(57)【要約】【課題】鉛蓄電池の充電効率を高くするためには充電率に余裕を残して充電する必要があるが、その場合には電池内に未充電の硫酸鉛が多く残る。電池内に多くの未充電の硫酸鉛が放置されると、サルフェーションの進行が促進され、鉛蓄電池には十分なサイクル寿命が期待できなくなる。【解決手段】鉛蓄電池の複数の組電池が並列に接続されて構成される本発明による蓄電システムでは、主電力による充電が終了すれば、前記組電池の中から順繰りに指定される特定の組電池だけは追加的に充電される。そのため、主電力による充電では全ての組電池が充電率に余裕を残して充電されるが、その後の追加充電によって特定の組電池だけは未充電の硫酸鉛が再充電されて一掃される。追加充電のチャンスは全ての組電池に順繰りに訪れるので、全ての鉛蓄電池で電池内に未充電硫酸鉛が放置されることはなくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛蓄電池の複数の組電池が並列に接続されて構成される蓄電システムであり、主電力による充電が停止した後には、前記組電池の中の特定の組電池だけが補助電力によって追加充電されることを特徴とする蓄電システム。
【請求項２】
追加充電される特定の組電池は順繰りに変更されることを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項３】
それぞれの充電用スイッチを介して並列に接続されている複数の組電池が更にそれぞれの放電用スイッチを介して並列に接続されていることを特徴とする請求項２記載の蓄電システム。
【請求項４】
複数の組電池のそれぞれが主電力を動作電源とする充電器と補助電力を動作電源とする充電器にそれぞれの充電用スイッチを介して並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項５】
前記充電用スイッチは二つのタイマ式スイッチが並列に接続されて構成されていることを特徴とする請求項３記載の蓄電システム。
【請求項６】
前記放電用スイッチは二つのタイマ式スイッチが直列に接続されて構成されていることを特徴とする請求項３記載の蓄電システム。
【請求項７】
前記主電力が太陽光発電によって発電された電力であることを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項８】
前記主電力が商用深夜電力であることを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項９】
前記追加充電の充電入力が該蓄電システムを構成する組電池の放電出力によって賄われることを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、鉛蓄電池を主体にして構成される蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  地球にやさしいとされる太陽光発電や風力発電も余剰電力対策が課題となって日本においてはその展開は余り捗々しくはない。太陽光発電や風力発電では電力を最も発電できる時間帯が電力を最も必要とする時間帯と必ずしも一致するわけではないため一般的には余剰電力が発生する。また、夜間には電力消費量が少なくなるため、夜間電力にも余剰電力が発生し易い。【０００３】  余った電気で蓄電池を充電しておいて、電気が不足するときには蓄電池を放電してこれを補うことが出来るので、余剰電力対策には蓄電池の利用が有効と考えられる。これまでにも、夜間の余剰電力対策として揚水発電が利用されてきたが、これに比べて、蓄電池を利用する電力貯蔵システムには規模や設置場所が比較的自由に選択できるという利点がある。【０００４】  特に小規模に点在する太陽光発電の余剰電力対策には「蓄電池を利用する蓄電システム（以下、電池式蓄電システムともいう。）」は最適である。また、一般家庭レベルにおいても安価な深夜電力を電池式蓄電システムに蓄えて昼間の電力消費を補えば、電力料金の低減にも繋がる。【０００５】  しかし、蓄電コストが高すぎては電池式蓄電システムも余剰電力対策の手段にはなり難い。電池式蓄電システムの蓄電コストは蓄電池のコストと寿命で決まるため、蓄電システムを構成する蓄電池には、安いイニシャル単価と長寿命の両方が求められる。経済産業省資源エネルギー庁は余剰電力対策用蓄電池として、蓄電コストを揚水発電と同等とすることを前提に、蓄電池の寿命としては２０年、蓄電池設備のコストとしては２．３万円／ｋＷｈを目標に掲げている（非特許文献１参照）。この目標に対しては、蓄電池設備のコストが１．１５万円／ｋＷｈであれば、蓄電池の寿命は１０年で同等である。【０００６】  現在、イニシャル単価の最も安い蓄電池は鉛蓄電池（１万円／ｋＷｈ程度）である。鉛蓄電池は非常用電源の用途では１０年程度の長寿命の実績もあり、電池式蓄電システムを構成する蓄電池としては最も有力な候補と考えられる。【０００７】  しかし、鉛蓄電池は非常用電源の用途では長寿命であっても、一般的にはその使われ方によって寿命が大きく異なっていることも事実である。そのため、鉛蓄電池で構成される電池式蓄電システムが余剰電力対策の有効な手段となり得るか否かは、この用途における鉛蓄電池の寿命次第ということになる。【０００８】  因みに、鉛蓄電池はフォークリフトの電源用では５〜６年程度で交換されており、トラック、バス、一般車のエンジン始動用では３〜５年程度が寿命とされている。特にタクシーのエンジン始動用では寿命が短く、１．２〜２年程度で交換されている。【０００９】  これらの鉛蓄電池の廃棄要因は９０％以上が電極のサルフェーションによると言われており、鉛蓄電池の寿命と用途の間にはサルフェーションが深く関係している。つまり、鉛蓄電池はその用途よってサルフェーションの進行度合いが異なっていると考えられる。【００１０】  鉛蓄電池は負極の放電反応では、金属鉛が電気化学的に酸化されて電解液中に鉛イオン（Ｐｂ＋＋）が放出される。電解液中に放出されたＰｂ＋＋は硫酸イオン（ＳＯ４−−）と結合して、硫酸鉛（ＰｂＳＯ４）の微細な結晶となる。この微細な結晶の硫酸鉛は時間の経過に伴って次第に結晶サイズが大きくなる。これが鉛蓄電池のサルフェーションと言われるものである。【００１１】  一方、負極の充電反応は、電解液中のＰｂ＋＋が電気化学的に金属鉛に還元される反応である。そのため、鉛蓄電池が速やかに充電されるためには、放電生成物の硫酸鉛（ＰｂＳＯ４）が電解液中に溶解してＰｂ＋＋が速やかに補給される必要がある。【００１２】  ところが、一旦サルフェーションした硫酸鉛は、即ち、結晶サイズが大きくなった硫酸鉛は溶解速度が遅いため、通常の充電ではほとんど再充電されない。ただし、サルフェーションした硫酸鉛もその溶解速度に見合った微小電流で長時間を掛けて充電されるなら、再充電は可能であることも確認されている（非特許文献２参照）。しかし、鉛蓄電池の通常の充電では充電時間が制限されるため、サルフェーションした硫酸鉛は殆ど再充電されず、実質的な充放電容量の低下に繋がり、鉛蓄電池の寿命を短くしている。【００１３】  サルフェーションは放電生成物である硫酸鉛がある程度の時間を放置された結果、その結晶サイズが大きくなるという現象である。従って、鉛蓄電池が十分に充電された時には、未充電の硫酸鉛はほとんど残存しないのでサルフェーションはあまり進行せず、反対に鉛蓄電池が十分に充電されない時には、未充電の硫酸鉛が多く残存するのでサルフェーションの進行は促進され易い。【００１４】  鉛蓄電池が十分に充電されているか否かは一般に充電率で示される。充電率は鉛蓄電池が実際に充電されている容量を該鉛蓄電池の定格容量との比率で示した値である。なお、ここで言う定格容量とは最も好条件の充電によって充電され得る充電容量を意味するものである。従って、充電率が１００％の鉛蓄電池では、充電可能な硫酸鉛の殆ど全てが充電された状態にあり、サルフェーションは殆ど進行しない。【００１５】  つまり、鉛蓄電池は充電率が１００％に近いほどサルフェーションの進行が遅くなり、該鉛蓄電池には長寿命が期待できる【００１６】  実際の鉛蓄電池では用途によって充電方法が異なり、用途によって充電終了時の充電率が異なっている。そのため、実際の鉛蓄電池では用途によってサルフェーションの進行度合いが異なり、その結果、寿命が用途によって異なって来る。【００１７】  因みに、寿命が５〜６年程度とされるフォークリフトの鉛蓄電池は、その充電は専用充電器で１０時間程度をかけて比較的好条件で行われるので、充電率はかなり１００％に近い。一方、エンジン始動用鉛蓄電池では基本的にはエンジンが稼働している間が充電時間であり、その間には放電もなされる。そのため、エンジン始動用鉛蓄電池は車によっても充電条件は異なり、一般的に高い充電率には到達し難く、寿命もまちまちである。これに対して、比較的長寿命である非常用鉛蓄電池では、浮動充電と称する微小電流による充電が停電等に備えて常時行われているため、充電率はほぼ１００％に達すると考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】伊藤隆庸、第５４回電池討論会講演予稿集、Ｐ．１０５（２０１３）
【非特許文献２】小沢昭弥、その他、第５３回電池討論会講演予稿集、Ｐ．３４９（２０１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】  余った電気を一旦蓄電池に貯蔵しておいて、電気が不足するときに該蓄電池を放電してこれを補うという蓄電池の利用方法においては、蓄電池の定格容量に余裕がなければ、貯蔵したい電気が多い場合には貯蔵したい電気の全てを貯蔵することができなくなり、効率の良い電力貯蔵性能が確保されない。従って、鉛蓄電池を使用する電池式蓄電システム（鉛電池式蓄電システム）でも効率の良い電力貯蔵性能を備えるためには余裕ある定格容量が必要となる。【００２０】  一方、鉛電池式蓄電システムが余剰電力対策の有効な手段となり得るか否かは鉛蓄電池の寿命次第である。鉛蓄電池の寿命は電力貯蔵の用途においてもサルフェーションの進行が大きく関係してくる。特に電力を貯蔵するという用途では、鉛蓄電池の充電率がそのサルフェーションの進行に大きく関係してくる。【００２１】  鉛蓄電池の充電率とは実際に充電された容量を定格容量に対する比率で示した値であり、定格容量に余裕があれば必然的に充電率は低くなる。そのため、鉛電池式蓄電システムの定格容量が最大余剰電力量の予測に基づいて余裕をもって設計されれば、蓄電システムを構成する鉛蓄電池は通常の余剰電力（最大ではない）の基では高い充電率には到達し得ない。【００２２】  鉛蓄電池が高い充電率に到達しない時には、未充電の硫酸鉛が多く残存するのでサルフェーションの進行が速くなり、該鉛蓄電池には長寿命が期待できない。結局、鉛電池式蓄電システムに効率の良い電力貯蔵性能を求めれば、これを構成する鉛蓄電池には長寿命が期待できなくなる。【００２３】  イニシャル単価の安い鉛蓄電池は電力貯蔵用蓄電システムを構成する蓄電池として有力な候補ではあるが、鉛電池式蓄電システムはあくまでも効率の良い電力貯蔵と長寿命の両方が叶えられて初めて実現し得るものである。【００２４】  本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率の良い電力貯蔵性能と長寿命性能を兼ね備えた鉛電池式蓄電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】  上記課題を解決するため、本発明に係る鉛電池式蓄電システムは、鉛蓄電池の複数の組電池が並列に接続されて構成される蓄電システムであり、主電力による充電が停止した後には、前記組電池の中の特定の組電池だけが補助電力によって追加充電されることを特徴とする。更に、追加充電される特定の組電池は順繰りに変更されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】  本発明に係る蓄電システムは、貯蔵したい電力（以下、これを主電力という。）がｎ組の組電池に定格容量には余裕を残して蓄電され、ｎ組の中の特定の組電池だけが他の電力（以下、これを補助電力という。）で定格容量一杯にまで充電されるというものである。【００２７】  本発明に係る蓄電システムでは、これを構成する鉛蓄電池の組電池数ｎを調製すれば、蓄電システムの定格容量は主電力による充電に対して余裕ある設計が可能であり、主電力（貯蔵したい電力）は充電率に余裕を残してｎ組の組電池に蓄電される。一方、ｎ組の中の特定の組電池だけは、補助電力による追加充電によって、小電流で長時間にわたって充電されるので充電率が１００％に近い状態にまで達する。【００２８】  追加充電される特定の組電池は順繰りに変更されるので、やがて蓄電システムを構成するｎ組の組電池は全てが追加充電されることになる。そのため、蓄電システムを構成する全ての鉛蓄電池において、電池内に残存する硫酸鉛（ＰｂＳＯ４）が長期間放置されることは無く、サルフェーションの進行は抑制される。【００２９】  本発明に係る蓄電システムの放電出力は、特定の組電池が追加充電されている間でも他の組電池の放電によって支障なく賄われるので、該蓄電システムに蓄えた電力は必要な時に、いつでも、有効に活用できる。特定の組電池も追加充電の終了後には、他の組電池と同様に該蓄電システムの放電出力を賄うことができる。【００３０】  結局、本発明に係る蓄電システムでは、これを構成する全ての鉛蓄電池が主電力による充電では充電率に余裕を残して充電されるので効率の良い電力貯蔵性能が確保され、全ての鉛蓄電池が追加充電によって充電率が適時に１００％に近い充電状態にまで達するのでサルフェーションの進行が抑制されて長寿命性能も兼ね備える。【００３１】  上記した以外の課題やその解決手段と効果は、以下の実施の形態の説明により更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】  本発明に係る蓄電システムの構成を示す単線結線図である。
【図２】  追加充電の充電入力が蓄電システム自体で賄われる場合の蓄電システムの単線結線図である。
【図３】  蓄電システムの充放電サイクルにおける各スイッチの開閉状態を示す図である。
【図４】  タイマ式スイッチの並列接続による充電用スイッチの開閉を示す図である。
【図５】  タイマ式スイッチの直列接続による放電用スイッチの開閉示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】  以下、本発明の実施の形態を図面に基づき更に詳しく説明する。
【００３４】  図１は本発明に係る実施形態の基本構成を示す単線結線図である。本発明に係る蓄電システムの基本的な実施形態は、図１に示すように蓄電システム（２０）は２組以上のｎ組の鉛蓄電池の組電池（１−１）、（１−２）・・・（１−ｎ）がそれぞれの放電用スイッチ（２−１）、（２−２）・・・（２−ｎ）とそれぞれの充電用スイッチ（３−１）、（３−２）・・・（３−ｎ）を介して並列に接続されて構成される。従って、本発明に係る蓄電システムでは、それぞれの放電用スイッチと充電用スイッチのＯＮ／ＯＦＦの選択によってｎ組の組電池を同時に充電することもできるし、１組の組電池だけを充電することもできる。
【００３５】  本発明に係る蓄電システムは、電力を、特に余剰電力を一時的に貯蔵し、これを必要な時に有効に利用するための電力貯蔵用蓄電システムであり、図１に示すように、貯蔵する電力（以下、これを主電力とも呼ぶ）が第一充電器（１２）の電源入力端子（１０）に接続され、充電器（１２）の出力はスイッチ（４）を介して第一充電入力端子（７）に接続される。また、主電力以外の電源出力（以下、これを補助電力と呼ぶ。）が第二充電器（１３）の電源入力端子（１１）に接続され、充電器（１３）の出力はスイッチ（６）を介して第二充電入力端子（８）に接続される。
【００３６】  結局、ｎ組の組電池は主電力を動作電源とする充電器（１２）と補助電力を動作電源とする充電器（１３）にそれぞれの充電用スイッチを介して並列に接続されている。
【００３７】    従って、本発明に係る蓄電システムではそれぞれの放電用スイッチ（２−１）、（２−２）・・・（２−ｎ）をＯＦＦ状態にして、それぞれの充電用スイッチ（３−１）、（３−２）・・・（３−ｎ）と充電器（１２）の出力スイッチ（４）をＯＮ状態にすれば、ｎ組の組電池は主電力によって充電される。主電力自体が消滅するか、或は充電器（１２）の出力スイッチ（４）がＯＦＦ状態にされれば、主電力による充電は停止される。この時点では、ｎ組の組電池は主電力からの充電入力で完全充電状態（充電率１００％の状態）にまで充電される必要はない。むしろ、ｎ組の組電池は蓄電能力には余裕を残しておく方が主電力（貯蔵したい電力）を効率よく貯め込むことが容易となる。
【００３８】  主電力による充電が停止された後では、図１に示すように、例えば、充電用スイッチ（３−２）だけをＯＮ状態にして、他の充電用スイッチはＯＦＦ状態にし、充電器（１３）の出力スイッチ（６）をＯＮ状態にすれば、組電池（１−２）だけが補助電力によって追加的に充電される。
【００３９】  図１では、組電池（１−２）が追加充電される場合で示されているが、追加充電される特定の組電池は任意の組電池（１−ｍ）を指定することができる。つまり、スイッチ（２−ｍ）をＯＦＦ状態で、スイッチ（６）とスイッチ（３−ｍ）をＯＮ状態にすれば、充電器（１３）からの充電入力、つまり補助電力からの充電入力によって組電池（１−ｍ）だけが追加的に充電される。従って、追加充電される特定の組電池の変更は放電用スイッチ（２−ｍ）と充電用スイッチ（３−ｍ）を順番（ｍ＝１〜ｎ）に切り替えることで特定の組電池は（１−１）〜（１〜ｎ）まで順繰りに変更して指定することが出来る。なお、ｍは１からｎまでの整数であり、図１にはｍ＝１、２及びｎが図示され、その他は省略されている。従って、組電池（１−ｍ）は組電池（１−１）、（１−２）・・・（１−ｎ）の中の特定の組電池を意味する。
【００４０】一方、図１に示すように、組電池（１−２）だけが補助電力によって追加的に充電されている最中にも、スイッチ（２−２）以外の放電用スイッチをスイッチ（５）と共にＯＮ状態とすれば、該当する組電池の放電によって蓄電システム（２０）は放電出力端子（９）から外部負荷に対して出力することができる。つまり、本発明に係る蓄電システムでは、蓄電システム（２０）の出力が組電池（１−ｍ）以外の組電池の放電で賄われている時間を利用して、ｎ組の組電池の中から順繰りに指定される特定の組電池（１−ｍ）が、主電力による充電が終了した後に補助電力によって追加充電されることを特徴とする。
【００４１】  主電力は貯蔵したい電力であって特別に限定されないが、具体的には太陽光発電や風力発電の余剰電力や夜間電力等が対象となり、補助電力としては一般の商用電力でも自家発電による電力でも、また、蓄電池に貯められた電力でも使用可能である。その一つのケースとしては図２に示したように、該蓄電システム（２０）の出力の一部を補助電力として充電器（１３）に入力して使用することもできる。
【００４２】  蓄電池に貯められた電力を補助電力とする一つのケースとしては図２に示したように、該蓄電システム（２０）の出力の一部を補助電力として充電器（１３）に入力して使用することもできる。蓄電システム（２０）の出力は追加充電される組電池（１−ｍ）以外の組電池の放電によって賄われるため、図２に示したように蓄電システム（２０）の出力の一部が充電器（１３）の入力端子（１１）に入力されれば、蓄電システム（２０）の出力の一部が補助電力として使用されることも可能である。
【００４３】  図１に示すように、組電池（１−１）、（１−２）・・・（１−ｎ）はダイオード（１６）を介在して並列に接続されていれば、万が一、それぞれの放電用スイッチ（２−１）、（２−２）・・・（２−ｎ）やそれぞれの充電用スイッチ（３−１）、（３−２）・・・（３−ｎ）が誤作動しても、組電池（１−１）、（１−２）・・・（１−ｎ）の間で充放電が起こることはない。従って、万が一、いずれかの組電池で内部ショートが発生したとしても、他の組電池から電流が流れ込むこともないので過充電事故等が未然に防止される。また、ダイオード（１７）が介在していればスイッチ（４）と（６）の誤作動でも充電器（１２）から充電器（１３）に電流が流れ込むこともない。ただし、ダイオード（１６）や（１７）の使用が本発明に係る蓄電システムで不可欠というものではない。
【００４４】  図１に示す蓄電システム（２０）に主電力を効率よく貯めるためには、該蓄電システムを構成する鉛蓄電池の組電池数ｎを調整して、予め予測される主電力からの充電入力に対して余裕ある定格容量で設計すればよい。つまり、組電池の定格容量がＣであれば、組電池数をｎとすることで該蓄電システム（２０）の定格容量をｎＣとすることができる。
【００４５】  蓄電システムの定格容量が主電力による充電に対して余裕ある設計であれば、主電力（貯蔵したい電力）はｎ組の組電池の充電率には余裕を残して蓄電される。一方、ｎ組の中の特定の組電池だけは、補助電力による追加充電によって、小電流で長時間にわたって充電されることが可能であるため充電率が１００％に近い状態にまで達することが出来る。
【００４６】  追加充電される特定の組電池は基本的には充電率が１００％に近い状態にまで達すれば、順繰りに変更されるので、やがて蓄電システムを構成するｎ組の組電池は全てが追加充電されることになる。そのため、蓄電システムを構成する全ての鉛蓄電池において、電池内に残存する硫酸鉛は長期間放置されることがないため、サルフェーションの進行は抑制される。
【００４７】  以下、本発明の実施の形態における補助電力による追加充電の効果ついて更に詳しく説明する。
【００４８】  本発明に係る蓄電システムでは主電力による充電の最重要課題は主電力を蓄電システムに効率よく貯めることにあり、補助電力による追加充電の最重要課題は蓄電システムを構成する組電池を適時に１００％に近い充電率に到達させることにある。
【００４９】  充電したいだけの電力を制限時間内で効率よく充電するためには、鉛蓄電池の充電率には余裕が必要である。鉛蓄電池の充電率に余裕があるということは該鉛蓄電池には充電される余地が残っていることを意味する。
【００５０】  一方、鉛蓄電池の充電においては、充電が末期（例えば充電率が８０％以上）に至る程、電池内の未充電活物質は少なくなってくるため充電電流は流れにくくなり、同時に副反応の水の分解が多くなって充電効率が低下してくる。そのため、水の分解は少なく抑えられて、且つ充電率は１００％に近い状態にまで鉛蓄電池が充電されるためには、小電流で長時間の充電が必要である。
【００５１】  つまり、効率の良い電力貯蔵性能を備えた鉛電池式蓄電システムでは、主電力による充電が終了しても鉛蓄電池の充電率には余裕があるように定格容量を設計しておく必要がある。ところが、充電率に余裕があれば、鉛蓄電池には未充電の硫酸鉛が多く残存するのでサルフェーションの進行が速くなる。
【００５２】  従って、一般的には鉛電池式蓄電システムでは充電率に余裕があればあったで長寿命が期待できなくなるし、充電率に余裕が無ければ無いで、電力貯蔵性能（電力貯蔵効率）が損なわれる。本発明では追加充電の効果によってこれを克服することが出来る。
【００５３】  つまり、本発明によれば、主電力による充電が終了した時点では鉛蓄電池の充電率に余裕があっても、該鉛蓄電池は追加充電の効果によってサルフェーションの進行が抑制されるので長寿命に繋がる。
【００５４】  追加充電は主電力による充電が単に時間延長されることとは根本的に異なる。主電力による充電には効率の良い電力貯蔵が求められるが、追加充電では充電率を出来るだけ１００％に近づけることを最優先とする。従って、追加充電にはむしろ電力貯蔵にはすこぶる効率の悪い小電流での長時間充電が採用される。その結果、追加充電では水の分解は少なく抑えられて充電率が１００％に近い状態にまで達することが出来る。
【００５５】  結局、本発明による鉛電池式蓄電システムでは効率の良い電力貯蔵性能を確保するために余裕ある定格容量で設計しても、追加充電によって鉛蓄電池のサルフェーションの進行が抑制されるので長寿命も期待できる。
【００５６】  本発明に係る蓄電システムでは、組電池数ｎを極端に大きくすれば、各組電池の追加充電の巡回頻度は極端に少なくなる。仮に、ｎ＞９０であれば、追加充電が１日一回行われるとすれば、いずれの組電池も追加充電されるチャンスが３ケ月以上も訪れないことになる．現状、ストック中の鉛電池には好ましくは１ケ月に一回、少なくとも３ケ月に一回の補充電が必要とされていることを鑑みれば、本発明に係る蓄電システムでは、好ましくはｎ≦３０、多くともｎ≦９０が目安となる。
【実施例】
【００５７】  以下実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【実施例１】
【００５８】  太陽光発電に基づく余剰電力は午前９時頃から午後４時頃までに発生すると考えられるし、深夜電力に基づく余剰電力は電力使用が少なくなる午前０時頃から午前７時頃までに発生すると考えられる。従って、余剰電力が太陽光発電に基づくと想定しても、深夜電力に基づくと想定しても、余剰電力が発生する時間は６〜７時間程度である。【００５９】  そこで、本実施例では、余剰電力が最大４８Ａの出力で７時間発生するという前提で、この余剰電力をこの余剰電力が発生する以外の時間帯で平均的に利用するということを目的として、本発明に係る鉛電池式蓄電システムを設計した。【００６０】  本実施例における鉛電池式蓄電システムを構成するためのユニット鉛蓄電池としては市販の鉛蓄電池（公称電圧１２Ｖ、公称容量６０Ａｈ、寸法３８８×１１６×１７５ｍｍ、質量約２１ｋｇ）を用意した。用意した鉛蓄電池は何れも６個の単セルが直列に接続されて構成された組電池である。主電力用の充電器及び補助電力用の充電器としてはＡＣ９０〜１２０Ｖの単層電源を動作電源とする市販の定電圧定電流直流電源を用意した。【００６１】  該組電池はいずれも９．６Ａの定電流で、上限電圧を１４．７６Ｖに設定して９時間の標準的な充電を行い、その後、終止電圧１０．５Ｖまで１０Ａの定電流放電を行ってそれぞれの定格容量を測定した。その結果、放電容量はいずれも約５８Ａｈであったので該組電池の定格容量を５８Ａｈと決定した。なお、本明細書では定格容量とは最も好条件の充電によって到達し得る充電容量を意味するものとしている。【００６２】  本実施例では余剰電力が最大４８Ａの出力で７時間発生することを前提としたので、余剰電力の最大値は４８×７＝３３６Ａｈと想定して、用意した組電池の７組を電気的に並列に接続して、図１に示す構成でｎ＝７で作成した。【００６３】  つまり、本実施例で作成した蓄電システム（２０）は、図１に示す構成で、７組の組電池（１−１）、（１−２）・・・（１−７）がそれぞれの放電用スイッチ（２−１）、（２−２）・・・（２−７）とそれぞれの充電用スイッチ（３−１）、（３−２）・・・（３−７）を介して電気的に並列に接続されて構成されている。【００６４】  主電力用の充電器として用意した定電圧定電流直流電源（１２）の出力端子は蓄電システム（２０）の充電入力端子（７）に接続し、補助電力用の充電器として用意した定電圧定電流直流電源（１３）の出力端子は充電入力端子（８）に接続した。ただし、本実施例における蓄電システムではダイオード（１６）は使用していない。【００６５】  本実施例で作成した蓄電システム（２０）は定格容量が４０６Ａｈであり、想定余剰電力の最大値（３３６Ａｈ）に対しては２０％の余裕を持たせた設計である。【００６６】  主電力用の充電器として用意した直流電源（１２）は上限の出力電圧を１４．７６Ｖに設定し、最大出力電流は４８Ａに設定し、出力時間は７時間に設定した。また、補助電力用の充電器として用意した直流電源（１３）は出力電圧を１３．８Ｖの定電圧に設定し、出力電流は最大電流を８Ａに設定し、出力時間は１７時間に設定した。【００６７】  本実施例では蓄電システム（２０）の各スイッチの開閉については図３に示す���ログラムを作成した。図３に示すプログラムでは、スイッチ４は夜中の２４時（午前０時）にＯＮ状態となり、７時間後の午前７時にＯＦＦ状態となり、更に１７時間後の２４時（午前０時）には再びＯＮ状態となる。従って、本実施例では蓄電システムは７時間が主電力による充電に、残りの１７時間が追加充電に時間配分され、同時に１７時間が追加充電される以外の組電池の放電に時間配分され、２４時間（１日）一回の充放電を行うという方法で充放電を繰り返した。【００６８】  本実施例では、図３に示すプログラムに従って、先ずスイッチ４とスイッチ（３−１）〜（３−７）がＯＮ状態となり、主電力から充電電流４８Ａが入力されて７組の組電池（１−１）〜（１−７）が充電される。主電力による充電は７時間で終了する。【００６９】  主電力による充電が終了した後は、スイッチ５とスイッチ（２−２）〜（２−７）がＯＮ状態となり、組電池（１−２）〜（１−７）が放電して、蓄電システム（２０）は放電出力端子（９）から外部負荷に対して出力することができる。本実施例では２０Ａの定電流出力で放電させた結果、蓄電システムの放電容量は約３２０Ａｈであった。【００７０】  一方、組電池（１−２）〜（１−７）が放電している間には、スイッチ（２−１）はＯＦＦ状態で、スイッチ（６）とスイッチ（３−１）がＯＮ状態となるため、組電池（１−１）だけは充電器（１３）によって１３．８Ｖの定電圧充電（最大充電電流８Ａ）で１７時間に亘って追加充電される。組電池（１−１）は１７時間にも及ぶ追加充電で１００％に近い充電率まで充電される。【００７１】  図３に示すプログラムに従って、追加充電される組電池は主電力による充電が終了する度に順番に変更した。つまり、サイクルＣ１ではスイッチ（２−１）がＯＦＦ状態で、スイッチ（３−１）はＯＮ状態となって組電池（１−１）が追加充電され、サイクルＣ２では組電池（１−２）が、サイクルＣ３では組電池（１−３）が追加充電され、サイクルＣ８では再び組電池（１−１）が追加充電されることになる。【００７２】  本実施例では、蓄電システム（２０）の放電出力はいずれのサイクルにおいても、１組の組電池を除く６組の組電池が並列に放電することによって賄われ、６組の組電池が終止電圧（１０．５Ｖ）に達した時点で蓄電システム（２０）の放電を終了した。なお、いずれのサイクルＣｍにおいても、主電力による充電は１７時間後には再開するので、追加充電される組電池（１−ｍ）は１７時間に亘る追加充電の後では放電することは出来ない。そこで、追加充電された組電池（１−ｍ）は次のサイクルＣｍ＋１で放電する６組の組電池に含まれることになる。【００７３】  本実施例では、主電力による充電が終了した後にはいずれの組電池も７サイクルに１回の頻度で１７時間にも及ぶ追加充電がなされる。従って、いずれの組電池も一週間に１回の頻度で充電率が１００％に近い状態になっている。そのため、主電力による充電では未充電であった硫酸鉛も長期間放置されることなく、追加充電によって再充電されるのでサルフェーションを起こす可能性は消滅する。従って、本実施例における蓄電システムには長寿命が期待される。【００７４】  実際、本実施例では、６０回の充放��を繰り返した後においても蓄電システムの放電容量は約３２０Ａｈがほぼ維持されていた。【００７５】  本実施例における蓄電システムの放電出力は、追加充電された１組の組電池を含む６組の組電池によって賄われるので、追加充電された１組の組電池の放電容量が定格容量（５８Ａｈ）に等しいとすれば、主電力による６組の組電池の充電量は（３２０‐５８）÷５×６＝３１４．４Ａｈという計算である。【００７６】  一方、本実施例では、主電力による充電では充電終了時でも設定どおりの４８Ａの充電電流が維持されていたので、結局、主電源による７時間の充電では蓄電システムに入力された充電量は３３６（４８×７）Ａｈであった。従って、本実施例における蓄電システムの充電効率は９３．６％と高い値となっている。【００７７】  結局、本実施例の結果は、本発明に係る蓄電システムが効率の良い電力貯蔵性能と長寿命性能を兼ね備えた鉛電池式蓄電システムが提供可能となることを示している。【００７８】  図３に示す蓄電システム（２０）の各スイッチの開閉プログラムはタイマ式スイッチによって実行することもできる。その場合、充電用スイッチは二つのタイマ式スイッチが並列に接続されて構成されていればよい。例えば、図３に示した充電用スイッチ（３−１）のＯＮ／ＯＦＦパターンは、図４に示すＯＮ／ＯＦＦパターン（４０）に類似しているが、図４に示すＯＮ／ＯＦＦパターン（４１）のスイッチとＯＮ／ＯＦＦパターン（４２）のスイッチを並列に接続することによって、図４に示すＯＮ／ＯＦＦパターン（４０）となる。つまり、並列に接続したスイッチはいずれかのスイッチがＯＮであればＯＮとなる。【００７９】  また、放電用スイッチは二つのタイマ式スイッチが直列に接続されて構成されていればよい。例えば、図３に示した放電用スイッチ（２−１）のＯＮ／ＯＦＦパターンは、図５に示すＯＮ／ＯＦＦパターン（５０）に類似しているが、図５に示すＯＮ／ＯＦＦパターン（５１）のスイッチとＯＮ／ＯＦＦパターン（５２）のスイッチを直列に接続すればＯＮ／ＯＦＦパターンは（５０）となる。つまり、直列に接続したスイッチはいずれかのスイッチがＯＦＦであればＯＦＦとなる。
【実施例２】
【００８０】  実施例１ではサイクルＣｍに追加充電される組電池（１−ｍ）がサイクルＣｍ＋１で蓄電システムの放電出力に寄与する場合であったが、本実施例はサイクルＣｍに追加充電される組電池（１−ｍ）がサイクルＣｍにおいて蓄電システムの放電出力に寄与する場合の実施例である。【００８１】  本実施例における鉛電池式蓄電システムを構成するためのユニット鉛蓄電池も実施例１で用意したものと同じ定格容量５８Ａｈの鉛蓄電池の組電池である。主電力用の充電器及び補助電力用の充電器も実施例１と同じ市販の定電圧定電流直流電源を用意した。【００８２】  本実施例では余剰電力が最大２４Ａの出力で７時間発生することを前提としたので、余剰電力の最大値は２４×７＝１６８Ａｈと想定して、用意した組電池の３組を電気的に並列に接続して、図１に示す構成でｎ＝３で作成した。【００８３】  つまり、本実施例で作成した蓄電システム（２０）は、図１に示す構成で、３組の組電池（１−１）、（１−２）、（１−３）がそれぞれの放電用スイッチ（２−１）、（２−２）、（２−３）とそれぞれの充電用スイッチ（３−１）、（３−２）、（３−３）を介して電気的に並列に接続されて構成されている。【００８４】  主電力用の充電器として用意した定電圧定電流直流電源（１２）の出力端子は蓄電システム（２０）の充電入力端子（７）に接続し、補助電力用の充電器として用意した定電圧定電流直流電源（１３）の出力端子は充電入力端子（８）に接続した。ただし、本実施例の蓄電システムもダイオード（１６）は使用していない。【００８５】  結局、本実施例で作成した蓄電システム（２０）は定格容量が１７４Ａｈであり、余剰電力の最大値（１６８Ａｈ）に対しては多少（３．６％）の余裕を持たせた設計である。【００８６】  主電力用の充電器とする直流電源（１２）は上限の出力電圧を１４．７６Ｖに設定し、最大出力電流は２４Ａに設定し、出力時間は７時間に設定した。また、補助電力用の充電器とする直流電源（１３）は出力電圧を１３．８Ｖの定電圧に設定し、出力電流は最大電流を８Ａに設定し、出力時間は１１時間に設定した。【００８７】  本実施例では、前述の手順に従って、主電力からの充電電流２４Ａを入力して３組の組電池を充電した。主電力による充電は充電開始から７時間経過して終了とした。主電力による充電が終了した後は３組の組電池はそれぞれ単独で１０Ａの定電流で終止電圧（１０．５Ｖ）まで放電させた後、再び主電力による充電を再開するという方法で充放電を１日一回のサイクルで６０回繰り返した。１日一回のサイクルは主電力による充電に７時間、２組の組電池の放電にそれぞれ５．５時間、残りの６時間を追加充電後の組電池の放電にそれぞれ時間配分した。追加充電は２組の組電池が放電される時間帯に行った。【００８８】  何れの充放電サイクルにおいても、主電力による充電が終了した後には、前述の手順に従って、組電池（１−ｍ）を１３．８Ｖの定電圧充電（最大充電電流８Ａ）で追加的に充電した。ただし、ｍ＝１〜３であり、追加的に充電される組電池（１−ｍ）は主電力による充電が終了する度に順番に変更した。【００８９】  何れのサイクルにおいても、主電力による充電では充電終了時の充電電圧��約１４．７Ｖで、設定電圧（１４．７６Ｖ）より若干下であり、充電終了時の充電電流は設定どおりの２４Ａが維持された。結局、主電力による充電では蓄電システム（２０）に入力された充電量は１６８Ａｈであった。主電力による充電では３組の組電池にはそれぞれ５６Ａｈが入力されたことになる。【００９０】  主電力による充電が終了した後は、追加充電される組電池（１−ｍ）以外の２組の組電池を１０Ａの定電流でそれぞれ終止電圧まで放電させた。その結果、主電力による充電が終了した後の組電池の放電容量はいずれもほぼ５２Ａｈ（充電率＝５２÷５８×１００＝８９．７％）であった。【００９１】  一方、追加充電が終了した後の組電池（１−ｍ）も終止電圧に達するまで１０Ａの定電流で放電させた。追加充電が終了した後の組電池（１−ｍ）の放電容量は５８．０〜５８．５Ａｈ（充電率＝５８．５÷５８×１００＝１００．９％）であった。【００９２】  以上の結果から、本実施例における蓄電システムの主電力による充電では各組電池の充電率は８９．７％に達したに過ぎないが、主電力からの入力は９２．９％（充電効率＝５２÷５６×１００）という比較的高い効率で電力貯蔵されたことが分かる。充電効率が高い理由は、主電源による充電後の充電率が８９．７％と低いためである。主電源による充電後の充電率が低いのは、本実施例における蓄電システムが定格容量に余裕のある設計であるためである。【００９３】  しかし、主電力による充電が終了した後ではいずれの組電池においても定格容量の１０．３％に相当する硫酸鉛が残存していることになる。この残存する硫酸鉛は未充電のまま長期間を経過すれば結晶サイズが大きくなって、所謂、サルフェーションを起こす可能性がすこぶる高い。【００９４】  しかし、本実施例では、いずれの組電池も３サイクルに１回の頻度でなされる追加充電によって、３サイクルに１回の頻度で充電率が１００％に近い状態になっている。そのため、主電力による充電が終了した後で残存する１０．３％に相当する硫酸鉛はほとんどすべてが追加充電によって再充電されたことになる。従って、１０．３％に相当する硫酸鉛も長期間放置されることなく再充電されているのでサルフェーションを起こす可能性は消滅している。【００９５】  本実施例では、充放電サイクルを１日一回のサイクルで６０回繰り返した後においても、主電力による充電が終了した後の組電池の放電容量には殆ど劣化が見られていないことからもサルフェーションの進行は殆ど無かったと判断される。【００９６】  以上の実施例１や実施例２の結果にもみられるとおり、蓄電システムの定格容量を大きく設計した結果、主電力による充電（余剰電力の蓄電）が終了した時点の充電率は低くなる。そのため、実施例１や実施例２で作成した蓄電システムでは主電力による充電が終了した時点では、鉛蓄電池には相当量の未充電の硫酸鉛が残存しているはずである。【００９７】  従って、実施例１や実施例２で作成した蓄電システムも追加充電を適用せずに充放電を繰り返せば、残存する未充電硫酸鉛のサルフェーションによって容量劣化は避けられないはずであり、実施例１や実施例２で追加充電の効果が立証されている。
【実施例３】
【００９８】  本実施例では既にサルフェーションを起こして容量劣化を起こした鉛蓄電池で実施例２と同じ要領で蓄電システムを作成して、追加充電の効果を確認した。【００９９】  本実施例で使用した３組の組電池は基本的には実施例２で使用した鉛蓄電池と同一メーカーの同一機種であるが、構内運搬車に搭載されて２年程度使用された鉛蓄電池である。なお、本実施例でも主電力用の充電器及び補助電力用の充電器には実施例２と同じ市販の定電圧定電流直流電源を用意した。【０１００】  先ず、３組の組電池はいずれも９．６Ａの定電流で、上限電圧を１４．７Ｖに設定して９時間の標準的な充電を行い、その後、終止電圧１０．５Ｖまで１０Ａの定電流放電を行ってそれぞれの充放電容量を測定した。その結果、放電容量はいずれも約４８Ａｈであり、本実施例で使用した組電池の定格容量は４８Ａｈである。【０１０１】  本実施例は実施例２と同じように、用意した３組の組電池をそれぞれ放電用スイッチ（２−１）〜（２−３）及び充電用スイッチ（３−１）〜（３−３）を介在させて電気的に並列に接続して、図１に示す構成で蓄電システム（２０）をｎ＝３で作成した。主電力用の充電器とする定電圧定電流直流電源（１２）の出力端子は蓄電システム（２０）の充電入力端子（７）に接続し、補助電力用の充電器とする定電圧定電流直流電源（１３）の出力端子は充電入力端子（８）に接続した。【０１０２】  仮に、実施例２で作成した蓄電システムが追加充電を適用せずに充放電を繰り返した結果、定格容量の１７．２％に相当する硫酸鉛がサルフェーションを起こして容量劣化したとすれば、本実施例で作成した蓄電システムはそれに近い。【０１０３】  本実施例では、余剰電力としては実施例２と同じく、最大２４Ａの余剰出力が７時間発生することを前提とし、主電力用の充電器とする定電圧定電流直流電源（１２）は上限の出力電圧を１４．７６Ｖに設定し、最大出力電流は２４Ａに設定し、出力時間は７時間に設定した。一方、補助電力用の充電器とする定電圧定電流直流電源（１３）は出力電圧を１３．８Ｖの定電圧に設定し、出力電流は最大電流を８Ａに設定し、出力時間は１１時間に設定した。【０１０４】  なお、本実施例における蓄電システム（２０）の定格容量（４８×３＝１４４Ａｈ）は本実施例における想定余剰電力の最大値（２４×７＝１６８Ａｈ）の８５．７％相当で、本実施例における蓄電システムは、定格容量が余剰電力よりかなり少なく設計されたことになる。【０１０５】  本実施例でも、手順に従って、主電力からの充電電流２４Ａを入力して３組の組電池（１−１）〜（１−３）を充電した。主電力による充電は充電開始から７時間経過して終了とした。主電力による充電が終了した後は３組の組電池はそれぞれ単独で１０Ａの定電流で終止電圧（１０．５Ｖ）まで放電させたあと、再び主電力による充電を再開するという方法で充放電を１日一回のサイクルで６０回繰り返した。１日一回のサイクルは主電力による充電に７時間、２組の組電池の放電にそれぞれ５．５時間、残りの６時間を追加充電後の組電池の放電にそれぞれ時間配分した。追加充電は２組の組電池が放電される時間帯に行った。【０１０６】  何れの充放電サイクルにおいても、主電��による充電が終了した後には、手順に従って、組電池（１−ｍ）を１３．８Ｖの定電圧充電（最大充電電流８Ａ）で追加充電した。ただし、ｍ＝１〜３であり、追加充電される組電池（１−ｍ）は主電源による充電が終了する度に順番に変更していった。【０１０７】  １回目〜３回目の充放電サイクルにおいては、主電力による充電では充電開始から約５．９時間で充電電圧が設定電圧（１４．７６Ｖ）に達し、その後は充電電流が急激に減少し始め、充電終了時の充電電流は８．１Ａであった。【０１０８】  結局、充電開始から７時間の間に主力から蓄電システム（２０）に入力された充電量は１５１Ａｈであり、３組の組電池にはそれぞれ５０．３Ａｈが入力されたことになる。この場合、仮想余剰電流量（１６８Ａｈ）の約９０％しか蓄電システム（２０）には入力されていない。これは定格容量が余剰電力よりかなり少なく設計されたことによる。【０１０９】  主電源による充電が終了した後は、手順に従って、組電池（１−ｍ）以外の２組の組電池を１０Ａの定電流でそれぞれ終止電圧まで放電させた。その結果、１回目〜３回目の充放電サイクルにおいては、主電源による充電が終了した後の放電容量はいずれの組電池もほぼ４３．７Ａｈ（充電率＝４３．７÷４８×１００＝９１）であった。つまり、いずれの組電池も放電開始から４．４時間で終止電圧（１０．５Ｖ）に達した。なお、入力された電気量（１５１Ａｈ）が全て充電されるわけではないので定格容量（１４４Ａｈ）以上が入力されても充電率は９１％にとどまっている。【０１１０】  一方、追加充電が終了した後の組電池（１−ｍ）も終止電圧に達するまで１０Ａの定電流で放電させた。追加充電が終了した後の組電池（１−ｍ）の放電容量は４８．５〜４９Ａｈ（充電率＝４９÷４８×１００＝１０２）であった。組電池（１−ｍ）は追加充電によって約１０２％の充電率に達した。【０１１１】  ３回目以降の充放電サイクルにおいては、主電力による充電では充電開始から充電電圧が設定電圧（１４．７３Ｖ）に達するまでの時間が徐々に伸び、５８回目以降の主電力による充電では、充電電圧は７時間の充電が終了するまで設定電圧（１４．７６Ｖ）以下であり、充電電流は充電終了時まで設定どおりの２４Ａが維持されるようになった。つまり、５８回目以降の主電力による充電では、ほぼ実施例２の蓄電システムと同じレベルにまで回復した。【０１１２】  結局、５８回目以降の主電力による充電では、入力された充電量は１６８Ａｈであり、主電力による充電では３組の組電池にはそれぞれ５６Ａｈが入力されたことになる。【０１１３】  ５８回〜６０回の充放電サイクルにおいては、主電力による充電が終了した後の各組電池の放電容量はいずれもほぼ５２Ａｈまで回復した。また、追加充電が終了した後の組電池（１−ｍ）の放電容量も約５８．０Ａｈまで回復した。【０１１４】  以上の結果から、本発明による蓄電システムでは、一旦サルフェーションによって容量劣化した鉛蓄電池は追加充電によって徐々に回復することが分かった。従って、本発明による蓄電システムは、主電力による充電では充電率が高くなりにくい電力貯蔵の用途でも、鉛蓄電池のサルフェーションによる容量劣化は起こり難く、余剰電力対策の��効な手段となり得る。【０１１５】  以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において上記実施形態が種々変更可能である。
【符号の説明】
【０１１６】１  組電池
２  放電用スイッチ
３  充電用スイッチ
４  主電力スイッチ
５  放電出力スイッチ
６  補助電力スイッチ
７  充電入力端子
８  充電入力端子
９  放電出力端子
１０  主電力入力端子
１１  補助電力入力端子
１２  充電器
１３  充電器
１６  ダイオード
１７  ダイオード
２０  蓄電システム
４０  並列スイッチのＯＮ／ＯＦＦパターン
４１  スイッチのＯＮ／ＯＦＦパターン
４２  スイッチのＯＮ／ＯＦＦパターン
５０  直列スイッチのＯＮ／ＯＦＦパターン
５１  スイッチのＯＮ／ＯＦＦパターン
５２  スイッチのＯＮ／ＯＦＦパターン
【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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