JP2008113500A

JP2008113500A - 災害時用電力供給システム

Info

Publication number: JP2008113500A
Application number: JP2006294565A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Deura; 正出浦
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15

Abstract

【課題】非常時において本当に必要な電気製品を長期にわたって使用可能とするシステムを提供する。
【解決手段】商用電力の供給が遮断された場合に、予め蓄積しておいた電力を使用するための電力の供給システム２０であって、商用電力を直流に変換する第1の変換部２８と、第1の変換部２８で変換された直流電力を蓄積する電力蓄積部２１と、電力蓄積部２１に蓄積された直流電力を交流電力に変換する第２の変換部３２と、第２の変換部３２で変換された交流電力を複数系統に分配する分配部２６と、分配部２６から分配されている各系統に予め付与された優先順位を記憶する記憶部２９と、記憶部２９に記憶されている優先順位に基づいて、優先順位の低い系統から順番に電力供給を停止して最終的に優先順位の最も高い系統にのみ電力を供給するように分配部２６を制御する制御部２２とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、災害発生等の緊急時に、商用電力の供給が遮断された場合であっても、予め蓄積してあった電力を用いて電気製品を可動状態とする電力供給システムに関する。

地震等の災害の発生時には、発電所の発電停止や電線の切断等により、家庭や事業所に供給される商用電力が何日も停止してしまう場合が考えられる。
一方、商用電力は、各電力会社から供給されるものであるのに対し、家庭や事業所が自ら電力を発生させることができる小規模の発電システムもよく知られているところである。このような発電システムとしては、太陽光発電、燃料電池発電、風力発電、水力発電等が挙げられる。

そこで、太陽電池や風力発電機に接続された非常用バッテリーを設け、災害時には太陽電池や風力発電機によって電力を得た非常用バッテリーから電力を得る非常用電源が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−２１７４６７号公報

上述のような、自然エネルギーを使った非常用電源は、商用電力を補完するためにあくまで補助的に用いられているものであり、商用電力が何日も停止してしまう場合においては災害前の生活が維持できるように安定して電力を供給し続けることは困難である。

なお、電力を必要とする電気製品は、特に災害時において絶対必要な物とそうでない物とが存在している。例えばヘアードライヤーと電話機とでは、災害時においては電話機の方が優先して使用可能とするべきである。
このように、災害時に本当に必要とされる優先度の高い電気製品と、優先度の低い電気製品に対して、災害時においても一律に電力を供給するのは、限りがある電力資源を無駄に使用することとなり、本当に必要な電気製品の使用可能な期間が短くなってしまうという課題がある。
優先度の高い電気製品の使用期間が短くなると非常時の生活に大きな支障をきたし、最悪の場合には生命の維持の問題にもかかわってくる。

したがって、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、非常時において本当に必要な電気製品を長期にわたって使用可能とするシステムを提供することにある。

本発明にかかる災害時用電力供給システムによれば、商用電力の供給が遮断された場合に、予め蓄積しておいた電力を使用するための電力の供給システムであって、商用電力を直流に変換する第1の変換部と、第1の変換部で変換された直流電力を蓄積する電力蓄積部と、電力蓄積部に蓄積された直流電力を交流電力に変換する第２の変換部と、第２の変換部で変換された交流電力を複数系統に分配する分配部と、分配部から分配されている各系統に予め付与された優先順位を記憶する記憶部と、記憶部に記憶されている優先順位に基づいて、優先順位の低い系統から順番に電力供給を停止して最終的に優先順位の最も高い系統にのみ電力を供給するように分配部を制御する制御部とを具備することを特徴としている。
この構成を採用することによって、災害時に必要性の高い電気製品を優先順位の高い系統に接続しておけば、災害時においても他の電気製品に優先して電力の供給を受けられる。

また、前記記憶部には、電力蓄積部が蓄積可能な総電力量のうち、各系統への電力供給を停止する目安となる電力量が優先順位と関連づけして記憶されており、前記制御部は、記憶部に記憶されている電力量に達した系統から順番に電力供給を停止するように分配部を制御することを特徴としてもよい。

また、前記記憶部には、各系統が電力蓄積部からの電力を使用できる期間が優先順位と関連づけして記憶されており、前記制御部は、記憶部に記憶されている期間を経過した系統から順番に電力供給を停止するように分配部を制御することを特徴としてもよい。

本発明の災害時用電力供給システムによれば、災害時に本当に必要な電気製品を、あまり必要ではない電気製品よりも長期にわたって使用することができる。

電力を蓄積するための電力蓄積部として、電気二重層コンデンサ等の大容量の蓄積部を、システムを設置する家屋に設けておく。通常時は、商用電力を電力蓄積部に充電しつつ、各電気製品に商用電力を供給する。
また、使用している電気製品に予め複数段階の優先順位をつけておき、各段階ごとに別系統の電源供給ラインを設ける。電力を複数の系統に分配するには分配部を用いる。
災害が発生した場合には、電力蓄積部内に蓄積された電力を、分配部を経由して各系統に供給する。

ここで、制御部は、最終的に最も優先順位の高い系統のみに電力を供給するよう、優先順位の低い系統から電力供給を順次停止させるように分配部を制御する。
優先順位に基づいて制御部が電力供給を停止させる制御動作としては、電力蓄積部で蓄積可能な総蓄積量に対して残りの蓄積量が何％になったら各系統への電力供給を停止するかを各系統毎に予め記憶部に設定しておき、制御部が電力蓄積部の蓄積された残量を検出しつつ、残量が予め設定された残量に達した場合には該当する系統への電力の供給を順次停止していく。

第１の実施形態

以下、本発明にかかる好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に災害時用電力供給システムの全体構成を示す。
本実施形態における災害時用電力供給システム２０は、家庭内に設けられるものであるとし、単相交流１００Ｖの商用電力が入力されている。
災害時用電力供給システム２０は、電力を蓄積する機能を有する電力蓄積部２１と、制御動作を実行する制御部２２と、入力された商用の交流電力を直流に変換して電力蓄積部２１に供給するとともに、蓄積された直流電力を交流電力に変換して分配部２６に供給する電力変換部２５と、各系統に電力を分配して設けられ、各系統それぞれ独立して電力の供給を停止することができる分配部２６とを具備している。

また、分配部２６から先は、交流電力は、災害時に使用する際の優先順位毎に複数の系統に分配されている。本実施形態では、優先順位が最も高い系統をＡ系統、優先順位が中位の系統をＢ系統、優先順位が低い系統をＣ系統とし、３つの系統に電力を分配して供給する。具体的には、電話、ラジオ、セキュリティ関係、医療用具等の電気製品が最も優先順位が高いと思われるので、これらの電気製品をＡ系統に接続する。また、照明、換気扇、時計、ノートＰＣ等の電気製品が通常の優先順位と思われるので、これらの電気製品をＢ系統に接続する。また、エアコン、オーディオ、食器洗浄機、デスクトップＰＣ等の電気製品が優先順位が低いと思われるので、これらの電気製品をＣ系統に接続する。いずれの系統に、どの電気製品を接続するかについては、利用者が判断して決定すればよい。
なお、優先順位としては、本実施形態のように３段階に設定することに限定されず、２段階に設定してもよいし、４段階以上の数に設定してもよい。

図２に、電力変換部内部のブロック図を示す。
商用電力が入力される電力変換部２５は、入力された交流電力を直流電力に変換する整流部２８と、整流部２８で整流された直流電力が入力され電力蓄積部２１に充電させるため制御する充電制御部３０と、整流部２８および電力蓄積部２１から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ３２とを有している。特許請求の範囲でいう第1の変換部が整流部２８に該当し、第２の変換部がインバータ３２に該当する。
また、整流部２８では、商用電力のピークタイミングを検出して同期信号を生成する機能を有しており、生成された同期信号はインバータ３２に入力される。したがって、インバータ３２では、商用電力と同期した交流電力を発生させ、分配部２６に供給することができる。

本実施形態の電力変換部２５ではトリクル充電方式で電力蓄積部２１へ充電を行っている。
すなわち、電力蓄積部２１からインバータ３２への接続ラインには接続ラインを接断するスイッチ３４を設け、図示しないリレー等を設けることで通常時はスイッチ３４がオフで、商用電力の停止時にスイッチ３４がオンとなるようにする。
通常時には、スイッチ３４がオフとなっているので、整流部２８で生成された直流電力はインバータ３２で交流電力に変換して分配部２６に供給される。災害時には、整流部２８からの直流電力の供給が無くなりスイッチ３４がオンとなるので、電力蓄積部２１からの直流電力がインバータ３２へ入力されて交流電力に変換され、分配部２６に供給される。
なお、スイッチ３４の操作はリレーではなく、制御部２２からの制御信号によって操作できるものであってもよい。

本実施形態の電力変換部２５の構成によれば、商用電力の供給が停止したとき、分配部２６への交流電力の供給は途切れることがないので、常に高品質の電力を供給することができる。

図３に、制御部内部のブロック図を示す。
制御部２２は、予め設定された優先順位に基づいて分配部２６から分配された各系統の電力供給を優先順位の低い順番に停止し、最終的に最も優先順位の高い系統のみに電力が供給されるように分配部２６を制御する。
制御部２２は、ＣＰＵ２４と記憶部２９とを有しており、記憶部２９内には予め各系統毎に優先順位が記憶されており、さらに各系統ごとに電力蓄積部２１の総電力量に対して、電力蓄積部２１内の電力量がどの程度にまで減ったら該当する系統への電力供給を遮断するか、その電力量が優先順位と関連づけして予め記憶されている。

具体的な制御部２２の分配部２６の制御方法としては、例えばＣ系統への電力供給を停止するのを、残量が総蓄積量の４０％になったときとし、Ｂ系統への電力供給を停止するのを、残量が総蓄積量の１０％になったときとするような方法をあげることができる。
なお、このように具体的な数字を算出する方法としては、以下のような方法が考えられる。まずＡ〜Ｃの各系統毎に一日に必要な電力量を算出する。これらをＪ_Ａ、Ｊ_Ｂ、Ｊ_ｃとする。したがって、1日に必要な総電力量Ｊ_ＡＢＣは、Ｊ_Ａ＋Ｊ_Ｂ＋Ｊ_ｃとなる。次に1日に必要な総電力量に対する各系統の1日に必要な電力量の比率をＲ_Ａ、Ｒ_Ｂ、Ｒ_ｃとすると、Ｒ_Ａ＝Ｊ_Ａ／Ｊ_ＡＢＣ、Ｒ_Ｂ＝Ｊ_Ｂ／Ｊ_ＡＢＣ、Ｒ_Ｃ＝Ｊ_Ｃ／Ｊ_ＡＢＣとなる。
ここで、例えばＲ_Ａ＝０．１、Ｒ_Ｂ＝０．３、Ｒ_Ｃ＝０．６である場合、残りの電力が総電力量の４０％（Ｒ_Ａ＋Ｒ_Ｂ）を切った場合には、Ｃ系統への電力供給を停止する。さらに、残りの電力が総電力量の１０％（Ｒ_Ａ）を切った場合には、Ｂ系統への電力供給を停止するように制御部２２が分配部２６を制御するのである。

図４に、分配部内部のブロック図を示す。
分配部２６には、各系統をそれぞれ遮断可能に設けた遮断スイッチ２７ａ〜２７ｃが設けられている。各遮断スイッチ２７ａ〜２７ｃのオン−オフは、制御部２２からの制御信号によって制御される。
すなわち、制御部２２のＣＰＵ２４は、記憶部２９内の優先順位、各系統の供給停止を実行する際の目安となる電力蓄積部２１内の残量、および実際の電力蓄積部２１内の残りの電力量を参照しつつ、電力蓄積部２１の残りの電力量が記憶部２９に記憶されている所定量になったところで該当する系統の遮断スイッチ２７ａ〜２７ｃのいずれかをオフとして電力の供給を停止する。

電力蓄積部２１としては、電解コンデンサ、電気二重層コンデンサ、リチウムイオン電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、鉛電池等が考えられる。
この中で電解コンデンサや電気二重層キャパシタは、負荷変動に対して出力電圧変動が小さく、性能的には好適であるが、コスト的には問題がある。また、鉛蓄電池については性能は電解コンデンサや電気二重層コンデンサに劣るが、コスト面で非常に有利である。
このように、電力蓄積部２１に採用しうる二次電池は様々なものがあり、その目的に沿った種類のものを利用者が選択して配置するようにすればよい。
また、負荷変動と容量とを両立させるために、複数種類の電力蓄積部を組み合わせて使用してもよい。

第２の実施形態

次に、災害時用電力供給システムの第２の実施形態について図５に基づいて説明する。
第２の実施形態の災害時用電力供給システム全体の構成は、第１の実施形態の構成と電力変換部２５の内部構成のみが異なっているものである。したがって、図５では電力変換部２５の内部構成を中心に図示し、分配部２６以降の構成については省略して図示している。

電力変換部２５は、まず入力された商用電力が2つに分岐されている。そして電力変換部２５は、分岐された一方の商用電力を直流電力に変換する整流部２８と、整流部２８で整流された直流電力が入力され電力蓄積部２１に充電させるため制御する充電制御部３０と、整流部２８および電力蓄積部２１から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ３２とを有している。
また、整流部２８では、商用電力のピークタイミングを検出して同期信号を生成する機能を有しており、生成された同期信号はインバータ３２に入力される。

電力蓄積部２１から取り出された直流電力はインバータ３２に入力され交流に変換された後、交流重畳部３６に入力される。
さらに、交流重畳部３６には、整流部２８の手前で分岐された他方の商用電力が入力される。したがって、交流重畳部３６には、直接の商用電力と、インバータで生成された交流電力とが同時に入力されている。

交流重畳部３６では、入力された２つの交流電力よりこれらの電圧差および位相差を検出する。交流重畳部３６は、検出した電圧差および位相差を重畳情報としてインバータ３２へ送信する。インバータ３２は、受信した重畳情報および整流部２８からの同期信号に基づき、商用電力の波形に同期した出力波形を生成する。

交流重畳部３６は、通常時は分岐された他方の商用電力を分配部２６へ出力する。インバータ３２から交流重畳部３６へ入力された交流電力は、交流重畳部３６内で瞬間的な電圧変動に対する補正としてはたらく機能を有している。
災害発生時には、交流重畳部３６へ入力される商用電力が供給停止されるので、電力蓄積部２１から取り出された直流電力をインバータ３２で変換した交流電力が、交流重畳部３６から分配部２６へ出力される。

本実施形態の電力変換部２５の構成によれば、通常時にはインバータ３２にあまり負荷がかからないので、第１の実施形態の構成よりは効率が良い。

第３の実施形態

次に、災害時用電力供給システムの第３の実施形態について図６に基づいて説明する。
第３の実施形態の災害時用電力供給システム全体の構成も、第１の実施形態および第２の実施形態の構成と電力変換部２５の内部構成のみが異なっているものである。したがって、図６では電力変換部２５の内部構成を中心に図示し、分配部２６以降の構成については省略して図示している。

電力変換部２５は、入力された交流電力が２つに分岐されている。そして電力変換部２５は、分岐された一方の交流電力を直流電力に変換する整流部２８と、整流部２８で整流された直流電力が入力され電力蓄積部２１に充電させるため制御する充電制御部３０と、整流部２８および電力蓄積部２１から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ３２とを有している。
また、整流部２８では、商用電力のピークタイミングを検出して同期信号を生成する機能を有しており、生成された同期信号はインバータ３２に入力される。

電力蓄積部２１から取り出された直流電力はインバータ３２に入力され交流に変換された後、３路スイッチ４０の一端（Ｉ）に入力される。３路スイッチ４０の他端は、分配部２６へ接続されている。
また、整流部２８の上流で分岐された他方の商用電力は、３路スイッチ４０の一端（Ａ）へ入力される。すなわち、３路スイッチ４０は、インバータ３２からの出力か、または商用電力からの交流電力かのいずれかを選択して分配部２６へ供給させることができる。
さらに、電力蓄積部２１とインバータ３２の間には、電力蓄積部２１とインバータ３２との間を接断可能なスイッチ３８が設けられている。

本実施形態の電力変換部２５の動作について説明する。
通常時は、商用電力は整流部２８で直流電力に変換され、充電制御部３０を経て電力蓄積部２１に充電される。このときスイッチ３８をオフにしておくことにより、電力蓄積部２１からインバータ３２へは蓄積した電力が供給されないようにできる。
また、このとき３路スイッチ４０の一端をＡ側に接続しておくことにより、商用電力はそのまま分配部２６へ供給される。

災害の発生により商用電力の電力変換部２５への供給が遮断されると、制御部２２は、スイッチ３８をオンにし、これと同時または少し遅れて３路スイッチ４０をＩ側に接続するように切り換える。
すると、商用電力から分配部２６への交流電力の供給は遮断されると共に、電力蓄積部２１に蓄積されていた直流電力がインバータ３２へ入力されて交流電力に変換され、この交流電力が３路スイッチ４０から分配部２６へ供給される。

本実施形態において、災害発生時の各スイッチの操作タイミングとしては、スイッチ３８のオンと３路スイッチ４０の動作を同時に行うか、またはスイッチ３８を先にオンにした後、インバータ３２からの出力が安定してから３路スイッチ４０の一端をＩ側に接続するようにしてもよい。
このようなスイッチの操作は、リレー（図示せず）を用いてもよいし、制御部２２からの制御信号に基づいて操作できるように設けてもよい。

本実施形態の電力変換部２５の構成によれば、商用電力の供給が停止した後からインバータ３２を動作させるので、常時インバータを動作させている場合よりも効率がよい。また、商用電力と同期をとる必要がないので、正弦波インバータでなくても矩形波インバータを使用することができ、矩形波インバータを採用すればコストを下げることができる。

第４の実施形態

図７に基づいて第４の実施形態について説明する。
上述してきた各実施形態では、各系統への電力供給を停止するタイミングを、電力蓄積部の蓄積可能な総電力量に対して蓄積されている電力量が何％になったかで決める方法を採用した。
しかし、本実施形態のように、予め各系統における使用できる期間を設定して記憶部２９に記憶させておき、各系統の使用期間が経過した場合には、該当する系統への電力の供給を停止するように制御部２２が制御してもよい。

本発明の災害時用電力供給システムは、一般民家の家屋に設置するだけでなく、事業所等に設置してもよい。
また、構造物を設計する段階で本発明のシステムを組み込むことを考慮するとよい。
なお、既存の構造物に本発明のシステムを実装する場合には、既存の電力系統を低優先度に設定し、最優先の系統のケーブルを新たに敷設するとよい。

以上本発明につき好適な実施形態を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

本発明の災害時用電力供給ユニットの全体構成を示す概略の説明図である。電力変換部の内部構成を示すブロック図である。制御部の内部構成を示すブロック図である。分配部の内部構成を示すブロック図である。第２の実施形態の電力変換部の内部構成を示すブロック図である。第３の実施形態の電力変換部の内部構成を示すブロック図である。第４の実施形態の制御部の内部構成を示すブロック図である。

符号の説明

２０災害時用電力供給システム
２１電力蓄積部
２２制御部
２４ＣＰＵ
２５電力変換部
２６分配部
２７ａ〜２７ｃ遮断スイッチ
２８整流部
２９記憶部
３０充電制御部
３２インバータ
３４スイッチ
３６交流重畳部
３８スイッチ
４０３路スイッチ

Claims

商用電力の供給が遮断された場合に、予め蓄積しておいた電力を使用するための電力の供給システムであって、
商用電力を直流に変換する第1の変換部と、
第1の変換部で変換された直流電力を蓄積する電力蓄積部と、
電力蓄積部に蓄積された直流電力を交流電力に変換する第２の変換部と、
第２の変換部で変換された交流電力を複数系統に分配する分配部と、
分配部から分配されている各系統に予め付与された優先順位を記憶する記憶部と、
記憶部に記憶されている優先順位に基づいて、優先順位の低い系統から順番に電力供給を停止して最終的に優先順位の最も高い系統にのみ電力を供給するように分配部を制御する制御部とを具備することを特徴とする災害時用電力供給システム。
前記記憶部には、電力蓄積部が蓄積可能な総電力量のうち、各系統への電力供給を停止する目安となる電力量が優先順位と関連づけして記憶されており、
前記制御部は、記憶部に記憶されている電力量に達した系統から順番に電力供給を停止するように分配部を制御することを特徴とする請求項１記載の災害時用電力供給システム。
前記記憶部には、各系統が電力蓄積部からの電力を使用できる期間が優先順位と関連づけして記憶されており、
前記制御部は、記憶部に記憶されている期間を経過した系統から順番に電力供給を停止するように分配部を制御することを特徴とする請求項１記載の災害時用電力供給システム。