JP2017204992A - 直流電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に余剰電力の発生を予測して太陽光発電を有効に活用する。【解決手段】直流電源システムは、外部交流電源に接続された整流器と、太陽光発電装置と、整流器又は太陽光発電装置により充電される蓄電池と、整流器、太陽光発電装置又は蓄電池から直流電力を供給される負荷と、太陽光発電装置からの出力電力を測定する電力センサと、整流器の出力電圧を調整する制御装置とを含む直流電源システムである。制御装置は、太陽光発電装置から余剰電力が発生するか否かを判定する判定部と、整流器の出力電圧を調整する制御部と、を有する。判定部は、太陽光発電装置から余剰電力が発生すると判定された場合は、蓄電池を太陽光発電装置により放電させ、余剰電力が発生しないと判定された場合は、整流器により蓄電池へ充電させる。【選択図】図５

Description

本発明は、太陽光発電装置を備える直流電源システムに関する。

近年、太陽光発電等の自然エネルギーの利用が注目される中で、施設および住宅にも太陽光発電装置が設置されることが多くなってきている。現状では、太陽光発電装置が発電した直流の電力は、パワーコンディショナーによって交流に変換されて利用されているものがほとんどである。この場合、もともと直流で動作する機器や設備も多いため、直流−交流−直流の変換ロスが発生することになる。この変換ロスを低減するために、直流電源システムが注目されつつある（例えば、特許文献１参照）。

太陽光発電装置を用いた直流電源システムにおいて、発電量が設備負荷を上回る場合、余剰電力を蓄電池に充電して別の時間帯に放電することで余剰電力の利活用を行うことで太陽光発電を有効に活用している。現在、その余剰電力が発生するかどうかあらかじめ予測する技術において高級な画像処理部と撮影制御部を有するカメラや予測値を算出するデータベースを有するためのサーバ、天気予報情報のデータベース化や処理を行うサーバなどの装置が必要とされている。（例えば特許文献２参照）。

特開２０１４−０４２４１７号公報 特開２０１０−２８３１３９号公報

しかしながら、上記の従来技術ように余剰電力が発生するかどうかを予め予測する技術において、高級な画像処理部と撮影制御部を有するカメラなどのセンサや、予測値を算出するデータベースを有するためのサーバなどの装置は、設置スペース及び費用面でコストがかかることが問題点である。

また、画像処理及び画像処理に基づいた予測計算を行うためには高度な計算が必要となり、またそれらを処理する高性能なサーバなどの装置が必要となる。つまり、上記の従来技術では、設置スペース及び費用面でコストがかかることが問題点である。

そこで本発明は、上記問題点を解決するため、簡易に余剰電力の発生を予測して太陽光発電を有効に活用することが可能な技術ことを目的とする。

本発明の実施の形態によれば、外部交流電源に接続された整流器と、太陽光発電装置と、前記整流器又は前記太陽光発電装置により充電される蓄電池と、前記整流器、前記太陽光発電装置又は前記蓄電池から直流電力を供給される負荷と、前記太陽光発電装置からの出力電力を測定する電力センサと、前記整流器の出力電圧を調整する制御装置とを含む直流電源システムであって、前記制御装置は、前記太陽光発電装置から余剰電力が発生するか否かを判定する判定部と、前記整流器の出力電圧を調整する制御部と、を有し、前記判定部は、第二の時刻で、前記電力センサの出力電力が所定の閾値以上であるか否かに基づいて、前記太陽光発電装置から余剰電力が発生するか否かを判定し、前記制御部は、前記太陽光発電装置から余剰電力が発生する場合に備えて前記蓄電池を予め放電させるために前記第二の時刻より前の第一の時刻で前記整流器の出力電圧を前記蓄電池の出力電圧未満である所定の出力電圧に調整すると共に、前記判定部により前記太陽光発電装置から余剰電力が発生しないと判定された場合、又は、前記第二の時刻より後の第三の時刻が経過した場合に、前記整流器により前記蓄電池への充電を行うために前記整流器の出力電圧を前記蓄電池の出力電圧以上に調整する、直流電源システムが提供される。

本発明の実施の形態によれば、簡易に余剰電力の発生を予測して太陽光発電を有効に活用することが可能な技術が提供される。

本実施の形態に係る直流電源システムの構成例を示す図である。 本実施の形態に係るコントローラの機能構成の一例を示す図である。 余剰電力予測情報及び放電制御情報の一例を示す図である。 本実施の形態に係るコントローラのハードウェア構成の一例を示す図である。 本実施の形態に係る直流電源システムが行う処理手順の一例を示すフローチャートである。 その日に余剰電力が発生する場合における直流電源システムの動作例を示す図である。 その日に余剰電力が発生しない場合における直流電源システムの動作例を示す図である。 本実施の形態に係る直流電源システムの構成例（変形例１）を示す図である。 本実施の形態に係る直流電源システムの構成例（変形例２）を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。

＜システム構成、概要＞
図１は、本実施の形態に係る直流電源システムの構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る直流電源システム１は、太陽光発電装置２と、負荷装置３と、蓄電池４と、コントローラ５と、整流器６と、出力電圧調整器７と、電力センサ８とを有する。また、整流器６は商用電源９と接続されている。

太陽光発電装置２は、太陽光パネル（ソーラーパネル）であり、太陽光を受けて直流電力を出力する。負荷装置３は、太陽光発電装置２、蓄電池４又は整流器６から直流電力を供給され、直流電力により動作する機器である。負荷装置３はどのような装置であってもよいが、例えば移動通信システムに用いられる基地局である。蓄電池４は、整流器６及び太陽光発電装置２により充電され、整流器６及び太陽光発電装置２からの出力が低下した場合に負荷装置３に対して電力を供給する。蓄電池４には、充放電を行う機能が備えられていてもよい。整流器６は商用電源９からの交流電力を直流電力に変換する。

出力電圧調整器７は、整流器６の出力電圧を調整する役割を担っており、複数のダイオードと、複数のダイオードのうち任意の数のダイオードをバイパスさせるためのスイッチを有している。出力電圧調整器７は、コントローラ５の指示によりスイッチを動作させることで、整流器６の出力電流が通過するダイオードの数を変更し、ダイオードの性質である順方向電圧降下を利用することで整流器６の出力電圧を任意に調整する。なお、一般的なシリコンダイオードの順方向電圧降下は０．６〜０．７Ｖ程度である。電力センサ８は、太陽光発電装置２の発電電力を測定するセンサである。

コントローラ５は、整流器６の出力電圧を調整する機能、及び、太陽光発電装置から余剰電力が発生するか否かを予測する機能を有しており、余剰電力に応じて整流器６の出力電圧を調整することで蓄電池４の蓄電量を制御する。

本実施の形態に係る直流電源システム１は、太陽光が多い日中帯では太陽光発電装置２からの出力電力により負荷装置３を動作させ、太陽光発電装置２で発電することができない夜間帯では、蓄電池４又は整流器６からの出力電力により負荷装置３を動作させる。また、コントローラ５は、夜間帯に予め蓄電池４からの放電で負荷装置３を動作させることで蓄電池４の蓄電量を減らしておき、朝の時点でその日に余剰電力が生じるのかを予測する。余剰電力が生じると予測した場合、コントローラ５は、太陽光発電装置２の出力電力により負荷装置３を動作させると共に、太陽光発電装置２の余剰電力により蓄電池４を充電させるように制御する。一方、余剰電力が生じないと予測した場合、コントローラ５は、整流器６の出力電力により負荷装置３を動作させると共に、整流器６の出力電力により蓄電池４を充電させるように制御する。これにより、本実施の形態に係る直流電源システム１は、簡易に余剰電力の発生を予測して太陽光発電を有効に活用することが可能になる。

＜機能構成＞
図２は、本実施の形態に係るコントローラの機能構成の一例を示す図である。本実施の形態に係るコントローラは、判定部５１と、制御部５２と、記憶部５３とを有する。これら各部は、コントローラ５にインストールされた１以上のプログラムが、コントローラ５のＣＰＵに実行させる処理により実現され得る。

判定部５１は、太陽光発電装置２から余剰電力が発生するか否かを判定する機能を有する。制御部５２は、整流器６の出力電圧を調整する機能を有する。記憶部５３は、コントローラ５のメモリ等により実現され、余剰電力を予測するために用いられる余剰電力予測情報と、夜間帯に蓄電池４から放電させる電力量を制御するために用いられる放電制御情報とが格納される。

図３（ａ）に、余剰電力予測情報の一例を示す。図３（ａ）に示す余剰電力予測情報には、月ごとに判定閾値（Ｘ（１）〜Ｘ（１２））が格納されており、判定部５１は、電力センサ８で測定される太陽光発電装置２の発電電力（Ｗ）が判定閾値以上である場合に、その日に余剰電力が発生すると判定（予測）する。太陽光発電装置２の発電電力は季節によって変動し、更に、本実施の形態で用いられる太陽光発電装置２の発電能力、及び、負荷装置３の消費電力に応じて変動することから、月ごとの判定閾値は、予め実験等に基づいて決定されるのが好ましい。なお、図３（ａ）の例では、余剰電力予測情報は月ごとに判定閾値が格納されているが、月ごとに限られず、１年間を複数の期間に区切った他の期間ごとであってもよい。例えば、予測精度を高めるために１５日ごと等であってもよい。

図３（ｂ）に放電制御情報の一例を示す。図３（ａ）に示す放電制御情報には、月ごとの放電量制御値（Ｃ（１）〜Ｃ（１２））が格納されており、制御部５２は、放電量制御値に従って、夜間帯に蓄電池４から放電させる電力量を制御する。放電量制御値には、整流器６の出力電圧を低下させるべき所定の電圧の値（Ｖ）が格納されている。

ここで、整流器６の出力電圧が蓄電池４から出力される出力電圧よりも大きい場合、蓄電池４は充電状態となり、整流器６の出力電圧が蓄電池４から出力される出力電圧未満である場合、蓄電池４は放電状態となる。また、蓄電池４は、充電率（ＳＯＣ：State of Charge）が低下するに従って、蓄電池４から出力される出力電圧が低下するという性質がある。つまり、この性質を利用すれば、整流器６の出力電圧を変化させることで蓄電池４の充電率を任意に制御することができる。本実施の形態では、蓄電池４から放電させる電力量に対応する蓄電池４の出力電圧を実験等で予め測定しておき、測定された出力電圧と同じ値になるように整流器６の出力電圧を低下させることで、蓄電池４から所望の電力量を放電させるようにする。

＜ハードウェア構成＞
図４は、本実施の形態に係るコントローラのハードウェア構成の一例を示す図である。本実施の形態に係るコントローラ５は、プロセッサ１００１と、メモリ１００２と、ストレージ１００３と、通信ＩＦ（Interface）１００４と、入力装置１００５と、出力装置１００６とを有する。

ＣＰＵ１００１は、コントローラ５の全体制御を行うプロセッサである。ＣＰＵ２０１は、メモリ１００２等に記憶されたオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを実行し、コントローラ５における各機能部の処理を実現する。メモリ１００２には、コントローラ５における各機能部の処理を実現するためのプログラムやプログラムによって利用されるデータ等が記憶される。また、メモリ１００２は、プログラムをロードするための記憶領域、及び、ロードされたプログラムのワーク領域等として用いられる。ストレージ１００３には、各種情報及びプログラム等が記憶される。通信ＩＦ１００４は、データの送受信を行うための通信インタフェースである。入力装置１００５は、ユーザからの入力操作の受け付ける機能を有する。出力装置１００６は、各種情報の表示等を行う。なお、コントローラ５には、非一時的（non-transitory）な記憶媒体を接続可能であってもよい。記憶媒体の例としては、磁気記憶媒体、光ディスク、光磁気記憶媒体、不揮発性メモリなどがある。コントローラ５における各機能部の処理を実現するためのプログラムは、当該記憶媒体に格納することができる。

＜処理手順＞
図５は、本実施の形態に係る直流電源システムが行う処理手順の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１０１で、コントローラ５は、日中帯に太陽光発電装置２から余剰電力が発生した場合に当該余剰電力を蓄電池４に充電させることを可能にするため、時刻Ｔ_１の時点で、予め蓄電池４から放電を開始させる。具体的には、コントローラ５の制御部５２は、放電制御情報を参照することで整流器６の出力電圧を低下させるべき所定の電圧を取得し、時刻Ｔ_１のタイミングで出力電圧調整器７のスイッチを切替えて整流器６の出力電流が通過するダイオードの数を変更することで、整流器６の出力電圧を所定の電圧に低下させる。例えば、出力電圧調整器７に３０個のシリコンダイオードが接続され、所定の電圧が６Ｖである場合（整流器６の出力電力を６Ｖ低下させる場合）、コントローラ５の制御部５２は、２０個のシリコンダイオードをバイパスさせ、整流器６の出力電流が１０個のシリコンダイオードを通過するように出力電圧調整器７のスイッチを制御する。時刻Ｔ_１は、予め固定的に設定された時刻（例えば朝５時など）であってもよい。また、蓄電池４の放電が完了する時刻は放電量に応じて変化するため、月ごとの最適な時刻を予め実験等で決定しておき、決定された時刻を放電制御情報に含めておくようにしてもよい。

ステップＳ１０２で、コントローラ５の判定部５１は、余剰電力予測情報を参照することで判定閾値を取得する。続いて、判定部５１は、時刻Ｔ_２のタイミングで、電力センサ８で測定される太陽光発電装置２の発電電力（Ｗ）と判定閾値とを比較する。電力センサ８で測定される太陽光発電装置２の発電電力（Ｗ）が判定閾値以上である場合、その日に余剰電力が発生すると判定（予測）し、ステップＳ１０３の処理手順に進む。一方、判定部５１は、電力センサ８で測定される太陽光発電装置２の発電電力（Ｗ）が判定閾値未満である場合、その日に余剰電力は発生しないと判定（予測）し、ステップＳ１０５の処理手順に進む。時刻Ｔ_２のタイミングは、例えば日の出時刻から所定の時間が経過した後（例えば、日の出の２時間後）などでもよいし、予め固定的に設定された時刻（例えば朝８時など）であってもよい。

ステップＳ１０３で、時刻の経過と共に太陽光発電装置２の発電量が増加して余剰電力が生じる。太陽光発電装置２から生じた余剰電力は蓄電池４の方向に流れ、当該余剰電力により蓄電池４への充電が自動的に行われる。

ステップＳ１０４で、日没と共に太陽光発電装置２の発電量が低下し、余剰電力がゼロになることで蓄電池４から放電が開始されてしまうのを防止するため、コントローラ５の制御部５２は、時刻Ｔ_４のタイミングで整流器６の出力電圧を元の出力電圧に戻す。具体的には、コントローラ５の制御部５２は、出力電圧調整器７のスイッチを切替えることで、全てのダイオードをバイパスさせるようにする。時刻Ｔ_４は、蓄電池４の充電率が１００％になったタイミングでもよいし、日没時間等であってもよいし、予め固定的に設定された日没後の時刻（例えば２０時など）であってもよい。

ステップＳ１０５で、ステップＳ１０１で放電された蓄電池４を再度充電するため、コントローラ５の制御部５２は、時刻Ｔ_４のタイミングで整流器６の出力電圧を元の出力電圧に戻す。具体的には、コントローラ５の制御部５２は、出力電圧調整器７のスイッチを切替えることで、全てのダイオードをバイパスさせるようにする。

＜動作例＞
図６は、その日に余剰電力が発生する場合における直流電源システムの動作例を示す図である。図６において、ＳＯＣは蓄電池４の充電率の変化を示しており、上限は１００％である。Ｐ_ｌｏａｄは、負荷装置３が消費する電力量（Ｗ）を示している。Ｐ_ＰＶは、太陽光発電装置２の出力電力（Ｗ）を示している、Ｘは、余剰電力が発生するか否かを判断する判定閾値（Ｗ）を示している。

まず、時刻Ｔ_１で蓄電池４の放電が開始され、蓄電池４のＳＯＣが徐々に低下する。続いて、時刻Ｔ_２でその日に余剰電力が発生するか否かの判定が行われる。図６の例では、Ｐ_ＰＶ＞Ｘであるため、その日に余剰電力が発生すると判定される。続いて、時刻の経過と共に太陽光発電装置２の出力電力Ｐ_ＰＶが上昇し、Ｐ_ＰＶ＞Ｐ_ｌｏａｄとなったタイミング（時刻Ｔ_３）で余剰電力が発生して蓄電池４への充電が開始される。

図７は、その日に余剰電力が発生しない場合における直流電源システムの動作例を示す図である。まず、時刻Ｔ_１で蓄電池４の放電が開始され、蓄電池４のＳＯＣが徐々に低下する。続いて、時刻Ｔ_２でその日に余剰電力が発生するか否かの判定が行われる。図６の例では、Ｐ_ＰＶ＜Ｘであるため、その日に余剰電力は発生しないと判定される。続いて、整流器６から蓄電池４への充電が開始され、蓄電池４のＳＯＣが１００％になるまで上昇する。

＜変形例＞
図８は、本実施の形態に係る直流電源システムの構成例（変形例１）を示す図である。変形例１では、整流器６に自身の出力電圧を調整する機能を設けるようにして出力電圧調整器７を省略する。変形例１では、コントローラ５の制御部５２は、図５のステップＳ１０１、ステップＳ１０４及びステップＳ１０５の処理手順において、整流器６からの出力電圧（又は低下させるべき所定の電圧）を整流器６に直接指示するようにする。

図９は、本実施の形態に係る直流電源システムの構成例（変形例２）を示す図である。変形例２では、蓄電池４に充放電器を備えておき、蓄電池４の放電量を任意に制御することを可能にする。また、変形例１と同様、出力電圧調整器７を省略する。

変形例２では、コントローラ５の制御部５２は、図５のステップＳ１０１の処理手順において、蓄電池４に対して放電量を直接指示するようにする。この場合、蓄電池４の充放電器が備える双方向コンバータの昇圧回路により出力電圧を整流器の出力電圧よりも上げることで、蓄電池４は自ら放電することができるため、コントローラ５の制御部５２は、整流器６に対して出力電圧を下げるように（又は出力を停止するように）指示する必要は無い。変形例２では、放電制御情報の放電量制御値には、蓄電池４から放電させるべき電力量（Ｗｈ）が格納されていてもよい。

なお、変形例２では、コントローラ５の制御部５２は、図５のステップＳ１０４及びステップＳ１０５の処理手順を省略する。これは、蓄電池４の充放電器が備える双方向コンバータの降圧回路により出力電圧を整流器の出力電圧よりも下げることで、蓄電池４は自ら充電することができるため、整流器６に対して出力電圧を上げるように（又は出力を再開するように）指示する必要は無いためである。

変形例１及び２によれは、出力電圧調整器７により出力電圧を調整する場合と比較して、出力電圧調整器７を設置するスペースの削減、及び、ダイオードにおる電力損失を削減することができるとの効果を奏する。

＜実施の形態における補足事項＞
本明細書で説明した実施形態の処理手順、フローチャートなどは、矛盾の無い限り、順序を入れ替えてもよい。例えば、本明細書で説明した方法については、例示的な順序で様々なステップの要素を提示しており、提示した特定の順序に限定されない。

本明細書で使用する「に基づいて」という記載は、別段に明記されていない限り、「のみに基づいて」を意味しない。言い換えれば、「に基づいて」という記載は、「のみに基づいて」と「に少なくとも基づいて」の両方を意味する。

以上、本発明について詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施することができる。したがって、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。

なお、実施の形態において、時刻Ｔ_１は第一の時刻の一例である。時刻Ｔ_２は第二の時刻の一例である。時刻Ｔ_４は第三の時刻の一例である。

１ 直流電源システム
２ 太陽光発電装置
３ 負荷装置
４ 蓄電池
５ コントローラ
６ 整流器
７ 出力電圧調整器
８ 電力センサ
５１ 判定部
５２ 制御部
５３ 記憶部
１００１ プロセッサ
１００２ メモリ
１００３ ストレージ
１００４ 通信ＩＦ
１００５ 入力装置
１００６ 出力装置

Claims (5)

1. 外部交流電源に接続された整流器と、太陽光発電装置と、前記整流器又は前記太陽光発電装置により充電される蓄電池と、前記整流器、前記太陽光発電装置又は前記蓄電池から直流電力を供給される負荷と、前記太陽光発電装置からの出力電力を測定する電力センサと、前記整流器の出力電圧を調整する制御装置とを含む直流電源システムであって、
   前記制御装置は、
   前記太陽光発電装置から余剰電力が発生するか否かを判定する判定部と、
   前記整流器の出力電圧を調整する制御部と、
   を有し、
   前記判定部は、第二の時刻で、前記電力センサの出力電力が所定の閾値以上であるか否かに基づいて、前記太陽光発電装置から余剰電力が発生するか否かを判定し、
   前記制御部は、前記太陽光発電装置から余剰電力が発生する場合に備えて前記蓄電池を予め放電させるために前記第二の時刻より前の第一の時刻で前記整流器の出力電圧を前記蓄電池の出力電圧未満である所定の出力電圧に調整すると共に、前記判定部により前記太陽光発電装置から余剰電力が発生しないと判定された場合、又は、前記第二の時刻より後の第三の時刻が経過した場合に、前記整流器により前記蓄電池への充電を行うために前記整流器の出力電圧を前記蓄電池の出力電圧以上に調整する、
   直流電源システム。
2. 前記所定の閾値には、１年間を複数の期間に区切った期間ごとに異なる閾値が設定される、
   請求項１に記載の直流電源システム。
3. 前記所定の出力電圧には、前記１年間を複数の期間に区切った期間ごとに異なる電圧が設定される、
   請求項２に記載の直流電源システム。
4. 前記整流器の出力電圧を変化させるための複数のダイオードと前記複数のダイオードのうち任意の数のダイオードをバイパスさせるためのスイッチを更に有し、
   前記制御部は、前記スイッチを切替えて前記複数のダイオードのうちバイパスさせるダイオードの数を変化させることで、前記整流器の出力電圧を調整する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の直流電源システム。
5. 外部交流電源に接続された整流器と、太陽光発電装置と、前記整流器又は前記太陽光発電装置により充電される蓄電池と、前記整流器、前記太陽光発電装置又は前記蓄電池から直流電力を供給される負荷と、前記太陽光発電装置からの出力電力を測定する電力センサと、前記蓄電池の放電量を調整する制御装置とを含む直流電源システムであって、
   前記制御装置は、
   前記太陽光発電装置から余剰電力が発生するか否かを判定する判定部と、
   前記蓄電池の放電量を調整する制御部と、
   を有し、
   前記判定部は、第二の時刻で、前記電力センサの出力電力が所定の閾値以上であるか否かに基づいて、前記太陽光発電装置から余剰電力が発生するか否かを判定し、
   前記制御部は、前記太陽光発電装置から余剰電力が発生する場合に備えて前記蓄電池を予め放電させるために、前記第二の時刻より前の第一の時刻で前記蓄電池に対して所定の電力量を放電するように指示する、
   直流電源システム。

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