WO2014068887A1 - 発電装置及びコジェネレーションシステム - Google Patents

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WO2014068887A1
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storage material
heat storage
heater
heat
power generation
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岡市　敦雄
長生 木戸
引地　巧
雅也 本間
賢宣 和田
修 小須田
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パナソニック株式会社
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    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F22B9/00—Steam boilers of fire-tube type, i.e. the flue gas from a combustion chamber outside the boiler body flowing through tubes built-in in the boiler body
    • F22B9/02—Steam boilers of fire-tube type, i.e. the flue gas from a combustion chamber outside the boiler body flowing through tubes built-in in the boiler body the boiler body being disposed upright, e.g. above the combustion chamber
    • F22B9/04—Steam boilers of fire-tube type, i.e. the flue gas from a combustion chamber outside the boiler body flowing through tubes built-in in the boiler body the boiler body being disposed upright, e.g. above the combustion chamber the fire tubes being in upright arrangement
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    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier
    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the present invention relates to a power generator that generates power using combustion gas of solid fuel. Moreover, it is related with the cogeneration system provided with the electric power generating apparatus.
  • boilers using solid fuel are widely known.
  • boilers using wood pellets as a solid fuel have attracted attention in recent years from the viewpoint of reducing environmental impact because the wood pellets are carbon neutral fuel.
  • Patent Document 1 discloses a pellet boiler 100 shown in FIG.
  • the pellets stored in the hopper 114 are supplied to the hearth 111 by the screw conveying device 115.
  • the pellets burn in the hearth 111 to generate combustion gas.
  • the combustion gas flows through a coil-shaped or labyrinth-shaped passage inside the heat exchanger 113 and is exhausted from the exhaust pipe 117 to the outside of the boiler 100.
  • the heat exchanger 113 is formed with a labyrinth-shaped passage through which a heat transfer medium used for heating or the like flows. In the heat exchanger 113, the heat transfer medium is heated by the combustion gas.
  • the combustion state of solid fuel is often unstable in boilers using solid fuel.
  • the Rankine cycle operation using the combustion gas of the boiler may also become unstable.
  • An object of the present invention is to realize a stable operation of a power generator that evaporates a working fluid of a Rankine cycle by using a combustion gas of solid fuel. Furthermore, an object of this invention is to provide the cogeneration system using the waste heat of this electric power generating apparatus.
  • a combustor for burning solid fuel A flue through which combustion gas generated in the combustor passes; A heater that includes a heat storage material, and heats the heat storage material by exchanging heat between the combustion gas of the flue and the heat storage material; A Rankine cycle circuit having an evaporator that evaporates the working fluid by exchanging heat between the heat storage material heated by the heater and the working fluid of the Rankine cycle; A power generation device including the above is provided.
  • the working fluid of the Rankine cycle circuit evaporates by exchanging heat with the heat storage material heated by the combustion gas. That is, by interposing the heat storage material, the high-temperature heat source of the Rankine cycle can be replaced from the combustion gas to the heat storage material. The same effect as reducing the temperature change of the combustion gas can be obtained by interposing the heat storage material. Thereby, the temperature fluctuation
  • Configuration diagram of power generator and cogeneration system according to first embodiment The block diagram of the electric power generating apparatus which concerns on the modification of 1st Embodiment, and a cogeneration system The block diagram of the electric power generating apparatus which concerns on another modification of 1st Embodiment, and a cogeneration system The block diagram of the electric power generating apparatus and cogeneration system which concern on another modification of 1st Embodiment.
  • Configuration diagram of power generator and cogeneration system according to second embodiment Configuration diagram of power generator and cogeneration system according to third embodiment The block diagram of the electric power generating apparatus which concerns on the modification of 3rd Embodiment, and a cogeneration system Configuration diagram of conventional pellet boiler
  • the heat transfer medium used for heating or the like is heated by direct heat exchange with the combustion gas of the pellet.
  • solid fuel is intermittently supplied to the hearth 111. Therefore, the amount of heat generated in the hearth 111 fluctuates with a certain width.
  • the power generator boosts the working fluid liquefied by the condenser that exchanges heat with the low-temperature heat source using a pump, and the working fluid vaporized by the evaporator that exchanges heat with the high-temperature heat source using a power recovery mechanism such as an expander or a turbine. Power generation is obtained by reducing the pressure.
  • the temperature of the high temperature heat source is affected by the amount of heat generated in the combustor. When solid fuel is used, the temperature of the high-temperature heat source becomes unstable, so the amount of heat exchange in the evaporator varies. This may make it difficult to control the state of the working fluid that has passed through the evaporator within a certain range.
  • the first aspect of the present disclosure is: A combustor for burning solid fuel; A flue through which combustion gas generated in the combustor passes; A heater that includes a heat storage material, and heats the heat storage material by exchanging heat between the combustion gas of the flue and the heat storage material; A Rankine cycle circuit having an evaporator that evaporates the working fluid by exchanging heat between the heat storage material heated by the heater and the working fluid of the Rankine cycle; A power generation device including the above is provided.
  • the second aspect of the present disclosure provides, in addition to the first aspect, a power generation device in which the heater is disposed around the flue.
  • a thermal storage material can be efficiently heated with the combustion gas of a flue.
  • the third aspect of the present disclosure provides the power generation apparatus, in addition to the first or second aspect, wherein the flue penetrates the heater at a plurality of positions.
  • the flue penetrates the heater at a plurality of positions.
  • the fourth aspect of the present disclosure provides the power generation apparatus in which the working fluid is an organic compound in addition to any one of the first to third aspects. According to the fourth aspect, it is easy to construct a Rankine cycle even if the temperature of the heat source of the evaporator is relatively low.
  • the heat storage material is a fluid
  • the heater includes the heat storage material sealed therein.
  • the heat transfer characteristics are improved by heat transfer by convection.
  • the sixth aspect of the present disclosure provides, in addition to the fifth aspect, a power generator in which the heat storage material is in a liquid phase in the heater.
  • the heater since it is not necessary to configure the heater as a high pressure-resistant pressure vessel, the heater can be configured to be lightweight and inexpensive.
  • the heat storage material which is a liquid phase has a large heat capacity, it is difficult for the temperature to change. Thereby, the amount of heat exchange in the evaporator is stabilized, and the state of the working fluid that has passed through the evaporator can be controlled within a certain range.
  • the 7th aspect of this indication provides the electric power generating apparatus with which the said evaporator is arrange
  • the evaporator is immersed in the heat storage material which is a liquid phase with a large heat capacity. Thereby, the amount of heat exchange in the evaporator is stabilized, and the state of the working fluid that has passed through the evaporator can be controlled within a certain range.
  • 8th aspect of this indication provides the electric power generating apparatus whose evaporation temperature in the atmospheric pressure of the said thermal storage material is 100 degreeC or more in addition to the 6th or 7th aspect. According to the 8th aspect, since the evaporation temperature of the working fluid of Rankine cycle can be set high, the electric power generating apparatus which shows high electric power generation efficiency is realizable.
  • the ninth aspect of the present disclosure provides, in addition to any one of the sixth to eighth aspects, a power generation device in which the ignition point of the heat storage material is 200 ° C. or higher. According to the ninth aspect, since the evaporation temperature of the working fluid in the Rankine cycle can be set high, a power generation device that exhibits high power generation efficiency can be realized.
  • the tenth aspect of the present disclosure provides the power generation apparatus in which the heat storage material is oil in addition to any one of the first to ninth aspects. According to the tenth aspect, since oil is usually non-volatile, the evaporation temperature of the Rankine cycle working fluid can be set high. Thereby, the electric power generating apparatus which shows high electric power generation efficiency is realizable.
  • the eleventh aspect of the present disclosure provides, in addition to the tenth aspect, a power generation device in which the oil is silicone oil. According to the eleventh aspect, since the silicone oil does not volatilize or ignite even at 250 ° C., the evaporation temperature of the working fluid in the Rankine cycle can be set high. Thereby, the electric power generating apparatus which shows high electric power generation efficiency is realizable.
  • the twelfth aspect of the present disclosure provides the power generation apparatus, in addition to the first aspect, wherein the heat storage material is a gas-liquid two-phase in the heater.
  • the heat storage material can be used in a gas-liquid two-phase boiling state, the temperature of the heat storage material is stabilized by the latent heat of vaporization of the heat storage material. That is, the temperature stability of the heat storage material as a high-temperature heat source is improved. As a result, the amount of heat exchange in the evaporator is stabilized, and the state of the working fluid that has passed through the evaporator can be controlled within a certain range.
  • the thirteenth aspect of the present disclosure provides, in addition to the twelfth aspect, a power generator in which the heat storage material is an organic compound. According to the thirteenth aspect, the boiling point of the heat storage material can be adjusted as appropriate.
  • a fourteenth aspect of the present disclosure includes A power generation apparatus according to any one of the first to thirteenth aspects; A flow path for supplying a heated fluid heated by exchanging heat with the working fluid flowing through the condenser of the Rankine cycle circuit, A cogeneration system is provided.
  • the fifteenth aspect of the present disclosure provides, in addition to the fourteenth aspect, a cogeneration system in which the heated fluid is water or air.
  • the heated water or air can be utilized for heating, hot water supply, etc.
  • the cogeneration system 10 ⁇ / b> A includes a power generator 1 ⁇ / b> A and a flow path 30.
  • the power generator 1 ⁇ / b> A includes a combustor 11, a flue 12, a heater 13, and a Rankine cycle circuit 20.
  • the combustor 11 is a hearth for burning solid fuel. Combustion gas generated by burning solid fuel in the combustor 11 passes through the flue 12.
  • the heater 13 includes a heat storage material, and heats the heat storage material by exchanging heat between the combustion gas of the flue 12 and the heat storage material.
  • the heat storage material is, for example, a fluid.
  • the heater 13 encloses a heat storage material that is a fluid.
  • the Rankine cycle circuit 20 includes an evaporator 21 that evaporates the working fluid by exchanging heat between the heat storage material heated by the heater 13 and the working fluid of the Rankine cycle circuit 20.
  • the combustor 11 is made of a refractory material such as metal, alloy or ceramic.
  • the solid fuel is wood pellets, wood chips or coal. If the power generator 1A is to be provided as a small-scale power generator for homes and small businesses, the solid fuel is preferably wood pellets or wood chips.
  • the power generation device 1 ⁇ / b> A further includes a solid fuel storage unit 14 that stores solid fuel and a transport device 15 that transports the solid fuel from the solid fuel storage unit 14 to the combustor 11.
  • the solid fuel storage unit 14 is configured as a container that can be opened and closed by a handle (not shown) provided in a part of the casing of the power generator 1A, for example. Thereby, the solid fuel can be replenished to the solid fuel storage unit 14.
  • the solid fuel storage unit 14 may be configured to be detachable from the main body of the power generation apparatus 1A.
  • the conveyance device 15 is, for example, a screw type conveyance device.
  • the conveying device 15 is arranged so that one end thereof is positioned at the bottom of the solid fuel storage portion 14 and the other end extends to the vicinity of the combustor 11.
  • the conveyance device 15 intermittently supplies the solid fuel from the solid fuel storage unit 14 to the combustor 11.
  • the power generator 1 ⁇ / b> A includes an intake passage 16 for sending air from the outside to the combustor 11.
  • the intake passage 16 may be provided with a fan for forcibly feeding air into the combustor 11. As a result, the solid fuel can be continuously burned in the combustor 11.
  • the heater 13 is a container (shell) disposed above the combustor 11.
  • the heater 13 is formed of a material having good heat resistance and thermal conductivity, such as a metal or an alloy.
  • the heater 13 is disposed around the flue 12. Thereby, the heat storage material is efficiently heated by the combustion gas in the flue 12. As shown in FIG. 1, the flue 12 penetrates the container which is the heater 13 at a plurality of positions. Thereby, the area which heats a thermal storage material with the combustion gas of the flue 12 increases. In particular, the heat storage material near the center of the heater 13 can be efficiently heated.
  • the heater 13 may be configured by a single container or may be configured by connecting a plurality of containers.
  • the plurality of containers may be arranged so that adjacent containers are separated from each other at a predetermined interval. In this case, the space between adjacent containers can be used as the flue 12. Even with such a configuration, a large temperature difference is hardly generated in the heat storage material inside the heater 13.
  • the power generation device 1 ⁇ / b> A further includes an exhaust path 17 and an ash receiver 18.
  • the exhaust path 17 opens above the flue 12.
  • the combustion gas that has passed through the flue 12 enters the exhaust passage 17, passes through the exhaust passage 17, and is discharged to the outside of the power generator 1 ⁇ / b> A.
  • Ash generated by the combustion of the solid fuel in the combustor 11 is stored in the ash receiver 18.
  • an ignition device (not shown) is provided in the vicinity of the heater 13.
  • a predetermined amount of solid fuel is supplied to the combustor 11 by the transport device 15.
  • the solid fuel supplied to the combustor 11 is ignited by an ignition device, so that the solid fuel starts to burn.
  • the transport amount of the solid fuel by the transport device 15 is set to a high level in order to raise the temperature of the heat storage material to the target temperature in a short time.
  • the air flow rate in the intake passage 16 is also set to a high level.
  • the Rankine cycle circuit 20 includes an evaporator 21, an expander 22, a condenser 23, and a pump 24, and these components are connected by piping in this order.
  • the evaporator 21 is formed, for example, as a flow path formed in a coil shape from the inlet to the outlet of the evaporator 21 or as a flow path meandering from the inlet to the outlet of the evaporator 21.
  • the working fluid flowing through the evaporator 21 evaporates by heat exchange with the heat storage material enclosed in the heater 13 and becomes superheated steam.
  • the working fluid is not particularly limited.
  • the working fluid is water, hydrocarbon, halocarbon, alcohol or ketone.
  • the hydrocarbon include alkanes such as methane, butane, pentane or isopentane.
  • Examples of the halocarbon include R-245fa and R-134a.
  • Examples of the alcohol include ethanol.
  • Examples of the ketone include acetone.
  • the heat source of the evaporator 21 is not the combustion gas itself but a heat storage material included in the heater 13. For this reason, the temperature of the heat source of the evaporator 21 may be lower than the temperature of the combustion gas.
  • the working fluid is preferably an organic compound containing at least one selected from the group consisting of hydrocarbons, halocarbons, alcohols or ketones, for example.
  • the standard boiling point of the organic compound is preferably lower than the standard boiling point of water.
  • the heat storage material is in a liquid phase in the heater 13, for example.
  • the evaporator 21 is disposed inside the heater 13 so as to be immersed in the liquid phase heat storage material.
  • the calorific value (combustion gas generation amount) in the combustor varies within a certain range. Therefore, the heating amount of the heat storage material by the combustion gas may fluctuate. If the heat storage material is in the liquid phase in the heater 13, the heat storage material has a certain amount of mass and thus exhibits a relatively large heat capacity.
  • the temperature of a heat storage material does not change immediately. That is, the same effect as reducing the temperature change of the combustion gas by interposing the heat storage material is obtained, and the temperature fluctuation of the high-temperature heat source of the evaporator 21 is suppressed. Thereby, it is suppressed that the heat exchange amount in the evaporator 21 fluctuates. Therefore, the state of the working fluid that has passed through the evaporator 21 can be controlled within a certain range. The evaporation of the working fluid in the evaporator 21 can be stabilized. Further, when the heat storage material is in the liquid phase in the heater 13, the container constituting the heater 13 may not be a high pressure resistant container. Thereby, the heater 13 can be comprised lightweight and cheaply.
  • a part of the evaporator 21 may be immersed in a liquid phase heat storage material, and a part of the evaporator 21 may be directly heated by the combustion gas. Desirably, the entire evaporator 21 is immersed in a liquid phase heat storage material, and the evaporator 21 is heated only by the heat storage material.
  • the evaporation temperature of the heat storage material under atmospheric pressure is, for example, in the range of 100 ° C to 300 ° C. Thereby, the evaporation temperature of the working fluid of the Rankine cycle circuit 20 can be set high. Therefore, the power generator 1A can exhibit high power generation efficiency.
  • the ignition point of the heat storage material is, for example, in the range of 200 ° C to 500 ° C. Thereby, the evaporation temperature of the working fluid of the Rankine cycle circuit 20 can be set high. Therefore, the power generator 1A can exhibit high power generation efficiency.
  • the heat storage material may be oil. Since oil usually does not easily evaporate, it can be suitably used as a heat storage material. As oil, mineral oil, synthetic oil, vegetable oil, etc. can be used. In particular, silicone oil does not volatilize even at 250 ° C. and does not ignite, so it can be suitably used as a heat storage material.
  • the expander 22 expands the working fluid evaporated by the evaporator 21.
  • a positive displacement fluid machine such as a scroll type, a rotary type, a reciprocating type, or a screw type can be used.
  • the expander 22 is preferably a scroll-type or rotary-type fluid machine.
  • the expander 22 is connected to the generator 50.
  • the generator 50 is driven by the expander 22 expanding the working fluid. Thereby, power generation is performed.
  • the condenser 23 is expanded by the expander 22 and condenses the working fluid that has passed through the expander 22.
  • the condenser 23 is a spiral heat exchanger, a plate heat exchanger, a double tube heat exchanger, or the like.
  • the condenser 23 includes a cooled portion 23A through which the working fluid flows and a cooling portion 31 through which the heated fluid that cools the working fluid flows.
  • the cooling unit 31 constitutes a part of the flow path 30 that supplies the heated fluid heated by exchanging heat with the working fluid flowing through the condenser 23 to the outside.
  • the pump 24 pressurizes the working fluid condensed by the condenser 23 and supplies it to the evaporator 21.
  • the pump 24 is, for example, a general positive displacement pump.
  • a flow path 30 is a heating circuit that uses a heated fluid to be heated as heating.
  • the flow path 30 is configured by connecting a pump 32, a cooling unit 31, and a radiator 33 in this order by piping. Thereby, the fluid to be heated circulates through the flow path 30.
  • a low temperature fluid to be heated is supplied to the cooling unit 31 by the pump 32 to cool the working fluid.
  • the high-temperature fluid to be heated that has passed through the cooling unit 31 dissipates the heat held by the heat-dissipating element to the outside with a radiator. Thereby, for example, room heating is performed.
  • the heated fluid that has dissipated heat and has a low temperature is supplied again to the cooling unit 31 by the pump 32.
  • the power generation device 1A and the cogeneration system 10A including the flow path 30 are configured.
  • the exhaust heat of 1 A of power generators can be used effectively.
  • the fluid to be heated is, for example, water.
  • the fluid to be heated may contain an antifreeze liquid to prevent freezing.
  • the flow path 30 is not restricted to the flow path through which the fluid to be heated circulates.
  • the mode of the flow path 30 is not particularly limited as long as it is configured to supply the heated fluid heated by exchanging heat with the working fluid flowing through the condenser 23 to the outside.
  • the operation of the power generator 1A and the cogeneration system 10A will be described.
  • the evaporator 21 cannot sufficiently evaporate the working fluid 21 because the heat storage material is at a low temperature. Therefore, immediately after the power generation apparatus 1A is activated, the circulation of the working fluid in the Rankine cycle circuit 20 is stopped, or the circulation amount of the working fluid in the Rankine cycle circuit 20 is set low.
  • the Rankine cycle circuit 20 is operated so that the amount of circulating working fluid in the Rankine cycle circuit 20 increases.
  • the Rankine cycle circuit 20 is operated so that the circulating amount of the working fluid in the Rankine cycle circuit 20 becomes substantially constant. Thereby, 1 A of electric power generating apparatuses are drive
  • the power generation device 1A and the cogeneration system 10A according to the first embodiment can be modified as shown in FIG.
  • the power generation device 1B and the cogeneration system 10B according to this modification are configured in the same manner as in the first embodiment, unless otherwise specified.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the heat storage material is a gas-liquid two-phase in the heater 13. That is, the heat storage material is a volatile fluid.
  • the evaporator 21 is arrange
  • the gas phase heat storage material and the working fluid exchange heat, the gas phase heat storage material is condensed and returned to the liquid phase. Thereby, it is suppressed that the inside of the heater 13 becomes an excessively high pressure.
  • the heat storage material is a gas-liquid two-phase in the heater 13, the temperature of the heat storage material of the heater 13 is stabilized. Thereby, the heat exchange amount in the evaporator 21 is stabilized, and the state of the working fluid that has passed through the evaporator 21 can be controlled within a certain range.
  • the heat storage material that is a gas-liquid two-phase in the heater 13 is, for example, an organic compound.
  • the heat storage material is an organic compound
  • the boiling point of the heat storage material can be appropriately adjusted by selecting an organic compound used as the heat storage material. If a mixture of a plurality of types of organic compounds is used as the heat storage material, the boiling point of the heat storage material can be adjusted as appropriate depending on the composition of the mixture.
  • the organic compound that is the heat storage material includes, for example, at least one selected from the group consisting of alcohol, ketone, and water (pressurized water).
  • the standard boiling point of the organic compound as the heat storage material is preferably 100 ° C. to 200 ° C.
  • the manufacturing cost of the heater 13 can be suppressed.
  • the organic compound which is a heat storage material is water or alcohol. This configuration is preferable from the viewpoint of safety when the heat storage material is discharged to the outside of the heater 13 in order to prevent the pressure inside the heater 13 from rising excessively.
  • the power generator 1A and the cogeneration system 10A according to the first embodiment can be modified as shown in FIG.
  • a power generation device 1C and a cogeneration system 10C according to this modification are configured in the same manner as in the first embodiment, unless otherwise specified.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the heater 13 of the power generation device 1 ⁇ / b> C includes a circulation circuit 13 ⁇ / b> A that circulates the heat storage material so that the heat storage material taken in from the main body of the heater 13 is returned to the main body of the heater 13.
  • the circulation circuit 13A includes a pump 13B and a heat exchange unit 13C.
  • a circulation circuit 13 ⁇ / b> A is formed by connecting the main body of the heater 13, the pump 13 ⁇ / b> B, and the heat exchange unit 13 ⁇ / b> C by piping.
  • the heat exchange unit 13 ⁇ / b> C constitutes a part of the evaporator 21.
  • the evaporator 21 is, for example, a plate heat exchanger.
  • a part of the circulation circuit 13A constitutes the evaporator 21.
  • the heat storage material of the circulation circuit 13A is not directly heated by the combustion gas. Therefore, it is less susceptible to fluctuations in the amount of heat generated in the combustor 11 than when the evaporator 21 is provided inside the heater 13. Thereby, the heat exchange amount in the evaporator 21 is stabilized, and the state of the working fluid that has passed through the evaporator 21 can be controlled within a certain range.
  • the power generation device 1A and the cogeneration system 10A according to the first embodiment can be modified as shown in FIG.
  • the power generation apparatus 1G and the cogeneration system 10G according to this modification are configured in the same manner as in the first embodiment, unless otherwise specified.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the power generator 1G is different from the power generator 1A in that the heater 13 includes a solid heat storage material.
  • the solid heat storage material for example, a metal, an alloy, or ceramics can be used.
  • the heater 13 is not a container for enclosing a solid heat storage material, but is entirely configured as a mass of a solid heat storage material. In this case, the flue 12 is formed so as to penetrate the mass of the heat storage material.
  • the evaporator 21 is embedded in a solid heat storage material lump.
  • the heater 13 is a hollow container, and a granular or powdery solid heat storage material may be enclosed in the heater 13, for example.
  • the power generator 1D and the cogeneration system 10D according to the second embodiment will be described.
  • the power generation device 1D is configured in the same manner as the power generation device 1A of the first embodiment, unless otherwise specified.
  • the condenser 23 of the power generation device 1D is an air-cooled heat exchanger, for example, a fin tube heat exchanger.
  • the condenser 23 of the power generation device 1 ⁇ / b> D includes a cooled portion 23 ⁇ / b> A through which a working fluid flows and a fan 36 for forcibly sending air to the cooled portion 23 ⁇ / b> A.
  • the working fluid flowing through the cooled portion 23A is cooled by air and condensed.
  • the part to be cooled 23A and the fan 36 are arranged inside a flow path 35 that is an air duct.
  • the air in the flow path 35 is heated when passing through the condenser 23.
  • the heated air is supplied to the outside through the flow path 35.
  • the downstream end of the flow path 35 is open, for example, indoors. Thereby, the heated air is supplied indoors and indoor heating is performed. That is, in the cogeneration system 10D, the fluid to be heated is air. Thereby, the exhaust heat of power generator 1D can be used effectively.
  • the cogeneration system 10E uses the exhaust heat of the power generator 1A for hot water supply.
  • the cogeneration system 10 ⁇ / b> E includes a flow path 30 through which the fluid to be heated circulates.
  • the fluid to be heated is, for example, water.
  • the flow path 30 is configured by connecting a pump 32, a cooling unit 31 constituting a part of the condenser 23, and a hot water storage tank 38 by piping.
  • Low-temperature water is supplied to the cooling unit 31 by the pump 32.
  • the water flowing through the cooling part 31 exchanges heat with the working fluid flowing through the cooled part 23A. Thereby, low temperature water is heated and warm water is produced
  • the hot water that has passed through the cooling unit 31 is supplied to the hot water storage tank 38.
  • a heat exchanger 72 is disposed inside the hot water storage tank 38.
  • a water supply pipe 71 and a hot water discharge pipe 73 are connected to the heat exchanger 72.
  • Low-temperature water is supplied from the water supply pipe 71 to the heat exchanger 72 to exchange heat with the hot water in the hot water storage tank 38.
  • the hot water generated in this way is supplied to the outside from the hot water outlet pipe 73. That is, the hot water generated by the condenser 23 can be used as a heat source for hot water supply.
  • Low temperature water accumulates at the bottom of the hot water storage tank 39 and is supplied again to the cooling unit 31 by the pump 32.
  • the cogeneration system 10E according to the third embodiment can be modified like a cogeneration system 10F shown in FIG.
  • the cogeneration system 10F is configured in the same manner as the cogeneration system 10E unless otherwise specified.
  • the water supply pipe 91 and the hot water pipe 93 are connected to the cooling unit 31, whereby the flow path 39 of the fluid to be heated is configured.
  • the heated fluid flowing through the cooling unit 31 and the working fluid flowing through the cooled unit 23A exchange heat.
  • the fluid to be heated is water.
  • the low temperature water supplied from the water supply pipe 91 is heated to become hot water by exchanging heat with the working fluid flowing through the cooled portion 23A. And this warm water is supplied to the outside from the hot water outlet pipe 93.
  • the present invention is useful for a power generation apparatus that evaporates a working fluid of a Rankine cycle circuit using a combustion gas of a solid fuel such as a wood pellet, a wood chip, or coal, and a cogeneration system including the power generation apparatus.

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Abstract

　発電装置１Ａは、燃焼器１１と、加熱器１３と、ランキンサイクル回路２０とを備える。燃焼器１１は、固体燃料を燃焼させる。燃焼器１１で発生した燃焼ガスが煙道１２を通過する。加熱器１３は、蓄熱材を含み、煙道１２の燃焼ガスと蓄熱材とを熱交換させることによって蓄熱材を加熱する。ランキンサイクル回路２０は、加熱器１３で加熱された蓄熱材とランキンサイクルの作動流体とを熱交換させることによって作動流体を蒸発させる蒸発器２１を有する。これにより、固体燃料の燃焼ガスを利用した発電装置の安定的な運転を実現する。

Description

発電装置及びコジェネレーションシステム
　本発明は、固体燃料の燃焼ガスを利用して発電する発電装置に関する。また、その発電装置を備えたコジェネレーションシステムに関する。
　従来、固体燃料を用いたボイラーが広く知られている。特に固体燃料として木質ペレットを用いたボイラーは、木質ペレットがカーボンニュートラルな燃料であるので、環境負荷低減の観点から近年注目されている。
　特許文献１には、図８に示すペレットボイラー１００が開示されている。ホッパー１１４に貯留されたペレットは、スクリュー搬送装置１１５により炉床１１１に供給される。炉床１１１においてペレットが燃焼して燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、熱交換器１１３の内部のコイル状又はラビリンス状の通路を流れて排気管１１７からボイラー１００の外部へ排気される。熱交換器１１３には、暖房等に利用される熱伝達媒体が流れるラビリンス状の通路が形成されている。熱交換器１１３において、熱伝達媒体が燃焼ガスによって加熱される。
欧州特許出願公開第１７３４３０３号明細書
　ボイラーの規模にもよるが、固体燃料を用いたボイラーにおいて、固体燃料の燃焼状態はしばしば不安定である。この場合、ボイラーの燃焼ガスを利用したランキンサイクルの運転も不安定になる可能性がある。
　本発明は、固体燃料の燃焼ガスを利用してランキンサイクルの作動流体を蒸発させる発電装置の安定的な運転を実現すること目的とする。さらに、本発明は、この発電装置の排熱を利用したコジェネレーションシステムを提供することを目的とする。
　本開示は、
　固体燃料を燃焼させる燃焼器と、
　前記燃焼器で発生した燃焼ガスが通過する煙道と、
　蓄熱材を含み、前記煙道の前記燃焼ガスと前記蓄熱材とを熱交換させることによって前記蓄熱材を加熱する加熱器と、
　前記加熱器で加熱された前記蓄熱材とランキンサイクルの作動流体とを熱交換させることによって前記作動流体を蒸発させる蒸発器を有するランキンサイクル回路と、
　を備えた、発電装置を提供する。
　上記の発電装置によれば、ランキンサイクル回路の作動流体は、燃焼ガスによって加熱された蓄熱材と熱交換することによって蒸発する。つまり、蓄熱材を介在させることによって、ランキンサイクルの高温熱源を燃焼ガスから蓄熱材へと置き換えることができる。蓄熱材を介在させることによって燃焼ガスの温度変化を小さくすることと同じ効果が得られる。これにより、蒸発器の高温熱源の温度変動が抑制される。そのため、蒸発器での熱交換量が安定し、蒸発器を通過した作動流体の状態を一定の範囲に制御することができる。以上より、発電装置の安定的な運転を実現できる。
第１実施形態に係る発電装置及びコジェネレーションシステムの構成図 第１実施形態の変形例に係る発電装置及びコジェネレーションシステムの構成図 第１実施形態の別の変形例に係る発電装置及びコジェネレーションシステムの構成図 第１実施形態のさらに別の変形例に係る発電装置及びコジェネレーションシステムの構成図 第２実施形態に係る発電装置及びコジェネレーションシステムの構成図 第３実施形態に係る発電装置及びコジェネレーションシステムの構成図 第３実施形態の変形例に係る発電装置及びコジェネレーションシステムの構成図 従来のペレットボイラーの構成図
　図８に示すペレットボイラー１００において、暖房等に利用される熱伝達媒体は、ペレットの燃焼ガスと直接熱交換されて加熱されている。液体やガス状の燃料と異なり、固体燃料は断続的に炉床１１１に供給される。そのため、炉床１１１での発熱量は一定の幅で変動する。
　固体燃料を用いるボイラーの燃焼ガスを利用してランキンサイクルの作動流体を蒸発させる発電装置を構築することを考える。この場合、発電装置は、低温熱源と熱交換する凝縮器で液化した作動流体をポンプで昇圧し、高温熱源と熱交換する蒸発器で気化した作動流体を膨張機、タービン等の動力回収機構で減圧することにより、発電動力を得る。高温熱源の温度は燃焼器での発熱量に影響を受ける。固体燃料を用いる場合は高温熱源の温度が不安定になるので、蒸発器での熱交換量が変動する。これにより、蒸発器を通過した作動流体の状態を一定の範囲に制御することが困難となる可能性があった。
　本開示の第１態様は、
　固体燃料を燃焼させる燃焼器と、
　前記燃焼器で発生した燃焼ガスが通過する煙道と、
　蓄熱材を含み、前記煙道の前記燃焼ガスと前記蓄熱材とを熱交換させることによって前記蓄熱材を加熱する加熱器と、
　前記加熱器で加熱された前記蓄熱材とランキンサイクルの作動流体とを熱交換させることによって前記作動流体を蒸発させる蒸発器を有するランキンサイクル回路と、
　を備えた、発電装置を提供する。
　本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記加熱器が前記煙道の周囲に配置されている、発電装置を提供する。第２態様によれば、煙道の燃焼ガスにより効率良く蓄熱材を加熱することができる。
　本開示の第３態様は、第１又は第２の態様に加えて、前記煙道は、前記加熱器を複数の位置で貫通している、発電装置を提供する。第３態様によれば、煙道が貫通している複数の位置で燃焼ガスにより蓄熱材が加熱されるので、加熱器の内部において、蓄熱材に大きな温度差が生じにくい。これにより、蒸発器での熱交換量が安定し、蒸発器を通過した作動流体の状態を一定の範囲に制御することができる。
　本開示の第４態様は、第１～３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記作動流体が有機化合物である、発電装置を提供する。第４態様によれば、蒸発器の熱源の温度が比較的低くても、ランキンサイクルを構築しやすい。
　本開示の第５態様は、第１～４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記蓄熱材は流体であり、前記加熱器には前記蓄熱材が封入されている、発電装置を提供する。第５態様によれば、蓄熱材である流体が有する熱容量によって蒸発器での熱交換量が安定することに加え、対流による伝熱によって伝熱特性が向上する。
　本開示の第６態様は、第５態様に加えて、前記蓄熱材は、前記加熱器において液相である、発電装置を提供する。第６態様によれば、加熱器を高耐圧の圧力容器として構成する必要がないので、加熱器を軽量かつ安価に構成することができる。また、液相である蓄熱材は、熱容量が大きいので温度変化しにくい。これにより、蒸発器での熱交換量が安定し、蒸発器を通過した作動流体の状態を一定の範囲に制御することができる。
　本開示の第７態様は、第６態様に加えて、前記蒸発器は、液相の前記蓄熱材に浸るように前記加熱器の内部に配置されている、発電装置を提供する。第７態様によれば、蒸発器が熱容量の大きい液相である蓄熱材に浸っている。これにより、蒸発器での熱交換量が安定し、蒸発器を通過した作動流体の状態を一定の範囲に制御することができる。
　本開示の第８態様は、第６又は第７の態様に加えて、前記蓄熱材の大気圧下における蒸発温度が１００℃以上である、発電装置を提供する。第８態様によれば、ランキンサイクルの作動流体の蒸発温度を高く設定できるので、高い発電効率を示す発電装置を実現できる。
　本開示の第９態様は、第６～８態様のいずれか１つの態様に加えて、前記蓄熱材の発火点が２００℃以上である、発電装置を提供する。第９態様によれば、ランキンサイクルの作動流体の蒸発温度を高く設定できるので、高い発電効率を示す発電装置を実現できる。
　本開示の第１０態様は、第１～９態様のいずれか１つの態様に加えて、前記蓄熱材がオイルである、発電装置を提供する。第１０態様によれば、オイルは通常不揮発性であるので、ランキンサイクルの作動流体の蒸発温度を高く設定できる。これにより、高い発電効率を示す発電装置を実現できる。
　本開示の第１１態様は、第１０態様に加えて、前記オイルがシリコーンオイルである、発電装置を提供する。第１１態様によれば、シリコーンオイルは２５０℃においても揮発も発火もしないので、ランキンサイクルの作動流体の蒸発温度を高く設定できる。これにより、高い発電効率を示す発電装置を実現できる。
　本開示の第１２態様は、第１態様に加えて、前記蓄熱材は、前記加熱器において気液二相である、発電装置を提供する。第１２態様によれば、蓄熱材を気液二相の沸騰状態で使用できるので、蓄熱材の蒸発潜熱によって蓄熱材の温度が安定する。つまり、高温熱源としての蓄熱材の温度安定性が向上する。その結果、蒸発器での熱交換量が安定し、蒸発器を通過した作動流体の状態を一定の範囲に制御することができる。
　本開示の第１３態様は、第１２態様に加えて、前記蓄熱材が有機化合物である、発電装置を提供する。第１３態様によれば、蓄熱材の沸点を適宜調整することができる。
　本開示の第１４態様は、
　第１～１３態様のいずれか１つの態様である発電装置と、
　前記ランキンサイクル回路の凝縮器を流れる前記作動流体と熱交換することにより加熱された被加熱流体を外部に供給する流路と、
　を備えるコジェネレーションシステムを提供する。
　第１４態様によれば、発電装置の排熱を利用したコジェネレーションシステムを提供することができる。
　本開示の第１５態様は、第１４態様に加えて、前記被加熱流体が水又は空気である、コジェネレーションシステムを提供する。第１５態様によれば、加熱された水又は空気を、暖房、給湯などに利用できる。
　本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明は、本発明の実施形態の一例に関するものであり、本発明は以下の実施形態に限定されない。
　（第１実施形態）
　図１に示す通り、第１実施形態に係るコジェネレーションシステム１０Ａは、発電装置１Ａ及び流路３０を備えている。発電装置１Ａは、燃焼器１１、煙道１２、加熱器１３、及びランキンサイクル回路２０を備えている。燃焼器１１は、固体燃料を燃焼させる炉床である。燃焼器１１で固体燃料を燃焼させることにより発生した燃焼ガスは、煙道１２を通過する。加熱器１３は、蓄熱材を含み、煙道１２の燃焼ガスと蓄熱材とを熱交換させることによって蓄熱材を加熱する。蓄熱材は、例えば、流体である。本実施形態では、加熱器１３には、流体である蓄熱材が封入されている。ランキンサイクル回路２０は、加熱器１３で加熱された蓄熱材とランキンサイクル回路２０の作動流体とを熱交換させることによって作動流体を蒸発させる蒸発器２１を有する。
　燃焼器１１は、金属、合金又はセラミックなどの耐火性材料で作られている。固体燃料は、木質ペレット、木質チップ又は石炭などである。発電装置１Ａを家庭、スモールビジネス向けの小規模な発電装置として提供しようとすると、固体燃料は木質ペレット、木質チップが望ましい。
　発電装置１Ａは、さらに、固体燃料を貯留する固体燃料貯留部１４と、固体燃料貯留部１４から燃焼器１１へ固体燃料を搬送する搬送装置１５とを備えている。固体燃料貯留部１４は、例えば発電装置１Ａの筐体の一部に設けられた取っ手（図示省略）により開閉可能な容器として構成されている。これにより、固体燃料貯留部１４への固体燃料の補給が可能となっている。固体燃料貯留部１４は、発電装置１Ａの本体から着脱可能となるように構成されていてもよい。搬送装置１５は、例えばスクリュー型の搬送装置である。搬送装置１５は、その一端が固体燃料貯留部１４の底部に位置しており、他端が燃焼器１１の近傍まで延びているように配置されている。搬送装置１５は、固体燃料貯留部１４から固体燃料を断続的に燃焼器１１へ供給する。また、発電装置１Ａは、外部から空気を燃焼器１１へ送り込むための吸気路１６を備えている。吸気路１６には燃焼器１１に空気を強制的に送り込むためのファンが設けられていてもよい。これにより、燃焼器１１において固体燃料が連続的に燃焼することが可能となっている。
　燃焼器１１で発生した燃焼ガスは上昇して、燃焼器１１の上方に配置された煙道１２に入る。加熱器１３は、燃焼器１１の上方に配置された容器（シェル）である。加熱器１３は、例えば金属、合金等の耐熱性及び熱伝導性が良好な材料で形成されている。加熱器１３は、煙道１２の周囲に配置されている。これにより、蓄熱材が煙道１２の燃焼ガスによって効率的に加熱される。煙道１２は、図１に示す通り、加熱器１３である容器を複数の位置で貫通している。これにより、蓄熱材を煙道１２の燃焼ガスで加熱する面積が増加する。特に、加熱器１３の中心部付近の蓄熱材を効率的に加熱できる。そのため、加熱器１３の内部において、蓄熱材に大きな温度差が生じにくい。加熱器１３は、１つの容器で構成されていてもよいし、複数の容器が連結されることにより構成されていてもよい。加熱器１３が複数の容器から構成されている場合には、隣り合う容器同士が所定の間隔で離れるように複数の容器が配列されていてもよい。この場合に、隣り合う容器同士の空間を煙道１２とすることができる。このような構成によっても、加熱器１３の内部において、蓄熱材に大きな温度差が生じにくい。
　発電装置１Ａは、さらに、排気路１７及び灰受け１８を備えている。排気路１７は、煙道１２の上方で開口している。煙道１２を通過した燃焼ガスは、排気路１７に入り、排気路１７を通過して発電装置１Ａの外部に排出される。燃焼器１１における固体燃料の燃焼により発生した灰が、灰受け１８に貯留されている。
　加熱器１３の近傍には、点火装置（図示省略）が設けられている。発電装置１Ａの起動時には、まず搬送装置１５によって所定量の固体燃料を燃焼器１１に供給する。その後、燃焼器１１に供給された固体燃料を点火装置によって点火することにより、固体燃料が燃焼し始める。発電装置１Ａの起動時には、蓄熱材の温度を目的温度にまで短時間で上昇させるために、搬送装置１５による固体燃料の搬送量が高いレベルに設定される。また、これに合わせて、吸気路１６の空気の流量も高いレベルに設定される。蓄熱材の温度が目的温度に達した場合には、蓄熱材の温度を目的温度で安定させるための定常運転が行われ、燃焼器１１での発熱量（燃焼ガスの発生量）が所定の範囲となるように搬送装置１５による固体燃料の搬送量が調整される。
　ランキンサイクル回路２０は、蒸発器２１、膨張機２２、凝縮器２３及びポンプ２４を備え、これらの構成要素がこの順に配管で接続されることにより、構成されている。蒸発器２１は、例えば蒸発器２１の入口から出口までコイル状に形成された流路、又は蒸発器２１の入口から出口まで蛇行している流路として形成されている。蒸発器２１を流れている作動流体は、加熱器１３に封入された蓄熱材との熱交換によって蒸発して過熱蒸気となる。
　作動流体は特に限定されない。作動流体は、水、炭化水素、ハロカーボン、アルコール又はケトン等である。炭化水素としてはメタン、ブタン、ペンタン又はイソペンタン等のアルカンを挙げることができる。ハロカーボンとしては、Ｒ－２４５ｆａ又はＲ－１３４ａ等を挙げることができる。アルコールとしては、エタノール等を挙げることができる。ケトンとしてはアセトン等を挙げることができる。本実施形態では、蒸発器２１の熱源が燃焼ガス自体ではなく、加熱器１３に含まれる蓄熱材である。このため、蒸発器２１の熱源の温度は、燃焼ガスの温度よりも低い可能性がある。そこで、作動流体は、例えば、炭化水素、ハロカーボン、アルコール又はケトンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む有機化合物であることが好ましい。この有機化合物の標準沸点は、水の標準沸点よりも低いことが好ましい。これにより、本実施形態において、蒸発器２１の熱源の温度が比較的低くても、ランキンサイクルを構築しやすい。また、作動流体が有機化合物であることは、ランキンサイクルの蒸発器における作動流体の温度を比較的低くできるので、ランキンサイクルの耐圧設計の観点からも好ましい。
　蓄熱材は、例えば加熱器１３において液相である。蒸発器２１は、液相の蓄熱材に浸るように加熱器１３の内部に配置されている。ところで、固体燃料は燃焼器１１に断続的に供給されるので、燃焼器での発熱量（燃焼ガスの発生量）は一定の範囲で変動する。そのため、燃焼ガスによる蓄熱材の加熱量が変動することがある。蓄熱材が加熱器１３において液相であれば、蓄熱材は、ある程度の質量を有するので比較的大きな熱容量を示す。このため、燃焼器１１での発熱量の変動に伴い煙道１２の燃焼ガスの蓄熱材に対する加熱量が変動しても、蓄熱材の温度は直ちには変化しない。すなわち、蓄熱材を介在させることによって燃焼ガスの温度変化を小さくすることと同じ効果が得られ、蒸発器２１の高温熱源の温度変動が抑制されている。これにより、蒸発器２１での熱交換量が変動することが抑制される。そのため、蒸発器２１を通過した作動流体の状態を一定の範囲に制御することができる。蒸発器２１における作動流体の蒸発を安定させることができる。また、加熱器１３において蓄熱材が液相であると、加熱器１３を構成する容器が高耐圧性の容器でなくてもよい。これにより、加熱器１３を軽量かつ安価に構成することができる。
　蒸発器２１の一部が液相の蓄熱材に浸っており、蒸発器２１の一部が燃焼ガスによって直接加熱されていてもよい。望ましくは、蒸発器２１の全部が液相の蓄熱材に浸っており、蒸発器２１が蓄熱材のみによって加熱される。
　蓄熱材の大気圧下における蒸発温度は、例えば１００℃～３００℃の範囲にある。これにより、ランキンサイクル回路２０の作動流体の蒸発温度を高く設定できる。そのため、発電装置１Ａは高い発電効率を示すことができる。また、蓄熱材の発火点は、例えば２００℃～５００℃の範囲にある。これにより、ランキンサイクル回路２０の作動流体の蒸発温度を高く設定できる。そのため、発電装置１Ａは高い発電効率を示すことができる。具体的に、蓄熱材はオイルであってもよい。オイルは通常揮発しにくいので蓄熱材として好適に用いることができる。オイルとしては、鉱物油、合成油、植物油などを用いることができる。特にシリコーンオイルは、２５０℃でも揮発せず、かつ、発火しないので、蓄熱材として好適に用いることができる。
　膨張機２２は、蒸発器２１で蒸発した作動流体を膨張させる。膨張機２２は、スクロール型、ロータリ型、往復型、又はスクリュー型等の容積式の流体機械を用いることができる。発電装置１Ａを主に家庭、スモールビジネス等を対象とした小規模な発電装置として提供することを考えると、膨張機２２は、スクロール型、又はロータリ型等の流体機械であることが好ましい。膨張機２２は、発電機５０に連結されている。膨張機２２が、作動流体を膨張させることにより発電機５０が駆動される。これにより、発電が行われる。
　凝縮器２３は、膨張機２２で膨張し、膨張機２２を通過した作動流体を凝縮させる。凝縮器２３は、スパイラル式熱交換器、プレート式熱交換器、又は二重管式熱交換器等である。凝縮器２３は、作動流体が流れる被冷却部２３Ａと、作動流体を冷却する被加熱流体が流れる冷却部３１とを備える。冷却部３１は、凝縮器２３を流れる作動流体と熱交換することにより加熱された被加熱流体を外部に供給する流路３０の一部を構成している。
　ポンプ２４は、凝縮器２３で凝縮された作動流体を加圧して蒸発器２１に供給する。ポンプ２４は、例えば一般的な容積式ポンプである。
　冷却部３１において加熱された被加熱流体は、暖房又は給湯などの目的で利用される。図１において、流路３０は、加熱された被加熱流体を暖房として利用する暖房回路である。流路３０は、ポンプ３２、冷却部３１、及び放熱器３３がこの順番で配管により接続されて構成されている。これにより、流路３０を被加熱流体が循環している。ポンプ３２により低温の被加熱流体が冷却部３１に供給され、作動流体を冷却する。冷却部３１を通過した高温の被加熱流体は放熱器で自身の保持する熱を外部へ放熱する。これにより、例えば室内暖房が行われる。放熱し低温となった被加熱流体は、ポンプ３２により再び冷却部３１へ供給される。このように、発電装置１Ａ、及び流路３０を備えるコジェネレーションシステム１０Ａが構成されている。これにより、発電装置１Ａの排熱を有効に利用することができる。本実施形態において、被加熱流体は例えば水である。被加熱流体は、凍結防止のために不凍液を含んでいてもよい。
　なお、流路３０は、被加熱流体が循環する流路に限られない。流路３０は、凝縮器２３を流れている作動流体と熱交換することにより加熱された被加熱流体を外部に供給する構成である限り、その態様は特に限定されない。
　発電装置１Ａ及びコジェネレーションシステム１０Ａの動作について説明する。発電装置１Ａの起動直後は、蓄熱材は低温であるので蒸発器２１は作動流体２１を十分に蒸発させることができない。そのため、発電装置１Ａの起動直後において、ランキンサイクル回路２０における作動流体の循環が停止され、又は、ランキンサイクル回路２０における作動流体の循環量は低く設定されている。蓄熱材の温度が上昇するに従い、ランキンサイクル回路２０の作動流体の循環量が上昇するように、ランキンサイクル回路２０が運転される。蓄熱材の温度が目的温度に達した場合、ランキンサイクル回路２０の作動流体の循環量がほぼ一定となるように、ランキンサイクル回路２０が運転される。これにより、発電装置１Ａが安定的に運転される。
　＜変形例＞
　第１実施形態に係る発電装置１Ａ及びコジェネレーションシステム１０Ａは、図２に示すように変形することもできる。この変形例に係る発電装置１Ｂ及びコジェネレーションシステム１０Ｂは、特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様に構成される。本変形例において第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
　発電装置１Ｂにおいて、蓄熱材は、加熱器１３において気液二相である。すなわち、蓄熱材は揮発性の流体である。蒸発器２１は、蓄熱材の気相に位置するように加熱器１３の内部に配置されている。気相の蓄熱材と作動流体とが熱交換することにより、気相である蓄熱材は凝縮して液相へ戻る。これにより、加熱器１３の内部が過剰に高圧になることが抑制されている。また、蓄熱材が加熱器１３において気液二相であることにより、加熱器１３の蓄熱材の温度が安定する。これにより、蒸発器２１での熱交換量が安定し、蒸発器２１を通過した作動流体の状態を一定の範囲に制御することができる。
　加熱器１３において気液二相である蓄熱材は、例えば有機化合物である。蓄熱材が有機化合物であると、蓄熱材として用いる有機化合物を選択することにより、蓄熱材の沸点を適宜調整できる。また、蓄熱材として、複数種類の有機化合物の混合物を用いれば、混合物の組成により蓄熱材の沸点を適宜調整することができる。蓄熱材である有機化合物は、例えば、アルコール、ケトン及び水（加圧水）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。また、蓄熱材である有機化合物の標準沸点が１００℃～２００℃であることが好ましい。これにより、加熱器１３について、比較的低い耐圧基準を採用することができるので、加熱器１３の製造コストを抑制することができる。さらに、蓄熱材である有機化合物は、水又はアルコールであることが好ましい。この構成は、加熱器１３の内部の圧力が過剰に上昇することを防止するために加熱器１３の外部へ蓄熱材を放出する場合に、安全上の観点から好ましい。
　第１実施形態に係る発電装置１Ａ及びコジェネレーションシステム１０Ａは、図３に示すように変形することもできる。この変形例に係る発電装置１Ｃ及びコジェネレーションシステム１０Ｃは、特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様に構成されている。第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
　発電装置１Ｃの加熱器１３は、加熱器１３の本体から取り込んだ蓄熱材を加熱器１３の本体に戻すように蓄熱材を循環させる循環回路１３Ａを備える。循環回路１３Ａは、ポンプ１３Ｂ及び熱交換部１３Ｃを備えている。加熱器１３の本体、ポンプ１３Ｂ及び熱交換部１３Ｃが配管で接続されていることによって循環回路１３Ａが形成されている。熱交換部１３Ｃは、蒸発器２１の一部を構成している。ポンプ１３Ｂにより加熱器１３の本体の内部から熱交換部１３Ｃに供給された蓄熱材は、蒸発器２１を流れる作動流体と熱交換を行う。このようにして蒸発器２１は、作動流体を蒸発させる。熱交換部１３Ｃを通過して低温となった蓄熱材は、加熱器１３の本体に戻り、再び煙道１２の燃焼ガスにより加熱される。ここで、蒸発器２１は例えばプレート式熱交換器である。
　発電装置１Ｃでは、循環回路１３Ａの一部が蒸発器２１を構成している。循環回路１３Ａの蓄熱材は燃焼ガスにより直接加熱されない。従って、加熱器１３の内部に蒸発器２１が設けられる場合よりも燃焼器１１での発熱量の変動の影響を受けにくい。これにより、蒸発器２１での熱交換量が安定し、蒸発器２１を通過した作動流体の状態を一定の範囲に制御することができる。
　第１実施形態に係る発電装置１Ａ及びコジェネレーションシステム１０Ａは、図４に示すように変形することもできる。この変形例に係る発電装置１Ｇ及びコジェネレーションシステム１０Ｇは、特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様に構成されている。第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
　発電装置１Ｇは、加熱器１３が固体の蓄熱材を含む点で発電装置１Ａと異なる。固体の蓄熱材としては、例えば、金属、合金、又はセラミックスを用いることができる。加熱器１３は、固体の蓄熱材を封入するための容器ではなく、固体の蓄熱材の塊として全体が構成されている。この場合、蓄熱材の塊を貫通するように煙道１２が形成されている。また、蒸発器２１は、固体の蓄熱材の塊の中に埋め込まれている。加熱器１３が中空の容器であり、加熱器１３の内部に、例えば、粒状又は粉状の固体の蓄熱材が封入されていてもよい。
　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態に係る発電装置１Ｄ及びコジェネレーションシステム１０Ｄについて説明する。なお、発電装置１Ｄは特に説明する場合を除き第１実施形態の発電装置１Ａと同様に構成される。
　発電装置１Ｄの凝縮器２３は、空冷式の熱交換器であり、例えばフィンチューブ式熱交換器である。図５に示す通り、発電装置１Ｄの凝縮器２３は、作動流体が流れる被冷却部２３Ａと、空気を強制的に被冷却部２３Ａに送るためのファン３６とを備えている。被冷却部２３Ａを流れている作動流体は空気により冷却されて凝縮する。被冷却部２３Ａ及びファン３６は、空気ダクトである流路３５の内部に配置されている。流路３５の空気は凝縮器２３を通過する際に加熱される。この加熱された空気は流路３５を通って外部に供給される。流路３５の下流側の端部は例えば室内に開口している。これにより、加熱された空気が室内に供給されて室内暖房が行われる。すなわち、コジェネレーションシステム１０Ｄにおいては、被加熱流体が空気である。これにより、発電装置１Ｄの排熱を有効利用することができる。
　（第３実施形態）
　次に、第３実施形態に係るコジェネレーションシステム１０Ｅについて説明する。なお、コジェネレーションシステム１０Ｅの発電装置１Ａは、第１実施形態と同様に構成されるので、詳細な説明を省略する。
　コジェネレーションシステム１０Ｅは、発電装置１Ａの排熱を給湯に用いるものである。コジェネレーションシステム１０Ｅは、図６に示すように、被加熱流体が循環する流路３０を備える。被加熱流体は例えば水である。流路３０は、ポンプ３２、凝縮器２３の一部を構成する冷却部３１、及び貯湯タンク３８が配管により接続されて構成されている。低温の水がポンプ３２により冷却部３１に供給される。冷却部３１を流れている水は、被冷却部２３Ａを流れている作動流体と熱交換する。これにより、低温の水が加熱されて温水が生成される。冷却部３１を通過した温水は、貯湯タンク３８に供給される。貯湯タンク３８の内部には熱交換器７２が配置されている。この熱交換器７２に給水管７１及び出湯管７３が接続されている。給水管７１から低温の水が熱交換器７２に供給され、貯湯タンク３８の温水と熱交換する。このようにして生成された温水は出湯管７３から外部に供給されている。すなわち、凝縮器２３で生成された温水は給湯用の熱源として利用することができるようになっている。貯湯タンク３９の底部には低温の水が溜まっており、これがポンプ３２により再び冷却部３１に供給されている。
　第３実施形態に係るコジェネレーションシステム１０Ｅは、図７に示すコジェネレーションシステム１０Ｆのように変形可能である。コジェネレーションシステム１０Ｆは特に説明する場合を除きコジェネレーションシステム１０Ｅと同様に構成されている。
　コジェネレーションシステム１０Ｆにおいては、給水管９１及び出湯管９３が冷却部３１に接続されることにより、被加熱流体の流路３９が構成されている。凝縮器２３において、冷却部３１を流れる被加熱流体と被冷却部２３Ａを流れる作動流体とが熱交換する。ここで、被加熱流体は水である。給水管９１から供給された低温の水は、被冷却部２３Ａを流れている作動流体と熱交換することにより加熱され温水となる。そして、この温水は、出湯管９３から外部に供給される。
　本発明は、木質ペレット、木質チップ、石炭などの固体燃料の燃焼ガスを利用してランキンサイクル回路の作動流体を蒸発させる発電装置及びその発電装置を備えたコジェネレーションシステムに有用である。

Claims (15)

  1. 　固体燃料を燃焼させる燃焼器と、
    　前記燃焼器で発生した燃焼ガスが通過する煙道と、
    　蓄熱材を含み、前記煙道の前記燃焼ガスと前記蓄熱材とを熱交換させることによって前記蓄熱材を加熱する加熱器と、
    　前記加熱器で加熱された前記蓄熱材とランキンサイクルの作動流体とを熱交換させることによって前記作動流体を蒸発させる蒸発器を有するランキンサイクル回路と、
    　を備えた、発電装置。
  2. 　前記加熱器が前記煙道の周囲に配置されている、請求項１に記載の発電装置。
  3. 　前記煙道は、前記加熱器を複数の位置で貫通している、請求項１に記載の発電装置。
  4. 　前記作動流体が有機化合物である、請求項１に記載の発電装置。
  5. 　前記蓄熱材は流体であり、前記加熱器には前記蓄熱材が封入されている、請求項１に記載の発電装置。
  6. 　前記蓄熱材は、前記加熱器において液相である、請求項５に記載の発電装置。
  7. 　前記蒸発器は、液相の前記蓄熱材に浸るように前記加熱器の内部に配置されている、請求項６に記載の発電装置。
  8. 　前記蓄熱材の大気圧下における蒸発温度が１００℃以上である、請求項６に記載の発電装置。
  9. 　前記蓄熱材の発火点が２００℃以上である、請求項６に記載の発電装置。
  10. 　前記蓄熱材がオイルである、請求項１に記載の発電装置。
  11. 　前記オイルがシリコーンオイルである、請求項１０に記載の発電装置。
  12. 　前記蓄熱材は、前記加熱器において気液二相である、請求項１に記載の発電装置。
  13. 　前記蓄熱材が有機化合物である、請求項１２に記載の発電装置。
  14. 　請求項１～１３のいずれか１項に記載の発電装置と、
    　前記ランキンサイクル回路の凝縮器を流れる前記作動流体と熱交換することにより加熱された被加熱流体を外部に供給する流路と、
    　を備えた、コジェネレーションシステム。
  15. 　前記被加熱流体が水又は空気である、請求項１４に記載のコジェネレーションシステム。
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