JP2002174166A - 粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービン - Google Patents
粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービンInfo
- Publication number
- JP2002174166A JP2002174166A JP2000372677A JP2000372677A JP2002174166A JP 2002174166 A JP2002174166 A JP 2002174166A JP 2000372677 A JP2000372677 A JP 2000372677A JP 2000372677 A JP2000372677 A JP 2000372677A JP 2002174166 A JP2002174166 A JP 2002174166A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- turbine
- viscous
- impulse
- solar
- combined
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
- Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】従来の蒸気タービンをスケールダウンして太陽
エネルギーなどの自然エネルギーを利用したランキンシ
ステムに採用しても、分散型のエネルギーシステムとし
ての利用を考えているために小出力で同等の効率は期待
できない上、大幅なコストダウンも不可能である。 【解決の手段】単純な形状で衝動エレメントを有する多
数枚の薄いディスクを稠密に重ね合わせ、そのディスク
間隙にピンポイントでパルス的に蒸気を噴射することに
よって、太陽エネルギーからふんだんに得られる温度範
囲下で稼働する粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービ
ンを廉価に提供できる。
エネルギーなどの自然エネルギーを利用したランキンシ
ステムに採用しても、分散型のエネルギーシステムとし
ての利用を考えているために小出力で同等の効率は期待
できない上、大幅なコストダウンも不可能である。 【解決の手段】単純な形状で衝動エレメントを有する多
数枚の薄いディスクを稠密に重ね合わせ、そのディスク
間隙にピンポイントでパルス的に蒸気を噴射することに
よって、太陽エネルギーからふんだんに得られる温度範
囲下で稼働する粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービ
ンを廉価に提供できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、エネルギー密度
が小さく、ポテンシャル差が小さい太陽エネルギーなど
を利用したランキンシステムにおいて最適なスチームエ
キスパンダの役割を果たす蒸気タービンに関する。
が小さく、ポテンシャル差が小さい太陽エネルギーなど
を利用したランキンシステムにおいて最適なスチームエ
キスパンダの役割を果たす蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の大規模ランキンシステムで用いら
れている蒸気タービンのうち速度複式衝動タービンの代
表的なものとして、カーチス−パーソンスタービンの概
略図を図１３に示す。
れている蒸気タービンのうち速度複式衝動タービンの代
表的なものとして、カーチス−パーソンスタービンの概
略図を図１３に示す。
【０００３】蒸気タービンはブレード３５のついたロー
ター３６を回転させるために、固定羽根３７（ノズル）
から蒸気を噴流させることが必要で、このノズルとブレ
ードの一組が基本的要素（一段）となる。実際のタービ
ンではこの段を数個組み合わせて用いるのが普通で、図
１４に示すようにノズルとブレードが軸方向にすべて直
径や形の異なった大変バルキーな（嵩張る）構造体とな
る。
ター３６を回転させるために、固定羽根３７（ノズル）
から蒸気を噴流させることが必要で、このノズルとブレ
ードの一組が基本的要素（一段）となる。実際のタービ
ンではこの段を数個組み合わせて用いるのが普通で、図
１４に示すようにノズルとブレードが軸方向にすべて直
径や形の異なった大変バルキーな（嵩張る）構造体とな
る。
【０００４】また、単段のタービンの代表例としてマイ
クロガスタービンなどに用いられているラジアルタービ
ンの概略図を図１４に示す。このタービンは半径流圧縮
形式のローター３６に外側の蒸気ノズル３８から切線方
向に蒸気を吹き込み、蒸気がブレードの中を中心方向に
流れて外部に出るときに角運動量の差で軸出力が得られ
る。このタービンは比較的小型で単純な形状のローター
を作ることができるが、市販されている最も小型の蒸気
タービンでも出力１００ｋW、５００万円と図体が大き
く高価なものとなる。
クロガスタービンなどに用いられているラジアルタービ
ンの概略図を図１４に示す。このタービンは半径流圧縮
形式のローター３６に外側の蒸気ノズル３８から切線方
向に蒸気を吹き込み、蒸気がブレードの中を中心方向に
流れて外部に出るときに角運動量の差で軸出力が得られ
る。このタービンは比較的小型で単純な形状のローター
を作ることができるが、市販されている最も小型の蒸気
タービンでも出力１００ｋW、５００万円と図体が大き
く高価なものとなる。
【０００５】ここで，低温度差領域で運転可能な熱機関
としてスターリングエンジンが挙げられる。図１５にス
ターリングエンジンの加熱部温度と図示出力の関係をシ
ミュレーションした結果を示した。図からわかるよう
に、本発明でターゲットとする温度範囲を含む１００〜
３００℃では出力がほとんど得られない。
としてスターリングエンジンが挙げられる。図１５にス
ターリングエンジンの加熱部温度と図示出力の関係をシ
ミュレーションした結果を示した。図からわかるよう
に、本発明でターゲットとする温度範囲を含む１００〜
３００℃では出力がほとんど得られない。
【０００６】要するに、上記の従来の技術は、そのほと
んどが化石燃料を燃焼させて得られる高温（燃焼温度１
５００℃以上、蒸気タービン入口温度で５００〜６００
℃）を基準にして設計・製作されている。しかし、化石
燃料の枯渇が問題となる２１世紀では、化石燃料基準の
従来技術ではなく、たとえば、太陽エネルギーからふん
だんに得られる温度範囲（たとえば１００〜３００℃）
のもとで稼働するエンジンが必要とされる。
んどが化石燃料を燃焼させて得られる高温（燃焼温度１
５００℃以上、蒸気タービン入口温度で５００〜６００
℃）を基準にして設計・製作されている。しかし、化石
燃料の枯渇が問題となる２１世紀では、化石燃料基準の
従来技術ではなく、たとえば、太陽エネルギーからふん
だんに得られる温度範囲（たとえば１００〜３００℃）
のもとで稼働するエンジンが必要とされる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
従来技術によれば、ソーラーランキンシステムに図１３
に示すような多段の蒸気タービンをスケールダウンして
採用したとしても、ターゲットとする出力が小さい（分
散型のエネルギーシステムとしての出力は１０〜１００
ｋWの範囲）ために同等の熱効率は期待できない。ソー
ラーコレクタで得られるエネルギーはエネルギー密度、
ポテンシャル差が小さく、高温・高圧の蒸気をふんだん
に得ることは難しい。図１６に従来のエキスパンダの運
転領域と、この発明でターゲットとする運転領域を示し
た。ターゲットとする運転領域は、従来の技術では適当
なものが見当たらない。また、従来の多段蒸気タービン
はいろいろな特性を持った、各段毎にステータ、ロータ
ーが全く異なった大きさ、形状を有しており、しかも化
石燃料を燃やして得られる高温蒸気のときのみ高効率が
得られるように設計しているために、スケールダウンし
ても大幅なコストダウンは期待できない。比較的構造が
簡単な図１４に示すようなラジアルタービンであっても
ブレード形状が複雑な上、中心部が突出した形状をして
いるために薄くしたものを大量生産して重ね合わせるこ
とは困難で、大きなコストダウンは期待できない。現
在、市販されているマイクロタービンと称するガスター
ビンは一段のラジアルタービンを採用しており、多段の
タービンと比較して熱効率はかなり低いものとなってい
る。
従来技術によれば、ソーラーランキンシステムに図１３
に示すような多段の蒸気タービンをスケールダウンして
採用したとしても、ターゲットとする出力が小さい（分
散型のエネルギーシステムとしての出力は１０〜１００
ｋWの範囲）ために同等の熱効率は期待できない。ソー
ラーコレクタで得られるエネルギーはエネルギー密度、
ポテンシャル差が小さく、高温・高圧の蒸気をふんだん
に得ることは難しい。図１６に従来のエキスパンダの運
転領域と、この発明でターゲットとする運転領域を示し
た。ターゲットとする運転領域は、従来の技術では適当
なものが見当たらない。また、従来の多段蒸気タービン
はいろいろな特性を持った、各段毎にステータ、ロータ
ーが全く異なった大きさ、形状を有しており、しかも化
石燃料を燃やして得られる高温蒸気のときのみ高効率が
得られるように設計しているために、スケールダウンし
ても大幅なコストダウンは期待できない。比較的構造が
簡単な図１４に示すようなラジアルタービンであっても
ブレード形状が複雑な上、中心部が突出した形状をして
いるために薄くしたものを大量生産して重ね合わせるこ
とは困難で、大きなコストダウンは期待できない。現
在、市販されているマイクロタービンと称するガスター
ビンは一段のラジアルタービンを採用しており、多段の
タービンと比較して熱効率はかなり低いものとなってい
る。
【０００８】そこで、この発明は、非常に単純な形状の
ローター（本発明ではディスクと呼ぶ）を稠密に多枚数
重ね合わせることによって、低温度差領域でも運転が可
能な蒸気タービンを廉価に提供することを課題とする。
ローター（本発明ではディスクと呼ぶ）を稠密に多枚数
重ね合わせることによって、低温度差領域でも運転が可
能な蒸気タービンを廉価に提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、エネルギー密度が小さく、ポ
テンシャル差も小さい太陽エネルギーなどの自然エネル
ギーを利用・変換することを目的として、多数の薄いデ
ィスクの稠密な重ね合わせを可能とすることに特徴を有
する粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービンである。
めに、請求項１の発明は、エネルギー密度が小さく、ポ
テンシャル差も小さい太陽エネルギーなどの自然エネル
ギーを利用・変換することを目的として、多数の薄いデ
ィスクの稠密な重ね合わせを可能とすることに特徴を有
する粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービンである。
【００１０】また、請求項２の発明は、粘性タービンに
おいてディスクに衝動要素を組み入れることに特徴を有
する請求項１記載の粘性・衝動複合型ソーラーパルスタ
ービンである。
おいてディスクに衝動要素を組み入れることに特徴を有
する請求項１記載の粘性・衝動複合型ソーラーパルスタ
ービンである。
【００１１】また、請求項３の発明は、粘性・衝動複合
型タービンにおいてピンポイント噴射ノズルを採用した
ことに特徴を有する請求項１記載の粘性・衝動複合型ソ
ーラーパルスタービンである。
型タービンにおいてピンポイント噴射ノズルを採用した
ことに特徴を有する請求項１記載の粘性・衝動複合型ソ
ーラーパルスタービンである。
【００１２】また、請求項４の発明は、粘性・衝動複合
型タービンにおいてパルス噴射を行うことに特徴を有す
る請求項１記載の粘性・衝動複合型ソーラーパルスター
ビンである。
型タービンにおいてパルス噴射を行うことに特徴を有す
る請求項１記載の粘性・衝動複合型ソーラーパルスター
ビンである。
【００１３】また、請求項５の発明は、コージェネレー
ション（熱電併給）としての利用が可能なことに特徴を
有する請求項１記載の粘性・衝動複合型ソーラーパルス
タービンである。
ション（熱電併給）としての利用が可能なことに特徴を
有する請求項１記載の粘性・衝動複合型ソーラーパルス
タービンである。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の請求項１に基づ
く実施形態として粘性・衝動複合型ソーラーパルスター
ビンの全体構成を示す図である。
く実施形態として粘性・衝動複合型ソーラーパルスター
ビンの全体構成を示す図である。
【００１５】粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービン
は、一般の蒸気タービンで言うところのローターに相当
するディスク１、およびノズル２が基本要素となってい
る。その他の要素としては、出力取り出しのための出力
軸３とケーシング４から構成される単純な構造となって
いる。ディスク１とケーシング４ｂで１ユニットを形成
しており、ユニット単位での多段化（カスケーディン
グ）を可能としている。ディスク１の重ね合わせ枚数
は、たとえば１００〜３００枚である。
は、一般の蒸気タービンで言うところのローターに相当
するディスク１、およびノズル２が基本要素となってい
る。その他の要素としては、出力取り出しのための出力
軸３とケーシング４から構成される単純な構造となって
いる。ディスク１とケーシング４ｂで１ユニットを形成
しており、ユニット単位での多段化（カスケーディン
グ）を可能としている。ディスク１の重ね合わせ枚数
は、たとえば１００〜３００枚である。
【００１６】蒸気取入口５より流入した蒸気は、ノズル
２から噴射された後、出力軸３に非常に狭い間隔で稠密
に取り付けられたディスク１の間を外周から軸に向かっ
て遠心力に逆らって流れ、蒸気流の粘性力と付着力によ
ってディスク１を回転させる。このとき、ディスク１に
加工が施されている衝動エレメント(以下、単にエレメ
ント７と呼ぶ)に衝突する蒸気噴流の衝動力および反動
力によって、さらに出力が増大する。そして、ディスク
１の中心部にある開口部より蒸気排出口６を通って排気
される。
２から噴射された後、出力軸３に非常に狭い間隔で稠密
に取り付けられたディスク１の間を外周から軸に向かっ
て遠心力に逆らって流れ、蒸気流の粘性力と付着力によ
ってディスク１を回転させる。このとき、ディスク１に
加工が施されている衝動エレメント(以下、単にエレメ
ント７と呼ぶ)に衝突する蒸気噴流の衝動力および反動
力によって、さらに出力が増大する。そして、ディスク
１の中心部にある開口部より蒸気排出口６を通って排気
される。
【００１７】図２は、本発明の請求項２に基づく実施形
態としてエレメント平面形状および変形例を示す図であ
る。なお、フラット形状のディスクを用いて粘性だけを
利用したタービンにテスラタービンがあるが効率が低か
った。本発明では、小エネルギー密度および小ポテンシ
ャル差のエネルギーの利用という点から、図２に示すよ
うなエレメント７を平面的にディスク７に加工を施すも
のである。エレメント７の平面形状は図２に示すような
曲線エレメント７ａだけではなく、直線エレメント７ｂ
やディンプル状エレメント７ｃなどあらゆる形状の突起
が効果的である。また、反動力も利用する７ｄなどの形
も効果的である。さらに、うず巻ポンプなどで用いられ
ているインボリュート形状７ｅも、構造が簡単・小型で
安価という点から本発明のタービンに適している。
態としてエレメント平面形状および変形例を示す図であ
る。なお、フラット形状のディスクを用いて粘性だけを
利用したタービンにテスラタービンがあるが効率が低か
った。本発明では、小エネルギー密度および小ポテンシ
ャル差のエネルギーの利用という点から、図２に示すよ
うなエレメント７を平面的にディスク７に加工を施すも
のである。エレメント７の平面形状は図２に示すような
曲線エレメント７ａだけではなく、直線エレメント７ｂ
やディンプル状エレメント７ｃなどあらゆる形状の突起
が効果的である。また、反動力も利用する７ｄなどの形
も効果的である。さらに、うず巻ポンプなどで用いられ
ているインボリュート形状７ｅも、構造が簡単・小型で
安価という点から本発明のタービンに適している。
【００１８】図３は、本発明の請求項２に基づく実施形
態としてエレメント断面形状および変形例を示す図であ
る。図２に示したエレメント７の断面形状はプレス加工
や紐出し加工による三角形状（図３（ａ））、半円形状
（図３（ｂ））および矩形形状（図３（ｃ））、さらに
は番線８をディスク１上に接着したもの（図３（ｄ））
などを含んでいる。エレメント高さδはできるだけ小さ
いほうが粘性力を複合的にうる点から良い。
態としてエレメント断面形状および変形例を示す図であ
る。図２に示したエレメント７の断面形状はプレス加工
や紐出し加工による三角形状（図３（ａ））、半円形状
（図３（ｂ））および矩形形状（図３（ｃ））、さらに
は番線８をディスク１上に接着したもの（図３（ｄ））
などを含んでいる。エレメント高さδはできるだけ小さ
いほうが粘性力を複合的にうる点から良い。
【００１９】図４は、本発明の請求項３に基づく実施形
態としてノズル口形状および変形例を示す図である。ノ
ズル２の断面形状は、一般的な蒸気タービンで用いられ
ている先細ノズル、末広ノズルおよびストレートノズル
とし、噴射角度は図２に示したエレメント形状に合わせ
て決定する。本発明ではノズル口９形状として、図４に
示すようなピンポイント形状のノズル口９ａや各種スリ
ット形状のノズル口９ｂなどを用いることにより、ディ
スク１の間隙を直噴するためにフロースルーの低減の面
から効果的であり、蒸気消費量を抑えることによって効
率の向上につながる。
態としてノズル口形状および変形例を示す図である。ノ
ズル２の断面形状は、一般的な蒸気タービンで用いられ
ている先細ノズル、末広ノズルおよびストレートノズル
とし、噴射角度は図２に示したエレメント形状に合わせ
て決定する。本発明ではノズル口９形状として、図４に
示すようなピンポイント形状のノズル口９ａや各種スリ
ット形状のノズル口９ｂなどを用いることにより、ディ
スク１の間隙を直噴するためにフロースルーの低減の面
から効果的であり、蒸気消費量を抑えることによって効
率の向上につながる。
【００２０】図５は、本発明の請求項４に基づく実施形
態としてパルス噴射機構を示す図である。図５（ａ）で
は、蒸気入口１０から流入した蒸気をモーター１１駆動
の種々の断面形状を有するシャッター１２の付いた駆動
軸１３によってパルス状に蒸気出口１４より流出する。
流出した蒸気はノズル２をとおして、タービンの回転数
に応じたパルスでディスク１に噴射される。図５（ｂ）
は、先端にインジェクターノズルがあり、ソレノイドコ
イルに電流が流れると磁力によってプランジャーが引っ
張られてこのノズルから蒸気が噴出する。これらのパル
ス噴射はエレメント７の通過に同期させることによって
出力向上が期待でき、無駄な蒸気消費を抑えることによ
って効率向上につながる。
態としてパルス噴射機構を示す図である。図５（ａ）で
は、蒸気入口１０から流入した蒸気をモーター１１駆動
の種々の断面形状を有するシャッター１２の付いた駆動
軸１３によってパルス状に蒸気出口１４より流出する。
流出した蒸気はノズル２をとおして、タービンの回転数
に応じたパルスでディスク１に噴射される。図５（ｂ）
は、先端にインジェクターノズルがあり、ソレノイドコ
イルに電流が流れると磁力によってプランジャーが引っ
張られてこのノズルから蒸気が噴出する。これらのパル
ス噴射はエレメント７の通過に同期させることによって
出力向上が期待でき、無駄な蒸気消費を抑えることによ
って効率向上につながる。
【００２１】
【実施例】図６は、本発明の実施例としてソーラーラン
キンシステムを示す図である。ソーラーランキンシステ
ムは、定置型（非追尾式複合放物面集光型：CPC）ソー
ラーコレクタ１６、潜熱エネルギー貯蔵型アキュムレー
タ１７、本発明の粘性・衝動複合型ソーラーパルスター
ビン１８の三大要素からなる。ソーラーコレクタの内部
配管スペースの表面やＣＰＣ内部の集熱管表面には太陽
電池１９が貼られており、ソーラーコレクタのハイブリ
ッド化を図っている。定置型（非追尾式複合放物面集光
型）ソーラーコレクタ１６で高温水を作り、フラッシュ
ボイラ兼蓄熱器である潜熱エネルギー貯蔵型アキュムレ
ータ１７で蓄熱し、必要に応じて蒸気を発生させて粘性
・衝動複合型ソーラーパルスタービン１８および発電機
２０によって発電を行わせるものである。排気された蒸
気はコンデンサ２１で凝縮されたのち再びアキュムレー
タ１７に戻るが、コンデンサ２１で熱交換された高温の
冷却水は冷却水ポンプ２４によって給湯や冬季の暖房に
利用することが可能で、本発明のソーラーランキンシス
テムではコージェネレーションも行える。蒸気タービン
は容積型スチームエキスパンダと違い、蒸気圧力が小さ
くても蒸気流量を増やすことにより出力を上げることが
でき、ソーラーコレクタに極端に高い集熱温度を求める
必要がないために、ソーラーランキンシステムに向いて
いる。しかも、本発明の粘性・衝動複合型ソーラーパル
スタービンは単純、小出力用、低コストという点で小規
模のソーラーランキンシステムにおいて最適である。ま
た、ディスク直径を大きくしたり、枚数を増やしたりす
ることにより容易に大規模化にも対応できる。
キンシステムを示す図である。ソーラーランキンシステ
ムは、定置型（非追尾式複合放物面集光型：CPC）ソー
ラーコレクタ１６、潜熱エネルギー貯蔵型アキュムレー
タ１７、本発明の粘性・衝動複合型ソーラーパルスター
ビン１８の三大要素からなる。ソーラーコレクタの内部
配管スペースの表面やＣＰＣ内部の集熱管表面には太陽
電池１９が貼られており、ソーラーコレクタのハイブリ
ッド化を図っている。定置型（非追尾式複合放物面集光
型）ソーラーコレクタ１６で高温水を作り、フラッシュ
ボイラ兼蓄熱器である潜熱エネルギー貯蔵型アキュムレ
ータ１７で蓄熱し、必要に応じて蒸気を発生させて粘性
・衝動複合型ソーラーパルスタービン１８および発電機
２０によって発電を行わせるものである。排気された蒸
気はコンデンサ２１で凝縮されたのち再びアキュムレー
タ１７に戻るが、コンデンサ２１で熱交換された高温の
冷却水は冷却水ポンプ２４によって給湯や冬季の暖房に
利用することが可能で、本発明のソーラーランキンシス
テムではコージェネレーションも行える。蒸気タービン
は容積型スチームエキスパンダと違い、蒸気圧力が小さ
くても蒸気流量を増やすことにより出力を上げることが
でき、ソーラーコレクタに極端に高い集熱温度を求める
必要がないために、ソーラーランキンシステムに向いて
いる。しかも、本発明の粘性・衝動複合型ソーラーパル
スタービンは単純、小出力用、低コストという点で小規
模のソーラーランキンシステムにおいて最適である。ま
た、ディスク直径を大きくしたり、枚数を増やしたりす
ることにより容易に大規模化にも対応できる。
【００２２】ここで、太陽エネルギーから電気を得る他
のシステムの代表的なものとして太陽電池が挙げられ
る。ソーラーランキンシステムが太陽電池とは全く異な
ったコンセプトである点の一つとして、夏季にほとんど
未利用となるソーラーコレクタを活用することによっ
て、システムの稼働率を向上させてトータル的にエネル
ギーの有効利用を図ることが考えられる。２つ目として
は、太陽電池が平面的な表面の１〜２層での利用しかで
きず、重ね合わせがほとんど不可能であることに対し
て、ソーラーランキンシステムに用いられる本発明の粘
性・衝動複合型ソーラーパルスタービンはカスケーディ
ングが可能である点が挙げられる。図７に粘性・衝動複
合型ソーラーパルスタービンの応用例としてカスケーデ
ィングの概念図を示す。１段目の粘性・衝動複合型ソー
ラーパルスタービンから排出される蒸気を2段目、３段
目…ｎ段目に取り込んで運転することによって効率の向
上を図ることが可能な上、最終段で完全に凝縮された温
水は暖房・給湯にも利用が可能となる。このことは、一
段のカルノーサイクルで動力化するサイクルは、その最
高、最低温度を上下温度とするカルノーサイクルの熱効
率の約１／４にしかならないのに対して、小さなカルノ
ーサイクルを無限に重ね合わせることによって理想的に
は先のカルノーサイクルの１／２の熱効率が得られるこ
とからも明らかである。
のシステムの代表的なものとして太陽電池が挙げられ
る。ソーラーランキンシステムが太陽電池とは全く異な
ったコンセプトである点の一つとして、夏季にほとんど
未利用となるソーラーコレクタを活用することによっ
て、システムの稼働率を向上させてトータル的にエネル
ギーの有効利用を図ることが考えられる。２つ目として
は、太陽電池が平面的な表面の１〜２層での利用しかで
きず、重ね合わせがほとんど不可能であることに対し
て、ソーラーランキンシステムに用いられる本発明の粘
性・衝動複合型ソーラーパルスタービンはカスケーディ
ングが可能である点が挙げられる。図７に粘性・衝動複
合型ソーラーパルスタービンの応用例としてカスケーデ
ィングの概念図を示す。１段目の粘性・衝動複合型ソー
ラーパルスタービンから排出される蒸気を2段目、３段
目…ｎ段目に取り込んで運転することによって効率の向
上を図ることが可能な上、最終段で完全に凝縮された温
水は暖房・給湯にも利用が可能となる。このことは、一
段のカルノーサイクルで動力化するサイクルは、その最
高、最低温度を上下温度とするカルノーサイクルの熱効
率の約１／４にしかならないのに対して、小さなカルノ
ーサイクルを無限に重ね合わせることによって理想的に
は先のカルノーサイクルの１／２の熱効率が得られるこ
とからも明らかである。
【００２３】図８に本発明のソーラーランキンシステム
と太陽電池の機能を比較したものを示す。多機能性とい
う面で、太陽電池がそれ自身でおもに発電のみしかでき
ないのに対して、ソーラーランキンシステムでは発電を
はじめとして給湯・暖房などのコージェネレーションの
機能やエネルギー貯蔵が可能であるために太陽のない夜
間や曇りの日にも稼働するという大きな利点を有する。
さらに、エネルギー回収装置やボトミングサイクルとし
ての利用、燃料電池などとの組み合わせが可能であり、
またエネルギー源の多様性等の特徴を有する。加えて、
地熱、海洋温度差、ポンプ、水車、風車、吸収冷凍機お
よびデシカントクーリングの熱源などの広い応用範囲が
考えられる。
と太陽電池の機能を比較したものを示す。多機能性とい
う面で、太陽電池がそれ自身でおもに発電のみしかでき
ないのに対して、ソーラーランキンシステムでは発電を
はじめとして給湯・暖房などのコージェネレーションの
機能やエネルギー貯蔵が可能であるために太陽のない夜
間や曇りの日にも稼働するという大きな利点を有する。
さらに、エネルギー回収装置やボトミングサイクルとし
ての利用、燃料電池などとの組み合わせが可能であり、
またエネルギー源の多様性等の特徴を有する。加えて、
地熱、海洋温度差、ポンプ、水車、風車、吸収冷凍機お
よびデシカントクーリングの熱源などの広い応用範囲が
考えられる。
【００２４】他の実施例として、図９に粘性・衝動複合
型ポンプの実施形態を示した。本発明の粘性・衝動複合
型ソーラーパルスタービンで用いられていたディスクと
同様のディスク１をケーシング２５の密閉空間内でモー
ター２６により回転させることによって、ディスク１と
流体の粘性力およびエレメント7による衝動力によって
吸込口２７より新しい流体を汲み上げて吐出口２８より
吐き出す。この場合も、ディスク１の大量生産によるコ
ストダウンが期待でき、最適設計が容易となる。
型ポンプの実施形態を示した。本発明の粘性・衝動複合
型ソーラーパルスタービンで用いられていたディスクと
同様のディスク１をケーシング２５の密閉空間内でモー
ター２６により回転させることによって、ディスク１と
流体の粘性力およびエレメント7による衝動力によって
吸込口２７より新しい流体を汲み上げて吐出口２８より
吐き出す。この場合も、ディスク１の大量生産によるコ
ストダウンが期待でき、最適設計が容易となる。
【００２５】また、他の実施例として、図１０に粘性・
衝動複合型ウォータータービンの実施形態を示した。蓄
熱槽３０を有する開放系のソーラーコレクタループなど
において、還管に本発明の粘性・衝動複合型タービン１
８を取り付けることによって、自由落下してくる温水に
よってタービン１８を運転して発電を行うことができ
る。これによっても，ソーラーコレクタループのトータ
ル的な効率の向上が期待できる。
衝動複合型ウォータータービンの実施形態を示した。蓄
熱槽３０を有する開放系のソーラーコレクタループなど
において、還管に本発明の粘性・衝動複合型タービン１
８を取り付けることによって、自由落下してくる温水に
よってタービン１８を運転して発電を行うことができ
る。これによっても，ソーラーコレクタループのトータ
ル的な効率の向上が期待できる。
【００２６】さらに、他の実施例として、図１１に粘性
・衝動複合型ソーラーパルスタービンを用いたヒートポ
ンプシステムの実施形態を示した。自然エネルギーを熱
源としてシステム全体の成績係数（COP）を向上させる
ことを目的とするヒートポンプシステムにおいて、ヒー
トポンプ３２のコンプレッサー動力源に本発明の粘性・
衝動複合型タービン１８を利用することによって、さら
にCOPの向上が期待できる。
・衝動複合型ソーラーパルスタービンを用いたヒートポ
ンプシステムの実施形態を示した。自然エネルギーを熱
源としてシステム全体の成績係数（COP）を向上させる
ことを目的とするヒートポンプシステムにおいて、ヒー
トポンプ３２のコンプレッサー動力源に本発明の粘性・
衝動複合型タービン１８を利用することによって、さら
にCOPの向上が期待できる。
【００２７】
【発明の効果】図１２にディスク枚数に対する最大出力
の関係を示す。図１２より、最大出力はディスク枚数に
対してリニアに増加しており、本発明の請求項１に基づ
く重ね合わせによる効果は明らかである。
の関係を示す。図１２より、最大出力はディスク枚数に
対してリニアに増加しており、本発明の請求項１に基づ
く重ね合わせによる効果は明らかである。
【００２８】本発明の効果として、総合発電効率でも太
陽電池以上の効率（約２０％）が得られるものと期待で
きる。また、凝縮水（温水）を利用したコージェネレー
ション利用では、総合効率は６０〜８０％になる。本発
明の最大の効果は、温度差の小さなエネルギーを利用・
変換するために効果的である“単純・重ね合わせ・繰り
返し”の技術を、粘性・衝動複合型ソーラーパルスター
ビンに組み入れて実現可能にした点である。何故このよ
うな“単純・重ね合わせ・繰り返し”のコンセプトに立
脚するのか以下に説明する。まず、化石燃料や核燃料な
どのいわゆる燃料資源（燃料エネルギー）は有限である
ため、効率は最も重要な要件となる。そのため、現在の
スチームタービンは効率改善のためのあらゆる努力がな
され、一見、芸術品のように精巧に造られている。これ
は、化石燃料を使う限りにおいて正しい方向である。し
かし、太陽エネルギーなどの自然エネルギー（環境エネ
ルギー）は、無尽蔵で広く分布するが、エネルギー密度
が極めて小さく、間欠性を有する。そのため何よりも量
を集めることが第一の要件となる。たとえ効率が良くて
も、少量では役に立たない。量を集めるためには、広大
な面積、大きな設備、多量の材料などを必要とするた
め、材料・物質消費を最小限に抑えて、大量に生産でき
る構造が何よりも緊要となる。このため、“単純・重ね
合わせ・繰り返し”がコストとエネルギー変換の両面か
ら最も重要なコンセプトとなる。
陽電池以上の効率（約２０％）が得られるものと期待で
きる。また、凝縮水（温水）を利用したコージェネレー
ション利用では、総合効率は６０〜８０％になる。本発
明の最大の効果は、温度差の小さなエネルギーを利用・
変換するために効果的である“単純・重ね合わせ・繰り
返し”の技術を、粘性・衝動複合型ソーラーパルスター
ビンに組み入れて実現可能にした点である。何故このよ
うな“単純・重ね合わせ・繰り返し”のコンセプトに立
脚するのか以下に説明する。まず、化石燃料や核燃料な
どのいわゆる燃料資源（燃料エネルギー）は有限である
ため、効率は最も重要な要件となる。そのため、現在の
スチームタービンは効率改善のためのあらゆる努力がな
され、一見、芸術品のように精巧に造られている。これ
は、化石燃料を使う限りにおいて正しい方向である。し
かし、太陽エネルギーなどの自然エネルギー（環境エネ
ルギー）は、無尽蔵で広く分布するが、エネルギー密度
が極めて小さく、間欠性を有する。そのため何よりも量
を集めることが第一の要件となる。たとえ効率が良くて
も、少量では役に立たない。量を集めるためには、広大
な面積、大きな設備、多量の材料などを必要とするた
め、材料・物質消費を最小限に抑えて、大量に生産でき
る構造が何よりも緊要となる。このため、“単純・重ね
合わせ・繰り返し”がコストとエネルギー変換の両面か
ら最も重要なコンセプトとなる。
【図１】本発明の請求項1に基づく一実施形態を示した
粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービンの全体構成を
示す説明図である。
粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービンの全体構成を
示す説明図である。
【図２】本発明の請求項２に基づく一実施形態を示した
エレメント平面形状および変形例を示す図である。
エレメント平面形状および変形例を示す図である。
【図３】本発明の請求項２に基づく一実施形態を示した
エレメント断面形状および変形例を示す図である。
エレメント断面形状および変形例を示す図である。
【図４】本発明の請求項３に基づく一実施形態を示した
ノズル口形状および変形例を示す図である。
ノズル口形状および変形例を示す図である。
【図５】本発明の請求項４に基づく一実施形態を示した
パルス噴射機構の構成を示す説明図である。
パルス噴射機構の構成を示す説明図である。
【図６】本発明の応用例としてソーラーランキンシステ
ムに用いる粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービンの
実施例を示す説明図である。
ムに用いる粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービンの
実施例を示す説明図である。
【図７】本発明の応用例として粘性・衝動複合型ソーラ
ーパルスタービンのカスケーディングを示す図である。
ーパルスタービンのカスケーディングを示す図である。
【図８】本発明のシステムと太陽電池の機能比較を示す
図である。
図である。
【図９】他の一実施形態として粘性・衝動複合型ポンプ
の全体構成を示す説明図である。
の全体構成を示す説明図である。
【図１０】他の一実施形態として粘性・衝動複合型ウォ
ータータービンを示す説明図である。
ータータービンを示す説明図である。
【図１１】他の一実施形態として粘性・衝動複合型ソー
ラーパルスタービンをヒートポンプシステムに応用した
例を示す図である。
ラーパルスタービンをヒートポンプシステムに応用した
例を示す図である。
【図１２】本発明の粘性・衝動複合型ソーラーパルスタ
ービンのディスク枚数の効果を示した図である。
ービンのディスク枚数の効果を示した図である。
【図１３】従来技術を示す速度複式衝動タービンの概略
図である。
図である。
【図１４】従来技術を示すラジアルタービンの概略図で
ある。
ある。
【図１５】従来技術のスターリングエンジンの熱源温度
と出力の関係を示す図である。
と出力の関係を示す図である。
【図１６】従来技術の各エキスパンダの運転領域と本発
明でターゲットとする運転領域を示した図である。
明でターゲットとする運転領域を示した図である。
１ ディスク ２ ノズル ３ 出力軸 ４ タービンケーシング ４ａ ケーシング上蓋 ４ｂ ケーシング胴 ４ｃ ケーシング底蓋 ５ 蒸気取入口 ６ 蒸気排出口 ７ 衝動エレメント ７ａ 曲線エレメント ７ｂ 直線エレメント ７ｃ ディンプル状エレメント ８ 番線 ９ ノズル口 ９ａ ピンポイント形状ノズル口 ９ｂ スリット形状ノズル口 １０ 蒸気入口 １１ モーター １２ シャッター １３ 駆動軸 １４ 蒸気出口 １５ インジェクター １６ 定置型（非追尾式複合放物面集光型：ＣＰＣ）ソ
ーラーコレクタ １７ 潜熱エネルギー貯蔵型アキュムレータ １８ 粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービン １９ 太陽電池パネル ２０ 発電機 ２１ コンデンサ ２２ 循環ポンプ ２３ 給水ポンプ ２４ 冷却水ポンプ ２５ ポンプケーシング ２６ ポンプ用モーター ２７ 吸込口 ２８ 吐出口 ２９ マグネット ３０ 蓄熱槽 ３１ ソーラーコレクタポンプ ３２ ヒートポンプ ３３ スカイラジエータ（放射冷却器） ３４ スカイラジエータポンプ ３５ ブレード ３６ ローター ３７ 固定羽根 ３８ 蒸気ノズル
ーラーコレクタ １７ 潜熱エネルギー貯蔵型アキュムレータ １８ 粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービン １９ 太陽電池パネル ２０ 発電機 ２１ コンデンサ ２２ 循環ポンプ ２３ 給水ポンプ ２４ 冷却水ポンプ ２５ ポンプケーシング ２６ ポンプ用モーター ２７ 吸込口 ２８ 吐出口 ２９ マグネット ３０ 蓄熱槽 ３１ ソーラーコレクタポンプ ３２ ヒートポンプ ３３ スカイラジエータ（放射冷却器） ３４ スカイラジエータポンプ ３５ ブレード ３６ ローター ３７ 固定羽根 ３８ 蒸気ノズル
Claims (5)
- 【請求項１】 エネルギー密度が小さく、ポテンシャル
差も小さい太陽エネルギーなどの自然エネルギーを利用
・変換することを目的として、多数の薄いディスクの稠
密な重ね合わせを可能とすることに特徴を有する粘性・
衝動複合型ソーラーパルスタービン。 - 【請求項２】 粘性タービンにおいてディスクに衝動要
素を組み入れることに特徴を有する請求項１記載の粘性
・衝動複合型ソーラーパルスタービン。 - 【請求項３】 粘性・衝動複合型タービンにおいてピン
ポイント噴射ノズルを採用したことに特徴を有する請求
項１記載の粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービン。 - 【請求項４】 粘性・衝動複合型タービンにおいてパル
ス噴射を行うことに特徴を有する請求項１記載の粘性・
衝動複合型ソーラーパルスタービン。 - 【請求項５】 コージェネレーション（熱電併給）とし
ての利用が可能なことに特徴を有する請求項１記載の粘
性・衝動複合型ソーラーパルスタービン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000372677A JP2002174166A (ja) | 2000-12-07 | 2000-12-07 | 粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000372677A JP2002174166A (ja) | 2000-12-07 | 2000-12-07 | 粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービン |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002174166A true JP2002174166A (ja) | 2002-06-21 |
Family
ID=18842177
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000372677A Pending JP2002174166A (ja) | 2000-12-07 | 2000-12-07 | 粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002174166A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007117056A1 (en) * | 2006-04-10 | 2007-10-18 | Nam-Sik Ju | Centripetal turbine |
| WO2010061659A1 (ja) * | 2008-11-28 | 2010-06-03 | 株式会社 マック | タービン用羽根車 |
| JP2011530027A (ja) * | 2008-07-08 | 2011-12-15 | ヴァーレ ソルソンス エーエミ エネルジア エスィ．アー． | 複合サイクルエネルギー生成システム |
| WO2012030052A3 (ko) * | 2010-08-31 | 2012-04-26 | 주식회사 에이치케이터빈 | 반작용식 터빈 |
| WO2013177706A1 (en) * | 2012-05-28 | 2013-12-05 | Worldiscoveries | Mechanism for enhanced energy extraction and cooling pressurized gas |
| US10495353B2 (en) | 2012-05-28 | 2019-12-03 | The University Of Western Ontario | Mechanism for enhanced energy extraction and cooling of pressurized gas at low flow rates |
| CN110685876A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-01-14 | 诸暨咯星新能源科技有限公司 | 一种基于太阳能的具有防过载保护的动力装置 |
| WO2023022300A1 (ko) * | 2021-08-20 | 2023-02-23 | 유성훈 | 디스크형 터빈 증기 원동소 |
-
2000
- 2000-12-07 JP JP2000372677A patent/JP2002174166A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007117056A1 (en) * | 2006-04-10 | 2007-10-18 | Nam-Sik Ju | Centripetal turbine |
| JP2011530027A (ja) * | 2008-07-08 | 2011-12-15 | ヴァーレ ソルソンス エーエミ エネルジア エスィ．アー． | 複合サイクルエネルギー生成システム |
| WO2010061659A1 (ja) * | 2008-11-28 | 2010-06-03 | 株式会社 マック | タービン用羽根車 |
| KR101043350B1 (ko) | 2008-11-28 | 2011-06-22 | 가부시키가이샤 맛쿠 | 터빈용 임펠러 |
| EP2357320A1 (en) * | 2008-11-28 | 2011-08-17 | Mac Co., Ltd. | Impeller for turbine |
| EP2357320A4 (en) * | 2008-11-28 | 2012-04-11 | Mac Co Ltd | WHEEL FOR TURBINE |
| WO2012030052A3 (ko) * | 2010-08-31 | 2012-04-26 | 주식회사 에이치케이터빈 | 반작용식 터빈 |
| CN103201459A (zh) * | 2010-08-31 | 2013-07-10 | Hk轮机有限公司 | 反作用式涡轮机 |
| WO2013177706A1 (en) * | 2012-05-28 | 2013-12-05 | Worldiscoveries | Mechanism for enhanced energy extraction and cooling pressurized gas |
| US10495353B2 (en) | 2012-05-28 | 2019-12-03 | The University Of Western Ontario | Mechanism for enhanced energy extraction and cooling of pressurized gas at low flow rates |
| CN110685876A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-01-14 | 诸暨咯星新能源科技有限公司 | 一种基于太阳能的具有防过载保护的动力装置 |
| WO2023022300A1 (ko) * | 2021-08-20 | 2023-02-23 | 유성훈 | 디스크형 터빈 증기 원동소 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Saitoh et al. | Solar Rankine cycle system using scroll expander | |
| US8739533B2 (en) | Solar augmented wind turbine for stable and dispatchable utility scale power generation | |
| US6295803B1 (en) | Gas turbine cooling system | |
| US20120096830A1 (en) | Turbine and method thereof | |
| CN101725488A (zh) | 热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法 | |
| CN101915133A (zh) | 一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置及方法 | |
| ES2806730T3 (es) | Sistema de conversión de energía de accionamiento directo para turbinas eólicas compatibles con almacenamiento de energía | |
| JP2002174166A (ja) | 粘性・衝動複合型ソーラーパルスタービン | |
| US11319813B2 (en) | Tapering spiral gas turbine with polygon electric generator for combined cooling, heating, power, pressure, work, and water | |
| WO2017134481A1 (en) | A tapering spiral gas turbine for combined cooling, heating, power, pressure, work and water | |
| US20130269331A1 (en) | Compressed gas energy storage system | |
| JP2003227315A (ja) | ソーラーオーガニックランキンサイクル（ｏｒｃ）システム | |
| US10228125B2 (en) | System for generating electrical power from low temperature steam | |
| CN208347995U (zh) | 基于气液两相集热器的太阳能复叠有机朗肯循环发电系统 | |
| CN204003270U (zh) | 地热风能发电机 | |
| Singh et al. | Study of the influence of vane angle on shaft output of a multivane air turbine | |
| WO2016137442A1 (en) | A turbine and method of making and using the same | |
| US20040154299A1 (en) | Micro solar thermal power system | |
| CN108506177A (zh) | 基于气液两相集热器的太阳能复叠有机朗肯循环发电系统 | |
| KR20150062027A (ko) | 하이브리드 터빈 발전 시스템 | |
| Hoque et al. | Concentrating Solar Powered Transcritical CO 2 Power Generation Cycle for the Union Territory of Ladakh, India | |
| WO2020107915A1 (zh) | 一种耗材不花钱但能输出能量的机器 | |
| JP2001248539A (ja) | 容積型ソーラー低温度差エンジンシステム | |
| JP2004278335A (ja) | マイクロ／ナノディスクタービン | |
| WO2013064858A1 (en) | Method and apparatus for converting heat energy into mechanical energy |