JP6035431B2 - 太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステム - Google Patents

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Description

本発明は、太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステムに関し、これはクリーンエネルギの技術分野に属する。
伝統的な化石燃料（石炭、石油、天然ガス）の埋蔵量の減少、並びに化石燃料の使用により生じる環境汚染問題は、人類の生存や発展に直接的な脅威となっており、再生可能且つ環境にやさしいエネルギを重視し、発展させることにより、CO2の排出量を減少させることが、各国政府の総意となっている。
バイオマスは植物の光合成により生成される有機物であり、広く分布し、利用量が多く、廃棄物であるわらをエネルギ源として利用でき、化石燃料よりもずっとクリーンであり、CO2の排出量がゼロであることを特徴とする。したがって、極めて重要な再生可能エネルギである。広く言えば、バイオマスエネルギは太陽エネルギから生じるものであり、即ち、植物は葉緑素の光合成により太陽エネルギを回収することから、人類にとって有益である。
太陽エネルギは広く分布し、埋蔵量に限りがなく、回収や利用がクリーンに行われ、且つCO2の排出量がゼロである。したがって、再生可能エネルギの利点を備え、一層多くの人々によって関心が寄せられている。しかし、太陽エネルギの大規模開発は、太陽エネルギの分散性、天気への依存性の高さ、エネルギ量の回収の不安定性や非連続性といった様々な問題に起因して、長い間大きく制限されてきた。
昨今では、人々がエネルギを利用する際には、非合理的なエネルギ利用状況が生じており、これにより多大なエネルギの浪費が生じている。例えば、家庭用の電力を供給するために発電所が建設されている。快適な生活環境を作り出すために、各家庭には空調装置が取り付けられている。また、電力が消費して、夏の間は室温を低下させるとともに熱エネルギを大気へ排出する一方、冬の間は室温を上昇させる。様々な種類の温水器（太陽エネルギ、電気加熱、ガス加熱）を利用して、温水が供給される。氷を用いて（食品中を循環させて鮮度保つために）電気を消費して製氷する。電力は既存の技術態様に適合しているように思われるが、大量のエネルギが浪費されている。
したがって、技術的な方策を見出すために、バイオマスの熱エネルギと太陽エネルギが組み合わされるとともに、発電、冷蔵、製氷、温水が一体化させられてユーザに提供されることにより、相互の欠点が相殺され、電気、加熱、冷却の３つのパワーセンタを形成して、エネルギの浪費問題を解消するための有効策が提供される。
本発明の目的の一つは、太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステムを提供することにあり、クリーンな太陽エネルギとバイオマスエネルギを完全に利用して、太陽エネルギ熱パワーの補完作用により、太陽エネルギとバイオマスエネルギの複数回循環利用が最大限に行われる。発電、冷気供給、製氷、および温水供給が一体化して行われる。低炭素工業団地の建築の際に電気、加熱、冷却の３つのパワーセンタが提供される。
本発明の太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱発電システムは、太陽エネルギ集光装置と、太陽エネルギ蓄熱タンクと、バイオマス直燃発電ステーションと、集中冷却用結合型冷却製氷装置と、集中加熱用温水システムとを含む。太陽エネルギ集光集熱装置は、配管を介して太陽エネルギ蓄熱タンクと連結され、太陽エネルギ蓄熱タンクの第一熱交換器B1の入口は、バイオマスボイラの給水ポンプ出口と連結される。第一熱交換器B1の出口はバイオマスボイラの給水システム入口と連結される。太陽エネルギ蓄熱タンクの第二熱交換器B2の入口管は浄水プラントの出口管と連結される。第二熱交換器B2の出口は結合型冷却製氷装置に熱エネルギを供給するために冷却製氷装置の熱エネルギ導入管と連結される。結合型冷却製氷装置の作動冷却水は冷却製氷装置により放出される熱エネルギを吸収するとともに、バイオマス直燃ボイラの煙道内に設置された余熱回収器からの温水と合流して、熱供給システムの温水タンクに流入し、家庭用セントラルヒーティングに利用される。
前述の太陽エネルギ蓄熱タンクは、２媒体２循環蓄熱タンクである。太陽エネルギ蓄熱タンク中の蓄熱媒体は、熱媒体油または溶融塩である。熱媒体油または溶融塩は高温ポンプにより太陽エネルギ集光装置へ送られ、太陽エネルギによって加熱される。加熱された熱媒体油または溶融塩は蓄熱タンクに戻されて放熱し、第一熱交換器B1を通る給水ポンプからの水を加熱してバイオマスボイラに供給するとともに、第二熱交換器B2を通る浄水プラントからの水を加熱し結合型冷却製氷装置に供給して、冷却、製氷を行なう。
前述の太陽エネルギ蓄熱タンクは、３媒体２循環蓄熱タンクである。太陽エネルギ蓄熱タンク中の蓄熱媒体は溶融塩である。太陽エネルギ熱交換器A中の熱伝達媒体は熱媒体油である。熱媒体油が太陽エネルギ集光装置を流れて熱を吸収した後、熱媒体油は熱交換器Aを通り、太陽エネルギ蓄熱タンク中の蓄熱媒体である溶融塩が放熱し、蓄熱媒体である溶融塩が再度第一熱交換B1を通り、給水ポンプの水を加熱してバイオマスボイラに供給するとともに、第二熱交換器B2を通る浄水プラントからの水を加熱し結合型冷却製氷装置へ供給して、冷却、製氷を行なう。
前記バイオマスボイラの煙道にはガス余熱回収器が設置され、ガス余熱回収器の温水出口管は加熱システムの温水タンクに連結される。
前記加熱システムの温水タンクは、配管、弁、およびバックポンプを介して、太陽エネルギ蓄熱タンクと連結される。
前記結合型冷却製氷装置は臭化リチウム吸収型冷蔵機または蒸発型冷蔵機である。
前記太陽エネルギ集光集熱装置の熱伝達媒体は熱媒体油または溶融塩である。
前記溶融塩はニ成分硝酸塩系であり、例えばNaNO3およびKNO3の混合塩であり、二成分硝酸塩系は90〜40％（重量）のNaNO3と、10〜60％（重量）のKNO3を含む混合塩組成を有する。
または、前記溶融塩は三成分硝酸塩系であり、例えばNaNO2、NaNo3、KNO3の混合塩であり、三成分硝酸塩系は5〜10％（重量）のNaNO2と、30〜70％（重量）のNaNO3と、20〜65％（重量）のKNO3を含む混合塩組成を有する。
好適には、前記ニ成分硝酸塩系は、重量部が60〜40％のNaNO3と、40〜60％のKNO3の混合塩である。
好適には、前記三成分硝酸塩系は、重量部が7％のNaNO2と、40％のNaNO3と、53％のKNO3の混合塩である。
本発明のシステムは、太陽エネルギおよびバイオマスエネルギの補完的パワーを利用するものであり、また、集中冷却（空調）、製氷（鮮度維持）、集中温水方式である。クリーンエネルギである太陽エネルギとバイオマスエネルギの一部分を連続して３回再利用している。従来のエネルギ利用技術と比べて、よりエネルギ効率がよく、環境にやさしいエネルギモードを使用するものである。
本発明において、太陽エネルギ蓄熱タンク内の蓄熱媒体は高温ポンプにより送られて、太陽エネルギ集光集熱装置を通り、熱エネルギを吸収して温度を上昇させ、次に、蓄熱タンクの保温層を流れて熱エネルギが蓄積される。バイオマス直燃発電ステーションのバイオマスボイラに水が供給され、ボイラ給水ポンプによって送られ、蓄熱タンクの熱交換器を使用して水の温度が上昇し、再度ボイラに流入させられて、過熱蒸気が生成される。生成された蒸気は発電用タービンに送られる。合理的な蓄熱媒体および合理的な熱エネルギ回収装置を利用している。太陽エネルギを使用する場合の熱量の不安定さといった問題を解消する。昼間晴れているときには少しの燃料だけでよく、タービン発電の正常な運転を確実にする。また、使用する太陽エネルギはクリーンなエネルギ源であり、夏季は太陽光が十分な季節であり、冷却用の氷が高負荷な季節である夏季の主要な電力エネルギとなる。発電および冷却製氷の余熱、または生産時の温水を夏季には入浴用に、またはその熱を（例えば食品加工、紡織、印刷や染色に）使用することにより、エネルギが繰り返し再利用される。
従来のエネルギ利用技術と比べて、本発明は著しくエネルギが節約され、消費量が低く、生じる塵はわずかであり、SO2の排出による大気汚染がなく、CO2の排出はゼロである。一次エネルギ源である。繰り返し使用できる。低炭素循環経済的に冷却、加熱、発電の３つを集中させた熱パワーシステムである。
上述のシステムにおいて、太陽エネルギ蓄熱タンクは複数の媒体が複数回循環させられてよく、蓄熱媒体を溶融塩とすることにより更に経済的になり、より安価となって、本発明は更に実用性を備えたものとなる。
本発明システムの概略ブロック図。 本発明の２媒体２循環蓄熱タンクシステムの概略ブロック図。 本発明の３媒体２循環蓄熱タンクシステムの概略ブロック図。
本発明の最適な実施形態を以下の図面と併せて、以下に詳細に記載する。
図１に示すように、太陽エネルギ集光装置と、太陽エネルギ蓄熱タンクと、バイオマス熱エネルギ発電ステーションと、集中冷却用結合型冷却製氷装置と、集中加熱用温水システムを含む。太陽エネルギ集光集熱装置は、配管を介して太陽エネルギ蓄熱タンクと連結される。太陽エネルギ蓄熱タンクの第一熱交換器B1の入口はバイオマスボイラ給水ポンプ出口と連結される。B1の出口はバイオマスボイラ給水システム入口と連結される。太陽エネルギ蓄熱タンクの第二熱交換器B2の入口管は浄水プラントの出口管と連結される。B2の出口は結合型冷却製氷装置に熱エネルギを供給するために冷却製氷装置の熱エネルギ導入管と連結される。結合型冷却製氷装置の作動冷却水は冷却製氷装置により放出される熱エネルギを吸収するとともに、バイオマス直燃ボイラの煙道内に設置された余熱回収器からの温水と合流して、熱供給システムの温水タンクに流入し、家庭用セントラルヒーティングに利用される
図２は、本発明の２媒体２循環蓄熱タンクシステムの概略ブロック図である。
太陽エネルギ蓄熱タンク1内の蓄熱媒体1aは、熱媒体油（または溶融塩）である。熱媒体油（または溶融塩）は高温ポンプ2aによって高温弁2bを通り、太陽エネルギ集光装置へ送られて太陽エネルギによって加熱される。第一熱交換器B1はボイラ給水ポンプからの水を加熱してバイオマスボイラに供給する。3aはバイオマスボイラの給水ポンプを表し、3bは給水ポンプの出口弁を表す。
第二熱交換器B2は浄水プラントからの水を加熱して結合型冷却製氷装置に供給し、冷却、製氷を行なう。結合型冷却製氷装置は臭化リチウム吸収型冷蔵機または蒸発型冷蔵機である。熱媒体油は、重量が23.5％のビフェニルと72.5％のジフェニル酸化物の混合液である。溶融塩はNaNO3とKNO3の混合塩や、NaNO2、NaNO3およびKNO3の混合塩である。
図３は、本発明の３媒体２循環蓄熱タンクシステムの概略ブロック図である。
太陽エネルギ蓄熱タンク１内の蓄熱媒体1aは溶融塩である。熱媒体油熱交換器Aにおいて熱伝達媒体は熱媒体油である。熱媒体油は高温ポンプ2aによって、高温弁2bを通り太陽エネルギ集中装置へ送られて太陽エネルギによって加熱され、再び熱媒体油熱交換器Aを通り太陽エネルギ蓄熱タンク中の蓄熱媒体1aである溶融塩が放熱する。第一熱交換器B1を通るボイラ給水ポンプからの水が加熱されてバイオマスボイラへ供給される。図３において、3aはバイオマスボイラの給水ポンプを表し、3bは給水ポンプの出口弁を表す。
図３に示す正常運転時には、第二熱交換器B2を通る浄水プラントからの水が加熱され、結合型冷却製氷装置に供給されて、冷却、製氷が行われる。装置が故障して長期間停止した場合には、蓄熱タンク中の溶融塩が凍結して配管を閉塞させてしまうので、B2に過熱蒸気を導入して（水と蒸気で媒体間の配管の切換を容易に行なう、図示なし）、蓄熱媒体の温度を上昇させて、凍結や閉塞の問題を解消する。
バイオマスエネルギを使用して、太陽エネルギ熱パワーの補完効果を最大限にするとともに、システムの余熱廃棄を低減させるために、バイオマスボイラの煙道にガス余熱回収器が置かれる。ガス余熱回収器の温水出口管は加熱システムの温水タンクに連結される。冷水がバイオマスボイラのガス余熱と冷却製氷センターの放出熱を吸収し、生成された温水は温水タンク中に貯蔵されて、低炭素工業パークのセントラルヒーティングに供給される。
太陽エネルギ集光装置の太陽光集熱器（パラボラトラフ型真空集熱管、フレネル型真空集熱管、またはタワー型太陽エネルギ吸熱ボイラを利用）は、集熱器内に熱伝達媒体を含み、集熱器内で太陽エネルギを吸収して温度を上昇させてから蓄熱タンクに流入する。蓄熱タンクで熱交換を行い低温になった後、高温ポンプによって送られて、太陽エネルギの熱量が循環させられる。別の経路でタービンから送られる作動流体は水−蒸気の循環を行い、タービンの凝縮水は脱気装置中に入れられて、化学的水作業場から補給される軟水と混合される。溶解した酸素が除去されてから、給水ポンプによって送り出され、太陽エネルギ蓄熱タンク内で熱交換を行なう。熱エネルギを吸収して温度を上昇させた後、バイオマスボイラのドラムに入れられ、発電機用蒸気が生成される。
太陽エネルギ集光集熱装置を流れる熱伝達媒体は熱媒体油である。
使用する熱伝達媒体は、23.5％のビフェニルと72.5%のジフェニル酸化物の混合液であり、12℃未満の温度で固体状になり、12〜50℃の温度で液体状であるが高い粘性と低い流動性を備えており、405℃を超える温度で熱分解する。一般的な熱伝達蓄熱システムにおいて、使用温度は50〜395℃に制御される。
上述の溶融塩はニ成分硝酸塩系であり、例えばNaNO3とKNO3の混合物である。
ニ成分硝酸塩系は、90％〜40％（重量）のNaNO3と10〜60％（重量）のKNO3の混合塩組成である。
上述の重量部において、60％のNaNO3と40％のKNO3の混合物の場合では、その物理的属性により、295℃未満の温度で固体状となり、295〜565℃の温度で液体状となり、また、565℃を超える温度で熱分解し易い。一般的に、正常運転で使用するときには、温度は295〜550℃に制御される。
ニ成分硝酸塩系のNaNO3とKNO3の重量比が変わると、その温度特性も変化する。
或いは、上述の溶融塩は三成分硝酸塩系であり、例えばNaNO2、NaNO3、KNO3の混合物である。
三成分硝酸塩系は、5〜10％（重量）のNaNO2と、30〜70％（重量）のNaNO3と、20〜65％（重量）のKNO3の混合塩組成である。
上述の重量部において、7％のNaNO2と40％のNaNO3と53％のKNO3の混合物の場合では、その物理的属性により、180℃未満の温度で固体状となり、180〜500℃の温度で液体状となり、また、500℃を超える温度で緩やかに熱分解し、550℃を超える温度では急速に分解する。通常の正常運転で使用されるときには、温度は180〜550℃に制御される。
三成分硝酸塩系のNaNO3とKNO3の重量比が変わると、その温度特性も変化する。
上述したとおり、本発明の核心である、クリーンなエネルギ源であるバイオマスエネルギと、太陽エネルギの熱パワーの補完作用が完全に発揮される。集中冷却、製氷、および集中温水方式を採用することにより、クリーンなエネルギ源である太陽エネルギとバイオマスエネルギを最大限に利用して、連続３回再利用される。発電、冷却製氷、および温水を一体化して、低炭素工業団地の建築の際に電気、熱、冷気の３つのパワーセンタが提供される。従って、本発明の思想に基づいて行われるいずれの変更であっても、本発明の保護範囲に属する。
１ 太陽エネルギ蓄熱タンク
１ａ 蓄熱媒体
２ａ 高温ポンプ
２ｂ 高温弁
３ バイオマスボイラ
３ａ バイオマスボイラの給水ポンプ
３ｂ バイオマスボイラの出口弁
Ｂ１ 第一熱交換器
Ｂ２ 第二熱交換器

Claims (9)

  1. 太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱発電システムであって、太陽エネルギ集光装置と、太陽エネルギ蓄熱タンクと、バイオマス直燃発電ステーションと、集中冷却用結合型冷却製氷装置と、集中加熱用温水システムとを含み、太陽エネルギ集光集熱装置は、配管を介して太陽エネルギ蓄熱タンクと連結され、太陽エネルギ蓄熱タンクの第一熱交換器（Ｂ１）の入口は、バイオマスボイラの給水ポンプ出口と連結され、第一熱交換器（Ｂ１）の出口はバイオマスボイラの給水システム入口と連結され、太陽エネルギ蓄熱タンクの第二熱交換器（Ｂ２）の入口管は浄水プラントの出口管と連結され、第二熱交換器（Ｂ２）の出口は結合型冷却製氷装置に熱エネルギを供給するために冷却製氷装置の熱エネルギ導入管と連結され、結合型冷却製氷装置の作動冷却水は冷却製氷装置により放出される熱を吸収した後、バイオマス直燃ボイラの煙道内に設置された余熱回収器からの温水と合流し、加熱システムの温水タンクに流入して、セントラルヒーティングのユーザに供給される、太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱発電システム。
  2. 太陽エネルギ蓄熱タンクは、２媒体２循環蓄熱タンクであり、太陽エネルギ蓄熱タンク中の蓄熱媒体は、熱媒体油または溶融塩であり、熱媒体油または溶融塩は高温ポンプにより太陽エネルギ集光装置へ送られて、太陽エネルギによって加熱されてから、加熱された熱媒体油または溶融塩は蓄熱タンクに戻されて放熱し、第一熱交換器B1を通る給水ポンプからの水を加熱してバイオマスボイラに供給するとともに、第二熱交換器B2を通る浄水プラントからの水を加熱し結合型冷却製氷装置に供給して、冷却、製氷を行なう、請求項１に記載の太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステム。
  3. 太陽エネルギ蓄熱タンクは、３媒体２循環蓄熱タンクであり、太陽エネルギ蓄熱タンク中の蓄熱媒体は溶融塩であり、太陽エネルギ熱交換器A中の熱伝達媒体は熱媒体油であり、熱媒体油が太陽エネルギ集光装置を流れて熱を吸収した後、熱媒体油は熱交換器Aを通り、太陽エネルギ蓄熱タンク中の蓄熱媒体である溶融塩に放熱し、蓄熱媒体である溶融塩が再度第一熱交換B1を通り、給水ポンプからの水を加熱してバイオマスボイラに供給するとともに、第二熱交換器B2を通る浄水プラントからの水を加熱し結合型冷却製氷装置へ供給して、冷却、製氷を行なう、請求項１に記載の太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステム。
  4. 前記バイオマスボイラの煙道にはガス余熱回収器が設置され、ガス余熱回収器の温水導出管は加熱システムの温水タンクに連結される、請求項１または２または３に記載の太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステム。
  5. 前記結合型冷却製氷装置は臭化リチウム吸収型冷蔵機または蒸発型冷蔵機である、請求項１または２または３に記載の太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステム。
  6. 前記溶融塩はニ成分硝酸塩系である、請求項２または３に記載の太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステム。
  7. 前記溶融塩は三成分硝酸塩系である、請求項２または３に記載の太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステム。
  8. 前記ニ成分硝酸塩系は、重量が90〜40％のNaNO3と、10〜60％のKNO3の混合塩組成を有する、請求項６に記載の太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステム。
  9. 前記三成分硝酸塩系は、重量が5〜10％のNaNO2と、30〜70％のNaNO3と、20〜65％のKNO3の混合塩組成を有する、請求項７に記載の太陽エネルギ・バイオマスエネルギ補完的熱パワーシステム。
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