JP4525978B2 - 発電システム - Google Patents
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Description
尚、実験的には200kW以上のものが試験的に運転されている。又、200℃程度の低い温度で運転できるガスタービンでは、実用的な発電効率が未だ得られていないというのが実情である。
前述の通り、現在普及している最小規模のマイクロガスタービンを想定しても、150kW以上のシステムとなることが想定される。従って、1kW〜百kW未満の家庭用や中規模以下の業務用等、中小規模の需要家に対する電力供給システムとしては設備規模が大き過ぎ、導入が困難である。
太陽熱を活用して電力と熱(給湯)を供給するコージェネレーションは可能であるが、双方を同時に、又は相当規模の出力で供給するには、太陽熱を蓄積するのに多大な時間を要する上に、設備も大規模とせざるを得ない。
特に、電力と熱の需要が時間とともに変化する需要家に対して、熱電併給(コージェネレーション)と複合発電(コンバインド発電)、及びその双方をバランスさせて最適制御する(コンバインド・コージェネレーション運転)といった観点で提案されたタービンを活用する装置や運転方法については記述がない。
但し、ガスエンジンその他の内燃機関と組み合わされた発電装置を使用することも可能である。
さらに本発明において、前記第2の熱媒閉鎖循環系(C2)を循環する熱媒としては、機械油、タービン油、ナフタリン等の高沸点媒体であるのが好ましい。
先ず、図1を参照して第1実施形態を説明する。
尚、図1では、熱媒凝縮器13の冷却手段として冷却ファン13fを用いているが、冷却用流体を供給する機構でも良い。
又、第1実施形態及び後述する実施形態において、タービン発電機20を駆動する熱媒閉鎖循環系C1に用いる熱媒としては、フロン、アンモニア、CO2等の低沸点媒体が用いられる。
その結果、従来、主として熱需要のみにしか利用出来なかった燃料電池1の高温排ガスを、電力需要にも利用することが可能となる。
即ち、燃料電池からの高温排ガスと直接的、間接的に熱交換を行う二つの熱交換器が、二つの異なる流路を流通し、夫々が流量制御可能な熱媒と熱交換可能となっており、一方の熱媒流路は断熱流路と断熱された熱媒貯蔵タンク、熱媒循環ポンプによる閉鎖循環系を構成し、他方の熱媒流路は、前記閉鎖系循環系を構成していることで、燃料電池を停止させた場合でも前者の熱媒循環で蓄熱した熱エネルギーを前記間接的な熱交換器を介して後者の熱媒に与えることで、他方の熱媒流路に介装したタービン発電機により発電出力を得ることの出来る実施形態である。
尚、第2実施形態における第1の熱媒循環ラインLdは、前述の第1実施形態における熱媒循環ラインLdと同じである。第2実施形態では特に第2の熱媒循環ラインLcと識別するために、名称を「第1の熱媒循環ライン」としている。
第1の熱媒閉鎖循環系C1に介装されたポンプPdを駆動しなければ、第1の熱媒閉鎖循環系C1において熱媒は循環しない。従って、第2の熱媒閉鎖循環系C2の蓄熱槽14内に貯蔵された熱が、マイクロ・ナノディスクタービン21を駆動してしまうことはない。
これに対して、図4の第4実施形態の一実施例の構成では、係る熱媒凝縮機(熱媒閉鎖循環系に介装された熱媒凝縮器)13Aは、水道(水道水供給系)Lw1から供給される水道水により、熱媒が冷却される様に(換言すれば、水冷方式の凝縮器として)構成されている。
即ち、図2における第1の熱媒閉鎖循環系C1に介装された冷却ファン13fを用いた空冷方式の熱媒凝縮器13が、図5の第4実施形態の他の実施例では水道(水道水供給系)Lw1から供給される水道水を用いた水冷方式の凝縮器13Aとして構成され、熱媒凝縮器13Aで熱媒を冷却して昇温した水道水は、貯湯槽15に貯蔵されて、熱需要(或いは給湯需要)に対して有効利用されるのである。
図7の第6実施形態は、熱媒凝縮器13Aを流通して得られた高温水(湯)が、更に前記熱交換器11Aを流通させて、燃料電池1からの排ガスによってより高温に昇温する実施形態である。
但し、図6(第5実施形態)では、水道水供給系Lw3が直接に熱交換器11Aへ連通しているのに対して、図7(第6実施形態)の熱交換器11Aに連通している水道水供給系Lw4は、熱媒閉鎖循環系C1に介装されている熱媒凝縮器13Aを冷却した後に熱交換器11Aに連通している。
すなわち、図7の第6実施形態では、貯湯槽15に供給される温水を2段階(熱媒凝縮器13Aと熱交換器11A)で加熱しているのである。
図8〜図10の第7実施形態は、貯湯槽又は給湯手段から得られる給湯量或いは給湯温度が、需要に対応しきれない場合に、貯湯槽又は給湯手段に至るまでの流路上に設けた加熱手段により、熱需要に対応し得るように構成された実施形態である。
ここで、貯湯量情報とは、具体的には、貯湯槽15の出口(蛇口)の開度、及び湯の流量を計測することにより把握することが出来る。
図12及び図13の第9実施形態は、電力需要が燃料電池の発電出力よりも小さな場合に燃料電池の出力制御で対応し、電力需要が燃料電池の発電出力を超えた場合にタービン発電機も稼働させるように運転制御する実施形態である。
先ず、ステップS1において、電力需要(現在の電力使用量)50の情報及び、燃料電池1の発電量情報60,タービン発電機20の発電量情報70から電力需要と発電出力を計測、或いは予測して、電力需要が発電出力以上であるか否かを判断する(ステップS2)。
換言すれば、図12、及び図13の第9実施形態は、図1〜図3の各実施形態における具体的な制御に係る実施形態である。
第10実施形態は、電力需要が燃料電池の省エネ運転に適する出力範囲を下回った場合に、燃料電池の運転を停止し、タービン発電だけで電力需要に応えようとする運転制御の実施形態である。
先ず、ステップS11において、電力需要(現在の電力使用量)50の情報及び、燃料電池1の発電量情報60,タービン発電機20の発電量情報70から電力需要と発電出力を計測、或いは予測して、電力需要が燃料電池1の出力許容下限値未満か否かを判断する(ステップS12)。
第11実施形態は、熱(給湯)需要が貯湯槽からの供給だけで対応しきれない場合、或いはそのような状況が予測される場合に、燃料電池の排ガスとの熱交換流路か熱媒凝縮器に、水、又は熱媒凝縮器通過後の高温水を熱需要に対応できるように制御して熱を供給したり、貯湯しておく実施形態である。
その結果、燃料電池1の発電量を増加させること無く、貯湯槽15に蓄熱される熱量を増加することが出来る。いわゆる「電主熱従」の優先順位を崩す必要がない。
先ず、ステップS21において、熱需要の情報80及び、貯湯槽15内の蓄熱量の計測又は予測を行い、熱需要が蓄熱量を超えているか否かを判断する(ステップS22)。
第12実施形態は、熱(給湯)需要が貯湯槽からの熱供給だけで対応しきれない場合、或いはそのような状況が予測され、前述の第11実施形態でも対応しきれない場合に、加熱手段を利用することで、給湯量や給湯温度の需要に即時対応可能とする実施形態である。
熱自立運転する極限状態でしか燃料電池1を運転しない場合には、図16、図17の第11実施形態に係る制御を行っても、蓄熱量は向上しない。 図18及び図19の第12実施形態は、係る場合において、熱需要に対して不足している熱量を、バックアップバーナその他の加熱手段により賄うようにした実施形態である。
換言すれば、図18、図19の第12実施形態は、図16、図17の第11実施形態に係る制御の実施を前提としている。
先ず、ステップS31において、熱需要の情報80及び、貯湯槽15内の蓄熱量の計測又は予測を行い、熱需要が蓄熱量を超えているか否かを判断する(ステップS32)。
尚、ステップS33において、バックアップバーナ16を作動させる代わりに、電気ヒータ17を作動させても良い。
第13実施形態は、熱(給湯)需要が貯湯槽からの熱供給で十分、或いは余剰な場合、或いはそのような状況が予想される場合で、且つ、電力需要が燃料電池の発電出力を超える場合には、前記排ガスとの熱交換流路への水、又は高温水の供給停止し、電力需要に対応可能なようにコンバインド発電を行う実施形態である。
図20において、例えば、夕方で貯湯槽が満タンになっており(貯湯槽の限界の蓄熱量に到達している)、その後、電力需要が大幅にアップした場合に、燃料電池1の高温排ガスは、マイクロ・ナノディスクタービン21を回転してコンバインド発電を行う用途に全部使用される。
すなわち、電力需要が増加した場合の対応としては、先ず、燃料電池1の出力制御を行い、燃料電池1を最大出力で運転させても需要に対処できない場合には、コンバインド発電を行う。そして、コンバインド発電の最大出力でも電力需要に対処出来ない場合には、不足分を系統受電するのである。
先ず、ステップS41において、電力需要の情報50及び、熱需要80の計測又は予測を行うとともに、貯湯槽15内の蓄熱量の計測、或いは予測を行い、蓄熱量が熱需要以上であるか否かを判断する(ステップS42)。
一方、コンバインド発電出力が電力需要未満である場合(ステップS45のNO)は、ステップS49に進み、そのまま所定時間が経過するまで待つ(ステップS50のループ)。ここで、コンバインド運転をしている時点で燃料電池は最大出力で運転しているので、それ以上燃料電池の出力を上昇することは出来ない。
ステップS50で所定時間が経過したら、再びステップS45に戻り、ステップS45以降を繰り返す。
図22の実施形態では、電力需要が燃料電池1の発電出力を上回り、且つ、貯湯槽15が満タンの場合には、熱媒閉鎖循環系C1の熱媒凝縮器13で加熱された水道水が貯湯槽15に供給されない様に、熱媒凝縮器13と貯湯槽15の間の領域に設けた三方弁Vw3から、熱媒凝縮器13で加熱された水道水を水道水供給系Lw1外に排出出来る様に構成されている。
第14実施形態は、熱(給湯)需要が貯湯槽からの熱供給で十分、或いは余剰な場合、或いはそのような状況が予想される場合で、且つ、電力需要が燃料電池の発電出力を下回る場合には、水、又は高温水と、熱媒双方の排ガス熱交換を停止し、燃料電池の発電出力を電力需要に対応させようとする実施形態である。
図23及び図24の第14実施形態では、電力需要が燃料電池1の発電出力を上回っておらず、且つ、貯湯槽15が満タンの場合には、電力需要に対応するため燃料電池1は稼動するが、マイクロ・ナノディスクタービン21を回転してタービン発電を行う必要が無いので、燃料電池1の高温排ガスで熱媒閉鎖循環系C1の熱媒を蒸発させる必要も無い。それと共に、水道水を加熱して貯湯槽15に供給することも行わない。
従って、
(A) バイパスラインLhbのバイパス弁Vhbを開放して、燃料電池1の高温排ガスが熱交換器11Aをバイパスする様にせしめ、
(B) 熱媒閉鎖循環系C1に介装されたポンプPdを停止すると共に、熱媒循環量調整弁Vdの開度をゼロにして、熱媒の循環量をゼロにし、
(C) 水道水供給ラインLw4に介装された三方弁Vw3を閉鎖して、水道水の供給を停止する。なお、この場合、熱媒の循環量をゼロとするので、熱媒閉鎖循環系C1に介装された熱媒凝縮器13に水道水を供給する必要も無い。
先ず、ステップS51において、電力需要50及び熱需要80の計測或いは予測を行い、貯湯槽15内の蓄熱量の計測又は予測を行う。
第15実施形態は、電力と熱(給湯)の需要対応が燃料電池排ガスの熱交換器に、水又は高温水と、熱媒の両方を、同時に、且つ夫々の熱交換量を最適制御する実施形態である。
貯湯槽15に供給される水道水量(温水量)は、水道水供給量調整弁(三方弁)Vw3の開度により決定される。そして、水道水供給量調整弁Vw3の開度は、熱需要情報80に対応して調節される。
先ず、ステップS61において、電力需要50及び熱需要80の計測、或いは予測を行い、水道水供給量と熱媒循環量を設定する(ステップS62)。
図12〜図26の各実施形態で説明した制御を組み合わせた制御に係る実施形態が、図27及び図28のフローチャートで表現されている。尚、図27及び図28のフローチャートは、本来一つのフローで示すところ、紙面のスペース上2分割にしたものである。
先ず、図27のステップS101で、電力利用量、利用スケジュール、給湯利用量、入浴時間等を図示しない入力手段、例えば、制御盤のリモコンによって入力する。
そこで、図29に示すように、第17実施形態の一実施例では、マイクロ・ナノディスクタービン発電20で用いる熱媒を凝縮する際に発生する熱で、燃料電池1の改質器19に供給される水を蒸発する際、改質器19側に設けられた改質器用蒸発器18において蒸発の予熱に用いる(改質に用いられる水の予熱)。そのように、予熱してやると、改質器19へ水蒸気を供給するための蒸発に係る熱エネルギーを獲得することが出来る。
図29では、熱媒閉鎖循環系C1に介装された熱媒凝縮器13に連通する水道水供給系統は1つ(Lw10)のみで、加熱(予熱)された温水は、全量が蒸発器18に供給されている。
これに対して、図30では、熱媒閉鎖循環系C1に介装された熱媒凝縮器13に連通する水道水供給系統は2系統(Lw1、Lw11)あり、一方の系統Lw1は加熱された水道水を貯湯槽15へ供給し、他方の系統Lw11は加熱(予熱)された温水を蒸発器18に供給している。
燃料電池1を破損させない意味からも、また、燃料電池の運転に係る付加的なエネルギーを削減するためにも、改質器19への水蒸気の供給を円滑に行うための予熱は優先されるべきである。また、既存の燃料電池において、改質用の水を蒸発するために多大な熱エネルギーを要しており、改質器用蒸発器18に供給される水道水の予熱により、係る付加的熱エネルギーを低減することが出来る。
これに対して、図31及び図32(図32は図31の変形例)の第18実施形態では、熱交換器11Aにおいて、燃料電池1の高温排ガスが保有する熱量が、蒸発器18へ供給される水道水供給系Lw12中の水道水に投入されて加熱(予熱)される。
燃料電池1の高温排ガスが保有する熱量が多いので、蒸発器18へ供給される水道水が十分に予熱されて、蒸発器18における蒸発が容易となる。
その上、従来余剰であった熱(給湯)出力の有効活用が図られている。図35の太い点線は電力に活用された後の熱出力を、又、細い破線は熱需要を示す。
(1) 燃料電池1が排出する高温の排気を、熱交換器11によって熱媒閉鎖循環系C1を流れる熱媒に投入し、その熱媒を蒸発せしめ、蒸発した熱媒で1タービン発電機20を稼働させ、交流電力を発生させ、所謂、コンバインド発電を行うことが出来る。その結果、従来主として熱需要のみにしか利用出来なかった燃料電池1の高温排ガスを電力需要にも対応させることが出来る。
(2)
電力需要が燃料電池1の発電出力より小さな場合には燃料電池1のみの出力制御で対応させ、電力需要が燃料電池の発電出力を超えた場合にタービン発電機20も稼働させるように構成・制御されている。したがって、個々の発電機(燃料電池1とタービン発電機20)は、1台のみの場合に対して小型化が図られ、運転経費も大幅に削減出来る。
(3) 電力需要が燃料電池1の省エネ運転に適する出力範囲を下回ったときには、燃料電池1の運転と停止させ、タービン発電だけで電力需要に応えることが出来、システム全体の省エネ性は飛躍的に向上する。
(4) 熱(給湯)需要が貯湯槽からの供給だけで対応しきれない場合、或いはそのような状況が予測される場合に、燃料電池1の排ガスとの熱交換流路か熱媒凝縮器13に、水、又は熱媒凝縮器通過後の高温水を熱需要に対応できるように制御して熱を供給したり、貯湯しておくことができる。
(5) 熱(給湯)需要が貯湯槽15からの熱供給だけで対応しきれない場合、或いはそのような状況が予測され、(4)でも対応しきれない場合に、加熱手段(例えばバックアップバーナ16や電気ヒータ17)を利用することで、給湯量や給湯温度の需要に即時対応することが可能である。
(6) 熱(給湯)需要が貯湯槽15からの熱供給で十分、或いは余剰な場合、或いはそのような状況が予想される場合で、且つ、電力需要が燃料電池1の発電出力を超える場合には、前記排ガスとの熱交換流路への水、又は高温水の供給停止し、電力需要に対応可能なようにコンバインド発電を行うことができる。
(7) 熱(給湯)需要が貯湯槽15からの熱供給で十分、或いは余剰な場合、或いはそのような状況が予想される場合で、且つ、電力需要が燃料電池1の発電出力を下回る場合には、水、又は高温水と、熱媒双方の排ガス熱交換を停止し、燃料電池1の発電出力を電力需要に対応させることができる。
(8) タービン発電機20で用いる熱媒を凝縮する際に発生する熱で、燃料電池1の改質器19に供給される水を蒸発する際、改質器19側に設けられた蒸発器18において蒸発の予熱に用いれば、改質器19へ水蒸気を供給するための蒸発に係る付加的な熱エネルギーが低減される。
(9) 発電出力1〜数百kWの中小規模の燃料電池システムでも、コンバインド発電によって高い発電効率を実現出来る。
(10) 真夜中などで電力需要が低い場合には、燃料電池運転時に備蓄した排ガスの熱エネルギーを利用した小出力の発電が可能となるため、高い省エネ率の下で極めて少ない電力需要にも対応出来る。
(11) 需要家の電力と熱(給湯)の需要にあわせて、コンバインド発電とコージェネレーション運転を選択したり、両者を同時に、且つ熱電比を制御して運転できるコンバインド・コージェネレーション運転も可能である。
(12) 需要家の電力と熱(給湯)の需要情報と、発電出力、熱(給湯)出力、及び貯湯量を監視し、夫々の情報に基づいてシステムを最適に運転制御するため、省エネ性や環境負荷の面で非常に優れた熱電併給システムを実現出来る。
(13) 一般家庭や事務所、店舗などのように、季節や時間帯による電力と熱(給湯)の需要変化が大きく、且つ発電容量が1〜数百kWといった中小規模の需要家に対し、中規模の熱電併給システムで、且つ電力と熱の需要変化に対して的確に対応出来るため、特にそのような需要家に適した熱電併給システムが提供される。
例えば、図示の実施形態では高温作動型燃料電池を備えた発電システムを示しているが、高温作動型燃料電池に代えて、ガスエンジン等の内燃機関を用いた発電装置を使用して、図示の各実施形態を実施することが可能である。
2・・・燃料電池システム温度計測器
3・・・パワーコンディショナー
4・・・燃料ガス供給配管
5・・・燃料調整弁
6・・・酸化剤供給配管
7・・・酸化剤調整弁
8・・・D/Dコンバータ
9・・・インバータ
10・・・コントロールユニット
11,11A・・・熱交換器/第1の熱交換器
12・・・第2の熱交換器
13,13A・・・熱媒凝縮器
14・・・蓄熱槽/熱媒タンク
15・・・貯湯槽
16・・・バックアップバーナ
17・・・電器ヒータ
20・・・タービン発電機
21・・・マイクロ・ナノディスクタービン
50・・・電力需要
60,70・・・電力計
80・・・熱需要/給湯需要
C1・・・熱媒閉鎖循環系/第1の熱媒閉鎖循環系
C2・・・第2の熱媒閉鎖循環系
Lc・・・第2の熱媒循環ライン
Ld・・・熱媒循環ライン/第1の熱媒循環ライン
Le1・・・燃料電池側の出力電力ライン
Le2・・・タービン発電機側の出力電力ライン
Lh・・・排気系
Lw1〜Lw15・・・水道水供給系
Pd・・・熱媒循環ポンプ
Vd・・・熱媒循環量調整弁
Claims (2)
- 電気及び熱を発生する発電機器と、該発電機器の排気系統を流過する排ガスが保有する熱量を熱媒閉鎖循環系を流れる熱媒に投入するための熱交換器とを有する発電システムにおいて、前記熱媒閉鎖循環系は熱媒を循環させるための循環機器と、前記熱交換器で気化した熱媒により回転駆動されるタービンとを有し、前記タービンが介装された熱媒閉鎖循環系に熱媒を凝縮する熱媒凝縮器が介装され、該熱媒凝縮器には水供給系が接続されて該水供給系は熱凝縮器を経由して温水貯蔵手段に連通しており、循環する熱媒が保有する熱量が水供給系を流れる水に投入されることを特徴とする発電システム。
- 電気及び熱を発生する発電機器と、該発電機器の排気系統を流過する排ガスが保有する熱量を熱媒閉鎖循環系を流れる熱媒に投入するための熱交換器とを有する発電システムにおいて、前記熱媒閉鎖循環系は熱媒を循環させるための循環機器と、前記熱交換器で気化した熱媒により回転駆動されるタービンとを有し、前記発電機器の排気系統を流過する排ガスが保有する熱量を前記熱媒閉鎖循環系を流れる熱媒に投入する熱交換器には水供給系が接続され、該水供給系は熱交換器を経由して温水貯蔵手段に連通しており、排気系統を流過する排ガスが保有する熱量が水供給系を流れる水にも投入されることを特徴とする発電システム。
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