(57)【要約】      （修正有）【課題】温度差を利用して発電を行うサイフォン型バイナリー発電装置を提供する。【解決手段】真空状態にした上部タンク１と、低沸点作動媒体を収容した下部タンク２と、上部タンク１と下部タンク２を連結する配管３と、配管３に設けられた発電用水車６と、発電用水車６により駆動される発電機７と、配管３における発電用水車６と下部タンク２の間及び発電用水車６と上部タンク１の間にそれぞれ設けられた第一開閉バルブ４及び第二開閉バルブ５と、上部タンク１に接触する冷却用熱交換器９および加熱用熱交換器８と、下部タンク２に接触する冷却用熱交換器９および加熱用熱交換器８とを備え、上部タンク１に冷却用熱交換器９が接触するとともに、下部タンクに加熱用熱交換器８が接触する状態と、上部タンク１に加熱用熱交換器８が接触するとともに、下部タンク２に冷却用熱交換器９が接触する状態を交互に繰り返すサイフォン型バイナリー発電装置を構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空状態にした上部タンクと、上部が真空状態であるとともに低沸点作動媒体を収容した下部タンクと、前記上部タンクと前記下部タンクを連結する配管と、前記配管に設けられた発電用水車と、前記発電用水車により発電される発電機と、前記配管における前記発電用水車と前記下部タンクの間に設けられた第一開閉バルブと、前記配管における前記発電用水車と前記上部タンクの間に設けられて、前記第一開閉バルブとは基本的に正反対の動きになる第二開閉バルブと、前記上部タンクに冷却用熱交換器が接触している場合は、前記上部タンクに加熱用熱交換器が非接触となり、前記下部タンクに前記加熱用熱交換器が接触するとともに、前記下部タンクに前記冷却用熱交換器が非接触に、前記上部タンクに前記加熱用熱交換器が接触している場合は、前記上部タンクに前記冷却用熱交換器が非接触となり、前記下部タンクに前記冷却用熱交換器が接触するとともに、前記下部タンクに前記加熱用熱交換器が非接触となるような動きをする前記加熱用熱交換器と、前記冷却用熱交換器とを少なくとも備え、前記上部タンクに前記冷却用熱交換器が接触するとともに、前記下部タンクに前記加熱用熱交換器が接触している状態と、前記上部タンクに前記加熱用熱交換器が接触するとともに、前記下部タンクに前記冷却用熱交換器が接触している状態を交互に繰り返すことで発電することを特徴とするサイフォン型バイナリー発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度差を利用して発電を行うサイフォン型バイナリー発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
東日本大震災のときに発生した福島原子力発電所の事故により、日本全国の原子力発電所が順次停止に至っている昨今、太陽光発電装置（特許文献１、特許文献２に開示）、風力発電装置等の再生可能エネルギーが再度注目を浴びている。
【０００３】
（０００２）により、太陽光発電装置は、太陽電池モジュールに太陽光が注いでいる時間帯には発電し、太陽電池モジュールに太陽光が注がない夜などの時間帯には停止している。また風力発電装置も同様に、風が吹いて発電ブレードが回転している時間帯には発電し、発電ブレードが回転していない時間帯には停止している。
【０００４】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された内容では、天候や時間等に左右されて電力の安定供給が不安定であるという問題点がある。
本発明は、その問題点を解決するためのものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１５３６２号公報
【特許文献２】特開２０００−３１４７５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものである。サイフォン型バイナリー発電装置を稼働するエネルギー源は、基本的に立地する周辺環境の熱源と冷源である。熱源は低沸点作動媒体を熱交換により液体の状態で発電用水車へ導くために、冷源は気化熱や温度差を拡大するのに利用する。従来の発電装置とは異なり、天候や時間等に左右されにくく、電力の安定供給が不安定であるという問題点が軽減されるサイフォン型バイナリー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】
【０００７】
本発明は課題を解決するために、真空状態にした上部タンクと、上部が真空状態であるとともに低沸点作動媒体を収容した下部タンクと、前記上部タンクと前記下部タンクを連結する配管と、前記配管に設けられた発電用水車と、前記発電用水車により発電される発電機と、前記配管における前記発電用水車と前記下部タンクの間に設けられた第一開閉バルブと、前記配管における前記発電用水車と前記上部タンクの間に設けられて、前記第一開閉バルブとは基本的に正反対の動きになる第二開閉バルブと、前記上部タンクに冷却用熱交換器が接触している場合は、前記上部タンクに加熱用熱交換器が非接触となり、前記下部タンクに前記加熱用熱交換器が接触するとともに、前記下部タンクに前記冷却用熱交換器が非接触に、前記上部タンクに前記加熱用熱交換器が接触している場合は、前記上部タンクに前記冷却用熱交換器が非接触となり、前記下部タンクに前記冷却用熱交換器が接触するとともに、前記下部タンクに前記加熱用熱交換器が非接触となるような動きをする前記加熱用熱交換器と、前記冷却用熱交換器とを少なくとも備え、前記上部タンクに前記冷却用熱交換器が接触するとともに、前記下部タンクに前記加熱用熱交換器が接触している状態と、前記上部タンクに前記加熱用熱交換器が接触するとともに、前記下部タンクに前記冷却用熱交換器が接触している状態を交互に繰り返すことで発電することを特徴として、熱交換の元になる熱源と気化熱や温度差を拡大させる元になる冷源を利用して、前記低沸点作動媒体を液体の状態で前記下部タンクから前記上部タンクへ、前記上部タンクから前記下部タンクへ流動させる際、前記配管に設けられた前記発電用水車が回転運動を起こして前記発電機で発電する装置を特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の効果は、真空状態にした上部タンク１と、上部が真空状態であるとともに低沸点作動媒体１０を収容した下部タンク２と、前記上部タンク１と前記下部タンク２を連結する配管３と、前記配管３に設けられた発電用水車６と、前記発電用水車６により発電される発電機７と、前記配管３における前記発電用水車６と前記下部タンク２の間に設けられた第一開閉バルブ４と、前記配管３における前記発電用水車６と前記上部タンク１の間に設けられて、前記第一開閉バルブ４とは基本的に正反対の動きになる第二開閉バルブ５と、前記上部タンク１に冷却用熱交換器９が接触している場合は、前記上部タンク１に加熱用熱交換器８が非接触となり、前記下部タンク２に前記加熱用熱交換器８が接触するとともに、前記下部タンク２に前記冷却用熱交換器９が非接触に、前記上部タンク１に前記加熱用熱交換器８が接触している場合は、前記上部タンク１に前記冷却用熱交換器９が非接触となり、前記下部タンク２に前記冷却用熱交換器９が接触するとともに、前記下部タンク２に前記加熱用熱交換器８が非接触となるような動きをする前記加熱用熱交換器８と、前記冷却用熱交換器９とを少なくとも備え、前記上部タンク１に前記冷却用熱交換器９が接触するとともに、前記下部タンク２に前記加熱用熱交換器８が接触している状態と、前記上部タンク１に前記加熱用熱交換器８が接触するとともに、前記下部タンク２に前記冷却用熱交換器９が接触している状態を交互に繰り返すことで発電することを特徴として、熱交換の元になる熱源と気化熱や温度差を拡大させる元になる冷源を利用して、前記低沸点作動媒体１０を液体の状態で前記下部タンク２から前記上部タンク１へ、前記上部タンク１から前記下部タンク２へ流動させる際、前記配管３に設けられた前記発電用水車６が回転運動を起こして前記発電機７で発電するものであるので、天候や時間等に左右されることなく発電できるという効果を奏する。
【０００９】
また、従来廃棄されていた熱源と冷源が、本発明によりエネルギーとして回収することができるという効果を奏する。
【００１０】
さらに、低温・低級の熱源と冷源は、殆ど有効に活用されなかったが、本発明により有効にエネルギーとして回収することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上部タンク１、下部タンク２、配管３、第一開閉バルブ４、第二開閉バルブ５、発電用水車６の材質は、低沸点作動媒体１０の種類によって長期間利用した場合、光や酸素により酸化分解されることもあるので、遮光する材質を使用する。また温度差の利用する関係で前記上部タンク１、前記下部タンク２の材質は、出来るだけ熱伝導率の高い材質を使用する。
【００１２】
上部タンク１と下部タンク２を連結する配管３の長さは、少なくとも前記上部タンク１の底辺部付近の位置３ａまで達し、前記下部タンク２の底辺部付近の位置３ｂまで達する長さとする。
【００１３】
上部タンク１と下部タンク２の形状については、両タンク内を低沸点作動媒体１０が流動するために、特に配管３の前記下部タンク２側の配管口３ｂの底辺部付近や前記配管３の前記上部タンク１側の配管口３ａの底辺部は、低沸点作動媒体１０が集まりやすいように出来るだけ逆三角錐のような形状とする。
【００１４】
発電用水車は、クロスフロー水車 図３(Ａ)、フランシス水車 図３(Ｂ)、ペルトン水車
図３(Ｃ)、その他多数の発電用水車があるが、サイフォン型バイナリー発電装置の規模に適したものを使用するのが望ましい。例えば、規模が小さく、上部タンク１と下部タンク２の間の高さが低く、配管３を流れる流量が少ないのであれば、前記クロスフロー水車
図３(Ａ)の使用が基本的に望ましい。前記クロスフロー水車 図３(Ａ)の大きさによっても異なりますが、数ｍの高さで少ない流量でも回転する。逆に、規模が大きく、上部タンク１と下部タンク２の間の高さが高く、配管３を流れる流量が多いのであれば、前記フランシス水車
図３(Ｂ)やペルトン水車 図３(Ｃ)の使用が基本的に望ましい。
【００１５】
図面（図１）（図２）おいて、上部タンク１の天頂部全体と下部タンク２の底辺部全体に加熱用熱交換器８を、前記上部タンク１の底辺部全体と前記下部タンク２の天頂部全体に冷却用熱交換器９を接触させているが、立地規模や出力量によって各タンクの側面部を使用したり、各タンクと各熱交換器との接触面を凹凸にして、接触面積を拡大又は縮小しても構わないものである。
【００１６】
加熱用熱交換器８と冷却用熱交換器９設備の形について、上部タンクと下部タンクそれぞれに個別の各熱交換器を設置してもよいが、構造をシンプルにするためにも供給源を一つにまとめる形にしても構わないものである。
【００１７】
本発明は、低沸点作動媒体１０を加熱による加圧を利用した発電方法のため、加熱用熱交換器８の設置面積を極力大きく確保するために上部タンク１の天頂部と下部タンクの底辺部に設置している。
【００１８】
加熱用熱交換器８と冷却用熱交換器９設備全体の上下移動は、前記加熱用熱交換器８、前記冷却用熱交換器９に設置しているラック・ピニオン２４の回転で移動するようにしているが、他の手段を用いても構わないものである。
【００１９】
配管３の中を流動する低沸点作動媒体１０は、加熱用熱交換器８と冷却用熱交換器９の上下移動で常時流動するので、前記低沸点作動媒体１０の流動する力を回転力に変えるため、取りこぼしのない発電用水車を使用するのが望ましい。特に前記配管３の流動方向は、下部タンク２から上部タンク１へ流動するので、前記配管３と発電用水車６の羽根車（ランナー）２３の隙間は出来るだけ無く、前記低沸点作動媒体１０の流動する力を取りこぼしなく前記羽根車（ランナー）２３に直接当てて回転させる発電用水車を使用する。
【００２０】
低沸点作動媒体１０として塩化メチレン（沸点約４０℃）を使用しているが、他にペンタン、イソペンタン、ヘキサン、アセトン、ジエチルエーテル等を使用することもある。
【００２１】
サイフォン型バイナリー発電装置が単体では、低沸点作動媒体１０が全て下部タンク２から上部タンク１へ流動後、発電用水車６が一旦停止状態になり、低沸点作動媒体１０が前記上部タンク１から前記下部タンク２に流動し始めるまでに時間差が発生するので、発電用水車の停止時間を短縮するための計測器１５（液面計、温度計、圧力計、真空計）を利用したセンサー等による自動切り替え設備を備えたものとする。自動切り替え設備は、サイフォン型バイナリー発電装置全体を効率良く動かすために、上部タンク１内と下部タンク２内に各々計測器１５を利用した各センサー（液面センサー、温度センサー、圧力センサー、真空センサー）の信号を受けて、熱源を保持している加熱用熱交換器８と冷源を保持している冷却用熱交換器９の上下移動切り替え作業、真空ポンプ１３の稼働、第一開閉バルブ４及び第二開閉バルブ５の切り替え作業を自動的に行うものとする。
【００２２】
（００２１）により、サイフォン型バイナリー発電装置の発電用水車の停止時間を補完するために、単体を複数体に変更若しくは補完設備を備えるのが望ましい。
【００２３】
配管３における発電用水車６と下部タンク２の間に設けられた第一開閉バルブ４と、前記配管３における前記発電用水車６と上部タンク１の間に設けられて、前記第一開閉バルブ４とは基本的に正反対の動きになる第二開閉バルブ５は、気密性の高い開閉バルブを使用する。
【００２４】
サイフォン型バイナリー発電装置を稼働する本質的なエネルギー源は、基本的に立地する周辺環境の熱源であるので熱源と冷源の確保が重要である。その熱源を基本的に液体で補うのであれば、太陽光や太陽熱、地熱等を利用した温水、気体で補うのであれば、蓄熱による熱気、その他施設や設備から発生する蒸気や排熱を利用する。また冷源を基本的に液体で補うのであれば用水、気体で補うのであれば外気を利用する。
【００２５】
低沸点作動媒体１０が液体の状態で上部タンク１または下部タンク２に流動するのと同様に、熱源を保持している加熱用熱交換器８と冷源を保持している冷却用熱交換器９が上下移動により、前記上部タンク１と前記下部タンク２に交互に接触するようにしている。
【００２６】
上部タンク１と下部タンク２を連結する配管３の配管数や配管に設けられた付属機械並びに部品は、立地規模や出力量によって複数を備えても構わないものである。
【００２７】
本発明の稼働に必要な熱源と冷源の確保は、大気や水以外でも対応は可能であるが、再生可能エネルギー源の一つを目指すためにも出来るだけ自然界に優しいもので対応する。
【００２８】
以下、本発明を実施するための動作説明をする。
下部タンク２内に低沸点作動媒体１０（例えば塩化メチレン）を収容し、上部タンク１、前記下部タンク２、両タンクの間を連結する配管３の内を真空ポンプ１３で、真空状態とする。
【００２９】
配管３に設けられた第一開閉バルブ４を図面（図１）の状態（開閉バルブの噴射口を左上方向に絞る）にして、第二開閉バルブ５は低沸点作動媒体１０の流動の抵抗にならないようにする。
【００３０】
加熱用熱交換器８全体を上部方向に動かして前記上部タンク１の天頂を非接触にして、前記下部タンク２の底辺に接触させ、同時に冷却用熱交換器９全体も上部方向に動かして前記下部タンク２の天頂を非接触にして、前記上部タンク１の底辺に接触させる。図面（図１）の状態。
【００３１】
冷却用熱交換器９の影響により上部タンク１内が温度計と圧力計が下降とともに加熱用熱交換器８の影響により下部タンク２内が温度計と圧力計が上昇するために、低沸点作動媒体１０（例えば塩化メチレン）が液体の状態で配管３を通じて発電用水車６が回転（１６の状態）して、上部タンク１に流入する。発電用水車６が回転運動を起こして発電機７で発電する。
【００３２】
下部タンク２内の低沸点作動媒体１４（例えば塩化メチレン）が液体の状態で上部タンク１内に全て吸い上げられたら、配管３に設けられた第二開閉バルブ１８を図面（図２）の状態（開閉バルブの噴射口を右下方向に絞る）にして、第一開閉バルブ１７は低沸点作動媒体１０の流動の抵抗にならないようにする。
【００３３】
加熱用熱交換器１９全体を下部方向に動かして前記下部タンク２の底辺を非接触にして、前記上部タンク１の天頂に接触させ、同時に冷却用熱交換器２０全体も下部方向に動かして前記上部タンク１の底辺を非接触にして、前記下部タンク２の天頂に接触させる。図面（図２）の状態。
【００３４】
冷却用熱交換器２０の影響により下部タンク２内が温度計と圧力計が下降とともに加熱用熱交換器１９の影響により上部タンク１内が温度計と圧力計が上昇するために、低沸点作動媒体１０（例えば塩化メチレン）が液体の状態で配管３を通じて発電用水車６が回転（１６の状態）して、下部タンク２に流入する。発電用水車６が回転運動を起こして発電機７で発電する。
【００３５】
上部タンク１内の低沸点作動媒体１０（例えば塩化メチレン）が液体の状態で下部タンク２内に全て吸い下げられたら、配管３に設けられた第一開閉バルブ４を図面（図１）の状態（開閉バルブの噴射口を左上方向に絞る）にして、第二開閉バルブ５は低沸点作動媒体１０の流動の抵抗にならないようにする。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
以下、図１〜図３は本発明に係るサイフォン型バイナリー発電装置の構成例を示す図である。
【図１】本発明に係るサイフォン型バイナリー発電装置の構成例を示す正面図。熱源の入っている加熱用熱交換器８全体を上部方向に動かして前記下部タンク２の底辺に接触させて、冷源の入っている冷却用熱交換器９全体も上部方向に動かして前記上部タンク１の底辺に接触させている状態。
【図２】本発明に係るサイフォン型バイナリー発電装置の構成例を示す正面図。熱源の入っている加熱用熱交換器１９全体を下部方向に動かして前記上部タンク１の天頂に接触させて、冷源の入っている冷却用熱交換器２０全体も下部方向に動かして前記下部タンク１の天頂に接触させている状態。
【図３】（Ａ）本発明に係る発電用水車の構成例を示すクロスフロー水車の断面図（Ｂ）本発明に係る発電用水車の構成例を示すフランシス水車の断面図（Ｃ）本発明に係る発電用水車の構成例を示すペルトン水車の断面図
【符号の説明】
【００３７】
１  ：  上部タンク
２  ：  下部タンク
３  ：  配管
４  ：  第一開閉バルブ（噴射口を左上方向に絞る）
５  ：  第二開閉バルブ
６  ：  発電用水車
７  ：  発電機
８  ：  加熱用熱交換器（熱源部が下部タンクに接触中）
９  ：  冷却用熱交換器（冷源部が上部タンクに接触中）
１０  ：  低沸点作動媒体
１１  ：  下部タンクの液面
１２  ：  上部タンクの液面
１３  ：  真空ポンプ
１４  ：  低沸点作動媒体の流動方向
１５  ：  計測器（液面計、温度計、圧力計、真空計）
１６  ：  発電用水車の回転方向
１７  ：  第一開閉バルブ
１８  ：  第二開閉バルブ（噴射口を右下方向に絞る）
１９  ：  加熱用熱交換器（熱源部が上部タンクに接触中）
２０  ：  冷却用熱交換器（冷源部が下部タンクに接触中）
２１  ：  下部タンクの液面
２２  ：  上部タンクの液面
２３  ：  低沸点作動媒体の流動方向
２４  ：  ラック・ピニオン
２５  ：  ピニオンを使用したラック付き加熱用熱交換器、冷却用熱交換器の移動方向
２６  ：  羽根車（ランナー）
２７  ：  軸
２８  ：  カバー
２９  ：  案内羽根（ガイドベーン）
３０  ：  ケーシング
３１  ：  案内羽根（ガイドベーン）
３２  ：  羽根車（ランナー）
３３  ：  ケーシング
３４  ：  羽根車（ランナー）
３５  ：  ニードル弁
３６  ：  ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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