JPH05256492A - 太陽エネルギ利用エアコンシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】太陽電池１で太陽光を電気に変換し、この電気
エネルギを、制御回路５とスイッチング回路６により、
主としてヒートポンプ１３を介して、エネルギ貯蔵器４
で熱エネルギ形態で消費あるいは潜熱として貯え、従と
してバッテリ３，８等への電力貯蔵，消費を並行して行
う。 【効果】日射に応じた太陽光発電電力を所定負荷で消費
し、余剰電力を複数個負荷で保存しながら太陽エネルギ
を最大限利用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】太陽光発電電力は環境破壊のない
無限エネルギと言われながら、安定に持続して確保する
ことが難しいことから、実用化が遅れ、設備普及によつ
て期待される低価格化も儘成らない状況にある。一方、
電力需要は発電所の立地難とは裏腹に、増加の一途を辿
っている。このため、電気事業者も、電力ピークの緩和
に役立つ太陽エネルギ利用システムの開発に努力してい
る。

【０００２】太陽エネルギ利用システムを、本発明のよ
うに構成することにより、年間を通じて太陽エネルギの
有効利用が図られ、特に、夏場の電力ピーク緩和に寄与
するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来の太陽エネルギ利用の発電システム
では、補助電源として商用電源あるいはエンジン付き発
電機等との併用を考えたものであり、しょせんは、日射
量の低下時には、太陽電池の出力不足分を、それらＡＣ
電源により補完されるだけのシステムである。従って、
太陽電池パネル構成は、夏場の電力ピークの緩和を想定
して太陽電池１モジュール当たり、日射強度が１ｋｗ／
ｍ² の時約６０Ｗ前後で、最適動作電圧が２０Ｖ、電流
が２.５Ａ 程度のものを二十数枚組み合わせて構成され
ており、最適動作範囲も狭まったものとなっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は日射量
の多い時の余剰電力の有効利用や、ＡＣ電源，太陽電
池，負荷の三者間のインピーダンスマッチングは不十分
であった。

【０００５】太陽エネルギ利用システムにおいて、日射
量の変化は緩慢，急激、あるいは大幅な上下変化と千差
万別な変化をする。この複雑な日射量の変化に対して、
設備利用率を最大にしながら、エアコン等の負荷運転を
停止せずに、しかも電源側とエアコン等負荷側をうまく
インピーダンスマッチングを図りながら負荷を制御する
には、制御回路も非常に複雑なものになる。特に商用電
源との連係をとらず、日射利用が大きい時の余剰電力を
１００％に近い形で利用するには、複数の負荷設備と最
適な電力配分調整が必要なこと等多くの課題を有する。

【０００６】これらの課題を要約すると、(1）日射量変
化時の最適負荷追従制御は、日射量の変化率と負荷制御
の応答性が必ずしも一致しないので、難しい。(2）負荷
電力に対して太陽電池出力が、日射量の大幅な上下変化
により過・不足が生じた場合、電源側と負荷側のインピ
ーダンスの食い違いが大きく、マッチングがとりずら
い。(3）負荷制御の基準となる日射量を正確かつ迅速に
測る必要があるが、専用の日射計で得られる値と太陽電
池で得られる特性とに食い違いが見られる。(4）日射が
急速に低下した場合、電力不足で負荷が停止する事が多
い。(5）複雑な日射変化に対して、負荷を最適な状態で
追従制御するための制御回路は、市販の関数発生器や変
換器で構成すると、非常に大きなものになってしまう。
(6）商用電源以外のＡＣ電源を使った場合でも、負荷と
太陽電池に対してインピーダンスマッチングを図る必要
がある。(7）日射が大きい時の余剰電力の有効利用が設
備利用率向上の鍵を握っているといえる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】自然エネルギ利用におい
て、最も予測困難な問題なのが、日射不足の日が何日続
くかを的確に予測することにある。特に、太陽光発電だ
けで、全く日射の無い夜間の電力消費を含めて、日射不
足を見越したエネルギ消費を推定することは不明確な点
が多く、難かしい。将来的には、電力の缶詰がこれらの
バックアップとして考えられなくもないが、現時点で
は、商用電源やエンジン付き発電機等の併用が有利な事
は否めない事実である。

【０００８】同上のような問題はあるものの、本発明で
は、最小設備によりあくまでも、太陽電池発電電力で、
一般家庭で消費される電力を可能な限り賄うことを前提
としている。

【０００９】太陽電池発電を年間を通じて一般家庭で消
費する平均電力（いま仮りに１ｋＷと想定）を得ようと
すると、全国年間平均日射量の０.４ｋＷ／ｍ²より、発
電設備は２.５ｋＷ 程度となる。従って、太陽電池の発
電電力を１００％利用できたとして、日射量が０.４ｋ
Ｗ／ｍ²を越えているときは余剰電力を生み、それより
小さい時は不足となる。

【００１０】普及率の高い家電品（テレビ，冷蔵庫，電
子レンジ，エアコン，洗濯機，炊飯器，照明器具等）に
おいて、その消費電力，使用時間と時間帯等を考慮する
と、エアコンと冷蔵庫が電力，時間ともに大きい。そこ
で、これらは余剰電力を熱エネルギの形で保存可能なも
のとし、その他の電気品は電力の形で貯蔵しながら利用
可能なものとして考える必要がある。

【００１１】本発明は、以上のように太陽エネルギを常
に消費と保存をバランスさせながら、最大限利用するこ
とにある。

【００１２】課題に対する具体的解決手段は、(1）通常
の負荷制御系の他に、過負荷制御を併用することによ
り、最適負荷への負荷追従性が格段に向上した。(2）日
射に負荷を追従させる制御の他に、太陽電池の組み替え
を行うことにより、複数の負荷に対しても、最適負荷同
様に電力が供給されるようになった。(3）常時発電に利
用している太陽電池の短絡電流を周期的に測れるように
したことで、出力にほとんど関係なく、日射計代替信号
が得られ、かつ、専用日射計より、信頼性の高い制御信
号が得られた。(4）エアコン内蔵の平滑コンデンサより
容量の大きいコンデンサをインバータ入力部に挿入する
ことにより、日射急変時の電力過、不足を和らげ、エア
コンを停止させずに済むようになった。(5）予想の困難
な日射の変化に応じて得られる太陽電池電力が、複数の
負荷に最適な状態で供給できるようにするための制御回
路は、太陽電池による日射量信号，負荷の電圧，電流か
ら得られる負荷量の演算，日射に応じた２点制御信号の
発振，室温測定と室温模擬信号の発生及びそれら信号の
切り替え、太陽電池の組み替え指令、ＡＣ電源と負荷の
インピーダンスマッチングのためのＡＣ電源電圧の変更
指令等、その時々に応じ入出力制御諸量を処理するため
にマイコンを利用し、インタフェイスの小型軽量を図っ
た。(6）ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ出力電圧をマイコ
ン指令で変化させることにより、太陽電池が負荷に対し
てインピーダンスマッチングが図られるようになった。
(7）余剰電力を生むような日射量の時、ヒートポンプを
定格状態で連続運転制御し、その熱エネルギを蓄熱材あ
るいは製氷として貯え、必要に応じ、利用できるように
したことで設備利用率が飛躍的に向上できた。

【００１３】

【作用】

(１)エアコン内蔵の温度制御系に、レベルの異なる３種
類の温度模擬信号を入れることにより、最大負荷，定格
負荷，最低負荷と太陽電池出力に合わせて負荷を変化さ
せることができるが、負荷の変化速度が遅いため、日射
急変時には応答し切れない。そこで、日射強度で決まる
太陽電池出力と現負荷量を比較し、その過、不足信号で
負荷を増減制御することで、日射量に負荷を追従させる
ことができる。

【００１４】(２)定常時より、大幅に日射が変動する
と、負荷の変更だけでは太陽電池出力と負荷のマッチン
グが図れないが、スイッチング回路による太陽電池の組
み替えを行うことで、負荷と出力のマッチングがとれ
る。

【００１５】(３)発電用の太陽電池を周期的に系統より
切り離し、その時の短絡電流の検出により、専用の日射
計が無くても日射量が分かり、日射量急変時の制御信号
の乱れや、制御定数の変化に対して常にこれを修正でき
る。

【００１６】(４)日射急変による電力不足が生じると、
エアコンが停止に至る場合が有るが、容量の大きいコン
デンサをインバータ入力部に挿入することにより、負荷
追従遅れを補い、これを回避することがてきる。

【００１７】（５）発電設備と負荷間のインタフェイス
の小型軽量化，低廉価により、家庭用電気品として汎用
化が図れる。

【００１８】(６)離島等、商用電源の無いところでも太
陽電池の最大電力を、その電力に応じて複数個の負荷に
安定供給できる。

【００１９】(７)余剰電力の用途の多様化｛(1）冷蔵庫
兼用の製氷器、(2）エアコンの連続運転による蓄熱ある
いは複数部屋の温度制御、(3）電気自動車等のバッテリ
充電に利用等｝により、常に、太陽電池出力の最大電力
が利用できる。

【００２０】

【実施例】図１に太陽電池，所定負荷設備，エネルギ貯
蔵設備，電力貯蔵設備、それにこれら負荷間のインピー
ダンスマッチングを図るための制御回路等で構成された
太陽エネルギ利用システムの一実施例を示す。

【００２１】１は太陽電池パネルで、日射量１ｋＷ／ｍ
² のとき、１モジール当たりの定格出力が６８Ｗのもの
３６枚程度で構成されている。この出力を、インバータ
エアコン２（暖房時標準消費電力１.２ｋＷ、冷房時消
費電力０.７７ｋＷ程度）のダイオードブリッジ１０と
パワーモジュール１１の間に接続して運転しょうとする
と、図２〜図４に示す太陽電池特性と図５のエアコン負
荷特性とから、電池組み合わせが１２直列×３並列で、
日射量６０％のとき最大負荷で連続運転が可能である。
同様に、日射量８５％では１２直列×２並列で最大運転
が可能となる。このように、日射量によって必要電力を
得るための電池枚数が大幅に変わり得る。一方、日射量
が小さい場合には、当然ながら負荷も小さく為らざる得
ないが、一般的なインバータエアコンでは、図６に示す
ように、運転初期に消費電力が大きく、時間経過ととも
に小さくなる制御パターンとなっている。従って、日射
量が小さい時、エアコンを起動するには、一時的にせよ
貯蔵された電力等が必要となる。この対応策として、バ
ッテリ８と、ＤＣ／ＡＣコンバータ９、そしてバッテリ
が過充放電にならないように監視するための、電圧計１
８で構成したＡＣ電源系を設けている。このＡＣ電源系
には、ファン１６や、切り替えバルブ１７等電力の小さ
い負荷がぶら下っている。なお、ＤＣ／ＡＣコンバータ
９の出力電圧は太陽電池と負荷にたいしてインピーダン
スマッチングがとり易いよう、９０〜１１０Ｖ電圧可変
の電源設備としている。次に、日射急変時であるが、こ
れまでの実験結果から日射強度の変化速度は、一例とし
て、２.３％／ｓ(電力変化速度に換算すると３７Ｗ／Ｓ
に相当）が観測されている。一方、インバータ負荷の変
化速度は、通常の温度制御範囲で下げ速度が１.３Ｗ／
Ｓ と１３Ｗ／Ｓの二通りあり、上げ速度は０.８７Ｗ／
Ｓ と日射変化速度に比べて遅い。それに対して過負荷
制御系では、インバータ負荷変化の上限速度とみられる
前述の１３Ｗ／Ｓが、負荷の増減で得られる。しかし、
これでも日射の変化速度のほうが上回っているので、電
力不足でエアコンが止まってしまうことがある。そこ
で、時定数調整コンデンサ７を、パワーモジュール１１
の入口部に接続して、これを回避するようにしている。
それでは、太陽電池出力に合わせ負荷を変更するには、
何を目標にして制御するかということになるが、太陽電
池には次のような際立った特徴がある。一つは太陽電池
の入射強度に合わせ、常に最適負荷が接続された状態で
は、電池電圧は、日射に係わりなくほぼ一定になる。二
つ目は、太陽電池の短絡電流は、日射量に比例して増減
するので、短絡電流を測定すれば日射量が分かることで
ある。三つ目に、日射量が分かり、電池の組み合わせが
決まれば、それに接続すべき最適な負荷抵抗が自ずと定
まる。この特徴を利用して、太陽電池の出力に対して最
適な負荷を、マイコンを使って日射に追従して制御する
ものである。しかし、図４，図５の特性からも明らかな
ように、これだけでは必ずしも最適な状態で負荷追従が
できない場合が生じるので、この時は、負荷に合わせて
電池の直並列組み替えを同時に行うものである。具体的
方法は、制御回路５内の基準となる最適動作電圧と電圧
計１５で測定される電圧とを、制御回路５内の比較器で
比較し、測定電圧が高い場合は負荷増、低い場合は負荷
減の信号として、負荷制御回路１３の過負荷制御系に伝
達し制御するものである。しかし、前述のように、これ
だけでは電池出力と負荷のマッチングがとれない場合が
あるので、そのときは偏差の大きな正あるいは負の電圧
信号を、スイッチング回路６に伝達し、負荷に見合った
電池出力となるよう、無接点リレー１９で電池の組み替
えが瞬時に行われる。

【００２２】余剰電力の利用については、ヒートポンプ
１２を高負荷連続運転で得られる冷あるいは暖熱をエネ
ルギ貯蔵器４（蓄冷熱材，製氷器，水素吸蔵合金等）に
貯え、常時は冷蔵庫として利用したり、必要時には冷
水，温水あるいは複数部屋の冷暖房空調等色々なエネル
ギ利用形態が考えられる。電気の形での利用では、前述
の補完電力の他に、充電専用バッテリ３、すなわち、電
気自動車用のバッテリ等への応用も十分考えられる。太
陽電池設備において、最適な負荷の配分や電池の組み替
えは全て、マイコン５で、日射，負荷，制御パターンを
うまく組合わせて行われる。

【００２３】ヒートポンプの高負荷運転は、何時，日射
が急変して、負荷を変えざる得ないかは定かでない。そ
こで、本発明をもとにエアコン用ヒートポンプを例に、
負荷を太陽電池出力に追従して運転する方法を具体的に
説明する。

【００２４】通常、エアコンの運転は、部屋の温度を何
度にするかをまず、温度調節器２１に希望温度を設定し
た上で、始動させる。これによって、ヒートポンプの熱
出力と部屋との熱収支の関係とで、温度センサ２０で検
出される室温は暖房時は上昇、冷房時は逆に低下する。
設定温度と室温の差が小さくなるに従い、図６の例のよ
うに、ヒートポンプで消費される動力はだんだん低下す
る。そこで、温度センサ２０からの温度信号を、切替ス
イッチ２３で切り、あたかも室温が前述の設定温度を越
えたと等価の温度模擬信号を入れてやると、エアコン内
蔵制御系の負荷変更モードでゆっくり低下し模擬信号の
大きさによっては最低負荷運転の維持も可能である。逆
に、模擬信号で設定温度と室温との温度差を大きくつけ
ておけば、定格運転を連続して行うことができ日射に合
わせて熱エネルギの貯蔵が可能となる。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
るので、以下に記載するような効果を奏する。

【００２６】太陽電池出力は日射量の大小に拘らず、負
荷の通常と過渡の両制御，太陽電池パネル組み替え制
御、さらに貯蔵電力の活用により、最高から最低までの
広い負荷範囲で安定運転が可能となった。最大電力が所
定負荷あるいは熱エネルギ貯蔵設備さらには電力貯蔵設
備の複数の負荷に供給されるので、エネルギ利用率は従
来に比べ、格段に向上する。また、日射急変時でもコン
デンサの蓄電効果や、太陽電池の日射計としての利用、
さらには、電力貯蔵設備のＡＣ電源電圧調整による、Ａ
Ｃ電源，太陽電池，負荷の三者間のインピーダンスマッ
チング等、複雑な入出力制御をマイコン制御することに
より、負荷を異常停止せずに済むことなど、利用効率向
上と設備費の低減化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を太陽エネルギ利用システムに適用した
場合の一実施例を示すブロック図。

【図２】入射エネルギ密度をパラメータとした場合の太
陽電池の電圧ー電流特性図。

【図３】図２の特性を持つ太陽電池に負荷抵抗を接続
し、抵抗値を変化して得られる出力−電圧特性図。

【図４】太陽電池の最大出力を得るための、最適負荷抵
抗値と日射量との関係を示す特性図。

【図５】インバータエアコン負荷の電力とインピーダン
スの関係の一例を示す特性図。

【図６】インバータエアコンの消費電力の時間的変化の
一例を示す特性図。

【符号の説明】

１…太陽電池、２…インバータエアコン、３…充電専用
バッテリ、４…エネルギ貯蔵器、５…制御回路、６…ス
イッチング回路、７…時定数調整コンデンサ、８…バッ
テリ、１３…負荷制御回路。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽電池の出力に応じて、エアコン負荷を
   追従制御できるよう、エアコン内蔵の通常負荷制御回路
   と過負荷制御回路にそれぞれ独立して、系外より負荷制
   御信号を入力できる制御回路を具備したことを特徴とす
   る太陽エネルギ利用エアコンシステム。
2. 【請求項２】太陽電池の最大出力を複数個の負荷に供給
   するため、スイッチング回路で太陽電池組み替えが可能
   な、負荷分別器を具備したことを特徴とする太陽エネル
   ギ利用エアコンシステム。
3. 【請求項３】発電に利用している太陽電池の１モジール
   について、周期的に短絡電流を検出し、その検出信号を
   日射計代替信号として利用したことを特徴とする太陽エ
   ネルギ利用エアコンシステム。
4. 【請求項４】太陽電池出力にエアコン負荷を追従させる
   システムにおいて、日射量変化速度と負荷変化速度の時
   定数を合わせるため、容量の大きいコンデンサをエアコ
   ンのインバータ入力部に用いたことを特徴とする太陽エ
   ネルギ利用エアコンシステム。
5. 【請求項５】太陽電池発電電力を最大限利用するための
   負荷追従制御回路、すなわち電源と負荷のインタフェイ
   ス回路として、電圧比較器，関数発生器，リレー制御回
   路等をマイコン化し、小型軽量化と低廉価を図ったこと
   を特徴とする太陽エネルギ利用エアコンシステム。
6. 【請求項６】エアコンのファン及び制御用ＡＣ電源や、
   曇天時等の日射強度の小さい時の、太陽電池に対する補
   完電力として、自励式ＤＣ／ＡＣコンバータ，バッテ
   リ，ＡＣ電圧調整器等を具備し、エアコンの最低負荷で
   も、太陽電池出力と負荷とのインピーダンスマッチング
   が図れることを特徴とする太陽エネルギ利用エアコンシ
   ステム。
7. 【請求項７】日射量が多い時の太陽電池の余剰電力を有
   効に活用するため、所定のエアコン負荷の他に、熱エネ
   ルギ貯蔵設備や、電気自動車用バッテリ充電設備等、複
   数個の負荷に余剰電力を供給できるようにしたことを特
   徴とした太陽エネルギ利用エアコンシステム。