JP4917011B2 - スターリングエンジン発電装置 - Google Patents
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Description
η=(T1−T2)/T1×ηe
=(1200−700)/1200×25
=10.4%
以上の説明から明らかなように、スターリングエンジン発電装置で高い発電効率を得ることは難しい。
鋳物の製造工場において、高温の排ガスを排出する例えば鋳造装置等の排ガス源11には主排ガス通路12が接続され、その下流側には排ガスを吸引するための誘引通風機13が設けられている。前記主排ガス通路12には第1発電機14を備えた第1スターリングエンジン15の第1ヒータヘッド16が直列に接続されている。同じく前記主排ガス通路12には第2発電機18を備えた第2スターリングエンジン19の第2ヒータヘッド20が接続されている。
制御装置41の内部には各種のデータに基づいて各種の演算や判断を行なうことができる中央演算処理装置(CPU)42が設けられ、このCPU42には例えば制御プログラム等の各種のデータを予め記憶するためのリードオンリーメモリ(ROM)43及び各種のデータを記憶する記憶部としての読み出し書き込み可能なランダムアクセスメモリ(RAM)44が接続されている。前記制御装置41には図示しないインターフェースを介して各種のデータを入力したり、動作を指令したりする信号を入力するための入力装置45が接続されるとともに、各種のデータを表示可能な表示画面46aを有する表示装置46が接続されている。前記CPU42には最大発電効率を選択するための最大発電効率選択回路47が備えられるとともに、最大発電出力を選択するための最大発電出力選択回路48が備えられている。前記CPU42には図示しないインターフェースを介して前記第1及び第2流量センサ28、29、第1及び第2温度センサ30、31が接続され、各センサにより検出されたデータがCPU42に入力されるようになっている。前記CPU42には図示しないインターフェース及び駆動回路を介して前記第1〜第3流量調節弁22、25、27及び燃焼装置23が接続され、CPU42からの動作制御信号により各調節弁22、25、27及び燃焼装置23の動作が制御されるようになっている。
(F1+f1)×Cp×(T2−T1)=f1×H
Cp:定圧比熱、H:燃焼装置23の燃料発熱量
燃焼加熱用燃料に対する発電効率η1は、
η1=W1' /(f1×H)×100
次に、ケースBとして、排ガスの流量がF1のn倍大きいF2(=F1×n)の場合を考える。このとき燃焼加熱により発電出力がW2からW2' へ上昇し、燃焼加熱用燃料の消費量をf2とする。このときの熱量バランスとしては
(n×F1+f2)×Cp×(T2−T1)=f2×H
よって、
f2=n×f1
燃焼加熱用燃料に対する発電効率η2は
η2=W2' /(n×f1×H)×100
となる。
η={ 〔M1+M2〕/E} ×100
第1データ及び第2データは、第1スターリングエンジン15を一台運転した場合、第3〜第8データは、第1及び第2スターリングエンジン15,19を共に運転した場合を表す。第2スターリングエンジン19には前記第1ヒータヘッド16に供給される排ガスの流量Q16と、前記分岐排ガス通路24を介して前記第2スターリングエンジン19の第2ヒータヘッド20に供給される排ガスの流量Q20とを合わせた排ガスが供給される。
一方、図6のステップS4で、冬季において必要総発電出力Pが例えば60kWと低く設定され、使用者によってノーと判断された場合には、ステップS9において発電効率を優先して第1及び第2スターリングエンジン15,19が運転される。そして、ステップS10において、最大発電効率選択回路47によって図3に示すデータのなかから発電効率が最大の105%となる条件、即ち、第1スターリングエンジン15に供給される排ガスが元の排ガス温度の800℃から850℃に燃焼加熱され、ヒータヘッド16に供給される排ガスの流量Q16が0.4Kg/sに設定され、第1発電機14によって発電される出力がほぼ30kWに設定される。このため、第2発電機18に必要な発電出力P18は30kW(60kW−30kW)となり、この条件に適した運転条件が選択される。この選択は以下のように行われる。第1スターリングエンジン15のヒータヘッド16には850℃の排ガスが供給されるが、ヒータヘッド16を通過した排ガスの温度は前述したようにエンジン15の作動ガス温度(700℃)とほぼ同じ温度に低下する。このため、ステップS11において、前記分岐排ガス通路24から800℃の温度の排ガスを第2ヒータヘッド20に追加供給し、第2発電機18を30kWで運転するために必要な排ガスの分岐供給流量Q20が判別用データに基づいて制御装置41の最大発電効率選択回路47によって求められる。この排ガスの流量Q20は図4において排ガスの温度が800℃の特性曲線に基づいて、発電出力が30kWとなる例えば0.47Kg/sに設定される。
(1)上記実施形態では、前記主排ガス通路12に第1流量調節弁22及び燃焼装置23を設けるとともに、前記制御装置41のRAM44に排ガス温度、排ガス流量、発電出力及び発電効率の関係を表す判別用データを記憶するようにした。又、前記CPU42に設けた最大発電効率選択回路47又は最大発電出力選択回路48によって使用者のニーズに応じて、前記スターリングエンジン15に供給する排ガスの温度及び流量を調節するようにした。このため、使用者のニーズに応じて発電出力を優先して発電装置を運転したり、発電効率を優先して発電装置を運転したりすることができる。
この実施形態においては、前記燃焼装置23を第1燃焼装置23とし、前記ヒータヘッド16と第2ヒータヘッド20との間の前記主排ガス通路12に対し第2燃焼装置51を設けている。又、前記第2スターリングエンジン19と前記誘引通風機13との間の主排ガス通路12に熱交換器52を接続するとともに、大気を前記熱交換器52に供給する配管53を接続し、該配管53にポンプ54を設けている。さらに、前記熱交換器52から分岐された分岐空気供給配管55,56によって前記第1燃焼装置23及び第2燃焼装置51に対し排ガスの燃焼に必要な酸素を供給するための空気を供給するようにしている。
・前記主排ガス通路12に対し前記第2発電機18、第2スターリングエンジン19、第2ヒータヘッド20、分岐排ガス通路24及び第2流量調節弁25と同様に構成された発電機、スターリングエンジン、ヒータヘッド及び流量調節弁を有する分岐排ガス通路を複数箇所に接続し、スターリングエンジンが三基、四基、五基あるいはそれ以上となるようにしてもよい。
Claims (7)
- 排ガス源に接続される主排ガス通路に対し、発電機を備えた第1及び第2スターリングエンジンの両ヒータヘッドを直列に配設するとともに、前記両ヒータヘッドの上流側の主排ガス通路に第1流量調節手段及び燃焼装置を配設し、前記主排ガス通路に対し、前記第1流量調節手段及び燃焼装置の上流側の主排ガス通路と前記両ヒータヘッドの間の主排ガス通路とを接続する分岐排ガス通路を接続し、該分岐排ガス通路に第2流量調節手段を設け、前記主排ガス通路及び分岐排ガス通路に対し前記両ヒータヘッドにそれぞれ供給される排ガスの流量を検出する第1及び第2流量検出手段を設け、前記主排ガス通路に対し前記燃焼装置により燃焼加熱する前の排ガスの温度と、燃焼加熱後の温度とをそれぞれ検出する第1及び第2温度検出手段を設け、前記両流量検出手段及び両温度検出手段からの検出値に基づいて、前記両ヒータヘッドに供給される排ガスの流量及び燃焼加熱温度を調節するための制御信号を前記両流量調節手段及び燃焼装置に出力するための制御装置を設けたことを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
- 請求項1において、前記燃焼装置を第1燃焼装置とし、両スターリングエンジンのヒータヘッドの間の主排ガス通路には第2燃焼装置が設けられ、前記主排ガス通路の下流側に設けた熱交換器によって排ガスにより加熱された大気が前記両燃焼装置に燃焼用空気としてそれぞれ供給されるように構成されていることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
- 請求項1又は2において、前記制御装置に設けられた記憶部には排ガスの流量及び温度と、発電出力及び発電効率の少なくともいずれか一方との関係を判別することができる判別用データが記憶され、前記制御装置に接続された入力装置を操作することにより表示装置の画面に表示された前記判別用データの中から使用目的に応じたデータを選択できるように構成されていることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
- 請求項3において、前記判別用データは、横軸に発電出力、縦軸に発電効率を表すグラフにおいて、第1燃焼装置により燃焼加熱された後の排ガスの複数の温度と、各温度別に排ガスの流量を段階的に変化させた場合の発電出力及び発電効率の関係が複数本の特性曲線として表示されるものであることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
- 請求項3又は4において、前記判別用データは、横軸に排ガスの流量、縦軸に発電出力を表すグラフにおいて、第1燃焼装置により燃焼加熱された後の排ガスの複数の温度別に複数本の特性曲線として表示されるものであることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
- 請求項3〜5のいずれか一項において、前記判別用データは、横軸に排ガスの温度、縦軸に発電効率を表すグラフにおいて、第1及び第2スターリングエンジンの両ヒータヘッドにそれぞれ供給される排ガスの流量別の特性曲線として表示されるものであることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
- 請求項1〜6のいずれか一項において、前記主排ガス通路には、三基以上のスターリングエンジンのヒータヘッドが順次直列に接続され、三基以降のヒータヘッドに対応して分岐排ガス通路がそれぞれ接続され、該分岐排ガス通路に流量調節弁が設けられていることを特徴とするスターリングエンジン発電装置。
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