JP2017533380A - 蒸発潜熱の再利用による高効率エネルギー変換サイクルシステム - Google Patents

Abstract

蒸発潜熱を再利用することによる高効率エネルギー変換サイクルのための発電装置（システム）及び方法が開示される。一実施形態では、本発明は、複数のタービンサイクルを生成することによって、存在するプラントサイクル設計における大気中に戻される廃熱の量を減らすことによって、効率の改善を実現することができる。第１サイクルの蒸発潜熱は、第２サイクルの入力段に入力され、第２サイクルの廃熱（蒸発潜熱）は、第３サイクルの入力段に入力される。以下同様。最終サイクルの廃熱だけが、大気中に戻される。

Description

本明細書に記載される主題は、一般に発電に関し、より詳細には、発電用タービンを効率的に駆動する多段システムに関する。

現在、世界の電気の大部分は、高圧水蒸気に水を加熱することによって生成され、その後、発電機を回転させて電気を生成するタービンを回転させるために使用される。水を加熱するために、太陽、石炭、ガス、原子力等任意の数の手段を使用することができる。高圧蒸気がタービンに入ると、それはタービンブレードに衝突し、タービンにそのエネルギーの一部を与える。タービンブレードと複数回衝突した後、蒸気は相当量のエネルギーを失い、タービンを出て、水になるまで蒸気を冷却する凝縮器に低圧で入る。その後、ポンプはこの水をサイクルの高圧入力段に戻し、水は加熱され蒸気に戻され、このサイクルを連続的に繰り返す。

この設定の問題は、蒸気を液体に戻し、ポンプが最小のエネルギー要求で流体をサイクルの開始に戻すためには、凝縮器が蒸発潜熱を除去しなければならないことである。このエネルギーは、廃熱として周囲に廃棄される。水の場合、蒸発潜熱は約２２５７ｋJ/Ｋｇであり、非常に大きなエネルギー量である。これはサイクル当たり作動流体に加えられる全熱エネルギーの４０〜６０％（動作温度に依存する）以上である。したがって、最高の発電所でさえ効率は４０％に達することはめったにない。この廃棄潜熱を利用して電気に変換することができれば、発電所の効率が大幅に向上する可能性がある。

既存の電力サイクルは数多くあるが、ランキンサイクル等の既存の電力サイクルの問題は、大気中に又は周囲に排出されなければならない低品質の廃熱が大量にあるため、その効率が大きく制限されることである。 蒸発（又は、凝縮）潜熱のほとんどは廃熱として排出されなければならず、これはどんなサイクルの効率をも大きく制限する。

この概要は、蒸発潜熱を再利用することによる高効率エネルギー変換サイクルシステム（装置）及びその方法に関する概念を紹介するために提供され、この概念は、以下の詳細な説明でさらに説明される。この概要は、特許請求された主題の本質的な特徴を特定することを意図するものでもなく、この概要は、特許請求された主題の本質的な特徴を特定することを意図するものでもなく、特許請求される主題の範囲を決定又は制限する際に使用することも意図していない。

（技術的課題）
ポンプが最小限のエネルギー条件でサイクルの始まりへ流体を揚げることができるように、凝縮器は蒸気を液体に戻すために蒸発潜熱を除去しなければならない。このエネルギー（潜熱）は廃熱として周囲に廃棄される。したがって、最高の発電所でさえ効率は４０％に達することはめったにない。

（技術的解決手段）
本発明は、いかなる段の蒸発潜熱をも大気中に排出するのではなく、次の段の入力段に移すことにより、効率的かつ経済的に上記の技術的課題を解決する機構を提供し、それによって電力サイクルの効率を大幅に向上させる。

一実施形態で、本発明の基本的な目的は、既存の及び将来の全ての発電所の熱の電気への変換効率を高めることによって、公知技術の不利/欠点を克服することである。

一実施形態で、本発明は、より高い効率で現在の技術で可能な発電所における熱エネルギーの電気エネルギーへの変換を提供する。

一実施形態では、本発明の使用により改善される効率は、既存のプラントサイクル設計において大気中に排出される廃熱の量を低減することによって達成される。

一実施形態で、本発明は、複数のタービンサイクルを作成することによって、第１サイクルの蒸発潜熱が第２サイクルの入力段に注入され、第２サイクルの廃熱（蒸発潜熱）が第３サイクルの入力段に注入され、以下同様である機構を提供する。最終サイクルの廃熱だけが大気中に排出される。

一実施形態で、本発明は、廃棄潜熱の利用を可能し、それを電気に変換し、それによって発電所の効率を大幅に向上させる。この廃熱交換機構は、最終出力が何らかの形の非電気出力であっても、全ての熱ベース電力システムと共に使用することができる。

一実施態様では、いずれかの段の蒸発潜熱を大気中に廃出する代わりに次の段の入力段に移すことによって、本発明は、電力サイクルの効率を高める。

一実施態様では、本発明は、作動流体、タービン出口温度及び圧力を適切に選択することにより、蒸発潜熱を全て次の段に移動させることができ、それによってその段の作動流体を所望の温度に加熱するのに必要なエネルギー量を大幅に低減することができる。この結果、第１段後の全ての段で非常に高い効率が得られ、全体的な効率が非常に高くなる。

蒸発潜熱を大気中に排出するのではなく、次の段の入力段に移すことによって、どんな電力サイクルの全体的な性能をも向上させるために、本発明の実施形態は、本出願の複数の態様を提供する。複数の態様は、蒸発潜熱の再利用による高効率エネルギー変換サイクルシステム/装置及び方法を提供する。技術的な解決策は次のとおり。

別の態様では、少なくとも２段システムを有する多段発電装置が開示される。この発電装置は、第１作動流体、ボイラー、タービン、熱交換器、ポンプ等を備え、発電用に構成された第１段電力サイクルと、第２作動流体、ボイラー、タービン、熱交換器、ポンプ等を備え、発電用に構成された第２段電力サイクルとを含み、前記第２作動流体は、発電のための第２段電力サイクルから発生する廃熱（蒸発潜熱及び/又は凝縮熱）を吸収する。

別の態様では、少なくとも２段電力サイクルを有する発電装置を使用して発電する方法が開示される。この方法は：
・第１作動流体、ボイラー、タービン、熱交換器、ポンプ等を含む第１段電力サイクルを用いた発電と、
・第２の作動流体を含む第２段の潜熱交換機構及びタービンサイクルを用いた発電とを含み、
・第２作動流体は、発電のための潜熱交換機構の第１段から発生した廃熱（蒸発潜熱及び/又は凝縮熱）を吸収する。

本発明の一実施形態では、第１段の低品質廃熱が第２サイクルの入力段に移され、第２サイクルの廃熱が第３サイクルの入力段に移され、以下同様である。より多くの段があるほど、最終的な全体的な効率は大きくなるが、段を増やすと財務的利益が減少する。さらに、適切な物理的性質を有する十分な数の作動流体が無限の段数を有するとは限らない。このプロセスを詳細に説明するためには、概念の説明には2つの段で十分であり、残りの説明は、２段システムに基づく。

添付図面を参照して詳細な説明をする。図面において、参照番号の最も左の桁は、参照番号が最初に現れる図を識別する。同様の特徴及び構成要素は、図面全体にわたって同じ番号を使用する。
図１は、既存の発電プラントサイクルの単純化された概略図を示す（従来技術）。 図２は、本主題の実施形態による、非常に高い効率を達成する多段サイクルの単純化された概略図を示す。 図３は、本主題の実施形態による、水及びアンモニアが作動流体として使用される場合、２段システムがどのように見えるかの例を示す。 図４は、本主題の実施形態による、少なくとも２段の潜熱交換機構を備えた発電装置を使用して電力を生成する方法を示す図である。 図５は、本主題の実施形態による、第１段の潜熱交換機構１０００の間に実施される方法を示す。 図６は、本主題の実施形態による、第２段の潜熱交換機構２０００の間に実施される方法を示す。

以下、本発明の実施形態における技術的解決策について、本発明の実施形態における添付図面を参照して明確に説明する。明らかに、記載された実施形態は、本発明の全ての実施形態ではなく単なる一部に過ぎない。創造的な努力なしに本発明の実施形態に基づいて当業者によって得られる全ての他の実施形態は、本発明の保護範囲内に入るものとする。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細な説明を、本発明の原理を説明する添付図面と共に以下に提供する。本発明は、そうした実施形態に関連して説明されるが、本発明は、いかなる実施形態にも限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定され、本発明は、多数の代替、変更及び等価物を包含する。本発明の完全な理解のために、多くの具体的な詳細を以下に述べる。これらの詳細は、例示のためであり、本発明は、これらの特定な詳細の一部又は全部がなくても、請求項に従って実施することができる。明瞭にするために、本発明に関連する技術分野において知られている技術的材料は、本発明が不必要に不明瞭にならないように詳細には記載されていない。

なお、説明を理解するには、読者が熱力学について基本的な最小限の理解を有することが必要であろう。

ここで、図１を参照すると、先行技術としての既存のプラントサイクルの基本レイアウトが示されている。

潜在的な蒸発熱を再利用することによる高効率エネルギー変換サイクルについての態様は、任意の数の異なるシステム、環境、及び/又は構成で実施することができるが、実施形態は、以下の例示的なシステムに関して説明する。

ここで、図２を参照すると、本主題の実施形態に従って、非常に高い効率を達成する多段サイクルの単純化された概略図が示されている。

一実施形態では、第１段の低品質廃熱が、第２サイクルの入力段に移され、第２サイクルの廃熱が、第３サイクルの入力段に移され、以下同様である。より多くの段があるほど、最終的な全体的な効率は大きくなるが、段を増やすと財務的利益が減少するだろう。さらに、適切な物理的性質を有する十分な数の作動流体が無限の段数を有するとは限らない。

一実施形態では、このプロセスを詳細に説明するためには、概念の説明には、２つの段で十分であり、残りの説明は、２段システムに基づく。

ここで、図３を参照すると、本主題の実施形態に従う、水及びアンモニアが作動流体として使用される場合に、２段システムがどのように見えるかの例が示されている。

一実施態様では、簡略化のために、高圧及び低圧タービンのみが段Ａ１０００に示され、単段タービンのみが段Ｂ２０００に示されている。さらに、サイクル効率及び性能を改善するために、既に存在する再生熱、開放給水加熱器、その他のマイナーな変更等、既存の技術は、全て意図的に除外されている。提案された改善された設計の全ての段で、効率改善の既存技術は、全て使用することができる。本明細書全体で言及されている熱物性値は、全て、国立標準技術研究所（NIST）のウェブサイトwww.nist.com、特にwebbook.nist.gov/chemistry/fluid/から取得されている。

一実施形態では、改良されたシステムの様々な段１０００又は２０００において使用することができる広範囲の流体が存在し得るが、説明のために、本明細書では、水が第１作動流体として段Ａ１０００で使用され、アンモニアが第２作動流体として段Ｂ２０００で使用されると仮定する。段Ａ１０００が第１段であり、ポンプＡ１によって、例えば２５０バール（又は、任意の他の所望の圧力）の高圧で液体水が点１３からボイラーＡ２に送られる。ボイラー２では、例えば６００℃（又は、任意の他の所望の温度）の高温に加熱され、超臨界又は加熱流体として点１０でボイラーＡ２から出る。この高温高圧の超臨界流体は、高圧タービン３内で膨張され、かなりの温度及び圧力降下の後、ボイラーＡ２に戻され、再加熱されて５０バールで６００℃に戻され（又は、任意の他の所望の温度）そして 低圧タービン４に送られ、最終的なエネルギー抽出が行われ、電気が生成される。

既存のシステムでは、蒸気/気体は、ほぼ真空状態にて点１１でタービンを出て、蒸発（又は、凝縮）潜熱は、冷却水を用いて凝縮器内の廃熱として除去される。これにより、蒸気を点１２で液体に戻すことができるので、高圧でシステムにポンプで戻してサイクルを繰り返すことができる。

本発明では、蒸気は点１１で十分に高い圧力及び温度で低圧タービンＡ４4から出て、その潜熱エネルギーが使用例ではアンモニアである第２作動流体に移送されるようにしているが、これは、先行技術からの最初の大きな逸脱が生じる所である。当然ながら、これは、既存の先行技術と比較した場合、段Ａ１０００の効率をわずかに低下させることもあるが、段Ａ１０００の全ての蒸発潜熱は、既存の先行技術の場合のように大気中に廃棄されるのではなく、熱交換器Ａ１００の段Ｂ２０００の作動流体へ移動する。潜熱エネルギーを段Ｂ２０００に移送するこのプロセスでは、段Ａ１０００の蒸気/気体は、点１２で液体に戻され、凝縮液ポンプＡ１によって高圧で入力段１３に戻される。

一実施形態では、段Ｂ２０００が、段Ａ１０００の多量の潜熱エネルギーを既に吸収しているので、所望の温度を達成するには、段Ｂ２０００では、はるかに少ない追加エネルギーを加えればよい。熱交換器Ａ１００の段Ａ１０００の蒸気の潜熱エネルギーを吸収することにより、アンモニアは、既に点１４で高温高圧の蒸気に変換されている。この例では、選択された圧力及び温度で、アンモニアが点１４で蒸気であることは、当業者には理解されよう。しかし、この場合、アンモニアである作動流体Ｂは、段Ｂについて所望される運転圧力に応じて、点１４で液体、蒸気、超臨界液体又は超臨界蒸気として熱交換器Ａ１００を出ることができる。次に、 それはボイラーＢ５に入り、点１５でタービンＢ６に入る前に所望の温度に加熱される。点１６で低圧でタービンＢ６6を出ると、アンモニアは熱交換器B 100に入り、点17で液体になるまで冷却される。次いで、ポンプＢ７は、液体アンモニアを高圧点１８（サブ臨界、臨界又は超臨界圧力であり得る）に汲み揚げる。

一実施形態では、段Ｂ２０００で加えられたエネルギーの総量のかなりの量が、段Ａ１０００の蒸発潜熱の段Ｂ２０００への移動から得られたので、アンモニアを所望の温度にするためには、段Ｂ２０００では、はるかに少ない追加エネルギーでよい。従って、第1段の後の全ての段は、非常に高い効率で動作し、これは、段Ａ１０００でのわずかな効率低下を補足する以上のものである。

一実施形態では、各段は、他の段から分離されてもよく、異なる段のどの流体も混合されない。

一実施態様では、各段で異なる流体を使用することができる。当業者であれば、同じ流体を後の段で使用することもできるが、それはより低い圧力での使用であることが理解されるだろう。

一実施形態では、所望されるように且つシステム及び発電プラントの要件に応じて、各段階で異なる圧力及び温度を用いることができる。

一実施形態では、本発明は、再生熱、開放給水加熱器、多段タービン等の既存の技術のいずれかを使用をでき、個々の段で引き続き使用できる。

一実施形態では、本発明は、石炭、太陽、核等を含むが、これに限定されないどのような熱源とも共に使用することができる。

一実施形態では、どの段の蒸発潜熱も、液体から蒸気又は超臨界蒸気への完全又は部分的な相変化を引き起こすのに十分な高温及び高圧で、次の段の入力に移されてもよく、このプロセスでは、第１段の蒸気を液体に変換することができる。

一実施形態では、最終段を除く全てのタービン出口圧力は、大気温度及び圧力を上回ってもよい。

一実施態様では、個々の必要条件に応じて、任意の数の段及び作動流体の選択を選ぶことができる。

一実施形態では、熱-電気変換の第１段の効率は、現在の設計で可能なものに関して、わずかに低減できることがわかる。後続の段は、１００％を超える可能性のある「仮想」効率を有する可能性があり、以下のセクションで説明する。

一実施形態では、（必須ではないが）最良の結果を得るために、段Ａ１０００の作動流体は、最も高い臨界点温度を有することができる。 後続の各段、例えば、２０００は、前の段より低い臨界点温度の作動流体を有することができる。したがって、水は、一般に、第１段の流体として選択される。

一実施形態では、本発明は、ガス燃焼プラントの下段として使用することができる。

一実施態様では、熱交換器１００に加えて、熱を１つの段から次の段に移すためにヒートポンプを使用することもできる。ヒートポンプは、エネルギーを消費して効率を低下させるが、エネルギーを移送するために熱交換器において場合によっては維持しなければならない温度降下の除去も可能にする。熱交換器に温度降下がないと効率が良くなり、ヒートポンプで消費されるエネルギーを無効にするのに役立つ。 例えば、熱交換器を使用して、温度差を維持しながらエネルギーの大部分を移送し、ヒートポンプを使用して最終的なエネルギー量を移して、温度差が存在しないようにすることができる。これは、最終段階で役立つかもしれない。

一実施形態では、少なくとも２段システムを有する多段発電装置が開示される。この発電装置は、第１作動流体（図示せず）を含み、発電用に構成され、廃熱（蒸発及び/又は凝縮の潜熱）を発生させる第１段電力サイクル１０００と、第２作動流体（図示せず）を含み、発電用に構成され、廃熱（蒸発及び/又は凝の潜熱）を発生させる第２段電力サイクル２０００とを備え、第２作動流体は、発電のために第１段の出力サイクルから発生した廃熱（蒸発及び/又は凝縮の潜熱）の全てを吸収する。

一実施形態では、第１発電段は、第１作動流体を高圧で流すように構成されている第１手段１、高圧で第１作動流体を受け取り、第１作動流体を高温に加熱して過熱流体又は蒸気を生成するように構成されている第２手段２、加熱流体/蒸気を受け取り、一定の温度及び圧力に降下するまで膨張させるように構成されている第３手段３及び第４手段４を含み、作動流体は、その廃熱（蒸発及び/又は凝縮の潜熱）と共に低圧及び低温で電力抽出段を出る。

一実施形態では、本発明は、熱交換機構１００を備え、この熱交換機構１００は、第１段１０００から発生した廃熱（蒸発及び/又は凝縮の潜熱）を第２作業段２０００内の第２作動流体へ移送し、この第２作動流体を高温及び高圧の流体又は蒸気に変換する。

一実施形態では、熱交換機構１００は、第１段電力サイクル１０００中に第４手段４からの第１作動流体の蒸気を受け取り、それが液体状態に変換されるまで冷却し第１手段１に送るか、又は、第２段電力サイクル２０００中に第７の手段７からの第２作動流体の蒸気を受け取り段Ａ１０００の廃棄エネルギーで加熱するように構成されている。

一実施形態では、第２段電力サイクルは、高温及び高圧で液体又は蒸気状態の第２作動流体を受け取り、液体又は蒸気状態の第２作動流体を高温及び高圧の蒸気に加熱するように構成されている第５手段５、加熱蒸気を高温高圧で受け取り、その蒸気から電力を生成し、その蒸発及び/又は凝縮の潜熱で低圧及び低温で電力抽出段を出て、熱交換器２００に入るように構成され、その廃熱（潜熱）が次の段に移送されるか大気に排出されるかのいずれかである第６手段６、及び、液体状態の第２作動流体を高圧で流すように構成された第７手段７を含む。

ここで、図４を参照すると、本主題の実施形態による、少なくとも２段の潜熱交換機構を有する発電装置を使用して電力を生成する方法が示されている。

この方法の記述順序は、限定的な解釈を意図するものではなく、説明された方法の任意の数のブロックを任意の順序で組み合わせて、この方法又は代替方法を実装することができる。さらに、本明細書に記載された主題の範囲から逸脱することなく、個々のブロックをこの方法から削除することができる。さらに、この方法は、任意の適切なハードウェア、ファームウェア、又は、それらの組み合わせで実施することができる。ただし、以下の実施形態では、説明を容易にするために、上述した発電装置にこの方法を適用したものと考えてもよい。

ブロック４０２において、第１作動流体を用いて電力が生成される。生成方法は、図５の説明で述べる。

ブロック４０４において、第１作動流体の蒸発及び/又は凝縮の潜熱（廃熱）が、第１流体から物理的に隔離された第２作動流体に移される。このプロセスでは、第１作動流体が、蒸気から液相に変換される。

ブロック４０６において、第１段の廃熱の全てを吸収した後の第２作動流体をさらに加熱して、使用可能な電力を発生させる所望の温度を得ることができる。 生成方法は、図６の説明で述べる。

ブロック４０８において、電力抽出後、第２作動流体の残りのエネルギー（廃熱）は、第３作動流体に又は廃熱として周囲に移送されてもよい。

ここで、図５を参照すると、本主題の実施形態による、第１段電力サイクル１０００の間に実行される方法が示されている。

ブロック５０２において、第１手段１を用いて高圧の第１作動流体が通過する。

ブロック５０４において、高圧の第１作動流体が、第２手段２によって受け取られる。第２手段２は、第1作動流体を高温に加熱して加熱流体を生成する。

ブロック５０６において、加熱流体は、第３手段３及び第４手段４によって受け取られる。手段３及び４は、発電目的のために、一定の温度及び圧力に降下するまでそれを膨張させる。

ブロック５０８において、効率を高めるためのどの既存の手段をもまた必要に応じて利用できる。

ブロック５１０において、この段で発生した廃熱（潜熱）は、潜熱交換機構Ａ１００の第２段の作動流体に移される。このプロセスでは、第１作動流体が、液相に戻され、再び 第１手段１に供給され、サイクルは、１０００で繰り返される。

ここで、図６を参照すると、本主題の実施形態による第２段電力サイクル２０００の間に実行される方法が示されている。

ブロック６０２において、高圧の第２作動流体が、第７手段７を使用して通過する。

ブロック６０４において、段Ｂ２０００の第２作動流体は、段Ａ１０００の第１作動流体の廃熱（蒸発/凝縮潜熱）を全て吸収し、このプロセスで、その温度及びエネルギー量を著しく上昇させる。

ブロック６０６では、高温高圧の第２作動流体が、熱交換機構１００から流出し、段Ａ１０００からの潜熱が、第２作動流体に供給され、第５手段５によって高温高圧で受け取られ、所望であれば、さらに最終温度まで加熱される。

ブロック６０８において、第２作動流体は、エネルギー生成を目的として、高温高圧で第６手段６に流入する。

ブロック６１０において、効率を高めるための任意の既存の手段もまた必要に応じて利用することができる。

ブロック６１２において、第２段２０００で生成された余剰廃熱は、第３作動流体に移送されるか、熱交換器２００によって大気中に放出又は排出される。このプロセスでは、第２作動流体は、液相に戻され、再び第７手段７に供給され、このサイクルは、段Ｂ２０００で繰り返される。

蒸気から液体水への相変化で放出される大量のエネルギーは、この例では、アンモニアである別の液体中での相変化（完全又は部分的）によってのみ除去できることに留意されたい。代替案は、潜在的な熱が低温廃熱として環境に失われる河川又は海洋からの大量の冷却水の既存技術を使用することである。本発明は、比較的低圧の作動流体の全ての潜在エネルギーを別のタービンサイクルの高圧入力段に移送することを可能にする。 作動流体、圧力及び温度を適切に選択することにより、所望の効率を達成することが可能である。

一実施態様では、使用される温度及び圧力又は冷却剤の選択は、プロセスの理解を助けるための一例にすぎず、個々の状況に応じて任意の温度又は圧力又は冷却剤を使用することができる。重要な点は、潜熱が廃熱として大気中に排出されるのではなく、冷却剤に応じてタービン出口圧力と温度を適切に選択して次の段に移すことである。カルノー方程式によって設定された限界を超えることができる理由は、熱からエネルギーを抽出するために相変化を利用するシステムには実際には適用できなかったということである。このステートメントを支持する明白な例は、作動中のどのシステムもカルノー方程式によって定義された効率に近づいていなかったという事実である。相変化を利用するどのシステムでも、理想的な条件下での実際の最大効率は：

ここで、Ｑ_ｉｎは、ｋＪ/ｋｇの単位の１キログラム当たりの全エネルギー入力であり、ΔＨ_ｖａｐは、タービン出口圧力におけるｋＪ/ｋｇの単位の蒸発潜熱である。

上式において、タービンを出る蒸気は、飽和蒸気ではない。飽和蒸気が許されるか又は望ましい場合、潜熱値は、それに応じて調整されるべきである。本明細書で前述したように、２つの段が使用される場合、方程式は、次のようになる。

ここで、

は、段ＡのｋＪ/ｋｇの単位の1キログラム当たりのエネルギー入力であり、

は、段ＢのｋＪ/ｋｇの単位の１キログラムあたりのエネルギー入力であり、

は、段Ａのタービン出口圧力におけるｋＪ/ｋｇの単位の蒸発潜熱であり、

は、段Ｂのタービン出口圧力におけるｋＪ/ｋｇの単位の蒸発潜熱であり、εは、段Ａと段Ｂとの間に存在し、（段Ｂの質量流量）/（段Ａの質量流量）として定義される異なる流量を補償するフロー係数である。
同様に、２段以上の場合、方程式は：

ここで、ｎは、段数であり、ε_nは、段ｎの質量流量を段Ａの質量流量で割ったものである。
エネルギー損失を考慮する必要がある場合、方程式は、次のようになる。

ここで、Ｅ_ｔは、システム全体の総エネルギー損失である。

当然のことながら、上記の式から、以下の観察/理解を行うことができる。
１）段の数が多いほど、全体の効率は大きくなる。
２）理想的なシステムで段の数を無制限にすると、効率は１００％に近づくだろう。しかし、実際にはそうするのに十分な作動流体を見つけることは困難であり、各追加段で出力が減少すると、出力及び財務収益の両方を最適化するために、それを３又は４段に制限することが最善だろう。
３）上記方程式から、低蒸発潜熱を有する作動流体を選択してシステムの効率を高めることができるかもしれない。これは、実際には、起こることの正反対である。上の方程式は、エネルギー、熱、摩擦、又は他の損失がない理想的な状態で起こることを表しています。実際の状況では、低潜熱の流体が使用された場合、凝縮水ポンプ及び供給水ポンプは、生成される総エネルギー量の大部分を必要とする。その化学的特性は別として、蒸発潜熱が非常に大きいので、水が明らかに最良の選択である。蒸発潜熱が高いほど、相変化時に発生する膨張体積が大きくなり、この非常に大きな蒸気の膨張比により、タービンを効率的に駆動させることができ、凝縮水ポンプ及び給水ポンプに必要な電力は非常に小さい。
４）最終段の潜熱のみが大気に排出される。
５）上記の式は、相変化を熱エネルギーの他の形態の使用可能エネルギーへの変換に利用するシステムに適用される。
６）現在の設計では、エネルギー抽出を試み、最大化するために、蒸気は、一般的に飽和蒸気としてタービンを出て、低圧タービンブレードを損傷させる。この設計では、タービンブレードの寿命を延ばす必要はない。

（作業例：理論的結果）
以下の例は、本明細書で説明する設計の利点を示す。 その唯一の目的は、コンセプトの説明を助けるのみであり、プロセスの説明に使用される流体、温度、圧力のどの側面においても、この設計の保護範囲を制限するものではない。点１０において超臨界流体が６００℃及び２５０バールの圧力にあると仮定すると、それは、３４９３ｋＪ/ｋｇのエンタルピーを有する。現在の設計では（再加熱も他の効率向上技術もないと仮定して）、０.１バールでタービンを出ると約２４５０ｋＪ/ｋｇのエンタルピーを有し、約２２５７ｋＪ/ｋｇは、蒸発（又は、凝縮）潜熱 であり、わずか３５％（（３４９３-２２５７）/３４９３）の効率をもたらす低品質廃熱として大気に放出される。今しなければならないことは、２２５７ｋＪ/ｋｇのこの廃熱が大気中に廃棄されないことを確認することであり、非常に効率的なシステムを有していることである。

一例として、点１１において、蒸気をタービンから流出させ、凝縮器Ａに、例えば、１８０℃及び１０バールの圧力で流すと、エンタルピーは、タービンを出る際に約２７７７ｋＪ/ｋｇとなる。凝縮器Ａで、この熱エネルギーは、段Ｂに移され、そこでは、作動流体が、温度４０℃、エンタルピー５３６ｋＪ/ｋｇの作動点１８において、１００バールのアンモニアである。サイクルＡとＢの流体は、互いに完全に隔離されており、流体が直接接触していないことが必須である。これにより、異なる段を異なる圧力及び温度で動作させることができ、それらの要件に応じて、それらを制御することができる。１００バールでアンモニアは、１２５.１７℃を超える相変化を受けるが、段Ａで１０バールの水蒸気は、相を１７９.８８℃未満変化させる。この温度差は、熱交換器Ａの段ＡからＢへのエネルギー移動を可能にし、アンモニアが、液相から気相に進むにつれて、段Ａの蒸気は、冷却されて液体になり、より高い圧力へとポンプで送られ、サイクルは、継続する。蒸気から液体水への相変化によって放出される大量のエネルギーは、アンモニアが液体から蒸気へと相変化することのみによってしか吸収できない。アンモニアが１８３１ｋＪ/ｋｇのエンタルピー、１８０℃で、熱交換器Ａを出るとき、段Ａにおいて、水中で利用可能な全ての潜在エネルギーを吸収している。

段Ｂの流量は、段間で転送される必要があるエネルギーの量に一致するように、段Ａの流量より高くても低くてもよい。熱交換器Ａでは、蒸気は、２０２７ｋＪ/ｋｇ（２７７７ｋＪ/ｋｇ-７５０ｋＪ/ｋｇ）を放出するが、アンモニアは、１２９５ｋＪ/ｋｇ（１８３１ｋＪ/ｋｇ-５３６ｋＪ/ｋｇ）しか吸収できない。この特定の例で、この全てのエネルギーを移動させるためには、アンモニアの質量流量は、それを変換するのに必要な全てのエネルギーを吸収するために、水の質量流量よりも１.５６（２０２７ｋＪ/ｋｇ/１２９５ｋＪ/ｋｇ）倍大きくなければならない。アンモニアのサイクルに対して、より低い又はより高い流量比が好ましい場合、要件に応じて段Ａのタービン出口圧力及び温度を単純に増加又は減少させるだけでよい。

１つの段から次の段へエネルギー移動させるために熱交換器内で約５０℃の温度差が維持され、所望又は必要であれば、ヒートポンプを最終的なエネルギー量移動のために使用できると仮定する。より低い又はより高い温度差が望ましい場合、この計算は、それに応じて調整される。ヒートポンプを使用して、１つの段から次の段に熱を伝達することもでき、その場合、必要に応じて温度差がゼロ又は負になることがある。これにより、各段の効率が若干高くなるが、それが有益かどうかを判断するには、ヒートポンプで使用されるエネルギーも考慮する必要がある。

図３に示されたシステムは、段Ａの効率をわずかに低下させたが、段Ａの潜熱を段Ｂの入力に移し、作動流体を点１４で高圧蒸気にしており、必要な全てのことは、ボイラーＢ内に少し余分なエネルギーがあり、図３に示すように、アンモニア温度を１８０℃から４２０℃又は約７８１ｋＪ/ｋｇ（２６１２ｋＪ/ｋｇ-１８３１ｋＪ/ｋｇ＝７８１ｋＪ/ｋｇ）にすることである。比較により、３４８４ｋＪ/ｋｇを段階Ａに添加する。これは、段Ｂに対して（（２６１２-１６３７）/（２６１２-１８３１））×１００＝１２５％のように、「仮想」効率を与える。最初の２段の平均効率は、（総エネルギー出力）/(総エネルギー入力 =（（３４９３-２９２６＋（３６６７-２７７７）＋1.５６×（２６１２-１６３７）/（３４９３-７５０＋３６６７-２９２６＋１.５６×（２６１２-１８３１））＝６３.３％である。エネルギー損失が考慮されていないので、この数字は、近似値である。 しかし、わずか２段で（段Ａで１回の再加熱のみを使用）、設計は、現在の設計システムで可能な全ての性能限界を既に大幅に超えている。第３段は、カルノー方程式によって設定された効率を上回る効率をもたらし、したがって、それらを無効にする。無制限の段数及び理想的なシステムによれば、実際に１００％近くの効率に近づくことができる。

上述の例示的な実施形態は、いくつかの利点を提供することができる。本開示の態様を実施するために必要とされるわけではないが、これらの利点は、以下を含み得る：
・単位電力あたりのコストが減少すること。 同じ量の電気出力に対して、燃料を燃焼させなければならないので、汚染は減少する。
・汚染により温度が急上昇するという重大な危険に直面している地球上では、これは大きな救済策となる。
・もう一つのメリットは、既存の発電容量が、比較的少額の追加投資で大幅に増加することである。

本発明で使用される様々な手段があることは、当業者には留意され、理解されるであろう。 各手段は、上に開示したような特定の機能を実行するための特定の装置である。 例えば：
第１手段及び第７手段は、ポンプ及びポンプと同様の機能又は目的を有する装置を含むが、これらに限定されない。
第２手段及び第５手段は、ボイラー及びボイラーと同様の機能又は目的を有する装置を含むが、これらに限定されない。
第３手段、第４手段及び第６手段は、高圧タービン、低圧タービン及び、高圧/低圧タービンと同様の機能又は目的を有する装置を含むが、これらに限定されない。

蒸発潜熱を再利用することによる高効率エネルギー変換サイクルのためのシステムの構成は、構造的特徴及び/又は方法に特有の言語で記載されているが、添付の特許請求の範囲は、記載された特定の特徴又は方法に必ずしも限定されないことを理解されたい。

本明細書全体に記載されている例は、設計の基本概念の理解を助けるためのものであり、決して設計の範囲を限定するものではない。重要な点は、蒸発/凝縮潜熱（廃熱）が、現在の慣行であるように、大気中に排出されるのではなく、後続の段に移されて熱-電気変換の効率を高めることである。本明細書に記載したような蒸発/凝縮潜熱（廃熱）を利用しようとする小さな変更や改造を伴う全ての設計も本特許の範囲に含まれる。

Claims (18)

1. 少なくとも２段の潜熱（廃熱）交換機構を有する多段発電装置であって、
   第１作動流体を含み、発電用に構成され、蒸発及び/又は凝縮の潜熱（廃熱）のエネルギーを含むタービン出口蒸気を生成する第１段の電力サイクルと、
   第２作動流体を含み、発電用に構成された第２段の電力サイクルとを含み、
   前記第２作動流体は、発電用の前記第１段の電力サイクルから発生した前記蒸発及び/又は凝縮の潜熱（廃熱）を吸収することを特徴とする多段発電装置。
2. 前記第１作動流体は、蒸気へ加熱され、
   前記第２作動流体は、前記第１作動流体とは独立した動作温度及び圧力を有する蒸気へ加熱されることを特徴とする請求項１に記載の多段発電装置。
3. 前記第１段電力サイクルは、
   前記第１作動流体を高圧で流すように構成された第１手段と、
   前記第１作動流体を高圧で受け取り、前記第１作動流体を高温に加熱して加熱流体/蒸気を生成するように構成された第１手段と、
   前記加熱流体/蒸気を受け取り、一定の温度及び圧力に低下するまで膨張させ、温度及び圧力を低下させた前記加熱流体を廃熱交換機構に送るように構成された第３及び第４の手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の多段発電装置。
4. 熱交換機構を備え、
   前記熱交換機構は、前記第１段電力サイクルから発生した廃熱を前記第２段電力サイクルにおいて前記第２作動流体に伝達するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多段発電装置。
5. 前記第２段電力サイクルは、
   高温及び高圧で液状又は蒸気状の第２作動流体を受けとり、前記第２作動流体を蒸気状態で前記動作温度まで加熱するように構成されている第５手段と、
   高温高圧で前記加熱蒸気を受け取り、低温低圧で前記多段発電装置を出て他の熱交換機構に流入して、その廃熱を第３段電力サイクルへ移動するか又は大気中に排出する蒸気から電力を生成するように構成されている第６手段と、
   前記第２作動流体を高圧で通過させるように構成されている第７手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の多段発電装置。
6. 前記熱交換機構は、
   前記第１段電力サイクルの間に、前記第４手段から前記第１作動流体の蒸気を受け取り、液体状態に変換されるまで冷却し、前記第１手段に送るか、又は、
   前記第２段電力サイクルの間に、前記第６手段から前記第２作動流体の蒸気を受け取り、液体状態に変換されるまで冷却し、前記第７手段に送るように構成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の多段発電装置。
7. 全ての前記作動流体は、作動流体としての使用に適した流体の群から選択され、互いに独立した圧力及び温度で作動され、
   必要に応じて全段で異なる圧力及び温度を使用することができることを特徴とする請求項１に記載の多段発電装置。
8. 異なる段で、異なる作動流体が使用され物理的に分離され混合できないことを特徴とする請求項１に記載の多段発電装置。
9. 前記第１段の蒸発潜熱は、温度とエネルギー量の著しい増加及び前記第２作動流体の液体から蒸気又は超臨界蒸気への相変化を引き起こすのに十分に高い圧力及び温度で前記第２段に移され、
   かかる過程で前記第１段の蒸気は、液体に変換されることを特徴とする請求項１に記載の多段発電装置。
10. 前記第２作動流体の液体から蒸気又は超臨界蒸気への相変化は、完全な相変化又は部分的な相変化であることを特徴とする請求項９に記載の多段発電装置。
11. 前記流体は、前記潜熱交換機構において、潜熱のエネルギーが１つの段から次の段へ容易に移動できるような物理的特性を有して選択されることを特徴とする請求項１に記載の多段発電装置。
12. 前記廃熱交換機構は、最終出力が何らかの形の非電気出力であっても、全ての熱ベース電力システムと共に使用されるように適合されていることを特徴とする請求項1に記載の多段発電装置。
13. 前記個々の段のいずれかが、必要に応じて、臨界未満、臨界又は超臨界温度、及び、圧力で動作するように適合されていることを特徴とする請求項１に記載の多段発電装置。
14. 少なくとも２段電力サイクルを有する発電装置を用いて電力を生成する方法であって、
    第１作動流体を含む第１段電力サイクルにおいて、電力、及び、廃熱（蒸発及び/又は凝縮の潜熱）を含むタービン出口蒸気を生成する工程と、
    第２作動流体を含む第２段電力サイクルにおいて、電力及び廃熱（蒸発及び/又は凝縮の潜熱）を生成する工程とを有し、
    前記第２作動流体は、電力を発生させる熱交換機構において前記第１段から発生する廃熱（蒸発及び/又は凝縮の潜熱）を吸収することを特徴とする方法。
15. 第１手段によって、高圧で前記第１作動流体を通過させる工程と、
    第２手段によって、前記高圧で前記第１作動流体を受け取る工程と、
    前記第２手段によって、前記第１作動流体を高温に加熱する工程と、
    第３手段によって、前記加熱流体を受け取り、一定の温度及び圧力に低下するまで膨張させ、温度及び圧力を低下させた前記加熱流体を温度及び圧力を下げた流体を再加熱するための前記第２手段に送り、温度及び圧力を低下させた前記流体を再加熱する工程と、
    第４手段によって、高温及び低圧又は中圧で生成された蒸気から電力を生成する工程と、
    前記第４手段によって、蒸発及び/又は凝縮の潜熱のエネルギーを含む低温低圧の出口蒸気を生成する工程とを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 熱交換機構を使用して、前記第１段電力サイクルから発生した蒸発及び/又は凝縮の潜熱を前記第２段電力サイクルで前記第２作動流体に交換し、前記第２作動流体を、相変化を受ける加熱流体又は蒸気に変換することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 第５手段を使用して、相変化又は蒸気状態の加熱流体中の前記第２作動流体を前記熱交換機構から高温及び高圧で受け取る工程と、
    前記第５手段を使用して、蒸気状態の前記第２作動流体を一定の温度まで加熱する工程と、
    第６手段を使用して、高温高圧で加熱蒸気を受け取り、低温低圧で生成されて前記第６手段から出て蒸発及び/又は凝縮の潜熱を含む蒸気から電力を生成する工程と、
    第７手段を使用して、高圧で前記第２作動流体を通過させる工程とを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 熱交換機構を使用して、前記第１段電力サイクル中に、前記第４手段からの前記第１作動流体の蒸気を受け取り、液体状態に変換されるまで冷却し、前記第１手段に送る工程と、
    熱交換機構を使用して、前記第２段電力サイクル中に、前記第２作動流体の蒸気を前記第６手段から受け取り、液体状態になるまで冷却し、前記第７手段に送る工程と、
    熱交換機構を使用して、前記第２段電力サイクル後の蒸発潜熱を放出又は次段に移送する工程とを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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