JP4495138B2

JP4495138B2 - 電源システム、電源システムの制御方法および電源システムの制御プログラム

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Publication number: JP4495138B2
Application number: JP2006329167A
Authority: JP
Inventors: 利一北野; 明宏宮坂; 明山下; 尊久正代
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2026-12-06
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Description

本発明は電源システム、電源システムの制御方法および電源システムの制御プログラムに関し、特に、太陽電池が出力する電力を蓄積しながら電気回路を介して負荷へ供給する電源システムに関する。

近年の化石燃料価格の高騰や、ＣＯ_２排出量削減の要求から、太陽電池システムの需要が高まっている。

太陽電池システムでは、昼間に太陽電池の発電電力を負荷へ供給し、余剰電力は蓄電池へ充電され夜間に利用されるか、電力会社へ売電される。

下記特許文献１、２には、蓄電池と太陽電池を組み合わせた電源システムが記載され、特許文献１には、太陽電池の発電電力を充電器を介して蓄電池へ充電し、もしくは負荷又は電力変換装置へ供給することが記載され、特許文献２には、太陽電池の発電電力をコンバータと電気二重層キャパシタと充電器を介してニッケル水素蓄電池の充電と負荷への供給を行うことが記載されている。
特開２０００−００４５４４号公報特開２００１−０６９６８８号公報

太陽電池と蓄電池と商用電源を組み合わせたシステムを構成し、負荷への供給をできるだけ太陽電池の発電により行い、商用電力をできるだけ使用しないシステムを構築することにより、化石燃料への依存を抑制し、二酸化炭素排出量を削減することが可能である。このようなシステムを構築するためには、太陽電池、直流電力変換器、蓄電池のほか、商用電源を直流電力に変換する整流器を備え、商用電源によって整流器を介して充電を行うことが必要である。

図９に、このようなシステムの構成例を示す。図において、太陽電池１１は、直流電力変換器１２を介して、組電池１３を充電するか、直流出力３２へ電力を出力する。組電池１３は複数の電池を組み合わせて構成され、太陽電池１１の発電がないときは直流出力３２へ放電を行う。整流器１４は、交流入力３１から商用交流電力を受電し、直流電力に変換して直流出力３２へ直流電力を供給するか、組電池１３を充電する。

しかし、整流器出力を蓄電池に接続するだけでは、商用電源が有効であるときに常に充電され、蓄電池は満充電に近い状態になるため、太陽電池が充電する余地がなく、また整流器出力が太陽電池より優先して負荷へ給電を行うため、太陽電池の能力を活かすことができず、化石燃料消費量の削減に寄与することができないという問題が発生する。

上記の問題は、蓄電池すなわち二次電池の場合に限らず、電気二重層キャパシタを含めて、直流電力を蓄積する蓄電装置を用いる場合においても生じる問題である。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、太陽電池が発電する電力を負荷へ供給しながら蓄電装置へ充電し、または蓄電装置から放電して負荷へ供給し、商用電力を併せて利用する電源システムにおいて、商用電力の利用を出来る限り回避し、化石燃料の消費を節約し、二酸化炭素排出量の削減に寄与する太陽電池利用電源システム、電源システムの制御方法および電源システムの制御プログラムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
太陽電池と、直流電力変換器と、蓄電装置と、商用交流電力を直流電力に変換する整流器とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷または前記蓄電装置に供給し、前記蓄電装置が出力する電力を負荷に供給し、前記整流器が出力する電力を負荷または前記蓄電装置に供給する電源システムにおいて、前記蓄電装置の入出力回路にスイッチが挿入され、前記整流器の動作が停止し、前記スイッチが短絡している状態において、前記蓄電装置の電圧が低下して第１の電圧値以下になったとき、前記整流器を始動させた後に前記スイッチを開放して前記整流器が出力する電力を負荷に供給し、前記整流器の動作中に前記太陽電池の電圧が第２の電圧値以上となったとき、前記スイッチを短絡し、前記整流器の動作を停止させて前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷および前記蓄電装置に供給し、前記整流器の動作中に前記太陽電池の電圧が前記第２の電圧値より高くならず、しかも前記蓄電装置の電圧が低下して前記第１の電圧値以下の第３の電圧値以下になったとき、前記スイッチを短絡して前記整流器の出力によって前記蓄電装置を充電し、前記蓄電装置の電圧が前記第１の電圧値よりも高い第４の電圧値以上になったとき、前記整流器の動作を停止させる制御を行う制御部が具備されていることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
太陽電池と、直流電力変換器と、蓄電装置と、商用交流電力を直流電力に変換する整流器とを構成要素とし、前記蓄電装置の入出力回路にスイッチが挿入され、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷または前記蓄電装置に供給し、前記蓄電装置が出力する電力を負荷に供給し、前記整流器が出力する電力を負荷または前記蓄電装置に供給する電源システムの制御方法であって、前記整流器の動作が停止し、前記スイッチが短絡している状態において、前記蓄電装置の電圧が低下して第１の電圧値以下になったとき、前記整流器を始動させた後に前記スイッチを開放して前記整流器が出力する電力を負荷に供給し、前記整流器の動作中に前記太陽電池の電圧が第２の電圧値以上となったとき、前記スイッチを短絡し、前記整流器の動作を停止させて前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷および前記蓄電装置に供給し、前記整流器の動作中に前記太陽電池の電圧が前記第２の電圧値より高くならず、しかも前記蓄電装置の電圧が低下して前記第１の電圧値以下の第３の電圧値以下になったとき、前記スイッチを短絡して前記整流器の出力によって前記蓄電装置を充電し、前記蓄電装置の電圧が前記第１の電圧値よりも高い第４の電圧値以上になったとき、前記整流器の動作を停止させる制御を行うことを特徴とする電源システムの制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
コンピュータに、請求項２に記載された電源システムの制御方法の手順を実行させるための電源システムの制御プログラムを構成する。

本発明の電源システムを構成することによって、不日照の連続等により蓄電装置の放電が継続して蓄電容量が低下したときにだけ商用電力を利用するようになるため、商用電力への依存性が低下し、化石燃料の消費量削減と二酸化炭素排出量削減に寄与する電源システムの構築が可能となる。また蓄電装置の放電が停止した後も負荷へ給電を行うことができるため、負荷設備への電力供給の信頼性が向上する。さらに蓄電装置として蓄電池を用いる場合は、過放電が防止され蓄電池寿命を延ばすことができる。このように、本発明の実施によって、商用電力を併せて利用する電源システムにおいて、商用電力の利用を出来る限り回避し、化石燃料の消費を節約し、二酸化炭素排出量の削減に寄与する太陽電池利用電源システム、電源システムの制御方法および電源システムの制御プログラムを提供することが可能となる。

本発明に係る電源システムにおいては、蓄電装置の電圧の低下を検知して、商用電力を整流器を介して負荷へ給電し、また蓄電装置の充電を行う。また蓄電装置の電圧が回復したとき、および太陽電池による発電が見込めるときは商用電力の使用を停止する。

または、直流電力変換器の出力電圧を、整流器出力電圧より高く設定する。

以下に、参考例も含めて、本発明の実施の形態について、蓄電装置が鉛蓄電池である場合を例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

＜参考例１＞
図１は、参考例を説明する図である。図において、太陽電池１１の発電電力は直流電力変換器１２を介して蓄電装置である組電池１３へ充電されるか、直流出力３２へ出力される。

直流電力変換器１２は、太陽電池１１の電圧、電流の制御により発電電力を最大化する機能をもつコンバータであり、その出力電圧は12Ｖである。

組電池１３は、鉛蓄電池セル（単セル電圧2.0Ｖ、容量100Ａｈ）を６セル直列接続し、12Ｖ100Ａｈの組電池とし、その使用電圧範囲は12Ｖ〜10Ｖである。この組電池１３は、10Ｖ以下の電圧まで放電すると劣化が進行するため、10Ｖに達した段階で放電を停止させる必要がある。

直流電力変換器１２と組電池１３の間には、整流器１４を並列接統する。整流器１４は、交流入力３１から入力される商用交流電力を直流電力へ変換し、組電池１３を充電するか、直流出力３２へ出力して負荷へ給電する。整流器１４の出力は12Ｖ一定電圧とし、最大20Ａの出力が可能とする。

制御部１５は、組電池１３の電圧を入力とし、整流器１４の運転を制御する。

直流出力３２に接続される負荷は100Ｗとする。

図２は、参考例の制御部が行う第１の制御を、本参考例に適用する場合の制御フローを説明する図である。

図２において、
最初(ＳＴＡＲＴ時点)において、整流器１４は動作停止している。

太陽電池１１が電力供給を行わず組電池１３の放電が継続し、組電池１３の電圧Ｖｂが低下して、第１の設定値Ｖ１である10.0Ｖ以下になったとき、制御部１５はこれを検知して、整流器１４を始動させる。すなわち、ステップＳ１で、ＶｂがＶ１以下であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ１に戻り、ＹＥＳならば、ステップＳ２で整流器１４を起動し、ステップＳ３に進む。

第１の設定値Ｖ１は、その設定値以下の電圧で組電池１３が放電すると、それによる組電池１３の性能劣化が起こりうるような値に設定される。

動作を開始した整流器１４は直流出力３２を介して負荷へ給電を行い、かつ組電池１３への充電を行う。このとき、整流器の出力は12Ｖ20Ａ（240Ｗ）であるから、直流出力３２（負荷）へは100Ｗが出力され、残りの140Ｗが組電池１３へ充電される。

この後、充電が継続して組電池１３の電圧Ｖｂが、Ｖ１よりも高い第２の設定値Ｖ２である10.5Ｖ以上になったとき、制御部１５はこれを検知して、整流器１４の動作を停止させる。すなわち、ステップＳ３で、ＶｂがＶ２以上であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ３に戻り、ＹＥＳならばステップＳ４で整流器１４の動作を停止させ、ステップＳ１に戻る。負荷への給電は、太陽電池１１もしくは組電池１３により行われるようになる。

第２の設定値Ｖ２は、Ｖ１よりも高く、組電池１３の使用電圧範囲内にあるように設定される。

整流器１４による組電池１３の充電中、組電池１３の電圧Ｖｂが第２の設定値Ｖ２である10.5Ｖに回復する前に太陽電池１１が電流供給可能となった場合、整流器１４と直流電力変換器１２により組電池１３が充電され、組電池１３の電圧Ｖｂが第２の設定値Ｖ２である10.5Ｖを越えると、整流器１４の動作が停止し、負荷への給電は太陽電池１１もしくは組電池１３により行われるようになる。ただし、この場合に、直流電力変換器１２の出力電圧を12Ｖとしているので、太陽電池１１が電流供給可能となった時点で、整流器１４の動作を停止させてもよい。

図２に示した第１の制御の制御フローをコンピュータに実行させるための電源システムの制御プログラムを作成することができる。その場合に、第１の制御を実行する第１の制御手順に含まれる、組電池１３の電圧Ｖｂが第１の設定値Ｖ１以下になったとき、整流器１４を始動させる手順は、図２のステップＳ１、Ｓ２に対応し、組電池１３の電圧Ｖｂが第２の設定値Ｖ２以上になったとき、整流器１４の動作を停止させる手順は、図２のステップＳ３、Ｓ４に対応する。

＜参考例２＞
本参考例においては、電源システムの構成は図１に示した構成と同じであり、制御部１５が行う制御が参考例１におけるものと異なる。本参考例においては、直流電力変換器１２の出力電圧を、整流器１４の出力電圧より高く設定し、整流器１４の運転制御を行う。

図１において、直流電力変換器１２の出力電圧Ｖｃを12.0Ｖ、整流器１４の出力電圧を10.5Ｖに設定する。

図３は、参考例における制御部が行う第２の制御を本参考例に適用する場合の制御フローを説明する図である。

図３において、
最初(ＳＴＡＲＴ時点)において、整流器１４は動作停止している。

太陽電池１１が発電を行わず組電池１３からの放電が継続し、組電池１３の電圧Ｖｂが第３の設定値Ｖ３である10.0Ｖ以下になったとき、整流器１４を起動し、直流出力３２への給電と組電池１３の充電を開始する。すなわち、ステップＳ５で、ＶｂがＶ３以下であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ５に戻り、ＹＥＳならば、ステップＳ６で整流器１４を起動し、ステップＳ７に進む。

第３の設定値Ｖ３は、その設定値以下の電圧で組電池１３が放電すると、それによる組電池１３の性能劣化が起こりうるような値に設定される。

その後、組電池１３は、整流器１４の出力電圧(10.5Ｖ)に達して充電が自然に停止し、整流器１４は直流出力３２への給電のみを行うようになる。この後、太陽電池１１が発電を開始すると、直流電力変換器１２が出力を開始するが、発電電力が小さく、太陽電池１１の電力だけでは直流出力３２への給電がまかなえないとき、不足分を整流器１４が給電し、直流電力変換器１２の出力電圧は整流器１４の出力電圧の10.5Ｖまで垂下する。

太陽電池１１の発電量が増加し、発電電力により直流出力３２への給電がまかなえるようになると、直流電力変換器１２だけで直流出力３２への給電を行えるようになるため、直流電力変換器１２の出力電圧Ｖｃは12.0Ｖとなる。制御部１５は、直流電力変換器１２の出力電圧が12.0Ｖに戻ったことを検知して、整流器１４の運転を停止させる。すなわち、ステップＳ７で、Ｖｃが、Ｖ３よりも高い第４の設定値Ｖ４である、例えば11.5Ｖ以上であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ７に戻り、ＹＥＳならばステップＳ８で整流器１４の動作を停止させ、ステップＳ５に戻る。

整流器１４の運転停止を、整流器１４の出力電流の低下を検知することにより行う方法も可能である。直流電力変換器１２のみで直流出力３２への給電を行うことができる発電量があるとき、整流器１４より直流電力変換器１２の方が出力電圧が高いため、給電はすべて直流電力変換器１２により行われ、整流器１４の出力電流が極めて小さくなる。制御部１５は、整流器１４の出力電流が、第１５の設定値以下となったことを検知して、整流器１４の運転を停止させる。この制御フローは、図３のフローにおいてステップ７における「Ｖｃ≧Ｖ４」の条件分岐の記述を、「Ｉｄ≦Ｉ５」と読み替え、Ｉｄを整流器１４の出力電流、Ｉ５を第５の設定値とすればよい。この制御を第３の制御とする。

図３に示した第２の制御をコンピュータに実行させるための電源システムの制御プログラムを作成することができる。その場合に、第２の制御の制御手順に含まれる、組電池１３の電圧Ｖｂが第３の設定値Ｖ３以下になったとき、整流器１４を起動する手順は、図３のステップＳ５、Ｓ６に対応し、直流電力変換器１２の出力電圧が第４の設定値Ｖ４以上のとき、整流器１４の運転を停止させる手順は、図３のステップＳ７、Ｓ８に対応する。

前記第３の制御をコンピュータに実行させるための電源システムの制御プログラムも、同様に作成することができる。そのときには、ステップ７における「Ｖｃ≧Ｖ４」の条件分岐の記述を、「Ｉｄ≦Ｉ５」とすればよい。

＜実施の形態例＞
図４は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図に示した構成は、組電池１３にスイッチ２１が直列に接続されている点以外は、図１の場合と同様である。制御部１５は、組電池１３の電圧、太陽電池１１の電圧を入力とし、整流器１４とスイッチ２１を制御する。

太陽電池１１は、開放電圧24Ｖ、出力90Ｗとし、直流電力変換器１２は容量150Ｗ、出力12Ｖとする。

図５は、本発明に係る電源システムにおける制御部が行う制御である第４の制御を本実施の形態例に適用する場合の制御フローを説明する図である。

図５において、
最初(ＳＴＡＲＴ時点)において、整流器１４は動作停止し、スイッチ２１は短絡状態にあり、
太陽電池１１が発電を行わず組電池１３の放電が継続し、組電池１３の電圧Ｖｂが低下して第１の電圧値であり第６の設定値Ｖ６である10.5Ｖ以下になったとき、制御部１５はこれを検知して整流器１４を起動した後、スイッチ２１を開放する。すなわち、ステップＳ９で、ＶｂがＶ６以下であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ９に戻り、ＹＥＳならばステップＳ１０で整流器１４を起動し、ステップＳ１１でスイッチ２１を開放し、ステップＳ１２に進む。整流器１４を先に起動するのは、先にスイッチ２１を開放すると、整流器１４が起動するまで直流出力３２への給電が停止するからである。

第６の設定値Ｖ６は、組電池１３の電圧がその電圧にまで低下したときに組電池１３を充電することが、必要ではないが、好ましいような電圧として設定される。

スイッチ２１を開放するため、整流器１４の出力は全て直流出力３２を介して負荷へ供給される。

スイッチ２１が開放されているとき、太陽電池１１が発電を開始した場合に復帰させるため、制御部１５が、太陽電池１１の電圧Ｖｐが第２の電圧値であり第７の設定値Ｖ７である15Ｖ以上（太陽電池１１が電力供給可能となる電圧）であることを検知したとき、スイッチ２１を短絡し、整流器１４の動作を停止させて太陽電池１１からの給電を再開する。すなわち、ステップＳ１２で、ＶｐがＶ７以上であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ１５に進み、ＹＥＳならばステップＳ１３でスイッチ２１を短絡し、ステップＳ１４で整流器１４の動作を停止させ、ステップＳ９に戻る。

スイッチ２１が開放された後も太陽電池１１が発電を行わないとき、組電池１３は自己放電によりさらに電圧が低下する。自己放電による劣化を防止するため、組電池１３の電圧Ｖｂが第３の電圧値であり第８の設定値Ｖ８である10.0Ｖ以下（電池の劣化が起こりうる電圧）となったとき、制御部１５はこれを検知してスイッチ２１を短絡して整流器１４により組電池１３を充電する。すなわち、ステップＳ１５で、ＶｂがＶ８以下であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ１２に戻り、ＹＥＳならば、ステップＳ１６でスイッチ２１を短絡し、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１５において、スイッチ２１を短絡する組電池１３の電圧（Ｖ８）を、第６の設定値Ｖ６と同じ10.5Ｖとすることも可能である。一般に、電池は放電を停止すると、時間経過により自然に電圧が回復するため、10.5Ｖ（Ｖ６）でスイッチ２１を開放すると時間経過に伴い組電池１３の電圧Ｖｂは上昇し、その後の自己放電により再び10.5Ｖ（Ｖ８）となったときにスイッチ２１を短絡して充電を行うことができる。このように、Ｖ６≧Ｖ８であればよい。

スイッチ２１の短絡後、組電池１３の電圧Ｖｂが、Ｖ６よりも高い第４の電圧値であり第９の設定値Ｖ９である11.0Ｖ以上となったとき、整流器１４の動作を停止させる。すなわち、ステップＳ１７でＶｂがＶ９以上であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ１７に戻り、ＹＥＳならばステップＳ１８で整流器１４の動作を停止させ、ステップＳ９に戻る。

第９の設定値Ｖ９は、Ｖ６よりも高く、組電池１３の使用電圧範囲内にあるように設定される。

図５に示した第４の制御をコンピュータに実行させるための電源システムの制御プログラムを作成することができる。その場合に、第４の制御の制御手順に含まれる、組電池１３の電圧Ｖｂが第６の設定値Ｖ６以下になったとき、整流器１４を起動した後、スイッチ２１を開放する手順は、図５のステップＳ９、Ｓ１０、Ｓ１１に対応し、太陽電池１１の電圧Ｖｐが第７の設定値Ｖ７以上になったとき、スイッチ２１を短絡し、整流器１４の動作を停止させる手順は、図５のステップＳ１２、Ｓ１３、Ｓ１４に対応し、太陽電池１１が発電を行わないとき、組電池１３の電圧Ｖｂが第８の設定値Ｖ８以下となったとき、スイッチ２１を短絡する手順は、図５のステップＳ１５、Ｓ１６に対応し、組電池１３の電圧Ｖｂが第９の設定値Ｖ９以上となったとき、整流器１４の動作を停止させる手順は、図５のステップＳ１７、Ｓ１８に対応する。

＜参考例３＞
図６は、本参考例を説明する図である。図に示した構成は、直流電力変換器１２と組電池１３が、組電池１３の放電方向を順方向とするダイオード２２とスイッチング素子２３を並列接続してなる充電スイッチ２４を介して直流出力３２へ接続される点以外は、図１の場合と同様である。また整流器１４は、充電スイッチ２４と直流出力３２の間に並列接続される。

スイッチング素子２３が開放であるとき、ダイオード２２があるため、直流電力変換器１２と組電池１３から直流出力３２への放電は可能であるが、整流器１４は組電池１３を充電することはできない。制御部１５は組電池１３の電圧を入力とし、整流器１４とスイッチング素子２３を制御する。

図７は、参考例における制御部が行う第５の制御を本参考例に適用する場合の制御フローを説明する図である。

図７において、
最初(ＳＴＡＲＴ時点)において、整流器１４は動作停止、スイッチング素子２３は短絡とする。

太陽電池１１が発電を行わず組電池１３の放電が継続し、組電池１３の電圧Ｖｂが低下して第１０の設定値Ｖ１０である10.5Ｖに達したとき、制御部１５はこれを検知して、整流器１４を起動し、スイッチング素子２３を開放する。すなわち、ステップＳ１９で、ＶｂがＶ１０以下であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ１９に戻り、ＹＥＳならばステップＳ２０で整流器１４を起動し、ステップＳ２１でスイッチング素子２３を開放し、ステップＳ２２に進む。スイッチング素子２３を開放しても組電池１３から直流出力３２への放電は可能であるから、整流器１４の起動（Ｓ２０）とスイッチング素子２３の開放（Ｓ２１）の順序は逆でもよい。

第１０の設定値Ｖ１０は、組電池１３の電圧がその電圧にまで低下したときに組電池１３を充電することが、必要ではないが、好ましいような電圧として設定される。

整流器１４が起動し、スイッチング素子２３が開放された後、組電池１３の電圧Ｖｂが自己放電によりさらに低下して第１１の設定値Ｖ１１である10.0Ｖ以下（電池劣化が起こりうる電圧）となったとき、制御部１５はこれを検知して、スイッチング素子２３を短絡して組電池１３の充電を開始し、組電池１３の電圧Ｖｂが、Ｖ１０よりも高い第１２の設定値Ｖ１２である11.0Ｖ以上になったとき整流器１４の動作を停止させる。すなわち、ステップＳ２２で、ＶｂがＶ１１以下であるか否かを判断し、ＮＯであればステップＳ２４に進み、ＹＥＳであれば、ステップＳ２３でスイッチング素子２３を短絡してステップＳ２５に進み、ステップＳ２５で、ＶｂがＶ１２以上であるか否かを判断し、ＮＯであればステップＳ２５に戻り、ＹＥＳであれば、ステップＳ２７で整流器１４の動作を停止させてステップＳ１９に戻る。一方、ステップＳ２４において、ＶｂがＶ１２以上であるか否かを判断し、ＮＯであればステップＳ２２に戻り、ＹＥＳであれば、ステップＳ２６でスイッチング素子２３を短絡し、ステップＳ２７で整流器１４の動作を停止させてステップＳ１９に戻る。

第１２の設定値Ｖ１２は、Ｖ１０よりも高く、組電池１３の使用電圧範囲内にあるように設定される。

ステップＳ２２、Ｓ２３においてスイッチング素子２３を短絡する組電池１３の電圧（Ｖ１１）を、第１０の設定値Ｖ１０と同じ10.5Ｖとすることも可能である。一般に電池は放電を停止すると、時間経過により自然に電圧が回復するため、10.5Ｖでスイッチング素子２３を開放すると時間経過に伴い組電池１３の電圧Ｖｂは上昇し、その後の自己放電により再び10.5Ｖとなったときにスイッチング素子２３を短絡して充電を行うことができる。このように、Ｖ１０≧Ｖ１１であればよい。

整流器１４が起動し、スイッチング素子２３が開放された後、太陽電池１１が発電を始めると、発電電力により直流出力３２へ給電され、また組電池１３が充電され組電池１３の電圧Ｖｂが上昇する。組電池１３の電圧Ｖｂが11.0Ｖ（第１２の設定値）以上になったとき、スイッチング素子２３を短絡し、整流器１４の動作を停止する。

図７に示した第５の制御をコンピュータに実行させるための電源システムの制御プログラムを作成することができる。その場合に、第５の制御の制御手順に含まれる、組電池１３の電圧Ｖｂが低下して第１０の設定値Ｖ１０に達したとき、整流器１４を起動し、スイッチング素子２３を開放する手順は、図７のステップＳ１９、Ｓ２０、Ｓ２１に対応し、組電池１３の電圧Ｖｂが第１１の設定値Ｖ１１以下となったとき、スイッチング素子２３を短絡し、組電池１３の電圧ＶｂがＶ１２以上になったとき整流器１４の動作を停止させる手順は、図７のステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７に対応する。

＜参考例４＞
本参考例においては、電源システムの構成は図６に示した構成と同じであり、制御部１５が行う制御が参考例３におけるものと異なる。本参考例においては、スイッチング素子２３を制御の初期状態で開放とし、整流器１４が組電池１３を充電するときにだけスイッチング素子２３を短絡とする方法を採用する。

図８は、参考例における制御部が行う第６の制御を図６に示した構成の電源システムに適用する場合（本参考例）の制御フローを説明する図である。

図８において、
最初(ＳＴＡＲＴ時点)において、整流器１４は動作停止、スイッチング素子２３を開放とする。

組電池１３の電圧Ｖｂが第１３の設定値Ｖ１３以下となったとき、スイッチング素子２３は開放のまま、整流器１４を起動する。すなわち、ステップＳ２８で、ＶｂがＶ１３以下であるか否かを判断し、ＮＯならばステップＳ２８に戻り、ＹＥＳならば、ステップＳ２９で整流器１４を起動し、ステップＳ３０に進む。

この後、さらに組電池１３の電圧Ｖｂが低下して第１４の設定値Ｖ１４以下となったときにスイッチング素子２３を短絡して組電池１３の充電を行い、組電池１３の電圧Ｖｂが第１５の設定値Ｖ１５以上に達したときスイッチング素子２３を開放し、整流器１４の動作を停止して充電を停止する。すなわち、ステップＳ３０で、ＶｂがＶ１４以下であるか否かを判断し、ＮＯであればステップＳ３２に進み、ＹＥＳであれば、ステップＳ３１でスイッチング素子２３を短絡してステップＳ３３に進み、ステップＳ３３で、ＶｂがＶ１５以上であるか否かを判断し、ＮＯであればステップＳ３３に戻り、ＹＥＳであれば、ステップＳ３４でスイッチング素子２３を開放し、ステップＳ３５で整流器１４の動作を停止させてステップＳ２８に戻る。一方、ステップＳ３２において、ＶｂがＶ１５以上であるか否かを判断し、ＮＯであればステップＳ３０に戻り、ＹＥＳであれば、ステップＳ３５で整流器１４の動作を停止させてステップＳ２８に戻る。

整流器１４が起動した後、太陽電池１１の発電により組電池１３の電圧Ｖｂが第１５の設定値Ｖ１５以上となったとき、整流器１４の動作を停止させる。

なお、ここでのＶ１３、Ｖ１４、Ｖ１５は、それぞれ、参考例３におけるＶ１０、Ｖ１１、Ｖ１２に等しいとしてよい。

図８に示した第６の制御をコンピュータに実行させるための電源システムの制御プログラムを作成することができる。その場合に、第６の制御の制御手順に含まれる、組電池１３の電圧Ｖｂが低下して第１３の設定値Ｖ１３以下になったとき、整流器１４を起動する手順は、図８のステップＳ２８、Ｓ２９に対応し、組電池１３の電圧Ｖｂが低下して第１４の設定値Ｖ１４以下となったときにスイッチング素子２３を短絡して組電池１３の充電を行い、組電池１３の電圧Ｖｂが第１５の設定値Ｖ１５以上に達したときスイッチング素子２３を開放し、整流器１４の動作を停止する手順は、図８のステップＳ３０、Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４、Ｓ３５に対応する。

＜参考例５＞
図１の構成において、直流電力変換器１２の出力電圧を、整流器１４より高く設定し、整流器１４を常に運転とする方法も可能である。

直流電力変換器１２の出力電圧を12.0Ｖ、整流器１４の出力電圧を、組電池１３の最低使用電圧である10.0Ｖに設定する。太陽電池１１の発電量が、直流出力３２への給電と組電池１３の充電電力を全てまかなえるときは、直流電力変換器１２の出力電圧は12.0Ｖであり、整流器１４（出力電圧10.0Ｖ）は運転しているが出力電力のない状態にすることができる。

太陽電池１１の発電が停止すると、組電池１３の電圧Ｖｂが10.0Ｖを越えている限り、組電池１３から直流出力３２への給電が行われ、整流器１４は電力を出力しない。組電池１３の電圧Ｖｂが10.0Ｖに達すると整流器１４は組電池１３を10.0Ｖに維持するための充電と、直流出力３２への電力供給を行うようになる。

この後、太陽電池１１の発電が再開されると、直流電力変換器１２の出力により給電と充電が行われるが、組電池１３を10.0Ｖに維持するための充電と直流出力３２への給電には発電電力が不足する間は、出力電圧が垂下して10.0Ｖとなり、不足分は整流器１４により給電される。

太陽電池１１の発電量が増加し、組電池１３を10.0Ｖに維持するための充電と直流出力３２への給電に必要な電力を発電できるようになると、直流電力変換器１２の出力電圧は12.0Ｖに戻り、整流器１４の出力が自然に停止し、組電池１３の充電も行われるようになる。

整流器１４の出力電圧を、直流電力変換器１２の出力電圧より低く設定すれば正常に動作するが、整流器１４の出力電圧を組電池１３の最低使用電圧より高く設定した場合、商用電力により組電池１３がある程度充電される。整流器１４の出力電圧を、組電池１３の最低使用電圧に一致させることによって、組電池１３の過放電を防止する最低限の充電を行い、かつ負荷への電力供給を行う商用電源の利用を極力抑えた太陽電池システムの構築が可能である。

ただし、前述の実施の形態例および参考例１ないし４記載のように、整流器１４の動作の停止を行うのは、整流器１４は電力を出力しない状態でも、電力を消費しており、この待機電力を節電するためには整流器１４を停止させる制御を行う必要があるからである。

本発明に係る電源システムおよび参考例の特徴は、蓄電装置の電圧の低下を検知して、商用電力を整流器を介して負荷へ給電し、また蓄電装置の充電を行い、また蓄電装置の電圧が回復したとき、および太陽電池による発電が見込めるときは商用電力の使用を停止することである。または、直流電力変換器の出力電圧を、整流器出力電圧より高く設定することである。この特徴によって、不日照の連続等により蓄電装置の放電が継続し、蓄電容量が低下したときにだけ商用電力を利用できるようになるため、商用電力への依存性が低下し、化石燃料の消費量削減と二酸化炭素排出量削減に寄与する電源システムの提供が可能となる。また蓄電装置の放電が停止した後も負荷へ給電を行うことができるため、負荷設備への電力供給の信頼性が向上する。さらに蓄電装置として蓄電池を用いる場合は、過放電が防止され蓄電池寿命を延ばすことが可能となる。

以上、本発明の実施の形態および参考例について、蓄電装置が鉛蓄電池である場合を例として、説明したが、本発明はこれに限られるものではない。蓄電装置としては、一般の二次電池、あるいは電気二重層キャパシタが利用可能である。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

（１）太陽電池と蓄電池により構成される太陽電池システムへ整流器を追加し、商用電源を利用して蓄電池を充電するシステムを構成するとき、整流器出力を蓄電池に接続するだけでは、商用電源が有効であるときに常に充電され、蓄電池は満充電に近い状態になるため、太陽電池が充電する余地がなく、また整流器出力が太陽電池より優先して負荷へ給電を行うため、太陽電池の能力を活かすことができず、化石燃料消費量の削減に寄与することができないという問題が発生する。

本発明により、商用電源の利用が抑制されるため、商用電力への依存性が低下し、化石燃料の消費量削減と二酸化炭素排出量削減に寄与する電源システムの構築が可能となる。

（２）太陽電池と蓄電池により構成される太陽電池システムでは、不日照の連続等で発電が行われず蓄電池の放電が継続した場合、蓄電池の放電終止により負荷への給電が停止するという問題が発生する。

本発明により、蓄電池の電圧低下時に商用電源を利用して負荷への給電が行われるため、負荷設備への電力供給の信頼性が向上する。

（３）太陽電池と蓄電池により構成される太陽電池システムでは、不日照の連続等で発電が行われず蓄電池の放電が継続した場合、蓄電池の過放電により劣化が進行するという問題が発生する。

本発明により、蓄電池の電圧低下時に商用電源を利用して蓄電池の充電が行われるため、過放電による蓄電池の劣化を防止することが可能となる。

参考例を説明する図である。参考例の制御フローを説明する図である。参考例の制御フローを説明する図である。本発明の実施の形態例を説明する図である。本発明の実施の形態例の制御フローを説明する図である。参考例を説明する図である。参考例の制御フローを説明する図である。参考例の制御フローを説明する図である。太陽電池と組電池と整流器を用いる電源システムの構成図である。

符号の説明

１１：太陽電池、１２：直流電力変換器、１３：組電池、１４：整流器、１５：制御部、２１：スイッチ、２２：ダイオード、２３：スイッチング素子、２４：充電スイッチ、３１：交流入力、３２：直流出力。

Claims

太陽電池と、直流電力変換器と、蓄電装置と、商用交流電力を直流電力に変換する整流器とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷または前記蓄電装置に供給し、前記蓄電装置が出力する電力を負荷に供給し、前記整流器が出力する電力を負荷または前記蓄電装置に供給する電源システムにおいて、
前記蓄電装置の入出力回路にスイッチが挿入され、
前記整流器の動作が停止し、前記スイッチが短絡している状態において、前記蓄電装置の電圧が低下して第１の電圧値以下になったとき、前記整流器を始動させた後に前記スイッチを開放して前記整流器が出力する電力を負荷に供給し、前記整流器の動作中に前記太陽電池の電圧が第２の電圧値以上となったとき、前記スイッチを短絡し、前記整流器の動作を停止させて前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷および前記蓄電装置に供給し、前記整流器の動作中に前記太陽電池の電圧が前記第２の電圧値より高くならず、しかも前記蓄電装置の電圧が低下して前記第１の電圧値以下の第３の電圧値以下になったとき、前記スイッチを短絡して前記整流器の出力によって前記蓄電装置を充電し、前記蓄電装置の電圧が前記第１の電圧値よりも高い第４の電圧値以上になったとき、前記整流器の動作を停止させる制御を行う制御部が具備されていることを特徴とする電源システム。
太陽電池と、直流電力変換器と、蓄電装置と、商用交流電力を直流電力に変換する整流器とを構成要素とし、前記蓄電装置の入出力回路にスイッチが挿入され、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷または前記蓄電装置に供給し、前記蓄電装置が出力する電力を負荷に供給し、前記整流器が出力する電力を負荷または前記蓄電装置に供給する電源システムの制御方法であって、
前記整流器の動作が停止し、前記スイッチが短絡している状態において、前記蓄電装置の電圧が低下して第１の電圧値以下になったとき、前記整流器を始動させた後に前記スイッチを開放して前記整流器が出力する電力を負荷に供給し、前記整流器の動作中に前記太陽電池の電圧が第２の電圧値以上となったとき、前記スイッチを短絡し、前記整流器の動作を停止させて前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷および前記蓄電装置に供給し、前記整流器の動作中に前記太陽電池の電圧が前記第２の電圧値より高くならず、しかも前記蓄電装置の電圧が低下して前記第１の電圧値以下の第３の電圧値以下になったとき、前記スイッチを短絡して前記整流器の出力によって前記蓄電装置を充電し、前記蓄電装置の電圧が前記第１の電圧値よりも高い第４の電圧値以上になったとき、前記整流器の動作を停止させる制御を行うことを特徴とする電源システムの制御方法。
コンピュータに、請求項２に記載された電源システムの制御方法の手順を実行させるための電源システムの制御プログラム。