JP2013128333A - 蒸気発生装置及びこれを用いたエネルギ供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ効率を大きく向上することが可能な蒸気発生装置、及びこれを用いたエネルギ供給システムを提供する。
【解決手段】蒸気発生装置１は、２５０〜８００℃の熱が供給される高温室１２と、高温室１２と隣接し、この高温室１２の熱によって水から５０〜１８５℃の低温水蒸気を生成する低温室１１と、高温室１２と低温室との間に配置される熱電素子と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気発生装置及びこれを用いたエネルギ供給システムに関する。

従来より、水から蒸気を生成する種々の蒸気発生装置が提案されている。例えば、特許文献１には、熱が供給される伝熱管を多数配置し、その外表面に供給した液体を蒸発させることで、蒸気を得ることが開示されている。

特開昭５４−８０２７８号公報

ところで、上述した蒸気発生装置で発生する蒸気を発電に用いる場合には、高温の燃焼熱で高温の蒸気を発生させ、これを発電に利用している。このように、従来の蒸気発生装置による発電では、高温の水蒸気が必要になるため、そのためには多大な燃焼熱が必要となる。その結果、エネルギ的な負荷が大きく、効率的にも問題があった。

そこで、本発明は、エネルギ効率を大きく向上することが可能な蒸気発生装置、及びこれを用いたエネルギ供給システムを提供することを目的とする。

本発明は、２５０〜８００℃の熱が供給される高温室と、前記高温室と隣接し、当該高温室の熱によって水から５０〜１８５℃の低温水蒸気を生成する低温室と、前記高温室と低温室との間に配置される熱電素子と、を備えている。

この構成によれば、高温室と低温室との間に熱電素子を配置しているため、高温室と低温室との温度差によって発電を行うことができる。そのため、蒸気の生成に加え、電力の供給も可能となる。したがって、供給された熱を有効に活用することができる。特に、本発明の蒸気発生装置は、５０〜１８５℃の低温水蒸気を生成するものであるため、外部熱源から供給される熱に対してさらに加熱するなどによるエネルギ負担をする必要がない。また、熱電発電は温度差が大きいほど変換効率は高くなることから、必要以上に高温の蒸気を発生させることは不要である。よって、本発明のように５０〜１８５℃の低温水蒸気を生成するにあたっては、供給された熱エネルギのほとんどを有効な電気と蒸気に変換して活用することができる。よって、エネルギ効率を大きく向上することができる。また、熱電素子は、一般的にメンテナンスフリーであり、また騒音などの発生もないため、クリーンなエネルギを供給することが可能である。

上記蒸気発生装置においては、高温室に供給される熱流体は特には限定されないが、例えば、高温室を流路により構成し、これに伝熱媒体を供給することができる。これにより、伝熱媒体を介して高温室の熱を低温室に伝達することができる。伝熱媒体としては、種々の流体を採用することができるが、例えば、溶融塩、油、などの伝熱媒体を用いることができる。

本発明に係るエネルギ供給システムは、上述した蒸気発生装置と、前記伝熱媒体を前記高温室に供給する熱源供給装置と、を備えている。

このシステムにおいては、伝熱媒体が、熱源供給装置と高温室との間を循環するように構成することができ、さらに、熱源供給装置が、高温室から戻された伝熱媒体を加熱可能とすることができる。こうすることで、伝熱媒体を効率よく活用することができる。

上記システムには、低温水蒸気が供給され、この低温水蒸気を用いた熱交換処理が行われる熱交換装置をさらに設けることができる。蒸気は、潜熱が大きいため、本発明のような５０〜１８５℃の低温水蒸気は、加温、乾燥、蒸発等、さまざまな用途に容易に利用可能である。本発明のような５０〜１８５℃の低温水蒸気を用いる熱交換装置としては、種々の装置を挙げることができるが、例えば、ケミカルヒートポンプ、海水を淡水化する海水淡水化装置などを挙げることができる。

ところで、熱電素子で発生した電気は、種々の用途に用いることができ、例えば、熱交換装置に供給し、これを駆動する際の電力として用いることができる。もちろん、本システムの外部の装置に対して電力を供給することもできる。

上記熱交換装置においては、熱交換処理により低温水蒸気から水を生成することができ、この水を蒸気発生装置の低温室に供給することができる。これにより、低温水蒸気が蒸気発生装置と熱交換機との間を循環し、有効に利用され、エネルギ効率をさらに向上することができる。

上記熱源供給装置では、種々の方法によって熱を発生させることができるが、例えば、太陽熱を利用し、これによって伝熱媒体に熱を付与するように構成することができる。このように自然のエネルギを利用することで、環境負荷を著しく改善することができ、また蓄熱された自然エネルギを外部に逃すことなく有効に利用できるため、システム全体のエネルギ効率をさらに向上することができる。

本発明に係る蒸気発生装置及びエネルギ供給システムによれば、蓄熱されるエネルギが外部に放出されることなく、ほとんどが有効利用可能な電気および蒸気に変換され、システム全体としてのエネルギ効率を大きく向上することができる。

本発明に係る蒸気発生装置及びエネルギ供給システムの一実施形態の概略構成図である。 図１の管部材の拡大断面図である。 熱源供給装置の概略構成図である。 従来のシステムを示す概略構成図である。 本発明で用いることが可能なプレート型の熱交換器を示す斜視図及び一部断面図です。 実施例１のシステムの概略構成図である。 実施例２のシステムの概略構成図である。

以下、本発明に係る蒸気発生装置及びエネルギ供給システムの一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、このシステムの概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係るエネルギ供給システムは、水蒸気を発生する蒸気発生装置１と、これに熱を供給する熱源供給装置２とを備えている。また、蒸気発生装置１で生成される水蒸気は、海水を淡水化する海水淡水化装置３に供給される。以下、各装置について説明する。

蒸気発生装置１は、ハウジング１１を備え、その内部に高温の伝熱媒体が通過する流路１２と、この流路１２に向けて水を噴射する複数のスプレーノズル１３とが設けられている。この流路１２は、上下方向に延び、平行に配置された複数の管部材１２１を連結することで形成されている。この例では、隣接する管部材１２１の上端部及び下端部を、交互に連結管１２２を介して連結することで、上下方向に蛇行する流路１２を形成している。各管部材１２１の表面には、熱電素子モジュール４が配置されているが、これについては後述する。スプレーノズル１３は、各管部材１２１の上方に配置されており、ハウジング１１の外部から延びる供給管１４に連結され、各管部材１２１に均等に水を噴射できるようになっている。

ハウジング１１の底部は、液溜め１５になっており、スプレーノズル１３から噴射された水の一部が溜まるようになっている。ハウジング１１の下部には、溜まった水を排出するための排出管１６が連結されており、この排出管１６は、循環ポンプ１７を介して上述した供給管１４に連結されている。また、ハウジング１１の上部には、蒸気を排出する蒸気ダクト１８が設けられており、この蒸気ダクト１８が海水淡水化装置３に連結されている。

次に、熱電素子モジュール４について、図２を参照しつつ説明する。図２は、管部材の拡大断面図である。本実施形態の熱電素子モジュールは、公知のものを使用することができるが、概略は次の通りである。図２に示すように、この熱電素子モジュール４は、各管部材１２１の表面に軸方向に沿って設けられており、さらに熱電素子モジュール４の表面は、伝熱プレート５で覆われている。また、熱電素子モジュール４と、管部材１２１及び伝熱プレート５との間には、セラミックス等の電気絶縁材料１０が配置されている。伝熱プレート５は、例えば、銅、アルミ、鉄、銅合金、ステンレススチールといった金属など、熱伝導率の高い材料で形成することができる。具体的には、交互に並べられたｐ型及びｎ型の熱電素子４１，４２を有し、隣接する各熱電素子４１，４２が導電体４３によって直列に接続されている。また、各管部材１２１の熱電素子モジュール４は、導線４４によって直列に接続されている（図１参照）。すなわち、隣接する管部材１２１の熱電素子モジュール４同士が直列に接続され、熱電発電のユニットを形成する。ユニット同士は直列または並列に接続され、その両端部は、ハウジング１１の外部のコンバータ６に接続されており、外部への電力の供給が可能である。ｐ型及びｎ型の熱電素子４１，４２を構成する材料としては、種々のものが使用できるが、その温度域に応じて、Ｂｉ−Ｔｅ系（低温域）、スクッテルダイト系（中温域）、シリサイド系（高温域）の材料で構成されたものを用いることができる。なお、熱電素子４１，４２を構成する熱電変換材料の性能は、温度依存性があるため、広い温度域を一種類の材料で変換することは必ずしも好ましくない。したがって、所定の温度域で高い変換効率を示す材料を複数合わせて使うことができる。例えば、複数のモジュールを積層するカスケードモジュールや温度域ごとに最適熱電ユニットを用いることができる。いずれの方式を採用しても低温側と高温側の温度差は、概ね１００〜６００℃、好ましくは２００〜６００℃の温度差が必要となる。

次に、熱源供給装置２について説明する。図３は熱源供給装置の概略構成図である。同図に示すように、この熱源供給装置２は、太陽光を利用して伝熱媒体を加熱する太陽集光集熱設備２１を有している。太陽集光集熱設備としては、公知のトラフ型、フレネル型、パラボラ型、セントラルレシーバー型などが用いられる。より高温、大量の熱源を得るものとしてはタワー式あるいはビームダウン式セントラルレシーバー方式が好ましい。本実施形態では、その一例として、ビームダウン式セントラルレシーバ型の太陽集光集熱設備２１を示している。より詳細に説明すると、この太陽集光集熱設備２１は、集熱部２１１と、これを通過する集熱管２１２とを有している。集熱部２１１の上方には、中央反射板２１３が設けられており、この中央反射板２１３に向けて、地表に設けられた複数のヘリオスタット２１４から光が反射されるようになっている。ヘリオスタット２１４からの光は、中央反射板２１３から集熱部２１１に向けて集中的に反射され、集熱部２１１に照射される。集熱管２１２は熱伝導率の高い公知の材料で形成され、集熱部２１１で受けた光による熱を、内部を通過する伝熱媒体に伝達する。なお、伝熱媒体としては、一般的に溶融塩、油などを用いることができる。

また、集熱部２１１を通過した集熱管２１２の下流側は排出配管２３を介して高温タンク２４に連結されており、高温タンク２４には、集熱部２１１で加熱された伝熱媒体が溜められるようになっている。そして、高温タンク２４は供給配管２５を介して、蒸気発生装置１の流路１２の上流側と連結されており、溜められた伝熱媒体を、ポンプ２６によって蒸気発生装置１に供給可能となっている。一方、集熱部２１１に入る集熱管２１２の上流側は、供給配管２７を介して、低温タンク２８に連結されている。この低温タンク２８は、蒸気発生装置１の流路１２の下流部と排出配管２９を介して連結されており、排出配管２９からの低温の伝熱媒体が溜められるようになっている。溜められた低温の伝熱媒体はポンプ２０によって集熱管２１２へ供給可能となっている。また、低温タンク２８を経由することなく、排出配管２３から供給配管２５へ直接、伝熱媒体を供給できるように、これらの配管２３，２５の間には、バイパス管２３１が設けられている。

次に、海水淡水化装置３について説明する。この装置は、多重効用法（ＭＥＤ）、多段フラッシュ法（ＭＳＦ）などの蒸発法により淡水化を行う公知の装置を用いることができる。本実施形態においては、蒸気ダクト１８を介して、蒸気発生装置１と海水淡水化装置３とが連結されており、蒸気発生装置１により生成された５０〜１８５℃の低温水蒸気が海水淡水化装置３に送られる。そして、淡水化処理により用いられた水蒸気は凝縮され、その凝縮水が供給管１４を介して、蒸気発生装置１に導入されるようになっている。

続いて、上記のように構成されたエネルギ供給システムの動作について説明する。まず、熱源供給装置２において、低温タンク２８からポンプ２０によって伝熱媒体を集熱管２１２に供給する。この集熱管２１２に対しては、中央反射板２１３から集熱部２１１に向けて反射される光が熱として伝達される。この光の熱が集熱管２１２を介して伝熱媒体に伝達され加熱される。加熱された伝熱媒体は、排出配管２３を介して高温タンク２４に溜められた後、ポンプ２６によって蒸気発生装置１に供給される。このとき、供給される伝熱媒体の温度は、例えば、２５０〜８００℃とすることが好ましく、４５０〜６５０℃とすることがさらに好ましい。

高温タンク２４から排出された伝熱媒体は、蒸気発生装置１の流路１２の上流側に供給され、流路１２内を通過して、ハウジング１１の外部に排出される。この過程において、ハウジング１内では、スプレーノズル１３から管部材１２１に向けて水を噴射する。この水は、管部材１２１を通過する高温の伝熱媒体により伝熱プレート５の表面で加熱され、水蒸気となって、ハウジング１の外部へ流出する。このとき、管部材１２１の表面においては、内部を通過する高温の伝熱媒体と、管部材１２１の外部に噴射される水とにより温度差が生じる。これにより、管部材１２１の表面に設けられた熱電素子４１，４２により発電が行われ、コンバータ６へ電流が流される。そして、この電流はコンバータ６により変換され、外部への電力供給が可能となる。なお、噴射された水のうち、ハウジング１の底部１５に溜まった水は、外部に排出され、循環ポンプ１７によって供給管１４に戻され、スプレーノズル１３から再び噴射される。

蒸気発生装置１を通過した伝熱媒体は、排出配管２９を介して、熱源供給装置２の低温タンク２８に溜められる。このときの温度は、蒸気発生装置１の仕様にもよるが、例えば、２００〜３００℃となる。低温タンク２８に溜められた伝熱媒体は、上述したように、ポンプ２０によって再度集熱管２１２へと供給される。なお、伝熱媒体を低温タンク２８に貯留せず、バイパス管２３１を介して直接、蒸気発生装置１に供給することできる。

蒸気発生装置１で生成された水蒸気は、蒸気ダクト１８を介して、海水淡水化装置３に供給される。この水蒸気は、海水淡水化装置３に適した低温水蒸気であり、例えば、５０〜１８５℃であることが好ましく、海水淡水化装置３においてエゼクター等を使用する場合は１４０〜１８５℃であることが好ましい。海水淡水化装置３では、導入された海水を、上記低温水蒸気を用いて蒸発法により処理し、淡水化を行う。そして、処理後の海水を排出するとともに、生成された淡水をタンク（図示省略）に溜められる。淡水化処理に用いられた低温水蒸気は、海水淡水化装置３内で凝縮され、凝縮水として蒸気発生装置１の供給管１４に導入される。この供給管１４は、スプレーノズル１３に連結されており、水蒸気の生成のために使用される。凝縮水の温度は、例えば、６０〜１３０℃であることが好ましい。

以上のように、本実施形態によれば、蒸気発生装置１において、管部材１２１の表面に熱電素子モジュール４を配置しているため、伝熱媒体と水との温度差によって発電を行うことができる。そのため、蒸気の生成に加え、電力の供給も可能となる。したがって、供給された熱を有効に活用することができる。また、蒸気発生装置１に供給する熱源供給装置２は、太陽熱を利用しているため、廃棄物が生じずクリーンである。さらに、蒸気発生装置１から排出された低温の伝熱媒体は、熱源供給装置２に戻されて、再利用されるため、エネルギ効率をさらに向上することができる。また、海水淡水化装置３で使用された低温水蒸気は凝縮され、凝縮水となって蒸気発生装置１で使用される。このように、本実施形態に係るエネルギ供給システムでは、熱交換処理後の伝熱媒体及び凝縮水を再利用し、しかも電力の生成が可能であるため、エネルギ効率が極めて高い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、蒸気発生装置において、管部材１２１を用いて熱交換（パイプ式）を行っているが、熱交換の方式についてはこれに限定されるものではなく、種々のタイプの熱交換装置を用いることができる。例えば、図５に示すように、プレート型の熱交換装置を用いることができる。同図に示すように、プレート型においては、一対の高温伝熱プレート６１の間に高温の伝熱媒体が通過する流路を形成し、各高温伝熱プレート６１の外側に、熱電素子モジュール４、低温伝熱プレート６２をこの順で配置している。熱電素子モジュール４は、上記実施形態で説明したものと同様に、ｐ型及びｎ型熱電素子４１，４２を多数接続したものである。なお、各伝熱プレート６１，６２と熱電素子モジュール４との間には絶縁シート６５が配置されている。こうして、上記各部材を一体化した１枚の伝熱モジュール６を形成する。伝熱モジュール６の表面には、内部の流路と連通する供給ポート６３、及び排出ポート６４が形成されている。そして、このモジュール６内の流路に、供給ポート６３から高熱の伝熱媒体を供給し、低温伝熱プレート６２面で蒸発を行わせる。このとき、両伝熱プレート６１，６２間の温度差により、熱電素子モジュール４において発電が行われる。そして、熱交換後の伝熱媒体は排出ポート６４から排出される。このモジュール６は必要枚数を接続し、図１に示すハウジング１１内に設置することで発電および蒸気発生に必要な面積を得ることができる。

また、上記実施形態では、熱電素子モジュール４で発生した電力を、システムの外部に供給しているが、蒸気発生装置１、熱源供給装置２、または海水淡水化装置３の駆動に使用することがきる。このとき、海水淡水化装置３として、上述した水蒸気法以外の方法、例えば逆浸透法（ＲＯ）を用いる装置を採用する場合には、その駆動電力として、熱電素子モジュール４の電力を使用することができる。

熱源供給装置２は、上記のように、太陽熱を利用した装置とする以外に種々の装置の適用が可能である。すなわち、蒸気発生装置１に対して熱を供給できるものであれば、特には限定されない。例えば、発電所ボイラ燃焼ガス、バイオマス燃焼炉、廃棄物燃焼炉といった燃焼炉から生じる燃焼炉排ガス、焼却炉排熱などを利用することができる。

蒸気発生装置１についても、上記実施形態で示したもののほか、種々の形態とすることができる。すなわち、高温の熱が供給される高温室と、これに隣接して水が供給される低温室を有し、これら高温室と低温室との間に熱電素子を配置できる形態であれば、特には限定されない。したがって、伝熱媒体を利用しなくても、高温室から低温室を直接加熱できるようにしてもよい。なお、上記実施形態では、伝熱媒体が流れる流路１２が高温室であり、水から水蒸気を生成するハウジング１１の内部空間が低温室に相当する。

また、上記実施形態では、蒸気発生装置１で生成される低温水蒸気を使用する例として、海水淡水化装置３を示したが、これ以外にも適用可能である。例えば、ケミカルヒートポンプといった装置にも適用でき、加温、乾燥、蒸発等の用途にも利用できる。

以下、本発明に係る実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例には限定されない。

（実施例１）
図６は、実施例１を示している。このシステムは、多重効用法（ＭＥＤ）による海水淡水化装置を適用したものであり、図１で示したシステムの具体的な稼働状態の例を示している。太陽集光集熱設備を利用した熱源供給装置から蒸気発生装置へは、５００℃の伝熱媒体が供給され、３００℃の伝熱媒体が戻されている。また、蒸気発生装置から海水淡水化装置へは１７５℃の水蒸気が供給され、６５℃の凝縮水が戻されている。これにより、熱源供給装置から海水淡水化装置へ供給される熱量は、約６×１０^７ｋｃａｌ／ｈとなる。そして、蒸気発生装置では、５００℃の熱と、６５℃の熱との間で熱電変換が生じ、発電が行われる。これにより７０００ｋＷの電力が生成される。このうち、２０００ｋＷが海水淡水化装置の駆動に消費され、のこりの５０００ｋＷが余剰電力として外部に供給される。海水淡水化装置では、８０００ｔ／ｈの海水が供給され、これから１０００ｔ／ｈの淡水が生成されるとともに、７０００ｔ／ｈの海水が排水される。

（実施例２）
実施例２が実施例１と相違するのは、ＭＥＤ海水淡水化装置に加え、逆浸透法（ＲＯ）を用いる海水淡水化装置を利用している点である。具体的には、図７に示すように、熱電素子モジュールで発生した５０００ｋＷの電力を、ＲＯ海水淡水化装置へ供給し、淡水化処理を行っている。

以上のような実施例によれば、太陽光集光集熱設備を用いているため、海水淡水化装置を継続的に稼働するのに適している。また、蒸気発生装置に熱電素子を組み込むことで、高い効率で電力を得ることができ、同時に海水淡水化装置に対して十分な蒸気を生成することができる。従来提案されていたスティームタービン発電を使用するシステムでは、そのメンテナンスに高度な技能を要するが、本実施例のように熱電素子を用いることで、メインテナンスがフリーであり、かつ高効率で淡水化を実現することができる。したがって、本実施例のシステムの海水淡水化設備への適用に関しては、極めて高いコストパフォーマンスを奏する。

１ 蒸気発生装置
１１ ハウジング（低温室）
１２ 流路（高温室）
２ 熱源供給装置
３ 海水淡水化装置
４ 熱電素子モジュール
４１，４２ 熱電素子

Claims (9)

1. ２５０〜８００℃の熱が供給される高温室と、
   前記高温室と隣接し、当該高温室の熱によって水から５０〜１８５℃の低温水蒸気を生成する低温室と、
   前記高温室と低温室との間に配置される少なくとも１つの熱電素子と、
   を備えている、蒸気発生装置。
2. 前記高温室は、伝熱媒体が通過する流路により構成され、
   前記伝熱媒体を介して前記高温室の熱が前記低温室に伝達される、請求項１に記載の蒸気発生装置。
3. 請求項２に記載の蒸気発生装置と、
   前記伝熱媒体を前記高温室に供給する熱源供給装置と、
   を備えている、エネルギ供給システム。
4. 前記伝熱媒体は、前記熱源供給装置と高温室との間を循環するように構成され、
   前記熱源供給装置は、前記高温室から戻された前記伝熱媒体を加熱可能となっている、請求項３に記載のエネルギ供給システム。
5. 前記低温水蒸気が供給され、当該低温水蒸気を用いた熱交換処理が行われる熱交換装置をさらに備えている、請求項２から４のいずれかに記載のエネルギ供給システム。
6. 前記熱電素子で発生した電気は、前記熱交換装置に供給される、請求項５に記載のエネルギ供給システム。
7. 前記熱交換装置は、熱交換処理により前記低温水蒸気から水を生成し、当該水が前記蒸気発生装置の低温室に供給される、請求項５または６に記載のエネルギ供給システム。
8. 前記熱交換装置は、海水を淡水化する海水淡水化装置である、請求項５から７のいずれかに記載のエネルギ供給システム。
9. 前記熱源供給装置は、太陽熱によって前記伝熱媒体に熱を付与する、請求項３から８のいずれかに記載のエネルギ供給システム。

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