JP2004071487A - Distributed power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種の発電装置を連系して電力を負荷へ供給するための分散型発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
風力発電や、太陽光発電は、そのエネルギ源がクリーンで無尽蔵であるというメリットがある反面、それらの発電装置は、風や太陽光などの自然エネルギから電力を取り出すため、風力発電装置の場合、出力電力は気象条件(風力)に依存され、太陽光発電の場合は太陽の高度や日照時間及び気象条件に依存され、いずれも安定した電力を得ることができない問題がある。そこで、このような風力発電や太陽光発電などの欠点を補い合うため、ハイブリッド化技術(自然エネルギを利用した分散型発電システム;以下、単に分散型発電システムという)の開発が進んでいる。
【0003】
図5は、従来の技術による分散型発電システムの概略構成を示すブロック図である。すなわち、図5に示される分散型発電システムにおいては、複数の風力発電装置101、及び複数の太陽電池パネル102など、異種の発電手段を備え、各風力発電装置101で発生した三相交流の電力をそれぞれ整流回路103で直流に変換して蓄電器104に充電し、また、各太陽電池パネル102で発生した直流電力をそれぞれ蓄電器105に充電し、これらの複数の電気系統を制御装置106を介して連系し、各種の電気機器である負荷107へ、その電力消費に応じて供給するようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術によれば、各風力発電装置101及び各太陽電池パネル102からの出力は不安定であるため、これを連系して安定した出力を得るには、各風力発電装置101及び各太陽電池パネル102からの出力を常にモニターして、耐電圧を超える電力を遮断したり、蓄電器104への充電電圧の一定化を保つ制御が必要となる。また、このような分散型発電システムは、コストの低減及び小型化が一層進むことが予想されるが、整流回路103及び蓄電器104を含む二次側の電気系統は、従来方式を使用した場合、大量生産によるコストダウンしか期待できず、発電手段の小型化及び複数化により、整流回路104及び蓄電器104の制御は更に複雑なものとなってしまう問題がある。
【0005】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、自然エネルギを利用した各種発電手段で得られる不安定な電力を連系する際に、複雑な制御回路を必要しない分散型発電システムを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項1の発明に係る分散型発電システムは、複数種類の発電手段と、各発電手段からの電力により水を水素と酸素に分解する電気分解装置と、前記水素を電気負荷の電力消費に応じて電力に変換する燃料電池とからなる。すなわち複数種類の発電手段で得られた電気エネルギを、電気分解装置でいったん水素に変換し、燃料電池で再度電気エネルギに変換することによって、複雑な制御回路を不要としたものである。
【0007】
請求項2の発明に係る分散型発電システムは、請求項1に記載の構成において、発電手段が、一乃至複数の風力発電装置と、一乃至複数の太陽光発電装置を含むものである。
【0008】
請求項3の発明に係る分散型発電システムは、請求項1又は2に記載の構成において、電気分解装置からの水素を一時的に貯蔵する貯蔵手段を備える。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明に係る分散型発電システムの好ましい第一の実施の形態を示すブロック図、図2は図1の一部の構成を詳細に示す説明図である。
【0010】
まず図1において、参照符号1は風力発電装置で、屋外に複数設置され、それぞれ、風力に応じて回転する風車により発電機本体が回転され、交流(三相交流)の電力を発生するものである。各風力発電装置1からの出力は、それぞれ整流回路2によって全波整流され、直流に変換される。また、参照符号3は太陽光発電装置としての太陽電池パネルで、太陽光のエネルギを電気エネルギに変換する多数のソーラセルからなる太陽電池モジュールを、架台板に配列して接続したもので、屋外に複数設置されている。
【0011】
参照符号4は、水の電気分解装置である。この電気分解装置は、図2に一層明確に示されるように、上部空間が仕切壁41aによって気室4a,4bに仕切られ下部が互いに連通した複数の電解槽41と、この電解槽41に充填された水W中に、気室4aの下側に位置して配置された陰極板42と、気室4bの下側に位置して配置された陽極板43とを備える。陰極板42は、風力発電装置1に接続された整流回路2における陰極側の出力端子、又は太陽電池パネル3における陰極側の出力端子に接続される。なお、図1においては、陽極板43の図示を省略してある。
【0012】
電気分解装置4は、風力発電装置1から整流回路2を介して供給される直流電流、又は太陽電池パネル3から供給される直流電流によって、電解槽41内の水W(H2O)を水素H2と酸素O2に分解するものである。すなわち陰極板42の表面では、電解反応によって水素H2が発生し、気泡となって水W中を浮上し、水面上の気室4aに一時的に貯えられる。一方、陽極板43の表面では、電解反応によって酸素O2が発生し、気泡となって水W中を浮上し、水面上の気室4bに一時的に貯えられる。
【0013】
なお、陰極板42及び陽極板43に通常の金属電極を用いた場合は、水Wは、水酸化ナトリウム(NaOH)、あるいは塩化ナトリウム(NaCl)等の電解質の水溶液とするが、燃料電池用の電極の膜を使えば、電解質を添加しない水(水道水など)でも電気分解を行うことができる。
【0014】
電気分解装置4で発生した水素H2は、燃料電池5へ送られるようになっている。燃料電池5は、水の電気分解と逆の反応によって、水素H2と酸素O2を化合させて水H2Oを生成すると同時に電気エネルギを取り出すものであって、内部構造の図示は省略するが、基本的には、良く知られているように、電解質を含む層を、燃料極と空気極で挟んだ構造の多数のセルを有する。
【0015】
すなわち図2に示されるように、電気分解装置4における陰極側の各気室4aからの水素H2は、水素供給配管5aを介して、燃料電池5における各セルの燃料極に形成された多数の溝内に供給され、電気分解装置4における陽極側の各気室4bからの酸素O2が、酸素供給配管5bを介して、燃料電池5における各セルの空気極に形成された多数の溝内に供給されるようになっている。また、各セルの燃料極と空気極は、各種の電気機器である外部の負荷6に、導線61を介して電気的に接続される。
【0016】
そして、各種の電気機器である負荷6をONにすると、燃料電池5における各セルの燃料極では、電気分解装置4から水素供給配管5aを介して供給される水素H2が、電子を遊離して水素イオンとなり、各セルの空気極では、燃料極側から電解質中を移動して来た水素イオンが、燃料極から外部の負荷6及び導線61を介して流れて来る電子及び酸素供給配管5bを介して供給される酸素O2と結合して水になる。したがって、このようにして負荷6の電力消費に応じた発電(負荷6への電力供給)が行われる。また、燃料電池5での発電作用に伴って生じる副産物は水(H2O)であるため、無害である。
【0017】
なお、燃料電池5から出力される電力は直流であるが、これを図示されていないコンバータを介して商用電源と同等の周波数の交流に変換して、負荷6へ供給するようにしても良い。
【0018】
また、燃料電池5は、図2に示されるように複数個(51〜5n)が配置され、水素供給配管5a及び酸素供給配管5bを介して互いに並列に接続されている。そして、電気分解装置4からの水素H2及び酸素O2は、まず最も上流側の燃料電池51に供給され、供給量の増大によって、燃料電池51で処理しきれなくなった場合は、下流側の燃料電池52,53,…へ順次オーバーフローして供給されるようになっている。
【0019】
なお、電気分解装置4で発生した酸素O2は、大気中へ放出し、燃料電池5における各燃料極への酸素の供給は、外部からの空気の取り込みによって行うようにしても良い。
【0020】
上述のように構成された第一の形態による分散型発電システムにおいて、各風力発電装置1から出力される電力は、風力に比例し、各太陽電池パネル3から出力される電力は、ソーラセルの受光量に比例するものであって、その受光量は太陽の高度や天候に依存され、夜間は殆ど発電しない。このため、風力発電装置1及び各太陽電池パネル3からの出力は、いずれも不安定であるが、本システムによれば、各風力発電装置1及び各太陽電池パネル3で得られた電気エネルギは、電気分解装置4で電解槽41内の水W(H2O)を水素H2と酸素O2に分解するために用いられ、この水素H2と酸素O2が、燃料電池5において再び電気エネルギに変換されるため、その過程で、出力の不安定性を緩和し、平滑化を図ることができる。
【0021】
これは、電気分解装置4によって発生する水素H2(及び酸素O2)の量は、各風力発電装置1及び各太陽電池パネル3からの出力の和に比例し、しかも気室4a(及び4b)にいったん貯留される水素H2(及び酸素O2)は圧縮性を有するからである。また、各燃料電池5(51〜5n)からの出力電圧及び電流は、ほぼ同じである。このため、各燃料電池5からの電力は、並列接続及び直列接続等の単純な接続で蓄電することができ、複雑な制御回路は不要である。
【0022】
次に、図3は、本発明に係る分散型発電システムの好ましい第二の実施の形態を示すブロック図、図4は図3の一部の構成を詳細に示す説明図である。
【0023】
この形態において、先に説明した図1及び図2の第一の形態と異なるところは、電気分解装置4によって発生した水素H2を一時的に蓄積する水素貯蔵タンク7を備える点にある。すなわち、図4に示されるように、電気分解装置4の電解槽41における陰極側で発生した水素H2を捕捉する各気室4aと、燃料電池5との間には、制御バルブ装置8を介して、水素貯蔵タンク7が接続されている。その他の部分の構成は、基本的には第一の形態と同様である。
【0024】
水素貯蔵タンク7としては、例えばコンプレッサを内蔵したボンベあるいはブラダ(ゴム膜)とクッションガスによる蓄圧機能を有するアキュムレータ構造のものが用いられるが、水素貯蔵合金等に代えることもできる。また、制御バルブ装置8は、電気分解装置4における各気室4aからの水素H2の供給先を、燃料電池5又は水素貯蔵タンク7へ選択的に切り換える方向切換弁と、燃料電池5への水素H2(及び酸素O2)の供給量を制御する流量制御弁からなる。また、水素貯蔵タンク7のほかに、気室4bからの酸素O2を一時的に蓄積する酸素貯蔵タンク(不図示)を同様に設けることもできる。
【0025】
上述のように構成された第二の形態の分散型発電システムは、風力発電装置1及び太陽電池パネル3による発電量が比較的大きい場合に特に有用である。すなわち、風力発電装置1及び太陽電池パネル3からの電力供給によって、電気分解装置4から燃料電池5への水素H2の供給量が所要値よりも多くなった場合は、余剰の水素H2が、制御バルブ装置8を介して水素貯蔵タンク7に一時的に蓄積される。また逆に、風力低下時や夜間のように、風力発電装置1及び太陽電池パネル3からの出力低下によって、電気分解装置4から燃料電池5への水素H2の供給量が所要値よりも減少した場合は、水素貯蔵タンク7に蓄積された水素H2が、制御バルブ装置8を介して放出される。このため、燃料電池5への水素H2の供給量、言い換えれば燃料電池5の出力を、一層平滑化することができる。
【0026】
また、本形態のシステムによれば、夜間に風力発電装置1で発電された余剰電力を、水素H2として水素貯蔵タンク7に貯蔵し、昼間などの電力需要増大時に水素H2を放出して、燃料電池5における発電量を補償することもできる。
【0027】
【発明の効果】
請求項1の発明に係る分散型発電システムによれば、複数種類の発電手段から個々に発電された電力が、電気分解装置で水素にいったん変換され、燃料電池で再び電力に変換される過程で連系されると共に、各発電手段の出力を補い合うので、複雑な制御回路を必要とすることなく、出力の不安定を緩和して平滑化することができる。
【0028】
請求項2の発明に係る分散型発電システムによれば、発電手段が、風力発電装置と太陽光発電装置からなるものであり、すなわち本発明は、無尽でクリーンな風力及び太陽光エネルギを利用したハイブリッド電源システムにおいて、きわめて有用である。
【0029】
請求項3の発明に係る分散型発電システムによれば、電気分解装置で発生した水素を一時的に貯蔵する貯蔵手段を備えることによって、一層確実に出力の平滑化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る分散型発電システムの好ましい第一の実施の形態を示すブロック図である。
【図2】図1の一部の構成を詳細に示す説明図である。
【図3】本発明に係る分散型発電システムの好ましい第二の実施の形態を示すブロック図である。
【図4】図3の一部の構成を詳細に示す説明図である。
【図5】従来の技術による分散型発電システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 風力発電装置
2 整流回路
3 太陽電池パネル(太陽光発電装置)
4 電気分解装置
4a,4b 気室
41 電解槽
42 陰極板
43 陽極板
5 燃料電池
6 電気負荷
7 水素貯蔵タンク
8 制御バルブ装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a distributed power generation system for interconnecting different types of power generation devices and supplying power to a load.
[0002]
[Prior art]
Wind power and solar power have the advantage that their energy sources are clean and inexhaustible.On the other hand, those power generators extract power from natural energy such as wind and sunlight. Output power depends on weather conditions (wind power). In the case of photovoltaic power generation, it depends on the altitude of the sun, sunshine duration and weather conditions, and there is a problem that stable power cannot be obtained in any case. Therefore, in order to compensate for such drawbacks as wind power generation and solar power generation, hybrid technology (distributed power generation system using natural energy; hereinafter, simply referred to as distributed power generation system) is being developed.
[0003]
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a distributed power generation system according to a conventional technique. That is, the distributed power generation system shown in FIG. 5 includes a plurality of different types of power generation means, such as a plurality of wind
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the related art, since the output from each wind
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and a technical problem thereof is that when interconnecting unstable power obtained by various power generation means using natural energy, a complicated control circuit is required. It is to provide a decentralized power generation system that is not required.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a means for effectively solving the above technical problem, a distributed power generation system according to the invention of claim 1 decomposes water into hydrogen and oxygen by using a plurality of types of power generation means and electric power from each power generation means. It comprises an electrolyzer and a fuel cell that converts the hydrogen into electric power according to the power consumption of an electric load. That is, electrical energy obtained by a plurality of types of power generation means is once converted to hydrogen by an electrolyzer and then converted again to electrical energy by a fuel cell, thereby eliminating the need for a complicated control circuit.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in the distributed power generation system according to the first aspect, the power generation unit includes one or more wind power generation devices and one or more solar power generation devices.
[0008]
A distributed power generation system according to a third aspect of the present invention is the configuration according to the first or second aspect, further comprising a storage unit for temporarily storing hydrogen from the electrolyzer.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a first preferred embodiment of a distributed power generation system according to the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing a part of the configuration of FIG. 1 in detail.
[0010]
First, in FIG. 1, reference numeral 1 denotes a wind power generator, which is installed plurally outdoors, and each of which generates a power of alternating current (three-phase alternating current) by rotating a generator main body by a wind turbine rotating according to wind power. is there. The output from each wind power generator 1 is full-wave rectified by the
[0011]
Reference numeral 4 is a water electrolyzer. As shown in FIG. 2 more clearly, the electrolyzer comprises a plurality of
[0012]
The electrolyzer 4 converts the water W (H 2 O) in the
[0013]
When a normal metal electrode is used for the
[0014]
The hydrogen H 2 generated in the electrolyzer 4 is sent to the
[0015]
That is, as shown in FIG. 2, the hydrogen H 2 from each of the
[0016]
When the
[0017]
Although the power output from the
[0018]
The
[0019]
The oxygen O 2 generated in the electrolyzer 4 may be released into the atmosphere, and the supply of oxygen to each fuel electrode in the
[0020]
In the distributed power generation system according to the first embodiment configured as described above, the power output from each wind power generator 1 is proportional to the wind power, and the power output from each solar cell panel 3 is The amount of received light depends on the altitude of the sun and the weather, and generates little power at night. For this reason, the outputs from the wind power generator 1 and each solar cell panel 3 are both unstable, but according to the present system, the electric energy obtained by each wind power generator 1 and each solar cell panel 3 is Is used to decompose water W (H 2 O) in the
[0021]
This is because the amount of hydrogen H 2 (and oxygen O 2 ) generated by the electrolyzer 4 is proportional to the sum of the outputs from the respective wind power generators 1 and the respective solar cell panels 3, and the
[0022]
Next, FIG. 3 is a block diagram showing a second preferred embodiment of the distributed power generation system according to the present invention, and FIG. 4 is an explanatory diagram showing a part of the configuration of FIG. 3 in detail.
[0023]
This embodiment differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 in that a hydrogen storage tank 7 for temporarily storing hydrogen H2 generated by the electrolyzer 4 is provided. That is, as shown in FIG. 4, a control valve device 8 is provided between each
[0024]
As the hydrogen storage tank 7, for example, a cylinder having a built-in compressor or an accumulator structure having a bladder (rubber film) and a pressure accumulating function using a cushion gas is used, but may be replaced with a hydrogen storage alloy or the like. Further, the control valve device 8 includes a direction switching valve for selectively switching the supply destination of the hydrogen H 2 from each
[0025]
The distributed power generation system of the second embodiment configured as described above is particularly useful when the amount of power generated by the wind power generator 1 and the solar cell panel 3 is relatively large. That is, when the supply amount of hydrogen H 2 from the electrolyzer 4 to the
[0026]
Further, according to the system of this embodiment, the surplus power generated by the wind turbine generator 1 during the night, and stored in the hydrogen storage tank 7 as hydrogen H 2, to release the hydrogen H 2 at increasing power demand, such as daytime In addition, the amount of power generation in the
[0027]
【The invention's effect】
According to the distributed power generation system according to the first aspect of the present invention, the power generated individually from a plurality of types of power generation means is once converted into hydrogen by the electrolyzer and then converted again into power by the fuel cell. Since the outputs of the respective power generation means are complemented with each other, the instability of the output can be reduced and smoothed without requiring a complicated control circuit.
[0028]
According to the distributed power generation system according to the second aspect of the present invention, the power generation means includes a wind power generation device and a photovoltaic power generation device, that is, the present invention utilizes infinite and clean wind power and solar energy. Very useful in hybrid power systems.
[0029]
According to the distributed power generation system according to the third aspect of the present invention, the provision of the storage means for temporarily storing the hydrogen generated in the electrolyzer allows the output to be more reliably smoothed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first preferred embodiment of a distributed power generation system according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a part of the configuration of FIG. 1 in detail;
FIG. 3 is a block diagram showing a second preferred embodiment of the distributed power generation system according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a part of the configuration of FIG. 3 in detail;
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a distributed power generation system according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
1
4
Claims (3)
各発電手段からの電力により水を水素と酸素に分解する電気分解装置と、
前記水素を電気負荷の電力消費に応じて電力に変換する燃料電池と、
からなることを特徴とする分散型発電システム。Multiple types of power generation means,
An electrolyzer for decomposing water into hydrogen and oxygen by electric power from each power generation means,
A fuel cell that converts the hydrogen into electric power in accordance with the power consumption of an electric load,
A distributed power generation system characterized by comprising:
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