JP2012017703A - Power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電システムに関する。 The present invention relates to a power generation system.
従来の熱機関を利用した発電システムとして、作動流体を圧縮してその温度を高める段階と、作動流体と熱源との間で熱を交換して作動流体を過熱する段階と、過熱された作動流体を膨張させてタービンを駆動し、それにより温度を低下させる段階と、作動流体を凝縮してその温度をさらに低下させる段階と、作動流体を圧縮段階に戻す段階とを備え、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体が、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体と熱を交換して作動流体の熱を再生するものがある(例えば、特許文献1参照)。また、蒸気タービンから排出される排気蒸気の廃熱を吸収式ヒートポンプで回収して復水を昇温させることにより、発電量を増加させるものもある(例えば、特許文献2参照)。 As a power generation system using a conventional heat engine, a stage in which the working fluid is compressed to increase its temperature, a stage in which heat is exchanged between the working fluid and the heat source, the working fluid is superheated, and a superheated working fluid And expanding the pressure to drive the turbine, thereby reducing the temperature, condensing the working fluid to further reduce its temperature, and returning the working fluid to the compression stage, and exchanging heat with the compression stage There is one in which the working fluid passing between the stages exchanges heat with the working fluid passing between the expansion stage and the condensation stage to regenerate the heat of the working fluid (for example, see Patent Document 1). In addition, there is an apparatus that increases the amount of power generation by recovering the waste heat of exhaust steam discharged from the steam turbine by an absorption heat pump and raising the temperature of the condensate (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1および2に記載のような従来の発電システムは、発電効率を高めるよう構成されているものの、まだ発熱損失や廃熱が多いという課題があった。このため、より高効率の発電システムが望まれている。 Although the conventional power generation systems as described in Patent Documents 1 and 2 are configured to increase power generation efficiency, there is still a problem that heat generation loss and waste heat are still large. For this reason, a more efficient power generation system is desired.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる発電システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and an object of the present invention is to provide a power generation system capable of reducing heat generation loss and waste heat and further improving power generation efficiency.
上記目的を達成するために、本発明に係る発電システムは、循環部とヒートポンプと低温側熱交換器と高温側熱交換器と発電機とを有し、前記循環部は第1圧縮機と熱源とタービンとを有し、前記第1圧縮機と前記タービンとの間を循環する第1作動流体を有し、前記第1圧縮機は前記第1作動流体を圧縮するよう設けられ、前記熱源は前記第1圧縮機で圧縮された前記第1作動流体を加熱するよう設けられ、前記タービンは前記熱源で加熱された前記第1作動流体により駆動可能に設けられ、前記ヒートポンプは膨張機と第2圧縮機と放熱部とを有し、前記膨張機と前記第2圧縮機との間を循環する第2作動流体を有し、前記膨張機は前記第2作動流体を膨張させるよう設けられ、前記第2圧縮機は前記膨張機で膨張された前記第2作動流体を圧縮するよう設けられ、前記放熱部は前記第2圧縮機で圧縮された前記第2作動流体の熱を放散させるよう設けられ、前記低温側熱交換器は、前記タービンから前記第1圧縮機に向かう前記第1作動流体および前記放熱部から前記膨張機に向かう前記第2作動流体と、前記膨張機から前記第2圧縮機に向かう前記第2作動流体との間で熱交換を行い、前記膨張機から前記第2圧縮機に向かう前記第2作動流体を加熱するよう設けられ、前記高温側熱交換器は、前記タービンから前記第1圧縮機に向かう前記低温側熱交換器より上流側の前記第1作動流体と、前記第1圧縮機から前記熱源に向かう前記第1作動流体との間で熱交換を行い、前記第1圧縮機から前記熱源に向かう前記第1作動流体を加熱するよう設けられ、前記発電機は前記タービンの駆動により発電可能に設けられていることを、特徴とする。 In order to achieve the above object, a power generation system according to the present invention includes a circulation unit, a heat pump, a low temperature side heat exchanger, a high temperature side heat exchanger, and a generator, and the circulation unit includes a first compressor and a heat source. A first working fluid that circulates between the first compressor and the turbine, the first compressor being provided to compress the first working fluid, and the heat source being The first working fluid compressed by the first compressor is provided to be heated, the turbine is provided to be drivable by the first working fluid heated by the heat source, and the heat pump includes an expander and a second A compressor and a heat dissipating unit, and a second working fluid that circulates between the expander and the second compressor, the expander being provided to expand the second working fluid, The second compressor is the second working flow expanded by the expander. The heat radiating portion is provided to dissipate heat of the second working fluid compressed by the second compressor, and the low temperature side heat exchanger is connected to the first compressor from the turbine. Heat exchange is performed between the first working fluid heading toward the second working fluid and the second working fluid heading toward the expander from the heat dissipating unit, and the second working fluid heading toward the second compressor from the expander, The high temperature side heat exchanger is provided to heat the second working fluid from the expander toward the second compressor, and the high temperature side heat exchanger is upstream of the low temperature side heat exchanger from the turbine toward the first compressor. Heat exchange is performed between the first working fluid and the first working fluid heading from the first compressor toward the heat source, and the first working fluid heading from the first compressor toward the heat source is heated. And the generator is That is provided to be generated by driving the turbine, characterized.
本発明に係る発電システムは、以下のようにして、タービンで発電機を駆動して発電することができる。まず、循環部において、第1圧縮機で圧縮された第1作動流体が、高温側熱交換器で熱交換により加熱され、熱源で、タービンを駆動可能な温度、例えば500〜1000℃程度までさらに加熱される。加熱された第1作動流体でタービンを駆動し、それにより発電機を駆動して発電を行う。タービンを駆動した第1作動流体は、高温側熱交換器で熱交換により熱を奪われて温度が下がり、さらに低温側熱交換器で熱交換により熱を奪われて温度が下がる。温度低下した第1作動流体は、再び第1圧縮機で圧縮されてタービンに向かう。 The power generation system according to the present invention can generate electric power by driving a generator with a turbine as follows. First, in the circulation section, the first working fluid compressed by the first compressor is heated by heat exchange in the high temperature side heat exchanger, and further to a temperature at which the turbine can be driven by the heat source, for example, about 500 to 1000 ° C. Heated. The turbine is driven by the heated first working fluid, thereby generating power by driving the generator. The first working fluid that has driven the turbine is deprived of heat by heat exchange in the high-temperature side heat exchanger and further deprived of heat by heat exchange in the low-temperature side heat exchanger. The first working fluid whose temperature has decreased is compressed again by the first compressor and travels to the turbine.
次に、ヒートポンプにおいて、膨張機で膨張された第2作動流体が、低温側熱交換器で熱交換により加熱され、さらに第2圧縮機で圧縮される。圧縮された第2作動流体は、放熱部で熱を放散して温度が下がり、さらに低温側熱交換器で熱交換により熱を奪われて温度が下がる。温度低下した第2作動流体は、再び膨張機で膨張されて第2圧縮機に向かう。このように、本発明に係る発電システムは、ヒートポンプ、高温側熱交換器および低温側熱交換器を使用することにより、発電効率を高めることができる。 Next, in the heat pump, the second working fluid expanded by the expander is heated by heat exchange in the low temperature side heat exchanger, and further compressed by the second compressor. The compressed second working fluid dissipates heat at the heat dissipating part to lower the temperature, and further, heat is taken away by heat exchange at the low-temperature side heat exchanger to lower the temperature. The second working fluid whose temperature has decreased is expanded again by the expander and travels to the second compressor. Thus, the power generation system according to the present invention can increase power generation efficiency by using the heat pump, the high temperature side heat exchanger, and the low temperature side heat exchanger.
本発明に係る発電システムは、ヒートポンプを室温近くで作動させることにより、熱効率を高めることができるとともに、放熱部からの放熱を暖房や給湯、第1作動流体の昇温等に効率よく利用することができる。ヒートポンプの第2圧縮機での圧縮比を低くし、温度上昇を抑えることにより、圧縮効率を高めることができる。また、循環部の第1圧縮機で、低温から圧縮することにより、発熱による損失を減らすことができる。低圧縮比の第2作動流体を利用して、高圧の第1作動流体を得ることができるため、動力的には等温圧縮に近づけることができる。このように、本発明に係る発電システムは、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる。また、圧力を大気圧程度にすることにより、より安全かつ小規模化も可能なシステムを構成することができる。 The power generation system according to the present invention can increase the thermal efficiency by operating the heat pump near room temperature, and efficiently use the heat released from the heat radiating unit for heating, hot water supply, temperature rise of the first working fluid, and the like. Can do. The compression efficiency can be increased by lowering the compression ratio of the second compressor of the heat pump and suppressing the temperature rise. In addition, the loss due to heat generation can be reduced by compressing from the low temperature with the first compressor in the circulation section. Since the first working fluid having a high pressure can be obtained by using the second working fluid having a low compression ratio, it can be brought close to isothermal compression in terms of power. As described above, the power generation system according to the present invention can further reduce the heat loss and waste heat to further increase the power generation efficiency. Further, by setting the pressure to about atmospheric pressure, it is possible to configure a system that is safer and can be reduced in scale.
本発明に係る発電システムは、タービンの駆動により駆動可能に、第1圧縮機、膨張機、第2圧縮機および発電機がタービンの回転軸に連結されていることが好ましい。また、本発明に係る発電システムは、第1圧縮機の代わりに昇圧ポンプが設けられ、第1作動流体として、昇圧ポンプおよび低温側熱交換器の側で液体、タービンおよび高温側熱交換器の側で気体となる流体を使用してもよい。この場合、昇圧ポンプで液体の状態で昇圧することができるため、エネルギー損失を抑えることができる。低温側熱交換器で加熱された第1作動流体を暖房や給湯等に利用してもよい。また、膨張機で膨張された第2作動流体は低温であるため、これを冷房等に利用してもよい。熱源は、例えば燃焼炉や太陽光を利用したもの等、タービンを駆動可能な程度まで第1作動流体を加熱できるものであればいかなるものであってもよい。 In the power generation system according to the present invention, it is preferable that the first compressor, the expander, the second compressor, and the generator are coupled to a rotating shaft of the turbine so that the power generation system can be driven by driving the turbine. Further, the power generation system according to the present invention is provided with a booster pump instead of the first compressor, and the first working fluid includes liquid, turbine, and high temperature side heat exchangers on the booster pump and low temperature side heat exchanger side. You may use the fluid which becomes gas on the side. In this case, since the pressure can be increased in a liquid state by the pressure increasing pump, energy loss can be suppressed. The first working fluid heated by the low temperature side heat exchanger may be used for heating, hot water supply, or the like. Moreover, since the 2nd working fluid expanded by the expander is low temperature, you may utilize this for cooling etc. Any heat source may be used as long as it can heat the first working fluid to such an extent that the turbine can be driven, such as a combustion furnace or solar light.
本発明に係る発電システムは、作動流体と断熱容器と循環部とヒートポンプと低温側熱交換器と高温側熱交換器と中間熱交換器と発電機とを有し、前記断熱容器は液体および気体の前記作動流体を収納しており、前記循環部は昇圧ポンプと熱源とタービンとを有し、前記昇圧ポンプは前記断熱容器から送られた液体の前記作動流体を昇圧するよう設けられ、前記熱源は前記昇圧ポンプで昇圧された前記作動流体を加熱するよう設けられ、前記タービンは前記熱源で加熱された前記作動流体により駆動可能に設けられ、前記ヒートポンプは圧縮機と放熱部と膨張機とを有し、前記圧縮機は前記タービンを駆動した後の前記作動流体および前記断熱容器から送られた気体の前記作動流体を圧縮するよう設けられ、前記放熱部は前記圧縮機で圧縮された前記作動流体の熱を放散させるよう設けられ、前記膨張機は前記放熱部で熱を放散した前記作動流体を膨張させた後、前記断熱容器に送るよう設けられ、前記低温側熱交換器は、前記断熱容器から前記圧縮機に送られる前記作動流体および前記放熱部から前記膨張機に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱するよう設けられ、前記高温側熱交換器は、前記タービンから前記圧縮機に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記低温側熱交換器より下流側の前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱するよう設けられ、前記中間熱交換器は、前記圧縮機から前記放熱部に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記低温側熱交換器と前記高温側熱交換器との間の前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱して気化するよう設けられ、前記発電機は前記タービンの駆動により発電可能に設けられていてもよい。 The power generation system according to the present invention includes a working fluid, a heat insulating container, a circulation unit, a heat pump, a low temperature side heat exchanger, a high temperature side heat exchanger, an intermediate heat exchanger, and a generator, and the heat insulating container includes a liquid and a gas. The circulating fluid has a booster pump, a heat source, and a turbine, and the booster pump is provided so as to pressurize the working fluid of the liquid sent from the heat insulating container, and the heat source Is provided to heat the working fluid pressurized by the booster pump, the turbine is provided to be drivable by the working fluid heated by the heat source, and the heat pump includes a compressor, a heat radiating unit, and an expander. And the compressor is provided so as to compress the working fluid after driving the turbine and the gaseous working fluid sent from the heat insulating container, and the heat radiating portion is compressed by the compressor. The expander is provided to dissipate the heat of the working fluid, the expander is provided to expand the working fluid that dissipates heat in the heat radiating unit, and then is sent to the heat insulating container. The heat exchange between the working fluid sent from the heat insulating container to the compressor and the working fluid from the heat radiating portion toward the expander and the working fluid from the booster pump toward the heat source, The high temperature side heat exchanger is provided to heat the working fluid from the boost pump toward the heat source, and the high temperature side heat exchanger includes the working fluid from the turbine toward the compressor, and the low temperature side heat from the boost pump toward the heat source. Heat exchange is performed with the working fluid downstream from the exchanger, and the working fluid is provided to heat the working fluid from the booster pump toward the heat source. Heat exchange is performed between the working fluid from the compressor toward the heat radiating unit, and the working fluid between the low temperature side heat exchanger and the high temperature side heat exchanger from the booster pump toward the heat source, The working fluid from the booster pump toward the heat source may be heated and vaporized, and the generator may be provided so as to be able to generate power by driving the turbine.
この構成では、作動流体が、中間熱交換器より上流の昇圧ポンプおよび低温側熱交換器の側で液体、下流の高温側熱交換器およびタービンの側で気体となるため、昇圧ポンプで液体の状態で昇圧することができる。その昇圧した液体の作動流体を低温側熱交換器で加熱することにより、沸点近くまで昇温することができる。また、中間熱交換器でさらに加熱して、室温程度の温度で作動流体を気化することにより、エネルギー損失を抑えて、高圧の気体の作動流体を得ることができる。 In this configuration, the working fluid becomes liquid on the booster pump and low-temperature side heat exchanger side upstream from the intermediate heat exchanger, and becomes gas on the downstream high-temperature side heat exchanger and turbine side. The voltage can be boosted in the state. By heating the pressurized working fluid in a low temperature side heat exchanger, the temperature can be raised to near the boiling point. Further, by further heating with an intermediate heat exchanger and vaporizing the working fluid at a temperature of about room temperature, it is possible to obtain a high-pressure gaseous working fluid while suppressing energy loss.
ヒートポンプにより、タービン駆動後の気体の作動流体を再凝縮して液化するため、熱効率がよい。また、気体の作動流体を圧縮したときの圧縮熱を、循環部での作動流体の気化に使用するため、さらに熱効率がよい。作動流体の液化・気化を利用することにより、昇圧ポンプ、低温側熱交換器、中間熱交換器、ヒートポンプでの作動流体の温度差を少なくすることができ、熱効率がよく、カルノーサイクルに近い理想的な熱機関を構成することができる。 Since the gas working fluid after driving the turbine is recondensed and liquefied by the heat pump, the heat efficiency is good. Moreover, since the compression heat when compressing a gaseous working fluid is used for vaporization of the working fluid in a circulation part, thermal efficiency is further improved. By utilizing the liquefaction / vaporization of the working fluid, it is possible to reduce the temperature difference of the working fluid in the booster pump, low-temperature side heat exchanger, intermediate heat exchanger, and heat pump. A typical heat engine.
作動流体は、例えば二酸化炭素や水から成る。作動流体が二酸化炭素から成る場合、高温でも熱分解せず、他の物質を溶解せず、電気伝導性もなく、化学的に安定であるため、金属を侵食せず、システムの寿命を延ばすことができる。また、使用後の二酸化炭素の後処理も不要である。二酸化炭素が常温付近の適当な圧力および温度で液化・気化するため、システム全体の熱効率を高めることができる。常温での二酸化炭素の蒸気圧が高いため、大出力のものであっても、システム全体を小型化することができる。 The working fluid is made of, for example, carbon dioxide or water. If the working fluid consists of carbon dioxide, it will not thermally decompose at high temperatures, it will not dissolve other materials, it will not conduct electricity, it will be chemically stable, so it will not erode metals and extend the life of the system. Can do. Further, post-treatment of carbon dioxide after use is not necessary. Since carbon dioxide is liquefied and vaporized at an appropriate pressure and temperature around room temperature, the thermal efficiency of the entire system can be increased. Since the vapor pressure of carbon dioxide at room temperature is high, the entire system can be downsized even if it has a large output.
本発明によれば、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる発電システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric power generation system which can reduce heat_generation | fever loss and waste heat and can improve electric power generation efficiency more can be provided.
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態の発電システムを示している。
図1に示すように、発電システム10は、循環部11とヒートポンプ12と低温側熱交換器13と高温側熱交換器14と発電機15とを有している。発電システム10は、小・中型動力用として好適に使用される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a power generation system according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、循環部11は、第1圧縮機21と熱源22とタービン23とを有している。また、循環部11は、第1圧縮機21とタービン23との間を循環する、気体の第1作動流体を有している。第1圧縮機21は、第1作動流体を圧縮するよう設けられている。第1圧縮機21は、圧縮後の第1作動流体が室温程度になるようになっている。熱源22は、第1圧縮機21で圧縮された第1作動流体を加熱するよう設けられている。タービン23は、ガスタービンから成り、熱源22で加熱された第1作動流体により駆動可能に設けられている。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、ヒートポンプ12は、膨張機24と第2圧縮機25と放熱部26とを有している。また、ヒートポンプ12は、膨張機24と第2圧縮機25との間を循環する、気体の第2作動流体を有している。膨張機24は、第2作動流体を膨張させるよう設けられている。第2圧縮機25は、膨張機24で膨張された第2作動流体を圧縮するよう設けられている。第2圧縮機25は、圧縮比を低くして温度上昇を抑えるようになっている。放熱部26は、第2圧縮機25で圧縮された第2作動流体の熱を放散させるよう設けられている。ヒートポンプ12の第2圧縮機25は、室温近くで作動するようになっている。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、低温側熱交換器13は、タービン23から第1圧縮機21に向かう第1作動流体および放熱部26から膨張機24に向かう第2作動流体と、膨張機24から第2圧縮機25に向かう第2作動流体との間で熱交換を行い、膨張機24から第2圧縮機25に向かう第2作動流体を加熱するよう設けられている。このとき、第1圧縮機21による圧縮後の第1作動流体の温度が室温になるよう、膨張機24の出口での第2作動流体の温度が下げられる。高温側熱交換器14は、タービン23から第1圧縮機21に向かう低温側熱交換器13より上流側の第1作動流体と、第1圧縮機21から熱源22に向かう第1作動流体との間で熱交換を行い、第1圧縮機21から熱源22に向かう第1作動流体を加熱するよう設けられている。発電機15は、タービン23の駆動により発電可能に設けられている。
As shown in FIG. 1, the low-temperature
図1に示すように、発電システム10は、タービン23の駆動により駆動可能に、第1圧縮機21、膨張機24、第2圧縮機25および発電機15がタービン23の回転軸に連結されている。
As shown in FIG. 1, the
次に、作用について説明する。
発電システム10は、以下のようにして、タービン23で発電機15を駆動して発電することができる。まず、循環部11において、第1圧縮機21で圧縮された第1作動流体が、高温側熱交換器14で熱交換により加熱され、熱源22で、タービン23を駆動可能な温度、例えば500〜1000℃程度までさらに加熱される。加熱された第1作動流体でタービン23を駆動し、それにより発電機15を駆動して発電を行う。タービン23を駆動した第1作動流体は、高温側熱交換器14で熱交換により熱を奪われて温度が下がり、さらに低温側熱交換器13で熱交換により熱を奪われて温度が下がる。温度低下した第1作動流体は、再び第1圧縮機21で圧縮されてタービン23に向かう。
Next, the operation will be described.
The
次に、ヒートポンプ12において、膨張機24で膨張された第2作動流体が、低温側熱交換器13で熱交換により加熱され、さらに第2圧縮機25で圧縮される。圧縮された第2作動流体は、放熱部26で熱を放散して温度が下がり、さらに低温側熱交換器13で熱交換により熱を奪われて温度が下がる。温度低下した第2作動流体は、再び膨張機24で膨張されて第2圧縮機25に向かう。このように、発電システム10は、ヒートポンプ12、高温側熱交換器14および低温側熱交換器13を使用することにより、発電効率を高めることができる。
Next, in the
発電システム10は、ヒートポンプ12の第2圧縮機25を室温近くで作動させるため、熱効率を高めることができるとともに、放熱部26からの放熱を暖房や給湯、第1作動流体の昇温等に効率よく利用することができる。ヒートポンプ12の第2圧縮機25での圧縮比が低く、温度上昇を抑えるため、圧縮効率を高めることができる。また、循環部11の第1圧縮機21で、低温から圧縮するため、発熱による損失を減らすことができる。低圧縮比の第2作動流体を利用して、高圧の第1作動流体を得ることができるため、等温圧縮に近づけることができる。このように、発電システム10は、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる。
Since the
図2は、本発明の第2の実施の形態の発電システム30を示している。
図2に示すように、発電システム30は、断熱容器31と循環部11とヒートポンプ12と低温側熱交換器13と高温側熱交換器14と中間熱交換器32と発電機15とを有している。発電システム30は、コ・ジェネレーション用として好適に使用される。なお、以下の説明では、本発明の第1の実施の形態と同一の装置には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
FIG. 2 shows a
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、断熱容器31は、液体の状態の第1作動流体を収納可能になっている。循環部11の第1作動流体は、例えば水などの、常温付近の適当な圧力および温度で液化・気化する流体から成っている。循環部11は、第1圧縮機21の代わりに昇圧ポンプ33が設けられている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、低温側熱交換器13は、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう第1作動流体および膨張機24から圧縮機25に送られる第2作動流体と、タービン23から断熱容器31に向かう第1作動流体および放熱部26から膨張機24に向かう第2作動流体との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう第1作動流体および膨張機24から圧縮機25に送られる第2作動流体を加熱するよう設けられている。
As shown in FIG. 2, the low temperature
図2に示すように、中間熱交換器32は、放熱部26の第2作動流体と、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう低温側熱交換器13と高温側熱交換器14との間の第1作動流体との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう第1作動流体を加熱して気化するよう設けられている。
As shown in FIG. 2, the
発電システム30では、第1作動流体が、中間熱交換器32より上流の昇圧ポンプ33および低温側熱交換器13の側で液体、下流のタービン23および高温側熱交換器14の側で気体となるよう構成されている。発電システム30は、タービン23の駆動により駆動可能に、膨張機24、圧縮機25および発電機15がタービン23の回転軸に連結されている。
In the
次に、作用について説明する。
発電システム30では、昇圧ポンプ33で第1作動流体を液体の状態で昇圧することができるため、エネルギー損失を抑えることができる。図2に示すように、発電システム30では、低温側熱交換器13で加熱された第1作動流体を暖房や給湯等に利用することができる。また、膨張機24で膨張された第2作動流体は低温であるため、これを冷房等に利用することができる。このように、発電システム30は、吸熱・温熱をヒートポンプで作り、同時に発電を可能にすることにより、高効率のコ・ジェネレーションシステムを構成することができる。
Next, the operation will be described.
In the
図3は、本発明の第3の実施の形態の発電システム50を示している。
図3に示すように、発電システム50は、作動流体51と断熱容器31と循環部11とヒートポンプ12と低温側熱交換器13と高温側熱交換器14と中間熱交換器32と発電機15とを有している。発電システム50は、大型動力用として好適に使用される。なお、以下の説明では、本発明の第1および第2の実施の形態と同一の装置には同一の符号を付している。
FIG. 3 shows a
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、作動流体51は、二酸化炭素から成っている。断熱容器31は、作動流体51である液体および気体の二酸化炭素を収納している。循環部11は、昇圧ポンプ33と熱源22とタービン23とを有している。昇圧ポンプ33は、断熱容器31から送られた液体の二酸化炭素を昇圧するよう設けられている。熱源22は、昇圧ポンプ33で圧縮され、その後気化した二酸化炭素を加熱するよう設けられている。タービン23は、ガスタービンから成り、熱源22で加熱された二酸化炭素により駆動可能に設けられている。
As shown in FIG. 3, the working
図3に示すように、ヒートポンプ12は、圧縮機25と放熱部26と膨張機24とを有している。圧縮機25は、タービン23を駆動した後の気体の二酸化炭素および断熱容器31から送られた気体の二酸化炭素を圧縮するよう設けられている。圧縮機25は、圧縮比を低くして温度上昇を抑えるようになっている。放熱部26は、圧縮機25で圧縮された二酸化炭素の熱を放散させるよう設けられている。膨張機24は、放熱部26で熱を放散した二酸化炭素を膨張させて一部を液化した後、断熱容器31に送るよう設けられている。ヒートポンプ12の圧縮機25は、室温近くで作動するようになっている。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、低温側熱交換器13は、断熱容器31から圧縮機25に送られる二酸化炭素および放熱部26から膨張機24に向かう二酸化炭素と、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう二酸化炭素との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう二酸化炭素に温度差を付けるよう設けられている。高温側熱交換器14は、タービン23から圧縮機25に向かう二酸化炭素と、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう低温側熱交換器13より下流側の二酸化炭素との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう二酸化炭素を加熱するよう設けられている。
As shown in FIG. 3, the low temperature
図3に示すように、中間熱交換器32は、圧縮機25から放熱部26に向かう二酸化炭素と、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう低温側熱交換器13と高温側熱交換器14との間の二酸化炭素との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ33から熱源22に向かう二酸化炭素を加熱して気化するよう設けられている。発電機15は、タービン23の駆動により発電可能に設けられている。
As shown in FIG. 3, the
発電システム50は、二酸化炭素が、中間熱交換器32より上流の昇圧ポンプ33および低温側熱交換器13の側で液体、下流のタービン23および高温側熱交換器14の側で気体となるよう構成されている。発電システム50は、タービン23の駆動により駆動可能に、膨張機24、圧縮機25および発電機15がタービン23の回転軸に連結されている。
The
次に、作用について説明する。
発電システム50は、以下のようにして、タービン23で発電機15を駆動して発電することができる。まず、循環部11において、断熱容器31から送られた液体の二酸化炭素が、昇圧ポンプ33で昇圧された後、低温側熱交換器13で熱交換により加熱され、中間熱交換器32で熱交換によりさらに加熱されて気化する。気化した二酸化炭素が高温側熱交換器14で熱交換により加熱され、熱源22で、タービン23を駆動可能な温度に加熱された二酸化炭素でタービン23を駆動し、それにより発電機15を駆動して発電を行う。
Next, the operation will be described.
The
タービン23を駆動した二酸化炭素は、高温側熱交換器14で熱交換により熱を奪われて室温付近まで温度が下がり、ここで断熱容器31から送られた気体の二酸化炭素と混合してヒートポンプ12に送られる。ヒートポンプ12に送られた二酸化炭素は、圧縮機25で圧縮され、中間熱交換器32で熱交換により熱を奪われ、放熱部26で熱を放散し、さらに低温側熱交換器13で熱交換により熱を奪われて液化温度まで温度が下がる。温度低下した二酸化炭素は、膨張機24で膨張されて一部が液化し、断熱容器31に向かう。断熱容器31に入った二酸化炭素の内、液体の二酸化炭素は昇圧ポンプ33に向かい、気体の二酸化炭素は、低温側熱交換器13で加熱された後、タービン23を駆動した二酸化炭素と混合して圧縮機25に向かう。このように、発電システム50は、ヒートポンプ12、高温側熱交換器14、中間熱交換器32および低温側熱交換器13を使用することにより、発電効率を高めることができる。
The carbon dioxide that has driven the
発電システム50は、ヒートポンプ12を室温近くで作動させるため、熱効率を高めることができる。ヒートポンプ12の圧縮機25での圧縮比が低く、温度上昇を抑えるため、圧縮効率を高めることができる。ヒートポンプ12での低圧縮比の二酸化炭素を利用して、循環部11での高圧の二酸化炭素を得ることができるため、等温圧縮に近づけることができる。このように、発電システム50は、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる。
Since the
発電システム50は、作動流体51として使用する二酸化炭素が、高温でも熱分解せず、他の物質を溶解せず、電気伝導性もなく、化学的に安定であるため、金属を侵食せず、システムの寿命を延ばすことができる。また、使用後の二酸化炭素の後処理も不要である。二酸化炭素が常温付近の適当な圧力および温度で液化・気化するため、システム全体の熱効率を高めることができる。常温で二酸化炭素の蒸気圧が高いため、システム全体を小型化することができる。
In the
発電システム50では、昇圧ポンプ33で二酸化炭素を液体の状態で昇圧することができる。その昇圧した液体の二酸化炭素を低温側熱交換器13で加熱し、中間熱交換器32でさらに加熱して、室温程度の温度で二酸化炭素を気化することにより、エネルギー損失を抑えて、高圧の気体の二酸化炭素を得ることができる。
In the
発電システム50は、ヒートポンプ12により、タービン23駆動後の気体の二酸化炭素を再凝縮して液化するため、熱効率がよい。また、気体の二酸化炭素を圧縮したときの圧縮熱を、循環部11での二酸化炭素の気化・昇温に使用するため、さらに熱効率がよい。二酸化炭素の液化・気化を利用することにより、昇圧ポンプ33、低温側熱交換器13、中間熱交換器32、ヒートポンプ12での二酸化炭素の高圧側と低圧側とに温度差を少なくすることができ、熱効率がよく、カルノーサイクルに近い理想的な熱機関を構成することができる。
Since the
図3に示す具体的な一例では、断熱容器31の内部の圧力は2MPa、昇圧ポンプ33で昇圧した液体の二酸化炭素の圧力は10MPaである。タービン23駆動前の気体の二酸化炭素の圧力P2は10MPa、温度T2は1073K、タービン23駆動後の気体の二酸化炭素の圧力P1は2MPa、温度T1は840Kである。ヒートポンプ12の圧縮機25に向かう気体の二酸化炭素の温度T6は300Kである。低温側熱交換器13から膨張機24に向かう気体の二酸化炭素の温度T3は253K、圧力P3は3MPaである。膨張機24から断熱容器31に向かう液体の二酸化炭素の圧力P4は2MPaである。
In the specific example shown in FIG. 3, the pressure inside the
このとき、膨張機24から断熱容器31に向かう液体の二酸化炭素の温度をT4、放熱部26での気体の二酸化炭素の温度をT5とすると、ヒートポンプ12の効率ηは、T5=T6/(P4/P3)(κ−1)/κ、T4=T3/(P3/P4)(κ−1)/κ より、
η=(T3+T4)/{(T5+T6)−(T3+T4)}
≒3.31
となる。ここで、比熱比κ=1.314(250Kの値)、κ=1.288(300Kの値)である。2MPa、253Kの気化熱は280J/gであるため、再凝縮に要するヒートポンプ12のエネルギーは、280/3.31≒84.6J/gとなる。
At this time, assuming that the temperature of the liquid carbon dioxide from the
η = (T 3 + T 4 ) / {(T 5 + T 6 ) − (T 3 + T 4 )}
≒ 3.31
It becomes. Here, the specific heat ratio κ = 1.314 (value of 250K) and κ = 1.288 (value of 300K). Since the heat of vaporization at 2 MPa and 253 K is 280 J / g, the energy of the
タービン23の吸熱エネルギーは、κ=1.186、定圧比熱Cp=1.204(900Kの値)とすると、
(T2−T1)Cp={T2−T2/(P2/P1)(κ−1)/κ}Cp
=280.5J/g
となる。
液体の二酸化炭素の圧力を2MPaから10MPaへ昇圧するときの昇圧ポンプ33の仕事は、
昇圧ポンプ33の仕事=圧力差(N2)×距離(m)/密度(g/cm3)
=(1000−200)0.01/1.56
≒5.1
となる。
したがって、この分を熱効率に反映させると、
熱効率=(280.5−84.6−5.1)/280.5
=0.68
となる。
The endothermic energy of the
(T 2 −T 1 ) C p = {T 2 −T 2 / (P 2 / P 1 ) (κ−1) / κ } C p
= 280.5J / g
It becomes.
The work of the
Work of pressurizing
= (1000-200) 0.01 / 1.56
≒ 5.1
It becomes.
Therefore, if this amount is reflected in the thermal efficiency,
Thermal efficiency = (280.5-84.6-5.1) /280.5
= 0.68
It becomes.
次に、膨張機24の必要風量を求める。膨張機24の風量当たりの吸熱量は、κ=1.314、Cp=0.791(250Kの値)とすると、
(T3−T4)Cp={T3−T3/(P4/P3)(κ−1)/κ}Cp
≒18.3J/g
となる。
このとき、気化熱/吸熱量は、280/18.3=15.4≒16となる。したがって、タービン23の風量の16倍の断熱膨張量があれば、再凝縮が可能になる。
なお、これらの計算には変換効率が入っていないが、出力1万kW以上であれば、85〜90%が可能である。また、タービン23の入口の温度は、材料の耐熱性により決まるが、これをさらに高温にできれば、さらに効率を上げることができる。
Next, the required air volume of the
(T 3 −T 4 ) C p = {T 3 −T 3 / (P 4 / P 3 ) (κ−1) / κ } C p
≒ 18.3 J / g
It becomes.
At this time, the heat of vaporization / endothermic amount is 280 / 18.3 = 15.4≈16. Therefore, if there is an adiabatic expansion amount 16 times the air volume of the
These calculations do not include conversion efficiency, but if the output is 10,000 kW or more, 85 to 90% is possible. Further, the temperature at the inlet of the
10 発電システム
11 循環部
12 ヒートポンプ
13 低温側熱交換器
14 高温側熱交換器
15 発電機
21 第1圧縮機
22 熱源
23 タービン
24 膨張機
25 第2圧縮機(圧縮機)
26 放熱部
DESCRIPTION OF
26 Heat dissipation part
Claims (2)
前記循環部は第1圧縮機と熱源とタービンとを有し、前記第1圧縮機と前記タービンとの間を循環する第1作動流体を有し、前記第1圧縮機は前記第1作動流体を圧縮するよう設けられ、前記熱源は前記第1圧縮機で圧縮された前記第1作動流体を加熱するよう設けられ、前記タービンは前記熱源で加熱された前記第1作動流体により駆動可能に設けられ、
前記ヒートポンプは膨張機と第2圧縮機と放熱部とを有し、前記膨張機と前記第2圧縮機との間を循環する第2作動流体を有し、前記膨張機は前記第2作動流体を膨張させるよう設けられ、前記第2圧縮機は前記膨張機で膨張された前記第2作動流体を圧縮するよう設けられ、前記放熱部は前記第2圧縮機で圧縮された前記第2作動流体の熱を放散させるよう設けられ、
前記低温側熱交換器は、前記タービンから前記第1圧縮機に向かう前記第1作動流体および前記放熱部から前記膨張機に向かう前記第2作動流体と、前記膨張機から前記第2圧縮機に向かう前記第2作動流体との間で熱交換を行い、前記膨張機から前記第2圧縮機に向かう前記第2作動流体を加熱するよう設けられ、
前記高温側熱交換器は、前記タービンから前記第1圧縮機に向かう前記低温側熱交換器より上流側の前記第1作動流体と、前記第1圧縮機から前記熱源に向かう前記第1作動流体との間で熱交換を行い、前記第1圧縮機から前記熱源に向かう前記第1作動流体を加熱するよう設けられ、
前記発電機は前記タービンの駆動により発電可能に設けられていることを、
特徴とする発電システム。 It has a circulation part, a heat pump, a low temperature side heat exchanger, a high temperature side heat exchanger, and a generator,
The circulation unit includes a first compressor, a heat source, and a turbine, and includes a first working fluid that circulates between the first compressor and the turbine, and the first compressor includes the first working fluid. The heat source is provided to heat the first working fluid compressed by the first compressor, and the turbine is provided to be drivable by the first working fluid heated by the heat source. And
The heat pump has an expander, a second compressor, and a heat radiating section, and has a second working fluid that circulates between the expander and the second compressor, and the expander is the second working fluid. The second compressor is provided to compress the second working fluid expanded by the expander, and the heat radiating portion is compressed by the second compressor. To dissipate the heat of
The low temperature side heat exchanger includes the first working fluid from the turbine toward the first compressor, the second working fluid from the heat radiating portion toward the expander, and the expander to the second compressor. Heat exchanging with the second working fluid heading, provided to heat the second working fluid heading from the expander to the second compressor;
The high temperature side heat exchanger includes the first working fluid upstream from the low temperature side heat exchanger heading from the turbine toward the first compressor, and the first working fluid heading from the first compressor toward the heat source. A heat exchange between the first compressor and the heat source to heat the first working fluid,
The generator is provided so as to be able to generate power by driving the turbine.
Characteristic power generation system.
前記断熱容器は液体および気体の前記作動流体を収納しており、
前記循環部は昇圧ポンプと熱源とタービンとを有し、前記昇圧ポンプは前記断熱容器から送られた液体の前記作動流体を圧縮するよう設けられ、前記熱源は前記昇圧ポンプで圧縮された前記作動流体を加熱するよう設けられ、前記タービンは前記熱源で加熱された前記作動流体により駆動可能に設けられ、
前記ヒートポンプは圧縮機と放熱部と膨張機とを有し、前記圧縮機は前記タービンを駆動した後の前記作動流体および前記断熱容器から送られた気体の前記作動流体を圧縮するよう設けられ、前記放熱部は前記圧縮機で圧縮された前記作動流体の熱を放散させるよう設けられ、前記膨張機は前記放熱部で熱を放散した前記作動流体を膨張させた後、前記断熱容器に送るよう設けられ、
前記低温側熱交換器は、前記断熱容器から前記圧縮機に送られる前記作動流体および前記放熱部から前記膨張機に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体に温度差を付けるよう設けられ、
前記高温側熱交換器は、前記タービンから前記圧縮機に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記低温側熱交換器より下流側の前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱するよう設けられ、
前記中間熱交換器は、前記圧縮機から前記放熱部に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記低温側熱交換器と前記高温側熱交換器との間の前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱して気化するよう設けられ、
前記発電機は前記タービンの駆動により発電可能に設けられていることを、
特徴とする発電システム。 A working fluid, a heat insulating container, a circulation unit, a heat pump, a low temperature side heat exchanger, a high temperature side heat exchanger, an intermediate heat exchanger, and a generator;
The heat insulating container contains the liquid and gaseous working fluid,
The circulation unit includes a booster pump, a heat source, and a turbine, and the booster pump is provided to compress the working fluid that is liquid sent from the heat insulating container, and the heat source is compressed by the booster pump. Provided to heat a fluid, and the turbine is provided to be drivable by the working fluid heated by the heat source,
The heat pump includes a compressor, a heat radiating unit, and an expander, and the compressor is provided to compress the working fluid after driving the turbine and the working fluid of gas sent from the heat insulating container, The heat dissipating part is provided to dissipate heat of the working fluid compressed by the compressor, and the expander expands the working fluid dissipated heat by the heat dissipating part and then sends it to the heat insulating container. Provided,
The low-temperature side heat exchanger includes a gap between the working fluid sent from the heat insulating container to the compressor, the working fluid going from the heat radiating unit to the expander, and the working fluid going from the booster pump to the heat source. Heat exchange is performed to provide a temperature difference in the working fluid from the booster pump toward the heat source,
The high temperature side heat exchanger performs heat exchange between the working fluid from the turbine toward the compressor and the working fluid downstream from the low temperature side heat exchanger from the boost pump toward the heat source. , Provided to heat the working fluid from the booster pump to the heat source,
The intermediate heat exchanger includes the working fluid from the compressor toward the heat radiating unit, and the working fluid between the low temperature side heat exchanger and the high temperature side heat exchanger from the booster pump to the heat source. Heat exchange between and is provided to heat and vaporize the working fluid from the booster pump toward the heat source,
The generator is provided so as to be able to generate power by driving the turbine.
Characteristic power generation system.
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JPS57116134A (en) * | 1980-11-25 | 1982-07-20 | Bbc Brown Boveri & Cie | Gas turbine apparatus for obtaining high temperature process heat |
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KR101983314B1 (en) * | 2017-12-27 | 2019-05-28 | 한국에너지기술연구원 | Re-injection system of leaked carbon dioxid associated with heat pump |
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