JP2015500429A - 熱エネルギー変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
a)従来の熱発電所
従来の熱発電所には多くのタイプがあり、そのほとんどは、熱エネルギーを、流体エネルギーに変換し、力学的エネルギーに変換し、電気エネルギーに変換するものである。電気エネルギーの主要供給源は、石炭又はガスを燃焼させることにより或いは核分裂により生成された熱エネルギーを、過熱状態の蒸気(作業流体)に変換する。そして、この過熱状態の蒸気が、タービンの回転力学的パワーに変換され、タービンが電気機械発電機を駆動する。
代替自然再生エネルギー源もまた、化石燃料から生成され電気を生成することができるエネルギーと対比されよく知られている。代替自然再生エネルギー源は、例えば、光発電パネルにとっての太陽光、風車にとっての風、地熱発電所にとっての地球内部に蓄えられた熱、水力発電所にとっての川を下る雨又はダムで利用される雨、海洋熱エネルギー変換所(OTEC)にとっての熱質量としての海洋、水反動タービンにとっての海の潮汐及び流れ、及び、例えばブイにとっての波のパワーなどがある。
全ての従来型熱発電所は、熱源(化石燃料の燃焼又は核分裂反応)と、ヒートシンク(大気、及び川又は海の水)との間の温度の大きな差を利用し、50%より低い効率の下で動作する。発電所の効率を最適化するために、熱源とヒートシンクとの間の高い温度差が必要とされており、実際に環境に放出される膨大な廃熱が生み出され、その環境に悪影響を与えていた。
危険な作業流体の利用。例えば、プロパン及びエタンのような爆発性の気体、水銀のような有毒な物質を利用する場合;
蒸発値の高い比熱及び潜熱を持つ作業流体の利用。例えば、水を作業流体とした場合、温度および気圧の標準状態において蒸発させるためには、重大な量の熱エネルギーが必要となる;
標準気圧において熱源の温度を超える沸点を持つ作業流体の利用。これは、上記システムを真空状態において動作させ、蒸発器から上るガスの柱の密度をかなり減少させる;
空気よりさらに小さい低分子質量を有する作業流体の利用、これは蒸発器から上るガスの柱の密度、及び、圧縮器から下方のパワー抽出装置へ落下する液化した作業流体の柱の密度を、かなり減少させる;
蒸発及び凝縮ユニットを、熱源及びヒートシンクそれぞれの場所または同じ高さに設置する必要性。これは、より便利な場所に設置することの可能性を減少させる;
蒸発及び凝縮ユニットそれぞれを通じた、作業流体と熱源とヒートシンクとの間の直接の熱移動。これは、暖かい浅瀬の海水、又は地熱を熱源として利用する場合、回路内に含まれるそのような熱を再利用又は再生利用することなく、生態系を著しく変え得る、または、熱源の急激な枯渇を引き起こし得る;
熱を蓄積する手段の利用を除く継続的ではない再生可能な熱源の利用。これは、熱源が減少した場合に、上記システムからのエネルギーの生産を減少又は停止させる。例えば、風または太陽直射線を用いる場合、低風の日の間中、又は低太陽放射の時間の間中、上記システムからの出力を減少させ、夜の間中実行不可能なものにする;
熱源及びヒートシンクの温度の変動に適切なシステムとするための、熱力学回路における、2つ以上の異なる作業流体の混合物の同時利用。これは、作業流体それぞれが、任意の温度の下であって、特有の条件の組み合わせの下において最適に働くため、システムの全体的な効率を低下させる;
上向きの導管を上向きに通過する際の、気化した作業流体の温度の低下。これは、上向きの導管内の圧力が、新しい低下した温度における上記作業流体の蒸気圧を超えた場合、気化した作業流体を液化させ、システムの出力電力を順番に減少させる;
上向きの導管の頂点においてガス/蒸気タービンを駆動するための、蒸発した作業流体の上向きの柱の蒸気圧の利用。これは、凝縮ユニット内の圧力を著しく減少させ、上記凝縮ユニット内の作業流体の沸点を順番に低下させ、それを液化するためにより低い温度が必要となる;
さらに、開示されたいずれの文書も、気化した作業流体が上向きの導管の頂点から出ていく圧力と、作業流体が上記圧縮器内において液化する温度との関係において、上記圧縮器が設置されるべき高さの限度を明示していない。任意の温度において圧縮器内で気化した作業流体を液化させるためには、上記圧縮器の内部が最小圧力に達している必要がある。上記圧縮器内部のこの最小圧力は、使用される方法に依存して、3つの異なる手段によって得ることができる。a)上向きの導管から出ていく気化した作業流体によって用いられる閉回路において、b)機械的な手段、例えば、圧縮器によって用いられる閉回路または開回路において、c)環境、例えば、周囲の自然の大気圧によって用いられる開回路において。第1の手段が用いられた場合、圧縮器を、蒸発器からの任意の高さを超える高さに設置することができない。これは、気化した作業流体の柱の圧力および濃度が、高さと共に減少するためである。また、第2の方法が用いられた場合、圧縮器を駆動するためにさらなる力が必要になる。これにより、機械的な手段による場合を除いて、気化した作業流体の上向きの柱から、必要な圧力を直接得られるレベルであって、より低いレベルに圧縮器を設置することが、より合理的となる。私の第2の確言を正当であることを証明するために、一定温度(等温過程)において気体を含むために必要な仕事量を見積もる以下の物理方程式を参照したい。
熱エネルギー変換装置は、閉ループ熱力学回路を含み、さらに、加圧された作業流体、その最下段に設置された蒸発器、上記蒸発器に接続された広がっている上向きの導管、当該上向きの導管の上部出口に接続された圧縮器、上記圧縮器と上記蒸発器とを接続し、上記回路を閉じる下向きの管、及び、上記下向きの管に接続されている少なくとも一つのパワー抽出装置を含んでいる。液化した上記作業流体は、一定の温度において、上向くところから、上記蒸発器内において気化し、上記広がっている上向きの導管を、気化した上記作業流体が液化する上記圧縮器まで上昇し、下向くところから重力により上記下向きの導管を通ってパワー抽出装置へ動力を供給し、続いて上記蒸発器へと流れることによって、自給式工程が完成し、上述のサイクルが再始動される。
図1Aは、一定温度における3つの異なる気体の気圧の変化を示すデータ表である。
以下の記述において、いくらか例証されている非限定的な実施形態は、添付の図面を参照しながらより詳しく記述される。異なる図面及び実施形態においても、同一の図面の参照番号が、同じ要素に対して用いられている。詳細な構造又は要素のような以下の記述の中で定義された事柄は、広い理解を促進するためにのみ提供される。そのため、本出願が、そのような定義された事柄に限定されることなく実施することができることは明らかである。そして、不要な細部において詳細な説明が不明瞭となるため、よく知られた機能又は構造は詳細には記載されない。
気圧の法則の原理の公式:
補助冷却ユニット744を上記閉ループ熱力学回路10の圧縮器30に接続する少なくとも1つの管と、圧縮器30を補助冷却ユニット744に接続し、上記回路を閉じる少なくとも1つの管と、を備え、補助冷却熱流体722は、ポンプ762の動作によって補助冷却熱回路704を通って流れ、補助冷却ユニット744を通って圧縮器30から上記ヒートシンクへ熱31を運搬する。
発電
Claims (30)
- 閉ループ熱力学回路(10)を備えた熱エネルギー変換装置であって、
上記熱力学回路(10)は、
加圧された作業流体と、
上記閉ループ熱力学回路(10)の最下段に設置された少なくとも1つの蒸発器ユニット(20)と、
上記蒸発器ユニット(20)に接続され、上側の最終直径d1より小さい下側の初期直径d0を有する、少なくとも1つの広がっている上向きの導管(40)と、
上記広がっている上向きの導管(40)の上段に接続された少なくとも一つの圧縮器ユニット(30)と、
上記閉ループ熱力学回路(10)を閉じるように、上記圧縮器ユニット(30)を上記蒸発器ユニット(20)に接続する、少なくとも1つの下向きの導管(90)と、
上記下向きの導管(90)に接続された少なくとも1つのパワー抽出装置(50)と、をさらに備え、
上記作業流体は、上記蒸発器ユニット(20)においてその温度をT1まで上昇させた後に気化し、さらに、気化した作業流体(11)は、上記蒸発器ユニット(20)から出て、上記広がっている上向きの導管(40)の中へ入り、T1の一定温度のもとにおいて上記圧縮器ユニット(30)へ上昇し、上記圧縮器ユニット(30)において、上記気化した作業流体(11)は、その温度をT0まで低下させた後に液化し、液化した作業流体(12)は、上記圧縮器ユニット(30)から出て、重力によって落下し、T0の一定温度のもとにおいて、上記下向きの導管(90)を通って、上記パワー抽出装置(50)へ動力を供給し、上記パワー抽出装置(50)から出た後に、上記液化した作業流体(12)は上記蒸発器ユニット(20)へ再び入り、自給式工程を完成させ、上述のサイクルを再始動する、
ことを特徴とする熱エネルギー変換装置。 - 上記液化した作業流体(12)は、上記蒸発器ユニット(20)の内部において熱(31)の直接の移動によって、熱源から該蒸発器ユニット(20)を通じて、その温度を上昇させ、上記気化した作業流体(11)は、上記圧縮器ユニット(30)の内部において該圧縮器ユニット(30)を通じてヒートシンクへの熱(31)の直接の移動によって、その温度を低下させる、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記作業流体は、上記蒸発器ユニット(20)の内部において熱回路(70)によってその温度を上昇させ、上記圧縮器ユニット(30)の内部において、上記熱回路(70)によってその温度を低下させる、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記熱回路(70)は、
熱流体(71)と、
少なくとも1つのポンプ(75)と、
少なくとも1つの加熱ユニット(73)と、
少なくとも1つの冷却ユニット(74)と、
上記加熱ユニット(73)を上記閉ループ熱力学回路(10)の上記蒸発器ユニット(20)に接続する少なくとも1つの管(931)と、
上記蒸発器ユニット(20)を上記冷却ユニット(74)に接続する少なくとも1つの管(941)と、
上記冷却ユニット(74)を上記閉ループ熱力学回路(10)の上記圧縮器ユニット(30)に接続する少なくとも1つの管(942)と、上記圧縮器ユニット(30)を上記加熱ユニット(73)に接続し、上記熱回路(70)を閉じる少なくとも1つの管(932)と、を備え、
上記熱流体(71)は、上記ポンプ(75)の動作によって上記熱回路(70)を通って流れ、上記加熱ユニット(73)へ入り、上記熱流体(71)はその温度をT1−mからT1+nへ上昇させ、
上記熱流体(71)は、上記加熱ユニット(73)から上記蒸発器ユニット(20)の中へ流れ、熱(31)を上記液化した作業流体(12)へ与え、上記熱流体(71)がその温度をT1+nからT0+pへ低下させる一方で、該液化した作業流体(12)は、その温度をT1へ上昇させ、
上記熱流体(71)は、上記蒸発器ユニット(20)から上記冷却ユニット(74)の中へ流れ、その温度をT0+pからT0−qへ低下させ、
上記熱流体(71)は、上記冷却ユニット(74)から上記圧縮器ユニット(30)の中へ流れ、上記気化した作業流体(11)から熱(31)を獲得し、上記熱流体(71)がその温度をT0−qからT1−mへ上昇させる一方で、上記熱流体(71)は、上記気化した作業流体(11)の温度をT0に低下させ、
上記熱流体(71)は、上記圧縮器から該加熱ユニット(73)の中へ再び流れ戻り、上記回路(70)を閉じ、上述のサイクルを再始動する、
ことを特徴とする請求項3に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記熱流体(71)は、上記加熱ユニット(73)において熱源からの該加熱ユニット(73)を通じた熱(31)の直接の移動によってその温度を上昇させ、上記熱流体は、冷却ユニット(74)においてヒートシンクへの該冷却ユニット(74)を通じた熱(31)の直接の移動によってその温度を低下させる、
ことを特徴とする請求項4に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記熱源及び上記ヒートシンクは自然であり、かつ再生可能である、
ことを特徴とする請求項5に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記熱流体(71)は、上記加熱ユニット(73)において、補助加熱熱回路(703)による熱源からの熱(31)の間接的な移動によってその温度を上昇させ、上記冷却ユニット(74)において補助冷却熱回路(704)によるヒートシンクへの熱(31)の間接的な移動によってその温度を減少させる、
ことを特徴とする請求項4に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記補助加熱熱回路(703)は、
補助加熱熱流体(721)と、
少なくとも1つのポンプ(761)と、
上記熱源に接触している少なくとも1つの補助加熱ユニット(733)と、
上記補助加熱ユニット(733)を上記熱回路(70)の上記加熱ユニット(73)に接続する少なくとも1つの管と、
上記熱回路(70)の上記加熱ユニット(73)を上記補助加熱ユニット(733)に接続し、上記回路を閉じる少なくとも1つの管と、を備え、
上記補助加熱熱流体(721)は、上記ポンプ(761)の動作によって補助加熱熱回路(703)を通って流れ、上記補助加熱ユニット(733)から上記熱回路(70)の上記加熱ユニット(73)へ熱(31)を運搬し、
上記補助冷却熱流体(722)は、
補助冷却熱流体(722)と、
少なくとも1つのポンプ(762)と、
上記ヒートシンクに接触している少なくとも1つの補助冷却ユニット(744)と、
上記補助冷却ユニット(744)を上記熱回路(70)の上記冷却ユニット(74)に接続する少なくとも1つの管と、
上記熱回路(70)の上記冷却ユニット(74)を上記補助冷却ユニット(744)に接続し、上記回路を閉じる少なくとも1つの管と、を含み、
上記補助冷却熱流体(722)は、上記ポンプ(762)の動作によって上記補助冷却熱回路(704)を通って流れ、上記熱回路(70)の上記冷却ユニット(74)から上記補助冷却ユニット(744)へ熱(31)を運搬する、
ことを特徴とする請求項7に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記加熱ユニット(73)及び上記冷却ユニット(74)は、それぞれ、ヒートポンプ(80)の上記圧縮器ユニット(82)及び蒸発器ユニット(81)であり、熱は、上記蒸発器ユニット(20)から流れるより冷たい熱流体(712)から、上記圧縮器ユニット(30)から流れるより暖かい熱流体(711)へ転換される、
ことを特徴とする請求項4に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記熱流体(71)は、脱塩水である、
ことを特徴とする請求項4に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記液化した作業流体(12)は、上記蒸発器ユニット(20)において、補助加熱熱回路(703)による熱源からの熱(31)の間接的な移動によって、その温度を上昇させ、上記気化した作業流体(11)は、上記圧縮器ユニット(30)において、補助冷却熱回路(704)によるヒートシンクへの熱(31)の間接的な移動によってその温度を低下させる、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記補助加熱熱回路(703)は、
補助加熱熱流体(721)と、
少なくとも1つのポンプ(761)と、
上記熱源に接触している少なくとも1つの補助加熱ユニット(733)と、
上記補助加熱ユニット(733)を、上記閉ループ熱力学回路(10)の上記蒸発器ユニット(20)に接続する少なくとも1つの管と、
上記閉ループ熱力学回路(10)の上記蒸発器ユニット(20)を上記補助加熱ユニット(733)に接続し、上記回路を閉じる少なくとも1つの管と、を備え、
上記補助加熱熱流体(721)は、上記ポンプ(761)の動作によって、上記補助加熱熱回路(703)を通って流れ、上記補助加熱ユニット(733)から上記蒸発器ユニット(20)へ熱(31)を運搬し、
上記補助冷却熱回路(704)は、
補助冷却熱流体(722)と、
少なくとも1つのポンプ(762)と、
上記ヒートシンクに接触している少なくとも1つの補助冷却ユニット(744)と、
上記補助冷却ユニット(744)を上記閉ループ熱力学回路(10)の上記圧縮器ユニット(30)に接続する少なくとも1つの管と、
上記閉ループ熱力学回路(10)の上記圧縮器ユニット(30)を上記補助冷却ユニット(744)に接続し、上記回路を閉じる少なくとも1つの管と、を備え、
上記補助冷却熱流体(722)は、上記ポンプ(762)の動作によって、上記補助冷却熱回路(704)を通って流れ、上記圧縮器ユニット(30)から上記補助冷却ユニット(744)へ熱(31)を運搬する、
ことを特徴とする請求項11に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記広がっている上向きの導管(40)の内部に、上記作業流体よりモル質量が軽い加圧気体(41)をさらに含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記加圧気体(41)は、ヘリウム又は窒素である、
ことを特徴とする請求項13に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記パワー抽出装置(50)は、タービンである、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記タービンは、反動タービン(51)である、
ことを特徴とする請求項15に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記パワー抽出装置(50)は、発電機(60)に接続されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記作業流体は、六フッ化硫黄である、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記広がっている上向きの導管(40)は、熱源を備えている、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記熱源は、温かい熱流体(711)(721)が反対方向に流れる複数の二重壁熱管(96)である、
ことを特徴とする請求項19に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記蒸発器ユニット(20)及び上記圧縮器ユニット(30)は、複数の平行なプレート(21)によって作られる、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記複数のプレート(21)は、アルミニウム合金から作られる、
ことを特徴とする請求項21に記載の熱エネルギー変換装置。 - 測定及び監視を行うユニット(211)(212)(213)(214)は、上記閉ループ熱力学回路(10)に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記測定及び監視を行うユニット(211)(212)(213)(214)によって収集された情報は、上記装置を自動モードにて操作する中央演算処理装置(200)へ送信される、
ことを特徴とする請求項23に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記中央演算処理装置(200)は、操作パネル(202)に接続されており、該操作パネル(202)を通じて、上記装置は、任意的に手動モードにて操作される、
ことを特徴とする請求項24に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記装置は、海上浮遊プラットフォームに設置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記海上浮遊プラットフォームは、
浮遊容器(103)を備え、さらに、圧縮器ユニット(30)を備え、
相互連結された潜水容器(102)(104)(105)の一群は、複数のロープ(106)によって上記浮遊容器(103)から吊るされ、
さらに、潜水容器(102)(104)(105)の上記一群と、上記蒸発器ユニット(20)と、上記上向きの導管(40)と、上記パワー抽出装置(50)と、を備え、
潜水している下向きの導管(90)は、上記圧縮器ユニット(30)を、潜水している上記蒸発器ユニット(20)に接続する、
ことを特徴とする請求項26に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記上向きの導管(40)と上記蒸発器ユニット(20)とを含む上記潜水容器(102)(104)と、上記潜水している下向きの導管(90)とは、断熱するための温かい(83)又は冷たい(84)海水が流れる外部容器(971)(972)(973)に囲まれている、
ことを特徴とする請求項27に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記海上浮遊プラットフォームは、動的配置システム(205)により、配置又は向き付けされる、
ことを特徴とする請求項26に記載の熱エネルギー変換装置。 - 上記海上浮遊プラットフォームは、係留ロープ(108)によって海底へ固定されている、
ことを特徴とする請求項26に記載の熱エネルギー変換装置。
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