JP6895216B2 - 直流スマートグリッド及びスマートコンセント - Google Patents
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Description
太陽光電力系統における費用、複雑さ及び信頼性の問題は、そのほとんどではないにせよ多くが、太陽光エネルギーを適切な形態に順次変換するため、充電制御装置、インバータ及びコンバータ内に多数の回路を必要とすることに起因している。本発明の複数の実施形態では、最終使用電圧よりも名目上だけ高い太陽電池パネルシステム電圧を選択し、この整合電力からパルス状の直流を用いて電化製品を動作させることにより、費用の削減、複雑さの低減、及び、効率の向上が達成される。100〜120ボルトのシステムの場合、直列に接続したパネルの25℃での最大出力点電圧として決定される太陽電池パネルシステム電圧は、105ボルト〜145ボルトであることが好ましい。この太陽電池パネルシステム電圧は、最終使用電圧よりも10〜20ボルト高ければ、一層好ましい。例えば、コンピュータサーバセンターで使用される380ボルトのシステムの場合、パネルシステム電圧は30〜80ボルト高いことが好ましい。
市販の家庭用電化製品を用いる際、高出力機器(一般的には100ワットを超えるもの、特に200ワットを超えるもの、さらに特に500ワットを超えるもの)は、通常、制御スイッチ及び/または内部サーモスタットの溶着を防ぐためにパルス状の直流電力を必要とすることが判明した。直流の家庭用グリッドから高出力機器(温水器、コーヒーメーカー、及び、電気グリルなど)への電力供給は、スイッチ接点の溶融を避けるため、直流をパルス状にして行われた。好ましくは、2ヘルツより高く10,000ヘルツより低い周波数で、少なくとも90%、より好ましくは95%を超える長いデューティサイクルが利用される。
好ましくは、グリッドからの直流電気エネルギーは、通常のスイッチ、遮断器、及びサーモスタットが高い直流電流により溶着遮断されることなく適切に動作できるよう、図1のボックス内の回路によってパルス状の直流に変換される。また、好ましくは、交流負荷用に設計されたそのようなスイッチを有する高電流負荷が、少なくとも10ヘルツ、好ましくは25〜500ヘルツ、及び好ましくは50〜200ヘルツで、オフ時間が短いデューティサイクルを有する位相幅変調パルス信号を介して直流グリッドに接続される。
一実施形態において、ローカルユーザは接続された電力供給装置(太陽電池パネル、風力タービン、電気自動車のバッテリー、燃料電池など)から自家発電電力の少なくとも一部を供給する電装ボックスを有しており、この電装ボックスは、任意で直流のローカルグリッドに接続されていてもよい。この現地で使用される電装ボックス(“ERA”)は、耐候性を有する構成で建物の外側に取り付けられていてもよく、さらに、1以上の追加部品を含んでいてもよい。このような追加部品としては、(a)電装ボックスを介してローカルグリッドとの間で受け渡しされる電圧及び電流を繰り返し測定するためのセンサ、(b)電圧及び電流を周期的に記録する電力使用記録装置(ダウンロード可能なメモリなど)、(c)インターネット接続(電力販売の申し出及び受諾、及び他のグリッド構成者との共用を報告する)、(d)携帯電話接続(電力販売の申し出及び受諾、及び他のグリッド構成者との共用を報告する)、(e)近隣の接続ノードに対する抵抗を決定するためのセンサ/テスタ、ならびに、(f)デューティサイクルにおけるPWMの低下を介して電流を監視し、ノードからの電流を制限することによって系統連系線の過負荷を防ぐ自動電流調速機、または他のリミッタなどが挙げられる。
一実施形態において、トークン信号を用いた優先順位の決定によって、図3に示すように隣接ノード間で電力が共有される。図3に示されるノードA〜Hは、分岐線I、K及びLにおいて電力線(一般的には2以上の電力線)を介して接続されている。各ノードは、電力のアップロードとダウンロードの両方を行う能力を備えていてもよいし(ノードA、E、C及びH)、ダウンロードのみを行う電力供給者であってもよいし(ノードB、F及びG)、あるいは、アップロードのみを行う電力ユーザであってもよい(ノードD)。電力選択方式に関与するすべてのノード(図3において、最も隣接する2以上のノードで構成されるグループ)は、その制御グループ用の共通周波数を共有している。各制御グループは、特定の信号発生器、及び、その特定の共通信号周波数のセンサを有している。例えば、複数のノードで構成される制御グループは、図3のノードA、C、D、及びEからなるものでもよい。これらのノードは、トークン周波数を受信できる程度に十分近接しており、キルヒホッフの電流則に従って非常に高い頻度で電力を共有する。信号発生器がオン状態(一般的には、20分などの限られた設定時間)のとき、そのノードのセンサは動作しない。
現代の多くの装置(携帯電話機/コンピュータ)は、電圧が高すぎない場合(一般的には、240ボルト未満、好ましくは、100〜120ボルトである場合)、直流グリッドに直接プラグをつなぐことができる。そして、直流電流が遮断される場合(一般的には、50〜100ヘルツに対してオフ時間3%〜10%)、スイッチ及び/またはサーモスタットを有する抵抗加熱器は良好に動作する。一実施形態において、少なくとも10ヘルツ、好ましくは25〜1000ヘルツ、より好ましくは50〜200ヘルツの周波数によって電化製品(コーヒーメーカー、トースター、ホットプレート、及び温水器など)への直流電力をこのように遮断することにより、電化製品に直流から給電する電力遮断回路が提供される。しかし、交流モータまたは旧来の電源アダプタ(変圧器に基づく電力供給)の偶発的な使用を防ぐため、以下のスマートレセプタクルが提供される。
好ましい実施形態において、スマートコンセントは、パルス状の直流電力を供給し、直流パルスからキックバック(「キックバック」は、モータ巻線からの「逆起電力」としても知られており、さらに他の用語でも知られている)を検知する。好ましい電力は、10〜1000ヘルツの周波数(50〜200ヘルツがより好ましいが、他の周波数であってもよい)の矩形波列である。デューティサイクル(オンタイム率、単位%)は、好ましくは50%以上、より好ましくは85%以上、さらにより好ましくは95%以上である。測定されるキックバックは、各サイクルのターンオフ点の直後に発生する負極性スパイクであることが好ましい。非常に簡単で効率的な方法及び機器によって、これらの逆方向のスパイクを検知し、コンセントの接続を切る(または、高圧直流電力への直流パルス切替接続をオフにする)ことによって応答する。
キックバック、または、誘導負荷(変圧器または誘導モータを用いたポンプなど)を示す他のパラメータが臨界レベルに達したことを検知すると、回路はレセプタクルへの電力供給を停止し、視覚信号及び/または音声信号によってユーザに警告することが好ましい。そして、ユーザは、ボタンを作動させることによって、さらに任意でプラグを抜いてから負荷をレセプタクルにつなぎ直すことによって、スイッチをリセットすることが好ましい。
一実施形態において、演算増幅器からなる純ハードウェア回路は、負荷が誘導負荷であるか否かを判定できるが、当業者であれば、1以上のセンサまたは他の電子的検知装置からデータを受け取ることにより電圧遅相電流(検知された誘導負荷)を検出するため、当業者が容易に理解できる方法で、より合理的にソフトウェア・ルーチンを設計するだろう。例えば、ファイルへのデータ入力とその比較が行われた後、10ボルト未満の小電圧または短パルスを印加し、次に、1または複数のセンサによって連続的に測定された2以上の測定値によって、立ち上がり電圧または減少する電流を検知することは、マイクロプロセッサによって簡単に行われる。コンセントにつながれた装置は、短い観測時間(例えば、0.1秒、0.5秒までなど)の間に電圧を遅らせる電流によって印加電圧に応答すると、装置が誘導性になり、弁が閉じられる。また、当業者に十分に理解されている他の検知技術を利用することもできる。また、コンセントにつながれた装置が誘導性であるという判定に応答してオンになる警告信号(光アラーム、音声アラーム、または、その両方など)を装置が有していることが好ましい。これにより、装置が拒絶されたことをユーザに警告する。
一実施形態において、スマートレセプタクルはパルス状の直流電力を供給し、パルス時に検知抵抗に流れる差動信号を探すことによりインダクタンスを継続的に監視する。一実施形態において、直流電力は矩形波パルスとして、小型の抵抗R100と直列に接続されるスマートレセプタクルに供給される。抵抗R100は、約0.01オーム〜約0.1オームであることが好ましい。R100に流れる電圧が検知されて、インダクタンスが抵抗と直列に接続されている(すなわち、誘導負荷がスマートプラグにつながれている)か否かが判定される。
時間に検知される。インダクタンスが接続状態になるか、あるいは負荷に追加されると、ターンオン時点に続く短い間隔中に電圧が(例えば、指数関数的に)増加する。回路は、矩形パルスのターンオン時点(またはその少し後)から始まる間隔中に、R100に流れる電圧の増加または波形を検知し、その電圧の変化を閾値と比較する。電圧の変化は、当業者が容易に理解できる多くの方法によって検知することができ、例えば、演算増幅器を差動増幅器に接続して電圧の差動信号の変化を生成してもよい。
一実施形態において、ノードは、そのノードからの電力を蓄える(あるいは、利用可能なときに低優先度の電力をノードに受け入れて蓄える)ことによって、電力を一定化するバックアップ電力(バッテリーなど)を備えている。バックアップ電力は、そのノードで使用してもよいし、グリッド上の自己の電線対を介して装置類に電力を途切れなく補充するか、絶えず供給してもよい。
一実施形態において、本装置は、低優先度を利用可能なとき(これは、少なくとも、より高いノード電圧、または、受信された通信信号によって検出される)、グリッドからエネルギーを取り入れる。一実施形態において、本装置は、同じノードからエネルギーを得るか、別の電線に接続された入力(ローカル接続された太陽電池パネル、風力発電機などから装置への入力)からエネルギーを得て、現地で貯蔵する。一実施形態において、本装置はその設置場所においてバックアップ電力の供給のみを行う(ここでもまた、装置自体への接続は有線接続またはプラグ接続が好ましい)。別の実施形態において、電力貯蔵結合器は、付属のノードを介してグリッドにバックアップ電力を供給する。これは、非常信号または他の信号に応答して行われてもよい。
4 センサ/断続器
5 接地接続
6 (低圧電源)コンセント
7 ボックス
30 コンセント回路
31 直流電源
32 交流コンセント
33 電子バルブ
34 センサ回路
35 コントローラ
A〜H ノード
I〜L 分岐線
Claims (6)
- 電化製品の2つの電気的接続点に電気的に接続する直流スマートコンセントであって、
2つの電気的接続点を持つ電気コンセントと、
前記電気コンセントの2つの電気的接続点に接続される電化製品へ供給されるパルス状の直流電源と、
前記電気コンセントの2つの電気的接続点に接続される逆極性の電圧センサと、
電化製品が生成する、閾値を超えた逆極性の電圧の検出に応答して、前記2つの電気的接続点を通じて電気コンセントへ直流電流が流れないようにする回路と
を備えることを特徴とする直流スマートコンセント。 - 前記パルス状の直流電源が98〜125ボルトであって、10〜1000ヘルツの周波数においてオンオフする電力の供給源であることを特徴とする請求項1に記載の直流スマートコンセント。
- パルス状の直流電源が、PWMコントローラー、及び、MOSFETまたはIGBTのいずれかによって直流が変換されて生成されることを特徴とする請求項1に記載の直流スマートコンセント。
- 前記センサ及び回路が、電気コンセントの2つの電気的接続点における逆極性の電圧に対して順方向バイアスをかけたPN接合ダイオードで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の直流スマートコンセント。
- 前記センサ及び回路が、逆極性の電圧に対して出力に順方向バイアスをかけたPN接合ダイオードと、比較器とを備えており、比較器の出力によってMOSFETまたはIGBTをオフにすることを特徴とする請求項3に記載の直流スマートコンセント。
- 誘導負荷を、少なくとも2つの電気的接続点につながる2本の電線を介した直流の偶発的供給から保護する直流スマートコンセントであって、
負荷用の前記少なくとも2本の電線がつながる電源接続プラグと、
前記負荷の誘導応答を検出するためのセンサ、及び、前記2本の電線から得られ、誘導負荷を示す差動信号を比較することによって誘導負荷を検知する比較器と、
誘導負荷を検知して前記負荷への電力供給の開始を中断または防止する遮断器と
を備えることを特徴とする直流スマートコンセント。
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