(57)【要約】      （修正有）【課題】発電システムの正味発電出力を増加させるとともに、発電媒体の熱交換を促進することで発電効率をさらに高めた、地熱発電および温泉熱発電システムの発電効率向上方法を提供する。【解決手段】地熱蒸気か、自噴泉の噴出エネルギーか、発電用媒体蒸気の保有エネルギーの、何れか一つ以上を利用して駆動し、地熱発電や温泉熱発電における地熱流体と発電用媒体、及び媒体冷却水９の何れか一つ以上の媒体を搬送させるターボポンプ５を構成することで、これら媒体の搬送動力を削減させて発電システム全体での正味発電出力を増加させるか、温泉熱発電媒体の蒸発器２周囲に源泉を強制流動させることで媒体熱交換を促進させる。【選択図】図１
2014214718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用媒体を温泉熱によって蒸発器で蒸発させ、蒸気タービン等に導いて発電機を駆動した後に、タービン通過後の媒体蒸気を冷却して凝縮液化させ、再び温泉熱によって蒸発させる循環閉ループ流路を構成する温泉熱発電システムのうち、
前記蒸発器と蒸気タービン間の媒体蒸気配管と、発電後の媒体を前記蒸発器へと還流させる媒体還流配管とで、蒸発器で生成した高温高圧の媒体蒸気を駆動力として、発電後の媒体を蒸発器に向けて還流させるターボポンプを構成することで、媒体循環ポンプの駆動損失を削減し、発電システム全体の正味発電出力を増加させることを特徴とする、温泉熱発電システムの発電効率向上方法
【請求項２】
生産井からの地熱蒸気を蒸気タービン等に導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の蒸気を凝縮液化させてポンプで搬送し、還元井に熱水還元する地熱発電システムのうち、
前記蒸気タービン供給前の地熱蒸気配管と、発電後に復水器で生成する熱水を還元井に還流させる還元配管とで、高温高圧の地熱蒸気を駆動力として、発電後の熱水を搬送するターボポンプを構成することで、還元熱水の搬送動力を削減し、発電システム全体の正味発電出力を増加させることを特徴とする、地熱発電システムの発電効率向上方法
【請求項３】
源泉井戸から湧出する源泉を、温泉熱発電システムを構成する間接熱交換器に導いた後、熱交換器通過後の源泉をポンプで搬送して給湯用等に送出する温泉熱発電システムのうち、
前記間接熱交換器供給前の源泉配管と、熱交換器通過後の源泉を給湯用等に送出させる給湯配管とで、高圧の湧出源泉を駆動力として熱交換器通過後の源泉を送出する、ターボポンプを構成することで、熱交換器通過後の源泉搬送動力を削減し、発電システム全体の正味発電出力を増加させることを特徴とする、温泉熱発電システムの発電効率向上方法
【請求項４】
発電後の媒体を、循環冷却水により凝縮液化させる地熱発電システムまたは温泉熱発電システムのうち、前記冷却水の循環配管と、発電タービン供給前の地熱流体か発電用媒体蒸気の配管とで、高温高圧の地熱流体または発電用媒体の高圧蒸気を駆動力として、冷却水を循環させるターボポンプを構成することで冷却水搬送動力を削減し、発電システム全体の正味発電出力を増加させることを特徴とする、地熱発電システムの発電効率向上方法
【請求項５】
源泉貯湯槽内での直接熱交換によって媒体を蒸発させて発電を行う温泉熱発電システムのうち、前記直接熱交換を行う媒体蒸発器の周囲に、片端解放型の源泉供給管直接接続口付き外側カバーを取り付け、貯湯される源泉が前記媒体蒸発器と前記外側カバーとの間に形成される、間隙流路内を流れた上で貯湯される構成とすることにより、前記媒体蒸発器の周囲を流れる源泉の流速を高めて熱交換効率を向上させ、発電システム全体の発電効率を高めることを特徴とする、源泉貯湯槽設置型温泉熱発電システムの発電効率向上方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地熱蒸気でタービン等を駆動して発電を行う地熱発電システムや、温泉熱を利用して低沸点媒体等を蒸発させて蒸気タービン等の駆動により発電を行う、温泉熱発電システムの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
地熱発電や温泉熱発電は、発電過程で燃料消費や温室効果ガスの排出を伴わないことから、エネルギー自給率の向上や温暖化防止に資する発電手段として近年注目されている。
【０００３】
一般的に地熱発電では、生産井から高温高圧で噴出する地熱蒸気を蒸気タービンに供給し、タービン下流の低温低圧蒸気を復水器等で冷却して凝縮液化させ、液化した凝縮水は循環ポンプを利用して還元井に還元している。
【０００４】
また、温泉熱発電においては、源泉施設で湧出または汲み上げた源泉を、ポンプを利用して熱交換器に供給して発電媒体を加熱した後に、入浴等に利用している。なお、ここで温泉熱発電システムにおいては、代替フロンやアンモニア水などの低沸点媒体をシステム内で循環させるが、ここでも冷却水との熱交換によって凝縮液化させた液化媒体は、循環ポンプを利用して温泉熱を利用する媒体蒸発器へと循環供給される。
【０００５】
なお、温泉熱発電においては、源泉の成分や流動環境等により、配管や熱交換器の内部にスケールが析出し、配管閉塞や熱交換効率が低下する課題があるため、こうした課題を解決するため、別途間接熱交換器を設置する方法や、源泉施設の貯湯槽に媒体の蒸発器を設置して発電媒体を循環させる、直接熱交換式の温泉熱発電システムも提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「株式会社神戸製鋼所／マイクロバイナリーの発電システムフロー」、［平成２５年４月６日検索］、インターネット、＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｏｂｅｌｃｏ．ｃｏ．ｊｐ／ｍａｃｈｉｎｅｒｙ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｒｏｔａｔｉｏｎ／ｍｉｃｒｏｂｉｎａｒｙ／ｓｙｓｔｅｍｆｌｏｗ．ｈｔｍｌ＞
【０００７】
【特許文献１】特願２０１３−０８００３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記の通り、従来技術の方式を採用すれば、発電システムへのスケール付着による影響を防止しながら温泉熱発電を行うことが可能となるものの、解決すべき６つの課題がある。
【０００９】
まず、凝縮液化した発電媒体を蒸発器に還流させたり、地熱発電後に復水器で生成した熱水を還元井に還流させる際に、交流電力で駆動する電動ポンプを用いることが多いが、直交変換やモーター駆動の損失に伴う電力消費が大きくなるため、正味の発電出力が減少し、発電システム全体の発電効率が低下してしまう課題がある。
【００１０】
また、温泉熱発電で間接熱交換器を用いる場合には、源泉施設から間接熱交換器を経て温泉供給させる際に、温泉送出のポンプを用いるため、このポンプ動力によっても前記と同様の電力損失が発生し、正味の発電出力が低下して発電効率が低下する課題がある。
【００１１】
さらに何れの発電方式においても、媒体冷却に冷却水を用いる場合は、この冷却水循環においても冷却水循環用ポンプが利用されており、この動力によっても前記と同様の電力損失が発生し、正味の発電出力が低下して発電効率が低下する課題がある。
【００１２】
一方、地熱蒸気や自噴泉は、地中から圧力解放される地上に向けて、勢いよく噴出する特性を有しているが、この噴出エネルギーを発電媒体や地熱流体、あるいは媒体冷却用の冷却水を循環させるための搬送動力として有効活用することで、正味の発電出力を増加させる、具体的な方法が開示されていないという課題がある。
【００１３】
同様に、従来技術の温泉熱発電においても、貯湯槽内で発生する高温高圧の媒体蒸気が保有するエネルギーの一部を発電媒体の還流に有効活用することで、システム全体の正味発電出力を増加させる、具体的な方法が開示されていないという課題がある。
【００１４】
また、従来技術における熱交換方式では、源泉貯湯槽内で源泉流動が有効活用されておらず、熱交換に寄与する源泉流動は自然対流だけとなるため、蒸発器表面での熱交換効率が低く、発電効率が低下してしまうという課題がある。
【００１５】
本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、地熱蒸気や自噴泉の噴出エネルギーか、発電用媒体蒸気の保有エネルギーを有効利用することで、地熱発電や温泉熱発電における地熱流体と発電用媒体、および媒体冷却水の何れか一つ以上の搬送動力を削減させて発電出力を増加させるとともに、源泉貯湯槽内における媒体直接熱交換を促進することで発電効率を更に高める、発電効率の向上方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
発電用媒体を温泉熱によって蒸発器で蒸発させ、蒸気タービン等に導いて発電機を駆動した後に、タービン通過後の媒体蒸気を冷却して凝縮液化させ、再び温泉熱によって蒸発させる循環閉ループ流路を構成する温泉熱発電システムのうち、
前記蒸発器と蒸気タービン間の媒体蒸気配管と、発電後の媒体を前記蒸発器へと還流させる媒体還流配管とで、蒸発器で生成した高温高圧の媒体蒸気を駆動力として、発電後の媒体を蒸発器に向けて還流させるターボポンプを構成することで、媒体循環ポンプの駆動損失を削減し、発電システム全体の正味発電出力を増加させることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、
生産井からの地熱蒸気を蒸気タービン等に導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の蒸気を凝縮液化させてポンプで搬送し、還元井に熱水還元する地熱発電システムのうち、
前記蒸気タービン供給前の地熱蒸気配管と、発電後に復水器で生成する熱水を還元井に還流させる還元配管とで、高温高圧の地熱蒸気を駆動力として、発電後の熱水を搬送するターボポンプを構成することで、還元熱水の搬送動力を削減し、発電システム全体の正味発電出力を増加させることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、
源泉井戸から湧出する源泉を、温泉熱発電システムを構成する間接熱交換器に導いた後、熱交換器通過後の源泉をポンプで搬送して給湯用等に送出する温泉熱発電システムのうち、
前記間接熱交換器供給前の源泉配管と、熱交換器通過後の源泉を給湯用等に送出させる給湯配管とで、高圧の湧出源泉を駆動力として熱交換器通過後の源泉を送出する、ターボポンプを構成することで、熱交換器通過後の源泉搬送動力を削減し、発電システム全体の正味発電出力を増加させることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、
発電後の媒体を、循環冷却水により凝縮液化させる地熱発電システムまたは温泉熱発電システムのうち、前記冷却水の循環配管と、発電タービン供給前の地熱流体か発電用媒体蒸気の配管とで、高温高圧の地熱流体または発電用媒体の高圧蒸気を駆動力として、冷却水を循環させるターボポンプを構成することで冷却水の搬送動力を削減し、発電システム全体の正味発電出力を増加させることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、
源泉貯湯槽内での直接熱交換によって媒体を蒸発させて発電を行う温泉熱発電システムのうち、前記直接熱交換を行う媒体蒸発器の周囲に、片端解放型の源泉供給管直接接続口付き外側カバーを取り付け、貯湯される源泉が前記媒体蒸発器と前記外側カバーとの間に形成される、間隙流路内を流れた上で貯湯される構成とすることにより、前記媒体蒸発器の周囲を流れる源泉の流速を高めて熱交換効率を向上させ、発電システム全体の発電効率を高めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、地熱流体や発電媒体、または媒体冷却水の循環に係る搬送動力を削減することで正味の発電出力を増加させ、地熱発電や温泉熱発電の発電システム全体としての発電効率を高めることが可能となる。加えて、源泉貯湯槽設置型の温泉熱発電システムにおいては、源泉貯湯槽内に設置された媒体蒸発器の熱交換効率を高めることで、さらに高効率な温泉熱発電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る第１実施形態の温泉熱発電システムの概略構成例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る第２実施形態の地熱発電システムの概略構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、本実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
（第１実施形態）
【００２５】
まず、本発明の第１実施形態に係る温泉熱発電システムの概略構成および機能について、図に基づき説明する。
【００２６】
図１に示すように、本発明の温泉熱発電システムは、温泉源泉を貯湯する源泉施設内の貯湯タンク１の内部に、前記貯湯タンクの天面から挿入され、タンク内への挿入やタンクからの取り出しを容易に行えるように構成した発電媒体の蒸発器２と、前記の媒体蒸発器から生じる発電媒体蒸気３の圧力で駆動し、発電後に冷却されて液化された媒体凝縮液４を前記蒸発器２に還流させる、発電媒体蒸気駆動型ターボポンプ５と、前記ターボポンプを駆動した後に排気される高圧蒸気が供給される発電用蒸気タービン６と、この蒸気タービンに接続された発電機７と、前記蒸気タービンから排出される低温低圧蒸気を凝縮液化させる水冷式熱交換器８で構成される。
【００２７】
また、前記水冷式熱交換器８を循環する冷却水９は、源泉の揚湯管１０により地下から高圧噴出する自噴泉１１の噴出圧力で駆動して前記冷却水９を循環させる、自噴泉駆動型ターボポンプ１２を用いて前記熱交換器とクーリングタワー１３間を循環するように構成されている。
【００２８】
さらに、前記ターボポンプを駆動した後に排出される高圧源泉を、源泉貯湯タンク内の媒体蒸発器と対向流で高効率熱交換させるため、上部が源泉揚湯管と直接接続され、下端側が開放端となって温度低下した源泉がタンク内に流下して貯湯されるように構成された、温泉熱交換促進用の外側管１４が、前記の媒体蒸発器２を囲むように配置されている。
【００２９】
こうして発電システムの構成機器を配置構成させることにより、源泉貯湯槽に挿入された蒸発器２の中で蒸発気化した発電用媒体の高圧蒸気を利用してターボポンプ５を駆動し、発電後の冷却によって凝縮液化された媒体４を還流させる際のポンプ動力を削減することで、発電システム全体での正味の発電出力を高めて発電効率を向上させるとともに、システムを簡略化させることができる。
【００３０】
なお、前記ターボポンプの駆動力だけで液化媒体の還流が困難な場合には、前記ターボポンプ軸に発電出力駆動型の電動モーターを接続して不足動力を補う、ターボアシストをさせても良い。この場合はターボポンプ直結型の電動モーター駆動に伴う電力消費が発生するが、媒体還流に必要なポンプ動力の大半が、貯湯槽内熱交換器で蒸発気化した媒体蒸気の駆動力で賄われるため、その消費電力を大幅に削減できるとともに、ターボポンプの駆動力が充分に得られない起動時等での媒体循環を容易にさせることが可能となる。
【００３１】
さらに、自噴源泉の噴出力で駆動するターボポンプ１２によって冷却水９の循環が行われるため、媒体冷却に係るポンプ動力が削減されて発電効率が向上するとともに、システムを簡略化させることができる。なお、前記ターボポンプ１２の駆動力だけで冷却水循環が困難な場合には、前記ターボポンプ軸に発電出力駆動型の電動モーターを接続して不足動力を補う、ターボアシストをさせても良い。
【００３２】
この場合もターボポンプ直結型の電動モーター駆動に伴う電力消費が発生するが、冷却水の循環に必要なポンプ動力の大半が、地中圧力から解放されて自噴する自噴泉の噴出力で賄われるため、その消費電力を大幅に削減できるとともに、ターボポンプの駆動力が充分に得られない起動時等での自噴泉供給や冷却水循環を容易に行うことが可能となる。
【００３３】
また、貯湯槽１においては、ターボポンプ１２を駆動した後の自噴泉１１が、配管を通じて媒体蒸発器２と、その周囲を囲む源泉熱交換促進用の外側管１４との間に構成される間隙流路を温度低下しながら鉛直下方に強制流動され、蒸発器２内で鉛直上方に流動する液化媒体と対向流をなすことで源泉と媒体の熱交換が促進され、媒体蒸発が更に効率よく行われてシステム全体の発電効率を高めることが可能となる。
【００３４】
また、間隙流路を流下した源泉については、前記外側管の下端を開放端としているため、貯湯槽底部で遠心方向に流出し、温度低下した源泉が給湯配管へと流出するか、貯湯槽内で貯湯されるように構成されている。
【００３５】
なお、前記外側管１４に源泉配管を直接接続し、貯湯槽底部まで自噴泉の噴出力を利用して強制流動させることで、源泉を空気接触させることなく蒸発器周囲で直接熱交換させ、さらに貯湯槽内に直接貯湯させることで、温泉スケール析出の大きな要因である空気接触を伴わずにターボポンプ駆動や熱交換を行うことで、これら機器や接続配管内のスケール析出を防止するよう、機器や配管を構成すると良い。
【００３６】
このように、本発明の温泉熱発電システムを構成すれば、自噴泉の有する噴出力を有効活用しながら、温泉熱発電に係る媒体の搬送動力を削減し、さらに源泉と媒体との熱交換を促進させることで、温泉熱発電システム全体の発電効率を向上させることが可能となる。
【００３７】
次に、本発明の第２実施形態に係る地熱発電システムの概略構成および機能について、図に基づき説明する。
【００３８】
図２に示すように、本発明の地熱発電システムは、地熱蒸気の生産井１５から噴出する高温高圧の地熱蒸気１６を駆動力とし、蒸気タービン１７で発電した後に復水器１８にて凝縮液化により生成した熱水１９を還元井２０に還元させるターボポンプ２１が構成されている。
【００３９】
このように構成することで、地熱蒸気１６の噴出圧力を利用して発電後熱水１９の還元井への搬送や圧入を効率よく行うことで、発電システム全体の正味発電効率を向上できる。
【００４０】
なお、前記ターボポンプ２１については、図示の生産井配管と還元井配管との間で構成しても良いが、配管や駆動力のバランスが合致しない場合は、生産井配管からバイパス管を分岐させ、この分岐管と還元井配管との間でターボポンプを構成しても良い。
【００４１】
また、図示はしないが前記分岐管の地熱蒸気を活用するターボポンプによる搬送動力については、熱水還元の他にも、復水器を循環させる冷却水の搬送動力に利用しても良いし、前記の熱水還元用ターボポンプ駆動後と冷却水循環用のターボポンプを同軸接続させたり、熱水還元用ターボポンプの下流に冷却水循環用のターボポンプを接続してカスケード利用すれば、更に発電システム全体の効率を向上させることができる。
【００４２】
このように、本発明の地熱発電システムを構成すれば、地熱蒸気を有効活用しながら、地熱発電に係る媒体の搬送動力を削減して、発電効率を向上させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、例えば地熱蒸気や自噴泉の噴出力を利用して温泉熱発電システムの凝縮媒体搬送を行うターボポンプを構成したり、本技術を太陽熱やバイオマス燃焼など、地熱以外の熱源により得られる蒸気を活用して適用することも可能である。このように、前記の実施形態は例示であり、本発明の特許請求範囲に記載された技術的な思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４４】
１：源泉貯湯槽
２：発電媒体蒸発器
３：発電媒体蒸気
４：発電媒体凝縮液
５：発電媒体蒸気駆動型ターボポンプ
６：温泉熱発電用蒸気タービン
７：発電機
８：発電媒体冷却用水冷式熱交換器
９：発電媒体冷却水
１０：自噴源泉揚湯管
１１：自噴源泉
１２：自噴源泉駆動型ターボポンプ
１３：発電媒体冷却水クーリングタワー
１４：熱交換促進用外側管
１５：地熱蒸気生産井配管
１６：地熱蒸気
１７：地熱発電用蒸気タービン
１８：復水器
１９：熱水
２０：熱水還元井配管
２１：地熱蒸気駆動型ターボポンプ
【図１】
2014214718.tif 000003
【図２】
2014214718.tif 000004