JP2006161123A - 風力発電を利用した水電解水素発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 風力発電機を用いて、安定した電力を電力系統に供給するとともに、残りの変動分を有効利用する、風力発電を利用した水電解水素発生装置を提供する。
【解決手段】 風力発電を利用した水電解水素発生装置は、風力発電機で発電された発電出力を電力系統に連系する風力発電システム11と、風力発電機で発電された発電出力を計測する計測器12と、風力発電機から電力系統への電力ラインに接続されている電解槽用整流器13と、電解槽用整流器からの電力を電解用電源として水素と酸素を発生させる水電解槽14と、計測器の計測結果に基づき、水電解槽に供給する電力を発電出力のうちの変動電力相当分になるように整流器を制御する制御装置15とを備えてなる。電力系統に残りの安定電力を供給する。

【選択図】 図２

Description

本発明は、風力発電で得られた電力を電解用電源として水電解槽に供給して水素と酸素を発生する水電解水素発生装置に関する。

一般的に使われているプロペラ型風力発電システムは、図１に示すように、風力エネルギーを回転エネルギーに変換するロータ(8) 、ロータから発電機へ回転エネルギーを伝える動力伝達軸(3) 、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機(4) 、電力変換装置（インバータ、コンバータ）、トランス（変圧器）、系統連系保護装置とから構成されている。

風力発電機の出力を電力系統に連系する場合、トランスのみを介して出力を直接電力系統に接続するＡＣリンク方式と、コンバータやインバータなどから構成される電力変換装置を介して出力を電力系統に接続するＤＣリンク方式がある。系統連系保護装置は発電設備の異常、電力系統の事故などの時に発電設備を電力系統と切り離し、系統側の損傷を防ぐためのものである。図１中、(1) はブレード、(2) は増速機、(5) はブレーキ装置、(6) はヨー駆動装置、(7) はタワーである。

このような構成の風力発電を利用した水電解水素発生装置としては、風車と発電機を備えた風力発電装置と、前記風車の入力トルクの一部を前記風車と前記発電機の慣性モーメントにより回転エネルギーとして吸収し、かつ前記風力発電装置の発電出力を制御する発電出力制御装置と、前記風力発電装置により得られた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た、風力発電を利用した水素製造設備が提供されている(特許文献１参照）。
特開２００４−２６９９４５号公報、請求項１

風力は自然エネルギーであるため常に変化し、したがって風力発電で得られる電力量も変動する。そのため風力発電で得られた電力全てを電力系統へ送るとしたら、安定でない電力を供給することになる。

本発明は、風力発電機を用いて、安定した電力を電力系統に供給するとともに、残りの変動分を有効利用する、風力発電を利用した水電解水素発生装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、
風力発電機で発電された発電出力を電力系統に連系する風力発電システムと、
風力発電機で発電された発電出力を計測する計測器と、
風力発電機から電力系統への電力ラインに接続されている電解槽用整流器と、
電解槽用整流器からの電力を電解用電源として水素と酸素を発生させる水電解槽と、
計測器の計測結果に基づき、水電解槽に供給する電力を発電出力のうちの変動電力相当分とするように、整流器を制御する制御装置とを備え、
電力系統に残りの安定電力を供給することを
特徴とする風力発電を利用した水電解水素発生装置である。

請求項２に係る発明は、
前記制御装置が、
計測器の計測結果を比較値と比較し、その差分を算出する比較手段と、
比較手段から送られて来た差分信号に従って変動電力分を整流するよう電解槽用整流器に指令信号を送る指令手段とを
備えてなることを特徴とする請求項１記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置である。

請求項３に係る発明は、
さらに、
水電解水素発生装置から出る水素を貯蔵する水素タンクと、
同タンクに接続され、かつ貯蔵水素を利用して発電する燃料電池とを
備えてなることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置である。

請求項４に係る発明は、
さらに、燃料電池で得られた電力を電力系統へ出力する出力ラインを備えてなることを特徴とする請求項３記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置である。

請求項１に係る発明によれば、風力発電で得られた電力のうち、安定した電力を電力系統に供給するとともに、残りの変動分を水電解槽に送って電解用電源として有効利用することができる。

請求項２に係る発明によれば、制御装置は変動電力に相当する電力分を整流するように電解槽用整流器に指令信号を送るので、電力変動に応じた量で水素および酸素を得ることができる。

請求項３に係る発明によれば、発生した水素の形でエネルギーを貯蔵することができるとともに、必要な時にこれを燃料電池で発電に利用することができる。

請求項４に係る発明によれば、風力発電で発電された電力のうち、変動電力分を水電解で水素に変換し、続いて水素を燃料電池で電力に変換することで、電力系統に供給することが難しかった変動電力分を、安定した電力に変換して電力系統に送ることができる。

つぎに、本発明を具体的に説明するために、本発明の実施例をいくつか挙げる。

（実施例１）
図２はＤＣリンク方式を採用した風力発電システムを利用した水電解水素発生システムを示すフローシートである。

本発明による、風力発電を利用した水電解水素発生装置は、
風力発電機で発電された発電出力を電力系統に連系する風力発電システム(11)と、
風力発電機で発電された発電出力を計測する計測器(12)と、
風力発電機から電力系統への電力ラインに接続されている電解槽用整流器(13)と、
電解槽用整流器からの電力を電解用電源として水素と酸素を発生させる水電解槽(14)と、
計測器の計測結果に基づき、発電出力のうちの変動電力相当分を水電解槽に供給するように、整流器を制御する制御装置(15)とを備えてなる。

発電出力のうちの残りの安定電力は電力系統に供給される。

風力発電システム(11)は、ＤＣリンク方式のものであって、風力発電機で発電された発電出力をＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣコンバータと系統連系用保護装置を介して電力系統に連系する。

計測器(12)は、風力発電機とＡＣ／ＤＣコンバータとの間の電力ラインに接続され、風力発電機で発電された発電出力（これは、図４に示すように、風力の変化に伴って変動する）を計測し、その信号を制御装置(15)へ送る。

電解槽用整流器(13)は、ＤＣ／ＡＣコンバータと系統連系用保護装置との間の電力ラインに接続されている。

水電解槽(14)は、電解槽用整流器から供給されて来る電力を電解用電極の電源として使用し水素と酸素を発生させる。水電解槽(14)は水電解水素発生装置(16)の主体をなす。

制御装置(15)は、図５に示すように、計測器の計測結果を比較値（定数または関数）と比較し、その差分を算出する比較手段と、比較手段から送られて来た差分信号に従って変動電力分を整流するよう電解槽用整流器に指令信号を送る指令手段とを備えてなる。

本発明による、風力発電を利用した水電解水素発生装置は、さらに、
水電解水素発生装置から出る水素を貯蔵する水素タンク(17)と、
同タンクに接続され、かつ貯蔵水素を利用して発電する燃料電池(18)と、
燃料電池で得られた電力を系統連系用保護装置を介して電力系統へ出力する出力ライン(19)と、
電力系統から水電解水素発生装置へ至る補機類動力用ライン(20)とを
備えてなる。

つぎに、上記のように構成された、風力発電を利用した水電解水素発生装置の作動について、説明をする。

風力発電システム(11)において、風力発電機で発電された電力は交流電力としてＡＣ／ＤＣコンバータに送られ、同コンバータで交流電力が直流電力に変換される。ＡＣ／ＤＣコンバータから出力された直流電力はＤＣ／ＡＣコンバータに送られ、同コンバータで直流電力が電力系統と同じ周波数の交流電力に変換される。ＤＣ／ＡＣコンバータから出力された交流電力は、そのうちの安定電力分が系統連系用保護装置を経由して電力系統に送られ、変動電力分が電解槽用整流器に送られる。

計測器(12)は風力発電で発電された電力を計測し、得られた発電出力が入力信号として制御装置に送られる。風力は自然エネルギーのため安定しておらず、風力発電で発電された電力は運転時間に対して変動するため、その計測値に基づいて、発電出力のうちの変動電力分が電解槽用整流器で整流されるように、制御装置の比較手段が計測値（風力発電で発電された電力）と比較値（電気系統に供給する安定電力；定数または関数）とを比較して、発電出力と安定電力との差分を算出し、その差分信号を指令手段へ送る。指令手段は、比較手段から来た差分信号を電解槽用整流器への指令信号として出力する。これにより、水電解槽に供給する電力が発電出力のうちの変動電力相当分になされる。

電解槽用整流器(13)は制御装置の出力手段から指令信号を受けて、変動電力分を整流して水電解槽に供給する。

水電解槽(14)においては、変動電力の変動に応じて水素の発生量が変化する。すなわち、電解電力が小さければ水素発生量が少なく、電解電力が大きければ水素発生量は多い。

補機類動力用ライン(19) はポンプなどの付属装置を運転させるのに必要な電源とし て、風力発電システムの電力系統の電力を水電解水素発生装置に供給する。

水電解水素発生装置(16)で製造された水素は水素タンクに貯蔵される。貯蔵水素は、同タンクに接続された燃料電池(18)で電気エネルギーに変換される。

こうして、水素は燃料電池で電気エネルギーに変換され、得られた直流電力は系統連系用保護装置を介して電力系統へ出力される。

（実施例２）
図３はＡＣリンク方式を採用した風力発電システムを利用した水電解水素発生システムを示すフローシートである。

この実施例でも、風力発電を利用した水電解水素発生装置は、
風力発電機で発電された発電出力を電力系統に連系する風力発電システム(21)と、
風力発電機で発電された発電出力を計測する計測器(12)と、
風力発電機から電力系統への電力ラインに接続されている電解槽用整流器(13)と、
電解槽用整流器からの電力を電解用電源として水素と酸素を発生させる水電解槽(14)と、
計測器の計測結果に基づき、発電出力のうち変動電力相当分を水電解槽に、残りの安定電力を電力系統に供給するように、電解槽用整流器を制御する制御装置(15)とを
備えてなる。

この実施例では、風力発電システム(21)は、ＡＣリンク方式のものであって、風力発電機で発電された発電出力をトランスと系統連系用保護装置を介して電力系統に連系する。 計測器(12)は、風力発電機とトランスとの間の電力ラインに接続されている。

電解槽用整流器(13)は、トランスと系統連系用保護装置との間の電力ラインに接続されている。

水電解槽(14)、制御装置(15)、水電解水素発生装置(16)、水素タンク(17)、燃料電池(18)、出力ライン(19)、補機類動力用ライン(20)は実施例１のものと同じである。

上記構成の、風力発電を利用した水電解水素発生装置において、風力発電機で発電された電力は交流電力としてトランスへ送られる。トランスから出力された交流電力は、その電力のうち、安定な電力分は系統連系用保護装置を経由して電力系統に供給され、変動分は電解槽用整流器(13)に送られる。

電解槽用整流器(13)は、実施例１と同様に、計測器(12)の計測値に基づいて制御装置(15)から指令信号を受けて、交流電力を直流電力に変えて、これを水電解槽に供給する。

その他の点は実施例１と同じである。

プロペラ型風力発電システムを示す概略図である。 ＤＣリンク方式を採用した風力発電システムを利用した水電解水素発生システムを示すフローシートである。 ＡＣリンク方式を採用した風力発電システムを利用した水電解水素発生システムを示すフローシートである。 プロペラ型風力発電システムの運転時看と電力の関係を示すグラフである。 制御装置の詳細を示す概略図である。

符号の説明

(11)(21)風力発電システム
(12)計測器
(13)電解槽用整流器
(14)水電解槽
(15)制御装置
(16)水電解水素発生装置
(17)水素タンク
(18)燃料電池
(19)出力ライン
(20)補機類動力用ライン

Claims (4)

1. 風力発電機で発電された発電出力を電力系統に連系する風力発電システムと、
   風力発電機で発電された発電出力を計測する計測器と、
   風力発電機から電力系統への電力ラインに接続されている電解槽用整流器と、
   電解槽用整流器からの電力を電解用電源として水素と酸素を発生させる水電解槽と、
   計測器の計測結果に基づき、水電解槽に供給する電力を発電出力のうちの変動電力相当分になるように整流器を制御する制御装置とを備え、
   電力系統に残りの安定電力を供給することを
   特徴とする風力発電を利用した水電解水素発生装置。
2. 前記制御装置が、
   計測器の計測結果を比較値と比較し、その差分を算出する比較手段と、
   比較手段から送られて来た差分信号に従って変動電力分を整流するよう電解槽用整流器に指令信号を送る指令手段とを
   備えてなることを特徴とする請求項１記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置。
3. さらに、
   水電解水素発生装置から出る水素を貯蔵する水素タンクと、
   同タンクに接続され、かつ貯蔵水素を利用して発電する燃料電池とを
   備えてなることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置。
4. さらに、燃料電池で得られた電力を電力系統へ出力する出力ラインを備えてなることを特徴とする請求項３記載の風力発電を利用した水電解水素発生装置。
   

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