JP4889956B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱エネルギを電力に変換する発電装置に関し、特に、利用可能な熱エネルギを最大に取り込みながら、緊急停止の応答性に優れた発電装置に関する。

一般に、マイクロガスタービンあるいはエンジン駆動の自家発電装置などにおいては、目標の発電量にするための調整は、発電装置への燃料（熱エネルギ）の供給量の増減により行われている。また、かかる発電装置においては、停電時に発電装置を緊急停止するときには、燃焼を短時間で停止し、ロータ等の過回転速度防止が図られている。燃焼ガスなどの熱容量が小さければ、制御応答性がよく、燃料調整で過回転速度防止を行うことができる。

一方、排熱による熱エネルギを有効に利用する発電装置が知られている。これらの発電装置は、いわゆるランキンサイクル等を利用したクローズドシステム発電装置であり、装置のコンパクト化のために、作動媒体として水ではなく。低沸点の作動媒体を用い、排ガスなどと熱交換することにより排熱を回収すると共に、作動媒体を蒸発させて発電機を駆動する蒸気として利用している（特許文献１参照）。
特開２０００−１１０５１４号公報（第２頁、図１）

しかし、例えば排熱を熱エネルギとして利用する発電装置のように、熱源の熱エネルギ量が定まっている場合においては、熱の供給量を増減することは熱エネルギの利用効率を高低することであり、熱エネルギの損失が増加することになる。また、排熱などの熱エネルギにより蒸気を発生させ、蒸気のエネルギにより膨張機を駆動し発電をする発電装置においては、蒸気発生器の熱保有量が多く、緊急停止する場合に、熱源を遮断しても発生する蒸気量を急激に減らすことができない。すなわち、停電等の場合に発電装置が無負荷で運転されることになり、その結果、膨張機および発電機が過回転速度で運転され、これらの機器が損傷する恐れがあった。更に、従来の発電装置においては、冷却媒体を搬送するポンプなどの補機が商用電力により駆動されていたので、停電時においては、冷却媒体を搬送するポンプなどの補機が停止することにより、発電装置が高温になるなどの危険性があった。

そこで本発明は、利用可能な熱エネルギを最大に取り込みながら、緊急停止の応答性に優れた発電装置を提供することを目的とする。更に、停電時においても、安全性を維持できる発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る発電装置においては、例えば図１に示すように、加熱媒体Ｈと熱交換することにより作動媒体Ｍを蒸発させる蒸気発生器１０と；蒸発した作動媒体Ｍを膨張させて機械的動力を得る膨張機２０と；膨張機２０により駆動され、交流電圧を発電する発電機３０と；発電した交流電圧を直流電圧に変換する整流器１１０と；直流電圧を交流電圧に変換するインバータ１２０と；直流電圧あるいは発電した交流電圧が所定の電圧になるように、電力系統への出力交流電流を制御する制御手段１０１とを備える。

このように構成すると、電力系統への出力交流電流を制御する制御手段により、直流電圧あるいは発電した交流電圧を所定の電圧に保持するので、適切な電圧値の交流電力が電力系統へ出力される。また、直流電圧あるいは発電した交流電圧が所定の電圧であるので、発電機のタービンの回転速度が抑えられ、発電機や膨張機の過回転速度の運転が避けられる。本方法により、熱エネルギから電気エネルギに変換した全量を、電圧を保持しながら電力系統に連系することができる。

前記目的を達成するために、本発明の第２の態様に係る発電装置は、例えば図１に示すように、加熱媒体Ｈと熱交換することにより作動媒体Ｍを蒸発させる蒸気発生器１０と；蒸発した作動媒体Ｍを膨張させて機械的動力を得る膨張機２０と；膨張機２０により駆動され、交流電圧を発電する発電機３０と；発電した交流電圧を直流電圧に変換する整流器１１０と；直流電圧を交流電圧に変換するインバータ１２０と；発電機３０により発電した電圧が作用するヒータ１３０と；ヒータ１３０と直列に配置されるスイッチ１３１とを備える。

このように構成すると、発電機で発電した電力の負荷が停電等でなくなり、発電機が無負荷で運転することになった場合に、スイッチをオンにすることによりヒータが負荷となる。よって、無負荷で発電機が運転されることがなく、発電機や膨張機の過回転速度での運転を防止することができる。

また、前記目的を達成するため、本発明の第３の態様に係る発電装置は、例えば図２に示すように、加熱媒体Ｈと熱交換することにより作動媒体Ｍを蒸発させる蒸気発生器１０と；蒸発した作動媒体Ｍを膨張させて機械的動力を得る膨張機２０と；膨張した作動媒体Ｍを、冷却媒体Ｃと熱交換して凝縮させる凝縮器４０と；膨張機２０により駆動され、交流電圧を発電する発電機３０と；発電した交流電圧を直流電圧に変換する整流器１１０と；凝縮した作動媒体Ｍを蒸気発生器１０に移送するポンプであって、発電した交流電圧あるいは変換された直流電圧で駆動される作動媒体ポンプ２５０と；冷却媒体Ｃを凝縮器４０に移送する搬送機であって、発電した交流電圧あるいは変換された直流電圧で駆動される冷却媒体搬送機２４６とを備える。

このように構成すると、発電機で発電した電力の負荷が停電等でなくなり、発電機が無負荷で運転することになる場合に、作動媒体ポンプや冷却媒体搬送機が負荷となる。よって、無負荷で発電機が運転されることがなく、発電機や膨張機の過回転速度での運転を防止することができる。更に、作動媒体ポンプや冷却媒体搬送機が発電装置により発電される電力で駆動されるので、停電になっても、発電装置が稼動している限り作動媒体は循環され、冷却媒体は凝縮器に搬送され、発電装置が過熱されることがない。なお、冷却媒体搬送機は、典型的には、冷却媒体ポンプ、冷却媒体ブロワあるいはファンである。

また、前記目的を達成するため、本発明の第４の態様に係る発電装置は、例えば図４に示すように、加熱媒体Ｈと熱交換することにより作動媒体Ｍを蒸発させる蒸気発生器１０と；蒸発した作動媒体Ｍを膨張させて機械的動力を得る膨張機２０と；膨張した作動媒体Ｍを、冷却媒体Ｃと熱交換して凝縮させ、該液を貯留する凝縮器４０と；膨張機２０により駆動され、交流電圧を発電する発電機３０と；蒸気発生器１０内の作動媒体Ｍの温度を検知する温度検知器９２または圧力を検知する圧力検知器９３の内の何れかの検知器と；凝縮器４０内の作動媒体Ｍの液面を検知する液面検知器９１と；蒸気発生器１０における作動媒体Ｍの蒸発を抑制する蒸発抑制手段５１と；液面検知器９１で検知された液面に応じて、凝縮器４０から移送される作動媒体Ｍの流量を調整する作動媒体調整手段５０と；何れかの検知器９２、９３で検知された値に応じて、蒸発抑制手段５１による蒸発抑制を停止する制御装置１０１とを備える。

このように構成すると、発電装置の起動時に、蒸気発生器での作動媒体の蒸発を抑制し、作動媒体の温度あるいは圧力が所定の値になった時点で、蒸気を発生させ、発電装置での発電を開始することができる。作動媒体が所定の温度・圧力になるまで蒸発を抑制するので、短時間で所定の温度・圧力になるまで加熱することができる。なお、凝縮器の液面を検知しているので、蒸気発生器内の作動媒体を所定量確保していることを確認できる。

本発明によれば、利用可能な熱エネルギを最大に取り込みながら、緊急停止の応答性に優れた発電装置を提供することができる。更に、停電時においても、安全性を維持できる発電装置を提供することできる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一または相当する装置等には同一符号を付し、重複した説明は省略する。また、図中、破線は信号ケーブルまたは電気ケーブルを示す。

先ず、図１のブロック図を参照して、本発明の第１の実施の形態である発電装置１の構成について説明する。図１は、発電装置１のシステム構成を説明するブロック図である。発電装置１は、加熱媒体Ｈと熱交換することにより作動媒体Ｍを蒸発させる蒸気発生器１０と、蒸発した作動媒体Ｍを膨張させて機械的動力を得る膨張機２０と、膨張機２０とシャフトを介して接続され膨張機２０からの機械的動力により駆動される発電機３０と、膨張した作動媒体Ｍを、冷却媒体Ｃと熱交換して凝縮させる凝縮器４０とを備える。

ここで、作動媒体として、沸点が４０℃前後のジクロロトリフルオロエタンＨＦＣ１２３あるいはトリフルオロエタノールＣＦ_３ＣＨ_２ＯＨ等を用いることが好ましい。このことにより、比較的低温の２００〜４００℃程度の排ガスあるいは１００〜１５０℃の排温水など比較的低温度の熱源を利用して、これらの熱エネルギを先ず作動媒体Ｍの高圧蒸気に変換し、これにより膨張機２０で発電機３０に直結したタービン（不図示）を回転駆動し、発電を行うことができる。また、圧力が高くなるので、膨張機２０などのコンパクト化が図れる。ただし、作動媒体Ｍは、これらに限られることはなく、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、アルコールでもよく、水でもよい。また、加熱媒体Ｈは、焼却炉の排ガス、排温水などでよいが、作動媒体Ｍを蒸発させる熱を有していればよい。また、冷却媒体Ｃは、作動媒体Ｍを凝縮させるための低温であればよく、冷却水などが用いられる。

発電装置１には、蒸気発生器１０から膨張機２０への作動媒体Ｍの流路としての配管５３と、膨張機２０から凝縮器４０への作動媒体Ｍの流路としての配管５４と、凝縮器４０から蒸気発生器１０への作動媒体Ｍの流路としての配管５５とが敷設される。配管５３には、仕切弁５１が配設される。また、配管５５には、作動媒体ポンプ５０が配設される。蒸気発生器１０と仕切弁５１との間の配管５３から分岐配管５６が接続され、分岐配管５６は配管５３と配管５４とを連接し、分岐配管５６上には、仕切弁５２が配設される。

発電機３０から、交流電圧を直流電圧に変換する整流器１１０に、交流用電線１５１が接続される。整流器１１０は、直流用電線１５２を介して、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換するインバータ１２０に接続される。

直流用電線１５２には、コンデンサ１１１が接続され、直流電圧を平滑化する。また、平滑化された直流電圧を計測する電圧計１１２が接続される。

直流用電線１５２からは、更にヒータ１３０が接続される。ヒータ１３０は、電気抵抗型を初め、いかなるタイプのヒータであっても、電力を消費して加熱する構造であればよい。ヒータ１３０は、配管５５の近傍に配置され、配管５５を流れる作動媒体Ｍを加熱する。特に作動媒体ポンプ５０の吐出側に配置すると、作動媒体ポンプ５０での作動媒体Ｍの温度が上昇することなく、キャビテーションを起こし易くならないので、好適である。なお、ヒータ１３０は、配管５５ではなく、蒸気発生器１０近傍に設置してもよい。すなわち、作動媒体Ｍが液体である部分に設置するとよい。更に、蒸気発生器１０に導入される加熱媒体Ｈの流路近傍に設置してもよい。直流用電線１５２からヒータ１３０に至る電気線１３３上に、スイッチング用パワー素子１３１が設置される。あるいは、後述するように作動媒体ポンプ５０でのキャビテーション防止のために冷却媒体の流路近傍に設置してもよい。

インバータ１２０には、電力出力線１２１が接続する。電力出力線１２１には、遮断器１２２が設置され、その先には電気負荷１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃが、それぞれ遮断器（不図示）を介して並列に接続する。図１では、３つの電気負荷１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ（まとめて、電気負荷１４０とする。）が示されているが、電気負荷１４０の数は３に限られない。また、電気負荷１４０としては、発電装置１における冷却媒体Ｃや加熱媒体Ｈの搬送用ポンプ（不図示）等の補機を並列に接続することが好ましい。このように、電力系統が構成される。

電力出力線１２１には、商用電源からの商用電源電線１４１が接続する。商用電源電線１４１には、電圧計１４２、遮断器１２７および電流計１４３が、この順序で商用電源側から配設され、その先で電力出力線１２１に接続している。

電力出力線１２１の電気負荷１４０と並列に、制御装置電源線１２３が分岐し、整流器１２５を経て、制御装置１０１に接続する。また、インバータ１２０と遮断器１２２との間の電力出力線１２１から第２の制御装置電源線１２４が分岐し、整流器１２６を経て、制御装置電源線１２３に接続する。なお、制御装置電源線１２３上に整流器１２５を、第２の制御装置電源線１２４上に整流器１２６を有しているが、制御装置電源線１２３に第２の制御装置電源線１２４を接続し、該接続した箇所から制御装置１０１に至る制御装置電源線１２３上に整流器を設置してもよい。このように構成すると、整流器が１つで足りる。

制御装置１０１には、電圧計１１２、インバータ１２０、遮断器１２２、１２７、電流計１４３、電圧計１４２、スイッチング用パワー素子１３１、電気負荷１４０の遮断器（不図示）が接続する。制御装置１０１は、その他に仕切弁５１、５２のアクチュエータ、発電装置の補機等と電気的に接続してもよい。このように制御装置１０１と各機器等とを電気的に接続し、信号の伝達を行うことにより、制御装置１０１で発電装置１の種々の制御を行うことができ、例えば、整流器１１０で変換された直流電圧を所定の値に保持するようにインバータから電力系統への出力交流電流を調整する制御手段が提供される。

続いて、発電装置１の作用について説明する。蒸気発生器１０、膨張機２０、凝縮器４０およびそれらを連接する配管５３、５４、５５は、作動媒体Ｍのクローズドシステムを構成し、いわゆるランキンサイクルを利用して発電を行う。なお、以下の説明では、膨張機２０は、タービン（不図示）を備えるものとして説明を行う。

この発電装置では、作動媒体ポンプ５０で、作動媒体Ｍを蒸気発生器１０に送り込む。作動媒体Ｍは蒸気発生器１０で加熱媒体Ｈから熱エネルギを受け、沸騰蒸発し高圧蒸気となる。この蒸気は蒸気タービンなどの膨張機２０に送り込まれ、ここで発電機３０を回転させて発電をする。排出された低圧蒸気は凝縮器４０にて、冷却水などの冷却媒体で冷却され、凝縮し、作動媒体ポンプ５０に吸い込まれ、クローズドシステムを一巡する。凝縮器４０には冷却媒体Ｃの冷却配管を備え、タービンを駆動した後の蒸気を冷却することで作動媒体Ｍの凝縮した凝縮液を生成する。

発電機３０からは、交流電圧が発電され交流電力が出力される。周波数は、タービンの回転速度により決まる。発電された交流電圧は、整流器１１０にて直流電圧に変換される。直流電圧に変換された電圧は、コンデンサ１１１により平滑化される。すなわち、変換された直流電圧中の、交流成分が除去される。平滑化された直流電圧は、インバータ１２０により所定の周波数の交流電圧に変換される。変換された交流電圧は、電力出力線１２１を介して、電気負荷１４０に供給される。また、整流器１２５で直流に変換されて制御装置１０１に直流電圧が供給される。電力出力線１２１には、商用電源から商用電源電線１４１が接続し、商用電力が供給されるが、上記のとおりに、発電機３０からの出力が連系する。

ここで、変換し電気負荷１４０に供給される交流電圧は、商用電源からの電圧と同じである必要があり、インバータ１２０で変換される交流電圧は、商用電源からの電圧以上でなければならず、直流電圧が所定の電圧になるように電力系統（電気負荷１４０等）への出力交流電流を制御する。ここで、所定の電圧とは、インバータ１２０で交流電圧とするときに、商用電圧より高くなる電圧をいう。また、出力交流電流の制御は、電圧計１１２で直流電圧を計測しながら、電力系統への交流電流を増減させる。すなわち、電力系統への電流を多くすると、直流電圧が低下し、逆に電力系統への電流を少なくすると、直流電圧が上昇する。これらの制御は、制御装置１０１にて行われる。制御装置１０１にて、電圧計１１２で計測した直流電圧をモニタしながら、インバータ１２０にて変換される交流電圧の量を調節する。

このように直流電圧を所定の電圧に維持することにより、直流電圧がバイアスとして整流器１１０に作用し、交流用電線１５１を通じて発電機３０に伝達されるので、タービン（不図示）の回転への抵抗となる。タービンの回転速度と直流電圧とは、ほぼ比例関係にあるので、タービンの過回転速度を避けることができる。また、直流に変換前の交流電圧も直流電圧とほぼ比例関係にあるので、交流電圧を所定値になるように制御することによって、同等の効果が期待できる。

なお、直流電圧とタービンの回転速度とは比例関係にあるので、直流電圧を電圧計１１２で測定せずに、タービンに設けた回転速度計（不図示）によりタービンの回転速度を測定してもよい。また、直流電圧を所定の電圧となるように制御する代わりに、タービンの回転速度を所定の回転速度となるように制御してもよい。このように制御するときも、電力系統（電気負荷１４０等）への出力交流電力を調節することにより、タービンの回転速度を調整する。

発電機３０からの出力が過剰となり、商用電源への逆潮流（発電機３０からの出力が商用電源電線１４１を流れること）の発生の可能性がある場合には、ヒータ１３０への電流を調整してもよい。すなわち、電気負荷１４０に比し、発電機３０の出力が大きくなったときには、スイッチング用パワー素子１３１を調節して、ヒータ１３０に通電し、電力を消費する。電力をヒータ１３０で消費することにより、逆潮流が避けられる。また、ヒータ１３０で発生する熱は、凝縮器４０で凝縮し作動媒体ポンプ５０から吐出された作動媒体Ｍを加熱するのに用いられる。

あるいは、常時ヒータ１３０に電流を流しておき、電流計１４３で計測する商用電源から電力系統への電流が所定の値以下にならないように、ヒータ１３０への電流をスイッチング用パワー素子１３１で調整してもよい。商用電源から電力系統への電流が所定の値以上であれば、ヒータ１３０への電流を減少し、所定の値以下であれば、ヒータ１３０への電流を増大し、商用電源からの電流を所定の値とすることもできる。

なお、直流電圧の所定の電圧は一定値（固定値）でなく、可変としてもよい。例えば、膨張機２０、発電機３０のタービンの回転速度に余裕がある場合（定格回転速度よりも数％程度高速になっても良いような場合）、直流電圧が所定の電圧Ｖ１になるように電力系統への電流をインバータ１２０で調整し、一方、スイッチング用パワー素子１３１によるヒータ１３０への電流調整を、直流電圧がＶ２＝Ｖ１＋αとなるようにする（αはＶ１の数％の電圧とする）。電力系統連系中は遮断器１２２を導通させ、逆潮流あるいは停電を検知したときは遮断器１２２を遮断する。電力系統連系中は直流電圧はＶ１となり、ヒータ１３０には電流が供給されない。連系していないときは、直流電圧はＶ２となるようにヒータ１３０に電流が供給され、消費される。このように構成すると、電力系統への電流出力を優先し、電力系統側での負荷が軽すぎて逆潮流が発生するような場合、あるいは停電時に、発電機３０の回転速度が上がってくると、ヒータ１３０で電気を消費し、回転速度の上昇を抑えることができる。なお、起動時において、連系する前においても、直流電圧はＶ２となる。

商用電源で停電が生じたときには、あるいは逆潮流を検出したときには遮断器１２２により、インバータ１２０を電力系統（例えば、電気負荷１４０）から遮断し、電力系統へのインバータ１２０からの電流を止める。この制御は、制御装置１０１からの信号が遮断器１２２へ伝送されることにより行われる。遮断器１２２により電力系統への通電が止められると、膨張機２０および発電機３０が無負荷の状態になり、タービンの回転速度が高速となり、破損をする恐れが生ずる。特に外部からの熱源により、すなわち加熱媒体Ｈを通して熱エネルギを得ている発電装置１においては、蒸気発生器１０に蓄えられる熱保有量が多く、加熱媒体の導入を止めても、蒸気発生器１０における作動媒体Ｍの蒸発を急激に減らすことはできず、膨張機２０へ供給される蒸気も急激には減少しない。

そこで、スイッチング用パワー素子１３１を調節して、ヒータ１３０に直流電流が流れるようにする。すなわち、ヒータ１３０に通電し、電力を消費する。電力をヒータ３０で消費することにより、膨張機２０および発電機３０のタービンに負荷が加わることになり、タービンの過回転速度での回転を防止することができる。また、ヒータ１３０で電力を消費して、直流電圧が所定の電圧となるように、スイッチング用パワー素子１３１を調節することもできる。このスイッチング用パワー素子１３１の調整は、制御装置１０１から信号が伝送されるより行われる。なお、ヒータ１３０への通電は、遮断器１２２による遮断より時間的に前に行うことが、膨張機２０および発電機３０のタービンの過回転速度を防止する上で、好ましい。

また、配管５３に配設された仕切弁５１を閉じ、膨張機２０への蒸気の流入を止めてもよい。その際、仕切弁５２を開いて、作動媒体Ｍの蒸気をバイパス配管５６を通って循環するようにしてもよい。作動媒体Ｍを循環させると、作動媒体Ｍは凝縮器４０で冷却されるので、蒸気発生器１０の作動媒体Ｍが過熱されることおよび圧力が過度に上昇することが防止される。仕切弁５１を閉じて、膨張機２０への蒸気の流入を止めることにより、ヒータ１３０への通電は、数秒という短い時間となり、ヒータ１３０での放熱量も僅かとなる。

あるいは、仕切弁５１を開いたままで膨張機２０への蒸気の流入を行いつつ、仕切弁５２を開いて、作動媒体Ｍの蒸気をバイパス配管５６に流してもよい。バイパス配管５６を蒸気が流通することにより、蒸気発生器１０により生成された蒸気の圧力を低下させることができる。すると、膨張機２０に供給される蒸気の流量が低減されることになるので、膨張機２０の回転速度を低下させることができる。したがって、熱源の蒸気発生器１０への供給を止めることなく膨張機２０の回転速度の過度な上昇を防止することができる。

なお、制御装置１０１は、通常時は、インバータ１２０から電力出力線１２１、制御装置電源線１２３を経由し、あるいは商用電源から商用電源線１４１および電力出力線１２１を経由し、整流器１２５で直流に変換された直流電流にて稼動する。しかし、遮断器１２２でインバータ１２０から電力系統への電流を遮断したときには、インバータ１２０から遮断器１２２に至る手前の電力出力線１２１から分岐した第２の制御装置電源線１２４を経由し、整流器１２６で直流に変換された直流電流により稼動する。すなわち、制御装置は緊急時に遮断器１２２を遮断しても、暫くの間は稼動する。ここでいう暫くの間とは、膨張機２０への蒸気の供給が停止し、タービンが回転しなくなり、発電機３０からの出力がなくなるまでの時間である。制御装置１０１が発電装置１からの出力で駆動されるので、停電が生じても暫くの間制御装置１０１は稼動し、ヒータ１３０への電流制御を行うなど、発電装置１のシャットダウンを行うことができる。更に発電装置１の補機を発電装置１からの出力で駆動するように構成すると、停電時においても暫くの間補機が作動するので、適切に発電装置１をシャットダウンすることができる。

また、発電装置１の起動時においても、所定の出力が得られるまでは、遮断器１２２により、インバータ１２０を電力系統（例えば、電気負荷１４０）から遮断し、電力系統へのインバータ１２０からの電流を止めている。したがって、起動時においても、上記の停電時と同様に、スイッチング用パワー素子１３１を調節してヒータ１３０に通電し、ヒータ１３０で電力を消費し、膨張機２０および発電機３０に負荷をかけ、膨張機２０および発電機３０の過回転速度での運転を防止する。あるいは、スイッチング用パワー素子１３１を調節して直流電圧を所定の値に保持し、膨張機２０および発電機３０の過回転速度での運転を防止することもできる。

続いて、図２を参照して、本発明の第２の実施の形態である発電装置２について説明する。図２は、発電装置２の構成を示すブロック図である。発電装置２においては、発電装置１と下記の相違を有する。すなわち、ヒータ２３０には、直流用電線１５２ではなく、出力電力線１２１から分岐したヒータ・制御装置電線２２４、ヒータ電線２３３に接続する。また、直流用電線１５２から分岐し、逆流防止のためのダイオードである整流器２３４を有する直流出力電線２２３を有し、直流出力電線２２３は配電盤２０１に接続する。配電盤２０１には、電力出力線１２１から分岐し、整流器２２２を有する電力出力分岐線２２１が接続する。更に、補機である作動媒体ポンプ２５０および冷却媒体搬送機としての冷却媒体ポンプ２４６および加熱媒体ポンプ１６に電線が接続される。また、制御装置１０１から、仕切弁５１、５２に信号を伝達する信号ケーブルが敷設される。なお、作動媒体ポンプ２５０、冷却媒体ポンプ２４６および加熱媒体ポンプ１６は、直流駆動ポンプである。また、図２では、冷却媒体Ｃとして冷却水などの液体を用いているが、冷却媒体は冷却空気などの気体でもよく、そのときには、冷却媒体ポンプではなく、冷却媒体ブロワが用いられる。あるいは、凝縮器４０として、エアフィンタイプの熱交換器を備え、大気を冷却媒体として用いてもよく、そのときには、冷却媒体搬送機がファンである。

図３に電力系統の抜粋を詳細に示した回路図を示す。発電装置２では、ヒータ２３０への電流の供給を交流である電力出力線１２１から分岐したヒータ・制御装置電線２２４（２２４ａ〜ｃ）で行うので、スイッチング用パワー素子２３１（２３１ａ〜ｃ）およびヒータ２３０（２３０ａ〜ｃ）がそれぞれ３個必要となる。しかし、交流のスイッチとなるので、オン・オフが容易となる。一方、図１に示す発電装置１のように直流用電線１５２から分岐し、直流電流をヒータ１３０に供給するように構成すると、スイッチング用パワー素子１３１およびヒータ１３０がそれぞれ１個でよいが、直流電流は遮断しにくいという問題がある。なお、上記では、交流電流を三相交流として説明したが、交流電流は二相でもよく、三相交流には限られない。

また、三相交流の場合であっても、例えば二相間に１個のヒータ２３０ａ、スイッチング用パワー素子２３１ａおよびヒータ・制御装置電線２２４ａだけを有し、連系していないときには、スイッチング用パワー素子２３１ａは連通させ、インバータ１２０のスイッチング用パワー素子Ｓ１、Ｓ２を用いてヒータ２３０ａへの電流を制御してもよい。このように構成すると、ヒータ２３０およびスイッチング用パワー素子２３１を１個にすることができる。なお、スイッチング用パワー素子Ｓ１、Ｓ２の作動も制御装置１０１（図２参照）により制御される。

発電装置２においては、電力出力線１２１から分岐し、整流器２２２により直流電流とされた電流が、電力出力分岐線２２１から配電盤２０１を介して各補機に供給される。電力出力線１２１には、商用電源からの電流が流れるので、補機を商用電源からの電流で駆動することができる。また、直流用電線１５２から分岐し整流器２３４を経て直流出力電線２２３を通って流れる発電機３０の出力も、配電盤２０１を介して各補機に供給される。

したがって、発電機３０で発電した電力の負荷が停電等でなくなり、発電機３０が無負荷で運転することになる場合に、作動媒体ポンプ２５０や冷却媒体ポンプ２４６および加熱媒体ポンプ１６が負荷となる。よって、無負荷で発電機３０が運転されることがなく、発電機３０や膨張機２０の過回転速度での運転を防止することができる。更に、補機を発電機３０からの出力により駆動することもできるので、停電時においても、発電機３０が稼動している限り、補機を稼動することができる。したがって、蒸気発生器１０の温度の過上昇や、膨張機２０および発電機３０のタービンの過回転速度などを防止し、安全にシャットダウンすることができる。ここで、補機を直流駆動としているので、商用電源で駆動されるときと、発電機３０の出力で駆動されるときの電源切替が不要となる。なお。発電機３０で発電した電力は、上記の機器以外にも、重要な装置の駆動に用いることもできる。すなわち、発電機３０による電力が、緊急発電装置としての機能を兼ねることになる。

制御装置１０１も同様に発電機３０からの出力により駆動されており、所定の制御が行われる。なお、制御装置１０１を駆動する電圧と、補機を駆動する電圧は一般的に異なるので、発電装置２では、別系統の直流電流を用いているが、１の系統からコンバータにより電圧を変換して用いてもよい。

発電装置２においては、前述のとおりに、停電時は、発電機３０の出力により補機を駆動するが、起動時においては、発電機３０から所定の出力が得られないので、商用電源を用いる。また、通常運転時においては、商用電源から供給されても、発電機３０から供給されてもよい。本実施の形態では、直流に変換後の電圧で補機類を駆動しているが、発電機３０からの交流電力を用いてもよい。この場合、発電した交流の周波数をインバータなどで変換しても差し支えない。

続いて、図４を参照して、本発明の第３の実施の形態である発電装置３について説明する。図４は、発電装置３の構成を示すブロック図である。発電装置３では、凝縮器４０の下部あるいは凝縮器４０から作動媒体ポンプ５０に至る間の配管５５に液面検知器９１を有する。また、蒸気発生器１０に温度検知器９２を有する。あるいは、蒸気発生器１０あるいは蒸気発生器１０から膨張機２０に至る配管５３に圧力検知器９３を備えてもよい。なお、温度検知器９２と圧力検知器９３とは、いずれか１つを備えていればよい。

また、作動媒体ポンプ５０から蒸気発生器１０に至る配管５５上に予熱器１１を備える。予熱器１１には、蒸気発生器１０に導入される前の加熱媒体Ｈ流路から分岐された加熱媒体流路が接続する。予熱器１１に導入された加熱媒体Ｈは、予熱器１１を出た後に、蒸気発生器１０を出た加熱媒体Ｈに合流される。作動媒体ポンプ５０と予熱器１１との間の配管５５にチェッキ弁５４が配設される。なお、チェッキ弁５４は、作動媒体ポンプ５０の吐出側で作動媒体Ｍの逆流を防ぎ、よって、作動媒体ポンプ５０を停止しても作動媒体Ｍが蒸気発生器１０から凝縮器４０へ逆流することを防ぐことができる。

凝縮器４０を出た作動媒体Ｍの配管５５の液面検知器９１と作動媒体ポンプ５０との間に過冷却器４１が設置される。過冷却機４１には、凝縮器４０に導入される前の冷却媒体Ｃが導入され、過冷却器４１を出た冷却媒体Ｃは、凝縮器４０に導入される。過冷却器４１と凝縮器４０との間の冷却媒体Ｃの流路には、ヒータ３３０が設置される。ヒータ３３０は、発電装置１あるいは発電装置２のヒータ１３０、２３０に対応するもので、液体の作動媒体Ｍの配管の近傍に代わり、冷却媒体Ｃの流路近傍に配置されたものである。

また、蒸気発生器１０から膨張機２０に至る配管５３上の仕切弁５１とバイパス配管５６上の仕切弁５２には、制御装置１０１からの信号ケーブルが敷設される。また、液面検知器９１、温度検知器９２あるいは圧力検知器９３から制御装置１０１へも信号ケーブルが敷設される。

凝縮器４０の下部あるいは凝縮器４０から作動媒体ポンプ５０に至る間の配管５５に液面検知器９１を備え、液面検知器９１で検知された液面は信号ケーブルを介して制御装置１０１に伝達されるので、液面位置が一定に確保されるように作動媒体ポンプ５０に速度制御信号が出力される。このように制御装置１０１は、作動媒体Ｍの流量を調整する制御手段を提供する。なお、凝縮液の液面位置が一定となるように作動媒体ポンプ５０をオン・オフ制御により、制御してもよい。これにより液面が一定に保たれるので、作動媒体ポンプ５０の吸込側にかかる液面のヘッドを略一定に確保し、ポンプのキャビテーションを防止することができる。更に、凝縮器４０側の液面位置を検知することにより、クローズドサイクル内に保有される作動媒体Ｍの量は一定であるので、蒸気発生器１０内に所定の作動媒体Ｍが確保されていることも確認される。ここで、凝縮器４０側の液面位置は、凝縮器４０の下部がよく、凝縮器４０内を液相とすると、冷却媒体との伝熱効率が下がることがある。よって、凝縮器４０は蒸気発生器１０よりも高い位置に設置し、液相の作動媒体Ｍは蒸気発生器１０内に貯留することが好ましい。

予熱器１１では、高温の加熱媒体Ｈにより、作動媒体Ｍは加熱される。しかし予熱器１１では、作動媒体Ｍの温度が上昇するだけで、蒸発することはない。予熱器１１で加温された作動媒体Ｍが蒸気発生器１０に送られる。したがって、蒸気発生器１０での効率が高くなる。

過冷却器４１は凝縮器４０の下部に設けられており、内部に冷却媒体Ｃの配管を備え、作動媒体Ｍを冷却する。なお、冷却媒体Ｃは、先ず過冷却器４１に導入され、更に凝縮器４０に導入されている。すなわち、凝縮器４０と過冷却器４１とが同一の冷却媒体Ｃで冷却され、冷却媒体Ｃを先ず過冷却器４１に導き、次いで凝縮器４０に導き、これにより過冷却器４１において過冷却効果を出し、凝縮器４０の内部よりも凝縮液を２〜３℃程度より低温化するようにしたものである。

このように構成することにより、作動媒体ポンプ５０に吸い込まれる作動媒体Ｍの温度を低下させる。したがって、作動媒体ポンプ５０のキャビテーションをより確実に防止することができる。すなわち、低沸点の作動媒体Ｍが使用される発電装置３では、液相の作動媒体Ｍは気化しやすい状態にあるため、作動媒体ポンプ５０の駆動に伴って吸込み側の作動媒体Ｍの圧力が低下するとキャビテーションが発生するおそれがある。したがって、凝縮器４０内の蒸気の圧力（凝縮圧力）と凝縮された作動媒体Ｍの液ヘッド（液の自重）とにより、キャビテーション防止のために必要とされる押し込みヘッドを確保する必要がある。ところが、何らかの事情により吸込み側の配管５５中の冷却媒体Ｍの温度が１〜２℃低下すると、低沸点の作動媒体Ｍでは凝縮圧力が大きく低下することになる。このため、作動媒体ポンプ５０の駆動に伴って配管５５中の液相の作動媒体Ｍが沸騰してしまい、必要な押し込みヘッドを確保することができなくなってしまう。そこで、凝縮器４０よりも２〜３℃程度低い温度で液相の作動媒体Ｍを過冷却器４１により冷却することにより、凝縮圧力が低下した場合でも、作動媒体ポンプ５０に供給される作動媒体Ｍが沸騰しにくくなり、作動媒体ポンプ５０でのキャビテーションの発生を防止することができる。

過冷却器４１から凝縮器４０に至る冷却媒体Ｃの流路に、発電機３０からの出力によるヒータ３３０が、設置される。ヒータ３３０は、制御装置１０１により制御されるスイッチング用パワー素子１３１を介して接続されており、前述のとおりに直流電圧が所定の電圧となるように導通され、熱を発生する。ヒータ３３０により冷却媒体Ｃが加熱されるので、凝縮器４０に導入される冷却媒体Ｃの温度は僅かに上がり、凝縮器４０の温度も上昇する。よって、凝縮器４０内の温度低下による凝縮圧力の低下が防止され、作動媒体ポンプ５０でのキャビテーションの発生を防止することができる。

発電装置３では、その起動時において、温度検知器９２で検知される蒸気発生器１０の温度あるいは圧力検知器９３で検知される蒸気発生器１０の圧力が、所定の値になるまでは、仕切弁５１および仕切弁５２を閉じ、蒸気発生器１０における作動媒体Ｍの蒸気の発生を抑える。したがって、蒸気発生器１０内の温度および圧力の上昇は速まり、起動時間を短縮することができる。検知された温度あるいは圧力に基づき、制御装置１０１からの信号により仕切弁５１の開放をするので、確実な起動を行うことができる。このように制御装置１０１は、蒸発抑制を停止する制御手段を提供する。

また、制御装置１０１では、併せて、温度検知器９２で検知される蒸気発生器１０の温度あるいは圧力検知器９３で検知される蒸気発生器１０の圧力が所定の値になるまでは、凝縮器４０、過冷却器４１への冷却媒体Ｃの搬送を行わないように、冷却媒体ポンプ２４６あるいは冷却媒体ブロワ、ファンなどの運転を開始しない。したがって、起動時間を更に短縮することができる。

更に、蒸気発生器１０での蒸気の発生が抑えられている間は、液面検知器９１で検知される配管５５の液面が所定の値であれば、作動媒体Ｍを移送する必要はない。そこで、制御装置１０１は、起動時においては、液面検知器９１で検知される配管５５の液面が所定の値であれば、温度検知器９２で検知される蒸気発生器１０の温度あるいは圧力検知器９３で検知される蒸気発生器１０の圧力が、所定の値になるまでの間、作動媒体ポンプ５０を停止する。上記のように所定の液面となった後に作動媒体ポンプ５０の運転を停止することにより、起動時の作動媒体ポンプ５０の頻繁なオン・オフあるいはゼロ流量での運転を避ける。あるいは、作動媒体ポンプ５０をオン・オフする液面位置のディファレンシャルを通常より大きくとってもよい。

なお、上述の説明では、ヒータとの遮断をスイッチング用パワー素子で行うものとして説明したが、継電器で行ってもよい。また、発電装置１、発電装置２および発電装置３が備える機器類は、それぞれ他の発電装置にも備えられるものであり、各発電装置の機器類を適宜組み合わせた発電装置も本発明の範囲内である。

本発明の第１の実施の形態である発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態である発電装置の構成を示すブロック図である。 電力系統を説明する回路図である。 本発明の第３の実施の形態である発電装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 本発明の第１の実施の形態である発電装置
２ 本発明の第２の実施の形態である発電装置
３ 本発明の第３の実施の形態である発電装置
１０ 蒸気発生器
１１ 予熱器
１６ 加熱媒体ポンプ
２０ 膨張機
３０ 発電機
４０ 凝縮器
４１ 過冷却器
５０、２５０ 作動媒体ポンプ
５１、５２ 仕切弁
５３、５４、５５ 作動媒体配管（蒸気発生器−膨張機−凝縮器−蒸気発生器）
５６ バイパス配管
９１ 液面検知器
９２ 温度検知器
９３ 圧力検知器
１０１ 制御装置
１１０ 整流器
１１２ 電圧計
１２０ インバータ
１２１ 電力出力線
１２２、１２７ 遮断器
１２３、１２４ 制御装置電源線
１２５、１２６ 整流器
１３０、２３０ ヒータ
１３１、２３１ スイッチング用パワー素子
１３３、２３３ ヒータ電線
１４０ 電気負荷
１４１ 商用電源電線
１４２ 電圧計
１４３ 電流計
１５２ 直流用電線
２０１ 配電盤
２２４ ヒータ・制御装置電線
２４６ 冷却媒体ポンプ（冷却媒体搬送機）
Ｃ 冷却媒体
Ｈ 加熱媒体
Ｌ 潤滑油
Ｍ 作動媒体
Ｓ１、Ｓ２ インバータのスイッチング用パワー素子

Claims (5)

1. エネルギ量が定まっている熱エネルギを最大に取り込もうとする発電装置であって；
   加熱媒体と熱交換することにより作動媒体を蒸発させる蒸気発生器と；
   前記蒸発した作動媒体を膨張させて機械的動力を得る膨張機と；
   前記膨張機により駆動され、交流電圧を発電する発電機と；
   前記発電機が発電した交流電圧を直流電圧に変換する整流器と；
   前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備える発電装置において；
   前記膨張機の回転速度は前記直流電圧に比例し；
   さらに、前記直流電圧が所定の電圧になるように、電力系統への出力交流電流を調節することにより、前記膨張機の回転速度を所定の回転速度になるように制御する制御手段を備えることを特徴とする；
   発電装置。
2. 停電時に前記インバータを電力系統から遮断する遮断器と；
   前記直流電圧が導かれる電線に又は前記遮断器と前記インバータ間の電線にスイッチを介して接続されたヒータとを備え；
   前記制御装置は、停電時に前記タービン発電機が無負荷の状態にならないように前記遮断器と前記スイッチを制御することを特徴とする；
   請求項１に記載の発電装置。
3. 膨張した前記作動媒体を、冷却媒体と熱交換して凝縮させる凝縮器を備え；
   前記ヒータは前記凝縮器で凝縮された前記作動媒体を加熱することを特徴とする；
   請求項２に記載の発電装置。
4. 膨張した前記作動媒体を、冷却媒体と熱交換して凝縮させる凝縮器と；
   前記蒸気発生器内の作動媒体の温度を検知する温度検知器または圧力を検知する圧力検知器の内の何れかの検知器と；
   前記凝縮器内の作動媒体の液面を検知する液面検知器と；
   前記蒸気発生器における作動媒体の蒸発を抑制する蒸発抑制手段と；
   前記液面検知器で検知された液面に応じて、前記凝縮器から移送される前記作動媒体の流量を調整する作動媒体調整手段とを備え；
   前記制御装置は、前記何れかの検知器で検知された値に応じて、前記蒸発抑制手段による蒸発抑制を停止することを特徴とする；
   請求項１に記載の発電装置。
5. 前記蒸発抑制手段は、前記作動媒体の前記蒸気発生器から前記膨張機への流路としての配管に配設された仕切弁を有し；
   前記制御装置は、前記温度検知器で検知される前記蒸気発生器の温度あるいは前記圧力検知器で検知される前記蒸気発生器の圧力が、所定の値になるまでは、前記仕切弁を閉じ、前記蒸気発生器における前記作動媒体の蒸気の発生を抑えることを特徴とする；
   請求項４に記載の発電装置。

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