JP4872393B2 - 風力発電水素製造装置 - Google Patents

Description

本発明は風力発電装置の発電電力を電解水素製造装置に供給することにより、水素を製造する風力発電水素製造装置に係わり、特に前記風力発電装置の主回路部分が電力系統と独立に設置された風力発電水素製造装置に関する。

現在、我々の生活を支えているエネルギーの大半は、化石燃料によりまかなわれているが、資源の枯渇に加えて地球温暖化などの環境問題を抱えている。これらの課題を解決する方法の一つとして、風力、太陽光、水力などの再生可能エネルギーの利用があげられる。

風力発電などの再生可能エネルギーは、エネルギー密度が小さいことや、エネルギー供給が不安定であるなどの欠点を有している。これらを解決する方法として、エネルギーを水素という二次エネルギーに一旦変換して貯蔵し、エネルギー需要にあわせて水素を供給することにより、エネルギーの安定供給を図る方法がある。また、水素エネルギーは電気エネルギーと比較して容易に貯蔵できる利点も兼ね備えている。風力発電装置で発電を行い、その発電電力を電解水素製造装置に供給することで水素を製造する水素製造システムも、このような観点から生まれたものである。

一般に風力発電装置が設置される場所は、風況が良く、かつ風力発電装置が設置できる土地が確保されるという条件を満たさなければならない。このような場所として僻地や離島、洋上なども有力な候補となりうる。しかしながらこのような場所では、風力発電装置を連系する電力系統が存在しない場合があり、発電した電力を送電することができない。また電力系統が存在しても、主幹系統から遠く離れた場所にあるため、系統設備が風力発電装置の発電電力を送電するだけの容量をもたないことが多い。このような点が風力発電装置導入の妨げになっている。風力発電装置の発電電力で水素を製造し、その水素を貯蔵する水素製造システムであれば、送電のための電力系統を必要としないため、風力発電装置の活用が可能となる。

風力発電装置を利用した水素製造システムについて、特に水素の製造効率を高めるため、風力発電装置の定格風速以下では水素製造システムの定電圧制御と負荷の分割、定格風速以上では定電流制御をする方法が提案されている。以上の内容は特許文献１に記載されている。

また特許文献２には風力発電装置を利用した水素製造システムについて、特に水素の製造効率を高めるため、風力発電装置は風速における最大の発電効率が得られる回転速度で制御し、かつ水素製造システムを定電圧で制御する方法について記述されている。

特許文献３には風力発電装置を利用した水素製造システムについて、風力発電装置の発電効率を最大にする、電圧制御方式について記述されている。

特開２００５−２７３６１号公報（（０００４）段落の記載。） 特開２００４−２６９９４５号公報（（０００８）段落から（００１１）段落の記載。） 特開２００５−０７３４１８号公報（（０００８）段落の記載。）

風力発電装置を電力系統から独立して設置し、その発電電力を電解水素製造装置に供給して水素を製造する場合、風力発電装置の出力変動を吸収する役割をもつ電力系統が存在しない。そのため風力発電装置の回転数が大きく変動し、運転可能範囲を逸脱することにより発電が停止する。結果的に風力発電装置の運転時間が短くなり、水素の製造量が低下する。また風力発電装置と電解水素製造装置からなる水素製造システムを、電力系統から独立して設置する場合、風力発電装置の起動時に水素製造システムの制御電源を、系統から利用することができないため、自己始動ができない。

本発明の目的は、風力発電装置が運転可能な範囲内にいる時間が長くなるように電力変換器を制御し、水素を製造する時間を長くした風力発電水素製造装置を提供することである。

風力発電装置の回転速度に応じて、電解水素製造装置に供給する電流量を変動させ、回転数の変動を小さくする。さらに回転速度に応じて風力発電装置のピッチ角を変化させることにより、風力発電装置の回転数の変動を小さくする。また風力発電装置の発電機として永久磁石型発電機を用いて、起動時の電源を得るか、または起動時の補助のため蓄電装置を補う、または制御電源のみを系統から供給する。

本発明の風力発電水素製造装置は、風力発電装置が運転可能な範囲内にいる時間が長くなり、風力発電装置が停止する回数が減るので、水素を製造している時間が長くなり、水素製造システムの水素製造量が増加する。

図１は、本実施例の風力発電水素製造装置の構成図を示している。風力発電装置１、はブレード１１により風を受け、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する。ブレード１１は、ギヤ１３を介して発電機１４に接続されている。ギヤ１３はブレード１１の回転数を発電機１４に適した回転数に変換する。発電機１４としては、永久磁石型発電機、誘導発電機、同期発電機、二次励磁型発電機などが利用される。ブレード１１の回転エネルギーは、発電機１４で電気エネルギーに変換された後、電力変換器１５に伝えられる。

コントローラ４は、電解水素製造装置２の温度、水素の圧力、風力発電装置１の回転数ωを入力し、電解水素製造装置２に供給する電流の指令値Ｉｄｃ＊を作成する。作成された電流指令値Ｉｄｃ＊と、直流電流検出器である電流計５１により検出された電流の測定値Ｉｄｃ、直流電圧検出器である電圧計５２により検出された、電解水素製造装置２に印加される直流電圧の測定値Ｖｄｃから、電力変換器１５に送るゲートパルス信号を作成し、電流制御を行う。

電解水素製造装置２により製造される短時間あたりの水素の製造量は、電解水素製造装置に供給する電流値によって決まる。電力変換器１５は電解水素製造装置２に供給する電流値Ｉｄｃを制御することにより、水素の製造量を制御する。

電力変換器１５は、図３に示すようにコンバータ１５１と直流コンデンサ１５２により構成される。発電機側からの交流電気エネルギーは、コンバータ１５１で直流に変換され、電解水素製造装置２に供給される。電力変換器１５の構成としては、図４に示すように、ダイオード整流器１５３で整流を行う構成でも良い。この場合、直流コンデンサ１５４を充電し、直流コンデンサの電力を使って水素を製造するため、インバータ１５５で電流制御を行う。

電解水素製造装置２は、例えば固体高分子電解質水電解水素製造装置を用いる。電解水素製造装置２で製造された水素は、水素貯蔵装置３に貯蔵される。水素貯蔵装置３に蓄えられた水素は、水素ボンベなどに詰められ、定期的に回収される。ここで電解水素製造装置２において製造された水素は、図２に示すようにパイプライン６を介して、水素消費地７まで直接輸送されても良い。

以上の構成により、水素製造システムにおいて水素が製造される。次に水素製造システムの制御方法について説明する。

図５は、コントローラ４の構成を示す。コントローラ４内部のピッチ角指令演算器４８では、平均風速ｕ、回転数ω、電解水素製造装置２の温度、圧力よりピッチ角指令β＊と回転数指令ω＊を作成する。さらに、得られた回転数指令ω＊から電流指令値Ｉｄｃ＊を作成する。この電流指令値Ｉｄｃ＊と電流の測定値Ｉｄｃから、ＰＷＭ制御器を用いてゲートパルスを作成する。以下でコントローラ４の制御方法について、詳細に説明する。

図６を用いて電流制限値演算器４１について説明する。図６は電解水素製造装置２の電圧と電流の関係を示す。電解水素製造装置２に印加される電圧がＶａを越えると水素の製造量が増加を始める。電圧Ｖｂ以上では電圧を上げても電流値は増えず、水素の製造量は増加しない。さらに電圧を上げると、電解水素製造装置２の劣化につながる。水素を製造する場合、電解水素製造装置２に供給する電流値は、Ｉａ以上、Ｉｂ以下で無ければならない。

図６に示した電流―電圧の特性カーブは、電解水素製造装置２の温度や電解水素製造装置２内の水素の圧力によって変化する。そのため電流のリミットＩａ、Ｉｂも変化する。電流制限値演算器４１は、電解水素製造装置２の温度や電解水素製造装置２内の水素圧力から、電流の上限値Ｉｂ、および下限値Ｉａを決定する。リミッタ４４は、前記上限値Ｉｂおよび下限値Ｉａを入力し、指令値Ｉｄｃ＊を、Ｉａ以上かつＩｂ以下の値に制限する。

図５は、コントローラ４における電流指令Ｉｄｃ＊の作成方法を示す。まず回転速度指令ω＊と、実際の回転数の測定値ωを減算器４２に通して、回転数の変動成分Δωを作成する。このΔωを比例積分器４３、リミッタ４４に通して、電流指令Ｉｄｃ＊を作成する。リミッタ４４は、電流指令値Ｉｄｃ＊を水素製造可能な範囲（Ｉａ以上、Ｉｂ以下）に制限する。この方法により、風速の変動による発電電力の変動の一部を水素の製造量で吸収し、回転数の変動を抑えることができる。ピッチ角制御より電流制御の方が応答が速いため、ピッチ角制御で抑制できない電力の変動は、水素製造システム２で吸収できる。

風力発電装置１は、その発電出力が風速の大きさに依存する、変動の大きな発電システムである。風力発電装置１が系統に接続される場合は、その変動する発電電力をそのまま系統に供給できるので、風力発電装置１は常に最大効率で発電できるように制御される。そのため風力発電装置１のブレードの回転数は、平均風速における最大効率で発電できる値に制御されている。しかしながら電力系統と独立した風力発電装置１を、電解水素製造装置２に接続して水素を製造するシステムにおいては、その変動する発電電力を電解水素製造装置２のみに供給することになる。

仮に単位時間当たりの水素製造量を一定に保つため、電解水素製造装置２に供給する電流を一定にしたと仮定する。風力発電装置１の回転数の制御は、ブレード１１のピッチ角制御のみによって行われる。ピッチ角制御は機械による動作のため、応答を速くすることができず、回転数制御の応答を高くできない。ピッチ角制御によって抑制できない発電電力の変動成分は、ブレード１１や発電機１４の回転エネルギーとして吸収されることになる。そのため従来技術のピッチ角制御を用いた場合、図７に示すように、ピッチ角制御で抑制できない程度の、変化の速い風の変動を受けると、ブレードの回転数の変動が大きくなり、運転可能範囲を逸脱することがある。回転数が逸脱すると、風力発電装置１は発電を停止する。そのため、水素を製造するための電力を供給できない。結果的に水素を製造している時間が短くなり、水素製造量の低下につながる。本実施例に示す電流制御による速度変動を抑制する制御方法を用いると、図８に示したように、風力発電装置１は、回転数の変動が小さくなり、回転数が運転範囲内から逸脱することなく運転できる。

次にピッチ角の制御方法について説明する。まず、従来技術のピッチ角の制御方法について図９を用いて説明する。ある時刻における平均風速をｕ［ｍ／ｓｅｃ］としたとき、回転数に対する発電電力の特性は、回転数指令演算器４８ａ２に示すように、最大値をもつ形となる。風力発電装置１は測定した瞬時風速を時間平均し、平均風速ｕ［ｍ／ｓｅｃ］を得る。平均風速が小さい時は、発電の効率を高めるため、発電電力が最大となるような回転数で運転するのが望ましい。風速がある程度大きくなると、発電可能な最大電力が、風力発電装置１の定格を越える。そこである風速以上では、風力発電装置１の発電出力が、一定になるような回転数を選ぶ。以上のように、平均風速ｕが求まると、回転数指令演算器４８ａ２において、最適な風車回転数ω＊が得られる。ω＊はテーブル参照や、算出式、最大電力追従による計算などにより求められる。得られた回転数指令値ω＊は、実際の回転数ωと減算器４８ａ３によって減算され、指令値との差分を作成する。この差分値を比例積分器４８ａ４に通すことにより、ピッチ角指令β＊を生成する。

以上に示したように、従来技術の制御方法において、風が強く吹く場合は、回転数指令演算器４８ａ２の出力する回転数指令値ω＊は、発電機１４の発電可能な最大定格から求められる。しかしながら、系統と独立した水素製造システムの場合、発電した電力は全て、電解水素製造装置２で消費されなければならない。なぜなら、発電電力が水素製造による消費電力より大きい場合、余分な電力はブレードの回転エネルギーとして保存される。そのため風速の変化が速く、ピッチ角の動作が追いつかない場合、ブレードの回転数が運転可能範囲より大きくなり、風力発電装置が停止してしまうからである。

本実施例では、風力発電装置のピッチ角指令β＊を作成する際、発電電力の最大値を、電解水素製造装置２の状態から決定する。詳細な制御方法を図１０を用いて説明する。まず電解水素製造装置２の温度、圧力から最大電力演算器４８１を通して、電解水素製造装置２において消費することができる電力の最大値ＰＨｍａｘを演算する。例えば最大電力演算器４８１では、図３に示した最大電流Ｉｂと電圧Ｖｂより、最大値ＰＨｍａｘ（＝Ｉｂ×Ｖｂ）を求める。次に平均風速ｕとＰＨｍａｘから回転数指令ω＊を演算する。回転数指令演算器４８２は、発電電力の最大値をＰＨｍａｘとし、発電電力と回転数の特性カーブとの交点より、回転数指令値ω＊を決定する。得られた回転数指令値ω＊は、実際の回転数ωと減算器４８３によって減算され、指令値との差分を作成する。この差分値を比例積分器４８４に通すことにより、ピッチ角指令β＊を生成する。

このように、回転数指令演算器４８２において、発電電力の最大値を風力発電装置１の最大発電電力値からずらし、ＰＨｍａｘとする。これにより風力発電装置の平均出力電力は、電解水素製造装置２で消費できる最大電力に等しくなる。

以上に示すように、風力発電装置１の回転数から電解水素製造装置２の電流指令を作成することにより、風力発電装置の出力する変動の速い成分を、水素製造電力を変動させて吸収できるので、風力発電装置１の回転数が運転範囲に収まる。また変動の遅い成分は、ピッチ角制御により吸収される。これらにより、風力発電装置１の回転数が運転範囲に収まるため、水素の製造時間が長くなり、水素の製造量が増加する。

本実施例について説明する。本実施例は、風力発電水素製造装置の自己始動に関する。まず従来技術の電力系統に接続された風力発電装置の始動方法について説明する。風力発電装置の主回路部分は、コンバータ、インバータを通して電力系統に接続されている。ここで主回路部分とは、発電機の出力端子から、電力変換器を介して系統に接続されるまでの回路のことである。風力発電装置の電力変換器内には遮断器があり、風力発電装置が停止している間は、主回路は電力系統と電気的に切り離されている。一方風力発電装置の制御電源は、電力系統から降圧トランスを用いて供給される。そのため発電機が停止していても制御電源が供給されるため、変換器の制御が可能である。コントローラは発電機の回転数が運転可能範囲になったら、コンバータなどを運転して発電を始める。

次に本実施例の電力系統から独立して設置された風力発電水素製造装置の構成について、図１１を用いて説明する。この場合、電力系統９が無いため、制御電源を永久磁石型発電機１４１から供給する。以下、自己始動の方法について具体的に説明する。まずピッチ角を固定しておき、ブレード１１が風を受け、永久磁石型発電機１４１が回転するのを待つ。ブレード１１が風の入力を受けると、永久磁石型発電機１４１が低回転数で回転し始める。永久磁石型発電機１４１には励磁装置が不要な永久磁石型発電機を用いるので、回転が始まると、永久磁石型発電機１４１の固定子には電圧が発生する。この電圧から制御電源装置４０１ａを用いて、コントローラ４に供給する電力にする。また、電解水素製造装置２にも制御電源を供給する。この制御電源を利用してコントローラ４は制御演算を開始する。永久磁石型発電機１４１の回転数が運転可能な回転数になったら、遮断器１５６ａ、１５７ａを閉じ、さらにコンバータ１５１ａを運転して水素製造を始める。

本実施例においても、電流値指令Ｉｄｃ＊は、実施例１と同様の制御方法を用いて作成される。この制御方法を用いると、始動直後の回転数の低い状態で、風力発電装置の回転数が、回転数下限を下回ることが無くなり、安定に水素製造状態に移行することが可能となる。

以上に説明した構成にすることにより、電力系統９から独立した風力発電水素製造装置の自己始動が可能となる。

本実施例は、風力発電水素製造装置の自己始動に関するものである。本実施例と実施例２との違いは、風力発電装置の発電機が励磁装置を必要とする点である。

まず、電力系統に接続された、励磁装置が必要な従来技術の風力発電装置の始動方法について説明する。励磁装置が必要な発電機の例として、二次励磁型発電機などが挙げられる。二次励磁型発電機の固定子は電力系統に直結している。回転子には変換器から励磁電流を供給する。コントローラの制御電源は、降圧トランスを介して電力系統から供給される。風力発電装置が発電可能な状態になるまでは、コントローラは電力系統から供給される電源を利用して待機する。運転可能状態になったら、インバータ、コンバータを運転して、発電機の固定子側に、電力系統から励磁電流を供給し、発電状態に移行する。以上が従来技術の発電機の始動方法である。

本実施例の電力系統から独立して設置された風力発電水素製造装置の始動方法について、図１２を用いて説明する。図１２では、二次励磁型発電を用いた構成例を示している。系統に連系した風力発電装置との最も大きな違いは、蓄電装置１０を利用している点である。風力発電装置１が発電運転を停止している間は、コントローラ４と電解水素製造装置２の制御電源を蓄電装置１０が供給する。風力発電装置１が運転可能状態になったら、インバータ１５７ｂを介して二次励磁型発電機１４２の回転子側に、励磁電流を蓄電装置１０から供給する。発電状態に移行した後は、遮断器１５６ｂを閉じ、さらにコンバータ１５８ｂを運転状態にする。直流電圧が水素製造可能な値に達したら、遮断器１５９ｂを閉じる。これにより、電解水素製造装置２には発電した電力が供給され、水素製造システムは水素製造状態に移行する。同時に蓄電装置１０は電力を充電し、次の待機状態に備える。

本実施例においても、電解水素製造装置２に供給する電流値指令は、実施例１と同様の制御方法を用いて行う。この制御方法を用いると、始動直後の回転数の低い状態では、風力発電装置の回転数が、回転数下限を下回ることが無くなり、安定に水素製造状態に移行することが可能となる。

以上に説明した構成をとることにより、電力系統９から独立した水素製造システムの自己始動が可能となる。なお発電機として二次励磁型発電機１４２を用いて説明を行ったが、同期発電機またはかご型誘導発電機であっても、蓄電装置を用いた構成をとれば、自己始動が可能となる。例として図１３に、かご型誘導発電機１４３を用いた本実施例を示す。

本実施例は、風力発電水素製造装置の自己始動に関するものである。本実施例の実施例２、実施例３との違いは、制御電源を電力系統から供給することである。

本実施例について図１４を用いて説明する。発電機として永久磁石型発電機１４１を用いる。永久磁石型発電機１４１の代わりに二次励磁発電機や、かご型誘導発電機、同期発電機を用いても良い。永久磁石型発電機１４１の出力端子は、電力変換器１５を介して電解水素製造装置２へと接続される。このように、風力発電装置１の主回路部分は系統から独立している。一方、水素製造システムのコントローラ４の制御電源及び、電解水素製造装置２の制御電源は、電力系統９から降圧トランス４００ｄを介して供給される。

以下、自己始動の方法について具体的に説明する。まずピッチ角を固定しておき、ブレード１１が風を受け、永久磁石型発電機１４１が回転するのを待つ。コントローラ４は、電力系統９からの制御電源をうけ、回転数が運転可能な値になるまで待機する。永久磁石型発電機１４１の回転数が運転可能な回転数になったら、遮断器１５６ｄ、１５９ｄを閉じ、さらにコンバータ１５１ｄを運転して水素製造を始める。

本実施例においても、電流値指令Ｉｄｃ＊は、実施例１と同様の制御方法を用いて作成される。この制御方法を用いると、始動直後の回転数の低い状態で、風力発電装置の回転数が、回転数下限を下回ることが無くなり、安定に水素製造状態に移行することが可能となる。

なお図１４では、制御電源を常に電力系統９から供給しているが、図１５に示すように風力発電装置１から供給してもよい。つまり水素製造システムの始動時は、制御電源を電力系統９から受電する。水素製造の運転状態に移行した後は、切り替え器４０２ｅを切り替えることにより、制御電源を永久磁石型発電機１４１から供給する。

以上に説明した構成にすることにより、電力系統９から制御電源のみを受電する水素製造システムの自己始動が可能となる。電力系統９には風力発電装置１で発電した電力を送電せず、制御電源のための小さな電力のみを受電するため、送電線の容量が小さくてすむ。

実施例１の風力発電水素製造装置の構成を示した説明図。 実施例１の風力発電水素製造装置の別構成を示した説明図。 実施例１の電力変換器の構成図。 実施例１の電力変換器の別の構成図。 実施例１のコントローラのブロック図。 実施例１の電解水素製造装置の電圧と電流の関係の説明図。 従来技術の風力発電水素製造装置の動作の説明図。 実施例１の風力発電水素製造装置の動作の説明図。 従来技術のピッチ角指令を作成するブロック図。 実施例１のピッチ角指令を作成するブロック図。 実施例２の系統に接続された永久磁石型発電機を備えた風力発電水素製造装置の構成図。 実施例３の系統から独立した二次励磁型発電機を備えた風力発電水素製造装置の構成図。 実施例３の系統から独立したかご型誘導発電機を備えた風力発電水素製造装置の構成図。 実施例４の制御電源を系統から供給する風力発電水素製造装置の構成図。 実施例４の制御電源を系統から供給する風力発電水素製造装置の構成図。

符号の説明

１…風力発電装置、２…電解水素製造装置、３…水素貯蔵装置、４…コントローラ、６…パイプライン、７…水素消費地、９…電力系統、１０…蓄電装置、１１…ブレード、１２…シャフト、１３…ギヤ、１４…発電機、１５…電力変換器、４１…電流制限値演算器、４２、４５、４８ａ３、４８３…減算器、４３、４６、４８ａ４、４８４…比例積分器、４４…リミッタ、４７…ＰＷＭ演算器、４８、４８ａ…ピッチ角指令演算器、４８ａ２、４８２…回転数指令演算器、５１…電流計、５２…電圧計、１４１…永久磁石型発電機、１４２…二次励磁型発電機、１４３…かご型誘導発電機、１５１、１５１ａ、１５１ｄ、１５１ｅ…コンバータ、１５２、１５２ｂ、１５２ｃ、１５４、１５４ｂ…直流コンデンサ、１５３…ダイオード整流器、１５５、１５７ｂ、１５７ｃ、１５８ｂ…インバータ、１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｄ、１５６ｅ、１５９ａ、１５９ｂ、１５９ｃ、１５９ｄ、１５９ｅ…遮断器、４００ｄ、４００ｅ…降圧トランス、４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｅ…制御電源装置、４０２ｅ…切り替え器、４８１…最大電力演算器。

Claims (6)

1. 風力発電装置が電力系統と独立して設置され、前記風力発電装置の発電電力を、電解水素製造装置に供給する風力発電水素製造装置において、
   前記風力発電水素製造装置は前記電解水素製造装置に供給する電流を変化させて、前記風力発電装置の回転数の変動を抑制する手段を備えることを特徴とする風力発電水素製造装置。
2. 請求項１に記載の風力発電水素製造装置において、
   前記風力発電水素製造装置の風力発電装置は永久磁石型発電機であって、前記風力発電装置の制御電源と前記電解水素製造装置の制御電源とを前記永久磁石型発電機から供給する手段を備えることを特徴とする風力発電水素製造装置。
3. 請求項１において、
   前記風力発電水素製造装置の風力発電装置が、誘導発電機または同期発電機または二次励磁型発電機を用い、前記水素製造システムが蓄電装置と励磁装置とを備え、風力発電装置の始動時に、前記風力発電装置の制御電源と前記電解水素製造装置の制御電源を前記蓄電装置から供給し、始動時に前記励磁装置の電源を前記蓄電装置から供給する手段を備えることを特徴とする風力発電水素製造装置。
4. 請求項１において、
   前記電解水素製造装置に供給する電流の範囲を、前記電解水素製造装置の温度、及び水素の圧力から決定する手段を備えることを特徴とする風力発電水素製造装置。
5. 風力発電装置の発電電力を、電解水素製造装置に供給して水素を製造する風力発電水素製造装置において、
   前記風力発電水素製造装置は、前記電解水素製造装置に供給する電流を変化させて、前記風力発電装置の回転数の変動を抑制する手段を備え、
   前記風力発電装置の制御電源または前記電解水素製造装置の制御電源を電力系統から供給する手段を備えることを特徴とする風力発電水素製造装置。
6. 請求項５において、
   前記電解水素製造装置に供給する電流の範囲を、前記水素製造システムの温度、及び水素の圧力から決定する手段を備えることを特徴とする風力発電水素製造装置。

Images