(57)【要約】【課題】熱エネルギーと電気エネルギーとを平準化して、エネルギー効率を向上させることのできる外燃機関を用いたエネルギーシステムを提供する。【解決手段】熱を発生する熱源手段５００と、熱源手段から所定の熱媒を介して供給される所定温度の熱エネルギーによって稼働される外燃機関（スターリングエンジン５２０等）と、外燃機関を動力源として駆動される発電手段５３０と、発電手段で発電された交流電力を直流電力に変換する周波数変換装置５４０と、周波数変換装置で変換された直流電力について、他の電力供給手段（風力発電機６０２等）との間における電力の相互補完を行う電力連系手段とを備え、電力連系手段は、発電手段および電力供給手段から供給される供給電力の合計と、負荷電力の合計とが合致するように、周波数変換装置の周波数を制御して外燃機関の回転数を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を発生する熱源手段と、
前記熱源手段から所定の熱媒を介して供給される所定温度の熱エネルギーによって稼働される外燃機関と、
前記外燃機関を動力源として駆動される発電手段と、
前記発電手段で発電された交流電力を、直流を含む異なる周波数に変換する周波数変換装置と、
前記周波数変換装置で変換された電力について、他の電力供給手段との間における電力の相互補完を行う電力連系手段と
を備え、
前記電力連系手段は、前記発電手段および前記電力供給手段から供給される供給電力の合計と、負荷電力の合計とが合致するように、前記周波数変換装置の周波数を制御して前記外燃機関の回転数を調整することを特徴とする外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項２】
前記熱源手段は、１または２以上の熱源または熱負荷を備え、前記各熱源または各熱負荷で発生または放出された熱を所定の熱媒を介して連系させる熱媒連系手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項３】
前記熱媒連系手段は、前記各熱源から供給される供給熱量の合計と、負荷熱量の合計とが合致するように供給熱量を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項４】
前記熱媒連系手段は、負荷として熱媒冷却器を有し、前記各熱源から供給される供給熱量の合計と、負荷熱量の合計とが合致するように前記熱媒冷却器によって負荷熱量を調整することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項５】
前記熱源の少なくとも一つが燃焼ボイラで構成され、前記熱媒連系手段は、前記燃焼ボイラの燃焼温度および燃料の供給量を制御して、前記供給熱量を調整することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項６】
前記熱媒連系手段は、前記燃焼ボイラからの燃焼ガス通過系路の上流側から下流側に設置される複数段の熱ループを備えることを特徴とする請求項５に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項７】
前記各熱ループは、前記燃焼ガス通過系路から入熱した熱エネルギーを所定の熱負荷で順次消費するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項８】
前記熱媒冷却器の負荷側の流体に燃焼ガス通路の下流側の熱ループの流体を利用することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項９】
前記外燃機関の作動ガス冷却器の冷却水側の流体に、燃焼ガス通路の下流側の熱ループの流体を利用することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項１０】
前記所定温度は、６００℃以下であることを特徴とする請求項１から請求項９の何れか１項に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項１１】
前記熱媒は、熱媒油で構成されることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項１２】
前記熱源手段は、太陽熱集熱器およびバイオマス燃料の燃焼器を含むことを特徴とする請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項１３】
前記熱媒連系手段には、熱エネルギーの相互補完を行う蓄熱器および熱エネルギーの消費を行う熱負荷が接続されていることを特徴とする請求項２から請求項１２の何れか１項に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【請求項１４】
前記他の電力供給手段は、商用電源および風力発電機を含むことを特徴とする請求項１から請求項１３の何れか１項に記載の外燃機関を用いたエネルギーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングエンジン等の外燃機関に用いる熱エネルギーと、スターリングエンジン等を用いて発電した電気エネルギーとの連系を行う外燃機関を用いたエネルギーシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、木質バイオマスボイラ等の排熱や太陽熱等を有効利用するために、外燃機関の一種としてのスターリングエンジンが注目されている。
【０００３】
スターリングエンジン（Stirling engine）は、作動空間内のヘリウム等の気体を外部から加熱・冷却し、その体積と圧力の変化により出力を得る外燃機関である。
【０００４】
このスターリングエンジンは高い熱効率を期待でき、作動流体（気体）を外部から加熱するので熱源を問わず、木質バイオマスの燃焼熱、太陽熱、地熱、排熱といった各種の熱源を活用でき、再生可能エネルギーの利用や省エネルギーに資することができるという利点がある。
【０００５】
スターリングエンジンに関する技術は種々提案されている（例えば、特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１１８４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、太陽熱などを熱源とする場合には、天候や時間帯等の条件により熱源の熱エネルギーが変動し易く、スターリングエンジン等の出力が安定しないという難点があった。即ち、太陽熱等は、天候等の条件の変化により集熱される熱エネルギーにバラつきを生じ易い。そのため、このような熱源によって稼働されるスターリングエンジン等で発電機を駆動する場合に、発電される電力が安定しないという不都合があった。
【０００８】
一方、上記のような熱源によりスターリングエンジン等を稼働し、発電機を駆動させて電力を得る場合に、電力の消費側においても変動があり、消費側の要因で電力不足あるいは電力過多となる場合がある。そのため、電気製品などの動作が不安定になったり、あるいは余剰電力を無駄にする虞があるという不都合があった。また、商用系統に接続し売電を行う場合、出力変動が系統の負荷となり、接続が増加するにつれ系統全体の不安定が生じるという不都合があった。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑み、熱エネルギーと電気エネルギーとを平準化して、エネルギー効率を向上させることのできる外燃機関を用いたエネルギーシステムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、第１の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、熱を発生する熱源手段と、前記熱源手段から所定の熱媒を介して供給される所定温度の熱エネルギーによって稼働される外燃機関と、前記外燃機関を動力源として駆動される発電手段と、前記発電手段で発電された交流電力の周波数を、直流を含む異なる周波数に変換する周波数変換装置と、前記周波数変換装置で変換された電力について、他の電力供給手段との間における電力の相互補完を行う電力連系手段とを備え、前記電力連系手段は、前記発電手段および前記電力供給手段から供給される供給電力の合計と、負荷電力の合計とが合致するように、前記周波数変換装置の周波数を制御して前記外燃機関の回転数を調整することを要旨とする。
【００１１】
第２の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第１の特徴において、前記熱源手段は、１または２以上の熱源または熱負荷を備え、前記各熱源または各熱負荷で発生または放出された熱を所定の熱媒を介して連系させる熱媒連系手段をさらに備えることを要旨とする。
【００１２】
第３の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第１または第２の特徴において、前記熱媒連系手段は、前記各熱源から供給される供給熱量の合計と、負荷熱量の合計とが合致するように供給熱量を調整することを要旨とする。
【００１３】
第４の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第１から第３の何れかの特徴において、前記熱媒連系手段は、負荷として熱媒冷却器を有し、前記各熱源から供給される供給熱量の合計と、負荷熱量の合計とが合致するように前記熱媒冷却器によって負荷熱量を調整することを要旨とする。
【００１４】
第５の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第３または第４の特徴において、前記熱源の少なくとも一つが燃焼ボイラで構成され、前記熱媒連系手段は、前記燃焼ボイラの燃焼温度および燃料の供給量を制御して、前記供給熱量を調整することを要旨とする。
【００１５】
第６の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第５の特徴において、前記熱媒連系手段は、前記燃焼ボイラからの燃焼ガス通過系路の上流側から下流側に設置される複数段の熱ループを備えることを要旨とする。
【００１６】
第７の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第６の特徴において、前記各熱ループは、前記燃焼ガス通過系路から入熱した熱エネルギーを所定の熱負荷で順次消費するように構成されていることを要旨とする。
【００１７】
第８の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第６または第７の特徴において、前記熱媒冷却器の負荷側の流体に燃焼ガス通路の下流側の熱ループの流体を利用することを要旨とする。
【００１８】
第９の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第６または第７または第８の特徴において、前記外燃機関の作動ガス冷却器の冷却水側の流体に、燃焼ガス通路の下流側の熱ループの流体を利用することを要旨とする。
【００１９】
第１０の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第１から第９の特徴において、前記所定温度は、６００℃以下であることを要旨とする。
【００２０】
第１１の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第１から第１０の特徴において、前記熱媒は、熱媒油で構成されることを要旨とする。
【００２１】
第１２の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第１から第１１の特徴において、前記熱源手段は、太陽熱集熱器およびバイオマス燃料の燃焼器を含むことを要旨とする。
【００２２】
第１３の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第２から第１２の特徴において、前記熱媒連系手段には、熱エネルギーの相互補完を行う蓄熱器および熱エネルギーの消費を行う熱負荷が接続されていることを要旨とする。
【００２３】
第１４の特徴に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムは、第１から第１３の特徴において、前記他の電力供給手段は、商用電源および風力発電機を含むことを要旨とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、熱エネルギーと電気エネルギーとを平準化して、エネルギー効率を向上させることのできる外燃機関を用いたエネルギーシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムに適用される低温度差型スターリングエンジンの第１実施例を示す全体構成図である。
【図３】第１の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムに適用される低温度差型スターリングエンジンの第２実施例を示す全体構成図である。
【図４】第１の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムに適用される低温度差型スターリングエンジンの第３実施例を示す全体構成図である。
【図５】第１の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムに適用される低温度差型スターリングエンジンの第４実施例を示す全体構成図である。
【図６】第２の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムの概略構成を示す構成図である。
【図７】第２の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムに適用される低温度差型スターリングエンジンの具体例を示す全体構成図である。
【図８】第２の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムに適用される低温度差型スターリングエンジンの他の構成例を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
【００２７】
［第１の実施の形態］
（システムの構成例）
図１のブロック図を参照して、第１の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムＳ１の構成について説明する。
【００２８】
図１に示すように、本実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムＳ１は、熱を発生する複数の熱源手段５００と、該各熱源手段で発生された熱を所定の熱媒を介して連系させる熱媒連系手段（熱媒リンクともいう）５１０と、熱媒連系手段５１０から熱媒を介して供給される所定温度の熱エネルギーによって稼働される低温度差型スターリングエンジン５２０と、外燃機関の一種としてのスターリングエンジン５２０を動力源として駆動される発電手段（発電機）５３０と、発電機５３０で発電された交流電力の周波数を変換する周波数変換装置５４０と、周波数変換装置５４０で変換された電力について、他の電力供給手段（例えば、交流系統連系部６０１に接続される商用電源や風力発電機６０２など）との間における電力の相互補完と、余剰電力を蓄える蓄電手段（蓄電池）６０３および電力の消費を行う電力消費手段（電気負荷）６０４との連系を行う電力連系手段（電力リンクともいう）６１０とを備える。
【００２９】
熱源手段５００としては、例えば反射鏡等を用いて太陽熱を集める太陽熱集熱器（トラフ型太陽熱集熱器など）５０１や木質バイオマス等のバイオマス燃料を燃焼させる木質バイオマス燃焼器（例えば、木質バイオマスボイラ）５０２などで構成される。
【００３０】
電力連系手段６１０は、発電手段５３０および電力供給手段から供給される供給電力の合計と、負荷電力の合計とが合致するように、周波数変換装置５４０の周波数を制御してスターリングエンジン５２０の回転数を調整するマイクロコンピュータ等の制御装置を搭載するように構成されている。
【００３１】
また、電力連系手段６１０または熱媒連系手段５１０または周波数変換装置５４０には、各熱源から供給される供給熱量の合計と、負荷熱量の合計とが合致するように供給熱量を調整するマイクロコンピュータ等の制御装置Ｃが接続されている。
【００３２】
また、熱源手段５００を木質バイオマス燃焼器５０２などの燃焼ボイラで構成することができる。
【００３３】
そして、熱媒連系手段５１０は、燃焼ボイラの燃焼温度および燃料の供給量を制御して、供給熱量を調整する。
【００３４】
また、太陽熱集熱器５０１および木質バイオマス燃焼器５０２には、熱媒を加熱する熱媒加熱器が設けられている。
【００３５】
また、熱媒連系手段５１０には、余剰の熱エネルギーを蓄積する蓄熱器（例えば蓄熱槽等）５０３と、暖房等の用途で熱エネルギーを消費する熱負荷５０４が接続されて、熱媒の連系が図られている。
【００３６】
本実施の形態において、熱媒連系手段５１０から熱媒を介して供給される熱エネルギーの所定温度は、６００℃以下とすることができる。なお、５５０℃程度でスターリングエンジン５２０を稼働させる場合には、熱媒として例えば無機系の溶融塩を用いることができる。
【００３７】
また、熱媒としては、３００℃程度で使用できる合成系有機熱媒体油等の熱媒油を用いることもできる。
【００３８】
なお、熱媒連系手段５１０を介して熱媒油の温度を所望の温度まで冷却する熱媒冷却器を接続するようにしてもよい。
【００３９】
ここで、スターリングエンジンは、従来においては化石燃料等の燃焼熱により１０００℃を超えるような高温の熱源を利用して高い熱効率を得ることを目指してきた。しかし、近年において、低温度差スターリングエンジンが開発され、５５０℃程度以下の低温の熱源で稼働できるようになってきている。
【００４０】
また、外燃機関としては、スターリングエンジンに限らず、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ：オーガニックランキンサイクル）等を用いることもできる。
【００４１】
本実施の形態では、太陽熱集熱器５０１や木質バイオマス燃焼器５０２を熱源として熱媒油を３００℃前後に加熱し、その熱媒油を熱媒連系手段５１０まで配管で流通させて連系させている。これにより、例えば、曇天や夜間など、太陽熱集熱器５０１による熱源油の加熱温度が３００℃を下回る場合には、木質バイオマス燃焼器５０２の燃焼を高めて熱エネルギーを補充したり、あるいは余剰の熱エネルギーを蓄熱した蓄熱器５０３から熱エネルギーを補充することができる。
【００４２】
なお、蓄熱器５０３に用いる蓄熱材料としては顕熱を利用した熱媒油等、融解の潜熱を利用した溶融塩などが挙げられる。また、ボイラの余剰蒸気を水に噴入して蓄熱する蒸気アキュムレータを用いることもできる。
【００４３】
一方、晴天時などにおいて、太陽熱集熱器５０１による熱源油の加熱温度が３００℃を維持できるような場合には、木質バイオマス燃焼器５０２の燃焼を下げて熱エネルギー（燃料）の補充を低減することができる。
【００４４】
このようにして、熱エネルギーに関して、天候等の条件による変動を熱媒連系手段５１０を介して吸収あるいは補充することによって、熱エネルギーの平準化を図ることができ、低温度差型スターリングエンジン５２０を安定して稼働させることができる。
【００４５】
また、低温度差型スターリングエンジン５２０によって駆動される発電機５３０によって出力され、周波数変換装置５４０を介して供給される電力の変動は、電力連系手段６１０を介して吸収あるいは補充が行われる。
【００４６】
即ち、発電機５３０によって出力される電力が電気負荷６０４の消費電力を上回って余剰電力が発生する場合には、その余剰電力を電力連系手段６１０を介して蓄電池６０３に充電して蓄えることができる。蓄電池６０３としては、ニッケル・水素電池、リチウムイオン電池などの二次電池を用いることができる。また、蓄電池に代えて電気二重層コンデンサ等を用いるようにしてもよい。
【００４７】
また、電力連系手段６１０および交流系統連系部６０１を介して、余剰電力を商用電力として売却するようにしてもよい。
【００４８】
一方、発電機５３０によって出力される電力が電気負荷６０４の消費電力を下回って、電力不足を生じる場合には、交流系統連系部６０１を介して、他の電力供給手段から不足分の電力を補充することができる。他の電力供給手段としては、風力発電機６０２や太陽光発電装置のほか、交流系統連系部６０１を介して外部の商用電力を用いることができる。
【００４９】
このようにして、天候等の条件による低温度差型スターリングエンジン５２０の出力変化に伴う電力変動について、電力連系手段６１０を介して余剰電力の吸収あるいは不足電力の補充を行うことによって、電気エネルギーの平準化を図ることができ、安定した電力の提供を行うことができ、エネルギー効率を高めることができる。
【００５０】
なお、蓄電池が満充電の場合や、交流電力連携部６０１が停電等で機能しないときは、周波数変換装置５４０によりスターリングエンジンの回転数を下げ、電力連系手段における電力の供給電力の合計と、負荷電力の合計とが合致するように調整することができる。
【００５１】
（低温度差型スターリングエンジンの実施例）
図２〜図５を参照して、本実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムＳ１に適用可能な低温度差型スターリングエンジン５２０の実施例について説明する。
【００５２】
（第１実施例）
図２は、第１実施例に係る低温度差型スターリングエンジン５２０ａの全体構成図である。
【００５３】
スターリングエンジンを構成するエンジン本体１は、冷却装置３と、熱源手段としての熱源装置５と、熱源装置５を流れる熱媒流体を冷却する冷却手段としての熱媒冷却装置６を備えている。これら冷却装置３、熱源装置５および熱媒冷却装置６については後述する。
【００５４】
スターリングエンジン本体１は、ハウジング７の図中で上部にカバー９を、同下部にクランクケース１１をそれぞれ設けている。ハウジング７内の上下方向ほぼ中央には熱交換器ユニット１３を配置し、この熱交換器ユニット１３は、図２中で上部から加熱器１５、再生器１７および冷却器１９を作動ガスの流れに沿って並べて配置している。
【００５５】
上記した加熱器１５に前述の熱源装置５および熱媒冷却装置６を、また冷却器１９に冷却装置３および熱媒冷却装置６をそれぞれ接続している。
【００５６】
加熱器１５の上部側のハウジング７内には、高温側ピストン２１を、冷却器１９の下部側のハウジング７内には低温側ピストン２３を、それぞれ図２中で上下方向に移動可能に収容している。
【００５７】
高温側ピストン２１は、熱交換器ユニット１３および低温側ピストン２３に対して相対移動可能に貫通するピストンロッド２５を介してクランク軸２７のクランクピン２７ａに連結し、一方低温側ピストン２３は、２本のピストンロッド２９を介してクランク軸２７のクランクピン２７ｂに連結している。
【００５８】
このような高温側ピストン２１と低温側ピストン２３とは、往復移動する際の互いの位相差が例えば９０度という所定の位相差となるようクランク軸２７に連結している。
【００５９】
上記したハウジング７および高温側、低温側各ピストン２１、２３に囲まれた領域が、ヘリウムなどの作動ガスが密閉状態で封入される作動ガス空間であり、このうち加熱器１５と高温側ピストン２１との間が、加熱器１５にて加熱された作動ガスが膨脹する高温作動空間３１となり、冷却器１９と低温側ピストン２３との間が、冷却器１９にて放熱された作動ガスが圧縮される低温作動空間３３となる。この高温作動空間３１と低温作動空間３３との間で、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹・圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。
【００６０】
上記した高温側ピストン２１および低温側ピストン２３は、高温作動空間３１および低温作動空間３３それぞれに対し作動ガスの容積変化をもたらすとともに、作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達するパワーピストンを構成している。
【００６１】
また、クランク軸２７には、ハウジング７の外部にてプーリ３５、ベルト３７およびプーリ３９を介して発電機４１を接続し、スターリングエンジンである上記したスターリングエンジン本体１の駆動によって、該発電機４１は発電する。すなわち、本熱機関では、作動ガスの圧力変化に基づく各ピストン２１、２３の往復運動をクランク軸２７が回転運動として外部に取り出すことになる。
【００６２】
加熱器１５は、前記した高温作動空間３１の再生器１７側近傍に、熱媒流体通路となる熱媒流体配管４３の一部の加熱器部分４３ａを挿入している。熱媒流体配管４３は、閉ループ状に形成しており、加熱器１５（スターリングエンジン本体１）から外部に引き出した延長部分としての熱源部分４３ｂが前記した熱源装置５を構成している。
【００６３】
ここでの熱源装置５は、燃焼装置としてのボイラからの排出ガスＥ、すなわち廃熱を利用した排出ガス熱源手段を構成している。このボイラは、木質ペレットなどのバイオマス燃料を使用するほか、ガス燃料、液体燃料を使用してもよい。なお、熱源装置５としては、ボイラのほかに燃焼装置である内燃機関などの燃焼機関の排出ガスを利用した排出ガス熱源手段とすることもできる。
【００６４】
また、ここでの熱媒流体としては油、溶酸塩などの液体や蒸気とすることが好ましい。
【００６５】
熱媒流体配管４３における加熱器部分４３ａと熱源部分４３ｂとの間の一方の中間部分４３ｃにはポンプ４５およびリザーバタンク４７がそれぞれ設置されている。
【００６６】
また、熱媒流体配管４３における加熱器部分４３ａと熱源部分４３ｂとの間の他方の中間部分４３ｄには、流量調整手段としての流量調整弁１０１を介して配管１０３の一端を接続し、配管１０３の他端は、熱媒流体配管４３の加熱器１５（スターリングエンジン本体１）の外部への延長部分である熱媒冷却部分１０５の一端に接続する。この熱媒冷却部分１０５は、前記した熱媒冷却装置６内の冷却媒体である水１０７中に配置している。
【００６７】
上記した熱媒冷却部分１０５の他端は配管１０９の一端に接続し、配管１０９の他端は加熱器１５とリザーバタンク４７との間の熱媒流体配管４３に接続する。
【００６８】
すなわち、加熱器１５と冷却手段である熱媒冷却装置６とは、熱媒流体通路により並列に接続したことになる。
【００６９】
一方、冷却器１９は、前記した低温作動空間３３の再生器１７側近傍に、冷却媒体通路となる冷却水配管４９の一部の冷却器部分４９ａを挿入している。冷却水配管４９の冷却器１９から下流側の外部に引き出した配管４９ｂは、前記した熱媒冷却装置６内に接続開口している。
【００７０】
また、熱媒冷却装置６には、別途配管４９ｃの一端を接続開口させ、配管４９ｃの他端は、前記した冷却装置３の冷却水タンク５１内に配置してある冷却媒体冷却部分４９ｄの一端に接続している。冷却媒体冷却部分４９ｄの他端は配管４９ｅの一端を接続し、配管４９ｅの他端は前記した冷却器部分４９ａに接続する。
【００７１】
冷却水タンク５１内の冷却水は、外部から入口配管１１１を通して供給されるとともに、出口配管１１３から排出されて例えば図示しないボイラ給水などに利用することができる。
【００７２】
上記した配管４９ｅにはポンプ５２を設置し、ポンプ５２と冷却媒体冷却部分４９ｄとの間の配管４９ｅにはリザーバタンク１１９を接続する。
【００７３】
このように構成したスターリングエンジンでは、スターリングエンジン本体１において高温作動空間３１と低温作動空間３３との間で、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹・圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。このとき流量調整弁１０１は、熱媒流体が加熱器１５に流れるように設定しておく。
【００７４】
この際、本実施例では、熱源装置５の熱源部分４３ｂで加熱された熱媒流体が、ポンプ４５の作動により熱媒流体配管４３を流れ流量調整弁１０１を経て加熱器１５の加熱器部分４３ａに送られることで、作動ガスが熱媒流体と熱交換して受熱する。その後、放熱して温度低下した熱媒流体は、熱媒流体配管４３の一方の中間部分４３ｃを流れてポンプ４５に戻ることになる。
【００７５】
一方、冷却器１９においては、ポンプ５２の作動によって熱媒冷却装置６内の冷却水１０７が冷却水配管４９の冷却器部分４９ａに送られることで、作動ガスが冷却水と熱交換して冷却される。その後、受熱して温度上昇した冷却水は、冷却水配管４９の配管４９ｂを流れて熱媒冷却装置６に戻ることになる。
【００７６】
このようなスターリングエンジンの運転時において、例えば、スターリングエンジン本体１が故障や不使用時によって運転を停止する場合には、流量調整弁１０１を熱媒流体が配管１０３に向けて流れるように切り替える。これにより熱源部分４３ｂから流出する熱媒流体は、熱媒冷却装置６に流入して冷却水１０７によって冷却されることになる。冷却された熱媒流体は、配管１０９を経て熱媒流体配管４３に戻り、熱源装置５で再度加熱されて熱媒冷却装置６に流れ込む。
【００７７】
スターリングエンジン本体１の運転を再開するときには、熱媒流体が加熱器１５に流れるように流量調整弁１０１を切り替える。
【００７８】
このように、本実施例では、スターリングエンジンの運転時において、例えば、スターリングエンジン本体１が故障や不使用時によって運転を停止する場合には、熱源装置５によって常時加熱される熱媒流体が加熱器１５に流れずに、熱媒冷却装置６を流れて冷却されるので、熱媒流体の過剰な温度上昇を抑えることができ、熱媒流体の劣化を防止することができる。
【００７９】
また、スターリングエンジンの運転中においても、図示しない制御手段が、スターリングサイクルを構成するスターリングエンジン本体１の運転状態に応じて流量調整弁１０１の開度を制御することで、熱媒流体の熱媒冷却装置６へ流れる量と加熱器１５へ流れる量とを調整し、これにより熱媒流体の温度を、スターリングエンジン本体１の運転状態に対応して適宜調整することができる。
【００８０】
また、上記した実施例では、熱源装置５における熱源としてボイラの廃熱を利用しているので、エネルギーの有効利用を達成できる。さらに、ボイラの燃料としてバイオマスを使用することで、地球温暖化に影響があるとされる二酸化炭素の削減に寄与することができる。
【００８１】
（第２実施例）
図３は、第２実施例に係る低温度差型スターリングエンジン５２０ｂを示す全体構成図である。
【００８２】
この実施例は、前記図２に示した第１実施例における燃焼装置の廃熱を利用した熱源装置５に代えて、内部を流れる熱媒流体を太陽熱Ｈにより加熱する太陽熱熱源手段となる熱源装置５Ａを使用している。その他の構成は、第１実施例と同様である。
【００８３】
上記した第２実施例においても、第１実施例と同様に、スターリングエンジン本体１が故障や不使用時によって運転を停止する場合には、流量調整弁１０１の切り替えにより、熱源装置５Ａによって加熱される熱媒流体が加熱器１５に流れずに、熱媒冷却装置６を流れて冷却されるので、熱媒流体の過剰な温度上昇を抑えることができ、熱媒流体の劣化を防止することができる。また、本実施形態では、熱源として太陽熱Ｈを利用しているので、温暖化ガス排出削減効果を達成できる。
【００８４】
このほか、燃焼装置の廃熱を利用した熱源装置５に代えて、ガス圧縮機にて圧縮して高温になったガスを利用した圧縮ガス熱源手段となる熱源装置がある。ここでのガス圧縮機としては、例えばエンジンに圧縮した空気を供給する過給機などがあり、この場合の熱源装置は、過給ガス熱源手段であり、インタークーラやアフタークーラに相当するものとなる。
【００８５】
また、上記した各熱源装置５、５Ａなどを適宜複数組み合わせて利用することもできる。
【００８６】
（第３実施例）
図４は、第３実施例に係る低温度差型スターリングエンジン５２０ｃの全体構成図である。この実施例は、前記図２に示した第１実施例に対し、熱源装置５から熱を導入するスターリングエンジン本体１と同様に、熱を導入して加熱される被加熱手段としての温水加熱器５３を、熱媒流体配管４３に接続用配管５５を介して接続している。この際、熱媒流体配管４３と接続用配管５５との接続部に切替弁５７を、また切替弁５７の下流の接続用配管５５にポンプ５９をそれぞれ設け、必要に応じてこれらを適宜作動させる。
【００８７】
温水加熱器５３に代えて、蒸気発生器、蒸気過熱器、船舶に使用する重油を加熱する燃料加熱器、海水を沸騰させる海水淡水化装置、蒸留装置なども接続可能であり、これらの適宜複数組み合わせてもよい。
【００８８】
この場合、熱利用側がスターリングエンジン本体１や温水加熱器５３など複数になるので、熱源装置側も複数設置することが好ましい。
【００８９】
（第４実施例）
図５は、第４実施例に係る低温度差型スターリングエンジン５２０ｄの全体構成図である。この実施例は、前記図２における流量調整弁１０１を、加熱器１５と配管１０９との間の熱媒流体配管４３に設置し、配管１０３についても配管１０９と同様に、熱媒流体配管４３における一方の中間部分４３ｃに接続している。
【００９０】
この場合、流量調整弁１０１と配管１０９との間の熱媒流体配管４３は、熱媒冷却装置６をバイパスするバイパス通路４３ｅとなる。
【００９１】
この実施例では、スターリングエンジン本体１の通常運転中には、流量調整弁１０１を、加熱器１５から出た熱媒流体がバイパス通路４３ｅに向けて流れるように設定しておく。
【００９２】
ここで、図２の実施例と同様に、熱機関の運転中においても、図示しない制御手段が、スターリングサイクルを構成するスターリングエンジン本体１の運転状態に応じて流量調整弁１０１を制御することで、熱媒流体の熱媒冷却装置６へ流れる量とバイパス通路４３ｅへ流れる量とを調整し、これにより熱媒流体の温度を、スターリングエンジン本体１の運転状態に対応して適宜調整することができる。
【００９３】
また、熱源の能力がエンジンの能力に比べて過剰になった場合、流量調整弁１０１を制御することで、熱媒流体の熱媒冷却装置６へ流れる量とバイパス通路４３ｅへ流れる量とを調整し、これにより熱媒流体の温度を過熱しないよう、熱源の状態に対応して適宜調整することができる。
【００９４】
なお、上記した各実施例に係るスターリングエンジン５２０ａ〜５２０ｄでは、熱媒流体を冷却する冷却手段である熱媒冷却装置６において、スターリングエンジン本体１の冷却器１９で使用する水１０７を冷却源として利用しているが、これとは別の冷却源を利用してもよい。
【００９５】
上記実施例に係る低温度差型スターリングエンジン５２０ａ〜５２０ｄを適用したエネルギーシステムＳ１によれば、熱エネルギーと電気エネルギーとを平準化して、エネルギー効率を向上させることができる。
【００９６】
このように、本実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムＳ１によれば、低温度差型スターリングエンジン５２０が種々の熱源を利用できる利点を活かして、不安定となり易い熱エネルギーと電気エネルギーを統合して安定化させることができる。
【００９７】
即ち、本実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムＳ１は、熱媒油を３００℃まで加熱可能な太陽熱集熱器５０１および木質バイオマス燃焼器５０２等を組み合わせることにより、自然エネルギーである太陽熱を主体とし、夜間や曇天時には蓄熱エネルギーを利用し、さらに木質バイオマスの燃焼熱で熱エネルギーを補完することができるシステムとなっている。
【００９８】
これにより、発電機５３０による発電を開始する前に熱エネルギーの平準化を行うことができ、低温度差型スターリングエンジン５２０の出力を安定させ、ひいては発電される電力の安定性を向上させることができる。
【００９９】
そして、発電機５３０による発電後は、周波数変換装置５４０および電力連系手段６１０で他の発電要素（風力発電機６０２等）などと補完することで、電気エネルギーの平準化を行うことができる。
【０１００】
このように、熱エネルギーと電気エネルギーとを多層的にリンクさせることで、交流系統連系部６０１を経由した外部の商用電源等の系統への負荷を最小限にすることができる。また、商用電源が災害等でダウンした際にも本実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムＳ１を独立系として自立して稼働可能である。
【０１０１】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムＳ２の構成について、図６および図７を参照して説明する。
【０１０２】
なお、エネルギーシステムＳ２の全体構成は、図１に示す第１の実施の形態に係るエネルギーシステムＳ１と同様である。
【０１０３】
図６は、第２の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムの概略構成を示す構成図、図７はその具体例を示す全体構成図である。
【０１０４】
第２の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムにおいて、熱媒連系手段５１０は、熱源装置５の一種である燃焼ボイラ（木質バイオマス燃焼器５０２等）からの熱循環系路（燃焼ガス通過系路）５０２Ａの上流側から下流側（即ち、排出ガスＥの上流側から下流側）に設置される複数段の熱ループＲ１〜Ｒｎ（ｎは整数）を備えている。
【０１０５】
そして、各熱ループＲ１〜Ｒｎは、熱循環系路５０２Ａから入熱した熱エネルギーを所定の熱負荷で順次消費するように構成されている。
【０１０６】
図６を参照して、熱ループの具体例について説明する。
【０１０７】
まず、熱ループＲ１は、外燃機関であるスターリングエンジン本体１の加熱器７００と熱交換器８００を含んでいる。図６に示す例では、熱ループＲ１は、約１０００℃の排出ガスＥから入熱され、約３００℃に加熱された熱媒がスターリングエンジン本体１の加熱器７００に供給される。そして、スターリングエンジン本体１で熱消費された熱媒の一部は分岐弁８１５を介して熱交換器８００を循環する。
【０１０８】
熱ループＲ２は、熱負荷９００と熱交換器８０１を含んでいる。図６に示す例では、熱ループＲ２は、約６００℃の排出ガスＥから入熱され、約１００℃に加熱された熱媒（水または油）が熱交換器８０１に供給され、約１５０℃まで加熱されて熱負荷９００に供給される。そして、熱負荷９００で熱消費された熱媒の一部は分岐弁８１６を介して熱交換器８０１を循環する。なお、熱負荷９００としては、吸収冷房機等が想定される。
【０１０９】
熱ループＲ３は、熱負荷９０１と熱交換器８０１を含んでいる。図６に示す例では、熱ループＲ３は、約４００℃の排出ガスＥから入熱され、約６０℃に加熱された熱媒（水）が熱交換器８０１に供給され、約７０℃まで加熱されて熱負荷９００に供給される。そして、熱負荷９０１で熱消費された熱媒の一部は分岐弁８１７を介して熱交換器８０２を循環する。なお、熱負荷９０１としては、室内の暖房器具等や給湯器等が想定される。
【０１１０】
熱ループＲ４は、熱交換器８０２を含んでいる。図６に示す例では、熱ループＲ４は、約２００℃の排出ガスＥから入熱され、約５０℃に加熱された熱媒（水）として排出され、例えば風呂用の湯などとして利用される。
【０１１１】
なお、熱ループＲ４の熱交換器８０２には、冷却器７０２に供給され、加熱された熱媒（水）が供給される。また、冷却器７０２には、井戸水等がポンプ７５０により供給されるようにできる。また、冷却器７０２の熱媒の一部は外部の冷却器７５１により冷却されて排出されるようにできる。
【０１１２】
また、５段目以降も熱ループＲｎを設け、排出ガスＥの残存熱を利用するようにできる。
【０１１３】
このようにして、スターリングエンジン本体１で消費しきれなかった排出ガスＥの熱エネルギーを複数段の熱ループＲ２〜Ｒｎでカスケード的に有効利用することができる。
【０１１４】
一方で、スターリングエンジン本体１に接続される発電機４１で発電された電力に対して、負荷として接続された消費側の電力の合計が変動し、電力不足あるいは電力過多になる場合がある。
【０１１５】
また、熱媒連系手段５１０に接続される太陽熱集熱器５０１（図１参照）において、太陽熱が不足する場合などには、熱媒温度が低下して機器の動作が不安定あるいは動作不能となる場合がある。また、太陽熱が過多の場合には、熱媒温度が許容値を超える虞があった。
【０１１６】
そこで、本発明では、電力連系手段５１０は、発電機４１および電力供給手段（図１に示す風力発電機６０２等）から供給される供給電力の合計と、負荷電力の合計とが合致するように、周波数変換装置５４０の周波数を制御してスターリングエンジン本体１の回転数を調整するようになっている。
【０１１７】
次に、図７を参照して、第２の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムの具体例について説明する。
【０１１８】
なお、第１の実施の形態の第４実施例と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
【０１１９】
第２の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムでは、熱源装置５の一種である燃焼ボイラ（木質バイオマス燃焼器５０２等）からの熱循環系路５０２Ａの上流側から下流側（即ち、排出ガスＥの上流側から下流側）に設置される複数段の熱ループＲ１〜Ｒｎ（ｎは整数）を備えている。なお、図７では、説明の都合上、熱ループＲ１、Ｒ２のみを示している。
【０１２０】
熱ループＲ１では、排出ガスＥの上流側で入熱された熱媒がスターリングエンジン本体１に供給される。そして、循環される熱媒の一部が流量調整弁（分岐弁）８１５を介して熱ループＲ２の熱媒冷却部分９５１に供給される。
【０１２１】
熱ループＲ２において、冷却水タンク９５０、９５２によって熱交換が行われる。即ち、ポンプ９４５の駆動により、熱ループＲ２の熱媒（水）は、熱源部分９４８で入熱され、冷却水タンク９５０に冷却水として供給される。そして、流量調整弁（分岐弁）８１５を介して熱媒冷却部分９５１に供給される熱媒を冷却した後、冷却水タンク９５２内の熱媒冷却部分９５３に供給される。そして、冷却水タンク９５２内の熱媒（水）を加熱した後、ポンプ９４５等に戻る。また、熱媒の一部は、流量調整弁（分岐弁）８１５を介して図示しない熱ループＲ３に供給される。なお、ポンプ９４５の直前にはリザーバタンク９４７が設けられている。
【０１２２】
また、図７に示す例では、冷却水タンク５１には、ポンプ７５０によって井戸水等が冷却水として供給される。そして、冷却水タンク５１で加熱された冷却水は、前述の冷却水タンク９５２に供給されるようになっている。
【０１２３】
そして、冷却水タンク９５２で加熱された熱媒（水）は、吸収式冷房の熱源、暖房機器の熱源、給湯等に利用される。
【０１２４】
また、電力連系手段５１０は、発電機４１および電力供給手段（太陽光パネル、風力発電機等）から供給される供給電力の合計と、負荷電力（電気負荷６０４、蓄電池等の充放電負荷）の合計とが合致するように、周波数変換装置５４０の周波数を制御してスターリングエンジン本体１の回転数を調整するようになっている。
【０１２５】
このように、スターリングエンジンの出力を発電機をインバータ等で制御して減少させた場合、エンジンにおける熱煤系からの入熱量も減少し、供給熱量に対して消費する負荷熱量が減少すると熱煤の温度が上昇してしまうが、熱煤冷却器（熱負荷）への流入流量を増やし、熱負荷熱量を増やして熱供給手段からの入熱量とバランスさせることができる。
【０１２６】
（他の構成例）
図８を参照して、第２の実施の形態に係る外燃機関を用いたエネルギーシステムの他の構成例について説明する。
【０１２７】
なお、図６に示す構成例と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
【０１２８】
図８において図６の構成例と異なる点は、熱ループＲ４の熱交換器８０２を省略し、熱負荷９０１からの熱媒をポンプ７５０を介して冷却器７０２に供給するように構成している点と、冷却器７０２から排出された熱媒を熱ループＲ３に戻している点である。
【０１２９】
これにより、比較的低温となった熱媒を有効利用することができる。
【０１３０】
以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【０１３１】
Ｓ１、Ｓ２…エネルギーシステム
１…スターリングエンジン本体
３…冷却装置
５、５Ａ…熱源装置
６…熱媒冷却装置
７…ハウジング
９…カバー
１１…クランクケース
１３…熱交換器ユニット
１５…加熱器
１７…再生器
１９…冷却器
２１…高温側ピストン
２３…低温側ピストン
２５…ピストンロッド
２７…クランク軸
２７ａ、２７ｂ…クランクピン
２９…ピストンロッド
３１…高温作動空間
３３…低温作動空間
３５…プーリ
３７…ベルト
３９…プーリ
４１…発電機
４３…熱媒流体配管
４３ａ…加熱器部分
４３ｂ…熱源部分
４３ｃ、４３ｄ…中間部分
４３ｅ…バイパス通路
４５…ポンプ
４７…リザーバタンク
４９…冷却水配管
４９ａ…冷却器部分
４９ｂ、４９ｃ、４９ｄ、４９ｅ…配管
４９ｄ…冷却媒体冷却部分
５１…冷却水タンク
５２…ポンプ
５３…温水加熱器
５５…接続用配管
５７…切替弁
５９…ポンプ
１０１…流量調整弁
１０３…配管
１０５…熱媒冷却部分
１０７…冷却水
１０９…配管
１１１…入口配管
１１３…出口配管
１１９…リザーバタンク
５００…熱源手段
５０１…太陽熱集熱器
５０２…木質バイオマス燃焼器
５０２Ａ…燃焼ガス通過系路
５０３…蓄熱器
５０４…熱負荷
５１０…熱媒連系手段
５２０、５２０ａ〜５２０ｄ…低温度差型スターリングエンジン（外燃機関）
５３０…発電機
５４０…周波数変換装置
６０１…交流系統連系部
６０２…風力発電機
６０３…蓄電池
６０４…電気負荷
６１０…電力連系手段
７００…加熱器
７０１…再生器
７０２、７５１…冷却器
７５０、９４５…ポンプ
８００、８０１、８０２…熱交換器
８１５、８１６、８１７…分岐弁
９００、９０１…熱負荷
９４７…リザーバタンク
９４８…熱源部分
９５０、９５２…冷却水タンク
９５１…熱媒冷却部分
９５３…熱媒冷却部分
Ｃ…制御装置
Ｅ…排出ガス
Ｈ…太陽熱
Ｒ１〜Ｒｎ…熱ループ
【図１】
2015034544.tif 000003
【図２】
2015034544.tif 000004
【図３】
2015034544.tif 000005
【図４】
2015034544.tif 000006
【図５】
2015034544.tif 000007
【図６】
2015034544.tif 000008
【図７】
2015034544.tif 000009
【図８】
2015034544.tif 000010