JP2014227994A - 熱源水利用発電方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型高性能で低コスト生産が可能であり、占有設置面積が小さく、しかも、安全で信頼性が高い熱源水利用発電方法及び装置を提供する。
【解決手段】密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰとを熱的に結合し、該ヒートポンプで熱源水を利用して液化冷媒から冷媒蒸気を生成し、該冷媒蒸気を冷媒圧縮機Ｐ２により圧縮した後に膨張・蒸発させて冷熱を発生させ、低温低圧作動流体を流体圧縮機２７により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、蓄電ユニット２０の蓄電電力をパルス電源２８に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により加熱した該高温高圧作動流体により該可動ピストン２００を作動させて発生させた機械エネルギーを発電機１６に供給して発電電力を発生させ、該機械エネルギーの一部で該ヒートポンプを駆動し、該可動ピストンの膨張ガスを該冷熱により冷却する熱源水利用発電方法及び装置。
【選択図】図１

Description

本発明は熱源水利用発電方法及び装置に関し、特に、低温熱源水を利用して高効率で発電が可能な熱源水利用発電方法及び装置に関する。

近年、大気汚染防止と地球温暖化対策の有効な解決策として再生可能エネルギーが注目され、その中で、特に、温泉水、地下水、工場廃液、工場排水、海水等の熱源水を有効利用したバイナリー発電装置の研究開発が活発になっている。

特許文献１には、高圧液体二酸化炭素を熱水に接触させて高圧二酸化炭素ガスを生成してタービン発電機で発電するようにしたバイナリーサイクル発電方法及び装置が提案されている。

特許文献２には、低沸点作動媒体を熱源水と接触させて蒸気を生成し、この蒸気によりタービン発電機を駆動して発電するようにしたバイナリー発電システムが提案されている。

日本特許第４３４３７３８号 日本公開特許公報第２００９−２２１９６１号

ところで、特許文献１及び２で開示されたバイナリー発電システムでは、動力サイクルの作動媒体を直接、熱水に接触させてタービン駆動用蒸気を生成している。そのため、実用的な発電電力を得るためには、かなり高温（例えば、８０℃以上）の熱を必要としていた。その結果、熱源水の利用範囲が極めて限定され、例えば、２０〜６０℃の低温度領域の温泉排水、銭湯排水や工場廃液等は有効活用されることなく、無駄に廃棄されていた。特に、比較的低温の温泉排水、工場排水、食品工場廃液、銭湯排水、地下水、湖水、河川水、海水等の熱源水は全国において広範囲で分布しているにもかかわらず、これまで有効利用されることがなかった。また、これら特許文献１及び２で開示されたバイナリー発電システムで採用されたタービン発電機ではタービンとタービンハウジングとの間及びタービンブレード間に大きな隙間が存在していて未利用動力ガスがタービンブレードの隙間から逃げて遺棄される結果、再生可能エネルギーを効率的に回収することができなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、比較的低温の温泉排水、地下水、工場排水、食品工場廃液、銭湯排水、湖水、河川水、海水等の熱源水から再生可能エネルギーを効率的に回収することが可能な熱源水利用発電方法及び装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された第１発明によれば、熱源水利用発電方法が、密閉動力サイクルとヒートポンプとを熱的に結合し、該ヒートポンプで低温熱回収熱交換器を介して熱源水を利用して液化冷媒から冷媒蒸気を生成し、該冷媒蒸気を冷媒圧縮機により圧縮した後に膨張・蒸発させて冷熱を発生させ、低温低圧作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により当該電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該高温高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器と接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより該可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させ、該機械エネルギーの一部で該ヒートポンプを駆動し、該可動ピストンの膨張ガスを該冷熱により冷却することを特徴とすることを特徴とする。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加えて、好ましくは、該発電電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに充電し、さらに、該高温高圧作動流体をバッファアキュムレータで一時的に蓄圧し、当該電気式動力ガス発生器に供給される該高圧作動流体の供給タイミングを制御弁により制御し、該バッファアキュムレータと該制御弁とを該可動ピストンのスタータとして機能させることを特徴とする。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１又は２記載の構成に加えて、該冷媒と該作動流体が該ヒートポンプと該密閉動力サイクルとにそれぞれ所定圧で封入された二酸化炭素を含み、該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機がＣＯ２冷媒とＣＯ２作動流体をいずれも超臨界状態で圧縮することを特徴とする。

請求項４に記載された第２発明によれば、熱源水利用発電装置が、密閉動力サイクルとヒートポンプとを熱的に結合し、該ヒートポンプで低温熱回収熱交換器を介して熱源水を利用して液化冷媒から冷媒蒸気を生成し、該冷媒蒸気を冷媒圧縮機により圧縮した後に膨張・蒸発させて冷熱を発生させ、低温低圧作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により当該電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該高温高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器と接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより該可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させ、該機械エネルギーの一部で該ヒートポンプを駆動し、該可動ピストンの膨張ガスを該冷熱により冷却することを特徴とすることを特徴とする。

請求項５に記載された発明によれば、請求項４記載の構成に加えて、該冷媒と該作動流体が該ヒートポンプと該密閉動力サイクルとにそれぞれ所定圧で封入された二酸化炭素を含み、該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機がＣＯ２冷媒とＣＯ２作動流体をいずれも超臨界状態で圧縮することを特徴とする。

請求項６に記載された発明によれば、請求項５記載の構成に加えて、該電気式動力ガス発生器が、ケーシングに形成された動力ガス発生室と、該動力ガス発生室に収納された管状通電加熱手段とを備え、該管状通電加熱手段が該パルス電力により通電して作動流体の分解温度以下の温度領域で発熱して当該高温高圧作動流体から当該高温高圧動力ガスを生成することを特徴とする。

本発明では、作動流体を熱水と直接接触させるのではなく、ヒートポンプが低温熱回収熱交換器を介して熱源水を利用して液化冷媒から冷媒蒸気を生成する。この時、冷媒の湿り蒸気は熱源水を利用して過熱蒸気にされるため、冷媒圧縮機の耐久性が劣化することがない。密閉動力サイクルでは低温低圧作動流体が流体圧縮機により圧縮されて高温高圧作動流体を生成する。該高温高圧作動流体を電気式動力ガス発生器と接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、該高温高圧動力ガスにより可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させる。この機械エネルギーを発電機に供給して発電を行う。このように、本発明では、これまで未利用のまま遺棄されていた比較的低温の温泉排水、工場排水、食品工場廃液、銭湯排水、湖水、河川水、海水等の熱源水の熱エネルギーを効率的に回収できるため、広範囲においてクリーンな発電が可能となる。

また、蓄電ユニットには発電機の発電電力の一部を充電するため、小容量の蓄電ユニットを使用することができる。さらに、高圧作動流体をバッファアキュムレータで一時的に蓄圧して制御弁により最適な供給タイミングで取り出すため、高圧作動流体の脈動が抑制され、可動ピストンの回転ムラが防止され、発電機の回転ムラを少なくして発電機の出力電圧をより安定化して発電電力の品質を向上させることができる。しかも、バッファアキュムレータと制御弁とが可動ピストンのスタータとして機能するため、簡単で信頼性が高い始動が可能となる。

本発明の実施例による熱源水利用発電方法を実行するための熱源水利用発電装置のブロック図を示す。 図１の熱源水利用発電装置に採用したエネルギー変換装置における複合型圧縮機の断面図を示す。 図１に示したエネルギー変換装置における電気式動力ガス発生器の断面図を示す。

以下、図面に基づき、本発明による熱源水利用発電方法を実施するための熱源水利用発電装置の実施例について詳細に説明する。図１に示した実施例において、熱源水利用発電装置は熱源水としての温泉排水に適用したものとして説明するが、本発明はこの適用例に限定されず、温泉源泉水、地下水、地熱熱水、工場排水、食品工場廃液、銭湯温排水、湖水、河川水、海水等の熱源水にも適用可能である。

図１において、熱源水利用発電装置１０は、エネルギー変換装置１２を備え、エネルギー変換装置１２は密閉動力サイクル１５と、熱源水の熱を汲み取って密閉動力サイクル１５に熱移送を行うヒートポンプＨＰとを備える。エネルギー変換装置１２は、後述のごとく、ヒートポンプＨＰから移送された熱源水の熱を利用して機械エネルギーを発生させ、出力軸１３２を介して該機械エネルギーを発電機１６に供給して発電電力を生成する。

密閉動力サイクル１５は、低温低圧蒸気からなる作動流体Ｗｆを圧縮して高温高圧作動流体を生成する流体圧縮機（複合型圧縮機）２７と、流体圧縮機２７から吐出された高温高圧作動流体Ｗｆｐを逆止弁２９を介して一時的に蓄圧する摺動ピストン及びバネ手段３０ａを内蔵した蓄圧室３０ｂを有するバッファアキュムレータ３０と、バッファアキュムレータ３０のアウトレット３０ｃから供給される高温高圧作動流体Ｗｆｐの供給タイミング（流通期間）を制御する電磁弁からなる制御弁３２と、バッファアキュムレータ３０から供給された高温高圧作動流体Ｗｆｐを加熱して瞬時に高温高圧動力ガスＳＣｆを発生させる電気式動力ガス発生器４２と、高温高圧動力ガスを作動室１１６内において爆発的に膨張させて機械エネルギーに変換する可動ピストン（ロータリピストン本体）２００を備えていて出力軸１３２を介して該機械エネルギーを取り出すとともにその一部を流体圧縮機２７に伝達する回転式流体機械４０と、ヒートポンプＨＰで生成した冷熱を利用して回転式流体機械４０の膨張ガスを冷却する冷却器４３とを備える。

本実施例において、密閉動力サイクル１５の作動流体及びヒートポンプＨＰの冷媒としては、本発明を限定するものではないが、自然界に存在する安全な物質であり、極めて安価に手に入れることができる理由から、オゾン層破壊係数がゼロで地球温暖化係数が１の自然冷媒である二酸化炭素（以下、ＣＯ２と略称する）を利用する。説明の便宜上、密閉動力サイクル１５の作動流体をＣＯ２作動流体、ヒートポンプＨＰの冷媒をＣＯ２冷媒と称する。

バッファアキュムレータ３０のバネ手段３０ａは、蓄圧室３０ｂのＣＯ２作動流体が第１所定圧、例えば、２０〜６０ＭＰａの圧力範囲に維持されるように選択される。したがって、密閉動力サイクル１５において、逆止弁２９と制御弁３２との間の第一圧力経路における圧力は２０〜６０ＭＰａに維持され、回転式流体機械４０のアウトレット１２６と圧縮機２７のインレット３５６ｂとの間の第二圧力経路は第２所定圧、例えば、３ＭＰａに維持されるようにＣＯ２作動流体が密閉動力サイクル１５に充填される。ヒートポンプＨＰにおいて、低圧側経路のＣＯ２冷媒は３ＭＰａとなるように充填される。その目的は、圧縮機２７がＣＯ２作動流体及びＣＯ２冷媒を圧縮する際に、容易にＣＯ２作動流体及びＣＯ２冷媒（後述する）が超臨界状態下で圧縮され、圧縮機２７の駆動に必要な動力を大幅に低減するからである。

しかしながら、第２所定圧は必ずしも３ＭＰａに限定されず、ヒートポンプＨＰの冷熱により可動ピストンの膨張ガスが容易に液化する圧力に設定される。熱を汲み上げる対象となる熱源水の温度を、例えば、１０℃以上に設定したい場合には、液体ＣＯ２冷媒は４．４９ＭＰａでガス化するので、ヒートポンプＨＰの低圧側の圧力はこの値に設定される。密閉動力サイクル１５の作動中にはバッファアキュムレータ３０のバネ手段３０ａに抗して、蓄圧室３０ｂに高温高圧作動流体が蓄圧される。

制御弁３２は、本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２７０７５６号（日本特許第○○○○○○○号）「超臨界エンジン及び超臨界エンジン駆動発電装置並びにこれを具備した次世代移動体」に記載されたものと同一の構造を有するため、詳細な説明を省略する。

ヒートポンプＨＰは、密閉動力サイクル１５と熱的に結合するように配置される。ヒートポンプＨＰは、熱源水Ｗａの熱を汲み上げて低温低圧冷媒から低温低圧蒸気（例えば、１７℃；３ＭＰａ）Ｃｍｖを生成する蒸発器（熱交換器）２と、流体圧縮機２７に組み込まれ（内蔵され）ていて低温低圧蒸気Ｃｍｖを超臨界点以上の圧力まで圧縮して超臨界流体からなる高温高圧冷媒Ｃｍｐを生成する冷媒圧縮機として機能する冷媒圧縮手段Ｐ２（図２参照）と、高温高圧冷媒Ｃｍｐの熱を低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆｏに放熱して低温高圧冷媒Ｃｍｏを生成する放熱器として機能する第１熱交換器ＥＶ１と、低温高圧冷媒Ｃｍｏを減圧して蒸発・膨張させることにより低温低圧冷媒（−１０℃；３ＭＰａ）ＣＭｃを生成する膨張器４７と、該冷熱を利用して回転式流体機械４０の膨張ガスを冷却しながら低温低圧液化冷媒を生成する冷却器４３として機能する第２熱交換器Ｅｖ２とを備える。

ヒートポンプＨＰの熱交換器２は、低熱源排水ピット１に収納されたコイル状の金属性パイプからなり、低熱源排水ピット１には熱源水として比較的低温（例えば、２０〜６０℃）の温泉排水が連続的に供給され、所定水位となるように余剰の熱原水は排水される。パイプ熱交換器２は蒸発器として機能し、両端に接続・切り離しが容易となる管路接続部２ａを有する。パイプ熱交換器２に低温低圧冷媒が流れると熱源水の熱を汲み上げて低圧冷媒蒸気Ｃｍｖが生成される。低圧冷媒蒸気Ｃｍｖは圧縮機２７のインレット３５６Ｂに供給され、圧縮機２７の冷媒圧縮手段Ｐ２により圧縮されて超臨界状態の高温高圧冷媒Ｃｍｐが生成される。

第２熱交換器ＥＶ２において膨張ガスを冷却して得た低温低圧ＣＯ２作動流体は第１熱交換器ＥＶ１で高温高圧冷媒Ｃｍｐと熱交換してヒートポンプＨＰから熱移送をした後、ＣＯ２作動流体Ｗｆとして圧縮機２７のインレット３５６Ａに循環される。以後、同一のヒートポンプサイクル及び動力サイクルが繰り返し実行される。なお、作動流体として低沸点（沸点１５．３℃）のＲ２４５ｆａＨＦＣ冷媒を使用しても良い。

図２より明らかなように、圧縮機２７は、好ましくは、所定圧（例えば、３ＭＰａ）のＣＯ２作動流体Ｗｆを臨界圧力（例えば、２０〜６０ＭＰａ）まで圧縮して高圧ＣＯ２作動流体（ＣＯ２超臨界流体）Ｗｆｐを生成する流体圧縮手段Ｐ１と、低温低圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｃを臨界圧まで圧縮して高温高圧ＣＯ２冷媒（超臨界冷媒）Ｃｍｐを生成する冷媒圧縮手段Ｐ２とを備えた複合型圧縮機から構成される。

図１及び図２に示すように、複合型圧縮機２７は、電気式動力ガス発生器４２に同心的に連結されたロータハウジング３５２と、密閉動力サイクル１５に接続されて低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆを吸引する第１インレット３５６Ａと、高温高圧ＣＯ２作動流体（超臨界流体）Ｗｆｐを吐出する第１アウトレット３５８Ａと、低温低圧冷媒Ｃｍｖを吸引する第２インレット３５６Ｂと、超臨界冷媒Ｃｍｐを吐出する第２アウトレット３５８Ｂと、インレット３５６Ａ，３５６Ｂ及びアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂが開口するロータ作動室３６０と、回転式流体機械４０の駆動軸１３２に圧入その他の連結手段で駆動連結されていてロータ作動室３６０に回転可能に収納された加圧ロータ３６２とを備える。

加圧ロータ３６２は、駆動軸１３２に形成されたメイン潤滑油供給通路１３２Ｌから径方向外側に延びる潤滑油通路３６２ａと、潤滑油供給ポート３６２ｂと、潤滑油供給ポート３６２ｂからローブ３６４の外周端部に微量の潤滑油を供給可能な多孔質プラグ３６２ｃとを備える。メイン潤滑油供給通路１３２Ｌは、本願発明者と同一発明者による日本特許５１０３５７０号「回転式流体機械」に記載された潤滑油ポンプ等により潤滑油が供給される。

複合型圧縮機２７は、さらに、ロータ作動室３６０の内周面上を回転移動しながらインレット３５６Ａ，３５６ＢからＣＯ２作動流体Ｗｆ及び冷媒Ｃｍをそれぞれ吸引すると共にこれら流体を超臨界圧まで圧縮しながらアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂから吐出する複数のローブ３６４と、ローブ３６４の径方向内側領域において周方向後縁部に形成された曲面摺動凹部３６６と、インレット３５６に隣接して加圧ロータ３６２に対して移動可能な可動弁３６８と、可動弁３６８と曲面摺動凹部３６６との間に形成された加圧チャンバ３７０とを備える。

可動弁３６８は、ロータハウジング３５２内に形成されたバルブ膨張室３７２に収納されて、ピボット軸３７４を介して回動するバルブエレメント３７６を備える。バルブエレメント３７６の先端部にはローブ３６４と曲面摺動凹部３６６とに接触しながら摺動する曲面シール部３７６ａと連通開口部３７６ｂとを備える。ロータハウジング３５２に形成されたバネ収納部３７８には押圧バネ３８０がバルブエレメント３７６を加圧ロータ３６２側に押圧している。

回転式流体機械４０の起動時に駆動軸１３２が、図２において、例えば、時計方向に回転駆動されると、複合型圧縮機２７において、加圧チャンバ３７０にはインレット３５６Ａ，３５６ＢからそれぞれＣＯ２作動流体Ｗｆと冷媒Ｃｍが吸引され、それぞれ超臨界作動流体及び超臨界ＣＯ２冷媒としてアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂから吐出される。このように、圧縮機２７の加圧ロータ３６２は流体圧縮手段Ｐ１と、冷媒圧縮手段Ｐ２の共通部品として機能する。

なお、複合型圧縮機２７は本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２１８０５８号「ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置」に記載されたロータリポンプと同一の構造を有するため、さらなる詳細な説明を省略する。

図３に示すように、電気式動力ガス発生器４２は、回転式流体機械４０に対してこれと同心的に連結された円筒状リアクタケーシング１１００を備える。円筒状リアクタケーシング１１００には、円筒状リアクタケーシング１１００の内側とケーシング１１００の中央内周部１１１４の径方向外側に形成されたセラミック等の絶縁耐熱層１１１６と、絶縁耐熱層１１１６の内側に形成されている動力ガス発生室１１１８が形成されている。円筒状リアクタケーシング１１００の中央内周部１１１４は回転式流体機械４０の出力軸１３２を通過可能にするための直径を有する内周壁部１１１４を備える。電気式動力ガス発生器４２の吸入ポート１１０２は、径方向壁部１１２０に延びていて電磁弁３２が装着されるとともに、径方向壁部１１２０には周方向に延びる複数の開口部１１２２を有する。動力ガス発生室１１１８のコーナー部１１１８ａ、１１１８ｂには対抗電極１１２４，１１２６がそれぞれ配置される。一対の電極１１２４，１１２６はパルス電源２８に接続される。ケーシング１１００には温度センサＳ２が装着され、温度信号Ｔがコントローラ６０（図１参照）に供給され、パルス電力のパルス幅の制御用に利用される。

動力ガス発生室１１１８には、対抗電極１１２４，１１２６の間に介在していて多数の管状通電加熱セグメント１１３４が充填される。パルス電力が供給されると、多数の管状通電加熱セグメント１１３４は通電発熱して作動流体の超臨界点以上の温度に昇温する。この温度は、パルス電源２８によってパルス電力のデューティサイクルが所定値となるように制御されることによって調整される。これら管状通電加熱セグメント１１３４の隙間はアーク放電領域１１３６としても作用させることもできるが、超臨界領域が維持できれば、必ずしも、アーク放電を発生させる必要性はない。アーク放電を発生させる場合、管状通電加熱セグメント１１３４としては、例えば、外径６〜３０ｍｍの銅タングステンパイプを所定長さ（例えば、外形の０．５倍〜１．５倍の長さ）にカットした通電加熱パイプが挙げられる。図１において、管状通電加熱セグメント１１３４は動力ガス発生室１１１８において整列状態で配置されたものとして図示されているが、実際の適用例においては、所定圧力で圧接されて電気式接続関係に維持されていればランダム状態に配置されても良い。動力ガス発生室１１１８においてアーク放電を発生させない場合は、管状通電加熱セグメント１１３４として多数の所定長さにカットしたステンレスパイプやその他の高融点金属パイプを使用しても構わない。ＣＯ２超臨界流体は、管状通電加熱セグメント１１３４の隙間及び管状通電加熱セグメント１１３４の穴部を通過する。このとき、これら管状通電加熱セグメント１１３４の各部と衝突しながら加熱されて瞬時に高温高圧ＣＯ２超臨界流体からなる高温高圧動力ガスが生成される。したがって、ＣＯ２作動流体が利用された場合は、電気式動力ガス発生器４２は瞬間超臨界流体発生器として機能する。

導電性高融点加熱手段としてはその他の材料から構成しても良い。例えば、銅タングステンボール、カーボンボール、作動流体を通過させるための溝を配置したバルク状導電性金属体、バルク状導電性カーボン、多孔性高融点金属体や高融点ハニカム金属体等を利用しても良い。動力ガス発生室１１１８に隣接してフイルタ部１１０６が配置され、フイルタ部１１０６には耐熱性の金属ワイヤー等から形成されたフイルタ１１１０が充填される。電磁弁３２が所定周期で開弁されると、フイルタ１１１０を通過した超臨界流体Ｓｃｆはフィルター１１４２で濾過された後、アウトレット１１４０から回転式流体機械４０のインレット１２４に供給される。

回転式流体機械４０としては、好ましくは、本願発明者と同一発明者による日本特許第５１０３５７０号（発明の名称：回転式流体機械）、特願２０１２−１９５５１３号（発明の名称：回転式流体機械）、及び日本特許第５２１８９２９号（発明の名称：ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置）に開示された回転式流体機械と同一構造のものやその他の公知の回転式流体機械でもよい。

図１に戻って、エネルギー変換装置１２において、発電機１６は出力軸１３２に連結されて駆動されることにより発電電力を生成する。エネルギー変換装置１２は、パルス電源２８に蓄電電力を供給するための蓄電ユニット（蓄電システム）２０を備える。発電電力の一部は変圧器２２で所定電圧（例えば、１２ボルト又は２４ボルト）に降圧され、開閉器２４を介して交直変換器２６に送られて直流に変換された後、蓄電用電力として蓄電ユニット２０に充電される。

発電機１６のパワーラインＰＬにはパルストランス２８及びカレントトランス５０が接続されていて、電圧信号Ｖｓ及び電流信号Ｃｓがコントローラに出力される。パワーラインＰＬにはさらに電力計５２、遮断器５４及び系統連係装置５６を介して商用電源（図示せず）に系統連係される。

蓄電ユニット２０にはそれぞれ電圧及び電流を検出するための電圧センサ及び電流センサが接続される。これら電圧センサ及び電流センサの電圧検出値Ｖｉ及び電流検出値Ｉｉはコントローラ６０に出力され、コントローラ６０はこれら入力信号に応答して残蓄電容量（ＳＯＣ値：Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を演算し、そのＳＯＣ値に基づいて遮断器２４への指令信号を出力する。また、コントローラ６０は、電圧信号Ｖｓ及び電流信号Ｉｓに基づいて遮断器５４への出力信号を出力し、系統連係装置５６の商用電源への系統連係タイミングを制御する。

コントローラ６０は、例えば、所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、例えばＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を用いて構成される。コントローラ６０は各種制御対象の制御パラメータを入力するための入力装置（図示せず）や装置始動用スイッチ等が接続されている。

蓄電ユニット２０としては、望ましくは、パルス充放電サイクル用途に対応可能な市販のウルトラキャパシタモジュール（米国”Ｍａｘｗｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ“社製）が挙げられる。その他の蓄電ユニットとしては、例えば、急速充放電型蓄電池（古河電池社製：商標名「ウルトラバッテリ」）、大容量電気二重層コンデンサからなるスーパーキャパシタ（トーキン製）、ナトリウムイオン電池、リチウムイオン電池やＮｉ−ＭＨ電池（ニッケルー水素電池）やこれら電池と大容量電気二重層コンデンサを組み合わせたものから構成しても良い。

蓄電ユニット２０から供給された蓄電電力をパルス電源２８に供給することで、パルス電源２８は所定周期（例えば、５０〜２０００ヘルツ）のパルス電力を生成する。パルス電力において、パルス電圧は、好ましくは、１２〜２４ボルトの間で設定される。多数の管状通電加熱セグメント１１３４の間でアーク放電を発生させたい場合には、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電力が電気式動力ガス発生器４２に供給されるように回路設計しても良い。この時、エネルギー変換装置１２の容量に応じて、パルス電力は、好ましくは、ピーク電流通電期間内において流れる５０〜２００アンペアのピーク電流と、ピーク電流の約十分の一の電流値を有し、オフピーク電流通電期間内において流れるベース電流とを有するように構成しても良い。電気式動力ガス発生器４２において、多数の管状通電加熱セグメント１１３４にパルス電力が供給されると、二酸化炭素の臨界温度３７４℃以上の温度、例えば、２５０〜１０００℃の温度に昇温する。この温度は、運転条件に合わせてパルス電力の電圧やデューティ比を制御することにより自由に選択することができる。高温高圧作動流体が管状通電加熱セグメント１１３４の外表面に順次接触することで、高温高圧動力ガスは超臨界状態下で加熱されて高温の超臨界流体Ｓｃｆとなる。

パルス電源２８は、好ましくは、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電力を発生させるものであれば、直流パルス電源又は交流パルス電源のいずれでも良い。直流パルス電源としては、例えば、日本国特許第２５８７３４３号に開示されたようなパルスアーク溶接用電源装置に使用されるような回路構成が挙げられる。

図１において、バッファアキュムレータの圧力センサＳ１からの圧力信号ＰＳ、電気式動力ガス発生器４２の温度センサＳ２からの温度信号Ｔ（図３参照）と、エネルギー変換装置１２の出力軸１３２の回転数センサＳ３からの回転数信号ＳＰがコントローラ６０に送信される。入力装置（図示せず）からはカレンダー信号や、温度や圧力等のパラメータ設定信号が基準信号としてコントローラ６０に入力される。コントローラ６０には、蓄電ユニット２０の電圧信号Ｖｉと電流信号Ｉｉとが送信され、コントローラ６０はこれら入力信号に応答して蓄電ユニット２０の蓄電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を判別して開閉器２４の接続状態を制御する。さらに、コントローラ６０は、センサＳ１〜Ｓ３からの入力信号ＰＳ，Ｔ，ＳＰに応答して電磁弁３２を制御する。このとき、コントローラ６０は、回転式流体機械４０において膨張行程の全期間中に電磁弁３２を開弁状態に維持するように制御する。したがって、回転式流体機械４０のロータリピストン本体２００には膨張行程の全期間中に高温高圧動力ガスが連続的に作用する。

次に、本発明による熱源水利用発電方法について熱源水利用発電装置１０の作動に関連して説明する。

熱源水利用発電装置１０の作動において、始動用スイッチ（図示せず）が投入されると、コントローラ６０によってパルス電源２８が起動され、周期的なパルス電力が電気式動力ガス発生器（瞬間超臨界流体発生器）４２に供給される。このとき、電気式動力ガス発生器４２の管状通電加熱セグメント１１３４が通電して、例えば、８００℃に達する。すると、電気式動力ガス発生器４２の温度信号Ｔに応答してコントローラ６０から電磁弁３２に指令信号が出力され、電磁弁３２は通電して開弁する。この時、バッファアキュムレータ３０に蓄圧されていた高圧（例えば、４０ＭＰａ）液体ＣＯ２Ｗｆｐが電気式動力ガス発生器４２に高速流で供給される。そのとき、高圧液体ＣＯ２Ｗｆｐが高温の管状通電加熱セグメント１１３４の外表面に順次接触して撹拌されながら均一に昇温し、さらに、これら管状通電加熱セグメント１１３４の隙間や穴部を通過しながらさらに加温されて超臨界流体ＳＣｆが高温高圧動力ガスとして生成する。次に、超臨界流体ＳＣｆは回転式流体機械４０のインレット１２４から膨張室１１６に流入して可動ピストン（ロータリピストン本体）２００に作用して爆発的に膨張して機械エネルギーに変換されて出力軸１３２にトルクが発生する。

エネルギー変換装置１２の始動時及び始動完了後において、出力軸１３２に発生したトルクで複合型圧縮機２７が起動し、複合型圧縮機２７内の流体圧縮手段Ｐ１と冷媒圧縮手段Ｐ２が同時に作動し、密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰが互いに同期して起動する。この時、ヒートポンプＨＰにおいて、蒸発器２では冷媒が温泉排水の熱を吸熱して冷媒の湿り蒸気が過熱蒸気Ｃｍｖとなる。この冷媒Ｃｍｖは冷媒圧縮手段Ｐ２により圧縮されて超臨界状態の高温高圧ＣＯ２冷媒を生成する。該高温高圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｐは、熱交換器ＥＶ１で低温低圧作動流体に熱を移送して低温高圧ＣＯ２冷媒を生成する。低温高圧ＣＯ２冷媒は膨張器４７で減圧されて膨張・蒸発して冷熱（例えば、−１０℃：３ＭＰａ）Ｃｍｃを生成する。冷却器４３（熱交換器ＥＶ２）はこの冷熱を利用して回転式流体機械４０のアウトレット１２６から出た膨張ガスＥｇを冷却して液体ＣＯ２作動流体Ｗｆｏを生成する。液体ＣＯ２作動流体Ｗｆｏは熱交換器ＥＶ１を介してヒートポンプＨＰから熱を吸収して蒸発して気体状のＣＯ２作動流体Ｗｆを生成する。このようにして、ヒートポンプＨＰにより低温の温泉排水Ｗａから熱が汲み上げられ、その熱は熱交換器ＥＶ１を介して密閉動力サイクル１５の作動流体に移送される。こうして、密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰの運転が同期して繰り返し実行され、熱源水利用発電装置１０は熱源水が６０℃以下の低温であっても効率的に発電することができる。

エネルギー変換装置１２の運転中において、発電機１６の発電電力の一部は変圧器２２で降圧した後、開閉器２４及び交直変換器２６を介して蓄電ユニット２０に供給される。コンロローラ６０は蓄電ユニット（システム）２０の電圧信号Ｖｉと電流信号Ｉｉに基づいて蓄電ユニット２０のＳＯＣが所定値に達したと判断すると、開閉器２４を開放して蓄電用電力の供給を停止する。このように、エネルギー変換装置１２の運転中には、発電機１６の発電電力の一部が蓄電用電力として蓄電ユニット２０に選択的に供給されるため、蓄電ユニット２０は大容量にする必要がない。

以上、本発明の実施例による熱源水利用発電装置及び熱源水利用発電方法が記載されたが、本発明はこの実施例に示された構成に限定されず、様々な変更が可能である。例えば、圧縮機は、複合型圧縮機からなるものとして説明したが、複合型圧縮機をそれぞれの機能に合わせて分離独立させた複数の圧縮機からなるように構成しても良い。また、流体圧縮手段と冷媒圧縮手段は、それぞれ１段で媒体を圧縮するものとして記載されたが、複数段の圧縮工程を実行できるように複数段の圧縮機を備えても良い。さらに、作動流体としてはＣＯ２以外の作動媒体、例えば、アンモニア水やアンモニアと二酸化炭素との混合媒体又はその他の媒体を利用しても良い。

２ 蒸発器；１０ 熱源水利用発電装置；１２ エネルギー変換装置；１４ 出力装置；１５ 密閉動力サイクル；１６ 発電機；２０ 蓄電ユニット（蓄電システム）；２２ 変圧器；２６ 交直変換器；２７ 圧縮機（複合型圧縮機）；２８ パルス電源；３０ バッファアキュムレータ；３２ 電磁弁；４０ 回転式流体機械；４２ 電気式動力ガス発生器（瞬間超臨界流体発生器）；４３ 冷却器（熱交換器）；４７ 膨張器：５２ 電力計；５６ 系統連係装置；６０ コントローラ；ＨＰ ヒートポンプ；ＥＶ１ 第１熱交換器；ＥＶ２ 第２熱交換器

Claims (6)

1. 密閉動力サイクルとヒートポンプとを熱的に結合し、該ヒートポンプで低温熱回収熱交換器を介して熱源水を利用して液化冷媒から冷媒蒸気を生成し、該冷媒蒸気を冷媒圧縮機により圧縮した後に膨張・蒸発させて冷熱を発生させ、低温低圧作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該高温高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器と接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより該可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させ、該機械エネルギーの一部で該ヒートポンプを駆動し、該可動ピストンの膨張ガスを該冷熱により冷却することを特徴とする熱源水利用発電方法。
2. 該発電電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに充電し、さらに、該高温高圧作動流体をバッファアキュムレータで一時的に蓄圧し、当該電気式動力ガス発生器に供給される該高圧作動流体の供給タイミングを制御弁により制御し、該バッファアキュムレータと該制御弁とを該可動ピストンのスタータとして機能させることを特徴とする請求項１記載の熱源水利用発電方法。
3. 該冷媒と該作動流体が該ヒートポンプと該密閉動力サイクルとにそれぞれ所定圧で封入された二酸化炭素を含み、該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機がＣＯ２冷媒とＣＯ２作動流体をいずれも超臨界状態で圧縮することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱源水利用発電方法。
4. 密閉動力サイクルとヒートポンプとを熱的に結合し、該ヒートポンプで低温熱回収熱交換器を介して熱源水を利用して液化冷媒から冷媒蒸気を生成し、該冷媒蒸気を冷媒圧縮機により圧縮した後に膨張・蒸発させて冷熱を発生させ、低温低圧作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該高温高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器と接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより該可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させ、該機械エネルギーの一部で該ヒートポンプを駆動し、該可動ピストンの膨張ガスを該冷熱により冷却することを特徴とする熱源水利用発電装置。
5. 該冷媒と該作動流体が該ヒートポンプと該密閉動力サイクルとにそれぞれ所定圧で封入された二酸化炭素を含み、該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機がＣＯ２冷媒とＣＯ２作動流体をいずれも超臨界状態で圧縮することを特徴とする請求項４記載の熱源水利用発電装置。
6. 該電気式動力ガス発生器が、ケーシングに形成された動力ガス発生室と、該動力ガス発生室に収納された管状通電加熱手段とを備え、該管状通電加熱手段が該パルス電力により通電して作動流体の分解温度以下の温度領域で発熱して当該高温高圧作動流体から当該高温高圧動力ガスを生成することを特徴とする請求項４又は５に記載の熱源水利用発電装置。

Images