JP5752403B2 - 発電システム - Google Patents

Description

本発明は、ランキンサイクルを利用した発電システムに関する。

発電システムとしては、水蒸気のフラッシュによって発電機を駆動するフラッシュ発電が広く導入されている。しかし、近年、省エネルギーの観点から、排熱回収等に利用するために、フラッシュ発電が利用できないような低温の熱によって発電できるシステムへのニーズが高まっている。

そのような発電システムとして、例えば特許文献１や２に記載されているように、低沸点の熱媒体によってタービンや膨張機（エキスパンダ）を駆動するランキンサイクルを利用したバイナリ発電システムがある。バイナリ発電システムは、蒸発器（加熱器）において熱媒に与えた熱の大部分を、凝縮器で廃棄することになるので、原理的に発電効率が低い。このため、地熱発電のように水蒸気をフラッシュさせられない温度ではあるが大容量の熱源があるような場合を除いて、殆ど実用化には至っていない。

特許文献１のバイナリ発電システムは、フロン系の熱媒を使用し、液相の熱媒をポンプで加圧し、蒸発器において熱源と熱交換して熱媒を気化させ、この熱媒の膨張力によってスクリュ膨張機を駆動して発電機を回し、スクリュ膨張機から排気された熱媒を凝縮器で冷却して液化し、前記ポンプによって加圧して蒸発器に再供給するシステムである。

また、特許文献２には、ＣＯ_２系の熱媒を採用し、ポンプによる加熱器および膨張機への熱媒の供給圧力が、熱媒の臨界圧力を遙かに超える圧力（２０ＭＰａ以上）に設定されたバイナリ発電システムが記載されている。

特に、工場等において排熱回収のために、ランキンサイクル発電システムを導入する場合、蒸発器（加熱器）の熱源としては低圧蒸気や熱水が使用され、凝縮器の冷熱源としてはクーリングタワーで製造される冷却水が用いられることが想定される。したがって、蒸発器（加熱器）の設計温度は１００℃程度、凝縮器の設計温度は４０℃程度にすることが望まれる。

特許文献１のようなフロン系のバイナリ発電システムでは、熱媒が熱源から気化熱（潜熱）としてエネルギーを受け取るので、蒸発器における熱媒の温度（顕熱）変化が小さい。例えば、熱媒としてＲ２４５ｆａを採用すれば、熱媒の蒸発器出口温度を１００℃程度に設定できることが知られている。

一方、特許文献２のようなＣＯ_２系の発電システムでは、加熱器において熱源から熱媒が得る熱がすべて顕熱であり、熱媒の加熱器出口温度を２００℃程度に設定する必要がある。このため、ＣＯ_２系のバイナリ発電システムは、工場等の排熱回収には不向きである。また、ＣＯ_２系の発電システムでは、耐圧のために設備コストが高くなってしまうという問題もある。

また、発電システムの総合発電効率には、発電機の効率も重要である。特許文献２の発電システムでは、発電効率を向上させるために、蒸発器に供給される前の熱媒を、発電機のケーシング内に挿通して、発電機の回転子および固定子を冷却することで、発電機からも熱を回収するとともに、発電機の温度上昇に伴う発電効率の低下を防止している。

特許文献１のような低温の熱源で発電できるフロン系のバイナリ発電システムにおいて、発電機の内部空間を通して熱媒を蒸発器に供給すると、液相の熱媒を回転子が撹拌することになるため、撹拌ロスによって却って発電効率が悪化してしまうという問題が生じる。

撹拌ロスを防ぐために、発電機にジャケットを設けて回転子および固定子を間接的に冷却することも考えられるが、フロン系のバイナリ発電システムでは、熱媒の流量が十分ではないため、発電機の効率低下を十分に抑制できない。

特開昭６０−１４４５９４号公報 特開２００９−１７４４９４号公報公報

前記問題点に鑑みて、発電効率が高く、低温の熱源によって発電できる発電システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による発電システムは、スクリュ膨張機の膨張機ケーシングと発電機の発電機ケーシングとが一体であり、所定圧力の気相の熱媒の膨張力によって前記スクリュ膨張機を駆動し、前記スクリュ膨張機において膨張した前記熱媒を前記スクリュ膨張機によって駆動される前記発電機の内部空間を通じ、前記発電機の回転子の延長上に設けられた前記発電機ケーシングの排気口から流出させて凝縮器に供給し、前記凝縮器において凝縮した液相の前記熱媒を前記発電機とは別体であるポンプで前記所定圧力まで加圧し、前記発電機の前記発電機ケーシングの外側の全周に設けたジャケットを通して蒸発器に供給し、前記蒸発器において気化した前記熱媒を前記スクリュ膨張機に再供給するものとする。

この構成によれば、スクリュ膨張機において膨張して圧力および温度が低下した熱媒によって発電機の巻線を冷却し、さらに、発電機のジャケットを流れる液相の熱媒によって間接的に発電機の巻線を冷却するので、熱媒の流量が少なくても発電機の効率低下を十分に防止できる。また、発電機の内部空間には、気相の熱媒のみが流れるので、回転子の撹拌ロスも生じない。

本発明の発電システムにおいて、前記熱媒は、フロン系の熱媒であることが好ましい。

また、本発明の発電システムにおいて、前記スクリュ膨張機のケーシングと前記発電機のケーシングとを一体とした密閉構造であるので、熱媒の封止を確実にすることができる。

本発明の１つの実施形態の発電システムの構成図である。 図１の発電システムのＰ−ｈ（モリエル）線図である。

これより、本発明の発電システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の１つの実施形態の発電システムの構成を示す。

本実施形態の発電システムは、スクリュ膨張機１、発電機２、凝縮器３、ポンプ４および蒸発器５を介設した、閉じた循環流路からなり、この循環流路には、フロン系の熱媒（例えばＲ２４５ｆａ）が封入されている。

スクリュ膨張機１は、膨張機ケーシング６内に形成したロータ室７に雌雄一対のスクリュロー８，９を収容し、給気流路１０から供給される熱媒の膨張力によってスクリュロータ８，９を回転させ、膨張して圧力が低下した熱媒を排気流路１１から排気するように構成されている。

発電機２は、発電機ケーシング１２の内部空間１３に、固定子１４および回転子１５を収容してなる。回転子１５は、スクリュ膨張機１のスクリュロータ８と軸が一体であり、スクリュロータ８の回転に伴って回転し、固定子１４の巻線に電力を発生させる。発電機ケーシング１２は、膨張機ケーシング６と一体に接続されており、スクリュ膨張機１の排気流路１１と発電機２の内部空間１３とを連通させている。また、発電機ケーシング１２には、排気口１６が設けられており、スクリュ膨張機１から排気された熱媒を、内部空間１３を通して流出させるようになっている。さらに、発電機ケーシング１２の外側には、ジャケット１７が設けられ、ジャケット１７内に熱媒を流すことで、発電機ケーシング１２を冷却し、これによって、発電機ケーシング１２に固定された固定子１４を間接的に冷却できるようになっている。

スクリュ膨張機１から、発電機２の内部空間１３を通して流出した熱媒は、凝縮器３に導入され、冷却水と熱交換して、凝縮し、液体になる。液体になった熱媒は、ポンプ４によって、所定の圧力まで加圧され、発電機２のジャケット１７を介して、蒸発器５に供給される。蒸発器５において、熱媒は、熱源（例えば低圧蒸気）と熱交換して、気化し、飽和蒸気（或いは、さらに加熱されて過熱蒸気）となって、スクリュ膨張機１に再供給される。

スクリュ膨張機１から排気され、凝縮器３において液化されるまでの熱媒の圧力は、凝縮器３において熱媒を冷却する温度（例えば４０℃）における飽和蒸気圧である凝縮圧力Ｐｃ（例えば０．２４ＭＰａ）である。また、ポンプ４は、熱媒を凝縮圧力Ｐｃから所定の蒸発圧力Ｐｅ（例えば１．２ＭＰａ）まで加圧する。

図２に、本発電システムにおける熱媒の状態変化をＰ−ｈ（モリエル）線図上に示す。凝縮器３において液化された直後の熱媒は、凝縮圧力Ｐｃにおける飽和液である（点Ａ）。液化された熱媒は、ポンプ４によって温度変化することなく蒸発圧力Ｐｅまで加圧される（点Ｂ）。そして、熱媒は、ジャケット１７において発電機２の熱を奪い、例えば７０℃まで温度が上昇する（点Ｃ）。そして、蒸発器５に導入された熱媒は、熱源と熱交換するが、蒸発圧力Ｐｅにおける飽和温度（例えば１００℃）まで温度上昇すると、蒸発することによって気化熱として熱エネルギーを受け取るため、飽和温度以上には温度上昇しない。蒸発器５からは、蒸発圧力Ｐｅにおける飽和蒸気となった熱媒が、スクリュ膨張機１の給気流路１０に導入される（点Ｄ）。

スクリュ膨張機１の内部における熱媒の膨張は、エネルギーを放出しながら、圧力および温度を低下させるポリトロープ変化である。よって、スクリュ膨張機１の排気流路１１における圧力は、凝縮圧力Ｐｃであるが、その温度は凝縮温度よりも高く、例えば５０℃になる（点Ｅ）。この熱媒は、発電機２の内部空間１３を通過する間に、固定子１４および回転子１５から熱を奪い、例えば６０℃まで温度上昇して流出する（点Ｆ）。凝縮器３は、発電機２の内部空間１３から流出した熱媒を冷却して再度液化させる（点Ａ）。

ここで、発電機２においてスクリュ膨張機１から排気された熱媒の温度を例えば１０℃上昇させているが、凝縮器３はクーリングタワーで製造される極めて安価な冷却水を使用して熱媒を冷却するので、この冷却負荷の上昇は、通常、エネルギー効率の観点においては殆ど無視し得る。

また、発電機２の内部空間１３を通過する気相の熱媒の温度上昇は、例えば１０℃であり、発電機２のジャケット１７を通過する液相の熱媒の温度上昇は、例えば３０℃である。これは、内部空間１３における気相の熱媒の滞留時間に比べて、ジャケット１７における液相の熱媒の滞留時間の方が圧倒的に長いことと、気体に比べて液体の方が熱伝達率が高くなることとによる。当然ながら、発電機２には、固定子１４と発電機ケーシング１２との間の熱伝達率が高くなるように、水冷モータ等にも適用される公知の放熱構造が採用されるべきである。

以上のように、スクリュ膨張機１から排気された気相の熱媒を発電機２の内部空間１３を通して凝縮器３に供給し、且つ、ポンプ４で加圧した液相の熱媒を発電機２のジャケット１７を通して蒸発器５に供給することで、２重に発電機２を冷却することにより、初めて、フロン系熱媒を用いたランキンサイクル発電システムの系内を循環する熱媒のみによって、発電機の効率低下を防止することが可能となった。

つまり、本発明によって、熱媒が熱源から熱エネルギーを潜熱（気化熱）として受け取ることにより、熱媒を臨界点以下の圧力で使用することで比較的低温の熱源から熱回収できるランキンサイクル発電システムにおいて、回転子１５に液体である熱媒を撹拌させることなく、発電機２の温度上昇を十分に抑制できるようになったのである。

また、本実施形態のように、膨張機ケーシング６と発電機ケーシング１２とを一体に接続し、回転する軸が膨張機ケーシング６または発電機ケーシング１２外部に露出しない密閉構造とすることで、熱媒が漏出する危険性を極小化できる。

なお、上記実施形態では、熱媒の飽和蒸気をスクリュ膨張機１に供給しているが、飽和蒸気をさらに加熱して、過熱蒸気にしてスクリュ膨張機１に供給してもよい。

１…スクリュ膨張機
２…発電機
３…凝縮器
４…ポンプ
５…蒸発器
６…膨張機ケーシング
７…ロータ室
８，９…スクリュロータ
１０…供給流路
１１…排気流路
１２…発電機ケーシング
１３…内部空間
１４…固定子
１５…回転子
１６…排気口
１７…ジャケット

Claims (2)

1. スクリュ膨張機の膨張機ケーシングと発電機の発電機ケーシングとが一体であり、
   所定圧力の気相の熱媒の膨張力によって前記スクリュ膨張機を駆動し、
   前記スクリュ膨張機において膨張した前記熱媒を前記スクリュ膨張機によって駆動される前記発電機の内部空間を通じ、前記発電機の回転子の延長上に設けられた前記発電機ケーシングの排気口から流出させて凝縮器に供給し、
   前記凝縮器において凝縮した液相の前記熱媒を前記発電機とは別体であるポンプで前記所定圧力まで加圧し、前記発電機の前記発電機ケーシングの外側の全周に設けたジャケットを通して蒸発器に供給し、
   前記蒸発器において気化した前記熱媒を前記スクリュ膨張機に再供給することを特徴とする発電システム。
2. 前記熱媒は、フロン系の熱媒であることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

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