JP6569170B2

JP6569170B2 - 独立電源システム及び独立電源システムの制御方法

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Publication number: JP6569170B2
Application number: JP2014176523A
Authority: JP
Inventors: 真実大井; 伊藤　仁司; 仁司伊藤; 幸一津▲崎▼; 元成横田; 憲秀關藤
Original assignee: Nisshinbo Holdings Inc; Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc; Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP2016052192A

Description

本発明は、独立電源システム及び独立電源システムの制御方法に関する。

太陽光発電装置と蓄電池と燃料電池とを用いた独立電源システムが知られている。このような独立電源システムは、例えば山奥や離島などの無電源地帯において、気象観測装置や通信装置などの電源として用いられている。そして、一般的に独立電源システムは、無人状態で運用される場合が多く、設置後に運用が開始されるとバッテリーの交換時期まで、メンテナンスが行われずに使用される。

特許文献１には、例えば、家屋等の建物に設置された太陽光発電システムと、自然エネルギー量予測装置を備えた管理センタと、自然エネルギーである日射量に影響を与える気象現象に関する各種気象データを提供する気象データ提供センタとを有して構成することが開示されている。そして、特許文献１に記載の技術では、管理センタが、気象データ提供センタから得たデータを用いて日射量を予測し、太陽光発電システムが管理センタから提供を受けた予測情報を用いて発電量を計算する。

特開２０１４−２１５５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、気象データ提供センタから気象データを購入する必要がある。このように特許文献１に記載の技術では、自然エネルギー量予測装置で予測された予測値を用いて太陽光発電システムを運用するため、運用にコストがかかる。このため、特許文献１に記載の技術を用いて独立電源システムを制御した場合、独立電源システムの運用にコストがかかるという課題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、運用コストを低減することができる独立電源システム及び独立電源システムの制御方法を提供することを目的とする。

上述の課題を鑑み、本発明の一態様による独立電源システムは、日射量を計測する日射計と、燃料電池と、蓄電池と、太陽光によって電力を発電し負荷に供給可能な太陽光発電部と、前記日射計から取得した前記日射量に基づいて、前記燃料電池からの電力の前記負荷への供給を行うか否かを制御する制御部とを有し、前記制御部は、現在の前記蓄電池の充電量が予め定められた最小蓄電池充電量未満である場合には、前記燃料電池をオンにし、一方、現在の前記蓄電池の充電量が前記最小蓄電池充電量以上である場合には、日の出後の予測対象時刻における日射強度を算出し、算出された日射強度から予測発電電力を算出し、予め記憶された時刻毎の負荷データに基づいて前記予測対象時刻における予測消費電力を算出し、算出された予測発電電力と予測された予測消費電力との差を前記予測対象時刻における前記蓄電池の充電量に加算し、当該加算された後の充電量が予め定められた最大蓄電池充電量以上である場合には、前記燃料電池をオフし、前記加算された後の充電量が前記最大蓄電池充電量未満である場合には、前記燃料電池をオンにし、前記制御部は、前記燃料電池をオンにする場合には、前記燃料電池からの電力を前記負荷へ供給する独立電源システムである。

また、本発明の一態様に係る独立電源システムにおいて、前記制御部は、前記日射量を用いて、日の出後の昼間の予測時刻（ｔｘ）の日射強度Ｂ（ｔｘ）を、次式の計算によって予測し、
Ｂ（ｔｘ）＝Ａ（ｔｘ）×ＳＢ（ｔｏ）／ＳＡ（ｔｏ）
（ただし、Ａ（ｔｘ）は昼間の予測時刻（ｔｘ）における理想晴天時日射強度、ＳＢ（ｔｏ）は日の出から現在（ｔｏ）までの実測日射強度の合計値、ＳＡ（ｔｏ）は日の出から現在（ｔｏ）までの理想晴天時日射強度（計算値）の合計値）
算出した前記日射強度Ｂ（ｔｘ）を用いて次式にて予測発電電力Ｅ（ｔｘ）を計算し、Ｅ（ｔｘ）＝ＰＶ定格×ε（Ｂ（ｔｘ））
（ただし、ＰＶ定格は、太陽光発電部における最大発電電力、ε（Ｂ（ｔｘ））は日射強度がＢ（ｔｘ）のときの最大発電効率）
前記計算した予測発電電力Ｅ（ｔｘ）に基づいて、前記燃料電池からの電力の前記負荷への供給を制御するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る独立電源システムは、前記太陽光発電部によって発電された電力が充電される蓄電池、を備え、前記制御部は、前記計算した予測発電電力Ｅ（ｔｘ）に基づいて、前記蓄電池へ前記太陽光発電部によって発電された電力を充電するように制御し、前記計算した予測発電電力Ｅ（ｔｘ）と前記蓄電池に充電される容量とに基づいて、前記負荷に前記充電された電力を供給するように制御するようにしてもよい。

また、本発明の一態様による独立電源システムの制御方法は、日射量を計測する日射計と、燃料電池と、蓄電池と、太陽光によって電力を発電し負荷に供給可能な太陽光発電部と、前記日射計から取得した前記日射量に基づいて前記燃料電池からの電力の前記負荷への供給を行うか否かを制御する制御部とを有する独立電源システムにおける独立電源システムの制御方法であって、前記制御部は、現在の前記蓄電池の充電量が予め定められた最小蓄電池充電量未満である場合には、前記燃料電池をオンにし、一方、現在の前記蓄電池の充電量が前記最小蓄電池充電量以上である場合には、日の出後の予測対象時刻における日射強度を算出し、算出された日射強度から予測発電電力を算出し、予め記憶された時刻毎の負荷データに基づいて前記予測対象時刻における予測消費電力を算出し、算出された予測発電電力と予測された予測消費電力との差を前記予測対象時刻における前記蓄電池の充電量に加算し、当該加算された後の充電量が予め定められた最大蓄電池充電量以上である場合には、前記燃料電池をオフし、前記加算された後の充電量が前記最大蓄電池充電量未満である場合には、前記燃料電池をオンにし、前記制御部は、前記燃料電池をオンにする場合には、前記燃料電池からの電力を前記負荷へ供給する独立電源システムの制御方法である。

本発明によれば、独立電源システムの運用コストを低減することができる。

本実施形態に係る独立電源システムのブロック図である。大気透過率における月毎のＰ_Ｏ及びａの値の例を説明する図である。本実施形態に係る理想晴天時日射強度と日射強度を説明する図、及び太陽光発電装置による発電量、負荷に供給される電力、不足電力、余剰電力を説明する図である。本実施形態に係る制御部が行う処理手順のフローチャートである。

まず、本発明の概要を説明する。
本実施形態における独立電源システムは、後述するように太陽光発電装置、燃料電池、及び蓄電池を含んで構成される。蓄電池には、太陽光発電装置によって発電された電力のうち余剰分が充電され、充電された電力が、例えば太陽光発電が行えない夜間などに使用される。

そして、蓄電池に充電された電力だけでは夜間などに負荷の消費電力を賄えない場合、燃料電池から負荷に電力が供給される。燃料電池は、電力使い切った場合に燃料を補給する必要がある。太陽光による発電量が負荷に対して十分な場合、燃料電池の使用を停止することで燃料の持ちが良くなるので、燃料を交換するまでの期間を延ばすことができる。
このため、本実施形態では、負荷による消費電力と、太陽光による発電量との差分を予測し、この予測に基づいて燃料電池を制御する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る独立電源システム１のブロック図である。図１に示すように、独立電源システム１は、太陽光発電装置１０、燃料電池２０、日射計３０、制御部４０、記憶部５０、計時部６０、及び蓄電池７０を含んで構成される。太陽光発電装置１０、燃料電池２０、及び蓄電池７０は、母線８０に接続される。

太陽光発電装置１０は、太陽光を受けて電力を生成し、生成した電力を母線８０に供給する。太陽光発電装置１０は、例えば、太陽電池、電圧変換部を含んで構成される。太陽電池は、太陽の光エネルギーを電力（直流）に変換し、変換した電力を電圧変換部に出力する。電圧変換部は、太陽電池によって発電された電力の電圧値を負荷に合わせた電圧値に変換する。なお、太陽電池の最大発電量は、例えば負荷の消費電力の２倍程度である。このように容量を設定しておくことで、日中の日射量が多い期間、発電された電力は、負荷に供給し、かつ余剰な電力を発生させることができる。

燃料電池２０は、制御部４０の制御に応じて発電の開始と停止とが行われる。燃料電池２０は、発電した電力（直流）を母線８０に供給する。例えば蓄電池に充電された電力を夜間使用する場合、充電された容量が負荷の消費電力より少ないときに、燃料電池の電力が使用される。なお、母線８０に供給される電圧値は、負荷に合わせた電圧値である。
日射計３０は、日射量を測定し、測定した日射量を示す値を制御部４０に出力する。

制御部４０は、記憶部５０に記憶されている情報と計時部６０が計時した計時結果とを用いて理想晴天時全天日射量Ａを算出する。制御部４０は、算出した理想晴天時全天日射量Ａ、及び日射計から入力された日射量を示す値を用いて、任意の時刻（ｔｘ）における日射強度Ｂ（ｔｘ）を算出する。制御部４０は、日射強度Ｂ（ｔｘ）に基づいて、当日の太陽光による最大発電電力である予測発電電力Ｅ（ｔｘ）を時系列的に算出する。制御部４０は、算出した予測発電電力Ｅ（ｔｘ）に基づいて、燃料電池２０の使用開始と使用停止の制御、及び蓄電池７０の充電と放電の制御を行う。なお、理想晴天時全天日射量とは、雲や塵などの影響を受けない晴天時の全天日射量である。また、全天日射量とは、地表面が受け取るすべての太陽光の量である。制御部４０は、発電された電力を、母線８０を介して負荷に供給し、発電された電力に余剰分がある場合、蓄電池７０に供給して充電するように制御する。また、制御部４０は、燃料電池２０から電力を負荷に供給する時間が連続するように、後述するように太陽光発電装置１０の発電量と蓄電池７０の残容量とに基づいて制御する。

記憶部５０には、独立電源システム１に接続される負荷の消費電力が記憶されている。記憶部５０には、太陽光発電装置１０が有する太陽電池の発電量などに関する定格を示す情報が記憶されている。記憶部５０には、理想晴天時全天日射量Ａ、日射強度Ｂ（ｔｘ）、及び予測発電電力Ｅ（ｔｘ）を算出するために必要な各種の情報が記憶されている。各種の情報については後述する。記憶部５０には、独立電源システム１が設置される場所の日照時間に関する情報、設置される場所の情報（緯度、経度）が記憶されている。ここで、日照時間に関する情報とは、十二ヶ月の各月または１年間の各日の日の出時刻及び日没時刻（日の入り時刻）を示す情報である。

計時部６０は、発振部を有し、発振部が発振した発振信号である基準クロックの計時を行う。計時部６０は、計時した計時結果を制御部４０に出力する。なお、計時結果は、日時を表す情報であってもよい。
蓄電池７０は、制御部４０の制御に応じて、母線８０から供給を受けた電力を充電し、または充電された電力を母線８０に供給する。なお、蓄電池７０の容量は、例えば負荷の消費電力量の半分程度である。
母線８０に供給された電力は、負荷に供給される。

＜理想晴天時全天日射量＞
次に、制御部４０が行う理想晴天時全天日射量Ａの計算手法について説明する。
制御部４０は、独立電源システム１の設置場所における大気外日射強度を算出する。なお、独立電源システム１の設置場所における大気外日射強度Ｉｏは、予め記憶部５０に記憶させておいてもよい。大気外日射強度Ｉｏは、大気外における日射強度である。制御部４０は、記憶部５０に記憶されている独立電源システム１の設置場所の緯度と経度、任意に日時における太陽の赤緯、地心太陽距離、均時差、太陽定数を用いて周知の手法により大気外日射強度Ｉｏを算出する。
また、制御部４０は、記憶部５０に記憶されている情報を用いて、補正パラメータとして大気透過率Ｐを次式（１）により算出する。

大気透過率Ｐ＝Ｐ_０＋ａ（ｔ［時刻］−１２）^２ …（１）

式（１）において、Ｐ_Ｏは季節的に変動する定数、ａは時刻によって変動する定数である。ｔは時刻であり、０から２４の値である。月毎のＰ_Ｏ及びａの値の例を図２に示す。図２は、大気透過率Ｐにおける月毎のＰ_Ｏ及びａの値の例を説明する図である（参考文献１参照）。

（参考文献１）「建築設備基礎」、木村健一、国際人間環境研究所、２００９年、ｐ２６５、https://setukiso.googlecode.com/files/Setukiso_vers.0.8.0.pdf（２０１４年５月１２日検索）

次に、制御部４０は、理想晴天時全天日射量Ａを、次式（２）を用いて算出する。

理想晴天時全天日射量Ａ＝斜面直達日射量＋斜面散乱日射量＋斜面反射日射量 …（２）

式（２）において斜面直達日射量は、次式（３）のように水平面直達日射量と斜面への入射角の余弦との積で表され、斜面反射日射量は、次式（４）のように表され、斜面反射日射量は、次式（５）のように表される。

斜面直達日射量＝水平面直達日射量×ｃｏｓ（太陽光斜面入射角）／ｃｏｓ（π／２−太陽高度） …（３）

斜面散乱日射量＝水平面散乱日射量×（１＋ｃｏｓ（斜面傾斜角））／２ …（４）

斜面反射日射量＝（水平面直達日射量＋水平面散乱日射量）×アルベド（ａｌｂｅｄｏ）×（１−ｃｏｓ（斜面傾斜角））／２ …（５）

式（５）において、アルベド（ａｌｂｅｄｏ）とは、全天日射量に対する地表反射光の比である。また、式（３）において、太陽光斜面入射角とは、斜面への太陽光の入射角であり、次式（６）のように表される。

太陽光斜面入射角＝ａｒｃｃｏｓ（ｓｉｎ（太陽高度）ｃｏｓ（斜面傾斜角）＋ｃｏｓ（太陽高度）ｃｏｓ（太陽方位角）ｓｉｎ（斜面傾斜角）ｃｏｓ（斜面方位角）＋ｃｏｓ（太陽高度）ｓｉｎ（太陽方位角）ｓｉｎ（斜面傾斜角）ｓｉｎ（斜面方位角）） …（６）

式（６）において、斜面傾斜角、斜面方位角、地点標高については設置個所の条件に基づく数値を用いる。また、式（６）において、太陽方位角は、次式（７）のように、ｃｏｓＡが０以上の場合、太陽方位角はａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎＡ）であり、ｃｏｓＡが負の場合かつｓｉｎＡが０以上の場合、太陽方位角はπ−ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎＡ）であり、ｃｏｓＡが負の場合かつｓｉｎＡが負の場合、太陽方位角は−（ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎＡ）＋π）である。

太陽方位角＝ＩＦ（ｃｏｓＡ＞＝０，ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎＡ），
ＩＦ（ｓｉｎＡ＞＝０，π−ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎＡ），−（ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎＡ）＋π））） …（７）

なお、式（７）において、ｃｏｓＡは次式（８）のように表され、ｓｉｎＡは次式（９）のように表される。

ｃｏｓＡ＝（ｓｉｎ（太陽高度）ｓｉｎ（緯度）−ｓｉｎ（太陽赤緯））／（ｃｏｓ（太陽高度）×ｃｏｓ（緯度）） …（８）

ｓｉｎＡ＝ｃｏｓ（太陽赤緯）ｓｉｎ（時角）／ｃｏｓ（太陽高度） …（９）

また、式（３）、式（５）において、水平面直達日射量は、次式（１０）のように表される。

水平面直達日射量＝大気圏外水平面日射量×地点大気透過係数 …（１０）

式（１０）において、大気圏外水平面日射量は、地球の大気圏外で受け取る太陽からの輻射エネルギーであり太陽定数の水平面成分として次式（１１）のように表される。なお、式（４）における斜面傾斜角、式（１０）における地点大気透過係数は、設置される地点特有のものであり、また、季節、時刻による変動もある。太陽定数は１３６７［Ｗ／ｍ^２］である。なお、式（４）、式（６）において斜面傾斜角とは、水平面に対して傾斜している角度である。

大気圏外水平面日射量＝太陽定数×太陽軌道距離比^−２×ｓｉｎ（太陽高度） …（１１）

ただし、太陽高度が０未満の場合、大気圏外水平面日射量は０である。また、式（１１）において、太陽軌道距離比は、次式（１２）のように表される。

太陽軌道距離比＝１／（１．０００１１＋０．０３４２２１×ｃｏｓ（ωｊ）＋０．００１２８×ｓｉｎ（ωｊ）＋０．０００７１９×ｃｏｓ（２ωｊ）＋０．００００７７×ｓｉｎ（２ωｊ））^0.5） …（１２）

なお、式（１２）においてωｊは、次式（１３）のように表される。

ωｊ＝太陽軌道角＝２π×通算日／３６５（ただし閏年の場合３６６） …（１３）

式（１３）において、通算日は、その年の１月１日０時０分からの日時分（日換算）であり、例えば１月２日１２時ならば１．５となる。また、式（１１）において、太陽高度は、次式（１４）のように表される。

太陽高度＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（緯度）×ｓｉｎ（太陽赤緯）＋ｃｏｓ（緯度）×ｃｏｓ（太陽赤緯）×ｃｏｓ（時角）） …（１４）

また、式（１４）において、太陽赤緯は、次式（１５）のように表される。

太陽赤緯＝（０．３３２８１−２２．９８４×ｃｏｓ（ωｊ）−０．３４９９×ｃｏｓ（２ωｊ）−０．１３９８×ｃｏｓ（３ωｊ）＋３．７８７２×ｓｉｎ（ωｊ）＋０．０３２５×ｓｉｎ（２ωｊ）＋０．０７１８７×ｓｉｎ（３ωｊ））×π／１８０ …（１５）

また、式（１４）において、時角は、次式（１６）のように表される。なお、式（１６）において、標準時は、時刻であり、３０分刻みである場合、０，０．５，１．０，１．５〜２３．０，２３．５［時］である。

時角＝（標準時−１２＋時差＋均時差）×π／１２ …（１６）

また、式（１６）における緯度、経度については設置個所の条件に基づく数値用いる。
また、式（１６）において、時差は次式（１７）のように表され、均時差は次式（１８）のように表される。

時差＝（経度−１３５）／１５＝−０．０２９５［時］ …（１７）

均時差＝０．００７２×ｃｏｓ（ωｊ）−０．０５２８×ｃｏｓ（２ωｊ）−０．００１２×ｃｏｓ（３ωｊ）−０．１２２９×ｓｉｎ（ωｊ）−０．１５６５×ｓｉｎ（２ωｊ）−０．００４１×ｓｉｎ（３ωｊ） …（１８）

また、式（４）及び式（５）において、水平面散乱日射量は、ベルラーゲ（Ｂｅｒｌａｇｅ）の式により次式（１９）のように表される。

水平面散乱日射量＝０．５×太陽軌道距離比^２×太陽定数×ｓｉｎ（太陽高度）×（１−大気透過率^{地点通過大気質量}）／（１−１．４×ｌｎ（大気透過率）） …（１９）

ただし、日没後の水平面散乱日射量は０とする。式（１９）において、地点通過大気質量は、次式（２０）のように表される。

地点通過大気質量＝（１／（ｓｉｎ（太陽高度）＋０．１５×（太陽高度＋３．８８５）^{−１．２５３}））×（１−地点標高［ｍ］／４４３０８）^{５．５２７} …（２０）

＜当日の日没までの太陽光発電量の予測方法の説明＞
制御部４０は、日の出後の昼間の任意の時刻（ｔｘ）の日射強度Ｂ（ｔｘ）［ｋＷ／ｍ^２］を、次式（２１）の計算によって予測する。

Ｂ（ｔｘ）＝Ａ（ｔｘ）×ＳＢ（ｔｏ）／ＳＡ（ｔｏ） …（２１）

式（２２）において、Ａ（ｔｘ）は、昼間の予測時刻（ｔｘ）における理想晴天時日射強度（計算値）［ｋＷ／ｍ^２］、ＳＢ（ｔｏ）は、日の出から現在（ｔｏ）までの実測日射強度の合計［ｋＷｈ／ｍ^２］、ＳＡ（ｔｏ）は、日の出から現在（ｔｏ）までの理想晴天時日射強度（計算値）の合計［ｋＷｈ／ｍ^２］である。制御部４０は、計時部６０の計時結果に基づいて、独立電源システム１が設置されている場所における当日の日の出時刻及び日没時刻を示す情報を記憶部５０から読み出して計算に用いる。なお、制御部４０は、記憶部５０に記憶されている当日の太陽高度を用いて、当日の日の出時刻と日没時刻とを算出するようにしてもよい。

式（２２）において、αは、独立電源システム１を最適に運用できるようにあらかじめ決定した数値（０＜α＜１）である。
次に、制御部４０は、式（２１）または式（２２）で算出した日射強度Ｂ（ｔｘ）を用いて次式（２３）にて予測発電電力Ｅ（ｔｘ）を計算する。

Ｅ（ｔｘ）＝ＰＶ定格×ε（Ｂ（ｔｘ）） …（２３）

式（２３）において、ＰＶ定格は、太陽光発電装置１０における太陽電池のパネル温度２５℃、日射強度１ｋＷ／ｍ^２のときの最大発電電力であり、ε（Ｂ（ｔｘ））は、日射強度がＢ（ｔｘ）のときの最大発電効率であり、これらは例えば実測によって予め決定しておく。

図３は、本実施形態に係る理想晴天時日射強度と日射強度を説明する図、及び太陽光発電装置１０による発電量、負荷に供給される電力、不足電力、余剰電力を説明する図である。図３（ａ）は、理想晴天時日射強度と日射強度を説明する図であり、図３（ｂ）は、太陽光発電装置１０による発電量、負荷に供給される電力、不足電力、余剰電力の一例を説明する図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す例では、日の出時刻が６時であり、日没時刻（日の入り時刻）が１８時である。図３（ａ）において、横軸は時刻であり、縦軸は日射強度である。図３（ｂ）において、横軸は時刻であり、縦軸は電力である。

図３（ａ）において、曲線ｇ１０１は、理想晴天時日射強度であり、符号ｇ１１１が示す領域は、各時刻まで積分した値が式（２１）における日の出から現在（ｔｏ）までの理想晴天時日射強度の合計値を示す。また、曲線ｇ１０２は、日射強度であり、符号ｇ１１２が示す領域は、各時刻まで積分した値が式（２１）における日の出から現在（ｔｏ）までの実測日射強度の合計値を示す。制御部４０は、式（２１）を用いて曲線ｇ１０１と曲線ｇ１０２との比を算出することで、０時から２４時の間の任意の時間（ｔｘ）の日射強度Ｂ（ｔｘ）を予測する。制御部４０は、この予測を、例えば、３０分毎に行う。

図３（ｂ）において、曲線ｐ１０２は、予測発電電力であり、太陽光発電装置１０による発電量に相当する。鎖線ｐ１２１は、負荷の消費電力を表している。符号ｐ１３１が示す領域は、時刻６時から時刻１８時までの間に、太陽光発電装置１０によって発電された電力のうち、負荷に供給される電力を示す。符号ｐ１３２及び符号ｐ１３３が示す領域は、時刻６時から時刻８時、時刻１５時から時刻１８時の間、負荷に供給される電力のうち、太陽光発電装置１０によって発電された電力の不足分を表す。符号ｐ１３４が示す領域は、時刻８時から時刻１６時までの間に、太陽光発電装置１０によって発電された電力のうち、負荷に供給した余剰電力を表す。
すなわち、図３（ｂ）に示す例では、時刻６時から時刻８時までの期間、及び時刻１６時から時刻１８時までの期間は、太陽光発電装置１０によって発電された電力だけでは、負荷に供給する電力が不足していることを表している。そして、時刻８時から時刻１６時の期間は、太陽光発電装置１０によって発電された電力のみで、負荷に電力を供給できることを表している。また、時刻８時から時刻１６時の期間は、発電された電力のうち、負荷に供給した残りの電力が余剰電力となることを表している。制御部４０は、太陽光発電装置による発電量を予測することで、不足分を他の電力から供給するように制御し、余剰分を蓄電池７０に充電するように制御する。

次に、制御部４０が行う処理手順を説明する。図４は、本実施形態に係る制御部４０が行う燃料電池制御を含む処理手順のフローチャートである。
まず、図４における用語について定義する。ｔｘ,ｔｙは予測時刻、ｔｏは現在時刻、Δｔは制御時間間隔、ＳＯＣ（ｔｏ）は現在の蓄電池７０の充電量（以下、蓄電池充電量という）、ＳＯＣ（ｔｘ）は予測時刻ｔｘの予測蓄電池充電量である。ＳＯＣ（ｔｙ）は予測時刻ｔｙの予測蓄電池充電量である。また、ＳＯＣｍｉｎは予め記憶部５０に記憶されている蓄電池７０の最小の充電量（以下、最小蓄電池充電量という）、ＳＯＣｍａｘは予め記憶部５０に記憶されている蓄電池７０の最大の充電量（最大蓄電池充電量）、ＳＥ（ｔｘ）は現在から予測時刻（ｔｘ）までの予測最大発電電力量、ＳＥ（ｔｙ）は現在から予測時刻（ｔｙ）までの予測最大発電電力量、ＳＬ（ｔｘ）は現在から予測時刻（ｔｘ）までの予測消費電力量、ＳＬ（ｔｙ）は現在から予測時刻（ｔｙ）までの予測消費電力量である。
μｃは蓄電池７０の母線８０からの充電効率、μｄは蓄電池７０の母線８０への放電効率であり、あらかじめ実験値等から設定し記憶部５０に記憶しておくものである。

（ステップＳ１１）制御部４０は、計時部６０から取得した計時情報に基づいて現在時刻ｔｏを算出し、蓄電池７０の現在の蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｏ）を取得する。次に、制御部４０は、予測時刻ｔｘに現在時刻ｔｏを設定し、予測時刻ｔｘの蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｘ）に現在の蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｏ）を設定する。

（ステップＳ１２）制御部４０は、予測時刻ｔｘの蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｘ）が最小蓄電池充電量ＳＯＣｍｉｎより上であるか否かを判別する。制御部４０は、予測時刻ｔｘの蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｘ）が最小蓄電池充電量ＳＯＣｍｉｎより上であると判別した場合（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進み、予測時刻ｔｘの蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｘ）が最小蓄電池充電量ＳＯＣｍｉｎより上ではないと判別した場合（ステップＳ１２；ＮＯ）、ステップＳ２２に進む。

（ステップＳ１３）制御部４０は、予測時刻ｔｘが現在時刻ｔｏに２４時間を足した値未満であるか否かを判別する。制御部４０は、予測時刻ｔｘが現在時刻ｔｏに２４時間を足した値未満であると判別した場合（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進み、予測時刻ｔｘが現在時刻ｔｏに２４時間を足した値以上であると判別した場合（ステップＳ１３；ＮＯ）、ステップＳ２２に進む。なお、ステップＳ１３の処理では、現在時刻ｔｏから２４時間分の予測処理が終わったか否かを判別している。

（ステップＳ１４）制御部４０は、予測時刻ｔｘに制御時間間隔Δｔを加算した値を、予測時刻ｔｙに代入する。制御時間間隔Δｔは、例えば３０分である。

（ステップＳ１５）制御部４０は、予測時刻ｔｘから予測時刻ｔｙまでの予測最大発電電力量を式（２１）または、式（２２）を用いて計算し、それぞれＳＥ（ｔｘ）、ＳＥ（ｔｙ）を得る。また、記憶部５０に記憶されている時刻ごとの負荷データにより、現在から予測時刻ｔｘ、あるいは予測時刻ｔｙまでにおける予測消費電力量ＳＬ（ｔｘ）、ＳＬ（ｔｙ）を算出する。そして、制御部４０は、得られた予測最大発電電力量ＳＥ（ｔｘ）、ＳＥ（ｔｙ）から、差分ＳＥ（ｔｙ）−ＳＥ（ｔｘ）を算出して差分ΔＳＥを算出するとともに、予測消費電力量ＳＬ（ｔｘ）、ＳＬ（ｔｙ）から、差分ＳＬ（ｔｙ）−ＳＬ（ｔｘ）を算出して差分ΔＳＬを算出する。

（ステップＳ１６）制御部４０は、ステップＳ１５で計算した差分ΔＳＥの値と差分ΔＳＬの値を比較し、差分ΔＳＥの値が差分ΔＳＬの値以上の場合（ステップＳ１６；ＹＥＳ）ステップＳ１７へ進み、差分ΔＳＥの値が差分ΔＳＬ未満の場合（ステップＳ１６；ＮＯ）ステップＳ１８へ進む。

（ステップＳ１７）制御部４０は余剰電力すなわち差分ΔＳＥ−差分ΔＳＬの値に充電効率μｃをかけた値をＳＯＣ（ｔｘ）に足し、その値をＳＯＣ（ｔｙ）とする。
（ステップＳ１８）制御部４０は不足電力すなわちΔＳＬ−ΔＳＥの値を放電効率で割った値をＳＯＣ（ｔｘ）から引いてその値を予測時刻ｔｙの予測蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｙ）とする。

（ステップＳ１９）制御部４０は予測時刻ｔｙを予測時刻ｔｘに代入し、予測時刻ｔｙの予測蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｙ）を予測時刻ｔｘの予測蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｘ）に代入する。

（ステップＳ２０）制御部４０は、ステップＳ５で計算した予測時刻ｔｘの予測蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｘ）が最大蓄電池充電量ＳＯＣｍａｘ以上であるか否かを判別する。制御部４０は、予測時刻ｔｘの予測蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｘ）が最大蓄電池充電量ＳＯＣｍａｘ以上であると判別した場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、ステップＳ２１に進み、予測時刻ｔｘの予測蓄電池充電量ＳＯＣ（ｔｘ）が最大蓄電池充電量ＳＯＣｍａｘ未満であると判別した場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、ステップＳ１２に移行する。すなわち、制御部４０は、蓄電池７０の状態が満充電である場合、ステップＳ２１に進み、蓄電池７０の状態が満充電ではない場合、ステップＳ１２に移行する。

（ステップＳ２１）制御部４０は、燃料電池２０がオフ状態になるように制御し、処理を終了する。
（ステップＳ２２）制御部４０は、燃料電池２０がオン状態になるように制御し、処理を終了する。
なお、制御部４０は、制御時間間隔Δｔ毎にステップＳ１１からステップＳ２２の処理を繰り返す。

以上説明した実施形態によれば、蓄電池充電量を予測に基づいて評価することにより、予め燃料電池２０の稼働状態を決めることができるため、燃料電池２０を連続した時間で使用でき、燃料電池２０を効率よく使用するように制御することも可能となる。

以上のように、本実施形態の独立電源システム１は、日射量を計測する日射計３０と、電池（燃料電池２０）と、太陽光によって電力が発電される太陽光発電部（太陽光発電装置１０）と、日射計から取得した日射量に基づいて、電池からの電力の負荷への供給を制御する制御部４０と、を備える。

この構成により、本実施形態の独立電源システム１は、日射計３０が計測した日射量に基づいて燃料電池２０のオン状態とオフ状態とを制御する。これにより、本実施形態では、燃料電池２０を日射量に基づいて制御することで、燃料電池２０の燃料を効率よく使用するように制御できる。この結果、本実施形態によれば、独立電源システムの運用コストを低減することができる。

また、燃料電池は、使用停止後に一定時間、例えば３時間、電力の供給を開始できないものがある。この場合、例えば、３０分毎に燃料電池２０をオン状態とオフ状態とに切り替えようとしても、オン状態からオフ状態に切り替えた後、３時間オン状態に切り替えることができない。従って、燃料電池をオフ状態にする制御は日射量の予測確度を高めるために日の出後充分な日射量を測定した後にする。すなわち、理想晴天時の予測日射量が１日の日射量合計の１％を超えるまでオフ状態にする制御を行わない。
これにより、本実施形態によれば、燃料電池２０をオフ状態に制御した後、負荷に供給する電力が日中は不足しないと予測されるため、燃料電池２０を短時間、例えば３０分後に再びオン状態に制御することがない。この結果、本実施形態によれば、燃料電池２０を連続した時間で使用できるため、燃料電池２０の燃料を効率よく使用するように制御できる。

なお、本実施形態では、独立電源システム１が補助電池として燃料電池２０を備える例を説明したが、これに限られない。独立電源システム１が備える補助電池は、制御部４０によって、負荷への電力の供給と停止を制御できればよく、他の電池であってもよい。

なお、独立電源システム１の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１独立電源システム、１０太陽光発電装置、２０燃料電池、３０日射計、４０制御部、５０記憶部、６０計時部、７０蓄電池、８０母線

Claims

日射量を計測する日射計と、
燃料電池と、
蓄電池と、
太陽光によって電力を発電し負荷に供給可能な太陽光発電部と、
前記日射計から取得した前記日射量に基づいて、前記燃料電池からの電力の前記負荷への供給を行うか否かを制御する制御部とを有し、
前記制御部は、
現在の前記蓄電池の充電量が予め定められた最小蓄電池充電量未満である場合には、前記燃料電池をオンにし、
一方、現在の前記蓄電池の充電量が前記最小蓄電池充電量以上である場合には、日の出後の予測対象時刻における日射強度を算出し、算出された日射強度から予測発電電力を算出し、予め記憶された時刻毎の負荷データに基づいて前記予測対象時刻における予測消費電力を算出し、
算出された予測発電電力と予測された予測消費電力との差を前記予測対象時刻における前記蓄電池の充電量に加算し、
当該加算された後の充電量が予め定められた最大蓄電池充電量以上である場合には、前記燃料電池をオフし、
前記加算された後の充電量が前記最大蓄電池充電量未満である場合には、前記燃料電池をオンにし、
前記制御部は、
前記燃料電池をオンにする場合には、前記燃料電池からの電力を前記負荷へ供給する
独立電源システム。
前記制御部は、
前記日射量を用いて、日の出後の昼間の予測時刻（ｔｘ）の日射強度Ｂ（ｔｘ）を、次式の計算によって予測し、
Ｂ（ｔｘ）＝Ａ（ｔｘ）×ＳＢ（ｔｏ）／ＳＡ（ｔｏ）
（ただし、Ａ（ｔｘ）は昼間の予測時刻（ｔｘ）における理想晴天時日射強度、ＳＢ（ｔｏ）は日の出から現在（ｔｏ）までの実測日射強度の合計値、ＳＡ（ｔｏ）は日の出から現在（ｔｏ）までの理想晴天時日射強度（計算値）の合計値）
算出した前記日射強度Ｂ（ｔｘ）を用いて次式にて予測発電電力Ｅ（ｔｘ）を計算し、Ｅ（ｔｘ）＝ＰＶ定格×ε（Ｂ（ｔｘ））
（ただし、ＰＶ定格は、太陽光発電部における最大発電電力、ε（Ｂ（ｔｘ））は日射強度がＢ（ｔｘ）のときの最大発電効率）
前記計算した予測発電電力Ｅ（ｔｘ）に基づいて、前記燃料電池からの電力の前記負荷への供給を制御する請求項１に記載の独立電源システム。
前記太陽光発電部によって発電された電力が充電される蓄電池、を備え、
前記制御部は、
前記計算した予測発電電力Ｅ（ｔｘ）に基づいて、前記蓄電池へ前記太陽光発電部によって発電された電力を充電するように制御し、前記計算した予測発電電力Ｅ（ｔｘ）と前記蓄電池に充電される容量とに基づいて、前記負荷に前記充電された電力を供給するように制御する請求項２に記載の独立電源システム。
日射量を計測する日射計と、燃料電池と、蓄電池と、太陽光によって電力を発電し負荷に供給可能な太陽光発電部と、前記日射計から取得した前記日射量に基づいて前記燃料電池からの電力の前記負荷への供給を行うか否かを制御する制御部とを有する独立電源システムにおける独立電源システムの制御方法であって、
前記制御部は、
現在の前記蓄電池の充電量が予め定められた最小蓄電池充電量未満である場合には、前記燃料電池をオンにし、
一方、現在の前記蓄電池の充電量が前記最小蓄電池充電量以上である場合には、日の出後の予測対象時刻における日射強度を算出し、算出された日射強度から予測発電電力を算出し、予め記憶された時刻毎の負荷データに基づいて前記予測対象時刻における予測消費電力を算出し、
算出された予測発電電力と予測された予測消費電力との差を前記予測対象時刻における前記蓄電池の充電量に加算し、
当該加算された後の充電量が予め定められた最大蓄電池充電量以上である場合には、前記燃料電池をオフし、
前記加算された後の充電量が前記最大蓄電池充電量未満である場合には、前記燃料電池をオンにし、
前記制御部は、
前記燃料電池をオンにする場合には、前記燃料電池からの電力を前記負荷へ供給する
独立電源システムの制御方法。