(57)【要約】【課題】大容量なナトリウム−硫黄電池システムにおいては、保温のためのヒータ稼働の集中を抑制することが必要であり、また、この集中回避によりヒータの電源容量も低減させ、設備コストを抑制することも望まれる。【解決手段】複数のモジュール電池をｎ個の群にグルーピングし、モジュール電池群の各ヒータを一定時間ごとに順次切り替えて１サイクルｔｃだけ稼働させ、高位基準温度Ｔ０Ｈ及び低位基準温度Ｔ０Ｌを定め、ヒータ稼働が一巡した時点でのモジュール電池の温度ＴＥがＴ０Ｌ以上の場合は、次回ヒータ稼働をｔｃ・（ＴＥ−Ｔ０Ｌ）／（Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｌ）・（ｎ−１）／ｎ／ｎだけ時間を遅らせて開始させ、ヒータ稼働後にモジュール温度が低下し、Ｔ０Ｌになったのが次回ヒータ稼働まで時間ｔｄの場合は、次回ヒータ稼働をｔｄ／ｎだけ時間を早めて開始させるナトリウム−硫黄電池システム。【選択図】 図５
2011181225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のモジュール電池をｎ個の群にグルーピングし、
前記グルーピング数ｎを、モジュール電池のヒータによる断熱容器内部の発熱量と断熱容器からの放熱量の比を表す数の整数部分の値とし、
前記モジュール電池群の各ヒータを１サイクル時間ｔｃのなかの一定時間ごとに順次切り替えて稼働させることでモジュール電池内部を保温するナトリウム−硫黄電池システムにおいて、
高位基準温度Ｔ０Ｈ及び低位基準温度Ｔ０Ｌを定め、
ヒータ稼働が一巡した時点でのモジュール電池の温度ＴＥがＴ０Ｌ以上の場合は、次回ヒータ稼働を
ｔｃ・（ＴＥ−Ｔ０Ｌ）／（Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｌ）・（ｎ−１）／ｎ／ｎ
だけ時間を遅らせて開始させ、また、ヒータ稼働後にモジュール温度が低下し、Ｔ０Ｌになったのが次回ヒータ稼働から時間ｔｄ前であった場合は、次回ヒータ稼働を
ｔｄ／ｎ
だけ時間を早めて開始させることを特徴とするナトリウム−硫黄電池システム。
【請求項２】
複数のモジュール電池をｎ個の群にグルーピングし、
前記グルーピング数ｎを、モジュール電池のヒータによる断熱容器内部の発熱量と断熱容器からの放熱量の比を表す数の整数部分の値とし、
前記モジュール電池群の各ヒータを１サイクル時間ｔｃのなかの一定時間ごとに順次切り替えて稼働させることでモジュール電池内部を保温するナトリウム−硫黄電池システムにおいて、
高位基準温度Ｔ０Ｈ及び低位基準温度Ｔ０Ｌを定め、
ヒータ稼働後のモジュール電池の温度がＴＥの場合に、
ｔｃ・（Ｔ０Ｈ−ＴＥ）／（Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｌ）・（ｎ−１）／ｎ／ｎ
だけヒータ稼働時間終了後にもヒータ稼働することを特徴とするナトリウム−硫黄電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナトリウム−硫黄電池システムのヒータ出力の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナトリウム−硫黄電池（以下、元素記号を用いて「ＮａＳ電池」と称することもある）は、３００℃程度以上で動作する高温動作型蓄電池であり、高いエネルギー密度と長いサイクル寿命から普及が進んでいる。ＮａＳ電池は、当初は、揚水発電所代替の設備として設置することを目的に開発されたが、最近は、需要家の負荷平準化対策や瞬時電圧低下対策としての設置が主流となり、また、風力発電での出力変動抑制用途として併設されることも多くなっている。
【０００３】
ＮａＳ電池システム１は、図１に示すように、直流で入出力するＮａＳ電池本体２と交流の電力系統に連系するための交直変換装置３が主要な構成要素である。
【０００４】
ＮａＳ電池本体２は、多数の単電池（セル）を断熱容器内部で直並列に接続してモジュール電池とし、そのモジュール電池をさらに直並列に接続して構成される。ＮａＳ電池は３００℃程度以上に昇温するため、モジュール電池の断熱容器内部に電気式のヒータ５を内蔵し、このヒータ５により昇温し、又は、保温している。
【０００５】
現在市販されているモジュール電池は出力５０ｋＷであるが、この一つのモジュール電池には出力数ｋＷのヒータが内蔵されており、ヒータは、モジュール電池の断熱容器内部が３００℃〜３６０℃程度の温度範囲に収まるように図２に示すようにＯＮ・ＯＦＦ制御される。また、ヒータ制御は複数台のモジュール電池で同期を取って行われている訳ではない。
【０００６】
このため、モジュール電池を幾つか組み合わせたＮａＳ電池システムでは、場合によっては各モジュール電池のヒータ稼働のＯＮの時間帯が重なってしまい、ヒータの合計消費電力が大きくなってしまう。
【０００７】
ＮａＳ電池は、その電気化学的な性質から、放電時のナトリウムと硫黄が結合し多硫化ナトリウムが生成されるときに発熱し、充電時の多硫化ナトリウムがナトリウムと硫黄に分離されるときに吸熱する。このため、需要家の昼夜間の負荷平準化用途でＮａＳ電池を充放電した場合は、昼間の放電が主体となる時間帯では、放電に伴う発熱がモジュール電池の断熱容器内に蓄積されることで断熱容器内の温度は上昇し、ヒータは稼働しない。また、夜間の充電が主体となる時間帯においても、昼間の放電により上昇したモジュール電池の断熱容器内部の温度は徐々に降下していくことから、充電時間帯の末期（つまり、朝方）および充電も放電もしない待機時間帯にヒータが稼働することになる。つまり、一日でヒータが稼働する時間帯は限られている。また、確率的に考えても、各ヒータの稼働はばらつくので、精々数百から数千ｋＷ規模の中小容量のＮａＳ電池システムでは、ヒータを同期を取らずに制御しても、ヒータ稼働の集中によるヒータ消費電力の増大が問題となることはなかった。
【０００８】
一方、ヒータによる電力消費の低減のため、負荷平準化運転においてＮａＳ電池システムの放電終了から充電終了までのヒータの設定温度に対して、充電終了から放電開始までのヒータ設定温度を下げるようにすること（特許文献１参照）や、ＮａＳ電池の保温時のヒータ出力を昇温時のヒータ出力よりも低く抑えるよう出力切替を行うこと（特許文献２参照）等が提案されているが、ヒータ出力の集中を如何に回避するかについては、提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１１１１２３号公報
【特許文献２】特開２０００−０２１４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、ＮａＳ電池を負荷平準化ではなく系統安定化用として運用する場合のように、充電と放電を頻繁に切り換えるように運用する場合には、ヒータ稼働も頻繁となり、負荷平準化の用途の場合よりもヒータ稼働時間が格段に長くなる。また、大容量のＮａＳ電池システムの場合、モジュール電池の数が多くなることから、ヒータ稼働が集中してしまった場合の消費電力も中小容量の場合より大きくなり、確率的には低いものの、ヒータ消費電力が系統安定化を阻害することもあり得る（例えば、１００００ｋＷのＮａＳ電池システムの場合、仮に、モジュール電池１台のヒータ容量を４ｋＷとし、全ヒータが稼働すると、容量の４／５０＝８％の８００ｋＷの消費電力となる）。
【００１１】
このため、系統安定化のための大容量なＮａＳ電池システムの設置においては、ヒータ稼働の集中を抑えることが必要であり、また更に、集中回避によりヒータの電源容量も低減させ、設備コストを抑制することも望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、発明者は、この課題を解決すべく、次の構成のＮａＳ電池システム、つまり、
複数のモジュール電池をｎ個の群にグルーピングし、
前記グルーピング数ｎを、モジュール電池のヒータによる断熱容器内部の発熱量と断熱容器からの放熱量の比を表す数の整数部分の値とし、
前記モジュール電池群の各ヒータを１サイクル時間ｔｃのなかの一定時間ごとに順次切り替えて稼働させることでモジュール電池内部を保温するＮａＳ電池システムにおいて、
高位基準温度Ｔ０Ｈ及び低位基準温度Ｔ０Ｌを定め、
ヒータ稼働が一巡した時点でのモジュール電池の温度ＴＥがＴ０Ｌ以上の場合は、次回ヒータ稼働を
ｔｃ・（ＴＥ−Ｔ０Ｌ）／（Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｌ）・（ｎ−１）／ｎ／ｎ
だけ時間を遅らせて開始させ、また、ヒータ稼働後にモジュール温度が低下し、Ｔ０Ｌになったのが次回ヒータ稼働から時間ｔｄ前であった場合（つまり、ＴＥがＴ０Ｌ以下となる場合）は、次回ヒータ稼働を
ｔｄ／ｎ
だけ時間を早めて開始させることを特徴とするＮａＳ電池システム、
を発明した。
【００１３】
また、更に、次の発明、つまり、
複数のモジュール電池をｎ個の群にグルーピングし、
前記グルーピング数ｎを、モジュール電池のヒータによる断熱容器内部の発熱量と断熱容器からの放熱量の比を表す数の整数部分の値とし、
前記モジュール電池群の各ヒータを１サイクル時間ｔｃのなかの一定時間ごとに順次切り替えて稼働させることでモジュール電池内部を保温するＮａＳ電池システムにおいて、
高位基準温度Ｔ０Ｈ及び低位基準温度Ｔ０Ｌを定め、
ヒータ稼働後のモジュール電池の温度がＴＥ（Ｔ０Ｈ以下）の場合に、
ｔｃ・（Ｔ０Ｈ−ＴＥ）／（Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｌ）・（ｎ−１）／ｎ／ｎ
だけヒータ稼働時間終了後にもヒータ稼働することを特徴とするＮａＳ電池システム、
を発明した。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、ＮａＳ電池システムのヒータ稼働が集中せず、設備的にも、ヒータの全容量の高々ｎ分の１程度の電源容量にて運用可能であり、設備コストも削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＮａＳ電池システムの基本構成を示す図面である。
【図２】ヒータ稼働（出力）の概念を示す図面である。
【図３】モジュール電池群のグルーピングを示す図面である。
【図４】ヒータ稼働の基本パターンとそれによるモジュール電池温度の昇降を示す図        面である。
【図５】モジュール電池群を４つ（Ａ群、Ｂ群、Ｃ群、Ｄ群）とした場合の、各々の        群でのモジュール温度の昇降の状態を時系列で示す図面である。
【図６】限界温度を設定した場合のヒータ稼働とそれによるモジュール電池温度の昇        降を示す図面である。
【図７】モジュール電池の温度を、高位基準温度Ｔ０Ｈに更正するように制御する考        え方を説明する図面である。
【図８】モジュール電池の温度を、低位基準温度Ｔ０Ｌに更正するように制御する考        え方を説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１７】
（実施例の説明）
ＮａＳ電池システムは、出力５０ｋＷのモジュール電池を複数組み合わせて構成される。以下においては、１０００ｋＷ（２０個のモジュール電池を使用）のサブシステムを４台組み合わせたシステムにて説明する。
このシステムを図３に示す。電池部分の箱２０には５段重にしたモジュール電池５個（２５０ｋＷ分）が含まれており、この２箱を直列に接続し、さらにこれらを２並列にして交直変換装置３に接続している。この１０００ｋＷのサブシステムを４台組合せたものが４０００ｋＷシステムである。この４０００ｋＷシステムの８０個のモジュール電池を幾つかにグルーピングし、このグルーピングしたモジュール電池群毎に、ヒータをＯＮしてよい時間帯を割り振り、これを一定間隔で行うようにする。
グルーピングの方法は、例えば、図３中の実線で囲むようにサブシステム毎に行ってもよいし、また点線で囲むように他のサブシステムとの組み合わせとしてもよい。また、各モジュール電池群のモジュール電池数は均等にする必要もない。
【００１８】
グルーピングの数（モジュール電池群の数）ｎであるが、ＮａＳ電池の待機時の温度は、あまり大きく高低しない方がよいので、発熱と放熱が極力均衡するように設定するのが望ましい。そのため、グルーピングの数ｎは、ヒータによる断熱容器内部の発熱量と断熱容器からの放熱量の比を表す数の整数部分の値に選定する。
【００１９】
つまり、一つのモジュール電池においてヒータ容量を４ｋＷ、断熱容器からの放熱量を１ｋＷとすると、グルーピング数ｎは４／１＝４とする。
【００２０】
各モジュール電池群の制御を説明する。
まず、一つのモジュール電池群での基本となるパターンを図４に示す。上がヒータ稼働状態を示しており、下がモジュール電池の温度を示している。基本１サイクルの時間ｔｃで、４つのモジュール電池群で順次ヒータをＯＮにして（つまり、１群でヒータＯＮとなる時間をｔｃ／４として）発熱させ、モジュール電池の温度を低位基準温度Ｔ０Ｌから高位基準温度Ｔ０Ｈまで上昇させる（実は、モジュール電池内で発熱しつつも、モジュール電池から放熱もしているが、発熱量が放熱量より大きいためにモジュール温度が上昇する）。その後、ヒータをＯＦＦにし（つまり、１群でヒータＯＦＦとなる時間を３ｔｃ／４として）放熱させ、ヒータＯＮにした時点でのモジュール電池の温度程度までに温度を低下させる。４群でのモジュール電池温度の昇降を図５に示す（これを、以下、基本パターンということにする）。
ここで、具体的なｔｃ、Ｔ０Ｌ、Ｔ０Ｈは、春や秋などの中間期において、実際にヒータを稼働しモジュール電池内部の温度を計測して、決定する（例えば、ｔｃ＝２０分、Ｔ０Ｌ＝３００℃、Ｔ０Ｈ＝３０５℃など）。ただし、グルーピングの数ｎによっては、又は、モジュール電池の断熱容器の放熱を特殊な仕様にしている場合には、図５に示すようなサイクルにならないときもあり得るが、そのときは近似値を用いる（このような場合の制御も以下で説明する）。
【００２１】
夏季においてはモジュール電池の周囲気温が高いため、モジュール電池からの放熱が幾分小さくなり、逆に、冬季においてはモジュール電池の周囲気温が低いため、モジュール電池からの放熱が幾分大きくなり、これが原因で各モジュール電池の間で温度にズレが生じる。つまり、夏季ではモジュール電池の温度は基本パターンよりも上方にある時間帯が多く、逆に、冬季ではモジュール電池の温度は基本パターンよりも下方にある時間帯が多くなる。
また、モジュール電池は、電気的、熱的に同質になるように製造されるが、完全に同一性能にはならない。更には、使用が進むに従い、性能がばらついて行くのも避けがたい。
そのため、同一モジュール電池群において同一パターンのヒータ稼働を継続しても、各モジュール電池の間で温度に少しずつズレが生じてしまう。
【００２２】
この温度ズレが小さい範囲に収まっていれば特に問題も生じないが、これを逸脱すると不都合が生じる得る（ＮａＳ電池は高温動作型電池であることから、一定範囲の温度域から外れると、充放電ができなくなる）。
【００２３】
そこで、モジュール温度を一定の範囲に収まるようにするため、図６に示すように、高位限界温度ＴＨと低位限界温度ＴＬを定め、ヒータをＯＮすべき時間中であっても、モジュール電池の温度がＴＨに達したモジュール電池についてはヒータをＯＦＦにし、また、ヒータをＯＦＦすべき時間中であっても、モジュール電池の温度がＴＬに達したモジュール電池についてはヒータをＯＮにする機能を付加してもよい（例えば、ＴＬ＝２９０℃、ＴＨ＝３１０℃など）。
【００２４】
更に、同一モジュール電池群のモジュール電池間の温度を更正する方法として、次のような機能を付加してもよい（図７を参照）。
つまり、各モジュール電池群のヒータ稼働が一巡した時点での（つまり、次にヒータ稼働がなされるモジュール電池群の）モジュール電池の温度をＴＥとし、ＴＥがＴ０Ｌ以上の場合には、３／１６・ｔｃ・（ＴＥ−Ｔ０Ｌ）／（Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｌ）[モジュール電池群の数が一般のｎの場合は、ｔｃ・（ＴＥ−Ｔ０Ｌ）／（Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｌ）・（ｎ−１）／ｎ／ｎ]だけ時間を遅らせて次のヒータ稼働を開始させ（つまり、ヒータＯＮにする時間を短くして）、ヒータＯＮの時間帯終了時点で同一モジュール電池群の全モジュール電池の温度をＴ０Ｈに統一するようにする（図７の上図を参照）。
また、ヒータ稼働後に（つまり、ヒータＯＦＦの時間帯で）モジュール温度が低下し、モジュール電池温度がＴ０Ｌになった時点が、次回ヒータ稼働まで時間ｔｄ前であった場合（つまり、上記のＴＥがＴ０Ｌ以下となる場合）は、ｔｄ／４[モジュール電池群の数が一般のｎの場合は、ｔｄ／ｎ]だけ時間を早めて次のヒータ稼働を開始させ（つまり、ヒータＯＮにする時間を長くして）、ヒータＯＮの時間帯終了時点で同一モジュール電池群の全モジュール電池の温度をＴＨに統一するようにする（図７の下図を参照）。
【００２５】
上で示した具体的なヒータＯＮ開始の進み時間、遅れ時間は、図７に示すように、モジュール電池温度の降温直線（を延長した軌跡）と基本パターンの昇温直線部分（を延長した軌跡）との交点の座標を求めることにより近似的に算出したものである。
モジュール電池の温度の昇温、降温の時間軌跡は、実際には直線とはならず、昇温時には上に凸の曲線、降温時には下に凸の曲線となる。しかし、モジュール電池の温度変化範囲（具体的には、Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｌ）を余り大きく取らなければ、モジュール電池の温度の昇温、降温の時間軌跡は直線と近似できるので、上述のように近似的に算出できる。
【００２６】
上述においては、モジュール電池の温度を、一時的に、Ｔ０Ｈに統一（更正）するように制御するが、Ｔ０Ｌに統一（更正）するように制御してもよい（図８を参照）。
つまり、モジュール電池群の各ヒータを一定時間ｔｃ／４ごとに順次切り替えて稼働させるに際し、ヒータ稼働後（つまりヒータＯＮの時間帯が終了した時点で）のモジュール電池の温度がＴＥの場合に（この場合、ＴＥ＜Ｔ０Ｈとなる）、３／１６・ｔｃ・（Ｔ０Ｈ−ＴＥ）／（Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｌ）[モジュール電池群の数が一般のｎの場合は、ｔｃ・（Ｔ０Ｈ−ＴＥ）／（Ｔ０Ｈ−Ｔ０Ｍ）・（ｎ−１）／ｎ／ｎ]だけヒータ稼働時間終了後にもヒータ稼働し（つまり、ヒータＯＮにする時間を長くし）、ヒータＯＦＦの時間帯終了時点で同一モジュール電池群の全モジュール電池の温度をＴ０Ｌに統一するようにする。
【００２７】
上で示した具体的なヒータＯＮの延長時間は、図８に示すように、モジュール電池温度の昇温直線（を延長した軌跡）と基本パターンの降温直線部分との交点の座標を求めることにより近似的に算出できる。
【００２８】
このようなモジュール電池の温度を一時的にＴ０Ｈ又はＴ０Ｌとして更正する制御をする場合、ヒータ稼働時間が短くなる場合は特に問題は生じないが、ヒータ稼働時間が長くなる場合は、二つのモジュール電池群のヒータ稼働が重畳してしまいヒータ容量が１／４を大きく超過してしまう虞もある（この場合、超過したとしても、理論上、ヒータ容量の１／２以下であるが）。このような虞を完全に排除することはできないが、容量の超過を低減する制御方法は考えられる。
それは、温度更正するモジュール電池群で、更にモジュール電池をグルーピングし（以下、第２グルーピングという）、第２グルーピングしたモジュール電池群を順繰りに更正していくことである（勿論、第２グルーピングせずに、モジュール電池１個づつ順繰りに温度更正を行ってもよい）。これにより、例えば、第２グルーピングでモジュール電池群を５つ設けた場合、上述の４０００ｋＷシステム（全ヒータが稼動した場合の消費電力は３２０ｋＷ）におけるヒータ出力は、最大値で３２０×（１／４＋（１／４）／５）＝３２０×１／４×（１＋１／５）＝３２０×１／３．３３ｋＷとなる（つまり、４／３．３３＝１．２と、１／４の最大２０％増に抑制される）。
【符号の説明】
【００２９】
１  ＮａＳ電池システム（ナトリウム−硫黄電池システム）
２  ＮａＳ電池本体（ナトリウム−硫黄電池本体）
３  交直変換装置
４  ＮａＳ電池制御装置（ナトリウム−硫黄電池制御装置）
５  ＮａＳ電池ヒータ（ナトリウム−硫黄電池ヒータ）
６  連系変圧器
７  降圧変圧器
１０  制御線
１１  機器への電力供給線
２０  電池箱（モジュール電池を段重ねしたものを収納する箱）
【図１】
2011181225.tif 000003
【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】
2011181225.tif 000008
【図７】
2011181225.tif 000009
【図８】
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