JP2005069125A - 風力発電装置及び風力発電を利用した水素製造設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数台の風力発電機からの総合発電出力の出力変動を抑制できる風力発電装置を提供する。風力発電装置の発電出力の出力変動を抑制することにより水電解装置の寿命低下を防止することができ、しかも効率良く海水を淡水化することができる風力発電を利用した水素製造設備を提供する。
【解決手段】 本発明に係る風力発電装置は、風のエネルギーにより回転する複数の風車１と、風車１にそれぞれ接続されその発電出力端が互いに接続された複数の誘導電動発電機２Ａと、各誘導電動発電機２Ａにより得られた交流電力を合成した合成発電出力を直流電力に変換する整流器３と、合成発電出力の出力変動を抑制する出力安定化装置４とを備えている。この出力安定化装置４は、回転速度が相対的に速い風車に接続された誘導電動発電機２Ａによる発電出力の一部が、回転速度が相対的に遅い風車に接続された誘導電動発電機機２Ａの駆動電力として使用されるように３整流器の交流側同期周波数を制御するようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力発電装置及び風力発電を利用した水素製造設備に関する。

風力発電は、風のエネルギーを風車の回転により回転エネルギーに変換し、これにより発電機を回転させて電気エネルギーを取り出すものであり、クリーンで無尽蔵にある新エネルギーとして有望である。また、近年、自動車等に用いられる無公害の燃料として水素が注目されているが、この水素を得る手段として風力発電装置が用いられており、例えば、下記特許文献１にこのような風力発電装置が開示されている。

図８は、特許文献１の「水素生産用水上風力発電設備」の構成を示す図であり、陸上２０１から離れた水上である海２０８に海底から直接設置され、風車２０２が取り付けられた発電装置２０３（風力発電手段）と、この風車２０２に近接して海底から立ち上がるプラットホーム等を介して設置される電力制御装置２０４と水素発生装置としての電気分解装置２０５とを備え、発電装置２０３で発電された電気を電力制御装置２０４に送り、この電力制御装置２０４からの電気を電気分解装置２０５に供給することにより、水素と酸素を発生させるようにしたものである。

特開２００２−７０７２０号公報

風力発電は風任せであるため安定した電力源となり難く、風速変動により出力変動が生じ易い。このため、風力発電装置が電力系統に連系された場合に、電力系統における電圧や周波数等の電力品質に影響を与える。また、複数台の風力発電装置が電力系統に連系された場合は、風力発電装置の総合出力の変動が増大することから、電力品質をさらに悪化させるおそれがある。

また、風力発電により得られた発電電力を水素発生装置である水電解装置の電源として使用する場合、水電解装置は入力電圧変動に弱いため、これをそのまま水電解装置の入力電源とした場合には、水電解装置の寿命低下を招くことになる。さらに、洋上の風力発電を利用した水素発生設備では、海水を淡水化装置で淡水化し、次いで純水装置により淡水から純水を生成し、これを水電解装置の供給水として使用するが、淡水化装置では、海水を淡水化するために必要な電力を外部から供給するか又は風力発電装置により得られた発電電力の一部を使用する必要があり、このため設備全体の効率が低下するという問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、複数台の風力発電機からの総合発電出力の出力変動を抑制できる風力発電装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、風力発電装置の発電出力の出力変動を抑制することにより水電解装置の寿命低下を防止することができ、しかも効率良く海水を淡水化することができる風力発電を利用した水素製造設備を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る第１の風力発電装置は、風のエネルギーにより回転する複数の風車と、該風車にそれぞれ接続されその発電出力端が互いに接続された複数の誘導電動発電機と、各誘導電動発電機により得られた交流電力を合成した合成発電出力を直流電力に変換する整流器と、合成発電出力の出力変動を抑制する出力安定化装置とを備え、前記出力安定化装置は、回転速度が相対的に速い風車に接続された誘導電動発電機による発電出力の一部が、回転速度が相対的に遅い風車に接続された誘導電動発電機の駆動電力として使用されるように前記整流器の交流側同期周波数を制御する、ことを特徴とする。

また本発明に係る第２の風力発電装置は、風のエネルギーにより回転する複数の風車と、該風車にそれぞれ接続された複数の同期機と、該同期機にそれぞれ接続され交流電力と直流電力を相互に変換可能な整流器と、直流電力に変換されたそれぞれの発電出力を合成した合成発電出力の出力変動を抑制する出力安定化装置とを備え、前記同期機は、同期電動発電機であり、前記各整流器は、その直流側出力端で互いに並列に接続されており、前記出力安定化装置は、相対的に高い誘導起電力を発生させる同期電動発電機の発電出力の一部が、相対的に低い誘導起電力を発生させる同期電動発電機の駆動電力として使用されるように各同期電動発電機の出力電圧を制御する、ことを特徴とする。

また本発明に係る第３の風力発電装置は、風のエネルギーにより回転する複数の風車と、該風車にそれぞれ接続された複数の同期機と、該同期機にそれぞれ接続され交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力に変換されたそれぞれの発電出力を合成した合成発電出力の出力変動を抑制する出力安定化装置とを備え、前記同期機は、同期発電機であり、前記各整流器は、その直流側出力端で互いに直列に接続されており、前記出力安定化装置は、合成直流電圧の変動率が所定範囲内に収まるように各同期発電機の出力電圧を制御する、ことを特徴とする。

また本発明に係る第１の風力発電を利用した水素製造設備は、上記第１乃至第３のいずれかの風力発電装置と、該風力発電装置に接続され該風力発電装置の発電出力を電源として水素を発生させる水電解装置とを備える、ことを特徴とする。

また本発明に係る第２の風力発電を利用した水素製造設備は、上記第１の風力発電を利用した水素製造設備において、更に、海水を淡水化する淡水化装置と、該淡水化装置により得られた淡水から水電解装置に供給するための純水を生成する純水装置とを備え、前記淡水化装置は、前記誘導電動発電機、前記同期機、前記整流器、前記水電解装置からの排出熱のうち少なくとも１以上の排出熱を利用して海水を淡水化する、ことを特徴とする。

本発明に係る第１の風力発電装置は、出力安定化装置により、回転速度が相対的に速い風車に接続された誘導電動発電機による発電出力の一部が、回転速度が相対的に遅い風車に接続された誘導電動発電機機の駆動電力として使用されるように前記整流器の交流側同期周波数を制御するので、同期速度より速い速度で回転する風車に接続された誘導電動発電機は発電機として機能し、同期速度より遅い速度で回転する風車に接続された誘導電動発電機は電動機として機能することにより、各誘導電動発電機相互間でエネルギーの補間が行われ、合成発電出力の出力変動が抑制される。したがって、電圧変動の少ない品質の良好な発電出力を得ることができる。これにより、例えば、発電出力を水電解装置の電源として使用した場合でも、水電解装置の寿命低下を有効に防止することができる。

本発明に係る第２の風力発電装置は、同期機を同期電動発電機とし、各整流器をその直流側出力端で互いに並列に接続し、出力安定化装置により、相対的に高い誘導起電力を発生させる同期電動発電機の発電出力の一部が、相対的に低い発電出力を発生させる同期電動発電機の駆動電力として使用されるように各同期電動発電機の出力電圧を制御するので、各同期電動発電機相互間でエネルギーの補間が行われ、合成発電出力の出力変動が抑制される。したがって、電圧変動の少ない品質の良好な発電出力を得ることができる。これにより、例えば、発電出力を水電解装置の電源として使用した場合でも、水電解装置の寿命低下を有効に防止することができる。

本発明に係る第３の風力発電装置は、同期機を同期発電機とし、各整流器をその直流側出力端で互いに直列に接続し、出力安定化装置により、合成直流電圧の変動率が所定範囲内に収まるように各同期発電機の出力電圧を制御するので、合成出力電圧の総和を所定範囲内に収めることができる。したがって、合成発電出力の出力変動が抑制され、電圧変動の少ない品質の良好な発電出力を得ることができる。これにより、例えば、発電出力を水電解装置の電源として使用した場合でも、水電解装置の寿命低下を有効に防止することができる。

本発明に係る第１の風力発電を利用した水素製造設備は、上記第１乃至第３の風力発電装置のうちいずれか１の風力発電装置と、該風力発電装置に接続され該風力発電装置の発電出力を電源として水素を発生させる水電解装置とを備えるので、電圧変動の少ない品質の良好な発電出力を水電解装置に供給することにより、水電解装置の寿命低下を防止することができる。

本発明に係る第２の風力発電を利用した水素製造設備は、上記第１の風力発電を利用した水素製造設備において、更に、海水を淡水化する淡水化装置を備え、該淡水化装置は、前記誘導電動発電機、前記同期機、前記整流器、前記水電解装置からの排出熱のうち少なくとも1以上の排出熱を利用して海水を淡水化するので、これら各機器から排出される熱エネルギーを有効利用することができ、海水の淡水化に必要な淡水化装置への電力の供給を低減することができ、設備全体の効率が向上する。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において同一の部分には同一の符号を付し、また重複した説明は省略する。

図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図である。この図において風力発電装置１０は、風車１と、誘導電動発電機２Ａと、整流器３と、出力安定化装置４と、風車回転速度検出器５とを備えている。またこの図に示すように、風力発電装置１０は、風車及びこれに接続される誘導電動発電機を複数台備え、風車が風のエネルギーにより回転すると、誘導電動発電機２Ａは風車１の回転速度に応じ回転子が固定子内で回転し、固定子から交流電力を出力する。各誘導電動発電機２の発電出力端は互いに接続され、各誘導電動発電機からの交流電力が合成されるようになっている。整流器３は、交流電力の合成発電出力を直流電力に変換する交直変換器である。なお、以下の説明において、説明の便宜上、誘導電動発電機を単に誘導機という場合もある。また、本実施形態では風車１と誘導電動発電機２Ａからなる風力発電機を３機備えているが、風力発電機の数はこれに限定されることはない。

風力発電装置１０には、水電解装置６が接続されている。水電解装置６は、整流器３により交流電力から直流電力に変換された発電出力を電源として水素を発生させる装置であり、これらの風力発電装置１０と水電解装置６により風力発電を利用した水素製造設備を構成している。出力安定化装置４は、合成発電出力の出力変動を抑制する装置である。風車回転速度検出器５は、各風車の回転速度を検出するものであり、検出された回転速度信号を出力安定化装置４に送るようになっている。

風車１が風のエネルギーにより回転すると、風車１の軸に接続された誘導電動発電機２の回転子が固定子内で回転し、回転子が同期速度以上で回転すると誘導電動発電機２は発電機として機能し、交流電力を発生する。発生した交流電力は接続点９で合成発電出力となり、整流器３で交流電力から直流電力に変換され、変換された直流電力は水電解装置６に電源として供給され、水電解装置６で水電解反応が行われ、水素が発生する。

このとき、出力安定化装置４では、風車回転速度検出器５からの各風車の回転速度信号を受けて、各誘導電動発電機のすべり値を考慮して整流器３の交流側同期周波数を制御する。図２は、出力安定化装置４による交流側同期周波数の制御方式の概念図であり、横軸に誘導機のすべり（ｓ）をとり、縦軸に出力（Ｐ）をとっている。この図に示すように、誘導機は、すべりがプラスのとき、即ち風車回転速度が同期速度より速いときは発電機として機能し、すべりがマイナスのとき、即ち風車回転速度が同期速度より遅いときは電動機として機能するようになっている。したがって、図２のように、誘導機が複数ある場合に、回転速度が相対的に速い風車に接続された誘導機のすべりがｓ１となることにより誘導機が発電機として機能し、回転速度が相対的に遅い風車に接続された誘導機のすべりがｓ２となることにより誘導機が電動機として機能すれば、発電機として機能する誘導機の発電出力の一部が電動機として機能する誘導機の駆動電力として使用されることになり、全体としてＰ１−Ｐ２の発電出力が得られる。つまり、誘導機が複数台ある場合、同期周波数を適当に制御することにより、各誘導機相互間でエネルギーの補間がおこなわれ、合成発電出力の出力変動が抑制されることになる。

本発明は、誘導機のこのような性質を利用したものであり、出力安定化装置４により、回転速度が相対的に速い風車に接続された誘導電動発電機による発電出力の一部が、回転速度が相対的に遅い風車に接続された誘導電動発電機機の駆動電力として使用されるように前記整流器の交流側同期周波数を制御するようにしたものである。このように整流器３の交流側同期周波数を制御すれば、上述したように、各誘導電動発電機２相互間でエネルギーの補間が行われ、合成発電出力の出力変動が抑制され、電圧変動の少ない品質の良好な発電出力を得ることができる。したがって、本実施形態のように風力発電装置１０の発電出力を水電解装置６の電源として使用した場合でも、水電解装置６の寿命低下を有効に防止することができる。

図３は、本発明の第２実施形態を示す構成図である。この図において風力発電装置１１は、風車１と、同期機２Ｂと、整流器３と、出力安定化装置４とを備えている。風車１の軸は同期機２Ｂに接続されており、また、同期機２Ｂは同期電動発電機である。整流器３は、交流電力と直流電力を相互に変換可能な双方向交直変換器である。本実施形態に係る風力発電装置１１は、このような風車１、同期機２Ｂ、整流器３を複数台備えており、各整流器は、接続点９でその直流側出力端が互いに並列に接続され、直流電力に変換されたそれぞれの発電出力が合成されるようになっている。なお、第１実施形態と同様に、風車１、同期機２Ｂ、整流器３の数はこれに限定されるものではない。

また、第１実施形態と同様に、風力発電装置１１には水電解装置６が接続されており、風力発電装置１１と水電解装置６により風力発電を利用した水素製造設備を構成している。接続点９で合成された合成発電出力は水電解装置の電源として供給される。出力安定化装置４は、合成発電出力の出力変動を抑制する装置である。

風車１が風のエネルギーにより回転すると、風車１の軸に接続された同期電動発電機２の回転子が固定子内で回転し、回転子が回転すると、同期電動発電機２Ｂは風速と風車回転速度に応じた交流電力を発生する。発生した交流電力は整流器３で直流電力に変換され、変換された直流電力は接続点９で合成発電出力となり、水電解装置６に電源として供給され、水電解装置６で水電解反応が行われ、水素が発生する。

図４は、出力安定化装置４による合成発電出力の出力変動抑制の概念図であり、横軸に同期電動発電機の誘導起電力（Ｅ）をとり、縦軸に出力（Ｐ）をとっている。この図に示すように、相対的に高い誘導起電力Ｅ１と、相対的に低い誘導起電力Ｅ２がある場合、相対的に高い誘導起電力E１を発生させる同期電動発電機２Ｂの発電出力P１の一部が、相対的に低い誘導起電力E２を発生させる同期電動発電機２Ｂの駆動電力として使用されることになり、全体としてＰ１−Ｐ２の合成発電出力が得られる。Ｅ０はＰ＝０となる誘導起電力である。つまり、同期電動発電機２Ｂが複数台ある場合、これら各同期電動発電機２Ｂの出力電圧を適当に制御することにより、各同期電動発電機２Ｂ相互間でエネルギーの補間がおこなわれ、合成発電出力の出力変動が抑制されることになる。

本発明ではこのような知見に基づいて、出力安定化装置４により、相対的に高い誘導起電力を発生させる同期電動発電機２Ｂの発電出力の一部が、相対的に低い誘導起電力を発生させる同期電動発電機２Ｂの駆動電力として使用されるように各同期電動発電機２Ｂの出力電圧を制御するようにした。このとき、各同期電動発電機２Ｂの出力電圧の制御は、各同期電動発電機２Ｂの負荷トルクを制御することにより行う。このように各同期電動発電機２Ｂの出力電圧を制御すれば、上述したように、各誘導電動発電機２Ｂ相互間でエネルギーの補間が行われ、合成発電出力の出力変動が抑制され、電圧変動の少ない品質の良好な発電出力を得ることができる。また、風力発電装置１１を水電解装置の電源として使用しても、発電出力の電圧変動を抑制できるので水電解装置の寿命低下も防止することができる。

図５は、本発明の第３実施形態を示す構成図である。この図において風力発電装置１２は、風車１と、同期機２Ｃと、整流器３と、出力安定化装置４とを備えている。風車１の軸は同期機２Ｃに接続されており、また、同期機２Ｃは同期発電機である。整流器３は、同期機２Ｃにより得られた交流電力を直流電力に変換する交直変換器である。本実施形態に係る風力発電装置１２は、このような風車１、同期機２Ｃ、整流器３を複数台備えており、各整流器３は、その直流側出力端で互いに直列に接続され、直流電力に変換されたそれぞれの発電出力が合成されるようになっている。なお、第１実施形態と同様に、風車１、同期機２Ｃ、整流器３の数はこれに限定されるものではない。

また、第１、第２実施形態と同様に、風力発電装置１２には水電解装置６が接続されており、風力発電装置１２と水電解装置６により風力発電を利用した水素製造設備を構成している。合成発電出力は水電解装置６の電源として供給される。出力安定化装置４は、合成発電出力の出力変動を抑制する装置である。

図６は、出力安定化装置４による合成発電出力の出力変動抑制の概念図であり、横軸に時間（ｔ）をとり、縦軸に各整流器３から出力される直流電圧（Ｅ）をとっている。この図は、風力発電機が２機の場合であり、Ｅｄｃ１、Ｅｄｃ２はそれぞれ同期発電機２Ｃに接続された整流器３の直流電圧を示している。この図に示すように、直流電圧Ｅｄｃ１、Ｅｄｃ２の変動は大きいが、合成直流電圧ＥｄｃはＥｄｃ＝Ｅｄｃ１＋Ｅｄｃ２となるため、全体として出力電圧の変動が抑制される。

本発明ではこのような知見に基づいて、出力安定化装置４により、合成直流電圧の変動率が所定範囲内に収まるように各同期発電機２Ｃの出力電圧を制御するようにした。このとき、各同期発電機２Ｃの出力電圧の制御は、各同期発電機２Ｃの負荷トルクを制御することにより行う。これにより、合成出力電圧の総和を所定範囲内に収めることができ、合成発電出力の出力変動が抑制され、電圧変動の少ない品質の良好な発電出力を得ることができる。また、風力発電装置１２を水電解装置６の電源として使用しても、発電出力の電圧変動を抑制できるので水電解装置６の寿命低下も防止することができる。

なお、上述した第１乃至第３の実施形態では風力発電装置を水電解装置に接続し、発電出力を水電解装置の電源として使用したが、これに限定されるものではなく、他の電力系統への接続にも対応できることは勿論である。

図７は、本発明の第４実施形態を示す構成図である。この図において、２０は風力発電を利用した水素製造設備であり、上述した第１実施形態に係る風力発電装置１０と、この風力発電装置１０に接続された水電解装置６と、海水を淡水化する淡水化装置１３と、淡水化装置１３により得られた淡水から純水を生成する純水装置１４とを備えている。なお、風力発電装置１０は、説明の便宜上簡略化してあるが、上述した第１実施形態に係る風力発電装置１０と同様の構成を有しているものとする。

水素製造設備２０では、風力発電装置１０により発電を行い、得られた発電出力を水電解装置６に供給して、水電解装置６で水電解を行い水素を製造する。このとき淡水化装置１３は海水を淡水化し、純水装置１４は淡水から純水を生成し、水電解装置１０に水電解に必要な純水が供給される。

水電解装置６における水電解反応は発熱反応であるため、水電解装置６からは排出熱が発生し、また、誘導電動発電機２、整流器３からも排出熱が発生する。淡水化装置１３はこれらの排出熱を利用して海水を淡水化するようになっている。したがって、これら各機器から排出される熱エネルギーを有効利用することができ、海水の淡水化に必要な淡水化装置への電力の供給を低減することができるので、水素製造設備全体の効率が向上する。

なお、上述した水素製造設備２０において、風力発電装置１０に代えて第２実施形態に係る風力発電装置１１又は第３実施形態に係る風力発電装置１２を適用することも可能である。

その他、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更し得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 発電出力の出力変動抑制の概念図である。 本発明の第２実施形態を示す構成図である。 発電出力の出力変動抑制の概念図である。 本発明の第３実施形態を示す構成図である。 発電出力の出力変動抑制の概念図である。 本発明の第４実施形態を示す構成図である。 特許文献１の「水素生産用水上風力発電設備」の構成を示す図である。

符号の説明

１ 風車
２Ａ 誘導機（誘導電動発電機）
２Ｂ 同期機（同期電動発電機）
２Ｃ 同期機（同期発電機）
３ 整流器
４ 出力安定化装置
５ 風車回転数検出器
６ 水電解装置
９ 接続点
１０、１１、１２ 風力発電装置
１３ 海水淡水化装置
１４ 純粋化装置
２０ 水素製造整備

Claims (5)

1. 風のエネルギーにより回転する複数の風車と、該風車にそれぞれ接続されその発電出力端が互いに接続された複数の誘導電動発電機と、各誘導電動発電機により得られた交流電力を合成した合成発電出力を直流電力に変換する整流器と、合成発電出力の出力変動を抑制する出力安定化装置とを備え、
   前記出力安定化装置は、回転速度が相対的に速い風車に接続された誘導電動発電機による発電出力の一部が、回転速度が相対的に遅い風車に接続された誘導電動発電機の駆動電力として使用されるように前記整流器の交流側同期周波数を制御する、ことを特徴とする風力発電装置。
2. 風のエネルギーにより回転する複数の風車と、該風車にそれぞれ接続された複数の同期機と、該同期機にそれぞれ接続され交流電力と直流電力を相互に変換可能な整流器と、直流電力に変換されたそれぞれの発電出力を合成した合成発電出力の出力変動を抑制する出力安定化装置とを備え、
   前記同期機は、同期電動発電機であり、
   前記各整流器は、その直流側出力端で互いに並列に接続されており、
   前記出力安定化装置は、相対的に高い誘導起電力を発生させる同期電動発電機の発電出力の一部が、相対的に低い誘導起電力を発生させる同期電動発電機の駆動電力として使用されるように各同期電動発電機の出力電圧を制御する、ことを特徴とする風力発電装置。
3. 風のエネルギーにより回転する複数の風車と、該風車にそれぞれ接続された複数の同期機と、該同期機にそれぞれ接続され交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力に変換されたそれぞれの発電出力を合成した合成発電出力の出力変動を抑制する出力安定化装置とを備え、
   前記同期機は、同期発電機であり、
   前記各整流器は、その直流側出力端で互いに直列に接続されており、
   前記出力安定化装置は、合成直流電圧の変動率が所定範囲内に収まるように各同期発電機の出力電圧を制御する、ことを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電装置と、該風力発電装置に接続され該風力発電装置の発電出力を電源として水素を発生させる水電解装置とを備える、ことを特徴とする風力発電を利用した水素製造設備。
5. 更に、海水を淡水化する淡水化装置と、該淡水化装置により得られた淡水から水電解装置に供給するための純水を生成する純水装置とを備え、前記淡水化装置は、前記誘導電動発電機、前記同期機、前記整流器、前記水電解装置からの排出熱のうち少なくとも１以上の排出熱を利用して海水を淡水化する、ことを特徴とする請求項４に記載の風力発電を利用した水素製造設備。
   

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