JP3634311B2

JP3634311B2 - 電源供給システム

Info

Publication number: JP3634311B2
Application number: JP2002050271A
Authority: JP
Inventors: 豊鍬田
Original assignee: 株式会社エヌ・ティ・ティファシリティーズ
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003259671A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源供給システムに係り、特に負荷により生成される熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気エネルギーを使用して負荷に電源供給する電源供給方法及び電源供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
負荷に電力を供給する場合に、電力会社からの電線が敷設されている場所では容易に交流電力の供給を受けることができるが、電力会社からの電線が敷設されていない山上や僻地等不便な地域では、交流電力の供給を受けるためには負荷が設置されている場所から電力会社から電力の供給を受けられる場所まで電線を敷設し、出迎え受電をする必要があった。
【０００３】
また、山上等では雷害を受けやすく、停電後の復旧に時間がかかり、商用電源が不安定となり、長時間停電した場合には、負荷がダウンしてしまうという問題が有った。
【０００４】
一方、負荷に電源を供給する電源供給システムとして、負荷により生成される熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気エネルギーを使用して負荷に電源供給する自立式の電源供給システムは従来、存在しなかった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、山上や僻地等不便な地域においても安定して負荷に電力を供給することができる電源供給システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、燃焼室とバーナと補機とからなる負荷に商用交流電力を供給する商用電源と、前記負荷により生成される熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置と、蓄電池と、前記発電装置の出力を直流電力に変換して前記蓄電池を充電するコンバータと、前記コンバータ出力または蓄電池出力を安定な交流電力に変換するインバータとを有する交流電源装置と、前記商用電源出力と交流電源装置の出力とを切り替えて負荷に交流電力を供給するスイッチと、前記蓄電池電圧を監視し、該監視結果に基づいて前記スイッチの切替制御を行うスイッチ切替装置とを有し、前記負荷は、前記スイッチの切替期間内に該負荷を構成する補機に直流電力を供給するバックアップ用蓄電池を有することを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源供給システムにおいて、前記スイッチ切替装置は、前記蓄電池電圧が負荷に電源供給し得る下限値である第１の電圧レベル以下に低下した場合には前記スイッチを商用電源側へ切り替え、前記蓄電池電圧が前記第１の電圧レベルより高い、負荷に安定して電力供給し得る基準電圧レベルである第２の電圧レベル以上に高くなった場合には前記スイッチを交流電源装置側に切り替えるように制御することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電源供給システムの構成を図１に示す。本実施形態に係る電源供給システムは、負荷により生成される熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、該熱電変換により得られる直流電力を安定した所定のレベルの交流電力に変換し、前記負荷に供給する電源供給方法を実施するためのシステムである。
【００１２】
同図において、本実施形態に係る電源供給システムは、負荷（給湯器）２０にＡＣ１００Ｖの商用交流電力を供給する商用電源１２と、負荷２０により生成される熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置としての熱電変換装置３０と、熱電変換装置３０から供給される交流電力を負荷２０に必要なレベルの安定な交流電力に変換する交流電源装置１０と、商用電源１２出力と交流電源装置１０の出力とを切り替えて負荷２０に交流電力を供給するスイッチ１４と、蓄電池１００の蓄電池電圧を監視し、該監視結果に基づいて１４スイッチの切替制御を行うスイッチ切替装置１６とを有している。
【００１３】
交流電源装置１０は、蓄電池１００と、熱電変換装置３０の出力を直流電力に変換して蓄電池１００を充電するコンバータ１０２と、コンバータ１０２出力または蓄電池１００出力を安定な交流電力に変換するインバータ１０４とを有する。
また、負荷としての給湯器２０は補機が設置されている室２００と、燃焼室２１０とからなり、室２００には燃焼室２１０内に空気を送り込む送風機２０２と、点火装置２０４と、燃料タンク４０からの燃料を圧送するポンプ２０６とからなる補機が設置されている。
【００１４】
さらに、燃焼室２１０内には、バーナ２１２と、水が通流される配管２１４とが設けられている。バーナ２１２は、ポンプ２０６から圧送される燃料がバーナ２１２の先端（図示せず）に設けられた噴出孔か噴出され、送風機２０２により送り込まれた空気と混合された状態で点火装置２０４により点火されることにより燃焼し、この燃焼により生ずる火炎により配管２１４内を通流する水を加熱するようになっている。
【００１５】
また、燃焼室２１０には、一方の面が燃焼室２１０内に露出し、他方の面が外部に露出するように熱電変換装置３０が取り付けられている。尚、熱電変換装置３０の上記一方の面はかならずしも燃焼室２１０内に露出させる必要はなく、燃焼室２１０内の熱を受けられるように取り付けられていればよい。
この熱電変換装置３０は、熱電変換材料に温度差を与えることにより熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子により発電する機能を有している。この熱電変換素子は、通常、Ｐ型半導体の素子とＮ型半導体の素子とを電気的に直列に配列し、熱的には並列になるように組合わせて使用される。
【００１６】
例えば、給湯器２０の燃焼室２１０内の温度が２００度程度で、この燃焼室２１０内の温度と外気との温度差を利用する場合には、熱電変換素子としてはビスマス・テルル（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）系の素子で図２に示すようにＰ型半導体素子（図中、Ｐと記す。）３００とＮ型半導体素子（図中、Ｎと記す。）３０２とを直列に金属電極３０４で直列に接続したものを複数対、配置したものを使用する。具体的には、Ｐ型半導体素子３００とＮ型半導体素子３０２とを４９対配置して４ｃｍ角の厚さ１ｍｍ程度で約５Ｗの直流電力が得られる。
【００１７】
さらに、高い５００度程度の温度差で発電しようとする場合には、鉛・テルル系の熱電変換素子を用いることで直径３０ｃｍの円盤状に熱電素子を厚さ数ｍｍに配置することにより約１５０Ｗの直流電力が得られる。
尚、熱電変換素子の数を増加させることにより１５０Ｗ以上の出力を得ることができるのは勿論である。
給湯器２０に必要な補機としては、既述したものがあるが、点火装置２０４は点火時のみ必要で、送風機２０２とポンプ２０６は常時、必要な容量である。
【００１８】
給湯器２０の運転初期には蓄電池１００の蓄電池出力で運転し、給湯器２０の燃焼室２１０において、熱エネルギーが得られる状態になると、蓄電池１００に充電しながら、電気的負荷としての補機のうち送風機２０２、ポンプ２０６を運転する。例えば、送風機２００の容量は１００Ｗ、ポンプ２０６の容量は２０Ｗ、点火装置２０４の容量は２０Ｗである。
【００１９】
インバータ１０４はコンバータ１０２出力、または蓄電池１００に蓄積された電気エネルギーを負荷（給湯器）２０が必要とするＡＣ１００Ｖの交流電力に変換する機能を有している。
インバータ１０４の電力容量としては、負荷２０内における実際の電気的負荷としての補機が必要とする電力容量と同容量が必要である。
また、蓄電池１００としては負荷２０に対して電力供給が可能な容量が必要で、必ず一日に一度は充放電を行うため、充放電に耐えられるサイクル用途の電池が必要である。
【００２０】
さらに、コンバータ１０２としては、蓄電池１００を充電すると共に、インバータ１０４で必要とする電力を供給できる電力容量が必要である。
スイッチ切替装置１６は、交流電源装置１０内の蓄電池１００の蓄電池電圧を監視し、該監視結果に基づいてスイッチ１４の切替制御を行う。
【００２１】
すなわち、スイッチ切替装置１６は、蓄電池１００の蓄電池電圧が負荷２０に電源供給し得る下限値である第１の電圧レベル以下に低下した場合にはスイッチ１４を商用電源側（接点１４Ａ）へ切り替え、蓄電池１００の蓄電池電圧が第１の電圧レベルより高い、負荷２０に安定して電力供給し得る基準電圧レベルである第２の電圧レベル以上に高くなった場合にはスイッチ１４を交流電源装置１０側（接点１４Ｂ）に切り替えるように制御する。
【００２２】
具体的な構成としては、負荷２０が１４０Ｗの電力を必要とする場合に交流電源装置１４におけるインバータ１４２の出力容量は１４０Ｗで、インバータ１４２の効率を９０％とするとインバータ１４２の入力容量は約１５６Ｗが必要となる。
また、蓄電池１４４の容量としては点火装置が動作する１分程度につき１５６Ｗを供給できる１５６Ｗ×（１／６０）Ｈが必要であり、蓄電池容量は３ＷＨ程度である。
【００２３】
さらに、コンバータ１４０の出力容量としては、インバータ１４２の入力容量１５６Ｗに加えて蓄電池１４４を充電するための容量４Ｗを見込むと、最低でも
１６０Ｗが必要である。
コンバータ１４０の効率を９５％とするとコンバータ１４０の入力電力は約１６８Ｗとなる。
【００２４】
また、熱電変換装置３０内の容量は、１７０Ｗ分の出力を供給できる容量が必要となる。熱電変換装置３０において、発電時に蓄電池１００を充分に充電できるようにコンバータ１０２は熱電変換装置３０の出力を全て変換できるようにコンバータ１０２の入力容量を１７０Ｗとし出力容量を１６０Ｗに設計する。
【００２５】
上記構成において、正常時、すなわち、熱電変換装置３０及び交流電源装置１０の電力供給能力により負荷２０に電力供給が可能である場合、具体的には、蓄電池１００の蓄電池電圧が第１の電圧レベルより高い、負荷２０に安定して電力供給し得る基準電圧レベルである第２の電圧レベル以上に高くなった場合にはスイッチ切替装置１６の制御下にスイッチ１４は接点１４Ｂ側に切り替えられる。
【００２６】
交流電源装置１０ではコンバータ１０２は、熱電変換装置３０より供給された直流電力を所定のレベルの直流電力に変換し、この直流電力をインバータ１０４に供給すると共に、蓄電池１００に充電する。
インバータ１０４はコンバータ１０２から供給される直流電力を安定した交流電力（ＡＣ１００Ｖ）に変換してスイッチ１４を介して負荷２０に供給する。
【００２７】
一方、熱電変換装置３０の発電能力が低下し、あるいは、コンバータ１０２の故障等により蓄電池１００の蓄電池電圧が負荷２０に電源供給し得る下限値である第１の電圧レベル以下に低下した場合にはスイッチ切替装置１６によりスイッチ１４が接点１４Ａ側に切り替えられ、商用電源１０よりスイッチ１６を介して負荷２０に商用交流電力（ＡＣ１００Ｖ）が供給される。
【００２８】
負荷２０においては、点火装置２０４によりバーナ２１２に点火後は、送風機２０２、ポンプ２０６に商用交流電力（ＡＣ１００Ｖ）が供給される。この結果、配管２０４に通流する水がバーナ２１２による火炎により加熱され、所定箇所に給湯される。
【００２９】
なお、交流電源装置１０における蓄電池１００を２４個組で構成した場合、蓄電池１００の放電時に蓄電池電圧が低下して最低使用電圧である第一の電圧レベル（例えば、４０Ｖ）にまでに低下すると、スイッチ切替装置１６はスイッチ１４を商用電源側（接点１４Ａ）へ切り替えて負荷２０へ電力供給する。
補機の駆動により燃焼室２１０内の温度が上昇し、熱電変換装置３０の発電能力が回復すると、蓄電池１００が充電されて蓄電池１００の蓄電池電圧が上昇し、第２の電圧レベル（例えば、５１Ｖ）にまで充電されると、スイッチ切替装置１６は、スイッチ１４を交流電源装置側（接点１４Ｂ）へ切り替えて負荷２０へ安定な交流電力を供給することとなる。
【００３０】
なお、図示していないが、負荷（給湯器）２０内にスイッチ１４の切替時間内に短時間バックアップ用の蓄電池を内蔵し、該蓄電池から補機としての各機器に直流電力を供給するようにしてもよい。このように構成することにより、スイッチ１４による切替時間内においても瞬断を生ずることなく、補機である送風機２０２、点火装置２０４、ポンプ２０６に継続して電力供給が行われる。
【００３１】
なお、本実施形態では一例としてスイッチ１４を切り替える第一の電圧レベルを４０Ｖ、第２の電圧レベルを５１Ｖとする例について説明した。
これは一般に２４個組の蓄電池では蓄電池１００の充電電圧は５１．６Ｖから５４．２Ｖまでの間（単セル当たりでは２．１５Ｖから２．２６Ｖ）までと開きがあるので２４個組電池の場合には充電が完了された時点で交流電源装置１０側ヘスイッチ１４を切り替えるため第２の電圧レベルを充電完了時の電圧より低く、最低使用電圧より高い電圧レベルに設定すればよい。
したがって、５１．６Ｖより低い５１Ｖで設定しておけば、充電電圧の影響を受けずに第２の電圧レベルを設定できる。
【００３２】
以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、山上や僻地等不便な地域においても電線を敷設することなく、安定して負荷に電力を供給することができる自立式の電源供給システムを実現できる。
さらに、交流電源装置故障時には商用電源からの電源供給を可能とするので信頼性の向上が図れる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、山上や僻地等不便な地域においても電線を敷設することなく、安定して負荷に電力を供給することができる自立式の電源供給システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電源供給システムの構成を示すブロック図。
【図２】図１における熱電変換装置の具体的構成を示す説明図。
【符号の説明】
１０…交流電源装置、１２…商用電源、１４…スイッチ、１６…スイッチ切替装置、２０…給湯器（負荷）、３０…熱電変換装置、４０…燃料タンク、１００…蓄電池、１０２…コンバータ、１０４…インバータ、２００…室、２０２…送風機、２０４…点火装置、２０６…ポンプ、２１０…燃焼室、２１２…バーナ、２１４…配管

Claims

燃焼室とバーナと補機とからなる負荷に商用交流電力を供給する商用電源と、
前記負荷により生成される熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置と、
蓄電池と、前記発電装置の出力を直流電力に変換して前記蓄電池を充電するコンバータと、前記コンバータ出力または蓄電池出力を安定な交流電力に変換するインバータとを有する交流電源装置と、
前記商用電源出力と交流電源装置の出力とを切り替えて負荷に交流電力を供給するスイッチと、
前記蓄電池電圧を監視し、該監視結果に基づいて前記スイッチの切替制御を行うスイッチ切替装置とを有し、
前記負荷は、前記スイッチの切替期間内に該負荷を構成する補機に直流電力を供給するバックアップ用蓄電池を有することを特徴とする電源供給システム。
前記スイッチ切替装置は、前記蓄電池電圧が負荷に電源供給し得る下限値である第１の電圧レベル以下に低下した場合には前記スイッチを商用電源側へ切り替え、前記蓄電池電圧が前記第１の電圧レベルより高い、負荷に安定して電力供給し得る基準電圧レベルである第２の電圧レベル以上に高くなった場合には前記スイッチを交流電源装置側に切り替えるように制御することを特徴とする請求項１に記載の電源供給システム。