(57)【要約】【解決手段】熱源からパワーを発生させる方法に関し、前記方法が、作動流体を圧縮（１０）して温度を高める段階と、前記作動流体と前記熱源との間で熱交換（１１）して前記作動流体を過熱する段階と、前記過熱された作動流体を膨張（１２）させてタービンを駆動し、それにより、温度を下げる段階と、前記作動流体を凝縮（１３）させて温度をさらに下げる段階と、前記作動流体を前記圧縮段階（１０）に戻す段階とを備え、上記方法が、前記作動流体の熱を再生する段階（１４）をさらに具備し、前記圧縮段階（１０）と前記熱交換段階（１１）との間を通過する作動流体が、前記膨張段階（１２）と前記凝縮段階（１３）との間を通過する作動流体と熱を交換し、前記段階は、前記作動流体の飽和ドーム（Ａ）の上方の超臨界領域（ＳＣ）内で熱力学サイクル（Ｓ１−Ｓ１’−Ｓ２−Ｓ３−Ｓ３’−Ｓ４）において実行され、前記熱再生段階（１４）は、連続的な熱交換を誘導するために等エンタルピー状態の下で実行される。熱源からパワーを発生させるシステムも提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源からパワーを発生させる方法であって、前記方法が、
作動流体を圧縮して、その温度を高める段階と、
前記作動流体と前記熱源との間で熱を交換して、前記作動流体を過熱する段階と、
前記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、
前記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、
前記作動流体を前記圧縮段階に戻す段階と、を備え、
上記方法が、前記作動流体の熱を再生する段階をさらに具備し、前記圧縮段階と前記熱交換段階との間を通過する作動流体が、前記膨張段階と前記凝縮段階との間を通過する作動流体と熱を交換し、
前記段階は、前記作動流体の飽和ドームの上方の超臨界領域内で熱力学サイクルにおいて実行され、前記熱再生段階は、連続的な熱交換を誘導するために等エンタルピー状態の下で実行される、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記熱再生段階における温度は、前記等エンタルピー状態を維持するように制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
熱再生段階は、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体と、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の温度を制御する段階を具備していることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記熱再生段階における温度は、Δｈ／ΔＴ ≠ ０であり、ここで、Δｈは、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体と、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体との間のエンタルピーの差であり、ΔＴは、作動流体の間の温度差であることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項５】
前記熱再生段階における温度を監視する段階をさらに具備していることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項６】
熱再生段階は、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体と、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の圧力を制御する段階を具備し、前記温度監視段階に応答して、それにより、前記少なくとも１つの作動流体の温度を制御することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
熱再生段階における圧力は、前記等エンタルピー状態を維持するように制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
熱再生段階は、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体と、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の圧力を制御する段階を具備していることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
熱再生段階は、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体の圧力を制御する段階を具備していることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
作動圧力は、作動流体の臨界点に比べて高いことを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１１】
作動圧力は、３０ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
作動圧力は、１５ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
作動圧力は、８〜１２ＭＰａの間であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
作動温度は、１００℃〜２００℃の間であることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１５】
作動流体は、３．３ＭＰａ〜７．５ＭＰａの間の臨界圧を有していることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１６】
作動流体は、３０℃〜２００℃の臨界温度を有していることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１７】
作動流体は、単一の成分からなることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１８】
作動流体は、二酸化炭素、ｎ−ペンタン（Ｃ5Ｈ12）、ＨＦＣ−２４５ｃａ（ＣＦ2Ｈ−ＣＦ2−ＣＦＨ2）、ＨＦＣ−２４５ｆａ（ＣＦ3−ＣＨ2−ＣＦ2Ｈ）、ＨＦＣ−１３４ａ（ＣＨ2Ｆ−ＣＦ3）、冷媒１２５、及びペンタフルオロエタン（Ｆ4ＣＨ2Ｆ）からなるグループから選択されていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
作動流体は、多成分の作動流体であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
熱源は、地熱熱源又は廃熱熱源を具備していることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項２１】
地熱熱源は、高温乾燥岩石リザーバ又は熱水リザーバを具備していることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
廃熱熱源は、在来の発電所からの冷却水又は廃棄蒸気を具備していることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
在来の発電所には、石炭、泥炭、油、ガス、又はその他の化石燃料の火力発電所が含まれることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
熱源からパワーを発生させるシステムであって、前記システムが、
作動流体を圧縮して、その温度を高める圧縮機と、
第１の熱交換器であって、前記圧縮機と前記熱源とに流体的に結合可能であり、前記作動流体と前記熱源との間にて熱交換して、前記作動流体を過熱する、上記第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器と流体的に結合可能なタービンであって、前記過熱された作動流体を膨張させて、それにより、温度を低下させる、上記タービンと、
第２の熱交換器であって、前記作動流体を凝縮させて、さらに温度を低下させ、前記タービン及び前記圧縮機に流体的に結合可能である、前記第２の熱交換器と、
熱再生器であって、前記再生器は前記圧縮機と前記第１の熱交換器との間に流体的に相互に結合され、前記第１の熱交換器に入る前に前記作動流体を予熱し、前記タービンと前記第２の熱交換器との間に流体的に相互に結合され、前記タービンを出た後に前記作動流体を冷却し、前記圧縮機と前記第１の熱交換器との間を通過する前記作動流体が、前記タービンと前記凝縮器との間を通過する前記作動流体と熱交換する、上記熱再生器と、
前記システムは、前記作動流体の飽和ドームの上方の超臨界領域内で熱力学サイクルにおいて実行され、前記再生器は、連続的な熱交換を誘導するために等エンタルピー状態の下で実行される、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２５】
熱再生器は、前記熱再生器内の温度を制御して、等エンタルピー状態を維持することを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
温度制御手段は、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体と、タービンと凝縮器との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の温度を制御することを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記熱再生器における温度は、Δｈ／ΔＴ ≠ ０であり、ここで、Δｈは、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体と、タービンと凝縮器との間を通過する作動流体との間のエンタルピーの差であり、ΔＴは、作動流体の間の温度差であることを特徴とする請求項２４乃至２６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２８】
前記再生器内の温度を監視する手段をさらに具備していることを特徴とする請求項２４乃至２７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２９】
温度監視手段は、再生器内に配置された１又は複数の熱電対を具備していることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
再生器は、前記温度監視手段に応答して、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体と、タービンと凝縮器との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の圧力を制御する手段を具備し、それにより、前記少なくとも１つの作動流体の温度を制御することを特徴とする請求項２８又は２９に記載のシステム。
【請求項３１】
熱再生器は、前記熱再生器内の圧力を制御して、前記等エンタルピー状態を維持する手段を具備していることを特徴とする請求項２４乃至２７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３２】
圧力制御手段は、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体と、タービンと凝縮器との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の圧力を制御することを特徴とする請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
圧力制御手段は、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体の圧力を制御することを特徴とする請求項３０乃至３２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３４】
圧力制御手段は、前記少なくとも１つの作動流体の上流側圧力を制御して、下流側温度に変化を誘導することを特徴とする請求項３０乃至３３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３５】
圧力制御手段は、前記少なくとも１つの作動流体の圧力を制御するために、少なくとも１又は複数のバルブを具備していることを特徴とする請求項３０乃至３４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３６】
バルブは、スロットルバルブであることを特徴とする請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
作動圧力は、作動流体の臨界点に比べて高いことを特徴とする請求項２４乃至３６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３８】
作動圧力は、３０ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
作動圧力は、１５ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
作動圧力は、８〜１２ＭＰａの間であることを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
作動温度は、１００℃〜２００℃の間であることを特徴とする請求項２４乃至４０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４２】
作動流体は、３．３ＭＰａ〜７．５ＭＰａの間の臨界圧を有していることを特徴とする請求項２４乃至４１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４３】
作動流体は、３０℃〜２００℃の臨界温度を有していることを特徴とする請求項２４乃至４２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４４】
作動流体は、単一の成分からなることを特徴とする請求項２４乃至４３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４５】
作動流体は、二酸化炭素、ｎ−ペンタン（Ｃ5Ｈ12）、ＨＦＣ−２４５ｃａ（ＣＦ2Ｈ−ＣＦ2−ＣＦＨ2）、ＨＦＣ−２４５ｆａ（ＣＦ3−ＣＨ2−ＣＦ2Ｈ）、ＨＦＣ−１３４ａ（ＣＨ2Ｆ−ＣＦ3）、冷媒１２５、及びペンタフルオロエタン（Ｆ4ＣＨ2Ｆ）からなるグループから選択されていることを特徴とする請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
作動流体は、多成分の作動流体であることを特徴とする請求項２４乃至４３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４７】
熱源は、地熱熱源又は廃熱熱源を具備していることを特徴とする請求項２４乃至４６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４８】
地熱熱源は、高温乾燥岩石リザーバ又は熱水リザーバを具備していることを特徴とする請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
廃熱熱源は、在来の発電所からの冷却水又は廃棄蒸気を具備していることを特徴とする請求項４７に記載のシステム。
【請求項５０】
在来の発電所には、石炭、泥炭、油、ガス、又はその他の化石燃料の火力発電所が含まれることを特徴とする請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
添付図面及び／又は例に図示され、本発明の実施形態のいずれか１つを参照して、実質的に本願に開示されていることを特徴とする熱源からパワーを発生させる方法。
【請求項５２】
添付図面及び／又は例に図示され、本発明の実施形態のいずれか１つを参照して、実質的に本願に開示されていることを特徴とする熱源からパワーを発生させるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源からパワーを発生させる方法及びシステムに関し、特に、地熱熱源からパワーを発生させる方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、地熱熱源からパワーを発生するのに使用するために主として開発されたもので、かかる用途を参照して以下に説明する。しかしながら、本発明は、この特定の分野の使用に限定されないことを認識されたい。
【０００３】
明細書を通して、従来技術のあらゆる説明は、そうした従来技術が周知であり又は技術分野における一般的な知識を形成することを認めたものとみなされるべきではない。
【０００４】
化石燃料の消費及び温室効果ガスの低減に関する懸念の高まりは、パワー発生の効率の最大化と再生可能なエネルギー資源とに着目した研究及び開発につながった。１つの再生可能なエネルギー資源は、地熱エネルギーであり、これは、地球の深くに格納された熱エネルギーに由来する。パワー発生の効率を高めることは、すべてのエネルギー資源に共通する関心事であり、地熱パワープラントにおいては特に関心事である。
【０００５】
地熱エネルギーからパワーを生成するには、基本的に、リザーバから地熱流体を抽出し、地熱流体に格納されていた熱エネルギーを機械的仕事に変換し、次に電力にする。従来の地熱パワーサイクルは一般的には、非凝縮直接蒸気サイクルと、凝縮直接蒸気サイクル（シングルフラッシュ又はダブルフラッシュ）と、二流体サイクルと、複合サイクルとに分類される。凝縮直接蒸気サイクルを除くすべてにおいては、地熱熱源と熱交換するのに作動流体を使用しており、タービンを駆動してパワーを発生させている。凝縮直接蒸気サイクルは、乾燥蒸気の地熱リザーバに限られ、熱水リザーバ及び高温乾燥岩石リザーバなど、他の地熱リザーバに比べてはるかにまれである。
【０００６】
しかしながら、これらの従来のパワーサイクルは、元来、化石燃料からの大規模なパワー生成のために設計されており、熱交換のために高温源が利用可能になっている。その結果、これらの従来のパワーサイクルにおいては、作動流体の蒸発と凝縮とが両方とも、一定の温度にて生じていた。地熱熱源の文脈においては、これは、熱力学サイクルの熱添加工程中又は拒絶工程中（the heat addition or the rejection processes）に、作動流体と地熱熱源との間に大きな温度のミスマッチをもたらす。例えば、二流体サイクルにおいては、一次熱交換器における作動流体と地熱流体との間の温度差は、８０℃〜１００℃の高さである。熱力学の観点からは、熱交換工程における大きな温度差は、パワーサイクルにおけるエントロピーを増加させ、それにより、熱交換工程の効率、特にエネルギー（有効性）に関連した第二法則の効率を減少させ、パワー発生のための貧弱なエネルギー回収をもたらす。
【０００７】
この問題点を解決するために、カリーナサイクル（Kalina cycle）は、作動流体としてアンモニアと水の多成分のゼオトロープ混合物（zeotropic mixture）を採用し、追加的な吸収及び蒸留の機器は、サイクルの低温終了時に混合物を再生する。多成分の作動流体は、蒸発中に可変相変化温度を有し、温度範囲にわたって作動流体の蒸発が生じる。従って、混合温度は、地熱流体の温度と密に一致し、熱エネルギーの量を増加させ、これは、サイクルのエントロピーを回収及び最小化させ、従って、化石燃料ベースのパワー発生とは異なり、地熱熱源など低温の用途のために、熱交換工程の効率を改善する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
カリーナサイクルの不都合は、サイクルに加えられた吸収及び蒸留の機器が、システムの複雑さをさらに生じさせ、他のタイプの発電所に比べて、プラントの据え付けコストをかなり増加させることである。さらに、カリーナサイクルは、アンモニアと水の混合物の圧力及び組成に対して高い敏感性を有し、可能な地熱リザーバの温度の全範囲にわたってサイクルの作動を制限し、有効に下限を最低温度に設定し、その温度で、深い地熱エネルギー源が商業化される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの観点によって提供される方法は、熱源からパワーを発生させる方法であって、前記方法が、
作動流体を圧縮して、その温度を高める段階と、
前記作動流体と前記熱源との間で熱を交換して、前記作動流体を過熱する段階と、
前記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、
前記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、
前記作動流体を前記圧縮段階に戻す段階と、を備え、
上記方法が、前記作動流体の熱を再生する段階をさらに具備し、前記圧縮段階と前記熱交換段階との間を通過する作動流体が、前記膨張段階と前記凝縮段階との間を通過する作動流体と熱を交換し、
前記段階は、前記作動流体の飽和ドームの上方の超臨界領域内で熱力学サイクルにおいて実行され、前記熱再生段階は、連続的な熱交換を誘導するために等エンタルピー状態の下で実行される、
ことを特徴とする。
【００１０】
本発明の別の観点によって提供されるシステムは、熱源からパワーを発生させるシステムであって、前記システムが、
作動流体を圧縮して、その温度を高める圧縮機と、
第１の熱交換器であって、前記圧縮機と前記熱源とに流体的に結合可能であり、前記作動流体と前記熱源との間にて熱交換して、前記作動流体を過熱する、上記第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器と流体的に結合可能なタービンであって、前記過熱された作動流体を膨張させて、それにより、温度を低下させる、上記タービンと、
第２の熱交換器であって、前記作動流体を凝縮させて、さらに温度を低下させ、前記タービン及び前記圧縮機に流体的に結合可能である、前記第２の熱交換器と、
熱再生器であって、前記再生器は前記圧縮機と前記第１の熱交換器との間に流体的に相互に結合され、前記第１の熱交換器に入る前に前記作動流体を予熱し、前記タービンと前記第２の熱交換器との間に流体的に相互に結合され、前記タービンを出た後に前記作動流体を冷却し、前記圧縮機と前記第１の熱交換器との間を通過する作動流体が、前記タービンと前記凝縮器との間を通過する作動流体と熱交換する、上記熱再生器と、
前記システムは、前記作動流体の飽和ドームの上方の超臨界領域内で熱力学サイクルにおいて実行され、前記再生器は、連続的な熱交換を誘導するために等エンタルピー状態の下で実行される、
ことを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、熱再生段階における温度は、等エンタルピー状態を維持するように制御される。好ましくは、熱再生段階は、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体と、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の温度を制御する段階を具備している。好ましくは、前記熱再生段階における温度は、Δｈ／ΔＴ ≠ ０であり、ここで、Δｈは、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体と、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体との間のエンタルピーの差であり、ΔＴは、作動流体の間の温度差である。
【００１２】
好ましくは、方法は、前記熱再生段階における温度を監視する段階をさらに具備している。好ましくは、熱再生段階は、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体と、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の圧力を制御する段階を具備し、前記温度監視段階に応答して、それにより、前記少なくとも１つの作動流体の温度を制御する。
【００１３】
好ましくは、前記熱再生段階における圧力は、前記等エンタルピー状態を維持するように制御する。好ましくは、熱再生段階は、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体と、膨張段階と凝縮段階との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の圧力を制御する段階を具備している。好ましくは、熱再生段階は、圧縮段階と熱交換段階との間を通過する作動流体の圧力を制御する段階を具備している。好ましくは、熱再生段階は、前記少なくとも１つの作動流体の上流側圧力を制御して、下流側の温度の変化を誘導する。
【００１４】
好ましくは、熱再生器は、前記熱再生器内の温度を制御して、等エンタルピー状態を維持する。好ましくは、温度制御手段は、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体と、タービンと凝縮器との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の温度を制御する。好ましくは、前記熱再生器における温度は、Δｈ／ΔＴ ≠ ０であり、ここで、Δｈは、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体と、タービンと凝縮器との間を通過する作動流体との間のエンタルピーの差であり、ΔＴは、作動流体の間の温度差である。
【００１５】
好ましくは、システムは、前記再生器内の温度を監視する手段を具備している。好ましくは、温度監視手段は、再生器内に配置された１又は複数の熱電対を具備している。好ましくは、再生器は、前記温度監視手段に応答して、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体と、タービンと凝縮器との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の圧力を制御する手段を具備し、それにより、前記少なくとも１つの作動流体の温度を制御する。
【００１６】
好ましくは、熱再生器は、前記再生器内の圧力を制御して、前記等エンタルピー状態を維持する手段を具備している。好ましくは、圧力制御手段は、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体と、タービンと凝縮器との間を通過する作動流体とのうち、少なくとも１つの作動流体の圧力を制御する。好ましくは、圧力制御手段は、圧縮機と第１の熱交換器との間を通過する作動流体の圧力を制御する。好ましくは、圧力制御手段は、前記少なくとも１つの作動流体の上流側圧力を制御して、下流側温度に変化を誘導する。好ましくは、圧力制御手段は、前記少なくとも１つの作動流体の圧力を制御するために、少なくとも１又は複数のバルブを具備している。好ましくは、バルブは、スロットルバルブである。
【００１７】
好ましくは、方法及びシステムで使用される作動圧力は、作動流体の臨界点に比べて高い。好ましくは、作動圧力は、３０ＭＰａ未満である。好ましくは、作動圧力は、１５ＭＰａ未満である。好ましくは、作動圧力は、８〜１２ＭＰａの間である。好ましくは、方法及びシステムにおいて使用される作動温度は、１００℃〜２００℃の間である。
【００１８】
好ましくは、作動流体は、３．３ＭＰａ〜７．５ＭＰａの間の臨界圧を有している。好ましくは、作動流体は、３０℃〜２００℃の臨界温度を有している。
【００１９】
好ましくは、作動流体は、単一の成分からなる。代わりに、望むならば、多成分の作動流体を使用してもよい。
【００２０】
好ましくは、作動流体は、二酸化炭素、ｎ−ペンタン（Ｃ5Ｈ12）、ＨＦＣ−２４５ｃａ（ＣＦ2Ｈ−ＣＦ2−ＣＦＨ2）、ＨＦＣ−２４５ｆａ（ＣＦ3−ＣＨ2−ＣＦ2Ｈ）、ＨＦＣ−１３４ａ（ＣＨ2Ｆ−ＣＦ3）、冷媒１２５、及びペンタフルオロエタン（Ｆ4ＣＨ2Ｆ）を含む。
【００２１】
好ましくは、熱源は、地熱熱源又は廃熱熱源を具備している。好ましくは地熱熱源は、高温乾燥岩石リザーバ又は熱水リザーバを具備している。代わりに、廃熱熱源は、在来の発電所からの冷却水又は廃棄蒸気を具備しており、在来の発電所には、石炭、泥炭、油、ガス、又はその他の化石燃料の火力発電所が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】作動流体の温度とエントロピーの状態図である。
【図２】ランキンサイクルを示した温度とエントロピーの状態図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による方法を示した、温度とエントロピーの状態図である。
【図４】第１の実施形態によるシステムを示した模式図である。
【図５】純粋な作動流体について、温度に対するエンタルピーの変化を示したグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態によるシステムにおける再生器を示した模式図である。
【図７】第２の実施形態による方法を示した、温度とエントロピーの状態図である。
【図８】従来のパワーサイクルと第２の実施形態との熱変換効率を比較したグラフである。
【図９】従来のパワーサイクルと第２の実施形態との効率（exergetic efficiency）を比較したグラフである。
【図１０】従来のパワーサイクルと第２の実施形態とによって得られた特定の仕事を比較したグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態について、例示的にのみ、添付図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、純粋な作動流体について、温度（Ｔ）とエントロピー（Ｓ）の領域を示した状態図である。図において、破線Ｐは、一定圧力を示す等圧線である。飽和ドームＡは、作動流体が飽和状態にある境界を形成している。ほとんどの従来のパワーサイクル、例えば、図２に示したランキンサイクルは、飽和ドームＡによって形成された、作動流体の飽和相のまわりで動作して、一定の圧力及び温度の下でサイクルが行われることに関連して、任意の相変化が生じる。このことは、飽和ドームＡの内部での作動流体の相変化中に、熱源からのエネルギーが失なわれることを意味する。これとは対照的に、本発明の実施形態は、飽和ドームＡの上方で作動することで、これらの熱損失を回避する。
【００２５】
図３及び図４を参照すると、本発明の１つの実施形態が示されている。図３に最良に示されるように、熱源からパワーを発生させる方法は、作動流体を圧縮して温度を高める段階１０（状態Ｓ４−Ｓ１）と、作動流体と熱源との間で熱交換して、作動流体を過熱する段階１１（状態Ｓ１’−Ｓ２）とを具備している。段階１２では、過熱された作動流体は、膨張して、タービンを駆動し、それにより、温度を低下させる（状態Ｓ２−Ｓ３）。次に、段階１３では、作動流体を凝縮して、さらに温度を下げ（状態Ｓ３’−Ｓ４）、その後、圧縮段階１０に復帰する。方法はさらに、熱再生段階１４を具備し、圧縮段階１０と熱交換段階１１との間を通過する作動流体（状態Ｓ１−Ｓ１’）が、膨張段階１２と凝縮段階１３との間を通過する作動流体（Ｓ３−Ｓ３’）と熱交換するようになっている。従って、事実上、作動流体は、圧縮段階１０の後に、段階１１にて熱源と熱交換する前に予熱され、作動流体は、凝縮段階１３の前に膨張段階１２の後に冷却される。これらの段階１０乃至１４は、作動流体の飽和ドームＡの上方にある超臨界領域ＳＣ内にて、熱力学サイクル（Ｓ１−Ｓ１’−Ｓ２−Ｓ３−Ｓ３’−Ｓ４）において実行され、熱再生段階１４は、連続的な熱交換を誘導するために、等エンタルピー状態の下で実行される。
【００２６】
図３に示した方法は、図４に最良に示されるような、熱源１６からパワーを発生させるシステム１５において実現される。システムは、給送ポンプの形態である圧縮機１７を具備し、作動流体を圧縮して、温度を高め、また、高温熱交換器の形態である第１の熱交換器１８を具備し、圧縮機１７及び熱源１６に流体的に結合可能で、作動流体と熱源１６との間で熱交換して、作動流体を過熱する。タービン１９は、高温熱交換器１８に流体的に結合可能で、過熱された作動流体を膨張させ、それにより、温度を下げる。低温熱交換器の形態である第２の熱交換器２０は、タービン１９及び圧縮機１７に流体的に結合可能で、作動流体を凝縮し、適当な冷却流体リザーバ２１から得られた冷却流体を用いて、さらに温度を低下させる。熱再生器２２は、圧縮機１７及び第１の熱交換器１８の間に流体的に相互に結合され、高温熱交換器に入る前に、作動流体を予熱し、また、タービン１９及び低温熱交換器２０の間に流体的に相互に結合され、タービン１９を出た後に、作動流体を冷却する。熱再生器２２は、タービン１９と凝縮器２０との間を通過する“熱い”作動流体（流れ２４）を使用して、圧縮機１６と高温熱交換器１８との間を通過する“冷たい”作動流体（流れ２３）を予熱する。システム１５は、作動流体の飽和ドームＡの上方にある超臨界領域ＳＣ内にて、熱力学サイクル（Ｓ１−Ｓ１’−Ｓ２−Ｓ３−Ｓ３’−Ｓ４）において作動し、熱再生器２２は、連続的な熱交換を誘導するために、等エンタルピー状態の下で作動する。
【００２７】
熱力学サイクル（Ｓ１−Ｓ１’−Ｓ２−Ｓ３−Ｓ３’−Ｓ４）は、実質的にランキンサイクルと同様であるけれども、作動流体の飽和ドームＡの上方にある超臨界領域ＳＣの中に上昇し、状態Ｓ１−Ｓ１’及びＳ３−Ｓ３’は、等エンタルピー状態の下にある。
【００２８】
飽和ドームＡの上方にある超臨界領域ＳＣ内にて、熱力学サイクル（Ｓ１−Ｓ１’−Ｓ２−Ｓ３−Ｓ３’−Ｓ４）の全体を行うことで、この完全に超臨界の工程は、高温熱交換器１８と低温熱交換器２０とに関連した、効率損失を減少させる。すなわち、状態Ｓ１−Ｓ１’−Ｓ２及び状態Ｓ３−Ｓ３’−Ｓ４において、作動流体は、従来のパワーサイクルにおける一定温度よりもむしろ、様々な温度にて過熱及び凝縮される。これは、地熱流体と作動流体との間の、及び、冷却流体と作動流体との間の、温度のミスマッチを最小化する。従って、熱力学サイクル（Ｓ１−Ｓ１’−Ｓ２−Ｓ３−Ｓ３’−Ｓ４）におけるエントロピーは減少し、エネルギー変換効率が高まる。
【００２９】
加えて、熱再生器２２は、圧縮機１７によって実行される熱追加工程に必要なエネルギーの量を減少させ、それにより、作動流体の飽和ドームＡの上方にある超臨界領域ＳＣ内における熱力学サイクル（Ｓ１−Ｓ１’−Ｓ２−Ｓ３−Ｓ３’−Ｓ４）の効率を改善する。
【００３０】
さらに、熱再生段階１４は、等エンタルピー状態の下で実行されるので、駆動力として作用する、再生器２２の内部の作動流体の平行な流れ２３と２４との間の連続的な熱交換のための温度勾配は常に存在する。
【００３１】
等エンタルピー状態の下で再生段階を実行することの重要性は、図５に良く示されており、超臨界状態ＳＣの下で、二酸化炭素など、純粋な物質を作動流体とした場合の、温度（Ｔ）の関数として、“冷たい”ときと“熱い”ときの作動流体の流れエンタルピーの差（Δｈ）のプロットを示している。得られた曲線は、Δｈ／ΔＴ ＝ ０での最大値Ｐｍを示しており、ここで、熱交換工程を駆動する温度勾配は存在しない。その結果、Δｈに最大点Ｐｍが存在することは、熱力学サイクルの効率に有害であり、というのは、それは、連続的な熱交換を阻害し、従って、エネルギー変換の効率を低下させるためである。
【００３２】
対照的に、好ましい実施形態においては、熱再生段階におけるエンタルピーが一定に保たれるように温度が制御され、すなわち、等エンタルピー状態の下で、温度はΔｈ／ΔＴ ≠ ０であり、熱再生段階１４の全体にわたって温度勾配が存在することを確保し、熱再生器２２を通過する、“冷たい”ときと“熱い”ときの作動流体の流れ２３と２４との間の熱交換工程の連続につながる。
【００３３】
さらに、方法及びシステム１５から得られる改良された効率は、作動流体の臨界点の上方の圧力にて作動することで最適化される。その結果、適切なタイプの作動流体を選択することで、システム１５は、所望の圧力範囲内で作動して、作動コスト又は安全性の要求条件などのあらゆる制約を満たす。この文脈において、方法及びシステムで使用される作動圧力は、好ましくは１５ＭＰａであるが、作動圧力は３０ＭＰａまででもよい。特に、８〜１２ＭＰａの間の作動圧力は、適当な作動流体の広い選択を許容する。これらの好ましい作動圧力で作動することで、本発明の実施形態は、概略１００℃〜２００℃の広範囲の温度に適用できる。
【００３４】
高温熱交換器の例には、ボイラ及び蒸気発生器が含まれる。適当な低温熱交換器は、空冷式又は水冷式の凝縮器である。
【００３５】
本発明のこの実施形態は、ほとんどの熱源に適用可能であり、特に、ボトミングサイクル（bottoming cycle）の一部として使用され、在来の石炭燃焼発電所、又は、泥炭、油、及びガスベースの発電所など、その他の化石燃料ベースの発電所からの廃熱を利用することが想定される。
【００３６】
図６及び図７は、地熱熱源のための本発明の特に好ましい実施形態を示しており、対応する特徴には、同一の参照符号を付している。この実施形態は、地熱熱源を考慮に入れており、超臨界領域ＳＣにおける一定圧力線Ｐの近接は、小さい正味パワー出力をもたらし、最大サイクル温度は、他の熱源に比べて、比較的低い。特に、この実施形態は、図４に示したシステム１５のすべての特徴を有しているが、熱再生器２２は、温度監視システム（図示せず）を有する。温度監視システムは、複数の熱電対を再生器２２内の様々な位置に配置されて具備し、それらは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）に機能的に接続されている。また、図６に最良に示されるように、再生器２２は、複数のスロットルバルブ２６を、タービン１９と凝縮器２０との間の“熱い”作動流体の流れ２４の配管２７に設けられる。スロットルバルブは、ＣＰＵに接続されている。
【００３７】
図７に示すように、この方法による熱力学サイクルは、以下のように、作動流体の状態間の遷移によって記述される。
状態Ｓ１−Ｓ１’は、熱再生器２２における一定のエンタルピーでの熱回収である。
状態Ｓ１’−Ｓ２は、高温熱交換器１８における一定の圧力での熱添加である。
状態Ｓ２−Ｓ３’は、仕事を出力するためのタービン１９内での膨張である。
状態Ｓ３’−Ｓ３は、熱再生器２２における一定のエンタルピーでの熱回収である。
状態Ｓ３−Ｓ３”は、熱再生器２２における一定のエンタルピーでの熱回収である。
状態Ｓ３”−Ｓ４は、低温熱交換器２０における一定の圧力での熱拒絶(Heat rejection)である。
状態Ｓ４−Ｓ１は、給送ポンプによる液体状の凝縮した作動流体の圧力上昇である。
【００３８】
次に、この実施形態によるシステム１５の動作について、図４及び図６を参照して説明する。作動流体は、この例ではＣＯ2の形態であり、状態Ｓ４にて飽和した（又は穏やかに圧縮された）液体として、給送ポンプ１７に入り、高温熱交換器１８の作動圧力にまで圧縮される。ＣＯ2である作動流体の温度は、その比容積のわずかな変化に起因して、この圧縮工程中にいくらか増加する。
【００３９】
次に、ＣＯ2の作動流体は、熱再生器２２に入り、熱再生器は、一般的に、高温熱交換器１８と同じ圧力で作動し、状態Ｓ１にて圧縮された液体として、状態Ｓ１’にて過熱された蒸気相として出る。これは熱回収工程であって、必要な熱エネルギーは、状態Ｓ３’にてタービンを出る高温ＣＯ2の作動流体によって供給され、わずかに最小サイクル圧を上回り、再生器２２における等エンタルピー状態を維持するために、圧力の変動を受ける。
【００４０】
次に、状態Ｓ１’の蒸気は、高温熱交換器１８に入り、その中で、温度はさらに増加し又は過熱され、ＣＯ2の作動流体は、過熱蒸気となって状態Ｓ２にて排出される。状態Ｓ１’と状態Ｓ２との間で作動流体の温度を上昇させるために必要な熱は、適当な地熱熱源１６からの高温地熱流体によって供給される。
【００４１】
状態Ｓ２で過熱された蒸気は、タービン１９に入り、そこで、膨張して、発電機の軸（図示せず）を回転させて電力を発生する。膨張工程の間には、ＣＯ2の作動流体の圧力及び温度は低下して、ついには、状態Ｓ３’になる。この状態において、ＣＯ2の作動流体は依然としてかなりの熱エネルギーを有しており、これを熱再生器２２に通過させることで活用し、状態Ｓ１にて熱再生器２２に入る“冷たい”ＣＯ2作動流体を余熱する。熱再生器２２における比較的高温と低温とのＣＯ2作動流体の間での熱交換の結果、高温のＣＯ2作動流体の温度は状態Ｓ３”の温度にまで低下し、冷たいＣＯ2作動流体の温度は状態Ｓ１’の温度にまで上昇する。
【００４２】
再生器２２においては、スロットルバルブは、当初は完全に開かれ、熱いＣＯ2の流れ２４は、冷たいＣＯ2の流れ２３と熱交換する。温度監視システムは、例えば、１又は複数の熱電対を使用して、再生器２２の特定の領域の温度が、Δｈ／ΔＴ ＝ ０になる値に近づいていることを確認すると、ＣＰＵは、例えば、バルブ２６ａなど、最も近い上流側のスロットルバルブに信号を送出する。これに応答して、スロットルバルブ２６ａは途中まで閉じられて、得られた圧力低下は、“熱い”作動流体の流れ２４を低い圧力に絞り、従って、熱再生器２２は、一定のエンタルピーに維持され（状態Ｓ３’−Ｓ３及び状態Ｓ３−Ｓ３”）、Δｈ／ΔＴ ≠ ０となり、熱交換工程は再生器２２において連続する。再生器２２の内部におけるかかる局所的な圧力の調整は、作動状態に応じて、数回繰り返され、ついには、“熱い”作動流体の流れ２４は、状態Ｓ３”の最小のサイクル圧力にて、再生器２２から出る。再生器２２の入口における状態Ｓ３’から、再生器２２の出口における状態Ｓ３”への、この遷移中には、作動流体は状態Ｓ３を通過する。
【００４３】
状態Ｓ３”にて熱再生器２２の高温側から出たＣＯ2の作動流体は、次に、冷媒リザーバ２１からの冷媒への拒絶熱（rejecting heat）によって低温熱交換器２０で一定圧力にて凝縮される。凝縮されたＣＯ2の作動流体は、最後には、低温熱交換器２０を出て、給送ポンプ１７に入ってサイクルを完結する。
【００４４】
この実施形態は、特に地熱熱源に適用されるものとして説明したけれども、熱源がメインパワーサイクルの作動流体である、ボトミングサイクル（bottoming cycles）にも使用することができる。例えば、石炭火力発電所におけるメインサイクルタービンから出る低温蒸気がある。
【００４５】
本発明の実施形態においては、作動流体として二酸化炭素が使用されたけれども、他の作動流体を選択することもでき、それらには、ｎ−ペンタン（Ｃ5Ｈ12）、ＨＦＣ−２４５ｃａ（ＣＦ2Ｈ−ＣＦ2−ＣＦＨ2）、ＨＦＣ−２４５ｆａ（ＣＦ3−ＣＨ2−ＣＦ2Ｈ）、ＨＦＣ−１３４ａ（ＣＨ2Ｆ−ＣＦ3）、冷媒１２５、及びペンタフルオロエタン（Ｆ4ＣＨ2Ｆ）が含まれる。それぞれの作動流体の比較特性は、以下の表１に示している。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
臨界圧が３．３ＭＰａ〜７．５ＭＰａで、臨界温度が３０℃〜２００℃であるような他の適当な作動流体も使用できることが見い出された。さらに、本発明の他の実施形態においては、単一の成分からなる作動流体に代えて、多成分の作動流体が方法及びシステムにおいて採用される。
【００４８】
図６及び図７の第２の実施形態における熱変換効率及びエネルギ効率は、生産時の地熱流体と、拒絶井戸（reject wells）との温度差ΔＴgeoの関数として計算された。好ましい実施形態における熱変換効率及びエネルギ効率は、従来のパワーサイクルにおける熱変換効率及びエネルギ効率と比較された。第２の実施形態に選ばれた作動流体は、二酸化炭素だった。
【００４９】
図８に最良に示されるように、第２の実施形態における熱変換効率（ＣＯ2−ＲＧＳＣ）は、従来のパワーサイクルにおける熱変換効率に比べて高かった。第２の実施形態においては、熱変換効率は、１０％〜１８％の範囲で、平均は１６．５％であった。これとは対照的に、カリーナサイクルを含む、従来のパワーサイクルでは、熱変換効率は、変化せず、１１％〜１２％の間の公称値にて安定する。同様に、実施形態におけるエネルギ効率は、図９に最良に示されるように、ΔＴgeoが増加するとき、従来のパワーサイクルにおけるエネルギ効率に比べて高かった。従って、図８及び図９に示すように、実施形態における熱変換効率及びエネルギ効率は、従来のパワーサイクルにおける熱変換効率及びエネルギ効率に比べて、はるかに優れている。
【００５０】
これらの改善された熱変換効率及びエネルギ効率は、単位あたりの入力エネルギーから、本発明の実施形態では、従来のパワーサイクルに比べて大きなパワーを発生できることを暗示している。これは図１０に示され、これは、ΔＴgeoに対する比出力（Ｗspc）を示したグラフである。地熱流体から取り出される仕事の量、すなわち、発生されるパワーの量は、実施形態では、特にΔＴgeoが増加したとき、従来のパワーサイクルに比べて実質的に高い。
【００５１】
従って、本発明の実施形態は、地熱熱源を含む熱源からパワーを発生させる方法及びシステムを提供し、従来のパワーサイクルに比べて効率が改善され、システムに複雑さを加え、又は、据え付けコストを追加する、追加的な機器を必要としない。変形例として又は追加的に、本発明は、従来の技術に比べて、低温にて経済的により多くの熱を取り出す方法を提供し、従って、商業的に活用できる潜在的な熱源の数を広げる。
【００５２】
他の実施形態においては、再生段階における温度が、作動流体の圧力を制御する代わりに、直接制御される。１つの実施形態においては、膨張段階と凝縮段階との間を通過する（又はタービンと凝縮器との間を通過する）作動流体の温度又は圧力は、等エンタルピー状態を維持するために制御される。
【００５３】
本発明について、特定の例を参照して説明したけれども、当業者が認識するように、本発明は多くの他の形態において実施できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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