JP4496112B2 - 電力供給システム、電力供給方法、及び建造物 - Google Patents

Description

本発明は、電力供給システム、電力供給方法、及び建造物に関する。特に本発明は、蓄電池の蓄電電力を電力負荷に供給する電力供給方法、および建造物のプログラムに関する。

従来、燃料電池と蓄電池とを組み合わせたシステムにおいて、蓄電池への蓄電と、夜間電力の蓄電による電力ピークシフト、および蓄電システムに蓄積された電力を系統に逆潮流しないようにしながら負荷の大きさが急峻に変動する負荷へのピーク電力供給とを組み合わせたシステムがある（例えば、特許文献１参照。）。このシステムでは、電力系統に接続された負荷の要求電力が燃料電池の発電電力を超えた場合、電源系統から電力を前記負荷に供給して、電源系統からの電力が予め決められた電力を超えないように蓄電池から電力を負荷に供給する。そして、燃料電池の発電量よりも負荷の消費電力が小さいとき燃料電池の電力を蓄電池に充電する機能を備えている。
特開２００４-０３９５０６

例えば家庭内の負荷が消費することのできる電力は、電流制限器などによってその上限が決められている。したがって、例えば特許文献１によるシステムでは、蓄電池の残量が少ないときに、一部の負荷が消費電力の上限まで消費しようとしただけで、系統から受け取る電力が増加して、電力コストが増加してしまう場合がある。また、系統から電力を受け取ることができないと、システム全体が電力不足に陥ってしまう場合があるという課題があった。

また、余剰電力が発生している状況下において蓄電池が満充電になり蓄電池に蓄電できなくなっても、負荷が消費することができる電力の上限は電流制限器によって決まっているので、場合によっては燃料電池の発電電力を下げる必要がある。しかし、燃料電池の発電電力を変動させると、燃料電池のエネルギー効率が低下したり、燃料電池の劣化が早まったりするので好ましくない。このように、システム全体としては電力を十分に供給できるような場合であっても、電流制限器によって制限されて負荷が電力を柔軟に消費することができない場合がある。その結果、システム全体のエネルギー効率が低下してしまう場合があるという課題があった。

そこで本発明は、上記の課題を解決することができる電力供給システム、電力供給方法、及び建造物を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。

本発明の第１の形態における電力供給システムは、電力を発電し、電力を消費する複数の電力負荷に供給する燃料電池と、燃料電池による発電電力と、複数の電力負荷によって消費される電力の合計値との差分の電力により充電される蓄電装置と、蓄電装置の蓄電量に基づいて、複数の電力負荷のそれぞれが消費することができる電力の許容量を示す電力許容量を設定する許容量設定部と、複数の電力負荷のそれぞれに設けられ、許容量設定部によって設定された電力許容量の範囲内で、複数の電力負荷のそれぞれに電力を供給する供給制御装置とを備える。

許容量設定部は、蓄電装置の蓄電量がより小さい場合に、より小さい電力許容量を設定してよい。

許容量設定部は、更に、燃料電池が発電する電力量と、複数の電力負荷によって消費される電力量の合計量との差である充電電力量に基づいて、電力許容量を設定してよい。許容量設定部は、充電電力量がより大きい場合に、より大きい電力許容量を設定してよい。

許容量設定部は、蓄電装置の蓄電量を、複数の電力負荷によって消費される電力量の合計量と燃料電池が発電する電力量との差である放電電力量で割った値がより小さい場合に、より小さい電力許容量を設定してよい。

許容量設定部は、複数の電力負荷のそれぞれの消費電力に基づいて、電力許容量を複数の電力負荷毎に設定してよい。許容量設定部は、消費電力がより小さい電力負荷に対する電力許容量をより小さく設定し、当該電力負荷の消費電力が増加した場合に、消費電力がより大きい他の電力負荷に対する電力許容量を低下させるとともに、当該消費電力が増加した電力負荷に対する電力許容量を増加させてよい。

燃料電池は複数設けられており、蓄電装置は、複数の燃料電池毎に設けられており、許容量設定部は、蓄電装置に蓄電された蓄電量の合計値に基づいて、電力許容量を設定してよい。

許容量設定部は、複数の電力負荷のそれぞれに供給することができる電流の許容量を、電力許容量として設定してよい。

供給制御装置は、それぞれの電力負荷と、燃料電池および蓄電装置との間に接続され、それぞれの電力負荷への電流を遮断する遮断器を有し、許容量設定部は、蓄電装置への充放電電流量および蓄電装置の蓄電量に基づいて、複数の電力負荷のそれぞれに供給する電流の許容量を示す基準電圧を設定し、供給制御装置は、それぞれの電力負荷に供給される電流量を示す電圧と、許容量設定部によって設定された基準電圧とを比較することによって、許容量を超えて電流が供給されている電力負荷を判断し、許容量を超えて電流が供給されている電力負荷への電流を遮断器により遮断してよい。

複数の電力負荷の消費電力の履歴を管理する履歴管理部を更に備え、許容量設定部は、履歴管理部によって管理される消費電力の履歴に基づいて、複数の電力負荷によって将来消費される予測電力量を算出し、当該予測電力量と燃料電池が発電する電力量との差に更に基づいて基準電圧を設定してよい。

本発明の第２の形態における電力供給方法は、燃料電池により電力を発電し、電力を消費する複数の電力負荷に供給する段階と、燃料電池による発電電力と、複数の電力負荷によって消費される電力の合計値との差分の電力を充電する蓄電段階と、蓄電段階における蓄電量に基づいて、複数の電力負荷のそれぞれが消費することができる電力の許容量を示す電力許容量を設定する許容量設定段階と、許容量設定段階において設定された電力許容量の範囲内で、複数の電力負荷のそれぞれに電力を供給する供給制御段階とを備える。

本発明の第３の形態によると、複数の住居を備える建造物であって、住居毎に設けられた複数の電力負荷と、住居毎に設けられた複数の燃料電池と、複数の燃料電池による発電電力の合計値と、複数の電力負荷によって消費される電力の合計値との差分の電力により充電される蓄電装置と、蓄電装置の蓄電量に基づいて、複数の電力負荷のそれぞれが消費することができる電力の許容量を示す電力許容量を設定する許容量設定部と、複数の電力負荷のそれぞれに設けられ、許容量設定部によって設定された電力許容量の範囲内で、複数の電力負荷のそれぞれに電力を供給する供給制御装置とを備える。

なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となりうる。

本発明によれば、蓄電池の蓄電残量および燃料電池の発電量に応じた適切な電力量の範囲で、電力負荷が電力を消費することができる。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、この発明の一実施形態に係る電力供給システムを備えた集合住宅１００の一例を示す。集合住宅１００はこの発明における建造物の一例であって、この発明における建造物とは、集合住宅の他に、工場、駅などの、建造された物を含んでよい。

集合住宅１００は、複数の住居（７８ａ〜７８ｃ、以下７８と総称する）を備える。また、それぞれの住居７８には、電力を消費する電力負荷（４８ａ〜４８ｃ、以下４８と総称する）が設けられている。電力供給システムは、それぞれの住居７８の電力負荷４８に電力を供給する。

電力供給システムは、複数の燃料電池（４０ａ〜４０ｃ、以下４０と総称する）、複数の蓄電装置（４４ａ〜４４ｃ、以下４４と総称する）、供給制御装置（４６ａ〜４６ｃ、以下４６と総称する）、並びに、許容量設定部５２および履歴管理部６０を備える。燃料電池４０、蓄電装置４４、および供給制御装置４６は、それぞれの住居７８に設けられている。

燃料電池４０は、水素を消費して電力を発電し、電力負荷４８に供給する。また、それぞれの燃料電池４０は、電力線７２を介していずれの電力負荷４８に対しても電力を供給することができる。なお、燃料電池４０は、例えば固体電解質燃料電池（ＰＥＦＣ）であってよい。また、燃料電池４０は、都市ガス、プロパンガスなどを改質して水素ガスを生成する改質器から供給される水素ガスを燃料として発電してよく、また外部から供給される水素ガスを燃料として発電してもよい。

蓄電装置４４は、複数の燃料電池４０毎に設けられている。蓄電装置４４は、例えば鉛蓄電池などの二次電池であってよく、コンデンサなどであってもよい。そして、蓄電装置４４は、燃料電池４０による発電電力と、複数の電力負荷４８によって消費される電力の合計値との差分の電力により充電される。なお、蓄電装置４４は、いずれの燃料電池４０からの電力によって充電されるように設けられている。具体的には、蓄電装置４４は、複数の燃料電池４０による発電電力の合計値と、複数の電力負荷４８によって消費される電力の合計値との差分の電力により充電される。

許容量設定部５２は、蓄電装置４４の蓄電量に基づいて、複数の電力負荷４８のそれぞれが消費することができる電力の許容量を示す電力許容量を設定する。具体的には、許容量設定部５２は、蓄電装置４４の蓄電量がより小さい場合に、電力許容量をより小さく設定する。なお、許容量設定部５２は、複数の蓄電装置４４に蓄電された蓄電量の合計値に基づいて、電力許容量を設定する。なお、許容量設定部５２は、例えば蓄電装置４４のそれぞれの出力端の電圧に基づいて、蓄電量を検出してよい。

供給制御装置４６は、複数の電力負荷４８のそれぞれに設けられ、許容量設定部５２によって設定された電力許容量の範囲内で、複数の電力負荷４８のそれぞれに電力を供給する。なお、供給制御装置４６は、許容量設定部５２によって設定された電力許容量を電力負荷４８に電力線７２を介して通知して、当該電力許容量の範囲内に消費電力を収めるよう電力負荷４８に指示してもよい。

なお、許容量設定部５２は、更に、燃料電池４０が発電する電力量と、複数の電力負荷４８によって消費される電力量の合計量との差である充電電力量に基づいて、電力許容量を設定する。具体的には、許容量設定部５２は、充電電力量がより大きい場合に、電力許容量をより大きく設定する。また、許容量設定部５２は、蓄電装置４４の蓄電量を、複数の電力負荷４８によって消費される電力量の合計値と燃料電池４０が発電する電力量の合計値との差である放電電力量で割った値がより小さい場合に、電力許容量をより小さく設定してよい。

また、許容量設定部５２は、電力負荷４８のそれぞれの消費電力に基づいて、複数の電力負荷４８毎に電力許容量を設定する。具体的には、許容量設定部５２は、消費電力がより小さい電力負荷４８に対する電力許容量をより小さく設定する。そして、そして、消費電力がより小さい電力負荷４８の消費電力が増加した場合には、当該電力負荷４８よりも消費電力がより大きい電力負荷４８に対する電力許容量を低下させるとともに、当該消費電力が増加した電力負荷４８に対する電力許容量を増加させる。このため、電力供給システムが電力を供給することができる範囲内において、電力供給システムを安定的に運転することができる。

なお、許容量設定部５２は、それぞれの電力負荷４８に供給する電流の許容量を、電力許容量として設定してよい。また、許容量設定部５２は、蓄電装置４４の充放電電流量および蓄電装置４４の蓄電量に基づいて、複数の電力負荷４８のそれぞれに供給する電流の許容量を示す基準電圧を設定してよい。例えば、許容量設定部５２は、蓄電装置４４に蓄電された電荷量の合計値を、電流計５４によって計測される蓄電装置４４の放電電流量で割った値がより小さい場合に、基準電圧をより小さく設定してよい。

なお、供給制御装置４６は、それぞれの電力負荷４８と、燃料電池４０および蓄電装置４４との間に接続され、それぞれの電力負荷４８への電流を遮断する遮断器４５を有する。そして、供給制御装置４６は、それぞれの電力負荷４８が消費する電流量を示す電圧と、許容量設定部５２によって設定された基準電圧とを比較することによって、許容量を超えて電流が供給されている電力負荷４８を判断し、許容量を超えて電流が供給されている電力負荷４８への電流を遮断器４５により遮断する。

履歴管理部６０は、複数の電力負荷４８の消費電力の履歴を管理する。そして、許容量設定部５２は、履歴管理部６０によって管理される消費電力の履歴に基づいて、複数の電力負荷４８によって将来消費される予測電力量を算出し、当該予測電力量と燃料電池４０が発電する電力量との差に更に基づいて基準電圧を設定する。

以上説明したように、本実施形態の電力供給システムによれば、電力負荷４８は、燃料電池４０および蓄電装置４４から柔軟に電力の供給を受けることができる。例えば、本実施形態の電力供給システムは、蓄電装置４４の蓄電量がより多い場合により大きい電力を電力負荷４８に対して許容することができる。また、本実施形態の電力供給システムによれば、それぞれの電力負荷４８の消費電力の上限を一律的に設定するのではなく、電力負荷４８毎に設定することができるので、電力負荷４８はより柔軟に電力の供給を受けることができる。

図２は、供給制御装置４６の構成の一例を示す。電力負荷４８に電力を供給する負荷ライン上に設けられた抵抗Ｒの両端に、負荷電流が流れることにより発生する電圧を検知し、検知した電圧は、許容量設定部５２によって設定された基準電圧とコンパレータ４２によって比較される。検知した電圧が基準電圧よりも大きい場合、遮断器４５によって電力の供給が停止される。したがって、複雑な制御をすることなく、高速に電力を制御することができる。

図３は、電力負荷４８への供給電流と許容電流の一例を示す。時刻ｔ３００においては、電力負荷４８a、電力負荷４８ｂ、および電力負荷４８ｃが消費する電流は、それぞれ２２Ａ、１０Ａ、および４Ａである。この時刻においては、電力負荷４８a、電力負荷４８ｂ、および電力負荷４８ｃに対する許容電流は、それぞれ３０Ａ、１８Ａ、１２Ａであって、許容電流の合計値は６０Ａである。

そして、時刻ｔ３０１から時刻ｔ３０２にかけて、電力負荷４８ｃへの供給電流が４Ａから１０Ａに増加すると、許容量設定部５２は、増加した供給電流に応じて、電力負荷４８ｃへの許容電流を増加させる。図３の例では、時刻ｔ３０１から時刻ｔ３０２にかけて１２Ａから１６Ａに増加させる。同時に、許容量設定部５２は、許容電流の合計値を６０Ａに維持すべく、電力負荷４８ａおよび電力負荷４８ｂへの許容電流を、それぞれ２８Ａおよび１６Ａに低下させる。

以上説明したように、許容量設定部５２は、供給電流がより小さい電力負荷４８に対する許容電流をより小さく設定することによって、より多くの電流が供給されている電力負荷４８に大して大きい電流を許容することができる。したがって、電力負荷４８への消費電力の上限を一律的に定めるのではなく、個々の電力負荷４８の消費電力に応じて柔軟に定めることによって、より柔軟に電力負荷４８のそれぞれの電力を供給することができる。

図４は、履歴管理部６０が格納するデータの一例をテーブル形式で示す。履歴管理部６０は、一日を１時間で分割した時間帯毎の、予め定められた日数における消費電力の平均値を格納する。また、履歴管理部６０は、消費電力の履歴を、平日と、土曜日および日曜日とに分けて管理する。これにより、許容量設定部５２は、電力負荷４８の消費電力の時間発展を適切に予想することができる。なお、履歴管理部６０は、燃料電池４０の発電電力の履歴を管理してもよい。例えば履歴管理部６０は、一日を１時間で分割した時間帯毎の、予め定められた日数における発電電力の平均値を格納してよい。

図５は、充電量および放電量の予測結果の一例を示す。許容量設定部５２は、履歴管理部６０によって管理される消費電力の履歴に基づいて、消費電力の時間発展を予測する。例えば、許容量設定部５２は、予め定められた時間後までの、消費電力の時間発展を予測する。図５の例では、６時間後までの消費電力の予測した一例を示している。

また、許容量設定部５２は、予測した消費電力の時間発展に基づいて、燃料電池４０によって発電されるべき発電電力の時間発展を予測してよい。例えば、許容量設定部５２は、予測した消費電力の時間発展に基づいて、最も高い発電効率で燃料電池４０を運転することができる発電電力の時間発展を求めてもよい。例えば、許容量設定部５２は、消費電力に最も近い電力を供給すべく複数の燃料電池４０を定格で運転した場合における発電電力の時間発展を求めてもよい。他にも、許容量設定部５２は、履歴管理部６０が発電電力の履歴を管理している場合には、当該発電電力の履歴に基づいて、燃料電池４０によって発電される発電電力の時間発展を予測してよい。

そして、許容量設定部５２は、予め定められた時間後までの、消費電力および発電電力の時間発展の予測に基づいて、蓄電装置４４からの充電量および放電量を計算する。図５の例では、６時間後までの、充電量（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）および放電量（Ｄ＋Ｅ）を計算する。そして、許容量設定部５２は、予め定められた時間後までの放電量が、充電量にくらべてより大きい場合に、より低い基準電流量を設定してよい。このため、電力負荷４８の電力需要に対する燃料電池４０の発電電力の過不足の発生を予め検知して、過不足が発生する期間を削減することができる。

以上説明したように、本実施形態の電力供給システムによれば、電力負荷４８は、燃料電池４０および蓄電装置４４から柔軟に電力の供給を受けることができる。また、本実施形態の電力供給システムによれば、電力負荷４８毎に電力の許容量を設定することができるので、それぞれの電力負荷４８はより柔軟に電力の供給を受けることができる。また、発電電力と消費電力の過不足を予め判断して、過不足が生じる期間を削減することができる。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

電力供給システムを備えた集合住宅１００の一例を示す図である。 供給制御装置４６の構成の一例をを示す図である。 電力負荷４８への供給電流と許容電流の一例を示す図である。 履歴管理部６０が格納するデータの一例をテーブル形式で示す図である。 充電量と放電量を予想する一例を示す図である。

符号の説明

４０ 燃料電池
４２ コンパレータ
４４ 蓄電装置
４５ 遮断器
４６ 供給制御装置
４８ 電力負荷
５２ 許容量設定部
５４ 電流計
６０ 履歴管理部
７２ 電力線
７８ 住居
１００ 集合住宅

Claims (10)

1. 電力を発電し、電力を消費する複数の電力負荷に供給する燃料電池による発電電力と、前記複数の電力負荷によって消費される電力の合計値との差分の電力により充電される蓄電装置と、
   前記蓄電装置の蓄電量に基づいて、前記複数の電力負荷のそれぞれが消費することができる電力の許容量を示す電力許容量を設定する許容量設定部と、
   前記複数の電力負荷のそれぞれに設けられ、前記許容量設定部によって設定された電力許容量の範囲内で、前記複数の電力負荷のそれぞれに電力を供給する供給制御装置と
   を備える電力供給システム。
2. 前記燃料電池をさらに備える
   請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記許容量設定部は、前記蓄電装置の蓄電量がより小さい場合に、より小さい電力許容量を設定する
   請求項２に記載の電力供給システム。
4. 前記許容量設定部は、前記蓄電装置の蓄電量を、前記複数の電力負荷によって消費される電力量の合計量と前記燃料電池が発電する電力量との差である放電電力量で割った値がより小さい場合に、より小さい電力許容量を設定する
   請求項１から３のいずれかに記載の電力供給システム。
5. 前記燃料電池は複数設けられており、
   前記蓄電装置は、複数の前記燃料電池毎に設けられており、
   前記許容量設定部は、前記蓄電装置に蓄電された蓄電量の合計値に基づいて、電力許容量を設定する
   請求項１から３のいずれかに記載の電力供給システム。
6. 燃料電池により電力を発電し、電力を消費する複数の電力負荷に供給する段階と、
   前記燃料電池による発電電力と、前記複数の電力負荷によって消費される電力の合計値との差分の電力を充電する蓄電段階と、
   前記蓄電段階における蓄電量に基づいて、前記複数の電力負荷のそれぞれが消費することができる電力の許容量を示す電力許容量を設定する許容量設定段階と、
   前記許容量設定段階において設定された電力許容量の範囲内で、前記複数の電力負荷のそれぞれに電力を供給する供給制御段階と
   を備える電力供給方法。
7. 前記許容量設定段階は、前記蓄電量がより小さい場合に、より小さい電力許容量を設定する
   請求項６に記載の電力供給方法。
8. 前記蓄電段階は、複数の前記燃料電池毎に設けられた蓄電装置に前記差分の電力を充電し、
   前記許容量設定段階は、前記蓄電装置に蓄電された蓄電量の合計値に基づいて、電力許容量を設定する
   請求項６または７に記載の電力供給方法。
9. 複数の住居を備える建造物であって、
   請求項１から５のいずれかに記載の電力供給システムを有し、
   前記複数の電力負荷は、前記住居毎に設けられる
   建造物。
10. 前記燃料電池は、前記住居毎に設けられ、
    前記蓄電装置は、複数の前記燃料電池による発電電力の合計値と、前記複数の電力負荷によって消費される電力の合計値との差分の電力により充電される
    請求項９に記載の建造物。

Images