(57)【要約】【課題】発電電力を無駄なく有効に活用できるとともに、保守を低減し、長寿命で設置スペースの増加しない自然エネルギー利用発電システムを提供すること。【解決手段】自然エネルギーを利用した発電手段１と、蓄熱手段１０と、前記発電手段１から前記蓄熱手段１０及び負荷９への電力供給を制御する制御手段７とを備える自然エネルギー利用発電システムとする。【選択図】　図１
2004063930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギーを利用した発電手段と、蓄熱手段と、前記発電手段から前記蓄熱手段及び負荷への電力供給を制御する制御手段とを備えることを特徴とする自然エネルギー利用発電システム。
【請求項２】
前記自然エネルギー利用発電手段が、太陽電池及び／または風力発電手段であることを特徴とする請求項１に記載の自然エネルギー利用発電システム。
【請求項３】
前記制御手段に、直流を交流に変換するインバータを備え、該インバータの出力が電力系統に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自然エネルギー利用発電システム。
【請求項４】
前記インバータの出力側の電圧が所定値を超えた時に前記電力系統側への流出電力を抑制し、余剰電力を前記蓄熱手段に供給することを特徴とする請求項３に記載の自然エネルギー利用発電システム。
【請求項５】
前記電力系統への流出電力量に応じて、前記蓄熱手段に供給する電力源をインバータの入力側または出力側いずれかに切り換えることを特徴とする請求項４に記載の自然エネルギー利用発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自然エネルギーを利用して発電する自然エネルギー利用発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保全、省エネルギーの観点からクリーンな自然エネルギーを利用する発電システムが注目を浴びており、特に、太陽光発電、風力発電は最近徐々に普及が進んでいる。これらの自然エネルギー利用発電システムは、その発電電力を制御手段を介して直接負荷に供給する方式のもの、蓄電手段を介して負荷に供給する方式のもの、インバータを備えてその出力を電力系統に接続される方式のものなどがある。
【０００３】
ところが、自然エネルギー利用発電システムは、当然のことながら、エネルギー源が有効なときしかエネルギーを取り出せない。例えば、太陽光発電であれば太陽光のある昼間、風力発電であれば風のあるときのみである。エネルギー源の特性を利用して発電手段と負荷とを制御手段のみを介して接続し、発電電力を有効に利用するシステムもある。例えば、太陽光発電と床下換気扇の組合せなどがその例である。
【０００４】
しかしながら、自然エネルギー利用発電システムを安定したエネルギー源として使うためには、発電パターンと負荷パターンの差異を補う何らかの補助手段が必要である。発電手段と負荷で構成される独立のシステムの場合、この補助手段としては蓄電池に代表される蓄電手段が用いられるが、これも完全な補助手段ではない。このような補助手段として最良の方法は、発電手段からの直流出力をインバータで交流に変換し、この交流出力を我々が日常使用している商用交流系統等の電力系統と連系させる方法である。日本国内の太陽光発電においては、この方式のものが急激に増加している。この方式のシステムの一例を図３にブロック図として示す。
【０００５】
図３において、複数の太陽電池を直並列に組み合わせて作られた太陽電池アレイ１から出力される直流電力は、直流電源回路２、インバータ回路３、フィルタ回路４により必要な品質を確保した交流電力に変換された後、系統連系保護装置５を介して負荷９及び商用電力系統８に接続される。直流電源回路２、インバータ回路３、フィルタ回路４及び系統連系保護装置５は、制御回路６によって連動されているシステムが多く、直流電源回路２、インバータ回路３、フィルタ回路４、系統連系保護装置５及び制御回路６は一体化されていることが多い。一体化された装置は一般にパワーコンディショナと言われている。また、制御回路６は太陽電池の発電電力が最大となるよう制御も行う。
【０００６】
この系統連系システムでは、負荷９の消費電力がパワーコンディショナの出力よりも大きいときには不足分が電力系統から供給される。一方、負荷９の消費電力がパワーコンディショナの出力よりも小さいときには余剰電力として電力系統８に逆潮流される。つまり、このような方式の系統連系システムとすることで、自然エネルギーを無駄なく有効に活用すると共に、安定なエネルギー源として使用できるわけである。
【０００７】
尚、電力系統８の異常は社会全体に大きな影響を及ぼすため、商用電力系統８は電力会社によって、電力の品質が厳格に維持管理されている。例えば、１００Ｖ系の電圧は、１０１±６Ｖと電気事業法で定められている。当然のことながら、系統に逆潮流する前述のシステムにおいてもパワーコンディショナから出力される電力は電力系統８の電力と同等の品質を確保する必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、自然エネルギー利用発電手段を利用したシステムには主に３つの方式がある。すなわち、
▲１▼発電手段と負荷とを制御手段のみを介して接続する方式（ダイレクト方式）
▲２▼独立システムにおいて蓄電手段を用いる方式（独立蓄電方式）
▲３▼パワーコンディショナを介して電力系統に接続する方式（系統連系方式）
の３方式である。
【０００９】
一般に、自然エネルギー利用発電手段の発電パターンと負荷の要求する消費パターンが一致することは稀で、ダイレクト方式を用いる場合、負荷が限定されるか、発電容量を大きめにし、最低限必要な発電量を確保すると共に余剰電力は捨てるということになる。
【００１０】
独立蓄電方式の場合、蓄電手段としては蓄電池が一般的であるが、定期的に保守が必要なこと、寿命が短いこと、設置場所が必要なことなどの問題がある。
【００１１】
また、系統連系方式の場合にも以下のような課題を抱えている。電力系統と発電システムを接続するためには、当然のことながら、これらの間で配電線を接続する必要がある。また、配電線はインピーダンスを有するため、送電の際に電圧降下を生じることは避けられない。このため、電力系統の電圧は、配電線インピーダンスによる電圧降下分を見込んで柱上変圧器において少し高めに設定されている。これに加え、需要家での消費電力が少なく発電システムから電力系統に電力を逆潮流する場合、この配電線インピーダンスが逆に働き、需要家受電端での電圧は柱上変圧器における電圧よりもさらに高くなる。場合によっては、系統電圧の上限値１０７Ｖを超えることも考えられる。
【００１２】
このような不都合を発電システム側で防ぐために最も簡単な方法は、発電手段で発生する電力を抑制する方法である。ところがこの方法は、自然エネルギーを有効利用するという観点からみれば一部を捨ててしまうことになり問題がある。
【００１３】
第２の方法としては、進相電力注入方式がある。この方式は効果があるけれど、力率を低下し無効電力を増加するため、皮相電力を大きくなる。このため、インバータ容量を大きくする必要があることや配電線に負担をかけるなどの問題がある。
【００１４】
この問題を解決するために、系統連系システムに蓄電手段を組み合わせたシステムも提案されている（例えば、特開平６−１３３４７２号公報を参照）。
【００１５】
しかしながら、このシステムも独立蓄電方式と同様、蓄電池に定期的な保守が必要なこと、寿命が短いこと、設置場所が必要なことなどの問題がある。
【００１６】
また、一旦蓄電手段に蓄えた電力は系統に出力する必要があるので、常に系統電圧の高いところでは、根本的な解決にならないことや蓄電手段の容量を大きくしなければならないなどの問題がある。
【００１７】
そこで、本発明では従来の上述した諸問題に鑑み案出されたものであって、発電電力を無駄なく有効に活用できるとともに、保守を低減し、長寿命で設置スペースの増加しない自然エネルギー利用発電システムを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の自然エネルギー利用発電システムは、自然エネルギーを利用した発電手段と、蓄熱手段と、前記発電手段から前記蓄熱手段及び負荷への電力供給を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
また特に、前記自然エネルギー利用発電手段が、太陽電池及び／または風力発電手段であることとし、また、前記制御手段に、直流を交流に変換するインバータを備え、該インバータの出力が電力系統に接続されていることとし、また、前記インバータの出力側の電圧が所定値を超えた時に前記電力系統側への流出電力を抑制し、余剰電力を前記蓄熱手段に供給することとする。さらに、前記電力系統への流出電力量に応じて、前記蓄熱手段に供給する電力源をインバータの入力側または出力側いずれかに切り換えることとする。
【００２０】
【作用】
本発明の自然エネルギー利用発電システムでは、発電手段で発電された電力が負荷や電力系統に送り出せない場合、電力を熱に変換し蓄熱手段に蓄えて熱として利用することにより自然エネルギーを無駄なく有効に利用できる。また、他の用途で必要な装置を容易に共用することができ、構成が簡単で保守が低減でき、寿命も長くできる。また、装置が共用できるので新たに設置スペースを必要としない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２２】
図１に本発明における太陽光発電を利用した系統連系方式の一実施例のブロック図を示す。例えば、太陽電池アレイ１の出力はインバータ機能を備えた制御手段７に接続されている。この制御手段７の出力の一方は蓄熱手段１０の電熱体１１、他方は電力系統８、負荷９に接続されている。制御手段７には、直流電源回路２、インバータ回路３、フィルタ回路４などからなるインバータ機能に加え、太陽電池アレイ１が最適な状態で発電されるための制御回路や電力系統８と連系するために保護継電器などの機能を備えた系統連系保護装置５及び蓄熱手段１０への電力供給を制御する機能を備えた制御回路６を備えている。
【００２３】
ここで、蓄熱手段１０へ供給される電力は、電力系統８と連系される交流の電力に限定されることはなく、直流電源回路によって調整された直流電力や太陽電池アレイ１の出力をそのまま供給することも可能である。図１ではインバータ回路３の入力側の電力と出力側の電力を切り換えられるようにした一例を示す。
【００２４】
制御手段７におけるインバータ機能について説明する。多数の太陽電池モジュールで構成された太陽電池アレイ１からの直流出力を昇圧調整する直流電源回路２、直流電源を交流電源に変換するインバータ回路３、フィルタ回路４、制御回路６、ブレーカ（不図記）、電圧検出器（不図記）、電流検出器（不図記）などから構成されている。
【００２５】
太陽電池アレイ１は、太陽光を受光し直流電圧を出力するもので、一般的には多数のセルを直列及び並列に接続して太陽電池モジュールが構成され、さらに多数のモジュールを直列及び並列に接続して形成している。直流電源回路２は、入力コンデンサ、リアクトル、逆流阻止用ダイオード、スイッチング素子などから構成され、太陽電池アレイ１の出力電圧を昇圧する機能を備えている。スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴのような半導体素子が用いられる。
【００２６】
インバータ回路３は、コンデンサ及びスイッチング素子などから構成されている。制御方式には種々の方法が提案されているが、低圧の系統連系用としては電圧型電流制御ＰＷＭ方式が主流となっている。この方式は、高調波歪の非常に少ない出力波形が得られるという特徴がある。また、スイッチング素子としては、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＳＩＴ、サイリスタ、ＧＴＯ等がある。現在は、数ＫＷ程度の出力容量ではパワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の自己消弧型でスイッチング周波数を高くとれるものが使用されている。
【００２７】
フィルタ回路４は、インバータ回路３のスイッチングによる高周波信号を除去するように設けられたもので、リアクトル及びコンデンサから構成されたローパスフィルタである。そして、フィルタ回路４の出力は系統連系保護装置５を介して商用電源などの電力系統８に連系するようになっている。
【００２８】
次に、以上の構成の動作について説明する。図２にその概略フローを示す。太陽光が太陽電池に入射すると、太陽電池アレイ１に起電力が発生する。制御手段７は、太陽電池アレイ１の電圧を検出し、次に電力系統８の状態を調べる。電力系統８の状態に異常がなければ、インバータを起動させ、直流交流変換を行い、電力系統８に電力を流出させる。この状態で、太陽電池アレイ１の出力電力が最大になるように制御される。この時の出力電流の位相は出力電圧位相と合うように制御され、ほぼ力率が１に保たれる。
【００２９】
この時点で、制御手段７の出力電圧が予め設定した値（所定値）以内なら、運転を継続する。逆に制御手段７の出力電圧が予め設定した値を超えている場合は、電力系統８への出力を抑制するとともに、蓄熱手段１０への電力供給を行う。この際、太陽電池アレイ１の出力が最大になるよう維持したままで制御手段２から電力系統８への出力電力を抑制する。即ち、電圧が予め設定した値まで下がるように蓄熱手段１０への電力供給量を制御する。
【００３０】
さらに、この制御により予め設定した電圧まで下がらない場合には、太陽電池アレイ１の出力全てを蓄熱手段１０への電力供給に振り向ける。ここで、太陽電池アレイ１の出力全てを蓄熱手段１０に供給する場合にはインバータ回路３による損失を回避するためにインバータ回路３の入口側の電力を供給するため、図２のシステムのように切換手段１２を設けておくと良い。蓄熱に必要な容量は、例えば、蓄熱手段１０として住宅用の電気温水器を利用すると、３ｋＷの電力で３時間蓄熱すると想定しても約１２０リットルとなり、それほど大きな容量は必要ない。
【００３１】
一方、系統電圧が下がり、且つ太陽電池アレイ１からの出力電力がある場合には、再び電力系統８に電力を逆潮流させる。
【００３２】
なお、上記の実施例では太陽光発電に関して記述したが、風力発電その他の自然エネルギー利用発電手段であっても同様な作用・効果を期待することができる。また、制御手段としては系統連系方式にて記述したが、前述のダイレクト方式、独立蓄電方式であってもよい。
【００３３】
また、蓄熱手段１０としては、電気温水器を例示したが、太陽熱温水器の貯湯槽に電熱体を設けたものやヒータ式の蓄熱式床暖房装置やヒートポンプ式給湯機など電力をエネルギー源として顕熱や潜熱として蓄熱する装置であれば何れであってもよい。
【００３４】
例えば、風力発電を利用したダイレクト方式のシステムであって、負荷に電力を供給する必要のないときには、屋根上に設置した太陽熱温水器の貯湯槽内に設けた電熱体に通電し、貯湯槽内の水を加熱するシステムも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の自然エネルギー利用発電システムによれば、自然エネルギー利用発電システムにおいて、負荷への電力供給が不要な場合や電力系統への逆潮流が不可能な場合でも、発電電力を熱エネルギーとして無駄なく有効に活用できる。
【００３６】
また、既存の蓄熱手段（機器）との組合せにより、システムの構成が可能なため、蓄電池を用いるシステムよりも保守が低減され、長寿命で設置スペースの増加せずに所望の機能を得られる優れた自然エネルギー利用発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】従来の方式を示すブロック図である。
【符号の説明】
１：太陽電池アレイ
２：直流電源回路
３：インバータ回路
４：フィルタ回路
５：系統連系保護装置
６：制御回路
７：制御手段
８：電力系統
９：負荷
１０：蓄熱手段
１１：電熱体
１２：切換手段
【図１】
2004063930.tif 000003
【図２】
2004063930.tif 000004
【図３】
2004063930.tif 000005