JP5355657B2 - 発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、発電システムに関する。
まず、二酸化炭素の回収方法を説明する。
例えば、特許文献１には、不純物を含む原料炭酸ガスから二酸化炭素を回収する装置であって、燃焼可能成分を酸化させる触媒が充填される酸化反応器と、酸化反応器から得られる純度の低い炭酸ガスから炭酸ガスを分離する炭酸ガス分離設備と、炭酸ガス分離設備で分離される炭酸ガスを液化する液化器と、液化器から排出されるベントガスが導入され、炭酸ガスを選択的に透過させて分離する膜分離器と、液化器から膜分離器にベントガスを導入する経路に設けられ、ベントガスを膜分離器保護に必要な温度まで昇温させる昇温器とを含み、膜分離器によって分離される炭酸ガスを、原料炭酸ガスと混合して圧縮機に吸入させることを特徴とする二酸化炭素回収装置が開示されている。この特許文献１では、冷却のための冷媒を、冷凍機を用いて冷却している。一般に、二酸化炭素を液化して回収する場合、二酸化炭素を冷却し、かつ、圧縮する工程が含まれる。
また、ガス化装置に二酸化炭素回収装置を付加した例として、特許文献２には、一酸化炭素含有の可燃性ガスを発生するガス発生手段から続くガスの経路に炭酸ガスの分離手段が配置されていて、当該分離手段における炭酸ガスの取出し口が、加圧手段を介し、上記のガス発生手段における反応室に向けて接続されていることを特徴とする可燃性ガスの製造装置が開示されている。
特開２００４−３２３２６３号公報 特開２００２−２７５４７９号公報
発電システムに二酸化炭素回収装置を適用する場合に、二酸化炭素を液化して回収するために必要な大量の冷熱をどこに求めるかが問題となる。
本発明の目的は、二酸化炭素の液化に要するエネルギーを低減する二酸化炭素回収装置を備えた発電システムを提供することにある。
本発明の発電システムは、空気を圧縮するための空気圧縮部と、この空気圧縮部で圧縮した空気を膨張させて寒冷空気を生成するための空気膨張部と、深冷分離法により空気を窒素と酸素とに分離するための空気分離部と、この空気分離部で空気から分離した酸素との反応により固体燃料をガス化するためのガス化炉と、このガス化炉で生成した生成ガスから二酸化炭素を発生させるためのシフト反応部と、このシフト反応部で発生した二酸化炭素を分離するための二酸化炭素分離部と、この二酸化炭素分離部で二酸化炭素を分離して精製した燃料ガスを空気と混合して燃焼するための燃焼部と、この燃焼部で発生した高温度のガスから機械的エネルギーを取り出すためのガスタービンと、このガスタービンの機械的エネルギーを電力に変換するための発電部と、前記二酸化炭素を圧縮するための二酸化炭素圧縮部とを含む発電システムであって、前記空気膨張部で生成した寒冷空気と前記二酸化炭素とを熱交換するための二酸化炭素冷却部を有することを特徴とする。
本発明によれば、二酸化炭素回収装置を備えた発電システムにおいて、二酸化炭素の液化に要するエネルギーを低減することができる。
本発明による第一の実施例を示す発電システムの模式構成図である。 本発明による第二の実施例を示す発電システムの模式構成図である。 本発明による第三の実施例を示す発電システムの模式構成図である。 本発明による第四の実施例を示す発電システムの模式構成図である。 本発明による第五の実施例を示す発電システムの模式構成図である。 本発明による第六の実施例を示す発電システムの模式構成図である。 本発明による第七の実施例を示す発電システムの模式構成図である。 本発明による第八の実施例を示す発電システムの模式構成図である。
本発明は、二酸化炭素回収装置を備えた発電システムに関する。特に、本発明は、二酸化炭素を分離して回収する際に、二酸化炭素の冷却及び圧縮に係る動力を低減する発電システムに関する。
本発明の目的は、二酸化炭素の液化に要するエネルギーを低減する二酸化炭素回収装置を備えた発電システム（二酸化炭素回収型ガス化発電設備）を提供することにある。
深冷分離法によって空気を酸素と窒素とに分離し、この酸素を利用して石炭などの固体燃料に含まれる炭化水素分をガス化する設備においては、空気を圧縮して膨張させることによって温度が非常に低い空気を発生させ、この冷熱によって空気を液化する。また、二酸化炭素を液化して回収する装置を具備する場合にも、冷熱が必要となる。
これらの２つの冷熱の供給源を共通化することで、発電システム全体の効率が向上することが期待される。さらに、ガスタービンを用いた発電設備の場合、空気の圧縮機や二酸化炭素の圧縮機の回転軸を、ガスタービンの回転軸と接続することにより、発電システム全体の効率の向上が期待される。
本発明の発電システムは、炭素原子及び水素原子を含有する石炭などの固体燃料を、深冷分離法によって空気から分離した酸素との反応によりガス化して一酸化炭素及び水素を主成分とする燃料ガスを得、この一酸化炭素を水性シフト反応によって二酸化炭素に転換して燃料ガスから分離・液化して回収して燃料ガスをガスタービンに供給する発電システムであって、圧縮空気の一部は、空気分離装置における酸素及び窒素の原料とし、他方は、膨張させることにより寒冷空気として上記燃料ガスから分離した二酸化炭素を熱交換することを特徴とする。
また、本発明の発電システムは、冷却後の二酸化炭素を圧縮して液化するための圧縮機の回転軸をガスタービンの回転軸と接続し、ガスタービンの回転動力により上記圧縮機を駆動することを特徴とする。
また、本発明の発電システムは、圧縮空気の一部又は全部は、ガスタービン圧縮機により圧縮された空気であることを特徴とする。
また、本発明の発電システムおいては、冷却後の二酸化炭素は、圧縮されて液化し、不純物を除去するための精留塔に導入される。この精留塔内には、上記寒冷空気を通じる伝熱管が配置されて、精留塔内を冷却し、かつ、精留塔出口部の凝縮器にも上記寒冷空気を通じる伝熱管が配置されて、気化した二酸化炭素の一部を凝縮させることを特徴とする。
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、実施例に限定されるものではない。
図１は、本発明による第一の実施例を示す発電システムの模式構成図である。
本実施例は、二酸化炭素回収装置を石炭ガス化発電設備に適用した例を示したものである。
燃料となる石炭は、予め細かく粉砕されて微粉炭とされ、微粉炭管路５１を介して常圧ホッパ１に一時的に貯留される。つぎに、この微粉炭は、加圧ホッパ２に移送される。加圧ホッパ２は、微粉炭の充填後にホッパ加圧ガス管路７７を介して窒素ガスが供給され、ガス化炉５の運転圧力以上に加圧される。これにより、微粉炭が供給ホッパ３に移送される。
さらに、微粉炭は、供給ホッパ３から定量排出され、混合器４で搬送用窒素管路７８から供給される窒素と混合されて、気流搬送により微粉炭供給管路５２を介してガス化炉５まで輸送される。また、ガス化炉５には、酸素供給管路５３を介して酸素が供給される。石炭を模擬的にＣｍＨｎと表すと、ガス化炉５の内部では、下記化学式１に示す反応により、一酸化炭素及び水素を主成分とする生成ガスが発生する。
ＣｍＨｎ＋（ｍ／２）Ｏ２→ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ２ （化学式１）
生成ガスは、ガス化炉５から約１０００℃で取り出され、生成ガス管路５４を介して生成ガス冷却器６で約４００℃に冷却される。つぎに、生成ガスは、生成ガス管路５４’を介して脱塵装置７に導入され、同伴する煤や未反応の石炭を除去されて粗製ガスとなる。そして、粗製ガス管路５５を介してシフト反応器８（シフト反応部）に導入される。
本実施例においては、粗製ガス管路５５の途中に水蒸気管路５６が接続してあり、この水蒸気管路５６を介して供給される水蒸気と粗製ガスとが混合されるようになっている。シフト反応器８では、粗製ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気とが、下記化学式２に示す水性シフト反応により二酸化炭素と水素とに転換される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ （化学式２）
上記化学式２の反応により得られたシフトガスに含まれる二酸化炭素は、ガス精製設備９（二酸化炭素分離部）で分離され、残りの水素を主成分とするガス（精製ガス）が精製ガス管路５７を介して燃焼器１０（燃焼部）に供給されて燃焼し、燃焼排ガスが燃焼排ガス管路５８を介してガスタービン１１に送られ、この燃焼排ガスによりガスタービン１１を駆動する。そして、ガスタービン１１の回転動力を、回転軸８２’を介して発電機２９（発電部）に伝達することにより発電を行う。その後、燃焼排ガスは排気ガス管路５９を介して大気に放出される。
ガスタービン１１は、ガスタービン圧縮機１２（ガスタービン圧縮部）と回転軸８２で接続され、ガスタービン１１の回転動力によりガスタービン圧縮機１２が駆動するようになっている。ガスタービン圧縮機１２は、空気供給管路６０’から空気を取り込んで１．２ＭＰａ程度に圧縮し、燃焼用空気管路６１を介して燃焼器１０に空気を送る。この空気は、水素を主成分とする精製ガスの燃焼に使用される。
一方、原料空気圧縮機３１（空気圧縮部）は、空気供給管路６０から空気を取り込んで１．２ＭＰａ程度に圧縮する。そして、圧縮された空気は、圧縮空気管路６２を介して空気脱湿器１３に送られ、この空気脱湿器１３で水分が取り除かれ、脱湿後の空気圧縮管路６３で２本の管路に分岐される。一方は、原料空気管路６６を介して主熱交換器１５に導入される。他方は、膨張タービン１４に導入される。
膨張タービン１４（空気膨張部）では、圧縮空気を膨張させることにより−１６０℃程度の寒冷空気が得られる。この寒冷空気は、寒冷空気管路６４で２本の管路に分岐される。一方は、冷却空気管路６５を介して主熱交換器１５に導入され、原料空気管路６６を介して供給された原料空気を冷却する冷媒の一部として使用される。他方は、第一の二酸化炭素冷却器２２及び第二の二酸化炭素冷却器２４に送られる。ここで、これらの二酸化炭素冷却器を二酸化炭素冷却部と呼ぶ。
原料空気は、−１６０℃程度に冷却されて液化しており、液化空気管路８０を介して空気分離精留塔１６に供給される。空気分離精留塔１６（空気分離部）では、空気中の酸素と窒素との沸点の差により分離され（深冷分離法）、酸素は酸素管路６７、窒素は５％程度の酸素を含む低質窒素と窒素９９％以上である高質窒素との２つに分けて取り出され、それぞれ低質窒素管路６８及び高質窒素管路６９を介して主熱交換器１５に導入され、原料空気を冷却する冷媒の一部として使用されるとともに、窒素自体は加熱される。
酸素は、酸素圧縮機２０によりガス化炉５の運転圧力以上に加圧され、酸素冷却器２１で冷却された後、酸素供給管路５３を介してガス化炉５に供給される。低質窒素は、低圧窒素圧縮機１７により燃焼器１０の運転圧力以上に加圧され、ガスタービン冷却窒素管路８１を介して燃焼器１０に送られ、燃焼器１０で発生する窒素酸化物の生成を抑制するためにガスタービン１１の冷却に使用される。高質窒素は、高圧窒素圧縮機１８によりガス化炉５の運転圧力以上に加圧され、高圧窒素冷却器１９にて冷却された後、加圧ホッパ２の加圧ガスや混合器４から導入される微粉炭の搬送ガスとして使用される。
ガス精製設備９で分離された二酸化炭素は、二酸化炭素管路７０を介して第一の二酸化炭素冷却器２２に導入される。また、膨張タービン１４で製造された寒冷空気の一部も第一の二酸化炭素冷却器２２に導入される。第一の二酸化炭素冷却器２２には、寒冷空気を冷媒として二酸化炭素が冷却される。冷却された二酸化炭素は、二酸化炭素圧縮機２３（二酸化炭素圧縮部）で１１ＭＰａ程度に加圧された後、圧縮二酸化炭素管路７１を介して第二の二酸化炭素冷却器２４に送られ、再び寒冷空気を冷媒として冷却される。
二酸化炭素は、二酸化炭素脱湿器２５で水分が除去された後、脱湿二酸化炭素管路７２を介して二酸化炭素凝縮器２７（二酸化炭素凝縮部）に導入される。二酸化炭素凝縮器２７では、冷凍機２８で冷却された冷媒との熱交換により、二酸化炭素が−５５℃程度に冷却されて液化し、凝縮二酸化炭素管路７３を介して二酸化炭素精留塔２６に導入される。
二酸化炭素凝縮器２７で熱交換を行った冷媒は、冷媒管路７６’を介して冷凍機２８に送られ、再び冷却されて冷媒管路７６を介して二酸化炭素精留塔２６の伝熱管３０（熱交換器）に送られる。液化により純度が高められた二酸化炭素は、二酸化炭素精留塔２６の底部から液化二酸化炭素管路７５を介して抜き出される。
一方、二酸化炭素精留塔２６で蒸発した二酸化炭素及び不純物は、二酸化炭素凝縮器２７に再度導入され、凝縮した二酸化炭素は、凝縮二酸化炭素管路７３を介して、再度、二酸化炭素精留塔２６に供給される。不純物は、不純物排気管路７４を介して系外に排出される。
図２は、本発明による第二の実施例を示す発電システムの模式構成図である。
本実施例は、実施例１におけるガスタービン１１と二酸化炭素圧縮機２３の回転軸を接続したものである。以下、実施例１と異なる部分のみ説明する。
ガスタービン１１とガスタービン圧縮機１２とは回転軸８２で接続され、回転が連動している。これらに、二酸化炭素を加圧するための二酸化炭素圧縮機２３を回転軸８２’’で接続し、ガスタービン１１の回転動力により二酸化炭素圧縮機２３を駆動させるようにしてある。すなわち、実施例１では、二酸化炭素圧縮機２３を電力や水蒸気の動力によって駆動させることを想定しているが、本実施例においては、ガスタービン１１の回転を二酸化炭素圧縮機２３の動力源としている。
図３は、本発明による第三の実施例を示す発電システムの模式構成図である。
本実施例は、空気分離部の原料空気を、実施例１における原料空気圧縮機３１を使用せず、ガスタービン圧縮機１２により圧縮した空気の一部を使用するものである。以下、実施例１と異なる部分のみ説明する。
ガスタービン圧縮機１２は、空気供給管路６０から空気を取り込んで１．２ＭＰａ程度に圧縮し、燃焼用空気管路６１を介して空気の一部を燃焼器１０に送り、精製ガスの燃焼用空気として使用する。一方、圧縮した空気の残部は、圧縮空気管路６２及び空気脱湿器１３を介して膨張タービン１４に送られ、空気の一部は、空気分離精留塔１６で酸素と窒素とに分離され、一部は、寒冷空気となる。
なお、本実施例は、原料空気の全量をガスタービン圧縮機１２から供給する構成として説明したが、実施例１の構成と組み合わせて、原料空気圧縮機３１及びガスタービン圧縮機１２の両方から原料空気を供給してもよい。
図４は、本発明による第四の実施例を示す発電システムの模式構成図である。本実施例は、実施例１、２及び３を組み合わせた構成を有するものである。
すなわち、本実施例においては、ガスタービン１１とガスタービン圧縮機１２とは、回転軸８２で接続され、回転が連動している。二酸化炭素を加圧するための二酸化炭素圧縮機２３も同様に回転軸８２’’で接続され、回転が連動するようになっている。
すなわち、実施例１では、二酸化炭素圧縮機２３の回転は、電力や水蒸気の動力によって回転させることを想定しているが、本実施例においては、ガスタービン１１の回転を動力源としている。また、ガスタービン圧縮機１２は、空気供給管路６０から空気を取り込んで１．２ＭＰａ程度に圧縮し、空気の一部は燃焼用空気管路６１を介して燃焼器１０に送られ、精製ガスの燃焼用空気として使用する。圧縮した空気の残部は、圧縮空気管路６２を介して、空気分離部に送られ、空気の一部は、空気分離精留塔１６で酸素と窒素とに分離され、一部は、寒冷空気となる。
図５は、本発明による第五の実施例を示す発電システムの模式構成図である。
本実施例は、寒冷空気を二酸化炭素精留塔２６の冷却及び二酸化炭素凝縮器２７の冷却にも使用する構成を示したものである。以下、実施例１と異なる部分のみ説明する。
実施例１では、二酸化炭素精留塔２６の内部に設けた伝熱管３０及び二酸化炭素凝縮器２７を流れる冷媒として、冷凍機２８で冷却した冷媒を使用していたが、本実施例においては、膨張タービン１４により膨張冷却された寒冷空気を冷媒として使用する。すなわち、膨張タービン１４から接続されている寒冷空気管路６４は、第一の二酸化炭素冷却器２２、第二の二酸化炭素冷却器２４、及び、二酸化炭素精留塔２６の内部の伝熱管３０に接続される。寒冷空気は、それぞれに分岐されて冷媒として使用される。伝熱管３０を出た後は、二酸化炭素凝縮器２７に接続され、二酸化炭素凝縮器２７の冷媒としても使用される。
図６は、本発明による第六の実施例を示す発電システムの模式構成図である。
本実施例は、実施例２と実施例５との組み合わせである。すなわち、膨張タービン１４から接続されている寒冷空気管路６４は、第一の二酸化炭素冷却器２２、第二の二酸化炭素冷却器２４、及び、二酸化炭素精留塔２６の内部に設けた伝熱管３０に接続される。寒冷空気は、それぞれに分岐されて冷媒として使用される。伝熱管３０を出た後は、二酸化炭素凝縮器２７に接続され、二酸化炭素凝縮器２７の冷媒としても使用される。また、ガスタービン１１とガスタービン圧縮機１２とは回転軸８２で接続され、回転が連動している。さらに、二酸化炭素を加圧するための二酸化炭素圧縮機２３も同様に回転軸８２’’で接続され、回転を連動させている。
図７は、本発明による第七の実施例を示す発電システムの模式構成図である。
本実施例は、実施例３と実施例５との組み合わせである。すなわち、膨張タービン１４から接続されている寒冷空気管路６４は、第一の二酸化炭素冷却器２２、第二の二酸化炭素冷却器２４、及び、二酸化炭素精留塔２６の内部に設けた伝熱管３０に接続される。寒冷空気は、それぞれに分岐されて冷媒として使用される。伝熱管３０を出た後は、二酸化炭素凝縮器２７に接続され、二酸化炭素凝縮器２７の冷媒としても使用される。
また、ガスタービン圧縮機１２は、空気供給管路６０から空気を取り込んで１．２ＭＰａ程度に圧縮し、空気の一部は、燃焼用空気管路６１を介して燃焼器１０に送られ、精製ガスの燃焼用空気として使用される。圧縮された空気の残部は、圧縮空気管路６２を介して空気分離部に送られ、空気の一部は、空気分離精留塔１６で酸素と窒素とに分離され、一部は、寒冷空気となる。
図８は、本発明による第八の実施例を示す発電システムの模式構成図である。
本実施例は、実施例５、６及び７の組み合わせである。
すなわち、膨張タービン１４から接続されている寒冷空気管路６４は、第一の二酸化炭素冷却器２２、第二の二酸化炭素冷却器２４、及び、二酸化炭素精留塔２６の内部に設けた伝熱管３０に接続される。寒冷空気は、それぞれに分岐されて冷媒として使用される。伝熱管３０を出た後は、二酸化炭素凝縮器２７に接続され、二酸化炭素凝縮器２７の冷媒としても使用される。
また、ガスタービン１１とガスタービン圧縮機１２とは、回転軸８２で接続され、回転が連動している。さらに、二酸化炭素を加圧するための二酸化炭素圧縮機２３も同様に回転軸８２’’で接続され、回転を連動させている。
また、ガスタービン圧縮機１２は、空気供給管路６０から空気を取り込んで１．２程度に圧縮し、空気の一部は、燃焼用空気管路６１を介して燃焼器１０に送られ、精製ガスの燃焼用空気として使用する。圧縮された空気の残部は、圧縮空気管路６２を介して空気分離部に送られ、空気の一部は、空気分離精留塔１６で酸素と窒素とに分離され、一部は、寒冷空気となる。
炭素原子及び水素原子を含有する石炭などの固体燃料を、深冷分離法によって空気から分離した酸素との反応により、ガス化して一酸化炭素と水素を主成分とする燃料ガスを得、この一酸化炭素を水性シフト反応によって二酸化炭素に転換して上記燃料ガスから分離し、二酸化炭素は液化して回収する、本発明の発電システムにおいては、上記深冷分離法により製造した寒冷空気を、二酸化炭素を液化するための冷媒として使用することにより、二酸化炭素の液化のための投入エネルギーを低減することができる。
１：常圧ホッパ、２：加圧ホッパ、３：供給ホッパ、４：混合器、５：ガス化炉、６：生成ガス冷却器、７：脱塵装置、８：シフト反応器、９：ガス精製設備、１０：燃焼器、１１：ガスタービン、１２：ガスタービン圧縮機、１３：空気脱湿器、１４：膨張タービン、１５：主熱交換器、１６：空気分離精留塔、１７：低圧窒素圧縮機、１８：高圧窒素圧縮機、１９：高圧窒素冷却器、２０：酸素圧縮機、２１：酸素冷却器、２２：第一の二酸化炭素冷却器、２３：二酸化炭素圧縮機、２４：第二の二酸化炭素冷却器、２５：二酸化炭素脱湿器、２６：二酸化炭素精留塔、２７：二酸化炭素凝縮器、２８：冷凍機、２９：発電機、３０：伝熱管、３１：原料空気圧縮機、５１：微粉炭管路、５２：微粉炭供給管路、５３：酸素供給管路、５４：生成ガス管路、５５：粗製ガス管路、５６：水蒸気管路、５７：精製ガス管路、５８：燃焼排ガス管路、５９：排気ガス管路、６０：空気供給管路、６１：燃焼用空気管路、６２：圧縮空気管路、６３：脱湿後の圧縮空気管路、６４：寒冷空気管路、６５：冷却空気管路、６６：原料空気管路、６７：酸素管路、６８：低質窒素管路、６９：高質窒素管路、７０：二酸化炭素管路、７１：圧縮二酸化炭素管路、７２：脱湿二酸化炭素管路、７３：凝縮二酸化炭素管路、７４：不純物排気管路、７５：液化二酸化炭素管路、７６：冷媒管路、７７：ホッパ加圧窒素管路、７８：搬送用窒素管路、７９：シフトガス管路、８０：液化空気管路、８１：ガスタービン冷却窒素管路、８２：回転軸。

Claims (3)

  1. 空気を圧縮するための空気圧縮部と、この空気圧縮部で圧縮した空気を膨張させて寒冷空気を生成するための空気膨張部と、深冷分離法により空気を窒素と酸素とに分離するための空気分離部と、この空気分離部で空気から分離した酸素との反応により固体燃料をガス化するためのガス化炉と、このガス化炉で生成した生成ガスから二酸化炭素を発生させるためのシフト反応部と、このシフト反応部で発生した二酸化炭素を分離するための二酸化炭素分離部と、この二酸化炭素分離部で二酸化炭素を分離して精製した燃料ガスを空気と混合して燃焼するための燃焼部と、この燃焼部で発生した高温度のガスから機械的エネルギーを取り出すためのガスタービンと、このガスタービンの機械的エネルギーを電力に変換するための発電部と、前記二酸化炭素を圧縮するための二酸化炭素圧縮部と、前記二酸化炭素圧縮部で圧縮され、前記寒冷空気との熱交換により冷却された二酸化炭素から不純物を除去するための二酸化炭素精留塔とを含む発電システムであって、前記空気膨張部で生成した寒冷空気と前記二酸化炭素とを熱交換するための二酸化炭素冷却部を有し、前記二酸化炭素精留塔の内部には、前記二酸化炭素と前記寒冷空気との熱交換を行うための熱交換器が配置され、この熱交換器を通過した前記寒冷空気と前記二酸化炭素精留塔で気化した二酸化炭素との熱交換を行い、この二酸化炭素を凝縮するための二酸化炭素凝縮部を有することを特徴とする発電システム。
  2. 前記二酸化炭素圧縮部の回転軸と前記ガスタービンの回転軸とを接続し、前記ガスタービンの回転動力により前記二酸化炭素圧縮部を駆動することを特徴とする請求項１記載の発電システム。
  3. さらに、前記ガスタービンの回転軸に接続され、前記ガスタービンの回転動力により前記燃焼部に送る空気を圧縮するためのガスタービン圧縮部を含み、このガスタービン圧縮部は、前記空気圧縮部であって、前記空気膨張部に圧縮した空気を送るように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
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