(57)【要約】      （修正有）【課題】自然エネルギーとか再生可能エネルギーとか呼ばれるエネルギー（太陽光発電又は／並びに燃料電池など）の低価格化、及び、その利用においてより安価な電力の生成が可能となるシステムの提供。【解決手段】電力の発電と負荷（電気利用装置）、及び、その間に存在する機器のうち、インバータ（０８）は充電機能付きのものとし、また、有りうる運用モードを形成する電源と変流の切替装置（０９）を包含した効能的な運用システムを構成する。【選択図】図２
2004282980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電と燃料電池などの効能的利用システム
【請求項２】
太陽光発電と燃料電池などの効能的活用に際して、電源と変電用インバータ（電気の直交変換装置）及び給電（電気利用装置へのもの）のシステムの的確な構成を行うための、手動または自動の切替装置（以下、単に切替装置と呼ぶ）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
自然エネルギーまたは再生可能なエネルギーとして、太陽光発電や燃料電池発電などが注目されている。これらは、本来の姿としては、発電と利用が独立系として構成（いわゆる逆潮を否定するのではないが）されることが望ましい。商業電力の配電設備活用に多額の投資が伴う場合は特にそうである。
【０００２】
本発明は、上記で望まれるような目的を実用的に構築するために必要なシステムと、そこで必要となる機器（切替装置）に関わる技術分野に属する。
【０００３】
【従来の技術】
従来から現在においては、本発明に関わる太陽光発電や燃料電池発電装置など（以下、一括しては内部電源と呼び、いずれも直流発電である。また、自然エネルギーや再生可能エネルギーの直流発電装置のすべてを含む）や蓄電装置、及び直交変換装置（以下、インバータと呼ぶ）は、いずれも高価であり、従って、特に小規模利用では実用的な採用が困難である。利用度と需要量が増大すれば経済性の改善も期待できるが、これは、格段の技術開発がない限り、いわゆる鳥と卵の関係であることから、需要と供給の双方で確実な努力が望まれる。しかし、現状では双方とも、その努力が乏しい（方策の不足、これが課題である）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記で述べたような課題の解決方策が現在も将来にも恒常的に必要である。自然エネルギーなどを活用する内部電源とその電力の利用装置とを効能的に連結して利用することが、結果として、その活用と利用に関わる機器システムの需要と供給の双方の経済性を改善できる根本的方策であるから、このことを踏まえて、課題である方策不足の解決方法の一つとしての本発明は極めて有用である。本発明は、需要側の努力に関しているが、同時に供給側の努力も伴えば、飛躍的に事態の改善に寄与できる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
手段の概念は、図２に示されている。
現在／従来のものの殆どが図１であり、独立系での運用は実験的か仮想の段階である。従って、そのような運用は高価であるので、小型で特殊用途に限られている（直流のままで）。この程度では、電源の能力や電力の利用状態によって、実用規模の内部電源を多様に運用する形態に適用できる実用システムを構成したことにはならない。本発明は、この現状を打破するものである。
【０００６】
本発明でのものが図２であるが、０６電気利用装置が小型であれ大型であれ、または家庭用であれ、産業用であれ、売電用であれ、いずれの場合も、０６電気利用装置に望ましい電力容量を前提にして、本発明によるシステムの最適な構築を検討できる。つまり、投資限界やシステム全体の実用性（需要や稼動率などを考慮したもの）によって、最も経済的な設計が可能である。従来の場合と基本的に異なるのは、０８インバータ（直交変換装置）が充電機能を重視した能力を持つこと、電力の貯留が可能となる０４蓄電装置を併備すること、及び、システム運用の形態を瞬時に転換できる０９切替装置を備えていることである。
【０００７】
このような機能の具備の程度が、現在のように電源装置（０１、０２、及び０４など）が高価である場合は、単純な投資限界によって決断される状態は止むを得ないが、本発明を用いて近い将来をも考慮に入れれば、極めて経済的投資が実現できる。このことは、売電という商業目的の場合は除外して、０３インバータが逆潮可能な高級機能を求められるのではなく、実用的な電流波形（サイン波）への直交変換機能を持ち、充電器機能も持てば十分なので比較的に安価であること、高性能で廉価な電源（当面は０２のみで良い）が存在すれば、容易に実用できる。前者は既に商品化されているし、後者は極く近日のうちに実現する。
【０００８】
更に、０８インバータは、これも近日に実現が経済的に可能な内部電源（０１など、０４も含む）をも考慮に入れて、さらに０６電気利用装置の需要の拡大や補充をも予測しながら永続的に求められる機能能力（ｋｗ）を持たせて設計し設置すれば、このインバータだけに長期経済負担が掛かるだけなので、複数の内部電源の技術的進歩と経済性向上に継続的かつ経済的に対処できるので、無駄な投資を排除できる。０８インバータとともに、０９切替装置も同様である。
【０００９】
０９切替装置は、本発明に含まれる。下記の３ケの運転モードへ、手動的か或いは、自動的かつ瞬時にモード切替が可能であるようにする。
モード１（完全独立系）：内部電源が単独に、または並列に、または直列に利用されて、かつ電力発生と利用が外部電源とは独立系である場合である。
モード２（半独立系）：上記の独立の場合であっても、その発電能力が０６電気利用装置による電力の需要に対応できない状態に至った時に、外部電源を利用する場合である。内部電源が複数あって、徹底した完全独立の運用が可能である場合、このモードは必要でない。
モード３（従属系）：内部電源に特有の事情（太陽光発電ならば、夜間や日照のない日など、また他の内部電源でも燃料の不足、故障や定期補修など）があって、独立系の構築が不可能な場合に備えるものである。
【００１０】
モード１（完全独立系）では、０９切替装置を中心にして、内部電源（ここでは０４蓄電装置を含む）から０８インバータへの接続、０４蓄電装置への接続（余剰電力がある時）、及び０６電気利用装置への接続が形成されている。
１）  余剰の発電電力は自動的に、０８インバータの機能により、０４蓄電装置に蓄備される。
２）  内部電源（０４蓄電装置を除く）の発電能力が需要に対応できない時は、０４蓄電装置からの放電を行う。（変流）
３）  内部電源（０４蓄電装置を除く）からの電力に余剰があり、かつ０４に充電余力がないときは、燃料電池のように明らかに発電ための燃料を必要とするものを優先して、発電の停止を行う。この内部電源が太陽光発電のみの場合は、このような事態が発生しない蓄電能力（０４）を確保する設計が必要である。或いは、やや高価になるが、別途に小容量の逆潮機能なインバータを設ける案の採用も検討する。
４）  このモードに限らず、内部電源の併用においては、その一つか複数の発電能力が喪失する場合には、発電能力を喪失した電源が他の電源の負荷となって、電力の損失や機能破壊に至る場合があるので、この機能喪失の電源をバイパスしたり、独立の系統から遮断することが必要である。
５）  太陽光発電の場合は、短時間の日陰（曇り）の発生でも、短時間の能力喪失が起こる。この種の電源では短時間の遮断は行っても、接続の回復を試みる作動が必要である。当然であるが、予め機能喪失が判明している時は、手動または予定プログラムにより遮断する。
【００１１】
モード２（半独立系）では、モード１の形成に加えて、
１）  内部発電と蓄電装置をも合わせても、負荷の需要に応じ切れない時は、負荷（０６電気利用装置）に、外部電源を自動的に直接接続する。もともと、ここで用いる０３インバータは逆潮能力がないので、外部電源との接続には問題はない。徹底した独立を望むなら、不要である。
２）  徹底して、独立系の運用を行う場合は、モード１で０４蓄電装置からの放電を行うことが求められているので、このモードそのものが不要である。
【００１２】
モード３（従属系）では、モード１における「内部電源の併用において、その一つか複数の発電能力が喪失した場合」、かつモード２の「内部電源の電力供給能力では需要に十分対応できない場合」にもなっている場合である。
従って、モード２の形成を不要とする運用（徹底した独立系の運用）では、モード３はモード１と同一である。
【００１３】
【実施例】
図２に示す如くである。その説明は、既に述べてある。本発明は、図２のような太陽光発電と燃料電池などの効能的利用システムを構築することと、このシステムの要素のうち切替装置には、前述のようなモード形成能力を保持させることである。
【００１４】
【発明の効果】
現状における太陽光発電と燃料電池などの電力を交流にした上での直接利用したり、売電のための逆潮能力のあるインバータを用いる方法は、発電原価の低下には可なりの困難がある。これらの装置の販売価格の低減は、それなりに関係者の努力があるであろうが、多くは期待できない。その上、価格には、需要と供給の、卵と鳥の関係がある。どちらかが一歩前にでる一層の努力が欠かせない。
この観点では、本発明は需要側の努力であり、設備費が高価であるシステムや機器では、その設備の稼働率を高める運用が絶対に求められる基本原理を実用化して、発生利用する電力を効能的に利用して、電力の原価を実際的に、可能な限り低減すると言う効用を狙っている。
この発明では、稼働率の問題だけでなく、既に効能的な商品として存在する機器の採用も可能な機器仕様を用いることを考慮している。当面の対象である太陽光発電であれば、電池（セルやモジュール）とインバータでは価格低下が確実であり、本発明の一つである切替装置でも、これによる運転モードの形成に必要な状態検知が既に存在する知見や部品により行うことができるので、価格は高くない。かくして、太陽光発電と燃料電池などの効能的利用システムを構築することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】太陽光発電又は／並びに燃料電池などの従来の利用法
【符号の説明】
０１．．．．．．．  内部電源（燃料電池など）
０２．．．．．．．  内部電源（太陽光発電）
０３．．．．．．．  逆潮機能が主体のインバータ（直交変換装置）
０４．．．．．．．  内部電源（蓄電装置）
０５．．．．．．．  手動又は自動による電源の切替装置
０６．．．．．．．  電気利用装置（家電やモータなど）
０７．．．．．．．  外部電源（電力会社）
【図２】太陽光発電又は／並びに燃料電池などの効能的なの利用法
０８．．．．．．．  充電機能のあるインバータ（直交変換装置）
０９．．．．．．．  自動又は手動による電源又は変流の切替装置
注：上記以外は図１と同じ。
【図１】
2004282980.tif 000003
【図２】
2004282980.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月24日(2003.3.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記で述べたような課題の解決方策が現在も将来にも恒常的に必要である。自然エネルギーなどを活用する内部電源  と  その電力の利用装置とを効能的に連結して利用することが、結果として、その活用と利用に関わる機器システムの需要と供給の双方の経済性を改善できる根本的方策であるから、このことを踏まえて、課題である方策不足の解決方法の一つとしての本発明は極めて有用である。本発明は、需要側の努力に関しているが、同時に機器供給側の努力も伴えば、飛躍的に事態の改善に寄与できる。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明でのものが図２であるが、０６電気利用装置が小型であれ大型であれ、または家庭用であれ、産業用であれ、売電用であれ、いずれの場合も、０６電気利用装置に望ましい電力容量を前提にして、本発明によるシステムの最適な構築を検討できる。つまり、投資限界やシステム全体の実用性（需要や稼動率などを考慮したもの）によって、最も経済的な設計が可能である。従来の場合と基本的に異なるのは、０８インバータ（直交変換装置）が充電機能を重視した能力を持つこと、電力の貯留が可能となる０４蓄電装置を併備すること、及び、システム運用の形態を瞬時に転換できる０９（運転モードの）切替装置を備えていることである。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
このような機能の具備の程度が、現在のように電源装置（０１、０２、及び０４など）が高価である場合は、単純な投資限界によって決断される状態は止むを得ないが、本発明を用いて近い将来をも考慮に入れれば、極めて経済的投資が実現できる。このことは、売電という商業目的の場合は除外して、０８インバータが逆潮可能な高級機能を求められるのではなく、質的に実用的な程度での電流波形（サイン波）への直交変換機能を持ち、充電器機能も持てば十分なので比較的に安価であること、高性能で廉価な電源（当面は０２のみで良い）が存在すれば、容易に実用できる。前者（インバータ）は既に商品化されているし、後者（安価な内部電源）は極く近日のうちに実現する。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
モード１（完全独立系）では、０９切替装置を中心にして、内部電源（ここでは０４蓄電装置を含む）から０８インバータへの接続、０４蓄電装置への接続（余剰電力がある時）、及び０６電気利用装置への接続が形成されている。
１）  余剰の発電電力は自動的に、０８インバータの機能により、０４蓄電装置に蓄備される。
２）  内部電源（０４蓄電装置を除く）の発電能力が需要に対応できない時は、０４蓄電装置からの放電を行う（これを、ここでは変流と呼ぶ）。
３）  内部電源（０４蓄電装置を除く）からの電力に余剰があり、かつ０４に充電余力がないときは、燃料電池のように明らかに発電ための燃料を必要とするものを優先して、発電の停止を行う。燃料費のない内部電源（例えば、太陽光発電）場合は、このような事態が発生しない蓄電能力（０４）を確保する設計を行うか、或いは、やや高価になるが、別途に小容量の逆潮機能のあるインバータを設ける案の採用も行う。
４）  このモードに限らず、内部電源の併用においては、その一つか複数の発電能力が喪失する場合には、発電能力を喪失した電源が他の電源の負荷となって、電力の損失や機能破壊に至る場合があるので、この機能喪失の電源をバイパス（逆流防止など）したり、独立の系統から遮断することが必要である。
５）  太陽光発電の場合は、短時間の日陰（曇り）の発生でも、短時間の発電能力喪失が起こる。この種の電源では短時間の遮断は行っても、接続の回復を試みる作動が必要である。当然であるが、予め機能喪失が判明している時は、手動または予定プログラムにより遮断する。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
モード２（半独立系）では、モード１の形成に加えて、
１）  内部発電と蓄電装置をも合わせても、負荷の需要に応じ切れない時は、負荷（０６電気利用装置）に、外部電源を自動的に直接接続する。もともと、ここで用いる０８インバータは逆潮能力がないので、０７外部電源との接続には問題はない。徹底した独立を望みながらも、止むを得ない場合（システムや機器の点検・補修）のみ、このモードの選択を（多くの場合は手動で）取るときの準備として、有用な場合が多い。
２）  徹底して、独立系の運用を行う場合は、モード１で０４蓄電装置からの放電を行うことが求められているので、このモードそのものが不要である。但し、蓄電池の過放電を防止する必要がある。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
モード３（従属系）では、モード１における「内部電源の併用において、その一つか複数の発電能力が喪失した場合」、かつモード２の「内部電源の電力供給能力では需要に十分対応できない場合」にもなっている場合である。
従って、モード２の形成を不要とする運用（徹底した独立系の運用）では、モード３はモード１と同一とするか、又は、内部電源の一切の運転を停止（理由を問わずに）し０６負荷に０７外部電源を接続するモードとすることも考慮できる。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
【発明の効果】
現状における太陽光発電と燃料電池などの直流電力を、直流のままで利用するには限界があるので、交流にした上で直接に利用したり、売電のための逆潮能力のあるインバータを用いる方法があるが、これでは実用的な発電原価の低下には可なりの困難がある。これらの装置の販売価格の低減は、それなりに関係者の努力があるであろうが、多くは期待できない。その上、価格には、需要と供給の、卵と鳥の関係がある。どちらかが一歩前にでる一層の努力が欠かせない。
この観点では、本発明は需要側の努力であり、設備費が高価であるシステムや機器では、運転経費の低減だけでなく、その設備の稼働率を高める運用が絶対に求められる基本原理を実用化して、発生される電力を効能的に利用して、電力の原価を実際的に、可能な限り低減すると言う効用を狙っている。
この発明では、稼働率の問題だけでなく、既に効能的な商品として存在する機器の採用も可能な機器仕様を用いることを考慮している。当面の対象である太陽光発電であれば、電池（セルやモジュール）とインバータでは価格低下が確実であり、本発明の一つである（運転モードの）切替装置でも、これによる運転モードの形成に必要な状態検知が既に存在する知見や部品により行うことができるので、価格は高くない。かくして、太陽光発電と燃料電池などの効能的利用システムを構築することできる。


【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2004282980.tif 000005