(57)【要約】      （修正有）【課題】独立型バイオマス燃料ストーブ発電装置としてバッテリーの完全放電を防止して、維持管理及びエンジンの始動および発電を確実に行わせる。変動し易いバイオマス燃料ストーブの熱源で発電した電力を効率的にバッテリーに蓄電し、季節や昼・夜に対応して、照明等に効率的に電力を利用できる発電制御システムを構築する。【解決手段】ストーブ２が使用されない場合には、太陽光発電４によりバッテリー６を良好な状態に無人で維持・管理したり、発生した電力を充電コントローラ１６およびＤＣ／ＡＣ変換器を介して適切に電力利用し、非常時や電力が必要でストーブ２を使用した場合には、ストーブ２の燃焼温度が所定の温度に達したことを温度スイッチ手段１７で検知し、予め、太陽電池発電充電回路を遮断し、次いで、スターリングエンジン発電機１の始動を確実に行い、発生した電力を充電コントローラ１６およびＤＣ／ＡＣ変換器を介して適切に電力利用する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス燃料ストーブの燃焼部に設置されたスターリングエンジン発電機と太陽光発電を組み合わせた発電装置において、該ストーブが使用されない場合には、太陽光発電によりバッテリーを良好な状態に無人で維持・管理したり、発生した電力を充電コントローラおよびＤＣ／ＡＣ変換器を介して適切に電力利用でき、そして、非常時や電力が必要でストーブを使用した場合には、該ストーブの燃焼温度が所定の温度に達したことを温度スイッチ手段で検知し、予め、前記太陽電池発電充電回路を遮断し、次いで、スターリングエンジン発電機の始動を確実に行い、発生した電力を前記充電コントローラおよびＤＣ／ＡＣ変換器を介して適切に電力利用できる回路構成としたバイオマス燃料ストーブ発電装置。
【請求項２】
請求項１のバイオマス燃料ストーブ発電装置において、スターリング発電機が稼動している過程で、バッテリーが満充電に近づいたり、或いは、電力利用が急に落ちてスターリングエンジンが無負荷状態になると、負荷側照明を明るく点燈させることで電力を吸収し、エンジンが暴走することを防止するバイオマス燃料ストーブ発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薪、建材、ペレット等のバイオマス燃料を燃やし、ストーブによる屋内暖房と更に、その一部の熱源でスターリングエンジン発電機を駆動し、発生した電力を主にバッテリーに充電し、充電した電力を照明等に利用するシステムであり、
そして、スターリングエンジンの始動はバッテリーに充電された電力をモータに供給することで行い、エンジンとして自立後にはモータを発電機として機能させることで外部商用電源が全く不要な暖房・発電・調理可能な独立システムに関する。
このように独立した暖房・発電・調理可能の特長を活かしたシステムは、山間部、寒冷地および非常用のバイオマス燃料ストーブ発電装置として適用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
特に、バイオマス燃料は長期間の保存ができ、また、建材や山の木といったことから容易に入手できることから山間部での利用や非常用燃料としての利用価値が高く、暖房・発電・調理といった面で、最近、バイオマス燃料で発電する外燃機関であるスターリングエンジン発電機が非常用発電機として注目されている。
ガソリンやジーゼルエンジンのような内燃機関ではバイオマス燃料を全く使用できなく、非常時にライフラインが途切れたりすると燃料の確保が難しい。
また、冬場や寒冷地での災害時には暖房が途絶えると直接生命を脅かすことになる場合が多い。しかも、暖房するのに必要なエネルギー量は大きく、内燃機関を利用した自家発電で長期間の暖房を賄うのは困難とされている。
更に、一般的なバイオマス燃料のストーブの火力で得られる発熱量は、１０，０００〜２０，０００ｋｃａｌ／ｈと余り大きくなく、これを熱源とした発電量は最も高いといわれるスターリングエンジン発電機でも１００Ｗ〜３００Ｗであるため、発電した小電力を効率的に利用することが必要となる。
また、バイオマス燃料は都市ガスのような気体燃料や灯油のような液体燃料と比較すると燃料自体の供給量を制御するのが難しく即応性が全く期待できない。一旦、薪が燃料が燃え出すと火が消えるまで成り行きに任せるしかない。
そのため、このようなバイオマスを燃料とするスターリングエンジン発電では、通常の燃焼制御や出力制御が困難であるために発電した電力を効率的に利用しにくく、普及の障害の一つとなっていた。
また、非常用発電機としては、長期間放置されていても、バッテリーが常に良好な状態に維持されており、バッテリーに蓄電された電力で確実にエンジンが起動し、発電することが要求される。
【０００３】
バイオマス燃料スターリングエンジン発電機で発生した電力は燃料の燃え方や燃焼量で常に変動する。この変動する電力つまり電圧×電流をバッテリーに一旦蓄電し、バッテリーでほぼ直流の定電圧にした上でＤＣ／ＡＣ変換器で１００Ｖに変換して電力利用するのが一般的な方法とされる。
また、発電機での発生電力をバッテリーへ充電するためには変動幅の大きい入力電圧（１０Ｖ〜３０Ｖ）をバッテリー電圧例えば、１２Ｖのバッテリーの場合は１２.５Ｖ〜１４Ｖに調圧する必要があり、この０．５Ｖ〜２Ｖの電位差で充電することとなる。この役目をするのがバッテリー充電コントローラである。
しかしながら、バッテリーへの充電が進行するに従い、この電位差が小さくなり、満充電に近ずき、充電に必要な電力は減少する。また、入力電圧を高くして急速充電しようとすると、バッテリーが満充電に至っていなくても満充電の様相を呈し、充電に必要な電力、つまり、電流が急速に小さくなる。
こういう状態では、スターリングエンジンの負荷が急に減少し、エンジン回転数が急に上がり、エンジンが暴走する。結果、エンジンが破損したり、異常電圧で制御系がパンクするというトラブルが起こる場合がある。
このようなバッテリー充電負荷の急激な変動が生じた場合に、高電圧を検知してダミー負荷に切り替えることが考えられるが、一般的なダミー負荷が抵抗器の場合はエンジン発電機で発生した電力を熱として消費させることとなり、かなりの発電電力の無駄を生じる。
【０００４】
また、発電が不必要な場合でも、燃料が燃えている限り、スターリングエンジン発電機を常に稼動させる必要がある。バイオマス燃料の燃焼による７００℃以上の高温の燃焼ガス中に曝されるエンジンの加熱器は高温腐食や変形の危険があるが、エンジンが稼動していることで加熱器の温度を高くても５００℃に維持でき、エンジンの寿命を延ばす結果となるからである。
このように発電が不要でもエンジン発電機が稼動していることで発電電力の無駄を生じる結果となる。
以上のことから、スターリングエンジンの立ち上がりが確実で、発電力が効率的に利用され、しかも屋内での発電が可能な低公害な暖房兼用の独立型バイオマス燃料ストーブ発電装置は、今後、山間部、寒冷地および非常用に用いられる期待度が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献２】特願２００９−１０７４７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
独立型バイオマス燃料ストーブ発電装置としての一つ目の要件であるバッテリーの完全放電を防止して、維持管理を確実に行うために太陽光発電を組み合わせた発電システムとし、エンジンの始動および発電を確実に行わせる必要がある。二つ目の要件として変動し易いバイオマス燃料ストーブの熱源で発電した電力を効率的にバッテリーに蓄電し、そして、季節や昼・夜に対応して、太陽光発電との組み合わせで、照明、テレビ、ラジオ、携帯の充電、および、冷蔵庫に効率的に電力を利用できる発電制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために、常時、小容量の太陽光発電４でバッテリー６を良好な状態に保ち、余剰電力で負荷側照明１８を点燈させておき、実際に、バイオマス燃料ストーブ発電機１を始動させる場合には、エンジン加熱器１０の温度または代用温度が所定の温度に達したところで、太陽光発電４を切断して、バッテリー６を電源としてモータとして始動を行う。
次いで、エンジン１が自立し、モータが発電機に切り替わり発電を開始する。途中、バッテリー６が満充電に近づいたり、電力利用が落ちてエンジン１が無負荷状態になると、負荷側照明１８を明るく点燈させることでエンジン１が暴走することを防止する。バッテリー６が放電状態の場合には、発生した電圧がバッテリー電圧よりも高くなると充電コントローラ１６により、電圧が調圧されてバッテリー６への充電を開始する。該充電コントローラ１６の負荷側には選択スイッチが数個あり、バッテリー６に蓄電された電力は様々な状況に応じて、照明２８、冷蔵庫２９、テレビ３１、携帯の充電３０等に選択的且つ、効率的に利用される。
また、バイオマス燃料ストーブ２の火が消えると、前記、代用温度が下がり、太陽光発電４によるバッテリー充電に自動的に復帰する。暖房が不要な夏場では太陽光発電４が発電の役目を果たし、そして、長期未使用期間中は太陽光発電４がバッテリーを良好な状態に維持管理する。
【発明の効果】
【０００８】
バイオマス燃料スターリング発電・暖房と太陽光発電との組み合わせ発電の制御により、全ての季節および昼・夜に対応でき、スターリングエンジン発電機の立ち上がりを確実に行い、そして、発生した電力を有効に使用しながら長期間の暖房・発電・調理を確保することが可能となる。また、薪等の燃料は長期間の保存ができ、いざとなれば、建材や木材は入手可能であることから究極の非常用発電機にもなる。
スターリングエンジンは内燃機関とは違い、エンジン音が静粛で有害な排気ガスを排出しないのが特徴であり、そのため、バイオマス燃料ストーブ発電が居住空間に存在しても、騒音や排気ガスで悩ますこともないクリーンな発電を提供することができる。
また、ストーブで燃料が燃えて、スターリングエンジン発電機が稼動する際は、必ず、太陽光発電は切断され、そして、ストーブで暖房が不要な場合は、必ず、太陽光発電が行われるようにし、互いの発電が重複しないようにされていることで、スターリングエンジンの誤作動を防止している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は本発明の全体構成を示す実施例である。
【図２】図２は本発明の制御系の全体を示す実施例である。
【図３】図３は本発明の通常待機時の電力使用の実施例を示す。
【図４】図４は本発明の寒期非常時の電力使用の実施例を示す。
【図５】図５は本発明の夏季使用時の電力使用の実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、薪、建材、および、ペレット等のバイオマス燃料を燃やし、ストーブによる屋内暖房と更に、その燃焼の一部熱源でスターリングエンジン発電機を駆動し、発生した電力を一旦バッテリーに充電し、充電した電力を照明等に効率的に利用する制御系を有し、
そして、太陽光発電で常時管理されるバッテリーでスターリングエンジンの始動を確実に行い、そして、エンジンとして自立後にはモータを発電機として機能させることで外部商用電源が全く不要な暖房・発電・調理可能な独立システムを構成する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の全体を示す。スターリングエンジン発電機１は門柱型の架台３に固定され、柔軟性のある断熱材１５を介し、バイオマス燃料ストーブとは分離されて密閉的に固定されいる。これは、前記エンジン１の稼動時の振動が直接ストーブ２に伝わらない構成とするためである。該エンジン１の始動は発電機１１を起動モータとして働かし、制御系５でバッテリー６の直流電源をモータに接続することで行われる。エンジン１が始動すると、制御系５でモータから発電機への切り替えがされ、発電電力は制御系５を介して、バッテリー６に一旦充電される。そして、ＤＣ／ＡＣ変換器７でＡＣ１００Ｖに変換されて電力利用８される構成となっている。一方、太陽光発電４は制御系５の切り替えによってバッテリー６への直接充電を行い、電力利用が可能な構成となっている。
【００１２】
図２は本発明の制御系の全体を示し、太陽光発電４が発電状態にあり、その発生電力は充電コントローラ１６で１２．５Ｖ〜１４．１Ｖに調圧され、バッテリー６に充電されている状態を示す。この状態は、システムが長期間停止している場合にバッテリー６が放電により機能が失われないように太陽光発電で維持管理されている状態を示す。
次に、ストーブ２に薪等のバイオマス燃料が投入され、着火し、ストーブ２の壁１２の温度が上昇し、所定の例えば、３００℃に達するとエンジン１の加熱器１０の温度もエンジン自立温度に達したとみなされ、温度スイッチ手段１７が入り、更に、リレー２０が作動する。これにより接点２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３が接続され、一方、接点２０ｂ１、２０ｂ２が、切断される構成となっている。つまり、発電機１１から負荷側照明および充電コントローラ１６へ回路が開かれる。この状態から始動ボタン２２を押すとリレー１９が作動し、接点１９ａ１、１９ａ２が接続され、バッテリー６がスターリングエンジン発電機１のモータ１１（発電機１１と同じ）に接続される。そして、エンジン１の自立を確認後に始動ボタン２２が離されると、発電機１１で発電された電力は負荷側照明１８を点燈すると共に電流計２５および電圧計２６を介して、充電コントローラ１６で調圧されてバッテリー６を充電する構成となっている。
【００１３】
図３は本発明の通常待機時の電力使用の実施例を示す。（ストーブおよびエンジン省略）太陽光発電４（１５０Ｗ）が発電状態にあり、発生電力は充電コントローラ１６で１２．５Ｖ〜１４．１Ｖに調圧され、バッテリー６に充電されている状態を示す。いつでもバッテリー６がエンジン１を始動でき独立電源として立ち上げができるようにスタンバイしている状態である。この状態でもバッテリー６は充電のみをするのではなく、或る程度充放電を繰り返す方がバッテリーの寿命が伸びることが知られている。そこで、太陽光発電で発生した電力で冷蔵庫（８０Ｗ）を動かし、備蓄用の食料などを冷蔵するのに利用することが望ましい。更に、短時間の照明（５０Ｗ）やテレビ（５０Ｗ）および携帯の充電（３０Ｗ）に利用しても良い。
【００１４】
図４は本発明の最も必要とされる寒期非常時の電力使用の実施例を示す。スターリングエンジン発電機１が発電（２００Ｗ）しており、エンジンの空冷ファン１５の駆動に１０Ｗ消費されるため正味１９０Ｗの電力を照明（負荷側照明６０Ｗ＋ＡＣ照明５０Ｗ）とテレビ等の情報源として５０Ｗ、更に、時々携帯の充電用に３０Ｗが使用できる。この照明はＬＥＤのものを使用すると３０畳の広さを明るくできる。寒冷時期では冷蔵庫を動かす必要はなくなり、バイオマス燃料により暖房や調理も確保されるため、エンジン発電機の発電出力２００Ｗのみで長期間安全な生活を維持確保できる。
【００１５】
図５は本発明の夏季使用時の電力使用の実施例を示す。（ストーブおよびエンジン省略）暑い季節でのストーブ暖房は不要である。従って、太陽光発電４で昼間に充電したバッテリーの電力のみで夜間の照明、テレビ、携帯の充電に節電しながら利用することが可能である。しかし、曇りや雨天が続き、太陽光発電ができない場合はストーブを屋外に再設置して、スターリングエンジン発電機を稼動させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
このような発電装置は外部電源が全く不要で独立して使用できるため寒冷地の集会所や山小屋や里山生活を楽しむこと等に使用できる。
更には、連続使用が可能な木質ペレット燃料発電を行うことで農業ハウス栽培用温風装置の発電も可能でハウス内の照明やポンプ動力として発生電力を使用することも出来る。
【符号の説明】
【００１７】
１  スターリングエンジン発電機
２  バイオマス燃料ストーブ
３  架台
４  太陽光発電
５  制御系
６  バッテリー
７  ＤＣ／ＡＣ変換器
８  電力利用系
９  お湯利用
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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