JP2012029421A - ハイブリッド電源接続インタフェース装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電などの自家発電システムから供給される直流電力を直流負荷へ、外部交流電力網から供給される交流電力を変換して直流負荷へ配電でき、また余剰電力を蓄電池に蓄えると共に外部交流電力網に配電できるハイブリッド電源接続インタフェース装置を提供する。
【解決手段】自家発電システムから出力された直流電力を取り込み、直流負荷に電力を直接供給する直流配電回路と、該直流配電回路と接続され、余剰直流電力を蓄えて電力不足の際に放出する蓄電池と、直流配電回路と接続され、余剰直流電力を外部へ送電するため直流電力を交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換すると共に変換された交流電力を交流電力系統に逆潮流するパワーコンディショナと、交流電力系統から送電されてくる交流電力を取り込み、取り込んだ交流電力を直流電力に変換して直流配電回路に電力を供給する交流／直流コンバータ回路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電等から供給される直流と、外部電力（売電）から供給される交流を、従来の家電と将来導入予定の直流家電にハイブリッドに配電できるハイブリッド電源接続インタフェース装置の技術に関する。

近年、一般住宅に普及してきた太陽光発電システムや今後普及していく燃料電池は、小型分散電源として有機的に結合し、協調しながら安定的にエネルギーの利用率を高めることが期待されている。小型分散電源は、太陽光発電を最大限に利用すべく、発電余剰電力を蓄電池に蓄え、夜間等の発電不足時は蓄電池の放電により負荷への電力供給も行う。さらに、小型分散電源は、発電余剰電力を直流から交流に変換して売電を行うこともできるものである。

また一方で、太陽光発電等の使用効率を向上すべく、太陽光発電等から得た直流電力をそのまま使用可能な直流家電の導入が計画されている。直流家電には、従来の蛍光灯にかわり低圧直流負荷であるＬＥＤ照明や、中圧直流負荷であるエアコン・冷蔵庫・テレビ等の次世代情報家電などがある。今後、直流家電の普及によって、小型分散電源の役割の重要性が高まっていくことになる。

かかる状況下、太陽光発電システムや燃料電池などから供給される直流電力を、一度交流に変換して交流用の分岐回路部に送り、負荷の端子部と直流機器の間にＡＣアダプターを介在させて再び直流に変換して、使用する直流機器へ電力を供給する装置を改善し、交流分岐回路部に交流―直流電力変換装置を介して直流分岐回路部に接続可能としたものが知られている（特許文献１）。
かかる技術によれば、直流電力を使用する機器に、直接、直流電力を供給することができるので、機器毎にＡＣアダプターを設置する必要のないといった利点がある。また、盤内に引き込んだ配線を交流分岐回路部の分岐ブレーカー又は直流分岐回路部の分岐ブレーカーのどちらかに接続することにより、配線を交流電力用又は直流電力用に任意に選択することができるものである。

特開２００４−２８２８０２号公報

近い将来、先ず低圧のＬＥＤ照明が先に普及し、次に中圧の直流家電が段階的に普及することが予想される。直流負荷を太陽光発電などの自家発電システムだけでは１００％対応することは困難である。小型分散電源の役割の重要性が高まると共に、太陽光発電等から供給される直流電力と、送電されてくる交流電力とを、交流負荷だけでなく直流負荷に配電すると共に、余剰電力を外部へ売電できるようなインタフェースを早期に構築する必要性が高まっている。

しかしながら、現状では、太陽光発電等から供給される直流電力を交流電力に変換して交流負荷に供給したり、太陽光発電等から供給される直流電力を蓄電池に蓄えて、余剰電力を外部交流電力網に売電する装置が存在するものの、太陽光発電等から供給される直流電力を直流負荷へ、外部交流電力網から供給される交流電力を変換して直流負荷へ、余剰電力を蓄電池に蓄えると共に外部交流電力網へとハイブリッドに配電できる装置は見当たらない。

上記状況に鑑みて、本発明は、太陽光発電などの自家発電システムから供給される直流電力を直流負荷へ、外部交流電力網から供給される交流電力を変換して直流負荷へ配電でき、また余剰電力を蓄電池に蓄えると共に外部交流電力網に配電できるハイブリッド電源接続インタフェース装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明のハイブリッド電源接続インタフェース装置は、下記１）〜４）を備える。
１）太陽光発電やガス発電などの自家発電システムから出力された直流電力を取り込み、直流負荷に電力を直接供給する直流配電回路
２）上記１）の直流配電回路と接続され、余剰直流電力を蓄えて電力不足の際に放出する蓄電池
３）上記１）の直流配電回路と接続され、余剰直流電力を外部へ送電するため直流電力を交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換すると共に変換された交流電力を交流電力系統に逆潮流するパワーコンディショナ
４）外部の交流電力系統から送電されてくる交流電力を取り込み、取り込んだ交流電力を直流電力に変換して、上記１）の直流配電回路に電力を供給する交流／直流コンバータ回路

上記１）〜４）の構成によれば、太陽光発電やガス発電などの自家発電システムから取り込んだ直流電力、外部の交流電力系統から取り込んだ交流電力を直流負荷にハイブリッドに配電することができる。また、パワーコンディショナを介して外部の交流電力系統に余剰電力を逆潮流することができる。
また、蓄電池を用いて余剰直流電力を蓄えて、太陽光発電やガス発電などの自家発電システムから取り出せる電力が不足する際に直流負荷に放出することででき、電力供給の安定化を図ることができる。

なお、上記のパワーコンディショナは、自立運転機能を有するが好ましい。外部電源からの送電が停止した場合に、交流電力系統に逆潮流する電力を外部電源からの送電交流電力として取り込めるからである。

また、本発明のハイブリッド電源接続インタフェース装置は、好ましくは、外部の交流電力系統から送電されてくる２本の電圧線と１本の中性線から成る単相３線式の交流電力を取り込み、１本の電圧線と１本の中性線から成る単相２線式の第１系統と第２系統の２つの系統の交流電力に分電する２系統分電回路であって、該２系統分電回路が２つのブレーカーで構成され、各々のブレーカーの入力引き込み電圧線の１路には、単相３線式の中性線が分岐されたものが接続されているもの、を更に備え、第１系統の出力側は交流負荷に接続され、交流負荷に電力を供給し、第２系統の出力側は上述の交流／直流コンバータ回路に接続され、直流配電回路を介して直流負荷に接続され、直流負荷に電力を供給する、構成とされる。

かかる構成によれば、外部の交流電力系統から送電されてくる２本の電圧線と１本の中性線から成る単相３線式の交流電力を取り込み、１本の電圧線と１本の中性線から成る単相２線式の２系路の交流電力に分電し、それぞれの系路の交流電力を独立して利用できる。
外部の交流電力系統から供給される交流を、従来の交流家電と将来導入予定の直流家電にハイブリッドに配電することができる。

ここで、上記１）の直流配電回路は、第１の直流／直流コンバータ回路をさらに備え、交流／直流コンバータ回路から出力された直流電力、太陽電池や燃料電池などの直流電源から取り出された直流電力、又は、蓄電池から放出される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して、直流負荷に供給されることが好ましい態様である。

直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換するのは、直流機器には、例えば、ＬＥＤ照明などの１２Ｖ／１．５Ａの低電圧の直流負荷や、エアコン・冷蔵庫などの２４Ｖ／５Ａの中圧の直流負荷が混在するからである。

また、上記１）の直流配電回路は、第２の直流／直流コンバータ回路を備え、第２の直流／直流コンバータ回路を介して、自家発電システムから出力された直流電力、又は、蓄電池から出力される直流電力の電圧レベルを、パワーコンディショナの入力電圧仕様範囲内の電圧レベルに昇圧して、パワーコンディショナに供給することが好ましい態様である。

パワーコンディショナの入力電圧仕様範囲内の電圧レベルに昇圧するのは、自家発電システムから出力された直流電力および蓄電池から出力される直流電力の電圧レベルと、市販のパワーコンディショナの入力電圧仕様が異なるためであり、直流配電回路がそれらの電圧レベルの相違を自動調整できるようにしたものである。

また、本発明のハイブリッド電源接続インタフェース装置における上述の２系統分電回路は、具体的には、外部の交流電力系統から送電されてくる２本の電圧線と１本の中性線から成る単相３線式の交流電力を取り込み、１本の電圧線と１本の中性線から成る単相２線式の２系路の交流電力に分電する分電回路であって、第１ブレーカーと第２ブレーカーで構成され、各々のブレーカーの第１入力引き込み電圧線には、単相３線式の中性線が分岐されたものが接続され、第２入力引き込み電圧線には、単相３線式の２本の電圧線のうち、第１ブレーカーと第２ブレーカーで異なる電圧線が接続された構成とされる。

また、本発明のハイブリッド電源接続インタフェース装置における上述の直流配電回路は、蓄電池の蓄電量と、自家発電システムから取り込んだ直流入力電力量と、交流／直流コンバータ回路を介して外部の交流電力系統から取り込んだ交流入力電力量と、パワーコンディショナを介して外部の交流電力系統に逆潮流した交流出力電力量と、直流負荷に供給した直流出力電力量と、を時間情報と共に記憶し外部にデータ出力する手段を更に備えることが好ましい態様である。

直流配電回路は、蓄電池、自家発電システム、交流／直流コンバータ回路、パワーコンディショナ、直流負荷と直接接続されることから、蓄電池の蓄電量、自家発電システムの出力電力量、外部交流電力系統から取り込んだ電力量、パワーコンディショナを介して外部交流電力系統に逆潮流した電力量、直流負荷に供給した電力量を検知することができる。
そして、直流配電回路は、ＵＳＢ等のデータＩ／Ｆや無線通信Ｉ／Ｆを搭載することで、 検知した各々の電力量等を、時間情報と共に記憶し外部にデータ出力できる。例えば、表示器にデータ出力することで、蓄電池の蓄電量や逆潮流した電力量を視覚的にユーザに把握させることができる。

本発明によれば、太陽光発電などの自家発電システムから供給される直流電力を直流負荷へ、外部交流電力網から供給される交流電力を変換して直流負荷へ配電でき、また余剰電力を蓄電池に蓄えると共に外部交流電力網に配電できるといった効果を有する。

実施例１のハイブリッド電源接続インタフェース装置の機能ブロック図 実施例１のハイブリッド電源接続インタフェース装置の説明図 実施例１における直流配電回路の説明図 実施例２のハイブリッド電源接続インタフェース装置の機能ブロック図 実施例２のハイブリッド電源接続インタフェース装置の利用イメージ 実施例２における２系統分電回路の説明図 実施例２のハイブリッド電源接続インタフェース装置の概略結線図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。

図１および図２は、実施例１のハイブリッド電源接続インタフェース装置の機能ブロック図を示している。また、図３は、実施例１のハイブリッド電源接続インタフェース装置における直流配電回路の機能ブロック図を示している。
図１に示すように、実施例１のハイブリッド電源接続インタフェース装置１０１は、直流配電回路１，交流／直流コンバータ回路３，パワーコンディショナ４，および蓄電池５から構成されている。

直流配電回路１は、図１に示すように、太陽光発電パネル１０やガス発電モジュール２０などの自家発電システムから出力された直流電力を取り込み、また交流／直流コンバータ回路３から直流電力を取り込み、１２Ｖ低圧直流負荷６ａや２４Ｖ／４８Ｖ中圧直流負荷６ｂに直流電力を直接供給すると共に、パワーコンディショナ４を介して電力を交流電力系統８に逆潮流するものである。
ここで、１２Ｖ低圧直流負荷６ａとは、例えば、ＬＥＤ照明や電話やパソコンなどであり、２４Ｖ／４８Ｖ中圧直流負荷６ｂとは、例えば、冷蔵庫やエアコンなどの直流家電である。

蓄電池５は、直流配電回路１と接続され、直流配電回路１から余剰直流電力を受け取り蓄電し、また電力不足の際には蓄電した直流電力を放出するものである。
交流／直流コンバータ回路３は、外部の交流電力系統８から送電されてくる交流電力を取り込み、取り込んだ交流電力を直流電力に変換して、直流配電回路１に電力を供給するものである。
パワーコンディショナ４は、直流配電回路１と接続され、余剰直流電力を外部へ送電するため直流電力を交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換すると共に、変換された交流電力を交流電力系統８に逆潮流するものである。

図２は、実施例１のハイブリッド電源接続インタフェース装置に太陽光発電装置１０を取り付けた場合の機能ブロックを示している。太陽光発電パネル１０から出力された直流電力は、ＺＮＲ（サージ電圧吸収素子）１１を経て、さらに安定化回路１２を経て、ハイブリッド電源接続インタフェース装置１０１に取り込まれる。
直流負荷６が低圧直流負荷のＬＥＤ照明など消費電力量の小さな負荷の場合は、太陽光発電パネル１０の出力電力量だけで直流負荷６に対応できる。太陽光発電が行える日中に発電した直流電力のうち直流負荷６に供給されない余剰電力は、蓄電池に蓄電される。蓄電量が十分な場合、余剰電力はパワーコンディショナを介して外部の交流電力網に売電される。一方、直流負荷６が低圧直流負荷のＬＥＤ照明など消費電力量の小さな負荷のみならず、中圧直流負荷のエアコンや冷蔵庫など消費電力量の大きい負荷も含まれる場合は、太陽光発電パネル１０の出力電力量に加えて、外部の交流電力網から商用電力を買電し、ＡＣ／ＤＣコンバータを介して直流負荷６に供給する。

次に、図３を用いて、実施例１のハイブリッド電源接続インタフェース装置における直流配電回路の機能ブロックについて説明する。
直流配電回路１は、配電回路３０と、第１の直流／直流コンバータ回路３１と、第２の直流／直流コンバータ回路３２と、記憶回路３３と、データ出力Ｉ／Ｆ３５を備えている。
第１の直流／直流コンバータ回路３１は、配電回路３０から出力された直流電力の電圧レベルを所定の電圧レベル（例えば、１２Ｖ，２４Ｖ，４８Ｖ）に変換して、それぞれ対応する直流負荷に供給する。
また、第２の直流／直流コンバータ回路３２は、配電回路３０から出力された直流電力の電圧レベルをパワーコンディショナ４の入力電圧仕様範囲内の電圧レベルに昇圧するものである。

このように、ハイブリッド電源接続インタフェース装置における直流配電回路１では、配電回路３０が、太陽光発電パネル１０の直流電力を取り込み（１ａ）、また交流電力網８の交流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ３で変換した直流電力を取り込む（１ｂ）。また、配電回路３０は余剰の直流電力を蓄電池５に蓄電する（１ｃ）。また上述の如く、第１の直流／直流コンバータ回路３１を介して、所定の電圧レベルで直流負荷に供給する（１ｄ）。また上述の如く、第２の直流／直流コンバータ回路３２を介して、適切な入力電圧値の直流電力をパワーコンディショナ４側に供給する（１ｆ）。電力が不足した場合は、蓄電池５から直流電力を取り込む（１ｅ）。

配電回路３０では、蓄電池５の蓄電量の情報を取り込み（１ｈ）、また太陽光発電パネル１０の発電量や、交流電力網からの買電量や、直流負荷やパワーコンディショナ４への電力供給量を、時間情報と共に記憶回路３３に記憶する。記憶回路３３は半導体メモリ素子からなるものである。記憶回路３３に記憶されたデータは、データ出力Ｉ／Ｆ３４を介して外部デバイスに出力できるようにしている（１ｊ，１ｋ）。
ここで、データ出力Ｉ／Ｆ３４とはＵＳＢ等のデータケーブルや無線ＬＡＮなどの通信手段を指す。また外部デバイスとは、液晶パネルなどの表示デバイスやデータ収集コンピュータである。

図４は、実施例２のハイブリッド電源接続インタフェース装置の機能ブロック図を示している。また図６は、実施例２のハイブリッド電源接続インタフェース装置における２系統分電回路の説明図を示している。また図７は、実施例２のハイブリッド電源接続インタフェース装置の概略結線図を示している。
図４に示すように、実施例２のハイブリッド電源接続インタフェース装置１０２は、直流配電回路１，２系統分電回路２，交流／直流コンバータ回路３，パワーコンディショナ４，および蓄電池５から構成されている。

直流配電回路１，パワーコンディショナ４，蓄電池５は、上述の実施例１と同様であり、説明は省略する。
図５に、実施例２のハイブリッド電源接続インタフェース装置の利用イメージを示す。
図５において、左側は交流電力源である交流電力網８および直流電力源である太陽光発電パネル１０とガス発電モジュール２０を示し、右側は交流負荷および直流負荷（低圧直流負荷と中圧直流負荷）を示し、中央の点線で囲んだ部分は実施例２のハイブリッド電源接続インタフェース装置１０２を示している。
なお、太陽光発電パネル１０の直流電力は安定化回路などの回路モジュールから成る接続箱１５を介して、ハイブリッド電源接続インタフェース装置１０２に接続される。

一般的に、外部の交流電力系統から送電されてくる交流電力は、２本の電圧線と１本の中性線から成る単相３線式の電力線を用いて送電されている。通常、単相３線式の電力線を施設内に引き込む場合、図６（１）のようなブレーカーを用いている。
２系統分電回路２は、図６（２）に示すように、外部の交流電力系統から送電されてくる２本の電圧線（ａ，ｃ）と１本の中性線ｂから成る単相３線式の交流電力を取り込み、１本の電圧線と１本の中性線から成る単相２線式の第１系統と第２系統の２つの系統の交流電力に分電するものである。具体的には、２系統分電回路２は２つのブレーカー（２ａ，２ｂ）で構成され、各々のブレーカーの入力引き込み電圧線の１路には、単相３線式の中性線ｂが分岐されたものが接続されている。例えば、第１系統のブレーカー２ａの出力側（ａ´，ｂ´）は交流負荷７に接続され、第２系統のブレーカー２ｂの出力側（ｂ´，ｃ´）は交流／直流コンバータ回路（図示せず）に接続され、直流配電回路（図示せず）を介して直流負荷６に接続される。

交流／直流コンバータ回路３は、外部の交流電力系統８から送電されてくる交流電力を２系統分電回路２によって分岐された第２系統のブレーカー２ｂの出力側（ｂ´，ｃ´）から取り込み、取り込んだ交流電力を直流電力に変換して、直流配電回路（図示せず）に電力を供給している。

本発明は、太陽光発電などの自家発電設備を備え、直流負荷を有する建物の配電設備に有用である。

１０１，１０２ ハイブリッド電源接続インタフェース装置
１ 直流配電回路
２ ２系統分電回路
３ ＡＣ／ＤＣコンバータ
４ パワーコンディショナ
５ 蓄電池
６，６ａ，６ｂ 直流負荷
７ 交流負荷
８ 交流電力網
１０ 太陽光発電パネル
１１ ＺＮＲ（サージ電圧吸収素子）
１２ 安定化回路
１５ 接続箱
２０ ガス発電モジュール

Claims (6)

1. 太陽光発電やガス発電などの自家発電システムから出力された直流電力を取り込み、直流負荷に電力を直接供給する直流配電回路と、
   前記直流配電回路と接続され、余剰直流電力を蓄えて電力不足の際に放出する蓄電池と、
   前記直流配電回路と接続され、余剰直流電力を外部へ送電するため直流電力を交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換すると共に変換された交流電力を交流電力系統に逆潮流するパワーコンディショナと、
   外部の交流電力系統から送電されてくる交流電力を取り込み、取り込んだ交流電力を直流電力に変換して、前記直流配電回路に電力を供給する交流／直流コンバータ回路と、
   を備えたことを特徴とするハイブリッド電源接続インタフェース装置。
   
2. 外部の交流電力系統から送電されてくる２本の電圧線と１本の中性線から成る単相３線式の交流電力を取り込み、１本の電圧線と１本の中性線から成る単相２線式の第１系統と第２系統の２つの系統の交流電力に分電する２系統分電回路であって、
   前記２系統分電回路が２つのブレーカーで構成され、各々のブレーカーの入力引き込み電圧線の１路には、前記単相３線式の中性線が分岐されたものが接続されているもの、
   を更に備え、
   前記第１系統の出力側は交流負荷に接続され、交流負荷に電力を供給し、
   前記第２系統の出力側は前記交流／直流コンバータ回路に接続され、前記直流配電回路を介して直流負荷に接続され、直流負荷に電力を供給する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電源接続インタフェース装置。
   
3. 前記直流配電回路は、第１の直流／直流コンバータ回路を備え、第１の直流／直流コンバータ回路を介して、前記自家発電システムから取り出された直流電力、又は、前記蓄電池から放出される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して、直流負荷に供給することを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド電源接続インタフェース装置。
   
4. 前記直流配電回路は、第２の直流／直流コンバータ回路を備え、第２の直流／直流コンバータ回路を介して、前記自家発電システムから取り出された直流電力、又は、前記蓄電池から放出される直流電力の電圧レベルを、前記パワーコンディショナの入力電圧仕様範囲内の電圧レベルに昇圧して、前記パワーコンディショナに供給することを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド電源接続インタフェース装置。
   
5. 前記２系統分電回路は、外部の交流電力系統から送電されてくる２本の電圧線と１本の中性線から成る単相３線式の交流電力を取り込み、１本の電圧線と１本の中性線から成る単相２線式の２系路の交流電力に分電する分電回路であって、
   第１ブレーカーと第２ブレーカーで構成され、
   各々のブレーカーの第１入力引き込み電圧線には、前記単相３線式の中性線が分岐されたものが接続され、第２入力引き込み電圧線には、前記単相３線式の２本の電圧線のうち、第１ブレーカーと第２ブレーカーで異なる電圧線が接続されたことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電源接続インタフェース装置。
   
6. 前記直流配電回路は、前記蓄電池の蓄電量、前記自家発電システムから取り込んだ直流入力電力量、前記交流／直流コンバータ回路を介して外部の交流電力系統から取り込んだ交流入力電力量、前記パワーコンディショナを介して外部の交流電力系統に逆潮流した交流出力電力量、直流負荷に供給した直流出力電力量、を時間情報と共に記憶し外部にデータ出力する手段を更に有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のハイブリッド電源接続インタフェース装置。