JP6301912B2 - Natural energy power generation system - Google Patents
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Description
後述する実施形態は、概ね、自然エネルギー発電システムに関する。 Embodiments described below generally relate to a natural energy power generation system.
風車を有する風力発電システムや太陽電池などの発電モジュールを有する光発電システムは、クリーンなエネルギーシステムとして注目を集めている。従来からの光発電システムとしては、シリコン系太陽電池(単結晶シリコン、多結晶シリコン)、化合物系太陽電池、シリサイド系太陽電池、色素増感太陽電池、など様々なものが実用化されている。これら太陽電池は、太陽光などの光を受光して発電するものである。 A wind power generation system having a windmill and a photovoltaic power generation system having a power generation module such as a solar cell are attracting attention as a clean energy system. Various conventional photovoltaic power generation systems such as silicon solar cells (single crystal silicon, polycrystalline silicon), compound solar cells, silicide solar cells, and dye sensitized solar cells have been put into practical use. These solar cells generate light by receiving light such as sunlight.
太陽電池の出力電圧は、時間の経過とともに大きく変動する。これは日照量の変動に起因するものである。日照量の変動は、天気がわずかに曇るだけでも大きな変動を生じるものである。この出力変動を防止するためには、例えば特開2012−253848号公報(特許文献1)に示されるように、パワーコンディショナーを使用して出力電圧の変動を抑制していた。パワーコンディショナーを使用することにより、出力電圧の安定化は図れる。しかしながら、この方式では常にパワーコンディショナーが稼働せねばならず、パワーコンディショナーの負荷が大きい難点があり、特に出力電圧が大きくなるに従って負荷が大きくなる問題点があった。 The output voltage of the solar cell varies greatly with time. This is due to fluctuations in the amount of sunlight. The change in the amount of sunlight causes a large change even if the weather is slightly cloudy. In order to prevent this output fluctuation, for example, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-253848 (Patent Document 1), a power conditioner is used to suppress fluctuations in the output voltage. By using the power conditioner, the output voltage can be stabilized. However, in this method, the power conditioner must always be operated, and there is a problem that the load of the power conditioner is large. In particular, there is a problem that the load increases as the output voltage increases.
本発明が解決しようとする課題は、発電モジュールでの出力電圧を安定化させることが可能な自然エネルギー発電システムを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a natural energy power generation system capable of stabilizing an output voltage in a power generation module.
実施形態に係る自然エネルギー発電システムは、自然エネルギーを電力に変換する発電部を少なくとも1つ有する発電モジュールと、前記発電部により変換された電力の一部を蓄電する蓄電装置を少なくとも1つ有する蓄電モジュールと、を備えた蓄電機能を有する自然エネルギー発電システムにおいて、前記発電モジュールと前記蓄電モジュールとは並列に接続され、前記発電モジュールからの出力電力に蓄電モジュールからの出力電力を加えることにより、自然エネルギー発電システムとしての出力電力の安定化が可能であり、60分間における発電モジュールの出力の平均値A(W)に対し、最小出力が0.7A以下または最大出力が1.3A以上とばらついているときでも自然エネルギー発電システムとしての出力電力の安定化が可能であり、自然エネルギー発電システムの出力がA±0.25A(W)の範囲であり、上記蓄電装置は、多孔質電極層として酸化タングステン粉末を具備し、上記多孔質電極層は、膜厚が1μm以上であり、空隙率が20〜80体積%であり、内部抵抗が20Ω・cm 2 以下であることを特徴とするものである。
The natural energy power generation system according to the embodiment includes a power generation module that includes at least one power generation unit that converts natural energy into electric power, and an electric storage that includes at least one power storage device that stores part of the electric power converted by the power generation unit. In the natural energy power generation system having a power storage function including a module, the power generation module and the power storage module are connected in parallel, and by adding the output power from the power storage module to the output power from the power generation module, Ri stabilization can der output power as an energy generating system, to the average value a (W) of the output of the power generation module in 60 minutes, it varies the minimum output 0.7A or less, or the maximum output is higher 1.3A The output power can be stabilized as a renewable energy power generation system even when The output of the natural energy power generation system is in the range of A ± 0.25 A (W), the power storage device includes tungsten oxide powder as the porous electrode layer, and the porous electrode layer has a film thickness of It is 1 μm or more, the porosity is 20 to 80% by volume, and the internal resistance is 20 Ω · cm 2 or less .
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be illustrated with reference to the accompanying drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and detailed description is abbreviate | omitted suitably.
図1は、本実施の形態に係る光発電システムの構成を例示するための模式図である。図1中、符号1は自然エネルギー発電システム(光発電システム)であり、2は発電モジュール、3は蓄電モジュール、4はダイオード、5はパワーコンディショナー、6は負荷、である。 FIG. 1 is a schematic diagram for illustrating the configuration of the photovoltaic system according to the present embodiment. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a natural energy power generation system (photovoltaic power generation system), 2 is a power generation module, 3 is a power storage module, 4 is a diode, 5 is a power conditioner, and 6 is a load.
まず、実施形態に係る光発電システムは、発電モジュール2と蓄電モジュール3とを備えた蓄電機能を有する光発電システムである。 First, the photovoltaic system according to the embodiment is a photovoltaic system having a power storage function including the power generation module 2 and the power storage module 3.
発電モジュール2は、自然エネルギーを電力に変換する発電部を少なくとも1つ有したものである。自然エネルギーとしては、太陽光または風力が挙げられる。つまり、発電部は、光起電力効果または風力起電力効果を利用して、自然エネルギーを電力に変換するものである。太陽光は日照量の変化、風力は風量の変化が起き易い。 The power generation module 2 has at least one power generation unit that converts natural energy into electric power. Natural energy includes sunlight or wind power. That is, the power generation unit converts natural energy into electric power using the photovoltaic effect or the wind photovoltaic effect. Sunlight is likely to change the amount of sunlight, and wind power is likely to change.
発電部としては、例えば、太陽電池(光電池などとも称される)などで構成することができる。発電部を太陽電池とする場合には、太陽電池の種類に特に限定はない。なお、発電部を太陽電池とする場合は、一枚の透明基板(ガラス板など)上に形成された太陽電池パネルを一つの発電部とカウントするものとする。例えば、発電部は、シリコン系の太陽電池、化合物系の太陽電池、有機系の太陽電池などで構成することができる。 As a power generation part, it can comprise with a solar cell (it is also called a photocell etc.) etc., for example. When the power generation unit is a solar cell, the type of solar cell is not particularly limited. When the power generation unit is a solar cell, a solar cell panel formed on one transparent substrate (such as a glass plate) is counted as one power generation unit. For example, the power generation unit can be composed of a silicon-based solar cell, a compound-based solar cell, an organic solar cell, or the like.
シリコン系の太陽電池としては、例えば、結晶シリコンやアモルファスシリコンを用いたものを例示することができる。 Examples of the silicon-based solar battery include those using crystalline silicon or amorphous silicon.
結晶シリコンを用いたものとしては、単結晶シリコンを用いたもの(単結晶シリコン型)、多結晶シリコンを用いたもの(多結晶シリコン型)、微細な結晶のシリコンを用いたもの(微結晶シリコン型)などを例示することができる。 As crystalline silicon, those using single crystal silicon (single crystal silicon type), those using polycrystalline silicon (polycrystalline silicon type), those using fine crystalline silicon (microcrystalline silicon) Type) and the like.
また、結晶シリコンとアモルファスシリコンとを積層したもの(ハイブリッド型)としたり、吸収波長域が異なる複数のシリコン層を積層したもの(多接合型)としたり構成することもできる。 In addition, a structure in which crystalline silicon and amorphous silicon are stacked (hybrid type) or a plurality of silicon layers having different absorption wavelength ranges (multi-junction type) can be used.
化合物系の太陽電池としては、例えば、InGaAs(インジウム・ガリウム・ヒ素)、GaAs(ガリウム・ヒ素)、カルコパイライト系と呼ばれるI-III-VI族化合物などを用いたものを例示することができる。 Examples of compound solar cells include those using InGaAs (indium gallium arsenic), GaAs (gallium arsenic), I-III-VI group compounds called chalcopyrites, and the like.
有機系の太陽電池としては、例えば、有機色素を用いて光起電力を得る太陽電池(色素増感太陽電池)、有機薄膜半導体を用いて光起電力を得る太陽電池(有機薄膜太陽電池)などを例示することができる。 Examples of organic solar cells include solar cells that obtain photovoltaic power using organic dyes (dye-sensitized solar cells), solar cells that obtain photovoltaic power using organic thin film semiconductors (organic thin film solar cells), and the like. Can be illustrated.
なお、発電部は、例示をしたものに限定されるものではなく、光起電力効果を利用して、太陽光などの光のエネルギーを電力に変換できるものであれば好適に使用可能である。また、発電部は、風力発電、つまりは風力を電力に変換できるもので構成されてもよい。また、発電モジュール2は複数の発電モジュールを直列に接続してもよい。また、複数の発電モジュールを組合せる際に、太陽光発電モジュールと風力発電モジュールとを組合せて構成してもよい。 The power generation unit is not limited to the illustrated example, and any power generation unit can be used as long as it can convert light energy such as sunlight into electric power by utilizing the photovoltaic effect. Further, the power generation unit may be configured by wind power generation, that is, a device capable of converting wind power into electric power. The power generation module 2 may connect a plurality of power generation modules in series. Further, when combining a plurality of power generation modules, a photovoltaic power generation module and a wind power generation module may be combined.
次に、蓄電モジュール3について説明する。発電モジュールは、前記発電部により変換された電力の一部を蓄電する蓄電装置を少なくとも1つ有したものである。蓄電装置としては、後述するキャパシタ型蓄電モジュールが好ましい。また、蓄電モジュール3は複数の蓄電モジュールを直列に接続してもよい。 Next, the power storage module 3 will be described. The power generation module includes at least one power storage device that stores a part of the power converted by the power generation unit. As the power storage device, a capacitor-type power storage module described later is preferable. Further, the power storage module 3 may connect a plurality of power storage modules in series.
また、発電モジュール2と蓄電モジュール3とは並列に接続されている。また、複数の発電モジュールを直列に接続した場合は、直列に接続した複数の発電モジュールを一つの発電モジュールとして、蓄電モジュールに並列に接続するものとする。また、複数の蓄電モジュールを直列に接続した場合は、直列に接続した複数の蓄電モジュールを複数の蓄電モジュールとして、発電モジュールに並列に接続するものとする。また、直列接続した複数の発電モジュールを一つの発電モジュールとして、直列接続した複数の蓄電モジュールを一つの蓄電モジュールとして、発電モジュールと蓄電モジュールとを並列接続してもよい。 The power generation module 2 and the power storage module 3 are connected in parallel. In addition, when a plurality of power generation modules are connected in series, the plurality of power generation modules connected in series are connected in parallel to the power storage module as one power generation module. When a plurality of power storage modules are connected in series, the plurality of power storage modules connected in series are connected to the power generation module in parallel as a plurality of power storage modules. Further, the power generation module and the power storage module may be connected in parallel with a plurality of power generation modules connected in series as one power generation module and a plurality of power storage modules connected in series as one power storage module.
実施形態の自然エネルギー発電システムは、発電モジュール2と蓄電モジュール3とは並列に接続されており、発電モジュールからの出力電力に蓄電モジュールからの出力電力を加えることにより、自然エネルギー発電システムとしての出力電力の安定化が可能であることを特徴とするものである。 In the natural energy power generation system according to the embodiment, the power generation module 2 and the power storage module 3 are connected in parallel, and the output power from the power storage module is added to the output power from the power generation module, whereby the output as the natural energy power generation system is achieved. The power can be stabilized.
蓄電モジュールは発電モジュールの出力電圧の一部を蓄電することができる。また、蓄電モジュールは蓄電した電気の一部を発電モジュールの出力電圧に加えることができる。蓄電モジュールに電気を蓄え、その一部を出力電圧に加えることにより、自然エネルギー発電システムの出力電圧を安定化させることができる。 The power storage module can store a part of the output voltage of the power generation module. In addition, the power storage module can add a part of the stored electricity to the output voltage of the power generation module. By storing electricity in the power storage module and adding a part thereof to the output voltage, the output voltage of the natural energy power generation system can be stabilized.
発電モジュールの出力電力の一部、特に出力電圧の高い部分を蓄電し、出力電圧が低い部分に蓄電した電気の一部を供給することにより、自然エネルギー発電システムの出力電圧が上下に大きく変動するのを防ぐ、出力電圧の安定化を図ることができる。このため、日照量のわずかな変動により、太陽電池などの発電モジュールの出力電圧が上下に変動しても、その上下の変動幅を小さくし、安定した出力電圧を得ることができる。また、風力発電に関しても風量の変動により発電モジュールの出力電圧が上下に変動しても、その上下の変動幅を小さくし、安定した出力電圧を得ることができる。 By storing a part of the output power of the power generation module, especially the part where the output voltage is high, and supplying the part of the electricity stored in the part where the output voltage is low, the output voltage of the natural energy power generation system greatly fluctuates up and down It is possible to stabilize the output voltage. For this reason, even if the output voltage of a power generation module such as a solar cell fluctuates up and down due to slight fluctuations in the amount of sunshine, the fluctuation range in the vertical direction can be reduced and a stable output voltage can be obtained. Further, regarding wind power generation, even if the output voltage of the power generation module fluctuates up and down due to fluctuations in the air volume, the fluctuation range in the vertical direction can be reduced, and a stable output voltage can be obtained.
また、発電モジュール2と蓄電モジュール3との間にはダイオード4を設けることが好ましい。また、発電モジュール2と蓄電モジュール3との間にダイオード4を設けることにより、蓄電モジュール3からの電流が発電モジュール2に流れ込む逆流現象を防ぐことができる。逆流防止のダイオード4を設けることにより、蓄電モジュール2の電力を効率的に加えることもできる。 Moreover, it is preferable to provide a diode 4 between the power generation module 2 and the power storage module 3. Further, by providing the diode 4 between the power generation module 2 and the power storage module 3, it is possible to prevent a backflow phenomenon in which a current from the power storage module 3 flows into the power generation module 2. By providing the diode 4 for preventing the backflow, the power of the power storage module 2 can be efficiently applied.
また、図1では、発電モジュールの裏面に蓄電モジュールを張り付けた構造を示している。自然エネルギー発電システムのコンパクト化を図る場合は、発電モジュールの裏面に蓄電モジュールを設置する構造が好ましい。なお、実施形態の自然エネルギー発電システムは、このような構造に限定されるものではなく、発電モジュールと蓄電モジュールとが並列に接続されていればよい。 Moreover, in FIG. 1, the structure which stuck the electrical storage module on the back surface of the electric power generation module is shown. When the natural energy power generation system is to be made compact, a structure in which a power storage module is installed on the back surface of the power generation module is preferable. In addition, the natural energy power generation system of embodiment is not limited to such a structure, The power generation module and the electrical storage module should just be connected in parallel.
また、自然エネルギー発電システム1は、パワーコンディショナー5に接続されている。また、パワーコンディショナー5には負荷6が接続されている。負荷6は、パソコンやテレビなどの小電力設備、家庭や工場などの中・大規模設備、スマートグリッドなどの総合設備など電力を使用する設備であれば特に限定されるものではない。
The natural energy power generation system 1 is connected to a
また、パワーコンディショナーは、自然エネルギー発電システムから供給される電力を負荷6で使用できるように変換するシステムである。太陽電池などの自然エネルギー発電システムから供給される電力は直流である。一方、負荷6で使用される電気は一般に交流である。パワーコンディショナーは、自然エネルギー発電システムから供給される直流を負荷6で使用できる交流に変換する装置である。従来の自然エネルギー発電システムは日照量や風量のわずかな変動により出力電圧が大きく上下する直流電圧になっている。パワーコンディショナーによって安定した交流電圧に変換するために、パワーコンディショナーの複雑化や大型化が避けられなかった。このため、パワーコンディショナーの大型化、高価格化を招いていた。 The power conditioner is a system that converts electric power supplied from the natural energy power generation system so that it can be used by the load 6. Electric power supplied from a natural energy power generation system such as a solar cell is direct current. On the other hand, the electricity used in the load 6 is generally alternating current. The power conditioner is a device that converts direct current supplied from the natural energy power generation system into alternating current that can be used by the load 6. The conventional natural energy power generation system is a DC voltage whose output voltage greatly increases and decreases due to slight fluctuations in the amount of sunlight and the air volume. In order to convert the AC voltage to a stable AC voltage by the power conditioner, the power conditioner must be complicated and large. For this reason, an increase in the size and price of the power conditioner has been invited.
これに対して、本実施形態に係る自然エネルギー発電システムは、発電モジュールと蓄電モジュールとを並列に接続したユニット構造を有しているため、自然エネルギー発電システムの出力電圧の安定化を図ることができる。このため、パワーコンディショナーによる直流から交流への変換作業、目的とする出力電圧への変換などの作業負担を軽減することができる。このため、同じ出力を求める場合は、パワーコンディショナーの小型化を図ることができる。また、直流から交流への変換する負担を減らせるので、高出力化(ワット時Whを大きくする)することができる。そのため、使い易い自然エネルギー発電システムを提供することができる。 On the other hand, since the natural energy power generation system according to the present embodiment has a unit structure in which the power generation module and the power storage module are connected in parallel, the output voltage of the natural energy power generation system can be stabilized. it can. Therefore, it is possible to reduce work loads such as conversion work from direct current to alternating current by the power conditioner and conversion to the target output voltage. For this reason, when the same output is calculated | required, size reduction of a power conditioner can be achieved. In addition, since the burden of conversion from direct current to alternating current can be reduced, the output can be increased (the watt hour Wh can be increased). Therefore, an easy-to-use natural energy power generation system can be provided.
また、実施形態の自然エネルギー発電システムは、出力の安定化を図ることにより、発電モジュールの出力の平均値をA(単位:W(ワット))としたとき、自然エネルギー発電システムの出力をA±0.25A(W)の範囲内に抑制することができる。これは、平均出力A(W)に対し、±25%の範囲に出力のばらつきを抑えることを可能とすることを意味するものである。 In the natural energy power generation system of the embodiment, by stabilizing the output, when the average value of the output of the power generation module is A (unit: W (watt)), the output of the natural energy power generation system is A ±. It can suppress within the range of 0.25A (W). This means that it is possible to suppress variations in output within a range of ± 25% with respect to the average output A (W).
一般的なシリコン系太陽電池では、日照量の変動による出力のばらつきは平均出力A(W)に対し、±30%を超えた大きなばらつきが発生する。実施形態の自然エネルギー発電システムであれば出力のばらつきを±25%の範囲内に抑制することができる。つまり、発電モジュールの出力の平均値A(W)に対し、最小出力が0.7A以下または最大出力が1.3A以上とばらついているときでも自然エネルギー発電システムとしての出力電力の安定化が可能であること示すものである。 In a general silicon-based solar cell, the variation in output due to the variation in the amount of sunlight generates a large variation exceeding ± 30% with respect to the average output A (W). In the natural energy power generation system of the embodiment, output variations can be suppressed within a range of ± 25%. In other words, even when the minimum output is 0.7 A or less or the maximum output is 1.3 A or more with respect to the average value A (W) of the output of the power generation module, it is possible to stabilize the output power as a natural energy power generation system. It shows that it is.
また、縮小率が40%以上であることが好ましい。縮小率とは、縮小率(%)=[(自然エネルギー発電の最大出力変動幅−合成出力の最大出力変動幅)/自然エネルギー発電の最大出力変動幅]×100、により求められるものである。合成出力とは、実施形態の自然エネルギー発電システムの出力のことである。縮小率は100%に近いほど平滑化(出力の安定化)が行われていることを示す。 Further, the reduction ratio is preferably 40% or more. The reduction rate is obtained by reduction rate (%) = [(maximum output fluctuation width of natural energy power generation−maximum output fluctuation width of combined output) / maximum output fluctuation width of natural energy power generation] × 100. The combined output is an output of the natural energy power generation system of the embodiment. The closer the reduction rate is to 100%, the more smoothing (stabilization of output) is performed.
また、前記発電モジュールの出力の平均値をA(W)としたとき、前記蓄電装置の蓄電容量(J)は、300(秒)×A(W)以上であることが好ましい。蓄電装置の蓄電容量は、複数の蓄電モジュールを直列に接続した場合は、その合計値を蓄電モジュールの蓄電容量とする。また、蓄電装置の蓄電容量(J)が300(秒)×A(W)以上であると、自然エネルギー発電システムの出力をA±0.25A(W)の範囲にすることができる。さらに蓄電容量(J)を350(秒)×A(W)以上とすることにより、自然エネルギー発電システムの出力をA±0.20A(W)の範囲にすることができる。また、縮小率も50%以上にすることが可能になる。 Moreover, when the average value of the output of the power generation module is A (W), the power storage capacity (J) of the power storage device is preferably 300 (seconds) × A (W) or more. When the plurality of power storage modules are connected in series, the total value of the power storage capacity of the power storage device is the power storage capacity of the power storage module. Further, when the power storage capacity (J) of the power storage device is 300 (seconds) × A (W) or more, the output of the natural energy power generation system can be in the range of A ± 0.25 A (W). Further, by setting the storage capacity (J) to 350 (seconds) × A (W) or more, the output of the natural energy power generation system can be in the range of A ± 0.20 A (W). Also, the reduction rate can be 50% or more.
次に、蓄電モジュール3について説明する。蓄電モジュールについては、上記蓄電容量を有すればその構造については特に限定されるものではないが、好ましい蓄電モジュールとしては次のものが挙げられる。 Next, the power storage module 3 will be described. The structure of the power storage module is not particularly limited as long as it has the power storage capacity described above, but preferable power storage modules include the following.
蓄電モジュールの蓄電装置は、多孔質電極層として酸化タングステン粉末を具備することが好ましい。また、酸化タングステン粉末は六方晶結晶構造を有する三酸化タングステン粉末であることが好ましい。 The power storage device of the power storage module preferably includes tungsten oxide powder as the porous electrode layer. The tungsten oxide powder is preferably a tungsten trioxide powder having a hexagonal crystal structure.
前述のように、蓄電モジュールは蓄電と放電とをほぼ同時に行うことが要求される。このためには、電気を貯め易くかつ電気を放出し易い、充放電の高速化(いわゆる瞬発力のある)が可能な蓄電装置が望まれる。多孔質電極層として、酸化タングステン粉末を具備することにより、蓄電と放電とを効率的に行うことが可能となる。 As described above, the power storage module is required to perform power storage and discharge almost simultaneously. For this purpose, there is a demand for a power storage device that can easily store and discharge electricity, and can increase the speed of charging and discharging (so-called instantaneous power). By including a tungsten oxide powder as the porous electrode layer, it is possible to efficiently store and discharge.
また、酸化タングステン粉末は六方晶結晶構造を有する三酸化タングステン粉末であることが好ましい。なお、三酸化タングステンは化学量論比がWO3に近似していればよくWO2.6〜3.0の範囲であれば、機能的には三酸化タングステンであるとみなすことができる。The tungsten oxide powder is preferably a tungsten trioxide powder having a hexagonal crystal structure. Tungsten trioxide only needs to approximate the stoichiometric ratio to WO 3 and can be regarded as tungsten trioxide functionally if it is in the range of WO 2.6 to 3.0 .
酸化タングステンは、単斜晶、三斜晶、六方晶など様々な結晶構造をとる。実施形態の蓄電モジュールでは、酸化タングステン粉末一粒の中に六方晶結晶構造を有する部分(一部または全部)があることが好ましい。 Tungsten oxide has various crystal structures such as monoclinic, triclinic and hexagonal. In the power storage module of the embodiment, it is preferable that a part (part or all) having a hexagonal crystal structure is present in one grain of tungsten oxide powder.
酸化タングステン粉末、特に三酸化タングステン(WO3)粉末に六方晶結晶構造を具備させることにより、Liイオンの受け渡しを効率的にし、電極反応を向上させることができる。六方晶結晶構造三酸化タングステンは、結晶構造内部にWO6八面体の6員環から構成されるLiのイオンの拡散チャンネルとなるトンネル構造を有することから、結晶内でのLiの拡散が高速になり、充放電反応時の内部抵抗を低減できる。また、Liの拡散の高速化により、実施形態に係る酸化タングステン(WO3)粉末を用いた各種電池(蓄電池、色素増感太陽電池、キャパシタ、Liイオン二次電池)は充放電の高速化(短時間での放電、短時間での充電)が可能となる。By providing the tungsten oxide powder, particularly tungsten trioxide (WO 3 ) powder, with a hexagonal crystal structure, it is possible to efficiently deliver Li ions and improve the electrode reaction. The hexagonal crystal structure tungsten trioxide has a tunnel structure that becomes a diffusion channel of Li ions composed of a six-membered ring of WO 6 octahedron inside the crystal structure, so that the diffusion of Li in the crystal is fast. Thus, the internal resistance during the charge / discharge reaction can be reduced. In addition, by speeding up the diffusion of Li, various batteries (storage battery, dye-sensitized solar cell, capacitor, Li ion secondary battery) using the tungsten oxide (WO 3 ) powder according to the embodiment have a higher charge / discharge speed ( Discharge in a short time, charge in a short time).
内部抵抗を測定する方法としては、直流法で求めることができる。この測定法は放電を定電流で行い、放電時の電流密度を2水準以上で行うことにより内部抵抗を算出する方法である。具体的には放電時の電流密度と放電開始電圧との関係から内部抵抗を算出する。 As a method of measuring the internal resistance, it can be obtained by a direct current method. This measurement method is a method of calculating internal resistance by performing discharge at a constant current and performing the current density at the time of discharge at two or more levels. Specifically, the internal resistance is calculated from the relationship between the current density during discharge and the discharge start voltage.
本実施形態によれば、WO3を電極として組み込んだコンデンサや電池のセルに構成した状態で、内部抵抗を測定することができる。更に、上記拡散チャンネルはLiを収納できるスペースにもなるため、単斜晶WO3と比較して2倍程度のLiを収納できる。収納できるLi量をLixWO3の形で表記した場合、単斜晶ではx<0.67であるのに対し、六方晶構造では0<1.34とすることができる。そのため、酸化タングステン粉末は体積率50%以上、さらには90〜100%が六方晶結晶構造を有することが好ましい。六方晶結晶構造を50体積%以上にできれば、Li量を示すx値を0.67以上にすることができる。なお、LixWO3におけるx値の上限は特に限定されるものではない。According to the present embodiment, the internal resistance can be measured in a state where the capacitor is constructed as a capacitor or battery cell incorporating WO 3 as an electrode. Further, since the diffusion channel also becomes a space for storing Li, about twice as much Li can be stored as compared with monoclinic WO 3 . When the amount of Li that can be stored is expressed in the form of Li x WO 3 , the monoclinic crystal can satisfy x <0.67, whereas the hexagonal crystal structure can satisfy 0 <1.34. Therefore, the tungsten oxide powder preferably has a volume ratio of 50% or more, more preferably 90 to 100%, having a hexagonal crystal structure. If the hexagonal crystal structure can be made 50% by volume or more, the x value indicating the amount of Li can be made 0.67 or more. Note that the upper limit of the x value in Li x WO 3 is not particularly limited.
また、酸化タングステン粉末中の六方晶結晶の比率は、XRD回折ピークの強度値から求めることができる。ここで、XRD回折法により、六方晶と同定するためには少なくとも5本の回折ピークの一致が必要で、低角度側から(100)、(001)、(110)、(101)、(200)である。2θとしては典型的にはそれぞれ14.01±0.10°、27.80±0.10°、24.39±0.10°、24.86±0.10°、28.23±0.10°となる。 The ratio of hexagonal crystals in the tungsten oxide powder can be determined from the intensity value of the XRD diffraction peak. Here, in order to identify the hexagonal crystal by the XRD diffraction method, it is necessary to match at least five diffraction peaks. From the low angle side, (100), (001), (110), (101), (200 ). Typically, 2θ is 14.01 ± 0.10 °, 27.80 ± 0.10 °, 24.39 ± 0.10 °, 24.86 ± 0.10 °, and 28.23 ± 0. 10 °.
これらのピーク強度と、六方晶以外の結晶系のピーク強度とを比較することにより六方晶の比率を求めることができる。六方晶以外の結晶としては単斜晶、立方晶などが挙げられる。特に、約370℃以上、さらには500℃以上の高温下にさらすと単斜晶になりやすい。 The ratio of hexagonal crystals can be determined by comparing these peak intensities with the peak intensities of crystal systems other than hexagonal crystals. Examples of crystals other than hexagonal crystals include monoclinic crystals and cubic crystals. In particular, when exposed to a high temperature of about 370 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher, monoclinic crystals tend to be formed.
また、単斜晶であれば、(002)、(020)、(200)、(022)、(202)の5本のピークが検出される。例えば、六方晶と単斜晶とが両方存在する場合は、それぞれの最強ピーク比を求めることにより、六方晶の体積比を求めることができる。この体積比率を求めるには、六方晶、単斜晶の各々の結晶系の最強ピーク3本のXRD回折強度値の平均をとり、予め両結晶系で測定した検量線に基づき計算することができる。ここで、六方晶としては(100)、(001)、(200)の3本、単斜晶としては(002)、(020)、(200)の3本のピークを用いて算出することにする。 In the case of a monoclinic crystal, five peaks (002), (020), (200), (022), and (202) are detected. For example, when both hexagonal crystals and monoclinic crystals exist, the volume ratio of hexagonal crystals can be obtained by obtaining the strongest peak ratio of each. In order to obtain this volume ratio, the XRD diffraction intensity values of the three strongest peaks in each of the hexagonal and monoclinic crystal systems can be averaged and calculated based on a calibration curve previously measured in both crystal systems. . Here, calculation is performed using three peaks of (100), (001), and (200) as hexagonal crystals and three peaks of (002), (020), and (200) as monoclinic crystals. To do.
なお、XRD分析は、Cuターゲット、管電圧40kV、管電流40mAにて行うものとする。 The XRD analysis is performed with a Cu target, a tube voltage of 40 kV, and a tube current of 40 mA.
また、酸化タングステン粉末をラマン光分析したとき、690±10cm−1または/および780±10cm−1に強度ピークが検出されることが好ましい。また、780±10cm−1のピークはシャープなピークであることが好ましい。シャープなピークとしては半値幅が50cm−1以下のものが好ましい。半値幅が50cm−1、さらには40cm−1以下であると、結晶性が良好であることを示す。結晶性が良いということは結晶格子の歪や欠陥などがないことを意味する。結晶性の向上により、Liの受け渡しをより効率的に実施できる。また、950±10cm−1に強度ピークが検出されないことが好ましい。950±10cm−1の強度ピークは、酸化タングステン粉末(WO3)の水和物が存在することを示す。水和物が存在すると、用途によっては電極材料として不適となる場合がある。In addition, when the tungsten oxide powder is analyzed by Raman light, it is preferable that an intensity peak is detected at 690 ± 10 cm −1 and / or 780 ± 10 cm −1 . The peak at 780 ± 10 cm −1 is preferably a sharp peak. A sharp peak having a half width of 50 cm −1 or less is preferable. Half-
また、結晶性が不十分であったり、水和物が混在したりしていると蓄電容量を減少させる原因となる。また、用途(電池の種類)によっては充放電サイクル特性が低下する要因となるおそれがある。言い換えると、結晶性が良好で、水和物が混在しない酸化タングステン(WO3)粉末であることが好ましい。このような結晶性と水和物の有無を調べる手段としてラマン光分光法が好適である。In addition, if the crystallinity is insufficient or hydrates are mixed, the storage capacity is reduced. Also, depending on the application (battery type), there is a possibility that the charge / discharge cycle characteristics may be reduced. In other words, it is preferably a tungsten oxide (WO 3 ) powder that has good crystallinity and does not contain hydrates. As a means for investigating the presence of such crystallinity and hydrate, Raman light spectroscopy is suitable.
なお、ラマン分光分析は、次の方法で実施される。装置には、Photon Desing社製PDP−320が使用される。測定条件は、測定モードを顕微ラマン、測定倍率100倍、ビーム径1μm以下、光源Ar+レーザー(波長514.5nm)、レーザーパワー0.5mW(at tube)、回折格子Single600gr/mm、クロススリット100μm、スリット100μm、検出器CCD/Roper1340channelとする。この条件で100〜1500cm−1までを分析する。試料形態は酸化タングステン粒子のまま測定できる。The Raman spectroscopic analysis is performed by the following method. For the apparatus, PDP-320 manufactured by Photon Desing is used. Measurement conditions are: microscopic Raman, measurement magnification of 100 times, beam diameter of 1 μm or less, light source Ar + laser (wavelength 514.5 nm), laser power 0.5 mW (at tube), diffraction grating Single 600 gr / mm, cross slit 100 μm ,
また、酸化タングステン粉末は、BET比表面積が1m2/g以上であることが好ましい。BET比表面積が1m2/g未満の場合、粒径が必要以上に大きくなることから前述のような体積率50%以上を六方晶にすることが難しくなるおそれがある。そのため、BET比表面積が3m2/g以上が好ましい。なお、酸化タングステン粉末のBET比表面積の上限は特に限定されるものではないが、60m2/g以下であることが好ましい。六方晶結晶構造を有する酸化タングステン(WO3)粉末の場合、固体内のLiの拡散速度が速いことから比較的粒径が大きく、低比表面積でも内部抵抗を小さくできる。The tungsten oxide powder preferably has a BET specific surface area of 1 m 2 / g or more. When the BET specific surface area is less than 1 m 2 / g, the particle size becomes larger than necessary, so that it may be difficult to make the volume ratio of 50% or more as described above hexagonal. Therefore, the BET specific surface area is preferably 3 m 2 / g or more. In addition, although the upper limit of the BET specific surface area of tungsten oxide powder is not specifically limited, It is preferable that it is 60 m < 2 > / g or less. In the case of tungsten oxide (WO 3 ) powder having a hexagonal crystal structure, the diffusion rate of Li in the solid is high, so that the particle size is relatively large and the internal resistance can be reduced even with a low specific surface area.
また、実施形態にかかる六方晶構造を有する酸化タングステン(WO3)粉末の場合、粉末内に細孔を有するものであってもよい。この場合、粒径と比表面積は必ずしも整合性を有しないおそれがある。すなわち、見かけ上の粒径が大きい場合でも、内部に細孔を有する場合には比表面積が大きくなる場合がある。なお、電極層の膜厚の関係から粒径としては、100μm以下であることが好ましい。In the case of the tungsten oxide (WO 3 ) powder having a hexagonal crystal structure according to the embodiment, the powder may have pores. In this case, there is a possibility that the particle size and the specific surface area are not necessarily consistent. That is, even when the apparent particle size is large, the specific surface area may be large when pores are present inside. The particle diameter is preferably 100 μm or less from the relationship of the film thickness of the electrode layer.
また、酸化タングステン粉末の表面に金属酸化物を設けてもよい。表面に設けられる金属酸化物は、酸化タングステン粉末表面の一部でもよいし、表面全部でであってもよい。酸化タングステン粉末を使って多孔質電極層を形成する場合がある。このとき、金属酸化物被膜を設けておくと酸化タングステン粉末同士の結合力を高めることができる。結合力を高めると多孔質電極層の酸化タングステン粉末同士の結合部分の低抵抗化を成し得ることができる。また、金属酸化物としては、酸化インジウム、酸化イットリウム、酸化チタニウム、酸化錫、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化ツリウム、酸化マンガン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ランタン、ITO、酸化スカンジウム、酸化サマリウム、酸化ネオジム、酸化ガドリニウム、などが挙げられる。この中では、酸化インジウム、酸化イットリウムが好ましい。 A metal oxide may be provided on the surface of the tungsten oxide powder. The metal oxide provided on the surface may be a part of the surface of the tungsten oxide powder or the entire surface. A porous electrode layer may be formed using tungsten oxide powder. At this time, if a metal oxide film is provided, the bonding strength between the tungsten oxide powders can be increased. When the bonding force is increased, the resistance of the bonding portion between the tungsten oxide powders of the porous electrode layer can be reduced. Metal oxides include indium oxide, yttrium oxide, titanium oxide, tin oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, cerium oxide, thulium oxide, manganese oxide, tantalum oxide, niobium oxide, lanthanum oxide, ITO, and oxide. Examples thereof include scandium, samarium oxide, neodymium oxide, and gadolinium oxide. Among these, indium oxide and yttrium oxide are preferable.
また、蓄電モジュールの一例として、キャパシタ型蓄電装置を図2に例示した。図中、符号10はキャパシタ型蓄電装置であり、11は電極層(負極側電極層)、12は負極層、13はセパレータ層、14は正極層、15は電極層(正極側電極層)である。
Further, a capacitor type power storage device is illustrated in FIG. 2 as an example of the power storage module. In the figure,
電極層11および電極層15は、アルミ箔などの導電性金属で構成される。電極層11上に負極層12を設ける。負極層12は、実施形態に係る電池用電極材料を用いる。このとき、電池用電極材料として酸化タングステン粉末からなる多孔質電極層とすることが好ましい。また、多孔質電極層は膜厚が1μm以上であり、空隙率が20〜80体積%であることが好ましい。
The
次に、セパレータ層13を配置する。セパレータ層13は、負極層12と正極層14とを一定の間隔で配置して隙間を設け、電解液を含浸した層である。セパレータ層13は、例えばポリエチレン多孔質膜からなるものであり、Liイオンを含む電解液を含浸することが好ましい。また、図2においてセパレータ層13の下側には正極層14および電極層15を具備している。
Next, the separator layer 13 is disposed. The separator layer 13 is a layer in which the
正極層14はLiCoO2などのLi複合酸化物から成る多孔質層で形成される。また、Li複合酸化物としては、LiCoO2、 LiMnO2、LiNiO2およびこれらの混合組成を有するものが挙げられる。また、電極層15は集電体層となる。The
また、電解液としては、有機溶媒やイオン液体など様々なものが適用できる。有機溶媒としてはプロピレンカーボネートやエチレンカーボネート、γブチルラクトンなどが挙げられる。また、イオン液体としてはエチルメチルイミダゾリウムビストリフルオロメタンスルホネートなどが挙げられる。 Moreover, various things, such as an organic solvent and an ionic liquid, are applicable as electrolyte solution. Examples of the organic solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, and γ-butyl lactone. Examples of the ionic liquid include ethyl methyl imidazolium bistrifluoromethanesulfonate.
キャパシタ型蓄電装置は、このような積層構造を有するものである。また、この積層構造を複数枚積層することにより蓄電容量を向上させることもできる。また、蓄電容量を向上させるために長尺の積層構造を巻回して構成してもよい。また、キャパシタにする場合は、このような積層構造を収納容器(金属缶など)に収納するものとする。 The capacitor type power storage device has such a laminated structure. In addition, the storage capacity can be improved by stacking a plurality of the stacked structures. Further, a long laminated structure may be wound to improve the storage capacity. In addition, when a capacitor is used, such a laminated structure is stored in a storage container (such as a metal can).
また、前記六方晶結晶構造を有する酸化タングステン粉末を製造するには、液相反応を使用した合成方法が好ましい。酸化タングステン粉末を製造するにはプラズマ炎を使用した合成方法もあるが、500℃以上の高温にさらすと六方晶が単斜晶へと変化し易くなるため好ましくない。そのため、液相反応を使い、製造工程中の熱処理温度も500℃未満と低熱反応を利用することが好ましい。液相での成長を更に促進するために加圧下での、水熱反応を利用した製造方法も可能である。 Further, in order to produce the tungsten oxide powder having the hexagonal crystal structure, a synthesis method using a liquid phase reaction is preferable. There is a synthesis method using a plasma flame for producing tungsten oxide powder, but exposure to a high temperature of 500 ° C. or more is not preferable because the hexagonal crystal is likely to change to a monoclinic crystal. Therefore, it is preferable to use a low-temperature reaction using a liquid phase reaction and a heat treatment temperature of less than 500 ° C. during the production process. In order to further promote the growth in the liquid phase, a production method using a hydrothermal reaction under pressure is also possible.
また、液相反応を利用した製造方法としては、様々な方法があるが、一例として次の方法が挙げられる。出発原料として、タングステン酸(H2WO4)を用い、水酸化ナトリウム(NaOH)などのアルカリ性溶液、炭酸水素アンモニウム(NH4HCO3)などの酸性溶液を用いてpHを調製する。その後、オートクレーブ容器中で熱処理を行って(水熱反応)反応を促進させ製造する方法である。また、金属タングステンを過酸化水素水で溶解させ、アンモニア、塩酸などを用いてpHを調整することにより酸化タングステンを析出させることもできる。こうして得られた反応生成物を200℃以上、400℃以下の温度で熱処理を施すことにより水和物含有量を低減化された六方晶WO3を得ることができる。ここで、400℃以下にするのは、単斜晶への相変化を避けるためである。Moreover, as a manufacturing method using a liquid phase reaction, there are various methods, but the following method is given as an example. Tungstic acid (H 2 WO 4 ) is used as a starting material, and the pH is adjusted using an alkaline solution such as sodium hydroxide (NaOH) and an acidic solution such as ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ). Thereafter, heat treatment is carried out in an autoclave container (hydrothermal reaction) to promote the reaction and to produce. Alternatively, tungsten oxide can be precipitated by dissolving metallic tungsten with aqueous hydrogen peroxide and adjusting the pH with ammonia, hydrochloric acid, or the like. By subjecting the reaction product thus obtained to a heat treatment at a temperature of 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, hexagonal WO 3 having a reduced hydrate content can be obtained. Here, the reason why the temperature is 400 ° C. or lower is to avoid a phase change to a monoclinic crystal.
出発原料としては、Na2WO4、Li2WO4、(NH4)10[H2W12O42]・4H2O、ATP(パラタングステン酸アンモニウム)などを使用することも有効である。また、出発原料として2種以上のタングステン酸を用いてもよい。また、液相反応後は、濾過、水洗、乾燥工程を行うものとする。液相反応を行い適当な熱処理を施せば、六方晶結晶構造を有する酸化タングステン(WO3)粉末を得ることができる。また、得られた酸化タングステン粉末は十分に乾燥させるものとする。As starting materials, it is also effective to use Na 2 WO 4 , Li 2 WO 4 , (NH 4 ) 10 [H 2 W 12 O 42 ] · 4H 2 O, ATP (ammonium paratungstate), and the like. Two or more tungstic acids may be used as starting materials. In addition, after the liquid phase reaction, filtration, washing with water and drying are performed. A tungsten oxide (WO 3 ) powder having a hexagonal crystal structure can be obtained by performing a liquid phase reaction and performing an appropriate heat treatment. In addition, the obtained tungsten oxide powder is sufficiently dried.
また、LixWO3粉末を製造する場合は、六方晶結晶構造を有する酸化タングステン(WO3)粉末を、Liイオンを含有する溶液中に浸漬させる方法が有効である。また、六方晶結晶構造を有する酸化タングステン(WO3)粉末を多孔質電極層(厚さ1μm以上で空隙率が20〜80体積%)に形成してからLiイオンを含んだ溶液中に浸漬させる工程を行ってもよい。In the production of the Li x WO 3 powder, a ratio of tungsten oxide (WO 3) powder having a hexagonal crystal structure, method of dipping in a solution containing Li ions. Further, a tungsten oxide (WO 3 ) powder having a hexagonal crystal structure is formed into a porous electrode layer (thickness of 1 μm or more and a porosity of 20 to 80% by volume) and then immersed in a solution containing Li ions. You may perform a process.
上記のような蓄電装置であれば、蓄電容量を大きくすることができ、その上で充放電の高速化を達成することができる。また、多孔質電極層の内部抵抗を20Ω・cm2以下、さらには15Ω・cm2以下と低抵抗化することができる。内部抵抗が減少することにより、充放電の高速化を達成することができる。そのため、自然エネルギー発電システムの出力電力の安定化を図ることができる。With the power storage device as described above, the power storage capacity can be increased, and the charge / discharge speed can be increased. Further, the internal resistance of the porous electrode layer 20 [Omega · cm 2 or less, and further to below the low resistance 15Ω · cm 2. By reducing the internal resistance, charge / discharge speed can be increased. Therefore, it is possible to stabilize the output power of the natural energy power generation system.
また、近年は、いわゆる蓄電池を併設した蓄電機能付き太陽電池も増加している。これは太陽電池が日照量の変化に弱く、蓄電池から頻繁に電気を供給しないと負荷(電気機器)に電気が供給されずシャットダウン状態になってしまうためである。蓄電池は充放電を繰り返すと充電容量が低下してしまう。風力発電に関しても同様に風量の変化に弱く、蓄電池から頻繁に電気を供給しないと負荷(電気機器)に電気が供給されずシャットダウン状態になってしまう。 In recent years, the number of solar cells with a power storage function provided with a so-called storage battery is also increasing. This is because the solar cell is vulnerable to changes in the amount of sunlight, and unless electricity is frequently supplied from the storage battery, electricity is not supplied to the load (electrical device) and a shutdown state occurs. When the storage battery is repeatedly charged and discharged, the charge capacity decreases. Similarly, wind power generation is vulnerable to changes in the air volume, and unless electricity is frequently supplied from the storage battery, electricity is not supplied to the load (electric device) and a shutdown state occurs.
本実施形態に係る自然エネルギー発電システムは、出力電力の安定化を図れるため、蓄電池の稼働回数も低減させることができる。そのため、蓄電池を併設した自然エネルギー発電システムとして、実施形態の自然エネルギー発電システムを用いることにより蓄電池の使用回数を減らすことができる。その結果、蓄電池を併設した光発電システムの長寿命化を図ったり、蓄電池自体を小型化したりすることも可能である。 Since the natural energy power generation system according to the present embodiment can stabilize the output power, the number of operations of the storage battery can also be reduced. Therefore, the frequency | count of use of a storage battery can be reduced by using the natural energy power generation system of embodiment as a natural energy power generation system which added the storage battery. As a result, it is possible to extend the life of a photovoltaic power generation system provided with a storage battery, or to reduce the size of the storage battery itself.
(実施例)
(太陽光発電モジュール)
第一の発電モジュールとして、出力電力210Wのシリコン系太陽電池を用意した。また、第一の発電モジュール2基を直列に接続した発電モジュールを第二の発電モジュールとした。(Example)
(Solar power generation module)
As the first power generation module, a silicon-based solar cell with an output power of 210 W was prepared. A power generation module in which two first power generation modules are connected in series was used as a second power generation module.
(蓄電モジュール)
六方晶結晶構造を有する三酸化タングステン粉末を用意した。試料1に係る三酸化タングステン粉末はBET比表面積を2g/m2とし、試料2に係る三酸化タングステン粉末はBET比表面積を5g/m2とし、試料3に係る三酸化タングステン粉末はBET比表面積を10g/m2とし、試料4に係る三酸化タングステン粉末はBET比表面積を15g/m2とした。なお、三酸化タングステン粉末の組成は、いずれもWO2.6〜3.0の範囲内であった。(Power storage module)
A tungsten trioxide powder having a hexagonal crystal structure was prepared. The tungsten trioxide powder according to sample 1 has a BET specific surface area of 2 g / m 2 , the tungsten trioxide powder according to sample 2 has a BET specific surface area of 5 g / m 2, and the tungsten trioxide powder according to sample 3 has a BET specific surface area. was a 10 g / m 2, tungsten trioxide powder of sample 4 was a BET specific surface area 15 g / m 2. The composition of the tungsten trioxide powder was in the range of WO 2.6 to 3.0 .
次に各三酸化タングステン粉末に対し、XRD分析およびラマン光分析を実施した。XRD分析により、三酸化タングステン中の六方晶結晶構造の割合(体積%)を調査した。 Next, XRD analysis and Raman light analysis were performed on each tungsten trioxide powder. The ratio (volume%) of the hexagonal crystal structure in tungsten trioxide was investigated by XRD analysis.
XRD分析法を実施した場合、六方晶であれば(100)、(001)、(200)、(101)、(200)の5本のピークが検出される。また、単斜晶であれば、(002)、(020)、(200)、(022)、(202)の5本のピークが検出される。 When the XRD analysis method is performed, five peaks (100), (001), (200), (101), and (200) are detected in the case of hexagonal crystal. In the case of a monoclinic crystal, five peaks (002), (020), (200), (022), and (202) are detected.
また、六方晶と単斜晶が混合した構成相を有する場合は、六方晶の最強ピークと単斜晶の最強ピークの比で求めることができる。また、六方晶としては(100)、(001)、(200)の3本のピークの平均値(平均ピーク強度)、単斜晶としては(002)、(020)、(200)の3本のピークの平均値(平均ピーク強度)を求めた。予め測定した検量線を用いて測定した。 In the case of having a constituent phase in which hexagonal crystal and monoclinic crystal are mixed, it can be determined by the ratio of the hexagonal strongest peak to the monoclinic strongest peak. The hexagonal crystal has an average value (average peak intensity) of three peaks of (100), (001), and (200), and the monoclinic crystal has three (002), (020), and (200). The average value of the peaks (average peak intensity) was determined. Measurement was performed using a calibration curve measured in advance.
また、ラマン光分析法を実施することにより、結晶構造や水和物の有無を確認することができる。具体的には、六方晶では690±10cm−1または/および780±10cm−1に強度ピークが検出される。また、単斜晶では720±10cm−1または/および800±10cm−1に強度ピークが検出される。この中では、六方晶の690±10cm−1、単斜晶の720±10cm−1が判別し易いので、この2つのピークの有無で判断することが好ましい。また、水和物の場合、950±10cm−1に強度ピークが検出される。Moreover, the presence or absence of a crystal structure or a hydrate can be confirmed by performing a Raman optical analysis method. Specifically, in the hexagonal crystal, an intensity peak is detected at 690 ± 10 cm −1 or / and 780 ± 10 cm −1 . In the monoclinic crystal, an intensity peak is detected at 720 ± 10 cm −1 or / and 800 ± 10 cm −1 . Among these, 690 ± 10 cm -1 hexagonal, since 720 ± 10 cm -1 is determined easily monoclinic, it is preferable to determine presence or absence of the two peaks. In the case of a hydrate, an intensity peak is detected at 950 ± 10 cm −1 .
その結果を表1に示す。 The results are shown in Table 1.
表1に示す測定結果から明らかな通り、試料1は六方晶と単斜晶が混在したものであった。また、試料2〜4は六方晶が100%であった。また、試料1〜4のいずれもラマン光分析で950±10cm−1のピークが観察されず、水和物が存在しないことが確認された。As is apparent from the measurement results shown in Table 1, Sample 1 was a mixture of hexagonal crystals and monoclinic crystals. Samples 2 to 4 were 100% hexagonal. In any of samples 1 to 4, no peak at 950 ± 10 cm −1 was observed by Raman optical analysis, and it was confirmed that no hydrate was present.
次に、三酸化タングステン粉末(WO3)粉末に、導電助剤としてのアセチレンブラックと、結着材としてのPolyVinylidene DiFluoride(ポリフッ化ビニリデン)とを混合しペーストを作製した。このペーストを厚さ15μmのアルミ箔(負極側電極層11)上に印刷し、乾燥し、負極電極シート(負極層12)とした。正極としてLiCoO2粉末を用い、上記負極と同様な方法でペーストを作製し、厚さ15μmのアルミ箔(正極側電極層15)上に塗布、乾燥後、正極電極シート(正極層14)を作製した。また、WO3粉末とアセチレンブラックの混合比(質量比)は、WO3粉末:アセチレンブラック=100:10とした。また、WO3粉末とアセチレンブラックの合計した負極材料の目付け量は12mg/cm2となるように調整し、乾燥後の膜厚は20μm、空隙率が50%となるように形成した。また、正極材料の目付け量としては負極材料の電気容量に対して十分に余裕のある量を設けた。Next, acetylene black as a conductive additive and polyvinylidene difluoride (polyvinylidene fluoride) as a binder were mixed with tungsten trioxide powder (WO 3 ) powder to prepare a paste. This paste was printed on a 15 μm-thick aluminum foil (negative electrode layer 11) and dried to obtain a negative electrode sheet (negative electrode layer 12). Using LiCoO 2 powder as a positive electrode, a paste was prepared in the same manner as the above negative electrode, and applied to an aluminum foil (positive electrode side electrode layer 15) having a thickness of 15 μm and dried to prepare a positive electrode sheet (positive electrode layer 14). did. Further, WO 3 mixing ratio of powder and acetylene black (weight ratio), WO 3 powder: acetylene black = 100: 10. Further, the basis weight of the negative electrode material obtained by adding the WO 3 powder and acetylene black was adjusted to 12 mg / cm 2, and the film thickness after drying was 20 μm, and the porosity was 50%. In addition, the basis weight of the positive electrode material was set to an amount having a sufficient margin for the electric capacity of the negative electrode material.
また、セパレータ層(セパレータ層13)としてポリエチレン多孔質膜(膜厚20μm)を用いた。これら、電極、セパレータ層を10cm角に切断し14層積層した上で電流取り出しのためのタブを溶接した。この積層体をラミネートタイプのセルに組み込み電解液を含浸した後に脱泡、密閉し、キャパシタ型蓄電装置(試料1A〜4A)を作製した。電解液にはEC/DEC溶液に電解質としてLiPF6を溶解させた溶液を用いた。なお、ECはEthylene Carbonate、DECはDiethyl Carbonateの略である。 Moreover, the polyethylene porous membrane (film thickness of 20 micrometers) was used as a separator layer (separator layer 13). These electrode and separator layers were cut into 10 cm square and 14 layers were laminated, and then a tab for taking out current was welded. This laminate was incorporated into a laminate type cell and impregnated with an electrolytic solution, and then defoamed and sealed to produce capacitor type power storage devices (samples 1A to 4A). As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF6 as an electrolyte in an EC / DEC solution was used. EC is an abbreviation for Ethylene Carbonate, and DEC is an abbreviation for Diethyl Carbonate.
上記キャパシタ型蓄電装置を用いて、充放電特性を調査した。まず、電気容量を測定するため充放電装置を用いて1.5Vから3.0Vまでの電圧範囲で充放電試験を行った。充電は初めに定電流モードで行い3.0Vに到達した時点で3.0Vの定電圧モードに移行し、電流量が一定の値に減少するまで充電を継続した。充電終了後一定電流で放電を行い、放電時の電気容量からキャパシタ型蓄電装置の電気容量を求めた。電気容量の値としては放電時のエネルギー容量値(J)を用いた。 Charging / discharging characteristics were investigated using the capacitor type power storage device. First, in order to measure electric capacity, a charge / discharge test was performed in a voltage range from 1.5 V to 3.0 V using a charge / discharge device. Charging was first performed in the constant current mode, and when 3.0V was reached, the mode shifted to the 3.0V constant voltage mode, and charging was continued until the current amount decreased to a constant value. After charging, the battery was discharged at a constant current, and the electric capacity of the capacitor type power storage device was determined from the electric capacity at the time of discharging. As the value of electric capacity, the energy capacity value (J) at the time of discharge was used.
次に、内部抵抗の測定を直流法により実施した。定電流での放電を電流量を1mA、5mAの2水準で変化させた条件で実施し、各々の放電開始電圧と負荷電流量との関係から内部抵抗値(Ω・cm2)を求めた。Next, the internal resistance was measured by a direct current method. Discharging at a constant current was carried out under conditions where the amount of current was changed at two levels of 1 mA and 5 mA, and the internal resistance value (Ω · cm 2 ) was determined from the relationship between each discharge start voltage and the amount of load current.
表2に初期の電気容量(蓄電容量)および内部抵抗値を示す。 Table 2 shows the initial electric capacity (storage capacity) and the internal resistance value.
試料1A〜4Aに係る蓄電装置を有する蓄電モジュールは、蓄電容量が高く、内部抵抗は低かった。内部抵抗が低いことから充放電の高速化が可能である。 The power storage module including the power storage devices according to Samples 1A to 4A had a high storage capacity and a low internal resistance. Since the internal resistance is low, the charge / discharge speed can be increased.
(実施例1〜7および比較例1〜2)
次に前記第一の発電モジュールまたは第二の発電モジュールに、試料1A〜4Aの蓄電モジュールを並列に接続して表3に示す実施例1〜7に係る自然エネルギー発電システムを作製した。なお、発電モジュールと蓄電モジュールの間には蓄電モジュールから発電モジュールへの逆流防止のためのダイオードを設置した。(Examples 1-7 and Comparative Examples 1-2)
Next, the natural energy power generation systems according to Examples 1 to 7 shown in Table 3 were manufactured by connecting the power storage modules of Samples 1A to 4A in parallel to the first power generation module or the second power generation module. A diode for preventing a backflow from the power storage module to the power generation module was installed between the power generation module and the power storage module.
なお、比較例1〜2には蓄電モジュールを設置しないものを用意した。比較例1は第一の発電モジュールのみ、比較例2は第二の発電モジュールのみとしたものである。 In Comparative Examples 1 and 2, a battery without a power storage module was prepared. Comparative Example 1 is only the first power generation module, and Comparative Example 2 is only the second power generation module.
実施例および比較例に係る自然エネルギー発電システムに関して、出力電力のばらつきを調査した。出力電力のばらつきは、60分間太陽光を照射し、自然エネルギー発電システムの出力電力の平均値(W)を求めた。また、ばらつきは平均値に対して、最も大きなズレ(最大の変動値)を%で示した。また、縮小率(%)も求めた。縮小率(%)は、単位時間60分とし、60分間における縮小率(%)=[(第一の発電モジュール(または第二の発電モジュール)の最大出力変動幅−実施例にかかる自然エネルギー発電システムの最大出力変動幅)/実施例にかかる自然エネルギー発電システムの最大出力変動幅]×100、として求めた。その結果を表3に併せて示す。 Regarding the natural energy power generation systems according to Examples and Comparative Examples, the variation in output power was investigated. For the variation in output power, sunlight was irradiated for 60 minutes, and the average value (W) of the output power of the natural energy power generation system was obtained. Moreover, the variation showed the largest deviation (maximum fluctuation value) with respect to the average value in%. The reduction rate (%) was also obtained. The reduction rate (%) is 60 minutes per unit time, and the reduction rate (%) in 60 minutes = [(maximum output fluctuation width of the first power generation module (or second power generation module) −natural energy power generation according to the embodiment) The maximum output fluctuation range of the system) / the maximum output fluctuation range of the natural energy power generation system according to the example] × 100. The results are also shown in Table 3.
上記表3に示す結果から明らかな通り、実施例1〜7に係る自然エネルギー発電システムは出力電力のばらつきが低減されることが判明した。また、図3に比較例1の出力電力グラフを示す一方、図4に実施例4の出力電力グラフを示した。図4に示したように実施例4の自然エネルギー発電システムは同じ発電モジュールを使用しているにも拘わらず出力電力の安定化が実現していることが明白である。 As is clear from the results shown in Table 3 above, it was found that variations in output power were reduced in the natural energy power generation systems according to Examples 1 to 7. Moreover, while the output power graph of the comparative example 1 was shown in FIG. 3, the output power graph of Example 4 was shown in FIG. As shown in FIG. 4, it is clear that the natural energy power generation system according to the fourth embodiment realizes stabilization of output power even though the same power generation module is used.
特に、蓄電容量が大きな蓄電モジュールを使用することにより、ばらつきを低減できることが判明した。また、蓄電容量を大きくするために複数の蓄電モジュールを直列に接続する方法も有効であった。また、蓄電容量(J)が300(秒)×A(W)以上、さらには350(秒)×A(W)以上、と大きくすることにより光発電システムの出力電力のばらつきを抑制することができた。これは実施形態に係るキャパシタ型蓄電装置が充放電の高速化に対応できるためである。 In particular, it has been found that variation can be reduced by using a power storage module having a large power storage capacity. In addition, a method of connecting a plurality of power storage modules in series to increase the power storage capacity is also effective. Further, by increasing the storage capacity (J) to 300 (seconds) × A (W) or more, and further to 350 (seconds) × A (W) or more, it is possible to suppress variations in the output power of the photovoltaic system. did it. This is because the capacitor-type power storage device according to the embodiment can cope with speeding up of charge and discharge.
それに対し、比較例1および比較例2のように蓄電モジュールとのユニット構造を取らない場合は、出力電力のばらつきは大きかった。 On the other hand, when the unit structure with the power storage module was not used as in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the variation in output power was large.
以上のように実施形態に係る自然エネルギー発電システムは、日照量の変化に強い光発電システムとすることができる。また、安定化した後の出力電力をパワーコンディショナーに供給できるため、パワーコンディショナーの負担を減らすことができる。 As described above, the natural energy power generation system according to the embodiment can be a photovoltaic power generation system that is resistant to changes in the amount of sunlight. In addition, since the output power after stabilization can be supplied to the power conditioner, the burden on the power conditioner can be reduced.
(風力発電モジュール)
第三の発電モジュールとして、出力電力400Wの風力発電設備を用意した。また、第四の発電モジュールとして、出力電力600Wの風力発電設備を用意した。(Wind power generation module)
A wind power generation facility with an output power of 400 W was prepared as a third power generation module. As a fourth power generation module, a wind power generation facility with an output power of 600 W was prepared.
(蓄電モジュール)
前述の試料1A〜4Aを用意した。(Power storage module)
Samples 1A to 4A described above were prepared.
(蓄電池モジュール)
第三の発電モジュール用に蓄電容量400Whの鉛蓄電池を用意する一方、第四の発電モジュール用に蓄電容量600Whの鉛蓄電池を用意した。(Storage battery module)
A lead storage battery having a storage capacity of 400 Wh was prepared for the third power generation module, while a lead storage battery having a storage capacity of 600 Wh was prepared for the fourth power generation module.
(実施例8〜11および比較例3〜4)
次に前記第三の発電モジュールまたは第四の発電モジュールに、試料1A〜4Aの蓄電モジュールを並列に接続して表4に示す実施例8〜11に係る自然エネルギー発電システムを作製した。なお、発電モジュールと蓄電モジュールの間には蓄電モジュールから発電モジュールへの逆流防止のためのダイオードを設置した。(Examples 8 to 11 and Comparative Examples 3 to 4)
Next, the natural energy power generation systems according to Examples 8 to 11 shown in Table 4 were manufactured by connecting the power storage modules of Samples 1A to 4A in parallel to the third power generation module or the fourth power generation module. A diode for preventing a backflow from the power storage module to the power generation module was installed between the power generation module and the power storage module.
なお、比較例3〜4には蓄電モジュールを設置しないものを用意した。比較例3は第三の発電モジュールのみ、比較例4は第四の発電モジュールのみとしたものである。 Note that Comparative Examples 3 to 4 were prepared without an electricity storage module. Comparative Example 3 is only the third power generation module, and Comparative Example 4 is only the fourth power generation module.
また、実施例および比較例に係る自然エネルギー発電システムにそれぞれ蓄電池モジュールを接続した。 Moreover, the storage battery module was connected to the natural energy power generation system which concerns on an Example and a comparative example, respectively.
実施例および比較例に係る自然エネルギー発電システムに関して、出力電力のばらつきを調査した。出力電力のばらつきは、60分間風力発電を行い、自然エネルギー発電システムの出力電力の平均値(W)を求めた。また、ばらつきは平均値に対して、最も大きなズレ(最大の変動値)を%で示した。 Regarding the natural energy power generation systems according to Examples and Comparative Examples, the variation in output power was investigated. For the variation in output power, wind power generation was performed for 60 minutes, and the average value (W) of the output power of the natural energy power generation system was obtained. Moreover, the variation showed the largest deviation (maximum fluctuation value) with respect to the average value in%.
また、縮小率(%)も求めた。縮小率(%)は、単位時間60分とし、60分間における縮小率(%)=[(第三の発電モジュール(または第四の発電モジュール)の最大出力変動幅−実施例にかかる自然エネルギー発電システムの最大出力変動幅)/実施例にかかる自然エネルギー発電システムの最大出力変動幅]×100、として求めた。その結果を下記表4に併せて示す。 The reduction rate (%) was also obtained. The reduction rate (%) is 60 minutes per unit time, and the reduction rate (%) in 60 minutes = [(maximum output fluctuation width of the third power generation module (or fourth power generation module) −natural energy power generation according to the embodiment) The maximum output fluctuation range of the system) / the maximum output fluctuation range of the natural energy power generation system according to the example] × 100. The results are also shown in Table 4 below.
以上のように本実施形態に係る自然エネルギー発電システムは、風量変化に強い自然エネルギー発電システムとすることができる。また、安定化した後の出力電力をパワーコンディショナーに供給できるため、パワーコンディショナーの負担を低減することができる。 As described above, the natural energy power generation system according to the present embodiment can be a natural energy power generation system that is resistant to air volume changes. Moreover, since the output power after stabilization can be supplied to a power conditioner, the burden of a power conditioner can be reduced.
次に実施例8〜11および比較例3〜4にそれぞれ蓄電池システムを接続した。3時間の風力発電を行い、その間に蓄電池システムからの放電が何回行われたかの確認を行った。その結果を表5に示す。 Next, the storage battery systems were connected to Examples 8 to 11 and Comparative Examples 3 to 4, respectively. Wind power generation was performed for 3 hours, and it was confirmed how many times the discharge from the storage battery system was performed during that time. The results are shown in Table 5.
以上のように本実施形態に係る自然エネルギー発電システムによれば、蓄電池システムからの放電回数も減らすことが可能になる。この結果、蓄電池システムの使用回数が減るので自然エネルギー発電システム全体として長期信頼性を維持することも可能である。 As described above, according to the natural energy power generation system according to the present embodiment, the number of discharges from the storage battery system can be reduced. As a result, since the number of times the storage battery system is used is reduced, it is possible to maintain long-term reliability as a whole natural energy power generation system.
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 As mentioned above, although several embodiment of this invention was illustrated, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and the like can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and equivalents thereof. Further, the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
1…自然エネルギー発電システム(光発電システム、風力発電システム)
2…発電モジュール
3…蓄電モジュール
4…ダイオード
5…パワーコンディショナー
6…負荷
10…キャパシタ型蓄電装置
11…電極層(負極側電極層)
12…負極層
13…セパレータ層
14…正極層
15…電極層(正極側電極層)1. Natural energy power generation system (photovoltaic power generation system, wind power generation system)
2 ... Power generation module 3 ... Power storage module 4 ...
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記発電モジュールと前記蓄電モジュールとは並列に接続され、前記発電モジュールからの出力電力に蓄電モジュールからの出力電力を加えることにより、光発電システムとしての出力電力の安定化が可能であり、60分間における発電モジュールの出力の平均値A(W)に対し、最小出力が0.7A以下または最大出力が1.3A以上とばらついているときでも自然エネルギー発電システムとしての出力電力の安定化が可能であり、自然エネルギー発電システムの出力がA±0.25A(W)の範囲であり、上記蓄電装置は、多孔質電極層として酸化タングステン粉末を具備し、上記多孔質電極層は、膜厚が1μm以上であり、空隙率が20〜80体積%であり、内部抵抗が20Ω・cm 2 以下であることを特徴とする自然エネルギー発電システム。 It has a power storage function including a power generation module having at least one power generation unit that converts natural energy into electric power, and a power storage module having at least one power storage device that stores part of the power converted by the power generation unit. In the natural energy power generation system,
Wherein the power generation module and the storage module are connected in parallel, by adding the output power from the power storage module to output power from the power generation module, Ri stabilization can der output power as a photovoltaic system, 60 Even if the minimum output is 0.7A or less or the maximum output is 1.3A or more with respect to the average value A (W) of the output of the power generation module per minute, it is possible to stabilize the output power as a natural energy power generation system. The output of the natural energy power generation system is in the range of A ± 0.25 A (W), the power storage device includes tungsten oxide powder as the porous electrode layer, and the porous electrode layer has a film thickness of A natural energy power generation system characterized by being 1 μm or more, a porosity of 20 to 80% by volume, and an internal resistance of 20 Ω · cm 2 or less. Stem.
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