(57)【要約】【課題】水電解装置の寿命低下を防止し、かつ、高効率でコストパフォーマンスの良い風力発電を実現することができる水素製造設備を提供する。【解決手段】風車回転数制御装置により風力発電装置における発電効率が最大となるように風車の回転数を制御するとともに、電圧制御装置により前記風力発電装置で得られた発電出力の電圧を所定電圧に制御する。【選択図】    図２
2004269945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車と発電機を備えた風力発電装置と、前記風車の入力トルクの一部を、前記風車と前記発電機の慣性モーメントにより回転エネルギーとして吸収し、前記風力発電装置の発電出力を制御する発電出力制御装置と、前記風力発電装置により得られた発電出力を電源として水素を発生させる水電解装置とを備えた、ことを特徴とする風力発電を利用した水素製造設備。
【請求項２】
風車と発電機を備えた風力発電装置と、該風力発電装置における発電効率が最大となるように前記風車の回転数を制御する風車回転数制御装置と、前記風力発電装置により得られた発電出力を電源として水素を発生させる水電解装置とを備えた、ことを特徴とする風力発電を利用した水素製造設備。
【請求項３】
さらに前記風力発電装置で得られた発電出力の電圧を所定電圧に制御する電圧制御装置を備えた、ことを特徴とする請求項２に記載の風力発電を利用した水素製造設備。
【請求項４】
前記風力発電装置は励磁機を備え、前記風車回転数制御装置は、各風速ごとに決定される前記風力発電装置の発電出力が最大となる最適風車回転数を演算し、この演算値に基づいて前記励磁機の励磁電流を制御して前記風力発電装置の風車回転数を制御する、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の風力発電を利用した水素製造設備。
【請求項５】
前記電圧制御装置は、前記風力発電装置により得られた発電出力の電圧を時定数をもたせて緩やかに変化させる、ことを特徴とする請求項３に記載の風力発電を利用した水素製造設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電設備により電力を得て水素を生産する水素製造設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に用いられる無公害の燃料として水素が注目されており、水素を得る手段として、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているような風力発電を利用した水素を製造する技術が提案されている。
【０００３】
特許文献１の「自然力利用発電電解法による補助燃料製造とその利用法」は、図４に示すように、風力又は流水利用にて発電機を回転し、得た電力の一部を直接点灯又は動力用に供するほか余剰電力を水の電気分解槽に誘導して水素と酸素を発生させるものである。
【０００４】
また、特許文献２の「水素生産用水上風力発電設備」は、図５に示すように、陸上１から離れた水上である海８に海底から直接設置され、風車２が取り付けられた発電装置３（風力発電手段）と、この風車２に近接して
海底から立ち上がるプラットホーム等を介して設置される電力制御装置４と水素発生装置としての電気分解装置５とを備え、発電装置３で発電された電気を電力制御装置４に送り、この電力制御装置４からの電気を電気分解装置５に供給することにより、水素と酸素を発生させるものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６２−２０８８９号公報
【特許文献２】
特開２００２−７０７２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した風力発電を用いた水素発生手段には、以下の問題点があった。
（１）水素発生装置として使用する水電解装置は入力電圧変動に弱い一方、風力発電は、不安定な風力を動力源として発電する分散型発電であり、その発電出力は風力の変化により大きく変動する性格を有するものである。したがって、これをそのまま水電解装置の入力電源とした場合には、水電解装置の寿命低下を招くことになる。
（２）通常の風力発電では電力系統に連係されているため、風車が最大出力となるように回転数を制御するためにはインバータやコンバータが必要であり、これらの分だけ効率低下を招き、またコストパフォーマンスが悪い。
【０００７】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、風力発電による発電出力の変動を抑制して水電解装置の寿命低下を防止すること、高効率でコストパフォーマンスの良い風力発電を行うこと、及び水電解装置の寿命低下を防止しかつ高効率でコストパフォーマンスの良い風力発電を実現すること、にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、風車と発電機を備えた風力発電装置と、前記風車の入力トルクの一部を、前記風車と前記発電機の慣性モーメントにより回転エネルギーとして吸収し、前記風力発電装置の発電出力を制御する発電出力制御装置と、前記風力発電装置により得られた発電出力を電源として水素を発生させる水電解装置とを備えた、ことを特徴とする風力発電を利用した水素製造設備が提供される。
【０００９】
上記本発明の構成によれば、入力トルク変動分を風車と発電機の回転エネルギーとして吸収するので、風力発電装置からの発電出力は緩やかに変動し、これを水電解装置の電源とすることにより、水電解装置の寿命低下を防止できる。
【００１０】
また、本発明によれば、風車と発電機を備えた風力発電装置と、該風力発電装置における発電効率が最大となるように前記風車の回転数を制御する風車回転数制御装置と、前記風力発電装置により得られた発電出力を電源として水素を発生させる水電解装置とを備えた、ことを特徴とする風力発電を利用した水素製造設備が提供される。
【００１１】
上記本発明の構成によれば、風力発電装置を風速に応じて、その運転効率が最大となる風車回転数で運転するように制御するので、高効率でコストパフォーマンスの良い発電を行い、高効率で水素を製造することができる。
【００１２】
また好ましくは、本発明の風力発電を利用した水素製造設備は、さらに前記風力発電装置で得られた発電出力の電圧を所定電圧に制御する電圧制御装置を備える。
【００１３】
上記本発明の構成によれば、風車回転数制御装置により風力発電装置における発電効率が最大となるように風車の回転数を制御すると共に、電圧制御装置により風力発電装置で得られた出力電圧をその変動を緩やかにして水電解装置へ供給するので、高効率で水素を製造できると同時に水電解装置の寿命低下を防止することができる。
【００１４】
また好ましくは、前記風力発電装置は励磁機を備え、前記風車回転数制御装置は、各風速ごとに決定される前記風力発電装置の発電出力が最大となる最適風車回転数を演算し、この演算値に基づいて前記励磁機の励磁電流を制御して前記風力発電装置の風車回転数を制御する。
【００１５】
風力発電装置は、風力に応じてその出力が最大となる回転数で発電させることにより、その発電効率を最大にすることができる。したがって、風速から算出される最適風車回転数を目標値に設定し、この目標値となるように風車回転数を制御するので、常に最大効率での発電が可能となる。また、励磁機の励磁電流を制御することにより、インバータ・コンバータを使用する必要がなく、また効率低下も少ない。
【００１６】
また、前記電圧制御装置は、前記風力発電装置により得られた発電出力の電圧を時定数をもたせて緩やかに変化させる。
【００１７】
風力発電装置により得られる発電出力は、風車回転数制御装置の制御により常に最高効率で出力されるため、その変動が激しいが、電圧制御装置により発電出力の電圧を時定数をもたせて緩やかに変化させるので、水電解装置の寿命低下を確実に防ぐことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した記載を省略する。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施形態の概念図である。水素発生設備は、風車１１ａと発電機１１ｂを備えた風力発電装置１１と、風力発電装置１１の発電出力を制御する発電出力制御装置１５と、前記風力発電装置１１により得られた発電出力を交流電力から直流電力に変換する整流器１３と、変換された発電出力を電源として水素を発生させる水電解装置１４とを備えている。
【００２０】
通常、風車入力トルク（風速）は短時間の間に激しく変動するものであり、これに伴い風力発電装置１１による発電出力は激しく変動するため、これを直接、水電解装置１４の電源とすると、水電解装置１４の寿命が短くなる。一方、水電解装置１４の入力電圧を一定とすると、風車１１ａの回転可能領域が制限され、風力発電の設備利用率の低下を招く。
【００２１】
そこで、本発明の風力発電を利用した水素生産設備は、発電出力制御装置１５を備えている。発電出力制御装置１５は、風車１１ａの入力トルク変動分を前記風車１１ａと前記発電機１１ｂの慣性モーメントにより回転エネルギーとして吸収するための制御装置である。例えば、風力発電装置１１から取り出す発電出力を所定の範囲に絞り込むことにより、電圧変動の少ない電力を出力するとともに、入力トルク変動分は風車１１ａと発電機１１ｂの回転エネルギーとして吸収する。これにより、風力発電装置１１からの発電出力は緩やかに変動し、これを水電解装置１４の電源とすることにより、水電解装置１４の寿命低下を防止できる。
【００２２】
図２は、本発明の第２実施形態を説明する概念図である。本実施形態による水素製造設備１０は、風車１１ａと発電機１１ｂと励磁機１１ｃを備えた風力発電装置１１、整流器１３、水電解装置１４を備えており、さらに風車回転数制御装置１６および電圧制御装置１７を備えている。
【００２３】
ここで、図３は、風力発電装置１１における風速（ｍ／ｓ）、風車回転数（ｒｐｍ）および出力電力（ｋＷ）の関係を示した図であり、横軸に風車回転数、縦軸に発電機の出力電力をとり、各風速ごとの出力特性を図中の曲線群で示している。直線Ａは、系統連係している風力発電の運転ラインを示しており、風速が比較的遅いときは、風車回転数をω１とし、風速が比較的早いときは風車回転数をω２としている。一方、曲線Ｂは、風力発電の理論最大出力ラインであり、各風速における最大出力ポイントをつないだものである。この図から分かるように、各風速ごとに最大出力ポイントとなる風車回転数が異なるため、効率良く発電を行うためには、各風速ごとに風車回転数を変化させる必要がある。すなわち、曲線Ｂのライン上で運転を行う必要がある。
【００２４】
そこで、本発明では、風力発電装置１１を系統へ連結せず独立で運転することとし、風車付近における風速および風車回転数を風車回転数制御装置１６に入力信号として入力し、風速から最大出力となる最適風車回転数を演算するとともに、この風車回転数となるように風力発電装置１１の励磁機１１ｃの励磁電流を制御して諸望の風車回転数に制御する。
【００２５】
このように、風力発電装置１１を独立運転としたことにより、系統連係による設備利用率の低下を解消でき、常に最適効率で発電運転を行い、高効率で水素を製造することが可能となる。
【００２６】
電圧制御装置１７は、風力発電装置１１により得られた発電出力の電圧および電解電圧を入力信号として入力し、風車回転数の制御により変動する出力電圧を緩やかに変化させるための電圧指令信号を出力する。例えば、時定数をもたせてゆるやかに変化させることが好ましい。
【００２７】
風力発電装置１１により得られた発電出力は整流器１３に送られ交流電力から直流電力に変換され、水電解装置１４に電解電力として供給されるが、最適風車回転数に制御された風力発電装置１１からは、風速の変動に応じてその発電出力が激しく変動することになる。したがって、上述したように、これをそのまま水電解装置１４の電解電力として供給すると水電解装置１４の寿命低下を招く。そこで、この変動の激しい発電出力の電圧を電圧制御装置１７で制御している。これにより、風車回転数制御装置１６により風力発電装置１１で得られた発電出力に変動が生じても、電圧制御装置１７により水電解装置１４への入力電圧の変動を抑制するので、水電解装置１４の寿命低下を防止することができる。
【００２８】
また、電圧制御装置１７を設けずに、整流器１３のサイリスタの点弧角を調節することにより発電出力の電圧を制御することによっても上記と同様の効果が得られる。
【００２９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の風力発電を利用した水素生産設備は、以下のように優れた効果を奏する。
（１）風力発電の最大効率運転ポイントで運転するように制御することにより、高効率で水素を製造することができる。
（２）風力発電の出力変動を抑制して水電解装置へ供給することにより、水電解装置への負担を軽減し、寿命低下を防止することができる。
（３）自然エネルギーを利用してクリーンエネルギーである水素を高効率で製造することにより、二酸化炭素を全く排出しない究極にクリーンなエネルギーサイクルが確立するとともに、製造した水素を貯蔵して必要に応じて利用することで、自然エネルギーを有効利用できるため、地球環境の保全となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の風力発電を利用した水素生産設備の第１実施形態の概念図である。
【図２】本発明の風力発電を利用した水素生産設備の第２実施形態の概念図である。
【図３】風力発電装置の出力特性を示す図である。
【図４】従来の風力発電を利用した水素製造技術を説明する図である。
【図５】従来の風力発電を利用した水素製造技術を説明する図である。
【符号の説明】
１  陸上
２  風車
３  発電装置
４  電力制御装置
５  電気分解装置
８  海
１１  風力発電装置
１１ａ  風車
１１ｂ  発電機
１１ｃ  励磁機
１３  整流器
１４  水電解装置
１５  発電出力制御装置
１６  風車回転数制御装置
１７  電圧制御装置
２０  発電機
２１  電気分解槽
【図１】
2004269945.tif 000003
【図２】
2004269945.tif 000004
【図３】
2004269945.tif 000005
【図４】
2004269945.tif 000006
【図５】
2004269945.tif 000007