JP2005077050A - 動力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基本的には太陽熱を利用して動力を取り出し可能な構成を有するが、他の熱源と組み合わせた構成とすることにより、日照時間、日射量等の不安定要因の存在を許容しつつ、安定して所望の出力を得ることが可能な、ランキンサイクルを利用した動力発生装置を提供する。
【解決手段】作動媒体を蒸発可能な熱源、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器からの作動媒体を前記熱源へと循環させるポンプを備えたランキンサイクルを備え、膨張機に回転機器等を連結して作動媒体の膨張仕事を動力として出力させるようにした動力発生装置において、熱源が、太陽熱集熱器からなる熱源Ａとボイラからなる熱源Ｂとからなることを特徴とする動力発生装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルを利用した動力発生装置に関し、とくに、太陽熱集熱器を用いた動力発生装置に関する。

ランキンサイクルは、例えば、作動媒体としての冷媒を循環させる回路を有し、熱源として機能し冷媒を蒸発させる蒸発器、その蒸発器から冷媒が供給されて膨張仕事による出力が取り出される膨張機、該膨張機で仕事をした冷媒を凝縮させる凝縮器、凝縮した冷媒を蒸発器へと循環させるポンプを備えたものに構成されている（例えば、特許文献１）。このような基本構成を有するランキンサイクルの膨張機に例えば発電機を連結することにより、冷媒の膨張仕事を電力として出力させることが可能である（例えば、同特許文献１）。

また、上記のようなランキンサイクルを備えた発電システムにおいて、冷媒を蒸発させるための熱源として太陽熱を利用することが可能である（例えば、特許文献２）。また、太陽熱を利用するに際し、効率よく集熱できるようにした太陽熱集熱器も提案されている（例えば、特許文献３）。
特開２００２−２９５２０５号公報 特開２００１−２４８５３９号公報 特開２００３−１４９５８６号公報

ところが、上記のように冷媒を蒸発させるための熱源として太陽熱を利用するシステムにおいては、日照時間、日射量等が一定でないことから、安定して効率よく太陽熱を集熱することが難しく、一般にその出力効率は低い。また、日照時間、日射量等によっては、ランキンサイクルを駆動できるだけの熱量、温度が得られないこともあり、安定して発電できないこともある。

そこで本発明の課題は、基本的には太陽熱を利用して動力を取り出し可能な構成を有するが、他の熱源と組み合わせた構成とすることにより、日照時間、日射量等の不安定要因の存在を許容しつつ、安定して所望の出力を得ることが可能な、ランキンサイクルを利用した動力発生装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る動力発生装置は、作動媒体を蒸発可能な熱源、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器からの作動媒体を前記熱源へと循環させるポンプを備えたランキンサイクルを備え、前記膨張機に回転機器等を連結して作動媒体の膨張仕事を動力として出力させるようにした動力発生装置において、前記熱源が、太陽熱集熱器からなる熱源Ａとボイラからなる熱源Ｂとからなることを特徴とするものからなる。すなわち、作動媒体を蒸発可能な熱源として、太陽熱集熱器からなる熱源Ａとボイラからなる熱源Ｂとの二つの熱源が設けられ、ランキンサイクルを駆動させるために十分な日射量が得られる時には、基本的に熱源Ａに作動媒体を供給して作動媒体の蒸発に太陽熱を利用し、ランキンサイクルを駆動させるために十分な日射量が得られない時には、基本的に熱源Ｂに作動媒体を供給して熱源Ｂの単独あるいは熱源Ａと熱源Ｂの併用により、作動媒体を蒸発させるようにしたものである。

このような本発明に係る動力発生装置においては、熱源Ａに作動媒体を供給する回路に、熱源Ａのバイパス回路が設けられていることが好ましい。このバイパス回路に作動媒体を流すことにより、とくに十分な日射量が得られない時には、熱源Ａを通さずに熱源Ｂに直接作動媒体を供給するようにすることができる。また、熱源Ｂに作動媒体を供給する回路にも、熱源Ｂのバイパス回路が設けられていることが好ましい。この構成により、とくに十分な日射量が得られ熱源Ａのみで作動媒体を十分に蒸発させることができる場合には、熱源Ａからの蒸発媒体を熱源Ｂを通さずに直接膨張機に送ることができるようになる。各バイパス回路の切替には、例えば三方弁を用いることができる。

そして、本発明に係る動力発生装置においては、上記ランキンサイクルの回路が、熱源Ａと熱源Ｂをそれぞれ独立に使用可能に、あるいは、併用可能に構成されていることが好ましい。このような構成は、上記バイパス回路を設けた構成によって達成できるが、他の構成によってもよい。

また、熱源Ａおよび／または熱源Ｂに作動媒体を供給する回路には、作動媒体の供給量を制御可能な弁が設けられていることが好ましい。上記三方弁に、作動媒体の流量調節機能も持たせれば、熱源Ａおよび熱源Ｂの作動媒体供給先切替機能に加え、併用される場合の各熱源への配分量の制御まで可能となる。

さらに、本発明に係る動力発生装置においては、熱源Ａの出口側に作動媒体の温度を検知する温度検知器が設けられており、該温度検知器による検知温度に応じて、熱源Ａおよび／または熱源Ｂへの作動媒体の供給が制御されるようした構成を採用できる。例えば、熱源Ａ単独で作動媒体の温度が十分に上昇されていることが上記温度検知器で検知される場合には、熱源Ａで蒸発された作動媒体を直接膨張機に送るように制御することができ、熱源Ａ単独では作動媒体の温度が十分に上昇されていないことが検知された場合には、熱源Ａへの供給を停止して作動媒体の全量を熱源Ｂに供給するか、熱源Ａからの作動媒体の全量または一部を熱源Ｂに供給するように制御することができる。

上記熱源Ｂとしては、例えば、石油ボイラ、ガスボイラ、電気ボイラ等を使用できる。また、上記作動媒体としては、代表的には冷媒を使用することができる。

上記回転機器としては、膨張機に連結されて作動媒体の膨張仕事を動力として出力させることが可能なものであれば、特に限定されない。例えば、上記回転機器が発電機からなる構成、圧縮機からなる構成、ポンプからなる構成、送風機からなる構成、等のいずれの構成も採用し得る。

上記のような本発明に係る動力発生装置によれば、太陽熱集熱器からなる熱源Ａとボイラからなる熱源Ｂとの二つの熱源が、それぞれ単独使用、併用可能に設けられていることにより、太陽の日照時間や日射量等に左右される作動媒体の温度がランキンサイクル駆動可能温度範囲内であるか否かに関わらず、安定して所望の出力（例えば、発電量）を得ることが可能になる。換言すれば、所望の出力を確保しつつ、利用可能な太陽熱を最大限利用できるようになり、従来装置では得られない、安定した太陽熱利用の動力発生システム（例えば、発電システム）を達成できる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る動力発生装置を示しており、とくに、発電装置として構成した場合を示している。図２は、比較のために示した従来の太陽熱を利用した動力発生装置としての発電装置の基本構成を示している。図１において、１は、動力発生装置としての発電装置全体を示している。発電装置１は、作動媒体（例えば、冷媒）を蒸発可能な熱源として、熱源Ａとしての太陽熱集熱器２と、熱源Ｂとしてのボイラ３（例えば、石油ボイラ、ガスボイラ、電気ボイラのいずれかからなるボイラ）と、太陽熱集熱器２および／またはボイラ３で蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機４と、該膨張機４からの作動媒体を凝縮させる凝縮器５と、該凝縮器５からの作動媒体を上記熱源としての太陽熱集熱器２および／またはボイラ３へと循環させるポンプ６を有しており、これら機器を備えた作動媒体の循環回路７はランキンサイクルとして構成されている。膨張機４には回転機器としての発電機８が連結されており、膨張機４による作動媒体の膨張仕事が発電機８を介して電力として出力できるようになっている。

作動媒体の循環回路７のポンプ６の出口側でかつ太陽熱集熱器２の入口側には、本実施態様では三方弁９が配置されており、三方弁９は、ポンプ６により供給されてきた作動媒体の供給先を、太陽熱集熱器２に直接供給する回路Ａ（１０）と、太陽熱集熱器２をバイパスさせてボイラ３側へと供給する回路Ｂ（１１）（つまり、太陽熱集熱器２のバイパス回路１１）とに切り替えることができるようになっている。また、太陽熱集熱器２出口側でかつボイラ３の入口側には、本実施態様では三方弁１２が配置されており、三方弁１２は、太陽熱集熱器２あるいは回路Ｂ（１１）を介して供給されてきた作動媒体の供給先を、ボイラ３に直接供給する回路Ｃ（１３）と、ボイラ３をバイパスさせて膨張機４側へと供給する回路Ｄ（１４）（つまり、ボイラ３のバイパス回路１４）とに切り替えることができるようになっている。これら三方弁９、１２は、上記のような切替に加え、各切替先への作動流体の量配分や流量を制御できる構造に構成されていることがより好ましい。

また、本実施態様では、太陽熱集熱器２の出口側に、作動媒体の温度を検知する温度検知器１５が設けられており、該温度検知器１５による検知温度に応じて、三方弁９、１２の切替および開度を制御できるようになっており、それによって太陽熱集熱器２および／またはボイラ３への作動媒体の供給や供給量を制御できるようになっている。

比較のために図２に示した従来の太陽熱利用の発電装置２１は、作動媒体を蒸発させるための熱源としての太陽熱集熱器２２と、膨張機２３と、凝縮器２４と、ポンプ２５を備えたランキンサイクルを構成する作動媒体の循環回路２６と、膨張機２３に連結された発電機２７を備えた構成とされている。

図１に示した発電装置１においては、温度検知器１５により太陽熱集熱器２の出口側の作動媒体の温度が検知され、検知された温度がランキンサイクルを駆動させるために適当な温度範囲内にあるときには、作動媒体は三方弁９の操作により回路Ａ（１０）側を循環され、三方弁１２の操作によりボイラ３のバイパス回路１４を通されて直接膨張機４に送られる。すなわち、太陽熱集熱器２単独で十分に蒸発された作動媒体が膨張機４に送られ、膨張機４での膨張仕事が発電機８により電力として取り出される。ただしこのとき、作動媒体の蒸発度をより高めるために、三方弁１２の操作により、太陽熱集熱器２を通過した作動媒体の一部あるいは全量をボイラ３に供給し、ボイラ３通過後の作動媒体を膨張機４に送るようにし、発電量を高めることも可能である。

一方、温度検知器１５により検知された作動媒体の温度がランキンサイクルを駆動させるために適当な温度範囲外にあるときには（つまり、所定の温度にまで昇温されていないときには）、基本的には、作動媒体は三方弁９の操作により回路Ｂ（１１）を通されて太陽熱集熱器２をバイパスされ、直接ボイラ３に供給され、ボイラ３単独で十分に蒸発された作動媒体が膨張機４に送られ、膨張機４での膨張仕事が発電機８により電力として取り出される。ただし、作動媒体の一部あるいは全量を太陽熱集熱器２に通し、太陽熱集熱器２通過後の、未だ十分に昇温されておらず十分に蒸発されていない作動媒体の一部あるいは全量をボイラ３に供給し、膨張機４への供給直前に結果的にランキンサイクルを駆動させるために必要な蒸発状態を達成するようにすることも可能である。すなわち、三方弁９、１２の調整、制御により、太陽熱集熱器２の単独使用、ボイラ３の単独使用、太陽熱集熱器２とボイラ３の併用、のいずれの形態も採り得、そのときの太陽熱集熱条件や、発電要求仕様に応じて適宜選択可能である。

このように、太陽熱集熱器２とボイラ３の二つの熱源の使用形態を適宜切り替えることにより、太陽の日照時間や日射量がランキンサイクル駆動に要求される作動媒体温度を達成できる、できないに関わらず、実質的に常時安定して所望の発電量を得ることが可能となる。

なお、上記実施態様は、動力発生装置としての発電装置について説明したが、本発明に係る動力発生装置は、太陽熱を利用したランキンサイクルにおける作動媒体の膨張仕事を回転機器等を介して動力として出力できるものであれば特に限定されない。例えば、回転機器として圧縮機を採用すれば、ランキンサイクルの作動媒体の膨張仕事を別の作動媒体の圧縮動力として出力できる。回転機器としてポンプを採用すれば、ランキンサイクルの作動媒体の膨張仕事を別の作動媒体を送給するための動力として出力できる。回転機器として送風機を採用すれば、ランキンサイクルの作動媒体の膨張仕事を気体を送給するための動力として出力できる。

本発明に係る動力発生装置は、太陽熱を利用して動力を出力するあらゆるシステムに適用可能であり、また、作動媒体も、ランキンサイクルを形成できるものであればあらゆる媒体の使用が可能である。

本発明の一実施態様に係る動力発生装置（発電装置）の概略機器系統図である。 従来の太陽熱を利用した動力発生装置（発電装置）の概略機器系統図である。

符号の説明

１ 動力発生装置としての発電装置
２ 熱源Ａとしての太陽熱集熱器
３ 熱源Ｂとしてのボイラ
４ 膨張機
５ 凝縮器
６ ポンプ
７ ランキンサイクルとして構成されている作動媒体の循環回路
８ 発電機
９、１２ 三方弁
１０ 回路Ａ
１１ 回路Ｂ
１３ 回路Ｃ
１４ 回路Ｄ
１５ 温度検知器

Claims (12)

1. 作動媒体を蒸発可能な熱源、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器からの作動媒体を前記熱源へと循環させるポンプを備えたランキンサイクルを備え、前記膨張機に回転機器等を連結して作動媒体の膨張仕事を動力として出力させるようにした動力発生装置において、前記熱源が、太陽熱集熱器からなる熱源Ａとボイラからなる熱源Ｂとからなることを特徴とする動力発生装置。
2. 前記熱源Ａに作動媒体を供給する回路に、熱源Ａのバイパス回路が設けられている、請求項１の動力発生装置。
3. 前記熱源Ｂに作動媒体を供給する回路に、熱源Ｂのバイパス回路が設けられている、請求項１または２の動力発生装置。
4. 前記ランキンサイクルの回路が、前記熱源Ａと熱源Ｂをそれぞれ独立に使用可能に、あるいは、併用可能に構成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の動力発生装置。
5. 前記熱源Ａおよび／または熱源Ｂに作動媒体を供給する回路に、作動媒体の供給量を制御可能な弁が設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の動力発生装置。
6. 前記熱源Ａの出口側に作動媒体の温度を検知する温度検知器が設けられており、該温度検知器による検知温度に応じて、前記熱源Ａおよび／または熱源Ｂへの作動媒体の供給が制御されるようになっている、請求項１〜５のいずれかに記載の動力発生装置。
7. 前記熱源Ｂが、石油ボイラ、ガスボイラ、電気ボイラのいずれかからなる、請求項１〜６のいずれかに記載の動力発生装置。
8. 前記作動媒体が冷媒からなる、請求項１〜７のいずれかに記載の動力発生装置。
9. 前記回転機器が発電機からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の動力発生装置。
10. 前記回転機器が圧縮機からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の動力発生装置。
11. 前記回転機器がポンプからなる、請求項１〜８のいずれかに記載の動力発生装置。
12. 前記回転機器が送風機からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の動力発生装置。

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