JP2019161755A - レドックスフロー型二次電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム制御が容易であり、且つコスト的にも有利なレドックスフロー型二次電池システムを提供すること。【解決手段】複数の太陽電池ユニット１を直列接続した、受変電設備３を有する複数の太陽電池列２の一部の列からの出力を、レドックスフロー型二次電池４に入力できるようにしたことを特徴とし、好ましくは、受変電設備３を有する複数の太陽電池列２の一部の列からの出力を、複数の太陽電池ユニットと前記受変電設備との間から前記レドックスフロー型二次電池に入力できるようにしたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、レドックスフロー型二次電池システムに関し、より詳しくは、システム制御が容易であり、且つコスト的にも有利なレドックスフロー型二次電池システムに関する。

いわゆるメガソーラーなどの大型太陽光発電システムによって連携系統を行うことが試みられている。

上記のような連携系統を行う場合は、系統に変動の少ない一定の電力を供給できることが望ましい。このためには、二次電池を併用することが最も良い方法である。これは、太陽光発電に限らず、すべての間歇型発電（出力される電圧が経時的に変動する発電）において共通している。

しかし、リチウムイオン電池や鉛二次電池などは各二次電池間の充放電深度を制御機能のある外部回路によって均一化しなければならず、大型化するほど複雑化、高価になって、普及していない。むしろ、複数の間歇発電設備と複数のさまざまな負荷とを有機的に連結して、二次電池の使用を極力抑えようとする系統（グリッド）方式が盛んに提案され、実施されているのが現状であり、二次電池を利用する連携系統に適したシステムは十分に確立していない。

そこで本発明の課題は、システム制御が容易であり、且つコスト的にも有利なレドックスフロー型二次電池システムを提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
複数の太陽電池ユニットを直列接続した、受変電設備を有する複数の太陽電池列の一部の列からの出力を、レドックスフロー型二次電池に入力できるようにしたことを特徴とするレドックスフロー型二次電池システム。
（請求項２）
前記受変電設備を有する複数の太陽電池列の一部の列からの出力を、前記複数の太陽電池ユニットと前記受変電設備との間から前記レドックスフロー型二次電池に入力できるようにしたことを特徴とする請求項１記載のレドックスフロー型二次電池システム。
（請求項３）
前記太陽電池列における前記複数の太陽電池ユニットと前記受変電設備との間にスイッチング素子が設けられ、
スイッチング素子は、充電モードにおいて前記太陽電池列の前記太陽電池ユニットからの出力を前記レドックスフロー型二次電池に入力し、系統出力モードにおいて前記太陽電池列の前記太陽電池ユニットからの出力を商用電力系統に入力するように切り換え可能であることを特徴とする請求項２記載のレドックスフロー型二次電池システム。
（請求項４）
前記レドックスフロー型二次電池は、１又は複数の積層単電池スタックからなり、中間集電端子を設けて、最大入出力点追随機能を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレドックスフロー型二次電池システム。
（請求項５）
前記レドックスフロー型二次電池は、１又は複数の積層単電池スタックからなり、前記積層単電池スタックの電池端子又は中間集電端子に、１又は複数の整流した交流出力の電源を接続することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のレドックスフロー型二次電池システム。
（請求項６）
前記１又は複数の整流した交流出力の電源は、風力発電機及び水力発電機の一方又は両方を含むことを特徴とする請求項５記載のレドックスフロー型二次電池システム。

本発明によれば、システム制御が容易であり、且つコスト的にも有利なレドックスフロー型二次電池システムを提供することができる。

本発明のレドックスフロー型二次電池システムの一例を概念的に示す図

上述したリチウムイオン電池や鉛二次電池などの二次電池と異なり、電池活物質を単電池間で共有できるレドックスフロー型二次電池（ＲＦＢ）は従来型の電池の持つ均等充電化の問題点がなく、また、積層単電池スタックに中間集電端子（トリムセル端子）を設けて、太陽電池に対する最大出力点追随機能（ＭＰＰＴ機能）を持たせることができる。ここでいうＭＰＰＴ機能は、太陽電池とＲＦＢとの間で最大出力点追随を行う機能である。

ＭＰＰＴ機能は通常はパワーコンディショナー（ＰＣＳ）の一機能であり、ＭＰＰＴ機能を有するＲＦＢを用いることによって、ＰＣＳの機能を簡略化することが可能になる。従って、ＰＣＳのコスト低下にも寄与し得る。

現在、ＲＦＢの低価格化が進み、ＰＣＳ―ＲＦＢのシステムは、従来型の電池（リチウムイオン電池や鉛二次電池）とＰＣＳとのシステムよりもコスト的に有利になり、また、ＲＦＢを用いることによって間歇発電設備（出力される電力が経時的に変動する発電設備）や各種のグリッド（電力系統）を機能的にもコストの面でも改善することが期待される。

特に間歇発電設備に蓄電設備としてＲＦＢを導入する効果は大きく、本発明によれば、その最適システムを提供することができる。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して更に詳しく説明する。

図１に本発明のレドックスフロー型二次電池システムの一例を概念的に示す。

図示の例では、太陽電池ユニット１を直列接続して、出力５０ｋＷの太陽電池列２を３６列構成している。各々の太陽電池列２は、直列接続された１０個の太陽電池ユニット１に加えて、更に太陽電池列２ごとに受変電設備３を備えている。受変電設備３としては、例えばパワーコンディショナー（ＰＣＳ）等を用いることができる。

本実施形態において、３６列の太陽電池列２によって構成されたシステムが商用電力系統に逆潮できる電力上限値は１．５ＭＷであり、日照量がピークに近いときは３００ｋＷ程度の電力が該電力上限値を超えて過剰発電されることになる。電力上限値は、通常は売電契約に基づいて決まる値であり、１．５ＭＷである場合に限定されない。

電力上限値を超える過剰電力分（余剰電力ともいう）は、まずＲＦＢ４に蓄電し、太陽電池の発電が落ち込んだときにＲＦＢ４から出力（放電）して、システムからの出力を平準化することが好ましい。「太陽電池の発電が落ち込んだとき」というのは、例えば、システムからの出力が商用電力系統に逆潮できる電力上限値に満たなくなったときである。

図１に示すように、本実施形態では、複数の太陽電池列２の一部の列（図示の例では、２列の太陽電池列２）からの出力をＲＦＢ４に入力して充電できるようにしている。

より具体的には、本実施形態では、複数の太陽電池ユニット１からの出力について、太陽電池列２ごとに、商用電力系統に逆潮させるか、ＲＦＢ４に入力するかを選択するためのスイッチング素子５を設けている。スイッチング素子５は、充電モードにおいて太陽電池列２の太陽電池ユニット１からの出力をＲＦＢ４に入力し、系統出力モードにおいて太陽電池列２の太陽電池ユニット１からの出力を商用電力系統に入力するように切り換え可能である。図１の例では、２列の太陽電池列２がスイッチング素子５によって充電モードに切り換えられており、残りの太陽電池列２はスイッチング素子５によって系統出力モードに切り換えられている。

上記のような太陽電池列２単位での切り換えにより、システム制御が容易になり、且つコスト的にも有利になる効果が得られる。即ち、すべての太陽電池ユニットの出力を合流（合成）した後、一部をレドックスフロー型二次電池に出力すると共に、他の一部を商用電力系統に出力するような分流型制御との対比で、上記のような太陽電池列２単位での切り換えは、以下のような効果を奏する。

即ち、本発明では、例えば５０ｋｗ毎の制御では、各太陽電池列２の単独制御が可能で、太陽電池列２の増設や、他の電源導入も容易である。これに対して、上述した分流を行う場合は、例えばＭＷレベルの出力を分流させる場合は、スイッチング素子の並列制御を行う必要があり、各素子の特性を把握して個々の制御回路が必要になる。本発明では、受変電設備３を１つに集約する効果はないが、上記の優れた効果が得られる。この点に関して、分流を行うシステムでは、受変電設備３を１つに集約しても、実際には、キュービクルの中では素子容量に基づいて、これらは分割されることになる。

本実施形態によれば、上述したように太陽電池列２の増減にも容易に対応できる。更に、太陽電池だけでなく、異種の発電設備、例えば風力、マイクロ水車も、これに容易に接続できる。

ＲＦＢ４に接続されない系統出力モードの太陽電池列２からの出力は、それぞれ受変電設備３、交流出力盤６及び変圧器７を通して、商用電力系統に出力することができる。このとき、系統出力モードの太陽電池列２からの合計の出力（商用電力系統への出力）が、商用電力系統に逆潮できる電力上限値を超えない範囲で最大になるように、系統出力モードとして選択される太陽電池列２の列数を決定することが好ましい。この決定にともなって、ＲＦＢ４に接続される充電モードの太陽電池列２の列数も、（太陽電池列２の合計列数−系統出力モードの太陽電池列２の列数）として決定される。スイッチング素子５によって、充電モード及び系統出力モードとして決定された列数が選択されるように、切り換えを行うことができる。

以上の説明では、特に晴天時を想定した運転について説明したが、以下に説明するように、本発明のシステムは曇天日又は雨天日においても優れた効果を発揮することができる。

晴天時との対比で曇天日又は雨天日は日照量が大幅に低下するため、太陽電池列２の出力電圧が大幅に低下することになる。特に曇天日又は雨天日には、１列の太陽電池列２を構成する太陽電池ユニット１からの合計出力電圧が受変電設備３の受電可能電圧（一般的には２４Ｖや５０Ｖなど）を下回る場合が多い。

ここで、レドックス電池を用いない従来の二次電池による蓄電では、蓄電前に電圧、電流を十分に制御する必要がある。この場合、太陽電池−ＰＣＳ列から更に変電設備を経て、二次電池への蓄電が行われる構成になる。そのため、太陽電池からの出力電圧がＰＣＳの受電可能電圧を下回る場合は、太陽電池からの出力をＰＣＳに入力できないため、二次電池に蓄電することができず、系統に出力できない状態になる。

これに対して、本実施形態では、図１に示したように、太陽電池ユニット１と、例えばＰＣＳ等によって構成される受変電設備３との間に上述したスイッチング素子５が設けられていることによって、太陽電池ユニット１から、受変電設備３を経由せずに、ＲＦＢ４に蓄電することができる。そのため、１列の太陽電池列２からの出力電圧が受変電設備３の受電可能電圧を下回る場合は、例えば、すべての太陽電池列２を、受変電設備３を経由させることなく、直接ＲＦＢ４に接続して、太陽電池ユニット１からの出力を蓄電できる。このような運転は、商用電力系統に連携した発電施設において売電に供する電力を増加させる観点で有効であるが、独立電源施設において特に有効である。曇天、雨天が、ともすれば１０日以上続く場合もあるからである。

太陽電池列２の出力によってＲＦＢ４を充電する場合は、ＲＦＢ４がＭＰＰＴ機能を有することによって、より効率のよい充電受入性で充電することができる。この場合、ＲＦＢ４のスタック内積層単電池の一部に中間入出力端子板があり、この端子によって太陽電池出力をＭＰＰＴ制御によって入力することができる。これにより、特に曇天時あるいは雨天時において太陽電池列２の低電圧出力をトリムセルによってＲＦＢ４に充電することができる。例えば、太陽電池列２からの１０Ｖの出力を充電する場合であれば、ＲＦＢ４の積層単電池スタックを構成する複数の単セルのうちの４つの単セルに入力するようトリムすれば、効率よく充電することができる。この機能は、商用電力系統に連携した発電施設において有効であるが、独立電源施設において特に有効である。

また、ＲＦＢ４には、上述した太陽電池ユニット１の他に、交流出力の電源を接続してもよい。交流出力の電源として、風力発電機及び水力発電機の一方又は両方を接続することは好ましいことである。ＲＦＢ４に交流出力の電源を接続する場合は、交流出力を整流した後、ＲＦＢ４に入力することができる。

ＲＦＢ４がＭＰＰＴ機能を有することによって、交流出力の電源によってＲＦＢ４の充電を効率的に行うことができる。即ち、風力発電、水力発電の出力は、整流素子を通した後、直接ＲＦＢ４に入力できる。このとき、ＲＦＢ４側のＭＰＰＴ機能が有効に働く。

この場合、整流された出力を、ＲＦＢ４が有する２つの任意の中間端子に接続して入力することができる。整流された出力の電圧が、ＲＦＢ４の中間端子間の電圧よりも大きければ、ＲＦＢ４は全出力を受電して充電される。

例えば、整流された風力発電出力の電圧が大きく変動しても、変動に応じて電流値が変わる形で、ＲＦＢ４に充電される。例えば３基の風車Ａ，Ｂ，Ｃからの出力を一基のＲＦＢ４の積層単電池スタックに入力する場合、中間端子ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆに対して、風車Ａは端子ａ及びｂ間に入力し、風車Ｂは端子ｃ及びｄ間に入力し、風車Ｃは端子ｅ及びｆ間に入力するように接続すればよい。水力発電機からの入力や回生電流を受ける場合も同様である。中間端子としては、例えばＲＦＢ４の積層単電池スタックを構成する複数の単セル間に配置された双極板等を用いることができる。

また、本実施形態では、ＲＦＢ４にＭＰＰＴ機能を持っているため、各太陽電池列２の出力は、互いに同一である必要はなく、互いに異なっていても、効率的に充電することができる。

ＲＦＢ４は電解液流通型電極の大きな静電容量によって大型キャパシタ機能を持つとともに、電極に充電された電荷が流通する電解液側に移動するため、大きく変動する電力を高い充電受入性で蓄電することが可能である。これにより、太陽電池以外の他の電源からの入力を受け入れることも容易になる。また、接地点に配慮すれば、複数の多様な電力を受け入れて、また、同時に複数の多様な負荷に給電することができる特徴も持っている。

以上の説明では、複数の太陽電池列に対して１基のＲＦＢを設ける場合について主に示したが、これに限定されず、複数基のＲＦＢを設けてもよい。例えば、１列の太陽電池列ごとに１基のＲＦＢを設けてもよい。また、２列以上の太陽電池列からなる群に対して１基のＲＦＢを設けてもよい。

システムに用いられるＲＦＢは格別限定されないが、正極及び負極の少なくとも一方、好ましくは両方が、電解液を電極内に流通させる電解液流通型電極によって構成されたものを好ましく用いることができる。これにより、大きく変動する電力を高い充電受入性で蓄電することが可能になる。電解液流通型電極は、例えば導電性カーボンフェルト等によって構成されることが好ましい。

正極及び負極の少なくとも一方、好ましくは両方に供給される電解液（活物質液）は、電池活物質として周期表における４族元素〜８族元素である遷移金属元素を含有することが好ましい。レドックスフロー電池として、例えば、正極電解液として４価及び５価バナジウムイオンを含む液を用い、負極電解液として２価及び３価バナジウムイオンを含む液を用いたもの等が挙げられる。また、例えば負極を電解液流通型電極によって構成し、正極を酸素極とすることもできる。

ＲＦＢを構成する積層単電池スタック内における複数の単セル間での充電深度差の発生を回避し、均等充電化の問題を解消する観点で、正極電解液及び又は負極電解液のそれぞれを正極及び又は負極に供給する際には、複数の単セルに対して共通の電解液を供給することが好ましい。具体的には、例えば共通の電解液タンクからの電解液を複数の単セルに分岐して供給するように電解液を循環することが好ましい。

１：太陽電池ユニット
２：太陽電池列
３：受変電設備
４：レドックスフロー型二次電池（ＲＦＢ）
５：スイッチング素子
６：交流出力盤
７：変圧器

Claims (6)

1. 複数の太陽電池ユニットを直列接続した、受変電設備を有する複数の太陽電池列の一部の列からの出力を、レドックスフロー型二次電池に入力できるようにしたことを特徴とするレドックスフロー型二次電池システム。
2. 前記受変電設備を有する複数の太陽電池列の一部の列からの出力を、前記複数の太陽電池ユニットと前記受変電設備との間から前記レドックスフロー型二次電池に入力できるようにしたことを特徴とする請求項１記載のレドックスフロー型二次電池システム。
3. 前記太陽電池列における前記複数の太陽電池ユニットと前記受変電設備との間にスイッチング素子が設けられ、
   スイッチング素子は、充電モードにおいて前記太陽電池列の前記太陽電池ユニットからの出力を前記レドックスフロー型二次電池に入力し、系統出力モードにおいて前記太陽電池列の前記太陽電池ユニットからの出力を商用電力系統に入力するように切り換え可能であることを特徴とする請求項２記載のレドックスフロー型二次電池システム。
4. 前記レドックスフロー型二次電池は、１又は複数の積層単電池スタックからなり、中間集電端子を設けて、最大入出力点追随機能を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレドックスフロー型二次電池システム。
5. 前記レドックスフロー型二次電池は、１又は複数の積層単電池スタックからなり、前記積層単電池スタックの電池端子又は中間集電端子に、１又は複数の整流した交流出力の電源を接続することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のレドックスフロー型二次電池システム。
6. 前記１又は複数の整流した交流出力の電源は、風力発電機及び水力発電機の一方又は両方を含むことを特徴とする請求項５記載のレドックスフロー型二次電池システム。
   

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