JP2018166351A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】設置以降に得られた発電電力情報及び天気情報から太陽光発電の発電電力を予測し、蓄電システムの充電電力を制御する蓄電システムを提供する。【解決手段】実施形態の蓄電システムは、系統から供給される電力及び太陽光発電システムの発電電力を蓄電部に蓄え、充電し及び負荷に放電を行う。蓄電システムは、太陽光発電システムが設置以降に出力した発電電力を月日別及び天気情報別に発電電力基準データとして記憶し、停電時に発電電力基準データに基づき、停電時以降の太陽光発電システムが発電する発電電力を予測し、予測された発電電力に対して、負荷に掛かる電力を差し引いた余剰分の電力で蓄電部を充電する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、停電に対応した電源供給を行う蓄電システムに関する。

近年、太陽光発電（ＰＶ：Phptovoltaci）システムにより発電して負荷に電力供給し、且つ蓄電池を充電する蓄電システムが普及しつつある。
この蓄電システムには、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）が設けられており、直流と交流との変換を行っている。ＰＶシステムの太陽光ＰＣＳには、自立運転モードスイッチが設けられており、系統の停電時にＰＶシステムによる自立運転モードの指示を検出すると、ＰＶシステムの自立出力（発電電力）を供給するとともに、その発電電力の余剰分を蓄電池に充電する。例えば、特許文献１には、自立運転時のみ蓄電池から放電するシステムが開示されており、ＰＶシステムの出力が低い場合には、充電電力を一定電流としない技術が提案されている。

特開２０００−２８７３８２号公報

前述した特許文献１では、停電による自立運転モード時にＰＶシステムの発電電力が低い場合には、蓄電池への充電電力を減少させることを提案しているが、接続されている負荷に供給してみないと、実際のＰＶシステムによる供給可能電力は不明である。そのため、充電電力を下げたとしても、発電電力が低くければ、ＰＶシステムが過負荷で停止する可能性がある。

そこで実施形態は、統計的に得られた発電電力基準データと天気情報から太陽光発電の発電電力を予測し、蓄電システムの充電電力を制御する蓄電システムを提供する。

実施形態に係る蓄電システムは、太陽光から発電電力を発電させる太陽光発電システムと、系統から供給される商用電力と、前記発電電力とを蓄え、充電し及び負荷に放電する蓄電部と、前記太陽光発電システムが設置以降に出力した発電電力を月日別及び天気情報別に発電電力基準データとして記憶する記憶部と、前記系統からの前記商用電力が停電した際に、停電時における月日及び天気情報に該当する前記月日別及び前記天気情報別の前記発電電力基準データに基づき、前記商用電力の停電時以降に前記太陽光発電システムが発電する発電電力を予測する発電電力予測部と、前記予測された前記発電電力に対して、前記負荷に掛かる電力を差し引いた余剰分の電力で前記蓄電部を充電する充電電力設定部と、を備える。

実施形態に係る蓄電システムによれば、統計的に得られた発電電力基準データと天気情報から太陽光発電の発電電力を予測し、蓄電システムの充電電力を制御することができる。

図１は、一実施形態に係る太陽光発電システムを含む蓄電システムの構成例を示す図である。 図２は、年間の月日で１日の時間別の太陽光発電システムの発電電力の標準データを示す図である。 図３は、ある立地条件に配置された太陽光発電モジュールの発電電力の特性を示す図である。 図４は、図３に示した立地条件に配置された太陽光発電モジュールにおける予測される発電電力の特性を示す図である。 図５は、太陽光発電モジュールの発電電力を予測するための構成例を示す図である。 図６は、停電時の自立運転モードによる発電電力の供給について説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１に示す一実施形態に係る太陽光発電（ＰＶ）システムを含む蓄電システムについて説明する。蓄電システム１は、太陽光発電モジュール１０により発電された発電電力と、系統から供給される商用電力とを蓄電池１６に蓄電するシステムで有り、系統の停電時に、太陽光発電モジュールの発電電力に応じて、蓄電池への充電電力を調整する。尚、ＰＶシステムは、ソーラーパネルを備える太陽光発電モジュール１０及び太陽光パワーコンディショナ（ＰＣＳ）１１により構成され、太陽光発電モジュール１０によって集光された太陽光を電力に変換し、太陽光ＰＣＳ１１により交流電力に変換して供給する。

蓄電システム１は、図１に示すように、太陽光発電モジュール１０と、太陽光ＰＣＳ１１と、住宅用分電盤１３と、蓄電システム用分電盤１４と、蓄電池ＰＣＳ１５と、蓄電池１６と、コントローラ１７と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２０とを備えている。また、住宅用分電盤１３と蓄電システム用分電盤１４は接続され、さらに、住宅用分電盤１３には、一般負荷１８及び系統が接続され、蓄電システム用分電盤１４には、選定負荷１９が接続される。即ち、蓄電システム用分電盤１４は、住宅用分電盤１３を介して系統及び一般負荷１８に接続される。なお、選定負荷１９は、系統の停電時に蓄電システム１より優先的に電力が供給される負荷（例えば、照明機器や冷蔵庫等）であり、一般負荷１８は、その他の負荷である。系統の電力は、電柱２１に設けられた柱上変圧器２２から住宅用分電盤１３へ供給される。

太陽光発電モジュール１０は、家屋２の屋根上に配置され、太陽光ＰＣＳ１１を介して、住宅用分電盤１３に接続される。太陽光発電モジュール１０は、太陽光から発電電力を発生させて太陽光ＰＣＳ１１に供給する。太陽光ＰＣＳ１１は、直流電力を交流電力に変換する変換回路を有し、太陽光発電モジュール１０から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を住宅用分電盤１３へ供給する。

太陽光ＰＣＳ１１には、公知な自立運転モードスイッチ（自立運転端子）１２が設けられており、系統から供給される電力が停電した際に、通常運転モードからＰＶシステムによる自立運転モードに切り替えられる。この自立運転モードにおいては、ＰＶシステムから蓄電システム用分電盤１４へ電力を供給するとともに、その電力の内の余剰分を蓄電池１６に供給して充電させる。

蓄電池ＰＣＳ１５には、蓄電システム用分電盤１４、蓄電池１６及びコントローラ１７が接続される。蓄電池ＰＣＳ１５は、蓄電システム用分電盤１４を介して選定負荷１９に接続される。蓄電池ＰＣＳ１５は、蓄電システム１における電力を制御する。例えば、蓄電池ＰＣＳ１５は、各種の動作モード又は、コントローラ１７及びＰＣ２０等による動作指示に応じて、蓄電池１６に対する充放電の制御を行う。

蓄電池ＰＣＳ１５は、直流電力を交流電力に変換する変換回路を有し、蓄電池１６が放電する直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を、蓄電システム用分電盤１４を介して選定負荷１９へ、及び蓄電システム用分電盤１４及び住宅用分電盤１３を介して一般負荷１８又は系統側へ供給する。また、蓄電池ＰＣＳ１５は、蓄電システム用分電盤１４を介して供給される系統又は太陽光発電モジュール１０からの電力を蓄電池１６へ供給して充電を制御する。

コントローラ１７は、図示しない表示部及び操作ボタン等を備えている。コントローラ１７は、蓄電池ＰＣＳ１５から各構成部における電力（出力電力、消費電力等）に関わる情報を取得し、取得した情報に基づいて蓄電システム１の運転状態、出力・充電状況及び、各種指示を表示する。コントローラ１７は、表示部がタッチパネル等の操作ボタンの機能を有する構成であってもよいし、無線等により通信接続が可能な情報端末で表示部を有する構成であってもよい。尚、コントローラ１７は、後述するＰＣ２０におけるＰＶシステムの発電電力の予測機能（図５）を備えてもよい。

前述したように、系統からの電力供給が停止した停電時に、自立運転モードで電力供給を行っていた際に、接続される負荷（家庭電化製品等）が要求する電力がＰＶシステムが供給できる電力を越えると、過負荷によりＰＶシステムが緊急停止する。本実施形態では、負荷に要求される電力及びＰＶシステムが発電して供給可能な電力を予測して、段階的に蓄電池に充電するＰＶシステムが発電した電力のうちの余剰分を調整を行う。

図２は、年間の月日で、１日の時間別の晴天下における太陽光発電（ＰＶ）システムの発電電力の標準データを示している。この標準データでは、太陽光発電モジュール１０に対する遮光物（建物等）がなく、太陽光が照射される状況下を想定している。

太陽光発電モジュール１０は、日の出から日の入りまでの間、太陽光の照射量の変化に応じて出力する発電電力の大きさが決まる。また、太陽光発電モジュール１０に対する太陽光の入射角度が垂直に入射するほど出力される発電電力が大きくなるため、図２においても１１時から１３持の時間帯が最も発電電力が高くなっており、１２時を中心とする比較的均等な凸の波形となっている。日射量は、太陽光が直接入射する直達日射量と、大気内で散乱する散乱日射量との和であるものとする。また 一般的に太陽光発電モジュール１０のソーラーパネルを構成する半導体は、高温時及び低温時には、それぞれ発電効率が低下する傾向がある。図２においては、１月、３月及び１１月が発電電力が低くなり、５月、７月及び９月が発電電力が大きくなっている。

この標準データにおいて、１ヶ月単位で平均値を算出してもよいし、２週間単位など任意の日数の単位で平均値を算出してもよい。
この図２に示す発電電力は、基準とする標準データである。しかし、発電電力の特性は、太陽光発電モジュール１０が配置される環境により異なる。

図３は、ある立地条件に配置された太陽光発電モジュール１０の発電電力の特性を示している。この発電電力の特性は、実測した値、実際に出力した発電電力のデータとする。発電電力ｇは、晴天の天気環境における特性を示し、発電電力ｃは、曇天の天気環境における特性を示し、発電電力ｒは、雨天の天気環境における特性を示している。これらのうち、発電電力ｇは、１４時から１５時の間に急激に減少する特徴がある。これは、太陽光発電モジュール１０が設置された位置の前に太陽光を遮光するもの、例えば、建築物や山などが存在して、１４時以降、前述した日射量のうちの直達日射量が徐々に減少して無くなり、散乱日射量による発電状態となっている。このため、本来であれば点線の発電電力ｎとなるため、点線で示した部分からの差分Ｌが無条件に損失量となる。

発電電力ｃは、曇天の天気環境における特性であり、直達日射量は無いが、雲の厚さ等の条件により、散乱日射量も異なっている。発電電力ｃにおいても１４時から遮光物により散乱光も減少する。また、発電電力ｒは、雨天の天気環境における特性であるため、散乱日射量も少ない。

このように前述したＰＶシステムの発電電力の標準データに対して、予測に用いる基準データとなる実測値（又は、実績値）は、太陽光発電モジュール１０の設置環境により、発電電力の特性は異なる。また、この実測データにおいて、１ヶ月単位で平均値を算出してもよいし、２週間単位など任意の日数の単位で平均値を算出してもよい。尚、ＰＶシステムの発電電力の標準データは、現地に設置されたばかりの蓄電システムが後述する現地で１年以上測定した発電電力の特性及び日射量の特性による発電電力基準データが構築されていないため、発電電力基準データが構築されるまで代替えとして使用する。

さらに、天気の状態によっては、日射量である直達日射量と散乱日射量が異なっているため、発電電力の特性も異なっている。このため、ＰＶシステムの発電電力の出力特性を少なくとも年間に渡り、月日別で所定時間毎に取得して集計し、後述する予測のための基準データを作成する。ここでは、５月、１１月などの月日別による第１発電電力基準データと、晴れ、曇りなどの天気情報による第２発電電力基準データとがあり、後述する発電電力の予測には、これらの基準データを組み合わせて発電電力基準データとして用いる。
この発電電力基準データを作成するのに当たり、発電電力予測部３４により予測された発電電力に対して、現在の太陽光発電モジュール１０の発電電力を太陽光ＰＣＳ１１から入力して、予測された発電電力と実際の発電電力とが乖離しているか否かを比較により確認し、乖離していた場合には、予測される発電電力を引き上げる又は引き下げる補正を行う。

図４は、図３に示した立地条件に配置された太陽光発電モジュール１０における予測される発電電力の特性を示している。
系統から供給される電力が時刻ａ（この例では９時）で停電した際に、通常運転モードからＰＶシステムによる自立運転モードに切り替えられると共に、後述する太陽光発電モジュール１０の予測される発電電力ｂが算出される。

自立運転モードにおいては、ＰＶシステム側から蓄電システム用分電盤１４へ電力を供給するとともに、その電力の内の余剰分を蓄電池１６に供給して充電させる。尚、蓄電システム用分電盤１４を通らずに、直接的にＰＶシステム側から蓄電池１６に余剰分の電力を供給して充電させてもよい。従って、負荷に掛かる電力と充電に掛かる電力の和が停電以降の出力される発電電力を越えないように制御する必要がある。

図５は、太陽光発電モジュール１０の発電電力を予測するための構成例を示す図である。発電電力の予測は、パーソナルコンピュータであるＰＣ２０によって演算される。ＰＣ２０内には、大別して、記憶部３１と、中央演算処理部（ＣＰＵ）３２を備えている。記憶部３１には、蓄電システムが設置以降に太陽光発電モジュール１０が出力した発電電力値が発電電力基準データ３３として記憶されている。

ＣＰＵ３２内には、発電電力予測部３４と、充電電力設定部３５とによる機能ブロックが設けられている。まず、発電電力予測部３４には、ネットワーク通信等を用いて、蓄電システム１が設けられる家屋２の周辺地域における、数時間後などの近時の天気予報である天気情報が入力される。この天気情報は、新たな発表がある毎に、随時、書き換え入力される。

この構成において、発電電力予測部３４は、発電電力基準データ３３から月日で該当する第１発電電力基準データを読み出し、さらに、入力された天気情報に基づき、該当する又は近似する第２発電電力基準データを読み出す。例えば、図４に示す発電電力ｇが第１発電電力基準データとして読み出されたとする。また、例えば、天気情報が夜まで曇りであるとすると、読み出された第２発電電力基準データは、図３に示す発電電力ｃのように全体的に発電電力ｇを下回ることが想定できる。また、系統の停電した時点で、太陽光発電モジュール１０が出力していた発電電力ａであった場合には、発電電力ｇを下回る発電電力ｂが予測される。

この予測された発電電力ｂの見直しを、随時行うことにより、予測された発電電力ｂと実際に出力された発電電力の差を少なくさせることで、過負荷にならずに適正に蓄電池１６の充電に用いる発電電力の調整を行うことができる。

充電電力設定部３５は、発電力予測部３４から出力された予測される発電電力に対して、蓄電システム用分電盤１４から選定負荷１９へ現在供給している電力の情報を入力して余剰分を算出し、この余剰分の電力を蓄電池１６の充電に用いるように調整する。

この充電に用いる電力においては、まず、図４に示すように、例えば、使用されている負荷（一般負荷１８）に１．５ｋｗの電力が必要であったと仮定する。太陽光発電モジュール１０が出力する予測された発電電力で、１．５ｋｗを上回るのは、９時〜１６時頃の時間範囲Ｔ１内である。この時間範囲内で余剰となった発電電力を充電電力に用いる。但し、余剰となった発電電力から充電に用いる電力を設定する場合には、発電電力の変動を考慮して、ある変動幅を差し引いて、充電に用いる電力を設定した方がよい。

この例では、１６時以降には、太陽光発電モジュール１０の予測された発電電力ｂが１．５ｋｗを割り込み、負荷に供給する電力と蓄電池１６へ充電に用いる電力が不足することが予測される。１６時以降は、負荷の軽減を図り、充電に用いる電力をゼロに設定する。また、１６時以降の時間範囲Ｔ２は不足分を蓄電池１６の電力で補う。

図６のフローチャートを参照して、本実施形態の蓄電システムにおける停電時の自立運転モードによる発電電力の供給について説明する。
まず、蓄電システム１の通常運転中に、系統の停電が発生したか否かを検出する（ステップＳ１）。停電が発生するまで通常状態を維持し（ＮＯ）、停電が発生したならば（ＹＥＳ）、自立運転モードスイッチ１２によりＰＶシステムの自立運転モードに切り替えられる（ステップＳ２）。次に、前述したように、発電電力予測部３４は、発電電力基準データ３３から該当する第１発電電力基準データ及び第２発電電力基準データを読み出し、発電電力ｂを予測する（ステップＳ３）。

次に、充電電力設定部３５において、蓄電システム用分電盤１４から選定負荷１９へ現在供給している電力の情報を入力し、予測された発電電力に対して、余剰分となる電力を算出し、蓄電池１６へ充電電力を設定する（ステップＳ４）。

次に、予測された発電電力が負荷へ供給している電力を下回ることが想定された際に（ステップＳ５：ＹＥＳ）、充電に用いる電力をゼロに設定し、さらに、負荷の軽減を図る（ステップＳ６）。一方、予測された発電電力が負荷へ供給している電力を下回らなければ（ＮＯ）、ステップＳ７に移行する。次に、系統の停電が終了したか否かを判定する（ステップＳ７）。このステップＳ７において、系統の停電が終了したならば（ＹＥＳ）、ＰＶシステムの自立運転モードから通常の運転モードに復帰する（ステップＳ８）。一方、系統の停電が終了していないのであれば（ＮＯ）、ステップＳ３に戻る。

以上説明したように、ＰＶシステムの停電時の自立運転モードは、定電圧制御であり、これまで発電電力は例えばＰＶシステムの発電容量に応じて一定の発電量があるとの前提で運転していたが、本実施形の蓄電システムによれば、系統の停電発生時に、発生直前のＰＶシステムの発電電力と、以前より測定されている月日別及び時間帯別に記憶される発電電力基準データ及び、天気情報による発電電力基準データを用いて、供給可能なＰＶシステムの発電電力を予測することができる。

この予測された発電電力に対して、使用される負荷に必要な電力を差し引いた発電電力の余剰分を充電電力に用いることができる。即ち、余剰分の発電電力が多い時間帯は、蓄電池への充電電力を多くし、余剰分の発電電力が少ない時間帯は、充電電力を少なくすることで、自立運転時であってもＰＶシステムの過負荷を防止、且つＰＶシステムの緊急停止を防止安定して動作させることすることができる。よって、ＰＶシステムが過負荷になることなく、余剰した電力を無駄なく利用することができる。

さらに、蓄電システムの設置箇所周辺の天気情報を随時、入力して発電電力の予測に利用しているため、日照量に差による誤差を排除することができ、天気情報を考慮した正確な発電電力を予測することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能であり、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。

更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…蓄電システム、２…家屋、１０…太陽光発電モジュール、１１…太陽光パワーコンディショナ（太陽光ＰＣＳ）、１２…自立運転モードスイッチ、１３…住宅用分電盤、１４…蓄電システム用分電盤、１５…蓄電池ＰＣＳ、１６…蓄電池、１７…コントローラ、１８…一般負荷、１９…選定負荷、２０…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、２１…電柱、２２…柱上変圧器、３１…記憶部、３２…中央演算処理部（ＣＰＵ）、３３…発電電力基準データ、３４…発電電力予測部、３５…充電電力設定部。

Claims (4)

1. 太陽光から発電電力を発電させる太陽光発電システムと、
   系統から供給される商用電力と、前記発電電力とを蓄え、充電し及び負荷に放電する蓄電部と、
   前記太陽光発電システムが設置以降に出力した発電電力を月日別及び天気情報別に発電電力基準データとして記憶する記憶部と、
   前記系統からの前記商用電力が停電した際に、停電時における月日及び天気情報に該当する前記月日別及び前記天気情報別の前記発電電力基準データに基づき、前記商用電力の停電時以降に前記太陽光発電システムが発電する発電電力を予測する発電電力予測部と、
   前記予測された前記発電電力に対して、前記負荷に掛かる電力を差し引いた余剰分の電力で前記蓄電部を充電する充電電力設定部と、
   を備える蓄電システム。
2. 前記発電電力基準データは、月日別で所定時間毎に取得された発電電力による第１発電電力基準データと、
   天気情報別で取得された発電電力による第２発電電力基準データとにより構成される請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記発電電力基準データの作成の際に、予測された発電電力が前記太陽光発電システムが発電した発電電力と乖離していた際に、予測された発電電力を前記発電電力に合わせる補正を行う請求項１に記載の蓄電システム。
4. 前記発電電力予測部は、前記蓄電システムが設置される地域周辺の天気情報をネットワーク通信により取り込み、前記天気情報の更新に合わせて、最新の天気情報に書き換える請求項１に記載の蓄電システム。