(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関から供給される排気ガスの流量が変動しあるいは負荷が増減したときにも発電機の出力周波数の変動の少ない排気ガス利用発電システムを提供する。【解決手段】排気ガスタービン４によって駆動される発電機６と、負荷調整器１６を介して発電機６の出力端に接続された第１の抵抗器１７と、第２〜第Ｎ（ただしＮは２以上の整数）の抵抗器１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃと、発電機６の出力電圧の周波数検出手段１１にて検出した周波数と所定値を比較して抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃにて消費させる消費電力値を決定する消費電力決定手段（１２，１３，１４）と決定した消費電力値をもとに第１〜第Ｎの抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃに分担させる消費電力を演算し負荷調整器１６に第１の抵抗器１７の消費電力値を与えるとともに接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８ＣにＯＮ／ＯＦＦ指令を与える負荷分担設定手段１５とを備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、負荷を連続的に変化させることのできる負荷調整器を介して前記発電機の出力端に接続された第１の抵抗器と、それぞれ接触器を介して前記発電機の出力端に接続された第２〜第Ｎ（ただしＮは２以上の整数）の抵抗器と、前記発電機の出力電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段にて検出した周波数と所定の周波数設定値を比較して前記第１〜第Ｎの抵抗器にて消費させる消費電力値を決定する消費電力決定手段と、前記消費電力決定手段にて決定した消費電力値をもとに前記第１〜第Ｎの抵抗器に分担させる消費電力を演算し前記負荷調整器に第１の抵抗器の消費電力値を与えるとともに前記各々の接触器にＯＮ／ＯＦＦ指令を与える負荷分担設定手段とを備えていることを特徴とする排気ガス利用発電システム。
【請求項２】
前記第２〜第Ｎの抵抗器の単位容量をＰ１とし、前記第２〜第Ｎの抵抗器の容量の合計はＰ１の整数倍に選択可能とし、前記発電機の回転速度の調節を行うために決定された消費電力値の短期間での変動幅をＰａとしたとき、Ｐ１をＰ１＞（Ｐａ＋α）／２（ただしα＞０）となる容量とし、前記第１の抵抗器の容量ＰＳＲはＰＳＲ≧Ｐ１×２となるように定めたことを特徴とする請求項１記載の排気ガス利用発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスを利用した発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
２００５年２月１６日に発効した気候変動に関する国際連合枠組条約の京都議定書において我が国は、温室効果ガス排出量の削減達成の義務を負うことになった。このような状況の中、内燃機関からの排気ガスでタービンを駆動し、タービン軸に接続した発電機で発電を行う発電システムは、従来は廃棄していた熱エネルギーを回収するという点で省エネルギー化技術として非常に有用なシステムである（特許文献１）。
【０００３】
例えば、図７のように構成すると排気ガスの熱エネルギーを回収できる。図７において、１は内燃機関、２は排気通路、３，９は弁、４はタービン、５は減速機、６は発電機、７は遮断器、８は一般負荷である。
【０００４】
内燃機関１から排気通路２を通じて排気ガスが送られる。発電を行う時は弁３を開き、弁９を閉じて排気ガスをタービン４に送り、排気ガスでタービン４を回転させる。タービン４には減速機５を介して発電機６が接続されており、発電を行う。発電機６には遮断器７を介して一般負荷８が接続され、一般負荷８に電力を供給する。
【特許文献１】特開平６−０１０６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、通常の内燃機関において速度制御を行っているガバナがない上記のシステムでは、排気ガスの流量の変動や一般負荷８の消費電力の増減によりタービン４の回転速度が変化し、その結果、発電機６の出力周波数の変動を招く問題がある。
【０００６】
周波数を一定にするためにタービン４の回転速度を調整する方法として、排気ガスの流量調整を行うことも考えられるが、弁３は「開」状態か「閉」状態にしかできないため、排気ガスの流量調整を弁でスムーズに行うことができない。そこで、複数の弁で構成したとしても弁の機構を頻繁に動かすこととなり寿命の点で問題となる。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関から供給される排気ガスの流量が変動しあるいは負荷が増減したときにも発電機の出力周波数の変動の少ない排気ガス利用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】
【０００８】
上記課題を解決するために請求項１の排気ガス利用発電システムは、内燃機関から排出される排気ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、負荷を連続的に変化させることのできる負荷調整器を介して前記発電機の出力端に接続された第１の抵抗器と、それぞれ接触器を介して前記発電機の出力端に接続された第２〜第Ｎ（ただしＮは２以上の整数）の抵抗器と、前記発電機の出力電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段にて検出した周波数と所定の周波数設定値を比較して前記第１〜第Ｎの抵抗器にて消費させる消費電力値を決定する消費電力決定手段と、前記消費電力決定手段にて決定した消費電力値をもとに前記第１〜第Ｎの抵抗器に分担させる消費電力を演算し前記負荷調整器に第１の抵抗器の消費電力値を与えるとともに前記各々の接触器にＯＮ／ＯＦＦ指令を与える負荷分担設定手段とを備えている構成とする。
【０００９】
請求項２の排気ガス利用発電システムは、前記第２〜第Ｎの抵抗器の単位容量をＰ１とし、前記第２〜第Ｎの抵抗器の容量の合計はＰ１の整数倍に選択可能とし、前記発電機の回転速度の調節を行うために決定された消費電力値の短期間での変動幅をＰａとしたとき、Ｐ１をＰ１＞（Ｐａ＋α）／２（ただしα＞０）となる容量とし、前記第１の抵抗器の容量ＰＳＲはＰＳＲ≧Ｐ１×２となるように定めた構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、内燃機関から供給される排気ガスの流量が変動しあるいは負荷が増減したときにも発電機の出力周波数の変動の少ない排気ガス利用発電システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の最良の実施の形態を図１〜図６を参照して説明する。
【００１２】
（構成）
図１は、本発明の実施の形態の排気ガス利用発電システムの構成を示す図である。すなわち、本実施の形態の排気ガス利用発電システムは、内燃機関１から排出される排気ガスによって駆動されるタービン４と、タービン４によって駆動される発電機６と、負荷を連続的に変化させることのできる負荷調整器１６を介して発電機６の出力端に接続された抵抗器１７と、それぞれ接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを介して発電機６の出力端に接続された抵抗器１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃと、発電機６の出力電圧の周波数を検出する周波数検出器１１と、減算器１２、演算増幅器１３およびリミッタ回路１４からなり周波数検出器１１にて検出した周波数と所定の周波数設定値を比較して抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃにて消費させる消費電力値を決定する消費電力決定手段と、前記消費電力決定手段にて決定した消費電力値をもとに抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃに分担させる消費電力を演算し負荷調整器１６に抵抗器１７の消費電力値を与えるとともに接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８ＣにＯＮ／ＯＦＦ指令を与える負荷分担設定器１５とを備えている。
【００１３】
本実施の形態の排気ガス利用発電システムが図７に示した従来の排気ガス利用発電システムと異なる点は、周波数検出器１１、減算器１２、演算増幅器１３、リミッタ回路１４、負荷分担設定器１５、負荷調整器１６、抵抗器１７、接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ、抵抗器１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃを備えていることである。負荷調整器１６は、例えばサイリスタ等の半導体スイッチにより構成されており、発電機６に接続されている。抵抗器１７は負荷調整器１６を介して発電機６に接続されている。抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃはそれぞれ接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを介して発電機６に接続されている。抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃの容量は一例として２×Ｐ１，Ｐ１，２×Ｐ１，２×Ｐ１とする。なお、Ｐ１は、抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃの容量を設定する基本容量である。
【００１４】
（作用）
負荷調整器１６は抵抗器１７で消費させるべき電力の指令信号を受け、内部に備えた半導体スイッチを入／切して抵抗器１７の消費電力を調整する。
【００１５】
周波数検出器１１は発電機６の出力電圧の周波数を検出する。減算器１２は発電機６の出力電圧周波数ｆから周波数基準ｆ＊を減算し、周波数偏差Δｆを出力する。演算増幅器１３は周波数偏差Δｆを入力として例えばＰＩＤ制御演算を行い、抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃで消費させるべき電力の指令信号を出力する。リミッタ回路１４は演算増幅器１３の出力信号を上限値ＰＵＬ，下限値０でリミットしＰｎ＊を出力する。上限値ＰＵＬは抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃの総容量とする。
【００１６】
負荷分担設定器１５は抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃで消費させるべき電力の指令信号Ｐｎ＊を受け、負荷調整器１６に抵抗器１７で消費させるべき電力の指令信号ＰＳを出力すると共に、接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８ＣのＯＮ／ＯＦＦ信号ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を出力する。
【００１７】
負荷分担設定器１５の動作について図２のフローチャートにて説明する。ここで、抵抗器１７の容量をＰＳＲとする。また図２において、Ｐｎ＊は抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃで消費させる電力の指令値、Ｐｎ−１＊は前回演算時のＰｎ＊の値、ＰＣは抵抗器１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃで消費させる電力の合計、ＰＳは抵抗器１７で消費させる電力とする。
【００１８】
図２のステップＳ１において、初期設定としてＰＣ，Ｐｎ−１＊に０を代入する。ステップＳ２において、Ｐｎ＊からＰＣを減じてＰＳを算出する。ステップＳ３においてＰｎ＊とＰｎ−１＊を比較しＰｎ＊が大きければ（即ち、Ｐｎ＊が増加した時）ステップＳ４へ、そうでなければステップＳ６へ移行する。ステップＳ４において、ＰＳとＰＳＲを比較しＰＳが大きいならば（即ち、抵抗器１７で消費させるべき電力が抵抗器１７の容量より大きい場合）ステップＳ５へ、そうでなければステップＳ８へ移行する。ステップＳ５において、ＰＣにＰＣ＋Ｐ１を代入し、ＰＳにＰｎ＊−ＰＣを代入してステップＳ４に戻る。
【００１９】
ステップＳ６において、ＰＳと０を比較し、ＰＳが小さいならばステップＳ７へ、そうでなければステップＳ８へ移行する。ステップＳ７において、ＰＣにＰＣ−Ｐ１を代入し、ＰＳにＰｎ＊−ＰＣを代入し、ステップＳ６へ戻る。ステップＳ８においてＰｎ−１＊にＰｎ＊を代入し、前回値として保存する。ステップＳ９において、ＰＣの値に応じ、図３の表に従いＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを決定し、ステップＳ２へ戻る。
【００２０】
負荷分担設定器１５を図２に示した動作フローチャートに従い動作させたときの抵抗器の消費電力増加時におけるタイムチャートは図４のようになる。同図において（ａ）は全抵抗器で消費する電力、（ｂ）は負荷調整器１６に接続された抵抗器１７で消費される電力、（ｃ）は接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃに接続された抵抗器１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃで消費される電力である。抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃで消費する電力の合計値は図４（ａ）の電力指令通りに連続的に変化させることができる。
【００２１】
抵抗器の消費電力減少時におけるタイムチャートは図５のようになる。同図において（ａ）は全抵抗器で消費する電力、（ｂ）は負荷調整器１６に接続された抵抗器１７で消費される電力、（ｃ）は接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃに接続された抵抗器１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃで消費される電力である。抵抗器１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃで消費する電力の合計値は図５（ａ）の電力指令通りに連続的に変化させることができる。
【００２２】
つぎに、発電機６の回転速度の調節を行うために抵抗器が消費すべき電力が短期間で変動した場合の抵抗器の制御のタイムチャートを図６に示す。抵抗器に消費させる電力の短期間での変動幅をＰａとしたとき、接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃに接続された抵抗器１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃの容量の合計をＰ１の整数倍に選択可能とし、Ｐ１をＰ１＞（Ｐａ＋α）／２（ただしα＞０）となる容量とし、負荷調整器１６に接続された抵抗器１７の容量ＰＳＲはＰＳＲ≧Ｐ１×２となるように定める。こうすることによって、消費電力を変動させる場合でも接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃの状態を変化させることなく、負荷調整器１６に接続された抵抗器１７の消費電力を変化させるだけで消費電力の変動に対応できるので、消費電力の変動によって接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃの開閉回数が増加することがなく、接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃの寿命を長くすることができる。
【００２３】
（効果）
以上説明したように、本実施の形態の排気ガス利用発電システムは、接触器１８Ａ，１８Ｂ，１８ＣによりＯＮ／ＯＦＦする抵抗器１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃと、半導体スイッチからなる負荷調整器１６により連続的に制御する抵抗器１７を備え、それぞれの消費電力を制御することで、内燃機関１から供給される排気ガスの流量の変動や一般負荷８の消費電力の増減が生じても発電機６の負荷量はほぼ一定に保つことができるので、タービン４の回転速度が一定となり、発電機６の出力の周波数を一定とすることが可能となる。
【００２４】
なお、本実施の形態では発電機６に接続された接触器と抵抗器を３組としたが、適宜その数を増やすことで、調整可能な容量を増やすことが可能となる。逆に１組でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態の排気ガス利用発電システムの構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施の形態の排気ガス利用発電システムに備えられる負荷分担設定器の動作を示すフローチャート。
【図３】本発明の実施の形態の排気ガス利用発電システムに備えられる接触器のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す表。
【図４】本発明の実施の形態の排気ガス利用発電システムに備えられる抵抗器の消費電力の増加時のタイムチャート。
【図５】本発明の実施の形態の排気ガス利用発電システムに備えられる抵抗器の消費電力の減少時のタイムチャート。
【図６】本発明の実施の形態の排気ガス利用発電システムに備えられる抵抗器の消費電力が短期間で変動した時のタイムチャート。
【図７】従来の排気ガス利用発電システムの構成を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１…内燃機関、２…排気通路、３，９…弁、４…タービン、５…減速機、６…発電機、７…遮断器、８…一般負荷、１１…周波数検出器、１２…減算器、１３…演算増幅器、１４…リミッタ回路、１５…負荷分担設定器、１６…負荷調整器、１７，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ…抵抗器、１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ…接触器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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