JP2005291112A - 温度差発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高温熱源と低温熱源を利用して発電する従来の熱発電装置のうち、各種の排熱や海洋温度差などの数十℃以下の低温度差で駆動するものは熱効率が極端に低くなるという欠点があった。
【解決手段】従来数十℃以下の温度差で駆動していた温度差発電の高温熱源として太陽熱などを複合的に利用することにより、温度差を１００℃以上に大きくし、熱効率を高めることができる。さらに従来のガスタービン発電機および内燃機関発電機、燃料電池などとも複合化することにより、産業上の利用可能性を高めた。
【選択図】図２

Description

この発明は、高温熱源と低温熱源を利用して発電する温度差発電装置に関する。
高温熱源と低温熱源を利用して発電する従来の熱発電装置のうち、数十℃以下の低温度差で駆動するものは熱効率が極端に低くなるという欠点があった。その例としては、海洋温度差発電OTEC（Ocean Thermal Energy Conversion）が挙げられる。たとえば、発電効率が最も高いとされるウエハラサイクルを用いたOTECでも、発電効率は５〜６％であった。本発明は、太陽エネルギーなどを複合して用いることにより効率を２０％近くまで飛躍的に向上させうる。
海洋温度差エネルギーのような低温度差エネルギーは賦存量が非常に大きな再生可能エネルギーであり、これを有効することは近年の地球温暖化などの環境問題の緩和に非常に有効である。
A.I.Kalina and H.M.Leibowitz, The Design of a 3MW Kalina Cycle Experimental Plant, ASME 88-GT-140, Amsterdam, June 1988, pp.1-7. 齋藤武雄、安藤啓文、山田昇、若嶋振一郎、ソーラーオーガニックランキンサイクルシステムに関する研究、太陽エネルギー, 30-1 (2004), 55-60. 特開平７−９１３６１号公報
本発明では、太陽熱などを複合化することにより、低温度差で駆動する従来の温度差発電装置の高効率化を課題とする。
以上の課題を解決するために、請求項１および請求項２記載の発明では、低温度差で駆動していた温度差発電の高温熱源として太陽熱などを複合的に利用することにより、温度差を１００℃以上に大きくし、熱効率を高めることができる。
請求項３および請求項４の発明では、請求項１および請求項２記載の温度差発電装置において、さらに高温な燃焼熱を補助熱源にすること、または、高温域で駆動するガスタービン発電機、ディーゼル発電機、燃料電池を複合化してその高温排熱を利用することにより、さらなる高効率化が可能となる。また、請求項５の発明は、より具体的な例として海洋温度差発電に太陽熱発電サイクルを複合化した例である。さらに、請求項６の発明は、各サイクルの動力取り出し部として、低温度差においてタービン効率の高いシンラタービン（SHINLA TURBINE）をして、高効率を図るものである。
この発明の一実施形態を、図１および図２に示す。
図１は本発明のエネルギーフロー図である。太陽エネルギー10から得られた高温熱源（温度T1）は、まず上位のCYCLE Aにより発電(発電量P12)し、温度T2となる。次いで、中位のCYCLE Bにより再び発電（発電量P23）し、温度T3となる。さらに、下位のCYCLE Cにより発電（発電量P34）し、温度T4となる。現状を考えると、各段階での温度は、それぞれT1=250℃、T2=150℃、T3=35℃、T4=5℃程度が考えられる。太陽エネルギー１０からの取得熱量は不安定な場合が多いので、場合によって温度T1を維持するようにバイオガス、水素などの各種の高温燃焼熱を利用して補助加熱１１を加える。さらに下位のCYCLE Cにおいて工場排熱、海洋温度差、温泉などの低温度差１２を利用する。
上記の温度設定の場合、CYCLE Aとしては作動流体に水を用いた水蒸気発電サイクルが適当である。また、CYCLE Bには有機熱媒体や自然冷媒を用いたオーガニック発電サイクルが適当である。また、CYCLE Cには従来の海洋温度差発電サイクルであるカリーナサイクル（非特許文献１参照）もしくはウエハラサイクル（特許文献１参照）用いた実施形態が一般的である。
図２は本発明の装置構成の一例である。太陽エネルギー１０はソーラーコレクタ（太陽熱温水器）により集熱され、温度T1となり蓄熱タンク２に貯蔵される。蓄熱タンク２内には潜熱蓄熱カプセル３が充填されており、単位体積辺りのエネルギー貯蔵量が大幅に向上されている。蓄熱タンク２は高圧蒸気を貯えるアキュムレータとしても機能し、高温高圧の蒸気が蒸気タービン４に送られ発電する。蒸気タービン４を出た蒸気は温度T2となり熱交換器HXにおいて、CYCLE Bの作動流体の高温熱源として利用される。CYCLE Bでも同様にオーガニックタービン５で発電し、温度T3となる。図２に示したCYCLE Cは海洋温度差発電に用いられているウエハラサイクルであり、海洋表層の温海水８と海洋深層水の冷海水９を熱源としている。このウエハラサイクルの蒸発器EVに直列接続した熱交換器EXにより、太陽熱発電サイクルであるCYCLE Bからの排熱T3によってウエハラサイクルの作動流体を加熱もしくは過熱することにより、熱効率を向上させることができる。図２では蒸気タービン４、オーガニックタービン５およびウエハラサイクルのアンモニアタービン６は単一の出力軸に連結され発電機７を駆動しているが、それぞれのタービンに発電機が連結されている場合も考えられる。
以上のように、本実施形態では、熱をカスケード利用することができ、発電効率が大幅に向上できるという特長がある。また、各発電サイクルの作動温度に応じた各種の熱源を有効利用することができる。
図３は実施例１のエネルギーフロー図である。
他の実施例１として、前述の実施形態では、太陽エネルギーを最上位とする構成を示したが、すでに実用化されているガスタービン発電機（マイクロガスタービン含む）、ディーゼルエンジンなどの内燃機関発電機、さらに将来的には燃料電池１３などを最上位とする構成例が考えられる。これらの排熱の温度は200℃以上の場合が多く、太陽エネルギー10はCYCLE Aのプレヒーティングに利用するのが一般的である。
さらに他の実施例２として、前述の実施形態および実施例１において、作動流体からの動力取り出し部に”重ね合わせの概念”に基づくシンラタービン（SHINLA TURBINE）（非特許文献３参照）を適用する場合がある。シンラタービンは比較的単純なディスク状のディスクを軸方向に稠密に多数重ね合わせた構造を有するタービンで、作動流体蒸気から粘性・衝動・反動を複合して高効率に動力を取り出すことのできるタービン機関である。
以上説明したように、本発明の温度差発電装置は、従来の工場排熱を利用した低温度差発電や海洋温度差発電の効率を太陽エネルギーなどの複合化により向上することができる。さらに様々な熱源を有効に利用することができるため、産業上の利用可能性は高い。とくに低緯度の熱帯・亜熱帯地方の島国において有効である。
温度差発電装置の実施形態を示した説明図である。 温度差発電装置の構成を示した説明図である。 温度差発電装置の実施例を示した説明図である。
符号の説明
１ ソーラーコレクタ（太陽集熱器）
２ 蓄熱タンク
３ 潜熱蓄熱カプセル
４ 蒸気タービン
５ オーガニックタービン
６ アンモニアタービン
７ 発電機
８ 温水
９ 冷水
１０ 太陽エネルギー
１１ 補助加熱
１２ 海洋温度差、各種排熱など
１３ ガスタービン発電機など

Claims (6)

  1. 低温度差の高温熱源および低温熱源から動力を得て発電する熱機関のうち、カリーナサイクルもしくはウエハラサイクルに対して、太陽熱による熱発電サイクルを複合化するという特徴を有する温度差発電装置。
  2. カリーナサイクルもしくはウエハラサイクルの上位サイクルとして、太陽熱発電サイクルを複合化するという特徴を有する請求項１記載の温度差発電装置。この場合、太陽熱発電サイクルの低温熱源として、カリーナサイクルもしくはウエハラサイクルの高温熱源を利用する。
  3. バイオガス、水素などの各種の高温燃焼熱を補助熱源とするという特徴を有する請求項１記載の温度差発電装置。
  4. ガスタービン発電機、ディーゼルエンジン発電機、または、燃料電池を複合利用し、これらの高温排熱を利用するという特徴を有する請求項１記載の温度差発電装置。
  5. 海洋表層における温海水を高温熱源に利用し、海洋深層における冷海水を低温熱源に利用する従来の海洋温度差発電サイクルの上位サイクルとして、太陽熱発電サイクルを複合化するという特徴を有する請求項１記載の温度差発電装置。この場合、太陽熱発電サイクルの低温熱源として、海洋温度差発電サイクルの高温熱源である海洋表層における温海水を利用する。
  6. 各熱機関サイクルの作動流体蒸気から動力を取り出す膨張機（エキスパンダ）として、”重ね合わせの概念”に基づくシンラタービン（SHINLA TURBINE）を採用するという特徴を有する請求項１、請求項２、請求項３、請求項４および請求項５記載の温度差発電装置。
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