WO2010052946A1 - 街路灯電力給電方式 - Google Patents

Abstract

高速道路などの道路照明用街路灯に電力を送電する場合に、送電損失を削減し送電コストを低減する方法を蓄電装置の使用と送電系統網の設定、送電時間を短縮することにより達成する。極短時間で夜間消費する分の電力を送電することによって使用する電力料金を削減するシステムと方法に関するものである送電区間が数１００ｋｍに渡って長い遠隔地への送電は送電損失が大きく、また、ナトリウム灯など終夜中の電力消費量は大変大きい。都市電力削減に提案されている蓄電池を使用する広範で変動の多い電力消費をリアルタイム監視する手法では装置整備、メンテナンスにコストがかかりすぎる。　 一定区域内で使用する街路灯の電力を、まとめて高電圧に昇圧して中継変電拠点に送電し、発熱損失を低減する。更に街路灯には電気二重層キャパシタを備えて夜間中に消費する電力分を夜間電力を使用して短時間で急速充電し、送電コストを低減する。　　

Description

街路灯電力給電方式

本発明は高速道路などの道路照明用街路灯に電力を送電する場合に、極短時間で夜間消費する分の電力を送電することによって送電損失を削減し使用する電力料金を削減するシステムと方法に関するものである。

火力、原子力、水力、風力など゛電力エネルギーを遠隔地へ送電する際の送電損失の低減には、交流／直流選択送電、交流位相に伴う無効電力制御、電圧変換時のトランス材料等に多くの対策がなされてきた。また需要の増大に伴い課題とされる昼間ピーク電力回避や需要系統網最適化調整などの諸対策が採られているが、遠隔地送電については現在も５～１０％の損失があると言われている。更に特定時間内に一定電力を使用する施設においても、終日連続送電をしている。

一般事業所内の部門が一旦発電所からの電力を受け取った後、遠隔地の特定区域内の施設に送電する場合においても同様な課題がある。例えば高速道路を管理運営する団体が沿線の道路照明に用いる街路灯の電力は、長距離にわたって多数の照明灯に毎夜送電されており、トンネルの中では昼夜連続で点灯されているので多くの電力を消費しその送電損失も少なくない。市町村の公共団体が管理する市街地照明や、山間辺境地の放送電波中継維持、ダム等土木施設管理などでも同様な電力消費の課題がある。

発電所から遠隔地の都会需要層への送電損失を削減する方式として上述したように様々な対策が採られているが、もっと効率の良い電力削減方式として需用家側設備の捕間的支援電源として二次電池を装備し使用する方式が提案されている。
例えば特許文献１では市街地需要負荷の変動に応じて起こる電圧変動の抑制や保持、また位相変動に伴う無効電力と有効電力を検知し最適値調整による流通電流の削減、昼間のピーク電流の抑制、通常電力量の平準化などを行う場合に2次電池を使用するシステムが提案されている。特許文献２では上記目標達成のために上記システムに加えて需給電力運用と系統の計画的運用を加えリアルタイムで制御する方法が提案されている。
特許公開２００６－２２５３８０ 特許公開２００６－０６７４６９

上記提案のシステム系は、市街地電力や工場のように常に変動する負荷に対応して、変動する電圧電流を検知し無効電流と有効電流の優劣を判定し、二次電池からの放電と充電を選択しながら流通電流を極力低減しようとするものである。また２次電池の使用効率を上げる目的で使用電力をリアルタイムで監視するため、数多くの検出器、電子演算回路、切り替え機等を機視した指令発生装置、電流ドライバを使用・駆使しており機器の種類も数量も多くなっている。２次電池は鉛蓄電池、リチウムイオン電池など化学電池を使用するので充放電のメモリ効果が残り製品寿命が短く、メンテナンスに経費が必要となっていて普及は進んでいない。街路灯給電における電力削減方式は提案されているような多数の監視システムを構成して負荷変動に対処するのでは多数の大容量の2次電池が必要となり多額の設置コストを要する。従来の高速道路照明用街路灯に蓄電池を装着したものは未だ無い。

従来の高速道路夜間照明に使用されている送電方式は、指令電力変換局(変電所)から直接遠距離に渡って設置されている個々の街路灯に１００または２００Ｖ交流を終夜中通電し
、例えば５００Ｗ～１ＫＷのナトリウム灯や高圧水銀灯を連続して点灯している。長時間の照明に伴う電力消費と送電損出は看過できない。最近電力線の通わない僻地や離島、観光地の道路や庭園照明用に太陽電池を街路灯に取り付けて発電し、その電力を街路灯に装着した蓄電装置(多くは2次蓄電池)に蓄え、夜間に放電する照明装置が用いられている。
エコエネルギーの利用によって火力や原子力、水力など発電機の補完する望ましい展開方法であるが、高速道路照明用電力として使用するには課題が残る。つまり発電用に数平米にもなる大面積の太陽電池が必要で設備費がかかり、その上発電は天候に左右されるので不安定となり、高速道路照明のような安定で確実な照明を得るには不向きである。

本特許においては、高速道路等照明用電力の送電損失を低減する為に夜間使用する電力をあらかじめ蓄電装置に充電しておき、その電力を夜間逐次放電する方式を採用する。現状の高速道や街路照明灯の点灯に於いては個々の消費電力は１ＫＷ以下と小さく、電力規格は全く同一である。そのため使用中の負荷変動は殆ど無く制御電流も小さい。特許文献１，２で提案されているように、市街地への送電電力を細かく精密に電流電圧を検知し多数の電子回路機器を機視して制御する必要はないし、ピーク電力抑制や平準化使用目的ではないので、本特許に使用する蓄電装置は簡単な制御機能を持って単純な充放電動作をメンテナンスフリーで行うものであればよい。

送電中の発熱損失を低減する方法は、一定区域内で使用する街路灯の電力をまとめて一度に中継変電拠点に送ることとし、送電損失を低減し、また、送電時間を短縮する。送電損失の低減は電圧を昇圧して高電圧で送電し電流を低減する発熱低減の送電方式を採る。送電を行う時間帯は夜間電力と認定された時間帯とし、更に短時間で送電を完遂する。中継変電拠点では受電した電力の電圧を降圧しＡＣ-ＤＣコンバートした直流を個々の街路灯に給電する。街路灯内には給電された電流を蓄電装置に導入し、また蓄電装置から街路灯光源に放電するように切り替え動作をする制御装置が整備されている。この制御装置には安定な点灯を保つような電圧、電流制御機能も有している。電力を蓄える蓄電装置としては、短時間の急速充電を可能とするために電気二重層キャパシタを用いる。

夜間道路照明用の街路灯に使用する電力を、高電圧に昇圧して中継変電拠点に送電することは、電流量の低減化が可能となり発熱損失を抑制することになる。また電力を短時間で一度に蓄電装置に蓄積できるので、長時間通電による発熱損失を低減することになる。この蓄電装置に充電する時間は夜間電力認定時間内とすることによって、廉価な電力を使用する。トンネル内照明のように昼夜点灯するところに蓄電装置付き給電を行えば、昼間の消費電力分を夜間電力を使用して短時間で充電し、昼間は照明用に放電することができる。昼間の照明を夜間電力で賄うことは、昼間電力を使用する場合と比較し電力料金が廉価である。また電力の需要増大で夏場電力の不足が問題視される時代にあっては、夜間電量の使用は少しでも昼間電力使用を抑えることとなり、いわゆるピークシフトにつながることで電力の平準化に寄与することになる。

蓄電装置に電気二重層キャパシタを使用すると従来の蓄電池に勝る特長が得られる。例えば急速充電が可能となるので短時間で必要電力量を蓄電できる。従来の化学電池充電では急速充電は困難であり、一度に大電流充電すると破損したり使用寿命を損なう。電気二重層キャパシタは急速充電は充分可能であり、蓄電量が減少して放電が不能になるまで使い切ることができる。また、化学変化が無いので使用寿命は半永久的であり，電解液注入や蓄電装置交換などのメンテナンスは不必要になる。上述したように本特許を使用することは電力使用者の経費削減になるだけでなく国のエネルギー有効利用政策にも寄与し、社会的意義が大きい。

本発明は街路灯電力給電方式に関して、効率の良い送電と送電時間の短縮を可能とする方式である。まず、主電力の配電経路の結線関係と使用機器、運転時間を説明する。通常、発電所から遠隔地に送電する際は、３８万V、５２．５万Ｖ、１００万Ｖで送電しているが、市中の事業者へ販売する時は１万Ｖ以下である。電力会社から高速道路など事業主体者の電力供給指令所１に受電した源泉電力は、指令所内で電圧昇圧トランスによって昇圧し、一次送電線１１を通って遠隔地にある中継変電拠点２０、２１、・・２０＋ｎへ送電される。電力を受電した中継変電拠点２０，２１、・・２０＋ｎでは電圧を降圧し、そこから二次送電線１２を通して各管轄区間内の街路灯３０，３１、・・３０＋ｎ、また４０、４１、・・４０＋ｎ、また５０，５１、・・５０＋ｎに給電される。

個々の街路灯には電流電圧制御機３と電気二重層キャパシタ４及び照明光源５が具備されている。電力供給指令所１から各中継変電拠点に向けての送電は昼間は行わない。中継変電拠点から街路灯に給電された電力は街路灯に具備された電圧制御機に入り、送電線１２を通って夜間電力の短時間だけ電気二重層キャパシタ４に充電し、充電した電力を照明光源５に送って夜間に点灯する。照明光源には発展の著しい省電力の機器を使用する。従来ナトリウムランプが使用されているが、より消費電力の少ない高周波蛍光灯やＬＥＤ(発光ダーオード)を用いるのが良い。

具体的に街路灯電力給電方式に適した実施例を高速道路照明用の電力の通電経路に沿って以下に記す。
図1は配電系統を示すプロックダイヤグラムである。発電所からの電力を受けた事業所の電源供給指令所１では指令所管轄下にある照明灯で使用する電力を電圧昇圧トランスによって昇圧し、一次送電線１１を通って遠隔地にある中継変電拠点２０，２１、・・２０＋ｎへ送電する。高速道路照明は全路線数１００ｋｍに渡って照明灯が設置され、中にはトンネル内にも設置される。電源供給指令所１では個々の照明灯に対して直接結線送電をするのではなく、中継変電拠点２０，２１・・・２０＋ｎを経て二次送電線１２を通り、街路灯へ送電する。中継変電拠点は道路沿線を適宜分割し、その区間内の照明灯全てに変電して給電する拠点である。例えば中継変電拠点２０には、電力を供給する照明灯３０，３１，・・３０＋ｎが結線される。同様に中継変電拠点２１には照明灯４０，４１、・・４０＋ｎが結線され、また中継変電拠点２２には照明灯５０，５１、・・５０＋ｎが結線されている。中継変電拠点の分割区間は例えばサービスエリア間隔内の区間などが相当し、その距離約４０ｋｍの中には照明灯８００本位が建つ。

ナトリウム灯を使用する現状の照明電力は１個当たり５００Ｗ～１ＫＷなので全高速道路線全体の消費量は大変大きい。本特許で設置する一つの中継変電拠点が扱う電力は数１００ＫＷ位になってしまう。(１晩では１６時間点灯として１万ＫＷ以上)。
この光源をＬＥＤに代替すると１灯当たり消費電力は１／１５～１／３０になるから中継変電拠点管轄当たりの消費電力を１００ＫＷ以下に削減できる。中継変電拠点では高圧で受電した電力を数１０Ｖに下げ、ＡＣ－ＤＣ変換して個々の照明灯に直流電力を供給する。個々の照明灯には電気二重層キャパシタ４が具備されており、１台あたり３０Ｗの光源が１晩点灯して消費する電力量以上の電力を蓄電する。１晩の点灯時間は１６：００～８：００として１６時間である。電力消費量は４８０Ｗｈであるからこの充電には充電電圧を２４Ｖとして１２０Ａｘ１０ｍｉｎ相当の通電になる。

図２は照明灯に具備される照明用部品のブロックダイアグラムを示す。
送電線１２から入った電力は制御機３に入り、充電モードの場合は電気二重層キャパシタ４に接続されてそこへ充電する（充電量はＬＥＤ３０Ｗの場合は１６時間で４８０Ｗｈ）。電力供給指令所１から送電する時間は、１高速道路の全管轄区間内で夜間消費する総電力量分を短時間で一度に送電する。電力を受電した中継変電拠点２０，２１、・・２ｎでは、電圧を個々の照明灯が保有する蓄電装置に適した電圧に降圧し管轄区間内の照明灯３０・・・、４０・・・、５０・・・に送られる。

充電モードは以下の手順で行われる。夜間電力認定時間が１０時間の場合（２２：００－０８：００）、8時の約１０分前に電力が電力供給指令所１から中継変電拠点２０，２１
、・・２ｎを通って照明灯３０・・・、４０・・・、５０・・・に送られる。この時に電力供給指令所１からの指示信号により制御機３内では外部からの電流入力端が電気二重層キャパシタ４と接続され充電が始まる。朝８：００前の約１０分間で充分充電した頃、電力供給指令所１からの送電は終了しこの送電停止によって制御機３内では電気二重層キャパシタ４との接続が開放される。この充電時間が終了すれば夕方の点灯開始時迄充電した電気二重層キャパシタの電力は昼間はそのまま温存される。

点灯モードは以下の手順で行われる。昼間中は電力給電も点灯も無いまま夕暮れ時を迎え、例えば冬なら１７：００頃電力供給指令所からの点灯信号が中継変電拠点２０，２１、・・・２ｎを通じて照明灯３０，３１，３２．・・３０＋ｎ、４０・・・、５０・・・に届き、照明灯内の制御機３内では電気二重層キャパシタ４の端子が光源の端子と接続され、電気二重層キャパシタ４の出力は光源５に放電され点灯する。電気二重層キャパシタ４は放電が始まると電圧が減少していくので、電流制御機３は光源の照度が一定になるように電流を制御する。

尚、点灯開始の指示は電力供給指令所１から行ったが、以下の方法でも良い。例えば遠隔地の天候によっては暗くなる時刻が場所によって急に変わることがあるので、中継変電拠点２０，２１、・・・２ｎに設置した天空照度センサなどを使用して点滅の指示を出しても良い。かくして点灯は夜間を通して翌朝明るくなるまでつづき、再び電力供給指令所１からの給電開始によって制御機３は充電モードに変わり、消灯する。

本特許は高速道路など長距離に渡る遠隔地の道路照明用に電力を急給する際、電力中継変電拠点や電気二重層キャパシタ蓄電装置を用いて送電損失を低減し夜間電力の短時間の送電により送電コストを提言する方式であるから、利用の可能性は大きい。高速道路ばかりでなく、各地の公共団体が管理する街灯照明方式に利用したり、遠隔山間地の無線中継施設やダムなど土木建設施設の監視用電力の低減に利用することもでき、産業上の利用価値は大変広い。

配電系統を示すプロックダイヤグラム 照明灯に具備される照明用部品のブロックダイアグラム

１・・・・電力供給指令所
１１・・・一次送電線
１２・・・二次送電線
２０，２１，・・２０＋ｎ・・・電力中継変電拠点
３・・・・制御機
３０，３１、・・３０＋ｎ・・・変電中継拠点２０に属する照明灯
４０，４１、・・４０＋ｎ・・・変電中継拠点２１に属する照明灯
５０，５１、・・５０＋ｎ・・・変電中継拠点２１に属する照明灯
４・・・・電気二重層キャパシタ
５・・・・光源

Claims (5)

1. 高速道路など遠方に設置される道路照明用街路灯に電力を給電するに際し、個々の道路照明用街路灯に充放電能力を持つ蓄電装置を有し、該蓄電装置に接続して給電される入力電圧電流と街路灯への出力電圧電流の両方を制御する能力を持った制御装置を備え、夜間照明で消費する全電力を短時間の間に蓄電装置に充電し、夜間は該蓄電装置の放電によって点灯照明することを特徴とする街路灯電力給電方式。
2. 道路照明用街路灯の光源はLEDまたは高周波蛍光灯を使用することを特徴とする請求項1に記載の街路灯電力給電方式。
3. 照明用電源電力を遠隔地方に配電する際に、特定区間を管轄する中継変電拠点に高電圧に昇圧して送電し、受電した変電拠点では所望の電圧に降圧した電力を管轄内に属する個々の街路灯群に給電することを特徴とする請求項1に記載の街路灯電力給電方式。
4. 道路照明用街路灯に設置する蓄電装置は電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項1に記載の街路灯電力給電方式。
5. 制御装置は、電源電力供給指令所からの指示によって昼間に給電される電力の蓄電装置への充電、充電の遮断、夕方の該蓄電装置から光源への放出、朝方の光源への放出遮断を行い、更に街路灯の点灯状況を電源電力指令所に通報することを特徴とする請求項1に記載の街路灯電力給電方式。

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