平成25年4月

特許庁

平成24年度 特許出願技術動向調査

－パワーコンディショナ－

問い合わせ先

特許庁総務部企画調査課 技術動向班

電話：０３－３５８１－１１０１（内線２１５５）

調査期間： 特許文献 ： 1998年～2010年（優先権主張年）

（PCT/パリルート及び国内優先権）

非特許文献： 1998年 ～ 2011年（発行年）

調査対象： 日本特許文献 ：約 2,400件

外国特許文献 ：約 4,300件

非特許文献 ：約 2,200件

使用DB ： 特許文献 ： Derwent World Patents Index1

（WPI）

非特許文献： JSTPlus2

1：トムソン サイエンティフィック リミテッドの登録商標2：独立行政法人科学技術振興機構の登録商標

2

1. 調査対象技術

2. 政策動向

3. 市場動向

4. 特許出願動向

5. 研究開発動向

6. まとめ

パワーコンディショナ 目次

3

1．調査対象技術 ―技術俯瞰図―

・パワーコンディショナは、再生可能エネルギー等の電力を一般に利用できる電力に変換する装置である。

・太陽光発電、風力発電、燃料電池などの発電システムにおける、キーコンポーネントである。

・太陽光発電システムなどを安全に電力会社の送配電系統に接続するための機能を備えている。

・関連する市場規模、特許出願件数、論文発表件数は、右肩あがりで増加している。

他

パワーコンディショナ

太陽光発電用

再生可能エネルギーの活用発電分野

革新的なエネルギーの高度利用技術

燃料電池システム

風力発電用

インバータ

最大電力追従制御

インバータ

燃料電池用

DC-DCコンバータ

インバータ

電力変換技術 インバータパワーデバイスDC-DCコンバータ

システム制御技術 最大電力追従連系／自立運転

蓄電池活用技術 負荷平準、充放電要素技術

PCS、発電システムの変換高効率化大電力化／複数台並列運転の対応長寿命化・信頼性の向上小型軽量化系統連系の安定化、系統擾乱時対応自立運転時の対応エネルギーマネージメントシステム対応

課題

太陽光発電システム

発電

地熱発電

バイオマス発電

風力発電システム最大電力追従制御

蓄電池EV

直流給電

売電買電

電力量計

電力量計

連系運転制御

自立運転制御

連系運転制御

自立運転制御

連系運転制御

自立運転制御

他

LED照明

携帯基地局

データサーバ

家庭/産業

分電盤

交流給電

照明

エレベータ

エアコン/空調

TV

通信

12345スマートメーター

変電所

DC-DCコンバータ

AC-DCコンバータ

送電系統

水力 原子力火力

風力太陽光

燃料電池

スマートグリッド

政策動向

冷蔵庫

市場動向

IEC standard

JIS

JEC

JESC

JEAC

買取制度

標準化動向

エネルギーマネージメントシステム

導入費補助

パワーコンディショナの主な回路機能はインバータ（DC-ACコンバータ）であるが、インバータを含む装置である無停電電源装置（UPS）や車両用などのモーター駆動用インバータは、今回の調査の対象外である。

4

1. 調査対象技術 － 技術の概要 －

整流 or 昇圧回路＋

インバータ（DC-AC変換）＋

制御回路

負荷

分電盤

電力系統

連系用開閉器

特定負荷蓄電池

蓄電池用開閉器

電源

パワーコンディショナ

系統連系運転と自立運転に対応したパワーコンディショナ

パワーコンディショナの回路の例（電源が太陽電池の場合）

：IGBT

再生可能エネルギー等の発電システムを、電力会社の送電線又は配電線に接続して運用することを系統連系という。

系統連系により、例えば、住宅に設置した再生可能エネルギー等による発電電力が、使用電力より少ない場合電力会社からの電力を購入し、逆に発電電力が使用電力を上回った場合電力会社に売電するというような運用が可能となる。

系統連系を行う場合、再生可能エネルギー等の発電システムで得られた電力には、電力会社が供給する電力と同等の品質が要求される。

系統連系により電力会社の系統全体の電力品質に悪影響を及ぼさないようにするため、パワーコンディショナは一般に電力系統に対する保護装置を始め、その保護装置を適切に動作させるための制御機能を有している。

昇圧チョッパとインバータのスイッチング素子として、IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が使用されている。

コンデンサは、パワーコンディショナの寿命を制限する要素である。

スイッチング素子の高性能化で、より高電圧、高温で動作するパワーコンディショナを実現することが可能と考えられている。

このような構成部品の改良を含めた技術開発が進められている。

出典：一般社団法人 日本電機工業会 関西光発電普及推進委員会ホームページ 出典：一般社団法人 日本電機工業会 関西光発電普及推進委員会ホームページ

5

出典：政府広報オンラインURL:http://www.gov-online.go.jp/useful/article/201110/4.html

2. 政策動向 －再生可能エネルギーの導入・普及の推進 －

2020年における導入目標日本：一次エネルギーの9.0%を水力・地熱・

新エネルギー等にする。米国：一次エネルギーの9.4%を再生可能エ

ネルギーにする。欧州：最終エネルギー消費の20%、輸送用

燃料消費の10%を再生可能エネルギーにする。

中国：一次エネルギーの15%を再生可能エネルギーにする。

FITは欧州を中心に太陽光発電を飛躍的に増加させた原動力 となった。しかし、電力料金が上昇、電力の低コスト化への努力が減速。欧州では制度の見直しへ（買取価格の引き下げ）。

再生可能エネルギー導入・普及の施策

・FIT：Feed-in Tariff（固定価格買取制度）

・余剰電力購入・RPS（Renewables Portfolio Standard）制度*

・各種補助金、税額控除

*電力事業者に、毎年の販売量に応じ太陽光発電等から得られる電力を一定以上利用することを義務付ける制度

FIT制度の仕組み

再生可能エネルギー等を使用した発電システムは、発電コストの面において従来型の発電システムに比べて不利な状況にあり、その市場は優遇制度や規制等の政策動向の影響を大きく受けている。パワーコンディショナは系統連系に大きくかかわっているため、各国・地域によって異なる電力網の形態・規制・認証等に合わせた構成や性能が求められる。

各国・地域のエネルギー政策、電力事情及び認証制度の影響を受けやすい。

6

2. 政策動向 －日本における技術開発の施策－

燃料電池においては、NEDOのプロジェクト（2005年～2009年）において、家庭用燃料電池コージェネレーションシステム（エネファーム（東京瓦斯株式会社、大阪瓦斯株式会社、新日本石油株式会社の登録商標））の周辺機器に係る技術開発（パワーコンディショナを含む）が行われた。その結果、2009年に、エネファームは世界に先駆けて本格販売が開始された。

日本では1974年に開始されたサンシャイン計画及び1993に開始されたニューサンシャイン計画において、太陽光発電の本格的な技術開発が推進され、1985年～1995年に住宅太陽光発電用インバータの低コスト・小型化の技術開発が行われた。

パワーコンディショナを経由して、太陽光発電システムのような分散電源と電力系統を接続する系統連系システムが、1980年代後半に諸外国に先駆けて開発された。

蓄電池に関してもNEDOのプロジェクト（2006年～2010年）において、ウインドファームレベルの風力発電などに対応するMW級の蓄電システムについて実用化技術や評価技術の開発が行われた。蓄電池のエネルギー密度向上、長寿命化などの成果に加え、電力系統の瞬時電圧低下における一斉解列防止技術の実証などの成果をあげた。

出典：社団法人日本エネルギー学会新エネルギー部会セミナー「太陽光発電技術開発の現状」予稿集p7 小井沢和明、日本の太陽光発電技術の開発戦略

7

3. 市場動向 －太陽光発電用パワーコンディショナ－

太陽光発電システムの世界市場推移

太陽光発電システムの世界市場は、2008年以降急速に拡大し、今後も成長を続けると予想されている（政策主導シナリオ）。

現在までの市場の急速な拡大は、欧州を中心とした、FITが原動力となっていた。

太陽光発電システムに連動して、キーコンポーネントであるパワーコンディショナの市場も拡大すると予想されている。

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

2010（実績）

2011（予測）

2012（予測）

2013（予測）

2014（予測）

2015（予測）

2016（予測）

百万ドル

Solar Farms

Commercial

Residential

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

2010（実績）

2011（予測）

2012（予測）

2013（予測）

2014（予測）

2015（予測）

2016（予測）

百万台

Solar Farms

Commercial

Residential

太陽光発電用パワーコンディショナの世界市場規模推移

40

77

2.56.3 7.4

16.8

29.7

62

52

41 39

32

27

2120

0.50.30.3 1.61.41.10.60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012（予測）

2013（予測）

2014（予測）

2015（予測）

2016（予測）

GW

EPIA Moderate

EPIA Policy-Driven

Historical data

出典：EPIA, Global Market Outlook for Photovoltaics until 2016, 2012

出典：Inverter Technology Trends & Market Expectations Yole Developpement 2012

8

3. 市場動向 －風力発電用パワーコンディショナ－

風力発電用パワーコンディショナの世界市場規模推移

風力発電システムの世界市場推移

風力発電システム市場の世界市場は堅調に拡大する。欧州の市場はフラット（毎年一定の規模）であるが、世界市場はアジア、南北アメリカなどの市場に牽引されると予想されている。風力発電システムに連動して、キーコンポーネントであるパワーコンディショナの市場も拡大すると予想されている。特に電力容量が2MW以上の大型と、1MW以下の小容量の市場の伸びが大きいと予想されている。

0

10

20

30

40

50

60

70

2011（実績）

2012（予測）

2013（予測）

2014（予測）

2015（予測）

2016（予測）

GW

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

2010（実績）

2011（予測）

2012（予測）

2013（予測）

2014（予測）

2015（予測）

2016（予測）

百万ドル

>5MW

2MW to 5MW

1MW to 2MW

<1MW

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

2010（実績）

2011（予測）

2012（予測）

2013（予測）

2014（予測）

2015（予測）

2016（予測）

台

>5MW

2MW to 5MW

1MW to 2MW

<1MW

出典： GWEC, Global Wind Report Annualmarket update 2011

出典：Inverter Technology Trends & Market Expectations Yole Developpement 2012

9

4. 特許出願動向 －出願人国籍別出願件数推移と出願件数比率－

・ほぼ全調査対象期間において、出願件数は増加傾向を示している。・合計出願件数における日本国籍出願人の出願件数比率は、47%で最も大きい。・日本国籍による出願件数は、1998年から2008年までほぼ一定して、他の国籍より高いレベルを

維持している。・2008年以降、中国籍の出願件数が増加している。

出願人国籍別出願件数推移（日米欧中韓への出願） 出願人国籍別出願件数比率（日米欧中韓への出願）

注：2009年以降はデータベース収録の遅れ、PCT出願の各国移行のずれ等で、全データを反映していない可能性がある

197 223

356 340301

377 386 399

541

754

987

898

596

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

出願年（優先権主張年）

出

願

件

数

日本 米国 欧州 中国 韓国 その他 合計

出願人国籍

優先権主張

1998-2010年

その他116件1.8%

韓国籍280件4.4%

欧州国籍1,588件25.0%

米国籍913件14.4%

中国籍471件7.4%

日本国籍2,987件47.0%

合計6,355件

10

4. 特許出願動向 －出願先国別－出願人国籍別出願件数収支－

その他23件1.7%

韓国籍23件1.7%

欧州国籍896件64.5%

米国籍221件15.9%

中国籍10件0.7%

日本国籍217件15.6%

その他59件5.0%

韓国籍61件5.1%

欧州国籍331件27.8%

米国籍439件36.9%

中国籍14件1.2%

日本国籍287件24.1%

日本国籍2,227件92.0%

中国籍1件

0.04%

米国籍64件2.6%

欧州国籍97件4.0%

韓国籍16件0.7%

その他15件0.6%

日本国籍182件18.5%

中国籍445件45.1% 米国籍

140件14.2%

欧州国籍184件18.7%

韓国籍19件1.9%

その他16件1.6% その他

3件0.8%

韓国籍161件43.8%

欧州国籍80件21.7%

米国籍49件13.3%中国籍

1件0.3%

日本国籍74件20.1%

日本への出願2,420件

米国への出願1,191件

欧州への出願1,390件

中国への出願986件

韓国への出願368件

64件

97件

1件 16件

287件

14件

331件

61件

217件

221件

10件

23件

182件140件

184件

19件

74件

49件

80件

1件

・出願先国別出願人国籍別出願件数収支において、日本は、米国、欧州、中国、韓国のいずれの国・地域に対しても収支がプラスになっている。

・米国は、中国に対してのみ収支がプラスになっている。

・中国は、日本、米国、欧州、韓国のいずれの国・地域に対しても収支がマイナスとなっている。

11

4. 特許出願動向 －技術区分（構造：電源）の出願人国籍別出願件数推移

及び出願件数比率－

128167

189 183 180

231

556

286

536

350

167143 150

0

100

200

300

400

500

600

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

出願年（優先権主張年）

出願件数

日本 米国 欧州 中国 韓国 その他 合計

出願人国籍

優先権主張1998-2010年

65

90

49

142

91

151

264

34

78

127

268

160

200

0

50

100

150

200

250

300

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

出願年（優先権主張年）

出願件数

日本 米国 欧州 中国 韓国 その他 合計

出願人国籍

優先権主張1998-2010年

日本国籍478件27.8%

中国籍208件12.1%

米国籍256件14.9%

欧州国籍708件41.2%

韓国籍48件2.8%

その他21件1.2%

合計1,719件

20

115

81

55

109

8883

111

67 64

24

86

101

0

20

40

60

80

100

120

140

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

出願年（優先権主張年）

出願件数

日本 米国 欧州 中国 韓国 その他 合計

出願人国籍

優先権主張1998-2010年

その他22件2.2%

韓国籍60件6.0%

欧州国籍79件7.9%

米国籍165件16.4%

中国籍10件1.0%

日本国籍668件66.5%合計

1,004件

3748

99 92 10290

153

7173

174

269

110

225

0

50

100

150

200

250

300

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

出願年（優先権主張年）

出願件数

日本 米国 欧州 中国 韓国 その他 合計

出願人国籍

優先権主張1998-2010年

日本国籍1,053件68.2%

中国籍75件4.9%

米国籍148件9.6%

欧州国籍144件9.3%

韓国籍101件6.5%

その他22件1.4%

合計1,543件

電源：太陽電池

電源：燃料電池

電源：風力発電

電源：蓄電池

・太陽電池、風力発電、蓄電池に関する出願件数推移は、全調査対象期間でほぼ増加傾向となっている。・燃料電池に関する出願件数推移は、2002年以降ほぼ横ばいである。・太陽電池、燃料電池、蓄電池に関する出願人国籍別出願件数比率は、日本国籍が最も大きい。・風力発電に関する出願人国籍別出願件数比率は、欧州国籍が最も大きい。

その他77件2.4%

韓国籍150件4.6%

欧州国籍667件20.4%

米国籍442件13.5%

中国籍252件7.7%

日本国籍1,678件51.4%

合計3,266件

注：2009年以降はデータベース収録の遅れ、PCT出願の各国移行のずれ等で、全データを反映していない可能性がある

12

4. 特許出願動向 －技術区分（構造：電源）、 （課題）の出願人国籍別出願件数－

構造：電源 課題

・電源別の出願件数において、日米中韓国籍の出願人では、太陽電池に関する出願件数が最も多く、欧州国籍の出願人では、風力発電に関する出願件数が最も多い。

・課題別の出願件数において、日米欧中韓国籍に共通して高性能・高効率化に関する出願件数が多い。日本国籍の出願人の特徴はコスト低減、利便性向上、小型化・軽量化に関する出願件数の他の課題に関する出願件数に対する比率が他の国籍の出願人より大きいことである。

72281845511 152高性能・高効率化

1,460

2088169116600 39コスト低減

1111043 2温度対策

7湿度対策

238 1静音化

4244541 12183小型化・軽量化

6613135大容量化 25

2444 112076351利便性向上

1617 122162部品点数の削減

1851 412121325異常予防

65 10 112103144回路・素子の保

護

8 1810標準対応

616103 12182324安全・危険回避

35 16 53235集中連系

433 144362自然条件

3 5 23011評価・試験法の確立

4898 554242511その他

日本 米国 欧州 中国 韓国 その他

出願人国籍

課題

77252667442 150 太陽電池 1,678

21208708256478 48 風力発電

1113130 1 バイオマス発電

115258 13 地熱発電

221079165668 60 燃料電池

2275144148 1011,053 蓄電池

773186 水力発電 44

442 52684394 その他

日本 米国 欧州 中国 韓国 その他

出願人国籍

構造：電源

13

5. 研究開発動向－研究者所属機関国籍別論文発表件数推移及び論文発表件数比率－

・パワーコンディショナに関する論文発表件数は、全調査対象期間においてほぼ増加傾向となっている。

・研究者所属機関国籍別論文発表件数の比率は、欧州国籍が32.8%と最も大きい。

・日本国籍の比率は8.4%で3位である。特許出願件数比率とは異なる結果である。

3053 45

58 64

136 137

181

260

326

421

37

164

260

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

論文発表年

発表件数

日本 米国 欧州 中国 韓国 その他 合計

研究者所属機関国籍

論文発表年1998-2011日本国籍

182件8.4%

中国籍152件7.0%

米国籍330件15.2%

欧州国籍713件32.8%

韓国籍122件5.6%

その他673件31.0%

合計2,172件

14

5. 研究開発動向 －論文発表件数と特許出願件数－

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1,000

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

年

特許出願件数

0

100

200

300

400

500

論文発表件数

特許出願件数 論文発表件数

・論文発表件数と特許出願件数は、類似の増加傾向となっている（2011年は特許の調査対象範囲外であるため比較できない）。

・特許出願件数と論文発表件数を1998年と2010年において比較すると、特許出願件数は197件から987件（5倍）に増加し、論文発表件数は30件から326件（約10倍）に増加している。

注：2009年以降はデータベース収録の遅れ、PCT出願の各国移行のずれ等で、全データを反映していない可能性がある

15

5. 研究開発動向 －技術区分別研究者所属機関国籍別論文発表件数

・（構造：電源）別では、欧州国籍も含め太陽電池に関する発表が最も多い。

・課題別では、高効率・高性能化に関する発表が多い。206 105

40 18

56 18

13

50

30662296136 55太陽電池 108

206402347746 17風力発電

8222967719 40燃料電池

377107

37418888 72要素回路

6619565032 7蓄電池

35981345156 43107システム全体

142294010868スイッチング回路 43

45372397133高性能・高効率化

63118818検出・監視・異常

74126317コスト低減

4 1062マイクロ

44627 113712単相系

842235 1910620三相系

6619 75632電力貯蔵

HEMS、BEMS等の対応

日本 米国 欧州 中国 韓国 その他

研究者所属機関国籍

主要な技術区分

要素技術：構造

要素技術：制御

課題

用途

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６．まとめ

採算性の確保

日本がリードできる仕組み作り

当面の課題

自立市場の形成

日本の競争力獲得

目標経済的インセンティブとして政策的に導入されている仕組み

を有効活用した技術開発

観点①

コストや安定性の面における弱点の克服パワーコンディショナ本体パワーコンディショナを有するシステム全体（含、

運用・保守）

採算性の予見可能性を高めるうえで必要となる規格化や性能評価のための技術や仕組み

の確立

右肩上がりの指標が多い市場規模特許出願研究開発（論文発表）

分野の指標動向

技術開発において、日本が先行

しているものが多く、蓄積も豊富各国・地域のエネルギー政策、

電力事情及び認証制度の影響を受けやすい

分野の特徴

観点③

観点②

現時点でとるべき行動