JP2007249341A - 水素製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電装置を電力会社などの電力系統に接続して電力を供給すると同時に水素を製造し、水素製造装置への負荷が変動する結果として水素製造量が不安定になることや、負荷変動が繰り返されることにより水素製造装置の劣化が早まる課題がある。
【解決手段】水素製造装置で風力発電装置の変動電力を吸収し、また、水素製造装置の電流を制御することにより、安定的に水素が製造でき、かつ、水素製造装置の劣化を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は水素製造装置に係り、特に風力発電により得られた電力をエネルギー源として利用する水素製造装置に関する。

現在我々の生活を支えているエネルギーの大半は化石燃料によりまかなわれているが、資源の枯渇に加えて地球温暖化などの課題を抱えている。これらの課題を解決する方法の一つとして風力，太陽光，水力などの再生可能エネルギーの利用があげられる。しかし、これらの再生可能エネルギーはエネルギー密度が小さいことやエネルギー供給が不安定であるなどの欠点を有している。これらを解決する方法として、エネルギーを水素という二次エネルギーに一旦変換して貯蔵し、エネルギー需要にあわせて水素を供給することにより、エネルギーの安定供給を図る方法がある。さらに、水素エネルギーは電気エネルギーと比較して容易に貯蔵できる利点も兼ね備えている。

風力を利用して発電し、その電力により水素を安定かつ効率的に製造する方法としては、風力発電装置の風車回転数を励磁機により制御して発電装置から水素製造装置に供給される電圧を制御する方法があげられる。

特開２００４−２６９９４５号公報

風力発電により負荷に電力を安定供給することと水素を製造することとを同時に実施する場合、水素製造装置への負荷が変動するため、水素製造量が不安定になり、負荷変動が繰り返されることにより水素製造装置の劣化が早まる。

本発明の目的は、風力発電装置からの電力を安定に負荷と水素製造装置とに供給する風力発電水素製造装置を提供することにある。

負荷に電力を供給する風力発電装置と前記風力発電装置から電力の供給を受ける電解水素製造装置とを有する風力発電水素製造装置であって、予め設定された負荷に供給する電力を目標値とし、前記風力発電装置が発電する発電出力と前記目標値との差分を前記電解水素製造装置に供給することを特徴とする風力発電水素製造装置である。

本発明の風力発電水素製造装置によれば、風力発電装置からの電力を安定に負荷と水素製造装置とに供給する風力発電水素製造装置を提供できる。

水素製造装置に供給する電力を制御するためのチョッパー回路や、チョッパー回路の電流制御、風力発電装置の風車ピッチ角度を制御することにより実現した。

本発明を実施するための実施形態を以下に説明する。
（１）電力系統に接続された風力発電装置において、所定の電力を電力系統に供給し、かつ、風力発電装置の発電電力と電力系統に出力する目標値電力との差分を差分電力として電解水素製造装置に供給することにより、水素を製造する水素製造システム。
（２）前記において、電解水素製造装置の動作状態に基づき、電解水素製造装置に供給する電力や電流を制御することにより、水素製造量を制御する水素製造システム。
（３）風車ピッチ角が制御できる風力発電装置を用い、風車ピッチ角度を制御することにより、発電装置出力を所定の電力に保つことができる水素製造システム。
（４）前記において、少なくとも風力発電装置，電解水素製造装置，発電された交流を電解水素製造装置に供給するための交流直流変換器から構成される水素製造システム。
（５）前記において、電解水素製造装置への供給電力を制御するためのチョッパー回路を有する水素製造システム。
（６）電力系統に接続された風力発電装置において、所定の電力を電力系統に供給し、かつ、余剰変動電力を電解酸素製造装置に供給することにより、酸素を製造する酸素製造システム。

本発明にかかる実施形態は、前述のように、水素製造システムにおいて、風力発電装置から供給可能な電力や電流と水素製造装置の動作可能な電力あるいは電流範囲とを比較し、水素製造装置の動作状態を制御することにより、達成される。さらに、本発明にかかる実施形態は、風力発電装置の定格電力あるいは、風速に依存した最適な電力が出力されるように風車ピッチ角を制御することにより、達成される。

本実施形態では、負荷を電力系統としているが、負荷は電力系統に限定されるものではなく、工場や、プラントのように安定した電力供給が求められる用途に適用可能である。

また、以下の実施例では水素製造装置として記載するが、水の電気分解により水素を得る場合、同時に酸素も得られる。したがって、以下の実施例においては、生成された酸素を捕集すれば、酸素製造装置となる。

図１は、本発明の一実施例である風力発電水素製造装置の構成図である。

風力発電装置は、風車ピッチ角が制御できる風車１が接続されたかご型誘導発電装置２などから構成され、２回線系統送電線３を介して電力系統（無限大母線）に接続される。ここで、風力発電装置の端子には、力率調整用進相コンデンサ８を設置し、定格出力時に力率がほぼ１になるように設定されている。

水素製造装置７は、電力系統と、Δ−Δ変圧器４，三相全波整流回路５，降圧チョッパー回路６を介して接続される。

降圧チョッパー回路６は、チョッパー制御装置５５の出力するパルス信号Gate Signalにより制御される。
チョッパー制御装置５５は、電流センサ５１と電圧センサ５２の検出値から、電力演算器５０により計算された風力発電装置の出力する電力Ｐ_w を入力する。また、水素製造装置７の電圧Ｅ₂ は電圧センサ５４により検出され、また水素製造装置７に流れる電流Ｉ₂ は電流センサ５３により検出され、チョッパー制御装置５５に入力される。

水素製造装置７としては、固体高分子電解質型水電解水素製造装置を用い、降圧チョッパー回路６の制御により風力の変動電力を水素製造装置７で消費させて水素を製造する。

ここでは、降圧チョッパー回路６の例で説明するが、昇圧チョッパー回路や、昇降圧チョッパー回路でもよい。また、風力発電装置として、ここではかご型誘導発電機を用いた装置を用いて説明するが、同期発電機や交流励磁型同期発電機，永久磁石式発電機などを用いた装置にも適用できる。また、風力発電装置は、少なくとも一台以上で構成される風力発電装置であってもよい。さらに、水素製造装置として、ここでは固体高分子電解質水電解水素製造装置で説明するが、アルカリ水電解水素製造装置，食塩水電解水素製造装置，海水電解水素製造装置，水蒸気電解水素製造装置であってもよい。

図３は、降圧チョッパー回路６を駆動するチョッパー制御装置５５の構成図である。風力発電電力Ｐ_w と系統に出力する風力発電電力の目標値電力Ｐ_k の差分電力ｅは、ＰＩコントローラ９に入力される。ＰＩコントローラ９は、水素製造装置７で消費する電力目標値Ｐ_t を計算する。さらに電力目標値Ｐ_t を電圧検出値Ｅ₂ で除算し、水素製造装置の電流指令値Ｉ_t を計算し、比較ブロック（ブロックＡ）へ出力する。前記目標値Ｐ_k は、装置内部で運転時間帯などの条件で変更してもよいし、あるいは、電力系統側の装置からの伝送により指令値を変更してもよい。

一方、水素製造装置７の電圧Ｅ₂ は、電力最大値演算ブロック１１に入力され、演算の後に水素製造装置７で許容される電流値Ｉ_h を比較ブロック（ブロックＡ）へ出力する。図４は、電力最大値演算ブロック１１の動作を説明する図である。図４において、現在の電圧Ｅ₂ と電流Ｉ₂ が入力されると、テーブル参照または算出式により、水素製造装置の電流電圧特性の状態（図では状態Ｂ）が求められ、そのとき許容される水素製造のための最大電流値Ｉ_{h max}と最小電流値Ｉ_{h min}が計算され、電流指令値Ｉ_h として出力される。たとえば水素製造装置の状態が変化して電流指令値が最小値以下に下がったり、電流指令値が変更されて電流指令値が最大値と最小値の範囲を外れると、水素の製造効率が低下するので、電流指令値を所定範囲内に制限する必要がある。

比較ブロック１０（ブロックＡ）は、水素製造装置７の電流の目標値Ｉ_t と水素製造で許容される電流最大値Ｉ_{h max}と最小電流値Ｉ_{h min}を入力し、Ｉ_t とＩ_{h max}，Ｉ_{h min}を比較し、下記式１および式２により出力信号Ｓignal(１) の値を決定し、切替ブロック
５７（ブロックＢ）に出力する。
（数１）
Ｉ_{h max}＞Ｉ_t＞Ｉ_{h min}：Ｓignal(１)＝１
（数２）
Ｉ_{h max}＜Ｉ_t または、 Ｉ_t＜Ｉ_{h min}：Ｓignal(１)＝０
切替ブロック５７（ブロックＢ）は、水素製造装置７の入力電流指令値Ｉ_t と、許容される水素製造のための入力電流指令値Ｉ_h とを入力し、Ｓignal(１) が“１”のとき電流指令値Ｉ_t を切替器５８から出力し、Ｓignal(１) が“０”のとき電流指令値Ｉ_h を切替器５８から出力する。すなわち、水素製造に用いる電流目標値Ｉ_t が、水素製造装置で要求される許容範囲（Ｉ_{h max}＞Ｉ_t＞Ｉ_{h min}）から外れるときは、許容値Ｉ_h （Ｉ_{h max}またはＩ_{h min}）が選択される。

切替器５８から出力された電流指令値Ｉref は、電流制限器５６に入力される。

電流制限器５６は、例えば一次遅れフィルタや、変化率を所定値以内に抑制する変化率リミッタで構成され、電流指令値Ｉrefの急峻な変動を抑制した電流指令値Ｉref′を出力する。電流指令値Ｉref′は電流調整ブロック１２（ブロックＣ）に入力される。

電流調整ブロック１２は、電流指令値Ｉref′ と、水素製造装置に流れる電流Ｉ₂ の偏差を零にするため、偏差をＰＩコントローラ９に入力し、チョッパー回路６を駆動するための指令値Ｄuty を、パルス作成器ＰＷＭに出力する。

パルス作成器ＰＷＭでは、入力された指令値Ｄuty から、チョッパー回路６を構成するＩＧＢＴなどのスイッチング素子をオン・オフするパルスGate Signalを作成する。

図５は、風車のピッチ角指令ＢＥＴＡを求めるための構成図を示す。ある時刻における平均風速をｕ［ｍ／ｓ］とすると、回転数に対する発電電力の特性は、最大値をもつ特性となる。そのため、平均風速ｕが求まると、最適な風車回転数ωref はテーブル参照や、算出式による計算により求めることが出来る。風速が大きいときは、発電機定格より発電電力が大きくならないように、発電電力が所定値Ｐ_Rmaxとなるように、最大効率点となる回転数にならない回転数で運転する。従って、図中太線で示す発電特性となる。所定値
Ｐ_Rmaxは、切替器５９にて変更できるようにしておき、例えば夜間のように系統での電力消費が小さく、系統に風力の電力を出力したくないときは、水素製造装置の定格容量相当にＰ_R をＰ_Rchgに変更すると、系統に出力される電力はほぼ零としながら水素製造装置にて水素を製造することが出来、風力発電装置を停止しなくても良い。

最適な風車回転数ωref から回転数検出値ωを減算し、偏差を計算する。得られた偏差は、ＰＩコントローラ９に入力され、偏差がゼロとなるようにＰＩコントローラ９の出力である風車のピッチ角ＢＥＴＡは調整される。

図６および図７，図８は、図５に示したピッチ角制御の動作を示す。図６は風速を示しており、図７は、その時計算されるピッチ角ＢＥＴＡを示しており、また、図８は発電出力を示している。ピッチ角制御により、風速が高いときの電力がほぼ所定値（ここでは
５０ＭＷ）に制御されている。

図９，図１０，図１１は、図１および図３に示したシステムの動作を示す。

図９は、水素製造装置に流れる電流Ｉ₂ を示している。水素製造装置の最大電流値は、図３のブロックＢの制御により所定値内（ここでは、１４ｋＡ）に抑制されており、所定値以下では、風力の変動を吸収するように水素製造装置電流が変化している。

図１０は、水素製造量を示す。図９に示した電流値Ｉ₂ に応じて水素が製造されていることがわかる。

図１１は、電力系統に出力される有効電力を示しており、この値は、図３で説明した系統に出力する風力発電電力の目標値Ｐ_k により調整できる。図１１は、Ｐ_k ＝３０ＭＷとしたときの波形であり、系統に出力される電力はほぼ３０ＭＷに制御できている。

上記実施例に示すように、風力発電電力Ｐ_w の値より、系統に出力する風力発電電力の目標値Ｐ_k を小さくすることで、風力発電による電力の変動電力成分は水素製造装置に吸収され、系統にはほぼ一定の電力を出力することが出来る水素製造システムを提供できる。

上記実施例に示すように、電流指令値の急峻な変動成分を除去して、水素製造装置に供給される電流を制御することで、水素製造に寄与しない無駄な電力消費を抑制できる。

また、電流指令値の最大値を水素製造装置の状態により求まる最大値に制限する手段を備えるので、水素製造装置の劣化を防止できる。

また、ピッチ角を求める際の最大電力値Ｐ_R を変えることで、系統に出力する電力を調整できる（例えば最大電力値Ｐ_R を系統に出力する風力発電電力の目標値Ｐ_k と同じとすると、系統に出力する電力値のベース分はほぼ零に制御できる。）。

以上の実施例によれば、水素製造装置で風力の電力変動を吸収できるため、系統に出力される電力の変動分を抑制し、また、水素製造も安定に行うことができ、かつ、水素製造装置の劣化を抑制する効果がある。

次に図２を用いて実施例２について説明する。図２は本発明の他の実施例の装置構成を示す単線結線図であり、図１と同一符号は同一部分をあらわすので説明を省略する。

図２に示す実施例では、風力発電機は交流直流変換器６１，交流直流変換器６２を介して系統に接続される。

水素製造装置７は、交流直流変換器６１（または６２）の直流部分に接続され、チョッパー回路６および制御装置５５にて水素製造装置７の電流は調整される。

本実施例によると、実施例１と同等の効果があり、また、直流部に接続することで、整流回路が不要になり、構成が簡単になる。

発電装置の出力と水素製造装置の製造状況を比較して、水素製造装置への負荷変動を抑制することが可能なため、発電方式が異なる発電装置と水素製造装置を具備した水素製造装置にも適用可能である。

本発明の一実施例である風力発電水素製造装置の構成図。 本発明の他の実施例である風力発電水素製造装置の構成図。 チョッパー制御装置の構成図。 水素製造装置の最大電力値を求めるための説明図。 ピッチ角制御装置の説明図。 風速データ。 風車ピッチ角の変化。 風力発電装置の出力変化。 水素製造装置の電流変化。 水素製造装置における水素発生量変化。 電力系統への出力電力変化。

符号の説明

１…風車、２…かご型誘導発電装置、３…２回線系統送電線、４…Δ−Δ変圧器、５…三相全波整流回路、６…降圧チョッパー回路、７…水素製造装置、８…力率調整用進相コンデンサ、９…ＰＩコントローラ、１０…比較ブロック、１１…電力最大値演算ブロック、１２…電流調整ブロック、５０…電力演算器、５１，５３…電流センサ、５２，５４…電圧センサ、５５…チョッパー制御装置、５６…電流制限器、５７…切替ブロック、５８，５９…切替器、６１，６２…交流直流変換器、７０…ピッチ制御装置。

Claims (13)

1. 負荷に電力を供給する風力発電装置と前記風力発電装置から電力の供給を受ける電解水素製造装置とを有する風力発電水素製造装置であって、予め設定された負荷に供給する電力を目標値とし、前記風力発電装置が発電する発電出力と前記目標値との差分を前記電解水素製造装置に供給することを特徴とする風力発電水素製造装置。
2. 負荷に電力を供給する風力発電装置と前記風力発電装置から電力の供給を受ける電解水素製造装置とを有する風力発電水素製造装置であって、前記風力発電装置の発電出力を検出する手段と、検出した前記発電出力と予め設定された負荷に供給する電力の目標値との差分を電解水素製造装置に供給する制御手段とを備えることを特徴とする風力発電水素製造装置。
3. 検出した風力発電装置の発電出力に基づいて電解水素製造装置への供給電力と負荷に出力する電力とが所定の電力値となるような制御手段を備えることを特徴とする請求項２記載の風力発電水素製造装置。
4. 前記制御手段として、電解水素製造装置の消費電力、および／または、水素製造装置に許容される電力から計算される電解水素製造装置に流れる電流指令値に基づき、水素製造装置の電源回路スイッチング素子のゲート信号を制御することにより、入力電流を制御する手段を有することを特徴とする請求項２記載の風力発電水素製造装置。
5. 前記電流指令値の急峻な変動を抑制するための電流制限手段を備えることを特徴とする請求項４記載の風力発電水素製造装置。
6. 前記電流指令値を電解水素製造装置の動作状態により決まる電流の最大値を越えないように制限する電流指令値の変更手段を備え、電解水素製造装置の入力電流の目標値を変更することを特徴とする請求項４記載の風力発電水素製造装置。
7. 前記風力発電装置は、風車を有し、前記風車のピッチ角が制御できることを特徴とする請求項１記載の風力発電水素製造装置。
8. 前記ピッチ角により風力発電装置の発電可能な最大電力値を風力発電装置の定格電力から変更する手段を備えることを特徴とする請求項７記載の風力発電水素製造装置。
9. 前記風力発電装置で発電された交流を電解水素製造装置に供給するための電力変換回路を有することを特徴とする請求項１記載の風力発電水素製造装置。
10. 前記風力発電装置で発電された電力を負荷に接続するための電力変換回路を有することを特徴とする請求項１記載の風力発電水素製造装置。
11. 前記電解水素製造装置への供給電力を制御するためのチョッパー回路を有することを特徴とする請求項１記載の風力発電水素製造装置。
12. 前記負荷は、電力系統であることを特徴とする請求項１記載の風力発電水素製造装置。
13. 負荷に電力を供給する風力発電装置と前記風力発電装置から電力の供給を受ける電解酸素製造装置とを有する風力発電水素製造装置であって、予め設定された負荷に供給する電力を目標値とし、前記風力発電装置が発電する発電出力と前記目標値との差分を前記電解酸素製造装置に供給することを特徴とする風力発電酸素製造装置。

Images