JP6828612B2 - バイナリー発電システム - Google Patents

Description

本発明は、バイナリー発電システムに関する。

バイナリー発電システムは、熱源からの熱供給により加熱された熱媒体が作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で生成された作動媒体の蒸気により発電を行う発電機とを備えている。特許文献１は、バイナリー発電装置について開示しており、このバイナリー発電装置は、蒸発器へ導入される温水（熱媒体）の温度変動を抑制する熱バッファ手段を備える。熱バッファ手段は、熱源の温度が急激に低下したときに作動媒体の加熱状態を維持する。

特開２０１３−１８１３９７号公報

バイナリー発電システムでは、バイナリー発電装置における発電が停止したとき、バイナリー発電装置での熱消費が急激に減少するので、熱源からの熱供給を停止したり、又は、熱供給量を減少させたりする必要がある。しかしながら、熱供給の停止又は熱供給量の減少には、時間を要することがある。その場合、熱媒体への熱供給が過剰となり、バイナリー発電装置に供給される熱媒体の温度が過度に上昇し、この過度の温度上昇を原因とする不具合が発生するおそれがある。

本発明は、バイナリー発電装置における発電が停止したときに、バイナリー発電装置に供給される熱媒体の温度上昇を低減できるバイナリー発電システムを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るバイナリー発電システムは、熱媒体を流すための熱媒体ラインと、熱媒体ラインが設けられると共に、熱媒体ライン内の熱媒体を加熱するための熱媒体加熱装置と、熱媒体ラインが設けられ熱媒体加熱装置よりも下流側に配置されると共に、水を貯留し水と熱媒体ライン内の熱媒体との熱交換により水を加熱するための温水タンクと、熱媒体ラインが設けられ温水タンクよりも下流側に配置されると共に、作動媒体と熱媒体ライン内の熱媒体との熱交換により作動媒体を蒸発させ、蒸発した作動媒体により発電を行うバイナリー発電装置と、を備え、温水タンクは、温水タンク内の水の液量を調整するための液量調整機構を有し、液量調整機構は、バイナリー発電装置が発電を行う間は、温水タンク内の液量を第１液量とするように調整し、液量調整機構は、バイナリー発電装置が発電を停止したときに、温水タンク内の液量を第１液量より多い第２液量とするように調整する。

このバイナリー発電システムによれば、温水タンクが水を貯留し、温水タンク内では、水と熱媒体ライン内の熱媒体との熱交換によって、水の温度は上昇し、熱媒体の温度は下降する。温水タンク内で温度下降した熱媒体は、温水タンクよりも下流側に配置されたバイナリー発電装置に供給される。温水タンクの液量調整機構は、バイナリー発電装置が発電を行う間は、温水タンク内の液量を第１液量とするように調整し、バイナリー発電装置が発電を停止したときに、温水タンク内の液量を第１液量より多い第２液量とするように調整する。温水タンク内の液量が第２液量のときは、第１液量であるときに比べて、温水タンク内の水の温度がより低下し、熱媒体から水に移動する熱量がより増大するので、バイナリー発電装置における発電が停止したときに、熱媒体の温度上昇が低減されることができる。

本発明の一側面に係るバイナリー発電システムでは、バイナリー発電装置は、当該バイナリー発電装置が発電を停止したときに、温水タンク内の液量を第２液量とするための信号を液量調整機構に送信してもよい。

このバイナリー発電システムによれば、熱源からの熱供給の停止又は熱供給量の減少に時間を要しても、液量調整機構は、バイナリー発電装置からの信号に基づいて、迅速に温水タンク内の水の液量を第２液量とすることができる。複雑な制御を必要とすることもない。

本発明の一側面に係るバイナリー発電システムでは、熱媒体ラインは、バイナリー発電装置よりも下流側において、熱媒体ラインの熱媒体加熱装置よりも上流側に接続されて循環流路を形成しており、熱媒体は、熱媒体ラインを通って、熱媒体加熱装置、温水タンク、及びバイナリー発電装置を循環してもよい。

このバイナリー発電システムによれば、熱媒体が熱媒体加熱装置、温水タンク、及びバイナリー発電装置を循環する発電システムにおいても、温水タンク内の水の液量を第２液量とすることによって、熱媒体の温度上昇が低減される。

本発明によれば、バイナリー発電装置における発電が停止したときに、バイナリー発電装置に供給される熱媒体の温度上昇を低減できるバイナリー発電システムを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るバイナリー発電システムの概略構成を示す図である。 図２は、図１のＥ１部を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１を参照して、一実施形態に係るバイナリー発電システム１について説明する。図１に示されるように、バイナリー発電システム１は、排ガスボイラといった熱源５で加熱された熱媒体を用いて、水を加熱し、更に発電を行うシステムである。バイナリー発電システム１は、熱媒体を流すための熱媒体ラインＬ１と、熱媒体ラインＬ１内の熱媒体を加熱するための熱媒体加熱装置１０と、熱媒体加熱装置１０の下流側に配置され、内部に貯留した水と熱媒体ラインＬ１内の熱媒体との熱交換により水を加熱するための温水タンク２０と、温水タンク２０の下流側に配置され、作動媒体と熱媒体ラインＬ１内の熱媒体との熱交換により作動媒体を蒸発させ、蒸発した作動媒体により発電を行うバイナリー発電装置３０とを備える。熱媒体ラインＬ１は、熱媒体加熱装置１０、温水タンク２０、及びバイナリー発電装置３０に設けられる。ここで、「ライン」とは、内部を流体が流れる配管を意味し、「下流」とは、熱媒体の熱が利用される順番を基準としている。

熱媒体ラインＬ１を流れる熱媒体としては、例えば温水または水蒸気が用いられ得る。この場合、熱源５の排ガスボイラは、温水または水蒸気を生成する。なお、バイナリー発電システム１の熱源５は、排ガスボイラに限られず、例えば地熱であってもよい。熱媒体として、水以外の流体が用いられてもよく、その場合、温水は温熱媒体と呼び換えられ、水蒸気は熱媒体蒸気と呼び換えられる。熱媒体ラインＬ１を流れる熱媒体としての水の流量は、例えば毎分２０００リットル程度である。

熱媒体加熱装置１０に設けられる熱媒体ラインＬ１は、熱媒体加熱装置１０内に熱媒体加熱ラインＬ１０を含む。熱媒体加熱ラインＬ１０は、熱源５からの熱媒体を加熱することができる。この加熱は、例えば、熱交換といった方法によって行われる。バイナリー発電システム１は、バイナリー発電装置３０が発電を停止したときは、熱媒体加熱装置１０から熱媒体への熱供給を停止したり、又は、熱供給量を減少させたりするように設定することができる。

熱媒体ラインＬ１は、温水タンク２０内に貯留された水を加熱するための水加熱用熱媒体ラインＬ２０を含む。水加熱用熱媒体ラインＬ２０では、温水タンク２０内の水と、水加熱用熱媒体ラインＬ２０を流れる熱媒体との熱交換がなされる。温水タンク２０は、温水タンク２０内の水の液量を２段階に調整するための液量調整機構２１を有する。温水タンク２０内の水は、液量調整機構２１によって供給される。液量調整機構２１は補給水源７に接続されている。温水タンク２０内の水と、熱媒体との熱交換によって、温水タンク２０内の水の温度が上昇する。その一方で、熱媒体の温度が下降する。温度上昇した温水タンク２０内の水は、給湯、融雪、吸収式冷凍機の熱源等といった温水利用先６に供給される。温度下降した熱媒体は、熱媒体ラインＬ１を流れてバイナリー発電装置３０に供給される。

熱媒体ラインＬ１は、バイナリー発電を行うための発電用熱媒体ラインＬ３０を含む。発電用熱媒体ラインＬ３０には、水加熱用熱媒体ラインＬ２０における熱交換を行い温水タンク２０内の水を加熱した後の熱媒体が通る。バイナリー発電装置３０は、熱媒体を熱源として発電を行うことができるように構成されており、例えば１００ｋＷ程度の出力で発電できる。バイナリー発電装置３０は、例えばオーガニックランキンサイクル（Organic Rankine Cycle；ＯＲＣ）が採用された装置である。

バイナリー発電装置３０は、作動媒体を流す作動媒体ラインＷ１を備える。また、バイナリー発電装置３０は、作動媒体ラインＷ１内の作動媒体と発電用熱媒体ラインＬ３０内の熱媒体との熱交換を行うための蒸発器３１と、蒸発器３１で蒸発した作動媒体を用いて発電を行うための発電機３２と、作動媒体を凝縮させるための凝縮器３３とを備える。発電機３２は、たとえばタービンの回転により発電を行うことができる。循環流路である作動媒体ラインＷ１は、蒸発器３１、発電機３２のタービン及び凝縮器３３を通る。作動媒体ラインＷ１には、作動媒体の循環ポンプが設けられてもよい。バイナリー発電装置３０には、冷却塔３４が接続されており、例えば、冷却塔３４で冷却された冷却水が、凝縮器３３において作動媒体を凝縮させる。バイナリー発電装置３０に用いられる作動媒体は、たとえば不活性ガスである。

バイナリー発電システム１では、熱媒体ラインＬ１は、バイナリー発電装置３０よりも下流側において、熱媒体ラインＬ１の熱媒体加熱装置１０よりも上流側に接続されており、循環流路を形成する。熱媒体は、熱媒体ラインＬ１を通って、熱媒体加熱装置１０、温水タンク２０、及びバイナリー発電装置３０を循環することができる。熱媒体ラインＬ１は、循環流路を形成する替わりに、熱媒体を熱媒体加熱装置１０、温水タンク２０及びバイナリー発電装置３０の順に流した後に、その熱媒体をバイナリー発電システム１の外部に供給するように形成されてもよい。

図２を参照して、温水タンク２０について説明する。図２は、温水タンク２０及び液量調整機構２１を示す図であり、図１のＥ１部に対応する。液量調整機構２１は、バイナリー発電装置３０が発電を行う間は、温水タンク２０内の液量を第１液量とするように調整する。バイナリー発電装置３０が発電を停止したときには、液量調整機構２１は、温水タンク２０内の液量を第１液量より多い第２液量とするように調整する。図２では、第１液量に対応する液位Ｈ１と、第２液量に対応する液位Ｈ２とが示されている。液位は、温水タンク２０の底部から温水タンク２０に供給された水の液面までの高さで規定される。

液量調整機構２１は、例えば、第１給水部２２と第２給水部２３とを備える。第１給水部２２は、バイナリー発電装置３０が発電を行う間に、温水タンク２０内の液量を第１液量とするように水を温水タンク２０内に供給する。第１給水部２２は、例えば、ボールタップを含む第１給水口２２ａを有する。第１給水口２２ａには、第１給水ラインＭ２２を通じて補給水源７から水が供給される。第１給水口２２ａを介して温水タンク２０内に水が供給され、ボールタップによって、温水タンク２０の液位が液位Ｈ１となるように、すなわち温水タンク２０内の液量が第１液量となるように、温水タンク２０の液位が制御される。第１給水口２２ａから温水タンク２０に供給される水の流量は、例えば毎分５０リットルであり、第１液量は、例えば２立方メートルである。

第２給水部２３は、例えば、ボールタップを含む第２給水口２３ａと、第２給水口２３ａの上流側に設けられる第２バルブ２３ｂとを有する。第２給水口２３ａには、第２給水ラインＭ２３を通じて補給水源７から水が供給される。第２バルブ２３ｂは、バイナリー発電装置３０が発電を行う間、例えば、バイナリー発電装置３０から第２給水部２３に供給される信号ＳＧによって、第２給水ラインＭ２３に水を通さないように閉じられた状態であることができる。バイナリー発電装置３０が発電を行う間、第２バルブ２３ｂは閉じられているので、第２給水口２３ａから温水タンク２０には水が供給されない。その一方で、第１給水口２２ａから温水タンク２０に水が供給されて、温水タンク２０内の液量は第１液量を維持する。信号ＳＧは、例えば、発電機３２における発電に応じて供給される電流である。

バイナリー発電装置３０が発電を停止したときは、例えば、バイナリー発電装置３０から第２給水部２３に供給される信号ＳＧが停止し、第２バルブ２３ｂは、第２給水ラインＭ２３に水を通すように開けられた状態となることができる。第２給水部２３によって、温水タンク２０内の液量が第２液量に達するまで、第２給水口２３ａから水が供給される。第２給水部２３は、例えば、ボールタップによって、温水タンク２０の液位が液位Ｈ２となるように、すなわち温水タンク２０内の液量が第２液量となるように、温水タンク２０の液位を制御する。第２給水口２３ａから温水タンク２０に供給される水の流量は、例えば毎分１００リットルであり、第２液量は、例えば２．５立方メートルである。

バイナリー発電装置３０から液量調整機構２１への信号ＳＧの送信は、バイナリー発電装置３０が発電を行う間に行われ、バイナリー発電装置３０が発電を停止したときに停止される。なお、これとは逆に、信号ＳＧの送信は、バイナリー発電装置３０が発電を行う間に停止され、バイナリー発電装置３０が発電を停止したときに行われてもよい。その場合、第２バルブ２３ｂの開閉形式は、上記とは逆になる。また、第１給水部２２は、ボールタップを含む第１給水口２２ａに加えて、第１給水口２２ａの上流側に第１バルブ（図示せず）を有してもよい。

バイナリー発電システム１では、温水タンク２０が水を貯留し、温水タンク２０内では、水と熱媒体ラインＬ１内の熱媒体との熱交換によって、温水タンク２０内の水の温度は上昇し、熱媒体の温度は下降する。温水タンク２０内で温度下降した熱媒体は、温水タンク２０よりも下流側に配置されたバイナリー発電装置３０に供給される。温水タンク２０の液量調整機構２１は、バイナリー発電装置３０が発電を行う間は、温水タンク２０内の液量を第１液量とするように調整し、バイナリー発電装置３０が発電を停止したときに、温水タンク２０内の液量を第１液量より多い第２液量とするように調整する。温水タンク２０内の液量が第２液量のときは、第１液量であるときに比べて、温水タンク２０内の水の温度がより低下し、熱媒体から水に移動する熱量がより増大するので、バイナリー発電装置３０における発電が停止したときに、熱媒体の温度上昇が低減されることができる。温水タンク２０における液量の変化が、バイナリー発電装置３０の発電停止に伴う熱需要の急変を補うので、熱媒体加熱装置１０からの熱供給の停止又は熱供給量の減少に時間を要した場合でも、熱媒体の温度及び圧力が過剰に上昇することが防止される。

本実施形態では、温水タンク２０内の液量が第１液量（例えば２立方メートル）であるとき、温水タンク２０内の水の温度は、例えば摂氏９０度である。バイナリー発電装置３０が発電を行っているとき、この摂氏９０度の水によって冷却された熱媒体がバイナリー発電装置３０に供給される。バイナリー発電装置３０が発電を停止したときには、熱媒体の温度が、例えば摂氏９５度から摂氏１１０度に上昇する。この熱媒体の温度上昇に伴い、第２給水口２３ａから水が供給されるので、温水タンク２０内の液量は第２液量となる。温水タンク２０内の液量が第２液量（例えば２．５立方メートル）であるとき、温水タンク２０内の水の温度は、例えば、摂氏７８度に低下する。第２給水口２３ａから温水タンク２０に供給される水の温度は、例えば、摂氏３０度である。温水タンク２０内の液量が第２液量になることによって、温水タンク２０内の水の温度は、例えば、摂氏９０度から摂氏７８度に低下するので、温水タンク２０における熱媒体からの入熱が増えて、バイナリー発電装置３０に供給される熱媒体の温度が摂氏１１０度から下降する。

バイナリー発電システム１では、熱源５からの熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置１０からの熱供給の停止又は熱供給量の減少に時間を要しても、液量調整機構２１は、バイナリー発電装置３０からの信号ＳＧに基づいて、迅速に温水タンク２０内の水の液量を第２液量とすることができる。発電機３２から供給される信号ＳＧを用いた場合には、複雑な制御を必要とすることもない。

バイナリー発電装置３０が発電を停止したときの熱媒体における温度上昇の低減は、熱媒体が熱媒体加熱装置１０、温水タンク２０、及びバイナリー発電装置３０を循環する発電システムにおいて、温水タンク２０内の水の液量を第２液量とすることによって、熱媒体の温度上昇が低減される。また、熱媒体ラインＬ１が熱媒体加熱装置１０、温水タンク２０及びバイナリー発電装置３０の順に熱媒体を流した後に、その熱媒体をバイナリー発電システム１の外部に供給する発電システムにおいても、温水タンク２０内の水の液量を第２液量とすることによって、熱媒体の温度上昇が低減される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、液量調整機構２１は、ボールタップを含む給水口の替わりに、温水タンク２０内に供給された水をオーバーフローさせる構造を有していてもよい。すなわち、バイナリー発電装置３０が発電を停止したときは、第２給水口２３ａから温水タンク２０内に水を供給し、温水タンク２０内の水が第２液量に対応する液位Ｈ２を示すように、温水タンク２０内の水をオーバーフローさせてもよい。

また、例えば、液量調整機構２１は、液位センサと電磁弁との組み合わせを有していてもよい。すなわち、温水タンク２０内に液位センサを設け、第２給水口２３ａに電磁弁を設けてもよい。液位センサは、温水タンク２０の液位を検出する。バイナリー発電装置３０が発電を停止したときは、電磁弁を開け、液位センサの検出値が第２液量に対応する液位Ｈ２を示すまで、第２給水口２３ａから温水タンク２０内に水を供給してもよい。

また、バイナリー発電システム１は、第１給水部２２と第２給水部２３に対して、水の供給・停止を制御するコントローラを備えてもよい。コントローラは、例えば、バイナリー発電装置３０から第２給水部２３に送信される信号ＳＧに基づいて、第２バルブ２３ｂの開閉を制御してもよい。

上記の実施形態では、温水タンク２０は水を貯留すると共に水が温水タンク２０に供給されたが、温水タンク２０が海水を貯留すると共に海水が温水タンク２０に供給されてもよい。

１ バイナリー発電システム
１０ 熱媒体加熱装置
２０ 温水タンク
２１ 液量調整機構
３０ バイナリー発電装置
Ｌ１ 熱媒体ライン

Claims (3)

1. 熱媒体を流すための熱媒体ラインと、
   前記熱媒体ラインが設けられると共に、前記熱媒体ライン内の前記熱媒体を加熱するための熱媒体加熱装置と、
   前記熱媒体ラインが設けられ前記熱媒体加熱装置よりも下流側に配置されると共に、水を貯留し前記水と前記熱媒体ライン内の前記熱媒体との熱交換により前記水を加熱するための温水タンクと、
   前記熱媒体ラインが設けられ前記温水タンクよりも下流側に配置されると共に、作動媒体と前記熱媒体ライン内の前記熱媒体との熱交換により前記作動媒体を蒸発させ、蒸発した前記作動媒体により発電を行うバイナリー発電装置と、
   を備え、
   前記温水タンクは、前記温水タンク内の前記水の液量を調整するための液量調整機構を有し、
   前記液量調整機構は、前記バイナリー発電装置が発電を行う間は、前記温水タンク内の前記液量を第１液量とするように調整し、
   前記液量調整機構は、前記バイナリー発電装置が発電を停止したときに、前記温水タンク内の前記液量を前記第１液量より多い第２液量とするように調整する、バイナリー発電システム。
2. 前記バイナリー発電装置は、当該バイナリー発電装置が発電を停止したときに、前記温水タンク内の前記液量を前記第２液量とするための信号を前記液量調整機構に送信する、請求項１に記載のバイナリー発電システム。
3. 前記熱媒体ラインは、前記バイナリー発電装置よりも下流側において、前記熱媒体ラインの前記熱媒体加熱装置よりも上流側に接続されて循環流路を形成しており、
   前記熱媒体は、前記熱媒体ラインを通って、前記熱媒体加熱装置、前記温水タンク、及び前記バイナリー発電装置を循環する、請求項１または２に記載のバイナリー発電システム。

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