(57)【要約】【課題】変電機器において発生した熱を変電所等において有効利用することが可能な変電システムを提供する。【解決手段】実施形態によれば、変電システム１は、変電所等に設けられて通電により熱が発生する変電機器１０と、同じく変電所等に設けられて電力の供給を受けて作動する電力作動機器５１，５６とを有している。さらに、変電システム１は、変電機器１０が発生した熱を、熱電変換素子が直流電力に変換することにより発電する熱電発電装置２０と、熱電発電装置２０により発電された直流電力を蓄える蓄電装置３０と、蓄電装置３０からの直流電力を、直流電力又は交流電力にして電力作動機器５１，５６に供給する電力供給部４０とを備える。【選択図】図１
2015002576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変電所又は開閉所に設けられており、通電により熱が発生する機器である変電機器と、
変電所又は開閉所に設けられており、電力の供給を受けて作動する機器である電力作動機器と、
前記変電機器が発生した熱を、熱電変換素子が直流電力に変換することにより発電する熱電発電装置と、
前記熱電発電装置により発電された直流電力を蓄える蓄電装置と、
前記蓄電装置からの直流電力を、直流電力又は交流電力にして前記電力作動機器に供給する電力供給部と、
を備えることを特徴とする変電システム。
【請求項２】
前記電力供給部は、前記蓄電装置から前記電力作動機器に供給される直流電力を制御可能なＤＣ系制御装置を
含むことを特徴とする請求項１に記載の変電システム。
【請求項３】
前記電力供給部は、
前記蓄電装置からの直流電力を交流電力に変換するＤＣ−ＡＣ変換装置と、
前記ＤＣ−ＡＣ変換装置から前記電力作動機器に供給される交流電力を制御可能なＡＣ系制御装置と、
を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の変電システム。
【請求項４】
前記変電機器は、変圧器又は開閉器を有する機器本体と、当該機器本体内において生じた熱を放熱する放熱部とを有し、
前記熱電発電装置は、複数の熱電変換素子を有する熱電素子部と、冷却水により当該熱電素子部を冷却する水冷部とを有し、
前記熱電素子部は、前記水冷部と前記放熱部との間に介在して設けられている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の変電システム。
【請求項５】
変電所に設けられており、通電により熱が発生する機器である変電機器と、
変電所に設けられており、電力の供給を受けて作動する機器である電力作動機器と、
前記変電機器が発生した熱を、熱電変換素子が直流電力に変換することにより発電する熱電発電装置と、
前記熱電発電装置により発電された直流電力を蓄える蓄電装置と、
前記蓄電装置からの直流電力を、直流電力又は交流電力にして前記電力作動機器に供給する電力供給部と、
を備えることを特徴とする変電所。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、変圧器や開閉器等において通電により発生した熱を、変電所等において利用する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器や開閉器等、通電により熱（ジュール熱）を発生する機器、いわゆる変電機器が、変電所や開閉所（以下、変電所等と記す）に設けられている。変電機器においては、一般的に、発生した熱を外部に排出することにより、通電時の温度を所定の許容温度以下に保つことが求められている。
【０００３】
このため、変電所等においては、変圧器や開閉器が通電により発生した熱を、電気絶縁性を有する絶縁性冷媒（以下、絶縁性冷媒と記す）を介して大気中に排出するのが一般的である。なお、このような絶縁性冷媒には、ＳＦ６（六フッ化硫黄）ガスや炭酸ガス、オイル（絶縁油）等が用いられている。
【０００４】
ところで、上述したような変電機器が設置されている変電所等において、変電機器から排出される熱を有効に利用して、変電機器を含むシステム全体としての炭酸ガス排出量の削減を図ることが求められている。例えば、下記の特許文献１には、変圧器の排熱により温水を生成して、当該温水を給湯や暖房用として利用する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１３４５１９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した変電機器から排出される熱を温水にして変電所等の外に供給する場合、当該温水の供給先は、変電所等の近隣にある必要がある。変電所等は、都市部や住宅地から離れた場所にある場合が多く、この場合、変電所において生じさせた温水を、変電所から遠く離れた住宅等に供給することは困難である。変電機器の排熱を温水として利用する場合、変電機器の設置場所が都市部や住宅地に限定される。
【０００７】
また、変電所等においては、給湯や暖房用としての温水の利用量が限られているため、変電所等において変電機器が発生した熱を温水にしても、これを有効に利用することができないという問題がある。このため、変電所等においては、通電により変電機器が発生した熱を、より有効に利用する技術が要望されている。
【０００８】
そこで、本発明の実施形態は、変電機器が発生した熱を変電所等において有効に利用することが可能な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】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の変電システムは、変電所又は開閉所に設けられており、通電により熱が発生する機器である変電機器と、変電所又は開閉所に設けられており、電力の供給を受けて作動する機器である電力作動機器と、前記変電機器が発生した熱を、熱電変換素子が直流電力に変換することにより発電する熱電発電装置と、前記熱電発電装置により発電された直流電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置からの直流電力を、直流電力又は交流電力にして前記電力作動機器に供給する電力供給部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の実施形態の変電所は、変電所に設けられており、通電により熱が発生する機器である変電機器と、当該変電所に設けられており、電力の供給を受けて作動する機器である電力作動機器と、前記変電機器が発生した熱を、熱電変換素子が直流電力に変換することにより発電する熱電発電装置と、前記熱電発電装置により発電された直流電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置からの直流電力を、直流電力又は交流電力にして前記電力作動機器に供給する電力供給部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態の変電システムによれば、変電機器において発生した熱を熱電変換素子が電力に変換して蓄電装置に蓄え、当該電力を、電力供給部が変電所等に設けられた電力作動機器に供給するものとしたので、変電機器が発生した熱エネルギを電気エネルギに変換して、当該電気エネルギを当該変電機器が設けられている変電所等において有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の変電システムの構成を示す模式図である。
【図２】実施形態の変電システムのうち熱電変換素子の周辺構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００１４】
本実施形態の変電システムの構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態の変電システムの構成を示す模式図である。図２は、本実施形態の変電システムのうち熱電変換素子の周辺構成を示す模式図である。
【００１５】
本実施形態の変電システム１は、電力を転送するための機能を備えた施設である変電所（substation）に設けられている。図１に示すように、当該変電システム１は、変圧器や開閉器等、変電所に設けられて高電圧の電流が通電することにより熱が発生する変電機器１０を有している。なお、変電システム１は、送配電線路の途中に設けられて線路の一部区間を除去又は投入を行う施設である開閉所（switching station）に適用するものとしても良い。
【００１６】
本実施形態の変電機器１０は、機器本体としての変圧器本体１２と、変圧器本体１２から発生した熱を放熱する放熱部１４を有している。変圧器本体１２は、通電によりジュール熱が発生し、且つ所定の許容温度以下に保つことが求められている。このため、変圧器本体１２を収容するハウジン内には、絶縁性冷媒が充填されている。本実施形態において絶縁性冷媒には、炭酸ガスが用いられている。変電機器１０の変圧器本体１２が通電しているとき、絶縁性冷媒は、変圧器本体１２が発生した熱を受ける。熱を受けた絶縁性冷媒は、放熱部１４に流れる。
【００１７】
放熱部１４は、絶縁性冷媒の熱を放熱する熱交換器として構成されている。放熱部１４は、図２に矢印Ｇで示すように、絶縁性冷媒が貫流可能に構成されている。放熱部１４は、高温の絶縁性冷媒を導入する導入配管１６と、絶縁性冷媒を排出する排出配管１８が接続されている。放熱部１４は、導入配管１６から流入した絶縁性冷媒の熱を、後述する熱電素子部２２に向けて放熱する。放熱されて比較的低温となった絶縁性冷媒は、排出配管１８から変圧器本体１２に向けて流れる。変電機器１０は、絶縁性冷媒が変圧器本体１２と放熱部１４とを循環するよう構成されている。
【００１８】
また、変電システム１には、変電所に設けられており、電力の供給を受けて作動する機器（以下、電力作動機器と記す）５１，５６が設けられている。本実施形態において、電力作動機器５１，５６には、直流電力の供給を受けて作動する機器（以下、ＤＣ作動機器と記す）５１と、交流電力の供給を受けて作動する機器（以下、ＡＣ作動機器と記す）５６がある。これら電力作動機器５１，５６は、変電機器１０の周辺に設けられた、いわゆる周辺機器である。このような電力作動機器５１，５６には、変電機器１０において絶縁性冷媒を循環させるためのブロワー、開閉器を動作させるためのモータ及び電磁石、各種部品の氷結を防止するためのヒータ等がある。これらの電力作動機器５１，５６は、後述する蓄電装置３０から電力の供給を受ける。
【００１９】
また、変電システム１は、変電機器１０からの熱を、熱電発電（thermoelectric generation）により電力に変換する熱電発電装置２０を有している。熱電発電装置２０は、複数の熱電変換素子を有する部分（以下、単に「熱電素子部」と記す）２２と、冷却水により熱電素子部２２を冷却する水冷部２４とを有している。熱電素子部２２は、当該水冷部２４と、変電機器１０の放熱部１４との間に介在して設けられている。
【００２０】
熱電素子部２２は、図２に示すように、複数の熱電変換素子（thermoelectric transducer）２１を収容している。熱電変換素子２１は、いわゆるゼーベック効果を利用して、熱エネルギを電気エネルギに変換する素子である。熱電変換素子２１は、一端を高温にし、他端を低温にして温度差を生じさせることにより、起電力が生じる。なお、熱電変換素子２１を構成する半導体の材料には、例えば、ビスマス・テルル（Ｂｉ−Ｔｅ）系材料や、シリコン・ゲルマニウム（Ｓｉ−Ｇｅ）系材料等用いることができる。
【００２１】
熱電変換素子２１は、熱電素子部２２において所定の方向（以下、単に「長手方向」と記す）に複数配列されている。各熱電変換素子２１は、平板状をなしており、高温側の端面２１ａを放熱部１４側に向けて、低温側の端面２１ｃを水冷部２４側に向けて配置されている。このように構成された熱電素子部２２は、図１及び図２に示すように、高温側の端面２２ａが放熱部１４に接続されており、低温側の端面２２ｃが、水冷部２４に接続されている。
【００２２】
水冷部２４は、冷却水により熱電素子部２２を冷却する熱交換器として構成されている。水冷部２４は、図２に矢印Ｃで示すように、冷却水が貫流可能に構成されている。水冷部２４には、冷却水を導入する導入配管２６と、温水となった冷却水を外部に排出する排出配管２８が接続されている。水冷部２４は、熱電変換素子２１を低温側の端面２１ｃから冷却するよう、当該熱電素子部２２の低温側の端面２２ｃに接続されている。導入配管２６は、冷水入口２５から冷却水を取り入れて水冷部２４に送る。水冷部２４において冷却に用いられ、熱電素子部２２から熱を受けて温水となった冷却水は、排出配管２８を通って温水出口２９から排出される。
【００２３】
なお、冷水入口２５と、温水出口２９との間に、図示しない熱交換器を接続して、水冷部２４において温水となった冷却水が、当該熱交換器と水冷部２４との間で循環するよう構成するものとしても良い。
【００２４】
放熱部１４に絶縁性冷媒を貫流させると共に、水冷部２４に冷却水を貫流させる。これにより、熱電素子部２２の各熱電変換素子２１には、高温側の端面２１ａと低温側の端面２１ｃとの間に温度差を生じさせる。各熱電変換素子２１には、当該温度差により熱起電力を発生する。図１に示すように、熱電発電装置２０は、水冷部２４と放熱部１４との間に設けられた熱電素子部２２において、放熱部１４からの熱を熱電変換素子２１により直流電力に変換することにより発電している。
【００２５】
なお、本実施形態の熱電発電装置２０において、熱電素子部２２、水冷部２４、冷水入口２５、導入配管２６、排出配管２８、及び温水出口２９は、一つのユニットとして一体に結合されている。このように構成された熱電発電装置２０は、変電機器１０に対して取り付け可能に構成されている。具体的には、変電機器１０の放熱部１４に、熱電素子部２２をボルトにより固定することにより、熱電発電装置２０を変電機器１０に取り付けることが可能となっている。なお、熱電発電装置２０を構成するユニットに、冷水入口２５と温水出口２９との間に設けられた熱交換器（図示せず）や、蓄電装置３０を含むものとしても良い。
【００２６】
また、変電システム１は、上述した熱電発電装置２０の熱電素子部２２が発生した電力を蓄える装置（以下、蓄電装置と記す）３０を有している。蓄電装置３０は、熱電素子部２２と電気ケーブル６を介して電気的に接続されており、熱電素子部２２が発電した直流電力を蓄電可能に構成されている。蓄電装置３０には、例えば、二次電池や電気二重層キャパシタを用いることができる。蓄電装置３０は、蓄えられた電力を、電力作動機器５１，５６に向けて供給する。
【００２７】
また、変電システム１は、電力作動機器５１，５６に電力を供給する機能（以下、電力供給部と記す）４０を有している。本実施形態において、電力供給部４０は、蓄電装置３０からＤＣ作動機器（電力作動機器）５１への直流電力の供給を制御可能な制御装置（以下、ＤＣ系制御装置と記す）４１を有している。蓄電装置３０からＤＣ作動機器５１には、ＤＣ系制御装置４１を介して直流電力が供給される。ＤＣ系制御装置４１は、ＤＣ作動機器５１の作動／非作動を制御可能に構成されている。これにより、電力供給部４０においては、図に二点鎖線矢印Ａで示すように、蓄電装置３０からのＤＣ作動機器５１に直流電力を供給することが可能となっている。
【００２８】
加えて、電力供給部４０は、蓄電装置３０からの直流電力を交流電力に変換する装置（以下、ＤＣ−ＡＣ変換装置と記す）４４と、ＤＣ−ＡＣ変換装置４４からＡＣ作動機器（電力作動機器）５６への交流電力の供給を制御可能な制御装置（以下、ＡＣ系制御装置と記す）４６とを有している。蓄電装置３０からＡＣ作動機器５６には、ＤＣ−ＡＣ変換装置４４及びＡＣ系制御装置４６を介して電力が供給される。ＤＣ−ＡＣ変換装置４４は、ＡＣ系制御装置４６により制御されて、蓄電装置３０からの直流電力を交流電力に変換する。ＡＣ系制御装置４６は、ＤＣ−ＡＣ変換装置４４からＡＣ作動機器５６への電力供給を制御する。すなわち、ＡＣ系制御装置４６は、ＡＣ作動機器５６の作動／非作動を制御可能に構成されている。このようにして、電力供給部４０においては、図に二点鎖線矢印Ｂで示すように、蓄電装置３０からの直流電力を交流電力に変換し、ＡＣ作動機器５６に供給することが可能となっている。
【００２９】
以上に説明したように、本実施形態の変電システム１は、変電所（又は開閉所）に設けられており、通電により熱が発生する機器である変電機器１０と、同じく変電所（又は開閉所）に設けられており、電力の供給を受けて作動する機器である電力作動機器５１，５６とを有している。さらに、変電システム１は、変電機器１０が発生した熱を、熱電変換素子２１が直流電力に変換することにより発電する熱電発電装置２０と、熱電発電装置２０により発電された直流電力を蓄える蓄電装置３０と、蓄電装置３０からの直流電力を、直流電力又は交流電力にして電力作動機器５１，５６に供給する電力供給部４０とを備えるものとした。
【００３０】
変電機器１０において発生した熱を熱電変換素子２１が電力に変換して蓄電装置３０に蓄え、当該電力を、電力供給部４０が変電所（又は開閉所）に設けられた電力作動機器５１，５６に供給するものとした。これにより、変電システム１は、変電機器１０が発生した熱エネルギを電気エネルギに変換して、当該電気エネルギを当該変電機器１０が設けられている変電所等において有効利用することができる。
【００３１】
なお、上述した本実施形態において、変電システム１は、蓄電装置３０からの直流電力をＤＣ作動機器５１に供給するＤＣ系制御装置４１と、蓄電装置３０からの直流電力を交流電力に変換してＡＣ作動機器５６に供給するＤＣ−ＡＣ変換装置４４及びＡＣ系制御装置４６とを有するものとしたが、本発明に係る電力供給部の態様は、これに限定されるものではない。電力供給部は、ＤＣ系制御装置４１のみを有するものとすることができる。また、電力供給部は、ＤＣ系制御装置４１を有することなく、ＤＣ−ＡＣ変換装置４４とＡＣ系制御装置４６を有するものとすることもできる。
【００３２】
また、上述した本実施形態において、熱電素子部２２は、その低温側を水冷部２４により冷却するものとしたが、本発明に係る熱電素子部の低温側を冷却する態様は、これに限定されるものではない。熱電素子部の低温側を所定の温度まで冷却することができれば良く、例えば、強制空冷により熱電素子部の低温側を冷却することも可能である。
【００３３】
また、上述した本実施形態において、変電機器１０を冷却する絶縁性冷媒は、炭酸ガスを用いるものとしたが、本発明に係る絶縁性冷媒は、これに限定されるものではない。絶縁性冷媒には、例えば、ＳＦ６（六フッ化硫黄）ガスや、ＣＦＣ−１２（ジクロロフルオロメタン）やＣＦＣ−１１（トリクロロフルオロメタン）等、様々な絶縁性冷媒を用いることが可能である。
【００３４】
なお、上述した本実施形態の変電機器１０は、変圧器であるものとしたが、本発明に係る変電機器の態様は、これに限定されるものではない。変電機器１０は、変電所又は開閉所に設けられており、通電により熱（ジュール熱）が発生するものであれば良い。例えば、本発明に係る変電機器は、電気回路の開閉に用いる開閉器、交流電力を直流電力に変換する変換器等であるものとすることもできる。また、変電機器は、機器本体として変圧器と開閉器との双方を有しているものとしても良い。
【００３５】
また、上述した本実施形態の変電システム１は、変電所に設けられているものとしたが、変電システムが設けられている施設は、変電所に限定されるものではない。本発明に係る変電システムは、開閉所に設けられているものとしても良い。また、変電システムは、大型ビルディングの変電室に設置されるものとしても良い。なお、本実施形態の変電システムが適用される変電所等の場所は、山間部のみならず、都市部や住宅地にあるものにも適用することができる。
【００３６】
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明と均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３７】
１  変電システム
１０  変電機器
１２  変圧器本体
１４  放熱部（熱交換器）
２０  熱電発電装置
２１  熱電変換素子
２２  熱電素子部
２４  水冷部
２５  冷水入口
２６  導入配管
２８  排出配管
２９  温水出口
３０  蓄電装置
４０  電力供給部
４１  ＤＣ系制御装置
４４  ＤＣ−ＡＣ変換装置
４６  ＡＣ系制御装置
５１  ＤＣ作動機器（電力作動機器）
５６  ＡＣ作動機器（電力作動機器）
【図１】
2015002576.tif 000003
【図２】
2015002576.tif 000004