(57)【要約】  再生可能エネルギーの利用を最大限にする電気エネルギー貯蔵システム。本システムにおいて、少なくとも１つのバッテリーモジュールに接続されるインバーターは、グリッド電源および家庭またはオフィスの電気機器に統合される。さらに、再生可能エネルギー源もまたシステム中に含まれ得る。制御装置は、需要のピーク期間の間、グリッド電源にかかる需要を減少させるため、およびシステムに接続された再生可能エネルギー源の利用を最大限にするために用いられる。
2011522509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に電気接続される複数のバッテリーモジュールを含むエネルギー貯蔵システムであって、複数のバッテリーモジュールの各々に、インバーターが電気接続されて複数のバッテリーモジュールおよびインバーターの組を形成し、前記インバーターは１つ以上のエネルギー消費装置に接続されるＡＣ出力と、電力グリッドに接続されるＡＣ入力とを有し、前記複数のバッテリーモジュールの各々は他のバッテリーモジュールと同様の電気特性を有し、前記バッテリーモジュールの各々は、前記インバーターの連続の最大出力定格電力と同等もしくはそれ以上の最大出力定格電力を有し、
前記複数のバッテリーモジュールおよびインバーターの組が、システムの制御モード、すなわち
１）電圧（Ｖ）＞前記インバーターが持続可能な電圧の上限（ＶH）、である場合、より低い電圧の限界（ＶH’）になるまで前記インバーターの機能は中止される過充電モード、
２）電圧（Ｖ）＜設定電圧（ＶL）である場合、前記インバーターが前記複数のバッテリーモジュールから切断され、グリッドＡＣ電源に接続される前記インバーターのＡＣ入力が、前記インバーターのＡＣ出力を介して前記１つ以上のエネルギー消費装置へとバイパスされる過放電モード、
３）電圧（Ｖ）＜設定電圧（Ｖ''）であり、時刻（Ｔ）が設定範囲（Ｒ）内にある場合、前記複数のバッテリーモジュールが、前記電力グリッドに接続された前記インバーターのＡＣ入力から再充電される再充電モード、および
４）電圧（Ｖ）≦（ＶH）、（Ｖ）≧（ＶL）であって時刻（Ｔ）が前記範囲（Ｒ）内にない場合、前記複数のバッテリーモジュールが、前記インバーターのＡＣ出力を通して前記１つ以上のエネルギー消費装置にエネルギーを提供するために、前記インバーターに接続される通常の動作モード
のうちの１つの状態にあるように制御されているエネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
メンテナンスモードをさらに含み、該メンテナンスモードから設定時間が経過した場合に、前記インバーターが、設定時間の間前記複数のバッテリーモジュールへＶ'''に充電する一定電圧を提供する請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
各バッテリーモジュールが、前記バッテリーモジュールのバッテリーセルの電圧をモニターするために、少なくとも１つの制御装置を有する請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
各バッテリーモジュールが、前記バッテリーモジュールを切断するために、リレーを有する請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
各バッテリーモジュールが、ＶBHをバッテリー過充電電圧とし、ＶBLをバッテリー過放電電圧とするとき、前記バッテリーが過充電状態（Ｖ＞ＶBH）または過放電状態（Ｖ＜ＶBL）にある場合に、該バッテリーモジュールを他の前記バッテリーモジュールおよび前記インバーターから切断するための手段を、少なくとも１つ有する請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項６】
各バッテリーモジュールは、前記バッテリーが過充電の上限を超え（Ｖ＞ＶBH）、その後ＶBH’を通常のバッテリー動作電圧として（Ｖ）＜（ＶBH’）の状態になると、前記バッテリーモジュールを他の前記バッテリーモジュールおよび前記インバーターに再接続するための手段を、少なくとも１つ有する請求項５記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項７】
過放電状態にある各バッテリーモジュールが、視覚的または聴覚的な信号を提供する請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項８】
前記インバーターが２ｋＷから３ｋＷの範囲で連続的な電力出力を有し、各バッテリーモジュールが５ｋＷｈから１０ｋＷｈの範囲のキャパシティおよび１００ボルトの出力電圧を有する請求項１記載の貯蔵システム。
【請求項９】
前記インバーターが２ｋＷから３ｋＷの範囲で連続的な電力出力を有し、各バッテリーモジュールが１ｋＷｈから１０ｋＷｈの範囲のキャパシティおよび６０ボルトの出力電圧を有する請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
バッテリーモジュールを含むエネルギー貯蔵システムであって、各バッテリーモジュールに、インバーターが電気接続されて複数のバッテリーモジュールおよびインバーターのセットを形成し、前記インバーターは１つ以上のエネルギー消費装置に接続されるＡＣ出力と、電力グリッドに接続されるＡＣ入力とを有し、
前記バッテリーモジュールは、前記インバーターの連続最大出力電力定格と同等もしくはそれ以上の最大電力出力定格を有し、
前記バッテリーモジュールおよびインバーターのセットが、システムの制御モード、すなわち
１）電圧（Ｖ）＞前記インバーターが持続可能な電圧の上限（ＶH）、である場合、より低い電圧の限界（ＶH’）になるまで前記インバーターの機能が中断される過充電モード、
２）電圧（Ｖ）＜設定電圧（ＶL）である場合、前記インバーターが前記バッテリーモジュールから切断され、グリッドＡＣ電源に接続される前記インバーターのＡＣ入力が、前記インバーターのＡＣ出力を介して前記１つ以上のエネルギー消費装置へとバイパスされる過放電モード、
３）電圧（Ｖ）＜設定電圧（Ｖ''）であり、時刻（Ｔ）が設定範囲（Ｒ）内にある場合、前記バッテリーモジュールが、前記電力グリッドに接続された前記インバーターのＡＣ入力から再充電される再充電モード、および
４）電圧（Ｖ）≦（ＶH）、（Ｖ）≧（ＶL）であって時刻（Ｔ）が前記範囲（Ｒ）内にない場合、前記バッテリーモジュールが、前記インバーターのＡＣ出力を通して前記１つ以上のエネルギー消費装置にエネルギーを提供するために、前記インバーターに接続される通常の動作モード
のうちの１つの状態にあるように制御されているエネルギー貯蔵システム。
【請求項１１】
前記複数のバッテリーモジュールに接続される再生可能なエネルギー源をさらに含む請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１２】
前記切断するための手段がリレーである請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１３】
前記バッテリーモジュールが、リン酸リチウム鉄バッテリーセルを含む請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１４】
請求項１記載の複数のエネルギー貯蔵システムを含み、請求項１記載の各エネルギー貯蔵システムの前記複数のバッテリーモジュールが、請求項１記載の他の各エネルギー貯蔵システムの前記複数のバッテリーモジュールに接続され、（Ｎ）をインバーターの数としたときにバッテリーモジュールの数が（Ｎ＋１）である複合式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、一般家庭およびオフィスでの使用に適したエネルギー貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光電池は、一般的に、光エネルギーを電気エネルギーへと変換する変換装置として、直列または並列に接続される。従来、光電池により生成されるエネルギーは、電源として直接使用されるか、または局部電力グリッドに戻されるかであったので、中央発電装置の負荷を軽減してきた。しかしながら、太陽エネルギーは日中にしか生成されないので、電気エネルギーの需要にかなうためには、夜間、とりわけ夕方に中央発電装置によってより多くのエネルギーが生成される必要がある。また、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するインバーターへの依存は、（光電池からの）ＤＣ電源の不安定性および位相同調の問題（グリッドでのＡＣ電力とインバーターによって生成されるＡＣ電力の同相性）によって、重大な電力の損失を被るおそれがある。結果として、上記の問題を解決するために、効率的なエネルギー貯蔵システムが提案される。
【０００３】
本発明において、電気貯蔵システムは、１つ以上のインバーターと一体化され、並列に接続される複数のバッテリーからなる。これらインバーターは互いに独立しており、それぞれが、並列に接続されている少なくとも１つのバッテリーモジュールに接続される。インバーターの電力の上限は、インバーターに接続されているバッテリーモジュールの電力容量と一致するように設計され（例えば、バッテリーモジュールおよびインバーターの両方に、同一の定格電力の制限が要求される）、これにより安全な操作が確実となる。各インバーターは、バッテリーが低電圧になるまで（バッテリーからの）ＤＣ電源をＡＣ電力へと変換する。バッテリーが低電圧にある間、ユーザーの需要にかなうために設定充電時間（例えば午前０時〜６時）に達するまでグリッド電力がバイパスされる。各インバーターは、すでにオフィスまたは家庭に設置されているブレーカーに接続され得る。ここで開示される貯蔵システムは家庭またはオフィスに容易に設置でき、また節電の目的で、太陽電池パネル、風力タービンまたは他の再生可能なエネルギー源と一体化できる。この貯蔵システムは後の実施例において明らかにされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、家庭およびオフィスに適しており、また最大限節電するために、再生可能なエネルギー源の一体化を可能にする一方で、昼夜間のエネルギー消費のバランスを保つために用いられ得る自由に拡張可能なエネルギー貯蔵システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
さらなる設計の必要なく拡張できる拡張可能なエネルギー貯蔵システムが開示される。インバーター、バッテリーモジュールおよび再生可能なエネルギー源を含むシステムの、互換性および拡張性を満たすために提案される要件および機能が、さらに記載され、また、明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明は、一例として付随する図面に示される以下の説明から、より容易に明らかになるだろう。
【０００７】
【図１】エネルギー貯蔵システムの従来のデザインを示す。
【図２】家庭に導入されているエネルギー貯蔵システムを反復したものを示す。
【図３】図２に示すシステムをさらに拡張したものを示す。
【図４】インバーターの通常モードの動作に利用されるロジックを示す。
【図５】インバーターの過放電モードの動作に利用されるロジックを示す。
【図６】インバーターの過充電モードの動作に利用されるロジックを示す。
【図７】インバーターの再充電モードの動作に利用されるロジックを示す。
【図８】インバーターのメンテナンスモードの動作に利用されるロジックを示す。
【図９】貯蔵システムを太陽電池パネルと一体化した略図を示す。
【図１０】２４時間（午前４時〜翌午前４時）の時間に対する一般的なＩＶカーブを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
ハードウェア
図１には、エネルギー貯蔵システムの従来のデザインが示される。図１から、貯蔵が中心に集められたものであることが分かる。高い電力要求が原因で、貯蔵システムは電流量を小さくし、およびそれに伴う熱を低下させるために、電圧を高くしなければならない。従来のデザインの欠点を以下に示す。
１．高電圧、とりわけ６０Ｖよりも大きい電圧は、潜在的に危険である。
２．多くのバッテリーが直列に接続されているので、サイクル後にバッテリーの均衡性の問題が生じる。バッテリーが直列に接続されるほど、不均衡性の問題は深刻になりやすく、これはバッテリーシステムの耐用年数に影響を与える。
３．ブレーカーが電流を終了させるために用いられる場合、アーク放電が形成されるおそれがある。
４．充電制御装置が設置されない場合、エネルギーの貯蔵効率に問題が生じる（光電池とバッテリー間の電圧差によりＩＶ損失が引き起こされるので）。
５．多数のモジュールが直列に接続される場合、光電池が潜在的に活動しない可能性がある。直列に接続されるモジュールの１つが故障すると、変換効率において多大な損失を招く。
６．強力なインバーター、充電制御装置、バッテリー制御装置（モニター）およびブレーカー（アーク放電を防ぐもの）の利用には、高いコストが必要となる。
【０００９】
従来のデザインの留意事項と比べて、ここで開示される貯蔵システムは、少なくとも１つのバッテリーモジュールに接続されるインバーターからなる。このインバーターの電力の上限は、過電流動作（加熱）を防ぐために、インバーターに接続されているバッテリーモジュールの電力容量と一致するように設計され（例えばバッテリーモジュールおよびインバーターの両方に、同一の定格電力の制限が要求される）、これにより安全な操作が確実となる。既存のバッテリーモジュールに並列接続されているバッテリーモジュールが多いほど、システムの安全性は高まる。また、より多くの再生可能なエネルギーが貯蔵および利用され得ることから、並列に接続されているバッテリーモジュールの数が多いほどシステムは経済的である。バッテリーモジュールの拡張可能な性質、およびインバーター、バッテリーモジュールおよび再生可能なエネルギー源（例えば太陽電池パネル）の間の互換性が、本発明の基礎を形成する。図２は、一般家庭に設置されているエネルギー貯蔵システムを反復したものを示す。各インバーターは図２に示すような遮断器（ブレーカー）に接続され、またインバーターと同様の定格電力を有する少なくとも１つのバッテリーモジュールに接続される。図２に示されるシステムをさらに拡張したものが図３に示され、ここでは全てのバッテリーモジュールが並列に接続されている。図３に示される状況下では、例えばインバーターの数がＮ個とすると、バッテリーモジュールの数はＮ＋１個でなければならないという１つの条件が満たされなくてはならない。ゆえに、バッテリーモジュールの１つが機能不良である場合でも、バッテリーモジュールの定格電力は、インバーターの最大電力消費よりも低くなるような状態には達しない。一方で、図２および図３に示される全てのインバーターはそれぞれ独立しており、並列にある各バッテリーモジュールは全く同一の構造を有するため、システムを無制限に拡張することが可能である。
【００１０】
図２および図３に示すように、各インバーターは、バッテリー電圧が低くなるまで（バッテリーからの）ＤＣ電源をＡＣ電力に変換する。バッテリー電圧が低い間、ユーザーの需要にかなうために、設定充電時間（例えば午前０時〜６時）になるまでグリッド電力をバイパスする。各インバーターは、すでにオフィスまたは家庭に設置されているブレーカーに接続され得る。
【００１１】
本発明の利点は以下のことを含む。
１．低電圧である（より安全な貯蔵システム）。
２．無制限にバッテリーモジュールを拡張できる。
３．バッテリーモジュールを並列に接続することによって、１つの回路が大きい比重で使用されている場合にバッテリーの負荷を軽減できる（図３参照）。
４．各回路は独立しているがバッテリー負荷は中心に集められる。各回路は、従来の（既存の）ブレーカーによって保護される。
５．バッテリーが並列に接続されることによって、バッテリーのメンテナンス費用が低くなり（取替えが簡単かつ安全である）、バッテリーの耐用年数が長くなることが予測される。
６．インバーターは、低出力のみが必要とされるので、設置費用が安い。
７．バッテリーは自己制御されるので、特別なバッテリーモニターは必要ない。
８．電子回路用に現在家庭で使用されているものと互換性があるので、この貯蔵システムを設置するだけでよく（図２および図３に示す接続の変化だけである）、さらに何かを設置する必要がない。各バッテリーは１つの既存のブレーカーに接続されるので、互換性は高く、また安全特性も良好である。
９．システムを設置する際に融通が利く。例えば、ユーザーは必要に応じて、どの回路にこの貯蔵システムを設置するかを選択することができる（図２参照）。
【００１２】
ソフトウェア
本発明で利用される構想は以下の通りである。
１．貯蔵システムは単独で、中央発電装置からの電気エネルギーの消費を、需要のピークから需要の谷間まで遅らせることができる貯蔵所として働き得るので、中央発電装置の負荷のバランスを保つ。これは、貯蔵システムの充電を、エネルギー消費の谷間の期間のみに設定することによって達成され得る。
２．光電池と一体化しても、光電池から得られたエネルギーが最優先に消費されるので、グリッド電力に対する依存度は軽減され得る。これは、グリッドエネルギーの消費の谷間（例えば、午前０時〜６時）に貯蔵システムを部分的（例えば３０％、光電池から得られると予想されるエネルギーによる）に充電することによって達成され得る。
３．光電池と一体化しても、貯蔵システムは非常に低コストで導入でき、特殊なデザインは必要ない。導入される貯蔵システムのキャパシティ（容量）が大きいほど、グリッド電力への依存度は低くなる（自立性質が強まる）。また、バッテリーの並列接続のみが要求されるので、貯蔵容量の拡張が容易である。
４．グリッドからのエネルギーの受け取りは、バッテリー容量が使い果たされた場合にのみ起こる。
５．インバーター、バッテリーモジュールおよび太陽電池パネル間の干渉はない。
【００１３】
本発明において利用される構成部品の機能および能力について、以下で詳細に分析する。
【００１４】
パートＩ．インバーター
インバーターに利用されるロジックは図４〜７に示される。図４は、インバーターの通常モードの操作を示す。操作が通常モードの間、バッテリーエネルギーは、グリッドエネルギー消費の谷間の期間（ここでは午前０時〜６時に設定されている）に達するまでＡＣに変換される。グリッドエネルギー消費の谷間の期間に達すると、電気エネルギーの消費はすべて、バッテリー電力ではなくグリッド電力から供給される。通常モードの操作中、太陽エネルギーからのエネルギー入力が不充分なことによってバッテリーモジュールが電圧の下限に達する場合、インバーターは過放電モード（図５に示す）に移る。過放電モードの操作中、ユーザーの装置からのエネルギー消費はすべてグリッド電源から供給される。一方、バッテリーが太陽パネルを通して充分なエネルギー（図５では、Ｖ≧ＶLとして示される）を得ると、インバーターは通常モードの操作へと移るので、バッテリーエネルギーのＡＣへの変換が再開される。同様に、太陽パネルによってもたらされるエネルギーの過剰供給によってバッテリーモジュールが電圧の上限に達する場合、インバーターは過充電モード（図６に示す）に移る。過充電モードの操作中、ユーザーの装置からのエネルギー消費はすべて、低設定電圧ＶH’になるまで延期される。これはインバーターへの損傷を防ぐが、電源の電圧はインバーターの持続可能性よりも大きい。図７は、バッテリーモジュールを再充電するために利用されるロジックである。バッテリーモジュールの再充電は、グリッドエネルギー消費の谷間の期間にのみ生じる。バッテリーモジュールの電圧が設定電圧Ｖ''よりも高い場合には、再充電は要求されない。対照的に、バッテリーモジュールの電圧が設定電圧Ｖ''よりも低い場合、Ｖ''に達するまで、グリッド電源を用いるバッテリーモジュールの再充電が行われる。ここでＶ''は、季節ごとに変化する太陽電池パネルのエネルギー取得条件によって、調節可能であることに留意されたい。好適にはＶ''は、太陽電池パネルから獲得され得る季節に応じた最大エネルギーに適合する、バッテリーモジュールの選択された空容量に一致する電圧に設定されるので、太陽電池パネルの完全な利用が達成され得る。動作のもう１つのモードは、メンテナンスモードである。この動作モードの間、インバーターはバッテリーの健全な状態を維持するために、Ｖ'''に充電する一定の電圧をバッテリーモジュールに供給する。メンテナンスモードの動作に利用されるロジックは、図８に示される。
【００１５】
パートII．バッテリーモジュール
貯蔵システムの「メンテナンスの容易さ（低コスト）」を向上させ、「（太陽光システムの広範囲、さらには風力システムをも許可する）柔軟性」特性を満たすために、各バッテリーモジュールの内部にセルの保護制御装置が設置される。この制御装置は、直列に接続されバッテリーモジュールを作り上げる各バッテリーの電圧をモニターする。制御装置が、直列に接続されるバッテリーのいずれかに低電圧（ＶBL）または高電圧（ＶBH）を検出すると、制御装置は、リレーなどの手段を用いて電力入力／出力を遮断するための信号を送信する。過充電状態においてこのリレーは、より低い電圧であるＶBH’が達せられるまで開放している。対照的に、過放電においてリレーは、「再開」ボタンが手動で押されるまで（または単純にバッテリーモジュールを交換するまで）開放している。過放電状態の間、異常状態に対する注意を促すために、警報音または点滅するＬＥＤの光信号が生じ得る。一般的に、インバーターは、バッテリーモジュールにおいてバッテリーが低下した状態が生じる前に「過放電」モードを引き起こす。本発明においては、リチウムイオン電池のうち、リン酸リチウム鉄（ＬｉＦｅｘＰｙＯｚ）の種類が好適な電池の種類である。リン酸リチウム鉄電池を用いて、電圧の上限（ＶBH）は好適には４．０Ｖに、下限（ＶBL）は好適には２．０Ｖになるように設定される。一般的に、インバーターが機能している場合には、バッテリーの電圧の下限は到達されない（すなわち、ＶBLが満たされる前にインバーターがＶLに到達する）。しかしながら、バッテリーの電圧の上限ＶBHは、インバーターの電圧の上限ＶHが満たされる前に到達される場合がある（パートIIIの部分も参照のこと）。各バッテリーモジュールに組み込まれる制御装置は、２つの主な機能を提供する。（１）１つのバッテリーモジュールは直列構成にある４つのバッテリーからなり、このバッテリーモジュールは１３．４Ｖに維持されると仮定する（図２に示すように全てのモジュールは並列で接続されているので、他のバッテリーモジュールについても同様である）。バッテリーの１つが内部ショートしても（バッテリー自体の内部ショート）、直列接続されたバッテリーの１つの電圧が下がるとリレーが「開放」状態にされるので、他のバッテリーモジュール（同様に１３．４Ｖに維持されている）が内部に不具合のあるバッテリーを有するモジュールを充電することを防ぐことができる。（２）警報音の機能を用いて、ユーザーは警報音が発生する頻度を判断することによって、バッテリーモジュールの整合性を知ることができる。
【００１６】
この時点までに、いくつかの側面を結論付けることができる。
１．バッテリーモジュールおよびインバーターは独立している（バッテリーモジュール制御装置とインバーターとの間で通信の必要がない）。
２．制限およびモードは、インバーターとバッテリーモジュールとの間で互換性があるように設計される。
３．貯蔵システムは、再生可能なエネルギー源なしに、インバーターおよびバッテリーモジュールのみで自立できる。貯蔵システム単独では、グリッドエネルギー消費のピークをエネルギー消費の谷間の期間まで延期するような用途に適している。
【００１７】
パートＩおよびIIに詳細を記載したように、バッテリーモジュールとインバーターとの互換性が確実にされる。インバーターに導入される全てのモードはバッテリーモジュールの要件および機能と適合するような方法で制御され、逆の場合もまた同様である。もしバッテリーモジュールの過放電が原因でバッテリー出力がリレーによって遮断されても、インバーターは「低電圧」として検知し、バッテリーモジュールが「手動で再開される」か「新しいバッテリーモジュールと交換される」まで過放電モードの状態になる。この時点まで、独立性質および互換性の問題は満たされる。
【００１８】
パートIII．貯蔵システム（バッテリーモジュールおよびインバーター）と太陽電池パネルなどの他の電力源との一体化
貯蔵システムを太陽電池パネルなどの再生可能なエネルギー源と一体化する場合、１つ以上の問題が考えられ、以下で分析される。
【００１９】
１．過充電状態
太陽電池パネルの出力がインバーターからのエネルギーの消費より多くても、バッテリーの満充電状態は達成される場合がある。これは、貯蔵されるバッテリーエネルギーが連日の間定期的に消費されない場合に生じる可能性があり、バッテリーの満充電状態へと導く。このような状態において、バッテリーモジュールは過充電されリレーの「開放」動作を引き起こし得る。リレーが開放されると、バッテリーの太陽電池パネルの出力への接続はバイパスされ、図９に示すように太陽電池パネルとインバーターとの間の接続が作動したままとなる。貯蔵システムを太陽電池パネルと一体化した略図が図９に示される。図９によると、太陽電池パネルおよびインバーターはリレーの前で直接接続される。通常状態の間、太陽電池パネル、バッテリーモジュールおよびインバーターは相互接続されている。バッテリーモジュールが過充電されるとリレーが「開放」されるので、太陽電池パネルとインバーターのみが相互接続される。この場合、バッテリーのリレーが「開放」されていても、インバーターがすでに「過充電モード」に到達している可能性がある。また、インバーターにより検知される電圧がまだ「過充電モード」状態よりも低い場合、インバーターは「過充電モード」状態になるまで（インバーターを保護するためにインバーターの機能が停止するまで）働き続ける。ＶHは通常１６Ｖに設定され、ＶBHは４．０Ｖに設定されることから、後者の状況の方がよく起こり得る。４つのバッテリーが直列接続されている場合、たいてい１６Ｖに到達する前に１つのバッテリーが４Ｖに到達しやすい。太陽電池パネルの電圧が通常に戻る（Ｖ≦ＶH’の通常の状態を満たす場合）と、インバーターの機能が再開される。同様に、バッテリーモジュールの電圧が通常に戻る（ＶBH’を満たす場合）と、バッテリーモジュールの機能が再開される。この過充電状態は、複数のバッテリーモジュールおよびインバーターを備える拡張されたシステム（図２および図３に示す）にも応用できる。複数のバッテリーモジュールを含むシステムにおいて、太陽電池パネルの出力が安定している場合、バッテリーモジュールは１つ以上のリレーが「開放」状態にあるまま、全容量まで充電される。１つ以上のリレーが開放していても、インバーターは「過充電モード」が達成されるまで依然として働いているか、もしくはバッテリーモジュール内のリレーが「接続」状態に戻るまで正常に働く。
【００２０】
この部分で分析した過充電状態は、本発明で開示される貯蔵システムと他の再生可能なエネルギー源との互換性が優れていることを説明する。結論は以下のように導き出せる。
１．太陽電池パネル、バッテリーモジュールおよびインバーターは独立している（太陽電池パネル、バッテリーモジュールおよびインバーターの間に通信は必要ない）。
２．インバーター、バッテリーモジュールおよび再生可能なエネルギー源の間の互換性が保証される。
３．貯蔵システムは、太陽電池パネルや風力エネルギーといった他の電力源の入力に利用できる。
４．システムは、拡張できる状態にあるという性質を有する（直接拡張する場合に問題がない）。
【００２１】
インバーターおよびバッテリーモジュールの両方について明細書中に示したパラメータは、例えば、１つのバッテリーモジュール中に直列接続されて存在する４つのリン酸リチウム鉄（ＬｉＦｅｘＰｙＯｚ）材料のシステムバッテリーに適当である。１つのバッテリーモジュールは最大で、直列接続された１６個のバッテリーにより構成され得ることに留意されたい。しかしながら、表１に示すように、制御装置およびリレーの反復が必要となる。表１は、バッテリーモジュールにおいて直列接続される１６個までのバッテリーに適したパラメータの一覧である。本発明を実施するために、各モジュールは並列に接続され得る。
【００２２】
【表１】
2011522509.tif 000003
＊「モジュールユニット」とは構成部品（リレーおよび制御装置など）の反復数を表す。例えば、１６個の直列を含むシステムは、４つの制御装置および４つのリレーからなる。
【００２３】
本発明に開示されるバッテリーモジュール内に存在する制御装置およびリレーの数（表１に示すもの）は、インバーターおよび太陽電池パネルに接続されているバッテリーモジュールの適合性や、並列に接続されているバッテリーモジュールの、反復が拡張可能な性質を制限するものではない。例えば、１６個直列のバッテリーモジュールは、制御装置およびリレーの可用性によっては、１つのコントローラーおよび１つのリレーのみを含む場合もある。しかしながら、システムが適切に機能するようにするためには、ＶBH、ＶBH’、ＶBL、リレーの開放／接続の制御、ＶBH、ＶBH’、ＶBLに達した際にバッテリーモジュールが行う動作および図９に示す構造が常に重要である。
【００２４】
実施例Ｉ
家庭における家族用の使用条件を模倣する貯蔵システムへのＰＶ（光電池）の一体化
本実施例においては、家庭における家族用の使用条件を模倣するために、いくつかの条件を設ける。
１．午前８時から午後６時までは電気エネルギーの消費がない。
２．午後６時から午前０時まで（６時間持続）は、８００Ｗ（電球を用いる）という一定の電力消費が行われる。
３．光エネルギーを電気エネルギーに変換するために、３０ＶのＯＣＶ光電池（７５０Ｗ）が組み込まれる。
４．一般的な家族で使用されている１つの電気回路を模倣するために、２．２ｋＷ（最大１１０Ｖ、２０Ａ）のインバーターが用いられる。このインバーターは午前０時〜６時までの間、バッテリーをバッテリー容量の３０％まで充電するように設定されている。
５．インバーター用に設定されたパラメータは以下の通りである。
ａ．ＶH＝３２Ｖ、ＶL＝２１Ｖ
ｂ．ＶH’＝３０Ｖ、ＶL’＝２５Ｖ
ｃ．Ｖ''＝２５．６Ｖ、Ｖ'''＝２９．２Ｖ
ｄ．再充電モードの電流＝２５Ａ
６．本実施例では、リン酸リチウム鉄（ＬｉＦｅｘＰｙＯｚ）のリチウムイオン電池（２６．２Ｖ、８個直列、容量４００Ａｈ）を用いる１０ｋＷｈのバッテリーパックが用いられる。このバッテリーの電源能力は３０ｋＷ（２０分でバッテリーを完全に使い切ってしまう３Ｃと同等）である。容量の６０％までの初充電は、貯蔵システムにおいて維持される。容量が３０％未満になると、貯蔵システムは午前０時〜６時までの間に、バッテリー容量の３０％まで再充電する。バッテリーの電圧の限界はＶBHが４．０Ｖ、ＶBLが２．０Ｖに設定される。
【００２５】
結果
ケース１．晴天時
２４時間（午前４時から翌午前４時まで）の間の、時間に対するＩＶカーブを図１０に示す。図１０に示されるエネルギーのデータは、電流（太陽電池パネルまたはバッテリー）、時間およびバッテリーの電圧を組み込んだものである。
【００２６】
ＩＶおよび時間を統合することによって、貯蔵され、運搬されるエネルギーを表２に示す。
【００２７】
【表２】
2011522509.tif 000004
＊ 節約された金額は、午前０時以前の価格が０．１米ドル／ｋＷｈ、午前０時以後の価格が０．０５米ドル／ｋＷｈと想定して計算される。ＰＶと貯蔵システムの両方が存在する場合の節約額は以下のようにして計算される。
１．貯蔵システムおよび光電池がない場合、エネルギー消費の費用は、４．８×０．１＝０．４８米ドルである。
２．グリッドから要求されるエネルギー入力の価格を計算することによる、貯蔵システムおよび光電池を用いる節約額は１．４×０．０５＝０．０７米ドルとなる。
３．節約額の合計は０．４８−０．０７＝０．４１米ドルである。
ξ 光電池のみが存在する場合の節約額は以下のようにして計算される。
１．貯蔵システムおよび光電池がない場合、エネルギー消費の費用は、４．８×０．１＝０．４８米ドルである。
２．グリッドから要求される最終的なエネルギー入力の価格を計算することによる、光電池のみを用いる節約額は（４．８−３．４）×０．１＝０．１４米ドルとなる。
３．節約額の合計は０．４８−０．１４＝０．３４米ドルである。
【００２８】
ケース１．曇天時
ケース１と同様に、曇天時に貯蔵され、運搬されるエネルギーの一例を表３に示す。
【００２９】
【表３】
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＊ ＰＶと貯蔵システムの両方が存在する場合の節約額は以下のようにして計算される。
１．貯蔵システムおよび光電池がない場合、エネルギー消費の費用は、４．８×０．１＝０．４８米ドルである。
２．グリッドから要求されるエネルギー入力の価格を計算することによる、貯蔵システムおよび光電池を用いる節約額は０．８×０．１＋３×０．０５＝０．２３米ドルとなる。
３．節約額の合計は０．４８−０．２３＝０．２５米ドルである。
ξ ＰＶのみ（１００％グリッドへ変換されると仮定する）が存在する場合の節約額は以下のようにして計算される。
１．貯蔵システムおよび光電池がない場合、エネルギー消費の費用は、４．８×０．１＝０．４８米ドルである。
２．グリッドから要求される最終的なエネルギー入力の価格を計算することによる、光電池のみを用いる場合の節約額は（４．８−１）×０．１＝０．３８米ドルとなる。
３．節約額の合計は０．４８−０．３８＝０．１米ドルである。
【００３０】
結論
１．システムは、手動操作なしに完全に自動化される。
２．最大節約は、消費されるエネルギーが光電池から得られるエネルギーよりも少ない場合にのみ達成され得る。
３．エネルギー貯蔵システムが存在しない場合、ＰＶにより節約される価格は、ＰＶから得られるエネルギーに伴って増加する。
４．エネルギー貯蔵システムが存在する場合、グリッドのエネルギー消費のピークおよび谷間での価格の差から、ＰＶのみが用いられる場合と比べて節約される価格が多い。
【図１】
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【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】
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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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【国際調査報告】
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