(57)【要約】  サイトにおける消費電力を監視する。電気負荷が、電気伝導体によって、電力源に接続される。燃料不使用エネルギー生成装置は、電気伝導体の接点に、電気的に接続される。電流センサは、電力源と接点との間の検出位置で、電磁的に電気伝導体に接続され、電流検出センサ信号が生成される。電流検出センサ信号から、検出電流信号及び検出電圧信号が生成される。検出した信号間の検出位相関係が決定され、検出位相関係を、基準位相関係と比較して、電気伝導体を流れる電流の方向が決定される。検出位置における導体を流れる電流の方向及び大きさに基づいて、電力源信号を生成する。ある実施例では、ロゴスキー型の微分電流センサが使用される。また、ある実施例では、１つの電流センサが使用される。【選択図】図２
2011523077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイトにおいて消費電力を監視可能とする方法であって、
前記サイトは、接点を通じて電力源と接続される電気負荷と、前記接点に電気的に接続された燃料不使用エネルギー生成装置とを含み、
前記電力源は、電気伝導体によって前記接点に接続され、
前記方法は、
電流センサを、前記電力源と前記接点との間の検出位置で、前記電気伝導体と直接電気接続することなく、前記電気伝導体に電磁的に結合して、電流センサ信号を生成する電磁的結合段階と、
前記電流センサ信号から、検出電流信号及び検出電圧信号を生成する段階と、
前記検出電圧信号と前記検出電流信号との間の検出位相関係を決定する段階と、
前記検出位相関係を、基準位相関係と比較して、前記電気伝導体を流れる電流の方向を決定する段階と、
前記検出位置における前記電気伝導体を流れる電流の方向及び大きさに基づいて、電力源信号を生成する段階と
を備える方法。
【請求項２】
前記電磁的結合段階は、
空の内部及び対向する端部を持ち、前記対向する端部が、実装状態において前記対向する端部間に形成されるギャップを規定するフレキシブルロゴスキーコイルを実装状態に配置する段階と、
前記電気伝導体を、前記ギャップを通過させて前記内部に位置させることにより、前記電気伝導体を前記フレキシブルロゴスキーコイルで囲む段階と
を備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記検出位置における前記電気伝導体を流れる電流の前記方向が既知の場合、前記基準位相関係を、前記電磁的に結合する段階、前記生成する段階及び前記決定する段階に対応する段階を実行することにより決定する段階をさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料不使用エネルギー生成装置から、実質的に電流が流れていない場合に、前記基準位相関係を決定する段階が実行される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記基準位相関係を更新する段階をさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記電気伝導体を流れる電流の前記方向が既知である場合、前記更新する段階は、前記電磁的に結合する段階、前記生成する段階及び前記決定する段階に対応する段階を実行することによって行われる請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記更新する段階は、自動的に実行される請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料不使用エネルギー生成装置から送られる前記電流に対応する、燃料不使用エネルギー生成装置電流信号を生成する段階と、
前記燃料不使用エネルギー生成装置電流信号及び前記電力源電流信号を使用して、電力使用信号を生成する段階と、
前記電力使用信号を前記サイトの装置に提供する段階を
さらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記提供する段階は、
前記電力使用信号を、前記サイトの視覚表示装置に送信する段階と、
前記電力使用信号から導出された電力使用パラメータを前記視覚表示装置に表示する段階と
をさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記電力使用パラメータを表示する段階は、一定期間における消費電力、前記一定期間に前記燃料不使用エネルギー生成装置によって生成された電力、及び前記燃料不使用エネルギー生成装置によって生成された全電力を表す値を表示する段階を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電磁的結合段階は、１つの電流センサを使用することにより実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記電磁的結合段階は、比例電流センサを使用することにより実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記電磁的結合段階は、微分電流センサを使用することにより実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
サイトにおいて消費電力を監視可能とする方法であって、
前記サイトは、接点を通じて電力源と接続される電気負荷と、前記接点にインバータを通して電気的に接続されたソーラーパネルとを含み、
前記電力源は、電気伝導体によって前記接点に接続され、
前記方法は、
１つの電流センサを、前記電力源と前記接点との間の検出位置で、前記電気伝導体と直接電気接続することなく、前記電気伝導体に電磁的に結合して、電流センサ信号を生成する段階と、
前記電流センサ信号から、検出電流信号及び検出電圧信号を生成する段階と、
前記検出電圧信号と前記検出電流信号との間の検出位相関係を決定する段階と、
前記検出位相関係を、基準位相関係と比較して、前記電気伝導体を流れる電流の方向を決定する段階と、
前記検出位置における前記電気伝導体を流れる電流の方向及び大きさに基づいて、電力源信号を生成する段階と
を備える方法。
【請求項１５】
前記ソーラーパネルから前記インバータを通して流れる電流に対応するソーラーパネル電流信号を生成する段階と、
前記ソーラーパネル電流信号及び前記電力源電流信号を使用して、電力使用信号を生成する段階と、
前記電力使用信号を、前記サイトにおける装置に提供する段階と
をさらに備える請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、（１）太陽、風、又は燃料を使用しない他の電力源、及び（２）典型的には、電力会社によって提供される電力のような他の電力源の双方から電力を得ている住宅又は商業ビルのようなサイトにおいて使用されるエネルギーの監視に関する。
【背景技術】
【０００２】
ソーラーパネルのような燃料不使用の電力源を利用している商業用建物又は住宅において、現在消費されている電力量を知ることは有用である。ソーラーパネルによって生産される電力についての情報は、一般的に、直流エネルギーを利用可能な交流エネルギーへと変換するのに使用されるインバータ内に設けられた電子システムから、標準的なインターフェースプロトコルを通じて、取得可能である。しかしながら、同様の情報を、電力会社の計器から取得することは、一般的に可能となっていない。
【発明の概要】
【０００３】
サイトにおいて消費電力を監視可能とする方法であって、サイトは、接点を通じて電力源と接続される電気負荷と、接点に接続された燃料不使用エネルギー生成装置とを含み、電力源は、電気伝導体によって接点に接続される。方法は、次のように実行される。電流センサを、電力源と接点との間の検出位置で、電気伝導体と直接電気接続することなく、電気伝導体に電磁的に結合して、電流センサ信号を生成する。電流センサ信号から、検出電流信号及び検出電圧信号を生成する検出電圧信号と検出電流信号との間の検出位相関係を決定する。検出位相関係を、基準位相関係と比較して、電気伝導体を流れる電流の方向を決定する。検出位置における電気伝導体を流れる電流の方向及び大きさに基づいて、電力源信号を生成する。ある実施例では、電磁的に結合する段階は、ロゴスキー型の微分電流センサが使用して行われる。また、ある実施例では、電磁的に結合する段階は、１つの電流センサが使用して行われる。
【０００４】
本発明のその他の特徴、側面及び効果は、添付の図面、以下に示す詳細な説明及び特許請求の範囲を参照し、説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】サイトにおける消費電力の監視を可能にするシステムを描いた概略図である。
【図２】図１の電流センサ及び信号調整回路の簡略的な概略図を示したものである。
【図３】図１のサイトの表示パネルの例を示した簡略的に示した図である。
【図４Ａ】微分電流センサの場合であって、センサの電気導伝体への設置方向に応じて、電流信号及び電圧信号が１８０度異なる場合を示した位相図である。
【図４Ｂ】微分電流センサの場合であって、センサの電気導伝体への設置方向に応じて、電流信号及び電圧信号が同位相の場合を示した位相図である。
【図５Ａ】図４Ａに示した微分電流センサ設置条件の場合であって、電力源及びソーラーパネルの両方から電流が負荷に供給されているときの電流信号及び電圧信号における位相関係を示したものである。
【図５Ｂ】図４Ｂに示した微分電流センサ設置条件の場合であって、電力源及びソーラーパネルの両方から電流が負荷に供給されているときの電流信号及び電圧信号における位相関係を示したものである。
【図６Ａ】図４Ａに示す微分電流センサの場合に対応しており、ソーラーパネルからの電流が、電気負荷が必要とする電流よりも大きくなってる場合の電圧及び電流を示している。
【図６Ｂ】図４Ｂに示す微分電流センサの場合に対応しており、ソーラーパネルからの電流が、電気負荷が必要とする電流よりも大きくなってる場合の電圧及び電流を示している。
【図７Ａ】比例電流センサの場合の、電気伝導体におけるセンサの配置方向に応じて、電流が電圧より９０°遅れている様子を示した位相図の例を示している。
【図７Ｂ】比例電流センサの場合の、電気伝導体におけるセンサの配置方向に応じて、電流が電圧より９０°遅れている様子を示した位相図の例を示している。
【図８Ａ】図７Ａの比例電流センサの配置において、電力源及びソーラーパネルの双方から電流が負荷に流れているときの、電流信号及び電流信号の位相関係を示した図である。
【図８Ｂ】図７Ｂの比例電流センサの配置において、電力源及びソーラーパネルの双方から電流が負荷に流れているときの、電流信号及び電流信号の位相関係を示した図である。
【図９Ａ】図７Ａの比例センサに対応し、ソーラーパネル２２からの電流が、電気負荷が必要とする電流よりも大きくなってるときの、電流が電圧より９０°進んでいる様子を示した図である。
【図９Ｂ】図７Ｂの比例センサに対応し、ソーラーパネル２２からの電流が、電気負荷が必要とする電流よりも大きくなってるときの、電流が電圧より９０°遅れている様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下に、本発明を、特定の構造による実施形態及び方法を参照して説明する。本発明を、以下に開示される実施形態及び方法に限定することは、意図しておらず、他の特徴、要素、方法及び実施形態により本発明を実施してもよいことは明らかである。また、本発明を説明することを目的として、望ましい実施形態が記載されるが、これは特許請求の範囲に規定される本発明の範囲を限定するものではない。以下に記載する内容について、様々な変更及び改良が可能であることは、当業者にとって明らかである。以下、様々な実施形態を、同様な要素には同一の参照符号を付与して説明する。
【０００７】
本発明を、ソーラーパネル設備を参照して説明するが、本発明は、風力エネルギー装置及び水力エネルギー装置のような燃料を使用しない他のエネルギー生成装置にも適用可能である。
【０００８】
本発明の一側面は、ソーラーパネルによる発電量、設置サイトにおける電力使用量、及び電力会社等の他の電力供給源から供給される又は送電する電力量についての情報を持つ設置場所において、消費電力のリアルタイムでの効率的監視が提供できれば、非常に有用であるということを認識した点である。本発明の他の側面は、現在の多くの設備の場合、電力源からつながる電気伝導体と直接的な電気接続を利用して、電力源から提供される又は電力源に提供する電力量を測定するのは実用的ではないと認識した点である。したがって、本発明は、電力源からの電気伝導体との直接電気接続を使用せずに構成されており、例えば、電力設備にグリッド接続された既存の太陽光発電設備に新たに組み込むプロセスの一部として使用される場合に、特に有効である。また、本発明によれば、１つの検出装置で、電流及び電圧双方を検出可能である。
【０００９】
図１には、システム１０の概略的なブロック図が示されており、システム１０は、住宅、商業ビルのようなサイト、又は太陽光発電を行っている場所における消費電力計測器１４に接続された電力源１２を含む。電力源１２は、典型的には、電力会社のような公共的な電力源であるが、化石燃料による発電機のような局所的な電力源であってもよい。計測器１４は、通常、電気パネル１６に接続される。サイトにおいて、電力は、電気伝導体２０により、電気パネル１６から電気負荷１８へと供給される。ソーラーパネル２２は、線２６によりインバータ２４に接続され、インバータ２４は、線３０により、電気伝導体２０に存在する接点２８に接続される。上述の構造は、概して、従来から採用されているものである。
【００１０】
この形態では、電力源１２及びインバータ２４からの電流は、典型的には１２０Ｖである同一の公称電圧において、正弦波として取り出される。しかしながら、他の種類の交流電流及び他の電圧を使用して、本発明を実施してもよい。
【００１１】
また、システム１０は、電流センサ信号線３８によって電流センサ３６に接続された信号調整回路３４を含む。電流センサ３６は、接点２８と電気パネル１６との間の電気伝導体２０に位置し、電気伝導体と直接電気接続することなく、電磁的に電気伝導体２０に結合されている。電流センサ３６は、例えば、図２に示すように、空の内部４０、及びギャップ４６を定める互いに対向する端部４２、４４を持つロゴスキーコイルのような微分非接触型電流センサであってもよい。この型の非接触型電流センサの利用には、いくつかの利点がある。この型のセンサを使用する場合、センサを新たに挿入する元の回路の配線を遮断したり、変更したりする必要がなく、電気伝導体を単に、ギャップを通過させて挿入するだけでよいので、電気伝導体の配置・形状等を邪魔しない。また、典型的なロゴスキーコイルによる測定誤差は、約１％と非常に小さく、例えば、消費電力や太陽光発電量の正確な計測をユーザーに提供するという本発明の目的において、許容される誤差の大きさである。磁場電流センサ、変流器、ホール効果センサを含む他の微分センサ又は比例センサのような、他の種類の非接触型電流センサも使用可能である。
【００１２】
交流電流のように変化する振幅を持つ電流が、導体２０を通過すると、導体２０における電流の変化率に応じて、電流センサ信号が線３８に誘起される。この線３８における電流センサ信号は、信号調整回路３４のアナログ信号処理部４８に送信される。アナログ信号処理部４８は、線３８に接続された電流検出増幅器５０及び電圧検出増幅器５２を含む。信号調整回路３４は、増幅器５０、５２に線５６、５８で接続されたデジタル処理部５４を含む。増幅器５０、５２は、線５６でアナログ検出した電流信号及び線５８でアナログ検出した電圧信号を、デジタル処理部５４に供給する。
【００１３】
デジタル処理部５４は、線５６及び線５８から検出アナログ電流信号及び検出アナログ電圧信号を取得し、これら信号をデジタル化して、振幅及びこれら信号間の位相差を測定し、検出された位相の関係を測定する。この検出位相関係を、基準位相関係と比較する。基準位相関係は、線５６と線５８における検出電流信号及び検出電圧信号の振幅並びに位相差を測定することにより決定され、ここで、電気パネル１６と接点２８との間の電気伝導体を流れる電流の方向は、既知であるとする。この決定は、最も典型的には、例えば、夜間のように、ソーラーパネル２２が電気を生成していないときに行われる。又は、線３０の接点２８との接続を切り離して、電気伝導体２０を通過して接点２８に流れ込む電流が、全て電気パネル１６から供給されるようにして、行われる。また、この決定は、一日、一週間又は一ヶ月に一回のように定期的に、若しくは不定期に行ってもよい。デジタル処理部５４は、また、ソーラーパネル２２からの電流についての情報をインバータ２４から受信し、この図１に図示しない情報の転送は、有線接続、リモート接続、又はこれらの組み合わせによって行われてもよい。
【００１４】
ロゴスキーコイルのような微分センサによる位相シフトは、変流器のような比例センサによる位相シフトとは異なる。どちらの型のセンサであっても、線５８で検出する電圧信号は、導体２０における実際の電圧の波形から９０度遅れる。この位相シフトの原因は、センサ３６が、導体２０に容量的に結合されていることによる。変流器のような比例センサの場合、線５６の検出電流信号は、導体２０に流れる電流と同じ位相となるが、読み出される値は、センサの設置の仕方によっては、０度又は１８０度シフトしたものとなる場合がある。この設置条件による不確かさは、電力源１２からの電流が、ソーラーパネル２２からの電流より高い時に、センサの値を読むことによって解決できる。微分センサ（例えば、ロゴスキーコイル）の場合、線５６の検出電流信号は、導体に流れる電流から、９０度遅れる。また、比例センサと同様、設置条件による不確定さによる影響が存在し、システムに、微分センサの設置方向に応じて９０度又は２７０度の位相シフトが生じる。
【００１５】
微分センサ（例えば、ロゴスキーコイル）がセンサ３６として使用された場合を、全体に見ると、線５８における検出電圧信号及び線５６における検出電流信号が共に、９０度の位相シフトを持つので、センサ３６の設置の仕方に応じて、互いに同位相となる、又は１８０度シフトした位相となる。ここでは、電力会社又は他の電力源１２からの電流の方が、ソーラーパネル２２からの電流よりも大きいときの位相を述べている。この位相差を、図４Ａ（位相が１８０°異なる場合）及び図４Ｂ（同位相の場合）に示す。一方、変流器のような比例センサが使用される場合は、線５８における検出電圧信号と線５６における検出電流信号との間の位相差は、９０度となる。これを、図７Ａ及び図７Ｂに示す。電流が電圧より９０°遅延している場合を図７Ａに、電流が電圧より９０°進んでいる場合を図７Ｂに示している。
【００１６】
実際の適用では、フィルタリング及び増幅器による二次的な位相シフトが存在するが、この位相シフトは然程大きくなく、典型的には、最大でも約２０°である。また、上述は、理想的な（抵抗の）負荷因子が設けられている場合を記載している。実際の設置では、例えば、負荷は、冷蔵庫の誘導電動機のようなものから誘起的な作用を受ける。このような負荷についての因子により、多くの場合、１０〜２０度の位相シフトが起こり、一般的に力率（ｐｏｗｅｒ  ｆａｃｔｏｒ）と呼ばれている。本明細書では、これらの相対的に小さい位相シフトを無視している。
【００１７】
図５Ａ及び図５Ｂは、図４Ａ及び図４Ｂに示した電流センサ設置条件の場合の、電流信号及び電圧信号における位相関係を示したものである。例えば、午前１０時に、電流が、電力源１２及びソーラーパネル２２の双方から負荷１８に流れているとする。図４Ａ及び図４Ｂに示した対応する位相関係から、小さな位相のずれ（シフト）が生じているかもしれないが、大きな位相のずれがない場合、信号調整回路３４は、電気パネル１６及び接点２８の間を通過する電流は、電力源２２から接点２８及び電気負荷１８へと流れる電流であると解釈する。すなわち、ソーラーパネル２２が電力を生成しており、負荷１８に供給される電流は、電力源１２及びソーラーパネル２２の双方から供給されていると仮定する。
【００１８】
図６Ａ及び図６Ｂはそれぞれ、図４Ａ及び図４Ｂに示す微分電流センサの場合に対応しており、午後２時にソーラーパネル２２からの電流、すなわち線３０を通過する電流が、電気負荷１８が必要とする電流よりも大きい状態となっており、その時に電圧及び電流を測定した結果を示している。電流信号と電圧信号との間の位相関係におけるずれ（シフト）により、信号調整回路３４は、単純にそして正確に、電流センサ３６を通る電流が、電力源１２に供給されていると判断することができる。
【００１９】
図８Ａ及び図８Ｂは、図７Ａ及び図７Ｂに示す比例電流センサの配置の場合の、電流信号及び電圧信号の位相関係を描いたものであり、例えば、午前１０時に、電力源１２及びソーラーパネル２２の両方から、電流が負荷１８に流れ込んでいる場合を示している。図７Ａ及び図７Ｂの対応する位相関係から小さな位相のずれ（シフト）が生じているかもしれないが、大きな位相のずれがない場合、信号調整回路３４は、電気パネル１６及び接点２８の間を通過する電流は、電力源２２から接点２８及び電気負荷１８へと流れる電流であると解釈する。すなわち、ソーラーパネル２２が電力を生成しており、負荷１８に供給される電流は、電力源１２及びソーラーパネル２２の双方から供給されていると仮定する。
【００２０】
図９Ａ及び図９Ｂは、図７Ａ及び図７Ｂに示したセンサ配置に対応しており、電流が電圧より９０°進んでいる場合を図９Ａに、電流が電圧より９０°進んでいる場合を図９Ｂに示している。これらの電圧及び電流の測定は、例えば、午後２時に行われ、このソーラーパネル２２からの電流、すなわち線３０を通過する電流が、電気負荷１８が必要とする電流よりも大きくなってる。図７Ａ及び図７Ｂに示した信号と比較した、電流信号と電圧信号との間の位相関係におけるずれ（シフト）から、信号調整回路３４は、単純にそして正確に、電流センサ３６を通る電流が、電力源１２に供給されていると判断することができる。
【００２１】
デジタル処理部５４は、これら全ての情報を取り込み、信号６０を、図３に示すサイトの視覚表示部とも呼ばれる表示パネル６２に送信する。信号６０によりサイトの表示パネル６２に情報が提供され、様々なオペレーションパラメータが、パネル６２によって表示される。図３の例では、表示パネル６２は、一日、一週間又は一ヶ月といった一定期間に、電気負荷１８によって消費された全電気量を表示する消費電力表示部６４、例えば、その日一日といった一定期間にソーラーパネル２２によって発電された電力を表示する発電電力表示部６６、及びソーラーパネル２２によって発電された電力の現在までの総計を表示する生涯発電電力表示部６８を有する。
【００２２】
図１には、デジタル処理部５４とデータ収集サーバー及びデータベース７０とを、インターネット又は他のネットワーク７２により、接続する選択肢も示されている。処理部５４は、電力消費データを、データ収集サーバー及びデータベース７０に転送し、そこで電力消費データの収集及び分析が行われ、サイトが、総合的にエネルギー消費者であるのか、それともエネルギー生産者であるのかを決定するエネルギーバランスを計算し、この情報をサイトのユーザーに送信する。この種のサービスを提供する会社が幾つか存在し、例えば、カリフォルニア州、サンノゼのＦａｔ  Ｓｐａｎｉｅｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．、ミシガン州、ブライトンのＦｒｏｎｉｕｓ  ＵＳＡ  ＬＬＣ、カリフォルニア州、サンノゼのＳｕｎＰｏｗｅｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎがある。
【００２３】
本発明が、上に詳述された好ましい実施形態及び実施例を参照して開示されたが、これらの例は、発明を例示することを意図しており、限定する目的で示されたものではない。様々な変更及び組み合わせが可能であることは、当業者にとって明らかであり、これらの変更及び組み合わせも、本発明の精神及び添付の特許請求の範囲に含まれることは明らかである。
【００２４】
また、明細書中で引用された全ての特許文献及び非特許文献は、ここに参照によって組み込まれる。
【図１】
2011523077.tif 000003
【図２】
2011523077.tif 000004
【図３】
2011523077.tif 000005
【図４Ａ】
2011523077.tif 000006
【図４Ｂ】
2011523077.tif 000007
【図５Ａ】
2011523077.tif 000008
【図５Ｂ】
2011523077.tif 000009
【図６Ａ】
2011523077.tif 000010
【図６Ｂ】
2011523077.tif 000011
【図７Ａ】
2011523077.tif 000012
【図７Ｂ】
2011523077.tif 000013
【図８Ａ】
2011523077.tif 000014
【図８Ｂ】
2011523077.tif 000015
【図９Ａ】
2011523077.tif 000016
【図９Ｂ】
2011523077.tif 000017
【国際調査報告】
2011523077.tif 000018
2011523077.tif 000019