(57)【要約】【課題】出力変動の大きな熱源を利用する場合であっても、高効率で安定した発電を維持することができる混合媒体発電技術を提供する。【解決手段】混合媒体発電システム１０は、低沸点媒体及び高沸点媒体を含む混合媒体の収容タンク１２と、第１熱源１１から前記混合媒体に熱伝達する第１熱交換器１５と、前記熱伝達された混合媒体を気相と液相に分離する第１セパレータ１６と、タービン１７で仕事をした前記気相の凝縮液を保持し収容タンク１２に戻す前記混合媒体の第１濃度調整部２０ａ（２０）と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低沸点媒体及び高沸点媒体を含む混合媒体の収容タンクと、
第１熱源から前記混合媒体に熱伝達する第１熱交換器と、
前記熱伝達された混合媒体を気相と液相に分離する第１セパレータと、
タービンで仕事をした前記気相の凝縮液を保持し前記収容タンクに戻す前記混合媒体の第１濃度調整部と、を備えることを特徴とする混合媒体発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の混合媒体発電システムにおいて、
前記第１濃度調整部は、
前記凝縮液を貯留するバッファタンクと、
前記バッファタンクから前記凝縮液を前記収容タンクに送出させるバルブと、を有することを特徴とする混合媒体発電システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の混合媒体発電システムにおいて、
前記液相を保持して前記収容タンクに戻す前記混合媒体の第２濃度調整部を備えることを特徴とする混合媒体発電システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の混合媒体発電システムにおいて、
前記濃度調整部は、外部から前記低沸点媒体又は前記高沸点媒体を注入する注入手段に接続していることを特徴とする混合媒体発電システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の混合媒体発電システムにおいて、
前記第１セパレータで分離された気相の一部を前記タービンの前段において分取し前記混合媒体を加熱する加熱器を備えることを特徴とする混合媒体発電システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の混合媒体発電システムにおいて、
前記第１熱源及び前記第１熱交換器を結ぶパス、前記第１熱交換器及び前記第１セパレータを結ぶパスのうちのいずれかのパスに、第２熱源から熱伝達する第２熱交換器が設けられることを特徴とする混合媒体発電システム。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の混合媒体発電システムにおいて、
前記第１セパレータで分離された液相に第２熱源から熱伝達する第２熱交換器と、
前記熱伝達された液相をさらに気相と液相に再分離する第２セパレータと、を備え、
この再分離した気相に前記タービンで仕事をさせることを特徴とする混合媒体発電システム。
【請求項８】
収容タンクから低沸点媒体及び高沸点媒体を含む混合媒体を送出するステップと、
第１熱源から前記混合媒体に熱伝達するステップと、
前記熱伝達された混合媒体を気相と液相に分離するステップと、
タービンで仕事をした前記気相の凝縮液を保持するステップと、
前記凝縮液を前記収容タンクに戻して前記混合媒体の濃度を調整するステップと、を含むことを特徴とする混合媒体発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低沸点媒体及び高沸点媒体を含む混合媒体に外部から熱エネルギーを付与し発電を行う混合媒体発電技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
地熱や太陽熱など再生可能エネルギーの活用が加速されている。より低温の熱源にも適用可能なサイクルとして、低沸点媒体を用いたランキンサイクルや、低沸点媒体及び高沸点媒体を用いた混合媒体サイクルが用いられている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８８８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、再生可能エネルギーの熱源の出力変動が大きい場合は、全体として発電効率の低下が避けられない課題がある。このために、熱源の出力状況に連動して、サイクルを最適化させることが望まれる。また、地熱以外に太陽熱を熱源として組み合わせている場合には、熱出力が日変動することとなるため、この日変動に合わせてサイクルを最適化させることが望まれる。さらには、既存のプラントに大規模は改造を伴うことなく適用可能であることが望まれる。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、非共沸性の混合媒体を用い、この混合媒体の濃度を調整することによりサイクルを最適化させる混合媒体発電技術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】
混合媒体発電システムにおいて、低沸点媒体及び高沸点媒体を含む混合媒体の収容タンクと、第１熱源から前記混合媒体に熱伝達する第１熱交換器と、前記熱伝達された混合媒体を気相と液相に分離する第１セパレータと、タービンで仕事をした前記気相の凝縮液を保持し前記収容タンクに戻す前記混合媒体の第１濃度調整部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、出力変動の大きな熱源を利用する場合であっても、高効率で安定した発電を維持することができる混合媒体発電技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の混合媒体発電システムの第１実施形態を示すブロック図。
【図２】混合媒体の気液平衡曲線図。
【図３】本発明の混合媒体発電システムの第２実施形態を示すブロック図。
【図４】本発明の混合媒体発電システムの第３実施形態を示すブロック図。
【図５】本発明の混合媒体発電システムの第４実施形態を示すブロック図。
【図６】本発明の混合媒体発電システムの第５実施形態を示すブロック図。
【図７】本発明の混合媒体発電システムの第６実施形態を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態の混合媒体発電システム１０は、低沸点媒体及び高沸点媒体を含む混合媒体の収容タンク１２と、第１熱源１１から前記混合媒体に熱伝達する第１熱交換器１５と、前記熱伝達された混合媒体を気相と液相に分離する第１セパレータ１６と、タービン１７で仕事をした前記気相の凝縮液を保持し収容タンク１２に戻す前記混合媒体の第１濃度調整部２０ａ（２０）と、を備えている。
【００１０】
さらに、混合媒体発電システム１０は、収容タンク１２から第１熱交換器１５に向かって混合媒体を送出させるポンプ１３と、第１セパレータ１６で分離した液相により第１熱交換器１５の前段で混合媒体を加熱する加熱器１４と、タービン１７の排気を冷却して凝縮液にする冷却器１８と、を備えている。
【００１１】
そして、第１濃度調整部２０ａ（２０）は、凝縮液を貯留するバッファタンク２２ａ（２２）と、このバッファタンク２２ａ（２２）から凝縮液を収容タンク１２に送出させるバルブ２１ａ（２１）と、を有している。
さらに、第１濃度調整部２０ａ（２０）は、バッファタンク２２ａ（２２）の前段にバルブ２３ａ（２３）が設けられている。このバルブ２３ａ（２３）は、開放すると冷却器１８から凝縮液を第１濃度調整部２０ａ（２０）に導き、閉止すると凝縮液はバイパス２５ａ（２５）を経由して収容タンク１２に直接導かれる。
なお、バルブ２３及びバイパス２５は、必須の構成要素ではなく、これらを設置しない場合もありうる。
【００１２】
ここで、第１熱源１１は、火山地帯における地熱等を利用するものが一般的であるが、混合媒体を気化させるのに充分な熱エネルギーを放出するものであれば、適宜利用することができる。
また、混合媒体は、沸騰する際に低沸点媒体と高沸点媒体との比率が液相及び気相においてそれぞれ異なる、非共沸性のものが採用される。具体的には、低沸点媒体としてアンモニアを、高沸点媒体として水を用いる二元系のものが挙げられるが、このような組成に限定されるものではなく、三元系以上のものを用いても良い。
【００１３】
このように混合媒体発電システム１０が構成されることにより、収容タンク１２に収容されている液状の混合媒体は、ポンプ１３で送出されて、加熱器１４で余熱された後に第１熱交換器１５に供給される。この第１熱交換器１５で混合媒体は、第１熱源１１の熱供給により昇温し、気相と液相の混ざり合った二相体となる。
この二相体は、第１セパレータ１６において、低沸点媒体リッチな気相と高沸点媒体リッチな液相とに分離される。
【００１４】
このうち、分離された液相は、加熱器１４に送出され、上述したように収容タンク１２から送出された混合媒体を加熱する。そして、熱を失って温度低下した液相は、収容タンク１２に戻される。
【００１５】
他方、第１セパレータ１６で分離された気相は、タービン１７へ導かれ、タービンローターを回転させる仕事をして、気相の持つエネルギーを機械的な運動エネルギーに変換させる。なお、このタービン１７における機械的な運動エネルギーは、発電機（図示略）において電気エネルギーに変換される。
このタービン１７で仕事をした後の気相は、冷却器１８を経由して凝縮液になった後に、濃度調整部２０ａに送られる。
【００１６】
ここで、第１濃度調整部２０ａにおいて、バルブ２１ａ，２３ａが閉止状態である場合、凝縮液はバイパス２５ａを通って収容タンク１２に直行し、収容されている混合媒体の濃度は、発電期間において初期状態から一定に保たれることになる。
【００１７】
また、第１濃度調整部２０ａにおけるバルブ２３ａを開放状態にしてバルブ２１ａを閉止状態にすることにより、バッファタンク２２に凝縮液を一時的に保持させることができる。そして、低沸点媒体リッチな凝縮液の収容タンク１２への戻りを抑制し、収容タンク１２に収容される混合媒体の組成比を高沸点媒体リッチにすることができる。
【００１８】
これにより、システム循環する混合媒体に対し、初期濃度よりも高沸点媒体側に偏った範囲で濃度調整することができる。
このように循環する混合媒体を高沸点媒体リッチに濃度調整することにより、第１熱源の熱出力が過剰方向に変動した場合であっても、熱交換効率の低下を抑制することができる。
【００１９】
さらに、バッファタンク２２ａに予め低沸点媒体を封入しておき、バルブ２３ａを閉止状態にしてバルブ２１ａを開放状態にすることにより、収容タンク１２に収容される混合媒体の組成比を低沸点媒体リッチにすることができる。
これにより、システム循環する混合媒体に対し、初期濃度よりも低沸点媒体側に偏った範囲で濃度調整することができる。
【００２０】
このように循環する混合媒体を低沸点媒体リッチに濃度調整することにより、第１熱源の熱出力が減少方向に変動した場合であっても、熱交換効率の低下を抑制することができる。
このようにして、第１熱源１１の出力条件が変動した場合であっても、第１濃度調整部２０ａの設定を変更することにより、混合媒体発電システム１０の熱交換効率を最大に維持することができる。
【００２１】
図２は、二元系の混合媒体の気液平衡曲線で、下側が沸騰曲線、上側が露点曲線を示している。
非共沸系の混合媒体は、混合媒体が低沸点媒体リッチになるに従い沸点が低下し、沸騰すると気相のほうが液相よりも低沸点媒体リッチな組成比となる。そして、第１熱源１１の熱出力が減少変動した場合、混合媒体の組成比を低沸点媒体リッチに変更することで、その沸点と熱源温度との温度差を小さくして、熱交換効率を向上させることができる。
【００２２】
ここで、熱源温度がＴinからＴin'に低下した場合について検討する。
初期の混合媒体が濃度ｍである場合、低下した熱源温度Ｔin'と露点温度Ｔdew(ｍ)との差が小さくなり、もしくは図示するように熱源温度Ｔin'のほうが露点温度Ｔdew(ｍ)よりも低くなり、有効な熱交換が行われない状態となってしまう。
そのため、混合媒体を濃度ｍから濃度ｍ’に変更し、低沸点媒体リッチな組成比にすると、露点温度がＴdew(ｍ')に低下し熱源温度Ｔin'と有効な温度差を保つことができる。
【００２３】
この際に混合媒体の濃度変更量は次のように求めることができる。熱源温度が低下する前は、媒体濃度ｍと熱源温度Ｔinの関係は次式（１）にようになっている。
Ｔin−Ｔp≧Ｔdew(ｍ)    （１）
［Ｔdew(ｍ)；濃度ｍの混合媒体の露点温度、Ｔp；ピンチ温度］
【００２４】
ここで、熱源温度がＴinからＴin'に低下した場合、式（１）を満たさなくなる。そのため、混合媒体濃度をｍ'に変更し、露点温度をＴdew(ｍ')に低下させて次式（２）を充足させる。
Ｔin'−Ｔp≧Ｔdew(ｍ')      （２）
【００２５】
その際、変更後のｍ'は、式（２）の他に、次式（３）を最大化させるような値にすることで、システム効率を最大化することができる。この式（３）は、第１熱源１１の熱エネルギーがタービン１７で動力変換される際の効率指標である。
ＡＥ(ｍＬ')／Ｌｔ(ｍＬ')    （３）
［ｍＬ'；Ｔin'で分離された気相の低沸点媒体濃度、ＡＥ；タービン１７の熱落差（Ｐ1−Ｐ2）、Ｌｔ；混合媒体の潜熱］
【００２６】
実際の運転において、バッファタンク２２に保持される凝縮液の低沸点媒体濃度ｍＬを計測することで、サイクルを循環する混合媒体の濃度ｍを求めることができる。
例えば、密度計等を用い、バッファタンク２２に保持されている凝縮液の密度ＤＬを計測することにより、次式（４）のようにあらかじめ作成された混合媒体の密度・成分濃度相関式Ｍ(ＤＬ)から、低沸点媒体濃度ｍＬを得ることができる。
ｍＬ＝Ｍ(ＤＬ)      （４）
［ｍＬ；バッファタンク２２に保持される凝縮液の低沸点媒体濃度、ＤＬ；この凝縮液の密度］
【００２７】
また、式（４）のような密度・成分濃度相関式Ｍ(ＤＬ)が存在しない場合でも、式（５）のような内挿法により低沸点媒体濃度ｍＬを求めることができる。
ｍＬ＝(ＤＬ−ＤＨsin)／(ＤＬsin−ＤＨsin)    （５）
［ＤＬsin；低沸点媒体の単体密度、ＤＨsin；高沸点媒体の単体密度］
【００２８】
このようにバッファタンク２２に保持されている凝縮液の低沸点媒体濃度ｍＬを式（４）又は（５）から得ることによって、次式（６）に従い、サイクルを循環する混合媒体の濃度ｍを求めることができる。
ｍ＝(Ｗ・ｍset−ＷＬ・ｍＬ＋ＷＬ0)／(Ｗ−ＷＬ＋ＷＬ0)    （６）
［ｍset；低沸点媒体の初期濃度、Ｗ；混合媒体の総量、ＷＬ；バッファタンク２２に保持される凝縮液の量、ＷＬ0；予め封入される低沸点媒体の量］
【００２９】
このように、バッファタンク２２に保持されている凝縮液の密度ＤＬを計測し、式（４）（５）（６）から求められる低沸点媒体濃度ｍが、式（２）から求められる目標値ｍ'となるように、バルブ２１の開度をＰＩＤ制御等して、サイクルにおける熱交換効率を維持することができる。
【００３０】
（第２実施形態）
図３に示すように、第２実施形態の混合媒体発電システム１０において、第１セパレータ１６で分離された液相を保持して収容タンク１２に戻す混合媒体の第２濃度調整部２０ｂが設けられている。なお、図３において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、説明を省略する。
【００３１】
ここで、第２濃度調整部２０ｂにおいて、バルブ２１ｂ，２３ｂが閉止状態である場合、液相はバイパス２５ｂを通って収容タンク１２に直行するが、バルブ２３ｂを開放状態にしてバルブ２１ａを閉止状態にすることにより、バッファタンク２２ｂに液相を一時的に保持させることができる。
そして、高沸点媒体リッチな液相の収容タンク１２への戻りを抑制し、収容タンク１２に収容される混合媒体の組成比を低沸点媒体リッチにすることができる。
【００３２】
これにより、混合媒体の初期濃度よりも低沸点媒体側に偏った範囲において、システム循環する混合媒体の濃度調整を行うことができる。
このように循環する混合媒体を低沸点媒体リッチに濃度調整することにより、第１熱源の熱出力が減少方向に変動した場合であっても、熱交換効率の低下を抑制することができる。
【００３３】
さらに、バッファタンク２２ｂに予め高沸点媒体を封入しておき、バルブ２３ｂを閉止状態にしてバルブ２１ｂを開放状態にすることにより、収容タンク１２に収容される混合媒体の組成比を高沸点媒体リッチにすることができる。
これにより、混合媒体の初期濃度よりも高沸点媒体側に偏った範囲において、システム循環する混合媒体の濃度調整を行うことができる。
このように循環する混合媒体を高沸点媒体リッチに濃度調整することにより、第１熱源の熱出力が過剰方向に変動した場合であっても、熱交換効率の低下を抑制することができる。
【００３４】
第２実施形態の混合媒体発電システム１０では、第１熱源１１の出力変動に対し、第１濃度調整部２０ａと第２濃度調整部２０ｂとが協同処理するために、第１濃度調整部２０ａのみで処理するよりも、それぞれの濃度調整部２０の容量を小さく設計することができる。
【００３５】
（第３実施形態）
図４に示すように、第３実施形態の混合媒体発電システム１０において、タービン１７の排出ガスの凝縮液を保持するバッファタンク２２ａには、低沸点媒体を外部から注入する注入手段２４ａが接続されている。また、第１セパレータ１６で分離された液相を保持するバッファタンク２２ｂには、高沸点媒体を外部から注入する注入手段２４ｂが接続されている。なお、図４において図３と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、説明を省略する。
【００３６】
このように、第３実施形態の混合媒体発電システム１０では、バッファタンク２２（２２ａ，２２ｂ）に保持される媒体の追加・削減を行うことで、システムを停止させることなく、システム循環する混合媒体の濃度を大きく変更させることができる。
【００３７】
つまり、第１熱源１１の出力が定常状態から大きく乖離した場合、バッファタンク２２の容量の限界により、最大効率を得るための混合媒体の濃度調整が不能になってしまう。この場合、バッファタンク２２に保持されている媒体を排出させたり、外部から低沸点媒体又は高沸点媒体を注入したりする機能をもたせることにより、混合媒体の濃度調整範囲を拡張することができる。
【００３８】
（第４実施形態）
図５に示すように、第４実施形態の混合媒体発電システム１０において、第２熱源３０から熱伝達する第２熱交換器３１ａ（３１）が、第１熱源１１及び第１熱交換器１５を結ぶパスに設けられている。なお、図５において図３と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、説明を省略する。
【００３９】
第４実施形態は、太陽光等の第２熱源３０を用い、第１熱源１１から供給される熱媒体をさらに第２熱交換器３１ａ（３１）により加熱する構成とした。これにより、システム循環する混合媒体に伝達される熱量が増大し、気相の発生を増大させ、タービン１７の仕事量を向上させることができる。
【００４０】
一方において、太陽光等の第２熱源３０を利用する第２熱交換器３１が交換する熱エネルギーは、時間による変動が激しいために、システム循環させる混合媒体の濃度を適宜変化させ、熱源変動を吸収して安定化を図る必要がある。
【００４１】
ここで、第１熱交換器１５の入口温度Ｔin、その平均値Ｔinaveとすれば、変動温度ΔＴは次式（７）のように示される。
ΔＴ＝Ｔin−Ｔinave      （７）
【００４２】
よって、バッファタンク２２に保持される液体量を変化させて、次式（８）を満たしつつ、次式（９）が最大値をとるように、循環する混合媒体における低沸点媒体の濃度ｍ'を変動させる。これにより、第２熱源３０の出力変動を吸収し安定した動作を実現することができる。
Ｔinave＋ΔＴ−Ｔp≧Ｔdew(ｍ')    （８）
ＡＥ(ｍＬ')／Ｌｔ(ｍＬ')    （９）
【００４３】
太陽光等の第２熱源３０を利用する第２熱交換器３１は、例えば、タワー式集光形であれば最高で１０００℃程度、トラフ式集光形であれば４００℃程度の高温とすることができる。このために、出力変動が過剰方向に進む場合があり、この場合は、循環する混合媒体の濃度ｍ'が高沸点媒体リッチになるように濃度調整部２０を調整する必要がある。
【００４４】
（第５実施形態）
図６に示すように、第５実施形態の混合媒体発電システム１０において、第２熱源３０から熱伝達する第２熱交換器３１ｂ（３１）が、第１熱交換器１５及び第１セパレータ１６を結ぶパスに設けられている。さらに、第１セパレータ１６で分離された気相の一部をタービン１７の前段において分取し混合媒体に熱伝達する加熱器３３を備えている。
なお、この加熱器３３の後段には、濃度調整部２０ｃ（２０）が設けられている。なお、図６において図３と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、説明を省略する。
【００４５】
第５実施形態においては、混合媒体は、システム循環の過程において、加熱器３３及び第２熱交換器３１ｂによりさらに加熱されることになる。これにより、第１セパレータ１６で分離してタービン１７に供給する気相の量を増大させることができる。
また、バルブ３２の開閉動作により分取された気相の一部は、加熱器３３で熱交換した後に、凝縮して液化して濃度調整部２０ｃ（２０）に貯留される。
【００４６】
（第６実施形態）
図７に示すように、第６実施形態の混合媒体発電システム１０は、第１セパレータ１６で分離された液相に第２熱源３０から熱伝達する第２熱交換器３１ｃと、この加熱された液相をさらに気相と液相に再分離する第２セパレータ３４と、を備えている。
そして、この再分離した気相はタービン１７に送られて仕事をするとともに、再分離した液相は収容タンク１２に導かれることになる。
なお、図７において図３と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、説明を省略する。
【００４７】
第６実施形態では、高沸点媒体リッチな液相が、第１熱交換器１５よりも高温設定される第２熱交換器３１ｃで再加熱されることになる。したがって、第２熱交換器３１ｃの設定温度と、高沸点媒体リッチな液相の沸点との温度差が小さくなるので、高効率な熱交換が実現される。
【００４８】
本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…混合媒体発電システム、１１…第１熱源、１２…収容タンク、１３…ポンプ、１４…加熱器、１５…第１熱交換器、１６…第１セパレータ、１７…タービン、１８…冷却器、２０ａ（２０）…第１濃度調整部（濃度調整部）、２０ｂ（２０）…第２濃度調整部（濃度調整部）、２１（２１ａ，２１ｂ）…バルブ、２２ａ（２２）…第１バッファタンク（バッファタンク）、２２ｂ（２２）…第２バッファタンク（バッファタンク）、２３（２３ａ，２３ｂ）…バルブ、２４（２４ａ，２４ｂ）…注入手段、２５（２５ａ，２５ｂ）…バイパス、３０…第２熱源、３１（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）…第２熱交換器、３２…バルブ、３３…加熱器、３４…第２セパレータ。
【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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