JP6696219B2 - 発熱システムおよびそれを用いた発電システム - Google Patents

Description

本発明は、回転する回転部の運動エネルギを熱エネルギに変換して蓄積する発熱システム、およびそれを用いた発電システムに関する。

回転する回転軸の運動エネルギを発熱装置によって熱エネルギに変換し、その熱エネルギを用いて発電する発電システムが、従来から提案されている。たとえば、特開２０１２−２５６５０７号公報（特許文献１）および特開２０１４−２５４１０号公報（特許文献２）は、誘導モータを応用した発電システムを開示している。特開２０１１−８９４９２号公報（特許文献３）は、永久磁石式のリターダ装置を応用した発電装置を開示している。特許文献３に記載の発電装置では、リターダ装置で加熱された熱媒体の熱が蓄熱装置に貯蔵され、その熱によって発電が行われる。

発熱装置で発生した熱を利用して発電するためには、熱媒体が必要になる。従来から、熱媒体としては、水、油、溶融塩等が提案されている。これらの中でも溶融塩のように高温で動作する熱媒体を用いることによって、高温での蓄熱が可能となり、その結果、発電効率を高めることが可能となる。

溶融塩は一般に３００℃以下では凝固して使用できない。そのため、熱媒体として溶融塩を用いる場合には、発熱装置を常に３００℃以上に維持する必要がある。しかし、風力などの自然エネルギは不安定であり、発熱装置による発熱は一定せず、発熱しない状態になることがしばしば発生する。そのため、発熱装置による発熱が不充分なときには、配管内にある溶融塩が凝固しないように、配管を電気ヒーター等で加熱する必要があり、電気エネルギを消費してしまう。また、電気ヒーターを用いるために装置の構成が複雑になり、装置のコストが増大する。さらに、発熱装置のうち溶融塩に触れる部分は、耐熱性および耐食性が高い材料を使用する必要があり、装置のコストが膨大になる。

特開２０１２−２５６５０７号公報 特開２０１４−２５４１０号公報 特開２０１１−８９４９２号公報

上記の状況において、本発明の目的の１つは、高温で蓄熱することおよび低コスト化が可能な発熱システム、およびそれを用いた発電システムを提供することである。

本発明の一実施形態による発熱システムは、運動エネルギを熱エネルギに変換して蓄積する発熱システムである。この発熱システムは、回転する回転部の運動エネルギを熱エネルギに変換する発熱装置と、ヒートポンプと、蓄熱槽と、前記発熱装置と前記ヒートポンプとを通り第１の熱媒体が流れる第１の流路と、前記ヒートポンプと前記蓄熱槽とを通り第２の熱媒体が流れる第２の流路と、を含む。前記ヒートポンプにおいて、前記第２の熱媒体は、前記ヒートポンプに到達した前記第１の熱媒体の温度よりも高い温度に加熱される。

本発明の一実施形態による発電システムは、熱エネルギによって発電する発電システムである。この発電システムは、本発明の発熱システムと、前記発熱システムの前記蓄熱槽に蓄積された熱によって発電する発電装置とを含む。

本発明によれば、高温で蓄熱することおよび低コスト化が可能な発熱システム、およびそれを用いた発電システムが得られる。

図１は、本発明の発熱システムの一例の構成を模式的に示す。 図２は、図１に示した発熱システムで用いられるヒートポンプの一例の構成を模式的に示す。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明では本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。

（発熱システム）
本発明の発熱システムは、運動エネルギを熱エネルギに変換して蓄積するシステムである。この発熱システムは、発熱装置、ヒートポンプ、蓄熱槽、第１の流路、および第２の流路を含む。発熱装置は、回転する回転部の運動エネルギを熱エネルギに変換する。第１の流路は、発熱装置とヒートポンプとを通る。第１の流路を第１の熱媒体が流れる。第２の流路は、ヒートポンプと蓄熱槽とを通る。第２の流路を第２の熱媒体が流れる。ヒートポンプにおいて、第２の熱媒体は、ヒートポンプに到達した第１の熱媒体の温度よりも高い温度に加熱される。

発熱装置、ヒートポンプ、蓄熱槽、第１の流路、および第２の流路には特に限定はない。本発明の効果が得られる限り、それらには公知のものを用いてもよい。

発熱装置は、回転する回転部の運動エネルギを熱エネルギに変換する。発熱装置の例には、渦電流式の発熱装置、流体式の発熱装置、誘導モータ式の発熱装置が含まれる。よく知られているように、永久磁石を用いる渦電流式の発熱装置は、永久磁石と導電性の発熱部材とを含む。

渦電流式の発熱装置の典型的な一例について説明する。この一例の発熱装置では、複数の永久磁石が、回転軸（回転部）に固定されて回転軸とともに回転する。発熱部材は、回転する永久磁石に対向するように配置される。永久磁石が回転すると、導電性の発熱部材に渦電流が発生し、それによって発熱部材が発熱する。このようにして、回転軸の運動エネルギが熱エネルギに変換される。なお、発熱部材を回転軸に固定してもよい。その場合、回転する発熱部材に対向するように複数の永久磁石が配置される。

発熱装置は、回転部（回転軸）を含む。回転部は、外部のエネルギによって回転する。回転部は、流体の運動エネルギ（たとえば、風力や水力などの自然エネルギ）によって回転させられてもよい。すなわち、本発明の発熱システムは、風力で発熱する風力発熱システム、または水力で発熱する水力発熱システムであってもよい。本発明の発熱装置は、風力発電設備、水力発電設備等のように流体の運動エネルギを利用する発電設備に搭載されてもよい。公知の風力発電設備や水力発電設備の発電装置部分を本発明の発熱装置に置き換えることによって、熱エネルギを生成できる。そのため、発熱装置以外の部分（羽根車、クラッチ装置、増速装置等）には、公知の発電設備の構成を適用できる。

ヒートポンプは、第１の流路を流れる第１の熱媒体から吸熱して第２の熱媒体を加熱する。第１および第２の熱媒体に応じて適切なヒートポンプを選択できる。そのようなヒートポンプは、公知のヒートポンプから選択してもよい。

蓄熱槽は、第２の熱媒体で運ばれた熱エネルギを蓄積する。蓄積された熱エネルギは、目的に応じて利用される。たとえば、蓄積された熱エネルギで発電を行う場合の一例では、発電用のタービンを回すために熱エネルギが利用される。

第１および第２の流路はそれぞれ、熱媒体を安定して流すことができるものであればよい。後述するように、それらは、循環路を形成してもよい。

熱媒体には、公知の熱媒体を用いてもよい。熱媒体の例には、空気、水、熱媒油、溶融塩などが含まれる。本発明の発熱システムでは、第１の熱媒体でヒートポンプに運ばれた熱エネルギを用いて第２の熱媒体を高温にする。そのため、それに適した第１および第２の熱媒体が選択される。たとえば、第１の熱媒体の使用最高温度が、第２の熱媒体の使用最高温度より低くてもよい。

本発明の発熱システムでは、第２の熱媒体が溶融塩であってもよい。溶融塩は高温で使用できるため、効率よく熱を回収・蓄積できる。また、後述するように、集光型の太陽光発熱システムと本発明の発熱システムとで熱媒体を併用する場合には、第２の熱媒体として溶融塩が有用である。第２の熱媒体が溶融塩である場合、溶融塩の融点は一般に高温であるため、第１の熱媒体として選択できる熱媒体が多くなる。好ましい一例では、第２の熱媒体として、融点が１４０℃以上の溶融塩を用いる。溶融塩の例には、硝酸塩系溶融塩等のオキシ酸系溶融塩が含まれる。

溶融塩のように高温で動作する熱媒体を第１の熱媒体として用いる場合、回転軸が充分に回転していないとき（たとえば風力を用いた発熱で風力が弱いとき）には、第１の熱媒体の温度を維持するための装置およびエネルギが必要になる。そのため、第１の熱媒体は、溶融塩以外の熱媒体であって、溶融塩よりも低温で動作する熱媒体であることが好ましい。

第２の熱媒体が溶融塩である場合、第１の熱媒体が２５℃１気圧の状態において液体である熱媒体であってもよい。この場合、第１の熱媒体の融点は第２の熱媒体（溶融塩）の融点よりも低い。この場合の第１の熱媒体の例には、熱媒油、水（水蒸気）が含まれる。

第２の熱媒体が溶融塩である場合、第１の熱媒体は２５℃１気圧の状態において気体である熱媒体であってもよい。そのような気体の例には、空気や、窒素ガス等の不活性ガスなどが含まれる。

本発明の発熱システムは、第２の熱媒体を含む。通常、本発明の発熱システムは、さらに第１の熱媒体を含む。ただし、第１の熱媒体は、外部から取り込まれて発熱装置で加熱される空気であってもよい。この場合、第１の流路は、発熱装置とヒートポンプとを流れる循環路である必要はない。そのため、この構成によれば、発熱システムの構成を簡素化してコストダウンすることが可能である。

第１の熱媒体と第２の熱媒体との組み合わせの例には、以下の組み合わせが含まれる。
（１）熱媒油と溶融塩（たとえば融点が１４０℃以上の溶融塩）。
（２）水と溶融塩（たとえば融点が１４０℃以上の溶融塩）。

上記（１）および（２）の場合、ヒートポンプで用いられる熱媒体（実施形態における第３の熱媒体）として、水（水蒸気）、熱媒油を用いてもよい。

本発明の発熱システムでは、第１の流路が、発熱装置とヒートポンプとを通る循環路であってもよい。この場合、発熱システムは、第１および第２の熱媒体を含む。この場合、第１の熱媒体は、発熱装置とヒートポンプとの間を循環し、発熱装置で発生した熱エネルギをヒートポンプに運ぶ。

本発明の発熱システムでは、第２の流路が、ヒートポンプと蓄熱槽とを通る循環路であってもよい。この場合、第２の熱媒体は、ヒートポンプと蓄熱槽との間を循環し、ヒートポンプで受け取った熱エネルギを蓄熱槽に運ぶ。この場合、蓄熱槽が循環路の一部を構成してもよい。すなわち、蓄熱槽に、第２の熱媒体が貯留されており、その第２の熱媒体が循環路を循環してもよい。ただし、第２の熱媒体と同じか異なる熱媒体が貯留された蓄熱槽内を、第２の流路である配管が通っていてもよい。その場合、第２の流路を流れる第２の熱媒体によって蓄熱槽内の熱媒体が加熱される。

（発電システム）
本発明の発電システムは、熱エネルギによって発電する。この発電システムは、本発明の発熱システムと、発熱システムの蓄熱槽に蓄積された熱によって発電する発電装置とを含む。発熱システムについては他の箇所で説明したため、重複する説明は省略する。

発電装置に特に限定はなく、熱エネルギによって発電する装置であればよい。発電装置には、熱エネルギによって発電する公知の発電装置を用いてもよい。発電装置の例には、熱エネルギによって加熱された蒸気によってタービンを回す発電装置が含まれる。

本発明の発電システムは、本発明の発熱システムによって得られた熱によって発電を行う。本発明の発電システムの例には、風力熱発電システムおよび水力熱発電システムが含まれる。

本発明の発電システムにおいて、第２の流路が、蓄熱槽と発電装置とを結ぶ高温側の流路と、発電装置とヒートポンプとを結ぶ低温側の流路とを含む循環路であってもよい。この場合、発電システムは、低温側の流路の途中に配置された貯留槽を含んでもよい。この貯留槽には、第２の熱媒体が貯留される。発電装置で熱エネルギが消費される前の高温の第２の熱媒体が高温側の流路を流れる。発電装置で熱エネルギが消費されて温度が低下した第２の熱媒体が低温側の流路を流れる。この構成によれば、効率よく発電を行うことができる。

本発明の発電システムは、集光型の太陽光発熱システムをさらに含んでもよい。その場合、発熱システムと太陽光発熱システムとが蓄熱槽および第２の熱媒体を共有してもよい。その場合、１つの発電装置を用いて発電を行うことが可能である。第２の熱媒体を用いて熱を回収することを除き、太陽光発熱システムに特に限定はなく、公知の太陽光発熱システムを用いることができる。

近年、再生可能エネルギとして、集光された太陽光によって発電を行う太陽熱発電システムが提案、実用化されている。当該システムにおいて、太陽光から得られた熱エネルギは、熱媒体を介し蓄熱槽に貯蔵されている。熱媒体としては、高温で使用可能で不燃性である溶融塩が用いられることが多い。溶融塩を用いて高温で蓄熱することで、発電時のタービンが高効率になる利点がある。

本発明の発電システムと太陽熱発電システムとは、蓄熱槽およびその下流の部分（発電装置を含む部分）に同じシステム構成を適用できる。そのため、本発明の発電システムと太陽熱発電システムとを併設すれば、蓄熱槽や発電装置を共用することが可能である。本発明の発電システムでは、溶融塩を用いて蓄熱することが可能である。そのため、本発明の発電システムは、太陽熱発電システムと併設しやすいという利点を有する。本発明の発電システムと太陽熱発電システムとを併設することによって、設備投資を抑制することが可能であり、さらに、効率的且つ安定的に再生可能エネルギを利用できる。

本発明の実施形態の一例について、図面を参照しながら以下に説明する。

（実施形態）
本発明の発電システムの一例として、風力熱発電システムの一例を、図１に模式的に示す。図１の発電システムは、本発明の発熱システム１００と、発電装置１１０とを含む。

発熱システム１００は、羽根車（回転羽根）１０１、発熱装置１０２、第１の流路（配管）１０３、ヒートポンプ１０４、貯液槽１０５、蓄熱槽１０６、第２の流路（配管）１０７、およびポンプ１０８を含む。ポンプ１０８は、熱媒体の種類に応じて選択されるポンプであり、熱媒体が液体である場合には液送ポンプなどが用いられる。

第１の流路１０３は、発熱装置１０２とヒートポンプ１０４とを通る循環路である。第１の流路１０３は、高温側流路１０３ａと低温側流路１０３ｂとを含む。第１の流路１０３を、第１の熱媒体が流れる。

低温側流路１０３ｂを流れる第１の熱媒体は、ポンプ１０８によって送り出され、発熱装置１０２で加熱される。加熱された第１の熱媒体は、高温側流路１０３ａを流れてヒートポンプ１０４に到達し、熱交換されて温度が低下する。温度が低下した第１の熱媒体は、発熱装置１０２で再び加熱される。このようにして、発熱装置１０２で発生した熱が、ヒートポンプ１０４に移動する。

第２の流路１０７は、高温側流路１０７ａ、１０７ｂと、低温側流路１０７ｃ、１０７ｄとを含む。高温側流路１０７ａは、ヒートポンプ１０４と蓄熱槽１０６とを結ぶ。高温側流路１０７ｂは、蓄熱槽１０６と発電装置１１０とを結ぶ。低温側流路１０７ｃは、発電装置１１０と貯液槽１０５とを結ぶ。低温側流路１０７ｄは、貯液槽１０５とヒートポンプ１０４とを結ぶ。第２の流路１０７は、ヒートポンプ１０４、貯液槽１０５、および蓄熱槽１０６を通る循環路である。この循環路は、さらに発電装置１１０を通る。

第２の流路１０７を流れる第２の熱媒体は、低温側流路１０７ｄのポンプ１０８によって送り出され、ヒートポンプ１０４で加熱される。次に、第２の熱媒体は、高温側流路１０７ａを流れて蓄熱槽１０６に蓄えられる。蓄熱槽１０６内の第２の熱媒体は、高温側流路１０７ｂを流れて発電装置１１０に送られる。発電装置１１０では、第２の熱媒体の熱エネルギを用いて発電が行われる。発電装置１１０で温度が低下した第２の熱媒体は、低温側流路１０７ｃを通って貯液槽１０５に蓄えられる。貯液槽１０５の第２の熱媒体は、ヒートポンプ１０４に送られて再度加熱される。このようにして、ヒートポンプ１０４の熱が、発電装置１１０に送られる。以上のようにして、発熱装置１０２で発生した熱エネルギが発電装置１１０で電気エネルギに変換される。

ヒートポンプ１０４の構成を、図２に模式的に示す。ヒートポンプ１０４は、第１の熱交換器１０４ａ、第２の熱交換器１０４ｂ、圧縮器１０４ｃ、および膨張弁１０４ｄと、これらを結ぶ流路１０４ｅとを含む。流路１０４ｅ内を第３の熱媒体が流れる。

第１の熱交換器１０４ａにおいて、発熱装置１０２で加熱された第１の熱媒体と、ヒートポンプ１０４の第３の熱媒体との間で熱交換が行われる。具体的には、第１の熱媒体の温度が温度Ｔ１ｈから温度Ｔ１ｃに低下し、第３の熱媒体の温度が温度Ｔ２ｃから温度Ｔ２ｈに上昇する。熱交換後の第３の熱媒体を圧縮器１０４ｃで圧縮することによって、第３の熱媒体の温度を温度Ｔ２ｈから温度Ｔ３ｈまでさらに上昇させる。

第２の熱交換器１０４ｂにおいて、ヒートポンプ１０４の第３の熱媒体と第２の熱媒体との間で熱交換が行われる。具体的には、第３の熱媒体の温度が温度Ｔ３ｈから温度Ｔ３ｃに低下し、第２の熱媒体の温度が温度Ｔ４ｃから温度Ｔ４ｈに上昇する。熱交換後の第３の熱媒体を膨張弁１０４ｄで膨張させることによって、第３の熱媒体の温度を温度Ｔ３ｃから温度Ｔ２ｃに低下させる。このように、ヒートポンプ１０４によれば、低温で動作する第１の熱媒体を用いて、高温で動作する第２の熱媒体を加熱できる。上述したように、第１および第２の熱媒体には、所定の条件を満たす熱媒体が用いられる。

一例の装置では、第１〜第３の熱媒体の温度が以下のように変化してもよい。なお、以下の温度は、配管内での温度低下などを考慮していない理想的な温度である。
（１）第１の熱交換器１０４ａにおいて、第１の熱媒体の温度が１８０℃（Ｔ１ｈ）から１２０℃（Ｔ１ｃ）に低下する。それに伴い、第３の熱媒体の温度が８０℃（Ｔ２ｃ）から１６０℃（Ｔ２ｈ）に上昇する。
（２）圧縮器１０４ｃにおいて、第３の熱媒体の温度が、１６０℃（Ｔ２ｈ）から６００℃（Ｔ３ｈ）に上昇する。
（３）第２の熱交換器１０４ｂにおいて、第３の熱媒体の温度が６００℃（Ｔ３ｈ）から３５０℃（Ｔ３ｃ）に低下する。それに伴い、第２の熱媒体の温度が３００℃（Ｔ４ｃ）から５００℃（Ｔ４ｈ）に上昇する。
（４）膨張弁１０４ｄにおいて、第３の熱媒体の温度が、３５０℃（Ｔ３ｃ）から８０℃（Ｔ２ｃ）に低下する。

図１には、第１の流路が循環路である発熱システムの一例を示した。しかし、第１の流路は循環路ではなくてもよい。たとえば、第１の熱媒体が外部から取り込まれて発熱装置で加熱される空気である場合、第１の流路は循環路ではなくてもよい。その場合、高温側流路１０３ａに空気を移動させるためのポンプが配置される。また、低温側流路１０３ｂは不要であり、ヒートポンプ１０４において熱エネルギが回収された空気は、大気中に放出されてもよい。

本発明は、運動エネルギを熱エネルギに変換して蓄積する発熱システム、およびそれを用いた発電システムに利用できる。

１００ 発熱システム
１０１ 羽根車
１０２ 発熱装置
１０３ 第１の流路（配管）
１０４ ヒートポンプ
１０５ 貯液槽
１０６ 蓄熱槽
１０７ 第２の流路（配管）
１０８ ポンプ

Claims (6)

1. 運動エネルギを熱エネルギに変換して蓄積する発熱システムであって、
   回転する回転部の運動エネルギを熱エネルギに変換する発熱装置と、
   ヒートポンプと、
   蓄熱槽と、
   前記発熱装置と前記ヒートポンプとを通り第１の熱媒体が流れる第１の流路と、
   前記ヒートポンプと前記蓄熱槽とを通り第２の熱媒体が流れる第２の流路と、を含み、
   前記ヒートポンプにおいて、前記第２の熱媒体は、前記ヒートポンプに到達した前記第１の熱媒体の温度よりも高い温度に加熱され、
   前記第２の熱媒体が溶融塩であり、
   前記第１の熱媒体が２５℃１気圧の状態において液体であり、
   前記第１の熱媒体の融点が前記第２の熱媒体の融点よりも低い、発熱システム。
2. 運動エネルギを熱エネルギに変換して蓄積する発熱システムであって、
   回転する回転部の運動エネルギを熱エネルギに変換する発熱装置と、
   ヒートポンプと、
   蓄熱槽と、
   前記発熱装置と前記ヒートポンプとを通り第１の熱媒体が流れる第１の流路と、
   前記ヒートポンプと前記蓄熱槽とを通り第２の熱媒体が流れる第２の流路と、を含み、
   前記ヒートポンプにおいて、前記第２の熱媒体は、前記ヒートポンプに到達した前記第１の熱媒体の温度よりも高い温度に加熱され、
   前記第２の熱媒体が溶融塩であり、
   前記第１の熱媒体が２５℃１気圧の状態において気体である、発熱システム。
3. 前記第１の熱媒体が、外部から取り込まれて前記発熱装置で加熱される空気である、請求項２に記載の発熱システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の発熱システムと、
   前記発熱システムの前記蓄熱槽に蓄積された熱によって発電する発電装置とを含む、発電システム。
5. 前記第２の流路が、前記蓄熱槽と前記発電装置とを結ぶ高温側の流路と、前記発電装置と前記ヒートポンプとを結ぶ低温側の流路とを含む循環路であり、
   前記低温側の流路の途中に配置され前記第２の熱媒体が貯留される貯留槽を含む、請求項４に記載の発電システム。
6. 集光型の太陽光発熱システムをさらに含み、
   前記発熱システムと前記太陽光発熱システムとが前記蓄熱槽および前記第２の熱媒体を共有する、請求項４または５に記載の発電システム。

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