(57)【要約】【課題】バイナリーの発電システムに関して、さらに高出力の発電システムを提供する。【解決手段】蒸発した低沸点媒体によってタービン３２を回転させて発電する発電システム３０において、タービン３２に送り出される低沸点媒体を、第１外部熱媒体によって加熱して蒸発させる加熱器３８と、タービンから出た低沸点媒体を、第２外部熱媒体によって冷却して液化させる冷却器４０と、冷却器４０と加熱器３８との間に設けられ、冷却器４０によって液化された低沸点媒体を加熱器３８へ送り込む供給ポンプ４２と、供給ポンプ４２の回転軸４３に接続され、供給ポンプ４２を回転駆動させるモータ４６と、供給ポンプ４２の回転軸４３とタービン３２の回転軸３１とを連結し、タービン３２の回転数が所定回転数以上になったときに、タービン３２の回転軸３１と供給ポンプ４２の回転軸４３との接続を遮断する動力伝達手段４４とを具備する。【選択図】図１
2013217209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
発電機に接続された回転軸を有するタービンとを備え、
蒸発した低沸点媒体によってタービンを回転させて発電する発電システムにおいて、
タービンに送り出される低沸点媒体を、第１外部熱媒体によって加熱して蒸発させる加熱器と、
タービンから出た低沸点媒体を、第２外部熱媒体によって冷却して液化させる冷却器と、
前記冷却器と前記加熱器との間に設けられ、冷却器によって液化された低沸点媒体を加熱器へ送り込む供給ポンプと、
供給ポンプの回転軸に接続されて、供給ポンプを回転駆動させるモータと、
供給ポンプの回転軸と前記タービンの回転軸とを連結し、タービンの回転数が所定回転数以上になったときに、タービンの回転軸と供給ポンプの回転軸との接続を遮断する動力伝達手段とを具備することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記加熱器と前記冷却器との間には、前記タービンを介さずに低沸点媒体をバイパスさせるバイパス管が設けられ、
該パイパス管の開閉するバルブが設けられていることを特徴とする発電システム。
【請求項３】
前記供給ポンプの上流側には、液貯めタンクが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電システムとして良く知られているものに、水力発電、火力発電、原子力発電等がある。水力発電では、用地の選定やダムに溜まった土砂の排出などに問題がある。火力発電については、液化天然ガスや原油を原料としているが、いずれも天然資源を消費する形で発電が行われている。原子力発電については、放射性物質の取り扱いなどの課題がある。
なお、風力発電、太陽光発電等も普及してきてはいるが、効率や発電量の面からまだ大規模に普及しているわけではない。
【０００３】
上記の既存のシステム以外に、バイナリー発電システムという新しい概念の発電システムが提案されている。この発電システムの一例として、特許文献１には、低沸点の作動媒体ガスを用いて発電を行う発電システムが開示されている。
このような発電システムは、基本的には小規模用途ではあるが、従来の火力発電等に比較して環境に対してクリーンな発電方法である。
【０００４】
特許文献１の発電システムでは、低沸点の作動媒体ガスは、閉ループ内を循環するように設けられている。まず、作動媒体ガスは、外部熱源によって加熱膨張され、タービンを回転させる。タービンを回転させた作動媒体ガスは、凝集器で凝集されて液化される。
このように、外部熱源と作動媒体ガスの２つの熱サイクルを利用するシステムがバイナリー発電システムと称されている。この発電システムでは、低沸点の作動媒体ガスを用いることにより、外部熱源として温水を用いることができるため、高温を発生させる必要がない。このため、液化天然ガスや原油を用いたり、放射性物質を用いることなく、従来よりも環境に対してクリーンな発電システムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１３０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１に開示された発電システムにおいては、タービンを低沸点の作動媒体ガスを用いて回転させているが、数十ｋＷ程度の出力しかなく、さらに高出力の発電システムが望まれているという課題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、バイナリーの発電システムに関して、さらに高出力の発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる発電システムによれば、発電機と、発電機に接続された回転軸を有するタービンとを備え、蒸発した低沸点媒体によってタービンを回転させて発電する発電システムにおいて、タービンに送り出される低沸点媒体を、第１外部熱媒体によって加熱して蒸発させる加熱器と、タービンから出た低沸点媒体を、第２外部熱媒体によって冷却して液化させる冷却器と、前記冷却器と前記加熱器との間に設けられ、冷却器によって液化された低沸点媒体を加熱器へ送り込む供給ポンプと、供給ポンプの回転軸に接続されて、供給ポンプを回転駆動させるモータと、供給ポンプの回転軸と前記タービンの回転軸とを連結し、タービンの回転数が所定回転数以上になったときに、タービンの回転軸と供給ポンプの回転軸との接続を遮断する動力伝達手段とを具備することを特徴としている。
この構成を採用することによって、まず駆動時にはモータの回転によって、供給ポンプを駆動させて低沸点媒体を加熱器に送り込む。加熱器で加熱されて蒸発した低沸点媒体は、タービンを回転させ、発電機が発電する。タービンの回転軸と供給ポンプの回転軸は動力伝達手段を介して連結されているので、起動時にはモータの回転力によってタービンもスムーズに回転開始するため高出力化を図ることができる。その後タービンの回転が高回転となると、その回転はモータ側には伝達されず、モータが負荷となってしまうことがなく、高出力を維持することができる。
【０００９】
また、前記加熱器と前記冷却器との間には、前記タービンを介さずに低沸点媒体をバイパスさせるバイパス管が設けられ、該パイパス管の開閉するバルブが設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、加熱器内の低沸点媒体が所定以上の高圧となってしまった場合であっても、この高圧の低沸点媒体を冷却器へバイパスできる。このため、タービンへの負荷を軽減することができる。
【００１０】
さらに、前記供給ポンプの上流側には、液ためタンクが設けられていることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発電システムによれば、環境に対してクリーンなバイナリー発電システムの発電量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る発電システムの概略構成図である。
【図２】発電システムの他の実施形態を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る発電システムの概要を図１に示す。
本実施形態の発電システム３０は、蒸発させた低沸点媒体によってタービン３２を回転させ、タービン３２の回転軸３１に接続された発電機３５によって発電を行うシステムである。
低沸点媒体としては、二酸化炭素、アンモニア、ベンタン等を採用することができる。
【００１４】
低沸点媒体は、閉回路である媒体流路３６内を循環する。図１では、媒体流路３６にはハッチングを施している。
媒体流路３６は、低沸点媒体を蒸発温度まで加熱する加熱器３８、タービン３２、低沸点媒体を冷却する冷却器４０、冷却器４０側から加熱器３８側に低沸点媒体を送り込む供給ポンプ４２との間に配置されている。低沸点媒体は、媒体流路３６内を、加熱器３８、タービン３２，冷却器４０、供給ポンプ４２の順番で循環する。
【００１５】
タービン３２には回転軸３１が設けられている。この回転軸３１の一方側は、発電機３５の回転軸と一体に構成されており、タービン３２の回転力は発電機３５を直接作動させる。
タービン３２の回転軸３１の他方側（発電機３５側と反対の側）は、供給ポンプ４２の回転軸４３の一方側と接続され、タービン３２の回転軸３１と供給ポンプ４２の回転軸４３とは一体に回転可能となるように設けられている。
なお、タービン３２の回転軸３１と供給ポンプ４２の回転軸４３とは動力伝達手段４４によって連結されている。動力伝達手段４４としては、クラッチ機構、トルクコンバータ等が挙げられる。
【００１６】
供給ポンプ４２は、低沸点媒体を加熱器３８に送り込むために動作するものであって、モータ４６によって駆動している。すなわち、供給ポンプ４２の回転軸４３の他方側（タービン３２側と反対の側）はモータ４６の回転軸と接続されている。具体的には、モータ４６の回転軸と供給ポンプ４２の回転軸は一体に構成されている。
供給ポンプ４２としては、容積型ポンプであるピストンポンプ、非容積型ポンプである遠心ポンプ等を採用することができる。
【００１７】
加熱器３８、冷却器４０ともに一般的な熱交換器を採用することができる。熱交換器としてはプレート式、二重管式等が考えられる。本実施形態では、二重管式の場合を図示している。二重管式の熱交換器は、媒体流路３６の外周を外部熱源である温水や冷却水が通過する管を包むようにして配置されている。二重管式の熱交換器としては、温度調整対象の低沸点媒体の流れの向きと、外部熱源である温水や冷却水の向きと対向するような向流式の方が、熱交換効率が良いので好ましい。
【００１８】
加熱器３８では、低沸点媒体を蒸発温度にまで加熱しているが、低沸点媒体を加熱する外部熱媒体としては例えば外部から導入される温水（６０℃以上）を用いることができる。
冷却器４０では、低沸点媒体を液化するように冷却している。低沸点媒体を冷却する外部熱媒体としては例えば外部から導入される冷水を用いることができる。
加熱器３８に導入される温水は、工場から排出される温水等を用いることができる。また、冷却器４０に導入される冷却水もどのようなものであってもよい。
【００１９】
タービン３２は、流体としての低沸点媒体の運動エネルギーを、発電機３５に連結された回転軸３１の回転エネルギーに連続して変換できる回転装置である。タービン３２としては、例えば産業用のガスタービン等を採用することができるが、軸流、斜流、半径流などいずれの構成でも採用できる。
【００２０】
冷却器４０で液化された低沸点媒体は、供給ポンプ４２によって再度加熱器３８へ導入されるが、供給ポンプ４２としては、ピストンポンプ等を採用することができる。
供給ポンプ４２は、モータ４６の駆動力によって動作する。モータ４６は、低沸点媒体がタービン３２を回転させ始めてもさらに供給ポンプ４２を駆動させるように動作するので、タービン３２には常に高圧の低沸点媒体が送り込まれ、高出力の発電システムとして非常に有効である。
【００２１】
なお、モータ４６が供給ポンプ４２を常時駆動させているので、タービン３２の回転軸３１からの回転力がモータ４６側に伝達されないように遮断する動力伝達手段４４が必要となる。タービン３２の回転がモータ４６に伝達されてしまうと、モータ４６が負荷となってしまいタービン３２の回転を抑えてしまうからである。
動力伝達手段４４としてクラッチ機構を採用した場合、タービン３２の回転数が予め設定された所定回転数になった場合、クラッチを遮断するように制御する制御部（図示せず）を設けるとよい。制御部は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成され、予め設定された制御プログラムに基づいて動作を実行する。
なお、制御部は、タービン３２の回転数が予め設定した回転数未満となった場合には、再度クラッチを接続し、モータ４６からの回転力をタービン３２へ伝達するようにするとよい。
【００２２】
なお、動力伝達手段４４としてトルクコンバータを採用した場合、タービン３２のトルクが所定のトルクになった場合に、トルクコンバータは、モータ４６側の回転軸４３とタービン３２側の回転軸３１とが滑って動力の伝達を遮断するように自動的に動作する。
【００２３】
図２には、発電システムの他の実施形態の略線図を示す。
図２の発電システムでは、媒体流路３６の加熱側と冷却側とをバイパスするバイパス管５０が設けられている。バイパス管５０は、加熱器３８の下流側の媒体流路３６と、冷却器４０の下流側の媒体流路３６とを連結している。バイパス管５０の中途部には、バイパス管５０を開閉するバルブ５２が設けられている。
【００２４】
バルブ５２は、通常時には閉じているが、加熱器３８の下流側の媒体流路３６の圧力が所定以上の圧力になった場合には、バイパス管５０を開けて高圧の作動媒体をタービン３２へ供給させずに、冷却器４０の下流側の媒体流路３６へ流すようにする。このようにすることで、所定以上の高圧の作動媒体がタービン３２に入力されることがなく、破損や故障を防止することができる。
なお、加熱側の媒体流路３６内の圧力を検出する圧力センサ５３が加熱器３８の下流側に設けられており、この圧力センサ５３の検出した圧力値に基づいてバイパス管５０のバルブ５２を開閉するようにするとよい。バルブ５２の開閉は手動で行っても良いが、上述した制御部が自動的に実行してもよい。制御部がバルブ５２の開閉を実行する場合には、予めバルブ５２を開くときの圧力値を設定しておく。
【００２５】
また、冷却器４０の下流側の媒体流路３６には、液溜めタンク（アキュームレータ）５４が設けられている。この液溜めタンク５４が設けられていることによって、緊急時に必要な動作を行う際に、必要なエネルギーを蓄えておくことができる。
【００２６】
さらに、冷却器４０の上流側の媒体流路３６には、冷却器４０に導入される低沸点媒体の流量を調整する制御バルブ５６を設けてもよい。制御バルブ５６を制御して低沸点媒体の流量を調整することによって、タービン３２の回転数を制御することが可能となる。
【符号の説明】
【００２７】
３０  発電システム
３１  回転軸
３２  タービン
３５  発電機
３６  媒体流路
３８  加熱器
４０  冷却器
４２  供給ポンプ
４３  回転軸
４４  動力伝達手段
４６  モータ
５０  バイパス管
５２  バルブ
５３  圧力センサ
５４  タンク
５６  制御バルブ
【図１】
2013217209.tif 000003
【図２】
2013217209.tif 000004