JP5540239B2 - スターリングエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃熱やバイオマスなどの熱源を利用したスターリングエンジンの制御装置に関する。

廃熱やバイオマスなどの熱源を有効に活用することは、環境問題及びエネルギー問題の解決に繋がる。スターリングエンジンは熱源を選ばず、温度差があれば運転できるという特徴を持つことから、それら熱源の有効活用に適している。

しかし、廃熱やバイオマスなどの熱源は、必ずしも利用温度が一定とは限らず、利用温度が変動するとスターリングエンジンの出力に影響する。
スターリングエンジンの出力変動幅が大きくなると、スターリングエンジンの最適な効率での運転を実現できなくなる。
一方、利用側の負荷変動によってもスターリングエンジンの出力負荷が変動する。
出力負荷が大きすぎると、スターリングエンジンが低効率な運転状態に陥ったり、停止してしまうこともある。
逆に出力負荷が小さすぎても、スターリングエンジンの回転数が急上昇して低効率な運転状態に陥ったり、暴走することもあり得る。

そこで本発明は、スターリングエンジンへの熱源変動や実用負荷変動が生じても、効率のよい状態で運転することができるスターリングエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明のスターリングエンジンの制御装置は、スターリングエンジンに連結された発電機と、前記発電機から出力される交流電流から電圧の異なる直流電流に変換する交流−直流変換手段とを備え、前記交流−直流変換手段で変換された直流電流を電力として用いるスターリングエンジンの制御装置であって、前記スターリングエンジンの出力を検出する出力検出手段と、前記出力検出手段で検出した前記出力を設定値と比較して出力状態を判定する出力判定手段と、前記出力判定手段の結果に基づいて前記スターリングエンジンの負荷を変動させる負荷制御手段と、前記負荷制御手段からの信号によって負荷の切り換えを行う負荷切換手段とを備え、前記負荷切換手段では、前記スターリングエンジンの出力が前記設定値より大きくなると前記負荷を大きくし、前記スターリングエンジンの出力が前記設定値より小さくなると前記負荷を小さくし、複数の独立した蓄電池からなる蓄電手段と、それぞれの前記蓄電池の充電状態を判定する充電状態判定手段と、前記充電状態判定手段の判定結果と前記負荷制御手段からの信号に基づいて前記蓄電池への充電を制御する蓄電制御手段とを有し、前記負荷切換手段として、前記蓄電制御手段からの信号によって前記蓄電池への給電を切り換える蓄電負荷切換手段を用いることを特徴とする。
請求項２記載の本発明のスターリングエンジンの制御装置は、スターリングエンジンに連結された発電機と、前記発電機から出力される交流電流から電圧の異なる直流電流に変換する交流−直流変換手段とを備え、前記交流−直流変換手段で変換された直流電流を電力として用いるスターリングエンジンの制御装置であって、前記スターリングエンジンの出力を検出する出力検出手段と、前記出力検出手段で検出した前記出力を設定値と比較して出力状態を判定する出力判定手段と、前記出力判定手段の結果に基づいて前記スターリングエンジンの負荷を変動させる負荷制御手段と、前記負荷制御手段からの信号によって負荷の切り換えを行う負荷切換手段とを備え、前記負荷切換手段では、前記スターリングエンジンの出力が前記設定値より大きくなると前記負荷を大きくし、前記スターリングエンジンの出力が前記設定値より小さくなると前記負荷を小さくし、複数の独立した蓄電池からなる蓄電手段と、それぞれの前記蓄電池の充電状態を判定する充電状態判定手段と、前記充電状態判定手段の判定結果と前記負荷制御手段からの信号に基づいて前記蓄電池への充電を制御する蓄電制御手段とを有し、前記負荷切換手段として、前記蓄電制御手段からの信号によって前記蓄電池への給電を切り換える蓄電負荷切換手段と、前記発電機と前記交流−直流変換手段とをつなぐ交流電流ラインに接続される出力負荷切換手段とを用いることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンの制御装置において、前記負荷切換手段として、複数の抵抗とそれぞれの前記抵抗の切り換えを行うスイッチとから構成された出力負荷切換手段を用い、前記出力負荷切換手段を、前記発電機と前記交流−直流変換手段とをつなぐ交流電流ライン又は前記交流−直流変換手段の出力側に接続される直流電流ラインに接続することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンの制御装置において、前記出力検出手段が前記スターリングエンジンの回転数又は電圧を検出することを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンの制御装置において、キャパシタ又はコンデンサなどの充放電手段を、前記発電機と前記交流−直流変換手段とをつなぐ交流電流ライン又は前記交流−直流変換手段の出力側に接続される直流電流ラインに接続することを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンの制御装置において、前記スターリングエンジンの熱源として、船舶用ディーゼルエンジンの排ガスを用いることを特徴とする。

本発明によれば、スターリングエンジンの出力に応じて負荷を変動させることで、スターリングエンジンの回転数を所定の範囲に制御することができるため、スターリングエンジンへの熱源変動や実用負荷変動が生じても、スターリングエンジンを効率のよい状態で運転することができる。

本実施例によるスターリングエンジンの制御装置の構成を機能実現手段で示すブロック図

本発明の第１の実施の形態によるスターリングエンジンの制御装置は、スターリングエンジンの出力を検出する出力検出手段と、出力検出手段で検出した出力を設定値と比較して出力状態を判定する出力判定手段と、出力判定手段の結果に基づいてスターリングエンジンの負荷を変動させる負荷制御手段と、負荷制御手段からの信号によって負荷の切り換えを行う負荷切換手段とを備え、負荷切換手段では、スターリングエンジンの出力が設定値より大きくなると負荷を大きくし、スターリングエンジンの出力が設定値より小さくなると負荷を小さくし、複数の独立した蓄電池からなる蓄電手段と、それぞれの蓄電池の充電状態を判定する充電状態判定手段と、充電状態判定手段の判定結果と負荷制御手段からの信号に基づいて蓄電池への充電を制御する蓄電制御手段とを有し、負荷切換手段として、蓄電制御手段からの信号によって蓄電池への給電を切り換える蓄電負荷切換手段を用いるものである。本実施の形態によれば、スターリングエンジンの出力に応じて負荷を変動させることで、スターリングエンジンの回転数を所定の範囲に制御することができるため、スターリングエンジンへの熱源変動や実用負荷変動が生じても、スターリングエンジンを効率のよい状態で運転することができる。また、スターリングエンジンの出力に応じて蓄電負荷を制御することができるため、効率的に蓄電を行うことができるとともに、スターリングエンジンを効率のよい状態で運転することができる。
本発明の第２の実施の形態によるスターリングエンジンの制御装置は、スターリングエンジンの出力を検出する出力検出手段と、出力検出手段で検出した出力を設定値と比較して出力状態を判定する出力判定手段と、出力判定手段の結果に基づいてスターリングエンジンの負荷を変動させる負荷制御手段と、負荷制御手段からの信号によって負荷の切り換えを行う負荷切換手段とを備え、負荷切換手段では、スターリングエンジンの出力が設定値より大きくなると負荷を大きくし、スターリングエンジンの出力が設定値より小さくなると負荷を小さくし、複数の独立した蓄電池からなる蓄電手段と、それぞれの蓄電池の充電状態を判定する充電状態判定手段と、充電状態判定手段の判定結果と負荷制御手段からの信号に基づいて蓄電池への充電を制御する蓄電制御手段とを有し、負荷切換手段として、蓄電制御手段からの信号によって蓄電池への給電を切り換える蓄電負荷切換手段と、発電機と交流−直流変換手段とをつなぐ交流電流ラインに接続される出力負荷切換手段とを用いるものである。本実施の形態によれば、スターリングエンジンの出力に応じて負荷を変動させることで、スターリングエンジンの回転数を所定の範囲に制御することができるため、スターリングエンジンへの熱源変動や実用負荷変動が生じても、スターリングエンジンを効率のよい状態で運転することができる。また、スターリングエンジンの出力に応じて蓄電負荷を制御することができるため、効率的に蓄電を行うことができるとともに、スターリングエンジンを効率のよい状態で運転することができ、更には蓄電が不要な場合でも、スターリングエンジンの出力変化を適正な範囲内にコントロールすることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるスターリングエンジンの制御装置において、負荷切換手段として、複数の抵抗とそれぞれの抵抗の切り換えを行うスイッチとから構成された出力負荷切換手段を用い、出力負荷切換手段を、発電機と交流−直流変換手段とをつなぐ交流電流ライン又は交流−直流変換手段の出力側に接続される直流電流ラインに接続するものである。本実施の形態によれば、スターリングエンジンの出力変化に対して迅速に対応できるとともに、抵抗の負荷が電圧変動に応じて変動するため、スターリングエンジンの出力変化をリニアにコントロールすることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるスターリングエンジンの制御装置において、出力検出手段がスターリングエンジンの回転数又は電圧を検出するものである。本実施の形態によれば、スターリングエンジンの回転数又は電圧を直接検出することで、確実に応答よく制御することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるスターリングエンジンの制御装置において、キャパシタ又はコンデンサなどの充放電手段を、発電機と交流−直流変換手段とをつなぐ交流電流ライン又は交流−直流変換手段の出力側に接続される直流電流ラインに接続するものである。本実施の形態によれば、例えば蓄電負荷切換手段での切り換え時のように実用負荷が急激に増加して一時的にスターリングエンジンからの給電が十分な場合でも、充放電手段から不足電力を供給することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるスターリングエンジンの制御装置において、スターリングエンジンの熱源として、船舶用ディーゼルエンジンの排ガスを用いるものである。本実施の形態によれば、船舶用ディーゼルエンジンの排ガスを船内電力として有効に利用することができる。

以下本発明の一実施例によるスターリングエンジンの制御装置について説明する。
図１は本実施例によるスターリングエンジンの制御装置の構成を機能実現手段で示すブロック図である。
図１に示すように、スターリングエンジン１０には発電機１１が連結され、発電機１１には交流電流ライン４１によって交流−直流変換手段２１が接続されている。
ここで、スターリングエンジン１０は、シリンダ１２内にディスプレーサピストン１３とパワーピストン１４とが配置されている。シリンダ１２には、ヒータ１５、再生器、及び冷却器１６を備えている。ヒータ１５はシリンダ１２の一端側に配置し、冷却器１６はシリンダ１２の他端側に配置し、再生器はヒータ１５と冷却器１６との間に配置している。ヒータ１５は、船舶用ディーゼルエンジンなどの排ガス管１７内に配置している。発電機１１は、スターリングエンジン１０の出力軸に連結されている。

交流−直流変換手段２１には、インバータと保護装置とで構成されるパワーコンディショナーを用いることができる。
交流−直流変換手段２１の出力側には、直流電流ライン４２によって実用負荷手段２２と蓄電負荷切換手段２３が接続されている。実用負荷手段２２は、例えば原動機やポンプ、テレビやエアコンなどの電気機器である。蓄電負荷切換手段２３は、複数の切換スイッチを備え、蓄電手段２４を構成する複数の独立した蓄電池への給電の切り換えを行う。
蓄電状態判定手段２５は、蓄電手段２４のそれぞれの蓄電池の充電状態を判定する。また、蓄電制御手段２６は、蓄電状態判定手段２５からの信号によって蓄電負荷切換手段２３のスイッチングを制御する。蓄電状態判定手段２５によって充電完了が検出された蓄電池は、蓄電制御手段２６からの信号によってスイッチがオフされて給電が停止する。
交流電流ライン４１には、出力負荷切換手段２７と充放電手段２８が接続されている。
ここで、出力負荷切換手段２７は、複数の抵抗２７Ａとそれぞれの抵抗２７Ａの切り換えを行うスイッチ２７Ｂとから構成されている。充放電手段２８は、キャパシタやコンデンサなどの電気を充放電する手段であり、キャパシタが適している。
出力検出手段２９はスターリングエンジン１０の出力を検出し、出力判定手段３０はスターリングエンジン１０の出力負荷を判定し、負荷制御手段３１は出力負荷切換手段２７を制御する。出力検出手段２９は、スターリングエンジン１０の回転数又は電圧を検出することが好ましい。出力判定手段３０は、あらかじめ記憶させた設定値と検出値とを比較し、検出値が設定値を越えるとスターリングエンジン１０の出力が増大し、検出値が設定値を下回るとスターリングエンジン１０の出力が減少したと判断する。検出値と設定値との差に応じて接続する抵抗を段階的に切り換える。

以下に本実施例による制御方法について説明する。
例えば船舶用ディーゼルエンジンの排ガス温度は変動し、この排ガス温度の変動に応じてスターリングエンジン１０の出力が変動する。
排ガス温度が上昇し、スターリングエンジン１０の出力が増大すると、出力検出手段２９での検出値が大きくなる。検出値が大きくなると出力判定手段３０において設定値との差を判定し、差の大きさに応じて接続する抵抗数を判定する。この判定結果に基づいて負荷制御手段３１では、接続する抵抗２７Ａを増加する信号を負荷制御手段３１に出力し、出力負荷切換手段２７では接続する抵抗２７Ａを多くするように切り換えが行われる。出力負荷切換手段２７において、接続する抵抗２７Ａを多くすることで、出力負荷が増大してスターリングエンジン１０の回転数を低下させることができる。
逆に、排ガス温度が低下し、スターリングエンジン１０の出力が減少すると、出力検出手段２９での検出値が小さくなる。検出値が小さくなると出力判定手段３０において設定値との差を判定し、差の大きさに応じて切断する抵抗数を判定する。この判定結果に基づいて負荷制御手段３１では、接続する抵抗２７Ａを減少する信号を負荷制御手段３１に出力し、出力負荷切換手段２７では接続する抵抗２７Ａを少なくするように切り換えが行われる。出力負荷切換手段２７において、接続する抵抗２７Ａを少なくすることで、出力負荷が減少してスターリングエンジン１０の回転数を増加させることができる。
上記のように、排ガス温度に変動を生じても、出力負荷切換手段２７での抵抗負荷を切り換えることで、スターリングエンジン１０の出力を所定範囲内に維持することができ、効率の高い運転を継続することができる。

一方、実用負荷手段２２の運転停止によって、また蓄電負荷切換手段２３の切り換えによって交流−直流変換手段２１の出力側の負荷が変動する。
交流−直流変換手段２１の出力側の負荷が軽くなると、スターリングエンジン１０の出力負荷が軽くなり、スターリングエンジン１０の出力が増加する。
スターリングエンジン１０の出力が増加すると、出力検出手段２９での検出値が大きくなる。検出値が大きくなると出力判定手段３０において設定値との差を判定し、差の大きさに応じて接続する抵抗数を判定する。この判定結果に基づいて負荷制御手段３１では、接続する抵抗２７Ａを増加する信号を負荷制御手段３１に出力し、出力負荷切換手段２７では接続する抵抗２７Ａを多くするように切り換えが行われる。出力負荷切換手段２７において、接続する抵抗２７Ａを多くすることで、出力負荷が増大してスターリングエンジン１０の回転数を低下させることができる。

逆に、交流−直流変換手段２１の出力側の負荷が重くなると、スターリングエンジン１０の出力負荷が増大し、スターリングエンジン１０の出力が減少する。
スターリングエンジン１０の出力が減少すると、出力検出手段２９での検出値が小さくなる。検出値が小さくなると出力判定手段３０において設定値との差を判定し、差の大きさに応じて切断する抵抗数を判定する。この判定結果に基づいて負荷制御手段３１では、接続する抵抗２７Ａを減少する信号を負荷制御手段３１に出力し、出力負荷切換手段２７では接続する抵抗２７Ａを少なくするように切り換えが行われる。出力負荷切換手段２７において、接続する抵抗２７Ａを少なくすることで、出力負荷が減少してスターリングエンジン１０の回転数を増加させることができる。
上記のように、交流−直流変換手段２１の出力側の負荷に変動を生じても、出力負荷切換手段２７での抵抗負荷を切り換えることで、スターリングエンジン１０の出力を所定範囲内に維持することができ、効率の高い運転を継続することができる。
なお、交流−直流変換手段２１の出力側の負荷が急激に増大し、スターリングエンジン１０の出力増加にタイムラグを生じる場合には、本実施例のように充放電手段２８を設けることで、充放電手段２８が放電し、必要とする電力供給量を維持することができる。

本実施例においては、蓄電制御手段２６は、蓄電状態判定手段２５での判定結果だけで蓄電負荷切換手段２３の切り換えを制御する場合を説明したが、負荷制御手段３１からの信号によって蓄電制御手段２６を制御して蓄電負荷切換手段２３での蓄電池への給電を切り換えてもよい。
すなわち、蓄電状態判定手段２５によって充電可能な蓄電池が蓄電手段２４に存在する場合には、スターリングエンジン１０の出力が増大すると、負荷制御手段３１では、蓄電制御手段２６に対して接続する蓄電池を増加させる指示信号を出し、蓄電負荷切換手段２３によって接続する蓄電池を増加させる。逆に、スターリングエンジン１０の出力が減少すると、負荷制御手段３１では、蓄電制御手段２６に対して接続する蓄電池を減少させる指示信号を出し、蓄電負荷切換手段２３によって接続する蓄電池を減少させる。

また、他の実施例として、負荷制御手段３１における切換手段の対象として、蓄電制御手段２６からの信号によって蓄電池への給電を切り換える蓄電負荷切換手段２３と、出力負荷切換手段２７とを併用してもよい。
蓄電負荷切換手段２３と出力負荷切換手段２７とを併用する場合の第１の方法としては、出力判定手段３０での検出値と設定値との差が所定範囲を超える場合には、蓄電負荷切換手段２３を用い、出力判定手段３０での検出値と設定値との差が所定範囲内の場合には、出力負荷切換手段２７を用いるようにしてもよい。
また、蓄電負荷切換手段２３と出力負荷切換手段２７とを併用する場合の第２の方法としては、充電可能な蓄電池が蓄電手段２４に存在する場合には、蓄電負荷切換手段２３による切り換えを行い、充電可能な蓄電池が蓄電手段２４に存在しない場合には、出力負荷切換手段２７を用いるようにしてもよい。
また、蓄電負荷切換手段２３と出力負荷切換手段２７とを併用する場合の第３の方法としては、第１の方法と第２の方法を共に用いるようにしてもよい。
なお、本実施例では、出力負荷切換手段２７と充放電手段２８とを交流電流ライン４１に接続した場合で説明したが、交流−直流変換手段２１の出力側に接続される直流電流ライン４２に接続してもよい。

本発明のスターリングエンジンの制御装置は、廃熱やバイオマスなどの熱源ガスを利用した発電設備に利用することができる。

１０ スターリングエンジン
１１ 発電機
１７ 排ガス管
２１ 交流−直流変換手段
２２ 実用負荷手段
２３ 蓄電負荷切換手段
２４ 蓄電手段
２５ 蓄電状態判定手段
２６ 蓄電制御手段
２７ 出力負荷切換手段
２８ 充放電手段
２９ 出力検出手段
３０ 出力判定手段
３１ 負荷制御手段

Claims (6)

1. スターリングエンジンに連結された発電機と、前記発電機から出力される交流電流から電圧の異なる直流電流に変換する交流−直流変換手段とを備え、前記交流−直流変換手段で変換された直流電流を電力として用いるスターリングエンジンの制御装置であって、前記スターリングエンジンの出力を検出する出力検出手段と、前記出力検出手段で検出した前記出力を設定値と比較して出力状態を判定する出力判定手段と、前記出力判定手段の結果に基づいて前記スターリングエンジンの負荷を変動させる負荷制御手段と、前記負荷制御手段からの信号によって負荷の切り換えを行う負荷切換手段とを備え、前記負荷切換手段では、前記スターリングエンジンの出力が前記設定値より大きくなると前記負荷を大きくし、前記スターリングエンジンの出力が前記設定値より小さくなると前記負荷を小さくし、
   複数の独立した蓄電池からなる蓄電手段と、それぞれの前記蓄電池の充電状態を判定する充電状態判定手段と、前記充電状態判定手段の判定結果と前記負荷制御手段からの信号に基づいて前記蓄電池への充電を制御する蓄電制御手段とを有し、前記負荷切換手段として、前記蓄電制御手段からの信号によって前記蓄電池への給電を切り換える蓄電負荷切換手段を用いることを特徴とするスターリングエンジンの制御装置。
2. スターリングエンジンに連結された発電機と、前記発電機から出力される交流電流から電圧の異なる直流電流に変換する交流−直流変換手段とを備え、前記交流−直流変換手段で変換された直流電流を電力として用いるスターリングエンジンの制御装置であって、前記スターリングエンジンの出力を検出する出力検出手段と、前記出力検出手段で検出した前記出力を設定値と比較して出力状態を判定する出力判定手段と、前記出力判定手段の結果に基づいて前記スターリングエンジンの負荷を変動させる負荷制御手段と、前記負荷制御手段からの信号によって負荷の切り換えを行う負荷切換手段とを備え、前記負荷切換手段では、前記スターリングエンジンの出力が前記設定値より大きくなると前記負荷を大きくし、前記スターリングエンジンの出力が前記設定値より小さくなると前記負荷を小さくし、
   複数の独立した蓄電池からなる蓄電手段と、それぞれの前記蓄電池の充電状態を判定する充電状態判定手段と、前記充電状態判定手段の判定結果と前記負荷制御手段からの信号に基づいて前記蓄電池への充電を制御する蓄電制御手段とを有し、前記負荷切換手段として、前記蓄電制御手段からの信号によって前記蓄電池への給電を切り換える蓄電負荷切換手段と、前記発電機と前記交流−直流変換手段とをつなぐ交流電流ラインに接続される出力負荷切換手段とを用いることを特徴とするスターリングエンジンの制御装置。
3. 前記負荷切換手段として、複数の抵抗とそれぞれの前記抵抗の切り換えを行うスイッチとから構成された出力負荷切換手段を用い、前記出力負荷切換手段を、前記発電機と前記交流−直流変換手段とをつなぐ交流電流ライン又は前記交流−直流変換手段の出力側に接続される直流電流ラインに接続することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンの制御装置。
4. 前記出力検出手段が前記スターリングエンジンの回転数又は電圧を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンの制御装置。
5. キャパシタ又はコンデンサなどの充放電手段を、前記発電機と前記交流−直流変換手段とをつなぐ交流電流ライン又は前記交流−直流変換手段の出力側に接続される直流電流ラインに接続することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンの制御装置。
6. 前記スターリングエンジンの熱源として、船舶用ディーゼルエンジンの排ガスを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンの制御装置。