JP2014084857A

JP2014084857A - バイナリー発電システム

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Publication number: JP2014084857A
Application number: JP2012237354A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Kawabata; 康晴川端
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-28
Filing date: 2012-10-28
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】既存の源泉湯や地熱蒸気の熱、または掘削深度が浅い既存温泉井戸の地熱でも利用可能で、スケール付着や温泉枯渇のリスクを大幅に軽減するとともに、低沸点媒体の冷却に要するコストと消費電力を低減し、高効率かつ低コストの地熱発電を可能とする、バイナリー発電システムを提供する。
【解決手段】
バイナリー発電システムにおいて、熱源流体が地熱流体または地熱との熱交換により吸熱し、蒸発器で放熱して再び地熱流体または地熱との熱交換のために還流する閉ループ循環流路を構成するとともに、低沸点媒体を冷却する冷却流体についても、地中に放熱冷却を行う閉ループ流路を構成するか、蒸発器を通過した後の熱源流体を駆動熱源とする冷凍機と熱交換器を備え、凝縮器における低沸点媒体の凝縮液化を最適化できるよう、冷却流体の温度を制御して凝縮器への冷却流体供給を行う閉ループ流路を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温泉地帯における温泉や地熱蒸気を汲み上げることなく、また温泉や地熱蒸気を利用するとしても、これら地熱流体の既存の生産量や性状に影響を与えることなく、温泉熱や地熱蒸気、または地熱を熱源として低沸点媒体を蒸発させるとともに、冷却水の補給水量を削減しながら、低沸点媒体の冷却凝縮と蒸発気化を最適化しながら発電を行う、バイナリー発電システムの技術分野に関する。

温泉熱や地熱蒸気、または地熱を熱源として発電を行う地熱発電は、地球の高温マグマ層を熱源とし、発電の過程において燃料消費や温室効果ガスの排出を伴わないことから、エネルギー自給率の向上や温暖化防止に資する発電手段として、近年注目されている。

従来の地熱発電システムでは、地熱帯を掘削して水を注入し、発生する地熱蒸気を利用して発電するフラッシュ方式のほか、掘削穴から汲み上げる源泉湯または地熱蒸気を利用して低沸点媒体を加熱蒸発して蒸気タービンを駆動する、バイナリー発電方式が広く知られている。

しかしながら、源泉湯や地熱蒸気にはシリカや炭酸カルシウム等の不純物が多量に含まれるため、この不純物が源泉湯や地熱蒸気の採取管内、さらには地熱発電システムやバイナリー発電システム内にある蒸発器などの流路内でスケールとなって付着してしまう。

スケールが付着すると、システム内の媒体流量が減少するほか、蒸発器等の熱交換器における熱交換効率が低下するため、経年的に発電出力が減少し、長期使用が困難となる。スケール付着を防止するためには、加水や薬剤注入などの方法があるが、何れも多大なコストを要するとともに、発電用の熱源である源泉湯や地熱蒸気、または地熱の温度を低下させてしまうため、発電出力が低下してしまう課題がある。

また、温泉地帯から多量の源泉湯や地熱蒸気を新規に採取したり、既存の生産量を増加させる場合には、周囲の源泉湯や地下水が減少するリスクが発生するため、こうしたリスクを軽減するためは、源泉湯や地熱蒸気をそのまま利用するのではなく、源泉湯や地熱蒸気の高温熱だけを利用する発電方式の確立が必要であった。

近年、これらの課題解決につながる技術として、特許文献１に記載されている地熱発電装置が提案されている。本技術は加圧水を媒体とし、熱源となる地熱帯まで水を加圧注入して蒸気を得て発電するため、発電システム内でのスケール付着リスクと、多量の地下水利用による温泉枯渇リスクの両方を大幅に軽減できるものである。

特開２０１１−５２６２１号公報

前記の通り、従来技術によれば、スケール付着や温泉枯渇のリスクを大幅に軽減しながら地熱を利用した発電が可能となるものの、解決すべき７つの課題が残されている。

一つは高温の地熱帯で地熱を採取するため、一般的に地下数百ｍ〜数ｋｍと言われる地熱帯まで掘削を行って加圧水注入管と熱水取出管を挿入する必要があり、掘削深度や配管長が長くなって地熱開発コストが増大するほか、これより浅い掘削深度である既存の温泉井戸における源泉湯や自然の地熱蒸気熱を利用する発電には対応できない課題がある。

また、配管長が長いため配管の圧力損失が増大し、加圧水供給を行うために、高圧給水ポンプの必要動力が増大して正味の発電出力が減少するほか、熱水取出管外側の地中では、吸熱する高温地熱帯付近は高温であるものの、地表に向かって徐々に地中温度は低下し、一般的には地下数十ｍまでの範囲は地中温度が約１０℃〜１５℃の一定となっているため、熱水上昇過程で周囲地中への放熱が継続し、温度低下して発電出力が減少する課題がある。

さらに、熱水取出管先端部が底板で閉じられた構造となっているため、地熱帯との伝熱面積が狭く、地熱の温度や循環水の流速によっては、供給水が充分に加熱されることなく上昇し、発電出力や発電効率が低下するという課題がある。

また、前記第一の課題である、源泉湯や自然の地下蒸気熱を利用した発電については、バイナリー発電システムを用いる方法が知られているが、この方式では低沸点媒体を冷却凝縮するために多量の冷熱が必要であり、この冷熱供給に多量の補給水や電力を消費する場合には、コスト上昇や正味発電出力の低下を招くほか、充分な冷熱供給によって低沸点媒体を凝縮できない場合には、発電出力が低下するという課題がある。

例えば開放式のクーリングタワーを用いて放熱冷却を行う場合は、自然蒸発する冷却水の補給が必要となるほか、夏季は冷却水の温度が充分に下がらずに媒体の凝縮効率が低下し、発電出力が低下する課題がある。

また、こうした夏季の冷却水温度低下を促す手段として、夏季でも１０〜１５℃一定である地下数十ｍ以深の地中や河川、湖沼や海中への放熱や、太陽熱や温泉熱を熱源とする冷熱変換手段を用いた冷熱活用する方法が考えられるが、こうした放熱源を活用したり、再生可能エネルギーの熱を冷熱変換して利用するための具体的な方法が明示されていない。

一方、寒冷地等において本技術を利用する場合には、冬季や夜間、早朝に冷却水が必要以上に温度低下し、凝縮器出口の低沸点媒体が必要以上に温度低下することで蒸発気化が抑制され、発電出力が低下するリスクがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、既存の源泉湯や地熱蒸気の熱、または掘削深度が浅い既存温泉井戸の地熱でも利用可能で、スケール付着や温泉枯渇のリスクを大幅に軽減するとともに、低沸点媒体の冷却に要する補給水と消費電力を低減し、低沸点媒体の凝縮液化と蒸発気化を最適に保つことで高効率かつ低コストの地熱発電を可能とする、バイナリー発電システムを提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
熱源流体と蒸発器内で熱交換させて得られる低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の低沸点媒体を冷却流体と凝縮器内で熱交換させて凝縮させ、循環ポンプにより前記蒸発器に再循環させるバイナリー発電システムのうち、
前記熱源流体を、地熱流体または地熱から吸熱させて温度上昇させた後に、前記蒸発器に供給して低沸点媒体を蒸発させた後、熱源流体循環ポンプによって、再び地熱流体または地熱から吸熱させる、循環閉ループ流路を構成していることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
熱源流体と蒸発器内で熱交換させて得られる低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の低沸点媒体を冷却流体と凝縮器内で熱交換させて凝縮させ、循環ポンプにより前記蒸発器に再循環させるバイナリー発電システムのうち、
前記冷却流体を、周囲の空気、地中、貯留雨水、地下水、河川水、湖沼水または海水の何れか一つ以上に放熱させて温度低下させた後に、冷却流体循環ポンプによって前記凝縮器に供給し、低沸点媒体を凝縮させた後に再び前記放熱媒体に放熱させる、循環閉ループ流路を構成していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項１に記載のバイナリー発電システムにおいて、熱源流体の循環流路が、流路内を抽気減圧した密閉配管で構成され、密封された熱源流体が、地熱流体または地熱から吸熱して蒸発した後に、バイナリー発電システムの低沸点媒体を蒸発させる蒸発器内部で低沸点媒体に放熱しながら凝縮液化し、液化した熱源流体が熱源流体循環ポンプによって再び吸熱のために再循環される、減圧された閉ループ流路を構成していることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
請求項２に記載のバイナリー発電システムにおいて、冷却流体の循環流路が、流路内を抽気減圧した密閉配管で構成され、密封された冷却流体が周囲の空気、地中、貯留雨水、地下水、河川水、湖沼水または海水の何れか一つ以上に放熱して凝縮液化した後に、冷却流体循環ポンプによってバイナリー発電システムの凝縮器に供給され、凝縮器内部で低沸点媒体から吸熱しながら蒸発気化し、気化した冷却流体蒸気が再び放熱媒体に向けて再循環される、減圧閉ループ流路を構成していることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
請求項１に記載のバイナリー発電システムにおいて、熱源流体循環流路が二重管で構成され、内側管の配管外周部と、外側管の外周部のうち、地熱流体または地熱から吸熱を行う先端および先端外周部を除く配管外周部が断熱材で覆われているか、二層構造の内部が抽気されて真空断熱状態に保持されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
請求項５に記載のバイナリー発電システムにおいて、内側管内に低沸点媒体の蒸発器通過後の熱源流体を鉛直下方向に流下させて、外側管の地下先端部および先端外周部で地熱流体または地熱から吸熱し、高温水または飽和蒸気として温度上昇させながら、内側管と外側管の間隙流路を前記の蒸発器に向けて還流させることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、
請求項５に記載のバイナリー発電システムにおいて、熱源流体が地熱流体または地熱から吸熱を行う外側管の地下先端の形状が、鉛直下方中心に向けて凸形状を有していることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、
請求項５に記載のバイナリー発電システムにおいて、熱源流体が地熱流体または地熱から吸熱を行う外側管の地下先端部および先端外周部の一部または全部に、熱交換促進用のフィンが取り付けられていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、
熱源流体と蒸発器内で熱交換させて得られる低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の低沸点媒体を冷却流体と凝縮器内で熱交換させて凝縮させ、循環ポンプにより前記蒸発器に再循環させるバイナリー発電システムのうち、
前記蒸発器を通過して温度が低下した熱源流体の一部または全部を、吸収式または吸着式の冷凍機における再生器に供給して熱交換させることにより、蒸発器通過後の熱源流体を吸収式または吸着式冷凍機の再生熱源として活用し、本冷凍機から得られる冷却流体を、前記蒸気タービン通過後の低沸点媒体を凝縮液化させるための冷却流体として供給することを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、
熱源流体と蒸発器内で熱交換させて得られる低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の低沸点媒体を冷却流体と凝縮器内で熱交換させて凝縮させ、循環ポンプにより前記蒸発器に再循環させるバイナリー発電システムのうち、
前記蒸発器を通過して温度が低下した熱源流体の一部または全部を、前記凝縮器に供給する冷却流体と熱交換させ、前記凝縮器に供給する冷却流体の温度が過度に低下した際に、
冷却流体の温度を上昇させてから低沸点媒体の凝縮器に供給することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、
請求項２に記載のバイナリー発電システムにおいて、低沸点媒体を凝縮冷却するための冷却流体循環流路が、クーリングタワーで放熱を行う循環流路に加えて、前記クーリングタワーの出口から流量調整弁を経て分岐された一部の冷却用流体が、請求項２に記載の地中、貯留雨水、地下水、河川水、湖沼水または海水のうち、一つ以上の放熱媒体とも熱交換を行って追加的な冷却を行う閉ループ流路か、請求項９に記載の吸収式または吸着式の冷凍機によって追加的な冷却が行われる閉ループ流路か、またはこれら二つの閉ループ流路を直列に接続した閉ループ流路を通じて追加冷却させた冷却流体を、前記のクーリングタワーから出た冷却流体と混合することで、冷却流体の温度を更に低下させてから、低沸点媒体の凝縮器に供給することを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、
請求項２に記載のバイナリー発電システムにおいて、低沸点媒体を凝縮冷却するための冷却流体循環流路が、請求項１０に記載の冷却流体昇温手段と、請求項１１に記載の冷却流体の追加冷却手段とを併せもち、冷却流体昇温手段への熱源流体供給流量と、冷却流体追加冷却手段に分岐供給させる冷却流体の流量をそれぞれ制御することによって、低沸点媒体の凝縮器に供給される冷却流体の温度が、低沸点媒体が凝縮器出口で確実に凝縮液化され、かつ液化した低沸点媒体が過度に冷却され、蒸発器における蒸発気化が抑制されることのない温度に保つ、冷却流体の温度制御手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、既存の源泉湯や地熱蒸気の熱、または掘削深度が浅い既存の温泉井戸であっても、スケールの付着や温泉の枯渇リスクを大幅に軽減しながら、効率よく温泉の熱または地熱を活用して発電を行うことが可能になる。また、低沸点媒体の冷却に要する補水と消費電力を低減することで、高効率かつ低コストでのバイナリー発電が可能となる。

本発明に係る第１実施形態のバイナリー発電システムの概略構成例を示す模式図である。図１のバイナリー発電システムの熱源流体循環流路の配管構成の詳細を示す模式図である。図２の熱源流体循環流路の地下先端熱交換部を、鉛直下方から見た詳細を示す模式図である。本発明に係る第２実施形態のバイナリー発電システムの概略構成例を示す模式図である。本発明に係る冷却流体の温度制御方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、本実施形態に限定されるものではない。

（第１実施形態）

まず、本発明の第１実施形態に係る、バイナリー発電システムの概略構成および機能について、図に基づき説明する。

図１に示すように、本発明のバイナリー発電システムでは、低沸点媒体の閉ループ循環流路１において、液化した低沸点媒体を循環させる低沸点媒体循環ポンプ２と、地熱流体との熱交換により低沸点媒体を蒸発させる蒸発器３と、発生蒸気を駆動力として発電を行う蒸気タービン４と、蒸気タービン通過後の低沸点媒体を冷却流体との熱交換により凝縮液化させる凝縮器５で構成されるバイナリー発電機を用いる。

ここで、前記バイナリー発電機の低沸点媒体を蒸発させる熱源としては、地熱流体または地熱から吸熱して前記バイナリー発電機の蒸発器３で放熱を行い、再び地熱流体または地熱から吸熱を行う熱源流体循環流路６を流れる熱源流体を用いる。本発明では、このように熱源流体の流路を閉ループの循環流路とすることで、温泉の源泉を直接蒸発器に供給しないため、蒸発器等でのスケール付着を防止するとともに、温泉を大量に汲み出さないため、温泉の枯渇リスクを軽減しながら、バイナリー発電を行うことができるようになる。

なお、この熱源流体循環流路には、蒸発器通過後に温度低下した熱源流体を循環させるために熱源流体循環ポンプ７を持つほか、必要に応じて循環流の流れ方向や圧力調整を行うために、逆流防止弁やバッファータンクを設けても良い。また、地下で地熱流体または地熱から吸熱して温度上昇した熱源流体が、バイナリー発電機の蒸発器に供給されるまでの流路を流れる過程で放熱によって温度低下することがないよう、さらに蒸発器通過後の熱源流体を再び地熱流体または地熱によって再加熱するにあたっての効率を高めるよう、熱源流体循環流路は、吸熱部と蒸発器を除いて断熱材８で断熱しておくことが望ましい。

一方、前記バイナリー発電機の蒸気タービン通過後の高温低沸点媒体を凝縮液化させる凝縮器５において、低沸点媒体から吸熱する冷却用流体を供給する冷却用流体循環流路９についても、周囲の空気、地中、貯留雨水、地下水、河川水、湖沼水または海水の何れか一つ以上に放熱して温度低下させた後に、冷却流体循環ポンプ１０によって再びバイナリー発電機の凝縮器に供給させる、循環閉ループ流路を構成している。本発明では、このように冷却流体の流路も閉ループの循環流路とすることで、冷却水の補水や夏場の冷却温度低下に要する電力消費を抑えることができるようになる。

なお、冷却流体循環流路についても、必要に応じて循環流の流れ方向や圧力調整を行うために、逆流防止弁やバッファータンクを設け、外気温による温度上昇や過冷却の恐れがある場合においては、冷却流体循環流路の一部または全部を断熱材で断熱しても良い。

また、熱源流体の閉ループ循環流路６と冷却流体の閉ループ循環流路９は、それぞれ純水などの熱交換用流体が封入された上で配管内部が抽気減圧され、それぞれの流体が液化している流路上に設置された循環ポンプで、閉ループ内を循環流動するようになっている。

ここで、それぞれの循環流路で液体が減圧充填されているのは、各閉ループ流路の吸熱または放熱部位における、吸熱および放熱の効率を高めるためである。すなわち、熱源流体の閉ループ流路６においては、地熱流体または地熱の熱を吸熱する熱交換部で熱源流体を蒸発気化させて熱輸送量と熱輸送効率の両方を高め、かつバイナリー発電システムの低沸点媒体蒸発器３で熱源流体を凝縮液化させながら、低沸点媒体を効率よく蒸発させるとともに、冷却流体の閉ループ流路９においては、蒸気タービン駆動後の低沸点媒体の熱を吸熱する熱交換部で冷却流体を蒸発気化させて低沸点媒体の凝縮液化を促進するとともに、冷却流体が放熱すべき熱の輸送量と輸送効率の両方を高め、かつクーリングタワーや地中などの放熱部で凝縮液化させることで、冷却流体を効率よく放熱させるようにしている。

また、前記熱源流体循環流路６の地中埋設部は、図２に示す通り、蒸発器３を出て温度低下した熱源流体を温泉井戸の鉛直下方に流す内側管１１と、底面部で温泉熱、温泉蒸気または温泉井戸底面の地熱を吸熱して昇温された熱源流体が、発電機の蒸発器に向かって上昇するための流路を構成する外側管１４との二重管構造となっている。

さらに前記の内側管１１および外側管１４それぞれも二重管構造とし、内側二重管１１は抽気口１２を、外側二重管１４については抽気口１５を介してそれぞれの二重管内部１３および１６を真空ポンプで抽気して真空断熱状態に保っている。こうして、熱源流体の閉ループ循環流路では、外側配管と内側配管の間隙流路を上昇する高温熱源流体から内側管を流下する低温熱源流体への放熱を抑制するとともに、前記高温熱源流体の熱が外側管周囲の地中や地下水に放熱して温度低下することも抑制している。

加えて、熱源流体が地熱流体または地熱と熱交換を行う外側管の先端熱交換部１７は、地熱流体または地熱と充分な熱交換が行えるよう、断熱措置のない単管部の距離を確保するとともに、先端形状は鉛直下方向中心に向けた円錐形状となっている。

これにより、温泉井戸内の源泉貯留層内に外側管１４の先端熱交換部が挿入された状態において、充分な吸熱面積が確保されるとともに、熱交換部で熱源流体に熱を与えて温度低下した源泉は貯留層内を井戸中心の鉛直下方向に流下する一方、井戸内の周囲高温源泉が上昇循環するため、源泉貯留層内での源泉湯の対流が形成され、さらに熱交換が促進されるようになっている。

なお、源泉の温度が低かったり、源泉貯留層の深さが浅く、充分な熱交換面積を確保することが難しい場合には、図２および図３に示す通り、外側管１４の先端熱交換部に、前記源泉貯留層の対流を妨げないよう、鉛直方向に取り付けた熱交換促進用の平板フィン１８を取り付けると良い。

こうして、減圧された熱源流体の循環流路６において、内側管１１を蒸発器通過によって温度低下した熱源流体１９が流下し、温泉井戸の地中底部で地熱流体である温泉や温泉蒸気か、地熱帯からの地熱を吸熱することで低沸点にて熱源流体の飽和蒸気２０となって上昇し、地上のバイナリー発電機の蒸発器３において凝縮液化しながら放熱してバイナリー発電機の低沸点媒体を蒸発気化させれば、源泉湯の温度が低い温泉井戸においても、地熱を容易かつ効率的に蒸発器に輸送し、低沸点媒体に供給することが可能となる。

一方、低沸点媒体を凝縮冷却するための冷却流体循環流路９は、地中温が１０〜１５℃一定となっている地下１０ｍ以深、かつ地熱の影響を受けない地下１００ｍ程度の範囲で挿入されたＵ字放熱管で構成されている。なお、温泉地帯で地中温度が高く、地下深くでは十分な地中熱冷却が期待できない場合は、地下１０ｍから５０ｍ程度の範囲で水平配管としたり、地下水脈と熱交換を行う配管とするなど、冷却用途に対応した地中配管を施工したり、Ｕ字放熱管を近隣河川や湖沼内に経由させても良い。これにより、従来の開放式のクーリングタワー冷却と比較して、夏場でも安定した冷却流体の供給が可能になるとともに、冷却水の補水が不要となり、バイナリー発電の安定稼働と高効率化が可能となる。

次に、本発明の第２実施形態に係る、バイナリー発電システムの概略構成および機能について、図に基づき説明する。

図４に示すように、本発明のバイナリー発電システムでは、低沸点媒体の閉ループ循環流路６において、熱源流体が地熱流体から吸熱するにあたり、既存の温泉井戸に隣接設置した開放型の源泉湯熱交換器２１を用いている。これにより、既存の温泉井戸と温泉利用はそのままに、温泉熱を用いて熱源流体で発電用の熱を吸熱しつつ、源泉温度を熱交換により低下させることで、加水等によって源泉濃度を薄めながら温度低下させる負担を軽減させることができる。なお、この場合は熱交換器２１の表面に温泉のスケールが付着するが、熱源流体の閉ループ流路と隔てられているため、バイナリー発電機にスケールが付着することはなく、定期的に熱交換器２１の表面に付着したスケールを除去するだけで良い。

さらに、本発明のバイナリー発電システムでは、低沸点媒体を凝縮液化させる冷却流体の閉ループ流路９について、主たる冷却流体の放熱冷却手段として利用する密閉式クーリングタワー２２に加え、蒸発器３を通過して温度が低下した熱源流体の一部または全部を分岐し、この熱源流体の熱を利用して駆動する熱源流体駆動型冷凍機２３と、冬季などに冷却流体が過度に冷却され、凝縮器５の低沸点媒体が過度に冷却されるのを抑制するため、冷却流体を昇温する熱源流体利用型熱交換器２４とを備えている。

ここで、本システムにおける冷却流体の温度制御は、冷却流体閉ループ流路９のうち、凝縮器５の上流に設置された冷却流体温度計２５の温度測定結果に応じて、熱源流体分岐流量調整弁２６および冷凍機駆動熱源流体流量調整弁２７と、熱交換器２４による冷却水昇温を制御する冷却流体加熱用熱源流体流量調整弁２８の開度を調整することで、凝縮器５に供給される冷却流体の温度を、バイナリー発電機を循環する低沸点媒体が凝縮器５の出口で確実に液化され、かつ液化温度が蒸発器３における低沸点媒体の蒸発気化が比較的少ない地熱供給で行われる温度に制御されている。

この冷却流体の温度については、図５のフローチャートに示す方法で制御され、具体的な制御は図４に記載の冷却流体温度制御装置２９に入力した測定温度に基づき、冷却流体温度制御装置２９から出力される各調整弁への開度信号出力によって行われる。こうして冷却流体の低温化と過冷却の防止を適切に制御することにより、外気温に応じて凝縮器内における低沸点媒体の凝縮と、蒸発器内における低沸点媒体の蒸発を確実かつ省エネルギー化することで、クーリングタワー補水や補機電力の消費を抑えた発電が可能となる。

このように、本発明のバイナリー発電システムを構成すれば、既存の源泉湯や地熱蒸気の熱、または掘削深度が浅い既存温泉井戸であっても、スケールの付着や温泉枯渇のリスクを大幅に軽減しながら、効率よく温泉の熱または地熱を活用して発電することが可能となる。加えて、低沸点媒体の冷却に要するコストと消費電力を低減することで、高効率かつ低コストでのバイナリー発電が可能となる。

本発明は、前記の実施形態に限定されるものではない。前記の実施形態は例示であり、本発明の特許請求範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１・・・・低沸点媒体循環流路
２・・・・低沸点媒体循環ポンプ
３・・・・蒸発器
４・・・・蒸気タービン
５・・・・凝縮器
６・・・・熱源流体循環流路
７・・・・熱源流体循環ポンプ
８・・・・断熱材
９・・・・冷却流体循環流路
１０・・・・冷却流体循環ポンプ
１１・・・・熱源流体内側二重管
１２・・・・内側二重管内抽気口
１３・・・・内側二重管真空断熱層
１４・・・・熱源流体外側二重管
１５・・・・外側二重管内抽気口
１６・・・・外側二重管真空断熱層
１７・・・・外側管先端熱交換部
１８・・・・先端熱交換促進フィン
１９・・・・減圧熱源流体
２０・・・・熱源流体飽和蒸気
２１・・・・開放型源泉湯熱交換器
２２・・・・密閉式クーリングタワー
２３・・・・熱源流体駆動型冷凍機
２４・・・・熱源流体利用型熱交換器
２５・・・・冷却流体温度計
２６・・・・熱源流体分岐流量調整弁
２７・・・・冷凍機駆動熱源流体流量調整弁
２８・・・・冷却流体加熱用熱源流体流量調整弁
２９・・・・冷却流体温度制御装置

Claims

熱源流体と蒸発器内で熱交換させて得られる低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の低沸点媒体を冷却流体と凝縮器内で熱交換させて凝縮させ、循環ポンプにより前記蒸発器に再循環させるバイナリー発電システムのうち、
前記熱源流体を、地熱流体または地熱から吸熱させて温度上昇させた後に、前記蒸発器に供給して低沸点媒体を蒸発させた後、熱源流体循環ポンプによって、再び地熱流体または地熱から吸熱させる、循環閉ループ流路を構成していることを特徴とする、バイナリー発電システム。
熱源流体と蒸発器内で熱交換させて得られる低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の低沸点媒体を冷却流体と凝縮器内で熱交換させて凝縮させ、循環ポンプにより前記蒸発器に再循環させるバイナリー発電システムのうち、
前記冷却流体を、周囲の空気、地中、貯留雨水、地下水、河川水、湖沼水または海水の何れか一つ以上に放熱させて温度低下させた後に、冷却流体循環ポンプによって前記凝縮器に供給し、低沸点媒体を凝縮させた後に再び前記放熱媒体に放熱させる、循環閉ループ流路を構成していることを特徴とする、バイナリー発電システム。
請求項１に記載のバイナリー発電システムにおいて、熱源流体の循環流路が、流路内を抽気減圧した密閉配管で構成され、密封された熱源流体が、地熱流体または地熱から吸熱して蒸発した後に、バイナリー発電システムの低沸点媒体を蒸発させる蒸発器内部で低沸点媒体に放熱しながら凝縮液化し、液化した熱源流体が熱源流体循環ポンプによって再び吸熱のために再循環される、減圧された閉ループ流路を構成していることを特徴とする、バイナリー発電システム。
請求項２に記載のバイナリー発電システムにおいて、冷却流体の循環流路が、流路内を抽気減圧した密閉配管で構成され、密封された冷却流体が周囲の空気、地中、貯留雨水、地下水、河川水、湖沼水または海水の何れか一つ以上に放熱して凝縮液化した後に、冷却流体循環ポンプによってバイナリー発電システムの凝縮器に供給され、凝縮器内部で低沸点媒体から吸熱しながら蒸発気化し、気化した冷却流体蒸気が再び放熱媒体に向けて再循環される、減圧閉ループ流路を構成していることを特徴とする、バイナリー発電システム。
請求項１に記載のバイナリー発電システムにおいて、熱源流体循環流路が二重管で構成され、内側管の配管外周部と、外側管の外周部のうち、地熱流体または地熱から吸熱を行う先端および先端外周部を除く配管外周部が断熱材で覆われているか、二層構造の内部が抽気されて真空断熱状態に保持されていることを特徴とする、バイナリー発電システム。
請求項５に記載のバイナリー発電システムにおいて、内側管内に低沸点媒体の蒸発器通過後の熱源流体を鉛直下方向に流下させて、外側管の地下先端部および先端外周部で地熱流体または地熱から吸熱し、高温水または飽和蒸気として温度上昇させながら、内側管と外側管の間隙流路を前記の蒸発器に向けて還流させることを特徴とする、バイナリー発電システム。
請求項５に記載のバイナリー発電システムにおいて、熱源流体が地熱流体または地熱から吸熱を行う外側管の地下先端の形状が、鉛直下方中心に向けて凸形状を有していることを特徴とする、バイナリー発電システム。
請求項５に記載のバイナリー発電システムにおいて、熱源流体が地熱流体または地熱から吸熱を行う外側管の地下先端部および先端外周部の一部または全部に、熱交換促進用のフィンが取り付けられていることを特徴とする、バイナリー発電システム。
熱源流体と蒸発器内で熱交換させて得られる低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の低沸点媒体を冷却流体と凝縮器内で熱交換させて凝縮させ、循環ポンプにより前記蒸発器に再循環させるバイナリー発電システムのうち、
前記蒸発器を通過して温度が低下した熱源流体の一部または全部を、吸収式または吸着式の冷凍機における再生器に供給して熱交換させることにより、蒸発器通過後の熱源流体を吸収式または吸着式冷凍機の再生熱源として活用し、本冷凍機から得られる冷却流体を、前記蒸気タービン通過後の低沸点媒体を凝縮液化させるための冷却流体として供給することを特徴とする、バイナリー発電システム。
熱源流体と蒸発器内で熱交換させて得られる低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに導いて発電機を駆動した後、タービン通過後の低沸点媒体を冷却流体と凝縮器内で熱交換させて凝縮させ、循環ポンプにより前記蒸発器に再循環させるバイナリー発電システムのうち、
前記蒸発器を通過して温度が低下した熱源流体の一部または全部を、前記凝縮器に供給する冷却流体と熱交換させ、前記凝縮器に供給する冷却流体の温度が過度に低下した際に、
冷却流体の温度を上昇させてから低沸点媒体の凝縮器に供給することを特徴とする、バイナリー発電システム。
請求項２に記載のバイナリー発電システムにおいて、低沸点媒体を凝縮冷却するための冷却流体循環流路が、クーリングタワーで放熱を行う循環流路に加えて、前記クーリングタワーの出口から流量調整弁を経て分岐された一部の冷却用流体が、請求項２に記載の地中、貯留雨水、地下水、河川水、湖沼水または海水のうち、一つ以上の放熱媒体とも熱交換を行って追加的な冷却を行う閉ループ流路か、請求項９に記載の吸収式または吸着式の冷凍機によって追加的な冷却が行われる閉ループ流路か、またはこれら二つの閉ループ流路を直列に接続した閉ループ流路を通じて追加冷却させた冷却流体を、前記のクーリングタワーから出た冷却流体と混合することで、冷却流体の温度を更に低下させてから、低沸点媒体の凝縮器に供給することを特徴とする、バイナリー発電システム。
請求項２に記載のバイナリー発電システムにおいて、低沸点媒体を凝縮冷却するための冷却流体循環流路が、請求項１０に記載の冷却流体昇温手段と、請求項１１に記載の冷却流体の追加冷却手段とを併せもち、冷却流体昇温手段への熱源流体供給流量と、冷却流体追加冷却手段に分岐供給させる冷却流体の流量をそれぞれ制御することによって、低沸点媒体の凝縮器に供給される冷却流体の温度が、低沸点媒体が凝縮器出口で確実に凝縮液化され、かつ液化した低沸点媒体が過度に冷却され、蒸発器における蒸発気化が抑制されることのない温度に保つ、冷却流体の温度制御手段を備えたことを特徴とする、バイナリー発電システム。