JP6138495B2

JP6138495B2 - 発電システム

Info

Publication number: JP6138495B2
Application number: JP2013006932A
Authority: JP
Inventors: 正之新野; 歳和矢野; 中田　俊彦; 俊彦中田
Original assignee: 一般財団法人航空宇宙技術振興財団
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: JP2014138522A

Description

本発明は、太陽熱を利用した発電システムに関し、特に、太陽熱を熱電変換素子により電気エネルギーに変換する発電とバイナリ発電とを組み合わせた複合発電システムに関する。

省エネルギーと地球保護の観点から、近年、太陽エネルギーを利用した発電システムが注目されている。太陽エネルギーは資源として無尽蔵である上、そのエネルギー変換に際して、有害な大気汚染物質や地球温暖化の原因となる二酸化炭素を排出しないという大きな利点を有している。太陽エネルギーを利用した発電システムには、大別して太陽光発電と太陽熱発電の２つがある。このうち、太陽光発電は、半導体のｐｎ接合のように内部電場を有する素子に太陽光を照射し、得られた光起電力を利用して電気エネルギーを得るもので、一般に、太陽電池と呼ばれている。

これに対して、太陽熱発電は、太陽光のエネルギーを熱として蓄え、これを利用して発電を行うもので、いくつかの方式が知られている。その一つは、太陽熱を反射鏡で集熱し、熱媒体を循環してタービンを回して発電を行うものである。

太陽熱発電のもう一つの方式は、太陽熱を熱源として、ゼーベック効果を有する熱電変換素子を用いて熱電変換により発電を行うものである。熱電変換素子を通して、太陽熱を反射鏡で集熱し、太陽熱により加熱された熱媒体と冷媒との間で熱交換を行い、この際、熱媒体の熱がゼーベック効果によって電気エネルギーに変換され、発電を行うものである（特許文献１乃至４参照）。この熱電変換素子を用いた発電は、温度差が大きいほど発電量が大きくなるという特徴がある。

特開２０１１−８７４１６号公報特開２０１０―１１７１８号公報特開２００７−８１０９７号公報特開２００１―７４１２号公報

太陽熱発電は、太陽光発電と同様に、天候により日射量が変動し、また、夜間は発電できないなど、安定的な発電を行うことが困難である。また、タービン回転による太陽熱発電は、大がかりな設備が必要となり、大規模な発電には適しているが、比較的小規模な用途では実施が難しい。

一方、熱電変換素子を用いた太陽熱発電は、タービンのような機械的駆動部を有さず、低コストで信頼性の高い発電を行うことができるが、熱電変換素子の熱電変換効率が比較的低く（約３％程度）、十分な発電量を得られない。

そこで、本発明の目的は、太陽熱を利用した発電システムにおいて、安定的且つ高効率に発電を行う発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の発電システムの構成は、高温側ループを流れる熱媒体と該熱媒体より温度が低い低温側ループを流れる流体とを熱交換させ、熱媒体と流体の温度差により熱電発電する第１の発電部（熱電発電部）と、高温側ループに設けられ、太陽熱を集熱して熱媒体を加熱する第１の加熱装置（太陽熱集熱装置）と、高温側ループに設けられ、バイオマス燃料を燃焼して熱媒体を加熱する第２の加熱装置（バイオマスボイラ）と、高温側ループに設けられ、第１の加熱装置及び第２の加熱装置の少なくとも一方により加熱された熱媒体の熱を地中に蓄熱する蓄熱槽と、低温側ループに設けられ、第１の発電部で熱媒体と熱交換した流体の熱を利用してバイナリ発電を行う第２の発電部（バイナリ発電部）とを備えることを特徴とする。

本発明の発電システムによれば、太陽熱を利用した発電システムにおいて、バイオマスボイラによる燃焼熱を併用し、さらに、バイナリ発電による発電を組み合わせることで、安定的且つ高効率に発電を行う発電システムを提供することができる。

本発明の実施の形態における複合発電システムの構成を示す図である。熱交換・発電部１００の概略構成例を示す図である。

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。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、本発明の実施の形態における発電システムの構成を示す図である。本実施形態の発電システムは、熱電変換による発電において、熱電変換素子を介して低温側の流体と熱交換する高温側の熱媒体を加熱する熱源として、太陽熱エネルギーに加えて、バイオマスボイラによる燃焼熱エネルギーを併用し、さらに、熱電変換素子を介して高温側と熱交換する低温側の流体の熱を利用するバイナリ発電を組み合わせたものである。

本実施形態の発電システムは、高温側の熱媒体と低温側の流体との温度差に基づいて熱電発電を行う熱電発電部１００と、熱電発電部１００の高温側で熱媒体（例えば鉱質オイル）を循環させる高温側ユニットと、熱電発電部１００の低温側で流体（温水）を循環させ、さらにバイナリ発電を行う低温側ユニットとを備えて構成される。

高温側ユニットは、太陽熱を集熱する集熱装置２１０と、バイオマス燃料を燃焼させるバイオマスボイラ２４０と、集熱された熱を貯蔵する蓄熱槽２２０と、吐出ポンプ２３０とを備え、熱媒体が循環する管路によるループ（高温側ループ）を構成している。集熱装置２１０とバイオマスボイラ２４０は高温側ループに並列に配置され、集熱装置２１０又はバイオマスボイラ２４０により加熱された熱媒体は、蓄熱槽２２０に送られ、蓄熱槽２２０を加熱し、蓄熱される。また、蓄熱槽２２０を経由した熱媒体は、熱電発電部１００に送られ、熱電発電部１００の高温側を流れ、低温側と熱交換を行った後、集熱装置２１０又はバイオマスボイラ２４０に戻る。循環用の吐出ポンプ２３０が、この高温側ループ内の熱媒体を循環させ、熱電発電部１００に熱媒体を供給する。熱媒体の圧力変動を吸収するための膨張タンクが設けられていてもよい。

低温側ユニットは、バイナリ発電部３１０と、吐出ポンプ３７０とを備え、流体（温水）が循環する管路によるループ（低温側ループ）を構成している。低温側ループを流れる流体は、熱電発電部１００の低温側で、高温側の熱媒体と熱交換を行った後、バイナリ発電部３１０に送られ、バイナリ発電部３１０から排出される流体は熱電発電部１００に送られる。循環用の吐出ポンプ３７０が、この低温側ループ内の流体を循環させる。

低温側ユニットの低温側ループには、バイナリ発電部３１０から排出される流体の熱を熱源として利用する熱供給装置５００が接続されていてもよい。熱供給装置５００は、例えば給湯装置や冷暖房装置であり、本実施の形態における発電システムと熱供給装置５００とにより、コジェネレーションシステムが構成される。

図２は、熱電発電部１００の概略構成例を示す図である。熱電発電部１００は、熱電発電モジュール１０１、高温側伝熱板１０２、低温側伝熱板１０３を有して構成される。熱電発電モジュール１０１は、ゼーベック効果を利用して高温側と低温側の温度差により発電を行う素子であり、既存の製品を採用することができる。高温側伝熱板１０２は、高温側ユニットで加熱された熱媒体が流れる流路が配管され、低温側伝熱板１０３は、低温側ユニットの流体が流れる流路が配管されている。

以下に、発電される電力の試算例を示す。

（１）集熱装置２１０及びバイオマスボイラ２７０の少なくとも一方を稼働して、５０ｋＷの熱エネルギーを生成し、高温側ループの流れる鉱質オイルを加熱する。

太陽熱を集熱できる時間を２４時間のうち日昼の８時間とすると、夜間（朝方、夕方など十分な太陽熱を得られない時間帯を含む）１６時間分の熱量を蓄熱槽２２０に蓄熱する必要があり、その必要な熱量を貯蔵できるキャパシティの蓄熱槽２２０を設計する。

集熱装置２１０のみで、鉱質オイルを設計温度に加熱できない場合に、バイオマスボイラ２７０を稼働させる。

（２）高温側ループの鉱質オイルの温度を１６０℃〜２６０℃（平均値２１０℃）、低温側ループの温水の温度が２０℃〜８０℃（平均値５０℃）とすると、高温側と低温側の温度差は１６０℃（＝２１０℃−５０℃）となるが、熱抵抗の損失を考慮して、温度差１００℃とする。

（３）温度差１００℃における熱電発電モジュールの変換効率３〜４％であり、集熱器２１０或いはバイオマスボイラ２７０により生成された５０ｋＷの熱エネルギーに対して、１．５〜２ｋＷの電力を得られる。

（４）熱電変換モジュールで熱交換した低温側ループの温水温度を７０〜１００℃とし、バイナリ発電部３１０による発電により、３．５ｋＷ程度の電力を得られるとすると、この場合の変換効率は７％である。従って、熱電発電部１００及びバイナリ発電部３１０による発電により、熱エネルギー５０ｋＷに対して合計５ｋＷ以上の電力を得られ、変換効率１０％以上が達成される。

循環用の吐出ポンプの消費電力は１０Ｗ程度であり、この発電量にて、ポンプ駆動の全電力をまかなうことができる。

熱電発電部１００により生成された電力は、蓄電装置（バッテリ）４００に蓄積される。蓄電装置４００として、用途に応じた適切な二次電池が選択される。電力制御部４１０は、蓄電装置４００に蓄積された電力を用いて、必要な電力を各ポンプに供給する。電力制御部４１０は、一般的なコンピュータ制御により実現可能である。発電電力は、電力制御部４１０など、ポンプ以外の電力駆動要素の稼働に用いられてもよい。

蓄熱槽２２０は、好ましくは、地中に設置され、必要な蓄熱量に相当する容積を有する。地下の槽内は、例えば、岩石、コンクリートや煉瓦など蓄熱密度の高い蓄熱材で充填され、好ましくは断熱材で覆われる。蓄熱槽２２０内に配管された管路内を流れる熱媒体は、蓄熱材と吸熱・放熱を行う。地中は、地上と比較して温度変化が少なく、蓄熱温度を一定に保つことができるとともに、大規模な容積を確保することができることから、大規模な地下設備として、蓄熱槽２２０を設けることで、大容量の熱量を安定的に蓄積できる。これにより、日昼に十分な日射量を確保できる場合は、太陽熱を集熱できない夜間の時間帯を含めて２４時間を通して、装置の稼働に必要な全電力を安定的に生成することが可能となり、外部からの電力供給を受けることなく、主に太陽熱発電により自律的に稼働するシステムが構築される。太陽熱の集熱のみで十分な熱量を確保できない場合は、バイオマスボイラ２７０を稼働させ、設計された発電量に必要な熱量を確保する。

集熱装置２１０は、いわゆるヘリオスタット型（平面鏡を用いて中央部に設置されたタワーにある集熱器に太陽光を集中させ、その熱を集熱する方式）、又はトラフ型（曲面鏡を用いて、その曲面鏡の前に設置されたパイプに太陽光を集中させ、パイプ内を流れる熱媒体を加熱する方式）を含むさまざまな集熱方式が採用されうる。

バイオマスボイラ２７０は、間伐材や建築廃材、木材加工時の端材のチップや廃プラスチック固形燃料（ＲＰＦ）などのバイオマス燃料を燃焼させ熱エネルギーを得て、熱媒体を加熱する燃焼装置である。集熱装置２１０により、熱媒体の加熱に必要な安定的な熱量を得られる場合は、バイオマスボイラ２７０を稼働させなくともよい。例えば、日照の弱い時間が続く場合や、夜間の発電に必要な熱量が蓄熱層２２０に蓄熱された熱量では不足するような場合などに稼働させ、必要な熱量を補う。高温側ループは、その管路に設置されるバルブを切り換えて、熱媒体が流れるループを調整可能であり、集熱装置２１０及びバイオマスボイラ２７０の両方を流れるループ、集熱装置２１０又はバイオマスボイラ２７０の一方のみを流れるループに適宜切り換える可能に構成される。

バイナリ発電部３１０は、沸点の比較的低い作動媒体（例えば、ペンタン、フロン、アンモニア、プロパンガスなど）を加熱・気化させてその蒸気でタービンを回して発電する発電装置である。沸点が水よりも低い作動媒体を蒸発させるので、比較的低温の温水を発電に利用でき、本実施の形態においては、熱電発電部１００の低温側ループを流れる流体の熱を利用して、さらに発電を行うものである。

近年、最大出力３ｋＷ〜１０ｋＷ程度の小型のバイナリ発電装置が開発され、熱電発電部１００の低温側ループを流れる流体の比較的低温の熱（約７０〜１００℃）を利用したバイナリ発電が可能となっている。

各ポンプの設置位置は、図１に示されるものに限らず、高温側ユニットを流れる熱媒体及び低温側ユニットを流れる流体の適切な流れを確保できる位置に設置され、また、設置台数も、ポンプの能力に応じて適宜決定される。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る各種変形、修正を含む要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。

以上説明した実施の形態の主な技術的特徴は、以下の付記の通りである。

（付記１）
高温側ループを流れる熱媒体と該熱媒体より温度が低い低温側ループを流れる流体とを熱交換させ、熱媒体と流体の温度差により熱電発電する第１の発電部と、
高温側ループに設けられ、太陽熱を集熱して熱媒体を加熱する第１の加熱装置と、
高温側ループに設けられ、バイオマス燃料を燃焼して熱媒体を加熱する第２の加熱装置と、
高温側ループに設けられ、前記第１の加熱装置及び第２の加熱装置の少なくとも一方により加熱された熱媒体の熱を地中に蓄熱する蓄熱槽と、
低温側ループに設けられ、前記第１の発電部で熱媒体と熱交換した流体の熱を利用してバイナリ発電を行う第２の発電部とを備えることを特徴とする発電システム。

（付記２）
付記１において、
高温側ループで熱媒体を循環させる第１のポンプと、
低温側ループで流体を循環させる第２のポンプとを備え、
前記第１の発電部又は前記第２の発電部により生成された電力により、前記第１のポンプ及び第２のポンプを駆動することを特徴とする発電システム。

（付記３）
付記１又は２において、
前記第１の加熱装置と前記第２の加熱装置は、高温側ループに並列に設けられることを特徴とする発電システム。

（付記４）
付記２において、
前記第１の発電部及び前記第２の発電部により発電された電力を蓄積する蓄電装置と、
前記蓄電装置に蓄積された電力を前記第１のポンプ及び前記第２のポンプに供給する電力制御部とを備えることを特徴とする発電システム。

（付記５）
付記１乃至４に記載の発電システムと、
前記第２の発電部から排出される流体の熱を熱源とする熱供給装置とを備えるコジェネレーションシステム。

（付記６）
付記５において、
前記熱供給装置は、冷暖房装置又は給湯装置であることを特徴とするコジェネレーションシステム。

１００：熱電発電部、２１０：集熱装置、２２０：蓄熱槽、２３０：吐出ポンプ、２７０：バイオマスボイラ、３１０：バイナリ発電部、３７０：吐出ポンプ、４００：蓄電装置、４１０：電力制御部

Claims

高温側ループを流れる熱媒体と該熱媒体より温度が低い低温側ループを流れる流体とを熱交換させ、熱媒体と流体の温度差により熱電発電する第１の発電部と、
高温側ループに設けられ、太陽熱を集熱して熱媒体を加熱する第１の加熱装置と、
高温側ループに設けられ、バイオマス燃料を燃焼して熱媒体を加熱する第２の加熱装置と、
高温側ループに設けられ、前記第１の加熱装置及び第２の加熱装置の少なくとも一方により加熱された熱媒体の熱を地中に蓄熱する蓄熱槽と、
低温側ループに設けられ、前記第１の発電部で熱媒体と熱交換した流体の熱を利用してバイナリ発電を行う第２の発電部とを備えることを特徴とする発電システム。