JP2021501558A - 太陽光発電所 - Google Patents
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Abstract
Description
[0023]US2016/0036232およびUS2017/0149250 A1(「参照される特許公報」)において説明される原理によれば、本明細書で開示される一実施形態のMEUPTオプティマイザは、余剰エネルギー抽出器と、エネルギーリザーバと、MEUPTコントローラとを備える。MEUPTコントローラは、エネルギー抽出器およびDC/ACコンバータと協働して動作する。「電力」と「エネルギー」という用語は、(厳密には同じではないが)当技術分野では互換的に使用される。したがって、別段に規定されない限り、各用語は同じ意味を有する。
[0028]太陽光発電所は、多くの場合、メガワット(MW)の数によって定格がつけられる。従来の方法で、太陽光発電所が、x MW(ここで、xは何らかの正の数字である)が定格であると公表されるとき、これは、すべての太陽電池ストリングのDC電力生産定格の総計がx MWであることを意味する。そのような従来の太陽光発電所は、x MWより大きくない合計製造業者公表DC/AC変換能力を有する3相DC/ACコンバータも有する。この原理は、従来のMPPT実施による慣習発電所の動作を要約したものである。
[0033]MEUPTオプティマイザのためのエネルギーリザーバ設計考慮事項について詳述する前に、重要な問題が、本明細書において最初に対処される。具体的には、太陽光発電パネルストリングは、日暮れに非常に高い抵抗を有することがあるが、太陽光発電パネルストリングは、正午に太陽が強いとき、かなりの電流をいずれの方向にも伝導することができる。したがって、リザーバ内に貯蔵された電気エネルギーは、昼の間、太陽光発電パネルを通って漏洩し、これを加熱することがある。したがって、デカップリングダイオードは、電気エネルギーがリザーバを充電するために各太陽光発電パネルストリングから流れることができるが、リザーバ内のエネルギーは、リザーバから太陽光発電パネルストリングへと逆流することはできないように、太陽光発電パネルストリングの各々に追加されることがある。次に、このデカップリングを達成するさまざまなエネルギーリザーバシステムが、図1A、図1B、および図1Cを参照しながら説明される。
[0035]図1Aは、DC/ACコンバータ1200Aがその電力をAC電力に変換するときDC/ACコンバータ1200Aによって取り出される電力を減ずる太陽電池ストリング1100Aのセットから生産された電力ストリームから生じる余剰電力を一時的に貯蔵するように設計されたエネルギーリザーバ1300Aを示すブロック図を示す。AC電力は、トランス1500Aを通してAC電力グリッド1600Aに提供される。リザーバ1300Aは、デカップリングダイオードセット1400Aを通して残りの振動パワートレインを受け取る。一例では、このエネルギーリザーバ1300Aは、1MW PV発電所の余剰エネルギーを一時的に2分間貯蔵するように設計される。
(1)たいていの既存のDC/ACコンバータは、1秒で容易に3%逓増または逓減することができる。さらには、既存の500kW DC/ACコンバータは、動作中に1秒で容易に10kW超逓増または逓減することができることができる。
(2)大まかな観察として、一般的な1MW PV発電所は、毎朝ゼロ電力から電力生産を開始し、その通常の毎日の動作では、まれに、10kW/秒よりも速くその電力生産を逓増する。
(3)MWレベルのPV発電所(定格は1MWよりも大きいとされる)は、時々、短い電力急増中に毎秒10kWよりも大きい逓増率を経験することがある。しかしながら、この短い急増に(または、より大きい毎秒100kWの急増にすら)含まれるエネルギーは、MWレベル発電所において生産される合計毎日のエネルギーと比較したとき、小さい。
[0052]コントローラは、リザーバに充電する余剰電力における量に実質的に等しい適切な量のエネルギーをリザーバから一貫して取り出すように、関連づけられたDC/ACコンバータに指示することが可能であるべきである。そうする際、リザーバへのエネルギー貯蔵の正味量を最小にし、システム動作を安定させるためにリザーバ内の適切なバランスのとれたエネルギー貯蔵を維持することができる。そうするとき、エネルギーリザーバは、充電する余剰電力と短い時間継続期間DC/ACコンバータによって取り出された電力とのエネルギー差を貯蔵する(または提供する)だけでよい。
[0055]別の問題は、良好な薄膜キャパシタは、依然としてその元の容量の80パーセント超を保ちながら10〜15年間続くことができるが、良好なバッテリは、5年未満続き、その時間の後でその電荷容量のほぼ70パーセントを有することができることである。したがって、経済コストを最適化するために、注意深い設計バランスが提案される。そのうえ、リザーバ内のエネルギーの量は、常に動作を安定させるのに十分なほど大きくあるべきである。設計シミュレーションは、薄膜キャパシタおよびバッテリの現在の価格では、1MW PVステーションに対する一般的な20年の最適エネルギーリザーバ設計は、適切な動作電圧をもつ約50アンペア時自動バッテリストリングと組み合わされた0.1〜1ファラデー薄膜キャパシタを用いた設計であることを示す。
[0057]上記で説明されたように、図1Bおよび図1Cにおいて適用されるデカップリング技法は、太陽光発電パネルのストリングがエネルギーリザーバを充電することを可能にするが、電力がリザーバからPV太陽電池ストリングへと逆流するのを防止する。デカップリングダイオードセットを適切に適用するとき、この技法は、リザーバからPV太陽光発電パネルストリングを通ってのエネルギー漏洩を防止するだけでなく、本発明者らによって発見された現象も防止することができる。この現象は、本明細書では、「PVストリング間の相互電力消滅現象」、「相互電力消滅現象」、または「電力消滅現象」と呼ばれる。
[0066]MEUPTオプティマイザの設計について説明する前に、このセクションでは、そのようなPV発電所内での余剰エネルギーの存在を最終的に証明する実験について説明する。これは、参照される特許公報、US2016/0036232およびUS2017/0149250 A1によって予測される。繰り返しになるが、参照される特許公報は、余剰エネルギーを、生産されたが熱に変えられる前に抽出および/または利用されない電気エネルギーと定義する。具体的には、PV発電所内で、「余剰エネルギー」は、生産されたDCエネルギーが3相DC/ACコンバータによって抽出されAC電力に変換された後で存在する残った電気エネルギーを含む。MEUPTオプティマイザは、この残った電気エネルギーすなわち余剰エネルギーを捕捉/利用するように設計可能である。以下では、実験セットアップおよび実験の段階的な実行について説明する。
[0077]修正された発電ユニット2100B(上記で説明され、図2Bに示される)は、MEUPTオプティマイザを組み込んだPV発電ユニットの一例として働くことができる。この場合、MEUPTオプティマイザは、3つのデカップリングダイオードセット2311B、2312B、および2313Bと、リザーバ2140Bと、MEUPTコントローラ2320Bとを備える。以下では、デカップリングダイオードセットは「デカップリングデバイス」と呼ばれることに注意されたい。
[0090]異なる規律(業界)により、太陽光発電パネルのための電力定格の定義は、DC/ACコンバータの定義とは異なる。太陽光発電パネルの電力定格は、太陽光発電パネルが空の晴れた正午に生産可能である最大DC電力と定義される。太陽光発電パネル製造業界は、所定のタイプの照明ランプ(本明細書では「標準ランプ」と呼ばれる)を使用して、晴れた空をシミュレートする。正午は、太陽光ペナル表面を通って光束を垂直に照明することによってシミュレートされる。したがって、製造業者公表電力生産能力は、実際のDC生成機の能力に非常に近いことがある。発明者らによって実行された実験も、上記の記述を確認する。したがって、PV太陽電池ストリングの合計DC発電能力は、信用できると判定される。「製造業者公表能力」という肩書きは、太陽電池ストリングの電力定格について説明するとき、本明細書では省略される。一方、DC/ACコンバータ製造業界は、本明細書では「電力グリッド慣習」と呼ばれる、電力グリッド業界の慣習に従って、DC/ACコンバータの電力定格を定義する。DC/ACコンバータ能力のこの慣習および定義は、以下のように詳述される。
[00102]図7は、PV太陽光発電所7000の構成を抽象的に示す。発電所は、太陽電池ストリング7100内に配置された、全部でx MWの太陽光発電パネルを備える。太陽電池ストリング7100内で生成されるDC電力は、デカップリングデバイス7201を通して3相DC/ACコンバータ7301のグループにDC電力入力を提供し、デカップリングデバイス7202を通してリザーバ7400に余剰電力を充電する。エネルギーリザーバ7400は、デカップリングデバイス7203を通して3相DC/ACコンバータ7302のグループにDC電力入力を提供する。3相DC/ACコンバータ7301と7302の両方は、変換された3相AC電力を、トランス7500を通して電力グリッド7600に提供する。コンバータ7301の合計「製造業者公表能力」は、y MWである。コンバータ7302の合計「製造業者公表能力」は、z MWである。和(y+z)の値は、2xの値より小さくない。類似の構成を使用して、セクション2において説明された従来のPV発電所について説明するとき、(y+z)の値は、xの値より大きくないことを思い出されたい。したがって、(y+z)の値をもつ設計が、xよりも大きい、またはxの1.1倍よりもさらに良いとき、それは、余剰エネルギーのうちのいくらかが、電力グリッドに提供される電気エネルギーを増強するために捕捉可能であることを意味する。
[00107]図8は、図2BのMEUPTコントローラ2320Bの一例を表すMEUPTコントローラ8000(「システムコントローラ」とも呼ばれる)を示す。MEUPTコントローラ8000は、3つの実行可能な構成要素、すなわち、検出構成要素8100、決定構成要素8200、および配送構成要素8300からなる。
[00113]MEUPTコントローラを使用することができるあらゆる1つのPV発電所のためのMEUPTコントローラをカスタム設計することは実際的でない。一方、特にカスタム設計コントローラが可能でないとき、必要とされるMEUPTコントローラのための簡単な設計を追求することは非常に困難である。しかしながら、エネルギーリザーバの端子電圧は、5つのパラメータおよび変数の各々によって影響される尺度とみなされ得る。したがって、上記の5つの設計制約は、MEUPTエネルギーリザーバの端子電圧が決定パラメータとして選定されるとき、2つの部分になることができる。
[00120]図9に示されるように、MEUPTコントローラ9210を含むMEUPTオプティマイザ9200を組み込んだPV発電所9000。MEUPTコントローラ9200は、3つの実行可能な構成要素、すなわち、余剰エネルギーリザーバ9400の端子電圧を測定する検出構成要素9211と、測定された電圧をPVステーションの電圧間隔テーブルと比較する決定構成要素9212と、起動する、低下する、または同じままであるように配送構成要素4213を介して3相DC/ACコンバータ4502に通知する配送構成要素9213とを備える。図9の構成要素9211、9212、および9213はそれぞれ、図8の構成要素8100、8200、および8300の例である。図9のエネルギーリザーバ9400は、図8のエネルギーリザーバ8400の一例である。コンバータ9502は、図8のコンバータ8500の例である。
Claims (20)
- 少なくとも1つのAC電力生産ユニットを含むPV発電所であって、前記少なくとも1つのAC電力生産ユニットのうちの1つまたは複数の各々は、
x MW太陽電池ストリングから構成されるDC発電機であって、xが正の数字である、DC発電機と、
y MWの合計公表電力定格をもつ1つまたは複数の第1のDC/AC3相コンバータであって、前記DC発電機によって提供されるDC電力を受け取り、受け取った前記DC電力をAC電力に変換し、その変換されたAC電力を、トランスを通して電力グリッドに提供する1つまたは複数の第1のDC/AC3相コンバータと、
前記DC発電機によって生成された前記DC電力の残りの部分の少なくともいくらかを受け取るエネルギーリザーバと、
z MWの合計公表電力定格を有する1つまたは複数の第2のDC/AC3相コンバータであって、zは正の数字であり、前記エネルギーリザーバからDC電力を受け取り、前記エネルギーリザーバから受け取った前記DC電力をAC電力に変換し、その変換されたAC電力を、トランスを通して前記電力グリッドに提供する1つまたは複数の第2のDC/AC3相コンバータと
を含み、
yとzの和はxよりも大きい、
PV発電所。 - 請求項1に記載のPV発電所であって、前記yとzの和はxの2倍よりも大きい、PV発電所。
- 請求項1に記載のPV発電所であって、前記yとzの和はxの1.1から2倍の間である、PV発電所。
- 請求項1に記載のPV発電所であって、yはxよりも小さい、PV発電所。
- 請求項1に記載のPV発電所であって、zはxよりも大きい、PV発電所。
- 請求項1に記載のPV発電所であって、前記少なくとも1つのAC電力生産ユニットは複数のAC電力生産ユニットであり、(y+z)/xの比は前記複数のAC電力生産ユニットの各々に対して実質的に同じである、PV発電所。
- 請求項1に記載のPV発電所であって、
第1のデカップリングデバイスであって、該第1のデカップリングデバイスを通じて前記DC発電機は前記1つまたは複数の第1のDC/AC3相コンバータにDC電力を提供する、第1のデカップリングデバイスと、
第2のデカップリングデバイスであって、該第2のデカップリングデバイスを通じて前記DC発電機は前記エネルギーリザーバにDC電力を提供する、第2のデカップリングデバイスと、
第3のデカップリングデバイスであって、該第3のデカップリングデバイスを通じて前記エネルギーリザーバは前記1つまたは複数の第2のDC/AC3相コンバータにDC電力を提供する、第3のデカップリングデバイスと
のうちの少なくとも1つをさらに含むPV発電所。 - 請求項1に記載のPV発電所であって、
第1のデカップリングデバイスであって、該第1のデカップリングデバイスを通じて前記DC発電機は前記1つまたは複数の第1のDC/AC3相コンバータにDC電力を提供する、第1のデカップリングデバイスと、
第2のデカップリングデバイスであって、該第2のデカップリングデバイスを通じて前記DC発電機は前記エネルギーリザーバにDC電力を提供する、第2のデカップリングデバイスと、
第3のデカップリングデバイスであって、該第3のデカップリングデバイスを通じて前記エネルギーリザーバは前記1つまたは複数の第2のDC/AC3相コンバータにDC電力を提供する、第3のデカップリングデバイスと
のうちの少なくとも2つをさらに含むPV発電所。 - 請求項1に記載のPV発電所であって、
第1のデカップリングデバイスであって、該第1のデカップリングデバイスを通じて前記DC発電機は前記1つまたは複数の第1のDC/AC3相コンバータにDC電力を提供する、第1のデカップリングデバイスと、
第2のデカップリングデバイスであって、該第2のデカップリングデバイスを通じて前記DC発電機は前記エネルギーリザーバにDC電力を提供する、第2のデカップリングデバイスと、
第3のデカップリングデバイスであって、該第3のデカップリングデバイスを通じて前記エネルギーリザーバは前記1つまたは複数の第2のDC/AC3相コンバータにDC電力を提供する、第3のデカップリングデバイスと
をさらに含むPV発電所。 - 請求項1に記載のPV発電所であって、前記1つまたは複数の第1のDC/AC3相コンバータは、MEUPTコントローラを使用して動作する、PV発電所。
- 請求項10に記載のPV発電所であって、前記1つまたは複数の第2のDC/AC3相コンバータも、MEUPTコントローラを使用して動作する、PV発電所。
- 請求項1に記載のPV発電所であって、前記1つまたは複数の第2のDC/AC3相コンバータは、MEUPTコントローラを使用して動作する、PV発電所。
- 少なくとも1つのAC電力生産ユニットを含むPV発電所であって、前記少なくとも1つのAC電力生産ユニットのうちの1つまたは複数の各々は、
x MW太陽電池ストリングから構成されるDC発電機であって、xは正の数字である、DC発電機と、
前記DC発電機によって生成された前記DC電力の少なくともいくらかを受け取るエネルギーリザーバと、
z MWの合計公表電力定格を有する1つまたは複数のDC/AC3相コンバータであって、zは正の数字であり、前記エネルギーリザーバからDC電力を受け取り、前記エネルギーリザーバから受け取った前記DC電力をAC電力に変換し、その変換されたAC電力を、トランスを通して前記電力グリッドに提供する1つまたは複数のDC/AC3相コンバータと
を含み、
zはxの1.1倍よりも大きい、
PV発電所。 - 請求項13に記載のPV発電所であって、zはxの2倍よりも大きい、PV発電所。
- 請求項13に記載のPV発電所であって、前記少なくとも1つのAC電力生産ユニットは複数のAC電力生産ユニットであり、z/xの比は前記複数のAC電力生産ユニットの各々に対して実質的に同じである、PV発電所。
- 請求項13に記載のPV発電所であって、
デカップリングデバイスであって、該デカップリングデバイスを通じて前記エネルギーリザーバは前記1つまたは複数のDC/AC3相コンバータにDC電力を提供する、デカップリングデバイス
をさらに含むPV発電所。 - 請求項13に記載のPV発電所であって、
デカップリングデバイスであって、該デカップリングデバイスを通じて前記DC発電機は前記エネルギーリザーバにDC電力を提供する、デカップリングデバイス
をさらに含むPV発電所。 - 請求項13に記載のPV発電所であって、
第1のデカップリングデバイスであって、該第1のデカップリングデバイスを通じて前記DC発電機は前記エネルギーリザーバにDC電力を提供する、第1のデカップリングデバイスと、
第2のデカップリングデバイスであって、該第2のデカップリングデバイスを通じて前記エネルギーリザーバは前記1つまたは複数のDC/AC3相コンバータにDC電力を提供する、第2のデカップリングデバイスと
をさらに含むPV発電所。 - 請求項13に記載のPV発電所であって、前記1つまたは複数のDC/AC3相コンバータのうちの少なくとも1つは、MEUPTコントローラを使用して動作する、PV発電所。
- 少なくとも1つのAC電力生産ユニットと、DC発電機とを含むPV発電所であって、前記少なくとも1つのAC電力生産ユニットのうちの1つまたは複数の各々は、
1つまたは複数のDC/AC3相コンバータであって、前記DC発電機からDC電力を受け取り、受け取った前記DC電力をAC電力に変換し、その変換されたAC電力を、トランスを通して前記電力グリッドに提供する1つまたは複数のDC/AC3相コンバータと、
デカップリングデバイスであって、該デカップリングデバイスを通じて前記DC発電機は前記1つまたは複数のDC/AC3相コンバータにDC電力を提供する、デカップリングデバイスと
を含む、PV発電所。
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