JP2021103906A - 熱発電システム及び電力供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連系点における電圧の過上昇を回避しつつ、できる限り多くの電力を商用電源に供給するための技術を提供する。【解決手段】本開示の熱発電システム１００は、単一の熱源４から熱を回収する少なくとも１つの熱交換器２と、複数の出力線１３ａ及び１３ｂを有し、少なくとも１つの熱交換器によって回収された熱を電力に変換する少なくとも１つの熱電変換装置３と、を備えている。少なくとも１つの熱電変換装置３の複数の出力線１３ａ及び１３ｂは、商用電源８における互いに異なる複数の連系点Ｐ１及びＰ２に接続されている。【選択図】図１

Description

本開示は、熱発電システム及び電力供給方法に関する。

従来、太陽光発電システム、熱発電システムなどの分散型電源を商用電源に連系させることが行われている。

特許文献１は、熱エネルギーを電力に変換する発電装置において、インバータから商用系統への出力交流電流を調節することによって、直流電力線における直流電圧を所定の電圧に維持することを開示している。

特許第４８８９９５６号公報

分散型電源を商用電源に連系させるとき、連系点における電圧の過上昇を回避すること、及び、できる限り多くの電力を商用電源に供給することが重要である。

本開示は、連系点における電圧の過上昇を回避しつつ、できる限り多くの電力を商用電源に供給するための技術を提供する。

本開示における熱発電システムは、
単一の熱源から熱を回収する少なくとも１つの熱交換器と、
複数の出力線を有し、前記少なくとも１つの熱交換器によって回収された熱を電力に変換する少なくとも１つの熱電変換装置と、
を備え、
前記少なくとも１つの熱電変換装置の前記複数の出力線は、商用電源における互いに異なる複数の連系点に接続されている。

本開示における電力供給方法は、
単一の熱源から熱を回収することと、
回収した熱を電力に変換することと、
複数の出力線を通じて、生成された電力を商用電源の互いに異なる複数の連系点に供給することと、
を含む。

本開示によれば、連系点における電圧の過上昇を回避しつつ、できる限り多くの電力を商用電源に供給することができる。

実施形態１における熱発電システムの構成図 低圧配電線路における連系点の位置を示す構成図 低圧配電線路における連系点の別の位置を示す構成図 低圧配電線路における連系点の更に別の位置を示す構成図 実施形態１における熱発電装置の構成図 実施形態１における制御器の制御フローチャート 実施の形態２における熱発電システムの構成図 実施の形態３における熱発電システムの構成図 実施の形態３における熱電変換装置の構成図 実施の形態３における第１インバータ及び第２インバータのための制御ブロック図 変形例における熱電変換装置の構成図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、分散型電源の出力電力を抑制することによって、連系点における電圧の過上昇を回避することが一般的であった。言い換えれば、分散型電源は、連系点の電圧の上昇を抑制する機能を備えている。

一方、大きい出力電力を持つ分散型電源の連系点を特定の低圧配電線路に設けた場合、系統混雑が頻繁に発生する可能性がある。系統混雑が発生すると、電圧の上昇を抑制する機能が頻繁に働く。つまり、分散型電源からの電力の取り出しを頻繁に抑制又は停止せざるを得ず、エネルギーを有効活用できない。蓄電設備を併設することも考えられるが、大容量の蓄電設備は、極めて高価であり、分散型電源の普及を妨げる。このような知見に基づき、本発明者らは、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、連系点における電圧の過上昇を回避しつつ、できる限り多くの電力を商用電源に供給するための技術を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１から図４を用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
図１に示すように、熱発電システム１００は、第１熱交換器２ａ、第１熱電変換装置３ａ、第２熱交換器２ｂ及び第２熱電変換装置３ｂを備えている。

第１熱交換器２ａ及び第２熱交換器２ｂは、単一の熱源４から熱を回収する役割を担う。

熱源４は、例えば、工場などの設備又は地熱井である。熱源４には、熱流路５が接続されている。熱流路５は、熱源４から排熱口６に向かって加熱媒体を導く流路である。熱源４が工場などの設備であるとき、加熱媒体は、設備から排出された排ガスである。熱源４が地熱井であるとき、加熱媒体は、蒸気又は温水である。熱流路５は、気体の加熱媒体又は液体の加熱媒体を流すためのダクト又は配管である。加熱媒体の状態に応じて、熱流路
５の構造が決まる。

第１熱交換器２ａ及び第２熱交換器２ｂは、熱流路５に配置されている。第１熱交換器２ａは、熱流路５における上流の位置に配置されている。第２熱交換器２ｂは、熱流路５における下流の位置に配置されている。第１熱交換器２ａ及び第２熱交換器２ｂをこの順番に加熱媒体が流れるように、第１熱交換器２ａ及び第２熱交換器２ｂの位置関係が定められている。加熱媒体は、熱源４から第１熱交換器２ａに流入する。第１熱交換器２ａから流出した加熱媒体が第２熱交換器２ｂに流入する。第２熱交換器２ｂから流出した加熱媒体が排熱口６に導かれる。このような配列によれば、加熱媒体から効率的かつ十分に熱を回収することができる。

第１熱交換器２ａ及び第２熱交換器２ｂのそれぞれは、加熱媒体の温度及び加熱媒体の流量に応じて所定の熱量を回収可能に設計されている。第１熱交換器２ａ及び第２熱交換器２ｂとしては、フィンアンドチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などが挙げられる。

第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂは、第１熱交換器２ａ及び第２熱交換器２ｂによって回収された熱を電力に変換する役割を担う。第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂは、それぞれ、第１出力線１３ａ及び第２出力線１３ｂを有する。第１出力線１３ａ及び第２出力線１３ｂは、それぞれ、第１連系点Ｐ１及び第２連系点Ｐ２に接続されている。第１連系点Ｐ１及び第２連系点Ｐ２は、商用電源８における互いに異なる複数の連系点である。

このような構成によれば、発電された電力が特定の連系点に集中することを回避できるので、大出力の単一の出力線が特定の連系点に接続された場合と比較して、第１連系点Ｐ１及び第２連系点Ｐ２の電圧上昇を抑制できる。そのため、第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂの電圧上昇抑制機能の動作頻度が減少する。電圧上昇抑制機能の動作頻度が減少することによって、できる限り多くの電力を取り出すことができ、回収したエネルギーの有効活用が可能となる。

第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂは、それぞれ、電圧上昇抑制機能を有する。電圧上昇抑制機能とは、連系点の電圧を監視し、連系点の電圧が閾値電圧（例えば、１０７Ｖ）を超えないように出力電力を調節する機能である。電圧上昇抑制機能を実現するべく、熱発電システム１００は、複数の連系点のそれぞれの電圧を検出する電圧検出器を有しうる。

本実施の形態の熱発電システム１００は、複数の出力線として、第１熱電変換装置３ａの出力線である第１出力線１３ａ、及び、第２熱電変換装置３ｂの出力線である第２出力線１３ｂを含む。熱電変換装置と出力線とが１対１で対応しているので、大出力の単一の熱電変換装置から複数の出力線を取り出す場合と比較して、出力電力の調節は容易である。

商用電源８は、高圧配電線路１０、第１変圧器７ａ、第１低圧配電線路９ａ、第２変圧器７ｂ及び第２低圧配電線路９ｂを有する。高圧配電線路１０は、例えば、三相三線の６６００Ｖの交流送電線である。第１低圧配電線路９ａ及び第２低圧配電線路９ｂのそれぞれは、例えば、単相三線の２００Ｖ（及び１００Ｖ）の交流送電線である。第１変圧器７ａ及び第２変圧器７ｂのそれぞれは、柱上変圧器又は地上変圧器である。第１変圧器７ａを介して、第１低圧配電線路９ａが高圧配電線路１０に接続されている。第２変圧器７ｂを介して、第２低圧配電線路９ｂが高圧配電線路１０に接続されている。第１低圧配電線路９ａ及び第２低圧配電線路９ｂは、同一の工場内の配電線路であってもよく、市街地に
おける配電線路であってもよい。タップ切換え等によって第１低圧配電線路９ａ及び第２低圧配電線路９ｂのそれぞれにおいて電圧の維持管理が実施されうるという意味において、第１低圧配電線路９ａ及び第２低圧配電線路９ｂは互いに独立している。

第１連系点Ｐ１は、第１変圧器７ａに接続された第１低圧配電線路９ａにおける連系点である。第２連系点Ｐ２は、第２変圧器７ｂに接続された第２低圧配電線路９ｂにおける連系点である。このような構成によれば、第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂは、それぞれ、第１低圧配電線路９ａ及び第２低圧配電線路９ｂに電力を供給できる。

本実施の形態では、第１低圧配電線路９ａに第１連系点Ｐ１のみが存在する。第２低圧配電線路９ｂに第２連系点Ｐ２のみが存在する。つまり、低圧配電線路と連系点とが１対１で対応している。このような構成によれば、各低圧配電線路の電圧の過上昇を回避しつつ、各低圧配電線路に電力を供給するための制御が容易である。

図２Ａから図２Ｃは、第１低圧配電線路９ａにおける第１連系点Ｐ１の位置を示す構成図である。第１低圧配電線路９ａにおける第１連系点Ｐ１の位置に関する以下の説明は、第２低圧配電線路９ｂにおける第２連系点Ｐ２の位置の説明にも適用される。

図２Ａに示すように、第１連系点Ｐ１は、第１低圧配電線路９ａの末端部に位置していてもよい。第１低圧配電線路９ａには、複数の負荷１２が接続されている。第１変圧器７ａから第１連系点Ｐ１までの配線の距離は、第１変圧器７ａから複数の負荷１２のそれぞれまでの配線の距離よりも長い。例えば、第１変圧器７ａから遠い位置に大きい負荷１２が存在する場合、第１低圧配電線路９ａの末端部に第１連系点Ｐ１を置くことによって、第１連系点Ｐ１の電圧の過上昇を回避しやすい。

図２Ｂに示すように、第１連系点Ｐ１は、第１低圧配電線路９ａの始端部に位置していてもよい。第１変圧器７ａから第１連系点Ｐ１までの配線の距離は、第１変圧器７ａから複数の負荷１２のそれぞれまでの配線の距離よりも短い。また、第１変圧器７ａから近い位置に大きい負荷１２が存在する場合、第１低圧配電線路９ａの始端部に第１連系点Ｐ１を置くことによって、第１連系点Ｐ１の電圧の過上昇を回避しやすい。

図２Ｃに示すように、第１連系点Ｐ１は、第１低圧配電線路９ａの中間部に位置していてもよい。第１変圧器７ａから第１連系点Ｐ１までの配線の距離は、第１変圧器７ａから特定の負荷１２までの配線の距離よりも長く、第１変圧器７ａから別の負荷１２までの配線の距離よりも短い。

次に、図３を用いて第１熱電変換装置３ａの構成について説明する。第２熱電変換装置３ｂは、第１熱電変換装置３ａと同じ構成を有するので、第２熱電変換装置３ｂの構成の詳細な説明は省略する。

図３に示すように、第１熱電変換装置３ａは、膨張機２２及び発電機２８を備えている。第１熱交換器２ａは、膨張機２２とともにランキンサイクル装置２６を構成している。第１熱交換器２ａは、ランキンサイクル装置２６における蒸発器である。第１熱交換器２ａによって回収された熱が膨張機２２及び発電機２８によって電力に変換される。第１熱交換器２ａは、作動流体を加熱して気化させる。膨張機２２は、第１熱交換器２ａによって加熱及び気化された高圧の作動媒体を膨張させる。膨張機２２において、作動流体の熱エネルギーが機械エネルギーに変換される。発電機２８において、機械エネルギーが電気エネルギーに変換される。

第１熱電変換装置３ａは、さらに、ポンプ１９及び凝縮器２３を備えている。ポンプ１
９及び凝縮器２３は、第１熱交換器２ａ及び膨張機２２とともにランキンサイクル装置２６を構成している。ポンプ１９、第１熱交換器２ａ、膨張機２２及び凝縮器２３は、この順番で環状に接続されて作動流体回路２０を形成している。作動流体回路２０には、作動流体が充填されている。

ポンプ１９は、作動流体を搬送する役割を担う。ポンプ１９において、作動流体は加圧される。ポンプ１９は、回転数可変のポンプであってもよい。

作動流体の種類は特に限定されない。作動流体は、無機作動流体であってもよく、有機作動流体であってもよい。無機作動流体としては、水が挙げられる。加熱媒体の温度が比較的低温であるとき、作動流体として、有機作動流体が適している。有機作動流体としては、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）系の作動流体が挙げられる。

熱源４からの加熱媒体の温度及び流量は、経時的に大きく変動しない傾向にある。すなわち、第１熱交換器２ａに供給されるべき加熱媒体の温度及び流量は、概ね安定状態にある。そのような安定状態において、加熱媒体から作動流体へと所定量の熱を移動させるための熱交換がなされるように、第１熱交換器２ａが設計されている。すなわち、外気温度に応じて予め設定された回転数でポンプ１９を運転したときに第１熱交換器２ａから流出する作動流体の温度が所定温度に達し、膨張機２２に流入する作動流体の状態が所定状態となるように、加熱媒体の温度及び流量を考慮に入れて、第１熱交換器２ａが設計されている。具体的には、第１熱交換器２ａにおいて、伝熱管の段数、伝熱管の列数、伝熱管の長さ、フィンのピッチ、フィンの枚数などが定められている。

膨張機２２は、容積型の膨張機であってもよく、速度型の膨張機であってもよい。容積型の膨張機としては、ロータリ膨張機、スクロール膨張機などが挙げられる。速度型の膨張機としては、半径流タービン、斜流タービン、軸流タービンなどが挙げられる。

膨張機２２には発電機２８が機械的に接続されている。発電機２８は、膨張機２２によって回転させられ、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。

凝縮器２３は、作動流体を凝縮させる。具体的には、凝縮器２３は、冷却媒体によって作動流体を冷却して作動流体を凝縮させる。凝縮器２３としては、フィンアンドチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などが挙げられる。冷却媒体は、水などの液体であってもよく、空気などの気体であってもよい。凝縮器２３は、典型的には、フィンアンドチューブ式熱交換器である。

ランキンサイクル装置２６は、温度センサ２１及びバイパス流路２４を有する。温度センサ２１は、膨張機２２の入口に配置されており、膨張機２２に吸入されるべき作動流体の温度を検出する。バイパス流路２４は、バイパス弁２５を有する。バイパス流路２４は、作動流体回路２０において、膨張機２２の入口部分と膨張機２２の出口部分とを接続している。バイパス弁２５を開くと、作動流体が膨張機２２を迂回してバイパス流路２４に流れる。バイパス弁２５を閉じると、作動流体が膨張機２２に流れる。バイパス弁２５は、開度可変の流量調節弁であってもよい。

第１熱電変換装置３ａは、さらに、モータ２７、ポンプインバータ２９及びモータ駆動配線３０を有する。モータ２７は、ポンプ１９に機械的に接続されている。モータ２７は、ポンプ１９を駆動する役割を担っている。ポンプインバータ２９は、モータ駆動配線３０によってモータ２７に電気的に接続されている。ポンプインバータ２９は、モータ２７を駆動する役割を担っている。

第１熱電変換装置３ａは、さらに、発電機配線３１、コンバータ３２、直流配線３３、インバータ３４及び制御器３５を有する。コンバータ３２は、発電機配線３１によって発電機２８に接続されており、発電された電力を交流電力から直流電力に変換する。コンバータ３２から出力された直流電力は、直流配線３３を介してインバータ３４及びポンプインバータ２９に入力される。インバータ３４は、直流電力を交流電力に変換する。交流電力は、第１出力線１３ａを通じて商用電源８に出力される。制御器３５は、インバータ３４を制御する。制御器３５は、第１熱電変換装置３ａに専用制御器であってもよく、第２熱電変換装置３ｂに兼用された制御器であってもよい。制御器３５は、熱発電システム１００に含まれた様々な制御対象を制御するための制御器であってもよい。

［１−２．動作］
以上のように構成された熱発電システム１００について、その動作を以下説明する。

ポンプ１９は、作動媒体を搬送する。第１熱交換器２ａは、熱源４から供給された加熱媒体の熱を回収して作動媒体を蒸発させる。膨張機２２は、高温かつ気体の作動媒体を膨張させる。これにより、膨張機２２に接続された発電機２８が回転して発電する。凝縮器２３は、作動流体の熱を奪うことによって作動媒体を凝縮させる。バイパス弁２５は、膨張機２２を流れる作動媒体の流量と、バイパス流路２４を流れる作動媒体の流量との比率を調節する。バイパス弁２５の開度に応じてこれらの流量の比率が調節される。

上記の説明は、第１熱電変換装置３ａの基本動作に関する。ただし、第２熱電変換装置３ｂの基本動作も第１熱電変換装置３ａの基本動作と同じである。

図４は、制御器３５の制御フローチャートである。図４は、第１熱電変換装置３ａにおける制御を示している。第２熱電変換装置３ｂにおける制御は、第１熱電変換装置３ａにおける制御と概ね同じである。

ステップＳ１において、ポンプ１９を始動させる。ポンプ１９が始動すると、作動媒体は、第１熱交換器２ａ、バイパス流路２４及び凝縮器２３の順番に流れるように搬送される。

ステップＳ２において、作動媒体の温度Ｔを温度センサ２１によって検出する。作動媒体の温度Ｔが閾値温度Ｔ１を超えたか否かを判断する。閾値温度Ｔ１は、膨張機２２の回転を開始させるために必要な圧力に基づいて決められる。

作動流体の温度Ｔが閾値温度Ｔ１を超えた場合、ステップＳ３において、発電機２８の回転数をゼロ（ｒｐｍ）に設定する。詳細には、発電機２８の回転数をゼロ（ｒｐｍ）となるようにコンバータ３２の制御を開始する。

ステップＳ４において、バイパス弁２５を閉じる。詳細には、開状態から閉状態となるようにバイパス弁２５を制御する。

作動媒体の温度Ｔが更に上昇すると、ステップＳ５において、作動媒体の温度Ｔが閾値温度Ｔ２を超えたか否かを判断する。閾値温度Ｔ２は、熱発電システム１００が発電可能な状態に達したことを示す温度である。

熱発電システム１００が発電可能な状態に達すると、ステップＳ６において、発電機２８の回転数を所定回転数Ｎ１に制御する。詳細には、発電機２８の回転数指令を所定回転数Ｎ１に設定してコンバータ３２を制御する。所定回転数Ｎ１は、例えば、発電機２８の定格回転数である。

発電機２８が発電を開始すると、コンバータ３２からの回生電力によって直流配線３３の電圧が次第に上昇する。ステップＳ７において、直流配線３３の電圧Vpnが目標値Vpn_refを超えたか否かを判断する。

直流配線３３の電圧Vpnが目標値Vpn_refを超えた場合、ステップＳ８において、直流配線３３の電圧が目標値Vpn_refに収斂するように第１インバータ３４ａの制御を開始する。

ステップＳ９において、第１変圧器７ａの２次側にある第１連系点Ｐ１の電圧Ｖac_tが上限値Vac_maxを超えたか否かを判断する。

第１連系点Ｐ１の電圧Vac_tが上限値Vac_maxを超えた場合、ステップＳ１０において、作動流体回路２０における作動媒体の流量が低下するようにポンプ１９を制御する。詳細には、ポンプ１９の回転数を下げる。これにより、第１熱交換器２ａにおける熱回収量が低下する。第１熱交換器２ａにおける熱回収量が低下すると、第１熱電変換装置３ａの出力電力が低下するので第１連系点Ｐ１の電圧Vac_tも低下する。

一方、第１熱交換器２ａにおける熱回収量が低下すると、第２熱交換器２ｂの入口における加熱媒体の温度が上昇する。このとき、第２熱電変換装置３ｂの作動流体回路２０における作動媒体の流量が増加するように第２熱電変換装置３ｂのポンプ１９を制御する。これにより、第２熱交換器２ｂにおける熱回収量が増加する。第２熱交換器２ｂにおける熱回収量が増加すると、第２熱電変換装置３ｂの出力電力が増加する。

第１熱電変換装置３ａの出力電力は、第１出力線１３ａにおける出力電力である。第２熱電変換装置３ｂの出力電力は、第２出力線１３ｂにおける出力電力である。両方の出力電力を調節してもよく、一方のみを調節してもよい。

すなわち、ステップＳ９及びステップＳ１０において、制御器３５は、複数の出力線における出力電力の少なくとも１つを調節する制御を行う。詳細には、出力電力の少なくとも１つを増加及び減少させる制御を行う。本実施の形態では、当該制御として、第１出力線１３ａにおける出力電力に対する第２出力線１３ｂにおける出力電力の比率を変更する。このような構成によれば、各連系点の電圧上昇をより確実に抑制できる。送配電線の条件、負荷の条件などの外乱によって電圧が変動した場合であっても、大出力の単一の熱電変換装置を用いた場合と比較して、できる限り多くの電力を取り出すことができる。

制御器３５は、第１連系点Ｐ１及び第２連系点Ｐ２における電圧の少なくとも１つに応じて、複数の出力線における出力電力の少なくとも１つを調節する制御を行う。これにより、第１連系点Ｐ１及び第２連系点Ｐ２における電圧の変動が更に抑制されうる。

図１に示したように、第２熱交換器２ｂは、第１熱交換器２ａを通過して低温化した加熱媒体から熱を回収する。第１熱交換器２ａの熱回収量を減らす制御と、第２熱交換器２ｂの熱回収量を増加させる制御とを並行して行えば、できる限り多くの電力を回収することが可能となる。

制御器３５は、複数の出力線における出力電力の少なくとも１つの上限値Pac_maxを変更する制御を行ってもよい。上限値Pac_maxを変更することによって、間接的に出力電力の比率を変更することができる。これにより、第１連系点Ｐ１及び第２連系点Ｐ２における電圧の変動が更に抑制されうる。

［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、第１熱交換器２ａ及び第２熱交換器２ｂによって単一の熱源４から熱を回収し、第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂによって熱を電力に変換する。第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂは、商用電源８の複数の点に連系している。

このような構成によれば、発電された電力が特定の連系点に集中することを回避できるので、大出力の単一の出力線が特定の連系点に接続された場合と比較して、各連系点の電圧上昇を抑制できる。そのため、第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂの電圧上昇抑制機能の動作頻度が減少する。電圧上昇抑制機能の動作頻度が減少することによって、できる限り多くの電力を取り出すことができ、回収したエネルギーの有効活用が可能となる。

本実施の形態において、互いに異なる複数の連系点は、複数の変圧器に接続された複数の低圧配電線路における複数の連系点でありうる。複数の連系点の例は、第１連系点Ｐ１及び第２連系点Ｐ２である。複数の変圧器の例は、第１変圧器７ａ及び第２変圧器７ｂである。複数の低圧配電線路の例は、第１低圧配電線路９ａ及び第２低圧配電線路９ｂである。このような構成によれば、第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂは、それぞれ、第１低圧配電線路９ａ及び第２低圧配電線路９ｂに電力を供給できる。低圧配電線路と連系点とが１対１で対応していてもよい。

本実施の形態において、互いに異なる複数の連系点の少なくとも１つは、変圧器に接続された低圧配電線路の始端部又は末端部に存在してもよい。例えば、変圧器から遠い位置に大きい負荷が存在する場合、低圧配電線路の末端部に連系点を置くことによって、連系点の電圧の過上昇を回避しやすい。変圧器から近い位置に大きい負荷が存在する場合、低圧配電線路の始端部に連系点を置くことによって、連系点の電圧の過上昇を回避しやすい。負荷の大きさに応じて、低圧配電線路における連系点の位置を変更することが望まれる。

本実施の形態において、熱発電システム１００は、複数の出力線における出力電力の少なくとも１つを調節する制御を行う制御器３５をさらに備えている。このような構成によれば、各連系点の電圧上昇をより確実に抑制できる。

本実施の形態において、制御器は、互いに異なる複数の連系点における電圧の少なくとも１つに応じて、複数の出力線における出力電力の少なくとも１つを調節する制御を行ってもよい。これにより、各連系点における電圧の変動が更に抑制されうる。

本実施の形態において、複数の出力線は、第１出力線１３ａ及び第２出力線１３ｂを含む。制御器３５は、複数の出力線における出力電力の少なくとも１つを調節する制御として、第１出力線１３ａにおける出力電力に対する第２出力線１３ｂにおける出力電力の比率を変更する。このような構成によれば、各連系点の電圧上昇をより確実に抑制できる。送配電線の条件、負荷の条件などの外乱によって電圧が変動した場合であっても、大出力の単一の熱電変換装置を用いた場合と比較して、できる限り多くの電力を取り出すことができる。

本実施の形態において、制御器３５は、複数の出力線における出力電力の少なくとも１つの上限値を変更してもよい。上限値を変更することによって、間接的に出力電力の比率を変更することができる。これにより、各連系点における電圧の変動が更に抑制されうる。

本実施の形態において、少なくとも１つの熱電変換装置は、第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂを含んでいてもよい。複数の出力線は、第１熱電変換装置３ａの出力線である第１出力線１３ａ及び第２熱電変換装置３ｂの出力線である第２出力線１３ｂを含んでいてもよい。熱電変換装置と出力線とが１対１で対応しているので、大出力の単一の熱電変換装置から複数の出力線を取り出す場合と比較して、出力電力の調節は容易である。

本実施の形態において、少なくとも１つの熱交換器は、第１熱交換器２ａ及び第２熱交換器２ｂを含んでいてもよい。第１熱交換器２ａは、単一の熱源４に接続された熱流路５における上流の位置に配置されていてもよい。第２熱交換器２ｂは、熱流路５における下流の位置に配置されていてもよい。このような配列によれば、加熱媒体から効率的かつ十分に熱を回収することができる。

（実施の形態２）
以下、図５を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態１と同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。

［２−１．構成］
図５に示すように、熱発電システム２００は、熱交換器２ｃ、第１熱電変換装置３ａ及び第２熱電変換装置３ｂを備えている。熱発電システム２００は、見かけ上、単一の熱交換器２ｃを備えている。ただし、熱交換器２ｃは、第１配管部１４ａ及び第２配管部１４ｂを有する。第１配管部１４ａを通じて第１熱電変換装置３ａに熱が供給される。第２配管部１４ｂを通じて第２熱電変換装置３ｂに熱が供給される。この点において、本実施の形態は、実施の形態１と同じである。

［２−２．動作］
加熱媒体は、熱源４から熱流路５に供給され、第１配管部１４ａを流れる作動流体と熱交換する。その後、加熱媒体は、第２配管部１４ｂに供給され、第２配管部１４ｂを流れる作動流体と更に熱交換を行う。

［２−３．効果等］
本実施の形態においても、実施の形態１における効果と同じ効果が得られる。

本実施の形態の熱発電システム２００は、単一の熱源４から熱を回収する熱交換器２ｃを１つのみ有する。そのため、熱交換器に費やされるコストを削減することができる。

（実施の形態３）
以下、図６から図８を用いて、実施の形態３を説明する。

［３−１．構成］
図６に示すように、熱発電システム３００は、熱交換器２及び熱電変換装置３を備えている。熱発電システム３００は、単一の熱交換器２及び単一の熱電変換装置３を備えている。熱電変換装置３は、複数の出力線を有する。複数の出力線は、第１出力線１３ａ及び第２出力線１３ｂを含む。第１出力線１３ａ及び第２出力線１３ｂは、それぞれ、第１連系点Ｐ１及び第２連系点Ｐ２に接続されている。第１連系点Ｐ１及び第２連系点Ｐ２は、商用電源８における互いに異なる複数の連系点である。

図７に示すように、熱電変換装置３は、第１インバータ３４ａ及び第２インバータ３４ｂを有する。第１インバータ３４ａ及び第２インバータ３４ｂは、コンバータ３２の出力線である直流配線３３に対して並列に接続されている。第１インバータ３４ａの出力線が
第１出力線１３ａである。第２インバータ３４ｂの出力線が第２出力線１３ｂである。第１インバータ３４ａ及び第２インバータ３４ｂは、制御器３５によって制御される。これらの点を除き、熱電変換装置３の構成は、実施の形態１の第１熱電変換装置３ａ（図３）の構成と同じである。

［３−２．動作］
図８は、制御器３５による第１インバータ３４ａ及び第２インバータ３４ｂのための制御ブロック図である。

図８に示すように、制御器３５は、第１インバータ３４ａの出力電力の目標値Wa_refを指令値として設定する。出力電力の目標値Wa_refは、コンバータ３２から直流配線３３に入力された電力Ｗｇと直流配線３３からポンプインバータ２９に入力された電力Ｗｐとの差分電力の初期値の５０％に相当する電力でありうる。

次に、第１インバータ３４ａの接続先の電圧Vac_A_tと第２インバータ３４ｂの接続先の電圧Vac_B_tとが比較される。電圧Vac_A_tと電圧Vac_B_tとの大小関係及び差分に応じて、目標値Wa_refが加減算される。具体的には、電圧Vac_A_tが電圧Vac_B_tよりも１Ｖ低い場合、目標値Wa_refが１０％加算される。電圧Vac_A_tが電圧Vac_B_tよりも１Ｖ高い場合、目標値Wa_refが１０％減算される。電圧Vac_A_tは、例えば、第１出力線１３ａの電圧である。電圧Vac_B_tは、例えば、第２出力線１３ｂの電圧である。

出力電力の目標値Wa_refの加減算を行うとき、電圧Vac_A_tと電圧Vac_B_tとの間の１Ｖの差分に対して１０％以外の比率にて加減算を行ってもよい。

次に、第１インバータ３４ａに設けられた電圧検出器及び電流検出器によって、現在の出力電力Wa_tが計算される。現在の出力電力Wa_tと目標出力電力Wa_refとの差分が計算され、計算された差分が比例積分器（ＰＩ制御器）に入力される。比例積分器は、計算の結果として、出力電流の目標値Ia_refを出力する。出力電流の目標値Ia_refと現在の出力電流Ia_tとの差分が計算され、計算された差分が比例積分器に入力される。比例積分器は、計算の結果として、電圧指令値Va_refを出力する。電圧指令値Va_refと、第１変圧器７ａの２次側の電圧位相と、直流配線３３の現在の直流電圧Vpn_tとを用いて、変調信号生成部において、同期した変調信号が生成される。搬送波比較部において、変調信号と搬送波とが比較されて第１インバータ３４ａのスイッチングが行われる。

一方、第２インバータ３４ｂの制御は、第１インバータ３４ａの制御と異なる。直流配線３３の直流電圧の目標値Vpn_refと直流配線３３の現在の直流電圧Vpn_tとの差分が計算され、計算された差分が比例積分器（ＰＩ制御器）に入力される。比例積分器は、計算の結果として、出力電流の目標値Ib_refを出力する。出力電流の目標値Ib_refと現在の出力電流Ib_tとの差分が計算され、計算された差分が比例積分器に入力される。比例積分器は、計算の結果として、電圧指令値Vb_refを出力する。電圧指令値Vb_refと、第２変圧器７ｂの２次側の電圧位相と、直流配線３３の現在の直流電圧Vpn_tとを用いて、変調信号生成部において、同期した変調信号が生成される。搬送波比較部において、変調信号と搬送波とが比較されて第２インバータ３４ｂのスイッチングが行われる。

［３−３．効果等］
本実施の形態においても、実施の形態１における効果と同じ効果が得られる。

本実施の形態の熱発電システム３００は、単一の熱源４から熱を回収する熱交換器２を１つのみ有する。そのため、熱交換器２に費やされるコストを削減することができる。

本実施の形態の熱発電システム３００は、熱電変換装置３を１つのみ有する。言い換えれば、熱発電システム３００にランキンサイクルの作動流体回路２０が１つのみ存在する。熱電変換装置３は、単一の直流配線３３と、単一の直流配線３３に接続された第１インバータ３４ａと、単一の直流配線３３に接続された第２インバータ３４ｂとを含む。複数の出力線は、第１インバータ３４ａの出力線である第１出力線１３ａ及び第２インバータ３４ｂの出力線である第２出力線１３ｂを含む。このような構成によれば、熱発電システム３００に費やされるコストを削減することができる。

本実施の形態の熱発電システム３００においては、商用電源８に供給される電力の総和と発電された電力とのバランスをとることによって、直流配線３３における電圧のハンチングが抑制されている。第１インバータ３４ａは、第１インバータ３４ａの出力線における出力電力が目標値に収斂するように制御される。第２インバータ３４ｂは、単一の直流配線３３における直流電流が目標値に収斂するように制御される。つまり、出力電力をフィードバックすることによって、所望の電力を出力するように第１インバータ３４ａが制御されている。直流配線３３の電圧をフィードバックすることによって、直流配線３３の電圧が所望の電圧に収斂するように第２インバータ３４ｂが制御されている。このような制御によれば、商用電源８に供給される電力の総和と発電された電力とのバランスをとることができ、ひいては直流配線３３における電圧のハンチングを抑制することが可能である。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１から３を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１から３で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

熱源４及び熱流路５は、熱発電システム１００，２００又は３００の一部であってもよい。

熱電変換装置の数は、１又は２に限定されず、３以上であってもよい。

各熱交換器に概ね同じ温度の加熱媒体が供給されるように、複数の熱交換器は、熱流路５において、並列に配置されていてもよい。

第１出力線１３ａにおける出力電力に対する第２出力線１３ｂにおける出力電力の比率を変更することに代えて、第１出力線１３ａにおける出力電力に対する第２出力線１３ｂにおける出力電力の比率を固定してもよい。例えば、第１出力線１３ａにおける出力電力を１００％としたとき、第２出力線１３ｂにおける出力電力は８０％に設定される。

図９は、変形例における熱電変換装置３の構成を示している。図９に示すように、熱電変換装置３は、作動流体回路２０に配置された複数の膨張機を備えていてもよい。複数の膨張機は、第１膨張機２２ａ及び第２膨張機２２ｂを含む。第１膨張機２２ａ及び第２膨張機２２ｂは、第１膨張機２２ａで膨張した作動流体が第２膨張機２２ｂでさらに膨張するように直列に配置されている。言い換えれば、膨張機は、多段膨張機であってもよい。

熱電変換装置３は、さらに、第１発電機２８ａ、第１発電機配線３１ａ、第１コンバータ３２ａ及び第１直流配線３３ａを有する。熱交換器２によって回収された熱が第１膨張機２２ａ及び第１発電機２８ａによって電力に変換される。第１コンバータ３２ａは、第１発電機配線３１ａによって第１発電機２８ａに接続されており、発電された電力を交流電力から直流電力に変換する。第１コンバータ３２ａから出力された直流電力は、第１直
流配線３３ａを介して第１インバータ３４ａ及びポンプインバータ２９に入力される。第１インバータ３４ａは、直流電力を交流電力に変換する。

熱電変換装置３は、さらに、第２発電機２８ｂ、第２発電機配線３１ｂ、第２コンバータ３２ｂ及び第２直流配線３３ｂを有する。熱交換器２によって回収された熱は、第２膨張機２２ｂ及び第２発電機２８ｂによってさらに電力に変換される。第２コンバータ３２ｂは、第２発電機配線３１ｂによって第２発電機２８ｂに接続されており、発電された電力を交流電力から直流電力に変換する。第２コンバータ３２ｂから出力された直流電力は、第２直流配線３３ｂを介して第２インバータ３４ｂに入力される。

図９に示す構成によれば、先の実施の形態で説明した効果が得られるだけでなく、より高い熱電変換効率を達成できる可能性がある。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、複数の出力線を有する熱発電システムに有用である。本開示は、特に、小規模な分散型電源システムに有用である。小規模な分散型電源システムは、工場、商業施設、病院、学校、公共施設などに適している。

２ａ 第１熱交換器
２ｂ 第２熱交換器
２，２ｃ 熱交換器
３ 熱電変換装置
３ａ 第１熱電変換装置
３ｂ 第２熱電変換装置
４ 熱源
５ 熱流路
６ 排熱口
７ａ 第１変圧器
７ｂ 第２変圧器
８ 商用電源
９ａ 第１低圧配電線路
９ｂ 第２低圧配電線路
１０ 高圧配電線路
１２ 負荷
１３ａ 第１出力線
１３ｂ 第２出力線
１４ａ 第１配管部
１４ｂ 第２配管部
１９ ポンプ
２０ 作動流体回路
２１ 温度センサ
２２ 膨張機
２２ａ 第１膨張機
２２ｂ 第２膨張機
２３ 凝縮器
２４ バイパス流路
２５ バイパス弁
２６ ランキンサイクル装置
２７ モータ
２８ 発電機
２８ａ 第１発電機
２８ｂ 第２発電機
２９ ポンプインバータ
３０ モータ駆動配線
３１ 発電機配線
３１ａ 第１発電機配線
３１ｂ 第２発電機配線
３２ コンバータ
３２ａ 第１コンバータ
３２ｂ 第２コンバータ
３３ 直流配線
３３ａ 第１直流配線
３３ｂ 第２直流配線
３４ インバータ
３４ａ 第１インバータ
３４ｂ 第２インバータ
３５ 制御器
１００，２００，３００ 熱発電システム
Ｐ１ 第１連系点
Ｐ２ 第２連系点

Claims (12)

1. 単一の熱源から熱を回収する少なくとも１つの熱交換器と、
   複数の出力線を有し、前記少なくとも１つの熱交換器によって回収された熱を電力に変換する少なくとも１つの熱電変換装置と、
   を備え、
   前記少なくとも１つの熱電変換装置の前記複数の出力線は、商用電源における互いに異なる複数の連系点に接続されている、
   熱発電システム。
2. 前記互いに異なる複数の連系点は、複数の変圧器に接続された複数の低圧配電線路における複数の連系点である、
   請求項１に記載の熱発電システム。
3. 前記互いに異なる複数の連系点の少なくとも１つは、変圧器に接続された低圧配電線路の始端部又は末端部に存在する、
   請求項１又は２に記載の熱発電システム。
4. 前記複数の出力線における出力電力の少なくとも１つを調節する制御を行う制御器をさらに備えた、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の熱発電システム。
5. 前記制御器は、前記互いに異なる複数の連系点における電圧の少なくとも１つに応じて前記制御を行う、
   請求項４に記載の熱発電システム。
6. 前記複数の出力線が第１出力線及び第２出力線を含み、
   前記制御器は、前記制御として、前記第１出力線における出力電力に対する前記第２出力線における出力電力の比率を変更する、
   請求項４又は５に記載の熱発電システム。
7. 前記制御器は、前記複数の出力線における出力電力の少なくとも１つの上限値を変更する、
   請求項４から６のいずれか１項に記載の熱発電システム。
8. 前記少なくとも１つの熱電変換装置は、第１熱電変換装置及び第２熱電変換装置を含み、
   前記複数の出力線は、前記第１熱電変換装置の出力線である第１出力線及び前記第２熱電変換装置の出力線である第２出力線を含む、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の熱発電システム。
9. 前記少なくとも１つの熱交換器は、第１熱交換器及び第２熱交換器を含み、
   前記第１熱交換器は、前記単一の熱源に接続された熱流路における上流の位置に配置され、
   前記第２熱交換器は、前記熱流路における下流の位置に配置されている、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の熱発電システム。
10. 前記少なくとも１つの熱電変換装置は、単一の直流配線と、前記単一の直流配線に接続された第１インバータと、前記単一の直流配線に接続された第２インバータと、を含み、
    前記複数の出力線は、前記第１インバータの出力線及び前記第２インバータの出力線を
    含む、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の熱発電システム。
11. 前記第１インバータは、前記第１インバータの出力線における出力電力が目標値に収斂するように制御され、
    前記第２インバータは、前記単一の直流配線における直流電流が目標値に収斂するように制御される、
    請求項１０に記載の熱発電システム。
12. 単一の熱源から熱を回収することと、
    回収した熱を電力に変換することと、
    複数の出力線を通じて、生成された電力を商用電源の互いに異なる複数の連系点に供給することと、
    を含む、電力供給方法。

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