JP2016176461A

JP2016176461A - バイナリー発電機

Info

Publication number: JP2016176461A
Application number: JP2015078759A
Authority: JP
Inventors: 豪彌江崎; Takeya Ezaki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2016-10-06

Abstract

【課題】従来の自然エネルギー利用のバイナリー発電機は発電効率が低いという問題があった。これは熱源から熱量を移転する効率が低く、媒体の温度が低く、発電機につながったタービンを回す力が弱いためである。【解決手段】熱量が蒸発器と凝縮器を介して二媒体間で移転されるように、ヒートポンプとバイナリー発電機とを一体化した構成にした。これによりヒートポンプの高効率な熱量移転能を生かし、効率の高いバイナリー発電が実現される。【選択図】図１

Description

本発明は、熱量利用の効率化を図った発電システム、特に、自然エネルギーの利用による発電機に関するものである。

従来の自然エネルギーを利用する発電システムには、温度の低い熱源からの熱量を沸点が低い媒体へ伝達し、高蒸気圧の気体へ気化させて、その蒸気圧でタービンを回して、いわゆる“ランキンサイクル”の応用で発電する「バイナリー発電機」がある。これによって、それまで利用しにくかった１００℃以下の低温度の熱源の利用が図られてきた。（例えば、非特許文献１参照。）バイナリー発電機は熱源を運動エネルギーとして発電に利用するものである。
他方、ヒートポンプは外気や室内の熱量を室内や室外へ熱量のまま移転させるために利用するもので、主として冷暖房のエアコンに利用されて来た。（例えば、非特許文献２参照）

以下、図３、図４により、従来のバイナリー発電機とヒートポンプについて説明する。まず、図３の従来のバイナリー発電機において、配管系ａの温熱源に接触した加熱器から移転された熱量を含む媒体ａがポンプａ又は圧縮機ａで蒸発器へ移送され、その蒸発器を介して媒体ａの熱量が移転された配管系ｂの媒体ｂは昇温される事で気化してタービン内へ移送され、その圧力でタービンを回転させた後に、タービンから冷熱源に接触した凝縮器ｐへ移送されて冷却される事で液化しポンプｂ又は圧縮機ｂで蒸発器へ戻され、他方、その蒸発器から排出された配管系ａの媒体ａが温熱源へ戻されるサイクルにより、温熱源から取り出された熱量を電気へ変えるシステムである。図３の温熱源は地熱の場合で配管系ａが閉回路になっているが、温泉水や海洋表層水の場合は媒体ａはそれらの温水であって、蒸発器から出る媒体ａは温熱源や河川・下水へ放流される開回路である。
温熱源の温度は例えば地熱では数百度、温泉水では百度以下、海洋表層水では３０℃近傍である。他方、冷熱源とは例えば１０−２０℃の河川水、５−７℃の深海水、あるいは、地表から１０ｍ−３０ｍ程度の深さの地中熱で１５℃近傍に冷やされている地下水である。タービンを回転させた後で、媒体ｂが冷熱源へ移送されて冷却される理由はタービンの出口近傍の気圧、いわゆる背圧、を下げる事で媒体ｂがタービンから排出されやすくなり、タービンを効率的に回転させるためである。そのためには媒体ｂの沸点以下に冷却し液化することが望ましい。

他方、図４の従来のヒートポンプにおいて、配管系ａの温熱源に接触した加熱器から移転された熱量を含む媒体ａがポンプａ又は圧縮機ａで高圧になって蒸発器へ移送され、媒体ａの熱量が蒸発器を介して配管系ｂの媒体ｂへ移転され、他方、その蒸発器から排出された配管系ａの媒体ａは膨張弁に移送されて膨張冷却した後に加熱器へ戻されるサイクルにより、温熱源から媒体ａを経由して媒体ｂへ熱が移転されるシステムである。温熱源は例えば外気で、媒体ｂは例えば室内の空気流であれば、上記システムは室内暖房システムとなる。媒体ａが膨張弁で膨張冷却される理由は温熱源が０℃近傍の低温であっても熱量の移転を可能にするように、より低い温度に下げる為である。ここでは、温熱源は高温である方が良いが、必須ではない。

「２５０ＫＷ級小型バイナリー発電設備：グリーンバイナリータービン」、川崎重工技報，Ｎｏ．１７３，（２０１３−０３），ｐ．４２−４５「ヒートポンプの実用性能と可能性」、日本冷凍空調工業会編集、日刊工業新聞社出版（２０１０−１１）

以上に述べた従来の技術ではタービンを回す蒸気の力が弱く、８０℃程度以下の低温度の熱源や小出力発電機では、発電効率が５％程度と低かったために、得られる電気の量が少なく、結果的に電気のコストが高いという問題があった。
従来例のこのような発電効率の低さは、タービンを回転させる媒体へ十分な熱量の移転がなされていないこと、タービンから出た媒体の冷却が自然界の冷熱源の温度に依存していて十分に低い温度まで冷却されておらず、タービン出口の背圧が高くてタービンから出る媒体が抵抗を受けていた事、さらに、蒸発機の中で気液共存状態が存在するために、移転される熱量が媒体の気化に消費される比率が高い状態になっていて気化された媒体の昇温をもたらさない事などの複合要因でタービンを回転させる力が弱かったためである。

本発明は従来の構成が有していた低発電効率を引き起こす根本問題を解決しようとするものであり、発電効率の高いバイナリー発電機を実現することを目的とするである。

そして、本発明は上記目的を達成するために、媒体ａが流れる配管系ａと媒体ｂが流れる配管系ｂの二配管系を基本構造として、配管系ａではポンプａ又は圧縮機ａを配置して媒体ａを加熱器から蒸発器へ送り込み、さらに、その後に膨張弁と凝縮器ｓとを直列接続し、他方、配管系ｂでは、蒸発器を経てタービンの後に凝縮器ｐと凝縮器ｓとを直列接続して二段階の凝縮をする構成として、蒸発器と凝縮器ｓとを介して配管系ａと配管系ｂの間で移転される熱量を利用してタービンを回転させる事を特徴としたもので高効率のバイナリー発電が出来るものである。

さらに、第２の解決手段は、配管系ｂのポンプｂ又は圧縮機ｂと蒸発器の間に逆止弁が配置され、逆支弁からポンプｂ又は圧縮機ｂへ開閉信号が送られ逆支弁の開閉とポンプｂ又は圧縮機ｂが連動する構成としたものである。

さらに、第３の解決手段は、上記温熱源と冷熱源を同一の熱源とする構成としたものである。

上記第１の課題解決手段による作用は次の通りである。すなわち、配管系ａの媒体ａが圧縮機ａ又はポンプａで圧縮されて高温になって蒸発器へ送り込まれ、そこを介して配管系ｂの低沸点の媒体ｂへ効果的に熱量が移転されて、媒体ｂが昇温する事で気化してタービンを効率よく回転させ、また、配管系ａの媒体ａが蒸発器の後で膨張弁によって膨張冷却されて凝縮器ｓの経路ａから入って、他方、配管系ｂのタービンから出てきて凝縮器ｐで一次冷却された媒体ｂが凝縮器ｓの経路ｂから入り二次冷却される事で液化して、タービン出口の気圧を低下させてタービンからの媒体ｂの流出を円滑にすることで、タービンが効率よく回転して、そこに接続された発電機が効率的に発電する事が出来る。

上記第２の課題解決手段による作用は次の通りである。蒸発器内の媒体ｂの気圧がある一定値を境界として、配管系ｂの逆支弁が開閉し、その信号を受けて配管系ｂのポンプｂ又は圧縮機ｂが作動、あるいは、停止して、蒸発器内へ媒体ｂが流入した時に、そこでの気圧の上昇により配管系ｂのポンプｂ又は圧縮機ｂに異常に高い負荷がかかる前に止まる事で、ポンプｂ又は圧縮機ｂで消費される無駄な電力を削減し、また、蒸発器内への媒体ｂの流入量が適切に制限されて媒体ａから移転される熱量が媒体ｂの気体に効率良く吸収されてその昇温に寄与するので、タービンを回転させる気圧を高める事が出来る。

上記第３の課題解決手段による作用は次の通りである。すなわち、温熱源と冷熱源を同一の熱源として、例えば、地中熱をそれに適用すると、地下１０〜３０ｍでその温度は年中ほぼ一定で１５℃近傍であり、熱量を供給する温熱源となり、また、タービンから排出される媒体ｂの気体温度はそれより十分高いので、凝縮器ｐで媒体ｂを一次冷却する冷熱源ともなり、その後、凝縮器ｓで二次冷却して十分低く温度が下がり液化して、その結果、タービン出口での媒体ｂの気圧が下がりタービンが効率よく排出されて回転する事が出来る。このように、二つの熱源を共通化して一つにすることが可能で、その結果、発電機の設置工事が簡略化される。

上述したように本発明のバイナリー発電機では、温熱源からの熱量が効率よくタービン回転に利用され発電効率が高まり、また、温熱源と冷熱源の温度の制約が共に軽減される事で、未利用だった低温熱源、特に工場の低温排熱、地中熱、河川水などが熱源として幅広く利用可能になり、また、温−冷の二熱源共通化によって、発電設備の設置に要する工事が簡略化される事で、初期投資費用が軽減され、発電される電力のコストが低減されるなどの効果により、効率的かつ経済的な自然エネルギー利用の発電機が実現される。

本発明の実施形態を示すバイナリー発電機の配管接続図本発明の他の実施形態を示すバイナリー発電機の配管接続図従来のバイナリー発電の配管接続図従来のヒートポンプの配管接続図

以下、本発明の実施の形態を図１、図２に基づいて説明する。

本発明では、ヒートポンプとバイナリー発電という異なるシステムを一体化したバイナリー発電システムを構築する。図においては、１は媒体ａで、２は媒体ｂで、１０は配管系ａでその内部に媒体ａが充填され、１１は温熱源で、１２はポンプａ又は圧縮機ａで、１３は蒸発器の経路ａで、１４は膨張弁で、１６は加熱器で、１９は凝縮器ｓの経路ａで、２０は配管系ｂでその内部に媒体ｂが充填され、２１は冷熱源で、２２はポンプｂ又は圧縮機ｂで、２３は蒸発器の経路ｂで、２４はタービンで、２５は発電機で、２６は凝縮器ｐ、２７は逆止弁で、２９は凝縮器ｓの経路ｂで、３０は蒸発器で、３９は凝縮器ｓである。蒸発器と凝縮器ｓの内部構造は２経路を持つ熱交換器であり、これらを介して、高温の媒体がある経路から低温の媒体がある他の経路へ熱量が移転される。

図１において、媒体ａが流れる配管系ａと媒体ｂが流れる配管系ｂの二配管系を基本構造として、配管系ａは温熱源に接触した加熱器から圧縮機又はポンプと蒸発器の経路ａと膨張弁と凝縮器ｓの経路ａとを経て上記加熱器へ媒体ａが戻るように構成され、配管系ｂは上記蒸発器の経路ｂからタービンと冷熱源に接触した凝縮器ｐと上記凝縮器ｓの経路ｂとポンプｂ又は圧縮機ｂとを経て上記蒸発器の経路ｂへ媒体ｂが戻るように構成されて、上記タービンに発電機が機械的に結合された構成である。

本発明のバイナリー発電システムの構成は蒸発器の後にヒートポンプで使われる膨張弁を配置し、さらにその膨張弁の後に凝縮器ｓを直列接続し、他方、配管系ｂの凝縮器ｓの経路ｂとタービンとの後に凝縮器ｐを配置して一次冷却し、それに続いて凝縮器ｓで二次冷却する事により、媒体ｂが二段階で冷却される構成として、ヒートポンプがバイナリー発電機に一体的に組み込まれた事を特徴とする。この構成を従来のヒートポンプとバイナリー発電の視点で見れば、配管系ａがヒートポンプ系の主要部で、配管系ｂがバイナリー発電系の主要部で、この両者が蒸発器と凝縮器ｓとでつながれて一体化している。

媒体ａは、例えば、ＨＦＣ１５２ａ（沸点−２４℃）、媒体ｂは例えば、ＨＦＣ２４５ｆａ（沸点１５℃）のようなフルオロカーボン類やアンモニア＋水の混合水で、低沸点、かつ、地球温暖化係数が低く、オゾン層破壊係数がゼロで、出来るだけ可燃性が低く刺激性の低い物質である。

以下、図１において、上記構成の動作を説明する。媒体ａが流れる配管系ａと媒体ｂが流れる配管系ｂの二配管系の間で、蒸発器と凝縮器ｓを介して高温側から低温側へ熱量が移転される。配管系ａのポンプａ又は圧縮機ａは温熱源から移転された熱量を含む媒体ａを圧縮して温度を上げ、蒸発器を介して配管系ｂの媒体ｂへの熱量の移転を容易かつ迅速ならしめて媒体ｂが昇温される事で気化し、タービンへ高圧気体が供給されて、タービンを回転させ、配管系ａの膨張弁は媒体ａを膨張させて温度を下げ、他方、配管系ｂのタービンから排出された後に媒体ｂは冷熱源に接触した凝縮器ｐで一次冷却され、その後、上記凝縮器ｓの経路ｂから入って、その熱量が凝縮器ｓを介して媒体ａへ移転され、二次冷却される事により液化し、その結果、タービンの出口の気圧が下がり、タービンからの媒体ｂの気体の排出を容易にし、他方、配管系ａの媒体ａは凝縮器ｓを出た後もなお温度が低く、温熱源へ戻って、その温度差により効率的に熱量が温熱源から媒体ａへ移転されるサイクルを繰り返し、これらの総合的な結果、タービンが効率的に回転し、それに接続された発電機での発電が効率的に行われる。

図２に示す上記第２の課題解決手段により、蒸発器内の媒体ｂの気圧がある一定値を境界として、配管系ｂの逆支弁が開閉し、その信号を受けて配管系ｂのポンプｂ又は圧縮機ｂが作動、あるいは、停止して、蒸発器内への媒体ｂが流入した時に、そこでの気圧の上昇によりポンプｂ又は圧縮機ｂに異常に高い負荷がかかる前にポンプｂ又は圧縮機ｂが止まる事で、ポンプｂ又は圧縮機ｂで消費される無駄な電力を削減し、また、蒸発器内への媒体ｂの流入量が適切に制限されて蒸発器での媒体ｂの気液共存状態が消滅して、媒体ａから移転される熱量が媒体ｂの液体の気化に使われる事なく気体に効率良く吸収されて気体の昇温に寄与するので、タービンを回転させる気圧を高める事が出来る。

配管系ａの温熱源は、例えば地中熱では１５度で、温泉では７０℃で、圧縮器で圧縮高温化した媒体ａの温度は例えば１００−１２０℃で、蒸発器を介して熱量が移転された配管系ｂの媒体ｂの温度は９０−１００℃になり気化されてタービンへ入り、タービンの出口では７０℃近傍で、冷熱源は例えば地中熱でその温度は１５℃で、凝縮器ｐで一次冷却された後の媒体ｂの温度は２０℃近傍で、配管系ａの膨張弁の後の媒体ａの温度は０℃以下で、凝縮器ｓで二次冷却された後の媒体ｂの温度は５℃近傍であり液化される。この例から、温熱源と冷熱源が同一の温度がありうるので、第３の解決手段である同一熱源でも本発明が有効に実施されることが分かる。この事はバイナリー発電機の設置工事を簡易化する。

なお、圧縮器とポンプ又は圧縮機を動かすには電力が必要だが、それは発電機が発電する電力の一部を回す事で供給できるので、駆動初めだけは外部電力、または、蓄電池に蓄えた電力が必要だが、その分はシステムが定常運転をしてから補充すればよい。

１媒体ａ
２媒体ｂ
１０配管系ａ
１１温熱源
１２ポンプａ又は圧縮機ａ
１３蒸発器の経路ａ
１４膨張弁
１６加熱器
１９凝縮器ｓの経路ａ
２０配管系ｂ
２１冷熱源
２２ポンプｂ又は圧縮機ｂ
２３蒸発器の経路ｂ
２４タービン
２５発電機
２６凝縮器ｐ
２７逆止弁
２９凝縮器ｓの経路ｂ
３０蒸発器
３９凝縮器ｓ

Claims

媒体ａが流れる配管系ａと媒体ｂが流れる配管系ｂの二配管系を基本構造として、上記配管系ａは温熱源に接触した加熱器からポンプａ又は圧縮機ａと蒸発器の経路ａと膨張弁と凝縮器ｓの経路ａとを経て上記加熱器へ上記媒体ａが戻るように構成され、上記配管系ｂは上記蒸発器の経路ｂからタービンと冷熱源に接触した凝縮器ｐと上記凝縮器ｓの経路ｂとポンプｂ又は圧縮機ｂとを経て上記蒸発器の経路ｂへ上記媒体ｂが戻るように構成され、上記タービンに発電機が機械的に結合された構成であって、上記蒸発器を介して上記媒体ａの熱量が上記媒体ｂに移転されて上記媒体ｂが昇温されて上記タービンを回転させ、さらに、上記凝縮器ｓを介して上記媒体ｂの熱量が上記媒体ａに移転されて上記媒体ｂが冷却されるサイクルにより上記発電機から電力が出力されるように構成された事を特徴とするバイナリー発電システム。
上記請求項１の範囲であって、上記配管系ｂの上記ポンプｂ又は圧縮機ｂと上記蒸発器の間に逆止弁が配置されていて、上記逆止弁の開閉信号が上記配管系ｂの上記ポンプｂ又は圧縮機ｂへ伝達される構成であって、上記蒸発器内の上記媒体ｂの気圧がある一定値を境界として上記逆支弁が開閉し、その開閉信号を受けて上記配管系ｂの上記ポンプｂ又は圧縮機ｂが作動、あるいは、停止して、上記蒸発器内への上記媒体ｂの流入が開始、あるいは、停止する事を特徴とするバイナリー発電システム。
上記請求項１または２の範囲であって、さらに、上記温熱源と上記冷熱源が同一の熱源である事を特徴とするバイナリー発電システム。