JP2012013004A

JP2012013004A - 地熱発電システム

Info

Publication number: JP2012013004A
Application number: JP2010150517A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Nakatani; 浩己中谷; Hitoshi Kato; 仁加藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-19
Also published as: AU2011203142B2; AU2011203142A1; US8769951B2; US20120000198A1

Abstract

【課題】地熱発電システムにおいて、設備コストの低減を可能とする。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気を地熱により加熱する加熱装置１４と、加熱装置１４により加熱された加熱圧縮空気により回転力を得るタービン１２と、タービン１２から回転力が入力されることで発電する発電機１３とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱を利用してタービンを駆動回転することで発電を行う地熱発電システムに関するものである。

地熱を利用した発電設備としては、地中を所定深さまで掘削し、地下深部で蒸気と熱水が高圧下で共存する地熱流体を地上へ噴出させ、この地熱流体を気水分離器により蒸気と熱水とに分離し、この分離した蒸気によりタービンを駆動回転して発電を行うものが一般的である。

しかし、地下深部から取り出した熱水や蒸気には、一般に，二酸化炭素（ＣＯ_２）、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、アンモニア（ＮＨ_３）、メタン（ＣＨ_４）等のガス成分を含んでいる。また、温度によっては、化学成分として、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、ホウ素（Ｂ）、砒素（Ａｓ）、水銀（Ｈｇ）等が含まれる。これらのガス成分や化学成分が地上に放出された場合，公害の原因となることから、タービンを駆動回転した使用後の蒸気を大気に開放することは、地球環境上好ましくなく、不純物処理を行う必要が生じ、設備が複雑になるだけではなく、設備コストが上昇してしまう。また、地熱流体の枯渇防止などのためには、分離した熱水や使用後の蒸気を冷却して地下に戻す必要があり、この点でも設備コストが上昇してしまう。

そこで、地下深部の地熱流体（蒸気）を地上へ取り出さずに、地上から地下へ水を供給し、この水を地熱により加熱して蒸気として取り出し、この蒸気によりタービンを駆動回転して発電を行うものが提案されている。このような発電装置としては、例えば、下記特許文献１、２に記載されたものがある。

各特許文献に記載された装置では、地中に、給水管を取り囲むように取水管を配置した密閉配管を設け、給水管を通して供給した水を下部の熱交換部にて地熱により加熱し、加熱流体を取水管を通して地上に取り出し、気水分離機により蒸気を分離してタービンを駆動回転するようにしている。

特表昭６１−５０２４１２号公報特開平０９−１１２４０７号公報

上述した従来の発電装置にあっては、作動流体として水（蒸気）を使用し、この水を地中に供給して地熱より加熱し、加熱流体を地上に取り出して蒸気を分離してタービンを駆動回転している。しかしながら、作動流体として水を用いることは、コスト的に不利である。即ち、水を利用することは、水処理設備が必要であり、気水分離器も必要となり、設備コストが上昇してしまう。また、水を用いると、配管の内面に酸化皮膜が発生したり、水中のカルシウムやマグネシウムなどが析出して堆積物が発生したりしてしまうなどの問題がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、設備コストの低減を可能とする地熱発電システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の地熱発電システムは、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を地熱により加熱する加熱装置と、該加熱装置により加熱された加熱圧縮空気により回転力を得るタービンと、該タービンから回転力が入力されることで発電する発電機と、を備えることを特徴とするものである。

従って、圧縮機により圧縮した圧縮空気を加熱装置により地熱にて加熱し、この加熱圧縮空気をタービンに供給して回転力を得て、発電機はこのタービンから回転力が入力されることで発電することとなる。即ち、作動流体として空気を使用することで、処理する設備が不要となり、また、配管の劣化がほとんどなくなり、設備コストを低減することができる。

本発明の地熱発電システムでは、前記加熱装置は、地表から地中に所定深さまで埋設される空気供給管と、該空気供給管の先端部に連結されて空気と地熱との間で熱交換を行う熱交換部と、該熱交換部に連結されて地中から地表まで埋設される空気排出管とを有することを特徴としている。

従って、空気が空気供給管を通って熱交換部に供給され、ここで空気と地熱との間で熱交換が行われることで加熱空気が生成され、この加熱空気が空気排出管を通って地表まで戻されることとなり、簡単な構成で加熱空気を生成することができる。

本発明の地熱発電システムでは、前記空気供給管と前記空気排出管は、地中にて離間して配置されることを特徴としている。

従って、地層により、空気排出管を通って地表まで戻される加熱空気と、空気供給管を通って地中に供給される空気との熱交換を阻止することで、適正温度の加熱空気を地表まで供給することができ、また、別部材を設けることなく空気供給管と空気排出管との間を断熱することができる。

本発明の地熱発電システムでは、前記空気排出管は、外側に保温部が設けられることを特徴としている。

従って、熱交換部で加熱された加熱空気を、保温部により保温された空気排出管を通して地表まで供給することとなり、加熱空気の温度低下を防止して適正温度の加熱空気を確保することができる。

本発明の地熱発電システムでは、前記熱交換部は、前記空気供給管の下端部に連結される第１熱交換部と、前記空気排出管の下端部に連結される第２熱交換部とを有し、前記第１熱交換部の下端部と前記第２熱交換部の下端部がＵ字形状をなす連結配管により連結されることを特徴としている。

従って、直線部に熱交換部を形成することができ、構造の簡素化、製造コスト、設置コストの低減を可能とすることができる。

本発明の地熱発電システムによれば、地上に設置された圧縮機で加圧された圧縮空気を地中の配管に送り、地中の高熱部に圧縮空気を導き、配管内を流れる圧縮空気を地熱により加熱してから、地中で加熱膨張された圧縮空気を保温した状態で地上に導き、タービンに導入して発電する地熱発電システムであるから、作動流体として空気を使用でき、さらに、地中からの不純物を取り込むことがないので、地中有害物質の処理設備が不要となる。また、熱媒体が空気であることから配管の劣化による影響を小さくすることができ、地熱発電プラントの設備利用率を向上することができ、さらに、設備コスト、設置コストを低減することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る地熱発電システムを表す概略構成図である。図２は、本実施例の地熱発電システムにおける加熱装置を表す概略図である。図３は、本実施例の加熱装置における熱交換部を表す概略図である。図４は、本実施例の加熱装置における熱交換部の変形例を表す概略図である。図５は、本実施例の加熱装置における熱交換部の変形例を表す概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る地熱発電システムの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係る地熱発電システムを表す概略構成図、図２は、本実施例の地熱発電システムにおける圧縮空気配管の折り返し部を表す概略図、図３、図４及び図５は、本実施例の圧縮空気の加熱装置における熱交換部の変形例を表す概略図である。

本実施例は、地熱を利用して圧縮空気を加熱し、この加熱圧縮空気によりタービンを駆動回転することで発電を行う地熱発電システムである。図１に示すように、本実施例の地熱発電システム１０は、圧縮機１１と、タービン１２と、発電機１３と、加熱装置１４とから構成されている。この場合、圧縮機１１とタービン１２とによりエアタービンが構成される。

このエアタービンにて、圧縮機１１とタービン１２とはタービン軸２１を介して連結され、また、このタービン軸２１には発電機１３が連結されている。従って、タービン１２が駆動回転すると、圧縮機１１を作動させることができると共に、発電機１３を駆動して発電を行うことができる。

圧縮機１１は、空気の取込配管３１が連結されており、取り込んだ空気を所定圧まで圧縮することができる。圧縮機１１は、圧縮空気を排出して加熱装置１４に供給する圧縮空気供給配管３２が連結されている。タービン１２は、加熱装置１４により加熱された圧縮空気が供給される加熱圧縮空気供給配管３３が連結されている。タービン１２は、加熱圧縮空気供給配管３３から供給された加熱圧縮空気により回転力を得ることができる。また、タービン１２は、使用済の空気（低圧低温の加熱圧縮空気）を排出する空気排出配管３４が連結されており、この空気排出配管３４は、煙突３５に連結されている。なお、圧縮空気供給配管３２と空気排出配管３４との間に、圧縮空気と使用済の空気との間で熱交換を行う再生熱交換器３６が設けられている。発電機１３は、タービン１２から回転力が入力されることで発電可能となっている。本実施例において、圧縮機１１が空気を圧縮することで安定した過熱圧縮空気をタービン１２に供給することができる。

加熱装置１４は、一つのエアタービン（圧縮機１１、タービン１２）に対して複数（図１では、２個だけ図示）設けられており、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気を地熱により加熱するものであり、圧縮空気供給配管３２及び加熱圧縮空気供給配管３３が連結されている。また、本実施例において、地熱発電システムは複数の加熱装置１４を有しているが、加熱装置１４はタービン１２の仕様と地熱から回収される熱量に応じて、単数または複数の加熱装置に適宜設定されても良い。

この加熱装置１４は、図１及び図２に示すように、地中に埋設されて密閉されたＵ字形状をなす加熱配管４１を有しており、この加熱配管４１は、所定深さで１８０度湾曲するように折り返し、地表に到達している。そして、この加熱配管４１は、地表から地中に所定深さまで埋設されるほぼ直線形状をなす空気供給管４２と、この空気供給管４２の下端部に連結されて空気と地熱との間で熱交換を行う熱交換部４３と、下端部が熱交換部４３に連結されて地中から地表まで埋設されている空気排出管４４とを有している。

また、加熱配管４１は、熱交換部４３が空気供給管４２の下端部に連結される第１熱交換部４３ａと、空気排出管４４の下端部に連結される第２熱交換部４３ｂとを有し、第１熱交換部４３ａの下端部と第２熱交換部４３ｂの下端部がＵ字形状をなす連結配管４５により連結されている。

この場合、熱交換部４３より下方の地中領域が圧縮空気と熱交換可能な高温の地層となっている。そのため、地表から第１所定深さまでの領域Ａに空気供給管４２が配置され、第１所定深さから第２所定深さまでの領域Ｂに第１熱交換部４３ａが配置される。また、第２所定深さから第１所定深さまでの領域Ｄに第２熱交換部４３ｂが配置され、第１所定深さから地表までの領域Ｅに空気排出管４４が配置される。そして、第２所定深さより深く、第１熱交換部４３ａと第２熱交換部４３ｂとを連結する領域Ｃに連結配管４５が配置されている。なお、加熱配管４１は、最下端部がＵ字形状の連結配管４５であることから、垂直方向に掘削することで設置可能であり、地中に埋設する為に必要なホール径も比較的小さくできる。

空気供給管４２は、円筒形状をなす配管であり、上端部が地表または地中において圧縮空気供給配管３２に連結されている。空気排出管４４は、円筒形状をなす配管であり、上端部が地表または地中において加熱圧縮空気供給配管３３に連結されている。

一方、熱交換部４３を構成する第１熱交換部４３ａと第２熱交換部４３ｂは、ほぼ同様の構成をなし、空気供給管４２や空気排出管４４よりも空気と地熱との間の熱交換効率が高くなる構成となっている。即ち、この第１熱交換部４３ａ及び第２熱交換部４３ｂは、図３に示すように、空気供給管４２と連結配管４５、空気排出管４４と連結配管４５とを連結する多数の細管４６により構成されている。

なお、この熱交換部４３（第１熱交換部４３ａ、第２熱交換部４３ｂ）は、この構成に限定されるものではない。即ち、図４に示すように、熱交換部５１は、円柱形状をなす本体５２に多数の細孔５３を形成して構成されている。また、図５に示すように、熱交換部６１は、円筒形状をなす本体６２の内部に互いに直交する隔壁６３，６４により多数の細孔６５を形成して構成されている。

また、図１及び図２に示すように、加熱配管４１にて、空気供給管４２と空気排出管４４との間には断熱部が設けられている。具体的には、空気供給管４２と空気排出管４４は、地中にて所定距離離間して配置されることで、地層が断熱部として寄与する。また、空気排出管４４は、外側に保温部４７が設けられている。従って、熱交換部４３（第１熱交換部４３ａ、第２熱交換部４３ｂ）で加熱された圧縮空気は、空気排出管４４を通るときに、外側の地層により冷却されることはない。なお、空気排出管４４に連結される加熱圧縮空気供給配管３３も、外側に保温部（図示略）が設けられている。

ここで、上述した本実施例の地熱発電システムの作動について説明する。

圧縮機１１は、取込配管３１から取り込んだ空気を所定圧まで圧縮し、圧縮空気供給配管３２を通して加熱装置１４に供給する。加熱装置１４では、圧縮空気供給配管３２から空気供給管４２に圧縮空気が供給されると、この圧縮空気は、空気供給管４２を通って第１熱交換部４３ａに至り、連結配管４５を通って第２熱交換部４３ｂに至る。この熱交換部４３としての第１熱交換部４３ａ及び第２熱交換部４３ｂでは、圧縮空気が多数の細管４６を通過するときに、地層が有する熱との間で熱交換し、所定温度まで加熱される。

圧縮空気は、第１熱交換部４３ａの通過時に効率的に加熱されて温度が上昇し、連結配管４５を介して第２熱交換部４３ｂに至り、この第２熱交換部４３ｂの通過時に効率的に加熱されて温度が上昇する。なお、圧縮空気が空気供給管４２を通って第１熱交換部４３ａに至る間、地層は徐々に温度が上昇することから、この空気供給管４２の通過時であっても、圧縮空気は加熱されて温度が上昇する。

そして、所定温度に加熱された圧縮空気は、空気排出管４４を通って地表に戻されるが、空気排出管４４は、外側に保温部４７が設けられていることから、加熱圧縮空気が外側の地層により冷却されることはない。

加熱装置１４から排出された加熱圧縮空気は、加熱圧縮空気供給配管３３を通ってタービン１２に供給され、このタービン１２は、この加熱圧縮空気により回転力を得て駆動回転する。発電機１３は、このタービン１２から回転力が入力されることで発電することができる。

なお、タービン１２は、タービン１２の駆動回転に使用した使用済の空気を空気排出配管３４から排出し、煙突３５により処理してから大気に開放する。このとき、再生熱交換器３６では、圧縮空気供給配管３２を通る圧縮空気と、空気排出配管３４を通るタービン１２の使用済の空気との間で熱交換を行い、圧縮空気を加熱している。

このように本実施例の地熱発電システムにあっては、空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気を地熱により加熱する加熱装置１４と、加熱装置１４により加熱された加熱圧縮空気により回転力を得るタービン１２と、タービン１２から回転力が入力されることで発電する発電機１３とを設けている。

従って、圧縮機１１により圧縮した圧縮空気を加熱装置１４により地熱にて加熱し、この加熱圧縮空気をタービン１２に供給して回転力を得て、発電機１３はこのタービン１２から回転力が入力されることで発電することとなる。即ち、作動流体として空気を使用することで、作動流体の使用前及び使用後に処理する設備が不要となり、また、配管の劣化がほとんどなくなり、設備コストを低減することができる。

また、本実施例の地熱発電システムでは加熱装置１４として、地表から地中に所定深さまで埋設される空気供給管４２と、空気供給管４２の先端部に連結されて空気と地熱との間で熱交換を行う熱交換部４３と、熱交換部４３に連結されて地中から地表まで埋設される空気排出管４４とを設けている。従って、空気が空気供給管４２を通って熱交換部４３に供給され、ここで空気と地熱との間で熱交換が行われることで加熱空気が生成され、この加熱空気が空気排出管４４を通って地表まで戻されることとなり、簡単な構成で加熱空気を生成することができる。

また、本実施例の地熱発電システムでは、空気供給管４２と空気排出管４４との間に断熱部を設けている。この場合、空気供給管４２と空気排出管４４を地中にて所定距離離間して配置することで、その間に地層を介装している。従って、空気排出管４４を通って地表まで戻される加熱空気と、空気供給管４２を通って地中に供給される空気との熱交換を阻止することで、適正温度の加熱空気を地表まで供給することができる。また、別部材を設けることなく空気供給管４２と空気排出管４４との間を断熱することができる。

また、本実施例の地熱発電システムでは、空気排出管４４の外側に保温部４７を設けている。従って、熱交換部４３で加熱された加熱空気を、保温部４７により保温された空気排出管４４を通して地表まで供給することとなり、加熱空気の温度低下を防止して適正温度の加熱空気を確保することができる。

また、本実施例の地熱発電システムでは、熱交換部４３を、空気供給管４２下端部に連結される第１熱交換部４３ａと、空気排出管４４の下端部に連結される第２熱交換部４３ｂとで構成し、第１熱交換部４３ａの下端部と第２熱交換部４３ｂの下端部をＵ字形状をなす連結配管４５により連結している。従って、直線部に熱交換部４３ａ，４３ｂを形成することができ、構造の簡素化、製造コスト、設置コストの低減を可能とすることができる。

なお、上述した実施例では、第１熱交換部４３ａと第２熱交換部４３ｂをＵ字形状の連結配管４５により連結したが、この連結配管４５を第３熱交換部としてもよい。この場合、第１熱交換部４３ａと第２熱交換部４３ｂを直線形状の連結配管として第３熱交換部とすることが望ましい。

また、本実施例の地熱発電システム１０の起動時は、圧縮機を作動させる為に、別途設けたモータなどの起動装置により起動することとなる。

また、本実施例の地熱発電システムでは、再生熱交換器３６で、圧縮空気供給配管３２を通る圧縮空気と、空気排出配管３４を通るタービン１２の使用済の空気との間で熱交換を行い、圧縮空気を加熱しているが、本実施例の別の態様では、加熱装置１４で十分な熱エネルギーを獲得できる設計としていれば、再生熱交換器を介さずにタービン１２からの排ガスを空気排出配管３４から排出し、煙突３５により処理してから大気に開放することもできる。これにより、設備コストの低減を可能とし、設備を小容量化が実現される。

本発明に係る地熱発電システムは、圧縮空気を地熱により加熱してからタービンに送って発電することで、設備コストの低減を可能とするものであり、地熱を用いたいずれの地熱発電システムにも適用することができる。

１０地熱発電システム
１１圧縮機
１２タービン
１３発電機
１４加熱装置
４２空気供給管
４３，５１，６１熱交換部
４４空気排出管
４５連結配管
４７保温部

Claims

空気を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機で圧縮された圧縮空気を地熱により加熱する加熱装置と、
該加熱装置により加熱された加熱圧縮空気により回転力を得るタービンと、
該タービンから回転力が入力されることで発電する発電機と、
を備えることを特徴とする地熱発電システム。
前記加熱装置は、地表から地中に所定深さまで埋設される空気供給管と、該空気供給管の先端部に連結されて空気と地熱との間で熱交換を行う熱交換部と、該熱交換部に連結されて地中から地表まで埋設される空気排出管とを有することを特徴とする請求項１に記載の地熱発電システム。
前記空気供給管と前記空気排出管は、地中にて離間して配置されることを特徴とする請求項２に記載の地熱発電システム。
前記空気排出管は、外側に保温部が設けられることを特徴とする請求項２または３に記載の地熱発電システム。
前記熱交換部は、前記空気供給管の下端部に連結される第１熱交換部と、前記空気排出管の下端部に連結される第２熱交換部とを有し、前記第１熱交換部の下端部と前記第２熱交換部の下端部がＵ字形状をなす連結配管により連結されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の地熱発電システム。