JP6234595B2 - 太陽光エアコンシステム - Google Patents

Description

本発明は、電力エレクトロニクス及びエアコン冷房技術分野に関し、特に、太陽光（発電）エアコンシステムに関する。

クリーンエネルギーとしての太陽エネルギーはますます人々の注目を集めており、電気技術及びエアコン技術の発展に伴って、太陽光をエアコンのエネルギーとする技術も開発され、既に多くの特許や論文には関連技術が開示されている。例えば、中国特許出願公開第ＣＮ１０２７０５９４４Ａ号明細書には、インバータモジュールと、整流・インバージョン・系統連系モジュールを有するエアコン周波数コンバータを備え、太陽光電池によってエアコンに給電するとともに、系統連系型の発電を行うことのできる太陽エネルギー周波数可変エアコンシステムが開示された。

しかしながら、既存技術における太陽光エアコンシステムには適用性に欠けている問題が存在し、付属施設に対する制限も多い。これは、既存技術において、系統連系に必要な系統連系インバータモジュールがエアコンユニットの周波数コンバータ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の一部であるため、系統連系型発電を行う時、エアコンユニットにも給電しなければならないからである。その結果、エネルギーを浪費してしまい、エアコンユニットの使用寿命にも影響を与えてしまう。また、エアコン周波数コンバータの容量の制限を受けて、エアコンのパワーに相当する太陽光電池モジュールを配置しなければならないので、エアコンユニットに合わせて太陽光発電システムを新たに構築するしかできず、エアコンシステムを既存の太陽光発電所に接続することができなく、接続すると、エアコン周波数コンバータの容量の制限を受けて、太陽光発電所から発電された電気エネルギーの全てを系統連系することができず、電気エネルギーをかなり浪費することになる。

そして、既存技術には、エアコンユニットが作動停止された時、太陽光発電システム中のインバータや、コンバータ等の電子パワー素子が冷却されない問題も存在している。

既存技術の欠陥を解消するため、本発明の実施例は、既存技術において太陽光エアコンシステムの適用性が悪い問題を解決できる太陽光エアコンシステムを提供する。

本発明の実施例によって、以下の技術案が提供される。
太陽光（発電）エアコンシステム（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）は太陽光電池アレイと、エアコンユニットと、電流変換ユニットと、第１の直流バスと、第２の直流バスと、を備える。エアコンユニットは、前記エアコンユニットに給電し、前記エアコンユニットの標準付属品である第１のインバータモジュールを更に含み、第１のインバータモジュールの容量は前記エアコンユニットのパワーに応じて設定され、電流変換ユニットは第１端が公共電力網に接続され、第２端が第１の直流バスを介して第１のインバータモジュールに電気的に接続される構造独立したユニットであり、電流変換ユニットの容量は太陽光電池アレイ及び／又は公共電力網の需要に応じて設定され、太陽光電池アレイは第２の直流バスを介して第１の直流バスに電気的に接続される。

前記太陽光電池アレイの出力電力が前記エアコンユニットの作動に必要な入力電力以上である時、前記エアコンユニットは太陽光電池アレイのみによって給電され、前記太陽光電池アレイの出力電力がエアコンユニットの作動に必要な入力電力未満である時、公共電力網と太陽光電池アレイは連携してエアコンユニットに給電することが好ましい。

前記太陽光電池アレイの出力電力がエアコンユニットの作動に必要な入力電力を超える時、又はエアコンユニットが作動しない時、電流変換ユニットは太陽光電池アレイから出力された直流電流を交流電流に変換して公共電力網に伝送することが好ましい。

電流変換ユニットは整流モジュールと、第２のインバータモジュールと、を含むことが好ましい。

前記電流変換（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）ユニットは４象限コンバータであることが好ましい。

太陽光電池アレイと第２の直流バスとの間に設けられる太陽光コレクターユニットと、配電ユニットとを更に備える太陽光エアコンシステムであって、前記太陽光電池アレイ、太陽光コレクターユニット、配電ユニット、及び第２の直流バスが順に接続されることが好ましい。

エアコンユニットは遠心式冷水エアコンユニット、又はスクリュー式冷水エアコンユニットであることが好ましい。

太陽光エアコンシステムは電流変換ユニット冷却装置を更に備えることが好ましい。

エアコンユニットは蒸発器と、第１の凝縮器とを更に含み、電流変換ユニット冷却装置は順に直列に接続される冷媒ポンプと、スロットリング素子と、熱交換器とを含み、冷媒ポンプは第１端が前記第１の凝縮器に連通され、第２端がスロットリング素子に連通され、前記熱交換器は第１端がスロットリング素子に連通され、第２端が前記蒸発器に連通され、前記電流変換ユニットは前記熱交換器と熱交換を行うことで、温度が下げられることが好ましい。

電流変換ユニット冷却装置は前記冷媒ポンプと並列に接続され、入り口が前記第１の凝縮器に連通され、出口が前記スロットリング素子に連通される逆止弁を更に含むことが好ましい。

エアコンシステムは熱交換器と蒸発器との間に接続される第２の凝縮器を更に含むことが好ましい。

本発明の実施例によれば、以下の有益な効果を実現できる。本発明の実施例に係る太陽光エアコンシステムは、さまざまな容量の異なる太陽光発電所に適用可能であり、太陽光発電所と暖房、換気、及び空調機能を有するエアコンとのシームレス且つ効率的な結合を実現することができる。

本発明の実施例１に係る太陽光（発電）エアコンシステムの構造を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る太陽光エアコンシステムの周波数変換ユニット冷却構造を示す模式図である。

本発明の目的、技術案及びメリットを一層明確化するため、以下、図面と実施例を結合して本発明を更に詳しく説明する。なお、ここで説明する具体的な実施例は本発明を解釈するためのものであって、本発明を限定するものではない。

＜実施例１＞
図１は本発明の実施例１に係る太陽光エアコンシステムの構造を示すブロック図で、該太陽光エアコンシステムは、太陽光電池アレイ１０と、電流変換ユニット２０と、エアコンユニット３０と、第１の直流バス４０と、第２の直流バス５０と、を備える。エアコンユニット３０は第１のインバータモジュール３１を更に含み、第１のインバータモジュール３１はエアコン周波数コンバータの一部としてエアコンユニット３０の標準付属品（ｓｔａｎｄａｒｄ ａｃｃｅｓｓｏｒｙ）であり、直流電流を交流電流に変換して負荷３２に給電し、負荷３２は少なくともエアコンユニットの周波数可変圧縮機を含み、第１のインバータモジュール３１の容量はエアコンユニット３０の電力需要に応じて配置される。第１のインバータモジュール３１は機器に搭載され、エアコンユニット３０に取り付けられることが好ましい。

太陽光電池アレイ１０は、第２の直流バス５０を介して第１の直流バス４０に接続され、太陽光電池アレイ１０で発生した直流電流が第２の直流バス５０と第１の直流バス４０を経由して直接にエアコンユニット３０に給電される。

電流変換ユニット２０は独立した構成要素で、一端が公共電力網６０に接続され、他端が第１の直流バス４０を介して第１のインバータモジュール３１に接続される。電流変換ユニット２０は整流モジュールと第２のインバータモジュールとを含み、整流モジュール２１は公共電力網６０の交流電流を直流電流に変換してエアコンユニット３０に給電し、第２のインバータモジュールは太陽光系統連系型発電に用いられ、太陽光電池アレイ１０で発生した直流電流を交流電流に変換して公共電力網６０に供給する。電流変換ユニット２０の容量は太陽光電池アレイ１０及び／又は公共電力網６０の需要に応じて配置される。電流変換ユニット２０は独立した構成要素として、エアコンユニット自体の制限を受けず、太陽光発電所の建設の要求に応じて容易に配線されて取り付けられることができる。電流変換ユニット２０の主な役割は太陽光電池アレイ１０に対する最大電力点追従（ＭＰＰＴ）を実現することであり、もう一つの主な役割はエネルギーの最適配分を実現し、太陽光発電を優先的に使用し、太陽光電池アレイ１０から出力された電力を優先的にエアコンユニット３０に利用し、エネルギーが不足である時に公共電力網６０から補足するように保証することである。電流変換ユニット２０は４象限コンバータであることが好ましい。

太陽光電池アレイ１０の出力電力がエアコンユニット３０の作動に必要な入力電力以上である時、太陽光電池アレイ１０で発生した直流電流は第１のインバータモジュール３１によって交流電流に逆変換された後、エアコンユニットに給電され、この時、前記エアコンユニット３０は太陽光電池アレイ１０のみによって給電され、公共電力網６０によって給電される必要がなく、この場合、電流変換ユニット２０は作動しない。

太陽光電池アレイ１０の出力電力がエアコンユニット３０の作動に必要な入力電力未満である時、太陽光電池アレイ１０で発生した直流電流が第１のインバータモジュール３１に伝送されてエアコンユニット３０に給電されるとともに、商用電源が電流変換ユニット２０によって直流電流に整流されて第１のインバータモジュール３１に伝送され、公共電力網６０と太陽光電池アレイ１０が連携してエアコンユニットに給電し、太陽光発電の不足を補充する。

太陽光電池アレイ１０の出力電力がエアコンユニット３０の作動に必要な入力電力を超える時、又はエアコンユニット３０が作動しない時、電流変換ユニット２０は太陽光電池アレイから出力された直流電流の一部又は全部を交流電流に変換して公共電力網６０に伝送することで、系統連系型発電を実現する。電流変換ユニット２０がエアコンユニット３０のコントローラに依存しないため、エアコンユニット３０が作動しない状況でも、太陽光電池アレイ１０によって系統連系型発電を行うことができる。

本実施例の太陽光エアコンシステムは、太陽光コレクターユニットと、配電ユニットと、を更に含み、太陽光電池アレイ１０、太陽光コレクターユニット、配電ユニット、及び第２の直流バス５０が順に接続されることが好ましい。

本実施例の太陽光エアコンシステムは、配電ユニットと第２の直流バス５０との間に設けられる直流昇圧モジュールを更に含むことが好ましい。

本実施例において、エアコンユニット３０は中央式エアコンユニットであって、遠心式ウオーターチリングユニット、スクリュー式ウオーターチリングユニット、及び多重連結式エアコンユニットのうちのいずれか１つであることが好ましい。

本実施例に係る太陽光エアコンシステムによれば、エアコンユニットへの正常な給電を保証するとともに、電流変換ユニット２０のタイプを実際の需要に応じて任意に選択することができ、また、エアコンユニット出荷時の機器パラメーターの制限を受けず、エアコンユニットの適用性を向上させ、エアコンユニットが任意の太陽光発電所と整合可能となり、太陽光発電所の電気エネルギーを浪費することがなくなる。

＜実施例２＞
本発明の実施例２に係る太陽光エアコンシステムは空冷方式、水冷方式、冷媒冷却等の冷却方式を利用する電流変換ユニット２０の冷却装置を更に備える。空冷方式を利用する場合、放熱器と冷却ファンを設けて電流変換ユニット２０の温度を下げる。水冷方式を利用する場合、水ポンプと水循環管路を設けて電流変換ユニット２０の温度を下げる。

冷媒冷却方式を利用して電流変換ユニットの冷却を行うことが好ましい。図２に示すように、エアコンユニット３０は、冷却サイクルシステムになるように接続された蒸発器３３と、第１の凝縮器３４と、圧縮機３５と、第１のスロットリング素子３６とを含む。

電流変換ユニット冷却装置は順に直列に設置された冷媒ポンプ６１と、第２のスロットリング素子６２と、熱交換器（未図示）とを、含む。冷媒ポンプ６１は第１端が第１の凝縮器３４に連通され、第２端が第２のスロットリング素子６２に連通され、熱交換器は第１端が第２のスロットリング素子６２に連通され、第２端が蒸発器３３に連通され、熱交換器は電流変換ユニット２０に接触し、電流変換ユニット２０と熱交換を行って電流変換ユニット２０の温度を下げ、即ち、前記熱交換器は冷却器の役割を果たす。第２のスロットリング素子６２は、毛細管、熱膨張弁、電子膨張弁又はスロットルオリフィスのうちの一つ又は複数の組み合せであってもよい。

ここで、熱交換器は内部に冷却剤流路がはめ込まれた金属冷却板であり、金属冷却板は電流変換ユニットに接触している。そして、現場の環境状況、電流変換ユニットの形状、冷却需要等の要素に応じて、適切な冷却器のタイプを選択することもでき、例えば、接触して熱交換を行うことができないか、又は冷却要求があまり高くない素子の場合、フィン付管式熱交換器、プレートフィン式熱交換器等を冷却器として選択することができる。

電流変換ユニット冷却装置は、冷媒ポンプ６１と並列に設けられ、入り口が第１の凝縮器３４に連通され、出口が第２のスロットリング素子６２に連通される逆止弁６３を更に含む。逆止弁６３を設けることで、冷媒の逆移動及び冷媒バイパスの短絡を防止し、充分な冷媒によって周波数コンバータの冷却を行うように保証することができる。冷媒冷却の冷却方式による温度低下効果が顕著であるので、部品タイプの選択要求も適切に低減されることができる。

冷媒は電流変換ユニットを流れた後、大量の熱エネルギーを吸収し、放出されないと、最終的にエアコンユニットの冷媒に累積され、作動停止状態でのエアコンユニットのシステム温度とシステム圧力が絶えずに上昇してしまうことを招く。エアコンユニットが作動停止している状態では、冷却システムを長期にわたって動作させると、システム温度は上昇し続け、電流変換ユニットの冷却効果に影響を与えることになり、システム圧力が絶えずに上昇すると、冷却サイクルシステム全体の安全性に影響を与えることになる。そこで、熱交換器と蒸発器３３との間には第２の凝縮器６４が設けられ、第２のスロットリング素子６２から流出される低温の冷媒は冷却器にて、電流変換ユニットから放熱される熱を吸収して蒸発し、温度が比較的高い冷媒蒸気になり、冷媒蒸気は第２の凝縮器６４に流れた時、空気又は水と熱交換を行い、放熱して凝縮し、再び液体状態の冷媒になって蒸発器３３に入り、エアコンユニットに戻ることで、１冷却循環が完成する。

第２の凝縮器６４の役割は、システムの信頼性を向上させ、エアコンユニットが作動停止している状態でも冷却システムが長期にわたって正常に作動できるようにすることである。また、エアコンユニットが動作を開始する時、第２の凝縮器６４はさらに、大量の熱エネルギーが蒸発器３３に入ってエアコンのエネルギー効率を低減することを防止することができる。第２の凝縮器６４としては、通常、フィン付管式熱交換器又はプレート式熱交換器が用いられる。

電流変換ユニット２０が複数の独立したモジュールからなる場合、対応して、冷媒ポンプ６１と蒸発器３３との間には、並列に接続された複数の熱交換支線が設けられ、各支線にスロットリング素子及び一つ又は複数の熱交換器が設けられ、これにより、各モジュールが放熱される。

本発明に係る電流変換ユニット冷却装置付きの太陽光エアコンシステムによれば、エアコンユニットの作動状態及び作動停止状態のいずれの状態でも電子パワー素子の冷却を行うことができ、既存技術においてエアコンユニットが作動しない時には電子パワー素子の冷却を行うことができない問題を解決し、エアコンユニットが作動しない場合であっても太陽光発電システム中の電子パワー素子の冷却を実現でき、太陽光システムの信頼性を向上させると共に、エアコンユニットの使用寿命を延ばすことができる。

上述のように、本発明は、さまざまな容量の異なる太陽光発電所に適用可能であり、太陽光発電所と暖房、換気、及び空調機能を有するエアコンとのシームレス且つ効率的な結合を実現することができ、同時に、エアコンユニットが作動しない場合であっても太陽光発電システム中の電子パワー素子の冷却を実現でき、太陽光システムの信頼性を向上させると共に、エアコンユニットの使用寿命を延ばすメリットを有する。

上述した実施例は本発明の幾つかの実施形態を示すもので、その説明が具体的且つ詳細であったが、本発明の保護範囲を制限するものであると理解しではいけない。尚、本発明の主旨を離脱しない前提で、幾つかの変形や改善が可能であって、それらは全て本発明の保護範囲に含まれるものであることは当業者であれば理解できることである。よって、本発明の保護範囲は特許請求の範囲を基準とする。

Claims (11)

1. 太陽光電池アレイと、エアコンユニットと、電流変換ユニットと、第１の直流バスと、第２の直流バスと、を備え、
   前記エアコンユニットは、前記エアコンユニットに給電する第１のインバータモジュールを含み、
   前記電流変換ユニットは、第１端が公共電力網に接続され、第２端が前記第１の直流バスを介して前記第１のインバータモジュールに電気的に接続される構造独立したユニットであり、
   前記太陽光電池アレイは、前記第２の直流バスを介して前記第１の直流バスに電気的に接続され、
   電流変換ユニット冷却装置を更に備え、
   前記エアコンユニットは、蒸発器と、第１の凝縮器とを更に含み、
   前記電流変換ユニット冷却装置は、順に直列に接続される冷媒ポンプと、スロットリング素子と、熱交換器とを含み、
   前記冷媒ポンプは、第１端が前記第１の凝縮器に連通され、第２端が前記スロットリング素子に連通され、
   前記熱交換器は、第１端が前記スロットリング素子に連通され、第２端が前記蒸発器に連通され、
   前記電流変換ユニットは、前記熱交換器と熱交換を行うことで、温度が下げられる太陽光エアコンシステム。
2. 前記太陽光電池アレイの出力電力が前記エアコンユニットの作動に必要な入力電力以上である時、前記エアコンユニットは前記太陽光電池アレイのみによって給電され、
   前記太陽光電池アレイの出力電力が前記エアコンユニットの作動に必要な入力電力未満である時、前記公共電力網と前記太陽光電池アレイは連携して前記エアコンユニットに給電する請求項１に記載の太陽光エアコンシステム。
3. 前記太陽光電池アレイの出力電力が前記エアコンユニットの作動に必要な入力電力を超える時、又は前記エアコンユニットが作動しない時、前記電流変換ユニットは、前記太陽光電池アレイから出力された直流電流を交流電流に変換して前記公共電力網に伝送する請求項１に記載の太陽光エアコンシステム。
4. 前記電流変換ユニットは、整流モジュールと、第２のインバータモジュールと、を含む請求項１に記載の太陽光エアコンシステム。
5. 前記電流変換ユニットは、４象限コンバータである請求項４に記載の太陽光エアコンシステム。
6. 前記太陽光電池アレイと前記第２の直流バスとの間に設けられる太陽光コレクターユニットと、配電ユニットと、を更に備え、
   前記太陽光電池アレイ、前記太陽光コレクターユニット、前記配電ユニット、及び前記第２の直流バスが順に接続される請求項１に記載の太陽光エアコンシステム。
7. 前記エアコンユニットは、遠心式冷水エアコンユニット、スクリュー式冷水エアコンユニット、及び多重連結式エアコンユニットのうちのいずれか１つである請求項１に記載の太陽光エアコンシステム。
8. 前記電流変換ユニット冷却装置は、前記冷媒ポンプと並列に接続され、入り口が前記第１の凝縮器に連通され、出口が前記スロットリング素子に連通される逆止弁を更に含む請求項１に記載の太陽光エアコンシステム。
9. 前記熱交換器と前記蒸発器との間に接続される第２の凝縮器を更に備える請求項１に記載の太陽光エアコンシステム。
10. 前記第１のインバータモジュールは、前記エアコンユニットの周波数コンバータに設けられ、容量が前記エアコンユニットのパワーに応じて設定され、
    前記電流変換ユニットは、容量が前記太陽光電池アレイ及び／又は前記公共電力網の需要に応じて設定される請求項１に記載の太陽光エアコンシステム。
11. 前記第１のインバータモジュールは前記エアコンユニットの標準付属品として、容量が前記エアコンユニットのパワーに応じて設定され、
    前記電流変換ユニットは、容量が前記太陽光電池アレイ及び／又は前記公共電力網の需要に応じて設定される請求項１に記載の太陽光エアコンシステム。
    

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