没時の蓄電池３の充電率を予測する。

このように、充電率予測部２３は明日（１日後）、明後日（２日後）、明々後日（３日後）の日没時の蓄電池３の充電率を予測する。

なお、天気予報には「晴れ後曇り」「晴れ時々曇り」「晴れ一時曇り」など、“後”、“時々”、“一時”等の用語が用いられる。このような用語が用いられた場合は、その用語の前後にそれぞれ所定の係数をかけて予想発電量を算出する。例えば、「Ａ後Ｂ」の場合、Ａ、Ｂそれぞれに０．５をかける。従って、天気予報が「晴れ後曇り」の場合、１．０×０．５＋０．５×０．５＝０．７５となり、予想発電量は最大発電量の７５％とする。

また、例えば、「Ａ時々Ｂ」の場合、Ａに０．７、Ｂに０．３をかける。従って、天気予報が「曇り時々雨」の場合、０．５×０．７＋０．１×０．３＝０．３８となり、予想発電量は最大発電量の３８％とする。

また、例えば、「Ａ一時Ｂ」の場合、Ａに０．８、Ｂに０．２をかける。従って、天気予報が「晴れ一時雨」の場合、１．０×０．８＋０．１×０．２＝０．８２となり、予想発電量は最大発電量の８２％とする。

充電率予測部２３による充電率予測日は、明日（１日後）、明後日（２日後）、明々後日（３日後）に限定されず、４日後以降についても充電率を予測してもよいし、明後日までとしてもよい。また、充電率予測部２３が今後の蓄電池３の充電率を予測するのは日没時に限定されず、朝、日中、夜間などに行ってもよい。朝や日中に行う場合は、当日の天気予報に基づいて、当日の発電量を予測し、当日の日没時の蓄電池３の充電率も予測する。

充放電コントローラ２は、蓄電池３の充電率が極めて低下すると、過放電による蓄電池３の劣化を防止するために、負荷５を切り離す。このとき、負荷５には電力が供給されなくなる。本実施形態では、数日後の蓄電池３の予測充電率が極めて低く過放電になると予測される場合、電力制御部２１が負荷５への供給電力を低減する。これにより、悪天候により日中の発電量が少ない日が続く場合でも、負荷５を長期間動作させることができる。

例えば、負荷５が屋外灯や防犯灯のような夜間照明であり、充電率予測部２３により予測された数日後の蓄電池３の充電率が所定値以下となる場合、電力制御部２１は、負荷５を構成する一つ又は複数の負荷に対して、独立に又は同時に、電流の量を下げたり、電力を供給する時間を短くしたりすることで、負荷５への供給電力を低減する。例えば、負荷５が複数の照明からなる場合、照明の照度を落としたり、点灯させる照明の数を少なくしたりして、負荷５への供給電力を低減することで消費電力を低下させる。

負荷５としては、照明、人感センサ、空調設備等が想定できるが、例えば、複数の負荷５に対して、電力供給の優先度を個別に設定し、特定の優先度の範囲にのみ電力を供給してもよい。優先度設定の段階は限定されないが、通常２段階以上であり、好ましくは３段階以上、より好ましくは４段階以上であり、通常１００段階以下、好ましくは５０段階以下、より好ましくは１０段階以下である。優先度設定の段階が上記下限以上であることにより、供給電力の設定をより適切に行うことができる。優先度設定の段階が上記上限以下であることにより、設定を簡便に行うことができる。比較的小規模の太陽光発電システムの場合には、２段階で充分である。

優先度は目的に応じて設定することが可能であり、例えば防犯機能を優先する場合、優先度の最高段階として、負荷５のうち人感センサおよび該人感センサと組み合わせた防犯灯のみを設定することで、最低限の機能を確保することができる。

これにより、日中の発電量が少ない日が続く場合において、照明の明るさがやや低下するものの、照明の点灯する日を長期化し、夜間電力を長期間維持することができる。

電力制御部２１は、メモリ２６に格納された電力供給時間テーブルに基づいて電力供給時間を変更して、負荷５の供給電力を調整してもよい。例えば、電力制御部２１は、図３（ｂ）に示す電力供給時間テーブルに設定された稼働開始時刻（日没時刻）の３０分後から、稼働終了時刻（日の出時刻）の３０分前までのように、電力供給時間を短縮して負荷５への供給電力を低減する。

電力制御部２１は、天気予報に基づいて電力供給時間を変更してもよい。例えば、日没時の天気予報が曇りの場合には、電力供給の開始時刻は変更せず、電力供給時間テーブルに設定された稼働開始時刻（日没時刻）から電力供給を開始する。日の出時の天気予報が晴れの場合には、電力供給時間テーブルに設定された稼働終了時刻（日の出時刻）の３０分前に電力供給を終了する。このように、電力供給時間は任意に設定できる。

負荷５への供給電力を調整した場合、充電率予測部２３は、調整後の供給電力に基づいて、今後の蓄電池３の充電率を予測する。負荷５への供給電力を下げた後、日中の発電量が多い日があり、予測充電率が所定値以上となった場合は、負荷５への供給電力を元の値に戻す。

このように、本実施形態によれば、気象予報データを用いて蓄電池３の今後数日間にわたる充電率を求め、数日後の予測充電率が所定値を下回り、負荷５への電力供給が遮断されると予測される場合は、負荷５への供給電力を低下させる。そのため、蓄電池３に充電された電力を効率良く長期にわたって負荷５に供給し、蓄電池３の過放電を回避しつつ、負荷５への電力供給期間を長期化することができる。

上記実施形態において、予測充電率が所定値を下回る日が近い程、負荷５への供給電力を低くしてもよい。例えば、２日後の予測充電率が所定値を下回る場合に設定する負荷５への供給電力は、３日後の予測充電率が所定値を下回る場合に設定する負荷５への供給電力よりも低くする。予測充電率が所定値を下回る日までの日数が多い程、天気予報が変わって天気が好転し、日中の発電量が増加する可能性が高いためである。

電力制御部２１は、数日後の予測充電率が所定値を下回り、かつその後に晴天（発電量の多い天気）の予報が出ている日がある場合、晴天の予報が出ている日まで予測充電率が所定値以上を維持するように、負荷５への供給電力を設定してもよい。

図４に示すように、充放電コントローラ２の制御部２０に係数更新部２７を設け、メモリ２６に格納された予想発電量係数テーブルの係数を更新するようにしてもよい。例えば、係数更新部２７は、日没時に太陽電池モジュール１の１日の発電量、及び太陽電池モジュール１の最大発電量から、その日の実際の発電量係数を求める。係数更新部２７は、実際の発電量係数と、前日の気象予報データで予報された天気とを対応付けて、メモリ２６に格納する。

これにより、メモリ２６には、予報された天気と実際の発電量係数とのデータベースが作成される。係数更新部２７は、一定期間が経過する毎に、予報された天気及び実際の発電量係数の蓄積データを用いて、各天候について実際の発電量係数の平均値を求め、この平均値を予想発電量係数テーブルに登録し、係数を更新する。図５に更新後の予想発電量係数テーブルの一例を示す。

このように、予想発電量係数テーブルの発電量係数を更新していくことで、発電量係数の精度が向上し、予想発電量がより正確に求まり、明日以降の蓄電池３の充電率を精度良く予測することができる。係数の更新を継続していくことで、予想発電量係数テーブルは、太陽光発電システムの設置場所に特化したものとなる。

上記実施形態において、予想発電量係数テーブルは時季（季節）毎に複数設けられていてもよい。充電率予測部２３は、予測日に対応する時季の予想発電量係数テーブルを参照して充電率を予測する。

本発明の太陽光発電システムは、例えば、人工衛星などの宇宙用電源、工場や農業・畜産・漁業の分野や、送電網の整備されていない施設や設備、具体的には、灯台、気象観測所、災害避難所、通信基地局等の施設や、時計、街路照明、道路標識等の設備における電力源として好適に用いることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 太陽電池モジュール
２ 充放電コントローラ
３ 充電池
４ インバータ
５ 負荷
２０ 制御部
２１ 電力制御部
２２ 充電率算出部
２３ 充電率予測部
２５ 通信部
２６ メモリ

Claims (9)

1. 太陽電池モジュールと、
   前記太陽電池モジュールで発電した電力を充電する蓄電池と、
   前記太陽電池モジュールで発電した電力を前記蓄電池又は負荷に供給し、該蓄電池の充放電を制御する充放電コントローラと、
   を備える独立型の太陽光発電システムであって、
   前記充放電コントローラは、
   気象予報データを取得する通信部と、
   天気と前記太陽電池モジュールの発電量に関する発電量データとの関係を規定したテーブルを格納するメモリと、
   前記蓄電池及び前記負荷への供給電力を制御し、予測された充電率に基づいて負荷への供給電力を調整する電力制御部と、
   前記蓄電池の現在の充電率を算出する算出部と、
   前記テーブルを参照して前記気象予報データから明日及び明後日の前記太陽電池モジュールの予想発電量を求め、該予想発電量、現在の充電率、及び前記負荷の消費電力に基づいて、明日及び明後日の前記蓄電池の充電率を予測する予測部と、
   を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記メモリは、電力を供給する時間を設定する供給時間テーブルを格納することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 前記電力制御部は、前記予測された充電率と前記供給時間テーブルに基づいて前記負荷へ電力を供給する時間を調整することを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
4. 前記電力制御部は、前記予測された充電率と前記供給時間テーブルに基づいて前記負荷へ供給する電流の大きさを調整することを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
5. 前記電力制御部は、予測された充電率が所定値以下の場合、前記負荷への供給電力を下げることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽光発電システム。
6. 前記負荷は照明器具であり、
   前記電力制御部は、照度、又は点灯させる照明の数を変えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽光発電システム。
7. 前記予測部は、明々後日以降の蓄電池の充電率をさらに予測することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽光発電システム。
8. 前記太陽電池モジュールの実際の発電量に基づいて前記発電量データを更新する更新部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の太陽光発電システム。
9. 前記メモリは、複数の日について、前記気象予報データで予報されていた天気と、各日における前記太陽電池モジュールの実際の発電量とを記録し、
   前記更新部は、予報されていた天気毎の実際の発電量の平均値を求め、該平均値に基づいて前記発電量データを更新することを特徴とする請求項８に記載の太陽光発電システム。

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