JP7082800B2 - マイクロコジェネ発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃熱を発電に利用するための発電装置及びこれを利用したコージェネレーションシステムに関する。

日本国内において使われずに捨てられている熱、すなわち廃熱（または排熱）の合計は、年間１兆ｋＷｈに達すると試算されている。
この膨大な量の廃熱を有効に活用することは省エネになるとともに、温室効果ガスの排出削減に寄与する。

近年では、温度レベルが６０～２５０℃の中低温域の廃熱、小規模・分散型の廃熱をいかにして有効活用できるかが重要な技術課題であると考えられているが、この廃熱の利用技術として、焼却設備等の廃熱を回収して蒸気を生成、その蒸気を使ってタービンを回転させて発電を行うコージェネレーションシステムが知られている。

コージェネレーションシステムは、大型の焼却設備や溶鉱炉などの大規模熱設備では既に実用化されている。
しかし、例えば、一般廃棄物処理量が１トン／日以下の小規模焼却設備や火床面積が１ｍ^２以下の小型焼却炉などでは、間欠的な焼却処理が行われるため、熱源の温度変動幅が大きく、熱の安定確保ができないことから、所望の発電量を定常的に供給することが困難である。

例えば、特許文献１には、バッチ型焼却炉から出る熱を利用して発電機を駆動する小容量の発電装置が開示されている。
しかし、当該装置における発電出力は、焼却炉（熱源）の規模と燃焼量、そこからの回収熱量、すなわち熱交換機の性能、配管系の圧力損失および熱損失、そしてタービンの性能によって大きく左右されることから、熱不足や負荷変動に対して発電装置が追従できずに、電力供給が瞬時に遮断される事象を回避できない。

これを解決する方法として、発電機終端を蓄電池に接続して変動分を蓄電する方法が検討される場合がある。
しかし、昇圧機を必要とすることや蓄電・放電の変換効率等を考慮すると、設備投資の負担が大きく、小規模発電では経済性を確保、維持できないという問題がある。

そこで、発明者は、燃焼設備等の壁面を介して外気に放出される廃熱を、熱容量の大きい熱媒体を用いて回収して「蓄熱」することで、熱の平準化を図り、廃熱を回収して高温になった蓄熱媒体から、低沸点の作動媒体を用いて間接的に熱回収（蒸気生成）を行う蓄熱式廃熱回収装置を発明し、同発明が特許文献２に開示されている。

また、強制燃焼式の小型焼却炉など、廃熱源の温度が１００～５００℃と広範囲に及ぶ系では、熱容量が大きい蓄熱媒体や飽和温度が異なる複数の作動媒体を用いて廃熱の回収を行うことで、回収効率が大幅に向上することを見出した。

一方、特許文献３には、中低温域の廃熱利用による発電技術として、低沸点の作動媒体（HFC25fa）を用いてスクリュー式のタービンを回転させて発電を行うバイナリー発電の発明が開示されている。
バイナリー発電機の特徴は、スクリュー式のタービンを使用することで熱源変動に対して高い応答性で追従できること、主要構成機器（タービン、蒸発器、凝縮器、ポンプ）を、制御機器とともにパッケージングされていること等を特徴とし、温泉蒸気など１００℃前後で大量の廃熱が安定的に確保できる条件下において効果を発揮する。

特開2017-40249 国際公開WO2016/121117 特開2013-181398

廃熱（または排熱）を利用して電気と熱の同時供給を行うコージェネレーションシステムは、大型の燃焼設備等には普及しているが、中規模の燃焼設備（一般廃棄物処理量１００トン／日以下）や分散配置式の小型焼却炉（内容積１ｍ^３程度）には、熱の安定確保が困難なことから、熱不足が頻繁に生じ、所望の発電量を定常的に供給することができないという課題がある。

そこで、発明者は、高い熱容量の蓄熱媒体を一次媒体として廃熱を回収した後、低沸点の作動媒体（二次媒体）を用いて蓄熱媒体から熱を回収する蓄熱式排熱回収装置において、温度レベルに応じて複数の作動媒体を用いて廃熱回収を行うことで、効率的な廃熱回収が可能であることを見出した。
しかし、複数の作動媒体を用いて廃熱の回収を効率的に行ったとしても、その方法に適応した発電装置は、未だ発明されていない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、飽和温度（沸点）が異なる複数の作動媒体でタービンを駆動させるとともに、熱源の温度変動および負荷の変動に対してタービンの回転数を定常状態に保持する負荷追従機能を有する発電装置を提供することを課題とする。

本発明に係る発電装置は、
作動媒体によってタービンを回転させることで発電する発電装置において、
１の回転軸（シャフト）上に複数のタービンが設けられ、
複数のタービンのそれぞれが収まる複数のタービン室を有し、
飽和温度が異なる複数の作動媒体が、互いに混ざり合うことなく、それぞれのタービン室に供給されることで、
複数のタービンによる回転動力を得られる
ことを特徴とする。

一般的には、１の回転軸に、１または複数のタービンが設けられ、その全てを１（種）の作動媒体が回転させることで、回転動力を得られる。
本発明は、１の回転軸上に設けられた複数のタービンを、それぞれ独立の空間に収めることで、そのそれぞれの空間に供給される飽和温度（沸点）が異なる複数（種）の作動媒体のそれぞれによって回転させ、回転動力を得ることを特徴としている。
タービンが独立して収められる空間（タービン室）は、それぞれが離れた距離にあってもいいし、例えば壁で隔てて隣接させてもいい。
それぞれのタービンを回転させる作動媒体を、互いに混ぜ合わせることなく、それぞれのタービン室に供給することで、それぞれのタービンを回転させ、同じ回転軸から回転動力を得る。

本発明に係る発電装置は、
作動媒体によってタービンを回転させることで発電する発電装置において、
１の回転軸（シャフト）上に複数のタービンが設けられ、
複数のタービンのそれぞれが収まる、１の回転軸（シャフト）上に設けられた隔壁によって区切られた複数のタービン室を有し、
飽和温度が異なる複数の作動媒体が、互いに混ざり合うことなく、それぞれのタービン室に供給されることで、
複数のタービンによる回転動力を得られる
ことを特徴とする。

本発明は、複数のタービンがそれぞれ独立して収められる空間（タービン室）が、１の回転軸（シャフト）上に設けられた隔壁によって区切られていることを特徴としている。

本発明に係る発電装置は、
前記の発電装置と、
２以上の熱交換器を有する燃焼装置とからなり、
燃焼装置の熱交換器のそれぞれに、複数の作動媒体を、互いに混ぜ合わせることなく、１種ずつ循環させ、
その作動媒体を、互いに混ぜ合わせることなく、１種ずつ発電装置内の各タービン室に供給することで、
複数のタービンによる回転動力を得られる
ことを特徴とする。

本発明は、作動媒体が、２以上の熱交換器を有する１の燃焼装置から廃熱を回収することを特徴としており、熱源は、１の燃焼装置内にある２以上の熱交換器である。

本発明に係る発電装置は、
前記の発電装置と、
熱交換器を有する２以上の燃焼装置とからなり、
それぞれの燃焼装置内の熱交換器に、複数の作動媒体を、互いに混ぜ合わせることなく、１種ずつ循環させ、
その作動媒体を、互いに混ぜ合わせることなく、１種ずつ発電装置内の各タービン室に供給することで、
複数のタービンによる回転動力を得られる
ことを特徴とする。

本発明は、作動媒体が、１の熱交換器を有する２以上の燃焼装置から廃熱を回収することを特徴としており、熱源は、２以上の燃焼装置のそれぞれの熱交換器である。

本発明に係る発電装置は、
前記の発電装置において、
１または全部の作動媒体の供給量を増やすことで、タービンの回転動力を増大させる
ことを特徴とする。

本発明は、負荷（需要電力または供給電力）の変動に対して、タービンの回転数を定常状態に保持する仕組みとして、１または全部の作動媒体の供給量（燃焼量）を増やすことで、タービンの回転動力を増大させることを特徴とする。
つまり、タービンの回転動力が不足し、または、電力の需要が増加したときには、タービンの回転動力を補う必要があるが、これを熱的に制御しようとするものである。

本発明に係る発電装置は、
前記の発電装置において、
作動媒体が循環する熱交換器の数を増やすことで、タービンの回転動力を増大させる
ことを特徴とする。

本発明は、負荷（需要電力または供給電力）の変動に対して、タービンの回転数を定常状態に保持する仕組みとして、作動媒体が循環する熱源内の熱交換器を分割して数を増やすことで、熱回収量すなわち蒸気発生量を増やし、タービンの回転動力を増大させる。
つまり、タービンの回転動力が不足し、または、電力の需要が増加したときには、タービンの回転動力を補う必要があるが、これを熱的に制御しようとするものである。

本発明に係る発電装置は、
前記の発電装置において、
回転軸（シャフト）の両端に、
磁場強度をコイル電圧によって制御する励磁式の発電機を備えている
ことを特徴とする。

本発明は、負荷（需要電力または供給電力）の変動に対して、タービンの回転数を定常状態に保持する仕組みとして、負荷が増加（系統１の需要電力が増加）した場合、励磁電圧を増加させて磁場強度を高めることで電力の出力増加を図ることを特徴とする。
つまり、タービンの回転動力が不足し、または、電力の需要が増加したときには、タービンの回転動力を補う必要があるが、これを電磁的に制御しようとするものである。

前記の制御方法により、負荷が増加することで１のタービンの回転動力が不足しても、その不足分を補うように、別のタービンに回転動力を与える作動媒体が、１または複数の熱源からの廃熱をもとに回転動力を増加させるとともに、負荷の需要量に応じて励磁電圧の強弱で回転トルクを制御できることから、従来の発電装置よりも柔軟かつ微小の出力調整が可能になる。

本発明によれば、例えば、強制燃焼式の小型焼却炉など、廃熱源の温度が１００～５００℃の広範囲に及ぶ装置では、煙突部（２００～３００℃）と焼却炉（３００～６００℃）において飽和温度が異なる二種類の作動媒体を用いることで、単一作動媒体を用いる場合よりも、約２０～４０％高い廃熱回収率を実現できる。
また、燃焼設備だけでなく、稼働温度を６０℃以下に保持する必要がある半導体電子機器の廃熱を回収して気化させた作動媒体を、タービンの駆動力として発電利用する形態も想定され、小規模廃熱の有効活用に資する技術として寄与できる。

発電装置の概略図 発電装置を用いたコージェネレーションシステムの実施例１の概略図 発電装置を用いたコージェネレーションシステムの実施例２の概略図 実施例１における蒸気流量調整によるタービン回転数の経時波形を示したグラフ 実施例２における励磁電圧および蒸気流量制御によるタービン回転数の経時波形を示したグラフ

本発明に係る発電装置の構成を図１に示す。
発電装置は、タービン室内に隔壁７を有しており、隔壁７によって２つに仕切られたタービン室５、６のそれぞれにタービン１１、１２が収められている。
飽和温度または圧力が異なる複数の作動媒体１、２は、互いに混ざり合うことなく、別経路の配管を通って、入口３、４からタービン室（５、６）内に流入し、タービン１１、１２を回転させ、出口１３、１４からタービン室（５、６）外に流出する。

発電装置は、タービンの回転軸（シャフト）９の両端に、励磁式の発電機１５ａ、１５ｂを備えている。
コイル電圧１６ａ、１６ｂによって磁場強度を変えることで、それぞれの発電機からの出力また回転数を制御できる。

以上の構成により、発電装置は、温度が異なる廃熱源から飽和温度（沸点）が異なる２以上の作動媒体を用いて廃熱の回収を行ったあと、その作動媒体を、隔壁で仕切られたそれぞれのタービン室に流入させることで、タービンの回転動力を得ることができる。
そして、その回転動力は、回転軸（シャフト）９を介して２台の発電機１５ａ、１５ｂに伝えられ、負荷抵抗１８ａ、１８ｂに電力を供給することができ、必要に応じて蓄電池１７ａ、１７ｂを備えることもできる。

このように、本願発電装置は、作動媒体の種類、数、流量、温度、圧力、そして発電機２台の励磁電圧によってタービンの駆動力を決定または制御でき、複数の作動媒体を用いて廃熱回収を行う小規模コージェネレーションシステムの高効率廃熱回収及び発電出力の制御性の向上に資することから、前述の課題に対する解決手段と成り得る。

図２は、本願発電装置を利用して、燃焼装置から廃熱を回収するコージェネレーションシステムの実施例を示した概略図である。
燃焼装置２６内を流れる作動媒体が本願発電装置内に流入するよう構成されている。

具体的には、廃熱を回収する領域を、燃焼装置２６の燃焼室側と煙突側に区分して、それぞれに設置した熱交換器（燃焼室側２６ａ、煙突側２６ｂ）内に、ポンプ２８を用いて液体の作動媒体１Ｌ、２Ｌを流入させることで、燃焼室内の熱交換器２６ａと煙突内の熱交換器２６ｂから廃熱を回収（熱交換）し、廃熱を回収して蒸気になった作動媒体１Ｖ、２Ｖを、本願発電装置の流入口からタービン室に流入させてタービンの回転動力に変換する。

この回転動力によって発電機１５ａ、１５ｂを回転させて、負荷抵抗１８ａ、１８ｂに電力を供給し、余剰電力は蓄電池１７ａ、１７ｂに充電する。
熱交換した作動媒体１、２は、互いに混ざり合うことなくタービン室５、６から凝縮器２７に送られ、作動媒体１Ｌ、２Ｌとして、ポンプ２８によって再び系内を循環する。

図３は、本願発電装置を利用して、燃焼装置から廃熱を回収するコージェネレーションシステムの図２とは別の実施例を示した概略図である。
図２の実施例とは、熱源の装置が複数ある点が異なる。
つまり、図２の実施例は、１つの熱源（燃焼装置２６）の複数個所から廃熱を回収しているのに対し、図３の実施例は、２つの熱源（燃焼装置２５、２６）のそれぞれから廃熱を回収する。

具体的には、熱源である燃焼装置２５、２６のそれぞれに設置した熱交換器（２５ａ、２６ａ）内に、ポンプ２８を用いて液体の作動媒体１Ｌ、２Ｌを流入させることで、燃焼装置２５の熱交換器２５ａと燃焼装置２６の熱交換器２６ａから廃熱を回収（熱交換）し、廃熱を回収して蒸気になった作動媒体１Ｖ、２Ｖを、本願発電装置の流入口からタービン室に流入させてタービンの回転動力に変換する。

この回転動力によって発電機１５を回転させて、負荷抵抗１８に電力を供給し、余剰電力は蓄電池１７に充電する。
熱交換した作動媒体１、２は、互いに混ざり合うことなくタービン室５、６から凝縮器２７に送られ、作動媒体１Ｌ、２Ｌとして、ポンプ２８によって再び系内を循環する。

なお、負荷抵抗１８からの電力需要に対して供給量の不足が生じた場合には、一方の燃焼装置（例えば燃焼装置２５）から廃熱を回収した作動媒体（例えば作動媒体１Ｖ）をタービン入口（例えば入口３）に流入させ、他方の燃焼装置（例えば燃焼装置２６）の熱不足、すなわちタービンの回転動力の不足を、作動媒体（例えば作動媒体２Ｖ）により補完することができる。

このようなタービンの回転動力の不足分を補う構成の発電装置の特徴は、負荷（需要電力または供給電力）の変動に対して、タービンの回転数を定常状態に保持する仕組みにある。
つまり、負荷抵抗１８が増加（系統１の需要電力が増加）することでタービン（例えば、作動媒体１が流入する入口３側）の回転動力が不足しても、その不足分を補うように、燃焼装置２６の廃熱を回収して蒸気になった作動媒体２Ｖが回転動力を補完する。
さらに、負荷抵抗１８の需要量に応じて励磁電圧１６ｂを強弱させて回転トルクを制御する。

図４は、図３の実施例において、実際にタービンの回転動力の不足を補完した状態をタービンの回転数によって示したグラフである。
作動媒体１Ｖ、２Ｖの駆動力により回転数３０００ｒｐｍで稼働していたタービン及び発電機が、熱源である燃焼装置２６の熱不足により作動媒体２Ｖの蒸気流量が低下したため、タービンの回転数が急激に低下したが、このまま回転数が低下することを回避するため、作動媒体１Ｖの蒸気流量を増加させた。
そうすると、４０秒を経過した辺りから、回転数が２５００ｒｐｍから徐々に上昇して、２００秒経過以後は回転数が３０００ｒｐｍにまで復帰している。

図５は、負荷抵抗１８Ｒ１の変動（電力需要量）に対して発電機１５Ｇ１、１５Ｇ２の励磁電圧を変えて出力の調整を行い、併せて蒸気流量を自動制御した場合の回転数が変化する状況を、時間を追ってモニタリングした結果を表したグラフである。
負荷変動率３０％に対して、出力制御を行うことで、回転数を２９００～３０００ｒｐｍの変動幅で回転数を維持することができている。

また、本願発電装置は、燃焼設備だけでなく、稼働温度を６０℃以下に保持する必要がある半導体電子機器の廃熱を回収して気化させた作動媒体を、タービンの駆動力として発電利用する形態も想定され、小規模廃熱の有効活用に資する技術として寄与できる。

１ 作動媒体１
１Ｌ 作動媒体１の液体
１Ｖ 作動媒体Aの蒸気
２ 作動媒体２
２Ｌ 作動媒体２の液体
２Ｖ 作動媒体２の蒸気
３ 作動媒体１が流入する入口
４ 作動媒体２が流入する入口
５ タービン室１
６ タービン室２
７ 内部隔壁
８ 軸受け
９ 回転軸（タービンのシャフト）
１１ タービン１
１２ タービン２
１３ 作動媒体１が流出する出口
１４ 作動媒体２が流出する出口
１５ａ、１５ｂ 発電機
１６ａ、１６ｂ コイル電圧または励磁電圧
１７ａ、１７ｂ 蓄電池
１８ａ、１８ｂ 負荷抵抗
２５ 燃焼装置またはボイラ
２５a 熱交換器
２６ 燃焼装置または焼却炉
２６a 燃焼室の廃熱回収用熱交換器
２６b 煙突の内部熱交換器
２７ 凝縮器
２８ ポンプ

Claims (5)

1. 作動媒体によってタービンを回転させることで発電する発電装置が、
   １つの回転軸（シャフト）上に設けられた２つのタービンと、
   前記タービンのそれぞれが収められる、前記回転軸（シャフト）上に設けられた隔壁によって区切られた２つのタービン室と、
   前記タービンのそれぞれに接続される発電機と、
   ２つ以上の熱交換器を有する焼却炉と、
   からなり、
   飽和温度が異なる複数の作動媒体が、互いに混ざり合うことなく、前記タービン室に供給され、タービン室と熱交換器との間で、１種ずつ循環することで、
   タービンに接続された発電機が、それぞれのタービンによる回転動力を得て発電するとともに、
   一方のタービンの回転動力の不足分を、同一の回転軸（シャフト）に接続された他方のタービンが補完して、両方のタービンの回転数を定常状態に保持し、
   焼却炉の廃熱または排熱を利用して電気と熱の同時供給を行うコージェネレーションシステムに利用する
   ことを特徴とする発電装置。
   
2. 作動媒体によってタービンを回転させることで発電する発電装置が、
   １つの回転軸（シャフト）上に設けられた２つのタービンと、
   前記タービンのそれぞれが収められる、前記回転軸（シャフト）上に設けられた隔壁によって区切られた２つのタービン室と、
   前記タービンのそれぞれに接続される発電機と、
   熱交換器を有する２つ以上の焼却炉と、
   からなり、
   飽和温度が異なる複数の作動媒体が、互いに混ざり合うことなく、前記タービン室に供給され、タービン室と熱交換器との間で、１種ずつ循環することで、
   タービンに接続された発電機が、それぞれのタービンによる回転動力を得て発電するとともに、
   一方のタービンの回転動力の不足分を、同一の回転軸（シャフト）に接続された他方のタービンが補完して、両方のタービンの回転数を定常状態に保持し、
   焼却炉の廃熱または排熱を利用して電気と熱の同時供給を行うコージェネレーションシステムに利用する
   ことを特徴とする発電装置。
   
3. 請求項１または２に記載の発電装置において、
   １または全部の作動媒体の供給量を増やすことで、タービンの回転動力を増大させる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
   
4. 請求項１または２に記載の発電装置において、
   作動媒体が循環する熱交換器の数を増やすことで、タービンの回転動力を増大させる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
   
5. 前記の発電機が、
   磁場強度をコイル電圧によって制御する励磁式の発電機である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置。
   
   

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