JP5822942B2 - 建造物または船舶用の火力発電システムのためのエネルギー供給装置および方法 - Google Patents

Description

少なくとも１つのヒートエンジンが、少なくとも１つのワークレシーバに接続される火力発電システムが開示される。また、建造物または船舶にエネルギーを供給するための方法が開示される。

火力発電所は、熱源からの熱に加えて電力を生成することが好ましいことであるとしばしば判明するに連れ、近年ますます今日的な意味を帯びてきている。用語ＣＨＰ（熱併給火力発電）およびμＣＨＰ（マイクロＣＨＰ）は、火力発電所について用いられる。以下では、用語ＣＨＰは、いかなる形態の火力発電所に関しても用いられる。

ＣＨＰシステムは、いくつかの異なる熱源から、電力および熱エネルギー（熱）の両方を生成する。熱源は、とりわけ、太陽、燃料および地熱井である。燃料は、石油、ガソリン、木材、木材片、わら、木材ペレット、廃物、アルコール等である。ＣＨＰシステムにおいては、電力を生成するために、より一般的に熱機関（ｈｅａｔ ｅｎｇｉｎｅ）とも称される熱エネルギーエンジンが最も頻繁に使用される。熱機関は、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換し、次いで機械的エネルギーが発電機により電力に変換される装置である。従来、ＣＨＰのためのいくつかのシステムが知られている。近代的ＣＨＰシステムの例は、とりわけ、米国特許出願公開第２０１０／０２４４４４Ａ１号およびＷＯ第２００７／０８２６４０号明細書に示されている。

ＣＨＰの利点は、いくらかのエネルギーが電気に変換された後の廃熱が加熱のために直接使用され、システム内における非常に高い全効率を達成する。

本発明の目的は、従来技術の少なくとも１つの不利益を改善または低減すること、または、従来技術に対する有用な代替手段を少なくとも提供することである。本目的は、以下の記載および後続のクレームに開示された構成によって達成される。

ＣＨＰシステムの実装に関連して、システムは、居住施設またはボート等の建造物または船舶において稼働されなくてはならないので、いくつかの特別な考慮がなされなくてはならない。そのような考慮とは、コストが最小化されなくてはならない、ＣＨＰ工場のサイズがスペース制限のために最小化されなくてはならない、信頼性が高くなくてはならない、排気が安全な方法で導出されなくてはならない、人または動物がけがを負わないように高温の部材が接触不可能に構成されなくてはならない、等である。そのような考慮のため、その他の状況において採用される対応技術に通常は必要とされない特別な基準を実装する必要性が頻繁にある。

追加的に実装することが好ましい基準とは、技術ができるだけ安価であり、メンテナンスができるだけ単純であり、信頼性ができるだけ高く、スペースおよび重量が小さいことである。ＣＨＰシステムは、電気を生成するために熱機関を使用するので、熱機関がこれらの特性を適宜有することを確証するために、特別な基準に着目することは自然である。

現行の実務では、ＣＨＰシステムを使用するいくつかの熱機関技術があるだけである。最も一般的なものは、スターリングエンジン、ＯＲＣエンジン、およびガソリンの代りに天然ガスを使用する再設計されたオットーエンジン（ガソリンエンジン）である。これら全ては様々な利点および欠点を有するが、既存技術のいくつかの共通項は、それらがしばしば高価であり、高度なメンテナンスを必要とするということである。

スターリングエンジンは、しばしば非常に高い作動圧力下で稼働するので、機械的負荷を大きくし、繰り返しになるが、コスト、信頼性およびメンテナンス事情に支障を来たす。ＯＲＣマシンは、膨張機構としてしばしばいくつかのタービンを使用するが、これらは非常に高価であり、蒸発器を必要とするのに加えて、構成要素は多くのスペースを占有する。再構築されたオットーエンジンは高価であり、とりわけその内燃機関のため、比較的高度なメンテナンスを必要とし、それらは、内燃機関のためだけに適した燃料以外のその他の熱源を使用することができない。

これらの技術の改良された選択肢として、少なくとも１つの膨張容量内の少なくとも１つの内部熱交換器を備える、ピストンベースの２位相ヒートエンジンが使用されうる。２位相ヒートエンジンは、液相および気相間を交互に転移する燃料を使用するという特徴がある。

液体から気体への位相変換は高い膨張率を提供すると同時に、気体のみが使用されるヒートエンジンとは対照的に、膨張前に液状の燃料を噴出するのに比較的低エネルギーを必要とするので、２位相ヒートエンジンは、低圧でも比較的高い出力密度を達成するという利点を有する。ヒートエンジンの出力密度は、単位機械容量当たりのエネルギー出力、または単位機械質量当たりのエネルギー出力としてしばしば定義される。膨張容量内において内部熱交換器を有する２位相ヒートエンジンを使用することによって、スターリングエンジンのように、膨張中に追加的な熱が供給され、エンジンのサイズをさらに減少することに資する。ＯＲＣは、断熱膨張のみ、すなわち熱供給のない膨張の機能を有し、この利点を活用することができない。膨張器については、ピストン原理が最も単純であり、最も安価な選択肢である。さらに、今日製造されているほとんどのエンジンはピストンエンジンであり、ピストンベースのエンジンの製造を非常に汎用的な技術とする。これは、とりわけコストおよびメンテナンスの点で好ましい効果を有する。

膨張容量内の内部熱交換器を有する２位相のピストンベースのヒートエンジンを使用することによって、コスト、サイズ、重量、信頼性およびメンテナンスの観点において、現行のＣＨＰシステムの改善が可能となる。

本発明の第１の側面は、火力発電システムに特に関し、少なくとも１つのヒートエンジンが少なくとも１つのワークレシーバに接続され、前記ヒートエンジンは、液相および気相間を交互に転移する作動流体を使用することができ、前記ヒートエンジンには、少なくとも１つの膨張室と熱接触する少なくとも１つの熱交換器が配置される。

前記ワークレシーバは、発電機である。または、前記ワークレシーバは、シャフトである。

本発明の第２の側面は、特に建造物または大型船に電力供給する方法に関し、本方法は、以下のステップを有する：
−液相および気相間を交互に転移する作動流体を使用することができるように配置された少なくとも１つのヒートエンジンを含む火力発電システムを建造物または船舶に提供すること；ここで、前記ヒートエンジンには、少なくとも１つの膨張室と熱接触する少なくとも１つの熱交換器が配置され、
−１つ以上のワークレシーバを少なくとも１つの前記ヒートエンジンに接続すること；
−少なくとも１つの前記ヒートエンジンから少なくとも１つ以上の前記ワークレシーバに機械的エネルギーを伝達すること；および
−前記建造物または大型船に火力発電システムから熱エネルギーを伝達すること。

以下では、添付の図面に示される好ましい実施形態の例が記載される。

図１は、居住施設が部分的に分割された場合を例に、建造物内に搭載または接続されたＣＨＰシステムを概略的に示す。 図２は、ボートを例に、船舶内に搭載または接続されたＣＨＰシステムを概略的に示す。 図３は、ＣＨＰシステムにおける基本的な接続と、ＣＨＰシステムによって生成されたエネルギーを使用するあらゆるユニットとして定義される、末端ユーザーへの可能な接続とを概略的に示す。 図４ａおよびｂは、膨張室内に熱交換器を有するヒートエンジンの膨張配置の例を示す。

図１において、参照番号１は、地下室に火力発電システム３が配置された建物を示す。火力発電システムのその他の配置は、参照番号３'によって示され、ここでは建物１の外側に示されている。

図２には、火力発電システム３が内部に配置される船舶が示されている。火力発電システム３'の他の配置も示されており、ここでは船舶２の保管場所の極近傍に配置されている。

次に図３を参照する。火力発電システム３は、ここでは概略的に示される。火力発電システム３は、電力消費機器４に接続される複数出力口３９を介する。熱源３１は、ヒートエンジン３２と熱接続されており、反対側で冷熱源３３に熱接続されている。熱源３１は、所定量のエネルギーＱｖを熱源３２に伝達する。熱源３１およびヒートエンジン３２間の熱流Ｑｖから、熱出力点３１１により、熱源出力口３９１を介して電力エンドユーザ４に高品質の熱エネルギーＱａｖが伝達される。

ヒートエンジン３２は、ワークレシーバ３４、典型的には発電機に接続され、ここから、電力出力口３９２、典型的にはＬ型（ｅｌ）電力出力口を介して、エネルギーＰ_ELを電力エンドユーザ４に伝達する。

ヒートエンジンおよび冷熱源３３間の残熱流Ｑ_Kから、廃熱取込み点（ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｔａｐｐｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）３２９により、廃熱出力口３９３を介して残熱エネルギーＱ_AKがエネルギーエンドユーザ４に分配される。

熱源熱出力口３９１、Ｌ型電力出力口３９２および廃熱エネルギー出力口３９３は共に、複数エネルギー出力口３９を形成する。複数エネルギー出力口３９は、火力発電システムとエネルギーエンドユーザにおける分配ネットワーク（不図示）との間の実質的なインタフェースを形成する。分配ネットワークは、たとえば、光熱のための電力および居室内暖房等のための熱エネルギーの分配のためのものである。図４には、ヒートエンジン３２の膨張室３２２およびエネルギー量Ｑ_Vが供給される付属熱交換器３２１の例が示されている。流率ｍの作動流体は、作動流体入口３２３を通って膨張室３２２に流入し、同流率ｍで、作動流体出口３２４を通ってチャンバ３２２から流出する。

火力発電システム３は、一以上のエネルギーエンドユーザへのエネルギー供給Ｑ_AV、Ｐ_EL、Ｑ_AKの必要がある建物１または船舶２内に配置される。熱源３１は、たとえば木材片、木材ペレット、石油またはガソリンの燃焼や、循環空気およびその他の廃熱源、処理水等からの熱回収により、高品質な熱エネルギーＱ_Vをヒートエンジン３２に伝達する。熱エネルギーＱ_Vの一部は、必要とされる場合、効率的に機能するために高品質なエネルギーを必要とするエンドユーザ４における使用のために、熱取込み点３１１からの取込みに用いられる。

ヒートエンジン３２は、加熱に起因して自体既知の態様で膨張室３２２内において膨張する作動流体ｍにより、供給された熱エネルギーＱ_Vの一部を機械的エネルギーに変換する。膨張は、場合によっては並進運動を回転に変換する手段により、ワークレシーバ３４の動作を提供する。好ましい実施形態では、ワークレシーバ３４は、エンドユーザ４におけるＬ型電力出力口３９２を介して分配ネットワーク（不図示）内に配電される電力を生成できる発電機である。

必要とされる時は、ヒートエンジン３２から冷熱源３３に通常伝達される残熱Ｑ_Kの一部は、廃熱出力口３９３を介して、エンドユーザ４に分配される。当該エンドユーザ４では、低品質なエネルギーを使用できる受取側（不図示）が暖房等適切な態様で当該廃熱を使用する。エンドユーザ４における熱需要が十分大きい場合、廃熱Ｑ_Kの全てがヒートエンジン３２からエンドユーザ４に分配され、したがって、冷熱源３３はそれを一切受け取る必要がない。更なる例では、保証されたエンドユーザ４は、ヒートエンジン３２からの廃熱Ｑ_Kの全てを使用でき、独立した冷熱源３３の機能はエンドユーザ４によって構成され、これが冷熱源３３の機能も有するようになる。

Claims (16)

1. 建造物または船舶のために使用される火力発電システムであって、
   少なくとも１つのヒートエンジン（３２）が少なくとも１つのワークレシーバ（３４）に接続され、当該ヒートエンジン（３２）は少なくとも１つの熱源（３１）から熱（Ｑｖ）を受け取って少なくとも１つの冷熱源（３３）に残熱Ｑ_Ｋを伝達するために構成された火力発電システム（３）であって、
   前記ヒートエンジン（３２）は、ピストンベースであり、液相および気相間を交互に転移する作動流体を使用することができ、
   前記ヒートエンジン（３２）には、少なくとも１つの膨張室（３２２）に熱接触する少なくとも１つの熱交換器（３２１）が配置される火力発電システム。
2. 少なくとも１つの作動流体入口（３２３）が前記少なくとも１つの膨張室（３２２）に接続される請求項１に記載の火力発電システム。
3. 少なくとも１つの作動流体出口（３２４）が前記少なくとも１つの膨張室（３２２）に接続される請求項１または請求項２に記載の火力発電システム。
4. 熱源熱出力口（３９１）、電力出力口（３９２）および廃熱エネルギー出力口（３９３）の少なくとも１つを介してエネルギーユーザ（４）に接続される請求項１〜３のいずれか一項に記載の火力発電システム。
5. 前記エネルギーユーザ（４）が熱取込み点（３１１）を介して前記残熱（Ｑ_Ｋ）またはエネルギー供給（Ｑ_ＡＶ）の少なくとも一方の一部を受け取るように構成される請求項４に記載の火力発電システム。
6. 前記エネルギーユーザ（４）が前記残熱（Ｑ_Ｋ，Ｑ_ＡＶ）の全てを受け取るように構成される請求項４または５に記載の火力発電システム。
7. 前記エネルギーユーザ（４）が前記残熱Ｑ_Ｋの全てを使用するように構成される請求項６に記載の火力発電システム。
8. 前記熱源（３１）は燃料バーナーである請求項１〜７のいずれか一項に記載の火力発電システム。
9. 前記燃料バーナー形態の熱源（３１）は、木材、木材片、エタノールまたはメタノールを含むアルコール、ジエチルエーテルまたはジメチルエーテルを含むエーテル、バイオエタノールまたはバイオディーゼルを含むバイオ燃料、オイルまたは石油を含む石油製品、若しくは廃物からなる群から選択される１つ以上の燃料を燃焼するように構成される、請求項８に記載の火力発電システム。
10. 前記熱源（３１）は太陽炉である請求項１〜７のいずれか一項に記載の火力発電システム。
11. 前記熱源（３１）は地熱源である請求項１〜７のいずれか一項に記載の火力発電システム。
12. 前記熱源（３１）は廃熱源である請求項１〜７のいずれか一項に記載の火力発電システム。
13. 前記ワークレシーバ（３４）は発電機である請求項１〜１２のいずれか一項に記載の火力発電システム。
14. 前記ワークレシーバ（３４）はシャフトである請求項１〜１２のいずれか一項に記載の火力発電システム。
15. 建造物（１）または船舶（２）にエネルギーを供給するための方法であって、
    ピストンベースであり、液相および気相間を交互に転移する作動流体を使用することができるヒートエンジン（３２）を含む火力発電システム（３）を前記建造物（１）または船舶（２）に提供する段階と、ここで、前記ヒートエンジンには、少なくとも１つの膨張室（３２２）に熱接触する少なくとも１つの熱交換器（３２１）が配置され、当該ヒートエンジン（３２）は少なくとも１つの熱源（３１）から熱（Ｑｖ）を受け取って少なくとも１つの冷熱源（３３）に残熱Ｑ_Ｋを伝達するために構成され、
    １つ以上のワークレシーバに少なくとも１つの前記ヒートエンジンを接続する段階と、
    少なくとも１つの前記ヒートエンジン（３２）から少なくとも１つ以上の前記ワークレシーバ（３４）に機械的エネルギーを伝達する段階と、
    前記火力発電システム（３）から前記建造物（１）または船舶（２）に熱エネルギーを伝達する段階と、
    を含む方法。
16. 作動流体が少なくとも１つの作動流体入口（３２３）を介して前記ヒートエンジン内の少なくとも１つの膨張室（３２２）に流入されて、さらに当該少なくとも１つの膨張室（３２２）において膨張され、
    前記膨張中、前記少なくとも１つの膨張室（３２２）と熱接触する少なくとも１つの熱交換器（３２１）から前記作動流体に熱を供給する、請求項１５に記載の方法。

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