JP2017017819A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力需給による環境負荷を低減するために、効果的かつ低コストの電力供給システムを提供すること。【解決手段】蓄電システムの充電器と電力変換インバータを特徴的にし、これを電力供給の中心としたシステム構成にすることで、系統電源の需要ピークを恒久的にカットすることを実現し、さらには太陽光パネルを必須としない構成により低価格化を実現したことで導入を容易にし、広く普及が見込まれる電力供給システムとする。【選択図】 図１

Description

本発明は特に家庭及び事務所向けの大容量蓄電池とその充電器及びインバータから成る電力供給システムに関する。

特開2015-065740：スマートハウスの最適制御法

特許文献１に関して、しかしながら、いかに電力消費の効率化を進めても、理想とされる自然エネルギー発電による電力の自給自足を実現するには、供給源となる太陽光発電および風力発電等が条件により発電量がゼロとなる不安定な電源である以上、根本対策にはなり得ない。
現在において最も安定的な電力供給源である系統電源を利用しつつ、蓄電池の特性を最大限に利用した方法がより現実的であり、最善の方法である。

日本における、従来の一般的なスマートハウスと呼ばれる家庭等に導入される電源供給設備としては、太陽光パネルおよび、エネファーム等の燃料電池または蓄電池システムが一般的であるが、いずれも太陽光パネルを必須とするシステムであるため、パネルの設置が不可能なマンションまたは、太陽の角度が不適とされて設置が不可能な一軒家の場合にはこれらの一切が導入されず、その結果、本来の目的である環境対策としてのスマートハウス用電源供給設備の本格的な普及が進まない。

環境負荷の低減という観点においては自然能エネルギー発電設備の導入が進められており、最も一般的かつ大量に導入されている設備が太陽光パネルであるが、現状においてはまだ発電効率が低く、夜間および雨天時には発電しないという致命的欠点があり、化石燃料による火力発電等の代替えとなる根本対策になっていない。
さらに、発電時において、大電力が集中的に生じることによる送電線への負荷を理由として一般電気事業者等が系統電源への接続を拒否する場合もあり、同様に普及への妨げになっている。
前述の欠点を補うため、従来は太陽光パネルと併用してエネファーム等の燃料電池あるいは蓄電池システムを同時に導入して電力需給のピークを緩和させる手段が存在するが、いずれも高価な設備であり、複数を同時に導入するには膨大な初期コストが必要となる。

蓄電システムに関しては、製品の種類が増え、価格も低下傾向にあり導入しやすい方向にあるが、停電時の出力が最大1500W程度で掃除機1台の動作さえ保証されないなど、そのスペックは不十分である。さらに、最大出力を超えた場合、安全対策として電力供給が完全に停止してしまう。ライフラインの一つである電力供給が突然停止してしまう事態は極力回避されなければならない。
この欠点を補うための手段として、蓄電システムの設置時にあらかじめ出力ラインを2分割し、一方が停電時にも電力が途切れない重要負荷用、もう一方が停電時には出力を停止する一般負荷用とする仕様が一般的であるが、結果的に建物の配線の取り回し作業が面倒で工数増となり、コストを引き上げる要因となっている。
また使用者にとっても、仕様が異なるコンセントが2種類存在することになり混乱を招きやすい。

将来的な地球温暖化及び、CO2削減などの環境問題に関する究極的な理想としては、家庭等において系統電源に頼ることなく自然エネルギー発電による電力の自給自足を実現することであるが、従来の、天候等に左右される不安定な発電装置を基本としたシステムおよび高価にも係らず機能的に不十分の蓄電システム等から成る電力供給システムでは実現は不可能かつ見通しさえつかない。

本発明は上記実情に際して、普及を促進させる低コスト仕様でありながら、機能的に理想に近い形態を実現する電力供給システムの提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の請求項１の電力供給システムは、従来は系統電源と太陽光発電および蓄電システム等それぞれより提供される電力を共に用いて家庭等の電力供給エリアに電力を提供していたところを、蓄電システムのインバータ出力からのみ電力を提供し、系統電源は蓄電池の充電にのみ使用されることを特徴とする。
この方式にすることで、電力供給エリアにおいて使用電力が変動する場合も充電電力は定格値を上限にほぼ一定に維持されるため、系統電源に対して恒久的なピークカットを実施することができる。
本発明におけるインバータは供給電力のすべてを担うため、インバータの定格出力が供給エリアにおける使用可能な定格電力となる。これにより一般電気事業者との契約電力よりも大きな電力を使用することができる。また、契約電流を見直して可能な範囲で定電流の契約に変更することによって基本料金を削減することができる。

本発明の請求項１のフェールセーフインバータは、蓄電池に充電された電気を交流に変換して家庭等の電力供給エリアのすべての電力を供給するため、何らかの異常が発生して出力が停止した場合、電力供給エリアは停電状態となってしまう。これを回避するため次のような構造上の特徴およびシステム上の特徴を持つ。
フェールセーフインバータは、２つ以上の直流交流変換回路モジュールを並列に接続して使用し、モジュールごとの各出力を一度すべて合成させた後、再度２つ以上のラインに分岐し、分岐後の各ラインに設置されるリレー等の開閉器を介した後に出力される。この構造にすることで、例えば部品寿命等で1つのモジュールが出力停止した場合も、残りのモジュールが出力し続けることで、インバータとしての出力停止を回避することができる。
さらに、残ったモジュールに定格以上の過負荷がかかっている可能性があるため、複数出力の一部の開閉器を遮断して連続的なモジュール破損を防ぐ。複数の開閉器のうち、いずれかを遮断するかの決定は、あらかじめ定められた優先順位に従って判断するよう内蔵マイコンに組み込まれたアルゴリズムにより、優先度が低いラインの開閉器を遮断してインバータを継続して通常運転させることができる。

本発明の請求項２の充電器は、定格約500W以下の電力で蓄電池の充電を行うが、系統電源からの充電のみならず、自然エネルギーによる発電方式を含めた各方式の発電機からの複数の入力に対応し、定格約100W以下の微小電力発電機からの充電が可能であることを特徴とする。
また、複数の入力がある場合には系統電源以外の発電機による充電を優先するアルゴリズムを持つことを特徴とする。
請求項２の充電器によれば、蓄電池の充電に各種の汎用発電機を使用することができ、電力自給の割合を増やして電力コストを低減することが可能になる。

本発明の請求項３の充電器は、大容量の蓄電池に対して微小電力発電機を利用可能とするために内部に電力一時貯蔵構造を持つことを特徴とする。
一時貯蔵構造を持つ目的として、一般的な家庭用及び産業用の蓄電池は約200Vの電圧となるため、充電するためにはそれ以上の電圧に昇圧する必要がある。この場合、100W程度の充電電力では電流が0.5A未満となり昇圧の際の発電効率が悪くなる。この昇圧を補助する目的で、一時的な電力貯蔵構造を持たせ、昇圧にロスが少ないエネルギー量になったところで蓄電池への充電ラインの開閉器等を閉じる。
請求項３の充電器によれば、微小電力発電機を使用することができ、さらに高効率での充電により電力自給の割合を増やして電力コストの削減量を増やすことができる。

本発明は，以上説明した構成により成っており、以下に記載されるような効果を奏する。
家庭等の電力供給エリア内で大電力を使用する場合でも、系統電源からの使用電流は常に約5A定格内に抑えられるため、系統電源に対して恒久的なピークカットを実施できる。
従来の一般電気事業者等との契約電流を約5Aに低減することが可能であり、基本料金が抑えられる。
また契約電流が約5Aである場合も、インバータの定格出力次第で約6kWの大出力を使用することが可能になる。
従来のように太陽光パネルに加えて電力安定用の設備を追加あるいは同時導入するなど、複数の設備を必要としないため、初期投資が抑えられる。
太陽光パネルを設置できないマンション等においても導入が可能であり、ピークカットにより環境負荷を低減させるスマートハウスを実現できる。
設置にあたっては、建物内の配線の引き直し等は不要であり、既設のインフラ設備の増設及び改造も実施することなくほぼ流用が可能である。
常に蓄電池を満充電状態に保つことが可能であるため、停電及び災害等の非常時にも電力を確保できる。
系統連系が不要なシステムであるため、より簡易的で安価のインバータが使用でき、コストダウンが可能である。

本発明による将来的な技術的発展に関して、今後さらに次のような利点を得ることができる。
システムの設置対象は一戸建てのみならずマンションも含めた家庭及び事務所等に渡るため、量産効果による蓄電池の低コスト化が見込まれる。
フェールセーフ機能を持つ新規インバータ機器の市場の形成が見込まれる。
定格約100Wの発電機が利用できるため、従来の小出力の自然エネルギー発電機器に加えて、他の様々な方式の微小電力発電機の新市場の形成が見込まれる。

本発明における実施形態にかかる電力供給システム構成図 従来の主な実施形態を示す電力供給システム構成図 実施形態による系統電源に対するピークカット効果の比較を示すグラフ 実施形態におけるフェールセーフインバータの構造を示す図 実施形態におけるフェールセーフインバータの故障時の例を示す図 実施形態における充電器の複数入力構造を示す図 実施形態における充電器の機械式電力一時貯蔵構造の一例を示す図 実施形態における充電器の化学式電力一時貯蔵構造の一例を示す図

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図1に本実施形態にかかる電力供給システム構成を、図2に従来の電力供給システム構成を示す。
図１における蓄電装置1aは、10kWh程度の蓄電池1bと定格約5Aの充電器1e、及び定格約6kWのフェールセーフインバータ1dにより構成される。従来のシステムでは、図２における系統電源2eは家庭及び事務所等の電力供給エリア2fに対して直接的に電力供給を行うが、 本発明の特徴として、系統電源1eは充電器1cにのみ接続されて、蓄電池1bの充電に使用されるが、家庭および事務所等の電力供給エリア1fには一切の電力供給を行わない。
電力供給エリア1fへの電力はすべて蓄電池1b内の電気をフェールセーフインバータ1dを介して供給される。このため家庭での使用可能電力はフェールセーフインバータ1dの定格出力電圧となる。

前述の各数値について、蓄電池1bの容量10kWhは、日本における一般的な家庭が1日に使用する電力量の最も標準的な数値として多くの報告書等に用いられており、本案においても基準としている。1日かけて10kWhを充電するとした場合、10kWh÷24時間より416Wが得られる。これが常に必要とされる充電電力である。よって、この数値を上回る定格500W（5A）の充電器で十分とした。そして、フェールインバータ1dの定格出力6kWhは、一般家庭用の電力契約である従量電灯Bが最大60Aであるところから設定している。

図3に本実施形態における系統電源のピークカット効果を比較するグラフを示す。
日本において最も普及している太陽光発電による効果は、当然ながら天候の良い日限定のものであり、雨天時または夜間においては、系統電源に対する環境負荷は太陽光パネルを設置していない家庭とほぼ変わりない。しかし本発明による電力供給システムの場合には、系統電源より使用する電力が必ず定格約500W(5A)以下となり、天候等の条件によらず恒久的なピークカットが実現できる。

図4に本実施形態におけるフェールセーフインバータの構造を示す。
フェールセーフインバータは、故障による出力停止のリスクを低減させるために、2つ以上の直流交流変換回路モジュール4aを並列に使用するものとし、その出力を接合点4bにおいて一度すべて合成させた後、再度２つ以上のラインに分岐し、各ラインに設置されるリレー等の開閉器を介して出力する。

図５に本実施形態におけるフェールセーフインバータの破損等が発生した場合の動作を示す。
部品寿命等で1つの変換回路モジュール5aが出力停止した場合も、本構造の場合には残りのモジュールが出力し続けることで、インバータとしての出力停止を回避する。しかし、電力供給エリアが使用する電力が残りのモジュールの合計定格値を超える可能性があるため、一部の出力を遮断して対応する。
遮断する開閉器5cは、あらかじめ設けられた優先順位によってコントローラ5dにより判断される。開閉器5cを遮断することで変換回路モジュールの出力は定格内に維持される。

図６に本実施形態における充電器の構造を示す。
充電器6aは、系統電源6bからの電力だけでなく、自然エネルギーによる各種の発電方式を含む複数の発電機（6d、6e）から同時に充電電力を入力することを可能とする。
また複数入力に対しては、電力の自給自足を促進させる目的で、系統電源以外の入力を優先に充電電力に使用する。
さらに、発電機以外の装置として、18650等の小型二次電池6fから充電するための接続口あるいはアタッチメントを介して充電を行う。

図７及び図８に本実施形態における充電器の電力一時貯蔵構造の一例を示す。
充電器は、100W未満の微小電力に対応するため、ばね構造あるいはキャパシタ等のエネルギー一時貯蔵構造をもつ。
図7の構造において、微小電力発電機7aから供給される微小電力は、モーター7bおよび減速機7cによってばね構造による電力一時貯蔵装置7dに蓄えられ、その後定められたあるエネルギー量においてエネルギーが放出され、発電モーター7eおよび電圧変換回路DC/DCコンバータ7fを介して蓄電池7gに充電される。
図８においても同様に、微小電力発電機8aから供給される微小電力は、コンデンサー8cに蓄えられ、その後あるエネルギー量においてエネルギーが放出され、電圧変換回路DC/DCコンバータ8fを介して蓄電池8gに充電される。

Claims (3)

1. 家庭等の電力供給エリアに電力を供給するシステムであって、一般電気事業者等より供給される系統電源と、蓄電池と、前記蓄電池を充電するための充電器、前記蓄電池の直流電源を交流に変換するインバータから成る蓄電装置と、この蓄電装置を通して電力供給される家庭等の電力供給エリアとを備え、さらに次の特徴を備える電力供給システムあって、次の特徴を備えている。
   （１）系統電源は前記蓄電池を充電する目的にのみ使用され、家庭等の電力供給エリアに対しては一切の電力供給を行わない。
   （２）家庭等の電力供給エリアに対する供給電力のすべては前記蓄電池から前記インバータを経由する電力によってまかなわれる。また、供給電力のすべてを担うことになるインバータについて、破損耐久を強化するためのフェールセーフ機能として、2つ以上の並列モジュール構造と、2つ以上の出力端子を備え、使用負荷の優先度に従った出力制御が可能である。
2. 蓄電池を充電するための充電器は、系統電源と自然エネルギーによる発電方式を含めた各方式の発電機との2系統以上の入力を持ち、蓄電池に対して約100W以下の微小電力発電機による充電に対応すること、また、複数の入力に対しては系統電源以外を優先する制御を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
3. 微小電力発電機の電力を蓄電池に充電するために、次に挙げる電力の一時貯蔵機能のいずれかを備えることを特徴とする充電器を備えた請求項2に記載の電力供給システム。
   （１）バネ、フライホイール、または気体、溶融塩などの流体等を利用する機械的構造を持つもの。
   （２）小容量の二次電池、またはキャパシタ等を利用する化学的構造を持つもの。