JP2016035240A - External-combustion brayton cycle engine using solar heat - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽光を熱源として利用する外燃式ブレイトンサイクルエンジンに関する。 The present invention relates to an external combustion type Brayton cycle engine using sunlight as a heat source.
近年、環境問題やエネルギー問題の一解決策として、太陽光を熱源として利用するタービン装置による発電技術、例えば、太陽熱を利用した蒸気タービンやガスタービンが提案されている(例えば、特許文献1、2)。
In recent years, as a solution to environmental problems and energy problems, power generation technology using a turbine device that uses sunlight as a heat source, for example, steam turbines and gas turbines using solar heat have been proposed (for example,
しかし、太陽熱を利用するこのような設備では、太陽熱の供給が不安定であるため、電力の需給バランスを保つことが難しい。すなわち、日照量が十分に得られる場合に、電力需要に対して発電量が過剰となる一方、夜間のように日照がない場合(夜間)や日照量が不十分な場合には、電力需要に対して発電量が不足することが起こり得る。したがって、太陽熱を利用する発電設備に、発電量が過剰である場合の余剰電力を利用したロードレベリングシステムが要求されている。 However, in such facilities that use solar heat, the supply of solar heat is unstable, so it is difficult to maintain a balance between power supply and demand. In other words, when the amount of sunshine is sufficient, the amount of power generated is excessive with respect to the power demand. On the other hand, when there is no sunshine, such as at night (nighttime), or when the amount of sunshine is insufficient, On the other hand, the power generation amount may be insufficient. Therefore, a load leveling system that uses surplus power when the amount of power generation is excessive is required for power generation facilities that use solar heat.
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、高効率に太陽光を熱源として利用しながら、日照量に影響されず安定的に電力を供給することができる外燃式ブレイトンサイクルエンジンを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an external combustion Brayton cycle that can stably supply electric power without being affected by the amount of sunlight while using sunlight as a heat source with high efficiency in order to solve the above-described problems. To provide an engine.
上記目的を達成するために、本発明に係る外燃式ブレイトンサイクルエンジンは、単原子ガスを第1作動媒体とする外燃式ブレイトンサイクルエンジンであって、前記第1作動媒体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給された第1作動媒体を、太陽光を熱源として加熱するソーラー加熱器と、水素ガスと酸素ガスとを燃焼させて、前記圧縮機から供給された第1作動媒体を加熱する水素燃焼器と、前記ソーラー加熱器から供給された第1作動媒体、および/または前記水素燃焼器から供給された第1作動媒体と水蒸気との混合ガスから動力を取り出すタービンと、水を電気分解することによって水素ガスおよび酸素ガスを生成する水素・酸素生成装置と、水素ガスを貯蔵する水素タンクと、酸素ガスを貯蔵する酸素タンクと、前記水素タンクを、前記水素・酸素生成装置の水素ガス導出口と前記水素燃焼器との間で選択的に連通させる水素流路切替装置と、前記酸素タンクを、前記水素・酸素生成装置の酸素ガス導出口と前記水素燃焼器との間で選択的に連通させる酸素流路切替装置とを備えている。 In order to achieve the above object, an external combustion type Brayton cycle engine according to the present invention is an external combustion type Brayton cycle engine using a monoatomic gas as a first working medium, and compresses the first working medium. The first working medium supplied from the compressor is heated by using solar light as a heat source, hydrogen gas and oxygen gas are burned, and the first working medium supplied from the compressor is A hydrogen combustor for heating, a first working medium supplied from the solar heater, and / or a turbine for extracting power from a mixed gas of the first working medium and steam supplied from the hydrogen combustor, and water A hydrogen / oxygen generator that generates hydrogen gas and oxygen gas by electrolysis, a hydrogen tank that stores hydrogen gas, an oxygen tank that stores oxygen gas, and the hydrogen tank A hydrogen flow switching device for selectively communicating the hydrogen gas between the hydrogen gas outlet of the hydrogen / oxygen generator and the hydrogen combustor, and the oxygen tank for connecting the oxygen gas to the hydrogen / oxygen generator. An oxygen flow switching device for selectively communicating between the outlet and the hydrogen combustor;
この構成によれば、太陽光を熱源として利用し、かつ作動媒体として、空気のような2原子分子からなるガスよりも大きい比熱比を有する単原子分子ガスを用いる高効率の外燃式ブレイトンサイクルエンジンにおいて、太陽光を利用する発電量が電力需要を上回る場合、過剰なエネルギーを水素ガスおよび酸素ガスとして貯蔵し、これらのガスを太陽光を利用する発電量が不足する場合に利用して発電することができる。したがって、クリーンで安価な自然エネルギーである太陽光SLを利用しながら、日照量に左右されず安定的に電力を供給することが可能となる。 According to this configuration, a high-efficiency external combustion Brayton cycle that uses sunlight as a heat source and uses, as a working medium, a monoatomic molecular gas having a larger specific heat ratio than a gas composed of diatomic molecules such as air. When the amount of power generation using sunlight exceeds the power demand in the engine, excess energy is stored as hydrogen gas and oxygen gas, and these gases are used to generate power when the amount of power generation using sunlight is insufficient. can do. Therefore, it is possible to stably supply power regardless of the amount of sunlight while using sunlight SL which is clean and inexpensive natural energy.
本発明の一実施形態に係る外燃式ブレイトンサイクルエンジンにおいて、前記タービンから排出された第1作動媒体と水蒸気との混合ガスを冷却して水を回収する凝縮器と、前記凝縮器で回収した水を前記水素・酸素生成装置へ供給する水供給路とを備えることが好ましい。この構成によれば、作動媒体のみならず、水素燃焼器に使用する水もエンジン内で循環利用するので、エンジン全体の効率を大幅に高めることができる。 In the external combustion Brayton cycle engine according to an embodiment of the present invention, a condenser that recovers water by cooling a mixed gas of the first working medium and water vapor discharged from the turbine, and recovered by the condenser It is preferable to provide a water supply path for supplying water to the hydrogen / oxygen generator. According to this configuration, since not only the working medium but also water used for the hydrogen combustor is circulated in the engine, the efficiency of the entire engine can be significantly increased.
本発明の一実施形態に係る外燃式ブレイトンサイクルエンジンにおいて、前記水素タンクに導入される水素ガスを圧縮し、前記水素タンクから導出された水素ガスを膨張させる第1圧縮膨張装置と、前記酸素タンクに導入される酸素ガスを圧縮し、前記酸素タンクから導出された酸素ガスを膨張させる第2圧縮膨張装置と、前記第1圧縮膨張装置と前記水素タンクとの間に設けられて、前記水素タンクに導入される水素ガスの熱を吸収して蓄える第1蓄熱装置と、前記第2圧縮膨張装置と前記酸素タンクとの間に設けられて、前記酸素タンクに導入される酸素ガスの熱を吸収して蓄える第2蓄熱装置とをさらに備えることが好ましい。この構成によれば、水素ガスおよび酸素ガスを圧縮貯蔵する際に蓄熱装置に蓄熱しておき、貯蔵されたガスを再利用する際に蓄熱装置でガスを加熱することにより、圧縮貯蔵した際の動力を効率的に回収することができる。 In the external combustion Brayton cycle engine according to an embodiment of the present invention, the first compression / expansion device compresses the hydrogen gas introduced into the hydrogen tank and expands the hydrogen gas derived from the hydrogen tank, and the oxygen A second compression / expansion device that compresses the oxygen gas introduced into the tank and expands the oxygen gas led out of the oxygen tank; and the hydrogen gas is provided between the first compression / expansion device and the hydrogen tank. A first heat storage device that absorbs and stores heat of hydrogen gas introduced into the tank, and is provided between the second compression / expansion device and the oxygen tank, and heat of the oxygen gas introduced into the oxygen tank is stored. It is preferable to further include a second heat storage device that absorbs and stores. According to this configuration, when the hydrogen gas and oxygen gas are compressed and stored, heat is stored in the heat storage device, and when the stored gas is reused, the gas is heated by the heat storage device to compress and store. Power can be recovered efficiently.
本発明に係る複合型エンジンシステムは、前記凝縮器を備える前記外燃式ブレイトンサイクルエンジンと、有機物からなる流体を第2作動媒体とするオーガニック・ランキンサイクルエンジンとを含む複合型エンジンシステムであって、前記凝縮器を通過する前記混合ガスによって前記第2作動媒体が加熱される。この構成によれば、前記外燃式ブレイトンサイクルエンジンの作動に利用した水蒸気の潜熱を利用してオーガニック・ランキンサイクルエンジンを作動させるので、エンジンシステム全体の効率を高めることができる。 A combined engine system according to the present invention is a combined engine system including the external combustion Brayton cycle engine including the condenser and an organic Rankine cycle engine using a fluid made of an organic substance as a second working medium. The second working medium is heated by the mixed gas passing through the condenser. According to this configuration, the organic Rankine cycle engine is operated using the latent heat of the steam used for the operation of the external combustion Brayton cycle engine, so that the efficiency of the entire engine system can be increased.
本発明の一実施形態に係る複合型エンジンシステムにおいて、前記凝縮器が、前記タービンから前記圧縮機へ前記第1作動媒体を返送する作動媒体返送路に設けられており、この作動媒体返送路に、この作動媒体返送路内の前記第1作動媒体の内圧を調整する内圧調整ユニットが接続されている。この構成によれば、内圧調整ユニットによって凝縮器の内圧を、水蒸気の潜熱を最大限に利用できる圧力に調整することができる。したがって、エンジンシステム全体の効率を大幅に高めることが可能となる。 In the hybrid engine system according to an embodiment of the present invention, the condenser is provided in a working medium return path that returns the first working medium from the turbine to the compressor, and the working medium return path includes the condenser. An internal pressure adjusting unit for adjusting the internal pressure of the first working medium in the working medium return path is connected. According to this configuration, the internal pressure of the condenser can be adjusted to a pressure at which the latent heat of water vapor can be utilized to the maximum by the internal pressure adjusting unit. Therefore, the efficiency of the entire engine system can be greatly increased.
本発明に係る外燃式ブレイトンサイクルエンジンによれば、以上のように、高効率に太陽光を熱源として利用しながら、日照量に影響されず安定的に電力を供給することができる。 According to the external combustion Brayton cycle engine according to the present invention, as described above, it is possible to stably supply electric power without being influenced by the amount of sunlight while using sunlight as a heat source with high efficiency.
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態に係る外燃式ブレイトンサイクルエンジン(以下、「第1エンジン」という。)E1を含む複合型エンジンシステム(以下、単に「エンジンシステム」という。)Sを示す概略構成図である。第1エンジンE1は、太陽光SLを熱源として利用するとともに、単原子ガスを作動媒体(第1作動媒体)M1として利用する。本実施形態では、第1作動媒体M1としてヘリウムガスを使用している。また、複合型エンジンシステムSは、有機物からなる流体を作動媒体(第2作動媒体)M2として利用するオーガニック・ランキンサイクルエンジン(以下、「第2エンジン」という。)E2を備えている。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a combined engine system (hereinafter simply referred to as “engine system”) S including an external combustion Brayton cycle engine (hereinafter referred to as “first engine”) E1 according to an embodiment of the present invention. It is a block diagram. The first engine E1 uses solar light SL as a heat source and uses a monoatomic gas as a working medium (first working medium) M1. In the present embodiment, helium gas is used as the first working medium M1. The composite engine system S includes an organic Rankine cycle engine (hereinafter referred to as “second engine”) E2 that uses a fluid made of an organic substance as a working medium (second working medium) M2.
第1エンジンE1は、第1作動媒体M1を圧縮する圧縮機1、圧縮機1で圧縮された第1作動媒体M1を加熱するソーラー加熱器3および水素燃焼器5、およびこの加熱された第1作動媒体M1(つまり、ソーラー加熱器から供給された第1作動媒体M1および水素燃焼器5から供給された第1作動媒体M1と水蒸気との混合ガスMGの少なくとも一方)から動力を取り出すタービン7を備えている。本実施形態では、第1エンジンE1を、タービン7から排出された第1作動媒体M1を圧縮機1へ供給して再利用する閉サイクルエンジンとして構成している。第1エンジンE1の出力により、第1発電機G1のような負荷が駆動される。
The first engine E1 includes a
圧縮機1は、低圧圧縮機部1aと高圧圧縮機部1bとからなり、これら低圧圧縮機部1aと高圧圧縮機部1bとの間に、冷却水を使用する中間冷却器11が設けられている。この中間冷却器11によって低圧圧縮機部1aで圧縮された第1作動媒体M1を冷却することにより、高圧圧縮機部1bの圧縮仕事が小さくなり、効率が向上する。圧縮機1で圧縮された高圧の第1作動媒体M1は、圧縮機1からタービン7へ第1作動媒体M1を供給する作動媒体供給路18上に設けられた復熱器13を通過した後に、ソーラー加熱器3(または水素燃焼器5)へ送られる。復熱器13は、タービン7から排出された高温の第1作動媒体M1の熱を利用して、圧縮機1からソーラー加熱器3(または水素燃焼器5)へ向かう第1作動媒体M1を予熱する。
The
圧縮機1とタービン7との間に配置されたソーラー加熱器3は、第1エンジンE1の外部に設置された集光装置17から供給された太陽光SLを受け、太陽光SLを熱源として第1作動媒体M1を加熱する。本実施形態では、太陽光集光装置17として、ソーラー加熱器3に向けて集光するように角度調整可能な多数のミラーMRを用いている。
The
作動媒体供給路18における、ソーラー加熱器3の下流側、つまりソーラー加熱器3とタービン7との間に、水素燃焼器5が配設されている。水素燃焼器5は、水素ガスHGを酸素ガスOGと燃焼させて、圧縮機1で圧縮された第1作動媒体M1を加熱する。第1エンジンE1は、水を電気分解することによって水素ガスHGおよび酸素ガスOGを生成する水素・酸素生成装置19を備えている。水素・酸素生成装置19によって生成された当量比の水素ガスHGおよび酸素ガスOGが、水素燃焼器5に供給される。
The
水素・酸素生成装置19の水素ガス導出口21と、水素燃焼器5と、水素ガスHGを貯蔵する水素タンク23とは、これらの間で選択的に連通させる水素流路切替装置25を介して互いに接続されている。同様に、水素・酸素生成装置19の酸素ガス導出口31と、水素燃焼器5と、酸素ガスOGを貯蔵する酸素タンク33とは、これらの間で選択的に連通させる酸素流路切替装置35を介して互いに接続されている。より具体的には、水素・酸素生成装置19の水素ガス導出口21は水素流路切替装置25に接続されており、水素流路切替装置25は、水素流通路27を介して水素タンク23に接続されるとともに、水素供給路29を介して水素燃焼器5の水素導入口5aに接続されている。同様に、水素・酸素生成装置19の酸素ガス導出口31は酸素流路切替装置35に接続されており、酸素流路切替装置35は、酸素流通路37を介して酸素タンク33に接続されるとともに、酸素供給路39を介して水素燃焼器5の酸素導入口5bに接続されている。
The
水素流路切替装置25と水素タンク23とを接続する水素流通路27の中途には、水素圧縮膨張装置41が設けられている。さらに、水素流通路27における水素圧縮膨張装置41と水素タンク23との間に、水素蓄熱装置43が設けられている。水素圧縮膨張装置41は、水素流通路27を水素流路切替装置25側から水素タンク23へ流れて水素タンク23に導入される水素ガスHGを圧縮するとともに、水素タンク23から導出された水素ガスHGを膨張させる。
A hydrogen compression /
同様に、酸素流路切替装置35と酸素タンク33とを接続する酸素流通路37の中途には、酸素圧縮膨張装置51が設けられている。さらに、酸素流通路37における酸素圧縮膨張装置51と酸素タンク33との間に、酸素蓄熱装置53が設けられている。酸素圧縮膨張装置51は、酸素流通路37を酸素流路切替装置35側から酸素タンク33へ流れて酸素タンク33に導入される酸素ガスOGを圧縮するとともに、酸素タンク33から導出された酸素ガスOGを膨張させる。
Similarly, an oxygen compression /
水素圧縮膨張装置41は、回転軸を介して第1モータジェネレータ45に接続されている。第1モータジェネレータ45は、水素圧縮膨張装置41が水素ガスHGを圧縮する場合に、第1発電機G1から電力の供給を受けて、水素圧縮膨張装置41を駆動するモータとして機能する。一方、水素圧縮膨張装置41において水素ガスHGが膨張する場合には、第1モータジェネレータ45は、水素圧縮膨張装置41によって駆動され、ジェネレータとして発電する。
The hydrogen compression /
同様に、酸素圧縮膨張装置51は、回転軸を介して第2モータジェネレータ55に接続されている。第2モータジェネレータ55は、酸素圧縮膨張装置51が酸素ガスOGを圧縮する場合に、第1発電機G1から電力の供給を受けて、酸素圧縮装置を駆動するモータとして機能する。一方、酸素圧縮膨張装置51において酸素ガスOGが膨張する場合には、第2モータジェネレータ55は、酸素圧縮膨張装置51によって駆動され、ジェネレータとして発電する。
Similarly, the oxygen compression /
タービン7から排出された第1作動媒体M1を圧縮機1へ循環させる作動媒体返送路61の中途には、凝縮器63が設けられている。本実施形態では、作動媒体返送路61における復熱器13の下流側に凝縮器63が配設されている。凝縮器63は、タービン7から排出された第1作動媒体M1と水蒸気との混合ガスMGを冷却して、水Wを回収する。凝縮器63で回収された水Wは、水供給路65を介して水素・酸素生成装置19に送られる。また、凝縮器63によって水分が除去された第1作動媒体M1は、作動媒体返送路61を介して圧縮機1側へ送られる。
A
第1エンジンE1は、ソーラー加熱器3単独の作動によって発電可能な電力量(以下、「ベース発電量」と呼ぶ。)と、第1エンジンE1に要求される電力量(以下、「需要電力量」と呼ぶ。)のバランスに応じて第1エンジンE1の構成要素を制御する制御装置71を備えている。制御装置71は、第1エンジンE1の構成要素のうち、少なくとも水素流路切替装置25および酸素流路切替装置35を制御する。以下、制御装置71による第1エンジンE1の制御および各制御状態における第1エンジンE1の動作について説明する。
The first engine E1 has a power amount that can be generated by the operation of the
まず、ベース発電量が需要電力量を超えている場合、例えば晴天時の昼間における第1エンジンE1の制御について、図2を参照しながら説明する。この場合、圧縮機1で圧縮された第1作動媒体M1は、復熱器13で予熱された後、ソーラー加熱器3のみによって加熱され、水素燃焼器5を素通りしてタービン7へ送給され、タービン7を駆動する。一方、第1発電機G1の出力、つまりベース発電量のうち、需要電力量に対して過剰となる分が、同図に破線で示す送電路PPを介して水素・酸素生成装置19に供給される。この過剰分の電力を利用して、水素・酸素生成装置19において、水の電気分解による水素ガスHGおよび酸素ガスOGの生成が行われる。
First, when the base power generation amount exceeds the demand power amount, for example, the control of the first engine E1 in the daytime in fine weather will be described with reference to FIG. In this case, the first working medium M <b> 1 compressed by the
この場合、制御装置71は、水素流路切替装置25を、水素・酸素生成装置19と水素タンク23とが連通するように切り替えるとともに、酸素流路切替装置35を、水素・酸素生成装置19と酸素タンク33とが連通するように切り替える。水素・酸素生成装置19で生成された水素ガスHGは、水素導出口21から水素流通路27を通って水素タンク23に導入され、水素タンク23に貯蔵される。その過程で、水素ガスHGは、水素圧縮膨張装置41によって圧縮され、その後、水素蓄熱装置43において冷却され、高圧(例えば数百気圧)および常温(例えば、50℃〜100℃)の状態で水素タンク23に貯蔵される。水素ガスHGが水素蓄熱装置43において冷却される際、水素ガスHGから奪われた熱は、水素蓄熱装置43に蓄えられる。同様に、水素・酸素生成装置19で生成された酸素ガスOGは、酸素導出口31から酸素流通路37を通って酸素タンク33に導入され、酸素タンク33に貯蔵される。その過程で、酸素ガスOGは、酸素圧縮膨張装置51によって圧縮され、その後、酸素蓄熱装置53において冷却され、高圧(例えば数百気圧)および常温(例えば、50℃〜100℃)の状態で酸素タンク33に貯蔵される。酸素ガスOGが酸素蓄熱装置53において冷却される際、酸素ガスOGから奪われた熱は、酸素蓄熱装置53に蓄えられる。
In this case, the
次に、ベース発電量が需要電力量以下の場合、例えば太陽光を利用できない夜間における第1エンジンE1の制御について、図3を参照しながら説明する。 Next, when the base power generation amount is less than the demand power amount, for example, control of the first engine E1 at night when sunlight cannot be used will be described with reference to FIG.
この場合、制御装置71は、水素流路切替装置25を、水素タンク23と水素燃焼器5とが連通するように切り替えるとともに、酸素流路切替装置35を、酸素タンク33と水素燃焼器5とが連通するように切り替える。水素タンク23に貯蔵されていた水素ガスHGが、水素流通路27および水素供給路29を通って、水素燃焼器5の水素導入口5aから水素燃焼器5内に導入される。その過程で、水素ガスHGは、水素蓄熱装置43において、水素蓄熱装置43に蓄えられた熱によって加熱され、その後、水素圧縮膨張装置41において膨張し、水素圧縮膨張装置41を駆動する。同様に、酸素タンク33に貯蔵されていた酸素ガスOGが、酸素流通路37および酸素供給路39を通って、水素燃焼器5の酸素導入口5bから水素燃焼器5内に導入される。その過程で、酸素ガスOGは、酸素蓄熱装置53において、酸素蓄熱装置53に蓄えられた熱によって加熱され、その後、酸素圧縮膨張装置51において膨張し、酸素圧縮膨張装置51を駆動する。
In this case, the
圧縮機1で圧縮された第1作動媒体M1は、復熱器13で予熱された後、水素燃焼器5によって加熱され、水素の燃焼により発生した水蒸気と第1作動媒体M1との混合ガスがタービン7へ送給されてタービン7を駆動する。また、第1モータジェネレータ45および第2モータジェネレータ55は、それぞれ、水素圧縮膨張装置41および酸素圧縮膨張装置51によって駆動されて、ジェネレータとして発電を行う。これらモータジェネレータによる出力も第1エンジンE1の出力となる。
The first working medium M1 compressed by the
なお、太陽光SLを利用できる晴天時の昼間であっても、電力需要が大きく、需要電力量がベース発電量を超える場合には、水素燃焼器5に水素タンク23から水素ガスHGを、酸素タンク33から酸素ガスOGを、それぞれ供給して、ソーラー加熱器3および水素燃焼器5の両方を作動させてもよい。
In addition, even in the daytime in fine weather when sunlight SL can be used, when the power demand is large and the demand power amount exceeds the base power generation amount, the hydrogen gas HG is supplied from the
また、本実施形態では、圧縮機1とタービン7の間の作動媒体供給通路18において、ソーラー加熱器3と水素燃焼器5を直列に配置したが、図4(a)に示すように、ソーラー加熱器3と水素燃焼器5とを並列に配置してもよく、図4(b)に示すように、ソーラー加熱器3と水素燃焼器5を直列に配置したうえで、上流側に配置されたソーラー加熱器3をバイパスするバイパス通路73を設けてもよい。
In the present embodiment, the
なお、タービン7を高圧タービン部と低圧タービン部とからなる2段に構成し、高圧タービン部と低圧タービン部の間に追加の加熱器を設けてもよい。また、図1の第1エンジンE1において、圧縮機1を1段で構成して中間冷却器11を省略してもよい。
Note that the turbine 7 may be configured in two stages including a high-pressure turbine section and a low-pressure turbine section, and an additional heater may be provided between the high-pressure turbine section and the low-pressure turbine section. Further, in the first engine E1 of FIG. 1, the
オーガニック・ランキンサイクルエンジンである第2エンジンE2は、第1エンジンE1の排熱を利用して第2作動媒体である有機物を加熱し、エキスパンダ(タービン)81を介して第2発電機G2を駆動する。具体的には、第2エンジンE2の第2作動媒体M2が、第1エンジンE1の作動媒体返送路61に設けられた凝縮器63を冷却媒体として通過し、凝縮器63において、作動媒体返送路61から凝縮器63に流入した混合ガスによって加熱される。なお、第2作動媒体として使用できる有機物としては、例えば、フロンやペンタンが挙げられるが、これらに限定されない。
The second engine E2, which is an organic Rankine cycle engine, uses the exhaust heat of the first engine E1 to heat the organic substance, which is the second working medium, and supplies the second generator G2 via the expander (turbine) 81. To drive. Specifically, the second working medium M2 of the second engine E2 passes through the
第1エンジンE1に第2エンジンE2を上記のように組み合わせてエンジンシステムSとして運転する場合、作動媒体返送路61における凝縮器63と圧縮機1との間の部分に、第1作動媒体M1を貯蔵する作動媒体タンク83を、圧力調整ポンプ85を介して接続する。これら作動媒体タンク83および圧力調整ポンプ85が、作動媒体返送路61内の内圧を調整する内圧調整ユニット87を形成する。
When the first engine E1 and the second engine E2 are combined and operated as the engine system S as described above, the first working medium M1 is placed in a portion between the
内圧調整ユニット87を設けることにより、凝縮器63において第2エンジンE2の第2作動媒体M2に与えられる熱量を調整することが可能となる。すなわち、内圧調整ユニット87によって、凝縮器63内の内圧も調整できることとなり、これにより、凝縮器6内に流入した水蒸気の凝縮温度を調整できる。例えば、凝縮器63内の内圧を上げれば、水蒸気の凝縮温度は上昇するので、凝縮器63において第2作動媒体M2に与えられる熱量は増加する。このように、内圧調整ユニットを設けることにより、オーガニック・ランキンサイクルエンジンである第2エンジンE2の加熱源としての水蒸気の潜熱を最大限に利用することができる。
By providing the internal
次に、第1エンジンE1に第2エンジンE2を上記のように組み合わせてエンジンシステムSとして運転する場合の、第1エンジンE1の第1作動媒体M1について説明する。 Next, the first working medium M1 of the first engine E1 when the first engine E1 is combined with the second engine E2 as described above and operated as the engine system S will be described.
上述のように、第1作動媒体M1として、単原子分子からなるガスを用いる。単原子分子ガスは、空気のような2原子分子からなるガスよりも比熱比が大きいため、第1エンジンE1内の圧力比を低く設定しても、高い効率を得ることができる。したがって、ソーラー加熱器3の圧力も低く設定することが可能となるので、ソーラー加熱器3の信頼性が向上するとともに、コストを低減することができる。
As described above, a gas composed of monoatomic molecules is used as the first working medium M1. Since the monoatomic molecular gas has a larger specific heat ratio than a gas composed of diatomic molecules such as air, high efficiency can be obtained even if the pressure ratio in the first engine E1 is set low. Therefore, since the pressure of the
第1作動媒体M1は、本実施形態のようにヘリウムのような軽量の単原子ガスの単体であってもよいが、水素燃焼器5を用いて第1作動媒体M1を水蒸気との混合気体として使用する場合は、単原子分子ガスの分子量は、水の分子量に比べて著しく小さいよりも、水の分子量に近い方が好ましいことも考えられる。その場合には、例えばヘリウムに、より分子量の大きい単原子ガス、例えばキセノンを混合して作動媒体M1として用いてもよい。
The first working medium M1 may be a simple monoatomic gas such as helium as in the present embodiment, but the first working medium M1 is mixed with water vapor using the
以上のように、本実施形態に係る第1エンジンE1では、太陽光SLを熱源として利用し、かつ作動媒体M1として、空気のような2原子分子からなるガスよりも大きい比熱比を有する単原子分子ガスを用いる高効率の外燃式ブレイトンサイクルエンジンにおいて、太陽光SLを利用する発電量が電力需要を上回る場合、過剰なエネルギーを水素ガスHGおよび酸素ガスOGとして貯蔵し、これらのガスを太陽光SLを利用する発電量が不足する場合に利用して発電することが可能となる。したがって、クリーンで安価な自然エネルギーである太陽光SLを利用しながら、日照量に左右されず安定的に電力を供給することが可能となる。 As described above, in the first engine E1 according to the present embodiment, a single atom that uses sunlight SL as a heat source and has a larger specific heat ratio as a working medium M1 than a gas composed of diatomic molecules such as air. In a highly efficient external combustion Brayton cycle engine using molecular gas, when the amount of power generation using solar light SL exceeds the power demand, excess energy is stored as hydrogen gas HG and oxygen gas OG, and these gases are stored in the sun. It is possible to generate power using the light SL when the power generation amount using the light SL is insufficient. Therefore, it is possible to stably supply power regardless of the amount of sunlight while using sunlight SL which is clean and inexpensive natural energy.
また、本実施形態に係る複合型エンジンシステムSによれば、外燃式ブレイトンサイクルエンジンである第1エンジンE1の作動に利用した水蒸気の潜熱を利用してオーガニック・ランキンサイクルエンジンである第2エンジンE2を作動させるので、エンジンシステムS全体の効率を高めることができる。 Further, according to the composite engine system S according to the present embodiment, the second engine that is an organic Rankine cycle engine using the latent heat of water vapor used for the operation of the first engine E1 that is an external combustion type Brayton cycle engine. Since E2 is operated, the efficiency of the entire engine system S can be increased.
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。 As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, but various additions, modifications, or deletions can be made without departing from the spirit of the present invention. Therefore, such a thing is also included in the scope of the present invention.
1 圧縮機
3 ソーラー加熱器
5 水素燃焼器
7 タービン
19 水素・酸素生成装置
21 水素ガス導出口
23 水素タンク
31 酸素ガス導出口
33 酸素タンク
E1 第1エンジン(外燃式ブレイトンサイクルエンジン)
E2 第2エンジン(オーガニック・ランキンサイクルエンジン)
M1 第1作動媒体
M2 第2作動媒体
DESCRIPTION OF
E2 2nd engine (Organic Rankine cycle engine)
M1 first working medium M2 second working medium
Claims (5)
前記第1作動媒体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から供給された第1作動媒体を、太陽光を熱源として加熱するソーラー加熱器と、
水素ガスと酸素ガスとを燃焼させて、前記圧縮機から供給された第1作動媒体を加熱する水素燃焼器と、
前記ソーラー加熱器から供給された第1作動媒体、および/または前記水素燃焼器から供給された第1作動媒体と水蒸気との混合ガスから動力を取り出すタービンと、
水を電気分解することによって水素ガスおよび酸素ガスを生成する水素・酸素生成装置と、
水素ガスを貯蔵する水素タンクと、
酸素ガスを貯蔵する酸素タンクと、
前記水素タンクを、前記水素・酸素生成装置の水素ガス導出口と前記水素燃焼器との間で選択的に連通させる水素流路切替装置と、
前記酸素タンクを、前記水素・酸素生成装置の酸素ガス導出口と前記水素燃焼器との間で選択的に連通させる酸素流路切替装置と、
を備える外燃式ブレイトンサイクルエンジン。 An external combustion type Brayton cycle engine using monatomic gas as a first working medium,
A compressor for compressing the first working medium;
A solar heater that heats the first working medium supplied from the compressor using sunlight as a heat source;
A hydrogen combustor that burns hydrogen gas and oxygen gas to heat the first working medium supplied from the compressor;
A turbine for extracting power from a first working medium supplied from the solar heater and / or a mixed gas of the first working medium and steam supplied from the hydrogen combustor;
A hydrogen / oxygen generator that generates hydrogen gas and oxygen gas by electrolyzing water;
A hydrogen tank for storing hydrogen gas;
An oxygen tank for storing oxygen gas;
A hydrogen flow path switching device for selectively communicating the hydrogen tank between the hydrogen gas outlet of the hydrogen / oxygen generator and the hydrogen combustor;
An oxygen flow path switching device for selectively communicating the oxygen tank between an oxygen gas outlet of the hydrogen / oxygen generator and the hydrogen combustor;
External combustion type Brayton cycle engine equipped with.
有機物からなる流体を第2作動媒体とするオーガニック・ランキンサイクルエンジンとを含む複合型エンジンシステムであって、
前記凝縮器に加熱媒体として流入した前記混合ガスによって前記第2作動媒体が加熱される、
複合型エンジンシステム。 An external combustion Brayton cycle engine according to claim 2 or claim 3 that cites claim 2 or claim 2,
A combined engine system including an organic Rankine cycle engine using a fluid made of organic matter as a second working medium,
The second working medium is heated by the mixed gas flowing into the condenser as a heating medium.
Combined engine system.
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