(57)【要約】【課題】再生可能エネルギー発電装置とエンジン発電機を用いた電力供給システムにおいて、システムの小型化とともに、エンジン燃料の使用量を削減できる電力供給システムを提供する。【解決手段】再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置Ｒと、エンジン発電機７による発電の双方を用いて電力供給を行うシステムであって、発電装置Ｒによって得られた電気エネルギーの一部を電気分解装置６へ供給することで水素および酸素を製造し、製造した水素、酸素を直接エンジン発電機７に供給し、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料としてエンジン発電機で発電を行うことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギーによる発電と、エンジン発電機による発電の双方を用いて、電力供給を行う電力供給システムであって、
再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置と、
前記発電装置によって得られた電気エネルギーの一部を電気分解装置へ供給する電力分配装置と、
前記電力分配装置から供給された電気エネルギーを用いて水素および酸素を製造する電気分解装置と、
前記電気分解装置から水素および酸素を前記エンジン発電機に供給する第一の供給手段と、
前記エンジン発電機に供給するエンジン燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクから前記エンジン発電機にエンジン燃料を供給する第二の供給手段と、
電力供給システムを電子制御する制御部と、を備え、
前記エンジン発電機は、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料として発電することを特徴とする電力供給システム。
【請求項２】
請求項１において、前記第一の供給手段は、前記電気分解装置で生成される水素および酸素の流量を検出する流量検出装置と、水素および酸素をエンジン発電機へ供給するラインと、水素燃料供給装置と、酸素供給装置と、を備え、
前記制御部は、前記流量検出装置で検出された水素および酸素の流量をもとに、第二の供給手段から前記エンジン発電機に供給されるエンジン燃料の供給量を制御することを特徴とする電力供給システム。
【請求項３】
請求項１において、前記制御部は、需要電力量と前記発電装置の発電量に基づいて、電気分解装置へ供給する電力量、エンジン発電機の発電量を決定し、前記電力分配装置、及び、前記エンジン発電機を制御することを特徴とする電力供給システム。
【請求項４】
請求項１において、前記制御部は、需要電力量に対する前記発電装置の電力量が所定以上の場合に、前記発電装置の電力量の増加に応じて電力分配装置による電気分解装置への電力供給量を増加させる制御を行うことを特徴とする電力供給システム。
【請求項５】
請求項１において、前記エンジン燃料が炭化水素系燃料であることを特徴とする電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生可能エネルギー発電装置とエンジン発電機を用いて安定的な発電を行うシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ2削減の課題や地下資源の枯渇問題から太陽光、風力などの再生可能エネルギーを利用して発電をすることが活発に進められている。しかしながら、再生可能エネルギーは自然環境に大きく影響を受けるため変動が大きく、それを大規模に導入していくと、系統電力が不安定になる。そのために、別途エネルギー貯蔵システムを準備する必要がある。たとえば特許文献１のように再生可能エネルギーによる発電の一部を用いて電気分解装置で水素を製造し、製造した水素を芳香族化合物に結合させて水素化物として貯蔵するシステムが提案されている。
【０００３】
また、現在再生可能エネルギーによる発電で全需要をまかなうことは不可能であるため、火力発電等のその他発電装置と組み合わせて利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2014-84792
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載のシステムでは、再生可能エネルギーにより発電した電力の一部を水素エネルギーに変換して貯蔵するために、水素添加装置、水素化物タンク、脱水素化物タンク、反応器等のエネルギー貯蔵装置が必要となり、システムの大型化・設備コストの面で課題がある。
【０００６】
一方、再生可能エネルギー発電装置とエンジン発電機を用いた電力供給システムにおいて、システム簡素化のためにエネルギー貯蔵装置を無くした場合には以下の課題がある。エンジン発電機は再生可能エネルギーによる発電がゼロの時でも需要を賄える能力が必要である。そのため、再生可能エネルギー発電装置で需要電力の一部を供給できるときには、それに追従して出力を下げて運転することになる。しかし、エンジン発電機は低出力時に効率が低下するため、エンジン燃料の消費量が増加することが課題である。また、電力安定供給の観点からは、エンジン発電機は常に発電している状態として、エンジン発電機の出力を一定値以上に保つ必要がある。そのため、エンジン発電機の発電状態を維持するためのエンジン燃料量が必要となり、燃料タンクの大型化やエンジン燃料の燃焼によるＣＯ2排出といった問題がある。また、再生可能エネルギー発電装置で需要電力以上の電力が供給できるときでも、エンジン発電機を停止できないことから、再生可能エネルギーで発電可能な余剰分の電力を有効利用することができない。
【０００７】
本発明は、再生可能エネルギー発電装置とエンジン発電機を用いた電力供給システムにおいて、システムの小型化とともに、エンジン燃料の使用量を削減できる電力供給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】
本発明に係る電力供給システムは、再生可能エネルギーによる発電と、エンジン発電機による発電の双方を用いて電力供給を行うシステムであって、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置と、発電装置によって得られた電気エネルギーの一部を電気分解装置へ供給する電力分配装置と、電力分配装置から供給された電気エネルギーを用いて水素および酸素を製造する電気分解装置と、電気分解装置から水素および酸素をエンジン発電機に供給する第一の供給手段と、エンジン発電機に供給するエンジン燃料を貯蔵する燃料タンクと、燃料タンクから前記エンジン発電機にエンジン燃料を供給する第二の供給手段と、を備え、エンジン発電機が、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料として発電することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、再生可能エネルギー発電装置とエンジン発電機を用いた電力供給システムにおいて、システムの小型化とともに、エンジン燃料の使用量を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る電力供給システムの構成説明図。
【図２】供給電力に対する再生可能エネルギー発電量とエンジン発電量の関係の一例を示した図である。
【図３】再生可能エネルギー導入による化石燃料の消費量の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いるディーゼルエンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いる火花点火エンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図の一例である。
【図６】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いる火花点火エンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図の一例である。
【図７】本発明の実施形態に係る電力供給システムの運転モードの制御フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
［第一の実施形態］
本実施形態に関わる電力供給システムは、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置Ｒと、エンジン発電機７による発電の双方を用いて電力供給を行うシステムであって、発電装置Ｒによって得られた電気エネルギーの一部を電気分解装置６へ供給することで水素および酸素を製造し、製造した水素、酸素を直接エンジン発電機７に供給し、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料としてエンジン発電機で発電を行うことを特徴とする。すなわち、変動する再生可能エネルギー由来の電力の一部を電気分解装置へ供給し、電気分解で生成された水素と酸素をエンジン発電機のアシスト燃料とするものである。需用電力、再生可能エネルギー発電量を参考に電気分解装置への電力供給量、エンジン発電機の発電量を決定し、生成水素量、酸素量を参考にエンジン燃料量を決定することで、電力の安定供給とエンジン燃料の削減が可能になる。
【００１２】
以下に、電力供給システムの構成、ならびにシステムの動作について説明する。
＜システムの構成＞
図１は、本発明の実施形態に関わる電力供給システムの構成説明図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力供給システムSは、再生可能エネルギーによる発電装置Rと、発電装置Rで発電した電力を電気分解装置5と系統10に分配して供給する電力分配装置5と、水素および酸素を生成する電気分解装置6と、エンジン燃料、水素を燃焼させることで電力を発電するエンジン発電機7と、エンジン発電機7に供給するエンジン燃料を貯蔵する燃料タンク8と、エンジン発電機に水素、酸素、エンジン燃料を供給する供給装置101、102、103と、エンジン発電機7で発電される電力を系統に供給する電力調整装置9と、制御部11を備えて構成される。図１において、実践は電気配線を、二重線は水素および酸素のラインを、破線は計測または制御に用いる信号線を表している。
【００１３】
本実施形態の電力供給システムでは、需要電力（Ｗｄ）、エンジン発電機の発電量（Ｗｅｇ）、発電装置Rの発電量（Ｗｒ）が以下の関係を満たすようにエンジン発電機の発電量（Ｗｅｇ）が決定される。これにより、需要電量に対して安定的に電力を供給する。
【００１４】
Ｗｄ−Ｗｅｇ≦Ｗｒ
そして、需要電力（Ｗｄ）、エンジン発電機の発電量（Ｗｅｇ）、発電装置Rの発電量（Ｗｒ）が以下の関係となる場合に、発電装置Rの電力の一部が電力分配装置5によって分配されて電気分解装置6に供給される。
【００１５】
Ｗｄ−Ｗｅｇ＜Ｗｒ
電気分解装置6で生成された水素と酸素をエンジン発電機7に供給してエンジン燃料のアシスト燃料として利用することで、再生可能エネルギーで発電可能な余剰分の電力も系統に供給するためのエネルギーとして有効利用することができる。また、水素と酸素をアシスト燃料としてエンジン発電機に供給することで、エンジン発電機7の発電効率の向上、エンジン燃料の使用量削減を図ることができる。この際、電気分解装置6で生成される水素の量によっては、エンジン燃料を使用せずに水素のみで発電することもできる。エンジン発電機の発電量（Ｗｅｇ）と発電装置Rから電気分解装置6に分配供給する電力量は、電気分解装置6の効率や、エンジン発電機7の発電効率などを考慮して決定することが望ましい。これは、発電装置Rで発電可能な電力の全てを系統に供給するよりも、エンジン発電機の発電量を増やして、発電装置Rの電力の一部を電気分解装置6に供給することで水素と酸素をアシスト燃料としてエンジン発電機に供給した方が全体のシステム効率が高い場合もあるためである。例えば、発電装置Rでの電力量が多く、エンジン発電機7の出力が小さくなる場合には、エンジン発電機7の発電効率に低下によるシステム効率の低下を招く。そのため、需要電力量に対する再生可能エネルギー量が所定以上の場合には、エンジン発電機の出力を低下させずに、再生可能エネルギー量の増加に応じて電力分配装置による電気分解装置への供給量を増加させることが好ましい。
【００１６】
以上のように、本実施形態の電力供給システムでは、エネルギー貯蔵装置を使わずに図２のように再生可能エネルギー発電装置Rによる発電量の変動を吸収でき、安定した電力供給を可能とする。また、図３のように従来のエネルギー貯蔵装置を使わないシステム構成では、エンジン発電機の出力を一定以下にできないため、エンジン燃料の削減効果が小さいが、本システムではエンジン燃料を用いずに１００％再生可能エネルギーにより電力を安定供給することも可能になり、エンジン発電機の使用燃料量を削減することができる。また、本構成とすることで、再生可能エネルギー発電装置による変動分、余剰分を蓄電する蓄電装置、また水素貯蔵高圧タンク、有機ハイドライド等の水素貯蔵装置などのエネルギー貯蔵装置が不要となり、システムの簡素化を図ることができる。
【００１７】
＜再生可能エネルギー装置＞
再生可能エネルギー発電装置Rは太陽光発電装置１や風力発電装置２などの再生可能エネルギーによる電力発電装置により構成されている。その他、再生可能エネルギーによる発電装置であれば限定されない。発電装置には、各電力量を調整して系統へ供給することが可能な電流制御装置を含む。たとえば、太陽光発電装置1の場合におけるＰＣＳ3、風力発電装置における電力変換装置4（AC/DC/AC等）のように電圧、周波数等の統制を行い系統へ電力を供給可能なものであれば限定されない。
【００１８】
＜電力分配装置＞
再生可能エネルギー発電装置で発電された電力の一部は電力分配装置5を介して電気分解装置6へ供給する。電力分配装置5は各電力値を電気分解装置6に供給することができるものであれば特に制限はない。ただし、制御部11により電気分解に供給する電力量を決定する。
【００１９】
＜電気分解装置＞
電気分解装置6の具体的な構成は特に制限されないが、電気分解装置6は、例えば、電解液と、電解質と、当該電解質をはさむように設けられた反応促進用の電極触媒により水が電気分解され、水素および酸素が発生するようになっている。
【００２０】
電気分解装置6としては、比較的低温で電気分解が可能であり、短時間で起動が可能な固体高分子水電解やアルカリ水電解を用いた電気分解装置が好ましい。固体高分子水電解による電気分解装置は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質を隔壁、電解質として用いて純水を電気分解するものであり、高純度の水素を効率よく製造することができる。アルカリ水電解による電解装置は、水酸化カリウム等の水に溶解させたときにアルカリ性を示す化合物を電解質とし、アルカリ性水溶液を電気分解することで水素を製造するものである。
【００２１】
＜燃料供給装置＞
電気分解装置6より生成された水素および酸素は水素燃料供給装置101と酸素供給装置102を介してエンジン発電機7に供給する。また、燃料タンク8より燃料供給装置103を介してエンジン燃料をエンジン発電機7に供給する。供給装置101、102、103はインジェクター等の公知の供給手段が適用され、制御部７により供給量、供給圧力等が制御される。水素および酸素の供給圧力が低い場合にはコンプレッサー等で加圧を行ってもよい。
【００２２】
＜エンジン発電機＞
エンジン発電機にはディーゼルエンジン、火花点火エンジン等の公知のエンジンが適用される。エンジン発電機7は、水素およびエンジン燃料の燃焼により電力が発生する構成になっている。エンジン発電機7で発生した電力は電力変換装置9により電圧および周波数等を調整し、系統へ供給される。電気分解で生成した酸素および水素は、エンジン発電機に供給する。エンジン発電機の排気熱は熱エネルギーとしてシステム内あるいは外部に供給して利用することができる。熱の供給先はエンジン排気熱を利用可能なものであれば特に制限はない。たとえば、電気分解装置6へ供給することで電気分解装置の温度上昇や暖房等に利用したり、エンジン排気熱を用いて熱電変換によって電力を供給してもよい。
【００２３】
＜ディーゼルエンジン＞
図4は、本実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機のエンジンにディーゼルエンジンを用いた場合のシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。ディーゼルエンジンは、シリンダ内で往復移動するピストン１１を備え、シリンダ内の燃焼室１２には、吸気管１３および吸気管１４が接続されている。吸気管１３には電気分解装置6で生成される水素および酸素を供給するための水素供給装置101と、酸素供給装置102が取り付けられている。水素供給装置101と酸素供給装置102より、水素と酸素が吸入空気と共にエンジンに供給される。水素は再生可能エネルギーをもとに製造されているため、水素を利用することで再生可能エネルギーの導入比率を高めることが可能である。また、酸素をエンジンに供給することでエンジン吸入ガス中の酸素濃度を高めることができるため、エンジンの高出力化が可能になりエンジンの運転領域の拡大が可能になり、エンジンの小型化が可能となる。また、燃料タンク8のエンジン燃料をエンジンに直接供給するための燃料供給装置103が取り付けられている。
【００２４】
＜火花エンジン＞
図5は本実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機のエンジンに火花点火エンジンを用いた場合のシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。火花点火エンジンは、シリンダ内で往復移動するピストン21を備え、シリンダ内の燃焼室22には、吸気管23、吸気管24、および点火プラグ25が接続されている。吸気管23には電気分解装置6で生成される水素および酸素を供給するための水素供給装置101と、酸素供給装置102が取り付けられている。水素供給装置101と酸素供給装置102より、水素と酸素が吸入空気と共にエンジンに供給される。水素は再生可能エネルギーをもとに製造されているため、水素を利用することで再生可能エネルギーの導入比率を高めることが可能である。また、水素は燃焼速度がエンジン燃料として一般的に使われている炭化水素系燃料に比べ大きいため、エンジン熱効率の向上を可能にする。また、酸素をエンジンに供給することでエンジン吸入ガス中の酸素濃度を高めることができるため、水素供給によるエンジンの出力低下を防ぐことができる。
【００２５】
また、燃料タンク8のエンジン燃料をエンジンに直接供給するためのエンジン燃料供給装置103が取り付けられている。なお、図6に示すようにエンジン燃料供給装置103はエンジン燃焼室に直接噴射する構造でもよい。
【００２６】
＜エンジン燃料＞
エンジン燃料にはガソリン、軽油、重油、天然ガス、バイオエタノール、バイオディーゼル等の公知の炭化水素系燃料が適用される。
【００２７】
＜電力調整装置＞
電力調整装置9はエンジン発電機により発生する電力を系統に供給するために電圧および周波数等を調整することができる装置であれば特に制限されない。具体的にはAC/ACコンバータ等の公知の装置を利用することができる。
【００２８】
＜系統＞
系統10は、電力会社の電力系統に限らず、島や大規模工場などの独立した電力系統でもよく、制限はない。
【００２９】
＜制御部＞
次に、電力供給システムＳを電子制御する制御部11について説明する。
【００３０】
制御部11は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インターフェイス、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、電力供給システムＳを総合的に制御する。そして、制御部11は後述する手順に従って、図１に示す電力分配装置や各種供給装置等を制御する。この制御部11の実行する手順については、電力供給システムの説明とともに後に詳しく説明する。
【００３１】
＜電力供給システムの動作＞
次に、本実施形態に係る電力供給システムの動作の一例について説明する。
【００３２】
図７に本システムの運転モードにおける制御部の実行する手順を示すフロー図である。
【００３３】
制御部11は、系統需要電力Wdを計測する（ステップS1）。その後、目標系統供給電力Wtを決定する（ステップS2）。その後、電力計測器104より再生可能エネルギー発電量Wrを計測する（ステップS3）。そして電気分解装置に供給する電気量Welを決定し、電力分配装置5へ制御信号が送られる（ステップS4）。電気分解装置へ供給する電気量Welは目標系統供給電力Wtと以下の式に示すAを参考に決定する。
【００３４】
A＝再生可能エネルギー発電量Wr／目標系統供給電力Wt
目標系統供給電力WtとAの値よりWelを決定する。これは実際に用いる電気分解装置の効率や、エンジン発電機の発電効率などにより予め決定される。その後、エンジン発電機の発電量Weを決定（ステップS5）する。その後、電気分解装置6より生成される水素量を水素流量計105、酸素量を酸素流量計106により計測する（ステップS6）。そして、水素供給流量と、酸素供給流量を決定し、水素供給装置101と、酸素供給装置102へ制御信号が送られる（ステップS7）。その後、水素供給流量と酸素供給流量に基づいて、エンジン燃料の供給量を決定しエンジン燃料供給装置103へ制御信号を送る（ステップS8）。その後、目標系統供給電力量かを判定し、目標系統供給電力量と異なる場合にはステップS3に戻ってフィードバック制御を実行する（ステップS9）。
【００３５】
このような運転制御により、再生可能エネルギーの変動により水素および酸素の生成量が変化した場合でもエンジン発電量を要求量に一定に保つことができ、安定した電力供給が可能になる。
【００３６】
以上の通り、本実施形態の電力供給システムによれば、再生可能エネルギー発電による電力の一部を電気分解に利用し、水素および酸素を生成し、水素またはエンジン燃料をエンジン発電機に供給することで、電力を安定的に供給できる。また、エンジン発電機へ水素および酸素を供給することで、エンジン燃料である化石燃料の使用量削減が可能になる。また、エネルギー貯蔵装置が不要になることから、システム全体のコストが低減できる。
【符号の説明】
【００３７】
S  電力供給システム
R  再生可能エネルギー発電装置
1  太陽光発電装置
2  風力発電装置
3  PCS
4  電力変換装置
5  電力分配装置
6  電気分解装置
7  エンジン発電機
8  燃料タンク
9  電力調整装置
10  系統
11  制御部
101水素燃料供給装置
102酸素供給装置
103エンジン燃料供給装置
104再生可能エネルギー発電量計測器
105水素流量計
106酸素流量計
107エンジン発電機発電量計測器
108供給電力計測器
【図１】
2016146679.tif 000003
【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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