JP2019090554A - エネルギー管理システム、及びエネルギー管理方法 - Google Patents

エネルギー管理システム、及びエネルギー管理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】太陽光発電システムと太陽熱収集システムとを効率的に利用し、これにより需要家のコストメリットを最大化することを可能としたエネルギー管理システムを提供する。【解決手段】本発明に係るエネルギー管理システムは、太陽光に基づき発電を行う太陽光パネルを含む太陽光発電システムと、太陽光に基づく太陽熱を収集する太陽熱収集システムと、前記太陽光発電システムの出力特性から太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断し、前記蓄熱が可能と判断される場合、前記太陽熱収集システムを駆動させる制御部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システムと太陽熱収集システムとを管理するエネルギー管理システム、及びエネルギー管理方法に関する。
近年、地球温暖化の抑制に向けて温室効果ガスの削減が世界規模で必要であると考えられている。温室効果ガスの削減は太陽光発電をはじめとする再生可能エネルギーの普及と導入拡大が有用である。しかし、太陽光発電は天候に左右される変動電源であり、その送電輸送や需要者側への安定供給に課題があることが指摘されている。また、太陽光発電の発電効率は通常２０％以下であり、その多くが熱として排出されている。
このように、太陽光発電の普及、特に都市部での普及を図るためには、太陽光電力の安定化に加え、太陽光の熱、及び太陽光発電システムで生じる熱を適切に蓄熱（収集）し、エネルギーとして有効利用する必要がある。特許文献１は、太陽光発電の余剰電力を熱変換して蓄熱手段に蓄熱し、蓄熱の利用のコストと電力系統の電力料金とを比較してエネルギーコストの最適化を実現し、需要家のコストメリットを増大させるエネルギーマネジメントシステムを開示している。また、特許文献２は、複合放物線式集光器による太陽熱利用と余剰の可視光太陽光を太陽光発電で吸収し、ヒートポンプ発電システムを構成することが示されている。複合放物線式集熱器が主として赤外線吸収による熱変換であることを利用し、赤外線吸収の熱変換、可視光領域は太陽光発電による光電変換を実現できる。
特開２０１２−５５０７８号公報 特開２０１１−６９２３３号公報
太陽光の熱エネルギーの収集は、並行して利用される太陽光発電や、電力系統とのバランスを考慮する必要がある。また、熱エネルギーは、外気温、日射量と言った日中の気象条件を反映して収集され、また、これら気象条件によって熱エネルギーの需要も変動する。しかし、特許文献１および特許文献２のいずれにおいても、これら気象条件は天気予報など既存の外部情報源に基づいて運用しており、システム設置場所の実際の気象状況等を逐次把握して行うものではない。このため、太陽光発電システム、電力系統及び太陽熱収集システムとのバランスを考慮する場合において、システム設置場所の気象条件に対応して適切な管理を行うことが困難である。
本発明は、太陽光発電システムと太陽熱収集システムとを効率的に利用し、これにより需要家のコストメリットを最大化することを可能としたエネルギー管理システムを提供する。
本発明に係るエネルギー管理システムは、太陽光に基づき発電を行う太陽光パネルを含む太陽光発電システムと、太陽光に基づく太陽熱を収集する太陽熱収集システムと、前記太陽光発電システムの出力特性から太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断し、前記蓄熱が可能と判断される場合、前記太陽熱収集システムを駆動させる制御部とを備える。また、本発明に係るエネルギー管理方法は、太陽光に基づき発電を行う太陽光パネルを含む太陽光発電システムと、太陽光に基づく太陽熱を収集する太陽熱収集システムとにより供給されるエネルギーを管理するエネルギー管理方法であって、前記太陽光発電システムの出力特性から太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断する工程と、前記蓄熱が可能と判断される場合、前記太陽熱収集システムを駆動させるステップとを備える。
本発明によれば、太陽光発電システムと太陽熱収集システムとを効率的に利用し、これにより需要家のコストメリットを最大化することを可能としたエネルギー管理システムを提供することができる。
第１の実施形態のエネルギー管理システム１の全体構成を示す。 第１の実施形態のエネルギー管理システム１のエネルギー制御部３００の機能ブロック図を示す。 第１の実施形態に係るエネルギー管理システム１の表示部６００の表示画面の一例である。 第１の実施形態のエネルギー管理システム１の動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態のエネルギー管理システム１の変形例を示す。 第２の実施形態のエネルギー管理システム１Ａの全体構成を示す。 第２の実施形態のエネルギー管理システム１Ａのエネルギー制御部３００の機能ブロック図を示す。 第２の実施形態のエネルギー管理システム１Ａの動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態のエネルギー管理システム１Ｂの全体構成を示す。 第３の実施形態のエネルギー管理システム１Ｂのエネルギー制御部３００の機能ブロック図を示す。 第３の実施形態のエネルギー管理システム１Ｂの動作を示すフローチャートである。 実施例１のエネルギー管理システムの２４時間当たりのエネルギー動向を示したグラフである。 実施例２のエネルギー管理システムの２４時間当たりのエネルギー動向を示したグラフである。 実施例３のエネルギー管理システムの２４時間当たりのエネルギー動向を示したグラフである。 参考例１のエネルギー管理システムの２４時間当たりのエネルギー動向を示したグラフである。
以下、本発明を実施するための形態を説明する。以下の実施形態は一例であって、本実施形態によって、本発明が何ら制限されるものではない。
［第１の実施形態］
（システムの構成）
図１に第１の実施形態に係る、エネルギー管理システム１（エネルギー管理システム）の全体構成を示す。この第１の実施形態のエネルギー管理システムは、太陽光発電システム１０と、太陽熱収集システム２０と、エネルギー制御部３００と、表示部６００とを備える。太陽光発電システム１０は、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光パネル１００を備える。また、太陽熱収集システム２０は、太陽光を受光してその熱を収集（蓄熱）する蓄熱パネル２００、熱交換器４００及び蓄熱槽５００を備える。蓄熱パネル２００で収集された熱エネルギーは、熱交換器４００を流れる熱媒体（潜熱蓄熱材）を介して蓄熱槽５００に伝達・蓄熱される。
エネルギー管理システム１は、太陽光発電システム１０において太陽光エネルギーに基づき生成される電気エネルギー、及び蓄熱パネル２００で吸収し蓄熱槽５００に蓄熱される太陽熱に基づく熱エネルギーを適切に制御・管理することにより、太陽光エネルギーの効率的な利用に寄与する。なお、蓄熱パネル２００としては、例えば平板型集熱器、真空型集熱器、複合放物線型集熱器などが採用できる。
なお、太陽光パネル１００と蓄熱パネル２００とは、物理的に離れた位置に配置されていてもよいし、同一の位置に一体として又は隣接して形成されていてもよいが、ここでは物理的に離れた位置にある場合を例として説明する。一例として、太陽光パネル１００は、住宅の屋根や屋上に搭載される一方、蓄熱パネル２００は住宅の壁に形成されたものとすることができる。太陽光パネル、及び蓄熱パネルの両方を住宅の屋根に設置することも可能である。太陽光パネル１００を住宅の壁に形成し、蓄熱パネル１００も住宅の壁の異なる位置に配置することも可能である。また、太陽光パネル１００及び蓄熱パネル２００は、住宅の屋根や壁等に設置する以外に、例えば更地に路地置きしたものであってもよい。要するに、太陽光パネル及び蓄熱パネルは、それぞれの太陽光の受光量が所定の関係にあれば足りる。
後述するように、このエネルギー管理システム１は、太陽光発電システム１０の出力特性に基づいて太陽光パネル１００への太陽光の日射量を算出する。なお、太陽光パネル１００の受光面と蓄熱パネル２００の受光面は同じ方向を向いているのが好適である。ただし、両者の太陽光の受光量が一定の関係にある限りにおいて、両者が異なる方向を向いたシステムを採用することも可能であり、設置方位に関し制限はない。太陽光発電システム１０の出力特性から算出した日射量を太陽高度、方位等で補正して日射量を算出することができる。
太陽光発電システム１０はエネルギー制御部３００に電気的に接続されている。エネルギー制御部３００は、太陽光発電システム１０中の太陽光パネル１００で発電された電力を制御して負荷７００に供給するか、又は電力系統（図示せず）に供給する機能を有する。
また、エネルギー制御部３００は、太陽光パネルの出力特性に従い、太陽光の日射量や太陽光パネルの表面温度を算出することが可能である。
蓄熱パネル２００は熱交換器４００を介して蓄熱槽５００と接続される。蓄熱パネル２００で収集された熱エネルギーは、熱交換器４００内を循環する潜熱蓄熱材により蓄熱槽５００に伝達され、蓄熱槽５００に蓄熱され得る。エネルギー制御部３００は、各種データに従い蓄熱パネル２００、熱交換器４００、及び蓄熱槽５００の制御を実行する。エネルギー制御部３００における制御が最適化されることにより、太陽光発電システム１０により生成される電力や太陽熱収集システム２０で収集される太陽熱が有効に利用され、負荷７００である住宅におけるエネルギーコストを最小化することができる。
図２に第１の実施形態のエネルギー管理システム１のエネルギー制御部３００の機能ブロック図を示す。エネルギー制御部３００は、日射量検出部３０１と、太陽光パネル表面温度検出部３０２と、外気温データ取得部３０３と、輻射熱算出部３０４と、蓄熱量算出部３０５と、需要情報取得部３０６と、蓄熱制御部３０７とを備える。
日射量検出部３０１は、太陽光発電システム１０の太陽光パネル１００の短絡電流Ｉｓｃを検出し、この短絡電流Ｉｓｃに基づいて太陽光パネル１００への日射量を検出する。太陽光パネル１００の短絡電流値Ｉｓｃと日射量とは直線の相関性があり、短絡電流Ｉｓｃの値が求められることによって日射量を検出することができる。日射計をはじめとする専用機器を用いることなく、日射量を検出することができるので、システム構成を簡略化することができる。
太陽光パネル表面温度検出部３０２は、太陽光発電システム１０の太陽光パネル１００の開放電圧Ｖｏｃを検出し、この開放電圧Ｖｏｃに基づいて太陽光パネル１００の表面温度を検出する。一般に、太陽光パネルの温度が上昇すると開放電圧Ｖｏｃは低下するので、開放電圧Ｖｏｃを検出することにより、太陽光パネル１００の表面温度を算出することができる。
外気温データ取得部３０３は、太陽光発電システム１０及び太陽熱収集システム２０の周囲の外気温に関するデータを取得する部分である。外気温のデータは、図示しない温度計から得られたものであってもよいし、外部から所定の通信手段により受信したデータであってもよい。
輻射熱算出部３０４は、外気温データ取得部３０３から取得された外気温のデータ、及び太陽光パネル表面温度検出部３０２から得られた太陽光パネル１００の表面温度のデータから、蓄熱パネル２００への輻射熱を算出する。輻射熱は日射量と蓄熱パネル２００の潜熱蓄熱材の熱容量、及び熱交換器４００の熱変換効率によって一義的に定めることができる。なお、外気温データの取得は省略して、太陽光パネル１００の表面温度のみから輻射熱を概算することも可能である。
蓄熱量算出部３０５は、輻射熱算出部３０４で得られた輻射熱のデータから、蓄熱パネル２００から蓄熱可能な蓄熱量（平均値）を算出する。
需要情報取得部３０６は、需要家の情報の他、エネルギーを使用する住宅のデータなど需要側に関する情報（需要情報）を取得する機能を有する。具体的には、需要情報は、住宅の温度（室温）Ｔｒ、湿度Ｈ、気流速度Ｖなど負荷７００としての住宅に関する情報、着衣量Ｃや活動量Ｍなど需要家に関する情報、及び、電力系統からの電力購入価格、現在の電力消費状況などを含む電力需給情報を含む。
蓄熱制御部３０７は、この需要情報やその他の情報に基づき、蓄熱パネル２００や熱交換器４００を制御して蓄熱動作・放熱動作を制御し、これにより、エネルギーの利用を最適化する。具体的には、蓄熱制御部３０７は、太陽光の日射量や発電量、その他の情報に従い、蓄熱パネル２００、熱交換器４００及び／又は蓄熱槽５００における蓄熱動作・放熱動作の制御を行う。一例として、負荷７００である住宅での電力消費量が太陽光発電量を上回った場合において、蓄熱制御部３０７は蓄熱槽５００の熱エネルギーの放熱を開始させ、これを負荷７００である住宅に熱エネルギーとして供給することができる。
熱交換器４００及び蓄熱槽５００に用いられる潜熱蓄熱材としては、流動パラフィンが利用され得る。従来、太陽光の蓄熱装置では蓄熱媒体としては主に水が利用されており、熱容量が十分でなく、その利用用途は給湯が主であった。
本発明者は、居住の温熱環境を考慮すると、室温付近の熱容量が大きい媒体を利用することが好適であることに着目し、室温付近に相転移に伴う潜熱吸収点がある潜熱蓄熱材を用いることを着想し、その結果、流動パラフィンが潜熱蓄熱材の材料として好適であることを見出した。
潜熱蓄熱材は主として、無機材料系と、流動パラフィンをはじめとする有機材料系に分けられるが、本実施形態では流動パラフィンが好適に用いられる。流動パラフィンは構成する炭化水素の炭素数に応じて潜熱吸収する温度域を選択できる利便性と、マイクロカプセル、躯体練り込みなど多様な形態を実現できる加工利便性の両立が可能である。
蓄熱パネル２００等で用いられる潜熱蓄熱材は、特定のものには限定されないが、一例として、偶数の炭素数のパラフィン（第１パラフィン）と、奇数の炭素数のパラフィン（第２パラフィン）との混合材料が潜熱蓄熱材として好適に用いられ得る。偶数の炭素数のパラフィンと、奇数の炭素数のパラフィンとを適切な混合比で混合することにより、潜熱蓄熱材の透明度を向上させることができる。透明度が上がると、蓄熱パネル２００を例えば窓や開口部など、住宅において採光が求められる場所にも配置することができる。
偶数の炭素数のパラフィンと、奇数の炭素数のパラフィンとでは凝固状態での結晶構造が異なる。偶数の炭素数のパラフィンは凝固状態で激しく白濁し、光透過性を示さない。一方、奇数の炭素数のパラフィンは凝固状態の結晶グレインサイズが大きいため、光散乱が大きく抑制され、厚みのあるバルク状態で適用しても光透過性を維持できる。本実施の形態では、使用される潜熱蓄熱材において、偶数の炭素数のパラフィンの混合比が７０ｗｔ％以上、奇数の炭素数のパラフィンの混合比が３０ｗｔ％以下であることにより、光透過性が維持されることが見出された。より好適には、奇数の炭素数のパラフィンの全体における混合比を、１〜１５ｗｔ％とする。これにより、偶数の炭素数のパラフィンとほぼ同一の転移温度を維持しつつ、透過率を大きくすることができる（透明度を高くすることができる）ことが見出された。
パラフィンはその製造工程上、偶数の炭素数のパラフィンが安価であり、奇数の炭素数のパラフィンは偶数の炭素数のパラフィンに比べ数倍高価であるため、光透過性の潜熱蓄熱材を安価に製造することは困難であった。本実施形態によれば、偶数の炭素数のパラフィンとほぼ同程度のコストで光透過率だけを大きくすることができる潜熱蓄熱材を得ることができ、このような潜熱蓄熱材を有する蓄熱パネルは、窓部や採光部など、光の透過性が求められる部位にも配置可能である。なお、偶数の炭素数のパラフィンよりも、炭素数が１つ大きい奇数のパラフィンを用い、これらを上記のような割合で混合して潜熱蓄熱材として用いることが好適である。
偶数の炭素数のパラフィンよりも１つ炭素数の大きい奇数の炭素数のパラフィンを上記の混合率で混合させて潜熱蓄熱材として用いると、偶数の炭素数のパラフィンのみで作られた潜熱蓄熱材より２Ｋ程度凝固点の高い材料を少量混合することになるため、混合材料全体の凝固点はほぼ基本となる偶数の炭素数の潜熱蓄熱材と変わらない。一方、偶数の炭素数の潜熱蓄熱材に対して、炭素数が１つ小さい奇数の潜熱蓄熱材を混合することは、凝固点が奇数側の材料に近づくため好ましくないことが判った。
表示部６００は、発電データや蓄熱データを表示して使用者に報知する機能を有する。図３に、表示部６００における表示画面の一例を示す。表示部６００は、一例として、太陽光発電システム１０の前日までの発電実績（Yesterday）及び当日（Today）の発電量を示す発電表示部６０１と、蓄熱槽５００における前日までの蓄熱量（Yesterday）及び当日（Today）の新たな蓄熱量を表示する蓄熱表示部６０２と、電力系統からの受電電力を示す受電電力表示部６０３とを備える。これに加え、表示部６００は、太陽光発電システム１０で得られる電力と、蓄熱槽５００に蓄熱される熱エネルギーの最適制御をグラフで図示した最適制御表示部６０４と、これまでの履歴やコスト削減量などを示す数値等で示す履歴表示部６０５を備えている。なお、表示部６００としては一般的な液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどが使用し得る。
［動作]
図４のフローチャートを参照して、第１の実施形態のエネルギー管理システム１の動作を説明する。なお、図４の左側に示している項目は一連のシステム動作における入力パラメータである。
まず、ステップＳ１では、日射量検出部３０１（図２）において、太陽光パネル１００の短絡電流Ｉｓｃの値を検出し、この検出値に基づいて、太陽光パネル１００への日射量を検出する。
ステップＳ１で日射量が検出されたら、その日射量が閾値、例えば１０Ｗ/ｍ２以上か否かを判断する（ステップＳ２）。ここで閾値として用いられている１０Ｗ／ｍ２は、太陽熱収集システム２０において有効な熱の収集・蓄熱が可能であるかを判断するためのものであり、閾値はこの数値に限定されるものではない。ステップＳ２の判定結果が「ＹＥＳ」であれば、蓄熱モードに移行して（ステップＳ３）、蓄熱制御部３０７による制御の下、蓄熱パネル２００及び熱交換器４００の駆動動作（潜熱蓄熱材の循環など）を開始させ、蓄熱槽５００への蓄熱動作が開始される。一方、判定結果が「ＮＯ」であれば、太陽光の光量が十分でなく、蓄熱パネル２００〜蓄熱槽５００による有効な熱収集・蓄熱は不可能と判断し（ステップＳ４）、例えば蓄熱パネル２００及び熱交換器４００の動作を停止させて、蓄熱動作を停止させる。曇天や雨天時に太陽光が弱い又は無い場合には、熱交換器４００等は停止させたままとし、既に蓄熱槽５００に蓄えてある熱を需要側（負荷７００）に供給するか、あるいは引き続き蓄熱槽５００の蓄熱状態の保持を続けるかを選択する。
続くステップＳ５では、ステップＳ３とステップＳ４の状況、太陽光パネル１００の表面温度及び外気温等のデータに基づき算出された蓄熱パネル２００への輻射熱のデータ、並びに蓄熱槽５００の熱容量を考慮して、蓄熱槽５００の蓄熱量を算出（推定）する。
また、ステップＳ６では、蓄熱槽５００の放熱量も算出（推定）する。蓄熱槽５００に蓄積された熱は、負荷７００における意図的な熱エネルギーの利用（消費）がなくても徐々に放熱される。このため、蓄熱槽５００の蓄熱量は、負荷７００における熱エネルギーの利用の有無に拘わらず、時刻ごとに変化している。放熱量は、蓄熱槽５００の周辺の状況（気温、湿度、風速、雨量など）によって変化し、また、負荷７００における熱エネルギーの利用状況によって変化する。
続いて、ステップＳ７では、いわゆる予想平均温冷感申告（ＰＭＶ：Predicted Mean Vote）が算出され、このＰＭＶが最適値となるよう、蓄熱槽５００の熱エネルギーの放熱が制御される（蓄熱利用制御）。ＰＭＶは、人間が感じる温冷感の指標である。
ステップＳ６で推定された放熱量から算出された平均輻射温度Ｔｒａｄ［℃］、及び需要情報（室温Ｔｒ［℃］、湿度Ｈ［％］、気流速度Ｖ［ｍ／ｓ］、在室者の着衣量Ｃ［ｃｌｏ］、活動量Ｍ［ｍｅｔ］など）を用いて、公知のＰＭＶ計算式またはこれらの回帰式などを用いて現在のＰＭＶを算出する。そして、蓄熱槽５００の蓄熱量（推定値）、時刻ごとの電力購入価格や現在の消費電力量などを含む電力需給情報、及び太陽光発電システム１０の発電状況に関する太陽光発電量情報などを考慮して、蓄熱槽５００の熱エネルギーを利用し、ＰＭＶを最適値に保つように制御する。
以上説明したように、第１の実施形態のエネルギー管理システム１によれば、太陽光発電システム１０の出力特性に基づいて、太陽熱収集システム２０において有意な蓄熱動作が可能か否かを判定して、蓄熱動作を制御することができる。太陽光発電システム１０の出力特性に基づいた制御であるので、別途日射計や放射温度計などの特別な機器を利用する必要がなく、シンプルな構成により、太陽光発電システム１０と太陽熱収集システム２０とを高効率で利用することができる。
［変形例］
第１の実施形態の変形例として図５を参照して説明する。第１の実施形態は、時々刻々得られる太陽光発電システム１０の出力特性に基づいて太陽熱収集システム２０からの蓄熱量を推定するものである。図５の変形例は、これに加え、各種データ（気象データ、過去のエネルギー需給状態、過去の蓄熱槽５００の蓄熱エネルギーの利用状況、蓄熱槽５００の蓄熱量）を取得・解析し、その解析結果に従い、太陽光発電システム１０に関する予測、蓄熱槽５００の蓄熱エネルギーの利用に関する予測、電気及び熱エネルギーの需要の予測するよう構成されている。
図５に第１の実施形態の変形例に係るエネルギー管理システムのシステム構成を示す。この変形例に係るエネルギー管理システムは、図２の構成に加え、図５の取得データ解析部５０１、及び予測部５０２を備えている。
取得データ解析部５０１は、一例として、気象データに基づき気象状況を解析する気象状況解析部５０１ａ、過去の電力需給状態に関する情報等に基づき電力需給状況を解析する電力需給状況解析部５０１ｂ、過去の蓄熱槽５００の蓄熱エネルギーの利用状況等に基づき蓄熱槽５００の蓄熱エネルギーの利用状況を解析する蓄熱利用状況解析部５０１ｃ、及び過去の蓄熱槽５００の余剰蓄熱の状況に基づき蓄熱槽５００における余剰蓄熱状況を解析する余剰蓄熱状況解析部５０１ｄを備える。
これら解析部５０１ａ〜５０１ｄの解析結果に従い、予測部５０２の太陽光発電予測部５０２ａ、蓄熱利用予測部５０２ｂ、電熱需要予測部５０２ｃにおいて、それぞれ、太陽光発電システム１０における発電状況、蓄熱槽５００に蓄熱された熱エネルギーの利用状況、及び負荷７００としての建物における電気及び熱エネルギーの需要を予測する。予測部５０２での各種予測データに基づき、電力系統からの電力の購入（買電）を最小化すべくエネルギーのピークカット、ピークシフトを行うよう、太陽熱収集システム２０を制御することが可能である。
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係るエネルギー管理システム１Ａを、図６〜図８を参照して説明する。図６において、第１の実施形態と同一の構成要素については図１と同一の参照符号を付しているので、詳細な説明は省略する。図６に示すように、第２の実施形態のエネルギー管理システム１Ａは、太陽光パネル１００Ｂと蓄熱パネル２００Ｂとが、負荷７００の建物の建材（壁材、窓、柱材など）の一部をなす、いわゆる建材一体型太陽光発電システムを構成している点で第１の実施形態と異なっている。図６等に示された実施形態は一例であって、本発明の技術的思想を制限するために示されているものではない。
蓄熱パネル２００Ｂは、太陽光パネル１００Ｂよりも手前側（太陽光の入射側）に配置されており、太陽光パネル１００Ｂは、蓄熱パネル２００Ｂを透過した光を受光するように構成されている。図６の例は、太陽光パネル１００Ｂと蓄熱パネル２００Ｂとを建物の窓部に配置し、窓部のガラス板ＧＰの後方に、蓄熱パネル２００Ｂと太陽光パネル１００Ｂとを順に配置しているが、これに限定される趣旨ではない。
第１の実施の形態と同様に、蓄熱パネル２００Ｂは、その潜熱蓄熱材として所定の透明度を有する流動パラフィンを用いることができる。太陽光パネル１００Ｂは、この蓄熱パネル２００Ｂの流動パラフィンを透過した光を受光し、その光を電気エネルギーに変換して発電を行うことができる。前述のように、偶数の炭素数のパラフィンに、偶数の炭素数のパラフィンを所定の割合で混合させた材料を蓄熱パネル２００Ｂにおいて潜熱蓄熱材として用いることにより、蓄熱パネル２００Ｂと太陽光パネル１００Ｂとを光の入射方向に対して重ねて配置することができる。しかもそのように重ねて配置された蓄熱パネル２００Ｂと太陽光パネル１００Ｂとを建物において建物の建材と一体化して配置させ、建材一体型太陽光パネルとすることができる。建材一体型太陽光パネルは、建材の壁面、窓部、開口部と一体化した太陽光パネルであり、建材と一体化しているので、建物の設置状態をそのまま反映し、太陽光パネル用の特別なスペースを使用することなく発電を実現できる。また、蓄熱パネル２００Ｂと太陽光パネル１００Ｂとが重ねて配置されていることにより、太陽光パネル１００Ｂの輻射熱が効率良く蓄熱パネル２００Ｂに吸収され得るので、第１の実施形態のように、太陽光パネル１００と蓄熱パネル２００が離間して配置されるシステムに比べ、エネルギー効率を向上させることができる。
建材一体型太陽光パネルの設置形態には特に制限は無いが、潜熱蓄熱材を輻射熱吸収体として用いて建物躯体の熱負荷を低減することができることから、特に開口部、すなわち窓面ないしは天窓等の採光部に設置することが好適である。太陽光パネル１００Ｂについては、特に窓部に配置する場合、光透過性のある太陽光パネルが好適である。例えば、光透過型太陽光パネルとして、アモルファスシリコンや有機薄膜と言った薄膜太陽光パネルや結晶シリコン太陽光パネルを細分化した隙間から採光する形式の太陽光パネル等が採用され得る。ただし、光透過型の太陽光パネルは一例であって、これに制限されるものではない。
輻射熱吸収が容易となるよう、蓄熱パネル２００Ｂは平板型集熱器構造を有することが好適である。ただし、建材一体型とすることができるのであれば、平板型集熱器構造には限定されず、他の構造も採用可能である。
この第２の実施形態の構成（建材一体型）によれば、人口密度が高く共同住宅が多い都市部においても、太陽光発電システムと太陽熱収集システムを場所を取ることなく配置することができ、しかも高いエネルギー効率を得ることができる。
図７に第２の実施形態のエネルギー管理システム１Ａのエネルギー制御部３００の機能ブロック図を示す。第１の実施形態（図２）と同一の構成については同一の参照符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。
エネルギー制御部３００の機能は、基本的には第１の実施形態と同一であるが、外気温データ取得部３０３Ａで取得される外気温のデータに加え、居室の周縁部（ペリメータ部）における温度もペリメータ部温度検出部３０３Ｂで検出し、この温度をデータとして輻射熱算出部３０４に入力している点で、第１の実施形態と異なっている。また、需要情報取得部３０６’においても、第１の実施形態で例示した情報に加え、ペリメータ部及びインテリア部（室内で居住者が主に所在する空間）における需要情報も取得し、蓄熱制御部３０７に入力している点で、第１の実施形態と異なっている。蓄熱パネル２００Ｂが建材の一部に設置される場合、建物内部に対して大きな熱負荷となるため、特に熱負荷対策が重要となる。このため、本実施形態では、ペリメータ部に関する各種情報を取得し、蓄熱利用制御部において利用することとしている。
図８に、第２の実施形態のエネルギー管理システム１Ａの動作手順を示すフローチャートを示す。なお、図８の左側に示している項目は一連のシステム動作における入力パラメータである。
この図８の動作手順は、第１の実施形態（図４）と同様に、所定の判断基準に基づき、蓄熱モードへ移行するか否かを判断している。ただし、第１の実施形態では、日射量が所定値以上か否かを判断基準としているのに対し（図４のＳ２）、第２の実施形態では、太陽光パネル１００Ｂの表面温度が所定値以上、例えば室温（例：夏季は２５℃、冬季は２０℃など）以上であるか否かにより、蓄熱モードに移行するか否かを判断している（Ｓ１１〜Ｓ１４）。太陽光パネル１００Ｂの表面温度は、その開放電圧Ｖｏｃの値に基づいて算出され得る。
太陽光パネルの開放電圧値Ｖｏｃと太陽光パネルの表面温度Ｔ１との間には直線関係があり、開放電圧Ｖｏｃを検出することによって、太陽光パネルの表面温度Ｔ１が一義的に規定される。太陽光パネルの表面温度Ｔ１は、太陽光パネルの開放電圧値Ｖｏｃを検出し、以下の数式から算出することができる。
［数１］
Ｖｏｃ ＝Ｔ１×（ｎｋ／ｑ）ｌｎ［（ＩＬ／Ｉ０）＋１］
ｎ：ダイオードパラメータ
ｋ：ボルツマン定数
ｑ：電荷素量
ＩＬ：光照射に伴う光電流
Ｉ０：逆飽和起電力
Ｉ：回路内の電流
Ｖ：電圧
Ｔ１：太陽光パネル１００Ｂの表面温度
なお、建材一体型太陽光パネルの表面温度は温度計を用いた直接計測も可能である。その場合においても、日射の受光と表面温度の相関性を見ることによって建材一体型太陽光パネルの表面温度と潜熱蓄熱材の伝熱状態について把握することが可能となる。
ステップＳ１２では、ステップＳ１１で検出した太陽光パネル１００Ｂの表面温度が室温以上か否かを判断する（ステップＳ１２）。太陽光パネル表面温度が室温以上である場合は、建物への熱負荷を抑制するため、蓄熱モードに移行して蓄熱動作を開始させる（ステップＳ１３）。一方、日射が弱い場合や夜間には、太陽光パネル表面温度が室温より低くなることがある。ステップＳ１２で太陽光パネル１００Ｂの表面温度が室温よりも低いと判断された場合には、蓄熱槽５００への蓄熱は不可能と判断し、既に蓄熱槽５００に蓄えてある熱エネルギーを建物側に供給するか、若しくは引き続き蓄熱槽５００での熱エネルギーの保持を続ける（ステップＳ１４）。
ステップＳ１５〜Ｓ１７の動作は、図４で説明したＳ５〜Ｓ７の動作と略同一である。ただし、この図８の動作では、需要情報として、第１の実施形態で例示したデータに加え、ペリメータ環境に関するデータ、及びインテリア環境に関するデータ（室内の居住者空間の環境に関するデータ）が入力される。第２の実施形態では、建物の建材の一部、例えば窓部（ペリメータ部）に建材一体型太陽光発電システムを設置しているため、エネルギー管理システム１Ａは、第１の実施形態に比べ、ペリメータ部に対してより大きく影響を与える。大型空調システムにおいては、ペリメータ部とインテリア部とで別々の空調システムとされている場合もある。このような場合において、需要情報として、ペリメータ環境に関するデータ、及びインテリア環境に関するデータを入力することが好適である。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同様に、日射量を基準として蓄熱モードへ移行するか否かを判断するようにしてもよい。
以上説明したように、第２の実施形態のエネルギー管理システム１によれば、第１の実施の形態と同様に、太陽光発電システム１０と太陽熱収集システム２０とを高効率で利用することができる。また、建材一体型の太陽光パネルを用いたことで、人口密度が高く共同住宅が多い都市部においても、太陽光発電システムと太陽熱収集システムを場所を取ることなく配置することができ、しかも高いエネルギー効率を得ることができる。
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係るエネルギー管理システム１Ｂを、図９〜図１１を参照して説明する。図９において、第１の実施形態と同一の構成要素については図１と同一の参照符号を付しているので、詳細な説明は省略する。第３の実施形態は、図９に示すように、第１の実施形態の構成要素に加え、更に蓄電池８００を組み合わせたエネルギー管理システム１Ｂを提供するものである。太陽光発電システム１０で発電された電力を、負荷７００に供給するか、又は電力系統を介して売電するのに代えて、蓄電池８００に充電することが可能とされている。図示された実施形態は一例であって、本発明の技術的思想を何ら制限されるものではない。
なお、太陽光パネル１００と蓄熱パネル２００は、第２の実施形態と同様に、建材一体型太陽光発電システムとして、建物の建材に一体的に形成することも可能である。建材一体型とした場合であっても、以下の図１０、図１１で説明する構成及び動作が採用可能である。
図１０に第３の実施形態のエネルギー管理システム１Ｂのエネルギー制御部３００の機能ブロック図を示す。第１の実施形態（図２）と同一の構成については同一の参照符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。
図１０に示すように、エネルギー制御部３００の機能は、基本的には第１の実施形態と同一であるが、蓄電池８００が追加されているため、蓄電池８００の充電電力の利用を制御するための蓄電制御部３０９が設けられている点が第１の実施形態と異なっている。蓄電制御部３０９は、蓄熱制御部３０７と同様に、需要情報取得部３０６から得られる需要情報に基づいて、蓄電池８００を制御して、その充電電力を負荷７００に供給する。
図１１に、第３の実施形態のエネルギー管理システム１Ｂの動作手順を示すフローチャートを示す。なお、図１１の左側に示している項目は一連のシステム動作における入力パラメータである。
この図１１の動作手順のステップＳ３１〜Ｓ３２は、図４のステップＳ１〜Ｓ２と略同様である。ただし、ステップＳ３２で日射量が１０Ｗ／ｍ２以上であると判断された場合には、更に２つの選択肢があり（ＹＥＳ１とＹＥＳ２）、太陽光発電システム１０の発電電力を蓄電池８００に蓄電するか（Ｓ３５）、又は蓄熱モードを起動して、蓄熱パネル２００、及び熱交換器４００を動作させて蓄熱槽５００への蓄熱動作を開始するか（Ｓ３３）が選択され得る。ステップＳ３２で日射量が１０Ｗ／ｍ２より小さいと判断された場合には、蓄熱槽５００への蓄熱は不可能であると判断し（Ｓ３４）、例えば熱交換器４００の動作を停止させて、蓄熱動作を停止させる。
ステップＳ３２で蓄電池８００への蓄電（Ｓ３５）が選択された場合、蓄電池８００の蓄電量が算出される（ステップＳ３８）。一方、第１の実施形態のステップＳ５及びＳ６と同様に、ステップＳ３６及びＳ３７において、蓄熱槽５００の蓄熱量が算出され、更に蓄熱槽５００の放熱量が算出される。その後、ステップＳ３９では、この蓄熱量、放熱量、蓄電量に加え、需要情報、電力需給情報、太陽光発電量に従い、ＰＭＶ演算が行われ、その結果に従い、最適のＰＭＶが得られるように蓄電池８００及び蓄熱槽５００が制御される（ステップＳ３９）。
以上説明したように、第３の実施形態のエネルギー管理システム１Ｂによれば、第１の実施の形態と同様に、太陽光発電システム１０と太陽熱収集システム２０とを高効率で利用することができる。また、蓄電池８００を更に備えることにより、ピークシフトをより柔軟に、時間スケールを拡大して実行することができる。すなわち、従来の太陽光発電システムと蓄電池との組み合わせでは、電力需要に特化したピークカット、ピークシフトの対応が主体であったが、この第３の実施の形態によれば、潜熱蓄熱材の熱伝達の熱遅れや太陽光パネルや蓄熱槽の潜熱を利用することによって、従来の電力による熱供給と比較して緩やかな熱供給を行うことが可能となり、ピークシフトの時間スケールを拡大することが可能となる。
以下、上述した実施の形態の実施例を示す。
［実施例１］
第１の実施形態に従って、太陽光発電システム、及び太陽熱収集システムを組み込んだエネルギー管理システムを構築した。図１２に示すように、太陽光発電の発電量（グラフａ）、蓄熱量（グラフｃ）、放熱量（グラフｄ）、及び需要側の消費エネルギー（グラフｂ）を各時刻別に計測した。
［実施例２］
第２の実施形態に従って、太陽光発電システム、及び太陽熱収集システムを組み込んだエネルギー管理システムを構築した。光透過性のある潜熱蓄熱材を含む蓄熱パネルと太陽光パネルを重ねて建材一体型太陽光パネルとして建物の開口部に設置し、潜熱蓄熱材として、炭素数１６（偶数）のパラフィンを８５ｗｔ％、炭素数１７（奇数）のパラフィンを１５ｗｔ％混合したものを使用した。図１３に示すように、太陽光発電の発電量（グラフａ）、蓄熱量（グラフｃ）、ペリメータ部熱負荷（グラフｄ）、放熱量（グラフｅ）、及び需要側の消費エネルギー（グラフｂ）を各時刻別に計測した。
［実施例３］
第３の実施形態に従って、太陽光発電システム、太陽熱収集システムおよび蓄電池を組み込んだエネルギー管理システムを構築した。図１４に示すように、太陽光発電の発電量（グラフａ）、蓄熱量（グラフｃ）、蓄電放出量（グラフｄ）、放熱量（グラフｅ）、及び需要側の消費エネルギー（グラフｂ）を各時刻別に計測した。
[参考例１]
参考例１は、実施例１と同様に、太陽光発電システム、及び太陽熱収集システムを組み込んだエネルギー管理システムを構築した。ただし、本発明とは異なり、太陽光発電の出力特性を検出することなく、太陽熱収集システムに温度計を設置して蓄熱機能を運用する構成とされている。この場合の太陽光発電の発電量（グラフａ）、蓄熱量（グラフｃ）、放熱量（グラフｄ）、及び需要側の消費エネルギー（グラフｂ）を各時刻別に計測した。
図１２に、実施例１のエネルギー管理システムの２４時間当たりのエネルギー動向を示した。グラフａが示すように、日の出とともに太陽光発電の発電量は増加し、正午過ぎにピークに達し、その後日の入りに向けて減少し、日の入り後はゼロとなる。この実施例１（第１の実施形態）では、太陽光の光量を短絡電流Ｉｓｃに基づきセンシングして、この短絡電流Ｉｓｃに基づき太陽熱収集システム２０による蓄熱の開始を制御している（グラフｃ）。このため、太陽熱収集システム２０は、太陽光発電システム１０での発電状況に従って動作しており、その蓄熱動作が最適化されている。また、太陽光発電システム１０の発電状況と需要情報とを受領して、蓄熱槽５００からの放熱を制御しているので、例えば、グラフｄに示すように、日没前に需要ピークを迎える熱源需要に対応して蓄熱された熱エネルギーの供給を開始することができる。このように、第１の実施形態では、太陽光発電の出力特性に従って太陽熱収集システムの蓄熱動作が開始され、発電状況と需要情報に基づいて太陽熱収集システムからの放熱動作が開始され、需要家のコストメリットを最大化した形でエネルギー供給管理が達成できることが示された。
図１３に、実施例２のエネルギー管理システムの２４時間当たりのエネルギー動向を示した。この図１３では、ペリメータ部の熱負荷の変動もグラフｄで示した。
実施例１と同様に太陽熱収集システムは、太陽光パネルの開放電圧Ｖｏｃをセンシングして蓄熱の開始を制御している。また、実施例２では、光透過型の建材一体型太陽光パネルを設置しており、この建材一体型太陽光パネルに含まれる蓄熱パネルでの熱吸収が行われることにより、ペリメータ部の熱負荷を抑制することができる（グラフｄ参照）。
図１４に、実施例３のエネルギー管理システムの２４時間当たりのエネルギー動向を示した。実施例３は、第３の実施形態に従って蓄電池８００を組み込んだ構成になっている。太陽光発電のセンシング機能に基づき、日中の太陽光発電システムの発電電力の一部を蓄電池８００に蓄電し、一例として、電力系統の買電入コストが高い夕方（例：１７時〜２０時）に、この蓄電池８００の蓄電電力を負荷７００に供給することができる（グラフｅ）。また、蓄熱槽５００に蓄熱された熱エネルギーも、熱負荷の増大する夕方に放出させ、消費エネルギーとコストの最適化を実現することができる（グラフｄ）。このように、第３実施例に従えば、太陽光発電の発電量、短絡電流値、開放電圧値に基づいて蓄電および蓄熱を最適化することができることが示された。
図１５に、参考例１に従ったエネルギー管理システムの２４時間当たりのエネルギー動向を示した。蓄熱量は実施例１から実施例３と同程度であるが、蓄熱槽に蓄熱されたエネルギーの放出は、太陽光発電の出力特性を検出して行うのではなく、蓄熱槽の温度を検出して行うものである。蓄熱パネルに実際に与えられている熱量が、蓄熱槽の蓄熱材の蓄熱温度に反映されるまでには時間差があり、この時間差のため、蓄熱槽からの熱エネルギーの放出（供給）が夕刻以降にずれ込んでおり、放熱モードが最適されていないことがわかる。
以上のように、本実施形態及び実施例によれば、太陽熱収集システムの蓄熱動作及び放熱動作を最適化することができる。
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
１０・・・太陽光発電システム、 ２０・・・太陽熱収集システム、 １００、１００Ｂ・・・太陽光パネル、 ２００、２００Ｂ・・・蓄熱パネル、 ３００・・・エネルギー制御部、 ３０１・・・日射量検出部、 ３０２・・・太陽光パネル表面温度検出部
３０３、３０３Ａ・・・外気温データ取得部、 ３０４・・・輻射熱算出部、 ３０５・・・蓄熱量算出部、 ３０６、３０６’・・・需要情報取得部、 ３０７・・・蓄熱制御部、 ３０９・・・蓄電制御部、 ４００・・・熱交換器、 ５００・・・蓄熱槽
５０１・・・取得データ解析部、 ５０１ａ・・・気象状況解析部、 ５０１ｂ・・・電力需給状況解析部、 ５０１ｃ・・・蓄熱利用状況解析部、 ５０１ｄ・・・余剰蓄熱状況解析部、 ５０２・・・予測部、 ５０２ａ・・・太陽光発電予測部、 ５０２ｂ・・・蓄熱利用予測部、 ５０２ｃ・・・電熱需要予測部、 ６００・・・表示部
６０１・・・発電表示部、 ６０２・・・蓄熱表示部、 ６０３・・・受電電力表示部
６０４・・・最適制御表示部、 ６０５・・・履歴表示部、 ７００・・・負荷、 ８００・・・蓄電池、 ＧＰ・・・ガラス板。

Claims (14)

  1. 太陽光に基づき発電を行う太陽光パネルを含む太陽光発電システムと、
    太陽光に基づく太陽熱を収集する太陽熱収集システムと、
    前記太陽光発電システムの出力特性から前記太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断し、前記蓄熱が可能と判断される場合、前記太陽熱収集システムを駆動させる制御部と
    を備えたことを特徴とする、エネルギー管理システム。
  2. 前記制御部は、前記太陽光発電システムの短絡電流の値から前記太陽光発電システムへの日射量を検出し、この日射量に基づいて前記太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断する、請求項１に記載のエネルギー管理システム。
  3. 前記制御部は、前記太陽光発電システムの開放電圧の値から前記太陽光パネルの表面温度を算出するとともに、この表面温度に基づいて前記太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断する、請求項１に記載のエネルギー管理システム。
  4. 前記制御部は、エネルギーの需要情報に基づき、前記太陽熱収集システムにおいて蓄熱されている熱エネルギーの利用を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載のエネルギー管理システム。
  5. 前記太陽光パネルは、前記太陽熱収集システムの蓄熱パネルとともに建材一体型太陽光パネルとして構成され、前記太陽光パネルと前記蓄熱パネルとは光の入射方向に対し重ねて配置される、請求項１に記載のエネルギー管理システム。
  6. 前記太陽光発電システムの発電電力を蓄電する蓄電池を備え、
    前記制御部は、エネルギーの需要情報に基づき、前記蓄電池において蓄電されている電力の利用を制御する、請求項１に記載のエネルギー管理システム。
  7. 前記太陽熱収集システムで使用される潜熱蓄熱材がパラフィンで構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエネルギー管理システム。
  8. 前記潜熱蓄熱材は、偶数の炭素数の第１パラフィンと、前記偶数の炭素数より１大きい奇数の炭素数の第２パラフィンとを含む、請求項７に記載のエネルギー管理システム。
  9. 前記潜熱蓄熱材において、前記第１パラフィンの混合比が７０ｗｔ％以上、前記第２パラフィンの混合比が３０ｗｔ％以下である請求項８に記載のエネルギー管理システム。
  10. 太陽光に基づき発電を行う太陽光パネルを含む太陽光発電システムと、太陽光に基づく太陽熱を収集する太陽熱収集システムとにより供給されるエネルギーを管理するエネルギー管理方法であって、
    前記太陽光発電システムの出力特性から前記太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断する工程と、
    前記蓄熱が可能と判断される場合、前記太陽熱収集システムを駆動させるステップと、
    を備えたことを特徴とする、エネルギー管理方法。
  11. 前記太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断する工程は、前記太陽光発電システムの短絡電流の値から前記太陽光発電システムへの日射量を検出し、この日射量に基づいて前記太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断する、請求項１０に記載のエネルギー管理方法。
  12. 前記太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断する工程は、前記太陽光発電システムの開放電圧の値から前記太陽光パネルの表面温度を算出するとともに、この表面温度に基づいて前記太陽熱収集システムでの蓄熱の可否を判断する、請求項１０に記載のエネルギー管理方法。
  13. エネルギーの需要情報に基づき、前記太陽熱収集システムにおいて蓄熱されている熱エネルギーの利用を制御する、請求項１０から１２のいずれか１項に記載のエネルギー管理方法。
  14. エネルギーの需要情報に基づき、前記太陽光発電システムの発電電力を蓄電する蓄電池において蓄電されている電力の利用を制御する、請求項１０に記載のエネルギー管理方法。
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