JP5228152B1

JP5228152B1 - 太陽光発電システム及び自然エネルギー発電方法

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Publication number: JP5228152B1
Application number: JP2012234175A
Authority: JP
Inventors: 武史畑中
Original assignee: 武史畑中
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: JP2014074396A

Abstract

【課題】夜間や長期の天候不順な場合にも、大容量のバックアップ蓄電装置を用いることなく、安定した電力を供給することが可能な太陽光発電システム及び自然エネルギー発電方法を提供するものである。
【解決手段】太陽光等の自然エネルギー発電により生じた電力を蓄電装置２６に蓄電し、蓄電装置の出力電力を利用してパルス電源２６でパルス電流を発生させ、高圧作動流体供給源４３から高圧作動流体を超臨界流体発生器４２に連続的に供給しながら前記パルス電流でアーク放電を発生させることにより超臨界流体を発生させ、該超臨界流体を回転式流体機械４０で膨張させて得た機械エネルギーにより発電機１６を駆動することで夜間や長期の天候不順な場合にも安定した電力を供給することが可能な太陽光発電システム及び自然エネルギー発電方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽光発電システムに関し、特に、蓄電装置を備えた太陽光発電システム及び自然エネルギー発電方法に関する。

近年、地球温暖化防止の有効な対策として、自然エネルギーの１つである太陽光を利用した太陽光発電システムが注目されている。太陽光発電システムでは、夜間又は長期の天候不順の場合に安定した電力を供給するために大容量のバックアップ用電力蓄積装置が採用されている。バックアップ用電力蓄積装置は太陽光発電システムの定格容量に比べて大きな定格容量の設計が行われ、必然的に、装置が大型化するとともに大きな設備投資が必要となっていた。この問題の解決策として、様々な太陽光発電システムが提案されている。

特許文献１には、太陽光発電モジュールの発電電力をキャパシタに充電し、キャパシタからの出力電力で直接電動機に供給してエアーコンプレッサを駆動することにより圧縮空気を生成して空気貯蔵タンクに貯蔵するようにした太陽光発電システムが提案されている。

特許文献２には、太陽光発電パネルの発電電力をバッテリバンクに充電し、バッテリバンクの出力電力でエアーコンプレッサを駆動することにより圧縮空気を圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵し、次いで、圧縮空気貯蔵タンクから供給された圧縮空気でエアータービンを駆動することで発電して２次バッテリバンクに電力を貯蔵するようにしたハイブリッド太陽光発電システムが提案されている。

米国特許第６３６７２５９号米国特許第７９６４７８７号

ところで、特許文献１及び２で開示された太陽光発電システムでは、圧縮空気貯蔵タンクから圧縮空気が吐出すると、圧縮空気貯蔵タンクにおける圧縮空気の体積の減少に伴って圧縮空気の圧力が急峻に低下する。そのため、圧縮空気の圧力エネルギーを利用する場合には、エアーコンプレッサやエアータービンを介して十分な大きさの機械出力を長期に亘って取り出すことができない。したがって、夜間又は長期の天候不順の場合に安定した電力を長期に亘って供給できるような太陽光発電システムの実用化は困難であった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、夜間又は長期の天候不順の場合にも大容量蓄電装置を用いることなく安定した電力を供給可能な太陽光発電システム及び自然エネルギー発電方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された第１発明によれば、太陽光発電システムが、太陽光による第１発電電力を発生する太陽光発電装置と、前記第１発電電力を蓄電する蓄電装置と、前記蓄電装置の出力電力に応答して周期的なパルス電流を供給するパルス電源と、前記パルス電流の存在下でアーク放電を発生させることにより高圧作動流体から超臨界流体を発生させる超臨界流体発生器と、前記超臨界流体発生器に前記高圧作動流体を連続的に供給する高圧作動流体供給源と、前記超臨界流体を膨張させて機械エネルギーに変換する回転式流体機械と、前記回転式流体機械により駆動されて第２発電電力を供給する発電機とを備えることを要旨とする。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加えて、前記高圧作動流体供給源が作動流体を貯蔵する低圧貯蔵容器と、前記回転式流体機械により駆動されて前記低圧貯蔵容器から前記作動流体を吸引・加圧して前記高圧作動流体を生成するロータリ加圧ポンプと、前記高圧作動流体を貯蔵するアキュムレータと、前記アキュムレータの前記高圧作動流体と前記ロータリ加圧ポンプの前記高圧作動流体とを選択的に前記超臨界流体発生器に供給する切替制御弁とを備えることを要旨とする。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１又は２記載の構成に加えて、前記回転式流体機械が前記超臨界流体を膨張させて前記機械エネルギーに変換する第１回転機械部と、前ロータリ加圧ポンプから独立して前記作動流体から前記高圧作動流体を生成して前記超臨界流体発生器に供給する第２回転機械部とを備えることを要旨とする。

請求項４に記載された発明によれば、請求項１、２又は３記載の構成に加えて、前記超臨界流体発生器が、リアクタケーシングと、前記リアクタケーシングに形成されていて飽和蒸気発生ゾーンと、過熱蒸気発生ゾーンと超臨界流体発生ゾーンとを有するアーク放電発生室と、前記パルス電源に接続されていて前記アーク放電発生室で前記アーク放電を発生させる複数のアーク電極と、前記アーク電極の間に介在していて前記飽和蒸気発生ゾーン、前記過熱蒸気発生ゾーン及び前記超臨界流体発生ゾーンの広域にて前記アーク放電を発生させる複数のアーク放電球体とを備えることを要旨とする。

請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜４のいずれかに記載の構成に加えて、前記第２発電電力の一部を直流出力に変換して前記蓄電装置に蓄電させるＡＣ／ＤＣ変換器をさらに備えることを要旨とする。

請求項６に記載された第２発明によれば、自然エネルギー発電方法が、自然エネルギーにより発生した第１発電電力を蓄電装置に蓄電し、該蓄電装置の出力電力をパルス電源に供給して周期的なパルス電流を発生させ、作動流体から高圧作動流体を生成して超臨界流体発生器に連続的に供給し、前記パルス電流に応答して前記超臨界流体発生器でアーク放電を発生させることにより前記高圧作動流体から超臨界流体を発生させ、前記超臨界流体を回転式流体機械で膨張させて機械エネルギーに変換し、前記機械エネルギーにより発電機を駆動して第２発電電力を得ることを要旨とする。

請求項７に記載された発明によれば、請求項６記載の構成に加えて、前記第２発電電力の一部を直流出力に変換して前記蓄電装置に充電することを要旨とする。

請求項１記載の第１発明では、太陽光発電システムにおいて、太陽光発電により発生した第１発電電力を蓄電装置に蓄電し、作動流体から高圧作動流体を生成して超臨界流体発生器に連続的に供給し、該蓄電装置の出力電力をパルス電源に供給して周期的なパルス電流を発生させ、該パルス電流に応答して超臨界流体発生器でアーク放電を発生させることにより作動流体から超臨界流体を発生させ、該超臨界流体を回転式流体機械で膨張させて機械エネルギーに変換し、該機械エネルギーにより発電機を駆動して第２発電電力を発生させ、該第２発電電力を負荷に供給ようにしている。このように、太陽光により発電した電力を負荷で消費させるのではなく、一旦、蓄電装置に蓄電し、該蓄電装置の出力電力を超臨界流体としての圧力エネルギーに変換し、該圧力エネルギーを機械エネルギーに変換している。その際、超臨界流体を連続的に回転式流体機械に供給可能にして発電機を連続的に駆動できるようにしている。したがって、太陽光発電システムによって、大容量蓄電装置を用いることなく、夜間又は長期の天候不順の場合にも安定した電力を常に供給することが可能となる。作動流体としては、１例として、純水に微量の硝酸リチウムを添加して所定の電気抵抗を有するように調整した導電水を使用する。導電水を超臨界流体発生器に導入して超臨界水を発生させると、超臨界水は、少なくとも、６００℃〜８００℃の温度で、３５０ｂａｒ前後の超臨界圧となる。この時、超臨界水の爆発圧力は、回転式流体機械のロータリピストン本体の回転方向に１０平方ｃｍ当り１０００Ｋｇの圧力を発生させる。したがって、極めて高いエネルギー効率の太陽光発電システムを提供することができる。

請求項２記載の構成では、ロータリ加圧ポンプにより作動流体から高圧作動流体を生成してアキュムレータに高圧作動流体を貯蔵しておき、切替制御弁によりロータリ加圧ポンプの高圧作動流体とアキュムレータの高圧作動流体とを選択的に超臨界流体発生器に供給可能にしている。この構成により、アキュムレータの圧力が所定値以下に低下した場合にロータリ加圧ポンプから高圧作動流体が超臨界流体発生器に継続的に供給され、超臨界流体を連続的に発生可能としている。この結果、夜間や天候不順に関係なく発電機を駆動して第２発電電力を安定的に供給可能にしている。

請求項３記載の構成では、回転式流体機械が超臨界流体を膨張させて機械エネルギーに変換する第１回転機械部と、ロータリ加圧ポンとは独立して低圧作動流体から高圧作動流体を生成して超臨界流体発生器に供給する第２回転機械部とを備える。このことにより、超臨界流体発生器にはロータリ加圧ポンと第２回転機械部との一方又は双方から連続的に高圧作動流体が供給可能となる。したがって、超臨界流体発生器からは常に回転式流体機械の第１回転機械部に超臨界流体が供給され、太陽光発電システムは夜間や天候不順に左右されることなく安定した電力を供給することができる。

請求項４記載の構成では、超臨界流体発生器はリアクタケーシングを備えていてアーク放電を広域にて発生させるアーク放電球体を備えている。アーク放電球体は互いに球面体の突起部で点接触しているため、球面体の突起部周辺のアーク放電空間に蒸気が存在すると、広域にてアーク放電が起きやすくなって、超臨界水が瞬時に効率的に発生する。そのため、アーク放電球体の存在下で、導電水は飽和蒸気発生ゾーンにおいて通電によるジュール熱で瞬時に飽和蒸気が発生し、過熱蒸気発生ゾーンにおいて過熱蒸気が生成される。この過熱蒸気はアーク放電球体の隙間に形成されたアーク放電空間を通過する際に超臨界流体発生ゾーンにおいて広域にて発生するアーク放電と接触して瞬時に高温高圧の超臨界水となる。したがって、極めて簡単な構造で、生産コストも安く、信頼性も高い太陽光発電システムを提供することが可能となる。

請求項５記載の構成では、発電機から得た第２発電電力の一部をＡＣ／ＤＣ変換器により直流出力に変換して蓄電装置に蓄電させている。このように、発電機の消費電力が低いときに蓄電装置に第２発電電力の一部を蓄電させているため、夜間や長期の天候不順の場合にも、蓄電装置への電力の蓄電を可能にしている。したがって、太陽光発電による第１発電電力が不安定の場合にも蓄電装置への安定した蓄電を可能にしている。

請求項６に記載された第２発明によれば、自然エネルギー発電方法において、自然エネルギーにより発生した第１発電電力を蓄電装置に蓄電して放電用電力の発生用に利用し、作動流体から高圧作動流体を生成して超臨界流体発生器に連続的に供給しながら放電用電力に応答してアーク放電を発生させることにより作動流体から超臨界流体を発生させている。超臨界流体は回転式流体機械で爆発的に膨張して機械エネルギーに変換して発電機を駆動する。したがって、自然エネルギーを利用して安定した発電電力を供給することが可能となる。

請求項７に記載された発明によれば、第２発電電力の一部を蓄電装置に蓄電させているため、自然エネルギー発電が不安定な場合にも、蓄電装置への十分な蓄電を可能にしている。したがって、自然エネルギー発電による第１発電電力が不安定の場合にも蓄電装置への安定した蓄電を可能にしている。

本発明の第１実施例による太陽光発電システムのブロック図を示す。図１の太陽光発電システムにおける電気駆動回転式流体機械の概略図を示す。図２の超臨界流体発生器のＩＩＩ−ＩＩＩの断面図を示す。

以下、本発明の実施例による自然エネルギー発電方法を実施するための太陽光発電システムについて図面に基づき詳細に説明する。図１に示した実施例において、太陽光発電システム１０は、太陽光等の自然エネルギーにより第１発電電力を発生する太陽光（自然エネルギー）発電装置２０と、第１発電電力を蓄電する蓄電装置２６と、蓄電装置２６の出力電力に応答して５０〜２０００ヘルツ程度の周期的なパルス電流を発生するパルス電源２８と、パルス電流に応答してアーク放電を発生させることにより作動流体から超臨界流体を発生させる超臨界流体発生器４２と、超臨界流体を膨張させて機械エネルギーに変換する回転式流体機械４０と、超臨界流体発生器４２に作動流体を連続的に供給する高圧作動流体供給源４３と、機械エネルギーを選択的に伝達し、或いは、解放するクラッチ１４と、クラッチ１４を介して回転式流体機械４０により駆動されて第２発電電力を供給する発電機１６とを備える。超臨界流体発生器４２と回転式流体機械４０とは電気駆動回転式流体機械１２を構成する。

太陽光発電装置（例えば、起電力型発電セル等）２０の第１発電電力は電流検知器２２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２３で所定電圧に調整された後、蓄電装置２６に蓄電される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力側に接続された電気二重層コンデンサ２５は太陽光発電装置２０の出力電力の変動を平準化するとともにエネルギー蓄積を行う。この結果、太陽光発電装置２０の出力電力を平準化して蓄電装置２６に蓄電される。電流検知器２２は太陽光発電装置２０の出力電流を検知することにより太陽光発電装置２０の発電状態を判断するために利用される。蓄電装置２６はリチウムイオンバッテリ、Ｎｉ−ＭＨ電池（ニッケルー水素電池）、又はコンデンサバンク等の二次電池から構成される。発電機１６の第２発電電力はパワーラインＰＬを介して負荷Ｌに供給されると共にその一部は変圧器Ｔｒで所定電圧に降圧された後、スイッチＳＷを介してＡＣ／ＤＣコンバータ１８により交直変換されて蓄電装置２６に蓄電される。パワーラインＰＬには計器用変圧器Ｔｒ１及び計器用変流器ＣＴ１が電気的に接続され、検出された電圧及び電流がパラメータとして電力計測器１７に供給される。電力計測器１７は負荷Ｌの消費電力を計測して消費電力に対応した電力検出信号を出力する。

パルス電源２８は蓄電装置２６からの供給電力から５０〜２０００ヘルツ程度の周期的なパルス電流を超臨界流体発生器４２に供給する。超臨界流体発生器４２ではパルス電流によりアーク放電が発生して高圧作動流体から著言う臨海流体が生成される。回転式流体機械４０は、この超臨界流体を爆発的に膨張させて出力軸１３２に機械エネルギーを発生させる第１回転機械部（図示せず）と、第１回転機械部と同期して作動しながらモータモード（及び／又はポンプモード）で機能する第２回転機械部（図示せず）とを備える。高圧作動流体供給源４３は、低圧作動流体を貯蔵する低圧貯蔵容器４８と、回転式流体機械４０により駆動されて低圧作動流体を吸引・加圧して高圧作動流体を生成するロータリ加圧ポンプ４４と、高圧作動流体を圧力エネルギーとして貯蔵するアキュムレータ４６と、ロータリ加圧ポンプ４４の高圧作動流体とアキュムレータ４６の高圧作動流体を選択的に超臨界流体発生器４２に供給する三方切替制御弁５０とを備える。図２に示すように、回転式流体機械４０の両側にはそれぞれ超臨界流体発生器４２とロータリ加圧ポンプ４４が同心的にボルトその他の連結手段で連結される。

図１において、ロータリ加圧ポンプ４４のインレットｄ１は低圧貯蔵容器４８に接続され、アウトレットｄ２は三方切替制御弁５０を介してアキュムレータ４６と、回転式流体機械４０の第２回転機械部のインレットａ２に接続されている。第２回転機械部のインレットａ２は逆止弁５２を介してリサーバとして機能する低圧貯蔵容器４８に接続されている。回転式流体機械４０の第２回転機械部のアウトレットｂ２が逆止弁５４を介して超臨界流体発生器４２のインレット１１０２に接続されている。超臨界流体発生器４２のアウトレット１１４０には超臨界流体発生器４２内の超臨界流体の圧力を制御するための電磁開閉弁からなる開閉制御弁５６が接続される。即ち、開閉制御弁５６は周期的に開閉作動し、超臨界流体の生成時には閉状態とされ、超臨界流体の供給時には解放状態とされる。開閉制御弁５６は周期的に解放されて、超臨界流体が回転式流体機械４０の第１回転機械部のインレットａ１に供給され、爆発的に膨張して出力軸１３２に機械エネルギーを発生する。膨張後の低温低圧作動流体はアウトレットｂ１から排出されて冷却器／凝縮器５８で冷却液化されて低圧貯蔵容器４８に回収される。

超臨界流体発生器４２には圧力センサＳ１と温度センサＳ２とが装着されていて、圧力センサＳ１から検出された超臨界流体の圧力を表示する圧力信号と温度センサＳ２から検出された超臨界流体の温度を表示する温度信号Ｔがコントローラ６０に送信される。アキュムレータ４６と低圧貯蔵容器４８にはそれぞれ圧力センサＳ３，Ｓ４が装着されていて、それぞれに貯蔵されている高圧作動流体と低圧作動流体の圧力をそれぞれ検出して、これらの圧力信号がコントローラ６０に送信される。コントローラ６０には、さらに、電力計測器１７からの消費電力信号、電流検知器２２からの電流検出信号が供給される。入力装置６２はカレンダー信号や、温度や圧力等のパラメータ設定信号を基準信号としてコントローラ６０に入力する。コントローラ６０は中央演算装置（ＣＰＵ）、ＲＡＭ，ＲＯＭを有するマイクロコンピュータからなり、検出信号や、運転パラメータ及び設定信号に応じて内蔵されている制御プログラムに沿って各種の指令信号を出力する。

回転式流体機械４０とロータリ加圧ポンプ４４とは、例えば、同一発明者の発明による特願２０１１−２９０７２０号（発明の名称：回転式流体機械）に開示された回転式流体機械、或いは、同一発明者の発明による平成２４年８月２０日特許出願の特願２０１２−１９５５１３号（発明の名称：回転式流体機械）に開示された「回転式流体機械」及び「過給器」の構造とそれぞれ同一の構造を有するため、これらの詳細な説明を省略する。三方切替制御弁５０は、例えば、日本国特許第３４１５８２４号（米国特許公開公報第２００４／００５０６２４号）に開示されたものと構造的に殆ど類似した構造の制御弁を採用することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図２及び図３より明らかなように、超臨界流体発生器４２は、回転式流体機械４０に対してこれと同心的に連結された円筒状リアクタケーシング１１００と、円筒状リアクタケーシング１１００の両端に配置されたエンドプレート１６ａ，１６ｂを備える。図２に示すように、円筒状リアクタケーシング１１００とエンドプレート１６ａ，１６ｂは、回転式流体機械４０と同心的に配列される。円筒状リアクタケーシング１１００は、円筒状リアクタケーシング１１００の内側とケーシング１１００の中央内周部１１１４の径方向外側に形成されたセラミック等の絶縁耐熱層１１１６と、絶縁耐熱層１１１６の内側に形成されていて飽和蒸気発生ゾーンＺ１と、過熱蒸気発生ゾーンＺ２と、超臨界流体発生ゾーンゾーンＺ３とを有するアーク放電発生室１１１８を備える。円筒状リアクタケーシング１１００の中央内周部１１１４は出力軸１３２を通過可能にするための直径を有する内周壁部１１１４を備える。

超臨界流体発生器４２の吸入ポート１１０２は、径方向壁部１１２０に延びていて、径方向壁部１１２０には周方向に延びる複数の開口部１１２２を有する。アーク放電発生室１１１８のコーナー部１１１８ａ、１１１８ｂには一対のアーク電極１１２４，１１２６がそれぞれ配置される。一対のアーク電極１１２４，１１２６はパルス電源２８に接続される。パルス電源２８は、例えば、日本国特許第２５８２９５６号に開示されたような回路構成やその他の公知のインバータ回路が用いられる。パルス電源２８は、コントローラ（図示せず）から出力されたパルス周期指令（タイミング）信号に応じて予め定められた周期（例えば、スタート時には１００〜２０００ヘルツの周期のパルス電流を供給し、所定の高温状態に達した後には、例えば、１００ヘルツ程度の周期）のパルス電流を一対のアーク電極１１２４，１１２６に供給する。パルス電流は５０Ａ〜２００Ａのピーク電流となるよう設定されるが、本発明はこれらの数値に限定されるものではなく、太陽光発電システムの規模その他のパラメータに応じて適宜設計変更可能である。パルス電圧の周期はアーク放電発生室１１１８の温度が、例えば、８５０℃〜１５００℃の範囲になるような値に設定してもよい。その場合、ケーシング１１００には温度センサ（温度センサＳ２に対応）１１３２が装着され、温度信号Ｔがコントローラ６０（図１参照）に供給され、パルス電力のパルス幅の制御用に利用されてもよい。

アーク放電発生室１１１８には、一対のアーク電極１１２４，１１２６の間に介在する多数のアーク放電球体１１３４が充填され、これらアーク放電球体１１３４の隙間はアーク放電空間１１３６として作用する。アーク放電球体１１３４は、飽和蒸気発生ゾーンＺ１，過熱蒸気発生ゾーンＺ２及び超臨界流体発生ゾーンＺ３の広域にて多数のアーク放電を発生させる。飽和蒸気発生ゾーンＺ１において、導電水等の作動流体が通電してジュール熱により飽和蒸気が瞬時に発生する。過熱蒸気発生ゾーンＺ２において、飽和蒸気が順次広域で発生するアーク放電と接触して瞬時に過熱蒸気となる。アーク放電発生室１１１８の下流側に流れるにしたがって、超臨界流体発生ゾーンＺ３において、過熱蒸気はさらにアーク放電の影響下で高温高圧となり超臨界水が生成される。アーク放電球体１１３４としては、タングステンボール、或いは、カーボンボールの表面にクロム、モリブデン、タングステン等の導電性金属をコーティングしたものが用いられる。アーク放電は、アーク放電球体１１３４の互いに隣接して対面する球面部分で発生しやすく、アーク放電球体１１３４が５ｍｍ〜３０ｍｍ程度の直径を有する場合に最も頻繁に発生する。アーク放電は、パルスアーク電圧を周期的に発生させるパルス電流の電圧がハイレベルとローレベルとの間で周期的に変化することでより頻繁に発生する。アーク放電発生室１１１８に隣接してデミスター部１１０６が配置され、デミスター部１１０６には耐熱性の金属ワイヤー等から形成されたデミスター１１１０が充填される。電磁開閉弁５６が所定周期で開弁されると、デミスター１１１０を通過した超臨界水Ｗｇはフィルター１１４２で濾過された後、アウトレット１１４０から回転式流体機械４０のインレットａ１に供給される。

上記構成において、作動流体としては、例えば、純水に微量の硝酸リチウムを添加して所定の電気抵抗を有するように調整された導電水が用いられる。なお、作動流体としては、導電水の他に、単純な水、炭酸ガス、水と炭酸ガスの混合流体、水とアセトン（５０％：５０％の比率）の混合流体、導電水とアセトン（５０％：５０％の比率）の混合流体やその他の作動流体を用いても良い。

次に、導電水を作動流体として採用した太陽光発電システム１０の作用について説明する。アキュムレータ４６には高圧導電水が貯蔵されており、低圧貯蔵容器４８には低圧導電水が貯蔵され、蓄電装置２６には発電装置２０の第１発電電力及び発電機１６の第２発電電力の少なくとも一方が蓄電されているものとする。

太陽光発電システム１０の運転に際して、コントローラ６０からの指令信号ＣＳ２に応答して、パルス電源２８から周期的なパルス電流が超臨界流体発生器４２に供給され、これと同時に、コントローラ６０から三方切替制御弁５０に指令信号ＣＳ１が出力される。この時、三方切替制御弁５０が作動して、アキュムレータ４６の高圧導電水は回転式流体機械４０の第２回転機械部のインレットａ２に流入した後、アウトレットｂ２から吐出して逆止弁５４を介して超臨界流体発生器４２に供給される。この時、高圧導電水は飽和蒸気発生ゾーンＺ１において通電によるジュール熱で瞬時に飽和蒸気となり、該飽和蒸気は過熱蒸気発生ゾーンＺ２においてアーク放電と接触して瞬時に過熱蒸気となり、過熱蒸気は超臨界流体発生ゾーンＺ３において広域のアーク放電と接触してさらに高温高圧となる。したがって、過熱蒸気の温度と圧力が急上昇して瞬時に超臨界水が発生する。この状態において、コントローラ６０からの指令信号ＣＳ３によって開閉制御弁５６が開弁する。すると、超臨界流体発生器４２から超臨界水が噴出して回転式流体機械４０の第１回転機械部のインレットａ１に流入してこれを爆発的に膨張させて出力軸１３２に機械エネルギーが発生する。

回転式流体機械４０の第１回転機械部の膨張行程において、第１回転機械部に同期して第２回転機械部はポンプモードで機能するため、第２回転機械部は逆止弁５２を介して低圧貯蔵タンク４８から低圧導電水を吸引・加圧して高圧導電水を生成する。したがって、アキュムレータ４６の高圧導電水と第２回転機械部により生成した高圧導電水とが合流し、この合流した高圧導電水が逆止弁５４を介して超臨界流体発生器４２に供給される。アキュムレータ４６の高圧導電水と第２回転機械部により生成した高圧導電水との流量比はコントローラ６０から三方切替制御弁５０に供給される指令信号ＣＳ１によって任意の値に設定しても良い。この高圧導電水供給工程において、三方切替制御弁５０の制御によってアキュムレータ４６の高圧導電水の供給量を制限すると、第２回転機械部による高圧導電水の供給比率が増大するため、アキュムレータ４６による高圧導電水の供給時間が延長する。

アキュムレータ４６の高圧導電水の供給によって、アキュムレータ４６の内圧が所定値以下に低下すると、コントローラ６０からの指令信号ＣＳ１によって三方切替制御弁５０の流路が第１切替モードに設定され、ロータリ加圧ポンプ４４はアキュムレータ４６と連通する。この時、ロータリ加圧ポンプ４４は低圧貯蔵容器４８から低圧導電水を吸引・加圧して高圧導電水を生成し、これをアキュムレータ４６に圧送して貯蔵する。この貯蔵工程において、回転式流体機械４０の第２回転機械部が第１回転機械部に同期してポンプモードで作動し、逆止弁５２を介して低圧貯蔵容器４８から低圧導電水を吸引・加圧して高圧導電水を超臨界流体発生器４２に継続的に供給する。一方、ロータリ加圧ポンプ４４からの高圧導電水の圧送によって、アキュムレータ４６の圧力が所定値に達すると、圧力センサＳ３からの圧力検出信号に応答してコントローラ６０から指令信号ＣＳ１が出力され、三方切替制御弁５０が第３切替モードに設定される。

この時、三方切替制御弁５０によりアキュムレータ４６とロータリ加圧ポンプ４４との流路が遮断され、ロータリ加圧ポンプ４４は回転式流体機械４０の第２回転機械部のインレットａ２と連通する。その結果、第２回転機械部はロータリ加圧ポンプ４４から供給された高圧導電水をアウトレットｂ２から吐出し、逆止弁５４を介して超臨界流体発生器４２のインレット１１０２に供給する。上述のように、超臨界流体発生器４２ではパルス電流によりアーク放電が生じて超臨界水が発生し、開閉制御弁５６はコントローラ６０からの指令信号ＣＳ３によって周期的に開弁し、超臨界水を周期的に回転式流体機械４０の第１回転機械部のインレットａ１に供給し、第１回転機械部はこの超臨界水を爆発的に膨張させて機械エネルギーを出力軸１３２に発生させる。第１回転機械部のアウトレットｂ１から排出された低温低圧蒸気は冷却器／凝縮器５８により復水されて低温低圧導電水として低圧貯蔵容器に４８に回収され、この導電水は以後の作動サイクルにおいてシステム内で循環利用される。

上記工程において、圧力センサＳ１からの圧力検出信号が所定値に達すると、コントローラ６０から指令信号ＣＳ４が出力され、クラッチ１４が締結状態となって出力軸１３２が発電機１６に駆動連結されて第２発電電力が得られる。この発電電力はパワーラインＰＬを介して負荷Ｌに供給される。この運転状態において、太陽光発電装置２０の出力電力は電流検知器２２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２３で所定電圧の直流電力に変換され、電気二重層コンデンサ２５に一時的に充電されて平滑した直流電流を蓄電装置２６に蓄電する。

電流検知器２２の電流検出信号の値が所定値以下であることをコントローラ６０が判断した場合には、コントローラ６０が指令信号ＣＳ５を出力してスイッチＳＷを閉成する。このとき、第２発電電力の一部は変圧器Ｔｒによって降圧されたされた後、ＡＣ／ＤＣコンバータ１８で交直変換されて蓄電装置２６に蓄電される。このとき、コントローラ６０から警報装置を介して警告信号を発生させて、優先順位の低い負荷装置（図示せず）への電力供給を遮断するように構成しても良い。他の態様として、入力装置６２から優先順位の低い負荷装置のグループを予め入力装置６２を介してコントローラ６０に入力しておいて、電流検知器２２の電流検出信号の値が所定値以下となった時に、自動的にから優先順位の低い負荷装置を遮断するように制御しても良い。このように、蓄電装置２６には太陽光発電装置２０の第１発電電力及び発電機１６の第２発電電力の一部によって常に充電状態とされる。このことにより、本発明の太陽光発電システムや自然エネルギー発電方法では、夜間や天候不順の場合にも安定した電力供給が可能となり、地球環境対策に大いに貢献する。

上述したように、超臨界流体発生器４２ではアーク放電の発生により導電水から発生した超臨界水は温度が、少なくとも、６００℃〜８００℃の時に３５０ｂａｒ前後の超臨界圧となり、この超臨界水が回転式流体機械４０で爆発的に膨張する。このとき発生する爆発圧力はロータリピストンの回転方向において１０平方ｃｍ当り１０００Ｋｇ前後に達する。回転式流体機械４０のロータリピストンの圧力作用面は通常、少なくとも１００平方ｃｍ以上あり、ロータリピストンの回転方向に１００００Ｋｇの押圧力が発生する。このため、極めて高いエネルギー効率の太陽光発電システムと自然エネルギー発電方法を提供することができ、地球温暖化ガスの排出削減に貢献する。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明したが、これ等はあくまでも一実施形態を示すものであり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが出来る。例えば、自然エネルギー発電装置は太陽光発電装置として例示されたが、本発明の自然エネルギー発電装置は太陽光発電装置に限らず、風力発電装置にも適用できることはいうまでもない。

１０太陽光発電システム；１２電気駆動回転式流体機械；１６発電機；１８ＡＣ／ＤＣコンバータ；２０太陽光発電装置；２３ＤＣ／ＤＣコンバータ；２６蓄電装置；２８パルス電源；４３高圧作動流体供給源；４６アキュムレータ；４８低圧貯蔵容器；４０回転式流体機械；４２超臨界流体発生器；４４ロータリ加圧ポンプ；５０三方切替制御弁；５６開閉制御弁；５８冷却器；６０コントローラ；６２入力装置

Claims

太陽光による第１発電電力を発生する太陽光発電装置と、
前記第１発電電力を蓄電する蓄電装置と、
前記蓄電装置の出力電力に応答して周期的なパルス電流を供給するパルス電源と、
前記パルス電流の存在下でアーク放電を発生させることにより高圧作動流体から超臨界流体を発生させる超臨界流体発生器と、
前記超臨界流体発生器に前記高圧作動流体を連続的に供給する高圧作動流体供給源と、
前記超臨界流体を膨張させて機械エネルギーに変換する回転式流体機械と、
前記回転式流体機械により駆動されて第２発電電力を供給する発電機と、
を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
前記高圧作動流体供給源が作動流体を貯蔵する低圧貯蔵容器と、前記回転式流体機械により駆動されて前記低圧貯蔵容器から前記作動流体を吸引・加圧して前記高圧作動流体を生成するロータリ加圧ポンプと、前記高圧作動流体を貯蔵するアキュムレータと、前記アキュムレータの前記高圧作動流体と前記ロータリ加圧ポンプの前記高圧作動流体とを選択的に前記超臨界流体発生器に供給する切替制御弁とを備えることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
前記回転式流体機械が前記超臨界流体を膨張させて前記機械エネルギーに変換する第１回転機械部と、前ロータリ加圧ポンプから独立して前記作動流体から前記高圧作動流体を生成して前記超臨界流体発生器に供給する第２回転機械部とを備えることを特徴とする請求項２記載の太陽光発電システム。
前記超臨界流体発生器が、リアクタケーシングと、前記リアクタケーシングに形成されていて飽和蒸気発生ゾーンと、過熱蒸気発生ゾーンと超臨界流体発生ゾーンとを有するアーク放電発生室と、前記パルス電源に接続されていて前記アーク放電発生室で前記アーク放電を発生させる複数のアーク電極と、前記アーク電極の間に介在していて前記飽和蒸気発生ゾーン、前記過熱蒸気発生ゾーン及び前記超臨界流体発生ゾーンの広域にて前記アーク放電を発生させる複数のアーク放電球体とを備えることを特徴とする請求項１、２又は３記載の太陽光発電システム。
前記第２発電電力の一部を直流出力に変換して前記蓄電装置に蓄電させるＡＣ／ＤＣ変換器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽光発電システム。
自然エネルギーにより発生した第１発電電力を蓄電装置に蓄電し、該蓄電装置の出力電力をパルス電源に供給して周期的なパルス電流を発生させ、作動流体から高圧作動流体を生成して超臨界流体発生器に連続的に供給し、前記パルス電流に応答して前記超臨界流体発生器でパルスアーク放電を発生させることにより前記高圧作動流体から超臨界流体を発生させ、前記超臨界流体を回転式流体機械で膨張させて機械エネルギーに変換し、前記機械エネルギーにより発電機を駆動して第２発電電力を得ることを特徴とする自然エネルギー発電方法。
前記第２発電電力の一部を直流出力に変換して前記蓄電装置に充電することを特徴とする請求項６記載の自然エネルギー発電方法。