JP7471546B1 - Superconducting power generation system - Google Patents
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Abstract
超電導発電システムは、水素ガスタービン(4)と、液体水素が供給され、水素ガスタービン(4)によって駆動される超電導発電機(2)と、超電導発電機(2)に供給された液体水素が気化されて超電導発電機(2)から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置(3)と、を備える。The superconducting power generation system includes a hydrogen gas turbine (4), a superconducting generator (2) that is supplied with liquid hydrogen and driven by the hydrogen gas turbine (4), and a refrigeration device (3) that vaporizes the liquid hydrogen supplied to the superconducting generator (2) and cools the hydrogen gas flowing out of the superconducting generator (2) to re-liquefy it.
Description
本開示は、超電導発電システムに関する。 This disclosure relates to a superconducting power generation system.
近年、超電導線を回転界磁巻線として利用した回転子を備えた発電機が開発されている。超電導線を用いた界線は、超電導状態を維持するために転移温度以下まで冷却する必要がある。冷却のための冷媒として液体水素などが用いられる。液体状態の冷媒は、界磁巻線を含む回転子を冷却した後、伝導伝熱または放射伝熱などの侵入熱により気化する。気化した冷媒は周囲の電機子などの部材を冷却しつつ連通管、または排気孔等により発電機の外へと導かれて回収される(たとえば、非特許文献1を参照)。In recent years, generators have been developed that have rotors that use superconducting wires as rotating field windings. Field windings that use superconducting wires must be cooled to below the transition temperature to maintain the superconducting state. Liquid hydrogen or other refrigerants are used for cooling. After the liquid refrigerant cools the rotor, including the field winding, it vaporizes due to intrusion heat such as conductive heat transfer or radiative heat transfer. The vaporized refrigerant cools the surrounding components such as the armature, and is then guided outside the generator through a connecting pipe or exhaust hole, etc., and collected (see, for example, non-patent document 1).
しかしながら、非特許文献1では、発電機を冷却するために供給する液体水素の量が多くなるという問題がある。なぜなら、超電導発電機から流出した水素ガスのうち、水素ガスタービンの使用量を超える余分な水素ガスは、捨てられるからである。However, in Non-Patent
それゆえに、本開示の目的は、発電機を冷却するための液体水素の供給量を低減することができる超電導発電システムを提供することである。 Therefore, the object of the present disclosure is to provide a superconducting power generation system that can reduce the amount of liquid hydrogen supplied to cool the generator.
本開示の超電導発電システムは、水素ガスタービンと、液体水素が供給され、水素ガスタービンによって駆動される超電導発電機と、超電導発電機に供給された液体水素が気化されて超電導発電機から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置と、を備える。The superconducting power generation system disclosed herein comprises a hydrogen gas turbine, a superconducting generator to which liquid hydrogen is supplied and driven by the hydrogen gas turbine, and a refrigeration device that vaporizes the liquid hydrogen supplied to the superconducting generator and re-liquefies the hydrogen gas by cooling the hydrogen gas flowing out of the superconducting generator.
本開示によれば、発電機を冷却するための液体水素の供給量を低減することができる。 The present disclosure makes it possible to reduce the amount of liquid hydrogen supplied to cool the generator.
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1の超電導発電システムの構成を表わす図である。
Hereinafter, an embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a superconducting power generation system according to the first embodiment.
超電導発電システムは、液体水素貯蔵部1と、超電導発電機2と、磁気冷凍装置3と、水素ガスタービン4と、水素ガス化機構5と、蒸発水素量検出部6と、液体水素供給制御弁7と、水素ガス供給制御弁8と、制御部11と、駆動部12とを備える。The superconducting power generation system comprises a liquid
液体水素貯蔵部1は、管P1と、管P2と接続する。
液体水素供給制御弁7は、ポートA1、A2、A3、A4、A5を備える。ポートA1は、管P1と接続する。ポートA2は、管P2と接続する。ポートA3は、管P3と接続する。ポートA4は、管P5と接続する。ポートA5は、管P4と接続する。
The liquid
The liquid hydrogen
超電導発電機2は、管P3および管P7と接続する。
磁気冷凍装置3は、管P4および管P6と接続する。
The
The magnetic refrigeration device 3 is connected to the pipes P4 and P6.
水素ガス化機構5は、管P5に設けられる。
蒸発水素量検出部6は、管P7に設けられる。
The
The evaporated
水素ガス供給制御弁8は、ポートB1、B2、B3を備える。ポートB1は、管P7と接続する。ポートB2は、管P6と接続する。ポートB3は、管P8と接続する。管P5と管P8が接続する。
The hydrogen gas
水素ガスタービン4は、管P8と接続する。
液体水素貯蔵部1は、液体水素を貯蔵する。
The
The liquid
水素ガスタービン4は、管P8によって供給される水素ガスによって駆動される。
超電導発電機2は、水素ガスタービン4による動力を電力に変換する。超電導発電機2は、超電導導体を含む。管P3によって供給される液体水素の冷熱(沸点約は-20K)を利用して、超電導導体は超電導状態に維持される。液体水素は超電導発電機2内で気化し、管P7に水素ガスが流出する。超電導発電機2は、図示しない固定子と、回転子と有する。固定子と回転子のうちいずれか一方または両方が超電導体で形成されている。磁気冷凍装置3は、管P6によって供給される水素ガスを冷却して、液体水素を管P4に放出する。
The
The
液体水素供給制御弁7は、液体水素貯蔵部1から供給される液体水素を超電導発電機2及び水素ガスタービン4のうちのいずれか一方または両方に供給する。液体水素供給制御弁7のポートA1には、液体水素貯蔵部1から管P1を通して送られる液体水素が流入する。ポートA1から流入した液体水素は、ポートA3とポートA4のうちのいずれか一方または両方から流出される。制御部11は、液体水素のポートA3、A4への流出割合を制御することができる。液体水素供給制御弁7のポートA5には、磁気冷凍装置3から流出された液体水素が流入する。ポートA5に流入した液体水素がポートA2とポートA3のうちのいずれか一方または両方から流出される。制御部11は、液体水素のポートA3、A4への流出割合を制御することができる。The liquid hydrogen
水素ガス供給制御弁8は、超電導発電機2から流出した水素ガスを磁気冷凍装置3および水素ガスタービン4のうちのいずれか一方または両方に供給する。具体的には、水素ガス供給制御弁8のポートB1には、超電導発電機2から流出される水素ガスが流入する。ポートB1から流入した水素ガスは、ポートB2とポートB3のうちのいずれか一方または両方から流出される。制御部11は、水素ガスのポートB2、B3への流出割合を制御する。The hydrogen gas
水素ガス化機構5は、ポートA4から流出され、管P5によって送られる液体水素を水素ガスに変化させる。水素ガス化機構5は、たとえばヒータによって構成することができる。水素ガスは、管P5、および管P8を経由して、水素ガスタービン4に送られる。The
蒸発水素量検出部6は、超電導発電機2から流出した水素ガスの量を検出する。蒸発水素量検出部6は、たとえば、ガスセンサによって構成することができる。The evaporated hydrogen
水素の流れの典型的な例について説明する。
液体水素貯蔵部1から液体水素供給制御弁7を経由して超電導発電機2に供給された液体水素は、超電導発電機2を冷却した後蒸発し、水素ガスとなって超電導発電機2の外部に排出される。
A typical example of hydrogen flow will be described.
The liquid hydrogen supplied from the liquid
水素ガスは、水素ガス供給制御弁8を経由し、一部が、水素ガスタービン4で燃焼され、超電導発電機2の動力となる。残りの水素ガスは、磁気冷凍装置3を通過することで冷却・液化される。液体水素は、液体水素供給制御弁7を経由し、液体水素貯蔵部1に戻る経路と、再び冷却のために超電導発電機2に流れる経路に分かれる。
The hydrogen gas passes through hydrogen gas
制御部11は、超電導発電機2、磁気冷凍装置3、液体水素供給制御弁7、水素ガス供給制御弁8、水素ガス化機構5、蒸発水素量検出部6、および水素ガスタービン4を制御する。
The
駆動部12は、超電導発電機2、および磁気冷凍装置3を駆動する。
図2は、実施の形態1の超電導発電システムの制御手順を表わすフローチャートである。
The
FIG. 2 is a flow chart showing a control procedure of the superconducting power generation system of the first embodiment.
ステップS101において、制御部11は、液体水素供給制御弁7のポートA1に流入した液体水素がポートA3から流出し、ポートA5に流入した液体水素がポートA2とA3から流出するように液体水素供給制御弁7を制御する。これによって、液体水素貯蔵部1から流出した液体水素は超電導発電機2へ供給される。磁気冷凍装置3から流出した液体水素は、超電導発電機2および液体水素貯蔵部1へ供給される。制御部11は、液体水素のポートA2およびポートA3からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部11は、ポートA2およびポートA3のうちの一方のみから液体水素が流出するように制御することとしてもよい。In step S101, the
ステップS102において、制御部11は、外部から発電需要を取得する。
ステップS103において、制御部11は、蒸発水素量検出部6によって検出された超電導発電機2から流出した水素ガスの量を取得する。
In step S102, the
In step S<b>103 , the
ステップS104において、電力の供給過多などで発電を停止する場合、または超電導発電機2を水素ガスタービン4と連結させずに同期調相機として使用する場合には、処理がステップS105に進む。
In step S104, if power generation is stopped due to an excess power supply, or if the
ステップS105において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8のポートB1に流入した水素ガスがポートB2から流出するように水素ガス供給制御弁8を制御する。これによって、水素ガスタービン4は動作を停止し、水素ガスタービン4からの動力が断たれた超電導発電機2は停止する。ポートB2から流出し、磁気冷凍装置3に流入した水素ガスは、磁気冷凍装置3を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。液体水素は、液体水素供給制御弁7のポートA5に流入する。ポートA5に流入した液体水素の一部は、ポートA2を経由して液体水素貯蔵部1に送られ、液体水素の残りは、ポートA3を経由して超電導発電機2に送られる。超電導発電機2は、発電を停止しているにも係わらず、超電導発電機2には液体水素が流入し、液体水素により冷却される。超電導発電機2が一度常温になると、再冷却し再稼働するまでに時間を要する。超電導発電機2が発電を停止しているときにも液体水素による冷却を維持し続けることによって、再稼働するまでの時間を短くすることができる。In step S105, the
ステップS106において、蒸発水素量検出部6によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量よりも多い場合、処理がステップS107に進む。蒸発水素量検出部6によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量と等しいかまたは少ない場合には、処理がステップS108に進む。発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量は、たとえば、発電量と、発電量を発電するのに水素ガスの量との対応関係を定めたテーブルを用いて、特定することができる。In step S106, if the amount of hydrogen gas detected by the evaporated hydrogen
ステップS107において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8のポートB1に流入した水素ガスがポートB2およびポートB3から流出するように水素ガス供給制御弁8を制御する。これによって、水素ガスが、磁気冷凍装置3および水素ガスタービン4に送られる。磁気冷凍装置3に流入した水素ガスは、磁気冷凍装置3を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。制御部11は、蒸発水素量検出部6によって検出された水素ガスの量と、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量との差に応じて、水素ガスのポートB2およびポートB3からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部11は、差が大きいほど、ポートB2から流出される水素ガスの量を多くすることとしてもよい。In step S107, the
ステップS108において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8のポートB1に流入した水素ガスがポートB3から流出するように水素ガス供給制御弁8を制御する。これによって、水素ガスが水素ガスタービン4に送られる。In step S108, the
ステップS109において、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量がまだ不足している場合には、処理がステップS110に進む。
In step S109, if the amount of hydrogen gas required in the
ステップS110において、制御部11は、液体水素供給制御弁7のポートA1に流入した液体水素がポートA3とA4から流出するように液体水素供給制御弁7を制御する。In step S110, the
ステップS111において、制御部11は、水素ガス化機構5をオンに設定する。これによって、液体水素供給制御弁7のポートA4から流出した液体水素が水素ガスに変化して、水素ガスタービン4に送られる。In step S111, the
本実施の形態によれば、水素ガスが磁気冷凍装置3で液化し、再液化水素が液体水素貯蔵部1および超電導発電機2の少なくとも一方に再び供給される。液体水素を超電導発電機2の冷却に用いた後、超電導発電機2から流出する水素ガスを磁気冷凍装置3により再液化することによって、液体水素の消費量を削減することができる。液体水素の再液化量を水素ガス供給制御弁8によって調整することによって、液体水素の需給バランスを反映した最適な再液化量が実現でき、液体水素使用が効率化する。先行文献に記載のシステムでは、超電導発電機から流出した水素ガスのうち、水素ガスタービンの使用量を超える余分な水素ガスは、捨てられていたが、本実施の形態によれば、余分な水素ガスを磁気冷凍装置で再液化して、再利用することができる。According to this embodiment, hydrogen gas is liquefied in the magnetic refrigeration device 3, and the re-liquefied hydrogen is supplied again to at least one of the liquid
実施の形態2.
図3は、実施の形態2の超電導発電システムの構成を表わす図である。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a superconducting power generation system according to the second embodiment.
実施の形態2の超電導発電システムが実施の形態1の超電導発電システムと相違する点は、実施の形態2の超電導発電システムが、超電導発電機2に代えて超電導発電機2Aを備える点である。The superconducting power generation system of
超電導発電機2Aは、固定子13と、超電導回転子14とを備える。
超電導回転子14は、高温超電導体により形成される。
The
The
固定子13は、一般導体で形成される。固定子13を超電導体で形成した場合、固定子13において発生する交流電流によって、固定子13の超電導状態が維持できなくなる場合を考慮して、固定子13を一般導体によって形成されるものとする。The
超電導発電機2Aに流入した液体水素は超電導回転子14を形成する高温超電導体を冷却し、高温超電導体は超電導状態を維持する。液体水素はその後蒸発し、低温(20K以上常温以下)の水素ガスとなり固定子13へ流れて、固定子13を冷却する。固定子13を冷却した水素ガスは昇温し、超電導発電機2Aから流出する。The liquid hydrogen that flows into the
なお、固定子13も高温超電導体により形成されるものとしてもよい。
実施の形態3.
図4は、実施の形態3の超電導発電システムの構成を表わす図である。
The
Embodiment 3
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a superconducting power generation system according to the third embodiment.
実施の形態3の超電導発電システムが実施の形態1の超電導発電システムと相違する点は、実施の形態3の超電導発電システムが、磁気冷凍装置3に代えて磁気冷凍装置3Aを備える点と、液体水素供給制御弁7Aと、管P11、P12、P13とを備える点である。The superconducting power generation system of embodiment 3 differs from the superconducting power generation system of
磁気冷凍装置3Aは、磁気熱量機構15と、磁場発生装置16とを備える。液体水素供給制御弁7Aは、ポートC1、C2、C3を備える。ポートC1は、管P11と接続する。管P11は、液体水素供給制御弁7のポートA3と接続する。ポートC2は、管P3と接続する。ポートC3は、管P12と接続する。管P4は、磁気冷凍装置3Aの磁気熱量機構15と接続する。管P12は、磁気冷凍装置3Aの磁場発生装置16と接続する。管P13は、磁気冷凍装置3Aの磁場発生装置16および管P7と接続する。
The magnetic refrigeration device 3A has a magnetic
液体水素供給制御弁7には、磁気冷凍装置3の磁気熱量機構15及び液体水素貯蔵部1から液体水素が供給される。液体水素供給制御弁7は、超電導発電機2、磁気冷凍装置3Aの磁場発生装置16、および水素ガス化機構5を通じて水素ガスタービン4に供給する液体水素量を調整する。液体水素供給制御弁7のポートA1には、液体水素貯蔵部1から管P1を経由して送られる液体水素が流入する。ポートA1から流入した液体水素は、ポートA3とポートA4のうちのいずれか一方または両方から流出される。また、磁気冷凍装置3Aの液体水素の加熱運転時には、ポートA5からも液体水素が流出して、管P5を通って磁気熱量機構15へ送られる。制御部11は、液体水素のポートA3、A4、A5への流出割合を制御することができる。液体水素供給制御弁7のポートA5には、磁気冷凍装置3Aによる水素ガスの冷却運転時に、磁気熱量機構15から管P4を経由して送られる液体水素が流入する。ポートA5から流入した液体水素は、ポートA2とポートA3のうちのいずれか一方または両方から流出される。制御部11は、液体水素のポートA2、A3への流出割合を制御することができる。Liquid hydrogen is supplied to the liquid hydrogen
液体水素供給制御弁7Aは、超電導発電機2及び磁気冷凍装置3Aに供給する液体水素の量を調整する。ポートC1には、液体水素供給制御弁7のポートA3から管P11を通して液体水素が流入する。ポートC1に流入した液体水素はポートC2とポートC3から流出する。ポートC2から流出した液体水素は、管P3を通って超電導発電機2に送られる。ポートC3から流出した液体水素は、管P12を通って磁場発生装置16に送られる。制御部11は、液体水素のポートC2、C3への流出割合を制御することができる。
The liquid hydrogen
磁場発生装置16は、高温超電導体の超電導コイルで形成される。磁場発生装置16は、高温超電導体の超電導状態を維持するために、ポートA3、ポートC1、ポートC3、管P12を経由して送られる液体水素で冷却される。液体水素は、蒸発気化して、水素ガスとなり、管P13、P7を経由して水素ガス供給制御弁8のポートB1に流れる。The
磁気熱量機構15は、第1ポートPV1と第2ポートPV2とを備える。第1ポートPV1は、管P4によって液体水素供給制御弁7のポートA5と接続する。第2ポートPV2は、管P6によって水素ガス供給制御弁8のポートB2と接続する。磁気熱量機構15は、磁気熱量材料を備える。The
制御部11は、発電需要から算出される必要水素ガス量が不足する場合は、磁気冷凍装置3Aによる液体水素の加熱運転(発熱運転)を選択する。制御部11は、磁気冷凍装置3Aの加熱運転時には、磁気熱量機構15に印加される磁場を昇磁する。制御部11は、磁気冷凍装置3Aの加熱運転時には、磁気熱量機構15の第1ポートPV1から液体水素を磁気熱量機構15に流入させ、加熱され蒸発した水素ガスが磁気熱量機構15の第2ポートPV2から流出するように制御する。これによって、水素ガスタービン4に向かう水素ガス量を増加させる。
When the required amount of hydrogen gas calculated from the power generation demand is insufficient, the
制御部11は、発電需要から算出される必要水素ガス量が余剰する場合は、磁気冷凍装置3Aによる水素ガスの冷却運転(吸熱運転)を選択する。制御部11は、磁気冷凍装置3Aの冷却運転時には、磁気熱量機構15に印加される磁場を減磁する。制御部11は、磁気冷凍装置3Aの冷却運転時には、磁気熱量機構15の第2ポートPV2から水素ガスを磁気熱量機構15に流入させ、液化した液体水素が磁気熱量機構15の第1ポートPV1から流出するように制御する。これによって、余剰の水素ガスを液体水素に再液化し、液体水素貯蔵部1に戻すことができる。
When the required amount of hydrogen gas calculated from the power generation demand is surplus, the
磁場発生装置16は、コイルに流れる電流を変化させることによって、磁気熱量機構15に印加される磁場を昇磁または減磁することができる。あるいは、磁気熱量機構15を移動させることによって、磁気熱量機構15に印加される磁場を昇磁または減磁してもよい。The magnetic
図5は、実施の形態3の超電導発電システムの制御手順を表わすフローチャートである。 Figure 5 is a flowchart showing the control procedure of the superconducting power generation system of embodiment 3.
ステップS201において、制御部11は、初期状態として磁気冷凍装置3Aの冷却運転を選択する。In step S201, the
ステップS202において、制御部11は、液体水素供給制御弁7のポートA1に流入した液体水素がポートA3から流出し、ポートA5に流入した液体水素がポートA2とA3から流出するように液体水素供給制御弁7を制御する。これによって、液体水素貯蔵部1から流出した液体水素は液体水素供給制御弁7Aへ供給される。磁気冷凍装置3Aから流出した液体水素は、液体水素供給制御弁7Aおよび液体水素貯蔵部1へ供給される。制御部11は、液体水素のポートA2およびポートA3からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部11は、ポートA2およびポートA3のうちの一方のみから液体水素が流出するように制御することとしてもよい。In step S202, the
ステップS203において、制御部11は、液体水素供給制御弁7AのポートC1に流入した液体水素がポートC2、C3から流出するように液体水素供給制御弁7Aを制御する。これによって、液体水素供給制御弁7Aから流れてくる液体水素は超電導発電機2および磁場発生装置16へ供給される。In step S203, the
ステップS204において、制御部11は、外部から発電需要を取得する。
ステップS205において、制御部11は、蒸発水素量検出部6によって検出された超電導発電機2から流出した水素ガスの量を取得する。
In step S204, the
In step S205, the
ステップS206において、電力の供給過多などで発電を停止する場合、または超電導発電機2を水素ガスタービン4と連結させずに同期調相機として使用する場合には、処理がステップS207に進む。
In step S206, if power generation is stopped due to an excess supply of electricity, or if the
ステップS207において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8のポートB1に流入した水素ガスがポートB2から流出するように水素ガス供給制御弁8を制御する。これによって、水素ガスタービン4は動作を停止し、水素ガスタービン4からの動力が断たれた超電導発電機2は停止する。ポートB2から流出し、磁気冷凍装置3Aの磁気熱量機構15に流入した水素ガスは、磁気冷凍装置3を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。液体水素は、液体水素供給制御弁7のポートA5に流入する。ポートA5に流入した液体水素の一部は、ポートA2を経由して液体水素貯蔵部1に送られ、液体水素の残りは、ポートA3を経由して液体水素供給制御弁7AのポートC1に送られる。ポートC1に流入した液体水素は、ポートC2から超電導発電機2に送られ、ポートC3から磁場発生装置16に送られる。超電導発電機2は、発電を停止しているにも係わらず、超電導発電機2には液体水素が流入し、液体水素により冷却される。超電導発電機2が一度常温になると、再冷却し再稼働するまでに時間を要する。超電導発電機2が発電を停止しているときにも液体水素による冷却を維持し続けることによって、再稼働するまでの時間を短くすることができる。In step S207, the
ステップS208において、蒸発水素量検出部6によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量よりも多い場合、処理がステップS209に進む。蒸発水素量検出部6によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量と等しいかまたは少ない場合には、処理がステップS210に進む。発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量は、たとえば、発電量と、発電量を発電するのに水素ガスの量との対応関係を定めたテーブルを用いて、特定することができる。In step S208, if the amount of hydrogen gas detected by the evaporated hydrogen
ステップS209において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8のポートB1に流入した水素ガスがポートB2およびポートB3から流出するように水素ガス供給制御弁8を制御する。これによって、水素ガスが、磁気冷凍装置3Aの磁気熱量機構15および水素ガスタービン4に送られる。磁気熱量機構15に流入した水素ガスは、磁気熱量機構15を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。制御部11は、蒸発水素量検出部6によって検出された水素ガスの量と、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量との差に応じて、水素ガスのポートB2およびポートB3からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部11は、差が大きいほど、ポートB2から流出される水素ガスの量を多くすることとしてもよい。In step S209, the
ステップS210において、制御部11は、磁気冷凍装置3Aの加熱運転を選択する。
ステップS211において、制御部11は、液体水素供給制御弁7のポートA1に流入した液体水素がポートA3とA5から流出するように液体水素供給制御弁7を制御する。液体水素貯蔵部1から流出した液体水素は液体水素供給制御弁7Aおよび磁気熱量機構15へ供給される。磁気熱量機構15の第1ポートPV1へ流入した液体水素は、加熱され蒸発した水素ガスとなり、磁気熱量機構15の第2ポートPV2から流出する。第2ポートPV2から流出した水素ガスは、管P6を通って、水素ガス供給制御弁8のポートB2に流入する。
In step S210, the
In step S211, the
ステップS212において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8のポートB1に流入した水素ガスがポートB3から流出し、ポートB2に流入した水素ガスがポートB3から流出するように水素ガス供給制御弁8を制御する。これによって、水素ガスが水素ガスタービン4に送られる。In step S212, the
ステップS213において、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量がまだ不足している場合には、処理がステップS214に進む。
In step S213, if the amount of hydrogen gas required in the
ステップS214において、制御部11は、液体水素供給制御弁7のポートA1に流入した液体水素がポートA3とA4とA5から流出するように液体水素供給制御弁7を制御する。In step S214, the
ステップS215において、制御部11は、水素ガス化機構5をオンに設定する。これによって、液体水素供給制御弁7のポートA4から流出した液体水素が水素ガスに変化して、水素ガスタービン4に送られる。In step S215, the
実施の形態4.
図6は、実施の形態4の超電導発電システムの構成を表わす図である。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a superconducting power generation system according to the fourth embodiment.
実施の形態4の超電導発電システムが実施の形態3の超電導発電システムと相違する点は、実施の形態4の超電導発電システムが、水素ガス供給制御弁8に代えて水素ガス供給制御弁8A、8Bを備える点と、液体水素供給制御弁7Bと、管P14、P15、P16、P17とを備える点である。The superconducting power generation system of
液体水素供給制御弁7Bは、ポートD1、D2、D3を含む。ポートD1は、管P14と接続する。ポートD2は、管P15と接続する。管P15は、磁気熱量機構15の第1ポートPV1と接続する。ポートD3は、管P5と接続する。
The liquid hydrogen
水素ガス供給制御弁8Aは、ポートE1、E2、E3、E4を含む。ポートE1は、管P7と接続する。ポートE2は、管P6と接続する。ポートE3は、管P16と接続する。管P16は、磁気熱量機構15の第2ポートPV2と接続する。ポートE4は、管P17と接続する。管P17は、水素ガス供給制御弁8Bと接続する。
The hydrogen gas
水素ガス供給制御弁8Bは、ポートF1、F2、F3と接続する。ポートF1は、管P17と接続する。ポートF2は、管P8と接続する。ポートF3は、管P5と接続する。
Hydrogen gas
液体水素供給制御弁7BのポートD1には、液体水素供給制御弁7のポートA4から液体水素が流入する。流入した液体水素は、ポートD2とポートD3のうちのいずれか一方または両方から流出される。ポートD2から流出した液体水素は、管P15を通って、磁気熱量機構15の第1ポートPV1に流入する。磁気熱量機構15の第2ポートPV2から水素ガスが流出して、管P16を通って、水素ガス供給制御弁8AのポートE3に流入する。制御部11は、液体水素のポートD2、D3への流出割合を制御することができる。
Liquid hydrogen flows into port D1 of liquid hydrogen
水素ガス供給制御弁8AのポートE1には、超電導発電機2および磁場発生装置16から流出される水素ガスが流入する。ポートE1から流入した水素ガスは、ポートE4から流出される。磁気冷凍装置3Aの冷却運転時には、ポートE1から流入した水素ガスは、ポートE2からも流出する。制御部11は、水素ガスのポートE2、E4への流出割合を制御することができる。ポートE2から流出した水素ガスは、磁気熱量機構15の第4ポートPV4に流入する。磁気熱量機構15内で水素ガスが冷却され、液体水素が磁気熱量機構15の第3ポートPV3から流出する。第3ポートPV3から流出した液体水素は、管P4を通って、液体水素供給制御弁7のポートA5に流入する。磁気冷凍装置3Aの加熱運転時には、磁気熱量機構15の第2ポートPV2から流出した水素ガスは、管P16を通ってポートE3に流入する。ポートE3に流入した水素ガスは、ポートE4から流出して、管P17を通って、水素ガス供給制御弁8BのポートF1に流入する。Hydrogen gas flowing out from the
水素ガス供給制御弁8BのポートF1に流入した水素ガスは、ポートF2から流出する。水素ガス供給制御弁8BのポートF3に流入した水素ガスは、ポートF2から流出する。Hydrogen gas that flows into port F1 of the hydrogen gas
図7は、実施の形態4の超電導発電システムの制御手順を表わすフローチャートである。
Figure 7 is a flowchart showing the control procedure of the superconducting power generation system of
ステップS301において、制御部11は、初期状態として磁気冷凍装置3Aの冷却運転を選択する。In step S301, the
ステップS302において、制御部11は、液体水素供給制御弁7のポートA1に流入した液体水素がポートA3から流出し、ポートA5に流入した液体水素がポートA2とA3から流出するように液体水素供給制御弁7を制御する。これによって、液体水素貯蔵部1から流出した液体水素は液体水素供給制御弁7Aへ供給される。磁気冷凍装置3Aから流出した液体水素は、液体水素供給制御弁7Aおよび液体水素貯蔵部1へ供給される。制御部11は、液体水素のポートA2およびポートA3からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部11は、ポートA2およびポートA3のうちの一方のみから液体水素が流出するように制御することとしてもよい。In step S302, the
ステップS303において、制御部11は、液体水素供給制御弁7AのポートC1に流入した液体水素がポートC2、C3から流出するように液体水素供給制御弁7Aを制御する。これによって、液体水素供給制御弁7Aから流れてくる液体水素は超電導発電機2および磁場発生装置16へ供給される。In step S303, the
ステップS304において、制御部11は、外部から発電需要を取得する。
ステップS305において、制御部11は、蒸発水素量検出部6によって検出された超電導発電機2から流出した水素ガスの量を取得する。
In step S304, the
In step S305 , the
ステップS306において、電力の供給過多などで発電を停止する場合、または超電導発電機2を水素ガスタービン4と連結させずに同期調相機として使用する場合には、処理がステップS307に進む。
In step S306, if power generation is stopped due to an excess power supply, or if the
ステップS307において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8AのポートE1に流入した水素ガスがポートE2から流出するように水素ガス供給制御弁8Aを制御する。これによって、水素ガスタービン4は動作を停止し、水素ガスタービン4からの動力が断たれた超電導発電機2は停止する。ポートE2から流出し、磁気冷凍装置3Aの磁気熱量機構15の第4ポートPV4に流入した水素ガスは、磁気熱量機構15を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。液体水素は、磁気熱量機構15の第3ポートPV3から流出されて、管P4を通って液体水素供給制御弁7のポートA5に流入する。ポートA5に流入した液体水素の一部は、ポートA2を経由して液体水素貯蔵部1に送られ、液体水素の残りは、ポートA3を経由して超電導発電機2に送られる。超電導発電機2は、発電を停止しているにも係わらず、超電導発電機2には液体水素が流入し、液体水素により冷却される。超電導発電機2が一度常温になると、再冷却し再稼働するまでに時間を要する。超電導発電機2が発電を停止しているときにも液体水素による冷却を維持し続けることによって、再稼働するまでの時間を短くすることができる。In step S307, the
ステップS308において、蒸発水素量検出部6によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量よりも多い場合、処理がステップS309に進む。蒸発水素量検出部6によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量と等しいかまたは少ない場合には、処理がステップS310に進む。発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量は、たとえば、発電量と、発電量を発電するのに水素ガスの量との対応関係を定めたテーブルを用いて、特定することができる。In step S308, if the amount of hydrogen gas detected by the evaporated hydrogen
ステップS309において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8AのポートE1に流入した水素ガスがポートE2およびポートE4から流出するように水素ガス供給制御弁8Aを制御する。これによって、水素ガスが、磁気冷凍装置3Aの磁気熱量機構15および水素ガス供給制御弁8Bに送られる。磁気冷凍装置3Aの磁気熱量機構15の第4ポートPV4に流入した水素ガスは、磁気熱量機構15を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。液体水素は、磁気熱量機構15の第3ポートPV3から流出されて、管P4を通って液体水素供給制御弁7のポートA5に流入する。ポートA5に流入した液体水素の一部は、ポートA2を経由して液体水素貯蔵部1に送られ、液体水素の残りは、ポートA3を経由して液体水素供給制御弁7AのポートC1に送られる。ポートC1に流入した液体水素は、ポートC2から超電導発電機2に送られ、ポートC3から磁場発生装置16に送られる。制御部11は、蒸発水素量検出部6によって検出された水素ガスの量と、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量との差に応じて、水素ガスのポートE2およびポートE4からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部11は、差が大きいほど、ポートE2から流出される水素ガスの量を多くすることとしてもよい。In step S309, the
ステップS310において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8BのポートF1に流入した水素ガスがポートF2から流出するように水素ガス供給制御弁8Aを制御する。これによって、水素ガスが、水素ガスタービン4に送られる。In step S310, the
ステップS311において、制御部11は、磁気冷凍装置3Aの加熱運転を選択する。
ステップS312において、制御部11は、液体水素供給制御弁7のポートA1に流入した液体水素がポートA3とA5から流出するように液体水素供給制御弁7を制御する。液体水素貯蔵部1から流出した液体水素は液体水素供給制御弁7Aおよび液体水素供給制御弁7Aへ供給される。
In step S311, the
In step S312, the
ステップS313において、制御部11は、液体水素供給制御弁7BのポートD1に流入した液体水素がポートD2から流出するように液体水素供給制御弁7Bを制御する。ポートD2から流出した液体水素は、磁気熱量機構15の第1ポートPV1へ流入する。磁気熱量機構15内で液体水素は、加熱され蒸発した水素ガスとなり、磁気熱量機構15の第2ポートPV2から流出する。第2ポートPV2から流出した水素ガスは、管P6を通って、水素ガス供給制御弁8AのポートE3に流入する。In step S313, the
ステップS314において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8AのポートE1に流入した水素ガスがポートE4から流出し、ポートE3に流入した水素ガスがポートE4から流出するように水素ガス供給制御弁8Aを制御する。これによって、水素ガスが水素ガス供給制御弁8BのポートF1に送られる。In step S314, the
ステップS315において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8BのポートF1に流入した水素ガスがポートF2から流出するように水素ガス供給制御弁8Bを制御する。これによって、水素ガスが水素ガスタービン4に送られる。In step S315, the
ステップS316において、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン4において必要な水素ガスの量がまだ不足している場合には、処理がステップS317に進む。
In step S316, if the amount of hydrogen gas required in the
ステップS317において、制御部11は、液体水素供給制御弁7のポートA1に流入した液体水素がポートA3とA4とA5から流出するように液体水素供給制御弁7を制御する。ポートA4から流出した液体水素は、管P15を通って液体水素供給制御弁7BのポートD1に流入する。In step S317, the
ステップS318において、制御部11は、液体水素供給制御弁7BのポートD1に流入した液体水素がポートD2とD3とから流出するように液体水素供給制御弁7Bを制御する。ポートD3から流出した液体水素は、管P5を流れる。水素ガス化機構5によって液体水素は水素ガスに変化し、水素ガス供給制御弁8BのポートF3に流入する。In step S318, the
ステップS319において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8BのポートF3に流入した水素ガスがポートF2から流出するように水素ガス供給制御弁8Bを制御する。これによって、水素ガスが水素ガスタービン4に送られる。In step S319, the
ステップS320において、制御部11は、水素ガス化機構5をオンに設定する。これによって、液体水素供給制御弁7のポートA4から流出した液体水素が水素ガスに変化して、水素ガスタービン4に送られる。In step S320, the
変形例.
上述の実施形態では、ステップS107、およびS209において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8のポートB1に流入した水素ガスがポートB2およびポートB3から流出するように水素ガス供給制御弁8を制御したが、これに限定するものではない。制御部11は、水素ガス供給制御弁8のポートB1に流入した水素ガスがポートB2から流出するように水素ガス供給制御弁8を制御してもよい。上述の実施形態では、ステップS309において、制御部11は、水素ガス供給制御弁8AのポートE1に流入した水素ガスがポートE2およびポートE4から流出するように水素ガス供給制御弁8Aを制御したが、これに限定するものではない。制御部11は、水素ガス供給制御弁8AのポートE1に流入した水素ガスがポートE2から流出するように水素ガス供給制御弁8Aを制御してもよい。
Variant examples.
In the above embodiment, in steps S107 and S209, the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。The embodiments disclosed herein should be considered to be illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present disclosure is indicated by the claims, not the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
1 液体水素貯蔵部、2,2A 超電導発電機、3,3A 磁気冷凍装置、4 水素ガスタービン、5 水素ガス化機構、6 蒸発水素量検出部、7,7A,7B 液体水素供給制御弁、8,8A,8B 水素ガス供給制御弁、11 制御部、12 駆動部、13 固定子、14 超電導回転子、15 磁気熱量機構、16 磁場発生装置。 1 Liquid hydrogen storage section, 2, 2A Superconducting generator, 3, 3A Magnetic refrigeration device, 4 Hydrogen gas turbine, 5 Hydrogen gasification mechanism, 6 Evaporated hydrogen amount detection section, 7, 7A, 7B Liquid hydrogen supply control valve, 8, 8A, 8B Hydrogen gas supply control valve, 11 Control section, 12 Drive section, 13 Stator, 14 Superconducting rotor, 15 Magneto-caloric mechanism, 16 Magnetic field generating device.
Claims (13)
液体水素が供給され、前記水素ガスタービンによって駆動される超電導発電機と、
前記超電導発電機に供給された前記液体水素が気化されて前記超電導発電機から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置と、
前記超電導発電機から流出される水素ガスを前記冷凍装置および前記水素ガスタービンのうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成された第1の弁とを備えた、超電導発電システム。 A hydrogen gas turbine;
a superconducting generator supplied with liquid hydrogen and driven by the hydrogen gas turbine;
a refrigeration device that vaporizes the liquid hydrogen supplied to the superconducting generator and cools the hydrogen gas flowing out of the superconducting generator to re-liquefy the hydrogen;
a first valve configured to be able to supply hydrogen gas flowing out from the superconducting generator to either one or both of the refrigeration device and the hydrogen gas turbine.
液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵部と、
前記液体水素貯蔵部から流出される液体水素を前記超電導発電機および前記水素ガスタービンのうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成され、かつ、前記冷凍装置から流出される液体水素を前記超電導発電機および前記液体水素貯蔵部のうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成された第2の弁を備えた請求項1記載の超電導発電システム。 The superconducting power generation system further comprises:
a liquid hydrogen storage unit for storing liquid hydrogen;
2. The superconducting power generation system according to claim 1, further comprising a second valve configured to be able to supply liquid hydrogen flowing out from the liquid hydrogen storage unit to either one or both of the superconducting generator and the hydrogen gas turbine, and to supply liquid hydrogen flowing out from the refrigeration device to either one or both of the superconducting generator and the liquid hydrogen storage unit.
液体水素が供給され、前記水素ガスタービンによって駆動される超電導発電機と、a superconducting generator supplied with liquid hydrogen and driven by the hydrogen gas turbine;
前記超電導発電機に供給された前記液体水素が気化されて前記超電導発電機から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置と、a refrigeration device that vaporizes the liquid hydrogen supplied to the superconducting generator and cools the hydrogen gas flowing out of the superconducting generator to re-liquefy the hydrogen;
液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵部と、a liquid hydrogen storage unit for storing liquid hydrogen;
前記液体水素貯蔵部から流出される液体水素を前記超電導発電機および前記水素ガスタービンのうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成され、かつ、前記冷凍装置から流出される液体水素を前記超電導発電機および前記液体水素貯蔵部のうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成された第2の弁とを備えた、超電導発電システム。a second valve configured to be able to supply liquid hydrogen flowing out from the liquid hydrogen storage unit to either one or both of the superconducting generator and the hydrogen gas turbine, and to supply liquid hydrogen flowing out from the refrigeration device to either one or both of the superconducting generator and the liquid hydrogen storage unit.
超電導体により形成された回転子と、
通常導体により形成された固定子と、を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の超電導発電システム。 The superconducting generator comprises:
a rotor formed of a superconductor;
4. The superconducting power generation system according to claim 1, further comprising: a stator formed of a normal conductor.
前記固定子は、前記液体水素が気化された水素ガスによって冷却される、請求項4記載の超電導発電システム。 the rotor is cooled by the liquid hydrogen;
5. The superconducting power generation system according to claim 4, wherein the stator is cooled by hydrogen gas obtained by vaporizing the liquid hydrogen.
超電導体により形成された磁場発生装置と、
印加される磁場の増加により発熱し、印加される磁場の減少により吸熱を行う磁気熱量機構と、を含む、請求項2に記載の超電導発電システム。 The refrigeration device includes:
A magnetic field generating device formed of a superconductor;
3. The superconducting power generation system according to claim 2 , further comprising a magnetocaloric mechanism that generates heat when an applied magnetic field is increased and absorbs heat when the applied magnetic field is decreased.
前記制御部は、前記冷却動作時には、前記第1の弁から前記水素ガスを前記磁気熱量機構に流入させ、前記加熱動作時には、前記第2の弁から前記液体水素を前記磁気熱量機構に流入させる、請求項9記載の超電導発電システム。 the second valve is configured to be able to supply liquid hydrogen flowing out from the liquid hydrogen storage unit to the magnetocaloric mechanism;
10. The superconducting power generation system according to claim 9, wherein the control unit causes the hydrogen gas to flow into the magnetocaloric mechanism from the first valve during the cooling operation, and causes the liquid hydrogen to flow into the magnetocaloric mechanism from the second valve during the heating operation.
前記蒸発水素量検出部によって検出された蒸発水素量によって前記第1の弁から前記冷凍装置へ向かう流量と前記水素ガスタービンへ向かう流量を調整する、請求項1または2に記載の超電導発電システム。 an evaporated hydrogen amount detector provided in a pipe for connecting the superconducting generator and the refrigeration device;
3. The superconducting power generation system according to claim 1 , wherein a flow rate from said first valve to said refrigeration device and a flow rate from said first valve to said hydrogen gas turbine are adjusted based on the amount of evaporated hydrogen detected by said evaporated hydrogen amount detection unit.
液体水素が供給され、前記水素ガスタービンによって駆動される超電導発電機と、a superconducting generator supplied with liquid hydrogen and driven by the hydrogen gas turbine;
前記超電導発電機に供給された前記液体水素が気化されて前記超電導発電機から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置とを備え、a refrigeration device that vaporizes the liquid hydrogen supplied to the superconducting generator and cools the hydrogen gas flowing out of the superconducting generator to re-liquefy the hydrogen,
前記冷凍装置は、The refrigeration device includes:
超電導体により形成された磁場発生装置と、A magnetic field generating device formed of a superconductor;
印加される磁場の増加により発熱し、印加される磁場の減少により吸熱を行う磁気熱量機構と、を含む、超電導発電システム。a magnetocaloric mechanism that generates heat when an applied magnetic field increases and absorbs heat when the applied magnetic field decreases.
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