特許 7513231 発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02K 55/00 20060101AFI20240702BHJP

【ＦＩ】

H02K55/00

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2024517502

(86)(22)【出願日】2023-09-12

(86)【国際出願番号】 JP2023033204

【審査請求日】2024-03-19

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２２年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム／液体水素冷却高温超電導発電機の開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】324003956

【氏名又は名称】三菱ジェネレーター株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】503092180

【氏名又は名称】学校法人関西学院

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】北川 祐太朗

(72)【発明者】

【氏名】殿岡 俊

(72)【発明者】

【氏名】三浦 英明

(72)【発明者】

【氏名】小畑 慶人

(72)【発明者】

【氏名】大屋 正義

【審査官】安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】特開平０１－１５２９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１６１８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１１７４５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４７３９２００（ＵＳ，Ａ）

【文献】白井康之,塩津正博，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，55巻,1号，日本，公益社団法人低温工学・超電導学会，2020年，p.44-45,Fig.1

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ５５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電システムであって、
タービンと、
前記タービンによって駆動されて発電する発電機と、
タンクから冷却用の冷媒を前記発電機に供給する供給用配管と、
前記発電機に供給された冷媒の少なくとも一部を回収して前記発電機に再び供給する循環用配管と、
前記発電機に供給された冷媒の少なくとも一部を前記タービンの駆動用の燃料として前記タービンに供給する駆動用配管と、
前記循環用配管と前記駆動用配管との連結部に設けられ、前記発電機に再び供給される冷媒の量を調整する第１バルブと、
前記発電機の状態に関する第１状態値を検出する第１センサと、
前記タービンの状態に関する第２状態値を検出する第２センサと、
前記第１センサによって検出された前記第１状態値および前記第２センサによって検出された前記第２状態値に基づき、前記第１バルブの開閉を制御する制御装置とを備える、発電システム。

【請求項2】

前記循環用配管は、前記供給用配管に連結され、
前記循環用配管によって回収された冷媒は、前記供給用配管を介して前記発電機に再び供給される、請求項１に記載の発電システム。

【請求項3】

前記循環用配管によって回収された冷媒の温度を下げる冷却部をさらに備える、請求項１に記載の発電システム。

【請求項4】

前記供給用配管に設けられ、前記発電機に供給される冷媒の量を調整する第２バルブをさらに備え、
前記制御装置は、前記第１センサによって検出された前記第１状態値に基づき、前記第２バルブの開閉をさらに制御する、請求項１に記載の発電システム。

【請求項5】

前記制御装置は、前記第１センサによって検出された前記第１状態値と閾値との差分に応じて、前記第１バルブの開閉および前記第２バルブの開閉のうちの少なくとも１つを制御する、請求項４に記載の発電システム。

【請求項6】

前記第１センサは、前記第１状態値として、前記発電機の内部の温度、前記発電機の内部の圧力、および前記発電機の内部に滞留する冷媒の量のうち、少なくとも１つを検出する、請求項１に記載の発電システム。

【請求項7】

前記駆動用配管によって回収された冷媒を気化させる気化部をさらに備える、請求項１に記載の発電システム。

【請求項8】

前記第２センサは、前記第２状態値として、前記タービンの回転状態および前記タービンの駆動による前記発電機の発電量のうち、少なくとも１つを検出する、請求項１に記載の発電システム。

【請求項9】

前記発電機は、固定子と、超電導線材を巻回した超電導コイルを含む回転子とを備える超電導発電機である、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の発電システム。

【請求項10】

前記タンクに貯蔵された冷媒は、液化水素である、請求項１に記載の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、タービンによって駆動されて発電する発電機を備える発電システムにおいては、タンクから供給される冷媒によって発電機を冷却することが行われている。たとえば、非特許文献１には、固定子と、超電導線材を巻回した超電導コイルを含む回転子とによって構成される発電機にタンクから液化水素を供給して発電機を冷却することが開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】白井康之、塩津正博、「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、２０２０年、Ｖｏｌ．５５、Ｎｏ．１、ｐ．４４－５２．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

非特許文献１に開示された発電システムは、タンクから供給される冷媒によって発電機の内部を冷却するとともに、発電機の内部の冷却に用いられた冷媒の一部を回収して発電機に再び供給するように構成されており、これにより、タンクから供給される冷媒によって発電機を冷却することが可能である。しかしながら、非特許文献１に開示された発電システムは、単に発電機の内部の冷却に用いられた冷媒を再利用して発電機に再び供給することが可能であるだけに過ぎず、循環する冷媒量を調整して発電機を効率よく冷却するようには構成されていない。

【0005】

本開示は、上述した課題を解決するためのものであり、循環する冷媒量を調整して発電機を効率よく冷却する発電システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る発電システムは、タービンと、タービンによって駆動されて発電する発電機と、タンクから冷却用の冷媒を発電機に供給する供給用配管と、発電機に供給された冷媒の少なくとも一部を回収して発電機に再び供給する循環用配管と、循環用配管に設けられ、発電機に再び供給される冷媒の量を調整する第１バルブと、発電機の状態に関する第１状態値を検出する第１センサと、第１センサによって検出された第１状態値に基づき、第１バルブの開閉を制御する制御装置とを備える。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、発電システムは、タンクから供給される冷媒によって発電機を冷却するとともに、発電機に供給された冷媒の少なくとも一部を回収して発電機に再び供給することで冷却用の冷媒を再利用することができ、さらに、循環する冷媒量を発電機の状態に基づき制御することで、発電機を効率よく冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係る発電システムの概略図である。

【図2】実施の形態１に係る制御装置が実行するバルブ制御処理のフローチャートである。

【図3】実施の形態２に係る発電システムの概略図である。

【図4】実施の形態３に係る発電システムの概略図である。

【図5】実施の形態３に係る制御装置が実行するバルブ制御処理のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0010】

実施の形態１．
図１および図２を参照しながら、実施の形態１に係る発電システム１について説明する。

【0011】

［発電システムの構成］
図１は、実施の形態１に係る発電システム１の概略図である。図１に示すように、発電システム１は、タービン３０と、発電機１０と、配管８１～８３と、ポンプ５１とを備える。

【0012】

タービン３０は、たとえば、液化水素が気化した水素ガスによって駆動されるガスタービンである。具体的には、タービン３０は、外部から供給される水素ガスが燃焼することで回転する。タービン３０の回転力は、図示しない回転軸を介して発電機１０に伝送される。

【0013】

発電機１０は、タービン３０の回転力によって駆動されて発電する。発電機１０は、固定子１２と、回転子１３と、回転子１３を内包する容器１４とを備える。

【0014】

固定子１２は、鉄心またはコイルなどで形成され、回転子１３を配置するための図示しない中央穴部を有する。回転子１３は、図示しない回転軸を介して発電機１０に接続され、固定子に形成された中央穴部において、タービン３０の回転力によって回転可能である。回転子１３は、コイル１３ａと、コイル１３ａを支持する中空の支持材１３ｂとを含む。コイル１３ａは、たとえば、液体水素温度（約２０Ｋ）で超電導化する超電導線材を巻回した超電導コイルである。コイル１３ａが超電導コイルである場合の発電機１０は、超電導発電機であり、銅損および鉄損を低減することができる。コイル１３ａに用いられる超電導線材は、液体水素温度で超電導化する材料であればよく、超電導線材としては、たとえば、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）などが挙げられる。なお、コイル１３ａは、超電導コイルに限らず、超電導コイル以外の通常のコイルであってもよい。コイル１３ａが通常のコイルであっても、コイル１３ａを冷却することで、多少でも銅損および鉄損を低減することができる。なお、コイル１３ａが銅線で構成される場合、コイル１３ａを支持する支持材１３ｂとして、鉄心（いわゆる積層鋼板）が採用されてもよい。

【0015】

発電機１０においては、回転子１３のコイル１３ａを低温で維持することが好ましい。特に、コイル１３ａが超電導コイルである場合、コイル１３ａを超伝導状態で維持するために、コイル１３ａの温度を液体水素温度以下まで冷却する必要がある。そこで、発電システム１は、タンク２０に貯蔵された冷却用の冷媒を発電機１０に供給することで、発電機１０の内部（特に回転子１３のコイル１３ａ）を冷却するように構成されている。なお、タンク２０に貯蔵された冷却用の冷媒は、発電機１０の内部の温度を冷却することが可能な液体であればよく、冷媒としては、たとえば、液体水素または液体ヘリウムなどが挙げられる。

【0016】

配管８１～８３は、「供給用配管」の一例であり、タンク２０と発電機１０の供給口１５とを接続する。配管８１～８３は、タンク２０に貯蔵された冷却用の冷媒を発電機１０の供給口１５に供給する。たとえば、配管８１は、タンク２０とバルブ４２とを接続する。配管８２は、バルブ４２とポンプ５１とを接続する。配管８３は、ポンプ５１と発電機１０の供給口１５とを接続する。

【0017】

ポンプ５１は、配管８１～８３のいずれかの位置に設けられている。たとえば、ポンプ５１は、配管８２と配管８３との間に設けられている。ポンプ５１は、制御装置１００の制御に基づき、タンク２０に貯蔵された冷媒を吸い上げ、配管８１～８３を介して発電機１０の供給口１５に供給する。タンク２０から発電機１０の供給口１５に供給された冷媒は、容器１４内に流れ込み、回転子１３を冷却する。容器１４は、冷媒によって冷却される回転子１３を真空層で取り囲み、外気との熱接触を遮断することで回転子１３を低温で維持する。これにより、コイル１３ａが超電導コイルであっても、発電システム１は、コイル１３ａを超伝導状態で維持することができ、発電機１０の発電を安定化させることができる。

【0018】

なお、発電機１０は、回転子１３を冷却した冷媒を固定子１２側に流すことで、固定子１２をさらに冷却するように構成されてもよい。これにより、発電システム１は、発電機１０の内部全体の発熱を抑え、発電機１０の発電をより安定化させることができる。

【0019】

上述のように構成された発電システム１によれば、タンク２０から供給される冷媒によって発電機１０を冷却することが可能である。ここで、発電機１０を冷却した冷媒を外部で回収する場合、冷媒を回収するための回収装置、および回収した冷媒を貯蔵するためのタンクを別途設ける必要があり、発電システム全体が複雑かつ大規模になる。そこで、発電システム１は、発電機１０に供給されて発電機１０の内部を冷却した冷媒の少なくとも一部を回収して発電機１０に再び供給することで、発電機１０の内部を再び冷却するように構成されている。さらに、発電システム１は、上述したように循環する冷媒の循環量を調整して発電機１０を効率よく冷却するように構成されている。

【0020】

具体的には、発電システム１は、配管８４～８７と、ポンプ５２と、冷却部６０と、バルブ４１と、バルブ４２と、センサ７１と、制御装置１００とをさらに備える。

【0021】

配管８４～８７は、「循環用配管」の一例であり、発電機１０の排出口１６と発電機１０の供給口１５とを接続する。配管８４～８７は、発電機１０を冷却した冷媒の少なくとも一部を排出口１６から回収して発電機１０の供給口１５に再び供給する。たとえば、配管８４は、発電機１０の排出口１６とバルブ４１とを接続する。配管８５は、バルブ４１と冷却部６０とを接続する。配管８６は、冷却部６０とポンプ５２とを接続する。配管８７は、ポンプ５２と発電機１０の供給口１５とを接続する。

【0022】

ポンプ５２は、配管８４～８７のいずれかの位置に設けられている。たとえば、ポンプ５２は、配管８６と配管８７との間に設けられている。ポンプ５２は、制御装置１００の制御に基づき、発電機１０の排出口１６から排出された冷媒を吸い上げ、配管８４～８７を介して発電機１０の供給口１５に供給する。

【0023】

冷却部６０は、配管８４～８７のいずれかの位置に設けられている。たとえば、冷却部６０は、配管８５と配管８６との間に設けられている。冷却部６０は、ポンプ５２および配管８４～８７によって回収された冷媒の温度を下げる熱交換器である。たとえば、タンク２０に貯蔵された冷却用の冷媒が液体水素である場合、発電機１０を冷却したときの熱交換によって、冷媒（液化水素）が気化して水素ガスに状態変化する。気化した冷媒（水素ガス）は、発電機１０の排出口１６から排出されて冷却部６０に流れ込み、冷却部６０における熱交換器によって冷やされて、発電機１０の供給口１５に再び供給される。このようにして発電機１０の供給口１５に再び供給された冷媒は、容器１４内に流れ込み、回転子１３を再び冷却する。なお、冷却部６０は、発電機１０の排出口１６から排出された冷媒の温度を下げる機能を有していればよく、公知のいずれの構成を備えていてもよい。冷却部６０によって熱交換された後の冷媒は、気体（水素ガス）または液体（液化水素）のいずれであってもよいし、気液二相状態であってもよいが、発電機１０の内部を効率よく冷却するためには液体（液化水素）が好ましい。

【0024】

なお、発電システム１は、必ずしも冷却部６０を備えなくてもよく、発電機１０の排出口１６から排出された冷媒は、配管８４～８７を通る間に外気と熱交換することで冷やされて、発電機１０の供給口１５に再び供給されてもよい。

【0025】

バルブ４１は、「第１バルブ」の一例であり、配管８４～８７のいずれかの位置に設けられている。たとえば、バルブ４１は、配管８４と配管８５との間に設けられている。バルブ４１は、制御装置１００の制御（制御信号Ｃ１）に基づき、開閉可能である。バルブ４１が開いた状態では、発電機１０の排出口１６から排出された冷媒が配管８４～８７を通って供給口１５へと流れ込み、バルブ４１が閉じた状態では、発電機１０の排出口１６から排出された冷媒が供給口１５へと流れ込むことなく発電機１０の内部で滞留する。これにより、発電システム１は、発電機１０の排出口１６と供給口１５との間を配管８４～８７を通って循環する冷媒量を調整することができる。なお、バルブ４１は、制御装置１００の制御に基づき、開度を段階的に調整可能であってもよい。これにより、発電システム１は、発電機１０の排出口１６と供給口１５との間を配管８４～８７を通って循環する冷媒量を段階的により細かく調整することができる。

【0026】

バルブ４２は、「第２バルブ」の一例であり、配管８１～８３のいずれかの位置に設けられている。たとえば、バルブ４２は、配管８１と配管８２との間に設けられている。バルブ４２は、制御装置１００の制御（制御信号Ｃ２）に基づき、開閉可能である。バルブ４２が開いた状態では、タンク２０に貯蔵された冷媒が配管８１～８３を通って発電機１０の供給口１５へと流れ込み、バルブ４２が閉じた状態では、タンク２０に貯蔵された冷媒が発電機１０の供給口１５へと流れ込まない。これにより、発電システム１は、タンク２０から発電機１０に供給される冷媒量を調整することができる。なお、バルブ４２は、制御装置１００の制御に基づき、開度を段階的に調整可能であってもよい。これにより、発電システム１は、タンク２０から発電機１０に供給される冷媒量を段階的により細かく調整することができる。

【0027】

センサ７１は、「第１センサ」の一例であり、発電機１０の状態に関する状態値Ｖ１を検出する。状態値Ｖ１は、「第１状態値」の一例である。センサ７１は、発電機１０の内部の温度を検出する温度センサであり、状態値Ｖ１として、検出した発電機１０の内部の温度を示す信号を制御装置１００に出力する。なお、センサ７１は、発電機１０の内部の温度として、回転子１３および固定子１２を含む発電機１０の内部の全体の温度を検出してもよいし、回転子１３を含む容器１４内の温度を検出してもよい。

【0028】

また、センサ７１は、発電機１０の内部の圧力を検出する圧力センサであってもよく、状態値Ｖ１として、検出した発電機１０の内部の圧力を示す信号を制御装置１００に出力してもよい。さらに、センサ７１は、発電機１０の内部に滞留する冷媒量を検出するセンサであってもよい。たとえば、センサ７１は、容器１４内の冷媒量（冷媒の液面の高さ）を検出する液面センサであってもよく、状態値Ｖ１として、検出した容器１４内の冷媒量を示す信号を制御装置１００に出力してもよい。なお、センサ７１は、液面センサに限らず、発電機１０の内部に滞留する冷媒量を検出する他のセンサであってもよい。

【0029】

このように、センサ７１は、温度センサ、圧力センサ、および液面センサのうちのいずれか、または、これらのセンサの複数を含んでいてもよい。すなわち、センサ７１は、状態値Ｖ１として、発電機１０の内部の温度、発電機１０の内部の圧力、および発電機１０の内部に滞留する冷媒量のうち、少なくとも１つを検出する。

【0030】

制御装置１００は、汎用コンピュータであってもよいし、発電システム１全体を制御するための専用コンピュータであってもよい。また、制御装置１００は、発電機１０に併設されてもよいし、発電システム１を管理する別の場所に設置されていてもよい。制御装置１００は、演算装置１０１と、メモリ１０２と、記憶装置１０３と、通信装置１０４とを備える。

【0031】

演算装置１０１は、各種のプログラムを実行することで、各種の処理を実行する演算主体（コンピュータ）である。演算装置１０１は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、またはＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサで構成されている。なお、演算装置１０１の一例であるプロセッサは、プログラムを実行することによって各種の処理を実行する機能を有するが、これらの機能の一部または全部を、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの専用のハードウェア回路を用いて実装してもよい。「プロセッサ」は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、またはＧＰＵのようにストアードプログラム方式で処理を実行する狭義のプロセッサに限らず、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどのハードワイヤード回路を含み得る。このため、演算装置１０１の一例である「プロセッサ」は、コンピュータ読み取り可能なコードおよび／またはハードワイヤード回路によって予め処理が定義されている、処理回路（processing circuitry）と読み替えることもできる。なお、演算装置１０１は、１チップで構成されてもよいし、複数のチップで構成されてもよい。さらに、プロセッサおよび関連する処理回路は、ローカルエリアネットワークまたは無線ネットワークなどを介して、有線または無線で相互接続された複数のコンピュータで構成されてもよい。プロセッサおよび関連する処理回路は、入力データに基づきリモートで演算し、その演算結果を離れた位置にある他のデバイスへと出力するような、クラウドコンピュータで構成されてもよい。

【0032】

メモリ１０２は、演算装置１０１が各種のプログラムを実行するにあたって、プログラムコードやワークメモリなどを一時的に格納する揮発性の記憶領域（たとえば、ワーキングエリア）を含む。記憶部の一例としては、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）およびＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）などの揮発性メモリ、または、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびフラッシュメモリなどの不揮発性メモリが挙げられる。

【0033】

記憶装置１０３は、演算装置１０１が実行する各種のプログラムまたは各種のデータなどを記憶する。記憶装置１０３は、１または複数の非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）であってもよいし、１または複数のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体（computer readable storage medium）であってもよい。記憶装置１０３の一例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）およびＳＳＤ（Solid State Drive）などが挙げられる。実施の形態に係る記憶装置１０３は、演算装置１０１がセンサ７１から取得した状態値Ｖ１に基づき、バルブ４１の開閉およびバルブ４２の開閉を制御するバルブ制御処理を実行するための制御プログラム１３０を記憶する。

【0034】

通信装置１０４は、有線通信または無線通信を介して、センサ７１、バルブ４１、およびバルブ４２の各々との間でデータを送受信する。たとえば、通信装置１０４は、センサ７１と通信することで、センサ７１から出力された状態値Ｖ１を取得する。通信装置１０４は、バルブ４１と通信することで、バルブ４１の開閉を制御するための制御信号Ｃ１をバルブ４１に出力する。通信装置１０４は、バルブ４２と通信することで、バルブ４２の開閉を制御するための制御信号Ｃ２をバルブ４２に出力する。

【0035】

制御装置１００は、バルブ４２を制御して配管８１～８３を開放するとともに、ポンプ５１を制御してタンク２０に貯蔵された冷媒を吸い上げる。これにより、タンク２０に貯蔵された冷媒は、配管８１～８３を介して発電機１０の供給口１５に供給される。発電機１０においては、容器１４内に流れ込んだ冷媒によって回転子１３が冷却され、さらに、固定子１２も冷却される。発電機１０の内部を冷却した冷媒は、回転子１３および固定子１２との間の熱交換によって気化する。

【0036】

一方、センサ７１は、定期的に、発電機１０の状態に関する状態値Ｖ１（温度、圧力、または冷媒量）を検出し、制御装置１００に出力する。制御装置１００は、センサ７１から取得した状態値Ｖ１に基づき、バルブ４１を制御して配管８４～８７を開放するとともに、ポンプ５２を制御して発電機１０の排出口１６から気化した冷媒の少なくとも一部を吸い上げる。具体的には、制御装置１００は、予めユーザによって設定された状態値Ｖ１に対応する閾値を記憶装置１０３に記憶する。制御装置１００は、センサ７１から取得した状態値Ｖ１と、記憶装置１０３に記憶された閾値とを比較し、状態値Ｖ１と閾値との差分に応じて、制御信号Ｃ１を用いてバルブ４１を制御して配管８４～８７を開放する。

【0037】

たとえば、制御装置１００は、発電機１０の内部の温度が閾値よりも高い場合、冷媒を循環させて発電機１０の内部の温度を下げるために、バルブ４１を開放したり、バルブ４１の開度を現在値よりも大きくしたりする。なお、この場合の閾値は、コイル１３ａが超電導コイルである発電機１０において、コイル１３ａが超電導化することを保証する温度となる値に設定すればよく、たとえば、閾値は、コイル１３ａが超電導化する液体水素温度以下のいずれかの値に設定されればよい。より好ましくは、閾値は、コイル１３ａが安定して超電導状態を保持できる液体水素温度以下のいずれかの値に設定されればよい。

【0038】

また、発電機１０の内部の圧力は、発電機１０の内部に滞留する冷媒の気化量と相関するため、容器１０内の温度を推定する指標として使用することもできる。このため、制御装置１００は、発電機１０の内部の圧力が閾値よりも高い場合、冷媒を循環させて発電機１０の内部の温度を下げるために、バルブ４１を開放したり、バルブ４１の開度を現在値よりも大きくしたりする。なお、この場合の閾値は、コイル１３ａが超電導コイルである発電機１０において、コイル１３ａが超電導化することを保証する圧力となる値に設定すればよく、たとえば、閾値は、コイル１３ａが超電導化する圧力以下のいずれかの値に設定されればよい。より好ましくは、閾値は、コイル１３ａが安定して超電導状態を保持できる圧力以下のいずれかの値に設定されればよい。

【0039】

また、制御装置１００は、発電機１０の内部に滞留する冷媒量が閾値よりも高い場合、冷媒を循環させて発電機１０の内部に滞留する冷媒量を適切にするために、バルブ４１を開放したり、バルブ４１の開度を現在値よりも大きくしたりする。なお、この場合の閾値は、コイル１３ａが超電導コイルである発電機１０において、コイル１３ａが超電導化することを保証する冷媒量となる値に設定すればよく、たとえば、閾値は、コイル１３ａが超電導化する冷媒量以上のいずれかの値に設定されればよい。より好ましくは、閾値は、コイル１３ａが安定して超電導状態を保持できる冷媒量以上のいずれかの値に設定されればよい。

【0040】

また、制御装置１００は、センサ７１から取得した状態値Ｖ１と、記憶装置１０３に記憶された閾値とを比較し、状態値Ｖ１と閾値との差分に応じて、制御信号Ｃ２を用いてバルブ４２を制御して配管８１～８３を開放してもよい。

【0041】

たとえば、制御装置１００は、発電機１０の内部の温度が閾値よりも高い場合、タンク２０からの冷媒を供給して発電機１０の内部の温度を下げるために、バルブ４２を開放したり、バルブ４２の開度を現在値よりも大きくしたりする。また、制御装置１００は、発電機１０の内部の圧力が閾値よりも高い場合、タンク２０からの冷媒を供給して発電機１０の内部の温度を下げるために、バルブ４２を開放したり、バルブ４２の開度を現在値よりも大きくしたりする。また、制御装置１００は、発電機１０の内部に滞留する冷媒量が閾値よりも低い場合、タンク２０からの冷媒を供給して発電機１０の内部の温度を下げるために、バルブ４２を開放したり、バルブ４２の開度を現在値よりも大きくしたりする。

【0042】

［制御装置の処理］
図２は、実施の形態１に係る制御装置１００が実行するバルブ制御処理のフローチャートである。なお、図２に示される各処理ステップ（以下、これらを「Ｓ１」、「Ｓ２」、「Ｓ３」と略す。）は、演算装置１０１が制御プログラム１３０を実行することによって実現される。制御装置１００は、図２に示すバルブ制御処理を定期的に繰り返し実行する。

【0043】

図２に示すように、制御装置１００は、センサ７１から取得した状態値Ｖ１を取得する（Ｓ１）。制御装置１００は、センサ７１から取得した状態値Ｖ１と、記憶装置１０３に記憶された閾値とを比較する（Ｓ２）。制御装置１００は、状態値Ｖ１と閾値との差分に応じて、バルブ４１およびバルブ４２のいずれかを制御したり、バルブ４１およびバルブ４２の両方を制御したりする（Ｓ３）。その後、制御装置１００は、本処理を終了する。

【0044】

このように、実施の形態１に係る発電システム１は、制御装置１００によるバルブ４２の制御によって、タンク２０から供給される冷媒によって発電機１０を冷却するとともに、制御装置１００によるバルブ４１の制御によって、発電機１０に供給された冷媒の少なくとも一部を回収して発電機１０に再び供給することで冷却用の冷媒を再利用することができる。さらに、発電システム１は、制御装置１００によるバルブ４１の制御によって、循環する冷媒量を発電機１０の状態に基づき制御することで、発電機１０の内部の温度または発電機１０の内部に滞留する冷媒量を適切に調整し、さらに、タンク２０に滞留する冷媒量も適切に調整しながら、発電機１０を効率よく冷却することができる。

【0045】

実施の形態２．
図３を参照しながら、実施の形態２に係る発電システム１について説明する。以下では、実施の形態２に係る発電システム１について、実施の形態１に係る発電システム１と異なる構成および機能のみを説明し、その他の共通する構成および機能については説明を省略する。

【0046】

図３は、実施の形態２に係る発電システム１の概略図である。図３に示すように、実施の形態２に係る発電システム１は、発電機１０に供給された冷媒の少なくとも一部を回収して発電機１０に再び供給する循環用配管を、タンク２０から冷媒を発電機１０に供給する供給用配管に連結させることで、循環用配管によって回収された冷媒を供給用配管を介して発電機１０に再び供給するように構成されている。

【0047】

具体的には、発電システム１は、「供給用配管」の一例である配管８１～８３と、「循環用配管」の一例である配管８４，８５，８８とを備える。配管８１は、タンク２０とバルブ４２とを接続する。配管８２は、バルブ４２とポンプ５１とを接続する。配管８３は、ポンプ５１と発電機１０の供給口１５とを接続する。配管８４は、発電機１０の排出口１６とバルブ４１とを接続する。配管８５は、バルブ４１と冷却部６０とを接続する。配管８８は、冷却部６０とバルブ４２とを接続する。このように、発電システム１においては、供給用配管と循環用配管とが、バルブ４２によって連結されている。

【0048】

制御装置１００は、バルブ４２を制御して配管８１～８３を開放するとともに、ポンプ５１を制御してタンク２０に貯蔵された冷媒を吸い上げる。これにより、タンク２０に貯蔵された冷媒は、配管８１～８３を介して発電機１０の供給口１５に供給される。また、制御装置１００は、センサ７１から取得した状態値Ｖ１と、記憶装置１０３に記憶された閾値とを比較し、状態値Ｖ１と閾値との差分に応じて、バルブ４１を制御して配管８４，８５，８８を開放するとともに、バルブ４２を制御して配管８１～８３を開放する。さらに、制御装置１００は、ポンプ５１を制御して、発電機１０の排出口１６から気化した冷媒の少なくとも一部を吸い上げ、配管８２～８５，８８を介して発電機１０の供給口１５に再び供給する。

【0049】

たとえば、制御装置１００は、発電機１０の内部の温度が閾値よりも高い場合、タンク２０からの冷媒を供給し、かつ冷媒を循環させて発電機１０の内部の温度を下げるために、バルブ４１およびバルブ４２を開放したり、バルブ４１およびバルブ４２の開度を現在値よりも大きくしたりする。また、制御装置１００は、発電機１０の内部の圧力が閾値よりも高い場合、タンク２０からの冷媒を供給し、かつ冷媒を循環させて発電機１０の内部の温度を下げるために、バルブ４１およびバルブ４２を開放したり、バルブ４１およびバルブ４２の開度を現在値よりも大きくしたりする。また、制御装置１００は、発電機１０の内部に滞留する冷媒量が閾値よりも高い場合、冷媒を循環させて発電機１０の内部に滞留する冷媒量を適切にするために、バルブ４１およびバルブ４２を開放したり、バルブ４１およびバルブ４２の開度を現在値よりも大きくしたりする。

【0050】

このように、実施の形態２に係る発電システム１は、制御装置１００によるバルブ４１およびバルブ４２の制御によって、タンク２０から供給される冷媒によって発電機１０を冷却するとともに、発電機１０に供給された冷媒の少なくとも一部を回収して発電機１０に再び供給することで冷却用の冷媒を再利用することができる。さらに、発電システム１は、制御装置１００によるバルブ４１およびバルブ４２の制御によって、循環する冷媒量を発電機１０の状態に基づき制御することで、発電機１０の内部の温度または発電機１０の内部に滞留する冷媒量を適切に調整し、さらに、タンク２０に滞留する冷媒量も適切に調整しながら、発電機１０を効率よく冷却することができる。

【0051】

実施の形態３．
図４および図５を参照しながら、実施の形態３に係る発電システム１について説明する。以下では、実施の形態３に係る発電システム１について、実施の形態１および実施の形態２の各々に係る発電システム１と異なる構成および機能のみを説明し、その他の共通する構成および機能については説明を省略する。

【0052】

図４は、実施の形態３に係る発電システム１の概略図である。実施の形態３に係る発電システム１においては、タンク２０から発電機１０に供給される冷却用の冷媒が、液化水素など、タービン３０の駆動用の燃料にもなり得る。さらに、図４に示すように、実施の形態３に係る発電システム１は、発電機１０に供給された冷媒の少なくとも一部をタービン３０に供給するように構成されている。

【0053】

具体的には、発電システム１は、配管８９～９１と、ポンプ５３と、気化部８０と、センサ７２とをさらに備える。配管８９～９１は、「駆動用配管」の一例であり、発電機１０の排出口１６とタービン３０とを接続する。さらに、「循環用配管」の一例である配管８４，８５，８８は、「駆動用配管」の一例である配管８９～９１に連結されている。たとえば、バルブ４１は、循環用配管と駆動用配管との連結部に設けられている。配管８９は、バルブ４１とポンプ５３とを接続する。配管９０は、ポンプ５３と気化部８０とを接続する。配管９１は、気化部８０とタービン３０とを接続する。

【0054】

ポンプ５３は、配管８９～９１のいずれかの位置に設けられている。たとえば、ポンプ５３は、配管８９と配管９０との間に設けられている。ポンプ５３は、制御装置１００の制御に基づき、発電機１０の排出口１６から排出された冷媒を吸い上げ、配管８９～９０を介してタービン３０に供給する。

【0055】

気化部８０は、配管８９～９１のいずれかの位置に設けられている。たとえば、気化部８０は、配管９０と配管９１との間に設けられている。気化部８０は、ポンプ５３および配管８９～９１によって回収された冷媒の温度を上げて、発電機１０の内部の冷却によってある程度気化した冷媒を完全に気化させる。気化部８０によって気化した冷媒（水素ガス）は、タービン３０に供給される。タービン３０は、供給された冷媒を用いて回転し、図示しない回転軸を介して発電機１０に回転力を伝送する。なお、気化部８０は、発電機１０の排出口１６から排出された冷媒を気化させる機能を有していればよい。冷却部６０によって熱交換された後の冷媒は、気体（水素ガス）または液体（液化水素）のいずれであってもよく、公知のいずれの構成を備えていてもよい。

【0056】

センサ７２は、「第２センサ」の一例であり、タービンの状態に関する状態値Ｖ２を検出する。状態値Ｖ２は、「第２状態値」の一例である。センサ７２は、タービン３０の回転状態（たとえば、回転数または回転速度）を検出し、状態値Ｖ２として、検出したタービン３０の回転状態を示す信号を制御装置１００に出力する。また、センサ７２は、タービン３０の駆動による発電機１０の発電量を検出し、状態値Ｖ２として、検出した発電機１０の発電量を示す信号を制御装置１００に出力してもよい。

【0057】

このように、センサ７２は、状態値Ｖ２として、タービン３０の回転状態、およびタービン３０の駆動による発電機１０の発電量のうち、少なくとも１つを検出する。

【0058】

制御装置１００は、センサ７１から取得した状態値Ｖ１と、センサ７２から取得した状態値Ｖ２とに基づき、バルブ４１を制御して配管８４，８５，８８および配管８９～９１を開放するとともに、バルブ４２を制御して配管８１～８３を開放する。さらに、制御装置１００は、ポンプ５１を制御して、発電機１０の排出口１６から気化した冷媒の少なくとも一部を吸い上げ、配管８２～８５，８８を介して発電機１０の供給口１５に冷媒を再び供給する。さらに、制御装置１００は、ポンプ５３を制御して、発電機１０の排出口１６から気化した冷媒の少なくとも一部を吸い上げ、配管８９～９１を介してタービン３０に供給する。

【0059】

たとえば、制御装置１００は、タービン３０の回転数または回転速度が閾値よりも低い場合、タービン３０の回転力を上げるために、バルブ４１を開放したり、バルブ４１の開度を現在値よりも大きくしたりする。なお、この場合の閾値は、発電機１０に求める発電量を保証する回転数または回転速度となる値に設定すればよい。より好ましくは、閾値は、発電機１０が安定して所定の発電量となる電力を生成できる回転数または回転速度となる値に設定されればよい。

【0060】

また、制御装置１００は、発電機１０の発電量が閾値よりも低い場合、タービン３０の回転力を上げるために、バルブ４１を開放したり、バルブ４１の開度を現在値よりも大きくしたりする。なお、この場合の閾値は、発電機１０に求める発電量を保証する値に設定すればよい。

【0061】

図５は、実施の形態３に係る制御装置１００が実行するバルブ制御処理のフローチャートである。なお、図５に示される各処理ステップ（以下、これらを「Ｓ１１」、「Ｓ１２」、「Ｓ１３」、「Ｓ１４」、「Ｓ１５」と略す。）は、演算装置１０１が制御プログラム１３０を実行することによって実現される。制御装置１００は、図５に示すバルブ制御処理を定期的に繰り返し実行する。

【0062】

図５に示すように、制御装置１００は、センサ７１から取得した状態値Ｖ１を取得する（Ｓ１１）。制御装置１００は、センサ７１から取得した状態値Ｖ１と、記憶装置１０３に記憶された閾値とを比較する（Ｓ１２）。また、制御装置１００は、センサ７２から取得した状態値Ｖ２を取得する（Ｓ１３）。制御装置１００は、センサ７２から取得した状態値Ｖ２と、記憶装置１０３に記憶された閾値とを比較する（Ｓ１４）。なお、Ｓ１２で状態値Ｖ１との比較に用いられる閾値と、Ｓ１３で状態値Ｖ２との比較に用いられる閾値とは、比較対象が異なるため、ユーザは、これらの閾値を個別に設定すればよい。

【0063】

制御装置１００は、Ｓ１２で算出した状態値Ｖ１と閾値との差分と、Ｓ１４で算出した状態値Ｖ２と閾値との差分とに応じて、バルブ４１およびバルブ４２のいずれかを制御したり、バルブ４１およびバルブ４２の両方を制御したりする（Ｓ１５）。その後、制御装置１００は、本処理を終了する。

【0064】

このように、実施の形態３に係る発電システム１は、制御装置１００によるバルブ４１およびバルブ４２の制御によって、タンク２０から供給される冷媒によって発電機１０を冷却するとともに、発電機１０に供給された冷媒の少なくとも一部を回収して発電機１０に再び供給することで冷却用の冷媒を再利用することができる。また、発電システム１は、制御装置１００によるバルブ４１の制御によって、発電機１０に供給された冷媒の少なくとも一部を回収してタービン３０の駆動に用いることができる。さらに、発電システム１は、制御装置１００によるバルブ４１およびバルブ４２の制御によって、循環する冷媒量を発電機１０およびタービン３０の状態に基づき制御することで、発電機１０の内部の温度または発電機１０の内部に滞留する冷媒量を適切に調整し、さらに、タンク２０に滞留する冷媒量も適切に調整しながら、発電機１０を効率よく冷却するとともに、効率よく発電することができる。

【0065】

以上、実施の形態に係る発電システム１について説明したが、発電システム１は、液化水素を気化させた水素ガスを燃焼させてタービン３０（ガスタービン）の回転力を得て、発電機１０を駆動させる水素ガスタービン発電の発電システムであってもよいし、水素ガスをボイラで燃焼させ、発生した蒸気によりタービン３０（蒸気タービン）の回転力を得て、発電機１０を駆動させる汽力発電の発電システムであってもよい。さらに、発電システム１は、同一の回転軸にガスタービンと蒸気タービンとタンデムに接続した発電システムであってもよい。

【0066】

発電システム１は、水素ガスのみでなく、水素ガスに他の燃料を加えて燃焼させてタービン３０（ガスタービン）の回転力を得て、発電機１０を駆動させる水素ガスタービン発電の発電システムであってもよい。さらに、発電システム１は、水素ガスに他の燃料を加えてボイラで燃焼させ、発生した蒸気によりタービン３０（蒸気タービン）の回転力を得て、発電機１０を駆動させる汽力発電の発電システムであってもよい。

【0067】

上述した実施の形態および変形例は、組み合わせに制限がない限り、自由に組み合わせることができる。たとえば、実施の形態３に係る発電システム１が備える配管８９～９１、ポンプ５３、気化部８０、およびセンサ７２と、これらを用いた処理とを、実施の形態１に係る発電システム１に組み合わせてもよい。

【0068】

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、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。

【符号の説明】

【0069】

１ 発電システム、１０ 発電機、１２ 固定子、１３ 回転子、１３ａ コイル、１３ｂ 支持材、１４ 容器、１５ 供給口、１６ 排出口、２０ タンク、３０ タービン、４１，４２ バルブ、５１，５２，５３ ポンプ、６０ 冷却部、７１，７２ センサ、８０ 気化部、８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１ 配管、１００ 制御装置、１０１ 演算装置、１０２ メモリ、１０３ 記憶装置、１０４ 通信装置、１３０ 制御プログラム。

【要約】

発電システム（１）は、タービン（３０）と、タービン（３０）によって駆動されて発電する発電機（１０）と、タンク（２０）から冷却用の冷媒を発電機（１０）に供給する供給用配管（８１～８３）と、発電機（１０）に供給された冷媒の少なくとも一部を回収して発電機（１０）に再び供給する循環用配管（８４～８６）と、循環用配管（８４～８６）に設けられ、発電機（１０）に再び供給される冷媒の量を調整する第１バルブ（４１）と、発電機（１０）の状態に関する第１状態値を検出する第１センサ（７１）と、第１センサ（７１）によって検出された第１状態値に基づき、第１バルブ（４１）の開閉を制御する制御装置（１００）とを備える。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】