WO2016042672A1

WO2016042672A1 - ハイブリッド電源装置及びハイブリッド電源利用システム

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Publication number: WO2016042672A1
Application number: PCT/JP2014/074918
Authority: WO
Inventors: 俊一柳川; 裕杉江; 浜田　修; 謙一太田; 秀仁青木; 恭三渡部; 岡田　博志; 文憲木村
Original assignee: 株式会社昭電; ビフレステック株式会社; 大阪府
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-03-24

Abstract

　従来、未利用の電力を有効に利用して充電量を増大させ、より長時間の給電や売電を可能とするハイブリッド電源装置及びハイブリッド電源利用システムを提供する。　自然エネルギーを利用して発電した電力により複数の蓄電装置を充放電させて使用するハイブリッド電源装置であって、例えば太陽光発電部１００と、その発電電力が所定値以下である時に充電される短時間充放電型の第１蓄電装置２０５と、第１蓄電装置２０５が満充電になってから充電を開始し、かつ第１蓄電装置２０５よりも大容量で長時間充放電型の第２蓄電装置２１１と、第１蓄電装置２０５を第２蓄電装置２１１よりも優先的に充電し、かつ、第１蓄電装置２０５を第２蓄電装置２１１よりも優先的に放電させてから第２蓄電装置２１１を放電させるように充放電制御を行う制御装置３００と、を備える。

Description

ハイブリッド電源装置及びハイブリッド電源利用システム

　本発明は、例えば、日射量が少ない時間帯における太陽光発電部の発電量のように、少ない発電量を有効に利用可能としたハイブリッド電源装置、及び、このハイブリッド電源装置を含むハイブリッド電源利用システムに関する。

　我が国において、地震、台風、または、豪雨による土砂崩れや洪水などの災害が近年頻発している。これらの災害が発生すると道路や電気などのインフラが寸断されて地域が孤立し、復旧するまで地域住民は避難生活を強いられる。

　災害発生時、避難場所での連絡用の携帯電話の充電や、安心の為の夜間照明の点灯などには電気が必要になるが、避難場所で停電が発生することも多い。そこで、災害時の非常用電源として、太陽光発電設備の活用が考えられている。

　このような太陽光発電設備の従来技術が、例えば特許文献１（特開２０１１－３４９３９号公報）に開示されている。この特許文献１には、電気二層層キャパシタと蓄電池との両者により蓄電させ、これらを切り換えて電力供給を行う照明装置が開示されている。

　また、太陽光発電設備の他の従来技術が、例えば特許文献２（特開２０００－１０２１９０号公報）にも開示されている。この特許文献２においても、電気二重層コンデンサと蓄電池との両者により蓄電させ、これらを切り換えて電力供給を行う太陽電池照明装置が開示されている。

特開２０１１－３４９３９号公報（図１，図２）特開２０００－１０２１９０号公報（図１）

　太陽光発電設備は、朝方や夕方または曇天時など、日射量が少ない場合には発電量が小さく、蓄電装置への充電が困難である。また、発電量が少ない場合にはパワーコンディショナを稼働させて売電することもできない。

　特許文献１に記載の従来技術は、昼間は電気二重層キャパシタと蓄電池との両者により充電させ、夜間は電気二重層キャパシタに続いて蓄電池により放電するものである。しかし、朝方や夕方のように日射量の少ない時に充電する点については考慮されていない。

　また、特許文献２に記載の従来技術は、電気二重層コンデンサを主の電池、蓄電池を補助の電池とし、電気二重層コンデンサの電圧が規格値以上のときは蓄電池に充電し、また、電気二重層コンデンサの電圧が規格値以下のときは蓄電池から電気二重層コンデンサを充電するものであり、常に電気二重層コンデンサから負荷に給電している。しかしながら、この従来技術においても、日射量の少ない時に充電する点については考慮されていなかった。

　このため、日射量が少なく、発電量が少ない場合でも蓄電装置への充電を可能として充電量を増大させ、電源装置としての用途を拡大したいという要請があった。
　言い換えれば、従来では利用していなかった太陽光などの自然エネルギーを有効に活用するハイブリッド電源装置の提供が望まれていた。

　本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、充電に適さず捨てられていた発電電力を有効に活用して充電量を増大させ、より長時間、使用可能なハイブリッド電源装置、及び、このハイブリッド電源装置を含むハイブリッド電源利用システムを提供することにある。

　上記課題を解決するために、請求項１に係るハイブリッド電源装置は、自然エネルギーを利用して発電した電力により複数の蓄電装置を充電し、前記蓄電装置を放電させて使用するハイブリッド電源装置であって、
　自然エネルギーにより発電する発電部と、
　前記発電部の発電電力が所定値以下である時に前記発電部の発電電力により充電される短時間充放電型の第１蓄電装置と、
　前記第１蓄電装置が満充電になってから充電を開始し、かつ、前記第１蓄電装置よりも大容量で長時間充放電型の第２蓄電装置と、
　前記発電部の発電電力、及び、前記第１蓄電装置並びに前記第２蓄電装置の充放電状態に基づいて、前記第１蓄電装置を前記第２蓄電装置よりも優先的に充電し、かつ、前記第１蓄電装置を前記第２蓄電装置よりも優先的に放電させてから前記第２蓄電装置を放電させるように充放電制御を行う制御装置と、を備えたことを特徴とする。

　請求項２に係るハイブリッド電源装置は、請求項１に記載したハイブリッド電源装置において、前記制御装置は、前記第１蓄電装置が満充電になったことを検出した時に、前記第１蓄電装置の充電を停止すると共に、前記発電部の発電電力により前記第２蓄電装置を充電するように制御することを特徴とする。

　請求項３に係るハイブリッド電源装置は、請求項１に記載したハイブリッド電源装置において、前記制御装置は、前記第１蓄電装置が満充電になったことを検出した時に、前記第１蓄電装置の充電を停止すると共に、前記第１蓄電装置の蓄電電力により前記第２蓄電装置を充電し、前記第２蓄電装置が満充電になったことを検出した時に前記第２蓄電装置の充電を停止し、更に前記第１蓄電装置を満充電にしてから前記第１蓄電装置の充電を停止するように制御することを特徴とする。

　請求項４に係るハイブリッド電源装置は、請求項１～３の何れか１項に記載したハイブリッド電源装置において、前記第１蓄電装置がリチウムイオンキャパシタであり、前記第２蓄電装置がリチウムイオン電池であることを特徴とする。

　請求項５に係るハイブリッド電源装置は、請求項１～３の何れか１項に記載したハイブリッド電源装置において、前記発電部が、太陽光により発電する太陽光発電部、風力により発電する風力発電部、水力により発電する水力発電部、のうちの何れかであることを特徴とする。

　請求項６に係るハイブリッド電源装置は、請求項１～３の何れか１項に記載したハイブリッド電源装置において、前記制御装置に外部から災害情報が入力された時に、前記制御装置は、前記第１蓄電装置または前記第２蓄電装置からの負荷への放電量を低減させるように制御することを特徴とする。

　請求項７に係るハイブリッド電源利用システムは、請求項５に記載したハイブリッド電源装置において、前記発電部としての太陽光発電部と、負荷としての照明装置と、を備え、前記制御装置は、日射量が少なく前記太陽光発電部による発電電力が少ない時間帯に前記第１蓄電装置を優先的に充電するように制御することを特徴とする。

　請求項８に係るハイブリッド電源利用システムは、請求項３に記載したハイブリッド電源装置と、前記発電部の発電電力を入力として売電用の電力を生成するパワーコンディショナシステムと、負荷と、を備え、
　前記第１蓄電装置及び前記第２蓄電装置が満充電の状態で、前記発電部の発電電力が前記パワーコンディショナシステムを運転可能な大きさである時は、前記制御装置により前記パワーコンディショナシステムを稼働させ、前記パワーコンディショナシステムから出力される電力を売電することを特徴とする。

　請求項９に係るハイブリッド電源利用システムは、請求項８に記載したハイブリッド電源利用システムにおいて、前記第１蓄電装置及び前記第２蓄電装置が満充電の状態で、前記発電部の発電電力が前記パワーコンディショナシステムを運転可能な大きさに満たない時は、前記制御装置により、前記第１蓄電装置を前記第２蓄電装置よりも優先的に放電させてその放電電力を負荷に供給し、または前記放電電力を売電することを特徴とする。

　本発明によれば、従来では充電に適さず捨てられていた発電電力を有効に活用して充電量を増大させ、より長時間、給電や売電に使用可能なハイブリッド電源装置及びハイブリッド電源利用システムを実現することができる。

本発明を実施するための第１の形態のハイブリッド電源利用システムのブロック構成図である。本発明を実施するための第２の形態のハイブリッド電源利用システムのブロック構成図である。

　まず、本発明を実施するための第１の形態について、図１を参照しつつ説明する。
　なお、以下に説明する第１の形態及び第２の形態は、何れも太陽光発電部を備えた太陽光発電設備に関するものであるが、本発明は、例えば風力発電設備や水力発電設備において、風力発電部や水力発電部による発電電力を利用するシステムにも適用可能である。
　すなわち、風力や水力が弱いため発電量が少ない場合にも、後述の第１蓄電装置２０５を充放電させることで、従来では捨てられていた発電電力を有効に活用することができる。

　まず、図１のハイブリッド電源利用システム１は、太陽光発電部１００、充放電ユニット２００、制御装置３００、負荷４００を備える。このうち、太陽光発電部１００、充放電ユニット２００、制御装置３００により本発明のハイブリッド電源装置を構成する。また、本発明のハイブリッド電源利用システム１は、上記ハイブリッド電源装置に負荷４００を接続した構成である。

　太陽光発電部１００は、詳しくは太陽電池を平面状に敷き詰めた太陽電池パネル（セル、モジュール、アレイ等の各種形態を含むものとする）である。太陽光発電部１００は風雨や外力などから内部を保護するように形成されている。太陽電池パネルの数や配置は適宜選択することができ、太陽の位置に合わせて向きを変えるように構成してもよい。

　太陽光発電部１００に使用する太陽電池の種類は、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、薄膜シリコン型、微結晶シリコン、非晶質シリコンまたはこれらの積層からなるシリコン系の太陽電池や、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＡｓ系、ＣＩＳ系、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４、ＣｄＴｅ－ＣｄＳ系の太陽電池、有機色素を用いた色素増感太陽電池、導電性ポリマーやフラーレン等を用いた有機薄膜太陽電池、ｐｉｎ構造におけるｉ層（真性半導体層）中にシリコン等による量子ドット構造を形成した量子ドット型太陽電池などの中から、適宜選択することができる。

　充放電ユニット２００は、更に、入力側ダイオード２０１、入力側検出部２０２、第１入力側スイッチ２０３、第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４、第１蓄電装置２０５、第１出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０６、第１出力側スイッチ２０７、第１出力側ダイオード２０８、第２入力側スイッチ２０９、第２入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０、第２蓄電装置２１１、第２出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２、第２出力側スイッチ２１３、第２出力側ダイオード２１４を備える。

　充放電ユニット２００の各構成は、図示しない収容ボックスに収容されている。収容ボックスは、その内部を風雨や外力などから保護し、軽量で、耐久性、密閉性、堅牢性、防錆性、防水性を有する部材（例えば強化プラスチック）で形成されている。
　なお、後述する制御装置３００を充放電ユニット２００と同一の収容ボックスに収容しても良いし、制御装置３００を別個に設置しても良い。

　入力側ダイオード２０１は、アノードが太陽光発電部１００側に接続されている。これにより第１蓄電装置２０５や第２蓄電装置２１１から太陽光発電部１００への電流の逆流を防止する。

　入力側検出部２０２は、太陽光発電部１００から出力される電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０を検出し、信号線を介して、これらの電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０を制御装置３００へ送信する。後述するが、制御装置３００は、電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０に基づいて、例えば夜間に発電量が０の状態か、朝夕のように発電量が少ない状態か、または、日中で発電量が多い状態かなどを検出する。

　電力線は、第１系統と第２系統とに分岐している。第１系統は第１蓄電装置２０５を充放電する系統であり、第１入力側スイッチ２０３、充電装置としての第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４、第１蓄電装置２０５、第１出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０６、第１出力側スイッチ２０７、第１出力側ダイオード２０８を備えている。
　また、第２系統は第２蓄電装置２１１を充放電する系統であり、第２入力側スイッチ２０９、充電装置としての第２入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０、第２蓄電装置２１１、第２出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２、第２出力側スイッチ２１３、第２出力側ダイオード２１４を備えている。

　まず、第１系統について説明する。
　第１入力側スイッチ２０３は、例えばリレーや半導体スイッチであり、後述の第１入力側スイッチ２０７，第２入力側スイッチ２０９，第２出力側スイッチ２１３についても、同様にリレーや半導体スイッチによって構成される。
　第１入力側スイッチ２０３は、制御装置３００と接続されており、制御装置３００からの制御信号によりオンオフする。

　第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４は、太陽光発電部１００の出力電圧を、第１蓄電装置２０５で充電するために必要な大きさの電圧に昇圧または降圧する。第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４は、制御装置３００と接続されており、制御装置３００からの制御信号により半導体スイッチング素子をオンオフさせて昇圧または降圧動作を行う。
　例えば、太陽光発電では、天候に応じて太陽光発電部１００の出力電圧や出力電流が変化するが、第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４が電圧及び電流の大きさを調整するため、太陽光発電部１００の出力を平準化した上で充電することができる。

　第１蓄電装置２０５は、短時間充放電型（急速充放電型）の蓄電装置であり、例えば、リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ：Ｌｉｔｈｉｕｍ－Ｉｏｎ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）である。
　周知のように、リチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｌａｙｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）の正極に、炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池の負極を組み合わせたハイブリッドキャパシタであり、正極及び負極の蓄電原理が異なる非対称キャパシタである。リチウムイオンキャパシタでは、正極が電気二重層を形成して物理的作用により充放電を行うが、負極はリチウムの化学的作用により充放電を行う。この負極活物質である炭素材料等に予めリチウムを吸蔵させた負極を用いており、エネルギー密度を飛躍的に向上させている。

　リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオン二次電池の正極活物質層に代えて、リチウムイオンやアニオンの少なくとも一つを可逆的に担持する材料を用いる。このような材料としては、活性炭、導電性高分子、ポリアセン系有機半導体（ＰＡＳ：ＰｏｌｙＡｃｅｎｉｃ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒの略）などが挙げられる。リチウムイオンキャパシタは、充放電の効率が高く、短時間での充放電が可能であり、繰り返し使用しても寿命が長い。

　また、第１蓄電装置２０５は、所定の電圧及び容量を得るため、複数のリチウムイオンキャパシタを直列や並列接続したものとしても良い。第１蓄電装置２０５としては、大容量の電気二重層キャパシタを採用しても良い。
　第１蓄電装置２０５は制御装置３００と接続されており、第１蓄電装置２０５の充放電時の電流値Ｉ_１及び電圧値Ｖ_１を検出し、信号線を介して制御装置３００へ送信する。これらの電流値Ｉ_１及び電圧値Ｖ_１は第１蓄電装置２０５の充放電制御時に利用される。

　第１出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０６は、第１蓄電装置２０５の出力電圧を、負荷４００が必要とする大きさに昇圧または降圧する。第１出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０６は、制御装置３００と接続されており、制御装置３００からの制御信号により半導体スイッチング素子をオンオフさせて昇圧または降圧動作を行う。

　第１出力側スイッチ２０７は、第１系統の出力側に接続される。第１出力側スイッチ２０７は、制御装置３００と接続されており、制御装置３００からの制御信号によりオンオフする。
　第１出力側ダイオード２０８は、アノードが第１蓄電装置２０５側に接続されている。これにより、第２系統や負荷４００から第１系統への電流の逆流を防止する。

　続いて、第２系統について説明する。
　第２系統の第２入力側スイッチ２０９は、入力側検出部２０２の出力側に接続される。この第２入力側スイッチ２０９は制御装置３００と接続されており、制御装置３００からの制御信号によりオンオフする。

　第２入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０は、太陽光発電部１００の出力電圧を、第２蓄電装置２１１に充電するために必要な大きさの電圧に昇圧または降圧する。第２入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０は、制御装置３００と接続されており、制御装置３００からの制御信号により半導体スイッチング素子をオンオフさせて昇圧または降圧動作を行う。第１系統と同様に、第２入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０が電圧を調整するため、太陽光発電部１００の出力を平準化して利用することができる。

　第２蓄電装置２１１は、大容量充放電型の蓄電装置であり、特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン電池（ＬＩＢ）の採用が好ましい。リチウムイオン電池は、大容量で長時間の充放電が可能である。
　なお、上記のリチウムイオン電池以外にも、第２蓄電装置２１１には、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池等の二次電池、レドックス・フロー電池、亜鉛・塩素電池、亜鉛臭素電池等の液循環型の二次電池、アルミニウム・空気電池、空気亜鉛電池、空気・鉄電池等のメカニカルチャージ型の二次電池、ナトリウム・硫黄電池、リチウム・硫化鉄電池などの高温動作型の二次電池を用いることができる。

　第２蓄電装置２１１は、制御装置３００と接続されており、第２蓄電装置２１１の充放電時の電流値Ｉ_２及び電圧値Ｖ_２を検出し、信号線を介して制御装置３００へ送信する。
　第２出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２は、第２蓄電装置２１１の出力電圧を、負荷４００が必要とする大きさに昇圧または降圧する。第２出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２は制御装置３００と接続されており、制御装置３００からの制御信号により半導体スイッチング素子をオンオフさせて昇圧または降圧動作を行う。

　第２出力側スイッチ２１３は、第２系統の出力側に接続される。第２出力側スイッチ２１３は制御装置３００と接続されており、制御装置３００からの制御信号によりオンオフする。
　第２出力側ダイオード２１４は、アノードが第２蓄電装置２１１側に接続されている。これにより、第１系統や負荷４００から第２系統への電流の逆流を防止する。

　制御装置３００は、前述したように、入力側検出部２０２と、第１系統，第２系統の各部との間で、電圧、電流、及び制御信号を授受し、後述するような充放電制御を行う。
　また、制御装置３００には、外部からの通信により各種情報や制御指令が入力される。ここで、各種情報としては、例えば豪雨情報や地震情報などの災害情報がある。
　制御装置３００は、例えばマイクロコンピュータシステムによって構成されている。制御装置３００の電源は、第２蓄電装置２１１から供給することが望ましいが、別個に専用の電源を備えていても良い。

　負荷４００としては、照明装置、通信装置、空調装置などの各種の負荷が考えられる。ここで、図１では、負荷４００に直流電力が入力される形になっているが、負荷４００としては、入力される直流電力をインバータにより交流電力に変換して利用する交流負荷、及び、入力される直流電力をそのまま用いる直流負荷の双方を含む。また、負荷４００の用途は、家庭用途、産業用途を問わない。
　本形態では、負荷４００が、充放電ユニット２００から給電されるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）照明装置であるものとして説明する。ＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ及びＬＥＤ点灯回路を備えており、例えば、屋外の街路灯や室内の照明器具として使用することができる。

　ＬＥＤとしては、例えば点発光ＬＥＤや面発光ＬＥＤを採用可能であり、これらのＬＥＤを採用すれば、少ない電力で大きな照度を得ることができる。また、ＬＥＤ点灯回路は、例えばＰＷＭマイコン制御によりＬＥＤの消費電力を抑え、省エネルギー性に優れた駆動が可能である。ＬＥＤ点灯回路は調光機能を有し、設置場所の明るさに応じて最適な照度で照明を行うことができる。

　従って、本発明のハイブリッド電源利用システム１は、例えば、太陽光発電部１００、充放電ユニット２００、制御装置３００及び負荷４００であるＬＥＤ照明装置を一体に備え、朝方から夕方まで充電し、夜間に建物や道路を照明するシステムとして提供することができる。
　なお、ＬＥＤ照明装置以外でも、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、有機ＥＬ素子などの発光部やその点灯回路を備えた各種の照明装置を使用することができる。

　続いて、本発明のハイブリッド電源装置及びハイブリッド電源利用システム１の特徴について説明する。本発明は、従来では捨てられていた発電電力を活用する点に特徴がある。
　すなわち、ハイブリッド電源装置は、日射量が少ない時間帯に充電される第１蓄電装置２０５と、日射量が多い時間帯に充電される第２蓄電装置２１１とを切り換えて充電を行う。

　第１蓄電装置２０５は、リチウムイオンキャパシタのように、容量は比較的少ないが、朝方や夕方のように日射量が少ないため太陽光発電部１００の発電量が小さい場合でも短時間での充電が可能であり、従来、太陽光発電設備において未利用であった発電電力の充電先である。
　また、第２蓄電装置２１１は、リチウムイオン電池のように、充電に時間を要するが、長時間で大容量の充放電が可能な蓄電装置であり、晴天時の日中のように日射量が増えて太陽光発電部１００の発電量が増加した場合の充電先として使用される。
　このように、本発明では、第１蓄電装置２０５及び第２蓄電装置２１１を併用することにより、充電量を増加させることができる。

　次に、本形態における充放電制御について説明する。本形態のハイブリッド電源利用システム１においては、太陽が出ている朝方から夕方までの間に充電し、夕方に照明装置を自動点灯し、翌日の朝方に自動消灯する。

　この充放電制御について、時間の経過に沿って説明を進める。
　まず、現時点は夜間であって第２蓄電装置２１１から負荷４００へ電力が供給され、照明装置が点灯しているものとする。この時、太陽光発電部１００は発電していないため、第２入力側スイッチ２０９はオフ状態、第２出力側スイッチ２１３はオン状態である。また、第１蓄電装置２０５は充放電されておらず、第１入力側スイッチ２０３及び第１出力側スイッチ２０７はともにオフ状態である。

　夜が明けて朝方になると、太陽光発電部１００が発電を開始する。入力側検出部２０２が電流・電圧を検出し、電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０を制御装置３００へ送信する。制御装置３００は、これらの電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０を監視し、夜が明けて太陽光発電部１００で発電が開始されたことを検知する。その後、第１蓄電装置２０５による充電を開始する。

　制御装置３００は、制御信号を送信して第１入力側スイッチ２０３をオン状態にするが、第２入力側スイッチ２０９はオフ状態のままとする。すると、第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を介して、第１蓄電装置２０５内に設けられた蓄電部（朝方蓄電部という）への充電が開始される。この朝方蓄電部は、第１蓄電装置２０５の容量を例えば二分割して形成された領域であり、入力側検出部２０２により検出した電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０が、０（夜中であることを示す）から発電可能状態（朝方になったことを示す）へ移行したときに、制御装置３００によって選択される領域である。

　制御装置３００は、電流値Ｉ_０，Ｉ_１及び電圧値Ｖ_０，Ｖ_１に基づいて、第１蓄電装置２０５の充電に必要な電圧・電流を得るように第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を制御する。朝方に太陽光発電部１００の発電量が少ない場合、例えば、１０［Ｗ］程度の容量を持つ朝方蓄電部を３０分間程度の短時間で充電することができる。この場合、他のＤＣ／ＤＣコンバータは停止させて不要な電力消費を抑える。

　なお、負荷４００である照明装置は、朝になったため消灯するものとし、制御装置３００は、第１出力側スイッチ２０７及び第２出力側スイッチ２１３を共にオフさせるように制御する。

　さて、第１蓄電装置２０５への充電が続き、制御装置３００は、第１蓄電装置２０５の状態を監視している。制御装置３００は、第１蓄電装置２０５が検出した電流値Ｉ_１及び電圧値Ｖ_１に基づいて、朝方蓄電部が満充電になったことを検出すると、太陽光発電部１００の充電先を第２蓄電装置２１１に切り替える。

　制御装置３００は、制御信号を送信し、第１入力側スイッチ２０３をオフ状態に、また、第２入力側スイッチ２０９をオン状態に制御する。これにより、第２蓄電装置２１１は、太陽光発電部１００の発電電力により第２入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を介して充電される。
　制御装置３００は、電流値Ｉ_０，Ｉ_２及び電圧値Ｖ_０，Ｖ_２に基づいて第２入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を制御することにより、第２蓄電装置２１１の充電に適した所定の電圧・電流を出力する。この場合、他のＤＣ／ＤＣコンバータは停止させておく。

　第２蓄電装置２１１への充電中は、日中で明るいため、照明装置は消灯状態が維持される。この場合、制御装置３００は、第１出力側スイッチ２０７及び第２出力側スイッチ２１３を共にオフ状態に維持している。

　その後、夕方になって日射量が減少すると、太陽光発電部１００の発電量も減少する。
入力側検出部２０２は、検出した電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０を制御装置３００へ送信する。制御装置３００は、これらの電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０に基づき、発電量が減少して第２蓄電装置２１１への充電が不可能になったことを検知し、第１蓄電装置２０５への充電に切り換えるように制御を行う。

　すなわち、制御装置３００は、制御信号を送信し、第１入力側スイッチ２０３をオン状態に、また、第２入力側スイッチ２０９をオフ状態に制御する。これにより、第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を介して、第１蓄電装置２０５内に設けられた別の蓄電部（夕方蓄電部という）への充電が開始される。この夕方蓄電部は、前述した朝方蓄電部と同容量の領域であり、入力側検出部２０２により検出した電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０が、ある程度大きな値（日中であることを示す）から第２蓄電装置２１１への充電が不可能になった値（夕方になったことを示す）へ移行したときに、制御装置３００によって選択される領域である。

　朝方と同様に、日射量が少なく太陽光発電部１００の発電量が少ない夕方には、例えば、１０［Ｗ］程度の容量を持つ夕方蓄電部を３０分間程度の短時間で充電することができる。この場合、他のＤＣ／ＤＣコンバータは停止させておく。
　このようにして、第１蓄電装置２０５の夕方蓄電部を満充電にする。

　次に、夜間になったら、負荷４００としての照明装置を点灯する。この場合、まず、第１蓄電装置２０５の朝方充電部や夕方充電部から負荷４００に給電する。制御装置３００は、第１出力側スイッチ２０７をオン状態に、また、第２出力側スイッチ２１３をオフ状態に制御する。この際、制御装置３００は、第１蓄電装置２０５が検出した電流値Ｉ_１及び電圧値Ｖ_１に基づいて第１出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０６を制御し、直流出力電力を負荷４００に応じた値に制御する。このようにして、第１蓄電装置２０５の電力を優先的に利用することにより、従来では捨てられていた発電電力を有効に活用することができる。

　そして、第１蓄電装置２０５からの放電量が減少すると、制御装置３００は、第１蓄電装置２０５から送信された電流値Ｉ_１及び電圧値Ｖ_１に基づき、第１蓄電装置２０５の放電が不可能になったことを検出する。そこで、制御装置３００は、大容量充放電型の第２蓄電装置２１１による放電を開始させる。

　この場合、制御装置３００は、第１出力側スイッチ２０７をオフ状態に、また、第２出力側スイッチ２１３をオン状態に制御し、第２蓄電装置２１１からの放電を開始させる。この際、制御装置３００は、第２蓄電装置２１１が検出した電流値Ｉ_２及び電圧値Ｖ_２に基づいて第２出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２を制御し、直流出力電力を負荷４００に応じた値に制御する。以下、翌日の朝方まで、第２蓄電装置２１１から負荷４００に継続して給電することにより、夜間における照明が可能になる。
　これ以降は、先に説明した朝方の制御により第１蓄電装置２０５を充電し、以下、上述した動作が繰り返されることになる。

　制御装置３００は、災害情報などの外部入力があった場合や、一方の蓄電装置が故障などにより利用できなくなったことを検出した場合には、所定の出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０６または２１２などを制御して負荷４００に供給する電流を減少させ、負荷４００への給電時間を延長する制御を行うことが望ましい。これにより、災害発生時や非常時における長時間の給電が可能となる。

　以上のように、第１の形態によれば、第２充電装置２１１による蓄電電力だけでなく、日射量の少ない時間帯の発電量により充電した第１蓄電装置２０５の蓄電電力も有効に利用することができる。
　従って、自然エネルギーを有効に活用してシステム全体の充電量を増加させることが可能である。

　次に、本発明を実施するための第２の形態について、図２を参照しつつ説明する。
　この第２の形態は、第１の形態と同様に未利用電力を活用する一方で、特に、太陽光発電電力の売電や災害発生時における負荷４００への給電を考慮したものである。

　すなわち、図２のハイブリッド電源利用システム２は、太陽光発電部１００、第１の形態とほぼ同一構成の充放電ユニット２００’、制御装置３００、負荷４００、パワーコンディショナシステム用スイッチ（以下、パワコン用スイッチという）５０１、パワーコンディショナシステム入力側ダイオード（以下、パワコン入力側ダイオードという）５０２、パワーコンディショナシステム（以下、ＰＣＳという）５０３、インバータ（ＩＮＶ）５０４を備える。

　このうち、太陽光発電部１００、充放電ユニット２００’、制御装置３００により本発明のハイブリッド電源装置を構成する。また、本発明のハイブリッド電源利用システム２は、上記ハイブリッド電源装置に、負荷４００、パワコン用スイッチ５０１、パワコン入力側ダイオード５０２、ＰＣＳ５０３、インバータ５０４を更に備えた構成である。

　図２と図１とを比較すると、充放電ユニット２００’内の接続構成及び機能が充放電ユニット２００とは一部相違しており、また、図２ではパワコン用スイッチ５０１、パワコン入力側ダイオード５０２、ＰＣＳ５０３、及びインバータ５０４を備えている点が相違する。更に、制御装置３００による充放電制御動作も一部相違している。
　ここで、ＰＣＳ５０３及びインバータ５０４は制御装置３００により制御可能となっている。

　図２の充放電ユニット２００’では、図１の充放電ユニット２００と異なり、第１系統における第１蓄電装置２０５の出力側が分岐して第２系統の第２入力側スイッチ２０９’に接続されている。この第２入力側スイッチ２０９’も、リレーや半導体スイッチにより構成されている。
　また、第２系統については、第１蓄電装置２０５の蓄電電力を用いて第２蓄電装置２１１を充電する点を除けば、図１と同様の構成であり、第１蓄電装置２０５には、短時間での充放電が可能なリチウムイオンキャパシタなどが使用され、第２蓄電装置２１１には、比較的大容量で長時間の充放電に適したリチウムイオン電池などが使用されている。

　太陽光発電部１００の出力側に接続されたパワコン用スイッチ５０１は、制御装置３００からの制御信号によってオンし、太陽光発電部１００の発電電力をＰＣＳ５０３に供給する。また、パワコン用スイッチ５０１とＰＣＳ５０３との間に接続されたパワコン入力側ダイオード５０２は、ＰＣＳ５０３から太陽光発電部１００側への電流の逆流を防止するためのものである。

　ＰＣＳ５０３は、内部にインバータなどを備え、入力された直流電力を所定の大きさ及び周波数の交流電力に変換して出力する。ＰＣＳ５０３から出力される交流電力は、電力系統に連系されて電力会社などに売電可能となっている。勿論、ＰＣＳ５０３から各種の負荷４００に直接給電しても良い。

　インバータ５０４は、充放電ユニット２００’と負荷４００との間に接続され、充放電ユニット２００’から放電される直流電力を所定の大きさ及び周波数の交流電力に変換して負荷４００に供給する。
　ここで、充放電ユニット２００’及びインバータ５０４による負荷４００への給電系統は、主として地震などの災害発生により商用電源が停電した場合を想定して設けられているが、災害が発生していない正常時に負荷４００へ給電しても良いことは言うまでもない。なお、必要に応じて、インバータ５０４から出力される交流電力を売電しても良い。

　この第２の形態において、正常時、災害発生時を問わず、日射量の少ない朝方や夕方には、第１の形態と同様に、スイッチ２０３をオン（他のスイッチ２０７，２０９，２１３，５０１はオフ）し、第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を制御して第１蓄電装置２０５の朝方蓄電部または夕方蓄電部を充電する。
　そして、電流値Ｉ_１及び電圧値Ｖ_１に基づいて第１蓄電装置２０５が満充電になったことを制御装置３００が検出したら、スイッチ２０３をオフすると共にスイッチ２０９’をオンする。この状態で第２入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を制御することにより、第１蓄電装置２０５を放電させ、所定の大きさの電圧・電流に変換して第２蓄電装置２１１を充電する。

　上記の動作を繰り返すことにより、第２蓄電装置２１１を満充電状態とし、更に第１蓄電装置２０５も満充電状態になった時点でスイッチ２０３，２０９’をオフし、かつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４，２１０の動作を停止する。なお、第２蓄電装置２１１が満充電になったことは、電流値Ｉ_２及び電圧値Ｖ_２から検出することができる。

　また、負荷４００が照明装置である場合には、満充電状態にある第１蓄電装置２０５及び第２蓄電装置２１１の電力を用いて、夜間に負荷４００に給電する。この場合、負荷４００への給電は第１蓄電装置２０５を優先させるものとし、第１蓄電装置２０５が完全に放電したら第２蓄電装置２１１による給電に移行する。
　この場合のＤＣ／ＤＣコンバータ２０６，２１２及びスイッチ２０７，２１３等の制御動作は第１の形態と同様である。

　一方、制御装置３００は、入力側検出部２０２から出力される電流値Ｉ_０及び電圧値Ｖ_０を常に監視している。
　正常時において、日中に日射量すなわち太陽光発電部１００の発電量が増加し、ＰＣＳ５０３を運転可能な電圧・電流が得られる状態になったら、制御信号によりパワコン用スイッチ５０１をオンさせ、太陽光発電部１００の発電電力をＰＣＳ５０３に入力する。

　ＰＣＳ５０３は、制御装置３００からの指令に基づき、太陽光発電部１００の発電電力を所定の交流電力に変換して売電を行う。また、必要に応じてＰＣＳ５０３から負荷４００に給電しても良い。なお、制御装置３００は、ＰＣＳ５０３から検出した電流値Ｉ_３及び電圧値Ｖ_３に基づいてＰＣＳ５０３の動作を制御している。
　夕方になり、日照はあるが太陽光発電部１００の発電電力ではＰＣＳ５０３の稼働が不可能な場合には、制御装置３００によりパワコン用スイッチ５０１をオフさせ、ＰＣＳ５０３の運転を停止する。

　また、外部入力により、制御装置３００が災害発生を検知した場合には、その災害の種類に応じて制御を行う。例えば、地震速報が入力された場合には、制御装置３００によりパワコン用スイッチ５０１をオフしてＰＣＳ５０３の運転を停止すると共に、前述した第１蓄電装置２０５及び第２蓄電装置２１１による充放電動作に切り替えればよい。
　更に、災害発生などの外部入力が発生した場合には、制御回路３００がＤＣ／ＤＣコンバータ２０６または２１２の出力を減少させることにより、負荷４００側への給電時間を延長させるような制御を行うことも可能である。

　上述した各形態は、本発明を太陽光発電設備に適用した場合のものであるが、冒頭に説明したように、本発明は、太陽光以外の自然エネルギーを利用した風力発電設備や、河川などに設置された水力発電設備にも適用可能である。
　例えば、これらの発電設備に設置された交流発電機と、その出力を直流電力に変換するインバータ等により構成された風力発電部や水力発電部を、図１，図２の太陽光発電部１００に置き換えることにより、各形態と同一の原理に基づくハイブリッド電源装置及びハイブリッド電源利用システムを構成することができる。
　つまり、風力発電設備や水力発電設備においても、天候などに起因して風力や水流が弱く、発電電力が少ない場合が想定される。よって、これらの場合にも、少ない発電電力を利用して第１蓄電装置２０５を優先的に充電すると共に第２蓄電装置２１１を併用することで、全体としての充電量を増加させ、負荷４００への給電または売電に供することが可能である。

　以上、本発明のハイブリッド電源装置及びハイブリッド電源利用システムについて説明したが、本発明は、前述の照明装置以外にも各種の負荷に給電することが可能である。
　例えば、災害を想定した負荷として様々な電気機器に対する電源装置に利用可能であり、通信インフラを確保するための携帯電話やスマートフォン、タブレット用の充電器に適用することができる。また、災害時に限らず、家電等の民生用、業務用、産業用等電気機器、例えば、レジャーや体育祭・文化祭などの学校行事、工事などの作業に使用する電気機器の電源装置として利用することができる。

　総じて、本発明のハイブリッド電源装置及びハイブリッド電源利用システムによれば、以下のような利点を有する。
（１）自然エネルギーによる発電電力が少ない時間帯や天候でも、その発電電力を有効に活用して負荷に給電または売電することができる。また、商用電源の停電時、特に災害発生による停電時には、避難所等における非常用電源装置として利用可能であり、省エネルギー性、環境保護性にも優れている。
（２）第１蓄電装置として、リチウムイオンキャパシタのように短時間での充放電が可能な蓄電装置を用いることにより、少ない電力を用いた高効率の充放電が可能である。

　本発明のハイブリッド電源装置、及び、このハイブリッド電源装置を備えたハイブリッド電源利用システムは、災害時の非常用電源装置以外にも各種の用途が見込めるものであり、汎用性が高い。

１，２：ハイブリッド電源利用システム
１００：太陽光発電部
２００，２００’：充放電ユニット
２０１：入力側ダイオード
２０２：入力側検出部
２０３：第１入力側スイッチ
２０４：第１入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０５：第１蓄電装置（ＬＩＣ）
２０６：第１出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０７：第１出力側スイッチ
２０８：第１出力側ダイオード
２０９，２０９’：第２入力側スイッチ
２１０：第２入力側ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１１：第２蓄電装置（ＬＩＢ）
２１２：第２出力側ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１３：第２出力側スイッチ
２１４：第２出力側ダイオード
３００：制御装置
４００：負荷
５０１：パワーコンディショナシステム用スイッチ（パワコン用スイッチ）
５０２：パワーコンディショナシステム入力側ダイオード（パワコン入力側ダイオード）
５０３：パワーコンディショナシステム（ＰＣＳ）
５０４：インバータ（ＩＮＶ）

Claims

　自然エネルギーを利用して発電した電力により複数の蓄電装置を充電し、前記蓄電装置を放電させて使用するハイブリッド電源装置であって、
　自然エネルギーにより発電する発電部と、
　前記発電部の発電電力が所定値以下である時に前記発電部の発電電力により充電される短時間充放電型の第１蓄電装置と、
　前記第１蓄電装置が満充電になってから充電を開始し、かつ、前記第１蓄電装置よりも大容量で長時間充放電型の第２蓄電装置と、
　前記発電部の発電電力、及び、前記第１蓄電装置並びに前記第２蓄電装置の充放電状態に基づいて、前記第１蓄電装置を前記第２蓄電装置よりも優先的に充電し、かつ、前記第１蓄電装置を前記第２蓄電装置よりも優先的に放電させてから前記第２蓄電装置を放電させるように充放電制御を行う制御装置と、
　を備えたことを特徴とするハイブリッド電源装置。
　請求項１に記載したハイブリッド電源装置において、
　前記制御装置は、前記第１蓄電装置が満充電になったことを検出した時に、前記第１蓄電装置の充電を停止すると共に、前記発電部の発電電力により前記第２蓄電装置を充電するように制御することを特徴とするハイブリッド電源装置。
　請求項１に記載したハイブリッド電源装置において、
　前記制御装置は、前記第１蓄電装置が満充電になったことを検出した時に、前記第１蓄電装置の充電を停止すると共に、前記第１蓄電装置の蓄電電力により前記第２蓄電装置を充電し、前記第２蓄電装置が満充電になったことを検出した時に前記第２蓄電装置の充電を停止し、更に前記第１蓄電装置を満充電にしてから前記第１蓄電装置の充電を停止するように制御することを特徴とするハイブリッド電源装置。
　請求項１～３の何れか１項に記載したハイブリッド電源装置において、
　前記第１蓄電装置がリチウムイオンキャパシタであり、前記第２蓄電装置がリチウムイオン電池であることを特徴とするハイブリッド電源装置。
　請求項１～３の何れか１項に記載したハイブリッド電源装置において、
　前記発電部が、太陽光により発電する太陽光発電部、風力により発電する風力発電部、水力により発電する水力発電部、のうちの何れかであることを特徴とするハイブリッド電源装置。
　請求項１～３の何れか１項に記載したハイブリッド電源装置において、
　前記制御装置に外部から災害情報が入力された時に、前記制御装置は、前記第１蓄電装置または前記第２蓄電装置からの負荷への放電量を低減させるように制御することを特徴とするハイブリッド電源装置。
　請求項５に記載したハイブリッド電源装置において、
　前記発電部としての太陽光発電部と、負荷としての照明装置と、を備え、
　前記制御装置は、日射量が少なく前記太陽光発電部による発電電力が少ない時間帯に前記第１蓄電装置を優先的に充電するように制御することを特徴とするハイブリッド電源利用システム。
　請求項３に記載したハイブリッド電源装置と、前記発電部の発電電力を入力として売電用の電力を生成するパワーコンディショナシステムと、負荷と、を備え、
　前記第１蓄電装置及び前記第２蓄電装置が満充電の状態で、前記発電部の発電電力が前記パワーコンディショナシステムを運転可能な大きさである時は、前記制御装置により前記パワーコンディショナシステムを稼働させ、前記パワーコンディショナシステムから出力される電力を売電することを特徴とするハイブリッド電源利用システム。
　請求項８に記載したハイブリッド電源利用システムにおいて、
　前記第１蓄電装置及び前記第２蓄電装置が満充電の状態で、前記発電部の発電電力が前記パワーコンディショナシステムを運転可能な大きさに満たない時は、前記制御装置により、前記第１蓄電装置を前記第２蓄電装置よりも優先的に放電させてその放電電力を負荷に供給し、または前記放電電力を売電することを特徴とするハイブリッド電源利用システム。