JP5160608B2

JP5160608B2 - 機器共同運用装置

Info

Publication number: JP5160608B2
Application number: JP2010213417A
Authority: JP
Inventors: 澤俊光熊; 和人久保田; 田雄三玉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: US20120078818A1; US8612362B2; JP2012068916A

Description

本発明の実施形態は、たとえば複数の需要家が蓄電装置を共同利用する際に、蓄電装置に対するコスト負担を各需要家に公平に割り当てる機器共同運用装置に関する。

2007年にIPCC(気候変動に関する政府間パネル)によって、地球温暖化の原因が人間の活動に伴う温室効果ガス排出によるものであることの信頼性がかなり高い(10の内9は正しい)という内容の報告書が発行され、現時点では国際的に最も認められている。さらにこの報告書の中では、現状よりも早急かつ大規模な取り組みが必須であることも指摘されており、地球温暖化対策の重要性が社会的に認知された。

このような状況の下、政府主導により様々な対策が講じられている。その一つとして、風力や太陽光発電などの自然エネルギー導入促進が挙げられる。自然エネルギーは不安定なエネルギー供給源であるため、これが電力系統に接続されると系統の安定化に影響を与える。そこで、不安定なエネルギー源からの供給を安定化するためのバッファとして蓄電装置（蓄電池）が用いられる。

蓄電池のように高価な機器は、複数の主体によって共同利用される形での導入が想定される。蓄電池を共有するシステムに関して提案されてきた従来の方法は、もっぱら蓄電池の効率的利用に焦点があり、そのコスト負担に関する方法は少ない。蓄電池を共有するシステムにおいてコスト負担を割り当てる従来の方法には、電力の使用量や機器の占有時間に応じて課金する方法がある。しかしながら、複数の主体が、蓄電池など劣化が顕著な設備や機器を共有して利用する場合に、各主体の利用状況に応じた機器劣化の影響が考慮されておらず、設備コストの負担配分が不公平であった。

特開2008−29014号公報特開2004−159414号公報特開2009−183086号公報

本発明は、蓄電装置のコスト負担を需要家間で公平に割り当てることを可能とした機器共同運用装置を提供する。

本発明の実施形態としての機器共同運用装置は、設備データベースと、設備劣化影響度計算部と、需要家電力量収集部と、需要家負担コスト計算部と、を備える。

前記設備データベースは、複数の需要家により共有される蓄電装置の導入コスト、および前記蓄電装置の定格寿命を格納する。

前記設備劣化影響度計算部は、前記蓄電装置の運用期間の一部である第1期間における前記蓄電装置の放電率、前記第1期間の終了時の放電深度、および前記第1期間における環境温度のうちの少なくとも1つのパラメータを取得し、取得したパラメータを用いて、前記蓄電装置の劣化影響度を計算する。

前記需要家電力量収集部は、複数の需要家からそれぞれ前記第1期間における消費電力量のデータを収集する。

前記需要家負担コスト計算部は、前記複数の需要家による前記消費電力量の合計に対する需要家毎の前記消費電力量の比率である第1比率と、前記蓄電装置の導入コストと、前記定格寿命に対する前記第1期間の比率である第2比率と、前記劣化影響度を乗算することにより、前記需要家のそれぞれの負担コストを計算する。

本実施形態に係る機器共同運用装置を含む全体システムを示すブロック図である。機器共同運用装置により行われる処理の流れを示すフローチャートである。設備データベースの一例を示す図である。蓄電装置のサイクル寿命特性の一例を示す図である。電力量データベースの一例を示す図である。本実施形態で使用する変数を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図1に、本実施形態に係る機器共同運用装置100を含む全体システムを示すブロック図である。

このシステムは、機器共同運用装置100、電力会社200、共有設備300、N軒の需要家（主体）を含む。Nは2以上の整数である。ここでは、簡単のため、需要家1〜3の3つのみが示されている。図中のブロック間を接続する太線は、電力線であり、二重線は情報線である。

電力会社200は、料金管理サーバ201と、電力系統202とを含む。

電力系統202は、原子力、水力、火力、風力、太陽光、地熱等などの複数の発電手段により発電を行い、送電線を介して、発電電力を、共有設備300に供給する。

料金管理サーバ202は、時間ごとに供給電力の料金（電力単価）を管理する。

需要家1〜3は、それぞれ生活家宅でもよいし、商業ビルでもよいし、1つの商業ビルに入っているテナント群でもよい。

需要家1内には、複数の機器404a、404b、404cが分電部402に接続されている。各機器は、分電部402より電力の供給を受けて、動作する。機器404a、404b、404cは、たとえば照明器、エアコン、テレビなどの電力消費機器である。分電部402は、電力の供給を共有設備300から受ける。需要家消費電力量計測部401は、共有設備300から分電部402へ供給された消費電力量のデータを計測し、計測したデータを、情報線を介して、機器共同運用装置100に通知する。また需要家1内には、情報表示部403が配置されている。情報表示部403の形態は、パソコンのブラウザ画面でもよいし、テレビでもよい。情報表示部403は、機器共同運用装置100から送られるデータを表示する。需要家1内のこれらの要素401、402、403、404a、404b、404cによって、需要家システム400が形成される。

需要家2内にも同様に、複数の機器414a、414b、414c、分電部412、需要家消費電力量計測部411、および情報表示部413が配置され、これらによって需要家システム410が形成される。需要家3内にも同様に、複数の機器424a、424b、424c、分電部422、需要家消費電力量計測部421、および情報表示部423が配置され、これらによって需要家システム420が形成される。

共有設備300は、発電装置301、蓄電装置302、発電電力量計測部305、蓄電装置充放電量計測部306、系統供給電力量計測部307、および配電部308を備える。

発電装置301は、太陽光発電または風力発電等による発電を行う発電手段である。発電電力は、配電部308に送られる。発電装置301は複数の需要家により共同利用される。

蓄電装置302は、鉛蓄電池、NAS蓄電池、リチウムイオン蓄電池等の電力を充放電可能な蓄電池である。蓄電装置302は複数の需要家により共同利用される。蓄電装置302は、充電電力を放電して、配電部308に電力を供給することが可能である。また、蓄電装置302は、配電部308から受ける電力を内部に充電可能である。

発電電力量計測部305は、発電装置301による発電量を計測し、計測したデータを機器共同運用装置100に通知する。

蓄電装置充放電量計測部306は、蓄電装置302で充放電された電力量を計測し、計測したデータを機器共同運用装置100に通知する。また蓄電装置充放電量計測部306は、蓄電装置302の放電深度、放電率、環境温度等のパラメータを取得し、取得したパラメータを機器共同運用装置100に通知する。蓄電装置充放電量計測部306は、これらのパラメータを定期的に（たとえば充放電サイクルの放電終了時（充電開始時）ごと）に取得する。

系統供給電力量計測部307は、電力系統202から配電部308へ供給された電力量を計測する。系統供給電力量計測部307は、計測した電力量のデータを、機器共同運用装置100に送る。

配電部308は、電力系統202、発電装置301、蓄電装置302から受けた電力を各需要家1〜3に、電力線を介して、配送する。また配電部308は、電力系統202および発電装置302から受けた電力のうち、充電に回す電力を、蓄電装置302に供給する。

機器共同運用装置100は、電力料金収集部101、発電電力量収集部102、蓄電装置電力量収集部103、系統電力量収集部104、需要家電力量収集部105、電力量データベース106、設備劣化影響度計算部107、需要家負担コスト計算部108、コスト負担結果出力部109、設備情報入力部110、および設備データベース111を備える。

以下、図2を用いて、図1の機器共同運用装置100が備える各要素の構成および動作を説明する。図2は、機器共同運用装置100による動作の流れを示すフローチャートである。

ステップS1で処理が開始し、「設備情報入力」ステップS2では、機器共同運用装置の設備情報入力部110によって、発電装置301および蓄電装置（蓄電池）302の導入コストと、定格寿命と、劣化加速度係数の計算式と、機器共同運用装置100の運用コストなどが入力される。設備データベース111は、設備情報入力部110により入力された情報を内部に記憶する。設備の導入コストは、設備の購入コストに、種々の条件を考慮した調整値を加えたコストである。

図3に、設備データベース111の内容の一例を示す。

劣化加速度係数とは、寿命に影響を与えるパラメータを用いて、定格運転時より劣化の進み具合がどれくらい進みやすいかを表した係数である。蓄電装置の場合、放電率x、放電深度y、外部温度zなどが寿命に影響を与えるパラメータとなる。パラメータごとに、劣化加速度係数の計算式が定義される。

劣化加速度係数は、たとえば1の値を基準とし、それより値が大きいほど、蓄電装置の劣化の進みが定格使用のときより速いことを意味し、1より小さいほど、定格使用より劣化の進みが遅いことを意味する。たとえば劣化加速度係数が1．5のときは、定格運転のときよりも蓄電装置の劣化進みが1．5倍速いことを意味する。つまり、使用回数が、定格運転の場合の1／1．5倍に、小さくなる。

図3の例では、劣化加速度系数の計算式として、放電率xを用いた計算式0.6*(x-0.3)+1と、放電深度yを用いた計算式0.1(y-90)+1が示されている。

0.6*(x-0.3)+1により計算された劣化加速度系数をX、計算式0.1(y-90)+1により計算される劣化加速度係数をYと記述する。

これらの計算式は、使用する蓄電装置のサイクル寿命特性に基づいて得たものである。図4に蓄電装置のサイクル寿命特性の一例を示す。

図4（A）は、蓄電装置の深度（DOD:Depth Of Discharge）と、劣化加速度係数との関係を示している。放電深度は、蓄電装置の放電状態を示し、蓄電装置の容量（電池容量）の何％まで放電されるかを示す。たとえば放電深度70％といえば、電池容量の70％まで放電され、残り容量が30％であることを意味する。図示のように放電深度90％のとき（電池容量を90％使用した段階で充電を行うとき）、劣化加速度係数は1（他のパラメータが定格運転条件を満たすとする）である。図示の点線グラフを数式化したものが、上述した0.1(y-90)+1に相当する。

図4（B）は、蓄電装置302の放電率と、劣化加速度係数との関係を示している。放電率は、放電時に流す電流の大きさを示し、単位はクーロン（C）である。放電率が0.3のとき、劣化加速度係数は、1（他のパラメータが定格運転条件を満たすとする）である。図示の点線グラフを数式化したものが、上述した0.6*(x-0.3)+1に相当する。

図4（C）は、蓄電装置302の環境温度と、劣化加速度係数との関係を示している。環境温度が約25℃のとき、劣化加速度係数は1（他のパラメータが定格運転条件を満たすとする）であり、環境温度がこの値より大きくなるほど、劣化加速度係数の値も大きくなる。図示の点線グラフに基づき環境温度を用いた劣化加速度係数の計算式を求め、この計算式も、図3の設備データベースに登録してもよい。計算式は、環境温度と、劣化加速度係数とを対応づけて保持し、与えられた環境温度に対して、該当する劣化加速度係数を返すルックアップテーブルでもよい。このことは、放電率または放電深度に対する劣化加速度係数を計算する計算式にも同様に当てはまる。

「電力量計測」ステップS3、及び、「電力料金取得」ステップS4は、一定時間間隔毎（例えば1分間隔）に、データ収集を行う。

より詳細に、「電力量計測」ステップS3では、需要家電力量収集部105が、需要家1〜3の需要家消費電力量計測部401、411、421で当該一定時間間隔の間に計測された電力量を取得する。

また、蓄電装置電力量収集部103が、共有設備300における蓄電装置充放電量計測部306で当該一定時間間隔の間に計測された電力量（充放電量）のデータを取得する。

また、発電電力量収集部102が、共有設備300における発電電力量計測部305で当該一定時間間隔の間に計測された電力量（発電量）のデータを取得する。

また、系統電力量収集部104が、共有設備300における系統供給電力量計測部307で当該一定時間間隔の間に計測された電力量のデータを取得する。

「電力料金取得」ステップS4では、電力料金収集部101が、電力会社の提供する料金管理サーバ201より、当該一定時間間隔の間における電力料金（電力単価）のデータを取得する。

ステップS3,S4で取得されたデータは、電力量データベース106に保存される。

図5に、電力量データベース106の内容の一例を示す。図5の例では1分間隔でデータ収集が行われた例が示される。

「負担コスト計算判断」ステップS5では、需要家負担コスト計算部108が、コスト負担計算を実施するか否かの判断をする。本実施形態では、負担コストの計算単位を蓄電装置の充放電サイクル期間（第1期間）であるとし、蓄電装置が放電後に最初に充電開始した時にコスト負担計算を実施することを決定する。

蓄電装置302の充放電サイクルは、たとえば、蓄電装置302の運用期間（使用期間）において、あらかじめ決められた時間帯に従う。たとえば夜間では充電し、昼間は放電を行う。充電および放電は、それぞれ充電閾値および放電閾値に達するまで、もしくはそれぞれの時間帯が経過するまで行う。充放電サイクルの別の例としては、蓄電装置の容量が放電閾値まで下がったときに充電を開始し、容量が充電閾値に達するまで充電を行うことも可能である。

需要家負担コスト計算部108は、充放電サイクルの充電開始を、共有設備300からの通知により認識し、当該通知を受けたとき、コスト負担計算の実施を決定する。もしくは、あらかじめ定められた時刻になったら、コスト負担計算の実施を決定する。コスト負担計算を実施しないことが決定されたときは、処理フローはステップS3に戻り、コスト負担計算を実施することが決定されたときは、処理フローは、「設備劣化影響度計算」ステップS6に進む。

「設備劣化影響度計算」ステップS6では、設備劣化影響度計算部107が、蓄電装置302の放電深度および放電率のパラメータデータを、蓄電装置電力量収集部103を介して共有設備300から取得する。設備劣化影響度計算部107は、これらのパラメータと、設備データベース111の情報と基に、蓄電装置300の設備劣化影響度を計算する。

蓄電装置の設備劣化影響度とは、ある期間（一充電サイクル期間）の蓄電装置の運転が、定格運転の場合と比較して、どれくらい定格寿命に対する劣化影響があったかを表す数値である。パラメータ毎に計算される劣化加速度係数の乗算値が、設備劣化影響度に相当する（詳細は後述する）。

続く「需要家コスト負担決定」ステップS7では、需要家負担コスト計算部108が、設備劣化影響度計算部107で計算された設備劣化影響度と、電力量データベース106、設備データベース111の情報を基に、各需要家が負担すべきコスト（費用）を算出する。

「コスト負担結果出力」ステップS8では、コスト負担結果出力部109が、各需要家の情報表示部403、413、423を通じてユーザーに、各需要家のコスト負担の値を通知する。

以下、ステップS6,S7の詳細を説明する。ステップS6,S7では、図6で定義する変数を用いて、以下の式（1）〜式（8）により、設備劣化影響度の計算および各需要家の負担コストの計算を行う。

時刻tにおける電力料金Sc(t)は、系統負荷Sp(t)、電力単価Su(t)とすると、以下の式で表される。

系統負荷Sp(t)は、需要家全体負荷Hp(t)、発電装置発電量Pp(t)、蓄電装置放電量Bp(t)とすると、以下の式で表される。

ここで、設備の導入コストを、当該設備の使用期間中に一定金額ずつ需要家間で負担することを想定すると、計算時刻t₀における期間Δtの総コストTc(t₀-Δt、t₀)は、発電装置導入コストPc、発電装置定格寿命Pl、蓄電装置導入コストBc、蓄電装置定格寿命Bl、運用コストOcとすると、以下の式で算出される。

期間Δtは、蓄電装置の充放電サイクル期間であり、t₀は充電開始時刻である。式（3）のΔt／Blは第2比率に対応する。Δt/Plは第3比率に対応する。

総コストTc(t₀-Δt、t₀)を、各需要家で負担することになるため、需要家iの負担コストをhc_i(t₀-Δt、t₀)とすると、以下の式が成立する。

上記の式を成立させるために、各需要家の負担コストを需要家全体負荷Hp(t)の合計に対する需要家負荷hp_i(t)の合計の割合で計算する方法をとると、以下の式が成立する。式（5）の右辺の2つの項のうちの右側の項（Σhp_i(t)/ΣHp(t)）は、複数の需要家による消費電力量の合計に対する需要家毎の消費電力量の比率である第1比率に対応する。

ここで、式（5）は式（3）より、以下のように表現できる。

数式6の右辺末項は、蓄電装置の導入コストを、需要家全体負荷Hp(t)の合計に対する需要家負荷hp_i(t)の合計の割合で負担することを意味している。この項では、劣化が考慮されていないため、放電率

、放電深度

として、単位充放電サイクルΔtにおけるこれらの劣化の影響を考慮すると、蓄電装置の導入コストのコスト負担は以下の式で表現される。すなわち、各需要家iに対する蓄電装置のコスト負担は、式（7）により計算される。

関数fは、放電率を用いて劣化加速度係数Xを算出する式である。関数gは、放電深度を用いて劣化加速度係数Yを算出する式である。

関数fは、図3の設備データベースにおける「0.6*(x-0.3)+1」に対応し、放電率dBp(t) /dt はxに対応する。

また、関数gは、図3の設備データベースにおける「0.1*(y-90)+1」に対応し、放電震度∫Bp(t)はyに対応する。

式（7）における

が、「設備劣化影響度計算」ステップS6で算出する設備劣化影響度である。

上記の例では、蓄電装置の劣化を考慮する際、放電率および放電深度を扱ったが、他の要因として、外部気温なども蓄電装置の劣化に影響する。そこで、外部気温の劣化加速度係数Zを用い、X×Y×Zの計算により、設備劣化影響度を計算してもよい。この場合、外部気温zを引数とした劣化加速度Zの計算式を、設備情報入力部110から入力して、設備データベース111に登録しておく。

以上のように、本実施形態における「需要家コスト負担決定」ステップS7では、最終的に、以下の式に基づいて、各需要家のコスト負担を算出する。

式（8）におけるΣSc(t)・（Σhp_i(t)/ΣHp(t)）は、複数の需要家による消費電力量の合計から蓄電装置の放電量を減算した値（上記Sp(t)の計算式を参照）に、電力単価Su(t)と、上記第1比率（Σhp_i(t)/ΣHp(t)）を乗算して得られる値に対応する。

式（8）におけるPc・(Δt/Pl)・(Σhp_i(t)/ΣHp(t)）は、発電装置の導入コストPcと、発電装置の定格寿命Plに対する第1期間Δtの比率である第3比率(Δt/Pl)と、上記第1比率（Σhp_i(t)/ΣHp(t)）とを乗算して得られる値に対応する。

以上、本実施形態によれば、複数の需要家によって共有される機器（特に蓄電装置）において、各需要家による使用量や劣化に与えた影響を加味して、各需要家のコスト負担を調整することができる。よって、各需要家間で、公平なコスト負担が実現される。

なお以上に説明した図1の機器共同運用装置は、例えば、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウエアとして用いることでも実現することが可能である。すなわち、図1の装置が備える各要素は、各要素の処理を行う指示を記述したプログラムをコンピュータに実行させることにより実現してもよい。このとき、機器共同運用装置は、上記のプログラムをコンピュータ装置にあらかじめインストールすることで実現してもよいし、ハードディスク、メモリ装置、光ディスク等の記憶媒体に記憶して、あるいはネットワークを介して上記のプログラムを配布して、このプログラムをコンピュータ装置に適宜インストールすることで実現してもよい。また、電力量データベースおよび設備データベースは、上記のコンピュータ装置に内蔵あるいは外付けされたメモリ、ハードディスクもしくはCD−R、CD−RW、DVD−RAM、DVD−Rなどの記憶媒体などを適宜利用して実現することができる。

Claims

複数の需要家により共有される蓄電装置の導入コスト、および前記蓄電装置の定格寿命を格納する設備データベースと、
前記蓄電装置の運用期間の一部である第１期間における時刻毎の前記蓄電装置の放電率、前記第１期間における時刻毎の放電深度、および前記第１期間における時刻毎の環境温度のうちの少なくとも１つのパラメータを取得し、前記取得したパラメータに応じて前記時刻毎の前記蓄電装置の設備劣化影響度を計算する設備劣化影響度計算部と、
複数の需要家からそれぞれ前記第１期間における消費電力量のデータを収集する需要家電力量収集部と、
時刻毎における前記複数の需要家による前記消費電力量の合計に対する前記需要家毎の前記消費電力量の比率である第１比率と、前記蓄電装置の導入コストと、前記定格寿命に対する前記第１期間の比率である第２比率と、前記時刻毎の前記設備劣化影響度とに基づき、前記第１期間において前記需要家の個々が与えた蓄電装置への劣化影響が反映された、前記蓄電装置の導入コストに対する需要家毎の負担コストを計算する需要家負担コスト計算部と、
を備えた機器共同運用装置。
前記設備データベースは、放電率と劣化加速度係数間の関係式、放電深度と劣化加速度係数間の関係式、環境温度と劣化加速度係数間の関係式のうちの少なくとも１つを格納し、
前記設備劣化影響度計算部は、前記設備データベースに基づき、取得したパラメータに対応する劣化加速係数をそれぞれ計算し、計算した劣化加速度係数を互いに乗算することにより、前記劣化影響度を求める
ことを特徴とする請求項１に記載の機器共同運用装置。
前記第１期間は、前記蓄電装置の運用期間における各充放電サイクルのそれぞれに相当する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の機器共同運用装置。
前記需要家毎に計算された前記負担コストを各前記需要家に通知する出力部
をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の機器共同運用装置。
電力会社のサーバから前記第１期間における電力単価のデータを収集する電力料金収集部と、
前記第１期間において前記蓄電装置の放電量のデータを収集する蓄電装置電力量収集部と、
をさらに備え、
前記需要家負担コスト計算部は、時刻毎の前記複数の需要家による前記消費電力量の合計から前記蓄電装置の時刻毎の放電量を減算した値と、時刻毎の前記電力単価と、時刻毎の前記第１比率とに基づき、前記第１期間における前記需要家毎の電気料金を計算し、前記電気料金を前記蓄電装置の導入コストに対する需要家毎の負担コストに加算し、
前記出力部は、加算後の負担コストを前記需要家に通知する
ことを特徴とする請求項４に記載の機器共同運用装置。
前記第１期間において、前記複数の需要家により共有される発電装置の発電量のデータを収集する発電電力量収集部をさらに備え、
前記設備データベースは、前記発電装置の導入コスト、および前記発電装置の定格寿命を格納し、
前記需要家負担コスト計算部は、前記発電装置の導入コストと、前記発電装置の定格寿命に対する前記第１期間の比率である第３比率と、前記第１比率に基づき、前記第１期間における前記発電装置の導入コストに対する需要家毎の負担コストを計算し、前記発電装置の導入コストに対する前記需要家毎の負担コストを前記蓄電装置の導入コストに対する需要家毎の負担コストにさらに加算する
ことを特徴とする請求項５に記載の機器共同運用装置。