JP2019019691A - バイナリー発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機を冷却するためのラインの閉塞を防止することができるバイナリー発電装置を提供する。【解決手段】バイナリー発電装置１は、作動媒体を循環させる作動媒体循環ラインＬ３が接続された蒸発器２および凝縮器４と、蒸発器２および凝縮器４の間に設けられて、作動媒体循環ラインＬ３が接続された膨張機３ａと膨張機３ａに連結された発電機３ｂとを含む膨張発電機３と、発電機３ｂを冷却するための冷却源が通る母管側冷却ラインＬ４と、発電機３ｂに設けられて、冷却源によって冷却される冷却媒体を循環させる冷却媒体循環ラインＬ１０と、母管側冷却ラインＬ４および冷却媒体循環ラインＬ１０が接続されて、冷却源と冷却媒体との熱交換により冷却媒体を冷却する間接熱交換器７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、バイナリー発電装置に関する。

特許文献１に記載されるように、低温廃熱から電力としてエネルギー回収するため、低沸点の作動媒体を用いた発電装置が知られている。また特許文献２に記載されるように、温泉水等を熱源として利用し、低沸点の作動媒体を蒸発させてオーガニックランキンサイクルによる発電を行うバイナリー発電装置が知られている。

特開２０００−１１０５１４号公報 特開２０１７−２８３３号公報

バイナリー発電装置では、発電機が発熱するため、発電機を冷却する必要がある。発電機の冷却方法として、バイナリー発電装置に備わる凝縮器に用いる冷却水を分流させ、発電機側へ導入して冷却を行うという方法が考えられる。しかしながら、使用する冷却水にスケール成分やその他の不純物などが含まれている場合、発電機内の流路においてスケールの析出や不純物の堆積が生じ得る。スケールの析出や不純物の堆積は、冷却水ラインの閉塞を招き得る。冷却水ラインが閉塞することで、発電機の冷却不良が生じ得る。その結果、発電機の損傷を引き起こす可能性もある。

本発明は、発電機を冷却するためのラインの閉塞を防止することができるバイナリー発電装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るバイナリー発電装置は、作動媒体を循環させる作動媒体循環ラインが接続された蒸発器および凝縮器と、蒸発器および凝縮器の間に設けられて、作動媒体循環ラインが接続された膨張機と膨張機に連結された発電機とを含む膨張発電機と、発電機を冷却するための冷却源が通る冷却源取込みラインと、発電機に設けられて、冷却源によって冷却される冷却媒体を循環させる冷却媒体循環ラインと、冷却源取込みラインおよび冷却媒体循環ラインが接続されて、冷却源と冷却媒体との熱交換により冷却媒体を冷却する間接熱交換器と、を備える。

このバイナリー発電装置によれば、膨張発電機の発電機には、冷却媒体が循環する冷却媒体循環ラインが設けられる。冷却媒体循環ライン内の冷却媒体は、間接熱交換器において、冷却源によって冷却される。このように、冷却源と冷却媒体とは、間接熱交換器によって縁切りされており、冷却媒体循環ラインは、閉じたループを形成している。よって、冷却源にスケール成分やその他の不純物などが含まれている場合でも、冷却媒体にはそのような物質は混入せず、その結果として冷却媒体循環ラインの閉塞が防止される。

いくつかの態様において、冷却源は、凝縮器に接続された冷却水ラインを通る冷却水であり、冷却源取込みラインは、冷却水ラインの凝縮器よりも上流側から分岐している。この場合、凝縮器において、作動媒体を冷却し凝縮させるために用いられる冷却水を、発電機を冷却するために用いることができる。すなわち、母管から冷却水を取り込む（引き込む）ので、冷却源を別途設ける必要がない。

いくつかの態様において、冷却源は作動媒体であり、冷却源取込みラインは、作動媒体循環ラインの凝縮器よりも下流側であって蒸発器の上流側から分岐している。この場合、作動媒体循環ラインを循環する作動媒体を、発電機を冷却するために用いることができる。作動媒体は蒸発器において加熱されるが、間接熱交換器における冷却媒体との熱交換により、作動媒体の予熱が可能である。

本発明のいくつかの態様によれば、冷却源にスケール成分やその他の不純物などが含まれている場合でも、冷却媒体循環ラインの閉塞が防止される。

本発明の第１実施形態に係るバイナリー発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るバイナリー発電装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１を参照して、第１実施形態に係るバイナリー発電装置１について説明する。バイナリー発電装置１は、比較的低温の熱源を利用して発電を行う装置である。バイナリー発電装置１は、たとえば工場や源泉井戸等といった低温の廃熱（熱源）が得られる場所に設置されて、廃熱からのエネルギー回収を行う。バイナリー発電装置１は、たとえば、廃熱から熱を受け取った温水を用いて発電を行うことができるように構成されている。バイナリー発電装置１は、たとえば５〜２０ｋＷ程度の出力で発電可能な小型の発電システムである。バイナリー発電装置１は、たとえばオーガニックランキンサイクル（Organic Rankine Cycle；ＯＲＣ）が採用された装置である。バイナリー発電装置１では、温水とバイナリー発電装置１内の作動媒体との間で、熱交換が行われる。バイナリー発電装置１に用いられる作動媒体は、水よりも沸点の低い冷媒であり、たとえば代替フロン等である。

図１に示されるように、バイナリー発電装置１は、蒸発器２と、膨張発電機３と、凝縮器４とを備える。バイナリー発電装置１は、これらの蒸発器２、膨張発電機３および凝縮器４に接続されて作動媒体の循環ラインを形成する作動媒体循環ラインＬ３と、この作動媒体循環ラインＬ３に設けられた作動媒体循環ポンプ８とを備える。作動媒体循環ラインＬ３は、作動媒体循環ポンプ８から吐出される作動媒体を循環させる。本明細書において、「ライン」は、内部を流体が流れる配管もしくは管路、または、空間を意味する。

作動媒体循環ラインＬ３は、蒸発器２の下流側であって凝縮器４の上流側に設けられる第１部Ｌ３ａと、凝縮器４の下流側であって蒸発器２の上流側に設けられる第２部Ｌ３ｂとを含む。第１部Ｌ３ａには主として気相の作動媒体が流れ、第２部Ｌ３ｂには主として液相の作動媒体が流れる。本明細書において、「上流」および「下流」は、内部の流体の流れを基準とする。

蒸発器２は、熱源によって加熱された温水（熱源）１１と作動媒体との熱交換により、作動媒体を加熱する。蒸発器２には、温水ラインＬ１が通ると共に、作動媒体循環ラインＬ３が通る。蒸発器２には、第１部Ｌ３ａの上流端が接続されると共に、第２部Ｌ３ｂの下流端が接続される。蒸発器２は、たとえば向流式の熱交換器である。蒸発器２は、並流式の熱交換器であってもよい。蒸発器２として、複数の熱交換器が設けられてもよい。

凝縮器４は、作動媒体と冷却水（冷却源）１２との熱交換により、作動媒体を冷却および凝縮し、液化する。凝縮器４には、冷却水ラインＬ２が通ると共に、作動媒体循環ラインＬ３が通る。凝縮器４には、第１部Ｌ３ａの下流端が接続されると共に、第２部Ｌ３ｂの上流端が接続される。冷却水ラインＬ２には、たとえば冷却塔等の冷却手段が接続されてもよい。凝縮器４は、たとえば向流式の熱交換器である。凝縮器４は、並流式の熱交換器であってもよい。凝縮器４として、複数の熱交換器が設けられてもよい。

冷却水ラインＬ２は、冷却手段等から冷却水１２を供給するための供給部Ｌ２ａと、凝縮器４内に設けられて作動媒体を冷却するための冷却部Ｌ２ｂと、凝縮器４における熱交換後の冷却水を冷却手段等に戻すための戻り部Ｌ２ｃとを含む。

膨張発電機３は、蒸発器２および凝縮器４の間に設けられている。膨張発電機３は、たとえばタービン型の膨張機３ａと、膨張機３ａに連結された発電機３ｂとを含んでいる。膨張機３ａには、作動媒体循環ラインＬ３の第１部Ｌ３ａが接続されている。膨張発電機３は、蒸発器２で加熱されて蒸発した作動媒体を用いてタービンを回転させ、発電機３ｂで発電を行う。発電機３ｂには、電力変換器が接続されている。電力変換器は、たとえば、ＡＣ−ＤＣコンバータ、系統連系コンバータ、および、絶縁トランス等の機器を含む。なお、膨張発電機３における膨張機３ａの型式は、タービン型に限られず、他の型式でもよい。

作動媒体循環ラインＬ３の第２部Ｌ３ｂには、リザーバタンク６が設けられている。このリザーバタンク６は、第２部Ｌ３ｂ内を流れる作動媒体を貯留する。上記した作動媒体循環ポンプ８は、第２部Ｌ３ｂのリザーバタンク６よりも下流側であって蒸発器２の上流側に設けられている。

バイナリー発電装置１では、膨張発電機３の冷却が必要とされる。バイナリー発電装置１は、膨張発電機３の発電機３ｂを冷却するための特別な機構を備える。以下、その冷却機構について説明する。

バイナリー発電装置１では、発電機３ｂを冷却するための間接的な冷却源として、冷却水ラインＬ２を通る冷却水１２が用いられる。より詳細には、バイナリー発電装置１は、冷却水ラインＬ２の供給部Ｌ２ａから分岐して、冷却水ラインＬ２の戻り部Ｌ２ｃに合流する母管側冷却ライン（冷却源取込みライン）Ｌ４を備える。すなわち、母管側冷却ラインＬ４が、冷却水ラインＬ２の凝縮器４よりも上流側から分岐しており、これによって母管側冷却ラインＬ４には、冷却水ラインＬ２を通る冷却水１２が導入（分流）される。

母管側冷却ラインＬ４には、たとえば、冷却水取込みポンプ９と流量計１４とが設けられる。流量計１４は、たとえば性能低下を検知するためのインターロック用センサである。冷却水ラインＬ２からの冷却水１２の取水量（分流率）は、冷却水取込みポンプ９および流量計１４によって適宜調整され得る。

更に、膨張発電機３の発電機３ｂには、冷却媒体を循環させる冷却媒体循環ラインＬ１０が設けられる。より詳細には、冷却媒体循環ラインＬ１０は、閉じたループを形成している。したがって、冷却媒体循環ラインＬ１０内の冷却媒体は、空気に触れることがない。発電機３ｂには、冷却媒体循環ラインＬ１０の一部である冷却部Ｌ１０ａが設けられている。この冷却部Ｌ１０ａは、たとえば、発電機３ｂの周囲に形成された冷却ジャケットである。冷却媒体循環ラインＬ１０には、水等の作動媒体が封入されている。なお、作動媒体は、水に限られず、たとえばブライン等の不凍液であってもよい。

冷却媒体循環ラインＬ１０には、たとえば、冷却媒体循環ポンプ１０と流量計１５とが設けられる。冷却媒体循環ポンプ１０は、小流量タイプの小型ポンプである。流量計１５は、たとえば作動媒体の漏れを検知するためのセンサである。

バイナリー発電装置１は、冷却水１２と冷却媒体との熱交換により冷却媒体を冷却する間接熱交換器７を備える。間接熱交換器７には、上記した母管側冷却ラインＬ４および冷却媒体循環ラインＬ１０が接続されている。間接熱交換器７は、たとえばプレート式の熱交換器である。間接熱交換器７は、たとえば向流式の熱交換器である。間接熱交換器７は、並流式の熱交換器であってもよい。間接熱交換器７における熱交換量（すなわち発電機３ｂの冷却熱量）は、冷却媒体循環ポンプ１０および流量計１５によって適宜調整され得る。間接熱交換器７は、凝縮器４等に比して、小型の熱交換器である。

母管側冷却ラインＬ４や間接熱交換器７は、たとえばステンレス製である。これにより、母管側においてスケールの析出や不純物の堆積が進んだとしても、薬液洗浄によってそれらの除去が可能になっている。冷却塔が開放型である場合等は、冷却水に不純物（たとえば温泉地における硫黄分等）が混入しやすいが、そのような冷却水を用いる場合でもメンテナンス性が高められている。

上記した蒸発器２、膨張発電機３、凝縮器４、リザーバタンク６、間接熱交換器７、作動媒体循環ラインＬ３、母管側冷却ラインＬ４、および冷却媒体循環ラインＬ１０等は、筐体５０内に収納されてもよい。

本実施形態のバイナリー発電装置１によれば、膨張発電機３の発電機３ｂには、冷却媒体が循環する冷却媒体循環ラインＬ１０が設けられる。冷却媒体循環ラインＬ１０内の冷却媒体は、間接熱交換器７において、冷却水１２によって冷却される。このように、冷却水１２と冷却媒体とは、間接熱交換器７によって縁切りされており、冷却媒体循環ラインＬ１０は、閉じたループを形成している。よって、冷却水１２にスケール成分やその他の不純物などが含まれている場合でも、冷却媒体にはそのような物質は混入せず、その結果として冷却媒体循環ラインＬ１０の閉塞が防止される。特に、発電機３ｂの冷却ジャケットは流路が広いため、流速が落ちることで、スケールの析出や不純物の堆積がしやすい。その場合でも、冷却媒体にはスケール成分や不純物が含まれない（または含まれても極少量である）ことにより、スケールの析出や不純物の堆積が防止される。なお、発電機３ｂのケーシングにはアルミニウムが使用され得るが、スケール等を除去するためには強酸性の薬液が使用されることがある。そのため、アルミニウム製の発電機３ｂのケーシングを薬液洗浄することは難しいが、本実施形態では、そのような必要もない。なお、発電機３ｂが冷却されるのに伴って、膨張機３ａのケーシングが冷却されてもよい。

凝縮器４において、作動媒体を冷却し凝縮させるために用いられる冷却水１２を、発電機３ｂを冷却するために用いることができる。すなわち、母管である冷却水ラインＬ２から冷却水１２を取り込む（引き込む）ので、冷却源を別途設ける必要がない。

続いて、図２を参照して、第２実施形態に係るバイナリー発電装置について説明する。第２実施形態に係るバイナリー発電装置１Ａが第１実施形態のバイナリー発電装置１と違う点は、冷却水ラインＬ２と発電機３ｂとの間に設けられた冷却媒体循環ラインＬ１０および間接熱交換器７に代えて、作動媒体循環ラインＬ３の第２部Ｌ３ｂと発電機３ｂとの間に設けられた作動媒体予熱ライン（冷却源取込みライン）Ｌ６および間接熱交換器１７を備えた点である。

作動媒体予熱ラインＬ６は、作動媒体循環ラインＬ３のリザーバタンク６よりも下流側であって作動媒体循環ポンプ８よりも上流側から分岐し、その作動媒体循環ポンプ８と蒸発器２との間に合流している。これによって、作動媒体予熱ラインＬ６には、作動媒体循環ラインＬ３を通る作動媒体が導入（分流）される。すなわち、バイナリー発電装置１Ａでは、作動媒体の一部が、発電機３ｂを冷却するための間接的な冷却源となっている。作動媒体予熱ラインＬ６に導入される作動媒体は、たとえば液相（場合によって気相を含む）である。

作動媒体予熱ラインＬ６には、たとえば、作動媒体取込みポンプ１９と流量計１６とが設けられる。流量計１６は、たとえば性能低下を検知するためのインターロック用センサである。作動媒体循環ラインＬ３からの作動媒体の取込量（分流率）は、作動媒体取込みポンプ１９および流量計１６によって適宜調整され得る。

膨張発電機３の発電機３ｂには、冷却媒体を循環させる冷却媒体循環ラインＬ２０が設けられる。より詳細には、冷却媒体循環ラインＬ２０は、閉じたループを形成している。したがって、冷却媒体循環ラインＬ２０内の冷却媒体は、空気に触れることがない。発電機３ｂには、冷却媒体循環ラインＬ２０の一部である冷却部Ｌ２０ａが設けられている。この冷却部Ｌ２０ａは、たとえば、発電機３ｂの周囲に形成された冷却ジャケットである。冷却媒体循環ラインＬ２０には、水等の作動媒体が封入されている。なお、作動媒体は、水に限られず、たとえばブライン等の不凍液であってもよい。

冷却媒体循環ラインＬ２０には、たとえば、冷却媒体循環ポンプ２０と流量計１８とが設けられる。冷却媒体循環ポンプ２０は、小流量タイプの小型ポンプである。流量計１８は、たとえば作動媒体の漏れを検知するためのセンサである。

間接熱交換器１７には、作動媒体予熱ラインＬ６および冷却媒体循環ラインＬ２０が接続されている。間接熱交換器１７は、たとえばプレート式の熱交換器である。間接熱交換器１７は、たとえば向流式の熱交換器である。間接熱交換器１７は、並流式の熱交換器であってもよい。間接熱交換器１７における熱交換量（すなわち発電機３ｂの冷却熱量）は、冷却媒体循環ポンプ２０および流量計１８によって適宜調整され得る。間接熱交換器１７は、凝縮器４等に比して、小型の熱交換器である。

本実施形態のバイナリー発電装置１Ａによっても、バイナリー発電装置１と同様の作用・効果が奏される。また、作動媒体循環ラインＬ３を循環する作動媒体を、発電機３ｂを冷却するために用いることができる。作動媒体は蒸発器２において加熱されるが、間接熱交換器１７における冷却媒体との熱交換により、作動媒体の予熱が可能になっている。

なお、図２に示される作動媒体予熱ラインＬ６および作動媒体取込みポンプ１９の構成とは違って、作動媒体循環ポンプ８よりも下流側から作動媒体を取り込んで作動媒体循環ポンプ８よりも上流側に戻してもよい（その場合、作動媒体は逆向きに流れる）。しかし、上記したバイナリー発電装置１Ａにおける流れの向きの方が好ましい。バイナリー発電装置１Ａのように、作動媒体循環ポンプ８の上流側から作動媒体を取り込んで作動媒体循環ポンプ８の下流側に戻すことにより、間接熱交換器１７で温められた作動媒体が、作動媒体循環ポンプ８を経ることなく蒸発器２に供給される。よって、作動媒体循環ポンプ８の付近のみの温度が徐々に上昇することが防止される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。冷却源として、他の流体が用いられてもよい。バイナリー発電装置１の外部から冷却源が供給されてもよい。

１、１Ａ バイナリー発電装置
２ 蒸発器
３ 膨張発電機
３ａ 膨張機
３ｂ 発電機
４ 凝縮器
７ 間接熱交換器
８ 作動媒体循環ポンプ
１０ 冷却媒体循環ポンプ
１１ 温水
１２ 冷却水
１７ 間接熱交換器
２０ 冷却媒体循環ポンプ
Ｌ３ 作動媒体循環ライン
Ｌ４ 母管側冷却ライン（冷却源取込みライン）
Ｌ６ 作動媒体予熱ライン（冷却源取込みライン）
Ｌ１０、Ｌ２０ 冷却媒体循環ライン

Claims (3)

1. 作動媒体を循環させる作動媒体循環ラインが接続された蒸発器および凝縮器と、
   前記蒸発器および前記凝縮器の間に設けられて、前記作動媒体循環ラインが接続された膨張機と前記膨張機に連結された発電機とを含む膨張発電機と、
   前記発電機を冷却するための冷却源が通る冷却源取込みラインと、
   前記発電機に設けられて、前記冷却源によって冷却される冷却媒体を循環させる冷却媒体循環ラインと、
   前記冷却源取込みラインおよび前記冷却媒体循環ラインが接続されて、前記冷却源と前記冷却媒体との熱交換により前記冷却媒体を冷却する間接熱交換器と、を備える、バイナリー発電装置。
2. 前記冷却源は、前記凝縮器に接続された冷却水ラインを通る冷却水であり、
   前記冷却源取込みラインは、前記冷却水ラインの前記凝縮器よりも上流側から分岐している、請求項１に記載のバイナリー発電装置。
3. 前記冷却源は前記作動媒体であり、
   前記冷却源取込みラインは、前記作動媒体循環ラインの前記凝縮器よりも下流側であって前記蒸発器の上流側から分岐している、請求項１に記載のバイナリー発電装置。

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