JP2017053278A - バイナリー発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
発電効率のよい小型のバイナリー発電システムを提供すること。
【解決手段】
低沸点媒体を加熱して蒸気とする蒸発器と、前記蒸発器から吐出される前記低沸点媒体の蒸気の膨張により駆動可能な膨張機と、前記膨張機の駆動により発電を行う発電機と、前記膨張機から吐出される前記低沸点媒体の蒸気を液化させる凝縮器と、前記低沸点媒体を循環させるためのポンプと、前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器および前記ポンプを直列に接続する閉ループ状の循環経路と、前記膨張機から吐出され前記凝縮器に流入する前の前記低沸点媒体の蒸気と、前記ポンプから吐出され前記蒸発器に流入する前の前記低沸点媒体の液体との間で熱交換を行う中間熱交換器とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、温泉水などの低温域の熱源を利用して発電を行うバイナリー発電装置に関し、特に中間熱交換器を備えるバイナリー発電装置に関する。

従来、温泉や工場廃熱などの低温域（例えば、１００℃〜１５０℃）の熱源を利用し、熱交換器を介して熱源の熱を作動媒体である低沸点媒体に与えて沸騰させ、その蒸気圧力でタービンを回転させることにより発電するバイナリー発電装置が知られている。しかし、バイナリー発電は、構造上エネルギー効率が悪く、少量の電気を作り出すために、多量の熱源が必要であり、その熱源の確保が難しいという問題がある。

この問題を解消するために、バイナリー発電システム全体としての熱エネルギーの利用効率を改善し、発電効率を向上させるために、例えば、特許文献１に記載のバイナリー発電装置が提案されている。

特開２０１４−１７７９２２号公報

しかし、特許文献１に記載されているバイナリー発電装置においては、温度の異なる２種類の熱源を必要とするため、装置が複雑であり、その結果、装置が大型となり、製造コストが増大するという問題を有する。

本発明は、上記課題に鑑み、小型かつ発電効率を改善したバイナリー発電装置を提供することを目的とする。

本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
第１の発明は、低沸点媒体を加熱して蒸気とする蒸発器と、蒸発器から吐出される前記低沸点媒体の蒸気の膨張により駆動可能な膨張機と、膨張機の駆動により発電を行う発電機と、膨張機から吐出される前記低沸点媒体の蒸気を液化させる凝縮器と、低沸点媒体を循環させるためのポンプと、蒸発器、膨張機、凝縮器およびポンプを直列に接続する閉ループ状の循環経路と、膨張機から吐出され凝縮器に流入する前の低沸点媒体の蒸気とポンプから吐出され蒸発器に流入する前の低沸点媒体の液体との間で熱交換を行う中間熱交換器とを備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、循環経路に、膨張機と凝縮器との間およびポンプと蒸発器との間をそれぞれ短絡するバイパス回路と、ポンプから吐出する低沸点媒体の液体の温度Ｔ１を測定する第１の温度測定手段および膨張機から吐出する低沸点媒体の蒸気の温度Ｔ２を測定する第２の温度測定手段と、低沸点媒体の流路を中間熱交換器またはバイパス回路に切り替え可能な媒体流路切替手段とを設け、ポンプから吐出する液体の温度Ｔ１と、膨張機から吐出する低沸点媒体の蒸気の温度Ｔ２との温度差が、予め定めた温度差よりも低い場合には、媒体流路切替手段を前記バイパス経路に切り替えるようにしたことを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、膨張機が、固定スクロールおよび旋回スクロールを備え、固定スクロールおよび旋回スクロールに設けられた渦巻き状の固定ラップおよび旋回ラップを互いにかみ合わせて形成したガスポケットに、低沸点媒体の蒸気を中心部から導入するスクロール膨張機であることを特徴とする。

本発明のバイナリー発電装置によると、凝縮器に流入する前の低沸点媒体を冷却するのと同時に、蒸発器に流入する前の低沸点媒体を加熱することができるため、凝縮および蒸発効率を向上させ、装置全体の発電効率を向上させることができる。
これにより、バイナリー発電装置の小型化を可能にするとともに、製造コストを削減することができる。

本発明に係わるバイナリー発電装置の一実施形態の構成を示す図である。 本発明に係わる別の実施形態のバイナリー発電装置の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
バイナリー発電装置１は、例えば、温泉などの温熱源から得た温水１００を熱源として液体の低沸点媒体９０を加熱して蒸気とする蒸発器１０と、蒸発器１０から吐出された低沸点媒体９０の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機２０と、膨張機２０で得られた回転駆動力を用いて発電を行う発電機６０と、膨張機２０で膨張して吐出された低沸点媒体９０の蒸気を凝縮して液化させる凝縮器３０と、凝縮器３０から吐出された液化の低沸点媒体９０を循環させるためのポンプ４０と、膨張機２０から吐出された後で、かつ凝縮器３０に流入する前の低沸点媒体（蒸気）９０を冷却し、ポンプ４０から吐出された後で、かつ蒸発器１０に流入する前の低沸点媒体（液体）９０を加熱する単一の中間熱交換器７０と、蒸発器１０、膨張機２０、中間熱交換器７０、凝縮器３０、およびポンプ４０を、この順番に低沸点媒体９０が循環する方向に直列に接続する閉ループ状の循環経路５０とを備えている。

図１のバイナリー発電装置１に用いる低沸点媒体９０としては、特に限定されないが、例えば、ＨＦＣ-２４５ｆａ、ＨＦＣ-１３４Ａ等の地球温暖化係数ゼロのフロンを主体とした不活性ガス、ペンタン等の炭化水素、水とアンモニアの混合物質などが用いることができ、特にＨＦＣ-２４５ｆａを用いることが好ましい。

蒸発器１０は、温熱源から得た温水１００と循環経路５０との間で熱交換を行うことにより、低沸点媒体９０を、加熱して蒸気とする。温水１００としては、温泉水を用いることができる。また、温泉水中に存在するスケールが析出して、装置に対して悪影響を及ぼすことを防止するために、温水１００として、温泉水と熱交換を行うことにより加熱した真水を用いてもよい。

蒸発器１０から吐出した低沸点媒体９０の蒸気は、循環経路５０を通って、膨張機２０に流入する。

膨張機２０としては、例えば、容積型膨張機を用いることができる。容積型膨張機の例としては、スクロール膨張機、スクリュー膨張機、クロー膨張機、レシプロ膨張機、ルーツ膨張機等があげられ、特に限定されないが、例えば、公知文献である特開２０１２−００７５１８号公報に記載されている固定スクロールと旋回スクロールを備えたスクロール膨張機を用いることが好ましい。膨張機２０に流入した低沸点媒体９０の蒸気は、膨張力を回転運動に変換し、発電機６０を回転させることにより発電を行う。

スクロール膨張機を用いた場合、旋回スクロールおよび固定スクロールに設けられた渦巻き状の固定ラップおよび旋回ラップを互いにかみ合わせて形成したガスポケットに高圧の低沸点媒体９０の蒸気を中心部から導入し、当該蒸気の膨張時のエネルギーによって旋回スクロールを旋回させ、旋回スクロールの旋回力が、膨張機の軸に取り付けられた発電機６０に伝えられて発電を行う。このようなスクロール膨張機を用いると、静音性が高くなり、また、タービン型膨張機と比べて、小規模な設備で、かつ小さな動力で駆動することができる。

ついで、膨張機２０から吐出された低沸点媒体９０の蒸気は、循環経路５０を通って、後で詳述する中間熱交換器７０によって冷却される。

凝縮器３０は、膨張機２０での膨張後、中間熱交換器７０により冷却された低沸点媒体９０の蒸気を、冷熱源から得た冷却水２００と熱交換することにより、更に冷却して液体とする。ここで、冷却水２００としては、例えば地下水などが用いられる。

凝縮器３０によって冷却された低沸点媒体９０は、液化してポンプ４０に流入する。凝縮器３０通過後の低沸点媒体９０は完全に液化されず、一部が蒸気のままである場合もあるが、この場合にはポンプ４０の上流にレシーバタンク（図示せず）を設けて低沸点媒体９０の液体を貯留し、蒸気がポンプ４０内に流入するのを防止するようにする。

中間熱交換器７０は、膨張機２０から吐出され凝縮器３０に流入する前の低沸点媒体９０の蒸気と、ポンプ４０から吐出され蒸発器１０に流入する前の低沸点媒体９０の液体との間で熱交換を行う。このようにして、中間熱交換器７０により、膨張機２０から吐出された低沸点媒体９０の蒸気は、ポンプ４０から吐出され蒸発器１０に流入する前の低沸点媒体９０の液体で冷却され、また、ポンプ４０から吐出された低沸点媒体９０の液体は、膨張機２０から吐出された低沸点媒体９０の気体で加熱される。

この中間熱交換器７０としては、公知の熱交換器を用いることが可能であるが、プレート型熱交換器を用いることが好ましい。

プレート型熱交換器は、例えばステンレスやチタンなどの耐食性金属の薄板に凸凹の波形パターンをプレス加工し、その周辺を合成ゴムのガスケットでシールし伝熱プレートを所定枚数ガイドバーに懸垂し、鋼板製の固定フレームを移動フレームの間に重ね合わせてボルト締めして構成されており、各プレートの間に形成されている流路を流れる、膨張機２０から吐出された高温の低沸点媒体９０の蒸気と、ポンプ４０から吐出された後で、蒸発器１０に流入する前の低温の低沸点媒体９０の液体との間で熱交換が行われる。

このような構成により、膨張機２０から吐出された後で、かつ凝縮器３０に流入する前の低沸点媒体９０の蒸気は、中間熱交換器７０により液化直前の温度まで冷却され、凝縮器３０における効率を最適なものとすることができる。同時に、ポンプ４０から吐出され蒸発器１０に流入する前の低沸点媒体９０の液体の温度を気化直前の温度まで加熱することができる。したがって、装置全体で熱源利用効率を最適化させることが可能である。

ポンプ４０から吐出された後で、蒸発器１０に流入される前の低沸点媒体９０は、中間熱交換器７０によって、低沸点媒体９０に固有の気化直前の温度まで加熱されるようにすると、蒸発器１０の効率が最大となり、発電効率を最適化させることができる。

また、単一の中間熱交換器７０を備えるだけで、十分に発電効率を向上させることができるため、バイナリー発電装置１の小型化を図ることができる。その結果、温泉施設の敷地内など、比較的狭い空間であっても容易に設置をすることができる。また、バイナリー発電装置１の構成が複雑化するのを防ぎ、製造コストを抑制できる。

図２は、本発明の他の実施形態であるバイナリー発電装置１ａの構成を示す模式図である。
なお、この実施形態において、前記実施形態と同一の機能を有する要素については、前記実施形態で使用した符号と同一符号を付して説明を省略する。

図２において、バイナリー発電装置１ａは、循環経路５０に膨張機２０と凝縮器３０との間を短絡するバイパス５１およびポンプ４０と蒸発器１０との間を短絡するバイパス５２を備え、さらに、ポンプ４０から吐出した後で、かつ低沸点媒体９０の流路が分岐する手前の低沸点媒体９０の液体の温度Ｔ１を測定する第１の温度測定手段５３および膨張機２０から吐出される蒸気の温度Ｔ２を測定する第２の温度測定手段５４と、低沸点媒体９０の流路を、中間熱交換器７０方向またはバイパス５１、５２方向に切り替え可能な媒体流入流路切替手段８１〜８４とを備えている。

通常、ポンプ４０から吐出した後で、かつ低沸点媒体９０の流路が分岐する手前の低沸点媒体９０の液体の温度Ｔ１は、膨張機２０から吐出される低沸点媒体９０の温度Ｔ２よりも十分に低い。しかし、温熱源の源泉温度の変化や外気の状況により、膨張機２０から吐出される低沸点媒体９０の温度Ｔ２と、ポンプ４０から吐出した後で、かつ低沸点媒体９０の流路が分岐する手前の低沸点媒体９０の液体の温度Ｔ１との温度差ΔＴが十分でない場合があり得る。その場合、膨張機２０から吐出される低沸点媒体９０と、ポンプ４０から吐出される低沸点媒体９０とを中間熱交換器７０によって熱交換させることが、かえって効率的でない場合がある。

そのため、バイナリー発電装置１ａは、第１の温度測定手段５３により測定した温度Ｔ１と第２の温度測定手段５４によって測定したＴ２とを比較し、その差ΔＴが、所定の値以下になった場合に、媒体流路切替手段８１〜８４を、低沸点媒体９０が中間熱交換器７０を通らずに、バイパス５１、５２を流れるように切り替えるように構成されている。

このような構成とすることにより、熱源温度の変化や外気の環境の影響を受けることが少なくなる。

１，１ａ バイナリー発電装置
１０ 蒸発器
２０ 膨張機
３０ 凝縮器
４０ ポンプ
５０ 循環経路
５１，５２ バイパス
５３ 第１の温度測定手段
５４ 第２の温度測定手段
６０ 発電機
７０ 中間熱交換器
８１〜８４ 媒体流路切替手段
９０ 低沸点媒体
１００ 温水
２００ 冷却水

Claims (3)

1. 低沸点媒体を加熱して蒸気とする蒸発器と、
   前記蒸発器から吐出される前記低沸点媒体の蒸気の膨張により駆動可能な膨張機と、
   前記膨張機の駆動により発電を行う発電機と、
   前記膨張機から吐出される前記低沸点媒体の蒸気を液化させる凝縮器と、
   前記低沸点媒体を循環させるためのポンプと、
   前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器および前記ポンプを直列に接続する閉ループ状の循環経路と、
   前記膨張機から吐出され前記凝縮器に流入する前の前記低沸点媒体の蒸気と前記ポンプから吐出され前記蒸発器に流入する前の前記低沸点媒体の液体との間で熱交換を行う中間熱交換器とを備えることを特徴とするバイナリー発電装置。
2. 前記循環経路に、
   前記膨張機と前記凝縮器との間および前記ポンプと前記蒸発器との間をそれぞれ短絡するバイパス回路と、
   前記ポンプから吐出する前記低沸点媒体の液体の温度Ｔ１を測定する第１の温度測定手段および前記膨張機から吐出する前記低沸点媒体の蒸気の温度Ｔ２を測定する第２の温度測定手段と、
   前記低沸点媒体の流路を前記中間熱交換器または前記バイパス回路に切り替え可能な媒体流路切替手段とを設け、
   前記ポンプから吐出する液体の温度Ｔ１と、前記膨張機から吐出する前記低沸点媒体の蒸気の温度Ｔ２との温度差が、予め定めた温度差よりも低い場合には、前記媒体流路切替手段を前記バイパス経路に切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電装置。
3. 前記膨張機は、固定スクロールおよび旋回スクロールを備え、該固定スクロールおよび該旋回スクロールに設けられた渦巻き状の固定ラップおよび旋回ラップを互いにかみ合わせて形成したガスポケットに、前記低沸点媒体の蒸気を中心部から導入するスクロール膨張機であることを特徴とする請求項１または２に記載のバイナリー発電装置。

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