(57)【要約】【課題】  ２５０℃から４５０℃程度の比較的低い温度で蓄熱された熱を有効利用できる発電システムおよび発電方法を提供する。【解決手段】  蓄熱式発電システムは、熱源１１からの熱を蓄熱する蓄熱炉１０と、蓄熱炉１０内に導入する気体の入口１２ｉｎと前記蓄熱炉で熱付与された気体を排出する出口１２ｏｕｔを有する閉鎖系の気体の循環流路１２と、気体の循環流路１２の気体の出口１２ｏｕｔ側に設けられ、膨張した気体の押圧力を回転力に変換するピストンモータ１３ａと、ピストンモータ１３ａからの回転運動に基づいて発電する発電機１３ｂと、増速装置１３ｃ、ピストンモータ１３ａからの気体を冷却する冷却装置１４と、から主として構成されている。【選択図】図１
2011256854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源からの熱を蓄熱する蓄熱炉と、
前記蓄熱炉内に導入する膨張係数の高い不燃ガスの入口と前記蓄熱炉で熱付与されたガスを排出する出口を有する閉鎖系のガス循環流路と、
前記ガス循環流路の出口側に設けられ、膨張した気体の押圧力を回転力に変換するピストンモータと、
前記ピストンモータからの回転運動に基づいて発電する発電機と、
前記ピストンモータからの気体を冷却する冷却装置と、
を備えたことを特徴とする蓄熱式発電システム。
【請求項２】
前記ピストンモータと前記発電機との間に、前記ピストンモータで変換された回転数を増加させる増速装置を有していることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式発電システム。
【請求項３】
前記熱源が太陽熱集熱炉と前記太陽熱集熱炉で集熱した熱を前記蓄熱炉に輸送するための媒体油を前記熱源と前記蓄熱炉との間で循環させる循環流路とから構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄熱式発電システム。
【請求項４】
前記熱源が所定の温度の熱を有するガスを取り込むための入口と、前記入口から取り込んだガスを蓄熱炉内に通過させて蓄熱炉内に熱を付与するための配管と、前記ガスを排出するための出口とから構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄熱式発電システム。
【請求項５】
前記蓄熱炉の内部が珪藻土から構成されていることを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
【請求項６】
前記ガス循環流路内を流れるガスが膨張係数の高い不燃ガスは、代替フロンであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蓄熱式発電システム。
【請求項７】
蓄熱炉で蓄熱した熱を膨張係数の高い不燃ガスに付与して前記ガスを膨張させるガス膨張工程と、
前記膨張したガスによる押圧力を回転力に変換させる変換工程と、
前記変換した回転力に基づいて発電を行う発電工程と、
前記熱付与により膨張したガスを冷却する冷却工程と、
前記冷却ガスをガス膨張工程に戻す循環工程と、
を含むことを特徴とする蓄熱式発電方法。
【請求項８】
前記変換工程で変換した回転力を増加させる増速工程をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の蓄熱式発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、蓄熱式循環システムおよび発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来から太陽熱を利用した太陽熱集熱方法が多数提案されている。太陽熱発電は太陽光をレンズや反射板を用いた太陽炉で集光することで汽力発電の熱源として利用する発電方法である。太陽光がエネルギ源のため今後数十億年に渡り資源の枯渇の虞はない再生可能エネルギ利用の発電方法である。太陽熱発電は、燃料を用いないため二酸化炭素などの温室効果ガス（Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｇａｓ，ＧＥＧ）を排出せず、燃料費が不要であるため運転にかかる費用を低く抑えられ、有毒ガスの発生や燃料費高騰によるコスト上昇のリスクもない。一般にトラフ式太陽熱発電（Ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｔｒｏｕｇｈ  雨樋型）に代表される太陽熱発電では、パイプ内を流れる液体（オイルなど）を加熱し、その熱で発電を行っている。タワー式太陽光発電と比較すると、高温の液体が移動する距離が長くなるため熱損失が大きくなりがちであるが、タワーの一点に光を集中させる必要が無く、鏡を単純に並べることが出来るため大規模な施設の建設が容易である。【０００３】  特許文献１には、熱交換モジュールに金属繊維群層を備え、熱交換面積を増やして熱変換効率を高める集熱装置について開示されている。しかし、媒体（液体）を金属繊維群層に通過させて熱交換を行なうため、媒体中に金属繊維が剥がれ落ちて、媒体を流す管体を詰まらせる虞があった。【０００４】  また、特許文献２には、金属ウール材を太陽熱により加熱して、その金属ウール材中を空気を流して加熱する技術について開示されている。しかし、冬季には暖房効果はあるが、夏季には温度が上昇し過ぎて使用できないといった問題がある。【０００５】  また、特許文献３には、湾曲した集熱用金属板を平織りにしてパネル化した集熱パネルについて開示されている。しかし、集熱用金属板を平織りする手間がかかり、大量生産に向かないといった問題がある。【０００６】  太陽光の集熱効率を高め、且つ管体との接触面積を大きくして熱変換効率を高くした集熱装置として特許文献４には、太陽光を集光する集光手段と、該集光手段により集光された光に含まれる熱を集熱する集熱手段と、該記集熱手段により集熱した熱により加熱される媒体を内部に有した媒体管と、前記集光手段、前記集熱手段、及び前記媒体管を一体化する筐体と、を備え、前記集熱手段は、金属、又は／及び、カーボンを素材とした織物状の構造を備え、前記媒体管を挟み込んだ構成を有する集熱装置が記載されている。【０００７】  一方、排熱を利用した発電システムとして、特許文献５では排熱利用電力の発電方法は、排ガスの熱エネルギを熱水として回収する排熱回収手段により得られた熱水を複数段のフラッシャに供給し、これらのフラッシャにより得られた蒸気を蒸気タービンに供給して発電機を駆動すると共に、前記蒸気タービンから排出された湿り蒸気を復水器に供給して水に戻すに際して、前記復水器から排出された冷却水を冷却して前記復水器に供給する手段として吸着式冷凍機を用いると共に、前記吸着式冷凍機の吸着剤を加熱する熱源水として前記複数段のフラッシャのうち最終段のフラッシャから排出された温水を用いて電力を得る方法が記載されている、
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】  特開平１０−１１１０２６号公報
【特許文献２】  特許第２７６２２１２号
【特許文献３】  特許第３５４４５２９号
【特許文献４】  特開２０１０−１２１９０８号公報
【特許文献５】  特開２０１０−１０６７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】    しかしながら、太陽熱を蓄熱した場合やボイラ等の比較的小規模の熱源から排出される２５０℃から４５０℃程度の温度で効率的に発電できる発電システムは少ない。【００１０】  したがって、本発明の課題は、２５０℃から４５０℃程度の帯域の温度で蓄熱された熱を有効利用できる発電システムおよび発電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  本発明は、上記課題に鑑みて創作されたものであり、熱源からの熱を蓄熱する蓄熱炉と、
前記蓄熱炉内に導入する膨張係数の高い不燃ガスの入口と前記蓄熱炉で熱付与されたガスを排出する出口を有する閉鎖系のガス循環流路と、前記ガス循環流路の出口側に設けられ、膨張した気体の押圧力を回転力に変換するピストンモータと、前記ピストンモータからの回転運動に基づいて発電する発電機と、前記ピストンモータからの気体を冷却する冷却装置と、を備えたことを特徴とする蓄熱式発電システム。【００１２】  本発明の蓄熱式発電システムにおいて、前記ピストンモータと前記発電機との間に、前記ピストンモータで変換された回転数を増加させる増速装置を有していることが好ましい。
本発明の蓄熱式発電システムは、蓄熱型の太陽熱発電システムやボイラ等の燃焼系からの排熱を利用した発電システムに適用可能である。【００１３】  本発明は、また蓄熱炉で蓄熱した熱を膨張係数の高い不燃ガスに付与して前記ガスを膨張させるガス膨張工程と、前記膨張したガスによる押圧力を回転力に変換させる変換工程と、前記変換した回転力に基づいて発電を行う発電工程と、前記熱付与により膨張したガスを冷却する冷却工程と、前記冷却ガスをガス膨張工程に戻す循環工程と、を含むことを特徴とする蓄熱式発電方法に関し、前記変換工程で変換した回転力を増加させる増速工程をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】  本発明の蓄熱式発電システムによると、簡単な構成で非常に高い効率でしかも安定した電力で発電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】  本発明の蓄熱式発電システムの概略構成を示す図面。
【図２】  本発明の蓄熱式発電方法を示すフローチャート。
【図３】  太陽熱発電システムに適用した例を示す図面。
【図４】  を排熱利用発電システムに適用した例を示す図面。
【図５】  本発明の蓄熱式発電システムの蓄熱炉を他の用途と併用した例を示図面。
【発明を実施するための形態】
【００１６】  以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
まず、図１および図２に基づいて本発明の概略を説明する。
【００１７】  図１に示す通り、本発明の蓄熱式発電システムは、熱源１１からの熱を蓄熱する蓄熱炉１０と、蓄熱炉１０内に導入する気体の入口１２ｉｎと前記蓄熱炉で熱付与された気体を排出する出口１２ｏｕｔを有する閉鎖系の気体の循環流路１２と、気体の循環流路１２の気体の出口１２ｏｕｔ側に設けられ、膨張した気体の押圧力を回転力に変換するピストンモータ１３ａと、ピストンモータ１３ａからの回転運動に基づいて発電する発電機１３ｂと、ピストンモータ１３ａからの気体を冷却する冷却装置１４と、から主として構成されており、好ましくはピストンモータ１３ａと発電機１３ｂとの間に増速装置１３ｃが設けられている。
【００１８】  熱源１１は、蓄熱炉１０に所定の温度の熱を付与する熱源であれば特に限定されず、後述する太陽熱や燃焼系からの排熱など種々の熱源を用いることができる。
【００１９】  蓄熱炉１０は、熱源からの熱を蓄熱するための一次側の熱供与ルートと、蓄熱した熱を利用する二次側の熱利用ルートが設けられている。
【００２０】  本発明においては、二次側として、発電系が設けられているが、発電系に加えて従来公知の利用法で蓄熱した熱を利用することも可能である。
【００２１】  本発明において、図１に示す通り熱源１１からの熱を蓄熱する蓄熱炉１０と、蓄熱炉１０内に導入する気体の入口１２ｉｎと前記蓄熱炉で熱付与された気体を排出する出口１２ｏｕｔを有する閉鎖系の気体の循環流路１２を設け、循環流路１２の気体の出口１２ｏｕｔ側に発電系１３を設け、入口１２ｉｎ側に気体を冷却する冷却装置１４を設けている。
【００２２】  この循環流路１２内には、膨張係数の高いガス、例えば代替フロンが気密に封入されており、蓄熱炉１０で加熱されたガスは熱により膨張して発電系１３に入った後冷却装置１４で冷却されたのちに蓄熱炉１０に再び入り熱付与される構成となっている。
【００２３】  発電系１３は、ピストンモータ１３ａと発電機１３ｂ、好ましくはピストンモータ１３ａと発電機１３ｂとの間に設けられた増速装置１３ｃとから構成されている。
【００２４】  ピストンモータ１３ａは、蓄熱炉１０により熱膨張したガスによりピストンを押圧し、これを回転エネルギに変換する装置であり、本発明においては、図示しないエクパンションバルブにより発電機１３ｂ側に一方通行で圧力を絶えず負荷されている。そして、ピストンモータ１３ａは、この圧力を回転エネルギに変換して発電機１３ｂ側に送る構成を有している。
【００２５】  増速装置１３ｃは、ピストンモータ１３ａで変換された回転エネルギ（回転数）を増加させる装置であり、例えば１０００ｒｐｍで入力された回転エネルギを３０００ｒｐｍに増速させて発電機１３ｂに入力させる装置である。
【００２６】  発電機１３ｂは、ピストンモータ１３ａ、好ましくは増速装置１３ｃで増速された回転エネルギに基づいて発電する発電機である。
【００２７】  このように構成することにより、循環流路１２の出口１２ｏｕｔ側で熱付与により膨張したガスが絶えずピストンモータ１３ａを押圧し、これを回転エネルギに変換して発電することが可能となる。そのため、特に増速装置１３ｃを設けることにより非常に効率よく発電を行うことが可能となる。
【００２８】  なお、本発明者等の検討によると発電量は、ピストンモータの能力にもよるが市販のピストンモータを用いた場合蓄熱炉１０における蓄熱量に依存して、数１０ＫＷ／ｈから数１０００ＫＷ／ｈ程度まで効率的に発電できることが判った。
【００２９】  そして、熱膨張したガスは冷却装置１４により冷却されて再び蓄熱炉１０に入って熱付与により膨張する。
【００３０】  このような構成を有する本発明の蓄熱式発電システムは、図２に示す通り、まず、蓄熱炉にガスを通過させることにより蓄熱炉に蓄熱した熱を膨張係数の高いガスに熱付与する（工程１）。これにより膨張係数の高いガスは、熱付与により膨張する。次いで、熱付与により膨張したガスをピストンモータに連続して適用して、膨張による圧力を回転エネルギに変換する（工程２）。そして、好ましくは変換した回転エネルギを増速装置により増加させて（工程３）発電機に適用して発電を行う（工程４）。なお、工程２で使用した熱付与したガスは工程５において冷却して再び工程１に戻り熱付与する。
【００３１】  このように構成することにより、蓄熱した熱エネルギを膨張係数の高いガスに連続して付与して膨張させ、これを回転エネルギに変換して、発電を行うので、簡単な構成で高い発電効率で発電を行うことが可能となる。
【００３２】  次に、図３に基づいて本発明の蓄熱式発電装置を太陽熱発電システムに適用した例を説明する。
【００３３】  図３に示す通り、本発明の蓄熱式発電システムは、例えば本発明者等が先に提案した太陽熱蓄熱システム（特願２００１−１３４３２７、出願人加藤洋三他）における太陽熱蓄熱システムに適用することが可能である。
【００３４】  集熱用レンズ１１ａと、レンズ１１ａを通過して集熱した熱を受熱可能であるように設けられ、比重が１〜２．５ｇ／ｃｍ３である媒体オイルが入っている集熱容器１１ｂと、オイル油送管、送りパイプ、戻りパイプからなる媒体オイルの循環路１１ｃ（熱源１１）と、前記循環路の途中に設けられ、媒体オイルと熱交換する蓄熱オイルとその周囲を覆う断熱材とを有する蓄熱炉１０に本発電システムを適用する。
【００３５】  図１に示す実施形態と同様に本発明の発電システムは、循環流路１２の出口側に設けられたピストンモータ１３ａ、増速装置１３ｃ、発電機１３ｂからなる発電系と発電系（ピストンモータ１３ａ）からのガスを冷却するための冷却装置とから主として構成されている。
【００３６】  このように構成することにより、集熱用レンズ１１ａ、集熱容器１１ｂの容量に依存した量の熱を蓄熱炉１０に蓄熱することができる。すなわち、熱源１１の容量（集熱レンズの容量および数、集熱容器の容量）、蓄熱炉１０の容量を適宜設計することにより所望の発電量の発電システムを提供することが可能である。また、特願２００１−１３４３２７と同様に蓄熱炉に蓄熱した熱は、給湯その他の用途に適宜使用することが可能である。
【００３７】  特に、熱源側をユニット化することにより、要求する電力に応じた発電システムを容易に提供可能となる。なお、太陽熱発電システムは、図３に示す実施形態以外にも例えば特許文献１から４に記載のシステムに適用しても同等の効果を示す。
【００３８】  次に、図４に基づいて本発明の蓄熱発電システムを燃焼系からの排熱に基づく発電システムに適用した例を示す。
【００３９】  図４に示す例は、工場等から排出される排熱（所定の温度２５０℃から３５０℃程度を有する排ガスからの熱）を蓄熱炉１０で蓄熱して発電する構成である。すなわち、工場から絶えず排出される排熱を蓄熱することにより通常廃棄される熱エネルギを有効に蓄熱してこれを発電に利用する。
【００４０】  例えば、ボイラやアルミニウムダイキャストの加熱炉、各種工場からの排熱、熱分解装システムなど連続又は間欠的に排出される熱を伴う排ガスの蓄熱炉１０を介して排出することにより排熱を有効活用することができる。この場合、蓄熱炉１０の素材は、所定温度の排ガスを蓄熱できる素材であれば特に限定されるものではないが、炉材の断熱材として安定して効果を発揮し、軽量であり、入手が容易であり、加工が容易な点から珪藻土を用いることが好ましい。
【００４１】  このように構成することにより、従来廃棄されていた排ガスから熱を拝借して電力に変換することが可能である。しかも、従来の燃焼系の排気系に接続するだけで発電を行うことが可能であるという利点がある。
【００４２】  以上、本発明の実施形態を説明したが本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図５に示す通り、蓄熱した熱は、発電以外に水と熱交換して給湯、床暖房、温室の暖房などの湯水として利用することも可能であり、工場等の熱源としてリサイクルすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】  本発明の蓄熱式発電システムは、簡単な構成で高い効率で安定して発電可能である。そのため、太陽熱発電システムや工場等からの排熱を用いた発電システムに有効に適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】  １０    蓄熱炉
１１    熱源
１２    ガス循環流路
１３    発電系
１３ａ  ピストンモータ
１３ｂ  発電機
１３ｃ  増速装置
１４    冷却装置
【図１】
2011256854.tif 000003
【図２】
2011256854.tif 000004
【図３】
2011256854.tif 000005
【図４】
2011256854.tif 000006
【図５】
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