JP2010200593A - バイオマス燃焼式熱電変換発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実質的に二酸化炭素の排出量をゼロとすると共に、発電効率を上げ、同時に電力の使い勝手を柔軟にした発電装置の提供。
【解決手段】燃料としてカーボンニュートラルである木質ペレットやチップ材を使用し、実質的に二酸化炭素の排出量をゼロとする。外壁と内壁間に空間を持たせた内部構造の専用の加熱炉を用いて、変換モジュールの熱源とする。これによって燃焼熱を外壁の方向に集中させ、効率よく燃焼熱を変換モジュールで回収する。冷却源としてＬＮＧ６の蒸発蒸気の極低温も使える熱交換器８を使用して冷却水を冷却し、効率よく、且つ０℃に近い低温水を確保して冷却効率を上げる。燃焼中の燃料材供給を安全に行うための、燃料供給筒を設ける。蓄電装置１２との組み合わせを行って、発電した電力は一旦蓄電し、必要に応じていつでも使える形態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマスの燃焼熱を直接電気に変換する熱電変換発電装置に関する。

図面を用いる。

従来の熱電変換発電装置は、高温側の熱源として、諸熱機器の廃熱を利用するか、或いは燃焼炉で熱した温水を用いる間接的な加熱方法である。従って前者の場合変換モジュールの取り付け方法や取り付けの場所の確保で制約が大きい。後者の場合は、場所の確保は可能なものの、大きな熱負荷を持つ温水を作って、それからの加熱であるために稼動開始時間の大幅遅れ、および利用温度の上限値が低い（１００℃）等の問題がある。（例えば、特許文献１および特許文献２参照）

また冷却手段としては、冷水を用いるために、大量に必要となる冷却水の確保に問題がある。さらに冷却水の温度はせいぜい２０℃〜３０℃の常温であり、冷却顕熱としての利用温度差を大きく取れない。（例えば、特許文献１および特許文献２参照）

燃焼炉を用いる場合の燃料は、従来型の化石燃料や、ごみ燃料であり、燃焼時に発生する２酸化炭素による温暖化ガス排出の増加は避けられない。（例えば、特許文献１参照）
特開平１１−８９８８号公報 特開２００４−４７６３５号公報

熱源として、機器類の廃熱を利用する場合、変換モジュールの取り付け場所は限定され、また集熱効率もよくない。場合によっては機器類の改造を必要とすることもある。また専用の燃焼炉を設ける場合は、従来の化石燃料やごみを使用した場合、地球温暖化の原因物質である２酸化炭素が大量に放出される。

燃焼炉の熱を効率よく変換モジュールに導くためには、モジュール側への熱の流れを確保することと、熱回収のための有効面積を大きく取らねばならない。

燃焼部への燃料供給を、安全に、且つ効率よく行うことが必要である。

冷却用の低温確保には効率よい冷却様式、或いは低温かつ効率のよい冷媒の確保が重要である。

冷却水が安価に、豊富に得られる場合には、冷却水ジャケットから得られる温水の有効利用を考えると、温水の取り出しを考えねばならない。

変換モジュールから得られる電力は、そのまま需要側にまわして消費することもありうるが、柔軟な利用方法を考えると、発電と電力利用の時間的なズレにも対応できることが必要である。

以上の課題を解決するために、請求項目１にかかわる発明では、カーボンニュートラルである木質ペレットなどのバイオ燃料を燃焼させる加熱炉を用いることで、２酸化炭素の排出量を実質増やすことなく有効に熱回収して、同時に冷却面には水または空気による冷却を行う熱電変換モジュールによって電気エネルギーに変換する。

請求項目２にかかわる発明では、熱電変換モジュールの冷却部に冷却水を循環させ、或いはファンで空気冷却することで低温を供給し、モジュール内の有効な熱流を促す。ＬＮＧタンクとの組み合わせが可能である場合には、ＬＮＧタンクから蒸発した極低温蒸気を用いた熱交換によって、低温の顕熱による更に効率のよい冷却を行うことが可能である。ＬＮＧ冷熱を利用する場合には、冷却水が０℃以下に低下しないようにＬＮＧ蒸気の流量制御を行って、凍結を防止する。

請求項目３にかかわる発明では、加熱炉の外壁および天井壁を２面、３面或いは４面等の複数壁にして、それぞれの面に熱電変換モジュールを取り付けることによって、熱回収面積を稼ぐことが可能である。また内部に設けた断熱箱および、断熱箱と外壁との間の空間によって、燃焼熱を有効にモジュール部へ集中して伝達することが可能となる。

請求項目４にかかわる発明では、内部箱に設けた供給筒を通して、燃料材を安全に、炉の外部から、燃焼部に直接に供給することが可能になる。またそれらの底部および投入口に設けた断熱材付きのフタによって、燃焼熱が燃料供給筒には伝熱されないために、入り口フタを開放しても燃焼熱が外部に流れず、安全な取り扱いが可能となる。

請求項目５にかかわる発明では、燃料材受けの金網、および灰の受け皿によって、燃焼の連続稼動と排材の回収が可能である。

請求項目６にかかわる発明では、発電した電力を２次電池に蓄電しておくことで、電力の“溜め“が可能となり、本発電装置の稼動と、電力の利用の時間的な自由度が格段に向上する。またインバーターによる交流電力への変換によって、汎用の電気製品への利用が可能となる。

請求項目７にかかわる発明では、需要側で温水が必要な場合には、冷却水ジャケットを、給湯装置として使えるために、電熱併給のコージェネレーション機能として利用することが可能である。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決し、或いは有していなかった機能を追加し、非化石エネルギーを用いて、地球環境の改善に貢献する熱電変換発電の実現を目的とするものである。

請求項目１にかかわる発明では、カーボンニュートラルである木質ペレットや木質チップなどのバイオ燃料を燃焼させる専用の加熱炉を用いることで、２酸化炭素の排出量を実質増やすことなく熱を有効に回収して、冷却面には水または空気による冷却を行う熱電変換モジュールによって、複雑なランキンサイクル（ボイラーでの水蒸気発生とタービンおよび回転発電機の組み合わせ）を用いることなく、熱から直接に電気エネルギーに変換した発電を行う。システム構成が複雑でないために、保守管理が格段に容易となる。変換モジュールと集熱板とは加熱炉から着脱できるために、あと保守管理が容易である。

請求項目２にかかわる発明では、熱電変換モジュールの冷却に用いる冷却水、或いは冷却空気によって低温熱源が供給される。ＬＮＧタンクとの組み合わせを行わせる場合には、ＬＮＧタンクから蒸発した−１６０℃レベルの極低温蒸気によって、一旦温まった水を冷却することで、０℃レベルの低温水が得られ、水の顕熱を有効に利用した冷却が可能となって、冷却水の消費量を削減等、冷却効率の向上を図ることができる。同時に凍結防止が図られる。

請求項目３にかかわる発明では、加熱炉の外壁および天井壁を２面、３面或いは４面等の複数壁にして、熱回収面積を大きく確保し、外部へ排出される前に燃焼熱を極力回収することが可能である。また内部に設けた断熱箱によって、火炎の流れをモジュール部へより多く集中させることになり、熱回収効率が大きくなる。

請求項目４にかかわる発明では、稼動中の高温の加熱炉への燃料供給は高温と火炎のために大変に危険であるが、底部および投入口に断熱材付きのフタを持った燃料材供給筒を内部箱に設けることで、炉の外部から燃料材を安全に、燃焼部に直接に供給することが可能になる。また燃焼時には両フタを塞ぎ、燃焼熱が燃料供給筒には伝熱されず、安全に取り扱いが出来る。

請求項目５にかかわる発明では、燃料材受けの金網、および灰の受け皿によって、燃焼部への空気供給と、適時に灰の排材を取り出すことで燃焼の連続稼動が可能である。

請求項目６にかかわる発明では、発電した電力は２次電池に蓄電し、必要に応じてインバーターによって交流電力に変換し、需要先に供給する蓄電装置と変換装置を有することで、発電と電力利用とが同時並行の必要がなくなり、電力利用の柔軟性が増す。

請求項目７にかかわる発明では、需要側で温水が必要な場合には、冷却水ジャケットを給湯装置として使えるために、電熱併給のコージェネレーション機能として利用することが可能である。温水の温度調整は、給水量の調整によって行うことができる。

以下、本発明の実施形態を、図１〜図５に基づいて説明する。

図１は、本実施形態による熱電変換発電装置の全体構成と冷却熱源にＬＮＧを用いた場合を概念的に示す図である。

熱電変換モジュール１は、集熱板２および冷却水ジャケット３によって挟まれ、断熱ボルト４によって固定されている。それぞれの接合部には良好な伝熱を図るための伝熱ペーストが充填される。

冷却水ジャケット３は水循環のパイプ５によって、ＬＮＧタンク６から管７を通して低温の蒸発蒸気が流れる熱交換器８につながる。

冷却水が得られる場合は水循環のパイプ５は、水ポンプ９によって給水される。また温水を利用する場合には、パイプ１０によって水ジャケットの出口から取水される。

熱交換器を空冷とする場合にはファン１１によって、風を送り熱交換器の冷却を行う。或いは送風によって直接に変換モジュールを冷却することもできる。

変換モジュール１からの電気出力は２次電池１２に蓄電され、直流−交流変換機１３を経て、需要者側への電力供給がなされる。

図２，３は、本装置の正面図、側面図を示すが、加熱炉１４の内部に断熱された内部箱構造１５が、周囲に空間を置いて設けてある。炉の外壁側面および必要に応じて上面に集熱板２と熱電変換モジュール１および冷却水ジャケット４からなる発電ユニット１６が断熱ボルト４によって取り付けられる。

加熱炉１４の底面には木質系バイオ燃料１７が金網１８の上に置かれ燃焼する。金網の下には取り出し可能な灰の落下受け１９を置く。加熱炉１４の底側面には適当な大きさと数の空気の吸気孔２０を設ける。

断熱内部箱１５の中央部にはほぼ垂直に燃料供給筒２１が設けられ、底部には断熱構造のフタ２２があり、これは取っ手２３によって加熱炉の外側から開閉できる構造とする。燃料供給筒２１の頂面にはフタ２４を設け、燃料２５を投入する。

これらの機能と作用をまとめると、加熱炉１４内で燃焼した燃料１７から出た火炎および高温空気は加熱炉１４と内部箱１５との間の空間を上昇しながら発電ユニット１６を加熱し、煙突２６から放出される。一方の冷却水は冷却ポンプ９を通して、あるいはＬＮＧの低温蒸気７と熱交換器８を経由して冷却され供給される。

以上のように本実施形態によれば、一連のサイクルを通して、実質上２酸化炭素の排出がゼロとなる木質燃料を燃料として、効率的な熱電変換発電が可能となるものである。

この発明の一実施形態を示す、ＬＮＧタンクも含めた全体装置の概念図である。 同正面図である。 同側面図である。 同平面図である。 同上斜めから見た斜視図である。

１：熱電変換モジュール
２：集熱板
３：冷却水ジャケット
４：断熱ボルト
５：冷却水パイプ
６：ＬＮＧタンク
７：ＬＮＧ蒸発蒸気管
８：熱交換器
９：冷却水供給ポンプ
１０：温水取り出し管
１１：冷却空気ファン
１２：２次電池
１３：直流−交流変換器
１４：加熱炉
１５：内部箱
１６：発電ユニット
１７：燃料材
１８：金網
１９：灰回収容器
２０：空気供給孔
２１：燃料材供給管
２２：底部フタ
２３：底部フタ取っ手
２４：燃料材供給筒フタ
２５：燃料材供給筒内の燃料材
２６：燃焼排気ガス煙突

Claims (7)

1. 木質ペレットなどのバイオ燃料を燃焼させる加熱炉を持ち、その周壁に熱電変換モジュールおよび集熱板を着脱可能なように取り付け、その反対面に冷却用の、冷却水ジャケット或いは放熱フィンを取り付けた熱電変換発電装置。
2. 前記熱電変換モジュールの冷却部に冷却水のジャケットを設け、同ジャケット内で温まった温水を空冷式で、或いはＬＮＧタンクから蒸発した低温蒸気で熱交換して冷却し、同ジャケットに循環させる請求項１記載の熱電変換発電装置。
3. 前記の加熱炉は２面、３面或いは４面等の外側壁と天井壁を持ち、それぞれの面に前記熱電変換モジュールを取り付け、その内面には、同数の断熱された内壁面、および天井面を持ち、これらの複数の壁面で形成される箱型の空間によって、加熱炉の全ての外壁との間に燃焼熱の流路を待たせた請求項１記載の熱電変換発電装置。
4. 前記の内部箱には、炉の外部から、燃料材を燃焼部に直接に供給するための円筒あるいは角筒を設け、その底部および投入口にはふたを持つ。底部ふたには断熱材が設けられ、燃焼熱が、これらの燃料供給筒に伝熱されないようにした請求項１記載の熱電変換発電装置。
5. 前記の加熱炉の燃焼部には金網および受け皿を設けて、燃焼後の灰を振い落し、回収して、外部に取り出すことが出来る構造にした請求項１記載の熱電変換発電装置。
6. 発電した電力は２次電池に蓄電し、必要に応じてインバーターによって交流電力に変換し、需要先に供給する蓄電装置と変換装置を有する請求項１記載の熱電変換発電装置。
7. 前記の冷却水ジャケットから得られる温水は、必要に応じて給湯装置として機能するように、給水配管を持たせた請求項１記載の熱電変換発電装置。