JP2016017736A - Solar thermal power generation and water heater device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カルノーサイクルのバイナリー発電装置と太陽熱集熱装置と給湯装置を組み合わせて活用し、発電と給湯を効率良く行う事を特徴とする太陽熱発電給湯装置である。
太陽熱発電給湯装置において、太陽熱によるバイナリー発電のみ場合は、まず太陽熱集熱装置により高温となった冷媒を、バイナリー発電装置の蒸発器に流入させ、熱交換によりバイナリー発電装置の冷媒を昇温し、膨張機の駆動力で発電を行う。そして低圧、低温となった冷媒は凝縮器において貯湯タンクからの冷却水と熱交換を行い凝縮し、冷媒ポンプにより昇圧されて蒸発器に戻る。
太陽熱によりバイナリー発電、及び貯湯も行う場合は、上記の太陽熱発電に加えて、バイナリー発電装置の蒸発器より流出した、まだ温度の高い太陽熱集熱装置の冷媒を利用して、貯湯タンクからの冷水を熱交換により昇温し活用する。また、太陽熱集熱装置による集熱が不足して給湯温度が低すぎる場合は、給湯装置を活用して給湯温度を適正に保つ。
現在、各戸別住宅においては、太陽光発電とヒートポンプ給湯機等の給湯装置により発電と給湯を別々に行っているが、バイナリー発電装置と太陽熱集熱装置を加えて連携して活用する事により、より一層の省エネルギーの向上と、消費電力を低減する事が出来る太陽熱発電給湯装置に関するものである。The present invention is a solar thermal power generation and hot water supply apparatus that uses a Carnot cycle binary power generation apparatus, a solar heat collection apparatus, and a hot water supply apparatus in combination to efficiently generate power and hot water.
In the solar power generation hot water supply device, when only binary power generation by solar heat is performed, first, the refrigerant that has become high temperature by the solar heat collector is caused to flow into the evaporator of the binary power generation device, and the temperature of the refrigerant of the binary power generation device is increased by heat exchange. Power is generated by the drive force of the expander. The low-pressure and low-temperature refrigerant is condensed by exchanging heat with the cooling water from the hot water storage tank in the condenser, and is increased in pressure by the refrigerant pump and returned to the evaporator.
In the case of performing binary power generation and hot water storage by solar heat, in addition to the above-mentioned solar power generation, cold water from the hot water storage tank is used by using the refrigerant of the solar heat collector still flowing out of the binary power generator evaporator. The temperature is raised and utilized by heat exchange. Moreover, when the heat collection by the solar heat collector is insufficient and the hot water supply temperature is too low, the hot water supply device is utilized to keep the hot water supply temperature appropriate.
Currently, in each house, solar power generation and hot water supply such as heat pump water heaters are used to generate power and hot water separately, but by adding a binary power generator and a solar heat collector, The present invention relates to a solar power hot water supply apparatus that can further improve energy saving and reduce power consumption.
現在、各戸別住宅においては、太陽光発電とヒートポンプ給湯機等の給湯装置により発電と給湯を別々に行っている。また、日本における太陽光発電とヒートポンプ給湯機等の給湯装置の技術は順調に発展し、世界をリードするに至っている。こういった環境において、より一層の省エネルギーの向上と、消費電力を低減する事が出来る、太陽熱発電とバイナリー発電の有効利用が求められている。Currently, in each house, power generation and hot water are separately performed by a solar power generator and a hot water heater such as a heat pump water heater. Moreover, the technology of hot water supply devices such as solar power generation and heat pump water heaters in Japan has been steadily developed and has led to the world. In such an environment, there is a demand for effective use of solar thermal power generation and binary power generation that can further improve energy saving and reduce power consumption.
現在、太陽光発電とヒートポンプ給湯機、等の給湯装置により発電と給湯を行うシステムは、そのエネルギー効率の高さから、将来の低炭素社会への有力な切り札となっている。さらに、バイナリー発電装置と太陽熱集熱装置を加えて活用する事により、より一層の省エネルギーの向上と、消費電力を低減する事が出来き、これらを複合的に活用した発電、給湯装置の社会的な意義は計りしれない。
本発明は、カルノーサイクルのバイナリー発電装置と太陽熱集熱装置と給湯装置を組み合わせて活用し、発電と給湯を効率良く行う事を特徴とする太陽熱発電給湯装置である。
太陽熱発電給湯装置において、太陽熱によるバイナリー発電のみ場合は、まず太陽熱集熱装置により高温となった冷媒を、バイナリー発電装置の蒸発器に流入させ、熱交換によりバイナリー発電装置の冷媒を昇温し、膨張機の駆動力で発電を行う。そして低圧、低温となった冷媒は凝縮器において貯湯タンクからの冷却水と熱交換を行い凝縮し、冷媒ポンプにより昇圧されて蒸発器に戻る。
太陽熱によりバイナリー発電、及び貯湯も行う場合は、上記の太陽熱発電に加えて、バイナリー発電装置の蒸発器より流出した、まだ温度の高い太陽熱集熱装置の冷媒を利用して、貯湯タンクからの冷水を熱交換により昇温し活用する。また、太陽熱集熱装置による集熱が不足して給湯温度が低すぎる場合は、給湯装置を活用して給湯温度を適正に保つ。
現在、各戸別住宅においては、太陽光発電とヒートポンプ給湯機等の給湯装置により発電と給湯を別々に行っているが、バイナリー発電装置と太陽熱集熱装置を加えて連携して活用する事により、より一層の省エネルギーの向上と、消費電力を低減する事が出来る太陽熱発電給湯装置である。The present invention is a solar thermal power generation and hot water supply apparatus that uses a Carnot cycle binary power generation apparatus, a solar heat collection apparatus, and a hot water supply apparatus in combination to efficiently generate power and hot water.
In the solar power generation hot water supply device, when only binary power generation by solar heat is performed, first, the refrigerant that has become high temperature by the solar heat collector is caused to flow into the evaporator of the binary power generation device, and the temperature of the refrigerant of the binary power generation device is increased by heat exchange. Power is generated by the drive force of the expander. The low-pressure and low-temperature refrigerant is condensed by exchanging heat with the cooling water from the hot water storage tank in the condenser, and is increased in pressure by the refrigerant pump and returned to the evaporator.
In the case of performing binary power generation and hot water storage by solar heat, in addition to the above-mentioned solar power generation, cold water from the hot water storage tank is used by using the refrigerant of the solar heat collector still flowing out of the binary power generator evaporator. The temperature is raised and utilized by heat exchange. Moreover, when the heat collection by the solar heat collector is insufficient and the hot water supply temperature is too low, the hot water supply device is utilized to keep the hot water supply temperature appropriate.
Currently, in each house, solar power generation and hot water supply such as heat pump water heaters are used to generate power and hot water separately, but by adding a binary power generator and a solar heat collector, This is a solar power hot water supply device that can further improve energy saving and reduce power consumption.
現在、電気は、大規模な発電施設で発電するか、工場等での自家発電、各家庭等での個別の小規模発電で作られているが、大規模発電である原子力は事故時の被害の甚大さや核燃料廃棄物処理の問題、火力や天然ガスはCO2を排出し、水力及び、地熱は規模や建設場所等の問題がある。各家庭での太陽熱、太陽光の再生可能エネルギー利用は省エネルギーの向上と、消費電力を低減する事が出来きる。この様な状況のなかで、これらを複合的に活用し、より一層、エネルギーの有効利用を促進する必要が有る。Currently, electricity is generated by large-scale power generation facilities, or by private power generation in factories, etc., and individual small-scale power generation in each home, but nuclear power, which is large-scale power generation, is damaged during an accident. There is a problem of disposal of nuclear fuel and nuclear fuel waste, thermal power and natural gas emit CO2, and hydropower and geothermal heat have problems such as scale and construction site. The use of solar heat and solar renewable energy in each home can improve energy savings and reduce power consumption. In such a situation, it is necessary to use these in a composite manner to further promote the effective use of energy.
本発明は、カルノーサイクルのバイナリー発電装置と太陽熱集熱装置と給湯装置を組み合わせて連携して活用し、発電と給湯を効率良く行う。
太陽熱によりバイナリー発電、及び貯湯も行う場合は、まず太陽熱集熱装置により高温となった冷媒を、バイナリー発電装置の蒸発器に流入させ、熱交換によりバイナリー発電装置の冷媒を昇温し、膨張機の駆動力で発電を行う。そして低圧、低温となった冷媒は凝縮器において貯湯タンクからの冷水と熱交換を行い凝縮し、冷媒ポンプにより昇圧されて蒸発器に戻る。さらに、バイナリー発電装置の蒸発器より流出した、まだ温度の高い冷媒を利用して、貯湯タンクからの冷水を熱交換により昇温し活用する。また、太陽熱集熱装置による集熱が不足して給湯温度が低すぎる場合は、給湯装置を活用して給湯温度を適正に保つ。
従来の太陽光発電にバイナリー発電と太陽熱集熱を加えて連携して活用する事により、より一層、省エネルギーの向上と、消費電力を低減する事が出来る。The present invention combines and uses a Carnot cycle binary power generation device, a solar heat collecting device, and a hot water supply device, and efficiently performs power generation and hot water supply.
When binary power generation and hot water storage are also performed by solar heat, first, the refrigerant that has become high temperature by the solar heat collector flows into the evaporator of the binary power generation device, and the temperature of the refrigerant of the binary power generation device is increased by heat exchange. Power is generated with a driving force of. The low-pressure and low-temperature refrigerant is condensed by exchanging heat with cold water from the hot water storage tank in the condenser, and the pressure is increased by the refrigerant pump and returned to the evaporator. Furthermore, using the still high temperature refrigerant that has flowed out of the evaporator of the binary power generator, the temperature of the cold water from the hot water storage tank is raised by heat exchange and utilized. Moreover, when the heat collection by the solar heat collector is insufficient and the hot water supply temperature is too low, the hot water supply device is utilized to keep the hot water supply temperature appropriate.
By using binary power generation and solar heat collection in conjunction with conventional solar power generation, it is possible to further improve energy saving and reduce power consumption.
本発明は太陽の熱エネルギーを利用する太陽熱発電給湯装置であり、各戸別、及び大規模施設、工場等、どこにでも設置可能である。
また、従来の太陽光発電装置も活用して設置する事により、さらに省エネルギーの向上を計る事ができる。The present invention is a solar-powered hot-water supply apparatus that uses solar thermal energy, and can be installed anywhere, such as each house, large-scale facility, factory, and the like.
In addition, energy savings can be further improved by using conventional solar power generation devices.
以下、本発明による太陽熱発電給湯装置を図1、図2、図3、図4、図5、に示す全体の構成図に基づいて説明する。Hereinafter, the solar power generation hot water supply apparatus according to the present invention will be described with reference to the entire configuration diagram shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, and 5.
図1、において、バイナリー発電装置と太陽熱集熱装置と温水貯湯が連携して機能しているときは、太陽熱集熱パネル2において、太陽熱サイクルの冷媒は太陽熱により昇温し高温、高圧となり、太陽熱冷媒配管12と3方弁21を経てバイナリー発電装置の蒸発器3に入り降温し3方弁21を通り熱交換器5に流入する。In FIG. 1, when the binary power generation device, the solar heat collecting device, and the hot water hot water storage function in cooperation, the solar
図1、において、熱交換器5に流入した太陽熱サイクルの冷媒は、貯湯ポンプ23によって送られた冷却水と熱交換を行い降温し、3方弁21を介して第2冷媒ポンプ29により送られて太陽熱冷媒配管14を通り、太陽熱集熱パネル2に戻る事により循環する。In FIG. 1, the refrigerant of the solar thermal cycle that has flowed into the
図1、において、高温、高圧となった太陽熱サイクルの冷媒により蒸発器3において昇温されたバイナリー発電装置の冷媒は膨張機1に流入して膨張し、発電機の19を駆動して発電を行う。In FIG. 1, the refrigerant of the binary power generator heated in the evaporator 3 by the refrigerant of the solar thermal cycle that has become high temperature and high pressure flows into the
図1、において、膨張機1より膨張し低温、低圧となったバイナリー発電装置の冷媒はバイナリーサイクルの冷媒配管9を経て、凝縮器4に流入し、貯湯タンク26から冷水ポンプ28により3方弁21を介して送られた冷却水と熱交換を行い凝縮して、冷媒配管10を経て第1冷媒ポンプ6に入る。In FIG. 1, the refrigerant of the binary power generation apparatus which has been expanded from the
図1、において、冷媒ポンプ6により昇圧されたバイナリー発電装置の冷媒は、冷媒配管11を通り蒸発器3に戻る。In FIG. 1, the refrigerant of the binary power generation device whose pressure has been increased by the
図1、において、冷水ポンプ28によって送られ、凝縮器4においてバイナリー発電装置の冷媒冷却水と熱交換を行い昇温した冷却水は3方弁21を介して、給水配管16を経て貯湯タンク26に戻る。In FIG. 1, the cooling water which is sent by the
図1、において、貯湯タンク26から3方弁21を介して貯湯ポンプ23によって送られ、熱交換器5において太陽熱サイクルの冷媒と熱交換を行った冷却水は昇温し、3方弁21を経て貯湯タンク26に戻る。In FIG. 1, the temperature of the cooling water sent from the hot
図2、において、バイナリー発電装置と太陽熱集熱装置と温水貯湯が連携して機能しているときは、太陽熱集熱パネル2において、太陽熱サイクルの冷媒は太陽熱により昇温し高温、高圧となり、太陽熱冷媒配管12と3方弁21を経てバイナリー発電装置の蒸発器3に入り降温し3方弁21を通り熱交換器5に流入する。In FIG. 2, when the binary power generation device, the solar heat collecting device, and the hot water hot water storage function in cooperation, the solar
図2、において、熱交換器5に流入した太陽熱サイクルの冷媒は、貯湯ポンプ23によって送られた冷却水と熱交換を行い降温し、3方弁21を介して第2冷媒ポンプ29により送られて太陽熱冷媒配管14を通り、太陽熱集熱パネル2に戻る事により循環する。In FIG. 2, the refrigerant of the solar thermal cycle that has flowed into the
図2、において、高温、高圧となった太陽熱サイクルの冷媒により蒸発器3において昇温されたバイナリー発電装置の冷媒は膨張機1に流入して膨張し、発電機の19を駆動して発電を行う。In FIG. 2, the refrigerant of the binary power generator heated in the evaporator 3 by the refrigerant of the solar thermal cycle that has become high temperature and high pressure flows into the
図2、において、膨張機1より膨張し低温、低圧となったバイナリー発電装置の冷媒はバイナリーサイクルの冷媒配管9を経て、凝縮器4に流入し、貯湯タンク26から冷水ポンプ28により3方弁21を介して送られた冷却水と熱交換を行い凝縮して、冷媒配管10を経て第1冷媒ポンプ6に入る。In FIG. 2, the refrigerant of the binary power generation apparatus which has expanded from the
図2、において、冷媒ポンプ6により昇圧されたバイナリー発電装置の冷媒は、冷媒配管11を通り蒸発器3に戻る。In FIG. 2, the refrigerant of the binary power generation device whose pressure has been increased by the
図2、において、第2冷水ポンプ34によって送られ、凝縮器4においてバイナリー発電装置の冷媒冷却水と熱交換を行い昇温した冷却水は、3方弁21を介して、空冷熱交換器7を経て降温し、凝縮器4に戻り循環する。In FIG. 2, the cooling water sent by the second cold water pump 34 and heated in the condenser 4 by exchanging heat with the refrigerant cooling water of the binary power generation device is passed through the three-
図2、において、貯湯タンク26から3方弁21を介して貯湯ポンプ23によって送られ、熱交換器5において太陽熱サイクルの冷媒と熱交換を行った冷却水は昇温し、3方弁21を経て貯湯タンク26に戻る。In FIG. 2, the temperature of the cooling water sent from the hot
図3、において、バイナリー発電装置と太陽熱集熱装置が連携して機能し、温水貯湯が停止している場合は、太陽熱集熱パネル2において太陽熱サイクルの冷媒は、太陽熱により昇温し高温、高圧となり、太陽熱冷媒配管12と3方弁21を経てバイナリー発電装置の蒸発器3に入り降温し3方弁21を介してバイパスの太陽熱冷媒配管24を通り、3方弁21を経て第2冷媒ポンプ29により送られて、太陽熱冷媒配管14を通り太陽熱集熱パネル2に戻る事により循環する。In FIG. 3, when the binary power generator and the solar heat collector function in cooperation and the hot water hot water storage is stopped, the refrigerant of the solar thermal cycle in the solar
図3、において、高温、高圧となった太陽熱サイクルの冷媒により蒸発器3において昇温されたバイナリー発電装置の冷媒は膨張機1に流入して膨張し、発電機の19を駆動して発電を行う。In FIG. 3, the refrigerant of the binary power generator heated in the evaporator 3 by the refrigerant of the solar thermal cycle that has become high temperature and high pressure flows into the
図3、において、膨張機1より膨張し低温、低圧となったバイナリー発電装置の冷媒はバイナリーサイクルの冷媒配管9を経て、凝縮器4に流入し、貯湯タンク26から冷水ポンプ28と3方弁21を介して送られた冷却水と熱交換を行い凝縮して、冷媒配管10を経て第1冷媒ポンプ6に入る。In FIG. 3, the refrigerant of the binary power generation apparatus that has expanded from the
図3、において、冷媒ポンプ6により昇圧されたバイナリー発電装置の冷媒は、冷媒配管11を通り蒸発器3に戻る。In FIG. 3, the refrigerant of the binary power generation device whose pressure is increased by the
図3、において、冷水ポンプ28によって送られ、凝縮器4においてバイナリー発電装置の冷媒冷却水と熱交換を行い昇温した冷却水は3方弁21を介して、給水配管16を経て貯湯タンク26に戻る。In FIG. 3, the cooling water which is sent by the
図4、において、バイナリー発電装置が停止し、太陽熱集熱装置と温水貯湯が連携して機能しているときは、太陽熱集熱パネル2において太陽熱サイクルの冷媒は、太陽熱により昇温し高温、高圧となり、太陽熱冷媒配管12と3方弁21を介して熱交換器5に流入する。In FIG. 4, when the binary power generation device is stopped and the solar heat collecting device and the hot water hot water storage function in cooperation, the refrigerant of the solar heat cycle in the solar
図4、において、熱交換器5に流入した太陽熱サイクルの冷媒は、貯湯ポンプ23によって送られた冷却水と熱交換を行い降温し、3方弁21を介して第2冷媒ポンプ29により送られて太陽熱冷媒配管14を通り、太陽熱集熱パネル2に戻る事により循環する。In FIG. 4, the refrigerant of the solar thermal cycle that has flowed into the
図4、において、貯湯タンク26から3方弁21を介して貯湯ポンプ23によって送られ、熱交換器5において太陽熱サイクルの冷媒と熱交換を行った冷却水は昇温し、3方弁21を経て貯湯タンク26に戻る。In FIG. 4, the temperature of the cooling water sent from the hot
図5、において、バイナリー発電装置と太陽熱集熱装置が停止し、貯湯タンク26の温水の温度が低すぎる場合は、給水配管18から3方弁21を介して貯湯タンク26の温水を取り込み、給湯装置により適正な温度に昇温し、給水配管25を通り3方弁21を経て貯湯タンク26に戻す。In FIG. 5, when the binary power generator and the solar heat collector are stopped and the temperature of the hot water in the hot
図1、図2、図3、図4において、太陽熱集熱パネル2において太陽熱サイクルの冷媒は、温度センサーA、30により冷媒の温度を検知され、第2冷媒ポンプ29により適正な循環量で循環される。1, 2, 3, and 4, in the solar
図1、図2、図3において、バイナリー発電装置の冷媒は、温度センサーD、33により冷媒の温度を検知され、第1冷媒ポンプ6により適正な循環量で循環される。1, 2, and 3, the temperature of the refrigerant of the binary power generation apparatus is detected by the temperature sensors D and 33, and is circulated by the first
図1、図2において、バイナリー発電装置の冷却水は、温度センサーC、32により冷却水の温度を検知され、冷水ポンプ28により適正な循環量で循環されるか、または冷却水温度が昇温しすぎた場合には、3方弁21を制御して、空冷熱交換器7による独立した冷却水の循環を行う。In FIG. 1 and FIG. 2, the temperature of the cooling water of the binary power generator is detected by the temperature sensors C and 32 and is circulated with an appropriate amount of circulation by the
図1、図2、図4において、貯湯タンク26における温水は、温度センサーB、31により温水の温度を検知され、貯湯ポンプ23により適正な循環量で循環される。1, 2, and 4, the hot water in the hot
図5、において、貯湯タンク26における温水は、温度センサーB、31により温水の温度を検知され、給湯装置27により適正な循環量で循環される。In FIG. 5, the hot water in the hot
図1、図2、図3、図4、図5において、貯湯タンク26への給水は給水配管20により貯湯タンク26の底部から給水され、取水は給水配管22により貯湯タンク26の上部から取水される。1, 2, 3, 4, and 5, water is supplied to the hot
図1、図2、図3において、バイナリー発電装置により発電された電気は、売電されるか、または蓄電池に蓄電され利用される。In FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 3, electricity generated by the binary power generator is sold or stored in a storage battery and used.
ここで、太陽熱発電給湯装置の発電サイクルの具体的な運転状態について、図6、のP−h(モリエル)線図により説明する。
カルノーサイクルの発電サイクルの第1サイクルにおける、点Eは膨張機1に供給される冷媒の状態(例えば圧力0.713MPa、78℃)を示し、膨張機1により膨張し、発電機19により発電を行い、低圧となった冷媒は、点Fにおいては(例えば圧力0.124MPa、30℃)となる。点Eから点Fへの状態変化は、等エントロピー変化となる。点Gは凝縮器4から流出した冷媒の状態を示し(例えば圧力0.124MPa、20℃)となる。点Hは第1冷媒ポンプ6により昇圧された、蒸発器3の入口における冷媒の状態を示し(例えば圧力0.713Pa、23℃)となる。点Gから点Hへの状態変化は、等エントロピー変化となる。蒸発器3により第1サイクルの冷媒は点Hの状態から、太陽熱サイクルの冷媒との熱交換により、点Eの状態に戻る。Here, a specific operation state of the power generation cycle of the solar power generation hot water supply apparatus will be described with reference to a Ph (Mollier) diagram in FIG.
Point E in the first cycle of the Carnot cycle power generation cycle indicates the state of the refrigerant supplied to the expander 1 (for example, pressure 0.713 MPa, 78 ° C.), expands by the
ここで、太陽熱発電給湯装置の発電量について、図6のP−h(モリエル)線図により説明する。
この図において、膨張機1、が単位量の冷媒の膨張力を100%動力に変換し、さらに、発電機19が電力を100%動力に変換し、第1冷媒ポンプ6の全断熱効率が1であり、配管、その他、機器等のいかなる損失も無い場合に得られる理論電力は、カルノーサイクルの第1サイクルより発生する比エンタルピーの値、膨張機1の発電力Δk、の値に、冷媒の循環流量を乗じた値となる。Here, the power generation amount of the solar thermal power generation hot water supply apparatus will be described with reference to the Ph (Mollier) diagram of FIG.
In this figure, the
1・・・膨張機、2・・・太陽熱集熱パネル、3・・・蒸発器、4・・・凝縮器、5・・・熱交換器、6・・・第1冷媒ポンプ、7・・・空冷熱交換器、8、9、10、11・・・バイナリーサイクルの冷媒配管、12、13、14、24・・・太陽熱冷媒配管、15、16、17、18、20、22、25・・・給水配管、19・・・発電機、21・・・3方弁、23・・・貯湯ポンプ、26・・・貯湯タンク、27・・・給湯装置、28・・・冷水ポンプ、29・・・第2冷媒ポンプ、30・・・温度センサーA、31・・・温度センサーB、32・・・温度センサーC、33・・・温度センサーD、34・・・第2冷水ポンプ、DESCRIPTION OF
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