JP2017028822A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】パワーコンディショナの定格容量を超える発電能力を有する太陽光発電システムであっても、発電能力を抑制する必要の無い太陽光発電システムを提供する。【解決手段】太陽光発電システム１は、パワーコンディショナ６の定格容量を上回る定格出力を有する太陽光発電機２を備える。また、太陽光発電機２と接続される蓄エネルギー装置３と、太陽光発電機２の発電量からパワーコンディショナ６の定格容量を差引いた過剰分を蓄エネルギー装置３に充電させるコントローラ５を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電システムに関する。

近年、地球温暖化、化石燃料の枯渇が問題となっている。この問題に対応すべく、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電システムが急速に普及している。太陽光発電システムの出力は、パワーコンディショナで直流系統に合わせて変圧し、または交流系統に合わせて交流電力に変換し、直流系統や交流系統に出力される。

但し、太陽光発電システムの出力は、天候に左右され易く不安定であることが問題である。また、太陽光発電システムは、昼間しか発電ができない問題がある。これら問題を解決するために、太陽光発電システムとパワーコンディショナに加えて、蓄電池を併設することがある。一般的には、パワーコンディショナには複数の入力及び出力端子が用意されており、パワーコンディショナに蓄電池を接続する。

この太陽光発電システムとパワーコンディショナと蓄電池からなる給電システムは、晴天の間に一部電力を蓄電池に貯めておき、天候不順時は蓄電池の放電により発電力を補完することで、出力平準化を図ることができる。また、昼間に一部電力を蓄電池に貯めておき、夜間は蓄電池の出力を利用することで、タイムシフトが可能となる。

特開２０１３−１８３４８８号公報 特開２０１４−１６６００９号公報 特開２０１０−５１１０６号公報

パワーコンディショナは、コンバータ及びインバータを備え、系統電圧、系統周波数等に合わせて太陽光発電システムの直流電力を変換する。インバータには定格容量が定められており、パワーコンディショナは、定格容量を超える発電量を処理することができない。すなわち、太陽光発電システムの発電量は、パワーコンディショナの定格容量に制限される。

従って、給電システムの構築、また既存の給電システムにおける太陽光パネルの増設に関しては、パワーコンディショナの定格容量について考慮するか、パワーコンディショナの置換も考慮しなくてはならなかった。これら考慮がない場合、太陽光発電システムが高発電能力を有していても、パワーコンディショナが足枷となり、太陽光発電システムの発電能力を十分に享受することができない。更には、太陽光発電システムの高出力によってパワーコンディショナが損傷し、また系統に合った許容の交流電力が生成できない場合もある。

本実施形態は、上述の課題を解決すべく、パワーコンディショナの定格容量を超える発電能力を有する太陽光発電システムであっても、発電能力を抑制する必要の無い太陽光発電システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本実施形態の太陽光発電システムは、パワーコンディショナに電力を出力する太陽光発電システムであって、前記パワーコンディショナの定格容量を上回る定格出力を有する太陽光発電機と、前記太陽光発電機と接続される蓄エネルギー装置と、前記太陽光発電機の発電量から前記パワーコンディショナの定格容量を差引いた過剰分を前記蓄エネルギー装置にチャージさせるコントローラと、を備えること、を特徴とする。

本実施形態に係る太陽光発電システムの設置態様を示すブロック図である。 本実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る太陽光発電システムが備えるコントローラの構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る太陽光発電システムが電力を出力するパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る太陽光発電システムの動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る太陽光発電システムの作用を示す模式図である。 本実施形態に係る太陽光発電システムの出力を示すグラフである。 本実施形態に係る太陽光発電システムの放電基準の他の例を示すフローチャートである。 本実施形態に係る太陽光発電システムの他の構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る太陽光発電システムについて図面を参照しつつ詳細に説明する。図１に示す太陽光発電システム１は、分散電源として、パワーコンディショナ６（以下、ＰＣＳ６という）を介して外部系統７及び内部系統８に電力を供給する。太陽光発電システム１は直流電力を発電する。直流電力はＰＣＳ６に出力される。ＰＣＳ６は、太陽光発電システム１と外部系統７との間の電流、電圧、周波数及び位相等の各種電気量の整合をとり、また太陽光発電システム１と内部系統８との間の各種電気量の整合をとる。直流電力は、ＰＣＳ６によって外部系統７用に交流電力に変換され、またはＰＣＳ６によって内部系統８用に変圧される。

外部系統７は交流系統である。外部系統７には、所謂電力会社等の一般電力事業者が所有する交流の基幹系統、地域、工場又はビル単位で管理される地域電力系統、若しくは住宅等の単位で管理される小規模電力系統が含まれる。内部系統８は、太陽光発電システム１の発電を自己消費する直流系統であり、負荷８１を有する。

すなわち、この太陽光発電システム１とＰＣＳ６とを合わせて、外部系統７や内部系統８に対する給電システムを構成する。太陽光発電システム１は、定格出力を有する太陽光発電機２と、蓄エネルギー装置３を備える。太陽光発電機２の定格出力はＰＣＳ６の定格容量に対して過剰である。太陽光発電システム１は、ＰＣＳ６の定格容量に対する太陽光発電機２の過剰発電分を蓄エネルギー装置３にチャージしておく。太陽光発電システム１は、内部系統８の需要に対する太陽光発電機２による供給不足分、またはＰＣＳ６の定格容量に満たない不足分を蓄エネルギー装置３から補完する。

図２に示すように、太陽光発電機２は、複数の太陽光パネル２１を直列設置したストリング２２を並列に複数有する。太陽光パネル２１は、ｎ型及びｐ型の単結晶シリコン等の半導体ウェハのセルを直列及び並列に設置したセルの集合体であり、光起電力効果により光エネルギーを電力に変換する。蓄エネルギー装置３は、入力された電力を化学エネルギー等に変換して蓄積し、また電力に再変換して放出する。蓄エネルギー装置３としては、陽極と負極を順番に積層し、各間にセパレータを介在させたキャパシタ、リチウム電池等の蓄電池、及び水の電気分解により水素を生成して貯蔵する水素電力貯蔵装置が挙げられる。

このような太陽光発電機２は２系統の出力先を有する。まず、太陽光発電機２はＰＣＳ６と出力端子２３によって接続され、出力端子２３を介してＰＣＳ６へ電力を出力する。更に、太陽光発電機２と蓄エネルギー装置３は充電回路４１を介して接続されている。太陽光発電機２は、充電回路４１を介して蓄エネルギー装置３へ電力を出力する。太陽光発電機２と蓄エネルギー装置３との間には放電回路４２も介在する。蓄エネルギー装置３は、放電回路４２を介してＰＣＳ６に繋がる出力端子２４と更に接続し、ＰＣＳ６へ向けて出力する。充電回路４１と放電回路４２は、共にスイッチ４３を有し、外部信号に応じて回路を開閉可能となっている。

より詳細には、一部のストリング２２ａは出力端子２３を介してＰＣＳ６のみと接続されている。一方、他のストリング２２ｂは、出力端子２３を介してＰＣＳ６と接続され、また充電回路４１を介して蓄エネルギー装置３と接続されている。例えば、太陽光発電機２は、８本のストリング２２を並列に備えている。８本のうちの７本のストリング２２ａは、出力端子２３のみと接続し、ＰＣＳ６のみを出力先とする。８本のうちの残りの１本のストリング２２ｂは、出力端子２３と充電回路４１を介して蓄エネルギー装置３との両方に接続し、ＰＣＳ６と蓄エネルギー装置３の両方を出力先としている。

太陽光発電システム１は、充電回路４１を閉にしてストリング２２ｂと蓄エネルギー装置３を接続することで、ストリング２２ｂから蓄エネルギー装置３へ電流を出力する。また、太陽光発電システム１は、充電回路４１を開にし、放電回路４２を閉にすることで蓄エネルギー装置３と出力端子２３とを接続し、ストリング２２ｂと蓄エネルギー装置３からＰＣＳ６に出力する。

すなわち、この太陽光発電機２は、一部のストリング２２ａの発電電力をＰＣＳ６のみへ送出し、過剰発電量の場合は、他のストリング２２ｂの発電力をＰＣＳ６から蓄エネルギー装置３へ切り替えて出力し、不足発電量の場合は、蓄エネルギー装置３のエネルギーを出力端子２３を介してＰＣＳ６へ送出する。

図３に示すように、この太陽光発電システム１は充電回路４１と放電回路４２を制御するコントローラ５を備えている。コントローラ５は、太陽光発電機２の発電量がＰＣＳ６の定格容量を超過するケース、太陽光発電機２から内部系統８への供給電力が不足するケースで、蓄エネルギー装置５の充放電を制御する。このコントローラ５は、各種電気量を計測する計測器５１と接続され、コンピュータやマイコンにより成り制御内容を決定する演算部５２、及び制御内容に従って各構成を制御するドライバ回路５３を有する。

計測器５１は、変流計（ＣＴ）及び計測用変成器（ＶＴ）であり、太陽光発電機２の発電量を計測する。演算部５２は、メモリを有し、ＰＣＳ６の定格容量情報を記憶し、また内部系統８の需要量情報を記憶する。この演算部５２は、太陽光発電機２の発電量と定格容量又は内部系統８の需要量とを比較し、比較結果に応じた制御内容を決定する。ドライバ回路５３は、充電回路４１と放電回路４２を開閉する。このドライバ回路５３は、演算部５２の決定した制御内容に応じて、充電回路４１と放電回路４２が備えるスイッチ４３に対して開閉信号を送出する。

発電量が定格容量を上回る場合、太陽光発電機２と蓄エネルギー装置３とを接続し、太陽光発電機２の過剰発電分のエネルギーをチャージさせる。発電量が定格容量を下回る場合、太陽光発電機２と蓄エネルギー装置３とを繋ぐ充電回路２１を開にし、太陽光発電機２の全発電量をＰＣＳ６に流す。また、発電量が定格容量を下回る場合、或いは発電量が内部系統８の需要量を下回る場合、蓄エネルギー装置３と太陽光発電機２を放電回路４２で接続し、蓄エネルギー装置３に放電させて、太陽光発電機２を介して発電量と放電量をＰＣＳ６に流す。

このような太陽光発電システム１の動作及び作用について説明する。まず、太陽光発電システム１の発電電力は、内部系統８で自己消費され、自己消費し切れない残余の電力が外部系統７へ逆潮流する。

ＰＣＳ６は、図４に示すように、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ａ、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ｂ、インバータ６２、トランス６３及び電路各所の断路器６４を備える。第１のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ａは、太陽光発電機２の出力電圧を外部系統７に合わせて変圧し、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ｂは、太陽光発電機２の出力電圧を内部系統８に合わせて変圧する。

インバータ６２は、太陽光発電機２の直流電力を外部系統７に合わせて交流電力に変換する。トランス６３は、太陽光発電機２と内部系統８の側と外部系統７とを絶縁する。断路器６４は、太陽光発電システム１の解列、及び電路の切り替えの際に電路を開閉する。

このＰＣＳ６は、太陽光発電機２からの入力、外部系統７への出力、及び内部系統８への出力に対応して、三又分路６５を備えている。第１分路６５ａは、太陽光発電機２の出力端子２３と接続し、第１分路６５ａを開閉する断路器６４と第１のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ａを有する。第２分路６５ｂは、内部系統８と接続し、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ｂを備える。第３分路６５ｃは、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ａと第２のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ｂと外部系統７との間に延設され、インバータ６２とトランス６３と断路器３４を直列に有する。

太陽光発電機２の出力は、第１分路６５ａと第２分路６５ｂを流れ、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ａと第２のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ｂで内部系統８に合わせて変圧されて、内部系統８へ出力される。内部系統８で自己消費し切れない残余の電力は、第１分路６５ａと第３分路６５ｃを流れ、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ６１ａで昇圧され、インバータ６２で交流に変換され、トランス６３と断路器６４を経て外部系統７へ出力される。

図５に示すように、晴天下、太陽光発電機２が定格出力に近い発電をしていると（ステップＳ０１）、太陽光発電機２の発電量がＰＣＳ６の定格容量を上回る（ステップＳ０２）。そうすると、コントローラ５は、充電回路４１を閉、及び放電回路４２を開にして（ステップＳ０３）、太陽光発電機２と蓄エネルギー装置３の充電経路を接続し（ステップＳ０４）、一部の発電電力を蓄エネルギー装置３にチャージさせる（ステップＳ０５）。

更に、天候不順により、太陽光発電機２の出力が落ちていると（ステップＳ０６）、太陽光発電機２の発電量がＰＣＳ６の定格容量を下回る（ステップＳ０７）。そうすると、コントローラ５は、充電回路４１を開、及び放電回路４２を閉にして（ステップＳ０８）、太陽光発電機２と蓄エネルギー装置３の放電経路を接続し（ステップＳ０９）、蓄エネルギー装置３で発電電力を補完させる（ステップＳ１０）。

例えば、８本のうち１本のストリング２２ｂが蓄エネルギー装置３と接続されるものとする。図６の（ａ）に示すように、理論的には、ＰＣＳ６の定格容量Ｐｃに対して、太陽光発電機２の発電量ＰｖがＰｖ＞Ｐｃとなったとき、太陽光発電機２の発電量Ｐのうち、８分の７がＰＣＳ６へ出力され、８分の１が蓄エネルギー装置３にチャージされる。このチャージ分は、図６の（ｂ）に示すように、太陽光発電機２の発電量ＰｖがＰＣＳ６の定格容量Ｐｃに満たない場合の補完電力Ｐｂとなる。

そのため、太陽光発電機２の定格出力がＰＣＳ６の定格容量の８分の７以内に収まっていれば、ＰＣＳ６の能力が足枷となることなく、すなわち太陽光発電機２の出力を抑制することなく、太陽光発電機２の発電能力を十分に発揮することができる。従って、太陽光パネル２１の増設等においてＰＣＳ６を考慮することもない。また、図７に示すように、太陽光パネル２１の過積載によって、太陽光発電システム１がＰＣＳ６の定格容量に近い出力を常態的に可能となり、高い出力で平準化させることができる。

このように、太陽光発電システム１のＰＣＳ６に対する過剰発電能力を発電能力を抑制せずに発揮させる本実施形態においては、蓄エネルギー装置３はキャパシタであることが望ましい。キャパシタの充放電における応答性は、蓄電池等に比べて非常に高く、突然の天候変化に即応して、過剰な発電量をチャージでき、また過小な発電量を補完でき、ＰＣＳ６の定格容量を上回らないように高い出力で平準化することが容易となるためである。

また、太陽光発電システム１の放電基準の他の例について図７を参照しつつ説明する。図８に示すように、晴天下、太陽光発電機２が定格出力に近い発電をしていると（ステップＳ１１）、太陽光発電機２の発電量がＰＣＳ６の定格容量を上回る（ステップＳ１２）。そうすると、コントローラ５は、充電回路４１を閉、及び放電回路４２を開にして（ステップＳ１３）、太陽光発電機２と蓄エネルギー装置３の充電経路を接続し（ステップＳ１４）、一部の発電電力を蓄エネルギー装置３にチャージさせる（ステップＳ１５）。

更に、天候不順により、太陽光発電機２の出力が落ちていると（ステップＳ１６）、コントローラ５は、内部系統８の需要に対する太陽光発電システム１の出力不足を検知する（ステップＳ１７）。そうすると、コントローラ５は、充電回路４１を開、及び放電回路４２を閉にして（ステップＳ１８）、太陽光発電機２と蓄エネルギー装置３の充電経路を接続し（ステップＳ１９）、一部の発電電力を蓄エネルギー装置３にチャージさせる（ステップＳ２０）。このように、蓄エネルギー装置３の放電は、高出力の常態化の観点に代えて、需給バランスを図る観点で行うようにしてもよい。

内部系統８の需要に関しては、内部系統８の電流・電圧値を測定する他、出力不足の結果として生じる現象を検知するようにしてもよい。図９は、太陽光発電システム１の変形例を示す模式図である。内部系統８に接続される負荷８１は照明装置である。コントローラ５は、計測器５１として照度計を備え、光量に対する閾値を記憶している。照度計である計測器５１は、照明装置である負荷８１の光量を測定する。コントローラ５は、負荷８１の光量が閾値を下回ると、充電回路４１を開、放電回路４２を閉にして、蓄エネルギー装置３に放電させ、太陽光発電機２の出力を補完する。

以上のように、この太陽光発電システム１は、パワーコンディショナ６の定格容量を上回る定格出力を有する太陽光発電機２を備える。また、太陽光発電機２と接続される蓄エネルギー装置３と、太陽光発電機２の発電量からパワーコンディショナ６の定格容量を差引いた過剰分を蓄エネルギー装置３に充電させるコントローラ５を備える。これにより、太陽光発電機２がパワーコンディショナ６に対して過剰発電能力を有していても、給電システム全体を見直すことなく、太陽光発電システム１の発電能力を十分に発揮させることができる。太陽光パネル２１の増設等も容易となる。

また、コントローラ５は、パワーコンディショナ６の定格容量から太陽光発電機２の発電量を差引いた不足分を蓄エネルギー装置３から太陽光発電機２を介してパワーコンディショナ６へ出力させるようにした。これにより、天候不順等が生じてもＰＣＳ６の定格容量に近い高出力を常態的に出力することができる。

コントローラ５は、内部系統８への給電が不足すると、蓄エネルギー装置３から太陽光発電機２を介してパワーコンディショナ６へ出力させるようにしてもよい。内部系統８は照明装置を備え、コントローラ５は、計測器５１として照度計を有し、照度計の示す値に基づき直流電力系統への給電不足を検知するようにしてもよい。

太陽光発電機２は、並列な複数のストリング２２と、パワーコンディショナ６への出力端子２３を有し、一部の複数のストリング２２ａは、出力端子２３のみと接続し、他の複数のストリング２２ｂは、出力端子２３と蓄エネルギー装置３の両方と接続されているようにした。これにより、一部の電力を蓄エネルギー装置３へ出力するために、複雑な電流制御を行う必要がなく、簡便に過剰発電分を蓄エネルギー装置３へ出力することができる。

そして、蓄エネルギー装置３は、キャパシタとした。これにより、突然の天候変化による過剰発電や過小発電の影響をＰＣＳ６に与えることを抑制することができる。

（その他の実施形態）
本明細書においては、本発明に係る実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 太陽光発電システム
２ 太陽光発電機
２１ 太陽光パネル
２２ ストリング
２３ 出力端子
３ 蓄エネルギー装置
４１ 充電回路
４２ 放電回路
４３ スイッチ
５ コントローラ
５１ 計測器
５２ 演算部
５３ ドライバ回路
６ パワーコンディショナ
６１ａ 第１のＤＣ−ＤＣコンバータ
６１ｂ 第２のＤＣ−ＤＣコンバータ
６２ インバータ
６３ トランス
６４ 断路器
６５ 三又分路
６５ａ 第１分路
６５ｂ 第２分路
６５ｃ 第３分路
７ 外部系統
８ 内部系統
８１ 負荷

Claims (8)

1. パワーコンディショナに電力を出力する太陽光発電システムであって、
   前記パワーコンディショナの定格容量を上回る定格出力を有する太陽光発電機と、
   前記太陽光発電機と接続される蓄エネルギー装置と、
   前記太陽光発電機の発電量から前記パワーコンディショナの定格容量を差引いた過剰分を前記蓄エネルギー装置にチャージさせるコントローラと、
   を備えること、
   を特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記コントローラは、
   前記パワーコンディショナの定格容量から前記太陽光発電機の発電量を差引いた不足分を前記蓄エネルギー装置から前記太陽光発電機を介して前記パワーコンディショナへ出力させること、
   を特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
3. 前記パワーコンディショナを介して直流電力系統と接続され、
   前記コントローラは、
   前記直流電力系統への給電が不足すると、前記蓄エネルギー装置から前記太陽光発電機を介して前記パワーコンディショナへ出力させること、
   を特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
4. 前記直流電力系統は、照明装置を備え、
   前記コントローラは、
   前記照明装置に対する照度計を有し、当該照度計の示す値に基づき前記直流電力系統への給電不足を検知すること、
   を特徴とする請求項３記載の太陽光発電システム。
5. 前記太陽光発電機と前記蓄エネルギー装置との間に介在し、スイッチを有する充電回路を備え、
   前記コントローラは、
   前記充電回路のスイッチを閉にして、前記太陽光発電機と前記蓄エネルギー装置を接続すること、
   を特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
6. 前記太陽光発電機と前記蓄エネルギー装置との間に介在し、スイッチを有する放電回路を備え、
   前記コントローラは、
   前記放電回路のスイッチを閉にして、前記太陽光発電機と前記蓄エネルギー装置を接続すること、
   を特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の太陽光発電システム。
7. 前記太陽光発電機は、
   並列な複数のストリングと、前記パワーコンディショナへの出力端子を有し、
   一部の前記複数のストリングは、前記出力端子のみと接続し、
   他の前記複数のストリングは、前記出力端子と前記蓄エネルギー装置の両方と接続されていること、
   を特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の太陽光発電システム。
8. 前記蓄エネルギー装置は、キャパシタであること、
   を特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の太陽光発電システム。

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