(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環部とヒートポンプと低温側熱交換器と高温側熱交換器と発電機とを有し、
前記循環部は第１圧縮機と熱源とタービンとを有し、前記第１圧縮機と前記タービンとの間を循環する第１作動流体を有し、前記第１圧縮機は前記第１作動流体を圧縮するよう設けられ、前記熱源は前記第１圧縮機で圧縮された前記第１作動流体を加熱するよう設けられ、前記タービンは前記熱源で加熱された前記第１作動流体により駆動可能に設けられ、
前記ヒートポンプは膨張機と第２圧縮機と放熱部とを有し、前記膨張機と前記第２圧縮機との間を循環する第２作動流体を有し、前記膨張機は前記第２作動流体を膨張させるよう設けられ、前記第２圧縮機は前記膨張機で膨張された前記第２作動流体を圧縮するよう設けられ、前記放熱部は前記第２圧縮機で圧縮された前記第２作動流体の熱を放散させるよう設けられ、
前記低温側熱交換器は、前記タービンから前記第１圧縮機に向かう前記第１作動流体および前記放熱部から前記膨張機に向かう前記第２作動流体と、前記膨張機から前記第２圧縮機に向かう前記第２作動流体との間で熱交換を行い、前記膨張機から前記第２圧縮機に向かう前記第２作動流体を加熱するよう設けられ、
前記高温側熱交換器は、前記タービンから前記第１圧縮機に向かう前記低温側熱交換器より上流側の前記第１作動流体と、前記第１圧縮機から前記熱源に向かう前記第１作動流体との間で熱交換を行い、前記第１圧縮機から前記熱源に向かう前記第１作動流体を加熱するよう設けられ、
前記発電機は前記タービンの駆動により発電可能に設けられていることを、
特徴とする発電システム。
【請求項２】
作動流体と断熱容器と循環部とヒートポンプと低温側熱交換器と高温側熱交換器と中間熱交換器と発電機とを有し、
前記断熱容器は液体および気体の前記作動流体を収納しており、
前記循環部は昇圧ポンプと熱源とタービンとを有し、前記昇圧ポンプは前記断熱容器から送られた液体の前記作動流体を圧縮するよう設けられ、前記熱源は前記昇圧ポンプで圧縮された前記作動流体を加熱するよう設けられ、前記タービンは前記熱源で加熱された前記作動流体により駆動可能に設けられ、
前記ヒートポンプは圧縮機と放熱部と膨張機とを有し、前記圧縮機は前記タービンを駆動した後の前記作動流体および前記断熱容器から送られた気体の前記作動流体を圧縮するよう設けられ、前記放熱部は前記圧縮機で圧縮された前記作動流体の熱を放散させるよう設けられ、前記膨張機は前記放熱部で熱を放散した前記作動流体を膨張させた後、前記断熱容器に送るよう設けられ、
前記低温側熱交換器は、前記断熱容器から前記圧縮機に送られる前記作動流体および前記放熱部から前記膨張機に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱するよう設けられ、
前記高温側熱交換器は、前記タービンから前記圧縮機に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記低温側熱交換器より下流側の前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱するよう設けられ、
前記中間熱交換器は、前記圧縮機から前記放熱部に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記低温側熱交換器と前記高温側熱交換器との間の前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱して気化するよう設けられ、
前記発電機は前記タービンの駆動により発電可能に設けられていることを、
特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱機関を利用した発電システムとして、作動流体を圧縮してその温度を高める段階と、作動流体と熱源との間で熱を交換して作動流体を過熱する段階と、過熱された作動流体を膨張させてタービンを駆動し、それにより温度を低下させる段階と、作動流体を凝縮してその温度をさらに低下させる段階と、作動流体を圧縮段階に戻す段階とを備え、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体が、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体と熱を交換して作動流体の熱を再生するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、蒸気タービンから排出される排気蒸気の廃熱を吸収式ヒートポンプで回収して復水を昇温させることにより、発電量を増加させるものもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５３７７７４号公報
【特許文献２】特開平８−２１２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１および２に記載のような従来の発電システムは、発電効率を高めるよう構成されているものの、まだ発熱損失や廃熱が多いという課題があった。このため、より高効率の発電システムが望まれている。
【０００５】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる発電システム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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る発電システムは、循環部とヒートポンプと低温側熱交換器と高温側熱交換器と発電機とを有し、前記循環部は第１圧縮機と熱源とタービンとを有し、前記第１圧縮機と前記タービンとの間を循環する第１作動流体を有し、前記第１圧縮機は前記第１作動流体を圧縮するよう設けられ、前記熱源は前記第１圧縮機で圧縮された前記第１作動流体を加熱するよう設けられ、前記タービンは前記熱源で加熱された前記第１作動流体により駆動可能に設けられ、前記ヒートポンプは膨張機と第２圧縮機と放熱部とを有し、前記膨張機と前記第２圧縮機との間を循環する第２作動流体を有し、前記膨張機は前記第２作動流体を膨張させるよう設けられ、前記第２圧縮機は前記膨張機で膨張された前記第２作動流体を圧縮するよう設けられ、前記放熱部は前記第２圧縮機で圧縮された前記第２作動流体の熱を放散させるよう設けられ、前記低温側熱交換器は、前記タービンから前記第１圧縮機に向かう前記第１作動流体および前記放熱部から前記膨張機に向かう前記第２作動流体と、前記膨張機から前記第２圧縮機に向かう前記第２作動流体との間で熱交換を行い、前記膨張機から前記第２圧縮機に向かう前記第２作動流体を加熱するよう設けられ、前記高温側熱交換器は、前記タービンから前記第１圧縮機に向かう前記低温側熱交換器より上流側の前記第１作動流体と、前記第１圧縮機から前記熱源に向かう前記第１作動流体との間で熱交換を行い、前記第１圧縮機から前記熱源に向かう前記第１作動流体を加熱するよう設けられ、前記発電機は前記タービンの駆動により発電可能に設けられていることを、特徴とする。
【０００７】
本発明に係る発電システムは、以下のようにして、タービンで発電機を駆動して発電することができる。まず、循環部において、第１圧縮機で圧縮された第１作動流体が、高温側熱交換器で熱交換により加熱され、熱源で、タービンを駆動可能な温度、例えば５００〜１０００℃程度までさらに加熱される。加熱された第１作動流体でタービンを駆動し、それにより発電機を駆動して発電を行う。タービンを駆動した第１作動流体は、高温側熱交換器で熱交換により熱を奪われて温度が下がり、さらに低温側熱交換器で熱交換により熱を奪われて温度が下がる。温度低下した第１作動流体は、再び第１圧縮機で圧縮されてタービンに向かう。
【０００８】
次に、ヒートポンプにおいて、膨張機で膨張された第２作動流体が、低温側熱交換器で熱交換により加熱され、さらに第２圧縮機で圧縮される。圧縮された第２作動流体は、放熱部で熱を放散して温度が下がり、さらに低温側熱交換器で熱交換により熱を奪われて温度が下がる。温度低下した第２作動流体は、再び膨張機で膨張されて第２圧縮機に向かう。このように、本発明に係る発電システムは、ヒートポンプ、高温側熱交換器および低温側熱交換器を使用することにより、発電効率を高めることができる。
【０００９】
本発明に係る発電システムは、ヒートポンプを室温近くで作動させることにより、熱効率を高めることができるとともに、放熱部からの放熱を暖房や給湯、第１作動流体の昇温等に効率よく利用することができる。ヒートポンプの第２圧縮機での圧縮比を低くし、温度上昇を抑えることにより、圧縮効率を高めることができる。また、循環部の第１圧縮機で、低温から圧縮することにより、発熱による損失を減らすことができる。低圧縮比の第２作動流体を利用して、高圧の第１作動流体を得ることができるため、動力的には等温圧縮に近づけることができる。このように、本発明に係る発電システムは、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる。また、圧力を大気圧程度にすることにより、より安全かつ小規模化も可能なシステムを構成することができる。
【００１０】
本発明に係る発電システムは、タービンの駆動により駆動可能に、第１圧縮機、膨張機、第２圧縮機および発電機がタービンの回転軸に連結されていることが好ましい。また、本発明に係る発電システムは、第１圧縮機の代わりに昇圧ポンプが設けられ、第１作動流体として、昇圧ポンプおよび低温側熱交換器の側で液体、タービンおよび高温側熱交換器の側で気体となる流体を使用してもよい。この場合、昇圧ポンプで液体の状態で昇圧することができるため、エネルギー損失を抑えることができる。低温側熱交換器で加熱された第１作動流体を暖房や給湯等に利用してもよい。また、膨張機で膨張された第２作動流体は低温であるため、これを冷房等に利用してもよい。熱源は、例えば燃焼炉や太陽光を利用したもの等、タービンを駆動可能な程度まで第１作動流体を加熱できるものであればいかなるものであってもよい。
【００１１】
本発明に係る発電システムは、作動流体と断熱容器と循環部とヒートポンプと低温側熱交換器と高温側熱交換器と中間熱交換器と発電機とを有し、前記断熱容器は液体および気体の前記作動流体を収納しており、前記循環部は昇圧ポンプと熱源とタービンとを有し、前記昇圧ポンプは前記断熱容器から送られた液体の前記作動流体を昇圧するよう設けられ、前記熱源は前記昇圧ポンプで昇圧された前記作動流体を加熱するよう設けられ、前記タービンは前記熱源で加熱された前記作動流体により駆動可能に設けられ、前記ヒートポンプは圧縮機と放熱部と膨張機とを有し、前記圧縮機は前記タービンを駆動した後の前記作動流体および前記断熱容器から送られた気体の前記作動流体を圧縮するよう設けられ、前記放熱部は前記圧縮機で圧縮された前記作動流体の熱を放散させるよう設けられ、前記膨張機は前記放熱部で熱を放散した前記作動流体を膨張させた後、前記断熱容器に送るよう設けられ、前記低温側熱交換器は、前記断熱容器から前記圧縮機に送られる前記作動流体および前記放熱部から前記膨張機に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱するよう設けられ、前記高温側熱交換器は、前記タービンから前記圧縮機に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記低温側熱交換器より下流側の前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱するよう設けられ、前記中間熱交換器は、前記圧縮機から前記放熱部に向かう前記作動流体と、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記低温側熱交換器と前記高温側熱交換器との間の前記作動流体との間で熱交換を行い、前記昇圧ポンプから前記熱源に向かう前記作動流体を加熱して気化するよう設けられ、前記発電機は前記タービンの駆動により発電可能に設けられていてもよい。
【００１２】
この構成では、作動流体が、中間熱交換器より上流の昇圧ポンプおよび低温側熱交換器の側で液体、下流の高温側熱交換器およびタービンの側で気体となるため、昇圧ポンプで液体の状態で昇圧することができる。その昇圧した液体の作動流体を低温側熱交換器で加熱することにより、沸点近くまで昇温することができる。また、中間熱交換器でさらに加熱して、室温程度の温度で作動流体を気化することにより、エネルギー損失を抑えて、高圧の気体の作動流体を得ることができる。
【００１３】
ヒートポンプにより、タービン駆動後の気体の作動流体を再凝縮して液化するため、熱効率がよい。また、気体の作動流体を圧縮したときの圧縮熱を、循環部での作動流体の気化に使用するため、さらに熱効率がよい。作動流体の液化・気化を利用することにより、昇圧ポンプ、低温側熱交換器、中間熱交換器、ヒートポンプでの作動流体の温度差を少なくすることができ、熱効率がよく、カルノーサイクルに近い理想的な熱機関を構成することができる。
【００１４】
作動流体は、例えば二酸化炭素や水から成る。作動流体が二酸化炭素から成る場合、高温でも熱分解せず、他の物質を溶解せず、電気伝導性もなく、化学的に安定であるため、金属を侵食せず、システムの寿命を延ばすことができる。また、使用後の二酸化炭素の後処理も不要である。二酸化炭素が常温付近の適当な圧力および温度で液化・気化するため、システム全体の熱効率を高めることができる。常温での二酸化炭素の蒸気圧が高いため、大出力のものであっても、システム全体を小型化することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態の発電システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の発電システムを示すブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の発電システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の発電システムを示している。
図１に示すように、発電システム１０は、循環部１１とヒートポンプ１２と低温側熱交換器１３と高温側熱交換器１４と発電機１５とを有している。発電システム１０は、小・中型動力用として好適に使用される。
【００１８】
図１に示すように、循環部１１は、第１圧縮機２１と熱源２２とタービン２３とを有している。また、循環部１１は、第１圧縮機２１とタービン２３との間を循環する、気体の第１作動流体を有している。第１圧縮機２１は、第１作動流体を圧縮するよう設けられている。第１圧縮機２１は、圧縮後の第１作動流体が室温程度になるようになっている。熱源２２は、第１圧縮機２１で圧縮された第１作動流体を加熱するよう設けられている。タービン２３は、ガスタービンから成り、熱源２２で加熱された第１作動流体により駆動可能に設けられている。
【００１９】
図１に示すように、ヒートポンプ１２は、膨張機２４と第２圧縮機２５と放熱部２６とを有している。また、ヒートポンプ１２は、膨張機２４と第２圧縮機２５との間を循環する、気体の第２作動流体を有している。膨張機２４は、第２作動流体を膨張させるよう設けられている。第２圧縮機２５は、膨張機２４で膨張された第２作動流体を圧縮するよう設けられている。第２圧縮機２５は、圧縮比を低くして温度上昇を抑えるようになっている。放熱部２６は、第２圧縮機２５で圧縮された第２作動流体の熱を放散させるよう設けられている。ヒートポンプ１２の第２圧縮機２５は、室温近くで作動するようになっている。
【００２０】
図１に示すように、低温側熱交換器１３は、タービン２３から第１圧縮機２１に向かう第１作動流体および放熱部２６から膨張機２４に向かう第２作動流体と、膨張機２４から第２圧縮機２５に向かう第２作動流体との間で熱交換を行い、膨張機２４から第２圧縮機２５に向かう第２作動流体を加熱するよう設けられている。このとき、第１圧縮機２１による圧縮後の第１作動流体の温度が室温になるよう、膨張機２４の出口での第２作動流体の温度が下げられる。高温側熱交換器１４は、タービン２３から第１圧縮機２１に向かう低温側熱交換器１３より上流側の第１作動流体と、第１圧縮機２１から熱源２２に向かう第１作動流体との間で熱交換を行い、第１圧縮機２１から熱源２２に向かう第１作動流体を加熱するよう設けられている。発電機１５は、タービン２３の駆動により発電可能に設けられている。
【００２１】
図１に示すように、発電システム１０は、タービン２３の駆動により駆動可能に、第１圧縮機２１、膨張機２４、第２圧縮機２５および発電機１５がタービン２３の回転軸に連結されている。
【００２２】
次に、作用について説明する。
発電システム１０は、以下のようにして、タービン２３で発電機１５を駆動して発電することができる。まず、循環部１１において、第１圧縮機２１で圧縮された第１作動流体が、高温側熱交換器１４で熱交換により加熱され、熱源２２で、タービン２３を駆動可能な温度、例えば５００〜１０００℃程度までさらに加熱される。加熱された第１作動流体でタービン２３を駆動し、それにより発電機１５を駆動して発電を行う。タービン２３を駆動した第１作動流体は、高温側熱交換器１４で熱交換により熱を奪われて温度が下がり、さらに低温側熱交換器１３で熱交換により熱を奪われて温度が下がる。温度低下した第１作動流体は、再び第１圧縮機２１で圧縮されてタービン２３に向かう。
【００２３】
次に、ヒートポンプ１２において、膨張機２４で膨張された第２作動流体が、低温側熱交換器１３で熱交換により加熱され、さらに第２圧縮機２５で圧縮される。圧縮された第２作動流体は、放熱部２６で熱を放散して温度が下がり、さらに低温側熱交換器１３で熱交換により熱を奪われて温度が下がる。温度低下した第２作動流体は、再び膨張機２４で膨張されて第２圧縮機２５に向かう。このように、発電システム１０は、ヒートポンプ１２、高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１３を使用することにより、発電効率を高めることができる。
【００２４】
発電システム１０は、ヒートポンプ１２の第２圧縮機２５を室温近くで作動させるため、熱効率を高めることができるとともに、放熱部２６からの放熱を暖房や給湯、第１作動流体の昇温等に効率よく利用することができる。ヒートポンプ１２の第２圧縮機２５での圧縮比が低く、温度上昇を抑えるため、圧縮効率を高めることができる。また、循環部１１の第１圧縮機２１で、低温から圧縮するため、発熱による損失を減らすことができる。低圧縮比の第２作動流体を利用して、高圧の第１作動流体を得ることができるため、等温圧縮に近づけることができる。このように、発電システム１０は、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施の形態の発電システム３０を示している。
図２に示すように、発電システム３０は、断熱容器３１と循環部１１とヒートポンプ１２と低温側熱交換器１３と高温側熱交換器１４と中間熱交換器３２と発電機１５とを有している。発電システム３０は、コ・ジェネレーション用として好適に使用される。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態と同一の装置には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２６】
図２に示すように、断熱容器３１は、液体の状態の第１作動流体を収納可能になっている。循環部１１の第１作動流体は、例えば水などの、常温付近の適当な圧力および温度で液化・気化する流体から成っている。循環部１１は、第１圧縮機２１の代わりに昇圧ポンプ３３が設けられている。
【００２７】
図２に示すように、低温側熱交換器１３は、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう第１作動流体および膨張機２４から圧縮機２５に送られる第２作動流体と、タービン２３から断熱容器３１に向かう第１作動流体および放熱部２６から膨張機２４に向かう第２作動流体との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう第１作動流体および膨張機２４から圧縮機２５に送られる第２作動流体を加熱するよう設けられている。
【００２８】
図２に示すように、中間熱交換器３２は、放熱部２６の第２作動流体と、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう低温側熱交換器１３と高温側熱交換器１４との間の第１作動流体との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう第１作動流体を加熱して気化するよう設けられている。
【００２９】
発電システム３０では、第１作動流体が、中間熱交換器３２より上流の昇圧ポンプ３３および低温側熱交換器１３の側で液体、下流のタービン２３および高温側熱交換器１４の側で気体となるよう構成されている。発電システム３０は、タービン２３の駆動により駆動可能に、膨張機２４、圧縮機２５および発電機１５がタービン２３の回転軸に連結されている。
【００３０】
次に、作用について説明する。
発電システム３０では、昇圧ポンプ３３で第１作動流体を液体の状態で昇圧することができるため、エネルギー損失を抑えることができる。図２に示すように、発電システム３０では、低温側熱交換器１３で加熱された第１作動流体を暖房や給湯等に利用することができる。また、膨張機２４で膨張された第２作動流体は低温であるため、これを冷房等に利用することができる。このように、発電システム３０は、吸熱・温熱をヒートポンプで作り、同時に発電を可能にすることにより、高効率のコ・ジェネレーションシステムを構成することができる。
【００３１】
図３は、本発明の第３の実施の形態の発電システム５０を示している。
図３に示すように、発電システム５０は、作動流体５１と断熱容器３１と循環部１１とヒートポンプ１２と低温側熱交換器１３と高温側熱交換器１４と中間熱交換器３２と発電機１５とを有している。発電システム５０は、大型動力用として好適に使用される。なお、以下の説明では、本発明の第１および第２の実施の形態と同一の装置には同一の符号を付している。
【００３２】
図３に示すように、作動流体５１は、二酸化炭素から成っている。断熱容器３１は、作動流体５１である液体および気体の二酸化炭素を収納している。循環部１１は、昇圧ポンプ３３と熱源２２とタービン２３とを有している。昇圧ポンプ３３は、断熱容器３１から送られた液体の二酸化炭素を昇圧するよう設けられている。熱源２２は、昇圧ポンプ３３で圧縮され、その後気化した二酸化炭素を加熱するよう設けられている。タービン２３は、ガスタービンから成り、熱源２２で加熱された二酸化炭素により駆動可能に設けられている。
【００３３】
図３に示すように、ヒートポンプ１２は、圧縮機２５と放熱部２６と膨張機２４とを有している。圧縮機２５は、タービン２３を駆動した後の気体の二酸化炭素および断熱容器３１から送られた気体の二酸化炭素を圧縮するよう設けられている。圧縮機２５は、圧縮比を低くして温度上昇を抑えるようになっている。放熱部２６は、圧縮機２５で圧縮された二酸化炭素の熱を放散させるよう設けられている。膨張機２４は、放熱部２６で熱を放散した二酸化炭素を膨張させて一部を液化した後、断熱容器３１に送るよう設けられている。ヒートポンプ１２の圧縮機２５は、室温近くで作動するようになっている。
【００３４】
図３に示すように、低温側熱交換器１３は、断熱容器３１から圧縮機２５に送られる二酸化炭素および放熱部２６から膨張機２４に向かう二酸化炭素と、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう二酸化炭素との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう二酸化炭素に温度差を付けるよう設けられている。高温側熱交換器１４は、タービン２３から圧縮機２５に向かう二酸化炭素と、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう低温側熱交換器１３より下流側の二酸化炭素との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう二酸化炭素を加熱するよう設けられている。
【００３５】
図３に示すように、中間熱交換器３２は、圧縮機２５から放熱部２６に向かう二酸化炭素と、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう低温側熱交換器１３と高温側熱交換器１４との間の二酸化炭素との間で熱交換を行い、昇圧ポンプ３３から熱源２２に向かう二酸化炭素を加熱して気化するよう設けられている。発電機１５は、タービン２３の駆動により発電可能に設けられている。
【００３６】
発電システム５０は、二酸化炭素が、中間熱交換器３２より上流の昇圧ポンプ３３および低温側熱交換器１３の側で液体、下流のタービン２３および高温側熱交換器１４の側で気体となるよう構成されている。発電システム５０は、タービン２３の駆動により駆動可能に、膨張機２４、圧縮機２５および発電機１５がタービン２３の回転軸に連結されている。
【００３７】
次に、作用について説明する。
発電システム５０は、以下のようにして、タービン２３で発電機１５を駆動して発電することができる。まず、循環部１１において、断熱容器３１から送られた液体の二酸化炭素が、昇圧ポンプ３３で昇圧された後、低温側熱交換器１３で熱交換により加熱され、中間熱交換器３２で熱交換によりさらに加熱されて気化する。気化した二酸化炭素が高温側熱交換器１４で熱交換により加熱され、熱源２２で、タービン２３を駆動可能な温度に加熱された二酸化炭素でタービン２３を駆動し、それにより発電機１５を駆動して発電を行う。
【００３８】
タービン２３を駆動した二酸化炭素は、高温側熱交換器１４で熱交換により熱を奪われて室温付近まで温度が下がり、ここで断熱容器３１から送られた気体の二酸化炭素と混合してヒートポンプ１２に送られる。ヒートポンプ１２に送られた二酸化炭素は、圧縮機２５で圧縮され、中間熱交換器３２で熱交換により熱を奪われ、放熱部２６で熱を放散し、さらに低温側熱交換器１３で熱交換により熱を奪われて液化温度まで温度が下がる。温度低下した二酸化炭素は、膨張機２４で膨張されて一部が液化し、断熱容器３１に向かう。断熱容器３１に入った二酸化炭素の内、液体の二酸化炭素は昇圧ポンプ３３に向かい、気体の二酸化炭素は、低温側熱交換器１３で加熱された後、タービン２３を駆動した二酸化炭素と混合して圧縮機２５に向かう。このように、発電システム５０は、ヒートポンプ１２、高温側熱交換器１４、中間熱交換器３２および低温側熱交換器１３を使用することにより、発電効率を高めることができる。
【００３９】
発電システム５０は、ヒートポンプ１２を室温近くで作動させるため、熱効率を高めることができる。ヒートポンプ１２の圧縮機２５での圧縮比が低く、温度上昇を抑えるため、圧縮効率を高めることができる。ヒートポンプ１２での低圧縮比の二酸化炭素を利用して、循環部１１での高圧の二酸化炭素を得ることができるため、等温圧縮に近づけることができる。このように、発電システム５０は、発熱損失や廃熱を減らして、より発電効率を高めることができる。
【００４０】
発電システム５０は、作動流体５１として使用する二酸化炭素が、高温でも熱分解せず、他の物質を溶解せず、電気伝導性もなく、化学的に安定であるため、金属を侵食せず、システムの寿命を延ばすことができる。また、使用後の二酸化炭素の後処理も不要である。二酸化炭素が常温付近の適当な圧力および温度で液化・気化するため、システム全体の熱効率を高めることができる。常温で二酸化炭素の蒸気圧が高いため、システム全体を小型化することができる。
【００４１】
発電システム５０では、昇圧ポンプ３３で二酸化炭素を液体の状態で昇圧することができる。その昇圧した液体の二酸化炭素を低温側熱交換器１３で加熱し、中間熱交換器３２でさらに加熱して、室温程度の温度で二酸化炭素を気化することにより、エネルギー損失を抑えて、高圧の気体の二酸化炭素を得ることができる。
【００４２】
発電システム５０は、ヒートポンプ１２により、タービン２３駆動後の気体の二酸化炭素を再凝縮して液化するため、熱効率がよい。また、気体の二酸化炭素を圧縮したときの圧縮熱を、循環部１１での二酸化炭素の気化・昇温に使用するため、さらに熱効率がよい。二酸化炭素の液化・気化を利用することにより、昇圧ポンプ３３、低温側熱交換器１３、中間熱交換器３２、ヒートポンプ１２での二酸化炭素の高圧側と低圧側とに温度差を少なくすることができ、熱効率がよく、カルノーサイクルに近い理想的な熱機関を構成することができる。
【００４３】
図３に示す具体的な一例では、断熱容器３１の内部の圧力は２ＭＰａ、昇圧ポンプ３３で昇圧した液体の二酸化炭素の圧力は１０ＭＰａである。タービン２３駆動前の気体の二酸化炭素の圧力Ｐ２は１０ＭＰａ、温度Ｔ２は１０７３Ｋ、タービン２３駆動後の気体の二酸化炭素の圧力Ｐ１は２ＭＰａ、温度Ｔ１は８４０Ｋである。ヒートポンプ１２の圧縮機２５に向かう気体の二酸化炭素の温度Ｔ６は３００Ｋである。低温側熱交換器１３から膨張機２４に向かう気体の二酸化炭素の温度Ｔ３は２５３Ｋ、圧力Ｐ３は３ＭＰａである。膨張機２４から断熱容器３１に向かう液体の二酸化炭素の圧力Ｐ４は２ＭＰａである。
【００４４】
このとき、膨張機２４から断熱容器３１に向かう液体の二酸化炭素の温度をＴ４、放熱部２６での気体の二酸化炭素の温度をＴ５とすると、ヒートポンプ１２の効率ηは、Ｔ５＝Ｔ６／（Ｐ４／Ｐ３）（κ−１）／κ、Ｔ４＝Ｔ３／（Ｐ３／Ｐ４）（κ−１）／κ  より、
η＝（Ｔ３＋Ｔ４）／｛（Ｔ５＋Ｔ６）−（Ｔ３＋Ｔ４）｝
≒３．３１
となる。ここで、比熱比κ＝１．３１４（２５０Ｋの値）、κ＝１．２８８（３００Ｋの値）である。２ＭＰａ、２５３Ｋの気化熱は２８０Ｊ／ｇであるため、再凝縮に要するヒートポンプ１２のエネルギーは、２８０／３．３１≒８４．６Ｊ／ｇとなる。
【００４５】
タービン２３の吸熱エネルギーは、κ＝１．１８６、定圧比熱Ｃｐ＝１．２０４（９００Ｋの値）とすると、
（Ｔ２−Ｔ１）Ｃｐ＝｛Ｔ２−Ｔ２／（Ｐ２／Ｐ１）（κ−１）／κ｝Ｃｐ
＝２８０．５Ｊ／ｇ
となる。
液体の二酸化炭素の圧力を２ＭＰａから１０ＭＰａへ昇圧するときの昇圧ポンプ３３の仕事は、
昇圧ポンプ３３の仕事＝圧力差（Ｎ２）×距離（ｍ）／密度（ｇ／ｃｍ３）
＝（１０００−２００）０．０１／１．５６
≒５．１
となる。
したがって、この分を熱効率に反映させると、
熱効率＝（２８０．５−８４．６−５．１）／２８０．５
＝０．６８
となる。
【００４６】
次に、膨張機２４の必要風量を求める。膨張機２４の風量当たりの吸熱量は、κ＝１．３１４、Ｃｐ＝０．７９１（２５０Ｋの値）とすると、
（Ｔ３−Ｔ４）Ｃｐ＝｛Ｔ３−Ｔ３／（Ｐ４／Ｐ３）（κ−１）／κ｝Ｃｐ
≒１８．３Ｊ／ｇ
となる。
このとき、気化熱／吸熱量は、２８０／１８．３＝１５．４≒１６となる。したがって、タービン２３の風量の１６倍の断熱膨張量があれば、再凝縮が可能になる。
なお、これらの計算には変換効率が入っていないが、出力１万ｋＷ以上であれば、８５〜９０％が可能である。また、タービン２３の入口の温度は、材料の耐熱性により決まるが、これをさらに高温にできれば、さらに効率を上げることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  発電システム
１１  循環部
１２  ヒートポンプ
１３  低温側熱交換器
１４  高温側熱交換器
１５  発電機
２１  第１圧縮機
２２  熱源
２３  タービン
２４  膨張機
２５  第２圧縮機（圧縮機）
２６  放熱部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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