(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地熱溜りの熱を用いて電力を生成する発電システムであって、
一方端部が前記地熱溜りに設置され、一方端部から他方端部に前記地熱溜りの熱を伝導させる熱伝導部材と、
前記熱伝導部材の他方端部の熱を用いて水素を生成する水素発生装置と、
前記水素発生装置によって生成された水素を燃料として直流電力を生成する燃料電池とを備え、
前記水素発生装置は、
前記熱伝導部材の他方端部の熱を用いて水蒸気を生成する水蒸気発生装置と、
自然エネルギーを用いて電力を生成する発電装置と、
前記発電装置によって生成された電力を使用し、前記水蒸気発生装置によって生成された水蒸気を電気分解して水素を生成する電解装置とを含み、
前記燃料電池は、前記電解装置によって生成された水素を燃料として直流電力を生成する、発電システム。
【請求項２】
前記水素発生装置は、さらに、前記電解装置によって生成された水素を蓄える水素貯蔵装置を含み、
前記燃料電池は、前記電解装置によって生成されて前記水素貯蔵装置に蓄えられた水素を燃料として直流電力を生成する、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記熱伝導部材は、地表と前記地熱溜りの間に形成された孔に挿入されている、請求項１または請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記孔は、前記地表に対して斜め方向に形成されている、請求項３に記載の発電システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発電システムを備え、前記燃料電池によって生成される直流電力、交流電源から供給される交流電力、または電力貯蔵装置の直流電力を用いて負荷を駆動させる無停電電源システムであって、
前記燃料電池によって生成された直流電力を受ける直流母線と、
前記交流電源から交流電力が正常に供給されている第１の場合は、前記直流母線の直流電圧が予め定められた直流電圧になるように前記交流電源と前記直流母線との間で電力を授受し、前記交流電源から交流電力が正常に供給されていない第２の場合は、その運転が停止されるＡＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１の場合は、前記直流母線から受けた直流電力を前記電力貯蔵装置に蓄え、前記第２の場合は、前記電力貯蔵装置の直流電力を前記直流母線に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記直流母線から受けた直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するＤＣ／ＡＣコンバータとを備える、無停電電源システム。                                                                                
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は発電システムおよびそれを用いた無停電電源システムに関し、特に、地熱を用いた発電システムと、それを用いた無停電電源システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、水素を燃料として電力を生成する燃料電池と、燃料電池で発生する熱を用いて水蒸気を生成する水蒸気発生装置と、自然エネルギーを用いて電力を生成する発電装置と、発電装置によって生成された電力を使用し、水蒸気発生装置によって生成された水蒸気を電気分解して燃料電池用の水素を生成する電解装置とを備える発電システムが開示されている。
【０００３】
特許文献２には、生産井から採取した蒸気、熱水、および粒状固形物から蒸気を分離する複数段の気液分離器と、複数段の気液分離器によって分離された蒸気によって駆動されて電力を発生する発電用タービンとを備えた地熱発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１７６６７５号公報
【特許文献２】特開２０１３−２３１３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１において、自然エネルギーとして太陽光を用いると夜間には発電できず、風力を用いると無風時には発電できないという問題がある。これに対して、自然エネルギーとして地熱を用いれば、昼夜を問わず、風の有無に関係なく常時発電することができる。
【０００６】
しかし、特許文献２の地熱発電装置では、複数段の気液分離器および発電用タービンを備えているので、装置が大型化し、メンテナンスの手間が大きくなるという問題がある。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で、メンテナンスの手間が小さな発電システムと、それを用いた無停電電源システムとを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る発電システムは、地熱溜りの熱を用いて電力を生成する発電システムであって、一方端部が地熱溜りに設置され、一方端部から他方端部に地熱溜りの熱を伝導させる熱伝導部材と、熱伝導部材の他方端部の熱を用いて水素を生成する水素発生装置と、水素発生装置によって生成された水素を燃料として直流電力を生成する燃料電池とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る発電システムでは、熱伝導部材の一方端部を地熱溜りに設置し、熱伝導部材の他方端部の熱を用いて水素を生成し、その水素を燃料として直流電力を生成する。したがって、複数段の気液分離器および発電用タービンを使用する従来に比べ、小型で、メンテナンスの手間が小さな発電システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１による無停電電源システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した電力ケーブルの構成を示す断面図である。
【図３】図２に示した電力ケーブルの埋設方法を例示する断面図である。
【図４】図１に示した水蒸気電解装置の構成を例示する図である。
【図５】この発明の実施の形態２による無停電電源システムの構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示した電力ケーブルの埋設方法を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１による無停電電源システムの構成を示すブロック図である。図１において、この無停電電源システムは、太陽光発電装置１、風力発電装置２、電力ケーブル３、温度差発電装置４、ＤＣ／ＤＣコンバータ５，１２、水蒸気電解装置６、水素貯蔵装置７、燃料電池８、水蒸気発生装置９、直流母線１０、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１、蓄電池１３、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４、およびバイパススイッチ１５を備える。
【００１２】
太陽光発電装置１は、太陽光の光エネルギーを直流電力に変換する。風力発電装置２は、風力を交流電力に変換し、その交流電力を直流電力に変換する。電力ケーブル３は、地熱溜り２０と温度差発電装置４との間に接続され、地熱溜り２０から温度差発電装置４に熱を伝導させる。
【００１３】
電力ケーブル３は、図２に示すように、導体３ａ（熱伝導部材）と絶縁体３ｂとを含む。導体３ａは、たとえば、複数の銅線を撚ったものである。各銅線の表面は、ニッケルを用いてメッキされている。導体３ａは、通常は電流を流すために使用されるが、本実施の形態１では地熱溜り２０から温度差発電装置４に熱を伝導させるために使用される。
【００１４】
導体３ａの一方端部および他方端部を除いて、導体３ａの表面は絶縁体３ｂで被覆されている。絶縁体３ｂは、たとえば、マイカ、有機ポリマーなどを組み合わせたものであり、耐熱性、難燃性を有する。絶縁体３ｂは、通常は導体３ａと電力ケーブル３の外部との間を電気的に絶縁するために使用されるが、本実施の形態１では導体３ａから電力ケーブル３の外部（たとえば大地）に熱が伝導して導体３ａの温度が低下することを防止するために使用される。
【００１５】
図３は、電力ケーブル３の埋設方法を例示する断面図である。図３において、地熱溜り２０は、火山を有する国立公園または国定公園の地下に存在する場合が多い。国立公園および国定公園の各々には、公園の景観を極力保護することが必要な地域として第一種特別保護地域が設けられている。
【００１６】
国立公園および国定公園内であっても第一種特別保護地域を除く地域では、公園の景観と調和する外観を有する発電施設の設置、建設は許可されている。さらに、第一種特別保護地域の地表に影響を与えなければ、第一種特別保護地域外から地域内の地下に斜めに孔を掘削することが許可されている。
【００１７】
そこで、本実施の形態１では、地熱溜り２０が第一種特別保護地域内に存在する場合には、図３に示すように、第一種特別保護地域外の地表から地域内の地下の地熱溜り２０の内部まで斜めに孔２１を掘削し、孔２１内に電力ケーブル３を挿入する。これにより、電力ケーブル３の導体３ａの一方端部が地熱溜り２０の内部に設置され、導体３ａの他方端部が地表に設置される。地熱溜り２０の熱は導体３ａの一方端部から他方端部に伝導し、導体３ａの他方端部の温度ＴＨが地表２２（冷熱源）の温度ＴＬよりも十分に高くなる。なお、地熱溜り２０が第一種特別保護地域以外の地域の地下にある場合には、孔２１を垂直方向に掘削し、その孔２１に電力ケーブル３を挿入するとよい。
【００１８】
温度差発電装置４は、導体３ａの他方端部の温度ＴＨと地表２２の温度ＴＬとの温度差ＴＨ−ＴＬを利用して直流電力を生成する。温度差発電装置４は、ゼーベック効果を利用したものでもよいし、温度差を利用して発電用タービンを回転駆動させるものでもよい。冷熱源は、地表２２に限るものではなく、空冷（または水冷）される冷却器でもよいし、川の流水でもよい。
【００１９】
図１に戻って、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、太陽光発電装置１の出力電圧と風力発電装置２の出力電圧と温度差発電装置４の出力電圧とを受け、所定値の直流電圧Ｖ５を出力する。水蒸気電解装置６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧Ｖ５を用いて、水蒸気発生装置９で生成された水蒸気を電気分解して水素を生成する。
【００２０】
図４は、水蒸気電解装置６の構成を例示する図である。図４において、水蒸気電解装置６は、板状の電解質６ａと、電解質６ａの表面および裏面にそれぞれ形成された電極６ｂ，６ｃとを含む。電極６ｃ，６ｂ間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧Ｖ５が印加される。電極６ｂの表面に高温（たとえば６００℃）の水蒸気を供給すると、水蒸気は電極６ｂの表面で水素（Ｈ２）と酸素イオン（Ｏ２−）に電気分解され、酸素イオン（Ｏ２−）は電解質内を通過して他方の電極６ｃから酸素（Ｏ２）になって放出される。
【００２１】
図１に戻って、水蒸気電解装置６によって生成された水素は、水素貯蔵装置７に供給される。水素貯蔵装置７は、水蒸気電解装置６によって生成された水素を貯蔵するとともに、所定圧力の水素を燃料電池８に供給する。
【００２２】
燃料電池８は、水素貯蔵装置７からの水素を燃料として直流電力を生成し、生成した直流電力を直流母線１０に供給する。燃料電池８では、水素と空気中の酸素とが電気化学反応して直流電力とともに熱が発生する。水蒸気発生装置９は、水と燃料電池８で発生した熱とを用いて水蒸気を生成し、生成した水蒸気を水蒸気電解装置６に供給する。
【００２３】
発電装置１，２，４、電力ケーブル３、ＤＣ／ＤＣコンバータ５、水蒸気電解装置６、水素貯蔵装置７、燃料電池８、および水蒸気発生装置９は、自然エネルギーを用いて直流電力を生成する発電システムを構成する。
【００２４】
ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、商用交流電源５０（電力系統）と直流母線１０との間に設けられる。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、商用交流電源５０から交流電力が正常に供給されている場合には、直流母線１０の直流電圧ＶＤＣが定格電圧ＶＲになるように、商用交流電源５０と直流母線１０の間で電力を授受する。
【００２５】
換言すると、燃料電池８によって生成された直流電力が不足している場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、商用交流電源５０からの交流電力を直流電力に変換して直流母線１０に供給する。燃料電池８によって生成された直流電力が余剰している場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、直流母線１０から受けた直流電力を交流電力に変換して商用交流電源５０に戻す。商用交流電源５０から交流電力が正常に供給されていない場合（たとえば停電時）には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１の運転は停止される。
【００２６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、直流母線１０と蓄電池１３の間に設けられる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、商用交流電源５０から交流電力が正常に供給されている場合には、直流母線１０から受けた直流電力を蓄電池１３に蓄える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、商用交流電源５０から交流電力が正常に供給されていない場合（たとえば停電時）には、蓄電池１３の直流電力を直流母線１０に供給する。
【００２７】
ＤＣ／ＡＣコンバータ１４は、直流母線１０と負荷５１の間に設けられ、直流母線１０から受けた直流電力をたとえば商用周波数の交流電力に変換して負荷５１に供給する。バイパススイッチ１５は、商用交流電源５０と負荷５１の間に接続され、商用交流電源５０からの交流電力を負荷５１に供給するバイパス給電モード時にオンされる。さらにバイパススイッチ１５は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４によって生成される交流電力を負荷５１に供給している場合において、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４が故障したときに瞬時にオンし、負荷５１の運転を継続させる。
【００２８】
次に、この無停電電源システムの動作について説明する。太陽光発電装置１、風力発電装置２、および温度差発電装置４によって生成された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して水蒸気電解装置６に供給される。水蒸気電解装置６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５から受けた直流電力を用いて、水蒸気発生装置９から供給される水蒸気を電気分解して水素を生成する。水蒸気電解装置６によって生成された水素は、水素貯蔵装置７によって所定圧力に調整されて燃料電池８に供給される。
【００２９】
燃料電池８では、水素貯蔵装置７から供給される水素と空気中の酸素とが電気化学反応して直流電力および熱が発生する。水と燃料電池８で発生した熱とが水蒸気発生装置９に供給されて水蒸気が生成され、生成された水蒸気は水蒸気電解装置６に供給される。燃料電池８によって生成された直流電力は、直流母線１０を介してＤＣ／ＡＣコンバータ１４に供給され、交流電力に変換されて負荷５１に供給される。
【００３０】
商用交流電源５０から交流電力が正常に供給されている場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、直流母線１０の直流電圧ＶＤＣが定格電圧ＶＲになるように、商用交流電源５０と直流母線１０との間で電力を授受する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、直流母線１０から受けた直流電力を蓄電池１３に蓄える。
【００３１】
燃料電池８によって生成される直流電力が不足している場合は、不足分の電力は商用交流電源５０からＡＣ／ＤＣコンバータ１１を介して直流母線１０に供給される。燃料電池８によって生成された直流電力が余剰している場合は、余剰電力は直流母線１０からＡＣ／ＤＣコンバータ１１を介して商用交流電源５０に戻され、商用交流電源５０に接続された他の負荷(図示せず)によって消費される。
【００３２】
商用交流電源５０から交流電力が正常に供給されていない場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータの運転が停止される。燃料電池８によって生成される直流電力が不足している場合は、不足分の電力は蓄電池１３からＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して直流母線１０に供給される。ＤＣ／ＡＣコンバータ１４は、直流母線１０から受けた直流電力を商用周波数の交流電力に変換して負荷５１に供給する。
【００３３】
ＤＣ／ＡＣコンバータ１４が故障した場合には、バイパススイッチ１５が瞬時にオンする。これにより、商用交流電源５０からバイパススイッチ１５を介して負荷５１に交流電力が供給され、負荷５１の運転が継続される。
【００３４】
以上のように、この実施の形態１では、電力ケーブル３の導体３ａの一方端部を地熱溜り２０に設置し、導体３ａの他方端部と地表２２との温度差を用いて直流電力を生成し、その直流電力により水蒸気を電気分解して水素を生成し、その水素を燃料として直流電力を生成する。したがって、複数段の気液分離器および発電用タービンを使用する従来技術（特許文献２）と比べ、装置の小型化、メンテナンスの手間の軽減化を図ることができる。
【００３５】
なお、この実施の形態１では、熱伝導部材として電力ケーブル３を使用したが、これに限るものではなく、地熱溜り２０の熱を地表まで効率よく伝導できるものであれば、どのようなものを使用しても構わない。
【００３６】
[実施の形態２]
図５は、この発明の実施の形態２による無停電電源システムの構成を示すブロック図であって、図１と対比される図である。図５を参照して、この無停電電源システムが図１の無停電電源システムと異なる点は、温度差発電装置４および電力ケーブル３が除去され、電力ケーブル３Ａが設けられている点である。電力ケーブル３Ａは、地熱溜り２０と水蒸気発生装置９との間に接続され、地熱溜り２０から水蒸気発生装置９に熱を伝導させる。電力ケーブル３Ａの構成は電力ケーブル３と同じであり、図２で説明した通りである。
【００３７】
図６は、電力ケーブル３Ａを埋設する方法を例示する図であって、図３と対比される図である。電力ケーブル３Ａは、電力ケーブル３と同様に、地表２２から地熱溜り２０の内部まで斜めに掘削された孔２１に挿入される。電力ケーブル３Ａの導体の一方端部は地熱溜り２０の内部に設置され、その他方端部は地表２２上に設置される。
【００３８】
地熱溜り２０の熱は、電力ケーブル３Ａの導体の一方端部から他方端部に伝導される。水蒸気発生装置９は、電力ケーブル３Ａの導体の他方端部から受ける熱と、燃料電池８から受ける熱と、水とを用いて水蒸気を生成し、その水蒸気を水蒸気電解装置６に与える。他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。
【００３９】
この実施の形態２では、電力ケーブル３Ａの導体の一方端部を地熱溜り２０の内部に設置し、その導体の他方端部に伝導された熱を用いて水蒸気を生成し、その水蒸気を電気分解して水素を生成し、その水素を燃料として直流電力を生成する。したがって、複数段の気液分離器および発電用タービンを使用する従来技術（特許文献２）と比べ、装置の小型化、メンテナンスの手間の軽減化を図ることができる。
【００４０】
なお、実施の形態１と２を組合せ、地熱溜り２０の熱を電力ケーブル３を介して温度差発電装置４に与えるとともに、地熱溜り２０の熱を電力ケーブル３Ａを介して水蒸気発生装置９に与えてもよい。
【００４１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４２】
１  太陽光発電装置、２  風力発電装置、３，３Ａ  電力ケーブル、３ａ  導体、３ｂ  絶縁体、４  温度差発電装置、５，１２  ＤＣ／ＤＣコンバータ、６  水蒸気電解装置、７  水素貯蔵装置、８  燃料電池、９  水蒸気発生装置、１０  直流母線、１１  ＡＣ／ＤＣコンバータ、１３  蓄電池、１４  ＤＣ／ＡＣコンバータ、１５  バイパススイッチ、２０  地熱溜り、２１  孔、２２  地表、５０  商用交流電源、５１  負荷。
【図１】
0006563851.tif 000002
【図２】
0006563851.tif 000003
【図３】
0006563851.tif 000004
【図４】
0006563851.tif 000005
【図５】
0006563851.tif 000006
【図６】
0006563851.tif 000007