JP5942769B2

JP5942769B2 - 電力供給システム

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Publication number: JP5942769B2
Application number: JP2012230104A
Authority: JP
Inventors: 浩史吉田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: JP2014082886A

Description

本発明は、太陽光エネルギーから得られた電力を利用して電気機器を運転する電力供給システムに関する。

従来技術として、特許文献１に開示された電力供給システムが知られている。当該電力供給システムは、発電に使用する発電用太陽電池と、容量の小さなモニタ用太陽電池と、太陽光発電用のパワーコンディショナと、を備える。このパワーコンディショナでは、常時発電できる状態で設置されているモニタ用太陽電池の発電電力を常時監視し、発電用太陽電池から十分な発電電力が得られる状態（日射量が十分にある状態）であるか否かを判断している。

また、近年、電力系統（商用電源）から電力供給が行えない停電時等に、非常用の電源として太陽光発電装置が発電した電力を住宅内の電気機器へ供給するシステムが提案されている。

特開平８−９５５５号公報

上記の特許文献１に記載のシステムでは、モニタ用太陽電池が受光する日射量を用いて発電用太陽電池が受光できる日射量を推定するため、建物等の影がモニタ用太陽電池にかかった場合には、発電用太陽電池による発電量を正確に検出することができない。停電時等に、発電用太陽電池による発電量を正確に検出することができない場合には、非常用の電源として十分な役割を果たせないことがあり、ユーザーの利便性が阻害されることになる。

そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、系統電力を電力使用機器に供給できない場合に、太陽光発電装置によって得られる発電量を正確に把握することができる電力供給システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本願の電力供給システムに係る発明は、太陽光エネルギーを用いて発電する太陽光発電装置（１）と、太陽光発電装置によって得られる発電電力、電力系統から得られる電力を使用して作動する電力使用機器（４）と、太陽光発電装置の発電時の最大発電電力と当該最大発電電力に対応する動作電流または動作電圧とに関する発電特性情報を記憶するとともに、太陽光発電装置の現在の動作電流または動作電圧と発電電力とを検出する制御装置（７）と、を備え、
制御装置は、電力使用機器を作動させるための電力として、電力系統からの電力が使用できず、太陽光発電装置の発電電力を使用する所定の条件が成立した場合に、当該記憶している発電特性情報を用いて、当該検出した現在の発電電力に対応する動作電流または動作電圧を求め、当該求めた動作電流または動作電圧と当該検出した動作電流または動作電圧とを比較した結果を用いて、太陽光発電装置が受ける現在の日射量が十分か否かを推定することを特徴とする。

この発明によれば、記憶済みの発電特性情報から現在の発電電力に対応する動作電流または動作電圧を求めるため、システム固有の発電特性に適合した現在の動作電流または動作電圧を取得することができる。このようにして求めた動作電流または動作電圧と実際に検出された現在の動作電流または動作電圧との比較結果から、現在の日射量を推定するため、検出時の外部の影響等に左右されないで現在の日射量レベルを求めることができる。したがって、現在の日射量レベルの推定精度が高まることにより、系統電力を電力使用機器に供給できない場合に、太陽光発電装置によって得られる発電量を正確に把握することができる電力供給システムが得られる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明を適用した電力供給システムの一実施形態の構成を示すブロック図である。日射量判定に関する処理を示すフローチャートである。発電特性情報及びステップ６０の処理を説明するための図である。発電電力余剰ありと判定した場合の自立運転における処理を示すフローチャートである。発電電力余剰なしと判定した場合の自立運転における処理を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態の電力供給システム１００は、太陽光発電装置と、太陽光発電装置によって得られる発電電力、電力系統３から得られる電力を使用して作動する電力使用機器４と、電力使用機器４に供給する発電電力量を制御するシステムＥＣＵ７と、を備える。電力使用機器４は、少なくとも１個の電気機器から構成される。電気機器には、建物または住宅で使用される照明機器、給湯装置、空調装置、床暖房装置、その他の電化製品、定置式の蓄電池、車両搭載の蓄電池を採用することができる。したがって、システムＥＣＵ７は、これらの電気機器に対し、太陽光発電装置による発電電力、電力系統３からの供給電力のいずれかを選択して供給する制御を実施できる。

太陽光発電装置は、太陽光エネルギーを得て発電する太陽電池を含む太陽電池パネル１と、パワーコンディショナ２とを備える。太陽電池パネル１には、太陽電池パネル１の温度を検出する温度センサ２０が設けられている。システムＥＣＵ７は、温度センサ２０の検出信号を取得することにより、日射を受けた太陽電池の表面温度を検出することができる。

太陽電池パネル１が太陽光エネルギーから発電する直流電力は、パワーコンディショナ２に送られる。パワーコンディショナ２は、太陽電池パネル１で発電した直流電力を効率よく交流電力に変換する電力変換装置である。パワーコンディショナ２に送られた電力は、交流と直流の間で電力変換されて、例えばブレーカを介して分電盤（図示せず）に送られる。分電盤は、電力使用機器４及び電力系統３に単相３線式の交流電力線によって接続されている。したがって、電力会社の電力系統３から供給される系統電力や、パワーコンディショナ２に送られた発電電力は、分電盤を介して電力使用機器４を構成する電気機器等に供給されるようになっている。

太陽電池パネル１とパワーコンディショナ２の間には、太陽高発電装置の動作電流を検出する電流検出装置１０と、太陽光発電装置の動作電圧を検出する電圧検出装置１１とが設けられている。システムＥＣＵ７は、電流検出装置１０、電圧検出装置１１の検出信号を取得することにより、太陽光発電装置の動作電流、動作電圧、供給電力量を検出することができる。また、システムＥＣＵ７は、図示しない検出装置により電力系統３を流れる電力を検出することによって、電力系統３からの供給電力量、電力系統３への逆潮流電力（売電電力量）を検出することもできる。

電力使用機器４は、電力系統３からの系統電力が供給されて作動する場合と、太陽光発電装置の発電電力の供給を受けて作動する場合とがある。電力供給システム１００は、太陽光発電装置で発電した電力を電力系統３に売電しつつ、電力使用機器４に供給して使用することができる運転状態である連系運転と、自立運転とを実施できる機能を有する。自立運転は、停電等の何らかの原因により系統電力を電力使用機器４に供給できない状態に、太陽光発電装置の発電電力を非常用の電源として使用できる運転である。

具体的には、パワーコンディショナ２に接続されている自立運転用出力部としての非常用電源コンセント５と、電力使用機器４に電力を供給するケーブル６のプラグとを接続し、さらに操作表示装置等に設けられる「自立運転」スイッチを操作する。これにより、停電等した場合でも、太陽光発電による電力を使用して電力使用機器４を作動させることができる。また、自立運転においては、電力使用機器４に供給できる電力量に制限が設定されており、例えば、最大電力量は１５００Ｗに設定されている。

システムＥＣＵ７は、太陽光発電装置の発電時の動作電流または動作電圧と発電電力とに関する発電特性情報を内蔵するＲＡＭ等の記憶装置に記憶する。システムＥＣＵ７は、電流検出装置１０、電圧検出装置１１から送信される電気信号により、太陽光発電装置の現在の動作電流または動作電圧と発電電力とを検出する制御装置でもある。また、システムＥＣＵ７は、以下のような特徴的処理を実行する。

システムＥＣＵ７は、電力使用機器４を作動させるための電力として、電力系統３からの電力が使用できず、太陽光発電装置の発電電力を使用する条件が成立した場合に、太陽光発電装置が受ける現在の日射量を推定する処理を実行することができる。システムＥＣＵ７は、記憶装置に記憶している前述の発電特性情報を用いて、電流検出装置１０、電圧検出装置１１等によって検出された現在の発電電力に対応する動作電流または動作電圧を求める。すなわち、当該検出された現在の発電電力に対応する動作電流または動作電圧を発電特性情報から算出する。さらにシステムＥＣＵ７は、発電特性情報に基づいて算出した動作電流または動作電圧と前述の検出した動作電流または動作電圧とを比較し、その結果に基づいて、太陽光発電装置が受ける現在の日射量を推定する。

システムＥＣＵ７は、電力使用機器４への供給電力量、現在の日射量の推定結果等を操作表示装置に表示する。この操作表示装置は、電力供給システム１００の各種機器を制御可能とする拡張ＥＣＵであるとともに、電力供給システム１００の動作状態が表示される装置であり、例えば住宅の建物内に配設される遠隔操作手段である。また、システムＥＣＵ７は、ユーザーが操作入力できる操作表示装置の内部に搭載される構成でもよい。

次に、電力供給システム１００が受光する日射量レベルの判定に関する作動例について図２〜図４にしたがって説明する。当該作動例に係る処理は、主にシステムＥＣＵ７によって実行される。

システムＥＣＵ７は、電源が投入される状態になると、図２のフローチャートによる制御を開始する。まず、図２のステップ１０で現在、太陽光発電装置が発電中であるか否かを判定する。太陽発電装置が発電中である場合には、ステップ２０で、発電時の動作電流または動作電圧と発電電力とに関する発電特性情報を更新し記憶する処理を実行する。例えば、システムＥＣＵ７は、電流検出装置１０と電圧検出装置１１の検出信号から発電電力と動作電流または動作電圧とを取得し、記憶装置のデータを書き換えて更新する。

記憶、更新する発電特性情報は、発電時における電力と電流または電圧との関係を表す動作特性のデータであり、ある日射量における電力と電流または電圧との発電特性のマップでもある。したがって、記憶更新される発電特性情報は、日射量の値毎に特有の特性曲線を示すマップである。システムＥＣＵ７に記憶される発電特性情報は、電力供給システム１００が多数のレベルの日射量を経験するにつれて、多数の特性曲線を示すデータとして記憶されるようになる。なお、発電特性曲線の一例を図示した図３には、理解を容易にするため、日射量の高レベル、中レベル、低レベルという３段階の特性曲線のみを示している。

次にステップ３０で、自立運転の条件が成立しているか否かを判定する。自立運転の条件は、電力供給システム１００において自立運転が実施可能な状態であれば、成立したと判定される。例えば、前述したように、「自立運転」スイッチが操作され、かつ、非常用電源コンセント５とケーブル６のプラグとが接続されていることを確認する信号をシステムＥＣＵ７が受信した場合に、自立運転の条件成立を判定する。

ステップ３０で自立運転の条件が成立していないと判定した場合は、ステップ１０に戻り、成立していると判定した場合は、ステップ４０に進む。ステップ４０では、システムＥＣＵ７は、電流検出装置１０及び電圧検出装置１１の検出信号により、発電中である現在の発電電力と動作電流または動作電圧とを検出する。次にステップ５０では、まずステップ４０で検出した発電電力に対応する動作電流または動作電圧を記憶済みの発電特性情報から算出し、さらにステップ４０で検出した動作電流または動作電圧と発電特性情報を用いて求めた動作電流または動作電圧との差を算出する。ここで、ステップ４０で検出したデータが動作電流である場合には、発電特性情報を用いて求めるデータも動作電流である。また、ステップ４０で検出したデータが動作電圧である場合には、発電特性情報を用いて求めるデータも動作電圧である。

そして、ステップ６０では、ステップ５０での差の算出値が予め定めた値Ｄ以上であるか否かを判定する。所定値Ｄは、記憶装置に予め記憶された値であり、例えば、自立運転を実施する場合に太陽光発電装置の実際の発電電力が前述の最大電力量に対して十分であるか否かを適正に判定できる閾値となるように設定される。

ステップ６０における判定がＹＥＳである場合には、日射量が十分なレベルにあると判定し（ステップ７０）、システムＥＣＵ７は、太陽光発電装置の現在の発電電力に余剰があると判定する（ステップ７１）。一方、ステップ６０における判定がＮＯである場合には、日射量が不十分なレベルにあると判定し（ステップ８０）、システムＥＣＵ７は、太陽光発電装置の現在の発電電力に余剰がないと判定する（ステップ８１）。ステップ７１、ステップ８１の判定処理後は、ステップ３０に戻り引き続き、以降の処理を実行する。

以下に、ステップ５０及びステップ６０の処理を、具体例を交えて図３を参照しながら説明する。図３には、横軸を動作電流または動作電圧とし、縦軸を発電電力とした発電特性曲線を図示し、最大動作点が高い順に、日射量の高レベル、中レベル、低レベルという３段階の発電特性曲線が図示されている。

システムＥＣＵ７は、ステップ５０で比較する発電特性情報として、発電時の最大発電電力（図３の最大動作点に相当）と当該最大発電電力に対応する動作電流または動作電圧とをステップ２０において少なくとも記憶する。これは、パワーコンディショナ２は発電時に最大発電量が得られるように、つまり最大動作点（図３のＬ点、Ｍ点、Ｈ点等）に近づくように発電を制御する機能を有するからである。なお、以下、説明の便宜上、ステップ４０、５０で動作電流を検出、算出する場合を例に挙げて説明する。

例えば、電流検出装置１０及び電圧検出装置１１の検出信号に基づいて検出された現在の電力が図に示すＷ１である場合には、記憶済みの発電特性情報を用いて求める動作電流は、低レベルの日射量における最大動作点Ｌの横座標に相当する動作電流の値となる。そして、ステップ４０で検出された動作電流の値が図のＲ１の横座標に相当する値である場合には、Ｒ１の横座標から最大動作点Ｌの横座標を差し引いた値、すなわちステップ５０での差の算出値は、所定値Ｄよりも小さいため、ステップ６０での判定はＮＯとなり、ステップ８１で現在の発電電力に余剰がないと判定される。る。一方、ステップ４０で検出された動作電流の値が図のＲ２の横座標に相当する値である場合には、Ｒ２の横座標から最大動作点Ｌの横座標を差し引いた値、すなわちステップ５０での差の算出値は、所定値Ｄよりも大きいため、ステップ６０での判定はＹＥＳとなり、ステップ７１で現在の発電電力に余剰があると判定される。

また、検出された現在の電力が図に示すＷ２である場合には、記憶済みの発電特性情報を用いて求める動作電流は、中レベルの日射量における最大動作点Ｍの横座標に相当する動作電流の値となる。そして、ステップ４０で検出された動作電流の値が図のＲ３の横座標に相当する値である場合には、Ｒ３の横座標から最大動作点Ｍの横座標を差し引いた値、すなわちステップ５０での差の算出値は、所定値Ｄよりも大きいため、ステップ６０での判定はＹＥＳとなり、ステップ７１で現在の発電電力に余剰があると判定される。

次に、ステップ７１で現在の発電電力が余剰ありと判定した場合に、自立運転において実施する特徴的な制御について図４にしたがって説明する。図４に示すように、システムＥＣＵ７は、現在の発電電力に余剰があるため、ステップ７１０で、非常用電源コンセント５から電力使用機器４に対して出力する電力量を予め定める最大電力量に設定する処理を実行する。最大電力量は、例えば、自立運転における電力使用機器４への供給電力量としてパワーコンディショナ２に予め設定されている電力量（前述の１５００Ｗ）とすることができる。そして、システムＥＣＵ７は、設定された最大電力量を非常用電源コンセント５から出力する自立運転を実行する（ステップ７１１）。

次に、ステップ８１で現在の発電電力が余剰ないと判定した場合に、自立運転において実施する特徴的な制御について図５にしたがって説明する。図５に示すように、システムＥＣＵ７は、現在の発電電力に余剰がなく、供給電力不足によるパワーコンディショナ２からの停電を防止するため、ステップ８１０で、非常用電源コンセント５から電力使用機器４に対して出力する電力量を予め定める所定量以下に設定する処理を実行する。個の所定量は、例えば、太陽光発電装置の発電電力の実績に基づいて、パワーコンディショナ２からの停電が発生しないような値に設定することができる。そして、システムＥＣＵ７は、設定された所定量以下の電力を非常用電源コンセント５から出力する自立運転を実行する（ステップ８１１）。

以下に、第１実施形態の電力供給システム１００がもたらす作用効果を述べる。電力供給システム１００は、太陽電池パネル１の発電時の動作電流または動作電圧と発電電力とに関する発電特性情報を記憶するとともに、太陽電池パネル１の現在の動作電流または動作電圧と発電電力とを検出するシステムＥＣＵ７を備える。システムＥＣＵ７は、電力使用機器４を作動させるための電力として、電力系統３からの電力が使用できず、太陽電池パネル１の発電電力を使用する条件が成立した場合に、記憶している発電特性情報を用いて当該検出した現在の発電電力に対応する動作電流または動作電圧を求め、当該求めた動作電流または動作電圧と当該検出した動作電流または動作電圧とを比較した結果を用いて、太陽電池パネル１が受ける現在の日射量を推定する。

この制御によれば、記憶済みの発電特性情報から現在の発電電力に対応する動作電流または動作電圧を求める。これにより、システム固有の発電特性に適合した現在の動作電流または動作電圧を取得することができる。そして、システム固有の発電特性に基づいて求めた動作電流または動作電圧と実際に検出装置により検出された現在の動作電流または動作電圧との比較結果から、現在の日射量を推定することにより、発電時の外部の影響等に左右されないで現在の日射量を求めることができる。

電力供給システム１００によれば、例えば、モニタ用の太陽電池パネルと発電用の太陽電池パネルとに当たる日射量に違いがある場合に、この状況において起こり得る日射量判定の問題を解消することができる。したがって、電力供給システム１００によれば、外部状況の影響を受けにくく、現在の日射量の推定精度を高めることができるため、系統電力を電力使用機器に供給できない場合に、太陽光発電装置によって得られる発電量を正確に把握することができる。

また、電力供給システム１００によれば、停電等で系統電力を電力使用機器４に供給できない場合に、太陽光発電装置によって得られる発電量によって自立運転が可能か否かを正確に判定することができる。したがって、ユーザーは、停電時にどの程度の自立運転が可能かどうかを知ることができるため、判定に応じた適切な措置を講じることができ、利便性が向上する。

また、電力使用機器４として蓄電池が採用される場合には大きな充電電力を必要とすることがある。このような場合、大きな充電電力に起因するパワーコンディショナ２の停電が頻発するという問題がある。そこで、電力供給システム１００によれば、停電時にどの程度の自立運転が可能かどうかを知ることができるため、パワーコンディショナ２の停電を回避しつつ、必要な急速充電を実施することが可能になる。

また、システムＥＣＵ７は、ステップ４０で検出した動作電流または動作電圧と発電特性情報から求めた動作電流または動作電圧との差が所定値以上である場合は現在の日射量レベルを高いと判定し（ステップ７０）、所定値未満である場合は現在の日射量レベルを低いと判定する（ステップ８０）。

これによれば、電力供給システム１００が適用される電力使用機器４の種類、ユーザーの電力使用頻度、使用量、緊急性等に応じて、当該所定値を設定すれば、ユーザーの使用実態に適した電力供給システム１００を提供することができる。

また、システムＥＣＵ７は、発電特性情報として、発電時の最大発電電力と当該最大発電電力に対応する動作電流または動作電圧とを記憶する。これによれば、発電時の最大発電電力を反映させて算出した値と検出した値とを比較するため、太陽光発電装置が受ける日射量のレベルを、より厳しい状況を加味した上で判定することができる。

また、システムＥＣＵ７は、太陽光発電装置の発電電力を売電可能であり電力使用機器４で使用可能でもある連系運転中に、太陽光発電装置の動作電流または動作電圧と発電電力とを検出して発電特性情報として記憶する。これによれば、日常のシステムの使用環境、使用実態等を反映した発電特性情報に更新することができる。

また、システムＥＣＵ７は、太陽光発電装置の動作電流または動作電圧の検出値と発電電力の検出値とについてそれぞれ所定期間の移動平均を算出した値を発電特性情報として記憶する。これによれば、発電特性が経時的に変化しやすい状況にある場合には、その平均値を採用することにより、初期データからのズレを改善する日射量判定を実施できる。

また、システムＥＣＵ７は、ステップ６０での比較の際には、発電特性情報から求めた動作電流または動作電圧を、温度センサ２０の検出信号による太陽電池パネル１の温度またはその周囲温度（例えば外気温度）を用いて補正し、当該補正した値とステップ４０で検出した動作電流または動作電圧とを比較することが好ましい。これによれば、太陽電池パネル１の温度またはその周囲温度に関連して発電特性情報が変化していく場合に、適正に対応する日射量判定を実施することができる。

例えば、太陽電池パネル１の温度またはその周囲温度が、記憶済みの当該温度と発電特性情報に関連データに照らして、高いと判断した場合には、発電特性情報から求めた動作電流または動作電圧を低くなるように補正する。一方、太陽電池パネル１の温度またはその周囲温度が、前述の関連データに照らして、低いと判断した場合には、発電特性情報から求めた動作電流または動作電圧を高くなるように補正する。

（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

本願発明に係る電力供給システムにおいて、制御装置の一例であるシステムＥＣＵ７が記憶する発電特性情報は、上記実施形態のように書き換えられて更新される形態の他、記憶装置に予め記憶された発電特性情報を更新することなく、日射量の推定に活用する形態であってもよい。

上記実施形態では、電力使用機器４が設置される建物は住宅であったが、この形態に限定されない。例えば、建物は、商業施設、公共施設、工場、倉庫等であってもよい。

１…太陽電池パネル（太陽光発電装置）
４…電力使用機器
７…システムＥＣＵ（制御装置）

Claims

太陽光エネルギーを用いて発電する太陽光発電装置（１）と、
前記太陽光発電装置によって得られる発電電力、電力系統から得られる電力を使用して作動する電力使用機器（４）と、
前記太陽光発電装置の発電時の最大発電電力と当該最大発電電力に対応する動作電流または動作電圧とに関する発電特性情報を記憶するとともに、前記太陽光発電装置の現在の動作電流または動作電圧と発電電力とを検出する制御装置（７）と、
を備え、
前記制御装置は、前記電力使用機器を作動させるための電力として、前記電力系統からの電力が使用できず、前記太陽光発電装置の発電電力を使用する所定の条件が成立した場合に、前記記憶している発電特性情報を用いて前記検出した現在の発電電力に対応する動作電流または動作電圧を求め、前記求めた動作電流または動作電圧と前記検出した動作電流または動作電圧とを比較した結果を用いて、前記太陽光発電装置が受ける前記現在の日射量が十分か否かを推定することを特徴とする電力供給システム。
前記制御装置は、前記検出した動作電流または動作電圧と前記求めた動作電流または動作電圧との差が所定値以上である場合は現在の日射量レベルを高いと判定し、所定値未満である場合は現在の日射量レベルを低いと判定することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
前記制御装置は、前記太陽光発電装置の発電電力を売電可能であり前記電力使用機器で使用可能でもある連系運転中に、前記太陽光発電装置の動作電流または動作電圧と発電電力とを検出して前記発電特性情報として記憶することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力供給システム。
前記制御装置は、前記太陽光発電装置の動作電流または動作電圧の検出値と発電電力の検出値とについてそれぞれ所定期間の移動平均を算出した値を前記発電特性情報として記憶することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電力供給システム。
前記制御装置は、前記比較の際には、前記求めた動作電流または動作電圧を、前記太陽光発電装置に含まれる太陽電池パネル（１）の温度またはその周囲温度を用いて補正し、当該補正した値と前記検出した動作電流または動作電圧とを比較することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電力供給システム。