JP2019075889A

JP2019075889A - 発電システム

Info

Publication number: JP2019075889A
Application number: JP2017200319A
Authority: JP
Inventors: 和彦谷村; Kazuhiko Tanimura
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-10-16
Also published as: JP7117094B2; WO2019078059A1

Abstract

【課題】非常用の発電装置を有効に活用して社会のレジリエンス性を向上させる発電システムを提供する。【解決手段】発電システム１は、発電機１８とこれを駆動するエンジン２０を有する発電装置１４と、電力切替手段１６とを備えている。電力切替手段１６は、発電装置１４から得られた電力を送配電設備ＴＤに供給して売買する場合と、電力需要者１２に供給する場合とを切り替える。電力切替手段１６は、外部からの送電系統を介して電力需要者１２に電力が供給される通常時であり且つ所定の売買条件が満たされた特定時間のみにおいて送配電設備ＴＤに電力を供給して売買する。一方、電力切替手段１６は、外部からの送電系統を介して電力需要者１２に電力が供給されない非常時に、電力需要者１２のみに電力を供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、発電機とこれを駆動するエンジンを有する発電装置を用いた発電システムに関するものである。

非常時に、電力需要者に電力を供給するために、非常用の発電装置が設けられることがある（例えば、特許文献１）。特許文献１では、非常時に、複数の電力需要者間で電力を融通し合う電力供給システムが提案されている。

特開２０１７−０１７９７４号公報

従来、非常用の発電装置は、通常時には活用されていなかった。また、大規模停電や災害などにより通常時の送電系統（特に上流側）が損傷すると、広範囲で社会インフラ、生活インフラが機能しなくなるということが懸念される。そこで、非常用の発電装置を有効に活用して、社会のレジリエンス性に貢献することが求められている。

本発明は、非常用の発電装置を有効に活用して社会のレジリエンス性を向上させる発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の発電システムは、発電機とこれを駆動するエンジンを有する発電装置と、前記発電装置から得られた電力を送配電設備に供給して売買する場合と電力需要者に供給する場合とを切り替える電力切替手段とを備え、前記電力切替手段は、前記送配電設備を含む外部からの送電系統を介して前記電力需要者に電力が供給される通常時であり且つ所定の売買条件が満たされた特定時間のみに前記送配電設備に前記電力を供給して売買し、前記外部からの送電系統を介して前記電力需要者に電力が供給されない非常時に前記電力需要者のみに前記電力を供給するように構成されている。非常時の発電装置から電力需要者への電力供給は、送配電設備を介して行われてもよく、送配電設備とは別の供給系統を介して行われてもよい。ここで、「エンジン」とは、ガスタービンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、オットーサイクルエンジン等の熱機関をいう。

この構成によれば、発電装置が、通常時と非常時の両方に活用される。これにより、非常時の電力供給を確保して社会のレジリエンス性を向上させることができるうえに、通常時にも安定した電力供給を実現できる。また、発電装置の通常時の活用は、例えば、電力需要の高い時間帯や電力売買者（電力の小売会社）の要求が高い時間帯等の特定時間に限られるので、発電装置を効果的に活用できる。

本発明において、さらに、前記エンジンの排ガスの熱を利用して温水を生成する温水生成器と、前記温水生成器で生成された温水を貯留する貯水タンクと、前記貯水タンクから取り出した前記温水を熱源として熱需要者に供給する温水供給ラインとを備えていてもよい。電力需要者と熱需要者とは、同一であってもよく、異なっていてもよい。この構成によれば、エンジンの排ガスの熱を利用して温水を安価に供給できるうえに、コジェネレーションにより総合エネルギー効率を高めることができる。

前記貯水タンクを備える場合、さらに、前記貯水タンクから取り出した水を生活用水として水需要者に供給する生活用水供給ラインを備えていてもよい。熱需要者と水需要者とは、同一であってもよく、異なっていてもよい。この構成によれば、１つの貯水タンクから、熱源としての温水と、生活用水とを取り出すことができる。

前記温水生成器を備える場合、さらに、前記排ガスを外部へ排出する煙突と、前記排ガスを前記温水生成器を介して前記煙突に流入させる場合と前記温水生成器を介さずに前記煙突に流入させる場合とを切り替える排ガス切替手段とを備えていてもよい。この構成によれば、例えば、災害などで水の供給が停止したときに、排ガスが温水生成器に導入されるのを避けることで、温水生成器の過熱を防止できる。

本発明の発電システムによれば、非常用の発電装置を通常時にも活用することで、非常時に社会のレジリエンス性を向上させるとともに、通常時の電力の供給が安定する。

本発明の第１実施形態に係る発電システムを示す系統図である。同発電システムの異常時の電力供給を示す系統図である。本発明の第２実施形態に係る発電システムを示す系統図である。同発電システムの異常時の電力供給を示す系統図である。本発明の第３実施形態に係る発電システムを示す系統図である。同発電システムの異常時の電力供給を示す系統図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１、２は、本発明の第１実施形態に係る発電システム１を示す系統図である。図１に示すように、発電所２で作られた電力は、一次送電線４を介して変電所６に送られる。発電所２は、例えば、地域の電力会社、発電会社等が有している。変電所６で降圧された電力は、二次送電線８を介して、直接または変圧器１０で降圧されたあと分岐点Ｐ１を通って、一般需要者１１および電力需要者１２に供給される。これら、一次送電線４、変電所６、二次送電線８および変圧器１０が、送配電設備ＴＤを構成する。送配電設備ＴＤは、電力会社、発電会社または送配電会社が有している。これら、発電所２および送配電設備ＴＤが、通常時に一般需要者１１および電力需要者１２に電力を供給する「外部からの送電系統」を構成する。

一般需要者１１および電力需要者１２への電力の供給は、電力売買者２４との契約に基づいて行われる。電力売買者２４は、一般需要者１１および電力需要者１２が必要とするだけの電力を調達する。つまり、電力売買者２４は、電力会社、発電会社などから電力を買い、一般需要者１１および電力需要者１２に電力を供給する電気の仲介業者（小売会社）である。なお、発電所２を有する電力会社や発電会社と、電力売買者２４とが同じであってもよい。また、発電所２を有する電力会社や発電会社と、送配電設備ＴＤを有する送配電会社とが同じであってもよい。

以下の説明において、外部からの送電系統を介して電力需要者１２に電力が供給される状態を「通常時」といい、外部からの送電系統を介して電力需要者１２に電力が供給されない状態を「非常時」という。本実施形態の電力需要者１２は、電力売買者２４との間で、非常時に、以下に示す発電装置１４から電力供給を受ける契約を行っている特定の需要者である。一方、一般需要者１１は、それ以外の一般の需要者である。

発電システム１は、さらに、発電装置１４と電力切替手段１６とを備えている。発電装置１４は、非常時に電力需要者１２に電力を供給するための非常用発電装置である。発電装置１４は、例えば、マンションやビルのような建物の非常用発電装置として用いられる。発電装置１４は、発電機１８とこれを駆動するエンジン２０とを有している。本実施形態のエンジン２０は、ガスタービンエンジンである。ガスタービンエンジンは、起動が速いので、非常用に適している。ただし、エンジン２０は、ガスタービンエンジンに限定されず、例えば、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、オットーサイクルエンジン等の熱機関であってもよい。

本実施形態のガスタービンエンジン２０は、都市ガスを燃料としている。都市ガスを燃料とすることで、燃料の入手が容易となる。ただし、エンジン２０の燃料は都市ガスに限定されない。本実施形態の発電システム１は、さらに、非常用燃料タンク２２を備えている。非常用燃料タンク２２には、都市ガスの供給停止時にエンジン２０に供給される燃料が貯留されている。これにより、都市ガスの供給停止時にも、発電装置１４の運転が可能となる。

電力切替手段１６は、発電装置１４から得られた電力を送配電設備ＴＤに供給して売買する場合と、電力需要者１２に電力を供給する場合とで電力供給系統を切り替える。詳細には、電力切替手段１６は、通常時であり且つ所定の売買条件が満たされた特定時間のみに送配電設備ＴＤに電力を供給して売買し、非常時に電力需要者１２に電力を供給するように構成されている。つまり、通常時、発電装置１４は、特定時間にのみ運転し、それ以外は停止している。送配電設備ＴＤに供給された電力は、例えば、電力売買者２４により買われ、電力売買者２４との契約に基づいて一般需要者１１および電力需要者１２に供給される。

所定の売買条件とは、例えば、電力の市場価格が所定値よりも高いことである。この場合、特定時間は、電力の市場価格が所定値よりも高い時間帯、すなわち、電力需要が高い時間帯となる。

本実施形態では、前述のとおり、電力需要者１２は電力売買者２４と事前契約をし、非常時に発電装置１４から電力が電力需要者１２に供給されるようになっている。具体的には、電力需要者１２の電力使用量は各電力需要者１２に設置されたスマートメータで管理されている。スマートメータの通信機能を活用して、停電を検知し制御装置１５で電力切替手段１６を制御することで電力の供給先が切り換え可能となっている。スマートメータを使用しない場合、一次送電線４および二次送電線８を含む外部からの送電系統に設けた停電検知手段（図示せず）により非常時（停電）の判断を行ってもよい。停電検知手段は、例えば、電流、電圧、電力等を検出するセンサである。

つぎに、図１および図２を用いて、本実施形態の発電システム１の電力供給を説明する。図１は通常時の電力の流れを示し、図２は非常時の電力の流れを示している。ただし、通常時、非常時の電力の流れは、本実施形態のものに限定されない。

図１の通常時では、上述のように、外部からの送電系統を介して一般需要者１１および電力需要者１２に電力が供給されている。また、電力切替手段１６は、制御装置１５によって送配電設備ＴＤに電力を供給して売買するように切り替えられており、発電装置１４は、通常時の特定時間にのみ運転し、破線の矢印ＥＰで示すように、送配電設備ＴＤに電力を供給する。電力切替手段１６は、例えば、切換スイッチである。

図２は、一次送電線４でトラブルが発生し、外部からの送電系統を介して電力需要者１２に電力が供給されなくなったケースを例示している。図２の非常時では、電力切替手段１６は電力需要者１２に電力を供給するように切り替えられており、発電装置１４は常時運転し、電力需要者１２に電力を供給する。

上記構成によれば、発電装置１４が、図１の通常時と図２の非常時の両方に活用される。これにより、非常時の電力供給を確保して社会のレジリエンス性を向上させることができるとともに、通常時にも安定した電力供給を実現できる。また、発電装置１４の通常時の運転は、電力需要の高い時間帯の特定時間に限られるので、発電装置１４を効果的に活用できる。

図３、４は、本発明の第２実施形態に係る発電システム１Ａを示す系統図である。第１実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。第２実施形態では、図３の発電装置１４は、マンションのような集合住宅Ｈの非常用発電装置として用いられ、非常時に集合住宅Ｈの住人および事前に契約した周辺の電力需要者１２に電力を供給する。

本実施形態の発電システム１Ａは、集合住宅Ｈに発電装置１４ととともに設置された温水生成器２６と、貯水タンク２８と、温水供給ライン３０とを備えている。温水生成器２６は、エンジン２０の排ガスＧの熱を利用して温水を生成する。貯水タンク２８は、温水生成器２６で生成された温水を貯留する。本実施形態の貯水タンク２８は、断熱構造を有している。貯水タンク２８には、例えば、水道水Ｗが供給される。本実施形態の温水生成器２６は、貯水タンク２８の下部に配置されて、排ガスＧと水との間で熱交換させる熱交換器（エコノマイザ）からなる。ただし、温水生成器２６は、これに限定されない。

温水供給ライン３０は、貯水タンク２８から取り出した温水を熱需要者３２に供給する。この温水は、熱源として、給湯、空調（冷暖房）等に用いられる。ここで、「熱需要者」は、発電装置１４のエンジン２０の排熱を利用して生成された温水の提供を受け、この温水を熱源として利用する世帯をいう。本実施形態では、熱需要者３２は集合住宅Ｈの各住戸である。つまり、本実施形態では、集合住宅Ｈの各住戸が、電力需要者１２であり、熱需要者３２でもある。したがって、本実施形態では、集合住宅Ｈ以外の電力需要者１２には温水は供給されない。電力需要者１２および熱需要者３２は、本実施形態のように一部（集合住宅Ｈの全戸のみ）が一致していてもよく、全体が一致していてもよく、あるいは全く異なっていてもよい。

本実施形態の発電システム１Ａは、さらに、生活用水供給ライン３４を備えている。生活用水供給ライン３４は、貯水タンク２８から取り出した水を水需要者３３に供給する。ここで、「水需要者」は、貯水タンク２８から取り出された水を生活用水として利用する世帯をいう。本実施形態では、水需要者３３は集合住宅Ｈの各住戸である。つまり、本実施形態では、集合住宅Ｈの各住戸が、電力需要者１２であり、熱需要者３２であり、水需要者３３でもある。したがって、本実施形態では、集合住宅Ｈ以外の世帯には水（生活用水）は供給されない。本実施形態では、熱需要者３２と水需要者３３は完全に一致しているが、異なっていてもよく、一部が一致していてもよい。

貯水タンク２８は、上下方向に長い形状を有しており、上部に温水が貯留され、下部に冷水が貯留されている。したがって、温水供給ライン３０は貯水タンク２８の上部に接続され、生活用水供給ライン３４は貯水タンク２８の下部に接続されている。これにより、１つの温水生成器２６および貯水タンク２８から温水と生活用水を取り出すことができる。

本実施形態の発電システム１Ａは、さらに、排ガスＧを外部へ排出する煙突３６と、排ガス切替手段３８とを備えている。排ガス切替手段３８は、排ガスＧを温水生成器２６を介して煙突３６に流入させる場合（温水生成器２６側）と、温水生成器２６を介さずに煙突３６に流入させる場合（煙突３６側）とを切り替える。排ガス切替手段３８は、例えば、排気通路に取り付けられたダンパである。

つぎに、図３および図４を用いて、本実施形態の発電システム１Ａの動作を説明する。図３は通常時の動作を示し、図４は非常時の動作を示している。図３の通常時では、上述のように、外部からの送電系統を介して電力需要者１２に電力が供給されている。また、電力切替手段１６は、制御装置１５によって送配電設備ＴＤに電力を供給して売買するように切り替えられており、発電装置１４は、通常時の特定時間にのみ運転し、破線の矢印ＥＰで示すように、送配電設備ＴＤに電力を供給する。

排ガス切替手段３８は貯水タンク２８内に一定量以上の水が貯留されているとき、温水生成器２６側に切り替えられている。この状態で通常時の特定時間に発電装置１４が運転している際、エンジン２０の排熱を利用して温水生成器２６により温水が生成され、貯水タンク２８に貯められている。この温水が、熱需要者３２に供給され、熱源として給湯、空調等に用いられている。通常時の発電装置１４の運転時間を水需要者３２の一日分の温水を生成できる時間以上に設定すれば、給湯、空調に用いられる一日分の熱源を確保できる。

図４の非常時には、電力切替手段１６は、制御装置１５によって電力需要者１２に電力を供給するように切り替えられる。発電装置１４は常時運転され、発電装置１４で生成された電力が電力需要者１２に供給される。非常時であっても貯水タンク２８への水の供給が継続されている場合には、排ガス切替手段３８は温水生成器２６側に切り替えられている。このとき、生成された温水は、温水供給ライン３０を介して熱需要者３２に供給され、通常時と同様に熱源として給湯、空調等に用いられている。

非常時で且つ貯水タンク２８への水の供給が止まっている場合、排ガス切替手段３８は煙突３６側に切り替えられる。つまり、エンジン２０の排ガスＧは、温水生成器２６を介さず直接、煙突３６から排出される。このとき、貯水タンク２８内の水は、生活用水供給ライン３４を介して水需要者３３に供給され、生活用水として利用される。排ガス切替手段３８の切替えのタイミングは、本実施形態に限定されない。

第２実施形態も、前述の第１実施形態と同様の効果を有する。さらに、第２実施形態によれば、エンジンＥの排ガスＧの熱を利用して温水を安価に供給できるうえに、コジェネレーションにより総合エネルギー効率を高めることができる。特に、エンジン２０としてガスタービンエンジンを用いる場合、排ガス量が多く、排ガスの温度が高いので、温水生成器２６（熱交換器）の効率が高い。

また、貯水タンク２８から取り出した水が、水需要者３３に生活用水として供給されている。これにより、１つの貯水タンク２８から、熱源として温水を取り出して熱需要者３２に供給するとともに、生活用水として水を取り出して水需要者３３に供給することができる。

さらに、エンジン２０の排ガスＧの行先を温水生成器２６側と煙突３６側とに切り替える排ガス切替手段３８が設けられている。これにより、例えば、災害などで水道水Ｗの供給が停止したときに、排ガスＧが温水生成器２６に導入されるのを避けることで、温水生成器２６の過熱を防止できる。また、断水時にも、生活用水が給水可能である。

なお、貯水タンク２８に貯留される水は水道水（上水）に限定されず、防錆剤入りの飲料不可の水（中水、雑用水）であってもよい。
また、変形例として、図３，図４から生活用水供給ライン３４および水需要者３３を省略し、貯水タンク２８内の水が熱需要者３２に常に供給されるようにしてもよい。この変形例においても、コジェネレーションにより総合エネルギー効率を高めることができる。

図５、６は、本発明の第３実施形態に係る発電システム１Ｂを示す系統図である。第２実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第３実施形態の発電システム１Ｂは、通常時に発電装置１４から得られた電力を送配電設備ＴＤに供給して売買する第１供給系統４０と、非常時に発電装置１４の電力を電力需要者１２に供給する第２供給系統４２とを別個に備えている。つまり、第３実施形態の電力切替手段１６は、通常時に第１供給系統４０に切り替えられ、非常時に第２供給系統４２に切り替えられる。本実施形態では、第２供給系統４２は集合住宅Ｈの各住戸に繋がっている。つまり、集合住宅Ｈの各住戸が電力需要者１２となっている。ただし、図５に二点鎖線で示すように、第２供給系統４２を延長して、集合住宅Ｈ以外に、事前に契約した住戸、建物に接続することもできる。

つぎに、図５および図６を用いて、本実施形態の発電システム１Ｂの動作を説明する。図５は通常時の動作を示し、図６は非常時の動作を示している。図５の通常時では、上述のように、外部からの送電系統を介して電力需要者１２に電力が供給されている。また、電力切替手段１６は第１供給系統４０に切り替えられており、発電装置１４は、通常時の特定時間にのみ運転し、破線の矢印ＥＰで示すように、送配電設備ＴＤに電力を供給する。

図６の非常時には、電力切替手段１６は第２供給系統４２に切り替えられており、発電装置１４は常時運転し、電力需要者１２に電力を供給する。

通常時および非常時における温水、生活用水の供給は、上述の第２実施形態と同じである。第３実施形態の発電システム１Ｂによれば、第２実施形態と同様の効果を有する。

第１〜３実施形態のガスタービンエンジン２０として、デュアル燃料の低ＮＯｘ燃焼器を採用し、通常時には都市ガスによる低ＮＯｘ運転とすることが好ましい。これにより、環境保護を実現できる。また、第２および第３実施形態において、吸収式冷凍機のような、温水を熱源として冷水を生成する装置を設ければ、夏場に空調用の冷水を安価に供給できる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１，１Ａ，１Ｂ発電システム
１２電力需要者
１４発電装置
１５制御装置
１６電力切替手段
１８発電機
２０エンジン
２６温水生成器
２８貯水タンク
３０温水供給ライン
３２熱需要者
３３水需要者
３４生活用水供給ライン
３６煙突
３８排ガス切替手段
ＴＤ送配電設備

Claims

発電機とこれを駆動するエンジンを有する発電装置と、
前記発電装置から得られた電力を送配電設備に供給して売買する場合と、電力需要者に供給する場合とを切り替える電力切替手段と、を備え、
前記電力切替手段は、前記送配電設備を含む外部からの送電系統を介して前記電力需要者に電力が供給される通常時であり且つ所定の売買条件が満たされた特定時間のみに前記送配電設備に前記電力を供給して売買し、前記外部からの送電系統を介して前記電力需要者に電力が供給されない非常時に前記電力需要者に前記電力を供給するように構成されている発電システム。
請求項１に記載の発電システムにおいて、さらに、前記エンジンの排ガスの熱を利用して温水を生成する温水生成器と、
前記温水生成器で生成された温水を貯留する貯水タンクと、
前記貯水タンクから取り出した前記温水を熱源として熱需要者に供給する温水供給ラインと、を備えた発電システム。
請求項２に記載の発電システムにおいて、さらに、前記貯水タンクから取り出した水を生活用水として水需要者に供給する生活用水供給ラインを備えた発電システム。
請求項１または２に記載の発電システムにおいて、さらに、前記排ガスを外部へ排出する煙突と、
前記排ガスを前記温水生成器を介して前記煙突に流入させる場合と、前記排ガスを前記温水生成器を介さずに前記煙突に流入させる場合とを切り替える排ガス切替手段と、を備えた発電システム。