(57)【要約】  ＤＣビルディング電気システムが、ＤＣバスに接続されるＤＣ電力消費デバイスを含む。ＤＣ電力発生源が、ＤＣバスに接続され、ＤＣ電力消費デバイスに電力供給する。エネルギー貯蔵デバイスが、ＤＣバスおよびＤＣ緊急負荷に接続される。ＤＣ電力消費デバイスに、エネルギー貯蔵デバイス以外の電力発生源が利用可能であるとき、エネルギー貯蔵デバイスは、ＤＣ電力発生源と共にＤＣ電力消費デバイスに電力供給し、ＤＣ緊急負荷に電力供給する。
2015525057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣバスと、
前記ＤＣバスに接続されるＤＣ電力消費デバイスと、
前記ＤＣバスに接続され、前記ＤＣ電力消費デバイスに電力供給するように構成される、ＤＣ電力発生源と、
ＤＣ緊急負荷と、
前記ＤＣバスおよび前記ＤＣ緊急負荷に接続されるエネルギー貯蔵デバイスであって、
前記ＤＣ電力発生源と共に、前記ＤＣ電力消費デバイスに電力供給し、
前記ＤＣ電力消費デバイスが前記エネルギー貯蔵デバイス以外の電力発生源を利用できないとき、前記ＤＣ緊急負荷に電力供給する
ように構成されるエネルギー貯蔵デバイスと
を備える、ＤＣビルディング電気システム。
【請求項２】
前記ＤＣ電力発生源が、
前記ＤＣバス上にＤＣ電圧を発生させる太陽光発電（ＰＶ）アレイ、および／または
電力グリッドから受け取ったＡＣ電圧から、前記ＤＣバス上にＤＣ電圧を発生させるＤＣ電源、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＤＣ電力消費デバイスが前記エネルギー貯蔵デバイス以外の電力発生源を利用できないとき、前記エネルギー貯蔵デバイスが、所定の期間、前記ＤＣ緊急負荷に電力供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ＤＣバスに接続された再生可能エネルギーＤＣ電力発生源であって、前記ＤＣ電力消費デバイスが前記エネルギー貯蔵デバイス以外の電力発生源を利用できないとき、前記エネルギー貯蔵デバイスと共に前記ＤＣ緊急負荷に電力を提供するように構成される、再生可能エネルギーＤＣ電力発生源をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＤＣ緊急負荷が、前記ＤＣ電力消費デバイス内に含まれ、前記ＤＣ電力消費デバイスよりも少ない電力を引き込むように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
ＤＣバスと、
前記ＤＣバスに接続されるＤＣ電力消費デバイスと、
前記ＤＣバスに接続され、前記ＤＣ電力消費デバイスに電力供給するように構成される、ＤＣ電力発生源と、
電動車両と、
前記ＤＣバスおよび前記電動車両に接続されるエネルギー貯蔵デバイスであって、
前記ＤＣ電力発生源と共に、前記ＤＣ電力消費デバイスに電力供給し、
前記電動車両に電力供給する
ように構成されるエネルギー貯蔵デバイスと
を備える、ＤＣビルディング電気システム。
【請求項７】
前記エネルギー貯蔵デバイスが、前記電動車両用の電力の単一の発生源であるように構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記電動車両がゴルフカートまたはフォークリフトを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
ＤＣバスと、
前記ＤＣバスに接続されるＤＣ電力消費デバイスと、
前記ＤＣバスに接続され、前記ＤＣ電力消費デバイスに電力供給するように構成される、ＤＣ電力発生源と、
前記ＤＣバスに接続され、前記ＤＣ電力発生源と共に前記ＤＣ電力消費デバイスに電力供給するように構成される、エネルギー貯蔵デバイスと、
前記エネルギー貯蔵デバイスの現在の充電状態および前記エネルギー貯蔵デバイスの所定の目標充電状態に基づいて、前記エネルギー貯蔵デバイスを選択的に充電および放電するように構成される、ＤＣ電力制御システムと
を備える、ＤＣビルディング電気システム。
【請求項１０】
前記ＤＣ電力制御システムが、前記ＤＣ電力発生源が動作可能である期間に前記エネルギー貯蔵デバイスを充電し、前記ＤＣ電力発生源が動作不可能である期間に前記エネルギー貯蔵デバイスを放電するように構成され、前記ＤＣ電力発生源が動作不可能であるとき、前記所定の目標充電状態が、所定の期間、前記ＤＣ電力消費デバイスに単独で電力供給するのに十分な充電状態である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ＤＣバスに接続される再生可能エネルギーＤＣ電力発生源をさらに備え、前記ＤＣ電力制御システムが、前記再生可能エネルギーＤＣ電力発生源からの余分の電力を使用することにより、前記エネルギー貯蔵デバイスを充電するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ＤＣバスに接続される再生可能エネルギーＤＣ電力発生源をさらに備え、前記ＤＣ電力消費デバイスが可変であり、前記ＤＣ電力制御システムが、前記可変ＤＣ電力消費デバイスにより引き込まれる電流のレベルが前記再生可能エネルギーＤＣ電力発生源からの電流のレベルより低くなり、前記エネルギー貯蔵デバイスが前記再生可能エネルギーＤＣ電力発生源によって前記所定の目標充電状態に充電されるように前記可変ＤＣ電力消費デバイスを調整することによって、前記エネルギー貯蔵デバイスの前記現在の充電状態が前記所定の目標充電状態未満に低下することに応答するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ＤＣバスに接続される再生可能エネルギーＤＣ電力発生源をさらに備え、前記ＤＣ電力消費デバイスが可変であり、前記ＤＣ電力制御システムが、建造物の周囲条件および対応する所定の建造物条件に応じて前記可変ＤＣ電力消費デバイスの動作を選択的に減少または停止させることにより前記エネルギー貯蔵デバイスの放電電流速度を調整することによって、前記エネルギー貯蔵デバイスの前記現在の充電状態が前記所定の目標充電状態未満に低下することに応答するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記建造物の周囲条件が、日照のレベルを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記対応する所定の建造物条件が、所望の緊急室内照明レベルを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ＤＣバスに接続される再生可能エネルギーＤＣ電力発生源をさらに備え、前記ＤＣ電力消費デバイスが可変であり、前記ＤＣ電力制御システムが、前記可変ＤＣ電力消費デバイスにより引き込まれる電流のレベルが減少されるように前記可変ＤＣ電力消費デバイスを調整することによって、前記ＤＣ電力発生源が閾値期間、動作不可能であることに応答するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ＤＣ電力消費デバイスが可変であり、前記ＤＣ電力制御システムが、前記ＤＣ電力発生源が動作不可能であった時間の長さに応じて、前記可変ＤＣ電力消費デバイスの動作を選択的に減少または停止させるように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ＤＣ電力消費デバイスがモータまたは発電器を備え、前記ＤＣ電力制御システムが、前記モータまたは発電器への電力を停止すること、および前記モータまたは発電器を、前記モータまたは発電器の運動エネルギーがＤＣ電力に変換される回生可能モードで動作させることにより、前記エネルギー貯蔵デバイスを充電するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１９】
ＤＣバス上にＤＣ電圧を発生させる太陽光発電（ＰＶ）アレイと、
電力グリッドから受け取ったＡＣ電圧から、前記ＤＣバス上にＤＣ電圧を発生させるＤＣ電源と、
前記ＤＣバスに接続されるＤＣ電力消費デバイスと、
前記太陽光発電（ＰＶ）アレイおよび前記ＤＣ電源により前記ＤＣバスに提供されるＤＣ電力の量を制御するように構成されるコントローラと
を備えるマイクログリッドシステム装置。
【請求項２０】
前記ＤＣバスに接続されるエネルギー貯蔵デバイスをさらに備え、前記コントローラが、前記エネルギー貯蔵デバイスに、
前記太陽光発電（ＰＶ）アレイおよび／または前記ＤＣ電力発生源と共に前記ＤＣ電力消費デバイスに電力供給させ、
前記太陽光発電（ＰＶ）アレイおよび前記ＤＣ電源が動作不可能であるとき、前記ＤＣ電力消費デバイスへの電力を排他的に提供させる
ように構成される、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記コントローラが、前記エネルギー貯蔵デバイスの現在の充電状態および前記エネルギー貯蔵デバイスの所定の目標充電状態に基づいて、前記エネルギー貯蔵デバイスを選択的に充電および放電するように構成され、前記太陽光発電（ＰＶ）アレイおよび前記ＤＣ電源が動作不可能であるとき、前記所定の目標充電状態が、所定の期間、前記ＤＣ電力消費デバイスに単独で電力供給するのに十分な充電状態である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記コントローラが第１のコントローラを備え、前記装置が、前記ＤＣ電力消費デバイスによって引き込まれる電力のレベルを減少させることにより、前記太陽光発電（ＰＶ）アレイおよび前記ＤＣ電源が閾値時間長の間、動作不能であることに応答するように構成される第２のコントローラを備える、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照／参照による組込み
本出願は、２０１２年８月１６日出願の「ＤＣ  ＭＩＣＲＯＧＲＩＤ  ＢＵＩＬＤＩＮＧ  ＥＮＥＲＧＹ  ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ  ＰＬＡＴＦＯＲＭ（ＤＣマイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム）」という名称の米国仮特許出願第６１／６８４，０８３号（代理人整理番号第１３０５０−４０００５−ＵＳ−１号）および２０１２年９月１０日出願の「ＤＣ  ＭＩＣＲＯＧＲＩＤ  ＢＵＩＬＤＩＮＧ  ＥＮＥＲＧＹ  ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ  ＰＬＡＴＦＯＲＭ（ＤＣマイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム）」という名称の米国仮特許出願第６１／６９９，１６９号（代理人整理番号第１３０５０−４０００５−ＵＳ−２号）の優先権を主張する。これらの特許出願の全主題は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
[0001]本発明は、ビルディングエネルギー効率を改善し得る、高度な構成要素技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0002]現在のＡＣビルディングシステムは、局所的に発生させた再生可能エネルギーを最もコスト効果が高いやり方では使用しておらず、また非常に信頼できる電力グリッド接続を必要とし、その結果、余分なライフサイクルコストならびにエネルギー安全保障への懸念が生じている。太陽光発電（ＰＶ）アレイ用のエネルギーバッファとして電池を利用することが知られているが、そのようなシステムでは、照明および換気など、最も一般的な建造物電気負荷に対処する場合に、無駄の多いＡＣ変換がなくならない。同様に、スマートビルディングエネルギー管理システムを設けることが知られているが、そのようなシステムは、効率およびエネルギー安全保障を改善するためのＤＣマイクログリッドを組み込まない。図１は、本発明との比較のための、従来型ＡＣ基準システムの一実施形態のブロック図である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0003]本発明は、インバータなしのＤＣマイクログリッドを対象とする。ＤＣマイクログリッドは、照明および冷却デバイスを含むことができる、１つまたは複数のＤＣ電源デバイスに電力供給する。ＤＣマイクログリッドは、太陽光発電（ＰＶ）アレイにより発生させるＤＣ電力の、より効率的な使用を提供する。ＤＣマイクログリッドは、実装するのに、従来型太陽光発電（ＰＶ）システムより安価であり、改善された資本回収を提供する。ＤＣマイクログリッドは、より安価なＤＣ電源デバイスの使用を可能にする。様々な実施形態では、ＤＣマイクログリッドは、米国特許出願第１３／５６０，７２６号および米国特許出願第１３／７４９，６０４号に記載された、太陽光同期負荷および／または最大電力点追跡制御機能を採用することができる。
【０００５】
[0004]他の実施形態では、ＤＣマイクログリッドの太陽光発電（ＰＶ）アレイは、従来型ＤＣバス電圧範囲よりも低く、かつ／または狭い、より効率的な最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）制御のための有利なＤＣバス電圧範囲をもたらすようにサイズ決定され得る。代替または追加として、太陽光発電（ＰＶ）アレイは、太陽光発電（ＰＶ）アレイおよび電力グリッドによる発電を有利に平衡させるため、所定の範囲内の電力をもたらすようにサイズ決定され得る。例えば、太陽光発電（ＰＶ）アレイは、例えば電力需要の２５％〜４０％の間の、電力需要の半分未満をもたらすようにサイズ決定され得る。
【０００６】
[0005]本発明の直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）は、全所有コスト（ＴＣＯ）の減少およびエネルギー安全保障の増加の点で、従来型交流（ＡＣ）ビルディングシステムに対して著しい利益を提供する。従来型のビルディングレベルの電力分配システムは、多くの通常デバイスに電力供給する際のＡＣ−ＤＣ変換損失、ならびに、再生可能エネルギー発生源からなどの局所的に発生させたＤＣ電力を利用するときのＤＣ−ＡＣ損失を被る。例えば、これらの変換は、本発明のＤＣマイクログリッドと比べて、太陽光発電（ＰＶ）アレイとＡＣ照明負荷の間で最大１２％大きいエネルギー損失をもたらす。典型的な太陽光発電（ＰＶ）システムは、全ての電力が、信頼性が低く高価なグリッド接続されるインバータハードウェアを流れることも必要とし、これにより、グリッド電力が失われたとき（停電状態において）極めて重要な活動のために太陽光発電（ＰＶ）からの電力を使用することができなくなる。加えて、現在のＡＣビルディングシステムは、建造物ピーク電力需要を管理するのに限れた能力をもち、または全く能力を持たず、このことは、需要電力料金およびさらなるグリッド不安定性をもたらす可能性がある。直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）は、成熟し信頼性の高いＤＣ技術を使用すること、電力発生源、負荷、およびエネルギー貯蔵システムの相互作用を動的に最適化すること、ならびにグリッドに基づく電力についての全所有コスト（ＴＣＯ）および依存性を最小化することへ新規の手法を適用する。ビルライフサイクル管理（ＢＬＣＣ）ツールを使用した経済のモデル化は、等価なＡＣシステムと比較し、直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）について、２５年にわたる貯蓄対投資比（ＳＩＲ）で、１５％〜２５％の改善を示している。本発明の直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）は、他の手法と比較して、エネルギー効率の増加、エネルギー安全保障の改善、およびより低い全所有コストをもたらす。
【０００７】
[0006]本発明は、ＤＣ電気エネルギーが、ＡＣ電気エネルギーに変換されることなく、ＤＣ負荷に電力供給するために貯蔵される、ＤＣマイクログリッド構成をもたらすことができる。そのようなＤＣエネルギー貯蔵器は、図面では電池のみが示されているが、電池、キャパシタ、フライホイールなどの形であってよい。
【０００８】
[0007]ＤＣマイクログリッド構成中にエネルギー貯蔵器を使用することの１つの重要な利点は、エネルギー（例えば、バックアップ電力）が、エネルギー貯蔵要素からのＤＣの形式のときに、ＤＣ負荷によってより効率的に利用され得ることである。より高い効率である１つの理由は、建造物中で典型的に行われるような、ＤＣ貯蔵器からＡＣへ変換し、再びＤＣへ変換する、中間の変換がないことである。
【０００９】
[0008]エネルギー貯蔵要素が、ＤＣ電源内に組み込まれて、ＤＣ電源を、無停電電源（ＵＰＳ）構成に事実上類似させることができる。代替的に、エネルギー貯蔵要素は、ＤＣバスに独立に接続されてよい。しかし、図面中の少なくとも１つの例示的な実施形態は、ＡＣグリッドに接続され、太陽光グリッド（例えば、再生可能ＤＣエネルギー発生源）と別個である、ＤＣ電源内に組み込まれた電池を含む。
【００１０】
[0009]エネルギー貯蔵デバイスは、ＤＣバスに直接接続されてよく、または、充電／放電のため電圧および電流を最適化する、中間のＤＣ／ＤＣコンバータを有してよい。エネルギー貯蔵デバイスは、ＡＣ／ＤＣ電源を通してグリッドから充電されてよく、太陽光発電（ＰＶ）などの他のＤＣ発生源から充電されてよく、またはこれらの方法の両方により充電されてよい。
【００１１】
[0010]典型的である専用緊急照明回路または分散型電池方式の必要なしに、米国建造物用の９０分緊急照明要件に合致するために、ＤＣマイクログリッド中の、比較的少量のエネルギー貯蔵容量が使用され得る。例えば、緊急照明の明るさ要件に合致するために、ソフトウェア制御を介して、全ての光源が減光されてよく、かつ／または、光源の一部のみが点灯されてよい。無停電電源（ＵＰＳ）モードでＤＣ電源を使用することによって、建造物に何らかのさらなるインフラストラクチャを追加することなく、ＤＣ緊急照明が電力供給されることを可能とする。対照的に、従来技術では、緊急照明は、別個のＡＣまたはＤＣ照明回路および電池システムなどのさらなるインフラストラクチャを必要とする可能性がある。本発明の装置は、より低いコスト、より高い信頼性、ならびに、緊急期間に点灯される光源、および、緊急期間に利用可能な照明レベルを変化させる柔軟性などの利点をもたらすことができる。これらの利点は、発明性のあるソフトウェア構成を介して、排他的に実現され得る。
【００１２】
[0011]様々なレベルのバックアップエネルギーをもたらすために、より大量のエネルギー貯蔵器がＤＣマイクログリッド内に含まれてよい。例えば、エネルギー貯蔵システムに入れておき、その後太陽光エネルギーが利用可能でないときにＤＣ負荷で夜間に使用されるのに十分な、日中に発生させた余分の太陽光発電（ＰＶ）エネルギーがある場合、ほとんどの夜に夜中建造物を緊急モードで動作させ続けるための、十分なバックアップエネルギーが貯蔵されてよい。必要とされる貯蔵器の量は、「緊急モード」で必要な電力の量に依存してよく（すなわち、停電において、より低い照明または換気レベルが容認できる）、様々な地理的領域で利用可能な太陽光エネルギーの量に依存してよい。これらの変数が使用されて、「エネルギー安全保障」、または日中から貯蔵された余分の太陽光エネルギーで、夜中または他の所望の期間に建造物に電力供給する見込みを統計的に計算することができる。貯蔵される太陽光発電（ＰＶ）エネルギーの任意の量が、他のバックアップ発電オプションに必要なディーゼルまたは他の燃料の量を減少させることができる。
【００１３】
[0012]ＤＣマイクログリッドがＤＣ熱負荷（例えば、食品冷凍、建造物空気調和設備（ＨＶＡＣ）、温水加熱）を組み込む場合、熱貯蔵器が電気エネルギー貯蔵器と組み合わされ、「エネルギー安全保障」を判断することができる。例えば、冷凍食品は、エネルギー貯蔵器が消耗したときでさえ、数時間の間、冷凍されたままであることができ、このことは、太陽光エネルギーが朝に再び利用可能になるまで、十分に保護することができる。さらに、食品は、冷凍に必要な温度よりも数度低い温度に冷凍されることが可能であり、したがって、冷凍食品自体が効果的にエネルギーを貯蔵することができる。
【００１４】
[0013]建造物を緊急状態で使用可能に保つためにエネルギー貯蔵器の利用可能性を拡張する目的で、建造物中の電気負荷は、貯蔵されるエネルギー、太陽光パワーの利用可能性、および停電の継続期間（例えば、電力グリッドの電力の損失の継続期間）に適合されるように調整されてよい。例えば、十分な日照および十分なエネルギー貯蔵の蓄えがある状態で発生する停電の第１の時間には、照明、換気、または他の緊急負荷は、十分な電力で保つことができる。しかし、停電の継続期間が、利用可能な日照がより少ない第２の時間へと継続すると、緊急負荷は、貯蔵されたエネルギーを節約するために、より低い電力レベルで動作されてよい。例えば、光源が減光されてよく、換気がより低い速度で動作されてよいなどである。停電の継続期間がより長くなると、利用可能な太陽光エネルギーの量に依存して、追加のそのような調整が負荷の動作になされてよい。緊急負荷の適合調整を介して、建造物は、さらなる停電のシナリオで、使用可能な状態を維持する可能性が高い。これは、短期の停電は、長期の停電よりも頻繁に発生し、天候の状態（例えば、太陽光の量）は、様々な停電の期間で非常に異なる可能性があるからである。
【００１５】
[0014]ＤＣマイクログリッド内にバックアップとしての使用のために主に設計されるエネルギー貯蔵器は、電力会社がピーク電力需要を管理するのを助ける、「需要応答」目的のためにも使用され得る。例えば、電力会社は、ＤＣマイクログリッドに、電気信号を送信し、または（例えば、時間帯別電力料金または需要電力料金といった）報奨を提供して、ある期間に電力グリッドからではなくＤＣ負荷用のエネルギー貯蔵器および太陽光発電（ＰＶ）からの電力を使用して、ピーク期間の電力グリッド上の電力需要を減少させること（「ＤＣ負荷平準化」）ができる。
【００１６】
[0015]上記に加えて、エネルギー貯蔵器は、建造物内またはＡＣ電力グリッド上のどこかのＡＣ負荷からのピーク需要を相殺させるためにエネルギー貯蔵器が使用されること（「ＡＣ負荷平準化」）も可能にする、ＤＣ／ＡＣインバータまたは双方向ＡＣ／ＤＣコンバータに接続されてよい。ＤＣマイクログリッドは、上記の組合せ、すなわちＤＣ負荷平準化およびＡＣ負荷平準化をもたらすように構成され得る。
【００１７】
[0016]ＤＣマイクログリッド内のエネルギー貯蔵器は、建造物の機能性に影響を及ぼすことなく、試験目的で、ＤＣエネルギー貯蔵器からＤＣ負荷に電力の一部または全てを給電することにより周期的に試験を受ける独特の機能を有することができる。例えば、光源は、そのような試験の期間に点滅しないことが可能である。言い換えると、一部または全ての電力が、試験期間に、ＤＣエネルギー貯蔵器からＤＣ負荷に流れるように向けられて、ＤＣ電源、太陽光発電（ＰＶ）、または他のエネルギー発生源から必要とされる電力を一時的に減少またはなくすことができる。この試験期間に、電圧および／または電流が測定されて、放電速度を検証し、貯蔵システムの正常性を決定することができる。同様に、太陽光発電（ＰＶ）または別のＤＣ電力発生源が使用されて、エネルギー貯蔵器を充電し、充電速度からエネルギー貯蔵システムの正常性を決定することができる。
【００１８】
[0017]ＤＣマイクログリッド内のビルディングエネルギー貯蔵要素は、建造物または複合施設内およびその周囲で使用される市販の電気車両用のエネルギー供給器としても使用され得る。例えば、電気フォークリフトからの電池は、車両上または車両外で充電されるが、ビルディングエネルギー貯蔵器の部分として使用されてよく、また電気ゴルフカートからの電池が、ビルディングエネルギー貯蔵器として使用されてよい、などである。上記の概念は、単一方向または双方向ＡＣ／ＤＣインバータを介した、建造物への従来のＡＣ接続でも使用されてよい。
【００１９】
[0018]工業用ファンまたは他のＤＣモータ負荷は、ＤＣバスに接続されるモータ上の双方向可変周波数駆動（ＶＦＤ）の使用を介して、仮想的なフライホイール貯蔵器としてＤＣマイクログリッド内で使用されてよい。この概念は、モータの減速からの、回生制動、または発生電力として知られてもよい。この装置の利点は、何らかの短期貯蔵器が既存のモータデバイスの使用を介して実現され、システム中への追加の貯蔵要素の減少またはなくすことによってコストを潜在的に節約することである。
【００２０】
[0019]一実施形態では、本発明は、ＤＣバスに接続されるＤＣ電力消費デバイスを含む、ＤＣビルディング電気システムを備える。ＤＣ電力発生源が、ＤＣバスに接続され、ＤＣ電力消費デバイスに電力供給する。エネルギー貯蔵デバイスが、ＤＣバスおよびＤＣ緊急負荷に接続される。ＤＣ電力消費デバイスに、エネルギー貯蔵デバイス以外の電力源が利用可能でない、または（例えば、太陽光といった）制限された電力源しか利用可能でないとき、エネルギー貯蔵デバイスは、ＤＣ電力発生源と共に、ＤＣ電力消費デバイスに電力供給し、ＤＣ緊急負荷に電力供給する。
【００２１】
[0020]別の実施形態では、本発明は、ＤＣバスに接続されるＤＣ電力消費デバイスを含む、ＤＣビルディング電気システムを備える。ＤＣ電力発生源が、ＤＣバスに接続され、ＤＣ電力消費デバイスに電力供給する。エネルギー貯蔵デバイスが、ＤＣバスおよび電動車両に接続される。エネルギー貯蔵器は、ＤＣ電力発生源と共に、ＤＣ電力消費デバイスに電力供給し、電動車両に電力供給する。
【００２２】
[0021]別の実施形態では、本発明は、ＤＣバスに接続されるＤＣ電力消費デバイスを含む、ＤＣビルディング電気システムを備える。ＤＣ電力発生源が、ＤＣバスに接続され、ＤＣ電力消費デバイスに電力供給する。エネルギー貯蔵デバイスが、ＤＣバスに接続され、ＤＣ電力発生源と共に、ＤＣ電力消費デバイスに電力供給する。ＤＣ電力制御システムは、エネルギー貯蔵デバイスの現在の充電状態およびエネルギー貯蔵デバイスの所定の目標充電状態に基づいて、エネルギー貯蔵デバイスを選択的に充電および放電する。
【００２３】
[0022]別の実施形態では、本発明は、ＤＣバス上にＤＣ電圧を発生させる太陽光発電（ＰＶ）アレイを含む、マイクログリッドシステム装置を備える。ＤＣ電源が、電力グリッドから受け取ったＡＣ電圧から、ＤＣバス上にＤＣ電圧を発生させる。ＤＣ電力消費デバイスがＤＣバスに接続される。太陽光発電（ＰＶ）アレイ、およびＤＣ電源によりＤＣバスに提供されるＤＣ電力の量を、コントローラが制御する。
【００２４】
[0023]別の実施形態では、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを採用するＤＣビルディングシステムを備え、エネルギー貯蔵デバイスが、共通の電力ネットワークを介してＤＣ電力を供給し、（１）少なくとも１つの他のＤＣ電力発生源（例えば、再生可能エネルギーＤＣ電力発生源またはＡＣグリッド）と組み合わせてＤＣ建造物負荷に電力供給し、（２）他の電源が利用可能でないときに、所定の期間ＤＣ緊急負荷に電力供給する。
【００２５】
[0024]別の実施形態では、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを採用するＤＣビルディングシステムを備え、エネルギー貯蔵デバイスが、建造物の中で使用される移動デバイス（例えば、フォークリフトまたはゴルフカートなどの車両）に電力供給するために使用される。
【００２６】
[0025]別の実施形態では、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを採用するＤＣビルディングシステムを備え、ＤＣビルディングシステムが、エネルギー貯蔵デバイスの充電状態（ＳＯＣ）および所定の緊急充電状態（ＳＯＣ）に基づいて、非緊急期間にエネルギー貯蔵デバイスを選択的に充電および放電する、ＤＣ電力制御システムを含む。
【００２７】
[0026]別の実施形態では、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを採用するＤＣビルディングシステムを備え、ＤＣビルディングシステムが、再生可能エネルギーＤＣ電力発生源から利用可能な余分の電力を使用してエネルギー貯蔵デバイスを充電する、ＤＣ電力制御システムを含む。
【００２８】
[0027]別の実施形態では、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを採用するＤＣビルディングシステムを備え、エネルギー貯蔵デバイスの充電状態（ＳＯＣ）が所定の充電状態（ＳＯＣ）未満に低下したときに、太陽光デバイス上の全負荷が太陽光デバイスの利用可能な電力未満であるように可変ＤＣ負荷を選択的に調整し、エネルギー貯蔵デバイスを所定の充電状態（ＳＯＣ）よりも高くまで充電する、ＤＣ電力制御システムをＤＣビルディングシステムが含む。
【００２９】
[0028]別の実施形態では、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを採用するＤＣビルディングシステムを備え、エネルギー貯蔵デバイスの充電状態（ＳＯＣ）が所定の充電状態（ＳＯＣ）未満に低下したときに、建造物の周囲条件（例えば、日照の量）および対応する所定の建造物の条件（緊急室内照明レベル）に基づいて、１つまたは複数の可変ＤＣ負荷の動作を選択的に減少または停止することによりエネルギー貯蔵デバイスの放電速度を制御する、ＤＣ電力制御システムをＤＣビルディングシステムが含む。
【００３０】
[0029]別の実施形態では、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを採用するＤＣビルディングシステムを備え、ＤＣビルディングシステムが、緊急事態の継続期間に基づいて、緊急動作の間、可変ＤＣ負荷の動作を選択的に減少または停止する、ＤＣ電力制御システムを含む。
【００３１】
[0030]別の実施形態では、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを採用するＤＣビルディングシステムを備え、モータ／発電器への電力を停止し、モータ／発電器を運動エネルギーがＤＣ電力に変換される回生モードで動作させることによってエネルギー貯蔵デバイスを充電する、ＤＣ電力制御システムをＤＣビルディングシステムが含む。モータ／発電器は、また、回生電力からＤＣ負荷に直接電力供給し、システム内のエネルギー貯蔵器の全てまたは部分を提供することができる。
【００３２】
[0031]本発明の実施形態の以下の記載を添付の図面と共に参照することによって、本発明の上記および他の特徴および目的、ならびにそれらを達成するやり方がより明らかとなり、本発明自体がより良好に理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来型ＡＣ基準システムの一実施形態のブロック図である。
【図２】本発明の中核のＤＣマイクログリッドシステムアーキテクチャの一実施形態のブロック図である。
【図３】本発明の拡張したＤＣマイクログリッドシステムアーキテクチャの一実施形態のブロック図である。
【図４】本発明の拡張したＤＣマイクログリッドシステムアーキテクチャの別の実施形態のブロック図である。
【図５】本発明のＤＣマイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォームの一実施形態のブロック図である。
【図６】本発明の段階的な設置計画を含む直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）の一実施形態のブロック図である。
【図７】本発明のＤＣビルディングシステムの一実施形態のブロック図である。
【図８】本発明のＤＣ電力制御システムの一実施形態のブロック図である。
【図９】本発明のＤＣ負荷制御システムの一実施形態のブロック図である。
【図１０】本発明のＤＣ電力制御システムの別の実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
[0032]複数の図を通して、対応する参照符号は、対応する部分を示す。本明細書に記載される例示は、いくつかの形態で、本発明の実施形態を説明するが、下に開示される実施形態は、網羅的であること、または開示される正確な形態に本発明の範囲を制限するように解釈されることを意図していない。
【００３５】
[0033]本発明は、（１）ビルディングレベルＤＣマイクログリッドサブシステムの実行可能性を紹介して、ビルディングレベルＤＣマイクログリッドサブシステムの性能を最適化し、（２）太陽光発電（ＰＶ）により電力供給されるとき、従来型ＡＣ構成要素に対してＤＣ電力供給される構成要素の効率改善を検証し、（３）極めて重要な活動のためのバックアップ電力を提供する一方、他のバックアップエネルギー発生源の必要性を最小化することによるエネルギー安全保障へのＤＣマイクログリッドシステムの影響を紹介し、（４）ＡＣおよびＤＣの負荷平準化シナリオで、エネルギー貯蔵器の追加の価値を示すことができる。
【００３６】
[0034]一実施形態では、本発明は、通常の建造物負荷においてより効果的に太陽光発電（ＰＶ）エネルギーを利用する、中核のＤＣマイクログリッドを提供する。別の実施形態は、エネルギー安全保障を劇的に増加させることができる、貯蔵器を含む。本発明の直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）は、別個のＤＣ電気分配マイクログリッドおよび新規のＤＣベースの電気負荷を実装することにより、現在のビルディング電力分配システムの制限に対処する。ＤＣ電力を直接利用することは、典型的なＡＣシステムの複数の変換（ＤＣ−ＡＣおよびＡＣ−ＤＣ）を除去する。ほとんどの再生可能エネルギー発生システム（太陽光、風力など）は、電力グリッドにつながれ、発生させる電力の直接使用を可能にしない。中核の直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システムアーキテクチャは、建造物内で局所的に使用される再生可能電力の量を最適化するように設計される。この中核のシステムは、高価で信頼性の低い、グリッドに結合されるインバータも除去する。直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）は、全体的な（グリッドおよび再生可能）エネルギーの使用量ならびに全所有コスト（ＴＣＯ）を最小化するために、統合された太陽光発電（ＰＶ）発電、ＤＣ負荷、およびＤＣ発生源を管理する、エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）により他のＤＣマイクログリッド用途から、さらに区別される。
【００３７】
[0035]システムアーキテクチャは、配線用線渠の導管を著しく減少させることにより建造物電気配線を単純化する。これは、ＤＣベースの構成要素の多くが（太陽光発電（ＰＶ）アレイ、照明、および天井に取り付けられる換気ファンを含めて）、屋根または天井のいずれかに取り付けられ、ＤＣ電力のために既存のＡＣ配線を利用し、改装ならびに新規建築用途にシステムを好適なものとすることができるからである。直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）は、多くの施設のタイプに好適である。これは、照明および空気調和設備（ＨＶＡＣ）は、ほとんどの建造物で、大きいエネルギーの使用物だからである。そのため、ＤＣ負荷は、市販の高天井灯および空気調和設備（ＨＶＡＣ）効率を改善する大きい工業用天井ファンであってよい。この広範な応用基盤は、市場動向が規模の経済を認識し、コスト効果をさらに改善することを可能にする。
【００３８】
[0036]本発明の直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）は、高レベルのシステム概略図である、図５に示されるような、３つの段階を含むことができる。詳細なブロック図が図６に示される。中核の直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システムは、最初に、太陽光発電（ＰＶ）アレイ、ＤＣ電源、およびＤＣベースの高天井誘導照明システムを含む、段階Ｉに統合される。この中核のシステムは、全ての太陽光発電（ＰＶ）発生量が直ちに使用されるように、比較的小さく、ＤＣ負荷に整合するようにサイズ決定される。結果として、グリッドに結合されるインバータを必要としない、単純でコスト効果が高い解決策となる。中核のシステムは、ＤＣに変換され得る建造物負荷の量に応じて約２０ｋＷの太陽光発電（ＰＶ）を組み込むことができるが、（後の段階とは異なり）中核は、施設のエネルギー安全保障を著しく拡張しない。
【００３９】
[0037]段階ＩＩおよびＩＩＩは、さらなる太陽光発電（ＰＶ）装置およびエネルギー貯蔵器を追加することにより中核のシステム上に構築して、電力停止の期間、施設のエネルギー安全保障および任務保証を劇的に拡張する。管理されるエネルギー貯蔵システムは、電力コストを減少させるために、通常動作で、負荷平準化／ピーク負荷減少も実施する。これらの段階は、実質的により大きい太陽光発電（ＰＶ）からの電力を必要とし、グリッドに結合されたインバータの機能性が貯蔵システム中に統合され、グリッドに余分な太陽光発電（ＰＶ）からの電力および貯蔵された電力をアップロードする。ネットメータリング契約は、アップロードされたエネルギーが、電力供給されたエネルギーを相殺することを可能にする。段階ＩＩは、電池ベースのエネルギー貯蔵システム、さらなるＤＣ負荷としての大直径ＤＣ電源天井換気ファン、および追加された太陽光発電（ＰＶ）アレイ容量を統合する。天井に取り付けられた換気ファン（例えば、直径６０．９６ｃｍ（２４インチ））がＤＣ負荷として使用され得るが、例えば、ＤＣ空気調和設備（ＨＶＡＣ）も使用され得る。ファンは空気を循環させ、そのため、加熱された／空調された空気が均一に分配され、移動する空気が、占有者に、より快適性をもたらす。結果として、空気調和設備（ＨＶＡＣ）は、（モードに応じて）より低いまたはより高い温度に設定されてよく、かつ／または、わずかな頻度で動作され、占有者を快適に保ったまま、使用エネルギーを少なくする。各ファンが動作するのに１．５ｋＷ（２つのファンで合計３ｋＷ）を必要とし、これは、実質的に空気調和設備（ＨＶＡＣ）電力減少よりも少ない。大きい換気ファンの使用が、空調エネルギー消費を３６％減少させること、および加熱エネルギー消費を２０％以上減少させることを可能にし、大きいファンからの速くなった空気の速度が、空調されない空間で生産性を９％増加させることを可能にする。
【００４０】
[0038]段階ＩＩは、Ｇｒｅｅｎ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ  （ＧＣＮ）社製ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎ電池貯蔵システムなどの、電池エネルギー貯蔵システムを統合し、重要なＤＣ負荷に緊急バックアップ電力を提供する。ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎ貯蔵システムは、システムが緊急バックアップモードでないとき、電力グリッドの電力用に建造物の需要を平準化するため、システムのエネルギー貯蔵容量を積極的に使用することにより、ＡＣ負荷平準化の特徴も示すことができる。段階ＩＩＩは、さらなる太陽光発電（ＰＶ）装置および増加させた電池容量ならびに電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ）を統合する。直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）接続された電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ）は、作業員の移動性が終始維持されることが可能であるように、電力停止の期間でさえ、車両を充電する能力を提供することにより、極めて重要な活動をさらにサポートする。
【００４１】
[0039]エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）は、全体的なシステム管理を実施し、必要な場合、既存のビルディングネットワークインフラストラクチャ（例えば、ＬｏｎＷｏｒｋｓ）と相互作用する。エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）は、天候および負荷状態にかかわらず、太陽光発電（ＰＶ）システム動作を最も高い可能な効率に保つ、最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）アルゴリズムを提供する。ＧＣＮ社製ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎ電池エネルギー貯蔵器と一緒に、エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）は、太陽光発電（ＰＶ）からの電力が減少した期間に（重要な照明または他の負荷に影響を及ぼすことなく）重要でない負荷を減らすためのＡＣおよびＤＣ負荷均衡化ならびに負荷制限を含む、太陽光同期負荷（ＳＳＬ）機能も管理する。エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）制御ソフトウェアは、ＤＣ電力発生源、照明およびファンシステム、ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎエネルギー貯蔵器、ならびに安全な有線接続を介した電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ）を管理するために、最適化および実装され得る。
【００４２】
[0040]太陽光発電（ＰＶ）からの電力単独では不十分のとき、また貯蔵された電力が温存されるとき、ＡＣ−ＤＣ電源を介して、補助のグリッド電力がＤＣマイクログリッドに供給される。電力の流れは、エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）により、グリッド対太陽光対貯蔵電力の使用量を最適化するように制御される。エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）制御される電源は、雲が影を落とす事象の期間など、太陽光エネルギー発生が急速に変化する期間の、「ピーク対谷間」の変化を減衰するために、瞬時に応答する。エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）は、電池システムを太陽光発電（ＰＶ）アレイおよび／または電力グリッドから充電するのが最も効率的である時間、ならびに太陽光発電（ＰＶ）および／または貯蔵電力を建造物の他のＡＣ負荷に輸送するのが最も効率的である時間も決定して管理する。結果として、グリッドベースのエネルギーおよび電力需要を最小化し、再生可能エネルギーの使用量を最大化する。ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎの電池エネルギー貯蔵システムの、エネルギーバッファリング機能も、「ラストマイル」グリッドアップグレードなしで行われる、段階ＩＩＩ  電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ）設置を可能にし、したがってコストを減少させる。
【００４３】
[0041]本発明は、広範な商用用途に柔軟に設計された、モジュール式で拡大縮小可能であり最適化された直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システムを提供することができる。効率的なＤＣインフラストラクチャおよびエネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）管理されるデバイス接続性が重要な直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）の特徴である。これは、効率的なＤＣインフラストラクチャおよびエネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）管理されるデバイス接続性が、オフグリッド動作のための、簡略化したＤＣマイクログリッド「単独運転」を可能にするからである。ＤＣマイクログリッドの単独運転は、太陽光発電（ＰＶ）および／または貯蔵エネルギーを使用することにより、停電期間に、重要な負荷が影響されなくなることを可能にする。照明などの優先順位の高い負荷は、施設の緊急モード要件に従って減らされる一方、優先順位の低い負荷は、エネルギーが利用可能になると、エネルギーを割り当てられる。結果として、他のバックアップ電力発生源への依存性が除去され、または著しく減少される。この単独運転機能は、本発明のシステムに独特のものであり、極めて重要な施設および緊急シェルタにおけるバックアップ電力を提供するのに理想的に適合する。従来型のグリッドに結合されるインバータベースの太陽光発電（ＰＶ）システムは、このバックアップ機能性を提供することができない。これは、これらのシステムが、グリッド電力が失われると、オフになるからである。建造物照明および換気レベル、電池貯蔵容量、ならびに天候の影響の間のトレードオフを管理するために、プログラム可能な緊急電力モードが、エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）内に統合されてよい。
【００４４】
[0042]一実施形態では、誘導灯（Ｅｖｅｒｌａｓｔ）、太陽光発電（ＰＶ）パネル（Ｂｏｓｃｈ）、ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎ（ＧＣＮ）、およびＤＣ電源（Ｅｍｅｒｓｏｎ）は、全て、一連の大量生産における、ＵＬ認証された商用ユニットである。Ｅｖｅｒｌａｓｔ誘導灯（例えば、安定器、光源、筐体）の等価なＤＣバージョンもＵＬ認証されてよい。エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）は、既製の解決策（例えば、Ｔｒｉｄｉｕｍ）であってよく、またはＵＬ認証されたハードウェア上で動作する発達したソフトウェアプラットフォーム（Ｖｉｓｕａｌ  ＲｕｌｅｓおよびＩｎｕｂｉｔ）を利用してよい。大きい市販の天井ファン（Ｄｅｌｔａ  Ｔ  Ｃｏｒｐ）は、大量生産される。ファンは、ＡＣ電源であるが、内部ではＤＣ電力で動作する、可変周波数駆動（ＶＦＤ）を利用する。既存の可変周波数駆動（ＶＦＤ）のＤＣ回路が利用されてよく、または可変周波数駆動（ＶＦＤ）が、市販のＤＣ入力デバイスで、置換／補助されてよい。いずれの場合でも、完全なＤＣファンユニットが、段階ＩＩで、ＵＬ認証されて追加されてよい。市販のＥＶ急速充電ステーション（例えば、Ｅａｔｏｎ社製ＤＣ  Ｑｕｉｃｋ  Ｃｈａｒｇｅｒ）が、段階ＩＩＩで設置されてよい。充電器は、ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎとのＡＣインターフェイスを有してよい。急速電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ）をＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎへのＤＣ接続と一体化することは、マイクログリッドの利益および能力を最大化させることができる。
段階Ｉ：太陽光発電（ＰＶ）およびＤＣ照明を含む中核のＤＣマイクログリッドを設置する。経済的な利点を検証するために、従来型ＡＣシステムに対する性能を比較する。
段階ＩＩ：大きいＤＣ天井ファンを含むように、中核のシステム機能性を拡大する。エネルギー安全保障の改善で、貯蔵器の価値を示すために、拡張システムの第１の要素を追加する。限定された段階ＩＩの太陽光発電（ＰＶ）および貯蔵容量を用いて、緊急バックアップおよび負荷平準化を示す。
段階ＩＩＩ：さらなる太陽光発電（ＰＶ）および貯蔵器を追加することにより、拡張システムの容量を増加し、ＥＶ充電ステーションを設置する。停電状態の期間におけるＥＶ充電を含む負荷平準化、およびエネルギー安全保障の特徴の完全な価値を示す。
【００４５】
[0043]本発明は、以下を可能にする。
−  改善したエネルギー効率、より低い先行コスト、より低い動作および維持（Ｏ＆Ｍ）コスト、ならびに需要電力料金の減少の結果として、システムが提供する、全所有コストの節約を示すこと。本発明は、従来型ＡＣインフラストラクチャに対し、直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）からの拡張された施設エネルギー安全保障を検証することができる。ＡＣインバータおよびＡＣ誘導灯を備える、小さい従来型の１０ｋＷ太陽光発電（ＰＶ）基準システムが、中核のＤＣマイクログリッドに対する比較として、ＤＣ  太陽光発電（ＰＶ）アレイの隣に建設されてよい。ＤＣマイクログリッドシステムおよびＡＣ基準システムの、エネルギー使用量および電力需要は、節約を数量化するために直接比較され、照明のアップグレードの影響を数量化するために（履歴データを使用して）現在のシステムと比較されてよい。ベースラインシステムのエネルギー使用量、およびＤＣ換気ファンを組み込むエネルギー使用量が、エネルギー消費の影響を数量化するために分析されてよい。デモンストレーションシステムのＯ＆Ｍコストは、動作コストおよび信頼性の影響を数量化するために、現在のインフラストラクチャと比較されてよい。中核のＤＣマイクログリッド電力管理機能は、比較可能なＡＣシステムよりも少ない正味現在値および比較可能なＡＣシステムよりも高い貯蓄対投資比（ＳＩＲ）を有することができることを、初期の経済的な分析が示す。
−  グリッド供給されるエネルギーおよび電力需要を減少させるために、再生可能太陽光パワーの、効率的で最適化された使用および管理の影響を示すこと。提案される中核システムのシミュレーション結果に基づく初期の推定は、ＡＣ基準システムと比較して、ＤＣベースの照明に対して同じ太陽光発電（ＰＶ）エネルギーを提供するのに、キロワットに換算して、８％から１２％少ない太陽光発電（ＰＶ）インフラストラクチャ（パネル、ラック、配線など）が必要であることを示す。これは、デモンストレーション施設上の最小の段階Ｉシステムを仮定しており、そこでは、小さい、１０ｋＷ太陽光発電（ＰＶ）システムまたは２０ｋＷ太陽光発電（ＰＶ）システムが、照明の必要性を補助するため、非常にコスト効果が高いやり方で使用される。
−  外部エネルギー発生源（例えば、液体／ガス燃料）を必要とすることなく、極めて重要な活動のためのバックアップ電力を提供することによって、直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システムの独特のエネルギー安全保障の拡張を示すこと。太陽光発電（ＰＶ）アレイのサイズおよび電池貯蔵器とエネルギー安全保障の間のトレードオフは、様々な天候の状態下で、昼夜を通して施設が機能することを保つのに十分な電力を有する確率に換算して示されてよい。
−  広範な用途を有する２つのＤＣベースのマイクログリッドシステムアーキテクチャが示されてよい。第１の「中核の」ＤＣマイクログリッドシステムは、照明および換気ファンなどのＤＣ負荷と対にされるときに、従来型ＡＣシステムよりもはるかにコスト効率が高い太陽光発電（ＰＶ）エネルギーを使用することができる、比較的小さい太陽光発電（ＰＶ）アレイを利用することができる。このシステムは、広範な用途を有し、週に７日動作する建造物に、特に適する。第２の「拡張」システムは、エネルギー安全保障が最重要である建造物が意図される。オプションのエネルギー貯蔵システムおよび追加の太陽光発電（ＰＶ）アレイが使用されて、拡大縮小可能な量のエネルギー安全保障を追加し、ディーゼル発電器のための施設内燃料貯蔵器の必要性を減少し、または完全に除去する。バックアップ電力機能性に加えて、（インフラストラクチャのアップグレードの必要性も減少させる一方、）電力の需要電力料金の減少および負荷平準化を提供する電池貯蔵システムの能力が示されてよい。
−  さらなる利益：再生可能エネルギーの使用量を増加させることが、空気の質およびエネルギーの使用量を改善することができる。
【００４６】
[0040]直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）は、建造物用の全所有コストを効果的に減少させ、再生可能太陽光発電（ＰＶ）エネルギー発生の使用を最大化してグリッド供給されるエネルギーを最小化し、従来型ＡＣインフラストラクチャに対してエネルギー安全保障およびバックアップ電力能力を改善し、建造物負荷の平準化およびピーク負荷の減少のための、エネルギー貯蔵器の追加された価値を示す。
【００４７】
【表１】
2015525057.tif 000003
【００４８】
−  段階Ｉ：ＤＣベースの照明に電力供給するための約２０ｋＷ太陽光発電（ＰＶ）アレイを有する中核の直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システム。システムのサイズは、ＤＣに変換され得る照明負荷の量に基づいてよい。小さい（１０ｋＷ）ＡＣベースの基準システムが、直接比較のためのベースラインデータを収集するために使用されてよい。
−  段階ＩＩ：段階Ｉシステムに加えて追加の３５ｋＷ太陽光発電（ＰＶ）、３２ｋＷｈ電池貯蔵システム、およびＤＣ電源大直径天井ファン。
−  段階ＩＩＩ：段階ＩＩシステムに加えて追加の３５ｋＷ太陽光発電（ＰＶ）（全部で１００ｋＷ）太陽光発電（ＰＶ）、追加の６４ｋＷｈの電池貯蔵器（全部で９６ｋＷｈ）、および急速充電電気車両充電ステーション。
（ａ）段階Ｉ
[0041]段階Ｉは、以下を含んでよい。
Ｉ−１：段階Ｉシステムとの比較のために、現在のＡＣ照明のエネルギー使用量および照明レベルをベースラインとする。段階ＩＩの負荷平準化デモンストレーション中のベースラインとして使用するため、空気調和設備（ＨＶＡＣ）および完全なビルディング電気エネルギープロファイルの、長期データ取得を開始する。
Ｉ−２：中核のＤＣマイクログリッドシステムが、（インバータおよびＡＣベースの照明を利用する従来型の基準太陽光発電（ＰＶ）システムと比較して）どのようにして、グリッドに結合される太陽光発電（ＰＶ）用インバータなしで動作し、ＤＣ照明負荷に、より効果的にエネルギーを転送するのかを示す。
Ｉ−３：測定された効率改善、設置の差異、および信頼性／維持の差異の投影を組み込むことによって、等価なＡＣシステムに対してＤＣマイクログリッドを比較する経済的な分析をアップデートする。
Ｉ−４：段階ＩＩにおけるＤＣファンの設置の前に、夏期および冬期の空気調和設備（ＨＶＡＣ）温度設定を収集する。
（１）タスクＰＩ−１：デモンストレーション設置先選択
[0042]理想的な直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システム設置先は、太陽光発電（ＰＶ）アレイおよび高天井照明を収容することが可能な、大きく高い天井の建造物（倉庫、体育館、食堂、車両メンテナンスガレージ、航空機格納庫など）である。理想的な施設は、緊急シェルタとしても使用されることになる。理想的な建造物は、大きい屋根、週に７日の動作、および太陽光発電（ＰＶ）システムのエネルギー発生と全体的に一致する電気消費パターンを有する。日常動作は、重要である。これは、中核のシステム内の太陽光発電（ＰＶ）アレイが、光源に直接電力供給するようにサイズ決定されていて、電力をグリッドの中に戻すためのグリッド結合されたインバータの必要性を除去しているからである。直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）およびエネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）は、全ての気候帯、および小さい構造から建造物の全体集団までの建造物サイズにおける、エネルギー使用量を最適化する、柔軟で拡大縮小可能な技術である。
（２）タスクＰＩ−２：ベースラインシステム性能の数量化
[0043]エネルギー使用量／電力需要：データ取得システムが設置されて、システム構成要素ならびに全施設についての電気使用量データを集めて、ベースライン利用プロファイルを特徴付けることができる。これらのデータセットが分析されて、日単位、月単位、平均月単位、および年単位のエネルギー使用量（ｋＷｈおよびＭＭＢｔｕ）、電力需要（ｋＷ）、および需要電力料金（＄）、ならびに電力グリッド停止事象（すなわち、停電）の頻度を含む、ベースラインシステム性能を決定することができる。この情報は、デモンストレーション設置先の動作特徴用に、エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）制御ソフトウェアを最適化するためにも使用されてよい。
【００４９】
[0044]動作および維持コスト：履歴的な維持および交換コスト（部品および労働を含む）が収集および分析されて、典型的な、年換算の装置維持コストを決定することができる。この情報は、直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システムのコスト効率および資本回収の計算内で使用されてよい。
【００５０】
[0045]光出力試験：携帯型光強度計を使用して、床面照明が評価されてよい。データ点は、任意の可能性のある変化を捕捉するために、体育館の床にわたる垂直のグリッドに沿って取られてよい。試験は、誘導灯の出力目標を数量化するために、１回実施されてよい（タスクＰＩ−３）。
（ａ）タスクＰＩ−３：段階Ｉシステムの統合設計および設置
[0046]直接比較を可能にするために、段階Ｉのシステムは、以下の２つのサブシステム回路にセグメント化されてよい。すなわち、（１）中核のＤＣシステム（最小２０個の照明器具）、および（２）ＤＣシステムの照明電力消費の減少を決定するための制御部として機能することができるより小さい基準ＡＣシステム（４個の照明器具）である。このＡＣシステムは、直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システムの性能の検証における、エネルギー使用量比較を可能にする。この基準システムは、ＡＣ電源の光源にエネルギーを提供する太陽光発電（ＰＶ）用インバータの追加を必要とする。
【００５１】
[0047]段階Ｉのシステムは、以下の設置を含む。すなわち、（１）３０ｋＷ屋上太陽光発電（ＰＶ）アレイ、（２）Ｅｍｅｒｓｏｎ社製ＮｅｔＳｕｒｅ  ４０１５システム  ３０ｋＷ、４００Ｖ  ＡＣ−ＤＣ電源、（３）Ｂｏｓｃｈ社製Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｇａｔｅｗａｙ、（４）Ｓｏｌｅｃｔｒｉａ社製１０ｋＷ太陽光発電（ＰＶ）用インバータ、（５）最小２４個のＥｖｅｒｌａｓｔ  ＥＨＢＵＳ−ＲＣ、２５０Ｗ誘導灯（２０個はＤＣ電源、４個はＡＣ電源）、（６）必要な電気配線である。誘導灯の数および電力定格を決定するため、照明の調査は完了した。現在の４００Ｗメタルハライド照明器具は交換され、可能な場合、配線が再使用されてよい。どのようにして既存のＡＣ配線がＤＣ回路用に再使用され得るのかを理解することは、将来の改装用途で非常に重要である。設計は、現在の電気工事規定および基準ならびにＦｏｒｔ  Ｂｒａｇｇの設計ガイドラインに合致してよい。使用される構成要素の全てがＵＬ認証されてよい。
【００５２】
[0048]ハードウェア設計（利用可能な空間、配線など）の特定の態様は、段階ＩＩおよびＩＩＩのタスクを予期して設計されてよい。図６は、主要なハードウェア要素に関する段階的な設置計画を含む、システム概要を提供する。この段階的な設置手法は、各段階で十分な容量が利用可能であり、金銭的な支出を一様にすることを確実にする。
（ｂ）タスクＰＩ−４：段階Ｉ  直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）動作、データ収集、および分析
[0049]システム性能分析：一度設置され、運用開始されると、直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システムは、電力使用量データを収集するように動作されてよい。データ収集は、季節変化が正確に捕捉されることを確実にするために継続することができる。エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）は、データ取得システムとして機能して、デモンストレーションを通してエネルギーおよび電力使用量を記録することができる。電力需要料金は、典型的には、所与の課金サイクル中の最高平均１５分ピーク電力として規定されるので、データ取得アルゴリズムは、規則的な間隔データ（例えば、１秒または５秒のデータ）を捕捉するように柔軟であってよい。エネルギー使用量（ｋＷｈおよびＭＭＢｔｕ）および需要（ｋＷ）データを含む、ベースラインシステム分析に使用される同じデータパラメータが、このタスクで収集されてよい。このデータおよび非電力の公共料金明細書（例えば、天然ガス）が分析されて、日単位、月単位、平均月単位、および年単位のエネルギー使用量（ｋＷｈＴｏｔａｌ、ｋＷｈＧｒｉｄ−Ｓｕｐｐｌｉｅｄ、およびＭＭＢｔｕ）、再生可能エネルギー使用量（ｋＷｈ）、電力需要（ｋＷＴｏｔａｌおよびｋＷＧｒｉｄ−ｓｕｐｐｌｉｅｄ）、ならびに需要電力料金（＄）を含む、直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システムの性能を決定することができる。
２  段階ＩＩ
[0050]段階ＩＩは、以下を含んでよい。
【００５３】
[0051]ＤＣマイクログリッド内に追加の負荷としてＤＣファンを追加する。ファンは、現在の空気調和設備（ＨＶＡＣ）の加熱負荷および冷却負荷を減少させ、したがってエネルギーを節約することができる。
【００５４】
[0052]３２ｋＷｈの電池貯蔵器を有するＧＣＮ社製ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎ、ならびに３５ｋＷの太陽光発電（ＰＶ）を追加することにより、追加のエネルギー安全保障が提供され得る。具体的には、異なる緊急照明レベルおよび様々な天候の状態での停電期間に利用可能なバックアップ時間の長さが増加され得る。
【００５５】
[0053]負荷平準化機能は、電池貯蔵器を適切に放電および充電することにより、太陽光発電（ＰＶ）発電および（空気調和設備（ＨＶＡＣ）などからの）建造物負荷における幅広い急激な変化に対して補償する能力を提供するビルディングＡＣ回路にＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎを連結することにより提供され得る。
【００５６】
[0054]ＤＣファンの速度は、建造物の負荷プロファイルをさらに平準化するために、（日単位で、季節で、かつ／または天候の影響に基づいて）利用可能な太陽光発電（ＰＶ）からの電力の量に合致するように変化されてよい。
（ａ）タスクＰＩＩ−１：段階ＩＩシステムの統合設計および設置
[0055]段階ＩＩシステムは、以下を追加することにより、段階Ｉシステム上に建造する。すなわち、（１）３５ｋＷの屋上太陽光発電（ＰＶ）アレイ容量（合計６５ｋＷ）、（２）３２ｋＷｈのＧＣＮ社製電池貯蔵システム、（３）２個の６０．９６ｃｍ（２４インチ）径換気ファン、（４）エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）の変更を追加する。線図のＳＯＷは、これらの構成要素の設置のアップグレード計画を含む。段階Ｉで採用された同じ設置下請業者が、段階ＩＩおよび段階ＩＩＩの両方で採用されてよい。
（ｂ）タスクＰＩＩ−２：段階ＩＩ  直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）動作、データ収集、および分析
３  段階ＩＩＩ
[0056]段階ＩＩＩは、以下を含んでよい。
【００５７】
[0057]ＧＣＮ社製ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎ容量を合計で９６ｋＷｈの電池貯蔵器および７０ｋＷの太陽光発電（ＰＶ）に増加させることにより、追加のエネルギー安全保障が提供され得る。具体的には、様々な天候の状態で示される異なる緊急照明レベルで、停電期間に利用可能なバックアップ時間の長さが増加され得る。
【００５８】
[0058]追加の負荷平準化機能は、増加したＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎ容量に起因し得る。
[0059]ＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎへの急速充電電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ）の追加は、負荷平準化方式の部分として、効果的に使用され得る。
【００５９】
[0060]電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ）は、太陽光発電（ＰＶ）および貯蔵されたエネルギーを利用することにより、緊急停電のシナリオの期間に使用され続け、デモンストレーション設置先のエネルギー安全保障をさらに増加することができる。
【００６０】
[0061]電池貯蔵システムおよびＤＣ接続性を有する電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ）は、現在のＡＣ電源のシナリオと同じ機能性を提供する一方で、バックアップおよび充電動作の期間の効率を改善する。
（ａ）タスクＰＩＩＩ−１：段階ＩＩＩシステムの統合設計および設置
[0062]段階ＩＩＩシステムは、以下を追加することにより、段階ＩＩシステム上に建造する。すなわち、（１）３５ｋＷの屋上太陽光発電（ＰＶ）アレイ容量（合計１００ｋＷ）、（２）追加の６４ｋＷｈのＧＣＮ社製電池貯蔵器（合計９６ｋＷｈ）、（３）急速充電電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ）、（４）エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）の変更を追加する。線図のＳＯＷは、これらの構成要素の設置のアップグレード計画を含む。
（ａ）タスクＰＩＩＩ−２：段階ＩＩＩ  直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）動作、データ収集、および分析
[0063]システム性能分析：エネルギー使用量および需要データを含む、ベースラインシステム分析、段階Ｉ、および段階ＩＩに使用される同じデータパラメータが、このタスクで収集されてよい。このデータおよび非電力の公共料金明細書が、（タスクＰＩ−４のシステム性能分析で）上記で詳述したように分析されて、段階ＩＩＩの操作の下で、直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）システムの性能を決定することができる。
（ａ）負荷平準化／ピーク電力低減  ２つのシステム構成：（１）完全に機能するＧｒｅｅｎＳｔａｔｉｏｎがエネルギー貯蔵器を利用し、エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）のエネルギー管理アルゴリズムが、全てのＤＣマイクログリッド構成要素（光源、ファン、エネルギー貯蔵器、および電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ））のエネルギー使用量を管理する。（２）エネルギー貯蔵器が建造物から切り離され、エネルギー管理ゲートウェイ（ＥＭＧ）のエネルギー管理アルゴリズムが、全ての残りのＤＣマイクログリッド構成要素（光源、ファン、および電気車両充電ステーション（ＥＶＣＳ））のエネルギー使用量を管理する。
（ｂ）技術的なリスクの回避
[0064]コードの不具合が生じた場合、建造物の負荷が中断されないことを確実にするためにＤＣデバイスがグリッドから電力供給されることを可能にするやり方でシステムが機能しなくなり得るように、制御アルゴリズムが開発される。
【００６１】
[0065]電池システムは、電気エネルギー転送の重要な経路中（すなわち、ＤＣ電源および太陽光発電（ＰＶ）アレイから照明システム）にないので、建造物の機能は、電池の容量が電池の寿命を通して減少するときでさえ、正常に動作を継続することができる。エネルギー貯蔵システムは、建造物の機能性に影響を及ぼすことなく周期的に試験されてよく、それに応じて、任意の不具合または容量の低下が報告されてよい。
【００６２】
[0066]設置では、既存のＡＣ配線がＤＣマイクログリッド配線の大部分に再使用され得ると仮定する。これが可能でない場合、（追加の設置ハードウェアおよび労力、許可／検査などを要求する）別個のＤＣ配線の導管が必要とされ得る。
【００６３】
[0067]電力停止期間または緊急期間に電力グリッドから施設を単独運転させる機能は、固有の直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）の特徴である。これは、直流（ＤＣ）マイクログリッドビルディングエネルギー管理プラットフォーム（ＤＣＭＧ−ＢＥＭＰ）は、グリッドに結合された太陽光発電（ＰＶ）用インバータを必要としないからである。単独運転は、建造物のＤＣ負荷がそのような事象の期間に機能し続けることを可能にし、施設のエネルギー安全保障を拡張する。建造物の用途に応じて、緊急電力モードは、バックアップ発電器（およびバックアップ発電器に関連する燃料使用）の必要性を減少させる、または除去することができる。本発明のシステムは、拡大縮小可能であり、高天井灯を備える、大きく平坦な上部の建造物に、理想的に適している。
【００６４】
[0068]天井ファン、特に、Ｄｅｌｔａ  Ｔなどの会社により作られる、大きい商業品種は、本発明のＤＣマイクログリッド内のＤＣ照明を補完するための、（または独立型の）適切なＤＣ負荷であり得る。天井ファンは、本質的に、太陽光発電（ＰＶ）発生量に非常に良好に同期する負荷であり、所望の負荷状態に合致するように、（例えば、任意の正確な瞬間に、太陽光発電（ＰＶ）の最大電力点（ＭＰＰ）でシステムを動かすことの助けとなるように）速度が変化されてもよい。
【００６５】
[0069]ＤＣファンの速度は、建造物の負荷プロファイルをさらに平準化するために、（日単位で、季節で、かつ／または天候の影響に基づいて）利用可能な太陽光発電（ＰＶ）からの電力の量に合致するように変化されてよい。天井ファンは、太陽光発電（ＰＶ）からの電力発生に特に好適である。これは、天井ファンは、一般的に、夏期により速い速度で運転し（建造物の占有者を冷却する助けをして、より高い空調のサーモスタット設定を可能にし、全体的な空気調和設備（ＨＶＡＣ）エネルギーコストを節約し）、冬期により遅い速度で運転し（単に天井から占有者がいる床面に暖かい空気を運び、加熱システムがより少ない頻度で運転することを可能にし、天井を通した熱損失を少なくし、全体的な空気調和設備（ＨＶＡＣ）エネルギーを節約する）からである。これは、冬／夏で同じ回転方向でなされてよく、または季節に応じて反対方向でなされてよい（典型的には、夏に空気を吹き下ろす）。夏期／冬期のファンの速度のプロファイルおよび結果として得られるエネルギー使用量が、太陽光発電（ＰＶ）発生量に合致する場合、このことが、ＤＣマイクログリッド用の太陽光発電（ＰＶ）アレイのより最適化したサイズをもたらす。これは、実質的に太陽光発電（ＰＶ）アレイからの全ての太陽光発電（ＰＶ）エネルギーがＤＣ負荷を通して局所的に消費される場合は、ＤＣマイクログリッドに関する最良の経済性、および太陽光発電（ＰＶ）要素に関する最短の資本回収をもたらすことができるからである。太陽光発電（ＰＶ）発生量における他の変化（朝から夜の日単位の変化、短期の曇りの事象などの天候に起因する変化など）に対するファン負荷の同期は、ＤＣマイクログリッド構成、およびＡＣ  太陽光発電（ＰＶ）用インバータがＡＣファンに接続される従来型ＡＣシステムの両方でも可能である。この同期は、他の建造物負荷と協調されることも可能であり、特にＤＣの場合に、太陽光発電（ＰＶ）が現在の状況に関し最適な電力点で動作することを保つ、システムレベルの太陽光発電（ＰＶ）電力点追跡システムの部分となることができる。（ＡＣファン負荷またはＤＣファン負荷）いずれかの場合で、局所的に発生させる太陽光発電（ＰＶ）エネルギーを、可能なときはいつでも建造物負荷で局所的に消費することは、遠く離れて発生させる電力グリッドからの電力を消費することと関連し、グリッドに余分の太陽光発電（ＰＶ）からの電力を送信して、結局単にその同じ太陽光発電（ＰＶ）エネルギーを建造物負荷において後で必要とする結果となることと関連し得る、より小さい経済的損失およびエネルギー損失をもたらす。
【００６６】
[0070]図７は、出力がＤＣバス７０４に接続される太陽光デバイス７０２の形で再生可能エネルギーＤＣ電力発生源を含む、ＤＣビルディングシステム７００を示す。ＤＣバス７０４と双方向通信するのは、ＤＣ電源７０６の形でのＤＣ電力発生源である。ＤＣ電源７０６は、電池７０８の形でのエネルギー貯蔵デバイス、ＤＣ／ＤＣコンバータ７１０、ＡＣ／ＤＣインバータ７１２、およびコントローラ７１４の形でのプロセッサを含むことができる。本明細書で使用する、用語「ＤＣ電源」は、ＡＣ電気エネルギーまたは電池の場合の化学エネルギーなど、エネルギーの別の形から変換されるＤＣ電気エネルギーを提供する任意のデバイスを包含し得る。
【００６７】
[0071]太陽光デバイス７０２およびＤＣ電源７０６の両方は、ＤＣバス７０４にＤＣ電力を提供し得る。ＡＣグリッド７１６は、ＤＣ電源７０６にＡＣ電力を提供してよく、ＤＣ電源７０６のＡＣ／ＤＣインバータ７１２がＤＣ電力に変換してよい。ＤＣ光源７１８、ＤＣ熱デバイス７２０、およびＤＣファン７２２の形のＤＣ電力消費デバイスまたは可変ＤＣ負荷は、ＤＣバス７０４からＤＣ電力を引き込んでよい。ＤＣファン７２２は、回生可能モードで動作することが可能なモータまたは発電器を含んでよい。
【００６８】
[0072]図８は、出力がＤＣバス８０４に接続される太陽光デバイス（例えば、太陽光発電（ＰＶ）アレイ）８０２の形での再生可能エネルギーＤＣ電力発生源を含む、ＤＣ電力制御システム８００を示す。太陽光デバイス８０２およびＤＣバス８０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８１０およびＡＣ／ＤＣインバータ８１２の形でのＤＣ電力発生源、ならびにコントローラ８１４の形でのプロセッサと通信する。電池８０８の形でのエネルギー貯蔵デバイスが、ＤＣバス８０４にＤＣ電力を提供してよい。
【００６９】
[0073]太陽光デバイス８０２、電池８０８、およびＡＣグリッド８１６の形でのＡＣ電力発生源が、ＤＣバス８０４にＤＣ電力を提供してよい。ＡＣ／ＤＣインバータ８１２は、ＡＣグリッド８１６により供給されるＡＣ電力をＤＣ電力に変換してよい。ＤＣ光源８１８、ＤＣ熱デバイス８２０（例えば、冷凍器）、およびＤＣファン８２２の形でのＤＣ電力消費デバイスまたは可変ＤＣ負荷は、ＤＣバス８０４からＤＣ電力を引き込んでよい。したがって、ＤＣ電力消費デバイスまたは可変ＤＣ負荷は、共通の電力分配回路（図示せず）を介して、太陽光デバイス８０２、電池８０８、およびＡＣグリッド８１６のうちの１つまたは複数から電力を受け取ることが可能であることが理解されよう。ＤＣファン８２２は、回生可能モードで動作することが可能なモータまたは発電器を含んでよい。オプションで、１つまたは複数のエネルギー貯蔵要素８２４が、ＤＣバス８０４に、独立に、かつ／または直接、接続されてよい。
【００７０】
[0074]図９は、ＤＣビルディングシステム７００および／またはＤＣ電力制御システム８００に組み込まれてよい、ＤＣ負荷制御システム９００を示す。したがって、ＤＣ負荷制御システム９００は、電力制御システム８００の構成要素を参照して記載されることになる。ＤＣ負荷制御システム９００は、ＤＣバス８０４と、ＤＣビルディング光源９１８、ＤＣ熱デバイス９２０、およびＤＣファン９２２の形でのＤＣ電力消費デバイスまたは可変ＤＣ負荷とを相互接続する第２のコントローラ９０２を含む。これらの可変ＤＣ負荷の各々は、ＤＣバス８０４からＤＣ電力を引き込んでよい。ＤＣビルディング光源９１８は、緊急光源９２４および他の光源（例えば、非緊急光源）９２６を含んでよい。緊急光源９２４は、ＤＣビルディング光源９１８の全体よりも小さい電力を引き込んでよく、ＤＣビルディング光源９１８の一部であってよい。緊急光源９２４およびＤＣファン９２２は、太陽光デバイス８０２およびＤＣ電力８１０、８１２の他の発生源のいずれも動作可能でないときに動作する、ＤＣ緊急負荷として機能してよい。例えば、エネルギー貯蔵デバイス８０８は、通常の非緊急動作状態で、太陽光デバイス８０２およびＤＣ電力５１０、５１２の他の発生源と一緒に、ＤＣ電力消費デバイス９１８、９２０、９２２の各々に電力供給し得る。しかし、緊急動作状態で（例えば、嵐がＡＣグリッドおよび太陽光デバイスを使用不能にしたとき）、ＤＣ電力消費デバイス９１８、９２０、９２２がエネルギー貯蔵デバイス８０８以外の電力発生源を利用できないとき、エネルギー貯蔵デバイス８０８は、所定の期間、ＤＣ緊急負荷９２２、９２４に電力供給し得る。第２のコントローラ９０２は、ＤＣ電力消費デバイス９１８、９２０、９２２のうちの少なくとも１つによって引き込まれる電力のレベルを減少させることにより、太陽光デバイス８０２およびＤＣ電源８１０、８１２が閾値時間長の間、動作不能であることに応答し得る。
【００７１】
[0075]ＤＣファン９２２は、非緊急モードにおけるよりも緊急モードにおいて、より遅い速度で動作し得る。別の実施形態では、緊急光源は、非緊急光源と同じであるが、光源は、より少ない電力を引き込み、緊急モードでは非緊急モードよりも減光される。別の実施形態では、緊急光源は、非緊急光源の一部である。
【００７２】
[0076]コントローラ７１４および／またはコントローラ８１４は、ＤＣ電力発生源が動作可能である期間にエネルギー貯蔵デバイスを充電し、ＤＣ電力発生源が動作不可能である期間にエネルギー貯蔵デバイスを放電する、ＤＣ電力制御システムとして機能し得る。充電および放電は、エネルギー貯蔵デバイスの現在の充電状態（ＳＯＣ）およびエネルギー貯蔵デバイスの所定の目標充電状態（ＳＯＣ）に基づいてよい。例えば、エネルギー貯蔵デバイスの充電は、電池の現在の充電状態（ＳＯＣ）または電圧レベルが電池の所望の目標充電状態（ＳＯＣ）または電圧レベルより低い場合にのみ、かつ／または低い場合は常に行われてよい。エネルギー貯蔵デバイスの放電は、電池の現在の充電状態（ＳＯＣ）または電圧レベルが電池の所望の目標充電状態（ＳＯＣ）または電圧レベルより高い場合にのみ、かつ／または高い場合は常に行われてよい。所定の目標充電状態（ＳＯＣ）は、ＤＣ電力発生源が動作不可能であるとき（例えば、雷雨の期間）の所定の期間、ＤＣ電力消費デバイスのうちの少なくとも１つに単に電力供給するのに十分な、充電または電圧の状態またはレベルであってよい。
【００７３】
[0077]ＤＣ電力制御システム８００は、再生可能エネルギーＤＣ電力発生源８０２からの余分の電力を使用することにより、エネルギー貯蔵デバイス８０８を充電し得る。ＤＣ電力制御システム８１４は、可変ＤＣ電力消費デバイス８１８、８２０、８２２により引き込まれている電流のレベルが再生可能エネルギーＤＣ電力発生源８０２からの電流のレベルより低くなり、再生可能エネルギーＤＣ電力発生源８０２によってエネルギー貯蔵デバイス８０８が所定の目標充電状態（ＳＯＣ）に充電されるように可変ＤＣ電力消費デバイス８１８、８２０、８２２のうちの少なくとも１つを調整することによって、エネルギー貯蔵デバイスの現在の充電状態（ＳＯＣ）が所定の目標充電状態（ＳＯＣ）未満に低下することに応答し得る。
【００７４】
[0078]ＤＣ電力制御システム８００は、建造物の周囲条件および／または対応する所定の建造物条件に応じて可変ＤＣ電力消費デバイス８１８、８２０、８２２のうちの少なくとも１つの動作を選択的に減少または停止させることによりエネルギー貯蔵デバイス８０２の放電電流速度を調整することによって、エネルギー貯蔵デバイス８０８の現在の充電状態（ＳＯＣ）が所定の目標充電状態（ＳＯＣ）未満に低下することに応答し得る。一実施形態では、建造物周囲条件は、日照のレベルを含む。一実施形態では、対応する所定の建造物条件は、所望の緊急室内照明レベルを含む。関連する実施形態では、ＤＣ電力制御システム８００は、選択的に動作を減少させ、またはＤＣ光源８１８のうちの１つまたは複数を停止し、そのため、ＤＣ光源８１８により提供される光のレベルが、太陽光のレベルを補助し、所望の緊急室内照明レベルに合致させる。このようにして、ＤＣ電力制御システム８００は、電池８０８の放電速度を制御することができ、より詳細には、動作しているＤＣ光源８１８の数を減らすことにより放電速度を減少させて、所望の緊急室内照明レベルに合致させることができる。
【００７５】
[0079]ＤＣ電力制御システム８００は、可変ＤＣ電力消費デバイス８１８、８２０、８２２により引き込まれる電流のレベルが減少されるように可変ＤＣ電力消費デバイス８１８、８２０、８２２のうちの少なくとも１つを調整することによって、ＤＣ電力発生源８１０、８１２が閾値期間、動作不可能であることに応答し得る。さらに、ＤＣ電力発生源８１０、８１２が動作不可能であった時間の長さに依存して、可変ＤＣ電力消費デバイス８１８、８２０、８２２のうちの少なくとも１つの動作をＤＣ電力制御システム８００が選択的に減少または停止させることができる。
【００７６】
[0080]ＤＣ電力制御システム８００は、ＤＣファン８２２のモータまたは発電器への電力を停止すること、およびモータまたは発電器を、モータまたは発電器の運動エネルギーがＤＣ電力に変換される回生可能モードで動作させることにより、エネルギー貯蔵デバイス８０８を充電し得る。
【００７７】
[0081]ＤＣ電力制御システム８００は、太陽光デバイス８０２、およびＡＣグリッド８１６から給電されるＤＣ電源８１０、８１２により、ＤＣバス８０４に提供されるＤＣ電力の量を制御し得る。詳細には、ＤＣ電力制御システム８１４は、ＤＣ電力消費デバイス８１８、８２０、８２２によりどれだけの電力が必要とされるか、グリッド８１６からのＡＣ電力のコスト、エネルギー貯蔵デバイス８０８、回生可能モードで動作しているモータなどの他の発生源からどれだけの電力が利用可能であるかに応じて、太陽光デバイス８０２によりどれだけの電力が提供されるか、ＤＣ電源８１０、８１２によりどれだけの電力が提供されるかを制御し得る。
【００７８】
[0082]図１０は、ＤＣ電力制御システム１０００の別の実施形態を示しており、ＤＣ電力制御システム１０００は、システム１０００が電池１００８により電力供給される電動車両１０２８の形での移動デバイスを追加で含むことを除けば、ＤＣ電力制御システム８００と実質的に同様であってよい。ＤＣ電力制御システム１０００は、出力がＤＣバス１００４に接続される太陽光デバイス（例えば、太陽光発電アレイ）１００２の形での再生可能エネルギーＤＣ電力発生源を含む。太陽光デバイス１００２およびＤＣバス１００４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１０およびＡＣ／ＤＣインバータ１０１２の形でのＤＣ電力発生源、ならびにコントローラ１０１４の形でのプロセッサと通信する。電池１００８の形でのエネルギー貯蔵デバイスが、ＤＣバス１００４にＤＣ電力を提供してよい。
【００７９】
[0083]太陽光デバイス１００２およびＤＣ電源の両方は、ＤＣバス１００４にＤＣ電力を提供し得る。ＡＣグリッド１０１６は、ＤＣ電源にＡＣ電力を提供してよく、ＤＣ電源のＡＣ／ＤＣインバータ１０１２がＤＣ電力に変換してよい。ＤＣ光源１０１８、ＤＣ熱デバイス１０２０（例えば、冷凍器）、およびＤＣファン１０２２の形のＤＣ電力消費デバイスまたは可変ＤＣ負荷は、ＤＣバス１００４からＤＣ電力を引き込んでよい。ＤＣファン１０２２は、回生可能モードで動作することが可能なモータまたは発電器を含んでよい。オプションで、１つまたは複数のエネルギー貯蔵要素（図示せず）が、ＤＣバス８０４に、独立に、かつ／または直接、接続されてよい。
【００８０】
[0084]電動車両１０２８は、例えば、ゴルフカートまたはフォークリフトの形であってよい。したがって、エネルギー貯蔵デバイスは、太陽光デバイスおよび他のＤＣ電力発生源と共に、ＤＣ電力消費デバイスに電力供給してよく、電動車両にも電力供給してよい。したがって、電池１００８は、太陽光デバイスおよび他のＤＣ電力発生源が動作不可能であるとき、緊急負荷への緊急電力を提供すること、ならびに、電動車両への電力の排他的な発生源であることの両方の機能を、実質的に同時に実施し得る。
【００８１】
[0085]本発明が、光源に直接電力供給するエネルギー貯蔵器の全てまたは部分として、天井ファンまたは他のモータ負荷が回生可能制動モードで働く実施形態を包含し得ることを理解されたい。すなわち、回生では、システム中の他の電池を必ずしも充電しなくてよい。換言すれば、システム中に電池がない場合、グリッドが失われると、速度低下するファンが、ＤＣ光源への電力を供給し続けることができる。この方法は、雲が通過し、急に太陽光パワーが失われるとき、電力を補充する助けになり得る。これは、ＤＣ電源の寿命を増加させることができる。これは、ファンモータが少量のエネルギー貯蔵器であっても供給する助けになる場合、ＤＣ電源が、突然の雲に起因する、電力サージほどの大きさを有さないからである。
【００８２】
[0070]この発明は、例示的な設計を有するように記載されてきたが、本発明は、この開示の精神および範囲の中でさらに修正され得る。したがって、この出願は、本発明の一般的な原理を使用する、本発明の任意の修正形態、使用法、または適用例をカバーすることが意図される。
【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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【国際調査報告】
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