JP4328069B2

JP4328069B2 - 分散型発電システム

Info

Publication number: JP4328069B2
Application number: JP2002232306A
Authority: JP
Inventors: 善民野々村
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP2004071487A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自然エネルギを利用した異種の発電装置を連系して電力を負荷へ供給するための分散型発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電や、太陽光発電は、そのエネルギ源がクリーンで無尽蔵であるというメリットがある反面、それらの発電装置は、風や太陽光などの自然エネルギから電力を取り出すため、風力発電装置の場合、出力電力は気象条件（風力）に依存され、太陽光発電の場合は太陽の高度や日照時間及び気象条件に依存され、いずれも安定した電力を得ることができない問題がある。そこで、このような風力発電や太陽光発電などの欠点を補い合うため、ハイブリッド化技術（自然エネルギを利用した分散型発電システム；以下、単に分散型発電システムという）の開発が進んでいる。
【０００３】
図５は、従来の技術による分散型発電システムの概略構成を示すブロック図である。すなわち、図５に示される分散型発電システムにおいては、複数の風力発電装置１０１、及び複数の太陽電池パネル１０２など、異種の発電手段を備え、各風力発電装置１０１で発生した三相交流の電力をそれぞれ整流回路１０３で直流に変換して蓄電器１０４に充電し、また、各太陽電池パネル１０２で発生した直流電力をそれぞれ蓄電器１０５に充電し、これらの複数の電気系統を制御装置１０６を介して連系し、各種の電気機器である負荷１０７へ、その電力消費に応じて供給するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術によれば、各風力発電装置１０１及び各太陽電池パネル１０２からの出力は不安定であるため、これを連系して安定した出力を得るには、各風力発電装置１０１及び各太陽電池パネル１０２からの出力を常にモニターして、耐電圧を超える電力を遮断したり、蓄電器１０４への充電電圧の一定化を保つ制御が必要となる。また、このような分散型発電システムは、コストの低減及び小型化が一層進むことが予想されるが、整流回路１０３及び蓄電器１０４を含む二次側の電気系統は、従来方式を使用した場合、大量生産によるコストダウンしか期待できず、発電手段の小型化及び複数化により、整流回路１０４及び蓄電器１０４の制御は更に複雑なものとなってしまう問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、自然エネルギを利用した各種発電手段で得られる不安定な電力を連系する際に、複雑な制御回路を必要しない分散型発電システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る分散型発電システムは、自然エネルギを利用した複数種類の発電手段と、前記各発電手段に互いに独立して接続された複数の陰極板及び前記各発電手段に互いに独立して接続された複数の陽極板を有し前記各発電手段から互いに別系統で前記各陰極板と各陽極板に供給される電力により水を水素と酸素に分解する電気分解装置と、前記水素を電気負荷の電力消費に応じて電力に変換する燃料電池とからなる。すなわち自然エネルギを利用した複数種類の発電手段で得られた電気エネルギを、互いに別系統で電気分解装置に供給することによっていったん水素に変換し、燃料電池で再度電気エネルギに変換することによって、複雑な制御回路を不要としたものである。
【０００７】
請求項２の発明に係る分散型発電システムは、請求項１に記載の構成において、発電手段が、一乃至複数の風力発電装置と、一乃至複数の太陽光発電装置を含むものである。
【０００８】
請求項３の発明に係る分散型発電システムは、請求項１又は２に記載の構成において、電気分解装置からの水素を一時的に貯蔵する貯蔵手段を備える。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る分散型発電システムの好ましい第一の実施の形態を示すブロック図、図２は図１の一部の構成を詳細に示す説明図である。
【００１０】
まず図１において、参照符号１は風力発電装置で、屋外に複数設置され、それぞれ、風力に応じて回転する風車により発電機本体が回転され、交流（三相交流）の電力を発生するものである。各風力発電装置１からの出力は、それぞれ整流回路２によって全波整流され、直流に変換される。また、参照符号３は太陽光発電装置としての太陽電池パネルで、太陽光のエネルギを電気エネルギに変換する多数のソーラセルからなる太陽電池モジュールを、架台板に配列して接続したもので、屋外に複数設置されている。
【００１１】
参照符号４は、水の電気分解装置である。この電気分解装置は、図２に一層明確に示されるように、上部空間が仕切壁４１ａによって気室４ａ，４ｂに仕切られ下部が互いに連通した複数の電解槽４１と、この電解槽４１に充填された水Ｗ中に、気室４ａの下側に位置して配置された陰極板４２と、気室４ｂの下側に位置して配置された陽極板４３とを備える。陰極板４２は、風力発電装置１に接続された整流回路２における陰極側の出力端子、又は太陽電池パネル３における陰極側の出力端子に接続される。なお、図1においては、陽極板４３の図示を省略してある。
【００１２】
電気分解装置４は、風力発電装置１から整流回路２を介して供給される直流電流、又は太陽電池パネル３から供給される直流電流によって、電解槽４１内の水Ｗ（Ｈ_２Ｏ）を水素Ｈ_２と酸素Ｏ_２に分解するものである。すなわち陰極板４２の表面では、電解反応によって水素Ｈ_２が発生し、気泡となって水Ｗ中を浮上し、水面上の気室４ａに一時的に貯えられる。一方、陽極板４３の表面では、電解反応によって酸素Ｏ_２が発生し、気泡となって水Ｗ中を浮上し、水面上の気室４ｂに一時的に貯えられる。
【００１３】
なお、陰極板４２及び陽極板４３に通常の金属電極を用いた場合は、水Ｗは、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、あるいは塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）等の電解質の水溶液とするが、燃料電池用の電極の膜を使えば、電解質を添加しない水（水道水など）でも電気分解を行うことができる。
【００１４】
電気分解装置４で発生した水素Ｈ_２は、燃料電池５へ送られるようになっている。燃料電池５は、水の電気分解と逆の反応によって、水素Ｈ_２と酸素Ｏ_２を化合させて水Ｈ_２Ｏを生成すると同時に電気エネルギを取り出すものであって、内部構造の図示は省略するが、基本的には、良く知られているように、電解質を含む層を、燃料極と空気極で挟んだ構造の多数のセルを有する。
【００１５】
すなわち図２に示されるように、電気分解装置４における陰極側の各気室４ａからの水素Ｈ_２は、水素供給配管５ａを介して、燃料電池５における各セルの燃料極に形成された多数の溝内に供給され、電気分解装置４における陽極側の各気室４ｂからの酸素Ｏ_２が、酸素供給配管５ｂを介して、燃料電池５における各セルの空気極に形成された多数の溝内に供給されるようになっている。また、各セルの燃料極と空気極は、各種の電気機器である外部の負荷６に、導線６１を介して電気的に接続される。
【００１６】
そして、各種の電気機器である負荷６をＯＮにすると、燃料電池５における各セルの燃料極では、電気分解装置４から水素供給配管５ａを介して供給される水素Ｈ_２が、電子を遊離して水素イオンとなり、各セルの空気極では、燃料極側から電解質中を移動して来た水素イオンが、燃料極から外部の負荷６及び導線６１を介して流れて来る電子及び酸素供給配管５ｂを介して供給される酸素Ｏ_２と結合して水になる。したがって、このようにして負荷６の電力消費に応じた発電（負荷６への電力供給）が行われる。また、燃料電池５での発電作用に伴って生じる副産物は水（Ｈ_２Ｏ）であるため、無害である。
【００１７】
なお、燃料電池５から出力される電力は直流であるが、これを図示されていないコンバータを介して商用電源と同等の周波数の交流に変換して、負荷６へ供給するようにしても良い。
【００１８】
また、燃料電池５は、図２に示されるように複数個（５_１〜５_ｎ）が配置され、水素供給配管５ａ及び酸素供給配管５ｂを介して互いに並列に接続されている。そして、電気分解装置４からの水素Ｈ_２及び酸素Ｏ_２は、まず最も上流側の燃料電池５_１に供給され、供給量の増大によって、燃料電池５_１で処理しきれなくなった場合は、下流側の燃料電池５_２，５_３，…へ順次オーバーフローして供給されるようになっている。
【００１９】
なお、電気分解装置４で発生した酸素Ｏ_２は、大気中へ放出し、燃料電池５における各燃料極への酸素の供給は、外部からの空気の取り込みによって行うようにしても良い。
【００２０】
上述のように構成された第一の形態による分散型発電システムにおいて、各風力発電装置１から出力される電力は、風力に比例し、各太陽電池パネル３から出力される電力は、ソーラセルの受光量に比例するものであって、その受光量は太陽の高度や天候に依存され、夜間は殆ど発電しない。このため、風力発電装置１及び各太陽電池パネル３からの出力は、いずれも不安定であるが、本システムによれば、各風力発電装置１及び各太陽電池パネル３で得られた電気エネルギは、電気分解装置４で電解槽４１内の水Ｗ（Ｈ_２Ｏ）を水素Ｈ_２と酸素Ｏ_２に分解するために用いられ、この水素Ｈ_２と酸素Ｏ_２が、燃料電池５において再び電気エネルギに変換されるため、その過程で、出力の不安定性を緩和し、平滑化を図ることができる。
【００２１】
これは、電気分解装置４によって発生する水素Ｈ_２（及び酸素Ｏ_２）の量は、各風力発電装置１及び各太陽電池パネル３からの出力の和に比例し、しかも気室４ａ（及び４ｂ）にいったん貯留される水素Ｈ_２（及び酸素Ｏ_２）は圧縮性を有するからである。また、各燃料電池５（５_１〜５_ｎ）からの出力電圧及び電流は、ほぼ同じである。このため、各燃料電池５からの電力は、並列接続及び直列接続等の単純な接続で蓄電することができ、複雑な制御回路は不要である。
【００２２】
次に、図３は、本発明に係る分散型発電システムの好ましい第二の実施の形態を示すブロック図、図４は図３の一部の構成を詳細に示す説明図である。
【００２３】
この形態において、先に説明した図１及び図２の第一の形態と異なるところは、電気分解装置４によって発生した水素Ｈ_２を一時的に蓄積する水素貯蔵タンク７を備える点にある。すなわち、図４に示されるように、電気分解装置４の電解槽４１における陰極側で発生した水素Ｈ_２を捕捉する各気室４ａと、燃料電池５との間には、制御バルブ装置８を介して、水素貯蔵タンク７が接続されている。その他の部分の構成は、基本的には第一の形態と同様である。
【００２４】
水素貯蔵タンク７としては、例えばコンプレッサを内蔵したボンベあるいはブラダ（ゴム膜）とクッションガスによる蓄圧機能を有するアキュムレータ構造のものが用いられるが、水素貯蔵合金等に代えることもできる。また、制御バルブ装置８は、電気分解装置４における各気室４ａからの水素Ｈ_２の供給先を、燃料電池５又は水素貯蔵タンク７へ選択的に切り換える方向切換弁と、燃料電池５への水素Ｈ_２（及び酸素Ｏ_２）の供給量を制御する流量制御弁からなる。また、水素貯蔵タンク７のほかに、気室４ｂからの酸素Ｏ_２を一時的に蓄積する酸素貯蔵タンク（不図示）を同様に設けることもできる。
【００２５】
上述のように構成された第二の形態の分散型発電システムは、風力発電装置１及び太陽電池パネル３による発電量が比較的大きい場合に特に有用である。すなわち、風力発電装置１及び太陽電池パネル３からの電力供給によって、電気分解装置４から燃料電池５への水素Ｈ_２の供給量が所要値よりも多くなった場合は、余剰の水素Ｈ_２が、制御バルブ装置８を介して水素貯蔵タンク７に一時的に蓄積される。また逆に、風力低下時や夜間のように、風力発電装置１及び太陽電池パネル３からの出力低下によって、電気分解装置４から燃料電池５への水素Ｈ_２の供給量が所要値よりも減少した場合は、水素貯蔵タンク７に蓄積された水素Ｈ_２が、制御バルブ装置８を介して放出される。このため、燃料電池５への水素Ｈ_２の供給量、言い換えれば燃料電池５の出力を、一層平滑化することができる。
【００２６】
また、本形態のシステムによれば、夜間に風力発電装置１で発電された余剰電力を、水素Ｈ_２として水素貯蔵タンク７に貯蔵し、昼間などの電力需要増大時に水素Ｈ_２を放出して、燃料電池５における発電量を補償することもできる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明に係る分散型発電システムによれば、自然エネルギを利用した複数種類の発電手段から個々に発電された電力が、互いに別系統で電気分解装置に供給されることによって水素にいったん変換され、燃料電池で再び電力に変換される過程で連系されると共に、各発電手段の出力を補い合うので、複雑な制御回路を必要とすることなく、出力の不安定を緩和して平滑化することができる。
【００２８】
請求項２の発明に係る分散型発電システムによれば、発電手段が、風力発電装置と太陽光発電装置からなるものであり、すなわち本発明は、無尽でクリーンな風力及び太陽光エネルギを利用したハイブリッド電源システムにおいて、きわめて有用である。
【００２９】
請求項３の発明に係る分散型発電システムによれば、電気分解装置で発生した水素を一時的に貯蔵する貯蔵手段を備えることによって、一層確実に出力の平滑化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る分散型発電システムの好ましい第一の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１の一部の構成を詳細に示す説明図である。
【図３】本発明に係る分散型発電システムの好ましい第二の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】図３の一部の構成を詳細に示す説明図である。
【図５】従来の技術による分散型発電システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１風力発電装置
２整流回路
３太陽電池パネル（太陽光発電装置）
４電気分解装置
４ａ，４ｂ気室
４１電解槽
４２陰極板
４３陽極板
５燃料電池
６電気負荷
７水素貯蔵タンク
８制御バルブ装置

Claims

自然エネルギを利用した複数種類の発電手段と、
前記各発電手段に互いに独立して接続された複数の陰極板及び前記各発電手段に互いに独立して接続された複数の陽極板を有し前記各発電手段から互いに別系統で前記各陰極板と各陽極板に供給される電力により水を水素と酸素に分解する電気分解装置と、
前記水素を電気負荷の電力消費に応じて電力に変換する燃料電池と、
からなることを特徴とする分散型発電システム。
発電手段が、一乃至複数の風力発電装置と、一乃至複数の太陽光発電装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の分散型発電システム。
電気分解装置からの水素を一時的に貯蔵する貯蔵手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の分散型発電システム。