特開 2024-81359 準自立型太陽光発電自家消費システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024081359

(43)【公開日】2024-06-18

(54)【発明の名称】準自立型太陽光発電自家消費システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/46 20060101AFI20240611BHJP

   H02J 3/32 20060101ALI20240611BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20240611BHJP

   H02J 7/35 20060101ALI20240611BHJP

【ＦＩ】

H02J3/46

H02J3/32

H02J3/38 130

H02J7/35 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022194926

(22)【出願日】2022-12-06

(71)【出願人】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(71)【出願人】

【識別番号】522475409

【氏名又は名称】株式会社ＡＫＡＭＡＴＳＵ

(74)【代理人】

【識別番号】100098936

【弁理士】

【氏名又は名称】吉川 晃司

(74)【代理人】

【識別番号】100098888

【弁理士】

【氏名又は名称】吉川 明子

(72)【発明者】

【氏名】松尾 廣伸

(72)【発明者】

【氏名】赤松 重秀

【テーマコード（参考）】

5G066

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G066HA15

5G066HB06

5G066HB09

5G066JA07

5G066JB03

5G503AA01

5G503AA06

5G503BB01

5G503DA04

5G503GB06

(57)【要約】      （修正有）

【課題】海外で普及している廉価で入手可能なハイブリッドインバータを主体として、コスト面でのメリットをそのまま生かしつつ日本で上手く使えるように工夫する。
【解決手段】太陽光発電パネルと接続されたハイブリッドインバータと、インバータと負荷との間の電路に設けられ、前記負荷側が単相３線出力用に調整されている降圧用の変圧部と、インバータ出力電圧と系統電圧との間の自動切換器を備える。オングリットの場合には、自動変換器をインバータで構成し、系統がインバータのｉｎに２００Ｖ単二入力の形で接続されている。また、ｏｕｔから単二出力されるが、「常時」はインバータ出力電圧が、「不足時」には系統電圧がそれぞれ供給される。電圧差があるので、変圧器では入力側の電圧の種類に合わせてタップ電圧が調整されて、単二出力がインバータ出力電圧であれ系統電圧であれ、変圧器からの単三出力は通常の定格電圧に合うようにセットされる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽光発電パネルと接続され、単相２線式で電圧出力するハイブリッドインバータと、
前記ハイブリッドインバータと負荷との間の電路に設けられ、前記負荷側が単相３線出力用に調整されている降圧用の変圧部と、
インバータ出力電圧と系統電圧との間の自動切換器を備え、
前記自動切換器を前記変圧器と前記負荷との間に設けるか、または、系統と接続された前記ハイブリッドインバータで構成することを特徴とする準自立型太陽光発電自家消費システム。

【請求項2】

請求項１に記載した準自立太陽光発電自家消費システムにおいて、
自動切換器を変圧器と負荷との間に設け、かつ、
系統に連系されたパワーコンディショナを更に備えることを特徴とする準自立型太陽光発電自家消費システム。

【請求項3】

請求項１に記載した準自立型太陽光発電自家消費システムにおいて、
自動切換器を系統と連系されたハイブリッドインバータで構成し、変圧器をタップ切替変圧器にして、
パワー電流の通電可能なスイッチ機能部との連携によりインバータ出力電圧と系統電圧に合わせてタップを切替えることで、いずれの電圧が出力されても負荷側に一定の大きさの電圧が供給されることを特徴とする準自立型太陽光発電自家消費システム。

【請求項4】

請求項３に記載した準自立型太陽光発電自家消費システムにおいて、
スイッチ機能部との連携により中性点側も切替えることを特徴とする準自立型太陽光発電自家消費システム。

【請求項5】

請求項４に記載した準自立型太陽光発電自家消費システムにおいて、
変圧器が単相単巻トランスで構成されていることを特徴とする準自立型太陽光発電自家消費システム。

【請求項6】

請求項１に記載した準自立型太陽光発電自家消費システムにおいて、
ハイブリットインバータは更に蓄電池とも接続されており、前記蓄電池には、充電器を介して単相２線式を用いた充電が可能になっていることを特徴とする準自立型太陽光発電自家消費システム。

【請求項7】

請求項１に記載した準自立型太陽光発電自家消費システムにおいて、
ハイブリッドインバータの入力部に、パワー電流の通電可能なスイッチ機能部との連携により系統を含む単相３線式と単相２線式の電源が択一的に接続可能になっていることを特徴とする準自立型太陽光発電自家消費システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は太陽光発電と蓄電池との組み合わせ利用を前提とした太陽光発電自家消費システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

最近は、ＦＩＴの終了により太陽光発電の売電価格が低下する一方で、系統の買電価格、すなわち電気料金は上昇している。
このような状況下において、太陽光発電と蓄電池とを組み合わせて、太陽光発電の自家消費により電気利用コストの改善を図ろうとする動きが出ており、特許文献１に記載のような機器も提案されている。
しかしながら、電力が不足した場合には系統から賄うことができるようにする実用的な準自立タイプにしようとした場合、そのシステムの構築に必要な機器を国産のもので全て賄うのでは、システム構築に係るコストが非常に高くなってしまう。
一方、海外では、太陽光発電と蓄電池の双方を制御可能なハイブリッドインバータが廉価で入手可能になっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６８８８８９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は上記従来の問題点に着目して為されたものであり、海外で普及している廉価で入手可能なハイブリッドインバータを主体として、その他の機器を組み合わせ利用することで海外と国内との間の電圧差等の問題をクリアして、コスト面でのメリットをそのまま生かしつつ日本で上手く使えるように工夫された、新規且つ有用な準自立型の太陽光発電自家消費システムを提供することを、その目的とする。
また、本発明は、基本的なアイデアを共通しつつ、電気用品安全法や系統連系の認証取得に関連して、現時点で直ちに導入可能なものと、将来の導入が期待されるものに分けて具体化した準自立型の太陽光発電自家消費システムを提供することを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、太陽光発電パネルと接続され、単相２線式で電圧出力するハイブリッドインバータと、前記ハイブリッドインバータと負荷との間の電路に設けられ、前記負荷側が単相３線出力用に調整されている変圧部と、インバータ出力電圧と系統電圧との間の自動切換器を備え、前記自動切換器を前記変圧器と前記負荷との間に設けるか、または、系統と接続された前記ハイブリッドインバータで構成することを特徴とする準自立型太陽光発電自家消費システムである。

【0006】

オフグリットタイプでは、自動切換器を変圧器と負荷との間に設け、かつ、系統に連系されたパワーコンディショナを更に備えることもできる。

【0007】

オングリットタイプでは、自動切換器を含む系統と連系されたハイブリッドインバータで構成し、変圧器をタップ切替変圧器にして、パワー電流の通電可能なスイッチ機能部との連携によりインバータ出力電圧と系統電圧に合わせてタップを切替えることで、いずれの電圧が出力されても負荷側に一定の大きさの電圧が供給される。
スイッチ機能部との連携により中性点側も切替え構成にすれば、変圧器を単相単巻トランスで構成できる。

【0008】

ハイブリットインバータは更に蓄電池と接続させてもよい。その場合には、充電器を介して単相２線式を用いた充電をすることもできる。

【0009】

ハイブリッドインバータの入力部に、パワー電流の通電可能なスイッチ機能部との連携により系統を含む単相３線式と単相２線式の電源が択一的に接続可能に構成することも可能である。

【発明の効果】

【0010】

本発明の準自立型太陽光発電自家消費システムは、海外で普及している廉価で入手可能なハイブリッドインバータを主体として、その他の機器を組み合わせ利用することで構築可能なものである。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システムの単線図である。

【図2】図１の要部の複線図である。

【図3】本発明の第２の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システムの単線図である。

【図4】図３の要部の複線図である。

【図5】本発明の第３の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システムの要部の複線図である。

【図6】本発明の第４の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システムの要部の複線図である。

【図7】本発明の第５の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システムの要部の複線図である。

【図8】本発明の第６の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システムの要部の複線図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の第１の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システム１を、図１、図２にしたがって説明する。
主体として、ハイブリッドインバータ３が備えられている。このハイブリッドインバータ３には、ＰＶパネル（太陽光発電パネル）５が接続箱７を介して接続され、Ｂａｔｔ（蓄電池）９も接続されており、双方を制御可能になっている。また、単相２線式のｉｎ（入力部）とｏｕｔ（出力部）になっている。
ＰＶパネル５によって生成されたりＢａｔｔ９から放電された直流電圧が交流電圧に変換され、このｏｕｔ（出力部）に接続された電路からインバータ出力電圧として出力される。

【0013】

このハイブリッドインバータ３は海外仕様になっており、インバータ出力電圧が２２０－２４０Ｖと高めになっているので、系統に適した仕様になっている屋内に同様に引き込めるように、変圧器１１に通されて系統と同じ２００Ｖに降圧される。ハイブリッドインバータ３からの出力は一定の電圧（例えば、２４０Ｖ）に限定されるので、タップは固定される。また、系統からは単相３線式で通常配電されているので、それに合わせて変圧器１１の負荷側が単相３線式の巻線になっており、単三出力されて系統に接続した場合と同様に、３本の電線のうち、真ん中の中性線と上または下の電圧線を利用して１００Ｖ、上と下の電圧線を利用して２００Ｖが利用できるようになっている。
この変圧器１１は、単相複巻トランスで構成されているが、この準自立型太陽光発電自家消費システム１はオフグリットで構築されており、系統側との間にアースループが発生する恐れが無いので、低価格で軽量な単相単巻トランスで構成してもよい。

【0014】

変圧器１１を通されて単相３線式に変換されたインバータ出力電圧の電路と、系統から供給される系統電圧の電路は、共に、自動切換器１３に接続されており、この自動切換器１３の内蔵する電圧監視を利用した優先設定機能により、負荷には、「常時」はインバータ出力電圧が優先的に供給され、「不足時」には系統電圧が供給される。
すなわち、負荷側には、恰もオングリットのように電圧が安定的に供給され続ける。しかも停電時にも、Ｂａｔｔ９が空にならない限りは「常時」モードでインバータ出力電圧が供給され続ける。

【0015】

ＰＶパネル５は、ＰＶ－ＰＣＳ（パワーコンディショナ）１５を介して、系統と自動切換器１３との間の電路に接続させてもよい。このように接続させることで、容量を超えた分については系統に流すことができる。

【0016】

準自立型太陽光発電自家消費システム１は上記のように構成されており、ハイブリッドインバータ３と変圧器１１の利用によりシステム構築に係るコスト面でのメリットを生かしつつ、更に、オフグリッドでシステムを構築するので、ＰＶ－ＰＣＳ１５への接続を除けば停電時に太陽光発電で生成された電気が系統に逆流することもない。加えて、自動切換器１３として、既に認証を取得している市販のものを利用することで、系統に対して非認証品を接続しないで、システム構築できる。

【0017】

また、ハイブリッドインバータ３の単二入力用のｉｎ（入力部）を利用して、発電機等の非常用電源が接続可能になっている。２００－２４０Ｖで、単相２線式ならばそのまま単二入力して、Ｂａｔｔ９に蓄電できる。
このように、入力電源に太陽光発電以外も含ませることを可能とすることで、Ｂａｔｔ９に蓄電された電気は夜間等だけでなく、災害時等の非常時の電源としても積極的に活用可能になる。
また、Ｂａｔｔ９とハイブリッドインバータ３との間の電路にはＣｏｎｖ（ＵＳＢコンバータ）１７を介してＵＳＢ（機器）を接続させてもよい。Ｃｏｎｖ１７を接続させておけば、停電時でもＵＳＢ（機器）の代表的な携帯電話機程度は直接充電できる。
この準自立型太陽光発電自家消費システム１は、現時点では、一般家庭で導入し易く、最も推奨されるタイプになっている。

【0018】

本発明の第２の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システム１９を、図３、図４にしたがって説明する。
この準自立型太陽光発電自家消費システム１９でも、主体として、ハイブリッドインバータ３が備えられている。但し、系統に連系して、オングリットでシステムを構築しており、それに対応して配線構成が異なっている。ハイブリッドインバータ３の運転動作モードでは、出力の優先順位が、ＰＶパネル５→Ｂａｔｔ９→系統になっている。
単相３線方式の系統がハイブリッドインバータ３のｉｎ（入力部）に上下の電圧線を利用して２００Ｖ単二入力の形で接続されている。また、ｏｕｔ（出力部）に接続された電路から電圧が単二出力されるが、この電圧は、インバータ出力電圧と、系統電圧の２種類になっている。ハイブリッドインバータ３の内蔵する優先設定機能により、「常時」はインバータ出力電圧が優先的に供給され、「不足時」には系統電圧が供給される。

【0019】

ハイブリッドインバータ３から単二出力されたインバータ出力電圧と系統電圧には電圧差があるので、それに対応して、変圧器２１が用いられている。
単相複巻トランスで構成されており、変圧器１１と同様に、負荷側が３線式の巻線になっている。
タップ切替え式になっており、入力側の巻線に複数のタップが設けられている。入力側の電圧の種類に合わせてタップ電圧が調整されて、単二出力がインバータ出力電圧であれ系統電圧であれ、変圧器２１からの単三出力は通常の定格電圧に合うようにセットされる。

【0020】

タップの切替えは、パワー電流を通電可能なスイッチ機能部２３を利用して行われる。
単二出力の電圧が電圧監視リレー２３ａにより監視されており、リレー動作によりスイッチ２３ｂがＯＮ／ＯＦＦされて、タップ切替部２３ｃで接続されるタップが切替えられる。
なお、スイッチ機能部２３はパワー電流を通せるものであれば良く、パワー半導体で構成してもよいが、常にロスがありこのロスを減らそうと切替えを増やすとリスクが増えることから、メカニカルなパワーリレーがここでは採用されている。
また、電力計２５も設けられて、電力供給状況が視認できる。
なお、最近では、電気自動車（ＥＶ）も普及しているので、ハイブリッドインバータ３の出力電路に使用電圧が２００－２４０Ｖの充電用ＥＶコンセント３７を接続させて、電気自動車の充電に利用するようにしてもよい。

【0021】

この準自立型太陽光発電自家消費システム１９は、系統に接続するため、現時点では、国内では、直ぐに一般家庭で導入できるものではないが、ハイブリッドインバータ３の本来期待されている機能を最大限に利用することで、システム全体を一つの筐体にコンパクトに収めてスマート化できる利点がある。従って、一般家庭での導入への途を開くものとして、ＥＵやＵＳＡで認証が取得されていれば使用ＯＫ等の接続要件の緩和が期待される。

【0022】

また、Ｂａｔｔ９には、図示のように、別立てで、小容量入力可能なように充電器３５を接続させてもよい。ハイブリッドインバータ３には充電器が備えられているが、その充電器は大容量入力用になっている。バッテリーを搭載したハイブリッド車や発電用のエンジンを搭載している車があるが、この充電器３５を通すことで、安全にいつでも充電可能になり、停電時に太陽光発電が不足したような場合でも屋内に引き込む電源を増やすことができる。
トランス（図示省略）を通して降圧すれば、充電器３５には２００Ｖ単二入力も可能になってくる。当然２００Ｖ使用の充電器を用いても良い。

【0023】

本発明の第３の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システム２７を、図５にしたがって説明する。
この準自立型太陽光発電自家消費システム２７は、準自立型太陽光発電自家消費システム１９の変圧器２１に代えて変圧器２９が用いられている。この変圧器２９は、変圧器２１と異なり、低価格で軽量な単相単巻トランスで構成されて １次巻線と２次巻線がつながっている。そのため、系統側とのアースループの発生を阻止するために、スイッチ機能部２３の中性点切替部２３ｄでトランスの中性点と単三入力の中性点も択一的に切替えられるようになっている。

【0024】

本発明の第４の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システム３１を、図６にしたがって説明する。
この実施の形態以降は、入力電源の種類を増やして、停電時に積極的に活用できる構成にしたことが特徴になっている。
この準自立型太陽光発電自家消費システム３１は、準自立型太陽光発電自家消費システム２７に、ｉｎ（入力部）を利用した入力電源側では、系統由来の単三入力に加えて単二入力も、スイッチ機能部２３と連携させた同様な構成のスイッチ機能部３３を介して択一的に接続できるようになっている。この配線構成にすれば、系統の単三入力に切替えて、国内で比較的普及している２００Ｖ発電機からの単二入力も可能になっている。
なお、単二入力を２００Ｖだけ使う場合には、スイッチ機能部３３では中性点の切替えは不要なので、パワーリレーをＳＰＤＴで構成してもよい。

【0025】

本発明の第５の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システム３９を、図７にしたがって説明する。
この準自立型太陽光発電自家消費システム３９は、準自立型太陽光発電自家消費システム３１に、ｉｎ（入力部）を利用した入力電源側では、系統由来以外に、２００Ｖ単二入力と１００Ｖ単二入力を入力電源として、これらを一つのｉｎ（入力部）を介して択一的に接続できるようにしたものである。

【0026】

１００Ｖ単二入力側の電路は変圧器４１に通されて２００Ｖに昇圧されて、２００Ｖ単二入力用の電路に接続されている。なお、変圧器４１は、例えば３ｋＶＡの単相複巻のトランスで構成されており、極性を考慮する必要はない。
このように配線構成することで、１００Ｖ大容量の入力も可能になっている。

【0027】

本発明の第６の実施の形態に係る準自立型太陽光発電自家消費システム４３を、図８にしたがって説明する。
この準自立型太陽光発電自家消費システム４３は、準自立型太陽光発電自家消費システム３９と同様に１００Ｖ大容量の入力が可能になっているが、変圧器４１に代えて用いられた変圧器４５は、容量を下げた１．５ｋＶＡの単相複巻のトランスで構成されている。
この場合には、極性を反転させた入力により最大３ｋＶＡ対応にしているので、反転時の短絡状態が回避されている。スイッチ機能部３３と連携させたスイッチ機能部４７が設けられており、そこで、１００Ｖ単二入力側と単三入力側の間で切替えられ、スイッチ機能部３３でスイッチ機能部４７の出力側と２００Ｖ単二入力側との間で切替えられるようになっている。
このように配線構成することで、廉価なトランスを用いた１００Ｖ大容量の入力も可能になっている。

【0028】

以上、実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
例えば、上記の各実施の形態では、いずれも、１００Ｖ小容量対応の配線構成は、１００Ｖ大容量対応の配線構成と併存させることも可能である。
また、自動切換器１３の構造についても、特に限定されず、現在市販されている各種製品を利用できる。
更に、実施の形態では、ハイブリッドインバータと負荷との間の電路には、負荷側が単相３線出力用に調整されている変圧部が、１台の負荷側が単相３線式の巻線になっている変圧器で構成されているが、単相３線式の変圧器は高価かつ入手性が悪いので、例えば、単相複巻の変圧器を２台で構成してもよい。

【符号の説明】

【0029】

１…準自立型太陽光発電自家消費システム（第１の実施の形態）
３…ハイブリッドインバータ
５…ＰＶパネル（太陽光発電パネル） ７…接続箱
９…Ｂａｔｔ（蓄電池） １１…変圧器
１３…自動切換器 １５…ＰＶ－ＰＣＳ（パワーコンディショナ）
１７…Ｃｏｎｖ（ＵＳＢコンバータ）
１９…準自立型太陽光発電自家消費システム（第２の実施の形態）
２１…変圧器 ２３…スイッチ機能部 ２３ａ…電圧監視リレー
２３ｂ…スイッチ ２３ｃ…タップ切替部 ２３ｄ…中性点切替部
２５…電力計
２７…準自立型太陽光発電自家消費システム（第３の実施の形態）
２９…変圧器
３１…準自立型太陽光発電自家消費システム（第４の実施の形態）
３３…スイッチ機能部 ３５…充電器
３７…ＥＶコンセント
３９…準自立型太陽光発電自家消費システム（第５の実施の形態）
４１…変圧器
４３…準自立型太陽光発電自家消費システム（第６の実施の形態）
４５…変圧器 ４７…スイッチ機能部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】