特許 6150305 熱電発電のためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6150305

(24)【登録日】2017年6月2日

(45)【発行日】2017年6月21日

(54)【発明の名称】熱電発電のためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20170612BHJP

   H01L 35/30 20060101ALI20170612BHJP

   H01L 35/32 20060101ALI20170612BHJP

【ＦＩ】

   H02N11/00 A

   H01L35/30

   H01L35/32 Z

【請求項の数】15

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-526188(P2014-526188)

(86)(22)【出願日】2012年8月15日

(65)【公表番号】特表2014-529285(P2014-529285A)

(43)【公表日】2014年10月30日

(86)【国際出願番号】US2012051010

(87)【国際公開番号】WO2013025843

(87)【国際公開日】20130221

【審査請求日】2015年8月13日

(31)【優先権主張番号】61/523,828

(32)【優先日】2011年8月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】513239955

【氏名又は名称】インキューブ ラブズ，リミテッド ライアビリティー カンパニー

【氏名又は名称原語表記】ＩｎＣｕｂｅ Ｌａｂｓ，ＬＬＣ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】イムラン，ミル

(72)【発明者】

【氏名】ハリソン，マシュー

【審査官】 三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２６７３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０８９５０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−２３５１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０７４９３７６６（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】 K.Qiu, A.C.S.Hayden，Development of a thermoelectic self-powered residential heating system，Journal of Power Sources，２００８年 ３月 ２日，Journal of Power Sources 180(2008)，884−889ページ

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｈ０１Ｌ ３５／３０

Ｈ０１Ｌ ３５／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱エネルギーを電気的エネルギーに変換するための発電モジュールにおいて、前記モジュールが、
制御可能な熱源と、
内側と外側を有する熱電装置の第１のジャケットであって、前記第１のジャケットの前記内側が前記制御可能な熱源の近くに、前記熱源から発電するために少なくとも部分的に前記熱源を取り囲むように配置されている第１のジャケットと、
前記第１のジャケットの前記外側を取り囲み、かつ、第１の熱伝導流体を封じ込めるため間を置いて配置されている第１の筐体であって、当該第１の筐体が、内側と外側を有する熱電装置の第２のジャケットを含み、前記第２のジャケットの前記内側が前記第１の熱伝導流体を封じ込めるように構成されている第１の筐体と、
前記第２のジャケットの前記外側を取り囲み、かつ、第２の熱伝導流体を封じ込めるために間を置いて配置されている第２の筐体と、
を含むことを特徴とする発電モジュール。

【請求項2】

請求項１に記載の発電モジュールにおいて、前記第１の筐体が熱伝導材料を含み、かつ、内側と外側を有し、前記第１の筐体の前記内側が前記第１の熱伝導流体を封じ込めるように構成されることを特徴とする発電モジュール。

【請求項3】

請求項１に記載の発電モジュールにおいて、前記熱源が天然ガス燃焼器であることを特徴とする発電モジュール。

【請求項4】

発電システムにおいて、
請求項１に記載の１つまたは複数の発電モジュールと、
ＤＣ−ＡＣ変換器と、
前記１つまたは複数の発電モジュールの前記制御可能な熱源に結合された制御モジュールであって、前記制御モジュールが、
（ｉ）少なくとも前記システムの負荷需要および地域の送電網の供給状況を監視するように、
（ｉｉ）前記監視の前記結果に基づいて、いつ、どれだけの容量で発電するかを決定するように、かつ
（ｉｉｉ）前記決定に基づいて、前記複数の発電モジュールの前記１つまたは複数の熱源を調整するように、
構成される制御モジュールと、
を含むことを特徴とする発電システム。

【請求項5】

請求項４に記載の発電システムにおいて、前記制御モジュールが前記決定をする際に、天然ガスの買入価格および電力の買入価格の監視をさらに行うことを特徴とする発電システム。

【請求項6】

請求項５に記載の発電システムにおいて、前記制御モジュールが、前記決定をする際に、前記送電網に電力を逆に伝送するための売値の監視をさらに行うことを特徴とする発電システム。

【請求項7】

請求項６に記載の発電システムにおいて、
（ｉ）前記システムの前記負荷需要が、前記地域の送電網の前記供給状況より大きい；
（ｉｉ）発電のコストが、電力の前記買入価格より低い；または
（ｉｉｉ）発電の前記コストが、前記送電網に電力を逆に伝送するための前記売値より低い；
ときに発電するのに、前記制御モジュールが操作可能であることを特徴とする発電システム。

【請求項8】

請求項４に記載の発電システムにおいて、前記制御モジュールが、遠隔制御コマンドを受け取るための無線通信回路を含むことを特徴とする発電システム。

【請求項9】

請求項４に記載の発電システムにおいて、電池をさらに含み、前記制御モジュールが、
（ｉ）前記複数の発電モジュールからの出力が前記制御モジュールで指定されるものより大きい第１の過渡期期間の間、前記電池内に電力を貯蔵するように、かつ
（ｉｉ）前記１つまたは複数の発電モジュールからの前記出力が前記制御モジュールで指定されるものより小さい第２の過渡期期間の間、前記電池から電力を放出するように、さらに構成されることを特徴とする発電システム。

【請求項10】

請求項４に記載の発電システムを用いる発電のための方法において、前記方法が、
少なくとも前記システムの負荷需要および地域の送電網の供給状況を監視するステップと、
前記監視の前記結果に基づいて、いつ、どれだけの容量で発電するかを決定するステップと、
前記システムによる前記発電を制御するように前記決定に基づいて、前記１つまたは複数の発電モジュールの前記１つまたは複数の制御可能な熱源を調整するステップと
を含むことを特徴とする方法。

【請求項11】

請求項１０に記載の発電のための方法おいて、
前記システムの前記負荷需要が、前記地域の送電網の前記供給状況より大きいとき、
前記決定が実行されることを特徴とする方法。

【請求項12】

請求項１０に記載の発電のための方法において、天然ガスの買入価格および電力の買入価格を監視するステップをさらに含み、
発電の前記コストが電力の前記買入価格より低いとき、
前記決定が実行されることを特徴とする方法。

【請求項13】

請求項１０に記載の発電のための方法において、前記送電網に電力を逆に伝送するための売値を監視するステップをさらに含み、
発電の前記コストが、前記送電網に電力を逆に伝送するための前記売値より低いとき、
前記決定が実行されることを特徴とする方法。

【請求項14】

請求項１０に記載の発電のための方法において、
前記１つまたは複数の発電モジュールからの出力が前記制御モジュールで指定されるものより大きい第１の過渡期期間の間、電池内に前記システムにより発電された電力を貯蔵するステップ
をさらに含むことを特徴とする方法。

【請求項15】

請求項１４に記載の発電のための方法において、前記１つまたは複数の発電モジュールからの前記出力が前記制御モジュールで指定されるものより小さい第２の過渡期期間の間、前記電池から電力を放出するステップをさらに含むことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に記載された実施形態は熱電発電に関する。さらに詳細には、本明細書に記載された実施形態は熱源から発電するためのシステムおよび装置に関した。さらに詳細には、本明細書に記載された実施形態は熱源からの発電を制御するためのシステムおよび装置に関した。

【背景技術】

【0002】

熱エネルギーは、自然界に存在するエネルギーの最も一般的な形態のうちの１つで、燃焼などのプロセスの結果として生じ得る。熱とは、より高温を有するシステムからより低温を有するシステムへの熱エネルギーの移動から生じる熱エネルギーの形態である。熱電発電機（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ、ＴＥＧ）、または熱電装置とは、熱を直接電気に変換することができる装置である。ＴＥＧモジュールは、細片の形態をとり得るが、電力を補給または代替源として提供するため、ストーブ、暖炉、または炉に取り付け、熱エネルギーを収穫することができる。現在のＴＥＧ細片は、廃熱を電力に変換することにより熱の浪費を軽減するのに多少役立ってきた。しかしながら、ＴＥＧの現在の利用は初歩的で、十分には効果的でない。それらの効率は様々な環境状況の影響を受けやすい。

【0003】

北米では、家庭用に熱湯および／または熱風を発生させるために天然ガスを使用することは一般的である。実際、一世帯住宅のほぼ７０パーセントは加熱目的で天然ガスを使用する。豊富なことに加えて、天然ガスは石油または石炭に対して利点があり、それは二酸化硫黄または窒素酸化物のような有害な化学物質を空気中へ生み出さずに、天然ガスはきれいに燃えるからである。ある一つの地域では天然ガスおよび電力は同じエネルギー会社によって通常は提供されるが、それらは、２つの別個の配送インフラストラクチャー（例えば、送電線対ガスライン）を使用して、２つの別個の製品として世帯へ一般的に販売され配送される。最終顧客が１つの製品を他の製品に容易に変換することができないことは浪費につながる。したがって、利用者が制御可能な熱源から選択的に発電することを可能にすることは有益である。

【図面の簡単な説明】

【0004】

添付図面の図において実施形態は限定としてではなく実施例として図示され、同様の参照番号は同様の要素を表す。

【0005】

【図1】図１は、発電システムの一実施形態を示す。

【図2A】図２Ａは、発電モジュールの一実施形態の側面図を示す。

【図2B】図２Ｂは、図２Ａに示す実施形態の断面図を示す。

【図3A】図３Ａは、発電モジュールの別の実施形態の側面図を示す。

【図3B】図３Ｂは、図３Ａに示す実施形態の断面図を示す。

【図4】図４は、一実施形態による、発電システムのための複数モジュール構成を示す。

【図5】図５は、本明細書に記載された実施形態による、無線遠隔制御能力を備えた発電システムを示す。

【図6】図６は、実施形態による、発電システムの移動式の応用を示す。

【図7】図７は、実施形態による、発電システムの遠隔操作の応用を示す。

【発明を実施するための形態】

【0006】

本発明の様々な実施形態は、発電するために制御可能な熱源を使用するための方法および装置を提供する。多くの実施形態は、制御可能な熱源、熱電装置の１つまたは複数のジャケット、および熱伝導流体を含む発電モジュールを提供する。流体は、ジャケットから、および／または、ジャケットへ熱を伝導するように構成され配置されており、ならびに、ジャケットの全体または一部を取り囲むように、および／または、ジャケット間に位置するように配置されてもよい。熱電装置のジャケットは流体を封じ込めるように水密に構成することができ、または、１つまたは複数のスリーブ式筐体を流体を封じ込めるように使用することができる。スリーブ式筐体は、高い熱伝導率を有する材料から作製することができ、また、熱電装置のジャケットはスリーブ式筐体へ結合されてもよい。発電モジュールは、例えばガス燃焼室（燃焼器とも言う）からの熱を電力に変換することができる。別の実施形態によれば、１つまたは複数の発電モジュール、直流から交流への（ＤＣ−ＡＣ）変換器、および制御モジュールを有する発電システムが、地域の送電網の負荷需要および供給状態に少なくともある程度は応じて選択的に発電するために提供される。さらに別の実施形態によれば、制御可能な熱源を備えた複数の発電モジュールを有する発電システムを使用する発電のための方法が、地域の送電網の負荷需要および供給状態に少なくともある程度は応じて選択的に発電するために開示される。

【0007】

本明細書に記載された発明の実施形態は、個々の住宅所有者などの利用者に、制御可能な熱源、例えば天然ガス燃焼器から高効率で発電することを可能にすることができる。以下の説明において実施形態を完全に理解するために多数の具体的な詳細を述べる。しかしながら、実施形態がこれらの具体的な詳細を伴わないで実施され得ることは明白である。他の例では、周知の構造および装置は、本明細書に記載された例示的な実施形態を不必要にわかりにくくしないようにするためにブロック図の形態で示す。

【0008】

図１は、発電システム１００の一実施形態を示す。発電システム１００は、天然ガス入力１１０、冷水入力１２０、出力１３０、熱湯出力１４０、および排気出力１５０を含む。発電システム１００は、１つまたは複数の熱電発電モジュール（ＥＧＭ）１６０、制御モジュール１７０、ＤＣ−ＡＣ変換器１８０、および冷水器１９０をさらに含む。１つまたは複数のＥＧＭは、天然ガス入力１１０および冷水入力１２０へ結合される。本実施形態によれば、発電システム１００は、制御可能な熱源（例えば天然ガス入力１１０により供給された天然ガスを燃焼させることによる）からの熱を電力へ変換するために、１つまたは複数のＥＧＭ１６０を制御することができる。

【0009】

ＥＧＭ１６０は、燃料ガスのために天然ガス入力１１０へ、および冷却液のために冷水入力１２０へ結合される。本実施形態によれば、ＥＧＭ１６０は、制御可能な熱源、熱電装置（または熱電発電機、「ＴＥＧ」）の少なくとも第１のジャケット、および熱電装置のジャケットの一部にわたり温度差または温度勾配（ΔΤ）を作り出すために第１のジャケットの外側の全体または一部分に接触する少なくとも第１の熱伝導流体を含む。典型的には、温度勾配はジャケットの内壁（ホット側）と外壁（コールド側）との間にある。しかしながら、勾配（ΔΤ）のための別の構成も考えられる（例えば、内壁はコールド側、外壁はコールド側など）。熱電効果を通じてΔΤはＴＥＧの中に電位差を作り出し、それによってＥＧＭ１６０は熱を電力に変換する。熱伝導流体は、当該技術分野で周知の熱伝導の能力があるいかなる種類の流体、例えば油または水であってもよい。さらに、熱伝導流体（本明細書に記載された熱伝導材料も）は、ジャケットの外壁の全体または一部を取り囲むことができる。熱伝導流体に熱輸送をさせるために、熱伝導性流体（および／または熱伝導性材料）はジャケットと直接的な接触にある場合があり、さもなければ、（例えば、別の熱伝導性材料または構造を介して）間接的な接触を通じてジャケットへ熱的に結合される場合がある。制御可能な熱源は、制御信号に応じて選択的に熱を発生させることができる。そのような制御信号は、エネルギー制御システム１００の制御モジュール１７０から送信され得る。ＥＧＭ１６０の実施形態の構造をより詳細に以下に記述する。

【0010】

変換の過程において、冷水入力１２０により供給された冷水は、少なくともある程度はＥＧＭのための冷却液用として使用される。熱湯が、変換の副産物として生み出され、さらなる利用のために熱湯出力１４０か、または冷却液として再使用のために冷却しＥＧＭ１６０へ転送するために冷水器１９０か、のいずれかへ導かれる。冷水器１９０は、いかなる種類の適切な冷却器であってもよく、例えばコンプレッサ駆動の冷却器が含まれる。排気ガスは、変換の別の副産物として、大気へ放出するために排気出力１５０へ導かれる。天然ガスを燃焼させるプロセスは、有害な化学物質を通常生み出さないので、大気へ排気ガスを放出することは安全である。いくつかの実施形態において排気ガスは、加熱目的、例えば熱湯に加熱するための熱源として使用することができる。さらに別の実施形態において排気ガスからの二酸化炭素（ＣＯ_２）は、水酸化リチウム、または様々なゼオライト材料などの当該技術分野で公知の他の（ＣＯ_２）吸着剤材料を用いてろ過することができる。

【0011】

変換の主産物は電力であり、それは、典型的には直流の形態である。電力は交流にするためにＥＧＭ１６０からＤＣ−ＡＣ変換器１８０まで導かれ、次いで、電気出力１３０へ導かれる。別のいくつかの実施形態において、直流は電気出力１３０へ導くことができ、ＤＣ−ＡＣ変換器１８０は省くことができる。さらに、電気出力１３０を変更するために他の電気装置１８０を用いることができる。そのような電気装置は、例えば、地域の送電網（例えば１０〜２０マイルまで（１６．０９〜３２．１９キロメーター）遠方）へ、または遠隔の送電網（例えば、何百マイル遠方）への送電のため、出力１３０の電圧の昇圧または降圧をする変圧器を含み得る。

【0012】

図２Ａは、発電モジュール（ＥＧＭ）の一実施形態２００の側面図を示す。ＥＧＭ２００は、制御可能な熱源２１０、複数の熱電発電機（ＴＥＧ）２２０、および熱伝導層２３０を含む。制御可能な熱源２１０は、熱を作り出すために燃料として天然ガスを燃焼させる。制御可能な熱源２１０からの熱が熱伝導層２３０へ効率的に移動されるように、熱伝導層２３０は、少なくとも部分的に熱源２１０を取り囲むように制御可能な熱源２１０の近くに配置される。熱伝導層２３０は、油または水のような熱伝導流体（すなわち、望ましくは層２３０の内に密閉されている）で充填してもよく、または単に熱伝導材料（例えば銅）であってもよく、または熱伝導性流体と熱伝導材料の組み合わせを含んでいてもよい。特定の実施形態おいて、層２３０の表面積を増加し、またそれにより熱輸送の量／速度を増加するために、熱伝導層２３０は波形か他のテクスチャ付きの表面を有することができる。複数のＴＥＧ２２０は、ＴＥＧのジャケットの内側が加熱されるように、熱伝導層２３０の全体または一部を取り囲むジャケットを形成する。ＴＥＧのジャケットの加熱された内側、およびＴＥＧのジャケットの外方のより低温の側部は、温度差または温度勾配（ΔΤ）を結果として生じ、これをＴＥＧを駆動し発電するために用いることができる。さらに、複数のＴＥＧ２２０は、熱伝導層２３０および／または熱源２１０のまわりで、例えば、１０、５、２、または１度の間隔以内の間隔を有して実質的に対称的に配置することができる。様々な非対称配置も考えられる。さらに様々な実施形態において、より詳しく本明細書において説明するように、ＴＥＧ２２０は、あるパターンで、すなわちそれによってＴＥＧが熱的に絶縁する井戸により分離されるパターンで配置することができる。

【0013】

図２Ｂは、図２Ａに示す実施形態２００の断面図を示す。図２Ａに示すように、熱伝導層２３０、および複数のＴＥＧ２２０のジャケットは、よりよい変換効率のために熱源２１０を少なくとも部分的に取り囲むように、制御可能な熱源２１０の近くに配置される。

【0014】

図３Ａは、発電モジュール（ＥＧＭ）の別の実施形態３００の側面図を示す。本実施形態および関連する実施形態においてＥＧＭ３００は、制御可能な熱源３１０、熱電装置（ＴＥＧ）３２０の第１のジャケット、第１の熱伝導流体３３０、および任意選択的に熱源ハウジング３０５を含む。いくつかの実施形態においてＥＧＭ３００は、以下により詳細に説明するように、ＴＥＧ３４０の第２のジャケット、および第２の熱伝導流体３５０をさらに含む。本実施形態によれば、制御可能な熱源３１０は、図１の制御モジュール１７０などの制御モジュールが発生する制御信号に応じて、選択的に熱を発生させる。

【0015】

ＴＥＧ３２０の第１のジャケットは内側と外側を有する。第１のジャケット３２０の内側は、例えば、伝導または熱輸送の他の形態（例えば対流など）により熱を吸収するために、少なくとも部分的に熱源３１０を取り囲むように制御可能な熱源３１０の近くに配置される。第１のジャケット３２０の外側は、第１の熱伝導流体３３０に取り囲まれる。第１の熱伝導流体３３０は冷却液または熱消費物として働き、それによってＴＥＧ３２０の第１のジャケットの内部と外側との間で温度差（ΔΤ）を作り出し、これが結果として発電の源になる。一実施形態において、第１の熱伝導流体３３０は油である。別の実施形態において、第１の熱伝導流体３３０は水である。また、その熱容量を増加するために様々な溶質（例えば、塩）を水に加えることができる。

【0016】

いくつかの実施形態において、ＴＥＧ３４０の第２のジャケットは、制御可能な熱源３１０から生じた熱をより完全に吸収するように選択され、配置される。そのような実施形態において、ＴＥＧ３４０の第２のジャケットは、第２のジャケット３４０の内側が第１の熱伝導流体３３０を取り囲み、流体３３０から熱を吸収するように第１の導通する流体３３０用の筐体として配置される。第２の熱伝導流体３５０も、ＴＥＧ３４０の第２のジャケットがさらに電力を発生するように第２のジャケット３４０の外側を冷却し、ΔΤを作り出すために、第２のジャケット３４０の外側を取り囲むように配置される。熱電装置のジャケット（例えば、ＴＥＧ３４０）は、流体を封じ込めるように水密に構成することができ、または、流体を封じ込めるために１つまたは複数のスリーブ式筐体を用いることができる。スリーブ式筐体は、高い熱伝導率を有する材料から作製することができ、また、熱電装置（例えば、ＴＥＧ３４０）のジャケットはスリーブ式筐体に結合されてもよい。

【0017】

ＴＥＧの第１および第２のジャケット３２０と３４０を用いる様々な実施形態において、ジャケット３２０と３４０との間の熱輸送を集中するか、さもなければ強化するように、一連の熱伝導導管（図示せず）が、ジャケット３２０および３４０の１つまたは両方に（直接的にまたは間接的に）熱的に結合され得る。熱伝導導管は単独で、または熱輸送流体３３０と組み合わせて用いることができる。特定の実施形態では、熱伝導導管は当該技術分野で公知の様々な熱伝導金属、および／または、高い熱容量の液体（例えば油、水、または塩水）を含むことができる。様々な実施形態において、発電ジャケット３２０および３４０の片方または両方は、下記の熱輸送を強化するように構成された長方形、または円筒状の形状を有することができ、それは、ｉ）熱源３１０から第１の熱伝導流体３３０および第１のジャケット３２０へ；ｉｉ）第１の熱伝導流体３３０および第２のジャケット３４０から；および、ｉｉｉ）第２のジャケット３４０と第２の熱伝導流体３５０との間で；のうちの１つまたは複数からの熱輸送である。別の形状も上記の要素の１つまたは複数の間の熱輸送の強化のために考えられる。さらに、ジャケット３２０と３４０の片方または両方は、例えば、第１の熱輸送流体３３０、または第２の熱輸送流体３５０への熱輸送の強化のために、波形、リブ付き、または別のテクスチャ付きの表面（内部、外側のいずれか、または両方）を有することができる。そのような形状は、表面積を増加し、熱輸送をさらに向上させるように波形、リブ付き、または別のテクスチャ付きの表面を有することができる。

【0018】

任意選択的に、不完全な、かつ／または、非効率な燃焼、これは天然ガスが完全燃焼しない場合生じることがあるが、それによる炭素蓄積に対して、ジャケット３２０の内側を保護するために熱源ハウジング３０５が、ＴＥＧ３２０の第１のジャケットと制御可能な熱源３１０との間に配置される。熱源３１０から第１のジャケット３２０までの高い熱輸送効率を確実にするために、ハウジング内の熱源３０５は、高い熱伝導特性を有する材料、例えば銅で作製されるのが望ましい。

【0019】

図３Ｂは、図３Ａに示される実施形態３００の断面図を示す。図３Ａに示すように、任意選択の熱源ハウジング３０５、ＴＥＧ３２０の第１のジャケット、第１の熱伝導流体３３０、ＴＥＧ３４０の第２のジャケット、および第２の熱伝導流体３５０はすべて、よりよい熱−電力の変換効率のために熱源３１０を少なくとも部分的に取り囲むように制御可能な熱源３１０の近くに配置される。簡潔さのために図３Ａおよび図３Ｂから適切な封止が省かれていることが注目される。しかしながら、当業者は、熱伝導流体を適切に封じ込めるために、高い熱伝導率を有するいかなる適切な封止または筐体も用いることができることを理解するであろう。ＴＥＧのジャケットおよび熱伝導流体の層の数は、任意であり、同一である必要はないことはさらに注目される。いくつかの実施形態において、ジャケットの数は熱伝導流体の層の数と等しくない。また、図３Ｂの実施形態に示されるのは、温度勾配ΔΤが減少する結果になるＴＥＧ間の伝導または他の熱的なクロストークを防ぐために、第２のジャケット３４０内のＴＥＧＳが熱的に絶縁された井戸により分離される構成である。

【0020】

図４は、一実施形態による発電システム（ＥＧＳ）４００の複数モジュール構成を示す。ＥＧＳ４００は、天然ガス入力４１０、冷水入力４２０、電気出力４３０、熱湯出力４４０、および１つまたは複数の排気出力４５０を含む。発電システム４００は、複数の熱電発電モジュール（ＥＧＭ）４６０（１）〜４６０（ｎ）、制御モジュール４７０、ＤＣ−ＡＣ変換器４８０、および冷水器４９０、ならびに任意選択的に電池４０５も含む。複数のＥＧＭ４６０は、天然ガス入力４１０および冷水入力４２０に結合される。本実施形態によれば、発電システム４００は、上述の図１のＥＧＳ１００と同様の方式で、例えば天然ガス入力４１０により供給された天然ガスを燃焼させることによる制御可能な熱源からの熱を電力に変換するために、複数のＥＧＭ４６０を制御することができる。ＥＧＭ４６０の動作は図１のＥＧＭ１６０と同等であり、重複して本明細書には記述しない。しかしながら、制御モジュール４７０の動作はここでより詳細に説明する。

【0021】

図１および図４の両方を参照すると、制御モジュール４７０は、負荷／供給状況を監視するために負荷／供給検知入力４７５を有し、かつ、制御信号を送信するために複数のＥＧＭ４６０の制御可能な熱源に結合されている。制御モジュール４７０は、（ｉ）少なくともシステムの負荷需要および地域の送電網の供給状況を監視する；（ｉｉ）監視の結果に基づいて、いつ、どれだけの容量で発電するかを決定する；かつ、（ｉｉｉ）その決定に基づいて、複数の発電モジュールの１つまたは複数の熱源を調整する；ように構成される。いくつかの実施形態によれば、発電することが経済的に有利かどうか、さらにそうならば、どれだけの電力を発電すべきかの決定を行う場合、制御モジュール４７０は、天然ガスと電力の買入価格を監視することがさらにできる。

【0022】

したがって、地域の送電網からの電力供給が十分でない場合（例えば、夏季に、または停電の間に）発電するのに、制御モジュール４７０が操作可能である。すなわち、ＥＧＳ４００は、システムの負荷需要が地域の送電網の供給状況より大きい場合、発電することができ、それは、ＥＧＳ４００が補助的な動力源として動作しているということを意味する。さらに、地域の電力会社から電力を買うよりむしろ利用者が利用者自身の電力をガスから発電することが経済的に合理的なときがある。したがっていくつかの実施形態で、ＥＧＳ４００を用いる発電のコストが地域の電力会社から電力を直接買うコストより低い場合発電するのに、制御モジュール４７０が操作可能である。

【0023】

さらにまた北米のいくつかの地域では、利用者が地域の送電網上に電力を戻そうとする場合利用者に払い戻すという政策がある。したがっていくつかの実施形態で、制御モジュール４７０は、地域の送電網に電力を逆に伝送するために売値の監視をさらに行い、発電のコストが送電網に電力を逆に伝送するための売値より低い場合発電するのに、制御モジュール４７０が操作可能である。

【0024】

任意選択的に、電池４０５をＥＧＳ４００内に配置することができる。電池４０５は、バックアップおよび／または電力補充の目的で用いることができる。特定の実施形態で、天然ガスの燃焼から熱の発生のプロセスにおいて、次いで熱の電力への変換において、過渡期遅延が存在するので、この過渡期期間の間利用者がＥＧＳ４００に求めた電力需要に対応するように、電池４０５を構成することができる。電池４０５は、ＥＧＭ４６０で発電した電力が負荷需要より大きい場合充電され、負荷需要がＥＧＭ４６０で発電した電力より大きい場合はエネルギーを放出することになる。ＥＧＳ４００が電池４０５を有する実施形態に対して、制御モジュール４７０を、複数の発電モジュールからの出力が制御モジュールで指定されるものより大きい第１の過渡期期間の間、電池内に電力を（例えば、充電電流を、特定の電池化学に適合した充電体制にある電池、例えば、鉛酸、リチウムイオンなどに導くことにより）貯蔵するように構成し、また次いで、複数の発電モジュールからの出力が、制御モジュールで指定されるものより小さい第２の過渡期期間の間、電池から電力を放出するように構成することがさらにできる。

【0025】

したがって、制御モジュール４７０を有するＥＧＳ４００は、少なくとも負荷／供給の要求４７５に基づいて動的に発電することができる。制御モジュール４７０は、負荷状況を検知し、正確に、発電を制御する。制御モジュール４７０は、天然ガスの燃焼を制御する（例えば、燃焼を止める、始める、およびその速度を制御する）こと、および／または、その発電目標を達成する際に、液体の流量を調整することができる。有利には、ＥＧＳ４００により、利用者は天然ガスを効率的に電力に変換することができる。

【0026】

図５は、本明細書に記載の実施形態による無線遠隔制御能力を備えた発電システム５００を示す。ＥＧＳ５００は、その制御モジュール（図示せず）に結合された無線通信回路５１０を装備しているという点を除いて図４のＥＧＳ４００と本質的に同一である。無線通信回路５１０を用いて、制御モジュールは、発電運転を調節するための遠隔制御コマンドを受け取ることができる。遠隔制御コマンドは、集中化された任務制御から来ることがあり、または、例えば利用者の携帯情報端末（ＰＤＡ）、パーソナルコンピュータ、ラップトップ、またはスマートフォンを含む他の適切な送信元から来ることがある。遠隔制御コマンドが１つまたは複数のサーバから来る場合において、サーバは、インターネット（またはクラウド）を介してアクセス可能であり得る。別の実施形態で、ＥＧＳ５００は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）などの有線の接続を通じて１つまたは複数のサーバと通信することができる。

【0027】

図６は、実施形態による、発電システム６００の移動式の応用を示す。ＥＧＳ６００は移動式のプラットフォーム、例えばトラック上に搭載される。ＥＧＳ６００は一時的野外応用に適している。例えば、天然ガスの豊富な供給はあるが電力は不足している天然ガス農場環境で、ＥＧＳ６００は天然ガスを実用の電力に変換することができる。

【0028】

図７は、１つまたは複数の実施形態による、発電システム７００の遠隔操作の応用を示す。図６のＥＧＳ６００の応用と同様に、１つまたは複数のＥＧＳ７００は、天然ガスの豊富な供給を見いだすことができる遠隔の場所、例えば天然ガス農場、汚水処理プラント、農場、または石油掘削プラットフォームに設置することができる。使用すると、ＥＧＳ７００は、そのような地域にある天然ガスを消費者の実用の電力へ変換することができる。

【0029】

本発明をその特定の実施形態に関して記述してきたが、本発明のより広い精神および範囲から逸脱することなく、そこに様々な修正および変更がなされ得ることは明白であろう。例えば、いずれの実施形態もその特徴または態様は、任意の他の実施形態と組み合わせて、またはその相当物の特徴または態様の代わりとして、少なくとも実行可能な場合適用されてもよい。したがって、本明細書と本図面は限定的ではなく例示の意味で考えられるべきである。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】