(57)【要約】【課題】本発明の目的は自然エネルギの出力が急落時に送電出力を連続的に増加させることを可能にする製造費用を抑制した系統安定化発電システムを提供することにある。【解決手段】本発明の系統安定化発電システムは、自然エネルギを利用した発電設備と、発電設備で発電した電力を外部に送電する送電系統に接続するガスタービン発電設備、レシプロエンジン、及び蓄電池と、ガスタービン発電設備の圧縮機から供給される圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵容器とを備えており、自然エネルギを利用した発電設備の出力が低下した際に、蓄電池からの放電による出力と、レシプロエンジンによる出力と、圧縮空気貯蔵容器からガスタービン発電設備のタービンへ圧縮空気を供給して得られる出力と、燃焼器で発生する燃焼ガスをタービンへ供給して得られるガスタービン発電設備の出力によって、自然エネルギを利用した発電設備の出力変動を補完するように構成した。【選択図】図１
2015095976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギを利用した発電設備と、前記発電設備で発電した電力を外部に送電する送電系統と、前記送電系統にそれぞれ接続するガスタービン発電設備と、レシプロエンジンと、蓄電池と、前記ガスタービン発電設備の圧縮機から供給される圧縮空気の一部を貯蔵する圧縮空気貯蔵容器とを備えた系統安定化発電システムにおいて、
前記ガスタービン発電設備を構成する圧縮機とタービンとの間に両者の接離を行う結合装置と、前記レシプロエンジンと前記圧縮機との間に両者の接離を行う別の結合装置をそれぞれ設置し、
前記ガスタービン発電設備、レシプロエンジン、蓄電池、圧縮空気貯蔵容器、結合装置、及び別の結合装置を操作する制御装置を設置し、
自然エネルギを利用した発電設備の出力が低下した際に、前記制御装置による操作によって、蓄電池からの放電による出力と、レシプロエンジンによる出力と、圧縮空気貯蔵容器からガスタービン発電設備のタービンへ圧縮空気を供給して得られるガスタービン発電設備の出力と、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼器で燃焼して発生する燃焼ガスをタービンへ供給して得られるガスタービン発電設備の出力を調節して、前記自然エネルギを利用した発電設備の出力変動を補完するように構成したことを特徴とする系統安定化発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の系統安定化発電システムにおいて、
ガスタービン発電設備の運転中で、自然エネルギを利用した発電設備の出力が低下した場合に、前記制御装置による操作によって圧縮空気貯蔵容器に貯蔵されている圧縮空気の一部を燃焼器に供給してガスタービン発電設備のタービン負荷を迅速に上昇させ、
ガスタービン発電設備の運転中で、自然エネルギを利用した発電設備の出力が増加した場合に、前記制御装置による操作によって圧縮機から圧縮空気の一部を圧縮空気貯蔵容器へ貯蔵してガスタービン発電設備のタービン出力を降下させるように構成したことを特徴とする系統安定化発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の系統安定化発電システムにおいて、
ガスタービン発電設備の運転が停止している期間中はタービンと圧縮機の結合装置の接続を外しておき、圧縮空気貯蔵容器に貯蔵されている圧縮空気量又は圧縮空気圧力が一定値以下となった場合に、前記制御装置による操作によってレシプロエンジンを起動して圧縮機から圧縮空気の一部を圧縮空気貯蔵容器に貯蔵するように構成したことを特徴とする系統安定化発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は系統安定化発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、風力発電や太陽光発電などの自然エネルギは、出力が変動しやすいという特徴がある。
【０００３】
従来、自然エネルギの出力変動を補間する手段として、比較的起動時間が短いガスタービン発電システムや揚水発電システムや蓄電池等が用いられている。
【０００４】
例えば、公知技術として、国際公開ＷＯ２０１２/１４７７９２号公報には、タービンの利用率を高め、昼間などの電力需要の多い高負荷時の発電容量を増大させ、夜間などの電力需要の少ない低負荷時の燃料消費を低減できる圧縮空気貯蔵タンクとガスタービンを組み合わせた発電システムに関する技術が開示されている。
【０００５】
また、特開２００７−１２７１２４号公報には、風力タービンによる空気の貯蔵タンクとガスタービンを組み合わせた発電システムに関する技術が開示されている。
【０００６】
また、特開平０８−２１２６２号公報には、地下河川を利用した圧縮空気貯蔵とガスタービンを組み合わせた発電システムに関する技術が開示されている。
【０００７】
また、特開２０１２−２３９３７０号公報には、太陽光発電及び風力発電を利用して圧縮した空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵部と発電装置を組み合わせた発電システムに関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１２/１４７７９２号公報
【特許文献２】特開２００７−１２７１２４号公報
【特許文献３】特開平０８−２１２６２号公報
【特許文献４】特開２０１２−２３９３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、近年、世界的に自然エネルギの導入が加速しており、それに伴う大きな出力変動補間を前記した公知技術に記載されたような、単一の発電システムや機器によって達成しようとする場合に、単一の発電システムや機器の容量が大きくなり、その結果、発電システムを構成する各機器が大型化して発電システムや機器を製造する費用が高額になるという課題がある。
【００１０】
本発明の目的は、発電システムを構成する各機器が大型化させずに、自然エネルギの出力が急落時に送電出力を連続的に迅速に増加させることを可能にする系統安定化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】
【００１１】
本発明の系統安定化発電システムは、自然エネルギを利用した発電設備と、前記発電設備で発電した電力を外部に送電する送電系統と、前記送電系統にそれぞれ接続するガスタービン発電設備と、レシプロエンジンと、蓄電池と、前記ガスタービン発電設備の圧縮機から供給される圧縮空気の一部を貯蔵する圧縮空気貯蔵容器とを備えた系統安定化発電システムにおいて、前記ガスタービン発電設備を構成する圧縮機とタービンとの間に両者の接離を行う結合装置と、前記レシプロエンジンと前記圧縮機との間に両者の接離を行う別の結合装置をそれぞれ設置し、前記ガスタービン発電設備、レシプロエンジン、蓄電池、圧縮空気貯蔵容器、結合装置、及び別の結合装置を操作する制御装置を設置し、自然エネルギを利用した発電設備の出力が低下した際に、前記制御装置による操作によって、蓄電池からの放電による出力と、レシプロエンジンによる出力と、圧縮空気貯蔵容器からガスタービン発電設備のタービンへ圧縮空気を供給して得られるガスタービン発電設備の出力と、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼器で燃焼して発生する燃焼ガスをタービンへ供給して得られるガスタービン発電設備の出力を調節し、前記自然エネルギを利用した発電設備の出力変動を補完するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発電システムを構成する各機器が大型化させずに、自然エネルギの出力が急落時に送電出力を連続的に迅速に増加させることを可能にする系統安定化発電システムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施例である系統安定化発電システムの構成を示す概略構成図。
【図２】図１に示した第１実施例の系統安定化発電システムによる・・    を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施例の系統安定化発電システムについて、図１及び図２を用いて以下に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の第１実施例の系統安定化発電システムについて、図１及び図２を用いて以下に説明する。
【００１６】
図１に示すように、本発明の第１実施例の系統安定化発電システムは、風力発電や、太陽熱発電等の自然エネルギを利用した発電設備３０である再生可能エネルギの出力を送電する送電線１に、交直変換装置２が送電線３を経由して接続されている。
【００１７】
また、本実施例の系統安定化発電システムに備えられたガスタービン発電システム４は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、タービン１１と、このタービン１１によって駆動されて発電する発電機５を備えており、この発電機５によって発電した電力が送電線７によって前記送電線１に接続されている。
【００１８】
また、レシプロエンジン１６が設置されており、このレシプロエンジン１６によって駆動されて発電する発電機６を備えており、この発電機６によって発電した電力が送電線８によって前記送電線１に接続されている。
【００１９】
また、電力を貯蔵する蓄電池９が設けられているが、この蓄電池９は交直変換装置２と送電線１０によって接続されている。
【００２０】
そして、前記蓄電池９に電力を充電する場合は、送電線１を流れる交流電力の一部を、送電線３を経由して交直変換装置２に送電する。
【００２１】
この送電線３を経由して送電された交流電力は交直変換装置２によって直流電力に変換し、この交直変換装置２によって変換した直流電力を、送電線１０を経由して蓄電池９に送電して蓄電される。
【００２２】
蓄電池９に蓄電された電力を送電線に放電する場合は、蓄電池９に蓄電した直流電力を該蓄電池９から送電線１０を経由して交直変換装置２に送電し、送電線１０を経由して送電された直流電力を前記交直変換装置２によって交流電力に変換し、この変換した交流電力を前記交直変換装置２から送電線３を経由して送電線１に送電する。
【００２３】
ガスタービン発電システム４は、空気を圧縮する圧縮機１２と、圧縮機１２で圧縮された圧縮空気を空気流量調整弁２０を経由して導き、この圧縮空気と燃料流量調整弁１９を経由して供給された燃料を混合して燃焼させ高温の燃焼ガスを発生する燃焼器１４と、燃焼器１４で発生した高温の燃焼ガスによって駆動するタービン１１と、このタービン１１の駆動によって回転して発電する発電機５を備えている。
【００２４】
レシプロエンジン１６は、燃料流量調整弁１９を経由して供給された燃料によって稼働され、このレシプロエンジン１６の駆動によって回転して発電する発電機６を備えている。
【００２５】
本実施例の系統安定化発電システムに備えられた前記ガスタービン発電システム４は、圧縮機１２から圧縮空気貯蔵容器１５に供給する圧縮空気の流量を調整する空気流量調整弁２１と、圧縮空気貯蔵容器１５から燃焼器１４に供給する圧縮空気の流量を調整する空気流量調整弁２２と、圧縮空気貯蔵容器１５からタービン１１に供給する圧縮空気の流量を調整する空気流量調整弁２３と、圧縮機１２入口に設置された入口案内翼２４とから構成されている。
【００２６】
前記した入口案内翼２４と、燃料流量調整弁１８と、空気流量調整弁２０と、空気流量調整弁２１と、空気流量調整弁２２と、空気流量調整弁２３は、前記制御装置２５からの指令によって弁開度をそれぞれ制御するように構成されている。
【００２７】
次に、本実施例の系統安定化発電システムにおいて、ガスタービン発電設備４が停止中の系統安定化発電システムの運転方法について説明する。
【００２８】
夜間など電力需要が少ない場合は、本実施例の系統安定化発電システムのガスタービン発電設備４の運転を停止して、圧縮機１２とレシプロエンジン１６との接離を行う結合装置１７を接続し、タービン１１と圧縮機１２との接離を行う結合装置１３の接続は外しておく。
【００２９】
ガスタービン発電設備の運転が停止している期間中、自然エネルギを利用した発電設備３０の出力が一定値以上あり、かつ、圧縮空気貯蔵容器１５に貯蔵されている圧縮空気量又は圧縮空気圧力が一定値以下に低下した場合は、制御装置２５からの指令信号によってレシプロエンジン１６を起動して圧縮機１２を駆動させ、空気流量調整弁２１を開弁して、圧縮機１２で圧縮した圧縮空気を、空気流量調整弁２１を経由して圧縮空気貯蔵容器１５に貯蔵する。
【００３０】
また、ガスタービン発電設備４の運転が停止している期間中に、自然エネルギを利用した発電設備３０の出力が急降下し、出力変動の補完を行う必要がある場合は、制御装置２５からの指令信号によって、蓄電池９、圧縮空気貯蔵容器１５、レシプロエンジン１６、及び、ガスタービン発電システム４を順次起動し、起動した蓄電池９、レシプロエンジン１６、及び、ガスタービン発電システム４の各出力を組み合わせて、送電系統１への電力の出力を連続的に迅速に増加させる。
【００３１】
各時刻における各機器の出力と、本実施例の系統安定化発電システム全体の出力を図２に示した系統安定化発電システムを制御装置２５で制御した特性図について時刻の経過に沿って説明する。
【００３２】
図２に本実施例の系統安定化発電システムの特性図として示したように、破線Ａは蓄電池９の出力、一点鎖線Ｂはレシプロエンジン１６の出力、細線Ｃは圧縮空気貯蔵容器１５から供給された空気でタービン１１を駆動した出力、細線Ｄは燃焼器で発生した燃焼ガスでタービン１１を駆動した出力、太線Ｅは系統安定化発電システム全体の出力を、それぞれ時刻ｔ０からｔ５にわたって制御装置２５によって制御した特性図である。
【００３３】
図２に示した本実施例の系統安定化発電システムの特性図において、まず、時刻ｔ０にて、制御装置２５からの指令信号として、蓄電池９の放電指令、レシプロエンジン１６の起動指令、及び、空気流量調整弁２３の開指令を出力する。
【００３４】
制御装置２５から前記各指令を出力した時刻ｔ０の直後、時刻ｔ１にて、破線Ａで示したように、蓄電池９による出力が取れ始め、直ちに、蓄電池９の出力は定格負荷に達する。
【００３５】
その後、制御装置２５からの指令によって、一点鎖線Ｂで示したように、時刻ｔ２にて、レシプロエンジン１６を発電機６に併入し、レシプロエンジン１６の出力が取れ始めてしばらく時間が経過した後に、レシプロエンジン１６は定格負荷に達する。
【００３６】
時刻ｔ０の直後、制御装置２５からの開指令によって空気流量調整弁２３が開弁すると、細線Ｃで示したように、圧縮空気貯蔵容器１５に貯蔵されている圧縮空気が圧縮空気貯蔵容器１５からタービン１１に供給され、タービン１１を駆動する。
【００３７】
そして、タービン１１の回転数が上昇し、定格回転数まで到達した後に、細線Ｃで示したように、時刻ｔ３にてタービン１１を発電機５へ併入する。
【００３８】
尚、従来のガスタービン発電システムでは、起動用モータによってタービンを定格回転数まで上昇させるが、起動時にタービンと圧縮機は接続されているため、回転数上昇にタービンと圧縮機の合計分のトルクが必要である。
【００３９】
これに対して、本実施例の系統安定化発電システムでは、起動時に、ガスタービン発電システム４を構成する圧縮機１２とタービン１１との接離を行う結合装置１３の接続は外れており、タービン１１と圧縮機１２が分かれているため、回転数上昇に必要なトルクはタービン１１の分のみであり、従来のガスタービン発電システムよりも迅速に定格回転数に到達し、出力が取れ始める。
【００４０】
その後、タービン１１に残留していた未燃焼ガスの系外排出が完了となった時点で、制御装置２５からの指令によって結合装置１３を接続させ、圧縮機１２とタービン１１を結合する。
【００４１】
時刻ｔ３以前の時点で、圧縮機１２の回転数はレシプロエンジン１６の駆動によって定格回転数に達しているため、圧縮機１２とタービン１１との接離を行う結合装置１３の接続は可能である。
【００４２】
その後、時刻ｔ４で制御装置２５からの指令によって、空気流量調整弁２３を閉弁し、燃料流量調整弁１９と空気流量調整弁２０を開弁し、燃焼器１４で燃料と圧縮空気を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、細線Ｄで示したように、この燃焼器１４で発生した高温の燃焼ガスをタービン１１に供給して該タービン１１を駆動する。
【００４３】
そして制御装置２５からの指令によって燃焼器１４に供給する燃料と圧縮空気を増加させてタービン１１の負荷を増加させていくと、細線Ｄで示したように、時刻ｔ５にてタービン１１が定格負荷に到達する。
【００４４】
尚、蓄電池９およびレシプロエンジン１６は、制御装置２５からの指令によって、破線Ａ及び一点鎖線Ｂでそれぞれ示したように、時刻ｔ４から負荷を降下させて、時刻ｔ５で出力がゼロとなるようにする。
【００４５】
そして、太線Ｅとして示した系統安定化発電システムのシステム全体の出力は、破線Ａで示した蓄電池９の出力と、一点鎖線Ｂで示したレシプロエンジン１６の出力と、細線Ｃで示した圧縮空気貯蔵容器１５から供給された空気でタービン１１を駆動した出力と、細線Ｄで示した燃焼器で発生した燃焼ガスでタービン１１を駆動した出力をそれぞれ合算した合算値である。
【００４６】
上記したように、本実施例の系統安定化発電システムにおいては、制御装置２５の制御によって、蓄電池９、圧縮空気貯蔵容器１５、レシプロエンジン１６、及び、ガスタービン発電システム４を稼働して、これらの各機器を最適に組み合わせることにより、太線Ｅとして系統安定化発電システムのシステム全体の出力変化を示したように、送電系統１への出力を連続的に増加させることが可能となる。
【００４７】
また、ガスタービン発電設備４の起動時に、タービン１１と圧縮機１２が結合された状態で回転数を上昇させるのではなく、タービン１１と圧縮機１２との接離を行う結合装置１３の接続を外しておき、タービン１１と圧縮機１２のそれぞれを別々の動力源で、回転数を上昇させることにより、迅速な定格回転数への到達及び、発電機５の併入が可能となる。
【００４８】
次に、本実施例の系統安定化発電システムにおいて、ガスタービン発電設備４が稼働中の系統安定化発電システムの運転方法について説明する。
【００４９】
本実施例の系統安定化発電システムのガスタービン発電設備４が稼働中で、自然エネルギを利用した発電設備３０の出力が増加した場合は、制御装置２５からの指令によって、圧縮機１２入口の入口案内翼２４の開度を低下させ、燃料流量調整弁１９の開度を低下させると共に、空気流量調整弁２１を開弁することにより、圧縮機１２で圧縮した圧縮空気の一部を圧縮機１２から空気流量調整弁２１を経由して圧縮空気貯蔵容器１５に供給し、ガスタービン１１の負荷降下を行う。
【００５０】
圧縮機１２の入口の入口案内翼２４の開度を低下させるだけでなく、圧縮機１２から圧縮空気の一部を圧縮空気貯蔵容器１５へ供給することで、燃焼器１４へ供給される圧縮空気流量が迅速に減少し、ガスタービン１１の負荷降下も迅速となる。
【００５１】
そして、本実施例の系統安定化発電システムのガスタービン発電設備４が稼働中で、自然エネルギを利用した発電設備３０の出力が低下した場合は、制御装置２５からの指令信号によって、圧縮機１２入口の入口案内翼２４の開度を増加し、燃料流量調整弁１９の開度を増加すると共に、空気流量調整弁２３を開弁とすることにより、圧縮空気貯蔵容器１５から空気流量調整弁２２を経由して圧縮空気の一部を燃焼器１４に供給し、この燃焼器１４で発生させた燃焼ガスをタービン１１へ供給し、ガスタービン１１の負荷上昇を行う。
【００５２】
入口案内翼２４の開度を増加するだけでなく、圧縮空気貯蔵容器１５から圧縮空気の一部を燃焼器１４を経由して供給タービン１１へ供給することで、燃焼器１４へ供給される圧縮空気流量が迅速に増加し、ガスタービン１１の負荷上昇も迅速となる。
【００５３】
このように、ガスタービン１１の負荷上昇、あるいは負荷降下を迅速に行うことで、自然エネルギを利用した発電設備３０の出力が急降下した場合の迅速な出力補完が可能となる。
【００５４】
上記したことから明らかなように、本実施例によれば、自然エネルギの出力が急落時に送電出力を連続的に迅速に増加させることを可能にする構成がシンプルな系統安定化発電システムが実現できる。
【符号の説明】
【００５５】
１：送電線、２：交直変換装置、３：送電線、４：ガスタービン発電設備、５：発電機、６：発電機、７：送電線、８：送電線、９：蓄電池、１０：送電線、１１：タービン、１２：圧縮機、１３：結合装置、１４：燃焼器、１５：圧縮空気貯蔵容器、１６：レシプロエンジン、１７：結合装置、１８：燃料流量調整弁、１９：燃料流量調整弁、２０：空気流量調整弁、２１：空気流量調整弁、２２：空気流量調整弁、２３：空気流量調整弁、２４：入口案内翼、２５：制御装置、３０：自然エネルギを利用した発電設備。
【図１】
2015095976.tif 000003
【図２】
2015095976.tif 000004