(57)【要約】【課題】スターリングエンジン発電機を効率よく発電させてより多くの発電量を出力できる発電装置を提供する。【解決手段】発電装置は、少なくとも１つのスターリングエンジン発電機２と、下部に被燃焼物１０を燃焼させる燃焼室１１が設けられかつ上部に燃焼室１１から燃焼ガスが上昇してくる発電室１８が設けられた耐熱容器１と、を備え、スターリングエンジン発電機２は、その受熱部４が発電室１８内に突き出るように耐熱容器１に取り付けられていて、受熱部４が耐熱容器１内で燃焼室１１からの燃焼ガスにより加熱される【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのスターリングエンジン発電機と、下部に被燃焼物を燃焼させる燃焼室が設けられかつ上部に前記燃焼室から燃焼ガスが上昇してくる発電室が設けられた耐熱容器と、を備え、
前記スターリングエンジン発電機は、その受熱部が前記発電室内に突き出るように前記耐熱容器に取り付けられていて、前記受熱部が前記耐熱容器内で前記燃焼室からの燃焼ガスにより加熱される、発電装置。
【請求項２】
前記耐熱容器内には、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記受熱部に衝突するように誘導する誘導手段が設けられている、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記誘導手段は、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記発電室に導出する導出部を有し、前記導出部が前記受熱部の直下に位置している、請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記導出部には、燃焼ガスを旋回させる旋回手段が設けられている、請求項３に記載の発電装置。
【請求項５】
前記導出部の上端のガス出口は、前記受熱部に近接して配置されている、請求項３又は４に記載の発電装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれかに記載の発電装置であって、前記スターリングエンジン発電機を複数備え、
前記誘導手段は、それぞれの前記スターリングエンジン発電機の受熱部に対応するように前記導出部を複数有する、発電装置。
【請求項７】
請求項３〜５のいずれかにに記載の発電装置であって、前記スターリングエンジン発電機を複数備え、
前記導出部は、複数の前記受熱部の直下に位置するようにその外径が設定されている、発電装置。
【請求項８】
前記燃焼室で燃焼される被燃焼物は、廃棄物固形燃料及び／又は石油製品由来物である、請求項１〜７のいずれかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングエンジン発電機を用いた発電装置、特に廃棄プラスチック等を原料とした廃棄物固形燃料や、プラスチック製品等の石油製品由来物を燃焼させる際の燃焼ガスをスターリングエンジン発電機の受熱部の高温熱源とする発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃棄プラスチックは、近年大量に発生しており、包装袋やペットボトル、プラスチック製品等の廃棄物の海洋投棄・不法投棄により環境汚染を引き起こし、世界的に廃棄物処理の問題がとりざたされている。廃棄物処理を実現するための方法として、廃棄物を主原料とした固形燃料を製造する技術が提案されている。これにより、家庭ごみ等の一般廃棄物を主原料とするＲＤＦ（Refuse Derived Fuel）や、産業廃棄物を主原料とするＲＰＦ（Refuse Paper & Plastic Fuel）等の廃棄物固形燃料が国内外で製造され、また、廃棄物が固形燃料を製造するための有価物として海外に輸出されていた。しかし、近年、中国等で廃棄物の輸入が禁止されたため、廃棄プラスチックが日本国内に滞留している。また、廃棄物固形燃料も国内での利用量が伸びていないため、ストックを大量に抱えているのが現状である。
【０００３】
滞留している廃棄プラスチック等を処理するために、また、エネルギーの地産地消や再生エネルギーによるエネルギー循環社会の構築のために、近年、廃棄プラスチック等を燃料として発電を行う技術が提案されている。例えば特許文献１〜３では、いずれもスターリングエンジン発電機を既存の焼却炉やボイラの廃熱経路に設置し、廃熱を利用して発電することで、焼却炉やボイラで使用する燃料と購入電力の低減を図っている。しかし、特許文献１〜３では、焼却や蒸気発生のために用いられて使用を終えた廃熱経路途上の約３００℃から４００℃の減温した燃焼ガス（排気ガス）でスターリングエンジン発電機の発電を行っており、あくまでも焼却炉やボイラに用いられる補機の電力、燃料を補完するための発電であって、余剰電力が生まれるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−９４０５０号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５１０７１号公報
【特許文献３】特開２０１８−８４２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、スターリングエンジン発電機を効率よく発電させてより多くの発電量を出力できる発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発電装置は、少なくとも１つのスターリングエンジン発電機と、下部に被燃焼物を燃焼させる燃焼室が設けられかつ上部に前記燃焼室から燃焼ガスが上昇してくる発電室が設けられた耐熱容器と、を備え、前記スターリングエンジン発電機は、その受熱部が前記発電室内に突き出るように前記耐熱容器に取り付けられていて、前記受熱部が前記耐熱容器内で前記燃焼室からの燃焼ガスにより加熱されることを特徴としている。
【０００７】
本発明の発電装置によれば、燃焼室と一体となっている耐熱容器上部の発電室内に受熱部が突き出るようにスターリングエンジン発電機を耐熱容器に取り付けることで、燃焼室内の高温の燃焼ガスが上昇気流となって発電室に直接導かれ、高温の燃焼ガスが大きく減温することなくスターリングエンジン発電機の受熱部に衝突する。よって、スターリングエンジン発電機を効率よく発電させることができ、より多くの発電量を出力することができる。
【０００８】
本発明の発電装置は、好ましくは、前記耐熱容器内に前記燃焼室からの燃焼ガスを前記受熱部に誘導する誘導手段が設けられる。これにより、燃焼室からの高温の燃焼ガスをできる限り減温させることなくスターリングエンジン発電機の受熱部に衝突させることができる。よって、スターリングエンジン発電機の発電効率をさらに向上させることができる。
【０００９】
本発明の発電装置は、より好ましくは、前記誘導手段は、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記発電室に導出する導出部を有し、前記導出部が前記受熱部の直下に位置している。これにより、燃焼室からの高温の燃焼ガスを効率よくスターリングエンジン発電機の受熱部に衝突させることができる。よって、スターリングエンジン発電機の発電効率をさらに向上させることができる。
【００１０】
本発明の発電装置は、より好ましくは、前記導出部に燃焼ガスを旋回させる旋回手段が設けられている。これにより、燃焼室からの高温の燃焼ガスが旋回しながらスターリングエンジン発電機の受熱部に衝突し、該受熱部に対する高温の燃焼ガスの滞留時間を長くすることができる。よって、スターリングエンジン発電機の受熱部を効率よく加熱できる結果、スターリングエンジン発電機の発電効率をさらに向上させることができる。
【００１１】
本発明の発電装置は、より好ましくは、前記導出部の上端のガス出口は、前記受熱部に近接して配置されている。これにより、スターリングエンジン発電機の受熱部と熱交換し終えた後の減温した燃焼ガスが、導出部の外側から内側に逆流することが防止される。よって、導出部の内側の高温の燃焼ガスが減温することなく受熱部に衝突するため、スターリングエンジン発電機の発電効率をさらに向上させることができる。
【００１２】
本発明の発電装置は、スターリングエンジン発電機を１つ又は複数備えていてよいが、スターリングエンジン発電機を複数備えることで、より多くの発電量を出力することができる。また、この場合には、各スターリングエンジン発電機の発電効率を一層向上させるために、前記誘導手段は、それぞれの前記スターリングエンジン発電機の受熱部に対応するように前記導出部を複数有する、又は、前記導出部は、複数の前記受熱部の直下に位置するようにその外径が設定されていることが好ましい。
【００１３】
本発明の発電装置において、燃焼室で燃焼される被燃焼物は、特に限定されるものではないが、例えばＲＤＦやＲＰＦ等の廃棄物固形燃料、及び／又は、例えばプラスチック製品等の石油製品由来物であることが好ましい。これにより、廃棄プラスチックの処理問題を解決することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の発電装置によれば、スターリングエンジン発電機を効率よく発電させてより多くの発電量を出力することが可能である。よって、エネルギーの地産地消や再生可能エネルギーによるエネルギー循環社会を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の発電装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】旋回手段の外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の発電装置の他の実施形態の概略構成図である。
【図４】本発明の発電装置の他の実施形態の概略構成図である。
【図５】本発明の発電装置の他の実施形態の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。本発明の発電装置は、スターリングエンジン発電機を用いた発電装置であり、特に限定されるわけではないが廃棄物固形燃料及び／又は石油製品由来物等を被燃焼物として燃焼させた際の燃焼ガスをスターリングエンジン発電機の受熱部の高温熱源とする発電装置に関する。
【００１７】
なお、廃棄物固形燃料としては、例えば、家庭ごみ等の一般廃棄物を主原料とするＲＤＦ（Refuse Derived Fuel）や、産業廃棄物を主原料とするＲＰＦ（Refuse Paper & Plastic Fuel）等を例示することができる。また、石油製品由来物は、石油製品を原料として製造されるもの（石油化学製品）であり、例えばプラスチック製品やゴム製品等を例示することができる。石油製品由来物には、廃棄物（一般廃棄物や産業廃棄物）、使用済みの製品、製造工程内での不具合などで発生する半製品、製品仕様変更に伴って発生する旧型式在庫整理品、製造工程や加工工程から排出される屑等を含む。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の発電装置は、密閉された耐熱容器１と、スターリングエンジン発電機２とを備える。発電装置は、本実施形態ではスターリングエンジン発電機２を１つだけ備えているが、複数備えていてもよい。
【００１９】
耐熱容器１は、燃焼ガスの高温（例えば約８００℃から９００℃）に耐えられる耐熱性を具備した容器であり、例えば鉄製又はステンレス製等の金属製である。耐熱容器１の内面には、特に限定されるものではないが例えば約３ｃｍ〜１０ｃｍ厚のキャスタブル３が施されている。耐熱容器１の下部は、燃焼設備を備えた燃焼室１１をなし、耐熱容器１の上部は、スターリングエンジン発電機２が搭載された発電室１８をなす。耐熱容器１の内部には誘導手段７が設けられており、燃焼室１１と発電室１８とは誘導手段７により仕切られている。発電室１８の下部には、排気口５を介して排気路１９が接続されている。
【００２０】
燃焼室１１には、燃焼ガスを噴射するバーナー１５が設けられている。また、燃焼室１１には、被燃焼物１０を貯留した貯蔵槽９から被燃焼物１０を燃焼室１１内に供給するための投入路２２が接続されている。また、燃焼室１１には、燃焼室１１の外部から内部に空気を送り込むためのファン１６が設けられている。バーナー１５により被燃焼物１０を燃焼させると、被燃焼物１０を燃焼させた後の燃焼ガスは、高温の上昇気流となって、耐熱容器１の上部の発電室１８に供給される。なお、本実施形態では、被燃焼物１０が廃棄物固形燃料及び／又は石油製品由来物であるため、バーナー１５による被燃焼物１０の燃焼開始後は、ファン１６から送り込まれる空気により被燃焼物１０が自燃焼し、燃焼ガスが高温の上昇気流となって、耐熱容器１の上部の発電室１８に供給される。
【００２１】
発電室１８には、スターリングエンジン発電機２の受熱部４が発電室１８内に突き出ている。スターリングエンジン発電機２は、受熱部４が耐熱容器１の内部に密閉挿入されかつそれ以外の部分は耐熱容器１の外部にあるように、耐熱容器１の上面に受熱部４が鉛直方向下側を向くようにして取り付けられている。燃焼室１１から上昇してくる高温の燃焼ガスが、燃焼室１１と一体の発電室１８内でスターリングエンジン発電機２の受熱部４に衝突することで、該受熱部４が加熱される。
【００２２】
スターリングエンジン発電機２は、２つのパワーピストンで構成されたα形、ディスプレサーとパワーピストンとが同一シリンダーに配置されたβ形、ディスプレサーとパワーピストンとが異なるシリンダーに配置されたγ形、パワーピストンの下面の空間を利用したダブルアクティング形等の種類があり、特に限定されるものではないが、縦型にピストンが動き小型で扱いやすいβ形のスターリングエンジン発電機を使用することが好ましい。
【００２３】
スターリングエンジン発電機２を耐熱容器１に複数搭載する場合には、一般に入手できる定格１２ｋＷ発電の５００ｋｇ以上の大型のものでは複数搭載することが困難なため、例えばＱnergy社製の定格７．１ｋＷの小型軽量のスターリングエンジン発電機を使用することが好ましい。なお、その他に同様の小型軽量形状で高性能な発電機を使用することもできる。
【００２４】
誘導手段７は、燃焼室１１からの高温の燃焼ガスをスターリングエンジン発電機２の受熱部４に誘導する。誘導手段７により、燃焼室１１からの高温の燃焼ガスができる限り減温することなくスターリングエンジン発電機２の受熱部４に衝突する。誘導手段７は、燃焼室１１からの高温の燃焼ガスを発電室１８に導出する筒状の導出部８を有しており、導出部８がスターリングエンジン発電機２の受熱部４の直下に位置することで、該受熱部４に燃焼室１１からの高温の燃焼ガスを効率よく衝突させている。導出部８の内径は、スターリングエンジン発電機２の受熱部４の外径よりも大きいことが好ましく、例えば約１０％大きくすることができる。
【００２５】
導出部８には、燃焼室１１からの高温の燃焼ガスをスターリングエンジン発電機２の受熱部４に衝突させる際に旋回させる旋回手段６が設けられている。旋回手段６は、図２に示すように、本実施形態では、導出部８の内面から周方向に等間隔に突き出る複数枚の翼からなる。複数の翼は、導出部８の軸方向に対して一定の角度で傾くとともに導出部８の径方向に対して一定の角度で傾くように傾斜している。燃焼室１１からの高温の燃焼ガスが、導出部８を通過する際に旋回手段６により旋回気流となって、スターリングエンジン発電機２の受熱部４に旋回しながら衝突することにより、スターリングエンジン発電機２の受熱部４に対する高温の燃焼ガスの滞留時間を長くしている。なお、旋回手段６は、燃焼室１１からの高温の燃焼ガスを導出部８を通過する際に旋回させることが可能であれば、種々の構造のものを用いることができる。
【００２６】
導出部８の上端のガス出口８０は、スターリングエンジン発電機２の受熱部４との間の空間が僅かとなるように、該受熱部４に近接して配置されている。これにより、スターリングエンジン発電機２の受熱部４と熱交換し終えた後の減温した燃焼ガスが、導出部８の外側から内側に逆流することを防止しており、導出部８の内側の高温の燃焼ガスを減温させることなく該受熱部４に滞留衝突させている。導出部８の上端のガス出口８０と、スターリングエンジン発電機２の受熱部４との間の空間（距離）は、特に限定されるものではなく、ファン１６の送風量により変化するが、例えば約１ｃｍ〜３ｃｍとすることで、導出部８のガス出口８０において燃焼ガスが若干加圧され、導出部８の外側から内側への燃焼ガスの逆流が防止されている。
【００２７】
スターリングエンジン発電機２の受熱部４と熱交換し終えた後の減温した燃焼ガス（排ガス）は、発電室１８の下部の排気路１９から排出される。排気路１９には、冷却器１４が設けられており、排ガスは外気に放出される前に冷却器１４により、例えば３００℃以下、好ましくは２００℃に減温される。冷却器１４において、排ガスを冷却するための冷水には、スターリングエンジン発電機２の冷却に使用した後の冷却水を使用することができる。なお、排ガスを所定温度まで冷却にするための冷水が足りなければ、別途、冷却水を冷却器１４に供給してもよい。冷却器１４から出る水は温水となり、多目的に利用することができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、冷却器１４は水冷式であるが、必ずしも水冷式である必要はなく例えば空冷式等のその他の方式であってもよいが、水冷式であることで、スターリングエンジン発電機２の冷却に使用した冷水を有効活用でき、かつ多目的に利用できる温水を得ることができる。
【００２９】
次に、本実施形態の発電装置の作用・効果について説明する。耐熱容器１の下部の燃焼室１１で廃棄物固形燃料や石油製品由来物等の被燃焼物１０を燃焼させると、高温の燃焼ガスが上昇気流となって、耐熱容器１の上部の発電室１８に設置したスターリングエンジン発電機２の受熱部４に直接導かれる。燃焼室１１で燃焼する被燃焼物１０の低位発熱量は１ｋｇあたり、例えばＲＰＦで７０００ｋカロリー、ＰＳで９６００ｋカロリー、ＰＰで１１１００ｋカロリー、ＰＥで１１０００ｋカロリーと高熱量をもっているため、燃焼室１１の温度は８００℃から９００℃となり、燃焼ガスは高温気流となって、発熱室１８まで上昇する。そして、高温の燃焼ガスが該受熱部４と衝突することで該受熱部４を加熱し、これにより、スターリングエンジン発電機２内のリニア発電ピストン１２が作動して発電する。
【００３０】
このとき、燃焼室１１からの高温の燃焼ガスは誘導路７によりスターリングエンジン発電機２の受熱部４に大きく減温することなく誘導される。また、誘導路７の導出部８が受熱部４の直下にかつ近接して配置されていることにより、燃焼室１１からの高温の燃焼ガスはできる限り減温することがなく、さらに効率よくスターリングエンジン発電機２の受熱部４に衝突する。加えて、導出部８においては旋回手段６により燃焼室１１からの高温の燃焼ガスが旋回する構造となっていることにより、燃焼室１１からの高温の燃焼ガスは、旋回しながらスターリングエンジン発電機２の受熱部４に衝突し、該受熱部４に対して長い滞留時間で衝突する。以上により、本実施形態の発電装置では、８００℃から９００℃の高温の燃焼ガスが効率よくかつ滞留時間長くスターリングエンジン発電機２の受熱部４に衝突することで、該受熱部４が効果的に加熱される。そのため、スターリングエンジン発電機２の発電効率を限りなく高めることができ、例えば定格７．１ｋＷのスターリングエンジン発電機２では、その定格能力を最大限に引き出すことができるから、発電量を最大限に出力することができる。
【００３１】
スターリングエンジン発電機２の受熱部４との熱交換を終えた後の燃焼ガス（排ガス）は約３００℃から４００℃となる。この排ガスは、耐熱容器１の発電室１８の下部に接続された排気路１９に導かれて、排気路１９から外気に排出される。
【００３２】
排ガスの温度が約３００℃から４００℃であると、排ガスが外気と接触した際にダイオキシン類が発生するため、排ガスを外気に放出する際には、排ガスの温度を３００℃以下、好ましくは２００℃にする必要がある。排気路１９に設けられた冷却器１４により、排ガスの温度を例えば２００℃にすることで、ダイオキシン類の発生を防止することができる。このとき、スターリングエンジン発電機２の冷却水を冷却器１４に供給することで、スターリングエンジン発電機２の冷却水を有効活用することができる。また、冷却器１４から排出される水は、水量にもよるが６０℃から８０℃の温水となり、多目的に利用ができる。
【００３３】
以上のように、本実施形態の発電装置では、スターリングエンジン発電機２を効率よく発電させてより多くの発電量を出力することが可能である。よって、エネルギーの地産地消や再生可能エネルギーによるエネルギー循環社会を構築することができる。
【００３４】
加えて、燃焼室１１で燃焼する被燃焼物１０を、例えばＲＤＦやＲＰＦ等の廃棄物固形燃料、及び／又は、例えばプラスチック製品等の石油製品由来物とすることで、廃棄プラスチックの処理問題を解決することができる。さらに、廃棄物固形燃料や石油製品由来物燃料は、化石燃料のように高額ではなく、国内に滞留しているものであるため、発電原価を一般購入電力より低減可能である。
【００３５】
以上、本発明の発電装置の一実施形態について説明したが、本発明の発電装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００３６】
例えば、図３及び図４に示すように、発電装置は、スターリングエンジン発電機２を複数備えていてもよい。なお、図３及び図４に示す発電装置の基本的な構成は上述した図１に示す発電装置の構成と同様であり、ここでは対応する構成に同一の符号を付することで説明を省略する。
【００３７】
発電装置にスターリングエンジン発電機２を複数備えさせる場合には、複数のスターリングエンジン発電機２を、受熱部４が耐熱容器１の内部に密閉挿入されかつそれ以外の部分は耐熱容器１の外部にあるように、また、受熱部４が鉛直方向下側を向くようにして、耐熱容器１の上面に例えば同心円状又はマス目状に取り付ける。
【００３８】
加えて、図３では、誘導手段７に複数の導出部８を設け、それぞれの導出部８に旋回手段６を設けるとともに、それぞれの導出部８を、各スターリングエンジン発電機２の受熱部４に対応するように受熱部４の直下にかつ近接して配置している。これにより、各導出部８から、８００℃から９００℃の高温の燃焼ガスを効率よくかつ滞留時間長く、対応するスターリングエンジン発電機２の受熱部４に衝突させることができる。
【００３９】
一方で、図４では、誘導手段７に設けられた１つの導出部８が、全てのスターリングエンジン発電機２の受熱部４に対応してこれらの直下にかつ近接して配置されるように、導出部８の外径を設定している。これにより、１つの導出部８から、８００℃から９００℃の高温の燃焼ガスを効率よくかつ滞留時間長く、全てのスターリングエンジン発電機２の受熱部４にまとめて衝突させることができる。
【００４０】
よって、各スターリングエンジン発電機２の発電効率を一層向上させることができ、発電装置がスターリングエンジン発電機２を多数備えることで、多量の発電量を出力することが可能な発電所を構成することができ、低額な地域電力供給に貢献することができる。
【００４１】
また、図５に示すように、発電装置は、既存の燃焼炉（焼却炉）２１を燃焼室１１として、既存の燃焼炉（焼却炉）２１に発電室１８を一体にかつ密閉構造となるように接続することで、構築することができる。なお、図５に示す発電装置の基本的な構成は上述した図１に示す発電装置の構成と同様であり、ここでは対応する構成に同一の符号を付することで説明を省略する。
【００４２】
図５に示す発電装置では、既存の燃焼炉（焼却炉）２１の煙道２３を導出部８を有する誘導手段７とし、煙道２３に旋回手段６を設けることで、上述した実施形態と同様に、８００℃から９００℃の高温の燃焼ガスを効率よくかつ滞留時間長く、スターリングエンジン発電機２の受熱部４に衝突させることができる。なお、スターリングエンジン発電機２は、図５では発電室１８に１つだけ搭載されているが、複数搭載されていてもよい。
【００４３】
また、発電装置は、誘導手段７や旋回手段６を備えているのが好ましいが、必ずしも誘導手段７や旋回手段６を備えていなくてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１    耐熱容器
２    スターリングエンジン発電機
４    受熱部
６    旋回手段
７    誘導手段
８    導出部
１０  被燃焼物
１１  燃焼室
１８  発電室
８０  ガス出口
【図１】
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【図２】
2020133544.tif 000004
【図３】
2020133544.tif 000005
【図４】
2020133544.tif 000006
【図５】
2020133544.tif 000007