JPH0374147A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は太陽光発電システムに係わり、特に離島に設置
する発電設備として好適な太陽光発電システムに関する
。

〔従来の技術〕

太陽光発電システムの従来例としては、電気学界研究会
資料（１９８６，９，５）ＳＰＣ−８６−７５「離島用
太陽光発電システムの運転研究」に記載の離島用ハイブ
リット太陽光発電システムがある。この従来例は、太陽
電池と、蓄電池と、ディーゼル発電機と、太陽電池及び
蓄電池の出力である直流電力を交流電力に変換するイン
バータと、ディーゼル発電機の出力である交流電力を直
流電力に変換する充電器とを備え、日照時は太陽電池の
出力をインバータで交流電力に変換して負荷電力を賄う
一方、余剰電力を蓄電池に充電して夜間や日照不足に備
え、雨天が続いて蓄電池の保有電力量が大幅に低下する
と、ディーゼル発電機の出力を充電器で直流電力に変換
して蓄電池に充電するようにしている。

そして、この従来例では９以上のような発電システムを
可能にするため、最大負荷電力が約８ｋＷで最大負荷電
力量が１３０　ｋＷｈ／日に対して、太陽電池設備容量
が５０ｋＷｐ、蓄電池容量が３００　ｋＷｈ、ディーゼ
ル容量が３０ｋＷ、インバータが４５ｋＶＡと、非常に
大きな設備容量を必要としていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のように、上記従来技術では、負荷電力量に対する
設備容量が非常に大きく、設備コスト及び発電コストが
高価になるという問題があった。

また、システム構成上、ディーゼル発電機の全出力を充
電器で直流に変換して蓄電池に充電し、その後交流に変
換し負荷に供給するため、効率が最適化されていないと
いう問題もあった。

本発明の目的は、設備コストの低減を可能とすると共に
、ディーゼル発電機の効率的運用を可能とし、システム
効率の向上を図った太陽光発電システムを提供すること
である。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、太陽電池、蓄電池、ディーゼル発電機、イ
ンバータ及び充電器を、蓄電池に太陽電池の出力と充電
器で変換されたディーゼル発電機の出力とが充電でき、
インバータで変換された太＠電池及び蓄電池の出力とデ
ィーゼル発電機の出力とが負荷に供給できるように連携
すると共に、ディーゼル発１０の夜間余剰電力で、すく
なくてもディーゼル発電機最大出力以上の負荷電力を賄
う電力量分を翌日の朝までに蓄電池に充電するように制
御することにより達成される。

好ましくは、更に、負荷電力特性のピーク値がディーゼ
ル発電機の出力より小さい場合に、太陽電池の出力上昇
時の太陽電池出力と、負荷電力を超えた太陽電池出力と
を蓄電池に充電し、太陽電池の出力が下降し、負荷電力
以下となった時点で前記充電電力を放電するように制御
される。

ディーゼル発電機の容量及び蓄電池の容量は、ディーゼ
ル発電機の夜間余剰電力量とディーゼル発電機の出力を
超える最大負荷日の負荷電力量から決定することができ
る。

また、太陽電池の容量は、太陽電池の単位設備容量当り
のディーゼル発電機の燃料節約量が最大となるように決
定するのが好ましい。

〔作用〕

このように構成された本発明の太陽光発電システムにお
いては、ディーゼル発電機の夜間余剰電力で、すくなく
てもディーゼル発電機最大出力以上の負荷電力を賄う電
力量分を翌日の朝までに蓄電池に充電するように制御す
ることにより、不日照時及び高負荷電力時にディーゼル
発電器出力が足りない分を、蓄電池に充電した電力で賄
うことができ、無停電を達成できる。また、ディーゼル
発電機の最大出力を負荷電力特性のピーク値より小さく
できるので、ディーゼル発電機の容量を低減できると共
に、蓄電池も無停電保証のためディーゼル発電機出力の
不足分を賄えればよいので、容量を小さくできる。また
、インバータの容量は、ピーク負荷が発生する夜間（７
〜８時）の負荷電力で決まるのではなく、昼間の太陽電
池からの出力時の負荷電力で決定するので、容量が小さ
くでき、また、充電器も、ディーゼル発電機出力以上の
負荷電力量を充電するときに用いるため、小さな容量で
よい。

太陽電池の容量は、太陽電池の単位設備容量当りのディ
ーゼル発電機の燃料節約量が最大となるように決定する
ことにより、最も効率的な太陽電池容量とすることがで
きる。

以上のように、高価な設備である太陽電池、蓄電池、イ
ンバータ、充電器及びディーゼル発電機の各容量を低減
し、設備コストの低減を図ることができる６ また、ディーゼル発電機の出力を直接負荷に供給できる
構成を採用したので、その出力をできるだけ交流のまま
使用し、直流に変換する電力量を少なくすると共に、デ
ィーゼル発電機の出力の夜間余剰電力を蓄電池に充電す
るようにしたので、夜間充電時はディーゼル発電機が高
負荷運転となり、ディーゼル発電機を高効率で運転でき
る。その結果、ディーゼル発電機の効率的運用が可能で
ある。

更に、負荷電力特性のピーク値がディーゼル発電機の出
力より小さい場合に、太陽電池の出力上昇時の太陽電池
出力と、負荷電力を超えた太陽電池出力とを蓄電池に充
電し、太陽電池の出力が下降し、負荷電力以下となった
時点で前記充電電力を放電するように制御することによ
り、太陽電池の出力上昇及び下降時におけるディーゼル
発電機の低負荷運転を避けることができ、ディーゼル発
電機の一層の高効率運転が可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第８図により説明す
る。

まず、第工図に本発明における太陽光発電システムの構
成並びに各出力電力のフローを示す。

日照時の太陽光上は、設置地点で太陽光エネルギーを最
大に取り出せる傾斜角度に設置した太陽電池２に入射す
る。太陽電池２に入射した太陽光１は、電気エネルギー
に変換され、直流電力となり、系統に供給される。この
直流電力は、白抜きの矢印３で示すように、インバータ
４を経由し交流電力となり負荷５に供給されるものと、
太陽電池出力の余剰電力（太陽電池出力で負荷を賄った
以外の余った電力）を蓄電池６に充電するものがある。

ディーゼル発電機７の出力は５点線の矢印８で示すよう
に、直接負荷５に供給されるものと、無停電条件を達成
するため、夜間余剰電力（ディーゼル出力で負荷５を賄
った以外の余った電力）を充電器９を経由して、蓄電池
６に供給するものがある。

蓄電池６は、太陽電池２からの余剰電力並びにディーゼ
ル発電機７の余剰電力を充電し、それら充電電力を必要
に応じて放電する。即ち、負荷電力がディーゼル発電機
出力と太陽電池出力を加算した電力より大きい場合は、
無停電対策として放電する。また、負荷電力がディーゼ
ル発電機７より小さい場合は、負荷電力を太陽電池出力
で賄うと共に、太陽電池２の余剰電力を蓄電池６に充電
し、これを六ＦＪｌ電池出力下降時に放電する。このよ
うなシステム構成及び運用法とすることで、不日照継続
時でも停電が発生せずに安定した電力供給ができると共
に、ディーゼル発電機７の低負荷運転の回避、並びに太
陽電池２の出方を有効に使用できるため、システム効率
が大幅に向上する。

なお、上記した運用法については、詳細を後述する。

上記太陽光発電システムにおいて、無停電条件を達成す
るディーゼル発電機７及び蓄電池６の容量決定法を第２
〜３図を用いて以下に説明する。

まず第２図について説明する。ここで、横軸は１日の時
刻を、縦軸は各電力を示す。図中、実線で示す曲線は１
本システムを設置する地域の最大負荷電力特性を示す。

−点鎖線は、ディーゼル発電機７の最大出力を示す。点
の集合で示す領域は、ディーゼル発電機出力の余剰電力
で、蓄電池６に充電可能な電力を示し、右下がりの斜線
で示す領域は、蓄電池６で賄う負荷電力の放電領域を示
している。即ち、太陽電池２からの出力がない不日照時
は、ディーゼル発電機と蓄電池で全負荷を賄わなければ
ならないこと、また、ディーゼル発電機の容量をできる
だけ少なくすることから１図に示すように、ディーゼル
発電機出力の夜間余剰電力量（点の集合で示す領域）で
ディーゼル出力以上の負荷電力量（右下がりの斜線で示
す領域）を賄う運用法とした。このような運用法におい
て、無停電を達成するディーゼル発電機と蓄電池の容量
の関係は、第３図に示すようになる。即ち、ディーゼル
発電機出力を徐々に小さくすると、蓄電池の容量は大き
くなり、ある値（Ａ）になるとディーゼル出力が変わら
ず、蓄電池容量だけが増加する傾向となる。これから、
本システムにおける最低のディーゼル発電機容量並びに
蓄電池容量は、上記したＡ点の値となる。

ディーゼル発電機及び蓄電池の容量は、上記の方法で決
定するが、システムを効率よく運用するためには、各機
器を高効率で運用するのが望ましい。その中でもディー
ゼル発電機は、低負荷運転時の効率が最も悪い。そこで
、この低負荷運転を回避するため蓄電池の運用法で、各
機器の運転を制御する。第４図〜第５図にその運用法を
示す。

蓄電池の運用法としては、負荷電力特性のピーク値がデ
ィーゼル発電機の最大出力を超える場合と超えない場合
の２通りを考え、前者を第４図に、後者を第５図に示す
。

まず、負荷電力特性のピーク値がディーゼル発電機出力
を超えた場合の蓄電池の運用法を第４図により説明する
。ここで、横軸は１日の時刻を、縦軸は各電力を示す。

図中、実線で示す曲線は最大負荷日の負荷電力特性１０
を、２点鎖線はディーゼル発電機７の最大出力１１を、
点線は太陽電池２の出力１２を示す。なお、ここで、点
の集合で示す領域１３は、ディーゼル発電機の余剰電力
の内、無停電を達成するために蓄電池６に充電する範囲
を表し、右下がり斜線の領域１４は、蓄電池からの放電
電力で賄う負荷電力の範囲を表し、左下がりの斜線１５
は、太陽電池の出力範囲を表し、負荷電力特性１０以下
の白抜き部１６は、ディーゼル発電機の出力範囲を表し
ている。

このような運用法の場合、蓄電池は無停電を保証するた
め、ディーゼル発電機を夜間、高負荷運転し、その余剰
電力を夜間充電する。（ディーゼル出力以上の負荷電力
を賄う最低電力量を必ず保有）このため、負荷電力のピ
ーク値が大きい場合でも停電が発生しない。また、夜間
充電時は、ディーゼル発電機が高負荷運転となるため、
ディーゼル発電機を高効率で運転できる。

第５図には、負荷電力特性１０のピーク値がディーゼル
発電機の最大出力を超えない場合の蓄電池の運用法を示
す。ここで、横軸、縦軸は前記した第４図と同じである
。この運用法の場合、ディーゼル発電機出力は負荷電力
を充分賄うことができることから、蓄電池は、停電を保
証するものとして使用せず、ディーゼル発電機の低負荷
運転を避け、なおかつ太陽電池出力の余剰電力を有効に
使用するものとして活用する。

即ち、ディーゼル発電機の低負荷運転を避けるべく、太
陽電池出力上昇開始時からその出力が負荷電力を超える
までの太陽電池出力ｔ７を蓄電池に充電する。太陽電池
出力が負荷電力を超えると、負荷電力を太陽電池出力で
賄い、負荷電力を超えた太陽電池出力の余剰電力１８は
、蓄電池の有効活用を図るため、蓄電池を充電する。な
お、ここで、太陽電池の余剰電力の内、蓄電池に充電で
きない電力１９は、廃棄電力となる。蓄電池からの放電
は、太陽電池の出力が負荷電力１０より下がったら放電
を開始し、蓄電池の充電電力量が空になるまで放電する
。これによって、太陽電池出力上昇時と同様に、太陽電
池出力下降時にもディーゼル発電機の低負荷運転を避け
ることができる。

なお、第５図で説明した蓄電池の運用法は、第４図で説
明した運用法で蓄電池が無停電を保証する容量以上ある
場合は、採用される。

蓄電池の運用法として、上記した２つの運用法を採用す
ることにより、蓄電池の有効利用とディーゼル発電機の
高効率運転ができることから、システム効率の向上に効
果がある。

以上述べた運用法で制御される本実施例の太陽光発電シ
ステムの構成要素である太陽電池２．蓄電池６．インバ
ータ４．充電器９及びディーゼル発電機７の作用を以下
に要約する。

（太陽電池２） （１）昼間日照がある場合、インバータ４を経由して負
荷５に電力を供給する。

（２）太陽電池出力が負荷電力より大きい場合、太陽電
池出力で負荷電力を賄った残りの電力量は、蓄電池６に
充電が可能であれば充電される。

これによって、太陽電池出力の大部分が負荷５に直接供
給されることから、太陽電池出力を効率良く利用するこ
とができる。

（蓄電池６） （１）ディーゼル発電機出力以上の負荷電力量を賄う電
力量として、ディーゼル発電機出力の夜間余剰電力を充
電する。

（２）負荷電力特性のピーク値がディーゼル発電機出力
より小さい場合、太陽電池出力上昇開始時からその出力
が負荷電力を超えるまでの太陽電池出力１７を蓄電池に
充電する。また、負荷電力を超えた太陽電池出力を充電
する。

（３）充電した電力は、負荷電力特性のピーク値がディ
ーゼル発電機の最大出力を超える場合、その超えた負荷
電力量を賄う。また、負荷電力特性のピーク値がディー
ゼル発電機の最大出力より小さい場合、太陽電池出力下
降時に放出する。

これによってシステムを無停電で運用することができる
と同時に、ディーゼル発電機の低負荷運転を避け、燃料
を節約できる。

（インバータ４） 太陽電池出力及びｉｔ池出出力直流電力を交流電力とし
、負荷５に供給する。

本システムでは、ピーク負荷が発生する夜間（７〜８時
）の負荷電力でインバータの容量を決定するのではなく
、昼間の太陽電池からの出力時の負荷電力で決定するた
め、容量を小さくできる。

（充電器９） 本システムの無停電を保証するため、ディーゼル発電機
の夜間余剰電力を蓄電池に充電する時に使用し、交流電
力を直流電力に変換するのに用いる。

本システムでは、ディーゼル発電機出力以上の負荷電力
量を充電する時に用いるため、小さな充電器でよい。

（ディーゼル発電機７） ディーゼル発電機の出力は、直接負荷に供給するものと
、高負荷時の無停電を保証するため蓄電池に充電するも
のがある。

本システムでは、高負荷時に蓄電池からも負荷に電力を
供給するため、ディーゼル発電機容量は、負荷の最大電
力を必要とせず、蓄電池からの出力電力以外を賄う容量
でよい。

以上に示したシステム構成、各機器の容量決定法及び運
用法をもとに離島用太陽光発電システムを設計した一例
を以下に示す。

第６図には、設計計算に使用した九州地区の離島の季節
毎の負荷電力の平均値を示す。第７図には、上記した離
島の最大負荷電力から前述した機器容量の決定法により
求めた無停電を達成するディーゼル発電機容量と蓄電池
の関係を示す。この結果から、無停電を達成する最低の
ディーゼル発電機容量は４３ｋＷで、蓄電池容量は１３
３ｋｔ／ｈとなることが分かる。

次に、太陽電池の容量を求めるわけであるが、太陽電池
容量は、システムを構成する太陽電池の単位設備容量当
たりのディーゼル発電機の燃料節約量が最大となる容量
が最適容量である。そこで、太陽電池出力をパラメータ
にしてディーゼル発電機の燃料節約量を求めた。その結
果を第８図に示す。なお、ここで、計算に用いた日射量
は、九州地区の年間の日々の日射量である。この図で、
縦軸に示す燃料節約指数ＭＦは、ディーゼル発電機の燃
料節約量に相当するもので、その定義を以下に示す。

ハイブリット太陽光発電システムにおけるディーゼル発
電機の燃料節約量を考える場合、構成機器の中で設備コ
ストを支配する太陽電池と蓄電池のコストを考慮し評価
する必要がある。そこで、評価指数として、燃料節約指
数ＭＦを用いた、即ち、太陽電池と蓄電池の設備コスト
をＣＳａとすると、 Ｃ５ｒｓ＝Ｃｓ−Ｑｓ＋Ｃａ−Ｑａ ＝Ｃｓ　　［Ｑｓ＋　　（Ｃａ／Ｃｓ）　　　・　Ｑ［
ｌコ蓄電池を太陽電池相当量に換算した設備容量をＱ　
（ｅｆｆ）とすると。

Ｑ（ｅｆｆ）”　ＱＳ＋（ＣＢ／Ｃ３）　　・Ｑｓここ
で、 Ｃ８：太陽電池単価（￥／　ｋ　Ｗ　ｐ　）ＣＢ：蓄電
池単価（￥／　ｋ　Ｗ　ｐ　）Ｑｓ：太陽電池容量（ｋ
　Ｗ　ｐ　） ＱＢ：蓄電池容量（ｋＷｐ） 燃料節約量をΔＦとすると、 ΔＦ＝Ｆｏ−Ｆｓ ＦＤ：ディーゼルだけでの負荷を賄った場合の燃料消費
量 Ｆｓ：本システムの燃料消費量 従って、燃料節約指数ＭＦは。

ＭＦ＝　（ＦＤ　−Ｆｓ）　／　Ｑ　（ｅｆｆ）計算で
は、Ｃａ／Ｃｓ（コスト比）を０．２　　とした。また
、蓄電池容量は、無停電を達成する最低容量である１　
３３　ｋＷｈとした。この結果から、燃料節約指数ＭＦ
が最大になるのは、太陽電池設備容量が１３０ｋＷＰで
、その時の燃料節約指数ＭＦは０．１９４　（ｒｒｒ／
ｋＷＰ（ｅｆｆ）・年）となる。

このことは、本システムにおいて１年間で太陽電池設備
容量１　ｋＷＰ当たり０．１９４ｒｎ’の燃料節約量が
あることを意味している。

以下の表に同日射、負荷条件で計算した結果を従来シス
テムと本システムで比較して示す。これから１本システ
ムの方が各機器の容量を少なくでき、設備コストを低く
抑えることができること。

及び燃料節約指数も従来システムに比べ約１．８倍大き
くなることが分かる。

表１　システムの比較 ＊：全負荷をディーゼルのみで賄うときの燃料消費量：
約９６ｍ／年 以上説明した本実施例の効果を要約すれば、以下のよう
である。

（イ）新しい機能 本実施例によれば、ディーゼル発電機の夜間余剰電力を
日々朝までに蓄電池に無停電を保証する電力量以上を充
電するため、不日照時及び高負荷電力時にディーゼル出
力で足りない分を放電することができ、無停電を達成で
きる。

（ロ）性能及び効率の向上 燃料節約指数ＭＦの試算によると１本システムが従来シ
ステムに比較し、約１．８　倍大きい。

（ハ）経済性及び簡略化 ■本システムの採用により、ハイブリット太陽光発電シ
ステムの構成機器である太陽電池容量を従来システムの
約６３％減に、蓄電池容量を約９４％減に、ディーゼル
発電機を約４０％減に、インバータを約３０％減にする
ことができ、大幅な建設コストの削減が可能となる。

■運用面で、本システムの燃料節約指数ＭＦが従来シス
テムに比べ約１．８倍大きいことから、設備容量当たり
の燃料節約量が大きくなる。

最後に、現状における太陽光発電システムは、建設コス
トが非常に高価であり、発電コストが高くなるため、建
設が見合わされている。しかしながら、本システムは、
建設コストが従来システムの約１１５程度まで下げるこ
とができることから、発電コストが低減でき、建設時期
の促進が期待される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、設備コストが低減でき、かつディーゼ
ル発電機の効率的運用が可能で、燃料節約量が大きくな
り、発電コストを大幅に低減できると共に、無停電シス
テムを提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による太陽光発電システムの
構成図であり、第２図は本発明による無停電達成の考え
を示す図であり、第３図は本発明による無停電を達成す
るディーゼル発電機と蓄電池の容量決定法を示す図であ
り、第４図は本発明による高負荷電力時の蓄電池の運用
法を示す図であり、第５図は本発明による低負荷電力時
の蓄電池の運用法を示す図であり、第６図は計算に使用
した離島の負荷電力状態を示す図であり、第７図は、計
算例における無停電を達成するディーゼル発電機容量と
蓄電池容量を決定するための両者の関係を示す図であり
、第８図は計算例における太陽電池設備容量と燃料節約
指数の関係を示す図である。 工・・・太陽光、２・・・太陽電池、４・・・インバー
タ、５・・負荷、６・・・蓄電池、７・・ディーゼル発
電機、９・・・充電器。 茅 固 ム ／ ／２ 綺刻 ／δ ４ デ゛イーｔ“ル上刀 茅 を 固 ８杏 刻 羊 固 デイ−１ンレより （にＶ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、太陽電池と、蓄電池と、ディーゼル発電機と、太陽
   電池及び蓄電池の出力である直流電力を交流電力に変換
   するインバータと、ディーゼル発電機の出力である交流
   電力を直流電力に変換する充電器とを備えた太陽光発電
   システムにおいて、 前記太陽電池、蓄電池、ディーゼル発電機、インバータ
   及び充電器を、蓄電池に太陽電池の出力と充電器で変換
   されたディーゼル発電機の出力とが充電でき、インバー
   タで変換された太陽電池及び蓄電池の出力とディーゼル
   発電機の出力とが負荷に供給できるように連携すると共
   に、ディーゼル発電機の夜間余剰電力で、すくなくても
   ディーゼル発電機最大出力以上の負荷電力を賄う電力量
   分を翌日の朝までに蓄電池に充電するように制御するこ
   とを特徴とする太陽光発電システム。 ２、更に、負荷電力特性のピーク値がディーゼル発電機
   の出力より小さい場合に、太陽電池の出力上昇時の太陽
   電池出力と、負荷電力を超えた太陽電池出力とを蓄電池
   に充電し、太陽電池の出力が下降し、負荷電力以下とな
   つた時点で前記充電電力を放電するように制御すること
   を特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。 ３、ディーゼル発電機の容量及び蓄電池の容量を、ディ
   ーゼル発電機の夜間余剰電力量とディーゼル発電機の出
   力を超える最大負荷日の負荷電力量から決定したことを
   特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。 ４、太陽電池の容量を、太陽電池の単位設備容量当りの
   ディーゼル発電機の燃料節約量が最大となるように決定
   したことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システ
   ム。