(57)【要約】  有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）及びＯＲＣ流体を使用してエネルギを生成する閉ループシステムは、飽和ＯＲＣ液になるまでＯＲＣ液を加熱するように構成された第１の太陽熱動力源と、第１の太陽熱動力源に流体接続されて、飽和ＯＲＣ液を気化させてＯＲＣ蒸気にするように構成された第２の太陽熱動力源と、ＯＲＣ蒸気を受け取り、前記ＯＲＣ蒸気を膨張させることによって機械的エネルギを生成するように構成されたターボ機械とを含む。【選択図】図３
2014509704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）及びＯＲＣ流体を使用してエネルギを生成する閉ループシステムであって、
飽和ＯＲＣ液になるまでＯＲＣ液を加熱するように構成された第１の太陽熱動力源と、
前記第１の太陽熱動力源に流体接続された第２の太陽熱動力源であって、前記飽和ＯＲＣ液を気化させてＯＲＣ蒸気にするように構成された第２の太陽熱動力源と、
ＯＲＣ蒸気を受け取り、前記ＯＲＣ蒸気を膨張させることによって機械的エネルギを生成するように構成されたターボ機械とを含む、閉ループシステム。
【請求項２】
前記第１の太陽熱動力源と前記第２の太陽熱動力源の間に流体接続されて、前記飽和ＯＲＣ液を貯蔵するように構成されたタンクを更に含む、請求項１に記載の閉ループシステム。
【請求項３】
前記タンクと前記第２の太陽熱動力源の間に流体接続されて、前記第２の太陽熱動力源に向かう前記飽和ＯＲＣ液の流れを制御するように構成された制御装置を更に含む、請求項１又は２に記載の閉ループシステム。
【請求項４】
前記制御装置に流体接続されて、前記飽和ＯＲＣ液を気化させるように構成された加熱装置を更に含み、前記制御装置は、前記第２の太陽熱動力源が非活動状態であるときに、前記第２の太陽熱動力源ではなく前記加熱装置に、前記タンクから飽和ＯＲＣ液を送るように構成される、先行する請求項のいずれかに記載の閉ループシステム。
【請求項５】
前記制御装置に流体接続されて、前記飽和ＯＲＣ液の圧力を減圧することによって前記飽和ＯＲＣ液を気化させるように構成された絞り装置を更に含み、前記制御装置は、前記第２の太陽熱動力源が非活動状態であるときに、前記第２の太陽熱動力源ではなく前記絞り装置に、前記タンクから飽和ＯＲＣ液を送るように構成される、先行する請求項のいずれかに記載の閉ループシステム。
【請求項６】
前記絞り装置と前記ターボ機械の間に流体接続された分離タンクであって、前記ターボ機械に前記ＯＲＣ蒸気を供給し、且つ、前記タンク又は前記第１の太陽熱動力源に前記飽和ＯＲＣ液を送り返すように構成された分離タンクを更に含む、先行する請求項のいずれかに記載の閉ループシステム。
【請求項７】
前記第１の太陽熱動力源は、前記ＯＲＣ液を気化させない構成である、先行する請求項のいずれかに記載の閉ループシステム。
【請求項８】
前記ターボ機械の出力部に流体接続されて、前記気化したＯＲＣ流体から熱を除去するように構成された復熱装置と、
前記復熱装置に流体接続されて、前記気化したＯＲＣ流体を前記ＯＲＣ液に戻すように構成された冷却装置と、
前記冷却装置と前記復熱装置の間に流体接続されて、前記復熱装置まで前記ＯＲＣ流体をポンプ送りするように構成されたポンプとを更に含み、
前記ポンプからポンプ送りされたＯＲＣ液は、前記復熱装置内で、前記ターボ機械の膨脹装置から流入する前記気化したＯＲＣ流体から熱を受け取る、先行する請求項のいずれかに記載の閉ループシステム。
【請求項９】
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）及びＯＲＣ流体を用いてエネルギを生成する閉ループシステムであって、
熱を機械的エネルギに変換するように構成されたターボ機械と、
前記ターボ機械の出力部に流体接続されて、前記気化したＯＲＣ流体から熱を除去するように構成された復熱装置と、
前記復熱装置に流体接続されて、前記気化したＯＲＣ流体をＯＲＣ液に戻すように構成された冷却装置と、
前記冷却装置と前記復熱装置の間に流体接続されて、前記復熱装置まで前記ＯＲＣ液をポンプ送りするように構成されたポンプと、
前記ＯＲＣ液を加熱によって飽和ＯＲＣ液に変えるように構成された第１の太陽熱動力源と、
前記第１の太陽熱動力源に流体接続された第２の太陽熱動力源であって、前記飽和ＯＲＣ液を気化させてＯＲＣ蒸気にするように構成された第２の太陽熱動力源とを含み、
前記ターボ機械は、前記第２の太陽熱動力源から前記ＯＲＣ蒸気を受け取るように構成される、閉ループシステム。
【請求項１０】
前記第１の太陽熱動力源と前記第２の太陽熱動力源の間に流体接続されて、前記飽和ＯＲＣ蒸気を貯蔵するように構成されたタンクを更に含む、請求項９に記載の閉ループシステム。
【請求項１１】
前記タンクと前記第２の太陽熱動力源の間に流体接続されて、前記第２の太陽熱動力源に向かう前記飽和ＯＲＣ液の流れを制御するように構成された制御装置を更に含む、請求項９又は１０に記載の閉ループシステム。
【請求項１２】
前記制御装置と前記ターボ機械の間に流体接続されて、前記飽和ＯＲＣ液を気化させるように構成された加熱装置を更に含み、前記制御装置は、前記第２の太陽熱動力源が非活動状態であるときに、前記第２の太陽熱動力源ではなく前記加熱装置に、前記タンクから飽和ＯＲＣ液を送るように構成される、請求項９乃至１１のいずれかに記載の閉ループシステム。
【請求項１３】
前記制御装置に流体接続されて、前記飽和ＯＲＣ液の圧力を減圧することによって前記飽和ＯＲＣ液を気化させるように構成された絞り装置を更に含み、前記制御装置は、前記第２の太陽熱動力源が非活動状態であるときに、前記第２の太陽熱動力源ではなく前記絞り装置に、前記タンクから飽和ＯＲＣ液を送るように構成される、請求項９乃至１２のいずれかに記載の閉ループシステム。
【請求項１４】
前記絞り装置と前記ターボ機械の間に流体接続された分離タンクであって、前記ターボ機械にＯＲＣ蒸気を供給し、且つ、前記タンク又は前記第１の太陽熱動力源に前記飽和ＯＲＣ液を送り返すように構成された分離タンクを更に含む、請求項９乃至１３のいずれかに記載の閉ループシステム。
【請求項１５】
前記第１の太陽熱動力源は、ＯＲＣ液を気化させない構成である、請求項９乃至１４のいずれかに記載の閉ループシステム。
【請求項１６】
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いてエネルギを生成する方法であって、
閉ループシステムにおいて、第１の太陽熱動力源内での加熱によりＯＲＣ液を飽和ＯＲＣ液に変え、
前記飽和ＯＲＣ液を貯蔵タンクに貯蔵し、
第２の太陽熱動力源又は他の装置までの前記飽和ＯＲＣ液の流れを制御して、前記飽和ＯＲＣ液をＯＲＣ蒸気に変え、
ターボ機械内で前記ＯＲＣ蒸気を膨張させてエネルギを生成し、
前記ＯＲＣ蒸気を冷却して前記ＯＲＣ液に戻し、前記ＯＲＣ液を前記第１の太陽熱動力源に送り返すことを含む、方法。
【請求項１７】
前記第２の太陽熱動力源内の前記飽和ＯＲＣ液を気化させる一方で、前記第１の太陽熱動力源内の前記ＯＲＣ液を気化させないことを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
制御装置から流入する前記飽和ＯＲＣ液を、熱源を用いて加熱してＯＲＣ蒸気にし、その後で前記ＯＲＣ蒸気を前記ターボ機械の膨脹装置に供給することを更に含む、請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
制御装置から流入する前記飽和ＯＲＣ液の圧力を、絞り装置において減圧して部分的にＯＲＣ蒸気に変え、その後で前記ＯＲＣ蒸気を前記ターボ機械の膨脹装置に供給することを更に含む、請求項１６乃至１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記ターボ機械と前記絞り装置の間に流体接続された分離タンクにおいて、ＯＲＣ蒸気から飽和ＯＲＣ液を分離することを更に含む、請求項１６乃至１９のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、概して動力生成システムに関し、特に、太陽熱動力源及び飽和液貯蔵庫を有する有機ランキンサイクル（ＯＲＣ：Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｒａｎｋｉｎｅ  Ｃｙｃｌｅ）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルは、閉じたサイクル内で有機作動流体を利用して、加熱源又は高温貯蔵槽から熱を収集し、タービン又は膨脹装置によって高温の気体流を膨張させて動力を生成する。この膨張流は、復水器内で、冷温貯蔵槽に熱を伝達することによって液化され、その後再び加熱圧力までポンプ増圧されてサイクルが終了する。太陽熱動力源は、加熱源又は高温貯蔵槽として用いられることが知られている。例えば、集光型太陽熱発電（ＣＳＰ：Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ  Ｓｏｌａｒ  Ｐｏｗｅｒ）システムは、レンズ又は鏡と、追跡システムとを利用して、大面積の太陽光を小ビームに集束させる。集束された熱は、この後、従来のパワープラントの熱源として使用される。各種幅広い集束技法が存在する。最も発達しているものは、放射状トラフ、集光型線形フレネル反射器、スターリングディッシュ、及び太陽熱発電塔である。各種の技法を利用して、太陽を追跡し光を集束させている。これら全てのシステムにおいて、作動流体は、集束された太陽光によって加熱されて、動力の生成又はエネルギの貯蔵に利用される。
【０００３】
一般的なＯＲＣシステムについて、図１を参照しながら説明する。図１に、ボイラとしても知られる熱交換器２、タービン４、復水器６、及びポンプ８を含む動力生成システム１０を示す。熱交換器２を起点としてこの閉ループシステムを概観すると、外部熱源３、例えば、高温煙道ガスが、熱交換器２を加熱する。これにより、受け取った加圧液媒体１２が加圧蒸気１４になり、この加圧蒸気がタービン４に流入する。タービン４は、加圧蒸気流１４を受け取り、その加圧蒸気が膨脹するときに動力１６を生成できる。タービン４から放出される膨張した低圧蒸気流１８は、その膨張した低圧蒸気流１８を低圧液体流２０に凝結させる復水器６に流入する。低圧液体流２０は、次に、ポンプ８に進入する。このポンプ８は、高圧液体流１２を生成し、且つ、閉ループシステムの流動性を維持するという２つの役割を果たす。この後、高圧液体流１２が熱交換器２にポンプ送りされて、このプロセスが繰り返される。
【０００４】
ランキンサイクルに使用できる作動流体の一つは有機作動流体である。このような有機作動流体は、ＯＲＣ流体と呼ばれる。ＯＲＣシステムは、エンジン、並びに小型及び中型のガスタービンの後付け部品として開発されたもので、高温煙道ガス流から排熱を取り込む。この排熱を二次動力生成システムに利用することで、高温煙道ガスのみを生成するエンジンによって送り出される動力に加えて、更に２０％の動力を生成できる。
【０００５】
太陽熱動力源の開発に伴い、ＯＲＣサイクルが、前述したようなシステムに適用されるようになっている。例えば、図２には、太陽熱収集器３２、熱交換復水器３４を備える蒸気機関、作動流体の貯蔵タンク３６、及び太陽熱収集器３２に作動流体を送るポンプ３８を有するシステム３０が存在する。太陽熱収集器３２には、ポンプ３８によって貯蔵タンク３６から上部タンク４２まで汲み上げられたＯＲＣ作動流体の導入口にレベリングバルブ４０が設けられる。気化したＯＲＣ作動流体は、太陽熱収集器３２から、動力生成装置４６に接続できる蒸気タービン４４に供給される。
【発明の概要】
【０００６】
ただし、既存の太陽熱発電システムは効率のよいものではない。また、既存の太陽熱発電システムは、太陽を利用できないときにエネルギを生成することが困難である。したがって、動力生成システムにおけるＯＲＣシステムの効率を改善するシステム及び方法が求められている。
【０００７】
本発明の実施形態によれば、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）及びＯＲＣ流体を用いてエネルギを生成する閉ループシステムが提供される。本システムは、飽和ＯＲＣ液になるまでＯＲＣ液を加熱するように構成された第１の太陽熱動力源と、第１の太陽熱動力源に接続されて、飽和ＯＲＣ液を気化してＯＲＣ蒸気に変えるように構成された第２の太陽熱動力源と、ＯＲＣ蒸気を受け取り、そのＯＲＣ蒸気を膨張させることによって機械的エネルギを生成するように構成されたターボ機械とを含む。
【０００８】
本発明の実施形態によれば、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）及びＯＲＣ流体を用いてエネルギを生成する閉ループシステムが提供される。本システムは、熱を機械的エネルギに変換するように構成されたターボ機械と、ターボ機械の出力部に流体接続されて、気化したＯＲＣ流体から熱を取り出すように構成された復熱装置と、復熱装置に流体接続されて、気化したＯＲＣ流体をＯＲＣ液に戻すように構成された冷却装置と、冷却装置と復熱装置の間に流体接続されて、復熱装置にＯＲＣ液をポンプ送りするように構成されたポンプと、ＯＲＣ液を加熱することによって飽和ＯＲＣ液に変えるように構成された第１の太陽熱動力源と、第１の太陽熱動力源に流体接続され、飽和ＯＲＣ液を気化させてＯＲＣ蒸気にするように構成された第２の太陽熱動力源とを含む。本システムにおいて、ターボ機械は、第２の太陽熱動力源からＯＲＣ蒸気を受け取るように構成される。
【０００９】
本発明の他の実施形態によれば、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いてエネルギを生成する方法が提供される。本方法は、閉ループシステム内で、第１の太陽熱動力源において加熱によってＯＲＣ液を飽和ＯＲＣ液に変化させ、飽和ＯＲＣ液を貯蔵タンクに貯蔵し、第２太陽熱動力源又は他の装置に向かう飽和ＯＲＣ液のフローを制御して、飽和ＯＲＣ液をＯＲＣ蒸気に変化させ、ターボ機械内でＯＲＣ蒸気を膨張させてエネルギを生成し、ＯＲＣ蒸気を冷却してＯＲＣ液に戻し、そのＯＲＣ液を第１の太陽熱動力源に送り返すことを含む。
【００１０】
本発明の実施形態は、付属の図面を参照しながら下記の説明を読むことによって当業者に明瞭に理解されよう。図面は次のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ＯＲＣサイクルの模式図である。
【図２】太陽熱動力源と共に用いられるＯＲＣサイクル構成の模式図である。
【図３】本発明の例示的実施形態に係る、太陽熱動力源と共に用いられるＯＲＣサイクル構成の模式図である。
【図４】本発明の例示的実施形態に係る、太陽熱動力源及び二次熱源と共に用いられるＯＲＣサイクル構成の模式図である。
【図５】本発明の例示的実施形態に係る、２つの閉ループシステムにおいて太陽熱動力源と共に用いられるＯＲＣサイクル構成の模式図である。
【図６】本発明の例示的実施形態に係る、２つの閉ループシステムにおいて太陽熱動力源及び二次熱源と共に用いられるＯＲＣサイクル構成の模式図である。
【図７】本発明の例示的実施形態に係る、太陽熱動力源を備えたＯＲＣサイクル構成を使用する方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の例示的実施形態に係る、２つの閉ループシステムにおいて太陽熱動力源と共に用いられるＯＲＣサイクルのフローチャートである。
【図９】本発明の例示的実施形態に係る閉ループシステムが第１及び第２の太陽熱動力源を含む、動力を生成する閉ループシステムの図である。
【図１０】本発明の例示的実施形態に係る閉ループシステムの中で各種の熱転移を受けるＯＲＣ流体のＰ−Ｈチャートである。
【図１１】本発明の例示的実施形態に係る、２つの太陽熱動力源を備えた閉ループシステムを用いて動力を生成する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
例示的実施形態についての下記の詳細な説明では、付属の図面が参照される。異なる図における同一の参照番号は、同一又は同様の要素を表す。また、図面は、必ずしも原寸に比例していない。また、下記の詳細な説明は本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は付属の請求項によって定義される。簡潔にするため、下記では、膨脹装置を用いてエネルギを生成する太陽熱動力源と共に用いられるＯＲＣサイクルを参照して説明する。ただし、太陽熱動力源は異なるものであってもよく、膨脹装置は、エネルギを生成する他のターボ機械に置き換えることができる。
【００１３】
「一実施形態」又は「実施形態」に言及する場合は、明細書全体を通じて、実施形態に関連付けて記載した特定の特性、構造、又は特徴が、開示対象についての少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、明細書内の様々な個所に現れる「一実施形態において」又は「実施形態において」という表現は、必ずしも同一の実施形態を指すものではない。また、特定の特性、構造、又は特徴は、一つ以上の実施形態において、任意の適切な方式で組み合わせることができる。
【００１４】
図３に示した例示的実施形態によれば、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いて動力を生成するシステム５０は、そのシステム内を流動する媒体を気化させるように構成された太陽熱動力源５２、及び気化した媒体を膨張させることによってエネルギ／電力を生成するように構成されたターボ機械５４を含む。復水器５６が、気化した媒体を確実に液相に戻し、ポンプ５８が、液状媒体の圧力を増圧して、システム内を流動する媒体を維持する。
【００１５】
媒体は、従来よりＯＲＣシステムに利用されている有機流体であってよい。ただし、効率を向上させるために、用途に応じて、シクロペンタン系の流体を利用することができる。シクロペンタンは、引火性の高い脂環式炭化水素で、Ｃ５Ｈ１０の化学式で表される。シクロペンタンは、各炭素原子が平面の上下で２つの水素原子に結合された５つの炭素原子の環で構成される。この物質は、石油に似た臭気を持つ無色の液体として存在する。その融点は−９４℃で、沸点は４９℃である。他の媒体も利用可能である。例示的実施形態によれば、ＯＲＣ媒体としては、２−メチルペンタン、ｎ−ペンタン、及びイソペンタンのうちの一つ以上と混合されたシクロペンタンが挙げられる。例えば、利用可能な組み合わせの一つは、約９５％のシクロペンタン、約３．５％の２−メチルペンタン、０．７５％のｎ−ペンタン、及び約０．７５％のイソペンタンである。
【００１６】
太陽熱動力源５２は、任意の既知の太陽光源であってよい。ただし、次に説明する実施形態は、集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）システムに最適化されたものである。光起電型システムは太陽エネルギを直接電気に変換するものであるため、ＣＳＰシステムは、光起電型システムとは異なる。ＣＳＰシステムは、太陽熱エネルギに基づいて気化される媒体を必要とし、このエネルギは、後に、適切なターボ機械、例えば、膨脹装置又はタービンを用いて取り出される。したがって、図３に示した実施形態で使用される媒体は、システムの各種構成要素を通過する際に、各種の熱力学過程を経る。
【００１７】
ターボ機械５４は、気化した媒体からエネルギを抽出し、そのエネルギを、例えば、機械的エネルギに変換するように構成された任意の機械であってよい。このため、膨脹装置は、気化した媒体を受け取るように構成され、この気化媒体により、膨脹装置の翼又はインペラは横軸を中心に回転するように決定付けられる。気体（気化媒体）の熱力学エネルギが、膨脹過程において取り出されることで、膨脹装置のシャフト（翼又はインペラを保持するシャフト）が回転して、機械的エネルギを生成する。この機械的エネルギは、電気を生成するパワーデバイス６０、例えば、コンデンサ又は発電装置の駆動に利用することができる。換言すると、本例示的実施形態に記載したシステムを用いて、電力の生成、又は、ターボ機械等の機械の駆動を行うことができる。
【００１８】
膨脹装置は、単段又は複数段の膨脹装置であってよい。単段膨脹装置は、インペラを一つしか備えておらず、気化した気体は、単一のインペラを通過した後で、膨脹装置の排気部に供給される。多段インペラは複数のインペラを備えており、一つのインペラからの膨張媒体は、その媒体から更にエネルギを抽出する次のインペラに送られる。膨脹装置は、遠心分離機、又は軸流機械であってよい。遠心分離膨脹装置は、第１方向（例えば、Ｙ軸）に沿って気化媒体を受け取り、第１方向に対して実質的に垂直な第２方向（例えば、Ｘ方向）に膨脹媒体を放出する。すなわち、遠心力を利用して膨脹装置のシャフトを回転させる。軸流膨脹装置において、媒体は、航空機のジェットエンジンと同様に、同一方向に沿って膨脹装置に出入りする。
【００１９】
復水器５６は、空冷式であっても又は水冷式であってもよく、その目的は、ターボ機械５４からの膨脹媒体を更に冷却して膨脹媒体を液体にすることである。ポンプ５８は、この分野で知られている任意のポンプであってよく、媒体の圧力を所望の値まで増圧することに適する。膨脹装置５４から排出された媒体からの熱は、復熱装置６４内で除去することができ、除去された熱は、太陽熱動力源５２に供給される液状媒体に供給される。復熱器６４は、同一の環境を共有する２つのパイプを有する容器と同程度の単純なものであってよい。例えば、液状媒体（ポンプからの媒体）が第１のパイプを通って流れる一方で、気化した媒体（膨脹装置からの媒体）は第２のパイプを通って流れる。第１及び第２のパイプの周囲に同一の環境が存在するため、第２のパイプからの熱が第１のパイプに伝達されて、液状媒体を加熱する。より高機能な他の復熱装置を利用することもできる。
【００２０】
次に、システム５０内の媒体の流れについてより詳細に説明する。媒体の流れはＡ点から流れるものとする。Ａ点において、液状媒体は、ポンプ５８に由来する高圧（例えば、４０バール）であり、且つ低温（例えば、５５℃）である。液状媒体が太陽熱動力源５２を通過すると、その温度が上昇する（例えば、２５０℃）。本例示的実施形態及び他の例示的実施形態で用いた数値は説明を目的としたものであり、実施形態を限定することを意図したものではない。当業者であれば、これらの数値はシステムの特徴の変化に応じてシステムごとに変わるものであることは理解されるであろう。
【００２１】
太陽熱動力源５２を通過している間に、媒体は、例えば、液状媒体から気化媒体へというように相転移し得る。太陽熱動力源５２の通過中、太陽熱エネルギが、太陽光から媒体に伝達される。気化媒体は、Ｂ点に到達して、膨脹装置５４の入口５４ａに入り、膨脹装置のシャフトを回転させて太陽熱エネルギを機械的エネルギに変換する。膨脹媒体は、依然として液体ではなく気体のままであり得（例えば、Ｃ点における温度は約１４０℃であり、圧力は約１．３バールである）、この状態の膨脹媒体が、出口５４ｂにおいて膨脹装置から排出される。
【００２２】
Ｃ点において、気化媒体には依然としてエネルギ（熱）が残っているため、この媒体は、復熱装置６４に送られて更に熱が除去される。Ｄ点において、復熱装置６４内で気化媒体から除去された熱は、太陽熱動力源に液状媒体を供給する前に、Ｅ点（復熱装置内部）において前記液状媒体に付与される。Ｆ点において、冷却された気化媒体は、復水器５６内で冷却されて、液相に戻される。次に、液状媒体がポンプ５８に供給されて、サイクルが繰り返される。一つの構成要素から他の構成要素に媒体を送達する配管６６は、媒体がシステム５０の外部に漏洩しないように封止されることを注記しておく。すなわち、図３に示したシステムは、閉ループシステムである。
【００２３】
前述したシステムにより、発電装置６０を使用したときの、太陽エネルギから電気エネルギへの変換効率が向上する。また、本システムは、媒体に水を必要とせず、太陽熱動力源によって直接媒体を気化することができる。シクロペンタン系流体を使用する場合、シクロペンタンの沸点は約４９℃であるため、この媒体は太陽熱動力源内で直接気化されることに留意されたい。
【００２４】
図３に示したシステム５０についてはいくつかの変形例が考えられる。次に、図４を参照しながらこれらの変形例について説明する。例示的実施形態によれば、例えば、太陽熱動力源５２の下流において、膨脹装置５４の上流に二次熱源７０を追加できる。他の応用例において、二次動力源７０は、位置Ａに設けられてもよい。二次動力源は、太陽熱、地熱、化石、核、又は他の既知の動力源であってよい。例えば、ターボ機械又はパワープラントの排気は二次動力源であり得る。
【００２５】
他の応用例において、シクロペンタン系媒体を格納する貯蔵タンク７２を設けることができる。一例示的実施形態において、貯蔵タンクは、復水器５６の下流に配設される。各種のバルブ７４及び７６を配管系に設けて、システム内を流動する媒体の量を制御してもよい。更に他の例示的実施形態において、バランスライン７８及びバルブ８０を設けて、システム内を通る媒体の流れを制御することができる。
【００２６】
図５に、異なるシステムを示す。例示的実施形態によれば、システム１００は、第１閉ループシステム１０２及び第２閉ループシステム１０４を含むことができる。第２閉ループシステム１０４は、ターボ機械１０６、復水器１０８、ポンプ１１０、及び復熱装置１１２を含むことができ、これらの構成要素は、図３及び図４に示したものと同様であると共に、図３及び図４に示した実施形態のシステムに同様に接続される。ただし、図３に示した太陽熱動力源の代わりに、第２閉ループシステムは、一つ以上の気化器１１４と、一つ以上の熱交換装置１１６とを含むことができる。図５には２つの熱交換装置１１６及び１１８が記載されているが、一つの装置であっても本システムの機能には十分である。一つの応用例では、いずれの熱交換装置も必要としない。
【００２７】
第１閉ループシステム１０２は、図３の太陽熱動力源５２と同様の太陽熱動力源１２０、及び図３のポンプ５８と同様のポンプ１２２を含んでよい。第１閉ループシステム１０２は、流動媒体として油性物質を利用でき、第２閉ループシステム１０４は、流動媒体としてシクロペンタン系流体を利用するＯＲＣシステムであってよい。第２閉ループシステム１０４の有機媒体は、本例示的実施形態において、太陽熱動力源１２０を通って循環するのではなく、第１閉ループシステム１０２の油性物質と熱的に接触する状態に配置されて、太陽熱動力源からの熱を伝達する。
【００２８】
このため、太陽熱動力源１２０からの油性物質は、気化器１１４内で第２閉ループシステムの媒体を気化させ、気化した媒体をターボ機械１０６に供給する。また、一つ以上の熱交換装置１１６及び１１８内で第２閉ループシステムの媒体を予熱するために、油性物質を更に利用することも可能である。ただし、例示的実施形態によれば、熱交換装置１１６及び１１８は省略してもよい。冷却された油性物質は、この後、膨脹槽１２４に到達し、そこからポンプ１２２まで流動して再び太陽熱動力源１２０に供給される。油性物質は、第２閉ループシステムの媒体又は環境と混ざり合うことはない。膨脹槽１２４は、膨脹槽１２４の上部（内側上部）に窒素被覆を施すように構成された窒素供給源１２６と流体連通できる。窒素は膨脹槽の内部に進入するが、油性物質の上方を流れるときに、窒素が第１閉ループシステム１０２を通って流れることはない。
【００２９】
図６に示した例示的実施形態によれば、図４に示したような各種の構成要素をシステム１００に追加できる。例えば、二次熱源１３０が、気化器１１４の上流又は下流において第２閉ループシステムに追加されてよく、これにより、二次閉ループシステムの媒体を更に加熱できる。バルブ１３２を追加して媒体の流れを制御すること、及び、対応するバルブ１３６と共にバランスライン１３４を二次閉ループシステムに設けることができる。二次閉ループシステム１０４内で、発電機１４０又は他のターボ機械を膨脹装置１０６に接続することができる。
【００３０】
次に、前述したようなシステムの動作方法について説明する。図７に示した例示的実施形態によれば、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いて動力を生成する方法が存在する。本方法は、閉じたシステム内で、太陽熱動力源を用いた加熱により、液状のシクロペンタン系流体を気化シクロペンタン系流体に変えるステップ７００と、膨脹装置内で気化シクロペンタン系流体を膨張させてエネルギを生成するステップ７０２と、気化シクロペンタン系流体を冷却して、液状のシクロペンタン系流体に戻し、液状のシクロペンタン系流体を太陽熱動力源に送り返すステップ７０４とを含む。
【００３１】
図８に示した他の例示的実施形態によれば、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いて動力（電気的又は機械的動力）を生成する方法が存在する。本方法は、第１閉ループシステムにおいて、太陽熱動力源を用いて油性流体を加熱するステップ８００と、第２閉ループシステムにおいて、気化したシクロペンタン系流体を膨脹させてエネルギを生成するステップ８０２とを含む。第１閉ループシステムの油性流体は、第２閉ループシステム内の液状のシクロペンタン系流体と熱を交換するように構成される。
【００３２】
更に他の例示的実施形態によれば、シクロペンタンに限らず、任意のＯＲＣ流体（例えば、有機物を土台とする流体）を利用できる新たな構成を提供することができる。本実施形態では、２つの異なる太陽熱動力源を用いて、ＯＲＣ流体を加熱する。第１の太陽熱動力源は、流入するＯＲＣ流体を加熱して飽和させるように構成され、第２の太陽熱動力源は、飽和したＯＲＣ流体を更に加熱してＯＲＣ蒸気に変えるように構成される。液体は、沸騰する寸前で飽和すると言われている。第１の太陽熱動力源と第２の太陽熱動力源の間に、飽和ＯＲＣ液の貯蔵タンクを設けることができる。太陽熱動力源が非活動状態、例えば、曇天である期間中、二次動力源を利用して、ターボ機械に供給すべき蒸気へと飽和ＯＲＣ液を変換することができる。これに代えて、絞り壁（又は絞り装置）を利用して、一部の飽和ＯＲＣ液を蒸気に変化させる（等エンタルピ的に一部の圧力を低下させることによって行う）ことができる。これについては後述する。
【００３３】
図９に示した例示的実施形態によれば、動力（電気的又は機械的動力）を生成するシステム２００は、ターボ機械２０２、復水器２０４、ポンプ２０６、復熱装置２０７、及びパワーデバイス２０８を含み、これらは、図３及び図４に示したものと同様の方式で互いに接続される。パワーデバイス２０８は、発電機（又は電気エネルギを生成する同様の装置）、又はターボ機械によって駆動される別のターボ機械であってよい。ただし、図９に示す第１の太陽熱動力源２１０及び第２の太陽熱動力源２１２は、液体貯蔵タンク２１４を介して互いに接続されている。制御装置（例えば、バルブ）２１６又は他の同様の要素が、第２の太陽熱動力源２１２、又は二次熱源２１８のいずれかにタンク２１４からの流れを送り込む。二次熱源２１８は任意の熱源であってよい。
【００３４】
次に、ＯＲＣ流体の流れについて、図９と共に、ＯＲＣ流体の圧力−エンタルピ（Ｐ−Ｈ）図を示した図１０も参照しながら説明する。ターボ機械、復水器、ポンプ、及び二次熱源を通るＯＲＣの流れについては、既に説明してあるのでここでは省略する。低温のＯＲＣ液は、Ａ点において（図９と図１０の両方を参照）、第１の太陽熱動力源２１０に入る。熱が第１の太陽熱動力源２１０からＯＲＣ流体に伝達されるため、Ｂ点において、ＯＲＣ液は飽和するが、依然として液体のままである。この状態は図１０に示されており、図中の曲線２３０は、ＯＲＣ流体の液体−蒸気曲線を表す。また、ＯＲＣ流体は、領域２３２において液状であり、領域２３４において液体と蒸気の混合状態であり、領域２３６において蒸気であることに留意されたい。したがって、第１の太陽熱動力源２１０は、Ｂ点におけるＯＲＣ液が、領域２３４内に存在しない、すなわち、飽和しているが気化していない状態になるように設計される（例えば、寸法設定される）。
【００３５】
ここから、飽和ＯＲＣ液は、タンク２１４に送られて貯蔵される。第２の太陽熱動力源２１２が活動状態であれば、制御装置２１６は、タンク２１４からの飽和ＯＲＣ液を二次熱源２１８ではなく、第２の太陽熱動力源２１２に送るように構成される。第２の太陽熱動力源２１２は、Ｃ点において、流れ全体が蒸気の形態になるように飽和ＯＲＣ液を気化させる構成である。したがって、熱は、ＡからＢへの移行中に付与され、且つ、ＢからＣへの移行中にも付与される。本発明を限定することを意図したものではない特定の例において、温度がＡにおいて約５０℃、Ｂにおいて約２３０℃、Ｃにおいて約２５０℃であるときに、ＡとＢの間で付与される熱は約４００ｋＪ／ｋｇであり、ＢとＣの間で付与される潜熱は約４０ｋＪ／ｋｇである。潜熱は低温であることが判る。ＯＲＣ蒸気は、次に、ターボ機械２０２に供給されて機械的エネルギを生成する。
【００３６】
第２の太陽熱動力源２１２を利用できないとき、制御装置２１６は、液体が蒸気に変換されてターボ機械２０２に供給されるように、飽和ＯＲＣ液を二次熱源２１８に供給するように構成される。また、二次熱源２１８の代わりに、絞り壁（又は絞り装置）２２０を利用して、飽和ＯＲＣ液の圧力を等エンタルピ的に低下させることで、図１０に曲線Ｂ〜Ｄで示されるように、飽和ＯＲＣ液を蒸気に変えてもよい。これにより、飽和ＯＲＣ液の一部が液体のまま残り、一部が蒸気に変換される。また、ＢからＤへの変化は、圧力低下を引き起こすのみでなく、温度も低下させることに留意されたい。ただし、飽和ＯＲＣ液の一部は、加熱源を利用せずに気化される。ＯＲＣ液とＯＲＣ蒸気の両方が、分離装置２２２に送られ、その分離装置２２２内において、蒸気２２４は上部に存在し、液体２２６は下部に溜まる。分離装置２２２は加熱源２１８に使用されない。ＯＲＣ蒸気２２４はターボ機械２０２に供給されるが、ＯＲＣ流体２２６は、タンク２１４、第１の太陽熱動力源２１０、又は閉ループシステム２００の他の部分に送り返されてよい。
【００３７】
このように、図９及び図１０に記載した実施形態は、太陽エネルギを利用できない場合であっても、必要なＯＲＣ蒸気を継続してターボ機械に供給できる。
【００３８】
図１１に示す例示的実施形態によれば、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いて電気的又は機械的動力を生成する方法が存在する。本方法は、閉ループシステムにおいて、第１の太陽熱動力源内で加熱することによりＯＲＣ液を飽和ＯＲＣ液に変えるステップ１１００と、貯蔵タンクに飽和ＯＲＣ液を貯蔵するステップ１１０２と、第２の太陽熱動力源又は他の装置に向かう飽和ＯＲＣ液の流れを制御して、飽和ＯＲＣ液をＯＲＣ蒸気に変えるステップ１１０４と、ターボ機械内でＯＲＣ蒸気を膨張させてエネルギを生成するステップ１１０６と、ＯＲＣ蒸気を冷却してＯＲＣ液に戻し、そのＯＲＣ液を第１の太陽熱動力源に送り返すステップ１１０８とを含む。
【００３９】
開示した例示的実施形態は、一時的に太陽熱パワーを利用できない場合であっても、太陽熱エネルギを機械エネルギ又は電気エネルギに変換するシステム及び方法を提供する。本明細書は、本発明を限定することを意図したものではないことを理解されたい。むしろ、例示的実施形態は、付属の請求項によって定義される本発明の精神及び範囲に含まれる代替物、変形物、及び等価物を網羅するように意図される。また、例示的実施形態の詳細な説明において、多数の具体的な詳細内容は、本発明の包括的理解を提供するために提示したものである。ただし、当業者であれば、このような特定の詳細内容を伴わずに各種の実施形態を実施できることは理解されよう。
【００４０】
本例示的実施形態の特徴及び構成要素は、実施形態において、特定の組み合わせで記載されているが、各特徴又は構成要素は、実施形態の他の特徴及び構成要素を伴わずに単独で利用されても、又は、本明細書に開示した他の特徴及び構成要素と共に、若しくはこれらを伴わずに各種の組み合わせで利用されてもよい。
【００４１】
ここに記載した説明は、開示した対象の例を用いて、各種の装置又はシステムを作製して利用すること、及び採用された各種の方法を実行することを含め、当業者が前記対象を実施できるようにするためのものである。対象の特許性の範囲は、請求項によって定義されると共に、当業者が想到する他の例を含み得る。このような他の例は、請求項の範囲に入ることが意図される。
【００４２】
前述した例示的実施形態は、あらゆる点において、本発明を例示することを目的としたものであり、本発明を限定するものではない。したがって、本発明は、本明細書に含まれる記述から当業者が導出できる詳細な実行例において多数の変形が可能である。このような変形及び改造は、下記の請求項によって定義される本発明の範囲及び精神に含まれるものと見なされる。本願の明細書において用いられたいずれの構成要素、動作、又は指示も、明示的な記載がない限り、本発明に重要又は不可欠であると理解されるべきではない。また、本明細書において、「一つの（“ａ”）」という用語は、一つ以上の項目を含むように意図したものである。
【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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【図１１】
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【国際調査報告】
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