JP7153978B1 - 同軸循環型発電装置及び同軸循環型発電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率を向上させ、移動媒体を循環して使用することができる発電装置及び発電方法を提供すること。【解決手段】熱源帯に形成された坑内に配置された移動媒体貯留槽と、前記移動媒体貯留槽に移動媒体を供給するための移動媒体供給部と、前記移動媒体貯留槽の上方の低温域と下方の高温域の間を流動する移動媒体の駆動力により発電する発電部と、を備えた発電装置であって、前記移動媒体貯留層は、前記移動媒体供給部と連通した外管と前記移動媒体を循環するための内管とを配置し、前記移動媒体貯留槽内に設置した外管と内管に前記移動媒体の流動方向を軸としてそれぞれ逆方向に回転する回転翼を備えることを特徴とする同軸循環型発電装置。【選択図】 図１
Description
本発明は、熱源帯からの熱を間接的に利用して循環性を高めた移動媒体により発電する同軸循環型発電装置及び同軸循環型発電方法に関する。さらに、詳しくは、二酸化炭素等を熱エネルギー、特に熱源帯が有する熱エネルギーの移動媒体とすることにより同軸循環型発電の発電効率の向上及び同軸循環型発電の循環機能の円滑化を図ることができる同軸循環型発電装置及び同軸循環型発電方法に関する。
近年、地球温暖化現象や原子力発電に対する警戒感から、太陽光発電、風力発電、地熱発電等の再生可能エネルギー関係の発電が注目されている。地熱発電は、高温のマグマ溜まりからの半永久的な熱エネルギーを利用するものであり、太陽の核融合エネルギーを由来としない数少ない発電の一つである。地熱発電は、ウラン、石油、石炭、オイルシェール、天然ガス等の将来的には枯渇するエネルギーには依存しない。同時に、地熱発電は、地球温暖化、大気汚染等の防止策ともなることから、環境保全及びエネルギー安全保障の観点から利用拡大が図られている。
このような観点から、熱源帯から得られた熱量を地上において有効に利用し、発電効率を高めることができる地熱発電装置が提案されている（例えば、特許文献１）。さらに、熱源帯から得られた熱を地上において移動媒体により有効に利用するために、その当該移動媒体を移送する熱媒体移送管の保温する能力を高めることが可能な地熱発電システムが提案されている（例えば、特許文献２）。
しかしながら、上記特許文献に記載された地熱発電装置等は、熱源帯から得られた熱を地上において利用するための移動媒体として主に温泉等から発生する水蒸気を用いているため、発電効率が高くない。しかも、地熱発電装置に使用された後の移動媒体である水蒸気は、凝縮冷却して還元井を通して地下に戻しているため、移動媒体を循環して使用していない。また、熱源帯から得られた熱を地上において利用するための移動媒体は、温泉等から発生する水蒸気であることが多い。温泉等から発生する水蒸気には温泉水の成分に由来する硫黄等の不純物が混ざっている。また、移動媒体のpHや成分は使用する地熱環境によって異なる。したがって、発電を担う熱を供給する井戸や発電装置を構成する配管類やタービンの羽根等には、腐食・浸食・腐食疲労やスケールの付着などが影響する。その影響により、経年的に発電量が減少し、長期間の使用が困難となる。そこで、本発明の目的は、熱源帯のような自然環境が様々である条件での発電の発電効率を向上させるために、一般的な地熱発電システムでは対として必須な坑井である生産井と還元井のいずれか一方の単一坑の下方に存在する高温エネルギーを有効利用する発電システムを構築し、低粘性で化学的に安定な超臨界二酸化炭素などの小さな温度差で大きな体積変化による駆動を可能とする移動媒体を循環して使用することができる同軸の入出孔を形成した同軸循環型発電装置及び同軸循環型発電方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、
（１）熱源帯に形成された坑内に配置された移動媒体貯留槽と、
前記移動媒体貯留槽に移動媒体を供給するための移動媒体供給部と、
前記移動媒体貯留槽の上方の低温域と下方の高温域の間を流動する移動媒体の駆動力より発電する発電部と、を備えた発電装置であって、
前記移動媒体貯留槽は、前記移動媒体供給部と連通した外管と前記移動媒体を循環するための内管とを配置し、
前記移動媒体貯留槽内に設置した前記外管と前記内管に、前記移動媒体の流動方向を軸としてそれぞれ逆方向に回転する回転翼を備えることを特徴とする同軸循環型発電装置。
（２）前記移動媒体供給部は、前記移動媒体を圧縮及び冷却し高密度な状態に変化させるための高密度化装置を備えていることを特徴とする（１）に記載の同軸循環型発電装置。
（３）前記移動媒体貯留槽は、熱溜機構を備えていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の同軸循環型発電装置。
（４）前記外管は、移動媒体の流動方向に伸縮力が作用する管構造機構を備えることを特徴とする（１）～（３）いずれか１に記載の同軸循環型発電装置。
（５）前記移動媒体は、二酸化炭素であることを特徴とする（１）～（４）のいずれか１に記載の同軸循環型発電装置。
（６）前記移動媒体貯留槽の外管及び内管は、前記移動媒体の流動方向を回転軸とした回転翼の上流側にラバルノズルを配置することによる移動媒体の流動速度加速機能を備えることを特徴とする（１）～（５）いずれか１に記載の同軸循環型発電装置。
（７）前記回転翼は、回転と連動する回転電機子からなる発電機能を備えていることを特徴とする（１）～（６）いずれか１に記載の同軸循環型発電装置。
（８）熱源帯に形成された坑内に配置された移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程と、前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに超臨界化した移動媒体を前記熱源帯の上方に導出し循環する工程と、
前記超臨界化した移動媒体の循環により同軸循環型発電をする工程と、を含むことを特徴とする同軸循環型発電方法を提供する。
（１）熱源帯に形成された坑内に配置された移動媒体貯留槽と、
前記移動媒体貯留槽に移動媒体を供給するための移動媒体供給部と、
前記移動媒体貯留槽の上方の低温域と下方の高温域の間を流動する移動媒体の駆動力より発電する発電部と、を備えた発電装置であって、
前記移動媒体貯留槽は、前記移動媒体供給部と連通した外管と前記移動媒体を循環するための内管とを配置し、
前記移動媒体貯留槽内に設置した前記外管と前記内管に、前記移動媒体の流動方向を軸としてそれぞれ逆方向に回転する回転翼を備えることを特徴とする同軸循環型発電装置。
（２）前記移動媒体供給部は、前記移動媒体を圧縮及び冷却し高密度な状態に変化させるための高密度化装置を備えていることを特徴とする（１）に記載の同軸循環型発電装置。
（３）前記移動媒体貯留槽は、熱溜機構を備えていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の同軸循環型発電装置。
（４）前記外管は、移動媒体の流動方向に伸縮力が作用する管構造機構を備えることを特徴とする（１）～（３）いずれか１に記載の同軸循環型発電装置。
（５）前記移動媒体は、二酸化炭素であることを特徴とする（１）～（４）のいずれか１に記載の同軸循環型発電装置。
（６）前記移動媒体貯留槽の外管及び内管は、前記移動媒体の流動方向を回転軸とした回転翼の上流側にラバルノズルを配置することによる移動媒体の流動速度加速機能を備えることを特徴とする（１）～（５）いずれか１に記載の同軸循環型発電装置。
（７）前記回転翼は、回転と連動する回転電機子からなる発電機能を備えていることを特徴とする（１）～（６）いずれか１に記載の同軸循環型発電装置。
（８）熱源帯に形成された坑内に配置された移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程と、前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに超臨界化した移動媒体を前記熱源帯の上方に導出し循環する工程と、
前記超臨界化した移動媒体の循環により同軸循環型発電をする工程と、を含むことを特徴とする同軸循環型発電方法を提供する。
本発明によれば、熱源帯からの熱エネルギーによる発電の発電効率を向上させ、移動媒体を循環して使用することができる同軸循環型発電装置及び同軸循環型発電方法が提供される。
以下に、本発明の例示的な実施形態について、以下に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、工程、処理の流れ等はあくまで一例であり、本発明の技術的範囲をそれらの記載のみに限定する趣旨のものではない。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の発電装置の概要を示した図面である。図１に示されるように本実施形態の同軸循環型発電装置１００は、熱源帯１０１に形成された抗内１１１に配置されている。同軸循環型発電装置１００は、熱源帯１０１の下方の高温域１１２に配置された移動媒体貯留槽１０２を備えている。移動媒体貯留槽１０２は、熱源帯１０１の下方の高温域１１２が形成する高温と高圧の下で固体から液体、さらに超臨界流体に変態する移動媒体を貯留する。さらに、発電装置１００は、移動媒体貯留槽１０２に移動媒体を供給するための移動媒体供給部１０４を備えている。移動媒体供給部は凝縮器１１７と冷却器１１９で構成されている。移動媒体貯留槽１０２は、移動媒体供給部１０４から供給された移動媒体を底部１２１に移動させるための外管１２３と下方高温域１１２における加熱に伴い超臨界状態の移動媒体の密度を低下させ、いわゆる熱サイフォン作用により移動媒体を熱源帯１０１の上方低温域１１４に導出するための内管１２２を備えている。熱サイフォン作用は、移動媒体の下降と上昇における密度変化が大きいほど大きくなる。低温熱溜部１０８から導入する移動媒体は、移動媒体貯留槽１０２に備えた回転発電部１０５を通過後に外管１２３内に導き合流下降させるため備えた外管補助層１２５を通り下降する。回転発電部１０５には、外管補助層１２５内の移動媒体の下降流で回転する回転円環１４０と外管１２３内の移動媒体の下降流で回転円環１４０に対して反回転するリング状回転翼１４１が備えられ、さらにリング状回転翼１４１の内側は、外管１２２内の移動媒体の上昇流で回転する回転翼１４２に連動している。回転円環１４０外周部、リング状回転翼１４１の外周部と内周部、及び回転翼１４２外周部には、磁石電機子１６１あるいはコイル電機子１６２を備え、同じ軌道を逆回転する電機子間の電磁誘導作用で回転エネルギーを電気エネルギーに変換させる。
図１は、第１実施形態の発電装置の概要を示した図面である。図１に示されるように本実施形態の同軸循環型発電装置１００は、熱源帯１０１に形成された抗内１１１に配置されている。同軸循環型発電装置１００は、熱源帯１０１の下方の高温域１１２に配置された移動媒体貯留槽１０２を備えている。移動媒体貯留槽１０２は、熱源帯１０１の下方の高温域１１２が形成する高温と高圧の下で固体から液体、さらに超臨界流体に変態する移動媒体を貯留する。さらに、発電装置１００は、移動媒体貯留槽１０２に移動媒体を供給するための移動媒体供給部１０４を備えている。移動媒体供給部は凝縮器１１７と冷却器１１９で構成されている。移動媒体貯留槽１０２は、移動媒体供給部１０４から供給された移動媒体を底部１２１に移動させるための外管１２３と下方高温域１１２における加熱に伴い超臨界状態の移動媒体の密度を低下させ、いわゆる熱サイフォン作用により移動媒体を熱源帯１０１の上方低温域１１４に導出するための内管１２２を備えている。熱サイフォン作用は、移動媒体の下降と上昇における密度変化が大きいほど大きくなる。低温熱溜部１０８から導入する移動媒体は、移動媒体貯留槽１０２に備えた回転発電部１０５を通過後に外管１２３内に導き合流下降させるため備えた外管補助層１２５を通り下降する。回転発電部１０５には、外管補助層１２５内の移動媒体の下降流で回転する回転円環１４０と外管１２３内の移動媒体の下降流で回転円環１４０に対して反回転するリング状回転翼１４１が備えられ、さらにリング状回転翼１４１の内側は、外管１２２内の移動媒体の上昇流で回転する回転翼１４２に連動している。回転円環１４０外周部、リング状回転翼１４１の外周部と内周部、及び回転翼１４２外周部には、磁石電機子１６１あるいはコイル電機子１６２を備え、同じ軌道を逆回転する電機子間の電磁誘導作用で回転エネルギーを電気エネルギーに変換させる。
下方高温域１１２から上方低温域１１４へ向けて内管１２２内を上昇する移動媒体は、発電部１０５に供給される。発電部１０５は、タービン１５１及び発電機１５２を備えている。密度低下による体積膨張で加速された移動媒体は、タービン１５１を回転させる。発電機１５２は、タービン１５１の回転により発生した機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することにより発電を行う。タービン１５１で使用された移動媒体は回収され、圧縮ポンプ１１６により圧縮され低温熱溜部１０８を通過し、移動媒体凝縮器１１７に収容され循環される。
このように、本実施形態の同軸循環型発電装置１００によれば、移動媒体貯留槽１０２の内部に閉空間を形成し、移動媒体の相変化に伴う移動媒体の大きな体積変化と圧力変化を利用することによって、地熱発電の発電効率を向上することができる。さらに、同時期循環型発電装置１００は、熱源帯１０１の下方の高温域１１２に配置された移動媒体貯留槽１０２の底部１２１において、移動媒体の超臨界状態を形成することができる。このため、発電装置１００は、移動媒体の超臨界状態を形成することによって、加熱に伴い低密度化された移動媒体を上方低温域１１４に導出するために必要な高圧ポンプ等の装置を別途設置することなく、移動媒体を円滑に移動させ、かつ循環させることができる。
図２は、本実施形態の発電装置１００が備えている移動媒体貯留槽１０２の断面２００を示した図である。図２に示されるように、移動媒体貯留槽の断面２００は、外管１２３と内管１２２とを備え、移動媒体貯留槽１０２に配置された回転発電部１０５より上方に外管補助層１２５と内管保温層１２４を備えている。また、移動媒体貯留槽１０２は、外管１２３と内管１２２からなる二重管構造を採用してもよいし、外管１２３と内管１２２との間にさらに別の内管を設けて、多重管構造としてもよい。
外管１２３は、移動媒体供給部１０４と連通している。外管１２３の外側に沿って形成された外管補助層１２５は、移動媒体供給部１０４のインジェクションポンプ１１９を介して高密度化され供給された移動媒体が下降し伸縮管構造部１１５から回転発電部を通過し外管１２３と合流する流路を構成する。
移動媒体の下降流と上昇流の流路に水平に配置した回転発電部１０５では、外管補助層１４５を下降し回転円環１４３へ流入する移動媒体に角運動量を与えるために、回転円環１４３の上流側に伸縮管構造部１１５を備え、移動媒体の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する。外管1２３落下する移動媒体を、回転円環１４３の内側に配置したリング状回転翼１４１の上流側に備えたラバルノズル部１１３を通過させることで加速し、リング状回転翼１４１を回転させ、移動媒体の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する。さらに、内管1２２内を上昇する移動媒体を内管1２２内に配置したラバルノズル１１３を通過させることで加速し、下流側に配置した回転翼１４２の回転を誘導する。移動媒体の下降流と上昇流のエネルギーを電気エネルギーに効率よく変換するために、回転円環1４３とリング状回転翼1４１及びリング状回転翼1４１と回転翼１４２の回転方向をそれぞれ逆回転とし、その両回転力を回転子に伝え電力を発生させる。このように互いに逆方向に回転し、回転動力を内外二重の回転子にそれぞれ伝えることにより、両回転子間における相対速度は倍になり、発電性能は向上する。
例えば、移動媒体の蒸気圧が高い場合には、移動媒体の状態は、固体から液体に状態変化する。一方、移動媒体の蒸気圧が低い場合には、移動媒体の状態は、固体から液体に状態変化した後、さらに液体から気体に状態変化する。高温・高圧の領域では、気体と液体の境界がなくなり、気体と液体の中間的な性質を持つ流体（超臨界流体）として振舞う。圧縮状態で低温熱溜部１０８を通過した移動媒体は、高密度化され外管１２３の内部に形成された流路を通過し、移動媒体貯留槽の底部１２１に到達するまでに状態変化し、密閉空間の体積膨張の加速で形成される高圧環境の下で高密度な超臨界状態の移動媒体となる。底部１２１では下方高温高圧域１１２における加熱に伴い超臨界状態の移動媒体の密度を低下させ、いわゆる熱サイフォン作用により外管１２３から流入する移動媒体の引き込みを加速させ移動媒体を低温の上方へ上昇させ循環する。
外管１２３は、熱源帯１０１の上方低温域１１４から地下方向に延設されている。外管１２３の底部１２１は、熱源帯１０１の下方高温域１１２熱源帯に達していることが望ましい。移動媒体の超臨界状態が維持される環境が形成されるならば特に制限されるものではないが、例えば坑内１１１に鉛直に配置される場合には、底部１２１において移動媒体に臨界圧力以上の圧力が作用する長さであることが好ましい。
内管１２２は、超臨界化した移動媒体を移動媒体貯留槽１０２の底部２２１から熱源帯１０１の上方大気開放域１１４に導出するための管である。図２において、内管１２２の移動媒体貯留槽１０２に形成された回転発電部１０５より下流側には、上昇する移動媒体の高温環境を維持するために、内管保温層１２４が内管１２２を取り囲んで形成されている。
内管１２２内を上昇流として通過した移動媒体は、上方に設置されたタービン駆動のために流体エネルギーを供給する。タービンが駆動することにより発生した機械的エネルギーは電気的エネルギーに変換される。
移動媒体は、移動媒体貯留槽の系内において、状態変化をして最終的に気体となることができる物質であれば特に制限されるものではない。例えば、移動媒体が移動媒体貯留槽の系内で取り得る条件下において、固定から気体に状態変化できる物質であると、状態変化に伴う密度変化の幅が大きくなる。このため、移動媒体貯留層の系内における圧力変化がきわめて大きくなり、より大きい流体による機械的エネルギーを発生させることができる。
移動媒体としては、例えば、二酸化炭素、水、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等の低分子炭化水素、エチレン、プロピレン、ブチレン、ペンテン、ヘキセン等のオレフィン系炭化水素、ハロゲン化炭化水素、アンモニア、メタノール、エタノール、アセトン、これらの混合物等を例示することができるがこれらに制限されるものではない。
これらの中でも、二酸化炭素及び水は、超臨界状態を形成することができるため好ましい。二酸化炭素は、超臨界状態を形成することができる超臨界流体物質である。超臨界流体物質は、液体と気体の療法の状態の中間の特性を有する。すなわち、超臨界流体物質は、液体の密度を有しつつ、気体が有する流動性を備えている。このため、超臨界流体物質は、圧力又は温度の微小な変化により、その密度が大きく変化する。したがって、超臨界流体物質は、より少ない仕事量で熱を電気エネルギーに変化することができる熱の移動媒体であるということができる。
また、超臨界二酸化炭素は、化学的に不活性であり、腐食されることがなく、しかも水と比較して大きい拡散速度を有する。このため二酸化炭素は、本実施形態の地熱発電装置に使用される熱の移動媒体として好ましい。すなわち、二酸化炭素は、より少ない仕事量で熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる熱の移動媒体であることが理解できる。
さらに、超臨界流体物質は、液体とほぼ同程度の密度を有している。このため、発電機であるタービンの圧縮機が必要とするポンピング力が少量で済むことから、発電に必要なエネルギーを節約することができる。特に、超臨界二酸化炭素の臨界点における密度は、同温度における水の密度の約半分である。このため、二酸化炭素は、蒸気の状態に比較して、圧縮が容易であり、当該圧縮段階で行われる仕事量をきわめて減少させることができる。
このように本実施形態の同軸循環型発電装置は、熱の移動媒体を当該装置の系内において循環して使用することができる。また、本実施形態の同軸循環型発電装置は、熱の移動媒体と熱源に到達させ、発電に使用した超臨界化した移動媒体の回収に必要とする労力も少なくすることができる。特に、本実施形態の同軸循環型発電装置は、熱の移動媒体として超臨界二酸化炭素を用いることにより、発電所よりも小型、かつより安価な圧縮気及びタービンで機能することができる。さらに、本実施形態の同軸循環型発電装置は、熱の移動媒体として超臨界二酸化炭素を用いることにより、コンパクトで非常に効率的な発電装置の構成を可能にする。本実施形態の同軸循環型発電装置が備えているタービンは、いくつかのタービン段および関連する配管系をより単純に設計することができる。
＜第２実施形態＞
本実施形態の同軸循環型発電装置は、密閉循環過程で回収した移動媒体を高密度状態に変化させるための高密度化装置を備えていること以外は、第１実施形態の同軸循環型発電装置と同様である。以下、本実施形態の同軸循環型発電装置の特徴的部分である移動媒体の高密度化装置について説明する。
本実施形態の同軸循環型発電装置は、密閉循環過程で回収した移動媒体を高密度状態に変化させるための高密度化装置を備えていること以外は、第１実施形態の同軸循環型発電装置と同様である。以下、本実施形態の同軸循環型発電装置の特徴的部分である移動媒体の高密度化装置について説明する。
図３は、本実施形態の発電装置が備えている移動媒体の高密度化を担う移動媒体供給部の概観３００を示した図である。図３に示されるように、移動媒体の高密度化は凝縮器１１７とインジェクションポンプ１１９により達成され、移動媒体を気体状態より高密度な凝縮状態に変化させる。
また、移動媒体供給部１０４は、高密度化した移動媒体を移動媒体貯留槽に供給する。移動媒体供給部１０４は、高密度化した移動媒体を移動媒体貯留槽１０２に供給する。
移動媒体供給部１０４は、移動媒体貯留槽１０２からタービン１５１を通過し密閉循環過程で回収された移動媒体を原料として、高密度化された移動媒体を製造する。タービン１５１を通過後に回収された移動媒体は、移動媒体供給部１０４において、冷却し加圧させることによって高密度な凝縮状態の移動媒体となる。
移動媒体凝縮器１１７により凝縮した移動媒体は、一旦移動媒体貯蔵タンク１１８に貯蔵され、その後インジェクションポンプ１１９を介して低温熱溜部１０８に供給される。
＜第３実施形態＞
本実施形態の同軸循環型発電装置は、移動媒体貯留槽が熱溜機構を備えていること以外は、上記実施形態の同軸循環型発電装置と同様である。以下、本実施形態の同軸循環型発電装置の熱溜機構の特徴的部分である低温熱溜部について説明する。
本実施形態の同軸循環型発電装置は、移動媒体貯留槽が熱溜機構を備えていること以外は、上記実施形態の同軸循環型発電装置と同様である。以下、本実施形態の同軸循環型発電装置の熱溜機構の特徴的部分である低温熱溜部について説明する。
図４は、移動媒体貯留槽が備えている熱溜機構のモデル４００を示した図である。図４に示されるように、熱溜機構を担う低温熱溜部１０８は、タービン１５１より回収され圧縮ポンプ１１６で圧縮された移動媒体の通路を備え、さらに移動媒体供給部から流量制御バルブ１３１を通して流入させた移動媒体を熱源帯１０１に供給するための外管補助層１２５に繋げるように構成されている。
＜第４実施形態＞
本実施形態の同軸循環型発電装置は、外管補助層内に折り紙技法による伸縮力が作用する管構造を備え回転発電部を構成する回転円環の回転の効率を向上させていること以外は、上記実施形態の発電装置と同様である。以下、本実施形態の同軸循環型発電装置の特徴的部分である伸縮力が作用する管構造について説明する。
本実施形態の同軸循環型発電装置は、外管補助層内に折り紙技法による伸縮力が作用する管構造を備え回転発電部を構成する回転円環の回転の効率を向上させていること以外は、上記実施形態の発電装置と同様である。以下、本実施形態の同軸循環型発電装置の特徴的部分である伸縮力が作用する管構造について説明する。
図５は、本実施形態の発電装置が備えている回転発電部１０５の構成要素である回転円環１４３の回転に作用する移動媒体の流路である外管補助層１２５の上流側に配置した折り紙技法による伸縮力が作用する管構造を含む回転発電部の断面５００を示す図である。図５に示されるように、管構造５００は、内壁５０１及び内壁５０２から構成される内管の内部に圧縮力が作用する部位５０３を備えている。部位５０３は、内管の内部の圧力に応じて、伸縮することができる伸縮部５０４を備えている。図５に示されるように、移動媒体の下降流と上昇流の流路に水平に配置した回転発電部１０５では、外管補助層１４５を下降し回転円環１４３へ流入する移動媒体に角運動量を与えるために、回転円環１４３の上流側に伸縮管構造部１１５を備え、移動媒体の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する。外管1２３落下する移動媒体を、回転円環１４３の内側に配置したリング状回転翼１４１の上流側に備えたラバルノズル部１１３を通過させることで加速し、リング状回転翼１４１を回転させ、移動媒体の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する。外管補助層１４５内に形成した折り紙技法による伸縮力が作用する管構造部１１５は、回転円環１４３の回転に効率的に作用する角運動量を移動媒体に与える。さらに、内管1２２内を上昇する移動媒体を内管1２２内に配置したラバルノズル１１３を通過させることで加速し、下流側に配置した回転翼１４２の回転を誘導する。移動媒体の下降流と上昇流のエネルギーを電気エネルギーに効率よく変換するために、回転円環1４３とリング状回転翼1４１及びリング状回転翼1４１と回転翼１４２の回転方向をそれぞれ逆回転とし、その両回転力を回転子に伝え電力を発生させる。このように互いに逆方向に回転し、回転動力を内外二重の回転子にそれぞれ伝えることにより、両回転子間における相対速度は倍になり、発電性能は向上する。
＜第５実施形態＞
本実施形態の同軸循環型発電装置は、内管がラバルノズルを備えていること以外は上記実施形態の発電装置と同様である。以下、本実施形態の同軸循環型発電装置の特徴的部分であるラバルノズルについて説明する。図７は、本実施形態の発電装置７００が備えているラバルノズルが備えている移動媒体貯留槽は、内管と外管とを備えている。外管は、内壁７０１と外壁７０２から構成されている。本実施形態の同軸循環型発電装置の特徴的部分であるラバルノズルは、移動媒体が通過する流路の一部を狭くした部分を設けることによって、移動媒体の流れを加速することができる。本実施形態の同軸循環型発電装置が備えているラバルノズルは、移動媒体が通過する流路の一部を狭くした部分が設けられていれば、その形態は特に限定されるものではない。ラバルノズル構造は、外管に１つだけ設けられていてもよいし、複数設けられていてもよいし、ノズルの出口形状は円形ばかりでなく部分円環形でもよい。また、流路の一部を狭くした部分が狭くしていない部分と段差があってもよいし、緩やかに曲線を描いて狭くなって構成されていてもよい。
本実施形態の同軸循環型発電装置は、内管がラバルノズルを備えていること以外は上記実施形態の発電装置と同様である。以下、本実施形態の同軸循環型発電装置の特徴的部分であるラバルノズルについて説明する。図７は、本実施形態の発電装置７００が備えているラバルノズルが備えている移動媒体貯留槽は、内管と外管とを備えている。外管は、内壁７０１と外壁７０２から構成されている。本実施形態の同軸循環型発電装置の特徴的部分であるラバルノズルは、移動媒体が通過する流路の一部を狭くした部分を設けることによって、移動媒体の流れを加速することができる。本実施形態の同軸循環型発電装置が備えているラバルノズルは、移動媒体が通過する流路の一部を狭くした部分が設けられていれば、その形態は特に限定されるものではない。ラバルノズル構造は、外管に１つだけ設けられていてもよいし、複数設けられていてもよいし、ノズルの出口形状は円形ばかりでなく部分円環形でもよい。また、流路の一部を狭くした部分が狭くしていない部分と段差があってもよいし、緩やかに曲線を描いて狭くなって構成されていてもよい。
＜第６実施形態＞
本実施形態の同軸循環型発電装置は、移動媒体貯留槽１０２の回転発電部１０５に備えた回転円環１４０とリング状回転翼１４１及び回転翼１４２に付帯する磁石電機子１６１とコイル電機子１６２間の電磁誘導作用で回転エネルギーを電気エネルギーに変換させること以外は、上記実施形態の地熱発電装置と同様である。以下、本実施形態の地熱同軸循環型発電装置の特徴的部分である回転発電部について説明する。
本実施形態の同軸循環型発電装置は、移動媒体貯留槽１０２の回転発電部１０５に備えた回転円環１４０とリング状回転翼１４１及び回転翼１４２に付帯する磁石電機子１６１とコイル電機子１６２間の電磁誘導作用で回転エネルギーを電気エネルギーに変換させること以外は、上記実施形態の地熱発電装置と同様である。以下、本実施形態の地熱同軸循環型発電装置の特徴的部分である回転発電部について説明する。
回転発電部１０５には、外管補助層１２５内の移動媒体の下降流で回転する内周に磁石電機子１６１を備えた回転円環１４０と外管１２３内の移動媒体の下降流で回転円環１４０に対して反回転する外周にコイル電機子１６２を内周に磁石電機子１６１を備えたリング状回転翼１４１が配置され、さらに外管１２２内の移動媒体の上昇流で回転する回転翼１４２にコイル電機子１６２を備える。
回転円環１４０外周部、リング状回転翼１４１の外周部と内周部、及び回転翼１４２外周部に備える磁石電機子１６１あるいはコイル電機子１６２は、同じ軌道の逆回転を効率的に利用して電機子間に電磁誘導を作用すればよく、その配置についての制限はない。また、リング状回転翼１４１と回転翼１４２の回転連動部１６３について、外管と内管が隔離されるならば磁気ギア機構やベアリング機構を利用してよく、特段の制約はない。
さらに、回転円環1４３とリング状回転翼1４１及びリング状回転翼1４１と回転翼１４２の回転方向をそれぞれ逆回転による回転子間における相対速度を倍にして、磁石電機子の配置を磁束密度が大きくなるハルバッハ配列型やアキシャルギャップ型として発電性能を向上すればよく、必ずしもネオジム磁石などを用いる必要はなく、一般的なフェライト磁石を選択してもよい。
＜第７実施形態＞
本実施形態の同軸循環型発電方法は、熱源帯に形成された坑内１１１に配置され、前記熱源帯の下方の高温域に配置された移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程と、前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに超臨界化した移動媒体を前記熱源帯の上方に導出する工程と、前記超臨界化した移動媒体により同軸循環型発電をする工程とを含む。以下各工程について説明する。
本実施形態の同軸循環型発電方法は、熱源帯に形成された坑内１１１に配置され、前記熱源帯の下方の高温域に配置された移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程と、前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに超臨界化した移動媒体を前記熱源帯の上方に導出する工程と、前記超臨界化した移動媒体により同軸循環型発電をする工程とを含む。以下各工程について説明する。
（移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程）
本実施形態の同軸循環型発電方法は、移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程を含む。凝縮状態の移動媒体は、移動媒体供給部から移動媒体貯留槽に供給される。移動媒体は、移動媒体貯留層の内部に形成された外管から形成される経路を通過して、低密度化と体積膨張を繰り返し加速しながら下降し、下方の高圧環境に到達することで超臨界状態の移動媒体となる。移動媒体貯留槽の底部の高温域に晒されることで、超臨界移動媒体の密度は低下する。
本実施形態の同軸循環型発電方法は、移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程を含む。凝縮状態の移動媒体は、移動媒体供給部から移動媒体貯留槽に供給される。移動媒体は、移動媒体貯留層の内部に形成された外管から形成される経路を通過して、低密度化と体積膨張を繰り返し加速しながら下降し、下方の高圧環境に到達することで超臨界状態の移動媒体となる。移動媒体貯留槽の底部の高温域に晒されることで、超臨界移動媒体の密度は低下する。
（超臨界化した移動媒体を熱源帯の上方に導出する工程）
本実施形態の発電方法は、さらに、超臨界化した移動媒体を熱源帯の上方に導出する工程を含む。低密度化した超臨界状態の移動媒体は、熱サイフォン作用により、移動媒体貯留槽の内部に形成された内管から形成される経路を通過して、上方低温域に導出される。
本実施形態の発電方法は、さらに、超臨界化した移動媒体を熱源帯の上方に導出する工程を含む。低密度化した超臨界状態の移動媒体は、熱サイフォン作用により、移動媒体貯留槽の内部に形成された内管から形成される経路を通過して、上方低温域に導出される。
（超臨界化された移動媒体により発電をする工程）
本実施形態の発電方法は、超臨界化した移動媒体により地熱発電する工程を含む。超臨界化した移動媒体の流体エネルギーは、発電装置の発電部が備えているタービンによって機械的エネルギーに変換される。さらに、タービンによって機械的エネルギーは、発電部が備えている発電機により電気的エネルギーに変換される。
本実施形態の発電方法は、超臨界化した移動媒体により地熱発電する工程を含む。超臨界化した移動媒体の流体エネルギーは、発電装置の発電部が備えているタービンによって機械的エネルギーに変換される。さらに、タービンによって機械的エネルギーは、発電部が備えている発電機により電気的エネルギーに変換される。
＜他の実施形態＞
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせた装置又はプロセスも本願発明の範疇に含まれる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせた装置又はプロセスも本願発明の範疇に含まれる。
本発明の地熱発電装置は、熱源帯が有する熱エネルギーを有効に利用することができるので、エネルギー産業の発達に寄与することができる。また、本発明の発電装置は、熱の移動媒体として超臨界流動物質を使用し、循環して熱の移動媒体を使用することができるので地球環境にもやさしくクリーンなエネルギーを提供することができる。さらに、本発明の発電装置は、地球のみならず熱源を有する火星等の他の惑星においても有効に利用することができる。
１００ 発電装置
１０１ 熱源帯
１０２ 移動媒体貯留槽
１０４ 移動媒体供給部
１０５ 回転発電部
１０８ 低温熱溜部
１１１ 坑内
１１２ 下方高温域
１１３ ラバルノズル部
１１４ 上方低温域
１１５ 伸縮管構造部
１１６ 移動媒体圧縮ポンプ
１１７ 移動媒体凝縮器
１１８ 移動媒体貯蔵タンク
１１９ インジェクションポンプ
１２１ 底部
１２２ 内管
１２３ 外管
１２４ 保温層
１３１ 流量制御バルブ
１３２ 逆止弁
１４１ リング状回転翼
１４２ 回転翼
１５１ タービン
１５２ 発電機
１６１ 磁石電機子
１６２ コイル電機子
１６３ 回転連動部
１０１ 熱源帯
１０２ 移動媒体貯留槽
１０４ 移動媒体供給部
１０５ 回転発電部
１０８ 低温熱溜部
１１１ 坑内
１１２ 下方高温域
１１３ ラバルノズル部
１１４ 上方低温域
１１５ 伸縮管構造部
１１６ 移動媒体圧縮ポンプ
１１７ 移動媒体凝縮器
１１８ 移動媒体貯蔵タンク
１１９ インジェクションポンプ
１２１ 底部
１２２ 内管
１２３ 外管
１２４ 保温層
１３１ 流量制御バルブ
１３２ 逆止弁
１４１ リング状回転翼
１４２ 回転翼
１５１ タービン
１５２ 発電機
１６１ 磁石電機子
１６２ コイル電機子
１６３ 回転連動部
Claims (7)
- 熱源帯に形成された坑内に配置された移動媒体貯留槽と、
前記移動媒体貯留槽に移動媒体を供給するための移動媒体供給部と、
前記移動媒体貯留槽の上方の低温域と下方の高温域の間を流動する移動媒体の駆動力により発電する発電部と、を備えた発電装置であって、
前記移動媒体貯留層は、前記移動媒体供給部と連通した外管と前記移動媒体を循環するための内管とを配置し、
前記移動媒体貯留槽内に設置した前記外管と前記内管に前記移動媒体の流動方向を軸としてそれぞれ逆方向に回転する回転翼を備えることを特徴とする同軸循環型発電装置。 - 前記移動媒体供給部は、前記移動媒体を圧縮及び冷却し高密度な状態に変化させるための高密度化装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の同軸循環型発電装置。
- 前記移動媒体貯留部は、熱溜機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の同軸循環型発電装置。
- 前記外管は、前記移動媒体の流動方向に伸縮力が作用する管構造機能を備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の同軸循環型発電装置。
- 前記移動媒体は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の同軸循環型発電装置。
- 前記移動媒体貯留槽の外管及び内管は、前記移動媒体の流動方向を回転軸とした回転翼の上流側にラバルノズルを配置することによる前記移動媒体の流動速度加速機能を備えることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の同軸循環型発電装置。
- 前記回転翼は、回転と連動する回転電機子からなる発電機能を備えていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の同軸循環型発電装置。
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