JP2014129799A - 発電システム、発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率の低下を回避しつつ、発電機を確実に冷却する。
【解決手段】発電システム２０Ａは、媒体を循環させる媒体循環回路２２と、循環ポンプ２３と、媒体を、熱量が変動し得る外部の熱源により蒸発させる蒸発器２５と、蒸発器２５で蒸発された媒体によって駆動される膨張器２６と、膨張器２６から排出された媒体を凝縮する凝縮器２７と、膨張器２６により駆動されて発電する発電機２８と、凝縮器２７の下流側から取り出した媒体により発電機２８を冷却する冷却系統３０と、冷却系統３０を流通して発電機２８を冷却することによって加熱された媒体を気液分離させ、媒体の気相を凝縮器２７の上流側において媒体循環回路２２に流入させ、媒体の液相を凝縮器２７の下流側において媒体循環回路２２に流入させる気液分離器３１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶，工場，ガスタービン等からの排熱、地熱、太陽熱、海洋温度差等を熱源として発電を行う発電システム、発電方法に関する。

近年、エネルギの有効利用、環境保全等の観点から、船舶，工場，ガスタービン等からの排熱、地熱、太陽熱、海洋温度差等を熱源として発電を行うシステムとして、ランキンサイクル式の発電システムが検討されている。この際、上記のような熱源を利用する場合には、媒体として、例えば、水よりも沸点の低い媒体、より詳しくはフロン系媒体などの有機流体が用いられる。

このような発電システム１においては、図５に示すように、蒸発器２、タービン３、凝縮器４を有したサイクル回路５内を、循環ポンプ６によって媒体を循環させる。そして、上記したような熱源から熱を回収した熱媒を、蒸発器２に送り込み、媒体と熱交換させ、媒体を蒸発させてガス化する。
ガス化された媒体は、タービン３において膨張することによって主軸３ａを回転駆動し、発電機７を駆動する。タービン３で膨張した媒体は、凝縮器４で凝縮され、循環ポンプ６に循環される。

ところで、発電システムの小型化のため、タービン３や発電機７を小型化することが要求されている。小型化された発電機７において従来同等の発電量を確保しようとすると、タービン３および発電機７の回転を高速化する必要がある。
しかし、特に発電機７の回転の高速化による熱損失の増大や、小型化による放熱面積の低下により、発電機７の各部の温度が上昇し、これによって発電機７を形成するケーブル被覆、ワニス、絶縁紙等が劣化し、その絶縁寿命が短くなるおそれがある。このため、発電機７を冷却することが望まれる。

そこで、特許文献１には、タービンを経た媒体によって、発電機を冷却する構成が開示されている。
また、特許文献２には、循環ポンプ出口側から取り出した媒体の一部によって、発電機を冷却する構成が開示されている。

米国特許出願公開第２００７／００６３５９４号明細書 特開２００４−３５３５７１号公報

しかしながら、媒体として沸点の低い媒体を用いる場合には、発電機７を冷却することによって媒体は温度上昇し、その一部が気化してしまうことがある。
媒体の一部が気化したまま、これを循環ポンプ６に送給すると、循環ポンプ６における媒体送出効率が大きく損なわれる。その結果、発電機７における発電効率も低下するという問題がある。
そこでなされた本発明の目的は、発電効率の低下を回避しつつ、発電機を確実に冷却することのできる発電システム、発電方法を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の発電システムは、媒体を循環させる媒体循環回路と、前記媒体を加圧して前記媒体循環回路内で循環させる循環ポンプと、加圧された前記媒体を、熱源により蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された前記媒体によって駆動される膨張器と、前記膨張器から排出された前記媒体を凝縮する凝縮器と、前記膨張器により駆動されて発電する発電機と、前記凝縮器の下流側から取り出した前記媒体により前記発電機を冷却する冷却系統と、前記冷却系統を流通して前記発電機を冷却することによって加熱された前記媒体を気液分離させ、前記媒体の気相を前記凝縮器の上流側において前記媒体循環回路に流入させ、前記媒体の液相を前記凝縮器の下流側において前記媒体循環回路に流入させる気液分離器と、を備えることを特徴とする。

このような発電システムによれば、凝縮器の下流側から冷却系統において取り出した媒体によって、発電機を冷却する。発電機を冷却することによって媒体が加熱されると、媒体の一部が気化することがある。そこで、気液分離機において媒体の気相と液相とを分離し、媒体の気相を凝縮器の上流側で媒体循環回路に流入させ、液相を凝縮器の下流側で媒体循環回路に流入させることによって、循環ポンプに気液が混在した媒体が流入して発電効率が低下してしまうのを防ぐことができる。

また、前記冷却系統は、前記発電機に送り込む前記媒体の流量を調整する流量調整弁を備え、前記流量調整弁は、前記発電機において前記媒体が気化するよう、前記媒体の流量を調整するようにしてもよい。
発電機において媒体が気化すると、その気化熱によって、発電機をさらに効率良く冷却できる。

また、前記循環ポンプが、前記発電機の回転軸と同軸上に設けられているようにしてもよい。
これによって、循環ポンプを駆動するためのモータ等が不要となり、また、循環ポンプの動力損失が低減される。

ここで、前記冷却系統は、前記凝縮器の下流側であれば、いかなる位置で前記媒体を取り出してもよいが、例えば、前記冷却系統は、前記循環ポンプの下流側から前記媒体を取り出すようにしてもよい。

また、前記冷却系統は、前記循環ポンプの上流側から前記媒体を取り出すとともに、取り出した前記媒体を加圧するポンプを備えているようにしてもよい。
これにより、循環ポンプの上流側、つまり媒体循環回路で媒体の圧力が最も低い位置から取り出した媒体であっても、その圧力をポンプによって昇圧させることで、冷却系統における媒体の流れを確立できる。

また、前記気液分離器は、前記媒体の気相を前記蒸発器の下流側にて前記媒体循環回路に流入させるようにしてもよい。

本発明は、媒体を加圧して媒体循環回路を循環させ、加圧した前記媒体を熱源により蒸発させ、蒸発した前記媒体により膨張器を回転させることによって発電機を駆動して発電する発電方法であって、前記凝縮器の下流側から取り出した前記媒体により前記発電機を冷却する工程と、前記発電機を冷却することによって加熱された前記媒体を気液分離させ、前記媒体の気相を前記凝縮器の上流側において前記媒体循環回路に流入させ、前記媒体の液相を前記凝縮器の下流側において前記媒体循環回路に流入させる工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、発電効率の低下を回避しつつ、発電機を確実に冷却することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る発電システムの変形例の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。 発電システムの他の例の構成を示す図である。 従来の発電システムの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による発電システムを実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１に示すように、発電システム２０Ａは、船舶，工場，ガスタービン等からの排熱、地熱、太陽熱、海洋温度差等の熱源から熱媒が送り込まれる熱媒回路２１と、この熱媒回路２１の熱媒と熱交換することによって熱エネルギを得る媒体（媒体）を循環させる媒体循環回路２２と、を備える。
ここで、媒体循環回路２２の媒体としては、例えば、沸点が低く気化しやすい媒体、より詳しくは水よりも沸点の低い媒体やＨＦＣ−１３４ａ，ＨＦＣ−２４５ｆａ，ＨＦＯ−１２３４ｙｆ，ＨＦＯ−１２３４ｚｅといったフロン系媒体等、さらにはフロン系媒体のうち水よりも沸点の低い媒体を用いることができる。

熱媒回路２１は、熱源から熱を回収することによって得た蒸気、水（湯）等の熱媒を供給する。

媒体循環回路２２には、循環ポンプ２３、蒸発器２５、タービン（膨張器）２６、凝縮器２７が備えられている。

循環ポンプ２３は、媒体を圧縮して送り出すことで、媒体が蒸発器２５、タービン２６、凝縮器２７を順に経るよう、媒体を媒体循環回路２２内で循環させる。
蒸発器２５は、熱媒回路２１の熱媒と媒体循環回路２２の媒体とを熱交換するもので、蒸発器２５は、加圧された媒体を熱媒回路２１によって供給される熱媒（外部の熱源）との熱交換によって加熱して蒸発させる。
タービン２６は、媒体がタービン室内で膨張することによって、主軸２６ａをその軸線周りに回転駆動させる。この主軸２６ａには、発電機２８の回転子（図示無し）が連結されており、この回転子（図示無し）が発電機２８の固定子（図示無し）に対向して回転駆動される。これによって、発電機２８では交流電流を出力する。

上記発電システム２０Ａにおいては、凝縮器２７の下流側であって、循環ポンプ２３の下流側（循環ポンプ２３と凝縮器２７との間）において、媒体循環回路２２から分岐した管路（冷却系統）３０が設けられている。この管路３０は、発電機２８を経て、気液分離器３１に接続されている。

発電機２８においては、管路３０によって送給された媒体が通る媒体流路(図示無し)が、ハウジング等に形成されている。

気液分離器３１は、媒体を気相と液相に分離するもので、この気液分離器３１内の気相に連通したガス管３３はタービン２６の出口側において媒体循環回路２２に接続され、気液分離器３１内の液相に連通した液管３４は凝縮器２７の出口側において媒体循環回路２２に接続されている。

このような構成の発電システム２０Ａにおいては、循環ポンプ２３を経た媒体の一部を管路３０によって媒体循環回路２２から取り出し、発電機２８に送り込む。送り込まれた媒体が発電機の媒体流路(図示無し)を通ることによって、発電機２８が冷却される。ここで、発電機２８を冷却することによって、媒体は加熱されるので、その一部がガス化することがある。
発電機２８を冷却した媒体は、気液分離器３１において気相と液相に気液分離される。媒体の気相はガス管３３を介して凝縮器２７の上流側で媒体循環回路２２に流入させ、タービン２６における膨張工程を経ることでガス化した媒体に流入させる。また、媒体の液相は、液管３４を介して凝縮器２７の下流側で媒体循環回路２２に送り込まれ、凝縮器２７で液化した媒体に合流する。

上述したようにして、媒体循環回路２２を循環する媒体の一部によって発電機２８を冷却することができる。しかもこのとき、発電機２８において媒体がガス化しても、その気相は媒体循環回路２２中でガス化した媒体に合流し、残る液相は、媒体循環回路２２中で液化した媒体に合流するようになっている。したがって、発電機２８において一部がガス化した媒体は、凝縮器２７において液化されてから循環ポンプ２３に送り込まれる。その結果、循環ポンプ２３において媒体送出効率が損なわれることもなく、発電機２８における発電効率の低下を防ぐことができ、発電機２８の確実な冷却も行える。

（第１の実施形態の変形例）
上記第１の実施形態で示した構成の発電システム２０Ａにおいて、管路３０に、発電機２８に送り込む媒体の流量を調整する流量調整弁４０を設けるようにしてもよい。
この場合、媒体が、発電機２８を冷却するときにガス化するよう、制御部５０の制御により、流量調整弁４０の開度を調整するのが好ましい。この流量調整弁４０の開度調整は、例えば、発電機２８の出口側で媒体の温度または圧力、あるいは発電機２８自体の温度を計測し、その計測結果に基づいて、制御部５０が、予め設定した温度または圧力と流量調整弁４０の開度との相関データを参照することによって、流量調整弁４０の開度を決定することができる。
これによって、媒体が発電機２８で蒸発するときの気化熱も発電機２８の冷却に利用することができ、発電機２８の冷却を、より一層効率良く行える。

また、制御部５０においては、蒸発器２５に送り込まれる媒体量を監視し、その媒体量が少なくなったときには、流量調整弁４０を絞り、蒸発器２５に送り込まれる媒体量を増やすような制御を行うこともできる。

また、上記実施形態では、管路３０を循環ポンプ２３の下流側において媒体循環回路２２から分岐するようにしたが、これに代えて、図２に示す発電システム２０Ａ’のように、管路３０を、凝縮器２７の下流側であって、循環ポンプ２３の上流側で、媒体循環回路２２から分岐させ、媒体を取り出すようにしてもよい。
なお、このような構成においては、管路３０に流れ込む媒体は、循環ポンプ２３直前であり、媒体循環回路２２において最も低圧であるため、管路３０に、ポンプ４１を備えて、このポンプ４１によって媒体を加圧してから発電機２８に供給するようにするのが好ましい。

（第２の実施形態）
次に、本発明にかかる発電システムの第２の実施形態について説明する。なお、以下に説明する第２の実施形態においては、上記第１の実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
図３に示すように、本実施形態に係る発電システム２０Ｂは、備えている機器類の基本的な構成は上記第１の実施形態に係る発電装置２０Ａと共通する。この発電システム２０Ｂにおいては、循環ポンプ２３が、発電機２８の回転軸２８ａと同軸に配置され、この回転軸２８ａの回転によって駆動される。
このとき、循環ポンプ２３は、発電機２８の回転軸２８ａに対して、変速機を介して接続してもよい。

このような構成の発電システム２０Ｂにおいても、上記第１の実施形態の発電システム２０Ａと同様、循環ポンプ２３において媒体送出効率が損なわれることもなく、発電機２８における発電効率の低下を防ぐことができ、発電機２８の確実な冷却も行える。
また、循環ポンプ２３を発電機２８の回転軸２８ａと同軸に設けることで、循環ポンプ２３を駆動するためのモータ等も不要であるため、循環ポンプ２３における動力損失が低減され、発電機２８における発電効率を高めることができる。
なお、この循環ポンプ２３は、発電機２８の回転軸２８ａに対して、変速機を介して接続することで、高速回転するタービン２６および発電機２８にも対応することができる。

なお、上記第２の実施形態で示した構成においても、図２に示したように、管路３０を、凝縮器２７の下流側であって、循環ポンプ２３の上流側で、媒体循環回路２２から分岐させ、媒体を取り出す構成とすることもできる。

（その他の変形例）
なお、本発明の発電システムは、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、気液分離器３１の気相から凝縮器２７の上流側において媒体の気相を媒体循環回路２２に流入させるようにしたが、これに限るものではなく、蒸発器２５の下流側において媒体の気相を媒体循環回路２２に流入させるようにしてもよい。

また、図４に示す発電システム２０Ｃのように、媒体循環回路２２は、循環ポンプ２３を経た後、発電機２８を通り、蒸発器２５に至るような構成とすることができる。
これにより、循環ポンプ２３から送出された媒体のすべてを発電機２８の媒体流路（図示無し）に送給して発電機２８を冷却するようになっている。
このような構成においても、発電機２８を確実に冷却することができる。

例えば、上記各実施形態の発電システム２０Ａ，２０Ａ’，２０Ｂ，２０Ｃにおいては、船舶，工場，ガスタービン等からの排熱、地熱、太陽熱、海洋温度差等を熱源として発電に用いるようにしたが、その熱源の種類はなんら問うものではない。
また、上記各実施形態では、膨張器としてタービン２６を例示したが、タービン２６に代えてスクロール式の膨張器等を採用することもできる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記各実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

２０Ａ，２０Ａ’，２０Ｂ，２０Ｃ 発電システム
２１ 熱媒回路
２２ 媒体循環回路
２３ 循環ポンプ
２５ 蒸発器
２６ タービン（膨張器）
２６ａ 主軸
２７ 凝縮器
２８ 発電機
３０ 管路（冷却系統）
３１ 気液分離器
３３ ガス管
３４ 液管
４０ 流量調整弁
４１ ポンプ
５０ 制御部

Claims (7)

1. 媒体を循環させる媒体循環回路と、
   前記媒体を加圧して前記媒体循環回路内で循環させる循環ポンプと、
   加圧された前記媒体を、熱源により蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発された前記媒体よって駆動される膨張器と、
   前記膨張器から排出された前記媒体を凝縮する凝縮器と、
   前記膨張器により駆動されて発電する発電機と、
   前記凝縮器の下流側から取り出した前記媒体により前記発電機を冷却する冷却系統と、
   前記冷却系統を流通して前記発電機を冷却することによって加熱された前記媒体を気液分離させ、前記媒体の気相を前記凝縮器の上流側において前記媒体循環回路に流入させ、前記媒体の液相を前記凝縮器の下流側において前記媒体循環回路に流入させる気液分離器と、
   を備えることを特徴とする発電システム。
2. 前記冷却系統は、前記発電機に送り込む前記媒体の流量を調整する流量調整弁を備え、
   前記流量調整弁は、前記発電機において前記媒体が気化するよう、前記媒体の流量を調整することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記循環ポンプが、前記発電機の回転軸と同軸上に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
4. 前記冷却系統は、前記循環ポンプの下流側から前記媒体を取り出すことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発電システム。
5. 前記冷却系統は、前記循環ポンプの上流側から前記媒体を取り出すとともに、取り出した前記媒体を加圧するポンプを備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発電システム。
6. 前記気液分離器は、前記媒体の気相を前記蒸発器の下流側にて前記媒体循環回路に流入させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発電システム。
7. 媒体を加圧して媒体循環回路を循環させ、加圧した前記媒体を熱源により蒸発させ、蒸発した前記媒体により膨張器を回転させることによって発電機を駆動して発電する発電方法であって、
   前記凝縮器の下流側から取り出した前記媒体により前記発電機を冷却する工程と、
   前記発電機を冷却することによって加熱された前記媒体を気液分離させ、前記媒体の気相を前記凝縮器の上流側において前記媒体循環回路に流入させ、前記媒体の液相を前記凝縮器の下流側において前記媒体循環回路に流入させる工程と、
   を備えることを特徴とする発電方法。

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