(57)【要約】【課題】従来の再生可能エネルギーや廃熱利用の小型蒸気タービン発電システムは、トルク不足や回転数が不安定のため実用化に乏しく、安定稼動と費用および運用の面から解決すべきがある。【解決手段】目的とする蒸気タービン発電システム５０は、外部からの熱エネルギーを媒体に吸収蓄熱する集熱ユニットを設け、媒体である作動流体の圧力が設定圧力より高い圧力の場合に発電可能状態となる。蒸気タービン発電システム５０が停止中は、直流電源ケーブル４１経由にて外部からの複数の直流電源を接続することにより、設備発電能力を、蒸気タービン発電システムＡ５０と蓄電池５１および２台の交流エンジン発電機Ｂと交流エンジン発電機Ｃの合計となり、単体の電源設備では供給不足である電気負荷に対応できる蒸気タービン発電システム。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を作動流体が貫流する筒状の集熱ユニットを備え、前記集熱ユニットの供給口と出力口に逆止弁を設け、前記作動流体は出力部に出力され、前記出力部はノズル部と共有立体空間を形成し、前記ノズル部の直後にタービンブレードと一体化したブレード回転軸を設けていることを特徴とする蒸気タービン発電システム。
【請求項２】
前記作動流体は、外部からの熱エネルギーにより前記集熱ユニット内部にて加熱蓄熱され圧力が増し、作動流体の圧力が出力口逆止弁の開く設定圧力より高い圧力の場合にタービンブレードに作用、ブレード回転軸が回転すると同時に発電機を稼動し熱エネルギーを電気エネルギーに変換することを、特徴とする請求項１記載の蒸気タービン発電システム。
【請求項３】
２システム以上の蒸気タービン発電システムにて冗長できる、請求項１又は２に記載の蒸気タービン発電システム。
【請求項４】
複数の外部電源を接続することにより、外部電源の総容量に相当する容量が負荷の増加に対応可能な発電量を確保できる、請求項１乃至３いずれか記載の蒸気タービン発電システム。
【請求項５】
前記集熱ユニットを任意の形状とした請求項１乃至４いずれか記載の蒸気タービン発電システム。
【請求項６】
使用されている製品および部品は容易に入手可能な汎用品であり、同一目的の個々の製品および部品は同一システム内にて同一仕様とし、交換使用も可能な請求項１乃至５いずれか記載の蒸気タービン発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、作動流体を媒体とする、熱エネルギーから電気エネルギーに変換する蒸気タービン発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  蒸気タービンは、発電などエネルギー供給の重要な機関であり、特に発電効率の向上には大きく寄与（ガスタービンの次段に導入することにより熱効率を高めている等）している。高圧蒸気の減圧弁の役目を担い合わせて発電を行う方法も使用されており、応用範囲が広い機関である。【０００３】  省エネおよび地球環境温暖化の観点からもエネルギーの多様化は重要あり、再生可能エネルギーや廃熱の積極利用への動きは活発である。また里山の環境保全に間伐材を薪ストーブや木質バイオマス燃料として使用されおり、間伐材の運搬コストなど経済性の課題もある。【０００４】  再生可能エネルギーや廃熱利用の蒸気タービンは、設備規模が大きい限られた範囲の発電（数十Ｋｗから１万Ｋｗ程度）にて実用化されている。蒸気タービン以外に燃料電池や熱電変換モジュール（ゼーベック効果による）、スターリングエンジンなどにより再生可能エネルギーや、廃熱利用の発電が一部試験運用されているが、いずれも発電出力や費用および運用の面から解決すべき点がある。【０００５】  照明や携帯通信機器を使用または蓄電池充電できる実用的な小型タービン発電機は、一定以上の安定した電力（３００Ｗ以上）の出力可能であること。災害時非常電源や分散化電源用としては、  燃料が限定されない安定した実用電力（１５００Ｗ以上）が可能であること、また運用保全から、操作運転が容易であり入手困難な部品は使用されてない機器システムとするが必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  従来の蒸気タービン機関は、設備規模が大きく運搬移動が困難である。また一部の小型の蒸気タービンは実用化に乏しく、トルク不足や回転数が不安定のため、発電機を機械的に接続稼動させた場合、一般電気機器を動作させるには発電電力および安定性に欠ける。【０００７】  本発明は、燃料の種類制限および入手制限が少なく、電気機器を動作させるに必要な発電電力量および安定性を持たせ、廃材や間伐材の運搬とバイオ燃料化のコスト低減の為、運搬移動可能な蒸気タービン発電システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  上記目的を達成する本発明は、外燃機関の蒸気タービン構造とする。外部からの熱エネルギーを媒体である作動流体に吸収蓄熱させる集熱ユニットを設ける。集熱ユニットの内部を媒体の作動流体が貫流する構造を持ち、供給口および出力口に供給口逆止弁および出力口逆止弁を設け、出力部はノズル部と共有立体空間を形成し、ノズル部の直後にタービンブレードと一体化したブレード回転軸が、発電機を稼動かせる。【０００９】  作動流体は、ポンプの強制貫流もしくは供給部と供給口の作動流体の熱膨張収縮圧力差により、供給部から集熱ユニットの供給口へ供給口逆止弁を経由して供給される。次に、集熱ユニット内の作動流体は出力口から出力口逆止弁を経由して出力部とノズル部へ出力され、タービンブレードへ供給される。作動流体の流れは一方向となる。【００１０】  作動流体は、外部からの熱エネルギー（火炎の直接熱と輻射熱および放射熱）により集熱ユニット内部にて加熱蓄熱され圧力が増し、作動流体の圧力が出力口逆止弁の開く設定圧力より高い圧力の場合にタービンブレードに作用し、ブレード回転軸が回転する。【００１１】  集熱ユニット内の作動流体の圧力が、出力部逆止弁の開く設定圧力より低い場合は、圧力差による供給および出力されない状態が一時的に発生する場合もあり、この場合は、複数の蒸気タービン発電システムを並列運転、および直流電源外部接続端子と交流電源外部接続端子に外部電源（蓄電池や内燃機関発電機等）を接続する。接続される各ユニットの集熱ユニットや発電機およびインバータなどは、容易に各ユニット毎に分離でき、また再接続できる仕様とし、運搬移動を可能とする。
【発明の効果】
【００１２】  本発明は、外部熱源から集熱ユニットへ直接加熱する構造により、化石燃料（石油・ガスなど）・バイオマス燃料（間伐材・木質廃材など）や、排熱（機器機関・工業排水・排煙）など多くの熱源の利用が可能である。また間伐材を山林現地にて熱源とすることによりエネルギーの地産地消ができ、地球環境問題やマイクログリット電力の概念に対応可能である。本発明の機械的可動部は、逆止弁とタービンブレードとブレード回転軸であり、エンジン等の内燃機関に比べ騒音振動が少ない【００１３】  本発明のタービン直流発電機は、適正な外部熱量を確保することにより、集熱ユニット内の作動流体が連続的に加熱蓄熱され、出力口逆止弁の設定圧力より高い圧力を保持することにより連続発電ができる。また蒸気タービン機関のサイズ・重量は、外部熱源に依存されず、発電機等のユニットを使用場所にて組み立て接続することにより、蒸気タービン機関の運搬移動は容易である。【００１４】  同一の外部熱エネルギーを受ける場所に、複数の蒸気タービン発電システムを設置し並列運転する場合、集熱ユニットの設置位置による、作動流体の吸収蓄熱の変動を互いの蒸気タービン発電システムが補完することにより安定する。また十分な外部熱エネルギーを受けた場合は、複数の蒸気タービン発電システムに応じた発電量が発生する。【００１５】  作動流体の吸収蓄熱が十分でなく、蒸気タービン発電システムが稼動できない場合、直流電源外部接続端子と交流電源外部接続端子に外部電源（蓄電池や内燃機関発電機等）を接続することにより、タービン直流発電機の発電を補完できる。【００１６】  直流電源外部接続端子と交流電源外部接続端子に、小容量の複数の外部電源を接続することにより、外部電源の総容量に相当する容量が負荷の増加に対応可能な発電量を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】蒸気タービン発電システムの概略構成図
【図２】蒸気タービン発電システムの圧力と発電量図
【図３】蒸気タービン発電システムへ蓄電池した例の概略構成図
【図４】図３の概略構成図に負荷を接続し稼動させた表
【図５】蒸気タービン発電システムを並列接続した図
【図６】複数のエンジン発電機を接続した例の図
【図７】図６の発電量表
【発明を実施するための形態】
【００１８】  本発明の実施の形態を図１と図２に基づいて説明する。
【００１９】  図１において、集熱ユニット２０が外部熱源（図示されてない）にて加熱され、内部の作動流体１０が加熱蓄熱されると出力部１２の作動流体１０の圧力１２ａは、出力口逆止弁２４の開く設定圧力より高い圧力の場合に、タービンブレード１４に作用し、ブレード回転軸１５が回転する。ブレード回転軸１５の機械エネルギーが変速機１６を経由されタービン直流発電機１７にて直流の電気エネルギーに変換される。次に、直流電源ケーブル４１の直流電力が、直流交流変換インバータＡ４３にて負荷電圧に応じた電圧の交流電力に変換され、交流電源ケーブル４２を経由して交流電源外部接続端子１９から負荷となる電気機器に電力が供給できる。
【００２０】  図２に、出力口逆止弁２４の開く設定圧力を０．３ＭＰａとした場合の、集熱ユニット内の作動流体の圧力２０ａと出力部の作動流体の圧力１２ａから発電量１７ａ関係を示す。時間４０分に、集熱ユニット内の作動流体の圧力２０ａは外部熱源（図示されてない）により加熱蓄熱され時間経過と共に圧力が高くなり、時間５０分頃０．３ＭＰａを超え出力口逆止弁２４が開き、出力部の作動流体の圧力１２ａも同一圧力となり、タービンブレード１４に作用し発電量が増加し、時間６０分頃定格の８００Ｗに達する。
【００２１】  作動流体１０は、水または熱源の温度により以外の媒体（フロン、アルコール、オイル）とその混合物を使用し、図示されてない凝縮器やポンプにより、ノズル部１３から供給部１１に戻り循環する。水を使用する場合は駆動環境により循環させず排水させることも可能である。
【００２２】  逆止弁は、個別に任意に設定でき、外部制御信号により開閉動作も可能である。
【実施例】
【００２３】  以下、本発明の実施の３例を図３〜図７に基づいて説明する。【００２４】  １つ目の例を、図３を参照して説明する。タービン直流発電機１７から電力が供給されない時も、電気負荷５２に電力供給が断たれない様に、蒸気タービン発電システムＡ５０の直流電源外部接続端子１８に蓄電池５１を接続した例である。充電電流５１ａは発電電流１７ｂの電流により供給され、蓄電池５１に充電される。タービン直流発電機１７が停止中は、発電電流１７ｂは供給停止すなわち負荷電流５２ａが途切れるのを防ぐため、放電電流５１ｂが一定時間負荷電流５２ａの供給に対応する。【００２５】  図４は、図３の例をタービン直流発電機１７が停止状態を含む１０分間に、負荷電流５２ａが途切れることなく電気負荷５２に供給されているグラフである。発電電流１７ｂの電流値は、時間経過７分〜８分の間は０（Ａ）であるが蓄電池５１からの放電電流５１ｂにて負荷電流５２ａに対応している。【００２６】  発電電流１７ｂの電流値は、充電電流５１ａと負荷電流５２ａの両電流を補う場合と負荷電流５２ａのみの場合があり。充電電流５１ａと放電電流５１ｂの直流電圧は４８（Ｖ）を想定とした場合、直流電流は、直流交流変換インバータＡ４３の変換効率と負荷電流５２ａの１００（Ｖ）を想定した交流電圧に応じた２倍以上の電流（実効値）となる。【００２７】  ２つ目の例を、図５を参照して説明する。同一形態および仕様の蒸気タービン発電システムＡ５０と蒸気タービン発電システムＢ６０を直流電源ケーブル４１にて接続させた並列運転をする例である。並列冗長および発電電力の増加を目的とし、１台のシステムは木質バイオエネルギー（間伐材や廃材など）、他の１台は焼却炉の煙道などに設置する。発電電力が断つことの無いように、１台のシステム障害対応および熱源の多様化を図る。【００２８】  図６は、３つ目の例を示す。蒸気タービン発電システムＡ５０に、直流電源ケーブル４１経由にて外部からの複数の直流電源を接続する例である。設備発電能力は、蒸気タービン発電システムＡ５０と蓄電池５１および２台の交流エンジン発電機Ｂと交流エンジン発電機Ｃの合計となり、単体の電源では供給不足になる電気負荷にも対応できる。交流発電機の直接の並列運転は技術的事前確認が必要であるが、汎用エンジン発電機は交流仕様が多く非常時にも入手可能であり、直流に変換することにより並列運転が容易であるので、交流電源ケーブル４２を経由し直流交流変換インバータＢ５５と直流交流変換インバータＣ５６にて直流変換する。【００２９】  図７は、図６の例に定格容量を想定した直流電源を接続した発電量の表である。全ての直流電源が常に定格容量の発電を確保することは困難であり、蒸気タービン発電システムは熱源の安定確保、蓄電池は充放電、またエンジン発電機は長時間の連続運転の回避を考慮した発電量を把握する必要がある。設備最大発電量はパターン３の２３４０（Ｗ）に対し、直流電源の運転環境によるがパターン２の１３６８（Ｗ）が最大発電量として現実的である。
＊１：蓄電池は充放電を１０時間率とし、容量４０（ＡＨ）、電圧４８（Ｖ）とした。
＊２：各直流交流変換インバータの変換効率は０．９５とした。【００３０】  各直流交流変換インバータや全電源ケーブル（交直とも）は、非常時や機器障害を考慮し、同一および最大電流に耐える仕様とする。蒸気タービン発電システムＡ５０の直流交流変換インバータＡ４３が障害時に、直流交流変換インバータＣ５４と交換することにより設備最大発電量の低下は避けられないが、発電電力を断つことを防げる。電源ケーブルも、直流電源ケーブル４１と交流電源ケーブル４２と互換性を持たせることにより、交流電源ケーブル４２が使用不可となった場合、直流電源ケーブル４１と交換使用も可能である。
【符号の説明】
【００３１】１０      ：作動流体
１１      ：供給部
１１ａ    ：供給部の作動流体の圧力
１２      ：出力部
１２ａ    ：出力部の作動流体の圧力
１３      ：ノズル部
１４      ：タービンブレード
１５      ：ブレード回転軸
１６      ：変速機
１７      ：タービン直流発電機
１７ａ    ：発電量
１７ｂ    ：発電電流
１８      ：直流電源外部接続端子
１９      ：交流電源外部接続端子
２０      ：集熱ユニット
２０ａ    ：集熱ユニット内の作動流体の圧力
２１      ：供給口
２２      ：出力口
２３      ：供給口逆止弁
２４      ：出力口逆止弁
４１      ：直流電源ケーブル
４２      ：交流電源ケーブル
４３      ：直流交流変換インバータＡ
５０      ：蒸気タービン発電システムＡ
５１      ：蓄電池
５１ａ    ：充電電流
５１ｂ    ：放電電流
５２      ：電気負荷
５２ａ    ：負荷電流
５３      ：直流交流変換インバータＢ
５４      ：直流交流変換インバータＣ
５５      ：交流エンジン発電機Ｂ
５６      ：交流エンジン発電機Ｃ
６０      ：蒸気タービン発電システムＢ
【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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