JP2017204908A - 直流スマートグリッド及びスマートコンセント - Google Patents

Abstract

【課題】現地回復力を有するエネルギー源（特に、太陽電気エネルギー源）を提供するローカルグリッド構造、及び、電力共有方法を提供する。
【解決手段】ノードＡ〜Ｈ間のローカルグリッド電力の使用を警告及び／または管理するための、グリッド上で通信される優先信号が提供される。前記優先信号は低周波の正弦波である。前記正弦波は、好ましくは２０ヘルツ〜１メガヘルツ、より好ましくは２５キロヘルツ〜１００キロヘルツである。通信には、周波数選択性検出を伴って多数の信号が利用される。受信信号のレベルが閾値未満であるノードが制御対象とならないように制御領域の範囲を決定するために、注入信号の強度が利用される。各ノードは信号を注入し、接地接続用の各接続線を監視し、接続線と接地との間で信号が検知された場合、その接続線を解列する。
【選択図】図３

Description

本発明の諸実施形態は、太陽エネルギーに関するものであり、特に、直流電気エネルギーの配電と使用に関する。

本出願は、米国特許出願番号１４／９４１，５９８（発明の名称：DC Power Grid and Equipment）の一部継続出願である。また、２０１４年１１月１６日に米国で仮出願された米国仮出願番号６２／０８０，３４９（発明の名称：D.C. Power Grid and Equipment）、２００５年１月１１日に米国で仮出願された米国仮出願番号６２／１０２，０３０（発明の名称：DC Power Grid and Equipment）、２０１５年４月７日に米国で仮出願された米国仮出願番号６２／１４４，３２０（発明の名称：DC Power Grid and Equipment）、２０１５年８月１５日に米国で仮出願された米国仮出願番号６２／２０５，６６４（発明の名称：DC Power Grid and Equipment）、及び、２０１５年１１月１５日に米国で出願された米国特許出願番号１４／９４１，５９８（発明の名称：DC Power Grid and Equipment）に言及することにより、その全ての内容は具体的に本出願に組み込まれるものである。

ユーザが利用できるエネルギーを増やし、インフラコストを下げ、エネルギーレジリエンスを提供するにあたり、世界では、簡略かつ安価でありながら効率が良い自己調整型の現地電力が必要とされている。

米国特許出願公開第２０１１／０１２７８４１号明細書

一実施形態において、特定の誘導負荷を直流の偶発的供給から保護する直流スマートコンセントが提供される。一実施形態において、このコンセントはパルス状の直流を供給し、変圧器、モータ巻線、または他のインダクタからのコラプス電流から逆起電力のようなキックバックパルスを検知し、キックバック電圧もしくは電流、または、定性的測定が閾値を上回っている不適当な電化製品への直流電力を遮断する。一実施形態において、ユーザは、電気掃除機のような直流互換性電動モータ（これは、逆起電力を発生させるものである）をコンセントから動作させることができるよう、コンセントによる検知を無効にすることが許される。任意で、モータのスイッチを切った後、スイッチは検知状態にリセットされる。一実施形態において、接続された変圧器とモータ巻線とが別個に検知され、検知された電化製品が変圧器である場合には上記選択を任意で提供しない。

別の実施形態において、バッテリーと、これより電圧が非常に高い太陽光電力または系統電力の電圧源（例えば、少なくとも１０ボルト高い、少なくとも２５ボルト高い、または少なくとも５０ボルト高い）との間に設けられる太陽電池パネル用非降圧型充電制御装置が提供される。この制御装置は、バッテリーを充電するために、前記高圧電力から接続される直流を供給する。前記制御装置は位相幅変調回路を含んでおり、この位相幅変調回路は、（少なくとも０．１ファラッドの任意の並列コンデンサが取り付けられた状態で）バッテリーを充電し、さらに任意で、太陽電池パネルの高電圧を低いバッテリー電圧に変換する降圧コンバータ・インダクタンスを使用せずに、バッテリーと並列に接続された負荷に電力を供給するためのものである。一実施形態において、前記充電制御装置は、低いデューティサイクル（２５％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満、さらにより好ましくは８％未満）で充電電流を供給する。一実施形態において、デューティサイクルが低い一方で電圧差が大きいことにより、プレートの硫酸化が最小限に抑えられ、バッテリー寿命が著しく改善される。

別の実施形態において、ノード間のローカルグリッド電力の使用を警告、及び／または、管理するための、グリッド上で通信される優先信号が提供される。一実施形態において、前記優先信号は低周波の正弦波である。前記正弦波は、好ましくは２０ヘルツ〜１メガヘルツ、より好ましくは２５キロヘルツ〜１００キロヘルツである。一実施形態において、通信には、周波数選択性検出を伴って多数の信号が利用される。一実施形態において、受信信号のレベルが閾値未満であるノードが制御対象とならないように制御領域の範囲を決定するために、注入信号の強度が利用される。一実施形態において、各ノードは信号を注入し、接地接続用の各接続線を監視し、接続線と接地との間で信号が検知された場合、その接続線を解列する。一実施形態において、商用電力系統エネルギーを補完するため、そして、オフグリッド電力のバックアップとして、太陽エネルギーの経済的な発電と利用を可能とする電力レジリエンス装置が提供される。.

別の実施形態において、電力会社から購入した電力の現地補完と、バックアップ電力の提供を行うため、商用電力、及び／または、太陽電池パネルの電力、及び／または、ローカルグリッドの電力を受け入れる便利な発電所装置が提供される。独立型構成において、商用電力は接続された太陽電池パネル電力と組み合わせられ、ユーザは商用バックアップ電力に切り換えるか、完全に自家発電電力に切り換えることが可能である。ローカルグリッド構成において、前記装置はノードとして機能してもよいし、あるいは、ノードに接続され、ローカルグリッドに対して電力の取り込み、及び／または、供給を行ってもよい。

本装置は、少なくとも太陽電池パネルから、または、２つの電力源からの電気エネルギーを同一の機器で収集可能とすることによって、エネルギーレジリエンスの簡略化と経済的な利用を可能とするとともに、直流電力を使用する電源アダプタや、電気ドリルのような工具に（好ましくは、内蔵のスマートレセプタクルを介して）直接（すなわち、直流電力またはパルス状の直流電力として）電力を供給することが可能である。さらに任意で、本装置は、バックアップ電力として、接続されたバッテリーを充電することができる。一実施形態において、接続されたバッテリーは、接続された電化製品に直流電力を供給することができる。一実施形態において、接続されたバッテリーの電圧は約１００ボルト（好ましくは、１００〜１２０ボルト）であり、バッテリーは充電されて夜間のバックアップ電力として使用される。好ましくは、エネルギー消費誘導による昇降圧変換を行うことなく、１２ボルトの鉛蓄電池が直列に８個つながれて、直列の一組の太陽電池パネル（一般的には、最大出力動作電圧が少なくとも１０８ボルト）によって充電される。また、本装置は、ＬＥＤライトに直接接続される１２ボルトまたは２４ボルトのコンセントを有することが好ましく、さらに、接続されたバッテリーの電力をバックアップ電力として利用する交流の小型電化製品（冷蔵庫など）用の直流／交流インバータを任意で有する。

図１は、信頼できる直流電力を供給するための代表的な初歩的電源装置を示す図である。 図２は、直流電力を供給するための好ましい回路の概略を示す図である。 図３は、各ノードに１以上の発電所装置を備えたローカルグリッドを示す線図である。 図４は、交流電力負荷を検知するスマートコンセントのブロック図である。

堅固なローカルグリッド:充電制御装置、インバータ、及びコンバータの排除または最小化
太陽光電力系統における費用、複雑さ及び信頼性の問題は、そのほとんどではないにせよ多くが、太陽光エネルギーを適切な形態に順次変換するため、充電制御装置、インバータ及びコンバータ内に多数の回路を必要とすることに起因している。本発明の複数の実施形態では、最終使用電圧よりも名目上だけ高い太陽電池パネルシステム電圧を選択し、この整合電力からパルス状の直流を用いて電化製品を動作させることにより、費用の削減、複雑さの低減、及び、効率の向上が達成される。１００〜１２０ボルトのシステムの場合、直列に接続したパネルの２５℃での最大出力点電圧として決定される太陽電池パネルシステム電圧は、１０５ボルト〜１４５ボルトであることが好ましい。この太陽電池パネルシステム電圧は、最終使用電圧よりも１０〜２０ボルト高ければ、一層好ましい。例えば、コンピュータサーバセンターで使用される３８０ボルトのシステムの場合、パネルシステム電圧は３０〜８０ボルト高いことが好ましい。

好ましい実施形態において、最終使用電圧は、日本では約１００ボルト（９８〜１０８ボルト）であり、１００〜１０５ボルトが、より好ましく、米国では約１１５ボルト（１１０〜１２５ボルト）である。約１０ボルト高い太陽電池パネルシステムを用いることにより、高温による太陽電池パネルの電圧損失を吸収することができ、簡単なＰＷＭ回路によって太陽電池パネルの出力を最終使用電力に供給することができる。前記ＰＷＭ回路は、オフ時間が少なくとも３％（デューティサイクルが最大９７％）であることが好ましく、デューティサイクルは若干高い太陽電池パネル電圧を最終用途の電化製品の電圧に合わせるため、望み通りに調節することが可能である。これは、一般的に、電化製品の加熱（配線などにおける熱損失）が電圧を主に制限しており、デューティサイクルを低くすることは、機能的に見て、電圧を下げることと非常に似た作用を有するからである。

入力電力の電圧を負荷電圧に合わせる本技術を用いることにより、図１に示すような簡略で低コストのシステムが構築された。

高出力の電化製品に合わせた直流切換
市販の家庭用電化製品を用いる際、高出力機器（一般的には１００ワットを超えるもの、特に２００ワットを超えるもの、さらに特に５００ワットを超えるもの）は、通常、制御スイッチ及び／または内部サーモスタットの溶着を防ぐためにパルス状の直流電力を必要とすることが判明した。直流の家庭用グリッドから高出力機器（温水器、コーヒーメーカー、及び、電気グリルなど）への電力供給は、スイッチ接点の溶融を避けるため、直流をパルス状にして行われた。好ましくは、２ヘルツより高く１０，０００ヘルツより低い周波数で、少なくとも９０％、より好ましくは９５％を超える長いデューティサイクルが利用される。

一実施形態において、直流切換回路は、２５〜１０００ヘルツの切換矩形波パルスを供給するＰＷＭコントローラ（図２参照）を含む。このコントローラは、デューティサイクルを低くすることによって供給電圧の減少に応答するフィードバック回路を含むことが好ましい。例えば、目標電圧が１０５ボルトのグリッドノードに取り付けられる場合、ノード電圧が１０５ボルト（または、１０３ボルト、１０２ボルト、もしくは１００ボルトなどの他の設定値）を下回ると、直流切換回路はデューティサイクルを低くして補償する。一般的なＰＷＭチップ（ＴＬ４９４）は、複数の誤差増幅器のうち１つによって、サンプリングされた入力電圧を５ボルトの基準電圧と比較し、上記動作を容易に実施することが可能である。

グリッドへの負荷接続、及び、グリッドからの負荷接続
好ましくは、グリッドからの直流電気エネルギーは、通常のスイッチ、遮断器、及びサーモスタットが高い直流電流により溶着遮断されることなく適切に動作できるよう、図１のボックス内の回路によってパルス状の直流に変換される。また、好ましくは、交流負荷用に設計されたそのようなスイッチを有する高電流負荷が、少なくとも１０ヘルツ、好ましくは２５〜５００ヘルツ、及び好ましくは５０〜２００ヘルツで、オフ時間が短いデューティサイクルを有する位相幅変調パルス信号を介して直流グリッドに接続される。

前記パルス状の直流電力は矩形波である必要はなく、（疑似正弦波インバータ技術で公知のような）疑似矩形波を利用することができる。また、サイクル中のある時点で電圧が０に近づくか、０となった場合、波形は、機械的切換時のスパーク形成の防止に適した別の波形であってもよい。一実施形態において、温水器、電気ヒーター、さらには一部のエアコンの直流ポンプ（いずれにせよ、通常、出力４０％〜１００％で変調する）などの低優先度の負荷については、デューティサイクルがグリッド電圧に応じて制御され、その結果、負荷に供給される電力が、適当なグリッド電圧の維持に役立つよう調整される。

低電流負荷（高優先度であることが多く、個別の電線対によって提供されてもよい）は、あまり変調されないことが好ましい。低電流負荷の例としては、コンピュータのアダプタ、プリンタのアダプタ、及びモニタのアダプタ（従来の変圧器による電圧変換を利用しないもの）が挙げられ、これらは直流電圧に直接つなぐことが可能である。他の低電流負荷としては、照明やバッテリー充電が挙げられる。一実施形態において、３アンペアまたは２アンペア未満、あるいは、場合によっては、わずか１アンペアの低電流負荷（好ましくは、５０〜２００ボルト）（例えば、携帯電話の充電器、ラップトップコンピュータ、ＬＥＤ照明など）に、一定電流の直流電力が供給される。機械的サーモスタットまたは他のスイッチを有する高電流負荷には、スイッチを保護するため、パルス状の直流が供給されることが好ましい。一実施形態において、すべての直流負荷は、パルス状の直流電力によって給電され、さらに、変圧器または交流誘導モータのような不適当な誘導負荷が用いられた際、スイッチをオフにするか交流に切り換えることによって誘導負荷を監視する直流コンセントに供給される。

電力レジリエンス装置（“ＥＲＡ”）
一実施形態において、ローカルユーザは接続された電力供給装置（太陽電池パネル、風力タービン、電気自動車のバッテリー、燃料電池など）から自家発電電力の少なくとも一部を供給する電装ボックスを有しており、この電装ボックスは、任意で直流のローカルグリッドに接続されていてもよい。この現地で使用される電装ボックス（“ＥＲＡ”）は、耐候性を有する構成で建物の外側に取り付けられていてもよく、さらに、１以上の追加部品を含んでいてもよい。このような追加部品としては、（ａ）電装ボックスを介してローカルグリッドとの間で受け渡しされる電圧及び電流を繰り返し測定するためのセンサ、（ｂ）電圧及び電流を周期的に記録する電力使用記録装置（ダウンロード可能なメモリなど）、（ｃ）インターネット接続（電力販売の申し出及び受諾、及び他のグリッド構成者との共用を報告する）、（ｄ）携帯電話接続（電力販売の申し出及び受諾、及び他のグリッド構成者との共用を報告する）、（ｅ）近隣の接続ノードに対する抵抗を決定するためのセンサ／テスタ、ならびに、（ｆ）デューティサイクルにおけるＰＷＭの低下を介して電流を監視し、ノードからの電流を制限することによって系統連系線の過負荷を防ぐ自動電流調速機、または他のリミッタなどが挙げられる。

図１は、独立型エネルギー装置またはグリッドノード接続装置として用いることができる特に望ましいＥＲＡの実施形態を示している。この図において、ＥＲＡはボックス７として示されているが、ＥＲＡは同一地点または異なる地点に設けられ接続される別の装置とすることも可能である。ローカルの太陽光発電接続（及び、任意で風力発電の入力接続）と組み合わせた直流連系が含まれることが好ましいが、ここでは１つの直流グリッドまたは太陽電池パネル入力のみを示す。

ボックス７は、入力電圧フィードバック制御を備えた少なくとも１つの直流／パルス状直流変換回路を含んでいる。第一の試作品において、この回路は図１の回路１（三角印）に設けられた。このパルス回路は、制御可能な位相幅変調（ＰＷＭ）駆動の電源スイッチ（ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなど）であることが好ましい。一実施形態において、回路１における閾値電圧フィードバック制御はスイッチによって操作され、２つの優先度から選択を行うことによって、所定の入力電圧を超えるパルスを活性化させることが可能である。低い方の閾値レベルでは、使用される電力（ＰＷＭパルスに変換されたもの）の入力電圧が低くなっているので、高優先度の負荷に電力を供給する。また、高い方の閾値電圧レベルは低優先度の負荷について利用されるが、これは、低優先度の負荷が電力の供給を受けるのは、高い入力供給電圧を利用可能な場合に限られるからである。一実施形態において、ユーザは２つの優先度、あるいは３つ以上の優先度の間で切換を行う。任意で、これらの優先度はリアルタイムで利用可能としてもよく、予定時間の中で可変的に利用可能としてもよい。この切換は、プッシュボタンまたはトグルスイッチなどによって行われてもよく、インターネット、携帯電話、または他の有線もしくは無線の信号機構によって選択されてもよい。

一実施形態において、閾値制御のパルス回路は、出力（図１の「スマートスイッチ」）への供給のみを行い、（任意の充電装置が使用された場合）直線の直流は任意の充電装置に電力を供給する。別の実施形態において、高優先度に調整された別の回路が充電装置に電力を供給するとともに、低優先度に調整された回路が電源出力（スマートスイッチ）に電力を供給する。後者の電力供給は、低優先度の負荷がノードから電力を供給されないとき、ノード電圧が低くてもバッテリーが充電されるようにするためのものである。

一実施形態において、ＥＲＡへのすべての直流入力はＰＷＭ制御（例えば、図２参照）を受け、制御された電力が図１に示すような１以上のレセプタクルに供給される。別の実施形態では、太陽光発電入力、及び／または、接続グリッド入力のみが電圧によるＰＷＭ制御を受ける。さらに別の実施形態では、商用電力、及び、任意で接続されたローカルグリッド電力は、ＰＷＭ制御を受けてパルスを供給するものであり、入力電圧制御を受けない。

一実施形態において、供給される商用交流電力またはバッテリーからの反転交流または高圧電力は、ある電化製品が設定されたとき（ユーザによる選択）または交流機器であると自動的に検出されたとき、交流としてレセプタクルに直接供給される。一実施形態において、ＰＷＭコントローラは、太陽光発電エネルギー、及び／または、バッテリーのエネルギーをＥＲＡからグリッドへ供給する。一実施形態において、この供給は、ローカルノード電圧を十分に高くするため、出力（接続グリッド）電圧フィードバックを利用して行われる。一実施形態において、この供給は、電力源負荷をさらに最適化するため、入力電圧フィードバックを利用して行われる。これは、効率を最大化する上で、バッテリーと太陽電池パネルのどちらも過負荷となってはならないからである。望ましい実施形態において、ＰＷＭ回路のデューティサイクルを制御するために、負荷電圧と入力電圧の両方が利用される。別の好ましい実施形態において、ＥＲＡで現地使用するためパルス状の直流電力を供給するＰＷＭ回路は、出力電流を監視し、最大電流（限界値）を制御する。

本願の複数の実施形態において、前記入力線のうち１以上が、任意のセンサ／断続器４によって地絡保護される。このボックスの下部に示されているのは、任意の接地接続５である。また、好ましい実施形態において、商用交流入力は絶縁変圧器から提供され、商用電力系統及び商用接地とは直接接続されていない。

前記商用交流入力は回路２において直流変換される。双方の入力源が本図面の要素１において並列合成される。また、図示していないが、これらの入力の一方または双方は、入力を制限するため変調（例えば、ＰＷＭ変調）されてもよい。しかし、これは最も簡略な実施形態という観点では好ましくない。ユーザは、図中左下に示すユーザ用操作スイッチによって、オフグリッドを選択するか（商用入力からの電力潮流がない）、双方の電力の同時使用を選択することができる。例えば、直流入力電力は、整流された交流商用電力よりも電圧が高く、並列に接続されることが好ましい。この場合、直流入力電力は、充電装置に電力を供給するため優先的に使用され、商用電力を使用することなく、直流電力がＬＥＤと高電圧レセプタクルに出力される。直流電力入力を超えるほどに電力消費が増えると、電圧（図中の三角１における出力）は整流商用電力に達するまで降下し、その時点で双方の入力源が同時に使用される。

また、双方の電力源について、一方または他方の入力がこの装置に電力を供給するために使用中であるとき、ユーザ向け警告（例えば、棒状のＬＥＤディスプレイ、さらには、単純なネオンライトであってもよい）により視覚的にユーザに警告を与えることが好ましい。一実施形態では、ローカルグリッドから解列するためのユーザスイッチが設けられる。しかし、多くの実施形態において、ローカルグリッド及び（バックアップ用）商用電力系統、さらには太陽電池パネル入力がすべて並列に接続されており、太陽電池パネル及び商用電力への電力の逆流を防ぐため必要に応じて逆阻止ダイオードが追加されている。好ましくは、電圧が十分に適切な高さであるときは、ローカル接続された太陽光発電（または、上記したような他のローカルノード電力源）のみが、ローカル系統連系に流れることが許可される。一実施形態において、ローカルノードに接続されたバッテリーは、隣接ノードにバックアップ電力を提供するため、（ユーザ制御によって）切換可能にローカルグリッドに電力を流すことが許可される。

要素１からの高圧出力電力は、充電装置、及び、１以上の電化製品の高圧直流電源コンセントに電力を供給する。また、図示されるように、任意で、高圧直流電源コンセントに供給される高圧電力は、不適当な電化製品（変圧器アダプタ、交流誘導モータ、または他の高速交流モータなど）が過熱で故障するほど長時間にわたってそのような電化製品に電力が供給されないよう、スマートスイッチによって制御される。そのような場合、通常の（好ましくは、１５アンペア）レセプタクルを用いて、直流で動作する電化製品（コンピュータの電源アダプタなど）を簡単にコンセントにつなぐことが可能となる。一実施形態では、高圧直流出力の極性を反転させるスイッチが設けられる。あるいは、高圧直流出力の極性は、コンセントにつながれた電源アダプタが反転を要すると検知されると同時に自動的に切り換えられる。驚くべきことに、本発明者は、一部の電源アダプタは交流入力を一方向に整流して使用すること、及び、その正負の向きが正しい状態でコンセントにつなぐ必要があることを発見した。これに対応するため、スマートレセプタクルは、直流電流の双方向の流れをテストし、検知制御回路を介した電流方向に切り換えてもよい。

充電装置は、高圧直流電力を受け取り（この時点で、高圧直流電力を回路１によってパルス状にしてもよい）、この高圧直流電力を図示される付属のバッテリーの充電に適した低電圧に変換する。一実施形態において、直流電力は少なくとも１０４ボルトであり、直列につながれた８個の１２ボルト鉛蓄電池を充電するが、この場合の“９６ボルト”のバッテリーは、パルス化以外の変換を行うことなく、直接、高圧直流電源コンセントに電力を供給するために使用される。そのような場合、任意で、充電装置は、インダクタを用いた降圧または昇圧回路を含まず、高電圧が印加された充電電圧のデューティサイクルを変調することによって、一層効率的にバッテリーを充電する。これにより、９６ボルトの鉛蓄電池列を、ローカルグリッドの好ましい夜間電力バックアップとして、及び／または、そのノード単独のバックアップとして使用することが可能となる。この場合、高電圧バッテリーは、高圧直流出力レセプタクルへの他の高電圧入力と並列に接続することができ、一般的な（降圧コンバータ型）出力１２ボルトのアダプタを用いて高電圧バッテリーから１２ボルトを提供することができる。当然ながら、特にＬＥＤ照明について、１２ボルトの代わりに２４ボルトなどの別の電圧を用いてもよい。好ましい実施形態において、高圧直流（例えば、１００〜１２０ボルト ＲＭＳ ＤＣ）は、インダクタまたは降圧変換を利用することなく、２５％未満のデューティサイクル、特に８％未満のデューティサイクル、さらには５％未満のデューティサイクルで、ＰＷＭパルスによって低電圧のバッテリー（１２、２４、４８ボルトなど）を直接充電することができる。

直流ローカルグリッドへの接続は一方向ではなく、別の太陽電池パネル入力が回路１において直流ローカルグリッドに連結されていることが好ましい。また、電流は、電圧レベルとキルヒホッフの法則の演算に基づいて、双方向に流れるようにすることが好ましい。このようにして、（系統連系線での電圧損失を差し引いた後）ボックス７からのローカルグリッドラインの電圧が別の隣接ノードの電圧よりも高いとき、電力は接続されたシステムの太陽電池パネルから直流ローカルグリッドに流れることになる。この直流ローカルグリッドへの電力供給は、太陽電池パネル入力からの有能電力のすべてをスマートスイッチが使用していないかどうかにも依存する。好ましくは、接続された商用電力がいかなる状況においても直流ローカルグリッドへの余剰発電電力の供給に寄与しないように、ダイオード接続がなされる。

この図に示されるように、任意の低電圧バスがボックス７内の右側に垂直に配され、ボックス上部に水平に配された１以上の低圧電源コンセント６にバッテリーを直接（または、バッテリー電圧が低すぎる場合に解列する半導体スイッチを通じて間接的に）接続する。ＬＥＤ照明を点灯させるために１以上のコンセント６を使用することを望むユーザも多いだろうが、カーラジオ、アマチュア無線、小型の送水ポンプなどのような１２ボルトで動作する多種多様な電化製品を使用するために、１以上のコンセント６を使用してもよい。

本図面に示される好ましい構成は、さらに、バッテリーと高圧直流出力レセプタクルの間に接続されたインバータを介して、高電圧の電化製品（コンピュータや携帯電話の電源アダプタなど）のバッテリー式バックアップを提供する。好ましい実施形態（図示省略）では、１以上のＵＳＢ電源コンセントがさらに含まれる。

系統電力を共有するための優先信号
一実施形態において、トークン信号を用いた優先順位の決定によって、図３に示すように隣接ノード間で電力が共有される。図３に示されるノードＡ〜Ｈは、分岐線Ｉ、Ｋ及びＬにおいて電力線（一般的には２以上の電力線）を介して接続されている。各ノードは、電力のアップロードとダウンロードの両方を行う能力を備えていてもよいし（ノードＡ、Ｅ、Ｃ及びＨ）、ダウンロードのみを行う電力供給者であってもよいし（ノードＢ、Ｆ及びＧ）、あるいは、アップロードのみを行う電力ユーザであってもよい（ノードＤ）。電力選択方式に関与するすべてのノード（図３において、最も隣接する２以上のノードで構成されるグループ）は、その制御グループ用の共通周波数を共有している。各制御グループは、特定の信号発生器、及び、その特定の共通信号周波数のセンサを有している。例えば、複数のノードで構成される制御グループは、図３のノードＡ、Ｃ、Ｄ、及びＥからなるものでもよい。これらのノードは、トークン周波数を受信できる程度に十分近接しており、キルヒホッフの電流則に従って非常に高い頻度で電力を共有する。信号発生器がオン状態（一般的には、２０分などの限られた設定時間）のとき、そのノードのセンサは動作しない。

ノードセンサが特定の周波数信号を制御グループ内の別のノードから検知した場合、検知側のノードは高優先度の電力を使用できない（または、設備を使用可能状態にできない）。例えば、低いノード電圧閾値（これにより、接続された高優先度の電化製品が、その低いノード電圧に下げた電力を使用することを許可する）は、近隣ノードから特定の周波数信号を検知しない場合に限り利用可能である。言い換えれば、別のノードからの信号が検出されると、電力消費をオン状態にする電圧閾値が高く設定される。これにより、小電力しか利用できないときは（早朝、夕方、または、暴風雨時など）、一度に１人のユーザだけがローカルグリッド電力を消費することを許可される。

１つの制御グループにおいて、共通の信号伝達周波数をアサートできるのは、一度に１つの近隣ノードだけである。しかし、そのノードが前記特権をアサートできるのは限られた設定時間のみであり、（好ましくは）その特権時間の終了後は、他のノードに特権をアサートする機会を与えるため、再び特権をアサートするまで所定の設定時間を待つ必要がある。これは、ほかの誰も信号をアサートしていないとき、（ハードウェア、ソフトウェア、または、これらの組み合わせにおいて）ノードが共通信号周波数発生器を（一般的には、ノード間で共有される同じ電力線で）アサート可能とするだけで実行される。次に、ひとたびオン状態になると、１つのノードから別のノードにアサートされた信号は、約（すなわち、プラスマイナス２分）１５分、２０分、２５分、３０分などの時間が経過した後、自動的に消滅する。自動消滅後、近隣ノードは自己の信号を自由にオンにすることができる。これは、先の信号が一定時間（０．５分、１分、２分、１０分、２０分、３０分など）自動的に使用されないからである。

このようにして、複数のユーザに対して十分なエネルギーが無い場合、近隣ノードは、エネルギーを使用できるノードが一度に１つのノードとなるようエネルギーを強制的に共有する。例えば、光量レベルの低い早朝にコーヒーを入れるお湯を沸かしたりトーストを焼いたりするため、３つの近隣ノードがそれぞれ共通グリッドから８００ワットを必要としているにもかかわらず、利用可能な電力が１０００ワットしかないことがあるかもしれない。このシステムによれば、小さなジョブを行うために十分な時間、一度に１人の高優先度ユーザがグリッド全体を利用でき、その時間の経過後、別の近隣ユーザが所定の設定時間の間、高優先度の電力を利用できる。実際の使用電力を超える十分な電力（または、若干の余剰電力）が利用可能な場合、低優先度の電化製品が残りの電力を自動的に使用する。これは、ノード電圧が低優先度の電化製品をオンにするために十分な高さまで上がって、電圧を低いレベルに引き下げるからである。

一実施形態において、ローカルグリッド内の多数の近隣ノードが、異なる信号周波数を有する近隣制御グループごとに、このような方法で電力を共有する。信号センサは特有のものであるため、１つの近隣ノードが、例えば、グリッドラインに印加される２５ＫＨｚ交流信号を利用できる一方で、その近くの近隣ノードは、優先順位決定システムに応じて４０ＫＨｚ、１００ＫＨｚなどを利用してもよい。

上記及び他の実施形態は、本明細書を読む当業者によって理解されるものである。例えば、一実施形態において提供される電力共有システムは、信号トークンに基づき、小電力出力時にローカルグリッド電力を効率的に使用するための電力共有システムであって、前記電力共有システムは、複数のノードを有するグリッドを備えており、各ノードは、信号をトークンとして近隣ノードに送るよう動作可能に接続された共通の特定周波数の信号発生器を備えており、各ノードは、別の近隣ノードから発せられた前記共通の同一特定周波数の信号トークンのためのセンサを備えており、各ノードの信号発生器は、近隣ノードからの信号トークンの受信中は、他の近隣ノードへの信号トークンの送信を阻止され、信号トークンが他の近隣ノードに送信されるとき、その送信継続時間には時間制限が設けられ、その制限された継続時間中に信号トークンが送信された後、一定時間は同じノードが別の信号トークンを送信できない遮断遅延期間が設けられ、近隣ノードから信号を受信すると、共通のグリッドから低優先度のエネルギーが使用されることを特徴とする電力共有システムである。低優先度は、閾値より高いときのみ当該ノードに系統電力を負荷（使用）できるようにする一組のノードレベル閾値電圧によってアサートされてもよい。低優先度のノードは電圧閾値が高いので、ノードがその電圧より低いとき（他の高優先度ノードが電力を使用中であるため）低優先度のノードは使えないようにされる。

一実施形態において、各ノードは、異なる近隣ノードからの信号トークンを別々に検知し、特定の受信信号トークンの起点または起点方向を示す表示部を備えている。一実施形態において、ノードは、アクティブ信号トークンの継続時間について最大残り時間を示す表示部を備えており、さらに任意で、信号トークンの使用を予約可能とする入力パネルを備えている。トークンの使用は電力使用の監視と一緒に監視することができる。

直流電力用スマートレセプタクル
現代の多くの装置（携帯電話機／コンピュータ）は、電圧が高すぎない場合（一般的には、２４０ボルト未満、好ましくは、１００〜１２０ボルトである場合）、直流グリッドに直接プラグをつなぐことができる。そして、直流電流が遮断される場合（一般的には、５０〜１００ヘルツに対してオフ時間３％〜１０％）、スイッチ及び／またはサーモスタットを有する抵抗加熱器は良好に動作する。一実施形態において、少なくとも１０ヘルツ、好ましくは２５〜１０００ヘルツ、より好ましくは５０〜２００ヘルツの周波数によって電化製品（コーヒーメーカー、トースター、ホットプレート、及び温水器など）への直流電力をこのように遮断することにより、電化製品に直流から給電する電力遮断回路が提供される。しかし、交流モータまたは旧来の電源アダプタ（変圧器に基づく電力供給）の偶発的な使用を防ぐため、以下のスマートレセプタクルが提供される。

図４に示されるコンセント回路３０は、直流電源３１（一般的には、上述したようなパルス状の直流電力であるか、または、上記及び下記に概説するように、グリッドもしくは高電圧バッテリーに直接接続される）と、標準的な１５アンペアまたは２０アンペアの交流コンセント３２の間に配置されている。コンセント回路３０は、直流電力３１を入力するよう接続され、電源プラグ３２に出力する回路である。電子バルブ３３（好ましくは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、または、他の固体デバイス）は、入力３１と出力電源プラグ３２の間の電力の流れを制御する。センサ回路３４は、一般的には、出力負荷に接続され、誘導負荷（好ましくは最低値）を検出するものであり、誘導負荷が検出された場合には、コントローラ３５がバルブ３３を閉じる。一実施形態において、バルブ３３は３１における直線の非パルス状電力からパルス状の直流電力を生成する役割を持ち、センサ３４及びコントローラ３５によってオフにすることができる。これは、センサ回路からの論理レベル出力と同じくらい簡略なものでもよく、または回路３３のＰＷＭコントローラなどにおいてイネーブルピンを駆動するトランジスタであってもよい。

マイクロプロセッサは、少なくとも電圧、電流の流れ、及び／または、電力または他の経時的な検知量もしくは算出量の入力を受信することによって負荷の電子的性質を推測し、後述するように変化を探すことによって誘導負荷を決定することが可能である。一般的には、接続された誘導負荷を示す検知信号もしくは算出信号が、格納されている閾値と比較され、１以上のコンセント３２の無効化をトリガする。

これらの要素は、それぞれ単独で、及び／または、互いに組み合わせられて、回路を構成する。インダクタンスは、「キックバック」として知られる停止後、例えば、反（逆）電圧スパイクを含む多くの方法によって検知することができる。本明細書における用語「回路」は、大学で回路設計の講座を少なくとも３つ受講し、さらに２年の経験を有するハードウェアエレクトロニクスの技術者が設計できる方法で接続される電子部品を意味し、大きな回路の中のサブ回路を指すこともある。また、回路動作の一部または全部をマイクロプロセッサによってソフトウェアで行ってもよい。例えば、マイクロプロセッサは、２点間（電源プラグ３２）の導電率を繰り返し参照するソフトウェアによって接続を検出することができる。サブルーチンは、接続された電化製品を検知すると同時に、接続機器（抵抗、インダクタンス、及び／または、静電容量など）の品質を判定するため、接続機器に問い合わせを行う。この動作中には、装置設計上の全体電圧（例えば、１２０ボルト）ではなく、初期プローブ電流（例えば、５〜５０ボルトの低電圧など）を使用することができる。

接続機器のキックバックの検知により制御されるパルス状の直流電力
好ましい実施形態において、スマートコンセントは、パルス状の直流電力を供給し、直流パルスからキックバック（「キックバック」は、モータ巻線からの「逆起電力」としても知られており、さらに他の用語でも知られている）を検知する。好ましい電力は、１０〜１０００ヘルツの周波数（５０〜２００ヘルツがより好ましいが、他の周波数であってもよい）の矩形波列である。デューティサイクル（オンタイム率、単位％）は、好ましくは５０％以上、より好ましくは８５％以上、さらにより好ましくは９５％以上である。測定されるキックバックは、各サイクルのターンオフ点の直後に発生する負極性スパイクであることが好ましい。非常に簡単で効率的な方法及び機器によって、これらの逆方向のスパイクを検知し、コンセントの接続を切る（または、高圧直流電力への直流パルス切替接続をオフにする）ことによって応答する。

キックバックはオフ時間に検知されることが好ましく、逆バイアスダイオード（ＭＯＳＦＥＴのような大型デバイスの接点であってもよい）が逆電圧の電気をセンサに流すために接続されていることが好ましい。検知される逆極性信号（電圧として測定されることが好ましい）は、直流電力の供給がオフである時間（大きなデューティサイクルのオフ時間）中の最大スパイク、統合スパイク、最大電圧、もしくは統合電圧として、または、電流スパイク、電力測定、もしくは磁界として、さらには直列の低抵抗熱センサとして測定されてもよい。

一実施形態において、（直流出力に対して）負極性の閾値電圧あるいは電力、またはその両方が検知され、接続負荷が設定値を超える応答を示しているかどうかの判定に用いられる。例えば、電気掃除機のモータは、パルス状の直流出力電圧の数倍になる逆起電力（負極性）キックバックパルスを容易に生成することができる。一般的には、このようなキックバックパルスは変圧器からの初期キックバックより少し後に発生する。変圧器のキックバックは、起動初期（矩形波列の最初のターンオフ間隔）に高くなる可能性がある。一方、波列によるターンオン時の最初は、モータは動いていないが、その後、加速を始め（最大動作速度の１０％未満、または５％未満、さらには１％未満）、連続するそれぞれのターンオフに続く逆起電力キックバックパルスが穏やかに増加する。このような増加を検出することで、変圧器との区別が可能となる。（発見によると）電気ドリルのような一部のモータは、大した逆起電力を生成できないかもしれないが、このような状況において、ポンプ、及び、特に高回転数モータは、通常、実際に動いて大きなキックバックを発生させるので、区別することが可能である。

閾値（負極性における電圧振幅）は、１００ワットのコンピュータの電源アダプタの値より高く、かつ、接続された交流誘導モータまたは小型の変圧器（壁用交流アダプタなど）が生成するであろう値より低く設定することが可能である。一実施形態において、モータ（電気掃除機のモータなど）は、コンセントにつながれたとき、モータを動作可能とするが交流変圧器は動作させないディフィートスイッチまたは感度設定（内蔵型でもよい）の操作によって、パルス状の直流で用いることが可能である。例えば、電気掃除機または関連の直流／交流モータは、モータがターンオンの瞬間から速度を上げる際に生じるリアクタンスの段階的変化によって変圧器から区別することが可能である（変圧器はそのような変化を見せない）。ターンオンからの短い時間（０．０５秒、０．１秒、０．２秒、または０．５秒など）における全リアクタンス（例えば、消費された起動電力）の減少を監視することによって、電気掃除機を区別することが可能である。

当業者は負方向のキックバックスパイクを検知する回路（マイクロプロセッサを含んでいることが好ましい）を構築する方法を容易に理解できるだろう。キックバックの検知は、パルス状の直流のオフ時間に限って行われることが好ましい。このとき、オフ時間の初期部分を強調することが好ましいが、これは、キックバックがオフ時間の初期部分で（接続されたインダクタの磁界の崩壊と同時に）起こるからである。本明細書において、用語「オフ時間の初期部分」は、長時間の（遅い）パルスに関するデューティサイクルの直流電力のターンオフ時間から始まるオフ時間において、最初の５０％、最初の２０％、または、より好ましくは、最初の１０％未満を意味するけれども、ターンオン後の初期サイクルのうち１サイクル、２サイクル、３サイクル、４サイクル、またはそれ以上のサイクルにおけるデューティサイクルのオフ時間部分で測定されることが好ましい。

キックバックへの応答及び他の測定
キックバック、または、誘導負荷（変圧器または誘導モータを用いたポンプなど）を示す他のパラメータが臨界レベルに達したことを検知すると、回路はレセプタクルへの電力供給を停止し、視覚信号及び／または音声信号によってユーザに警告することが好ましい。そして、ユーザは、ボタンを作動させることによって、さらに任意でプラグを抜いてから負荷をレセプタクルにつなぎ直すことによって、スイッチをリセットすることが好ましい。

一実施形態において、スマートスイッチは、変圧器のような誘導負荷を検知すると、直流電力（パルス状が好ましい）を停止し（または、この電源をオンにせず）、検出された交流電化製品に合った交流電力に接続することによって応答する。スマートプラグは、検知された直流電力または交流電力の存在を表示灯によって示すことが好ましい。また、電化製品の停止と同時に、スマートプラグがリセットを行い、電化製品の次回の電力要求に対する新たなテストを開始することが好ましい。

一実施形態において、スマートプラグは、所定の極性の直流電力を必要とする電化製品に適合する。例えば、一部のコンピュータ用電源アダプタは、ある向きでコンセントに差し込まれると電気を受け取るが、１８０°逆向きに差し込まれると、アダプタ内のダイオードの働きにより電力を受け取らない。これは、電力半値設定を有する多くの赤外ヒーターにおいても見られる。電力半値設定において、半値電力は、交流の半分だけで加熱コイルを加熱するようダイオード内で切り換えることによって得られる。このようなヒーターを半値電力で使用する際、ヒーターは電源プラグが反転されるまで電力半値設定では動作しないことがある。この問題に対応するため、スマートプラグの一実施形態においては、電化製品が一方の極性を他方の極性よりも優先的に使用するよう配線されているかどうかを判定するため、電化製品のテストを行う。これは、一方の極性電源の試験電圧をアサートしてから他方の極性電源の試験電圧をアサートし、電化製品がどちらの極性を受け入れたかを判定することによって行うことができる。また別の低費用の実施形態においては、二口の電源コンセントを設け、ユーザが手動で極性を反転できるよう、一口のコンセントがもう一口のコンセントとは逆極性に配線されている。

１１０ボルトのパルス状の直流電力で良好に動作し、キックバックパルスを見せないことが判明した電化製品としては、コーヒーポット、ヘアドライヤ、赤外ヒーター（８００ワット）、電気グリル（６００ワット）、電気グリル（１４００ワット）、電気こたつ（３００ワット）、ＩＨ調理器（８００ワット）、コンピュータ用電源アダプタ、コンピュータプリンタ用アダプタ、５ボルトの電力供給装置用電源アダプタ、及び、電動ハンドドリルが挙げられる。また、１１０ボルトのパルス状の直流電力で良好に動作し、変圧器または交流誘導モータから区別可能な逆起電力を示した電化製品としては、電気掃除機、小型ドレメルドリル、及び、電気研磨機が挙げられる。なお、動作を試してみたがパルス状の直流電力で適切に動作しなかった電化製品としては、１８ボルト１０ワットの変圧器、水槽用小型ポンプ、及び、小型冷蔵庫が挙げられる。

変圧器及びポンプ電動機（パルス状の直流と互換性がない）を互換性のある機器と比較し、キックバックパルス（オフ時間中の短期の逆極性パルス、約１００ヘルツでオフ時間５％の場合）を調べた。一連の測定では、スイッチを保護するための逆バイアスシャントダイオードを用いず、出力プラグに生じる逆キックバック電圧を測定した。この測定での驚くべき発見として、変圧器及びポンプ電動機のキックバックパルスは、スイッチによる直流パルス印加電圧と同じくらい絶対電圧振幅が小さかった。しかし、電気掃除機及び他の高速モータ（研磨機、ドレメルドリル）からの逆起電力パルスは、パルス印加電圧よりも絶対振幅が大きかった。一実施形態では、この電圧差を測定し、変圧器または交流誘導モータ（ポンプ電動機など）に接続された時を検知し、スマートプラグをトリガしてオフにする（あるいは、交流電源に切り換える）ために利用する。この場合、（逆極性の）前記印加電圧よりも大きい振幅が検知されたキックバックパルス（モータのキックバックに言及する場合、「逆起電力」と呼ばれることが多い）がスマートコンセントをトリガして、モータの運転を継続させる。

別の実施形態において、キックバックパルスを検出し、デューティサイクルのオフ時間中に閾値を超えたパルス（トリガオフまたは交流切換のトリガ閾値を超えたパルス）を利用してスマートスイッチをトリガする。別の実施形態において、スマートスイッチは、電力が印加されてすぐ、かつ、モータの回転子が動き始める前、及び／または、回転子がスピードに乗る前（例えば、動作速度の１０％、５％または２％まで）に存在するリアクタンスまたは他の独自の条件を検知することにより、交流誘導モータ及び変圧器を検出する。この判定は、例えば、最初の５ミリ秒、最初の１０ミリ秒、最初の５０ミリ秒、最初の１００ミリ秒、最初の２５０ミリ秒などの間に行ってもよい。この時間の間に、変圧器と交流誘導モータの両方が、短絡した二次巻線を有する変圧器として動作する一方で、ブラシ付きモータ（直流電力にふさわしい）は巻線抵抗を示す。当業者は、このような区別を行い、本明細書に記載されるスマートコンセントの動作をトリガするために、様々な回路を用いたり、検知されたデータから、マイクロプロセッサを用いた計算を利用したりすることが可能である。

電化製品への電力供給の開始後、ブラシ付きモータが回転して回転子の電気接点を変えるまでの短い時間の間に、ブラシ付きモータのほぼ非誘導の抵抗と、短絡した二次巻線を有する変圧器のインダクタンスとの違いを検出するために、熟練技術者は、回路を設計し、時間基準の電圧及び／または電流計測を伴うマイクロプロセッサをプログラムすることができる。一実施形態において、この初期時間中に、キックバック電圧及び／または電流を非誘導消費電力と比較し、誘導信号と非誘導電力との比較が閾値を超える場合、スイッチを（オフにするか、交流に切り換えるように）作動させる。

一実施形態において、受動型ソレノイドまたは遮断器が、逆流防止ダイオードを用いた負荷と直列に使用され、その結果、逆極性のキックバックパルスのみがソレノイド（または遮断器）を流れる。感度の調整は、強いキックバック信号のみがスイッチオフを作動するようにすればよいが、小型の交流変圧器を保護する一実施形態では、高インピーダンスの高キックバックパルス、及び低電力に応答する電圧感受性回路が用いられる。その理由は、大型の交流／直流モータ（園芸用の真空または電気耕運機のモータなど）は、逆起電力を発生させ、高電流で動作することが多いからである。一方、変圧器は逆起電力を発生させるものの（一部のモータより高いことが多いが、常に高いわけではない）、それより低い電流で動作するので、この差を利用して両者を電気的に区別することもできる。

別信号によるインダクタンスチェック
一実施形態において、演算増幅器からなる純ハードウェア回路は、負荷が誘導負荷であるか否かを判定できるが、当業者であれば、１以上のセンサまたは他の電子的検知装置からデータを受け取ることにより電圧遅相電流（検知された誘導負荷）を検出するため、当業者が容易に理解できる方法で、より合理的にソフトウェア・ルーチンを設計するだろう。例えば、ファイルへのデータ入力とその比較が行われた後、１０ボルト未満の小電圧または短パルスを印加し、次に、１または複数のセンサによって連続的に測定された２以上の測定値によって、立ち上がり電圧または減少する電流を検知することは、マイクロプロセッサによって簡単に行われる。コンセントにつながれた装置は、短い観測時間（例えば、０．１秒、０．５秒までなど）の間に電圧を遅らせる電流によって印加電圧に応答すると、装置が誘導性になり、弁が閉じられる。また、当業者に十分に理解されている他の検知技術を利用することもできる。また、コンセントにつながれた装置が誘導性であるという判定に応答してオンになる警告信号（光アラーム、音声アラーム、または、その両方など）を装置が有していることが好ましい。これにより、装置が拒絶されたことをユーザに警告する。

直流パルスの電力タイプ：電流検知
一実施形態において、スマートレセプタクルはパルス状の直流電力を供給し、パルス時に検知抵抗に流れる差動信号を探すことによりインダクタンスを継続的に監視する。一実施形態において、直流電力は矩形波パルスとして、小型の抵抗Ｒ１００と直列に接続されるスマートレセプタクルに供給される。抵抗Ｒ１００は、約０．０１オーム〜約０．１オームであることが好ましい。Ｒ１００に流れる電圧が検知されて、インダクタンスが抵抗と直列に接続されている（すなわち、誘導負荷がスマートプラグにつながれている）か否かが判定される。

一実施形態において、Ｒ１００の電圧は、負荷に供給される
時間に検知される。インダクタンスが接続状態になるか、あるいは負荷に追加されると、ターンオン時点に続く短い間隔中に電圧が（例えば、指数関数的に）増加する。回路は、矩形パルスのターンオン時点（またはその少し後）から始まる間隔中に、Ｒ１００に流れる電圧の増加または波形を検知し、その電圧の変化を閾値と比較する。電圧の変化は、当業者が容易に理解できる多くの方法によって検知することができ、例えば、演算増幅器を差動増幅器に接続して電圧の差動信号の変化を生成してもよい。

一実施形態において、純粋な抵抗負荷は矩形波電力のターンオン時に正の下降スパイクを発生させ、矩形波電力のターンオフ時に負のスパイクを発生させることになる。誘導負荷は、負荷のインダクタンスや他のリアクタンス要素に依存する値と継続時間に応じた矩形波の切り換わりの開始時に、増加する（上昇する）高信号を発生させることになる。一実施形態において、切換時のターンオンノイズを避けるため、矩形波の最初の短い初期時間は無視され、やや遅れて、Ｒ１００からの電圧増加が判定される。

好ましくは、微分器（演算増幅器のようなハードウェアまたはソフトウェアで動作するマイクロプロセッサによる電圧変化の判定）出力を、格納されている閾値と比較する。正信号は、矩形波のターンオンの開始時またはその少し後に、指数関数的に増加する電圧がＲ１００を流れていることを示すものであるが、この正信号が閾値より大きい場合、スマートプラグへの出力電力をオフにする。好ましい実施形態では、比較を行う前に、少なくとも２〜１０サイクル、好ましくは５〜１００サイクルの矩形波の検知信号から平均が取られる。これは、負荷が初めてコンセントにつながれたとき、または、負荷のスイッチが入れられたときに、特に重要である。一実施形態において、回路は負荷が初めてコンセントにつながれたとき、または、負荷のスイッチが入れられたときを検知し、電力を印加する前に短時間（例えば、１０ミリ秒〜１０００ミリ秒、好ましくは、２０〜２００ミリ秒）待機する。差別化された信号が増加して閾値を超えたことを検知すると同時に、電力を遮断し、ユーザに対して機器のプラグを抜くように指示する信号を発してもよい。あるいは、回路を一旦（１０秒または１分など）停止させてから、再始動させてもよい。

マイクロプロセッサを用いて比較を行う場合、内蔵プログラムは、入力位置またはピンに進み、メモリ位置での検出値を保存し、その検出値と所定の閾値とを比較することによって、（ａ）検知された電圧値を（好ましくは、直列接続された負荷抵抗器における電圧降下として）入力するようマイクロプロセッサに命令することが好ましい。検知値が所定の値よりも大きい場合、マイクロプロセッサは、１以上の信号を出力する。出力される信号は、負荷の受入不可を示す可視インジケータ（赤色ＬＥＤなど）であることが好ましい。好ましい実施形態において、マイクロプロセッサは、少なくとも一時的に負荷接続を止める信号を出力する。これは、負荷への電力線と直列接続されたＭＯＳＦＥＴにトランジスタドライバをリセットし、ＭＯＳＦＥＴをオフにすることによって行ってもよい。

好ましい実施形態において、直流電力スマートプラグは矩形波の直流電力を連続的に供給し、負荷と直列につながれた低抵抗（好ましくは、０．２オーム未満、より好ましくは、０．０５オーム未満、さらにより好ましくは、０．０２オーム未満）の抵抗にかかるインダクタンス（立ち上がり矩形波パルスのターンオンから、時間の経過とともに増加する電圧）を連続的に（矩形波のターンオンごとに）探す。ノイズを最小化するには最初の測定を矩形波パルスで少なくとも１パルス遅らせることが最善であり、比較のために測定を行う際は、少なくとも５サイクルの平均を取ることが最善である。不適当な（閾値を超える）誘導負荷の検出後、誘導負荷が取り除かれるか、ユーザが手動でコンセントをリセットするまで、マイクロプロセッサなどのハードウェアは、（ａ）印加電圧などの電力やデューティサイクルを低くしてもよいし（１０％未満または５％未満に下げる）、あるいは、所定の時間、オフにしてもよい。

本実施形態の周波数及びデューティサイクルは様々に変更してもよい。矩形波電力は、好ましくは２〜１０００ヘルツ、より好ましくは２５〜２００ヘルツの周波数で生成される。また、デューティサイクルのオフ時間は、好ましくは１％〜５０％、より好ましくは５％〜５０％である。

バックアップ電力、交流と直流のグリッド電力
一実施形態において、ノードは、そのノードからの電力を蓄える（あるいは、利用可能なときに低優先度の電力をノードに受け入れて蓄える）ことによって、電力を一定化するバックアップ電力（バッテリーなど）を備えている。バックアップ電力は、そのノードで使用してもよいし、グリッド上の自己の電線対を介して装置類に電力を途切れなく補充するか、絶えず供給してもよい。

しかし、一実施形態において、交流電力と直流電力の両方が１または複数の同じ電線で供給される。交流成分は、熟練した電子工学技術者が容易に理解できる方法で、別途、追加及び除去される。例えば、低レベル（通信機器用またはＬＥＤ照明用など）の常時オンの電力を流す２５〜２５，０００ヘルツ（好ましくは、５０〜２００ヘルツ）の交流信号を、直流送電線に重畳することができる。ノードは、直流遮断装置（直列のコンデンサなど）を通して電力を流し、交流信号を整流して直流電力を生産するか、常時オンのバックアップ電力として交流電力自体を使用することによって、前記交流信号からエネルギーをダウンロードして得ることができる。一実施形態において、これは、１００〜１００，０００ヘルツの範囲のより高い周波数を利用することによって、一層容易に達成される。カップリングのため静電容量を低くするには周波数をさらに高くすることも可能であり望ましいが、周波数が高くなるにつれ、周辺の高周波エネルギー汚染が漸進的に大きくなる傾向がある。

接地の利点を生かした別の実施形態において、直流電力は、いずれも接地されていない２本の電線を介して供給される。そして、一方の電線と地面との間に交流を印加して交流電力を生み出し、この交流電力を直流電力から分離した状態に保つ。この後者の実施形態において、交流用に製造された既存の低価格のハードウェアの利用をユーザが望む場合は、５０または６０ヘルツの低周波が好ましい。この後者の実施形態は、既存の電線、送電管、または他の導電経路によって既に互いに良好な接地接続を共有している２以上のノード間で特に好ましい。

エネルギーの貯蔵（好ましくは、バッテリー）
一実施形態において、本装置は、低優先度を利用可能なとき（これは、少なくとも、より高いノード電圧、または、受信された通信信号によって検出される）、グリッドからエネルギーを取り入れる。一実施形態において、本装置は、同じノードからエネルギーを得るか、別の電線に接続された入力（ローカル接続された太陽電池パネル、風力発電機などから装置への入力）からエネルギーを得て、現地で貯蔵する。一実施形態において、本装置はその設置場所においてバックアップ電力の供給のみを行う（ここでもまた、装置自体への接続は有線接続またはプラグ接続が好ましい）。別の実施形態において、電力貯蔵結合器は、付属のノードを介してグリッドにバックアップ電力を供給する。これは、非常信号または他の信号に応答して行われてもよい。

本明細書における引用は、これに言及することにより、そのすべての内容が本出願に具体的に組み込まれるものである。スペースの制約により、当業者が容易に考え付く他の実施形態については、記載を省略する。例えば、各図に示されるそれぞれのシステムにおいて、利益上の観点から、１以上の部品を省略し、残りの部品を利用しても構わない。かかるすべての実施形態は、特に組み合わせ及び考えられる回路の置換において、添付の請求項及び将来補正される請求項の範囲内で行われることを意図している。また、この主題に関する本発明者の係属中の米国特許出願（発明の名称：“Optimum use of solar electricity”、公開日：２０１３年１２月１２日、公開番号：２０１３／０３２７０７７）についても、これに具体的に言及することにより、そのすべての内容は本出願に組み込まれるものである。

１、２ 回路
４ センサ／断続器
５ 接地接続
６ （低圧電源）コンセント
７ ボックス
３０ コンセント回路
３１ 直流電源
３２ 交流コンセント
３３ 電子バルブ
３４ センサ回路
３５ コントローラ
Ａ〜Ｈ ノード
Ｉ〜Ｌ 分岐線

Claims (20)

1. 信号トークンに基づき、小電力出力時にローカルグリッド電力を効率的に使用するための電力共有システムであって、
   前記電力共有システムは、複数のノードを有するグリッドを備えており、
   各ノードは、信号をトークンとして近隣ノードに送るよう動作可能に接続された共通の特定周波数の信号発生器を備えており、
   各ノードは、別の近隣ノードから発せられた前記共通の同一特定周波数の信号トークンのためのセンサを備えており、
   各ノードの信号発生器は、近隣ノードからの信号トークンの受信中は、他の近隣ノードへの信号トークンの送信を阻止され、信号トークンが他の近隣ノードに送信されるとき、その送信継続時間には時間制限が設けられ、その制限された継続時間中に信号トークンが送信された後、一定時間は同じノードが別の信号トークンを送信できない遮断遅延期間が設けられ、
   近隣ノードから信号を受信すると、共通のグリッドから低優先度のエネルギーが使用される
   ことを特徴とする電力共有システム。
2. 前記信号トークンが、ノードを近隣ノードに接続する共通電線で送信される２０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚの交流周波数信号であることを特徴とする請求項１に記載の電力共有システム。
3. ノードによる信号トークンの送信時間が５分から３０分の間で固定されていることを特徴とする請求項１に記載の電力共有システム。
4. 前記遮断遅延期間が０．５分〜１０分であることを特徴とする請求項１に記載の電力共有システム。
5. 各ノードが、異なる近隣ノードからの信号トークンを別々に検知し、特定の受信信号トークンの起点または起点方向を示す表示部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力共有システム。
6. 各ノードが、アクティブ信号トークンの継続時間について最大残り時間を示す表示部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力共有システム。
7. 各ノードが、信号トークンの使用予約を可能にする入力パネルを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力共有システム。
8. さらに、各ノードの電力使用を記録するロギングシステムを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力共有システム。
9. 交流電化製品への接続を検知し、その接続から保護する直流スマートコンセントであって、
   電気コンセントの２つの電気的接続点に接続されるパルス状の直流源と、
   前記電気コンセントの前記２つの電気的接続点に接続される逆起電力センサと、
   閾値を超えるキックバック信号の検出に応答して、前記２つの電気的接続点に直流電流が流れないようにする回路と
   を備えることを特徴とする直流スマートコンセント。
10. １０〜１０００ヘルツの周波数において、パルス状の直流が９０〜１２５ボルトであることを特徴とする請求項９に記載の直流スマートコンセント。
11. パルス状の直流のデューティサイクルが５０％〜９７％であることを特徴とする請求項９に記載の直流スマートコンセント。
12. パルス状の直流が、ＰＷＭ発生器、及び、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのいずれかによって生成されることを特徴とする請求項９に記載の直流スマートコンセント。
13. 前記センサ及び回路が、ラッチリレーとの直列プラグ接続点において順方向バイアスをかけた逆電圧のＰＮ接合ダイオードを備えていることを特徴とする請求項９に記載の直流スマートコンセント。
14. 前記センサ及び回路が、順方向バイアスをかけた逆電圧の、前記出力に接続されるＰＮ接合ダイオードと、比較器とを備えており、比較器の出力によってＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴをオフにすることを特徴とする請求項１２に記載の直流スマートコンセント。
15. 少なくとも２本の電力線を流れる直流の偶発的な動力供給から誘導負荷を保護する直流スマートコンセントであって、
    前記少なくとも２本の電力線からの負荷用電源接続プラグと、
    前記負荷の誘導応答を検出するためのセンサ、及び、前記２本の電力線から得られ、誘導負荷を示す差動信号を比較することによって誘導負荷を検知する比較器と、
    誘導負荷を検知すると前記負荷への電力供給の開始を中断または防止する遮断器と、
    前記負荷が前記直流スマートコンセントに受け入れられていないことをユーザに警告する信号装置と
    を備えることを特徴とする直流スマートコンセント。
16. 負荷を検知する前に、前記回路は検知電圧がより小さい直流電力を供給し、負荷の非誘導状態を判定した後、通常の負荷使用電力まで電圧を上げることを特徴とする請求項１５に記載の直流スマートコンセント。
17. 前記電源接続プラグ、前記誘導負荷検知回路、及び警告信号が、共通の電気コンセントボックスの中に収められていることを特徴とする請求項１５に記載の直流スマートコンセント。
18. 接続されたインダクタに起因する電流の遅れ状況が２本の電力線の差動電流によって示され、この差動電流を前記センサが検出することを特徴とする請求項１５に記載の直流スマートコンセント。
19. バックアップ電力を提供しつつ、商用電力を補充するレジリエンス・エネルギー装置であって、
    商用電力用の入力接続と、
    直流ローカルグリッド電力及び太陽光電力から選択される少なくとも１つの直流電力用の入力接続と、
    バッテリーを充放電する蓄電池への接続と、
    電化製品をコンセントにつなぐための高電圧のパルス状の直流電力出力レセプタクルと、
    低電圧の直流電力出力接続とを備えており、
    さらに、商用電力と直流電力を同時に使用するため商用電力に交互に接続する第一位置、または、直流電力のみを使用する第二位置に接続するスイッチを備え、
    前記バッテリーは、前記スイッチの第一位置において商用電力及び直流電力により、または、前記スイッチの第二位置において直流電力のみにより、自動的に充電され、
    前記バッテリーは、低電圧の直流電力を供給し、前記２つの入力接続からの電力が不十分なとき、高電圧の直流電力出力に電力を供給することを特徴とするレジリエンス・エネルギー装置。
20. 高電圧の直流電力出力レセプタクルに供給するため低電圧の直流電力を高電圧の直流電力に変換する直流／直流インバータを備え、さらに、前記２つの入力接続からバッテリーを充電する高電圧から低電圧へのバッテリー充電回路を備えていることを特徴とする請求項１９に記載のレジリエンス・エネルギー装置。
    
    

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