(57)【要約】【課題】主に商用電力系統との連係可能な太陽光発電システムであって、商用電力系統が事故や有事で使用できなくなった場合でも、負荷に対し電力を供給し自立運転が可能な太陽光発電システムを提供すること。【解決手段】太陽電池５１と蓄電池５７と自家発電機５６を備え商用電力系統５４と連係可能な太陽光発電システムであって、商用電力系統５４が停電等で使用できなくなった場合には、太陽電池５１による電力と自家発電機５６による電力、及び、蓄電池５７に予め蓄電された電力によって負荷への電力供給を可能とする。また、進相コンデンサ６２を備えることにより負荷の電力損失を改善し、充放電制御盤５８により蓄電池５７への深夜電力の補充電を可能とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電設備と蓄電設備と自家発電機を備えた商用電力系統との連係運転が可能な太陽光発電システムであって、商用電力系統が停電した場合には、太陽電池による発電電力と蓄電設備からの出力電力と自家発電機による電力により自立運転が可能であり、蓄電池の充電にあたって、太陽電池による電力と商用交流系統による電力の双方を充電可能とし、深夜の商用電力系統の電力を優先して蓄電可能としたことを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
太陽光発電設備と蓄電設備と自家発電機を備えた商用電力系統との連係運転が可能な太陽光発電システムであって、負荷への電力供給にあたって力率改善のための進相コンデンサを有することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は自然エネルギーである太陽光により発電する太陽光発電システムに関し、発電した電力は通常は負荷で消費するとともに、余剰電力は商用電力に売電する。また、商用電力系統が停電等で使用できない災害時や有事の時にはバックアップ電源として利用可能な太陽光発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  太陽光発電は発電時に二酸化炭素の発生がなく地球温暖化防止対策の手段の一つとして近年普及が進んできている。日射があれば発電するが日照度の変化により発電される電力が変動する。太陽光発電は日中に日射がある場合は発電するのに対し、曇天時や悪天候時には出力が低下し、また夜間には出力できない。そのため、太陽電池による電気出力を常時使用する設備類の負荷に使用する場合には、太陽電池の出力低下時に商用電力系統からの電力を使用する必要があり、また、高齢者や災害による被災者が利用する施設にあっては、商用電力系統が停電した場合でも太陽電池による電力を利用して施設内負荷へ安定した電力の供給が可能な自立運転型の太陽光発電システムの普及が期待されている。
【従来技術】
【０００３】  従来の主に太陽電池と蓄電池を組み合わせ太陽光発電システムについて述べる。図１は従来の太陽電池と蓄電池とを備えた太陽光発電システムの電力の供給状態のパターン示す概略図である。
図１において（１）と（３）は商用電力系統との連係機能を有さないシステムにおける電力の供給状態を示すものであり、（１）は日中の日射があり太陽電池から電力が得られる場合の電力供給状態、（３）は夜間時等の太陽電池からの電力供給が得られない場合の蓄電池や負荷への電力供給状態を示したものである。
また、図１において（２）と（４）は商用電力系統との連係機能を有するシステムの場合の電力供給状態を示すものであり、（２）は日中の日射があり太陽電池から電力が得られる場合の電力供給状態、（４）は夜間時等の太陽電池から電力が得られない場合の蓄電池や負荷への電力供給状態を示したものである。
なお、図１の（１）から（４）の各図において矢印（→）は電力の供給方向を示すものである。
【０００４】  図１に示す太陽光発電システムの機器の構成としては、太陽電池から蓄電池の間には集電箱及び制御盤を介する構成となっている。また、蓄電池から負荷への電力の供給に至る間の機器の構成として制御盤及び直流電流を交流電流に変換するためのインバータを介する構成となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  図１に示す構成の従来の太陽光発電システムは、地震や台風災害等で商用電力系統が使用できない場合を想定したものではないので、商用電力系統が使用できない時は、これら太陽光発電システムを運用する場合以下のような問題がある。
図１に示す構成の太陽光発電システムでは、太陽電池で発電された直流電力をまず蓄電池に充電する。蓄電池に必要な充電量が確保されてから制御盤を介して蓄電池から直流電流をインバータで交流電力に変換するので、蓄電池に十分に充電されていない場合や太陽電池の出力が小さい場合には電力を負荷に供給できない。
本発明は上述の点に鑑みてなされるもので、商用交流系統が災害や有事等で使用できなくなった場合でも負荷に電力を供給することが可能となる自立運転型の太陽光発電システムを提供することを目的とするものである。
【問題を解決するための手段】
【０００６】  前記課題を解決するため本発明では、太陽電池と蓄電池と自家発電機を備えて商用電力系統と連係可能な太陽光発電システムであって、かつ、商用電力系統が停電等で使用できなくなった場合には、太陽電池による電力と自家発電機による電力、及び、蓄電池に予め蓄電された電力によって自立運転を可能とした太陽光発電システムであって、請求項１の発明は、前記蓄電池への充電の手段として太陽電池による直流電力及び商用電力系統による交流電流を直流電流に変換した電力の双方を充電可能としたことを特徴とするものである。また、前記蓄電地への商用電力系統からの電力の蓄電にあたって、深夜時の電力を昼間時の商用電力に優先して蓄電することを特徴とした太陽光発電システムである。
【０００７】  請求項２の発明は、電力負荷の力率が小さい場合には同一の電力を使用する場合においても電流が増大し電力損失も増加する。また、商用電力系統からの電力の供給を受ける場合にあっては、力率が小さいと電力料金も割高となる。よってこれらの電力損失を改善するための進相コンデンサを有することを特徴とした太陽光発電システムである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】  以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は本発明の概略構成例を示す図である。図示するように、本発明の太陽光発電システムは、太陽電池５１と蓄電池５７と前記太陽電池と前記蓄電池から出力される直流電流を交流に変換し負荷５５に電流を供給し商用電力系統５４との連係に関する各種制御を行う連係制御盤５３を備えるものであり、且つ、太陽電池からの電力及び商用電力系統５４からの電力の双方を蓄電地５７に充電可能とするための開閉器５９ａ、５９ｂを備えるとともに、前記蓄電池の放充電量を計測するセンサ６０と前記計測値を用いて充放電量等を演算する回路６１を備え、蓄電池５７への充電と放電を制御するための充放電制御盤５８を備えるものである。また、商用交流系統５４が使用できなくなった場合の交流系統電源のバックアップとして自家発電機５６を備えるものである。更に、電力への負荷供給にあたっての力率の改善と電力損失を抑制するための進相コンデンサ６２を備えるものである。
【０００９】  本発明の太陽光発電システムにおいては、商用電力系統との連係運転が可能であり、商用電力系統が停電等で使用できなくなった場合には自立運転が可能としたものである。
日中の日射がある場合は、太陽電池５１で発電された直流電流は集電箱５２で集電され連係制御盤５３に内蔵されたインバータにより直流電流を交流電流に変換し商用電力系統５４に連係され、余剰電力が生じた場合は逆潮流され売電することができる。また、事故防止のため自動的に逆潮流を遮断するためのインターロックを備えている。
【００１０】  （連係制御盤のシステム構成）
連係制御盤５３については、直流電流を交流電流にするためのインバータ、絶縁トランス、連係保護リレーを内蔵した制御ユニットで構成されている。インバータは自励式電圧型トランジスタＰＷＭ方式電流制御方式を採用し、インバータの主開路方式は電圧型、制御方式は電流制御方式を採用している。絶縁トランスの系統側にマグネットスイッチが内蔵されており、インバータと商用電力系統との連係／遮断を行う方式としている。また前記制御ユニット内に設置している連係保護リレーは複合型のデジタル式リレーで、ＵＶＲ、ＯＶＲ、ＵＦＲ、ＯＦＲの各リレーの他、系統復電時の再投入時間を設定するタイマを備えている。各リレーの整定値、整定時間は任意に設定可能となっている。
【００１１】  （インバータの運転と停止の方法）
連係制御盤５３に内蔵されたインバータは太陽電池の出力を監視し自動的に運転／停止を行う方式を採用している。停止は内蔵された開閉器によるものである。また商用電力系統との同期は、並列商用電源電圧を確認し、電圧、周波数、位相の同期した出力を発生させた後、内蔵の開閉器を開路し電流を暫増させる。力率については並列商用電源電圧を基準とし、同位相の電流を供給する力率１制御を行う。また太陽電池出力が最大となるよう自動制御する。また、インバータ出力電圧の上昇時に自動的に進相運転を行い出力抑制制御を行う。なお、インバータの制御電源については太陽電池からの発生電力を使用し、低日射時には商用電力系統よりコンバータを介して直流に変換しバックアップさせている。以上の制御機能についてはインバータの制御機能として内蔵されている。
実施例では太陽電池の開放電圧が起動電圧の設定値を超えて２０分経過、または、前記の起動電圧が設定値の１０５％以上を１０秒間経過する場合にインバータの運転を行い、太陽電池の電流が定格の５％以下となり２０分経過した場合に停止を行う設定としている。なお、前記起動電圧は太陽電池の２５℃における最適電圧を８０％した値に１０Ｖを加えた値に設定している。
【００１２】  （単独運転検出機能）
連係制御盤５３に内蔵されたインバータにおける単独運転の検出機能については、受動的方法と能動的方法の２つの手法を用いている。受動的方法については、商用電力系統において一定の位相跳躍を検出すれば単独運転と判定し、インバータのゲートブロック及び開閉器開放を行う。検出方法として系統電圧の毎サイクルの周期を計測し、前１０サイクルの平均位相に対する位相の跳躍を監視するものである。整定値は２°、整定時間は０．１７秒（６０Ｈｚ）としている。整定時間内に位相変化が平均位相に戻った場合には誤検出防止のため検出しない。能動的方式については、インバータの出力電流の周波数を周期的に変化させることにより、無効電力を変動させ、これに対する系統の周波数の周期的変化を抽出して単独運転の検出を行うものである。インバーターが商用電力系統に連係されている場合は、系統電圧の周波数は商用周波数に等しく無効電力の変動による影響は現れないが、系統が停電し単独運転が発生すると、無効電力の変動に対応した周波数変化が発生する。したがって、これを監視することにより単独運転を検出している。
【００１３】  （連係運転時の制御方法）
本発明の太陽光発電システムの自立運転時の場合を除く負荷への電力の供給は、昼間のみを対象とし、夜間は太陽電池出力を監視し、連係制御盤５３を構成するインバータに内蔵された開閉器（コンタクタ）によりインバータを停止させ、インバータへの直流電力の入力を遮断させている。また、昼間に日射不足により太陽電池からの電力が給電不足となる場合も前記同様にインバータへの直流電力を遮断させている
【００１４】  （連係保護機能）
実施例においては公共施設への設置であるため、発電装置側遮断器による太陽電池の発電停止を採用し、在来負荷への商用電力系統からの給電を優先した方式としている。
【００１５】  （自家発電機の起動）
自家発電機５６は事故や有事により商用電力系統が使用出来なくなった場合に、商用交流系統に替わる交流電力の供給手段として使用される。自家発電機は単独運転検出機能の指令により発電点電磁開閉器（ＯＶＧＲ，ＯＶＲ、ＵＶＲ、ＯＦＲ、ＵＦＲ）を開路するとともに、インバータを停止させ太陽電池による発電の出力を停止・解列させると同時に、起動させるように制御を行っている。
【００１６】  （復電後自動運転）
停電復電後（ＵＶＲのみによる停止時）及び単独運転検出による停止後において停電が認められなかった場合は、計時後に自立的に太陽光発電システムからの負荷側への電力の供給を再開する。なお、停電後自立運転状態に入った場合は、復電しても自立運転専用負荷のライン及びインバータの自立運転切り替えスイッチが各々連係状態に戻っていない限り連係されることはなく、これらの確認がとれた後連係するものである。
【００１７】  （制御電源）
連係制御盤の制御電源については蓄電池バックアップの直流電源装置を使用している。また、継電器用と計測等の一般制御用は別個の蓄電池として信頼性を高めている。
【００１８】  （逆潮流の有無）
当該実施例では系統配電線は一般高圧線であることから、高圧連係逆潮流有りとしている。
【００１９】  （蓄電池の充放電制御）
蓄電池５４の充放電制御は充放電制御盤５５によって行われている。
蓄電池５４は充放電制御盤５５に制御される切換可能な２つの開閉器（５９ａと５９ｂ）によって、商用交流系統５４による交流電流と太陽電池５１によって発生する直流電流の双方の電力を蓄電可能な構造としている。
【００２０】  （蓄電池の補充電と回復充電）
次に、上記のように構成された実施の形態の補充電と回復充電方法について述べる。
【００２１】  （補充電について）
日中は太陽電池５１の発生電力は連係制御盤５３を介して商用電力系統５４と系統連係運転されるが、系統連係運転の起動／停止は通常日射強度に依存して行われるために、日中でも曇天や雨天時の日照強度が微妙に変化する場合においては起動／停止が繰り返されることになる。このため、蓄電池５４への補充電は系統連係系統の起動／停止の状態が繰り返し生じない状態下である系統連係停止後に行うことが好ましく、そのため実施例では昼間から夜間に移行した時の系統連係運転後に開閉器５９ｂにより商用電力系統５４側の電力を充放電制御盤を介して蓄電５７へ充電可能としたものであり、また、補充電を電気料の安い深夜電力の時間帯に設定可能としたものである。
【００２２】  （蓄電器の放電電気量）
自立運転が行われている間は、蓄電池回路に設けられたセンサ６０により充電電流及び放電電流が検出され、充放電量計測回路６１に逐次信号出力される。次に、放充電量計測回路６１ではセンサ６０から出力される充電電流及び放電電流の信号の各積算値が計測され、これから全体の放電電気量を算出して回復充電の充電量と充電圧（固定値）が決定される。次に前記決定値が充放電制御盤５８に信号出力され、その後、充放電制御盤５８によって前記充電量と充電圧に基づく充電が行われるように開閉器５９ａ、５９ｂを切換えて太陽電池側若しくは商用電力系統側に接続させて回復充電を行うものである。
【００２３】  （回復充電について）
また、前記の回復充電は自立運転の運転後に行われる。毎日の補充電が商用電力系統５８側の深夜電力の時間帯に行われるのに対し、回復充電は、次の災害・有事等による商用電力系統の事故にいち早く対応し自立運転が可能となるよう、商用系統との連係運転前に行っている。その時、太陽電池による出力がある場合は開閉器５９ａにより太陽電池による直流電力を蓄電池に充電し、太陽電池による出力が無い場合は開閉器５９ｂにより商用電力系統５４の交流電流を直流に変換し蓄電池５７の回復充電を行っている。
【００２４】  （進相コンデンサ）
進相コンデンサ６２を用いた力率の改善方法について説明する。
電力負荷の力率が小さい場合には同一の電力を使用する場合においても電流が増大し電力損失も増加する。また、商用電力系統からの電力の供給を受ける場合にあっては、力率が小さいと電力料金も割高となる。よってこれらの電力損失を改善するための進相コンデンサを設置している。進相コンデンサにより力率を改善すれば同一電力に対し電流を低減でき、電流を低減する事により損失を低減する事ができる。また、力率の改善により商用電力使用時の電気料金も安価にすることができる。
【００２５】  （太陽光発電と風力発電と水力発電との組合せ方法の例）
次に、本発明で示した太陽光発電システムと風力発電及び水力発電とを組み合わせた場合の構成例を説明する。
【００２６】  図３は本発明で示した太陽光発電システムに風力発電設備と水力発電設備とを組み合わせた場合の太陽電池及び風力発電機及び水力発電機による集電方法を示したものである。集電箱６３は太陽電池６４及び風力発電機６５ａと６５ｂ及び水力発電機６６ａと６６ｂの各々の発電による直流電流を集電させる構造としたものである。図３においては風力発電機と水力発電機をそれぞれ２基づつ組み合わせた場合の集電方法を示したものであるが、風力発電機や水力発電機を複数個を適宜加えたものであっても問題ない。
本発明の太陽光発電システムにおいては、前記するように風力発電機や水力発電機を複数追加し電力出力を増加させて負荷への電力供給を可能としたものである。
【００２７】  （施設内への配電方法の例）
図４は電力の消費（負荷）施設が広く存在する場合に、施設内の送電損失を低減させるために施設内に変電設備を２基設けた場合の商用電力系統から連係制御盤に至る間の電気設備の配置を示したものである。高圧の商用電力系統７１を２箇所の変電設備７３ａ、７３ｂで低圧に変電しそれぞれに負荷７５ａ、７５ｂに電力を供給可能としたものであり、且つ、各々の変電設備に対して進相コンデンサ７４ａ、７４ｂ及び商用電力系統が事故等で使用できなくなった場合の自家発電機７６ａ、７６ｂを配置したものである。この図のように高圧の商用電力を複数の変電設備で低圧に変換しそれぞれに負荷へ電力を供給可能とすることにより、広い施設内へ電力を供給する場合であっても、施設内の送電損失を低減可能とすることができる。
【発明の効果】
【００２８】  本発明の太陽光発電システムによって以下のことが可能となる。
【００２９】  （連係運転に関して）
商用電力系統とインターロックを有する機能を活かしながら機能連係運転が可能であり、商用電力系統への逆潮流を可能とした太陽光発電システムである。したがって、商用電力の消費量の大幅な削減が可能であり、また、商用電力への余剰電力の売電も可能となることから、当該システムを使用する施設の電力コストの低減が可能である。
【００３０】  （自立運転に関して）
蓄電池と自家発電機を備え、蓄電池への充電は商用交流電力と太陽電池による直流電力の双方を充電可能とした構造としている。したがって、太陽電池出力が無くなる夜間や雨天・曇天時に災害や有事等で商用電力系統が使用できなくなった場合においても安定・継続的に自立運転が可能であり施設内負荷へ電力を供給可能である。また、商用電力系統復帰後はいち早く次の災害・有事等に対応するため、商用交流電力と太陽電池の直流電力いずれでも蓄電池への回復充電が可能であり、バックアップ電源としての信頼性が著しく向上する。また、常時は電気料金の安価な深夜の商用電力を優先的に補充電することでコストも削減可能である。
【００３１】  （進相コンデンサに関して）
負荷への電力供給にあたっては負荷側に進相コンデンサを備えている。したがって、電力の使用にあたっての電力損失を低減することが可能であり、商用電力使用時のコスト削減はもちろんのこと、電気エネルギーの効率的な利用が可能となる。
【００３２】  太陽電池による電力だけでなく水力発電や風力発電設備といった自然エネルギーによる電力も組み合わせてのシステム構築が可能となるので、売電や二酸化炭素の排出権取引による利益を享受するシステムの構築も容易に可能となる。
【００３３】  （二酸化炭素の削減量について）
近年、二酸化炭素による地球温暖化が社会問題化されており、そのための低炭素社会の実現が求められている。当該発明の太陽光発電システムによる二酸化炭素の削減量の例は以下のとおりとなる。例えば、太陽電池等の自然エネルギーによる電力出力を５００ｋＷとすると、日当りの発生電力量は５００ｋＷ×９．０ｈ／日＝４，５００ｋＷｈ／日となり、年当りの発生電力量は４，５００ｋＷｈ／日×３６５日／年＝１，６４２，５００ｋＷｈ／年となる。故に年間の二酸化炭素の削減量は０．５５５ｋｇ／ｋＷｈ  ×１，６４２，５００ｋＷｈ／年＝９１１，５８７ｋｇ／年＝９１０トン／年となる。
【００３４】  （進相コンデンサによる電力損失低減量と二酸化炭素量の低減量）
また進相コンデンサを負荷側に備えることによって力率を８５％から１００％に改善し１５％電力損失を削減することにより、例えば、使用電力が２００ｋＷの場合、日当りでは２００ｋＷ×１５％×２４ｈ／日＝７２０ｋＷｈ／日、また、年当りでは７２０ｋＷｈ／日×３６５日＝２６２，８００ｋＷｈ／年の電力損失を低減することとなり、これを年間の二酸化炭素に換算すると、０．５５５ｋｇ／ｋＷｈ×２６２，８００ｋＷｈ／年＝１４５，８５４ｋｇ／年＝１４５トン／年となる。
【００３５】  よって、上記に示した例における本発明の太陽光発電システムを用いた場合、太陽光等の自然エネルギーによる二酸化炭素削減量と進相コンデンサによる二酸化炭素削減量を合わせると、約１千トンもの二酸化炭素の削減が可能となる。
【００３６】  以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許の請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来方式の太陽光発電システムでの電力供給形態を示す図
【図２】本発明における太陽光発電システムの実施例
【図３】複合発電設備による集電方法
【図４】施設内への配電方法
【図５】連係保護ブロック図
【図６】自立運転時のシーケンス
【符号の説明】５１    太陽電池
５２    集電箱
５３    連係制御盤（連係インバータ）
５４    商用交流系統
５５    負荷
５６    自家発電機
５７    蓄電池
５８    充放電制御盤
５９ａ  直流電源側に接続する場合の開閉器
５９ｂ  交流電源側に接続する場合の開閉器
６０    充電電流と放電電流を計測するセンサ
６１    充放電量計測回路
６２    進相コンデンサ
６３    集電箱
６４    太陽電池
６５ａ  風力発電機その１
６５ｂ  風力発電機その２
６６ａ  水力発電機その１
６６ｂ  水力発電機その２
７１    連係制御盤（連係インバータ）
７２    商用交流系統
７３ａ  変電設備その１
７３ｂ  変電設備その２
７４ａ  進相コンデンサその１
７４ｂ  進相コンデンサその２
７５ａ  負荷その１
７５ｂ  負荷その２
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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