JP2007159225A - 高性能二次電池を使用したマイクログリッド - Google Patents

Abstract

【課題】 大容量高出力の二次電池を使用して電源装置の電力供給量を増大し消費電力を減少させることにより、経済的に成立可能なマイクログリッドを提供する。
【解決手段】 分散型電源装置１に電力供給線５を介して負荷６を接続したマイクログリッドにおいて、電力供給線５に充放電装置３を介して大容量大出力の二次電池２を接続し、負荷６の状態もしくは電力供給線５の状態と二次電池２の状態を検知する検知装置７，８と、検知装置７，８で検知した電力供給状況と二次電池２の状態に基づいて充放電装置３と電源装置１を制御する制御装置４を備えて、電力供給線５に電力余剰が推定されるときに二次電池２を充電し、電力不足が推定されるときに二次電池２から放電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高性能二次電池を使用したマイクログリッドに関し、特に高性能二次電池を使用して発電供給量を増大し消費電力を減少させることにより、経済的に成立可能なマイクログリッドに関する。

近時、需要地内に配置した分散型電源をネットワークして電力供給を行う小規模の電力網であるマイクログリッドが注目されている。分散型電源として、ディーゼルエンジンやガスタービンエンジンなどの小型燃焼式発電機の他に、風力や太陽光といった自然エネルギーと地域に賦在するバイオマスや小水力エネルギーなどを利用することができる。
通常、マイクログリッドの優れた点として、系統電力への負担を減少させること、送電ロスが少ないため省エネ効果が大きいこと、などが挙げられている。

電力系統から独立して運用される本来のマイクログリッドでは、発電電力を自分で使い系統から電力を購入しないので系統電力に負担をかけない。また、マイクログリッドが一カ所で電力系統に連系接続されていて、マイクログリッド内で発生する不足電力を系統から補充し余剰電力を系統に販売するようにした場合も系統電力への負担は軽減される。
しかし、燃焼で発電する場合の発電効率は系統で使用される大型発電装置に及ばないから、マイクログリッド発電の方が安い電力になるということではない。

また、送電電圧を１００万ボルト近くまで昇圧した場合の送電ロスは５％程度しかなく、系統で使用する複合タービン発電の送電端効率５０％、超臨界圧微粉炭焚発電の送電端効率４０％などと合わせたものと比較すれば、分散型電源の発電効率は低くて系統に到底太刀打ちができない。そもそも、系統電力が高効率・低コストを追求し続けた結果として現在のような発電装置の大型化に至ったものであることを無視することはできない。
さらに、風力発電や太陽電池、バイオマス発電などは、現状では経済性が良いといえず、これらを複合して算術的に合算しても経済性が優れるようになることはない。

このように、マイクログリッドは小型化・地域化することによって自ずから有利になるということではなく、結局、マイクログリッドを優位たらしめるのは、小型化することが系統電力を使用するより有利であるときに限られる。需要地内に分散型電源が存在する小規模電力網であることに基づいて、上記条件に寄与し得るケースには、たとえば、
１．系統では廃棄している熱の有効利用を行う、
２．系統で必要とされている発電要員、送電線保全要員を廃止する、
３．系統が容易に行えない回生電力の活用を行う、
４．系統より発電効率を上げる、
５．負荷の省力を行う、
などが考えられる。マイクログリッドの振興には、このような地域分散型発電の特長を生かしたコストダウンを工夫することが求められる。

マイクログリッドにおいては、分散型電源の発電量を需要状況に合わせて制御し、電力の需給バランス、電圧や周波数といった電力品質の維持を行うため二次電池を組み込む場合が多い。
たとえば特許文献１には、系統に連系接続されるマイクログリッドに組み込まれた二次電池が記載されている。本文献に記載された二次電池は、分散型電源と系統の間における不整合を調整する機能を有し、特に分散型電源の出力が電力系統の電圧制御性能を上回る速度で急激に変化したときにその変化を吸収して、系統の電力品質に対する影響を軽減する役割を有する。
特許文献１に記載されたような二次電池は、系統電力とマイクログリッドの間に介在して専ら系統電力の品質維持を行うものであり、電力効率を向上させる働きは持たない。また、このような二次電池は発電装置の出力変動を吸収できる容量を持てばよいので、従来型の二次電池でも十分に対応することができる。

また、特許文献２には、商用交流電源を降圧して直流電圧を出力する主電源に二次電池を電力供給源とする補助電源を備えて、二次電池を停電時のバックアップ電源として使用すると共に、高負荷時には主電源について設定された電力を越える電力分を二次電池から供給するようにした無停電電源装置が開示されている。
しかし、この開示発明における二次電池は、商用交流電源から電力を受容して蓄積し必要なときに負荷に供給するもので、供給電力は受容電力より必ず少なく、また、負荷装置で発生する回生電力や他の発電装置で発生する電力を受容する機能を備えていない。したがって、開示された二次電池を装備した電源装置は商用交流電源から受容する電力を超えて負荷に電力を供給するものではないため、省エネルギーに貢献するものではない。

ところで、近年、新しい技術が開発されて二次電池の容量および出力が大幅に向上されてきた。
特許文献３には、三次元構造の大容量で急速充放電が可能な二次電池が開示されている。開示された二次電池は、イオンは透過するが電子は透過しない膜を介して接する２つの容器の一方に電子を放出する活物質の粉体が懸濁する電解質溶液を充填し、他方に電子を吸収する活物質の粉体を懸濁する電解質溶液を充填して、粉体と接触する集電装置を備えることを特徴とする。特に、活物質粉体の一方を水素吸蔵合金とし、他方を水酸化ニッケルとし、電解質溶液を水酸化カリウム溶液とすると、一段と高速で充放電するニッケル水素二次電池になる。なお、水素ガスあるいは不活性ガスを吹き込んで粉体を流動化すると、より大きな容量を示すようになる。

なお、特許文献３には、ディーゼルエンジンやガスタービンなどの発電機を備えた自動車や船舶などの移動・輸送手段に搭載された三次元構造ニッケル水素二次電池を、移動・輸送手段が停止している時にインバータを介して住居や事務所の負荷に接続して利用する地域分散型発電方法が記載されている。
この開示電池の高速充放電機能により、住居などと移動・輸送手段とで高価な発電装置を共有することが可能になり、経済的な地域分散型発電方法が達成できる。
しかし、文献の記載では、住居や事務所のための地域分散型電源装置には別種の固定電池が備えられており、ニッケル水素二次電池を組み込むことは教示されていない。

また、特許文献４には、カーボンファイバなど電子伝導性のある繊維状物質の表面に正極活物質をコートしたものと、負極活物質をコートしたものを、電子伝導性が無くイオン伝導性のある多孔質膜などのセパレータを挟んで束ねたり織ったりした構造を有するファイバ電池が開示されている。この電池は電極間距離が非常に小さいので、従来の電池と比較して充電速度、放電速度共に飛躍的に向上した高出力の二次電池となる。

さらに、特許文献５には、水素吸蔵合金を繊維状にして負極にすることにより、電子伝導性を確保しながら大きな比表面積を得られるようにして充電速度と放電速度を向上させたファイバ電池が開示されている。開示された二次電池は、繊維状水素吸蔵合金を不織布や織物等として用いることで電池の組立がさらに容易となり、製造コストを低減することができる。
特開平８−３０８１０４号公報 ＷＯ２００２／０６１９１７号公報 ＷＯ００／５９０６２号公報 特開２００３−３１７７９４号公報 特開２００４−０２２３３２号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、大容量高出力の二次電池を使用して電源装置の供給量を増大し消費電力を減少させることにより、経済的に成立可能なマイクログリッドを提供することである。

上記課題を解決するため、高性能二次電池を使用した本発明のマイクログリッドは、分散型電源装置に電力供給線を介して負荷を接続したものであって、電力供給線に充放電装置を介して大容量大出力の二次電池を接続し、負荷の状態もしくは電力供給状態と二次電池の状態を検知する検知装置と、検知装置で検知した負荷と二次電池の状態に基づいて充放電装置と電源装置を制御する制御装置を備えて、電力供給線に電力余剰が推定されるときに二次電池を充電し、電力不足が推定されるときに二次電池から放電することを特徴とする。

分散型電源装置は、ディーゼルエンジンやガスタービン、ガスエンジンなどを使う燃焼式発電機、風力発電機、太陽電池、バイオマス発電装置、小水力発電機などを利用するものであってよい。
電源装置の余剰電力は、燃焼式発電機において最も効率のよい定格運転を行うとき、あるいは、風力発電、太陽光発電、小水力発電など自然の環境状況で出力が左右される装置を使うときに、出力電力が負荷の消費電力を超える場合などに発生する。
たとえば、風力発電では、風速によって発電量や周波数の制御を行う代りに、風速に対して常時最大出力になるように制御して、得られた電力を直流化して二次電池に貯蔵するようにすれば、風のエネルギーを有効に利用することができる。また、燃焼式発電機では、定格運転を常態とし、定格運転を維持できないときはむしろ運転を停止して燃料を節約することが好ましい。

また、負荷に起因する余剰電力は、エレベータ、ロボット、クレーンなどの駆動装置において、発電機を用いたブレーキを使用して制動するときなどに回生電力として発生する。従来、電磁制動において発生する電力は抵抗器で熱に変えて廃棄していたが、これらの電力も電力供給線に供給され、二次電池に蓄電して電気エネルギーとして再利用することができる。
このように、供給電力と負荷の需要電力に過不足が生じたときは、負荷の状態と二次電池の状態を検出器を通して把握し、電源装置を入り切りや出力制御して電源からの電力供給を調整すると共に、充放電装置を制御して余剰電力を二次電池に蓄積し、不足電力を二次電池から供給するなどして、供給電力と需要電力の調整を行うことができる。

また、大きな負荷を急停止させると、発電機は急に対応することができず、熱エネルギーを廃棄したりして対応する。たとえば、蒸気タービンでは負荷の急減に伴いタービン入口蒸気圧が上昇して安全弁から蒸気を放出し、エネルギーを無駄にすることになる。この場合にも、出力を負荷と適合する水準に変更するまでの間発生する電力を二次電池に蓄積すれば、有効利用することができる。

水を高温状態で保持する給湯器や冷水を保存する保温器などは、エネルギーを熱の形で貯蔵することになるが、放熱・放冷によるエネルギー損失を避けることができない。これに対して、電気エネルギーは二次電池に貯蔵することができ、二次電池に貯蔵した電気エネルギーは殆ど減少せずまた蓄電のためのエネルギーも要らない。そこで、電気を用いて、用に応じて必要量だけ加熱・冷却して湯や冷水を供給するようにすれば、熱で貯蔵する場合と比較して省エネすることができる。

なお、給湯器、冷却機、熱風乾燥機、空調機など、熱エネルギーを使って所定の温度に保持する機器では、加熱冷却時の立ち上がり時間を短くするほどエネルギーの無駄が省ける。
たとえば、部屋の暖房を行う場合、３０分で所定温度に達するとすれば、所定温度になった後に始めて利用可能な状態になるから、３０分の昇温時間中の放熱損失は無駄なエネルギー消費である。これに対して容量の大きなヒータを使って昇温時間を１０分にしたときは、３０分で昇温する場合と比較して放熱量は１／３を遙かに下回りエネルギーの無駄はずっと少なくなる。

装置のヒータや冷却器の容量を大きくした上で高出力の二次電池を使えば、急速昇温や急速冷却が可能になって無駄時間が減少するのでエネルギーの無駄が減少し、また無駄なエネルギーを使う待機通電を止めて需要時に直ちに立ち上げて利用するようにすることができて、マイクログリッド総体として省エネができる。

以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明のマイクログリッドの１実施例を表わす構成図である。図２は本実施例において使用する熱装置の例を示す構成図である。

本実施例のマイクログリッドは、画定された需要地内に配置した各種の分散型電源装置をネットワークして需要地内の負荷に給電する電力網であって、図に示すように、電源部に分散型電源装置１と二次電池２を備えて、電力供給線５を介して負荷６に給電するものである。充放電制御を適切に行うため、充放電手段３と電池容量検出手段８と供給電力検出手段７と制御装置４を備える。

分散型電源装置１には、ディーゼルエンジンやガスタービン、ガスエンジンなどを使う燃焼式発電機、風力発電機、太陽電池、バイオマス発電装置、小水力発電機などがある。
二次電池２は、たとえば特許文献３，４，５に記載された三次元構造のニッケル水素電池など、大容量で急速充放電が可能な大出力の二次電池である。二次電池２は、充放電手段３を介して電力供給線５に接続され、蓄電した電力を交流化して電力供給線５に放出する。また、電力供給線５における電力が負荷６に対して余剰であるときは、充放電手段３により直流化して余剰電力を蓄電することができる。
なお、電源装置１から余分な電力が供給されるときの他に、負荷６において制動時の電力回生があったときにも、電力供給線５における電力供給が余剰状態になる。

充放電手段３は、ＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータと切替えスイッチを備えて、制御装置４からの指令信号に従って交流系の電力供給線５と直流系の二次電池２の間の電流方向を制御して、充電と放電の切替を行う。
制御装置４は、電力供給線５における電流の向きと大きさを検出する電流検出手段７と、電池容量を検出する電池容量検出手段８から、それぞれの検出信号を入力して、予め決められた制御論理に従って充放電手段３を調整し、また分散型電源装置１を制御することにより、電力供給線５における電力エネルギーを適正に維持する。
なお、供給電力検出手段７に代えてあるいはこれに加えて負荷６の状態を検出する負荷状態検出手段を備えて、その検出信号を活用して制御演算を行い制御装置４の働きを最適化することができる。

本実施例のマイクログリッドでは、たとえば風力発電機が高い風速により負荷が必要とする電力より大きな電力を出力する状態や、夜間など電力需要が低下したときに強風があって需要を超える発電が可能な状態にあるときにも、余剰な電力状態を供給電力検出手段７によって検出して充放電手段３の切替えスイッチを迅速に切替え、二次電池２に余剰電力を受け入れて急速充電して、電力を無駄にしないので、マイクログリッド自体の電力効率を向上させることができる。
また、太陽電池においても、日照が十分あって負荷需要を越える場合、小水力発電機で夜間電力以上に発電ができる場合などに、同様に二次電池２に蓄電して折角の電力エネルギー獲得の機会を無駄にしないようにしてマイクログリッド自体の実効的なエネルギー効率を向上させることができる。

また、ディーゼルエンジンやガスタービン、ガスエンジンなどの燃焼式発電機は、定格条件において最も効率のよい運転を行うことができるが、需要状態に合わせるために定格条件から外れると燃料に対する電力発生効率が低下する。本実施例のマイクログリッドでは、燃焼式発電機を運転するときは負荷需要に拘わらず常に定格運転を行い、需要に対して余剰な電力は二次電池２に急速充電して無駄を省くことにより、効率を維持するようにすることができる。
さらに、負荷６の制動を発電機により行い、制動時の発生電流を熱エネルギーとして放出する代りに回生電力として電力供給線５に回収するようにした場合に、電力供給線５に余剰電力が発生したときに検出器で余剰状態を検知して制御装置４を介して充放電手段３を切替えることにより、二次電池２に余剰分を蓄電して電力を有効利用することができる。

本実施例のマイクログリッドでは、需要地内の負荷装置、特に給湯器、冷却機、熱風乾燥機、空調機など熱エネルギーを利用する機器について、ヒータや冷却器の容量を大きくして、立ち上がり時に急速昇温や急速冷却を行ってなるべく早く所要温度に達するようにすることが好ましい。
容量を増大した熱装置は、加熱冷却の立ち上がり時間が短縮され無駄時間が減少するので、立ち上がり時のエネルギーの無駄が減少する。

また、熱エネルギーを利用する機器には、必要なときに直ぐに利用できるようにするため待機通電して保温しておくものも多いが、使用しない間はエネルギーの無駄遣いになる。
本実施例のマイクログリッドでは、ヒータなどの容量を十分大きくして、待機通電はせずに、使うときに直ちに立ち上げて利用するようにすれば、保温のために消費するエネルギーを節約することができる。
たとえば、給湯器は瞬間湯沸かし方式のものがエネルギー節約ができ合理的である。

図２は、本実施例で使用される省エネルギー型ジャーポットの概念を示す断面図である。通常のジャーポットは、お湯を沸かしていつでも使用できるような高温で保蔵するものである。
図に示したジャーポット１０は、容器１１本体にヒータを適用する代りに湯口１２に通じる水路１３に大容量のヒータ１４を仕込んだものである。湯口水路１３にはポンプ１５が設けられている。スイッチ１６を押すとヒータ１４に通電し、ポンプ１５が稼働する。使用時には、魔法瓶１０を移動できるように容器１１に冷水が貯蔵される。

湯が必要になると、スイッチ１６を押して、湯口水路１３のヒータ１４に通電して加熱し、ポンプ１５により容器１１内の冷水が湯口水路１３を通す。すると、冷水が湯口を通過する間に所定の温度まで昇温して、熱湯となって湯口１２から放出される。必要量の湯が得られたときは、スイッチ１６を切れば、ポンプ１５が止まりヒータ１４が切れる。
このようなジャーポット１０は、必要な湯量に見合う必要最小限のエネルギーのみが消費されることになり合理的である。
なお、容器１１は魔法瓶構造にして別に従来と同様の構造を有するヒータを設け、収容した水を適当に暖めて保温しておき、用に応じて湯口水路１３を通過する間に沸騰させるようにしてもよいことはいうまでもない。

しかし、ヒータや冷却器の容量を大きくするためには電流を増加させたり電圧を上げなければならない。
本実施例のマイクログリッドでは高出力の二次電池２を使うので、このような熱装置における大容量のヒータ等に適合するように一挙に大量の電流を供給して立ち上がり時間を短縮し、エネルギーの節約をすることができる。
同様に、冷暖房機や乾燥機などでも、高速立ち上げを可能な構造とすると、本実施例の二次電池２を設けたマイクログリッドと相俟って、エネルギー節約をすることができる。

図３は、暖房機を例として、ヒータ容量と立ち上がり時間の関係を概念的に示した線図である。
図は、横軸に時間を、縦軸に部屋の温度とヒータに印加するエネルギーをとって、暖房機立ち上がり期の変化を表わしている。グラフ中、従来型の暖房機は１、本実施例の暖房機は２を添字として区別してある。
ヒータ１は従来のヒータで、目標とする室温Ｔconと比較して余り高温でない飽和温度Ｔ１を持ち、ヒータ２は本実施例の大容量ヒータで、目標の室温より遙かに高温の飽和温度Ｔ２を有する。単純化のため、いずれのヒータも一次遅れで昇温するものと仮定する。

すると、図から分かるように、大容量ヒータ２を使う暖房機の方が室温を早く目標温度に到達させるので、立ち上がり時間ｄを短くして、用に望んで部屋を迅速に可用化することができる。また、ヒータ昇温が一次遅れであることから、立ち上がり初期の昇温速度より経時した後の昇温速度が緩くなる。
したがって、立ち上がり期間に投入するエネルギーＥについても、エネルギー高と立ち上がり時間を掛けたエネルギー量は、大容量ヒータ２を使用する暖房機の方が少ないことが分かる。
このように、大容量ヒータを用いるシステムの方がオンデマンド性が良いばかりか、エネルギーの節約にもなる。ただし、大容量ヒータを適正に稼働させるためには、立ち上がり時に必要とされる大電流を確実に供給できるようにしなければならない。本実施例のマイクログリッドは、大容量大出力の二次電池を用いるため、この要請に応えて省エネルギーを可能とする。

なお、本実施例のマイクログリッドは、系統と接続するように構成してもよいことはいうまでもない。このとき、二次電池２の大容量高出力の特性を利用すると、ピーク出力時に系統から補充する電力を抑制して、コストダウンをすることができる。系統の契約電気料は、エネルギー量ではなく出力水準に左右されることから、ピーク電力値を抑制することで電力当たり料金が低下するからである。
また、二次電池２に常に適当な電力量を確保しておくことによって、無停電電源装置の機能も持たせることができる。本実施例に使用する二次電池は高出力なので、短時間で多くの電力を供給することができる。従って、停電時のエレベータ電源、災害時の防災設備電源などに二次電池からの電力を供給するようにすれば、別途無停電電源装置を設ける必要がなくなって経済的である。

本発明に係るマイクログリッドの例を示す構成図である。 本実施例で使用する熱装置の例を示す概念図である。 本実施例において暖房機のヒータ容量と立ち上がりの関係を示す概念図である。

符号の説明

１ 分散型電源装置
２ 二次電池
３ 充放電手段
４ 制御装置
５ 電力供給線
６ 負荷
７ 供給電力検出手段
８ 電池容量検出手段
１０ ジャーポット
１１ 容器
１２ 湯口
１３ 湯口水路
１４ ヒータ
１５ ポンプ
１６ スイッチ

Claims (5)

1. 分散型電源装置に電力供給線を介して負荷を接続したマイクログリッドにおいて、該電力供給線に充放電装置を介して大容量大出力の二次電池を接続し、該電力供給線における電力供給の状態と該二次電池の状態を検知する検知装置と、該検知装置で検知した電力供給の状態と二次電池の状態に基づいて前記充放電装置と前記電源装置を制御する制御装置を備えて、前記電力供給線に電力余剰が推定されるときに前記二次電池を充電し、電力不足が推定されるときに前記二次電池から放電することを特徴とするマイクログリッド。
2. 前記分散型電源装置は、ディーゼルエンジン、ガスタービン、ガスエンジンなどを使う燃焼式発電機、風力発電機、太陽電池、バイオマス発電装置、小水力発電機のいずれかを利用するものであることを特徴とする請求項１記載のマイクログリッド。
3. 前記電力供給線には、駆動装置において発電機を用いて制動するときに発生する回生電力が流されることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクログリッド。
4. 前記分散型電源装置は、定格運転することにより最適な燃料効率を保持して、余剰電力が出たときは前記二次電池に蓄積するように運転することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクログリッド。
5. さらに、系統と接続したマイクログリッドにおいて、該マイクログリッド内に発生する電力需要のピーク高を前記二次電池から放電することにより抑制して、前記系統からの受電ピーク値を抑制することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクログリッド。
   

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