JP2016506715A - 高温電池の管理 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は少なくとも１つの高温電気化学的電池(30)を管理する方法に関し、この方法は、電気ネットワークの発電量を推定する(32)、及び／又は今後のある期間にこの電気ネットワークのユーザが必要とする消費電力量を推定する(31)推定工程と、推定工程の結果に応じて今後のある期間に電池を使用するか否かを判断する(33)工程と、判断結果に応じて、電池を動作温度にする(36)か又は電池を周囲温度に戻して待機状態にする(38)工程とを有する。

Description

本発明は一般に、電力分配システムにおける電力管理に関し、更に具体的には高温電気化学的電力貯蔵電池の管理に関する。

いわゆる高温電池は、電力分配システムで使用される電気化学的電池である。このタイプの電池は「ナトリウムβ」電池としても知られており、「ナトリウムβ」電池は、ナトリウム／塩化ニッケル電池（ゼブラ電池）及びナトリウム／硫黄電池を特に含む。このような電池は全て高容量電池（数十キロワット時）であり、一般に電力分配システムに組み込まれており、つまり高電圧又は中電圧〜低電圧の変電所と加入者との間に組み込まれている。

英国特許出願公開第2081000 号明細書

電池のような電力貯蔵手段は、電力消費又は電力発生のピークを吸収するために電力システムに設けられることが一般に望ましい。実際、このような貯蔵要素が設けられていない場合、一般に１年当たり数日間の内の数時間に過ぎない、ピークを有する高い電力消費／電力発生の期間に含まれる需要及び生産を満たし得るような大きさの電力発生・分配システムを製造することが必要である。

高温電池は、電力消費場所の近くに容易に配置され得るので、便利な貯蔵手段を構成するが、水力貯蔵タイプの他の電力分配調整手段には該当しない。しかしながら、このような電池は（充電モード及び放電モードで）作動すべく数百度（典型的には３００℃程度）の温度にされなければならないという点に問題がある。電池を作動するために電池を高温にする必要があるため、電池は実際には常に動作温度で維持される。

このため、電池を常に加熱する必要があるという理由だけでなくこのことによりこのような電池の寿命が制限されるという理由によっても、電力のコストが上昇する。実際、高温タイプの電池の寿命は、高温動作で数十年程度に制限されている。

K. Iba，R. Ideta及びK. Suzuki著の文献「Analysis and Operational Records of NAS Battery」，Universities Power Engineering Conference，2003−UPEC '06. Proceedings of the 41st International，IEEE，Pl，2006年９月１日，p. 491−495 には、ＮＡＳ電池の温度を調整する方法が記載されている。

英国特許出願公開第2081000 号明細書の文献には、ＮＡＳ電池の温度を調整する方法が更に記載されている。

A. Bito 著の文献「Overview of the Sodium-Sulfur Battery for the IEEE substationary Battery Committee」，Power Engineering Society General Meeting，2005，IEEE San Francisco，USA ，2005年６月12−16日，p. 2346-2349には、ＮＡＳ電池の概要が記載されている。

C. Venu 等著の文献「Battery Storage System sizing in distribution feeders with distributed photovoltaic systems」，Powertech 2008 IEEE Bucharest，IEEE，Piscataway，NJ，USA ，2009年６月28日，p. 1-5には、電池と太陽光発電部とを備えたシステムが記載されている。

上記の全ての文献は、ＮＡＳ電池において、このような電池の寿命に悪影響を及ぼす温度変化を避けるために温度を調整する重要性を主張している。

従って、本記載の実施形態の目的は、高温電池の使用の不利点の全て又は一部を克服することを意図している。

本実施形態の別の目的は、高温電池の寿命を延ばすことであり、より具体的には温度変化に耐えることができる電池を提供することである。

本実施形態の別の目的は、電力システムにおける高温電池の使用を最適化することである。

本実施形態の別の目的は、ナトリウムβタイプの電池に特に適した解決法を提供することである。

これら及び他の目的の全て又は一部を達成するために、少なくとも１つの高温電気化学的電池を管理する方法を提供し、この方法では、前記電池を、使用の必要性を検出した後に公称の動作温度にする。

本実施形態によれば、少なくとも１つの高温電気化学的電池を管理する方法であって、
電力システムの発電量を推定する、及び／又は今後のある期間に前記電力システムのユーザが必要とする消費電力量を推定する推定工程と、
該推定工程の結果に応じて、前記今後のある期間に前記電池を使用するか否かを判断する工程と、
判断結果に応じて、前記電池を動作温度にするか、又は前記電池を周囲温度に戻して停止させる工程と
を有し、複数の前記工程を繰り返すことを特徴とする方法を提供する。

本実施形態によれば、前記周囲温度と前記動作温度との差が少なくとも100 ℃である。

本実施形態によれば、前記電池の周囲温度での経年変化が、前記電池の動作温度での経年変化より少なくとも２倍遅い。

本実施形態によれば、前記周囲温度から前記動作温度への移行及び前記動作温度から前記周囲温度への移行に数時間要する。

本実施形態によれば、前記推定工程を、一又は複数の電池を夫々の動作温度にするために必要な時間を考慮し、予測して行う。

本実施形態によれば、前記推定工程を次の日のために毎日行う。

電力システムにおける電力管理方法であって、高温電気化学的電池を使用して、分散した太陽光発電設備により発生した電力を貯蔵することを特徴とする方法を更に提供する。

前記電力管理方法を行うことができることを特徴とする電力システムを更に提供する。

前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。

以下に記載される実施形態が適用されるタイプの電力システムを示す簡略図である。 電力管理方法の操作例を非常に概略的に示すタイミング図である。 電力管理方法の実施形態を示す簡略化されたフローチャートである。 電力管理方法の代替的な実施形態を示す簡略化されたフローチャートである。

同一の要素は、正しい縮尺で示されていない様々な図面において同一の参照番号で示されている。簡略化のために、記載された実施形態の理解に有用な工程及び要素のみが示されており、詳細に説明される。特に、発電設備は詳細に説明されておらず、記載された実施形態は、電力システムに適合する通常の設備に対応する。更に、高温電気化学的電池の形成方法も詳細に説明されておらず、記載された実施形態は、ここで再び通常の電池に対応する。

図１は、以下に記載される実施形態が適用されるタイプの電力システムの例を非常に簡略化して示す。

このような電力システムは、あらゆる地域又は国に一般に存在し得る。典型的には電力システムは、例えば原子力発電、火力発電、水力発電、風力発電などのタイプの発電ユニット11と、搬送システム、例えば発電ユニット間のオーバーヘッドシステム（塔及びケーブル）12又は埋設システムと、非常に高い電圧〜中電圧又は低電圧の変電所13とを備えている。このような変電所又は供給源の変電所は、ユーザ、例えば工場15、集合住宅16又は個々の家20に向かって、場合によってはこの変電所の下流側に設けられた二次変電所17を介して中電圧又は低電圧を搬送する分配システム14を備えている。発電ユニット（例えば、太陽光発電設備18のタイプの発電ユニット）が二次変電所17に電力を直接供給してもよい。より小型又は超小型の発電設備、例えば家又は建物の屋根に設置された太陽光パネル21が更に存在し、電力を電力システムに戻すことが可能である。

需要に応じて分配される電力の調整及び管理を容易にするために、電力システムは分散した貯蔵システム、例えば高温電気化学的電池30を一体化していることがますます多くなっている。図１の例では、単一の電池30が変電所17と関連付けられて示されているが、このような分散した貯蔵要素は電力システムの複数の位置に分配されてもよい。

図２は、高温電気化学的電池のタイプの貯蔵要素による電力システムにおける電力管理の例を示すタイミング図である。図2Aは、例えば１日の間に様々な発電設備によって供給される電力の発電量（PROD）の時間変化の例を示す。図2Bは、電力システムの電力需要（POWER ）、つまり必要な消費電力を示す。図2Cは、電池における電力（BAT ） の変化を示す。

対象とする期間の初めに、電力システムによって必要とする電力量が発電設備の最大発電量MAX を上回っていないと仮定する。そのため、（時点t1及び時点t2間で）電池を再充電するためにこの状態を利用する。その後、別の期間、例えば分配システムの必要な電力量が発電設備によって供給され得る最大発電量を上回る日に（時点t3及び時点t4間で）、電池に貯蔵された電力を使用する。このような電力管理により、不定期の消費ピークに応じてシステムのサイズを過大に大きくする必要が回避される。図２は貯蔵要素の使用に関して示されているが、実際には、分散した貯蔵要素を使用するとき、このような操作が様々な貯蔵要素レベルで繰り返されてもよい。

しかしながら、高温電気化学的電池の寿命は制限されている。この寿命は、電池の使用の（充電−放電）サイクルの数（サイクル動作による経年変化）と時間（暦上の経年変化）とにより決まる。

現在使用されている高温電池の大部分が、ＮＡＳ（硫化ナトリウム）電池である。本開示の初めに述べた文献によって特に示されているように、このような電池の温度は、維持され得るように調整されることが望ましい。このような調整は、電池の公称の動作温度（数百度）前後で温度変化を制限することを意図している。実際には、ＮＡＳ電池は、公称の動作温度と（典型的には数十度、20〜25度程度の）周囲温度との間での温度の上昇−下降サイクルに耐えることができない。このため、電池が使用されていようとなかろうと、電池を公称の動作温度で維持することが通常望ましい。温度の上昇−下降に関するこのようなサイクルは充電−放電サイクルとは異なる。

本発明者は、他のタイプの電池が周囲温度（典型的には25℃）と公称の動作温度（300 ℃程度）との間での温度の上昇−下降サイクルに耐えることに気付いた。これは、例えばナトリウムβタイプの電池に該当する。

更に、ナトリウムβタイプの電池では、電池が耐えることができる充電−放電サイクルの数が3,000 程度であるとみなされ、公称の動作温度（300 ℃程度）での暦上の経年変化が約１０年であるとみなされる。

本発明者は、１日当たり１サイクル程度のみ消費電力のピークを吸収し、これが１年当たり数ヵ月間行われる場合があることに更に気付いた。この月数を４と推定すると、これは、電池の寿命が暦上の経年変化によって制限される一方、電池はより多数のサイクルに耐え得ることを意味する。従って、このタイプの高温電池は一般に十分に活用されていない。

しかしながら、高温電気化学的電池の暦上の経年変化は、電池が標準動作温度で停止しているか、又は周囲温度で停止しているかに応じて同一ではない。電池は周囲温度ではあまり経年変化せず、電池の寿命は数十年である。

電池が電気システムの観点から本当に有用である期間、つまり高い消費電力のピークの期間に電池を使用することにより、動作期間を除いて電池を周囲温度に戻すことによって電池の寿命を延ばすことが可能であることに、本発明者は気付いた。従って、ある電池が電池の加熱及び／又は冷却システムを制御すべく温度の上昇−下降サイクルに耐えることを利用する。しかしながら、高温電気化学的電池を動作温度にするために数時間、又は１日も必要であることが問題である。従って、システムの反応性が問題となる。

電気化学的電池を夫々の動作温度にする期間を決定するために電力消費予測ツール及び電力発生予測ツールを利用する。そのため、気象予報に基づき、電力システムの分散した小型発電設備による発電（特に、小型の太陽光発電設備による発電）の期間を提供し得ることを使用する。消費電力の履歴と、天候、ニュース（例えば、大手放送局のスポーツイベント）のような様々なパラメータとに基づく消費電力の推定結果を更に使用して電池の管理を最適化する。

このような解決法は、電気化学的電池の貯蔵容量（数十キロワット）と同程度の発電量を有する発電場所が分散して存在する場合に特に適している。従って、損失を生む搬送を最小限度に抑えることによって電力管理を最適化して最善の状態で調節するために、領域全体に亘って貯蔵要素を散在させることが可能である。

図３は、電力管理方法の実施形態を示す簡略化されたフローチャートである。図３が単一の電池の使用例に関して示していても、電池の数をいくつにでも容易に置き換えられ得ることに注目すべきである。

例として、電池を動作状態にするために必要な時間（電池を数百度の動作温度にするために必要な時間）が１日程度であると考えられる。記載された方法は他の期間に適合されてもよいが、１日の例は実際的な例に相当し、更に、太陽光発電設備の発電周期（電力需要がより低いときの日中の発電）と消費電力のピークの周期（太陽光発電が低いか又は無いときの１日の初め及び終りでの最大消費電力量）とに完全に適合される。

図３の例では、必要な消費電力量（工程31，CONS D+1）と、発電量（工程32，PROD D+1）、特に分散した発電量とを毎日推定する。気象予報、その年の期間、予測されるニュースイベントなどに基づき消費電力量を推定するためのツールは周知であり、このために使用可能である。同様に、発電量を、特には位置に応じて特に気象予報に応じて領域に亘って分配された小型の太陽光発電設備による分散した発電量を推定するためのツールが更に利用可能であり、次の日の発電量を推定するために使用され得る。

その後、今後のある期間（例えば次の日）に必要な瞬間消費電力量が、この今後のある期間の発電量より大きいか否かを推定する（工程33，CONS(D+1)＞PROD(D+1)？）。大きい場合（工程33の出力Ｙ）、これは、電池が起動されるべきであることを意味し、つまり、発電量が消費電力量を上回る次の日の時間範囲中に電池が充電されて、その後、次の消費電力のピーク中に放電され得ることを意味する。ここでは、１日の内で発電量が消費電力量より大きい時間間隔が常に存在することを利用している（図２参照）。

電池の状態（周囲温度で停止している（電池OFF ）又は高温で停止している（電池ON））を検出して、つまり、例えば電池がその日に使用されているため電池が既に動作温度にあるか否かを検出して（工程34，電池ON？）、電池を起動する。

動作温度にない場合（工程34の出力Ｎ）、電池を予熱して動作温度にする（工程35，予熱）。電池が既に動作温度にある場合（工程34の出力Ｙ）、言うまでもなく工程35を省略する。動作温度と周囲温度との差は、実際には少なくとも数百度である。電池の温度をある値の前後に調整するのではなく、むしろ異なる経年変化の状態を利用すべく電池の温度を互いに異なる２つの値間で「切り替える」ことが望ましい。

その後、電池は使用可能になる（電池ONの状態，工程36）。

次の日に予測される消費電力の状態が瞬間発電量を上回る危険性がない場合（工程33の出力Ｎ）、電池は、経年変化を制限すべく周囲温度（25℃程度）で停止状態にされ得る。

これを達成するために、電池が動作状態にあるか否かを確認する（工程37，電池ON？）。動作状態にある場合（工程37の出力Ｙ）、電池を周囲温度に戻す（工程38，電池OFF）。つまり、電池の加熱要素を停止して、電池を自然に周囲温度に下げて戻す（又は、処理を早めることが望まれている場合には冷却システムを起動する）。電池が既に周囲温度にある場合（工程37の出力Ｎ）、何も変わらない。

工程31〜工程38を毎日（工程39、NEXT D）、又は電池を動作状態にすべく選択された周期に相当する周期で繰り返す。この周期は、特に電気化学的電池を動作温度にするために必要な時間に応じて決まる場合がある。工程31〜工程38が実行されるべき時点の選択は重要ではないが、同一の時点が１日毎に常時選択されることが好ましい。

図４は、電力管理方法の代替的な実施形態を示す簡略化されたフローチャートである。図３と比較すると、工程33が、今後のある期間に予測される消費電力量がこの今後のある期間に予測される発電量とは異なるか否かを推定する工程33’ （CONS(D+1)≠PROD(D+1)？）と置き換えられる点に差がある。異なる場合、電池を充電する（消費電力量が発電量より小さい）ためであれ電池を放電する（消費電力量が発電量より大きい）ためであれ、電池を動作状態にする（工程34、35及び36）。等しい場合、電池は周囲温度に下げられる（工程37及び38）。

他の簡略化された変形例（不図示）によれば、今後のある期間に予測される発電量のみ、又は予測される消費電力量のみを推定する。その後、予測される発電量（又は消費電力量）が閾値より大きい場合、電池を動作状態にする。これによって、充電されるべき又は放電されるべき電池が準備される。

上記の方法は、電力システムの管理センタに現存するコンピュータツールによって実行されてもよい。電池の制御、特に電池の予熱は遠くから容易に行われ、電力システムの設備は、現在ほぼ完全に遠隔制御可能である。

電池が動作温度にある期間中、上記の文献に記載されたタイプの温度調整機構を実施してもよいことに留意すべきである。

このような電力管理方法の実行により、電気化学的電池の寿命が著しく延びる一方、システムの管理及び分散した貯蔵要素の使用が最適化される。

高温電池の使用によりもたらされる利点は、太陽光発電設備のタイプの発電ユニットが重大な影響を及ぼす場合がある電力分配システムの電圧マップ（平均電圧レベル）の維持を支援することである。実際、太陽光発電量が高い期間中、特に消費電力量があまり大きくない場合、システムの電圧レベルの調整が困難であり、電圧は上昇する傾向にある。このような期間中に電池を充電することにより消費電力が発生し、これは電圧マップの改善に役立つ。同様に、消費電力量が著しく大きくなるとき、及び太陽光発電量が下がって電圧降下を発生させる危険性があるときの電池の放電により、この現象を避けるか又は減少させることが可能な電力が供給される。

様々な実施形態が記載されており、様々な変更、調整及び改良が当業者に想起される。更に、記載された実施形態の実際の実施は、通常の電力発生・電力消費推定ツール及び適合された計算ツールを用いることにより、上記に与えられた機能表示に基づく当業者の技能の範囲内である。更に、記載された実施形態が適用可能な電池の選択は、周囲温度及び動作温度での経年変化の状態によって決まる。２つの温度間の経年変化の割合が少なくとも２である電池のタイプを選択することが好ましい。このことは、ナトリウムβタイプの電池に該当する。更に、周囲温度より高い動作温度を有する電池に適用する解決法が述べられているが、これらの実施形態は、加熱の代わりに冷却を適用することにより、周囲温度より低い公称の動作温度を有する電池に置き換えられてもよい。

Claims (8)

1. 少なくとも１つの高温電気化学的電池(30)を管理する方法であって、
   電力システムの発電量を推定する(32)、及び／又は今後のある期間に前記電力システムのユーザが必要とする消費電力量を推定する(31)推定工程と、
   該推定工程の結果に応じて、前記今後のある期間に前記電池を使用するか否かを判断する工程(33; 33') と、
   判断結果に応じて、前記電池を動作温度にする(36)か、又は前記電池を周囲温度に戻して停止させる(38)工程と
   を有し、複数の前記工程を繰り返すことを特徴とする方法。
2. 前記周囲温度と前記動作温度との差が少なくとも100 ℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記電池の周囲温度での経年変化が、前記電池の動作温度での経年変化より少なくとも２倍遅いことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記周囲温度から前記動作温度への移行(35)及び前記動作温度から前記周囲温度への移行に数時間要することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記推定工程(31, 32)を、一又は複数の電池を夫々の動作温度にするために必要な時間を考慮し、予測して行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記推定工程(31, 32)を次の日のために毎日行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 電力システムにおける電力管理方法であって、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法を行うことにより、高温電気化学的電池(30)を使用して、分散した太陽光発電設備(18, 21)により発生した電力を貯蔵することを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法を行うことができることを特徴とする電力システム。

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