WO2011121852A1 - 蒸気発生装置及びこれを用いたエネルギ供給システム - Google Patents

蒸気発生装置及びこれを用いたエネルギ供給システム Download PDF

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WO2011121852A1
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heat
steam
high temperature
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heat transfer
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裕 玉浦
善治 堀田
康次 宮崎
一高 平岡
徹 神成
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国立大学法人東京工業大学
国立大学法人九州工業大学
日揮株式会社
株式会社ササクラ
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    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the present invention relates to a steam generator and an energy supply system using the same.
  • Patent Document 1 discloses that a large number of heat transfer tubes to which heat is supplied are disposed, and the liquid supplied to the outer surface is evaporated to obtain steam.
  • the high temperature steam is generated by high temperature combustion heat, and this is used for power generation.
  • power generation by a conventional steam generator requires high temperature steam, a large amount of combustion heat is required for that purpose. As a result, the energy load is large and there is a problem in efficiency.
  • an object of this invention is to provide the steam generation apparatus which can improve energy efficiency significantly, and an energy supply system using the same.
  • the present invention comprises a high temperature chamber to which heat of 250 to 800 ° C. is supplied, a low temperature chamber adjacent to the high temperature chamber, which generates low temperature steam of 50 to 185 ° C. from water by the heat of the high temperature chamber, the high temperature chamber And a thermoelectric element disposed between the low temperature chamber and the low temperature chamber.
  • thermoelectric element is disposed between the high temperature chamber and the low temperature chamber, power generation can be performed by the temperature difference between the high temperature chamber and the low temperature chamber. Therefore, in addition to the generation of steam, power can also be supplied. Therefore, the supplied heat can be used effectively.
  • the steam generating apparatus of the present invention since the steam generating apparatus of the present invention generates low temperature steam at 50 to 185 ° C., it is not necessary to bear an energy burden by further heating the heat supplied from the external heat source.
  • the conversion efficiency is higher as the temperature difference is larger in the thermoelectric generation, it is not necessary to generate steam having a temperature higher than necessary. Therefore, when generating low-temperature steam at 50 to 185 ° C. as in the present invention, most of the supplied thermal energy can be converted to effective electricity and steam for use. Thus, energy efficiency can be greatly improved.
  • the thermoelectric element is generally maintenance free and does not generate noise or the like, clean energy can be supplied.
  • the heat supplied to the high-temperature chamber is not particularly limited in the above-described steam generator, for example, it is preferable to supply a liquid heat transfer medium.
  • the high temperature chamber can be constituted by a flow passage, to which a heat transfer medium can be supplied. Thereby, the heat of the high temperature chamber can be transferred to the low temperature chamber via the heat transfer medium.
  • the heat transfer medium various fluids can be adopted, but for example, heat transfer medium such as molten salt, oil, etc. can be used.
  • the heat transfer medium can be circulated by using a liquid heat transfer medium. That is, the heat transfer medium subjected to heat exchange processing in the high temperature chamber can be returned to the high temperature chamber after being heated by another heating device.
  • the flow path inside a tubular member can be made into a high temperature chamber, and the exterior of a tubular member can be made into a low temperature chamber.
  • the thermoelectric element can be attached to the outer surface or the inner wall surface of the tubular member.
  • An energy supply system includes the above-described steam generation device, and a heat source supply device for supplying the heat transfer medium to the high temperature chamber.
  • the heat transfer medium can be configured to circulate between the heat source supply device and the high temperature chamber, and the heat source supply device can heat the heat transfer medium returned from the high temperature chamber. can do. By so doing, the heat transfer medium can be used efficiently.
  • the system may further include a heat exchange device to which low temperature steam is supplied and a heat exchange process using the low temperature steam is performed. Due to the large latent heat of steam, low temperature steam of 50 to 185 ° C. as in the present invention can be easily used for various applications such as heating, drying, evaporation and the like. Although various apparatuses can be mentioned as a heat exchange apparatus using low temperature steam
  • thermoelectric element By the way, the electricity generated by the thermoelectric element can be used for various applications, for example, it can be supplied to a heat exchange device and used as electric power for driving this. Of course, power can also be supplied to devices outside the system.
  • water can be generated from low temperature steam by heat exchange treatment, and this water can be supplied to the low temperature chamber of the steam generation device.
  • low temperature steam can be circulated between the steam generator and the heat exchanger, effectively utilized, and energy efficiency can be further improved.
  • the heat source supply device can generate heat by various methods, for example, it can be configured to use solar heat to thereby apply heat to the heat transfer medium.
  • the environmental load can be significantly improved, and the stored natural energy can be effectively used without being released to the outside, thereby further improving the energy efficiency of the entire system.
  • the heat source supply device includes a low temperature tank in which a heat transfer medium which has passed through a high temperature chamber of the steam generating apparatus is stored, and a solar heat collecting means for applying heat by solar heat to the heat transfer medium supplied from the low temperature tank.
  • the heat transfer medium to which heat is applied by the solar heat collecting means may be stored, and the heat transfer medium may be supplied to the high temperature chamber of the steam generation apparatus.
  • a heat exchanger that generates steam by heat exchange with a heat transfer medium supplied from a high temperature tank, a steam turbine driven by steam generated by the heat exchanger, and power generation driven by the steam turbine A machine can be further provided.
  • large-scale power supply becomes possible. This makes it possible to simultaneously supply water, heat and electricity, which are basic social infrastructures.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a system of a first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a system of a second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a system of a third embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of this system.
  • the energy supply system includes a steam generator 1 that generates water vapor, and a heat source supply device 2 that supplies heat thereto.
  • the steam generated by the steam generator 1 is supplied to a seawater desalination device 3 that desalinates seawater.
  • the steam generator 1 includes a housing 11, and a flow passage 12 through which a high-temperature heat transfer medium passes and a plurality of spray nozzles 13 for injecting water toward the flow passage 12 are provided therein.
  • the flow path 12 is formed by connecting a plurality of pipe members 121 which extend in the vertical direction and are arranged in parallel. In this example, the upper end portion and the lower end portion of the adjacent pipe members 121 are alternately connected via the connection pipe 122 to form the flow path 12 which meanders in the vertical direction.
  • the thermoelectric element module 4 is disposed on the surface of each tube member 121, which will be described later.
  • the spray nozzles 13 are disposed above the respective pipe members 121, are connected to the supply pipes 14 extending from the outside of the housing 11, and can jet water evenly to the respective pipe members 121.
  • the bottom of the housing 11 is a liquid reservoir 15 so that part of the water jetted from the spray nozzle 13 is accumulated.
  • a discharge pipe 16 for discharging accumulated water is connected to the lower part of the housing 11, and the discharge pipe 16 is connected to the above-described supply pipe 14 via a circulation pump 17. Further, a steam duct 18 for discharging steam is provided at the top of the housing 11, and the steam duct 18 is connected to the seawater desalination apparatus 3.
  • thermoelectric element module 4 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the pipe member.
  • the thermoelectric element module of this embodiment can use a well-known thing, an outline is as follows.
  • the thermoelectric element modules 4 are provided on the surface of each tube member 121 along the axial direction, and the surface of the thermoelectric element modules 4 is covered with a heat transfer plate 5.
  • an electrically insulating material 10 such as a ceramic is disposed between the thermoelectric element module 4 and the pipe member 121 and the heat transfer plate 5.
  • the heat transfer plate 5 can be formed of, for example, a material having a high thermal conductivity, such as copper, aluminum, iron, a copper alloy, or a metal such as stainless steel.
  • thermoelectric element modules 4 of the respective tube members 121 are connected in series by the lead wires 44 (see FIG. 1). That is, the thermoelectric element modules 4 of the adjacent pipe members 121 are connected in series to form a thermoelectric generation unit.
  • the units are connected in series or in parallel, and both ends thereof are connected to the converter 7 outside the housing 11, and power can be supplied to the outside.
  • thermoelectric conversion material which comprises the thermoelements 41 and 42
  • materials constituting the p-type and n-type thermoelectric elements 41 and 42 can be used as materials constituting the p-type and n-type thermoelectric elements 41 and 42, depending on the temperature range, Bi-Te-based (low temperature range), skutterudite-based (medium temperature range) And materials composed of silicide materials (high temperature range) can be used.
  • the performance of the thermoelectric conversion material which comprises the thermoelements 41 and 42 has temperature dependence, it is not necessarily preferable to convert a wide temperature range by one type of material. Therefore, a plurality of materials exhibiting high conversion efficiency in a predetermined temperature range can be used in combination.
  • an optimal thermoelectric unit can be used for each cascade module in which a plurality of modules are stacked and for each temperature range. Whichever method is adopted, the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side needs to be approximately 100 to 600 ° C., preferably 200 to 600 ° C.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the heat source supply device.
  • this heat-source supply apparatus 2 has the solar condensing heat-collection installation 21 which heats the heat-transfer medium A using sunlight B.
  • a solar condensing heat collection installation a well-known trough type, Fresnel type, parabolic type, central receiver type, etc. are used.
  • a tower type or a beam down type central receiver system is preferable for obtaining a higher temperature and a large amount of heat sources.
  • a solar light collecting apparatus 21 of a beam down type central receiver type is shown.
  • this solar condensing heat collection installation 21 has the heat collection part 211 and the heat collection pipe 212 which passes this.
  • a central reflection plate 213 is provided above the heat collection portion 211, and light is reflected from the plurality of heliostats 214 provided on the ground surface toward the central reflection plate 213.
  • the light from the heliostat 214 is intensively reflected from the central reflection plate 213 toward the heat collecting portion 211 and is irradiated to the heat collecting portion 211.
  • the heat collecting tube 212 is formed of a known material having a high thermal conductivity, and transfers the heat of the light received by the heat collecting portion 211 to the heat transfer medium passing therethrough.
  • molten salt, oil, etc. can generally be used as a heat-transfer medium.
  • the downstream side of the heat collecting pipe 212 which has passed through the heat collecting portion 211 is connected to the high temperature tank 24 via the discharge pipe 23, and the high temperature tank 24 stores the heat transfer medium heated by the heat collecting portion 211.
  • the high temperature tank 24 is connected to the upstream side of the flow path 12 of the steam generator 1 through the supply pipe 25 so that the stored heat transfer medium can be supplied to the steam generator 1 by the pump 26.
  • the upstream side of the heat collecting pipe 212 which enters the heat collecting portion 211 is connected to the low temperature tank 28 via the supply pipe 27.
  • the low temperature tank 28 is connected to the downstream portion of the flow path 12 of the steam generator 1 via the discharge pipe 29 so that the low temperature heat transfer medium from the discharge pipe 29 can be stored.
  • the accumulated low temperature heat transfer medium can be supplied to the heat collection pipe 212 by the pump 20. Further, a bypass pipe 231 is provided between the pipes 23 and 25 so that the heat transfer medium can be supplied directly from the discharge pipe 23 to the supply pipe 25 without passing through the high temperature tank 24. Valves 232 and 271 are provided on the upstream side of the discharge pipe 23 and on the downstream side of the supply pipe 27, respectively, and can control the supply of the heat transfer medium to the heat collection unit 21.
  • the seawater desalination apparatus 3 As this apparatus, a known apparatus that carries out desalination by an evaporation method such as multiple effect method (MED) or multistage flash method (MSF) can be used.
  • the steam generating device 1 and the seawater desalination device 3 are connected via the steam duct 18, and the low temperature steam of 50 to 185 ° C. generated by the steam generating device 1 is a seawater desalination device Sent to 3 Then, the steam used in the desalination treatment is condensed, and the condensed water is introduced into the steam generator 1 through the supply pipe 14.
  • MED multiple effect method
  • MSF multistage flash method
  • the heat transfer medium is supplied from the low temperature tank 28 to the heat collecting pipe 212 by the pump 20.
  • the light reflected from the central reflection plate 213 toward the heat collecting portion 211 is transmitted to the heat collecting tube 212 as heat.
  • the heat of the light is transferred to the heat transfer medium through the heat collecting tube 212 and heated.
  • the heated heat transfer medium is stored in the high temperature tank 24 via the discharge pipe 23 and then supplied to the steam generator 1 by the pump 26.
  • the temperature of the heat transfer medium to be supplied is, for example, preferably 250 to 800 ° C., and more preferably 450 to 650 ° C.
  • the heat transfer medium may be supplied directly to the steam generator 1 via the bypass pipe 231 without being stored in the high temperature tank 24.
  • the heat transfer medium discharged from the high temperature tank 24 is supplied to the upstream side of the flow passage 12 of the steam generator 1, passes through the flow passage 12, and is discharged to the outside of the housing 11.
  • water is sprayed from the spray nozzle 13 toward the pipe member 121.
  • This water is heated on the surface of the heat transfer plate 5 by the high-temperature heat transfer medium passing through the pipe member 121, becomes water vapor F, and flows out of the housing 1.
  • a temperature difference occurs due to the high temperature heat transfer medium passing through the inside and the water injected to the outside of the pipe member 121.
  • thermoelectric elements 41 and 42 provided on the surface of the pipe member 121, and a current flows to the converter 7. Then, this current is converted by the converter 7 to enable external power supply.
  • the water accumulated at the bottom 15 of the housing 1 is discharged to the outside, returned to the supply pipe 14 by the circulation pump 17, and jetted again from the spray nozzle 13.
  • the heat transfer medium having passed through the steam generating device 1 is stored in the low temperature tank 28 of the heat source supply device 2 via the discharge pipe 29.
  • the temperature at this time is, for example, 200 to 300 ° C., although it depends on the specifications of the steam generator 1.
  • the heat transfer medium stored in the low temperature tank 28 is again supplied to the heat collecting pipe 212 by the pump 20 as described above.
  • the steam generated by the steam generation device 1 is supplied to the seawater desalination device 3 via the steam duct 18.
  • This water vapor is a low temperature water vapor suitable for the seawater desalination apparatus 3 and is preferably, for example, 50 to 185 ° C.
  • the seawater desalination apparatus 3 uses an ejector or the like, it is 140 to 185 ° C. preferable.
  • the introduced seawater is treated by evaporation using the low-temperature steam to desalinate it. Then, the treated seawater is discharged and the generated fresh water is stored in a tank (not shown).
  • the low temperature steam used for the desalination treatment is condensed in the seawater desalination apparatus 3 and is introduced into the supply pipe 14 of the steam generator 1 as condensed water.
  • the feed pipe 14 is connected to the spray nozzle 13 and is used for the generation of water vapor.
  • the temperature of the condensed water is preferably 60 to 130 ° C., for example.
  • thermoelectric element module 4 is disposed on the surface of the pipe member 121, so that power generation is performed by the temperature difference between the heat transfer medium and water. it can. Therefore, in addition to the generation of steam, power can also be supplied. Therefore, the supplied heat can be used effectively. Moreover, since the heat source supply apparatus 2 supplied to the steam generating apparatus 1 utilizes solar heat, waste is not generated and the heat source supply apparatus 2 is clean. Furthermore, since the low-temperature heat transfer medium discharged from the steam generation device 1 is returned to the heat source supply device 2 and reused, the energy efficiency can be further improved.
  • the low temperature steam used in the seawater desalination apparatus 3 is condensed to be condensed water and used in the steam generating apparatus 1.
  • the energy efficiency is extremely high.
  • thermoelectric conversion technology As a system for improving energy efficiency, various systems other than those using a steam generator have been proposed. For example, the FY 2007 results report of New Energy and Industrial Technology Development Organization A survey shown in FIG. 4 is disclosed in the survey on the next-generation thermoelectric conversion technology in the pages p127 to p128.
  • This system is intended to reduce fuel consumption by performing thermoelectric generation from exhaust heat contained in exhaust gas of a car by using a thermoelectric element.
  • the heat used in the thermoelectric generation indicated by Q H and Q L will be waste heat, and the heat of the exhaust gas indicated by Q OUT will also be waste heat. Therefore, it can not be said that energy efficiency is necessarily high.
  • the heat removal efficiency from the heat source on the high temperature side is improved during steam generation, and a part of the heat transfer energy for steam generation is the thermoelectric element module It is directly converted to electrical energy by 4. Furthermore, the energy efficiency of the entire system is improved by effectively utilizing all the heat energy of the generated steam. Therefore, energy efficiency can be further improved over conventional systems.
  • thermoelectric element module 4 is a module in which a large number of p-type and n-type thermoelectric elements 41 and 42 are connected in the same manner as described in the above embodiment.
  • thermoelectric element module 4 is disposed between the heat transfer plates 61 and 62 and the thermoelectric element module 4.
  • a single heat transfer module 6 in which the above-described members are integrated is formed.
  • the surface of the heat transfer module 6 is formed with a supply port 63 communicating with the internal flow path, and an exhaust port 64.
  • the heat transfer medium of high heat is supplied from the supply port 63 to the flow path in the module 6 and evaporation is performed on the surface of the low temperature heat transfer plate 62.
  • power generation is performed in the thermoelectric element module 4 due to the temperature difference between the heat transfer plates 61 and 62.
  • the heat transfer medium after the heat exchange is discharged from the discharge port 64.
  • thermoelectric element module 4 although the electric power which generate
  • Can when adopting a method other than the above-described steam method, for example, an apparatus using reverse osmosis (RO) as the seawater desalination apparatus 3, use the power of the thermoelectric element module 4 as its driving power.
  • RO reverse osmosis
  • the heat source supply device 2 can be applied to various devices other than the device using solar heat. That is, as long as it can supply heat to the steam generator 1, it is not particularly limited.
  • combustion furnace exhaust gas generated from a combustion furnace such as a power plant boiler combustion gas, a biomass combustion furnace, or a waste combustion furnace, incinerator exhaust heat, etc. can be used.
  • the steam generator 1 can also be in various forms other than those shown in the above embodiment. That is, in particular, it has a high temperature chamber to which high temperature heat is supplied and a low temperature chamber to which water is supplied adjacent thereto, and the thermoelectric element can be disposed between the high temperature chamber and the low temperature chamber. Is not limited. Therefore, the low temperature chamber may be directly heated from the high temperature chamber without using the heat transfer medium.
  • the flow passage 12 through which the heat transfer medium flows is the high temperature chamber, and the internal space of the housing 11 that generates water vapor from water corresponds to the low temperature chamber.
  • heat is applied to the heat transfer medium using the sunlight condensing facility 21.
  • the system is operated even at night when the sunlight is not irradiated. Is possible.
  • the valves 271 and 232 of the supply pipe 27 and the discharge pipe 23 are closed so that the heat transfer medium is not supplied to the heat collection unit 21.
  • the heat transfer medium is supplied to the steam generator 1 from the high temperature tank 24 at night.
  • the heat transfer medium having passed through the steam generator 1 is stored in the low temperature tank 28 at night.
  • the low temperature tank 28 is preferably maintained at a temperature at which the heat transfer medium does not solidify.
  • the high temperature tank it is preferable to maintain the high temperature tank at a high temperature as much as possible, but since the heat transfer medium may be decomposed if it is too high, it is preferable to maintain the temperature to such an extent that the heat transfer medium is not decomposed. Then, during a time zone in which sunlight can be used, the valves 271 and 232 are opened, heat is applied to the heat transfer medium by the sunlight condensing facility 21, and the operation of the system for 24 hours is performed as described above. It becomes possible.
  • seawater desalination apparatus 3 was shown as an example using low-temperature steam produced
  • apparatuses such as a chemical heat pump, and can be utilized also for uses, such as heating, drying, evaporation.
  • FIG. 6 shows Example 1.
  • This system is an application of a seawater desalination apparatus based on the multiple effect method (MED), and shows an example of a specific operating state of the system shown in FIG.
  • a heat transfer medium of 500 ° C. is supplied from the heat source supply device using the solar condensing heat collection facility 100 to the steam generation device 101, and a heat transfer medium of 300 ° C. is returned. Further, water vapor at 175 ° C. is supplied from the steam generation device 101 to the seawater desalination device 102, and condensed water at 65 ° C. is returned.
  • the heat quantity Q in supplied from the heat source supply device 100 to the seawater desalination device 102 becomes approximately 6 ⁇ 10 7 kcal / h.
  • thermoelectric conversion is generated by the thermoelectric element X between the heat of 500 ° C. and the heat of 65 ° C., thereby generating power.
  • a power E1 of 7000 kW is generated.
  • 2000 kW is consumed for driving the seawater desalination apparatus (E3), and the remaining 5000 kW is supplied to the outside as surplus power E2.
  • the seawater desalination apparatus 8000 t / h of seawater S1 is supplied, and while 1000 t / h of fresh water S3 is generated therefrom, 7000 t / h of seawater S2 is drained.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the seawater desalination apparatus 103 using reverse osmosis (RO) is used in addition to the MED seawater desalination apparatus 102.
  • RO reverse osmosis
  • 5000 kW of power E4 generated by the thermoelectric element module X is supplied to the RO seawater desalination apparatus 103, and desalination processing is performed to generate 1650 t / h of fresh water S4. There is.
  • the seawater desalination apparatus 102 is suitable for continuous operation. Further, by incorporating the thermoelectric element X into the steam generating apparatus 101, power can be obtained with high efficiency, and at the same time, sufficient steam can be generated for the seawater desalination apparatus 102. In the system using steam turbine power generation that has been proposed conventionally, the maintenance requires a high level of skill, but by using the thermoelectric element X as in this embodiment, maintenance is free and it is highly efficient and desalinated Can be realized. Therefore, the application of the system of this embodiment to the seawater desalination plants 102 and 103 offers extremely high cost performance.
  • FIG. 8 shows an integrated energy supply system capable of simultaneously supplying fresh water, heat and electricity by adding power generation equipment to the system shown in FIG. More specifically, this system comprises four units: a solar heat collecting unit U1, a seawater desalination unit U2, a thermal energy storage unit U3, and a steam turbine power generating unit U4.
  • the solar heat collecting unit U1 is a solar condensing heat collecting facility 21 shown in FIG. 3
  • the seawater desalination unit U2 is a facility based on the steam generating apparatus 1 and the seawater desalination apparatus 3 shown in FIG.
  • the thermal energy storage unit U3 includes a low temperature tank 28 and a high temperature tank 24 shown in FIG. The relationship between these three units is as described above.
  • a steam turbine power generation unit U4 for generating power is provided.
  • the steam turbine power generation unit includes a known heat exchanger G1, a steam turbine G2, a generator G3, a condenser G4, and a cooling tower G5.
  • the heat exchanger G1 is supplied with the high temperature heat transfer medium A from the high temperature tank 24 of the thermal energy storage unit U3, and supplies the high temperature steam subjected to heat exchange to the steam turbine G2. It is supposed to be.
  • the high temperature steam rotates the turbine G2, and the rotational energy drives the generator G3.
  • the electricity generated thereby is supplied to the outside through the general power transmission network G6.
  • the steam used for the rotation of the turbine G2 is cooled in the condenser G4 and becomes a liquid and is sent to the heat exchanger G1.
  • the liquid is heat exchanged with the high temperature heat transfer medium in the heat exchanger G1, and is sent to the steam turbine G2 as high temperature steam as described above.
  • the high temperature heat transfer medium is sent to the low temperature tank 28 of the thermal energy storage unit U3 after heat exchange.
  • the cooling water cooled with air in the cooling tower G5 is sent to the condenser G14, and the steam discharged
  • a gas turbine engine using fossil fuel as a heat source can be additionally provided between the heat exchanger G1 and the steam turbine G2. If such a gas turbine engine is added, in addition to power generation by this, it is also possible to adopt a combined power generation system for raising the temperature of steam supplied to the steam turbine G2 and improving the overall efficiency.
  • this energy supply system can supply electricity, water, and heat, which are social basic infrastructures. That is, as described above, the electricity E can be supplied by the steam turbine power generation unit U4, and the water W can be supplied from the seawater S0 by the seawater desalination unit U2. Also, the heat H can be supplied from the low temperature tank 28 or the high temperature tank 24 of the thermal energy storage unit U3. For example, a system capable of generating 200 MW of power can co-produce 1.5 billion kWh / y of electric power and 60 million m 3 / y of fresh water. This will meet 50,000 people's water demand and 250,000 people's electricity demand.
  • the solar heat collecting unit U1 can collect light only during the daytime solar irradiation, but in order to operate the whole system continuously for 24 hours, it is designed to collect all the energy required during the solar radiation. That is, the energy per day necessary for the operation of the entire system is collected during the solar radiation time, and is temporarily stored in the high temperature tank 24 of the thermal energy storage unit U3. Then, at night, the heat transfer medium A stored in the high temperature tank 24 drives the seawater desalination unit U2 and the steam turbine power generation unit U4.
  • electricity E, water W and heat H which are basic social infrastructures, can be supplied completely without CO 2 emissions. And such generated energy can be used in the living environment such as heating, heating and cooking as well as industries such as mining, agriculture, aquaculture and mining.

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Abstract

エネルギ効率を大きく向上することが可能な蒸気発生装置、及びこれを用いたエネルギ供給システムを提供する。 本発明に係る蒸気発生装置は、２５０～８００℃の熱が供給される高温室と、高温室と隣接し、この高温室の熱によって水から５０～１８５℃の低温水蒸気を生成する低温室と、高温室と低温室との間に配置される熱電素子と、を備えている。

Description

蒸気発生装置及びこれを用いたエネルギ供給システム
　本発明は、蒸気発生装置及びこれを用いたエネルギ供給システムに関する。
　従来より、水から蒸気を生成する種々の蒸気発生装置が提案されている。例えば、特許文献１には、熱が供給される伝熱管を多数配置し、その外表面に供給した液体を蒸発させることで、蒸気を得ることが開示されている。
特開昭５４－８０２７８号公報
　ところで、上述した蒸気発生装置で発生する蒸気を発電に用いる場合には、高温の燃焼熱で高温の蒸気を発生させ、これを発電に利用している。このように、従来の蒸気発生装置による発電では、高温の水蒸気が必要になるため、そのためには多大な燃焼熱が必要となる。その結果、エネルギ的な負荷が大きく、効率的にも問題があった。
　そこで、本発明は、エネルギ効率を大きく向上することが可能な蒸気発生装置、及びこれを用いたエネルギ供給システムを提供することを目的とする。
　本発明は、２５０～８００℃の熱が供給される高温室と、前記高温室と隣接し、当該高温室の熱によって水から５０～１８５℃の低温水蒸気を生成する低温室と、前記高温室と低温室との間に配置される熱電素子と、を備えている。
　この構成によれば、高温室と低温室との間に熱電素子を配置しているため、高温室と低温室との温度差によって発電を行うことができる。そのため、蒸気の生成に加え、電力の供給も可能となる。したがって、供給された熱を有効に活用することができる。特に、本発明の蒸気発生装置は、５０～１８５℃の低温水蒸気を生成するものであるため、外部熱源から供給される熱に対してさらに加熱するなどによるエネルギ負担をする必要がない。また、熱電発電は温度差が大きいほど変換効率は高くなることから、必要以上に高温の蒸気を発生させることは不要である。よって、本発明のように５０～１８５℃の低温水蒸気を生成するにあたっては、供給された熱エネルギのほとんどを有効な電気と蒸気に変換して活用することができる。よって、エネルギ効率を大きく向上することができる。また、熱電素子は、一般的にメンテナンスフリーであり、また騒音などの発生もないため、クリーンなエネルギを供給することが可能である。
　上記蒸気発生装置においては、高温室に供給される熱は特には限定されないが、例えば、液状の伝熱媒体を供給することが好ましい。このとき、高温室を流路により構成し、これに伝熱媒体を供給することができる。これにより、伝熱媒体を介して高温室の熱を低温室に伝達することができる。伝熱媒体としては、種々の流体を採用することができるが、例えば、溶融塩、油、などの伝熱媒体を用いることができる。また、液状の伝熱媒体を用いることにより、伝熱媒体を循環させることができる。すなわち、高温室で熱交換処理がなされた伝熱媒体を他の加熱装置で加熱した後、高温室に戻すことができる。この点については、低温室で熱交換処理がなされた後の水蒸気も同じであり、この水蒸気を他の装置で凝縮した後、低温室に戻すことができる。すなわち、低温室の水および水蒸気も、熱媒体として循環させることができる。よって、エルネギ効率を向上することができる。また、高温室を流路とする場合には、例えば、管状部材の内部の流路を高温室とし、管状部材の外部を低温室とすることができる。このとき、熱電素子は、管状部材の外面、または内壁面に取り付けることができる。
　本発明に係るエネルギ供給システムは、上述した蒸気発生装置と、前記伝熱媒体を前記高温室に供給する熱源供給装置と、を備えている。
　このシステムにおいては、伝熱媒体が、熱源供給装置と高温室との間を循環するように構成することができ、さらに、熱源供給装置が、高温室から戻された伝熱媒体を加熱可能とすることができる。こうすることで、伝熱媒体を効率よく活用することができる。
　上記システムには、低温水蒸気が供給され、この低温水蒸気を用いた熱交換処理が行われる熱交換装置をさらに設けることができる。蒸気は、潜熱が大きいため、本発明のような５０～１８５℃の低温水蒸気は、加温、乾燥、蒸発等、さまざまな用途に容易に利用可能である。本発明のような５０～１８５℃の低温水蒸気を用いる熱交換装置としては、種々の装置を挙げることができるが、例えば、ケミカルヒートポンプ、海水を淡水化する海水淡水化装置などを挙げることができる。
　ところで、熱電素子で発生した電気は、種々の用途に用いることができ、例えば、熱交換装置に供給し、これを駆動する際の電力として用いることができる。もちろん、本システムの外部の装置に対して電力を供給することもできる。
　上記熱交換装置においては、熱交換処理により低温水蒸気から水を生成することができ、この水を蒸気発生装置の低温室に供給することができる。これにより、低温水蒸気が蒸気発生装置と熱交換機との間を循環し、有効に利用され、エネルギ効率をさらに向上することができる。
　上記熱源供給装置では、種々の方法によって熱を発生させることができるが、例えば、太陽熱を利用し、これによって伝熱媒体に熱を付与するように構成することができる。このように自然のエネルギを利用することで、環境負荷を著しく改善することができ、また蓄熱された自然エネルギを外部に逃すことなく有効に利用できるため、システム全体のエネルギ効率をさらに向上することができる。
　例えば、上記熱源供給装置は、蒸気発生装置の高温室を通過した伝熱媒体が貯留される低温タンクと、低温タンクから供給される伝熱媒体に太陽熱によって熱を付与する太陽光集熱手段と、太陽光集熱手段により熱が付与された伝熱媒体が貯留され蒸気発生装置の高温室に伝熱媒体を供給する高温タンクとで構成することができる。これにより、高温タンクまたは低温タンクから熱を供給することができ、冷暖房などのインフラに利用することができる。
　また、上記システムでは、高温タンクから供給される伝熱媒体との熱交換によって水蒸気を生成する熱交換器と、熱交換器により生成される水蒸気によって駆動するスチームタービンと、スチームタービンにより駆動する発電機とをさらに設けることができる。このような設備を設けることで、大規模な電力の供給が可能となる。これにより、社会的な基礎インフラである水、熱、電気を同時に供給することが可能となる。
　本発明に係る蒸気発生装置及びエネルギ供給システムによれば、蓄熱されるエネルギが外部に放出されることなく、ほとんどが有効利用可能な電気および蒸気に変換され、システム全体としてのエネルギ効率を大きく向上することができる。
本発明に係る蒸気発生装置及びエネルギ供給システムの一実施形態の概略構成図である。 図１の管部材の拡大断面図である。 熱源供給装置の概略構成図である。 従来のシステムを示す概略構成図である。 本発明で用いることが可能なプレート型の熱交換器を示す斜視図及び一部断面図です。 実施例１のシステムの概略構成図である。 実施例２のシステムの概略構成図である。 実施例３のシステムの概略構成図である。
　以下、本発明に係る蒸気発生装置及びエネルギ供給システムの一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、このシステムの概略構成図である。
　図１に示すように、本実施形態に係るエネルギ供給システムは、水蒸気を発生する蒸気発生装置１と、これに熱を供給する熱源供給装置２とを備えている。また、蒸気発生装置１で生成される水蒸気は、海水を淡水化する海水淡水化装置３に供給される。以下、各装置について説明する。
　蒸気発生装置１は、ハウジング１１を備え、その内部に高温の伝熱媒体が通過する流路１２と、この流路１２に向けて水を噴射する複数のスプレーノズル１３とが設けられている。この流路１２は、上下方向に延び、平行に配置された複数の管部材１２１を連結することで形成されている。この例では、隣接する管部材１２１の上端部及び下端部を、交互に連結管１２２を介して連結することで、上下方向に蛇行する流路１２を形成している。各管部材１２１の表面には、熱電素子モジュール４が配置されているが、これについては後述する。スプレーノズル１３は、各管部材１２１の上方に配置されており、ハウジング１１の外部から延びる供給管１４に連結され、各管部材１２１に均等に水を噴射できるようになっている。
　ハウジング１１の底部は、液溜め１５になっており、スプレーノズル１３から噴射された水の一部が溜まるようになっている。ハウジング１１の下部には、溜まった水を排出するための排出管１６が連結されており、この排出管１６は、循環ポンプ１７を介して上述した供給管１４に連結されている。また、ハウジング１１の上部には、蒸気を排出する蒸気ダクト１８が設けられており、この蒸気ダクト１８が海水淡水化装置３に連結されている。
　次に、熱電素子モジュール４について、図２を参照しつつ説明する。図２は、管部材の拡大断面図である。本実施形態の熱電素子モジュールは、公知のものを使用することができるが、概略は次の通りである。図２に示すように、この熱電素子モジュール４は、各管部材１２１の表面に軸方向に沿って設けられており、さらに熱電素子モジュール４の表面は、伝熱プレート５で覆われている。また、熱電素子モジュール４と、管部材１２１及び伝熱プレート５との間には、セラミックス等の電気絶縁材料１０が配置されている。伝熱プレート５は、例えば、銅、アルミ、鉄、銅合金、ステンレススチールといった金属など、熱伝導率の高い材料で形成することができる。具体的には、交互に並べられたｐ型及びｎ型の熱電素子４１，４２を有し、隣接する各熱電素子４１，４２が導電体４３によって直列に接続されている。また、各管部材１２１の熱電素子モジュール４は、導線４４によって直列に接続されている（図１参照）。すなわち、隣接する管部材１２１の熱電素子モジュール４同士が直列に接続され、熱電発電のユニットを形成する。ユニット同士は直列または並列に接続され、その両端部は、ハウジング１１の外部のコンバータ７に接続されており、外部への電力の供給が可能である。ｐ型及びｎ型の熱電素子４１，４２を構成する材料としては、種々のものが使用できるが、その温度域に応じて、Ｂｉ－Ｔｅ系（低温域）、スクッテルダイト系（中温域）、シリサイド系（高温域）の材料で構成されたものを用いることができる。なお、熱電素子４１，４２を構成する熱電変換材料の性能は、温度依存性があるため、広い温度域を一種類の材料で変換することは必ずしも好ましくない。したがって、所定の温度域で高い変換効率を示す材料を複数合わせて使うことができる。例えば、複数のモジュールを積層するカスケードモジュールや温度域ごとに最適熱電ユニットを用いることができる。いずれの方式を採用しても低温側と高温側の温度差は、概ね１００～６００℃、好ましくは２００～６００℃の温度差が必要となる。
　次に、熱源供給装置２について説明する。図３は熱源供給装置の概略構成図である。同図に示すように、この熱源供給装置２は、太陽光Ｂを利用して伝熱媒体Ａを加熱する太陽集光集熱設備２１を有している。太陽集光集熱設備としては、公知のトラフ型、フレネル型、パラボラ型、セントラルレシーバー型などが用いられる。より高温、大量の熱源を得るものとしてはタワー式あるいはビームダウン式セントラルレシーバー方式が好ましい。本実施形態では、その一例として、ビームダウン式セントラルレシーバ型の太陽集光集熱設備２１を示している。より詳細に説明すると、この太陽集光集熱設備２１は、集熱部２１１と、これを通過する集熱管２１２とを有している。集熱部２１１の上方には、中央反射板２１３が設けられており、この中央反射板２１３に向けて、地表に設けられた複数のヘリオスタット２１４から光が反射されるようになっている。ヘリオスタット２１４からの光は、中央反射板２１３から集熱部２１１に向けて集中的に反射され、集熱部２１１に照射される。集熱管２１２は熱伝導率の高い公知の材料で形成され、集熱部２１１で受けた光による熱を、内部を通過する伝熱媒体に伝達する。なお、伝熱媒体としては、一般的に溶融塩、油などを用いることができる。
　また、集熱部２１１を通過した集熱管２１２の下流側は排出配管２３を介して高温タンク２４に連結されており、高温タンク２４には、集熱部２１１で加熱された伝熱媒体が溜められるようになっている。そして、高温タンク２４は供給配管２５を介して、蒸気発生装置１の流路１２の上流側と連結されており、溜められた伝熱媒体を、ポンプ２６によって蒸気発生装置１に供給可能となっている。一方、集熱部２１１に入る集熱管２１２の上流側は、供給配管２７を介して、低温タンク２８に連結されている。この低温タンク２８は、蒸気発生装置１の流路１２の下流部と排出配管２９を介して連結されており、排出配管２９からの低温の伝熱媒体が溜められるようになっている。溜められた低温の伝熱媒体はポンプ２０によって集熱管２１２へ供給可能となっている。また、高温タンク２４を経由することなく、排出配管２３から供給配管２５へ直接、伝熱媒体を供給できるように、これらの配管２３，２５の間には、バイパス管２３１が設けられている。なお、排出配管２３の上流側及び供給配管２７の下流側には、それぞれバルブ２３２、２７１が設けられており、集熱部２１に対する伝熱媒体の供給を制御することができる。
　次に、海水淡水化装置３について説明する。この装置は、多重効用法（ＭＥＤ）、多段フラッシュ法（ＭＳＦ）などの蒸発法により淡水化を行う公知の装置を用いることができる。本実施形態においては、蒸気ダクト１８を介して、蒸気発生装置１と海水淡水化装置３とが連結されており、蒸気発生装置１により生成された５０～１８５℃の低温水蒸気が海水淡水化装置３に送られる。そして、淡水化処理により用いられた水蒸気は凝縮され、その凝縮水が供給管１４を介して、蒸気発生装置１に導入されるようになっている。
　続いて、上記のように構成されたエネルギ供給システムの動作について説明する。まず、熱源供給装置２において、低温タンク２８からポンプ２０によって伝熱媒体を集熱管２１２に供給する。この集熱管２１２に対しては、中央反射板２１３から集熱部２１１に向けて反射される光が熱として伝達される。この光の熱が集熱管２１２を介して伝熱媒体に伝達され加熱される。加熱された伝熱媒体は、排出配管２３を介して高温タンク２４に溜められた後、ポンプ２６によって蒸気発生装置１に供給される。このとき、供給される伝熱媒体の温度は、例えば、２５０～８００℃とすることが好ましく、４５０～６５０℃とすることがさらに好ましい。なお、伝熱媒体を高温タンク２４に貯留せず、バイパス管２３１を介して直接、蒸気発生装置１に供給することもできる。
　高温タンク２４から排出された伝熱媒体は、蒸気発生装置１の流路１２の上流側に供給され、流路１２内を通過して、ハウジング１１の外部に排出される。この過程において、ハウジング１内では、スプレーノズル１３から管部材１２１に向けて水を噴射する。この水は、管部材１２１を通過する高温の伝熱媒体により伝熱プレート５の表面で加熱され、水蒸気Ｆとなって、ハウジング１の外部へ流出する。このとき、管部材１２１の表面においては、内部を通過する高温の伝熱媒体と、管部材１２１の外部に噴射される水とにより温度差が生じる。これにより、管部材１２１の表面に設けられた熱電素子４１，４２により発電が行われ、コンバータ７へ電流が流される。そして、この電流はコンバータ７により変換され、外部への電力供給が可能となる。なお、噴射された水のうち、ハウジング１の底部１５に溜まった水は、外部に排出され、循環ポンプ１７によって供給管１４に戻され、スプレーノズル１３から再び噴射される。
　蒸気発生装置１を通過した伝熱媒体は、排出配管２９を介して、熱源供給装置２の低温タンク２８に溜められる。このときの温度は、蒸気発生装置１の仕様にもよるが、例えば、２００～３００℃となる。低温タンク２８に溜められた伝熱媒体は、上述したように、ポンプ２０によって再度集熱管２１２へと供給される。
　蒸気発生装置１で生成された水蒸気は、蒸気ダクト１８を介して、海水淡水化装置３に供給される。この水蒸気は、海水淡水化装置３に適した低温水蒸気であり、例えば、５０～１８５℃であることが好ましく、海水淡水化装置３においてエゼクター等を使用する場合は１４０～１８５℃であることが好ましい。海水淡水化装置３では、導入された海水を、上記低温水蒸気を用いて蒸発法により処理し、淡水化を行う。そして、処理後の海水を排出するとともに、生成された淡水をタンク（図示省略）に溜められる。淡水化処理に用いられた低温水蒸気は、海水淡水化装置３内で凝縮され、凝縮水として蒸気発生装置１の供給管１４に導入される。この供給管１４は、スプレーノズル１３に連結されており、水蒸気の生成のために使用される。凝縮水の温度は、例えば、６０～１３０℃であることが好ましい。
　以上のように、本実施形態によれば、蒸気発生装置１において、管部材１２１の表面に熱電素子モジュール４を配置しているため、伝熱媒体と水との温度差によって発電を行うことができる。そのため、蒸気の生成に加え、電力の供給も可能となる。したがって、供給された熱を有効に活用することができる。また、蒸気発生装置１に供給する熱源供給装置２は、太陽熱を利用しているため、廃棄物が生じずクリーンである。さらに、蒸気発生装置１から排出された低温の伝熱媒体は、熱源供給装置２に戻されて、再利用されるため、エネルギ効率をさらに向上することができる。また、海水淡水化装置３で使用された低温水蒸気は凝縮され、凝縮水となって蒸気発生装置１で使用される。このように、本実施形態に係るエネルギ供給システムでは、熱交換処理後の伝熱媒体及び凝縮水を再利用し、しかも電力の生成が可能であるため、エネルギ効率が極めて高い。
　エネルギ効率を向上するためのシステムとしては、蒸気発生装置を用いるもの以外にも種々のものが提案されているが、例えば、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構の平成１９年度成果報告書における次世代型熱電変換技術に関する調査ｐ１２７～１２８には、図４に示すシステムが開示されている。このシステムは、熱電素子を用いることで、自動車の排気ガスに含まれる排熱から熱電発電を行い、燃費低減を目的とするものである。しかしながら、このシステムでは、ＱＨ，ＱＬで示される熱電発電で用いられた熱は、廃熱されることになり、またＱＯＵＴで示される排気ガスの熱も廃熱されることになる。よって、エネルギ効率は必ずしも高いとは言えなかった。これに対して、本実施形態のシステムでは、蒸気発生に際し、高温側の熱源、つまり熱源供給装置２からの抜熱効率を向上させ、蒸気発生のための伝熱エネルギの一部を、熱電素子モジュール４により直接電気エネルギに変換している。さらに、発生する蒸気の持つ熱エネルギをすべて有効に活用することで、システム全体のエネルギ効率を向上させている。したがって、従来のシステムよりも、さらにエネルギ効率を向上させることができる。
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
　例えば、上記実施形態においては、蒸気発生装置において、管部材１２１を用いて熱交換（パイプ式）を行っているが、熱交換の方式についてはこれに限定されるものではなく、種々のタイプの熱交換装置を用いることができる。例えば、図５に示すように、プレート型の熱交換装置を用いることができる。同図に示すように、プレート型においては、一対の高温伝熱プレート６１の間に高温の伝熱媒体Ａが通過する流路を形成し、各高温伝熱プレート６１の外側に、熱電素子モジュール４、低温伝熱プレート６２をこの順で配置している。熱電素子モジュール４は、上記実施形態で説明したものと同様に、ｐ型及びｎ型熱電素子４１，４２を多数接続したものである。また、なお、各伝熱プレート６１，６２と熱電素子モジュール４との間には絶縁シート６５が配置されている。こうして、上記各部材を一体化した１枚の伝熱モジュール６を形成する。伝熱モジュール６の表面には、内部の流路と連通する供給ポート６３、及び排出ポート６４が形成されている。そして、このモジュール６内の流路に、供給ポート６３から高熱の伝熱媒体を供給し、低温伝熱プレート６２面で蒸発を行わせる。このとき、両伝熱プレート６１，６２間の温度差により、熱電素子モジュール４において発電が行われる。そして、熱交換後の伝熱媒体は排出ポート６４から排出される。このモジュール６は必要枚数を接続し、図１に示すハウジング１１内に設置することで発電および蒸気発生に必要な面積を得ることができる。
　また、上記実施形態では、熱電素子モジュール４で発生した電力を、システムの外部に供給しているが、蒸気発生装置１、熱源供給装置２、または海水淡水化装置３の駆動に使用することがきる。このとき、海水淡水化装置３として、上述した水蒸気法以外の方法、例えば逆浸透法（ＲＯ）を用いる装置を採用する場合には、その駆動電力として、熱電素子モジュール４の電力を使用することができる。
　熱源供給装置２は、上記のように、太陽熱を利用した装置とする以外に種々の装置の適用が可能である。すなわち、蒸気発生装置１に対して熱を供給できるものであれば、特には限定されない。例えば、発電所ボイラ燃焼ガス、バイオマス燃焼炉、廃棄物燃焼炉といった燃焼炉から生じる燃焼炉排ガス、焼却炉排熱などを利用することができる。
　蒸気発生装置１についても、上記実施形態で示したもののほか、種々の形態とすることができる。すなわち、高温の熱が供給される高温室と、これに隣接して水が供給される低温室を有し、これら高温室と低温室との間に熱電素子を配置できる形態であれば、特には限定されない。したがって、伝熱媒体を利用しなくても、高温室から低温室を直接加熱できるようにしてもよい。なお、上記実施形態では、伝熱媒体が流れる流路１２が高温室であり、水から水蒸気を生成するハウジング１１の内部空間が低温室に相当する。
　上記実施形態では、太陽光集光設備２１を用いて伝熱媒体に熱を付与しているが、高温タンク２４及び低温タンク２８を大型化することで、太陽光が照射されない夜間でもシステムの運転が可能となる。例えば、夜間には、供給配管２７と排出配管２３のバルブ２７１，２３２を閉じ、集熱部２１に伝熱媒体が供給されないようにする。そして、高温タンク２４から夜間に亘って伝熱媒体を蒸気発生装置１に供給する。蒸気発生装置１を通過した伝熱媒体は、夜間に亘って低温タンク２８に溜められる。なお、低温タンク２８は、伝熱媒体が固化しないような温度に維持することが好ましい。一方、高温タンクは、できるだけ高温に維持することが好ましいが、高すぎると伝熱媒体が分解するおそれがあるため、伝熱媒体が分解しない程度の温度に維持することが好ましい。そして、太陽光が利用できる時間帯には、バルブ２７１，２３２を開き、太陽光集光設備２１によって伝熱媒体に熱を付与し、上述したように運転すれば、２４時間のシステムの運転が可能となる。
　また、上記実施形態では、蒸気発生装置１で生成される低温水蒸気を使用する例として、海水淡水化装置３を示したが、これ以外にも適用可能である。例えば、ケミカルヒートポンプといった装置にも適用でき、加温、乾燥、蒸発等の用途にも利用できる。
　以下、本発明に係る実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例には限定されない。
　（実施例１）
　図６は、実施例１を示している。このシステムは、多重効用法（ＭＥＤ）による海水淡水化装置を適用したものであり、図１で示したシステムの具体的な稼働状態の例を示している。太陽集光集熱設備１００を利用した熱源供給装置から蒸気発生装置１０１へは、５００℃の伝熱媒体が供給され、３００℃の伝熱媒体が戻されている。また、蒸気発生装置１０１から海水淡水化装置１０２へは１７５℃の水蒸気が供給され、６５℃の凝縮水が戻されている。これにより、熱源供給装置１００から海水淡水化装置１０２へ供給される熱量Ｑｉｎは、約６×１０７ｋｃａｌ／ｈとなる。そして、蒸気発生装置１０１では、５００℃の熱と、６５℃の熱との間で熱電素子Ｘにより熱電変換が生じ、発電が行われる。これにより７０００ｋＷの電力Ｅ１が生成される。このうち、２０００ｋＷが海水淡水化装置の駆動に消費され(Ｅ３)、のこりの５０００ｋＷが余剰電力Ｅ２として外部に供給される。海水淡水化装置では、８０００ｔ／ｈの海水Ｓ１が供給され、これから１０００ｔ／ｈの淡水Ｓ３が生成されるとともに、７０００ｔ／ｈの海水Ｓ２が排水される。
　（実施例２）
　実施例２が実施例１と相違するのは、ＭＥＤ海水淡水化装置１０２に加え、逆浸透法（ＲＯ）を用いる海水淡水化装置１０３を利用している点である。具体的には、図７に示すように、熱電素子モジュールＸで発生した５０００ｋＷの電力Ｅ４を、ＲＯ海水淡水化装置１０３へ供給し、１６５０ｔ／ｈの淡水Ｓ４を生成する淡水化処理を行っている。
　以上のような実施例によれば、太陽光集光集熱設備１００を用いているため、海水淡水化装置１０２を継続的に稼働するのに適している。また、蒸気発生装置１０１に熱電素子Ｘを組み込むことで、高い効率で電力を得ることができ、同時に海水淡水化装置１０２に対して十分な蒸気を生成することができる。従来提案されていたスティームタービン発電を使用するシステムでは、そのメンテナンスに高度な技能を要するが、本実施例のように熱電素子Ｘを用いることで、メインテナンスがフリーであり、かつ高効率で淡水化を実現することができる。したがって、本実施例のシステムの海水淡水化設備１０２，１０３への適用に関しては、極めて高いコストパフォーマンスを奏する。
　（実施例３）
　上述したエネルギ供給システムでは、熱電素子により電気を発生させているが、例えば、別個に発電設備を設けることで、大規模な発電を行うこともできる。図８は図１に示すシステムに、発電設備を加えることで、淡水、熱、及び電気を同時に供給できる総合的なエネルギ供給システムを示している。より詳細に説明すると、このシステムは、４つのユニット、つまり太陽光集熱ユニットＵ１、海水淡水化ユニットＵ２、熱エネルギ貯留ユニットＵ３、及びスチームタービン発電ユニットＵ４で構成されている。太陽光集熱ユニットＵ１は、図３に示す太陽集光集熱設備２１であり、海水淡水化ユニットＵ２は、図１に示す蒸気発生装置１及び海水淡水化装置３を基本とした設備である。また、熱エネルギ貯留ユニットＵ３は、図３に示す低温タンク２８及び高温タンク２４を備えている。これら３つのユニットの関係は、上述したとおりである。そして、これら３つのユニットに加え、発電を行うためのスチームタービン発電ユニットＵ４が設けられている。
　このスチームタービン発電ユニットは、公知の熱交換器Ｇ１、スチームタービンＧ２、発電機Ｇ３、凝縮器Ｇ４、及びクーリングタワーＧ５を有している。熱交換器Ｇ１には、熱エネルギ貯留ユニットＵ３の高温タンク２４から高温の伝熱媒体Ａが供給されるようになっており、熱交換がなされた高温の蒸気をスチームタービンＧ２に対して供給するようになっている。高温の蒸気はタービンＧ２を回転させ、この回転エネルギによって発電機Ｇ３が駆動される。これにより発電された電気は一般の送電網Ｇ６を介して外部に供給される。タービンＧ２の回転に用いられた蒸気は凝縮器Ｇ４において冷却され、液体となって熱交換器Ｇ１に送られる。その後、この液体は、熱交換器Ｇ１において高温の伝熱媒体と熱交換され、上述したように、高温の蒸気となってスチームタービンＧ２に送られる。また、高温の伝熱媒体は、熱交換後、熱エネルギ貯留ユニットＵ３の低温タンク２８に送られる。なお、凝縮器Ｇ１４には、クーリングタワーＧ５において空気で冷やされた冷却水が送られ、これによって、スチームタービンＧ２から排出された蒸気が凝縮される。さらに、熱交換器Ｇ１とスチームタービンＧ２との間に化石燃料を熱源とするガスタービンエンジンを併設することもできる。このようなガスタービンエンジンを加えると、これによる発電に加え、スチームタービンＧ２に供給される蒸気をより高温にし、総合効率の改善をめざす複合発電方式を採用することもできる。
　上記のようなスチームタービン発電ユニットＵ４が加えられることで、このエネルギ供給システムは、社会的基礎インフラである電気、水、熱を供給することが可能となる。すなわち、電気Ｅは上述したように、スチームタービン発電ユニットＵ４で供給可能となり、水Ｗは海水Ｓ０から海水淡水化ユニットＵ２で供給することができる。また、熱Ｈは、熱エネルギ貯留ユニットＵ３の低温タンク２８または高温タンク２４から供給することができる。例えば、２００ＭＷ発電規模の発電が可能なシステムでは、１５億ｋＷｈ／ｙの電力と６千万ｍ３／ｙの淡水を併産することができる。これで５万人相当の水需要と２５万人相当の電力需要をまかなうことができる。
　また、上述したシステムでは、熱エネルギー貯留工程で伝熱媒体の貯留容量を大きくとることで、全システムの２４時関連続運転も容易に達成できる。一般的に太陽光集熱ユニットＵ１は日中の太陽照射中しか集光できないが、システム全体を２４時間連続操業するためには、日射中に必要なエネルギすべてを集光するように設計する。すなわち、全システムの稼働に必要な一日あたりのエネルギを日射時間中に集熱し、熱エネルギ貯留ユニットＵ３の高温タンク２４に１次貯留する。そして、夜間には、高温タンク２４に貯留された伝熱媒体Ａによって海水淡水化ユニットＵ２及びスチームタービン発電ユニットＵ４を駆動する。このようなシステムにより、社会的基礎インフラである、電気Ｅ、水Ｗ、熱Ｈを完全にＣＯ２エミッションフリーで供給することができる。そして、このような生成されたエネルギは、鉱業、農業、養殖業、鉱業などの産業のほか、冷暖房、調理といった生活環境での利用も可能となる。
１　蒸気発生装置
１１　ハウジング（低温室）
１２　流路（高温室）
２　熱源供給装置
２１　太陽集光集熱設備（太陽光集熱手段）
３　海水淡水化装置
４　熱電素子モジュール
４１，４２　熱電素子

Claims (11)

  1. 　２５０～８００℃の熱が供給される高温室と、
    　前記高温室と隣接し、当該高温室の熱によって水から５０～１８５℃の低温水蒸気を生成する低温室と、
    　前記高温室と低温室との間に配置される少なくとも１つの熱電素子と、
    を備えている、蒸気発生装置。
  2. 　前記高温室は、伝熱媒体が通過する流路により構成され、
    　前記伝熱媒体を介して前記高温室の熱が前記低温室に伝達される、請求項１に記載の蒸気発生装置。
  3. 　請求項２に記載の蒸気発生装置と、
    　前記伝熱媒体を前記高温室に供給する熱源供給装置と、
    を備えている、エネルギ供給システム。
  4. 　前記伝熱媒体は、前記熱源供給装置と高温室との間を循環するように構成され、
    　前記熱源供給装置は、前記高温室から戻された前記伝熱媒体を加熱可能となっている、請求項３に記載のエネルギ供給システム。
  5. 　前記低温水蒸気が供給され、当該低温水蒸気を用いた熱交換処理が行われる熱交換装置をさらに備えている、請求項２から４のいずれかに記載のエネルギ供給システム。
  6. 　前記熱電素子で発生した電気は、前記熱交換装置に供給される、請求項５に記載のエネルギ供給システム。
  7. 　前記熱交換装置は、熱交換処理により前記低温水蒸気から水を生成し、当該水が前記蒸気発生装置の低温室に供給される、請求項５または６に記載のエネルギ供給システム。
  8. 　前記熱交換装置は、海水を淡水化する海水淡水化装置である、請求項５から７のいずれかに記載のエネルギ供給システム。
  9. 　前記熱源供給装置は、太陽熱によって前記伝熱媒体に熱を付与する、請求項３から８のいずれかに記載のエネルギ供給システム。
  10. 　前記熱源供給装置は、
    　前記蒸気発生装置の高温室を通過した前記伝熱媒体が貯留される低温タンクと、
    　前記低温タンクから供給される前記伝熱媒体に太陽熱を付与する太陽光集熱手段と、
    　前記太陽光集熱手段により熱が付与された前記伝熱媒体が貯留され、前記蒸気発生装置の高温室に当該伝熱媒体を供給する高温タンクと
    を備えている、請求項３から８のいずれかに記載のエネルギ供給システム。
  11. 　前記高温タンクから供給される伝熱媒体との熱交換によって水蒸気を生成する熱交換器と、
    　前記熱交換器により生成される水蒸気によって駆動するスチームタービンと、
    　前記スチームタービンにより駆動する発電機と
    をさらに備えている、請求項１０に記載のエネルギ供給システム。
     
     
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