JPH01155080A - 多目的開放型海洋温度差複合発電方法及び発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産−°上の第１　八 本発明は、多目的開放型海洋温度差複合発電方法及び発
電装置に関するものである。

従来の技術 近年、新エネルキーの利用の一つとして、海洋温度差発
電が、それが利用できる熱帯及びその近傍の島しよにお
いて実施されつつあり、あるいは、計画されつつある。

このような海洋温度差発電方式には、大きく分けて２種
類か知られている。すなわち ■密閉型 ■開放型 の２方式である。

これらの２方式の内、過去において、■の密閉型だけが
、出力５０ｋＨないしは１００ｋＷ程度のプラントとし
て建設され、実験されたことがある。しかしながら、こ
の密閉型の海洋温度差発電プラントにおいては、タービ
ンが大型となるので、これを避けるために、作動媒体と
して、フロンあるいはアンモニアなどの低沸点媒体を閉
ループ中に流し、これを温海水により沸騰させることに
より高圧蒸気を発生させ、これをタービンにおいて仕事
をさせた後、この排蒸気を冷海水により凝縮させるサイ
クルが使用されている。しかしながら、フロン類は、地
球外周のオゾン層の破壊問題により今後使用の制限が強
化され、また、アンモニアは、日本においては、化学的
母性物質として指定されており、このために、この密閉
型の方式のプラントは、その建設費・運転費が、非常に
高くなることが予想されるところである。

このような密閉型の方式に対し、従来の開放型の方式は
、水蒸気を作動媒体としているので、環境的な問題は、
全く無いものである。

今、その系統図を示すと、添付図面の第３図のとおりと
なる。なお、同図において、各参照数字は、それぞれ、
以下の要素を現すものである。すなわち、トフラッシュ
蒸発器、２・・温海水管、３・・・温海水ポンプ、４・
・・蒸気タービン、５・・・表面復水器、６・・・冷海
水管、７・・・冷海水ポンプ、８・・・真空ポンプ である。

この系統図に示される開放型の方式を、既存の火力発電
などに用いられている水蒸気サイクルと比較する時、両
者の間における大きな差異の第一は、前者においては、
後者のボイラーの代わりにフラッシュ蒸発器１を使用す
ることである。このフラッシュ蒸発器１は、温海水管２
を経て温海水ポンプ３を介して海面近くから温海水をそ
の中に汲み上げ、この温海水を、その内部において、わ
ずかに減圧させることにより蒸気を発生させ、この蒸気
が蒸気タービン４を駆動し、その排蒸気を復水器５にお
いて、冷海水管６を経て冷海水ポンプ７を介して深海か
ら汲み」二げられな冷海水により水に凝縮させるもので
あるか、これらの各種機器は、現在、基礎性能を検討中
の段階にある。また、真空ポンプ８は、フラッシュ蒸発
器１において発生した空気を大気へ放出し、更に、フラ
ッシュ蒸発器１において蒸気とならなかった温海水と、
復水器５を出た海水とは、−緒に排水９として海水中に
戻されるようになっている。

しかしながら、従来の上記のような開放型海洋温度差発
電装置は、海面付近の約３０℃の温海水をフラッシュ蒸
発器１内においてフラッシュさせることにより中圧蒸気
を作り、一方、深海から５℃前後の冷海水を汲み上げ、
この冷海水により蒸気タービン４からの排蒸気を凝縮さ
せるものであるが、このように、温海水と冷海水との間
の温度差が小さいので、蒸気タービン４からの排蒸気圧
は、０．０１気圧位となり、実用の火力発電所における
排蒸気圧の１７５位であり、従って、例えば、１．．０
００　ｋｌｌｌの出力の開放型海洋温度差発電所の場合
でも、蒸気タービン４の翼の長さは、約３ｍとなり、最
新の最大タービンの翼長さの２倍位となるものと予想さ
れ、これは開放型海洋温度差発電の実用化を阻む大きな
因子となっている。また、海水中には多量の空気力層容
解されており、温海水をフラッシュ蒸発器１においてフ
ラッシュさせることにより水蒸気を発生させ、この水蒸
気を蒸気タービン４において膨張させた後、その排蒸気
を表面復水器５において凝縮させると、冷海水が管内を
流れる形式の表面復水器５の表面に集まった多量の空気
が、水蒸気が復水器５の冷管表面に到達することを妨害
する。従って、復水器５の性能を向上させ、排蒸気圧を
下け、蒸気タービン４の出力を増大させるためには、低
圧状匹にある復水器５から真空ポンプ８により空気を排
出させる必要がある。しかしながら、排出すべき空気の
圧力は低く、その量も多いので、蒸気タービン４の出力
のかなりの部分（例えば、約２０〜３０％）を真空ポン
プ８の駆動のために使用しなければならなくなり、これ
が、従来の開放型海洋温度差発電の実用化を阻む第二の
因子となっている。また、第三の因子として、長い冷海
水管６の価格がある。なぜならば、３０℃前後の海面の
温海水を熱源とじて使用するので、大きな蒸気タービン
出力を得るためには、排蒸気圧を下げる必要があり、５
℃前後の冷海水を復水器５に使用する必要があり、その
ためには、深度５００ｍ〜７００ｍの箇所の冷海水を冷
海水管６を経て冷海水ポンプ７を介して汲み上げること
が必要となる。従って、若しも、発電装置を海浜に設置
するものとすると、１，０００ｍ〜２，０００ｍのよう
な長尺の冷海水管６を使用することが必須となるが、こ
の冷海水管６は、波浪に長年月耐える必要があるので、
そのための材料及びその信頼性・耐久性などを考慮する
と、この冷海水管６の建設のためには、発電所の総建設
費の２０〜３０％にも達するものと考えられる。

■が解？しようと　る口　点 そこで、本発明は、従来公知の開放型海洋温度差発電装
置における上記のような問題点のあることに鑑がみ、従
来のように、超大型の蒸気タービンの開発を必要とする
ことなく、空気などの不凝縮ガスの排出動力を全く不要
とし、また、冷海水管の長さを従来必要とされていた長
さの約半分にすることがてき、しかも、冷海水から有用
物質の回収を図ることができる多目的開放型海洋温度差
複合発電方法及び発電装置を得ることを、その目的とす
るものである。

１題１．を解ゞ　るための手 本発明、この目的を達成するために、ディーゼル機関、
ガスタービンあるいは各種プラントの高温排ガスを熱源
とし、これにより、海面近くの温海水を加熱器を用いて
飽和液状態近くまで加熱し、この高温海水をフラッシュ
することにより水蒸気を生成し、これを高圧タービンに
おいて膨張させ、その排蒸気を、大気圧よりもやや高圧
の中圧タービンの上流に設置された、特殊の機能を持た
せた脱気器に導くことにより、この排気中から空気を分
離し、はとんど動力を使用することなく大気へ放出させ
、このようにして脱気された水蒸気を低圧段の蒸気ター
ビンにおいてＩｔｆｉｊ張させ、この低圧段の蒸気ター
ビンの排蒸気圧（復水圧）を、約０，０３気圧に保持す
ることを特徴とするものである。

実　　施　　例 以下、本発明をその装置の１実施例を示す添付図面の第
１図及び第２図に基づいて、詳細に説明をする。

まず、第１図には、高温排ガス源としてディーゼル機関
を使用した本発明による多目的開放型海水温度差複合発
電装置の系統図が示されている。

最初に、同図に示される各種の要素ないしは物質を、そ
れに付けられた参照数字と対照して現すと、次ぎのよう
になる。すなわち １０・・・ディーゼル機関、１１・・・温海水管、１２
・・・温海水ポンプ、１３・・・温海水加熱器、１４・
・・排ガス、１５・・・高圧フラッシュ蒸発器、１６・
・・高圧蒸気タービン、１７・・・熱水、１８・・・中
圧フラッシュ蒸発器、１９・・・脱気器、２０・・排水
、２１・・・空気、２２・・・中圧蒸気タービン、２３
・・・発電機、２４・・・表面復水器、２５・・・冷海
水管、２６・・・冷海水ポンプ、２７・・・淡水ポンプ
、２８・・・造成淡水、２９・・・排蒸気、３０・・・
直接接触復水器、３１・・・低温滋養海水、３２・・中
温滋養海水 である。

本発明による装置の１系統図は、第１図に示すとおりで
あるか、次に、この図に基づいて、本発明を説明する。

この図から分かるように、本発明においては、従来の海
洋温度差発電装置におけるように、熱源として３０℃位
の比較的低温の海面水を直接的に使用すること無く、こ
れを、例えば、ディーゼル機関１０からの約４００℃の
排ガスの熱エネルキーを使用して加熱するものであり、
このために、このテイーゼル機関１０の排ガスを多数の
熱交換用管から構成されている温海水加熱器１３の管の
外部に導き、一方、その管内に、海面近くの温海水を温
海水管１１を経て温海水ポンプ１２を介して汲み上げ、
これを昇圧した後導き、これを通過させることにより、
海水を３００℃前後の飽和液状態近くまで加熱し、低温
度となった排ガス１４は、温海水加熱蒸発器１３から大
気へ放出される。また、温海水は、温海水加熱器１３に
おいて加熱中に沸騰し、管内壁に塩分などの析出が起こ
らないようにすると同時にスポンジボールなどを管内に
収容して置くことにより、生物付着物なとによる熱伝導
性能の劣化を防止する＝１１− ようにする。このようにして温海水加熱器１３により加
熱された海水は、高圧フラ・ンシュ蒸発器１５において
高圧蒸気を発生し、これを高圧蒸気タービン１６に送り
、これを駆動する。高圧蒸気タービン１６からの排蒸気
は、高圧フラッシュ蒸発器１５を出た熱水１７を中圧フ
ラッシュ蒸発器１８に送り、ここにおいて蒸発させるこ
とにより得られる蒸気と一緒に、脱気器１９に送られる
。なお、中圧フラ・ンシュ蒸発器１８の残りの温海水２
０は、海面へ戻す。また、脱気器１９は、そこへ送られ
た蒸気中から空気２１を除き、蒸気だけを中圧蒸気ター
ビン２２へ送るために使用されるものである。なお、こ
の脱気器１９は、凝縮部及び蒸発部から成り立っており
、いずれも、大気圧よりもわずかに高い圧力で作動をす
るように構成されているものとし、この構成により、空
気を完全に除いた水蒸気だけを中圧蒸気タービン２２に
送ることができると共に脱気器１９において消費される
動力は、タービン出力の０．１％前後とすることができ
るものである。

このようにして、脱気された中圧蒸気を中圧蒸気タービ
ン２２に送り、その中において膨張させ、高圧蒸気ター
ヒン１６と共にそれらの出力により発電機２３を駆動し
、電力を得ることができる。また、この中圧蒸気タービ
ン２２からの排蒸気は、表面復水器２４に送られるが、
この復水器２４には、冷海水管２５を経て冷海水ポンプ
２６を介して汲み上げられた１５℃前後の深海の冷海水
が供給される。この表面復水器２４の凝縮液は淡水であ
り、この淡水を集め、淡水ポンプ２７により昇圧すると
、飲料水、かんがい用水などとして利用することができ
る淡水２８が造成される。なお、淡水２８の造成が余り
必要では無い場合には、冷海水により冷却される直接接
触復水器３０を表面復水器２４と並列に設け、表面復水
器２４の排蒸気２９を直接接触復水器３０へ送ることに
より、排圧を一層下げ、発電電力を増加させることがで
きる。また、本発明による装置においては、温海水が、
温海水蒸発器１３内において、プラントの排エネルギー
を利用して十分に高温・高圧の蒸気に加熱されるので、
高圧及び中圧蒸気タービン１６．２２において膨張した
後の排蒸気は、表面復水器２４や、直接接触復水器３０
の中において、従来の開放型の装置におけるように、極
端な低圧において凝縮されることが無くても、十分に所
要の動力を発生ずることができるものである。従って、
これらの復水器２４゜３０の冷却用の冷海水としては、
従来装置の場合に比べて、比較的深度の浅い海中から汲
み上げた海水で間に合うものである。この結果、復水器
２４及び３０を通った後の冷海水３１．３２の温度は、
従来の装置における復水器５から排出される排水９の温
度よりも、−層高い温度を有しており、また、冷海水３
１．３２の内、３２の方が、３１よりも、より高い温度
を有している。

ところで、一般的に、海洋においては、その深度により
海水の温度及びその中に含まれている滋養分に相違があ
るものである。

すなわち、例えば、第３図に、アメリカ合衆国ハワイ用
のオアフ島付近の北緯約２０°の海洋の５月の海水の深
度に対する温度３３と、栄養分として重要な溶解窒素濃
度３４の分布を示しであるが、同図から、従来の開放型
海洋温度差発電装置においては、海水温度２６°Ｃで出
力を得るためには、５°Ｃの冷海水が必要であるが、そ
のためには、約７００ｍの深度から冷海水を汲み上げな
ければならす、一方、栄養分として必要な溶解窒素濃度
、詳細には、リン及び窒素は、４５０ｍの深度で急激に
増加していることが分かる。

これに対し、本発明において必要とされる冷海水は８°
Ｃの冷海水で、冷熱源温度として十分であり、そのため
に、本発明においては、冷海水として、深度４５０ｍの
冷海水を汲み上げれば良いこととなる。

また、表面復水器２４においては、冷却水と、蒸気との
間の温度差は、約１５℃であり、冷海水が途中において
管周囲の海水で加熱されて　１０℃　となっても、２５
℃の中圧蒸気タービン２２の排蒸気を復水させることが
でき、この蒸気の飽和圧力は、約０．０３気圧である。

このようにして、本発明においては、復水器２４及び３
０からの排出冷海水３１及び３２は、その温度が、従来
の復水器５からの排水９の温度よりも高く、従って、そ
れらの中には、豊富に滋養分が含まれており、また、排
出冷海水３１と、３２とは温度が相違しているので、こ
れらの復水器２４　、３０を出た温度の異なる冷海水３
１．３２を、別々に、あるいは、これらを適当に混合す
ることにより、海洋牧場において必要とされる温度を有
し且つ栄養分のある海水を供給することができるように
なる。

本発明は、上記のような系統により実施されるものであ
るが、次に、その数値例を説明する。

順」＝１ 本発明を、出力１０．０００ｋＨのディーゼル機関に適
用し、その目的とする多目的開放型海洋温度差複合発電
を行うものとして、以下に、その数値例を示す。

ディーゼル機関１０の排ガスとして、４００℃　で約６
Ｘ１０’　ｋｇ／ｈの排ガスを使用する場合、約３０℃
のｉｓｘ　１０’　ｋｇ／ｈの温海水を、温海水ポンプ
１２により約９０気圧まで昇圧させた後、高圧フラッシ
ュ蒸発器１５に取り入れ、これを３００℃　まで加熱す
る。これを２０気圧までフラッシュさせて得られた高圧
蒸気を使用し、高圧蒸気タービン１６において　１．５
気圧まで膨張させ、約５００ｋＨの出力が得られる。こ
の中圧蒸気と、高圧フラッシュ蒸発器１５からの高温水
を１．３気圧までフラッシュさせて得られる中圧蒸気と
から、空気を脱気器１９において除いた中圧蒸気を中圧
蒸気タービン２２において０．０３気圧まで膨張させ、
約１，０ＯＯｋｌｌｌの出力が得られる。この中圧蒸気
タービン２２の排蒸気気をすべて表面復水器２４で凝縮
させると、約８．４Ｘ　１０３ｋｇ／ｈの淡水が得られ
る。なお、この場合、中圧蒸気タービン２２の終段の動
翼の長さは、９０ｃｍ位であり、低圧蒸気タービン段階
の直径は、４ｍ前後と考えられる。これに対し、最近製
造された一般用の最大直径の低圧タービンは、動翼長さ
が１．．３２ｍ、タービン直径が５．７ｍであるので、
上記の数値例による開放型海洋温度差複合発電装置の低
圧タービンは、完全に製作可能であるものである。

このように、本発明による開放型海洋温度差複合発電の
可能化が、十分可能であることが分かるところであるが
、ここで、その理由を簡単に説明すると、次のようにな
る。

第−に、ディーゼル機関などの排ガスの約４００℃の熱
エネルギーを利用するので、本発明装置においては、特
別に燃料費を必要とすること無く、シかも、発電熱効率
を従来の開放型発電に比べ、１０倍近く上げることあて
きること 第二に、水蒸気を発生させるためのフラッシュにおいて
発生された空気を、水蒸気ループから排出するのに、は
とんど動力を使用しなくても良いこと 第三に、蒸気タービンの高圧圧力が十分に高く、熱効率
を上げるために、低熱源として、５℃などの冷海水を使
用する必要が無く、排圧は、０．０３気圧位であり、現
在技術て製造可能な寸法の低圧タービンを使用すること
ができること 第四に、造成される淡水流量に対して、従来の開放型海
洋温度差発電の約１０倍の淡水が得られること などである。

発ｐ乳呆− 本発明は、上記のような構成及び作用を有しているのて
、従来不必要なものとして捨てられていたディーゼル機
関、ガスタービンなどの各種のプラントからの排ガスの
熱エネルキーを開放型海洋温度差複合発電装置の熱源と
して使用することにより、海洋温度差発電の実用性を高
め、実用化を図るために、発電電力の増大、多量の淡水
の造成、深部からの冷海水の復水器への利用と、その海
洋牧場への利用などの高性能の多目的利用の性能が、考
えられることができる。また、本発明を熱帯地方の島し
よの社会活動の維持と、生活水準の向上とに利用するこ
とにより、発電・飲料水及びかんがい水の造成・海洋農
場・海洋牧場などの産業の発展に寄与することができる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による多目的海洋温度差発電複合装置
の１例を示す系統図、第２図は、海洋の深度と、海水温
度（’Ｃ）及び溶解窒素（μｇ−ａｔ：／Ｉ）との間の
関係の１例を示す線図、第３図は、従来の開放型海洋温
度差発電装置の典型的な系統図である。 １０・・・ディーゼル機関、１１・温海水管、１２・・
・温湯水ポンプ、１３・・・温海水加熱器、１４山排ガ
ス、１５・・・高圧フラッシュ蒸発器、１６・・・高圧
蒸気タービン、１７・・・熱水、１８・・・中圧フラッ
シュ蒸発器、１９・・脱気器、２０・・・排水、２１・
・・空気、２２・・・中圧蒸気タービン、２３・・・発
電機、２４・・・表面復水器、２５・・・冷海水管、２
６・・・冷海水ポンプ、２７・・・淡水ポンプ、２８・
・・造成淡水、２９・・・排蒸気、３０・・・直接接触
復水器、３１・・・低温滋養海水、３２・・・中温滋養
海水。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、海面の温海水を、各種プラントから発生する排ガス
   により加熱した後、これをフラッシュさせて得られる高
   圧蒸気により蒸気タービンなどの動力発生装置を駆動し
   、この動力発生装置からの排蒸気を深海からの冷海水に
   より凝縮させることにより復水させ、動力発生装置の出
   力により発電を行うようにすることを特徴とする多目的
   開放型海洋温度差複合動力発生方法。 ２、プラントが、ディーゼル機関、ガスタービンなどで
   ある特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、海面の温海水を昇圧してからフラッシュさせるよう
   にする特許請求の範囲第１又は２項記載の方法。 ４、冷海水として、滋養分の多く含まれている深度から
   の冷海水を使用する特許請求の範囲第１、２又は３項記
   載の方法。 ５、動力発生設備からの排蒸気を冷海水により凝縮して
   復水させる場合に、これを少なくとも２段の凝縮工程に
   より行い、これにより、少なくとも２種の異なった温度
   の滋養海水を得るようにする特許請求の範囲第１〜４項
   のいずれかに記載の方法。 ６、冷海水により凝縮された復水を淡水として利用する
   特許請求の範囲第１〜５項のいずれかに記載の方法。 ７、海面からの温海水を各種プラントからの排ガスによ
   り加熱するための温海水加熱器と、温海水加熱器に接続
   され、それにより加熱された温海水をフラッシュさせる
   ための高圧フラッシュ蒸発器と、高圧フラッシュ蒸発器
   において発生された高圧蒸気により駆動される高圧蒸気
   タービンと、高圧フラッシュ蒸発器に連結され、そこで
   発生された熱水を受け取るようにされた中圧フラッシュ
   蒸発器と、中圧フラッシュ蒸発器及び高圧蒸気タービン
   の排蒸気側に連結された脱気器と、脱気器に接続され、
   そこにおいて脱気された中圧の蒸気により駆動されるよ
   うにされ且つ高圧蒸気タービンに直列に接続された中圧
   蒸気タービンと、高圧及び中圧蒸気タービンの出力軸に
   連結された発電機と、中圧蒸気タービンの排蒸気側に連
   結され、その排蒸気を冷海水により凝縮するようにする
   表面復水器とから成り立っていることを特徴とする多目
   的開放型海洋温度差複合発電装置。 ８、表面復水器に直接接触復水器が連結され、前者から
   の排蒸気を後者において冷海水により凝縮する特許請求
   の範囲第７項記載の多目的開放型海洋温度差複合発電装
   置。 ９、表面復水器に淡水ポンプが接続され、表面復水器か
   らの凝縮水を淡水として取り出すようになっているる特
   許請求の範囲第７及び８項記載の多目的開放型海洋温度
   差複合発電装置。 １０、温海水加熱器へ海面からの温海水を、温海水管を
   経て温海水ポンプを介して昇圧した後供給するようにす
   る特許請求の範囲第７、８又は９項記載の多目的開放型
   海洋温度差複合発電装置。 １１、表面復水復水器へ深海からの冷海水を、冷海水管
   を経て冷海水ポンプを介して供給するようにする特許請
   求の範囲第７〜１０項のいずれかに記載の多目的開放型
   海洋温度差複合発電装置。 １２、直接接触復水器は深海からの冷海水を、冷海水管
   を経て冷海水ポンプを介して供給するようにする特許請
   求の範囲第８〜１０項のいずれかに記載の多目的開放型
   海洋温度差複合発電装置。