JP3163946U - 再生可能エネルギーを生成して貯蔵するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費ユニットに電力を供給するようにされた、再生可能エネルギーを生成して貯蔵するための装置を提供する。【解決手段】装置１は、ソーラーパネル３及びソーラーパネル３により給電を受けたときに水素及び酸素を生成するようにされた電解槽４を備えた水素生成ユニットと、タンク８と、電解槽により供給される水素をタンク内に注入するための圧縮機１０とを備える。ソーラーパネル３が、電力消費ユニット２に接続された負荷に達するまでソーラーパネル３の生成した電力を前記ユニットに優先的に供給する。さらに、装置１は、ソーラーパネル３の出力に接続されるとともにソーラーパネル３により生成された電力が接続された負荷を超えた場合に生成された電力の一部を電解槽４へ向けるようにされた分岐ユニット６を備える。【選択図】図１

Description

本考案は、再生可能エネルギー、特に太陽光電力を生成して貯蔵するための装置に関する。より詳細には、本考案は、水を水素と酸素に分解することにより、生成される再生可能エネルギーの少なくとも一部を電気化学エネルギーに変換して貯蔵するこの種の装置に関する。

米国特許第２００５／１０９３９４号に上記の種類の装置が開示されている。開示されている装置は、例えば住宅、公共建造物、病院、又は工場内にさえも設置することを意図された分散装置である。この装置は、電解槽と、圧縮機と、電解槽により生成された水素を圧縮して貯蔵するための貯蔵容器とから成る水素生成ユニットを備え、前記電解槽はソーラーパネルにより駆動する。この装置は、水素から電力を生成するための燃料電池と、インバータ、マイクロコントローラ及びモデムを備えた制御ユニットとをさらに備える。燃料電池により生成された電力は、その場で使用されるか、或いは配電網内へ給送されるかのいずれかとなる。

上述した種類の装置は、太陽エネルギーが広く利用可能な形の再生可能エネルギーであること、電解槽が少量の水しか消費しないこと、燃料電池内における水素からの電力の生成が汚染物質を全く放出しないこと、などの多くの利点を有する。さらに、太陽エネルギーを使用して水素を生成し、これを貯蔵できるので、この種の装置では、多大な生成コストを要する従来のバッテリを使用せずに太陽エネルギーを貯蔵できるようになる。

しかしながら、上述の文献に開示されるものと同じ種類の装置にはいくつかの欠点がある。特に、太陽エネルギーを使用した電解槽による水素の生成には、他と比較にならないほどのコストがかかる。特に、現在のところ、太陽エネルギーを水素に変換する平均効率はわずか６％である。従って、装置に設けられるソーラーパネルの効率が低ければ低いほど、パネルがカバーしなければならない表面積が大きくなる。この結果、これに対応して装置コストが増大する。対照的に、水素によって駆動する燃料電池の効率は約６０％であることが分かっている。結局のところ、上記の種類の装置は、４％未満の平均エネルギー効率でしか電力を供給しない。

米国特許第２００５／１０９３９４号

上記の種類の装置の平均エネルギー効率を改善することにより、装置によって供給される電力の生成コストを削減することが本考案の目的である。この目的は、請求項１に記載の再生可能エネルギーを生成して貯蔵するための装置を提供することにより達成される。

分岐手段が存在することにより、電力生成手段によって再生可能エネルギーから生成された電力の一部を（例えば、住宅、公共建造物、病院、又は工場でさえもあり得る）電力消費ユニットによって直接消費できることが理解されよう。この電力の一部は貯蔵されないので、これを上述した従来技術の装置のような装置のエネルギー効率の約２倍にさえも達し得る改善されたエネルギー効率で供給することができる。例えばスイスの統計によれば、６３ｍ２のソーラーパネルを備えた本考案による装置を設けた住宅は、パネルにより生成される電力の約３０％を直ちに消費することができる。

本考案の第１の実施形態では、この装置が、電解槽により生成される水素によって作動する燃料電池をさらに備える。さらに、有利な変形例では、生成された全水素が、燃料電池に供給されること、従って電力を生成することを目的とする。しかしながら、電解槽及び燃料電池の使用に関連する損失に基づいて、再生可能エネルギーから電力を生成する手段により直接供給される電力の３０％は、実際にはこの変形例による装置によって供給される全エネルギーの半分に相当することに留意されたい。

従って、 電力の一部を直接利用することにより、本考案による装置のエネルギー効率全体の改善を図ることが可能となることを理解されたい。この効率は、実際には上述した種類の従来技術の装置の効率よりも平均で５０％高いはずである。

この第１の実施形態の好ましい変形例では、太陽電池が電力消費ユニットの要件を満たすことができない場合にのみ燃料電池が使用される。

本考案の第２の実施形態では、生成された水素が、燃料電池を備えた車の燃料として提供される。水素は、再生可能エネルギーから電力を生成する手段によって供給される過剰エネルギーから生成されるにすぎないので、水素カーのための燃料生成コストは必然的に低下する。

本考案のさらなる特徴及び利点は、単に例示として示すとともに添付図１を参照する以下の説明を読んだ時に明らかになるであろう。

燃料電池に接続された、本考案の特定の実施形態による光電エネルギーを生成して貯蔵するための装置の概略図である。

図１を参照すると、本考案の特定の実施形態による、再生可能エネルギーを生成して貯蔵するための装置１を示している。特に、この装置１は、再生可能エネルギーから電力を生成する手段３と、水中の水素と酸素を分離することにより、手段３によって供給されたエネルギーを電気化学エネルギーに変換できるようにする電解槽４とを備えていることが分かる。本実施形態では、再生可能エネルギーから電力を生成する手段が、ソーラーパネルとして知られているパネル３上に組み立てられた複数の太陽電池からそれ自体周知の態様で形成される。しかしながら、変形例では、手段３を、例えば１又はそれ以上の風力タービン、水車又は水力タービンにより駆動される発電機、又は再生可能エネルギーから電力を生成できるようにする当業者に公知のその他のあらゆる装置で構成できることを理解されたい。

図１は、装置１が、本例では個人住宅２に備わっているすべての電気装置で構成された電力消費ユニットに給電を行うように接続されていることをさらに示している。当然ながら、電力消費ユニットを、個人住宅２に備わっている電気装置の代わりに、同様に例えば公共建造物、病院、又は工場などにさえも備わっている電気装置で十分に構成することもできる。住宅２は、装置１によって給電を受けるだけでなく、電力供給業者が運営する配電網１８によっても共同的に給電を受けるようになっている。

図１からは、装置１が、ソーラーパネル３により生成された電力を受け取る中央分岐ユニット６をさらに備えることがさらに分かる。この中央ユニット６は、ユーザインターフェイス５から信号を受信して、特にソーラーパネル３により供給されるエネルギーの住宅２と電解槽４との間の分配を制御するようにされる。

ソーラーパネル３が直流電力を供給するのに対し、住宅２に備わっている電気装置は、一般に交流を使用して動作するようになっている。このため、中央ユニット６にはインバータ（図示せず）も備わる。このインバータにより、中央分岐ユニット６は、配電網の交流と適合する位相及び電圧を有する交流を住宅２に供給することができる。

本考案によれば、ソーラーパネル３により供給される電力は、住宅２の電力要件を満たすことに優先的に当てられる。余剰電力、すなわち換言すれば住宅２での接続された負荷を超えて生成された電力のみが、電解槽４へ分岐されて電気化学エネルギーの形で貯蔵される。「接続された負荷」とは、この場合、住宅２に備わっている電気装置のすべての電力要件を意味する。従って、まさにソーラーパネル３により生成される電力のように、接続された負荷は時間とともに変動する値であることが特に理解されよう。個人住宅２の消費量は１日を通じて規則的でないので、この要件は数多くのパラメータに応じて変動する。実際に、住居施設では、夏であるか又は冬であるかによって、１日の時刻によって、及び住居内に存在する居住者の人数によって電力要件が異なる。従って、光がほとんど無く外気温が最も低い冬には、照明要件及び加熱要件が最高になる。従って、住居施設の電流要件は、自然光が最も強く外気温が最も高い夏よりも高くなる。

上述のスイスの統計によれば、通常の個人住宅の電力要件は１年あたり約５，４００ｋＷｈになる。さらに、６３ｍ２のソーラーパネルは、平均して１年あたり約８，５８０ｋＷｈを生成する。当然ながら、太陽エネルギーの欠点は、必要なときにほとんど電力を生成しないことである（特に、照明が必要な夜間に太陽エネルギーを生成できないことは明らかである）。それにもかかわらず、上述の統計によれば、６３ｍ２のソーラーパネルによって年間に生成される電力のうち、２，４８０ｋＷｈが住宅が必要とするときに生成されている。この接続された負荷により直接吸収される電力は、これらのソーラーパネルによって年間に生成される電力である８，５８０ｋＷｈのほぼ３０％に相当する。本考案によれば、生成される電力の残り、すなわちその約７０％が中央分岐ユニット６により電解槽４へ向けられる。

電解槽４は、既知の方法で電力を使用して水から水素と酸素を生成する。その後、この水素と酸素は、加圧下で２つのタンク７及び８内に貯蔵される。９及び１０で示す２つの圧縮機が、タンク７，８内のガスを高圧（本例では３５０バール）に圧縮できるようにする。（８で示す）タンクの一方を満たす水素が燃料としての使用に適していることは理解できよう。さらに、このガスは、原理上汚染物質でない燃料を構成することが知られている。水素が加圧下で貯蔵されるので、装置１はいつでも燃料を供給することができ、従っていつでもエネルギーを生成することが可能となる。従って、太陽エネルギーを水素に変換することにより、装置１は、多大な生成コストを要するバッテリを使用せずに汚染の無い態様で太陽エネルギーを貯蔵することを可能にする。

本実施形態では、装置１が、電解槽により生成された酸素も貯蔵することが図１から分かる。後程分かるように、水素のみでなく酸素も供給するという能力は、特に装置１により供給されるガスが特定の種類の燃料電池に供給されるようになっている場合に有利である。

上述したように、住宅２は、装置１のみならず配電網１８によっても給電を受けるようになっている。本例では、住宅を配電網に接続することの主な機能は、装置１により供給される電力が不十分な場合に住宅２の電力供給を補助できるようにすることである。図面で確認されるように、住宅２の配電網１８への接続は、１２で示すボックスにおいて行われる。一般に、住宅２には、配電網により供給される電気エネルギーの量を測定するためにボックス１２の直ぐ上流に電力計が既知の方法で導入されている。

本例が関連する本考案の特定の実施形態では、中央分岐ユニット６が電流検出器（１３）に接続されており、これが住宅の電力計と単一ユニットの形で組み合わされ、住宅２を出入りする電力の流れを測定するようにされる。電流センサにより提供される情報に基づいて、中央分岐ユニットは、装置１により住宅２に供給される電力が接続された負荷を超えないようにされる。実際に、装置１により供給される電力が接続された負荷を超えたとしても、この過剰電力は、住宅から配電網へ送られるようになる。この住宅から出るエネルギーの流れは検出器１３により直ちに報告される。この報告により、中央分岐ユニットが、電解槽４へ分岐される電力を増加させるようになる。逆に、装置１により供給される電力が住宅の要件をカバーするほど十分でない場合、配電網により供給される電力によって不足が補われる。この住宅に入るエネルギーの流れは検出器１３により直ちに報告され、この報告により、中央分岐ユニットが、電解槽４へ分岐される電力を減少させるようになる。このようにして、その時点でソーラーパネルにより生成される電力が少なくとも接続された負荷に等しい限り、住宅と配電網との間のエネルギーの流れを正確にゼロにすることができる。

図１からは、本例の装置１が燃料電池１４をさらに備えていることがさらに分かる。燃料電池１４は水素と酸素から電力を生成するようにされる。この目的のために、電池１４は加圧ガスタンク７及び８に接続される。本例では、電解槽により生成される酸素と水素が、要求に応じて電力を生成できるようになっていることが理解されよう。例えば、ソーラーパネル３によって生成された電力が住宅内の接続された負荷未満である場合、電池１４によって生成された電力を住宅２に供給することができる。

図１からは、命令回線１６が中央ユニット６を燃料電池１４に接続していることがさらに分かる。これらの状態では、例えば第１に、ソーラーパネルにより生成された電力がすべて住宅に供給されている場合、及び第２に、エネルギーの流れが配電網から住宅に入っていることを電流センサが示す場合、電池１４に起動すべく命令することが可能となる。詳細には、配電網からの寄与が行われるという事実は、ソーラーパネルによって供給される電力が要件を満たすほど十分でないことを示しており、このことは追加の電力源が必要であることを示す。

多くの電力供給業者は、１日のうちの時刻によって異なる料金を適用する。これらの状態において、本例の有利な変形例では、１日のうちの時刻が、配電網からの電力の値段が高い時間に相当する場合にのみ燃料電池が起動する。

添付の登録請求の範囲により定められる本考案の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に、当業者には明らかな様々な修正及び／又は改善を加えることができることもさらに理解されたい。特に、酸素並びに水素を供給される必要がある種類の燃料電池を使用する代わりに、水素のみの供給を受けてその酸素を大気から引き出す燃料電池を使用することももちろん可能である。

さらに、別の変形例では、システムが、一方では装置１によって生成された電力を供給業者が最も高価なときに購入するようにこの電力を高料金時に供給業者の配電網へ送り、他方では電力が最も安価な低料金時に配電網により供給される電力を電解槽が使用して水素と酸素を生成するようにプログラムされることが有利となり得る。

第２の実施形態では、装置１の燃料電池１４を、燃料として水素を使用して動作する車輌（図示せず）用の燃料補給システム（図示せず）に置き換えることもできる。この車輌は、特にその電力を燃料電池から引き出す電動車輌であってもよい。これらの状態では、車輌が装置の水素タンクに接続され、このタンクには、タンク（８）に含まれる水素を車輌の容器内へ移送するようにされた燃料補給手段が設けられるようになる。

本考案によれば、ソーラーパネルによって生成された電力を住宅２への直接供給と水素の生成とに分割する原理により、従来技術の装置により生成される水素と比較して水素の生成コストが削減されることが理解されよう。さらに、再生可能な水素を低価格で利用できるようにするという可能性により、水素駆動型の環境に優しい車のコスト削減が可能となる。

１ 装置； ２ 住宅； ３ ソーラーパネル； ４ 電解槽；
５ ユーザインターフェイス； ６ 分岐ユニット； ７，８ タンク；
９，１０ 圧縮機； １２ ボックス； １３ 検出器； １４ 燃料電池；
１６ 命令回線； １８ 配電網。

Claims (10)

1. 配電網に接続された電力消費ユニットに共同で給電を行うようにされた、再生可能エネルギーを生成して貯蔵するための装置であって、再生可能エネルギーから電力を生成する手段と、前記装置により供給される電力を前記配電網と適合する交流に変換するためのインバータと、前記再生可能エネルギーから電力を生成する手段により給電を受けたときに水素及び酸素を生成するようにされた電解槽を備えた水素生成ユニットと、タンクと、前記電解槽により供給される水素を前記タンク内に注入するための圧縮機とを備えた装置において、
   前記配電網により前記電力消費ユニットに供給される電力を測定するようにされた検出器を備え、前記再生可能エネルギーから電力を生成する手段が、自身が生成したエネルギーを前記電力消費ユニットに接続された負荷に達するまで前記ユニットに優先的に供給するようにされ、前記装置が、前記電力を生成する手段の出力に接続された分岐ユニットを備え、該分岐ユニットが、前記再生可能エネルギーから電力を生成する手段により生成された電力が前記接続された負荷を超えた場合に前記生成された電力の残りを前記電解槽へ向けるように、前記検出器により測定される前記電力が負又はゼロの場合にのみ前記電力を電解槽へ向けるようにされた、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記分岐ユニットが、前記測定される電力をゼロにし、又はゼロに保つようにされた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記水素生成ユニットにより生成される前記水素が燃料電池に供給されるようにされた、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の装置。
4. 前記水素生成ユニットにより生成される前記水素が車の燃料電池に供給されるようにされ、前記装置が、前記タンクに含まれる前記水素を車輌の容器内へ移送するための水素移送手段を備える、
   ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記燃料電池が前記装置に固定されるとともに前記装置の一部であり、前記再生可能エネルギーから電力を生成する手段によって生成された電力が前記ユニットに接続された負荷未満である場合、前記燃料電池が、該燃料電池の生成した前記電力を前記電力消費ユニットに供給する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 前記燃料電池に、前記検出器により測定される電力が正でありかつ前記配電網からの電力のコストが高いときにのみ起動すべく指示するようにされた、
   ことを特徴とする請求項２及び請求項５に記載の装置。
7. 前記配電網からの電力のコストが低いときにのみ前記電解槽に前記配電網からの電力を供給して前記タンクに含まれる水素の量を増加させることを可能にする整流器を備える、
   ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
8. 前記水素生成ユニットが、第２のタンクと、前記電解槽により供給される酸素を前記第２のタンク内に注入するための第２の圧縮機とを備える、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記電解槽により生成される酸素及び水素が燃料電池に供給されるようにされた、
   ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記再生可能エネルギーから電力を生成する手段が太陽光ソーラーパネルである、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の装置。

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