JP2011169188A - 太陽熱利用地熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地熱及び太陽熱を有効に活用することができ、発電効率を高めることができる太陽熱利用地熱発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１は、地中から水蒸気を採取する水蒸気採取装置２と、地中から採取した水蒸気との熱交換により、水よりも沸点が低い媒体である低沸点媒体を蒸発させ蒸気を生成する熱交換器４と、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置５と、集熱された太陽熱を受熱するととともに、受熱した太陽熱との熱交換により、熱交換器４で生成した蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する太陽熱受熱装置６と、生成された過熱蒸気により発電するための蒸気タービン７そして発電機８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱蒸気又は熱水の持つ熱エネルギーを取り出し、電気エネルギーとして回収する地熱発電装置に関する。

地熱発電は、地下に埋蔵する膨大な熱エネルギーの一部を取り出して発電に利用するもので、安定した電気エネルギーの供給を可能としている。地熱発電は、地下のマグマによって地下水が加熱されて生成された蒸気や熱水を取り出し発電に利用するものであり、このような地熱発電システムとして、例えば、蒸気発電やバイナリー発電などが挙げられる。

蒸気発電とは、地下のマグマ溜の熱エネルギーによって生成された水蒸気、又は高温高圧の熱水を取り出し減圧沸騰させて得られた水蒸気によって、蒸気タービンを駆動し発電する発電方式である。

バイナリー発電とは、地中の温度や圧力が低く熱水しか得られない場合において、アンモニア、ペンタン、フロンなど、水より低沸点の媒体を、上記熱水との熱交換により蒸発させ、該低沸点媒体の蒸気により蒸気タービンを駆動し発電する発電方式である。

また、上記蒸気発電やバイナリー発電と異なる発電方式を用いる発電装置として、地熱と太陽熱とを利用して発電する複合発電技術を用いた発電装置が開示されている（特許文献１参照）。該特許文献１には、太陽熱により作動流体を一次加熱し、地熱により該作動流体を二次加熱して生成した蒸気により蒸気タービンを駆動し発電することが開示されている。

また、太陽熱利用発電技術を用いた発電装置として、特許文献２に開示された発電装置がある。該特許文献２には、太陽熱で液体熱媒体を加熱し、該熱媒体を介して水を加熱蒸発することにより飽和蒸気を生成した後、ガスタービンの駆動に使用された燃焼ガスによって該飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成し、該過熱蒸気を蒸気タービンに供給して発電を行う発電装置が開示されている。

特開２００９−１６２２１０ 特開２００８−０３９３６７

しかし、特許文献１の発電装置では、発電効率が低く、十数％程度にとどまっている。

また、特許文献２の発電装置では、太陽熱で加熱された熱媒体によって水を加熱して飽和蒸気を生成し、燃焼ガスによって該飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成するので、太陽熱の大部分が水の蒸発潜熱に消費される。この結果、発電効率は１０〜１４％程度にとどまり、発電に対する太陽熱の寄与が小さくなってしまう。

蒸気タービンによる発電に有効な熱エネルギーについて、一般的な地熱による蒸気発電の場合の蒸気条件より温度と圧力が高いが、太陽熱の集熱により到達できる蒸気の温度と圧力の例として、図４を用いて説明する。図４は、４０気圧に加圧された温水が２４９℃で蒸発して飽和蒸気となった後、さらに加熱されて過熱蒸気状態となる場合における温度とエンタルピーとの関係を示す水−蒸気エンタルピー線図である。

地熱や太陽熱によって生成される蒸気の保有する熱エネルギー（正確にはエンタルピー）のうち、蒸発潜熱の占める割合は２／３以上に達するが、その蒸発潜熱に相当するエンタルピーまで回収しようとすると、蒸気が凝縮して湿り蒸気となり、タービンブレードを損耗して耐用年数が短くなるなどの問題が生じてしまう。このように、湿り蒸気を蒸気タービンに供給して発電に用いることは困難であるので、図４に示されているように、蒸気タービンでの発電に有効な蒸気のエンタルピーは過熱蒸気部分が主体となっている。

ここで、復水器の適用により、図４の加圧条件下における飽和蒸気温度の蒸気エンタルピー部分も一部活用できる。例えば、発電効率向上のため、復水器を設けてタービン出口圧力を低減させ、蒸気の湿り度を低減することにより、より多くの蒸気のエンタルピーを電力に変換できるが、それでも蒸気の保有するエンタルピーのうち電力に変換できるのは、その２０％前後であり、蒸発潜熱部分の有効活用が難しいことに変わりはない。

本発明は、上述の問題に鑑み、地熱及び太陽熱を有効に活用することができ、発電効率を高めることができる太陽熱利用地熱発電装置を提供することを課題とする。

発明者は、地熱を利用して、水又は低沸点媒体の飽和蒸気を発生させ、さらに太陽熱を利用して、飽和蒸気から過熱蒸気を得る過程及び過熱蒸気量を増大させることとすれば、太陽熱の受熱量の電力への変換効率が、従来の太陽熱だけにより水を蒸発させて過熱蒸気を得て発電する場合と比較して、数倍も高い効率で電力変換できることを見出した。

この太陽熱の利用による効果は、太陽熱の集熱により得られる熱量を蒸気の直接加熱に利用すること、そして、少なくとも飽和蒸気温度を超える温度の熱供給が可能であることを条件として得られる。

＜第一発明＞
本発明に係る太陽熱利用地熱発電装置は、地中から水蒸気を採取する水蒸気採取装置と、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、集熱された太陽熱を受熱するとともに、受熱した太陽熱との熱交換により、地中から採取した水蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する太陽熱受熱装置と、生成された過熱蒸気により発電する蒸気タービン発電機とを備えることを特徴としている。

本発明では、地熱及び太陽熱を有効に活用することができ、水蒸気の生成を地熱で賄うことにより、太陽熱を過熱蒸気の生成にのみ利用することができるので、太陽熱の集熱量が従来と同じであったとしても、該太陽熱によって、より過熱度の高い過熱蒸気もしくはエンタルピーの高い過熱蒸気を生成できる。したがって、該過熱蒸気を蒸気タービンに供給することにより発電効率を高めることができる。

＜第二発明＞
本発明に係る太陽熱利用地熱発電装置は、地中から水蒸気又は熱水を採取する水蒸気採取装置又は熱水採取装置と、地中から採取した水蒸気又は熱水との熱交換により、水又は水よりも沸点が低い媒体である低沸点媒体を蒸発させ、蒸気を生成する熱交換器と、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、集熱された太陽熱を受熱するととともに、受熱した太陽熱との熱交換により、熱交換器で生成した蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する太陽熱受熱装置と、生成された過熱蒸気により発電する蒸気タービン発電機とを備えることを特徴としている。

本発明では、水又は低沸点媒体の蒸気の生成を地熱で賄うことにより、太陽熱を過熱蒸気の生成にのみ利用することができるので、太陽熱の集熱量が従来と同じであったとしても、該太陽熱によって、より過熱度の高い過熱蒸気もしくはエンタルピーの高い過熱蒸気を生成できる。したがって、該過熱蒸気を蒸気タービンに供給することにより発電効率を高めることができる。

第一発明及び第二発明において、太陽熱利用地熱発電装置は、太陽熱受熱装置の内部に蓄熱材を備えていることが好ましい。このように、太陽熱受熱装置の内部に蓄熱材を備えることにより、昼夜間や天候（晴天・曇天・雨天・他）による日射量の変動を平滑化することができ、高効率発電を維持することができる。また、蓄熱材の蓄熱量を大きくすることにより、数日ないし数週間規模の期間の熱供給を平滑化できる。

第一発明及び第二発明において、太陽熱利用地熱発電装置は、太陽熱を受熱していないとき又は太陽熱受熱量が所定値以下のとき、過熱蒸気生成を行う燃焼器を備えていることが好ましい。かかる燃焼器を備えることにより、受熱装置が蓄熱材を備えていない場合や、蓄熱材を備えていても日射量の変動期間が蓄熱材の熱容量を上回る期間（例えば数日以上）にわたる天候の変化（梅雨や台風等）による太陽熱受熱量の低下がある場合であっても、太陽熱に代えて上記燃焼器により熱供給できるので、高い発電効率を維持することができる。

第一発明及び第二発明において、太陽熱利用地熱発電装置は、蒸気タービン発電機により発電された電力を蓄電する蓄電装置を備えていることが好ましい。かかる蓄電装置を備えることにより、太陽熱の集熱量の少ない時期であっても電力供給量を平滑化できる。また、少なくとも天候の変化（曇り、雨等）による太陽熱受熱量の変化を平滑化でき、発電量の変動を平滑化できる。

本発明によれば、地熱を利用して水又は低沸点媒体の蒸気を生成し、太陽熱を利用して過熱蒸気を生成することにより、地熱と太陽熱との熱エネルギーに対する発電効率を、従来における地熱発電と太陽熱発電とを単に併設した場合の発電効率よりも増大させることができる。

第一実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置を示す図である。 第二実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置を示す図である。 第三実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置を示す図である。 水温とエンタルピーとの関係を示す水−蒸気エンタルピー線図である。

以下、添付図面に基づいて本発明に係る太陽熱利用地熱発電装置の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置を示す図である。本実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置１（以下、単に「発電装置１」）は、水蒸気を採取する水蒸気採取装置２と、水蒸気中の固形物を分離するフィルタ（図示せず）と、水より沸点が低い媒体である低沸点媒体液を貯留する低沸点媒体タンク３と、上記水蒸気と上記低沸点媒体液との熱交換により該低沸点媒体の蒸気を生成する熱交換器４と、太陽熱を収束して集熱する太陽熱集熱装置５と、集熱された太陽熱を受熱するととともに、該太陽熱によって上記低沸点媒体の蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する太陽熱受熱装置６と、該過熱蒸気によって駆動される蒸気タービン７と、該蒸気タービン７の駆動により発電する発電機８とを有している。また、低沸点媒体としては、例えば、アンモニア、ペンタン、フロン等、水より低沸点の媒体であればよく、液状物には限られない。

上記水蒸気採取装置２は、地中に設けられていて、地熱により生成された水蒸気を採取する。該水蒸気採取装置２によって採取された水蒸気は熱交換器４へ送られる。低沸点媒体タンク３には、熱交換器４にて低沸点媒体液の熱交換を行うための熱交換管９が接続されており、該熱交換管９内を低沸点媒体液が流れている。熱交換器４において、熱交換管９内の低沸点媒体液が上記水蒸気と熱交換されて低沸点媒体の飽和蒸気が生成される。該飽和蒸気は太陽熱受熱装置６へ送られる。また、熱交換器４に供給された水蒸気は熱交換された後、凝縮して温水となって地中に戻される。

太陽熱集熱装置５は、反射鏡（図示せず）と、該反射鏡の方向を太陽の動きに合わせて制御する方向制御装置（図示せず）とを有しており、太陽熱利用地熱発電装置１が設けられる設備の屋根上などに複数設置されている。

太陽熱受熱装置６は、上記太陽熱集熱装置５によって集熱された太陽熱を受熱するととともに、受熱した太陽熱と熱交換器４で生成された飽和蒸気との熱交換により、該飽和蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する。該過熱蒸気は蒸気タービン７へ供給され、該蒸気タービン７の駆動により発電機８が発電を行う。蒸気タービン７を駆動した過熱蒸気は低沸点媒体液となり上記低沸点媒体タンク３に戻される。

本実施形態では、地熱を利用して低沸点媒体の飽和蒸気を生成し、太陽熱を利用して過熱蒸気を生成するので、太陽熱の集熱量が従来と同じであったとしても、該太陽熱によって、より過熱度の高い過熱蒸気もしくはエンタルピーの高い過熱蒸気を生成できる。したがって、地熱と太陽熱との熱エネルギーに対する発電効率を大幅に向上させることができる。具体的には、従来における地熱発電と太陽熱発電とを単に併設した場合の発電効率に対して、２倍以上に増大できる。また、集熱を効率的に行うことにより、例えば、４００℃を超える温度の熱供給や、さらに高い５００℃を超える高温熱供給が可能である。

本実施形態に係る発電装置では、水蒸気採取装置によって地中から採取した水蒸気と低沸点媒体液とを熱交換器において熱交換させて該低沸点媒体の飽和蒸気を生成した後、太陽熱によって該飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成し、該過熱蒸気をタービンに供給して発電を行った。しかし、発電装置の構成は本実施形態に示したものに限られず、例えば、上記熱交換器を備えない構成とすることもできる。例えば、水蒸気採取装置によって地中から採取した水蒸気を太陽熱によって飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成し、該過熱蒸気をタービンに供給して発電を行うことが可能である。

また、本実施形態では、水蒸気採取装置により水蒸気を採取することとしたが、該水蒸気採取装置に代えて熱水採取装置を設け、該熱水採取装置によって地中から熱水を採取することとしてもよい。この場合、熱交換器において、熱水と低沸点媒体液との熱交換が行われ、該低沸点媒体の飽和蒸気が生成される。

本実施形態では、低沸点媒体液から飽和蒸気そして過熱蒸気を生成することとしたが、該低沸点媒体に代えて、水を用いて、水蒸気としての飽和蒸気そして過熱蒸気を生成することとしてもよい。

また、本実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置は、発電機により発電された電力を蓄電する蓄電装置をさらに備えていてもよい。該蓄電装置を備えることにより、太陽熱の集熱量の少ない時期であっても電力供給量を平滑化できる。また、少なくとも天候の変化（曇り、雨等）による太陽熱受熱量の変化を平滑化でき、発電量の変動を平滑化できる。

＜第二実施形態＞
本実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置は、太陽熱受熱装置の内部に蓄熱材が備えられている点で、該蓄熱材が備えられていない第一実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置と異なっている。本実施形態では、該太陽熱受熱装置を中心に説明し、第一実施形態と同一の部分には、同一符号を付して説明を省略する。

図２は、本実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置を示す図である。図２に示されているように、太陽熱受熱装置６はその内部に蓄熱材１０を有している。該蓄熱材１０は、例えば、固体金属酸化物や熱媒油類や、好ましくは熱容量の大きい相変態物質としての溶融塩類(ＮａＮＯ_３、ＫＮＯ_３、ＮａＣｌ、Ｎａ_２ＣＯ_３等)や、さらに好ましくは、金属水酸化物(水酸化鉄（蓄熱温度３００〜４００℃）)、アルカリ土類炭酸塩(ＭｇＣＯ_３（蓄熱温度４５０℃）)、アルカリ土類水酸化物(Ｃａ（ＯＨ）_２（蓄熱温度５４０℃）)等、化学反応による吸熱反応が得られる蓄熱物質で形成され、太陽熱受熱装置６の内部に貯留されている。

本実施形態では、このように太陽熱受熱装置６の内部に蓄熱材１０を設けることにより、太陽熱の受熱量が変化しても該太陽熱を該蓄熱材２７に蓄熱できる。したがって、昼夜間や天候（晴天・曇天・雨天・他）による日射量の変動を平滑化することができ、高効率発電を維持することができる。また、蓄熱材の蓄熱量を大きくすることにより、数日規模の期間の熱供給を平滑化できる。

＜第三実施形態＞
本実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置は、太陽熱受熱装置に燃焼器が備えられている点で、該燃焼器が備えられていない第一実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置と異なっている。本実施形態では、該太陽熱受熱装置を中心に説明し、第一実施形態と同一の部分には、同一符号を付して説明を省略する。

図３は、本実施形態に係る太陽熱利用地熱発電装置を示す図である。図３に示されているように、太陽熱受熱装置６は燃焼器１１を有している。該燃焼器１１は、例えば、バーナ等により構成される。本実施形態では、太陽熱を受熱していないとき又は太陽熱受熱量が所定値以下のとき、過熱蒸気を生成するために、燃焼器１１に燃料を供給するとともに該燃焼器１１の燃焼熱によって低沸点媒体の飽和蒸気を加熱する。

上述のような構成として、例えば、センサ（図示せず）で太陽熱の受熱量を検知して、該センサが太陽熱の受熱を全く検知しないとき又は該センサによって検知された太陽熱の受熱量が所定値以下であるときに、制御装置（図示せず）によって燃焼器１１が作動するような構成とすることが可能である。

上記燃焼器１１を備えることにより、太陽熱受熱装置６が蓄熱材を備えていない場合や、蓄熱材を備えていても日射量の変動期間が蓄熱材の熱容量を上回る期間（例えば数日以上）にわたる天候の変化（梅雨や台風等）による太陽熱受熱量の低下がある場合であっても、太陽熱に代えて上記燃焼器１１により熱供給できるので、高い発電効率を維持することができる。

＜実施例＞
本実施例では、第一実施形態に係る発電装置において熱媒体として水を用いた場合を説明する。すなわち、熱交換器４において、水蒸気採取装置２によって採取された水蒸気と熱媒体としての水とを熱交換して飽和蒸気を生成した後、太陽熱によって該飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を生成して、該過熱蒸気によってタービンを駆動し発電した。

表１は、本実施例及び従来の形態による比較例のそれぞれにおける試算結果を示している。

該実施例では、地熱の入熱量が時間平均３００００ｋｗ、そして太陽熱の入熱量が平滑化された時間平均として１００００ｋｗであり、合計４００００ｋｗである。そして、地熱及び太陽熱による発電量は１００００ｋｗである。したがって、発電効率は２５％となる。

＜比較例１＞
比較例１は、地熱発電を用いずに太陽熱発電のみを行う発電装置における例である。表１に見られるように、太陽熱の入熱量は平滑化された時間平均として１００００ｋｗであり、該太陽熱による発電量は１２００ｋｗである。したがって、発電効率は１２％となる。この結果、上述した実施例では、比較例１と比較して発電効率が２倍以上も大きいことが分かる。

＜比較例２＞
比較例２は、太陽熱発電を用いずに地熱発電のみを行う発電装置における例である。表１に見られるように、地熱の入熱量は時間平均３００００ｋｗであり、該地熱による発電量は３６００ｋｗである。したがって、発電効率は１２％となる。この結果、上述した実施例では、比較例２と比較しても発電効率が２倍以上も大きいことが分かる。

＜比較例３＞
比較例３は、上述した比較例１における発電装置と比較例２における発電装置とを併設した場合における例である。表１に見られるように、入熱量は、太陽熱の入熱量１００００ｋｗと地熱の入熱量３００００ｋｗとの合計であり４００００ｋｗとなる。また、発電量は、太陽熱による発電量１２００ｋｗと地熱による発電量３６００ｋｗとの合計であり４８００ｋｗとなる。したがって、発電効率は１２％となる。この結果、上述した実施例では、比較例３と比較しても発電効率が２倍以上も大きいことが分かる。

１ 発電装置（太陽熱利用地熱発電装置）
２ 水蒸気採取装置
４ 熱交換器
５ 太陽熱集熱装置
６ 太陽熱受熱装置
７ 蒸気タービン
８ 発電機
１０ 蓄熱材
１１ 燃焼器

Claims (5)

1. 地熱発電装置であって、
   地中から水蒸気を採取する水蒸気採取装置と、
   太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、
   集熱された太陽熱を受熱するとともに、受熱した太陽熱との熱交換により、地中から採取した水蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する太陽熱受熱装置と、
   生成された過熱蒸気により発電する蒸気タービン発電機と、
   を備えることを特徴とする太陽熱利用地熱発電装置。
2. 地熱発電装置であって、
   地中から水蒸気又は熱水を採取する水蒸気採取装置又は熱水採取装置と、
   地中から採取した水蒸気又は熱水との熱交換により、水又は水よりも沸点が低い媒体である低沸点媒体を蒸発させ蒸気を生成する熱交換器と、
   太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、
   集熱された太陽熱を受熱するととともに、受熱した太陽熱との熱交換により、熱交換器で生成した蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する太陽熱受熱装置と、
   生成された過熱蒸気により発電する蒸気タービン発電機と、
   を備えることを特徴とする太陽熱利用地熱発電装置。
3. 太陽熱受熱装置の内部に蓄熱材を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽熱利用地熱発電装置。
4. 太陽熱を受熱していないとき又は太陽熱受熱量が所定値以下のとき、過熱蒸気生成を行う燃焼器を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の太陽熱利用地熱発電装置。
5. 蒸気タービン発電機により発電された電力を蓄電する蓄電装置を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の太陽熱利用地熱発電装置。

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