JP2016176461A - バイナリー発電機 - Google Patents

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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 (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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