(57)【要約】      （修正有）【課題】可燃性ガスを燃焼させて得られた熱源により、水を加熱して生成された蒸気でタービンを回転させ、タービンに連動する発電機を回転させる方式の発電システムを提供する。【解決手段】蒸気タービン方式常用発電システムは、可燃性ガスを供給する可燃性ガス供給装置２と、可燃性ガスをバーナーで燃焼させて高温高圧の蒸気を発生させる水管ボイラー３と、水管ボイラー３の熱及び圧力を回転運動に転換する蒸気タービン４と、蒸気タービン４で発生させた回転運動の回転速度を減速調整し回転トルクを増強させる回転減速装置５と、回転減速装置５で減速調整された回転速度及び回転トルクにて定速回転で動作する交流発電機６と、交流発電機６で発電される交流電力を直流電力に変換する整流器７と、整流器７で発生させた直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ８を備えている。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
可燃性ガスを供給する可燃性ガス供給装置と、
前記可燃性ガスを燃料として燃焼させるバーナーを備えており、前記可燃性ガスを燃焼させることにより高温高圧の蒸気を発生させる水管ボイラーと、
前記水管ボイラーの熱、及び圧力を回転運動に転換する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで発生させた該回転運動の回転速度を減速調整すると共に、回転トルクを増強させる回転減速装置と、
前記回転減速装置で減速調整された回転速度、及び増強された回転トルクにて定速回転で動作する交流発電機と、
前記交流発電機で発電される交流電力を整流し、直流電力に変換する整流器と、
前記整流器で発生させた直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナを備えていることを特徴とする蒸気タービン方式常用発電システム。
【請求項２】
前記可燃性ガス供給装置、前記水管ボイラー、前記蒸気タービン、前記回転減速装置、前記交流発電機、前記整流器には、ステータスセンサが設置されており、該ステータスセンサは、ＬＡＮ／光ファイバーによるデータ通信機能を備えることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン方式常用発電システム。
【請求項３】
前記パワーコンディショナの出力を電力会社の商用電源系に接続する系統接続手段を備えており、自家使用の電源に電力余剰が生じた際、売電する手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気タービン方式常用発電システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、可燃性ガス（バイオガス、バイオ由来の気化ガス、水素等）を燃焼させることにより得られた熱源により、水を加熱して生成された蒸気でタービンを回転させ、タービンに連動する交流発電機を回転させる方式による発電システム、即ち、蒸気タービン方式常用発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
東日本大震災に伴う電力需給の逼迫を契機に、従来の省エネルギー政策の強化だけでなく、電力の需給バランスを意識したエネルギー管理を行うことの重要性が強く認識され始めている。このような背景から、電力供給源の形態が、大規模集中型から小規模分散型へ移行しようとする動きもあり、その中でも小型の蒸気タービン発電機は、次世代分散型発電システムのひとつとして注目されつつある。尚、分散型発電システムとは、小規模の発電システムのことで、送電が困難な離島や、（一般家庭との比較において）多くの電気を使用する工場等の自家発電や、病院等の非常用電源に用いられる電源のことである。
【０００３】
一方で、大型の発電所の設備では、火力発電、原子力発電を問わず、熱源で水を加熱して生成された蒸気で水蒸気タービンを回し、発電機を回転させる方式が採用されているが、技術的な困難性により、小型の発電装置であって同様の構成で動作する発電機は実用化されていなかった。さらに、カメラ・センサ等におけるＩｏＴ（モノのインターネット）を活用した高度なＩＴ制御により、遠隔から管理・統合制御することで、無人の小型発電所の設立に貢献することも考えられている。
【０００４】
特許文献１には、「畜産廃棄物を燃料として燃焼させガス熱の高温気流によりスターリングエンジン発電機により電力を得ることができ、かつ畜産廃棄物をエネルギー原料にすることで畜産廃棄物の減容できるスターリングエンジンを用いた小型発電装置を提供する。（特許文献１：要約）」ことを課題として、高温気流を発生させるバーナー燃料としてバイオマス燃料を使用しており、外部空間から遮断された高温室を形成する耐熱容器内にバーナーとスターリングエンジン発電機を装着した発電装置であって、該耐熱容器内はバーナーからの高温気流が旋回できる円形構造をもち、バーナー部分構造で旋回気流を起こし該耐熱用容器内壁に沿って上昇旋回し、高温気流が上昇し達した上部にスターリングエンジン発電機の吸熱部があることを特徴とする、スターリングエンジンを用いた小型発電装置（特許文献１：発明の名称）が、開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１９−０７４０７３号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に係るスターリングエンジンを用いた小型発電装置（特許文献１：発明の名称）は、畜産廃棄物を燃料として燃焼させる方式であることより、例えば、可燃性ガスを燃焼させて（高圧高温の）蒸気を得る方式との比較において、得られる温度（及び圧力）が低く、そのため低速度での回転力しか望めず、実用化できる程度の発電効果を奏することができないものと思われる。しかも、今後の世の中の流れである省人化・無人化への流れに対応できる発電システム、いわゆる無人発電所を考慮すべきである。発明者らは、鋭意研究開発を重ねた結果、蒸気タービン方式により、小型でありながら十分な発電能力を有し、ＩＴ技術を駆使することで無人運転することができる発電システムを実現する常用発電システムを実現することができたのである。
【０００７】
本考案の目的は、可燃性ガスを燃焼させることにより得られた熱源により、水を加熱して生成された蒸気でタービンを回転させ、タービンに連動する発電機を回転させる方式による発電システム、即ち、蒸気タービン方式常用発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載された考案は、可燃性ガスを供給する可燃性ガス供給装置と、
前記可燃性ガスを燃料として燃焼させるバーナーを備えており、前記可燃性ガスを燃焼させることにより高温高圧の蒸気を発生させる水管ボイラーと、
前記水管ボイラーの熱、及び圧力を回転運動に転換する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで発生させた該回転運動の回転速度を減速調整すると共に、回転トルクを増強させる回転減速装置と、
前記回転減速装置で減速調整された回転速度、及び増強された回転トルクにて定速回転で動作する交流発電機と、
前記交流発電機で発電される交流電力を整流し、直流電力に変換する整流器と、
前記整流器で発生させた直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナを備えていることを特徴とする蒸気タービン方式常用発電システムであることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２に記載された考案は、請求項１において、前記可燃性ガス供給装置、前記水管ボイラー、前記蒸気タービン、前記回転減速装置、前記交流発電機、前記整流器には、センサが設置されており、該センサは、ＬＡＮ／光ファイバーによるデータ通信機能を備える蒸気タービン方式常用発電システムであることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３に記載された考案は、請求項１または請求項２において、前記パワーコンディショナの出力を電力会社の商用電源系に接続する系統接続手段を備えており、自家使用の電源に電力余剰が生じた際、売電する手段を備える蒸気タービン方式常用発電システムであることを特徴とするものである。
【考案の効果】
【００１１】
本考案に係る蒸気タービン方式常用発電システムにより、これまで大型の発電所の設備では、火力発電、原子力発電を問わず、熱源で水を加熱して生成した蒸気で水蒸気タービンを回転させ、交流発電機を回転させる方式の発電設備で小型化を図る（システム全体の容積としては、鉄道用コンテナ３個程度に抑える）ことができる様になった。しかも、ステータスセンサ（温度、回転度、電圧、電流、水圧、気圧、流量等）のセンサ関連ＩＯＴ技術、及び遠隔操作・リモート操作等の技術を活用することで、無人で運用することができる「いわゆる無人発電所」を実現することができる様になった。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本考案に係る蒸気タービン方式常用発電システムのシステム全体図である。
【考案を実施するための形態】
【００１３】
以下、本考案に係る蒸気タービン方式常用発電システム１の一実施形態について、図１に基づいて詳細に説明する。図１は、本考案に係る蒸気タービン方式常用発電システム１のシステム全体図である。
【００１４】
本考案に係る蒸気タービン方式常用発電システム１は、熱源で水を加熱して生成した蒸気で水蒸気タービンを回転させ、交流発電機を回転させる方式の発電設備で小型化を図る（システム全体の容積としては、鉄道用コンテナ３個程度に抑える）ことを実現させたものである。しかも、ステータスセンサ（温度センサ、回転度センサ、電圧センサ、電流センサ、水圧センサ、気圧センサ、流量センサ等）のセンサ関連ＩｏＴ技術、及び遠隔監視・遠隔操作等の技術を活用することで、無人で運転することができる無人発電所を実現するものである。
【００１５】
＜蒸気タービン方式常用発電システム：可燃性ガス供給装置〜交流発電機まで＞
蒸気タービン方式常用発電システム１は、図１に記載したように、水素、バイオガス、バイオ由来の気化ガス等の可燃性ガスを供給する可燃性ガス供給装置２と、可燃性ガスを燃料として燃焼させるバーナーを備えており、可燃性ガスを燃焼させることにより高温高圧の蒸気を発生させる水管ボイラー３と、水管ボイラー３の熱、及び圧力（蒸気圧）を回転運動に転換する蒸気タービン４と、蒸気タービン４で発生させた該回転運動の回転速度を減速調整し、回転トルクを増強させることで、発電機とのマッチングを行う回転減速装置５と、回転減速装置５で調整された回転速度と回転トルクより、定速回転で動作する交流発電機６を備えている。
【００１６】
可燃性ガス供給装置２は、水素、バイオガス、バイオ由来の気化ガス等の可燃性ガス等を発生させ（次工程に）供給する装置である。可燃性ガスを供給する手段としては、バイオガス生成装置（メタンガス等）、バイオ由来の可燃性の液体燃料をガス化する装置（エタノールのガス化等）、水の電気分解、熱分解により生成する水素ガス生成装置等が挙げられる。
【００１７】
水管ボイラー３は、水ドラムと気水ドラムを連結する蒸発管と呼ばれる複数の配管内の水をバーナーで加熱する構造をしており、可燃性ガス供給装置２から供給された可燃性ガスを燃料としてバーナーで燃焼させることで高温、高圧の水蒸気を発生させるものである。即ち、水管ボイラー３は、可燃性ガス供給装置２により発生させた可燃性ガスを燃料として燃焼させるバーナーを備えており、効率よく高圧、高温の蒸気発生させることができるものである。
【００１８】
蒸気タービン４は、水管ボイラー３から発生した水蒸気の熱、及び圧力（蒸気圧）を回転運動に変換するものである。蒸気タービン４中において、水蒸気は高速で流れるため、タービンの回転速度も高速となる（蒸気タービンの運転中における回転数は、一例として、６０００ｒｐｍ以上になると言われている）。即ち、蒸気タービン４は、水管ボイラー３からの高圧、高温の水蒸気を回転運動に変換するシステムである。尚、蒸気タービン４を回転させるのに使用された蒸気は復水器を通じ、再度水管ボイラー３用の水としてリサイクルされる（図１参照：リサイクル温水、一部は還流水として浄水装置に戻る）。
【００１９】
蒸気タービン４の運転中における回転数は、一例として、６０００ｒｐｍ以上になると言われている。一方で、蒸気タービン４に交流発電機６が直結されてしまうと、交流発電機６（タービン発電機という）は、５０Ｈｚ系では、回転数３０００ｒｐｍ、６０Ｈｚ系では回転数３６００ｒｐｍでなくてはならないので、蒸気タービン４の回転数が大きすぎるという問題が生じる。そこで、回転減速装置５により、３０００ｒｐｍ／５０Hｚ（５０回転／秒）、或いは、３６００ｒｐｍ／６０Ｈｚ（６０回転／秒）に減速する必要がある。即ち、回転減速装置５は、蒸気タービン４で発生させた高速の回転力の回転速度を減速調整し、回転トルクを増強させることで、交流発電機６とのマッチングを行うものである。
【００２０】
回転減速装置５は、簡単に言えば、原動機の回転軸に径の小さい歯車を取り付け、従動軸に径の大きい歯車を取り付けて、この二つを噛み合わせることで、歯車の歯数に比例して回転数を小さくすることができるものである。さらに、交流発電機６は、回転減速装置５で調整された回転速度（３０００ｒｐｍ／５０Ｈｚ（５０回転／秒）、或いは、３６００ｒｐｍ／６０Ｈｚ（６０回転／秒））と、回転トルクを用いて、定速回転で発電するものである。
【００２１】
＜蒸気タービン方式常用発電システム：交流発電機以降＞
蒸気タービン方式常用発電システム１は、交流発電機６で発電される交流電力を整流し、直流に変換する整流器７と、整流器７で発生させた直流電力を５０／６０Ｈｚの交流電力に変換するパワーコンディショナ８を備えている。パワーコンディショナ８の作用により、交流発電機５による電力の出力にバラツキがある場合であっても、交流発電機５における発電量を調整すること無く、（バラツキを含めて）常にフルパワーで発電することができる。電力が整流器７を経由してパワーコンディショナ８に供給される過程で、交流発電機５で発電された出力のバラツキは、整流器７からパワーコンディショナ８に供給され、パワーコンディショナ８にて調整、制御される。以下で説明する。
【００２２】
交流発電機６で発電された交流電力は、整流器７を経由してパワーコンディショナ８に直流電力として供給されることになる。蒸気タービン方式常用発電システム１においては、（太陽光パネルと共に設置されることが多い）パワーコンディショナ８を設置（発電システムに取り入れる）することで、キュービクル等に供給する自家使用分の電力と、電力会社等に売電する余剰電力に分離させる機能が特徴である。
【００２３】
パワーコンディショナ８は、直流電力を交流電力に変換するものである。パワーコンディショナ８を蒸気タービン方式常用発電システム１に組み込むために、整流器７により、前もって交流電力から直流電力に変換しておく必要がある。パワーコンディショナ８は、不安定な直流電力を可能な限り多く取り出し、家庭やビル、工場で安定して使用できる交流電力に変換するものであり、パワーコンディショナ８（主に太陽光発電に使用されている）により、作られた電力（電気）を家庭やビル、工場等で使える電気に変換することができる。
【００２４】
パワーコンディショナ８で発生した商用電源相当の電力を自家使用するため、施設のキュービクル等へ接続する接続手段と、パワーコンディショナ８の出力を電力会社の商用電源系統に接続する系統接続手段を備えており、自家使用の電源に余剰電力が生じる際に売電することができる。尚、キュービクルとは、多くの事業所等で、電力会社からの高圧（６６００Ｖ）を受電し、事業所構内等で必要となる１００Ｖや２００Ｖの電源を供給する受電設備のことである。本考案においては、蒸気タービン方式常用発電システム１で発電した電力を自家使用するために、キュービクルに電力を供給することになる。
【００２５】
パワーコンディショナ８を設置したことにより、交流発電機５による電力の出力にバラツキがある場合であっても、変動する電圧と電流の組み合わせを調整し、最大出力点を見出し、出力を安定させることができるようになった。即ち、交流発電機５まででフルパワーで発電し、整流器７とパワーコンディショナ８で調整することができるようになった。パワーコンディショナ８にて自家使用する電力と余剰電力を分配し、余剰電力を売電することができるようになった。
【００２６】
＜発電システムに要する水系統について＞
蒸気タービン方式常用発電システム１に必要な水の経路について記載する。図１に記載
したように、運転開始後最初に発電するのに使用する水道水、又は、地下水等を給水ポン
プ等で汲み上げて受水槽に貯水する。蒸気タービン方式常用発電システム１においては、
受水槽に貯水された水を浄水装置（貯水槽の水からイオンや不純物等を除去するフィルタ
ーやイオン交換）に供給し、浄水装置から１つの流れとして、蒸気用水として水管ボイラ
ー３に送り、蒸気タービン４を回すために用いられる。浄水装置からのもう一つの流れと
して可燃性ガス供給装置２に送り、燃焼反応を起こさせるための反応用水として燃焼に利
用する（図１参照）。
【００２７】
蒸気タービン方式常用発電システム１には、蒸気タービン４で使用された蒸気を冷却して水に戻す装置である復水器が設置されている。復水器には、空冷式凝縮器、及び水冷式凝縮器がある。蒸気タービン方式常用発電システム１に使用する復水器は、空冷式凝縮器、水冷式凝縮器のいずれであっても良いし、併用しても良い。復水器の作用により、蒸気タービン４から供給された蒸気は排熱され高温の水となり、リサイクル温水として、再加熱を目的として水管ボイラー３に還流され、その一方で、更に排熱された低温の水は、還流水として、浄水装置に戻される（図１参照）。
【００２８】
＜遠隔監視・遠隔操作について＞
蒸気タービン方式常用発電システム１においては、自動運転を目指しており、遠隔監視・遠隔操作できるような仕組みが設置されていることも特徴になっている。蒸気タービン方式常用発電システム１の工程毎の各装置に動作状態を監視するセンサ類が設置され、監視カメラ等も設置される。そして、遠隔からでもセンサ類、及び監視カメラ等からの信号（数値データ、画像データ）を受信し、受信したデータから各工程の状態を把握し、随時最適な制御ができるように、ＬＡＮもしくは光ファイバーを通信手段とするデータバス（コンピュータ内部で装置間を結ぶ共用のデータ伝送路の一部で、データ本体の伝送を行うためのもの）を備えている。
【００２９】
具体的には、受水槽には水量センサ、給水ポンプには水流センサ、浄水装置にはステータスセンサ、可燃性ガス発生装置２にはステータスセンサ（温度センサ）、水管ボイラー３にはステータスセンサ（温度センサ）、蒸気タービン４にはステータスセンサ（温度センサ、回転数センサ）、回転減速装置５にはステータスセンサ（回転数センサ）、交流発電機６にはステータスセンサ（電圧・電流センサ）、整流器７にはステータスセンサ（電圧・電流センサ）、パワーコンディショナ８にはステータスセンサ（電圧・電流センサ）が、設置されている。それ以外にも、複数の映像モニター、ステータスセンサ以外の複数の各種センサが設置されている。
【００３０】
更に、各工程において機器を停止するための電磁的方式でＯＮ／ＯＦＦコントロール可能な電磁バルブ等が接続システムのトータル制御を行うシステムコントローラを達成するためのソフトウェアと、動作状況を連続的に記録するロギング機能達成するソフトウェアで動作するコンピュータシステムシステムの遠隔監視、遠隔操作をインターネット経由で行うためのインターネット接続手段を備えている。即ち、システム全体を管理する目的の複数のカメラ・センサとシステムの各機器に取り付けられた複数のステータスセンサを備えており、遠隔操作・制御ができると共に、いわゆるＩｏＴ技術を駆使することができる様になっている。
【００３１】
＜蒸気タービン方式常用発電システムの効果＞
蒸気タービン方式常用発電システム１により、これまで大型の発電所の設備では、火力発電、原子力発電を問わず、熱源で水を加熱して生成した蒸気で水蒸気タービンを回転させ、交流発電機を回転させる方式の発電設備で小型化を図る（システム全体の容積としては、鉄道用コンテナ３個程度に抑える）ことができる様になった。パワーコンディショナ８を設置したことにより、交流発電機６までの工程で、フルパワーで発電させて、自家使用の電源に電力余剰が生じる際に売電することができるようになった。
【００３２】
しかも、ステータスセンサ（温度センサ、回転度センサ、電圧センサ、電流センサ、水圧センサ、気圧センサ、流量センサ等）のセンサ関連ＩｏＴ技術、及び遠隔操作・リモート操作等の技術を活用することで、無人で運用することができる「いわゆる無人発電所」を実現することができる様になった。本考案の技術的思想として、交流発電機６までの段階であれば、電圧（電流）、周波数等のバラツキは、構わずにフルパワーで発電するという思想がある。即ち、交流発電機６までの工程で、フルパワーで発電させて、余剰電力は売電するという思想がある。フルパワーで電力を発生させようとすると、時々刻々とパワーが変化する不安定な状態が生じることもあるが、蒸気タービン方式常用発電システムに１より、そのような条件下であっても電力を可能な限り多く取り出すことができるようになった。
【００３３】
＜蒸気タービン方式常用発電システムの変更例＞
本考案に係る蒸気タービン方式常用発電システムは、上記した各実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、可燃性ガス供給装置、水管ボイラー、蒸気タービン、回転減速装置、交流発電機、整流器、パワーコンディショナ等の構成を、本考案の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本考案に係る蒸気タービン方式常用発電システムは、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、電力供給源の形態が、大規模集中型から小規模分散型へ移行しようとする動きに合致した蒸気タービン方式常用発電システムとして好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１・・蒸気タービン方式常用発電システム
２・・可燃性ガス供給装置
３・・水管ボイラー
４・・蒸気タービン
５・・回転減速装置
６・・交流発電機
７・・整流器
８・・パワーコンディショナ
【図１】
0003234074.tif 000003