(57)【要約】【課題】発電設備からの経時的に変動する出力によって効率的に多量のエネルギーを貯蔵することができるエネルギー貯蔵システムを提供すること。【解決手段】出力される電力が経時的に変動する１又は複数の発電設備と、１又は複数のエネルギー貯蔵設備と、発電設備とエネルギー貯蔵設備との間に接続されたレドックスフロー電池２とを備え、発電設備から出力される電力によってエネルギー貯蔵設備にエネルギーを貯蔵する際に、発電設備から出力される経時的に変動する電力の少なくとも一部をレドックスフロー電池２に入力して、レドックスフロー電池２を充電し、レドックスフロー電池２は、充電された電力をエネルギー貯蔵設備に入力し、エネルギー貯蔵設備は、レドックスフロー電池２から入力された電力を、電力に変換可能なエネルギーに変換して貯蔵することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力される電力が経時的に変動する１又は複数の発電設備と、１又は複数のエネルギー貯蔵設備と、前記発電設備と前記エネルギー貯蔵設備との間に接続されたレドックスフロー電池とを備え、
前記発電設備から出力される電力によって前記エネルギー貯蔵設備にエネルギーを貯蔵する際に、
前記発電設備から出力される経時的に変動する電力の少なくとも一部を前記レドックスフロー電池に入力して該レドックスフロー電池を充電し、
前記レドックスフロー電池は、充電された電力を前記エネルギー貯蔵設備に入力し、
前記エネルギー貯蔵設備は、前記レドックスフロー電池から入力された電力を、電力に変換可能なエネルギーに変換して貯蔵することを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記発電設備から出力される経時的に変動する電力のうち所定の閾値を超えた分の電力を前記レドックスフロー電池に入力して該レドックスフロー電池を充電することを特徴とする請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
前記１又は複数の発電設備は、太陽光発電設備及び風力発電設備から選択される１種以上を含むことを特徴とする請求項１又は２記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
前記１又は複数のエネルギー貯蔵設備は、揚水式エネルギー貯蔵設備、圧搾空気式エネルギー貯蔵設備及びフライホイール式エネルギー貯蔵設備から選択される１種以上を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
前記レドックスフロー電池に接続された負荷を更に備え、
前記エネルギー貯蔵設備に貯蔵されたエネルギーによって前記負荷に電力を出力する際に、
前記エネルギー貯蔵設備は、貯蔵されたエネルギーを、電力に変換して前記レドックスフロー電池に入力して該レドックスフロー電池を充電し、
前記レドックスフロー電池は、充電された電力を前記負荷に出力することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のエネルギー貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー貯蔵システムに関し、より詳しくは、発電設備からの経時的に変動する出力によって効率的に多量のエネルギーを貯蔵することができるエネルギー貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電設備からの経時的に変動する出力によって効率的に多量のエネルギーを貯蔵することができるエネルギー貯蔵システムは十分に確立されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで本発明の課題は、発電設備からの経時的に変動する出力によって効率的に多量のエネルギーを貯蔵することができるエネルギー貯蔵システムを提供することにある。
【０００４】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【０００６】
（請求項１）
出力される電力が経時的に変動する１又は複数の発電設備と、１又は複数のエネルギー貯蔵設備と、前記発電設備と前記エネルギー貯蔵設備との間に接続されたレドックスフロー電池とを備え、
前記発電設備から出力される電力によって前記エネルギー貯蔵設備にエネルギーを貯蔵する際に、
前記発電設備から出力される経時的に変動する電力の少なくとも一部を前記レドックスフロー電池に入力して該レドックスフロー電池を充電し、
前記レドックスフロー電池は、充電された電力を前記エネルギー貯蔵設備に入力し、
前記エネルギー貯蔵設備は、前記レドックスフロー電池から入力された電力を、電力に変換可能なエネルギーに変換して貯蔵することを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
（請求項２）
前記発電設備から出力される経時的に変動する電力のうち所定の閾値を超えた分の電力を前記レドックスフロー電池に入力して該レドックスフロー電池を充電することを特徴とする請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
（請求項３）
前記１又は複数の発電設備は、太陽光発電設備及び風力発電設備から選択される１種以上を含むことを特徴とする請求項１又は２記載のエネルギー貯蔵システム。
（請求項４）
前記１又は複数のエネルギー貯蔵設備は、揚水式エネルギー貯蔵設備、圧搾空気式エネルギー貯蔵設備及びフライホイール式エネルギー貯蔵設備から選択される１種以上を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のエネルギー貯蔵システム。
（請求項５）
前記レドックスフロー電池に接続された負荷を更に備え、
前記エネルギー貯蔵設備に貯蔵されたエネルギーによって前記負荷に電力を出力する際に、
前記エネルギー貯蔵設備は、貯蔵されたエネルギーを、電力に変換して前記レドックスフロー電池に入力して該レドックスフロー電池を充電し、
前記レドックスフロー電池は、充電された電力を前記負荷に出力することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のエネルギー貯蔵システム。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発電設備からの経時的に変動する出力によって効率的に多量のエネルギーを貯蔵することができるエネルギー貯蔵システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵システムを概念的に説明する図
【図２】日照量の経時的な変化に伴う太陽光発電設備からの出力変動の一例を説明する図
【図３】風力の経時的な変化に伴う風力発電設備からの出力変動の一例を説明する図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するための形態について詳しく説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵システムを概念的に説明する図である。
【００１１】
図１に示すエネルギー貯蔵システムは、出力される電力が経時的に変動する発電設備として太陽光発電設備１を備えている。
【００１２】
太陽光発電設備１は、１又は複数の太陽光パネル１１によって構成することができる。図２に示すように、日照量の経時的な変化によって、太陽光発電設備１から出力される電力は経時的に変動することになる。
【００１３】
また、エネルギー貯蔵システムは、エネルギー貯蔵設備として、揚水式エネルギー貯蔵設備３及び圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４を備えている。
【００１４】
揚水式エネルギー貯蔵設備３は、下部貯水部３１及び該下部貯水部３１より高い位置に設けられた上部貯水部３２を備えている。下部貯水部３１と上部貯水部３２との間の高低差Ｈは格別限定されないが、１ｍ〜１００ｍの範囲であることが好ましい。また、揚水式エネルギー貯蔵設備３は、下部貯水部３１の水を上部貯水部３２に汲み上げるためのポンプ３３と、上部貯水部３２から下部貯水部３１に向けて重力によって流れ落ちる水によって発電する水力発電機（水車）３４とを備えている。下部貯水部３１及び上部貯水部３２は、それぞれ複数のパネルタンク３５を連結して構成されている。
【００１５】
揚水式エネルギー貯蔵設備３は、ポンプ３３によって電力を揚水の位置エネルギーに変換して、該位置エネルギーを貯蔵することができる。また、揚水式エネルギー貯蔵設備３は、水力発電機３４によって揚水の位置エネルギーを電力に変換して出力可能である。
【００１６】
例えば、揚水式エネルギー貯蔵設備３が比較的小規模である場合は、本実施形態のようにポンプ３３と水力発電機（水車）３４とを個別に専用のものとして用意することが好ましい。一方、揚水式エネルギー貯蔵設備３が比較的大規模である場合は、ポンプが水力発電機（水車）を兼ねることも好ましいことである。
【００１７】
圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４は、圧搾空気を充填するための複数のボンベ４１を備えている。また、圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４は、ボンベ４１に圧搾空気を充填するためのコンプレッサー４２と、ボンベ４１から開放される圧搾空気によって発電する発電機４３とを備えている。
【００１８】
圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４は、コンプレッサー４２によって電力を圧搾空気の圧力のエネルギーに変換して、該圧力のエネルギーを貯蔵することができる。また、圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４は、発電機４３によって圧搾空気の圧力のエネルギーを電力に変換して出力可能である。
【００１９】
更に、エネルギー貯蔵システムは、レドックスフロー電池２を備えている。
【００２０】
レドックスフロー電池２は、図示しない双極板を介して直列に接続された複数のセルによって構成されたセルスタック２１と、電解液（活物質液）を貯留するタンク２２と、電解液をタンク２２とセルスタック２１との間で循環するためのポンプ２３とを備えている。
【００２１】
レドックスフロー電池２は、発電設備である太陽光発電設備１と、エネルギー貯蔵設備である揚水式エネルギー貯蔵設備３及び圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４との間に接続されている。即ち、レドックスフロー電池２は、発電設備である太陽光発電設備１から出力される電力によって充電することができ、また、放電によってエネルギー貯蔵設備である揚水式エネルギー貯蔵設備３及び圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４に電力を入力することができる。更に、レドックスフロー電池２は、揚水式エネルギー貯蔵設備３及び圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４から出力される電力によっても充電することができる。
【００２２】
エネルギー貯蔵システムによって、発電設備である太陽光発電設備１から出力される電力によってエネルギー貯蔵設備である揚水式エネルギー貯蔵設備３及び圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４にエネルギーを貯蔵することができる。
【００２３】
この場合、まず、太陽光発電設備１から出力される経時的に変動する電力の少なくとも一部をレドックスフロー電池２に入力して該レドックスフロー電池２を充電する。
【００２４】
本実施形態では、図２に示すように、太陽光発電設備１から出力される経時的に変動する電力のうち所定の閾値ａを超えた分の電力をレドックスフロー電池２に入力して該レドックスフロー電池２を充電するようにしている。
【００２５】
所定の閾値ａは、例えば電力会社との売電契約における買取電力枠の上限値であることが好ましい。買取電力枠内の電力については売電に供し、買取電力枠の上限値を超える電力（以下、余剰電力という場合がある。）によってレドックスフロー電池２を充電することができる。
【００２６】
レドックスフロー電池２を用いることによって、例えば、余剰電力の経時的な変動に対応するように、レドックスフロー電池２のセルスタック２１を構成する直列に接続された複数のセルの中から充電対象となる１又は複数のセルを選択して、選択されたセルに対して充電を行うことができる。このとき、１セルあたりに入力される電圧が充電に適した電圧になるように、選択されるセル数を調整することができる。
【００２７】
充電時におけるセル数の選択を好適に行うために、レドックスフロー電池２に中間集電端子（トリムセル端子）を設けてもよい。中間集電端子として、レドックスフロー電池２を構成するセルスタック２１において複数のセル間に配置される複数の双極板に接続された複数の端子を用いることができる。セルスタック２１の図示しないエンドプレートに接続された端子に加えて、中間集電端子を用いることによって、充電対象となるセル数を自在に設定することができる。即ち、エンドプレートからなる端子及び中間集電端子の中から一対の端子を選択することによって、該一対の端子間に存在する１又は複数のセルを充電対象として選択できる。
【００２８】
また、レドックスフロー電池２においては、セルスタックを構成する各セルに共通の電解液（活物質液）を分岐して流通させることによって、複数のセル間で充電深度を均一化できる。充電深度は電解液の酸化還元状態によって決まるからである。そのため、充電対象となるセルを選択する際には、リチウムイオン電池等のような他の二次電池の場合と異なり均等充電化の問題がなく、複数のセル間での充電深度差を考慮せずに、自由度高くセルを選択できる。これにより、予期困難な気象変化に伴う日照量の変化に対して、自由度高く選択セル数を変更して追随できるようになる。
【００２９】
以上のようにして、レドックスフロー電池２は、余剰電力の経時的な変動（出力変動）に対して、最大出力点追随機能（ＭＰＰＴ）を好適に発揮することができ、効率的な充電を達成できる。
【００３０】
次いで、レドックスフロー電池２は、充電された電力を揚水式エネルギー貯蔵設備３及び圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４に入力する。
【００３１】
レドックスフロー電池２を用いることによって、例えば、揚水式エネルギー貯蔵設備３のポンプ３３や圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４のコンプレッサー４２の各々を駆動するために適合された電力を入力することができる。即ち、レドックスフロー電池２のセルスタック２１を構成する複数のセルの中から放電対象となる１又は複数のセルを選択して、選択されたセルから放電を行うことができる。このとき、ポンプ３３やコンプレッサー４２の駆動に適した電圧になるように、選択されるセル数を調整することができる。上述した中間集電端子は、充電時と同様に、放電時におけるセル数の選択を行うためにも使用できる。
【００３２】
太陽光発電設備１からの余剰電力によって直接、ポンプ３３やコンプレッサー４２を駆動させる場合は、電力が過剰になったり不足したりすることによって駆動が不安定になりエネルギーロスが増大するため、効率的なエネルギー貯蔵が困難である。これに対して、レドックスフロー電池２を用いることによって、これらを効率的に駆動することができ、効率的なエネルギー貯蔵を達成できる。また、レドックスフロー電池２を用いることによって、まとまった電力を安定に出力できるようになるため、種々のエネルギー貯蔵機構を備えるエネルギー貯蔵設備を好適に駆動できるようになる。これにより、使用するエネルギー貯蔵設備の選択の自由度が高まり、例えば揚水式エネルギー貯蔵設備３や圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４等のような低コストなエネルギー貯蔵設備を選択可能になる。
【００３３】
エネルギー貯蔵設備、特に揚水式エネルギー貯蔵設備３や圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４は、例えばパネルタンク３５やボンベ４１の増設等によって容易にエネルギー貯蔵量を増量できるため、多量のエネルギーを貯蔵するのにも適している。これにより、効率的に多量のエネルギーを貯蔵することができる。
【００３４】
エネルギー貯蔵設備に貯蔵されたエネルギーの用途は格別限定されないが、このエネルギーを電力に変換して図示しない負荷に出力することが好ましい。この場合、エネルギー貯蔵設備から出力された電力は、レドックスフロー電池２を介して、あるいはレドックスフロー電池２を介さずに、負荷に入力することができる。
【００３５】
揚水式エネルギー貯蔵設備３や圧搾空気式エネルギー貯蔵設備４からレドックスフロー電池２を介して負荷に電力を出力する場合、まず、エネルギー貯蔵設備はレドックスフロー電池２に電力を入力して該レドックスフロー電池２を充電する。次いで、レドックスフロー電池２は、該レドックスフロー電池２に接続されている負荷に、充電された電力を出力することができる。
【００３６】
負荷として例えば上述した売電契約を結んでいる電力会社の商用電源系統に出力を行ってもよい。余剰電力が発生する場合に該余剰電力によってエネルギー貯蔵設備にエネルギー貯蔵を行い、発電設備からの出力が買取電力枠の上限値を下回る場合にエネルギー貯蔵設備に貯蔵されたエネルギーを電力に変換して、例えば発電設備からの出力と共に、商用電源系統に出力して売電に供することができる。このとき、レドックスフロー電池２を介して出力する場合は、好ましくは上述した中間集電端子を用いて、買取電力枠内で最大限の出力を達成するように出力調整できるため、効率的に売電を行うことができる。これにより、本発明のエネルギー貯蔵システムの導入コストを早期に回収することも可能になる。
【００３７】
以上の説明では、発電設備が太陽光発電設備である場合について主に示したが、これに限定されない。発電設備としては、出力される電力が経時的に変動するものを好ましく用いることができる。また、発電設備は、１又は複数を組み合わせて用いることができる。
【００３８】
発電設備の他の例として風力発電設備等が挙げられる。風力発電設備は、１又は複数の風車によって構成することができる。図３に示すように、風力の経時的な変化によって、風力発電設備から出力される電力は経時的に変動することになるが、レドックスフロー電池を設けることによって、太陽光発電設備の場合と同様に、閾値ａを超える余剰電力をエネルギー貯蔵設備に効率的に貯蔵することができる。
【００３９】
以上の説明では、エネルギー貯蔵設備として、揚水式エネルギー貯蔵設備及び圧搾空気式エネルギー貯蔵設備を併用する場合について主に示したが、これに限定されない。エネルギー貯蔵設備としては、入力された電力を、電力に変換可能なエネルギーに変換して貯蔵できるものを好ましく用いることができる。また、エネルギー貯蔵設備は、１又は複数を組み合わせて用いることができる。
【００４０】
エネルギー貯蔵設備の他の例として例えばフライホイール式エネルギー貯蔵設備等が挙げられる。フライホイール式エネルギー貯蔵設備は、入力された電力を、モーターによってフライホイール（ローター）の運動エネルギー（回転運動エネルギー）に変換して貯蔵することができる。また、この運動エネルギーは、上記のモーターを発電機として使用することによって再び電力に変換して出力することができる。
【００４１】
上述した発電設備及びエネルギー貯蔵設備は、本発明のエネルギー貯蔵システムの設置と共に新設されてもよいが、既存設備を本発明のエネルギー貯蔵システムに組込んでもよい。例えば上部貯水部及び下部貯水部として高低差を有する２つのダムを用いた既存の揚水式エネルギー貯蔵設備を本発明のエネルギー貯蔵システムに組込んでもよい。
【００４２】
上述したシステムに用いられるレドックスフロー電池は格別限定されないが、正極及び負極の少なくとも一方、好ましくは両方が、電解液を電極内に流通させる電解液流通型電極によって構成されたものを好ましく用いることができる。電解液流通型電極は、例えば導電性カーボンフェルト等によって構成されることが好ましい。
【００４３】
レドックスフロー電池の正極及び負極の少なくとも一方、好ましくは両方に供給される電解液（活物質液）は、電池活物質として周期表における４族元素〜８族元素である遷移金属元素を含有することが好ましい。レドックスフロー電池として、例えば、正極電解液として４価及び５価バナジウムイオンを含む液を用い、負極電解液として２価及び３価バナジウムイオンを含む液を用いたもの等が挙げられる。また、例えば負極を電解液流通型電極によって構成し、正極を酸素極とすることもできる。
【００４４】
レドックスフロー電池を構成する積層単電池スタック内における複数の単セル間での充電深度差の発生を回避し、均等充電化の問題を解消する観点で、正極電解液及び又は負極電解液のそれぞれを正極及び又は負極に供給する際には、複数の単セルに対して共通の電解液を供給することが好ましい。具体的には、例えば共通の電解液タンクからの電解液を複数の単セルに分岐して供給するように電解液を循環することが好ましい。
【符号の説明】
【００４５】
１：太陽光発電設備
１１：太陽光パネル
２：レドックスフロー電池
２１：セルスタック
２２：タンク
２３：ポンプ
３：揚水式エネルギー貯蔵設備
３１：下部貯水部
３２：上部貯水部
３３：ポンプ
３４：水力発電機
３５：パネルタンク
４：圧搾空気式エネルギー貯蔵設備
４１：ボンベ
４２：コンプレッサー
４３：発電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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