(57)【要約】【課題】スケール付着物資、腐食性物質、摩食性物質を含む低カロリースチーム、低カロリー排ガス或いは低カロリー熱水などの廃棄エネルギー流体の熱エネルギーを従来システムの約３倍の発電効率で、電力エネルギーに変換する革新的発電システムを提供すること。【解決手段】タービン等の回転式断熱膨張機械を使用する従来の発電システムとは全く異なる半導体（熱電変換素子）の集積回路を使用し、且つ、「ニュートンのエネルギー保存の法則」を直接的に適用する。革新的な「潜熱循環」発電システムは従来のバイナリー発電システムの約３倍の発電効率を達成できる。その理論的根拠は図３及び熱力学理論式（１）〜（６）により明瞭に証明される。【選択図】図３
2016019462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自噴水蒸気又は自噴熱水、或いは廃熱などの低カロリー熱源、又はその他の高カロリー熱源を利用する発電設備において、潜熱を有するエネルギー流体を循環することを特徴とする発電効率の向上システム。
【請求項２】
請求項１の実施において、原動機タービンやブラシ発電機などの回転部分を完全排除して、半導体（熱電変換素子）により発電することを特徴とする低カロリー熱源発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、工場廃熱、都市ごみ焼却炉排ガス、アルミ精錬排ガス、自噴水蒸気、自噴熱水などの腐食性又は摩食性成分を含む低カロリー熱源発電システム（当然、高カロリー熱源を含む）発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】これらの低カロリー熱源は通常、特有の硫黄化合物、その他の不純物を多量に含む場合が多い。
これらの不純物が発電設備に多大の悪影響を与えることを回避する為に、２次蒸気を利用するバイナリー発電システムが開発された経緯がある。
しかしながら、バイナリー発電システムは太陽光発電や風力発電と同様に、発電効率が４〜７％という極めて低い水準の為、家電製品の場合とは異なり、発電効率を重視する工業規模の設備では，設備費の償却が困難であった。
一例として、水力発電単価はｋＷｈ当り１３．６円を報告することができる。
因みに、本発明による発電システムの発電単価は水力発電より安いｋＷｈ当り１１円である。
更に、低カロリー熱源の場合、前述の如くスケール付着、腐食及び摩食成分を含む熱源が多いので，発電単価の評価以前に、技術的解決するべき多くの課題を抱えていることは周知の事実である。
本発明は構造的に回転機械を全く含まない為、前記損傷に耐えることが可能であり、メンテナンスが容易となり、多様な規模の低カロリー熱源発電に適用できるだけではなくて、ニュートン熱力学に準拠した潜熱循環システムにより、各既存発電システムの発電効率を約３倍に飛躍させる革新的技術に関する。
従来の技術においても、エネルギー流体の顕熱の保存システムは存在したが、従来技術は潜熱保存システムを顧みることがなかったことは否定できない。
本発明を構成する潜熱保存技術は発電システムに流入するエネルギー流体の潜熱の２２．７５％を電力に変換できる。
此れは従来技術の最高発電効率の約３倍強に相当する。
他方、この飛躍的発電効率の達成可能根拠が後述の熱力学関係式（１）〜（６）により理論的に証明される事実も又、誰も否定できない事実と言える。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  １）スケール付着予防
【０００４】スケールが付着すると、経年的に発電出力が減少し、長期間の使用が困難となる。これを防止するためには、この不純物を除去することが必要となるが、不純物を除去するには、一定期間、発電装置の運転を止めざるを得ず、発電装置の恒常的な稼働に支障をきたすことになるだけでなく、多額の経費を浪費することになる。スケールが付着しない構造部材の交換が容易な発電方式を実現することは低カロリー発電装置が直面する急務の第１であった。
２）腐食及び又は摩食予防
【０００５】他方、低カロリーエネルギー流体に共存するアンモニア、硫化水素、炭酸ガス等の腐食性ガス成分は発電装置の原動機たる旧来のタービン翼を激しく腐食するために、その修理の為には、多大の経費と熟練した技術者を必要としていたが、採算性の悪化を来たす低カロリー発電装置の稼働継続を困難にする最大の原因の一つになっていた。
このタービン翼の耐食性改善は低カロリー発電装置が直面する解決するべき急務の第２であった。
３）発電効率の飛躍的向上
【０００６】従来の発電システムでは、発電効率が極めて低い為、特に小容量発電システムでは、高価な設備の償却が不可能であった。
例えば、０．１５ＭＰａＧ  １２７℃の自噴蒸気の場合、バイナリー発電システムの送電端出力は３４ｋＷｈ／ｈであったが、発電設備建設費は約７５００万円となり、設備償却は不可能であった。しかも、その発電効率は約４％でしかなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】本発明による潜熱循環型発電設備は従来型のタービンとブラシ型発電機を完全撤去して、熱電変換素子による発電を行うが、回転部分が存在しない為、スケール付着もなく、メンテナンスが容易である。
又、熱電変換素子には防食コーティングが容易に施工出来る為、腐食や摩食の問題も排除できる。
１）スケール付着防止手段
【０００８】解決するべき第１の課題の解決手段、即ちタービン翼へのスケール付着防止の為に、本発明が採用したのはスケールが付着する対象物であるタービン翼を発電システムから完全撤去することから始まる。
一般に、旧来型スチームタービンは、動翼（羽根車）、静翼（ノズル）、インペラー、軸、軸受、軸封から構成されているが、本発明の根幹を為す半導体（熱電変換素子）には、元来、回転部分が全く存在しない。
その為、スチーム＋熱水中のカルシウム、マグネシウムなどのスケール発生物質の付着対象が存在しない。
この為、発電システムが稼働中には、スケール発生成分は凝縮水側に残されると解釈しても間違いはない。
更に、確実性を得る為に、発電システムのエネルギー流体入口には６５０〜８５０℃の白熱ゴーズを設置する為、スケール付着成分は溶融塩になって凝縮水中に入った時点で固体微粒子として除去できる。
６５０℃以上でなければ、重金属は気相として存在できない。
然しながら、発電システムが停止時、又は停止期間中には、発電システムに凝縮水が残る為、凝縮水中にスケール固体成分とその溶解イオンが残る傾向は、尚、避けられないことも事実である。
スケール付着トラブルを完全に解決したことにはならないが、付着速度が大幅に低下することには間違いがない。
しかしながら、運転停止が頻発したり、停止期間が長い場合には、着実にスケールが成長する傾向は残る。
そのようなケースでも、この付着スケール除去作業はタービンブレードが存在しない為、旧来型有翼タービンのスケール除去作業よりは、タービン翼が無い分だけ著しく簡素化される利点がある。
２）防食手段
【０００９】第２の課題の解決手段、即ちタービン腐食防止の為に、本発明が着目し．考案したのはタービンの撤去と代替品としての半導体（熱電変換素子）の採用である。この半導体の表面に防食コーティングを施工する。
４）発電効率の飛躍的向上手段
【００１０】第３の課題の解決手段として、本発明は潜熱循環システムを採用している。
この循環システムは従来型のバイナリー発電システムのように、システムを通過するエネルギー流体の余剰潜熱を顕熱としてシステム外に廃棄する方式を完全に排除している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】  なし
【非特許文献】
【００１２】  なし
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
【１）スケール付着予防】
【００１４】スケールが付着すると、経年的に発電出力が減少し、長期間の使用が困難となる。これを防止するためには、この不純物を除去することが必要となるが、不純物を除去するには、一定期間、発電装置の運転を止めざるを得ず、発電装置の恒常的な稼働に支障をきたすことになるだけでなく、多額の経費を浪費することになる。スケールが付着しない構造部材の交換が容易な発電方式を実現することは低カロリー発電装置が直面する急務の第１であった。
【２）腐食及び又は摩食予防】
【００１５】他方、低カロリーエネルギー流体に共存するアンモニア、硫化水素、炭酸ガス等の腐食性ガス成分は発電装置の原動機たる旧来のタービン翼を激しく腐食するために、その修理の為には、多大の経費と熟練した技術者を必要としていたが、採算性の悪化を来たす低カロリー発電装置の稼働継続を困難にする最大の原因の一つになっていた。
このタービン翼の耐食性改善は低カロリー発電装置が直面する解決するべき急務の第２であった。
【２）発電効率の飛躍的向上】
【００１６】従来の発電システムでは、発電効率が極めて低い為、特に小容量発電システムでは、高価な設備の償却が不可能であった。
例えば、０．１５ＭＰａＧ  １２７℃の自噴蒸気の場合、バイナリー発電システムの送電端出力は３４ｋＷｈ／ｈであったが、発電設備建設費は約７５００万円となり、設備償却は不能であった。しかも、その発電効率は約４％でしかなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】本発明による潜熱循環型発電設備は従来型のタービンとブラシ型発電機を完全撤去して、熱電変換素子による発電を行うが、回転部分が存在しない為、スケール付着もなく、メンテナンスが容易である。
又、熱電変換素子には防食コーティングが容易に施工出来る為、腐食や摩食の問題も排除できる。
【１）スケール付着防止手段】
【００１８】解決するべき第１の課題の解決手段、即ちタービン翼へのスケール付着防止の為に、本発明が採用したのはスケールが付着する対象物であるタービン翼を発電装置から完全撤去することから始まる。
一般に、旧来型スチームタービンは、動翼（羽根車）、静翼（ノズル）、一般に、旧来型スチームタービンは、動翼（羽根車）、静翼（ノズル）、インペラー、軸、軸受、軸封から構成されているが、本発明の根幹を為す半導体（熱電変換素子）には、元来、回転部分が全く存在しない。
その為、スチーム＋熱水中のカルシウム、マグネシウムなどのスケール発生物質の付着対象が存在しない。この為、発電システムが稼働中には、スケール発生成分は凝縮水側に残されると解釈しても間違いはない。
更に、確実性を得る為に、発電システムのエネルギー流体入口には６５０〜８５０℃の白熱ゴーズを設置する為、スケール付着成分は溶融塩になって凝縮水中に入った時点で固体微粒子として除去できる。
実は、６５０℃以上でなければ、重金属は気相として存在できない。
然しながら、発電システムが停止時、又は停止期間中には、発電システムに凝縮水が残る為、凝縮水中にスケール固体成分とその溶解イオンが残る傾向は、尚、避けられないことも事実である。
スケール付着トラブルを完全に解決したことにはならないが、付着速度が大幅に低下することには間違いがない。
しかしながら、運転停止が頻発したり、停止期間が長い場合には、着実にスケールが成長する傾向は残る。
そのようなケースでも、この付着スケール除去作業はタービンブレードが存在しない為、旧来型有翼タービンのスケール除去作業よりは、タービン翼が無い分だけ著しく簡素化される利点がある。
【２）防食手段】
【００１９】第２の課題の解決手段、即ちタービン腐食防止の為に、本発明が着目し．考案したのはタービンの撤去と代替品としての半導体（熱電変換素子）の採用である。この半導体の表面に防食コーティングを施工する。
【３）発電効率の飛躍的向上手段】
【００２０】第３の課題の解決手段として、本発明は潜熱循環システムを採用している。
この潜熱循環システムは従来型のバイナリー発電システムのように、システムを通過するエネルギー流体の余剰潜熱を顕熱としてシステム外に廃棄する方式を完全に排除している。
潜熱循環システムにより、システムを素通りする潜熱がゼロになり、発電効率が約３倍になった。
この事実は感覚的観察事実ではなくて、次項の熱力学的関係式（１）〜（６）により明瞭に証明される。
【４）潜熱循環システムと発電効率向上理論の解析】
【００２１】図２に沿って下記の如く理論解析できる。
発電システム入口エネルギー流体エンタルピー：
Ａ  ｋＪ／ｈ＝  水蒸気顕熱Ａ１＋水顕熱Ａ２
循環エネルギー流体のエンタルピー：Ｂ  ｋＪ／ｈ
凝縮水エンタルピー：  水の顕熱  Ａ２
発電出力：  Ｐ  ｋＪ／ｈ＝０．０００２７７７Ｐ  ｋＷｈ／ｈ
ΔＰ１≒ΔＰ２
本発明システムの発電機廻りの発電効率  η１＝Ｐ１／（Ａ＋Ｂ）      （１）
本発明システムのシステム全体の発電効率  η２＝Ｐ１／Ａ            （２）
従来システムのシステム全体の発電効率  η３＝Ｐ２／Ａ              （３）
式（１）及び式（２）から１／η２＝（１／η１）−（Ｂ／Ｐ１）
従って、η２＝１／［（１／η１）−（Ｂ／Ｐ１）］  ＞  １／［（１／η１）］＝η１      （４）
本発明のシステム全体の発電効率η２＞従来システムの発電効率η１
η１＝η３である為、Ｐ１／（Ａ＋Ｂ）＝（Ｐ２／Ａ）
従って、Ｐ２＝（Ａ／（Ａ＋Ｂ））Ｐ１
又はＰ１＝（Ａ＋Ｂ）Ｐ２／Ａ＝（１＋Ｂ／Ａ）Ｐ２
従って、Ｂ／Ａ≧０の場合には、Ｐ１＝（１＋Ｂ／Ａ）Ｐ２≧Ｐ２      （５）
又は  Ｐ１−Ｐ２≧０  或いは  Ｐ２−Ｐ１≦０
従って、η２−η３＝（Ｐ１−Ｐ２）／Ａ≧０
又は、η２≧η３                                                  （６）
「因って、本発明による循環システムの発電量Ｐ１は常に従来システムの発電量Ｐ２よりも大きいことを式（５）は理論的に証明した」と宣言できる。
式（４）により、循環エンタルピーがゼロ（Ｂ＝０）の場合、全体発電効率（η２）は最小（η２＝η１）になることも判る。
式（４）により、循環量エンタルピーを伴うη２はいつも、η１より大きい。
式（５）は常に、本発明による発電システムη２が従来システムの発電効率η３より大きいことを理論証明している。
式（４）により、循環量エンタルピー（Ｂ）が増大する程、全体発電効率（η２）が最大に近づくことがわかる
式（６）により「本発明の全体発電効率η２が常に従来システムのη３より大きいことが理論的に証明された」と宜言しても良い。
エンタルピーＢ＝Ｐ１／η１の時であるが、エネルギー流体の対流及び伝導伝熱式と式（４）及び発電式の３個の連立方程式の解を求める必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る低エンタルピー発電システムの構成を示す系統図である。発電システム外の水蒸気及び熱水の混合流体は６５０℃〜８５０℃に加熱された白熱ゴーズスクリーン１において同伴する重金属ミストを除去された後、水蒸気回収管  ２を経て、次に第１気液分離器３に入り、スチームと凝縮水に気液分離される。３の頂部から出る水蒸気は潜熱を含む循環スチームと合流した後、半導体（熱電変換素子）により構成される発電機４に入り、熱エネルギーを電力エネルギーに変換される。この熱エネルギーは前記半導体（熱電変換素子）を通して高温側流体（スチーム又は温水或いは排ガス）と低温側流体（冷却水）との温度差による対流及び伝導伝熱量により賄われる。当該伝熱量の一部は冷却水顕熱上昇へ、残部は半導体（熱電変換素子］に供給されて電力エネルギーに変換される。発電効率は発電システムに流入する高温流体の潜熱基準２２．５％になる。その発電効率はバイナリー発電システムの最高発電効率の約３倍である。繰り返しになるが、これは理論式（１）〜（４）により証明される。他方、熱電変換素子に集積回路である熱電発電機４において、熱エネルギーを連続的に休みなく、高温側から低温側に熱移動させるためには、当該熱移動により顕熱上昇する低温側の冷却流体を再冷却する必要がある。そのためには。熱電変換発電機４の低温側を出る冷却水を冷却塔７に導き、ファンにより冷却水の一部を蒸発させて、その蒸発潜熱により、冷却水を再冷却した後、冷却水循環ポンプ９により前記発電機４に再循環させて、高温側流体（スチーム）からの低温側流体への熱移動を連続的に実施する。一方、当該発電機の高温側を出た高温流体（スチーム）と凝縮水の混合物は後続の第２気液分離器１１に入り、凝縮水を分離された後、潜熱循環機８により、再び前記発電機４の入口において、気液分離器４の頂部から出るスチームと合流して、前記発電機４の高温側に戻り、直流発電を連続的に継続する。発電された直流電力は直流／交流変換機５において、交流に変換された後、インバーター６において周波数調整された後、システム外へ送電される。１）発電システム系統図
【図２】図２は、本発明の発電効率上昇の理論根拠を示す概念図である。その説明は項目［０００８］の理論関係式において詳述した通りである。２）飛躍的発電効率向上の理論根拠モデル
【図３】図３は発電機廻りの部分発電効率と発電システム全体の発電効率と潜熱循環量の関係を示すグラフである。常に、本発明による発電システムの発電効率が従来システムの発電効率より大きいことを理論証明している。全体発電効率η２が最大（無限大）になるのは、エネルギー流体の対流及び伝導伝熱式と式（４）及び発電式の３個の連立方程式の解を求める必要がある。後述の実施例では、η２＝１９１．９ｘ８６０／１３８０／５２２＝２２．９％が上記の３連立  ３）潜熱循環量Ｂと発電機廻りの部分発電効率η１とシステム全体発電効率η２の関係図
【発明を実施するための形態】
【００２３】本発明の実施の形態を図面１を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００２４】圧力  ０．１５ＭｐａＧの廃スチームによる発電システムの発電実績の運転結果
入口スチーム  ０．１５ＭＰａＧ  飽和：１３８０ｋｇ／ｈ
冷却水        ０．１５ＭＰａＧ，３２℃、５３，９００ｋｇ／ｈ
発電端電力量  １９１．９ｋＷｈ／ｈ
送電端電力量  １８３．８５ｋＷｈ／ｈ
発電機部分発電効率η１＝７％
システム全体発電効率η２＝２２．９％
【産業上の利用可能性】
【００２５】本発明は、工場廃熱、都市ごみ焼却炉排ガス、アルミ精錬排ガス、自噴水蒸気、自噴熱水などの腐食性又は摩食性成分を含む低カロリー熱源発電システム（当然、高カロリー熱源を含む）発電システムに利用可能であるが、硫化水素  硫黄酸化物、炭酸ガス、炭安などの腐食性線分を含む熱源に対しては本発電システムの上流側において、前処理により腐食性成分の除去操作が望ましい。
【符号の説明】
【００２６】１  白熱ゴーズスクリーン
２  水蒸気回収管
３  第１気液分離器
４  発電機
５  直流／交流変換機
６  周波数調整機（インバーター）
７  冷却塔
８  潜熱循環機
９  冷却水循環ポンプ
１０  冷却水補給ポンプ
１１  第２気液分離器・・・・】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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