JP5792096B2 - バイナリー発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、バイナリー発電装置に関する。
従来、蒸気タービンを回転させるほどの熱量を持たない低温の熱源(温水)から低沸点の作動媒体の熱サイクルに熱を移動し、この2つの熱サイクルを有した循環サイクル内で、作動媒体を用いた発電を行う発電装置として、バイナリー発電装置がある。
バイナリー発電装置の基本的な構成を開示する文献としては、例えば、特許文献1がある。特許文献1は、高温媒体との熱交換により冷媒を蒸発させる蒸発器と、上記蒸発器から供給される冷媒により駆動されるタービン発電機と、上記タービン発電機から排出される冷媒が冷温媒体との熱交換により冷媒を凝縮させる凝縮器と、上記凝縮器により凝縮された冷媒を上記蒸発器に供給するポンプとを有し、上記蒸発器、タービン発電機、凝縮器及びポンプを内部に上記冷媒が封入されたクローズドサイクルラインで接続するバイナリー発電装置を開示する。
また、バイナリー発電装置の凝縮器で発生する熱(バイナリー発電装置からの排熱)を有効に利用する技術として、特許文献2に開示するようなものが開発されている。特許文献2には、作動媒体を蒸発可能な第1の蒸発器と、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機と、膨張機からの作動媒体を凝縮させる第1の凝縮器と、第1の凝縮器からの作動媒体を前記第1の蒸発器に送るポンプとを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に発電機を連結して作動媒体の膨張仕事を電力として取り出し可能に構成するとともに、前記第1の凝縮器における放熱を熱源として利用可能な熱電併給システムにおいて、第2の蒸発器で蒸発された作動媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの作動媒体を凝縮させる第2の凝縮器と、第2の凝縮器からの作動媒体を絞り機構を介して前記第2の蒸発器に戻すヒートポンプサイクルを設けるとともに、前記第1の凝縮器と第2の蒸発器との作動媒体同士を熱交換可能に構成したバイナリー発電装置が開示されている。
特開2004−286024号公報 特開2006−292273号公報
ところが、特許文献1の如き、従来からある低温の熱源を利用するバイナリー発電装置においては、熱源(温水)の温度が急激に低下した場合、バイナリー発電装置の発電量が減少してしまう虞が否めない。すなわち、熱源の温度が、季節、時刻及び環境などによって変動し、バイナリー発電装置の発電量が不安定になってしまうことが考えられる。
例えば、温泉などの熱源の場合には、地熱の変化によって、温泉からの温水の温度が低下し、作動媒体との熱交換がされにくくなる。また、工場排熱などの熱源の場合、冷却などに用いられた後に生じる温水は、厳格な熱源の温度管理がなされておらず、作動媒体との熱交換がされ難い状況が生じることがある。従って、これら条件の変動によりバイナリー発電装置の発電量が低下することがある。
また、熱源の温度が急激に低下した場合、蒸発器を通過する作動媒体の温度も低下するため、蒸発器の出口で作動媒体が気液2相流となる問題が発生する。気液2相流となった場合、膨張機内部に液体の作動媒体が浸入し、この液状の作動媒体が油と混合して、油回収器から油が戻らなくなる問題も発生することになる。
前述した特許文献2に開示された熱電併給システムは、季節、時刻等の変動によらず、常に所望の給湯、暖房を実現できることを意図したものであって、上記した問題を解決する手段を開示するものとはなっていない。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、熱源の温度が急激に低下しても、作動媒体の過熱状態が維持でき、安定した発電を行うことが可能なバイナリー発電装置を提供すること
を目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明のバイナリー発電装置においては、以下の技術的手段を講じた。
本発明に係るバイナリー発電装置は、熱源から供給される温水により作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で生成された作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機とを備え、前記回転駆動力を用いて発電機を駆動するバイナリー発電装置において、前記蒸発器の入側には、当該蒸発器へ導入される温水の温度変動を抑制する熱バッファ手段が備えられていることを特徴とする。
好ましくは、前記熱バッファ手段は、熱源から供給された温水に温度変化があった場合でも作動媒体の過熱状態を維持可能とすべく、蒸発器へ導入される温水の温度変動を抑制するように構成されているとよい。
好ましくは、前記熱バッファ手段は、蒸発器に導入前の温水を貯め置くことができる容量を確保した貯留タンクであるとよい。
好ましくは、前記貯留タンクには、当該貯留タンク内に温水を導入すると共に貯留タンクを構成する側壁の内側に沿う温水の流れを形成する流入口と、当該貯留タンクの中央部から外部へ温水を流出させる流出口と、が設けられているとよい。
好ましくは、前記熱バッファ手段の内部には、蓄熱材が配備されているとよい。
なお、本発明のバイナリー発電装置の最も好ましい形態は、熱源から供給される温水により作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で生成された作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機とを備え、前記回転駆動力を用いて発電機を駆動するバイナリー発電装置において、前記蒸発器の入側には、当該蒸発器へ導入される温水の温度変動を抑制する熱バッファ手段が備えられていて、前記熱バッファ手段は、蒸発器に導入前の温水を貯め置くことができる容量を確保した貯留タンクであり、前記貯留タンクには、当該貯留タンク内に温水を導入すると共に貯留タンクを構成する側壁の内側に沿う温水の流れを形成する流入口と、当該貯留タンクの中央部から外部へ温水を流出させる流出口と、が設けられていることを特徴とする。
本発明のバイナリー発電装置によれば、熱源の温度が急激に低下しても、作動媒体の過熱状態が維持でき、安定した発電を行うことが可能である。
第1実施形態のバイナリー発電装置を示した図である。 貯留タンク(熱バッファ手段)の構造、及び内部での温水の流れを示した図である。 図3に示した貯留タンクを用いた場合における、貯留タンクの出側での温水の温度変化を示した図である。 第2実施形態のバイナリー発電装置を示した図である。
以下、本発明の実施形態を、図を参照しながら説明する。
[第1実施形態]
本発明のバイナリー発電装置1は、蒸気タービンを回転させるほどの熱量を持たない低温の熱源Sと、低沸点の作動媒体Tを封入した循環サイクルとの間で熱交換し、この熱交換によって蒸発した作動媒体Tを用いて発電を行うものである。
図1に示すように、本発明のバイナリー発電装置1は、外部からの低温の熱源S(以下、温水Sと呼ぶこともある)と熱交換を行うことで作動媒体Tを蒸気へと蒸発させる蒸発器2と、蒸発器2により蒸気とされた作動媒体Tを膨張させることで回転駆動力を発生させる膨張機3と、膨張機3で発生した回転駆動力によって発電が行われる発電機(図示せず)とを有する。さらに、膨張機3に用いられた潤滑油を回収する油回収器4と、膨張機3で用いられた後、低圧となった蒸気の作動媒体Tを液体の作動媒体Tに凝縮させる凝縮器5と、を備えている。
これらの蒸発器2、膨張機3、油回収器4、凝縮器5は、作動媒体Tを循環させる閉ループ状の循環配管6により順に接続されており、この循環配管6には、蒸発器2→膨張機3→油回収器4→凝縮器5を経由して液体となった作動媒体T(低沸点の有機媒体、例えば、ペンタン、ヘキサンや代替フロン(R245fa)など)を蒸発器2に再度送出する作動媒体ポンプ7が、備えられている。
斯かる構成のバイナリー発電装置1では、温水Sの熱により液体の作動媒体Tを蒸発させ、蒸気となった作動媒体Tを用いて膨張機3を駆動させて発電を行う。具体的には、蒸発器2で温水Sから熱を集熱し、集熱された熱を介して熱交換することで、液体の作動媒体Tを蒸発させ、蒸気の作動媒体Tを生成する。
この蒸発器2の入側には、後述する貯留タンク20(熱バッファ手段)が設けられており、この貯留タンク20を経由した温水Sが、蒸発器2に送られる。蒸発器2に送られた温水Sは、循環配管6に流れている液体の作動媒体Tと熱交換し、液体の作動媒体Tを蒸気の作動媒体Tに生成する。熱交換を終えた温水Sは、外部へと廃棄される。
このとき、蒸発器2で確実に蒸気化された作動媒体Tは、循環配管6を通じて膨張機3に送られる。
膨張機3では、蒸発器2で蒸気化された作動媒体Tが膨張し、膨張前後の作動媒体Tの圧力差(高圧→低圧)を利用してロータやスクリューが回転し、回転駆動力を発生させている。膨張機3に接続された発電機では、この回転駆動力を利用して発電が行われている。
発電機で発電に用いられた低圧の作動媒体Tの蒸気は、膨張機3の出側の循環配管6を通じて凝縮器5に送出される。凝縮器5では、膨張機3から送出されてきた作動媒体Tの蒸気が、冷却水Wと熱交換され、液体の作動媒体Tに凝縮される。また、膨張機3で用いられた潤滑油は、膨張機3の出側に接続された油回収器4に回収される。
凝縮器5で液体となった作動媒体Tは、作動媒体ポンプ7に送出される。この液体の作動媒体Tは、作動媒体ポンプ7で昇圧され、循環配管6を通じて蒸発器2へと再度圧送される。このようにして、作動媒体Tは、作動媒体ポンプ7→蒸発器2→膨張機3→凝縮器5→作動媒体ポンプ7の順に閉ループ状に形成された循環配管6を循環し、膨張機3に接続された発電機で発電が行われる。
図1に示す第1実施形態のバイナリー発電装置1においては、貯留タンク20(熱バッファ手段)を有する点が特徴的なものとなっている。それ故、以下、貯留タンク20に着目して説明を進める。なお、蒸発器2、膨張機3、油回収器4、凝縮器5、作動媒体ポンプ7の構成は、従来のバイナリー発電装置1に用いられているものと略同じである。
バイナリー発電装置1に用いられる熱源Sとしては様々なものが考えられるが、本実施形態における熱源Sは、温泉源などから得られる温水Sや工場排水などの温水Sを念頭に置いている。これらの温水Sは、常に温度が一定である保証はなく、数日〜数秒間のスパンで温度が変動する。特に問題になるのは、数秒間の内に温水Sの温度が低下する状況であり、斯かる急激な温度変動によりバイナリー発電装置1の発電量が著しく低下する虞がある。
そこで、図1に示すように、本実施形態のバイナリー発電装置1の蒸発器2の入側には、蒸発器2へ導入される温水Sの温度変動を抑制する貯留タンク20(熱バッファ手段)が備えられている。具体的には、蒸発器2に導入前の温水Sを貯め置くことができる容量を確保した貯水タンクである。この貯留タンク20の流入口21側には、温水Sの温度を測定する第1温度計8が配備されている。貯留タンク20の流出口22側には、温水Sの流量を調節する温水ポンプ11と、温水Sの流量を測定する流量計10と、温水Sの流出温度を測定する第2温度計9とが順に配備されている。
例えば、地熱の変化によって温度が急激に低下した温水Sは、貯留タンク20に形成された流入口21から貯留タンク20内部へと流入される。流入された温水Sは、貯留タンク20の内壁に沿って流れることで温水Sが攪拌される、そのとき、貯留している時間によって温水Sの温度低下が緩和される。温度低下が緩和された温水Sは、バイナリー発電装置1の蒸発器2に供給される。温度低下が緩和されて熱量を維持したままの温水Sは、蒸発器2に流れる液体の作動媒体Tを確実に蒸発させることができる。蒸発器2に用いられた温水Sは、外部へと廃棄される。
貯留タンク20において、熱源Sから供給される温水Sの急激な温度低下を確実に緩和させるためには、タンク容量を大きく取り温水Sの滞留時間を増大させることが有効である。また、蒸発器2に供給される温水流量を一定にするには、貯留タンク20から流出される温水Sを流量計10で測定し、温水ポンプ11で流量を調節するとよい。
このような貯留タンク20は、外部の熱源Sから供給された温水Sに急激な温度変化があった場合であっても、作動媒体Tの過熱状態を維持可能とすべく、蒸発器2へ導入される温水Sの温度変動を抑制するように構成されているといえる。
例えば、図1に示すバイナリー発電装置1において、熱源Sから供給される温水Sの温度Tw0がΔT(℃/sec)で急激に低下したとする。このΔTの温度低下を起こした温水Sが蒸発器2に供給され蒸発器2を出た後の作動媒体Tの圧力が所定のものより低下したり、作動媒体Tが気液2相流となったりして、発電量が低下する状況が発生したとする。本実施形態の貯留タンク20は、温水Sをタンク内に大容量貯め置くことによって、熱源Sから供給される温水SがΔTで変化しても、貯留タンク20の出側、すなわち蒸発器2の入側の温水温度Tw1の変化を緩やかな値ΔT’(<ΔT、例えば、ΔT’=0.1・ΔT〜0.01・ΔT)とする。蒸発器2の入側の温水Sの温度低下がΔT’(℃/sec)の温度低下量であれば、蒸発器2において作動媒体Tを確実に蒸気化できる。そのため、バイナリー発電装置1での発電量低下を確実に回避できるものとなっている。
なお、バイナリー発電装置1の動作に影響を及ぼさない温水Sの温度低下量ΔT’の具体的な値は、当該バイナリー発電装置1を実際に稼働させた実績から得るようにしてもよい。バイナリー発電装置1を制御モデル化し、その制御モデルの応答時間などを基に決定してもよい。
ところで、貯留タンク20の形状としては、様々なものが採用可能である。図2には、本願発明人が採用した貯留タンク20の形状を示す。
図2(a)に示す貯留タンク20は、軸心が垂直方向を向く円筒形状の側壁23と、この円筒状の側壁の上方開口、下方開口を塞ぐ上壁24面及び底壁25面とから構成されている。
貯留タンク20には、外部からの温水Sを導入することができる流入口21が、貯留タンク20の側壁23の上部側であって、円筒形状の側壁23の接線方向に沿うように形成されている。それ故、流入口21から導入される温水Sは、貯留タンク20の側壁23の内側(内壁)に沿う流れを形成する。
一方、貯留タンク20の上壁24面の中央部には、内部を回流した温水Sをその回流中心から外部に流出させる流出口22が形成されている。流出口22は、垂直方向を向くように形成され、温水Sを上方に流出させている。流出した温水Sは蒸発器2へと導かれる。この流出口22を底壁25面の中央部に形成させても良い。
図2(b)に示す貯留タンク20は、図2(a)と同様な形状を呈し、内部には蒸発器2に導入前の温水Sを貯め置くことができる容量が確保されているタンクである。この貯留タンク20は、軸心が垂直方向を向く円筒形状の側壁23と、この円筒状の側壁23の上方開口、下方開口を塞ぐ上壁24面及び底壁25面とから構成されている。
貯留タンク20には、外部からの温水Sを導入することができる流入口21と、内部で貯留された温水Sを流出させる流出口22が側壁23に形成されている。流入口21及び流出口22は、上下方向で互いに対面しないように形成されている。具体的には、外部からの温水Sを導入することができる流入口21が、貯留タンクの側壁23の上部側であって、円筒形状の側壁23の中央部(軸心)に向かうように形成されている。流出口22は、貯留タンクの側壁23の下部側であって、円筒形状の側壁23の中央部(軸心)に向かうように形成されている。
図2(c)に示す貯留タンク20は、軸心が水平方向を向く円筒形状の側壁23と、この円筒状の側壁23の左右方向を塞ぐ一方側壁26面及び他方側壁27面とから構成されている。すなわち、図2(c)に示す貯留タンク20は、横置きされた樽形状のタンク20cである。この貯留タンク20には、外部からの温水Sを導入することができる流入口21が一方側壁26の中央部に形成され、内部で貯留された温水Sを流出させる流出口22が他方側壁27の中央部に形成されている。言い換えれば、流入口21と流出口22とが同一直線上に形成されている。
なお、図2(d)には、貯留タンク20を有さない配管が示されており、従来のバイナリー発電装置1を示すものとなっている。この構造であれば、熱源Sから供給された温水Sがストレートに蒸発器2に導入されることになり、温水Sの温度低下が直接、バイナリー発電装置1に影響することになる。
図3に示すグラフは、図2(a)〜図2(c)の貯留タンク20を用いた場合及び貯留
タンク20を用いない場合(図2(d))における、貯留タンク20出側の温水Sの温度変化、すなわち蒸発器2入側の温水Sの温度変化をコンピュータシミュレーションした結果である。このグラフの横軸は時間(sec)を示し、縦軸は温度(℃)を示している。
まず、図2(d)に示す貯留タンク20を有さない配管の場合、蒸発器2に導入される温水Sの温度変化は、図3の2点鎖線で示される。このグラフからわかるように、熱源Sから供給される90℃の温水Sが数秒ほどで5℃落下し、その後85℃で供給されることになる。そのため、温水Sの温度低下が直接、バイナリー発電装置1に悪影響を及ぼす。
一方、上記の状況下で、図2(a)に示すような貯留タンク20を熱バッファ手段として採用した場合、円筒側壁にある流入口21から導入された温水Sは、円筒側壁23の内側(内壁)に沿うように回流すると共に、貯留タンク内部に一定時間滞留し、貯留タンクの上壁24面の中央部の流出口22から流出される。このように、貯留タンク20内に温水Sが一定時間以上滞留することで、図3の実線に示すように、貯留タンク20の流出口22における温水Sの温度変化(5℃の低下)の時間が、120秒ほどに延長されて緩やかな温度変化となっていることがわかる。特に、温度低下した温水Sが流入してから約10秒程度は流出口22の温水Sを約90℃に維持でき、初期における温水温度維持の効果は、図2(b)、図2(c)に示す貯留タンク20より大きい。
また、図2(b)に示すような貯留タンク20を採用した場合であっても、円筒側壁23の上方にある流入口21から導入された温水Sは、貯留タンク20内部に一定時間滞留し、貯留タンク20の下方の流出口22から流出される。その結果、図3の点線で示すように、流出口22における温水Sの温度低下(5℃の低下)の時間が120秒程度となって緩やかになる。
図2(c)に示すような貯留タンク20を採用した場合は、横置きされた樽形状のタンク20cの一方側壁26に形成された流入口21から流入した温水Sは、貯留タンク20内部に滞留し、他方側壁27の流出口22から流出される。その結果、図3の一点鎖線で示すように、初期の温水温度の低下量は若干大きいものの、流出口22における温度低下(5℃の低下)の時間が120秒以上となり、非常に緩やかになる。
以上の結果より、本発明のバイナリー発電装置1では、蒸発器2の入側に貯留タンク20を配備させておくことで、温水Sの急激な変化を緩和することができ、バイナリー発電装置1における作動媒体Tの過熱状態が維持でき、安定した発電を行うことが可能である。
[第2実施形態]
次に、本発明に係るバイナリー発電装置の第2実施形態について説明する。
第2実施形態のバイナリー発電装置1も、第1実施形態と同様に、熱源Sからの温水Sを一定時間貯め置き、その後、蒸発器2に温水Sを供給するように構成された貯留タンク20を有する。しかしながら、第2実施形態の貯留タンク20は、その内部に蓄熱材30を備えている点が特徴的である。他の構成は、第1実施形態と略同様である。すなわち、第2実施形態のバイナリー発電装置1に関し、蒸発器2、膨張機3、油回収器4、凝縮器5、作動媒体ポンプ7の構成は、第1実施形態のバイナリー発電装置1に用いられているものと略同じである。第1温度計8、第2温度計9、流量計10、温水ポンプ11が配備されている点も第1実施形態と略同じである。
図4に示すように、第2実施形態のバイナリー発電装置1の蒸発器2入側には、蓄熱材30が配備された貯留タンク20が備えられている。この貯留タンク20の内部に蓄熱材30が配置されている。流入口21は、貯留タンク20の下部であって、蓄熱材30より下方に形成されている。流出口22は、貯留タンク20の上部であって、蓄熱材30よりも上方に形成されている。これにより、流入口21より流入した温水Sが蓄熱材30を通過することで、この蓄熱材30と温水Sとが熱交換することができる。熱源Sの温度低下を蓄熱材30からの熱で補償されて所定の温度となった温水Sは、貯留タンクの流出口22から蒸発器2へと流出される。
蓄熱材30としては、セラミックや金属のように熱伝導率が大きく且つ熱容量の大きいもの(躯体蓄熱材)や、相変化に伴う熱を利用して蓄熱を行う潜熱蓄熱材を採用すること
が考えられる。液体状の媒質が封入された部材を蓄熱材30(液体蓄熱材)として利用することもできる。また、躯体蓄熱材の場合、蓄熱材30が多孔質またハニカム構造を有していると、蓄熱材30から温水Sへの熱交換効率がよくなる。以上の観点より、貯留タンク20内に配備する蓄熱材30として、例えば、アルミ製のハニカム蓄熱材などが好適である。
蓄熱材30における熱保持量、言い換えれば、蓄熱材30の材質と質量を決定するには、以下のようにするとよい。
例えば、熱源Sからの温水Sの流量をm [kg/min]、温水Sの比熱をCpw[kJ/kg℃]、温度変化をΔT [℃]とすると、その温度変化にともなう熱容量は
Q [kJ/min]=m×Cpw×ΔTとなる。
一方、蓄熱材30の質量をM[kg]、蓄熱材30の比熱をCpm [kJ/kg℃]、温度変化をΔT [℃]とすると、蓄熱材30の熱容量はQm [kJ]=M×Cpm×ΔT となる。
両熱量Q、Qmがt分間の間、等しい状況にあること、すなわちt分間の温度保持を意図するのであれば、下式が成り立つ。
Q×t[kJ]=Qm[kJ]=M×Cpm×ΔT
この式を満たすように、蓄熱材30の材質と質量を選定すればよい。1分間の温度保持を意図するのであれば、上式において、t=1とすればよい。
また、蒸発器2に供給される温水流量を一定にするには、貯留タンク20から流出される温水Sを流量計10で測定し、温水ポンプ11で流量を調節するとよい。
以上述べた第2実施形態のバイナリー発電装置1であっても、温水Sの急激な変化を緩和することができ、作動媒体Tの過熱状態が維持でき、安定した発電を行うことが可能となる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
例えば、本実施形態の貯留タンク20は円筒形状で説明しているが、温水Sが貯留タンク20の内部を回流し、温水全体を攪拌できる形状であれば、いずれの形状でも良い。
また、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
1 バイナリー発電装置
2 蒸発器
3 膨張機
4 油回収器
5 凝縮器
6 循環配管(作動媒体)
7 作動媒体ポンプ
8 第1温度計
9 第2温度計
10 流量計
11 温水ポンプ
20 貯留タンク(熱バッファ手段)
21 貯留タンク流入口
22 貯留タンク流出口
23 側壁
24 上壁
25 底壁
26 一方側壁
27 他方側壁
30 蓄熱材
S 熱源(温水)
T 作動媒体
W 冷却水

Claims (3)

  1. 熱源から供給される温水により作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で生成された作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機とを備え、前記回転駆動力を用いて発電機を駆動するバイナリー発電装置において、
    前記蒸発器の入側には、当該蒸発器へ導入される温水の温度変動を抑制する熱バッファ手段が備えられていて、
    前記熱バッファ手段は、蒸発器に導入前の温水を貯め置くことができる容量を確保した貯留タンクであり、
    前記貯留タンクには、当該貯留タンク内に温水を導入すると共に貯留タンクを構成する側壁の内側に沿う温水の流れを形成する流入口と、当該貯留タンクの中央部から外部へ温水を流出させる流出口と、が設けられている
    ことを特徴とするバイナリー発電装置。
  2. 前記熱バッファ手段は、熱源から供給された温水に温度変化があった場合でも作動媒体の過熱状態を維持可能とすべく、蒸発器へ導入される温水の温度変動を抑制するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のバイナリー発電装置。
  3. 前記熱バッファ手段の内部には、蓄熱材が配備されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のバイナリー発電装置。
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