(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電併給（ＣＨＰ）システムであって、
電力を生成するように構成された発電機と、
前記発電機によって生成された電力を蓄え、かつ放電するように構成された蓄電装置と、
前記発電機からの排気を受け取るように構成された排気導管と、
前記排気導管と熱的に連通して配置され、排気からの熱を流体に移送することによって流体を加熱するように構成された廃熱回収ユニット（ＷＨＲＵ）と、
前記ＷＨＲＵによって加熱された流体を蓄えるように構成されたタンクと、
前記ＷＨＲＵと前記タンクとの間で流体を循環させるように構成された移送導管と、
排気から回収された熱を使用して液体二酸化炭素を蒸発させるように構成された蒸発器と、
前記ＣＨＰシステムを動作させるように構成されたコントローラと、
を備え、
前記蒸発器は、排気が前記発電機から前記排気導管を通って流れる方向に対して、前記ＷＨＲＵから下流の前記排気導管と熱的に連通して配置され、又は、前記蒸発器は、前記移送導管と熱的に連通して配置され、流体から熱を回収するように構成され、
第１のモードで、前記ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷が前記発電機の全電力出力に等しく、かつ外部プロセスが前記ＷＨＲＵによって移送される熱の全てを必要とする場合に、前記コントローラが、前記発電機をフルパワーで動作させ、前記発電機の全電力出力を外部負荷に加え、かつ加熱された流体の全てを外部プロセスに供給するように構成され、
第２のモードで、前記ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷が前記発電機の全電力出力未満であり、かつ外部プロセスが前記ＷＨＲＵによって移送される熱の全てを必要とする場合に、前記コントローラが、前記発電機をフルパワーで動作させ、前記発電機の超過電力出力を前記蓄電装置に蓄え、かつ加熱された流体の全てを外部プロセスに供給するように構成され、
第３のモードで、前記ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷が前記発電機の全電力出力を超え、かつ外部プロセスが流体に移送される熱の全て未満の熱を必要とする場合に、前記コントローラが、前記発電機をフルパワーで動作させ、前記発電機の全電力出力を外部負荷に加え、前記蓄電装置からの電力出力で前記発電機の電力出力を補い、かつ外部熱的プロセス要件を超えて加熱された流体を前記タンクに蓄えるように構成される熱電併給（ＣＨＰ）システム。
【請求項２】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記蒸発器が、シェルアンドフィン付きチューブ空気／流体熱交換構造を備えるＣＨＰシステム。
【請求項３】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記蒸発器が、プレートおよびフレームまたはブロンズプレート流体／流体熱交換構造を備えるＣＨＰシステム。
【請求項４】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記発電機によって生成された電力の少なくとも一部を用いて流体を加熱するように構成された電気ヒータをさらに備え、
前記電気ヒータは、前記ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷の需要電力が前記発電機によって生成される出力電力未満である場合に動作するように構成されるＣＨＰシステム。
【請求項５】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記蒸発器と流体連通して配置された液体二酸化炭素源をさらに備えるＣＨＰシステム。
【請求項６】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記排気導管に熱を提供するように構成されたバーナをさらに備えるＣＨＰシステム。
【請求項７】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記発電機が、ガスタービンまたは往復動エンジンを備えるＣＨＰシステム。
【請求項８】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記蓄電装置が、バッテリ、ウルトラキャパシタ、または動力貯蔵デバイスを備えるＣＨＰシステム。
【請求項９】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記発電機と前記ＷＨＲＵとの間の前記排気導管上に配置されたバルブと、
前記バルブに接続された補助排気導管と、
前記タンク内の流体が前記タンクの最大動作温度に近づいたときに、排気が前記補助排気導管内に迂回されるように、前記バルブを動作させるように構成されたコントローラと、
をさらに備えるＣＨＰシステム。
【請求項１０】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記移送導管内の流体を循環させるように構成されたポンプまたはバルブをさらに備えるＣＨＰシステム。
【請求項１１】
請求項１記載のＣＨＰシステムにおいて、
前記蓄電装置に電気的に接続された電気ヒータをさらに備え、
前記電気ヒータは、前記発電機が動作していないときに、前記蓄電装置からの電力を使用して前記タンクまたは前記移送導管を加熱するように構成されるＣＨＰシステム。
【請求項１２】
電力および排気を生成するように構成された電気発電機と、排気から流体に熱を移送する廃熱回収ユニット（ＷＨＲＵ）と、流体を蓄えるように構成されたタンクと、蓄電装置と、を備える熱電併給（ＣＨＰ）システムを動作させる方法であって、
前記ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷が前記発電機の全電力出力に等しく、かつ外部プロセスが前記ＷＨＲＵによって移送される熱の全てを必要とする場合に、前記ＣＨＰシステムを第１のモードで動作させるステップであって、前記第１のモードが、
前記発電機をフルパワーで動作させることと、
前記発電機の全電力出力を外部負荷に加えることと、
排気からの熱を流体に移送することと、
加熱された流体の全てを外部プロセスに供給することと、を含む、前記ＣＨＰシステムを第１のモードで動作させるステップと、
前記ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷が前記発電機の全電力出力未満であり、かつ外部プロセスが前記ＷＨＲＵによって移送される熱の全てを必要とする場合に、前記ＣＨＰシステムを第２のモードで動作させるステップであって、前記第２のモードが、
前記発電機をフルパワーで動作させることと、
前記発電機の電力出力の一部を負荷に加えることと、
前記発電機の電力出力の超過量を前記蓄電装置に蓄えることと、
排気からの熱を流体に移送することと、
加熱された流体の全てを外部プロセスに供給することと、を含む、前記ＣＨＰシステムを第２のモードで動作させるステップと、
前記ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷が前記発電機の最大電力出力に等しいか、またはそれを超え、かつ外部プロセスが流体に移送される熱の全て未満の熱を必要とする場合に、前記ＣＨＰシステムを第３のモードで動作させることであって、前記第３のモードが、
前記発電機をフルパワーで動作させることと、
前記発電機の全電力出力を負荷に加えることと、
前記蓄電装置に蓄えられた電力を負荷に加えることと、
排気からの熱を流体に移送することと、
加熱された流体の一部を外部プロセスに供給することと、
加熱された流体の残りを前記タンクに蓄えることと、を含む、前記ＣＨＰシステムを第３のモードで動作させるステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、
前記第２のモードは、前記蓄電装置が完全に充電された後に前記発電機の電力出力を低減することをさらに含む方法。
【請求項１４】
請求項１２記載の方法において、
前記第３のモードは、前記タンクが最大動作温度に近づいたときに流体への熱の移送を停止することをさらに含む方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、
前記流体への熱の移送を停止することは、排気を前記ＷＨＲＵから迂回させるか、または前記ＷＨＲＵを通る流体の流れを停止させることを含む方法。
【請求項１６】
請求項１２記載の方法において、
流体または排気からの熱を移送して、液体二酸化炭素を蒸発させるステップをさらに含む方法。
【請求項１７】
請求項１２記載の方法において、
流体が、廃水を含み、
前記排気からの熱を流体に移送することは、廃水を低温殺菌することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、熱電併給（ＣＨＰ）システムを対象とし、より具体的には、熱および電気を提供し、かつ貯蔵するように構成されたＣＨＰシステムを対象とする。
【０００２】
関連出願の相互参照
本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、２０１５年９月２３日に出願された米国特許出願第１４／８６２，８４３号の優先権の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００３】
コージェネレーションシステムとも呼ばれるＣＨＰシステムは、１つのエネルギー源から熱と電気を同時に産出するように構成されている。このようなシステムは、別個のエネルギー産出システムと比較して、驚異的な効率、コストおよび環境上の利益を有する。
【発明の概要】
【０００４】
本願明細書に開示された例示的な実施形態は、熱電併給（ＣＨＰ）システムを対象とする。このＣＨＰシステムは、電力を生成するように構成された発電機と、発電機により生成された電力を蓄え、かつ放電するように構成された蓄電装置と、発電機からの排気を受け取るように構成された排気導管と、排気導管と熱的に連通して配置され、排気からの熱を流体に移送することによって流体を加熱するように構成された廃熱回収ユニット（ＷＨＲＵ）と、ＷＨＲＵによって加熱された流体を蓄えるように構成されたタンクと、ＷＨＲＵとタンクとの間で流体を循環させるように構成された移送導管と、排気から回収された熱を使用して液体二酸化炭素を蒸発させるように構成された蒸発器と、を備える。
【０００５】
本願明細書に開示された例示的な実施形態は、電力および排気を生成するように構成された電気発電機と、排気から流体に熱を移送するように構成された廃熱回収ユニット（ＷＨＲＵ）と、流体を蓄えるように構成されたタンクと、蓄電装置とを備える熱電併給（ＣＨＰ）システムを動作させる方法を対象とする。この方法は、ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷が発電機の全電力出力に実質的に等しく、かつ外部プロセスがＷＨＲＵによって移送される熱の実質的に全てを必要とする場合に、ＣＨＰシステムを第１のモードで動作させるステップを含み、第１のモードが、発電機をフルパワーで動作させることと、発電機の全電気出力を外部負荷に加えることと、排気からの熱を流体に移送することと、加熱された流体の実質的に全てを外部プロセスに供給することと、を含む。
【０００６】
この方法は、ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷が発電機の全電力出力未満であり、かつ外部プロセスがＷＨＲＵによって移送される熱の実質的に全てを必要とする場合に、ＣＨＰシステムを第２のモードで動作させるステップをさらに含み、第２のモードが、発電機をフルパワーで動作させることと、発電機の電力出力の一部を負荷に加えることと、発電機の電力出力の超過量を蓄電装置に蓄えることと、排気からの熱を流体に移送することと、加熱された流体の実質的に全てを外部プロセスに供給することと、を含む。
【０００７】
この方法は、ＣＨＰシステムに加えられた電気負荷が発電機の最大電力出力に実質的に等しいか、またはそれを超え、かつ外部プロセスが流体に移送される熱の全て未満の熱を必要とする場合に、ＣＨＰシステムを第３のモードで動作させるステップをさらに含み、第３のモードが、発電機をフルパワーで動作させることと、発電機の電力出力を負荷に加えることと、蓄電装置に蓄えられた電力を負荷に加えることと、排気からの熱を流体に移送することと、加熱された流体の少なくとも一部をタンクに蓄えることと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本願明細書に開示された様々な実施形態による、二酸化炭素蒸発器を含むＣＨＰシステムの概略図である。
【図２】本願明細書に開示された様々な実施形態による、図１のＣＨＰシステムに含まれる発電機の概略図である。
【図３】本願明細書に開示された様々な実施形態による、二酸化炭素蒸発器を含むＣＨＰシステムの概略図である。
【図４】本願明細書に開示された様々な実施形態による、電気ヒータを含むＣＨＰシステムの概略図である。
【図５Ａ】本願明細書に開示された様々な実施形態による熱交換器の概略図である。
【図５Ｂ】本願明細書に開示された様々な実施形態による熱交換器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、本発明の例示的な実施形態が示されている添付の図面を参照して、以下で、より完全に記載される。しかし、本発明は、多くの異なる形式で具体化することができ、本願明細書に開示された例示的な実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの例示的な実施形態は、本願明細書に開示された記載が完全であり、かつ当業者が本発明の範囲を完全に理解できるように提供される。図面において、層および領域の寸法および相対的な寸法は、明確化のために誇張されている場合がある。図面中の同様の引用符号は同様の要素を示す。
【００１０】
ある要素ないし層が別の要素ないし層「上に」配置されるか、または別の要素ないし層「に接続されて」いると言及される場合、それは他の要素ないし層の上に直接配置されるか、または他の要素ないし層に直接接続することができるか、または介在する要素または層が存在してもよいと理解されるべきである。対照的に、ある要素が別の要素ないし層「上に直接」配置されるか、または別の要素ないし層「に直接接続されて」いると言及される場合、介在する要素ないし層は存在しない。本願明細書に開示された記載の目的について、「Ｘ、ＹおよびＺの少なくとも１つ」は、Ｘのみ、Ｙのみ、Ｚのみ、または２つ以上の項目Ｘ、ＹおよびＺの任意の組み合わせ（例えば、ＸＹＺ、ＸＹＹ、ＹＺ、ＺＺ）として解釈することができると理解されるべきである。ここで、第１の要素が第２の要素と「熱的に連通」している場合、熱は第１の要素と第２の要素との間で移送され得る。
【００１１】
図１は、本願明細書に開示された様々な実施形態による、熱電併給（ＣＨＰ）システムの概略図である。図１を参照すると、ＣＨＰシステムは、発電機１０、一次廃熱回収ユニット（ＷＨＲＵ）２０、蓄電装置３０、タンク４０、蒸発器５０、および制御ユニット６０を含む。
【００１２】
一般に、ＣＨＰシステムで高効率を達成するためには、電気的負荷と熱的負荷の両方が発電に完全に一致すべきである。電気需要が減少するとき、発電機の出力は通常減少（負荷追従）し、熱出力も低下する可能性がある。熱需要が減少するとき、排熱は通常、電気出力を維持するために迂回される。したがって、両方のシナリオは効率を低下させる可能性がある。それゆえ、様々な実施形態では、電気的および／または熱的需要の変化の間、高効率を維持するように構成されたＣＨＰシステムを提供する。
【００１３】
排気導管１２は、発電機１０からＷＨＲＵ２０および蒸発器５０を通って延びている。電力線１４は、発電機１０から外部負荷および蓄電装置３０にまで延びている。循環導管２２は、タンク４０から延び、ＷＨＲＵ２０を通ってタンク４０に戻っている。蒸発導管５２は、二酸化炭素源７０から蒸発器５０を通って、外部二酸化炭素容器または導管（図示せず）まで延びる。
【００１４】
発電機１０は、天然ガス、バイオガスなどのような燃料を使用して電気を生成するように構成された任意の適切な装置であってもよい。発電機１０は、図２に関して以下でより詳細に説明される。排気導管１２は、発電機１０から出力される高温排気出力をＷＨＲＵ２０および蒸発器５０に提供する。
【００１５】
発電機１０は、電力線１４（例えば、電気バスまたはワイヤ）によって外部電気負荷（図示せず）および蓄電装置３０に接続されてもよい。蓄電装置３０は、任意の適切な蓄電デバイスを含むことができる。例えば、蓄電装置３０は、バッテリ（例えば、Ｌｉイオン電池、ＮｉＣｄ電池、ＮｉＭＨ電池、鉛蓄電池、またはフロー電池）などの１つ以上の電気化学的蓄電デバイスを含むことができる。いくつかの実施形態によれば、蓄電装置３０は、１つ以上のウルトラキャパシタまたは動力(kinetic)バッテリを含むことができる。
【００１６】
蓄電装置３０は、発電機１０によって生成された超過電力を蓄えるように構成され得る。換言すれば、蓄電装置３０は、外部負荷によって必要とされる電力を超過する電力を蓄えることができる。さらに、また、蓄電装置３０は、外部負荷が発電機１０の発電能力を超える場合に、発電機１０によって生成された電力を補うために使用されてもよい。
【００１７】
ＷＨＲＵ２０は、シェルアンドチューブガス／流体（例えば、空気／水）構成を有する熱交換器として構成され得る。したがって、ＷＨＲＵ２０は、排気導管１２を流れる排気から熱を抽出することによって、循環導管２２を循環する水などの流体を加熱するように構成され得る。加熱された流体は、後の使用のためにタンク４０に蓄えられてもよく、または出力導管２４を使用して外部プロセスに提供されてもよい。例えば、加熱された流体は、ボイラー加熱の需要を減らすために使用されてもよい。タンク４０は、断熱された貯湯タンク、ボイラー、汚染された貯水タンク、または任意の適切な高温流体貯蔵容器であってもよい。
【００１８】
さらに、追加の流体が、循環導管２２に接続された入力導管２６を介してシステムに加えられてもよい。特に、入力導管２６は、タンク４０および／または入力導管２６からの流体を循環導管を通ってくみ上げるように構成されたポンプまたはバルブ２８に接続されてもよい。流体は、例えば、非可搬形の水、可搬形の水、グリコール、または水／グリコール溶液、および／または任意の他の適切な保温流体であってもよい。いくつかの実施形態では、ポンプまたはバルブ２８は、そこを通る流体の流れを制御するように構成されたバルブであってもよい。他の実施形態では、ポンプまたはバルブ２８は、ポンプまたはポンプ／バルブの組み合わせであってもよい。
【００１９】
ＷＨＲＵ２０は、流体を低温殺菌するように構成されてもよい。特に、ＷＨＲＵ２０は、排気が流れる第１のチャンバと、流体が流れる第２のチャンバとを含むことができる。チャンバは、排気と流体との間の熱交換を可能にするように構成される。排気は、水の低温殺菌温度よりも高い温度（例えば、約２５０℃から約１０００℃の範囲の温度のような５００℃を超える温度）を有してもよい。流体が第２のチャンバを通って流れるとき、流体は熱交換のため低温殺菌温度まで加熱され得る。チャンバを通る流体の流量は、流体を適切に低温殺菌／消毒するのに十分な時間および温度で流体を加熱するように制御することができる。したがって、非飲用水が流体（例えば、入力導管２６を通って供給される流体）として使用される場合、非飲用水は、台所排水用途における使用のために安全にされ得る。例えば、低温殺菌／消毒水は、出力管路２４から供給され、例えば、灌水などに使用され得る。
【００２０】
制御ユニット６０は、中央処理ユニットおよびメモリを含むことができる。例えば、制御ユニット６０は、適切な制御ソフトウェアがロードされた、サーバ、特定用途向け制御回路（例えば、ＡＳＩＣチップ）または汎用コンピュータであってもよい。制御ユニット６０は、ＣＨＰシステムと一体化されていてもよいし、遠隔地からＣＨＰシステムに電気的に接続されていてもよい。
【００２１】
制御ユニット６０は、ＣＨＰシステムの動作を制御するように構成され得る。特に、制御ユニット６０は、発電機１０に加えられた負荷を検出し、それに応じて蓄電装置３０が充電または放電されるかを制御することができる。例えば、制御ユニット６０は、発電機１０の電力出力が負荷電力需要を超えたときに蓄電装置３０を充電し、負荷電力需要が発電機１０の電力出力を超えたときに蓄電装置３０を放電することができる。
【００２２】
ＣＨＰシステムは、タンク４０および／または出力導管２４内に温度および／または流体レベルセンサを含むことができる。また、制御ユニット６０は、タンク４０内の流体の需要を検出することができる。制御ユニット６０は、また、タンク内の流体レベルおよび／または温度センサを使用して、タンク４０内の流体レベルがしきい値レベルを下回るとき、および／またはタンク４０内の流体の温度がしきい値温度より低いときを検出することができる。加熱された流体に対する需要（例えば、出力導管２６からの流体出力の需要）が低いか、または存在しない場合、制御ユニット６０は、ポンプまたはバルブ２８を動作させることによって、タンク４０とＷＨＲＵとの間の循環導管２２内の流体を移動させて、加熱された流体をタンク４０に提供するか、またはタンクヒータを使用してタンク４０内の流体を加熱する。タンク４０が所望の温度（例えば、タンク４０の最大動作温度）に加熱された流体で満たされると、制御ユニット６０はバルブ１６を開き、排気を迂回導管１８に迂回させることができる。制御ユニット６０は、ポンプまたはバルブ２８、バルブ１６、発電機１０、および／または蓄電装置３０に制御信号を送信するように構成されてもよい。
【００２３】
蒸発器５０は、排気が発電機１０から排気導管を通って流れる方向に対して、ＷＨＲＵ２０から下流の排気導管１２に配置される。ＷＨＲＵ２０が排気から熱を抽出するので、蒸発器５０によって受け取られた排気は、排気がＷＨＲＵ２０によって受け取られる場合よりも低い温度を有し得る。
【００２４】
従来、このような比較的低温の排気は有用であるとは考えられず、単純に排出された。しかし、本発明者らは、そのような低温排気が、比較的少量の熱エネルギーを必要とする特定のプロセスに利用され得ることに気づいた。特に、このような低温排気は、多くの醸造所およびフードプロセッサによって使用される圧縮液体二酸化炭素の蒸発に利用され得る。
【００２５】
したがって、ＷＨＲＵ２０を通過した後、排気導管１２内の低温排気が蒸発器５０に提供される。液体二酸化炭素は、二酸化炭素源７０（例えば、圧縮された二酸化炭素貯蔵容器）から蒸発導管５２を介して蒸発器５０に提供されてもよい。蒸発器５０は、シェルアンドチューブ空気／流体熱交換器として構成され得る。したがって、蒸発器５０は、液体二酸化炭素を気体（例えば、二酸化炭素ガス）に変換するように構成されてもよく、外部の使用（例えば、醸造または食品加工用）のために提供されてもよい。いくつかの実施形態によれば、蒸発器５０は省略されてもよい。
【００２６】
図２は、本願明細書に開示された様々な実施形態による発電機１０の構成要素の概略図である。図２を参照すると、発電機１０は、点火チャンバ１００、タービン１１０、および電気発電機１２０を含むことができる。発電機１０はまた、送風機ないし圧縮機１３０、圧縮機１４０、およびバーナ１５０を含むことができる。
【００２７】
燃料導管１６２は、圧縮機１４０およびバーナ１５０を燃料供給源１６０に接続することができる。燃料供給源１６０は、天然ガスパイプラインなどの導管であってもよく、炭化水素燃料を含む燃料貯蔵タンクであってもよい。炭化水素燃料は、例えば、天然ガス、メタン、プロパンまたはブタンであってもよい。しかし、他の燃料も利用することができる。圧縮機１４０は、燃料を圧縮し、圧縮された燃料を点火チャンバ１００に供給するように動作する。特に、比較的低い圧力（例えば、８０〜１２０ｐｓｉｇ）の燃料は、燃料供給源１６０から圧縮機１４０に流れることができる。次いで、圧縮機１４０は、燃料を比較的高い圧力（例えば、３００〜３４０ｐｓｉｇ）にさらに加圧し、高圧燃料を点火チャンバ１００に供給する。同時に、送風機ないし圧縮機１３０は、室温空気を点火チャンバ１００に供給するように動作してもよい。
【００２８】
点火チャンバ１００は、電気点火発生器、火炎発生器、または他の同様の装置のような点火器（図示せず）を含むことができる。点火チャンバ１００では、加圧された燃料が空気と混合して点火され、高温かつ高圧のガス状排気が生成される。
【００２９】
排気は、点火チャンバ１００からタービン入口導管１０２を通ってタービン１１０に高速で供給される。高速の排気流は、タービン１１０のブレードを回転させ、タービン１１０を電気発電機１２０に接続する出力シャフト１１２に回転を生じさせる。電気発電機１２０は、この回転を電気に変換する。いくつかの実施形態によれば、タービン１１０の代わりに往復動エンジンを使用することができる。
【００３０】
タービン１１０からの排気は排気導管１２に供給される。バーナ１５０は、排気の流れ方向に対して、タービン１１０から下流、かつＷＨＲＵ２０から上流にある排気導管１２と流体連通するように配置されてもよい。バーナ１５０は、燃料供給源１６０から燃料を受け取り、点火チャンバ１００と同様の点火器を含むことができる。任意選択の第２の送風機ないし圧縮機１３１は、バーナ１５０を独立した熱源として動作させ、熱い排気ガスを排気導管１２に供給することを可能にする空気をバーナ１５０に提供してもよい。排気導管１２では、熱い排気ガスはタービン１１０からの排気と混合され得る。バーナ１５０は、燃料を点火して、追加の熱を排気流に供給することができる。いくつかの実施形態では、バーナ１５０は圧縮機１４０から圧縮された燃料を受け取ることができる。しかし、他の実施形態では、バーナ１５０を省略することができる。
【００３１】
図３は、本願明細書に開示された様々な実施形態によるＣＨＰシステムを示す。図３のＣＨＰシステムは、図１のＣＨＰシステムシステムに類似しているので、その相違点のみを詳細に記載する。
図３を参照すると、このＣＨＰシステムは、循環導管２２上または循環導管２２と流体連通して配置され、かつ蒸発導管５２によって二酸化炭素源７０に接続された蒸発器５４を含む。蒸発器５４は、循環導管２２内の流体の流れ方向に対して、ＷＨＲＵ２０の下流に配置されてもよい。蒸発器５４は、プレートおよびフレーム、または蝋付けされたプレート液体／液体熱交換構成を有する熱交換器として構成され得る。蒸発器５４は、熱交換媒体として水またはグリコールを含む直接熱交換構成または間接熱交換構成を有してもよい。
【００３２】
図４は、本願明細書に開示された様々な実施形態によるＣＨＰシステムを示す。図４のＣＨＰシステムは、図１のＣＨＰシステムに類似しているので、その相違点のみを詳細に記載する。
図４を参照すると、このＣＨＰシステムは、循環導管２２および／またはタンク４０と熱的に連通して配置され、かつ電力線１４を介して発電機１０および／または蓄電装置３０に電気的に接続された１つ以上の電気ヒータ８０、８１（例えば、電気抵抗ヒータ）を含む。ヒータ８０、８１は、発電機１０に加えられた負荷が発電機１０の電力出力未満である場合に、循環導管２２内の流体を加熱するように構成され得る。ヒータ８０、８１は、発電機１０によって提供された超過電力を熱に変換するように動作することができ、その熱は、循環導管２２内の流体を加熱するために使用され、かつ／またはタンク４０に貯蔵され得る。他の実施形態では、ヒータ８１をタンク４０と一体化して、タンク４０内の流体を直接加熱することができる。様々な実施形態において、ＣＨＰシステムは、ヒータ８０、８１の両方を含むことができるか、またはヒータ８０、８１のうちの１つを省略することができる。
【００３３】
ヒータ８０は、蒸発器５４の上流の循環導管２２上に配置されてもよく、蒸発器５４に組み込まれてもよい。したがって、ヒータ８０を使用して、循環導管２２内の流体を予熱し、発電機１０が動作温度に達する前に二酸化炭素の蒸発が始まるようにしてもよい。さらに、ヒータ８０は、発電機が動作していないときに二酸化炭素の蒸発が起こるように、蓄電装置３０からの電力を使用して蒸発器５４を直接または間接的に加熱するように構成されてもよい。さらに他の実施形態では、ヒータ８０は、図１の蒸発器５０を直接または間接的に加熱するように構成されてもよく、発電機１０が動作していないときに、蒸発器５０を、電装置３０を使用して動作させることができる。
【００３４】
図５Ａおよび図５Ｂは、本願明細書に開示された様々な実施形態による熱交換器２００、２２０をそれぞれ示している。熱交換器２００、２２０は、前述したＷＨＲＵおよび／または蒸発器のいずれかを例示することができる。
図５Ａを参照すると、熱交換器２００は、第１のチャンバ２０２、第２のチャンバ２０４を含み、それらは隔壁２０６によって分離されている。第１の流体は、入力導管２０８を通って第１のチャンバ２０２に流れ、出力導管２１０を通って第１のチャンバ２０２から流出することができる。第２の流体は、入力導管２１２を通って第２のチャンバ２０４に流れ、出力導管２１４を通って第２のチャンバ２０４から流出することができる。いくつかの実施形態では、第１および第２の流体は、排気、二酸化炭素、および水などの動作流体の異なるものであってもよい。
【００３５】
したがって、熱交換器２００は、向流の流体流を有する向流熱交換器であってもよい。しかし、他の実施形態では、熱交換器２００が並流を有する共流熱交換器となるように、チャンバ２０２、２０４の一方の入力導管と出力導管を逆にすることができる。いくつかの実施形態では、熱交換器は、交差流の流体流を有するクロスフロー熱交換器であってもよい。熱は、隔壁２０６を通って第１の流体と第２の流体との間で交換され得る。
【００３６】
図５Ｂを参照すると、熱交換器２２０は、隔壁２２３によって分離された外側チャンバ２２２および内側チャンバ２２４を含む。外側チャンバ２２２は、内側チャンバ２２４を取り囲むことができる。例えば、内側チャンバ２２４は円柱状であってもよく、外側チャネル２２２は環状であってもよい。
【００３７】
第１の流体は、入力導管２２５を通って外側チャンバ２２２に流入し、出力導管２２６を通って第１のチャンバを出ることができる。第２の流体は、入力導管２２８を通って内側チャンバ２２４に流入し、出力導管２３０を通って第１のチャンバを出ることができる。いくつかの実施形態では、第１および第２の流体は、排気、二酸化炭素、および水などの動作流体の異なるものであってもよい。
【００３８】
いくつかの実施形態によれば、ＣＨＰシステムは、図１〜図５Ｂに示された要素の任意の組み合わせを含むことができる。例えば、本願明細書に開示された記載は、図２の蒸発器、図３の蒸発器、および／または図４のヒータ８０、８１を含み得るＣＨＰシステムを包含する。ＣＨＰシステムは、図５Ａおよび図５Ｂに示された熱交換器２００、２２０を含むこともできる。
【００３９】
様々な実施形態によれば、本願明細書に開示された記載では、異なる出力要件によってＣＨＰシステムを動作させる方法を提供する。この方法は、ＣＨＰシステムの電気的および熱的出力の実質的に全てが必要とされる場合に、第１のモードでＣＨＰシステムを動作させること、必要な電力が発電機の最大電気出力未満である一方、ＣＨＰシステムの熱出力の実質的に全てが必要とされる場合に、第２のモードでＣＨＰシステムを動作させること、および電気需要が発電機の電気出力を超え、熱需要が比較的低い場合に、第３のモードでＣＨＰシステムを動作させることを含む。
【００４０】
第１のモードで、制御ユニットは、発電機をフルパワー出力で動作させ、循環導管内の流体を循環させることによって排気から熱を捕捉することができる。加熱された流体は、直接外部プロセスに提供されてもよい。代わりに、加熱された流体は、タンク内に蓄えられてもよく、かつ／またはタンクから外部プロセスに提供されてもよい。発電機の電力出力は、外部負荷に提供することができる。
【００４１】
第２のモードで、制御ユニットは、発電機をフルパワー出力で動作させることができる。生成された電力は、外部負荷に提供されてもよく、余分な電力は、蓄電装置に蓄えられてもよい。流体は、加熱されてタンクに蓄えられてもよく、外部プロセスに提供されてもよく、またはそれらの組み合わせであってもよい。蓄電装置が完全に充電され／満たされると、発電機の出力は、外部熱的要件に適合するように低減される。代わりに、発電機をオフにし、バーナを使用して流体を加熱し、熱的要件を満たすことができる。
【００４２】
第３のモードで、制御ユニットは、発電機をフルパワー出力で動作させ、発電機の容量を超える電気的要件は蓄電装置から電力を放電することによって補償することができる。流体は、加熱されてタンクに貯蔵されてもよく、外部プロセスに提供されてもよく、またはそれらの組み合わせであってもよい。タンク内の流体がタンクの最高動作温度に達するかまたは近づいたときに、発電機からの排気は通気導管を通して通気されてもよい。代わりに、循環導管を通る流体の流れを止めることができる。
【００４３】
いくつかの実施形態によれば、この方法は、ＣＨＰシステムの電気出力の実質的に全部または電気出力未満が必要とされ、タービン排気のみから熱を移送することによって熱的要件を満たすことができない場合に、ＣＨＰシステムを第４のモードで動作させることを含む。第４のモードは、バーナを動作させている間、発電機をフルパワー出力で動作させることを含むことができる。
【００４４】
生成された電力は外部負荷に提供されてもよく、余分な電力は蓄電装置に蓄えられてもよい。発電機の排気は、タービンの排気からの熱、およびオプションとしてバーナからの熱を含むので、ＷＨＲＵは、バーナが動作しない場合と比較して、追加の熱を回収することができる。したがって、流体をより高温に加熱することができるか、または流体の循環速度を速くすることができる。こうして、ＣＨＰシステムの熱出力を増加させることができる。
【００４５】
前述したように、前の方法は、蓄電装置およびタンク内の余分な電気的および熱的エネルギーをそれぞれ捕捉することによって、電気的および／または熱的需要が比較的低い場合であっても、発電機をフルパワーで動作させることを可能にする。したがって、ＣＨＰシステムの効率は予想外に増加する可能性がある。
【００４６】
前述した本発明の説明は、例示および説明のために提示されたものである。包括的であること、または本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではなく、修正および変形が、前述した教示に照らして可能であり、あるいは本発明の実施から取得されてもよい。ここでの説明は、本発明の原理およびその実際の適用を説明するために選択されたものである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義されることが意図されている。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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