(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生させ、
この媒体排気の一部を凝縮させて混合媒体からなる液状の作動媒体を加熱し、これにより、予熱した液状の作動媒体を生成し、
前記予熱した液状の作動媒体を第１および第２の作動媒体に分配し、
前記第１の作動媒体の一部を、前記媒体排気の一部の凝縮で生じた熱を用い、蒸発させ、
前記第２の作動媒体の一部を、地熱水の冷却で生じた熱を用い、蒸発させ、
一部が蒸発した第１および第２の作動媒体を合流させ、
気化した作動媒体を得るように、一部が蒸発した前記第１および第２の作動媒体を、地熱水の冷却および地熱蒸気の凝縮で生じた熱を用い、蒸発させる、
段階を含む熱力学的サイクルを実行する方法。
【請求項２】
前記第１及び第２の作動媒体の蒸発温度が同一であり、前記第２の作動媒体の蒸発温度と前記地熱水温度との差を前記第１の作動媒体の蒸発温度と前記媒体排気温度との差よりも大きくしてなる請求項１記載の方法。
【請求項３】
気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生させ、
この媒体排気の一部を凝縮させて混合媒体からなる液状の作動媒体を加熱し、これにより、予熱した液状の作動媒体を生成し、
気化した作動媒体を得るように地熱水の冷却および地熱蒸気の凝縮で生じた熱を用いて加熱された前記作動媒体を蒸発させ、
地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生させ、
前記蒸発させる際に前記作動媒体を加熱すると共にその一部を蒸発させるように前記地熱排気を凝縮させ、この凝縮した地熱排気を前記冷却された前記地熱水と合流させる、
段階を含む熱力学的サイクルを実行する方法。
【請求項４】
気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生させ、
この媒体排気の一部を凝縮させて混合媒体からなる液状の作動媒体を加熱し、
気化した作動媒体を得るように地熱水の冷却および地熱蒸気の凝縮で生じた熱を用いて加熱された前記作動媒体を蒸発させ、
地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生させ、
前記地熱排気を第１及び第２の地熱排気に分配し、
前記蒸発させる際に加熱された前記作動媒体を加熱してその一部を蒸発させるように前記第１の地熱蒸気を凝縮させ、この凝縮した前記第１の地熱蒸気を前記地熱水と合流させ、
前記第２の地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共にさらなる地熱排気を発生させ、
前記蒸発させる際に加熱された前記作動媒体を加熱してその一部を蒸発させるように前記さらなる地熱排気を凝縮させ、この凝縮した前記さらなる地熱排気を前記地熱水と合流させる、
段階を含む熱力学的サイクルを実行する方法。
【請求項５】
気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生させ、
この媒体排気の一部を凝縮させて混合媒体からなる液状の作動媒体を予熱し、
予熱した前記作動媒体を第１および第２の作動媒体に分配し、
前記第１の作動媒体の一部を、前記媒体排気の一部の凝縮で生じた熱を用い、蒸発させ、
前記第２の作動媒体の一部を、地熱水の冷却で生じた熱を用い、蒸発させ、
一部が蒸発した前記第１および第２の作動媒体を合流させ、
一部が蒸発した前記第１および第２の作動媒体を、地熱水の冷却および地熱蒸気の凝縮で生じた熱を用い、蒸発させ、
過熱蒸気を得るように、前記蒸発した作動媒体を地熱水の冷却で生じた熱を用いて過熱する、
段階を含む熱力学的サイクルを実行する方法。
【請求項６】
前記第１及び第２の作動媒体の蒸発温度が同一であり、前記第２の作動媒体の蒸発温度と前記地熱水温度との差を前記第１の作動媒体の蒸発温度と前記媒体排気温度との差よりも大きくしてなる請求項５記載の方法。
【請求項７】
地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生し、
前記蒸発させる際に前記液状の作動媒体を加熱しその一部を蒸発させるように前記地熱排気を凝縮させ、この凝縮した地熱排気を前記地熱水と合流させる、
段階を更に含む請求項５記載の方法。
【請求項８】
地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生させ、
前記地熱排気を第１および第２の地熱蒸気に分配し、
前記蒸発させる際に前記液状の作動媒体を加熱しその一部を蒸発させるように前記第１の地熱蒸気を凝縮させ、この凝縮した前記第１の地熱蒸気を前記地熱水と合流させ、
前記第２の地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生させ、
前記蒸発させる際に、更に、前記液状の作動媒体を加熱しその一部を蒸発させるように前記地熱排気を凝縮させ、この凝縮した前記地熱排気を前記地熱水と合流させる、
段階を更に含む請求項５記載の方法。
【請求項９】
気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生させる手段と、
この媒体排気を受け入れるように連結された第１の熱交換器であって、前記媒体排気の一部を凝縮させると共に、生じた熱を混合媒体からなる液状の作動媒体に伝え、この結果、加熱された液状の作動媒体を生成する第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器から前記加熱された液状の作動媒体を受け入れるように連結された分配器であって、前記加熱された液状の作動媒体を第１および第２の作動媒体に分ける分配器と、
前記分配器から前記第１の作動媒体を受け入れ、前記膨張および媒体排気を第１の熱交換器にもたらす手段から前記媒体排気を受け入れるように連結された第２の熱交換器であって、前記第１の作動媒体の一部を蒸発させるように前記媒体排気の一部を凝縮させると共に生じた熱を該第１の作動媒体に伝える第２の熱交換器と、
前記分配器から前記第２の作動媒体を受け入れると共に地熱水を受け入れるように連結された第３の熱交換器であって、前記第２の作動媒体の一部を蒸発させるように前記地熱水を冷却すると共に生じた熱を該第２の作動媒体に伝える第３の熱交換器と、
前記第２および第３の熱交換器から前記部分的に蒸発した第１および第２の作動媒体を受け入れ合流させるように連結された混合器であって、一部が蒸発し再合流させられた作動媒体をもたらす混合器と、
地熱流体を地熱水と地熱蒸気とに分離する地熱流体セパレータと、
前記地熱流体セパレータから前記地熱水および前記地熱蒸気を受け入れると共に前記一部が蒸発し再合流させられた作動媒体を受け入れるように連結された多数の熱交換器であって、前記一部が蒸発した作動媒体を蒸発させ気化した作動媒体を得るように、前記地熱水を冷却し前記地熱蒸気を凝縮させると共に、生じた熱を該作動媒体に伝える多数の熱交換器と、を備え、
前記更なる多数の熱交換器は、前記気化した作動媒体が前記膨張させる手段にもたらされると共に、前記地熱水が前記第３の熱交換器にもたらされるように連結されている、熱力学的サイクルを実行するための装置。
【請求項１０】
気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生させる手段と、
この媒体排気を凝縮させると共に、生じた熱を混合媒体からなる液状の作動媒体に伝える熱交換器と、
地熱流体を地熱水と地熱蒸気とに分離するセパレータと、
前記液状の作動媒体を蒸発し気化した作動媒体を得るように、前記地熱水を冷却し前記地熱蒸気を凝縮させると共に、生じた熱を該作動媒体に伝える多数の熱交換器と、
を備えた熱力学的サイクルを実行するための装置であって、
地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生させる手段と、
前記液状の作動媒体の一部を蒸発させるように前記地熱排気を凝縮させると共に生じた熱を該作動媒体に伝える熱交換器と、
凝縮した前記地熱水を前記地熱水と合流させる混合器と、
を更に備えた装置。
【請求項１１】
気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生させる手段と、
この媒体排気を受け入れるように連結された第１の熱交換器であって、前記媒体排気の一部を凝縮させると共に、生じた熱を混合媒体からなる液状の作動媒体に伝え、この結果、加熱された液状の作動媒体を生成する第１の熱交換器と、
地熱流体を地熱水と地熱蒸気とに分離する地熱流体セパレータと、
前記地熱流体セパレータからの地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態に変換すると共に第１の地熱排気を発生させる第１の手段と、
前記地熱蒸気を膨張させる第１の手段からの前記第１の地熱排気を第１および第２の地熱蒸気に分ける分配器と、
前記第１の地熱蒸気を受け入れるために前記分配器に連結された第２の熱交換器であって、前記作動媒体の一部を蒸発させるように、前記第１の地熱蒸気を凝縮させて凝縮した第１の地熱蒸気にすると共に生じた熱を該作動媒体に伝える第２の熱交換器と、
前記凝縮した第１の地熱蒸気を前記地熱水と合流させるように連結された第１の混合器と、
前記第２の地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと交換すると共に第２の地熱排気を発生させる第２の手段と、
前記第２の地熱蒸気を膨張させる第２の手段に連結された第３の熱交換器であって、前記作動媒体の一部を蒸発させるように、前記第２の地熱排気を受け入れて前記第２の地熱排気を凝縮させると共に生じた熱を該作動媒体に伝える第３の熱交換器と、
前記凝縮した第２の地熱蒸気を前記地熱水と合流させるように連結された第２の混合器と、
前記地熱水を受け入れるように連結された多数の更なる熱交換器であって、前記作動媒体を加熱して蒸発させ気化した作動媒体を得るように、前記地熱水を冷却し生じた熱を該作動媒体に伝える多数の熱交換器と、を備え、
前記更なる熱交換器は、前記気化した作動媒体が前記膨張させる手段にもたらされるように連結されている、熱力学的サイクルを実行するための装置。
【請求項１２】
気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生する手段と、
前記媒体排気を凝縮させると共に生じた熱を混合媒体からなる液状の作動媒体に伝える熱交換器と、
地熱流体を地熱水と地熱蒸気とに分離するセパレータと、
加熱した前記作動媒体を第１および第２の作動媒体に分ける分配器と、
前記第１の作動媒体の一部を蒸発させるように前記媒体排気を凝縮させると共に生じた熱を該第１の作動媒体に伝える熱交換器と、
前記第２の作動媒体の一部を蒸発させるように前記地熱水を冷却すると共に生じた熱を該第２の作動媒体に伝える熱交換器と、
前記第１および第２の作動媒体を合流させる混合器と、
前記液状の作動媒体を蒸発させるように前記地熱水を冷却し、前記地熱蒸気を凝縮させると共に生じた熱を該作動媒体に伝える熱交換器と、
前記液状の作動媒体を過熱し、気化した作動媒体を得るように前記地熱水を冷却すると共に生じた熱を該作動媒体に伝える熱交換器と、
を備えてなる熱力学的サイクルを実行するための装置。
【請求項１３】
地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態に変換すると共に地熱排気を発生する手段と、
前記液状の作動媒体の一部を蒸発させるように前記地熱排気を凝縮させると共に生じた熱を該作動媒体に伝える熱交換器と、
前記凝縮した地熱水を前記地熱水と合流させる混合器と、
を備える請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生する手段と、
前記地熱排気を第１および第２の地熱排気に分ける分配器と、
前記液状の作動媒体の一部を蒸発させるように前記第１の地熱排気を凝縮させると共に生じた熱を該作動媒体に伝える熱交換器と、
凝縮した前記第１の地熱水を前記地熱水と合流させる混合器と、
前記第２の地熱排気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生する手段と、
前記液状の作動媒体の一部を蒸発させるように前記地熱排気を凝縮させると共に生じた熱を該作動媒体に伝える熱交換器と、
凝縮した前記地熱水を前記地熱水と合流させる混合器と、
を備える請求項１２記載の装置。
【請求項１５】
地熱流体を地熱水と地熱蒸気とに分配し、
前記地熱水の冷却により作動媒体をその作動サイクル中の最高温度まで加熱して、冷却された地熱水と最高温度にある気化した作動媒体とをもたらし、
前記地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生し、
前記地熱蒸気の凝縮により前記作動媒体を中間温度まで加熱して、前記冷却された地熱水と略同一の温度を有する凝縮された地熱蒸気をもたらし、
前記冷却された地熱水と前記凝縮された地熱蒸気とを合流させ、再合流させられた地熱蒸気をもたらし、
前記再合流させられた地熱蒸気の冷却により、前記中間温度より低い温度から前記作動媒体を加熱し、
前記最高温度にある気化した作動媒体を膨張させて、そのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生し、
前記媒体排気を凝縮させて液状の作動媒体をもたらす
段階を含む熱力学的サイクルを実行するための方法。
【請求項１６】
前記作動媒体は液状の混合媒体からなり、
一部が凝縮した前記媒体排気により前記液状の作動媒体を予熱することをさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記前記地熱排気が第１及び第２の地熱蒸気に分配され、前記地熱排気の凝縮とは前記第１地熱蒸気の凝縮のことであり、
前記第２の地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に第２の地熱排気を発生し、
前記第２の地熱排気の凝縮により、前記作動媒体を前記低い温度未満の温度から加熱すすることを更に含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
地熱流体を地熱水と地熱蒸気とに分配する地熱流体セパレータと、
前記地熱流体セパレータから前記地熱水を受け入れると共に作動媒体を受け入れるように連結された第１の熱交換器であって、最高温度にある気化した作動媒体と冷却された地熱水とを排出する第１の熱交換器と、
前記地熱流体セパレータからの前記地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に地熱排気を発生させる手段と、
前記膨張させる手段から前記地熱排気を受け入れると共により低い温度にある前記作動媒体を受け入れるように連結された第２の熱交換器であって、前記地熱排気を凝縮させ前記より低い温度にある前記作動媒体を加熱し、前記冷却された地熱水と略同一の温度を有する凝縮された地熱蒸気と、前記最高温度より低い中間温度まで加熱された作動媒体と、をもたらす第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器からの前記凝縮された地熱蒸気と、前記第１の熱交換器からの前記冷却された地熱水と、を受け入れて合流させるように連結された蒸気混合器であって、再合流させられた地熱蒸気をもたらす蒸気混合器と、
前記再合流させられた地熱蒸気を受け入れるように連結されると共に前記作動媒体を受け入れるように連結された第３の熱交換器であって、前記再合流させられた地熱蒸気の冷却により、前記より低い温度未満の温度から前記作動媒体を加熱する第３の熱交換器と、
前記第１の熱交換器から受け入れる前記気化した作動媒体を膨張させて、そのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に媒体排気を発生させる手段と、
前記媒体排気を受け入れるように連結された凝縮器であって、前記媒体排気を凝縮させて液状の作動媒体をもたらす凝縮器と、
を備えた熱力学的サイクルを実行するための装置。
【請求項１９】
前記作動媒体は液状の混合媒体からなり、
前記凝縮器から前記液状の作動媒体を受け入れると共に媒体排気を受け入れるように連結された第４の熱交換器であって、前記媒体排気の一部を凝縮させて前記液状の作動媒体を予熱する第４の熱交換器をさらに備えた請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記地熱排気を第１及び第２の地熱蒸気に分配する分配器を更に備え、
前記第２の熱交換器によって受け入れられた前記地熱排気は前記第１の地熱蒸気であって、
前記分配器からの前記第２の地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に第２の地熱排気を発生させる手段と、
前記第２の地熱蒸気を膨張させる手段から前記第２の地熱排気を受け入れると共に、より低い温度未満の温度にある前記作動媒体を受け入れるように連結された第４の熱交換器であって、前記第２の地熱排気を凝縮させ前記より低い温度未満の温度に前記作動媒体を加熱する第４の熱交換器と、を更に備えた請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は地熱水および地熱蒸気のエネルギを電気出力に変換する方法およびその装置に関する。
【０００２】
さらに、本発明は地熱水および地熱蒸気の双方のエネルギを利用する地熱動力システムに関する。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
地熱エネルギは２つのグループに分類するのが一般的である。第１のグループでは熱源が大勢として地熱水により支配され、第２のグループでは幾分かの地熱水を含むが大勢として熱源が地熱蒸気により支配されている。
【０００４】
この地熱源が有する熱エネルギを電気出力に変換する方法はエネルギ生産の重要な地位を占め、かつ発展領域にある。一般に、地熱動力プラントは、２つのカテゴリー、つまり蒸気動力プラントとバイナリー動力プラントのどちらか一方に属する。
【０００５】
蒸気動力プラントでは、蒸気の発生（たとえば、地熱流体を絞り、蒸発させる）のために地熱エネルギが直接利用される。この後、蒸気は地熱タービン内で膨張を遂げ、電気出力が発生する。一方、バイナリー動力プラントにおいては、地熱水の保有する熱が動力サイクル内を循環する作動媒体を蒸発させるために用いられる。このとき、発生した蒸気が媒体タービン内で膨張を遂げ、電気出力が発生する。
【０００６】
一般に、地熱蒸気が支配する地熱源においては蒸気動力プラントが用いられ、一方、地熱水が支配する地熱源にはバイナリー動力プラントが用いられる。
【０００７】
米国特許第４９８２５６８号明細書に開示されるものではバイナリー動力プラントとして構成したもので、地熱水から電気出力を得る熱エネルギ変換方法およびその装置について述べている。
【０００８】
この方法においては混合媒体からなる作動媒体と、復熱装置とを用いる熱力学的サイクルによって効率の向上を達成している。
【０００９】
本発明の目的は混合媒体からなる作動媒体を用いた高効率な熱力学的サイクルを実行する方法および装置を提供することにある。
【００１０】
さらに、本発明の目的は地熱水および地熱蒸気の双方のエネルギを効果的に利用する地熱動力システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴とするところは次の熱力学的サイクルを実行する方法にある。すなわち、気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に、媒体排気を発生し、この媒体排気の一部を凝縮させて混合媒体からなる液状の作動媒体を加熱し、気化した作動媒体を得るように地熱水の冷却および地熱蒸気の凝縮で生じた熱を用いて液状の作動媒体を蒸発させるものである。
好ましくは、気化した作動媒体を得るように蒸発した作動媒体を地熱水の冷却で生じた熱を用いて過熱する。
【００１２】
好ましくは、混合媒体からなる液状の作動媒体を媒体排気の一部を凝縮させて予熱する。
【００１３】
さらに、予熱した作動媒体を第１および第２の作動媒体に分配する。この後、第１の作動媒体の一部を媒体排気の凝縮で生じた熱を用いて蒸発させ、一方、第２の作動媒体の一部を地熱水の冷却で生じた熱を用いて蒸発させる。さらに、この蒸発した第１および第２の作動媒体を合流させ、気化した作動媒体を得るように地熱水の冷却および地熱蒸気の凝縮で生じた熱を用いて蒸発させる。
【００１４】
また、好ましくは第２の作動媒体の蒸発温度と地熱水温度との差は第１の作動媒体の蒸発温度と媒体排気温度との差よりも大きくする。
【００１５】
好ましくは、地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に、地熱排気を発生する。この後、地熱排気を液状の作動媒体を加熱し、その一部を蒸発させるように凝縮させる。さらに、この凝縮した地熱水を地熱水と合流させ、液状の作動媒体を蒸発させるために使用する。
【００１６】
地熱流体には多量の地熱蒸気が含まれており、地熱蒸気を多段にわたり膨張させるのが好ましい。そこで、１段の地熱蒸気の膨張で生じた地熱排気を第１および第２の地熱排気に分配する。液状の作動媒体を加熱し、その一部を蒸発させるように第１の地熱排気を凝縮させ、この後、地熱水と合流させる。一方、第２の地熱排気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に、地熱排気を発生し、液状の作動媒体を加熱し、その一部を蒸発させるように地熱排気を凝縮させる。この後、凝縮した地熱水を地熱水と合流させる。
【００１７】
また、本発明の特徴とするところは次の熱力学的サイクルを実行する装置にある。すなわち、気化した作動媒体を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に、媒体排気を発生する手段と、媒体排気を凝縮させると共に、生じた熱を混合媒体からなる液状の作動媒体に伝える熱交換器と、地熱流体を地熱水と地熱蒸気とに分離するセパレータと、液状の作動媒体を蒸発し、気化した作動媒体を得るように地熱水を冷却し、地熱蒸気を凝縮させると共に、生じた熱を作動媒体に伝える多数の熱交換器とを備えるものである。
【００１８】
好ましくは、装置は液状の作動媒体を過熱し、気化した作動媒体を得るように地熱水を冷却すると共に、生じた熱を作動媒体に伝える熱交換器を備える。
【００１９】
また、装置は、好ましくは、液状の作動媒体を第１および第２の作動媒体に分ける分配器と、第１の作動媒体の一部を蒸発させるように媒体排気を凝縮させると共に、生じた熱を作動媒体に伝える熱交換器と、第２の作動媒体の一部を蒸発させるように地熱水を冷却すると共に、生じた熱を作動媒体に伝える熱交換器と、第１および第２の作動媒体を合流させる混合器とを備える。
【００２０】
さらに、装置は、好ましくは、地熱蒸気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態へと変換すると共に、地熱排気を発生する手段と、液状の作動媒体の一部を蒸発させるように地熱排気を凝縮させると共に、生じた熱を作動媒体に伝える熱交換器と、凝縮した地熱水を地熱水と合流させる混合器とを備える。
【００２１】
さらに、装置が比較的多量の地熱蒸気を含む地熱流体に適応できるように、１段の膨張で生じた地熱排気を第１および第２の地熱排気に分ける分配器と、液状の作動媒体の一部を蒸発させるように第１の地熱排気を凝縮させると共に、生じた熱を作動媒体に伝える熱交換器と、凝縮した第１の地熱水を地熱水と合流させる混合器と、第２の地熱排気を膨張させてそのエネルギを使用に適した状態に変換すると共に、地熱排気を発生する手段と、液状の作動媒体の一部を蒸発させるように地熱排気を凝縮させると共に、生じた熱を作動媒体に伝える熱交換器と、凝縮した地熱水を地熱水と合流させる混合器とを備える。
【００２２】
【作用】
本発明においては地熱蒸気および地熱水の双方のエネルギを利用する地熱動力システムが提供される。この動力システムは地熱流体の蒸気と地熱水との比がどのような値であっても、殆どすべての地熱源に用いることができる。本発明は別々の地熱井から導かれる地熱流体の温度が相違しているとき、また蒸気と地熱水との比が異なるときも、同様に使用することができる。さらに、地熱水と地熱蒸気とを分離して利用する動力システムについては従来よりも高い出力を得ることができ、効率を向上させることができる。これに加えて、稼働中の地熱動力システムにおいても出力を増加し、効率を高めることができる。
【００２３】
また、熱力学的サイクルの熱源は地熱水と地熱蒸気との組合わせにより構成しているので、作動媒体の膨張を１段のみとすることができる。
【００２４】
本発明は液状の作動媒体を２つに分けて加熱する。これにより、一方では地熱水の冷却で生じた熱を用いて作動作動媒体の一部を蒸発させ、他方で媒体排気の凝縮で生じた熱を用いて作動媒体を蒸発させることができる。
【００２５】
このため、無機物が多く含まれる地熱流体（これは比較的高い温度に限り冷却される）であっても使用することが可能である。
【００２６】
【実施例】
図１に示される系統図は本発明による装置の好ましい実施例を示している。この動力システム１００はセパレータ１０１と、熱交換器１０９から構成される予熱器と、熱交換器１０４から構成される過熱器と、熱交換器１０３、１０６、１０７、１０８からなる蒸発器とを有する。これに加えて、この動力システム１００は地熱タービン１０２と、媒体タービン１１４と、熱水ポンプ１０５と、凝縮器１１０とを有する。さらに、動力システム１００は分配器１１２と、混合器１１３とを備える。
【００２７】
凝縮器１１０は作動媒体から熱を除くあらゆる形式のもので構成できる。たとえば、水冷却装置あるいは他の形式の凝縮装置のような、熱交換器を採用する。
【００２８】
図１に示すように、地熱井を出た地熱水および地熱蒸気を含む地熱流体はセパレータ１０１に送られ、そこで地熱水と地熱蒸気とに分離される。蒸気は点４１における状態量を保ってセパレータ１０１から流出し、地熱水は点５１における状態量を保持してセパレータ１０１から流出する。
【００２９】
その後、蒸気は地熱タービン１０２に送られ、そこで膨張し、電気出力に変換するための駆動力を生じる。この蒸気は点４３における状態量を保って地熱タービン１０２から流出する。蒸気は、この後、熱交換器１０３に送られ、そこで凝縮して熱を放出し、地熱水となる。この地熱水は点４４における状態量を保って熱交換器１０３から流出する。
【００３０】
熱交換器１０３内で蒸気の凝縮によって生じた熱は動力サイクルの作動媒体に伝わる。点５１で示す状態量を有する地熱水は熱交換器１０４内で冷却され、このとき、動力サイクルの作動媒体に熱を放出し、点５２で示す状態量を保ってそこから流出する。点４４における地熱水の温度は点５２における地熱水の温度とほぼ等しい。
【００３１】
この点４４の状態量を保持する地熱水は熱水ポンプ１０５によって点５２における地熱水圧力と等しくなるように昇圧され、点４５の状態量となる。
【００３２】
この後、点４５の状態量を保持する地熱水は、点５２の状態量を有する地熱水と混合され、点５３における状態量となる。
【００３３】
この混合された点５３の状態量を有する地熱水は、熱交換器１０６を通ってさらに冷却され、このとき、動力サイクルの作動媒体に熱を放出し、点５６における状態量となる。
最後に、点５６の状態量を保持する地熱水は熱交換器１０７を通り、このとき、動力サイクルの作動媒体に熱を放出して点５７における状態量となる。この後、地熱水は動力システム１００を出て地熱層へ棄てられる。
【００３４】
このように本発明による熱力学的サイクルは２つの地熱源、すなわち、地熱蒸気が凝縮するときに放出される熱、および地熱水が冷却されるときに放出される熱を利用するものである。この動力サイクルは次のように操作する。
【００３５】
点２１における状態量の動力サイクルの作動媒体は予熱器１０９を通って蒸発温度まで加熱され、点６０における状態量を保って予熱器１０９から流出する。この後、作動媒体は分配器１１２を経て２つに分けられ、点６１と点６２における等しい状態量となる。点６１の状態量の第１の作動媒体は熱交換器１０７を通って地熱水により加熱され、一部が蒸発する。第１の作動媒体は熱交換器１０７を出て点６３における状態量となる。
【００３６】
一方、点６２の状態量を有する第２の作動媒体は、熱交換器１０８を通って加熱され、一部が蒸発する。第２の作動媒体は熱交換器１０８を出て点６４における状態量となる。この後、双方の作動媒体は混合器１１３によって混合され、点６６における状態量となる。混合した作動媒体は熱交換器１０６に送られ、地熱水から放出される熱によって蒸発する。
【００３７】
点６２の状態量の作動媒体の沸点温度と、点３８の凝縮した作動媒体温度とは最小の温度差を保っている。しかし、熱交換器１０７で蒸発のために用いられる地熱水の蒸発開始温度と最終温度との差は熱交換器１０８における点６２と点３８との最小温度差を十分に超えている。
【００３８】
このため、多量の無機物のために比較的高温にある地熱水が冷却されるときでも、点６６における温度および圧力を最大の値に維持することが可能である。
【００３９】
作動媒体は点６９における状態量を保って熱交換器１０６から流出し、熱交換器１０３に入り、そこで地熱蒸気が凝縮する熱を奪い、完全に蒸発する。この作動媒体は点７０における状態量を保って熱交換器１０３から流出し、さらに熱交換器１０４に入り、そこで地熱水によって過熱される。
【００４０】
この後、点３０の状態量を保って熱交換器１０４を出た作動媒体は、媒体タービン１１４に流入し、そこで膨張を遂げ、このとき、電気出力が発生する。膨張した作動媒体は、この後、点３６における状態量を保って媒体タービン１１４から流出する。
【００４１】
通常、点３６における状態量に膨張した作動媒体は、乾き蒸気ないし湿り飽和蒸気である。この作動媒体は、その後、熱交換器１０８を通って一部が凝縮する。この凝縮の過程で生じた熱は作動媒体に伝わり、最初の蒸発が始まる。
【００４２】
この後、作動媒体は点３８における状態量を保って熱交換器１０８から流出し、熱交換器１０９を通ってさらに凝縮する。この凝縮による熱は熱交換器１０９に入る作動媒体に伝わり、これを予熱する。
【００４３】
点２９の状態量を保つ作動媒体は、熱交換器１０９から流出し、熱交換器１１０に流入してそこで完全に凝縮し、点１４における状態量となる。この作動媒体を凝縮させるには冷却水、冷却蒸気あるいはこれ以外の冷却媒体を用いることができる。この後、凝縮した作動媒体は媒体ポンプ１１１によってさらに昇圧され、点２１における状態量となる。このサイクルは繰り返し行われる。
【００４４】
点４３の排気圧力は地熱タービン１０２および作動媒体の双方で総出力が最大になるように選択する。同様に、混合媒体（低沸点媒体と高沸点媒体とからなる）の成分も総出力が最大になるように選択する。
【００４５】
この成分を決めるにあたっては点３６の作動媒体に凝縮が生じる温度が点６０の状態量の作動媒体に蒸発が始まる温度よりも高くなるように選択する。
【００４６】
混合媒体の例として、アンモニア−水混合体、２ないしそれ以上の炭化水素混合媒体、２ないしそれ以上のフレオン混合媒体、炭化水素−フレオン混合媒体あるいはその類似物を用いる。特に好ましい実施例はアンモニア−水混合媒体を用いるものである。好ましくは、約５５％から約９５％の低沸点成分を含む混合媒体とする。表１にアンモニア−水混合体を用いる動力システムに適する好ましい状態量を示す。表中の点は図１に示した点と同じである。
【００４７】
このデータから、本提案による動力システムは従来の動力システムとの比較で１．５５倍、地熱水および蒸気の双方の熱を利用する動力システムとの比較で１．０７７倍まで出力を向上できることが判る。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
【表２】
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【００５０】
【表３】
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地熱井を流出した最初の地熱流体は比較的多量の地熱蒸気を含むことから、図１の動力システム１００における１段の膨張、凝縮としないで、２段ないしそれ以上の段数で膨張、凝縮させるのが望ましい。この場合における作動媒体の加熱および蒸発は地熱水の冷却と、地熱蒸気の凝縮とを用いて行われる。
【００５１】
図２では、地熱蒸気を２段にわたり膨張させるように構成した動力システムが提供される。この動力システム２００は、図１に示されるものに対し、１段の膨張後に、点４３の状態量に膨張した蒸気の一部が熱交換器１０３に導かれる点が異なる。さらに、中間圧力に膨張した蒸気は２段の地熱タービン２０４で膨張し、熱交換器２０３として示される２段の凝縮器内で凝縮する。凝縮した地熱水は熱水ポンプ２０１によって抽出され、その後地熱水と合流する。本動力システム２００では地熱水が２台の凝縮器の間に設けた熱交換器２０２で動力サイクルの作動媒体を加熱するために用いられる。
【００５２】
本発明は上記した実施例に限られず、たとえば各熱交換器は数を増すこと、あるいは減少することが可能である。これ以外にも地熱流体中に含まれる地熱蒸気量によっては２段よりも多段にわたって膨張させることが可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は低沸点成分を含む混合媒体からなる作動媒体を用いた熱力学的サイクルの効率を大きく向上させることができる。
【００５４】
また、本発明は地熱水および地熱蒸気が保有するエネルギを冷却ならびに膨張および凝縮の各段階を経ながら、最大限に利用することができ、地熱動力システムの出力を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地熱動力システムの一実施例を示す系統図。
【図２】本発明の他の実施例を示す系統図。
【符号の説明】
１０１  セパレータ
１０２，２０４  地熱タービン
１０３，１０４，１０６，１０７，１０８，１０９，２０２，２０３  熱交換器
１１０  凝縮器
１１４  媒体タービン
【図１】
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【図２】
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