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プレゼンテーション概要 |
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| Ⅰ |
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Qnergyスターリングエンジン 日本での展開 |
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(株)エコステージは、日本において2016年より米国Qnergy社のフリーピストンスターリングエンジン(FPSE)
PCK80の取扱いを開始している。
PCK80エンジンは、STC社、Infinia社の技術を引き継いだFPSEで、その最高発電出力は7.5kWeである。
同エンジンを用いた発電パッケージPowerGenには0.6~5.6kWeの４種が用意されている。
米国においては、天然ガスパイプライン網や埋立て地から発生するランドフィルガス等、
各所から発生するメタン排出量を極力押さえる発電システム等として既に2000基以上の実績がある。
図Ⅰ-1には同社により行われたPCK80エンジンを用いた木質ペレット燃焼試験によるエンジンヒーター表面温度と
発電量との関係が示され、ヒーター表面温度550～560℃にて発電量7.5kWeが得られている。 |
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図Ⅰ-1 木質ペレット燃焼によるPCK80エンジンのヒーター表面温度と発電量の関係 |
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同エンジンの日本での展開例には、牛糞ペレットや乾燥牛糞による発電、木質ペレット焚きCHP、
工場排熱利用発電、廃プラ焚きCHPなどがある。図Ⅰ-2には、木質ペレットホッパー、フィーダー、
燃焼器そしてPCK80エンジンからなる木質ペレット燃焼発電システムを示す。PCK80エンジンには、
回転部がなく、メタン成分の少ないランドフィルガス等でも燃焼発電が可能であり、
ノーメンテナンスに近い運転が可能である。 |
図Ⅰ-2 PCK80エンジンを用いた木質ペレット燃焼発電システム |
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| Ⅱ |
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低温スターリングエンジンの技術開発 |
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サーモ技研（株）は、工場等からの200℃程度の未利用低温廃熱を利用して通常のスターリングエンジン(SE)
よりも低い温度で稼働するフリーピストンスターリングエンジン（FPSE）の開発を行っている。
図Ⅱ-1に示す実験機は、直径190mm×長さ395mm のFPSEである。その加熱源には蒸気、冷却源には水冷方式を採用している。
実験においては、水蒸気加熱により実用機の開発に役立てる各種基礎データを取得している。 |
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図Ⅱ-1の加熱部熱源には水蒸気発生装置で発生させた200℃の水蒸気そして冷却部には10℃の冷却水を用いている。、
本実験により、最高出力155Weが得られたが、その出力は安定せず、目標性能500Wに達していなかった。
その後、改良を加えた上で本FPSEを冷凍機として運転したところ、大幅に改善された冷凍性能が得られた。
その結果を受熱部に反映することで、目標性能を達成する見通しが立った。
今後は、さらなる改良を加えて実用に供されるFPSEの開発を目指す。 |
図Ⅱ-１ 実験用低温FPSE |
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| Ⅲ |
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ガス化炉＋30kWスターリングエンジンによるマルチバイオマスＣＨＰについて |
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(株)アップトランスは、様々なバイオマス資源（農業廃棄物、森林資源）から電気・熱・バイオ炭を創り出し、
設置地域にその価値を創造する提案をしている。
その方法は、図Ⅲ-1に示すように、バイオマス原料供給装置から炭化炉を経て得られた可燃ガスによりスターリングエンジンを稼働し、
電力を得るとともにその排熱並びに排熱ボイラーによりお湯・蒸気を供給する。
バイオマス資源は炭化炉により可燃ガスと炭を生成し、可燃ガスは燃焼熱としてスターリングエンジンの熱源になる。
また、スターリングエンジンからの排熱（燃焼排熱・冷却熱）や排熱ボイラーを利用した熱供給も行われ、温室、養殖などへの利用が想定される。 |
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図Ⅲ-1 バイオマス原料供給装置から炭化炉を経て電力・熱・炭を供給する流れ |
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使用されるスターリングエンジン（SE）を図Ⅲ-2に示す。同エンジンは
無給気潜水艦用の70kWe級SEメーカーであるスウェーデンKockums社からライセンシーを取得した同国StirlingVersal社製である。
その構造は4気筒複動型式であり、ピストンの上下動を機械的に回転運動に変換し、回転軸に装着した発電機により常用出力30kWeを得る。 |
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その寸法は1.35m×0.9m×1.0ｍ、重量は750kgである。
エンジンは、工場での廃熱及び廃棄可燃ガスの利用発電として、セメント工場、製鋼所、フェロアロイ精錬所、化学プラント、
製紙工場、石油精製所、窯炉等での利用、さらには地域暖房プラント等での利用も想定している。 |
図Ⅲ-2 StirlingVersal社製30kWeスターリングエンジン(SE) |
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| Ⅳ |
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太陽光とスターリングエンジン複合型移動式電源車の開発 |
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－ＡＩを用いた機械学習によるスターリングエンジンの温度と出力の制御－ |
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芝浦工業大学工学部電気電子工学課程・高見弘研究室では、図Ⅳ-1に示す電気制御系を用いて、
Microgenの1kWe級フリーピストンスターリングエンジン発電機（FPSEG）の運転において、
インバータを用いて印加電圧を変化させると高温部の温度と出力が電圧により変化することを実験により確認し、
熱力学系と電気系の数式モデルを導出するとともに、最適な温度と最大出力を得る最適な印加電圧の存在を見いだしている。 |
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図Ⅳ-1 FPSEGの電気制御の原理 |
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また、木質バイオマス燃料を熱源に用いる場合、供給熱量は不規則かつ変動が大きく、
特に燃料投入直後は燃焼温度が下がる性質（非最小位相系）を有するため燃料による安定な温度制御は非常に難しい。
そこで、AIによる機械学習が飛躍的に発達していることから、不確定要素の多いシステムにおいて最適な条件をAIにより予測し、
リアルタイムでの制御が可能とのことで、その成果を図Ⅳ-2に示す実験により確認している。
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図Ⅳ-1の電気制御系に基づき、AIによる機械学習を用いてFPSEGの印加電圧の調整を検討した結果を図Ⅳ-2に示す。
同図より、動的電圧調整により750We以上（平均800We）の電気出力が得られている。
今後は、FPSEGの高温部温度と電気出力を同時に最適化できるよう、機械学習により温度制御と最大発電出力制御の自動化、
長期データの収集による予測モデルの高精度化そして予測モデルの最適化のための実証試験を行う。 |
図Ⅳ-2 最適な電圧調整によるFPSEGの運転 |
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