(57)【要約】【課題】従来の停電対策用の電源システムは、多様な電力供給源に対応しておらず、高負荷の大出力かつ大容量の高負荷電力需要に対応することができない。【解決手段】本発明における被災・停電対策電源システムは、商用電源と、再生可能なエネルギーを利用した補助電源システムと、これら商用電源および補助電源システムが接続するマルチインバーターとを具え、さらにエンジン発電機を追加することができる。補助電源システムは、電気エネルギーを蓄電する蓄電池と、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池と、自然エネルギーを電気エネルギーに変換する自然エネルギー利用電源とを有し、自然エネルギー利用電源は、太陽電池および風力発電機および小規模水力発電機および地熱発電機のうちの少なくとも１つを含む。【選択図】図１
2013158205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源と、
再生可能なエネルギーを利用した補助電源システムと、
これら商用電源および補助電源システムが接続するマルチインバーターと
を具えたことを特徴とする被災・停電対策電源システム。
【請求項２】
前記補助電源システムは、電気エネルギーを蓄電する蓄電池と、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池と、自然エネルギーを電気エネルギーに変換する自然エネルギー利用電源とを有することを特徴とする請求項１に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項３】
前記自然エネルギー利用電源は、太陽電池および風力発電機および小規模水力発電機および地熱発電機のうちの少なくとも１つを含むことを特長とする請求項２に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項４】
前記蓄電池が鉛蓄電池およびリチウム蓄電池のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項５】
前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池および固体電解質型燃料電池のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２から請求項４の何れかに記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、水素ガス貯蔵タンクと、この水素ガス貯蔵タンクに水素ガスを供給する水素ガス供給源とを有することを特徴とする請求項５に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項７】
前記水素ガス貯蔵タンクが水素貯蔵合金を有することを特徴とする請求項６に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項８】
前記水素ガス供給源が液体水素ボンベと、燃料から水素を取得するための燃料改質装置と、水の電気分解して水素を取得するための水電解装置のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項９】
前記燃料改質装置が燃料に含まれる硫黄成分を除去するための脱硫装置を含むことを特長とする請求項８に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１０】
前記水電解装置が前記自然エネルギー利用電源に接続していることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１１】
前記マルチインバーターに接続可能なエンジン発電機をさらに具えたことを特長とする請求項１から請求項１０の何れかに記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１２】
前記エンジン発電機がガス発電機であることを特長とする請求項１１に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１３】
前記マルチインバーターがリレーコントローラー型マルチインバーターであることを特徴とする請求項１から請求項１２の何れかに記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１４】
前記マルチインバーターは、ＡＣ入力端子と、ＤＣ入力端子と、ＤＣ/ＤＣコンバーターと、ＡＣ/ＤＣコンバーターと、ＤＣ/ＡＣコンバーターと、ＡＣ出力端子と、ＤＣ出力端子とを有することを特徴とする請求項１に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１５】
前記マルチインバーターは、過電圧保護部と、過電流保護部と、過熱保護部と、鉛蓄電池の電圧を取得するための電圧検出部と、鉛蓄電池の熱暴走を防止するための熱暴走抑制部とを有することを特徴とする請求項１４に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１６】
前記マルチインバーターのＡＣおよびＤＣ出力端子のうちの少なくとも１つに接続して前記補助電源システムからの電力が常時供給されるシステム監視用警報器具をさらに具えたことを特徴とする請求項１４に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１７】
前記システム監視用警報器具が特定の照明器具であることを特徴とする請求項１６に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１８】
前記マルチインバーターのＡＣおよびＤＣ出力端子に接続し、これらＡＣおよびＤＣ出力端子からの電力を分配するための出力分配器をさらに具えたことを特徴とする請求項１４に記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項１９】
補助電源システムおよびマルチインバーターの作動を制御する無線式または有線式の制御装置をさらに具えたことを特徴とする請求項１から請求項１８の何れかに記載の被災・停電対策電源システム。
【請求項２０】
請求項２から請求項１９の何れかに記載した被災・停電対策電源システムの運転方法であって、
自然エネルギー利用電源により得られる電気エネルギーを蓄電池に蓄積させるステップと、
商用電源が途絶えたか否かを判定するステップと、
商用電源が途絶えたと判断した場合に前記蓄電池からの電力を出力させると共に燃料電池をホットスタンバイ状態に移行させるステップと、
蓄電池からの電力が不足しているか否かを判定するステップと、
蓄電池からの電力が不足していると判断した場合、燃料電池をホットスタンバイ状態から運転状態へと切り替え、この燃料電池によって得られる電力を出力させるステップと
を具えたことを特徴とする被災・停電対策電源システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長時間に亙る商用電源の停止状態をバックアップするのに好適な被災・停電対策電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
文明社会において電力エネルギーは民間、企業および公共分野において、もはや必要不可欠のエネルギー源の地位にあり、企業、医療、教育、宿泊、公共施設分野などでは自然災害などに備えて商用電源をバックアップするために無停電電源装置が設置されている。これは例えば企業であれば商品の提供、雇用の維持・確保などで地域社会はもちろん、今では企業の海外進出に伴って全世界ネットワークで広がっている企業活動が停滞することは許されず、その影響は地域社会だけではなく、全世界に亙って与えることになる。医療関係であれば即、人命に関わる問題で社会に与える不安や、そこで献身的に働く人々へ与える精神的および肉体的負担は想像を超えたものになる。また、自然災害を被った場合、日常生活および活動を支えるためにも電力エネルギーの供給は欠かせない。
【０００３】
しかし、これまでの対策は個別対応型のしかも短時間だけ電カエネルギーを供給するシステムに限られており、しかも大電力系統だけに依存するシステムへの対応がいかに脆弱であったかは、今回の東日本大震災でその欠陥が露呈されている。すなわち、商用電源で蓄電池集合体（蓄電池１個も含む）を充電する現行の無停電電源装置では、商用電源の供給停止が長時間に亙る場合は、もはやこのシステムは成り立たない。それは装置内での蓄電池集合体設置の諸々の制約から蓄電能力に限界が生じるためである。
【０００４】
そこで電力供給システムを多様化し、蓄電池集合体の蓄電能力を維持するため、自然エネルギーまたは高効率変換が期待できる再生可能で省エネルギー発電システムを組み合わせた蓄電池集合体のバックアップシステムが重要となる。太陽光から電気エネルギーに変換する太陽電池や、風力を利用した風力発電機は自然エネルギーを利用しているためにエネルギー密度が極めて大きい。これは一定の電力を長期に亙って供給できることを意味している。また都市ガス、プロパンやＤＭＥなどの燃料のもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池もまた、燃料を供給する限りは発電できるエネルギー密度が大きい発電システムである。
【０００５】
現在は蓄電池集合体と太陽電池、蓄電池集合体と風力発電機といったように簡単な組み合わせになる発電システムや燃料電池を単独で利用することが多く、これら個々の発電システムを統合して系統接続し必要に応じて電力配分を調整できるよう、また電力ラインの切り替えができるような再生可能発電システムとして有機的に組み合わせた被災・停電対策電源システムを構築した例はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２５９２０１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２１０８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に市販されている無停電電源装置は、以下に列挙するような使用上の制約を抱えている。すなわち、
（１）蓄電池集合体を充電するバックアップ電力は商用電源のみで、商用電源からの電力供給が停止すれば蓄電池集合体に蓄電された電気エネルギーしか利用できない。
（２）蓄電池集合体の規模に制約があり電気エネルギーの供給に時間制限がある。
（３）蓄電池集合体を充電するバックアップ電力は商用電源のみで、電力供給源の多様性に対応することが困難である。
（４）大出力・大容量を必要とする付加に対応出来ない。すなわち個別設備対応型には適用できるが、住宅、研究所、医療施設や放送施設などの地域社会設備への統括的電力供給には対応が出来ない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の形態は、商用電源と、再生可能なエネルギーを利用した補助電源システムと、これら商用電源および補助電源システムが接続するマルチインバーターとを具えたことを特徴とする被災・停電対策電源システムにある。
【０００９】
本発明の第１の形態による被災・停電対策電源システムにおいて、補助電源システムは、電気エネルギーを蓄電する蓄電池と、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池と、自然エネルギーを電気エネルギーに変換する自然エネルギー利用電源とを有するものであってよい。この場合、自然エネルギー利用電源は、太陽電池および風力発電機および小規模水力発電機および地熱発電機のうちの少なくとも１つを含むことができ、蓄電池が鉛蓄電池およびリチウム蓄電池のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００１０】
燃料電池は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）および固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。この場合、燃料電池は、水素ガス貯蔵タンクと、この水素ガス貯蔵タンクに水素ガスを供給する水素ガス供給源とを有するものであってよく、水素ガス貯蔵タンクが水素貯蔵合金を有することができる。また、水素ガス供給源が液体水素ボンベと、燃料から水素を取得するための燃料改質装置と、水の電気分解して水素を取得するための水電解装置のうちの少なくとも１つを含むものであってよい。燃料改質装置が燃料に含まれる硫黄成分を除去するための脱硫装置を含むことができ、水電解装置を自然エネルギー利用電源に接続させることも有効である。
【００１１】
マルチインバーターに接続可能なエンジン発電機をさらに具えることができ、エンジン発電機がガス発電機であってよい。
【００１２】
マルチインバーターがリレーコントローラー型マルチインバーターであってよく、ＡＣ入力端子と、ＤＣ入力端子と、ＤＣ/ＤＣコンバーターと、ＡＣ/ＤＣコンバーターと、ＤＣ/ＡＣコンバーターと、ＡＣ出力端子と、ＤＣ出力端子とを有することができる。また、マルチインバーターは、過電圧保護部と、過電流保護部と、過熱保護部と、鉛蓄電池の電圧を取得するための電圧検出部と、鉛蓄電池の熱暴走を防止するための熱暴走抑制部とを有することが好ましい。
【００１３】
マルチインバーターのＡＣおよびＤＣ出力端子のうちの少なくとも１つに接続して補助電源システムからの電力が常時供給されるシステム監視用警報器具をさらに具えることができる。この場合、システム監視用警報器具が特定の照明器具であってよい。
【００１４】
マルチインバーターのＡＣおよびＤＣ出力端子に接続し、これらＡＣおよびＤＣ出力端子からの電力を分配するための出力分配器をさらに具えることができる。
【００１５】
補助電源システムおよびマルチインバーターの作動を制御する無線式または有線式の制御装置をさらに具えることができる。
【００１６】
本発明の第２の形態は、上述した本発明の第１の形態による被災・停電対策電源システムの運転方法であって、自然エネルギー利用電源により得られる電気エネルギーを蓄電池に蓄積させるステップと、商用電源が途絶えたか否かを判定するステップと、商用電源が途絶えたと判断した場合に蓄電池からの電力を出力させると共に燃料電池をホットスタンバイ状態に移行させるステップと、蓄電池からの電力が不足しているか否かを判定するステップと、蓄電池からの電力が不足していると判断した場合、燃料電池をホットスタンバイ状態から運転状態に切り替え、この燃料電池によって得られる電力を出力させるステップとを具えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の被災・停電対策電源システムによると、商用電源と、補助電源システムと、これらが接続するマルチインバーターとを具えているので、商用電源源の喪失時に補助電源システムによって電力を供給することができる。
【００１８】
補助電源システムが蓄電池と、燃料電池と、自然エネルギー利用電源とを有する場合、特に自然エネルギー利用電源が太陽電池および風力発電機および小規模水力発電機および地熱発電機のうちの少なくとも１つを含む場合、大出力の電力を長期に亙って継続的に供給することができる。
【００１９】
蓄電池が鉛蓄電池およびリチウム蓄電池のうちの少なくとも１つを含む場合、商用電源や自然エネルギー利用電源を利用して平常時に大量の電力を蓄積しておくことができる。
【００２０】
燃料電池が固体高分子型燃料電池および固体電解質型燃料電池のうちの少なくとも１つを含む場合、安定した出力の電力を継続的に作り出すことができる。
【００２１】
燃料電池が水素ガス貯蔵タンクと、この水素ガス貯蔵タンクに水素ガスを供給する水素ガス供給源とを有する場合、特に水素ガス貯蔵タンクが水素貯蔵合金を有する場合、大量の燃料を長期に亙って安全に確保することができる。
【００２２】
水素ガス供給源が液体水素ボンベと、燃料から水素を取得するための燃料改質装置と、水の電気分解して水素を取得するための水電解装置のうちの少なくとも１つを含む場合、非常時であっても長期間に亙って燃料電池の継続的な運転が可能となる。
【００２３】
燃料改質装置が燃料に含まれる硫黄成分を除去するための脱硫装置を含む場合、品質に問題のある燃料であっても、大気中に有害物質を放出することなく、これを安心して利用することができる。
【００２４】
水電解装置が自然エネルギー利用電源に接続している場合、平常時に大量の水素を効率よく貯蔵しておくことができる。
【００２５】
マルチインバーターに接続可能なエンジン発電機をさらに具え、特にエンジン発電機がガス発電機の場合、比較的容易に入手可能な液化燃料を電力発生源として転用することができ、非常時に不足しがちな電力の一部を補うことができる。
【００２６】
マルチインバーターがリレーコントローラー型マルチインバーターの場合、蓄電池や燃料電池あるいは自然エネルギー利用電源などの補助電源システムに対して柔軟に対応することが可能となる。
【００２７】
マルチインバーターがＡＣ入力端子と、ＤＣ入力端子と、ＤＣ/ＤＣコンバーターと、ＡＣ/ＤＣコンバーターと、ＤＣ/ＡＣコンバーターと、ＡＣ出力端子と、ＤＣ出力端子とを有する場合、多様な電源の電力を有効に利用することができる。
【００２８】
マルチインバーターが過電圧保護部と、過電流保護部と、過熱保護部と、鉛蓄電池の電圧を取得するための電圧検出部と、鉛蓄電池の熱暴走を防止するための熱暴走抑制部とを有する場合、マルチインバーターを安全に作動させることができる。
【００２９】
マルチインバーターのＡＣおよびＤＣ出力端子のうちの少なくとも１つに接続して補助電源システムからの電力が常時供給されるシステム監視用警報器具をさらに具えた場合、特にシステム監視用警報器具が特定の照明器具の場合、平常時に被災・停電対策電源システムの不具合を容易に認識することができる。この結果、非常時に被災・停電対策電源システムを確実に作動させることが可能となる。
【００３０】
マルチインバーターのＡＣおよびＤＣ出力端子に接続し、これらＡＣおよびＤＣ出力端子からの電力を分配するための出力分配器をさらに具えた場合、限られた電力をその需要に応じて有効かつ長時間に亙って供給することができる。
【００３１】
補助電源システムおよびマルチインバーターの作動を制御する無線式または有線式の制御装置をさらに具えた場合、相互に離れた複数の同時停電・被災地域があっても、必要とする被災・停電対策電源システムを遠隔操作にて稼動させることができる。
【００３２】
本発明の被災・停電対策電源システムの運転方法によると、蓄電池や燃料電池や自然エネルギー利用電源を電力負荷に応じて効率よく使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による被災・停電対策電源システムを自立型電源システムに適用した一実施形態の概念図である。
【図２】本発明による被災・停電対策電源システムを被災地域電源システムとして応用した一実施形態の概念図である。
【図３】本発明による被災・停電対策電源システムの通常時の電力の流れを表す模式図である。
【図４】本発明による被災・停電対策電源システムの停電時の電力の流れを表す模式図である。
【図５】本発明による被災・停電対策電源システムの太陽電池で動作する街路灯の一例の外観を表す立体投影図である。
【図６】図５に示した街路灯の照射特性図である。
【図７】図５に示した街路灯の設置概念図である。
【図８】本発明による被災・停電対策電源システムにおける太陽電池および燃料電池との接続状態を表す模式図である。
【図９】本発明による被災・停電対策電源システムの一実施形態における停電時の作動シーケンスを表すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明による被災・停電対策電源システムについて、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。しかながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能である。
【００３５】
この被災・停電対策電源システムは、交流１００Ｖの商用電源と、再生可能なエネルギーを利用した補助電源システムと、これら商用電源および補助電源システムが接続するマルチインバーターと、補助電源システムおよびマルチインバーターの作動を制御する無線式または有線式の制御装置とを具え、長時間に亙って大出力の電力供給が可能である。
【００３６】
補助電源システムは、電気エネルギーを蓄電する蓄電池と、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池と、自然エネルギーを電気エネルギーに変換する自然エネルギー利用電源とを有する。
【００３７】
自然エネルギー利用電源は、太陽電池および風力発電機および小規模水力発電機および地熱発電機のうちの少なくとも１つを含み、本実施形態では少なくとも直流５０Ｖの太陽電池を採用している。
【００３８】
蓄電池は、長寿命かつディープサイクルの高出力化された鉛蓄電池および長寿命化かつ高出力化されたリチウム蓄電池のうちの少なくとも１つを含み、本実施形態では４８Ｖの鉛蓄電池集合体を採用している。商用電源が利用可能な状態の場合、これらの蓄電池には、自然エネルギー利用電源により得られる電気エネルギーが蓄積、つまり充電される。
【００３９】
燃料電池は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）および固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のうちの少なくとも１つを含む。この燃料電池は、水素ガス貯蔵タンクと、この水素ガス貯蔵タンクに水素ガスを供給する水素ガス供給源とを有し、水素ガス貯蔵タンクには水素貯蔵合金が組み込まれている。
【００４０】
水素ガス供給源は、液体水素ボンベと、燃料から水素を取得するための燃料改質装置と、水の電気分解して水素を取得するための水電解装置とのうちの少なくとも１つを含む。また、燃料改質装置は、燃料に含まれる硫黄成分を除去するための脱硫装置を含み、水電解装置は、マルチインバーターを介して自然エネルギー利用電源に接続している。
【００４１】
本実施形態におけるマルチインバーターは、直流５０Ｖの太陽電池と交流１００Ｖの商用電源との切換え制御のためのリレーコントローラー型マルチインバーターである。このマルチインバーターは、ＡＣ入力端子と、ＤＣ入力端子と、ＤＣ/ＤＣコンバーターと、ＡＣ/ＤＣコンバーターと、ＤＣ/ＡＣコンバーターと、ＡＣ出力端子と、ＤＣ出力端子とを有する。また、このマルチインバーターは、過電圧保護部と、過電流保護部と、過熱保護部と、鉛蓄電池の電圧を取得するための電圧検出部と、鉛蓄電池の熱暴走を防止するための熱暴走抑制部とを有する。
【００４２】
ＡＣ入力端子は、交流１００Ｖの商用電源に接続し、ＤＣ入力端子は、直流５０Ｖの太陽電池および４８Ｖの鉛蓄電池集合体にそれぞれ接続する。また、ＤＣ/ＤＣコンバーターは、太陽電池と鉛蓄電池集合体との間の電圧を調整し、ＡＣ/ＤＣコンバーターは、商用電源と鉛蓄電池集合体との間の電圧を調整し、ＤＣ/ＡＣコンバーターは、太陽電池および鉛蓄電池集合体とＡＣ出力端子との間の電圧を調整する。
【００４３】
マルチインバーターのＡＣおよびＤＣ出力端子のうちの少なくとも１つには、補助電源システムからの電力が常時供給されるシステム監視用警報器具が接続しており、このシステム監視用警報器具は特定の照明器具であってよい。本実施形態においては、ＤＣ出力端子に４８ＶのＬＥＤ照明用器具が街路灯および室内灯として接続され、これら街路灯および室内灯に常時電力を供給することにより、この被災・停電対策電源システムの状況を毎日判別することが可能となる。
【００４４】
マルチインバーターのＡＣおよびＤＣ出力端子には、これらＡＣおよびＤＣ出力端子からの電力を分配するための出力分配器が接続している。これにより、例えば鉛蓄電池，燃料電池，太陽電池，風力発電機などから出力を常時取り出す状態に維持し、これらの直流出力をＤＣ/ＡＣコンバーターによって交流１００Ｖの出力に変換し、これを個別に配分することができる。あるいは、太陽電池や風力発電機などの電気エネルギーを常時鉛蓄電池に蓄積させてこれらを主電源として利用し、この主電源を補完するために燃料電池を運転待機状態とし、必要に応じて燃料電池を運転して出力分配をするようにしてもよい。
【００４５】
停電が長期化するリスクに備え、マルチインバーターにはエンジン発電機が補助的に接続可能であり、エンジン発電機は携帯用ボンベおよび商用ボンベから供給可能な液化燃料により発電するガス発電機であってよい。
【００４６】
制御装置は、商用電源が途絶えたか否かを判定し、商用電源が途絶えたと判断した場合に蓄電池からの電力を出力させると共に燃料電池をホットスタンバイ状態に移行させるべく、マルチインバーターの作動を制御する。また、この制御装置は蓄電池からの電力が不足しているか否かを判定する機能を有し、制御装置が蓄電池からの電力が不足していると判断した場合、燃料電池をホットスタンバイ状態から運転状態へと切り替え、この燃料電池によって得られる電力を出力させるべく、燃料電池およびマルチインバーターの作動を制御する。
【００４７】
この被災・停電対策電源システムは、自然エネルギー利用電源として風力エネルギーを利用した風力発電機をさらに組み合わせたり、リスク軽減策としてガス発電機を系統接続することも可能である。つまり、本発明における被災・停電対策電源システムは、燃料電池、太陽電池、風力発電機および蓄電池集合体、さらにバックアップとして商用電源を組み合わせることができる。
【００４８】
すなわち、燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを高効率で電気エネルギーに変換する発電装置で、燃料を供給する限り直流電力を生み出す長時間発電できるエネルギー密度の大きい発電装置であることが特徴であり、本発明の被災・停電対策電源システムの中核をなす。燃料電池には燃料極と酸化剤極の間に挿入する電解質の種類によって区分されるが、現在実用化の領域に入っている燃料電池は、電解質にＰＥＦＣ（固体高分子電解質燃料電池）を使用しており、１００〜１５０℃で発電が可能で小規模ではあるが実用化されている。燃料電池に供給する燃料の最終形態は水素で水素の生産、供給や補給インフラが整備されれば、再生可能でクリーンな燃料として最も理想的な燃料形態である。すなわち水素と空気中酸素の電気化学反応で水が生成するが、この水を電気分解または熱分解などで再び水素に再生することができる。このリサイクルシステムおよびインフラシステムは本格的な実用化には至っていないが、その整備は着実に進行している。使用する燃料としては、一般的には都市ガス、ＬＰＧ、メタンやプロパンといった炭化水素系燃料や灯油などの液体燃料が利用でき、これらを水素リッチ燃料に改質して燃料電池に供給し、直流電力を得ることができる。
【００４９】
近い将来実用化が待望される燃料電池としては、電解質に固体電解質を利用した固体電解質型（ＳＯＦＣ）がある。この燃料電池は先に挙げたＰＥＦＣに比べて発電効率が高く、かつ５００〜９００℃の温度領域で発電するために熱の利用効率が高く、給湯には最適である。また、ＰＥＦＣのように炭化水素系燃料を水素リッチに改質せずに使うことができるので、装置が冗長にならず、コスト的にも有利であるという利点を持っている。いずれの燃料電池も本発明の被災・停電対策電源システムの中核となる発電装置である。しかし、電気エネルギーの利用形態も多様化しており、長時間一定の電力を必要とする機器だけではなく、短時間に大電力を必要とする産業機器、家電機器も多く、これに対応できる発電システムとして燃料電池は向いていない。
【００５０】
これを補完する意味で蓄電池集合体を結合し、これに電気エネルギーを蓄積、すなわち充電するために自然エネルギーを利用した太陽電池と風力発電機とを組み合わせ、さらにこれら直流出力を交流出力に変換するマルチインバーターと組み合わせて被災・停電対策電源システムを構築する。マルチインバーターは太陽電池と商用電源の入力はリレー切替えながら、蓄電池集合体に充電するＤＣ/ＤＣコンバーター、ＡＣ/ＤＣコンバーター、蓄電池集合体からの直流出力をＡＣ１００Ｖに変換するＤＣ/ＡＣインバーター、さらにＡＣ出力およびＤＣ出力を利用できるように構築し、利用形態の多様化に対応している。
【００５１】
この被災・停電対策電源システムは、これらの発電システムを有機的に結合する機能を有し、効率よく電力配分することも可能である。また商用電源の停止が長期に亙る場合を考慮して、この系統に貯蔵ボンベのみならず携帯ガス貯蔵ボンベで発電するガス発電機を接続することもでき、電源形態にとらわれることなく、系統参入させて停電時の想定外リスクを回避する被災・停電対策電源システムを構築できる利点を持っている。
【００５２】
被災・停電対策電源システムが起動する形態として、常時蓄電池には太陽電池および風力発電機で充電してＤＣ/ＡＣコンバーターで待機状態にして大きな突入電流とその後の定負荷に対応する。これと同時に、燃料電池を起動して出力がとれる最良の状態に達した時点で燃料電池による定常運転に入り、ＤＣ/ＡＣインバーターおよびＤＣ/ＤＣコンバーターを介して電力を供給すると同時に蓄電池の充電にも電力を供給できる。また別の起動形態として、通常時に商用電源で燃料電池を最良の運転状態に維持し、停電時に瞬時に自動的に蓄電池集合体および燃料電池に切替えることも可能である。例えばＳＯＦＣの場合は高温領域で運転するために常温状態から立ち上げると時間がかかるために商用電源または蓄電池集合体の電力を使って負荷電力がとれる待機状態に維持することも可能である。これら燃料電池は互換性がありＰＥＦＣおよびＳＯＦＣの選択ができる。本装置を設置する敷地内に室内照明や街路灯を設置すると、これを常時使用することでシステムの不具合を認識できる利点があり、その電力はＬＥＤ照明を利用することで消費を抑制することができる。
【００５３】
本発明の被災・停電対策電源システムによると、商用電源がバックアップしているので、緊急時の確実な起動・運転を自動または手動で可能にしている。
【００５４】
また、太陽光を利用した太陽電池や風力のなどの自然エネルギーを優先して利用しているのでエコロジーである。さらに、室内灯や街路灯に常時使用しているために、被災・停電対策電源システムの作動状況が常時監視でき、不具合や故障を素早く見つけて対処することができる。
【００５５】
例えば地域が被災して商用電源が途絶えた場合、システム構成が蓄電池集合体と並列に燃料電池、太陽電池および風力発電機を接続しているので、瞬時の過負荷対応と定格負荷対応が可能で、特に燃料電池は燃料を供給する限り定格負荷対応を継続できる利点を生かしている。燃料電池は被災・停電対策電源システムが起動する前、すなわち商用電源が作動しているときに無負荷運転で待機状態を維持することも可能で、被災・停電対策電源システムが起動すると同時に起動・運転に入ることができ、その選択自由度は高い。被災・停電対策電源システムが運転に入った後、蓄電池集合体からの出力と燃料電池からの出力配分を調整する機能を具備しているので、蓄電池集合体の残存電気量が低下した場合は、蓄電池集合体からの出力を減らすと同時に燃料電池からの出力を増やし、太陽電池および風力発電機の電力で蓄電池集合体を充電してその電気量を回復できる。この操作は蓄電池集合体を監視しつつ手動または自動でも可能である。被災・停電対策電源システムの出力はＤＣ出力とＡＣ出力を併せ持っているが、ＡＣ出力の使用量は例えばコンセントタップなどを使えば容易に視認することも、また自動でデーター収録して各種制御信号としても活用できる。
【００５６】
図１は本実施形態における被災・停電対策電源システムを利用した自立型電源システムを模式的に示す。すなわち、本実施形態における自立型電源システム１０は、ＤＣ１２〜６０Ｖ，ＤＣ４８ＶおよびＡＣ１００Ｖ（商用）の三つの電力供給形態を持ち、ＤＣ１２〜６０Ｖ系統は太陽電池１１および風力発電機１２などの自然エネルギーを利用し、マルチインバーター１３のＤＣ/ＤＣコンバーターで街路灯１４や室内灯１５などの比較的小電力機器向けとし、ＤＣ４８Ｖ系統は通常時にＡＣ１００Ｖの商用電源から蓄電池集合体１６に充電する。ＡＣ１００Ｖの商用電源は、通常照明、蓄電池集合体１６の充電に利用すると共に一般機器の電源バックアップの働きをする。停電時には商用電源がシャットダウンするため、マルチインバーター１３のＤＣ/ＡＣインバーターで交流の電力を出力する。
【００５７】
図２は被災地域に分散設置された被災・停電対策電源システム１０を模式的に示す。被災地域には被災者が避難し生活する体育館や学校などの避難所、被災者の怪我や病気の手当てなど人命に係わる避難所としての病院や被災者同士の交流を図る場所としてのコミュニティセンターなどがあり、これら地域にそれぞれ被災・停電対策電源システム１０を分散させる方式は、集中電源システムに比べてリスクを分散させることができ、大がかりな電線工事などが不必要なため、コスト的にも有利である。
【００５８】
図３は本実施形態における被災・停電対策電源システム１０の通常時の電力の流れを示し、図４は停電時の電力の流れを模式的に示す。通常時、商用電源は一般機器や照明などに利用され、太陽電池１１および風力発電機１２の電力で蓄電池集合体１６を充電する。ただし、自然エネルギーによる発電は、気象状況で発電量が大きく変動するため、商用電源の一部を充電に回して常に蓄電池集合体１６を満充電状態にする必要がある。このため蓄電池１６にはディープサイクル用長寿命電池を用いて充電状態を監視し、過放電状態、すなわち充電不足に陥らないように、太陽電池１１および風力発電機１２の充電を補完する燃料電池１７をマルチインバーター１３に接続している。
【００５９】
図５は被災地域または被災地域の中心的役割を果たす場所に設置する太陽電池１１で点灯する街路灯１４の一例を示し、街路灯１４にＬＥＤ照明を採用することで省エネルギー化することができ、図６に示すように、十分な照度が得られるように配慮する。このような街路灯１４を図７に示すように例えば１４メートル間隔で設置することができる。
【００６０】
図８は燃料電池１７の一例を示し、太陽電池１１の電力で水電解装置１８により水を電気分解し、水素吸蔵合金が組み込まれた水素ガス貯蔵タンク１９に貯蔵し、この水素を燃料とする燃料電池１７が被災・停電対策電源システム１０に組み込まれている。防災無線の必要電力に応じて被災・停電対策電源システム１０やその一部を構成する燃料電池１７の規模を変更することも可能である。
【００６１】
図９は実際に停電が発生した場合の被災・停電対策電源システム１０の作動シーケンスである。商用電源から被災・停電対策電源システム１０に切替った当初は蓄電池１６からの電力で防災無線をはじめ各種機器は作動する。同時に燃料電池１７の準備が始まり運転可能な状態に達すると、出力は蓄電池１６から燃料電池１７に切り替わる。ただし、街路灯１４など小電力機器は引き続き蓄電池１６からの電力を受けることができる。また突発的にしかも短時間の大きな電力供給のために蓄電池１６の系統結合は継続することが重要であり、場合によっては大容量・大出力コンデンサーも系統結合できるようにすることが望ましい。
【００６２】
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【符号の説明】
【００６３】
１０  自立型電源システム（被災・停電対策電源システム）
１１  太陽電池
１２  風力発電機
１３  マルチインバーター
１４  街路灯
１５  室内灯
１６  蓄電池集合体（蓄電池）
１７  燃料電池
１８  水電解装置
１９  水素ガス貯蔵タンク
【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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