JP3634311B2 - 電源供給システム - Google Patents

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【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(BiTe)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 (2)

  1. 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。
  2. 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。
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