(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱媒体との熱交換により作動媒体を蒸発させる蒸気発生器と；
前記蒸気発生器で蒸発した作動媒体を膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機と；
冷却媒体との熱交換により前記膨張機で膨張した作動媒体を凝縮させる凝縮器と；
前記膨張機で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機と；
前記動翼の周速度の、前記作動媒体の前記膨張機における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように前記動翼の回転速度を制御する制御装置とを備える；
発電装置。
【請求項２】
前記発電した電力が交流電力であって、該交流電力を直流電力に変換する整流器と；
前記直流電力を交流電力に変換するインバータと；
前記膨張機に導入される前記蒸発した作動媒体のエンタルピと前記凝縮器で凝縮した作動媒体のエンタルピとのエンタルピ差を検知するエンタルピ差検知手段と；
前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段と；
前記直流電力の電圧を検知する直流電圧検知器とを備え；
前記制御装置が、前記エンタルピ差検知手段で検知したエンタルピ差より前記理論速度を算出し、前記直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、前記速度検知手段で検知する前記動翼の回転速度を制御するように構成された；
請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
加熱媒体との熱交換により作動媒体を蒸発させる蒸気発生器と；
前記蒸気発生器で蒸発した作動媒体を膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機と；
冷却媒体との熱交換により前記膨張機で膨張した作動媒体を凝縮させる凝縮器と；
前記膨張機で得られた機械的動力により駆動され、交流電力を発電する発電機と；
前記発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と；
前記直流電力を交流電力に変換するインバータと；
前記膨張機に導入される前記蒸発した作動媒体の飽和温度と前記凝縮器で凝縮した作動媒体の凝縮温度との温度差を検知する温度差検知手段と；
前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段と；
前記直流電力の電圧を検知する直流電圧検知器と；
前記温度差検知手段で検知した温度差から、あらかじめ関連づけられた前記温度差に対応する前記動翼の所定の回転速度を決定し、前記直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、前記速度検知手段で検知する前記動翼の回転速度が前記所定の回転速度となるように制御する制御装置とを備える；
発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電装置に関し、特に周囲の環境条件が変化して運転状態が変化しても高い発電効率を得ることができる発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エネルギの有効利用が喫緊の課題となっている今日において、未利用エネルギを有効活用できる装置として、ランキンサイクルを利用したクローズドシステムで、排熱を利用して作動媒体を蒸発させ、作動媒体の蒸気を蒸気タービンに供給し発電機を駆動して電力を得る廃熱発電装置が知られている（例えば特許文献１参照）。発電装置は、便宜上、商用電源と系統連系して利用されることが多い。このとき、発電装置の発電機は、発電電力の周波数を系統電力の周波数と同調させるため、蒸気タービン動翼の回転速度を一定にするように運転する。
【０００３】
他方、このような発電装置における発電量は、周囲の環境温度によって変動し得る。すなわち、周囲の環境温度が低下（上昇）すると蒸気タービンに供給され機械仕事に変換される熱量が増加（減少）し、発電機の駆動力が増加（減少）するために発電量が変動する場合がある。このように周囲の環境条件が変動しても、発電電力の周波数を系統電力の周波数と同調させるためには、蒸気タービン動翼の回転速度を一定にするように運転する必要があった。
【特許文献１】特開２０００−１１０５１４号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、発電装置の発電効率は蒸気タービンの運転効率に依存するため、蒸気タービン動翼の回転速度を一定にするように運転しようとすると、いきおい蒸気タービンの効率の悪い点で運転せざるを得ず、これに伴って発電装置の発電効率の悪化を甘受せざるを得ないこととなっていた。
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑み、周囲の環境条件が変化して運転状態が変化しても高い発電効率を得ることができる発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る発電装置は、例えば図１に示すように、加熱媒体Ｈとの熱交換により作動媒体Ｍを蒸発させる蒸気発生器１０と；蒸気発生器１０で蒸発した作動媒体Ｍを膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機２０と；冷却媒体Ｃとの熱交換により膨張機２０で膨張した作動媒体Ｍを凝縮させる凝縮器４０と；膨張機２０で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機３０と；前記動翼の周速度の、作動媒体Ｍの膨張機２０における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように前記動翼の回転速度を制御する制御装置６０とを備える。ここで、所定の値は、典型的には、膨張機２０の運転効率が最高となる値であり、幅を有していてもよい。
【０００７】
このように構成すると、動翼の周速度の、作動媒体の膨張機における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように動翼の回転速度を制御するので、周囲の環境条件が変動してもこれに追従して膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明に係る発電装置は、例えば図１に示すように、請求項１に記載の発電装置において、発電した電力が交流電力Ｅａであって、交流電力Ｅａを直流電力Ｅｄに変換する整流器６１と；直流電力Ｅｄを交流電力Ｐｇに変換するインバータ６２と；膨張機２０に導入される蒸発した作動媒体Ｍのエンタルピと凝縮器４０で凝縮した作動媒体Ｍのエンタルピとのエンタルピ差を検知するエンタルピ差検知手段８５、９１、９２と；前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段８４と；直流電力Ｅｄの電圧を検知する直流電圧検知器８８とを備え；制御装置６０が、エンタルピ差検知手段８５、９１、９２で検知したエンタルピ差より前記理論速度を算出し、直流電圧検知器８８で検知する電圧Ｅｄを所定の電圧に調節することにより、速度検知手段８４で検知する前記動翼の回転速度を制御するように構成されている。
【０００９】
このように構成すると、エンタルピ差検知手段で検知したエンタルピ差より理論速度を算出し、直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、速度検知手段で検知する動翼の回転速度を制御するので、周囲の環境条件の変動に対して理論速度を算出し、これに追従して膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。また、発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えるので、発電機で発電した電力の周波数を系統電力の周波数とインバータによって同調させることができ、膨張機の動翼の回転速度を一定に維持することなく系統電力と系統連系することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明に係る発電装置は、例えば図１に示すように、加熱媒体Ｈとの熱交換により作動媒体Ｍを蒸発させる蒸気発生器１０と；蒸気発生器１０で蒸発した作動媒体Ｍを膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機２０と；冷却媒体Ｃとの熱交換により膨張機２０で膨張した作動媒体Ｍを凝縮させる凝縮器４０と；膨張機２０で得られた機械的動力により駆動され、交流電力Ｅａを発電する発電機３０と；発電した交流電力Ｅａを直流電力Ｅｄに変換する整流器６１と；直流電力Ｅｄを交流電力Ｐｇに変換するインバータ６２と；膨張機２０に導入される蒸発した作動媒体Ｍの飽和温度と凝縮器４０で凝縮した作動媒体Ｍの凝縮温度との温度差を検知する温度差検知手段８５、９１と；前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段８４と；直流電力Ｅｄの電圧を検知する直流電圧検知器８８と；温度差検知手段８５、９１で検知した温度差から、あらかじめ関連づけられた前記温度差に対応する前記動翼の所定の回転速度を決定し、直流電圧検知器８８で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、速度検知手段８４で検知する前記動翼の回転速度が前記所定の回転速度となるように制御する制御装置６０とを備える。
【００１１】
このように構成すると、温度差検知手段で検知した温度差から、あらかじめ関連づけられた温度差に対応する動翼の所定の回転速度を決定し、直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、速度検知手段で検知する動翼の回転速度が所定の回転速度となるように制御するので、周囲の環境条件の変動に対してあらかじめ関連づけられた温度差に対応する動翼の所定の回転速度にして膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。また、発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えるので、発電機で発電した電力の周波数を系統電力の周波数とインバータによって同調させることができ、膨張機の動翼の回転速度を一定に維持することなく系統電力と系統連系することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、動翼の周速度の、作動媒体の膨張機における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように動翼の回転速度を制御するので、周囲の環境条件が変動してもこれに追従して膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。また、発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備える場合は、発電機で発電した電力の周波数を系統電力の周波数とインバータによって同調させることができ、膨張機の動翼の回転速度を一定に維持することなく系統電力と系統連系することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１４】
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る発電装置の構成を説明する。図１は、発電装置１の構成を説明するブロック図である。
発電装置１は、加熱媒体Ｈと熱交換することにより作動媒体Ｍを蒸発させる蒸気発生器１０と、蒸発した作動媒体Ｍを膨張させて機械的動力を得る膨張機２０と、膨張機２０とシャフトを介して接続され膨張機２０からの機械的動力により駆動されて交流電力Ｅａを発電する発電機３０と、膨張した作動媒体Ｍを、冷却媒体Ｃと熱交換して凝縮させる凝縮器４０と、冷却媒体Ｃを凝縮器４０に導入する冷却媒体導入手段４１と、制御装置６０と、発電機３０で発電した交流電力Ｅａを直流電力Ｅｄに変換する整流器６１と、整流器６１で変換した直流電力Ｅｄを交流電力Ｐｇに変換するインバータ６２とを備えている。
【００１５】
ここで、作動媒体として、沸点が４０℃前後のジクロロトリフルオロエタンＨＣＦＣ１２３あるいはトリフルオロエタノールＣＦ３ＣＨ２ＯＨ等を用いると、２００〜４００℃程度の排ガスあるいは１００〜１５０℃の排温水など比較的低温度の熱源を利用して、これらの熱エネルギをまず作動媒体Ｍの高圧蒸気に変換し、これにより膨張機２０で発電機３０に直結したタービン（不図示）を回転駆動し、発電を行うことができる。また、圧力が高くなるので、膨張機２０などのコンパクト化が図れる。ただし、作動媒体Ｍは、これらに限られることはなく、ペンタフルオロプロパンＲ２４５ｆａ等のその他のフロン類、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、アルコール等でもよく、水でもよい。また、加熱媒体Ｈは、焼却炉の排ガス、排温水、エンジンのジャケット温水等、作動媒体Ｍを蒸発させる熱を有していればよい。発電装置１は、加熱媒体Ｈを蒸気発生器１０に圧送する加熱媒体搬送機１６を備えており、加熱媒体搬送機１６は、発電機３０で発電した電力あるいは商用電力により作動するように構成されている。なお、冷却媒体Ｃについては、後述する。
【００１６】
蒸気発生器１０と膨張機２０とは、蒸発した作動媒体Ｍの流路である配管５３で接続されている。配管５３には、蒸発した作動媒体Ｍの流れを遮断し、開度を調節することにより流量を調節することができる仕切弁５１が配設されている。膨張機２０と凝縮器４０とは、膨張した作動媒体Ｍの流路である配管５４で接続されている。凝縮器４０と蒸気発生器１０とは、凝縮した作動媒体Ｍの流路である配管５５で接続されている。配管５５には、凝縮した作動媒体Ｍを蒸気発生器１０に向かって圧送する作動媒体ポンプ５０が配設されている。また、蒸気発生器１０と仕切弁５１との間の配管５３と凝縮器４０とは、膨張機２０をバイパスして凝縮器４０に蒸発した作動媒体Ｍを導入するバイパス配管５６で接続されている。バイパス配管５６には、蒸発した作動媒体Ｍの流れを遮断し、開度を調節することにより流量を調節することができるバイパス仕切弁５２が配設されている。
【００１７】
発電機３０は、電気ケーブルを介して、整流器６１と接続されている。整流器６１は、電気ケーブルを介して、インバータ６２と接続されている。また、インバータ６２は、電気ケーブルを介して、系統電力を供給する商用電源と系統連系している。また、発電機３０には、軸受けに送る潤滑油を循環する油配管３４が接続され、油配管３４には油を循環させる油ポンプ３２が配設されている。また、油配管３４には油を冷却するオイルクーラー３３が配設されている。オイルクーラー３３には油を冷却するための油冷却用媒体Ｍ１を流す油冷却用配管３５が接続されている。本実施の形態では、油冷却用媒体Ｍ１として、凝縮器４０で凝縮した作動媒体Ｍの一部を分流して用いている。油冷却用配管３５は、作動媒体ポンプ５０の二次側の配管５５及び凝縮器４０に接続されている。
【００１８】
発電装置１は、凝縮器４０への冷却媒体Ｃの導入を行う冷却媒体導入手段４１を備えている。本実施の形態では、冷却媒体導入手段４１は、冷却媒体としての冷却水Ｃを凝縮器４０に圧送する冷却水ポンプ４３と、冷却水Ｃを冷却する冷却塔４２とを含んで構成されている。冷却塔４２のファン４２ｆ及び冷却水ポンプ４３は、それぞれ不図示の電気ケーブルを介してインバータ６２と接続されており、発電機３０で発電した電力あるいは商用電力を受電して作動するように構成されている。このように、冷却媒体導入手段４１は、冷却媒体Ｃを、凝縮機４０内の作動媒体Ｍを凝縮させるのに必要な冷熱量を保有するように調整して、凝縮器４０に導入するものである。
【００１９】
発電装置１は、作動媒体Ｍの蒸気の温度を検知する蒸気温度検知器９１と、作動媒体Ｍの蒸気の圧力を検知する蒸気圧力検知器９２と、凝縮器４０で凝縮した作動媒体Ｍの圧力を作動媒体Ｍの飽和液の温度から検知するための凝縮温度検知器８５とを備えている。蒸気温度検知器９１と蒸気圧力検知器９２とは一体に構成されていてもよい。簡易的には作動媒体Ｍの温度あるいは圧力の一方を検知するように構成しても差し支えない。また、凝縮温度検知器８５に代えて凝縮圧力検知器９５を設け、直接作動媒体Ｍの凝縮圧力を求めてもよい。また、蒸気温度検知器９１に代えて熱源温度検知器９４で加熱媒体Ｈの温度を検知して、これから作動媒体Ｍの蒸気の温度を算出してもよい。なお、蒸気温度検知器９１と凝縮温度検知器８５とで膨張機２０前後の作動媒体Ｍの温度差を検知することができ、これらが温度差検知手段を構成している。
【００２０】
また、発電装置１は、発電機３０が有するロータの回転速度Ｎを検知する速度検知器８４と、発電機３０で発電した電流の強さを検知する電流検知器８１と、整流器６１で変換された直流の電圧の大きさを検知する直流電圧検知器８８とを備えている。発電機３０のロータ（不図示）と膨張機２０の動翼（不図示）とはシャフトを介して連結されているので、ロータの回転速度Ｎから動翼の回転速度ｎを検知することができる。発電機３０と膨張機２０とが増速機又は減速機を介して連結されているときは発電機３０のロータの回転速度Ｎと膨張機２０の動翼の回転速度ｎとは等しくはないが相関関係があり、両者が直結されているときはロータの回転速度Ｎと動翼の回転速度ｎとが等しくなる。したがって、速度検知器８４は速度検知手段の一つである。また、発電機３０による発電電力の周波数とロータの回転速度Ｎには相関関係があることから、膨張機２０の動翼の回転速度ｎを把握するため、ロータの回転速度Ｎを検知する代わりに周波数検知器（不図示）で発電電力の周波数を検知してもよい。周波数検知器も速度検知手段の一つである。なお、速度検知手段により、発電機３０の過回転速度防止を監視することもできる。発電装置１は、発電機３０で発電した電力の大きさを検知する電力検知器８２を備えてもよい。
【００２１】
さらに、電流検知器８１や電力検知器８２に代えて、又はこれらの検知器と共に、発電機３０が有するステータコイルの温度を検知するコイル温度検知器８３、及び凝縮器４０に導入される冷却媒体Ｃの温度を検知する冷却媒体温度検知器８６を備えていてもよい。これらの検知器により、膨張機２０及び発電機３０の回転速度、あるいは発電機３０の発電電力が所定の値を超えないように、機器の状態を把握することが可能になる。
【００２２】
膨張機２０及び発電機３０の回転速度、あるいは発電機３０の発電電力が所定の値を超えないように機器の状態を把握することは、発電機３０を、電流過大による昇温や過回転速度による軸受けの焼損といった損傷から防ぐ措置を講ずるための指標となる。電流検知器８１は、過電流か否かを直接検知することができる。電力検知器８２は、発電機３０で発電された電気エネルギの量を検知することができる。なお、電力の値は、電流値と電圧値とから算出するようにしてもよい。また、コイル温度検知器８３は、発電機３０の温度を直接検知することができるので、過昇温防止の対応がしやすくなる。また、冷却媒体温度検知器８６は、簡便な手段で作動媒体Ｍのおおよその凝縮温度を検知することができる。なお、冷却媒体Ｃを外気と熱交換する場合は、外気温検知器９３で検知した外気温によって冷却媒体Ｃの温度を求めてもよい。
【００２３】
制御装置６０は、典型的には、整流器６１、インバータ６２、電流検知器８１、直流電圧検知器８８を含んで構成されている。また、蒸気温度検知器９１、蒸気圧力検知器９２、凝縮温度検知器８５とそれぞれ不図示の信号ケーブルで接続されており、検知器８５、９１、９２で検知した値を取り入れることができるように構成されている。また、各検知器８２〜８６、９３〜９５とも不図示の信号ケーブルで接続されており、各検知器８２〜８６、９３〜９５で検知した値を取り入れることができるように構成されている。制御装置６０は、各検知器器８２〜８６、９１〜９５から取り入れた値に基づいて種種の演算ができ、演算した値や各検知器８２〜８６、９１〜９５から取り入れた値に基づいて、発電機３０の発電電力の調節や発電装置１からの出力電力の調整、ファン４２ｆや冷却水ポンプ４３の回転速度の増減等をすることができるように構成されている。また、仕切弁５１及びバイパス仕切弁５２のそれぞれと不図示の信号ケーブルで接続されており、これらに開閉信号を送信して開閉させることができるように構成されている。
【００２４】
また、制御装置６０は、各種の情報を記録することができるように構成されている。本実施の形態では、制御装置６０には作動媒体Ｍに関する情報があらかじめ記録されている。したがって、蒸気温度検知器９１で検知した温度及び蒸気圧力検知器９２で検知した圧力から、作動媒体Ｍの蒸気のエンタルピｈ３及びエントロピｓ３を求めることができる。また、膨張機２０における作動媒体Ｍの膨張は断熱膨張であるから膨張した作動媒体Ｍのエントロピｓ４は保存され（ｓ４＝ｓ３）、これと凝縮温度検知器８５で検知した温度を基に算出した凝縮圧力とから凝縮した作動媒体Ｍのエンタルピｈ４を求めることができる。なお、凝縮圧力を凝縮圧力検知器９５から直接検知することができるのは前述の通りである。これらより、蒸気温度検知器９１、蒸気圧力検知器９２、凝縮温度検知器８５（凝縮圧力検知器９５）から膨張機２０前後のエンタルピ差（ｈ３−ｈ４）を求めることができ、これがエンタルピ差検知手段を構成している。
【００２５】
次に図１及び図２を参照して、発電装置１の作用について説明する。
図２は、作動媒体Ｍの状態の変化を説明するＰ−ｈ線図（圧力Ｐを縦軸に、エンタルピｈを横軸にとったもの）である。また、図２中の曲線は、作動媒体Ｍのかわき度０及びかわき度１の状態点を結んだものである。なお、以下では、膨張機２０がタービン（不図示）を備えるものとして、また、加熱媒体Ｈがエンジンのジャケット温水であるとして説明を行う。
蒸気発生器１０、膨張機２０、凝縮器４０及びそれらを連接する配管５３、５４、５５は、作動媒体Ｍのクローズドシステムを構成し、発電装置１はランキンサイクルを行って、膨張機２０で得られた機械的駆動力で駆動される発電機３０にて発電を行う。
【００２６】
液体の作動媒体Ｍは、作動媒体ポンプ５０にて蒸気発生器１０に圧送される（状態１→状態２）。蒸気発生器１０に流入した作動媒体Ｍは、ジャケット温水Ｈとの間で熱交換が行われて飽和蒸気あるいは過熱蒸気となる（状態２→状態３）。蒸気となった作動媒体Ｍは、膨張機２０に流入する。ここで、定常運転時は、仕切弁５１が開、バイパス仕切弁５２が閉となっている。したがって、作動媒体蒸気Ｍのすべてが膨張機２０に流入する。膨張機２０に流入した作動媒体蒸気Ｍは、タービンを通して断熱膨張する（状態３→状態４）。このとき、タービンの動翼が作動媒体Ｍにより回転させられて機械的動力が得らる（熱エネルギから機械エネルギへの変換）。得られた機械的動力により膨張機２０に接続された発電機３０が駆動されて、発電機３０が発電を行う（機械エネルギから電気エネルギへの変換）。膨張機２０で得られる機械的動力は、膨張機２０前後の作動媒体Ｍのエンタルピの差（ｈ３−ｈ４：熱落差）により変動する。エンタルピ差が大きければ大きな機械的動力が得られ、エンタルピ差が小さければ得られる機械的動力も小さくなる。膨張機２０で膨張した作動媒体Ｍは、凝縮器４０に流入して冷却水Ｃとの間で熱交換が行われて凝縮し、液体の作動媒体Ｍとなる（状態４→状態１）。液体に戻った作動媒体Ｍは、作動媒体ポンプ５０にて再び蒸気発生器１０に圧送され、以下同様のサイクルを行う。
【００２７】
発電機３０で発電した交流電力Ｅａは、整流器６１に送られて直流電力Ｅｄに変換された後、インバータ６２に送られて交流電力Ｐｇに変換され、系統電力に連系される。系統連系した交流電力Ｐｇは、ファン４２ｆ及び冷却水ポンプ４３や、電力負荷（不図示）に送電される。ファン４２ｆ及び冷却水ポンプ４３は、発電機３０での発電がない場合は商用電源から電力の供給を受けて作動する。厳密にいえば、系統連系した後の交流電力は、発電機３０で発電したものか商用電源から供給されたものか区別することはできないが、概念として、発電機３０で発電した電力から発電装置１内で消費する電力を差し引いた残りの電力が、発電装置１から取り出せる、発電装置１外の電力負荷で利用できる有効な電力ということになる。なお、発電装置１内で消費する電力は、直流電力を直接あるいは冷却媒体導入手段用インバータ（不図示）経由で供給しても差し支えない。
【００２８】
蒸気発生器１０で作動媒体Ｍと熱交換して温度が下がったジャケット温水Ｈは、不図示のエンジンに導かれてエンジンの冷却に利用され、温度が上昇したのち発電装置１の熱源として再び蒸気発生器１０に導入される。また、凝縮器４０で作動媒体Ｍと熱交換して温度が上昇した冷却水Ｃは、冷却塔４２で熱を大気に排出して温度が低下し、冷却水ポンプ４３にて再び凝縮器４０に圧送される。ここで、ジャケット温水Ｈの温度はほとんど変動がなくほぼ一定であるので、蒸気発生器１０における作動媒体Ｍの蒸発温度はほぼ一定となる。他方、冷却水Ｃの温度は、外気温等の周囲の環境条件の変動により変化する。
【００２９】
外気温が低下すると凝縮器４０に圧送される冷却水Ｃの温度が低くなり、これに伴って凝縮器４０における作動媒体Ｍの凝縮温度が低下する。これを図２でみると、状態４が、状態４より圧力が低くエンタルピが小さい状態４’に移動している。図２から明らかなように、外気温の低下に伴い凝縮器４０における凝縮温度が低下して、作動媒体Ｍのサイクルが状態４から状態４’に移ると、エンタルピ差、すなわち、機械的動力に変換される熱エネルギが増大する。熱エネルギが増大するとタービン動翼の回転速度ｎが増大し、発電機３０のロータの回転速度Ｎが増大して発電電力の周波数が高くなるが、発電装置１は整流器６１及びインバータ６２を備えているので、系統電力の周波数に合わせるためのタービン動翼の回転速度ｎの制限をする必要はない。そこで、制御装置６０は、発電装置１における発電効率（出力電力／投入エネルギ）が最もよくなるような、すなわちタービンの効率が最もよくなるような、以下の制御を行う。なお、タービンの効率は、「タービン動翼の周速度」の「作動媒体Ｍの蒸気の理論速度」に対する比（Ｕ／Ｃｏ）と所定の関係があることが知られている。
【００３０】
図３は、本実施の形態のタービン（単段のラジアルタービン）における「タービン動翼の周速度」の「作動媒体Ｍの蒸気の理論速度」に対する比（Ｕ／Ｃｏ）とタービン効率ηとの関係を示すグラフである。ここで、タービン動翼の周速度Ｕ（以下単に「周速度Ｕ」という。）は、円周率πと動翼の回転速度ｎと動翼の直径Ｄとの積（Ｕ＝πｎＤ）で表される。他方、作動媒体Ｍの蒸気の理論速度Ｃｏ（以下単に「理論速度Ｃｏ」という。）はエンタルピ差（ｈ３−ｈ４）の２倍の平方根（Ｃｏ＝（２（ｈ３−ｈ４））1/2）で表されることが知られている。図３に示す本実施の形態における単段のラジアルタービンの例では、比（Ｕ／Ｃｏ）が約０．７となるように運転するのが最も効率がよい。この、比（Ｕ／Ｃｏ）が最もよい値が「所定の値」であり、所定の値は許容しうる幅があってもよい。上述のように、環境条件の変化によってエンタルピ差（ｈ３−ｈ４）は変動するから、理論速度Ｃｏも環境条件の変化によって変動する。他方、タービン動翼の直径Ｄは運転中に変わるものではないから、理論速度Ｃｏの変動に追従して回転速度ｎを変動させ、比（Ｕ／Ｃｏ）が約０．７となるようにタービンを運転する。
【００３１】
制御装置６０は、蒸気温度検知器９１で検知した温度及び蒸気圧力検知器９２で検知した圧力から、作動媒体Ｍの蒸気のエンタルピｈ３を求める一方、凝縮温度検知器８５で検知した温度に基づいて算出した圧力からエンタルピｈ４を求め、理論速度Ｃｏを算出する。次に、制御装置６０は、比（Ｕ／Ｃｏ）が０．７となるような回転速度ｎｔを算出する（ｎｔ＝０．７×Ｃｏ／（πＤ））。また、制御装置６０は、速度検知器８４により実際の動翼の回転速度ｎを検知して、意図する回転速度ｎｔとの偏差を算出する。そして、偏差が小さくなるように動翼の回転速度ｎを制御するのであるが、これをインバータ６２による電圧の制御で行う。以下、インバータ６２による電圧の制御について説明する。
【００３２】
図４は、直流電圧Ｖｄをパラメータとした発電装置１の出力電力Ｐｇと発電機３０のロータ回転速度Ｎとの関係を示す図である。図４によれば、直流電圧Ｖｄと出力電力Ｐｇを与えるとロータ回転速度Ｎが決まることとなる。本実施の形態では、発電機３０のロータはシャフトを介してタービン動翼と直結しているので、ロータ回転速度Ｎが決まるとタービン動翼の回転速度ｎが決まる。仮に直流電圧Ｖｄを一定とする制御の場合、発電装置１のタービン仕事が増大すると、系統への出力電力Ｐｇの増大とロータの回転速度Ｎの増大でバランスし、逆にタービン仕事が減少すると、出力電力Ｐｇの減少とロータの回転速度Ｎの減少でバランスする。
【００３３】
制御装置６０は、インバータ６２を制御して、直流電圧検知器８８で検知される直流電圧Ｖｄを監視しつつ系統電力へ出力される交流電流を調節し、直流電圧Ｖｄを所定の電圧に調節することにより、ロータの回転速度Ｎ、ひいては動翼の回転速度ｎを制御することができる。より具体的には、制御装置６０は、実際の動翼の回転速度ｎと目標とする回転速度ｎｔ（ｎｔ＝０．７×Ｃｏ／（πＤ））との偏差を小さくするために、直流電圧検知器８８により直流電圧Ｖｄを検知して、図４の太線で示す目標電圧になるように直流電圧を調節する。このように直流電圧を所定の電圧に調節することで動翼の回転速度ｎを効率のよいポイントに制御することができる。
【００３４】
ここで、発電装置１は系統連系しているため、出力する電圧は系統側の電圧以上にしなければならない。直流電力Ｅｄの最低必要電圧Ｖｄは系統側の電圧から決まるが、例えば２２０Ｖに連系するためには、直流電圧Ｖｄは最低３６５〜３７０Ｖが必要になる。したがって、この電圧値が、直流電圧Ｖｄを所定の電圧に調節する際の下限となる。本実施の形態では、所定の電圧の下限を３７０Ｖとしている。
【００３５】
他方、発電機３０は、一般に、発電装置１で想定しうる最大仕事量に耐えられる仕様にはなっていない。仮に発電装置１で想定しうる最大仕事量に耐えられる仕様とすると、まれにしか生じない事態のために多大なコストをかけて発電機を製作することとなり不経済である。発電機３０に許容量以上の機械的仕事を与えた場合、電流過大による発熱や温度上昇が生じて運転不能に陥ったり、発電機のロータとステータとの間のトルクが不足してロータが高速回転となって過回転速度による軸受けの焼損に至ることがある。たとえ経済性を考慮しても、このような発電機３０の損傷を回避する必要がある。したがって、過回転速度防止の観点から回転速度Ｎの上限が決定され、これに伴って直流電圧を所定の電圧に調節する際の上限が決まってくる。本実施の形態では、図４に示すように、回転速度Ｎの上限を１０８としたのに伴って、４３０Ｖが直流電圧値の上限となっている。図４においては、回転速度Ｎの上限で出力電力を増加させていくと次第に直流電圧が降下し下限値に到達してしまうことが考えられるが、このような場合はトリップさせる等して対応することとなる。
【００３６】
以上の説明では、エンタルピ差から理論速度Ｃｏを求め、動翼の回転速度ｎを効率のよい点に導くこととしたが、簡易に算出する手段として、膨張機２０前後の作動媒体Ｍの温度差から導いてもよい。作動媒体Ｍの種類によっては、動翼の回転速度ｎの高効率点を温度差から導いても実用上差し支えない。
図５は、作動媒体ＭをＲ２４５ｆａとした場合の、作動媒体Ｍの過熱度Ｔｓと理論速度Ｃｏとの関係を示したグラフであり、（ａ）は凝縮温度ＴＣを一定として飽和蒸気の温度ＴＧをパラメータとしたグラフ、（ｂ）は飽和蒸気の温度ＴＧを一定として凝縮温度ＴＣをパラメータとしたグラフである。グラフより、いずれの場合も、過熱度Ｔｓが変化しても理論速度Ｃｏにほとんど変化がないことが分かる。このことは、Ｒ２４５ｆａは過熱度が増大しても、その状態から断熱変化で凝縮圧力まで膨張したときの膨張前後のエンタルピ差がほとんど変化しないことに起因している。したがって、簡易に算出する場合は、作動媒体Ｍの蒸気の過熱度Ｔｓを無視しても実用上差し支えなく、作動媒体Ｍの蒸気の飽和温度ＴＧと凝縮温度ＴＣとから理論速度Ｃｏを求めることができる。
【００３７】
図６は、作動媒体ＭをＲ２４５ｆａとした場合の、作動媒体Ｍの蒸気の飽和温度ＴＧと凝縮温度ＴＣとの温度差（ＴＧ−ＴＣ）と、理論速度Ｃｏとの関係を示したグラフである。
また図７は、作動媒体ＭをＲ２４５ｆａとした場合の、作動媒体Ｍの蒸気の飽和温度ＴＧと凝縮温度ＴＣとの温度差（ＴＧ−ＴＣ）と、タービン動翼の目標とする回転速度ｎｔとの関係を示したグラフである。
上述のように理論速度Ｃｏの過熱度の変化による影響が少ない作動媒体Ｍでは、作動媒体Ｍの蒸気の飽和温度ＴＧと凝縮温度ＴＣとの温度差（ＴＧ−ＴＣ）と、理論速度Ｃｏ及び動翼の所定の回転速度ｎｔとを図６、図７に示すようにあらかじめ関連づけて制御装置６０に記憶させておき、蒸気温度検知器９１及び凝縮温度検知器８５で検知した温度差に基づいて直流電圧Ｖｄを所定の電圧に調節して、動翼の回転速度ｎを所定の回転速度ｎｔに制御してもよい。
【００３８】
また、この他にもエンタルピと関連づけられる他の物理量（例えば飽和圧力、凝縮圧力、外気温度、冷却水温度、熱源温度等）で理論速度Ｃｏと動翼の所定の回転速度ｎｔとをあらかじめ関連づけて制御装置６０に記憶させておき、その代用した物理量を検知して動翼の回転速度ｎを制御してもよい。
【００３９】
次に図８を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る発電装置２について説明する。図８は、発電装置２の構成を説明するブロック図である。以下、発電装置１と発電装置２との相違点を主に説明し、共通部分の説明は省略する。
発電装置２は、凝縮器４０が空冷で構成されている。したがって、冷却媒体Ｃは空気となる。また、冷却媒体導入手段４１が空冷ファン４５で構成されている。その他の構成は発電装置１と同様である。
【００４０】
発電装置２は、凝縮器４０における凝縮温度が外気温度により大きな影響を受けるので、制御装置６０は、外気温度検知器９３で検知した外気温に基づいて凝縮温度を算出し、あらかじめ関連づけられて記憶されている図６又は図７に示す条件に外気温度から算出した値をあてはめて、直流電圧Ｖｄを所定の電圧に調節して、動翼の回転速度ｎを所定の回転速度ｎｔに制御してもよい。
【００４１】
以上の説明では、発電機３０の発電電力が交流であるとしたが、直流であってもよい。この場合は、整流器６１を省略し、発電機３０の発電電力をインバータ６２で変換して系統電力と連系することができる。
【００４２】
以上の説明では、比（Ｕ／Ｃｏ）が約０．７となるように運転するとして説明したが、この数値はタービンの種類や段数によって異なるので、用いるタービンの効率が高くなり、発電装置１の発電効率が高くなるように適宜設定するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】作動媒体Ｍの状態の変化を説明するＰ−ｈ線図である。
【図３】本実施の形態の膨張機における周速度の理論速度に対する比と効率との関係を示すグラフである。
【図４】直流電圧をパラメータとした発電出力とロータ回転速度との関係を示す図である。
【図５】作動媒体をＲ２４５ｆａとした場合の過熱度と理論速度との関係を示したグラフである。（ａ）は凝縮温度を一定として飽和温度をパラメータとしたグラフ、（ｂ）は飽和温度を一定として凝縮温度をパラメータとしたグラフである。
【図６】作動媒体の蒸気の温度差と、理論速度との関係を示したグラフである。
【図７】作動媒体の蒸気の温度差と、動翼の回転速度との関係を示したグラフである。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る発電装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    発電装置
１０  蒸気発生器
２０  膨張機
３０  発電機
４０  凝縮器
４１  冷却媒体導入手段
５６  バイパス流路
６０  制御装置
６１  整流器
６２  インバータ
８１  電流検知器
８２  電力検知器
８３  コイル温度検知器
８４  速度検知器
８５  凝縮温度検知器
８６  冷却媒体温度検知器
８８  直流電圧検知器
９１  蒸気温度検知器
９２  蒸気圧力検知器
Ｃ    冷却媒体
Ｈ    加熱媒体
Ｍ    作動媒体
Ｅａ、Ｐｇ  交流電力
Ｅｄ  直流電力
【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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