JP7446141B2 - エネルギーシステム及びエネルギーシステムの運転方法 - Google Patents
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Description
従って、長い期間で考えると、燃料電池は最高の発電効率で運転しているとは言えない。
発電電力が増加するほど発電効率の増大の度合いが小さくなる関係を概ね満たす発電効率曲線に沿って、最小発電電力と最大発電電力との間に設定される所定の目標発電電力を出力するように動作する発電装置と、
前記発電装置が発電した発電電力を利用可能な負荷装置と、
前記発電装置が発電した発電電力を充電可能な蓄電池と、
前記蓄電池の充電率を検出する充電率検出部と、
前記蓄電池への充電又は放電を制御する蓄電池制御部とを備え、
前記蓄電池への充電時は、前記発電装置は、前記蓄電池の充電電力と前記負荷装置の負荷電力との和の合計電力を賄えるように前記目標発電電力を設定して動作し、
前記蓄電池制御部は、前記負荷電力との和が前記発電装置の前記最大発電電力以下になり、かつ、前記充電率検出部が検出した前記充電率が大きくなる程、小さくなる関係で定められる充電電力の上限充電電力以下になるという条件を満たす最大の値に目標充電電力を設定して充電を行い、
前記充電率検出部が検出した前記充電率が第1閾値未満の場合の上限充電電力は第1上限充電電力であり、
前記充電率検出部が検出した前記充電率が第1閾値以上かつ第2閾値未満の場合の上限充電電力は、前記第1上限充電電力よりも小さい第2上限充電電力である点にある。
蓄電池の目標充電電力は、充電率が大きくなる程、充電電力が小さくなる関係で概ね定められるため、蓄電池の充電率が小さい場合には目標充電電力は大きく(即ち、充電速度は速く)なり、蓄電池の充電率が大きい場合には目標充電電力は小さく(即ち、充電速度は遅く)なる。
つまり、蓄電池の充電率が小さい場合には、蓄電池の充電が高速で行われるため、蓄電池の充電率は短時間で高まる。
一方、蓄電池の充電率が大きい場合には、蓄電池の充電が低速で行われる。そのため、蓄電池の充電が高速で行われている場合に比べて、蓄電池の充電率が上限充電率に到達するまでに要する時間は長くなる。
上記特徴構成によれば、充電率が第1閾値以上かつ第2閾値未満の場合の上限充電電力が第1上限充電電力よりも小さい第2上限充電電力となるため、長い期間で考えるとトータルの発電効率は大きくなる。
前記蓄電池制御部は、前記負荷装置の負荷電力が小さいことにより前記発電装置による発電電力が発電電力閾値より小さい場合、前記第1閾値、前記第2閾値、前記第1上限充電電力及び前記第2上限充電電力の少なくともいずれかを増加させる点にある。
前記蓄電池制御部は、前記負荷装置の負荷電力が大きいことにより前記発電装置による発電電力が発電電力閾値より大きい場合、前記第1閾値、前記第2閾値、前記第1上限充電電力及び前記第2上限充電電力の少なくともいずれかを減少させる点にある。
前記蓄電池制御部は、災害の予期を受信した場合、あるいは、前記発電装置が発電した発電電力を抑制する必要性を検出した場合、前記第1閾値、前記第2閾値、前記第1上限充電電力及び前記第2上限充電電力の少なくともいずれかを増加させる点にある。
発電電力が増加するほど発電効率の増大の度合いが小さくなる関係を概ね満たす発電効率曲線に沿って、最小発電電力と最大発電電力との間に設定される所定の目標発電電力を出力するように動作する発電装置と、
前記発電装置が発電した発電電力を利用可能な負荷装置と、
前記発電装置が発電した発電電力を充電可能な蓄電池と、
前記蓄電池の充電率を検出する充電率検出部と、
前記蓄電池への充電又は放電を制御する蓄電池制御部とを備えるエネルギーシステムの運転方法であって、その特徴構成は、
前記蓄電池への充電時は、前記発電装置は、前記蓄電池の充電電力と前記負荷装置の負荷電力との和の合計電力を賄えるように前記目標発電電力を設定して動作し、
前記蓄電池制御部は、前記負荷電力との和が前記発電装置の前記最大発電電力以下になり、かつ、前記充電率検出部が検出した前記充電率が大きくなる程、小さくなる関係で定められる充電電力の上限充電電力以下になるという条件を満たす最大の値に目標充電電力を設定して充電を行い、
前記充電率検出部が検出した前記充電率が第1閾値未満の場合の上限充電電力は第1上限充電電力であり、
前記充電率検出部が検出した前記充電率が第1閾値以上かつ第2閾値未満の場合の上限充電電力は、前記第1上限充電電力よりも小さい第2上限充電電力である点にある。
(1)全体構成
図1に示すようにエネルギーシステム1は、燃料電池システム10と、蓄電池システム20と、系統電源30に接続されている分電盤40と、負荷装置50とを備えている。系統電源30は、電力会社等が供給する系統電力の供給源であり、分電盤40を介して燃料電池システム10及び蓄電池システム20に接続されている。また、系統電源30には、分電盤40を介して負荷装置50が接続されている。負荷装置50は、燃料電池11の発電電力、系統電源30の系統電力及び蓄電池システム20に充電されている充電電力の少なくともいずれかの電力を消費可能である。
燃料電池システム10は、燃料電池11(発電装置の一例)、パワーコンディショナ13及び燃料電池制御部15を備えている。燃料電池11は、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う。燃料電池11は、燃料電池制御部15の制御に基づいて、定格運転、定格の80%の出力での運転、定格の50%の出力での運転、負荷装置50の負荷電力の大きさに応じた負荷追従運転などを行うことができる。
なお、本実施形態の後述の充電専用モード及び充放電可能モードの充電時、つまり後述蓄電池23の充電時においては、燃料電池11は、燃料電池制御部15の制御に基づいて、蓄電池23の充電電力と負荷装置50の負荷電力との和の合計電力を賄えるように目標発電電力を発電する。
パワーコンディショナ13は、燃料電池11が発電した直流電力である発電電力を交流電力に変換し、系統電源30の交流電力である系統電力と系統連系可能とする。
分電盤40は、燃料電池システム10及び蓄電池システム20と系統電源30との間に
設けられているとともに、負荷装置50が接続されている。負荷装置50は、分電盤40を介して、系統電源30からの系統電力、燃料電池システム10からの発電電力及び蓄電池システム20からの充電電力の少なくともいずれかの電力の供給を受けることが可能である。系統電源30が停電して図示しないスイッチが開くと、分電盤40は系統電源30から切り離され、燃料電池システム10等が系統電源30から解列される。
蓄電池システム20は、パワーコンディショナ21と、蓄電池23と、充電率検出部25と、蓄電池制御部27とを備えている。
パワーコンディショナ21は、蓄電池システム20に供給される交流電力を直流電力に変換し、充電のために蓄電池23に供給する。また、パワーコンディショナ21は、蓄電池23に蓄電されている直流電力を交流電力に変換し負荷装置50等に供給する。
蓄電池23としては、これに限定されないが、リチウムイオン電池、鉛蓄電池、ニッケル-カドミウム電池、ニッケル-水素電池等が挙げられる。
充電率検出部25は、蓄電池23の充電率を検出する。例えば、充電率検出部25は、蓄電池23に流した電流と検出される電圧とに基づいて現在の充電量を検出する。そして、充電率検出部25は、満充電まで充電した場合の蓄電可能容量に対する現在の充電量の割合である充電率を検出する。
本実施形態では、蓄電池制御部27は、充放電が許可された充放電可能モード及び充電のみが許可された充電専用モードで蓄電池23の充放電を制御する。なお、本実施形態では、充放電可能モード及び充電専用モードが設けられているが、後述の通り蓄電池23への充電時において、燃料電池11の発電効率が向上可能な制御が行われればよく、充放電可能モード及び充電専用モードの両方が設けられている場合のみに本発明が適用されるわけではない。
充放電可能モードにおいて、蓄電池制御部27は、燃料電池11及び系統電源30の少なくともいずれかから負荷装置50に供給される供給電力に不足が生じている場合、不足電力を蓄電池23から放電するように制御する(充放電可能モードの放電時)。
充放電可能モードにおいて、蓄電池制御部27は、燃料電池11の発電電力が負荷装置50により消費されず余剰電力が生じている場合、余剰電力を蓄電池23に充電するように制御する(充放電可能モードの充電時)。
上記の充放電可能モードの充電時及び充電専用モードにおいて、蓄電池制御部27は、所定の上限充電率(後述の閾値B)に相当する充電電力まで蓄電池23に充電するように制御する。前述の通り、充電専用モード及び充放電可能モードの充電時、つまり蓄電池23の充電時においては、燃料電池11は、燃料電池制御部15の制御に基づいて、後述の蓄電池23の充電電力と負荷装置50の負荷電力との和の合計電力を賄えるように目標発電電力を発電する。つまり、充電専用モード及び充放電可能モードの充電時では、目標発電電力=充電電力+負荷電力の関係となるように、燃料電池制御部15は燃料電池11の発電運転を制御する。さらに、目標発電電力は、後述の発電効率曲線に沿った燃料電池11の最小発電電力と最大発電電力との間に設定される。
まず、充電専用モード及び充放電可能モードの充電時(充電時)において、充電率に応じた蓄電池23への充電制御を行うことによる発電効率の向上の制御について説明する。
蓄電池制御部27は、充電率検出部25が検出した蓄電池23の充電率に基づいて蓄電池23に充電する際の目標充電電力を制御する。より具体的には、蓄電池制御部27は、負荷装置50の負荷電力との和が燃料電池11の最大発電電力以下になり、かつ、充電率検出部25が検出した充電率が大きくなる程、小さくなる関係で定められる充電電力の上限充電電力(上限充電電力α、上限充電電力β)以下になるという条件を満たす最大の値に目標充電電力を設定して充電を行う。
まず充電率が閾値A未満の場合の充電について説明する。なお、次の例では、充電率が閾値A未満(充電率<閾値A)における目標充電電力が上限充電電力α(第1上限充電電力の一例)であるとして説明するものとする。
このとき、燃料電池制御部15は、目標充電電力である上限充電電力α及び負荷装置50の負荷電力との和の合計電力を賄うことが可能な目標発電電力を発電するように燃料電池11を制御する。
蓄電池23の充電率が閾値A未満と小さく目標充電電力が大きい場合(ここでは目標充電電力を上限充電電力αとしている)、燃料電池11の発電電力(蓄電池23への大きい目標充電電力と負荷電力との合計電力)も大きくなり発電効率も大きくなる。しかし、短時間で蓄電池23の充電率が大きくなった後は、目標充電電力が小さく(ここでは目標充電電力を上限充電電力βとしている)なるかゼロとなり、燃料電池11は負荷電力に応じた発電を主として行うこととなり発電電力も小さくなる。つまり、発電効率が大きい状態が短時間経過した後は、発電効率が小さい状態が継続する。ここで、発電効率曲線は、発電電力が増加するほど発電効率の増大の度合いが小さくなるという傾向を示すため、発電電力が小さくなると発電効率が減少する度合いは大きくなる。よって、前述の状態においては、発電効率が大きい状態が短時間であり、発電効率が小さい状態が継続するため、長い期間で考えると発電効率は小さい。
図4は発電効率曲線であり、横軸を発電電力とし縦軸を発電効率として発電装置の発電効率が表されている。発電効率曲線は、発電電力が増加するほど発電効率の増大の度合いが小さくなる。より具体的には、発電効率曲線は、発電電力が小さい方から大きい方に向かうほど上に凸を描いて発電効率が上昇するとともに、発電電力がある程度大きくなると発電効率が概ね一定程度となる。ここで、図4の発電効率曲線は、発電電力が増加するほど発電効率の増大の度合いが小さくなる関係を曲線上に全てにおいて満たしている必要はなく、当該関係を曲線上において概ね満たしていればよい。例えば、発電効率曲線は、一部においてその凸の曲線が他の曲線上の点よりも突出していてもよい。
充電専用モード及び充放電可能モードの充電時において、燃料電池11は、負荷装置50に供給する負荷電力と蓄電池23に充電する目標充電電力(上限充電電力α以下)との和の合計電力を発電している。充電専用モード及び充放電可能モードの充電時においては、蓄電池23の空き容量(例えば400Wh)を充電する制御を優先する制御(以下では、第1発電制御)が行われるため、第1段階において燃料電池11は蓄電池23の空き容量を充電するために発電を行う。よって、第1段階では、燃料電池11は、負荷装置50が必要とする負荷電力(例えば100W)と蓄電池23への目標充電電力(例えば400W)との和の合計の発電電力(例えば500W)で発電する。第1段階が終了すると第2段階では、燃料電池11は負荷装置50の負荷電力を賄うために発電を行う。
次に、充電専用モード及び充放電可能モードの充電時(充電時)において、負荷電力の大小に応じた蓄電池23への充電制御を行うことによる発電効率の向上の制御について説明する。
まずは、負荷電力が小さい場合の発電効率の向上の制御について説明する。
ここで、充電専用モード及び充放電可能モードの充電時において、燃料電池11は、負荷装置50が必要とする負荷電力と蓄電池23への充電電力との和の合計の発電電力で発電する。よって、燃料電池11の発電電力は負荷装置50が必要とする負荷電力が大きくなれば大きくなり、負荷電力が小さくなれば発電電力も小さくなる。つまり、燃料電池11による発電電力が第1発電電力閾値PLより小さい場合とは、負荷電力が、第1発電電力閾値PLに対応する第1負荷電力閾値より小さい場合と同等である。
そして、蓄電池制御部27は、負荷電力が小さいことにより、燃料電池11による発電電力が第1発電電力閾値PL(発電電力閾値の一例)より小さい場合、閾値A(第1閾値の一例)を大きくする制御、及び、閾値B(第2閾値の一例)を大きくする制御、上限充電電力α(第1上限充電電力の一例)を増加させる制御、上限充電電力β(第2上限充電電力の一例)を増加させる制御の少なくともいずれかを行う。
後述の第2発電電力閾値PHは、第2変曲点Hにおける発電電力である。燃料電池11の発電電力が第2発電電力閾値PHを上回ると、発電効率曲線の増加率が他の部分よりも小さく概ね一定程度になる傾向にあり、発電電力をそれ以上増加させても発電効率の増加がほとんどない。第2変曲点Hでの発電電力は例えば500Wである。
上記に記載の通り、蓄電池制御部27は充電率が閾値A以上であると、上限充電電力を上限充電電力αから減少させて上限充電電力βとし、燃料電池11の発電効率を高める。このように閾値Aは、蓄電池23への上限充電電力αを減少させる基準である。蓄電池制御部27は、燃料電池11による発電電力が第1発電電力閾値PLより小さい場合、図6に示すように蓄電池23への上限充電電力αを減少させる基準である閾値Aを大きくする。図6では、閾値AはAUに大きくなっている。
蓄電池制御部27は充電率が閾値B以上であると、上限充電電力をゼロとして蓄電池23への充電を停止させる。このように閾値Bは、蓄電池23への充電を停止させる基準である。蓄電池制御部27は、燃料電池11による発電電力が第1発電電力閾値PLより小さい場合、図6に示すように蓄電池23への充電を停止させる基準である閾値Bを大きくする。図6では、閾値BはBUに大きくなっている。
蓄電池制御部27は、燃料電池11による発電電力が第1発電電力閾値PLより小さい場合、蓄電池23への上限充電電力α、βを図7に示すように増加させる。図7では、上限充電電力αはαUに大きくなっており、上限充電電力βはβUに大きくなっている。これにより、上限充電電力αU又は上限充電電力βUを上限とした大きな発電電力により積極的に蓄電池23を充電させて、第1発電電力閾値PLを上回る発電電力で燃料電池11に発電を行わせることで、発電効率を向上できる。
次に、負荷電力が大きい場合の発電効率の向上の制御について説明する。
ここで、充電専用モード及び充放電可能モードの充電時において、燃料電池11は、負荷装置50が必要とする負荷電力と蓄電池23への充電電力との和の合計の発電電力で発電する。よって、燃料電池11の発電電力は負荷装置50が必要とする負荷電力が大きくなれば大きくなり、負荷電力が小さくなれば発電電力も小さくなる。つまり、燃料電池11による発電電力が第2発電電力閾値PHより大きい場合とは、負荷電力が、第2発電電力閾値PHに対応する第2負荷電力閾値より大きい場合と同等である。
そして、蓄電池制御部27は、負荷電力が大きいことにより、燃料電池11による発電電力が第2発電電力閾値PHより大きい場合、閾値Aを小さくする制御、及び、閾値Bを小さくする制御、上限充電電力αを減少させる制御、上限充電電力βを減少させる制御の少なくともいずれかを行う。
蓄電池制御部27は、燃料電池11による発電電力が第2発電電力閾値PHより大きい場合、図8に示すように蓄電池23への上限充電電力αを減少させる基準である閾値Aを小さくする。図8では、閾値AはADに小さくなっている。
蓄電池制御部27は、燃料電池11による発電電力が第2発電電力閾値PHより大きい場合、図8に示すように蓄電池23への充電を停止させる基準である閾値Bを小さくする。図8では、閾値BはBDに小さくなっている。
蓄電池制御部27は、燃料電池11による発電電力が第2発電電力閾値PHより大きい場合、上限充電電力である上限充電電力α、βを図9に示すように減少させる。図9では、上限充電電力αはαDに小さくなっており、上限充電電力βはβDに小さくなっている。これにより、発電効率の向上が限定的な場合において蓄電池23への充電を抑制し、燃料電池11の発電電力を第2発電電力閾値PH以下とし、蓄電池の空き容量を確保しておくことができる。
蓄電池制御部27は、災害を予期する情報を受信した場合、閾値Aを大きくする制御、閾値Bを大きくする制御、上限充電電力αを増加させる制御、上限充電電力βを増加させる制御のいずれかを行う。これにより、前述したように発電効率の低下を抑制でき、災害に備えて蓄電池23への充電を積極的に行い、蓄電池23に高速に充電できる。
災害の予期は、災害を予期する例えば別途の情報サーバ等が行ってもよいし、人が行ってもよい。
蓄電池制御部27は、燃料電池11が発電した発電電力を抑制する必要性を検出した場合、閾値Aを大きくする制御、閾値Bを大きくする制御、上限充電電力αを増加させる制御、上限充電電力βを増加させる制御のいずれかを行う。これにより、前述したように発電効率の低下を抑制できる。また、発電した発電電力を抑制する必要が生じた場合には、蓄電池23への充電を積極的に行い、発電効率の低下を回避できる。
なお上述の実施形態(他の実施形態を含む、以下同じ)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。
しかし、蓄電池システム20は、充放電可能モードのみを有している構成であってもよい。そして、蓄電池システム20が充放電可能モードでのみ動作する場合であっても、蓄電池制御部27は、充放電可能モードにおいて、上述したような燃料電池11の発電効率を向上するような制御を行うことができる。
また、上記実施形態では、蓄電池システム20が充放電可能モード及び充電専用モードで動作する場合において、充放電可能モードでの充電時及び充電専用モードの両方で、上述したような燃料電池11の発電効率を向上するような制御を行うことができる。しかし、、蓄電池システム20が充放電可能モード及び充電専用モードが両方のモードで動作する場合であっても、充放電可能モードの充電時のみに上述したような燃料電池11の発電効率を向上するような制御を行ってもよいし、充電専用モードのみにおいて上述したような燃料電池11の発電効率を向上するような制御を行ってもよい。
しかし、充電率に対して閾値Aのみが設けられていてもよい。この場合、閾値A>充電率の場合は上限充電電力αが設定され、閾値A≦充電率の場合は上限充電電力βが設定される。そして、蓄電池制御部27は、燃料電池11による発電電力が第1発電電力閾値PLより小さい場合、閾値Aを大きくする制御、及び、蓄電池23への上限充電電力αを増加させる制御の少なくともいずれかを行う。
11 :燃料電池
23 :蓄電池
25 :充電率検出部
27 :蓄電池制御部
A :閾値(第1閾値)
B :閾値(第2閾値)
α :上限充電電力
β :上限充電電力
Claims (5)
- 発電電力が増加するほど発電効率の増大の度合いが小さくなる関係を概ね満たす発電効率曲線に沿って、最小発電電力と最大発電電力との間に設定される所定の目標発電電力を出力するように動作する発電装置と、
前記発電装置が発電した発電電力を利用可能な負荷装置と、
前記発電装置が発電した発電電力を充電可能な蓄電池と、
前記蓄電池の充電率を検出する充電率検出部と、
前記蓄電池への充電又は放電を制御する蓄電池制御部とを備え、
前記蓄電池への充電時は、前記発電装置は、前記蓄電池の充電電力と前記負荷装置の負荷電力との和の合計電力を賄えるように前記目標発電電力を設定して動作し、
前記蓄電池制御部は、前記負荷電力との和が前記発電装置の前記最大発電電力以下になり、かつ、前記充電率検出部が検出した前記充電率が大きくなる程、小さくなる関係で定められる充電電力の上限充電電力以下になるという条件を満たす最大の値に目標充電電力を設定して充電を行い、
前記充電率検出部が検出した前記充電率が第1閾値未満の場合の上限充電電力は第1上限充電電力であり、
前記充電率検出部が検出した前記充電率が第1閾値以上かつ第2閾値未満の場合の上限充電電力は、前記第1上限充電電力よりも小さい第2上限充電電力である、エネルギーシステム。 - 前記蓄電池制御部は、前記負荷装置の負荷電力が小さいことにより前記発電装置による発電電力が発電電力閾値より小さい場合、前記第1閾値、前記第2閾値、前記第1上限充電電力及び前記第2上限充電電力の少なくともいずれかを増加させる、請求項1に記載のエネルギーシステム。
- 前記蓄電池制御部は、前記負荷装置の負荷電力が大きいことにより前記発電装置による発電電力が発電電力閾値より大きい場合、前記第1閾値、前記第2閾値、前記第1上限充電電力及び前記第2上限充電電力の少なくともいずれかを減少させる、請求項1に記載のエネルギーシステム。
- 前記蓄電池制御部は、災害の予期を受信した場合、あるいは、前記発電装置が発電した発電電力を抑制する必要性を検出した場合、前記第1閾値、前記第2閾値、前記第1上限充電電力及び前記第2上限充電電力の少なくともいずれかを増加させる、請求項1に記載のエネルギーシステム。
- 発電電力が増加するほど発電効率の増大の度合いが小さくなる関係を概ね満たす発電効率曲線に沿って、最小発電電力と最大発電電力との間に設定される所定の目標発電電力を出力するように動作する発電装置と、
前記発電装置が発電した発電電力を利用可能な負荷装置と、
前記発電装置が発電した発電電力を充電可能な蓄電池と、
前記蓄電池の充電率を検出する充電率検出部と、
前記蓄電池への充電又は放電を制御する蓄電池制御部とを備えるエネルギーシステムの運転方法であって、
前記蓄電池への充電時は、前記発電装置は、前記蓄電池の充電電力と前記負荷装置の負荷電力との和の合計電力を賄えるように前記目標発電電力を設定して動作し、
前記蓄電池制御部は、前記負荷電力との和が前記発電装置の前記最大発電電力以下になり、かつ、前記充電率検出部が検出した前記充電率が大きくなる程、小さくなる関係で定められる充電電力の上限充電電力以下になるという条件を満たす最大の値に目標充電電力を設定して充電を行い、
前記充電率検出部が検出した前記充電率が第1閾値未満の場合の上限充電電力は第1上限充電電力であり、
前記充電率検出部が検出した前記充電率が第1閾値以上かつ第2閾値未満の場合の上限充電電力は、前記第1上限充電電力よりも小さい第2上限充電電力である、エネルギーシステムの運転方法。
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JP2005346984A (ja) | 2004-05-31 | 2005-12-15 | Toshiba Corp | 電子機器システム、燃料電池ユニットおよび給電制御方法 |
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