(57)【要約】【課題】大型化せずに音量を抑制する。【解決手段】バイナリ発電装置１００は、作動媒体を昇圧するポンプ１１０と、ポンプ１１０によって吐出された作動媒体と、温水とを熱交換させて、作動媒体を気化させる蒸発器１３０と、蒸発器１３０によって気化された作動媒体により発電するタービン発電機１４０と、タービン発電機１４０から排気された作動媒体と、温水より低温の冷水とを熱交換させて、作動媒体を冷却する凝縮器（第１の凝縮器１５０、第２の凝縮器１６０）と、ポンプ１１０の吐出流量が、人間が不快に感じる音量に基づく所定の上限流量以下である場合、タービン発電機１４０の発電出力の目標値および発電出力の実測値に基づいてポンプ１１０を制御し、吐出流量が上限流量を上回る場合、ポンプ１１０の吐出流量を上限流量とする中央制御部１８０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体を昇圧するポンプと、
前記ポンプによって吐出された前記作動媒体と、温水とを熱交換させて、前記作動媒体を気化させる蒸発器と、
前記蒸発器によって気化された前記作動媒体により発電するタービン発電機と、
前記タービン発電機から排気された前記作動媒体と、前記温水より低温の冷水とを熱交換させて、前記作動媒体を冷却する凝縮器と、
前記ポンプの吐出流量が、人間が不快に感じる音量に基づく所定の上限流量以下である場合、前記タービン発電機の発電出力の目標値および前記発電出力の実測値に基づいて前記ポンプを制御し、前記吐出流量が前記上限流量を上回る場合、前記ポンプの前記吐出流量を前記上限流量とする中央制御部と、
を備えるバイナリ発電装置。
【請求項２】
前記ポンプには、前記ポンプの耐久性に基づいて、前記吐出流量の運転上限値が設定されており、
前記上限流量は、前記運転上限値未満である請求項１に記載のバイナリ発電装置。
【請求項３】
前記凝縮器は、
前記タービン発電機から排気された前記作動媒体と、前記温水より低温の第１の冷水とを熱交換させて、前記作動媒体を冷却する第１の凝縮器と、
前記第１の凝縮器から排出された前記作動媒体と、温度または供給流量が前記第１の冷水と異なる第２の冷水と、を熱交換させて、前記作動媒体を冷却する第２の凝縮器と、
を含む請求項１または２に記載のバイナリ発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、バイナリ発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱源で作動媒体を加熱して気化させ、気化した作動媒体で発電を行うバイナリ発電装置が開発されている（例えば、特許文献１）。バイナリ発電装置は、蒸発器、タービン発電機、凝縮器を備える。
【０００３】
蒸発器は、温泉水等の温水（熱源）によって作動媒体を加熱して気化させる。蒸発器によって気化された作動媒体は、タービン発電機のタービンを回転させて発電させる。凝縮器は、例えば、冷却塔によって冷却された冷水で、タービン発電機から排気された作動媒体を冷却して凝縮させる。こうして凝縮された作動媒体は、ポンプで昇圧されて蒸発器に返送される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１９０２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記バイナリ発電装置は、工業地域、商業地域、居住地域、別荘地、温泉場等の人間が活動する場所に設置される。このため、バイナリ発電装置から外部に漏出する音量を、人間が不快に感じる音量未満に抑える必要がある。そこで、バイナリ発電装置の構成要素のうち、音源となる構成要素を遮蔽物（防音壁、防音ケース）で囲繞したり、音源となる構成要素に吸音材（サイレンサ）を取り付けたりすることが考えられる。
【０００６】
しかし、遮蔽物や吸音材を取り付けると、バイナリ発電装置が大型化してしまうという課題がある。
【０００７】
本開示は、このような課題に鑑み、大型化せずに音量を抑制することが可能なバイナリ発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本開示の一態様にかかるバイナリ発電装置は、作動媒体を昇圧するポンプと、ポンプによって吐出された作動媒体と、温水とを熱交換させて、作動媒体を気化させる蒸発器と、蒸発器によって気化された作動媒体により発電するタービン発電機と、タービン発電機から排気された作動媒体と、温水より低温の冷水とを熱交換させて、作動媒体を冷却する凝縮器と、ポンプの吐出流量が、人間が不快に感じる音量に基づく所定の上限流量以下である場合、タービン発電機の発電出力の目標値および発電出力の実測値に基づいてポンプを制御し、吐出流量が上限流量を上回る場合、ポンプの吐出流量を上限流量とする中央制御部と、を備える。
【０００９】
また、ポンプには、ポンプの耐久性に基づいて、吐出流量の運転上限値が設定されており、上限流量は、運転上限値未満であってもよい。
【００１０】
また、凝縮器は、タービン発電機から排気された作動媒体と、温水より低温の第１の冷水とを熱交換させて、作動媒体を冷却する第１の凝縮器と、第１の凝縮器から排出された作動媒体と、温度または供給流量が第１の冷水と異なる第２の冷水と、を熱交換させて、作動媒体を冷却する第２の凝縮器と、を含んでもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、大型化せずに音量を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】バイナリ発電装置の概略的な構成を説明する図である。
【図２】中央制御部によるポンプの制御処理の流れを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１４】
［バイナリ発電装置１００］
図１は、バイナリ発電装置１００の概略的な構成を説明する図である。図１中、作動媒体の流れを実線の矢印で示し、温水および冷水の流れを破線の矢印で示し、信号の流れを一点鎖線の矢印で示す。
【００１５】
図１に示すように、バイナリ発電装置１００は、ポンプ１１０と、加温器１２０と、蒸発器１３０と、タービン発電機１４０と、第１の凝縮器１５０（凝縮器）と、第２の凝縮器１６０（凝縮器）と、流量測定部１７０と、中央制御部１８０と、メモリ１９０とを含む。
【００１６】
ポンプ１１０は、後述する第１の凝縮器１５０および第２の凝縮器１６０によって冷却された作動媒体（冷媒）を昇圧して加温器１２０に送出する。配管１１２は、ポンプ１１０の吸入側と、第２の凝縮器１６０の媒体出口１６２ｂとを接続する。配管１１４は、ポンプ１１０の吐出側と、加温器１２０の媒体入口１２２ａとを接続する。ポンプ１１０は、加温器１２０、蒸発器１３０、タービン発電機１４０、第１の凝縮器１５０、第２の凝縮器１６０に作動媒体を循環させる。
【００１７】
加温器１２０は、例えば、プレートタイプの熱交換器や、シェルアンドチューブタイプの熱交換器で構成される。加温器１２０は、第１温度の温水（熱源）と、ポンプ１１０によって吐出された作動媒体とを熱交換させて、作動媒体を加熱する。温水は、例えば、ボイラ排水、ボイラ排ガス、温泉水、温泉ガス、エンジン冷却排水、エンジン冷却排ガス、工業排水、および、工業排ガスのうち、いずれか１または複数である。第１温度は、例えば、８０℃以上１４５℃未満である。加温器１２０には、例えば、１５ｔ（トン）／ｈ（時間）以上１００ｔ／ｈ以下の流量で第１温度の温水が供給される。
【００１８】
加温器１２０には、媒体流路１２２、および、温水流路１２４が形成される。加温器１２０において、媒体流路１２２と温水流路１２４とは熱伝達可能に面接触している。また、加温器１２０において、作動媒体の流れと温水の流れとが対向流となるように、媒体流路１２２に媒体入口１２２ａおよび媒体出口１２２ｂが形成され、温水流路１２４に温水入口１２４ａおよび温水出口１２４ｂが形成される。配管１２６は、媒体出口１２２ｂと、蒸発器１３０の媒体入口１３２ａとを接続する。
【００１９】
媒体流路１２２には、配管１１４および媒体入口１２２ａを通じて、ポンプ１１０から作動媒体（液体）が導入される。媒体流路１２２の通過過程において、温水によって加熱された作動媒体は、媒体出口１２２ｂおよび配管１２６を通じて、蒸発器１３０に導入される。
【００２０】
一方、温水流路１２４には、温水入口１２４ａを通じて、温水源（例えば、源泉）から温水が導入される。温水流路１２４の通過過程において、作動媒体に熱を伝達することで冷却された温水は、温水出口１２４ｂを通じて外部に排出される。
【００２１】
蒸発器１３０は、例えば、プレートタイプの熱交換器や、シェルアンドチューブタイプの熱交換器で構成される。蒸発器１３０は、第２温度の温水（熱源）と作動媒体とを熱交換させて、作動媒体を加熱する。温水は、例えば、ボイラ排水、ボイラ排ガス、温泉水、温泉ガス、エンジン冷却排水、エンジン冷却排ガス、工業排水、および、工業排ガスのうち、いずれか１または複数である。第２温度は、第１温度より高温であり、例えば、８０℃を上回り１４５℃以下である。蒸発器１３０には、例えば、１５ｔ（トン）／ｈ（時間）以上１００ｔ／ｈ以下の流量で第２温度の温水が供給される。
【００２２】
蒸発器１３０には、媒体流路１３２、および、温水流路１３４が形成される。蒸発器１３０において、媒体流路１３２と温水流路１３４とは熱伝達可能に面接触している。また、蒸発器１３０において、作動媒体の流れと温水の流れとが対向流となるように、媒体流路１３２に媒体入口１３２ａおよび媒体出口１３２ｂが形成され、温水流路１３４に温水入口１３４ａおよび温水出口１３４ｂが形成される。配管１３６は、媒体出口１３２ｂと、タービン発電機１４０における作動媒体の入口１４０ａとを接続する。
【００２３】
媒体流路１３２には、配管１２６および媒体入口１３２ａを通じて、加温器１２０から作動媒体が導入される。媒体流路１３２の通過過程において、温水によって加熱されることで気化した作動媒体は、媒体出口１３２ｂおよび配管１３６を通じて、タービン発電機１４０に導入される。
【００２４】
一方、温水流路１３４には、温水入口１３４ａを通じて、温水源（例えば、源泉）から温水が導入される。温水流路１３４の通過過程において、作動媒体に熱を伝達することで冷却された温水は、温水出口１３４ｂを通じて外部に排出される。
【００２５】
タービン発電機１４０は、蒸発器１３０から導入された作動媒体（気体）によって発電する。具体的に説明すると、タービン発電機１４０は、作動媒体によって回転されるタービンと、タービンの回転によって発電する発電機とを含む。タービン発電機１４０のタービンを通過した作動媒体（気体）は、出口１４０ｂおよび配管１４２を通じて、第１の凝縮器１５０に導入される。
【００２６】
第１の凝縮器１５０は、例えば、プレートタイプの熱交換器や、シェルアンドチューブタイプの熱交換器で構成される。第１の凝縮器１５０は、タービン発電機１４０から排気された作動媒体と、第３温度の第１の冷水（冷熱源）とを熱交換させて、作動媒体を冷却する。第１の冷水は、温水より低温である。第１の冷水は、温度の変動が相対的に小さく、供給流量の変動が相対的に大きい冷水である。第１の冷水は、例えば、工業用水、井戸水、河川水、湧き水、および、地下水のうち、いずれか１または複数である。第３温度は、例えば、２０℃以上３５℃以下である。
【００２７】
第１の凝縮器１５０には、媒体流路１５２、および、冷水流路１５４が形成される。第１の凝縮器１５０において、媒体流路１５２と冷水流路１５４とは熱伝達可能に面接触している。また、第１の凝縮器１５０において、作動媒体の流れと第１の冷水の流れとが対向流となるように、媒体流路１５２に媒体入口１５２ａおよび媒体出口１５２ｂが形成され、冷水流路１５４に冷水入口１５４ａおよび冷水出口１５４ｂが形成される。
【００２８】
媒体流路１５２には、配管１４２および媒体入口１５２ａを通じて、タービン発電機１４０から作動媒体（気体）が導入される。配管１４２は、タービン発電機１４０における作動媒体の出口１４０ｂと媒体入口１５２ａとを接続する。媒体流路１５２の通過過程において、第１の冷水によって冷却されることで凝縮した作動媒体（気液混合物）は、媒体出口１５２ｂおよび配管１５６を通じて、第２の凝縮器１６０に導入される。配管１５６は、媒体出口１５２ｂと、第２の凝縮器１６０の媒体入口１６２ａとを接続する。
【００２９】
一方、冷水流路１５４には、冷水入口１５４ａを通じて、第１の冷水源（例えば、井戸）から第１の冷水が導入される。冷水流路１５４の通過過程において、作動媒体から熱が伝達されて加熱された第１の冷水は、冷水出口１５４ｂを通じて外部（例えば、井戸水タンク）に排出される。
【００３０】
第２の凝縮器１６０は、例えば、プレートタイプの熱交換器や、シェルアンドチューブタイプの熱交換器で構成される。第２の凝縮器１６０は、第３温度の第２の冷水（冷熱源）と作動媒体とを熱交換させて、作動媒体を冷却する（凝縮させる）。第２の冷水は、温水より低温である。第２の冷水は、温度または供給流量（第２の凝縮器１６０への供給される流量）が、第１の冷水と異なる。第２の冷水は、温度の変動が相対的に大きく、供給流量の変動が相対的に小さい冷水である。第２の冷水は、例えば、冷却塔によって冷却された冷水（循環冷却水）である。第２の凝縮器１６０には、例えば、８０ｔ／ｈ以上１２０ｔ／ｈ以下の流量で第３温度の冷水が供給される。
【００３１】
第２の凝縮器１６０には、媒体流路１６２、および、冷水流路１６４が形成される。第２の凝縮器１６０において、媒体流路１６２と冷水流路１６４とは熱伝達可能に面接触している。また、第２の凝縮器１６０において、作動媒体の流れと第２の冷水の流れとが対向流となるように、媒体流路１６２に媒体入口１６２ａおよび媒体出口１６２ｂが形成され、冷水流路１６４に冷水入口１６４ａおよび冷水出口１６４ｂが形成される。
【００３２】
媒体流路１６２には、配管１５６および媒体入口１６２ａを通じて、第１の凝縮器１５０から作動媒体（気液混合物）が導入される。媒体流路１６２の通過過程において、第２の冷水によって冷却されることで凝縮した作動媒体（液体）は、媒体出口１６２ｂおよび配管１１２を通じて、ポンプ１１０に吸引される。
【００３３】
一方、冷水流路１６４には、冷水入口１６４ａを通じて、第２の冷水源（例えば、冷却塔）から第２の冷水が導入される。冷水流路１６４の通過過程において、作動媒体から熱が伝達されて加熱された第２の冷水は、冷水出口１６４ｂを通じて外部（例えば、冷却塔）に返送される。
【００３４】
このように、バイナリ発電装置１００は、第１の凝縮器１５０および第２の凝縮器１６０といったように冷却能力の異なる凝縮器を２台備える構成により、凝縮器を１台しか備えない従来技術と比較して、作動媒体を効率よく凝縮させる（冷却する）ことができる。したがって、バイナリ発電装置１００は、タービン発電機１４０の出口圧力を従来技術より低くすることができ、発電効率を向上させることが可能となる。
【００３５】
流量測定部１７０は、ポンプ１１０によって吐出される作動媒体の流量（以下、「吐出流量」とする）を測定する。
【００３６】
中央制御部１８０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。中央制御部１８０は、後述するメモリ１９０からＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部１８０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働してバイナリ発電装置１００全体を管理および制御する。
【００３７】
メモリ１９０は、ＲＯＭ、ＨＤＤ等で構成される。メモリ１９０は、中央制御部１８０に用いられるプログラムや各種データを記憶する。本実施形態において、メモリ１９０は、後述する上限流量、および、タービン発電機１４０の発電出力の目標値を記憶する。
【００３８】
本実施形態において、中央制御部１８０は、メモリ１９０を参照し、ポンプ１１０の回転数を制御して、吐出流量を制御する。
【００３９】
図２は、中央制御部１８０によるポンプ１１０の制御処理の流れを説明するフローチャートである。本実施形態において、ポンプ１１０の制御処理は、所定の時間間隔毎に生じる割込によって繰り返し遂行される。
【００４０】
（判定処理Ｓ１１０）
中央制御部１８０は、流量測定部１７０によって測定されたポンプ１１０の吐出流量が、所定の上限流量以下であるか否かを判定する。その結果、中央制御部１８０は、吐出流量が上限流量以下である場合（Ｓ１１０におけるＹＥＳ）、通常運転処理Ｓ１２０に処理を移す。一方、中央制御部１８０は、吐出流量が上限流量以下ではない、つまり、吐出流量が上限流量を上回る場合（Ｓ１１０におけるＮＯ）、流量固定処理Ｓ１３０に処理を移す。
【００４１】
ここで、上限流量は、配管１１２、１１４、１２６、１３６、１４２、１５６を作動媒体が通過することによって発生する音の音量に基づいて決定される。具体的に説明すると、配管内を流体が通過する際、流体自体の乱れにより音が発生する。ここで、流体が気体状態である場合、配管を流れる流体の流速が、下記数式（１）に示す流速以上となると、発生する音の音量は、人間が不快に感じる音量以上になることがある。また、流体が液体状態である場合、配管を流れる流体の流速が、９．１５（ｍ／ｓ）以上となると、発生する音の音量は、人間が不快に感じる音量以上になることがある。
流速（ｍ／ｓ）  ＝  １２２  ×  √（流体の比容積ｍ３／ｋｇ）      …数式（１）
【００４２】
配管１１２、１１４、１２６、１５６を通過する作動媒体は、液体状態または気液混合状態であり、配管１３６、１４２を通過する作動媒体は、気体状態である。したがって、配管１１２、１１４、１２６、１５６を通過する作動媒体の流速が９．１５（ｍ／ｓ）となるポンプ１１０の吐出流量と、配管１３６、１４２を通過する作動媒体の流速が上記数式（１）で示す流速（ｍ／ｓ）となるポンプ１１０の吐出流量とのうち、値が小さい吐出流量から所定の安全値を減算した流量を上限流量としてメモリ１９０に予め記憶させておく。
【００４３】
そして、中央制御部１８０は、メモリ１９０に記憶された上限流量を参照して、上記判定処理Ｓ１１０を遂行する。なお、上限流量は、ポンプ１１０の吐出流量の運転上限値未満の値である。運転上限値は、ポンプ１１０の耐久性に基づいて設定される値である。
【００４４】
（通常運転処理Ｓ１２０）
中央制御部１８０は、メモリ１９０を参照し、タービン発電機１４０の発電出力の実測値が、発電出力の目標値となるようにポンプ１１０の回転数を制御する通常運転処理を遂行する。
【００４５】
（流量固定処理Ｓ１３０）
中央制御部１８０は、吐出流量が上限流量となるように、ポンプ１１０の回転数を制御する流量固定処理を遂行する。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態のバイナリ発電装置１００は、中央制御部１８０が、ポンプ１１０の吐出流量を、人間が不快に感じる音量に基づく上限流量以下に制御する。これにより、遮蔽物や吸音材を取り付ける従来技術と比較して、バイナリ発電装置１００を大型化することなく、発生する音の音量を、人間が不快に感じる音量未満に抑制することが可能となる。
【００４７】
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４８】
例えば、上記実施形態において、バイナリ発電装置１００が、加温器１２０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、加温器１２０は、必須の構成ではない。
【００４９】
また、上記実施形態において、バイナリ発電装置１００が、第１の凝縮器１５０および第２の凝縮器１６０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、バイナリ発電装置１００は、第１の凝縮器１５０または第２の凝縮器１６０を備えていればよい。
【００５０】
また、上記実施形態において、第１の冷水として、温度の変動が相対的に小さく、供給流量の変動が相対的に大きい冷水を例に挙げ、第２の冷水として、温度の変動が相対的に大きく、供給流量の変動が相対的に小さい冷水を例に挙げて説明した。しかし、第１の冷水が、温度の変動が相対的に大きく、供給流量の変動が相対的に小さい冷水であってもよいし、第２の冷水が、温度の変動が相対的に小さく、供給流量の変動が相対的に大きい冷水であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本開示は、バイナリ発電装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１００  バイナリ発電装置
１１０  ポンプ
１３０  蒸発器
１４０  タービン発電機
１５０  第１の凝縮器（凝縮器）
１６０  第２の凝縮器（凝縮器）
１８０  中央制御部
【図１】
2020128702.tif 000003
【図２】
2020128702.tif 000004