(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力供給システムを制御するためのコントローラであって、前記電力供給システムは、太陽電池と複数のモジュールを含むバッテリとを有し、
前記コントローラは、前記バッテリから負荷への電力の供給を制御するためのものであり、
前記コントローラは、前記負荷に電力を供給するために使用されるモジュールの数を制御し、任意の特定の時点において、前記数のモジュールが充電−放電サイクルモード中であり、残りのモジュールが休止中であるように、少なくとも１年の期間にわたるエネルギーの供給と需要のデータに基づいて、前記数のモジュールの再充電を制御し、
前記負荷に電力を供給するために用いられるモジュールの数を複数日の期間の間一定にするように制御する、コントローラ。
【請求項２】
前記負荷に電力を供給するために用いられる前記モジュールを選択し、時間にわたって全てのモジュールが同じ回数の充電と放電のサイクルを受けるように、再充電されるべき前記モジュールを選択する、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項３】
前記複数日の期間が少なくとも２週間である、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項４】
太陽電池、
負荷に電力を供給するためにモジュールの所望の組み合わせが用いられることができるように構成可能である１セットのバッテリ・モジュールを有するモジュール型バッテリ、
前記負荷に電力を供給するために用いられるバッテリ・モジュールの数を制御し、電源を用いた前記モジュールの再充電を制御するための、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のコントローラ、
を有する、太陽光発電システム。
【請求項５】
前記電源が前記太陽電池の出力である、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記モジュール型バッテリがリチウムイオンバッテリを含む、請求項４または請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記バッテリがピーク負荷需要に基づいた容量にされ、前記コントローラが、負荷需要がピークを下回るときに、前記モジュールのサブセットを用いる、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記負荷を有し、前記負荷が照明ユニットである、請求項４から請求項７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
太陽電池と複数のモジュールを有するバッテリとを有するシステムを用いて負荷に電力を供給する方法であって、
用いられるモジュールの数を制御することによって前記バッテリから負荷への電力の供給を制御し、任意の特定の時点において、前記数のモジュールが充電−放電サイクルモード中であり、残りのバッテリが休止中であるように、少なくとも１年の期間にわたるエネルギーの供給と需要のデータに基づいて、前記モジュールの再充電を制御し、
前記負荷に電力を供給するために用いられるモジュールの数を複数日の期間の間一定にするように制御する、
方法。
【請求項１０】
前記負荷に電力を供給するために用いられる前記モジュールを選択し、時間にわたって全てのモジュールが同じ回数の充電と放電のサイクルを受けるように、再充電されるべき前記モジュールを選択する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
コンピュータ上で実行されて前記コンピュータに請求項９または請求項１０に記載の方法を実行させるコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電式の製品、特に、電荷貯蔵のためのバッテリ及びバッテリを再充電するための電流を生成する太陽電池パネルを組み込む製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、太陽電池パネル及びバッテリからの時間にわたって異なる要求を有する製品のために特に興味深い。一例は、太陽光発電式の照明(例えばオフグリッド街路照明)である。
【０００３】
バッテリ寿命は、太陽光発電式の照明製品のための主要な差別化要因と考えられている。現在の太陽光発電照明は、夜間に使用するためのエネルギーを貯蔵するために、バッテリを用いる。バッテリ技術の現在の選択は、コストの理由で鉛(Pb)バッテリである。現在のPbバッテリは、2〜3年の比較的短い寿命を有する。これは、主に、太陽光アプリケーションにおける使用が原因である。Pbバッテリが放電の直後に正しい充電プロファイルによって再充電される場合、最高5年の寿命を享受することができる。しかしながら、太陽アプリケーションは、特に、Pbバッテリが部分的に充電される状態(いわゆる、部分「充電状態」)で動作される冬場において、完全な再充電のために十分な電流を必ずしも生成しない。その結果、Pbバッテリは一般的に2〜3年のより短い寿命を有し、これは十分であるとは考えられない。
【０００４】
理論的には、リチウム電池技術は、最適な条件の下で、10年ものかなり長い寿命を有する。しかしながら、Li-Ionバッテリにとっても、屋外の太陽充電条件は寿命を制限する。今度は動作中の温度によって引き起こされる。更に、バッテリは、毎晩循環される(すなわち、充電および放電が行われる)。
【０００５】
太陽光発電エネルギー・アプリケーションにおいて、季節的な影響によって、エネルギーの需要と供給はバランスしない。これは、バッテリが、冬場には完全に用いられ、夏季には部分的にのみ用いられることを意味する。
【０００６】
屋外の太陽光アプリケーションに関する特定の問題が、一例としてオフグリッド太陽光発電(街路)照明（これは「OSL」と呼ばれる）技術を用いて、ここでは議論される。
【０００７】
グリッド接続された屋外の照明の現在の技術は、主に高いグリッド設置コスト及び電柱設置コストに起因して、高い設置コストを要する。メンテナンス・コストも高い。例えば、木の根がケーブルを貫通すると、ケーブルの修理が必要とされる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のグリッド接続された屋外照明システムのいくつかの問題は、太陽光発電式のバッテリ駆動システムによって解決されるが、現在の技術は、多くの理由により、最適でない。
【０００９】
温かい条件では、ほとんどすべてのバッテリ技術は、さらなる劣化を被る。予想される耐用年数末期の容量のためにバッテリを必要以上の大きさにすることで緩和されるが、これには更なる金がかかる。より良い態様は、（より）大きい電流によって充電するときに、バッテリが熱くなり過ぎる可能性があることを回避することである。バッテリが限られた寿命を有するので、それらは交換される必要があり、古くなったバッテリは処分される。大部分のバッテリ技術は、環境中に放置されることができない物質(例えば鉛または電解質)を含む。鉛に基づかないバッテリが用いられる場合、地面にそれらを埋める必要性は、高価な地下工事をなくすために、回避されることができる。更に、より長い寿命を有するバッテリ技術は、これらのコストを低減する。設計された寿命をこえる性能要求に達するために、バッテリは性能を低下させられる(それらの最大の出力以下で動作される)必要があり、これはコスト、体積及び重さを上昇させる。
【００１０】
放電の深さ(すなわち電荷が完全充電状態のパーセンテージとしてバッテリから除去される深さ) は、バッテリの期待される寿命に直接関連する。電池寿命対放電深さ（Depth Of Discharge）は、IEC-896-2サイクル・テストからのグラフ中にしばしば示される。典型的な鉛電池が完全に放電される場合、対応する寿命は約300サイクルである。600サイクルを成し遂げるためには、完全充電のわずか60%以下しか用いられることができない。例えば、毎晩充電/放電をして5年の動作寿命を達成するには、1825サイクルが必要とされ、これは、その典型的な鉛電池がわずか20%しか放電されない場合にのみ達成可能である。これは、5年の寿命を達成するには、街路照明に用いられているような典型的なPbバッテリ技術に基づくと、5倍もの大きさにする必要があることを意味する。実際には、Pbバッテリを用いては、典型的な屋外の太陽充電条件の下では、5年は一般に成し遂げられない。
【００１１】
本発明は、異なる時間における異なるバッテリ用法の必要性を積極的に利用することによって、太陽光アプリケーションにおいて使用されるバッテリの寿命の増加を可能にすることを意図する。屋外の太陽光充電される街路照明アプリケーションのためのバッテリ・パックは、一般的に冬場の最も短い昼間のために必要な大きさにされる。加えて、バックアップ容量が、数日の悪天候の間に電力を供給するために設置されることができる。結果として生じるエネルギー貯蔵要件は、多くの場合、直列および/または並列に一緒に配置される複数のバッテリ(モジュール)によってのみ実現される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、特許請求の範囲において定められる。従属請求項は、有利な実施の形態を定める。
【００１３】
本発明によれば、電力供給システムを制御するためのコントローラが提供される。
【００１４】
本発明は、したがって、ソーラーシステムの中で使用されるバッテリのバッテリ寿命が延長されることを可能にするコントローラを提供する。予想されるエネルギー需要及び供給が、例えば季節の及び天気のパターンに基づいて、特定の時点において決定される。この情報に基づいて、特定のエネルギー需要を維持するために必要な電池モジュールの数が導き出されて、休止または充電-再充電サイクルモードへのモジュールのローテーションが実行される。充電-再充電サイクルモードとの用語は、再充電可能なバッテリを充電し、必要に応じてそれを負荷へと放電するプロセスである充電サイクルをバッテリが実行しているモードを定める。バッテリが必要でないときにはバッテリ充電サイクルを低減することによって、劣化が低減され、バッテリシステムの寿命は延ばされる。
【００１５】
したがって、バッテリ・パック容量は、複数のモジュールで構成される。特定の時間(例えば季節及び気象パターン)においては、エネルギー需要を維持するために全てのモジュールが必要とされるというわけではない。再充電サイクルは、その場合、より少ない電池モジュールを用いることにより弱められることができる。サイクル・インタリーブは、休止ないし再充電サイクルにモジュールをローテーションさせる。
【００１６】
このようにして、用いられるモジュールは、「理想的な」充電状態(SoC)を維持することができる。
【００１７】
電池モジュールは、不必要な充電/放電サイクルを防止する目的で、需要と供給との間の予測された期待エネルギー収支に基づいて制御される。システムは、等しい経年劣化を促進するために、充電、放電またはアイドル状態のモードにモジュールを賢くローテーションさせることができる。
【００１８】
コントローラは、少なくとも丸一年の時間にわたるエネルギー需要及び供給のデータに基づいて動作するように適応されることができる。これは、日々の日射時間と同様に季節的な天候が考慮されることができることを意味する。
【００１９】
時間にわたって全てのモジュールが同じ回数の充電及び放電サイクルを受けるように、負荷に電力を供給するために使用されるモジュール及び再充電されるモジュールが選択されることができる。これは、異なるモジュールの寿命が同じにされ、全体的なバッテリ寿命が可能な限り延長されることができることを意味する。
【００２０】
負荷に電力を供給するために使用されるモジュール(及びその数)は、それらが再充電される前に、選択されたモジュールの容量の予め定められた部分が用いられるようになっていることができる。これは、バッテリ・モジュールの充電貯蔵容量を用いるための効率的な態様を可能にする。
【００２１】
他のアプローチが用いられることができ、バッテリ再充電動作は、使用されるバッテリ技術の特定のタイプに合わせて調整されることができる。
【００２２】
負荷に供給するために使用されるモジュールの数は、一度に複数の日、例えば少なくとも２週間の間、又は月ごとに、一定であってもよい。
【００２３】
本発明は、また、太陽光発電システムを提供し、当該システムは、
- 太陽電池、
- 負荷に電力を提供するためにモジュールの所望の組み合わせが用いられることができるように構成可能である一セットの電池モジュールを有するモジュール式バッテリ、
並びに、
- 電池モジュール構成及び電池モジュールの充電を制御するための本発明のコントローラ、
を有する。この再充電は、太陽電池出力を用いることができる。
【００２４】
モジュール式バッテリは、リチウムイオン電池を例えば有することができる。
【００２５】
バッテリは、ピーク負荷需要(周知のように、例えば、冬場の最も短い日)に基づいて必要な大きさにされるが、負荷需要がピークを下回るときには、モジュールの一部が用いられることができる。使用されるモジュールは、好ましくは、使用されるモジュールの数にかかわらず同じ電圧が提供されるように、接続される。それらは、すべて並列であるか、あるいは、１つの分岐が一セットの直列モジュールを有することができ、分岐の数が(ここでもモジュールの構成が電圧を変えないように)制御される。
【００２６】
負荷は照明ユニットを有することができ、その場合、システムはオフグリッド照明システムであることができる。
【００２７】
本発明は、太陽電池及び複数のモジュールを有するバッテリを備えるシステムを用いて負荷に電力を供給する方法を提供する。
【００２８】
本発明は、コンピュータ上で動作されるときに、本発明の方法を実行するように適応されるコードを有するコンピュータプログラムを提供する。
【００２９】
本発明の実施例は、添付の図面を参照して以下で詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明によるシステムの実施例を示す図。
【図２】システムの中で使用される電源マップを示す図。
【図３】必要な電力供給が一年を通してどのように変化するかについて示す図。
【図４】システムの中で使用される電力需要マップを示す図。
【図５】エネルギー収支マップに基づいてシステムにおいて電池モジュールがどのように制御されるかについて示す図。
【図６】フローチャートの形で本発明のシステム全体を示す図。
【図７】いくつかの異なる電気負荷に対して従来のシステムにおいてバッテリ使用量が時間とともにどのように変化するかについて示す図。
【図８】本発明に従って制御されたシステムにおいてバッテリ使用量が時間とともにどのように変化するかを示す図。
【図９】起こりうる電池モジュール制御情報の例を示す図。
【図１０】本発明の制御がどのように放電-再充電サイクルの回数を低減させることを可能にするかについて示す図。
【図１１】可能にされたサイクルの回数に基づく、システムの寿命の結果として生じる延長を示す図。
【図１２】電池モジュールの数に基づく、システムの寿命の結果として生じる延長を示す図。
【図１３】本発明のシステムが、より少数の充電-再充電サイクルのために設計される電池モジュールによって、必要な寿命が達成されることをどのように可能にするかを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明は、太陽電池及び複数のモジュールを有するバッテリを備える電力供給システムを提供する。複数の日の時間にわたるエネルギーの需要と供給のデータに基づいて、モジュールの再充電と同様に、負荷に電力を供給するために使用されるモジュールの数が制御される。これは、バッテリ・モジュールがより効率的に使用されることを可能にし、平均するとそれらが充電及び再充電される頻度をより少なくすることができ、それによってバッテリ寿命を延ばす。
【００３２】
本発明のシステムは、モジュール式のバッテリシステムを使用し、それにより、バッテリがモジュールの望ましい組み合わせとして構成されることを可能にして、バッテリが選択可能な容量を有することができる。モジュールは、積み重ねられたリングを有することができる。
【００３３】
小さな粒度が異なるモジュール構成間の容量の大きな変動を防止するので、バッテリ・モジュールは比較的小さい容量を有することができる。例えば、バッテリは、例えば5〜15個の範囲の複数のモジュールで形成されることができるが、他の構成も可能である。
【００３４】
本発明は、オフグリッド街路照明アプリケーション(OSL)に適用されたものにとして記載される。このアプリケーションにおける特有の関心事は、日の出及び日の入りの時刻と同様に季節的な気候の変動の結果として、需要が一年を通じて変化することである。
【００３５】
図1は、システムの概要を示す。バッテリ式のOSLアーキテクチャにおける典型的ないくつかのコンポーネントは、簡明にするために示されない。
【００３６】
システムは、生成された電気を充電システム2に供給する太陽光発電1を含む。充電システムは、バッテリ・モジュール6を電荷に供給して、バッテリ・モジュール構成を制御する。必要なバッテリ・モジュール構成は、どのバッテリ・モジュールが通常の充電機能から除外されることができるかを決定するサイクル減少アドバイザ3に基づいて決定される。
【００３７】
サイクル減少アドバイザは、オプションのデータ管理システム4及びバックオフィスシステム5からの入力を受信することができる。負荷に対する電気の供給は、示されるように、サイクル減少アドバイザ3の管理下である放電機能7によって制御される。これは、負荷8へ電気を供給する。
【００３８】
サイクル減少アドバイザがバッテリ・モジュール構成を特定することを可能にするために、システムは、照明を提供するために必要とされる需要をモデル化することと同様に、バッテリ充電のために基本的に使用される太陽電池への電力供給のモデリングを提供する。
【００３９】
電力供給マップは、システム・アーキテクチャに組み込まれて、特に丸一年の期間を通じた、時間に対する利用可能な電力供給をプロットする。電力供給マップを生成するために、(周知のように)時間にわたるPVパネルからのエネルギー生成が記録される。この情報(例えば、I、V、T-環境、T-パネル)は、システム管理ユニットの計画モジュール部に渡される。マップは、システムが、年間の利用可能なエネルギー生成を予測して、夏季から冬季へのエネルギーシフトのための余剰生成を伴う期間を特定することを可能にする。
【００４０】
電力供給マップは、日中の、及び年間の、エネルギー供給が最大になる期間の決定を可能にする。この年間サイクルは、必要なPV容量、更にはバッテリ容量を決定するために用いられる。
【００４１】
電力供給マップは、丸一年（または複数の年)にわたる一日あたりの予想される将来のエネルギー供給をリストする。
【００４２】
図2は、そのような電力供給マップをどのように生成するかについて示し、計算を可能にするための入力を示す。
【００４３】
単純な電力供給マップは、容易に利用可能な「日射」情報から生成される。これは、「気候プロファイル」として提供される。
【００４４】
例えば以下のような（但しそれらに限られない）データが記録されたデータベースが用いられることができる。
- (PVモジュールにおける電圧性能に影響を与える)平均的な１日の気温及び昼間の気温。
- (PVモジュールにおける電流性能に影響を与える)照射量。
- 日照平均(Wh/m2/day)または標準試験条件("STC")日光時間。
- より長い期間にわたる統計平均。
【００４５】
このデータは、一年(以上)にわたる電力供給マップを生成するために用いられる。
【００４６】
電力供給マップは、更なるデータによって拡張される。システム管理は、年間の(PV)電力供給マップを改善するために、改良アルゴリズムを実行し、一年（又は数年）にわたって変化する場合がある局所の適応"Total Solar Resource Factor"(TSRF)をもたらすが、どのようにして最大エネルギーが年間を通じて収集されることができるかの方針をもたらす。
【００４７】
例えば、例は以下のとおりである（但しそれらに限られない）。
【００４８】
バックアップ容量を回復するための、例えば一日周期における必要な期間。
これは、示される「バックアップ復元所要時間」情報である。設置されたバックアップ容量は、調節可能であることができるが、それが悪天候の複数の日の間に用いられた/消耗したときには復元される必要がある。復元は、更なるPV容量を必要とする。
【００４９】
例えば森林地のような局所的な植物の生長からの局所的な視線（Line Of Sight）妨害。
このデータは、システムに組み込まれるかまたはアップロードされることができる(例えば特定の植物タイプの成長テーブル)。更に、センサは、(例えば視線妨害の画像または検出を介して)森林地の成長を記録することができ、TSRFの低減(すなわち太陽妨害の将来の進行)を予測することができる。この情報は、年間のどの期間が十分なエネルギーを生成するかについて考慮することによって計画されたエネルギー生成を精練するために余剰バランス・マップにおいて用いられることができる。この情報は、例えば植物メンテナンスを計画するために、または、例えば補充動作もしくはいくつかの異なる動作のような他のメンテナンス・タスクのために、場外のシステムに伝えられることができる。
【００５０】
より少ないPVパワーの原因となる、局所的に記録された悪天候現象(例えば、降雪または曇り)の統計平均算出。
これは、最初の年以後の予測を改善する。あるいは、この情報は、例えばメモリ記憶装置またはデータ通信ネットワーク上でのデータ・ダウンロードを介して強化されることができる。
【００５１】
例えば建物、山、丘陵、などからの局所的な視線妨害。
【００５２】
連鎖混濁度データ。
【００５３】
潜在的にPV性能を増加または減少させる局所的な平均日別及び昼間温度。
【００５４】
過去の及び記録されたPV性能(I、V、T-環境、T-パネル)。これは、「記録された局所PV性能」として示される。
【００５５】
示されるように、この情報の全ては、年間電力供給の計算を可能にして、電力供給マップを提供するために、組み合わせられる。上記で概説されるように用いられることが可能な(気候プロファイル、バックアップ復元容量及び記録されたPV性能以外の)データのリストは、「拡張データ」として示される。電力供給のモデル化(すなわち、どれくらいのエネルギーが、年間を通じて利用可能であると予想されるか)に加えて、電力需要計画管理(すなわち、どれくらいのエネルギーが必要か)が存在する。これは、照明及び調光プロファイルを考慮することを含むことができる。
【００５６】
その年の電力需要マップが生成され、例えば夏季から冬季へのエネルギーシフトのために貯蔵される必要があるエネルギーの量を計画することが可能になる。この電力需要マップは、照明及び調光情報と組み合わせられる、地理的に計算された明暗の時間に関する基本的な情報を含み、エネルギー生成及びエネルギー貯蔵管理を計画するために、平均負荷/日のような（但しそれに限られない）情報を計算する。
【００５７】
電力需要マップによって、システムは、エネルギー貯蔵を管理して枯渇を回避することを助けるために、どの月または季節において、システムがエネルギー生成を増加させること、あるいは、例えばより低い（または高い）負荷上での異なる電力需要プロファイルを実行することを必要とするかの予測を改善することができる。
【００５８】
アイントホーフェンのための電力需要マップの例が図3に示される。日あたりの照明負荷が、年間を通じた平均と共に、プロットされる。湾曲したプロットが月あたりの必要なエネルギーであり、直線が平均である。電力需要マップは、丸一年以上にわたる日あたりの予想される将来のエネルギー需要をリストする。
【００５９】
電力需要マップの生成の例が図4に示され、この図は、計算を可能にするための入力を示す。
【００６０】
単純な電力需要マップは、容易に利用可能な(「日々の日の出・日の入り」として示される)地理的情報を用いて局所的なサイトの昼及び夜時間データに基づいて生成される。他のソースが利用可能である(例えば天文航法の航海/航空ナビゲーションからの地理的テーブル及び式)。
【００６１】
このデータは、年間を通じた暗さ概要を生成するために用いられる。その結果としての暗さの時間は、照明プロファイルに組み込まれる。照明プロファイルは、例えば、悪天候、法律、エネルギー節約または他の理由に起因するより暗い状況に適応するために、日の入りまたは日の出の時間をオフセットする多くの理由を実施することができる。更に、暗い間の調光が含まれることができる。
【００６２】
したがって、「記録された適応調光」は、(「照明負荷及び調光プロファイル」として示される)予想された調光プロファイルと同様に、電力需要プロファイルを変更するので、考慮される。
【００６３】
データは、例えば、TSRF<100%の原因になる場合がある、例えば山脈、建造物、森林地などのような局所的な現象と関連する、上記で議論されたのと同じ更なるデータ(「拡張データ」)を用いて拡張される。多くのデータベースは、すでにそうしている。
【００６４】
システム管理は、年間電力需要マップを改善するために、改良アルゴリズムを実施する。例は、以下のとおりである（但しそれらに限られない）。
【００６５】
照明がより長い期間オンにされることにつながる、適応調光の継続時間の統計平均算出(示される「記録された適応調光」)。これは、設置されたポールの近くの局所的なトラフィックに依存する局所的な適応調光によって決まるので、最初の数日/数週間/数か月の使用の後の予測を改善する。あるいは、この情報は、例えばメモリ記憶装置またはデータ通信ネットワーク上のデータ・ダウンロードを介して拡張されることができる。
【００６６】
照明がより長い期間オンにされる原因になる、例えば降雪または雲のような局所的に記録された悪天候現象の統計平均算出。これは、特に最初の一年の後、徐々に予測を改善する。あるいは、この情報は、例えばメモリ記憶装置またはデータ通信ネットワーク上のデータ・ダウンロードを介して拡張されることができる。
【００６７】
(「寄生負荷」として示される)電気エネルギーを消費する必要がある他のシステム・コンポーネントの寄生負荷。データは、動的である場合があり、例えば交番負荷を測定することによってもたらされ、局所的に記録されることができる。このデータは、静的な量または両方の組み合わせによって定められることができる。
【００６８】
(「バックアップ容量限界」として示される)(変更可能な)バックアップ容量限界のための適用可能な値。
【００６９】
システムのコンポーネントの凍結を防止するための24時間体制の熱発生のために必要な更なるエネルギーを指示する不凍化動作。これは、「不凍化動作」として示される。必要な更なるエネルギーは、熱設計モデリングからのデータと組み合わせて、気温がゼロを下回る日数として定められることができる。あるいは、データは、気温及び更なるエネルギー使用の局所的な記録によって拡張されることができる。
【００７０】
システムは、丸一年(またはそれ以上)にわたるエネルギー貯蔵を計画し、これは、エネルギー貯蔵の枯渇を回避するために、進化した計画モジュールと同様にPVサイズ及びバッテリ貯蔵サイズについての決定を含む。このエネルギー貯蔵管理モジュールは、丸一年またはそれ以上にわたり一致すべきエネルギー需要及び供給を計画することができ、継続的に更新されるべき、ランニング・エネルギー余剰バランスを生成する。
【００７１】
図5は、エネルギー収支マップがどのように用いられるのかを示す。
【００７２】
エネルギー収支を計算するために、電力供給マップ及び電力需要マップが用いられる。これらは、必要なPVサイズを導き出すために、問題となっているサイトに特有である拡張データと共に処理される。再び、これは、上記で議論された「拡張データ」である。
【００７３】
この種類の情報に基づく必要なPVサイズの計算は知られており、以下のステップを含むことができる。
【００７４】
電力需要マップの合計エネルギー値が導き出される。
【００７５】
(EnEff Energy Storage * EnEff PVである)システム・エネルギー効率が計算され、(局所的なサイトのエネルギー効率である)Total Solar Resource Factorが得られる。
【００７６】
日々の必要なエネルギー(電力需要* EnEff system * TRSL)が計算される。標準試験条件(「STC」)の下でのピーク日光時間が得られ、日々の負荷のためのPVアレイ・サイズが計算される。
【００７７】
日単位の(更なる夜間サイクルの)バックアップ容量が定められ、現在の日プラス更なる予備日のための合計の必要なエネルギーが得られる。日単位のバックアップ復元所要時間が定められ、補正された日々の必要なエネルギー(現在の日+バックアップを復元する部分)が計算される。
【００７８】
補正された日々の必要なエネルギー(現在の日+バックアップを復元する部分)をサポートするためのPVアレイ・サイズが計算され、PVアレイの関連するコストが導き出される。
【００７９】
このアプローチは更に進められることができ、日数は月へと加算され、月は年へと加算される(すなわち12ヵ月以上のランニング期間)。結果は、年にわたる平均である。
【００８０】
エネルギー収支図は、エネルギー入力(すなわち電力供給マップ)及びエネルギー出力(すなわち電力需要マップ)を比較する。負の値はエネルギー不足を示し、必要なエネルギーはエネルギー貯蔵によってもたらされなければならない。正の値は、日々の必要な負荷を上回るエネルギー余剰を示し、(部分的に)貯蔵されることができる。
【００８１】
エネルギー収支マップが計算される。そして、このエネルギー収支マップは、システム(特に電池モジュールの構成)を制御するために用いられる サイクル減少スケジュールを計算するために用いられる。
【００８２】
したがって、年間のいつ何時でも、エネルギー収支が導き出されることができるように、エネルギー供給及びエネルギー需要が計算される。夏季には、余剰エネルギーが供給される場合がある。特に、太陽光発電は、冬季に対して必要な大きさにされており、したがって夏季には必要以上の大きさである。夏季の夜は、冬季の夜より短く、夏季需要も低い。
【００８３】
バッテリ及び設置されたエネルギー貯蔵容量からの必要なエネルギーは、設置された容量のうちの使用されたパーセンテージとして比較されて表現される。エネルギー需要と供給の季節的な非対称性に起因して、設置されたエネルギー貯蔵のうち比較的小さい部分が、夏季の間用いられる可能性がある。
【００８４】
図6は、フローチャートの形でシステム全体の概要を提供する。示されるように、全体システムは、図2の電力供給マップ計算、図4の電力需要マップ計算及び図5のエネルギー収支マップ計算を組み合わせる。
【００８５】
これらのプロセスの全ては、3つ全てのための１つのデータ源として示される「拡張データ」によって改善されることができる。
【００８６】
エネルギー収支マップから導き出される運用上のアドバイスは、充電及び放電制御エンジン20に供給され、それは次に、モジュラー・バッテリ・パック22の構成を制御する。制御エンジン20は、入力24によって示される周囲の温度の他に入力23によって示されるようなPV性能に関する情報を受信する。それはさらに、入力25によって示されるモジュールの温度並びに入力26によって示されるモジュールの充電状態および/もしくは健康状態、または他のバッテリ性能情報を含む、電池モジュールに関するモニタリング情報を受信する。
【００８７】
図7は、通常の充電の下での設置されたバッテリ容量のパーセンテージとして表現される(例えば図3に示されるような)季節的なエネルギー使用量を示す。グラフは、バッテリ容量の劣化範囲を示す。バッテリ(モジュール)の劣化と共に、システムが、日々の負荷に適合させるためにより多くの残存する容量を用いることを強いられることが示される。
【００８８】
3本のラインは、寿命初期（Beginning Of Life）(下部プロット)、例えば300サイクルの後の寿命中期（Middle Of Life）(中央のプロット)及び例えば1000サイクルの後の寿命終期（End Of Life）(上側プロット)でバッテリ・サイクル性能を示す。サイクルを増やした後、増加した量の容量が用いられる。図7はさらに、設置されたエネルギー貯蔵の比較的少ない部分が、夏季の間に用いられるであろうことを示す。
【００８９】
現在のバッテリ文献から、バッテリは、非常に深く循環しない(すなわち放電されない)場合により長く持続することができることが、よく知られている。バッテリ寿命にとってより良いことは、バッテリを全く循環させないことである。
【００９０】
本発明の実施例は、電池エネルギー貯蔵を別々のモジュールに分割することに基づいており、インテリジェントな制御システムは、必要ないときには、電池エネルギー貯蔵の電池モジュールを循環させない。
【００９１】
均等な劣化を促進するために、制御システムが、循環または休止に電池モジュールを均等に回転させるために用いられる。どの及びどれだけ多くのモジュールが用いられるべきかの決定は、エネルギー供給及びエネルギー需要、並びに、例えば充電状態及び健康状態に基づく残存バッテリ性能を考慮する予測アプローチに基づく。モジュールを循環させることによって、最終的に、全てのモジュールが、時間にわたって、同じ回数の充放電サイクルを受けるように制御されることができる。
【００９２】
電池モジュールが悪天候の日が続く間に完全に再充電されないことを防止するために、制御システムは、利用可能エネルギーのより低い閾値を定めることができる。
【００９３】
高いSoC及び高い温度（夏季の間に街路照明ポールにおいて発生する可能性がある条件）からの劣化を制限するために、制御システムは、先を見越してエネルギー供給を予測することができ、消耗したモジュールを、これらのモジュールを休止にしてサイクルから外す前に、低レベルSoCへと再充電することを選択することができる。したがって、全部のバッテリを再充電するための夏季のエネルギー余剰がある場合であっても、これは、サイクルから外されて休止にされたモジュールに対しては故意に実行されない。夏季においてアイドル状態のモジュールを部分的に再充電するこのアプローチは、劣化を制限する。
【００９４】
図8は、１つの実施の形態のアプローチを用いるときの、用いられたバッテリ容量のパーセンテージとして季節的な使用量を示す。示されるように、制御システムは、季節及び気象の影響に基づいて、貯蔵からの必要なエネルギーを動的に適応させる。この例では、電池モジュールは、用いられているモジュールの「構成された容量」の少なくとも60%が用いられるように、構成される。
【００９５】
この「構成された容量」は、利用可能な容量から使用される容量である。したがって、利用可能な容量がセルあたり約2900mAhである場合、構成された容量は、放電深度（Depth Of Discharge）限界におけるその名目上の利用可能な容量の一部である。例えば、システムが約3000サイクルを成し遂げるために50%の放電深度で動作されなければならない場合、構成された容量は、2,9Ah*0,5=1,45Ahである。モジュールが28個のセルを有する場合、バッテリ・リング・モジュールは28*1.45Ah=40.6Ahの容量を有する。3.7Vのリチウムイオンに基づくと、これは、40.6Ah*3.7V=150Whに対応する。
【００９６】
図7のように、3本のラインは、異なる範囲の劣化を示し、下部のプロットは寿命初期、中央のプロットは寿命中期、上部のプロットは寿命終期である。
【００９７】
選択された電池セルによって成し遂げられることができるサイクル寿命に応じて、サイクル減少は、更なる「寿命」を追加する。
【００９８】
主要な特徴は、サイクル減少決定であり、これは、特定の時間において所与の負荷条件のためにどれだけ多くのバッテリ・モジュールが必要とされるかに基づく。この情報は、モジュール・サイクル・スケジュールを導き出すために用いられる。
【００９９】
図9は、いくつかの負荷のために各々の月において必要とされるモジュールの数の例を示す。これは、3〜11個のモジュール(リング)を有するバッテリシステムの9つの異なる例を示す。図9は、それぞれのシステムによって供給されることができる最大の電力を示し、各々のシステムのために時間にわたってどのようにリングの数が制御されることができるかを示す。
【０１００】
したがって、この例では、充電-再充電モード中の電池モジュールの数がひと月の期間の間一定であり、残りのモジュールは休止中である。この期間は複数日であるが、月より短くてもよい。例えば、期間は、1週間と6週間の間、または例えば2週間と5週間の間であることができる。
【０１０１】
図10は、図9に示される制御アプローチに対する個々のモジュールあたりの結果として生じる充電/放電サイクル数を示す。このサイクル数はひと月の日/夜サイクルより小さく、バッテリ・サイクルの量が低減される。
【０１０２】
サイクル減少コントローラは、充電及び充電制御エンジンのためのサイクル減少スケジュールを計算する。これは、充電及び放電の合計時間、並びに/または、モジュールごとのもしくは他の充電方法の充放電の間の充電フローの量に基づくことができる。
【０１０３】
要求されたサイクル減少スケジュールが可能であるか否かが、例えばシステムが提供することが可能である必要がある更なる実行時間の日/時間単位の変更可能な継続時間、および、例えば記録された気象現象に関連する一定のまたは動的に更新される場合があるリスク評価のような（但しそれらに限られない）更なる考察に基づいて、確認されることができる。
【０１０４】
図11は、一つの実施の形態のサイクル減少アプローチを用いることにより達成されることができる更なる寿命を示す。
【０１０５】
図11の各々のラインは、図9および10での使用事例に対するバッテリ・パックを構成する異なる数のバッテリ・リング/モジュールを表す。負荷を賄うためのバッテリ・パックに必要とされる3個のリング/モジュールから11個のリング/モジュールのためのそれぞれのラインがある。より大きい負荷がより多くのモジュールを必要とするので(同一のモジュール容量を想定)、サイクル減少は、制御システムがより多くのモジュールをサイクルに出し入れすることを可能にし、更なる寿命というより大きい利点をもたらす。
【０１０６】
x軸は、電池セルが達成することができる想定上の寿命を示す。そしてy軸は、サイクル減少を伴わない夜ごとの間の通常のサイクルの基本的な場合を上回る、システムが達成することができる更なる寿命を示す。
【０１０７】
一般に、２つのラベル付されたプロット（１つは3個のモジュールを持つシステム、１つは11個のモジュールを持つシステム）から明らかなように、モジュールが多いほど、より多くの更なる寿命が達成されることができる。負荷を賄うために時には更なるモジュールを追加しなければならないことによって容量の急上昇が引き起こされるので、プロットは均等に分布していない。
【０１０８】
図12は、システム中の電池モジュールの数に基づいて(この例での急上昇は粒度のためである)、サイクル数によって表される異なる寿命を有するシステムに対して、サイクル減少を用いることにより達成されることができる年単位の更なる寿命を示す。したがって、図12は、500サイクルから2000サイクルの間の寿命を持つ7つの異なるシステムを示し、サイクル減少アプローチを用いることにより、どれくらいの更なる稼働年数が達成されることができるかについて示す。
【０１０９】
図12において、8,9または10個よりも7個のモジュールが望ましいことが分かる。これは、偶然にも、7個のモジュールに対する負荷要件が非常に良くシステムに適していることによって引き起こされる。この負荷に関して、システムは、構成された貯蔵容量の全てを用いる。異なる数のモジュールを伴う全ての他の場合では、システムは、必要なモジュールの最小限の数に関して、幾分必要以上の大きさにされている。他のシステム構成では、他のリング/モジュール・サイズによって、7個のモジュールが最良のシステムとなる。したがって、より多くのモジュールがより大きい寿命延長を提供するが、(負荷を含む)コンポーネントの個別的な性質により、プロットが真直なラインにならないという一般的なトレンドが存在する。
【０１１０】
図13は、5年の寿命を成し遂げることを意図しているシステムのための実施の形態のアプローチを用いることにより達成される更なる寿命を示す。プロット30は2年の最小寿命を示し、プロット32は望ましい5年の寿命を示す。プロット34は、バッテリが動作することが可能である充電及び放電サイクルの数の関数として、従来のシステムの寿命を示す。
【０１１１】
プロット36は、複数のモジュール(3〜11)にバッテリを分割して、上述のようなモジュール制御を提供することに基づいて、寿命がどれくらい改善されることができるかについて示す。
【０１１２】
図13は、実施の形態の利点、すなわち、ターゲットの5年の寿命は、より小さい数の充電及び放電サイクルを有する電池モジュールで達成されることができることを示す。この改善は、矢印38によって表される。このようにして、特定の必要な製品寿命を達成するために、より性能の低い、したがってより低コストのバッテリ・セルが用いられることができる。別の態様では、エネルギー・モジュール中の電池セルは、若干の更なる放電深度によって用いられることができ、これは、過剰サイズの低減並びに必要な電池モジュールの低減および/またはシステム・コストの低減をもたらす。
【０１１３】
更なる製品寿命は、通例のようにバッテリを過剰なサイズにすることをせずに達成されることができ、いかなる更なるコストも意味しない。
【０１１４】
サイクル減少アプローチは、より長い寿命を提供して、ポール設置、ポール撤去、メンテナンス、バッテリ撤去/更新のインターバルを長くする。暑い条件におけるバッテリ性能も改善されることができる。夏の間、全部のバッテリを再充電するためのエネルギー余剰がある場合、システムは、次の日夜サイクルの間はアイドル状態であることが特定されるモジュールを完全には再充電しない。これらのセルは、エネルギー供給及び需要の予測に関連して、低いSoCレベルまで部分的にのみ再充電されることができる。夏の間、照明ポール中の温度が暑い可能性があるとき、制御システムは、電池モジュールにそれが一杯になるまで連続的に充電することを回避することを選択することができ、それが少し冷えた後で、断続的に充電することができる。このモジュール・バランスは、エネルギー需要と供給の予測に関連づけられる。
【０１１５】
バッテリ負荷軽減は、低減されることができる。劣化に対処するためにバッテリを必要以上の大きさにする代わりに、サイクルのインテリジェントな減少は、追加コストを負担させることなく更なる寿命を提供することができる。
【０１１６】
このシステムの使用の結果、太陽が照っており太陽充電器が充電電流を供給するときに、いくつかの電池モジュールは充電を受け取らず、電池モジュールの充電状態は同一にならない。
【０１１７】
本発明は、オフグリッド照明システムに関して上記で説明された。このアプリケーションのために、本発明は、100%可用度及び長い寿命を有する高品質の街路照明を可能にする。例えば、設置するには高い投資を必要とする、独立した照明ポイントに対する特別なマーケットが存在する。街灯以外の実施の形態が可能なことはいうまでもない。
【０１１８】
園芸アプリケーションのために、ポールは、地中に挿入されて、年間の特定の時期において作物に同化作用照明を提供することができる。これは、安全、配置の自由度及び設置の低い初期のコストを提供する。
【０１１９】
ハイブリッド街路照明アプリケーションも可能である。システムは、安価な価格でグリッドから過剰な電気を貯蔵して、常に低コストで街路照明を動作させることによって、需要のシフトを提供する。(太陽から生成されることができる)災害後の電力供給を提供するための、医療アプリケーション用の他の考えられるマーケットがある。家庭エネルギー貯蔵アプリケーションも存在する。
【０１２０】
図面、開示及び添付の請求の範囲の検討から、開示された実施の形態に対する他のバリエーションは、請求された発明を実施する際に、当業者によって理解され、遂行されることができる。請求の範囲において、「有する」「含む」等の用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数表現は複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが請求項中に列挙されるいくつかのアイテムの機能を実現することができる。単に特定の手段が相互に異なる従属請求項中に列挙されているからといって、これらの手段の組み合わせが有効に用いられることができないことを意味しない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される、適切な媒体(例えば光学記憶媒体若しくは固体素子媒体)上で格納/配布されることができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介するような他の形態で配信されることもできる。請求の範囲におけるいかなる参照符号も、その範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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