奥飛騨温泉郷の高温源泉の廃熱と湧水を利用した温度差発電と源泉温度制御
独立行政法人国立高等専門学校

１．研究背景と目的

富山商船高専八賀正司・百生 登・義岡秀晃

富山工業高専寺西恒宣・西田均

岐阜工業高専河村隆雄

として湧水（約 17℃）を利用した温度差発電を行

高温源泉を所有する奥飛騨温泉郷では、90℃近うことで、高温源泉を適温（約 43℃）に制御し、い高温の源泉が湧出し、これを入浴に適した温度良質の温泉（源泉 100%掛け流し）を供給することに下げた後、露天風呂などの浴槽に供給している。

を目的とする。本研究の特徴は、①化石燃料を使その手法としては、温泉水を湧水と混合する方法

用せず，CO2 を排出しない環境にやさしい発電方式

によって、源泉温度を下げている場合が多い。こであること、②上水を使用しないで，良質の温泉の場合、浴槽に供給するお湯が 100%源泉掛け流し（適温＋源泉 100%掛け流し）を安価に供給できる場ではなくなるという問題が生じる。最近は、温こと、③地熱発電のように高温側の熱源を得るた

泉愛好者が源泉 100%掛け流しを好むことから、源めに再投入されるエネルギー及び設備が不要であ泉水と湧水との間で熱交換を行うことで、源泉温ること（地熱発電では、地下深くまで冷却水を供度を下げる例も増えている。しかし、いずれの方給して，熱を回収するため深層ボーリング及び駆法においても、源泉温度が著しく高いため、その動源などの大きな設備投資が必要となる）④熱交

冷却に簡易水道が必要になるという問題がある。

換された湧水は，冬場の融雪にも使用できるなど

奥飛騨温泉では市町村合併の後、簡易水道料金がである。

従来の 10 倍に跳ね上がったことから、その費用をこれまでに奥飛騨温泉郷で、本研究のシステム他のサービスに振り向けたいとの要望がつよい。の適用の可能性について現地調査を行ってきた。

この問題を解決するために、また、高温の源泉

図１は本研究が実際に対象とする源泉施設と噴出が持つ熱エネルギーを有効利用するという観点かの様相である。

ら、高温の源泉と低温の湧水を利用した温度差発電を行うことで、熱エネルギーを吸収し、これによって源泉温度を下げるという温度差発電と源泉温度制御の採用が考えられる。

温泉愛好者は源

泉 100%掛け流しを好むことから温泉街が賑わうな
ど，この地域の活性化に繋がる。また，高温源泉の廃熱を活用した温度差発電の電気エネルギーは

図１

源泉施設と噴出の様相

地域の家庭用電気，施設暖房，融雪など多目的利用が図れると期待される。
本研究は、上水を使用することなしに、高温源泉を適温にし、源泉 100%掛け流し温泉を提供するとともに、高温の源泉と（温度約 85℃）冷却熱源

２．試作システムの概要
高温源泉の持つ熱エネルギーを利用した温度差発電と温度制御の概念図を図 2 に示す。

ランキンサイクルは加熱及び冷却過程が等温過程①熱機関②熱電素子（ペルチェ）③自然対流型④直噴型
17℃〈 現 在 〉となるため、本研究のように小さな温度差を取り17℃

上水43℃

源泉80℃

きる。ただし本研究のように、作動流体に熱を与25℃

中水散水
発電
43℃

源泉
80〜90℃

温度制御

熱エネルギー ⇒ 電気エネルギー ⇒ 家・工場

図２

扱う熱機関においても比較的高い熱効率が期待で温泉熱を利用した発電と温度制御えることによって熱源の温度を下げることを意図する場合、等温加熱を前提とするランキンサイク
ルの性能はあまり高くない。そこで、この問題を緩和するために図３に示す複圧型のランキンサイ
クルを検討した。この構成は原理的にはワットの蒸気機関を 2 台配置し、それらのボイラーを、源本研究では、温度差発電と源泉温度制御装置とし泉を熱源とする熱交換器に取り換えたものである。て以下の 4 つのシステムについて試作及び検討を

このサイクルでは、源泉はまず、高温側の蒸気サ行った。

イクルに熱を与える。これによって源泉水の温度

１）温泉を熱源とする蒸気ランキンサイクル発電は低下するが、これを用いてさらに低温側の蒸気システム、２）源泉から噴出する蒸気の勢いを直サイクルに熱を供給する。このようにして源泉水接利用した直噴発電システム、３）高温源泉の熱の温度を 50℃程度まで下げて、源泉の熱（エクセを利用した自然対流による低温度差発電システム、ルギー）を精一杯利用することを意図している。

４）熱電変換素子を用いた発電を伴う熱交換器の図４に実験装置の概略図を示す開発、ならびに発電する温度制御システムの解析と試作を行った。

３．四つの試作システムの実験と考察
１）温泉を熱源とする蒸気ランキンサイクル発電システム

図４

ランキングサイクルエンジン発電モデル

装置は膨張機としてタービン式(１)、レシプロ式を併置し、それぞれの性能及び問題点を比較できるようにするとともに、多種多様な冷媒にも対応できるようにした。
ランキンサイクルの理論出力を求めた後，一体
図３複圧型蒸気ランキンサイクル発電システム

型の小型ランキンサイクル装置の設計製作を行った。装置の完成にまでは至らなかったが設計、製り付け発電機モータと接続される。流体の勢いを作を通じて低温度差発電に関する有意義な知見を活かすために、水車はメンテナンスが容易なペル得た。

トン水車を採用した。ペルトン水車はホースより

２）高温源泉から噴出する温泉水の勢いを直接利噴出した水をバケットに水撃として当て回転させ用した直噴発電システム

る。これは少流量に適しており、流量が変化して中尾温泉地区(２)の源泉の噴出速度は非常に早くも効率があまり変わらないという特徴がある。

（20ｍ/s）、流出量も豊富であることからこれを有高温源泉に地下水を混合せずに源泉 100%のまま効利用することに期待が高まっている。しかし、冷却するほか、噴出する勢いを利用した発電シス

温泉成分による腐食問題やコストの面から、実用テムを提案し、実用化に向けて重要となる基礎デ化に至っていないのが現状である。実験装置は、ータを得ることができるモデル装置を製作した。

図５ に示すように、対流により温度の均一化を図

本装置より、今後の研究課題である(1)容器⑤におる容器③と減圧容器⑤内における噴霧冷却システ

ける噴霧冷却のデータ解析、(2) 容器③内におけムからなり、それぞれ独立して製作した。実験装る流体温度の均一化、(3)その他、湯の花に関する置では、高温源泉の代わりとなる高温水と蒸気を問題などについて容易に検討することができるよ作るために電動ポットを使用し、それらはエアーうになった。

ポンプで容器③に送られる。アスピレータにより３）高温源泉の廃熱を利用した自然対流による低減圧される容器⑤では、高温水を噴霧状に流入さ温度差発電システムれることにより冷却が促進されるように考案した。

実験装置の概要図を図６に示す。装置は大別する

なお，容器③は、流体の流れをカメラにて撮影しと、加熱部、冷却部、発電用小型水車から構成さコンピュータにて画像処理できるように、透明アれ、鉛直に立てられた 2 本のガラス管の壁面を、クリルで製作した。さらに、容器内に温度センサそれぞれ加熱および冷却することで、試験流体とーを設置し各箇所における温度の測定を行えるように考案した。容器⑤では、入口と容器内に温度センサーを設け噴霧冷却によりどれだけ温度を下

図６

自然対流による発電システムの概要図して用いた水を自然対流させた。自然対流型発電
図５

直噴型発電システム

げられるか計測される容器③の流入部に水車を取装置の流動モデルを図７に示す。装置寸法は、高さ H=650mm×幅 B=120mm とし、外径 d=15mm（内径12.6mm）のガラス管を使用した。加熱部および冷置を作製することができる。また，無音で発電す

却部の長さは L=400mm とした。なお，これらの寸ることが可能なので発電場所の周囲の環境を気にしなくてすむ。短所は発電量が少ないことや比較的高価なことである。

図７自然対流型発電装置の流動モデル

図８

発電モジュールの原理

法は、熱･流体解析ソフトウェア CFD2000（株式会

図のスイッチが閉じているとゼーベック効果によ社 CAE ソリューションズ、開発元：米国アダプテ

り、負荷に電流が流れる。その際、ペルチエ素子ィブリサーチ）によってシミュレーションした結の高温側で吸熱、低温側で発熱反応が生じ、温泉果を基に設計した。加熱部はガラス管に電熱線をから湧水へ熱が移動する。図のスイッチを解放す

巻き付け、冷却部は二重管のようにガラス管まわると、電流が流れないため、ゼーベック効果によりを覆うように冷却管を取付け、冷水（約 293K）る電流が流れず温泉から湧水への熱移動は伝導のを流した。また、ガラス管内を流れる流体の速度みになる。従って、スイッチの ON・OFF で熱の移を増加させるため、加熱部の下部に設置したエア動量を制御できる。モジュールを複数用いることーポンプより、気泡を流入し、その影響についてによって、温泉の温度制御を可能とする。

追究を行った。

４個の素子を筒状に配置した発電モジュールを図９

観測点は発電用小型水車を取り付ける水面かのように組み立て、ペルチエ素子による熱移動を制御

ら 3mm 下方の位置とした。その結果、気泡が無いするスイッチを一つにまとめたものを一組として、これ場合、流速 V=0.011[m/s2] 、 3mm の気泡を流入しを16組つなげた実験装置を使用した。

た場 Vbubble=0.13[m/s2]という結果を得た。以上

組み立てたペルチエ素子の中に温水、周りに冷水より、気泡を流入することで流速が大きく向上すを流すことで、ペルチエ素子に温度差をつくり，発電ると期待できる。

する。そして、ゼーベック効果により温水から冷水に熱４）熱電変換素子を用いた発電を伴う熱交換器のの移動が発生し、温水の温度を下げることができる。そ開発と発電する温度制御システム

して、発電モジュールのスイッチをON・OFFすることで本制御の原理図を図８に示す。発電の原理は，ゼ熱の移動量を制御することができる。結果として、温水ーベック効果である。ゼーベック効果を利用するの温度を制御することができる。16組つなげた発電モ

ペルチエ素子の長所は可動部分がないので耐久性

ジュールの出口部分での温水の温度を測定して、目が高い。このことから、壊れにくい寿命の長い装標温度との差が大きければ16組あるモジュールのスイ動源）。（４）熱交換された湧水は、冬場の融雪に使用できるなど、本装置は、湯温調整を工夫する
源泉湯宿に対して、還元系である温泉の本質を変えずに温度調整可能なシステムを、全く環境に優しい技術で提供するものである。
この研究は、熱エネルギーの有効利用、環境負図９ 発電する温度制御装置の概略図

荷低減に寄与したポータブル温度制御装置兼発電

ッチを多めにONにすることで熱の移動量を大きくする。

装置の開発である。温泉宿単位での小規模発電で、逆に差が小さければスイッチをONにする数を減らすこ

なおかつ温度制御装置も兼ねているので、温泉宿とや全てOFFにすることで熱の移動量を小さくし，目標として、①宿の敷地内電灯くらいは発電で賄って、温度に近づく温度制御を行う。

熱エネルギーの有効利用アピール、②水道水を混現在、それらの調査結果を踏まえ、構造に工夫を凝ぜずに温度制御出来る為、「源泉１００％の温泉」

らした熱交換器、熱電変換素子、温度制御装置からのうたい文句が発信出来、集客には最高の宣伝に構成される簡単なモデル機を製作し、加熱水道水をなると考えている。

循環させて流量と温度差を変化させた実験を行い、温これまでに奥飛騨温泉郷で、本システムの適用度制御装置の応答性、熱交換器の冷却能や熱電変の可能性について現地調査を行ってきた。現在、換効率等に関する性能試験を鋭意進行中である。

これらの調査結果を踏まえ、構造、構成などに工「発電する温度調整システム」をコンセプトとした本

夫を凝らした簡単なモデル機を製作し、実験を行システムの妥当性が概ね明らかにされている。しかし

い、性能、発電効率などの性能試験を行っており、ながら、現場における年間を通しての性能評価や発電その成果の一部を平成２０年度の卒業研究講演論の規模、効果的な電力の使用用途に関しては十分に文集で発表している（3-6）。

明らかにされておらず、今後の課題となっている。

４．終りに本研究で取り上げた奥飛騨温泉郷の高温の源泉

参考文献（１）金丸，他 3 名：第 40 回伝熱シンポジウム(2003)（２）中尾温泉 http://www.yakenoyu.com/index.htm.と湧水を利用した温度差発電と源泉温度の制御に（３）山下、富山工業高専

関する研究は、独立行政法人国立高等専門学校・卒業研究講演論文集要旨集

富山商船高専・富山工業高専・岐阜工業高専の３（４）杵渕、富山工業高専高専の研究者が共同で取り組んで行った。この研卒業研究講演論文集要旨集

究で取り扱ったシステムの特徴は、（１）化石燃料（５）松田、富山工業高専を使用せず、CO2 を排出しない環境にやさしい発電卒業研究講演論文集要旨集方式であり、(2) 上水を使用を使用することなく、（６）宇枝、富山商船高専

良質の温泉（適温＋源泉 100%掛け流し）を安価に年度卒業研究発表予稿集供給できること、(3)高温側の源泉と低温側の湧水を得るために再投入されるエネルギー及びそのための設備が不要であること（熱流体の存在する地下深くまで冷却水を供給して、回収するための駆

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平成２０年度

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