JP7030585B2

JP7030585B2 - 太陽光発電システム

Info

Publication number: JP7030585B2
Application number: JP2018055855A
Authority: JP
Inventors: 剛至富尾
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2022-03-07
Anticipated expiration: 2038-03-23
Also published as: JP2019170059A

Description

本発明は、電力系統に接続される交流線と、交流線に接続され、交流線との間での電力の充放電を行う蓄電池を含む充放電部及び充放電部の動作を制御する充放電制御部を有する充放電装置と、交流線に接続される太陽光発電装置とを備え、交流線に電力負荷部が接続されている太陽光発電システムに関する。

特許文献１（特開２０１６－２２０４６１号公報）には、充放電装置と太陽光発電装置とを備える太陽光発電システムが記載されている。この太陽光発電システムでは、日中に太陽光発電装置が発電した電力のうちの余剰電力を充放電装置に充電するＰＶ充電モードが行われ、安価な夜間電力の購入が可能な時間帯の開始前に充放電装置から放電させる強制放電モードが行われ、その強制放電モードの後に、電力系統から購入した電力によって充放電装置を充電する回帰モードが行われる。

特開２０１６－２２０４６１号公報

特許文献１に記載のシステムでは、回帰モードにより、夜間に電力系統から購入した電力で充放電装置の充電が行われる。従って、特許文献１に記載のシステムでは、回帰モードによって電力系統から電力を購入するためのコストが発生する。加えて、回帰モードによって電力系統から購入した電力による充電が行われることで、翌日に太陽光発電装置の発電電力を充放電装置で充電できる余地が少なくなってしまう。つまり、太陽光発電装置の発電電力を有効に利用できない可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽光発電装置の発電電力を有効に利用できる太陽光発電システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る太陽光発電システムの特徴構成は、電力系統に接続される交流線と、前記交流線に接続され、前記交流線との間での電力の充放電を行う蓄電池を含む充放電部及び前記充放電部の動作を制御する充放電制御部を有する充放電装置と、前記交流線に接続される太陽光発電装置とを備え、前記交流線に電力負荷部が接続されている太陽光発電システムであって、
前記充放電装置の前記充放電制御部は、
夜間の所定の第１時刻から次の夕方の所定の第２時刻までは、前記充放電装置からの放電を行わず、前記太陽光発電装置の発電電力から前記電力負荷部の負荷電力を減算した残りの電力である余剰電力に相当する電力を前記充放電装置で充電するように前記充放電装置への充電電力を調節する充電モードで動作し、
前記第２時刻から次の前記第１時刻までは、前記充放電装置への充電を行わず、前記電力負荷部の負荷電力から前記太陽光発電装置の発電電力を減算した残りの電力である不足電力に相当する電力を前記充放電装置から放電するように前記充放電装置からの放電電力を調節する放電モードで動作し、
前記放電モードで動作している場合、現在時刻での前記充放電部の残容量を所定の下限容量まで定格放電電力で放電するのに要する放電所要時間が、当該現在時刻から前記第１時刻までの残り時間に等しくなると、それ以後は前記充放電装置からの放電電力を前記定格放電電力に調節する点にある。

上記特徴構成によれば、充電モードでは、夜間の所定の第１時刻から次の夕方の所定の第２時刻まで、太陽光発電装置の発電電力から電力負荷部の負荷電力を減算した残りの電力である余剰電力を充放電装置で充電する。つまり、電力負荷部の負荷電力を太陽光発電装置の発電電力で賄うことで、電力系統から購入する電力を減少させることができる。
放電モードでは、第２時刻から次の第１時刻まで、電力負荷部の負荷電力から太陽光発電装置の発電電力を減算した残りの電力である不足電力を充放電装置からの放電電力で賄う。つまり、放電モードで動作している間でも、過去の充電モードで動作している間に充放電装置で充電した太陽光発電装置の発電電力の一部（余剰電力）を用いて電力負荷装置の負荷電力を賄うことで、電力系統から購入する電力を減少させることができる。
加えて、本特徴構成では、放電モードで動作している場合、現在時刻での充放電部の残容量を所定の下限容量まで定格放電電力で放電するのに要する放電所要時間が、その現在時刻から第１時刻までの残り時間に等しくなると、それ以後は充放電装置からの放電電力を定格放電電力に調節する。このとき、電力負荷部の負荷電力が充放電装置の定格放電電力よりも小さければ、充放電装置の放電電力のうちの余剰分が電力系統へと逆潮流される。その結果、放電モードの終了時点である第１時刻になった時点では、充放電装置の充放電部の残容量は上記下限容量にまで減少した状態、即ち、その後の充電モードでより多くの電力（即ち、太陽光発電装置の発電電力）を充電できる準備が整った状態になる。
従って、太陽光発電装置の発電電力を有効に利用できる太陽光発電システムを提供できる。

本発明に係る太陽光発電システムの別の特徴構成は、前記充放電装置の前記充放電制御部は、前記充電モードで動作しているとき、前記充放電部に蓄えられている蓄電量が、前記定格放電電力と前記第２時刻から次の前記第１時刻までの期間との積に相当する電力量と前記下限容量との和の電力量になると前記充放電装置への充電を停止する点にある。

上記特徴構成によれば、充放電装置での最大の蓄電量は、定格放電電力と第２時刻から次の第１時刻までの期間との積に相当する電力量と上記下限容量との和の電力量に制限される。つまり、充放電装置に上記最大の蓄電量が蓄えられていたとしても、第２時刻から次の第１時刻までの期間に行われる放電モードにおいて、上記下限容量の電力を残してその他の電力を全て放電できる。その結果、放電モードの終了時点である第１時刻になった時点では、充放電装置の充放電部の残容量は上記下限容量にまで減少した状態、即ち、その後の充電モードで太陽光発電装置の発電電力をより多く充電できる準備が整った状態になる。

太陽光発電システムの構成を示す図である。負荷電力及び発電電力及び充放電電力及び残容量の推移例を示すグラフである。充電モードの例を示す図である。充電モードの例を示す図である。放電モードの例を示す図である。放電モードの例を示す図である。別の太陽光発電システムの構成を示す図である。

以下に図面を参照して本発明の実施形態に係る太陽光発電システムについて説明する。
図１は太陽光発電システムの構成を示す図である。図示するように、太陽光発電システムは、電力系統１に接続される交流線２と、交流線２に接続される充放電装置１０と、交流線２に接続される太陽光発電装置３とを備える。この太陽光発電システムにおいて、交流線２には電力負荷部２０が接続されている。また、本実施形態では、電力系統１に対する交流線２の接続箇所から見て下流側に向かって第１接続箇所Ｐ１と第２接続箇所Ｐ２とがその並び順で設けられ、第１接続箇所Ｐ１には太陽光発電装置３が接続され、第２接続箇所Ｐ２には充放電装置１０及び電力負荷部２０が接続されている。以上のような構成により、電力負荷部２０には、太陽光発電装置３の発電電力及び充放電装置１０の放電電力が供給され、不足する電力は電力系統１から電力負荷部２０へと供給される。また、太陽光発電装置３の発電電力及び充放電装置１０の放電電力が電力負荷部２０の負荷電力を上回っている場合には、その余剰電力が電力系統１へ逆潮流される。

太陽光発電装置３は、入射光（太陽光）が有する光エネルギを電気エネルギに変換する素子（図示せず）と、その素子で発生した電力を所望の電圧、周波数、位相の電力に変換して交流線２に出力するための電力変換部（図示せず）とを有して構成される。

充放電装置１０は、交流線２との間での電力の充放電を行う蓄電池１１ａを含む充放電部１１及び充放電部１１の動作を制御する充放電制御部１２を有する。加えて、本実施形態の充放電部１１では、蓄電池１１ａは電力変換部１１ｂを介して交流線２に接続される。その結果、充放電部１１では、蓄電池１１ａに蓄えられている電力を、所望の電圧、周波数、位相の電力に変換して交流線２に出力できる。蓄電池１１ａは、例えばリチウムイオン電池等の二次電池などを用いて構成できる。充放電制御部１２は、電力変換部１１ｂの動作を制御して、蓄電池１１ａから交流線２への出力電力（放電電力）の制御と、交流線２から蓄電池１１ａへの入力電力（充電電力）の制御とを行う。

充放電制御部１２には、電力計測器ＣＴ１及び電力計測器ＣＴ２で計測される電力についての情報が伝達される。電力計測器ＣＴ１は、交流線２の途中の、電力系統１と第１接続箇所Ｐ１との間に設けられ、電力系統１から第１接続箇所Ｐ１に向かう電力（即ち、電力系統１からの受電電力）を計測する。電力計測器ＣＴ２は、交流線２の途中の、第１接続箇所Ｐ１と第２接続箇所Ｐ２との間に設けられ、第１接続箇所Ｐ１から第２接続箇所Ｐ２に向かう電力を計測する。電力計測器ＣＴ１，ＣＴ２は、例えば交流線２における電力の電流値を検出するために用いられるカレントトランス（計器用変流器）を用いて構成され、所定の電圧値（例えば１００Ｖ、２００Ｖ等）との積から、交流線２での電力値を導出できる。尚、電力計測器ＣＴ１，ＣＴ２は交流線２での電力の電流値のみを充放電制御部１２に伝達し、充放電制御部１２が電力値の導出を行ってもよい。そして、充放電制御部１２は、電力計測器ＣＴ１，ＣＴ２の計測結果を参照して、充放電装置１０の放電電力及び充電電力を調節する。

本実施形態では、充放電装置１０の充放電制御部１２は、現在時刻に応じて充電モードと放電モードとを切り替えて実行する。

充電モードは、夜間の所定の第１時刻から次の夕方の所定の第２時刻までは、充放電装置１０からの放電を行わず、太陽光発電装置３の発電電力から電力負荷部２０の負荷電力を減算した残りの電力である余剰電力に相当する電力を充放電装置１０で充電するように充放電装置１０への充電電力を調節する動作モードである。例えば、充放電制御部１２は、電力計測器ＣＴ１で計測される電力がゼロ又は正の電力となるように充放電装置１０への充電電力を調節する。

放電モードは、第２時刻から次の第１時刻までは、充放電装置１０への充電を行わず、電力負荷部２０の負荷電力から太陽光発電装置３の発電電力を減算した残りの電力である不足電力に相当する電力を充放電装置１０から放電するように充放電装置１０からの放電電力を調節する動作モードである。例えば、充放電制御部１２は、電力計測器ＣＴ２で計測される電力がゼロになるように充放電装置１０からの放電電力を調節する、或いは、電力計測器ＣＴ２で計測される電力に関わらず定格放電電力で放電させる。

本実施形態では、第１時刻は０時であり、第２時刻は１７時である。つまり、充放電装置１０の充放電制御部１２は、０時から次の夕方の１７時までは充電モードで動作し、１７時から次の０時までは放電モードで動作する。従って、充放電装置１０が充電モードで動作する第１時刻から第２時刻までの間には、太陽光発電装置３が発電できる時間帯が含まれている。また、充放電装置１０が放電モードで動作する第２時刻から第１時刻までの間には、電力負荷部２０の負荷電力が大きくなる時間帯（例えば極大値になる時間帯など）が含まれている。

以下の表１には、電力負荷部２０の負荷電力と、太陽光発電装置３の発電電力と、電力負荷部２０の負荷電力を基準とした場合の余剰電力及び不足電力と、充放電装置１０の充放電電力と、充放電装置１０の残容量との推移例を示す。表１において、負荷電力及び発電電力及び余剰電力及び不足電力及び充放電電力は１時間毎の平均電力（例えば、１５時台の１時間の平均電力など）を記載し、残容量は１時間の終了時点で充放電装置１０の蓄電池１１ａに蓄電されている残容量（例えば、１５時台の終了時点で蓄電されている残容量など）を記載する。また、図２は、表１に示した数値のうち、電力負荷部２０の負荷電力と、太陽光発電装置３の発電電力と、充放電装置１０の充放電電力と、充放電装置１０の残容量との推移例を示すグラフである。尚、表１では、充放電装置１０の放電電力にはマイナスの符号を付けている。

以上のように、本実施形態の第１時刻（０時）は、電力負荷部２０の負荷電力が１９時台及び２０時台に極大値になった後、次に太陽光発電装置３に照射される太陽光の強度が１２時台に極大値になるまでの間に設定されている。また、本実施形態の第２時刻（１７時）は、太陽光発電装置３に照射される太陽光の強度が１２時台に極大値になった後、次に電力負荷部２０の負荷電力が１９時台及び２０時台に極大値になるまでの間に設定されている。

〔充電モード〕
表１及び図２に示すように、９時台から１５時台の間では、太陽光発電装置３の発電電力は電力負荷部２０の負荷電力よりも大きいため、余剰電力が発生する。但し、充放電装置１０の充放電制御部１２は、０時から次の夕方の１７時までは充電モードで動作するため、９時台から１５時台の間で発生する余剰電力は全て充放電装置１０の蓄電池１１ａに蓄えられ、充放電装置１０の残容量が次第に増加する。

図３は５時台での充電モードの例を示す図である。表１及び図２及び図３に示すように、５時台では、電力負荷部２０の負荷電力は１００Ｗであり、太陽光発電装置３の発電電力は０Ｗである。そのため、電力系統１からの受電電力（１００Ｗ）で電力負荷部２０の負荷電力（１００Ｗ）が賄われる。また、充放電装置１０の充電電力は０Ｗである。

図４は１１時台での充電モードの例を示す図である。表１及び図２及び図４に示すように、１１時台では、電力負荷部２０の負荷電力は１００Ｗであり、太陽光発電装置３の発電電力は４５０Ｗである。そのため、太陽光発電装置３の発電電力（４５０Ｗ）の一部で電力負荷部２０の負荷電力（１００Ｗ）が賄われる。また、太陽光発電装置３の発電電力（４５０Ｗ）の残部の余剰電力（３５０Ｗ）が充放電装置１０の充電電力になる。

〔放電モード〕
充放電装置１０の充放電制御部１２は、１７時から次の０時までは放電モードで動作する。
図５は１９時台での放電モードの例を示す図である。表１及び図２及び図５に示すように、１９時台では、電力負荷部２０の負荷電力は３００Ｗであり、太陽光発電装置３の発電電力は０Ｗであるので、不足電力は３００Ｗになる。そのため、充放電装置１０の放電電力（３００Ｗ）で電力負荷部２０の負荷電力（３００Ｗ）が賄われる。

図６は２２時台での放電モードの例を示す図である。表１及び図２及び図６に示すように、２２時台では、電力負荷部２０の負荷電力は１５０Ｗであり、太陽光発電装置３の発電電力は０Ｗであるので、不足電力は１５０Ｗになる。従って、充放電装置１０から１５０Ｗだけ放電すれば電力負荷部２０の負荷電力（１５０Ｗ）を賄うことができるが、この例では充放電装置１０は定格放電電力（５００Ｗ）で放電を行い、そのうちの３５０Ｗを電力系統１へ逆潮流させる。

放電モードについて具体的に説明すると、充放電装置１０の充放電制御部１２は、放電モードで動作している場合、現在時刻での充放電部１１の残容量を所定の下限容量まで定格放電電力で放電するのに要する放電所要時間が、現在時刻から第１時刻までの残り時間に等しくなると、それ以後は充放電装置１０からの放電電力を定格放電電力に調節する。この例では、充放電装置１０の定格放電電力は５００Ｗであるので、２１時台の終了時点での充放電部１１の残容量（１００Ｗｈ）を充放電装置１０から放電するのに要する放電所要時間は２時間である。また、現在時刻（２２時）から第１時刻（０時）までの残り時間は２時間である。よって、２２時以後は、充放電装置１０の充放電制御部１２は、定格放電電力（５００Ｗ）で放電を行い、そのうちの３５０Ｗを電力系統１へ逆潮流させる。

以上のように、放電モードで動作している場合、現在時刻での充放電部１１の残容量を所定の下限容量まで定格放電電力で放電するのに要する放電所要時間が、その現在時刻から第１時刻までの残り時間に等しくなると、それ以後は充放電装置１０からの放電電力を定格放電電力に調節する。このとき、電力負荷部２０の負荷電力が充放電装置１０の定格放電電力よりも小さければ、充放電装置１０の放電電力のうちの余剰分が電力系統１へと逆潮流される。その結果、放電モードの終了時点である第１時刻になった時点では、充放電装置１０の充放電部１１の残容量は上記下限容量にまで減少した状態、即ち、その後の充電モードでより多くの電力（即ち、太陽光発電装置３の発電電力）を充電できる準備が整った状態になる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、本発明の太陽光発電システムについて具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態において、電力負荷部２０は、電力消費装置２１と発電装置との組み合わせで構成されてもよい。図７は別の太陽光発電システムの構成を示す図である。図示するように、電力負荷部２０は、電力消費装置２１と、発電装置としての燃料電池発電装置とを有する。燃料電池装置２２は、発電部としての燃料電池部２３及び燃料電池部２３の動作を制御する発電制御部としての燃料電池制御部２４を有する。燃料電池部２３は、燃料電池２３ａ及び燃料電池２３ａで発生した電力を、所望の電圧、周波数、位相の電力に変換して交流線２に出力するための電力変換部２３ｂを有する。

燃料電池２３ａは、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いて実現できる。或いは、燃料電池２３ａを、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などの他のタイプの燃料電池を用いて実現してもよい。尚、図示は省略するが、燃料電池部２３が、燃料電池２３ａのアノードに供給する燃料ガスとしての水素等を改質処理により生成する燃料改質器などを備えていてもよい。そして、燃料電池制御部２４は、燃料電池２３ａの運転開始、運転停止、出力状態などを制御する。また、燃料電池制御部２４は、電力変換部２３ｂによる電力変換動作を制御する。

燃料電池制御部２４には、電力計測器ＣＴ３で計測される電力についての情報が伝達される。電力計測器ＣＴ３は、交流線２の途中の、第２接続箇所Ｐ２よりも下流側に設けられ、第２接続箇所Ｐ２から電力負荷部２０に向かう電力を計測する。電力計測器ＣＴ３は、例えば交流線２における電力の電流値を検出するために用いられるカレントトランス（計器用変流器）を用いて構成され、所定の電圧値（例えば１００Ｖ、２００Ｖ等）との積から、交流線２での電力値を導出できる。尚、電力計測器ＣＴ３は交流線２での電力の電流値のみを燃料電池制御部２４に伝達し、燃料電池制御部２４が電力値の導出を行ってもよい。

電力計測器ＣＴ３が計測する電力は、電力負荷装置が交流線２から受け取る負荷電力である。つまり、この場合の負荷電力は、電力消費装置２１の消費電力から、燃料電池装置２２による交流線２への提供電力を減算した値に対応する。従って、電力消費装置２１の消費電力が、燃料電池装置２２による提供電力よりも大きければ、電力計測器ＣＴ３が計測する負荷電力は正の値になり、電力消費装置２１の消費電力が、燃料電池装置２２による提供電力よりも小さければ、電力計測器ＣＴ３が計測する負荷電力は負の値になる。

一例を挙げると、燃料電池装置２２の燃料電池制御部２４は、電力計測器ＣＴ３の計測結果を参照して、電力消費装置２１が交流線２から受け取る消費電力に見合った電力を燃料電池装置２２から交流線２に提供するように、所定の最小提供電力と最大提供電力との間の範囲内で、燃料電池装置２２から交流線２への提供電力を制御する。例えば、燃料電池装置２２は、第２接続箇所Ｐ２から電力負荷部２０へ向かう電力が好ましくは負の電力とはならず且つ出来るだけ小さい設定電力になるように（特に好ましくは、上記設定電力がゼロ、即ち、電力消費装置２１の消費電力と燃料電池装置２２からの提供電力が等しくなるように）、燃料電池装置２２から交流線２への提供電力を調節する。

尚、燃料電池装置２２の燃料電池制御部２４は、例えば、電力計測器ＣＴ３が計測する電力に関わらず、燃料電池部２３から交流線２へ常に一定の電力を提供してもよい。その場合、燃料電池装置２２からの提供電力が電力消費装置２１の消費電力よりも大きければ、電力負荷部２０から第２接続箇所Ｐ２へと向かう電力が正の値になる。

＜２＞
上記実施形態では、電力や時刻などについて具体的な数値を挙げて説明したが、それらの数値は例示目的で記載したものであり、それらの数値は適宜変更可能である。
第１時刻は、電力系統１へ電力を売る時の売電単価が減少側へ変更される時刻に設定してもよい。例えば、２３時に電力系統１へ電力を売る時の売電単価が減少側へ変更されるのであれば、第１時刻を２３時に設定してもよい。その場合、充放電装置１０は２３時に放電モードを終了するように動作する。つまり、放電モードで動作することで電力系統１へと電力を逆潮流させるとしても、その逆潮流は売電単価が高い間に行われる。
第２時刻は、太陽光発電装置３の発電電力が所定の下限電力以下になると予測される時刻に設定してもよい。例えば、１８時に太陽光発電装置３の発電電力が所定の下限電力以下になるのであれば、第２時刻を１８時に設定してもよい。その場合、充放電装置１０は１８時に充電モードを終了するように動作する。つまり、太陽光発電装置３の発電電力が上記下限電力よりも大きい間はその発電電力が充放電装置１０に充電される。尚、季節によって日の入り時刻が変化し、それに応じて太陽光発電装置３の発電電力が所定の下限電力以下になる時間帯は変化するので、この場合、第２時刻は時季に応じて異なる値になる。

＜３＞
上記実施形態（別実施形態を含む）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、太陽光発電装置の発電電力を有効に活用できる太陽光発電システムに利用できる。

１電力系統
２交流線
３太陽光発電装置
１０充放電装置
１１充放電部
１１ａ蓄電池
１２充放電制御部
２０電力負荷部

Claims

電力系統に接続される交流線と、前記交流線に接続され、前記交流線との間での電力の充放電を行う蓄電池を含む充放電部及び前記充放電部の動作を制御する充放電制御部を有する充放電装置と、前記交流線に接続される太陽光発電装置とを備え、前記交流線に電力負荷部が接続されている太陽光発電システムであって、
前記充放電装置の前記充放電制御部は、
夜間の所定の第１時刻から次の夕方の所定の第２時刻までは、前記充放電装置からの放電を行わず、前記太陽光発電装置の発電電力から前記電力負荷部の負荷電力を減算した残りの電力である余剰電力に相当する電力を前記充放電装置で充電するように前記充放電装置への充電電力を調節する充電モードで動作し、
前記第２時刻から次の前記第１時刻までは、前記充放電装置への充電を行わず、前記電力負荷部の負荷電力から前記太陽光発電装置の発電電力を減算した残りの電力である不足電力に相当する電力を前記充放電装置から放電するように前記充放電装置からの放電電力を調節する放電モードで動作し、
前記放電モードで動作している場合、現在時刻での前記充放電部の残容量を所定の下限容量まで定格放電電力で放電するのに要する放電所要時間が、当該現在時刻から前記第１時刻までの残り時間に等しくなると、それ以後は前記充放電装置からの放電電力を前記定格放電電力に調節する太陽光発電システム。
前記充放電装置の前記充放電制御部は、前記充電モードで動作しているとき、前記充放電部に蓄えられている蓄電量が、前記定格放電電力と前記第２時刻から次の前記第１時刻までの期間との積に相当する電力量と前記下限容量との和の電力量になると前記充放電装置への充電を停止する請求項１に記載の太陽光発電システム。