JP2005233030A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、燃料Ｇと空気Ａとの混合気を燃焼させて動力を発生するエンジン１と、エンジン１の動力により発電する発電機１０と、発電機１０が発電した電力を所望の電力に変換する電力変換回路部１２とを備えた発電システムに関し、その目的は、簡単な構成で、発電効率の低下を抑制しつつ、発電機１０や電力変換回路部１２を適切に冷却することができる技術を提供する点にある。
【解決手段】 発電機１０及び電力変換回路部１２の少なくとも一方の冷却対象物を、エンジンに供給される燃料Ｇ及び空気Ａの少なくとも一方であるエンジン供給流体により冷却する冷却構造を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生するエンジンと、前記エンジンの動力により発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を所望の電力に変換する電力変換回路部とを備えた発電システムに関する。

上記のような発電システムは、一般家庭等にコージェネレーションシステム等として設置されるものであり、詳しくは、エンジンにより発電機を駆動して発電し、その発電した電力をインバータ等の電力変換回路部により、例えば商用電力系統に系統連系する形態で、所望の交流周波数の電力に変換して、電力負荷側に供給するように構成されている。

このような発電システムでは、上記電力変換回路部の過剰昇温による動作不良や故障などを防止するために、電力変換回路部を収容する室内に外気を通風させるための電動ファンを設け、その電動ファンを常時又は間欠的に運転して、電力変換回路部を冷却するように構成されている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、上記発電システムで利用される発電機では、その発電機内の発電コイル等を冷却するために、発電機の軸と共に回転するファンが設けられている（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２００２−２４２７６０号公報 特開平１１−２９９１７５号公報

従来の発電システムにおいて、電力変換回路部を冷却するための電動ファンは、発電機が発電した電力の一部を消費することから、発電システムの発電効率低下の要因となり、更に、電力変換回路部を充分に冷却するための比較的大型な電動ファンを設置する必要があることから、コスト高を招く場合があった。

また、従来の発電システムに利用される発電機において、発電機内を冷却するためのファンについても、そのファンがエンジンから発電機側に伝えられた動力の一部を消費することから、発電システムの発電効率の低下の要因となる。

従って、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸気路を通じて外気を吸気して動力を発生するエンジンと、前記エンジンの動力により発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を所望の電力に変換する電力変換回路部とを備えた発電システムにおいて、簡単な構成で、発電効率の低下を抑制しつつ、発電機や電力変換回路部を適切に冷却することができる技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る発電システムは、燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生するエンジンと、前記エンジンの動力により発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を所望の電力に変換する電力変換回路部とを備えた発電システムであって、その第１特徴構成は、前記発電機及び前記電力変換回路部の少なくとも一方の冷却対象物を、前記エンジンに供給される燃料及び空気の少なくとも一方であるエンジン供給流体により冷却する冷却構造を備えた点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記冷却構造を設けることで、上記冷却対象物をエンジンに供給される上記エンジン供給流体により冷却することができるので、上記冷却対象物を冷却するためのファンを小型化又は省略することができ、そのファンの電力又は動力の消費による発電システムの発電効率低下を抑制することができる。

従って、本発明により、簡単な構成で、発電効率の低下を抑制しつつ、発電機や電力変換回路部を適切に冷却することができる発電システムを実現することができた。

本発明に係る発電システムの第２特徴構成は、前記冷却構造が、前記冷却対象物を前記エンジンの吸気路が接続された通気室内に設置して、前記エンジンが前記通気室内を通じて前記エンジン供給流体としての空気を吸気するように構成されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記冷却構造において、エンジンの吸気路を冷却対象物が設置された通気室に接続することで、エンジンがエンジン供給流体としての空気を吸気するときに発生する吸引力により、通気室に空気を取込んで、通気室に設置された冷却対象物をその空気により冷却することができる。

本発明に係る発電システムの第３特徴構成は、前記エンジンが、前記吸気路に設けられたスロットルバルブの開度調整により出力調整を行うように構成されている点にある。

エンジンにおいて、エンジンの吸気路を冷却対象物が設置された通気室に接続して、上記通気室を通過した後の空気を吸気することで、吸気時の圧力損失が増加し運転効率が低下することが懸念されるが、上記第３特徴構成によれば、エンジンを、前記吸気路に設けられたスロットルバルブの開度調整により出力制御を行うように構成することで、吸気時の圧力損失の増加を、スロットルバルブの開度を一定量開放側に補正することで回避することができ、圧力損失の増加による運転効率の低下を防止することができる。

本発明に係る発電システムの第４特徴構成は、前記冷却構造が、前記冷却対象物と前記エンジン供給流体との熱交換を行う熱交換部で構成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記冷却構造を上記熱交換部で構成することで、冷却対象物に例えば燃料などのエンジン供給流体を直接接触させることなく、冷却対象物をエンジン供給流体との熱交換により冷却することができる。

本発明に係る発電システムの第５特徴構成は、前記熱交換部が、前記エンジン供給流体が流通する流路において、前記冷却対象物から伝達された熱を前記エンジン供給流体へ放射する放熱フィンを有する点にある。

上記第５特徴構成によれば、上記熱交換部がエンジン供給流体が流通する流路に上記放熱フィンを有することで、冷却対象物からエンジン供給流体への放熱を促進し、冷却対象物を一層冷却することができる。

本発明に係る発電システムの第６特徴構成は、前記冷却対象物としての前記電力変換回路部が、前記発電機が発電した電力を目標周波数の交流電力に変換するインバータである点にある。

上記第６特徴構成によれば、上記電力変換回路部が、比較的過剰昇温による動作不良が発生しやすいインバータを備えることで、従来ではそのインバータを冷却するために必要であった比較的大型の電動ファンを小型化又は省略して、一層の発電効率向上を図ることができる。

本発明に係る発電システムの第７特徴構成は、前記エンジンから排出される排ガス中のＮＯｘを還元処理するＮＯｘ還元処理手段を備えた点にある。

エンジンにおいて、上記冷却対象物を冷却することで昇温した空気や燃料のエンジン供給流体が供給されることで、燃焼温度が上昇して、排ガス中のＮＯｘが増加することが懸念されるが、上記第７特徴構成によれば、エンジンの排気路に三元触媒等の上記ＮＯｘ還元処理手段を設けることで、そのＮＯｘを還元処理して排ガス中のＮＯｘ濃度を許容値以下に低減することができる。

本発明の実施の形態として、発電システムを、電力に加えて熱を発生するコージェネレーションシステムに適用した例について、図面に基づいて説明する。
図１に示すコージェネレーションシステムには、発電システムとして、都市ガスである燃料Ｇと空気Ａとの混合気を燃焼させて出力軸２を回転させて動力を発生するエンジン１と、出力軸２に連結されエンジン１の動力により発電する発電機１０と、発電機１０が発電した電力を商用電力系統に系統連系する形態で所望の交流周波数の電力に変換する電力変換回路部としてのインバータ１２とが備えられており、このインバータ１２で変換された電力が電力消費機器等に供給される。

更に、このコージェネレーションシステムは、熱として湯水を生成するように構成されている。詳しくは、エンジン１から排ガスＥが排出される排気路５に、高温の排ガスＥとの間の熱交換により水を加熱して湯水を生成する排熱回収熱交換器７と、その湯水を貯留する貯湯タンク３５とが備えられており、その貯湯タンク３５に貯留されている湯水が給湯等に利用される。

上記エンジン１は、吸気路３から吸気した空気Ａと燃料供給管９から供給された燃料Ｇとの混合気を燃焼室で燃焼させて回転動力を出力し、排気路５に排ガスＥを排出するように構成されている。

エンジン１の吸気路３には、吸気する空気Ａを濾過するエアーフィルタ４と、出力調整のために開度調整されるスロットルバルブ８が設けられている。

エンジン１の排気路５には、排ガスＥ中のＮＯｘを還元処理するＮＯｘ還元処理手段として、酸化性成分であるＮＯｘとＯ_２、及び、還元性成分であるＣＯとＨＣ（未燃成分）とＨ_２を、化学量論的に当量の状態に保つことでそれら３成分（ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ）を同時に処理する三元触媒部６が設けられており、その三元触媒６の下流側に上述の排熱回収熱交換器７が配置されている。

更に、コージェネレーションシステムは、発電機１０、インバータ１２、及び、インバータ１２やエンジン１等の制御を行うための制御回路や発電機１０が発生した電力を補機で消費される電力に変換する電源回路等を含む電気回路１１等の少なくとも一つの冷却対象物を、エンジン１に供給される燃料Ｇ及び空気Ａの少なくとも一方であるエンジン供給流体により冷却する冷却構造を備えており、その冷却構造の詳細について、以下に説明を加える。

コージェネレーションシステムは、発電機１０、インバータ１２、及び、電気回路１１等を冷却対象物とし、それらをエンジン供給流体としてのエンジン１に供給される空気Ａにより冷却する冷却構造を有する。

詳しくは、コージェネレーションシステムの内部には、上記冷却対象物としてのインバータ１２を電気回路１１と共に収容する第１通気室２１と、上記冷却対象物としての発電機１０を収容する第２通気室２２とが区画形成されている。更に、この第１通気室２１には、空気Ａを取り込むための空気取込み口２３が形成され、第１通気室２１と第２通気室２２との間にはそれらを連通させるための連通口２４が形成され、更に、第２通気室２２には、エンジン１の吸気路３が接続されている。

即ち、コージェネレーションシステムの冷却構造は、発電機１０、インバータ１２、及び、電気回路１１等の冷却対象物をエンジン１の吸気路３が接続された第１通気室２１及び第２通気室２２内に設置して、エンジン１が両通気室２１，２２内を通じて空気Ａを吸気することで、イ発電機１０、インバータ１２、及び、電気回路１１等の冷却対象物を空気Ａにより冷却するように構成されている。

また、上記のように、エンジン１が冷却対象物を収容した通気路２１，２２を介して空気Ａを吸気することにより空気Ａにかかる圧力損失の増加して運転効率が低下することを防止するために、吸気路３をそのまま大気開放する場合と比較して、スロットルバルブ８の開度が一定量開放側に補正されている。

更に、コージェネレーションシステムは、インバータ１２を冷却対象物として、そのインバータ１２をエンジン供給流体としてのエンジン１に供給される燃料Ｇにより冷却する冷却構造として、そのインバータ１２と燃料Ｇとの熱交換を行う熱交換部３０を備える。

詳しくは、熱交換部３０において、インバータ１２の特にスイッチング素子などで発生した熱を燃料供給管９側へ伝達させるために、インバータ１２を燃料供給管９の外壁に接触した状態で配置されている。
更に、燃料供給管９のインバータ１２が密接された部分の内側には、燃料供給管９の内壁に接触し燃料Ｇの流れ方向に沿って延出する板状の放熱フィン３１が設けられており、放熱フィン３１により、インバータ１２から燃料供給管９を介して伝達された熱を燃料Ｇへ放射され、結果、インバータ１２が燃料Ｇとの熱交換により冷却されることになる。

尚、この放熱フィン３１を省略して、熱交換部３０を、インバータ１２を燃料供給管９の外壁に接触した状態で配置するだけで、インバータ１２を燃料Ｇとの熱交換により冷却するように構成しても構わない。
また、上記熱交換部３０においては、インバータ１２を冷却するためのエンジン供給流体を燃料Ｇとしたが、別に、インバータをエンジン供給流体である空気Ａとの熱交換により冷却するように構成しても構わない。

これまで説明してきたコージェネレーションシステムでは、これまで説明してきた冷却構造により、発電機１０、インバータ１２、及び、電気回路１１等の冷却対象物を冷却することで昇温した燃料Ｇ及び空気Ａであるエンジン供給流体が供給されることになる。
そして、このように昇温した燃料Ｇ及び空気Ａがエンジン１に供給されることで、エンジン１における燃料温度が上昇して、排ガスＥ中のＮＯｘが増加するのであるが、そのＮＯｘは排気路５に設けた三元触媒部６で適切に還元処理されるので、コージェネレーションシステムから排出される排ガスＥ中のＮＯｘ濃度は許容値以下に低減されている。

尚、上記実施の形態では、本発明に係る発電システムをコージェネレーションシステムに適用した例を説明したが、別に、本発明に係る発電システムは、例えば電力のみを発生する発電設備等のコージェネレーションシステム以外にも適用することができる。

コージェネレーションシステムの概略構成を示す平断面図

符号の説明

１：エンジン
３：吸気路
５：排気路
６：三元触媒部（ＮＯｘ還元処理手段）
８：スロットルバルブ
９：燃料供給管
１０：発電機（冷却対象物）
１１：電気回路（冷却対象物）
１２：インバータ（冷却対象物）
２１：第１通気室（通気室）
２２：第２通気室（通気室）
３０：熱交換部
３１：放熱フィン
Ａ：空気（エンジン供給流体）
Ｇ：燃料（エンジン供給流体）

Claims (7)

1. 燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生するエンジンと、前記エンジンの動力により発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を所望の電力に変換する電力変換回路部とを備えた発電システムであって、
   前記発電機及び前記電力変換回路部の少なくとも一方の冷却対象物を、前記エンジンに供給される燃料及び空気の少なくとも一方であるエンジン供給流体により冷却する冷却構造を備えた発電システム。
2. 前記冷却構造が、前記冷却対象物を前記エンジンの吸気路が接続された通気室内に設置して、前記エンジンが前記通気室内を通じて前記エンジン供給流体としての空気を吸気するように構成されている請求項１に記載の発電システム。
3. 前記エンジンが、前記吸気路に設けられたスロットルバルブの開度調整により出力調整を行うように構成されている請求項２に記載の発電システム。
4. 前記冷却構造が、前記冷却対象物と前記エンジン供給流体との熱交換を行う熱交換部で構成されている請求項１に記載の発電システム。
5. 前記熱交換部が、前記エンジン供給流体が流通する流路において、前記冷却対象物から伝達された熱を前記エンジン供給流体へ放射する放熱フィンを有する請求項４に記載の発電システム。
6. 前記冷却対象物としての前記電力変換回路部が、前記発電機が発電した電力を目標周波数の交流電力に変換するインバータである請求項１から５の何れか１項に記載の発電システム。
7. 前記エンジンから排出される排ガス中のＮＯｘを還元処理するＮＯｘ還元処理手段を備えた請求項１から６の何れか１項に記載の発電システム。

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