JP6551956B1 - 発電システム - Google Patents

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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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