(57)【要約】【課題】メンテナンスを容易にしつつも、低圧系統に連系し売電することを可能にした地熱発電システムを提供する。【解決手段】この地熱発電システムは、誘導発電機と、誘導発電機と接続され動作媒体の移動により回転するスクリューと、動作媒体を蒸気としてスクリューに導入する気化器とを備えるバイナリ発電機と、誘導発電機が出力した交流電力を直流電力に変換するとともに、直流電力を交流電力に変換して誘導発電機に回生させる第１インバータと、第１インバータからの直流電力を交流電力に変換して低圧系統に供給するとともに、低圧系統の交流電力を直流電力に変換して第１インバータに供給する第２インバータとを備える。【選択図】図１
2019044690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導発電機と、前記誘導発電機と接続され動作媒体の移動により回転するスクリューと、前記動作媒体を蒸気として前記スクリューに導入する気化器とを備えるバイナリ発電機と、
前記誘導発電機が出力した交流電力を直流電力に変換するとともに、直流電力を交流電力に変換して前記誘導発電機に供給する第１インバータと、
前記第１インバータからの直流電力を交流電力に変換して低圧系統に供給するとともに、前記低圧系統の交流電力を直流電力に変換して前記第１インバータに供給する第２インバータと
を備えたことを特徴とする地熱発電システム。
【請求項２】
前記第２インバータと前記低圧系統との間に接続され、異常が検出された場合に前記第２インバータと前記低圧系統との間の接続を遮断する遮断器を更に備えた、請求項１記載の地熱発電システム。
【請求項３】
地熱に基づく熱水により動作媒体を気化させてスクリューに供給し、これにより前記スクリューを回転させ、
前記スクリューの回転により誘導発電機の回転子を回転させて交流電力を発生させ、
第１インバータを用いて前記交流電力を直流電力に変換させ、さらに第２インバータによりその直流電力を更に交流電力に変換して低圧系統に供給し、
前記低圧系統の交流電力を前記第２インバータにより直流電力に変換して前記第１インバータに供給し、さらにその直流電力を前記第１インバータにより交流電力に変換して前記誘導発電機に供給する
ことを特徴とする地熱を利用した発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地熱発電システム、及び地熱を利用した発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能エネルギーの推進の必要性が益々高まっており、地熱発電所の開発が我が国でも活発に進められている。
【０００３】
しかし、我が国の地熱発電所は、我が国の地勢上、山間部に設置されることが多く、交通アクセスが不便であり、大型車両や重機の進入が容易でない場合も多い。このため、故障に強く、メンテナンスが容易な地熱発電システムが望まれる。
また、発電した電気を供給するための設備も重要となり発電所近傍に電力設備が必要である。電力設備でも低圧電線は山間部でも比較的網羅されていることから低圧電線路への接続が望まれる。
【０００４】
一方、現状の地熱発電システムは、高圧送電線に発電された電力を供給しているが、低圧系統（商用電力網）に連系をして売電をすることが望まれている。しかし、電力品質の確保などの理由から、低圧系統へ連系しての売電は逆変換装置を用いなければならず、発電方法が限られてしまっている。地熱発電の低圧系統への連系ができなければ、小規模発電事業者に対する地熱発電システムの普及の障害となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2016-164395号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、メンテナンスを容易にしつつも、低圧系統に連系をすることを可能にした地熱発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る地熱発電システムは、誘導発電機と、前記誘導発電機と接続され動作媒体の移動により回転するスクリューと、前記動作媒体を蒸気として前記スクリューに導入する気化器とを備えるバイナリ発電機と、前記誘導発電機が出力した交流電力を直流電力に変換するとともに、直流電力を交流電力に変換して前記誘導発電機に供給する第１インバータと、前記第１インバータからの直流電力を交流電力に変換して低圧系統に供給するとともに、前記低圧系統の交流電力を直流電力に変換して前記第１インバータに供給する第２インバータとを備えたことを特徴とする。また、本発明に係る地熱を利用した発電方法は、地熱に基づく熱水により動作媒体を気化させてスクリューに供給し、これにより前記スクリューを回転させ、前記スクリューの回転により誘導発電機の回転子を回転させて交流電力を発生させ、第１インバータを用いて前記交流電力を直流電力に変換させ、さらに第２インバータによりその直流電力を更に交流電力に変換して低圧系統に供給し、前記低圧系統の交流電力を前記第２インバータにより直流電力に変換して前記第１インバータに供給し、さらにその直流電力を前記第１インバータにより交流電力に変換して前記誘導発電機に供給することを特徴とする。
【０００８】
本発明の地熱発電システムでは、バイナリ発電機において、誘導発電機を用いる。第１インバータが誘導発電機の交流電力を直流電力に変換した後、第２インバータがその直流電力を、低圧系統に合致した交流電力に変換し、低圧系統に供給（売電）する。誘導発電機は、その構造が他の発電機に比べ簡易であるため、保守管理が容易であり、大型車両や重機等が進入することが困難な山間部において本システムを設置することが可能になる。
【０００９】
一方、誘導発電機は励磁電流を外部から得なければならず単独運転が不可能であるが、本発明の地熱発電システムでは、低圧系統の交流電力が第２インバータにより直流電力に変換された後、直流電力が更に第１インバータにより交流電力に変換され、この交流電力の励磁電流に基づいて誘導発電機が励磁され、これにより誘導発電機の運転が可能になる。
【００１０】
このように、本発明の地熱発電システムによれば、メンテナンスを容易にしつつも、低圧系統に連系をすることを可能にした地熱発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態の地熱発電システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】バイナリ発電機５０の詳細な構成例を示すブロック図である。
【図３】系統連系制御部７０の詳細な構成を説明する。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態に係る地熱発電システムを、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、実施の形態の地熱発電システムの全体構成を示す概略図である。
【００１４】
このシステムは、汽水分離器１０、温泉タンク２０、サイレンサ３０、外部熱交換器４０、バイナリ発電機５０、冷却塔６０、及び系統連系制御部７０とから大略構成される。
【００１５】
このシステムは、一例として、温泉地等において得られる温泉井戸等から噴出する熱水とその蒸気とが混合された流体（二相流）を、バルブＶ１及びＶ２が配置されたパイプＰ１を介して汽水分離器１０に導き、蒸気は分離・排出する。蒸気は、分離された後、バルブＶ５を介して外部に排出される。また、パイプＰ１は、バルブＶ３が配置されたパイプＰ２へと一部分岐する。パイプＰ２は、温泉タンク２０に導かれている。
【００１６】
一方、熱水はパイプＰ３を介して外部熱交換器４０に導入される。パイプＰ３はパイプＰ４とＰ５に分岐され、パイプＰ４に入った熱水はサイレンサ３０において消音されて外部に排出される。図１では、熱水を供給又は遮断するためのバルブＶ６，Ｖ８、及びポンプがパイプＰ３に設けられているが、これはあくまでも一例である。外部熱交換器４０は、パイプＰ３を通過する熱水と、パイプＰ６を通る温水（熱水よりも低温である）との間での熱交換を司る。
【００１７】
パイプＰ３の熱水は、外部熱交換器４０を出た後、パイプＰ５に入り、温泉タンク２０に格納される。なお、汽水分離器１０で余った熱水は、バルブＶ４及びパイプＰ０を介して温泉タンク２０に向けて排出される。温泉タンク２０に格納された温水または熱水は、図示しない用途に二次利用される。
【００１８】
なお、図１中の各種パイプには、そこを流れる温水や熱水の通過を遮断又は開放するため各種バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８が設けられているが、これらバルブＶの位置はあくまでも一例であり、図示の例に限定されるものではないことは言うまでもない。
【００１９】
外部熱交換器４０には、パイプＰ３と隣接して、パイプＰ６も配置されている。パイプＰ３を通る熱水の熱は、パイプＰ６を通る水に伝達され（熱交換され）、熱を与えられたパイプＰ６の温水は、ポンプＰＭ１によりバイナリ発電機５０に導入される。バイナリ発電機５０には、冷却塔６０に格納された冷却水もパイプＰ７及びポンプＰＭ２を介して導入される。バイナリ発電機５０は、内部に発電機として誘導発電機を有し、後述するように、代替フロンなどの動作媒体により誘導発電機を動作させるものである。この動作媒体の気化及び凝縮のために、これらの温水や冷却水が用いられる。バイナリ発電機５０で発電された電力は、系統連系制御部７０を介して、架線引込柱等を介して低圧系統（電力網）に伝送される。
【００２０】
図２は、バイナリ発電機５０の詳細な構成例を示すブロック図である。このバイナリ発電機５０は、一例として、温水導入口５０１、温水排出口５０２、予熱器５０３、気化器５０４、誘導発電機５０５、ツインスクリュー５０６Ａ，５０６Ｂ、動作媒体タンク５０７、ポンプ５０８、冷却水導入口５０９、冷却水排出口５１０、凝縮器５１２、及び凝縮器５１３を備えている。このバイナリ発電機５０は、動作媒体タンク５０７に格納された動作媒体（例えばＨＦＣ−２４５ｆａ（沸点１５．３℃）などの代替フロン）を用いて誘導発電機５０５を回転させ、電力を発生させる。前述の温水及び冷却水は、この代替フロンを気化・凝縮させるために用いられる。
【００２１】
温水導入口５０１、及び温水排出口５０２は、前述のパイプＰ６に接続され、前述の温水をバイナリ発電機５０に導入し、またバイナリ発電機５０から排出させる。温水導入口５０１から導入された温水は、気化器５０４、及び予熱器５０３に順に導入され、温水排出口５０２から再びパイプＰ６へと排出される。
【００２２】
動作媒体タンク５０７からバルブＶ１１及びポンプ５０８を介して搬送された動作媒体は、予熱器５０３において、温水導入口５０１から導入された温水の熱により、所定温度まで加熱（予熱）される。予熱器５０３により所定温度まで加熱された動作媒体は、さらに気化器５０４において加熱され、液体から気体に変化する（気化する）。気化された動作媒体は、誘導発電機５０５に接続されたツインスクリュー５０６Ａ，５０６Ｂに導入され、ツインスクリュー５０６Ａ，５０６Ｂを回転させる。なお、動作媒体タンク５０７から供給される液体状の動作媒体も、選択的にこのツインスクリュー５０６Ａ，５０６Ｂに導入してもよい。
【００２３】
誘導発電機５０５は、一般的な誘導機（電動機、発電機）であってよく、固定子と回転子とを有する。誘導発電機５０５の回転子は、いわゆるかご型の回転子でもよいし、巻線型の回転子でもよい。回転子の回転軸にはツインスクリュー５０６Ａ，５０６Ｂが接続されている。ツインスクリュー５０６Ａ、及び５０６Ｂが動作媒体の移動に基づき回転することにより、誘導発電機５０５は電力を生成する。
【００２４】
誘導発電機５０５のすべりｓが負の値である場合、誘導発電機５０５は発電機として機能する。一方でこの誘導発電機５０５は、後述するように、低圧系統から供給された電力により励磁され誘導電動機として機能させることもできる（すべりｓは正の値）。
【００２５】
誘導発電機５０５を通過した気化された動作媒体は、凝縮器５１２，５１３により凝縮・液化され、動作媒体タンク５０７に戻される。凝縮器５１２，５１３には、前述の冷却塔６０から冷却水導入口５０９に導入される冷却水が導入され、これにより動作媒体を冷却し、液化させることができる。バルブＶ１２は、誘導発電機５０５から凝縮器５１２，５１３への動作媒体の流量を調節する。なお、冷却水は、凝縮器５１２，５１３を通過した後、冷却水排出口５１０を介して冷却塔６０へ戻される。
【００２６】
次に、図３を参照して、系統連系制御部７０の詳細な構成を説明する。この系統連系制御部７０は、一例として、ＡＣリアクトル７１、第１インバータ７２、第２インバータ７３、ＡＣリアクトル７４、高調波フィルタ７５、遮断器７６、及びコントローラ７７を備える。コントローラ７７は、系統連系制御部７０の全体の制御を司る。
【００２７】
ＡＣリアクトル７１は、誘導発電機５０５からの突入電流を緩和するために設けられている。
第１インバータ７２は、ＡＣリアクトル７１を介して導入された誘導発電機５０５が発電した交流電力を直流電力に変換して第２インバータ７３に供給する。第２インバータ７３は、この直流電力を更に低圧系統に適合した品質を有する交流電力に変換する。
第１インバータ７２、及び第２インバータ７３は、いずれも双方向インバータを含み、いずれも交流電力を直流電力に変換する機能（順変換）を有しているとともに、直流電力を交流電力に変換する機能（逆変換）も有している。すなわち、第１インバータ７２は、誘導発電機５０５において同期速度の回転磁界を与える交流電力を生成し、誘導発電機５０５に供給する。また、第２インバータ７３は、低圧系統の交流電力を直流電圧に変換し、これを第１インバータ７２に供給する。
なお、第２インバータ７３は、異常検出がされた場合に、遮断信号Ｓｏｆｆをコントローラ７７に出力して、第２インバータ７３と低圧系統との間に接続される遮断器７６をＯＦＦにし、本システムを低圧系統から遮断する機能も有している。
【００２８】
ＡＣリアクトル７４は、第２インバータ７３からの交流電力の波形を平滑化するために設けられている。また、高調波フィルタ７５は、交流電力に含まれる高調波成分を除去する機能を有する。
【００２９】
この構成において、地熱システムからのエネルギー供給を受け誘導発電機５０５が発電し（この場合、誘導発電機５０５は、同期速度の回転磁界よりも回転子の回転速度が速い状態であり、すべりｓは負の値である）、第１インバータ７２側から第２インバータ７３に向けて電気が流れ込み第２インバータ７３において直流電力が交流電力に変換され、低圧系統に供給される。
【００３０】
一方、始動時など、地熱システムからのエネルギーが低い（ない）場合、ツインスクリュー５０６Ａ，５０６Ｂへ与えられる回転エネルギーは小さく、誘導発電機５０５の回転子の回転速度は、回転磁界の回転速度よりも小さく、すべりｓは正の値となる。この場合、第２インバータ７３にて、低圧系統に供給されている交流電力が直流電力に変換され、第１インバータ７２により、さらにこの直流電力が交流電力に変換され、誘導発電機５０５に供給される。この電力により、誘導発電機５０５において回転磁界が生成されてすべりｓが正の値の状態が生じ、誘導発電機５０５は誘導電動機として機能する。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態の地熱発電システムは、バイナリ発電機５０において構造が簡単な誘導発電機５０５を用いているため、山間部など大型車両や重機が進入困難な地域に設置された場合でも、保守管理が容易である。
【００３２】
そして、地熱システムからのエネルギー供給を受け誘導発電機５０５で発電された交流電力が第１インバータ７２で直流電力に変換され、第２インバータ７３で再び交流電力に変換され、低圧系統に供給される。一方、始動時など、地熱システムからのエネルギーが低い（ない）場合、低圧系統の交流電力が第２インバータ７３と第１インバータ７２を介して供給され、この電力により回転磁界を発生させ、誘導発電機５０５を誘導電動機として駆動させることができる。このようにして、第１インバータ７２及び第２インバータ７３を介して低圧系統に逆変換装置を用いた品質の高い電力を誘導発電機５０５にて供給できる。したがって、本実施の形態の地熱発電システムでは、誘導発電機を用いつつも、低圧系統と連系させ売電することが可能になる。
【符号の説明】
【００３３】
１０…汽水分離器
２０…温泉タンク
３０…サイレンサ
４０…外部熱交換器
５０…バイナリ発電機
６０…冷却塔
７０…系統連系制御部
７１、７４…ＡＣリアクトル
７２…第１インバータ
７３…第２インバータ
７５…高調波フィルタ
７６…遮断器
７７…コントローラ
５０１…温水導入口
５０２…温水排出口
５０３…予熱器
５０４…気化器
５０５…誘導発電機
５０６Ａ、５０６Ｂ…ツインスクリュー
５０７…動作媒体タンク
５０８…ポンプ
５０９…冷却水導入口
５１０…冷却水排出口
５１２、５１３…凝縮器
【図１】
2019044690.tif 000003
【図２】
2019044690.tif 000004
【図３】
2019044690.tif 000005