(57)【要約】【課題】出力変動の激しい自然エネルギー利用の発電出力を金属空気二次電池を用いて効率よく蓄電する。【解決手段】発電機３及び負荷４が接続する電力線路６と、電力線路６に充放電可能に接続され、充放電電力に応じて空気供給速度が制御される金属空気二次電池１と、電力線路に充放電可能に接続された充放電応答が速い蓄電池２と、制御器５とを有し、制御器は、余剰電力の時間平均を算出し、時間平均を制御目標として金属空気二次電池の充放電電力を制御したときの制御出力を予測充放電電力として算出し、蓄電池の充電量と所定充電量との差を所定時間で充放電する補正電力を、予測充放電電力に加算して制御充放電電力を算出し、余剰電力から制御充放電電力を減じた電力を前記蓄電池への充放電電力とし、制御充放電電力を金属空気二次電池に充放電する空気二次電池蓄電装置。【選択図】図１
2011222427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力変動を伴う発電機から発電電力が供給され、負荷へ負荷電力を出力する電力線路と、
前記電力線路に充放電可能に接続され、充放電電力に応じて空気供給速度が制御される金属空気二次電池と、
前記電力線路に充放電可能に接続され、前記金属空気二次電池より充放電の応答が速い蓄電池と、
前記金属空気二次電池及び前記蓄電池の充放電を制御する制御器とを有し、
前記制御器は、
前記発電電力から前記負荷電力を減じた余剰電力の時間平均を算出する手段と、
前記時間平均を制御目標として前記金属空気二次電池の充放電電力を制御したときの制御出力を予測充放電電力として算出する手段と、
前記蓄電池の充電量から所与の初期充電量を減じた差電力量を所定時間で充放電する大きさの補正電力を、前記予測充放電電力に加算して制御充放電電力を算出する手段と、
前記余剰電力から前記制御充放電電力を減じた電力を、前記蓄電池への充放電電力として算出する手段と、
前記制御充放電電力で前記金属空気二次電池に充放電する手段と、
前記蓄電池への充放電電力で前記蓄電池に充放電する手段と、
を備える空気二次電池蓄電装置。
【請求項２】
前記金属空気二次電池が設置された環境中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器をさらに備え、
前記制御器は、前記酸素濃度が予め定められた規定値を超えたとき、前記金属空気二次電池への充電を停止し、その後、前記酸素濃度が前記規定値以下に戻ったとき、前記制御充放電電力て前記金属空気二次電池への充電を再開する、
ことを特徴とする請求項１記載の空気二次電池蓄電装置。
【請求項３】
前記補正電力は、前記蓄電池の充電量と前記所定充電量との差分の電力量を所与の時間で除した値とすることを特徴とする請求項１又は２記載の空気二次電池蓄電装。
【請求項４】
前記補正電力は、前記予測充放電電力のピーク経過後に前記制御充放電電力が前記ピーク値を超えない範囲で加算されることを特徴とする請求項１又は２記載の空気二次電池蓄電装置。
【請求項５】
前記補正電力と前記予測充放電電力との和が、前記金属空気二次電池への充電を再開とたときの前記予測充放電電力と所定値の和を超えないように制御することを特徴とする請求項２記載の空気二次電池蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気二次電池蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギーを利用した発電、例えば太陽光発電又は風力発電は、急激な発電出力の変動を生じ易く、またその変動を予測することが難しい。このように発電出力が予測不能に急変する発電機を大量に商用電源網に直接接続したのでは、商用電源が不安定になり好ましくない。将来の自然エネルギー発電の大規模な導入に向けて、不安定な発電出力を一旦蓄電装置に蓄電して平滑化したのち商用電源に接続する方法が鋭意検討されている。
【０００３】
このような自然エネルギー利用の発電では、数時間〜数日間に及ぶ長期間の自然のサイクル、例えば日照、風速の変動を吸収するため、大容量の蓄電装置を必要とする。一方、日照、風速等の変動は急激に起きることも多く、蓄電装置にはこの急速な変動に対応し得る速い応答性も要求される。
【０００４】
金属空気二次電池は、電池内部に負極活物質を保持し、正極活物質である酸素を空気として電池外部から取り入れる。このように、電池内に正極活物質を保持しないため，電池のエネルギー密度が高く、大きな蓄電容量を得ることができる。例えば、金属Ｌｉ又は金属Ｚｎを負極活物質とする金属空気二次電池は、それぞれ１２０００Ｗｈ／ｋｇ、１３５０Ｗｈ／ｋｇのエネルギー密度を有すると見積もられ、リチウムイオン電池の２５０Ｗｈ／ｋｇをはるかに凌駕する可能性を有している。このため、金属空気二次電池は、大容量の蓄電装置を実現し得る二次電池として、自然エネルギー利用の発電システムへの適用が期待されている。
【０００５】
しかし、金属空気二次電池は，充放電の際に充放電量に応じた量の酸素を放出又は吸収するので、酸素の供給・排出のために充放電中は常に空気を供給しなければならない。空気の供給には補機、例えばコンプレッサが用いられる。通常、自家消費電力を抑制するために、補機の消費電力は必要最小になるように制御されている。即ち、充放電電力（充放電速度）に応じた適量の空気が供給されるように補機の動作が制御される。このため、充放電速度の変動に対する応答性は、補機の機械的応答特性に大きく依存する。このように金属空気二次電池では、機械的応答に制約されるため応答性が劣り、自然エネルギー利用の発電出力の急減な変動に対応することが難しい。
【０００６】
このような応答性が劣る大容量二次電池の欠点を補完するため、二次電池と応答性が優れたキャパシタとを組み合わせて用いる蓄電装置が開発されている。例えば、鉛蓄電池とキャパシタを並列接続して、電源及び負荷電力の急激な変動を内部抵抗が小さく応答性に優れるキャパシタで吸収し、平滑化された電力を大容量の鉛蓄電池で充放電する蓄電装置が知られている。また、変動する電源出力をキャパシタで受けてピーク電力を蓄電し、その後、キャパシタに蓄電された電力を鉛蓄電池に充電する蓄電装置がある。
【０００７】
さらに、金属空気二次電池では、充電の際に酸素が放出されるので、設置環境中における支燃性の酸素ガス濃度が上昇して、安全性の観点から好ましくない場合がある。かかる事態を回避するため、設置環境中の酸素濃度が規定値を超えると充電を停止し、設置環境中の酸素濃度の上昇を防止する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−０８０４７０号公報
【特許文献２】特開平０７−０５９２７１号公報
【特許文献３】特開２００４−０７９５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、発電電力が変動する発電機から供給される大量の発電電力を、他の電力網、例えば商業電力網へ供給するには、大容量の蓄電装置を用いて発電電力を平滑化しなければならない。かかる大容量の蓄電装置として、金属空気二次電池の利用が期待されている。
【００１０】
しかし、金属空気二次電池は、補機により空気の供給がなされるため、補機に伴う応答性の劣化を避けることができない。このため、金属空気二次電池を用いる従来の蓄電装置では、発電電力の急激な変動に即応して充放電電力を変化させることができず、発電システムの効率が低下するという問題がある。
【００１１】
自然エネルギー利用の発電では、急激に変化するパルス状の発電ピークを避けられず、このような発電ピークの蓄電効率が発電システムの発電効率に大きな影響を及ぼす。大容量の二次電池に、応答性に優れる蓄電部品、例えばキャパシタを並列接続して使用することで変動を吸収する従来の蓄電装置，あるいは、一旦キャパシタに変動する電力を蓄電し、キャパシタに充電された電力を大容量の二次電池に充電する従来の蓄電装置では、発電ピークで発生する電力量を蓄電できる程、キャパシタ容量を大きくすることは難しい。
【００１２】
さらに、キャパシタは発電出力変動を常に吸収し得るように、所定の充電率、例えば５０％に保持されることが望ましい。しかし、キャパシタへの充電は不安定な電源出力からの給電によりなされるから、一旦放電又は充電されたキャパシタの充電率が所定の値まで回復するタイミングが安定しない。その結果、キャパシタによる十分な平滑化がなされない場合が生じ、発電システムの効率を低下させ、あるいは負荷へ出力される負荷電力の供給を不安定にしてしまう。
【００１３】
また、金属空気二次電池に特有の問題として、充電速度が急速に上昇すると排気中ないし設置環境中の酸素濃度が高まり、その支燃性から安全上の問題を生ずる。設置環境中の酸素濃度が規定値を超えると充電を停止するという従来の金属空気二次電池を用いた蓄電装置は、環境中の酸素濃度の上昇を回避できるので安全性は向上する。しかし、単に充電を停止したのでは、その停止の間に大量供給される余剰電力（発電電力から負荷電力を引いた差分の電力）を全て無駄に消費しなければならず、発電システムの効率が低下するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するための本発明は、１観点によれば、出力変動を伴う発電機から発電電力が供給され、負荷へ負荷電力を出力する電力線路と、前記電力線路に充放電可能に接続され、充放電電力に応じて空気供給速度が制御される金属空気二次電池と、前記電力線路に充放電可能に接続され、前記金属空気二次電池より充放電の応答が速い蓄電池と、前記金属空気二次電池及び前記蓄電池の充放電を制御する制御器とを有し、前記制御器は、前記発電電力から前記負荷電力を減じた余剰電力の時間平均を算出する手段と、前記時間平均を制御目標として前記金属空気二次電池の充放電電力を制御したときの制御出力を予測充放電電力として算出する手段と、前記蓄電池の充電量から所与の初期充電量を減じた差電力量を所定時間で充放電する大きさの補正電力を、前記予測充放電電力に加算して制御充放電電力を算出する手段と、前記余剰電力から前記制御充放電電力を減じた電力を、前記蓄電池への充放電電力として算出する手段と、前記制御充放電電力で前記金属空気二次電池に充放電する手段と、前記蓄電池への充放電電力で前記蓄電池に充放電する手段と、
を備える空気二次電池蓄電装置として提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、蓄電容量の小さな蓄電器を併用して、急激に変動する電力を有効に蓄電することができる空気二次電池蓄電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態の空気二次電池蓄電装置構成図
【図２】本発明の第１実施形態の充放電路説明図
【図３】本発明の第１実施形態の制御フローチャート
【図４】本発明の第１実施形態の制御説明図（１）
【図５】本発明の第１実施形態の充放電動作説明図（１）
【図６】本発明の第１実施形態の制御説明図（２）
【図７】本発明の第１実施形態の充放電動作説明図（２）
【図８】本発明の第１実施形態の充放電動作説明図（３）
【図９】本発明の第２実施形態の制御説明図
【図１０】本発明の第３実施形態の制御説明図
【図１１】本発明の第４実施形態の制御説明図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は本発明の第１実施形態の空気二次電池蓄電装置構成図であり、空気二次電池蓄電装置の主要な構成を表している。
【００１８】
図１を参照して、本発明の第１実施形態の空気二次電池蓄電装置は、電力線路６と、電力線路６に接続する負荷４、発電機３、及び金属空気二次電池１並びに蓄電池２と、これらの動作を制御する制御器５とを備える。
【００１９】
電力線路６は、例えば直流電力線路からなり、負荷４、発電機３、金属空気二次電池１及び蓄電池２が接続されるノードを構成している。なお、以下では電力線路６を直流電力線路として説明するが、交流電力線路であってもよい。
【００２０】
発電機３は、予測困難な出力変動を伴う発電機、例えば太陽光発電機及び風力発電機のような制御不能な自然エネルギーを利用する発電機を含み、電力変換器３Ｔを介して直流電力線路６に接続され、発電電力を直流電力線路６に供給する。この電力変換器３Ｔは、発電機３出力の交流又は直流に応じて、それぞれ交流／直流電力変換器３Ｔ又は直流／直流電力変換器３Ｔが用いられる。なお、必要ならばその他の制御可能な発電機、例えばマイクロタービン発電機あるいは燃料電池を接続することもできる。
【００２１】
負荷４は、本発明の空気二次電池蓄電装置から負荷電力を供給される装置であり、例えば商業電力網とそれに接続されて電力を消費する各種の電気機器とを含む。この負荷４は、その交直流の種類に合わせ、例えば交流を扱う商用電力網の場合、直流／交流電力変換器４Ｔを介して電力線路６に接続される。
【００２２】
金属空気二次電池１は、双方向の電力変換器１Ｔを介して電力線路６に接続される。この金属空気二次電池１は、発電機３の出力変動のサイクル、例えば太陽電池における日照時間及び日照強度の１日の変動により生ずる発電出力の変動を十分に吸収可能な程度の大きな蓄電容量を有して設計される。この蓄電容量が小さ過ぎると、充電率が１００％を超える場合がしばしば発生し、その後の発電電力を蓄電することができずに無駄に廃棄され、発電システムの発電効率が低下してしまう。
【００２３】
この金属空気二次電池１は、その充放電電力（充放電速度）に応じて空気供給量が制御される。この空気供給には、コンプレッサ等の補機７が用いられ、補機７を制御することで空気供給量が制御される。後述するように金属空気二次電池１の充放電は、余剰電力（発電電力と負荷電力との差）を充放電するに必要最小の速度で行うことが好ましい。充放電電力がこれより早いと、空気供給量を供給する補機７の負荷電力が無用に増加する。逆に遅いと、空気供給量が低下して必要な充放電電力が得られず、その充放電電力の不足分を蓄電池２の充放電により補わなければならない。これでは、高価な蓄電池２の蓄電容量が増加して好ましくない。従って、予測される充電電力に対して必要最少の空気供給量となるように、空気供給量が制御される。
【００２４】
金属空気二次電池１が設置された環境中、例えば蓄電装置を収納する部屋ないし建屋内）に、環境中の酸素濃度を測定するための酸素濃度測定器１Ａが設けられる。この酸素濃度測定器１Ａを用いる制御については後述する。
【００２５】
蓄電池２は、双方向の電力変換器２Ｔを介して電力線路６に接続される。この蓄電池２は、発電機３又は負荷４の急激な出力変動に直ちに追従してその変動分を充電又は放電できるように、可能な限り優れた応答性を有することが好ましい。また、突然生ずる発電量又は負荷電力の変化に空気二次電池１の充放電が追従不能な場合、空気二次電池１に蓄電されなかった電力量を蓄電するに十分な蓄電容量を有することが望ましい。かかる蓄電池２として鉛蓄電池を用いることができる。なお、この蓄電池２の充電率、即ち充電量は、制御器５により監視されている。
【００２６】
制御器５は、発電機３から直流電力線路６へ供給される発電電力、直流電力線路６から負荷に出力される負荷電力、酸素濃度測定器１Ａの出力（即ち、設置環境中の酸素濃度の測定値）である酸素濃度信号１ａ、蓄電池２の充電率を示す充電率信号２ｂを監視し、その結果に基づき電力変換器１Ｔ、２Ｔを操作して、金属空気二次電池１及び蓄電池２の充放電を制御する。なお、上述した金属空気二次電池１への空気供給量を制御する補記の制御を制御器５が行うこととしてもよい。
【００２７】
次に、本第１実施形態の空気二次電池蓄電装置の制御について詳細に説明する。
【００２８】
図２は本発明の第１実施形態の充放電路説明図であり、電力線路６へ流れる電流経路を表している、図３は本発明の第１実施形態の制御フローチャートであり、制御器５の制御フローを表している。
【００２９】
図２を参照して、電力線路６には、電力変換器３Ｔ、４Ｔを介して、発電機３から発電電力Ｐｇが流入し、負荷４へ負荷電力Ｐｏが流出する。また、双方向電力変換器１Ｔ、２Ｔを介して、金属空気二次電池１に制御充放電電力Ｐａが、蓄電池２に充放電電力Ｐｂが流入又は流出する。電力線路６をノードとしてキルヒホッフの法則を適用し、
Ｐｇ−Ｐｏ−Ｐａ−Ｐｂ＝０          （１）
を得る。ここで、制御充放電電力Ｐａ、Ｐｂは充電方向、即ち電力線路６から流出する方向を正とした。（１）式を変形して、
Ｐａ＋Ｐｂ＝Ｐｓ                    （２）
を得る。ここで、余剰電力ＰｓをＰｓ＝Ｐｇ−Ｐｏと定義した。（２）式は、余剰電力Ｐｓが正のときその電力で（充電速度がＰｓで）充電され、逆に負のときその絶対値で（放電速度が｜Ｐａ｜で）放電されることを示している。
【００３０】
図３を参照して、制御器５は、負荷電力Ｐｏ及び発電電力Ｐｇを監視し、ステップ１で余剰電力Ｐｓを算出し、ステップＳ２で余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞を算出する。時間平均＜Ｐｓ＞は、例えば現在から所定期間遡った時点までの余剰電力Ｐｓの時間積分をその積分時間で除した値である。この積分時間は、 Ｐｓの急激な変動を吸収するに十分な時間とし、Ｐｓの変動幅、変動時間、及び蓄電池２の容量等を考慮して適切に定められる。
【００３１】
次いで制御器５は、ステップＳ３で、金属空気二次電池１の制御充放電電力Ｐａを余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞に近づくように制御したときに予測される、予測充放電電力Ｐａ’を算出する。かかる予測充放電電力Ｐａ’は、例えば時間平均＜Ｐｓ＞を目標値とするＰＩＤ制御あるいは予測制御により算出される。
【００３２】
次いで制御器５は、ステップＳ４で、蓄電池２の充電率を表す充電率信号２ｂを受け、蓄電池２の充電量に対応した補正電力Δを生成する。この補正電力Δは、蓄電池２の動作の中央値として設計された初期充電率との差分に相当する充電量（蓄電池２の充電率−初期充電率に相当する充電量）の時間平均を差充電量δＱとして算出し、この差充電量δＱを予め定められた時間δｔ内で強制的に充放電するに必要な電力として求められる。具体的には、例えば差充電量δＱを所与の時間δｔで除した値（電力）として算出することがてきる。また、補正電力Δ（ｔ）の時間δｔ間の時間積分が差充電量δＱに等しくなるように、補正電力Δ（ｔ）を算出してもよい。さらに、差充電量δＱを所与の時間δｔ内で充放電することができるならは、他の方法を用いて算出してもよい。なお、この補正電力Δの算出の根拠となる差充電量δＱは、少なくとも時間平均＜Ｐｓ＞の算出に用いられた積分時間程度の期間について時間平均することが好ましい。
【００３３】
次いで制御器５は、ステップＳ５で、予測充放電電力Ｐａ’に補正電力Δを加算して、金属空気二次電池１を充放電すべき制御充放電電力Ｐａを算出する。なお、補正電力Δ（ｔ）は一般に時間の関数として算出される。さらに、後述するように、補正電力Δの加算により予測充放電電力Ｐａ’と制御充放電電力Ｐａとが実際に異なる値となる時期を、制御器５が状況に応じて適切に調整する。制御器５は、この制御充放電電力Ｐａで金属空気二次電池１が充放電されるように電力変換器１Ｔを操作する。従って、金属空気二次電池１は制御充放電電力Ｐａで充放電される。
【００３４】
次いで制御器５は、ステップＳ６で、蓄電池２の充放電電力Ｐｂを、
Ｐｂ＝Ｐｓ−Ｐａ              （３）
として算出し、この充放電電力Ｐｂで蓄電池２が充放電されるように電力変換器２Ｔを操作する。この操作により、（１）、（２）式を満たすように、即ち電力線路６に過不足なく電力の供給、供出がなされるように、蓄電池２への充放電がなされる。以下、具体例に則って制御をより詳細に説明する。
【００３５】
初めに、金属空気二次電池１の応答速度に対して、余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞が緩やかに変化する場合を説明する。
【００３６】
図４は本発明の第１実施形態の制御説明図（１）であり、時間平均＜Ｐｓ＞が緩やかに増加する場合の充放電電力の時間変化を表している。図５は本発明の第１実施形態の充放電動作説明図（１）であり、充放電電力の向きと大きさを模式的に表している。
【００３７】
図４を参照して、この場合、予測充放電電力Ｐａ’は時間平均＜Ｐｓ＞に追従できるので、時間平均＜Ｐｓ＞とほぼ同じ値で、即ちＰａ’≒＜Ｐｓ＞として変化する。なお、余剰電力Ｐｓは、時間平均＜Ｐｓ＞に加算される短周期の変動成分を有している。
【００３８】
初めに、蓄電池２の充電量（充電率に相当する充電量）が当初充電量（当初充電率に相当する充電量）に近いと仮定する。この場合は補正電力Δ≒０であり、金属空気二次電池１の制御充放電電力Ｐａは、補正により変わらず、Ｐａ≒Ｐａ’となる。他方、蓄電池２の充放電電力Ｐｂ（充電電力Ｐｂ’及び放電電力Ｐｂ”）は、（３）式に従い、Ｐｂ＝Ｐｓ−Ｐａとなるように制御される。従って、図４中に記号Ｐｂを付した矢印で示すように、余剰電力Ｐｓが時間平均＜Ｐｓ＞を超えるときに充電電力Ｐｂ’で蓄電池２を充電し、余剰電力Ｐｓが時間平均＜Ｐｓ＞を下回るときに放電電力Ｐｂ”で蓄電池２から放電するように制御される。この結果、蓄電池２の充電量は、短周期では充放電電力Ｐｂに従って増減するものの、時間平均をとると殆ど変化しない。こため、補正電力Δは変化せず、常にΔ≒０に保持される。従って、時間平均＜Ｐｓ＞の変動が緩やかな場合は、常に、Ｐａ≒Ｐａ’≒＜Ｐｓ＞の関係が維持される。これは補正電力Δによる補正がない、通常のＰＩＤ制御による制御と同様である。
【００３９】
図５を参照して、時間平均＜Ｐｓ＞の変動が緩やかな場合、発電電力Ｐｇと負荷電力，ｏとの差、即ち余剰電力Ｐｓは、時間平均＜Ｐｓ＞にほぼ等しい制御充放電電力Ｐａとして金属空気二次電池１へ充電される。そして、余剰電力Ｐｓの残りの変動分（Ｐｓ−Ｐａ）が、その変動分の正負に応じて蓄電池２の充放電電力Ｐｂとして蓄電池２を充電又は放電する。従って、余剰電力Ｐｓは主に大容量の金属空気二次電池１に蓄電され、短期の変動分のみが蓄電池２に充放電される。
【００４０】
上述したように、時間平均＜Ｐｓ＞の変動が緩やかな場合は、蓄電池２は短周期で充放電が繰り返されるものの、この充放電は短周期間で互いに相殺され、長周期では蓄電率は変わらない。従って、蓄電池２は短周期の充電及び放電を吸収できる容量を備えれば足り、長期に亘る余剰電力を蓄電又は放電するための大きな蓄電容量を必要としない。
【００４１】
次に、余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞がステップ状に変化する場合を説明する。
【００４２】
図６は本発明の第１実施形態の制御説明図（２）であり、余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞がステップ状に変化するときの充放電電力の制御を表している。
【００４３】
図６（ａ）を参照して、余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞が、時刻ｔ１〜ｔ２の間に、Ｐｗ１からＰｗ２までステップ状に上昇した場合を説明する。なお、余剰電力Ｐｓは図示しないが、このステップ状の変化に短周期の振動を加えた波形で変動している。
【００４４】
時刻ｔ１以前は、時間平均＜Ｐｓ＞の変動が緩やかな状態にあり、上述したように、蓄電池は当初充電量にあり，補正電力Δはほぼ零となり、金属空気二次電池１への制御充放電電力Ｐａは予測充放電電力Ｐａ’及び時間平均＜Ｐｓ＞にほぼ等しくなっている。
【００４５】
制御器５は、ステップ状に変化する時間平均＜Ｐｓ＞を制御目標とし、これに追従するように金属空気二次電池１の充放電電力を、予測充放電電力Ｐａ’として算出する。この
予測充放電電力Ｐａ’は、金属空気二次電池１の応答特性を考慮して、例えばＰＩＤ制御の定数として応答特性を含むようにして計算される。その結果、予測充放電電力Ｐａ’は、金属空気二次電池１の応答特性に起因する遅れを生じ、時間平均＜Ｐｓ＞に遅れて時刻ｔ２からｔ３の間に、時間平均＜Ｐｓ＞より緩やかに立ち上がる。
【００４６】
制御器５は、時刻ｔ２から予測充放電電力Ｐａ’が制御目標であるＰｗ２に到達する時刻ｔ３までは、制御充放電電力Ｐａを予測充放電電力Ｐａ’と同様に立ち上げる。即ち、この期間の補正電力Δを零とする。制御器５は、この予測充放電電力Ｐａ’と等しい制御充放電電力Ｐａで金属空気二次電池１を充電するように、電力変換器１Ｔを操作する。
【００４７】
他方、余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞と予測充放電電力Ｐａ’との立ち上がりの差に起因して、時刻ｔ１〜ｔ３の間、時間平均＜Ｐｓ＞と予測充放電電力Ｐａ’との間に電力差（充放電電力Ｐｂ）を生ずる。蓄電池２は、この電力差、＜Ｐｓ＞−Ｐａ’に等しい大きさの充放電電力Ｐｂで充電される。その結果、蓄電池２の充電率が当初充電率から上昇する。これを放置すると、蓄電池２の残存容量（さらに充電可能な蓄電量）が減少するため、その後の余剰電力Ｐｓの蓄電ができなくなり、発電システムの効率が低下するおそれがある。
【００４８】
他方、制御器５は蓄電池２の充電量（充電率）を監視する。かかる充電量は、蓄電池２の充放電特性あるいは蓄電池２への充放電電力Ｐｂを監視することで知得することができる。そして、制御器５は、蓄電池２の充電量に基づき時刻ｔ１〜時刻ｔ３の間に充電された差蓄電量δＱ（初期充電率のときから増加した蓄電量をいう。）を算出し、この差蓄電量δＱが所与の時間δｔで放電されるように補正電力Δを算出する。
【００４９】
次いで、時刻ｔ３で、予測充放電電力Ｐａ’及び制御充放電電力Ｐａが時間平均＜Ｐｓ＞のトップ電力Ｐｗ２まで到達した後、制御器５は、補正電力Δを予測充放電電力Ｐａ’に加算して、金属空気二次電池１の制御充放電電力Ｐａを算出する。この補正電力Δの加算は、補正電力Δ（ｔ）の時間積分が差蓄電量δＱに等しくなる時刻ｔ６まで継続される。なお、予測充放電電力Ｐａ’は、時刻ｔ３以後は電力Ｐｗ２に等しい充電電力に維持される。
【００５０】
従って、時刻ｔ３〜時刻ｔ６の期間は、金属空気二次電池１の制御充放電電力Ｐａが、余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞より補正電力Δだけ大きくなる。補正電力Δ、即ち余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞と制御充放電電力Ｐａとの差は、蓄電池２の充放電電力Ｐｂとして差蓄電量δＱを放電するように操作する。従って、この間に差蓄電量δＱはほぼ完全に放電され、蓄電池２の蓄電量は初期充電量まで回復する。
【００５１】
図６（ｂ）を参照して、余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞が、時刻ｔ１〜ｔ２の間にＰ’ｗ１からＰ’ｗ２までステップ状に降下した場合も、時間平均＜Ｐｓ＞がステップ状に上昇した場合と、充放電の向きが逆転する他は、同様に制御される。
【００５２】
図７及び図８はそれぞれ本発明の第１実施形態の充放電動作説明図（２）及び（３）であり、図７は図６（ａ）に示す制御の際に時刻ｔ１〜時刻ｔ３の期間に流れる充放電電力を、図８は図６（ａ）に示す制御の際に時刻ｔ３〜時刻ｔ６の期間に流れる充放電電力をそれぞれ模式的に表している。
【００５３】
図７を参照して、時間平均＜Ｐｓ＞がステップ状に上昇した場合、金属空気二次電池１が追従不能な時刻ｔ１〜時刻ｔ３の期間、金属空気二次電池１には余剰電力Ｐｓより小さな制御充放電電力Ｐａにより充電される。そして、その差分は、全て蓄電池２の充放電電力Ｐｂとして蓄電池２に蓄電される。従って、蓄電池２には、この立ち上がりの期間に金属空気二次電池１に蓄電することができなかった電力量を蓄電できる容量が要求される。
【００５４】
図８を参照して、時刻ｔ１〜時刻ｔ３の期間に蓄電池２に蓄電された差蓄電量δＱは、時刻ｔ３〜時刻ｔ６の期間に、補正電力Δ相当分の充放電電力Ｐｂで蓄電池２から放電される。他方、この放電された充放電電力Ｐｂは、予測充放電電力Ｐａ’の増加分として制御充放電電力Ｐａを増加させることで、金属空気二次電池１に蓄電される。なお、時間平均＜Ｐｓ＞がステップ状に降下する場合は、充放電方向が逆になる他はほぼ同様に制御される。
【００５５】
このように、時間平均＜Ｐｓ＞の変動がステップ状に変化する場合は、蓄電池２に蓄電された差蓄電量δＱは、その変化の後の所定期間で金属空気二次電池１に吸収される。このため、蓄電池２は、短期間に充電される差蓄電量δＱを所定期間蓄電できる程度の蓄電容量を有すれば足り、差蓄電量δＱを余剰電力Ｐｓの増減のみで充放電する従来の蓄電装置に比べて、蓄電池２に要求される蓄電容量が小さくなる。かかるステップ状さらにはピーク状の余剰電力の変動は、自然エネルギーを利用する発電システムで頻繁に発生する。第１実施形態形態では、小さな蓄電容量の蓄電池を併用して、このような急激な変動時に発生した電力をも確実に蓄電することができる。
【００５６】
次に、上述した第１実施形態の空気二次電池蓄電装置において、環境中の酸素濃度上昇を回避する制御について説明する。
【００５７】
本発明の第２実施形態は、環境中の酸素濃度の上昇を検知して金属空気二次電池の充電を停止する空気二次電池蓄電装置に関する。なお、本第２実施形態の空気二次電池蓄電装置は、酸素濃度上昇に伴い金属空気二次電池の充放電を制御する他は、上述した第１実施形態の空気二次電池蓄電装置と同様である。
【００５８】
図９は本発明の第２実施形態の制御説明図であり、金属空気二次電池の充電を一時的に停止した後の充放電制御を表している。
【００５９】
図１を参照して、本発明の第２実施形態では、制御器５は、金属空気二次電池１が設置された環境、例えば建屋内に設置された酸素濃度測定器１Ａから送信される酸素濃度信号１ａを受信し、酸素濃度が規定値を超えたとき、金属空気二次電池１への充電を停止する。なお、説明を簡明にするために、金属空気二次電池１の予測充放電電力Ｐａ’が緩やか上昇してピークを迎える場合を説明する。
【００６０】
図９を参照して、通常の状態では金属空気二次電池１の制御充放電電力Ｐａは、時刻ｔ１以前及び時刻ｔ５以後に示すように、ほぼ予測充放電電力Ｐａ’に等しい。酸素濃度信号１ａが時刻ｔ１に規定値を超えたことを検知した制御器５は、制御充放電電力Ｐａを減少し、例えば０にする。これにより、金属空気二次電池１への充電が減少ないし停止され（以下、停止等という。）、環境中の酸素濃度の増加が抑制される。この制御充放電電力Ｐａの停止等は、その後、時刻ｔ２で酸素濃度が規定値以下に降下するまで継続される。
【００６１】
この時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間、金属空気二次電池１の制御充放電電力Ｐａは減少ないし停止され、予測充放電電力Ｐａ’より小さな電力に保持される。この間の予測充放電電力Ｐａ’は余剰電力Ｐｓの時間平均＜Ｐｓ＞にほぼ等しい。従って、かかる停止等がない場合に比べ、予測充放電電力Ｐａ’から減少ないし停止した制御充放電電力Ｐａを引いた差分、Ｐａ’−Ｐａが、蓄電池２へ充電され、差蓄電量δＱとして蓄電される。
【００６２】
次いで、時刻ｔ２で酸素濃度が規定値以下に降下したとき、これを検知した制御器５は、時刻ｔ２から金属空気二次電池１の充放電を再開する。この時刻ｔ２では、第１実施形態と同様に、差蓄電量δＱに基づき補正電力Δが算出されている。制御器５は、この補正電力Δを時刻ｔ２以降の予測充放電電力Ｐａ’に加算した値を、制御充放電電力Ｐａとして算出する。そして，時刻ｔ２から差蓄電量δＱが放電される時刻ｔ５までの間、予測充放電電力Ｐａ’にこの補正電力Δを加算した制御充放電電力Ｐａにより金属空気二次電池を充電する。
【００６３】
差蓄電量δＱが放電された時刻ｔ５の後は、時間平均＜Ｐｓ＞が穏やかに変動するときの第１実施形態での制御と同様である。なお、制御充放電電力Ｐａの立ち上がり（時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間）及び立ち下がり（時刻ｔ４〜時刻ｔ５の期間）は、金属空気二次電池１の応答特性に合わせた。このとき、立ち下がりの期間は急激にすることもできる。
【００６４】
上述した本第２実施形態では、第１実施形態と同様の制御により、充電の停止等で大きな差蓄電量δＱが発生しても、充電回復後に差蓄電量δＱを金属空気二次電池１へ再充電するので、小さな蓄電容量の蓄電池２を用いることができる。
【００６５】
図１０は本発明の第３実施形態の制御説明図であり、金属空気二次電池の充電電力の上限を定めた制御を表している。
【００６６】
本第３実施形態は、第２実施形態と補正電力Δの補正方法が異なる他は、第２実施形態と同様である。従って、以下、補正電力Δによる補正方法について説明する。
【００６７】
図１０を参照して、時刻ｔ１において、酸素濃度信号１ａが時刻ｔ１に規定値を超えたことを検知した制御器５は、制御充放電電力Ｐａを停止等する。次いで、時刻ｔ２で酸素濃度が規定値より低くなると、制御器５は、第１実施形態と同様に補正電力Δを予測充放電電力Ｐａ’に加えた制御充放電電力Ｐａて、金属空気二次電池１を充電する。
【００６８】
本第３実施形態では、制御充放電電力Ｐａが、時刻ｔ２における予測充放電電力Ｐａ’に一定値を加えた値（電力）を超えないように制御する。即ち、図１０を参照して、第２実施形態による制御では、充電電力がこの値を超える時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間中、制御充放電電力Ｐａをこの値を上限として一定に維持する。なお、差蓄電量δＱを放電するために゛補正電力Δを加える期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ５）を上限で制限した分長くする。
【００６９】
酸素濃度上昇に伴う充電の停止等により発生する差蓄電量δＱは、停止等の継続期間が長引くこともあり、金属空気二次電池１の応答の遅れに伴い発生する差蓄電量δＱに較べて非常に大きくなる場合がある。このため、第２実施形態の制御では、補正電力Δが大きくなり、金属空気二次電池１への充電を再開したとき再び環境中の酸素濃度の増加を招来するおそれがある。
【００７０】
本第３実施形態では、充電の停止等により大きな差蓄電量δＱが発生しても、再開したときの金属空気二次電池１の制御充放電電力Ｐａの上限が制限されるので、酸素濃度の再上昇が抑制される。
【００７１】
図１１は本発明の第４実施形態の制御説明図であり、金属空気二次電池の充電電力がピークを経過した後に差蓄電量δＱを放電する制御に関する。
【００７２】
本第４実施形態は、第２実施形態と補正電力Δの補正方法が異なる他は、第２実施形態と同様である。従って、以下、補正電力Δによる補正方法について説明する。
【００７３】
図１１を参照して、時刻ｔ１において、酸素濃度信号１ａが時刻ｔ１に規定値を超えると制御充放電電力Ｐａを停止等し、その後、時刻ｔ２で酸素濃度が規定値より低くなると、予測充放電電力Ｐａ’を制御充放電電力Ｐａとして算出し、制御充放電電力Ｐａで金属空気二次電池１を充電する。即ち，充電が回復した時刻ｔ３直後は、補正電力Δは加算されず、予測充放電電力Ｐａ’により金属空気二次電池１の充電がなされる。
【００７４】
次いで、予測充放電電力Ｐａ’がピークを過ぎた時刻ｔ３から後は、制御充放電電力Ｐａを，予測充放電電力Ｐａ’のピーク値（時刻ｔ３での予測充放電電力Ｐａ’の値）に維持する。このピーク値に等しい制御充放電電力Ｐａは、差蓄電量δＱが放電されるまで維持される。差蓄電量δＱが放電された時刻ｔ５以降は、時間平均＜Ｐｓ＞が穏やかに変動するときの制御と同様に制御される。
【００７５】
本第４実施形態では、制御充放電電力Ｐａは、予測充放電電力Ｐａ’のピーク値を超えることはない。従って、充電再開後の環境中の酸素濃度の上昇をより確実に抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明を太陽光発電又は風力発電の蓄電装置に適用することで、自然エネルギーを利用した発電効率の高い発電システムが実現される。
【符号の説明】
【００７７】
１  金属空気二次電池
１Ａ  酸素濃度測定器
１ａ  酸素濃度信号
２ｂ  充電率信号
１Ｔ〜４Ｔ  電力変換器
２  蓄電池
３  発電機
４  負荷
５  制御器
６  電力線路
７  補機
Δ  補正電力
Ｐａ  制御充放電電力
Ｐｂ  充放電電力
Ｐａ’  予測充放電電力
Ｐｂ’  充電電力
Ｐｂ”  放電電力
Ｐｇ  発電電力
Ｐｏ  負荷電力
Ｐｓ  余剰電力
＜Ｐｓ＞  時間平均
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図４】
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【図１１】
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