JP6551956B1 - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高効率のバイナリ発電を実現し得る発電システムを提供する。【解決手段】 室内機１と室外機２とをエアコン管路３，４で連結するとともに第１の冷媒の循環で冷暖房を行うエアコンシステムＩと、エアコン管路３を流れる前記第１の冷媒の熱と熱交換する蒸発器５および凝縮器６と、室外機２から排出される排気の熱と熱交換する蒸発器７および凝縮器８と、４個の二方弁９，１０，１３，１４を有し、冷房運転時においては、二方弁９から蒸発器５を介して二方弁１０に第２の冷媒を流通させると同時に二方弁１３からの凝縮器８を介して二方弁１４に前記第２の冷媒を流通させる一方、暖房運転時においては、二方弁９から蒸発器７を介して二方弁１０に前記第２の冷媒を流通させると同時に二方弁１３から凝縮器６を介して二方弁１４に前記第２の冷媒を流通させるよう第１〜第4の二方弁９，１０，１３，１４の流路の切替制御を行う制御部２２とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は発電システムに関し、特にエアコンシステムの排熱を利用した発電システムとして有用なものである。

１００℃未満の工場排水や温泉等の熱エネルギーを利用し、沸点の低い媒体を蒸発させてタービン発電機を作動させる発電システムとしてバイナリ発電システが知られている。バイナリ発電システムは熱源系統と媒体系統との２系統の熱サイクルを有している。この種のバイナリ発電を開示した公知文献として特許文献１を挙げることができる。特許文献１に開示するバイナリ発電システムは、ヒートポンプで構成した熱源系統と、タービンおよび発電機を含む媒体系統とを組み合わせたもので、発電効率が高い発電システムを提供することを目的とするものである。

一方、近年の地球温暖化の進行とも相俟って、エアコンシステム等の熱源から排出される排出の低減が喫緊の技術課題として顕在化してきている。すなわち、排熱の再利用による環境負荷の低減が求められている。

特開２０１６−１７６４６１号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、エアコンシステムの排熱の有効利用を図り、高効率のバイナリ発電を実現し得る発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
室内に設置する室内機と室外に設置する室外機とを第1のエアコン管路および第２のエアコン管路で連結するとともに、前記第１および第２のエアコン管路を介して前記室内機および室外機の間で第１の冷媒を循環させることにより室内の冷暖房を行うエアコンシステムと、
前記第１のエアコン管路を流通する前記第１の冷媒の熱と熱交換する第１の蒸発器および第１の凝縮器と、
前記室外機２から排出される排気の熱と熱交換する第２の蒸発器および第２の凝縮器と、
第１の二方弁９から前記第１の蒸発器を介して第２の二方弁に至り、内部を第２の冷媒が流通する第１の管路と、
前記第１の二方弁から前記第２の蒸発器を介して前記第２の二方弁に至り、内部を前記第２の冷媒が流通する第２の管路と、
第３の二方弁から前記第１の凝縮器を介して第４の二方弁に至り、内部を前記第２の冷媒が流通する第３の管路と、
前記第３の二方弁から前記第２の凝縮器を介して前記第４の二方弁に至り、内部を前記第２の冷媒が流通する第４の管路と、
前記第４の二方弁と前記第１の二方弁との間を連通し、内部を前記第２の冷媒が流通する第５の管路と、
前記第２の二方弁から第６の管路を介して供給される前記第２の冷媒により駆動されるとともに、第7の管路を介して前記第３の二方弁に向けて前記第２の冷媒を排出するタービンと、
前記タービンにより駆動される発電機と、
前記エアコンの冷房運転時においては、前記第１の二方弁から前記第1の蒸発器を介して前記第２の二方弁に前記第２の冷媒を流通させると同時に前記第３の二方弁から前記第２の凝縮器を介して前記第４の二方弁に前記第２の冷媒を流通させるとともに、
前記エアコンの暖房運転時においては、前記第１の二方弁から前記第２の蒸発器を介して前記第２の二方弁に前記第２の冷媒を流通させると同時に前記第３の二方弁から前記第１の凝縮器を介して前記第４の二方弁に前記第２の冷媒を流通させるよう前記第１〜第4の二方弁の流路の切替制御を行う制御部とを有することを特徴とする。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する発電システムにおいて、
第２の蒸発器および第２の凝縮器は前記第２のエアコン管路４を流通する前記第１の冷媒の熱と熱交換するように構成したことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様に記載する発電システムにおいて、
前記第５の管路の途中にポンプを介在させ、前記第４の二方弁側を介して供給された前記第２の冷媒を加圧するとともに、前記第１の二方弁側に向けて送給するように構成したことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、
第１〜第３の態様の何れか一つに記載する発電システムにおいて、
前記第１のエアコン管路の温度Ｔ１を検出する第１の温度センサおよび前記第２のエアコン管路の温度Ｔ２を検出する第２の温度センサをそれぞれ配設し、
前記制御部が、Ｔ１>Ｔ２の場合に前記エアコンシステムが冷房運転時であると判断して前記第１〜第４の二方弁の前記所定の制御を行うとともに、Ｔ１＜Ｔ２の場合に前記エアコンシステムが暖房運転時であると判断して前記第１〜第４の二方弁の前記所定の制御を行うように構成したことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、
第１〜第４の態様の何れか一つに記載する発電システムにおいて、
前記第６の管路の途中に圧力調整弁および圧力センサを配設し、前記圧力センサが検出する前記第６の管路内の前記第２の冷媒の圧力に基づき、該圧力が所定の圧力になるように前記制御部で前記圧力調整弁の開度を制御するように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、熱源系統を構成するエアコンシステムの排熱を利用して媒体系統を構成するタービンおよび発電機を駆動し得るので、良好なバイナリ発電システムを構築することができる。ここで熱源系統において熱を運搬する第２の冷媒が循環する第１〜第４の管路を、第１〜第４の二方弁により適宜切替える構成としたので、冷暖房の際に温度の高低の関係が逆転する第１の冷媒の排熱を適切に回収して、タービンには常に一方向から供給される第２の冷媒により該タービンを駆動して発電機による高効率の発電を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態に係る発電システムを、エアコンシステムが冷房運転時の態様で示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る発電システムを、エアコンシステムが暖房運転時の態様で示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発電システムを、エアコンシステムが冷房運転時の態様で示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発電システムを、エアコンシステムが暖房運転時の態様で示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係る発電システムを、エアコンシステムが冷房運転時の態様で示すブロック図、図２は同発電システムを、エアコンシステムが暖房運転時の態様で示すブロック図である。

両図に示すように、本形態における熱源系統となるエアコンシステムＩは、室内に設置する室内機１と室外に設置する室外機２とを第1のエアコン管路３および第２のエアコン管路４で連結して構成してあり、第１および第２のエアコン管路３，４を介して室内機１および室外機２の間で第１の冷媒を循環させることにより室内の冷暖房を行う。

第１の蒸発器５は第１の管路１１の途中の一部を、また第１の凝縮器６は第３の管路１５の一部を、それぞれ第１のエアコン管路３にコイル状に巻回して構成してある。第２の蒸発器７は第２の管路１２の途中に、第２の凝縮器６は第４の管路１６の途中にそれぞれ介在させ、室外機２の空気排出口２Ａに隣接させて配設してある。ここで、第１〜第４の管路１１，１２，１５，１６には沸点が低い、例えばアンモニア等の第２の媒体を流通させてある。かくして、空気排出口２Ａから排出される暖気（冷房運転時）または冷気（暖房運転時）と第２の媒体が熱交換する。すなわち、第１のエアコン管路３を流通する第１の冷媒は空気排出口２Ａから排出される排気を介して第２の蒸発器７または第２の凝縮器８を流通する第２の冷媒と熱交換するように構成してある。

さらに、第１の管路１１は、第１の二方弁９から第１の蒸発器５に至る管路１１−１と、第１の蒸発器５から第２の二方弁１０に至る管路１１−２とを第１の蒸発器５を挟んで一体的に連結してなる。第２の管路１２は、第１の二方弁９から第２の蒸発器７に至る管路１２−１と、第２の蒸発器７から第２の二方弁１０に至る管路１２−２とを第２の蒸発器７を挟んで一体的に連結してなる。第３の管路１５は、第３の二方弁１３から第１の凝縮器６に至る管路１５−１と、第１の凝縮器６から第４の二方弁１４に至る管路１５−２とを第１の凝縮器６を挟んで一体的に連結してなる。第４の管路１６は、第３の二方弁１３から第２の凝縮器８に至る管路１６−１と、第２の凝縮器８から第４の二方弁に至る管路１６−２とを第２の凝縮器８を挟んで一体的に連結してなる。

これら第１の管路１１（管路１１−１，１１−２）、第２の管路１２（管路１２−１，１２−２）、第３の管路１５（管路１５−１，１５−２）、第４の管路１６（管路１６−１，１６−２）が、本形態における媒体系統の管路の一部を構成している。

第５の管路１７は、第４の二方弁１４と第１の二方弁９との間を連通し、内部を第２の冷媒が流通する管路である。ここで、本形態においては第５の管路１７の途中にポンプ２３が介在させてあり、第４の二方弁１４側を介して供給された第２の冷媒を加圧するとともに、第１の二方弁９側に向けて送球するように構成してある。なお、ポンプ２３は、必ずしも設ける必要はない。第２の冷媒の圧力が充分高ければ自然循環により第２の冷媒を循環させることが可能であるからである。

タービン２０は、第２の二方弁１０から第６の管路１８を介して供給される第２の冷媒により駆動されるとともに、所定の仕事を終えた第２の冷媒を第7の管路１９を介して第３の二方弁１３に向けて排出する。発電機２１はタービン２０に一体的に連結され、タービン２０とともに回転して所定の電力を発電する。

第６の管路１８にはタービン２０の上流側に圧力調整弁２４および圧力センサ２５が配設してある。かくして、本形態では、圧力センサ２５が検出する第６の管路内の第２の冷媒の圧力に基づき、該圧力が所定の圧力になるように制御部２２で圧力調整弁２４の開度を制御している。

本形態においては、エアコンシステムＩの冷房時に、第１の蒸発器５および第２の凝縮器８を使用して所定の熱交換を行い、熱源系統の熱を媒体系統に移行させて高温に加熱された第2の媒体でタービン２０を駆動することにより発電機２１で所定の発電を行う。すなわち、第２の媒体は第1の蒸発器５を介して第1のエアコン管路３および第２のエアコン管路４を循環する第１の冷媒と熱交換することにより加熱され、膨張してタービン２０を駆動する。ここで、第２の媒体は常に第２の二方弁１０側から第３の二方弁１３側に向けて流通する。したがって、当該冷房時には第１〜第４の二方弁９，１０，１３，１４が図１に示すように流路を選択する。かかる流路選択の制御は、制御部２２の制御により行う。

さらに詳言するとエアコンシステムＩの冷房運転時においては、第２の冷媒を、第１の二方弁９から第1の蒸発器５を介して第２の二方弁１０に流し、タービン２０を駆動した後、第３の二方弁１３から第２の凝縮器８を介して第４の二方弁１４に至り、前記第２の冷媒を流通させるとともに、ポンプ２３により加圧して第１の二方弁９に戻るように循環させる。図１に示す二方弁９，１０，１３，１４の状態が、当該冷房運転時の状態を示している。

冷暖房運転のモードは、第１のエアコン管路３の温度Ｔ１を検出する第１の温度センサおよび第２のエアコン管路４の温度Ｔ２を検出する第２の温度センサをそれぞれ第１および第２のエアコン管路３，４に隣接して配設し、制御部２２が、Ｔ１>Ｔ２であることを検出した場合にエアコンシステムＩが冷房運転であると判断し、Ｔ１＜Ｔ２であることを検出した場合に暖房運転であると判断する。

図２は本形態に係る発電システムを、エアコンシステムＩが暖房運転時の態様で示すブロック図である。同図に示すように、エアコンシステムＩが暖房運転時には、第１のエアコン管路３および第２のエアコン管路４を流通する第１の冷媒の温度Ｔ１，Ｔ２が逆転する。すなわち、このモードにおいてはＴ１＜Ｔ２となる。

図２に示す二方弁９，１０，１３，１４の状態が、当該暖房運転時の状態を示している。したがって、この場合には、制御部２２により、次のように第１〜第４の二方弁９，１０，１３，１４を制御する。すなわち、図２に示すように、第１の二方弁９から第２の蒸発器７を介して第２の二方弁１０に第２の冷媒を流通させると同時に、第３の二方弁１３から第１の凝縮器６を介して第４の二方弁１４に第２の冷媒を流通させるよう第１〜第4の二方弁９，１０，１３，１４の流路の切替制御を行う。

かくして図２に示すエアコンシステムＩの暖房運転時においても、冷房運転時と同様に、第６の管路１８を介して供給される高温の第２の冷媒によりタービン２０および発電機２１を駆動し、所定の発電を実現できる。

なお、図２において、第１〜第４の二方弁９，１０，１３，１４における流路の選択態様および第１〜第４の管路１１，１２，１５，１６における第２の媒体の流通態様を除く他の部分は、図１と全く同様であるので、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

＜第２の実施の形態＞
図３は本発明の第２の実施の形態に係る発電システムを、エアコンシステムが冷房運転時の態様で示すブロック図、図４は本発明の第２の実施の形態に係る発電システムを、エアコンシステムが暖房運転時の態様で示すブロック図である。両図に示すように、本形態に係る発電システムでは、第２の管路１２の途中を第２のエアコン管路４の途中にコイル状に巻回して第２の蒸発器を構成するとともに、第４の管路１６の途中を第２のエアコン管路４の途中にコイル状に巻回して第２の凝縮器２８を構成している。すなわち、図１および図２に示す第２の蒸発器７の機能を第２の蒸発器２７で、図１および図２に示す第２の凝縮器８の機能を第２の凝縮器２８で、それぞれ機能的に代替させている。

なお、第１の実施の形態のように、室外機２の空気排出口２Ａから吐出される排気を利用して第２の蒸発器７および第２の凝縮器８による第１の冷媒と第２の冷媒との熱交換を行った場合の方が、第２の実施の形態のように、第２の蒸発器２７および第２の凝縮器２８を介する第１の冷媒と第２の冷媒との熱交換を行う場合よりも高効率の熱交換を行うことができる。

Ｉ エアコンシステム
１ 室内機
２ 室外機
３ 第1のエアコン管路
４ 第２のエアコン管路
５ 第１の蒸発器
６ 第１の凝縮器
７ 第２の蒸発器
８ 第２の凝縮器
９ 第１の二方弁
１０ 第２の二方弁
１１ 第１の管路
１２ 第２の管路
１３ 第３の二方弁
１４ 第４の二方弁
１５ 第３の管路
１６ 第４の管路
１７ 第５の管路
１８ 第６の管路
１９ 第7の管路
２０ タービン
２１ 発電機
２２ 制御部
２３ ポンプ
Ｔ１，Ｔ２ 温度

Claims (5)

1. 室内に設置する室内機と室外に設置する室外機とを第1のエアコン管路および第２のエアコン管路で連結するとともに、前記第１および第２のエアコン管路を介して前記室内機および室外機の間で第１の冷媒を循環させることにより室内の冷暖房を行うエアコンシステムと、
   前記第１のエアコン管路を流通する前記第１の冷媒の熱と熱交換する第１の蒸発器および第１の凝縮器と、
   前記室外機２から排出される排気の熱と熱交換する第２の蒸発器および第２の凝縮器と、
   第１の二方弁から前記第１の蒸発器を介して第２の二方弁に至り、内部を第２の冷媒が流通する第１の管路と、
   前記第１の二方弁から前記第２の蒸発器を介して前記第２の二方弁に至り、内部を前記第２の冷媒が流通する第２の管路と、
   第３の二方弁から前記第１の凝縮器を介して第４の二方弁に至り、内部を前記第２の冷媒が流通する第３の管路と、
   前記第３の二方弁から前記第２の凝縮器を介して前記第４の二方弁に至り、内部を前記第２の冷媒が流通する第４の管路と、
   前記第４の二方弁と前記第１の二方弁との間を連通し、内部を前記第２の冷媒が流通する第５の管路と、
   前記第２の二方弁から第６の管路を介して供給される前記第２の冷媒により駆動されるとともに、第7の管路を介して前記第３の二方弁に向けて前記第２の冷媒を排出するタービンと、
   前記タービンにより駆動される発電機と、
   前記エアコンの冷房運転時においては、前記第１の二方弁から前記第1の蒸発器を介して前記第２の二方弁に前記第２の冷媒を流通させると同時に前記第３の二方弁から前記第２の凝縮器を介して前記第４の二方弁に前記第２の冷媒を流通させるとともに、
   前記エアコンの暖房運転時においては、前記第１の二方弁から前記第２の蒸発器を介して前記第２の二方弁に前記第２の冷媒を流通させると同時に前記第３の二方弁から前記第１の凝縮器を介して前記第４の二方弁に前記第２の冷媒を流通させるよう前記第１〜第4の二方弁の流路の切替制御を行う制御部とを有することを特徴とする発電システム。
2. 室内に設置する室内機と室外に設置する室外機とを第1のエアコン管路および第２のエアコン管路で連結するとともに、前記第１および第２のエアコン管路を介して前記室内機および室外機の間で第１の冷媒を循環させることにより室内の冷暖房を行うエアコンシステムと、
   前記第１のエアコン管路を流通する前記第１の冷媒の熱と熱交換する第１の蒸発器および第１の凝縮器と、
   前記第２のエアコン管路を流通する前記第１の冷媒の熱と熱交換する第２の蒸発器および第２の凝縮器と、
   第１の二方弁から前記第１の蒸発器を介して第２の二方弁に至り、内部を第２の冷媒が流通する第１の管路と、
   前記第１の二方弁から前記第２の蒸発器を介して前記第２の二方弁に至り、内部を前記第２の冷媒が流通する第２の管路と、
   第３の二方弁から前記第１の凝縮器を介して第４の二方弁に至り、内部を前記第２の冷媒が流通する第３の管路と、
   前記第３の二方弁から前記第２の凝縮器を介して前記第４の二方弁に至り、内部を前記第２の冷媒が流通する第４の管路と、
   前記第４の二方弁と前記第１の二方弁との間を連通し、内部を前記第２の冷媒が流通する第５の管路と、
   前記第２の二方弁から第６の管路を介して供給される前記第２の冷媒により駆動されるとともに、第7の管路を介して前記第３の二方弁に向けて前記第２の冷媒を排出するタービンと、
   前記タービンにより駆動される発電機と、
   前記エアコンの冷房運転時においては、前記第１の二方弁から前記第1の蒸発器を介して前記第２の二方弁に前記第２の冷媒を流通させると同時に前記第３の二方弁から前記第２の凝縮器を介して前記第４の二方弁に前記第２の冷媒を流通させるとともに、
   前記エアコンの暖房運転時においては、前記第１の二方弁から前記第２の蒸発器を介して前記第２の二方弁に前記第２の冷媒を流通させると同時に前記第３の二方弁から前記第１の凝縮器を介して前記第４の二方弁に前記第２の冷媒を流通させるよう前記第１〜第4の二方弁の流路の切替制御を行う制御部とを有することを特徴とする発電システム。
3. 請求項１または請求項２に記載する発電システムにおいて、
   前記第５の管路の途中にポンプを介在させ、前記第４の二方弁側を介して供給された前記第２の冷媒を加圧するとともに、前記第１の二方弁側に向けて送給するように構成したことを特徴とする発電システム。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一つに記載する発電システムにおいて、
   前記第１のエアコン管路の温度Ｔ１を検出する第１の温度センサおよび前記第２のエアコン管路の温度Ｔ２を検出する第２の温度センサをそれぞれ配設し、
   前記制御部が、Ｔ１>Ｔ２の場合に前記エアコンシステムが冷房運転時であると判断して前記第１〜第４の二方弁の前記所定の制御を行うとともに、Ｔ１＜Ｔ２の場合に前記エアコンシステムが暖房運転時であると判断して前記第１〜第４の二方弁の前記所定の制御を行うように構成したことを特徴とする発電システム。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一つに記載する発電システムにおいて、
   前記第６の管路の途中に圧力調整弁および圧力センサを配設し、前記圧力センサが検出する前記第６の管路内の前記第２の冷媒の圧力に基づき、該圧力が所定の圧力になるように前記制御部で前記圧力調整弁の開度を制御するように構成したことを特徴とする発電システム。
   

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