JP2004232571A

JP2004232571A - 多種・多重サイクル発電システム

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Publication number: JP2004232571A
Application number: JP2003023159A
Authority: JP
Inventors: Takeo Saito; 武雄齋藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】従来技術の集中型発電システムで、一般家庭や施設向けの分散型電源としての小規模発電システムを構築しようとすると、装置が複雑すぎるため、サイズ効果によりコストが大きくなり、また、熱効率および蒸気消費率（Ｓｔｅａｍｒａｔｅ）が著しく悪くなるという点である。
【解決手段】本発明では、「重ね合わせのコンセプト」に基づいて多種・多重の熱力学サイクルを段階的に重畳することにより、エネルギーのカスケード利用が可能となり、出力が小さい分散型システムにおいても熱効率（あるいは、燃料または蒸気消費率）を格段に向上することが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、エネルギーの高効率利用および発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化などの環境問題や人口増加による化石燃料枯渇の問題が顕在化したことにより、二酸化炭素（ＣＯ２）を極力排出しないエネルギーシステムや水素燃料に転換したシステムが求められている。また、同時に、化石燃料を用いた場合は、その効率を格段に向上させるシステムが求められている。
【０００３】
さらに、これまでの大型発電所などの集中型システムに替わり、将来の一般家庭、スーパーマーケット、ホテル、病院、公共施設などでは、その場でエネルギーを生産する分散型システムが重要になってきた。
【０００４】
しかしながら、１００万ｋＷ級の大型タービンシステムの構造をそのままに小型化すると、サイズ効果（Ｓｉｚｅ−ｅｆｆｅｃｔ）により、そのコストは数百倍かかるという大きな問題がある。また、小型化すると、たとえば蒸気消費率（Ｓｔｅａｍｒａｔｅ）は１０倍も大きくなる（１００万ｋＷと３ｋＷの比較で）という重大な問題がある。
【０００５】
その証左として、市場に出回っているマイクロガスタービン（３０ｋＷ）の効率は約２０％である。これに対して、水素燃料としたガスタービンサイクルとランキンサイクルの複合サイクル（Ｇｒａｔｚサイクル）の熱効率は約５８％である。このように、２０世紀に巨大化したエネルギー変換システムは２１世紀には適合しないシステムとなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来技術の集中型発電システムで、一般家庭や施設向けの小規模分散型電源としての発電システムを構築しようとすると、装置が複雑すぎるため、サイズ効果によりコストが大きくなり、また、熱効率および蒸気消費率（Ｓｔｅａｍｒａｔｅ）が著しく悪くなるという点である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、請求項１の発明は、最上位の発電サイクルとして、化石燃料、合成燃料、水素、バイオガスなどの燃焼熱を高温熱源とするガスタービンサイクル（ブレイトンサイクル）を用い、次いでガスタービンサイクルの排熱を高温熱源とする水蒸気発電サイクル（ランキンサイクル）を用い、さらに水蒸気発電サイクルの排熱を高温熱源とする有機媒体発電サイクル（オーガニックランキンサイクル）を用い、その後、有機媒体発電サイクルの排熱を冷・暖房および給湯の熱源に利用することによって、最上位において投入されるエネルギーを多種・多重のサイクルによって段階的に回収し、高効率に利用するという特徴を有する多種・多重サイクル発電システムである。
【０００８】
また、請求項２の発明は、太陽エネルギー、地熱、風力エネルギーなどの様々な再生可能エネルギーや、工場排熱、エンジン排熱、ゴミ焼却炉からの排熱、燃料電池の排熱などによって得られる熱源を、熱源の温度域に相当する段階で投入することを特徴とする請求項１記載の多種・多重サイクル発電システムである。
【０００９】
さらに、請求項３の発明は、「重ね合わせのコンセプト（ＣｏｎｃｅｐｔｏｆＳｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）」に基づいて、同じ形状の薄いディスクを多数重ね合わせることによって構成されたタービンまたは膨張機を構成要素とした請求項１記載の多種・多重サイクル発電システムである。このように「重ね合わせのコンセプト」に基づけば、極めて廉価に多種・多重の熱力学サイクルを重畳することができるため、サイズ効果やコストの壁を克服することができる。また、発電効率のみを比較しても、現在の太陽電池の効率の３〜５倍優れている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、多種・多重サイクル発電システムの実施形態を示す図である。
【００１１】
図１の実施形態では、まず、水素、メタン、アルコール系燃料、バイオ燃料、化石燃料などの燃料（Ｆｕｅｌ）の燃焼熱を高温熱源（Ｔ１）とするガスタービン発電サイクル（以下、ＧＴ）を形成する。ＧＴ内において、タービンは「重ね合わせのコンセプト」に基づいて、ＧＴ１、ＧＴ２、ＧＴ３・・・のように多段化され、カスケード的に出力を得ることにより、ＧＴ全体としてＰ１２の出力を発生する。
【００１２】
ＧＴの低温熱源側では、ＧＴの排熱（温度Ｔ２）の冷却媒体として水を用いて高温高圧の水蒸気を製造する。この高温高圧の水蒸気を利用して水蒸気タービン発電サイクル（以下、ＳＴ）を形成する。ＳＴ内において、ＧＴと同様にタービンは「重ね合わせのコンセプト」に基づいて、ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３・・・のように多段化され、カスケード的に出力を得ることにより、ＳＴ全体としてＰ２３の出力を発生する。
【００１３】
ＳＴの低温熱源側では、ＳＴの排熱（温度Ｔ３）の冷却媒体として、水よりも沸点の低い有機熱媒体（Ｏｒｇａｎｉｃｗｏｒｋｉｎｇｆｌｕｉｄ）を用いて蒸気を製造し、この蒸気を利用して有機熱媒体用の膨張機（以下，ＯＲＣ膨張機）により出力を得る有機熱媒体発電サイクル（以下、ＯＲＣ）を形成する。ＳＴ内においても、ＧＴおよびＳＴと同様にタービンは「重ね合わせのコンセプト」に基づいて、ＯＲＣ１、ＯＲＣ２、ＯＲＣ３・・・のように多段化され、カスケード的に出力を得ることにより、ＯＲＣ全体としてＰ３４の出力を発生する。
【００１４】
ＯＲＣの低温熱源側では、ＯＲＣの排熱（温度Ｔ４）を水や他の熱媒体によって冷却し、排熱を回収して暖・冷房および給湯負荷（以下、ＳＨ／ＤＨＷ）に利用する。最終的に温度Ｔ５の排熱が排出される。
【００１５】
このように本発明では、最初に投入される燃料の燃焼熱（温度Ｔ１）をＧＴ、ＳＴ、ＯＲＣ、ＳＨ／ＤＨＷのように多種・多重サイクルを形成することによってエネルギーを段階的にカスケード利用することによって、サイクル毎にＰ１２、Ｐ２３、Ｐ３４、Ｐ４５の出力が得られ、入力したエネルギーの約８０％を発電および暖・冷房、給湯に利用することが可能となる。発電効率のみをとっても約６０％と将来の燃料電池（３５〜３８％）、太陽電池（６〜８％）を凌駕する。
【００１６】
さらに本発明では、積極的な導入が求められている太陽エネルギー、地中熱、風力エネルギー、海洋温度差などの再生可能エネルギーや工場排熱、エンジン排熱、ゴミ焼却炉からの排熱、燃料電池の排熱などの諸排熱によって得られる熱源を、その温度域に相当するサイクルの段階で投入することが可能となる。
【００１７】
図２は、多種・多重サイクル発電システムのＴ−ｓ線図（温度―エントロピ線図）による説明図である。Ｔ１およびＴ５をそれぞれ高温熱源、低温熱源とする系から最大限の出力を得るにはサイクルＢＡＣを実現すれば良いが、このようなサイクルは単一サイクルでは事実上不可能である。そこで本発明では、高温域から順にＧＴ（ＧＴ１、ＧＴ２、ＧＴ３・・・）、ＳＴ（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３・・・）、ＯＲＣ（ＯＲＣ１、ＯＲＣ２、ＯＲＣ３・・・）のように多種・多段にサイクルを複合的に形成することによって、各サイクルのＴ−ｓ線図に囲まれた面積に相当する出力Ｐ１２、Ｐ２３、Ｐ３４さらにＰ４５をＳＨ／ＤＨＷとして利用することによって、理想的なサイクルに近づけることができる。つまり効率良くエネルギーを回収できる。
【００１８】
なお、ＧＴはブレイトンサイクル、ＳＴは蒸気ランキンサイクル、ＯＲＣはオーガニックランキンサイクルとも言う。各サイクル内においては、さらに高効率なエネルギー回収の必要性に応じて、過熱サイクル、再熱サイクル、再生サイクル、タービンおよび膨張機の多段化を複合的に組み合わせることがある。同様に各サイクルは直列だけではなく並列に組み合わされることもある。
【００１９】
各サイクルのタービンおよびＯＲＣ膨張機としては、「重ね合わせのコンセプト（ＣｏｎｃｅｐｔｏｆＳｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）」に基づいて、同じ形状の薄いディスクを多数重ね合わせることによって構成されたタービンおよび膨張機が採用される。このように「重ね合わせのコンセプト」に基づけば、極めて廉価に多種・多重の熱力学サイクルを重畳することができるため、サイズ効果やコストの壁を克服することができる。また、発電効率のみを比較しても、現在の太陽電池の効率の３〜５倍優れている。
【００２０】
【実施例】
図３は、多種・多重サイクル発電システムの実施例を示す図である。
【００２１】
まず、圧縮機１１によって高温高圧となった空気（酸素）１３は燃焼器７において燃料１と混合され燃焼し、ガスタービン２を駆動することによって軸出力を取り出すことができる。これによって出力Ｐ１２を得る。ガスタービンサイクルＧＴでは、燃料の燃焼によって大きな出力を取り出すことができるが、排気１０の温度はガスタービンの規模にもよるが、３００℃〜８００℃といった高温排熱（Ｔ２）が出る。この排熱をアキュムレータタンクを兼ねた熱交換器８において、水蒸気タービンサイクルＳＴ側に回収する。アキュムレータタンク８で過熱された水蒸気は水蒸気タービン３において出力Ｐ２３を発生し、低温熱源側のアキュムレータタンク８で凝縮した後にポンプ９による昇圧を経て再び高温熱源側アキュムレータタンク８へと送り込まれサイクルを形成する。その後、低温熱源側のアキュムレータタンク８において発生する１００℃〜２００℃といった温度範囲（Ｔ３）で気化、過熱される最適な有機熱媒体を循環することにより蒸気を製造し、ＯＲＣ膨張機４によって出力Ｐ３４を得る。その後、ＯＲＣの排熱は熱交換器兼アキュムレータタンク８（Ｔ４）において冷却水６によって熱を冷却水に受け渡す。４０℃〜６０℃の温水（Ｔ５）となった冷却水６は暖・冷房および給湯５に利用される。
【００２２】
ここで、ＯＲＣ膨張機４としては、容積型膨張機および速度型膨張機が考えられる。容積型膨張機としては、スクロール式、ロータリー式（ロータリーエンジン形式含む）、レシプロ式、スクリュー式などが考えられるが、現状では効率、信頼性、小型・軽量化の観点からスクロール式が適している。また、速度型膨張機としては、従来技術のタービンに加えて、「重ね合わせの原理」に基づいた、同じ形状の薄いディスクを多数重ね合わせることによって構成されたものも用いられる。いずれにしても、低温度差において高効率で出力を取り出せる膨張機を採用する。
【００２３】
アキュムレータタンク８は、供給側の間欠性・希薄性を補うとともに、利用側の平準化を図るというメリットがあるが、供給側の温度範囲に応じた熱物性値を持つ相変化物質を用いた潜熱蓄熱材を封入することによって、より高密度のエネルギー貯蔵が可能となる。
【００２４】
さらに、各タービンおよび膨張機の出力は出力軸１４によって発電機１２に伝達され発電を行うことになるが、各タービンの出力はギヤなどの変速機構・調速機構によって最適な出力を取り出せるよう制御される。場合によっては、各タービンにおいて独立した発電機を設けて個々に発電させる場合も考えられる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、新しい概念「重ね合わせのコンセプト」に基づく本発明は、多種・多重の熱力学サイクルを段階的に重畳することによりエネルギーのカスケード利用が可能になり、出力が小さい分散型システムにおいても熱効率（あるいは、燃料または蒸気消費率）を格段に向上することが可能となる。本発明の効果は次のようなものである。
（１）従来の化石燃料を用いる機関に替わり高効率のシステムとなる。ハイブリッド車のオンボードチャージャーとして使うことにより、効率が４倍近くに達する。
（２）燃料を選ばないため、化石燃料のほか、水素、メタン、バイオマス（木質バイオを含む）などのあらゆる燃料を投入できる。
（３）ソーラー熱発電システムとして組むと、現在の太陽電池の３〜５倍の効率が得られる。また、暖房・給湯のニーズを賄える。
（４）燃料電池を本発明の蒸気サイクルの途中と連結することにより、排熱回収や発電ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多種・多重サイクル発電システムの実施形態を示す図である。
【図２】多種・多重サイクル発電システムのＴ−ｓ線図（温度―エントロピ線図）による説明図である。
【図３】多種・多重サイクル発電システムの実施例を示す図である。
【符号の説明】
１燃料
２ガスタービン
３水蒸気タービン
４ＯＲＣ膨張機
５暖・冷房、給湯
６冷却水
７燃焼器
８熱交換器兼アキュムレータタンク
９ポンプ
１０排気
１１圧縮機
１２発電機
１３空気（酸素）
１４出力軸

Claims

最上位の発電サイクルとして、化石燃料、合成燃料、水素、メタン、アルコール系燃料、バイオガスなどの燃料の燃焼熱を高温熱源とするガスタービンサイクル（ブレイトンサイクル）を用い、次いでガスタービンサイクルの排熱を高温熱源とする水蒸気発電サイクル（ランキンサイクル）を用い、さらに水蒸気発電サイクルの排熱を高温熱源とする有機媒体発電サイクル（オーガニックランキンサイクル）を用い、その後、有機媒体発電サイクルの排熱を冷・暖房および給湯の熱源に利用することによって、最上位において投入されるエネルギーを多種・多重のサイクルによって段階的に回収し、高効率に利用するという特徴を有する多種・多重サイクル発電システム。なお、ブレイトンサイクル、ランキンサイクル、およびオーガニックランキンサイクルの各サイクル内において高効率なエネルギー回収の必要性に応じて過熱サイクル、再熱サイクル、再生サイクル、膨張機の多段化を複合的に組み合わせることがある。同様に各サイクルは高効率なエネルギー回収の必要性に応じて直列だけではなく並列に組み合わされることがある。
太陽エネルギー、地熱、風力エネルギー、工場排熱、エンジン排熱、ゴミ焼却炉からの排熱、燃料電池の排熱などの様々な再生可能エネルギーや諸排熱によって得られる熱源を、その温度域に相当する段階で投入することを特徴とする請求項１記載の多種・多重サイクル発電システム。
「重ね合わせのコンセプト（ＣｏｎｃｅｐｔｏｆＳｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）」に基づいて、同じ形状の薄いディスクを多数重ね合わせることによって構成されたタービンまたは膨張機（エキスパンダ）を構成要素とした請求項１記載の多種・多重サイクル発電システム。