JP2024084091A

JP2024084091A - 発電システム

Info

Publication number: JP2024084091A
Application number: JP2022212893A
Authority: JP
Inventors: 郁夫中村; Ikuo Nakamura
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2024-06-24
Anticipated expiration: 2042-12-12
Also published as: WO2024127690A1; JP7300600B1

Abstract

【課題】太陽熱、大気熱、地中熱、河川水熱、海水熱、各種排熱の低い温度の熱を有効に活用し発電出来るシステムの構築。
【解決手段】前記の１０℃から３０℃程度の低い温度の熱をポンプやヒートパイプにより熱交換器に集め熱媒と熱交換を行なう。
熱交換した１０℃から３０℃程度の低い温度の熱媒を８０℃程度の温度にするため圧縮機で圧縮・昇温を行ない、圧縮・昇温した８０℃程度の熱媒を半球面形状の熱線集中放射ユニットにより、スターリングエンジン発電機の受熱部を３００℃から８００℃程度に加熱し発電する。
熱線集中放射ユニットを経由した熱媒は膨張弁を通り低圧の低い温度となり、スターリングエンジン発電機の冷却部を冷却するため冷気入口から流入し、スターリングエンジン発電機の冷却部を冷却。冷却作用により昇温した熱媒は、暖気出口より流出する。
スターリングエンジン発電機の暖気出口より流出した熱媒は低温と高温度に分離できるボルテックスチユーブに流入し、低温に分離した熱媒は熱交換器に送込まれ太陽熱、大気熱、地中熱、河川水熱、海水熱、各種排熱と熱交換後圧縮機に流入し圧縮・昇温する。高温に分離した熱媒は直接圧縮機に流入し圧縮・昇温する。
太陽熱、大気熱、地中熱、河川水熱、海水熱、各種排熱の低い温度の熱は豊富に有りクリーンエネルギーとして地域分散・地産地消の発電システムを構築する。

Description

本発明は、太陽熱、大気熱、地中熱、河川水熱、海水熱、各種排熱の低い温度の熱を利用し熱交換器で熱媒と熱交換、圧縮機で圧縮・昇温、さらにスターリングエンジン発電機の受熱部に熱媒による熱線を集中放射して加熱し発電する、熱線集中放射ユニットを組込んだ発電システムに関する。

前記の低い温度の熱を利用する発電は発電効率が低く有効に活用されていない。

発明が解決しようとする課題

前記の低い温度の熱を有効に活用し発電出来るシステムの構築が課題。

課題を解決するための手段

前記の低い温度の熱を利用し熱交換器で熱媒と熱交換、圧縮機で圧縮・昇温、さらにスターリングエンジン発電機の受熱部に熱媒による熱線を集中放射して加熱し、低い温度の熱を有効に活用する発電するシステムの構築。

発明の効果

前記の低い温度の熱は豊富に有りクリーンエネルギーとして地域分散・地産地消の電力として役立つ。

熱線集中放射ユニットを組込んだスターリングエンジン発電システムの概略図である。熱線集中放射ユニットの断面図と正面図である。熱線集中放射ユニットの正面図である。第１ボウルの断面図と正面図である。第２ボウルの正面図と断面図である。キャップの断面図と正面図である。

図１から図６を参照しながら、本発明の実施形態の詳細を説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

スターリングエンジン発電機はスターリングエンジン発電機の受熱部を３００℃から８００℃程度に加熱し、ディスプレーサーピストンにより作動ガス（ヘリュームガスなど）を移動、作動ガスは膨張・収縮し、パワーピストンを機械的な往復運動に変換、その運動エネルギーで発電機を駆動し発電する。

図１から図３に示す熱線集中放射ユニット１を組込んだスターリングエンジン発電システムは太陽熱、大気熱、地中熱、河川水熱、海水熱、各種排熱の１０℃から３０℃程度の低い温度の熱を例えば空気や水を媒体としてポンプやヒートパイプにより熱交換器に集め熱媒と熱交換を行なう。前記の低い温度の熱は季節や時刻で変化するため、高い温度例えば昼間は大気熱、夜間は地中熱と切換弁を設けることで、その切換と制御により複合熱源を有効に活用できる。

熱交換した１０℃から３０℃程度の低い温度の熱媒を８０℃程度の温度にするため逆カルノーサイクルの応用により圧縮機で熱媒を圧縮・昇温することで、投入エネルギーより数倍の高い熱エネルギー得られる。圧縮機は例えば小型で騒音の少ないスクロール圧縮機を使用。
圧縮機で圧縮し昇温した８０℃程度の熱媒は図２と図３に示す半球面形状の熱線集中放射ユニット１の頂部にある熱媒流入口１ａより熱媒流路１ｂに流入する。

図２と図３に示す熱線集中放射ユニット１は図４に示す第１ボウル２、図５に示す第２ボウル３、図６に示すキャップ４の中心を合わせる形で各々のフランジ２ｄ、３ｃ、４ｂにより第２ボウル３は第１ボウル２の内側に配置、キャップ４は第２ボウル３の端面に配置し、重ね合せて１体としボルト１ｉで締付け、分解・点など容易な構造にしている。
熱線集中照射ユニット１は耐蝕性もたすため例えばステンレス鋼を使用する。

図２と図３に示す第１ボウル２の第１ボウル本体２ａと第２ボウル３の第２ボウル本体３ａとの間に熱媒流路１ｂを形成し、第１ボウル２のフランジ２ｄと第２ボウル３のフランジ３ｃの間の熱媒の漏れを防止するため第１パッキン１ｅを組込む。パッキンは例えば耐熱性Ｏリングを使用する。

図２と図３に示す熱線集中放射ユニット１はスターリングエンジン発電機の受熱部に覆い被せるように組付けられており、熱媒流入口１ａより熱媒流路１ｂに流入した８０℃程度の熱媒の熱で第２ボウル３の第２ボウル本体３ａとフィン３ｂに伝熱し昇温する。

図２、図３、図４に示す第１ボウル２は第１ボウル本体２ａと外ボウル２ｂの間が二重構造で、外ボウル２ｂの外周部への伝導と対流による熱伝導を抑えるためこの空間はボウル真空層２ｃとなっている。
第１ボウル本体２ａの半球面形状の内面は鏡面とし、外部への輻射熱を抑え、第２ボウル３の第２ボウル本体３ａとフィン３ｂに向けて集中反射させている。鏡面にするため例えば内面にステンレス鏡面シ－トを貼付ける。

図２、図３、図４に示す第１ボウル２のフランジ２ｄの内部に熱媒を熱媒流入口１ａから熱媒流路１ｂを全面均一に流すためオリフィス２ｅを等角度で多数放射状に設け、フランジ２ｄの外周には熱媒をオリフィス２ｅから熱媒流出口１ｃに集めるためマニホ－ルド２ｆを設けている。
マニホ－ルド本体２ｇとマニホ－ルド外リム２ｈの間が二重構造でマニホールド外リム２ｈの外周部への伝導と対流による熱伝導を抑えるためこの空間はマニホールド真空層２ｉになっており真空層連結小孔２ｊよりボウル真空層２ｃと連結、真空逆止弁口２ｋに設けた真空逆止弁１ｈより真空引きを行ない、熱効率の向上と各機能一体化による部品点数の削減を図っている。

図２、図３、図５に示す第２ボウル３の第２ボウル本体３ａの外面には熱媒を全面均一に流し伝熱効率向上のため第１ボウル２のオリフス２ｅと長短合わせて同数のフィン３ｂを第２ボウル３の頂点中心からみて放射状に、オリフィス２ｅの中間になるように設けている。なお第２ボウル３の頂部の熱媒流路１ｂの幅を確保するためフィン３ｂは一つ飛びに頂点エリアの一部を省略するような形にして短くしている。
第２ボウル３の第２ボウル本体３ａの半球面形状の外面は熱線の吸収率を上げるため、半球面形状の内面は熱線の放射率を上げるため黒色面とし、例えばカーボンナノチューブ黒体面とする。

図２および図６に示すキャップ４は第２ボウル３をスターリングエンジン発電機の受熱部に閉塞して熱線集中放射室１ｄを成形している。
熱線集中放射室１ｄは伝導と対流による熱伝導を抑えかつ、大気ガスよる熱線放射の減衰を抑えるために真空構造に構成されている。
キャップ本体４ａは真空に耐えるため円筒曲面とし部材の削減と軽量化を図り、真空逆思弁口４ｄに設けた真空逆止弁１ｈより熱線集中放射室１ｄの真空引きを行う。

キャップ本体４ａの熱線集中放射室１ｄ側内面は外部への輻射熱を抑えるため鏡面とし、鏡面にするため例えば内面にステンレス鏡面シ－トを貼付ける。
キャップ４の中央部に設けているボス４ｃにより熱線集中照射ユニット１をスターリングエンジン発電機の受熱部に組付け、重量を支えるためベース４ｅによりスターリングエンジン発電機の架台に取付ける。
キャップ４の仕様や形状はスターリングエンジン発電機の機種に合わせ対応出来る。

図２に示す第２ボウル３のフランジ３ｃとキャップ４のフランジ４ｂとの間およびキャップ４のボス４ｃとスターリングエンジン発電機の受熱部との間の真空の漏れを防止するため各々第２パッキン１ｆと第３パッキン１ｇを組込む。パッキンは例えば耐熱性Ｏリングを使用する。

８０℃程度の熱媒は熱媒流入口１ａから第１ボウル２と第２ボウル３の間の熱媒流路１ｂ入り第２ボウル３のフィン３ｂに沿い第２ボウル本体３ａに伝熱しながら、伝熱を全面に均一に行うため等角度で多数個設けたオリフィス２ｅに向かって流れ、マニホールド２ｆに集まる。

図２に示す第２ボウル３の第２ボウル本体３ａは半球面形状でその内面より放射する熱線は真空構造の熱線集中放射室１ｄを通過しスターリングエンジン発電機の受熱部を集中放射して３００℃から８００℃程度に加熱し発電する。

マニホールド２ｆに集まった熱媒は熱媒流出口１ｃから膨張弁を通り低圧の低い温度となり、スターリングエンジン発電機の冷却部を冷却するため冷気入口から流入し、スターリングエンジン発電機の冷却部を冷却。冷却作用により昇温した熱媒は、暖気出口より流出する。低い温度となった熱媒でスターリングエンジン発電機の冷却部を冷却するため冷却費用を抑えることが出来る。

スターリングエンジン発電機の暖気出口より流出した熱媒は低温と高温に分離できるボルテックスチユーブに流入し低温は例えば５℃以下に分離した熱媒は熱交換器に送込まれ太陽熱、大気熱、地中熱、河川水熱、海水熱、各種排熱と熱交換後圧縮機に流入し圧縮・昇温する。高温の例えば３０℃以上に分離した熱媒は直接圧縮機に流入し圧縮・昇温する。稼働条件により流量調整弁により流量を制御する。ボルテックスチユーブを備えることにより熱媒の熱を効率よく利用できる。

熱を効率よく運ぶ熱媒は、可燃性や毒性がない安全な、フロン熱媒に比べ地球温暖化への影響が極めて少ない例えばＣＯ_２熱媒などを使用する。熱媒の移動には熱損失を少なくするため、例えば真空二重配管・断熱配管・断熱ホースの断熱部材を使用し、図１に示すように各機器を配管接続する。

制御は温度センサーなど各種センサー・機器を組込んだシステムとスターリングエンジン発電機の制御と連携をとり図１に示す熱線集中放射ユニットを組込んだスターリングエンジン発電システムの制御を行なう。

１・・・熱線集中放射ユニット１ａ・・熱媒流入口
１ｂ・・熱媒流路１ｃ・・熱媒流出口１ｄ・・熱線集中放射室
１ｅ・・第１パッキン１ｆ・・第２パッキン１ｇ・・第３パッキン
１ｈ・・真空逆止弁１ｉ・・ボルト
２・・・第１ボウル２ａ・・第１ボウル本体２ｂ・・外ボウル
２ｃ・・ボウル真空層２ｄ・・フランジ２ｅ・・オリフィス
２ｆ・・マニホールド２ｇ・・マニホールド本体
２ｈ・・マニホール外リム２ｉ・・マニホールド真空層
２ｊ・・真空層連結小孔２ｋ・・真空逆止弁口
３・・・第２ボウル３ａ・・第２ボウル本体３ｂ・・フィン
３ｃ・・フランジ
４・・・キャップ４ａ・・キャップ本体４ｂ・・フランジ
４ｃ・・ボス４ｄ・・真空逆止弁口４ｅ・・ベース

Claims

熱交換器と圧縮機と熱線集中放射ユニットとスターリングエンジン発電機を備えた発電システムで、
熱交換器は太陽熱、大気熱、地中熱、河川水熱、海水熱、各種排熱の低い温度の熱を熱媒と熱交換可能に構成されており、
圧縮機はその熱媒を圧縮・昇温後、熱線集中放射ユニットに供給するように構成されており、
熱線集中放射ユニットは半球面形状でスターリングエンジン発電機の受熱部に覆い被せるように組付けられており、
熱線集中放射ユニットに供給された熱媒に基づく熱線をスターリングエンジン発電機の受熱部に集中放射して加熱し発電する発電システム。
熱線集中放射ユニットは、第１ボウル、第２ボウル、キッャプを有しており、中心を合わせる形で第２ボウルは第１ボウルの内側に配置されており、キャップは第２ボウルの端面に配置されており、第１ボウルと第２ボウルの間に熱媒が通る流路を設けられており、供給された熱媒に基づく熱線をスターリングエンジン発電機の受熱部に集中放射して加熱する請求項１に記載の発電システム。
熱線集中放射ユニットの第１ボウルは、二重構造で外部への熱伝導を抑えるためこの空間は真空層とし、内面は鏡面にして外部への輻射熱を抑えて、流路を通る熱媒に基づく熱線を第２ボウルに向けて集中反射させるように構成されており、
第２ボウルの外面は熱線の吸収率を上げるため、内面は熱線の集中放射効率を上げるため黒色面とし、
第２ボウルとキャップの間は熱伝導を抑えかつ、熱線照射の減衰を抑えるために真空構造に構成され、供給された熱媒を基づく熱線をスターリングエンジン発電機の受熱部に集中放射して加熱する請求項１に記載の発電システム。
逆カルノーサイクルの応用により圧縮機で低温の熱媒を圧縮・昇温し、熱線集中放射ユニットによりスターリングエンジン発電機の受熱部に集中放射して加熱する請求項１に記載の発電システム。
膨張弁をさらに備えており、熱線集中放射ユニットを経由した熱媒は膨張弁を通り低圧の低い温度となり、スターリングエンジン発電機の冷却部を冷却するようにできる請求項１に記載の発電システム。
ボルテックスチユーブをさらに備えており、スターリングエンジン発電機の暖気出口より流出した熱媒は低温と高温に分離できるボルテックスチユーブにより低温に分離した熱媒は熱交換器に送込まれ熱交換後圧縮機に流入し圧縮・昇温、高温に分離した熱媒は直接圧縮機に流入し圧縮・昇温するため構成される請求項１に記載の発電システム。