(57)【要約】【課題】蓄電池容量の過剰設計の回避、管理者が現地に赴いての充電作業の回避、仕様以上の不日照期間でのシステムダウンの回避を課題とする。【解決手段】太陽電池と、太陽電池に電気的に接続された変換器と、変換器に電気的に接続された負荷と、変換器に電気的に接続された蓄電池と、蓄電池に電気的に接続された外部発電装置とを備えたソーラーシステムの運転方法において、不日照日が続いて蓄電池への充電が行われない場合、定時刻における蓄電池の電圧データより、電池放電特性を利用してデータ３点を通る電圧と時間との二次式を算出する工程と、該二次式より電池電圧降下状態を予想して、放電注意レベルの電池電圧に達するまでの時間を算出する工程と、算出された時間に基づいて蓄電池への充電を外部発電装置により行う工程とを具備することを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、この太陽電池に電気的に接続された変換器と、この変換器に電気的に接続された負荷と、前記変換器に電気的に接続された蓄電池と、この蓄電池に電気的に接続された外部発電装置とを備えたソーラーシステムの運転方法において、
不日照日が続いて蓄電池への充電が行われない場合、定時刻における蓄電池の電圧データより、電池放電特性を利用してデータ３点を通る電圧と時間との二次式を算出する工程と、この二次式より電池電圧降下状態を予想して、放電注意レベルの電池電圧に達するまでの時間を算出する工程と、算出された時間に基づいて蓄電池への充電を外部発電装置により行う工程とを具備することを特徴とするソーラーシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ソーラーシステムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、太陽電池と、この太陽電池に電気的に接続された変換器と、この変換器に電気的に接続された負荷と、前記変換器に電気的に接続された蓄電池と、この蓄電池に電気的に接続された外部発電装置とを備えたソーラーシステムが知られている。
【０００３】
こうしたソーラーシステムにおいて、ソーラー独立電源基地の蓄電池仕様を決定する場合、従来、過去のデータからの不日照発生日数を平均負荷電流から、不日照発生によってシステムダウンが起こらない程度の、安全率を比較的大きく見積もった蓄電池容量を決定していた。
【０００４】
しかしながら、この場合、過去データの不日照期間をすべて網羅するような設計を行うため、最大スペックになってしまい、過度の容量を有する電池を設置していた。また、それでも設計時の予想を超えた不日照日が続いた場合には、システムダウンを起こしてしまう。
【０００５】
そのため、蓄電池の状態に関係なく定期的に管理者が現地へ赴き、定期的に設置された発電装置を手動で稼動させ、蓄電池への補充電・充電を行っていた。
【０００６】
従来、電池の残量を測定する装置や、太陽電池を用いた自発式道路標識装置等に関する技術としては、下記の特許文献１〜３が知られている。特許文献１は、電圧と放置時間との２値に基づいて電池の残量を測定する方法及び装置に関する。特許文献２は、自発光式道路標識体に外部電力入力端子を設け、外部電力入力端子に外部電源装置を接続することにより、太陽電池によって発生した電力に加えて外部電源装置からの外部電力も蓄電装置に充電するようにした自発光式道路標識体及び自発光式道路標識装置に関する。特許文献３は、太陽電池と外部電源の両方から内蔵バッテリーへの電源供給を可能にすると共に、電源供給されていることを自動的に確認できる電源装置に関する。
【特許文献１】特開平１１−１３３１２２号公報
【特許文献２】特開平１１−２２２８２４号公報
【特許文献３】特開２００３−１１１３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、こうした事情を考慮してなされたもので、過去データの不日照期間を全て網羅するような蓄電池容量の過剰設計を回避するとともに、管理者が現地に赴いて充電作業することを回避し、さらには仕様以上の不日照期間でのシステムダウンを回避しえるソーラー独立電源基地局の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るソーラーシステムの運転方法は、太陽電池と、この太陽電池に電気的に接続された変換器と、この変換器に電気的に接続された負荷と、前記変換器に電気的に接続された蓄電池と、この蓄電池に電気的に接続された外部発電装置とを備えたソーラーシステムの運転方法において、  
不日照日が続いて蓄電池への充電が行われない場合、定時刻における蓄電池の電圧データより、電池放電特性を利用してデータ３点を通る電圧と時間との二次式を算出する工程と、この二次式より電池電圧降下状態を予想して、放電注意レベルの電池電圧に達するまでの時間を算出する工程と、算出された時間に基づいて蓄電池への充電を外部発電装置により行う工程とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、電池容量が減少しても自動的に発電装置で充電するため容量が回復でき、過去データの不日照期間をすべて網羅するような蓄電池容量の過剰設計の必要がなく、蓄電池の電圧低下によるシステムダウンを回避できる。また、管理者が現地へ赴いて充電作業することがなくなる。更に、長期的な無人化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明について更に詳しく説明する。  
まず、本発明に係るソーラーシステムについて図１を参照して説明する。  
図中の符番１は、例えば建屋の屋上に設置される太陽電池（ＰＶ：Photovoltaic）を示す。この太陽電池１には、ＤＣ／ＤＣコンバータ（変換器）２を介して送受信部や電灯等の負荷３が電気的に接続されている。また、前記変換器２には、太陽電池１からの電力を充電したり、負荷３への電力の供給を行う蓄電池４が接続されている。この蓄電池４には、測定部５、処理部６、判断部７及び外部発電装置８が順次電気的に接続されている。また、外部発電装置８は蓄電池４と電気的に接続されている。前記測定部５は、蓄電池４の電圧を測定する機能を有している。前記処理部５は、後に詳述するように、蓄電池の３点の電圧データに基づいて電圧と時間による二次式を近似的に求めたり、放電終止電圧予想日を求める等の処理を行う機能を有する。前記判断部７は、求めた放電終止電圧予想日と設定値とを比較して、外部発電装置８をＯＮするか否かの判断を行う機能を有する。
【００１１】
こうしたシステムにおいて、日照時は太陽電池１からの電力が変換器２を介して負荷３に供給されたり、蓄電池４の充電が行われる。一方、不日照時が続いたり或いは夜中には蓄電池４から負荷３へ電力が供給され、従って蓄電池の出力電圧が下がる。従って、測定部５で常時蓄電池４の電圧の測定を行い、処理部６にて所定の３点のデータに基づい上記二次式を求めて、放電終止電圧予想日を求める。そして、判断部７により、予め設定した設定値と求めた予想日を比較して外部発電装置８をＯＮするか否かを判断する。ＯＮすると判断した場合は、外部発電装置８を作動させて蓄電池４に電力を供給して蓄電池４の不足分を補う。
【００１２】
なお、上述したソーラーシステムは一例を示すもので、その構成は図１のものに限定されることはない。
【００１３】
電圧データからの近似式の求め方は、以下のように行う。ここで、近似式は２次式のため、データ３点あれば決定することができる。  
［データ３点の求め方］  
まず、電池電圧が減少する傾向にある３点を使用する。データは、日照のない時間帯で放電側にある一定時刻、例えば午前４時電池電圧を使用する。この３点は、例えばデータ１、データ２及びデータ３がデータ箱に格納され、新規に得られたデータ４と比較して使用する。
【００１４】
［３点を通る近似曲線の求め方］  
次に、３点を通る近似曲線を求める。ここで、各データ１〜３は、常に  
「データ１＞データ２＞データ３」  
の関係にある。比較方法は次のように行う。
【００１５】
１．データ３＞データ４の場合  
データ２、データ３、データ４から２次式を算出する。  
２．データ３＝データ４の場合  
データ１、データ２、データ３から２次式を算出する。  
３．データ３＜データ４の場合  
（3-1）  データ２＞データ４の場合  
データ１、データ２、データ４から２次式を算出する。  
（3-2）  データ２＝データ４の場合  
算出しない→推定しない  
（3-3）  データ２＜データ４の場合  
（3-3-1）  データ１＞データ４の場合  
算出しない→推定しない  
（3-3-2）  データ１＝データ４の場合  
算出しない→推定しない  
（3-3-3）  データ１＜データ４の場合  
算出しない→推定しない
データ箱に３点のデータがある場合のみ、日照不足による電圧下降傾向にあると考え、不日照補償の時間を推定する。また、それ以外のデータ箱に空が存在するときは、充電状態が回復傾向にあると考えられるため、不日照補償の時間の推定を行わない。
【００１６】
次に、３点のデータからの不日照補償の時間を推定する方法を説明する。  
まず、電池の終止放電（１．９Ｖ）までの放電特性は、ほぼ２次式によって近似できることを利用して、測定された３点を通る２次式を求める。次に、その式から不日照補償（放電終止電圧に達するまでの時間）の時間を算出する。
【００１７】
まず、求める２次式を、  
ａＸ２＋ｂＸ＋ｃ＝Ｙ        …（１）  
と置く。次に、データ（時間Ｘ、電圧Ｙ）３点を例えば（Ｘ１、Ｙ１）、（Ｘ２、Ｙ２）、（Ｘ３、Ｙ３）とし、これらを上記式（１）に代入し、  
ａ（Ｘ１）２＋ｂＸ１＋ｃ＝Ｙ１ 
ａ（Ｘ２）２＋ｂＸ２＋ｃ＝Ｙ２ 
ａ（Ｘ３）２＋ｂＸ３＋ｃ＝Ｙ３ 
とする。これらを整理すると、下記数１に示す式（２）のような関係が成り立つ。また、式（２）において、符号Ａを下記数２に示す式（３）とすると、式（２）は下記数３に示す式（４）となる。  
【数１】
2006223056.tif 000002
【００１８】
【数２】
2006223056.tif 000003
【００１９】
【数３】
2006223056.tif 000004
【００２０】
上記式（４）の両辺にＡ−１（行列Ａの逆行列）をかけると、下記数４に示す式（５）となり、２次式の各係数ａ，ｂ，ｃを求めることができる。
【数４】
2006223056.tif 000005
【００２１】
次に、係数ａ，ｂ，ｃを求めるために３点のデータを、（−１、Ｖ１）、（０、Ｖ２）、（１、Ｖ３）とすると、下記数５に示す式（６）となり、Ａ−１は下記数６に示す式（７）となる。
【数５】
2006223056.tif 000006
【００２２】
【数６】
2006223056.tif 000007
【００２３】
上記式（７）から係数ａ，ｂ，ｃを求めると、  
ａ＝（−Ｙ１＋２Ｙ２−Ｙ３）／（−２）  
ｂ＝（Ｙ１−Ｙ３）／（−２）  
ｃ＝Ｙ２ 
となる。
【００２４】
［放電終止電圧１．９Ｖに達する時間の算出方法］  
次に、放電終止電圧１．９Ｖに達する時間を算出する。  
はじめに、上記式（１）でＹ＝１．９ＶとなるＸを求める。Ｙ＝１．９を式（１）に代入する。  
ａＸ２＋ｂＸ＋ｃ＝１．９  
ｃ−１．９＝ｄと置くと、  
ａＸ２＋ｂＸ＋ｄ＝０
となり、  
１）  ｂ２−４ａｃ≧０の場合  
Ｘは次式で求まる。  
Ｘ＝｛−ｂ±（ｂ２−４ａｄ）１／２｝／２ａ  
２）  ｂ２−４ａｃ＜０の場合  
解なしで、放電傾向であるが、充電量が前日に比べて増え、回復傾向にあると考えられ時間算出を行わない。
【００２５】
ここで、上記１）より求めた解Ｘ１，Ｘ２（Ｘ１≦Ｘ２）とし、Ｘ１−１、Ｘ２−１の値を比較し、１より大きく、小さい値のほうを、放電終止電圧１．９Ｖに達するまでの時間とする。
【００２６】
なお、上述した方式はデータ３点を通る二次式を求める方式であるが、この式が一次式になった場合は、この一次式で放電終止電圧１．９Ｖに達するＸを求め、Ｘ−１を放電終止電圧に達するまでの時間とする。
【００２７】
次に、放電終止電圧に達するまでの時間が算出され、その時間が２日以内の場合は蓄電圧電圧低下でのシステムダウンが起こることが予想される。そして、この結果を得て自動運転制御の発電装置へ運転信号が入力され、予め設定された時間可動し、蓄電池へ充電を行う。このようにして、蓄電圧電圧低下でのシステムダウンを防止する。
【００２８】
なお、上述した設定時間が２日というのは一例であり、本発明はこの時間に限定されない。
【００２９】
次に、具体的な一実施例について説明する。  
（実施例）  
２００３年１２月の電池電圧データの一部は、下記表１に示す通りである。但し、電池電圧は午前４時の時刻のデータを示す。
【表１】
2006223056.tif 000008
【００３０】
また、上記電池電圧データ、データ日平均及び陸別日照時間は図２に示すようになる。
【００３１】
次に、放電終止電圧に達するまでの予想をするために、２次式を決定する。ここで、決定するためのデータ３点を先に述べたルールに従い選ぶ。即ち、１２月１０日に蓄電池電圧は２．０３９Ｖであったので、これをデータ1としデータ箱に格納する。蓄電池電圧は翌１１日には２．０３８Ｖと低下したので、これをデータ２として格納する。しかし、１２日には２．０５９Ｖと回復したので、先のデータ２は消去し、新たに１２日の２．０５９Ｖをデータ１として格納する。そして、１３日には２．０５６Ｖと低下したので、これをデータ２として格納し、その後１５日まで２．０５６Ｖと同一であったので、１２日の２．０５９Ｖと１３日の２．０５６Ｖの２つの値を格納し続ける。次に、１６日に２．０５４Ｖと低下したので、これをデータ３として格納すると共に、これでデータ１＞データ２＞データ３の条件が整ったので、この３点を用いて２次式を算出することとなる。更に、翌１７日のデータ４は２．０４３Ｖと更に低下したので、格納するのはデータ２の２．０５６とデータ３の２．０５４とデータ４の２．０４３の３点となる。以下、ルールに従い選んだ（格納された）データは、下記表２に示すとおりである。
【表２】
2006223056.tif 000009
【００３２】
上記表２において、データが横に３点並んだ場合に、２次式を決定し、予想を行う。そのときのグラフは、図３に示すようになる。図３において、横軸は２００３年１２月の日々を示す。
【００３３】
そして、２次式を決定し、放電終止電圧１．９Ｖに達する時間を予想する。例えば、１６日、１７日で予想してみる。１６日、１７日のデータから２次式を決定する。この式と描く曲線をグラフに示すと、図４に示すようになる。図４において、横軸は２００３年１２月の日々を示す。また、図４中の曲線（ａ）は１６日での予想による曲線で、Ｙ＝０．０００Ｘ２−０．００８５ｘ＋２．０８９となる。一方、曲線（ｂ）は１７日での予想による曲線で、Ｙ＝−０．００４５Ｘ２−０．０５６５ｘ＋１．８７９となる。
【００３４】
ここで、１６日での予想では、電池電圧は下降傾向にあるが、充電量が前日に比べ増えているので、回復傾向と判定し、放電終止電圧にいたる心配はないとして、予想を行わない。また、１７日での予想では、約４日で放電終止電圧にいたる結果となる。  
同様な方法で、放電終止電圧にいたる時間が、２日以下となった場合には、発電装置を自動で稼動させ、蓄電池への充電を行う。
【００３５】
このように、上記実施例によれば、蓄電池の電圧を測定部により常時測定し、不日照日が続いて蓄電池への充電が行われない場合、定時刻における蓄電池の電圧データより、電池放電特性を利用してデータ３点を通る電圧と時間との二次式を算出し、該二次式より電池電圧降下状態を予想して、放電注意レベルの電池電圧に達するまでの時間を算出した後、算出された時間に基づいて蓄電池への充電を外部発電装置により行う。従って、電池容量が減少しても自動的に外部発電装置で充電するため容量が回復でき、過去データの不日照期間をすべて網羅するような蓄電池容量の過剰設計の必要がなく、蓄電池の電圧低下によるシステムダウンを回避できる。また、管理者が現地へ赴いて充電作業することがなくなる。更に、長期的な無人化が可能である。
【００３６】
なお、この発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明に係るソーラーシステムを説明するためのブロック図。
【図２】この発明の実施例に係る電池電圧データ、データ日平均及び陸別日照時間との関係を示す特性図。
【図３】この発明の実施例に係る２次式を決定するためのデータに基づく電池電圧特性図。
【図４】この発明に係る放電終止電圧を予測するための２次曲線を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１…太陽電池、２…変換器、３…負荷、４…蓄電池、５…測定部、６…処理部、７…判断部、８…外部発電装置。
【図１】
2006223056.tif 000010
【図２】
2006223056.tif 000011
【図３】
2006223056.tif 000012
【図４】
2006223056.tif 000013