JP6021637B2 - 発電システム、発電方法 - Google Patents
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Description
このような発電システムにおいては、図7に示すように、予熱器1、蒸発器2、タービン3、凝縮器4を有したサイクル回路5内を、循環ポンプ6によって、有機流体などの低沸点の媒体を循環させる。そして、上記したような熱源から熱を回収した熱媒を、蒸発器2に送り込み、媒体と熱交換させ、媒体を蒸発させてガス化する。また、蒸発器2を経た熱媒は、蒸発器2の前段に設けられた予熱器1において、媒体を予熱する。
ガス化された媒体は、タービン3において膨張することによって主軸3aを回転駆動し、発電機7を駆動する。タービン3で膨張した媒体は、凝縮器4で凝縮され、循環ポンプ6に循環される。
発電機7が駆動されることによって出力される交流電流(AC)は、整流器9で直流電流(DC)に変換され、さらに、系統連系インバータ10で交流電流に再変換され、発電電力として外部に出力される。
そこでなされた本発明の目的は、熱源側のエネルギ変動に対応しつつ、膨張器の効率の高い領域において運転することのできる発電システム、発電方法を提供することである。
すなわち、本発明の発電システムは、媒体を循環させる媒体循環回路と、前記媒体を加圧して前記媒体循環回路内で循環させる循環ポンプと、加圧された前記媒体を、熱量が変動し得る外部の熱源から得られる熱媒の熱エネルギにより加熱して蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された前記媒体により駆動される膨張器と、前記膨張器により駆動されて発電する発電機と、前記外部の熱源の熱量が変動したときも、前記膨張器または前記発電機の回転数が、予め設定された規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御する流量制御手段と、を備え、少なくとも前記膨張器および前記発電機を備えた発電ユニットが、複数組並列して設けられ、前記流量制御手段は、稼動させる前記発電ユニットの数を増減させることによって、稼動中のそれぞれの前記発電ユニットにおける前記膨張器または前記発電機の回転数が、前記規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御することを特徴とする。
また、本発明は、媒体を加圧して媒体循環回路を循環させ、蒸発器によって前記媒体を熱量が変動し得る外部の熱源から得られる熱媒の熱エネルギにより加圧して蒸発させ、蒸発した前記媒体により膨張器を回転させることによって発電機を駆動して発電する発電方法であって、前記膨張器または前記発電機の回転数を検出するステップと、検出された前記回転数が、予め設定された規定回転数領域内にあるか否かを判定するステップと、前記回転数が前記規定回転数領域内にないときに、前記膨張器または前記発電機の回転数が、予め設定された規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御するステップと、前記外部の熱源の温度、前記外部の熱源から前記蒸発器に供給される熱媒の温度または流量、および前記蒸発器の出口における前記媒体の温度の少なくとも一つを計測するステップとを備え、前記流量を制御するステップは、前記計測するステップにおける計測結果の変化に基づき、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御することを特徴とする。
図1に示すように、発電システム20Aは、船舶,工場,ガスタービン等からの排熱、地熱、太陽熱、海洋温度差等の熱源から熱媒が送り込まれる熱媒回路21と、この熱媒回路21の熱媒と熱交換することによって熱エネルギを得る媒体を循環させる媒体循環回路22と、を備える。
ここで、媒体循環回路22の媒体としては、例えば、HFC−134a,HFC−245fa,HFO−1234yf,HFO−1234zeといったフロン系媒体等の媒体を用いることができる。
予熱器24および蒸発器25は、熱媒回路21の熱媒と媒体循環回路22の媒体とを熱交換するもので、蒸発器25は、加圧された媒体を熱媒(外部の熱源)との熱交換によって加熱して蒸発させ、予熱器24は、蒸発器25を経た熱媒の余熱によって媒体を予熱する。
タービン26は、媒体がタービン室内で膨張することによって、主軸26aをその軸線周りに回転駆動させる。この主軸26aには、発電機28の回転子(図示無し)が連結されており、この回転子(図示無し)が発電機28の固定子(図示無し)に対向して回転駆動される。これによって、発電機28では交流電流を出力する。
発電機28から出力された交流電流は、整流器29で直流電流に変換され、さらに、系統連系インバータ30で交流電流に再変換されて、発電電力として外部の送電網に出力される。
図2に示すように、制御部35においては、発電システム20Aを所定の手順で起動した後(ステップS101)、一定時間ごとに、タービン26の回転数(または発電機28における発電量)を計測する(ステップS102)。
そして、制御部35は、計測されたタービン26の回転数が、規定回転数領域の上限以上であるか否かを判定する(ステップS103)。
その結果、計測された回転数が規定回転数領域の上限以上であると判定された場合、循環ポンプ23の回転数を下げる(ステップS104)。このとき、循環ポンプ23の回転数は、例えば、一定回転数(例えば30rpm)ごとに複数ステップに変更できるようにしておき、回転数を変えるときには、1ステップ分ずつ、循環ポンプ23の回転数を変えることができる。
その結果、計測された回転数が規定回転数領域の下限以下である場合、循環ポンプ23の回転数を上げる(ステップS106)。
すなわち、熱源の温度、熱媒回路21内の熱媒の温度または流量、あるいは、蒸発器25の出口温度の少なくとも一つを、図示しない計測手段によって一定時間ごとに計測し、直前に計測を行ったときの温度または流量よりも、一定以上増加しているか否かを判定する(ステップS107,S108)。
そして、一定以上の増加があった場合には、熱源側からの熱エネルギ供給が増大する傾向にあると予測し、予め、循環ポンプ23の回転数を上げる(ステップS109)。
また、ステップS107における計測値が、直前に計測を行ったときの温度または流量よりも、一定以上減少しているか否かを判定する(ステップS110)。
そして、一定以上の減少があった場合には、熱源側からの熱エネルギ供給が減少する傾向にあると予測し、予め、循環ポンプ23の回転数を下げる(ステップS111)。
また、フィードフォーワード制御として、ステップS109、ステップS111では、計測手段での計測値の増減量に基づいて、循環ポンプ23の回転数を増減させるものとしたが、計測値と循環ポンプ23の回転数との相関データに基づいて循環ポンプ23の回転数を増減させるものとしてもよい。
例えば、ステップS103〜S106に代えて、規定回転数領域の下限以下であるか否かを判定した後に、計測された回転数が下限値以下であると判定された場合に循環ポンプの回転数を上げ、さらにその後に規定回転数領域の上限以上であるかを判定した後に、計測された回転数が上限以上であると判定された場合、循環ポンプ23の回転数を下げる構成としてもよい。また、規定回転数領域が上限以上であるか、下限以下であるかを同時に判定した後に、計測された回転数が上限以上であれば循環ポンプ23の回転数を下げ、下限以下であると判定された場合に循環ポンプの回転数を上げる構成としてもよい。
次に、本発明にかかる発電システム、発電方法の第2の実施形態について説明する。なお、以下に説明する第2の実施形態においては、上記第1の実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
図4に示すように、本実施形態に係る発電システム20Bは、複数組の発電ユニット50A,50B,50C,…を備える。
発電ユニット50A,50B,50C,…のそれぞれは、上記第1の実施形態で示した同様の構成の、熱媒回路21、媒体循環回路22、循環ポンプ23、予熱器24、蒸発器25、タービン26、凝縮器27、発電機28、整流器29を備えている。
そして、複数組の発電ユニット50A,50B,50C,…のそれぞれの整流器29が、一つの系統連系インバータ30に接続されている。
そして、系統連系インバータ30では、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の整流器29から出力された直流電流を、交流電流に再変換し、発電電力として外部の送電網に出力する。
また、制御部35においては、タービン26について、その稼動時間の積算値をカウントし、その積算値に基づいた発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動制御を行う。
図5に示すように、制御部35においては、発電システム20Bを所定の手順で起動した後(ステップS201)、一定時間ごとに、タービン26の回転数(または発電機28における発電量)を計測する(ステップS202)。
その結果、計測された回転数が規定回転数領域の上限以上である場合、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動ユニット数を1台減らす(ステップS204)。すると各ユニットのタービン26における一台当たりの媒体流量が増加し、回転数が上昇する。
その結果、計測された回転数が規定回転数領域の下限以下である場合、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動ユニット数を1台増やす(ステップS206)。すると各ユニットのタービン26における一台当たりの媒体流量が減少し、回転数が下がる。
すなわち、熱媒回路21内の熱媒の温度または流量を一定時間ごとに計測し、直前に計測を行ったときの温度または流量よりも、一定以上増加しているか否かを判定する(ステップS207,S208)。
そして、一定以上の増加があった場合には、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動ユニット数を1台増やす(ステップS209)。
また、ステップS207における計測値が、直前に計測を行ったときの温度または流量よりも、一定以上減少しているか否かを判定する(ステップS210)。
そして、一定以上の減少があった場合には、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動ユニット数を1台減らす(ステップS211)。
すなわち、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動ユニット数を増減するのに加え、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…のそれぞれにおいて、循環ポンプ23または流量調整弁70において、媒体循環回路22における媒体流量を調整することができる。例えば、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動中のユニットにおいて、ユニット間で媒体流量を異ならせ、タービン26の回転数を異ならせることも可能である。そこで、稼動時間の短いタービン26においては、回転数を他のタービン26よりも高め、負荷を高めるようなこともできる。
例えば、ステップS203〜S206に代えて、規定回転数領域の下限以下であるか否かを判定した後に、計測された回転数が規定回転数領域の下限以下である場合、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動ユニット数を1台増やし)、さらにその後に規定回転数領域の上限以上であるかを判定した後に、計測された回転数が規定回転数領域の上限以上である場合、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動ユニット数を1台減らす構成としてもよい。また、規定回転数領域が上限以上であるか、下限以下であるかを同時に判定した後に、計測された回転数が上限以上であれば循環ポンプ23の回転数を複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の稼動ユニット数を1台減らし、下限以下であると判定された場合に循環ポンプの回転数を上げる構成としてもよい。
上記第2の実施形態においては、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…の整流器29を、一つの系統連系インバータ30に接続する構成としたが、これに限るものではない。例えば、複数の発電ユニット50A,50B,50C,…のそれぞれにおいて、整流器29にそれぞれ系統連系インバータ30を備えるようにしてもよい。
次に、本発明にかかる発電システム、発電方法の第3の実施形態について説明する。なお、以下に説明する第3の実施形態においては、上記第1、第2の実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
図6に示すように、本実施形態に係る発電システム20Cは、複数組の発電ユニット60A,60B,60C,…を備える。
そして、系統連系インバータ30では、複数の発電ユニット60A,60B,60C,…の整流器29から出力された直流電流を、交流電流に再変換し、発電電力として外部の送電網に出力する。
また、制御部35においては、複数の発電ユニット60A,60B,60C,…のうち、稼動ユニット数を増減するときには、各タービン26の稼動時間に基づいて稼動または停止させるユニットを決定する。これにより、複数の発電ユニット60A,60B,60C,…間で、タービン26の稼動時間を平均化することができる。その結果、タービン26のメンテナンスの間隔を延ばすことができる。また、これにより、すべてのタービン26のメンテナンスタイミングを近くすることによって、メンテナンスを集中的に効率良く行うこともできる。
なお、本発明の発電システム、発電方法は、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記各実施形態の発電システム20A,20B,20Cにおいては、船舶,工場,ガスタービン等からの排熱を熱源とし、または、地熱、太陽熱、海洋温度差等の自然エネルギーを熱源として発電に用いるようにしたが、これらに限られるものではない。その熱源の種類はなんら問うものではなく、少なくとも熱量が変動し得る熱源を用いる場合に好適である。
また、上記各実施形態では、膨張器としてタービン26を例示したが、タービン26に代えてスクロール式の膨張器等を採用することもできる。 また、上記第2、第3実施形態において複数の発電機の運転時間を記憶する装置と、その運転時間を表示する装置を備えていてもよい。この場合、運転時間は発電システムの表示盤に表示しても良いし、インターネットを介して発電システム外への表示盤に表示しても良い。この場合、発電システムの管理者、メンテナンス従事者は各発電機の運転状況を確認でき、運転管理、メンテナンスを行うことが可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記各実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
21 熱媒回路
21a,21b,21c, 分岐管
22 媒体循環回路
23 循環ポンプ
24 予熱器
25 蒸発器
26 タービン(膨張器)
26a 主軸
27 凝縮器
28 発電機
29 整流器
30 系統連系インバータ
35 制御部(流量制御手段)
50A,50B,50C, 発電ユニット
60A,60B,60C, 発電ユニット
70 流量調整弁
Claims (6)
- 媒体を循環させる媒体循環回路と、
前記媒体を加圧して前記媒体循環回路内で循環させる循環ポンプと、
加圧された前記媒体を、熱量が変動し得る外部の熱源から得られる熱媒の熱エネルギにより加熱して蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発された前記媒体により駆動される膨張器と、
前記膨張器により駆動されて発電する発電機と、
前記外部の熱源の熱量が変動したときも、前記膨張器または前記発電機の回転数が、予め設定された規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御する流量制御手段と、
を備え、
少なくとも前記膨張器および前記発電機を備えた発電ユニットが、複数組並列して設けられ、
前記流量制御手段は、稼動させる前記発電ユニットの数を増減させることによって、稼動中のそれぞれの前記発電ユニットにおける前記膨張器または前記発電機の回転数が、前記規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御することを特徴とする発電システム。 - 媒体を循環させる媒体循環回路と、
前記媒体を加圧して前記媒体循環回路内で循環させる循環ポンプと、
加圧された前記媒体を、熱量が変動し得る外部の熱源から得られる熱媒の熱エネルギにより加熱して蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発された前記媒体により駆動される膨張器と、
前記膨張器により駆動されて発電する発電機と、
前記外部の熱源の熱量が変動したときも、前記膨張器または前記発電機の回転数が、予め設定された規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御する流量制御手段と、
前記外部の熱源の温度、前記外部の熱源から前記蒸発器に供給される熱媒の温度または流量、および前記蒸発器の出口における前記媒体の温度の少なくとも一つを計測する計測手段とを備え、
前記流量制御手段は、前記計測手段における計測結果の変化に基づき、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御することを特徴とする発電システム。 - 少なくとも前記膨張器および前記発電機を備えた発電ユニットが、複数組並列して設けられ、
前記流量制御手段は、稼動させる前記発電ユニットの数を増減させることによって、稼動中のそれぞれの前記発電ユニットにおける前記膨張器または前記発電機の回転数が、前記規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御することを特徴とする請求項2に記載の発電システム。 - 前記流量制御手段は、前記媒体循環回路に設けた流量調整弁の開度、または、前記循環ポンプの回転数を制御することによって、前記媒体の流量を制御することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の発電システム。
- 少なくとも膨張器および発電機を備えた発電ユニットを複数組並列して設け、媒体を加圧して媒体循環回路を循環させ、前記媒体を熱量が変動し得る外部の熱源から得られる熱媒の熱エネルギにより加圧して蒸発させ、蒸発した前記媒体により前記膨張器を回転させることによって前記発電機を駆動して発電する発電方法であって、
前記膨張器または前記発電機の回転数を検出するステップと、
検出された前記回転数が、予め設定された規定回転数領域内にあるか否かを判定するステップと、
前記回転数が前記規定回転数領域内にないときに、前記膨張器または前記発電機の回転数が、予め設定された規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御するステップと、
を備え、
前記流量を制御するステップは、稼動させる前記発電ユニットの数を増減させることによって、稼動中のそれぞれの前記発電ユニットにおける前記膨張器または前記発電機の回転数が、前記規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御することを特徴とする発電方法。 - 媒体を加圧して媒体循環回路を循環させ、蒸発器によって前記媒体を熱量が変動し得る外部の熱源から得られる熱媒の熱エネルギにより加圧して蒸発させ、蒸発した前記媒体により膨張器を回転させることによって発電機を駆動して発電する発電方法であって、
前記膨張器または前記発電機の回転数を検出するステップと、
検出された前記回転数が、予め設定された規定回転数領域内にあるか否かを判定するステップと、
前記回転数が前記規定回転数領域内にないときに、前記膨張器または前記発電機の回転数が、予め設定された規定回転数領域内となるように、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御するステップと、
前記外部の熱源の温度、前記外部の熱源から前記蒸発器に供給される熱媒の温度または流量、および前記蒸発器の出口における前記媒体の温度の少なくとも一つを計測するステップとを備え、
前記流量を制御するステップは、前記計測するステップにおける計測結果の変化に基づき、前記膨張器に流入する前記媒体の流量を制御することを特徴とする発電方法。
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