(57)【要約】  本発明の発電システムは、発電機（１１）と、２次電池（１２）と、制御部（１３）とを有し、制御部（１３）は、２次電池（１２）の充電状態が上限容量に達していると、２次電池（１２）を放電させて２次電池（１２）による電力を負荷（２０）に供給し、充電状態が下限容量まで低下すると、発電機（１１）を動作させて発電機による電力の一部を負荷（２０）に供給し、余剰電力で２次電池（１２）を充電し、充電状態が上限容量に達すると、発電機（１１）を停止し、負荷（２０）に供給する電力の供給元を発電機（１１）から２次電池（１２）に切り替え、発電機（１１）を動作させている状態において、発電機（１１）に最大発電効率または定格出力に維持させる。
2016117236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷と接続される発電機と、
前記発電機および前記負荷と接続される２次電池と、
前記２次電池の充電状態が上限容量に達していると、該２次電池を放電させて該２次電池による電力を前記負荷に供給し、前記充電状態が下限容量まで低下すると、前記発電機を動作させて該発電機による電力の一部を前記負荷に供給し、余剰電力で前記２次電池を充電し、前記充電状態が前記上限容量に達すると、前記発電機を停止し、前記負荷に供給する電力の供給元を前記発電機から前記２次電池に切り替える制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記発電機を動作させている状態において、該発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる、発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の発電システムにおいて、
前記発電機および前記２次電池の間に設けられ、該発電機の出力を交流から直流に変換して該２次電池に出力する第１の変換器と、
前記２次電池と前記負荷の間に設けられ、該２次電池の出力を直流から交流に変換して該負荷に出力する第２の変換器と、をさらに有し、
前記制御部は、前記発電機の平均発電効率、前記負荷の平均電力需要、前記第１および第２の変換器の変換効率ならびに前記２次電池の充放電効率の推定値に基づいて、前記余剰電力を前記２次電池の充電に利用するか否かを判定する、発電システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の発電システムにおいて、
前記発電機は、発電出力に対して発電効率が、傾きが正の一次関数で表される、発電システム。
【請求項４】
負荷と接続される発電機と、該発電機および前記負荷と接続される２次電池と、前記発電機および前記２次電池を制御する制御部とを有する発電システムによる発電制御方法であって、
前記２次電池の充電状態が上限容量に達していると、該２次電池を放電させて該２次電池による電力を前記負荷に供給し、
前記充電状態が下限容量まで低下すると、前記発電機を動作させて該発電機による電力の一部を前記負荷に供給し、余剰電力で前記２次電池を充電し、
前記充電状態が前記上限容量に達すると、前記発電機を停止し、前記負荷に対する電力供給元を前記発電機から前記２次電池に切り替え、
前記発電機を動作させている状態において、該発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる、発電制御方法。
【請求項５】
負荷と接続される発電機と、該発電機および前記負荷と接続される２次電池とを制御するコンピュータに、
前記２次電池の充電状態が上限容量に達していると、該２次電池を放電させて該２次電池による電力を前記負荷に供給する手順と、
前記充電状態が下限容量まで低下すると、前記発電機を動作させて該発電機による電力の一部を前記負荷に供給し、余剰電力で前記２次電池を充電する手順と、
前記充電状態が前記上限容量に達すると、前記発電機を停止し、前記負荷に対する電力供給元を前記発電機から前記２次電池に切り替える手順と、
前記発電機を動作させている状態において、該発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる手順を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機および２次電池を含む発電システム、発電制御方法、およびその方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギーの安定供給や利用効率の向上のために、分散型発電システムに対する関心が高まっている。分散型発電システムでは、主にガスや軽油を燃料として発電し、系統電力に対して冗長性をもたせることが可能なので、特に系統電力途絶時においてエネルギーの安定供給に資する。バイオマスや下水汚泥処理の際に発生するメタンガスを燃料とする場合には、メタンガスが自前のエネルギー源となって、地域のエネルギー安定供給に有用である。また、分散型発電システムは需要地に近接して設置されるので、５％程度と見積もられている、集中型発電システムにおける送電時の電力損失を抑制できる。さらに、発電時の排熱を水から蒸気や温水を作ることに利用することで、電気だけでなく熱も活用する熱電併給により総合エネルギー効率を８０％前後まで高めることも可能である。これにより一次エネルギー(燃料)の投入量を削減し、低炭素化にも貢献する。【０００３】
太陽光発電や風力発電も重要な分散型発電技術である。ランニングコスト面では、太陽光発電や風力発電は、燃料費負担がないという点で有利である。しかし、これらの発電手段は天候に依存して変動的かつ間欠的なので、電力供給の安定性の観点では、燃料を用いる火力発電および燃料電池に優位性がある。特に、系統電力からの独立性を高めて地域や施設の電力供給の大半を自前で調達するマイクログリッドと呼ばれる形態においては、太陽光発電や風力発電を主体とするエネルギーシステムは巨大な二次電池の併設を前提としない限り困難である。【０００４】
燃料を用いる発電システムでは導入コスト、維持費、燃料費に区分された全体コストにおいて燃料費の割合が８割前後を占めている（非特許文献１参照）。そこで、燃料消費量を削減することは経済価値が高く、低炭素化にも貢献するので重要である。【０００５】
しかしながら、分散型発電システムにおける発電機の発電効率は、例えば、小規模発電機の効率は３５％程度に過ぎず、燃料電池(発電効率４０〜５０％)を除けば、系統向けの大型発電機(発電効率４０〜６０％)に比べて相当に効率が低い。そのため、分散型発電システムにおける発電機は燃費が悪い。一般に発電機は定格出力時に最大効率を発揮するように設計されている。分散型発電システムにおいて電力需要を負荷としてそれに追従して発電機を運転する場合、発電機の出力が定格値から外れた低出力状態を持続するような状況では発電効率は大幅に低下することになる。【０００６】
そこで、このような分散型発電システムを負荷追従モードで運転する場合、大出力の発電機１台で対応するのではなく、小出力の発電機複数台で対応することが行われている（非特許文献２参照）。【０００７】
一方、電源システムの大型化を抑えることを目的とした技術の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１には、燃料電池および２次電池を有する電源システムにおいて、負荷の電力需要が小さいとき、燃料電池の電力を負荷での消費と２次電池の充電に利用し、負荷の電力需要が大きいとき、燃料電池と２次電池の電力を負荷に供給することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−４０９３１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“コジェネ基礎データ集”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２４年９月、経済産業省資源エネルギー庁、［平成２７年１月５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/other/cogeneration/pdf/1-1.pdf＞
【非特許文献２】“複数台対応システム”、［ｏｎｌｉｎｅ］、ヤンマー株式会社、［平成２７年１月５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.yanmar.com/jp/energy/ normal_generator/ cp/about/multiple.html＞
【発明の概要】
【００１０】
しかし、非特許文献２に開示された方法では電力需要のパターンによってはピーク需要に対応して運転する発電機の稼働率が低くなる可能性があり、効率低下の要因となる。このような効率低下は、特に発電機の台数が比較的小さい場合に問題となる。この問題を、図１を参照して説明する。
【００１１】
図１は定格出力３５ｋＷの同一の発電機を最大６台運転した場合の発電効率の合計出力値に対する変化を示す。それぞれの発電機は、出力ゼロの極限で１８％の発電効率となり、定格出力で最大効率３４％まで出力値に対してリニアに効率が上昇するという設定になっている。負荷の電力需要に対応する発電出力が３５ｋＷの倍数の場合、各発電機は最大効率で発電するので全体の発電効率も最大となる。しかし、発電機を負荷追従モードで運転する場合、負荷の電力需要と発電機の定格出力が一致し続けることは考えられず、発電機が定格値から外れた部分負荷状態になるとき、その発電効率が低下する。図１を参照すると、その低下の度合いは稼動する発電機の台数が少ない状況において顕著になることがわかる。
【００１２】
なお、特許文献１に開示された発明は、上記の問題とは課題が異なる。
【００１３】
本発明の目的の一つは、負荷の電力需要が一定でなくても、発電機の発電効率を高い状態に維持可能な発電システムを提供することを目的とする。
【００１４】
本発明の一側面の発電システムは、負荷と接続される発電機と、発電機および負荷と接続される２次電池と、２次電池の充電状態が上限容量に達していると、２次電池を放電させて２次電池による電力を負荷に供給し、充電状態が下限容量まで低下すると、発電機を動作させて発電機による電力の一部を負荷に供給し、余剰電力で２次電池を充電し、充電状態が上限容量に達すると、発電機を停止し、負荷に供給する電力の供給元を発電機から２次電池に切り替える制御部と、を有し、制御部は、発電機を動作させている状態において、発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる構成である。
【００１５】
本発明の一側面の発電制御方法は、負荷と接続される発電機と、発電機および負荷と接続される２次電池と、発電機および２次電池を制御する制御部とを有する発電システムによる発電制御方法であって、２次電池の充電状態が上限容量に達していると、２次電池を放電させて２次電池による電力を負荷に供給し、充電状態が下限容量まで低下すると、発電機を動作させて発電機による電力の一部を負荷に供給し、余剰電力で２次電池を充電し、充電状態が上限容量に達すると、発電機を停止し、負荷に対する電力供給元を発電機から２次電池に切り替え、発電機を動作させている状態において、発電機に最大発電効率または定格出力に維持させるものである。
【００１６】
本発明の一側面のプログラムは、負荷と接続される発電機と、発電機および負荷と接続される２次電池とを制御するコンピュータに、２次電池の充電状態が上限容量に達していると、２次電池を放電させて２次電池による電力を負荷に供給する手順と、充電状態が下限容量まで低下すると、発電機を動作させて発電機による電力の一部を負荷に供給し、余剰電力で２次電池を充電する手順と、充電状態が上限容量に達すると、発電機を停止し、負荷に対する電力供給元を発電機から２次電池に切り替える手順と、発電機を動作させている状態において、発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる手順を実行させるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は複数台の発電機を含む発電システムの出力と発電効率の関係を示す図である。
【図２】図２は本実施形態の発電システムの一構成例を示すブロック図である。
【図３】図３は本実施形態の発電システムの別の構成例を示すブロック図である。
【図４】図４は本実施形態の発電システムの動作手順を示すフローチャートである。
【図５】図５は本実施形態の発電システムで用いられる発電機の出力と発電効率の関係を示すグラフである。
【図６】図６は本実施形態の発電システムの動作を説明するための模式図である。
【図７】図７は本実施形態の発電システムの一構成例におけるエネルギー変換過程を示す模式図である。
【図８】図８は電力需要の時間推移のサンプルパスと本実施形態の発電システムの運転モードの切り替えの関係を示す図である。
【図９】図９は２次電池の容量と発電システムによる燃料消費削減率の関係を示す図である。
【図１０】図１０は２次電池の容量と充電状態の時間推移の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本実施形態の発電システムの構成を説明する。図２は本実施形態の発電システムの一構成例を示すブロック図である。
【００１９】
図２に示すように、本実施形態の発電システム１０は、発電機１１と、２次電池１２と、制御部１３とを有する。発電機１１の出力側は、接続先を２次電池１２および負荷２０と切り替え可能に、２次電池１２および負荷２０と接続されている。２次電池１２の出力側は負荷２０と接続されている。
【００２０】
制御部１３は、プログラムを記憶するメモリ（不図示）と、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）（不図示）とを有する。制御部１３内のメモリには、２次電池１２の充電状態の上限容量と下限容量の値が予め登録されている。
【００２１】
制御部１３は、２次電池１２の充電状態を監視し、２次電池１２の充電状態が上限容量に達している場合、２次電池１２を放電させて２次電池１２の電力を負荷２０に供給する。また、制御部１３は、２次電池１２の充電状態が下限容量まで低下すると、発電機１１を起動してその出力を定格出力に維持させ、発電機１１が発生する電力の一部を負荷２０に供給し、余剰電力を２次電池１２の充電にあてる。さらに、制御部１３は、２次電池１２の充電状態が上限容量に達すると、発電機１１を停止し、負荷２０に供給する電力の供給元を発電機１１から２次電池１２に切り替える。
【００２２】
なお、制御部１３は、発電機１１を動作させる場合、最大発電効率で発電機１１を動作させてもよい。
【００２３】
図３は本実施形態の発電システムの別の構成例を示すブロック図である。
【００２４】
図３に示す発電システム１０は、図２に示した２次電池１２および制御部１３の他に、Ｎ（Ｎは２以上の整数）台の発電機１１−１〜１１−Ｎを有する構成である。この場合、発電機１１−１〜１１−（Ｎ−１）は定格出力で負荷２０に電力を供給する。図３に示す発電システムにおいても、制御部１３は、図２に示す発電システムと同様に、発電機１１−Ｎおよび２次電池１２を制御すればよい。
【００２５】
本実施形態の発電システムについて、図１に示した発電システムと対比して、詳細に説明する。以下では、図１に示した発電システムと対比するために、図３に示した発電システム（発電機１１がＮ台）の場合で説明する。
【００２６】
図１を参照して説明した、複数の同一の発電機で構成される発電システムの運用形態は、次のように考えることができる。
【００２７】
負荷の電力需要に対応して、定格出力がｑｋＷの発電機を複数台用いることで全体の出力がｐｋＷとなる場合、ｉｎｔ（ｐ／ｑ）台の発電機は定格出力ｑで発電させる。ここで、ｉｎｔ（ｘ）はｘの整数部分を表す関数とする。さらに、１台を出力｛ｐ−ｑ×ｉｎｔ（ｐ／ｑ）｝の部分負荷状態で運転させる。したがって、Ｎ＝ｉｎｔ（ｐ／ｑ）＋１とすると、（Ｎ−１）台の発電機は最大発電効率で運転しているが、最後の１台は低効率な部分負荷状態で運転することになる。稼働数Ｎが十分に大きい場合、部分負荷状態にある最後の１台からの寄与は相対的に小さくなって、図１に示したように、比較的高い発電効率を期待できる。
【００２８】
しかし、Ｎがさほど大きくない場合は部分負荷状態にある発電機による効率低下が無視できなくなる。この場合、ｑを小さくして（すなわち、より小出力の発電機を用いて）Ｎを大きくすることも考えられる。現実的には発電機の最大発電効率ｅｍａｘは定格出力ｑに依存しているため、ｑを小さな値に設定するとｅｍａｘ自体が低下するので全体の発電効率は必ずしも高くならない。したがって別の工夫が必要である。
【００２９】
Ｎ台の発電機からなる発電システムにおいては、上述したように、（Ｎ−１）台の発電機を定格出力に設定する、または発電機の数が電力需要に対して過剰なので一部の発電機を停止状態に設定することが可能なので、部分負荷状態にある発電機は１台のみである。そこで、以下では、この１台の部分負荷状態となる発電機に注目する。図３に示す構成例では、発電機１１−Ｎがその対象となる。
【００３０】
この発電機を強制的に定格出力で運転させて、その時点での電力需要を超過した余剰電力を２次電池１２の充電に利用することを考える。２次電池の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）が上限容量に達すると発電機を停止し、２次電池からの放電で電力需要を満たす。２次電池のＳＯＣが下限容量に達すると、再び発電機を定格出力ｑで運転して、余剰電力で２次電池を充電する。以降、この操作を繰り返すように発電システムを運転する。この発電システムの動作を、図４のフローチャートに示す。
【００３１】
本実施形態の発電システムの動作を、図４を参照して説明する。
【００３２】
制御部１３は、２次電池１２の充電状態が下限容量の値以上か否かによって、２次電池１２を充電するか、放電させるかを示す情報として「ＩＦＬＡＧ」の値を制御部内のメモリ（不図示）に記録する。ＩＦＬＡＧ＝１は２次電池１２を充電する場合に相当し、ＩＦＬＡＧ＝０は２次電池１２に放電させる場合に相当する。制御部１３は、定期的に２次電池１２の充電状態を監視し、その結果を制御部内のメモリ（不図示）に記録する。
【００３３】
初期状態ではＩＦＬＡＧ＝１がメモリ（不図示）に記録されている（ステップ１０１）。制御部１３は、ＩＦＬＡＧ＝１が真であるか、偽であるかを判定し（ステップ１０２）、判定結果が真である場合、２次電池１２の充電状態が上限容量より大きいか否かを判定する（ステップ１０３）。
【００３４】
ステップ１０３の判定結果が真である場合、制御部１３は、ＩＦＬＡＧの値を１から０に書き直し、ステップ１０２に戻る。ステップ１０３の判定結果が偽である場合、制御部１３は、発電機１１−Ｎを定格出力ｑで運転させ、余剰電力で２次電池１２を充電させる（ステップ１０５）。ステップ１０５の後、制御部１３は、ステップ１０３の判定に戻る。
【００３５】
一方、ステップ１０２の判定結果が偽である場合、２次電池１２の充電状態が下限容量より小さいか否かを判定する（ステップ１０６）。ステップ１０６の判定結果が真である場合、制御部１３は、ＩＦＬＡＧの値を０から１に書き直し、ステップ１０２に戻る。ステップ１０６の判定結果が偽である場合、制御部１３は、発電機１１−Ｎを停止させ、２次電池１２を放電させ、２次電池１２から出力される電力で負荷２０を駆動させる（ステップ１０８）。ステップ１０８の後、制御部１３は、ステップ１０６の判定に戻る。
【００３６】
上述した方法により、本実施形態では、稼働する全ての発電機を定格出力で運転させることができる。本実施形態の発電システムで用いられる発電機の具体的なモデルの一例を図５に示す。本実施形態では、図５に示すように、定格出力ｑにおいて発電効率が最大値ｅｍａｘとなり、出力ゼロの極限でｅｍｉｎに収束する発電機を考える。さらに、出力と発電効率の関係は、図５に示すように、一次関数で近似できるものとする。このとき、出力ｓ(０ < s < ｑ)での発電効率ｅｓは次式で与えられる。
【００３７】
【数１】
2016117236.tif 000003
【００３８】
本実施形態の発電システムの動作を、図６に示す模式図を参照して説明する。
【００３９】
図６に示す発電システムにおいて、発電機を定格出力ｑで運転させた場合、時間Δｔの間に生じた電力量ｑΔｔのうち、ｓΔｔは負荷で消費され、（ｑ−ｓ）Δｔは余剰電力量として２次電池に蓄えられる。ここでは、説明を簡単にするために、交流−直流間の変換および電池の充放電等におけるエネルギー変換に伴う損失をゼロとした。定格出力ｑで時間Δｔに相当する電気量（ｑΔｔ）を発生させるのに必要な燃料をＦｑとすると、Ｆｑは次式で与えられる。
【００４０】
【数２】
2016117236.tif 000004
【００４１】
定格出力ｑの場合と同様に、出力ｓで同じ電気量（ｑΔｔ）を発生させるのに必要な燃料をＦｓとすると、Ｆｓは次式で与えられる。
【００４２】
【数３】
2016117236.tif 000005
【００４３】
式（２）および式（３）から、定格出力を維持することで削減できる燃料はＦｓ−Ｆｑとなる。これとＦｓの比は燃料の削減率（η）を表している。
【００４４】
【数４】
2016117236.tif 000006
【００４５】
本実施形態の発電システムは、これらの検討結果に基づいて発明されたものである。
【００４６】
発電機と２次電池を併用するシステムの問題点として、（ｉ）「電池を経由することで、直流−交流の変換回数が増えてエネルギー損失が生じること」と（ｉｉ）「電池の充放電回数が増えて電池の短寿命化につながる可能性があること」が考えられる。
【００４７】
上記の（ｉ）と（ｉｉ）のうち、はじめに（ｉ）の問題について説明する。
【００４８】
図７は本実施形態の発電システムの一構成例におけるエネルギー変換過程を示す模式図である。図７では、発電機および２次電池の出力の「交流→直流」および「直流→交流」の変換における損失を考慮している。
【００４９】
図７に示すシステム構成例では、発電機１１−Ｎと２次電池１２の間に変換器３１が設けられ、２次電池１２と負荷２０の間に変換器３２が設けられている。変換器３１は、発電機１１−Ｎの出力を交流から直流に変換して２次電池１２に出力する。また、変換器３２は、２次電池１２の出力を直流から交流に変換して負荷２０に出力する。変換器３１の変換効率をｐ１とし、変換器３２の変換効率をｐ２とする。また、２次電池１２における、充電と放電の効率をｐｂとする。
【００５０】
図７に示すシステム構成例では、負荷２０は、直流電圧で動作するＣＰＵ等のデバイス２５と、外部から供給される電力を交流から直流に変換してデバイス２５に出力する変換器２３とを有する。
【００５１】
発電機の出力は、通常、交流である。図７に示す経路１は、発電機１１−Ｎの出力が交流のまま直接負荷２０に供給される場合を示す。一方、図７に示す経路２は、発電機１１−Ｎの出力が２次電池１２を経由して負荷２０に供給される場合を示す。経路１と比べて経路２は、交流→直流変換（変換効率はｐ１）、電池の充電と放電（効率はｐｂ）、直流→交流変換（変換効率はｐ２）の３段階の変換により、ｅｌｏｓｓ＝１−ｐｅｆのエネルギー損失率となる。ただし、ｐｅｆ＝ｐ１ｐ２ｐｂである。
【００５２】
この発電システムにおける燃料消費量の削減率ηは近似的に次式で表される。
【００５３】
【数５】
2016117236.tif 000007
【００５４】
式（５）において、ｅａｖは電池なしで、発電機を単独で動作させた場合の発電機の平均発電効率の推定値である。ｄａｖは平均電力需要の推定値であり、ｐｅｆはエネルギー変換効率の推定値である。エネルギー変換効率が低下してｐｅｆが小さくなると、ηは負値になる可能性がある。すなわち、このような状況では、発電機の電力を電池を経由して出力する場合の方が、発電機を直接負荷と接続する場合に比べて燃料消費量が増えてしまうので、上式でηが負にならないような状況でのみ、電池を経由することが適切な選択となる。したがって、制御部１３は、式（５）で計算されるようなηの推定値をモニタしながらシステムの稼働中に運転モードを切り替えることが望ましい。
【００５５】
発電機の発電効率と出力の関係が一次関数で表される状況では、低出力状態ｓ１の効率をｅ１とし、高出力状態ｓ２の効率をｅ２とすると、電力需要がｓ１であった場合に余剰電力（ｓ２−ｓ１）を電池に充電するのではなく、抵抗等で損失させて高出力状態で運転することによって燃料消費量が減少することはない。なぜなら、高出力状態が低出力状態よりも燃料消費量が低下するためには次式が成立する必要がある。
【００５６】
【数６】
2016117236.tif 000008
【００５７】
発電効率と出力の関係が一次関数となる場合は式（６）の不等式から、ｓ１ > ｓ２となるが、高出力と低出力の定義上、ｓ２ > ｓ１が同時に成立しなければならないので、これは不合理であるから、電池に充電することなしに燃料消費量が減少することはない。逆に、発電効率と出力の関係が一次関数でない場合においては、電池を用いず抵抗等で余剰電力を損失しながら高出力運転することで、燃料消費量の抑制が可能となることが起こり得る。
【００５８】
次に、（ｉｉ）の問題について説明する。
【００５９】
（ｉｉ）の問題については、基本的に電池の容量を大きくすることで充放電サイクル数を減らすことが考えられる。後述の実施例３では、電池容量を適当に選択すれば４ｃｙｃｌｅ／ｄａｙ程度にサイクル数を減少させることができる。ある程度大きな規模の電池は事業継続計画（ＢＣＰ：Business Continuity Planning）用途にも兼用できるので有利な面もある。しかしながら、電池の容量を大きくすると高コストとなるので適当なコストとサイクル数についてバランスを取る必要がある。電池の劣化を抑制するという観点からは、劣化が進行しにくいＳＯＣで小刻みに充電と放電を繰り返すことも考えられるが、この発電システムにおいて放電時は発電機を停止することになるので、頻繁に発電機を起動・停止することは起動損失や発電機自体の劣化を招くことにつながるので、このような運転形態は好ましくない。
【００６０】
（ｉｉ）の問題への根本的な対策としては、電池の直流出力で直接的に負荷のＣＰＵ等のデバイスを駆動させる経路３のような直流給電を利用することや、燃料電池など本来直流出力する経路４のような発電手段と組み合わせて変換ロスをなくすことが考えられる。
以下に、上述した発電システムについての具体例を説明する。
【実施例１】
【００６１】
＜本実施形態の発電システムによる燃料消費量の削減効果＞
図８は電力需要の時間推移のサンプルパスと本実施形態の発電システムの運転モードの切り替えの関係を示す図である。本実施例では、１日の電力需要が図８の太い実線で表わされる場合において、本実施形態の発電システムによる燃料消費量の削減効果を調べた結果を説明する。【００６２】
電力需要のピーク値は２０ｋＷｈなので、発電機の定格出力ｑも２０ｋＷｈに設定した。発電機の最大発電効率を３４％とし、発電機の最小発電効率を１８％とし、電池容量を２４ｋＷｈとした。また、交流→直流の変換効率（ｐ１）、電池の充放電効率（ｐｂ）および直流→交流の変換効率（ｐ２）に相当する３つの値を全て０．９５とした。【００６３】
電池残量ゼロからシステムをスタートすると、開始から７．８時間は発電機が定格出力で運転して、発電から需要を引いた余剰電力(図中の縦点線部分)は電池に貯められる。電池が満充電に達すると発電機を停止して、電池からの放電により負荷の駆動に必要な電力需要(図中の横点線部分)を賄う。さらに、電池の放電が進んで残量容量がゼロとなると、再び発電機が定格出力で稼動して余剰電力を電池に供給して電池を充電する。このように、２次電池の充電と放電（および発電機の運転と停止)を繰り返すように、本実施形態の発電システムが運転される。図８に示す例では、発電機単独で同じ電力需要に対応する場合と比較して、本実施形態の発電システムによる燃料消費量の削減率ηは１１．９％となった。
【実施例２】
【００６４】
＜燃料消費量削減効果の２次電池容量依存性＞
本実施例では、本実施形態に基づく、燃料消費量の削減効果が２次電池の容量に依存しないことを説明する。図９は、実施例１と同じ条件において、電池容量のみを３〜７２ｋＷｈの範囲で変化させた場合の燃料消費量の削減率ηを表わす。図９を参照すると、削減率ηは０．１２前後であり、電池容量に強く依存しないことがわかる。この削減率ηは近似的に次式で表される。【００６５】
【数７】
2016117236.tif 000009
【００６６】
式（７）において、ｅａｖは電池を使用せず、発電機単独で動作する場合の発電機の平均効率である。ｄａｖは平均電力需要であり、ｐｅｆはエネルギー変換効率である。例えば、交流出力の発電機による電力を２次電池に充電し、それを放電して交流に戻して負荷を駆動する場合、ｐｅｆは交流→直流の変換効率、電池の充放電効率、直流→交流の変換効率の積で表される。【００６７】
式（７）は２次電池の容量に関係する情報を含まないので、削減率は近似的に電池容量に依存しないことがわかる。今の例では、上式右辺によるηの近似値は０．１４６となって、図９の値に近い。
【実施例３】
【００６８】
＜電池容量と充放電サイクル数の関係＞
本実施形態においては、実施例２で示したように、燃料消費量の削減効果は２次電池の容量に依存しない。大容量の電池は高価であるため、経済的には小規模な電池が望ましいが容量を小さくすると、充放電サイクル数が増大するので電池を短命化するおそれがある。【００６９】
図１０は実施例１と同じ条件で電池容量を６ｋＷｈ、１２ｋＷｈ、２４ｋＷｈと変化させた場合の充電状態（ＳＯＣ）の時間変化を表わしている。図１０を参照すると、電池容量が６ｋＷｈの場合、充放電サイクル数は２０ｃｙｃｌｅ／ｄａｙである。一方、電池容量が１２ｋＷｈおよび２４ｋＷｈの場合、充放電サイクル数は、それぞれ８ｃｙｃｌｅ／ｄａｙおよび４ｃｙｃｌｅ／ｄａｙまで低下している。【００７０】
基本的にサイクル数は容量と反比例関係にあると考えられるが、低容量の電池では、この関係から推定される値よりも多くのサイクル数を要しており、電池の短命化を加速する懸念がある。さらに、発電機にとっても運転と停止を頻繁に繰り返すことは起動損失などの弊害もあり問題が生じるので、発電機の運転と停止を短時間に繰り返す操作をできるだけ避ける必要がある。この例では一日あたりの消費電力量の１／１０の容量を持つ電池を用いると、充放電サイクル数は４ｃｙｃｌｅ／ｄａｙ程度となって適当と思われる。【００７１】
本実施形態の発電システムでは、発電機を定格出力など高い発電効率が実現可能な状態で動作させて負荷の電力需要に対応させるとともに、そのときに発生する余剰電力を２次電池の充電に利用する。そして、２次電池の充電状態が上限容量に達すると発電機を停止する代わりに、２次電池を放電させることで２次電池による電力を負荷の電力需要に対応させる。さらに、放電の進行により２次電池の充電状態が下限容量に達すると、再び発電機を起動し、負荷に対する電力供給元を２次電池から発電機に切り替えるとともに、余剰電力で２次電池を充電する。【００７２】
上述の動作を繰り返す制御を行うことで、発電機がその発電効率が低い部分負荷状態となる電力需要時でも、発電機の発電効率を高い状態に維持することが可能となり、燃料利用効率を改善することができる。その結果、燃料消費量を抑制することでユーザーの燃料コストを低下させると同時に二酸化炭素排出量の削減という地球環境改善にも貢献する。【００７３】
さらに、複数の発電機を有する発電システムにおいて負荷追従モードのような運転により部分負荷状態が継続する状況においても、高い発電効率を維持できる。【００７４】
本発明の効果の一例を説明する。本発明によれば、負荷の電力需要が一定でない状況下でも、発電機の発電効率を高い状態に維持することができる。【００７５】
なお、本実施形態で説明した発電制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納してもよい。この場合、プログラムを記録媒体から他の情報処理装置にインストールすることで、他の情報処理装置にも上述した情報処理方法を実行させることが可能となる。【００７６】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明を、電力需要が部分負荷状態にあって通常は低い発電効率で運転せざるを得ない発電システムに利用可能である。本発明を、例えば、大型の分散型発電システムの場合に限らず、比較的小規模な分散型発電システムにも利用することが可能である。【００７８】
なお、この出願は、２０１５年１月２１日に出願された日本出願の特願２０１５−００９１８４の内容が全て取り込まれており、この日本出願を基礎として優先権を主張するものである。
【符号の説明】
【００７９】
１０    発電システム
１１、１１−１〜１１−Ｎ    発電機
１２    ２次電池
１３    制御部
【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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