(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に設けられ地上から水が供給される水注入管と、前記水注入管の内側に配置されて複数の噴出口を有する蒸気取出管と、前記水注入管と前記蒸気取出管との間に設けられた中管とを備えた３重管構造であり、前記蒸気取出管内底部の圧力は、タービンが必要とする圧力以下に減圧されており、前記水注入管内の水に対して地熱帯から熱が供給されて生成される高圧熱水が前記噴出口を介して蒸気取出管内で蒸気単相流に変換されて地上に取出される地熱交換器であって、前記中管の上側から下側に向かって圧縮蒸気が下降し、前記蒸気取出管の底部には、前記中管を下降した圧縮蒸気が前記蒸気取出管に向かって噴出する圧縮蒸気噴出口が設けられていることを特徴とする地熱交換器。
【請求項２】
前記圧縮蒸気噴出口の径は、下方から上方に向かって小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の地熱交換器。
【請求項３】
前記蒸気取出管の出口上部側にブロワーが取り付けられており、ブロワーによって前記中管に送り込まれた圧縮蒸気は、前記蒸気取出管を上昇して循環し、前記中管上部から下部に対して圧力をかけることを特徴とする請求項１または２記載の地熱交換器。
【請求項４】
前記ブロワーの出口側に加熱器が取り付けられており、前記ブロワーから噴出す蒸気は加熱器によって加熱されることを特徴とする請求項３記載の地熱交換器。
【請求項５】
前記水注入管に供給される水の水位を低くすることによって、前記水注入管の上部に空気層が形成されることによる断熱部が、地表面に近い低温地帯に接する領域に対して設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の地熱交換器。
【請求項６】
前記水注入管に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の地熱交換器。
【請求項７】
少なくとも１つの前記水注入管と少なくとも１つの前記蒸気取出管と少なくとも１つの前記中管とが組み合わされてなる挿入管が、複数の地熱井に対して挿入されて構成され、前記蒸気取出管の出口が並列に接続されて、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集され、採集された蒸気の圧力を均一化する蒸気ヘッダーを備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の地熱交換器。
【請求項８】
前記地熱井は、既存の設備に付帯するものであることを特徴とする請求項７に記載の地熱交換器。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の地熱交換器を用いて発電を行うことを特徴とする地熱発電装置。
【請求項１０】
前記発電は、バイナリー方式によるものであることを特徴とする請求項９記載の地熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地熱エネルギーを効率よく取り出すことができ、浅い深度で比較的低温域であっても発電に利用することができる地熱交換器および地熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地熱エネルギーを利用して発電する地熱発電は、高温のマグマ層を熱源とするものであり、半永久的な熱エネルギーとすることができるとともに、発電の過程において温室効果ガスを発生しないことから、化石燃料の代替手段として近年注目されている。
【０００３】
従来の地熱発電は、地熱帯をボーリングし、地熱帯に存在する自然の蒸気や熱水を自然の圧力を利用して取り出し発電を行っている。そのため、取り出された蒸気と熱水には、地熱帯特有の硫黄その他の不純物が多量に含まれている。この不純物はスケールとなって、熱井戸や配管類、あるいはタービン等に付着する。スケールが付着すると、経年的に発電出力が減少し長期間の使用が困難となる。
【０００４】
このスケールによる問題を解決するために、地上から水を送り、地熱帯から供給される熱によって加熱して熱水を取り出す方式を採用した技術が、特許文献１に記載されている。
【０００５】
特許文献１に記載された技術は、地下に設置された地熱交換器で取出した高圧単相流を、地上に設置された気水分離器で蒸気として取出す方式によるものであり、スケールによる問題を解決しつつ地熱を有効利用できる点で大きな効果を有するものである。
【０００６】
全国に多く存在する地熱帯は比較的低温度であり、このような地熱帯を熱源として利用する方法として、バイナリー発電方式がよく知られている。バイナリー発電の優れた点として、地熱流体を直接タービンに入れることがないため、タービンの蒸気系統が汚染されないこと、広く普及しているフラッシュ、ダブルフラッシュ方式の熱効率アップに寄与すること、比較的低温域の地熱帯にも対応できること等が挙げられる。その一方、地熱流体を取り出す時に、地熱流体特有の不純物がシステムに入ること、大容量の発電には適さないこと等の理由によって、広く普及するまでには至っていないのが現状である。
【０００７】
バイナリー発電方式に関して、特許文献２には、熱源流体循環流路が二重管で構成され、内側管の配管外周部と、外側管の外周部のうち、地熱流体または地熱から吸熱を行う先端および先端外周部を除く配管外周部が断熱材で覆われているか、二層構造の内部が抽気されて真空断熱状態に保持されていることを特徴とするバイナリー発電システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−５２６２１号公報
【特許文献２】特開２０１４−８４８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
熱移動の圧力差を負圧で得ようとするものとして、ヒートパイプが知られている。ヒートパイプは、一本の管内を負圧にしたのち、管内に作動流体を注入して管内を密閉する。一般的には、ヒートパイプを縦に配置し、ヒートパイプ底部の加熱部を熱して、上部の熱伝導部を冷却する。熱伝導の過程で冷却することは、冷却する媒体に熱を与えることであり、この過程で熱交換が行われる。
【００１０】
ヒートパイプを地熱に応用した場合、次のような技術的問題点がある。ヒートパイプの作動流体を水とした場合、ヒートパイプの管内を下降する液化した水と、上昇する気化した蒸気との間で熱交換が行われ、効率が著しく下がる。また、水が気化する領域は、水の飽和温度と飽和圧力の領域で行われるため、気化した蒸気は液化しやすい。さらに、気化した蒸気は圧力が低いため、直接タービンを回すことができず、大容量の熱移動には適さない。
【００１１】
通常の地熱発電で生産される蒸気は、対象となる温度における飽和曲線上の数値から少し低めの圧力を有しており、蒸気は飽和蒸気に近い。生産される蒸気が飽和蒸気に近いと、仕事をしたのちの蒸気は簡単に液化する。そのため、タービンや熱交換器を駆動する際に蒸気が結露しやすく、結露が発生すると、タービンの効率が低下し、耐久性にも影響する。
【００１２】
また、地熱発電を広く普及させるためには、圧倒的に多く分布する、浅い深度で比較的低温域でも発電が可能な発電方式が必要であるが、一般的な地熱発電では、蒸気圧・温度が低いため、タービンが大型になってしまい、このような条件下での地熱発電の普及の妨げとなっている。
【００１３】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、浅い深度で比較的低温域でも高出力の発電が可能な地熱交換器および地熱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】
【００１４】
以上の課題を解決するために、本発明の地熱交換器は、地中に設けられ地上から水が供給される水注入管と、前記水注入管の内側に配置されて複数の噴出口を有する蒸気取出管と、前記水注入管と前記蒸気取出管との間に設けられた中管とを備えた３重管構造であり、前記蒸気取出管内底部の圧力は、タービンが必要とする圧力以下に減圧されており、前記水注入管内の水に対して地熱帯から熱が供給されて生成される高圧熱水が前記噴出口を介して蒸気取出管内で蒸気単相流に変換されて地上に取出される地熱交換器であって、前記中管の上側から下側に向かって圧縮蒸気が下降し、前記蒸気取出管の底部には、前記中管を下降した圧縮蒸気が前記蒸気取出管に向かって噴出する圧縮蒸気噴出口が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
３重管構造の中管の上側から下側に向かって圧縮蒸気が下降し、蒸気取出管の底部には、中管を下降した圧縮蒸気が蒸気取出管に向かって噴出する圧縮蒸気噴出口が設けられているため、蒸気取出管である内管では、底部の蒸気発生部と上部の蒸気取出部で圧力差が生じ、内管底部の蒸気発生部が負圧と同じ状態となる。
【００１６】
水注入管に供給された水は、水注入管下部において、地上からの深さにほぼ比例した高温圧力水となる。高温圧力水はその水圧によって蒸気取出管に設けられた噴出口を介して蒸気取出管へ噴出し、蒸気取出管内で蒸気単相流に変換され、この蒸気単相流が地上に取出される。
【００１７】
内管底部から、地上に設置したタービンまたは熱交換器までの系内は、地熱帯温度での飽和蒸気圧未満となり、外管である水注入管底部からの水の噴出しをアシストする効果が得られるとともに、中管を下降する加圧された圧縮蒸気による加温効果のため、内管系内の蒸気は過熱蒸気と同等の状態となる。そのため、結露しない蒸気で地上に設置したタービンまたは熱交換器を駆動することができる。
【００１８】
また、系内を負圧にして蒸気の飽和曲線より大きく圧力を下げ、温度領域を上げることによって、過熱蒸気を生産することできるため、飽和蒸気を生産する場合よりも、熱効率は格段に向上する。この手法によると、内管を真空状態にするよりも、圧力・温度ともに高く設定することができ、過熱蒸気にすることが可能な領域での負圧沸騰が可能である。
【００１９】
また、水注入管と蒸気取出管との間に設けられた中管内を圧縮蒸気が下降することにより、水注入管に注入される水と、蒸気取出管内の高温の蒸気との熱交換を抑制する断熱効果を得ることができる。
【００２０】
また、生産した蒸気の温度を上げることにより、蒸気を飽和蒸気領域から過熱蒸気領域に転換させることができる。一般的な地熱発電では、蒸気圧・温度が低いため、タービンが大型になってしまうが、高温・高圧の過熱蒸気を使うことにより、タービンの小型化、高効率化を図ることができる。
【００２１】
本発明の地熱交換器においては、前記圧縮蒸気噴出口の径は、下方から上方に向かって小さくなっている構造とすることができる。
【００２２】
圧縮蒸気噴出口の径が、下方から上方に向かって小さくなっていることにより、噴出す蒸気の流速を早めることができるため、内管底部の蒸気発生部の圧力を飽和圧力より大きく負圧にすることができる。
【００２３】
本発明の地熱交換器においては、前記蒸気取出管の出口上部側にブロワーが取り付けられており、ブロワーによって前記中管に送り込まれた圧縮蒸気は、前記蒸気取出管を上昇して循環し、前記中管上部から下部に対して圧力をかける構成とすることができる。
【００２４】
中管に圧縮蒸気を送り込む手段としてブロワーを用いて、圧縮蒸気を循環させることができ、この循環する圧縮蒸気によって、外部からブロワーを用いて中管の上部から下部に対して圧力をかけることができる。ブロワーによって加圧するための動力は発電出力の一部を使うことができる。
なお、外部からのブロワーで循環させる気体は、運転初期は空気であり、運転中は大部分が蒸気となるため、この循環気体を圧縮蒸気としている。
【００２５】
本発明の地熱交換器においては、前記ブロワーの出口側に加熱器が取り付けられており、前記ブロワーから噴出す蒸気は加熱器によって加熱される構成とすることができる。
【００２６】
加熱器によって蒸気を加熱することにより、高温・高圧の過熱蒸気とすることができる。そのため、タービンの入り口温度を高く設定でき、タービンの出力・効率を向上することができる。また、タービン内で蒸気が水に戻ることを防止できるため、タービンまたは熱交換器を駆動する蒸気が結露しにくい状態を保つことができる。加熱するための電源は発電出力の一部を使うことができる。
【００２７】
本発明の地熱交換器においては、前記水注入管に供給される水の水位を低くすることによって、前記水注入管の上部に空気層が形成されることによる断熱部が、地表面に近い低温地帯に接する領域に対して設けられている構造とすることができる。
【００２８】
対象となる地熱層によっては、地中に設置する地熱交換器に供給する水圧が大きすぎる場合があり、この水圧を下げる必要性がある場合、水注入管の水位を下げることで地熱交換器内の圧力調整が可能である。これによって水注入管の上部には空気層が形成されることになり、断熱性の高い空気層によって断熱効果を得ることができる。特に、抗井の高温地帯の深度が大きい場合、水注入管に供給する水の水位を低くすることで、地表面に近い低温地帯に接する水注入管に空気層を形成することができる。
【００２９】
本発明の地熱交換器においては、前記水注入管に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されている構成とすることができる。
【００３０】
大容量の発電を行う場合には、循環水量が大きくなることにより、外管部の損失水頭が大きくなるが、水注入管に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されている構成とすることにより、損失水頭分を補うことができ、自然水圧による場合よりも大きな圧力が得られるため、大容量の発電を実現することが可能となる。また、水注入管に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されている構成とすることにより、蒸気圧力を高くすることができるため、未利用の全国の高温度の地熱帯に本発明の地熱交換器を広く適用することができる。
【００３１】
本発明の地熱交換器においては、少なくとも１つの前記水注入管と少なくとも１つの前記蒸気取出管と少なくとも１つの前記中管とが組み合わされてなる挿入管が、複数の地熱井に対して挿入されて構成され、前記蒸気取出管の出口が並列に接続されて、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集され、採集された蒸気の圧力を均一化する蒸気ヘッダーを備えている構成とすることができる。
【００３２】
ボーリングする場所によって、温度・圧力ともそれぞれ異なるため、発電に利用した場合に、地熱井１つに対する発電出力がそれぞれ違うこととなる。そのため、複数の地熱井に対して、挿入管の蒸気取出管の出口を並列につなぎ、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気を合計して採集することで、タービン・復水器・発電機・変圧器等の容量を大きく設計することができ、発電所全体の効率がアップするという利点がある。また、蒸気ヘッダーを配置することにより、採集された蒸気の圧力の均一化を図ることができる。
【００３３】
本発明の地熱交換器においては、前記地熱井は、既存の設備に付帯するものであることとすることができる。
【００３４】
既存の設備に付帯する空の地熱井や休止中の地熱井に対して、水注入管と蒸気取出管と中管とが組み合わされて構成される挿入管を挿入して用いることにより、新たにボーリングを行うことなく、熱水によるエネルギーを取出すことができる。特に、蒸気単相流として地中から取出すことにより、挿入管の径を小さくすることができるため、使用できる地熱井の自由度が高まる。
【００３５】
本発明の地熱発電装置は、本発明の地熱交換器を用いて発電を行うことを特徴とする。
また、本発明の地熱発電装置は、前記発電をバイナリー方式によって行うことができる。
【００３６】
本発明の地熱交換器は、蒸気発生部を大気圧より負圧にして蒸気の飽和曲線より大きく圧力を下げるとともに、温度領域を上げることにより、過熱蒸気を生産することできるため、熱効率は飽和蒸気を生産する場合よりも格段に向上する。そのため、この地熱交換器を用いることによって、浅い深度で比較的低温域でも高出力の発電が可能な地熱発電装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によると、浅い深度で比較的低温域でも高出力の発電が可能な地熱交換器および地熱発電装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置をバイナリー方式とした図である。
【図３】３重管構造と、その底部の詳細を示す図である。
【図４】蒸気飽和曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下に、本発明の地熱交換器および地熱発電装置を、その実施形態に基づいて説明する。
本発明の実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置を図１に示す。
【００４０】
図１において、地熱交換器１は、地中に設けられ地上から水が供給される水注入管２と、水注入管２の内側に配置された蒸気取出管３と、水注入管２と蒸気取出管３との間に設けられた中管３０とを備えている。従って、外管である水注入管２と、内管である蒸気取出管３と、その中間領域に位置する中管３０とからなる３重管構造となっている。
【００４１】
蒸気取出管３には、その下部領域に、複数の噴出口５が設けられており、水注入管２と蒸気取出管３とは、この噴出口５によって開口状態となっている。蒸気取出管３はタービン６に接続されており、蒸気取出管３内底部の圧力は、タービン６が必要とする圧力以下に減圧されている。
【００４２】
水注入管２に自然の落差を利用して供給された水は、水注入管２の底部付近において、地上からの深さにほぼ比例した圧力が加えられ、地熱帯４から熱が供給されて高温圧力水となる。蒸気取出管３内は減圧されているため、この圧力差を利用して、高温圧力水は矢印で示すように、噴出口５から噴霧状態で蒸気取出管３内へ噴き出し、タービン６が必要とする圧力と、水注入管２の底部との圧力差を利用して気化して蒸気単相流に変換される。地下にて生成された蒸気単相流は、蒸気取出管３とタービン６との圧力差で移動し、タービン６を回す動力となる。この動力によって発電機７により発電がなされる。タービン６を出た蒸気はその後、復水器８にて冷却水９により冷却されて水に戻り、再び水注入管２に供給される。この繰り返しにより、継続的に発電がなされる。必要に応じて、補給水１１は水処理装置１０を介して補給水槽１２から補給される。
【００４３】
中管３０の上側から下側に向かって圧縮蒸気が下降し、蒸気取出管３の底部には、中管３０を下降した圧縮蒸気が蒸気取出管３に向かって噴出する圧縮蒸気噴出口３１が設けられている。圧縮蒸気噴出口３１の詳細については後に詳述する。
【００４４】
蒸気取出管３の出口側に蒸気ヘッダー１８、ブロワー３２が取り付けられている。蒸気ヘッダー１８を通過した蒸気の一部は、ブロワー３２に送られ、ブロワー３２によって中管３０の上部から下部に対して圧力をかけて、圧縮蒸気を送り込み、循環させる。
【００４５】
運転初期は、中管３０の最下部へ向けて圧縮された空気を送り、中管３０下部から圧縮蒸気噴出口３１を介して、内管３に向かって上向きに噴出させる。噴出された圧縮空気は内管３を通って、蒸気ヘッダー１８へ戻り、循環ラインを構成する。運転状態に入ると、圧縮空気には気化された蒸気が混入することになるが、熱効率アップのために、空気分を外部に放出させてブロワー３２に影響が出ないようにする。ブロワー３２の動力として発電出力の一部を使うことができる。
【００４６】
ブロワー３２の出口側に加熱器３３が取り付けられており、ブロワー３２から噴出す圧縮された循環用蒸気は、加熱器３３によって加熱される。加熱する熱源として発電出力の一部を使うことができる。
【００４７】
負圧状態で熱移動させた場合、タービン６には高圧蒸気を供給することが難しいため、熱交換して、２次作動流体を加圧して高圧力をタービン６に供給するバイナリー方式とすることが好ましい。
【００４８】
図２では、バイナリー方式による発電装置を示しており、地熱交換器１の蒸気取出管３から取り出された蒸気単相流は、熱交換器２０に送られ、低沸点媒体を加熱する。加熱された低沸点媒体は、低沸点媒体蒸気となってタービン６へ移動して、タービン６を回す動力となる。この動力によって発電機７により発電がなされる。
【００４９】
タービン６を出た低沸点媒体蒸気はその後、凝縮器２１にて冷却水により冷却されて低沸点媒体に戻り、ポンプ３４によって加圧されて熱交換器２０に送られる。この繰り返しにより、継続的に発電がなされる。必要に応じて、補給水１１は水処理装置１０を介して補給水槽１２から補給される。
【００５０】
蒸気取出管３とタービン６との間には、蒸気ヘッダー１８と蒸気調節弁１５とが設けられている。蒸気ヘッダー１８は、複数の地熱井から生産された蒸気をまとめて、単機のタービン６に供給するような場合に用いられるもので、これにより、圧力を均一化させることができる。その他、緊急減圧弁１６と圧力調節弁１７が設けられている。
【００５１】
このように、地熱井の温度、深さ、地熱帯の状況により、タービン６に直接高圧力を与えることができない場合には、バイナリー方式によって２次流体側で加圧するシステムとするのがよい。地熱帯の状況により、高い温度の蒸気が生産される場合には、通常の発電方式によって、生産された蒸気で直接タービン６を回して電力を得ることが可能である。
【００５２】
図３に、３重管構造と、その底部の詳細を示す。
図３（ａ）は、図１、図２におけるＡ―Ａ断面図を示している。地中に設置された地熱交換器１は、外管である水注入管２と、内管である蒸気取出管３と、中管３０とからなる３重管構造となっている。
【００５３】
図３（ｂ）は、３重管構造の底部の詳細を示している。
内管である蒸気取出管３の底部には、中管３０を下降した圧縮蒸気が蒸気取出管３に向かって噴出する圧縮蒸気噴出口３１が設けられている。圧縮蒸気噴出口３１の径は、中管３０底部側下方から蒸気取出管３側上方に向かって小さくなっており、底面側が広く上方が狭いフラスコ型の形状となっている。これにより、圧縮蒸気噴出口３１の断面積は、中管３０底部側下方から蒸気取出管３側上方に向かって小さくなっている。
【００５４】
圧縮蒸気噴出口３１がこのような構造となっていることにより、圧縮蒸気噴出口３１から噴出す圧縮蒸気の流速を早めることができるため、内管３底部の蒸気発生部の圧力を飽和圧力より大きく負圧にすることができ、負圧による効果を高めることができる。
【００５５】
内管である蒸気取出管３内は、上述した構成により、大気圧より負圧になっていることに加え、高温領域に移動させられて引き出された一次作動流体である水は、瞬時に気化して、過熱蒸気に変わる。蒸気取出管３内を負圧にして蒸気の飽和曲線より大きく圧力を下げるとともに、温度領域を上げることにより、過熱蒸気を生産することできるため、熱効率は飽和蒸気を生産する場合よりも格段に向上する。
【００５６】
内管である蒸気取出管３内は、底部で加圧されるが、その分は上部でブロワー３２に吸引されるため、全体としての圧力は、外管部で得られる加圧水の圧力と熱交換器との圧力で決定される。ブロワー３２で加圧する圧力は、内管底部の蒸気噴出し部を負圧にする効果を持たせればよい。
【００５７】
図４に、蒸気飽和曲線の一例を示す。
図４は、坑井深さが５００ｍ、温度１３５℃の場合を示しており、このときの飽和蒸気圧が０，３１３Ｍｐａであり、これより０，０５０Ｍｐａ負圧にして、負圧後の飽和圧力が０，２６３Ｍｐａのものを示している。本発明においては、図４に示すように、蒸気取出管３内を負圧にして蒸気の飽和曲線より大きく圧力を下げて負圧沸騰させ、過熱蒸気を生産している。
【００５８】
外管である水注入管２に水を注入するに当たっては、加圧ポンプ２７で圧力をかけて注入する方法を採ることによって、より高い圧力を水注入管２の底部に与えることができる。
【００５９】
上述したブロワー３２、加熱器３３の電源は、発電出力の一部を使うことができ、これにより、発電効率は少しダウンするが、高温、高圧の過熱蒸気を生産することができるため、全体としての出力を大きく向上させることができる。
【００６０】
抗井の高温地帯の深度が大きい場合、水注入管２に供給する高度処理水の水位を低くすることにより、地表面に近い低温地帯２６に接する水注入管２には空気層１９が形成されるため、これにより断熱効果を向上することができる。また、水注入管２下部における高温地帯と接する面は、熱伝導特性に優れた材質のものを使用して、地熱を吸収しやすいようにする。
【００６１】
地熱交換器１は、少なくとも１つの水注入管２と少なくとも１つの蒸気取出管３と少なくとも１つの中管３０とが組み合わされてなる挿入管が、複数の地熱井に対して挿入されて構成され、蒸気取出管３の出口が並列に接続されて、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集され、採集された蒸気の圧力を均一化する蒸気ヘッダー１８を備えている構成とすることができる。
【００６２】
１つの地熱井に対して１つの挿入管を挿入して使用することも可能であるが、ボーリングする場所によって、温度・圧力ともそれぞれ異なるため、発電に利用した場合に、地熱井１つに対する発電出力がそれぞれ違うこととなる。そのため、複数の地熱井に対して、挿入管の蒸気取出管３の出口を並列につなぎ、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気を合計して採集することで、タービン・復水器・発電機・変圧器等の容量を大きく設計することができ、発電所全体の効率がアップするという利点がある。また、蒸気ヘッダー１８を配置することにより、採集された蒸気の圧力の均一化を図ることができ、圧力が均一化された蒸気を単機のタービンに供給することができる。
【００６３】
例えば、３つの地熱井を使用する場合、それぞれの地熱井での熱出力を発電機出力に換算して、１号井５００ｋＷ、２号井４００ｋＷ、３号井６００ｋＷである場合、３ユニット独立で発電システムを構築するより、これらを合計して、１号井＋２号井＋３号井＝１５００ｋＷの１ユニットとして設計すれば、全体の出力は同じでも、タービン・復水器・発電機・変圧器の容量を大きく設計することができ、電気機器の効率は容量によってアップするため、発電に利用した場合には発電所全体の効率がアップすることになる。また、工事費等の建設費を格段に安くすることができる。
【００６４】
また、地熱交換器１は、新設の地熱井を用いることができる他、既存の設備、例えば、既存の地熱発電所に付帯する地熱井であって、空の地熱井や休止中の地熱井に対して、水注入管２と蒸気取出管３と中管３０とが組み合わされて構成される挿入管を挿入して用いることができる。特に、蒸気単相流として地中から取出すことにより、挿入管の径を小さくすることができるため、使用できる地熱井の自由度が高まり、既存の地熱井の有効利用を促進することができる。
【００６５】
このように、休坑井を含む既存の坑井をリプレイスすることで、環境アセスに要する時間を大幅に短縮することができ、開発コストを大きく削減することができる。また、従来型の地熱発電で必要な補充坑が不要である。さらに、地熱流体を一切用いないため、スケール腐食は通常の水配管・機器と同レベルになり、一般の工業装置のメンテナンス頻度で済むという利便性があるとともに、温泉源枯渇の懸念は払しょくされ、環境問題は劇的に緩和される。
【００６６】
本発明の地熱交換器は、地下で蒸気が生成されるため、通常地上に設置される圧力容器である蒸気発生器は不要である。そのため、蒸気発生器の建設費用が不要であり、システム全体の制御をより簡易な設計とすることができる。また、蒸気発生器を設置する必要がないため、圧力容器の取り扱い技術者が不要であり、保守要員の削減を図ることで運転コスト削減に供することができる。
【００６７】
また、本発明の地熱交換器は、地下水を圧送するための加圧ポンプは必須ではなくなるため、加圧ポンプの設置に要する費用を削減することができる。さらに、システム全体の制御をより簡易な設計とすることができる。さらに、蒸気発生器は不要であり、加圧ポンプは必須ではないため、地上設備を設置する用地を少なくすることができる。地熱帯は国立公園内に多く存在しており、発電設備の建設にあたっての環境負荷を軽減することが可能である。
【００６８】
本発明では、既存の発電用、温泉用を問わず、坑井の最深部地帯に一定の熱があることを条件として、地上から坑井の最深部へ水を供給することによって、坑井の再生を行うことが可能である。この場合には、水を供給する管は、通常の配管で十分である。
【００６９】
上述したように、本発明は、内管である蒸気取出管内を、大気圧より負圧にして蒸気の飽和曲線より大きく圧力を下げるとともに、温度領域を上げることにより、過熱蒸気を生産できるようにして、飽和蒸気を生産する場合よりも熱効率を向上させている点に大きな特徴がある。これにより、圧倒的に多く分布する、浅い深度で比較的低温域でも地熱発電が可能となり、特に、全国の温泉業者が保有する１３０℃前後の温泉から、熱資源を取り出すことができることから、地熱発電の普及に大きく貢献する。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、浅い深度で比較的低温域でも高出力の発電が可能な地熱交換器および地熱発電装置として広く利用することができる。既存の坑井を有効利用できることや、発電設備の建設にあたっての環境負荷を軽減できる点等において顕著な優位性があり、原子力発電所の事故により、原子力に多くを依存していた我が国のエネルギー政策が根本から見直すことを余儀なくされている現状を考慮すると、圧倒的に多く分布する、浅い深度で比較的低温域でも地熱発電が可能となるため、将来のベース発電としての役割を担うことができ、産業上の利用に大きく寄与するものである。
【符号の説明】
【００７１】
１  地熱交換器
２  水注入管（外管）
３  蒸気取出管（内管）
４  地熱帯
５  噴出口
６  タービン
７  発電機
８  復水器
９  冷却水
１０  水処理装置
１１  補給水
１２  補給水槽
１５  蒸気調節弁
１６  緊急減圧弁
１７  圧力調節弁
１８  蒸気ヘッダー
１９  空気層
２０  熱交換器
２１  凝縮器
２６  低温地帯
２７  加圧ポンプ
３０  中管
３１  圧縮蒸気噴出口
３２  ブロワー
３３  加熱器
３４  ポンプ
【要約】
【課題】浅い深度で比較的低温域でも高出力の発電が可能な負圧型地熱交換器および負圧型地熱発電装置を提供する。
【解決手段】地熱交換器１は、地中に設けられ地上から水が供給される水注入管２と、水注入管２の内側に配置された蒸気取出管３と、水注入管２と蒸気取出管３との間に設けられた中管３０とを備えた３重管構造となっている。蒸気取出管３には、その下部領域に、複数の噴出口５が設けられており、水注入管２と蒸気取出管３とは、この噴出口５によって開口状態となっている。中管３０の上側から下側に向かって圧縮蒸気が下降し、蒸気取出管３の底部には、中管３０を下降した圧縮蒸気が蒸気取出管３に向かって噴出する圧縮蒸気噴出口３１が設けられている。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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