JP7413663B2 - 太陽光発電電力利用システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電装置及び蓄電池の少なくとも一方の電力を用いて負荷を運転する太陽光発電電力利用システムに関する。

例えば特許文献１には、太陽光発電装置の発電電力を水素製造装置等の負荷に供給することによって負荷を動作させ、太陽光発電装置の発電電力のうち余剰な電力を蓄電池に蓄電する太陽光発電電力利用システムが開示されている。太陽光発電装置の出力が雲等によって低下した場合には、太陽光発電装置の発電電力に加えて、蓄電池の電力も負荷に供給する。これにより、負荷に安定して電力を供給することができる。

特開２０１８－８５８６１号公報

ところで、負荷の消費電力が小さくなる程、負荷の運転効率が低くなる場合、負荷に対する供給電力が小さいと、負荷の運転により目的が達成するまでに要する時間が長くなり、結果として負荷の消費電力量が増えてしまう。
また、太陽光発電装置の発電電力が小さい際に、負荷に対する供給電力が大きいと、太陽光発電装置の発電電力のみならず蓄電池の放電電力も必要とする。蓄電池の充放電により損失が発生するため、太陽光発電装置の発電電力を効率よく負荷の運転に利用することができない。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、負荷の運転時間を短くすることによって負荷の消費電力量を減らすとともに、太陽光発電装置の発電電力を効率よく負荷の運転に利用することを目的とする。

以上の課題を解決するために、太陽光発電装置の発電電力が負荷の消費電力よりも大きい場合に、前記太陽光発電装置の発電電力によって前記負荷を動作させるとともに、余剰電力を蓄電池に蓄電し、前記太陽光発電装置の発電電力が前記負荷の消費電力よりも小さい場合に、前記太陽光発電装置の発電電力及び前記蓄電池の放電電力によって前記負荷を動作させる太陽光発電電力利用システムは、前記太陽光発電装置の発電電力を計測する電力計測手段と、快晴の際の前記太陽光発電装置の発電電力又は水平面全天日射量と時刻との関係を時系列で表した時系列データを予め記憶する記憶手段と、前記太陽光発電装置の発電開始時刻から所定時間経過後の時刻までの前記電力計測手段の計測値及び前記時系列データから、その後の前記太陽光発電装置の発電電力と時刻との関係を時系列で表した予測時系列データを予測する予測手段と、前記予測時系列データに基づいて前記負荷の運転開始時刻及び運転停止時刻を決定する決定手段と、前記運転開始時刻になったら前記負荷を起動させる起動手段と、前記起動手段による前記負荷の起動後に前記負荷を定格電力で運転する定格運転手段と、前記運転停止時刻になったら前記負荷を停止させる停止手段と、を備える。

好ましくは、前記決定手段が次式を用いて前記運転開始時刻及び前記運転停止時刻を決定する。

ここで、

好ましくは、前記決定手段が次式を用いて前記運転開始時刻及び前記運転停止時刻を決定する。

ここで、

以上によれば、負荷の運転中の負荷の消費電力が定格電力であるため、負荷の運転開始時刻から運転停止時刻までの運転時間が短くても、負荷が効率よく動作する。例えば、負荷の運転時間が短いため、負荷の補機の消費電力量が少ない。
また、予測時系列データに基づいて運転開始時刻及び運転停止時刻が決定されるため、このような運転開始時刻から運転停止時刻までの運転時間帯を太陽光発電装置の発電電力が大きい時間帯に重ねることができる。そのため、太陽光発電装置の発電電力が蓄電池を極力経由することなく、負荷に供給される。よって、蓄電池における充放電損失が少なく、太陽光発電装置の発電電力が負荷の運転にできる限り多く利用される。

本発明によれば、負荷の運転時間を短くすることができ、負荷の消費電力量の削減を図ることができる。また、太陽光発電装置の発電電力を効率よく負荷の運転に利用することができる。

太陽光発電電力利用システムのブロック図である。 快晴の際の太陽光発電装置の発電電力と時刻との関係を時系列で表した時系列データを実線の曲線で示し、その時系列データから予測された予測時系列データを破線の曲線で示したグラフである。 （ａ）はその時系列データから予測された予測時系列データを曲線で示したグラフであり、（ｂ）は蓄電池の蓄電電力量の変化を示したグラフである。 （ａ）はその時系列データから予測された予測時系列データを曲線で示したグラフであり、（ｂ）は蓄電池の蓄電電力量の変化を示したグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

＜＜＜１． 太陽光発電電力利用システムの構成＞＞＞
図１は、太陽光発電電力利用システム１０のブロック図である。
太陽光発電電力利用システム１０は太陽光発電装置１１、蓄電池１２、水素製造装置１３、パワーコンディショナ１４、電力計測器１５、蓄電電力量計測器１６及びコントローラ１７を備える。以下、パワーコンディショナをパワコンと略称する。

太陽光発電装置１１は太陽光のエネルギーを電力に変換して、その電力をパワコン１４に供給する。

水素製造装置１３は、パワコン１４から供給された電力を消費する負荷である。具体的には、水素製造装置１３は、パワコン１４から供給された電力によって水を電気分解して、水素を製造する。水素製造装置１３の消費電力が増えるにつれて、水素の単位時間当たりの製造量も増える。太陽光発電装置１１の定格出力電力は水素製造装置１３の定格電力よりも大きく、太陽光発電装置１１の発電電力が水素製造装置１３の定格電力よりも小さい時もあれば、太陽光発電装置１１の発電電力が水素製造装置１３の定格電力よりも大きい時もある。太陽光発電装置１１の発電電力のうち余剰電力（水素製造装置１３によって消費しきれなかった電力）は蓄電池１２に蓄電される。

水素製造装置１３は、水電解セル及び各種の補機（例えば、制御回路、電力変換回路、ファン、ポンプ等）を有する。水素製造装置１３によって水素が製造される際には、水電解セルのみならず各種の補機も電力を消費する。水素製造装置１３に対する供給電力が小さくなる程、水素製造装置１３の全体の消費電力に対する補機の消費電力の割合が大きくなる。

パワコン１４は、太陽光発電装置１１から供給された電力を蓄電池１２と水素製造装置１３の両方又は一方に供給するとともに、蓄電池１２を放電させることによって蓄電池１２から供給された電力を水素製造装置１３に供給する。ここで、パワコン１４は蓄電池１２の充放電を制御する。具体的には、太陽光発電装置１１の発電電力が水素製造装置１３の消費電力よりも大きい場合には、パワコン１４は水素製造装置１３の消費電力を満たすような電力を太陽光発電装置１１から水素製造装置１３に供給するとともに、余剰電力を太陽光発電装置１１から蓄電池１２に供給する。太陽光発電装置１１の発電電力が水素製造装置１３の消費電力よりも小さい場合には、パワコン１４は水素製造装置１３の消費電力を満たすような電力を太陽光発電装置１１及び蓄電池１２から水素製造装置１３に供給する。

太陽光発電装置１１には、電力計測器１５が設けられている。電力計測器１５は、太陽光発電装置１１の発電電力、つまり太陽光発電装置１１からパワコン１４への出力電力を計測して、出力電力の計測値を表す信号をコントローラ１７に出力する。

蓄電池１２には、蓄電電力量計測器１６が設けられている。蓄電電力量計測器１６は、蓄電池１２の蓄電電力量を計測して、蓄電電力量の計測値を表す信号をコントローラ１７に出力する。

コントローラ１７は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶媒体（例えば、半導体メモリ又はハードディスクドライブ）、入力デバイス、表示デバイス、バス及びハードウェアインタフェース等を有するコンピュータシステムである。

コントローラ１７は、記憶手段として機能する。つまり、コントローラ１７は、２４時間（１日間）の発電電力の時系列データ１９を記憶媒体に予め記憶している。時系列データ１９は、１年間毎日準備されており、全体で１年分準備されている。時系列データ１９は、快晴時における太陽光発電装置１１の発電電力の時間的な変化を離散的（例えば、５分置きの間隔）又は連続的に表している。つまり、時系列データ１９は、快晴日における太陽光発電装置１１の発電電力と時刻との関係を時系列で表している。より具体的には、時系列データ１９の時刻をtとした場合、時系列データ１９の発電電力は関数f(t)で表されている。１年間の中で或る日の時系列データ１９をグラフに示すと、例えば図２中の実線の曲線が時系列データ１９を表す。図２のグラフにおいて縦軸は発電電力を表し、横軸は時間を表す。

ここで、関数f(t)は次式(1)の通りである。

ここで、

である。

水平面全天日射量は次式(2)の通りである。

ここで、

である。

コントローラ１７はプログラム１８を記憶媒体に記憶している。コントローラ１７は、プログラム１８に従って、時系列データ１９を用いて毎日の水素製造装置１３の運転開始時刻と運転停止時刻を決定する。その運転開始時刻になったらコントローラ１７が水素製造装置１３を起動させ、その後の水素製造装置１３の設定消費電力を定格電力に設定する。そのため、水素製造装置１３の起動後、水素製造装置１３が定格電力で水素を製造するので、水素製造装置１３による単位時間当たりの水素製造量が最大となる。運転停止時刻になったらコントローラ１７が水素製造装置１３を停止させ、その後の水素製造装置１３の設定消費電力をゼロにする。

なお、時系列データ１９がプログラム１８に組み込まれていてもよい。

＜＜＜２． １日の太陽光発電電力利用システムの動作＞＞＞
続いて、コントローラ１７がプログラム１８に従って実行する処理について説明する。更に、１日の太陽光発電装置１１の動作について時間を追って説明するとともに、コントローラ１７の制御処理による水素製造装置１３の動作について時間を追って説明する。

常時、コントローラ１７は、電力計測器１５から連続的又は離散的に入力した電力計測値を記憶して蓄積することによって、電力計測値の履歴を取得する。同様に、常時、コントローラ１７は、蓄電電力量計測器１６から連続的又は離散的に入力した蓄電電力量計測値を記憶して蓄積することによって、蓄電電力量計測値の履歴を取得する。電力計測値及び蓄電電力量計測値の履歴は、離散的（例えば、５分置きの間隔）であってもよいし、連続的であってもよい。

夜間、太陽光が太陽光発電装置１１に入射しないため、太陽光発電装置１１の発電電力はゼロである。夜間、水素製造装置１３は停止している。これは、後述のように、前日の日の入り時刻の近くにコントローラ１７が水素製造装置１３を停止させるためである。

その後、日の出の時刻の近くには太陽光発電装置１１の周辺が明るくなり、太陽光発電装置１１の発電が開始する。そうすると、太陽光発電装置１１は太陽光のエネルギーを電力に変換して、その電力をパワコン１４に供給する。そのため、電力計測器１５の電力計測値がゼロから立ち上がり、コントローラ１７が電力計測器１５の電力計測値の立ち上がりをもって太陽光発電装置１１の発電開始時刻を認識する。また、コントローラ１７は、発電開始時刻における蓄電電力量計測器１６の蓄電電力量計測値を認識する。このように認識された蓄電電力量計測値は後述のW0である。ここで、前日に水素製造装置１３が運転されていれば、蓄電電力量計測値は後述の目標値Wtに等しいか、近似する。

その後、太陽光発電装置１１の周辺が徐々に明るくなり、太陽光発電装置１１の発電電力及び蓄電池１２の蓄電電力量も徐々に上昇する。この際、コントローラ１７は、リアルタイム（即時）に、太陽光発電装置１１の発電開始時刻から現在時刻までに電力計測器１５から入力した電力計測値を積算（時間積分）する。以下、その積算値を実測積算値という。

そして、コントローラ１７が、太陽光発電装置１１の発電開始時刻から所定時間経過後における実測積算値を計算積算値で除することによって、実測計測値と計算積算値の比を算出する。計算積算値とは、時系列データ１９における太陽光発電装置１１の発電開始時刻から所定時間経過後の時刻（実測積算値の積算に利用した現在時刻と同時刻）までの電力の積算値（時間積分値）である。より具体的には、次式の通りである。

ここで、

である。

以下、このように算出された比をγと表す。

次に、コントローラ１７は、予測手段として機能する。つまり、コントローラ１７は、算出した比γを時系列データ１９の発電電力に乗ずることによって、その日（現在の日）の太陽光発電装置１１の時系列的な発電電力を予測する。そのように予測した発電電力の時系列データ（以下、予測時系列データという）は、その日（現在の日）の太陽光発電装置１１の予測的発電電力の時間的な変化を離散的（例えば、５分置きの間隔）又は連続的に表している。より具体的には、予測時系列データの発電電力を関数g(t)で表した場合、予測時系列データと時系列データ１９の関係は次式(4)の通りであり、図２中の破線の曲線が予測時系列データを表す。

次に、コントローラ１７は、予測時系列データの極大値を水素製造装置１３の定格電力と比較する。水素製造装置１３の定格電力はデータとしてプログラム１８に組み込まれていてもよいし、プログラム１８とは別にコントローラ１７の記憶媒体に記憶されていてもよい。予測時系列データの極大値は、その日（現在の日）の太陽光発電装置１１の最大発電電力である。つまり、予測時系列データの極大値は、時刻tを正午（太陽が最高高度に達した時）とした際の関数g(t)の値である。

比較の結果、予測時系列データの極大値が水素製造装置１３の定格電力を超える場合には、コントローラ１７が次式(5)を用いて水素製造装置１３の運転開始時刻と運転停止時刻を決定する（図３参照）。このようなコントローラ１７の機能が決定手段である。

ここで、

比較の結果、予測時系列データの極大値が水素製造装置１３の定格電力以下である場合には、コントローラ１７が次式(6)を用いて水素製造装置１３の運転開始時刻と運転停止時刻を決定する。このようなコントローラ１７の機能が決定手段である。

ここで、

目標値Wtは、ゼロを超えて蓄電池１２の最大蓄電電力量未満の範囲内であって、任意の値である。例えば、目標値Wtは、蓄電池１２の最大蓄電電力量の半値である。
目標値Wtは、太陽光発電装置１１の発電停止時刻t9における蓄電池１２の蓄電電力量である。つまり、式(5)の場合、コントローラ１７は、太陽光発電装置１１の発電停止時刻t9において蓄電池１２の蓄電電力量が目標値Wtになるような運転開始時刻t11及び運転停止時刻t14を決定する。一方、式(6)の場合、コントローラ１７は、太陽光発電装置１１の発電停止時刻t9において蓄電池１２の蓄電電力量が目標値Wtになるような運転開始時刻t21及び運転停止時刻t22を決定する。

なお、予測時系列データの極大値が水素製造装置１３の定格電力以下である場合に、太陽光発電装置１１の発電開始時刻における蓄電電力量計測器１６の蓄電電力量計測値WOによっては、式(6)によって水素製造装置１３の運転開始時刻と運転停止時刻を求められないか、矛盾することがある。例えば、予測時系列データの極大値が非常に小さいために、運転開始時刻t21から運転停止時刻t22までの時間が負になることがある。この場合には、コントローラ１７が水素製造装置１３の後述のような起動・停止をしない。

上述のような運転開始時刻と運転停止時刻の決定後、運転開始時刻t11（式(5)の場合）又は運転開始時刻t21（式(6)の場合）になったら、コントローラ１７が起動手段として機能し、これによりコントローラ１７が起動信号を水素製造装置１３に出力する。更に、コントローラ１７が定格運転手段として機能し、これによりコントローラ１７が水素製造装置１３の消費電力を定格電力に設定して、その設定消費電力を表す信号を水素製造装置１３に出力する。そうすると、水素製造装置１３が起動して、水素製造装置１３による水素製造が開始し、その後水素製造装置１３が定格電力で動作する。

その後、運転停止時刻t14（式(5)の場合）又は運転停止時刻t22（式(6)の場合）になったら、コントローラ１７が停止手段として機能し、これによりコントローラ１７が停止信号を水素製造装置１３に出力する。そうすると、水素製造装置１３が停止して、水素製造装置１３による水素製造が終了する。

その後、日の入りの時刻の近くには太陽光発電装置１１の周辺が暗くなり、太陽光発電装置１１の発電が停止する。そうすると、蓄電池１２に対する充電も停止する。

以下に、コントローラ１７が式(5)を用いて水素製造装置１３の運転開始時刻t11と運転停止時刻t14を決定した場合、図３を参照して、１日の蓄電池１２の蓄電電力量の変化動作について時間を追って説明する。

夜間、蓄電池１２の蓄電電力量が目標値Wtに等しいか、近似する。これは、太陽光発電装置１１の前日の発電停止時刻t9において蓄電池１２の蓄電電力量が目標値Wtになるような前日の運転開始時刻t11（又は運転開始時刻t21）及び前日の運転停止時刻t14（又は運転停止時刻t22）をコントローラ１７が決定し、コントローラ１７が前日の運転開始時刻t11（又は運転開始時刻t21）に水素製造装置１３を起動するとともに、前日の運転停止時刻t14（又は運転停止時刻t22）に水素製造装置１３を停止したためである。

発電開始時刻t0から運転開始時刻t11までの期間においては、太陽光発電装置１１が電力を生成し、且つ、水素製造装置１３が停止して電力を消費しない。そのため、蓄電池１２が蓄電して、時間の経過に伴って蓄電池１２の蓄電電力量が増加する。

運転開始時刻t11から時刻t12までの期間においては、水素製造装置１３が定格電力で動作し、且つ、太陽光発電装置１１の発電電力が水素製造装置１３の定格電力よりも小さい。そのため、蓄電池１２が放電して、時間の経過に伴って蓄電池１２の蓄電電力量が減少する。

時刻t12から時刻t13までの期間においては、水素製造装置１３が定格電力で動作し、且つ、太陽光発電装置１１の発電電力が水素製造装置１３の定格電力よりも大きい。そのため、蓄電池１２が蓄電して、時間の経過に伴って蓄電池１２の蓄電電力量が増加する。

時刻t13から運転停止時刻t14までの期間においては、水素製造装置１３が定格電力で動作し、且つ、太陽光発電装置１１の発電電力が水素製造装置１３の定格電力よりも小さい。そのため、蓄電池１２が放電して、時間の経過に伴って蓄電池１２の蓄電電力量が減少する。

運転停止時刻t14から発電停止時刻t9までの期間においては、太陽光発電装置１１が電力を生成し、且つ、水素製造装置１３が停止して電力を消費しない。そのため、蓄電池１２が蓄電して、時間の経過に伴って蓄電池１２の蓄電電力量が増加する。

発電停止時刻t9から翌日の発電開始時刻t0までの期間においては、太陽光発電装置１１が電力を生成せず、且つ、水素製造装置１３が電力を消費しない。そのため、蓄電池１２の充電・放電がなされず、蓄電池１２の蓄電電力量が目標値Wt又はそれに近似した値に維持される。

以下に、コントローラ１７が式(6)を用いて水素製造装置１３の運転開始時刻t21と運転停止時刻t22を決定した場合、図４を参照して、１日の蓄電池１２の蓄電電力量の変化動作について時間を追って説明する。

夜間、蓄電池１２の蓄電電力量が目標値Wtに等しいか、近似する。

発電開始時刻t0から運転開始時刻t21までの期間においては、太陽光発電装置１１が電力を生成し、且つ、水素製造装置１３が停止して電力を消費しない。そのため、蓄電池１２が蓄電して、時間の経過に伴って蓄電池１２の蓄電電力量が増加する。

運転開始時刻t21から運転停止時刻t22までの期間においては、水素製造装置１３が定格電力で動作し、且つ、太陽光発電装置１１の発電電力が水素製造装置１３の定格電力よりも小さい。そのため、蓄電池１２が放電して、時間の経過に伴って蓄電池１２の蓄電電力量が減少する。

運転停止時刻t22から発電停止時刻t9までの期間においては、太陽光発電装置１１が電力を生成し、且つ、水素製造装置１３が停止して電力を消費しない。そのため、蓄電池１２が蓄電して、時間の経過に伴って蓄電池１２の蓄電電力量が増加する。

発電停止時刻t9から翌日の発電開始時刻t0までの期間においては、太陽光発電装置１１が電力を生成せず、且つ、水素製造装置１３が電力を消費しない。そのため、蓄電池１２の充電・放電がなされず、蓄電池１２の蓄電電力量が目標値Wt又はそれに近似した値に維持される。

＜＜＜３． 有利な効果＞＞＞
（１） 水素製造装置１３が運転中の水素製造装置１３の消費電力は定格電力であるため、水素製造装置１３の運転開始時刻から運転停止時刻までの運転時間が短くても、多くの水素を製造することができる。水素製造装置１３の運転時間が短いため、水素製造装置１３の補機の消費電力量が少ない。そのため、１日の水素製造効率が高い。ここで、１日の水素製造効率は次式の通りである。

（２） 運転開始時刻及び運転停止時刻は式(5)又は式(6)を用いて決定されたものである。このような運転開始時刻から運転停止時刻までの運転時間帯は太陽光発電装置１１の発電電力が大きい時間帯に重なっている。そのため、太陽光発電装置１１の発電電力が蓄電池１２を極力経由することなく、水素製造装置１３に供給される。よって、蓄電池１２における充放電損失が少なく、太陽光発電装置１１の発電電力が水素製造装置１３の製造にできる限り多く利用される。

＜＜＜４． 変形例＞＞＞
（１） 負荷が水素製造装置１３以外のもの、例えばモータ、であってもよい。

（２） 水素製造装置１３の起動後、天候が変化することもあり、そうした場合、太陽光発電装置１１に対する日射量が変化することもある。そこで、水素製造装置１３の起動後もコントローラ１７がリアルタイムに比γ及び関数g(t)を計算して更新し、更にリアルタイムに運転開始時刻及び運転停止時刻を式(5)又は式(6)を用いて計算して更新してもよい。そして、更新した運転停止時刻になったら、コントローラ１７が水素製造装置１３を停止させる。

（３） 上述の実施形態では、時系列データ１９が関数f(t)であったが、関数F(t)であってもよい。つまり、時系列データ１９は、水平面全天日射量の時間的な変化を離散的（例えば、５分置きの間隔）又は連続的に表していてもよい。この場合、式(3)及び式(4)では、関数f(t)の代わりに関数F(t)が用いられる。

１０…太陽光発電電力利用システム
１１…太陽光発電装置
１２…蓄電池
１３…水素製造装置（負荷）
１４…電力計測器（電力計測手段）
１６…蓄電電力量計測器
１７…コントローラ（記憶手段、予測手段、決定手段、起動手段、定格運転手段、停止手段）

Claims (3)

1. 太陽光発電装置の発電電力が負荷の消費電力よりも大きい場合に、前記太陽光発電装置の発電電力によって前記負荷を動作させるとともに、余剰電力を蓄電池に蓄電し、前記太陽光発電装置の発電電力が前記負荷の消費電力よりも小さい場合に、前記太陽光発電装置の発電電力及び前記蓄電池の放電電力によって前記負荷を動作させる太陽光発電電力利用システムにおいて、
   前記太陽光発電装置の発電電力を計測する電力計測手段と、
   快晴の際の前記太陽光発電装置の発電電力又は水平面全天日射量と時刻との関係を時系列で表した時系列データを予め記憶する記憶手段と、
   前記太陽光発電装置の発電開始時刻から所定時間経過後の時刻までの前記電力計測手段の計測値及び前記時系列データから、その後の前記太陽光発電装置の発電電力と時刻との関係を時系列で表した予測時系列データを予測する予測手段と、
   前記予測時系列データに基づいて前記負荷の運転開始時刻及び運転停止時刻を決定する決定手段と、
   前記運転開始時刻になったら前記負荷を起動させる起動手段と、
   前記起動手段による前記負荷の起動後に前記負荷を定格電力で運転する定格運転手段と、
   前記運転停止時刻になったら前記負荷を停止させる停止手段と、
   を備える太陽光発電電力利用システム。
2. 前記決定手段が次式を用いて前記運転開始時刻及び前記運転停止時刻を決定する
   請求項１に記載の太陽光発電電力利用システム。
   

   

   ここで、
   

   
3. 前記決定手段が次式を用いて前記運転開始時刻及び前記運転停止時刻を決定する
   請求項１に記載の太陽光発電電力利用システム。
   

   

   ここで、
   

   

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