JP2014001701A - 地熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液相の作動流体に地熱が伝達される際の熱抵抗を低減させることができる地熱発電装置を提供する。
【解決手段】作動流体を地熱によって気相に変化させ、その気相の作動流体の有するエネルギによってタービンを駆動し、そのタービンに連結された発電機８によって発電する地熱発電装置において、地中の高温の岩体に形成された採熱穴６と、地表側から前記採熱穴６に挿入されて該採熱穴６に気密状態に連結され、かつ地表側で前記タービンを気密状態に収容した蒸気管３と、前記タービンの下流側の部分と前記採熱穴６とを連通するように設けられた液管１１とを備え、前記採熱穴６と前記蒸気管３と前記液管１１とによって形成されている管路に前記作動流体が封入され、前記採熱穴６で加熱されて蒸発した作動流体によって前記タービンを駆動するように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、地熱を利用して発電する地熱発電装置に関し、特に、地中に供給された液相の作動流体が地熱によって加熱されて気相の作動流体に相変化し、その気相の作動流体によって発電機を駆動させる地熱発電装置に関するものである。

高温の岩体まで掘削して形成された穴にヒートパイプを挿入することにより、ヒートパイプの作動流体を循環させ、そのヒートパイプ内を循環する作動流体によって発電する地熱発電装置が知られている。特許文献１ないし４に記載された地熱発電装置は、高温の岩体まで掘削して形成された穴が崩壊してヒートパイプに岩や砂利が接触してしまうことを防止するために、またヒートパイプのメンテナンスを容易にするために、穴の内面に密着する有底円筒状のケーシング管を前記穴の内部に挿入し、そのケーシング管の内径より外径が小さく形成されたヒートパイプをケーシング管に挿入するように構成されている。また、ケーシング管とヒートパイプとの間に隙間が空いていると、その隙間に介在する空気が断熱層となって岩体からヒートパイプへの熱伝達が低下してしまう可能性があるので、各特許文献１，２，３，４に記載された地熱発電装置では、ケーシング管とヒートパイプとの間に熱伝達媒体を充填するように構成されている。

特開平７−２８６７６０号公報 特開平７−２８０３６１号公報 特開平８−５１６２号公報 特開平８−２８５４８０号公報

各特許文献１，２，３，４に記載されているように、岩体にケーシング管を挿入して、そのケーシング管とヒートパイプとの間に熱伝達媒体を供給するように構成すると、ケーシング管と熱伝達媒体とヒートパイプのコンテナとを介して岩体から液相の作動流体に熱が伝達されるので、ケーシング管や熱伝達媒体あるいはコンテナの熱抵抗によって熱伝達が低下してしまう可能性がある。さらに、熱伝達媒体が気相に変化して熱抵抗を増大させてしまうことを防止するために、熱伝達媒体の供給量を制御する装置が必要となるなど、地熱発電装置全体としての構成が大型化し、また制御もしくはメンテナンスが複雑となる可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、液相の作動流体に地熱が伝達される際の熱抵抗を低減させて発電効率を向上させることができる地熱発電装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、作動流体を地熱によって気相に変化させ、その気相の作動流体の有するエネルギによってタービンを駆動し、そのタービンに連結された発電機によって発電する地熱発電装置において、地中の高温の岩体に形成された採熱穴と、地表側から前記採熱穴に挿入されて該採熱穴に気密状態に連結され、かつ地表側で前記タービンを気密状態に収容した蒸気管と、前記タービンの下流側の部分と前記採熱穴とを連通するように設けられた液管とを備え、前記採熱穴と前記蒸気管と前記液管とによって形成されている管路に前記作動流体が封入され、前記採熱穴で加熱されて蒸発した作動流体によって前記タービンを駆動するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、作動流体を地熱によって気相に変化させ、その気相の作動流体の有するエネルギによってタービンを駆動し、そのタービンに連結された発電機によって発電する地熱発電装置において、地中の高温の岩体に形成された採熱穴と、その採熱穴に密着状態に嵌め込まれた地中管と、地表側から前記地中管に挿入されて該地中管に気密状態に連結され、かつ地表側で前記タービンを気密状態に収容した蒸気管と、前記タービンの下流側の部分と前記地中管の内部とを連通するように設けられた液管とを備え、前記地中管と前記蒸気管と前記液管とによって形成されている管路に前記作動流体が封入され、前記地中管で加熱されて蒸発した作動流体によって前記タービンを駆動するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記採熱穴は、前記高温の岩体の内部に放射状に形成されていることを特徴とする地熱発電装置である。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記地中管は、前記高温の内部に放射状に分岐して設けられていることを特徴とする地熱発電装置である。

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明において、前記液相の作動流体と前記気相の作動流体とが流動する前記管路が気密状態に構成されていることを特徴とする地熱発電装置である。

請求項６の発明は、請求項１，３，５のいずれかの発明において、前記液管から前記採熱穴の内面に向けて液相の作動流体を放射状に噴射する手段を更に備えていることを特徴とする地熱発電装置である。

請求項７の発明は、請求項２，４，５のいずれかの発明において、前記液管から前記地中管の内面に向けて液相の作動流体を放射状に噴射する手段を更に備えていることを特徴とする地熱発電装置である。

この発明によれば、岩体に形成された採熱穴あるいは岩体と接触する地中管の内部に、液相の作動流体が供給されるように構成されており、採熱穴や地中管から伝達された熱によって液相から気相に相変化した作動流体がタービンに向けて流動し、タービンが作動流体の有するエネルギによって駆動されて発電機が回転することにより発電が行われる。このように、採熱穴あるいは地中管が、作動流体が相変化を伴って循環流動する密閉管路の一部となっているために、岩体から作動流体に対して熱を伝える際の熱抵抗を低減することができる。また、採熱穴あるいは地中管と蒸気管とが気密状態に連結されているので、気相に相変化した作動流体が外部に漏洩してしまうことを抑制もしくは防止することができ、その結果、タービンあるいは発電機を駆動させるための作動流体の量を低減することができ、ランニングコストを低減することができる。また、砂漠などの水分が少ない場所であっても、地熱によって発電することができる。

また、採熱穴や地中管が、高温の岩体に向けて放射状に設けられている場合には、岩体から熱が伝達される面積を増大させることができるので、液相の作動流体がより気化しやすく地熱発電装置としての効率を向上させることができる。

さらに、液相の作動流体と気相の作動流体とが流動する管路が気密状態に構成されていることにより、地熱発電装置から外部に作動流体が漏洩してしまうことを抑制もしくは防止することができ、その結果、発電装置を駆動させるための作動流体の量を低減することができ、ランニングコストを低減することができる。また、砂漠などの水分が少ない場所であっても、地熱によって発電することができる。

そして、液管から放射状に液相の作動流体を噴射することにより、液相の作動流体へ熱を伝達する熱伝達面と、液相の作動流体との接触面積を増大させることができ、その結果、地熱発電装置としての効率を向上させることができる。

この発明に係る地熱発電装置の一例を説明するための図である。 この発明に係る地熱発電装置の他の例を説明するための図である。

つぎにこの発明に係る地熱発電装置の一例について説明する。図１に示す地熱発電装置１は、高温の岩体２の熱が液相の作動流体に直接伝達するように構成された例を示す図である。図１に示す地熱発電装置１は、ステンレス鋼などの耐食性に優れた材料によって形成された円筒状のパイプ（以下、蒸気管３と記す。）を有している。この蒸気管３は、地熱が伝達されることによって潜熱として熱を吸収して液相から気相に相変化した作動流体を流動させるものである。具体的には、地表４から土壌層５を貫通して高温の岩体の内部までドリルなどの掘削機によって掘削して形成されたこの発明における採熱穴に相当する縦穴６に、下方が開口した蒸発管３を挿入して配置されている。そして、その蒸発管３における地表４側の端部には、熱エネルギーによって駆動されるタービンを収容したタービン室７が気密状態に連結されている。

タービンは、従来知られた蒸気機関に使用されるものと同様の構成であって、蒸気が流動することによって回転体が回転するように構成されている。すなわち、熱エネルギーを運動エネルギーに変換するように構成されている。そして、タービンの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機８がタービンに連結されている。

一方、タービン室７の下流側には、気相の作動流体を冷却して凝縮させる凝縮部９が気密状態に連結されている。この凝縮部９は、要は気相の作動流体を冷却することによって液相の作動流体に相変化させるものであって、図１に示す例では、冷却液によって作動流体を強制冷却させるように構成されている。すなわち、凝縮部９の外表面あるいは近傍に、冷却液をポンプ１０によって循環させることにより、凝縮部９を冷却して作動流体を冷却するように構成されている。なお、凝縮部９の放熱性あるいは冷却性を向上させるために、銅などの熱伝導率の高い材料によって凝縮部９を形成することが好ましい。

凝縮部９によって相変化した液相の作動流体を、前述した縦穴６に供給する液管１１が設けられている。液管１１は、一方の端部を凝縮部９に気密状態に連結されるとともに、他方の端部が縦穴６に向けて開口している。なお、液管１１は、上記蒸気管３の外表面に沿って配置してもよく、あるいは蒸気管３の外表面を貫通した貫通孔を形成し、その貫通孔に液管１１を挿入して蒸気管３と同軸上に液管１１を配置するように構成してもよい。蒸気管３に液管１１を挿入する場合には、貫通孔と液管１１の外表面とを溶接などによって気密状態に連結する。また、液管１１には、液相の作動流体の流動を遮断することができる開閉弁１２が設けられている。

図１に示す地熱発電装置１は、岩体２に形成された縦穴６を、ヒートパイプにおける蒸発部として機能させるように構成されている。すなわち、液管１１を流動して液相の作動流体が縦穴６に供給され、その縦穴６の内面から液相の作動流体に熱が伝達されて気相に相変化した作動流体が蒸気管３を流動するように構成されている。具体的には、岩体２に形成された縦穴６を気密状に維持するためのシール部材１３が、岩体２内における蒸気管３と縦穴６との間に設けられている。したがって、気相の作動流体が、蒸気管３の外部に漏洩することなく、蒸気管３の内部を流動してタービン室７に供給される。なお、上述したように液管１１を蒸気管３の外表面に沿って配置した場合には、シール部材１３を蒸気管３および液管１１と縦穴６との間に配置する。

さらに、図１に示す地熱発電装置１は、縦穴６の下方部から枝分かれした複数の分岐穴１４，１４が形成されている。これらの分岐穴１４，１４は、縦穴６から鉛直方向に対して約３０度傾斜して下方に向けて形成されている。なお、これらの分岐穴１４，１４もこの発明における採熱穴の一部となっている。このように複数の分岐穴１４，１４を形成することにより、液管１１から供給された液相の作動流体がそれぞれの分岐穴１４，１４に流動するので、岩体２の内壁面と液相の作動流体との接触面積を増大させることができる。なお、分岐穴１４，１４は、上方から吐出された液相の作動流体が、重力によって分岐穴１４，１４の内壁面に沿って流動するように所定の角度傾斜していればよい。

また、液相の作動流体と岩体２の内壁面との接触面積を増大させるために、液管１１から放射状に液相の作動流体が噴射されるように構成されていてもよい。具体的には、液管１１の開口部に小径の穴が複数形成されたノズルを設けてもよく、液管１１の開口部に向けて開口面積が増大するように形成してもよい。このように液管１１から放射状に作動流体を噴射することにより、縦穴６の内壁面にも直接、液相の作動流体を供給することができ、液相の作動流体と岩体２の内壁面との接触面積をより増大させることができる。また、液管１１から放射状に液相の作動流体を噴射するように構成することにより、分岐穴１４を縦穴６の下面から所定の高さ離れた位置、すなわち鉛直方向における上方に形成しても、その分岐穴１４に液相の作動流体を供給することができ、より一層液相の作動流体と岩体２の内壁面との接触面積を増大させることができる。

つぎに図１に示す地熱発電装置１の作用について説明する。まず、開閉弁１２を開くことにより、凝縮部９に貯留された液相の作動流体が、液管１１を流下し、液管１１の下端開口部から縦穴６および分岐穴１４に向けて放射状に噴出される。縦穴６および分岐穴１４の内壁面に噴出された液相の作動流体に岩体２から直接熱が伝達されて気相の作動流体に相変化する。ついで、作動流体蒸気は、蒸気管３の内部を上昇してタービン室７に供給され、タービンを回転させる。そして、タービンに連結された発電機８が回転させられて発電する。一方、タービン室７を通過した気相の作動流体は、凝縮部９で冷却されて液相の作動流体に変化し、再度、縦穴６および分岐穴１４に供給される。したがって、図１に示す地熱発電装置１は、縦穴６および分岐穴１４を含む管路の全体が気密状態に維持され、その内部を作動流体が相変化しながら循環して熱輸送するように構成されており、したがって縦穴６や分岐穴１４を蒸発部としたループ型のヒートパイプとして機能するように構成されている。

上述したように地熱発電装置１を、縦穴６および分岐穴１４を蒸発部としたヒートパイプ構造とすることにより、外部へ作動流体が漏洩してしまうことを抑制もしくは防止することができるので、砂漠などの水分の少ない場所であっても、地熱を使用して発電することができる。また、液相の作動流体には岩体２から直接熱が伝達されるように構成されており、液相の作動流体へ熱を伝達する際の熱抵抗を低減することができ、その結果、地熱発電装置１の効率を向上させることができる。さらに、複数の分岐穴１４，１４を形成することにより、あるいは液相の作動流体を液管１１から放射状に噴出させることにより、液相の作動流体と岩体２との接触面積を増大させることができ、その結果、岩体１からの採熱量が増大して地熱発電装置１の発電効率を向上させることができる。

図１に示す例では、岩体２に形成された縦穴６や分岐穴１４を蒸発部として機能されるように構成されているが、地中の温水を使用するときには、蒸発部を開口させることができない。また、岩体２からは硫化水素や二酸化炭素などの有害ガスが噴出する可能性があるので、それらのガスの混入を防止するためには、蒸発部が密封されていることが好ましい。そのため、蒸発部を金属製のパイプによって気密状態に形成された地熱発電装置１の一例を図２に示している。図２に示す地熱発電装置１は、岩体２から伝達された熱を使用して発電する装置であるが、地中の温水を使用するときであっても同様の構成とすることができる。

図２に示す地熱発電装置１は、蒸気管３の下方部にこの発明における地中管に相当する小径のパイプ１５，１５が気密状態に複数連結されている。具体的には、蒸気管３に向けて開口した有底円筒状のパイプ１５が蒸気管３に連結されるとともに、そのパイプ１５の一部を屈曲して岩体２の内部に挿入して配置されている。なお、このパイプ１５は、岩体２から液相の作動流体に熱を伝達するための媒体であるので、熱伝導率が高い材料によって構成されていることが好ましい。

そして、各パイプ１５，１５に液相の作動流体を供給するために、液管１１の開口部は、各パイプ１５，１５の開口部より上方に位置しており、その開口部には、液相の作動流体を放射状に吐出させるノズル１６が設けられている。なお、蒸発部がパイプ１５によって封止されているので、上記シール部材１３は特に設ける必要はない。また、他の構成は上記図１と同様である。

このように岩体２に挿入された小径のパイプ１５を蒸発部として機能させることにより、パイプ１４には、岩体２から直接熱が伝達される。その結果、小径１４の内部に供給された作動流体へ熱を伝達する際の熱抵抗を低下させることができる。また、小径のパイプ１５，１５を複数設けることにより、岩体２とパイプ１５との伝達面積を増大させることができる。すなわち、液相の作動流体と接触する熱伝達面を増大させることができ、その結果、地熱発電装置１の効率を向上させることができる。さらに、蒸発部をパイプ１５によって封止することにより、外部から有害ガスが混入してしまうことがなく、また温水などの熱を使用して発電することができる。

なお、上述したように複数のパイプ１５，１５を使用して熱伝達面を増大させる場合には、更にそれらのパイプ１５，１５を波状に形成したコルゲート管とすることによって、岩体２とパイプ１５との接触面積を更に増大させることができ、その結果、液相の作動流体に熱を伝達する伝達面積を増大させることができる。

１…地熱発電装置、 ２…岩体、 ３…蒸気管、 ４…地表、 ６…縦穴、 ８…発電機、 １１…液管、 １３…シール部材、 １４…分岐穴、 １５…パイプ、 １６…ノズル。

Claims (7)

1. 作動流体を地熱によって気相に変化させ、その気相の作動流体の有するエネルギによってタービンを駆動し、そのタービンに連結された発電機によって発電する地熱発電装置において、
   地中の高温の岩体に形成された採熱穴と、
   地表側から前記採熱穴に挿入されて該採熱穴に気密状態に連結され、かつ地表側で前記タービンを気密状態に収容した蒸気管と、
   前記タービンの下流側の部分と前記採熱穴とを連通するように設けられた液管と
   を備え、
   前記採熱穴と前記蒸気管と前記液管とによって形成されている管路に前記作動流体が封入され、前記採熱穴で加熱されて蒸発した作動流体によって前記タービンを駆動するように構成されている
   ことを特徴とする地熱発電装置。
2. 作動流体を地熱によって気相に変化させ、その気相の作動流体の有するエネルギによってタービンを駆動し、そのタービンに連結された発電機によって発電する地熱発電装置において、
   地中の高温の岩体に形成された採熱穴と、
   その採熱穴に密着状態に嵌め込まれた地中管と、
   地表側から前記地中管に挿入されて該地中管に気密状態に連結され、かつ地表側で前記タービンを気密状態に収容した蒸気管と、
   前記タービンの下流側の部分と前記地中管の内部とを連通するように設けられた液管と
   を備え、
   前記地中管と前記蒸気管と前記液管とによって形成されている管路に前記作動流体が封入され、前記地中管で加熱されて蒸発した作動流体によって前記タービンを駆動するように構成されている
   ことを特徴とする地熱発電装置。
3. 前記採熱穴は、前記高温の岩体の内部に放射状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の地熱発電装置。
4. 前記地中管は、前記高温の内部に放射状に分岐して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の地熱発電装置。
5. 前記液相の作動流体と前記気相の作動流体とが流動する前記管路が気密状態に構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の地熱発電装置。
6. 前記液管から前記採熱穴の内面に向けて液相の作動流体を放射状に噴射する手段を更に備えていることを特徴とする請求項１，３，５のいずれかに記載の地熱発電装置。
7. 前記液管から前記地中管の内面に向けて液相の作動流体を放射状に噴射する手段を更に備えていることを特徴とする請求項２，４，５のいずれかに記載の地熱発電装置。

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