バイナリ発電装置

【課題】冷却水温が上昇しても、発電量が減少しないバイナリ発電装置を提供する。
【解決手段】蒸発器2において外部から供給される加熱媒体によって作動媒体を蒸発させ、蒸発した作動媒体を発電機7が接続された膨張機3に導入して、膨張機3において作動媒体の熱膨張力を回転力に変換することによって発電機7を駆動して発電し、膨張機3から排出された作動媒体を凝縮器4に導入し、凝縮器4において外部から供給される冷却媒体によって作動媒体を冷却して凝縮させ、凝縮した作動媒体を循環ポンプ5によって加圧して蒸発器2に再供給するバイナリ発電装置1において、凝縮器4における凝縮圧力が高いときには、循環ポンプ5の回転数を高くし、膨張機3の飲み込み量を大きくする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ランキンサイクルによるバイナリ発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、省エネルギーの観点から、工場等の各種の設備からのいわゆる「排熱」を回収し、その回収された「排熱」のエネルギーを利用して発電を行なう発電装置へのニーズが高まっている。「排熱」は、一般的な発電装置に用いられる水蒸気タービンを駆動するための水蒸気を生成できる程には高温でない場合が多いため、低温の熱によって発電できる発電装置が求められている。
【0003】
そのような発電装置として、例えば特許文献1及び非特許文献1に記載されているような、低沸点の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体蒸気に膨張仕事をさせて発電機を駆動するタービン等の膨張機と、作動媒体蒸気を凝縮させるための凝縮器と、作動媒体を加圧して蒸発器に再供給するための循環ポンプとを直列に接続した閉ループ内で作動媒体を循環させるランキンサイクル熱機関を構成するバイナリ発電装置が知られている。
【0004】
ランキンサイクル熱機関において、理論上、膨張機によって取り出せるエネルギーは、蒸発器出口における作動媒体のエンタルピーと凝縮器入口における作動媒体のエンタルピーとの差である。作動媒体は、理想的には、膨張機において、等エントロピー変化をして、凝縮器における凝縮圧力まで圧力低下する。
【0005】
一般に、凝縮器において作動媒体を冷却するための冷熱源としては、クーリングタワーで製造した冷却水等の安価なものが使用される。このため、凝縮器における凝縮温度、即ち、作動媒体の凝縮圧力は、季節によって変動する。つまり、従来のバイナリ発電装置では、夏場には、冷却水の温度が上昇し、凝縮器の入口における作動媒体の温度及び圧力、つまり、エンタルピーが高くなるので、膨張機が取り出せるエネルギー、即ち、発電量が減少するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開昭60−144594号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】井上修行他5名、「排熱発電装置の開発(作動媒体及び膨張タービンの検討)」、エバラ時報、荏原製作所、2006年4月、第211号、p.11−20
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
そこで、本発明の課題は、冷却水温が上昇しても、発電量が減少しないバイナリ発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記課題を解決するために、本発明によるバイナリ発電装置は、蒸発器において外部から供給される加熱媒体によって作動媒体を蒸発させ、蒸発した作動媒体を発電機が接続された膨張機に導入して、前記膨張機において作動媒体の熱膨張力を回転力に変換することによって前記発電機を駆動して発電し、前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮器に導入し、前記凝縮器において外部から供給される冷却媒体によって作動媒体を冷却して凝縮させ、凝縮した作動媒体を循環ポンプによって加圧して前記蒸発器に再供給する発電装置において、前記膨張機は、容積式膨張機であって、前記凝縮器における凝縮圧力が高いときには、前記循環ポンプの回転数を高くするとともに、前記膨張機の飲み込み量を大きくする制御装置を有するものとする。
【0010】
凝縮器における凝縮圧力が高いときには、膨張機が取り出せる作動媒体の単位流量当たりのエネルギーが小さくなるので、作動媒体の流量を増加することにより、発電量の減少を補うことができる。
【0011】
また、本発明のバイナリ発電装置において、前記制御装置は、前記凝縮圧力に応じて前記循環ポンプの回転数を連続的に変化させてもよい。また、前記制御装置は、前記凝縮圧力に応じて前記膨張機の飲み込み量を連続的に変化させてもよい。
【0012】
この構成によれば、凝縮器における凝縮圧力の高低の程度に応じて、適切に作動媒体の流量を増加させることができ、より柔軟且つ適正に、発電量の減少を補う効果を得ることができる。
【0013】
また、本発明のバイナリ発電装置において、前記蒸発器と前記膨張機とを接続する流路と前記膨張機の膨張途中の内部空間とを接続することによって、前記膨張機の飲み込み量を増大させてもよい。
【0014】
この構成によれば、簡単な構成で飲み込み量を調節できる。
【発明の効果】
【0015】
以上のように、本発明によれば、冷却水温が上昇しても、発電量が減少しないバイナリ発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の第1実施形態のバイナリ発電装置の構成図である。
【図2】図1のバイナリ発電における作動媒体の状態変化のモリエル線図である。
【図3】図1のバイナリ発電における凝縮圧力と循環ポンプの回転数及び膨張機の飲み込み量との関係を示す図である。
【図4】本発明の第2実施形態のバイナリ発電装置の構成図である。
【図5】図4のバイナリ発電における凝縮圧力と循環ポンプの回転数及び膨張機の飲み込み量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態のバイナリ発電装置1の構成を示す。バイナリ発電装置1は、蒸発器2、スクリュ膨張機3、凝縮器4及び循環ポンプ5を介設してなり、作動媒体(例えばR245fa)を封入した循環流路6を有する。
【0018】
蒸発器2は、工場等から排出される熱水等で作動媒体を加熱して蒸発させる熱交換器である。蒸発器2は、所定の圧力(例えば0.786MPa)において作動媒体を蒸発させ、作動媒体の蒸気を例えば90℃(過熱度10℃)までさらに加熱する。
【0019】
スクリュ膨張機3は、ケーシング内に形成したロータ室に雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、ロータ室をスクリュロータによって区分して形成した内部空間において熱媒を膨張させることにより、スクリュロータを回転させる容積式膨張機である。スクリュ膨張機3のケーシングの外部に突出したスクリュロータの軸には、発電機7が接続されている。
【0020】
さらに、スクリュ膨張機3は、給気側のポートの大きさを調節して、実質的に作動媒体の膨張工程を開始する時点(循環流路6から切り離された瞬間)の内部空間の容積である飲み込み量を調節するためのスライド弁8を備える。
【0021】
凝縮器4は、クーリングタワーで製造される冷却水のような安価な冷熱源によって、作動媒体を冷却して液化させる熱交換器である。凝縮器4の上流側の圧力は、凝縮器4における作動媒体の凝縮温度により決まる凝縮圧力になる。
【0022】
循環ポンプ5は、凝縮器4において液化した作動媒体を、加圧して蒸発器2に再供給する。循環ポンプ5は、例えばロータリポンプのような容積式ポンプであり、その回転数に比例する量の作動媒体を送出する。循環ポンプ5は、インバータ9によって回転数制御される。
【0023】
また、バイナリ発電装置1は、スクリュ膨張機3と凝縮器4との間の循環流路の圧力、つまり、凝縮器4における凝縮圧力を検出する凝縮圧力検出器10を備え、さらに、凝縮圧力検出器10の検出値に基づいてスライド弁8及びインバータ9を制御する制御装置11を有する。つまり、制御装置11は、スクリュ膨張機3の飲み込み量と循環ポンプ5の回転数とを制御する。
【0024】
図2に、バイナリ発電装置1における作動媒体の状態変化をモリエル線図(P−i線図)に示す。点Aは、スクリュ膨張機3に供給される作動媒体の状態(圧力0.786MPa、90℃)を示す。
【0025】
点Bは、スクリュ膨張機3から排出された作動媒体の凝縮器4における凝縮温度が30℃である場合の状態を示す。点Bにおける圧力は、凝縮器4における凝縮温度(PL=0.179MPa)によって定められる凝縮圧力であり、点Aから点Bへの状態変化は、等エントロピー変化となる。つまり、点Bの位置は、点Aの位置と凝縮器4における凝縮温度とによって一義的に決定される。
【0026】
点Cは、凝縮器4から流出した作動媒体の状態を示し、凝縮温度における飽和液線上の点である。点Dは、蒸発器2の入口における作動媒体の状態を示し、点Cの状態から、循環ポンプ5によって、蒸発器2における作動媒体の蒸発温度によって決定される蒸発圧力まで昇圧されている。蒸発器2は、作動媒体を点Dの状態から点Aの状態に加熱する。
【0027】
さらに、図2には、凝縮器4における凝縮温度が40℃である場合の作動媒体の状態変化を示している。この40℃という値は、夏場の冷却水の温度の上昇に伴って上昇した場合の、凝縮温度の想定値である。スクリュ膨張機3の出口における状態を示す点B’は、点Aから凝縮温度が40℃であるとき凝縮圧力(PH=0.252MPa)まで等エントロピー変化した点である。凝縮器4の出口における状態を示す点C’及び蒸発器2の入口における状態を示す点D’も、凝縮圧力の上昇に伴って移動している。
【0028】
この図において、スクリュ膨張機3が単位量の作動媒体の膨張力を100%動力に変換し、発電機の効率が100%である場合に得られる電力は、点Aにおける比エンタルピーと点Bまたは点B’における比エンタルピーとの差(ΔiまたはΔi’)に一致する。したがって、理想的には、バイナリ発電装置1の発電量は、この比エンタルピーの差(ΔiまたはΔi’)に作動媒体の循環流量を乗じた値となる。
【0029】
制御装置11は、図3に示すように、凝縮圧力検出器10が検出した凝縮器4における凝縮圧力に比例して、スクリュ膨張機3の飲み込み量及び循環ポンプ5の回転数を調節する。即ち、制御装置11は、凝縮器4における凝縮圧力が高いとき(例えば凝縮圧力がPLに比して高いPHであるとき)には、循環ポンプ5の回転数を高くする(例えば循環ポンプ5の回転数をRLに比して高いRHとする)。さらに、制御装置11は、凝縮器4における凝縮圧力が高いとき(例えば凝縮圧力がPLに比して高いPHであるとき)には、膨張機3の飲み込み量を大きくする(例えば膨張機3の飲み込み量をVLに比して大きいVHとする)。
【0030】
尚、制御装置11は、凝縮圧力検出器10の検出値が、凝縮温度が40℃であるときの凝縮圧力(PH=0.252MPa)に達したときに、スクリュ膨張機3の飲み込み量が機械的上限(VH)に達し、且つ、循環ポンプ5の回転数が機械的上限値(RH)に到達するよう、スライド弁8及びインバータ9を調節する。
【0031】
循環ポンプ5の回転数を高くすることによって、その循環ポンプ5から送出される作動媒体の送出量は増加する。ただし、循環流路6を通じる作動媒体の循環流量を増加するには、循環ポンプ5から送出される作動媒体の増加に応じて、作動媒体を受け入れる側のスクリュ膨張機3の飲み込み量も増加する必要がある。即ち、凝縮圧力の上昇に伴って循環ポンプ5の回転数を高くするとともに、スクリュ膨張機3の飲み込み量を増大させることにより、循環流路6を通じる作動媒体の循環流量を円滑に増加することができる。
【0032】
そして、スクリュ膨張機3が動力に変換し得る作動媒体の単位量あたりのエネルギーは、凝縮圧力の上昇に伴って減少するが、凝縮圧力の上昇に伴って循環流路6を循環する作動媒体の流量を増加させることで、スクリュ膨張機3が動力に変換し得るエネルギーの総量を維持できる。即ち、従来、夏場には、冷却水の温度が上昇し、凝縮器4の入口における作動媒体の温度及び圧力、つまり、エンタルピーが高くなるので、スクリュ膨張機3が取り出せるエネルギー、発電量が減少するという問題があったが、本発明にかかるバイナリ発電装置1によれば、その従来の問題を解消し、作動媒体の流量を増加することにより、発電量の減少を補うことができる。
【0033】
尚、制御装置11は、凝縮圧力に応じて循環ポンプ5の回転数を連続的に変化させて、また、スクリュ膨張機3の飲み込み量を連続的に変化させているので、凝縮器4における凝縮圧力の高低の程度に応じて、適切に作動媒体の流量を増加させることができる。即ち、制御装置11は凝縮圧力がPLとPHの間の圧力PM(図示せず)である場合において、その凝縮圧力PMに応じた循環ポンプ5の回転数、スクリュ膨張機3の飲み込み量を設定することができ、(段階的に循環ポンプ5の回転数、スクリュ膨張機3の飲み込み量を設定するものに比して)より柔軟且つ適正に、発電量の減少を補う効果を得ることができる。
【0034】
また、凝縮圧力の上昇に伴ってスクリュ膨張機3の飲み込み量及び循環ポンプ5の回転数の双方を増大させることにより、スクリュ膨張機3の回転数を極端に上昇させることなく、作動媒体の流量を増加することができる。これにより、スクリュ膨張機3の回転数を極端に上昇させることがないため、スクリュ膨張機3の回転数が仕様上の上限回転数(軸受けの寿命の短期化や振動の発生を回避するために定められている上限の回転数)に達する恐れがない。
【0035】
続いて、図4に、本発明の第2実施形態のバイナリ発電装置1aを示す。尚、本実施形態において、第1実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
【0036】
本実施形態のスクリュ膨張機3aは、連続的に飲み込み量を調節することはできないが、2つの異なる飲み込み量を実現できるようになっている。具体的には、スクリュ膨張機3aは、循環流路6から分岐して膨張途中の内部空間に連通する補助流路12を有し、補助供給流路12に設けた補助供給弁13を開放することにより、実質的に飲み込み量を増大させられる。
【0037】
また、本実施形態の循環ポンプ5は、変速装置14を有し、2つの回転速度を実現できるようになっている。変速装置14は、例えばギアボックスのような機械的なものであってもよく、電動機の極数を切り替える装置のような電気的なものであってもよい。
【0038】
本実施形態のバイナリ発電装置1aでは、図5に示すように、凝縮圧力検出器10の検出値が、凝縮温度が40℃であるときの凝縮圧力(PH=0.252MPa)に達したときに、スクリュ膨張機3aの飲み込み量を大きく設定し、且つ、循環ポンプ5の回転数を高く設定する。
【0039】
本実施形態のように、比較的簡単な構成によって、スクリュ膨張機3aの飲み込み量及び循環ポンプ5の回転数を2段階に調節可能とするだけでも、凝縮器4における凝縮温度の上昇による発電量の低下をある程度は補うことが可能である。
【0040】
また、本発明によれば、スクリュ膨張機3,3aの飲み込み量を固定してもよい。さらに、本発明では、スクリュ膨張機3,3aの飲み込み量と循環ポンプ5の回転数とのいずれか一方のみを連続的に制御し、他方を段階的に制御してもよい。また、スクリュ膨張機3,3aの飲み込み量の上限に達する凝縮圧力と、循環ポンプ5の回転数が上限に達する凝縮圧力とを異なる圧力に設定してもよい。
【符号の説明】
【0041】
1,1a…バイナリ発電装置
2…蒸発器
3…スクリュ膨張機
4…凝縮器
5…循環ポンプ
6…循環流路
7…発電機
8…スライド弁
9…インバータ
10…凝縮圧力検出器
11…制御装置
12…補助供給流路
13…補助供給弁
14…変速装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
蒸発器において外部から供給される加熱媒体によって作動媒体を蒸発させ、蒸発した作動媒体を発電機が接続された膨張機に導入して、前記膨張機において作動媒体の熱膨張力を回転力に変換することによって前記発電機を駆動して発電し、前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮器に導入し、前記凝縮器において外部から供給される冷却媒体によって作動媒体を冷却して凝縮させ、凝縮した作動媒体を循環ポンプによって加圧して前記蒸発器に再供給する発電装置において、
前記膨張機は、容積式膨張機であって、
前記凝縮器における凝縮圧力が高いときには、前記循環ポンプの回転数を高くするとともに、前記膨張機の飲み込み量を大きくする制御装置を有することを特徴とするバイナリ発電装置。
【請求項2】
前記制御装置は、前記凝縮圧力に応じて前記循環ポンプの回転数を連続的に変化させることを特徴とする請求項1に記載のバイナリ発電装置。
【請求項3】
前記制御装置は、前記凝縮圧力に応じて前記膨張機の飲み込み量を連続的に変化させることを特徴とする請求項1または2に記載のバイナリ発電装置。
【請求項4】
前記蒸発器と前記膨張機とを接続する流路と前記膨張機の膨張途中の内部空間とを接続することによって、前記膨張機の飲み込み量を増大させることを特徴とする請求項1または2に記載のバイナリ発電装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−15030(P2013−15030A)
【公開日】平成25年1月24日(2013.1.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−146405(P2011−146405)
【出願日】平成23年6月30日(2011.6.30)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,827)
【Fターム(参考)】