JP2012251456A - Power generation system - Google Patents

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洋 小寺
Akihiko Yasuda
明彦 安田
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    • Y02E10/46Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problem of a power generation system: when geothermal heat is used for power generation, the system is available only in the area where the geothermal heat can be obtained.SOLUTION: This power generation system includes a heat pump having a compressor, a generator for supplying electric power by power of a turbine to be driven by energy of a working medium heated and vaporized by the heat pump, a circulating means for sending out the working medium from the turbine, and a control part. An organic compound whose absolute saturated vapor pressure in 90°C is 0.3 MPa or more is used as the working medium. CO2 is used as a refrigerant. A scroll turbine or a screw turbine is used as a turbine. Inlet pressure that is a pressure of the working medium in an inlet is set to the saturated vapor pressure or less of the working medium in the inlet temperature. Sum electric power as a sum of compressor driving electric power, circulating means driving electric power and control part electric power for the control part is supplied. The system operates under the condition that generated electric power is set to be larger than the sum electric power.

Description

本発明は、冷媒を加熱気化する外気熱交換器と前記冷媒を圧縮する圧縮機と圧縮された前記冷媒により作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器と前記作動媒体熱交換器からの前記冷媒を減圧回収し前記外気熱交換器の冷媒加熱流路の入口に導く回収経路と前記冷媒とからなるヒートポンプと、前記ヒートポンプにより加熱された前記作動媒体の持つ熱エネルギによって動力が与えられるタービンと前記タービンの排出口から排出される前記作動媒体を前記作動媒体熱交換器に送出する循環手段と前記タービンの動力により発電電力を供給する発電機を備える作動媒体発電サイクル部と、前記ヒートポンプと前記作動媒体発電サイクル部とを制御する制御部とを備え、前記圧縮機の駆動用電力と前記循環手段の駆動用電力と前記制御部へ供給される制御部用電力との総和である総和電力としての電力が供給され、前記総和電力より前記発電電力が大きくなるように設定される真発生電力獲得条件で運転される発電システムに関する。   The present invention provides an external air heat exchanger that heats and vaporizes a refrigerant, a compressor that compresses the refrigerant, a working medium heat exchanger that heats a working medium by the compressed refrigerant, and the refrigerant from the working medium heat exchanger. A heat pump comprising a recovery path that is recovered under reduced pressure and led to an inlet of a refrigerant heating flow path of the outside air heat exchanger and the refrigerant, a turbine that is powered by the thermal energy of the working medium heated by the heat pump, and the turbine A working medium power generation cycle section including circulation means for sending the working medium discharged from the discharge port of the working medium to the working medium heat exchanger, a generator for supplying generated power by the power of the turbine, the heat pump, and the working medium A control unit that controls the power generation cycle unit, and is supplied to the control unit, the driving power for the compressor, the driving power for the circulation means, and Power is supplied as a sum a is the sum power of the control unit for electric power, to a power generation system is operated at a true generated power acquisition conditions the total power from the generated power is set to be larger.

従来から効率よく発電を行う発電システムが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。   Conventionally, power generation systems that efficiently generate power have been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

特許文献1、特許文献2においては、熱源エネルギの利用効率の向上が図れるように改良した発電システムの構成が示されている。   In Patent Document 1 and Patent Document 2, the configuration of a power generation system improved so as to improve the utilization efficiency of heat source energy is shown.

特開2009−221961号公報JP 2009-221961 A 特開2009−22123号公報JP 2009-22123 A

特許文献1では熱源エネルギの利用効率,発電出力の向上が図れるものであるが、以下の課題がある。
たとえば、熱源エネルギとして地熱を用いる場合は、地熱が得られる地域でないと使用できない。
因みに、発電機を駆動するタービンの膨張効率(動力変換効率)を向上しても、0.6〜0.7程度の効率しか得られないから、熱源エネルギを得るために当該システム外からの電力や燃料供給によるエネルギによって賄われる場合には、1を超えるシステム効率が得られない。
Although Patent Document 1 can improve the utilization efficiency of heat source energy and the power generation output, there are the following problems.
For example, when geothermal is used as the heat source energy, it can be used only in an area where geothermal heat can be obtained.
Incidentally, even if the expansion efficiency (power conversion efficiency) of the turbine that drives the generator is improved, only an efficiency of about 0.6 to 0.7 can be obtained. If it is covered by energy from fuel supply, system efficiency exceeding 1 cannot be obtained.

これに対し、特許文献2ではヒートポンプにより液体を蒸発させて気体にし、この気体の持つエネルギを動力とするタービンで発電機を駆動し発電を行っている。 On the other hand, in Patent Document 2, a liquid is evaporated by a heat pump to form a gas, and a power generator is driven by a turbine that uses the energy of the gas as power.

特許文献2にはヒートポンプのCOPと、タービンで発電機を駆動し発電を行うときの効率ηの積、COP×ηの値が1を超える場合には、発電に要した電力より大きい電力が得られることを示唆されているものの、実施可能な程度の実施例は記載されていない。 In Patent Document 2, if the product of the COP of the heat pump and the efficiency η when the generator is driven by the turbine to generate power, and the value of COP × η exceeds 1, power greater than the power required for power generation is obtained. However, no practical examples have been described.

すなわち、ヒートポンプによる加熱温度が例えば100℃以下である場合、真空中で水を沸騰させた場合沸点は100℃より低くすることはできるものの、タービンの出口圧力ゼロより低くできないからタービンにおける入り口と出口との差圧はせいぜい0.1MPaとすることができる程度であり、入り口と出口との差圧が0.1MPaである場合には特許文献2の実施例で示されている0.3の発電効率は得られない。 That is, when the heating temperature by the heat pump is 100 ° C. or less, for example, when boiling water in a vacuum, the boiling point can be lower than 100 ° C., but the turbine outlet pressure cannot be lower than zero. The differential pressure between the inlet and the outlet is at most 0.1 MPa. When the differential pressure between the inlet and the outlet is 0.1 MPa, the power generation of 0.3 shown in the example of Patent Document 2 is shown. Efficiency is not obtained.

また、タービンにおける入り口と出口との差圧を大きくするためにヒートポンプにおける高温側の熱交換器の温度を高くするとヒートポンプのCOPは低下してしまうから、結局、ヒートポンプのCOPと、タービンで発電機を駆動し発電を行うときの効率ηの積、COP×ηの値が1を超える構成とはならないことになる。 Further, if the temperature of the heat exchanger on the high temperature side in the heat pump is increased in order to increase the differential pressure between the inlet and the outlet in the turbine, the COP of the heat pump is lowered. The product of the efficiency η and the value of COP × η when power is driven to generate power will not exceed 1.

本発明は、上記実情に鑑みて為されたものであって、その目的は、地域によらず効率よく発電が行える発電システムを提供する点にある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a power generation system capable of generating power efficiently regardless of the region.

本発明の第1特徴構成は、冷媒加熱流路を備えシステムの外部からの熱を吸収し冷媒加熱流路を流れる冷媒に伝え冷媒を気化する外気熱交換器と、前記冷媒加熱流路の出口からの前記冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記冷媒により作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器と、作動媒体を加熱した後に前記作動媒体熱交換器から排出される前記冷媒を回収し前記外気熱交換器の冷媒加熱流路の入口に導く回収経路と、を備え、前記外気熱交換器と前記圧縮機と前記作動媒体熱交換器の冷媒流路と前記回収経路と前記冷媒とからなるヒートポンプを構成し、
さらに、導入口と排出口を具備するタービンを備え、前記作動媒体熱交換器の作動媒体流路を流れる前記作動媒体が前記ヒートポンプによる加熱により気化され、気化された後に前記作動媒体流路の出口から排出される前記作動媒体が前記導入口に導入され前記排出口から排出されることで、気化された前記作動媒体の持つ熱エネルギによって前記タービンに動力が与えられ、前記動力により発電を行う発電機を備え、前記排出口から排出される前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出する循環手段を備え、前記作動媒体流路と前記タービンと前記循環手段と前記発電機とからなる作動媒体発電サイクル部を構成し、
前記ヒートポンプと前記作動媒体発電サイクル部とを制御する制御部を備え、
前記圧縮機を駆動するための圧縮機駆動電力、および、前記循環手段を駆動するための循環手段駆動電力、および、前記制御部に供給される制御部用電力としての電力が供給され、
前記圧縮機駆動電力と前記循環手段駆動電力と前記制御部用電力との総和である総和電力より、前記発電機により発電される発電電力が大きくなるように設定される運転条件である真発生電力獲得条件で運転されるように構成されている発電システムであって、
90℃における飽和蒸気圧の絶対圧が0.3MPa以上である有機化合物を前記作動媒体とし、前記冷媒をCO2とし、前記タービンをスクロールタービンまたはスクリュータービンとし、
前記真発生電力獲得条件が、前記導入口における前記作動媒体の温度である導入口温度を略90℃として、かつ、前記導入口における前記作動媒体の圧力である導入口圧力を前記導入口温度における前記作動媒体の飽和蒸気圧以下にした運転条件に設定されるように構成されている点を特徴とする。
A first characteristic configuration of the present invention includes an outside air heat exchanger that includes a refrigerant heating channel, absorbs heat from outside the system, transmits the refrigerant to the refrigerant flowing through the refrigerant heating channel, and vaporizes the refrigerant, and an outlet of the refrigerant heating channel A compressor that compresses the refrigerant from the medium, a working medium heat exchanger that heats the working medium with the compressed refrigerant, and a refrigerant that is discharged from the working medium heat exchanger after the working medium is heated. A recovery path that leads to an inlet of a refrigerant heating channel of the outside air heat exchanger, and the refrigerant path of the outside air heat exchanger, the compressor, the working medium heat exchanger, the recovery path, and the refrigerant Configure the heat pump
And a turbine having an inlet and an outlet, wherein the working medium flowing through the working medium flow path of the working medium heat exchanger is vaporized by heating by the heat pump, and after being vaporized, the outlet of the working medium flow path The working medium discharged from the inlet is introduced into the inlet and discharged from the outlet, so that the turbine is powered by the heat energy of the vaporized working medium, and power is generated by the power. An operation system comprising a circulation means for delivering the working medium discharged from the discharge port to an inlet of the working medium flow path, and comprising the working medium flow path, the turbine, the circulation means, and the generator. Configure the medium power generation cycle section,
A control unit for controlling the heat pump and the working medium power generation cycle unit;
Compressor driving power for driving the compressor, circulating means driving power for driving the circulating means, and power as control section power supplied to the control section are supplied,
True generated power that is an operating condition that is set such that the generated power generated by the generator is larger than the total power that is the sum of the compressor driving power, the circulation means driving power, and the control unit power A power generation system configured to operate under acquisition conditions,
An organic compound whose saturated vapor pressure at 90 ° C. is 0.3 MPa or more is used as the working medium, the refrigerant is CO2, and the turbine is a scroll turbine or a screw turbine.
The true generated power acquisition condition is that the inlet temperature, which is the temperature of the working medium at the inlet, is approximately 90 ° C., and the inlet pressure, which is the pressure of the working medium, at the inlet is the inlet temperature. It is characterized in that it is configured so as to be set to operating conditions that are not higher than the saturated vapor pressure of the working medium.

すなわち、この発電システムを稼動するためにこの発電システムにおいて消費される電力より大きな発電電力が得られるように前記運転条件が設定されることになるものである。 That is, the operating conditions are set so that the generated power is larger than the power consumed in the power generation system in order to operate the power generation system.

本発明の第1特徴構成によれば、実質的に外部からの電力や燃料の供給なしで、特に高温でない外気などであっても、システムの外部からの熱を電力に変換できるから、特別な地域的な制約なしに、また、地球温暖化ガスを排出することなく電気エネルギを得ることができるようになる。また、冷媒としてはヒートポンプに適した冷媒を用い、そして、作動媒体としては作動媒体発電サイクル部に適した作動媒体を用い、冷媒と作動媒体としてそれぞれ異なる物質を用いることができるから最適な発電システムが構成しやすい。   According to the first characteristic configuration of the present invention, heat from the outside of the system can be converted into electric power even in the case of outside air that is not particularly hot, substantially without supply of electric power or fuel from the outside. Electric energy can be obtained without regional restrictions and without discharging global warming gas. In addition, since a refrigerant suitable for a heat pump is used as the refrigerant, a working medium suitable for the working medium power generation cycle unit is used as the working medium, and different substances can be used as the refrigerant and the working medium, the optimum power generation system. Is easy to configure.

因みに、この発明による発電システムは、決して自然法則に反するような永久機関ではなく、ソーラーパネルが太陽光のエネルギを電気のエネルギに変換するものであるのに対し、この発明による発電システムは、大気熱のエネルギを電気のエネルギに変換する技術を提供するものである。 Incidentally, the power generation system according to the present invention is not a permanent engine that violates the laws of nature, and the solar panel converts sunlight energy into electric energy, whereas the power generation system according to the present invention A technique for converting thermal energy into electrical energy is provided.

本発明の第2特徴構成は、上記した第1特徴構成に加えて、前記導入口に導入される前の前記作動媒体を加熱する補助熱源を具備する点を特徴とする。   According to a second characteristic configuration of the present invention, in addition to the first characteristic configuration described above, an auxiliary heat source for heating the working medium before being introduced into the introduction port is provided.

本発明の第2特徴構成によれば、上記の第1特徴構成による効果に加えて、補助熱源の加熱により、作動媒体を十分な過熱蒸気とすることができるから、タービン内において作動媒体が湿り蒸気になることによる作動媒体の液相比率の増加に起因する悪影響が低減できる。また、沸点が多少高い作動媒体であっても使用できるから、作動媒体を選定する際の条件が緩和される。   According to the second characteristic configuration of the present invention, in addition to the effect of the first characteristic configuration described above, the working medium can be sufficiently heated by the heating of the auxiliary heat source. The adverse effect resulting from the increase in the liquid phase ratio of the working medium due to the vapor can be reduced. In addition, since a working medium having a slightly higher boiling point can be used, the conditions for selecting the working medium are eased.

本発明の第3特徴構成は、上記した第2特徴構成に加えて、前記補助熱源が前記導入口に導入される前の前記作動媒体を加熱した後において残存する排熱によって、前記回収経路を流れる冷媒を加熱する点を特徴とする。   According to a third feature of the present invention, in addition to the second feature described above, the recovery path is formed by exhaust heat remaining after heating the working medium before the auxiliary heat source is introduced into the introduction port. It is characterized by heating the flowing refrigerant.

本発明の第3特徴構成によれば、上記の第2特徴構成による効果に加えて、補助熱源が作動媒体を加熱した後に残存する排熱が前記回収経路を流れる冷媒の加熱に用いられ、作動媒体を加熱した後において残存していた排熱は冷媒を加熱することによって減少するから、補助熱源の加熱による熱効率が高くなるように構成可能となる。   According to the third characteristic configuration of the present invention, in addition to the effect of the second characteristic configuration described above, the exhaust heat remaining after the auxiliary heat source heats the working medium is used for heating the refrigerant flowing through the recovery path. Since the exhaust heat remaining after heating the medium is reduced by heating the refrigerant, the heat efficiency by heating the auxiliary heat source can be increased.

本発明の第4特徴構成は、上記した第1特徴構成から第3特徴構成のいずれか加えて、前記回収経路を流れる冷媒が前記外気熱交換器によってシステムの外部からの熱を吸収した後に、前記排出口から排出される前記作動媒体を前記冷媒によって冷却する冷却部を備える点を特徴とする。   According to a fourth feature configuration of the present invention, in addition to any of the first feature configuration to the third feature configuration described above, after the refrigerant flowing through the recovery path absorbs heat from outside the system by the outside air heat exchanger, A cooling unit that cools the working medium discharged from the discharge port with the refrigerant is provided.

本発明の第4特徴構成によれば、上記の第1特徴構成から第3特徴構成のいずれかによる効果に加えて、前記排出口から排出される前記作動媒体の持つ残存エネルギを有効に再利用できるものとなる。さらに、冷媒が、前記排出口から排出される作動媒体を前記冷却部において冷却する前に前記外気熱交換器によってシステムの外部からの熱を吸収ことができるから、前記外気熱交換器における上記システムの外部からの熱と冷媒との温度差が大きいものとなり、上記ヒートポンプにおける成績係数(COP)が高くなることで、さらに効率の良い発電システムとすることができる。   According to the fourth feature configuration of the present invention, in addition to the effect of any one of the first feature configuration to the third feature configuration, the remaining energy of the working medium discharged from the discharge port is effectively reused. It will be possible. Furthermore, since the refrigerant can absorb heat from outside the system by the outside air heat exchanger before the working medium discharged from the discharge port is cooled in the cooling unit, the system in the outside air heat exchanger Since the temperature difference between the heat from the outside and the refrigerant is large and the coefficient of performance (COP) in the heat pump is high, a more efficient power generation system can be obtained.

本発明の第5特徴構成は、上記した第1特徴構成から第4特徴構成のいずれか加えて、前記作動媒体流路から前記循環手段への前記作動媒体の逆流を阻止する逆止弁を具備する点を特徴とする。   According to a fifth feature of the present invention, in addition to any of the first to fourth features described above, a check valve for preventing a backflow of the working medium from the working medium flow path to the circulation means is provided. It is characterized by

本発明の第5特徴構成によれば、上記の第1特徴構成から第4特徴構成のいずれかによる効果に加えて、前記作動媒体熱交換器において前記ヒートポンプによる加熱により上昇した前記作動媒体の圧力が前記循環手段の吐出圧力よりも高くなった場合に、前記作動媒体が逆流することにより発生する不都合が回避できるものとなる。   According to the fifth feature configuration of the present invention, in addition to the effect of any one of the first feature configuration to the fourth feature configuration, the pressure of the working medium increased by heating by the heat pump in the working medium heat exchanger. When the pressure becomes higher than the discharge pressure of the circulation means, it is possible to avoid inconveniences caused by the backflow of the working medium.

実施形態における構成を示す図The figure which shows the structure in embodiment 実施例における発電機の効率を示す図The figure which shows the efficiency of the generator in the execution example ヒートポンプのCOPを示す図Diagram showing COP of heat pump

〔第1実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明において、n−ブタン(ノルマルブタン)を媒体とし、スクロール式のタービンを用いた場合である第1実施形態を説明する。なお、i−ブタン(イソブタン)を作動媒体とした場合、i−ブタンはn−ブタンと多少物性値が異なるものの、ほぼ同様の結果となるから、作動媒体としては、n−ブタンとi−ブタンの何れを用いてもよく、n−ブタンとi−ブタンとを混合して用いても良い。
[First Embodiment]
Hereinafter, based on the drawings, a first embodiment in which a scroll turbine is used with n-butane (normal butane) as a medium in the present invention will be described. When i-butane (isobutane) is used as the working medium, although i-butane is somewhat different from n-butane in physical properties, the results are almost the same. Therefore, the working medium is n-butane and i-butane. Any of these may be used, and n-butane and i-butane may be mixed and used.

なお、以下の説明において圧力を表す場合、絶対圧とは真空を基準にした絶対圧力を表しゲージ圧とは大気圧を基準にした相対圧力を表し、このとき基準とする大気圧としては標準気圧(1atm)を用いず、以下の説明において極力端数のない数値により説明できるように便宜的に、基準とする大気圧を絶対圧0.1MPaとしたときの相対圧力で表している。   In the following description, when the pressure is expressed, the absolute pressure is the absolute pressure based on the vacuum, the gauge pressure is the relative pressure based on the atmospheric pressure, and the reference atmospheric pressure is the standard atmospheric pressure. (1 atm) is not used, and for the sake of convenience, it is expressed as a relative pressure when the reference atmospheric pressure is set to 0.1 MPa, as can be explained by numerical values having no fractions in the following description.

図1に示すシステムにおいて、
H1)低温・低圧(例えば−10℃、絶対圧3MPa)の冷媒(本実施例ではCO2)が、外気熱交換器1で外気Aから熱を吸収して低温・低圧(例えば7℃、絶対圧3MPa)の気体になる。(本実施例ではヒートポンプのCOPが低下する冬場を想定しており、−10℃の冷媒が7℃の気体になる。)
In the system shown in FIG.
H1) A low-temperature / low-pressure (for example, −10 ° C., absolute pressure 3 MPa) refrigerant (CO 2 in this embodiment) absorbs heat from the outside air A in the outside air heat exchanger 1 and is cooled / low-pressure (for example, 7 ° C., absolute pressure). 3 MPa) gas. (This example assumes a winter season when the COP of the heat pump decreases, and the -10 ° C refrigerant becomes a 7 ° C gas.)

その後、凝縮器7で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得て温度が上昇する。(例えば30℃、絶対圧3MPaの気体になる。)   Thereafter, when the working medium is cooled by the condenser 7, thermal energy is obtained and the temperature rises. (For example, it becomes a gas of 30 ° C. and an absolute pressure of 3 MPa.)

なお、本実施形態における上記CO2は、後述する作動媒体を加熱する用途に使用することから熱媒と称することも考えられるところ、ヒートポンプにおいて一般的に用いられている用語を用いることとし、本願では、上記CO2を冷媒と称している。   Note that the CO2 in the present embodiment may be referred to as a heat medium because it is used for the purpose of heating a working medium, which will be described later. The CO2 is called a refrigerant.

その後、凝縮器7で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得て温度が上昇した冷媒は、後述するバーナ(補助熱源H)の排気ガスにより作動媒体を加熱した後の排ガス(残存する排熱)によってさらに温度が上昇する。(例えば32℃になる。)
Thereafter, the refrigerant whose temperature has risen by obtaining thermal energy when the working medium is cooled by the condenser 7 is exhaust gas after the working medium is heated by exhaust gas from a burner (auxiliary heat source H) described later (residual exhaust heat). ) Further increases the temperature. (For example, it becomes 32 ° C.)

H2)低温・低圧の気体の冷媒が圧縮機2で断熱圧縮され高温・高圧(例えば97℃、絶対圧10MPa)の超臨界状態(超臨界状態とは、気体と液体の中間のような状態)になる。   H2) Supercritical state of high-temperature and high-pressure (for example, 97 ° C., absolute pressure of 10 MPa) when a low-temperature / low-pressure gaseous refrigerant is adiabatically compressed by the compressor 2 (a supercritical state is a state between gas and liquid) become.

なお、この実施例では、バッテリーBから、制御部CONTにより出力制御される圧縮機用インバータINV1を経由して圧縮機2用の電力が供給される。   In this embodiment, electric power for the compressor 2 is supplied from the battery B via the compressor inverter INV1 whose output is controlled by the control unit CONT.

H3)超臨界状態の冷媒の熱エネルギが作動媒体熱交換器3で作動媒体(本実施例ではn−ブタン(ノルマルブタン))に熱エネルギとして伝えられ、冷媒の温度が低下し常温・高圧(例えば35℃、絶対圧10MPa)になる。   H3) The heat energy of the refrigerant in the supercritical state is transmitted as heat energy to the working medium (in this embodiment, n-butane (normal butane)) in the working medium heat exchanger 3, and the temperature of the refrigerant is lowered to normal temperature / high pressure ( For example, 35 ° C. and absolute pressure 10 MPa).

H4)膨張弁4で冷媒が減圧し、低温・低圧(例えば−10℃、絶対圧3MPa)になる。   H4) The refrigerant is depressurized by the expansion valve 4, and becomes low temperature and low pressure (for example, −10 ° C., absolute pressure 3 MPa).

上記H1)〜H4)によりヒートポンプサイクルを構成する。なお、以下の説明において上記H1)〜H4)のヒートポンプサイクルを以降においてCO2ヒートポンプサイクルと呼ぶことがある。   A heat pump cycle is constituted by the above H1) to H4). In the following description, the heat pump cycle of H1) to H4) may be hereinafter referred to as a CO2 heat pump cycle.

S1)ポンプ5により圧送された液体(本実施例では30℃)の作動媒体(本実施例ではn−ブタン)を作動媒体熱交換器3で高温(本実施例では90℃)に加熱する。   S1) The working medium (n-butane in this embodiment) of the liquid (30 ° C. in this embodiment) pumped by the pump 5 is heated to a high temperature (90 ° C. in this embodiment) by the working medium heat exchanger 3.

さらに、作動媒体(本実施例ではn−ブタン)は、バーナ(補助熱源H)によって加熱され、過熱蒸気となる。   Further, the working medium (n-butane in this embodiment) is heated by the burner (auxiliary heat source H) to become superheated steam.

このとき、作動媒体熱交換器3で加熱された後の作動媒体温度検出用の温度センサTH(図示せず)の温度が100℃を超えない場合には制御部CONTに備える電力検出部(図示せず)によるINV1の出力が定格電力である2kWとなるように制御部CONTは圧縮機用インバータINV1を制御し、バーナ(補助熱源H)のインプットが定格インプットである2kWとなるようにバーナ(補助熱源H)のインプット制御器(図示せず)を制御する。   At this time, when the temperature of the temperature sensor TH (not shown) for detecting the temperature of the working medium after being heated by the working medium heat exchanger 3 does not exceed 100 ° C., a power detection unit (see FIG. The control unit CONT controls the inverter INV1 for the compressor so that the output of INV1 by the rated power is 2 kW, and the burner (auxiliary heat source H) has an input of 2 kW which is the rated input. An input controller (not shown) of the auxiliary heat source H) is controlled.

一方、温度センサTH(図示せず)の温度が100℃を超えた場合にはINV1の出力を低下させるように制御部CONTは圧縮機用インバータINV1を制御するとともにバーナ(補助熱源H)のインプット制御器(図示せず)を制御する。   On the other hand, when the temperature of the temperature sensor TH (not shown) exceeds 100 ° C., the control unit CONT controls the compressor inverter INV1 and reduces the input of the burner (auxiliary heat source H) so as to decrease the output of INV1. Controls a controller (not shown).

なお、温度センサTHの温度が100℃以下となるように制御するとともにバーナ(補助熱源H)のインプット制御器(図示せず)を制御する理由は、作動媒体の飽和蒸気圧がゲージ圧1.39MPa(=絶対圧1.49MPa)となる温度が100℃であることから、温度センサTHの温度が100℃以下となるように制御することで、作動媒体の飽和蒸気圧の大気圧に対する相対圧力がゲージ圧1.39MPaを大きく上回らないようにし、作動媒体の過度の圧力上昇を制限するためである。 The reason why the temperature of the temperature sensor TH is controlled to be 100 ° C. or less and the input controller (not shown) of the burner (auxiliary heat source H) is controlled is that the saturated vapor pressure of the working medium is a gauge pressure of 1. Since the temperature at which 39 MPa (= absolute pressure 1.49 MPa) is 100 ° C., by controlling the temperature of the temperature sensor TH to be 100 ° C. or less, the relative pressure of the saturated vapor pressure of the working medium to the atmospheric pressure is controlled. This is to prevent the gauge pressure from significantly exceeding 1.39 MPa and limit an excessive increase in pressure of the working medium.

すなわち、温度センサTHの温度が100℃より低いときは圧縮機用インバータINV1の出力を2kWの定格出力となるように、また、バーナ(補助熱源H)のインプットを2kWの定格インプットとなるようにし、温度センサTHの温度が100℃より高いときは圧縮機用インバータINV1の出力およびバーナ(補助熱源H)のインプットを減少させることで、作動媒体が気化されたときの作動媒体の温度が本実施例では100℃以下になるよう制御されている。   That is, when the temperature of the temperature sensor TH is lower than 100 ° C., the output of the compressor inverter INV1 is set to a rated output of 2 kW, and the input of the burner (auxiliary heat source H) is set to a rated input of 2 kW. When the temperature of the temperature sensor TH is higher than 100 ° C., the output of the compressor inverter INV1 and the input of the burner (auxiliary heat source H) are decreased, so that the temperature of the working medium when the working medium is vaporized is In the example, the temperature is controlled to be 100 ° C. or lower.

さらに、制御部CONTは温度検出器TH(図示せず)の検出温度T1が一定(本実施例ではn−ブタンの飽和蒸気圧がゲージ圧1.127MPaとなる温度である90℃)に保つようにモータバルブ8の開度を調節することで、作動媒体は温度が略一定で高圧(本実施例ではゲージ圧力0.9MPa)に保たれる。(n−ブタンはゲージ圧1.127MPa(=絶対圧1.227MPa)が90℃における飽和蒸気圧であるから十分気化している。)   Further, the control unit CONT keeps the detection temperature T1 of the temperature detector TH (not shown) constant (in this embodiment, 90 ° C., which is the temperature at which the saturated vapor pressure of n-butane becomes a gauge pressure of 1.127 MPa). Further, by adjusting the opening degree of the motor valve 8, the temperature of the working medium is kept substantially constant and a high pressure (in this embodiment, a gauge pressure of 0.9 MPa). (N-butane is sufficiently vaporized because the gauge pressure 1.127 MPa (= absolute pressure 1.227 MPa) is the saturated vapor pressure at 90 ° C.)

詳述すると、作動媒体熱交換器3におけるCO2ヒートポンプサイクルによる加熱量は圧縮機用インバータINV1の出力2kWおよび、バーナ(補助熱源H)のインプット2kWに対応する定格加熱量であるから、モータバルブ8の開度を小さくすることで作動媒体熱交換器3における作動媒体流路を流れる作動媒体の時間当たり流量が低減し作動媒体流路の出口における温度検出器TH(図示せず)による作動媒体の検出温度T1が高くなると共に作動媒体流路の出口における圧力センサPS(図示せず)による作動媒体の検出圧力を高くなるように調節でき、モータバルブ8の開度を大きくすることで作動媒体熱交換器3における作動媒体流路を流れる作動媒体の時間当たり流量が増加し作動媒体流路の出口における温度検出器TH(図示せず)による作動媒体の検出温度T1が低くなると共に作動媒体流路の出口における圧力センサPS(図示せず)による作動媒体の検出圧力を低くなるように調節でき、温度検出器TH(図示せず)の検出温度T1は90℃に維持されることになるものである。   More specifically, the heating amount by the CO2 heat pump cycle in the working medium heat exchanger 3 is the rated heating amount corresponding to the output 2 kW of the inverter INV1 for the compressor and the input 2 kW of the burner (auxiliary heat source H). The flow rate per hour of the working medium flowing through the working medium flow path in the working medium heat exchanger 3 is reduced by reducing the opening of the working medium heat exchanger 3, and the working medium flow rate by the temperature detector TH (not shown) at the outlet of the working medium flow path The detected temperature of the working medium by the pressure sensor PS (not shown) at the outlet of the working medium flow path can be adjusted to increase as the detected temperature T1 increases, and the working medium heat can be increased by increasing the opening of the motor valve 8. The flow rate per hour of the working medium flowing through the working medium flow path in the exchanger 3 increases, and the temperature detector TH ( The temperature T1 detected by the working medium can be adjusted to be lowered while the detected temperature T1 of the working medium by the pressure sensor PS (not shown) at the outlet of the working medium flow path is lowered. The detected temperature T1 is maintained at 90 ° C.

また、作動媒体流路の出口における温度検出器TH(図示せず)による作動媒体の検出温度T1および作動媒体流路の出口における圧力センサPS(図示せず)による作動媒体の検出圧力p1をモータバルブ8の開度によって制御する一方、タービン6の出口(排出口)における第2圧力センサPS2(図示せず)による検出圧力p2を以下のように制御する。なお、この場合、モータバルブ8はポンプ5の下流に配置することが好ましく、モータバルブ8をポンプ5の上流側に配置した場合と比較して、ポンプ5の吸い込み部における圧力低下によるキャビテーションが発生しにくいものとなり、前記キャビテーションに起因するポンプ5性能の低下が防止できる。   Further, the detected temperature T1 of the working medium by the temperature detector TH (not shown) at the outlet of the working medium flow path and the detected pressure p1 of the working medium by the pressure sensor PS (not shown) at the outlet of the working medium flow path are motorized. While controlled by the opening degree of the valve 8, the detected pressure p2 by the second pressure sensor PS2 (not shown) at the outlet (exhaust port) of the turbine 6 is controlled as follows. In this case, the motor valve 8 is preferably disposed downstream of the pump 5, and cavitation occurs due to a pressure drop in the suction portion of the pump 5 as compared with the case where the motor valve 8 is disposed upstream of the pump 5. This makes it difficult to reduce the performance of the pump 5 due to the cavitation.

制御部CONTは、作動媒体流路の出口における圧力センサPS(図示せず)による作動媒体の検出圧力p1(=タービン6の入口(導入口)における圧力)とタービン6の出口(排出口)における第2圧力センサPS2(図示せず)による検出圧力p2との差圧Δp=p1−p2が0.67MPaより小さいときはモータバルブ8の開度を大きくなるように、また、前記差圧Δp=p1−p2が0.67MPaより大きいときはモータバルブ8の開度を小さくなるように制御することで、タービン6の入口(導入口)の圧力がタービン6の出口(排出口)の圧力より0.67MPa高くなる状態に維持して前記差圧Δpを0.6MPa以上に保ち、タービン6の効率を維持する。   The control unit CONT is configured to detect the working medium pressure p1 (= pressure at the inlet (inlet) of the turbine 6) by the pressure sensor PS (not shown) at the outlet of the working medium flow path and the outlet (exhaust) of the turbine 6. When the differential pressure Δp = p1−p2 with respect to the detected pressure p2 by the second pressure sensor PS2 (not shown) is smaller than 0.67 MPa, the opening degree of the motor valve 8 is increased, and the differential pressure Δp = When p1-p2 is larger than 0.67 MPa, the pressure at the inlet (inlet) of the turbine 6 is controlled to be smaller than the pressure at the outlet (outlet) of the turbine 6 by controlling the opening of the motor valve 8 to be smaller. The pressure difference Δp is maintained at 0.6 MPa or higher by maintaining the pressure at a level of .67 MPa, and the efficiency of the turbine 6 is maintained.

このとき、モータバルブ8の開度が変更されて作動媒体熱交換器3の作動媒体流路を流れる作動媒体の時間当たり流量が増加して作動媒体流路の出口における温度検出器TH(図示せず)による作動媒体の検出温度T1が低くなったときには圧縮機用インバータINV1の定格出力を徐々に増加させるように変更設定するように、また、モータバルブ8の開度が変更されて作動媒体熱交換器3の作動媒体流路を流れる作動媒体の時間当たり流量が減少して作動媒体流路の出口における温度検出器TH(図示せず)による作動媒体の検出温度T1が高くなったときには圧縮機用インバータINV1の定格出力を徐々に減少させるように変更設定するように、制御部CONTにより制御されるから、作動媒体流路の出口における温度検出器TH(図示せず)による作動媒体の検出温度T1(=タービン6の入口(導入口)における温度)は略90℃の一定に保たれることになる。   At this time, the opening degree of the motor valve 8 is changed, and the flow rate per hour of the working medium flowing through the working medium flow path of the working medium heat exchanger 3 is increased, so that the temperature detector TH (not shown) at the outlet of the working medium flow path When the detected temperature T1 of the working medium becomes low, the rated output of the compressor inverter INV1 is changed so as to gradually increase, and the opening degree of the motor valve 8 is changed and the working medium heat is changed. When the flow rate per hour of the working medium flowing through the working medium flow path of the exchanger 3 decreases and the detected temperature T1 of the working medium by the temperature detector TH (not shown) at the outlet of the working medium flow path becomes high, the compressor Since the control unit CONT controls the inverter INV1 so that the rated output of the inverter INV1 is gradually decreased, the temperature detector TH ( Detected temperature T1 (= the inlet of the turbine 6 (inlet) of the working medium by Shimese not) temperature in) would be maintained at a constant of about 90 ° C..

S2)圧力が略一定で高圧(ゲージ圧0.9MPa)になった作動媒体は、スクロールタービン6の吸込口(導入口)側に導かれ、互いに噛み合った固定スクロール及び旋回スクロール(図示せず)によって形成される渦巻状空間内で膨張することで旋回スクロール(図示せず)を旋回させる。   S2) The working medium having a substantially constant pressure and a high pressure (gauge pressure of 0.9 MPa) is guided to the suction port (introduction port) side of the scroll turbine 6 and is engaged with the fixed scroll and the orbiting scroll (not shown). The swivel scroll (not shown) is swung by expanding in the spiral space formed by.

ここで、さらに詳しく説明すると、スクロールタービンは、密閉容器の内部に、鏡板から渦巻き状に立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、上記旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき上記膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行う膨張機構部を備えたスクロール膨張機によって、作動媒体が持つ熱エネルギを機械エネルギに変換するものである。   Here, in more detail, the scroll turbine is configured such that the stationary scroll and the orbiting scroll that rises spirally from the end plate are meshed with each other to form an expansion chamber between the two, and the orbiting scroll is formed by the rotation restriction mechanism. When the expansion chamber moves while changing its volume when swung along a circular orbit under the regulation of rotation, the working medium is moved by a scroll expander having an expansion mechanism that performs suction, expansion, and discharge. It converts the thermal energy it has into mechanical energy.

旋回スクロール(図示せず)と主軸受部材(図示せず)との間に旋回スクロールの自転を防止して円軌道運動するように案内する自転規制機構(図示せず)を設けて、クランク軸(図示せず)の上端にある偏心軸部(図示せず)にて旋回スクロールを偏心駆動することにより旋回スクロールを円軌道運動させている。これにより固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成している膨張室が中央部から外周側に移動しながら容積が大きくなるのを利用して作動媒体の膨張を行い、上記クランク軸を回転させる。 Provided between the orbiting scroll (not shown) and the main bearing member (not shown) is a rotation restricting mechanism (not shown) that prevents the orbiting scroll from rotating and guides it to move in a circular orbit. The orbiting scroll is moved in a circular orbit by eccentrically driving the orbiting scroll at an eccentric shaft (not shown) at the upper end of the (not shown). As a result, the working medium is expanded utilizing the fact that the expansion chamber formed between the fixed scroll and the orbiting scroll increases in volume while moving from the central portion to the outer peripheral side, and the crankshaft is rotated.

なお、この種のスクロールタービンは、エアコンディショナにおいて冷凍サイクル装置を構成する膨張機、圧縮機に用いられているものと同等の原理により作動するように構成されているものである。   In addition, this kind of scroll turbine is comprised so that it may operate | move by the principle equivalent to what is used for the expander and compressor which comprise the refrigerating-cycle apparatus in an air conditioner.

上述のように、スクロールタービン6の吸込口(導入口)に流入した作動媒体は、上記クランク軸を回転させて膨張した後に吐出口(排出口)から排出されることになり、この間で回転力としての動力回収が行われるものである。 As described above, the working medium that has flowed into the suction port (introduction port) of the scroll turbine 6 is expanded by rotating the crankshaft and then discharged from the discharge port (discharge port). Power recovery is performed.

S3)上記のように熱エネルギによってスクロールタービンを旋回させ仕事を終えて低温低圧の気体の状態となってスクロールタービンの吐出口(排出口)から排出された作動媒体(本実施例では、40℃の気体となる。因みに本実施例では、上述のようにタービン6の入口(導入口)の圧力がタービン6の出口(排出口)の圧力より0.67MPa高くなる状態に維持されることによりタービン6の出口(排出口)の圧力はゲージ圧0.23MPaに維持され、(作動媒体n−ブタンの飽和蒸気圧がゲージ圧0.23MPa(=絶対圧0.33MPa)となる温度は35℃であるから、ゲージ圧0.23MPa、40℃では気体の状態を維持する。)作動媒体n−ブタンは凝縮器7で冷却され液体(本実施例では30℃)になる。本実施例では、凝縮器7を冷却するために上述のCO2ヒートポンプサイクルにおける膨張弁4で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒が用いられている。   S3) As described above, the scroll turbine is swirled by the thermal energy to finish the work, become a low-temperature and low-pressure gas state, and is discharged from the discharge port (discharge port) of the scroll turbine (in this embodiment, 40 ° C. In the present embodiment, the pressure at the inlet (inlet) of the turbine 6 is maintained at 0.67 MPa higher than the pressure at the outlet (exhaust) of the turbine 6 as described above. 6 is maintained at a gauge pressure of 0.23 MPa, and the temperature at which the saturated vapor pressure of the working medium n-butane becomes a gauge pressure of 0.23 MPa (= absolute pressure of 0.33 MPa) is 35 ° C. Therefore, the gas state is maintained at a gauge pressure of 0.23 MPa and 40 ° C.) The working medium n-butane is cooled by the condenser 7 to become a liquid (30 ° C. in this embodiment). Is refrigerant becomes a low-temperature low-pressure liquid reduced by the expansion valve 4 in the CO2 heat pump cycle described above is used to cool the condenser 7.

因みに、上述のCO2ヒートポンプサイクルにおける膨張弁4で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒は、凝縮器7を冷却した後は気相を含む液体の状態であるが7℃より十分低い0℃近い温度を維持している。
なお、本実施例では、凝縮器7を冷却するために上述のCO2ヒートポンプサイクルにおける膨張弁4で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒が用いられているが、凝縮器7を冷却するために別の方法を用いても良い。
Incidentally, the refrigerant, which has been decompressed by the expansion valve 4 in the above-described CO2 heat pump cycle and becomes a low-temperature / low-pressure liquid, is in a liquid state including a gas phase after the condenser 7 is cooled, but is 0 ° C. which is sufficiently lower than 7 ° C. Maintaining close temperature.
In the present embodiment, a refrigerant that is decompressed by the expansion valve 4 in the above-described CO2 heat pump cycle and becomes a low-temperature / low-pressure liquid is used to cool the condenser 7, but the condenser 7 is cooled. Another method may be used.

S4)液体になった作動媒体は繰り返しポンプ5により高圧(本実施例ではゲージ圧0.9MPa+作動媒体熱交換器3における圧力損失)に加圧されて作動媒体熱交換器3に圧送される。
因みに、上述のように作動媒体熱交換器3の出口側で圧力センサPS(図示せず)の検出圧力p1が一定(本実施例ではゲージ圧0.9MPa)に保たれるようにモータバルブ8の開度が調節されるから、本実施例ではポンプ5の吐出側圧力は、ゲージ圧0.9MPa+作動媒体熱交換器3における圧力損失に制御されることとなる。
S4) The working medium that has become liquid is repeatedly pressurized to a high pressure (in this embodiment, a gauge pressure of 0.9 MPa + pressure loss in the working medium heat exchanger 3) by the pump 5, and is pumped to the working medium heat exchanger 3.
Incidentally, as described above, the motor valve 8 keeps the detected pressure p1 of the pressure sensor PS (not shown) constant at the outlet side of the working medium heat exchanger 3 (gauge pressure 0.9 MPa in this embodiment). In this embodiment, the discharge-side pressure of the pump 5 is controlled by the pressure loss in the gauge pressure 0.9 MPa + the working medium heat exchanger 3.

なお、作動媒体流路からポンプ5への作動媒体の逆流を阻止する逆止弁CHを具備しており、何らかの要因により作動媒体熱交換器3においてヒートポンプおよび補助熱源Hによる加熱により上昇した作動媒体の圧力がポンプ5の吐出圧力よりも高くなった場合にも、作動媒体が逆流することにより発生する不都合が回避できるようにしてある。   In addition, the check valve CH which prevents the backflow of the working medium from the working medium flow path to the pump 5 is provided, and the working medium raised by heating by the heat pump and the auxiliary heat source H in the working medium heat exchanger 3 due to some factor. Even when the pressure becomes higher than the discharge pressure of the pump 5, it is possible to avoid inconveniences caused by the backflow of the working medium.

上記S1)〜S4)により作動媒体の循環サイクルを構成する。なお、以下の説明において、上記S1)〜S4)の作動媒体のサイクルを以降において作動媒体サイクルと呼び、発電機Gを含めて作動媒体発電サイクルと呼ぶことがある。   The above-described S1) to S4) constitute a working medium circulation cycle. In the following description, the cycle of the working medium of S1) to S4) is hereinafter referred to as a working medium cycle, and the generator G and the working medium power generation cycle may be referred to.

G1)スクロールタービンの回転力により発電機Gが回転し、作動流体から回収されたエネルギにより発電が行われる。   G1) The generator G is rotated by the rotational force of the scroll turbine, and power is generated by the energy recovered from the working fluid.

G2)発電機Gにより発生した電気エネルギはレギュレータRを経由して、バッテリーBに蓄電される。   G2) The electric energy generated by the generator G is stored in the battery B via the regulator R.

G3)この実施例では、ポンプ5駆動用モータとして、制御部CONTにより出力制御される直流駆動式のブラシレスモータが用いられており、上述のように圧縮機2用の電力がバッテリーBから供給されていることに加えて、ポンプ5用の電力もバッテリーBから供給される。さらに、制御部CONT用の電力もバッテリーBから供給され、制御部CONTに接続されるセンサ類や、ポンプ5および圧縮機2以外のアクチュエータ類で消費される電力もバッテリーBから供給される。   G3) In this embodiment, a DC drive type brushless motor whose output is controlled by the control unit CONT is used as the pump 5 drive motor, and the power for the compressor 2 is supplied from the battery B as described above. In addition, power for the pump 5 is also supplied from the battery B. Further, power for the control unit CONT is also supplied from the battery B, and power consumed by sensors connected to the control unit CONT and actuators other than the pump 5 and the compressor 2 is also supplied from the battery B.

G4)また、外部電源供給用インバータINV2によりバッテリーBからの直流電力を商用周波数(たとえば60Hz)の交流に変換し、システム外部に商用周波数の交流電力が供給される。   G4) Further, the external power supply inverter INV2 converts the DC power from the battery B into an AC of commercial frequency (for example, 60 Hz), and AC power of the commercial frequency is supplied to the outside of the system.

なお、図1において矢印を含んだ細い実線は冷媒または作動媒体の流れを、破線の矢印は主に信号の流れを、太い実線の矢印は電力の流を示している。なお、本実施形態において、温度、圧力等は一例を示すものであって、本発明は上記数値に限定されるものではない。   In FIG. 1, a thin solid line including an arrow indicates a flow of the refrigerant or the working medium, a broken arrow indicates a signal flow mainly, and a thick solid line arrow indicates a flow of electric power. In the present embodiment, temperature, pressure, and the like are examples, and the present invention is not limited to the above numerical values.

なお、この実施形態では、冷媒が前記外気熱交換器1で外気Aから熱を吸収した後に、排出口(タービン6の出口)から排出される作動媒体を冷却するように構成してある。(図1参照。)   In this embodiment, the working medium discharged from the discharge port (the outlet of the turbine 6) is cooled after the refrigerant absorbs heat from the outside air A in the outside air heat exchanger 1. (See Figure 1)

このように構成することで、冬場のように外気Aの温度が低く(例えば気温7℃)、外気Aの温度が、排出口(タービン6の出口)から排出される作動媒体の温度(第2実施例の場合で、例えば40℃)より低い場合などは、外気Aと冷媒(例えば−10℃)との温度差が大きい状態で、冷媒が外気熱交換器1において外気Aの熱を吸収して、冷媒の温度が多少上昇(例えば7℃程度に上昇)した後であっても、冷媒はさらに、冷却部7において作動媒体(例えば40℃)からの熱を吸収することができるから、ヒートポンプにおける成績係数(COP)が高くなり、効率の良い(高い)発電システムが構成できる。 With this configuration, the temperature of the outside air A is low (for example, the air temperature is 7 ° C.) as in winter, and the temperature of the outside air A is the temperature of the working medium discharged from the discharge port (the outlet of the turbine 6) (second). In the case of the embodiment, for example, when the temperature is lower than 40 ° C., for example, the refrigerant absorbs heat of the outside air A in the outside air heat exchanger 1 in a state where the temperature difference between the outside air A and the refrigerant (for example, −10 ° C.) is large. Even after the temperature of the refrigerant has risen somewhat (for example, to about 7 ° C.), the refrigerant can further absorb heat from the working medium (for example, 40 ° C.) in the cooling unit 7. The coefficient of performance (COP) at is increased, and an efficient (high) power generation system can be configured.

ここで、図2、図3を用いて、タービン6に入力された熱力学的エネルギから発電機Gによる発電エネルギへの変換効率(発電効率η)、および、CO2ヒートポンプサイクルのCOP(成績係数)に基づく発電システム全体のエネルギ収支について説明を加える。   Here, using FIG. 2 and FIG. 3, the conversion efficiency (power generation efficiency η) from the thermodynamic energy input to the turbine 6 to the power generation energy by the generator G, and the COP (coefficient of performance) of the CO 2 heat pump cycle An explanation of the energy balance of the entire power generation system based on the above is added.

図2は、実施例における発電機Gの効率を示す図であり、タービン6の導入口と排出口との圧力差(導入口の圧力−排出口の圧力)とタービン6に入力された熱力学的エネルギから発電機Gによる発電エネルギへの変換効率(発電効率η)の実測によって得られた一例を表している。
図2は、タービン6の導入口と排出口との圧力差が0.3MPa以上であれば0.4以上の発電効率ηが得られることを示している。
FIG. 2 is a diagram illustrating the efficiency of the generator G in the embodiment. The pressure difference between the inlet and the outlet of the turbine 6 (pressure of the inlet−pressure of the outlet) and the thermodynamics input to the turbine 6. 3 shows an example obtained by actual measurement of conversion efficiency (power generation efficiency η) from dynamic energy to power generation energy by the generator G.
FIG. 2 shows that if the pressure difference between the inlet and outlet of the turbine 6 is 0.3 MPa or more, a power generation efficiency η of 0.4 or more can be obtained.

図3は、ヒートポンプのCOP(成績係数)を示す図であり、CO2ヒートポンプサイクルにおける外気Aの温度t1と作動媒体熱交換器3によって加熱されて作動媒体熱交換器3から流れ出る作動媒体の温度t2との関係関し、実測によって得られた一例を表している。
なお、図3では、凝縮器7で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得て冷媒CO2の温度が上昇することによる影響は加味されておらず、凝縮器7で作動媒体を冷却する際に冷媒が得る熱エネルギがゼロとしたCOPを表している。
図3は、t2−t1=83℃以下のときにはCOPが3以上になることを示しており、これは、外気温7℃の場合、作動媒体熱交換器3から流れ出る作動媒体の温度t2を90℃以下にすれば、凝縮器7で作動媒体を冷却する際に冷媒が得る熱エネルギがゼロであってもCOPが3以上になることを示している。
FIG. 3 is a diagram showing a COP (coefficient of performance) of the heat pump. The temperature t1 of the outside air A in the CO2 heat pump cycle and the temperature t2 of the working medium heated by the working medium heat exchanger 3 and flowing out of the working medium heat exchanger 3 are shown. This shows an example obtained by actual measurement.
Note that, in FIG. 3, the effect of increasing the temperature of the refrigerant CO2 by obtaining thermal energy when the working medium is cooled by the condenser 7 is not taken into account, and when the working medium is cooled by the condenser 7. This represents a COP in which the heat energy obtained by the refrigerant is zero.
FIG. 3 shows that COP becomes 3 or more when t2−t1 = 83 ° C. or less. This means that when the outside air temperature is 7 ° C., the temperature t2 of the working medium flowing out from the working medium heat exchanger 3 is 90 °. If the temperature is lower than 0 ° C., the COP becomes 3 or higher even if the heat energy obtained by the refrigerant when the working medium is cooled by the condenser 7 is zero.

もちろん、凝縮器7で作動媒体を冷却する際に冷媒CO2が熱エネルギを得て冷媒CO2の温度が上昇する場合には、タービン6からの排熱をヒートポンプが回収することによりCOPはさらに大きな値となる。   Of course, when the refrigerant CO2 obtains thermal energy when the working medium is cooled by the condenser 7 and the temperature of the refrigerant CO2 rises, the heat pump recovers the exhaust heat from the turbine 6 so that the COP has a larger value. It becomes.

上述のように、CO2ヒートポンプサイクル、および、作動媒体をn−ブタンとした作動媒体発電サイクルを構成した場合、上述のようにCO2ヒートポンプのCOP(成績係数)が3の場合、圧縮機2の入力が例えば2kWのとき、作動媒体が得るエネルギ率(仕事率)は6kWであるから、タービン6〜発電機Gの発電効率が0.65のとき発電機Gにより発電される電力は、3.9kWである。
したがって、圧縮機2の消費電力の2kWに加え、ポンプ5(循環手段)とその他のアクチュエータおよび制御部CONTにおける消費電力と配管損失等のロスを考慮して0.2kWの消費電力を余分に見込んでも、3.9−2−0.2=1.7[kW]の電力を当該発電システム外に供給することが可能である。
As described above, when the CO2 heat pump cycle and the working medium power generation cycle in which the working medium is n-butane are configured, when the COP (coefficient of performance) of the CO2 heat pump is 3, as described above, the input of the compressor 2 Is, for example, 2 kW, the energy rate (power) obtained by the working medium is 6 kW. Therefore, when the power generation efficiency of the turbine 6 to the generator G is 0.65, the power generated by the generator G is 3.9 kW. It is.
Therefore, in addition to 2 kW of the power consumption of the compressor 2, the power consumption of the pump 5 (circulation means), other actuators and the control unit CONT, and losses such as piping loss are considered, and an extra power consumption of 0.2 kW is expected. However, it is possible to supply 3.9-2-0.2 = 1.7 [kW] to the outside of the power generation system.

〔バーナ(補助熱源H)の加熱による効果と効率への影響〕
バーナの加熱により、作動媒体を十分な過熱蒸気とすることができるから、タービン6内において作動媒体が湿り蒸気になることによる悪影響が低減できる。
[Effect of heating burner (auxiliary heat source H) and effect on efficiency]
By heating the burner, the working medium can be made into sufficient superheated steam, so that adverse effects caused by the working medium becoming wet steam in the turbine 6 can be reduced.

また、沸点が多少高い作動媒体であってもバーナ(補助熱源H)の加熱により気化できるから、CO2ヒートポンプの特性に起因する条件に応じて作動媒体を選定する際の条件が緩和され、様々な作動媒体が使用可能となる。   In addition, since the working medium having a slightly higher boiling point can be vaporized by heating the burner (auxiliary heat source H), the conditions for selecting the working medium according to the conditions resulting from the characteristics of the CO2 heat pump are relaxed, and various The working medium can be used.

バーナが作動媒体を加熱した後の排ガス(残存する排熱)は、凝縮器7(冷却部)において熱を得た後の冷媒の加熱に用いられ、冷媒を加熱した後の排ガス(残存する排熱)の温度は35℃程度まで低下するから、高効率となる発電システムが構成可能であり、例えば、補助熱源Hとして天然ガスを燃料とするガスバーナを用いた場合には、該ガスバーナの加熱による熱効率は、高位発熱基準で95%となる高効率に構成可能である。   The exhaust gas (residual exhaust heat) after the burner has heated the working medium is used to heat the refrigerant after obtaining heat in the condenser 7 (cooling section), and the exhaust gas (residual exhaust heat after heating the refrigerant). Since the temperature of the heat is reduced to about 35 ° C., a highly efficient power generation system can be constructed. For example, when a gas burner using natural gas as fuel is used as the auxiliary heat source H, the gas burner is heated. The thermal efficiency can be configured to be as high as 95% based on the higher heat generation standard.

したがって、補助熱源H(バーナ)へのインプットを2kW(1720kcal/h)とした場合、作動媒体に与えられる仕事率は、2×0.95=1.9kWとなり、さらにこれが、0.65の発電効率によって1.235kWの電力に変換されるから、上述のCO2ヒートポンプによって当該発電システム外に供給することが可能な1.7kWにさらにこの1.235kWを加えた2.935kWの電力がシステムによって得られる供給可能電力となる。
したがって、総合的な効率は、
2.935kW(供給可能電力)/2kW(補助熱源Hへのインプット)=約1.5
となり、多少のCO2の排出を伴うものの高効率な発電が可能であり、CO2の排出量を大幅に減少できるものである。
Therefore, when the input to the auxiliary heat source H (burner) is 2 kW (1720 kcal / h), the power given to the working medium is 2 × 0.95 = 1.9 kW, and this is a power generation of 0.65. Since it is converted into 1.235 kW power depending on the efficiency, the system can obtain 2.935 kW power by adding 1.235 kW to 1.7 kW that can be supplied to the outside of the power generation system by the above-mentioned CO2 heat pump. It becomes the supplyable electric power.
Therefore, the overall efficiency is
2.935 kW (suppliable power) / 2 kW (input to auxiliary heat source H) = about 1.5
Thus, high-efficiency power generation is possible with some CO2 emission, and the amount of CO2 emission can be greatly reduced.

もちろん、補助熱源Hを用いない場合には、CO2の排出量がゼロであることはいうまでもない。   Of course, when the auxiliary heat source H is not used, it goes without saying that the amount of CO2 emission is zero.

〔別実施形態〕
以下、別実施形態を列記する。
[別実施例1]
第1実施形態や第2実施形態のように、モータバルブ8の開度の調節により圧力センサPS(図示せず)の検出圧力が一定(本実施例では0.6MPa)に保つようにするのではなく、モータバルブ8は備えず、制御部CONTからの指令によりポンプ5の速度制御を行うことで圧力センサPS(図示せず)の検出圧力p1と第2圧力センサPS2(図示せず)の検出圧力p2との差圧(=p1−p2)が一定(本実施例では0.6MPa)に保たれるようにすることも可能である。このようにした場合、作動媒体用の配管回路圧力損失が低減できる。この場合のポンプ5の駆動用モータMTとしては、DCブラシレスモータを用いることで速度制御を容易に行うことが可能である。
[Another embodiment]
Hereinafter, other embodiments are listed.
[Another Example 1]
As in the first and second embodiments, the detected pressure of the pressure sensor PS (not shown) is kept constant (0.6 MPa in this embodiment) by adjusting the opening of the motor valve 8. Instead, the motor valve 8 is not provided, and the speed of the pump 5 is controlled according to a command from the control unit CONT, thereby detecting the pressure p1 detected by the pressure sensor PS (not shown) and the second pressure sensor PS2 (not shown). It is also possible to keep the differential pressure (= p1-p2) from the detected pressure p2 constant (0.6 MPa in this embodiment). In this case, the piping circuit pressure loss for the working medium can be reduced. In this case, speed control can be easily performed by using a DC brushless motor as the drive motor MT of the pump 5.

また、ポンプ5の駆動用モータとして一般に普及しているACモータを用いる場合であっても制御部CONTにおけるモータM用の駆動回路をVVVF(可変電圧、可変周波数)インバータで構成しておくことにより優れた速度制御性が得られ、圧力センサPS(図示せず)の検出圧力p1と第2圧力センサPS2(図示せず)の検出圧力p2との差圧を一定(0.6MPa程度以上の値が好ましい)に保つ制御を制度よく行うことができる。   Further, even when an AC motor that is widely used as a drive motor for the pump 5 is used, the drive circuit for the motor M in the control unit CONT is configured by a VVVF (variable voltage, variable frequency) inverter. Excellent speed controllability is obtained, and the differential pressure between the detected pressure p1 of the pressure sensor PS (not shown) and the detected pressure p2 of the second pressure sensor PS2 (not shown) is constant (a value of about 0.6 MPa or more) Can be controlled systematically.

[別実施例2]
実施形態として、バッテリーBを搭載しないシステムも可能である。
この場合、第1実施形態や第2実施形態におけるバッテリーBの箇所は単なるDCリンクLNとしておき外部電源供給用インバータINV2に代え、外部商用電力系統EXPWからリンクに電力供給可能で、かつ、DCリンクLNから外部商用電力系統EXPWに対し逆潮流可能なパワーコンディショナーPWCNを備えることで、本システムで得られる電力と本システム外部での消費電力に差が生じた場合にも問題なく用いることができるシステムとなる。
[Another Example 2]
As an embodiment, a system without the battery B is also possible.
In this case, the location of the battery B in the first and second embodiments is simply a DC link LN, and can be supplied to the link from the external commercial power system EXPW instead of the external power supply inverter INV2, and the DC link. By providing a power conditioner PWCN capable of reverse power flow from the LN to the external commercial power system EXPW, a system that can be used without any problem even when there is a difference between the power obtained in this system and the power consumption outside this system It becomes.

また、DCリンクLNと並列にバッテリーBを搭載しておき、バッテリーBから外部電源供給用インバータINV2に給電するように構成することも可能で、この場合、外部商用電力系統EXPWで停電があった場合でも、外部電源供給用インバータINV2から安定して電力供給が継続できるものとなる。   It is also possible to install the battery B in parallel with the DC link LN and to supply power from the battery B to the external power supply inverter INV2. In this case, a power failure occurred in the external commercial power system EXPW. Even in this case, power supply can be continued stably from the external power supply inverter INV2.

[別実施例3]
CO2以外の冷媒を用いても良い。
[Another Example 3]
A refrigerant other than CO2 may be used.

[別実施例4]
また、作動媒体はブタンに限定されず、作動媒体を単体の有機化合物、または、複数の異なる種類の有機化合物の混合物で構成することにより、作動媒体熱交換器3からスクリュータービン6に導かれる作動媒体に含まれる蒸気と気体の比率を変更することができるものであり、作動媒体は適宜変更可能である。
[Another Example 4]
Further, the working medium is not limited to butane, and the working medium is composed of a single organic compound or a mixture of a plurality of different types of organic compounds, whereby the working medium is guided from the working medium heat exchanger 3 to the screw turbine 6. The ratio of vapor and gas contained in the medium can be changed, and the working medium can be changed as appropriate.

[別実施例5]
図1において、ポンプ5を出力が可変制御可能な作動媒体用圧縮機に置き換え、スクリュータービンの吐出口(排出口)からは作動媒体が液相を含む気体が排出されるようにスクリュータービンの吐出口(排出口)の圧力(前述の第2圧力センサPS2(図示せず)における検出圧力p2)が低くなるように運転条件を設定しておくことも可能である。
[Another Example 5]
In FIG. 1, the pump 5 is replaced with a working medium compressor whose output can be variably controlled, and the discharge of the screw turbine is discharged so that the gas containing the liquid phase is discharged from the discharge port (discharge port) of the screw turbine. It is also possible to set the operating conditions so that the pressure at the outlet (exhaust port) (the detected pressure p2 in the second pressure sensor PS2 (not shown) described above) becomes low.

この場合、作動媒体サイクルにおける効率は低下するものの、凝縮器7が不要となり、また、凝縮器7が不要となることに伴い配管も簡素化され、作動媒体として複数の炭化水素などによる混合物が使用されて作動媒体を液体とすることが困難な場合にも、作動媒体用圧縮機により作動媒体の送出を確実に行えるものとなる。   In this case, although the efficiency in the working medium cycle is reduced, the condenser 7 is not necessary, and the piping is simplified as the condenser 7 is unnecessary, and a mixture of a plurality of hydrocarbons or the like is used as the working medium. Even when it is difficult to make the working medium liquid, the working medium compressor can reliably deliver the working medium.

[別実施例6]
第1実施形態では、作動媒体をブタンとしてタービン6をスクロールタービンとする実施例を示したが、タービン6をスクリュータービンとするなど適宜変更可能である。
[Another Example 6]
In the first embodiment, an example in which the working medium is butane and the turbine 6 is a scroll turbine has been described. However, the turbine 6 may be changed to a screw turbine as appropriate.

さらに、タービン6として他の形式の容量型タービンを用いる等、作動媒体とタービン6は適宜選択可能である。 Furthermore, the working medium and the turbine 6 can be appropriately selected, such as using another type of capacity turbine as the turbine 6.

[別実施例7]
上記第1実施形態や第2実施形態では、圧縮機2、ポンプ5、制御部CONTなど用の、本発電システムで消費される電力(総和電力)として、発電機Gによって発電した電力が供給されているが、圧縮機2、ポンプ5、制御部CONTなど用の、本発電システムで消費される電力を本発電システム外部から供給してもよい。
[Another Example 7]
In the first embodiment and the second embodiment, the power generated by the generator G is supplied as power consumed by the power generation system (total power) for the compressor 2, the pump 5, the control unit CONT, and the like. However, you may supply the electric power consumed by this power generation system for compressor 2, pump 5, control part CONT, etc. from this power generation system outside.

なお、上記の各実施例において、外気熱交換器1における外気Aと作動媒体との熱交換を促進する送風機を設ける場合、該送風機の運転に伴う消費電力(総和電力)の増加分よりも、熱交換の促進によるヒートポンプのCOP上昇に伴う発電電力の増加分が大きくなる場合は、真発生電力Wzが大きくなることになるから、効率の良い発電システムを構成するために、上記送風機を備えて該送風機を適宜運転することは言うまでもない。   In each of the above embodiments, when a blower that promotes heat exchange between the outside air A and the working medium in the outside air heat exchanger 1 is provided, rather than an increase in power consumption (total power) accompanying the operation of the blower, When the increase in the generated power accompanying the increase in the COP of the heat pump due to the heat exchange is increased, the true generated power Wz is increased. Therefore, in order to configure an efficient power generation system, the above-described blower is provided. It goes without saying that the blower is operated appropriately.

1 外気熱交換器
2 圧縮機
3 作動媒体熱交換器
4 膨張弁
5 ポンプ(循環手段)
6 タービン(スクロールタービン)
7 凝縮器(冷却部)
8 モータバルブ
A 外気
B バッテリー
CH 逆止弁
CONT 制御部
LN DCリンク
EXPW 外部商用電力系統
G 発電機
H 補助熱源
INV1 圧縮機用インバータ
INV2 外部電源供給用インバータ
PS 圧力センサ
PS2 第2圧力センサ
R レギュレータ
TH 温度検出器
1 External air heat exchanger 2 Compressor 3 Working medium heat exchanger 4 Expansion valve 5 Pump (circulation means)
6 Turbine (scroll turbine)
7 Condenser (cooling part)
8 Motor valve A Outside air B Battery CH Check valve CONT Control unit LN DC link EXPW External commercial power system G Generator H Auxiliary heat source INV1 Compressor inverter INV2 External power supply inverter PS Pressure sensor PS2 Second pressure sensor R Regulator TH Temperature detector

Claims (5)

冷媒加熱流路を備えシステムの外部からの熱を吸収し冷媒加熱流路を流れる冷媒に伝え冷媒を気化する外気熱交換器と、前記冷媒加熱流路の出口からの前記冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記冷媒により作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器と、作動媒体を加熱した後に前記作動媒体熱交換器から排出される前記冷媒を回収し前記外気熱交換器の冷媒加熱流路の入口に導く回収経路と、を備え、前記外気熱交換器と前記圧縮機と前記作動媒体熱交換器の冷媒流路と前記回収経路と前記冷媒とからなるヒートポンプを構成し、
さらに、導入口と排出口を具備するタービンを備え、前記作動媒体熱交換器の作動媒体流路を流れる前記作動媒体が前記ヒートポンプによる加熱により気化され、気化された後に前記作動媒体流路の出口から排出される前記作動媒体が前記導入口に導入され前記排出口から排出されることで、気化された前記作動媒体の持つ熱エネルギによって前記タービンに動力が与えられ、前記動力により発電を行う発電機を備え、前記排出口から排出される前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出する循環手段を備え、前記作動媒体流路と前記タービンと前記循環手段と前記発電機とからなる作動媒体発電サイクル部を構成し、
前記ヒートポンプと前記作動媒体発電サイクル部とを制御する制御部を備え、
前記圧縮機を駆動するための圧縮機駆動電力、および、前記循環手段を駆動するための循環手段駆動電力、および、前記制御部に供給される制御部用電力としての電力が供給され、
前記圧縮機駆動電力と前記循環手段駆動電力と前記制御部用電力との総和である総和電力より、前記発電機により発電される発電電力が大きくなるように設定される運転条件である真発生電力獲得条件で運転されるように構成されている発電システムであって、
90℃における飽和蒸気圧の絶対圧が0.3MPa以上である有機化合物を前記作動媒体とし、前記冷媒をCO2とし、前記タービンをスクロールタービンまたはスクリュータービンとし、
前記真発生電力獲得条件が、前記導入口における前記作動媒体の温度である導入口温度を略90℃として、かつ、前記導入口における前記作動媒体の圧力である導入口圧力を前記導入口温度における前記作動媒体の飽和蒸気圧以下にした運転条件に設定されることを特徴とする発電システム。
An outside air heat exchanger that includes a refrigerant heating channel, absorbs heat from outside the system, transmits the heat to the refrigerant flowing through the refrigerant heating channel, and vaporizes the refrigerant, and a compressor that compresses the refrigerant from the outlet of the refrigerant heating channel A working medium heat exchanger that heats the working medium with the compressed refrigerant, and a refrigerant heating flow of the outside air heat exchanger that collects the refrigerant discharged from the working medium heat exchanger after the working medium is heated. A recovery path that leads to the inlet of the path, and constitutes a heat pump comprising the outside air heat exchanger, the compressor, the refrigerant flow path of the working medium heat exchanger, the recovery path, and the refrigerant,
And a turbine having an inlet and an outlet, wherein the working medium flowing through the working medium flow path of the working medium heat exchanger is vaporized by heating by the heat pump, and after being vaporized, the outlet of the working medium flow path The working medium discharged from the inlet is introduced into the inlet and discharged from the outlet, so that the turbine is powered by the heat energy of the vaporized working medium, and power is generated by the power. An operation system comprising a circulation means for delivering the working medium discharged from the discharge port to an inlet of the working medium flow path, and comprising the working medium flow path, the turbine, the circulation means, and the generator. Configure the medium power generation cycle section,
A control unit for controlling the heat pump and the working medium power generation cycle unit;
Compressor driving power for driving the compressor, circulating means driving power for driving the circulating means, and power as control section power supplied to the control section are supplied,
True generated power that is an operating condition that is set such that the generated power generated by the generator is larger than the total power that is the sum of the compressor driving power, the circulation means driving power, and the control unit power A power generation system configured to operate under acquisition conditions,
An organic compound whose saturated vapor pressure at 90 ° C. is 0.3 MPa or more is used as the working medium, the refrigerant is CO2, and the turbine is a scroll turbine or a screw turbine.
The true generated power acquisition condition is that the inlet temperature, which is the temperature of the working medium at the inlet, is approximately 90 ° C., and the inlet pressure, which is the pressure of the working medium, at the inlet is the inlet temperature. The power generation system is set to operating conditions that are equal to or lower than a saturated vapor pressure of the working medium.
前記導入口に導入される前の前記作動媒体を加熱する補助熱源を具備することを特徴とする請求項1記載の発電システム。 The power generation system according to claim 1, further comprising an auxiliary heat source for heating the working medium before being introduced into the introduction port. 前記補助熱源が前記導入口に導入される前の前記作動媒体を加熱した後において残存する排熱によって、前記回収経路を流れる冷媒を加熱することを特徴とする請求項2記載の発電システム。 The power generation system according to claim 2, wherein the refrigerant flowing through the recovery path is heated by exhaust heat remaining after the working medium is heated before the auxiliary heat source is introduced into the introduction port. 前記回収経路を流れる冷媒が前記外気熱交換器によってシステムの外部からの熱を吸収した後に、前記排出口から排出される前記作動媒体を前記冷媒によって冷却する冷却部を備えることを特徴とする請求項1〜3記載の発電システム。   The refrigerant | coolant which cools the said working medium discharged | emitted from the said discharge port with the said refrigerant | coolant after the refrigerant | coolant which flows through the said collection | recovery path | route absorbs the heat from the outside of a system with the said external air heat exchanger is provided. Item 1. The power generation system according to items 1 to 3. 前記作動媒体流路から前記循環手段への前記作動媒体の逆流を阻止する逆止弁を具備することを特徴とする請求項1〜4記載の発電システム。   The power generation system according to claim 1, further comprising a check valve that prevents a backflow of the working medium from the working medium flow path to the circulation unit.
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