JP2017186982A - 自然再生可能エネルギー蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】バイナリー発電装置の作動媒体の加熱・蒸発を安定化させ、短期変動のない電力を発電せさせる。
【解決手段】バイナリー発電装置２の熱源媒体を循環させる蓄熱回路３の途中に電気ヒータ４を設ける。電気ヒータ４は、バイナリー発電装置２の蒸発器における熱交換により、作動媒体を加熱・蒸発させるのに必要な温度を維持するように熱源媒体を加熱する。電気ヒータ４は、自然再生可能エネルギー発電装置５によって発電された電力、あるいはバイナリー発電装置２にて発電された電力の一部を利用して電気制御回路６を介して動作する。バイナリー発電装置２にて発電された電力の残りは商用電力系統に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱源媒体により沸点の低い作動媒体を加熱・蒸発させてその蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置に用いる自然再生可能エネルギー蓄熱システム（ＴＡＴＵＭＡ式自然再生可能エネルギー蓄熱システム）に関する。

熱源媒体（太陽熱により高温に加熱された温水）により沸点の低い作動媒体を加熱・蒸発させてその蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置は知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

このバイナリー発電装置は、熱源媒体との熱交換により作動媒体を蒸発させる蒸発器と、上記蒸発器から供給される作動媒体により駆動されるタービン発電機と、上記タービン発電機から排出される作動媒体が冷温媒体との熱交換により作動媒体を凝縮させる凝縮器と、上記凝縮器により凝縮された作動媒体を上記蒸発器に供給するポンプとを有し、上記蒸発器、タービン発電機、凝縮器及びポンプを内部に上記作動媒体が封入されたクローズドサイクルラインで接続するものである。

このようなバイナリー発電装置においては、加熱源となる熱源媒体（温水）の温度が急激に低下した場合、バイナリー発電装置の発電量が減少してしまう。そして、熱源媒体による作動媒体の加熱が不安定であると、発電される電力が変動するので、望ましくない。

そこで、蒸発器の入側に、前記蒸発器に導入される熱源媒体の温度変動を抑制する熱バッファ手段を設けることで、熱源媒体の温度が急激に低下しても、作動媒体の過熱状態を維持でき、安定した発電を行えるようにしたバイナリー発電装置が提案されている（例えば，特許文献２参照）。

特開２００４−２８６０２４号公報 特開２００６−２０２２７３号公報 特開２０１３−１８１３９７号公報

しかしながら、蒸発器の入側に前記蒸発器に導入される熱源媒体の温度変動を抑制する熱バッファ手段を設けるだけでは、十分とはいえない。

本発明は、自然再生可能エネルギー発電だけでなく、バイナリー発電にて発電された電力の一部を利用することにより、バイナリー発電装置の熱源媒体が必要な温度を維持できるようにして、バイナリー発電装置の作動媒体の加熱・蒸発を安定化させ、短期変動のない電力を発電させる自然再生可能エネルギー蓄熱システムを提供する。

請求項１の発明は、蒸発器にて熱源媒体との熱交換により沸点の低い作動媒体を蒸発させ、その蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置に用いる自然再生可能エネルギー蓄熱システムであって、前記熱源媒体を循環させる蓄熱回路と、前記蓄熱回路に設けられ前記熱源媒体を加熱する加熱手段と、自然再生可能エネルギー発電によって発電された電力、あるいは前記バイナリー発電装置にて発電された電力の一部を利用して、前記加熱手段を動作させる制御手段とを備え、前記バイナリー発電装置にて発電された電力の残部が商用電力系統に供給されることを特徴とする。ここで、自然再生可能エネルギー発電とは、太陽光発電、風力発電、水力発電などの自然再生可能エネルギーを利用した発電を意味する。

このようにすれば、バイナリー発電装置の熱源媒体を蓄熱回路を循環させながら、熱源媒体を加熱手段によって加熱し、熱源媒体が蓄熱される。加熱手段は、自然再生可能エネルギー発電によって発電された電力、あるいは前記バイナリー発電装置にて発電された電力の一部を利用して動作させる。その結果、熱源媒体が、バイナリー発電装置の作動媒体を加熱・蒸発させるのに必要な温度を維持することとなる。よって、自然再生可能エネルギー発電が不安定であっても、バイナリー発電装置によって発電された電力の一部を利用することで、バイナリー発電装置による発電が安定し、商用電力系統に供給される電力の短期変動をなくすことができる。

この場合、請求項２に記載のように、前記蓄熱回路は、前記熱源媒体を一時的に貯留するタンクを含み、ポンプにて前記加熱媒体を循環させるものとすることができる。

請求項３に記載のように、前記加熱手段は、前記タンクの上流側に設けられている、ことが望ましい。

請求項４に記載のように、前記熱源媒体は、オイル又は水であり、オイルの場合は２００度程度に、水の場合は９０度程度に加熱される、ことが望ましい。

請求項５に記載のように、複数個の前記バイナリー発電装置を備えるものであり、前記複数個のバイナリー発電装置の一部は前記加熱手段の動作させるのに用いられ、それらの残部は商用電力系統に接続されているようにすることも可能である。

また、請求項６の発明は、蒸発器にて熱源媒体との熱交換により沸点の低い作動媒体を蒸発させ、その蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置に用いる自然再生可能エネルギー蓄熱システムであって、加熱媒体を循環させる蓄熱回路と、前記蓄熱回路に設けられ前記加熱媒体を加熱する加熱手段と、前記蓄熱回路の、前記加熱手段によって加熱された前記加熱媒体と、前記熱源媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、自然再生可能エネルギー発電によって発電された電力、あるいは前記バイナリー発電装置にて発電された電力の一部を利用して、前記加熱手段を動作させる制御手段とを備え、前記バイナリー発電装置にて発電された電力の残部が商用電力系統に供給されることを特徴とする。

本発明は、自然再生可能エネルギー発電によって発電された電力、あるいはバイナリー発電装置によって発電された電力の一部を利用して、蓄熱回路を循環する熱源媒体、あるいは加熱媒体を加熱する加熱手段を動作させるようにしているので、バイナリー発電装置の作動媒体を加熱蒸発させる加熱源となる、熱源媒体が必要な温度を維持させ、自然再生可能エネルギー発電が不安定であっても、バイナリー発電装置による発電が安定することとなり、商用電力系統に供給される電力の短期変動をなくすことができる。

本発明に係る自然再生可能エネルギー蓄熱システムの実施の形態の一例を示す説明図である。 前記自然再生可能エネルギー蓄熱システムの実施の形態の別の例を示す説明図である。 前記自然再生可能エネルギー蓄熱システムの実施の形態の変形例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明に係る自然再生可能エネルギー蓄熱システムの実施の形態の一例を示す説明図である。

図１に示すように、１は自然再生可能エネルギー蓄熱システムであって、熱源媒体により沸点の低い作動媒体を加熱・蒸発させてその蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置２に用いるものである。

この自然再生可能エネルギー蓄熱システム１は、ポンプＰにて熱源媒体を循環させながら、熱源媒体に熱を蓄える蓄熱回路３を有する。つまり、蓄熱回路３は、熱源媒体を加熱する加熱手段としての電気ヒータ４を有し、この電気ヒータ４によって、熱源媒体の温度に応じて熱源媒体を加熱することで、循環している熱源媒体が、バイナリー発電装置２の作動媒体を加熱・蒸発させるのに必要な温度となるまで加温され、前記必要な温度となった後にはその温度を維持するようになる。そして、熱源媒体を蓄熱するのに用いる電気ヒータ４は、自然再生可能エネルギー発電装置５（例えば、太陽光発電装置、風力発電装置、水力発電装置など）によって発電された電力を利用して、電気制御回路６（制御手段）を介して加熱動作をし、自然再生可能エネルギー発電装置５によって生成された電気エネルギーを熱エネルギーに変換して、熱源媒体に蓄熱される。

電気ヒータ４によって加熱された熱源媒体は、バイナリー発電装置２において、蒸発器での熱交換により作動媒体を蒸発させ、この蒸発した作動媒体によってタービンを回転することで、発電が行われる。

ここで、バイナリー発電装置２としては、例えば株式会社神戸製鋼所の温水熱源マイクロバイナリーＭＢ−７０Ｈ（熱源媒体：７０〜９０℃の温水）や、蒸気熱源マイクロバイナリーＭＢ−１２５Ｓ（熱源媒体：１１０〜１３０℃の蒸気）が用いられる。加熱媒体としてはオイル又は水が用いられ、オイルとしては、例えば出光石油のダフニーアルファサーモ２２Ａが用いられる。これは、抜群の酸化安定性を示し、スラッジの生成が少ない開放・半密閉・密閉型加熱システム用の合成熱媒体油が用いられる。また、前記必要な温度は、バイナリー発電装置２の蒸発器において作動媒体を加熱・蒸発させることができる温度で、オイルの場合は２００度程度で、水の場合は９０度程度である。

前記蒸発器での熱交換により熱源媒体は温度が下げられるが、熱源媒体が蓄熱回路３を循環することで電気ヒータ４によって前記必要な温度になるように加熱され、前記必要な温度を再び維持するようになり、熱交換の際にはいつも前記必要な温度を維持していることになる。

バイナリー発電装置５にて発電された電力の一部は、電気制御回路６を介して電気ヒータ４に送られ、熱源媒体が前記必要な温度を維持するように電気ヒータ４を加熱動作させるのに用いられる。なお、蓄熱回路３において、例えば前記蒸発器の下流側に、熱源媒体の温度を検出する温度センサ（図示せず）が設けられ、温度センサの検出信号が電気制御回路６に送られ、電気制御回路６において前記検出信号に基づき電気ヒータ４の加熱動作を制御するようにすることができる。

熱源媒体を加熱するのに用いられなかったバイナリー発電装置２にて発電された電力の残部は、電力計７を介して商用電力系統に供給され、売電される。商用電力系統に供給された電力量は，電力計７によって計測される。

また、蓄熱回路３は、ポンプＰにて熱源媒体を循環させるものであるが、熱源媒体を一時的に貯留する大容量のタンク８が蓄熱部として設けられている。

この蓄熱機能を有するタンク８の上流側に電気ヒータ４が設けられ、電気ヒータ４によって加熱された後の熱源媒体をタンク８に貯留することで、作動媒体との熱交換前における熱源媒体の温度低下を抑制するようになっている。なお、タンク８の数は制限されず、複数個設けることもでき、各タンクの上流側に電気ヒータを設けるようにすることもできる。また、各タンクの容量が異なっていてもよい。

よって、バイナリー発電装置２で発電された電力の一部を利用して、電気ヒータ４を電気制御回路６により加熱動作させることができるようにしているので、自然再生可能エネルギー発電装置５により発電されていない場合や自然再生可能エネルギー発電装置５による発電量が不足している場合であっても、電気ヒータ４によって蓄熱回路３を循環している熱源媒体を前記必要な温度を維持するように必要に応じて加熱することができる。

一方、バイナリー発電装置２の蒸発器で熱源媒体と熱交換される作動媒体は、沸点が低いので、蒸発器において、前記必要な温度を維持する熱源媒体との間の熱交換により蒸発し、この蒸発した作動媒体によってタービンが回転され、発電が行われる。

このように、自然再生可能エネルギー発電装置５を単に利用するだけでなく、バイナリー発電装置２で発電された電力の一部を必要に応じて利用して、電気ヒータ４を動作させるようにしているので、熱源媒体の温度を前記必要な温度を維持するように安定させることができ、バイナリー発電装置２の蒸発器での作動媒体の加熱・蒸発が安定する。その結果、短期変動のない電力を発電し、商用電力系統に供給して売電することができる。

前記実施の形態では、バイナリー発電装置を１つ設けているだけであるが、複数個設けることも可能である。その場合、自然再生可能エネルギー蓄熱システム１Ａは、例えば図２に示すように、３つのバイナリー発電装置２Ａ，２Ｂ，２Ｃを備えるものとして、１つの発電装置２Ａを、電気ヒータ４を動作させるのに用いるようにすることができる。そして、残りの２つの発電装置２Ｂ，２Ｃは電力計８を介して商用電力系統に接続されるようにすることで、短期変動のない電力を発電し、商用電力系統に供給して売電することができる。

この自然再生可能エネルギー蓄熱システム１Ａでは、ポンプＰにて熱源媒体を循環させる蓄熱回路３Ａには、１つの電気ヒータ４とともに、２つのタンク８Ａ，８Ｂが蓄熱部として設けられている。電気ヒータ４は１つで下流側のタンク８Ａの上流側に設けるようにしているが、一方のタンク８Ａの上流側だけでなく、もう一方のタンク８Ｂの上流側にも電気ヒータを設けることも可能である。

蓄熱回路３Ａの、電気ヒータ４によって加熱された熱源媒体は、バイナリー発電装置２Ａ，２Ｂ，２Ｃそれぞれに独立に供給され、バイナリー発電装置２Ａ，２Ｂ，２Ｃそれぞれにおいて蒸発器で熱交換により作動媒体が蒸発し、発電が行われる。

自然再生可能エネルギー発電装置５によって発電されていない場合あるいは発電量が不足している場合であっても、バイナリー発電装置２Ａにて発電された電力を利用して電気制御回路６を介して電気ヒータ４を動作させ、蓄熱回路３Ａの熱源媒体は前記必要な温度を維持する蓄熱状態にあるので、バイナリー発電装置２Ａ，２Ｂ，２Ｃによる発電は継続され、バイナリー発電装置２Ｂ，２Ｃによる売電は続けることができる。

また、前記実施の形態では、熱源媒体を電気ヒータ４にて直接加熱するようににしているが、例えば図３に示すように、電気ヒータ４（加熱手段）にて前記熱源媒体とは異なる加熱媒体を蓄熱回路３Ｂで循環させながら加熱し、熱交換器９を用いて前記加熱された加熱媒体とバイナリー発電装置２の熱源媒体との間で熱交換する自然再生可能エネルギー蓄熱装置１Ｂとすることも可能である。熱交換器９での熱交換により、バイナリー発電装置２の熱源媒体が前記必要な温度に加温される。この場合には、バイナリー発電装置２の熱源媒体にふさわしくない媒体を加熱媒体として利用することで、前述した実施の形態と同様な効果が得られる。

ここで、電気ヒータ４は、電気制御回路６を介して自然再生可能エネルギー発電装置５によって発電された電力、あるいはバイナリー発電装置２にて発電された電力の一部を利用することで、電気ヒータ４を動作させることができるようになっている。この場合も、蓄熱部としてのタンク８、電気ヒータ４、バイナリー発電装置２などを複数個設けることもできる。

１ 自然再生可能エネルギー蓄熱システム
１Ａ，１Ｂ 自然再生可能エネルギー蓄熱システム
２ バイナリー発電装置
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ バイナリー発電装置
３ 蓄熱回路
３Ａ，３Ｂ 蓄熱回路
４ 電気ヒータ
５ 自然再生可能エネルギー発電装置
６ 電気制御回路
７ 電力計
８ タンク
８Ａ，８Ｂ タンク
９ 熱交換器

Claims (6)

1. 蒸発器にて熱源媒体との熱交換により沸点の低い作動媒体を蒸発させ、その蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置に用いる自然再生可能エネルギー蓄熱システムであって、
   前記熱源媒体を循環させる蓄熱回路と、
   前記蓄熱回路に設けられ前記熱源媒体を加熱する加熱手段と、
   自然再生可能エネルギー発電装置によって発電された電力、あるいは前記バイナリー発電装置にて発電された電力の一部を利用して、前記加熱手段を動作させる制御手段とを備え、
   前記バイナリー発電装置にて発電された電力の残部が商用電力系統に供給されることを特徴とする自然再生可能エネルギー蓄熱システム。
   
2. 前記蓄熱回路は、前記熱源媒体を一時的に貯留するタンクを含み、ポンプにて前記熱源媒体を循環させるものである請求項１記載の自然再生可能エネルギー蓄熱システム。
   
3. 前記加熱手段は、前記タンクの上流側に設けられている請求項２記載の自然再生可能エネルギー蓄熱システム。
   
4. 前記熱源媒体は、オイル又は水であり、
   オイルの場合は２００度程度に、水の場合は９０度程度に加熱される、請求項１〜３のいずれかに記載の自然再生可能エネルギー蓄熱システム。
   
5. 複数個の前記バイナリー発電装置を備えるものであり、
   前記複数個のバイナリー発電装置の一部は前記加熱手段を動作させるのに利用され、残部は商用電力系統に接続されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の自然再生可能エネルギー蓄熱システム。
   
6. 蒸発器にて熱源媒体との熱交換により沸点の低い作動媒体を蒸発させ、その蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置に用いる自然再生可能エネルギー蓄熱システムであって、
   加熱媒体を循環させる蓄熱回路と、
   前記蓄熱回路に設けられ前記加熱媒体を加熱する加熱手段と、
   前記蓄熱回路の、前記加熱手段によって加熱された前記加熱媒体と、前記熱源媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、
   自然再生可能エネルギー発電によって発電された電力、あるいは前記バイナリー発電装置にて発電された電力の一部を利用して、前記加熱手段を動作させる制御手段とを備え、
   前記バイナリー発電装置にて発電された電力の残部が商用電力系統に供給されることを特徴とする自然再生可能エネルギー蓄熱システム。

Images