(57)【要約】【課題】  非常用電源としてではなく、常設の電源として用いることのできる発電機を備えた電力安定供給システムを提供することを目的とする。【解決手段】  発電をするための複数の発電機ユニットと、発電機ユニットにおいて発電された電力を合成するための電力合成器とを備え、各発電機ユニットが電力合成器に連結され、前記発電機ユニットが、他の発電機ユニットにそれぞれ交換可能であることを特徴とする発電機システムを提供する。また、発電機システムは、発電機ユニットに燃料を供給するための接続器と、接続器に燃料を供給するための複数の燃料容器とを備え、前記燃料容器が、他の燃料容器にそれぞれ交換可能であることが好ましい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電をするための複数の発電機ユニットと、
発電機ユニットにおいて発電された電力を合成するための電力合成器とを備え、
各発電機ユニットが電力合成器に連結され、
前記発電機ユニットが、他の発電機ユニットにそれぞれ交換可能である
ことを特徴とする発電機システム。
【請求項２】
発電機ユニットに燃料を供給するための接続器と、
接続器に燃料を供給するための複数の燃料容器とを備え、
前記燃料容器が、他の燃料容器にそれぞれ交換可能である
ことを特徴とする請求項１に記載の発電機システム。
【請求項３】
発電機ユニットが、発電機と、整流器と、インバータとを備え、
発電機から出力される交流電力が、発電機に連結された整流器によって直流電力に整流され、
整流器から出力される直流電力が、整流器に連結されたインバータによって交流電力に変換され、
複数のインバータから出力された交流電力が、複数のインバータと連結された電力合成器によって合成され、
複数のインバータが、予め任意に選択されたマスターインバータとそれ以外のスレーブインバータからなり、
マスターインバータから出力される交流電力の位相とスレーブインバータから出力される交流電力の位相との位相差を解消するための情報が、電力合成器からスレーブインバータのそれぞれに出力され、
スレーブインバータから出力される交流電力の位相が、前記情報に基づいてマスターインバータから出力される交流電力の位相と一致するように制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電機システム。
【請求項４】
接続器、及び／又は、発電機ユニットを監視制御する主制御回路を備え、
接続器において、燃料容器から接続器への燃料の供給圧力、接続器の内圧、及び／若しくは、接続器から発電機ユニットへの燃料の供給圧力の異常を主制御回路が検知した際、並びに／又は、発電機ユニットにおいて、発電機に連結されたエンジン温度の異常を主制御回路が検知した際に、
燃料容器から接続器への燃料の供給若しくは接続器から発電機ユニットへの燃料の供給又は発電機ユニットによる発電が停止されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発電機システム。
【請求項５】
燃料が水素ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発電機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力を安定的に供給するための発電機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的大型の工場などの産業施設では、電力を安定的に供給するために、商用電源を常設の電源として用いることが一般的である。そして、商用電源が停電など何らかの原因で使えない状況の時に、非常用の電源として、工場等の施設で保有する発電機が用いられる。商用電源は、先進国においては普及しており、停電の頻度も少ないが、発展途上国等においては、普及が進んでいない地域も多く、停電が頻発するような地域も多い。
【０００３】
商用電源からの電力供給が途絶えやすい発展途上国等においては、商用電源以外の手段によって、継続的に電力を供給できる仕組みを設けることが、工場を安定的に運営する観点から重要である。例えば、発展途上国において、金属や鉱物などを工場内の炉で溶錬するような場合、信頼性の低い商用電源のみに電力供給を依存していると、停電が起こった場合に炉が急冷され、炉の中の金属等が固まってしまうことにより、炉が破損し、工場が機能しなくなってしまうという問題が起こる。
【０００４】
そこで、商用電源からの電力供給が安定的に行われない地域においては、常設の電源を商用電源とするのではなく、停電の影響を受けない発電機で代用することが望ましいと考えられる。そのような発電機としては、大電力を供給する発電機や、発電機を複数用いることで、結果的に大きな電力を継続的に得ようとする発電機（例えば、特許文献１参照）などが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２１１９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような大電力を供給する発電機は、発電機自体の発熱量も大きくなるため、発電機自体が耐用性に劣るという問題がある。さらに、発電機が故障してしまえば、継続的な電力供給が不可能になってしまうという問題もある。また、特許文献１に記載されているような発電機は、複数のモータから構成される発電装置のうち、第１段モータを効率よく駆動させる動力源が特殊であることや、発電システムの構造上メンテナンスが不便であるということから、非常用の電源として用いることはできても、常設の電源として用いることは困難であるといえる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、発電をするための複数の発電機ユニットと、発電機ユニットにおいて発電された電力を合成するための電力合成器とを備え、各発電機ユニットが電力合成器に連結され、前記発電機ユニットが、他の発電機ユニットにそれぞれ交換可能であることを特徴とする発電機システムに関する。
【０００８】
本発明では、さらに、発電機ユニットに燃料を供給するための接続器と、接続器に燃料を供給するための複数の燃料容器とを備え、前記燃料容器が、他の燃料容器にそれぞれ交換可能であることが好ましい。
【０００９】
本発明では、さらに、発電機ユニットが、発電機と、整流器と、インバータとを備え、発電機から出力される交流電力が、発電機に連結された整流器によって直流電力に整流され、整流器から出力される直流電力が、整流器に連結されたインバータによって交流電力に変換され、複数のインバータから出力された交流電力が、複数のインバータと連結された電力合成器によって合成され、複数のインバータが、予め任意に選択されたマスターインバータとそれ以外のスレーブインバータからなり、マスターインバータから出力される交流電力の位相とスレーブインバータから出力される交流電力の位相との位相差を解消するための情報が、電力合成器からスレーブインバータのそれぞれに出力され、スレーブインバータから出力される交流電力の位相が、前記情報に基づいてマスターインバータから出力される交流電力の位相と一致するように制御されることが好ましい。
【００１０】
本発明では、さらに、接続器、及び／又は、発電機ユニットを監視制御する主制御回路を備え、接続器において、燃料容器から接続器への燃料の供給圧力、接続器の内圧、及び／若しくは、接続器から発電機ユニットへの燃料の供給圧力の異常を主制御回路が検知した際、並びに／又は、発電機ユニットにおいて、発電機に連結されたエンジン温度の異常を主制御回路が検知した際に、燃料容器から接続器への燃料の供給若しくは接続器から発電機ユニットへの燃料の供給又は発電機ユニットによる発電が停止されることが好ましい。
【００１１】
本発明では、さらに、燃料が水素ガスであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、複数の発電機ユニットを採用しているため、１つの発電機の容量を小さくすることができる。小容量の発電機を採用できるため、発電機１台あたりの発熱量を小さく抑えることができる。発電機１台あたりの発熱量を小さく抑えられることで、発電機の寿命を長くすることができる。また、発電機ユニットを複数にすることにより、発電機ユニットを冷却するための表面積が増加するため、発電機全体の冷却効率を上げることもできる。
【００１３】
発電機ユニットが１つしかない場合は、発電機ユニットが故障してしまうと電力供給が停止してしまうが、本発明のように発電機ユニットが複数ある場合は、１つ１つの発電機ユニットが壊れにくくなるだけでなく、１つの発電機ユニットが故障しても、他の発電機ユニットが稼働できるため、電力供給を継続できる。また、複数の発電機ユニットをそれぞれ交換することができるため、修理やメンテナンスのために、１つの発電機における発電を停止させる必要があっても、他の発電機ユニットを稼働させることができる。そのため、電力供給を停止させることなく、発電機ユニットの修理やメンテナンスを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明にかかる発電機システムの構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明するが、本発明は図面及び実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
本実施形態において、発電機システムは、水素ガスボンベ１、接続器２、発電機ユニット３、電力合成器４、及び主制御回路５を備える。
【００１７】
水素ガスボンベ１には、発電機ユニット３の燃料として接続器２に供給される水素ガスが封入されている。水素ガスボンベ１の形状や大きさはどのようなものでもよいが、接続器２に水素ガスボンベ１を接続する際に、静電気等によって惹起される水素ガスの爆発が起こらないような材質・構造で、水素ガスボンベ１が形成されていることが望ましい。また、接続器２における水素ガスボンベ１の連結部の数だけ、水素ガスボンベ１を接続器２に連結することができる。
【００１８】
水素ガスボンベ１は１本ずつ交換できるため、水素ガスボンベ１ａを交換している間も、水素ガスボンベ１ｂ〜１ｄによって水素ガスを接続器２に供給できる。そのため、水素ガスボンベ１の交換中も、すべての発電機ユニット３を稼働できるため、電力を継続的に供給することができる。なお、本実施形態においては、水素ガスボンベ１を４つ用いたものを例示しているが、水素ガスボンベ１の数はいくつでもよい。
【００１９】
ところで、金属や鉱物などを溶錬させるための炉を洗浄する際に苛性ソーダが用いられることがあるが、洗浄用の苛性ソーダを現地で製造する際に、大量の水素が発生する。この大量の水素をガスボンベに小分けして保存し、その水素ガスを本発明の発電機ユニット３の燃料として用いることができる。このようにして、発電のための燃料を炉の洗浄剤を製造する過程で極めて安価かつ大量に入手することができるため、工場全体の稼働コストを大幅に削減することができる。
【００２０】
本実施形態において、燃料を水素ガスとすることにより、エネルギー効率の良い発電をすることができるとともに、化石燃料の浪費も防止でき、大気汚染・地球温暖化等の地球環境問題の解消にも貢献できる。
【００２１】
本実施形態においては、燃料として水素ガスを用いているが、例えば、シェールガス、都市ガス、ＬＰガス、又は酸素ガスなど、どのような気体燃料を用いてもよい。また、気体燃料でなくとも、例えば、液化石油ガスや液化天然ガスのような液体燃料を用いてもよい。
【００２２】
接続器２は、水素ガスボンベ１から発電機ユニット３へ水素ガスを供給するために設けられる。接続器２は、発電機ユニット３に対して、適切な量の水素ガスを適切なタイミングで供給する。適切な量の水素ガスを発電機ユニット３に供給するためには、例えば、各発電機ユニット３から出力される交流電力の電圧を別途モニタし、状況に応じて水素ガスの供給量を制御出来る制御ユニットを内蔵するという構成にすることが望ましい。また、適切なタイミングで水素ガスを発電機ユニット３に供給するためには、各発電機ユニット３から出力される交流電力の周波数を別途モニタし、状況に応じて水素ガスの供給量を制御出来る制御ユニットを内蔵するという構成にすることが望ましい。加えて、静電気等によって惹起される水素ガスの爆発を防止するために、例えば、静電気が蓄積しない金属材料で水素ガスの供給経路を製作したり、水素ガスの供給経路を静電シールド等で防護したりすることが望ましい。
【００２３】
水素ガスボンベ１から接続器２への水素ガス供給量の調節方法は、接続器２における水素ガスボンベ１との連結部付近に、水素ガスの圧力を検知するためのゲージを設け、その連結部において開閉弁を調整する方法や、接続器２に対する水素ガスの供給圧力を電子管理するシステムを設ける方法などが考えられるが、これらに限定されない。
【００２４】
本実施形態においては、複数の発電機ユニット３が１つの接続器２に連結され、１つの接続器２が複数の水素ガスボンベ１に連結される構成となっている。そのため、１つの水素ガスボンベ１を交換する際も、全ての発電機ユニット３を稼働させ続けることができるため、電力供給を安定して継続することができる。また、接続器２に水素ガスボンベ１を連結しても、水素ガスボンベ１のバルブは閉じた状態に保つことができるため、各水素ガスボンベ１の使用開始時期をずらすことができ、全ての水素ガスボンベ１が同時期に空になってしまうことを防ぐことができる。さらに、水素ガスボンベ１と発電機ユニット３を直接連結させた場合と比べて、発電機ユニット３に対する水素ガスの供給圧力をより安定させることができるため、消費電力の変化に対する耐性が強くなるという利点がある。加えて、水素ガスボンベ１における水素ガスの残存量と発電機ユニット３における発電との関係が直接的ではなくなるため、水素ガスボンベ１の交換時期と発電機ユニット３のメンテナンス時期とを完全に分けて管理できるという利点もある。
【００２５】
本実施形態において、発電機ユニット３は、エンジン３１、発電機３２、整流器３３、バッテリー３４、又はインバータ３５によって構成される。
【００２６】
発電機ユニット３は発電機システム内に複数設けられているため、発電機ユニット３ａを修理しているときでも、発電機ユニット３ｂ及び３ｃを稼働して、電力供給を継続的に行うことができる。また、発電機ユニット３ａを修理しているときに、商用電源を補助的に活用して電力供給を行ってもよい。なお、本実施形態においては、発電機ユニット３を３つ用いたものを例示しているが、発電機ユニット３の数はいくつでもよい。
【００２７】
エンジン３１では、接続器２から供給された水素ガスが燃焼され、ピストンが運動する。エンジン３１は、発熱が小さく抑えられるよう、低トルクで駆動するものを用いることが望ましい。また、エンジン３１においては、アース線を設けたり、火花が散らないようにしたりするなど、防爆処理を施しておくことが望ましい。
【００２８】
発電機３２では、エンジン３１におけるピストンによって得られた運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。本実施形態における発電機３２は、三相交流が得られる交流発電機であるが、直流発電機を用いて、整流器３３やインバータ３５を設けない態様としてもよい。ただし、エネルギー効率の観点からは、交流発電機を用いることが望ましい。なお、三相交流を出力する発電機でなく、一相の交流を出力する発電機を用いてもよい。また、発電機３２においても、アース線を設けたり、火花が散らないようにしたりするなど、防爆処理を施しておくことが望ましい。
【００２９】
整流器３３は、発電機３２から出力された交流電力を直流電力に整流し、整流した直流電力をインバータ３４又はバッテリー３５に出力する。整流器３３としては、水銀整流器、亜酸化銅整流器、サイラトロン、セレン整流器、ダイオード、又は二極真空管など種々の整流器を用いることができる。
【００３０】
バッテリー３４は、整流器３３から出力された直流電力を蓄電する。蓄電された電力は、発電機３２における発電量が低下した場合などに、必要に応じてインバータ３５に出力される。バッテリー３４としては、鉛バッテリー、カルシウムバッテリー、ハイブリッドバッテリー、シールドバッテリー、又はリチウムイオンバッテリーなど種々のバッテリーを用いることができる。
【００３１】
インバータ３５は、整流器３３又はバッテリー３４から出力された直流電力を交流電力に変換する。インバータ３５は発電機ユニット３のそれぞれに設けられており、それぞれのインバータ３５が１つの電力合成器４に連結されている。
【００３２】
電力合成器４は、複数のインバータ３５から出力される交流電力を１つの電力に合成する。そして、合成された電力は、電力を必要とする機械や機器等に出力される。
【００３３】
電力合成を行うためには、複数のインバータ３５のうちの１つをマスターインバータ３５ａ、それ以外をスレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃとして予め任意に選別し、スレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃから出力される交流電力の位相を、マスターインバータ３５ａから出力される交流電力の位相と一致させるように制御することが簡便である。
【００３４】
スレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃの位相を制御するには、電力合成に先立って、マスターインバータ３５ａから出力される交流電力の位相とスレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃから出力される交流電力の位相との位相差を解消するための情報が、電力合成器４から複数のスレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃに送信され、複数のスレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃに設けられた受信部が、その情報を受信するようにすることが簡便である。
【００３５】
マスターインバータ３５ａから出力される交流電力の位相とスレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃから出力される交流電力の位相との位相差を解消するための情報は、マスターインバータ３５ａから出力される交流電力の位相自体の情報であってもよいし、マスターインバータ３５ａから出力される交流電力の位相とスレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃから出力される交流電力の位相との位相差情報であってもよい。
【００３６】
なお、前者の場合、スレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃのいずれもが、同一の情報を電力合成器４から受信することになるが、後者の場合、マスターインバータ３５ａから出力される交流電力の位相とスレーブインバータ３５ｂから出力される交流電力の位相との位相差情報は、スレーブインバータ３５ｂに送信され、マスターインバータ３５ａから出力される交流電力の位相とスレーブインバータ３５ｃから出力される交流電力の位相との位相差情報は、スレーブインバータ３５ｃに送信される、というように、それぞれのスレーブインバータ３５ｂ及び３５ｃは、それぞれが出力する交流電力の位相に応じて、それぞれ異なる情報を電力合成器４から受信することになる。
【００３７】
このように電力合成が行われることにより、複数の発電機ユニット３でそれぞれ発電された交流電力が、互いに打ち消しあうことなく合成され、発電した電力の損失を抑えることができるようになる。
【００３８】
主制御回路５は、接続器２と発電機ユニット３を主に監視及び制御する。具体的には、接続器２において、水素ガスボンベ１から接続器２への水素ガスの供給圧力、接続器２の内圧、接続器２から発電機ユニット３への水素ガスの供給圧力などを監視する。また、発電機ユニット３においては、発電機３２に連結されたエンジン３１の温度を監視する。
【００３９】
水素ガスボンベ１から接続器２への水素ガス供給圧力や接続器２における内圧の異常が検知された場合は、水素ガスボンベ１から接続器２への水素ガスの供給が停止制御される。また、接続器２から発電機ユニット３への水素ガス供給圧力の異常が検知された場合は、接続器２から発電機ユニット３への水素ガスの供給が停止制御される。加えて、発電機３２に連結されたエンジン３１の温度の異常が検知された場合は、発電機ユニット３における発電が停止制御される。
【００４０】
発電機システムを監視及び制御するためには、それぞれを監視及び制御する部位において、監視する項目を設定し、各監視項目についての異常を定義するために閾値を設定することが簡便である。そして、その閾値を上回った場合又は下回った場合に、各監視制御部位の機能を停止させることで、発電機システムの安全性が担保される。
【００４１】
なお、主制御回路５による監視の項目は、本実施形態で示されているものに限定されるものではなく、上記以外でも、エンジン３１の吸気若しくは排気、エンジン３１の回転数、発電機３２の発電量、整流器３３、バッテリー３４、又は電力合成器４から出力される位相差解消情報を監視の対象とする態様としてもよい。また、制御の方法としては、異常を検知した際に各監視制御部位の機能を停止制御するだけでなく、その機能を段階的に調節できる態様としてもよい。
【００４２】
本実施形態においては、複数の発電機ユニット３を備えた発電機システムについて開示しているが、そのような発電機システムを複数備えた発電機システムとして、本発明の発電機システムを稼働させることも可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１      水素ガスボンベ
２      接続器
３      発電機ユニット
３１    エンジン
３２    発電機
３３    整流器
３４    バッテリー
３５    インバータ
４      電力合成器
５      主制御回路
【図１】
2015228777.tif 000003