JP4846632B2

JP4846632B2 - 施設園芸用温室のトリジェネレーションシステム

Info

Publication number: JP4846632B2
Application number: JP2007070928A
Authority: JP
Inventors: 隆雄中垣; 幸夫大橋; 隆雨宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: JP2008228622A

Description

本発明は、施設園芸用温室へ電力・熱・二酸化炭素を供給する施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムの改良に関する。

周知の如く、施設園芸の温室では、夜間の冷温時に室内の暖房として加温機を用いている。この加温機は、重油や灯油のほかＬＰガスや都市ガスを燃料とし、バーナーで燃焼させて熱源としている。一方で、高品質な園芸作物を生産するために、温室内で光合成の原料の一つとなる二酸化炭素（以下、ＣＯ_２）濃度を高めるＣＯ_２施用装置も普及している。加温機の排気ガスは、炭化水素である燃料を燃焼させるため大気中よりも高濃度のＣＯ_２を含んでおり、この排気ガスをＣＯ_２施用として直接温室内に供給する装置が実用化されている。これらの技術を開示した例としては、例えば特許文献１、特許文献２が知られている。

また、図１０に示すように、ガスエンジンなどを原動機とした熱電併給のコージェネーションシステムを導入して、発電した電力を人工照明や農業施設の電源として利用するとともに、排気ガスから温湯として熱を回収し、温室の加温に用いるシステムも欧州を中心に普及している。さらに、このコージェネレーションシステムから出る原動機の排気ガス中に含まれるＣＯ_２を温室内に供給して光合成に利用することを目的とした、いわゆる熱・電気・二酸化炭素のトリジェネレーションシステムも導入されている。

図１０において、図中の符番１は原動機であり、この近くにラジエータ２が配置されている。原動機１には、脱硝器３、キャタライザー４、排熱回収器５が順次接続されている。図１０のシステムでは、原動機１の排熱は排熱回収器５で回収され、温室６を加温するための加熱源として利用され、余剰分は貯湯槽７に蓄熱される。
特開２００４−３４４１５４号公報特開２００４−１６９９３７号公報

施設園芸において、発電した電気の大部分は人工照明等の用途に限られている。従って、冬季以外の日照が十分な期間に発電機を稼動させる場合は、余剰電力は系統を通じて売電されることになる。しかしながら、売電価格は決して高くはないため、暖房やＣＯ_２を供給するために発電機を稼動させるのは、運用上あまり得策とは言えない。ところで、温室に供給される電気、熱、ＣＯ_２のうち、最も優先順位の高いのは温室の温度を保つ熱源の確保であり、熱供給をベースにした発電機の運用がなされることになる。しかし、電気と熱の必要な時間帯は合致しないことが多く、これまでのトリジェネレーションシステムでは、貯湯槽を設けて温熱を一時貯留し、発電機の稼動していないときにも温室の加温ができるように熱源として利用するシステムが実用化されてきた。

ところが、ＣＯ_２の必要な時間帯は主に日の出の早朝から温室内換気が行われるまでの数時間である。従って、この時間帯にＣＯ_２源である原動機を稼動させても、電気および熱が不要なことが多く、効率的な運用が難しかった。さらには、ガスエンジン排気ガスに含まれる窒素酸化物・硫黄酸化物や未燃炭化水素などが作物の成長阻害要因となるため、排気ガスのクリーンアップシステムとして脱硝器や触媒装置が必要となり、装置の大型化、コストアップを招いていた。

本発明は、こうした事情を考慮してなされたもので、排気ガスに含まれる不純物を容易に取り除くとともにＣＯ_２を効率よく施用に利用し，さらに大幅に省エネルギー化できる環境に配慮した施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムを提供することを目的とする。

本発明は、施設園芸用温室へ電力・熱・二酸化炭素を供給するトリジェネレーションシステムにおいて、炭素を含む燃料を供給して発電する原動機と、この原動機に接続された，主にリチウム複合酸化物を含む二酸化炭素吸収材を用いた二酸化炭素貯留器と、発電中の原動機の燃焼排ガスの熱を貯めておく蓄熱器と、前記二酸化炭素貯留器の出口側に配置された、二酸化炭素貯留器内の二酸化炭素を温室に導入するか否かを選択可能なガス切り替え手段と、前記蓄熱器の出口側に配置された、蓄熱器に蓄積した熱を二酸化炭素貯留器または温室に導入するかを選択可能な熱供給切り替え手段とを具備し、前記原動機の稼働中は、二酸化炭素を二酸化炭素貯留器に蓄積しながら電気及び熱を温室に供給し、前記原動機の停止中は、二酸化炭素貯留器に蓄積した二酸化炭素のみを温室に供給するか、あるいは蓄熱器に蓄積した熱のみを温室に供給するか、あるいは二酸化炭素貯留器からの二酸化炭素及び蓄熱器からの熱の両者を供給する、４つの運転状態を選択可能な運転モードを有した構成であることを特徴とする施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムである。

本発明によれば、排気ガスに含まれる不純物を容易に取り除くとともにＣＯ_２を効率よく施用に利用し，さらに大幅に省エネルギー化できる環境に配慮した施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムを得ることができる。

以下、本発明に係る施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムについて説明する。
第１の発明において、前記二酸化炭素貯留器の出口側に、二酸化炭素貯留器内の二酸化炭素を温室に導入するか否かを選択可能なガス切り替え手段を更に具備し、前記原動機の稼働中は、二酸化炭素を二酸化炭素貯留器に蓄積しながら電気及び熱を温室に供給し、前記原動機の停止中は、二酸化炭素貯留器に蓄積した二酸化炭素のみを温室に供給する、２つの運転状態を選択できる運転モードを有した構成とすることが好ましい。これにより、原動機の稼働中は、後述する図３のように、二酸化炭素を二酸化炭素貯留器に蓄積しながら電気及び熱を温室に供給することになる。一方、原動機の停止中は、後述する図４のように、二酸化炭素貯留器に蓄積した二酸化炭素のみを温室に供給することになる。このように、第１の発明によれば、上述した構成を採用することにより、原動機の稼動状態に関係なく、必要な時にＣＯ_２を温室に供給することができるとともに、単純な構成でクリーンなＣＯ_２リッチ空気を温室に供給することができる。

第２の発明において、前記二酸化炭素貯留器の出口側に、二酸化炭素貯留器内の二酸化炭素を温室に導入するか否かを選択可能なガス切り替え手段を備えるとともに、前記蓄熱器の出口側に、蓄熱器に蓄積した熱を二酸化炭素貯留器または温室に導入するかを選択可能な熱供給切り替え手段とを更に具備し、前記原動機の稼働中は、二酸化炭素を二酸化炭素貯留器に蓄積しながら電気及び熱を温室に供給し、前記原動機の停止中は、二酸化炭素貯留器に蓄積した二酸化炭素のみを温室に供給するか、あるいは蓄熱器に蓄積した熱のみを温室に供給するか、あるいは二酸化炭素貯留器からの二酸化炭素及び蓄熱器からの熱の両者を供給する、４つの運転状態を選択可能な運転モードを有した構成とすることが好ましい。これにより、原動機の稼働中は、後述する図５のように、二酸化炭素を二酸化炭素貯留器に蓄積しながら電気及び熱を温室に供給することになる。また、原動機の停止中は、二酸化炭素貯留器に蓄積した二酸化炭素のみを温室に供給する（後述する図７参照）か、あるいは蓄熱器に蓄積した熱のみを温室に供給する（後述する図８参照）か、あるいは二酸化炭素貯留器からの二酸化炭素及び蓄熱器からの熱の両者を供給する（後述する図９参照）。

第２の発明によれば、上述した構成を採用することにより、原動機の稼動状態に関係なく、必要な時にＣＯ_２や熱を両者同時にあるいは別々に温室へ供給することができる。また、それぞれ最適な時間帯に合わせてＣＯ_２や熱を温室へ供給することが可能で、運転の自由度が高い装置を構築することができる。さらに、ＣＯ_２供給時にＣＯ_２貯留器の加熱源の一部を蓄熱器から供給することで、ＣＯ_２供給に伴う電力消費を大幅に削減することができる。

次に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べるものに限定されない。
（実施例１）（請求項１、２に対応）
図１に本発明に係る施設園芸温室のトリジェネレーションシステムの構成を、図２に一日の運転タイムスケジュールの一例を夫々示す。図２において、（Ａ）は電力，熱，二酸化炭素がいつ必要とするかを示す例であり、（Ｂ）は電力，熱，二酸化炭素をいつ供給するかを示す例である。

図１中の符番１１は原動機を示す。原動機１１は発電機を駆動させ、温室１６では発電した電気を人口照明等に利用する。原動機１１には、ＣＯ_２貯留器１２，排熱回収器１３が順次接続されている。また、ＣＯ_２貯留器１２の出口側，即ちＣＯ_２貯留器１２と排熱回収器１３を結ぶライン、及びこのラインから温室１６へ分岐するラインには、夫々ガス切り替え手段としての電動ダンパー１７ａ，１７ｂが設けられている。電動ダンパー１７ａ，１７ｂにより、ＣＯ_２貯留器１２に蓄積した二酸化炭素（ＣＯ_２）を温室１６に導入するか否かを選択することができる。即ち、電動ダンパー１７ａを閉じ、電動ダンパー１７ｂを開いた状態ではＣＯ_２貯留器１２からの二酸化炭素が温室１６に導入され、両方の電動ダンパー１７ａ，１７ｂを閉じた状態ではＣＯ_２貯留器１２に二酸化炭素を蓄積することになる。前記原動機１１、ＣＯ_２貯留器１２、排熱回収器１３及び電動ダンパー１７ａ，１７ｂ等により、施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムが構成されている。

原動機１１の排熱はＣＯ_２貯留器１２に回収され、温室１６の加温のための加熱源とし利用され、余剰分は貯湯槽１４に蓄熱される。なお、原動機１１が往復動機関の場合、エンジンブロックを冷却するための冷却水が循環しているため、排熱回収器１３と共に原動機１１の近くに配置されたラジエータ１５で放熱している熱を回収してもよい。原動機１１から出るＣＯ_２を含む排気ガスは、排熱回収器１３を通る前に二酸化炭素吸収材が充填されたＣＯ_２貯留器１２を通り、ここでＣＯ_２が蓄積される。二酸化炭素吸収材（以下、ＣＯ_２吸収材も同義）は、主にリチウム複合酸化物で構成され、常温から６００℃までの温度範囲で下記式（１）に示す反応においてＣＯ_２を吸収する。
Ｌｉ_４ＳｉＯ_４＋ＣＯ_２⇔Ｌｉ_２ＳｉＯ_３＋Ｌｉ_２ＣＯ_２＋Ｑ …（１）
この反応は可逆反応であり、６５０℃程度に加熱すると逆反応によりＣＯ_２を放出し、吸収材が再使用できる。反応に伴い、右方が発熱で左方が吸熱となる。図１は、この特徴を利用して原動機１１の稼動状態と無関係にＣＯ_２供給可能な構成となっている。

トリジェネレーションシステムの運転状態を図３及び図４を用いて説明する。図３は、原動機１１が稼動しており、ＣＯ_２を蓄積しながら電気および熱を供給している状態を示す。図２の（Ａ）の例では１５時から２１時ごろまでがこの状態となっている。その後、翌朝までの夜間は、原動機１１は熱需要に合わせた間欠的な運転を繰り返し、ＣＯ_２を蓄積しながら余剰電力は系統を通じて売却される。図２の（Ｂ）の例では２１時から翌朝７時ごろまでがこの状態となっている。

ＣＯ_２貯留器１２は原動機１１の稼動中に、排気ガス中に含まれるＣＯ_２を上記式（１）の反応によって２００℃〜４００℃の排気ガス温度で直接的に吸収・蓄積する。このとき、排熱回収器１３はＣＯ_２貯留器１２の上流あるいは下流のどちらに位置してもよい。しかし、ＣＯ_２吸収時には前述の通り発熱反応を生じるため、排気ガスが加熱されて原動機１１の排出温度よりも高くなる。したがって、排熱回収器１３を図３のようにＣＯ_２貯留器１２の下流に設置すれば、吸収反応の発熱も効率よく回収できる。ＣＯ_２貯留器１２の出口ガスは、この場合、煙道などを通じて屋外へ放出される。ＣＯ_２貯留器１２では、ＣＯ_２の他、ＮＯｘやＳＯｘなど、作物に有害であったり、成長を阻害する微量な酸化物もその分圧によっては吸収されることもあるが、ほとんどは反応せずにすり抜けてしまう。

一方、図４では原動機１１は停止しており、ＣＯ_２貯留器１２から蓄積したＣＯ_２を温室に供給している状態を示す。図２の（Ａ）の例では７時から１２時ごろまでがこの状態となっている。ＣＯ_２を供給する時は、ＣＯ_２貯留器１２に充填されたＣＯ_２吸収材を電気ヒータなどで効率よく所定の温度まで加熱してＣＯ_２を放出させ、空気で希釈してＣＯ_２リッチな空気を温室に送り込む。ＣＯ_２貯留器１２の出口ガスは、上述した電動ダンパー１７ａ，１７ｂを用いて煙道放出から温室導入へ切り替える。このとき、ＣＯ_２吸収材から放出されるのは１００％純度のＣＯ_２のみであり、他の有害物質は全く温室に供給されない。また、原動機１１及び排熱回収器１３は停止していても稼動していてもその状態はいずれでもよく、全く独立してＣＯ_２を供給することができる。

以上をまとめると、実施例１に係る施設園芸温室のトリジェネレーションシステムでは、原動機１１の稼動状態に関係なく、必要な時にＣＯ_２を温室１６に供給することができる。また、脱硫・脱硝及び還元・酸化触媒等を用いることなく、ＣＯ_２貯留器１２がその役目を果たし、単純な構成でクリーンなＣＯ_２リッチ空気を温室１６に供給することができる。

（実施例２）（請求項３、４に対応）
図５は、実施例２に係る施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムを示す。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。同システムは、原動機１１と、ＣＯ_２貯留器１２と、蓄熱器２１と、電動ダンパー１７ａ，１７ｂと、蓄熱器２１の出口側に設けられた熱供給切り替え手段としての電動ダンパー２２ａ，２２ｂで構成される。一方の電動ダンパー１７ａ，１７ｂはＣＯ_２貯留器１２と蓄熱器２１を結ぶライン，このラインから分岐して温室１６につながるラインに夫々設けられている。他方の電動ダンパー２２ａ，２２ｂは蓄熱器２１とＣＯ_２貯留器１２，温室１６を夫々結ぶラインに設けられている。図６には一日の運転タイムスケジュールの一例を示す。原動機１１が稼動している時は、発電した電気を温室内の人工照明などに供給する。図６の例では１６時から翌日１時ごろまでがこの状態となっている。

原動機１１から出た排気ガスはＣＯ_２貯留器１２、蓄熱器２１を通り、それぞれＣＯ_２および排熱を蓄積する。ＣＯ_２貯留器１２は原動機１１の稼動中に、排気ガス中に含まれるＣＯ_２を上記式（１）の反応によって２００℃〜４００℃の排気ガス温度で直接的に吸収・蓄積する。このとき、蓄熱器２１はＣＯ_２貯留器１２の上流あるいは下流のどちらに位置してもよい。しかし、ＣＯ_２吸収時には前述の通り発熱反応を生じるため、排気ガスが加熱されて原動機排出温度よりも高くなる。したがって、蓄熱器２１を図５のようにＣＯ_２貯留器１２の下流に設置すれば、吸収反応の発熱も効率よく回収できる。蓄熱器２１は、セラミックス充填材等、耐熱性があり、熱容量の大きなものが適している。そして、放熱を最小限にして、できるだけ高い温度を保てるように厳重に断熱されていることが望ましい。蓄熱器２１の出口ガスは、この場合、煙道などを通じて屋外へ放出される。

ＣＯ_２を供給する場合は、電動ダンパー２２ａを開け、電動ダンパー２２ｂを閉じた状態で、図７のように空気を蓄熱器２１に通し、ＣＯ_２貯留器１２へ２００℃〜３００℃に加熱した空気を送り込む。図６の例では７時から１２時ごろまでがこの状態となっている。ＣＯ_２貯留器１２からＣＯ_２を供給させるには、上記式（１）の反応によって６５０℃〜７００℃の温度が必要となるため、２００℃〜３００℃から反応温度の６５０℃〜７００℃までは電気的に加熱する。しかし、蓄熱器２１から送られる空気の顕熱を補助的に用いることで、ＣＯ_２貯留器１２内部を速やかに温度上昇させるとともに、ＣＯ_２供給に伴う電力消費を大幅に削減することができる。

一方、温室１６で熱供給のみが必要な場合は、電動ダンパー２２ａを閉じ、電動ダンパー２２ｂを開けた状態で、図８に示すように蓄熱器２１に空気や温水等の熱媒を通して温室を加温すればよく、原動機１１の運転状態とは無関係に熱供給が可能である。図６の例では１時から７時ごろまでがこの状態となっている。さらに、熱とＣＯ_２の両方が必要な場合は、図９に示すように蓄熱器１７から空気や温水等の熱媒を介して温室に供給し、一方でＣＯ_２貯留器１２を電気ヒータ等の電気的手段により反応温度の６５０℃〜７００℃まで加熱してから吸熱反応に必要な熱を与えることでＣＯ_２を供給する。この際、電動ダンパー１７ａ，２２ａは閉じ、電動ダンパー１７ｂ，２２ｂは開いた状態にある。図６の例では７時から９時ごろまでがこの状態となっている。この場合、図７に示した運転方法よりもＣＯ_２供給に必要な電気エネルギーは増加するが、熱とＣＯ_２の供給を全く独立させて行うことができる。蓄熱器１７の熱をＣＯ_２貯留器１２と温室とに切り替えて供給する手段は、例えば電動ダンパーで容易に実現できる。

以上をまとめると、実施例２に係る施設園芸温室のトリジェネレーションシステムによれば、原動機１１の稼動状態に関係なく、必要な時にＣＯ_２や熱を温室１６へ供給することができる。また、ＣＯ_２貯留器１２と蓄熱器２１と電動ダンパー１７ａ，１７ｂ，２２ａ，２２ｂを具備することにより、ＣＯ_２と熱を別々に供給することができる。このため、それぞれ最適な時間帯に合わせてＣＯ_２や熱を温室１６へ供給することが可能で、運転の自由度が高い装置を構築することができる。さらに、ＣＯ_２供給時にＣＯ_２貯留器１２の加熱源１１の一部を蓄熱器２１から供給することで、ＣＯ_２供給に伴う電力消費を大幅に削減することができる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。具体的には、実施例１，２では貯湯槽を設けた場合に述べたが、必ずしも必要なものではない。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１] 施設園芸用温室へ電力・熱・二酸化炭素を供給する施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムにおいて、炭素を含む燃料を供給して発電する原動機と、この原動機に接続された，該原動機の排熱を回収する排熱回収器と、前記原動機と排熱回収器間に配置された，主にリチウム複合酸化物を含む二酸化炭素吸収材を用いた二酸化炭素貯留器とを具備することを特徴とするトリジェネレーションシステム。
[２] 前記二酸化炭素貯留器の出口側に、二酸化炭素貯留器内の二酸化炭素を温室に導入するか否かを選択可能なガス切り替え手段を更に具備し、前記原動機の稼働中は、二酸化炭素を二酸化炭素貯留器に蓄積しながら電気及び熱を温室に供給し、前記原動機の停止中は、二酸化炭素貯留器に蓄積した二酸化炭素のみを温室に供給する、２つの運転状態を選択できる運転モードを有した構成であることを特徴とする[１]記載の施設園芸用温室のトリジェネレーションシステム。
[３] 施設園芸用温室へ電力・熱・二酸化炭素を供給するトリジェネレーションシステムにおいて、炭素を含む燃料を供給して発電する原動機と、この原動機に接続された，主にリチウム複合酸化物を含む二酸化炭素吸収材を用いた二酸化炭素貯留器と、発電中の原動機の燃焼排ガスの熱を貯めておく蓄熱器とを具備することを特徴とする施設園芸用温室のトリジェネレーションシステム。
[４] 前記二酸化炭素貯留器の出口側に、二酸化炭素貯留器内の二酸化炭素を温室に導入するか否かを選択可能なガス切り替え手段を備えるとともに、前記蓄熱器の出口側に、蓄熱器に蓄積した熱を二酸化炭素貯留器または温室に導入するかを選択可能な熱供給切り替え手段とを更に具備し、前記原動機の稼働中は、二酸化炭素を二酸化炭素貯留器に蓄積しながら電気及び熱を温室に供給し、前記原動機の停止中は、二酸化炭素貯留器に蓄積した二酸化炭素のみを温室に供給するか、あるいは蓄熱器に蓄積した熱のみを温室に供給するか、あるいは二酸化炭素貯留器からの二酸化炭素及び蓄熱器からの熱の両者を供給する、４つの運転状態を選択可能な運転モードを有した構成であることを特徴とする[３]記載の施設園芸用温室のトリジェネレーションシステム。

本発明の実施例１に係る施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムの構成を示す図。図１の二酸化炭素供給装置の運転タイムスケジュールの一例を示す図。図１の二酸化炭素供給装置の原動機が稼動している時の運転状態を示す図。図１の二酸化炭素供給装置の原動機が停止している時の運転状態を示す図。本発明の実施例２に係る施設園芸用温室のトリジェネレーションシステムの構成を示す図。図５の二酸化炭素供給装置の運転タイムスケジュールの一例を示す図。図５の二酸化炭素供給装置においてＣＯ_２を温室へ供給する場合の運転状態を示す図。図５の二酸化炭素供給装置において温室で熱供給のみが必要な場合の運転状態を示す図。図５の二酸化炭素供給装置において温室で熱とＣＯ_２の両方が必要な場合の運転状態を示す図。従来の施設園芸用温室のコージェネーションシステムの構成を示す図。

符号の説明

１１…原動機、１２…ＣＯ_２貯留器、１３…排熱回収器、１４…貯湯槽、１６…温室、１７ａ，１７ｂ，２２ａ，２２ｂ…電動ダンパー、２１…蓄熱器。

Claims

施設園芸用温室へ電力・熱・二酸化炭素を供給するトリジェネレーションシステムにおいて、
炭素を含む燃料を供給して発電する原動機と、
この原動機に接続された，主にリチウム複合酸化物を含む二酸化炭素吸収材を用いた二酸化炭素貯留器と、
発電中の原動機の燃焼排ガスの熱を貯めておく蓄熱器と、
前記二酸化炭素貯留器の出口側に配置された，二酸化炭素貯留器内の二酸化炭素を温室に導入するか否かを選択可能なガス切り替え手段と、
前記蓄熱器の出口側に配置された，蓄熱器に蓄積した熱を二酸化炭素貯留器または温室に導入するかを選択可能な熱供給切り替え手段とを具備し、
前記原動機の稼働中は、二酸化炭素を二酸化炭素貯留器に蓄積しながら電気及び熱を温室に供給し、
前記原動機の停止中は、二酸化炭素貯留器に蓄積した二酸化炭素のみを温室に供給するか、あるいは蓄熱器に蓄積した熱のみを温室に供給するか、あるいは二酸化炭素貯留器からの二酸化炭素及び蓄熱器からの熱の両者を供給する、
４つの運転状態を選択可能な運転モードを有した構成であることを特徴とする施設園芸用温室のトリジェネレーションシステム。