JP2009156233A - スターリングエンジン発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用者のニーズに応じて発電効率及び発電出力を適正に設定することができるスターリングエンジン発電装置を提供する。
【解決手段】排ガス源１１に接続された主排ガス通路１２に第１及び第２スターリングエンジン１５，１９のヒータヘッド１６，２０を直列に接続する。前記主排ガス通路１２に第１流量調節弁２２及び燃焼装置２３を設け、前記主排ガス通路１２に対し前記ヒータヘッド１６、第１流量調節弁２２及び燃焼装置２３と並列に分岐排ガス通路２４を接続し、該分岐排ガス通路２４に第２流量調節弁２５を設ける。前記排ガス源１１から供給される排ガスの温度を燃焼装置２３によって燃焼加熱させるとともに、第１流量調節弁２２によって前記ヒータヘッド１６に供給される排ガスの流量を調節する。又、前記第２流量調節弁２５によって前記第２ヒータヘッド２０に供給される排ガスの分岐供給流量を調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として工場等で排出される高温の排ガスを発電に有効利用することができるスターリングエンジン発電装置に関する。

一般に、スターリングエンジンは、内燃機関と異なり外部から熱を供給して作動ガス（エンジン内部で膨張・収縮を行うガス）を必要な温度まで加熱することにより動作する外燃機関である。実用化に近いスターリングエンジンは定格出力を得るために、作動ガスを７００℃程度まで加熱するようにしている。スターリングエンジンにはヒータヘッド（熱交換器）があり、このヒータヘッドに高温ガスを供給することにより作動ガスを加熱する構造となっている。前記作動ガスの温度を７００℃に維持するためには、通常８５０〜１２００℃の高温ガス（供給ガス）をヒータヘッドに供給する必要がある。

発電装置に用いられるスターリングエンジンに供給される高温ガスとしては、様々なものがあるが、通常は工場又は内燃機関から排出される高温ガス（排ガス）の利用も考えられる。ところが、工場等から排出される高温ガスの温度は、多くの場合５００〜６００℃程度であり、この排ガスをスターリングエンジンに直接供給した場合の発電出力は排ガス温度が５００℃の場合、定格出力の０〜数％程度、排ガス温度が６００℃の場合、発電出力は定格出力の１０〜３０％程度であり、発電装置として実用化することは難しい。このため、５００〜６００℃程度の廃熱を必要な温度まで燃焼加熱（追い焚き）して定格出力を得る必要があり、それに必要な燃料を供給する必要がある。市販されているスターリングエンジンには、エンジンの加熱装置（ヒータヘッド）付近に燃焼器を組み込み、ガス等の燃料を燃焼させて運転するものがある。このスターリングエンジンはヒータヘッドを通過した熱で、燃焼用空気を約５００〜６００℃まで予備加熱した後、定格出力を得るのに必要な温度まで燃焼加熱することで発電効率３０％を達成するものがある。これと比較した場合、廃熱温度と予備加熱した温度はほぼ同じであるため、燃焼器付きスターリングエンジンと、５００〜６００℃の廃熱を利用して追い焚するスターリングエンジンのシステムで、同じ量の燃料を供給しなければならないため、この程度の温度の廃熱を利用するメリットが見られない。

又、バイオマス燃料等の高温ガスをスターリングエンジンに供給するシステムの場合、以下に示すように、スターリングエンジンに供給した熱量に対する発電効率（システムの発電効率）が低いことが伺える。スターリングエンジンに取り込まれた熱量に対する発電効率ηｅは、凡そ２５〜３５％である。このエンジン単体の発電効率ηｅを２５％とした場合、スターリングエンジンのヒータヘッドに温度Ｔ_１が１２００℃の排ガスを供給し、ヒータヘッドを通過した排ガスの温度Ｔ_２が７００℃である場合のシステムの発電効率ηは、１０．４％程度となる。即ち、発電効率ηは、
η＝（Ｔ_１−Ｔ_２）／Ｔ_１×ηｅ
＝（１２００−７００）／１２００×２５
＝１０．４％
以上の説明から明らかなように、スターリングエンジン発電装置で高い発電効率を得ることは難しい。

上述の燃焼加熱方式のスターリングエンジン発電システムとして、特許文献１に開示されたものが提案されている。この発電システムは作動流体を加熱する加熱装置（ヒータヘッド）を備えた複数のスターリングエンジンと、該各エンジンによって駆動される発電機とを備えている。この発電システムは、熱分解ガスを燃焼させ、前記各加熱装置に供給すべき熱ガス流を生成する燃焼装置と、前記熱ガス流の温度を可変制御する温度制御手段とを備えている。さらに、この発電システムは、前記加熱装置の下流側で前記熱ガス流の排気流量を可変制御することによって、熱ガス流の流量を制御する流量制御手段を備えている。前記各加熱装置はそれぞれ並列に配設され、前記燃焼装置から熱ガス流が各加熱装置に分岐供給されるようになっている。そして、前記各加熱装置の伝熱部と、前記熱ガス流との熱交換によって前記作動流体を加熱するように構成されている。この構成により前記各加熱装置に供給される熱ガス流の温度及び流量をそれぞれ可変制御して、発電出力を熱源側から制御し、発電システム全体の熱効率を向上するようにしている。

さらに、発電に用いられる複数のスターリングエンジンを多段化して、一基では回収し切れない熱量を、他のスターリングエンジンで有効に回収できる廃熱回収装置が特許文献２に開示されている。この廃熱回収装置は、廃熱等の熱源ガスを一方のスターリングエンジンから他方のスターリングエンジンに向けて順に通過させて加熱源として利用するようになっている。又、いずれか一つのスターリングエンジンにおけるディスプレーサピストンの行程容積とパワーピストンの行程容積との容積比を、他のスターリングエンジンにおける同じ容積比と異ならせている。そして、上流側におけるスターリングエンジンの入熱量を低下させることにより、下流側におけるスターリングエンジンの入熱量を高めることができ、それぞれのスターリングエンジンの発電効率を適切に調整することができ、結果としてトータルの発電出力を高めることができるとしている。
特開２００５−２７４１２３号公報 特開２００６−１１８４０６号公報

特許文献１に開示された発電システムは、熱ガス流の温度及び流量を制御することにより発電システム全体の熱効率を向上することができる。しかし、複数基のスターリングエンジンの各加熱装置が並列に配設されているので、各加熱装置にそれぞれ供給する熱ガス流の全体の流量が多くなり、熱ガスの排出量の少ない工場等では運転が難しいという問題が考えられる。

又、特許文献２に開示された廃熱回収装置は、一基のスターリングエンジンでは回収し切れない熱量を、他のスターリングエンジンで有効に回収できるが、複数基のスターリングエンジンのディスプレーサピストンの行程容積とパワーピストンの行程容積との容積比を相違させなければならないので、スターリングエンジンの製造が面倒であることが容易に推測できる。又、この廃熱回収装置は、熱源ガスの一つの通路に前記各スターリングエンジンの加熱部（ヒータヘッド）を所定の間隔をおいて順に配設しているだけの構成のため、各加熱部に供給される熱源ガスの温度及び流量を適正に制御することができない。従って、各スターリングエンジンにより駆動される発電機の発電出力及び発電効率をそれぞれ適正に制御することができないことが推測できる。

本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、複数基のスターリングエンジンにより駆動される発電機の発電出力及び発電効率を使用環境に応じてそれぞれ適正に制御することができるスターリングエンジン発電装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、排ガス源に接続される主排ガス通路に対し、発電機を備えた第１及び第２スターリングエンジンの両ヒータヘッドを直列に配設するとともに、前記両ヒータヘッドの上流側の主排ガス通路に第１流量調節手段及び燃焼装置を配設し、前記主排ガス通路に対し、前記第１流量調節手段及び燃焼装置の上流側の主排ガス通路と前記両ヒータヘッドの間の主排ガス通路とを接続する分岐排ガス通路を接続し、該分岐排ガス通路に第２流量調節手段を設け、前記主排ガス通路及び分岐排ガス通路に対し前記両ヒータヘッドにそれぞれ供給される排ガスの流量を検出する第１及び第２流量検出手段を設け、前記主排ガス通路に対し前記燃焼装置により燃焼加熱する前の排ガスの温度と、燃焼加熱後の温度とをそれぞれ検出する第１及び第２温度検出手段を設け、前記両流量検出手段及び両温度検出手段からの検出値に基づいて、前記両ヒータヘッドに供給される排ガスの流量及び燃焼加熱温度を調節するための制御信号を前記両流量調節手段及び燃焼装置に出力するための制御装置を設けたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記燃焼装置を第１燃焼装置とし、両スターリングエンジンのヒータヘッドの間の主排ガス通路には第２燃焼装置が設けられ、前記主排ガス通路の下流側に設けた熱交換器によって排ガスにより加熱された大気が前記両燃焼装置に燃焼用空気としてそれぞれ供給されるように構成されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記制御装置に設けられた記憶部には排ガスの流量及び温度と、発電出力及び発電効率の少なくともいずれか一方との関係を判別することができる判別用データが記憶され、前記制御装置に接続された入力装置を操作することにより表示装置の画面に表示された前記判別用データの中から使用目的に応じたデータを選択できるように構成されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記判別用データは、横軸に発電出力、縦軸に発電効率を表すグラフにおいて、第１燃焼装置により燃焼加熱された後の排ガスの複数の温度と、各温度別に排ガスの流量を段階的に変化させた場合の発電出力及び発電効率の関係が複数本の特性曲線として表示されるものであることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４において、前記判別用データは、横軸に排ガスの流量、縦軸に発電出力を表すグラフにおいて、第１燃焼装置により燃焼加熱された後の排ガスの複数の温度別に複数本の特性曲線として表示されるものであることを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項３〜５のいずれか一項において、前記判別用データは、横軸に排ガスの温度、縦軸に発電効率を表すグラフにおいて、第１及び第２スターリングエンジンの両ヒータヘッドにそれぞれ供給される排ガスの流量別の特性曲線として表示されるものであることを要旨とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項において、前記主排ガス通路には、三基以上のスターリングエンジンのヒータヘッドが順次直列に接続され、三基以降のヒータヘッドに対応して分岐排ガス通路がそれぞれ接続され、該分岐排ガス通路に流量調節弁が設けられていることを要旨とする。

本発明によれば、第１及び第２スターリングエンジンの第１及び第２ヒータヘッドにそれぞれ供給される排ガスの流量及び第１ヒータヘッドに供給される排ガスの燃焼加熱温度を調節することができる。このため二基のスターリングエンジンにより駆動される発電機の発電出力及び発電効率を使用環境に応じてそれぞれ適正に制御することができる。

以下、本発明を具体化したスターリングエンジン発電装置の一実施形態を図１〜図６に従って説明する。
鋳物の製造工場において、高温の排ガスを排出する例えば鋳造装置等の排ガス源１１には主排ガス通路１２が接続され、その下流側には排ガスを吸引するための誘引通風機１３が設けられている。前記主排ガス通路１２には第１発電機１４を備えた第１スターリングエンジン１５の第１ヒータヘッド１６が直列に接続されている。同じく前記主排ガス通路１２には第２発電機１８を備えた第２スターリングエンジン１９の第２ヒータヘッド２０が接続されている。

前記主排ガス通路１２には前記第１ヒータヘッド１６の上流側に位置するように第１流量調節手段としての電磁制御方式の第１流量調節弁２２が接続され、前記第１ヒータヘッド１６に供給される排ガスの流量を無段階に調節することができるようにしている。前記主排ガス通路１２には前記第１流量調節弁２２と前記第１ヒータヘッド１６との間に位置するように燃焼装置２３が設けられ、主排ガス通路１２内の排ガスを燃焼させて加熱し排ガスの温度を上昇させることができるようにしている。前記燃焼装置２３には前記第２ヒータヘッド２０の下流側の主排ガス通路１２に設けられた図示しない熱交換器により加熱された大気が配管を通して供給されるようになっている。この大気の供給により排ガスの燃焼に必要な酸素が供給される。

前記主排ガス通路１２には分岐排ガス通路２４が前記第１流量調節弁２２、燃焼装置２３及び第１ヒータヘッド１６と並列に接続され、前記燃焼装置２３によって燃焼加熱される前の排ガスの一部を第２ヒータヘッド２０に供給することができるようにしている。前記分岐排ガス通路２４には第２流量調節手段としての電磁制御方式の第２流量調節弁２５が接続され、前記第２ヒータヘッド２０に供給される排ガスの流量を無段階に調節することができるようにしている。

前記主排ガス通路１２にはバイパス通路２６が前記第２ヒータヘッド２０及び分岐排ガス通路２４と並列に接続され、該バイパス通路２６には電磁制御方式の第３流量調節弁２７が接続されている。そして、この第３流量調節弁２７により排ガスの供給量が多い場合に余剰の排ガスを前記第１及び第２ヒータヘッド１６，２０側に送らないようにしている。

前記主排ガス通路１２の内部には前記第１流量調節弁２２によって調節された排ガスの流量を検出するための第１流量検出手段としての第１流量センサ２８が設けられ、前記分岐排ガス通路２４の内部には前記第２流量調節弁２５によって調節された排ガスの流量を検出するための第２流量検出手段としての第２流量センサ２９が設けられている。前記主排ガス通路１２の内部には前記燃焼装置２３によって燃焼加熱される前の排ガスの元の温度を検出するための第１温度検出手段としての第１温度センサ３０が前記燃焼装置２３の上流側に位置するように設けられている。同じく主排ガス通路１２の内部には前記燃焼装置２３によって燃焼加熱された後の排ガスの温度を検出するための第２温度検出手段としての第２温度センサ３１が設けられている。

次に、図２に示すブロック回路図を用いて、スターリングエンジン発電装置の各種の動作を制御する制御システムについて説明する。
制御装置４１の内部には各種のデータに基づいて各種の演算や判断を行なうことができる中央演算処理装置（ＣＰＵ）４２が設けられ、このＣＰＵ４２には例えば制御プログラム等の各種のデータを予め記憶するためのリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）４３及び各種のデータを記憶する記憶部としての読み出し書き込み可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４４が接続されている。前記制御装置４１には図示しないインターフェースを介して各種のデータを入力したり、動作を指令したりする信号を入力するための入力装置４５が接続されるとともに、各種のデータを表示可能な表示画面４６ａを有する表示装置４６が接続されている。前記ＣＰＵ４２には最大発電効率を選択するための最大発電効率選択回路４７が備えられるとともに、最大発電出力を選択するための最大発電出力選択回路４８が備えられている。前記ＣＰＵ４２には図示しないインターフェースを介して前記第１及び第２流量センサ２８、２９、第１及び第２温度センサ３０、３１が接続され、各センサにより検出されたデータがＣＰＵ４２に入力されるようになっている。前記ＣＰＵ４２には図示しないインターフェース及び駆動回路を介して前記第１〜第３流量調節弁２２、２５、２７及び燃焼装置２３が接続され、ＣＰＵ４２からの動作制御信号により各調節弁２２、２５、２７及び燃焼装置２３の動作が制御されるようになっている。

前記ＲＡＭ４４又は図示しないハードディスク等の記憶媒体には、排ガスの温度と、排ガスの流量及び発電機１４，１８の発電出力と、前記燃焼装置２３に使用した燃料を基準とした発電効率との関係を表す各種のデータが判別用データとして予め記憶されている。この判別用データとしては、例えば図３〜図５に示すものがあり、これについて以下に説明する。

図３に示す判別用データは、横軸に発電出力をとり、縦軸に燃焼加熱用燃料を基準とした発電効率をとって、排ガスの元の温度が例えば８００℃で、前記燃焼装置２３によって燃焼加熱された温度が、例えば８５０℃、９００℃、９５０℃及び１０００℃の四段階において排ガスの流量を段階的に変化させたときの発電出力と発電効率との関係を表すものである。この図３に示す特性曲線から明らかなように、８００℃で供給された排ガスを８５０℃まで加熱した場合の発電効率が他の加熱温度よりも高くなる。そして、排ガスの流量が０．４kg／ｓの場合に、発電効率が約１１０％で最も高く、この場合の発電出力は２８ｋＷである。

又、前記ランダムアクセスメモリ４４には、図４に示すように横軸に排ガスの流量をとり、縦軸に発電出力をとり、排ガスの温度がＴ_１、Ｔ_２、Ｔ_３と段階的に変化した場合における特性曲線を表示可能なデータが記録されている。

ところで、スターリングエンジン発電装置は、前記第１ヒータヘッド１６及び第２ヒータヘッド２０に備えられたヒータチューブ１７，２１の伝熱面積が一定となっているので、図４に示すように排ガスの流量が少ない領域では、流量が増加するに伴って発電出力が上昇する。しかし、流量が多い領域では流量が増加しても、伝熱量に限界が生じて、発電出力の上昇が抑制される。排ガスの温度が高ければ高いほど発電出力は高くなるので、一般的にスターリングエンジンにおいて、排ガスの流量と発電出力の関係は図４に示すようになる。排ガスの流量及び燃焼装置２３による排ガスの温度上昇によってスターリングエンジン発電機の発電出力及び発電効率が変動するので、その原理について説明する。

図４において、排ガスの温度Ｔ_１から燃焼装置２３により温度Ｔ_２まで昇温させる場合を考えると、ケースＡとして、排ガスの流量が少ない領域のＦ_１において、燃焼装置２３によって発電出力がＷ_１からＷ_１' に上昇し、このときの燃焼装置２３による燃料消費量をｆ_１とする。このときの熱量バランスとしては、
（Ｆ_１＋ｆ_１）×Ｃｐ×（Ｔ_２−Ｔ_１）＝ｆ_１×Ｈ
Ｃｐ：定圧比熱、Ｈ：燃焼装置２３の燃料発熱量
燃焼加熱用燃料に対する発電効率η_１は、
η_１＝Ｗ_１' ／（ｆ_１×Ｈ）×１００
次に、ケースＢとして、排ガスの流量がＦ_１のｎ倍大きいＦ_２（＝Ｆ_１×ｎ）の場合を考える。このとき燃焼加熱により発電出力がＷ_２からＷ_２' へ上昇し、燃焼加熱用燃料の消費量をｆ_２とする。このときの熱量バランスとしては
（ｎ×Ｆ_１＋ｆ_２）×Ｃｐ×（Ｔ_２−Ｔ_１）＝ｆ_２×Ｈ
よって、
ｆ_２＝ｎ×ｆ_１
燃焼加熱用燃料に対する発電効率η_２は
η_２＝Ｗ_２' ／（ｎ×ｆ_１×Ｈ）×１００
となる。

このため、発電出力Ｗ_２' がＷ_１' に対してｎ倍の値を示せば発電効率としては、ケースＡと同じになるが、図４から流量が多くなると発電出力は頭打ちになるため、発電出力Ｗ_２' はＷ_１' に対しｎ倍以下となる場合が生じる。この場合はケースＡの発電効率η_１よりもケースＢの発電効率η_２が低下することになる。

以上のように、排ガスの流量が多くなると発電出力は増加するが、排ガスの流量が多い場合には燃焼加熱により発電効率が低下する場合が存在する。このため、この実施形態においては、使用者のニーズに応じて最大発電効率で運転する必要があるのか、あるいは最大発電出力で運転する必要があるのかの選択を行うことができるようにしている。そして、二基のスターリングエンジン１５，１９に対する排ガスの流量を前記第１流量調節弁２２及び第２流量調節弁２５によってそれぞれ個別に調節するとともに、燃焼装置２３による燃焼加熱温度を調節することができるようにしている。

又、前記ランダムアクセスメモリ４４には図４に示すような判別用データも記憶されている。この図４のグラフに示すように排ガスの流量、発電出力及び排ガスの温度をそれぞれ具体的な数値として表示することによって、例えば、排ガスの温度が８５０℃の場合に、排ガスの流量を０．６ｋｇ／ｓとすると、発電出力を３２ｋＷにすることが可能となり、排ガスの温度、流量及び発電出力の関係を適宜に選択設定することができる。

又、前記ランダムアクセスメモリ４４には図５に示すような判別用データも記憶されている。この図５に示す判別用データは、横軸に排ガスの温度をとり、縦軸に発電効率をとって、排ガスの流量別の発電効率の特性曲線を表すものである。図５に示す発電効率ηは、以下の式により演算されるものである。第１スターリングエンジン１５の発電量（定格出力）をＭ１、第２スターリングエンジン１９の発電量をＭ２、第１スターリングエンジン１５が定格出力となる温度まで加熱するエネルギーをＥとすると、
η＝{ 〔Ｍ１＋Ｍ２〕／Ｅ} ×１００
第１データ及び第２データは、第１スターリングエンジン１５を一台運転した場合、第３〜第８データは、第１及び第２スターリングエンジン１５，１９を共に運転した場合を表す。第２スターリングエンジン１９には前記第１ヒータヘッド１６に供給される排ガスの流量Ｑ_１６と、前記分岐排ガス通路２４を介して前記第２スターリングエンジン１９の第２ヒータヘッド２０に供給される排ガスの流量Ｑ_２０とを合わせた排ガスが供給される。

この図５から明らかなように、排ガスの温度が例えば８５０℃の場合において、第１スターリングエンジン１５が単独運転され、かつ排ガスの流量が０．２kg／ｓの第１データのとき、発電効率が５０％となり、排ガスの流量が０．６kg／ｓの第２データのとき、発電効率が５３％となっている。又、前記第１スターリングエンジン１５及び第２スターリングエンジン１９を共に運転した場合において、排ガスの流量が少なく例えば０．２kg／ｓの第３データのときは、発電効率が５８％となっており、第１スターリングエンジン１５を単体で作動させた第２データとあまり変わらないことがわかる。さらに、図５から明らかなように、第１及び第２スターリングエンジン１５，１９を併用した場合には、第１ヒータヘッド１６に供給される排ガスの前記流量Ｑ_１６と、前記第２ヒータヘッド２０に供給される排ガスの前記流量Ｑ_２０とを第４〜第８データで示すように段階的に多くすることによって、発電効率が順次高くなる傾向がある。排ガスの温度が８５０℃においては、第１スターリングエンジン１５に排ガスを０．６kg／ｓ供給し、かつ第２スターリングエンジン１９に対し排ガスを０．２kg／ｓ追加供給した第８データのとき発電効率が１０５％と最も高くなることがわかる。

図５に示す判別用データに基づいて、使用者のニーズに応じて、所望する発電効率で第１及び第２スターリングエンジン１５，１９を運転したい場合に、燃焼装置２３による燃焼加熱温度、第１及び第２流量調節弁２２，２５による排ガスの第１及び第２ヒータヘッド１６，２０へのそれぞれの流量Ｑ_１６、Ｑ_２０を判別することができる。

次に、前記のように構成されたスターリングエンジン発電装置の動作を図６のフローチャートを中心に説明する。なお、以下の動作は図２に示す制御装置４１からの制御信号により行われる。

この実施形態では、図１に示す第１及び第２スターリングエンジン１５，１９の定格作動ガス温度はそれぞれ７００℃に設定され、両エンジン１５，１９によって駆動される第１発電機１４及び第２発電機１８の定格出力がそれぞれ例えば５５ｋＷに設定されている。最初に、図６のステップＳ１，Ｓ２に示すように、排ガス源１１から供給される排ガスの温度Ｔｅ及び流量Ｑｅが第１温度センサ３０及び第１流量センサ２８により検出される。この検出された排ガス温度Ｔｅ（例えば８００℃）及び流量Ｑｅ（例えば１．５ｋｇ／ｓ）がランダムアクセスメモリ４４に記憶される。

次に、ステップＳ３に示すように、使用者によって使用環境に応じて第１及び第２発電機１４，１８の必要総発電出力Ｐが夏季では例えば７０ｋＷに、冬季では例えば５０ｋＷに設定される。この必要総発電出力Ｐが例えば７０ｋＷに設定された場合には、ステップＳ４において使用者によって発電出力を優先する発電装置の運転が選択されイエスと判断される。この場合には、前記最大発電出力選択回路４８の機能によりステップＳ５において第１発電機１４を定格出力（５５ｋＷ）で運転し、第２発電機１８を１５ｋＷ（７０ｋＷ−５５ｋＷ）で運転するデータが選択され、ＲＡＭ４４に記憶される。

前記第１発電機１４を定格出力（５５ｋＷ）で運転する場合には、元の排ガス温度Ｔｅが８００℃であるため図３のデータが用いられる。即ち、ステップＳ６において、排ガス温度Ｔｅが８００℃である場合に、前記燃焼装置２３によって８００℃から９００℃に加熱し、第１スターリングエンジン１５の第１ヒータヘッド１６に供給する排ガスの流量Ｑ_１６が、０．９kg／ｓに設定される。この設定値となるように前記最大発電出力選択回路４８からの制御信号により前記燃焼装置２３の運転及び第１流量調節弁２２の絞り量が制御される。又、第１スターリングエンジン１５のヒータヘッド１６には９００℃の排ガスが供給されるが、ヒータヘッド１６を通過し、かつヒータチューブ１７により作動ガスと熱交換された排ガスの温度は燃焼加熱前の温度よりも低く前述したエンジンの作動ガス温度（７００℃）とほぼ同じ温度に低下する。このため、ステップＳ７において、前記分岐排ガス通路２４から８００℃の温度の排ガスを第２ヒータヘッド２０に追加供給し、第２発電機１８を発電出力１５ｋＷで運転するために必要な排ガスの第２ヒータヘッド２０への分岐供給流量Ｑ_２０が判別用データに基づいて制御装置４１の最大発電出力選択回路４８によって判別される。この排ガスの流量Ｑ_２０は図４において排ガスの温度が８００℃の特性曲線に基づいて、発電出力が１５ｋＷとなる例えば排ガスの流量Ｑ_２０が０．２４Ｋｇ／ｓに設定される。

以上の設定動作が終了すると、ステップＳ８において、発電装置の運転が開始される。
一方、図６のステップＳ４で、冬季において必要総発電出力Ｐが例えば６０ｋＷと低く設定され、使用者によってノーと判断された場合には、ステップＳ９において発電効率を優先して第１及び第２スターリングエンジン１５，１９が運転される。そして、ステップＳ１０において、最大発電効率選択回路４７によって図３に示すデータのなかから発電効率が最大の１０５％となる条件、即ち、第１スターリングエンジン１５に供給される排ガスが元の排ガス温度の８００℃から８５０℃に燃焼加熱され、ヒータヘッド１６に供給される排ガスの流量Ｑ_１６が０．４Ｋｇ／ｓに設定され、第１発電機１４によって発電される出力がほぼ３０ｋＷに設定される。このため、第２発電機１８に必要な発電出力Ｐ_１８は３０ｋＷ（６０ｋＷ−３０ｋＷ）となり、この条件に適した運転条件が選択される。この選択は以下のように行われる。第１スターリングエンジン１５のヒータヘッド１６には８５０℃の排ガスが供給されるが、ヒータヘッド１６を通過した排ガスの温度は前述したようにエンジン１５の作動ガス温度（７００℃）とほぼ同じ温度に低下する。このため、ステップＳ１１において、前記分岐排ガス通路２４から８００℃の温度の排ガスを第２ヒータヘッド２０に追加供給し、第２発電機１８を３０ｋＷで運転するために必要な排ガスの分岐供給流量Ｑ_２０が判別用データに基づいて制御装置４１の最大発電効率選択回路４７によって求められる。この排ガスの流量Ｑ_２０は図４において排ガスの温度が８００℃の特性曲線に基づいて、発電出力が３０ｋＷとなる例えば０．４７Ｋｇ／ｓに設定される。

上記実施形態のスターリングエンジン発電装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、前記主排ガス通路１２に第１流量調節弁２２及び燃焼装置２３を設けるとともに、前記制御装置４１のＲＡＭ４４に排ガス温度、排ガス流量、発電出力及び発電効率の関係を表す判別用データを記憶するようにした。又、前記ＣＰＵ４２に設けた最大発電効率選択回路４７又は最大発電出力選択回路４８によって使用者のニーズに応じて、前記スターリングエンジン１５に供給する排ガスの温度及び流量を調節するようにした。このため、使用者のニーズに応じて発電出力を優先して発電装置を運転したり、発電効率を優先して発電装置を運転したりすることができる。

（２）上記実施形態では、前記主排ガス通路１２に第１及び第２スターリングエンジン１５，１９の第１及び第２ヒータヘッド１６，２０をそれぞれ直列に接続し、前記主排ガス通路１２に接続された分岐排ガス通路２４に第２流量調節弁２５を接続し、前記第２ヒータヘッド２０に供給する排ガスの流量を調節するようにした。このため、第２スターリングエンジン１９の運転を使用者のニーズに応じて適正な発電出力及び発電効率に容易に設定することができる。

（３）上記実施形態では、図５に示すような判別用データをＲＡＭ４４に記憶するようにしたので、排ガスの温度、発電効率、第１及び第２ヒータヘッド１６，２０に供給する排ガスの流量Ｑ_１６、Ｑ_２０を使用目的に応じて、ＣＰＵ４２により判別用データのなかから適正なデータを容易に選択設定することができる。

次に、この発明の別の実施形態を図７に基づいて説明する。
この実施形態においては、前記燃焼装置２３を第１燃焼装置２３とし、前記ヒータヘッド１６と第２ヒータヘッド２０との間の前記主排ガス通路１２に対し第２燃焼装置５１を設けている。又、前記第２スターリングエンジン１９と前記誘引通風機１３との間の主排ガス通路１２に熱交換器５２を接続するとともに、大気を前記熱交換器５２に供給する配管５３を接続し、該配管５３にポンプ５４を設けている。さらに、前記熱交換器５２から分岐された分岐空気供給配管５５，５６によって前記第１燃焼装置２３及び第２燃焼装置５１に対し排ガスの燃焼に必要な酸素を供給するための空気を供給するようにしている。

この実施形態においては、前記第２スターリングエンジン１９の第２ヒータヘッド２０に供給される排ガスを、前記第２燃焼装置５１によって燃焼加熱することにより、排ガスの温度を、第２発電機１８を定格出力で運転可能な温度に加熱して、定格出力で運転することができる。このため、第１及び第２スターリングエンジン１５，１９を共に定格出力で運転して、発電出力を高めることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記主排ガス通路１２に対し前記第２発電機１８、第２スターリングエンジン１９、第２ヒータヘッド２０、分岐排ガス通路２４及び第２流量調節弁２５と同様に構成された発電機、スターリングエンジン、ヒータヘッド及び流量調節弁を有する分岐排ガス通路を複数箇所に接続し、スターリングエンジンが三基、四基、五基あるいはそれ以上となるようにしてもよい。

・前記各実施形態において、バイパス通路２６及び第３流量調節弁２７を省略してもよい。この場合には主排ガス通路１２の上流側において余剰の排ガスを主排ガス通路１２の外部に排出する手段を設けることが望ましい。

・前記制御装置４１のＲＡＭ４４等の記憶部に排ガスの流量及び温度と、発電出力及び発電効率の少なくともいずれか一方との関係を判別することができる判別用データを記憶する。そして、前記制御装置４１に接続された入力装置４５を操作することにより表示装置４６の画面に表示された前記判別用データの中から使用目的に応じたデータを選択できるように構成してもよい。

この発明のスターリングエンジン発電装置の構成を表す略体回路図。 スターリングエンジン発電装置の動作を制御する制御システムのブロック回路図。 排ガスの温度と流量を変化させた場合の発電出力と発電効率との関係の特性曲線を示すグラフ。 排ガスの温度と流量を変化させた場合の発電出力と発電効率との関係の特性曲線を示すグラフ。 排ガスの温度と流量を変化させた場合の発電出力と発電効率との関係の特性曲線を示すグラフ。 スターリングエンジン発電装置の動作を説明するためのフローチャート。 この発明の別の実施形態を示すスターリングエンジン発電装置の構成を表す略体回路図。

符号の説明

１１…排ガス源、１２…主排ガス通路、１４，１８…発電機、１５…第１スターリングエンジン、１６…ヒータヘッド、１９…第２スターリングエンジン、２３…第１燃焼装置、２４…分岐排ガス通路、４１…制御装置、４５…入力装置、４６…表示装置、５１…第２燃焼装置、５２…熱交換器。

Claims (7)

1. 排ガス源に接続される主排ガス通路に対し、発電機を備えた第１及び第２スターリングエンジンの両ヒータヘッドを直列に配設するとともに、前記両ヒータヘッドの上流側の主排ガス通路に第１流量調節手段及び燃焼装置を配設し、前記主排ガス通路に対し、前記第１流量調節手段及び燃焼装置の上流側の主排ガス通路と前記両ヒータヘッドの間の主排ガス通路とを接続する分岐排ガス通路を接続し、該分岐排ガス通路に第２流量調節手段を設け、前記主排ガス通路及び分岐排ガス通路に対し前記両ヒータヘッドにそれぞれ供給される排ガスの流量を検出する第１及び第２流量検出手段を設け、前記主排ガス通路に対し前記燃焼装置により燃焼加熱する前の排ガスの温度と、燃焼加熱後の温度とをそれぞれ検出する第１及び第２温度検出手段を設け、前記両流量検出手段及び両温度検出手段からの検出値に基づいて、前記両ヒータヘッドに供給される排ガスの流量及び燃焼加熱温度を調節するための制御信号を前記両流量調節手段及び燃焼装置に出力するための制御装置を設けたことを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
2. 請求項１において、前記燃焼装置を第１燃焼装置とし、両スターリングエンジンのヒータヘッドの間の主排ガス通路には第２燃焼装置が設けられ、前記主排ガス通路の下流側に設けた熱交換器によって排ガスにより加熱された大気が前記両燃焼装置に燃焼用空気としてそれぞれ供給されるように構成されていることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
3. 請求項１又は２において、前記制御装置に設けられた記憶部には排ガスの流量及び温度と、発電出力及び発電効率の少なくともいずれか一方との関係を判別することができる判別用データが記憶され、前記制御装置に接続された入力装置を操作することにより表示装置の画面に表示された前記判別用データの中から使用目的に応じたデータを選択できるように構成されていることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
4. 請求項３において、前記判別用データは、横軸に発電出力、縦軸に発電効率を表すグラフにおいて、第１燃焼装置により燃焼加熱された後の排ガスの複数の温度と、各温度別に排ガスの流量を段階的に変化させた場合の発電出力及び発電効率の関係が複数本の特性曲線として表示されるものであることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
5. 請求項３又は４において、前記判別用データは、横軸に排ガスの流量、縦軸に発電出力を表すグラフにおいて、第１燃焼装置により燃焼加熱された後の排ガスの複数の温度別に複数本の特性曲線として表示されるものであることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
6. 請求項３〜５のいずれか一項において、前記判別用データは、横軸に排ガスの温度、縦軸に発電効率を表すグラフにおいて、第１及び第２スターリングエンジンの両ヒータヘッドにそれぞれ供給される排ガスの流量別の特性曲線として表示されるものであることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、前記主排ガス通路には、三基以上のスターリングエンジンのヒータヘッドが順次直列に接続され、三基以降のヒータヘッドに対応して分岐排ガス通路がそれぞれ接続され、該分岐排ガス通路に流量調節弁が設けられていることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。

Images