JP6695784B2 - 発電システム - Google Patents

Description

本発明は、再生可能エネルギー発電機とエンジン発電機とを有する発電システムに関する。

系統電力の供給がない地域や離島などにおいては、エンジン発電機や、ガスタービン発電機などの火力発電機により電力が供給されているが、燃料費が高価であり、発電単価が高くなる。近年、このような地域や離島などに、太陽光や風力などの再生可能エネルギー発電機の導入が進められている。

しかし、再生可能エネルギーは気象条件により発電電力量が影響されるという問題がある。このため、相対的に再生可能エネルギーが多く導入された地域では、電力の安定供給という観点から、再生可能エネルギー発電機と火力発電機との出力調整問題が生じる可能性が指摘されている。例えば、離島において、電力の安定供給確保の観点から、火力発電機の出力抑制などの回避措置を行ったとしても、電気の供給量（発電出力合計）が、その需要量（エリア需要予想）を上回ることが見込まれた場合に、再生可能エネルギー発電機の出力制御指示を行ったことが報告されている。

このような問題を解決するために、特許文献１に記載のハイブリッド発電システムでは、自然エネルギーを用いて電力を生成し、負荷へ供給する分散電源と、電力を負荷へ供給する蓄電池と、常時動作し、一定周波数の交流電力を負荷へ出力する第１のエンジン発電機と、電力不足に高速に応答して電力を負荷へ出力する第２のエンジン発電機と、分散電源、蓄電池、および第２のエンジン発電機の電力を伝送する直流バスと、直流バスと負荷との間に設けられた双方向ＤＣ／ＡＣインバータと、分散電源の発電量の変化または負荷で要求される電力の変化に従って、蓄電池、第１のエンジン発電機、および第２のエンジン発電機を制御する制御部とを備えている。

特開２０１５−５６９４２号公報

しかしながら、特許文献１の発電システムでは、蓄電池および２つのエンジン発電機で発電システムを構成するため、コストが大きくなってしまう。

また、蓄電池を設置しない場合には離島での報告事例のように、再生可能エネルギー発電機による発電出力の一部が無駄になってしまい、火力発電機は低出力領域で運転するため効率が悪くなってしまう。

本発明の目的は、蓄電池を装備せず、かつ再生可能エネルギー発電機による発電出力を有効に活用しながら、火力発電機の低出力運転時の効率低下を抑えることのできる発電システムを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の発電システムは、再生可能エネルギー発電機とエンジン発電機とを備え、エンジン発電機には、その回転をアシストするようにモータが設置され、モータは、再生可能エネルギー発電機からの発電出力により回転する。

本発明によれば、蓄電池を装備せず、かつ再生可能エネルギー発電機による発電出力を有効に活用しながら、火力発電の低出力運転時の効率低下を抑えることができる。

第１の実施形態の発電システムの構成を表す図である。 従来技術によるエンジン発電機システムの構成を表す図である。 従来技術による太陽電池１での発電電力、エンジン６での出力、電力負荷９での需要の経時変化例を表す図である。 第１の実施形態による太陽電池１での発電電力、エンジン６での出力、電力負荷９での需要の経時変化例を表す図である。 モータアシストの有無によるシステム効率の違いを比較した図である。 第２の実施形態の発電システムの構成を表す図である。 第２の実施形態と従来技術による発電機システムのシステム効率を比較した図である。 第３の実施形態の発電システムの構成を表す図である。 第４の実施形態の発電システムの構成を表す図である。 第５の実施形態の発電システムの構成を表す図である。 第１〜５の実施形態として、発電システムのうち、エンジン部分の構成を表す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態の発電システムの構成を表す図である。

本実施形態の発電システムは、太陽電池１と、ＤＣ／ＡＣインバータ２と、電力分配装置３と、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ４と、モータ５と、エンジン６と、発電機７と、回転軸８と、電力負荷９と、制御装置１０とを備える。電力負荷９には、太陽電池１で発電した電力と、モータ５及びエンジン６の動力を利用して発電機７で発電した電力が供給される。

太陽電池１は、再生可能エネルギーである太陽光を用いて発電し、発電した直流電力をＤＣ／ＡＣインバータ２へ出力する。

ＤＣ／ＡＣインバータ２は、太陽電池１が発電した直流電力を商用電力（５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚで、１００Ｖ、２００Ｖもしくは４００Ｖなど）に変換する。

電力分配装置３は、ＤＣ／ＡＣインバータ２から出力される商用電力を、電力負荷９とモータ５に分配して供給する。商用電力の分配割合は制御装置１０で制御される。

ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ４は、電力分配装置３で分配されたＤＣ／ＡＣインバータ２からの商用電力の電圧および周波数を変換して、モータ５へ出力する。

モータ５は、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ４からの電力で回転し、エンジン６の回転をアシストする。

エンジン６は、燃料を燃焼させて得られた燃焼ガスのエネルギーを回転力に変換する。具体的には、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガスエンジン、ガスタービンなどである。

発電機７は、モータ５およびエンジン６により発生した回転力を利用して発電し、電力負荷９へ電力を供給する。ここで供給する電力は、いわゆる商用電力である。そのため、発電機７の極数に合わせて、周波数が５０Ｈｚでは１５００もしくは３０００ｒｐｍ、６０Ｈｚでは１８００もしくは３６００ｒｐｍの一定回転でなければならない。発電機７が一定回転となるように制御装置１０により、モータ５およびエンジン６の回転数が制御される。

回転軸８は、モータ５、エンジン６、および発電機７を連結するための軸である。図１では、モータ５、エンジン６、および発電機７が同一軸で一直線上に配置されているが、モータ５とエンジン６の間、もしくはエンジン６と発電機７の間にギアを設置することも可能である。また、モータ５とエンジン６の間、さらに、エンジン６と発電機７の間にギアを設置することも可能である。ギアを設置することにより、機器を同一軸で一直線上に配置する制約を回避したり、機器の回転数を同一にする制約を回避したりすることが可能である。また、モータ５とエンジン６の間にクラッチを設け、モータ５を駆動しない場合にモータ５とエンジン６を切り離せるように構成してもよい。

電力負荷９は、電力を利用する設備や装置である。具体的には、一般家庭、工場、商業施設、オフィスビルなどが例として挙げられる。
制御装置１０は発電システム全体の動作を制御するものである。制御装置１０では太陽電池１での発電量と電力負荷９の状況に合わせて、電力負荷９とモータ５への電力分配量、モータ５の回転数および出力と、エンジン６の回転数および出力を制御する。電力分配装置３での電力負荷９とモータ５への電力分配は、太陽電池１での発電量が電力負荷９の需要電力に対して一定割合以上になった場合にその超過分をモータ５に分配する方法が一例として挙げられる。モータ５への電力供給時には、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ４を制御して出力となる電圧と周波数を適切に変換し、モータ５の回転数および出力を制御する。そして、電力負荷９での必要電力量と発電機７での電力供給量との差分から生じる周波数変動を発電機７で観測する。ここで、電力負荷９の必要電力量は、電力負荷９の需要電力から、電力分配装置３を介して太陽電池１から供給された電力を差し引いた電力量である。観測された周波数変動に応じて、エンジン６への供給燃料量と空気量を制御してエンジン６の回転数および出力を制御する。

以上のような制御装置１０での制御により、電力負荷９の電力需要量と、太陽電池１から電力負荷９に供給する電力供給量と発電機７の電力供給量の和を一致させるとともに、それらの差分から生じる周波数変動を規定値内に収めることが可能となる。

ここで、従来技術と比較する。図２に本実施形態に対応する従来技術による発電システムの構成を表す。太陽電池１で発電した電力をＤＣ／ＡＣインバータ２を通じて電力負荷９に供給するとともに、エンジン６および発電機７で発電した電力を電力負荷９に供給する。太陽電池１と発電機７との発電量の和と、電力負荷９との差分は、エンジン６および発電機７の発電量で調整をする。

図２に示す従来技術による電力負荷９での需要、太陽電池１での発電電力、エンジン６での出力（発電機７での発電電力）の経時変化例を図３に示す。電力負荷９での需要を満たしつつエンジン６の燃料消費を抑えるためには、再生可能エネルギーである太陽電池１での発電電力をできるだけ利用し、エンジン６および発電機７による発電電力を少なくすれば良い。しかし、エンジン６には、安定に出力するために最低出力が設けられており、この最低出力を下回った運転をエンジン６単体ではできない。そのため、エンジン６の最低出力での発電機７の発電電力と太陽電池１での発電電力との和が、電力負荷９での電力需要を上回った場合、太陽電池１での発電を抑制する措置がとられる。

一方で、図１に示す本実施形態による電力負荷９での需要、太陽電池１での発電電力、エンジン６での出力の経時変化例を図４に示す。太陽電池１で発電された余剰電力でモータ５を回転させてエンジン６の回転を補助することにより、余剰電力を有効活用する。モータ５によってエンジン６の回転が補助されることによって、エンジン６単体での出力が最低負荷を下回っても運転が可能となる。このように本実施形態の発電システムでは、蓄電池が不要な小型、低コストのシステム構成で、太陽電池１の発電電力を有効に活用することができる。また、モータ５を回転させてエンジン６をアシストすることにより、エンジン発電機の発電効率が向上し、燃料の消費削減が可能となる。

具体的にエンジンの回転をモータでアシストした場合の数値シミュレーション結果を図５に示す。図５はエンジンとモータの出力の和が２．３６〜６．２８ｋＷとなるように、モータで常に２．００ｋＷのアシストを与えながらエンジン出力を変化させた場合の結果である。横軸にはエンジンとモータの出力の和を、縦軸にはシステム効率（電力負荷への出力／燃料の燃焼熱量とモータ出力との和）をとっている。モータでアシストすることにより、インバータとモータでエネルギー損失があるにもかかわらず、効率が１．３〜１．６％向上している。

また、エンジン発電機は低出力領域においては回転が不安定になりやすく、効率低下とともに周波数変動に伴う発電電力の質も低下しやすい。例えば、電力負荷９での電力需要量が少ない場合、制御装置１０からエンジン６において気筒停止により出力を下げて燃料消費を削減する方法がとられることもある。気筒停止とは、例えば、８気筒エンジンにおいてその半分の４気筒に燃料を送らず、残り４気筒のみでエンジンを運転する方法である。気筒停止をした場合、エンジンの機械損失が増加することでエンジン効率が低下したり、エンジンの回転が不安定になったりする。これに対して、モータ５を回転させてエンジン６をアシストすることで機械損失を回復させて低出力領域においてもエンジン効率の低下を抑制し、またエンジンの回転を安定化させることで安定した電力供給が可能となる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態の発電システムの構成を表す図である。

本実施形態の発電システムは、太陽電池１と、ＤＣ／ＡＣインバータ２と、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ４と、モータ５と、エンジン６と、発電機７と、回転軸８と、電力負荷９と、制御装置１０とを備える。本実施形態では電力分配装置３を設置せずに太陽電池１で発電した電力をすべてモータ５に供給する構成としている。電力負荷９への電力供給は、モータ５及びエンジン６の動力を利用した発電機７から行われる。

制御装置１０は、電力負荷９の状況に合わせて、モータ５の回転数および出力と、エンジン６の回転数および出力を制御する。具体的な制御方法を以下に記す。

太陽電池１での発電量とモータ５の回転数を観測し、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ４を制御して出力となる電圧と周波数を適切に変換し、モータ５の回転数および出力を制御する。また、電力負荷９での電力需要量と発電機７での電力供給量との差分から生じる周波数変動を発電機７で観測する。観測された周波数変動に応じて、エンジン６への供給燃料量と空気量を制御してエンジン６の回転数および出力を制御する。

以上のような制御装置１０での制御により、電力負荷９の電力需要量と発電機７の電力供給量を一致させるとともに、それらの差分から生じる周波数変動を規定値内に収めることが可能となる。

本実施形態においても太陽電池１で発電した電力をモータ５に供給することで余剰電力が発生せず、太陽電池１の発電電力を有効利用できる。また、実施例１と比較して電力分配装置３での電力分配制御やそのための補器類が不要となり、より簡素なシステム構成、制御で発電機７からの出力を電力負荷９に追従させ、太陽電池１の発電電力を有効利用することができる。

一方、本実施形態の発電システムでは太陽電池１の発電電力はすべてインバータ機器、モータ５等を介して電力負荷９に供給される。そのため、これらの機器類でのエネルギー損失によって実施例１よりもシステム効率は不利になるが、図５に示したようにモータアシストによる発電効率向上によってシステム効率の低下を抑えられる。これにより、従来システムと同等のシステム効率でかつ、相対的に再生可能エネルギーが多く導入された際にはエネルギーの有効利用によるシステム効率の向上、燃料消費量削減が可能となる。

具体的に本実施形態の発電システムと図２に示した従来技術の発電システムにおける数値シミュレーション結果を図７に示す。ここでは、定格出力１００ｋＷの発電システム（定格出力がともに１００ｋＷの太陽電池とエンジンを組み合わせた発電システム）と仮定し、太陽電池の出力を０〜９０ｋＷで変化させ、１００ｋＷに不足する出力をエンジンにより補った場合の結果である。従来技術の発電システムでは、従来方法の形態では、エンジンの最低出力を５０ｋＷと仮定した。一方、本実施形態の発電システムではエンジンの最低出力についての制約はなしと仮定した。ここでシステム効率は、（電力負荷への出力／燃料の燃焼熱量と太陽電池出力との和）で定義される。

いずれの発電システムも太陽電池出力５０ｋＷまではほぼ同等のシステム効率となっており、太陽電池の出力が増大するほどシステム効率が向上している。これは本実施形態の発電システムではインバータ３とモータ５でのエネルギー損失があるものの、モータアシストによる発電効率の向上により、システム効率の低下が抑えられていることを示している。一方、太陽電池出力が５０ｋＷ以上になると従来の発電システムではエンジン出力の最低負荷の制約により、太陽電池出力が５０ｋＷまでしか利用できないことから、システム効率が低下していく。これに対して、本実施形態の発電システムでは５０ｋＷ以上においてもモータアシストすることでシステム効率は向上していく。また、このようにシステム効率が向上することで従来技術よりも燃料消費量を削減することが可能となる。

以上のように、太陽電池１で発電した電力をすべてモータ５に供給する構成においても、再生可能エネルギーを有効利用してシステム効率の向上、燃料消費量の削減が可能となる。

［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態の発電システムの構成を表す図である。

本実施形態の発電システムは、第２の実施形態のＤＣ／ＡＣインバータ２およびＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ４に代えて、ＤＣ／ＡＣインバータ１２を備える。

ＤＣ／ＡＣインバータ１２は、太陽電池１が発生した直流電力を、直接モータ５を制御するための交流電力へと変換する。

制御装置１０は、電力負荷９の状況に合わせて、モータ５の回転数および出力と、エンジン６の回転数および出力を制御する。太陽電池１での発電量とモータ５の回転数を観測し、ＤＣ／ＡＣインバータ１２を制御して出力となる電圧と周波数を適切に変換し、モータ５の回転数および出力を制御する。また、電力負荷９での電力需要量と発電機７での電力供給量との差分から生じる周波数変動を発電機７で観測する。観測された周波数変動に応じて、エンジン６への供給燃料量と空気量を制御してエンジン６の回転数および出力を制御する。以上のような制御により、電力負荷９の電力需要量と発電機７の電力供給量を一致させるとともに、それらの差分から生じる周波数変動を規定値内に収めることが可能となる。

以上のような構成とすることで、第２の実施形態と同様にエンジン６での燃料の消費削減が可能になる。また、インバータ機器が減ることにより、インバータの損失によるシステム効率の低下防止およびシステムコストの低減が可能となる。

［第４の実施形態］
図９は、第４の実施形態の発電システムの構成を表す図である。

本実施形態の発電システムは、第３の実施形態において発電機３１と電力負荷９との間にＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ３２を備える。

ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ３２は、発電機３１で発電した交流電力を、商用電力へと変換し、電力負荷９へ供給する。

制御装置１０は、電力負荷９の状況に合わせて、モータ５の回転数および出力と、エンジン６の回転数および出力を制御する。本実施形態では、第１〜３の実施形態と異なり、発電機３１の回転数は、商用電力に合わせた回転数でなくてもよい。発電機３１により発電された任意の周波数の電力は、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ３２により商用電力の周波数に変換される。このため、モータ５およびエンジン６の回転数は、電力負荷９の状況に合わせて、最も発電効率の良い回転数にすればよい。

さらに具体的には、制御装置１０は、エンジン６の出力、回転数および効率が纏められたデータ群をあらかじめ記憶しておき、電力負荷９の状況に合わせて最も発電効率の高い運転条件を探索してエンジン６を制御する。

以上のような構成とすることで、発電機３１の回転数の制約を受けずにエンジン効率を優先した発電が可能となり、これによってシステム全体としての効率向上が見込める。

［第５の実施形態］
図１０は、第５の実施形態の発電システムの構成を表す図である。

本実施形態の発電システムは、第２の実施形態の太陽電池１と、ＤＣ／ＡＣインバータ２に代えて、風車２１、発電機２２、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ２３を備える。

風車２１は、自然エネルギーである風力を回転力へ変換して発電機２２へ出力する。

発電機２２は、風車２１で得られた回転力を用いて発電し、発電した交流電力をＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ２３へ出力する。

ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ２３は、発電機２２で発電した交流電力を商用電力に変換する。

制御装置１０は、電力負荷９の状況に合わせて、モータ５の回転数および出力と、エンジン６の回転数および出力を制御する。風車２１の発電機２２での発電量とモータ５の回転数を観測し、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ４を制御してモータ５の回転数および出力を制御する。また、電力負荷９での電力使用量と発電機７での電力供給量との差分から生じる周波数変動を発電機７で観測する。観測された周波数変動に応じて、エンジン６への供給燃料量と空気量を制御してエンジン６の回転数および出力を制御する。

以上のように、風車２１と発電機２２およびエンジン６を組み合わせる構成とすることで、発電機７からの出力を電力負荷９に追従させるとともに、エンジン６での燃料の消費削減が可能となる。実施例２の変形例として説明したが、他の実施形態においても同様に太陽電池を風車と発電機に置き換えることが可能である。

［第６の実施形態］
図１１は、第１〜５の実施形態として、発電システムのうち、エンジン部分の構成を表す図である。

本実施形態のエンジン部分は、例えばガソリン、エタノール、軽油、天然ガスなどの燃料（１）１０１と空気１０２をエンジン６へ導入して燃焼させて回転動力を取り出す。燃焼ガス１０３は、動力を取り出した後でも十分なエネルギー（熱量）を持っている。このエネルギーを利用して、反応器５１で燃料（２）１０４の改質反応を生じさせる。燃料（２）１０４としては、例えばエタノールやメタンなどと水の混合物であり、水蒸気改質により例えば水素や一酸化炭素などの改質ガス１０５に変換する。改質ガス１０５は、燃料（１）１０１とともにエンジン６へ導入して燃焼させる。

以上のような構成とすることで、改質反応は吸熱反応であることから、燃焼ガス１０３からエネルギーを回収することになり、エンジンの効率向上に効果がある。

本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。

１ 太陽電池
２ ＤＣ／ＡＣインバータ
３ 電力分配装置
４ ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ
５ モータ
６ エンジン
７ 発電機
８ 回転軸
９ 電力負荷
１０ 制御装置
１２ ＤＣ／ＡＣインバータ
２１ 風車
２２ 発電機
２３ ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ
３１ 発電機
３２ ＡＣ／ＤＣ／ＡＣインバータ
５１ 反応器
１０１ 燃料（１）
１０２ 空気
１０３ 燃焼ガス
１０４ 燃料（２）
１０５ 改質ガス

Claims (3)

1. 再生可能エネルギー発電機と、エンジン発電機と、を備えた発電システムにおいて、
   前記エンジン発電機の回転を補助するモータと、
   前記再生可能エネルギー発電機から出力された電力を電力負荷と前記モータに分配して供給する電力分配装置と、
   前記再生可能エネルギー発電機の発電量と前記電力負荷の状況に合わせて、前記電力分配装置の分配割合を制御する制御装置と、を備え、
   前記モータは、前記再生可能エネルギー発電機からの発電出力により回転することを特徴とする発電システム。
2. 請求項１に記載の発電システムにおいて、
   前記再生可能エネルギー発電機から出力された電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換するインバータを備え、
   前記制御装置は、前記インバータから前記モータに供給する交流電力の電圧及び周波数を制御することで前記モータの回転数および出力を制御することを特徴とする発電システム。
3. 請求項２に記載の発電システムにおいて、
   前記制御装置は前記電力負荷の需要電力量と前記エンジン発電機の電力供給量の差分から生じる周波数変動に基づいて前記エンジン発電機に供給する燃料量および空気量を制御することを特徴とする発電システム。

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