JP7372613B2 - 直流電力システム - Google Patents
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Description
特許文献3には、太陽光発電と風力発電の直流電力を合成した回路に対して、蓄電池を並列接続した直流電源について記載されている。これにより、太陽光発電等の出力を平滑化することができるとされる。
特許文献4には、出力が急激に変動する太陽光発電電力を蓄電池で平滑する方法について記載されている。
特許文献3では並列接続する蓄電池のレート特性との関連は記載されておらず、発電出力に相応する大きな蓄電池容量が必要である。
特許文献4では特許文献3と同様に蓄電池のレート特性に関する記載はなされておらず、発電出力に相応する大きな蓄電池容量が必要である。
放電レート(C)≧太陽光発電の出力(kW)/蓄電池の定格容量(kWh)
請求項2に係る発明は、前記蓄電池は、EV、PHV、HVのいずれかに搭載され、SOHが低下した車載用リユース蓄電池であることを特徴とする請求項1記載の直流電力の供給システムである。
請求項3に係る発明は、前記SOHが80~50%である請求項2に記載の直流電力の供給システムである。
請求項4に係る発明は、前記再生可能エネルギーの直流電圧と、前記系統交流電力から整流された直流ピーク電圧と、前記蓄電池の出力電圧とは、下記の関係を満たす請求項1乃至3いずれか1項に記載の直流電力の供給システムである。
再生可能エネルギーの直流電圧>系統交流電力から整流された直流ピーク電圧>蓄電池の出力電圧
出力や電圧が変動する不安定な直流電力を、コンデンサやDC/DCコンバータを用いずに、安価で簡便に、且つ電力の変換損失を極力少なくし、蓄電池電圧で規定された所定電圧の、安定な直流電力を得ることができる。
出力や電圧が変動する不安定な直流電力を、小さな容量の蓄電池を用い、大きな出力の電力を平滑化することができ、比較的蓄電容量の小さな蓄電池を活用し、電力の変換損失を極力少なくし、高調波ノイズを発生させることなく、蓄電池電圧で規定された所定電圧の安定な直流電力を、シンプルな装置で実現することができる。
太陽光発電等、再生可能エネルギーなどによる、出力が変動する不安定な直流電力や、系統交流電力を整流器などによって整流した、電圧が不安定な直流電力を、それぞれ単独の、または合成した回路に対して、下記の放電レートの蓄電池を並列接続する。
放電レート(C)≧(太陽光発電等の出力)(kW)/(蓄電池の定格容量)(kWh)
本発明の根幹をなす、蓄電池による不安定電力の直流安定化について、図1に概念を示す。前記再生可能エネルギーなどによる直流電圧(V1)と、前記系統交流電力から整流された直流ピーク電圧(V2)と、蓄電池の出力電圧(V3)を、例えば、V1 > V2 > V3となるように設定すれば、再生可能エネルギーが発電する間は、系統交流電力から蓄電池へ電力の入力は止まり、再生可能エネルギーが停止した場合は、系統交流電力から蓄電池へ電力が入力することで、常に蓄電池電圧で規定された直流電力を負荷に供給することができる。
定格容量とは、充電完了後から使い終えるまでに蓄電池から放電した電気量である。
定格容量(kWh)× 放電レート(C) = 太陽光発電等の出力(kW)
従って、例えば、蓄電池の放電レートが10Cであれば、定格容量1kWhの蓄電池を用いて、出力10kW程度の太陽光発電を平滑化することができる。
ここで、SOH(States Of Health)とは、電池の劣化状態を表す指標であり、SOH=(Crd/Cf)×100である。ただし、Crdは劣化時の残容量[Ah]、Cfは初期の満充電容量[Ah]である。
本例では、蓄電池の定格容量及び電圧が等しく、放電レートが異なる蓄電池について、不安定な直流電力の平滑化能力を示す。
図5に示すように、出力:5kW、電圧:200Vの太陽光パネルに対して、同出力の負荷:5kW(8Ω)が接続されている回路に、定格容量:1kWh、蓄電池電圧:200V、放電レート:10Cの蓄電池BT1と、定格容量及び電圧値が等しく、放電レート:1Cの蓄電池BT2を並列接続することで電力の平滑化を行う場合を考える。蓄電池の放電レートから、BT1の放電電流能力は50A、BT2の放電電流能力は5Aであることが判る。
一般に、太陽光発電は天候等の影響により出力が不安定である。時刻t1にて太陽光パネルへの光が遮られ発電電流が停止し、t2にて発電が再開される状況を、簡略化して図6に示す。この系に対してBT1を並列接続すると、時刻t1からt2間の発電電流が停止する時間、BT1から電流が補われ、不安定な直流電力を平滑化でき、安定な直流電力として利用できることが判る。一方、放電レートの小さなBT2を並列接続した場合、放電電流能力が小さく、時刻t1からt2間の発電電流が停止する時間、負荷に供給できる電力が不足することが判る(図7)。
本例では、直流電力について、図4に示すように、負荷と開閉接点の間に、コンバータを配置し、アーク放電について調べた。
DCコンバータ(COSEL/PBAシリーズ)と、リレー(OMRON/G7L)を用い、図3に示す、既存の直流給電システムにおける開閉接点配置において、通電状態から接点開放時のリレー両端電圧の経時変化を、オシロスコープで観察することで、開閉接点におけるアーク放電の挙動を観察した。
図4に、直流電圧:105V、電流:1.0Aを負荷に通電し、接点を開放した場合のリレー両端電圧の挙動を示す。この場合、接点開放から通電終了まで、約22ミリ秒を要し、この間、わずかながらアーク放電が発生していることが判る。但し、数十ミリ秒程度のアーク放電は、実用上は大きな問題にならない。
図8に、直流電圧:105V、電流:2.0Aにて、同様の実験を行った場合のリレー両端電圧の挙動を示す。この場合、接点開放から通電終了まで、約3.8秒を要し、また目視でも激しいアーク放電が確認され、接点開放においてアーク放電が大きな障害となることが判る。
図10に、直流電圧:105V、電流:2.0Aにて、前記実験を行った場合のリレー両端電圧の挙動を示す。この場合、接点開放から通電終了まで、約5ミリ秒程度であり、図8と比較して明らかにアーク放電が抑制されていることが判る。
図11に、直流電圧:105V、電流:8.3Aにて、前記実験を行った場合のリレー両端電圧の挙動を示す。この場合でも、接点開放から通電終了まで、約15ミリ秒程度であり、段落[0034]に記載した実験結果と比較し、DCコンバータの配置を変えることで、大幅にアーク放電の発生が抑制されることが判る。
(1)小さな容量の蓄電池を用いることによっても大きな電力の平滑化を図ることが可能でありシステムの小型化・コンパクト化を図ることができる。
(1)極小化されたデバイス構成により、直流⇔交流変換損失を極力少なくし、且つ安価に、再生可能エネルギー(太陽光発電、他)の高効率利用が可能となる。
(2)SOHが低下した車載用蓄電池のリユースが可能となる。
(3)交流電力を基盤とする既存社会インフラを活用しながら、高効率な直流電力システムを、安全に、安価に、スムーズに導入することができる。
(4)災害時等の非常電源システムを、安価に提供することができる。
Claims (4)
- 太陽光発電を含む再生可能エネルギーによる、出力が変動する不安定な直流電力、及び、系統交流電力を整流器によって整流した、電圧が不安定な直流電力を、合成した回路に対して、下記の放電レートと太陽光発電の出力及び蓄電池の定格容量の関係を満たす、放電レート2C以上の蓄電池を並列接続することを特徴とする直流電力の供給システム。
放電レート(C)≧太陽光発電の出力(kW)/蓄電池の定格容量(kWh) - 前記蓄電池は、EV、PHV、HVのいずれかに搭載され、SOHが低下した車載用リユース蓄電池であることを特徴とする請求項1記載の直流電力の供給システム。
- 前記SOHが80~50%である請求項2に記載の直流電力の供給システム。
- 前記再生可能エネルギーの直流電圧と、前記系統交流電力から整流された直流ピーク電圧と、前記蓄電池の出力電圧とは、下記の関係を満たす請求項1乃至3いずれか1項に記載の直流電力の供給システム。
再生可能エネルギーの直流電圧>系統交流電力から整流された直流ピーク電圧>蓄電池の出力電圧
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玄後義 外5名,リチウム二次電池を用いた系統連系円滑化蓄電システムの開発,三菱重工技法Vol.46No.2(2009) 発電技術特集,Vol.46No.2,日本,三菱重工業株式会社,2009年,p.49-54,https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/462/462049.pdf |
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