JP2007309099A - 熱発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】復水部での冷却を、大気の自然対流により効率良く行うことができる熱発電システムを提供する。
【解決手段】熱エネルギーを吸収するコレクタによって、システム用作動媒体を加熱し、システム用作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、タービンを回転駆動させ、タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、発電させる。復水部9は、タービンを出た蒸気が通る容器またはパイプ状の復水経路15を有する。この復水経路15は、経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により経路内の蒸気を冷却する外気露出面15aを有し、かつ復水経路15の内部に冷却用作動媒体経路16を有する。この冷却用作動媒体経路16はクローズド経路であって、経路構成壁の少なくても一部に、直接に大気と触れて外気の自然対流により経路内の冷却用作動媒体が冷却される外気露出面16aを有する。
【選択図】図3
【解決手段】熱エネルギーを吸収するコレクタによって、システム用作動媒体を加熱し、システム用作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、タービンを回転駆動させ、タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、発電させる。復水部9は、タービンを出た蒸気が通る容器またはパイプ状の復水経路15を有する。この復水経路15は、経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により経路内の蒸気を冷却する外気露出面15aを有し、かつ復水経路15の内部に冷却用作動媒体経路16を有する。この冷却用作動媒体経路16はクローズド経路であって、経路構成壁の少なくても一部に、直接に大気と触れて外気の自然対流により経路内の冷却用作動媒体が冷却される外気露出面16aを有する。
【選択図】図3
Description
この発明は、太陽熱等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電システムに関する。
この種の熱発電システムの従来例として、太陽熱で作動媒体を加熱し、その作動媒体の高圧蒸気でタービンを回転駆動し、タービンの回転で発電機を発電させるようにした太陽熱発電システムが知られている(例えば特許文献1〜3)。
特開2002−242693号公報
特開2000−110515号公報
特開2003−227315号公報
このような熱サイクルによって熱発電を行う熱発電システムでは、次のような各問題があった。
・熱サイクル内のシステム用作動媒体が蒸気の状態でタービンを出るため、復水部によりシステム用作動媒体からエネルギーを奪うことでシステム用作動媒体を再び液体に戻すクローズドシステムとする必要がある。このため、復水部では大きなエネルギーが必要となる。この場合、別途電力を使って、システム用作動媒体を蒸気から液体に戻すものとすると、電力を使用する分だけシステム効率が下がってしまう。特に、熱発電システムが家屋の屋上等に設置される太陽熱発電システムである場合、熱サイクルの部分を上記したようなクローズド経路で構成することになるが、復水部についても海水などの資源を利用できないことから、システム用作動媒体の冷却を半永久的に効率良く行える構造が望まれる。
・また、上記したクローズドシステムの熱発電システムでは、タービンのノズル出口とその下流の循環ポンプとの間の圧力である復水圧力(凝縮圧力とも言う)における飽和温度が大気温度よりも低くなる条件でシステム用作動媒体を使用した場合、復水部における放熱を自然対流熱伝達で行うことができず、別途電力を使ってシステム用作動媒体を蒸気から液体に戻さなければならない。
・システム用作動媒体が循環するクローズド経路を構成するパイプとシステム作動媒体との間の熱伝達効率は、システム用作動媒体が止まっている状態に近いほど低くなるので、システム用作動媒体の流速が遅いと復水部での放熱の効率が落ちてしまう。
・復水部がシステム用作動媒体から奪った熱は大気に解放されるため、その分だけ熱損失となる。
・熱サイクル内のシステム用作動媒体が蒸気の状態でタービンを出るため、復水部によりシステム用作動媒体からエネルギーを奪うことでシステム用作動媒体を再び液体に戻すクローズドシステムとする必要がある。このため、復水部では大きなエネルギーが必要となる。この場合、別途電力を使って、システム用作動媒体を蒸気から液体に戻すものとすると、電力を使用する分だけシステム効率が下がってしまう。特に、熱発電システムが家屋の屋上等に設置される太陽熱発電システムである場合、熱サイクルの部分を上記したようなクローズド経路で構成することになるが、復水部についても海水などの資源を利用できないことから、システム用作動媒体の冷却を半永久的に効率良く行える構造が望まれる。
・また、上記したクローズドシステムの熱発電システムでは、タービンのノズル出口とその下流の循環ポンプとの間の圧力である復水圧力(凝縮圧力とも言う)における飽和温度が大気温度よりも低くなる条件でシステム用作動媒体を使用した場合、復水部における放熱を自然対流熱伝達で行うことができず、別途電力を使ってシステム用作動媒体を蒸気から液体に戻さなければならない。
・システム用作動媒体が循環するクローズド経路を構成するパイプとシステム作動媒体との間の熱伝達効率は、システム用作動媒体が止まっている状態に近いほど低くなるので、システム用作動媒体の流速が遅いと復水部での放熱の効率が落ちてしまう。
・復水部がシステム用作動媒体から奪った熱は大気に解放されるため、その分だけ熱損失となる。
この発明の目的は、タービンを出たシステム用作動媒体を蒸気から液体に戻す復水部での冷却を、大気の自然対流により効率良く行うことができる熱発電システムを提供することである。
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、クローズド経路の作動媒体経路内のシステム用作動媒体を直接にまたは熱交換器を介して加熱し、前記システム用作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルから噴出する蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させ、前記タービンを出た蒸気を復水部により再び液体に戻す熱発電システムにおいて、前記復水部は、タービンを出た蒸気が通る容器またはパイプ状の復水経路を有し、この復水経路は、経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により経路内の蒸気を冷却する外気露出面を有し、かつ前記復水経路の内部に冷却用作動媒体経路を有し、この冷却用作動媒体経路はクローズド経路であって、経路構成壁の少なくても一部に、直接に大気と触れて外気の自然対流により経路内の冷却用作動媒体が冷却される外気露出面を有するものとしたことを特徴とする。前記熱エネルギーは太陽熱であっても良い。
この構成によると、復水部では、タービンを出たシステム用作動媒体の蒸気が通る復水経路の内部にクローズド経路とされた冷却用作動媒体経路を有するので、システム用作動媒体と冷却用作動媒体経路との間で熱伝達が行われ、さらに冷却用作動媒体経路の表面とその経路内の冷却用作動媒体との間で熱伝達が行われることになり、冷却用作動媒体がシステム用作動媒体から熱エネルギーを奪う形となる。これにより、システム用作動媒体の蒸気を冷却して液化する冷却表面積が大きくなって冷却効果が向上する。
また、復水経路は、その経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により経路内のシステム用作動媒体の蒸気を冷却する外気露出面を有するので、さらに冷却表面積が大きくなり、冷却効果が向上する。
また、冷却用作動媒体経路も、その経路構成壁の少なくとも一部に、直接に大気と触れて外気の自然対流により経路内の冷却用作動媒体が冷却される外気露出面を有するので、さらに冷却効果が向上し、システム効率の向上に繋げることができる。
また、冷却用作動媒体をクローズド経路である冷却用作動媒体経路で循環させるので、家屋の屋上などに設置する場合でも廃液の心配がなく、腐食などの対策を施せば半永久的に使用できる。
その結果、タービンを出たシステム用作動媒体を蒸気から液体に戻す復水部での冷却を、大気の自然対流により効率良く行うことができる。
この構成によると、復水部では、タービンを出たシステム用作動媒体の蒸気が通る復水経路の内部にクローズド経路とされた冷却用作動媒体経路を有するので、システム用作動媒体と冷却用作動媒体経路との間で熱伝達が行われ、さらに冷却用作動媒体経路の表面とその経路内の冷却用作動媒体との間で熱伝達が行われることになり、冷却用作動媒体がシステム用作動媒体から熱エネルギーを奪う形となる。これにより、システム用作動媒体の蒸気を冷却して液化する冷却表面積が大きくなって冷却効果が向上する。
また、復水経路は、その経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により経路内のシステム用作動媒体の蒸気を冷却する外気露出面を有するので、さらに冷却表面積が大きくなり、冷却効果が向上する。
また、冷却用作動媒体経路も、その経路構成壁の少なくとも一部に、直接に大気と触れて外気の自然対流により経路内の冷却用作動媒体が冷却される外気露出面を有するので、さらに冷却効果が向上し、システム効率の向上に繋げることができる。
また、冷却用作動媒体をクローズド経路である冷却用作動媒体経路で循環させるので、家屋の屋上などに設置する場合でも廃液の心配がなく、腐食などの対策を施せば半永久的に使用できる。
その結果、タービンを出たシステム用作動媒体を蒸気から液体に戻す復水部での冷却を、大気の自然対流により効率良く行うことができる。
この発明において、前記システム用作動媒体は、復水圧力における飽和温度が大気温度以上であるものを使用しても良い。
システム用作動媒体として、復水圧力における飽和温度が大気温度以上であるものを使用すると、自然対流熱伝達で放熱することができ、別途電力を使って冷却する電力量がさらに低減され、システム効率の向上に繋がる。この場合、復水圧力における飽和温度と大気温度の差が大きいほど冷却効果が向上する。
システム用作動媒体として、復水圧力における飽和温度が大気温度以上であるものを使用すると、自然対流熱伝達で放熱することができ、別途電力を使って冷却する電力量がさらに低減され、システム効率の向上に繋がる。この場合、復水圧力における飽和温度と大気温度の差が大きいほど冷却効果が向上する。
この発明において、冷却用作動媒体経路は、ポンプ等の強制循環手段によって冷却用作動媒体を循環させるものとしても良い。
このように、冷却用作動媒体経路において、経路内の冷却用作動媒体をポンプ等の強制循環手段で循環させるものとすると、熱伝達効率が上がり冷却用作動媒体によるシステム用作動媒体の冷却効果がさらに向上する。
このように、冷却用作動媒体経路において、経路内の冷却用作動媒体をポンプ等の強制循環手段で循環させるものとすると、熱伝達効率が上がり冷却用作動媒体によるシステム用作動媒体の冷却効果がさらに向上する。
この発明において、復水部における冷却用作動媒体経路またはシステム用作動媒体経路の少なくとも一部を、前記コレクタの作動媒体を加熱する経路となる容器に接触させても良い。
このように構成した場合、復水経路内のシステム用作動媒体の蒸気から復水経路や冷却用作動媒体経路に奪われた熱エネルギーをコレクタの容器に伝達できる。これにより、コレクタの容器の温度を上昇させることができ、コレクタの容器とその内部の作動媒体経路の間で起こる放射熱伝達量を軽減させることができ、システム効率の向上に繋がる。この場合、復水経路や冷却用作動媒体経路から熱エネルギーが奪われて、冷却効果が上がるという点でも有効である。
このように構成した場合、復水経路内のシステム用作動媒体の蒸気から復水経路や冷却用作動媒体経路に奪われた熱エネルギーをコレクタの容器に伝達できる。これにより、コレクタの容器の温度を上昇させることができ、コレクタの容器とその内部の作動媒体経路の間で起こる放射熱伝達量を軽減させることができ、システム効率の向上に繋がる。この場合、復水経路や冷却用作動媒体経路から熱エネルギーが奪われて、冷却効果が上がるという点でも有効である。
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、クローズド経路の作動媒体経路内のシステム用作動媒体を直接にまたは熱交換器を介して加熱し、前記システム用作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルから噴出する蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させ、前記タービンを出た蒸気を復水部により再び液体に戻す熱発電システムにおいて、前記復水部は、タービンを出た蒸気が通る容器またはパイプ状の復水経路を有し、この復水経路は、経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により経路内の蒸気を冷却する外気露出面を有し、かつ前記復水経路の内部に冷却用作動媒体経路を有し、この冷却用作動媒体経路はクローズド経路であって、経路構成壁の少なくても一部に、直接に大気と触れて外気の自然対流により経路内の冷却用作動媒体が冷却される外気露出面を有するものとしたため、タービンを出たシステム用作動媒体を蒸気から液体に戻す復水部での冷却を、大気の自然対流により効率良く行うことができる。
この発明の一実施形態を図1ないし図5と共に説明する。この熱発電システムは、熱エネルギーである太陽熱を電気エネルギーに変換して出力する太陽熱発電システムであって、太陽光を集光して太陽熱を吸収するコレクタ1と、タービン5および発電機6を有するタービンユニット2と、コレクタ1とタービン5の間でシステム用作動媒体3を循環させるクローズド経路の作動媒体経路4とを備える。
作動媒体経路4は、前記コレクタ1で直接的に加熱されたシステム用作動媒体3の蒸気を高圧蒸気として前記タービン5に噴出させタービン5を回転駆動するノズル8と、ノズル8から噴出してタービン5の回転に使用されたシステム用作動媒体3の蒸気を液体に戻す復水部9と、液体に戻したシステム用作動媒体3をコレクタ1に循環供給するシステム用ポンプ10とを有する。
作動媒体経路4は、前記コレクタ1で直接的に加熱されたシステム用作動媒体3の蒸気を高圧蒸気として前記タービン5に噴出させタービン5を回転駆動するノズル8と、ノズル8から噴出してタービン5の回転に使用されたシステム用作動媒体3の蒸気を液体に戻す復水部9と、液体に戻したシステム用作動媒体3をコレクタ1に循環供給するシステム用ポンプ10とを有する。
図2は、前記コレクタ1の一構成例の平面図を示す。このコレクタ1は、その容器23の内部に前記作動媒体経路4の一部として集熱経路12を収容して構成され、コレクタ容器23の上面はガラス板13で覆われている。コレクタ容器23は例えばアルミニウム製とする。アルミニウムは、熱伝導率が高く、放射率も比較的低く、安価に加工できるので、前記コレクタ容器23の材料としてアルミニウムを用いるのが望ましい。集熱経路12は、太陽熱を吸収して集熱経路12内を流れるシステム用作動媒体3を加熱するものであって、蛇行状に配置された例えば銅パイプからなり、固定部材24を介してコレクタ容器23に固定される。この集熱経路12の下側にはコレクタ容器23の平面部に沿うように反射板14が配置される。反射板14は、コレクタ容器23に照射される太陽光を集熱経路12に反射させるものである。このように反射板14を用いて集光面積を大きくすることで、集熱経路12の吸収熱エネルギー密度を大きくすることができる。また、コレクタ容器23内は、図示しない真空引き手段により真空引きされる。これにより、コレクタ1内での自然対流熱伝達による熱損失が低減される。
図3は、前記復水部9の一構成例の平面図を示す。この復水部9は、前記タービン5を出たシステム用作動媒体3の蒸気が通る容器状の復水経路15の内部に冷却用作動媒体経路16の一部を収容して構成される。なお、復水経路15は、システム用作動媒体3の蒸気を輸送できるものであれば容器状のものに限らず、例えばパイプ状のものであっても良い。この復水経路15は、その経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により復水経路15内のシステム用作動媒体3の蒸気を冷却する外気露出面15aを有する。
前記冷却用作動媒体経路16はクローズド経路であって、その途中に設けられた強制循環手段である冷却用ポンプ17によって経路内の冷却用作動媒体が循環される。冷却用作動媒体はシステム用作動媒体と同一のものでも良く、異なるものでも良い。ここでは、システム用作動媒体3として、復水圧力(タービン5のノズル8出口からシステム用ポンプ10までの間の圧力で、凝縮圧力とも言う)における飽和温度が大気温度以上となるものを使用している。これにより大気によるシステム用作動媒体3の冷却が可能となる。
この冷却用作動媒体経路16の前記復水経路15の内部に収容される部分は蛇行状に配置されたパイプからなり、復水経路15の外側に配置される部分の途中に前記冷却用ポンプ17が設けられる。冷却用作動媒体経路16も、その経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により冷却作動媒体経路16内の冷却用作動媒体を冷却する外気露出面16aを有する。ここでは、冷却用作動媒体経路16における復水経路15の外側に配置される部分の経路構成壁外面が外気露出面16aとされる。
前記冷却用作動媒体経路16はクローズド経路であって、その途中に設けられた強制循環手段である冷却用ポンプ17によって経路内の冷却用作動媒体が循環される。冷却用作動媒体はシステム用作動媒体と同一のものでも良く、異なるものでも良い。ここでは、システム用作動媒体3として、復水圧力(タービン5のノズル8出口からシステム用ポンプ10までの間の圧力で、凝縮圧力とも言う)における飽和温度が大気温度以上となるものを使用している。これにより大気によるシステム用作動媒体3の冷却が可能となる。
この冷却用作動媒体経路16の前記復水経路15の内部に収容される部分は蛇行状に配置されたパイプからなり、復水経路15の外側に配置される部分の途中に前記冷却用ポンプ17が設けられる。冷却用作動媒体経路16も、その経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により冷却作動媒体経路16内の冷却用作動媒体を冷却する外気露出面16aを有する。ここでは、冷却用作動媒体経路16における復水経路15の外側に配置される部分の経路構成壁外面が外気露出面16aとされる。
なお、前記復水部9における復水経路15、あるいは冷却用作動媒体経路16は、前記コレクタ1におけるコレクタ容器23(図2)の下など、日陰や風通しの良い場所に設置するのが、システム用作動媒体3の蒸気を液化する上で好ましい。さらには、前記復水経路15や冷却用作動媒体経路16の少なくとも一部を前記コレクタ容器23に接触させても良い。この場合、復水経路15内のシステム用作動媒体の蒸気から復水経路15や冷却用作動媒体経路16に奪われた熱エネルギーをコレクタ容器23に伝達できる。これにより、復水部9での冷却効果が上がるだけでなく、コレクタ容器23の温度を上昇させることができ、コレクタ容器23とその内部の集熱経路12との間で起こる放射熱伝達量を軽減させることができる。参考として、その場合の放射熱伝達量の計算式を下記に示す。
Q1,2 =ε1 ε2 σA1 ψ1,2 (T1 4−T2 4)
ただし、Q1,2 は高温面1(この場合、コレクタ容器23内の集熱経路12)から低温面2(この場合、コレクタ容器23)へ伝熱される熱量[kcal/h]、ε1 は高温面1の放射率、ε2 は低温面2の放射率、σはステファンボルツマン係数:4.88×10-8[kcal/m2hK4 ]、ψ1,2 は高温面1の低温面2に対する形角係数、A1 は高温面1の表面積[m2 ]である。
Q1,2 =ε1 ε2 σA1 ψ1,2 (T1 4−T2 4)
ただし、Q1,2 は高温面1(この場合、コレクタ容器23内の集熱経路12)から低温面2(この場合、コレクタ容器23)へ伝熱される熱量[kcal/h]、ε1 は高温面1の放射率、ε2 は低温面2の放射率、σはステファンボルツマン係数:4.88×10-8[kcal/m2hK4 ]、ψ1,2 は高温面1の低温面2に対する形角係数、A1 は高温面1の表面積[m2 ]である。
図4はタービンユニット2の拡大断面図を示し、図5は図4におけるV−V矢視断面図を示す。タービンユニット2の発電機6は、回転部分である発電機ロータ6Aと静止部分である発電機ステータ部6Bとでなり、タービン5と発電機ロータ6Aとは主軸7で連結されている。具体的には、発電機6はアキシャルギャップ型発電機であり、主軸7に形成したフランジ部7aの周面に設けられた発電機ロータ6Aに対して、軸方向に所定のギャップを介して1対の発電機ステータ部6B,6Bが対向配置されている。これにより、タービン5におけるタービン翼車5aの回転が発電機ロータ6Aの回転となり、発電機ロータ6Aと対向して設けられた発電機ステータ部6Bで発電される。この発電はコントローラ11(図1)によって制御される。
発電機6の回転部分と静止部分との間の一部には隔壁22が設けられる。具体的には、発電機6の静止部分である発電機ステータ部6B,6Bの表面が隔壁22で被覆保護されている。このように発電機ステータ部6Bを隔壁22で被覆保護することにより、発電機ステータ部6Bにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、システム用作動媒体3である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。
発電機6の回転部分と静止部分との間の一部には隔壁22が設けられる。具体的には、発電機6の静止部分である発電機ステータ部6B,6Bの表面が隔壁22で被覆保護されている。このように発電機ステータ部6Bを隔壁22で被覆保護することにより、発電機ステータ部6Bにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、システム用作動媒体3である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。
主軸7は非接触軸受18によって回転自在に支持される。
タービン5はシステム用作動媒体3に侵されないプラスチック材料で構成される。特に、タービン5のタービン翼車5aが上記プラスチック材料で構成される。この場合のプラスチック材料としては、例えばPEEK材(ポリエーテルエーテルケトン材)等が好適である。タービン翼車5aをプラスチック材料製とした場合は、僅かな噴出力でも回転できるようになる。プラスチック材料を用いても、システム用作動媒体3に侵されない材質のものを使用することで支障が生じない。PEEK材は、耐熱性、難燃性、耐薬品性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、タービン5の材質として各種の面で優れたものとなる。
タービン5はシステム用作動媒体3に侵されないプラスチック材料で構成される。特に、タービン5のタービン翼車5aが上記プラスチック材料で構成される。この場合のプラスチック材料としては、例えばPEEK材(ポリエーテルエーテルケトン材)等が好適である。タービン翼車5aをプラスチック材料製とした場合は、僅かな噴出力でも回転できるようになる。プラスチック材料を用いても、システム用作動媒体3に侵されない材質のものを使用することで支障が生じない。PEEK材は、耐熱性、難燃性、耐薬品性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、タービン5の材質として各種の面で優れたものとなる。
タービン5の外周には円筒状のノズル部材19が設けられ、このノズル部材19にタービン翼車5aのタービン翼5aaに向けて貫通するノズル8が、周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材19の外周側には、システム用作動媒体経路4の上流部に繋がりコレクタ1で加熱されて蒸気となったシステム用作動媒体3を流入させる給気ポート20が、タービンユニット2の外周壁2aを貫通して設けられている。タービン翼車5aの一端の回転中心部には、タービン翼車5aに回転エネルギーを与えたシステム用作動媒体3の蒸気をシステム用作動媒体経路4の下流部に流出させる排気ポート21が開口させてある。
このように構成されたタービンユニット2では、給気ポート20から流入したシステム用作動媒体3の蒸気が、タービン5の外周側のノズル8からタービン翼車5aに噴射されることで、タービン翼車5aが回転駆動される。タービン翼車5aを通過したシステム用作動媒体3の蒸気は、タービン翼車5aの内周側の排気ポート21からタービンユニット2の外側に排出される。
上記構成による太陽熱発電システムの動作を説明する。作動媒体経路4内のシステム用作動媒体3はシステム用ポンプ10によってコレクタ1に送られる。コレクタ1では太陽熱を吸収し、吸収した熱エネルギーを、コレクタ容器23内の集熱経路12(図2)でシステム用作動媒体3に与えることにより、作動媒体3の蒸気圧力を高める。コレクタ1の集熱経路12で加熱された作動媒体3の高圧蒸気はノズル8を介してタービン5に噴射され、これによりタービン5が回転駆動される。タービン5の回転によって発電機ロータ6Aが回転し、発電機ロータ6Aと対向して設けられた発電機ステータ部6Bで発電される。この発電の制御はコントローラ11によって行われる。このようにして、タービン5の回転が電気エネルギーに変換される。タービン5に回転エネルギーを与えたシステム用作動媒体3は、システム用ポンプ10によって再度コレクタ1まで輸送されるが、その間に復水部9によって完全に液体に戻る。
タービン5と発電機ロータ6Aとを連結する主軸7は、非接触軸受18で回転自在に支持しているので、軸受の潤滑剤が不要となる。潤滑剤を用いないため、システム用作動媒体3としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機溶媒等を使用しても、軸受の回転自在な支持に問題が生じることはない。また、非接触軸受18で主軸7が支持されていることから、回転トルクロスが少なく、エネルギーロスを極力低減したいこのような熱発電システムでは最適となる。
図3に示すように、復水部9では、タービン5を出たシステム用作動媒体3の蒸気が通る容器状の復水経路15の内部にクローズド経路とされた冷却用作動媒体経路16が配置されているので、システム用作動媒体3と冷却用作動媒体経路16との間で熱伝達が行われ、さらに冷却用作動媒体経路16の表面とその経路内の冷却用作動媒体との間で熱伝達が行われることになり、冷却用作動媒体がシステム用作動媒体3から熱エネルギーを奪う形となる。これにより、システム用作動媒体3の蒸気を冷却して液化する冷却表面積が大きくなって冷却効果が向上する。
また、復水経路15は、その経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により経路内のシステム用作動媒体3の蒸気を冷却する外気露出面15aを有するので、さらに冷却表面積が大きくなり、冷却効果が向上する。
また、冷却用作動媒体経路16も、その経路構成壁の少なくとも一部に、直接に大気と触れて外気の自然対流により経路内の冷却用作動媒体が冷却される外気露出面16aを有するので、さらに冷却効果が向上し、別途電力を使用して冷却する電力量をそれだけ低減でき、システム効率の向上に繋げることができる。別途電力を使用することなく、システム用作動媒体3の蒸気の液化をすべて大気の自然対流による冷却で賄うことができれば、限りなく熱サイクル効率に近づけることができる。
また、冷却用作動媒体をクローズド経路である冷却用作動媒体経路16で循環させるので、家屋の屋上などに設置する場合でも廃液の心配がなく、腐食などの対策を施せば半永久的に使用できる。
また、復水経路15は、その経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により経路内のシステム用作動媒体3の蒸気を冷却する外気露出面15aを有するので、さらに冷却表面積が大きくなり、冷却効果が向上する。
また、冷却用作動媒体経路16も、その経路構成壁の少なくとも一部に、直接に大気と触れて外気の自然対流により経路内の冷却用作動媒体が冷却される外気露出面16aを有するので、さらに冷却効果が向上し、別途電力を使用して冷却する電力量をそれだけ低減でき、システム効率の向上に繋げることができる。別途電力を使用することなく、システム用作動媒体3の蒸気の液化をすべて大気の自然対流による冷却で賄うことができれば、限りなく熱サイクル効率に近づけることができる。
また、冷却用作動媒体をクローズド経路である冷却用作動媒体経路16で循環させるので、家屋の屋上などに設置する場合でも廃液の心配がなく、腐食などの対策を施せば半永久的に使用できる。
また、この実施形態では、システム用作動媒体3として、復水圧力における飽和温度が大気温度以上であるものを使用することとしているので、自然対流熱伝達で放熱することができ、別途電力を使って冷却する電力量がさらに低減され、システム効率の向上に繋がる。この場合、復水圧力における飽和温度と大気温度の差が大きいほど冷却効果が向上する。
また、この実施形態では、冷却用作動媒体経路16において、経路内の冷却用作動媒体を強制循環手段である冷却用ポンプ17により循環させるようにしているので、熱伝達効率が上がり、冷却用作動媒体によるシステム用作動媒体3の冷却効果がさらに向上する。この場合、冷却用作動媒体の流速を速くすればするほど熱伝達効率は向上する。発電機6での発電量が大きければ、冷却用ポンプ17を駆動する電力はほとんど無視できる。
また、この実施形態では、復水部9における冷却用作動媒体経路16または復水経路15の少なくとも一部を、前記コレクタ1のコレクタ容器23に接触させているので、復水経路15内のシステム用作動媒体3の蒸気から復水経路15や冷却用作動媒体経路16に奪われた熱エネルギーをコレクタ容器23に伝達できる。これにより、コレクタ容器23の温度を上昇させることができ、コレクタ容器23とその内部の集熱経路12の間で起こる放射熱伝達量を軽減させることができ、システム効率の向上に繋がる。この場合、復水経路15や冷却用作動媒体経路16から熱エネルギーが奪われて、冷却効果が上がるという点でも有効である。
なお、上記実施形態では、発電機6としてアキシャルギャップ型発電機を用いたが、ラジアルギャップ型発電機を用いても良い。また、上記実施形態の構成において、コレクタ1だけではシステム用作動媒体3の獲得する熱エネルギーが足りない場合には、作動媒体経路4におけるコレクタ1とノズル8との間に別途過熱部を設けても良い。また、大気の自然対流だけでシステム用作動媒体3の蒸気を液体に戻すことができなければ、別途復水部を設けても良い。
図6は、この発明の他の実施形態を示す。この熱発電システムは、図1の実施形態における作動媒体経路4に代えて、コレクタ1に第1のシステム用作動媒体3Aを循環させる第1の作動媒体経路4Aを設けると共に、コレクタ1によって加熱された第1のシステム用作動媒体3Aの熱量を、熱交換器25を介して第2の作動媒体経路4Bに与えることにより、第2の作動媒体経路4Bで循環する第2のシステム作動媒体3Bを間接的に加熱するようにしたものである。ノズル8、復水部9およびシステム用ポンプ10は第2の作動媒体経路4Bに設けられる。その他の構成は先の実施形態の場合と同じである。
この実施形態では、エネルギー獲得のための作動媒体3Aと、タービン駆動用の作動媒体3Bとを分離できるので、それぞれの役目に適した作動媒体を選ぶことができる。
1…コレクタ
3,3A,3B…システム用作動媒体
4,4A,4B…システム用作動媒体経路
5…タービン
6…発電機
6A…発電機ロータ
6B…発電機ステータ部
8…ノズル
9…復水部
12…集熱経路
15…復水経路
15a…外気露出面
16…冷却用作動媒体経路
16a…外気露出面
17…冷却用ポンプ(強制循環手段)
23…コレクタ容器
3,3A,3B…システム用作動媒体
4,4A,4B…システム用作動媒体経路
5…タービン
6…発電機
6A…発電機ロータ
6B…発電機ステータ部
8…ノズル
9…復水部
12…集熱経路
15…復水経路
15a…外気露出面
16…冷却用作動媒体経路
16a…外気露出面
17…冷却用ポンプ(強制循環手段)
23…コレクタ容器
Claims (5)
- 熱エネルギーを吸収するコレクタによって、クローズド経路の作動媒体経路内のシステム用作動媒体を直接にまたは熱交換器を介して加熱し、前記システム用作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルから噴出する蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させ、前記タービンを出た蒸気を復水部により再び液体に戻す熱発電システムにおいて、
前記復水部は、タービンを出た蒸気が通る容器またはパイプ状の復水経路を有し、この復水経路は、経路構成壁の外面の少なくとも一部に、直接に外気と触れて外気の自然対流により経路内の蒸気を冷却する外気露出面を有し、かつ前記復水経路の内部に冷却用作動媒体経路を有し、この冷却用作動媒体経路はクローズド経路であって、経路構成壁の少なくても一部に、直接に大気と触れて外気の自然対流により経路内の冷却用作動媒体が冷却される外気露出面を有するものとしたことを特徴とした熱発電システム。 - 請求項1において、前記システム用作動媒体は、復水圧力における飽和温度が大気温度以上であるものを使用した熱発電システム。
- 請求項1または請求項2において、冷却用作動媒体経路は、ポンプ等の強制循環手段によって冷却用作動媒体を循環させるものとした熱発電システム。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、復水部における冷却用作動媒体経路またはシステム用作動媒体経路の少なくとも一部を、前記コレクタの作動媒体を加熱する経路となる容器に接触させた熱発電システム。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、前記熱エネルギーは太陽熱である太陽熱発電システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006136023A JP2007309099A (ja) | 2006-05-16 | 2006-05-16 | 熱発電システム |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2006136023A JP2007309099A (ja) | 2006-05-16 | 2006-05-16 | 熱発電システム |
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ID=38842204
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JP2006136023A Pending JP2007309099A (ja) | 2006-05-16 | 2006-05-16 | 熱発電システム |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008025516A (ja) * | 2006-07-24 | 2008-02-07 | Naomi Kikuchi | 太陽光熱発電装置 |
JP2015502482A (ja) * | 2011-11-16 | 2015-01-22 | リュウ、ジェイソン | 空気熱エネルギーを利用して仕事、冷却、および水を出力するための低温状態エンジン |
-
2006
- 2006-05-16 JP JP2006136023A patent/JP2007309099A/ja active Pending
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JP2008025516A (ja) * | 2006-07-24 | 2008-02-07 | Naomi Kikuchi | 太陽光熱発電装置 |
JP2015502482A (ja) * | 2011-11-16 | 2015-01-22 | リュウ、ジェイソン | 空気熱エネルギーを利用して仕事、冷却、および水を出力するための低温状態エンジン |
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