JP2014239604A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機の回転数の過度の上昇を速やかに抑制するとともに、発電装置の出力が過度に増大することを防止する。【解決手段】発電装置であって、蒸発器（１０）と、膨張機（１２）と、発電機（１４）と、凝縮器（１６）と、ポンプ（１８）と、発電機（１４）に接続された周波数変換器（３０）と、周波数変換器（３０）を制御する制御部（４０）とを備え、周波数変換器（３０）は、コンバータ部（３２）とインバータ部（３４）とを備え、制御部（４０）は、出力を検知する出力検知部（４２）と、コンバータ部（３２）のスイッチング部のオンオフの切り換えを指示する指示信号を生成する信号生成部（４４）とを備え、信号生成部（４４）は、出力検知部（４２）の検出値が所定値以上となったときに前記指示信号の周波数を下げること。【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関するものである。

従来、工場等の各種の設備からの排熱を回収し、その回収された排熱のエネルギーを利用して低沸点の作動媒体から動力を取り出すバイナリ発電装置が知られている。例えば、特許文献１には、液状の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流出したガス状の作動媒体が流入する膨張機と、膨張機に接続された発電機と、膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から流出した液状の作動媒体を加圧して蒸発器へ送出するポンプとを備えた発電装置が開示されている。

このようなバイナリ発電装置では、工場等の排熱が用いられており、作動媒体を蒸発させるための加熱媒体の温度が定常的な温度から上昇することがある。加熱媒体の温度が上昇すると、蒸発器において加熱媒体が作動媒体との熱交換によって当該作動媒体に与える熱量が増大する。そうすると、蒸発器での作動媒体の蒸発量が増加し、膨張機の回転数、すなわち、発電機の回転数（発電機で生成される電力）が増加する。発電機の回転数が増加し過ぎると、発電機での発熱量の増加に起因した当該発電機の耐久性の低下が懸念される。

このような問題を回避するため、特許文献１では、発電機の出力が予め設定された所定値を超えようとした場合、ポンプの回転数を低下させることによって作動媒体の循環量を減少させている。ポンプの回転数が低下すると、蒸発器への作動媒体の流入量が減少する。そうすると、蒸発器から流出するガス状の作動媒体の量が減少し、これにより膨張機の回転数、すなわち、発電機の回転数が低下する。特許文献１では、このようにして発電機の耐久性の低下が抑制されている。

特開２００８−３１２３３０号公報

上記特許文献１では、発電機の出力が所定値を超えようとした場合にポンプの回転数を低下させる制御を行っている。しかし、この制御では、ポンプの回転数が低下してから蒸発器での作動媒体の蒸発量が減少するまでには時間がかかり、さらに、蒸発器での作動媒体の蒸発量が減少してから膨張機及び発電機の回転数が低下するまでにも時間がかかる。このように、ポンプの回転数を低下させたときから発電機の回転数が低下するまでの間に時間のずれが生じるため、その間、発電装置の出力が過度に増大してしまうこととなる。

本発明の目的は、発電機の回転数の過度の上昇を速やかに抑制することである。

前記課題を解決するために、本発明は、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から流出した作動媒体が流入する膨張機と、前記膨張機に接続された発電機と、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から流出した作動媒体を加圧して前記蒸発器へ送出するポンプと、前記発電機に接続された周波数変換器と、前記周波数変換器を制御する制御部と、を備え、前記周波数変換器は、前記発電機に接続され、当該発電機にて生成された交流を直流に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部に接続され、直流を交流に変換するインバータ部と、を備え、前記制御部は、前記発電機の出力を直接的または間接的に検知する出力検知部と、前記コンバータ部のスイッチング部のオンオフの切り換えを指示する指示信号を生成する信号生成部と、を備え、前記信号生成部は、前記出力検知部の検出値が所定値以上となったときに前記指示信号の周波数を下げることを特徴とする発電装置を提供する。

本発明によれば、出力検知部の検出値が所定値以上となったときに指示信号の周波数を下げることにより、発電機の回転数が低下する。すなわち、本発明では、出力検知部の検出値が所定値以上となったときにコンバータ部を介して発電機の回転数を下げる制御が行われるので、発電機の回転数の過度の上昇を速やかに抑制することができる。その結果、発電装置の出力が過度に増大することを防止することができる。

この場合において、前記出力検知部は、前記インバータ部からの出力を検知してもよい。

この態様では、インバータ部からの出力、すなわち、正確な出力に基づいた制御が可能となる。

あるいは、前記出力検知部は、前記コンバータ部からの出力を検知してもよい。

この態様では、コンバータ部からの出力、すなわち、直流でノイズの少ない安定的な出力に基づいた制御が可能となる。

または、前記出力検知部は、前記発電機からの出力を検知してもよい。

この態様では、発電機からの直接の出力に基づいた制御が行われるので、発電機の回転数の過度の上昇をより速やかに抑制することができる。

以上のように、本発明によれば、発電機の回転数の過度の上昇を速やかに抑制することができる。

本発明の一実施形態の発電装置の構成の概略を示す図である。 上記実施形態の制御部の変形例の構成の概略を示す図である。 上記実施形態の制御部の変形例の構成の概略を示す図である。 上記実施形態の発電装置の比較例の構成の概略を示す図である。 上記実施形態の発電装置の比較例の構成の概略を示す図である。

本発明の第一実施形態の発電装置について、図１を参照しながら説明する。

図１に示されるように、この発電装置は、蒸発器１０と、蒸発器１０から流出したガス状の作動媒体が流入する膨張機１２と、膨張機１２に接続された発電機１４と、膨張機１２から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器１６と、凝縮器１６から流出した液状の作動媒体を加圧するポンプ１８と、蒸発器１０、膨張機１２、凝縮器１６及びポンプ１８をこの順に直列に接続する循環流路２０と、発電機１４に接続された周波数変換器３０と、各種制御を行う制御部４０とを備えている。

蒸発器１０は、液状の作動媒体を蒸発させてガスの作動媒体とする。具体的には、蒸発器１０に流入した液状の作動媒体は、当該蒸発器１０に外部から供給された加熱媒体と熱交換することにより蒸発する。蒸発器１０に供給される加熱媒体としては、例えば、工場等から排出される温水や高温ガスが挙げられる。

膨張機１２は、循環流路２０における蒸発器１０の下流側に設けられている。本実施形態では、膨張機１２として、蒸発器１０から排出されたガス状の作動媒体の膨張エネルギーにより回転駆動されるロータを有する容積式のスクリュー膨張機が用いられている。具体的には、この膨張機１２は、内部にロータ室が形成されたケーシングと、ロータ室内に回転自在に支持された雌雄一対のスクリュロータとを有している。膨張機１２では、前記ケーシングに形成された吸気口から前記ロータ室に供給された作動媒体の膨張エネルギーによって前記スクリュロータが回転駆動される。そして、前記ロータ室内で膨張することにより圧力が低下した作動媒体は、前記ケーシングに形成された排出口から循環流路２０に排出される。なお、膨張機１２としては、容積式のスクリュー膨張機に限らず、遠心式のものやスクロールタイプのもの等が用いられてもよい。

発電機１４は、膨張機１２に接続されている。本実施形態では、発電機１４として、回転数を調整可能なＩＰＭ発電機（永久磁石同期発電機）が用いられている。具体的に、発電機１４は、膨張機１２の一対のスクリュロータのうちの一方に接続された回転軸を有している。発電機１４は、回転軸が前記スクリュロータの回転に伴って回転することにより電力を発生させる。発電機１４の回転数は、制御部４０により周波数変換器３０を介して制御可能となっている。なお、発電機１４は、ＩＰＭ発電機に限られるものではなく、電磁石同期発電機等の他のタイプの同期発電機であってもよい。

凝縮器１６は、循環流路２０における膨張機１２の下流側に設けられている。凝縮器１６は、膨張機１２から排出されたガス状の作動媒体を凝縮させて液状の作動媒体とする。具体的には、凝縮器１６に流入したガス状の作動媒体は、当該凝縮器１６に外部から供給された冷却媒体と熱交換することにより凝縮する。凝縮器１６に供給される冷却媒体としては、例えば、冷却水や空気が挙げられる。

ポンプ１８は、循環流路２０における凝縮器１６の下流側（蒸発器１０と凝縮器１６との間）に設けられている。ポンプ１８は、凝縮器１６で凝縮された液状の作動媒体を所定の圧力まで加圧して循環流路２０におけるポンプ１８の下流側に送り出す。ポンプ１８としては、インペラをロータとして備える遠心ポンプや、ロータが一対のギアからなるギアポンプ等が用いられる。このポンプ１８は、任意の回転数で駆動されることが可能である。

周波数変換器３０は、コンバータ部３２と、インバータ部３４とを有する。コンバータ部３２は発電機１４に接続され、発電機１４から出力される交流を直流に変換する。インバータ部３４はコンバータ部３２に接続され、コンバータ部３２から出力される直流を交流（一般には５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電力）に変換する。コンバータ部３２は、発電機１４の出力を調整するスイッチング部３２ａを備える。スイッチング部３２ａには半導体スイッチが用いられる。

制御部４０は、出力検知部４２と、信号生成部４４とを有する。出力検知部４２は、インバータ部３４からの出力（本実施形態では交流電圧）を検知する。信号生成部４４は、スイッチング部３２ａのオンオフの切り替えを指示する指示信号を生成する。制御部４２では、インバータ部３４からの出力に基づいて指示信号の周波数を変化させる。

発電装置では、蒸発器１０に供給される加熱媒体の温度の上昇等に起因して膨張機１２の回転数及び発電機１４の回転数が過度に上昇する場合がある。信号生成部４４では、出力検知部４２の検出値が所定値以上となったときに指示信号の周波数を下げる。これにより、発電機１４の回転数が抑えられ、発電機１４にて生成される電力が抑えられる。その結果、コンバータ部３２内の直流の電圧が低下し、インバータ部３４からの出力を抑えることができる。

以上説明したように、本発電装置では、出力検知部４２の検出値が所定値以上となったときにコンバータ部３２に送信される指示信号の周波数を下げる。これにより、発電機１４の回転数の過度の上昇を速やかに抑制することができる。本実施形態では、出力検知部４２がインバータ部３４からの出力を検知するので、正確な出力に基づいた制御が行われる。なお、出力検知部４２では、交流の電圧以外に電流や電力を検出値として取得してもよい。以下の図３に示す場合においても同様である。

ここで、上記実施形態では、出力検知部４２が、インバータ部３４の出力を検知する構成が示されたが、図２に示されるように、出力検知部４２は、コンバータ部３２の出力を検知してもよい。このようにすれば、コンバータ部３２の出力、つまり、直流でノイズの少ない安定的な出力に基づいた制御が可能となる。また、インバータ部３４の出力に基づくよりも早い制御が可能となる。この場合、前記所定値には直流の電圧、電流または電力が用いられる。

出力検知部４２は、図３に示されるように、発電機１４の出力を直接的に検知してもよい。このようにすれば、さらに早い段階での制御が可能となるので、より速やかに発電機１４の回転数の上昇を抑えることができる。

（第一比較例）
図４は、上記実施形態の発電装置の第一比較例の構成の概略を示している。なお、第一比較例では、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、上記実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

第一比較例の発電装置の制御部４０は、出力検知部４２と、ポンプ制御部４６とを有する。ポンプ制御部４６は、出力検知部４２の検出値が所定値以上となったときに、インバータ部４７を介してポンプ１８の回転数を低下させる。ポンプ１８の回転数が低下すると、蒸発器１０に流入する液状の作動媒体の量が減少するので、当該蒸発器１０から流出するガス状の作動媒体の量が減少する。その結果、膨張機１２の回転数、すなわち、発電機１４の回転数（発電機１４での発電電力）が減少する。

しかし、この第一比較例では、ポンプ１８の回転数が低下してから発電機１４の回転数が低下するまでの間に時間のずれが生じる。そのため、上記実施形態のように、制御部４０が直接発電機１４の回転数を制御することが好ましい。

（第二比較例）
図５は、上記実施形態の発電装置の第二比較例の構成の概略を示している。なお、第二比較例においても、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、上記実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

第二比較例の発電装置は、膨張機１２をバイパスするバイパス流路２２と、バイパス流路２２に設けられたバイパス弁２４とをさらに備えている。

制御部４０は、出力検知部４２と、弁制御部４８とを有する。弁制御部４８は、出力検知部４２の検出値が所定値以上となったときに、バイパス弁２４を開く。バイパス弁２４が開かれると、蒸発器１０から流出したガス状の作動媒体の一部が膨張機１２を経由することなく凝縮器１６に導かれるので、膨張機１２に流入するガス状の作動媒体の量が減少する。その結果、膨張機１２の回転数、すなわち、発電機１４の回転数（発電機１４での発電電力）が減少する。

しかし、この第二比較例では、バイパス流路２２やバイパス弁２４が必要となり、装置が全体として複雑化する。そのため、上記実施形態のように、バイパス流路２２及びバイパス弁２４を用いることなく、制御部４０が直接発電機１４の回転数を制御することが好ましい。

１０ 蒸発器
１２ 膨張機
１４ 回転機
１６ 凝縮器
１８ ポンプ
２０ 循環流路
２２ バイパス流路
２４ バイパス弁
３０ 周波数変換部
３２ コンバータ部
３２ａ スイッチング部
３４ インバータ部
４０ 制御部
４２ 出力検知部
４４ 信号生成部

Claims (4)

1. 作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器から流出した作動媒体が流入する膨張機と、
   前記膨張機に接続された発電機と、
   前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器から流出した作動媒体を加圧して前記蒸発器へ送出するポンプと、
   前記発電機に接続された周波数変換器と、
   前記周波数変換器を制御する制御部と、を備え、
   前記周波数変換器は、
   前記発電機に接続され、当該発電機にて生成された交流を直流に変換するコンバータ部と、
   前記コンバータ部に接続され、直流を交流に変換するインバータ部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記発電機の出力を直接的または間接的に検知する出力検知部と、
   前記コンバータ部のスイッチング部のオンオフの切り換えを指示する指示信号を生成する信号生成部と、を備え、
   前記信号生成部は、前記出力検知部の検出値が所定値以上となったときに前記指示信号の周波数を下げることを特徴とする発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記出力検知部は、前記インバータ部からの出力を検知する発電装置。
3. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記出力検知部は、前記コンバータ部からの出力を検知する発電装置。
4. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記出力検知部は、前記発電機からの出力を検知する発電装置。

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