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JP7675073B2 - エネルギー管理システムを含んだ方法および装置 - Google Patents
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Description

本開示の実施形態は、一般に、電力システムに関し、より詳細には、太陽光発電(solar)、貯蔵装置(storage)、負荷、グリッド、および/または発電機を含むが、これらに限定されない、多数のエネルギーリソースを管理するエネルギー管理システムを含んだ方法および装置に関する。
グリッド連系太陽光PVシステムは、商用電力グリッド(utility electrical grid)に接続され(または連系され)、グリッドが利用可能な場合にのみ動作する、太陽光発電エネルギーシステムである。停電中、グリッド連系PVシステムは発電を停止し、グリッド電力が利用可能になるまでシャットダウンしたままである。
少なくともいくつかの実施形態によれば、エネルギー管理システムが提供され、エネルギー管理システムは、サービスエントランス(service entrance)のメータ、またはメイン負荷パネルのうちの一方に接続するように構成された入力を含む、スマートスイッチと、スマートスイッチに接続された貯蔵システムと、スマートスイッチまたはメイン負荷パネルのうちの一方、および1つまたは複数の太陽電池(PV)に接続されたコンバイナ(combiner)とを含む。
少なくともいくつかの実施形態によれば、エネルギー管理システムが提供され、エネルギー管理システムは、サービスエントランスのメータ、またはメイン負荷パネルのうちの一方に接続するように構成された入力を含む、スマートスイッチであって、全体住居バックアップ(whole home backup)、部分住居バックアップ(partial home backup)、およびサブパネルバックアップのうちの1つをサポートするように構成される、スマートスイッチと、スマートスイッチに接続された貯蔵システムであって、スマートスイッチに接続された三相AC結合バッテリまたは単相AC結合バッテリの一方を備える、貯蔵システムと、スマートスイッチまたはメイン負荷パネルの一方、および1つまたは複数の太陽電池(PV)に接続されたコンバイナとを含む。
本開示の上述の特徴を詳細に理解できるように、添付の図面にそのうちのいくつかが示される実施形態を参照することによって、上で簡単に要約した本開示のより具体的な説明が行われることがある。しかし、本開示は他の等しく有効な実施形態に通じ得るので、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態を示すにすぎず、したがって、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない、ということに留意されたい。
本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムによってサポートされるバックアップ構成の図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムによってサポートされるバックアップ構成の図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムによってサポートされるバックアップ構成の図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムによってサポートされるバックアップ構成の図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムのスマートスイッチの図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、スマートスイッチ用のサーキットブレーカ設置、メインブレーカ位置のラグ、およびメインブレーカ位置に設置されたブレーカの図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムのワイヤフィールド接続の図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムのワイヤフィールド接続の図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムのワイヤフィールド接続の図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムのワイヤフィールド接続の図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、図5のスマートスイッチの取り付けに使用される壁面取付部の図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、図8の壁面取付部とともに使用するためのスマートスイッチブラケットの図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、壁面取付部およびスマートスイッチブラケットを使用して取付面上に取り付けられた状態で示されたスマートスイッチの図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、ゲートウェイおよびワイヤレスキットを備えたコンバイナを収容するために使用されるハウジングの図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、単相ACバッテリおよび三相ACバッテリの裏側がそれぞれ上部および下部に示されている、2タイプのACバッテリの図である。 本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システムで使用するためのクラウドインターフェースのスクリーンショットの図である。
本明細書において説明する方法および装置は、太陽光発電、貯蔵システム、負荷、グリッド、または発電機を含む多数のエネルギーリソースを管理するエネルギー管理システム(技術)を提供する。本明細書において説明するエネルギー管理システムは、これらのリソースのうちの1つまたは複数を含むエネルギー環境をシームレスに管理することができる。加えて、本エネルギー管理システムは、停電中に商用グリッドに電力を供給し続けることがあり、それによって、グリッドへのサービスを復旧させようと試みる作業者/専門技術者を場合によっては負傷させるおそれのある、エネルギーのアイランド(island of energy)を防ぐように構成される(「単独運転防止(anti-islanding)」として知られる)。
本明細書において説明するエネルギー管理システムは、(Petaluma, CaliforniaのEnphase Energy, Inc.から入手可能なIQ(登録商標)シリーズ系列のPVマイクロインバータなどの)1つまたは複数のマイクロインバータと、既存(例えばレトロフィット)設置と新規設置の両方について互換性があり、また貯蔵システム、供給電力、およびワイヤレス通信キットに接続されるかまたはそれを含み、したがって、ユーザのホームグリッドを独立させることが可能である。
本エネルギー管理システムにより、ユーザが住居を、最大で40kWhの定格エネルギー容量および15kWを上回る電力定格まで全体的または部分的にバックアップすることが可能であり、それによって、ユーザに最大限のフレキシビリティがもたらされる。
本明細書において説明するエネルギー管理システムは、IQシリーズとともに使用するように構成することができ、また後方互換性によって、M-またはS-シリーズのマイクロインバータシステムとともに使用するように適合させることができる。
スマートスイッチは、住居が商用グリッドから切り離されることを可能にし、したがって、グリッド独立性を可能にする、マイクログリッド相互接続装置(microgrid interconnect device)(MID)機能を提供する。スマートスイッチは、バッテリ貯蔵装置(battery storage)、PV、および発電機の統合を、より容易にホームエネルギーシステムに統合するための接続も提供し、また住居内の負荷不均衡を管理するように構成することができる。
マイクログリッドシステムは、発電、エネルギー貯蔵、および負荷、またはそれらの任意の組合せを有し、一次供給源から切断し、かつ一次供給源と並行することのできる能力を含む、構内配線システム(premises wiring system)と定義することができる。そのようなシステムは、「意図的に単独運転されるシステム(intentionally islanded systems)」とも呼ばれてきた。
本開示によれば、MID装置は次の、(1)マイクログリッドシステムと一次電力供給源との間の任意の接続に必要とされること、(2)利用の際にリストされるかまたはフィールドラベリングされること、および(3)全ての供給源からの過電流保護を行うのに十分な数の過電流装置が配置されていること、に準拠することができる。
少なくともいくつかの実施形態では、複数のスマートスイッチを、別々の200A負荷パネルをバックアップするように構成することができる。そのような実施形態では、各スマートスイッチは通信ゲートウェイも含むことができ、バックアップ動作において独立システムとしてセットアップすることができる。各スマートスイッチは、バックアップ動作中、関連付けられた負荷パネルを有する別々のアイランドを成すことができ、例えば、各アイランドは、2つの別々のシステムとして現れるように構成される。少なくともいくつかの実施形態では、バックアップ動作中、アイランドは相互に接続されず、各アイランド内にある負荷、エネルギー貯蔵装置、およびPVは、各スマートスイッチを介してシステムの残りの部分から分離されることが可能である。
スマートスイッチが万が一にも故障した場合、太陽光発電システムはグリッド連系モードに後退することができる。エネルギー管理システムがアプリケーションソフトウェア、例えばアプリケーションプログラミングインターフェース(API)を使用したクラウドベースの三次コントロール(tertiary control)に接続されているとき、そのような発生を特定し、フィックスするようにエネルギー管理システムの遠隔トラブルシューティング機能を構成することができる。
貯蔵システムとスマートスイッチは、ゲートウェイを用いて、(例えば、低データ転送速度、エネルギー効率、およびセキュアなネットワーキングを必要とするパーソナルエリアネットワークを構築するためにIEEE802.15.4仕様を用いた)1つまたは複数の適切なワイヤレスインターフェース経由で通信する。このために、ワイヤレスアダプタ(USBドングル)が提供され、(例えばコンバイナボックス内部に存在する)ゲートウェイのUSBポートに接続するように構成される。フェイルセーフメカニズムとして、ワイヤレスアダプタは、2.4GHzと915MHzの2つの周波数帯において動作するように構成される。前者の周波数帯は一次通信帯であり、一次通信がフェイルした場合、エネルギー管理システムは後者を用いて通信を確立する。
エネルギー管理システムのコンポーネントは、標準的な暗号化されたメッセージングおよび認証を使用して、相互に、またクラウドと通信するように構成される。
少なくともいくつかの実施形態では、パネルごと、マイクロインバータごと、およびバッテリ貯蔵ベースユニットごとに、エネルギー管理システムにおいて監視機能が利用可能である。さらに、少なくともいくつかの実施形態では、エネルギー管理システムにおいてリアルタイム監視機能が利用可能である。
図1は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システム100によってサポートされるバックアップ構成の図である。少なくともいくつかの実施形態では、エネルギー管理システム100は、貯蔵システム108と、スマートスイッチ110と、通信ゲートウェイに接続するUSBドングルとすることのできるワイヤレスアダプタを含むコンバイナ107と、1つまたは複数のPV106と、無線によるファームウェアアップグレードを行うことのできる三次コントロール112(例えばアプリケーションプログラミングインターフェース(API)を使用したクラウドベースの三次コントロール)とを備える。
コンバイナ107は、スマートスイッチ110および貯蔵システム108とワイヤレス接続(またはAC電力ワイヤなどの有線接続)を介して、またインターネットおよび/またはクラウドとWiFi接続またはセルラー接続を介して、接続/通信することができる。例えば、コンバイナ107は、ワイヤレスアダプタがそれに接続する通信ゲートウェイ(図11)を備え、スマートスイッチ110、貯蔵システム108、インターネットおよび/またはクラウドと通信する。コンバイナ107は、1つまたは複数のPV106に接続し、AC電力ワイヤ上の電力線通信(PLC)を介してPV106と通信することができ、エネルギー管理システム100の他のコンポーネントは、AC電力ワイヤを介して相互に接続することができる。エネルギー管理システム100で使用するのに適したコンバイナは、Petaluma, CaliforniaのEnphase Energy, Inc.から入手可能なIQ(登録商標)系列のコンバイナである。
図1のエネルギー管理システム100は、エネルギー管理システム100のスマートスイッチ110(例えば切換えスイッチ)がサービスエントランスに配置された(例えば商用グリッド101に接続されるメータ105に接続された)状態で、全体住居バックアップ(または部分住居バックアップおよびサブパネルバックアップ)として構成される。ユーザは、1つまたは複数の負荷103(例えば重要負荷またはバックアップ負荷)に接続するメイン負荷パネル104(例えばSiemens MC3010B1200SECWまたはMC1224B1125SEC、GE 200Amp 20/40など)全体をバックアップすることができる。そのような構成では、スマートスイッチ110は、コンバイナ107(例えばPVコンバイナ(太陽光発電))に接続されたPV106回路用の最大で80Aのブレーカ、またバッテリ貯蔵回路用の(例えば貯蔵システム108用の)80Aのブレーカをサポートすることができる。
既存のコンバイナ107回路がメイン負荷パネル104に接続されるとき(図2)、ユーザは、コンバイナ107をメイン負荷パネル104に接続した状態に保ち、貯蔵システム108のみをスマートスイッチ110に接続することができ、スマートスイッチ110内の、コンバイナ107用のスペースは、空いたままにし、追加のバッテリ貯蔵装置に使用することができる。
スマートスイッチ110は、相互接続機器を単一のエンクロージャ内に集約するように構成され、また一貫性のある配線済みソリューションをユーザ(例えば住居ユーザ)に提供することにより、グリッド独立機能をもつPVおよびバッテリ貯蔵の設置を効率化するように構成される。スマートスイッチ110の機能に加えて、スマートスイッチ110は、PV106、貯蔵システム108、および発電機109の入力回路も含む。スマートスイッチ110は、サービスエントランスのメータ105、またはメイン負荷パネル104のうちの一方に接続するように構成された入力を含む。
エネルギー管理システム100で使用するのに適したスマートスイッチは、Petaluma, CaliforniaのEnphase Energy, Inc.から入手可能なENPOWER(登録商標)系列のスマートスイッチとすることができる。スマートスイッチ110は、下でより詳細に説明するように、壁面取付ブラケットを使用して設置することができ、国および地域の電気工事規程および標準に準拠して設置することができる。
図3は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システム100によってサポートされるバックアップ構成の図である。エネルギー管理システム100は、例えばPV106回路が80Aを上回るとき、他の負荷111(例えば非重要負荷/非必須負荷)に接続されたメイン負荷パネル104がサービスエントランスにあるとともにコンバイナ107がサブパネル300に接続された状態で、負荷103(例えば重要負荷またはバックアップ負荷)のサブパネル300バックアップを使用した部分住居バックアップに対応するように構成することができる。エネルギー管理システム100のスマートスイッチ110内の、コンバイナ107の接続に利用可能なスペースは、空いたままにすることができる。
図4は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、エネルギー管理システム100によってサポートされるバックアップ構成の図である。エネルギー管理システム100は、例えばPV106回路および貯蔵システム108が80A未満であるとき、メイン負荷パネル104がサービスエントランスにあるとともにコンバイナ107がエネルギー管理システム100のスマートスイッチ110に接続された状態で、サブパネル300(例えば重要負荷)バックアップを使用した部分住居バックアップに対応するように構成することができる。
少なくともいくつかの実施形態によれば、エネルギー管理システム100が全体バックアップに対応するように構成されるとき、PV106および貯蔵システム108はスマートスイッチ110にメイン負荷パネル104の商用側で接続されるので、メイン負荷パネル104のアップグレードは不要であり、メイン負荷パネル104は、PV106および貯蔵システム108の接続前にメイン負荷パネル104を保護していたものであるメイン負荷パネル104のメインブレーカによって、例えば120%ルールに違反しないように保護される。同様に、エネルギー管理システム100が部分バックアップに対応するように構成されるとき、メイン負荷パネル104内の商用ブレーカをダウンサイズすることによって、メイン負荷パネルのアップグレードをやはり回避することができる。例えば、200Aメイン負荷パネルの場合、200Aブレーカを150Aにダウンサイズすることによって、メイン負荷パネルのアップグレードを行うことなく、PV106および貯蔵システム108の90Aの容量が利用可能になる。加えて、エネルギー管理システム100が、電力制御システムに関するUL認証要求決定事項(CRD)1741に準拠しているとき、メイン負荷パネルのアップグレードをやはり回避することができる。
図5は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、スマートスイッチ110のさまざまな外観の図を含む。スマートスイッチ110は、高信頼で耐久性のあるNEMAタイプ3Rエンクロージャを含み、グリッド101への安全制御接続性(safe control connectivity)を提供するように構成され、グリッド101の停電を自動的に検出するように構成され、およびバックアップへのシームレスな移行を行うように構成される。スマートスイッチ110は、1つもしくは複数の負荷103またはメイン負荷パネル104のサービスエントランス側に接続することができ(図1)、1つまたは複数の取付面への取付けをサポートする中央取付ブラケットを含むことができ、底面、底面左側、および/または底面右側からのコンジットの進入をサポートすることができ、全体住居、部分住居のバックアップ、およびサブパネルバックアップをサポートすることができ、最大で200Aのメインブレーカサポートを行うことができ、単相3線式(split phase)120/240Vバックアップ動作のための中性線形成用変圧器(neutral-forming transformer)を含むことができる。スマートスイッチ110は、グリッド独立機能をもつPV106および貯蔵システム108の設置を効率化する。スマートスイッチ110は、約19.7インチの幅および約36インチの高さを有するフロントカバー501を備えたハウジング500を備えることができる。スマートスイッチ110は、約18.8インチの幅、約33.8インチの高さ、約7.2インチの奥行きを有するメインエンクロージャ502を含むことができ、エンクロージャ502の背面504とフロントカバー501の前面503との間の距離は、約9.7インチである。
上記したように、スマートスイッチ110は(例えばNEC705に従う)MIDである。スマートスイッチ110は、バックアップのための100A、150A、または200Aの切断時電流容量(disconnecting current capacity)に合わせて構成することができる。スマートスイッチ110は、商用グリッドの停電中、バックアップへのシームレスな移行を行うことができ、バックアップの際の120V/240V負荷をサポートする単巻変圧器を含むことができ、単相AC結合バッテリ、三相AC結合バッテリ、コンバイナ107、バックアップ負荷パネルの相互接続をサポートすることができ、全体住居およびサブパネルのバックアップをサポートすることができ、屋内および屋外設置用のNEMA-3Rエンクロージャを含むことができ、2.4GHzおよび900MHzのワイヤレス通信をサポートすることができ、発電機の統合をサポートすることができる。
図6は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、スマートスイッチ110用のサーキットブレーカ設置、メインブレーカ位置のラグ、およびメインブレーカ位置に設置されたブレーカの図を含む。スマートスイッチ110は、スマートスイッチ110の電気部品を支持するように、またメインブレーカ602(例えば200A)を露出させるように構成された、背面600を含む。メインブレーカ602は、メインラグハウジング604に接続され、メインラグハウジング604は、メインブレーカ602が接続される接続エリア606を含む。メインラグハウジング604は、背面600上に支持される。メインブレーカ602は、スイッチ608、および対応するワイヤ(図示せず)を受け取るように構成された2つの電気接続エリア610を含む。
図7A～図7Dは、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、スマートスイッチ110の電気的詳細を含む電気パネル700の図である。図7Aは、スマートスイッチ110の電気パネル700を部分的に覆うバックカバー702を示す。バックカバー702は、制御PCBA706(図7B)および単巻変圧器(図示せず)を覆うドア704を含む。バックカバー702は、1つまたは複数のブレーカ、eatonブレーカ、リレー、MIDリレー、コネクタ、バスバー、および電気パネル700の他の電気部品がそれを通じて延出する、開口を含む(図7A)。例えば、電気パネル700は、ACコンバイナブレーカ708、バッテリ貯蔵システムブレーカ710、単巻変圧器ブレーカ712、発電機ブレーカ714、メイン負荷ブレーカ602、メインリレー716(例えば200A)、サービス切断用のメインブレーカ718、I/Oコネクタ720、ならびにコンバイナ107、貯蔵システム108、および発電機109用の1つまたは複数のコネクタ722を含むことができる(図7Aおよび図7C)。電気パネル700からの配線は、スマートスイッチ110からエネルギー管理システム100のさまざまなコンポーネント(例えばコンバイナ107、貯蔵システム108、発電機109など)に、またはエネルギー管理システム100に接続されたコンポーネント、例えばメイン負荷パネル104に、供給することができる(図7D)。
図8は、エネルギー管理システム100のスマートスイッチ110の取り付けに使用される壁面取付部800の図であり、図9は、スマートスイッチ110のブラケット900の図であり、図10は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、取付面1000上に取り付けられた状態で示されたスマートスイッチ110の図である。壁面取付部800は、複数の開口部802を含む。開口部802は、壁面取付部800を取付面1000に取り付けるための1つまたは複数の締結具をそれを通じて受け取るように構成される。ブラケット900は、スマートスイッチ110の裏面および壁面取付部800に接続するように構成される。例えば、少なくともいくつかの実施形態では、ブラケット900は、スマートスイッチ110の側面と係合するように構成された、複数の概してL字型の固定タブ902を含む。設置の際、ユーザは、ブラケット900の複数の開口部904を壁面取付部800の複数の開口部802と位置合わせし、1つまたは複数の締結具(例えばボルト、ねじなど、図示せず)を、開口部802、904を通じて取付面1000、例えばシングルスタッド、木、れんが、またはコンクリート壁などに打ち込む。次に、ユーザは、固定タブ902がスマートスイッチ110のハウジング500の側面と係合するまでスマートスイッチ110をブラケット900に押し込むことによって、スマートスイッチ110をブラケット900に取り付ける/接続することができる。
図11は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、ゲートウェイ1100および(例えばPetaluma, CaliforniaのEnphase Energy, Inc.から入手可能なENSEMBLE(登録商標)系列の通信キットなどの)ワイヤレス通信キット1102を備えたコンバイナ107の図である。ゲートウェイ1100はゲートウェイコントローラ1104をさらに備え、ゲートウェイコントローラ1104は、ブレーカ1108を介してバス1106に結合され、例えばパワーコンディショナと(例えばPLCおよび/または他のタイプの有線技法および/またはワイヤレス技法を介して)通信する。ゲートウェイコントローラ1104は、CPU(図示せず)にそれぞれが結合された、トランシーバ、サポート回路、およびメモリを備える。CPUは、従来から利用可能な1つまたは複数のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを備えることができる。あるいは、CPUは、1つまたは複数の特定用途向け集積回路(ASIC)を含んでもよい。ゲートウェイコントローラ1104は、コマンド信号および制御信号を、貯蔵システム108、スマートスイッチ110、PV106、およびパワーコンディショナのうちの1つもしくは複数に送信し、かつ/またはデータ(例えばステータス情報、性能データなど)を、貯蔵システム108、スマートスイッチ110、PV106、およびパワーコンディショナのうちの1つもしくは複数から受信することができる。いくつかの実施形態では、ゲートウェイコントローラ1104は、ワイヤレス技法および/または有線技法によって通信ネットワーク(例えばインターネット)を介してマスタコントローラ(例えば三次コントロール112)に、データ(例えば性能情報、ファームウェアアップデートなど)をマスタコントローラに通信し/マスタコントローラから受信するためにさらに結合される、ゲートウェイとすることができる。
ゲートウェイ1100およびワイヤレスキット1102(例えばUSBドングル)を備えたコンバイナ107は、最大で4つの回路(太陽光発電および貯蔵)をサポートするように構成され、eatonバスバーを使用し、BRブレーカを必要とし(太陽光発電用分配ブレーカ(solar distribution breaker)は別途追加することができる)、10Aゲートウェイブレーカを含み、ゲートウェイによる制御および通信を含み、設置を簡単にするシングルスタッド取付けに対応するように構成され、エンクロージャの側面、底面、および/または背面に沿ったコンジットの進入を受け入れ、例えば2.4GHzおよび900MHzのワイヤレス通信キットに対応するように構成される。
住居は、典型的には、特定量のリソース負荷への接続および商用接続に合わせてサイズ設定されたメイン負荷パネルを用いて構築される。この特定量は、あらゆる設置においてメインパネルの能力を超えたリソースを設置させないようにする米国電気工事規程(NEC)の705項によって決められている。新規のPVまたはバッテリ貯蔵装置を既存の住居に追加すると、メイン負荷パネルに接続されたリソースの合計量がメイン負荷パネルの限度を超過する状況を招くことがある。従来、メイン負荷パネルのこの限度に対処する次の2通りの方法があった。(1)PVおよびバッテリ貯蔵装置を、負荷メインパネルの最大限度までしか設置しないというもの、これは非常に制限的となることがある。(2)メイン負荷パネルを、より多くのPVおよびバッテリ貯蔵装置を受け入れることのできるより大きなサイズのパネルにアップグレードするというもの、これにより追加の出費を招くことがある。
したがって、エネルギー管理システム100は、追加のPVおよびバッテリ貯蔵装置をメイン負荷パネルにではなくスマートスイッチ110に接続し、したがって、全体住居およびサブパネルのバックアップシステムについてメイン負荷パネルのアップグレードを回避することによって、メイン負荷パネルのアップグレードに対する革新的なソリューションを提供する。全体住居バックアップの場合、スマートスイッチ110は、メータ105とメイン負荷パネルに流れる電流量を制限する過電流保護装置を備えたメイン負荷パネル104との間に接続され、したがって、メイン負荷パネルのアップグレードを回避する。サブパネル300バックアップの場合、ユーザは、705.12(D)(2)(3)(c)の要件に達するまで、多くの負荷回路をメイン負荷パネル104からサブパネル300に移すことができる。
例えばバックアップなしの自己消費、タイムオブユース(time of use)最適化のために、グリッド連系モードで供給電力が使用される場合、スマートスイッチ110は必要ではないことがある。
グリッド停電中にバックアップされる負荷103回路は、エネルギー管理システム100の設置中に事前選択することができる。ユーザがサブパネル300バックアップを使用することを選んだ場合、ユーザは、自身がどの回路をバックアップしたいかを、エネルギー管理システム100の設置中に選択することができる。この場合、選択された負荷103回路のみがバックアップされ、他の非重要負荷/非必須負荷111は停電中に電源投入されないことになる。そのような場合、ユーザがサブパネル300バックアップオプションを選択していれば、メイン負荷パネルのブレーカを手動により開放する必要はない。
ユーザが全体住居バックオプションを選んだ場合、住宅の全ての負荷103回路がバックアップされることになる。ユーザは、停電中にバックアップされる負荷103回路を制限したい場合、それらの特定の負荷を使用する必要も、特定の負荷103回路のブレーカを手動により開放する必要もない場合がある。
エネルギー管理システム100がバックアップシステムとして構成されるとき、エネルギー管理システム100のスマートスイッチ110をグリッド101から切断しても、例えば停電中にエネルギー管理システム100が住宅に電力を供給するので、住宅への電力はオフにならない。単相AC結合バッテリおよび三相AC結合バッテリが、エネルギー管理システム100のグリッド形成要素であり、それらは、構内を非通電にするために、エネルギー管理システム100から切り離されるかまたはシャットダウンされる必要がある。
エネルギー管理システム100を非通電にするために、スマートスイッチ110内部の全てのブレーカが開放される必要がある。スマートスイッチ110内部のメインブレーカ602を開放することによって、エネルギー管理システム100はシャットダウンする。
AHJ(管轄権を有する当局(authorities having jurisdiction))の中には、さらなる機械的切断を期待するところもある。したがって、設置者は、PVおよびバッテリ貯蔵システムの設置に関する特定の地域の規制要件を理解し、それらの規制要件に完全に準拠するようにエネルギー管理システム100を設計する必要がある。
少なくともいくつかの実施形態では、上記したように、エネルギー管理システム100は三相用途向けに構成することができる。
少なくともいくつかの実施形態では、ハードウェア機能およびソフトウェア機能を含む発電機(例えば発電機109)を、エネルギー管理システム100に統合することができる。
図12は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、単相AC結合バッテリ1200および三相AC結合バッテリ1202の図である。単相AC結合バッテリ1200および三相AC結合バッテリ1202は、貯蔵システム108の一部とすることができる。
貯蔵システム108は、タイムオブユース機能およびバックアップ機能を備えたモジュール式AC結合バッテリ貯蔵システムとすることができる。エネルギー管理システム100で使用するのに適した一タイプの貯蔵システムが、Petaluma, CaliforniaのEnphase Energy, Inc.から入手可能なENCHARGE 3(登録商標)およびENCHARGE 10(登録商標)系列の貯蔵システムである。貯蔵システムは、単相AC結合バッテリ1200(例えば3.36kWh容量および1.28kVA定格連続出力電力)、または三相AC結合バッテリ1202(例えば10.08kWhおよび3.84kVA定格連続出力電力)を含むことができる。内部的には、三相AC結合バッテリ1202は、3機の単相AC結合バッテリ1200ベースユニットを有する。少なくともいくつかの実施形態では、モジュール性により、ユーザが、多くの単相AC結合バッテリ1200ベースユニットを設置すること、また必要に応じてより多くの単相AC結合バッテリ1200ベースユニットを追加することが可能になり、したがって、システムがシームレスに機能することが可能になる。最小AC供給電力は3.36kWhであり、ユーザは、貯蔵システムがモジュール式であり、かつ拡張可能な貯蔵製品であるため、ユーザが望む電気器具に給電するのに必要なだけの貯蔵システムを、最大で12機の単相AC結合バッテリ1200または4機の三相AC結合バッテリ1202まで設置することができる。
少なくともいくつかの実施形態では、(例えば合計して40kWhになる)少なくとも4機の三相AC結合バッテリ1202または12機の単相AC結合バッテリ1200を、スマートスイッチ110に接続することができる。加えて、最大で2機の三相AC結合バッテリ1202を、デイジーチェーン接続しスマートスイッチ110に直接接続することができる。より多くのユニットの場合、回路を組み合わせ、それらをスマートスイッチ110に接続するために、外部サブパネル(図示せず)が必要となることがある。10.08kWhの使用可能エネルギー容量を有する三相AC結合バッテリ1202において、1機の3.36kWhベースユニットが故障した場合、貯蔵システム108は、その残りのベースユニットを用いて引き続き動作し、バックアップ電力を提供する。
各単相AC結合バッテリ1200は、4つの統合マイクロインバータ1206、LFPバッテリ電池、およびバッテリ管理ユニット(BMU)(図示せず)を含む。したがって、1つのマイクロインバータが故障しても(貯蔵システム108は1000未満のDPPM値を有する)、貯蔵システム108は、残りのマイクロインバータを用いて引き続き動作し、バックアップを行う。故障しているマイクロインバータは容易に交換することができる。
単相AC結合バッテリ1200は、3:3.36kWh/1.28kW動作に対応するように構成することができ、約45.3kg(100lb)の重量を有することができ、約26.1"×14.4"×12.5"(H×L×D)の寸法を有することができる。三相AC結合バッテリ1202は、10.08kWh/3.84kW動作に対応するように構成することができ、約3×45.3kg(136kg、300lb)の重量を有することができ、約26.1"×42.1"×12.5"(H×L×D)の寸法を有することができる。単相AC結合バッテリ1200および三相AC結合バッテリ1202は、統合PVマイクロとAC結合させることができ、バックアップ動作およびブラックスタート(例えば電力なし)をサポートすることができる。少なくともいくつかの実施形態では、単相AC結合バッテリ1200および三相AC結合バッテリ1202は、リン酸鉄リチウム(LFP)タイプのものとすることができ、パッシブ冷却に対応するように構成することができ、屋内および/または屋外設置に対応するように構成することができ、ワイヤレス通信(例えばZigbee、Wi-Fi、Bluetoothなど)に対応するように構成することができ、モジュール式の拡張可能な電力およびエネルギー定格を備えて構成することができる。
エネルギー管理システム100の貯蔵システム108のオールACアーキテクチャおよびLFPの化学的性質により、エネルギー管理システム100は、安全かつコスト効率の良いホームエネルギー管理システムを提供する。貯蔵システム108内に存在するマイクロインバータが、商用グリッドがダウンしたときにユーザの住宅内のグリッドを成す。
単相AC結合バッテリ1200、および三相AC結合バッテリ1202のそれぞれは、240VのAC入力/出力および5.3AのAC最大連続入力/出力電流、60Hzの動作周波数、約-0.85から約+0.85までの出力力率(調整可能)、AC最大連続入力/出力電力1.28kVA、最大短絡電流23.2Arms 3サイクル、単相240V、3.36kWhの最大エネルギー出力、約-15℃から約+55℃の周囲動作温度を有することができ、また最大で20Aの専用分岐回路に接続することができる。
貯蔵システムのパッシブ冷却機能は、任意の可動部(例えば機械式ファン、冷却媒体など)の存在をなくし、それにより、貯蔵システムを故障しにくくする。例えば、パッシブ冷却は、自然の慣習を使用して単相AC結合バッテリ1200および三相AC結合バッテリ1202を冷却する。
エネルギー管理システム100の単相AC結合バッテリ1200および三相AC結合バッテリ1202の、従来システムと比べたときのいくつかの利点には、a)最大で5.7kWacの太陽電池(PV)を、バックアップ用に1機の三相AC結合バッテリとペアリングすることができ、ペアリングされたPVのサイズがこの値を上回る場合、追加のバッテリを設置できること、b)単相AC結合バッテリを、PV自己消費、PV非エクスポート(non-export)、および他のグリッド連系用途に使用できること、c)単相AC結合バッテリはまた、バックアップシステムにおいて三相AC結合バッテリを強化するため、および三相AC結合バッテリの限度を超えてPVとペアリングするのに必要な追加の単相AC結合バッテリを提供するために、使用できること、d)各単相AC結合バッテリを使用して、サイズが1.9kWac未満の小型PVシステムを用いたバックアップを可能にすることができ、より大型のPVシステムサイズに対しては、より多くの単相AC結合バッテリまたは三相AC結合バッテリを追加できること、e)各単相AC結合バッテリを使用して、最大で1.9kWacのPVをバックアップ用にサポートできること、f)高信頼性PVマイクロ、ストリングインバータおよびDC結合ソリューションの単一障害点と対比される分散型ACアーキテクチャ、パッシブ冷却(高故障率を有する可動部、ファン、およびポンプなし)を含む信頼性、新規設置およびレトロフィット設置のためのフレキシブルなPVおよび貯蔵装置ソリューションを含むスケーラビリティ、g)3.36kWh/1.28kW刻みのバッテリ貯蔵装置、および将来的な拡張性の容易さを備えたAC結合方式、h)簡単かつ容易な設計および設置と、統合された制御、バックアップへのシームレスな移行、ならびにワイヤレス通信を含むスマート性、ならびにi)AC電圧の安全性、LFP電池の安全性、およびバッテリ貯蔵装置に関する安全性(例えばUN38.3、UL1973、UL1998、UL991、9540、9540A)を含む安全性、が含まれる。
図13は、本開示の少なくともいくつかの実施形態による、クラウドインターフェースの図である。スクリーンショット1300によって示されるように、クラウドインターフェースは、リアルタイムの電力フロー、ならびにグリッド接続性のステータスおよび制御を提供し、さまざまなユースケース(例えば自己消費またはタイムオブユースまたはバックアップオンリーモード)に合わせて最適化するためのさまざまな構成可能バッテリプロファイルを提供し、貯蔵+PVのサイズ設定のためのホームオーナーシステムエスティメータツールを提供する。
少なくともいくつかの実施形態では、エネルギー管理システム100をキットとして提供することができる。例えば、グリッド非依存のエネルギー管理システム100の場合、キットは、単相AC結合バッテリ、三相AC結合バッテリ、スマートスイッチ110、およびワイヤレス通信キット1102を含むことができる。加えて、供給電力の供給側および負荷側の接続のための2つのメインブレーカ、ならびにPV106およびバッテリ貯蔵システム108の接続のためのサーキットブレーカを設けることができる。
上記に加えて、エネルギー管理システム100は、バックアップ(オフグリッド)機能を備えたバッテリ貯蔵装置、例えば3.36kWhおよび10.08kWh製品を提供し、(例えば<100msの)シームレスな移行を伴うバックアップをサポートし、(例えばどちらもPetaluma, CaliforniaのEnphase Energy, Inc.から入手可能なIQ6およびIQ7系列のPVマイクロインバータなど)既存のPVマイクロ設置との互換性を提供する。例えば、エネルギー管理システム100は、PV新規設置、PVレトロフィット、200Aまでの全体住宅バックアップ動作、200Aまでのサブパネルバックアップ動作、グリッド連系動作(TOU、自己消費、および/または1日周期)、PVなしのスタンドアロン設置に対応するように構成される。
少なくともいくつかの実施形態では、部分バックアップ用のエネルギー管理システム100は、商用ブレーカのさまざまなダウングレードを伴って構成することができる。例えば、200Aメインパネルバスバー(例えば120%容量は240Aである)の場合、200A商用ブレーカのブレーカダウングレードは、240A-200A=40Aを使用して計算することができ、この40AがPVおよび貯蔵装置に利用可能な合計容量であり、150A商用ブレーカのブレーカダウングレードの場合、240A-150A=90Aの合計容量がPVおよび貯蔵装置に利用可能である。他の計算を使用して、商用ブレーカダウングレードを決定することもできる。
本開示によれば、エネルギー管理システム100は、(例えばNEC 201, 690.12 (C)によって提供されるガイドラインによる)ラピッドシャットダウン(rapid shutdown)に対応するように構成することができる。
前述の内容は、本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他の実施形態およびさらなる実施形態を、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく考案することができ、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決まる。
100 エネルギー管理システム
101 商用グリッド
103 負荷
104 メイン負荷パネル
105 メータ
106 PV
107 コンバイナ
108 貯蔵システム
109 発電機
110 スマートスイッチ
111 他の負荷、他の非重要負荷/非必須負荷
112 三次コントロール
300 サブパネル
500 ハウジング
501 フロントカバー
502 メインエンクロージャ
503 前面
504 背面
600 背面
602 メインブレーカ、メイン負荷ブレーカ
604 メインラグハウジング
606 接続エリア
608 スイッチ
610 電気接続エリア
700 電気パネル
702 バックカバー
704 ドア
706 制御PCBA
708 ACコンバイナブレーカ
710 バッテリ貯蔵システムブレーカ
712 単巻変圧器ブレーカ
714 発電機ブレーカ
716 メインリレー
718 メインブレーカ
720 I/Oコネクタ
722 コネクタ
800 壁面取付部
802 開口部
900 ブラケット
902 固定タブ
904 開口部
1000 取付面
1100 ゲートウェイ
1102 ワイヤレス通信キット、ワイヤレスキット
1104 ゲートウェイコントローラ
1106 バス
1108 ブレーカ
1200 単相AC結合バッテリ
1202 三相AC結合バッテリ
1206 統合マイクロインバータ
1300 スクリーンショット

Claims (19)

  1. サービスエントランスのメータ、またはメイン負荷パネルのうちの一方に接続するように構成された入力を含む、スマートスイッチと、
    前記スマートスイッチに接続された貯蔵システムと、
    前記スマートスイッチまたは前記メイン負荷パネルのうちの一方、および1つまたは複数の太陽電池(PV)に接続されたコンバイナであって、制御信号を前記貯蔵システムに送信すること、およびステータス情報を含むデータを前記貯蔵システムから受信すること、のうちの少なくとも一方のために、前記コンバイナは前記貯蔵システムに通信可能に接続されている、コンバイナと
    を備える、エネルギー管理システムであって、
    前記スマートスイッチが、前記サービスエントランスにおいてグリッドに接続するように構成され、グリッドの停電を自動的に検出するように構成され、およびバックアップに移行するように構成される、エネルギー管理システム。
  2. 前記スマートスイッチが、相互接続機器を単一のエンクロージャ内に集約するように構成され、前記1つまたは複数のPVのうちの少なくとも1つ、前記貯蔵システム、および前記スマートスイッチに接続するように構成された発電機のための入力回路を含んだ配線済みソリューションを含む、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  3. キットとして構成され、
    前記スマートスイッチと、
    単相AC結合バッテリまたは三相AC結合バッテリのうちの少なくとも一方を備える前記貯蔵システムと、
    約2.4GHzおよび約900MHzの周波数上で伝送するワイヤレス通信キットを備える前記コンバイナと
    を含む、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  4. 前記スマートスイッチ、前記貯蔵システム、および前記コンバイナが、AC電力ワイヤを介して接続され、前記1つまたは複数のPVが、前記コンバイナと、前記AC電力ワイヤ上の電力線通信(PLC)を介して通信し、前記貯蔵システム、前記コンバイナ、および前記スマートスイッチが、ゲートウェイを介してワイヤレス接続を使用して相互に通信する、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  5. 前記スマートスイッチが、1つまたは複数の負荷に接続するように構成される、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  6. 前記スマートスイッチが、1つまたは複数の取付面への取付けをサポートする中央取付ブラケットを備える、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  7. 前記スマートスイッチが、底面、底面左側、または底面右側のうちの少なくとも1つからのコンジットの進入をサポートするように構成される、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  8. 前記スマートスイッチが、全体住居バックアップ、部分住居バックアップ、およびサブパネルバックアップのうちの1つをサポートするように構成され、前記スマートスイッチが、最大で200Aのメインブレーカサポートを行えるように構成され、単相3線式120/240Vバックアップ動作のための中性線形成用変圧器を含む、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  9. 前記スマートスイッチが、1つまたは複数の負荷の負荷不均衡を管理するように構成される、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  10. 三相用途向けに構成される、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  11. 単相用途向けに構成される、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  12. ハードウェア機能およびソフトウェア機能を含む発電機をさらに備える、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  13. 前記貯蔵システムが、前記スマートスイッチに接続された少なくとも4機の三相AC結合バッテリまたは12機の単相AC結合バッテリのうちの一方を備え、前記4機の三相AC結合バッテリまたは前記12機の単相AC結合バッテリが、最大で40kWhを提供する、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  14. 前記貯蔵システムが、相互にデイジーチェーン接続されるとともに前記スマートスイッチに接続された2機の三相AC結合バッテリを備える、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  15. 前記貯蔵システムが、10.08kWhの使用可能エネルギー容量を有する三相AC結合バッテリを備え、前記三相AC結合バッテリが、3.36kWhの使用可能エネルギー容量をそれぞれが有する3機の単相AC結合バッテリベースユニットを備え、前記単相AC結合バッテリベースユニットのうちの1機が故障した場合、前記貯蔵システムが、残りのAC結合バッテリベースユニットを用いて引き続きバックアップ電力を提供するように構成される、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  16. 前記貯蔵システムが、4つの統合マイクロインバータ、リン酸鉄リチウム(LFP)バッテリ電池、およびバッテリ管理ユニットを含む、単相AC結合バッテリを備え、前記4つの統合マイクロインバータのうちの1つの統合マイクロインバータが故障した場合、前記貯蔵システムが、残りのマイクロインバータを用いて引き続き動作し、バックアップを行うように構成される、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  17. 前記スマートスイッチが、メインブレーカを含む複数のブレーカを備え、前記スマートスイッチが、前記エネルギー管理システムを非通電にするために前記複数のブレーカが開放される必要があるように構成され、前記メインブレーカを開放することによって、前記エネルギー管理システムがシャットダウンするように構成される、請求項1に記載のエネルギー管理システム。
  18. サービスエントランスのメータ、またはメイン負荷パネルのうちの一方に接続するように構成された入力を含む、スマートスイッチであって、全体住居バックアップ、部分住居バックアップ、およびサブパネルバックアップのうちの1つをサポートするように構成される、スマートスイッチと、
    前記スマートスイッチに接続された貯蔵システムであって、前記スマートスイッチに接続された三相AC結合バッテリまたは単相AC結合バッテリのうちの一方を備える、貯蔵システムと、
    前記スマートスイッチまたは前記メイン負荷パネルのうちの一方、および1つまたは複数の太陽電池(PV)に接続されたコンバイナであって、制御信号を前記貯蔵システムに送信すること、およびステータス情報を含むデータを前記貯蔵システムから受信すること、のうちの少なくとも一方のために、前記コンバイナは前記貯蔵システムに通信可能に接続されている、コンバイナと
    を備える、エネルギー管理システムであって、
    前記スマートスイッチが、前記サービスエントランスにおいてグリッドに接続するように構成され、グリッドの停電を自動的に検出するように構成され、およびバックアップに移行するように構成される、エネルギー管理システム。
  19. サービスエントランスのメータ、またはメイン負荷パネルのうちの一方に接続するように構成された入力を含む、スマートスイッチと、
    前記スマートスイッチに接続された貯蔵システムと、
    前記スマートスイッチまたは前記メイン負荷パネルのうちの一方、および1つまたは複数の太陽電池(PV)に接続されたコンバイナと、
    第2のスマートスイッチであって、前記スマートスイッチおよび前記第2のスマートスイッチがそれぞれ、対応する200Aメイン負荷パネルに接続するように構成され、前記スマートスイッチおよび前記第2のスマートスイッチがそれぞれ、対応する通信ゲートウェイを備え、バックアップモードにおいて独立システムとして構成される、第2のスマートスイッチと、
    を備える、エネルギー管理システムであって、
    前記スマートスイッチが、前記サービスエントランスにおいてグリッドに接続するように構成され、グリッドの停電を自動的に検出するように構成され、およびバックアップに移行するように構成される、エネルギー管理システム。
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