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図面 (3)

課題

太陽熱を利用した発電ステムにおいて、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。

解決手段

発電システムは、高温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集熱装置と、高温側ループに設けられ、バイオマス燃料燃焼して熱媒体を加熱するバイオマスボイラと、高温側ループに設けられ、集熱装置及びバイオマスボイラの少なくとも一方により加熱された熱媒体の熱を地中蓄熱する蓄熱槽と、低温側ループに設けられ、熱電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バイナリ発電部とを備える。

概要

背景

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太陽熱発電の2つがある。このうち、太陽光発電は、半導体pn接合のように内部電場を有する素子太陽光照射し、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、太陽熱反射鏡集熱し、熱媒体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。

概要

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。発電システムは、高温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集熱装置と、高温側ループに設けられ、バイオマス燃料燃焼して熱媒体を加熱するバイオマスボイラと、高温側ループに設けられ、集熱装置及びバイオマスボイラの少なくとも一方により加熱された熱媒体の熱を地中蓄熱する蓄熱槽と、低温側ループに設けられ、熱電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バイナリ発電部とを備える。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

高温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

技術分野

0001

本発明は、太陽熱を利用した発電ステムに関し、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。

背景技術

0002

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太陽熱発電の2つがある。このうち、太陽光発電は、半導体pn接合のように内部電場を有する素子太陽光照射し、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。

0003

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、太陽熱を反射鏡集熱し、熱媒体循環してタービンを回して発電を行うものである。

0004

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。

先行技術

0005

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

発明が解決しようとする課題

0006

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。

0007

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。

0008

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。

課題を解決するための手段

0009

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。

発明の効果

0010

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。

図面の簡単な説明

0011

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。

実施例

0012

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。

0013

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。

0014

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。

0015

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。

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

以下に、発電される電力試算例を示す。

0020

(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。

0021

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(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。

0022

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。

0023

(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、熱抵抗損失を考慮して、温度差100℃とする。

0024

(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。

0025

(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。

0026

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。

0027

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。

0028

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、岩石コンクリート煉瓦など蓄熱密度の高い蓄熱材充填され、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。

0029

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。

0030

バイオマスボイラ270は、間伐材建築廃材、木材加工時の端材チップ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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

(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。

0037

(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。

0038

(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。

0039

(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。

0040

(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。

0041

(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。

0042

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

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