JP7471546B1 - 超電導発電システム - Google Patents

Abstract

超電導発電システムは、水素ガスタービン（４）と、液体水素が供給され、水素ガスタービン（４）によって駆動される超電導発電機（２）と、超電導発電機（２）に供給された液体水素が気化されて超電導発電機（２）から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置（３）と、を備える。

Description

本開示は、超電導発電システムに関する。

近年、超電導線を回転界磁巻線として利用した回転子を備えた発電機が開発されている。超電導線を用いた界線は、超電導状態を維持するために転移温度以下まで冷却する必要がある。冷却のための冷媒として液体水素などが用いられる。液体状態の冷媒は、界磁巻線を含む回転子を冷却した後、伝導伝熱または放射伝熱などの侵入熱により気化する。気化した冷媒は周囲の電機子などの部材を冷却しつつ連通管、または排気孔等により発電機の外へと導かれて回収される（たとえば、非特許文献１を参照）。

白井康之、塩津正博（京都大学）『液体水素冷却超電導応用エネルギー機器の開発』、低温工学 Vol.55 No.1,2020

しかしながら、非特許文献１では、発電機を冷却するために供給する液体水素の量が多くなるという問題がある。なぜなら、超電導発電機から流出した水素ガスのうち、水素ガスタービンの使用量を超える余分な水素ガスは、捨てられるからである。

それゆえに、本開示の目的は、発電機を冷却するための液体水素の供給量を低減することができる超電導発電システムを提供することである。

本開示の超電導発電システムは、水素ガスタービンと、液体水素が供給され、水素ガスタービンによって駆動される超電導発電機と、超電導発電機に供給された液体水素が気化されて超電導発電機から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置と、を備える。

本開示によれば、発電機を冷却するための液体水素の供給量を低減することができる。

実施の形態１の超電導発電システムの構成を表わす図である。 実施の形態１の超電導発電システムの制御手順を表わすフローチャートである。 実施の形態２の超電導発電システムの構成を表わす図である。 実施の形態３の超電導発電システムの構成を表わす図である。 実施の形態３の超電導発電システムの制御手順を表わすフローチャートである。 実施の形態４の超電導発電システムの構成を表わす図である。 実施の形態４の超電導発電システムの制御手順を表わすフローチャートである。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１の超電導発電システムの構成を表わす図である。

超電導発電システムは、液体水素貯蔵部１と、超電導発電機２と、磁気冷凍装置３と、水素ガスタービン４と、水素ガス化機構５と、蒸発水素量検出部６と、液体水素供給制御弁７と、水素ガス供給制御弁８と、制御部１１と、駆動部１２とを備える。

液体水素貯蔵部１は、管Ｐ１と、管Ｐ２と接続する。
液体水素供給制御弁７は、ポートＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５を備える。ポートＡ１は、管Ｐ１と接続する。ポートＡ２は、管Ｐ２と接続する。ポートＡ３は、管Ｐ３と接続する。ポートＡ４は、管Ｐ５と接続する。ポートＡ５は、管Ｐ４と接続する。

超電導発電機２は、管Ｐ３および管Ｐ７と接続する。
磁気冷凍装置３は、管Ｐ４および管Ｐ６と接続する。

水素ガス化機構５は、管Ｐ５に設けられる。
蒸発水素量検出部６は、管Ｐ７に設けられる。

水素ガス供給制御弁８は、ポートＢ１、Ｂ２、Ｂ３を備える。ポートＢ１は、管Ｐ７と接続する。ポートＢ２は、管Ｐ６と接続する。ポートＢ３は、管Ｐ８と接続する。管Ｐ５と管Ｐ８が接続する。

水素ガスタービン４は、管Ｐ８と接続する。
液体水素貯蔵部１は、液体水素を貯蔵する。

水素ガスタービン４は、管Ｐ８によって供給される水素ガスによって駆動される。
超電導発電機２は、水素ガスタービン４による動力を電力に変換する。超電導発電機２は、超電導導体を含む。管Ｐ３によって供給される液体水素の冷熱（沸点約は-20K）を利用して、超電導導体は超電導状態に維持される。液体水素は超電導発電機２内で気化し、管Ｐ７に水素ガスが流出する。超電導発電機２は、図示しない固定子と、回転子と有する。固定子と回転子のうちいずれか一方または両方が超電導体で形成されている。磁気冷凍装置３は、管Ｐ６によって供給される水素ガスを冷却して、液体水素を管Ｐ４に放出する。

液体水素供給制御弁７は、液体水素貯蔵部１から供給される液体水素を超電導発電機２及び水素ガスタービン４のうちのいずれか一方または両方に供給する。液体水素供給制御弁７のポートＡ１には、液体水素貯蔵部１から管Ｐ１を通して送られる液体水素が流入する。ポートＡ１から流入した液体水素は、ポートＡ３とポートＡ４のうちのいずれか一方または両方から流出される。制御部１１は、液体水素のポートＡ３、Ａ４への流出割合を制御することができる。液体水素供給制御弁７のポートＡ５には、磁気冷凍装置３から流出された液体水素が流入する。ポートＡ５に流入した液体水素がポートＡ２とポートＡ３のうちのいずれか一方または両方から流出される。制御部１１は、液体水素のポートＡ３、Ａ４への流出割合を制御することができる。

水素ガス供給制御弁８は、超電導発電機２から流出した水素ガスを磁気冷凍装置３および水素ガスタービン４のうちのいずれか一方または両方に供給する。具体的には、水素ガス供給制御弁８のポートＢ１には、超電導発電機２から流出される水素ガスが流入する。ポートＢ１から流入した水素ガスは、ポートＢ２とポートＢ３のうちのいずれか一方または両方から流出される。制御部１１は、水素ガスのポートＢ２、Ｂ３への流出割合を制御する。

水素ガス化機構５は、ポートＡ４から流出され、管Ｐ５によって送られる液体水素を水素ガスに変化させる。水素ガス化機構５は、たとえばヒータによって構成することができる。水素ガスは、管Ｐ５、および管Ｐ８を経由して、水素ガスタービン４に送られる。

蒸発水素量検出部６は、超電導発電機２から流出した水素ガスの量を検出する。蒸発水素量検出部６は、たとえば、ガスセンサによって構成することができる。

水素の流れの典型的な例について説明する。
液体水素貯蔵部１から液体水素供給制御弁７を経由して超電導発電機２に供給された液体水素は、超電導発電機２を冷却した後蒸発し、水素ガスとなって超電導発電機２の外部に排出される。

水素ガスは、水素ガス供給制御弁８を経由し、一部が、水素ガスタービン４で燃焼され、超電導発電機２の動力となる。残りの水素ガスは、磁気冷凍装置３を通過することで冷却・液化される。液体水素は、液体水素供給制御弁７を経由し、液体水素貯蔵部１に戻る経路と、再び冷却のために超電導発電機２に流れる経路に分かれる。

制御部１１は、超電導発電機２、磁気冷凍装置３、液体水素供給制御弁７、水素ガス供給制御弁８、水素ガス化機構５、蒸発水素量検出部６、および水素ガスタービン４を制御する。

駆動部１２は、超電導発電機２、および磁気冷凍装置３を駆動する。
図２は、実施の形態１の超電導発電システムの制御手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ１０１において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７のポートＡ１に流入した液体水素がポートＡ３から流出し、ポートＡ５に流入した液体水素がポートＡ２とＡ３から流出するように液体水素供給制御弁７を制御する。これによって、液体水素貯蔵部１から流出した液体水素は超電導発電機２へ供給される。磁気冷凍装置３から流出した液体水素は、超電導発電機２および液体水素貯蔵部１へ供給される。制御部１１は、液体水素のポートＡ２およびポートＡ３からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部１１は、ポートＡ２およびポートＡ３のうちの一方のみから液体水素が流出するように制御することとしてもよい。

ステップＳ１０２において、制御部１１は、外部から発電需要を取得する。
ステップＳ１０３において、制御部１１は、蒸発水素量検出部６によって検出された超電導発電機２から流出した水素ガスの量を取得する。

ステップＳ１０４において、電力の供給過多などで発電を停止する場合、または超電導発電機２を水素ガスタービン４と連結させずに同期調相機として使用する場合には、処理がステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８のポートＢ１に流入した水素ガスがポートＢ２から流出するように水素ガス供給制御弁８を制御する。これによって、水素ガスタービン４は動作を停止し、水素ガスタービン４からの動力が断たれた超電導発電機２は停止する。ポートＢ２から流出し、磁気冷凍装置３に流入した水素ガスは、磁気冷凍装置３を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。液体水素は、液体水素供給制御弁７のポートＡ５に流入する。ポートＡ５に流入した液体水素の一部は、ポートＡ２を経由して液体水素貯蔵部１に送られ、液体水素の残りは、ポートＡ３を経由して超電導発電機２に送られる。超電導発電機２は、発電を停止しているにも係わらず、超電導発電機２には液体水素が流入し、液体水素により冷却される。超電導発電機２が一度常温になると、再冷却し再稼働するまでに時間を要する。超電導発電機２が発電を停止しているときにも液体水素による冷却を維持し続けることによって、再稼働するまでの時間を短くすることができる。

ステップＳ１０６において、蒸発水素量検出部６によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量よりも多い場合、処理がステップＳ１０７に進む。蒸発水素量検出部６によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量と等しいかまたは少ない場合には、処理がステップＳ１０８に進む。発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量は、たとえば、発電量と、発電量を発電するのに水素ガスの量との対応関係を定めたテーブルを用いて、特定することができる。

ステップＳ１０７において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８のポートＢ１に流入した水素ガスがポートＢ２およびポートＢ３から流出するように水素ガス供給制御弁８を制御する。これによって、水素ガスが、磁気冷凍装置３および水素ガスタービン４に送られる。磁気冷凍装置３に流入した水素ガスは、磁気冷凍装置３を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。制御部１１は、蒸発水素量検出部６によって検出された水素ガスの量と、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量との差に応じて、水素ガスのポートＢ２およびポートＢ３からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部１１は、差が大きいほど、ポートＢ２から流出される水素ガスの量を多くすることとしてもよい。

ステップＳ１０８において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８のポートＢ１に流入した水素ガスがポートＢ３から流出するように水素ガス供給制御弁８を制御する。これによって、水素ガスが水素ガスタービン４に送られる。

ステップＳ１０９において、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量がまだ不足している場合には、処理がステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７のポートＡ１に流入した液体水素がポートＡ３とＡ４から流出するように液体水素供給制御弁７を制御する。

ステップＳ１１１において、制御部１１は、水素ガス化機構５をオンに設定する。これによって、液体水素供給制御弁７のポートＡ４から流出した液体水素が水素ガスに変化して、水素ガスタービン４に送られる。

本実施の形態によれば、水素ガスが磁気冷凍装置３で液化し、再液化水素が液体水素貯蔵部１および超電導発電機２の少なくとも一方に再び供給される。液体水素を超電導発電機２の冷却に用いた後、超電導発電機２から流出する水素ガスを磁気冷凍装置３により再液化することによって、液体水素の消費量を削減することができる。液体水素の再液化量を水素ガス供給制御弁８によって調整することによって、液体水素の需給バランスを反映した最適な再液化量が実現でき、液体水素使用が効率化する。先行文献に記載のシステムでは、超電導発電機から流出した水素ガスのうち、水素ガスタービンの使用量を超える余分な水素ガスは、捨てられていたが、本実施の形態によれば、余分な水素ガスを磁気冷凍装置で再液化して、再利用することができる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２の超電導発電システムの構成を表わす図である。

実施の形態２の超電導発電システムが実施の形態１の超電導発電システムと相違する点は、実施の形態２の超電導発電システムが、超電導発電機２に代えて超電導発電機２Ａを備える点である。

超電導発電機２Ａは、固定子１３と、超電導回転子１４とを備える。
超電導回転子１４は、高温超電導体により形成される。

固定子１３は、一般導体で形成される。固定子１３を超電導体で形成した場合、固定子１３において発生する交流電流によって、固定子１３の超電導状態が維持できなくなる場合を考慮して、固定子１３を一般導体によって形成されるものとする。

超電導発電機２Ａに流入した液体水素は超電導回転子１４を形成する高温超電導体を冷却し、高温超電導体は超電導状態を維持する。液体水素はその後蒸発し、低温（20K以上常温以下）の水素ガスとなり固定子１３へ流れて、固定子１３を冷却する。固定子１３を冷却した水素ガスは昇温し、超電導発電機２Ａから流出する。

なお、固定子１３も高温超電導体により形成されるものとしてもよい。
実施の形態３.
図４は、実施の形態３の超電導発電システムの構成を表わす図である。

実施の形態３の超電導発電システムが実施の形態１の超電導発電システムと相違する点は、実施の形態３の超電導発電システムが、磁気冷凍装置３に代えて磁気冷凍装置３Ａを備える点と、液体水素供給制御弁７Ａと、管Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３とを備える点である。

磁気冷凍装置３Ａは、磁気熱量機構１５と、磁場発生装置１６とを備える。液体水素供給制御弁７Ａは、ポートＣ１、Ｃ２、Ｃ３を備える。ポートＣ１は、管Ｐ１１と接続する。管Ｐ１１は、液体水素供給制御弁７のポートＡ３と接続する。ポートＣ２は、管Ｐ３と接続する。ポートＣ３は、管Ｐ１２と接続する。管Ｐ４は、磁気冷凍装置３Ａの磁気熱量機構１５と接続する。管Ｐ１２は、磁気冷凍装置３Ａの磁場発生装置１６と接続する。管Ｐ１３は、磁気冷凍装置３Ａの磁場発生装置１６および管Ｐ７と接続する。

液体水素供給制御弁７には、磁気冷凍装置３の磁気熱量機構１５及び液体水素貯蔵部１から液体水素が供給される。液体水素供給制御弁７は、超電導発電機２、磁気冷凍装置３Ａの磁場発生装置１６、および水素ガス化機構５を通じて水素ガスタービン４に供給する液体水素量を調整する。液体水素供給制御弁７のポートＡ１には、液体水素貯蔵部１から管Ｐ１を経由して送られる液体水素が流入する。ポートＡ１から流入した液体水素は、ポートＡ３とポートＡ４のうちのいずれか一方または両方から流出される。また、磁気冷凍装置３Ａの液体水素の加熱運転時には、ポートＡ５からも液体水素が流出して、管Ｐ５を通って磁気熱量機構１５へ送られる。制御部１１は、液体水素のポートＡ３、Ａ４、Ａ５への流出割合を制御することができる。液体水素供給制御弁７のポートＡ５には、磁気冷凍装置３Ａによる水素ガスの冷却運転時に、磁気熱量機構１５から管Ｐ４を経由して送られる液体水素が流入する。ポートＡ５から流入した液体水素は、ポートＡ２とポートＡ３のうちのいずれか一方または両方から流出される。制御部１１は、液体水素のポートＡ２、Ａ３への流出割合を制御することができる。

液体水素供給制御弁７Ａは、超電導発電機２及び磁気冷凍装置３Ａに供給する液体水素の量を調整する。ポートＣ１には、液体水素供給制御弁７のポートＡ３から管Ｐ１１を通して液体水素が流入する。ポートＣ１に流入した液体水素はポートＣ２とポートＣ３から流出する。ポートＣ２から流出した液体水素は、管Ｐ３を通って超電導発電機２に送られる。ポートＣ３から流出した液体水素は、管Ｐ１２を通って磁場発生装置１６に送られる。制御部１１は、液体水素のポートＣ２、Ｃ３への流出割合を制御することができる。

磁場発生装置１６は、高温超電導体の超電導コイルで形成される。磁場発生装置１６は、高温超電導体の超電導状態を維持するために、ポートＡ３、ポートＣ１、ポートＣ３、管Ｐ１２を経由して送られる液体水素で冷却される。液体水素は、蒸発気化して、水素ガスとなり、管Ｐ１３、Ｐ７を経由して水素ガス供給制御弁８のポートＢ１に流れる。

磁気熱量機構１５は、第１ポートＰＶ１と第２ポートＰＶ２とを備える。第１ポートＰＶ１は、管Ｐ４によって液体水素供給制御弁７のポートＡ５と接続する。第２ポートＰＶ２は、管Ｐ６によって水素ガス供給制御弁８のポートＢ２と接続する。磁気熱量機構１５は、磁気熱量材料を備える。

制御部１１は、発電需要から算出される必要水素ガス量が不足する場合は、磁気冷凍装置３Ａによる液体水素の加熱運転（発熱運転）を選択する。制御部１１は、磁気冷凍装置３Ａの加熱運転時には、磁気熱量機構１５に印加される磁場を昇磁する。制御部１１は、磁気冷凍装置３Ａの加熱運転時には、磁気熱量機構１５の第１ポートＰＶ１から液体水素を磁気熱量機構１５に流入させ、加熱され蒸発した水素ガスが磁気熱量機構１５の第２ポートＰＶ２から流出するように制御する。これによって、水素ガスタービン４に向かう水素ガス量を増加させる。

制御部１１は、発電需要から算出される必要水素ガス量が余剰する場合は、磁気冷凍装置３Ａによる水素ガスの冷却運転（吸熱運転）を選択する。制御部１１は、磁気冷凍装置３Ａの冷却運転時には、磁気熱量機構１５に印加される磁場を減磁する。制御部１１は、磁気冷凍装置３Ａの冷却運転時には、磁気熱量機構１５の第２ポートＰＶ２から水素ガスを磁気熱量機構１５に流入させ、液化した液体水素が磁気熱量機構１５の第１ポートＰＶ１から流出するように制御する。これによって、余剰の水素ガスを液体水素に再液化し、液体水素貯蔵部１に戻すことができる。

磁場発生装置１６は、コイルに流れる電流を変化させることによって、磁気熱量機構１５に印加される磁場を昇磁または減磁することができる。あるいは、磁気熱量機構１５を移動させることによって、磁気熱量機構１５に印加される磁場を昇磁または減磁してもよい。

図５は、実施の形態３の超電導発電システムの制御手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ２０１において、制御部１１は、初期状態として磁気冷凍装置３Ａの冷却運転を選択する。

ステップＳ２０２において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７のポートＡ１に流入した液体水素がポートＡ３から流出し、ポートＡ５に流入した液体水素がポートＡ２とＡ３から流出するように液体水素供給制御弁７を制御する。これによって、液体水素貯蔵部１から流出した液体水素は液体水素供給制御弁７Ａへ供給される。磁気冷凍装置３Ａから流出した液体水素は、液体水素供給制御弁７Ａおよび液体水素貯蔵部１へ供給される。制御部１１は、液体水素のポートＡ２およびポートＡ３からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部１１は、ポートＡ２およびポートＡ３のうちの一方のみから液体水素が流出するように制御することとしてもよい。

ステップＳ２０３において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７ＡのポートＣ１に流入した液体水素がポートＣ２、Ｃ３から流出するように液体水素供給制御弁７Ａを制御する。これによって、液体水素供給制御弁７Ａから流れてくる液体水素は超電導発電機２および磁場発生装置１６へ供給される。

ステップＳ２０４において、制御部１１は、外部から発電需要を取得する。
ステップＳ２０５において、制御部１１は、蒸発水素量検出部６によって検出された超電導発電機２から流出した水素ガスの量を取得する。

ステップＳ２０６において、電力の供給過多などで発電を停止する場合、または超電導発電機２を水素ガスタービン４と連結させずに同期調相機として使用する場合には、処理がステップＳ２０７に進む。

ステップＳ２０７において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８のポートＢ１に流入した水素ガスがポートＢ２から流出するように水素ガス供給制御弁８を制御する。これによって、水素ガスタービン４は動作を停止し、水素ガスタービン４からの動力が断たれた超電導発電機２は停止する。ポートＢ２から流出し、磁気冷凍装置３Ａの磁気熱量機構１５に流入した水素ガスは、磁気冷凍装置３を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。液体水素は、液体水素供給制御弁７のポートＡ５に流入する。ポートＡ５に流入した液体水素の一部は、ポートＡ２を経由して液体水素貯蔵部１に送られ、液体水素の残りは、ポートＡ３を経由して液体水素供給制御弁７ＡのポートＣ１に送られる。ポートＣ１に流入した液体水素は、ポートＣ２から超電導発電機２に送られ、ポートＣ３から磁場発生装置１６に送られる。超電導発電機２は、発電を停止しているにも係わらず、超電導発電機２には液体水素が流入し、液体水素により冷却される。超電導発電機２が一度常温になると、再冷却し再稼働するまでに時間を要する。超電導発電機２が発電を停止しているときにも液体水素による冷却を維持し続けることによって、再稼働するまでの時間を短くすることができる。

ステップＳ２０８において、蒸発水素量検出部６によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量よりも多い場合、処理がステップＳ２０９に進む。蒸発水素量検出部６によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量と等しいかまたは少ない場合には、処理がステップＳ２１０に進む。発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量は、たとえば、発電量と、発電量を発電するのに水素ガスの量との対応関係を定めたテーブルを用いて、特定することができる。

ステップＳ２０９において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８のポートＢ１に流入した水素ガスがポートＢ２およびポートＢ３から流出するように水素ガス供給制御弁８を制御する。これによって、水素ガスが、磁気冷凍装置３Ａの磁気熱量機構１５および水素ガスタービン４に送られる。磁気熱量機構１５に流入した水素ガスは、磁気熱量機構１５を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。制御部１１は、蒸発水素量検出部６によって検出された水素ガスの量と、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量との差に応じて、水素ガスのポートＢ２およびポートＢ３からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部１１は、差が大きいほど、ポートＢ２から流出される水素ガスの量を多くすることとしてもよい。

ステップＳ２１０において、制御部１１は、磁気冷凍装置３Ａの加熱運転を選択する。
ステップＳ２１１において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７のポートＡ１に流入した液体水素がポートＡ３とＡ５から流出するように液体水素供給制御弁７を制御する。液体水素貯蔵部１から流出した液体水素は液体水素供給制御弁７Ａおよび磁気熱量機構１５へ供給される。磁気熱量機構１５の第１ポートＰＶ１へ流入した液体水素は、加熱され蒸発した水素ガスとなり、磁気熱量機構１５の第２ポートＰＶ２から流出する。第２ポートＰＶ２から流出した水素ガスは、管Ｐ６を通って、水素ガス供給制御弁８のポートＢ２に流入する。

ステップＳ２１２において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８のポートＢ１に流入した水素ガスがポートＢ３から流出し、ポートＢ２に流入した水素ガスがポートＢ３から流出するように水素ガス供給制御弁８を制御する。これによって、水素ガスが水素ガスタービン４に送られる。

ステップＳ２１３において、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量がまだ不足している場合には、処理がステップＳ２１４に進む。

ステップＳ２１４において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７のポートＡ１に流入した液体水素がポートＡ３とＡ４とＡ５から流出するように液体水素供給制御弁７を制御する。

ステップＳ２１５において、制御部１１は、水素ガス化機構５をオンに設定する。これによって、液体水素供給制御弁７のポートＡ４から流出した液体水素が水素ガスに変化して、水素ガスタービン４に送られる。

実施の形態４.
図６は、実施の形態４の超電導発電システムの構成を表わす図である。

実施の形態４の超電導発電システムが実施の形態３の超電導発電システムと相違する点は、実施の形態４の超電導発電システムが、水素ガス供給制御弁８に代えて水素ガス供給制御弁８Ａ、８Ｂを備える点と、液体水素供給制御弁７Ｂと、管Ｐ１４、Ｐ１５、Ｐ１６、Ｐ１７とを備える点である。

液体水素供給制御弁７Ｂは、ポートＤ１、Ｄ２、Ｄ３を含む。ポートＤ１は、管Ｐ１４と接続する。ポートＤ２は、管Ｐ１５と接続する。管Ｐ１５は、磁気熱量機構１５の第１ポートＰＶ１と接続する。ポートＤ３は、管Ｐ５と接続する。

水素ガス供給制御弁８Ａは、ポートＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を含む。ポートＥ１は、管Ｐ７と接続する。ポートＥ２は、管Ｐ６と接続する。ポートＥ３は、管Ｐ１６と接続する。管Ｐ１６は、磁気熱量機構１５の第２ポートＰＶ２と接続する。ポートＥ４は、管Ｐ１７と接続する。管Ｐ１７は、水素ガス供給制御弁８Ｂと接続する。

水素ガス供給制御弁８Ｂは、ポートＦ１、Ｆ２、Ｆ３と接続する。ポートＦ１は、管Ｐ１７と接続する。ポートＦ２は、管Ｐ８と接続する。ポートＦ３は、管Ｐ５と接続する。

液体水素供給制御弁７ＢのポートＤ１には、液体水素供給制御弁７のポートＡ４から液体水素が流入する。流入した液体水素は、ポートＤ２とポートＤ３のうちのいずれか一方または両方から流出される。ポートＤ２から流出した液体水素は、管Ｐ１５を通って、磁気熱量機構１５の第１ポートＰＶ１に流入する。磁気熱量機構１５の第２ポートＰＶ２から水素ガスが流出して、管Ｐ１６を通って、水素ガス供給制御弁８ＡのポートＥ３に流入する。制御部１１は、液体水素のポートＤ２、Ｄ３への流出割合を制御することができる。

水素ガス供給制御弁８ＡのポートＥ１には、超電導発電機２および磁場発生装置１６から流出される水素ガスが流入する。ポートＥ１から流入した水素ガスは、ポートＥ４から流出される。磁気冷凍装置３Ａの冷却運転時には、ポートＥ１から流入した水素ガスは、ポートＥ２からも流出する。制御部１１は、水素ガスのポートＥ２、Ｅ４への流出割合を制御することができる。ポートＥ２から流出した水素ガスは、磁気熱量機構１５の第４ポートＰＶ４に流入する。磁気熱量機構１５内で水素ガスが冷却され、液体水素が磁気熱量機構１５の第３ポートＰＶ３から流出する。第３ポートＰＶ３から流出した液体水素は、管Ｐ４を通って、液体水素供給制御弁７のポートＡ５に流入する。磁気冷凍装置３Ａの加熱運転時には、磁気熱量機構１５の第２ポートＰＶ２から流出した水素ガスは、管Ｐ１６を通ってポートＥ３に流入する。ポートＥ３に流入した水素ガスは、ポートＥ４から流出して、管Ｐ１７を通って、水素ガス供給制御弁８ＢのポートＦ１に流入する。

水素ガス供給制御弁８ＢのポートＦ１に流入した水素ガスは、ポートＦ２から流出する。水素ガス供給制御弁８ＢのポートＦ３に流入した水素ガスは、ポートＦ２から流出する。

図７は、実施の形態４の超電導発電システムの制御手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ３０１において、制御部１１は、初期状態として磁気冷凍装置３Ａの冷却運転を選択する。

ステップＳ３０２において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７のポートＡ１に流入した液体水素がポートＡ３から流出し、ポートＡ５に流入した液体水素がポートＡ２とＡ３から流出するように液体水素供給制御弁７を制御する。これによって、液体水素貯蔵部１から流出した液体水素は液体水素供給制御弁７Ａへ供給される。磁気冷凍装置３Ａから流出した液体水素は、液体水素供給制御弁７Ａおよび液体水素貯蔵部１へ供給される。制御部１１は、液体水素のポートＡ２およびポートＡ３からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部１１は、ポートＡ２およびポートＡ３のうちの一方のみから液体水素が流出するように制御することとしてもよい。

ステップＳ３０３において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７ＡのポートＣ１に流入した液体水素がポートＣ２、Ｃ３から流出するように液体水素供給制御弁７Ａを制御する。これによって、液体水素供給制御弁７Ａから流れてくる液体水素は超電導発電機２および磁場発生装置１６へ供給される。

ステップＳ３０４において、制御部１１は、外部から発電需要を取得する。
ステップＳ３０５において、制御部１１は、蒸発水素量検出部６によって検出された超電導発電機２から流出した水素ガスの量を取得する。

ステップＳ３０６において、電力の供給過多などで発電を停止する場合、または超電導発電機２を水素ガスタービン４と連結させずに同期調相機として使用する場合には、処理がステップＳ３０７に進む。

ステップＳ３０７において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８ＡのポートＥ１に流入した水素ガスがポートＥ２から流出するように水素ガス供給制御弁８Ａを制御する。これによって、水素ガスタービン４は動作を停止し、水素ガスタービン４からの動力が断たれた超電導発電機２は停止する。ポートＥ２から流出し、磁気冷凍装置３Ａの磁気熱量機構１５の第４ポートＰＶ４に流入した水素ガスは、磁気熱量機構１５を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。液体水素は、磁気熱量機構１５の第３ポートＰＶ３から流出されて、管Ｐ４を通って液体水素供給制御弁７のポートＡ５に流入する。ポートＡ５に流入した液体水素の一部は、ポートＡ２を経由して液体水素貯蔵部１に送られ、液体水素の残りは、ポートＡ３を経由して超電導発電機２に送られる。超電導発電機２は、発電を停止しているにも係わらず、超電導発電機２には液体水素が流入し、液体水素により冷却される。超電導発電機２が一度常温になると、再冷却し再稼働するまでに時間を要する。超電導発電機２が発電を停止しているときにも液体水素による冷却を維持し続けることによって、再稼働するまでの時間を短くすることができる。

ステップＳ３０８において、蒸発水素量検出部６によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量よりも多い場合、処理がステップＳ３０９に進む。蒸発水素量検出部６によって検出された水素ガスの量が発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量と等しいかまたは少ない場合には、処理がステップＳ３１０に進む。発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量は、たとえば、発電量と、発電量を発電するのに水素ガスの量との対応関係を定めたテーブルを用いて、特定することができる。

ステップＳ３０９において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８ＡのポートＥ１に流入した水素ガスがポートＥ２およびポートＥ４から流出するように水素ガス供給制御弁８Ａを制御する。これによって、水素ガスが、磁気冷凍装置３Ａの磁気熱量機構１５および水素ガス供給制御弁８Ｂに送られる。磁気冷凍装置３Ａの磁気熱量機構１５の第４ポートＰＶ４に流入した水素ガスは、磁気熱量機構１５を通過することで冷却および液化されることによって液体水素に変化する。液体水素は、磁気熱量機構１５の第３ポートＰＶ３から流出されて、管Ｐ４を通って液体水素供給制御弁７のポートＡ５に流入する。ポートＡ５に流入した液体水素の一部は、ポートＡ２を経由して液体水素貯蔵部１に送られ、液体水素の残りは、ポートＡ３を経由して液体水素供給制御弁７ＡのポートＣ１に送られる。ポートＣ１に流入した液体水素は、ポートＣ２から超電導発電機２に送られ、ポートＣ３から磁場発生装置１６に送られる。制御部１１は、蒸発水素量検出部６によって検出された水素ガスの量と、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量との差に応じて、水素ガスのポートＥ２およびポートＥ４からの流出割合を制御することとしてもよい。制御部１１は、差が大きいほど、ポートＥ２から流出される水素ガスの量を多くすることとしてもよい。

ステップＳ３１０において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８ＢのポートＦ１に流入した水素ガスがポートＦ２から流出するように水素ガス供給制御弁８Ａを制御する。これによって、水素ガスが、水素ガスタービン４に送られる。

ステップＳ３１１において、制御部１１は、磁気冷凍装置３Ａの加熱運転を選択する。
ステップＳ３１２において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７のポートＡ１に流入した液体水素がポートＡ３とＡ５から流出するように液体水素供給制御弁７を制御する。液体水素貯蔵部１から流出した液体水素は液体水素供給制御弁７Ａおよび液体水素供給制御弁７Ａへ供給される。

ステップＳ３１３において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７ＢのポートＤ１に流入した液体水素がポートＤ２から流出するように液体水素供給制御弁７Ｂを制御する。ポートＤ２から流出した液体水素は、磁気熱量機構１５の第１ポートＰＶ１へ流入する。磁気熱量機構１５内で液体水素は、加熱され蒸発した水素ガスとなり、磁気熱量機構１５の第２ポートＰＶ２から流出する。第２ポートＰＶ２から流出した水素ガスは、管Ｐ６を通って、水素ガス供給制御弁８ＡのポートＥ３に流入する。

ステップＳ３１４において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８ＡのポートＥ１に流入した水素ガスがポートＥ４から流出し、ポートＥ３に流入した水素ガスがポートＥ４から流出するように水素ガス供給制御弁８Ａを制御する。これによって、水素ガスが水素ガス供給制御弁８ＢのポートＦ１に送られる。

ステップＳ３１５において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８ＢのポートＦ１に流入した水素ガスがポートＦ２から流出するように水素ガス供給制御弁８Ｂを制御する。これによって、水素ガスが水素ガスタービン４に送られる。

ステップＳ３１６において、発電需要分の発電をするために水素ガスタービン４において必要な水素ガスの量がまだ不足している場合には、処理がステップＳ３１７に進む。

ステップＳ３１７において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７のポートＡ１に流入した液体水素がポートＡ３とＡ４とＡ５から流出するように液体水素供給制御弁７を制御する。ポートＡ４から流出した液体水素は、管Ｐ１５を通って液体水素供給制御弁７ＢのポートＤ１に流入する。

ステップＳ３１８において、制御部１１は、液体水素供給制御弁７ＢのポートＤ１に流入した液体水素がポートＤ２とＤ３とから流出するように液体水素供給制御弁７Ｂを制御する。ポートＤ３から流出した液体水素は、管Ｐ５を流れる。水素ガス化機構５によって液体水素は水素ガスに変化し、水素ガス供給制御弁８ＢのポートＦ３に流入する。

ステップＳ３１９において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８ＢのポートＦ３に流入した水素ガスがポートＦ２から流出するように水素ガス供給制御弁８Ｂを制御する。これによって、水素ガスが水素ガスタービン４に送られる。

ステップＳ３２０において、制御部１１は、水素ガス化機構５をオンに設定する。これによって、液体水素供給制御弁７のポートＡ４から流出した液体水素が水素ガスに変化して、水素ガスタービン４に送られる。

変形例．
上述の実施形態では、ステップＳ１０７、およびＳ２０９において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８のポートＢ１に流入した水素ガスがポートＢ２およびポートＢ３から流出するように水素ガス供給制御弁８を制御したが、これに限定するものではない。制御部１１は、水素ガス供給制御弁８のポートＢ１に流入した水素ガスがポートＢ２から流出するように水素ガス供給制御弁８を制御してもよい。上述の実施形態では、ステップＳ３０９において、制御部１１は、水素ガス供給制御弁８ＡのポートＥ１に流入した水素ガスがポートＥ２およびポートＥ４から流出するように水素ガス供給制御弁８Ａを制御したが、これに限定するものではない。制御部１１は、水素ガス供給制御弁８ＡのポートＥ１に流入した水素ガスがポートＥ２から流出するように水素ガス供給制御弁８Ａを制御してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 液体水素貯蔵部、２，２Ａ 超電導発電機、３，３Ａ 磁気冷凍装置、４ 水素ガスタービン、５ 水素ガス化機構、６ 蒸発水素量検出部、７，７Ａ，７Ｂ 液体水素供給制御弁、８，８Ａ，８Ｂ 水素ガス供給制御弁、１１ 制御部、１２ 駆動部、１３ 固定子、１４ 超電導回転子、１５ 磁気熱量機構、１６ 磁場発生装置。

Claims (13)

1. 水素ガスタービンと、
   液体水素が供給され、前記水素ガスタービンによって駆動される超電導発電機と、
   前記超電導発電機に供給された前記液体水素が気化されて前記超電導発電機から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置と、
   前記超電導発電機から流出される水素ガスを前記冷凍装置および前記水素ガスタービンのうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成された第１の弁とを備えた、超電導発電システム。
2. 前記超電導発電システムは、さらに、
   液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵部と、
   前記液体水素貯蔵部から流出される液体水素を前記超電導発電機および前記水素ガスタービンのうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成され、かつ、前記冷凍装置から流出される液体水素を前記超電導発電機および前記液体水素貯蔵部のうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成された第２の弁を備えた請求項１記載の超電導発電システム。
3. 水素ガスタービンと、
   液体水素が供給され、前記水素ガスタービンによって駆動される超電導発電機と、
   前記超電導発電機に供給された前記液体水素が気化されて前記超電導発電機から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置と、
   液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵部と、
   前記液体水素貯蔵部から流出される液体水素を前記超電導発電機および前記水素ガスタービンのうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成され、かつ、前記冷凍装置から流出される液体水素を前記超電導発電機および前記液体水素貯蔵部のうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成された第２の弁とを備えた、超電導発電システム。
4. 前記超電導発電機は、
   超電導体により形成された回転子と、
   通常導体により形成された固定子と、を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の超電導発電システム。
5. 前記回転子は、前記液体水素によって冷却され、
   前記固定子は、前記液体水素が気化された水素ガスによって冷却される、請求項４記載の超電導発電システム。
6. 前記冷凍装置は、
   超電導体により形成された磁場発生装置と、
   印加される磁場の増加により発熱し、印加される磁場の減少により吸熱を行う磁気熱量機構と、を含む、請求項２に記載の超電導発電システム。
7. 前記磁場発生装置は、前記液体水素によって冷却される、請求項６記載の超電導発電システム。
8. 前記第２の弁から流出される前記液体水素を前記超電導発電機および前記磁場発生装置のうちのいずれか一方、または両方に供給可能に構成された第３の弁を、さらに備える請求項７記載の超電導発電システム。
9. 前記磁場発生装置が発生する磁場を増加または減少させることによって、前記磁気熱量機構の吸熱反応を用いた水素ガスの冷却動作と、前記磁気熱量機構の発熱反応を用いた液体水素の加熱動作と切り替える制御部を、さらに備える、請求項８記載の超電導発電システム。
10. 前記第２の弁は、前記液体水素貯蔵部から流出される液体水素を前記磁気熱量機構に供給可能に構成され、
    前記制御部は、前記冷却動作時には、前記第１の弁から前記水素ガスを前記磁気熱量機構に流入させ、前記加熱動作時には、前記第２の弁から前記液体水素を前記磁気熱量機構に流入させる、請求項９記載の超電導発電システム。
11. 前記超電導発電機と前記冷凍装置とを接続するための管に設けられる蒸発水素量検出部を備え、
    前記蒸発水素量検出部によって検出された蒸発水素量によって前記第１の弁から前記冷凍装置へ向かう流量と前記水素ガスタービンへ向かう流量を調整する、請求項１または２に記載の超電導発電システム。
12. 前記第２の弁と前記水素ガスタービンとを接続するための管に設けられ、前記第２の弁から流出した前記液体水素を水素ガスに変化させる水素ガス化機構をさらに備える、請求項２または３に記載の超電導発電システム。
13. 水素ガスタービンと、
    液体水素が供給され、前記水素ガスタービンによって駆動される超電導発電機と、
    前記超電導発電機に供給された前記液体水素が気化されて前記超電導発電機から流出される水素ガスを冷却することによって再液化する冷凍装置とを備え、
    前記冷凍装置は、
    超電導体により形成された磁場発生装置と、
    印加される磁場の増加により発熱し、印加される磁場の減少により吸熱を行う磁気熱量機構と、を含む、超電導発電システム。

Images