(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサホイールを含むコンプレッサ（１２）と、
タービンホイールを含みガスの熱エネルギを機械的エネルギに変換するタービン（１４）と、
ロータ（３４）とステータ（３６）を有しタービンにより得られる機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電機（１６）と、
直流電力を与えるバッテリー電源と、
前記バッテリー電源の電圧を上昇するアップチョッパ（２５４）及びアップチョッパからの直流電力を交流電力に変換するインバータ（５２）を含む始動回路（４８）と、
発電機により発生された交流電力を整流する整流器（３８）と、
マイクロタービン発電システムの正常動作中整流された電力を用いて前記バッテリー電源を充電する手段（１５４）とを備え、
ロータがタービンホイール及びコンプレッサホイールと連結されマイクロタービン発電システムの正常動作中交流発電機が交流電力を与え、システムの始動中交流電力がスタータへ供給され、交流電力により発電機がタービンホイール及びコンプレッサホイールを回転させるように構成され、
前記アップチョッパが前記バッテリー電源からの直流電力を貯蔵するパルス幅変調可能なエネルギ貯蔵ユニット（２５６、２５８、２６０、２６２）を有し、システムが更に貯蔵ユニットをパルス幅変調して電圧を上昇させるコントローラ（４２）を備え、前記バッテリー電源が直流電力を始動回路に与える単一のバッテリを有し、
前記再充電手段が整流された電力に応動して減少される電圧の直流電力を前記バッテリー電源に与えるダウンチョッパ（１５４）を有し、前記バッテリー電源がバッテリ電圧、バッテリ電流及びバッテリ温度の関数として再充電されるように構成され、
更に、整流された電力を交流電力に変換し交流電力を出力設備に与える第２のインバータ（４０）を備え、前記再充電手段は更に発電機が故障したとき前記バッテリー電源を第２のインバータに接続し前記バッテリー電源により与えられる直流電力を第２のインバータによって交流電流に変換し電力設備に与える手段（１５６、１５８、１６０）を含む、マイクロタービン発電システム（１０）。
【請求項２】
インバータ（４６２）がステータ（４３６）の巻線（４３６Ａ、４３６Ｂ、４３６Ｃ）上のタップ（４３５Ａ、４３５Ｂ、４３５Ｃ）に接続されてなる請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記エネルギ貯蔵ユニット（２５６、２５８、２６０、２６２）は、コンデンサ（２５６）、アップチョッパスイッチ（２５８）、インダクタ（２６０）及びダイオード（２６２）からなり、前記アップチョッパスイッチ（２５８）がオフされると、前記バッテリー電源からのエネルギは前記アップチョッパインダクタ（２６０）内に貯蔵され、前記アップチョッパスイッチ（２５８）が開放されるとき、前記アップチョッパインダクタ（２６０）から前記アップチョッパコンデンサ（２５６）へエネルギが伝達され、前記アップチョッパダイオード（２６２）により、前記アップチョッパスイッチ（２５８）がオフされている間前記コンデンサ（２５６）が充電されることが防止されることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
この発明はマイクロタービン発電システムに係り、更に詳細には始動電力を供給するバッテリー電源を含むマイクロタービン発電システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
米国電力研究所（ＥＰＲＩ）は国内電力設備の一流の研究所であり、新しい全電力発電の最大４０％が２００６年までには分布された発電機により作られるものと予測されている。電気インフラ（例えば、配電線及び給電線）が不足する世界の大部分において、中央発電所はキロ当りの費用がかかるばかりでなく電力を電力消費者へ供給するために費用のかかるインフラを設備する必要があるので、分在した発電機の商業化が大幅に促進されよう。既に電気インフラを有している米国あるいは他の国においては、小型で複数の燃料を用いるモジュラー式分布マイクロタービン発電ユニットにより、電力消費者は電力サービスに関し自分に合った正しい方法を選択できる。
【０００３】
小型で複数の燃料を用いるモジュラー式分布マイクロタービン発電ユニットにより、世界の多数の個所で広がっている午後の「停電」が回避できよう。簡単な単一可動部の構成により、技術保守費を低くできる。全体として保守費が低いから世界の資本投資の乏しい地域でも広く利用できる。
【０００４】
マイクロタービン発電システムの一例が本願と同一の出願人に譲渡された米国特許第４，７５４，６０７号に開示されている。マイクロタービン発電システムにはタービンと発電機が含まれ、各装置は回転部材（例えばタービンホイール、コンプレッサホイール及び永久磁石ロータ）を有している。
【０００５】
上記のマイクロタービン発電システムの始動には問題がある。別個のスタータモータを用い、マイクロタービン発電システムが燃焼維持出来るまでコンプレッサを回転するか、あるいは始動中発電機を用いてコンプレッサを回転させる。このことは１９９７年１２月１９日に出願された本願の出願人の同時継続米国特許出願第０８／９９５，４６２号に開示されている。励起電流を発電機のスタータ巻線へ供給し、燃焼が維持可能になるまでコンプレッサを回転するスイッチ・スタータ制御装置が含まれる。
【０００６】
いずれの方法を用いる場合でも、スタータモータを作動する、あるいは発電機のスタータ巻線へ励起電流を供給するためには外部電源が必要になる。米国特許出願第０８／９９５，４６２号はまた電力をスイッチ・スタータ制御装置に与えるバッテリを開示している。バッテリはシステムの要件に従って寸法決めされる。
【０００７】
一方、このバッテリの電圧は高くなる傾向にある。高圧バッテリは取り扱いが困難であり危険性もある。大型で高圧バッテリも一般的でないので大量に入手することが困難である。このためマイクロタービン発電システムの大量生産に問題が生じる。
【０００８】
（発明の開示）
本発明はコンプレッサ、ガス熱エネルギを機械的エネルギに変換するタービン及びタービンにより発生された機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電機を含むマイクロタービン発電システムを提供する。発電機はロータ及びステータを有する。ロータはタービン及びコンプレッサのホイールと機械的に連結される。マイクロタービン発電システムは更に直流電力を与えるバッテリー電源と、直流電力を交流電力に変換するインバータを有する始動回路とを含む。交流電力はシステムの始動中にステータへ供給される。始動中交流電力により、発電機がタービンホイール及びコンプレッサホイールを回転させる。
【０００９】
ホイールの別の実施形態によれば、バッテリー電源は高圧バッテリー電源あるいは低圧バッテリー電源である。バッテリー電源の所定電圧はアップチョッパを用いて減少される、あるいはインバータをステータの巻線上のタップに接続することにより減少される。バッテリー電源の所定電圧を減少させることにより、通常入手可能なバッテリが使用できる。入手可能な低圧バッテリは通常取り扱いが容易で安全であり、高圧バッテリを用いる場合に比べ容易に調達できる。温度の関数として充電率を制御することにより、温度に関連する問題が低減できる。
【００１０】
本発明の更に別の実施形態によれば、始動回路がマイクロタービン発電システムの正常動作中バッテリー電源を再充電するダウンチョッパを有する。この場合バッテリー電源は好適に再充電可能である。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
図１はコンプレッサ１２、タービン１４及び一体発電機１６を含むマイクロタービン発電システム１０を示す。図示の実施形態の場合発電機１６はコンプレッサ１２から片持支持されている。コンプレッサ１２、タービン１４及び発電機１６は通常単一の共通シャフト１８により回転される。コンプレッサ１２、タービン１４及び発電機１６は分離したシャフトに対し装着できるが、単一の共通シャフト１８を用いると、マイクロタービン発電システム１０のコンパクト性及び信頼性が増加される。
【００１２】
シャフト１８はフォイルベアリングのような自己圧縮エアベアリングにより支承可能である。フォイルベアリングにより、別途のベアリング潤滑システムを必要とせず、保守サービスが減少できる。またフォイルベアリングにより振動が減少され、これに伴いシステムの保守が低減され得る。
【００１３】
コンプレッサ１２の入口部に導入される空気は圧縮される。コンプレッサ１２の出口部から圧縮された空気が復熱装置２２内の冷却側空気流路２０を循環する。復熱装置２２内では圧縮空気はタービンの排気ガスの熱から熱を吸収する。加熱され復熱装置２２から離れる圧縮空気は燃焼器２４へ供給される。圧縮空気を加熱するために復熱装置２２を用いることにより、燃料消費量を減少できる。
【００１４】
また燃料は燃焼器２４へ供給される。ガス燃料あるいは液体燃料が使用可能である。ガス燃料の場合、好適なガス燃料を使用可能である。燃料はジーゼル、フレアガス、排ガス、ガソリン、ナフサ、プロパン、ＪＰ−８、メタン、天然ガス及び他の人造ガスから選択できる。
【００１５】
燃焼器２４への燃料の流量は流量制御弁２６により制御される。燃料は噴射ノズル２８により燃焼器２４内に噴射される。
【００１６】
燃焼器２４の内部においては燃料及び圧縮空気が混合され、発熱反応で点火器２７により点火される。燃焼器２４内の燃焼から生じる高温膨張ガスはタービン１４の入口部ノズル３０へ送られる。燃焼から生じた高温の膨張ガスはタービン１４を経て膨張され、タービン動力が発生される。タービン動力によりコンプレッサ１２及び発電機１６が駆動される。
【００１７】
タービンの排気ガスは復熱装置２２内の高温側排気流路３２により循環される。復熱装置２２の内部ではタービンの排気ガスからの熱は冷却側空気流路２０内の圧縮空気へ伝達される。このようにして燃焼の熱の一部は復熱され燃焼の前に圧縮空気の温度を上昇するために使用される。この熱の一部を渡した後、排気ガスは復熱装置２２から出る。
【００１８】
好ましい実施形態によれば発電機１６はリングに巻かれ、２極のツースレス（ＴＰＴＬ）ブラシレス永久磁石装置であり、永久磁石ロータ３４及びステータ巻線３６を有する。永久磁石ロータ３４は共通にシャフト１８に付設される。ロータ３４が回転しているタービン１４により発生されたタービンの動力により回転されるとき、交流電流がステータ巻線３６内に誘起される。ロータ３４の速度はマイクロタービン発電システム１０に課せられた外部のエネルギ要求に従って、変化できる。タービンの速度が変化すると、発電機１６により発生される交流電流の周波数が変化される。
【００１９】
交流電力は整流器３８により直流電力に整流され、直流電力は固形電子インバータ４０（以下主インバータ４０と呼ぶ）により固定周波数の交流電力に変換される。整流器３８及び主インバータ４０を用いることにより、ホイールの発電システムによって与えらえる電気使用サービスを決定する際の自由度を広くできる。任意のインバータが選択可能であるので、交流電力の周波数が消費者により選択可能になる。任意の周波数の交流電力を直接使用する実施形態の場合、整流器３８及び主インバータ４０は除去される。
【００２０】
コントローラ４２は燃焼器２４へ流れる燃料の量を制御することによりタービン速度を制御する。コントローラ４２はセンサ群４４により発生されるセンサ信号を使用して、マイクロタービン発電システム１０の外部要求を決定し、次にそれに応じて流量制御弁２６を制御する。センサ群４４はマイクロタービン発電システム１０内の動作温度及び動作圧力を測定するタービン速度センサと各種温度及び圧力センサのような１以上のセンサを含む。
【００２１】
バッテリー電源４６及び始動制御装置４８はマイクロタービン発電システム１０を始動するために設けられる。始動制御装置４８は直流リンク５０及び固体インバータ５２（以下、第２のインバータ５２と呼ぶ）を含んでいる。バッテリー電源４６は高圧の直流電力を直流リンク５０へ供給する。ここで使用する用語「バッテリー電源」は１以上の電池あるいは電流を供給する他の好適な手段を意味する。２個あるいはそれ以上の電池群が使用される場合、電池群は電気的に接続される。電気的に供給する他の手段として例えばコンデンサ、ウルトラコンデンサ及び他のエネルギ貯蔵装置が挙げられる。
【００２２】
始動中コントローラ４２は第２のインバータ５２のトランジスタを指令し、トランジスタをオン・オフして、直流リンク５０の直流電力を３相交流電力に変換する。３相交流電力は発電機１６のステータ巻線３６へ供給され、これにより発電機１６がスタータモータとして動作する。
【００２３】
第２のインバータ５２内のトランジスタの変調周波数を制御することにより、コントローラ４２はステータ巻線３６へ供給される交流電力の周波数を変化できる。交流電力の周波数は２Ｈｚのような低い周波数であり、次第に増分される。交流電力の周波数を増分することによりタービン速度が増分される。
【００２４】
発電機１６はスタータモータとして作動されている間、コントローラ４２はマイクロタービン発電システム１０が燃焼を維持出来るか否かを示す１以上のパラメータをモニターしている。例えばコントローラ４２はタービン速度をモニターする。一度コントローラ４２がマイクロタービン発電システム１０が燃焼を維持できる（例えばタービン速度が閾値に達する）と決定すると、コントローラ４２により主インバータ４０が交流電力をステータ巻線３６へ供給することを停止し、燃料及び点火器２７をオンする。一度発電機１６が電力を発生可能になると、コントローラ４２により整流器３８及び主インバータ４０が発電機１６の出力を固定周波数の交流電力に変換する。整流器３８及び主インバータ４０が図示の実施形態では第１のスイッチ４７を介し整流器３８の入力を発電機１６の端子と接続することにより付勢される。第１のスイッチ４７は説明のため図示される。実際に整流器３８及び主インバータ４０は他の手段により付勢可能である。
【００２５】
バッテリー電源４６の電圧は発電機１６をモニター可能である。この実際の電圧は始動中一部発電機１６により発生される逆起電力に左右される。一実施形態として、１９２個のセル電池を直列に接続し、約４００ボルトの公称電圧を発生する単一密封鉛・酸バッテリのような高圧電圧バッテリが使用される。このようなバッテリー電源４６はミズリー州、ワレンスバーグにあるホーカー・エナジー・プロダクツから入手できる。
【００２６】
図２は別の始動制御装置１４８を示す。始動制御装置１４８は直流リンク５０、第２のインバータ５２及びダウンチョッパ１５４を含む。マイクロタービン発電システム１０の正常動作中、ダウンチョッパ１５４は整流器３８の出力の電流の一部を引き出し、この電流を用いてバッテリー電源４６を充電する。ダウンチョッパ１５４はコントローラ４２により制御されるスイッチ１５６を含む。整流器３８の出力の電圧は通常バッテリ電圧より高いので、ダウンチョッパ１５４のスイッチ１５６はコントローラ４２によりパルス幅変調され、バッテリー電源４６間の平均電圧によりバッテリー電源４６が適正に充電できる。ダウンチョッパ１５４はまたダイオード１５８及びインダクタ１６０を有する。インダクタ１６０はスイッチ１５６が閉じられている間電流上昇率を制限する電流フィルタとして機能する。ダイオード１５８はスイッチ１５６が開いている間インダクタ電流の通路を形成する。従ってダウンチョッパ１５４により高圧のバッテリー電源４６が好適に充電される。
【００２７】
ダウンチョッパスイッチ１５６は固定のデューティサイクルで変調される。例えば好ましい実施形態の場合、ダウンチョッパスイッチ１５６は３０％のデューティサイクルで変調され、４００Ｖバッテリが出力直流電圧５００Ｖを有する整流器３８により充電される。一方別の実施形態ではバッテリー電源４６の充電率を制御することにより精細な方法が使用される。例えばバッテリー電源４６はバッテリ温度、充電電流及びバッテリ電圧のようなパラメータの関数である割合で充電される。これらのパラメータを示す信号がセンサ群４４により発生できる。バッテリー電源４６が充電されている間、コントローラ４２はこれらのパラメータをモニターして再充電率を制御する。コントローラ４２は固定のデューティサイクルでスイッチ１５６を調整開始する。一方コントローラ４２はまた充電電流をモニターして、充電電流が確実に閾値を超えないようにする。充電電流が閾値を超えると、コントローラ４２は電流が閾値より小さくなるまでデューティサイクルを減少する。バッテリー電源４６が再充電されている間、コントローラ４２はまたバッテリの温度及び電圧をモニターする。バッテリー電源４６が所定温度でバッテリの所定電圧に達するとき、コントローラ４２はバッテリー電源４６の再充電を停止する。バッテリの温度はバッテリの閉鎖体内で測定可能である。充電電流がバッテリー電源４６の内側の上部導線に付設された電流センサにより測定可能である。
【００２８】
ダウンチョッパ１５４により、バッテリー電源４６が直流電力を直接主インバータ４０へ供給できる。例えば発電機１６が故障し電力を発電できなくなると、コントローラ４２はダウンチョッパスイッチ１５６を閉じ主インバータ４０を指令して、バッテリ電力を変調し固定周波数の交流電力を作る。またダウンチョッパ１５４により、バッテリー電源４６はバックアップ電力供給を行うことができる。
【００２９】
図３は別のバッテリー電源２４６及び別の（第３の）始動制御装置２４８を示す。高圧を与える代わりに、このバッテリー電源２４６は低圧を与える。低圧バッテリー電源２４６は単一の４８Ｖのバッテリあるいは直列に接続された１２Ｖのバッテリを含む。一の実施形態では１２Ｖバッテリは自動車バッテリであり、大型の高圧バッテリに比し通常可能である。
【００３０】
低圧バッテリー電源２４６だけでは始動中発電機１６をモニターするに十分な電圧を与えることはできない。一方始動制御装置２４８はアップチョッパ２５４を含み、これにより低圧バッテリー電源２４６からの電圧が発電機１６をモニター可能なレベルまで上昇される。アップチョッパ２５４は電圧を５〜１５間の倍率だけ上昇する。例えばアップチョッパ２５４は低圧バッテリー電源２４６からの４８Ｖを４００Ｖに上昇できよう。上昇された電圧は始動中発電機１６をモニターするための３相交流電力に変換される。
【００３１】
アップチョッパ２５４はコンデンサ２５６、スイッチ２５８、インダクタ２６０及びダイオード２６２を含む。始動時、コントローラ４２はアップチョッパスイッチ２５８をパルス幅変調し、これによりアップチョッパスイッチ２５８がオン・オフされる。アップチョッパスイッチ２５８がオフされると、バッテリからのエネルギはアップチョッパインダクタ２６０内に貯蔵される。アップチョッパスイッチ２５８が開放されるとき、エネルギはアップチョッパインダクタ２６０からアップチョッパコンデンサ２５６へ伝達される。アップチョッパダイオード２６２により、アップチョッパスイッチ２５８がオフされている間コンデンサ２５６が充電されることが防止される。
【００３２】
コントローラ４２はアップチョッパコンデンサ２５６が充電する速度を制御する。アップチョッパスイッチ２５８はアップチョッパコンデンサ２５６間の電圧が低いときアップチョッパコンデンサ２５６が迅速に充電できるデューティサイクルで変調できる。アップチョッパスイッチ２５８は、アップチョッパコンデンサ２５６間の電圧が高いときコンデンサ２５６が少量速度で充電可能なデューティサイクルで調整され得る。アップチョッパコンデンサ２５６を少量充電すると、構成素子（例えば、ダイオード２６２及びインダクタ２６０）のサイズが経済的にできる。構成素子のサイズを減少すると、コストが減少でき、熱冷却及び素子効率の不十分性のような温度問題が軽減できる。
【００３３】
図４は低圧バッテリー電源３４６及び始動制御装置３４８を示し、始動制御装置３４８は直流リンク５０、インバータ５２及び双方向チョッパ３５４を含む。双方向チョッパ３５４はアップチョッパ２５４及びダウンチョッパ１５４の両方に対し機能性を与える。従って双方向チョッパ３５４は低圧バッテリー電源３４６からの電圧を上昇し上昇された電圧を直流リンク５０に与える。第２のインバータ５２は直流リンク５０上の電力を始動用の３相交流電力に変換する。マイクロタービン発電システム１０の正常動作中、双方向チョッパ３５４は整流器の出力電力を用いて低圧バッテリー電源３４６を充電する。例えば１０％のデューティサイクルでは、５００Ｖの整流された電圧が４８Ｖバッテリを充電する約５０Ｖに減少される。正常動作中に発電機１６が故障すると、双方向チョッパ３５４により低圧バッテリー電源３４６が主インバータ４０の出力に接続されバックアップ電力が与えられる。
【００３４】
図５は本発明の別の実施形態を示す。ステータ巻線４３６の巻線４３６Ａ、４３６Ｂ、４３６Ｃ上のタップ４３５Ａ、４３５Ｂ、４３５Ｃは発電機４１６の外側に引出される。タップ４３５Ａ、４３５Ｂ、４３５Ｃにより、インバータ４５２及び低圧バッテリー電源４４６が発電機４１６をモニターできる。発電機４１６の端子４３７Ａ、４３７Ｂ、４３７Ｃでの逆起電力よりタップ４３５Ａ、４３５Ｂ、４３５Ｃでの逆起電力が低いので、低圧バッテリー電源４４６が使用可能になる。
【００３５】
図６はマイクロタービン発電システムによるバッテリを用いる一般的方法を示す。マイクロタービン発電システムの始動中、直流電力はバッテリー電源（ブロック５００）から入力される。高圧バッテリが使用される場合、電力はバッテリから直接入力される。低圧バッテリが使用される場合、バッテリ電圧は上昇される、あるいは発電機のステータ巻線がタップ付けされタップ電圧が与えられる。
【００３６】
バッテリ電力がマイクロタービン発電システム（ブロック５０２）の始動中多相交流電力に変換され、多相交流電力は発電機（ブロック５０４）のステータ巻線に供給される。多相交流電力により発電システムの始動中発電機はスタータモータとして動作される。
【００３７】
マイクロタービン発電システムが燃焼を維持出来るときとほぼ同時に、ステータ巻線への多相電力の供給が停止される（ブロック５０６）。一度発電機が発電可能になると、発電の出力は整流され変調され固定周波数の交流電力（ブロック５０８）が発生される。固定周波数の交流電力は消費者使用用の電力設備に送られあるいは電力設備を経る事なく直接使用される。
【００３８】
図示の実施形態の場合発電機の整流された出力もチョッパにより低下され、バッテリー電源（ブロック５１０）を充電するために使用される。発電機が故障するとバッテリー電力は主インバータへ供給され、主インバータはこのバッテリ電力を変調して固定周波数のバックアップ電力（ブロック５１２）を付与する。バックアップ電力は消費者使用用の電力設備に送られるか、あるいは電力設備を経ることなく直接使用できる。
【００３９】
このように直流電力を与えるバッテリー電源及び直流電力を交流電力に変換する始動回路を含むマイクロタービン発電システムが開示される。バッテリー電源若しくは高圧バッテリあるいは低圧バッテリである。所定のバッテリー電源電圧はアップチョッパの使用により減少できる。温度の関数としてアップチョッパをパルス幅変調すると、温度関連の問題が軽減できる。所定のバッテリ電圧あるいは電力を発電機のステータ巻線上のタップへ供給することにより減少される。所定のバッテリー電源電圧を減少すると、通常入手可能なバッテリが使用できる。通常入手可能な低圧バッテリは通常の高圧バッテリに比べ取り扱いが容易で安全であり入手が容易である。
【００４０】
バッテリー電源はダウンチョッパを用いることによりマイクロタービン発電システムの正常動作中再充電可能である。ダウンチョッパによりバッテリー電源が好適に再充電可能である。またダウンチョッパによって発電機が故障した場合バッテリー電源がバックアップ出力電力を供給できる。またバッテリー電源はアップチョッパ及びダウンチョッパの両方の機能性を与える総方向チョッパと組み合わせて使用できる。
【００４１】
このように本発明を詳述したが、別の実施形態も本発明から離れることなく可能であることは当業者には理解されよう。従って本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、以下の請求項の範囲及び精神により構成されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１はバッテリー電源及び始動制御装置を含む本発明によるマイクロタービン発電システムのブロック図である。
【図２】  図２はマイクロタービン発電システムの別の始動制御装置を示す。
【図３】  図３はマイクロタービン発電システムの別のバッテリー電源及び別の始動制御装置を示す。
【図４】  図４はマイクロタービン発電システムの別のバッテリー電源及び別の始動制御装置を示す。
【図５】  図５はマイクロタービン発電システムの別のバッテリー電源及び別の始動制御装置を示す。
【図６】  図６は本発明の発電システムを始動する方法のフローチャートである。
【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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