(57)【要約】【課題】太陽光発電装置、燃料電池装置および蓄電池を備えた独立型分散電源において、燃料電池装置の発電効率の高い運転方法を提供する。【解決手段】太陽光発電装置１０２と燃料電池装置１０４と蓄電池１０８とを備えた独立型分散電源システム４００において、蓄電池の充電率が一定以下の場合に、燃料電池装置の出力が定格出力とし、太陽光発電装置と燃料電池装置が発電した電力の和の内、負荷１１０が消費する電力より大きな余剰電力が発生した場合には、この余剰電力を蓄電池の充電に割り当てる。充電率についての所定の値は、負荷の消費電力に応じて異なり、負荷の消費電力が大きい程、充電率についての所定の値は小さい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電装置と燃料電池装置と蓄電池と備えた独立型分散電源システムの運転方法であって、
前記蓄電池の充電率が所定値以下の場合に、前記燃料電池装置を発電効率の高い出力領域で継続的に運転し、前記太陽光発電装置が発電した電力と前記燃料電池装置が発電した電力の和から前記独立分散電源システムに接続された負荷が消費する電力を差し引いた余剰電力が発生した場合には、この余剰電力を前記蓄電池の充電のための電力とすることを特徴とする独立型分散電源システムの運転方法。
【請求項２】
前記太陽光発電装置からの電力が、前記負荷が消費する電力を下回った場合に、前記燃料電池装置の運転または前記蓄電池の放電を行うことを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
【請求項３】
前記充電率についての前記所定の値は、前記負荷の消費電力に応じて予め定められた値である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の運転方法。
【請求項４】
前記負荷の消費電力が大きい程、前記充電率についての前記所定の値は小さい値であることを特徴とする請求項３に記載の運転方法。
【請求項５】
前記余剰電力の一部を前記太陽光発電装置の最大出力電制御装置で消費することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立型分散電源システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電や燃料電池、蓄電池などを組み合わせた分散型電力システムが提唱され、制御法の研究や実証試験が現在さかんに行われている（例えば、非特許文献１参照）。図１に、非特許文献１の電源システムの構成を示す。図１の電源システム１００は、太陽光発電装置１０２（ＰＶ:photovoltaics）と燃料電池装置１０４（ＦＣ:Fuel cell）と蓄電池１０８(Ｂａｔｔ：Battery)とを備える。
【０００３】
太陽光発電装置１０２（ＰＶ:photovoltaics）は、最大出力電力を調整する最大出力電制御装置（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracker）１１２を有し、ＭＰＰＴを介して電力バスに接続されている。
【０００４】
燃料電池装置１０４は、ダイオード１１６を介して電力バスに接続されている。これにより、ＭＰＰＴ１１２の出力電圧範囲は燃料電池装置１０４のそれよりも高く設定されており、ＭＰＰＴ１１２側が燃料電池装置１０４に対して優先的に電力が供給される。また、燃料電池装置１０４には、燃料を供給するＬＰＧボンベ１０６が接続されている。
【０００５】
蓄電池１０８は、ダイオード１２２を介して電力バスに接続されている。ＤＣ／ＤＣ変換器１１８の出力電圧範囲は蓄電池１０８のそれよりも高く設定されており、ＤＣ／ＤＣ変換器１１８側が蓄電池１０８に対して優先的に電力が供給される。また、蓄電池１０８には、電力バスから電力を引き込み蓄電池１０８の充電を制御するチャージャ１２０が接続されている。
【０００６】
電力バスには、ＤＣ／ＤＣ変換器１１８が備えられている。
【０００７】
これらの分散した電源、すなわち、太陽光発電装置１０２、燃料電池装置１０４および蓄電池１０８は、電源システム１００において電力バスに接続され、この電力バスに接続された負荷１１０（Ｌｏａｄ）へ電力が供給される。例えば、太陽光発電装置が発電する電力が負荷１１０により消費される電力よりも小さいとき、電力バスの電圧が低下する。この電力バスの低下に応答してダイオード（１１６，１２２）に接続された燃料電池１０４や蓄電池１０８からの電力が負荷１１０へ供給される。このように、太陽光発電装置は、化石燃料を消費しないため、なるべく太陽光発電装置による電力を有効利用するのが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】矢島寛也 外４名、「太陽電池と燃料電池を用いた小規模電源システム」、２０１３年ソサイエティ大会演論文集、 2 S-31〜32、電子情報通信学会、２０１３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１に示す電源システムで一定負荷に定常的に電力を供給しようとするとき、図３に示すように、天候により太陽光発電装置の出力電力（発電電力）が負荷の要求出力（消費）に満たないことがある。このとき、上述したように他の電源より不足分の電力を供給する必要がある。例えば、燃料電池装置でこの不足分の電力を供給する方法が考えられる。
【００１０】
しかしながら、燃料電池装置で消費する燃料の供給を、太陽光発電装置の出力変動を予測して追随させることは難しいため、予想される最大の要求出力電力を見越して予め相応の燃料を供給しておく必要がある。図２に示すように、燃料電池装置は、発電効率の出力依存性が大きい。このために、非定常出力のとき、および定格出力でないときは、時間平均の発電効率が低くなり、備蓄燃料を効率的に電力に変換できない課題があった。たとえば、図３に示すような太陽光発電装置の電力の不足分を燃料電池装置の電力で補てんする場合、燃料電池の３０分間の平均発電効率は３％と低くなる。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、太陽光発電装置と燃料電池装置と蓄電池とを備えた電源装置における、燃料電池装置の発電効率の高い運転方法を提供することにある。これにより、備蓄燃料をより効率的に電力に変換し、電源装置のより長時間の運転を実現しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様は、太陽光発電装置と燃料電池装置と蓄電池とを備えた独立型分散電源システムの運転方法である。蓄電池の充電率（ＳＯＣ : State of Charge）が一定以下の場合に、燃料電池装置を発電効率の高い出力領域で継続的に運転することを特徴とする。たとえば、燃料電池装置における発電効率の高い出力領域は、燃料電池装置の定格出力に近い領域である。また、太陽光発電装置と燃料電池装置が発電した電力の和の内、負荷が消費する電力より大きな余剰電力が発生した場合には、この余剰電力を蓄電池に充電することを特徴とする。これにより、より長い時間燃料電池を高効率で運転することを可能とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、太陽光発電装置、燃料電池装置および蓄電池を備えた独立型分散電源において、燃料電池装置の発電効率の高い運転方法を提供することができる。これにより、災害による長時間停電の際などにより長い時間の電力供給を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の独立型分散電源システムを示す図である。
【図２】（ａ）は燃料電池の出力電量と発電電力および消費熱量との関係を示す図であり、（ｂ）燃料電池の出力電量と発電効率との関係を示す図である。
【図３】定常付加への電力供給時の太陽光発電の電力トレンドを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る独立型分散電源システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１６】
図４は、本発明の実施形態の運転方法により運転される独立型分散電源システムの構成を示す図である。図４の電源システム４００は、太陽光発電装置（ＰＶ）１０２と燃料電池装置（ＦＣ）１０４と蓄電池(Ｂａｔｔ)１０８と備える。蓄電池１０８の容量は十分に大きく、かつ蓄電池の充電器（チャージャ）１２０の容量は負荷１１０の最大消費電力程度に大きいものを用いる。
【００１７】
燃料電池装置（ＦＣ）１０４とダイオード１１６との間に遮断スイッチＳ１（４０５）が設けられている。
【００１８】
電源システム４００は、記憶装置４０４を有する制御部４０４を備える。記憶装置４０４には、運転制御に関するプログラムやデータが記憶されている。
【００１９】
蓄電装置１０８には、充電率を計測する充電率計測装置４０８が設けられている。計測された蓄電装置の充電率の値は、制御部４０４へ供給される。また、電源システム４００は、負荷１１０の消費電力を計測する負荷電力計測装置４１０を備える。計測された負荷１１０の消費電力の値は、制御部４０４へ供給される。
【００２０】
チャージャ１２０の容量は、このシステム内で生じる出力変動の量と同程度の大きさを有する。チャージャ１２０の入力端には、遮断スイッチ（Ｓ２）４０６が設けられている。スイッチＳ２（４０６）は、スイッチＳ１（４０５）と共に、本実施形態の運用方法に従って、開閉する。
【００２１】
本実施形態の運転方法では、蓄電池の充電率ＳＯＣが所定の値以下である場合に、燃料電池装置１０４からの出力が定格出力に近い状態（発電効率の高い出力領域）で継続的に該燃料電池装置を運転し、太陽光発電装置と燃料電池装置が発電した電力の和から負荷が消費する電力を差し引いた余剰電力が発生した場合には、この余剰電力を蓄電池に充電する。蓄電池の充電率ＳＯＣにおける所定の値は、負荷の消費電力に応じて予め定められた値である。例えば、負荷の消費電力が大きい程、充電率についての所定の値は小さい。
【００２２】
これにより負荷１１０の消費電力や太陽光発電装置１０２の発電電力にかかわらず燃料電池装置１０４を発電効率の高い出力領域で運転することが可能となり、一定の燃料でより長時間発電を継続することが可能となる。
【００２３】
以下、表１に示すように運転モード１〜６を説明する。負荷の消費電力Ｘと蓄電池の充電率Ｚ（負荷の消費電力に応じて異なる）にしたがって、スイッチ（Ｓ１）４０５、スイッチ（Ｓ２）４０６、燃料電池装置１０４の運転（発電量）が制御される。
【００２４】
負荷による消費電力Ｘの最大値は３６０Ｗ、太陽光発電装置１０２の発電量Ｙの最大値は１９０Ｗ、燃料電池装置の出力Ｂの最大値（定格電力）は３６０Ｗ、燃料電池装置の消費熱量の最小値を９００ジュール／秒、燃料電池装置の消費熱量の最大値（定格電力出力時）は１１００ジュール／秒である。このような特性を有する試作した電源システムで、負荷出力３６０Ｗに対して晴天時に３０分間連続発電させたこところ、３０分間の燃料電池装置の発電効率Ｄは２８％となった。発電効率Ｄの２８％という値は、従来の動作方法(発電効率３％)と比べて非常に高い値であり、燃料の電力変換効率が高められた結果を示すものである。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
（モード１）
運転モード１は、太陽光発電装置１０２の電力Ｙが負荷の消費電力Ｘよりも小さい場合に適用される運転モードである。制御装置４０２は、負荷電力計測装置４１０および充電率計測装置４０８から供給される値に基づいて、負荷１１０の消費電力Ｘが比較的小さい（予め定められた値以下であり）という条件と、当該消費電力Ｘに対応する蓄電池の充電率Ｚが予め定められた値以下であるという条件とが満たされるかどうかを決定する。これらの２つの条件の双方が満たされる場合には、スイッチＳ１（４０５）とスイッチＳ２（４０６）をオンに切替え、出力Ｂが最大（定格電力値）となるように燃料電池装置１０４を運転し、太陽光発電装置１０２の出力を補償するとともに、チャージャ１２０を介して蓄電池４０８を充電する。このとき燃料電池装置１０４の発電効率は２８％となる。
【００２７】
（モード２）
運転モード２は、太陽光発電装置１０２の電力Ｙが負荷の消費電力Ｘよりも大きい場合に適用される運転モードである。制御装置４０２は、負荷電力計測装置４１０および充電率計測装置４０８から供給される値に基づいて、モード１に示した２つの条件の双方が満たされるかどうかを決定する。充電率Ｚに関する条件のみが満たされない場合には、制御装置４０２は、スイッチＳ１（４０５）をオンに切替え、スイッチＳ２（４０６）をオンに切替え、燃料電池装置１０４を待機状態で運転する。太陽光発電装置１０２の出力は、負荷とチャージャ１２０へ供給される。また、太陽光発電装置１０２の出力の余剰分は、太陽光発電装置１０２のＭＰＴＴ内部で消費される。燃料電池装置１０４が待機状態（出力が０Ｗ）であるのにスイッチＳ１（４０５）をオンにするのは、太陽光発電装置１０２の電力Ｙが負荷１１０の消費電力Ｘよりも大きい状態が保たれるか、曇るなどして太陽光発電装置１０２の電力Ｙが低下するかの予測ができず、かつ、蓄電池１０８の充電率Ｚが予め定められた値以下であるためである。太陽光発電装置１０２の電力Ｙや蓄電池１０８の放電電力が短時間で低下する場合に備えて、スイッチＳ１（４０５）をオンにして燃料電池装置１０４を電力バス接続しておくのが望ましい。
【００２８】
（モード３）
運転モード３は、太陽光発電装置１０２の電力Ｙが負荷の消費電力Ｘよりも小さい場合に適用される運転モードである。制御装置４０２は、負荷電力計測装置４１０および充電率計測装置４０８から供給される値に基づいて、モード１に示した２つの条件が満たされるかどうかを決定する。制御装置４０２は、負荷１１０の消費電力Ｘが比較的小さいが、当該消費電力Ｘに対応する蓄電池の充電率Ｚが予め定められた値より大きいと決定した場合、スイッチＳ１（４０５）およびスイッチＳ２（４０６）をオフに切替え、燃料電池装置１０４を待機状態で運転する。この場合、電力バスの電圧が低下するため、蓄電池１２０に蓄えられた電力が放電され、太陽光発電装置１０２の出力とともに負荷１１０へ供給される。
【００２９】
（モード４）
運転モード４は、太陽光発電装置１０２の電力Ｙが負荷の消費電力Ｘよりも大きい場合に適用される運転モードである。制御装置４０２は、負荷電力計測装置４１０および充電率計測装置４０８から供給される値に基づいて、モード１に示した２つの条件が満たされるかどうかを決定する。制御装置４０２は、負荷１１０の消費電力Ｘが比較的小さいが、当該消費電力Ｘに対応する蓄電池の充電率Ｚが予め定められた値より大きいと決定した場合、スイッチＳ１（４０５）およびスイッチＳ２（４０６）をオフに切替え、燃料電池装置１０４を待機状態で運転する。太陽光発電装置１０２の出力は、負荷１１０のみへ供給される。また、太陽光発電装置１０２の出力の余剰分は、太陽光発電装置１０２のＭＰＴＴ内部で消費される。
【００３０】
（モード５）
運転モード５は、負荷１１０の消費電力Ｘが比較的大きい（モード１で説明した予め定められた値よりも大きい）場合に適用される運転モードである。
【００３１】
制御装置４０２は、負荷電力計測装置４１０および充電率計測装置４０８から供給される値に基づいて、負荷１１０の消費電力Ｘが比較的大きい（モード１〜４における値より大きい）という条件と、当該消費電力Ｘに対応する蓄電池の充電率Ｚが予め定められた値（モード１〜４における値よりも小さい値）以下であるという条件とが満たされるかどうかを決定する。これらの２つの条件の双方が満たされる場合には、スイッチＳ１（４０５）とスイッチＳ２（４０６）をオンに切替え、出力Ｂが最大（定格電力値）となるように燃料電池装置１０４を運転し、太陽光発電装置１０２の出力を補償するとともに、チャージャ１２０を介して蓄電池４０８を充電する。このとき燃料電池装置１０４の発電効率は２８％となる。このように、負荷１１０の消費電力Ｘが大きい場合でも充電率がある程度(例えば、５０％)となるように蓄電池が充電される。
【００３２】
（モード６）
モード６は、モード５と同様に、負荷１１０の消費電力Ｘが比較的大きい（モード１で説明した予め定められた値よりも大きい）場合に適用される運転モードである。
【００３３】
制御装置４０２は、負荷電力計測装置４１０および充電率計測装置４０８から供給される値に基づいて、負荷１１０の消費電力Ｘが比較的大きい（モード１〜４における値より大きい）という条件と、当該消費電力Ｘに対応する蓄電池の充電率Ｚが予め定められた値（モード１〜４における値よりも小さい値）以下であるという条件とが満たされるかどうかを決定する。制御装置４０２は、負荷１１０の消費電力Ｘが比較的大きいが、当該消費電力Ｘに対応する蓄電池の充電率Ｚが予め定められた値より大きいと決定した場合、スイッチＳ１（４０５）をオンに切替え、スイッチＳ２（４０６）をオフに切替え、燃料電池装置１０４を運転し、太陽光発電装置１０２の出力を補償する。（燃料電池装置１０４の出力Ｂと燃料電池装置１０４の出力Ｙの和が負荷による消費電力Ｘとなるように、燃料電池装置１０４を運転する。）このように、負荷１１０の消費電力Ｘが大きい場合、消費電力Ｘが小さくなるときに備えて蓄電池の空き容量を確保する。
【００３４】
以上、具体的な数値を例示して、本願発明を説明したが、本願発明はこれらの数値に限定されるものではない。
【００３５】
本願発明によれば、燃料電池装置の発電効率の高い運転方法を提供され、長い時間燃料電池を高効率で運転することが可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
１００，４００  独立型分散電源システム
１０２  太陽光発電装置
１０４  燃料電池装置
１０６  ＬＰガスボンベ
１０８  蓄電池
１１０  負荷
１１２  最大出力電制御装置
１１６  ダイオード
４０５，４０６  スイッチ
１１８  ＤＣ／ＤＣ変換器
１２０  チャージャ
４０２  制御部
４０４  記億装置
４０８  充電率計測装置
４１０  負荷電力計測装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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