WO2024079806A1 - 発電装置及び発電方法 - Google Patents

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WO2024079806A1
WO2024079806A1 PCT/JP2022/037946 JP2022037946W WO2024079806A1 WO 2024079806 A1 WO2024079806 A1 WO 2024079806A1 JP 2022037946 W JP2022037946 W JP 2022037946W WO 2024079806 A1 WO2024079806 A1 WO 2024079806A1
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WO
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tube
power generation
moving medium
medium
moving
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PCT/JP2022/037946
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English (en)
French (fr)
Inventor
康夫 宮澤
Original Assignee
株式会社サイネットカンパニー
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Publication date
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    • 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
    • F01K25/10—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 the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G4/00—Devices for producing mechanical power from geothermal energy

Definitions

  • the present invention relates to a power generation device and a power generation method. More specifically, the present invention relates to a power generation device and a power generation method that can improve the power generation efficiency and smooth the circulation function of power generation by using carbon dioxide or the like as a thermal energy transfer medium.
  • geothermal power generation is a renewable energy source and is one of the few forms of power generation that is not derived from solar fusion energy.
  • Geothermal power generation does not depend on energy sources that will eventually become exhaustible, such as uranium, oil, coal, oil shale, and natural gas.
  • geothermal power generation can also be used as a measure to prevent global warming and air pollution, so efforts are being made to expand its use from the perspective of environmental conservation and energy security.
  • a geothermal power generation device has been proposed that can effectively utilize the heat obtained from the geothermal zone on the ground, thereby increasing power generation efficiency (for example, Patent Document 1). Furthermore, in order to effectively utilize the heat obtained from the geothermal zone on the ground by a moving medium, a geothermal power generation system has been proposed that can increase the insulation capacity of the heat medium transfer pipe that transports the moving medium (for example, Patent Document 2).
  • the geothermal power generation devices described in the above patent documents do not have high power generation efficiency because they mainly use steam generated from hot springs, etc. as a transfer medium for utilizing the heat obtained from the geothermal field on the ground.
  • the transfer medium, steam, after being used in the geothermal power generation device is simply released to the outside, so the transfer medium cannot be circulated and used.
  • the transfer medium for utilizing the heat obtained from the geothermal field on the ground is often steam generated from hot springs, etc. Steam generated from hot springs, etc. contains impurities such as sulfur derived from the components of the hot spring water.
  • the object of the present invention is to provide a power generation device and a power generation method that can improve the power generation efficiency of geothermal power generation and circulate and use the transfer medium.
  • the present invention provides (1) a mobile medium storage tank installed in a borehole drilled in a geothermal zone and disposed in a high-temperature underground portion of the geothermal zone; A transfer medium supply unit for supplying a transfer medium to the transfer medium reservoir; A power generation device including a power generation unit for generating power by the moving medium, A power generation device characterized in that the moving medium storage tank comprises a first pipe communicating with the moving medium supply section and a second pipe for drawing out the moving medium that has been vaporized or liquefied before reaching the bottom of the moving medium storage tank.
  • the power generation device described in (1) wherein the moving medium supply unit is provided with a mechanism for changing the moving medium that has been vaporized or liquefied in the moving medium storage tank into a solid state.
  • a power generation device as described in (1) or (2) characterized in that the lower end of the first tube is connected to the lower end of the second tube, and the moving medium that falls inside the first tube rises inside the second tube.
  • the present invention provides a power generation device and a power generation method that can improve the power generation efficiency of geothermal power generation and circulate the moving medium.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a power generating device according to a first embodiment
  • 2 is a diagram showing a cross section of a moving medium storage tank provided in the power generation device of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing the structure of a fixing device for a moving medium provided in a power generating device of a second embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing an outline of a heat accumulation mechanism provided in a power generating device according to a third embodiment.
  • 13 is a diagram showing an outline of an expandable pipe structure on which a compressive force acts, which is provided in a power generation device of a fourth embodiment.
  • 13 is an enlarged view of an expandable pipe structure on which a compressive force acts, the expandable pipe structure being provided in the power generation device of the fourth embodiment; 13 is a diagram showing a Laval nozzle structure provided in a power generation device of a fifth embodiment. 13 is a diagram showing an outline of a power generating device according to a sixth embodiment;
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a power generation apparatus according to a first embodiment.
  • a power generation apparatus 100 according to this embodiment is disposed in a borehole 111 drilled in a geothermal zone 101.
  • the power generation apparatus 100 includes a moving medium storage tank 102 disposed in a high underground temperature portion 112 of the geothermal zone 101.
  • the moving medium storage tank 102 stores a moving medium.
  • the power generation apparatus 100 further includes a moving medium supply unit 104 for supplying a moving medium 103 to the moving medium storage tank 102.
  • the moving medium storage tank 102 includes a first pipe (inner pipe) 122 for moving the moving medium 103 supplied from the moving medium supply unit 104 to the bottom 121, and a second pipe (outer pipe) 123 for leading the moving medium 131 vaporized or liquefied before reaching the bottom 121 to the surface 114 of the geothermal zone 101.
  • the moving medium led out to the surface 114 is supplied to the power generation section.
  • the power generation section includes a turbine 151 and a generator 152.
  • the vaporized or liquefied moving medium 131 rotates the turbine 151.
  • the term "vaporized or liquefied moving medium” refers not only to a completely vaporized moving medium or a completely liquefied moving medium, but also to a moving medium that is partially vaporized and partially liquefied, and a moving medium that has become a supercritical fluid having both gas and liquid properties.
  • the generator 152 generates electricity by converting the mechanical energy generated by the rotation of the turbine 151 into electrical energy.
  • the moving medium 131 is a gas
  • a normal steam turbine can be used as the turbine 151
  • a turbine suitable for the moving medium can be used.
  • two or more types of turbines may be prepared, and the path of the moving medium may be switched depending on the state of the moving medium to select a turbine that can be used for power generation.
  • the used moving medium is recovered and stored in the moving medium recovery section 153.
  • the transfer medium stored in the transfer medium collection unit 153 is supplied to the transfer medium supply unit 104.
  • the power generation device 100 of this embodiment by forming a closed space inside the moving medium storage tank 102 and utilizing the pressure change of the moving medium that accompanies the phase change of the moving medium, the power generation efficiency of geothermal power generation can be improved. Furthermore, the power generation device 100 can form a supercritical state of the moving medium at the bottom 121 of the moving medium storage tank 102 located in the underground high temperature part 112 of the geothermal zone 101. Therefore, by forming a supercritical state of the moving medium 103, the power generation device 100 can smoothly move and circulate the moving medium without having to separately install a device such as a high-pressure pump required to extract the vaporized moving medium 103 to the ground surface 114.
  • a device such as a high-pressure pump required to extract the vaporized moving medium 103 to the ground surface 114.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross section 200 of a moving medium storage tank provided in the power generation device of this embodiment.
  • the cross section 200 of the moving medium storage tank includes a first tube (inner tube) 201 and a second tube (outer tube) 202.
  • the moving medium storage tank may adopt a double tube structure consisting of the first tube (inner tube) 201 and the second tube (outer tube) 202, or may have a multiple tube structure by providing an additional tube between the first tube (inner tube) 201 and the second tube (outer tube) 202.
  • the first tube (inner tube) 201 is a tube for moving the moving medium 103 to the bottom 221.
  • the first tube (inner tube) 201 is formed by an inner wall 211 and an inner wall 212.
  • a gap 213 is formed inside the first tube (inner tube) 201 by the inner wall 211 and the inner wall 212.
  • the lower end 216 of the first tube (inner tube) is an open end.
  • the first tube (inner tube) 201 is connected to the moving medium supply unit 104.
  • a gap 213 formed inside the first tube (inner tube) 201 becomes a path 214 along which the moving medium 103 supplied from the moving medium supply unit 104 moves.
  • the connection 210 between the upper part of the first tube (inner tube) 201 and the moving medium supply unit 104 is connected in a sealed manner to prevent leakage of the moving medium.
  • the moving medium 103 supplied from the moving medium supply unit 104 is introduced from the top of the first tube (inner tube) 201 and falls freely inside the path 214 under the action of gravity.
  • the moving medium 103 supplied from the moving medium supply unit 104 to the first tube (inner tube) 201 is a solid or liquid. As the moving medium 103 falls freely inside the path 214 of the first tube (inner tube) 201, the state of the moving medium 103 changes due to changes in the temperature and pressure inside the path 214.
  • the state of the transfer medium 103 changes from solid to liquid.
  • the state of the transfer medium 103 changes from solid to liquid, and then from liquid to gas.
  • the transfer medium 103 that has changed state passes through a path 214 formed inside the first tube (inner tube) 201, changes state before reaching the bottom 221 of the transfer medium storage tank, and finally becomes a vaporized transfer medium 215.
  • the vaporized transfer medium 215 is discharged from the lower end 216 of the first tube (inner tube) 201.
  • the vaporized transfer medium 215 discharged from the first tube (inner tube) 201 is temporarily stored in the space formed between the lower end 216 and the bottom 221 of the transfer medium storage tank.
  • the first pipe (inner pipe) 201 extends underground from the surface 114 of the geothermal zone.
  • the length of the first pipe (inner pipe) 201 is not particularly limited as long as it reaches the underground high temperature part 112 of the geothermal zone and is shorter than the length of the second pipe (outer pipe) 202, but it is preferably, for example, 100 to 500 m.
  • the second pipe (outer pipe) 202 is a pipe for conducting the vaporized mobile medium 215 from the bottom 221 of the mobile medium storage tank to the surface 114 of the geothermal zone.
  • the second pipe (outer pipe) 202 is formed from the outer wall 220 of the first pipe (inner pipe) 201 and the inner wall 222 of the mobile medium storage tank.
  • a gap 223 is formed between the outer wall 220 and the inner wall 222. In other words, the gap 223 is formed surrounding the first pipe (inner pipe) 201.
  • the first pipe (inner pipe) 201 exists inside the second pipe (outer pipe) 202, forming a double pipe structure.
  • the lower end of the second pipe (outer pipe) 202 is closed and forms the bottom 221.
  • the moving medium 215 that falls inside the first tube (inner tube) 202 passes through this gap, moves to the second tube (outer tube), and rises inside it.
  • the gap 223 formed inside the moving medium storage tank becomes a path along which the vaporized moving medium 215 moves toward the ground surface 114.
  • the second pipe (outer pipe) 202 is connected to the power generation unit 105 installed on the ground surface 114.
  • the vaporized moving medium 215 reaches the power generation unit 105 and drives the turbine equipped in the power generation unit 105.
  • the mechanical energy generated by driving the turbine is converted into electrical energy by the generator.
  • the moving medium is not particularly limited as long as it is a substance that can change state within the moving medium storage tank system and ultimately become a gas or liquid.
  • the moving medium is a substance that can change state from solid to gas under the conditions that can be assumed within the moving medium storage tank system, the range of density change that accompanies the state change will be large. As a result, the pressure change within the moving medium storage tank system will be extremely large, making it possible to generate mechanical energy from a larger fluid.
  • Examples of the transfer medium include, but are not limited to, carbon dioxide, water, low molecular weight hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, pentane, and hexane, olefinic hydrocarbons such as ethylene, propylene, butylene, pentene, and hexene, halogenated hydrocarbons, ammonia, methanol, ethanol, acetone, and mixtures of these.
  • low molecular weight hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, pentane, and hexane
  • olefinic hydrocarbons such as ethylene, propylene, butylene, pentene, and hexene
  • halogenated hydrocarbons such as ammonia, methanol, ethanol, acetone, and mixtures of these.
  • Carbon dioxide and water are preferred because they can form a supercritical state.
  • Carbon dioxide is a supercritical fluid substance that can form a supercritical state.
  • Supercritical fluid substances have intermediate properties between liquid and gaseous states. In other words, supercritical fluid substances have the density of a liquid while possessing the fluidity of a gas. For this reason, the density of a supercritical fluid substance changes greatly with even the smallest changes in pressure or temperature. Therefore, it can be said that a supercritical fluid substance is a heat transfer medium that can convert heat into electrical energy with a smaller amount of work.
  • carbon dioxide which is a supercritical fluid substance, is chemically inactive, does not corrode, and has a high diffusion rate compared to water. For this reason, carbon dioxide is preferable as a heat transfer medium used in the power generation device of this embodiment. In other words, it can be understood that carbon dioxide is a heat transfer medium that can convert thermal energy into electrical energy with a smaller amount of work.
  • supercritical fluid substances have a density almost equal to that of liquids. This means that the pumping force required by the turbine compressor, which acts as a generator, is small, which saves on the energy required for power generation.
  • the density of carbon dioxide, a supercritical fluid substance, at its critical point is approximately half the density of water at the same temperature. For this reason, carbon dioxide is easier to compress than its vapor state, and the amount of work required at the compression stage can be significantly reduced.
  • the power generation device of this embodiment can circulate the heat transfer medium within the system of the device and use it. Furthermore, the power generation device of this embodiment can reduce the effort required to make the heat transfer medium reach the heat source and recover the vaporized transfer medium used in power generation.
  • the geothermal power generation of this embodiment can function with smaller and less expensive compressors and turbines.
  • supercritical carbon dioxide as the heat transfer medium
  • the geothermal power generation of this embodiment can make it possible to configure a compact and highly efficient power generation device.
  • the steam turbine of the power generation device of this embodiment can be designed more simply with several turbine stages and related piping systems.
  • the power generating device of this embodiment is similar to the power generating device of the first embodiment, except that it includes a solidification device for changing the vaporized moving medium into a solid state.
  • the following describes the solidification device for the moving medium, which is a characteristic part of the power generating device of this embodiment.
  • FIG. 3 shows the moving medium supply unit that is provided in the power generation device of this embodiment and is responsible for solidifying the moving medium. As shown in FIG. 3, solidification of the moving medium changes the vaporized moving medium into a solidified moving medium.
  • the moving medium supply unit 300 also supplies the solidified moving medium to the moving medium storage tank.
  • the moving medium supply unit 300 includes a main body 301 for solidifying the vaporized moving medium, a supply pipe 302 for supplying the solidified moving medium to the moving medium storage tank, and a supply pipe 304 for supplying the vaporized moving medium recovered in the moving medium recovery unit to the main body 301.
  • the supply pipe 302 includes a valve 303 for controlling the amount of solidified moving medium.
  • the supply pipe 304 also includes a valve 341 for controlling the amount of vaporized moving medium.
  • the moving medium supply unit 300 manufactures a solidified moving medium using the vaporized moving medium recovered from the moving medium storage tank as a raw material.
  • the vaporized moving medium supplied from the moving medium storage tank becomes a solidified moving medium by being cooled inside the main body unit 301.
  • the main body unit 301 manufactures a solidified moving medium by cooling the vaporized moving medium.
  • the main body 301 is provided with a cooling means 305 inside.
  • the cooling means 305 is provided with an inlet pipe 307 for supplying liquid nitrogen from the outside to the inside of the main body 301, and an inlet pipe 308 for supplying nitrogen gas as a flow gas.
  • the liquid nitrogen supplied to the inlet pipe 307 passes through the cooling means 305 provided inside the main body 301 via the gas supply pipe 306 together with the nitrogen gas as a flow gas.
  • the vaporized transfer medium is deprived of heat by contacting the cooling means 305, and is changed into a solidified transfer medium.
  • the cooling means 305 manufactures a solidified transfer medium using the vaporized transfer medium as a raw material.
  • the nitrogen gas that has passed through the main body 301 is discharged to the outside of the power generation device through the exhaust pipe 309.
  • the power generating device of this embodiment is similar to the power generating device of the first embodiment, except that the moving medium reservoir is provided with a heat accumulation mechanism.
  • the heat accumulation mechanism which is a characteristic part of the power generating device of this embodiment, will be described below.
  • FIG 4 is a model diagram of the heat storage mechanism equipped in the mobile medium storage tank.
  • the heat storage mechanism 400 comprises a first pipe (inner pipe) 401 for supplying solidified mobile medium 402 to the geothermal zone 421, and a second pipe (outer pipe) 433 for supplying vaporized mobile medium 403 to a power generation unit installed on the ground surface.
  • the first pipe (inner pipe) 401 is composed of an inner wall 405 and an inner wall 406.
  • the second pipe (outer pipe) 433 is composed of an inner wall 407 of the mobile medium storage tank and an outer wall 408 of the first pipe (inner pipe).
  • the solidified moving medium 402 moving from the direction of arrow 411 falls due to gravity inside the first tube (inner tube) 401 in the direction of arrow 412.
  • the solidified moving medium 402 that fell in the direction of arrow 412 absorbs the heat from the geothermal zone 421 and changes state, becoming vaporized moving medium 403.
  • the moving medium 403 that has changed into gas moves in the directions of arrows 431 and 432.
  • the moving medium 403 passes through the second tube (outer tube) 433 and moves to the power generation section.
  • the heat storage mechanism provided in the mobile medium storage tank of the power generation device of this embodiment can utilize the heat source of the geothermal zone to change the state of the mobile medium, and ultimately turn the mobile medium that drives the turbine, which is the generator, into a vaporized mobile medium.
  • the power generating device of this embodiment is similar to the power generating device of the first embodiment, except that the first tube has a tube structure on which a compressive force acts by an origami technique.
  • the tube structure on which a compressive force acts which is a characteristic part of the power generating device of this embodiment, will be described.
  • FIG. 5 is a diagram showing a tube structure 500 in which a compressive force is applied by origami techniques to the first tube provided in the power generation device of this embodiment.
  • the tube structure 500 has a portion 503 in which a compressive force is applied inside the first tube, which is composed of inner walls 501 and 502.
  • the portion 503 has an expandable portion 504 that can expand and contract depending on the pressure inside the first tube.
  • the expandable portion 504 contracts.
  • the expandable portion 504 is formed by an origami technique. When viewed from the outside of the inner walls 501 and 502, the expandable portion 504 is composed of a convex mountain fold portion and a concave valley fold portion. The expandable portion 504 is formed by alternating mountain fold portions and valley fold portions. The expandable portion 504 has elasticity. When the pressure inside the first tube is high due to the vaporized moving medium, the expandable portion 504 extends vertically. The volume of the first tube expands as the portion 503 extends, and the pressure inside the first tube can be reduced by forming a gap 505 between the inner walls 501 and 502. It is possible to prevent the first tube from bursting due to the pressure of the vaporized moving medium.
  • the power generation device of this embodiment can flexibly respond to the pressure in the first tube formed by the vaporized moving medium.
  • the pressure inside the first tube is the pressure of the vaporized moving medium. Therefore, the power generation device of this embodiment can flexibly respond to conditions such as temperature and pressure in the geothermal zone in which the power generation device is installed.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the tube structure in which the first tube of the power generation device of this embodiment is subjected to a compressive force generated by origami techniques.
  • the tube structure 600 in which the compressive force generated by origami techniques is applied has an expandable portion 603 formed of mountain fold portions 601 and valley fold portions 602 when viewed from the outside of the first tube.
  • the mountain fold portions 601 and valley fold portions 602 are formed alternately and repeatedly. For this reason, the expandable portion 603 has expandability.
  • the expandable portion 603 can expand and contract in response to the pressure of the first tube formed by the vaporized moving medium.
  • the shape of the expandable portion 603 is not particularly limited as long as it has an expandable structure.
  • the expandable portion 603 only needs to be formed from mountain folds and valley folds when viewed from the outside of the first tube, and the planar shape formed from the mountain folds and valley folds is not particularly limited.
  • the power generating device of this embodiment is similar to the power generating device of the first embodiment, except that the second pipe is provided with a Laval nozzle.
  • the Laval nozzle which is a characteristic part of the power generating device of this embodiment, will be described.
  • FIG. 7 is an enlarged view of the structure of the Laval nozzle provided in the power generation device 700 of this embodiment.
  • the mobile medium storage tank provided in the power generation device 700 of this embodiment has a first pipe (inner pipe) and a second pipe (outer pipe).
  • the second pipe (outer pipe) is composed of an inner wall 701 and an inner wall 702.
  • the solidified moving medium passes through the first tube (inner tube).
  • the moving medium that passes through the first tube (inner tube) falls in the direction of the downward arrow and becomes vaporized moving medium by absorbing heat from the geothermal zone.
  • the vaporized moving medium moves inside the second tube (outer tube) in the direction of the upward arrow.
  • the second tube (outer tube) of the power generation device 700 of this embodiment has a protruding portion 703 whose inner wall 702 approaches the inner wall 701.
  • the path formed by the inner wall 701 and the inner wall 704 of the protruding portion is narrower than the portion that does not have the protruding portion 703.
  • the power generation device 700 of this embodiment can control the pressure of the vaporized mobile medium by providing a narrowed portion of the path through which the vaporized mobile medium passes.
  • the Laval nozzle structure provided in the power generation device 700 of this embodiment is not particularly limited in form as long as it has a narrowed portion of the path through which the vaporized mobile medium passes. There may be only one Laval nozzle structure provided in the second tube, or multiple Laval nozzle structures may be provided. Furthermore, the Laval nozzle structure provided in the power generation device 700 of this embodiment may have a step between the narrowed portion of the path through which the vaporized mobile medium passes and the non-narrowed portion, or may be configured to narrow in a gradual curve.
  • the power generating device of this embodiment is similar to the power generating device of the first embodiment, except that the first tube and the second tube do not have a double-tube structure, but the lower end of the first tube communicates with the lower end of the second tube to form a continuous tube.
  • the power generating device of this embodiment will be described below.
  • FIG. 8 is a diagram showing an overview of a power generation device of the sixth embodiment.
  • the power generation device 800 of this embodiment is placed in a borehole 811 drilled in a geothermal zone 101.
  • the power generation device 800 includes a mobile medium storage tank 802 placed in a high-temperature underground portion 812 of the geothermal zone 101.
  • the mobile medium storage tank 802 stores the mobile medium.
  • the power generation device 800 further includes a mobile medium supply unit 104 for supplying the mobile medium 803 to the mobile medium storage tank 802.
  • the mobile medium storage tank 802 includes a first pipe 822 for moving the mobile medium 803 supplied from the mobile medium supply unit 104 to the bottom 821, and a second pipe 823 for leading the mobile medium 831 that has been vaporized or liquefied before reaching the bottom 821 to the surface 114 of the geothermal zone 101.
  • the lower end of the first tube 822 and the lower end of the second tube 823 are connected to each other, forming a bent bottom 821.
  • the moving medium 803 supplied from the moving medium supply unit 104 is introduced from the upper part of the first tube 822, and falls freely inside the first tube 822 under the action of gravity.
  • the moving medium 803 supplied from the moving medium supply unit 104 to the first tube 822 is solid or liquid.
  • the temperature and pressure inside the tube change, causing the moving medium 803 to vaporize or liquefy, thereby changing its state.
  • the changed-state moving medium 831 reaches the bottom 821.
  • the second pipe 823 is a pipe for leading the moving medium 831 from the bottom 821 of the moving medium storage tank to the surface 114 of the geothermal zone.
  • the second pipe 823 is connected to a power generation unit installed on the surface 114.
  • the power generation unit includes a turbine 151 and a generator 152.
  • the vaporized or liquefied moving medium 831 rotates the turbine 151.
  • the generator 152 generates electricity by converting the mechanical energy generated by the rotation of the turbine 151 into electrical energy.
  • the used moving medium is collected and stored in the moving medium collection unit 153.
  • the moving medium stored in the moving medium collection unit 153 is supplied to the moving medium supply unit 104.
  • the power generation method of this embodiment includes the steps of: supplying a mobile medium to a mobile medium storage tank that is installed in a well drilled in a geothermal zone and located in a high-temperature underground portion of the geothermal zone; extracting the mobile medium that has been vaporized or liquefied before reaching the bottom of the mobile medium storage tank to the surface of the geothermal zone; and generating power using the vaporized or liquefied mobile medium.
  • the power generation method of the present embodiment includes a step of supplying a moving medium to a moving medium storage tank.
  • the moving medium is in a solid or liquid state.
  • the moving medium is supplied from a moving medium supply unit to the moving medium storage tank.
  • the moving medium passes through a path formed from a first pipe formed inside the moving medium storage tank, and absorbs heat from a geothermal zone to become a vaporized or liquefied moving medium by the time it reaches the bottom of the moving medium storage tank.
  • the power generation method of the present embodiment further includes a step of delivering the vaporized or liquefied mobile medium to the surface of the geothermal zone.
  • the vaporized or liquefied mobile medium generates a large pressure in a mobile medium storage tank system of the power generation device.
  • the vaporized or liquefied mobile medium passes through a path formed from a second pipe formed inside the mobile medium storage tank and is delivered to the surface.
  • the power generation method of the present embodiment includes a step of generating power from a vaporized or liquefied moving medium. Fluid energy of the vaporized or liquefied moving medium is converted into mechanical energy by a turbine provided in a power generation unit of the power generation device. The mechanical energy by the turbine is further converted into electrical energy by a generator provided in the power generation unit.
  • the power generation device and power generation method of the present invention can generate electricity by effectively utilizing the thermal energy contained in the heat source zone, providing environmentally friendly, clean energy and contributing to the development of the energy industry.

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Abstract

【課題】　発電効率を向上させ、移動媒体を循環して使用することができる発電装置及び発電方法を提供することにある。 【解決手段】　地熱帯に掘削された坑井内に設置され、前記地熱帯の地下高温部に配置された移動媒体貯留槽と、前記移動媒体貯留槽に移動媒体を供給するための移動媒体供給部と、前記移動媒体により発電をするための発電部と、を備えた発電装置であって、前記移動媒体貯留槽は、前記移動媒体供給部と連通した第１の管と前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに気化又は液化した移動媒体を導出するための第２の管とを備えることを特徴とする。

Description

発電装置及び発電方法
　本発明は、発電装置及び発電方法に関する。さらに、詳しくは、二酸化炭素等を熱エネルギーの移動媒体とすることにより、発電の発電効率の向上及び発電の循環機能の円滑化を図ることができる発電装置及び発電方法に関する。
　いわゆる地熱発電は、再生可能エネルギーであり、太陽の核融合エネルギーを由来としない数少ない発電の一つである。地熱発電は、ウラン、石油、石炭、オイルシェール、天然ガス等の将来的には枯渇するエネルギーには依存しない。同時に、地熱発電は、地球温暖化、大気汚染等の防止策ともなることから、環境保全及びエネルギー安全保障の観点から利用拡大が図られている。
　このような観点から、地熱帯から得られた熱量を地上において有効に利用し、発電効率を高めることができる地熱発電装置が提案されている（例えば、特許文献１）。さらに、地熱帯から得られた熱を地上において移動媒体により有効に利用するために、その当該移動媒体を移送する熱媒体移送管の保温する能力を高めることが可能な地熱発電システムが提案されている（例えば、特許文献２）。
特開２０１８－２００１６１号公報 特開２０１８－０８０６６４号公報
　しかしながら、上記特許文献に記載された地熱発電装置等は、地熱帯から得られた熱を地上において利用するための移動媒体として主に温泉等から発生する水蒸気を用いているため、発電効率が高くない。しかも、地熱発電装置に使用された後の移動媒体である水蒸気は、そのまま外部に放出されてしまうため、移動媒体を循環して使用することができない。また、地熱帯から得られた熱を地上において利用するための移動媒体は、温泉等から発生する水蒸気であることが多い。温泉等から発生する水蒸気には、温泉水の成分に由来する硫黄等の不純物が混ざっている。これらの不純物が、熱井戸や配管類、あるいはタービンの羽根等に付着することにより、経年的に発電量が減少し、長期間の使用が困難となる。そこで、本発明の目的は、地熱発電の発電効率を向上させ、移動媒体を循環して使用することができる発電装置及び発電方法を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明は、
　（１）地熱帯に掘削された坑井内に設置され、前記地熱帯の地下高温部に配置された移動媒体貯留槽と、
　前記移動媒体貯留槽に移動媒体を供給するための移動媒体供給部と、
　前記移動媒体により発電をするための発電部と、を備えた発電装置であって、
　前記移動媒体貯留槽は、前記移動媒体供給部と連通した第１の管と、前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに気化又は液化した移動媒体を導出するための第２の管とを備えることを特徴とする発電装置。
　（２）前記移動媒体供給部は、前記移動媒体貯留槽内で気化又は液化した移動媒体を固体状態に変化させるための機構を備えていることを特徴とする（１）に記載の発電装置。
　（３）前記第１の管は、下端に開口端を有しており、前記第２の管は、下端に閉じた底部を有しており、前記第１の管が前記第２の管の内部に存在し、前記第１の管の前記開口端と前記第２の管の前記底部との間に間隙を有することにより、前記第１の管の内部を落下した前記移動媒体が、前記間隙を通過して前記第２の管に移動し、前記第２の管の内部を上昇する構造となっていることを特徴とする、（１）又は（２）に記載の発電装置。
　（４）前記第１の管の下端部と、前記第２の管の下端部が連通しており、前記第１の管の内部を落下した前記移動媒体が、前記第２の管の内部を上昇する構造となっていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の発電装置。
　（５）前記移動媒体貯留槽は、熱溜め機構を備えていることを特徴とする（１）～（４）のいずれか１に記載の発電装置。
　（６）前記第１の管は、折り紙技法による圧縮力が作用する伸縮管構造を備えることを特徴とする（１）～（５）いずれか１に記載の発電装置。
　（７）前記移動媒体は、二酸化炭素であることを特徴とする（１）～（６）のいずれか１に記載の発電装置。
　（８）前記第２の管は、ラバルノズルを備えていることを特徴とする（１）～（７）のいずれか１に記載の発電装置。
　（９）地熱帯に掘削された坑井内に設置され、前記地熱帯の地下高温部に配置された移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程と、
　前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに気化又は液化した移動媒体を前記地熱帯の地表に導出する工程と、
　前記気化した移動媒体により地熱発電をする工程と、含むことを特徴とする発電方法を提供する。
　本発明によれば、地熱発電の発電効率を向上させ、移動媒体を循環して使用することができる発電装置及び発電方法が提供される。
第１実施形態の発電装置の概要を示した図面である。 第１実施形態の発電装置が備えている移動媒体貯留槽の断面を示した図である。 第２実施形態の発電装置が備えている移動媒体の固定化装置の構造を示した図である。 第３実施形態の発電装置が備えている熱溜め機構の概要を示した図面である。 第４実施形態の発電装置が備えている圧縮力が作用する伸縮管構造の概要を示した図面である。 第４実施形態の発電装置が備えている圧縮力が作用する伸縮管構造を拡大した図面である。 第５実施形態の発電装置が備えているラバルノズル構造を示した図面である。 第６実施形態の発電装置の概要を示した図面である。
　以下に、本発明の例示的な実施形態について、以下に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、工程、処理の流れ等はあくまで一例であり、本発明の技術範囲をそれらの記載のみに限定する趣旨のものではない。
＜第１実施形態＞
　図１は、第１実施形態の発電装置の概要を示した図面である。図１に示されるように本実施形態の発電装置１００は、地熱帯１０１に掘削された坑井内１１１に配置されている。発電装置１００は、地熱帯１０１の地下高温部１１２に配置された移動媒体貯留槽１０２を備えている。移動媒体貯留槽１０２は、移動媒体を貯留する。さらに、発電装置１００は、移動媒体貯留槽１０２に移動媒体１０３を供給するための移動媒体供給部１０４を備えている。移動媒体貯留槽１０２は、移動媒体供給部１０４から供給された移動媒体１０３を底部１２１に移動させるための第１の管（内管）１２２と底部１２１に到達するまでに気化又は液化した移動媒体１３１を地熱帯１０１の地表１１４に導出するための第２の管（外管）１２３を備えている。
　地表１１４に導出された移動媒体は、発電部に供給される。発電部は、タービン１５１及び発電機１５２を備えている。気化又は液化した移動媒体１３１は、タービン１５１を回転させる。本発明において「気化又は液化した移動媒体」とは、完全に気化した移動媒体、完全に液化した移動媒体のみならず、一部が気化して一部が液化した移動媒体や、気体と液体の両方の性質を有する超臨界流体となった移動媒体も含む。発電機１５２は、タービン１５１の回転により発生した機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することにより発電を行う。ここで、タービン１５１は、移動媒体１３１が気体である場合には、通常の蒸気タービンを用いることができ、移動媒体が液体と気体の混合物又は超臨界流体である場合には、それに適したタービンを用いることができる。また、２種類以上のタービンを用意し、移動媒体の状態に応じて、移動媒体の経路を切り替えて発電に使用できるタービンを選択できるようにしてもよい。使用された移動媒体は回収され、移動媒体回収部１５３に収容される。移動媒体回収部１５３に収容された移動媒体は、移動媒体供給部１０４に供給される。
　このように、本実施形態の発電装置１００によれば、移動媒体貯留槽１０２の内部に閉空間を形成し、移動媒体の相変化に伴う移動媒体の圧力変化を利用することによって、地熱発電の発電効率を向上することができる。さらに、発電装置１００は、地熱帯１０１の地下高温部１１２に配置された移動媒体貯留槽１０２の底部１２１において、移動媒体の超臨界状態を形成することができる。このため、発電装置１００は、移動媒体１０３の超臨界状態を形成することによって、気化された移動媒体１０３を地表１１４に導出するために必要な高圧ポンプ等の装置を別途設置することなく、移動媒体を円滑に移動させ、かつ循環させることができる。
　図２は、本実施形態の発電装置が備えている移動媒体貯留槽の断面２００を示した図である。図２に示されるように、移動媒体貯留槽の断面２００は、第１の管（内管）２０１と第２の管（外管）２０２とを備えている。図２に示されるように、移動媒体貯留槽は、第１の管（内管）２０１と第２の管（外管）２０２からなる二重管構造を採用してもよいし、第１の管（内管）２０１と第２の管（外管）２０２との間にさらに別の管を設けて、多重管構造としてもよい。
　第１の管（内管）２０１は、移動媒体１０３を底部２２１に移動させるための管である。図２において、第１の管（内管）２０１は、内壁２１１及び内壁２１２によって形成されている。第１の管（内管）２０１の内部に内壁２１１と内壁２１２によって、隙間２１３が形成される。第１の管（内管）の下端部２１６は、開口端となっている。
　第１の管（内管）２０１は、移動媒体供給部１０４と連通している。第１の管（内管）２０１の内部に形成された隙間２１３は、移動媒体供給部１０４から供給された移動媒体１０３が移動する経路２１４となる。なお、第１の管（内管）２０１の上部と移動媒体供給部１０４との連結部２１０は、移動媒体が漏れることがないように密閉して連結されている。
　移動媒体供給部１０４から供給された移動媒体１０３は、第１の管（内管）２０１の上部から導入され、重力の作用を受けて、経路２１４の内部を自由落下する。移動媒体供給部１０４から第１の管（内管）２０１に供給される移動媒体１０３は、固体又は液体である。移動媒体１０３は、第１の管（内管）２０１の経路２１４の内部を自由落下に伴い、経路２１４の内部の温度及び圧力が変化することによって、状態変化する。
　例えば、移動媒体１０３の蒸気圧が低い場合には、移動媒体１０３の状態は、固体から液体に状態変化する。一方、移動媒体１０３の蒸気圧が高い場合には、移動媒体１０３の状態は、固体から液体に状態変化した後、さらに液体から気体に状態変化する。状態変化した移動媒体１０３は、第１の管（内管）２０１の内部に形成された経路２１４を通過し、移動媒体貯留槽の底部２２１に到達するまでに状態変化し、最終的に気化した移動媒体２１５となる。気化した移動媒体２１５は、第１の管（内管）２０１の下端部２１６より排出される。第１の管（内管）２０１から排出された気化した移動媒体２１５は、下端部２１６と移動媒体貯留槽の底部２２１との間で形成された空間に一旦貯留する。
　第１の管（内管）２０１は、地熱帯の地表１１４から地下方向に延設されている。第１の管（内管）２０１の長さは、地熱帯の地下高温部１１２に達しており、第２の管（外管）２０２の長さよりも短いものであれば、特に制限されるものではないが、例えば、１００～５００ｍであることが好ましい。
　第２の管（外管）２０２は、気化した移動媒体２１５を移動媒体貯留槽の底部２２１から地熱帯の地表１１４に導出するための管である。図２において、第２の管（外管）２０２は、第１の管（内管）２０１の外壁２２０と移動媒体貯留槽の内壁２２２から形成される。外壁２２０と内壁２２２との間に隙間２２３が形成される。すなわち、隙間２２３は、第１の管（内管）２０１を取り囲んで形成されている。第１の管（内管）２０１は、第２の管（外管）２０２の内部に存在しており、二重の管構造となっている。第２の管（外管）２０２の下端は閉じており、底部２２１を形成している。第１の管（内管）の下端部２１６と、第２の管（外管）の底部２２１との間に間隙が存在することにより、第１の管（内管）２０２の内部を落下した移動媒体２１５が、この間隙を通過して、第２の管（外管）に移動し、その内部を上昇できる構造となっている。
　移動媒体貯留槽の内部に形成された隙間２２３は、気化した移動媒体２１５が地表１１４に向かって移動する経路となる。第２の管（外管）２０２は、地表１１４に設置された発電部１０５に接続されている。気化した移動媒体２１５は、発電部１０５に到達し、発電部１０５が備えているタービンを駆動する。タービンが駆動することにより発生した機械的エネルギーは、発電機によって、電気的エネルギーに変換される。
　移動媒体は、移動媒体貯留槽の系内において、状態変化をして最終的に気体又は液体となることができる物質であれば特に制限されるものではない。例えば、移動媒体が移動媒体貯留槽の系内で取り得る条件下において、固体から気体に状態変化できる物質であると、状態変化に伴う密度変化の幅が大きくなる。このため、移動媒体貯留槽の系内における圧力変化がきわめて大きくなり、より大きい流体による機械的エネルギーを発生させることができる。
　移動媒体としては、例えば、二酸化炭素、水、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等の低分子炭化水素、エチレン、プロピレン、ブチレン、ペンテン、ヘキセン等のオレフィン系炭化水素、ハロゲン化炭化水素、アンモニア、メタノール、エタノール、アセトン、これらの混合物等を例示することができるがこれに制限されるものではない。
　これらの中でも、二酸化炭素及び水は、超臨界状態を形成することができるため好ましい。二酸化炭素は、超臨界状態を形成することができる超臨界流体物質である。超臨界流体物質は、液体と気体の両方の状態の中間の特性を有する。すなわち、超臨界流体物質は、液体の密度を有しつつ、気体が有する流動性を備えている。このため、超臨界流体物質は、圧力又は温度の微小な変化により、その密度が大きく変化する。したがって、超臨界流体物質は、より少ない仕事量で熱を電気エネルギーに変換することができる熱の移動媒体であるということができる。
　また、超臨界流体物質である二酸化炭素は、化学的に不活性であり、腐食されることがなく、しかも水と比較して大きい拡散速度を有する。このため二酸化炭素は、本実施形態の発電装置に使用される熱の移動媒体として好ましい。すなわち、二酸化炭素は、より少ない仕事量で熱エネルギーを電気エネルギーに変換することできる熱の移動媒体であることが理解できる。
　さらに、超臨界流体物質は、液体とほぼ同程度の密度を有している。このため、発電機であるタービンの圧縮機が必要とするポンピング力が少量で済むことから、発電に必要なエネルギーを節約することができる。特に、超臨界流体物質である二酸化炭素の臨界点における密度は、同温度における水の密度の約半分である。このため、二酸化炭素は、蒸気の状態に比較して、圧縮が容易であり、当該圧縮段階で行われる仕事量をきわめて減少させることができる。
　このように本実施形態の発電装置は、熱の移動媒体を当該装置の系内において循環して使用することができる。また、本実施形態の発電装置は、熱の移動媒体を熱源に到達させ、発電に使用した気化した移動媒体の回収に必要とする労力も少なくすることができる。特に、本実施形態の地熱発電は、熱の移動媒体として超臨界流体物質である二酸化炭素を用いることにより、発電所もより小型、かつより安価な圧縮機およびタービンで機能することができる。さらに、本実施形態の地熱発電は、熱の移動媒体として超臨界二酸化炭素を用いることにより、コンパクトで非常に効率的な発電装置の構成を可能にする。本実施形態の発電装置が備えている蒸気タービンは、いくつかのタービン段および関連する配管系をより単純に設計することができる。
＜第２実施形態＞
　本実施形態の発電装置は、気化した移動媒体を固体状態に変化させるための固体化装置を備えていること以外は、第１実施形態の発電装置と同様である。以下、本実施形態の発電装置の特徴的部分である移動媒体の固体化装置について説明する。
　図３は、本実施形態の発電装置が備えている移動媒体の固体化を担う移動媒体供給部を示した図である。図３に示されるように、移動媒体の固体化は、気化した移動媒体を固体化した移動媒体に変化させる。
　また、移動媒体供給部３００は、固体化した移動媒体を移動媒体貯留槽に供給する。移動媒体供給部３００は、気化した移動媒体を固体化するための本体部３０１と、固体化した移動媒体を移動媒体貯留槽に供給するための供給管３０２と、移動媒体回収部に回収された気化した移動媒体を本体部３０１に供給するための供給管３０４とを備えている。なお、供給管３０２は固体化された移動媒体の量を制御するためのバルブ３０３を備えている。また、供給管３０４は、気化した移動媒体の量を制御するためのバルブ３４１を備えている。
　移動媒体供給部３００は、移動媒体貯留槽から回収された気化した移動媒体を原料として、固体化された移動媒体を製造する。移動媒体貯留槽から供給された気化した移動媒体は、本体部３０１の内部において、冷却されることによって、固体化した移動媒体となる。すなわち、本体部３０１は、気化した移動媒体を冷却することによって固体化した移動媒体を製造する。
　本体部３０１は、その内部に冷却手段３０５を備えている。冷却手段３０５は、本体部３０１の内部に外部から液体窒素を供給するための導入管３０７と、フローガスとしての窒素ガスを供給するための導入管３０８を備えている。導入管３０７に供給された液体窒素は、フローガスとしての窒素ガスと共にガス供給管３０６を経由して、本体部３０１の内部に備えられている冷却手段３０５を通過する。気化された移動媒体は、冷却手段３０５に接触することにより、熱を奪われ、固体化された移動媒体に変化する。すなわち、冷却手段３０５は、気化された移動媒体を原料として固体化された移動媒体を製造する。なお、本体部３０１を通過した窒素ガスは、排気管３０９を通じて、発電装置の外部に放出される。
＜第３実施形態＞
　本実施形態の発電装置は、移動媒体貯留槽が熱溜め機構を備えていること以外は、第１実施形態の発電装置と同様である。以下、本実施形態の発電装置の特徴的部分である熱溜め機構について説明する。
　図４は、移動媒体貯留槽が備えている熱溜め機構のモデル図である。図４に示されるように、熱溜め機構４００は、固体化された移動媒体４０２を地熱帯４２１に供給するための第１の管（内管）４０１と気化された移動媒体４０３を地表に設けられた発電部に供給するための第２の管（外管）４３３とを備える。第１の管（内管）４０１は、内壁４０５及び内壁４０６から構成されている。第２の管（外管）４３３は、移動媒体貯留槽の内壁４０７及び第１の管（内管）の外壁４０８から構成されている。
　矢印４１１の方向から移動した固体化された移動媒体４０２は、重力によって第１の管（内管）４０１の内部を矢印４１２の方向に落下する。矢印４１２の方向に落下した固定化された移動媒体４０２は、地熱帯４２１が有する熱を吸収して状態変化をして、気化した移動媒体４０３に変化する。気体に変化した移動媒体４０３は、矢印４３１及び矢印４３２の方向に従って、移動する。最終的に移動媒体４０３は、第２の管（外管）４３３を通過して、発電部に移動する。
　このように、本実施形態の発電装置が備えている移動媒体貯留槽が備えている熱溜め機構は、地熱帯が有する熱源を利用して、移動媒体の状態を変化させ、最終的に発電機であるタービンを駆動させる移動媒体を気化された移動媒体とすることができる。
＜第４実施形態＞
　本実施形態の発電装置は、第１の管が折り紙技法による圧縮力が作用する管構造を備えていること以外は、第１実施形態の発電装置と同様である。以下、本実施形態の発電装置の特徴的部分である圧縮力が作用する管構造について説明する。
　図５は、本実施形態の発電装置が備えている第１の管が折り紙技法による圧縮力が作用する管構造５００を示す図である。図５に示されるように、管構造５００は、内壁５０１及び内壁５０２から構成される第１の管の内部に圧縮力が作用する部位５０３を備えている。部位５０３は、第１の管の内部の圧力に応じて、伸縮することができる伸縮部５０４を備えている。
　第１の管の内部の圧力が低いときは、伸縮部５０４は収縮する。伸縮部５０４は、折り紙技法により形成されている。伸縮部５０４は、内壁５０１及び内壁５０２の外部から見て、凸状の山折り部分と凹状の谷折り部分から構成されている。伸縮部５０４は山折り部分と谷折り部分とが交互に繰り返して形成されている。伸縮部５０４は、伸縮性を有している。気化した移動媒体によって、第１の管の内部の圧力が高いときは、伸縮部５０４は、縦方向に伸長する。部位５０３が伸長することによって、第１の管の容積は拡張し、内壁５０１及び内壁５０２との間に隙間５０５を形成することによって、第１の管の内部の圧力を下げることができる。気化した移動媒体の圧力によって、第１の管が破裂することを回避することができる。
　一方、第１の管の内部の圧力が低いときは、伸縮部５０４は、縦方向に収縮する。このように、本実施形態の発電装置は、気化した移動媒体によって形成される第１の管の圧力に柔軟に対応することができる。第１の管の内部の圧力は、気化した移動媒体の圧力である。このため、本実施形態の発電装置は、当該発電装置が設置されている地熱帯の温度、圧力等の条件に柔軟に対応することができる。
　図６は、本実施形態の発電装置が備えている第１の管が折り紙技法による圧縮力が作用する管構造の拡大図である。図６に示されるように、折り紙技法による圧縮力が作用する管構造６００は、第１の管の外部から見て山折り部分６０１と谷折り部分６０２から形成される伸縮部６０３を備えている。山折り部分６０１と谷折り部分６０２とが交互に繰り返し形成されている。このため、伸縮部６０３は、伸縮性を有する。気化した移動媒体が第１の管を通過する際には、気化した移動媒体によって形成される第１の管の圧力に応じて、伸縮部６０３は伸縮することができる。
　本実施形態の発電装置において、伸縮部６０３の形態は、伸縮性を有する構造であれば特に限定されるものではない。伸縮部６０３は、第１の管の外部から見て山折り部分と谷折り部分から形成されていればよく、山折り部分と谷折り部分とから形成される平面形状も特に限定されない。
＜第５実施形態＞
　本実施形態の発電装置は、第２の管がラバルノズルを備えていること以外は、第１実施形態の発電装置と同様である。以下、本実施形態の発電装置の特徴的部分であるラバルノズルについて説明する。
　図７は、本実施形態の発電装置７００が備えているラバルノズルの構造を拡大して示した図である。本実施形態の発電装置７００が備えている移動媒体貯留槽は、第１の管（内管）と第２の管（外管）とを備えている。第２の管（外管）は、内壁７０１と内壁７０２から構成されている。
　固体化された移動媒体は、第１の管（内管）を通過する。第１の管（内管）を通過した移動媒体は、下向きの矢印方向に落下し、地熱帯の熱を吸収することによって気化した移動媒体となる。気化した移動媒体は、上向きの矢印方向に第２の管（外管）の内部を移動する。本実施形態の発電装置７００が備えている第２の管（外管）は、内壁７０２が内壁７０１方向に近づいている突出部７０３を備えている。内壁７０１と突出部の内壁７０４とにより形成される経路は、突出部７０３を備えていない部分に比較して狭くなる。
　このように、本実施形態の発電装置７００は、気化した移動媒体が通過する経路の一部を狭くした部分を設けることによって、気化した移動媒体の圧力を制御することができる。本実施形態の発電装置７００が備えているラバルノズル構造は、気化した移動媒体が通過する経路の一部を狭くした部分が設けられていれば、その形態は特に限定されるものではない。ラバルノズル構造は、第２の管に１つだけ設けられていてもよいし、複数設けられていてもよい。また、本実施形態の発電装置７００が備えているラバルノズル構造は、気化した移動媒体が通過する経路の一部を狭くした部分が狭くしていない部分と段差があってもよいし、緩やかに曲線を描いて狭くなって構成されていてもよい。
＜第６実施形態＞
　本実施形態の発電装置は、第１の管と第２の管が二重管構造とはならず、第１の管の下端部と第２の管の下端部が連通することにより連続した管となること以外は、第１実施形態の発電装置と同様である。以下、本実施形態の発電装置について説明する。
　図８は、第６実施形態の発電装置の概要を示した図面である。図８に示されるように本実施形態の発電装置８００は、地熱帯１０１に掘削された坑井内８１１に配置されている。発電装置８００は、地熱帯１０１の地下高温部８１２に配置された移動媒体貯留槽８０２を備えている。移動媒体貯留槽８０２は、移動媒体を貯留する。さらに、発電装置８００は、移動媒体貯留槽８０２に移動媒体８０３を供給するための移動媒体供給部１０４を備えている。移動媒体貯留槽８０２は、移動媒体供給部１０４から供給された移動媒体８０３を底部８２１に移動させるための第１の管８２２と底部８２１に到達するまでに気化又は液化した移動媒体８３１を地熱帯１０１の地表１１４に導出するための第２の管８２３を備えている。
　第１の管８２２の下端部と、第２の管８２３の下端部とは、互いに連通しており、屈曲した底部８２１を形成している。これにより、第１の管８２２と第２の管８２３は、連続した一本の管となっている。移動媒体供給部１０４から供給された移動媒体８０３は、第１の管８２２の上部から導入され、重力の作用を受けて、第１の管８２２の内部を自由落下する。移動媒体供給部１０４から第１の管８２２に供給される移動媒体８０３は、固体又は液体である。移動媒体８０３は、第１の管８２２の内部での自由落下に伴い、管内の温度及び圧力が変化することによって、気化又は液化することにより、状態変化する。状態変化した移動媒体８３１は、底部８２１に達する。
　第２の管８２３は、移動媒体８３１を移動媒体貯留槽の底部８２１から地熱帯の地表１１４に導出するための管である。第２の管８２３は、地表１１４に設置された発電部に接続されている。発電部は、タービン１５１及び発電機１５２を備えている。気化又は液化した移動媒体８３１は、タービン１５１を回転させる。発電機１５２は、タービン１５１の回転により発生した機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することにより発電を行う。使用された移動媒体は回収され、移動媒体回収部１５３に収容される。移動媒体回収部１５３に収容された移動媒体は、移動媒体供給部１０４に供給される。　
＜第７実施形態＞
　本実施形態の発電方法は、地熱帯に掘削された坑井内に設置され、前記地熱帯の地下高温部に配置された移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程と、前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに気化又は液化した移動媒体を前記地熱帯の地表に導出する工程と、前記気化又はした移動媒体により発電をする工程と含む。以下、各工程について説明する。
（移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程）
　本実施形態の発電方法は、移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程を含む。移動媒体は、固体又は液体の状態である。移動媒体は、移動媒体供給部から移動媒体貯留槽に供給される。移動媒体は、移動媒体貯留槽の内部に形成された第１の管から形成される経路を通過して、移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに、地熱帯の熱を吸収して気化又は液化した移動媒体となる。
（気化又は液化した移動媒体を地熱帯の地表に導出する工程）
　本実施形態の発電方法は、さらに、気化又は液化した移動媒体を地熱帯の地表に導出する工程を含む。気化又は液化した移動媒体は、発電装置が備えている移動媒体貯留槽の系内において、大きな圧力を発生する。気化又は液化した移動媒体は、移動媒体貯留槽の内部に形成された第２の管から形成される経路を通過して、地表に導出される。
（移動媒体により発電をする工程）
　本実施形態の発電方法は、気化又は液化した移動媒体により発電をする工程を含む。気化又は液化した移動媒体の流体エネルギーは、発電装置の発電部が備えているタービンによって機械的エネルギーに変換される。さらに、タービンによって機械的エネルギーは、発電部が備えている発電機により電気的エネルギーに変換される。
＜他の実施形態＞
　以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせた装置又はプロセスも本発明の範疇に含まれる。
　本発明の発電装置及び発電方法は、熱源帯が有する熱エネルギーを有効に利用して発電することができるので、環境にもやさしくクリーンなエネルギーを提供できるものであり、エネルギー産業の発達に寄与することができる。
　１００　発電装置
　１０１　地熱帯
　１０２　移動媒体貯留槽
　１０３　移動媒体
　１０４　移動媒体供給部
　１０５　発電部
　１１１　坑井内
　１１２　地下高温部
　１１４　地表
　１２１　底部
　１２２　第１の管（内管）
　１２３　第２の管（外管）
　１３１　移動媒体
　１５１　タービン
　１５２　発電機
　１５３　移動媒体回収部
　２００　移動媒体貯留槽の断面
　２０１　第１の管（内管）
　２０２　第２の管（外管）
　２１０　連結部
　２１１　内壁
　２１２　内壁
　２１３　隙間
　２１４　経路
　２１５　移動媒体
　２１６　下端部
　２２０　外壁
　２２１　底部
　２２２　内壁
　２２３　隙間
　

Claims (9)

  1. 　地熱帯に掘削された坑井内に設置され、前記地熱帯の地下高温部に配置された移動媒体貯留槽と、
    　前記移動媒体貯留槽に移動媒体を供給するための移動媒体供給部と、
    　前記移動媒体により発電をするための発電部と、を備えた発電装置であって、
    　前記移動媒体貯留槽は、前記移動媒体供給部と連通した第１の管と、前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに気化又は液化した移動媒体を導出するための第２の管とを備えることを特徴とする発電装置。
  2. 　前記移動媒体供給部は、前記移動媒体貯留槽内で気化又は液化した移動媒体を固体状態に変化させるための機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  3. 　前記第１の管は、下端に開口端を有しており、
    　前記第２の管は、下端に閉じた底部を有しており、
    　前記第１の管が前記第２の管の内部に存在し、前記第１の管の前記開口端と前記第２の管の前記底部との間に間隙を有することにより、
    　前記第１の管の内部を落下した前記移動媒体が、前記間隙を通過して前記第２の管に移動し、前記第２の管の内部を上昇する構造となっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の発電装置。
  4. 　前記第１の管の下端部と、前記第２の管の下端部が連通しており、
    　前記第１の管の内部を落下した前記移動媒体が、前記第２の管の内部を上昇する構造となっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の発電装置。
  5. 　前記移動媒体貯留槽は、熱溜め機構を備えていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の発電装置。
  6. 　前記第１の管は、折り紙技法による圧縮力が作用する伸縮管構造を備えることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の発電装置。
  7. 　前記移動媒体は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の発電装置。
  8. 　前記第２の管は、ラバルノズルを備えていることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の発電装置。
  9. 　地熱帯に掘削された坑井内に設置され、前記地熱帯の地下高温部に配置された移動媒体貯留槽に移動媒体を供給する工程と、
    　前記移動媒体貯留槽の底部に到達するまでに気化又は液化した移動媒体を前記地熱帯の地表に導出する工程と、
    　前記気化又は液化した移動媒体により発電をする工程と、含むことを特徴とする発電方法。
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