JP7096555B2 - 自然エネルギー余剰電力の利活用システム - Google Patents

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Description

最近、世界各国で、地球規模の気候変動や各種資源枯渇を抑制するための、国連主導の気候変動枠組条約第２０回締約国会議（COP20、ペルーリマ市開催、２０１４年）、および持続可能な開発目標（SDGs）が注目されている。“SDGs”は、「Sustainable Development Goals website」の略称であり、正式名称は「我々の世界を変革する：持続可能な開発のための2030年アジェンダ」（国際連合機関・広報提唱）となっている。貧困や飢餓、教育など、今の世界の中で問題となっている事柄を解決するための必要な取り組みとして、17目標を掲げている。その中にはエネルギーについて取り上げている目標もある。
SDGｓの「目標7」に掲げられているのが、「エネルギーをみんなに そしてクリーンに」であり、持続可能な社会を作り上げるためにも、継続的に利用でき、かつクリーンなエネルギーの開発およびインフラ設備の構築が世界全体で必要としている。すなわち、持続可能な社会を作り上げ、継続的に安定した安全なエネルギーを利用するためには、再生エネルギー利用拡大や省エネルギーの改善努力、革新的技術と必要なインフラ投資など継続的な政策が必要とされている。特に先進国である日本では2050年までに温室効果ガスを80%削減することを掲げており、エネルギー転換による脱炭素化への取り組みを進めている。
本発明は、SDGｓのエネルギー関連技術の中で、各種自然エネルギーや環境発電としての、風力、バイオマス、太陽光、地熱等の電力エネルギーの利活用技術に関する。特に、電力会社への売電量を超える部分の電力を活用・蓄電して、２次的な各種商品製造業や社会インフラ維持、安心安全ネットワークを構築するために用いるための、自然エネルギーの余剰電力の有効利用を目的とするSDGｓ関連の新技術を提供する。
そのためには、日時や季節に依存して変動することが避けられない、各種自然エネルギーからの発生電力の約３０％を占める、時間変動部分からなる余剰電力波形を、一旦整流・直流化し、バッテリーに蓄電し、かつ、利用側の電力消費状況に協調して、最適放電量を調整できる、「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム」を設計することが要求される。すなわち、自然エネルギーの余剰部分の電力蓄電機器と２次的産業機器に用いる電力消費を適切に制御しながら長期の利用を可能とする、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせた、自律・協調型の蓄電エネルギー利活用システム機器の開発が不可欠となる。なお、この「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム」は、英語表現で、「Green Energy Managing for Collaborative Operation System」となるので、その頭文字から、略称で「GEMCOS」と命名し、特許庁へ商標登録願い中（商願2019-102192 、出願日：令和1(2019)年 7月 11日）である。
その様な、２次的産業機器を稼働する場合の電力は、ある特定の局所的地域での、自然エネルギー源の電力会社への定常的かつ規定される売電部分以外の、蓄電装置部分を用いる自己完結的な余剰電力部分から抽出するので、利用機器や事業設計が、GEMCOS所有者の自由度が多く取れて、電気事業規制も少なくすみ、さらに、通常の電力会社から購入する電力料金よりも遥かに低価格に出来る産業利用上の利点がある。
上記の技術的特徴を有する、「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム」が実現できれば、大別して（１）低コストＰＣサーバー事業分野、例えば、データセンター用サーバー事業、仮想通貨マイニング事業の省エネギ―・低コスト型運用システム化、また（２）スマートアグリ関連応用分野、例えば、地域灌 灌漑用水くみ上げ、植物工場での温冷風、室内照明、農林業での電動農機具用の蓄電池配給、人工漁業・養殖事業での加温・循環水ポンプ、餌やり自動化事業の省エネギ―型運用システムが可能となる。
さらには、３）中規模以下の限定地域での、時間軸や電力消費量変化が異なる、家庭、工場、インフラ、発電所等を連携しながら、自然エネルギーの蓄電・自律型制御をもとにした、局所的地域内での消費電力を最適に再配分化できる機能性を具備した、防災減災機能を含む、安心安全・省エネ型の、いわゆる仮想発電所(バーチャルパワープラント)を基盤的機能に置く、スマートな社会インフラ・サービス運用システムが可能となる。
以上、本技術分野は、自然エネルギーの余剰電力の有効利用を目的とするSDGｓ関連の新技術に関する。
前述したSDGｓエネルギー分野では、達成すべきエネルギー転換と脱炭素化の動きに伴い、エネルギー計画の方針の下、様々な電源（火力、原子力、太陽光、風力、地熱、シェールガス等）のメリット、デメリットを生かし効率よく組み合わせて供給し、需要増減に対応したり、エネルギー不足を回避する対策を目指しています。ここでは、いきなり、気候や日時で変動する傾向がある、再生可能エネルギーを主力電源化できないため、まずは現行の発電エネルギーと再生可能エネルギーのバランスを取りながらミックスし、徐々に再生エネルギーの比率を高められるように強化していく。
そして、無駄の少ない、高効率・省エネルギー政策での「エネルギーのベストミックス」と呼ばれる、社会的エネルギー・インフラの実現を目指している。例えば、我が国(日本)では、２０３０年に向けて、再生可能エネルギーが電源構成比率の22～24%、原子力発電が20～22%、化石燃料による火力発電が56%となるように計画が立てられて、徹底した省エネを進めることで実質エネルギー効率を35%削減させる取り組みが計画されている。
また、東日本大震災等の非常の電力需給のひっ迫問題から、従来の省エネルギー対策の強化だけでなく、ある想定地域での消費電力の時間的な需給バランスを考慮して、統合的に電力エネルギーの管理を行うことへの政策転換が始まった。また、太陽光発電や風力発電といった、地域分散型の再生可能エネルギーの導入が進んだ。さらには、温暖化防止などへ向けて、太陽光発電や家庭用燃料電池などのコージェネレーション、蓄電池、電気自動車など、家庭や小型工場などの需要家側に導入される分散型のエネルギー機器への導入も進んだ。
以上の背景から、火力や原子力等の大規模集中型発電所に大きく依存した従来型のエネルギー供給システムが見直されるとともに、個々には小規模だが、工場や家庭などが有する分散型のエネルギー資源を、限定地域内の電力に活用する仕組作りの必要性が叫ばれて来ている。 その際は、各種のエネルギー資源を、需要ユーザ側機器に繋げ、IoT(モノのインターネット)を活用した高度なエネルギーマネジメント技術により束ねて、遠隔・統合制御することで、電力需給バランス調整に活用することが出来る。
この仕組みは、ある想定地域では、あたかも高度なエネルギーマネジメント機能をそなえた、一つの発電所(電力エネルギー源)のように作動することから、図１に示される「仮想発電所:バーチャルパワープラント(Virtual Power Plant ,VPP)」と呼ばれている。（それゆれえに、VPPは、負荷平準化や再生可能エネルギーの供給過剰の吸収、緊急災害時等の電力不足時の電力供給機能を有する、限定的地域で作動する、しなやかな近未来の電力事業システムとなることが期待されている。
上述した我が国でのVPP（仮想発電所）の想定規模は、火力、水力、原子力等の大規模集中型発電所、製鉄工場等での発電所、太陽光、風力等の分散型自然エネルギーからの電力源が入る。一方、電力消費側では生産工場、ビルや各家庭等の小口ユーザを組み込んでおり、住民居住地域を含む、市町村レベルのかなり大きな想定地域が設定されている。さらに、その地域で消費する主電力エネルギー源は、やや不安定な自然エネルギー依存は低く、従来の大規模集中型発電が主流を占めている特徴がある。
自然エネルギー由来の電力は、大きな発電規模(≧数MW)では、既存の送電線が近くにあればそれに繋げて、電力会社に固定価格で、国が法律で定める“自然エネルギー電力の買取り制度”（Feed-in Tariff, FIT）で売電することができる。
一般に、日時や季節に依存して変動する、各種自然エネルギーは、不安定さがあり、
電力会社は、供給側電源の安定性を見込み、実質的には、発電最大容量の３分の２程度（７０％）しか購入しない。
また、多くの場合、自然エネルギー採取に適した地域は、人里離れた、山野に近い平坦地、海岸線、さらには、人が済まない地熱・温泉源地域に限定される特徴があり。そこから遠距離の送電線方式では電力抵抗ロスが大きくなり、売電には不向きな立地条件もある。この様な人里離れた、いわゆる人口低密度や僻地での、人工養殖、遠隔的なスマート管理型農業、寒冷地での昼夜運転のサーバー事業、緊急災害時のエネルギー確保や救援活動拠点等への、局所的な地域限定型の自然エネルギーの余剰電力を用いた、新規事業への構築可能性が有るわけである。
その場合、自然エネルギーの非売電・余剰電力部分である約３０％を占める、時間変動部分からなる余剰電力波形を、一旦整流・直流化し、バッテリーに蓄電し、かつ、利用側の電力消費状況に協調して、最適放電量を調整できる、「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム」を、限定地域に適合した形態で設計・開発することが要求される。すなわち、自然エネルギーの余剰部分の電力蓄電機器と２次的産業機器に用いる電力消費を適切に制御しながら長期の利用を可能とする、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせた、自律・協調型の蓄電エネルギー利活用システム機器の開発が不可欠となる。
その様な、２次的産業機器を稼働する場合の電力は、ある特定の局所的地域での、自然エネルギー源の電力会社への定常的かつ規定される売電部分以外の、蓄電装置部分を用いる、自己完結的な余剰電力部分から抽出するので、利用機器や事業設計が、GEMCOS所有者の自由度が多く取れて、電気事業規制も少なくすみ、さらに、通常の電力会社から購入する電力料金よりも遥かに低価格に出来る産業利用上の利点がある。
上記の技術的特徴を有する、「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム」が実現できれば、大別して（１）低コストＰＣサーバー事業分野、例えば、データセンター用サーバー事業、仮想通貨マイニング事業の省エネギ―・低コスト型運用システム化また、（２）スマートアグリ関連応用分野、例えば、地域灌 灌漑用水くみ上げ、植物工場での温冷風、室内照明、農林業での電動農機具用の蓄電池配給、人工漁業・養殖事業での加温・循環水ポンプ、餌やり自動化事業の省エネギ―型運用システムが可能となる。さらに、防災減災機能を含む、安心安全・省エネ型の、いわゆる仮想発電所(バーチャルパワープラント)を基盤的機能に置く、スマートな社会インフラ・サービス運用システムが可能となる。
以上、本技術分野は、自然エネルギーの余剰電力の有効利用を目的とするSDGｓ関連の新技術に関する。
(１) (財)国際開発センター「目標7 エネルギーをみんなに そしてクリーンに」,2018）https://www.idcj.jp/sdgs/
(２) Gooddo（株）、gooddo, Inc.
https://gooddo.jp/magazine/sdgs_2030/clean_energy_sdgs/8028/
（３）資源エネルギー庁 HPから、仮想発電所
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/advanced_systems/vpp_dr/about.html
（４）企業リリース発行：リード エグジビション ジャパン株式会社発電所もバーチャルで運用する時代に！ 「仮想発電所（ＶＰＰ）」を実現する最新テクノロジーが集結、（第14回 スマートエネルギーWeek 会期：2018年2月28日（水）～3月2日（金） 会場：東京ビッグサイト） https://www.nikkan.co.jp/releases/view/25294
（５）新聞記事：東奥日報（2019年7月12日朝刊）「風力発電などで余った電力を蓄電 スマート農業や災害時に活用へ／アウラ社（青森市）など３社開発」およびYahoo News配信7/11(木) 23:13: https://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20190711-00000009-webtoo-l02
（６）新聞記事：日本経済新聞社（2019年9月19日）「再生エネ余剰 蓄電し活用、スマート農業・非常電源に、アウラなど実証成功」
一般に、季節や日時に変化して、不安定な傾向がある、各種自然エネルギー（風車、太陽光、熱電、波動・環境発電等）の電力会社への売電以外の余剰電力の比率は、全体出力の約３０％を占めており、電気抵抗熱(ヒーター)等に変換したりして廃棄されているのが実情である。例えば、ある農山村等の特定地域内での、複数の分散型自然エネルギー源からの発電出力が経過時間により大小に差異がありがの実際であり、その時間軸で変動する様な場合も、各発電源からの変動電圧・電流を、整流・平滑化し、直流電流に変換してバッテリーに蓄電し、かつ、これにより、各種産業用電力機器を作動させて産業育成に利活用して、高効率の省エネルギー社会とSDGｓ目標達成への新技術の一つとなる。
その場合、工場や利用側の電力消費状況に協調して、最適放電量を逐次に調整して、「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム、GEMCOS」を、限定地域に適合した形態で設計・開発し、新技術として適用する。特に、この「GEMCOS」をエネルギー利用効率よく稼働させるには、連結された２次的産業機器の稼働状況や周囲環境変化等を常時モニタリングし、かつ、分散型のIoT対応センサーおよびそのワイヤレスネットワークとの構築により、かつ自然エネルギーの余剰部分の電力蓄電機器と２次的産業機器に用いる電力消費を適切に制御しながら長期の利用を可能とする、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせた、自律・協調型の蓄電エネルギー利活用システム機器の開発が不可欠となる。
この様な、GEMCOSを介した２次的な起業分野としては、例えば、（１）低コストＰＣサーバー事業への応用、（２）スマートアグリ関連応用分野、（３）、突発的な大災害・非常時の防災減災・サステナブル対策用の技術提供、およびこれらを操業する限定的地域での、局所的地区での消費電力を最適に再配分化できる機能性を具備した、自然エネルギーの蓄電・自律型制御をもとにした、（４）安心安全・省エネ型のスマートな社会インフラ・サービス運用システムがある。
GEMCOSを活用する場合、機器を稼働する場合の電力は、ある特定の局所的地域での、自然エネルギー源の電力会社への定常的かつ規定される売電部分以外の、蓄電装置部分を用いる自己完結的な余剰電力部分から抽出する。 そゆえに、利用機器や事業設計が、GEMCOS所有者の自由度が多く取れて、電気事業規制も少なくすみ、さらに、通常の電力会社から購入する電力料金よりも遥かに低価格に出来る産業利用上の利点がある。
第１発明の蓄電協調型利活用システム(ＧＥＭＣＯＳ)は、同一または異種の分散型自然エネルギー源により発電される発電量に変動がある環境下で余剰電力を活用するシステムであって、
複数の自然エネルギー発電装置から送電される発電量に変動がある発電電力を、電力会社へ送電する売電電力と、該売電電力以外の変動電力を余剰電力として振り分けし、該余剰電力を整流・平滑化して直流変換する整流・主分電盤と、
前記整流・主分電盤において直流変換された余剰電力を充電する蓄電池と、
前記発電電力を監視する入力電圧センサーの電圧値に基づき、前記整流・主分電盤における前記発電電力の振り分け制御を指示するＧＥＭＣＯＳコントローラ部と、
前記蓄電池に充電された電力を利用する二次的産業機器の電力消費状況を常時モニタリングする消費電力センサーと、を備え、
前記ＧＥＭＣＯＳコントローラ部は、前記入力電圧センサーの電圧値が予め設定された第１設定基準値以内の場合には、前記発電電力の全てを前記売電電力に振り分け制御するとともに、前記入力電圧センサーの電圧値が前記第１設定基準値を超えた場合には、前記発電電力の中から予め設定された一定電力を前記売電電力へ振り分けし、残りの余剰電力を前記蓄電池に充電するよう振り分け制御する機能と、
前記消費電力センサーが監視する前記二次的産業機器の電力消費状況および前記蓄電池の蓄電状況に応じて、予め設定された電流基準値の範囲内で前記蓄電池を最適放電使用するように制御して前記二次的産業機器で使用する電力へ振り分けするとともに、前記入力電圧センサーの電圧値が予め設定された第２設定基準値（第１設定基準値＞第２設定基準値）以下の場合に、前記二次的産業機器で使用する電力への振り分けを遮断するように制御する機能と、
を備え、
前記自然エネルギー発電装置の発電状況、気象状況、および前記二次的産業機器の電力消費状況等の複数の指標値について外部からネットーワークを利用して随時モニタリングし、前記指標値の変化に応じて前記ＧＥＭＣＯＳコントローラ部の制御条件として前記第１設定基準値および前記第２設定基準値を含む各種設定値を外部からリモートで変更できる仕組みを有し、自然エネルギーによる余剰電力を最適に利活用することを特徴とする。
第２発明の蓄電協調型利活用システム(ＧＥＭＣＯＳ)は、第１発明において
前記ＧＥＭＣＯＳコントローラ部は、前記入力電圧センサーの電圧値が前記第１設定基準値に足りない場合に、前記蓄電池に蓄えられた電力を前記整流・主分電盤にフィードバックして前記売電電力に振り分けるように制御する送電補助機能を有することを特徴とする。
自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム（ＧＥＭＣＯＳ）には、以下のような産業応用分野が開拓できる。
１）不安定で時間的に変動することが多い、各種自然エネルギー（風力、バイオマス、太陽光、温度変化、振動発電等）の売電以外の余剰電力部分を、一旦整流し、平滑・直流化し、かつバッテリーに蓄電し、さらに、利用側の電力消費状況に協調して、適宜最適放電使用することが出来る、自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム
２）自然エネルギー回収装置（風車、太陽光、熱電、振動・環境発電等）およびその電力・蓄電電気エネルギー使用側機器に、分散型のIoT対応センサーおよびそのワイヤレスネットワークとの構築により、GEMCOS連結機器の稼働状況や周囲環境変化等を常時モニタリングかつ自律的に制御できる自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム
３）この “自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム”を用いた、低コストＰＣサーバー事業への応用分野、例えば、データセンター用サーバー事業、仮想通貨マイニング事業の省エネギ―型運用システム、スマートアグリ関連応用分野、例えば、地域灌 灌漑用水くみ上げ、植物工場での温冷風、室内照明、農林業での電動農機具用の蓄電池配給、人工漁業・養殖事業での加温・循環水ポンプ、餌やり自動化事業の省エネギ―型運用システム
４）この“自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム”を用いて、限定的地域での、時間軸や電力消費量変化が異なる、家庭、工場、インフラ、発電所等を連携しながら、局所的地区での消費電力を最適に再配分化できる機能性を具備した、自然エネルギーの蓄電・自律型制御をもとにした、安心亜安全・省エネ型のスマートな社会インフラ・サービス運用システム
中規模域の生活圏を想定した場合の「仮想発電所」の概念図「仮想発電所:バーチャルパワープラント(Virtual Power Plant,VPP)」 低圧風力発電所（５０ｋW未満）に設置した余剰電力利活用システム“GEMCOS”を用いた昼夜稼働サーバー事業への電気供給図(事例１） 「GEMCOS」の余剰電力・制御・活用系構成図 「GEMCOS」電気回路の平面ブロック図 実習試験した「GEMCOS」装置の外観図（2019年7月２日、県深浦町丘陵地、中型風車（40KW、高さ20ｍ、多摩川ホールデイングス社保有物） 「GEMCOS」内部の制御系コントローラーの電気回路 「GEMCOS」コントローラ内部のＣＰＵ周辺の制御系ブロック図
一般に、日時や季節に依存して変動する、各種自然エネルギー（風車、太陽光、熱電、波動・環境発電等）は、不安定さがあり、電力会社は、供給側電源の安定性を見込み、実質的には、発電最大容量の３分の２程度（７０％）しか購入しておらず、電力会社への売電以外の余剰電力の比率は、全体出力の約３０％を占めており、電気抵抗熱(ヒーター)等に変換したりして廃棄されているのが実情である。その「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム（GEMCOS）」を低圧風力発電所（５０ｋW未満）に設置して、昼夜稼働のサーバー事業への電気供給図の事例を図２に示す。自然エネルギーで、かつ、その余剰電力を用いることで、サーバー事業において、停電時の寸断危険性は低下して、かつ、より低コスト化事業が展望できる。
例えば、ある地方の農山村等の特定地域、例えば、１ｋｍ四方域を想定した場合、複数の分散型自然エネルギー源からの発電出力には、発電量は差異があり、その出力は時間軸で変動するのが普通である。ゆえに、前出の「GEMCOS」を用いて、必要時に各種産業機器を動かして生産活動を行うためには、複数の自然エネルギー発電源からの余剰電療部分の変動電圧・電流を、整流・平滑化し、直流電流に変換してバッテリーに蓄電する、電気回路システムの構築が必要になる。さらに、産業機器側の電力消費量とバッテリー蓄電量とを相互に連携・協調させながら作動させるソフトウェアが不可欠となる。
そのための、自律型の「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム（GEMCOS）」の余剰電力・制御・活用系の構成を、図３に示す。「GEMCOS」は、自然エネルギーの余剰部分の蓄電機器と２次的産業機器に用いる電力消費を適切に制御しながら長期の利用を可能とする、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせた、限定地域内での新たな自律・協調型の自然エネルギー利活用システム関する新技術である。この事例では、発電源となる風車側の発電状況、すなわち、定常安定部分電力と余剰電力の電力集積部、その変動電圧部分を整流後の蓄電部、さらには過剰発電等による蓄電オーバーフローへの補郵電停止または廃棄する場合の放電対策を想定する蓄電系の系安全回路から構成される。図３中の番号の説明は次の通り。
（１） 自然エネルギー回収装置
（２） 全体電力
（３） 定常電圧部（＝電力会社買取量）
（４） 変動電圧部（＝余剰電力）
（５） 整流・主分電盤
（６） 蓄電系統（＝余剰電力分≒1/3））
（７） ＧＥＭＣＯＳ本体構成
（８） 蓄電力分配・最適化回路（＝フィードバック、ソフトウェア
（９） 蓄電池（バッテリー）
（１０）補完電流（＝売電量不足時に使用）
（１１）売電（≒2/3,Fit制度:電力会社へ）
（１２）パワー調整・安全装置
（１３）売電メータ
（１４）電柱（電線系統）
（１５）電力供給（=産業用機器稼働用）
（１６）２次的事業育成
（１７）サーバー用電源
（１８）スマート農業・養殖
（１９）防災減災・インフラ診断
図３には、一般的に時間変動がある自然エネルギー発電機器からの電力を取り込む場合の、整流平滑化回路、ＧＥＭＣＯＳ側蓄電部、さらには、その先の産業応用機器への活用を含む装置構成図を示す。図中の番号は、装置品名や機能部品番号を示す。番号１は、自然エネルギー電力源(風車、太陽光パネルなど、番号１)で、その発電源からの総体電力構成(番号２)、そこには余剰電力部分（番号４）が入っている。これは、日時や季節で変動するが、売電部分(番号３)以外の変動電圧部分を意味する約三分の一（≒３０％）に相当する。そして、変動電圧の整流用電気回路(番号５)で直流変換されて、GEMCOS(番号７)の内部の蓄電池(バッテリー、番号９)にいったん貯めて、２次的な産業機器の動力用に用いる。
この蓄電池（バッテリー、番号９）には、自然エネルギー電力源（番号１）側からの余剰（オーバーフロー）電力分離用電線 (番号６)に電圧値の下限と上限が設定されており、過電流を防いで、受け皿側となる蓄電池(バッテリー、番号９)に給電される。また、蓄電池(バッテリー、番号９)にも、過充電による機器破損を防ぐための安全回路となるフィードバック型放電制御回路(番号１０)組み込まれている。これらは、GEMCOS(番号７)の充電・放電制御用ソフトウェア(番号８)で組み込まれる方式となっている。
産業界側への本新技術、「GEMCOS」から電力供給（番号１５）を介した２次的な起業分野(番号１６)としては、大別して、（１）低コストＰＣサーバー事業（番号１７）、（２）スマートアグリ事業（番号１８）、（３）突発的な大災害・非常時の防災減災・サステナブル対策用の技術(番号１９)がある。これらは、自然エネルギーの蓄電・自律型IoTセンサーのフィードバック制御をもとにして運用されて、安心安全・省エネ型のスマートな社会インフラ・サービスシステム事業が育成される。
特に、この「GEMCOS」をエネルギー利用効率よく稼働させるには、連結された２次的産業機器の稼働状況や周囲環境変化等を常時モニタリングし、かつ、分散型のIoT対応センサーネットワークとの構築により、かつ自然エネルギーの余剰部分の電力蓄電機器と２次的産業機器に用いる電力消費を適切に制御しながら長期の利用を可能とする、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせた、自律・協調型の蓄電エネルギー利活用システム機器の研究開発が不可欠となる。
そのための、ある限定地域で活用する、自律型「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム（GEMCOS）」の余剰電力・制御・活用系の構成は、発電源となる自然エネルギー機器の発電状況モニタリング部と２次的な産業応用機器への自律協調型電力供給システムを設計する。すなわち、定常安定部分電力と余剰電力の電力集積部、その変動電圧部分を整流後の蓄電部、さらには過剰発電等による蓄電オーバーフローへの補郵電停止または廃棄する場合の放電対策を想定する蓄電系の安全回路から構成される。
ＧＥＭＣＯＳ電力制御・連携系ブロック図を平面図（図４）で示す。
まず、風力、太陽光、バイオマスなどからの自然エネルギー発電電力（番号１および番号３、番号４)は、番号５の主分電盤（整流回路）を経て、その全体の約三分の二（＝６６％） 量は 、Fit制度に従い、電力会社側への売電電力(番号６)となる。GEMCOS装置部分（番号７）には、余剰電力部分（番号４）が導入される。これは、日時や季節で変化するが、定常的な売電部分以外の変動電力部分を意味して、全体発電量の約三分の一（≒３３％）に相当する。番号５は主分電盤であり、その内部には変動電圧の整流・平滑化のための電気回路が設置されている。自然エネルギー発電源からの電圧センサーで振り分けられ、一定のしきい値（Threshold Value）範囲の電圧条件で出力側７（ＧＥＭＣＯＳ本体）にＯＮ－ＯＦＦ出来るように、ＧＥＭＣＯＳ－ＣＰＵ上でのソフトウェアを介して識別できる仕組みとなっている。低電圧化された電流は、中央の並列された蓄電池群（バッテー、番号８)）を経由して、ＤＣ－ＡＣ変換され、商用電流（３相 ２００Ｖ ５０Ｈｚ）となり、ＧＥＭＣＯＳ経由で２次産業用機器（番号１３，番号１４，番号１５を作動できる仕組みになっている。その際の交流電圧のリップル率（バラつき値≦１%以内、ＤＣ／ＡＣインバーターの波形歪み率は３％以内に抑制できる。
この蓄電池（バッテリー、番号８）には、自然エネルギー電力源（番号１）側からの余剰（オーバーフロー）電力(番号４)値の下限と上限が設定されたリミッター機能がソフトウェアで組込まれており、過電流の流入を防いで、受け皿側となる蓄電池(バッテリー、番号８)に給電される。この蓄電池(バッテリー、番号８)についても、過充電による機器破損を防ぐための、GEMCOS内(番号７)に安全回路からなるバッテリーマネージメントシステム（BMS)も組み込まれ、過電流や過充電による異常加熱や破損を防止している。これらは、GEMCOSに繋がる、発電電力の消費状態モニターセンサー（番号１０）を介して、GEMCOSへの充電・放電制御用ソフトウェア回路（番号９）が組込まれている。なお、ＧＥＭＣＯＳコントロ－ラー部で外部とWiFi-LANを用いたIoTセンサーネットワーク(番号１１）による繋がり、外部から監視しながら操作パネル（番号１２）御条件を変更できる仕組みになっている。
具体的なＧＥＭＣＯＳ－コントローラ内のＣＰＵ制御法は、主記憶装置として、４ＧＢRAM「Random Access Memory」（ランダムアクセスメモリ、１６ビット））ボードを用いており、外部から入力電圧設定、CPUが何らかの処理を行ったり、電力データ採取中は画面上にそのデータを表示出来る。ＣＰＵ内部では、アナログ入力値は１６ビットデジタル値変換さて後に、予め入力している設定基準値との大小を判定してその差に比例した形のパルスは、パルス幅変調（:pulse width modulation、PWM）により、ＯＮ－ＯＦＦ信号をフィードバックさせている。パルス波のデューティ(デジタルＯＮ－ＯＦＦ高さ)比を変化させて変調することで、電圧基準値（しきい値）を変更できる方式となっている。
具体的には、自然エネルギー発電機器からの入力側の電圧幅＝ＤＣ＋ＩＮ≧４５０Ｖ以上では、入力側電圧センサーを介してＤＣ＋３００Ｖを定電圧での出力で使用できる。また、ＤＣ＋ＩＮ≦４５０Ｖ以下の時は電池出力モードとなる。さらに、インバーター（電圧逆変換器）により、発電機側の発電力がＤＣ＋ＩＮ≦２３０Ｖ以下の時は、商業用電力出力ＡＣ２００Ｖを停止させることができる。また、各主電力系のゲート位置では、そこでの最大電流値≦１５Ａ以下になるように発電側、バッテリーおよび商用電力系の各ゲートでフィードバック制御プログラムが掛かっている。
以上のＧＥＭＣＯＳによる入出力電力制御の仕組みから、整流や蓄電後の定電圧電力を用いて、産業界側への本新技術、「GEMCOS」を介した２次的な起業分野としては、大別して、（１）低コストＰＣサーバー事業（番号１３）、（２）スマートアグリ・養殖事業（番号１４）、（３）突発的な大災害・非常時の防災減災・サステナブル対策用の技術(番号１５)がある。これらは、自然エネルギーの蓄電・自律型IoTセンサーのフィードバック制御をもとにして、安心安全・省エネ型のスマートな社会インフラ・サービス運用システム事業に貢献できる。
ある地域限定での自律型「自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム（GEMCOS）」は、インターネット環境に置かれ、遠隔的に制御用パネル（番号１２）を操作できる仕様となっている。また、ＩｏＴセンサーネットワーク(番号１１)に繋がっており、その限定地域の複数の自然エネルギー源の発電状況、気象状況、さらには、地域社会の消費電力を随時モニタリングできる。また、GEMCOS側から提供される２次的産業機器を稼働する電力は、電力会社への定常的かつ規定される売電部分以外の蓄電装置部分を用いる、事業主体の自己完結的な余剰電力部分から抽出する。それゆえに、利用機器や事業設計においては、GEMCOS所有者の自由度が多く取れて、電気事業規制も少なくすみ、さらに、通常の電力会社から購入する電力料金よりも遥かに低価格に出来る産業利用や経済学的な利点がある。
次に、実施例を示す。実証テストは、２０１９年７月２日～３日に青森県の日本海側、深浦町海岸近くの丘陵地に設置の、中型風車（50ＫＷ 600Ｖ、高さ20ｍ、多摩川ホールデイングス社保有物）に連結されたGEMCOS装置により、当該特許申請の会社、発明者らによって、その有効性が確認された。図５にはＧＥＭＣＯＳ装置写真を示す。屋外の風車１台から、風量に応じたAC0V～600Vの電圧が出力される。この場合の中型風車の定格容量は、50KW/600Vである。一方、電力会社との売電契約は30KWであり、定格容量と売電契約の差が余剰力部分となる。風車側から電線ケーブルで繋がれた整流・分電盤（写真中の右側緑色ランプ装置）から、売電以外の余剰電力部分（≒全体発電力の３０％）を風車発電圧波形を整流回路・主分電盤（１）を経由させて、GEMCOSコントローラ（２）に送る。
ＧＥＭＣＯＳ側は、主分電盤の発電（電圧）量を判別しながら、ある設定値以上の電圧時に、その余剰電力量を蓄電バッテリー（３）に振り分ける機能を有している。また、ある設定電圧以下では、振り分けは無く、また、主電流量が不足時は、ＧＥＭＣＯＳバッテリー電力を主系統に一時的に逆配分して送電補助機能を持っている。さらに、ＧＥＭＣＯＳ側蓄電部の過充電や過度の温度上昇によるバッテリー破損を防ぐために、風車側からの電力を閉鎖する安全回路も組み込まれている。
今回、実証試験に用いたＧＥＭＣＯＳ付属の蓄電池（バッテリー、（３））容量は、３ＫＷの小型モデルで、低コスト、5年間性能が維持可能なＰｂーＭｇバッテリーを用いた。２０１９年７月２日～３日の実証試験では、主分電盤からの余剰電力により約１日でバッテリーに充電出来た。その後、このバッテリーからの直流をＧＥＭＣＯＳコントローラ内で交流１００Ｖに再変換して、市販のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）用サーバー（４）が作動した。さらに、ＧＥＭＣＯＳの作動状態の内部データを、そこに設置したＷｉＦｉルーターを介して、５０ｋｍ離れた弘前市内のモバイル型ツール（パッド）にリモート表示可能なことを確認した。
風車からの変動電圧（電流）は、整流回路を経て直流化された電圧（ＤＣＶ（＋）、ＤＣＮ（－））がＧＥＭＣＯＳ装置に投入される。そのＧＥＭＣＯＳ主電力系の電気回路（ブロックダイアグラム））を図６に示す。
図６中、左端部側から直流ＤＣ入力（＝３００～６００Ｖ）が入り、その際に、入力電圧値＝４５０Ｖを“しきい値”（Threshold Value、上下境界）の“Input Voltage Sensor”を介して、出力側への電力をＯＮ－ＯＦＦする。低電圧化された電流は、中央の並列された蓄電池群（バッテー）を経由して、ＤＣ－ＡＣ変換され、右側回路で商用電流（３相 ２００Ｖ ５０Ｈｚ、最大３ＫＷ（ＶＡ））となり、ＧＥＭＣＯＳ経由で２次産業用機器を作動できる仕組みになっている。その際の交流電圧のリップル率（バラつき値≦１%以内、ＤＣ／ＡＣインバーターの波形歪み率は３％以内になっている。
さらに、図６の上部に四角で囲まれている、ＧＥＭＣＯＳ内部でのしきい値設定やバッテリー側安全回路が入る電子制御系コントローラーのブロック図を図７に示す。
左端部はＧＥＭＣＯＳコントロ－ラー部で外部とＬＡＮで繋がり、外部から監視しながら制御条件を変更できる仕組みになっている。図面の中央部のＤＣＶ，ＤＣＮが風車発電機からの直流電圧であるが、まだ変動率が高いので、整流回路コンバーター（順変換器、 Converter Gate Driver）により直流変換されて、ＤＣＰ１，ＤＣＮ１となりバッテリーに導入されて蓄電される。ＢＭＳはバッテリーマネージメントシステムを意味して、過電流や過充電にともなう異常加熱破損を防ぐ仕組み になっている。具体的には、ＤＣＶ（＋）、ＤＣＮ（－）入力側の電圧幅＝ＤＣ＋ＩＮ≧４５０Ｖ以上では、を介してＤＣ＋３００Ｖを定電圧で出力できる。また、ＤＣ＋ＩＮ≦４５０Ｖ以下の時は電池出力モードとなる。さらに、インバーター（電圧逆変換器）により、発電機側の発電力がＤＣ＋ＩＮ≦２３０Ｖ以下の時は、商業用電力出力ＡＣ２００Ｖを停止させることができる。また、各主電力系のゲート位置では、そこでの最大電流値≦１５Ａ以下になるように発電側、バッテリーおよび商用電力系の各ゲートでフィードバック制御プログラムが掛かっている。
［１］電力入力（自然エネルギー系）
［２］事業化システム構成図（ブロック図）
［３］自然エネルギー電力の全体構成
［４］余剰電力分（全体量の約1/3）
［５］主分電盤（整流回路）
［６］売電（Fit 送電系統）
［７］GEMCOS（自然エネルギー余剰電力の蓄電協調型利活用システム）
［８］蓄電部（バッテリー）
［９］ 消費電力フィードバック制御部
［１０］電力モニター用センサー
［１１］IoTセンサーネットワーク
［１２］GEMCOS操作パネル
［１３］ サーバー事業（２次的事業）
［１４］スマート農業・養殖（２次的事業）
［１５］防災・インフラ診断（２次的事業）

Claims (2)

  1. 同一または異種の分散型自然エネルギー源により発電される発電量に変動がある環境下で余剰電力を活用するシステムであって、
    複数の自然エネルギー発電装置から送電される発電量に変動がある発電電力を、電力会社へ送電する売電電力と、該売電電力以外の変動電力を余剰電力として振り分けし、該余剰電力を整流・平滑化して直流変換する整流・主分電盤と、
    前記整流・主分電盤において直流変換された余剰電力を充電する蓄電池と、
    前記発電電力を監視する入力電圧センサーの電圧値に基づき、前記整流・主分電盤における前記発電電力の振り分け制御を指示するＧＥＭＣＯＳコントローラ部と、
    前記蓄電池に充電された電力を利用する二次的産業機器の電力消費状況を常時モニタリングする消費電力センサーと、を備え、
    前記ＧＥＭＣＯＳコントローラ部は、前記入力電圧センサーの電圧値が予め設定された第１設定基準値以内の場合には、前記発電電力の全てを前記売電電力に振り分け制御するとともに、前記入力電圧センサーの電圧値が前記第１設定基準値を超えた場合には、前記発電電力の中から予め設定された一定電力を前記売電電力へ振り分けし、残りの余剰電力を前記蓄電池に充電するよう振り分け制御する機能と、
    前記消費電力センサーが監視する前記二次的産業機器の電力消費状況および前記蓄電池の蓄電状況に応じて、予め設定された電流基準値の範囲内で前記蓄電池を最適放電使用するように制御して前記二次的産業機器で使用する電力へ振り分けするとともに、前記入力電圧センサーの電圧値が予め設定された第２設定基準値（第１設定基準値＞第２設定基準値）以下の場合に、前記二次的産業機器で使用する電力への振り分けを遮断するように制御する機能と、
    を備え、
    前記自然エネルギー発電装置の発電状況、気象状況、および前記二次的産業機器の電力消費状況等の複数の指標値について外部からネットーワークを利用して随時モニタリングし、前記指標値の変化に応じて前記ＧＥＭＣＯＳコントローラ部の制御条件として前記第１設定基準値および前記第２設定基準値を含む各種設定値を外部からリモートで変更できる仕組みを有し、自然エネルギーによる余剰電力を最適に利活用することを特徴とする蓄電協調型利活用システム（ＧＥＭＣＯＳ）。
  2. 請求項１記載の蓄電協調型利活用システムにおいて、
    前記GEMCOSコントローラ部は、前記入力電圧センサーの電圧値が前記第１設定基準値に足りない場合に、前記蓄電池に蓄えられた電力を前記整流・主分電盤にフィードバックして前記売電電力に振り分けるように制御する送電補助機能を有することを特徴とする蓄電協調型利活用システム。
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東奥日報に余剰電力蓄電システムＧＥＭＣＯＳが紹介されました，日本，株式会社多摩川ホールディングス，2019年07月12日，https://www.tmex.co.jp/wp/wp-content/uploads/2019/07/東奥日報＿GEMCOS.pdf

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