(57)【要約】【課題】  ランニングコストが安価で発電効率の良好な寒冷地における温度差発電システムを提供することである。【解決手段】  発電設備（１２）と、発電設備に冷水を供給する冷水設備（３０）と、発電設備に温水を供給する温水設備（４０）とを備え、冷水設備が、堰（３２）と、堰によって形成された空間に配置された氷層（３４）と、氷層の上方に配置された水層（３６）とを有する温度差発電システム（１０）において、氷層との境界付近に位置する冷水を発電設備に供給するように構成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電設備と、発電設備に冷水を供給する冷水設備と、発電設備に温水を供給する温水設備とを備え、前記冷水設備が、堰と、堰によって形成された空間に配置された氷層と、氷層の上方に配置された水層とを有する温度差発電システムにおいて、
前記氷層との境界付近に位置する冷水を発電設備に供給するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記温水設備が、地中に埋設される槽と、温泉井から槽内に供給される温水と、温水を前記発電設備に供給するための温水供給管路と、前記発電設備で熱交換された水を槽内に戻すための還元水用管路とを有していることを特徴とする請求項１に記載されたシステム。
【請求項３】
前記氷層内に１又は複数段の金網が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載されたシステム。
【請求項４】
前記金網上に重量物が載せられていることを特徴とする請求項３に記載されたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温泉などから供給される温水と氷層で冷却された冷水との温度差を利用した温度差発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
寒暖の温度差を利用した温度差発電として実用化されているものとして、海洋温度差発電や温泉水温度差発電等がある。このうち海洋温度差発電システムは、海面（３０°Ｃ程度）と深海（１０°Ｃ以下）との間の２０°Ｃ程度の温度差を利用するものであり、赤道付近の温暖な海域で実績がある。
【０００３】
一方、北海道は、外気温が夏期に３０°Ｃ以上、冬期に−２０°Ｃ以下になる年較差の大きな地域であり、一年を通じて大きな温度差を確保することにより、温度差発電が可能となる。また、地域特性として、北海道には多数の温泉があり、温泉水の熱により１年を通じて比較的高い温度を確保することができる。
【０００４】
本出願人は、このような温度差を利用した発電システムに関して、氷層を活用したシステムを提案している（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特願２００９−６５６５０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、北海道は温度差発電を実施しやすい環境下にあるが、効率的に発電を行うためには、温度差の確保、すなわち冷水源と温水源をどのようにして確保するのかが問題となる。
【０００７】
本発明は、上述の特許文献１に記載されたシステムを一層発展させたものであって、ランニングコストが安価で発電効率の良好な寒冷地における温度差発電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】
【０００８】
本願請求項１に記載された、発電設備と、発電設備に冷水を供給する冷水設備と、発電設備に温水を供給する温水設備とを備え、前記冷水設備が、堰と、堰によって形成された空間に配置された氷層と、氷層の上方に配置された水層とを有する温度差発電システムは、前記氷層との境界付近に位置する冷水を発電設備に供給するように構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本願請求項２に記載された温度差発電システムは、前記請求項１のシステムにおいて、前記温水設備が、地中に埋設される槽と、温泉井から槽内に供給される温水と、温水を前記発電設備に供給するための温水供給管路と、前記発電設備で熱交換された水を槽内に戻すための還元水用管路とを有していることを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項３に記載された温度差発電システムは、前記請求項１又は２のシステムにおいて、前記氷層内に１又は複数段の金網が配置されていることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項４に記載された温度差発電システムは、前記請求項３のシステムにおいて、前記金網上に重量物が載せられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、氷層との境界付近に位置する冷水を発電設備に供給することにより、より低温な冷水を提供して十分な温度差を確保することができ、発電効率を高めることが可能になる。また、還元水を利用することにより、蒸発器に供給する温水の量を確保することができ、発電効率を高めることが可能になる。さらに、氷層内に金網を配置したり、金網上に重量物を載せたりすることにより、冷水設備を保全することができる。本発明の発電システムは、構成が比較的簡単であるため、ランニングコストを低廉に抑えた状態で、発電を実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る温度差発電システムの実施例について詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る温度差発電システムの全体を模式的に示した図である。
【００１４】
図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る温度差発電システムは、発電設備１２と、発電設備１２に冷水を供給する冷水設備３０と、発電設備１２に温水を供給する温水設備４０とを備えている。
【００１５】
発電設備１２は、蒸発器１４と、蒸発器１４に供給する作動流体を貯蔵するためのタンク１６と、タービン１８と、タービン１８に連結された発電機２０と、凝縮器２２と、蒸発器１４とタンク１６とを接続する第１管路２４ａと、蒸発器１４とタービン１８とを接続する第２管路２４ｂと、タービン１８と凝縮器２２とを接続する第３管路２４ｃと、凝縮器２２とタンク１６とを接続する第４管路２４ｄとを有しており、第１管路２４ａには、作動流体を圧送するためのポンプ２４ａ１が配置されている。
【００１６】
蒸発器１４には、内部に伝熱面となる多数の薄板が配置されており、各薄板間には、２〜３ｍｍの空隙があり、作動流体と温水との間で熱交換されるようになっている。また、凝縮器２２にも、内部に伝熱面となる多数の薄板が配置されており、各薄板間には、２〜３ｍｍの空隙があり、作動流体と冷水との間で熱交換されるようになっている。作動流体としては例えば、アンモニアと水とを所定の割合で混合したアンモニア液が使用される。なお、このような発電設備１２の構成自体は公知である。
【００１７】
冷水設備３０は、堰３２と、堰３２によって形成された空間に配置された氷層３４と、氷層３４の上方に配置された水層３６と、冷水を発電設備１２に供給するための取水部３８とを有している。冷水設備３０は、春から秋にかけて発電に使用する作動流体を冷却するための冷水を発電設備１２に供給するためのものである。
【００１８】
図２は、冷水設備３０の一例を示した模式図である。冷水設備３０は、堰３２によって形成された空間に給水して氷層３４を形成する。この際、数十ｃｍ程度の水を張って氷層を形成し、これを繰り返すことによって数ｍの氷層を形成するのが好ましい。１年で形成される氷層厚さが計画厚さ以下である場合には、数年をかけて計画厚の氷層を形成するのが好ましい。このようにして形成された氷層３４の上方に給水して、水層３６を形成する。水層３６の水は、取水および蒸発により減少するため、常時一定の水位を保持するように管理される。氷層３４および水層３６を形成するのに使用する水は、河川から取水したもの等が使用される。
【００１９】
取水部３８の取水口３８ａは、堰３２の氷層３４の上面より僅かに上の個所（換言すると、水層３６の最下面付近の個所）に設置されており、氷層３４との境界付近に位置する冷水を発電設備１２に供給することができるようになっている。これは、冷水の密度が温水の密度よりも大きいため、水層３６の下層により低温の冷水が貯留することを利用したものである。図３は、ダム貯留水の垂直方向の温度分布を示した図である。図３から、水深が深くなるにつれて水温が低下しているのが分かる。このような傾向は、流入量に比べて貯水容量が大きく、水の滞留時間が長いダムにおいて、とりわけ顕著である。本発明においては、氷層３４との境界付近に位置する、より低温の冷水を発電設備１２に供給することにより、温水との温度差を大きくすることができ、発電効率を高めることが可能になる。なお、図１において、参照符号３９、３９ａは、冷水を発電設備１２の凝縮器２２に供給するための冷水供給管路、冷水を圧送するための冷水ポンプをそれぞれ示している。冷水設備３０の取水部３８は、冷水供給管路３９に接続されている。
【００２０】
冷水設備３０の堰３２は、水圧および氷圧に耐えることができるように、十分な安全性を有するものでなければならない。冷水設備３０の設置場所は、温水設備４０の設置場所を考慮して選定されるが、堰３２の構築は、掘削土等の貯水池整形工事で発生する現地発生材を有効活用したＣＳＧ（Cemented Sand and Gravel）技術などを活用して、地形地質条件に柔軟に適合し、安価で環境負荷の軽減に配慮して実施するのが好ましい。
【００２１】
氷層３４は、地熱により下部が徐々に融解すると、下面に浮力が発生して氷全体が浮上するおそれがある。氷が割れて、水が氷層３４内に浸透することによっても、同様の現象が生ずるおそれがある。そこで、氷が割れるのを防止するため、氷層３４内に１又は複数段の金網３４ａを配置するのが好ましい（図４（ａ）参照）。また、浮力が生ずるのを防止するため、金網３４ａ上に重量物（例えば石）３４ｂを載せるのが好ましい（図４（ｂ）参照）。
【００２２】
温水設備４０は、地中に埋設される槽４２と、温泉井（図示せず）から槽４２内に供給される温水４４と、温水４４を発電設備１２の蒸発器１４に供給するための温水供給管路４６とを有しており（図５参照）、温水供給管路４６には、温水を圧送するための温水ポンプ４６ａが配置されている（図１参照）。温水設備４０は、発電に使用する作動流体を温めて気化させるための温水を発電設備１２に供給するためのものである。
【００２３】
温水設備４０は、地熱を利用して槽４２内の温水を保温することができるように（図５参照）、地温の高い場所を選定して設置するのが好ましい。また、槽４２を断熱材料で形成したり、断熱処理を施したりすることによって、槽４２内の温水の温度低下を防ぐようにするのが好ましい。
【００２４】
好ましくは、温水設備４０は、蒸発器１４において熱交換された水（還元水）を槽４２に戻すための還元水用管路４８を有している。還元水を利用することにより、蒸発器１４に供給する温水の量を確保することができ、発電効率を高めることが可能になる。なお、図５において参照符号４８ａは、過剰な余剰水を排出するための余剰水排出管路を示している。
【００２５】
以上のように構成された本発明の温度差発電システム１０による発電方法について説明する。本説明では、作動流体としてアンモニア液を使用するものとする。まず、温水設備４０から温水供給管路４６を介して、発電設備１２の蒸発器１４に温水を供給する。これとともに、ポンプ２４ａ１を作動させてタンク１６から第１管路２４ａを介して、蒸発器１４に１２°Ｃ程度のアンモニア液を供給する。すると、蒸発器１４内において、アンモニア液が温水により加温されて気化し、アンモニア蒸気が発生する。このようにして発生したアンモニア蒸気は、第２管路２４ｂを介して、タービン１８に送られ、タービン１８を回転させて発電機２０で発電する。次いで、アンモニア蒸気は、第３管路２４ｃを介して、凝縮器２２に引き込まれる。一方、冷水設備３０から冷水供給管路３９を介して、凝縮器２２に冷水が供給されている。凝縮器２２に引き込まれたアンモニア蒸気は、冷水により冷却されて、アンモニア液となる。アンモニア液は、第４管路２４ｄを介して、タンク１６に戻される。アンモニア蒸気を冷却して温度が上昇した水は、河川に放流される。タンク１６に戻されたアンモニア液は、再び蒸発器１４に供給される。同様のサイクルを繰り返すことによって、温度差を利用して継続的に発電を行うことができる。
【００２６】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る温度差発電システムの全体を模式的に示した図である。
【図２】冷水設備の一例を示した模式図である。
【図３】ダム貯留水の垂直方向の温度分布を説明するための図である。
【図４】図２の部分４の拡大図であって、図４（ａ）は、冷水設備の氷層内に金網を配置した状態を示した図、図４（ｂ）は、図４（ａ）において金網の上に更に石を載せた状態を示した図である。
【図５】温水設備を示した模式図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  温度差発電システム
１２  発電設備
１４  蒸発器
１６  タンク
１８  タービン
２０  発電機
２２  凝縮器
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｃ  管路
２４ａ１  ポンプ
３０  冷水設備
３２  堰
３４  氷層
３４ａ  金網
３４ｂ  重量物（石）
３６  水層
３８  取水部
３８ａ  取水口
３９  冷水供給管路
３９ａ  冷水ポンプ
４０  温水設備
４２  槽
４４  温水
４６  温水供給管路
４６ａ  温水ポンプ
４８  還元水用管路
４８ａ  余剰水排出管路
【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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