(57)【要約】【課題】  スターリングエンジンを用いた発電装置において、温度センサを用いることなく加熱部の温度を精度よく推定することで、温度センサの交換作業を不要とする技術を提供する。【解決手段】  本発明の発電装置は、スターリングエンジンと、スターリングエンジンの加熱部を加熱する燃焼加熱器と、スターリングエンジンの冷却部を冷却する冷却器と、スターリングエンジンが発電する電力を電力系統に連系する系統連系装置を備える発電装置である。その発電装置は、燃焼加熱器の加熱量を取得する加熱量取得手段と、燃焼加熱器の加熱量に基づいて加熱部の温度の推定値を計算する手段と、燃焼加熱器の加熱量に基づいてスターリングエンジンからの出力電力の推定値を計算する手段と、出力電力の実測値を取得する手段と、出力電力の推定値と実測値との差に基づいて加熱部の温度の推定値を補正する手段を備えている。【選択図】  図１
2009209686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリングエンジンと、
スターリングエンジンの加熱部を加熱する燃焼加熱器と、
スターリングエンジンの冷却部を冷却する冷却器と、
スターリングエンジンが発電する電力を電力系統に連系する系統連系装置を備える発電装置であって、
燃焼加熱器の加熱量を取得する加熱量取得手段と、
燃焼加熱器の加熱量に基づいてスターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を計算する温度推定値計算手段と、
燃焼加熱器の加熱量に基づいてスターリングエンジンからの出力電力の推定値を計算する電力推定値計算手段と、
スターリングエンジンからの出力電力の実測値を取得する電力実測値取得手段と、
スターリングエンジンからの出力電力の推定値と実測値との差に基づいて、スターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を補正する温度補正手段を備えている発電装置。
【請求項２】
スターリングエンジンが発電する電力の電圧を取得する手段をさらに備えており、
温度推定値計算手段が、スターリングエンジンが発電する電力の電圧にも基づいてスターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を計算し、
電力推定値計算手段が、スターリングエンジンが発電する電力の電圧にも基づいてスターリングエンジンからの出力電力の推定値を計算する、請求項１の発電装置。
【請求項３】
冷却器の冷媒温度を取得する手段をさらに備えており、
温度推定値計算手段が、冷却器の冷媒温度にも基づいてスターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を計算し、
電力推定値計算手段が、冷却器の冷媒温度にも基づいてスターリングエンジンからの出力電力の推定値を計算する、請求項１または２の発電装置。
【請求項４】
スターリングエンジンが発電する電力の周波数を取得する手段をさらに備えており、
温度推定値計算手段が、スターリングエンジンが発電する電力の周波数にも基づいてスターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を計算し、
電力推定値計算手段が、スターリングエンジンが発電する電力の周波数にも基づいてスターリングエンジンからの出力電力の推定値を計算する、請求項１から３の何れか一項の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリングエンジンを用いた発電装置の維持管理を容易とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンを用いた発電装置が開発されている。スターリングエンジンを用いた発電装置には、以下のような利点がある。
（１）熱負荷の変動に対する応答が速い。
（２）加熱源が発電装置の外部にあり、熱回収がしやすい。
（３）外燃機関であるので燃料の種類を問わない。
（４）装置そのものが小型であり、静粛性が高い。
（５）部分負荷効率が高い。
【０００３】
スターリングエンジンを用いた発電装置では、加熱部の温度管理が重要である。加熱部が異常に高温となると、加熱部近傍の部材がクリープして、発電装置の故障を招く要因となる。そのため、スターリングエンジンを用いた発電装置においては、発電運転中に、加熱部の温度を監視する必要がある。
【０００４】
特許文献１には、加熱部の外側から熱電対ハウジングを接触させて、発電運転中の加熱部の温度を実測によって監視する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５１３２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
加熱部の外側に温度センサを配置する場合、温度センサは燃焼ガス雰囲気中で高温に曝されることになる。過酷な環境で使用されるため、温度センサは３年程度の短期間で交換する必要が生じる。加熱部の外側の空間は燃焼ガスの漏洩を防ぐために密閉されており、温度センサの交換作業には多大な労力を必要とする。温度センサを用いることなく加熱部の温度を推定することができれば、温度センサの交換作業は不要となり、発電装置の維持管理が容易なものとなる。また温度センサを不要とすることで、製品のコストダウンを図ることもできる。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決する。本発明は、スターリングエンジンを用いた発電装置において、温度センサを用いることなく加熱部の温度を精度よく推定することで、温度センサの交換作業を不要とし、維持管理を容易とする技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は発電装置として具現化される。本発明の発電装置は、スターリングエンジンと、スターリングエンジンの加熱部を加熱する燃焼加熱器と、スターリングエンジンの冷却部を冷却する冷却器と、スターリングエンジンが発電する電力を電力系統に連系する系統連系装置を備える発電装置である。その発電装置は、燃焼加熱器の加熱量を取得する加熱量取得手段と、燃焼加熱器の加熱量に基づいてスターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を計算する温度推定値計算手段と、燃焼加熱器の加熱量に基づいてスターリングエンジンからの出力電力の推定値を計算する電力推定値計算手段と、スターリングエンジンからの出力電力の実測値を取得する電力実測値取得手段と、スターリングエンジンからの出力電力の推定値と実測値との差に基づいて、スターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を補正する温度補正手段を備えている。
【０００９】
スターリングエンジンの加熱部の温度は、燃焼加熱器の加熱量の変動に伴って変動することが知られている。従って、燃焼加熱器の加熱量を取得することで、加熱部の温度の推定値を計算することができる。
【００１０】
スターリングエンジンの加熱部の温度は、燃焼加熱器の加熱量の変動のみに基づいて変動するのではなく、他の様々な要因によっても変動することがある。例えば、発電装置の長期にわたる運用によって、スターリングエンジンの特性が経年変化して、燃焼加熱器が同じ加熱量で加熱していても、発電運転中の加熱部の温度が変化していくことがある。上記の発電装置では、このような燃焼加熱器の加熱量の変動以外の要因による加熱部の温度変化を、スターリングエンジンからの出力電力の変化に着目して評価する。
【００１１】
スターリングエンジンの加熱部の温度と、スターリングエンジンからの出力電力との間には、強い相関関係があることが知られている。従って、スターリングエンジンからの出力電力も、燃焼加熱器の加熱量の変動に伴って変動する。そこで、上記の発電装置では、スターリングエンジンからの出力電力についても、燃焼加熱器の加熱量に基づいて、推定値を計算する。また、出力電力の実測値についても取得する。そして、スターリングエンジンからの出力電力の推定値と実測値との差に基づいて、加熱部の温度の推定値を補正する。出力電力の実測値と推定値との差は、燃焼加熱器の加熱量以外の要因の影響によるものと考えられる。従って、上記の構成とすることによって、スターリングエンジンの特性の経年変化のように、燃焼加熱器の加熱量の変動以外の要因による加熱部の温度変化に応じて、温度推定値がより正確なものとなるように温度推定値を補正することができる。温度センサを用いることなく、スターリングエンジンの加熱部の温度を正確に推定することができる。
【００１２】
上記の発電装置は、スターリングエンジンが発電する電力の電圧を取得する手段をさらに備えており、温度推定値計算手段が、スターリングエンジンが発電する電力の電圧にも基づいてスターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を計算し、電力推定値計算手段が、スターリングエンジンが発電する電力の電圧にも基づいてスターリングエンジンからの出力電力の推定値を計算することが好ましい。
【００１３】
スターリングエンジンの加熱部の温度は、スターリングエンジンが発電する電力の電圧の変動に対しても、変動することが知られている。スターリングエンジンからの出力電力についても同様である。上記の発電装置によれば、燃焼加熱器の加熱量だけでなく、スターリングエンジンが発電する電力の電圧にも基づいて、加熱部の温度と出力電力をそれぞれ推定する。このような構成とすることによって、加熱部の温度をより高精度に推定することができる。
【００１４】
あるいは、上記の発電装置は、冷却器の冷媒温度を取得する手段をさらに備えており、温度推定値計算手段が、冷却器の冷媒温度にも基づいてスターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を計算し、電力推定値計算手段が、冷却器の冷媒温度にも基づいてスターリングエンジンからの出力電力の推定値を計算することが好ましい。
【００１５】
スターリングエンジンの加熱部の温度は、冷却器の冷媒温度の変動に対しても、変動することが知られている。スターリングエンジンからの出力電力についても同様である。上記の発電装置によれば、燃焼加熱器の加熱量だけでなく、冷却器の冷媒温度にも基づいて、加熱部の温度と出力電力をそれぞれ推定する。このような構成とすることによって、加熱部の温度をより高精度に推定することができる。
【００１６】
あるいは、上記の発電装置は、スターリングエンジンが発電する電力の周波数を取得する手段をさらに備えており、温度推定値計算手段が、スターリングエンジンが発電する電力の周波数にも基づいてスターリングエンジンの加熱部の温度の推定値を計算し、電力推定値計算手段が、スターリングエンジンが発電する電力の周波数にも基づいてスターリングエンジンからの出力電力の推定値を計算することが好ましい。
【００１７】
スターリングエンジンの加熱部の温度は、スターリングエンジンが発電する電力の周波数の変動に対しても、変動することが知られている。スターリングエンジンからの出力電力についても同様である。上記の発電装置によれば、燃焼加熱器の加熱量だけでなく、スターリングエンジンが発電する電力の周波数にも基づいて、加熱部の温度と出力電力をそれぞれ推定する。このような構成とすることによって、加熱部の温度をより高精度に推定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の技術によれば、スターリングエンジンを用いた発電装置において、温度センサを用いることなく加熱部の温度を精度よく推定することができる。温度センサの交換作業を不要とし、発電装置の維持管理を容易とすることができる。また温度センサを不要とすることで、製品のコストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）スターリングエンジンはフリーピストン形スターリングエンジンである。
【実施例１】
【００２０】
図面を参照しながら、本発明の発電装置を具現化した実施例を説明する。図１は本実施例の発電装置１００の構成を示している。発電装置１００は、フリーピストン形スターリングエンジン（ＦＰＳＥ）１０２と、力率改善用キャパシタ１０４と、パワーコンディショナ１０６と、コントローラ１０８と、ダンプロード１１０を備えている。
【００２１】
図２はＦＰＳＥ１０２の構成を示している。ＦＰＳＥ１０２は、いわゆるβ形のスターリングエンジンであり、外形が略円柱形状をしているハウジング２０２と、ハウジング２０２内で膨張空間２０４と圧縮空間２０６を区画するディスプレーサ２０８と、圧縮空間２０６とバウンス空間２１０を区画する出力ピストン２１２を備えている。膨張空間２０４、圧縮空間２０６、バウンス空間２１０には、作動ガスであるヘリウムガスが充填されている。
【００２２】
ディスプレーサ２０８は、ハウジング２０２内に設けられたシリンダ２１４に収容されているとともに、ハウジング２０２に固定されているシャフト２１６に摺動可能に支持されている。ディスプレーサ２０８とシャフト２１６は２つの板ばね２１８を介して接続されており、ディスプレーサ２０８はシリンダ２１４の内面に沿って往復運動する。ディスプレーサ２０８の固有振動数は、ディスプレーサ２０８の重量と板ばね２１８のバネ定数によって調整される。シャフト２１６は固定プレート２２０を介してハウジング２０２に固定されており、固定プレート２２０には複数の孔２２０ａが形成されている。
【００２３】
シリンダ２１４の外面とハウジング２０２の内面の間には、膨張空間２０４と圧縮空間２０６を連通する経路２２２が形成される。この経路２２２には、通過するヘリウムガスをハウジング２０２の外部の燃焼加熱器２２４によって加熱する加熱部２２６と、蓄熱体が敷設された再生部２２８と、通過するヘリウムガスをハウジング２０２の外部の冷却器２３０によって冷却する冷却部２３２が形成されている。加熱部２２６には経路２２２に沿ったヘリウムガスの移動を妨げない形状の加熱部フィン２２７が設けられている。冷却部２３２には経路２２２に沿ったヘリウムガスの移動を妨げない形状の冷却部フィン２３３が設けられている。
【００２４】
燃焼加熱器２２４はハウジング２０２を囲うように配置されたリングバーナである。燃焼加熱器２２４に燃料ガスを供給するガス供給路２５０には比例弁２５２が設けられており、比例弁２５２の開度を調整することによって燃焼加熱器２２４に供給されるガス量が調整される。燃焼加熱器２２４に供給されるガス量は比例弁２５２の開度から特定することができ、燃焼加熱器２２４におけるガスインプット（消費熱量）は特定されたガス量と燃料ガスの発熱量から計算することができる。比例弁２５２の開度はコントローラ１０８によって制御されている。比例弁２５２の開度が大きいほど、すなわちガスインプットが大きいほど、燃焼加熱器２２４による加熱量も大きい。
【００２５】
冷却器２３０はハウジング２０２の外面に沿って冷却水を流す水冷式の冷却機構である。冷却器２３０には冷却水を送り込む冷却水往路２５４と冷却器２３０を通過した冷却水が流れ出す冷却水復路２５６が接続されている。冷却水往路２５４には冷媒である冷却水の温度を検出する冷却水サーミスタ２５８が設けられている。以下では冷却水サーミスタ２５８で検出される温度をクーラ温度とも呼ぶ。冷却水の温度が低いほど、すなわちクーラ温度が低いほど、冷却器２３０によって回収される熱量も大きい。冷却水サーミスタ２５８で検出された温度はコントローラ１０８へ送信される。
【００２６】
再生部２２８は蓄熱体の吸熱／放熱によって、ヘリウムガスが通過する際に予冷／予熱を行う。膨張空間２０４の高温のヘリウムガスが圧縮空間２０６へ移動する際には、ヘリウムガスは再生部２２８で蓄熱体の吸熱により予冷された後、冷却部２３２で冷却される。圧縮空間２０６の低温のヘリウムガスが膨張空間２０４へ移動する際には、ヘリウムガスは再生部２２８で蓄熱体の放熱により予熱された後、加熱部２２６で加熱される。
【００２７】
出力ピストン２１２にはムーバーロッド２３４が固定されており、出力ピストン２１２とムーバーロッド２３４は一体的に運動する。ムーバーロッド２３４には複数の磁石２４０が配設されている。ムーバーロッド２３４は２つの板ばね２３６を介してハウジング２０２に支持されており、出力ピストン２１２とムーバーロッド２３４は、ハウジング２０２の内面に形成されたガイド２３８に沿って往復運動する。出力ピストン２１２の固有振動数は、出力ピストン２１２とムーバーロッド２３４と磁石２４０等の重量と、板ばね２３６のバネ定数によって調整される。本実施例では、ディスプレーサ２０８の固有振動数を出力ピストン２１２の固有振動数よりも幾分大きくして、両者に位相差を持たせている。
【００２８】
ムーバーロッド２３４を囲うハウジング２０２には、磁石２４０と対向する位置に鉄心２４２とコイル２４４が設けられている。ムーバーロッド２３４が往復運動することによって、コイル２４４に誘導起電圧が発生し、交流電力を生成することができる。このときに発電される交流電力の周波数は、出力ピストン２１２の往復運動の周波数に等しい。この場合、ムーバーロッド２３４の磁石２４０とハウジング２０２の鉄心２４２およびコイル２４４は、リニア発電機として機能する。
【００２９】
またムーバーロッド２３４が停止しているときに、コイル２４４に交流電圧を印加することで、ムーバーロッド２３４が加振され、ムーバーロッド２３４を往復運動させることができる。この場合、ムーバーロッド２３４の磁石２４０とハウジング２０２の鉄心２４２およびコイル２４４は、リニア電動機として機能する。
【００３０】
ＦＰＳＥ１０２では、ディスプレーサ２０８が往復運動すると、膨張空間２０４の容積と圧縮空間２０６の容積の割合が変化する。例えばディスプレーサ２０８が膨張空間２０４側に移動すると、膨張空間２０４の容積が減少するとともに圧縮空間２０６の容積が増大する。このとき、膨張空間２０４内のヘリウムガスは、経路２２２を通って圧縮空間２０６へと移動する。逆に、ディスプレーサ２０８が圧縮空間２０６側に移動すると、圧縮空間２０６の容積が減少するとともに膨張空間２０４の容積が増大する。このとき、圧縮空間２０６内のヘリウムガスが経路２２２を通って膨張空間２０４へと移動する。膨張空間２０４の容積と圧縮空間２０６の容積の割合が変化すると、高温状態のヘリウムガスと低温状態のヘリウムガスの割合が変化し、膨張空間２０４と圧縮空間２０６の圧力が変化する。圧縮空間２０６の圧力変化によって、出力ピストン２１２が加振される。
【００３１】
出力ピストン２１２は、圧縮空間２０６に生じる圧力変化によって加振されつつ、往復運動する。このときのディスプレーサ２０８の往復運動の周波数は出力ピストン２１２の往復運動の周波数よりも幾分大きくなるように設定されているので、両者の間に位相差が生じて熱力学的仕事を生成する。
【００３２】
ＦＰＳＥ１０２は、燃焼加熱器２２４による連続的な加熱と冷却器２３０による連続的な冷却によって、ディスプレーサ２０８と出力ピストン２１２を振動させ続けて、交流電力を発電する。
【００３３】
詳細は後述するが、本実施例の発電装置１００では、試運転を行う場合にのみ、ＦＰＳＥ１０２の加熱部２２６の外側にヘッドサーミスタ２４８を取り付ける。ヘッドサーミスタ２４８が検出するヘッド温度（すなわち加熱部２２６の温度）はコントローラ１０８に送信される。ヘッドサーミスタ２４８は試運転が終了すると取外される。発電装置１００が通常運転を行う場合には、ヘッドサーミスタ２４８を用いることなく、ヘッド温度を推定する。
【００３４】
図１に示すように、ＦＰＳＥ１０２が発電した電力は、力率改善用キャパシタ１０４を経由してパワーコンディショナ１０６に送られる。力率改善用キャパシタ１０４は、ＦＰＳＥ１０２によって発電された電力の力率改善のために設けられている。
【００３５】
パワーコンディショナ１０６は、単相２線式の２３０Ｖ、５０Ｈｚの交流電力であるＦＰＳＥ１０２からの電力を、単相３線式の１００／２００Ｖ、５０／６０Ｈｚの交流電力に変換して、商用電力系統１１２へと供給する。パワーコンディショナ１０６は、電力計測回路１１６、周波数計測回路１１８、整流回路１２０、平滑化回路１２２、電圧変換回路１２４、連系用インバータ１２６、駆動用インバータ１２８、スイッチ１１４を備えている。
【００３６】
電力計測回路１１６は、ＦＰＳＥ１０２から力率改善用キャパシタ１０４を経て供給される交流電力の実効値を計測する。以下では電力計測回路１１６の計測値を出力電力とも呼ぶ。電力計測回路１１６は、計測した出力電力をコントローラ１０８へ送信する。
【００３７】
周波数計測回路１１８は、ＦＰＳＥ１０２から力率改善用キャパシタ１０４を経て供給される交流電力の周波数を計測する。以下では周波数計測回路１１８の計測値をエンジン周波数とも呼ぶ。周波数計測回路１１８は、計測したエンジン周波数をコントローラ１０８へ送信する。
【００３８】
整流回路１２０は、ＦＰＳＥ１０２から力率改善用キャパシタ１０４を経て供給される交流電力を整流する。平滑化回路１２２は、整流回路１２０で整流された電力を、所定の制御電圧値の直流電力に平滑化する。平滑化回路１２２における制御電圧値はコントローラ１０８によって制御される。以下では平滑化回路１２２における制御電圧値をＣＶ制御電圧とも呼ぶ。ＣＶ制御電圧はＦＰＳＥ１０２が発電する電力の電圧として扱うことができる。
【００３９】
電圧変換回路１２４は、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータである。電圧変換回路１２４は、平滑化回路１２２で平滑化された直流電力を所定電圧の直流電力へ昇圧する。
【００４０】
連系用インバータ１２６は、電圧変換回路１２４で昇圧された直流電力を、商用電力系統１１２の系統周波数に一致した電圧および周波数の交流電力に変換する。連系用インバータ１２６で交流に変換された電力は、商用電力系統１１２へと供給される。
【００４１】
駆動用インバータ１２８は、ＦＰＳＥ１０２による発電を開始する際に、商用電力系統１１２からの交流電力を用いて、ＦＰＳＥ１０２を始動させるためのトリガ電圧を生成する。駆動用インバータ１２８で生成されたトリガ電圧は力率改善用キャパシタ１０４を経てＦＰＳＥ１０２に印加される。駆動用インバータ１２８の動作はコントローラ１０８によって制御される。
【００４２】
パワーコンディショナ１０６は商用電力系統１１２だけでなく、ダンプロード１１０にも接続している。ダンプロード１１０は大電流を通電可能なヒータである。スイッチ１１４を導通することで、ＦＰＳＥ１０２が発電した電力の供給先をダンプロード１１０に切り替えることができる。ＦＰＳＥ１０２の緊急停止を行う必要がある場合に、コントローラ１０８は、スイッチ１１４を導通させて、電力の供給先をダンプロード１１０に切替える。ダンプロード１１０での電力の消費によって、ＦＰＳＥ１０２の出力ピストン２１２に対して大きな減衰力が作用する。これによって、ＦＰＳＥ１０２のディスプレーサ２０８や出力ピストン２１２の振動を停止させることができる。
【００４３】
本実施例の発電装置１００は、通常運転を開始する前に、試運転を行う。図３のフローチャートを参照しながら、発電装置１００の試運転について説明する。
【００４４】
ステップＳ３０２では、ＦＰＳＥ１０２にヘッドサーミスタ２４８を取り付ける。ヘッドサーミスタ２４８の検出温度はコントローラ１０８に送信される。
【００４５】
ステップＳ３０４では、燃焼加熱器２２４による加熱と、冷却器２３０による冷却を開始する。
【００４６】
ステップＳ３０６では、駆動用インバータ１２８によって、商用電力系統１１２からの交流電力を用いて、ＦＰＳＥ１０２のコイル２４４にトリガ電圧を印加する。これによって出力ピストン２１２が加振されて、出力ピストン２１２が往復運動を開始する。出力ピストン２１２の往復運動によって、膨張空間２０４と圧縮空間２０６の間でヘリウムガスの移動が生じて、ディスプレーサ２０８も往復運動を開始する。ＦＰＳＥ１０２による発電が開始される。
【００４７】
ステップＳ３０８では、燃焼加熱器２２４による加熱と冷却器２３０による冷却を継続しながら、１０分間待機する。ＦＰＳＥ１０２の動作が安定して、定常動作となる。ＦＰＳＥ１０２が発電する電力は、力率改善用キャパシタ１０４、パワーコンディショナ１０６を経て、商用電力系統１１２へ供給される。
【００４８】
ステップＳ３１０では、ＦＰＳＥ１０２の初期条件データとして、定常動作の際のヘッド温度Ｈ０、出力電力Ｅ０、ガスインプットＧ０、ＣＶ制御電圧Ｖ０、クーラ温度Ｔ０、エンジン周波数Ｆ０を取得する。ステップＳ３１０で取得された初期条件データはコントローラ１０８に記憶される。
【００４９】
通常運転の際には、ガスインプットＧ、ＣＶ制御電圧Ｖ、クーラ温度Ｔ、エンジン周波数Ｆの変動に対して、ヘッド温度と出力電力を次式によって推定することができる。
Ｈｅ＝Ｈ０＋ＡＧ（Ｇ−Ｇ０）＋ＡＶ（Ｖ−Ｖ０）＋ＡＴ（Ｔ−Ｔ０）＋ＡＦ（Ｆ−Ｆ０）
Ｅｅ＝Ｅ０＋ＢＧ（Ｇ−Ｇ０）＋ＢＶ（Ｖ−Ｖ０）＋ＢＴ（Ｔ−Ｔ０）＋ＢＦ（Ｆ−Ｆ０）
ここで、Ｈｅはヘッド温度の推定値であり、Ｅｅは出力電力の推定値である。上式のうち、Ｈ０、Ｅ０、Ｇ０、Ｖ０、Ｔ０、Ｆ０について、ステップＳ３１０で初期条件データとして取得される。これらの初期条件データは、ＦＰＳＥ１０２の個体差を反映している。ヘッド温度の推定値Ｈｅおよび出力電力の推定値Ｅｅの算出において、これらの初期条件データを用いることで、ＦＰＳＥ１０２の個体差による特性のばらつきを吸収することができる。上式のうち、ガスインプットＧ、ＣＶ制御電圧Ｖ、クーラ温度Ｔ、エンジン周波数Ｆの増減に対するヘッド温度の変化率ＡＧ、ＡＶ、ＡＴ、ＡＦと、ガスインプットＧ、ＣＶ制御電圧Ｖ、クーラ温度Ｔ、エンジン周波数Ｆの増減に対する出力電力の変化率ＢＧ、ＢＶ、ＢＴ、ＢＦは、ＦＰＳＥ１０２の個体差によらない所定値として、予めコントローラ１０８に記憶されている。従って、ステップＳ３１０で初期条件データが取得されると、ヘッド温度の推定値Ｈｅと出力電力の推定値Ｅｅの算出が可能となる。
【００５０】
ステップＳ３１２では、ガスインプットＧ、ＣＶ制御電圧Ｖ、クーラ温度Ｔ、エンジン周波数Ｆを初期条件から変動させて、１０分間待機する。
【００５１】
ステップＳ３１４では、ＦＰＳＥ１０２のヘッド温度の推定を行う。ヘッド温度の推定値Ｈｅは次式で計算される。
Ｈｅ＝Ｈ０＋ＡＧ（Ｇ−Ｇ０）＋ＡＶ（Ｖ−Ｖ０）＋ＡＴ（Ｔ−Ｔ０）＋ＡＦ（Ｆ−Ｆ０）
【００５２】
ステップＳ３１６では、ヘッドサーミスタ２４８によってＦＰＳＥ１０２の実際のヘッド温度を計測して、ヘッド温度の実測値Ｈｒを取得する。
【００５３】
ステップＳ３１８では、ＦＰＳＥ１０２が発電する交流電力の出力電力の推定を行う。出力電力の推定値Ｅｅは次式で計算される。
Ｅｅ＝Ｅ０＋ＢＧ（Ｇ−Ｇ０）＋ＢＶ（Ｖ−Ｖ０）＋ＢＴ（Ｔ−Ｔ０）＋ＢＦ（Ｆ−Ｆ０）
【００５４】
ステップＳ３２０では、電力計測回路１１６によってＦＰＳＥ１０２が発電する実際の出力電力を計測して、出力電力の実測値Ｅｒを取得する。
【００５５】
ステップＳ３２２では、ヘッド温度の推定値Ｈｅと実測値Ｈｒの差ΔＨと、出力電力の推定値Ｅｅと実測値Ｅｒとの差ΔＥから、ヘッド温度と出力電力の間の相関係数αを計算する。相関係数αは次式で計算される。
α＝ΔＨ／ΔＥ＝（Ｈｒ−Ｈｅ）／（Ｅｒ−Ｅｅ）
ステップＳ３２２で計算された相関係数αの値は、コントローラ１０８に記憶される。
【００５６】
ステップＳ３２４では、燃焼加熱器２２４による加熱と、冷却器２３０による冷却を終了し、ＦＰＳＥ１０２の発電運転を終了する。
【００５７】
ステップＳ３２６では、ＦＰＳＥ１０２からヘッドサーミスタ２４８を取外し、発電装置１００の試運転を終了する。
【００５８】
上記の試運転を行うことによって、発電装置１００の通常運転において、ヘッドサーミスタ２４８を用いることなくヘッド温度を推定することが可能となる。以下では図４を参照しながら、発電装置１００の通常運転について説明する。
【００５９】
ステップＳ４０２では、燃焼加熱器２２４による加熱と、冷却器２３０による冷却を開始する。
【００６０】
ステップＳ４０４では、駆動用インバータ１２８によって、商用電力系統１１２からの交流電力を用いて、ＦＰＳＥ１０２のコイル２４４にトリガ電圧を印加する。これによって出力ピストン２１２が加振されて、出力ピストン２１２が往復運動を開始する。出力ピストン２１２の往復運動によって、膨張空間２０４と圧縮空間２０６の間でヘリウムガスの移動が生じて、ディスプレーサ２０８も往復運動を開始する。ＦＰＳＥ１０２による発電が開始される。
【００６１】
ステップＳ４０６では、燃焼加熱器２２４による加熱と冷却器２３０による冷却を継続しながら、１０分間待機する。ＦＰＳＥ１０２の動作が安定して、定常動作となる。ＦＰＳＥ１０２が発電する電力は、力率改善用キャパシタ１０４、パワーコンディショナ１０６を経て、商用電力系統１１２へ供給される。
【００６２】
ステップＳ４０８では、ＦＰＳＥ１０２のヘッド温度の推定を行う。ヘッド温度の推定値Ｈｅは次式で計算される。
Ｈｅ＝Ｈ０＋ＡＧ（Ｇ−Ｇ０）＋ＡＶ（Ｖ−Ｖ０）＋ＡＴ（Ｔ−Ｔ０）＋ＡＦ（Ｆ−Ｆ０）
【００６３】
ステップＳ４１０では、ＦＰＳＥ１０２が発電する交流電力の出力電力の推定を行う。出力電力の推定値Ｅｅは次式で計算される。
Ｅｅ＝Ｅ０＋ＢＧ（Ｇ−Ｇ０）＋ＢＶ（Ｖ−Ｖ０）＋ＢＴ（Ｔ−Ｔ０）＋ＢＦ（Ｆ−Ｆ０）
【００６４】
ステップＳ４１２では、電力計測回路１１６によってＦＰＳＥ１０２が発電する実際の出力電力を計測して、出力電力の実測値Ｅｒを取得する。
【００６５】
ＦＰＳＥ１０２の状態が試運転時の状態と変わりがなければ、ステップＳ４１０で取得される出力電力の推定値Ｅｅと、ステップＳ４１２で取得される出力電力の実測値Ｅｒは、ほぼ同じ値となるはずであり、ステップＳ４０８で取得されるヘッド温度の推定値Ｈｅは、実際のヘッド温度とほぼ同じ値となるはずである。しかしながら、ＦＰＳＥ１０２の内部で何らかの異常が発生したり、長期間にわたる運用によってＦＰＳＥ１０２の状態が経年変化すると、出力電力の推定値Ｅｅと出力電力の実測値Ｅｒの相違は大きくなってくる。ＦＰＳＥ１０２の経年変化としては、例えばＦＰＳＥ１０２の内部のヘリウムガスの圧力低下や、再生部２２８の蓄熱体の酸化、板ばね２１８、２３６の疲労による割れなどが挙げられる。本実施例では、出力電力の推定値Ｅｅと実測値Ｅｒとの差ΔＥ＝Ｅｅ−Ｅｒに着目して、ＦＰＳＥ１０２の内部における異常の発生及び経年変化の有無を判断する。また、後述するように、出力電力の推定値Ｅｅと実測値Ｅｒとの差ΔＥ＝Ｅｅ−Ｅｒに基づいて、ヘッド温度の推定値Ｈｅの補正を行う。
【００６６】
ステップＳ４１４では、ステップＳ４１２で取得される出力電力の実測値Ｅｒが、ステップＳ４１０で取得される出力電力の推定値Ｅｅよりも２００Ｗ下回るか否かを判断する。出力電力の実測値Ｅｒが出力電力の推定値Ｅｅを２００Ｗ下回る場合（ステップＳ４１４でＹＥＳの場合）、出力電力が異常に低下しており、ＦＰＳＥ１０２の内部で何らかの異常が発生していると考えられるため、ステップＳ４２６の緊急停止処理へと進む。それ以外の場合（ステップＳ４１４でＮＯの場合）、処理はステップＳ４１６へ進む。
【００６７】
ステップＳ４１６では、出力電力の推定値Ｅｅと出力電力の実測値Ｅｒとの差ΔＥから、ステップＳ４０８で取得されたヘッド温度の推定値Ｈｅに対する補正量ΔＨを計算する。ＦＰＳＥ１０２が発電している際のヘッド温度と出力電力の間には、強い相関があることが知られている。ヘッド温度が高いほど、出力電力が大きくなる。逆に、ヘッド温度が低いほど、出力電力は小さい。この相関関係を利用することで、出力電力における推定値と実測値の差から、ヘッド温度における推定値と真の値との差を推定することができる。ヘッド温度と出力電力の間の相関係数αは、図３の試運転の際に計算されて、コントローラ１０８に記憶されている。ステップＳ４１６では、ヘッド温度の補正量ΔＨを次式によって計算する。
ΔＨ＝α・ΔＥ＝α（Ｅｒ−Ｅｅ）
【００６８】
ステップＳ４１８では、ステップＳ４０８で推定されたヘッド温度Ｈｅに、ステップＳ４１６で計算された補正量ΔＨを加算し、ヘッド温度を補正する。補正後のヘッド温度の推定値Ｈｅ’は、次式で計算される。
Ｈｅ’＝Ｈｅ＋ΔＨ
【００６９】
ステップＳ４２０では、補正後のヘッド温度の推定値Ｈｅ’が６５０℃以上であるか否かを判断する。補正後のヘッド温度の推定値Ｈｅ’が６５０℃以上の場合（ステップＳ４２０でＹＥＳの場合）、ヘッド温度が異常に高温となっていると考えられるので、ステップＳ４２６の緊急停止処理へと進む。それ以外の場合（ステップＳ４２０でＮＯの場合）、処理はステップＳ４２２へ進む。
【００７０】
ステップＳ４２２では、補正後のヘッド温度の推定値Ｈｅ’が６３０℃以上であるか否かを判断する。補正後のヘッド温度の推定値Ｈｅ’が６３０℃以上の場合（ステップＳ４２２でＹＥＳの場合）、ヘッド温度がかなり高温となっており、ヘッド温度を下げる必要があるため、ステップＳ４２４で加熱量の制限を行う。ステップＳ４２４では、燃焼加熱器２２４の比例弁２５２の開度の上限値を低く設定して、燃焼加熱器２２４による加熱量を制限する。ステップＳ４２４の後、処理はステップＳ４０６へ戻る。補正後のヘッド温度の推定値Ｈｅ’が６３０℃に満たない場合（ステップＳ４２２でＮＯの場合）、燃焼加熱器２２４の加熱量に制限を加えることなく、処理はステップＳ４０６へ戻る。
【００７１】
以下では図４のステップＳ４２６で行う緊急停止処理について、図５を参照しながら説明する。
【００７２】
ステップＳ５０２では、図示しない警報装置を用いて、発電装置１００の管理者にＦＰＳＥ１０２での異常発生を報知する。本実施例では、警報装置はＦＰＳＥ１０２に取付けられた図示しない感震器に組み込まれている。
【００７３】
ステップＳ５０４では、ＦＰＳＥ１０２の燃焼加熱器２２４による加熱と、冷却器２３０による冷却を停止する。
【００７４】
ステップＳ５０６では、パワーコンディショナ１０６のスイッチ１１４を導通させて、ＦＰＳＥ１０２が発電した電力の供給先をダンプロード１１０に切り替える。ダンプロード１１０に大電流が流れることで、ＦＰＳＥ１０２の出力ピストン２１２に大きな減衰力が作用して、出力ピストン２１２とディスプレーサ２０８の往復運動が停止し、ＦＰＳＥ１０２の動作が完全に停止する。
【００７５】
本実施例の発電装置１００によれば、ＦＰＳＥ１０２に温度センサを設けることなく、発電運転中のヘッド温度を推定することができる。このような構成を採用することによって、温度センサの交換作業が不要となり、メンテナンスが容易となる。
【００７６】
本実施例の発電装置１００では、ヘッド温度と出力電力の両方について推定値を取得し、出力電力の推定値と実測値の差に基づいて、ヘッド温度の推定値を補正する。このような構成とすることによって、ＦＰＳＥ１０２の経年変化によってヘッド温度の推定値が真の値から外れていった場合についても、真の値に近いヘッド温度を得ることができる。発電装置１００の経年変化に対しても精度よくヘッド温度を推定することができる。
【００７７】
本実施例の発電装置１００では、電力出力の実測値が推定値から大きく下回る場合に、ＦＰＳＥ１０２の内部で異常が発生していると判断して、緊急停止処理を行う。このような構成とすることによって、発電装置１００の発電運転中のトラブルに対しても安全を確保することができる。
【００７８】
本実施例の発電装置１００では、補正後のヘッド温度推定値が所定温度を超える場合に、加熱部２２６が異常に高温となっていると判断して、緊急停止処理を行う。このような構成とすることによって、ＦＰＳＥ１０２の加熱部２２６の異常過熱を防ぐことができる。
【００７９】
なお上記の実施例では、ヘッド温度の推定値Ｈｅや出力電力の推定値Ｅｅを取得する際に、ガスインプットＧ、ＣＶ制御電圧Ｖ、クーラ温度Ｔおよびエンジン周波数Ｆをすべて用いて推定値を計算する場合について説明したが、ヘッド温度や出力電力を推定する手法はこれに限られない。例えばガスインプットＧのみを用いてヘッド温度および出力電力を推定することもできるし、ＣＶ制御電圧Ｖ、クーラ温度Ｔおよびエンジン周波数Ｆの何れか１つまたは２つとの組み合わせを用いてヘッド温度および出力電力を推定することもできる。
【実施例２】
【００８０】
図６は本実施例の発電装置６００の構成を示している。本実施例の発電装置６００は、第１実施例の発電装置１００と同様に、ＦＰＳＥ１０２と、力率改善用キャパシタ１０４と、コントローラ１０８と、ダンプロード１１０を備えており、パワーコンディショナ１０６の代わりにグリッドボックス６０６を備えている。ＦＰＳＥ１０２、力率改善用キャパシタ１０４、ダンプロード１１０については、第１実施例の発電装置１００と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００８１】
ＦＰＳＥ１０２が発電した電力は、力率改善用キャパシタ１０４を経由してグリッドボックス６０６に送られる。グリッドボックス６０６は、ＦＰＳＥ１０２からの電力を調整することなく商用電力系統１１２へ直接供給する。グリッドボックス６０６は、電力計測回路１１６、周波数計測回路１１８、電圧計測回路６２４、駆動用インバータ１２８、スイッチ１１４を備えている。電力計測回路１１６、周波数計測回路１１８、駆動用インバータ１２８、スイッチ１１４については、第１実施例の発電装置１００と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００８２】
本実施例では、ＦＰＳＥ１０２が発電する電力は商用電力系統１１２に直結されるため、ＦＰＳＥ１０２から力率改善用キャパシタ１０４を経て供給される交流電力の電圧および周波数は、商用電力系統１１２における交流電力の電圧および周波数に一致する。そのため、本実施例では、周波数計測回路１１８の計測値をエンジン周波数とは呼ばずにグリッド周波数と呼ぶ。周波数計測回路１１８は計測したグリッド周波数をコントローラ１０８へ送信する。
【００８３】
電圧計測回路６２４は、ＦＰＳＥ１０２から力率改善用キャパシタ１０４を経て供給される交流電力の電圧実効値を計測する。以下では電圧計測回路６２４の計測値をグリッド電圧とも呼ぶ。電力計測回路１１６は、計測したグリッド電圧をコントローラ１０８へ送信する。電圧計測回路６２４で計測されるグリッド電圧は、ＦＰＳＥ１０２のヘッド温度の推定値Ｈｅおよび出力電力の推定値Ｅｅを算出する際に、第１実施例におけるＣＶ制御電圧の代わりに使用される。
【００８４】
本実施例の発電装置６００は、第１実施例の発電装置１００と同様に、まず図３に示す試運転を行っておいてから、図４に示す通常運転を行う。本実施例の発電装置６００が行う試運転および通常運転の詳細については、第１実施例においてＣＶ制御電圧をグリッド電圧に置き換え、エンジン周波数をグリッド周波数に置き換える以外は、第１実施例の発電装置１００の試運転および通常運転と同様であるから、詳細な説明を省略する。
【００８５】
本実施例の発電装置６００によれば、第１実施例の発電装置１００と同様に、ＦＰＳＥ１０２に温度センサを設けることなく、発電運転中のヘッド温度を推定することができる。このような構成を採用することによって、温度センサの交換作業が不要となり、メンテナンスが容易となる。
【００８６】
本実施例の発電装置６００では、第１実施例の発電装置１００と同様に、ヘッド温度と出力電力の両方について推定値を取得し、出力電力の推定値と実測値の差に基づいて、ヘッド温度の推定値を補正する。このような構成とすることによって、ＦＰＳＥ１０２の経年変化によってヘッド温度の推定値が真の値から外れていった場合についても、真の値に近いヘッド温度を得ることができる。発電装置１００の経年変化に対しても精度よくヘッド温度を推定することができる。
【００８７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１は発電装置１００の構成を示す図である。（第１実施例）
【図２】図２はＦＰＳＥ１０２の構成を示す図である。（第１実施例）
【図３】図３は発電装置１００の試運転を説明するフローチャートである。（第１実施例、第２実施例）
【図４】図４は発電装置１００の通常運転を説明するフローチャートである。（第１実施例、第２実施例）
【図５】図５は発電装置１００の緊急停止処理を説明するフローチャートである。（第１実施例、第２実施例）
【図６】図６は発電装置６００の構成を示す図である。（第２実施例）
【符号の説明】
【００８９】
１００ 発電装置
１０２ フリーピストン形スターリングエンジン
１０４ 力率改善用キャパシタ
１０６ パワーコンディショナ
１０８ コントローラ
１１０ ダンプロード
１１２ 商用電力系統
１１４ スイッチ
１１６ 電力計測回路
１１８ 周波数計測回路
１２０ 整流回路
１２２ 平滑化回路
１２４ 電圧変換回路
１２６ 連系用インバータ
１２８ 駆動用インバータ
２０２ ハウジング
２０４ 膨張空間
２０６ 圧縮空間
２０８ ディスプレーサ
２１０ バウンス空間
２１２ 出力ピストン
２１４ シリンダ
２１６ シャフト
２２０ 固定プレート
２２０ａ      孔
２２２ 経路
２２４ 燃焼加熱器
２２６ 加熱部
２２７ 加熱部フィン
２２８ 再生部
２３０ 冷却器
２３２ 冷却部
２３３ 冷却部フィン
２３４ ムーバーロッド
２３８ ガイド
２４０ 磁石
２４２ 鉄心
２４４ コイル
２４８ ヘッドサーミスタ
２５０ ガス供給路
２５２ 比例弁
２５４ 冷却水往路
２５６ 冷却水復路
２５８ 冷却水サーミスタ
６００ 発電装置
６０６ グリッドボックス
６２４ 電圧計測回路
【図１】
2009209686.tif 000003
【図２】
2009209686.tif 000004
【図３】
2009209686.tif 000005
【図４】
2009209686.tif 000006
【図５】
2009209686.tif 000007
【図６】
2009209686.tif 000008