KR102123860B1

KR102123860B1 - 발전 방법

Info

Publication number: KR102123860B1
Application number: KR1020190061654A
Authority: KR
Inventors: 시게토 아다치; 마사요시 마츠무라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-06-17
Also published as: KR20190138582A; JP6941076B2; EP3578766A1; US20190368787A1; CN110566299B; US10712060B2; JP2019210862A; CN110566299A

Abstract

냉매의 전환 후에 있어서도 전환 전과 동등한 발전량을 얻는 것이 가능한 발전 방법을 제공한다.
발전 방법은, 소정의 기준 냉매를 작동 매체로서 순환 경로 내에서 순환시켜 바이너리 발전 장치를 운전하는 기준 운전 시에 있어서의, 증발기에서 증발된 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값의 정보를 취득하는 공정과, 기준 냉매보다도 증기압이 높은 적어도 1종의 고증기압 냉매와 기준 냉매보다도 증기압이 낮은 적어도 1종의 저증기압 냉매가, 기준 냉매와 증기압이 동일해지는 비율로 혼합된 혼합 냉매를, 작동 매체로서 순환 경로 내에 충전하는 공정과, 혼합 냉매를 작동 매체로서 순환 경로 내에서 순환시킴과 함께, 증발기에서 증발된 혼합 냉매의 과열도가 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값과 동일해지도록 제어하면서, 바이너리 발전 장치를 운전하는 공정을 구비하고 있다.

Description

발전 방법{POWER GENERATION METHOD}

본 발명은 발전 방법에 관한 것이다.

종래, 온수나 증기 등의 열원의 열 에너지를, 작동 매체를 통해 전기 에너지로서 회수하는 바이너리 발전 방법이 알려져 있다. 이 방법에 사용되는 바이너리 발전 장치는, 저비점의 냉매인 작동 매체가 충전된 순환 경로에 있어서, 증발기, 팽창기, 응축기 및 작동 매체 펌프의 각 기기가 배치된 구성을 갖고 있다. 이 발전 방법에 의하면, 증발기에 있어서의 열원과의 열 교환을 통하여 저비점의 냉매를 증발시켜, 그 냉매 증기를 팽창기에서 팽창시켜 얻어지는 회전 구동력에 의해 발전기의 로터를 회전시킴으로써, 열원의 열을 전력에 에너지 변환할 수 있다.

종래의 발전 방법에서는, 히드로플루오로카본(HFC; Hydro Fluoro Carbon) 등의 냉매를 작동 매체로서 순환 경로 내에서 순환시키고 있다. 또한 특허문헌 1에는, 히드로플루오로올레핀(HFO; Hydro Fluoro Olefin)을 포함하는 냉매를 순환 경로 내에서 순환시키는 냉매 순환 방법이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2016-194377호 공보

그런데, 근년, 환경에 대한 부하를 저감시키기 위하여, 냉매에 대한 엄격한 규제가 부과되고 있다. 여기서, HFO는, 환경에 대한 부하가 작은 냉매이지만, 그 증기압이 기존 냉매의 HFC의 증기압과 상이하다. 이 때문에, HFO를 HFC 대신 작동 매체로서 사용한 경우에는, 팽창기의 흡입측에 있어서의 압력이 변화되고, 이 때문에 발전량이 변화되어 버린다. 따라서, 종래에는, 냉매의 전환 후에 있어서 전환 전과 동등한 발전량이 얻어지지 않게 된다는 과제가 있다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 냉매의 전환 후에 있어서도 전환 전과 동등한 발전량을 얻는 것이 가능한 발전 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 국면에 관한 발전 방법은, 작동 매체가 순환하는 순환 경로와, 열원과의 열 교환을 통하여 상기 작동 매체를 증발시키는 증발기와, 증발된 상기 작동 매체를 팽창시키는 팽창기와, 상기 작동 매체의 팽창에 의한 회전 구동력에 의해 발전하는 발전기를 구비한 발전 장치를 사용하여 발전하는 방법이다. 이 발전 방법은, 소정의 기준 냉매를 상기 작동 매체로서 상기 순환 경로 내에서 순환시켜 상기 발전 장치를 운전하는 기준 운전 시에 있어서의, 상기 증발기에서 증발된 상기 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값의 정보를 취득하는 공정과, 상기 기준 냉매보다도 증기압이 높은 적어도 1종의 고증기압 냉매와 상기 기준 냉매보다도 증기압이 낮은 적어도 1종의 저증기압 냉매가, 상기 기준 냉매와 증기압이 동일해지는 비율로 혼합된 혼합 냉매를, 상기 작동 매체로서 상기 순환 경로 내에 충전하는 공정과, 상기 혼합 냉매를 상기 작동 매체로서 상기 순환 경로 내에서 순환시킴과 함께, 상기 증발기에서 증발된 상기 혼합 냉매의 과열도가 상기 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값과 같아지도록 제어하면서, 상기 발전 장치를 운전하는 공정을 구비하고 있다.

이 발전 방법에서는, 기준 냉매와 증기압이 동일해지는 비율로 고증기압 냉매와 저증기압 냉매가 혼합된 혼합 냉매를 순환 경로 내에서 순환시킴과 함께, 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값과 같아지도록 혼합 냉매의 과열도를 제어한다. 이 때문에, 혼합 냉매를 사용한 발전에 있어서도, 발전량에 영향을 미치는 인자(팽창기의 흡입측에 있어서의 냉매 증기의 압력 및 과열도)를, 기준 냉매를 사용한 기준 운전시와 동등하게 할 수 있다. 본 발명의 발전 방법에서는, 혼합 냉매의 증기압이 기준 냉매의 증기압과 동일하기 때문에, 냉매를 순환시키는 펌프의 회전수를 기준 운전시로부터 변경하지 않아도, 혼합 냉매의 과열도를 기준 운전 시의 제어 목표값으로 맞출 수 있다. 따라서, 본 발명의 발전 방법에 의하면, 냉매를 기준 냉매로부터 혼합 냉매로 전환한 후에도, 전환 전과 동등한 발전량을 얻을 수 있다.

또한, 여기에서 말하는 「혼합 냉매의 증기압과 기준 냉매의 증기압이 동일하다」는 것은, 양 증기압이 완전히 동일한 경우에 한한다는 취지는 아니며, 냉매의 전환 전과 동등한 발전량을 얻는다고 하는 목적의 범위에서의 양 증기압의 차를 허용하는 것이다. 또한 「혼합 냉매의 과열도가 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값과 동일하다」는 것에 대해서도, 상기와 마찬가지로 양자가 완전히 동일한 경우에 한하지 않고, 상기 목적의 범위에서의 차를 허용하는 것이다.

상기 발전 방법에 있어서, 상기 발전 장치는, 상기 순환 경로에 있어서 상기 작동 매체를 순환시키기 위한 작동 매체 펌프를 추가로 구비하고 있어도 된다. 상기 발전 방법에 있어서는, 상기 기준 운전 시에 있어서의 상기 작동 매체 펌프의 회전수와 동일 회전수에 의해, 상기 혼합 냉매를 사용한 상기 발전 장치의 운전을 행해도 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 발전 방법에서는 혼합 냉매의 증기압이 기준 냉매의 증기압과 동일해지기 때문에, 기준 운전시와 동일 펌프 회전수로 혼합 냉매를 순환시켜 발전을 행한 경우에도, 혼합 냉매의 과열도를 기준 운전 시의 제어 목표값에 맞출 수 있다.

상기 발전 방법에 있어서, 상기 고증기압 냉매 및 상기 저증기압 냉매는, 서로 이성체여도 된다.

이 방법에 의하면, 증기압을 제거하여 서로 물성이 유사한 이성체를 고증기압 냉매 및 저증기압 냉매로서 각각 사용함으로써, 양 냉매에 대한 내성을 갖게 하기 위한 기기 설계가 용이해진다.

상기 발전 방법에 있어서, 상기 기준 냉매는, R245fa여도 된다. 상기 고증기압 냉매는, 히드로플루오로올레핀의 트랜스체여도 된다. 상기 저증기압 냉매는, 상기 고증기압 냉매와 동일 분자식의 히드로플루오로올레핀의 시스체여도 된다.

이 방법에 의하면, R245fa를 작동 매체로서 사용한 발전과 동등한 발전량을 얻을 수 있음과 함께, 히드로플루오로올레핀을 작동 매체로서 사용함으로써, 환경에 대한 부하를 보다 저감할 수 있다.

상기 발전 방법에 있어서는, 상기 기준 운전 시에 사용되는 용적형의 상기 팽창기를 사용하여, 상기 혼합 냉매를 사용한 상기 발전 장치의 운전을 행해도 된다.

용적형 팽창기를 사용한 발전에 있어서, 혼합 냉매의 증기압이 기준 냉매의 증기압과 상이한 경우에는, 기준 운전시와 동등한 발전량을 얻기 위하여 팽창기의 용적비를 바꿀 필요가 생긴다. 이에 비하여, 상술한 바와 같이 기준 냉매와 증기압이 동일해지는 비율로 고증기압 냉매와 저증기압 냉매가 혼합된 혼합 냉매를 사용함으로써, 기준 운전시와 같은 용적비의 팽창기를 사용한 경우에도, 동등한 발전량을 확보하는 것이 가능해진다.

상기 발전 방법에 있어서, 상기 팽창기가 스크루 팽창기여도 된다.

상기 발전 방법에 있어서는, 용적형 팽창기의 일례로서 스크루 팽창기를 적합하게 사용할 수 있다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 냉매의 전환 후에 있어서도 전환 전과 동등한 발전량을 얻는 것이 가능한 발전 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 발전 방법에 사용되는 바이너리 발전 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 히드로플루오로카본 및 히드로플루오로올레핀을 사용한 바이너리 발전에 있어서의 작동 매체의 상태 변화를 모식적으로 나타내는 p-h선도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 발전 방법의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 작동 매체 펌프의 회전수에 대한 냉매의 순환량, 과열도 및 발전량의 변화를 모식적으로 나타내는 도면이다.

이하, 도면에 기초하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 발전 방법에 대해 상세하게 설명한다.

(바이너리 발전 장치)

먼저, 본 실시 형태에 관한 발전 방법에 사용되는 바이너리 발전 장치(1)의 구성에 대해, 도 1을 참조하여 설명한다. 바이너리 발전 장치(1)는, 열원(101)으로부터 회수된 열에 의해 전기 에너지를 생성하는 장치이며, 도 1에 도시된 바와 같이, 순환 경로(10)와, 작동 매체 펌프(16)와, 증발기(12)와, 팽창기(13)와, 발전기(14)와, 응축기(15)를 주로 구비하고 있다. 또한, 도 1은, 바이너리 발전 장치(1)에 있어서의 주요한 구성 요소만을 모식적으로 도시하고 있고, 바이너리 발전 장치(1)는, 도 1에 도시되지 않은 다른 임의의 구성 요소를 추가로 구비할 수 있는 것이다. 이하, 바이너리 발전 장치(1)에 있어서의 각 구성 요소에 대해 각각 설명한다.

순환 경로(10)는, 저비점의 냉매인 작동 매체(100)가 순환하는 배관을 포함하는 것이며, 작동 매체 펌프(16), 증발기(12), 팽창기(13) 및 응축기(15)의 각 기기를 각각 접속하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 순환 경로(10)는, 작동 매체 펌프(16)의 토출구와 증발기(12)의 입구를 접속하는 제1 경로(21)와, 증발기(12)의 출구와 팽창기(13)의 입구를 접속하는 제2 경로(22)와, 팽창기(13)의 출구와 응축기(15)의 입구를 접속하는 제3 경로(23)와, 응축기(15)의 출구와 작동 매체 펌프(16)의 흡입구를 접속하는 제4 경로(24)를 포함한다. 이 구성에 의해, 작동 매체 펌프(16), 증발기(12), 팽창기(13), 응축기(15)의 순서대로 작동 매체(100)를 유통시킬 수 있다.

작동 매체 펌프(16)는, 순환 경로(10)에 있어서 작동 매체(100)를 순환시키기 위한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 작동 매체 펌프(16)는, 작동 매체(100)의 순환 방향에 있어서의 응축기(15)의 하류측이면서 또한 증발기(12)의 상류측에 배치되어 있다. 작동 매체 펌프(16)는, 응축기(15)로부터 유출된 액상의 작동 매체(100)를 가압함과 함께 증발기(12)를 향하여 송출된다.

작동 매체 펌프(16)의 회전수(즉, 주파수)는, 예를 들어 제어부(30)에 의해 자동 제어되어, 당해 회전수에 의해 순환 경로(10) 내에 있어서의 작동 매체(100)의 순환량을 조정하는 것이 가능하다. 또한, 작동 매체 펌프(16)는, 회전수가 가변식인 것에 한정되지 않고, 회전수가 고정식인 것이어도 된다.

증발기(12)는, 열원(101)과의 열 교환을 통하여 작동 매체(100)를 증발시키는 열 교환기이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 증발기(12)는, 작동 매체(100)의 순환 방향에 있어서의 작동 매체 펌프(16)의 하류측이면서 또한 팽창기(13)의 상류측에 배치되어 있다. 증발기(12)는, 작동 매체 펌프(16)로부터 송출된 액상의 작동 매체(100)가 유입되는 제1 열 교환 유로(12A)와, 열원(101)이 유입되는 제2 열 교환 유로(12B)를 포함한다. 제1 열 교환 유로(12A)의 입구에는 제1 경로(21)의 하류단이 접속되어 있고, 제1 열 교환 유로(12A)의 출구에는 제2 경로(22)의 상류단이 접속되어 있다.

열원(101)은, 작동 매체(100)의 비점보다도 고온의 열 매체이며, 예를 들어 증기나 고온 공기 등의 기체상의 것이나, 온수 등의 액체형의 것이다. 그러나, 열원(101)의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니고, 다양한 것을 사용하는 것이 가능하다. 또한 고온 공기가 열원(101)으로서 사용되는 경우에는, 제2 열 교환 유로(12B)로부터 유출된 열 교환 후의 고온 공기를 냉각하기 위한 쿨러가 마련되어도 된다.

증발기(12)에 있어서는, 제1 열 교환 유로(12A)를 흐르는 작동 매체(100)와 제2 열 교환 유로(12B)를 흐르는 열원(101) 사이에서 간접적으로 열 교환이 행하여진다. 이 때문에, 액상의 작동 매체(100)가 열원(101)에 의해 가열되어 증발된다. 증발된 작동 매체(100)는, 제2 경로(22)를 통하여 팽창기(13)에 유입된다. 또한, 본 실시 형태에서의 증발기(12)는, 예를 들어 플레이트 열 교환기이지만, 열 교환기의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.

팽창기(13)는, 증발기(12)에 있어서 증발된 기체상의 작동 매체(100)를 팽창시키는 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 팽창기(13)는, 작동 매체(100)의 순환 방향에 있어서의 증발기(12)의 하류측이면서 또한 응축기(15)의 상류측에 배치되어 있다.

본 실시 형태에서의 팽창기(13)는, 용적형 팽창기이며, 구체적으로는 스크루 팽창기이다. 즉, 팽창기(13)는, 1쌍의 스크루 로터(수형 로터, 암형 로터)와 당해 1쌍의 스크루 로터를 수용하는 케이싱을 갖고, 스크루 로터와 케이싱으로 구성되는 폐공간(작동실)의 용적(체적)이 기체의 흡입구로부터 토출구를 향하여 커지도록 구성되어 있다. 이에 의해, 흡입된 기체상의 작동 매체(100)는, 토출구를 향하여 흐르는 데에 따라 팽창된다. 그리고, 이 팽창 전후의 작동 매체(100)의 압력차에 의해, 팽창기(13)의 스크루 로터(스크루 터빈)가 회전된다. 이 압력차는, 팽창기(13)의 용적비에 의해 결정되는 것이다. 또한, 팽창기는 스크루 팽창기에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 터보식이나 스크롤식의 팽창기가 사용되어도 된다.

발전기(14)는, 작동 매체(100)의 팽창에 의한 회전 구동력에 의해 발전하는 것이다. 구체적으로는, 발전기(14)의 로터가 팽창기(13)에 접속되어 있고, 당해 팽창기(13)와 함께 회전 가능하게 되어 있다. 따라서, 증발된 작동 매체(100)에 의해 팽창기(13)를 회전시켜, 그 회전 구동력에 의해 발전할 수 있다.

응축기(15)는, 냉각원(102)의 열 교환을 통하여 작동 매체(100)를 응축시키는 열 교환기이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 응축기(15)는, 작동 매체(100)의 순환 방향에 있어서의 팽창기(13)의 하류측이면서 또한 작동 매체 펌프(16)의 상류측에 배치되어 있다. 응축기(15)는, 팽창기(13)로부터 유출된 저압의 작동 매체(100)가 유입되는 제1 열 교환 유로(15A)와, 냉각원(102)이 유입되는 제2 열 교환 유로(15B)를 포함한다. 제1 열 교환 유로(15A)의 입구에는 제3 경로(23)의 하류단이 접속되어 있고, 제1 열 교환 유로(15A)의 출구에는 제4 경로(24)의 상류단이 접속되어 있다. 냉각원(102)은, 예를 들어 냉각수 등이며, 도시가 생략된 냉각수 순환 펌프에 의해 응축기(15)(제2 열 교환 유로(15B))를 향하여 송출된다.

응축기(15)에 있어서는, 제1 열 교환 유로(15A)를 흐르는 작동 매체(100)와 제2 열 교환 유로(15B)를 흐르는 냉각원(102) 사이에서 간접적으로 열 교환이 행해지고, 이 때문에 작동 매체(100)가 냉각원(102)에 의해 냉각되어 응축된다. 그리고, 응축기(15)로부터 유출된 액상의 작동 매체(100)는, 제4 경로(24)를 통하여 작동 매체 펌프(16)에 흡입된다. 본 실시 형태에서의 응축기(15)는 예를 들어 플레이트 열 교환기이지만, 열 교환기의 종류는 특별히 한정되지 않는다.

본 실시 형태에 관한 바이너리 발전 장치(1)는, 상기와 같은 구성을 구비하는 것이지만, 이 바이너리 발전 장치(1)에 있어서는, HFC-R245fa(이것은 후술하는 기준 냉매이다.)를 작동 매체(100)로 하여 순환시킨 경우에 원하는 발전량이 얻어지도록, 팽창기(13)의 용적비가 설계되어 있으며, 또한, 증발기(12)에서 증발된 작동 매체(100)(증발기(12)로부터 유출된 후 팽창기(13)에 흡입되기 전의 기체상 작동 매체(100))의 과열도가 제어된다. 즉, 본 실시 형태에 관한 바이너리 발전 장치(1)는, HFC-R245fa를 작동 매체(100)로서 사용한 경우에 원하는 발전량이 얻어지는 구성(설계)으로 되어 있다.

(발전 방법)

다음에, 상기 바이너리 발전 장치(1)를 사용하여 발전하는, 본 실시 형태에 관한 발전 방법에 대해 설명한다. 먼저, 본 실시 형태에 관한 발전 방법 전에 행해지는 바이너리 발전 장치(1)의 기준 운전에 대해 설명한다.

이 기준 운전에서는, 소정의 기준 냉매를 작동 매체(100)로서 순환 경로(10) 내에서 순환시켜 바이너리 발전 장치(1)를 운전한다. 본 실시 형태에서는, 기준 냉매는 HFC-R245fa이다.

이 기준 운전에서는, 원하는 발전량이 얻어지도록, 증발된 작동 매체(100)(제2 경로(22)를 흐르는 작동 매체(100))의 과열도를 제어한다. 구체적으로는, 제2 경로(22)에 마련된 온도 센서 및 압력 센서에 의해 작동 매체(100)의 온도 및 압력을 각각 검지하고, 그 검지 결과에 기초하여 작동 매체(100)의 과열도를 산출하고, 산출된 과열도가 소정의 제어 목표값이 되도록 작동 매체 펌프(16)의 회전수를 제어부(30)에 의해 제어한다. 또는, 당해 과열도를 소정의 제어 목표값에 맞출 수 있는 회전수로 설계된 작동 매체 펌프(16)(회전수가 고정식인 것)를 사용한다. 또한, 기준 운전 시에 있어서의 기준 냉매의 과열도(실측값)는, 일정해도 되고, 변동해도 된다.

도 2는, 바이너리 발전 장치(1)를 사용한 발전 프로세스에 있어서의 작동 매체(100)의 상태 변화를 나타내는 p-h선도이다. 도 2에 있어서, 횡축이 비엔탈피를 나타내고 있고, 종축이 압력을 나타내고 있다. 또한 도 2 중의 파선(1)은, HFC-R245fa를 사용한 경우(기준 운전시)의 작동 매체(100)의 상태 변화를 나타내고 있다.

도 2 중의 파선(1)에 나타내는 바와 같이, 기준 운전 시에 있어서, 작동 매체(100)는 작동 매체 펌프(16)로 가압됨으로써 고압의 액체가 되고(점 A로부터 점 B), 증발기(12)에 있어서 열원(101)에 의해 가열됨으로써 고압의 증기가 되고(점 B로부터 점 C), 계속하여 팽창기(13)에 있어서 팽창함으로써 저압의 증기가 되고(점 C로부터 점 D), 그 후 응축기(15)에 있어서 냉각원(102)에 의해 냉각되어 저압의 액체가 된다(점 D로부터 점 A).

다음에, 본 실시 형태에 관한 발전 방법에 대해, 도 3의 흐름도에 따라 설명한다.

이 발전 방법에서는, 상기 기준 운전 시에 사용된 바이너리 발전 장치(1)와 동일한 장치가 그대로 사용된다. 즉, 본 방법에서 사용되는 각 기기(작동 매체 펌프(16), 팽창기(13), 증발기(12), 응축기(15))는, 상기 기준 운전 시에 사용된 것과 동일하다. 이 발전 방법에서는, 먼저, 상기 기준 운전 시에 있어서의, 증발기(12)에서 증발된 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값의 정보를 취득하는 공정이 행하여진다(도 3의 공정 S1). 이 제어 목표값은, 임의의 하나의 값으로 설정되어 있어도 되고, 임의의 범위를 갖고 설정되어 있어도 된다.

또한, 상술한 기준 운전은, 본 공정에 있어서 과열도의 제어 목표값의 정보를 취득하는 것이 목적이다. 따라서, 이 정보의 취득에 있어서 상기 기준 운전의 실시가 불필요한 경우에는, 본 발전 방법 전에 상기 기준 운전을 할 때마다 실시할 필요는 없고, 상기 기준 운전이 생략되어도 된다.

다음에, 혼합 냉매를 작동 매체(100)로 하여 순환 경로(10) 내에 충전하는 공정이 행하여진다(도 3의 공정 S2). 이 혼합 냉매는, 기준 냉매(HFC-R245fa)보다도 증기압이 높은 적어도 1종의 고증기압 냉매와, 당해 기준 냉매보다도 증기압이 낮은 적어도 1종의 저증기압 냉매가 혼합된 것이다.

본 공정에서는, 고증기압 냉매와 저증기압 냉매를 미리 혼합한 후에 순환 경로(10)의 배관 내에 충전해도 되고, 고증기압 냉매 및 저증기압 냉매를 각각 따로따로 순환 경로(10)의 배관 내에 충전하고, 그 후, 당해 배관 내에 있어서 양 냉매를 혼합해도 된다. 또한, 혼합 냉매의 충전 시에는, 작동 매체 펌프(16)를 정지시킨다.

본 실시 형태에 있어서, 고증기압 냉매 및 저증기압 냉매는, 서로 기하 이성체인 것이다. 구체적으로는, 고증기압 냉매는 히드로플루오로올레핀의 트랜스체이며, 저증기압 냉매는 고증기압 냉매와 동일 분자식의 히드로플루오로올레핀의 시스체이다. 예를 들어, 트랜스-1,3,3,3-테트라플루오로프로파-1-엔을 고증기압 냉매로서 사용하는 것이 가능하다. 또한 시스-1,3,3,3-테트라플루오로프로파-1-엔을 저증기압 냉매로서 사용하는 것이 가능하다.

여기서, 도 2 중의 이점쇄선(2)은, 고증기압 냉매(HFO의 트랜스체)를 단독으로 사용한 경우의 작동 매체(100)의 상태 변화를 나타내고 있다. 또한 동 도면 중의 점선(3)은, 저증기압 냉매(HFO의 시스체)를 단독으로 사용한 경우의 작동 매체(100)의 상태 변화를 나타내고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고증기압 냉매 및 저증기압 냉매는, 각각 기준 냉매(HFC-R245fa)에 대해 기화 시의 압력이 상이하다. 구체적으로는, 고증기압 냉매는 기화 시의 압력이 기준 냉매의 그것보다도 높고(도 2 중의 ΔP1), 한편 저증기압 냉매는 기화 시의 압력이 기준 냉매의 그것보다도 낮게 되어 있다(도 2 중의 ΔP2). 따라서, 고증기압 냉매 또는 저증기압 냉매를 각각 단독으로 순환 경로(10) 내에 충전하여 바이너리 발전 장치(1)를 운전한 경우, 제2 유로(22)를 흐르는 작동 매체(100)의 압력이 상기 기준 운전시와 비교하여 변화한다. 그 결과, 팽창기(13)의 흡입측에 있어서의 작동 매체(100)의 압력이 변화하게 된다.

여기서, 바이너리 발전 장치(1)에 의한 발전량은, 팽창기(13)의 흡입측에 있어서의 작동 매체(100)의 압력에 의한 영향을 받는다. 이 때문에, 상술한 바와 같이 팽창기(13)의 흡입측에 있어서의 압력이 변화되면, 상기 기준 운전시와 비교하여 얻어지는 발전량이 변화되어 버린다. 이에 비하여, 사용되는 냉매에 맞춰서 팽창기(13)의 설계(용적비)를 변경하는 것도 생각할 수 있지만, 그 경우에는 장치의 비용 증가를 초래하게 된다.

그래서, 본 실시 형태에 관한 발전 방법에서는, 상기 기준 운전시와 동일 장치 구성의 바이너리 발전 장치(1)를 사용함과 함께, 기준 냉매(HFC-R245fa)와 증기압이 동일해지는 비율로 고증기압 냉매(HFO의 트랜스체)와 저증기압 냉매(HFO의 시스체)가 혼합된 혼합 냉매를 사용한다. 본 실시 형태에서는, 일례로서, 고증기압 냉매와 저증기압 냉매를 8:2의 비율로 혼합함으로써 혼합 냉매를 준비하고, 당해 혼합 냉매를 순환 경로(10)의 배관 내에 충전한다. 당해 혼합 냉매의 비점은, 기준 냉매의 비점과 동일하거나 또는 대략 동일하다.

이 혼합 냉매를 사용한 바이너리 발전에 있어서의 작동 매체(100)의 상태 변화는, 도 2 중의 실선(4)과 같이 된다. 이 실선(4)의 사이클로 나타내는 바와 같이, 혼합 냉매의 기화 시의 압력은, 기준 냉매의 기화 시의 압력과 동일해진다. 따라서, 당해 혼합 냉매를 바이너리 발전 장치(1)의 작동 매체(100)로서 사용한 경우에도, 제2 경로(22)를 흐르는 작동 매체(100)의 압력이 상기 기준 운전시와 동일해진다. 이 때문에, 팽창기(13)의 흡입측에 있어서의 압력을 상기 기준 운전시와 동일하게 할 수 있다.

본 실시 형태에 관한 발전 방법에서는, HFO를 작동 매체(100)로서 사용함으로써, HFC를 작동 매체(100)로서 사용하는 경우에 비하여, 환경에 대한 부하를 보다 작게 할 수 있다. 게다가, 고증기압 냉매 및 저증기압 냉매로서 HFO의 기하 이성체(트랜스체, 시스체)를 사용함으로써, 바이너리 발전 장치(1)의 각 기기에 사용되는 재료의 선정이 용이해진다는 이점도 있다. 즉, 고증기압 냉매 및 저증기압 냉매로서 각각 별도 물질의 냉매를 사용한 경우에는, 각각의 냉매에 대한 내성(예를 들어, 내부식성)을 고려하여 기기의 재료를 선정할 필요가 있다. 이에 반하여, 본 실시 형태에 있어서는, HFO에 대한 내성만을 고려하면 되므로, 기기의 재료 선정이 용이하다.

또한, 본 실시 형태에서는, 고증기압 냉매 및 저증기압 냉매를 각각 1종류씩 사용하여 혼합 냉매를 제작하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 고증기압 냉매 및 저증기압 냉매의 한쪽 또는 양쪽을 복수 종류 사용하여 혼합 냉매를 제작해도 된다.

다음에, 혼합 냉매를 작동 매체(100)로서 사용하여 바이너리 발전 장치(1)를 운전하는 공정이 행하여진다(도 3의 공정 S3). 이 공정에서는, 상기 기준 운전 시에 있어서의 작동 매체 펌프(16)의 회전수와 동일 회전수에 의해 당해 작동 매체 펌프(16)를 작동시킴으로써, 혼합 냉매를 작동 매체(100)로 하여 순환 경로(10) 내로 순환시킨다. 그리고, 증발기(12)에서 증발된 혼합 냉매에 의해 팽창기(13)를 회전시킴으로써, 소정의 발전량이 얻어진다.

구체적으로는, 도 2 중에 있어서의 실선(4)의 사이클을 따라서 혼합 냉매(작동 매체(100))의 상태가 변화된다. 즉, 혼합 냉매는, 작동 매체 펌프(16)로 가압됨으로써 고압의 액체가 되고(점 A'로부터 점 B'), 증발기(12)에 있어서 열원(101)에 의해 가열됨으로써 고압의 증기가 되고(점 B'로부터 점 Ｃ'), 팽창기(13)에 있어서 팽창함으로써 저압의 증기가 되고(점 Ｃ'로부터 점 D'), 그 후 응축기(15)에 있어서 냉각원(102)에 의해 냉각됨으로써 저압의 액체가 된다(점 D'로부터 점 A').

이 공정에서는, 증발기(12)에서 증발된 혼합 냉매(제2 경로(22)를 흐르는 혼합 냉매)의 과열도가, 상기 공정에서 미리 취득된 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값과 동일해지도록 제어하면서, 바이너리 발전 장치(1)를 운전한다. 이에 의해, 혼합 냉매의 과열도(실측값)는, 상기 기준 운전 시에 있어서의 기준 냉매의 과열도(실측값)와 대략 동일해지도록 제어된다.

도 4는, 작동 매체 펌프(16)의 회전수(횡축)에 대한 냉매의 순환량, 냉매의 과열도 및 발전량(종축)의 변화를 모식적으로 나타내는 도면이다. 이 도면 중, 실선(1)은, 작동 매체 펌프(16)의 회전수에 대한 냉매의 순환량의 변화를 나타내고 있다. 또한 일점쇄선(2)은, 작동 매체 펌프(16)의 회전수에 대한 냉매의 과열도의 변화를 나타내고 있다. 또한 이점쇄선(3)은 작동 매체 펌프(16)의 회전수에 대한 발전량의 변화를 나타내고 있다. 또한, (1) 내지 (3)은 이해를 용이하게 하기 위해서 모식적으로 도시하고 있으며, 엄밀한 특성의 변화를 나타내는 것은 아니다.

도 4에 도시된 바와 같이, 냉매의 순환량은 작동 매체 펌프(16)의 회전수를 증가시킴에 따라 단조롭게 증가하는 한편, 냉매의 과열도는 작동 매체 펌프(16)의 회전수를 증가시킴에 따라 감소한다. 그리고, 냉매의 과열도를 최적 과열도 H1(제어 목표값)로 제어함으로써 원하는 발전량 G1이 얻어지고, 이 때의 작동 매체 펌프(16)의 회전수가 도 4 중의 P1이다. 상기 기준 운전에서는, 원하는 발전량 G1이 얻어지도록, 작동 매체 펌프(16)의 회전수가 P1로 되어 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 발전 방법에 있어서는, 혼합 냉매의 증기압이 기준 냉매의 증기압과 동일하다. 이 때문에, 상기 기준 운전시와 동일 펌프 회전수 P1로 작동 매체 펌프(16)를 작동시킴으로써, 혼합 냉매의 과열도를 최적 과열도 H1(제어 목표값)로 제어할 수 있고, 그 결과, 상기 기준 운전시와 동일한 원하는 발전량 G1을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 기준 운전에서 사용된 작동 매체 펌프(16)와 동일한 구성인 것을 그대로 사용한 경우에도, 상기 기준 운전시와 동등한 발전량을 얻는 것이 가능해진다.

금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기 설명이 아니라 특허 청구 범위에 의해 나타내며, 특허 청구 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 고증기압 냉매 및 저증기압 냉매가 동일 HFO의 기하 이성체인 경우에 대해 설명했지만 이에 한정되지 않고, 각각 상이한 재료여도 된다. 또한 혼합 냉매는, HFO에 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 히드로클로로플루오로올레핀(HCFO; Hydro Chloro Fluoro Olefin)이 사용되어도 된다.

상기 실시 형태에서는, 기준 냉매는 HFC-R245fa에 한정되지 않는다.

바이너리 발전 장치(1)에는, 증발기에서 증발된 냉매 증기를 과열시키는 과열기가 마련되어도 된다. 증발기에 유입되기 전의 냉매액을 예열하는 예열기가 마련되어도 된다.

1: 바이너리 발전 장치
10: 순환 경로
12: 증발기
13: 팽창기
14: 발전기
16: 작동 매체 펌프
100: 작동 매체
101: 열원

Claims

작동 매체가 순환하는 순환 경로와, 열원과의 열 교환을 통하여 상기 작동 매체를 증발시키는 증발기와, 증발된 상기 작동 매체를 팽창시키는 팽창기와, 상기 작동 매체의 팽창에 의한 회전 구동력에 의해 발전하는 발전기를 구비한 발전 장치를 사용하여 발전하는 방법이며,
소정의 기준 냉매를 상기 작동 매체로서 상기 순환 경로 내에서 순환시켜 상기 발전 장치를 운전하는 기준 운전 시에 있어서의, 상기 증발기에서 증발된 상기 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값의 정보를 취득하는 공정과,
상기 기준 냉매보다도 증기압이 높은 적어도 1종의 고증기압 냉매와 상기 기준 냉매보다도 증기압이 낮은 적어도 1종의 저증기압 냉매가, 상기 기준 냉매와 증기압이 동일해지는 비율로 혼합된 혼합 냉매를, 상기 작동 매체로서 상기 순환 경로 내에 충전하는 공정과,
상기 혼합 냉매를 상기 작동 매체로서 상기 순환 경로 내에서 순환시킴과 함께, 상기 증발기에서 증발된 상기 혼합 냉매의 과열도가 상기 기준 냉매의 과열도의 제어 목표값과 같아지도록 제어하면서, 상기 발전 장치를 운전하는 공정을 구비한, 발전 방법.
제1항에 있어서, 상기 발전 장치는, 상기 순환 경로에 있어서 상기 작동 매체를 순환시키기 위한 작동 매체 펌프를 추가로 구비하고 있고,
상기 기준 운전 시에 있어서의 상기 작동 매체 펌프의 회전수와 동일 회전수에 의해, 상기 혼합 냉매를 사용한 상기 발전 장치의 운전을 행하는, 발전 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고증기압 냉매 및 상기 저증기압 냉매는, 서로 이성체인, 발전 방법.
제3항에 있어서, 상기 기준 냉매는, R245fa이며,
상기 고증기압 냉매는, 히드로플루오로올레핀의 트랜스체이며,
상기 저증기압 냉매는, 상기 고증기압 냉매와 동일 분자식의 히드로플루오로올레핀의 시스체인, 발전 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기준 운전 시에 사용되는 용적형의 상기 팽창기를 사용하여, 상기 혼합 냉매를 사용한 상기 발전 장치의 운전을 행하는, 발전 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 팽창기가 스크루 팽창기인, 발전 방법.