JP2023056993A - 発電機システム - Google Patents

Abstract

【課題】海や河川などより得た常温の水や大気由来の常温の空気を熱源として、その熱エネルギーから永続的に電気エネルギー生成が可能な電力生成システムを提供する。【解決手段】 耐圧密閉回路の系内で気液平衡状態にある混相流体よりなる混相流作動媒体を循環させて動力を生成し、この動力により発電機を駆動させて電力を生成する電力生成システムにおいて、主回路と副回路とにより耐圧密閉回路を構成し、主回路に、送風部、蒸発部及び発電部等を備え、外来熱源からのエネルギーを電力として生成し、また、主回路での外来熱源からのエネルギー利用を永続的に可能にするため、液体混相流媒体を主回路に供給する役割を果たす設備として、副回路に、圧縮部、液体混相流貯蔵容器等を備えることとした。【選択図】図１

Description

本発明は、電力生成システムに関する。

従来から、熱エネルギーを電気エネルギーとして取り出す代表的な発電方式として、高温高圧の水蒸気を作り その蒸気でタービンを回し発電する、火力発電や原子力発電などがあるが、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換効率はほぼ上限に至っており、通常の火力発電や原子力発電では熱エネルギーの３０パーセントから４０パーセント程度の効率である。

また、その他の熱エネルギーからの発電方式として、例えば、海洋温度差発電や太陽熱発電などが、提案されている。

しかしながら、これらの発電方法も、火力発電や原子力発電と比べると熱エネルギーの電気エネルギーへの変換効率はさらに悪く、火力発電や原子力発電にとって代わるものとは言い難い。また、発電量が気象状況など自然環境に左右されやすいという問題も有している。

本発明者は、海や河川などより得た常温の水や大気由来の常温の空気を熱源として、その熱エネルギーから永続的に電気エネルギーを創出するサイクルシステムを提案するものである。

そして、このシステムによれば、例えば風力発電や太陽光発電の如く自然環境に左右されることなく、電力を安定的に供給できるという特徴がある。

特開２０１３－０４０６０６号公報 特許第６２９５３９１号公報 特開２００１－１５２８１３号公報 特許第６４０９１５７号公報

本発明に関連する技術として特許文献１から特許文献４で述べられたシステムは、同じく海や河川などより得た常温の水や大気由来の常温の空気を熱源として運動エネルギーに変換し、これを利用して発電を行うシステムであり、同一熱源を冷却にも使うが、結局、同一熱源のみから永続的に発電できないというものであった。

このような発電機システムでは、一般に高圧流体を作るため、コンプレッサーを、またその高圧流体から電力を生成するため、タービンを使用する方法を採用しているが、この方式では冷却源と加熱源を必要とするが、これらを同一源とするには無理があるということである。

本発明では発電方式を送風機等による循環流体の運動エネルギーを、外来熱エネルギーの補給を行いながら電気エネルギーへ変換して電力生成を実施するものであるが、この方式の発電生成に必要な加熱・冷却を同一熱源のみで達成し、永続的に稼動できるとした点に特徴がある。

すなわち、本発電機システムは、システム内発電回路からの電気エネルギーへのエネルギー減少分は外来熱源からの熱量の移動で補い、さらに、同一源を、加熱用熱源と冷却用熱源として利用するものであり、本発明は、外来熱源である常温の河川や海等のエネルギーを使うことで、永続的電力供給を可能にするシステムを提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力生成システムでは、耐圧密閉回路の系内で気液平衡状態にある作動流体を循環させて作動流体に運動エネルギーを与え、動力を生成し、この動力により発電機を駆動させて電力を生成するが、その際、外来熱エネルギーを作動流体に与えることで、作動流体中で液体から気体への状態変化を生ぜしめ、断熱下で気液平衡下の気液が存在しない場合には低下する温度・圧力を補うことで、ほぼ同一温度・圧力を保持して、この電力生成プロセスを続行でき、作動流体中に液体が存在する間はこの過程が永続する。さらに、本システムの電力生成能力を飛躍的に高めるため、運動エネルギー（動力）は質量速度すなわち作動流体の密度に比例することから作動流体を単なる気体ではなく、気液系流体や気液固系流体とした、ことに特徴がある。

本電力生成システムにおいて、前記耐圧密閉回路は、主回路と、同主回路と並列に接続された副回路とを備え、主回路は、低圧の、気体混相流が循環し、発電機能を有する回路であり、作動流体の大部分が循環する回路であり、送風機による流体循環が行われており、流路に沿って、複数の（例えばダリウス型）風力発電機が設置され、発電機能を有する回路であり、また風力発電機の前方には、副回路経由の液体混相流が供給されており、その流出口からの噴出流の動力も電力生成に利用する構造になっている。副回路は、圧縮機による高圧下にあり、液体混相流が存在する回路であり、主回路からの気体混相流の一部分を取り入れ、液体混相流として主回路に戻す役割を担っている。

本発明に係る電力生成システムは、耐圧密閉回路の系内で気液平衡状態にある混相流体よりなる作動流体を循環させて作動流体に運動エネルギーを与え、動力を生成し、この動力により発電機を駆動させて電力を生成する電力生成システムであるが、その際、本システムの冷却源及び加熱源として海や河川などより得た常温の水等の、外来熱エネルギーを利用することで、電力生成を可能にしたものである。

本実施形態に係る電力生成システムの垂直型主回路の構成を示した説明図である。 本実施形態に係る電力生成システムの副回路の構成を示した説明図である。 本実施形態に係る電力生成システムの水平型主回路・副回路の構成を示した説明図である。

本発明は、耐圧密閉回路の系内で作動流体を液体や気体などに状態変化させつつ循環させて作動流体に運動エネルギーを与え動力とし、この動力で発電機を駆動させて電力を生成する電力生成システムに関するものである。

本システムにおいて、耐圧密閉回路内で循環させる作動流体は気液系または気液固系混相流であるが、気液系を構成する物質については特に限定されるものではなく、一般的に冷媒として使用される物質、具体的には化学的安定性に富み、常温常圧下で気体であり、液化しやすい性質を有する物質を好適に用いることができる。このような作動流体の例として、プロパン、ブタン、フロン、アンモニア等を挙げることができる。

また、気液固系を構成する物質については、気液は前記の気液系を構成する物質であるが、固を構成する物質については特に限定されるものではなく、化学的に安定な１０μｍ程度かそれ以下の固体粒子、または前記の気液系を構成する物質を含む多孔質殻よりなる、化学的に安定な１０μｍ程度かそれ以下のマイクロカプセル粒子である。

外来熱エネルギーの供給媒体の状態、すなわち、気体・液体・固体の別は特に限定されるものではないが、多くの場合流動性を有する液体や気体が有利である。このような外来熱エネルギーの供給媒体としては、例えば、海や河川、ダムなどの水または大気中の空気とすることも可能である。

このような外来熱エネルギーの供給媒体は、耐圧密閉回路を構成している本システムでは、主回路では加熱用エネルギーして使用され、副回路では冷却用エネルギーとして使用される。

主回路には、送風部と、副回路からの液体混相流供給流入口を備えた蒸発部と、発電部を備え、さらに、主回路を囲んで、外来熱エネルギーによる加熱を可能にする熱交換の仕組みを備えており、副回路には、圧縮室と、液体混相流貯蔵庫と、主回路への液体混相流供給口を備え、さらに、副回路には、外来熱エネルギーによる冷却を可能にする熱交換の仕組みが備えられている。

まず主回路の「送風部」は図１の（１）で、送風機を備えており、確実に気体混相流を所定の方向へ、所定の速度で送る役割を果たす。

主回路の「副回路からの液体混相流供給口を備えた蒸発部は、図１の（２）の部分で、高圧下の副回路で冷却され液化した液体混相流を、流れ方向に噴流として、所定流速で供給するための調節弁図１の（３）を備えており、副回路の混相流が主回路の混相流と合流する場所である。

主回路の「発電部」は、混相流の持つ運動エネルギーを電気エネルギーに変換する役割を持ち、たとえば、図１の（４）に示すような風力発電において使用されるダリウス型風力発電機を複数個、直列に取り付けたもので、これにより発電を実施し、外部に電力として取り出すことができる。

副回路の「圧縮部」は、低圧の主回路の混相流を高圧とする図２の（６）に示すような圧縮機を備えており、高圧の混相流とする部屋で、次の「液体混相流貯蔵容器」と直結されている。
副回路の「液体混相流貯蔵容器」は図２の（７）に示しているが、外来冷熱エネルギーによる冷却が行われおり、液体混相流が貯蔵されている。また、図２の（８）に示すように本貯蔵容器には主回路への接続のために「液体混相流供給口」が設置されている。

要するに、本発電システムは、送風機によって循環する気液固系混相流体による動力を複数の風力型発電機にて電力を生成し、その合計電力値が、送風機や副回路の圧縮機で使用する電力値の合計を上回っており、同時に、そのために必要なエネルギーは外来熱エネルギーで補う仕組みを完成したということである。

一例として、以下に、外来エネルギー供給媒体として、たとえば２５℃の河川や海水を採用し、作動流体としては、気液（可変）物質としてプロパン、また固系物質として５～１０μｍサイズのプロパンを含有する多孔質のメラミン樹脂外皮殻マイクロカプセル粒子で構成される気液固系混相流媒体を採用した場合の実施例を説明する。

主回路内における温度、圧力が、送風部直前の位置で０℃、４．７気圧であり、副回路内、液体混相流貯蔵容器では３６℃、１２気圧で定常運転が行われている場合を考える。また、主回路内での循環混相流において、気液中の気体モル分率はほぼ８０％である。

主回路内、送風機（１）を運転し、内径１５ｃｍの円筒内を、気体混相流を毎秒２０ｍ、すなわち、プロパンを毎秒６．６ｋｇの速度で循環させ、この混相流でダリウス型風力発電機（４）を動かして電力を生成する仕組みであるが、この場合の発電機の一個の生成電力は約１２ｋＷであり、８個直列に連結して電力を生成すれば、約１００ｋＷの電力を生成できることになる。

発電機前後での混相流の状態は、外部への電力等へのエネルギー移動の分は、外来熱エネルギーで補われるが、その際、混相流体の不足エネルギーを補うために、混相流の一部の液体が気体へと状態変化を生じるので、ほぼ同温度・同圧力下でのエネルギー変換であり、流れとしての混相流の動力はほとんど変わらない。すなわち、気液が存在し、外来熱エネルギーの補給があれば電力の連続生成が可能になる。

副回路内、圧縮機（６）を運転し、４，７気圧の気体混相流を１２気圧まで、プロパン毎秒０．１１ｋｇの速度で圧縮するが、圧縮された気体混相流は液体混相流として１２気圧、３６℃の状態の気液平衡状態で、図２の（７）に示す液体混相流貯蔵容器に蓄えられている。

図２の（８）に示すように、液体混相流貯蔵容器の底部に供給管が取り付けられており、これは副回路からの主回路の風力発電機手前の側流となり、８か所の図１の（３）の流量調節弁に送られ、液体混相流の液の一部が蒸発し、噴流として風力発電に寄与する。供給液量は各々の調節弁でプロパン毎秒１４ｇの速度に調節されている。

したがって、本システムでは、装置内使用電力は、主回路内、送風機（１）と副回路内、圧縮機（６）による約５０ｋＷであり、先に説明した生成電力約１００ｋＷから差し引いた約５０ｋＷの電力を連続的に発電できることになる。

最後に、上述した実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

（１）送風機
（２）蒸発室（噴流器）
（３）流量調節弁（副回路から主回路へ）
（４）ダリウス型風力発電機
（５）流量調節弁（主回路から副回路へ）
（６）圧縮機
（７）液体混相流貯蔵容器
（８）主回路への液体混相流の供給口
（９）河川等からの水の流入口
（１０）副回路熱交換器出口（主回路へ）
（１１）河川等からの水の流出口

Claims (6)

1. 本システムは、混相流を作業媒体として使用し、主回路と副回路よりなる耐圧密閉回路内で作動流体を循環させることで、運動エネルギーを生成し、また外来熱エネルギーも取り込み、電気エネルギーに変換する、混相流を利用した発電機システム。
2. 請求項１に記載の混相流を利用した発電機システムで使用する、作動流体は、気体と類似の物性を備え、気相に加えて、微小液滴群、微小粒子群、液体を含有する多孔質微小粒子（マイクロカプセル）群のうち少なくとも一種類が浮遊する混相流であり、混相流中では気体と液体との間には気液（共存）平衡関係が維持されていることを特徴とする発電機システム。
3. 請求項１に記載の混相流を利用した発電機システムの主回路は、気体を主体とする混相流（以後、気体混相流と略記する）が循環し、送風機による流体循環が行われており、流路に沿って、複数の（例えばダリウス型）風力発電機が設置され、電力を生成するが、風力発電機の前方には、副回路経由の液体を主体とする混相流（以後、液体混相流と略記する）が供給されており、その流出口からの噴出流の動力も利用した、発電機能を有することを特徴とする発電機システム。
4. 請求項１に記載の混相流を利用した発電機システムの副回路は、圧縮機による高圧下にあり、液体混相流が存在し、主回路の気体混相流の一部分を取り入れ、液体混相流として主回路に戻す役割を担っていることを特徴とする発電機システム。
5. 請求項３に記載の主回路において、送風機を圧縮機に変更できることを特徴とする発電機システム。
6. 請求項３に記載の主回路において、風力発電機をタービン型発電機に変更できることを特徴とする発電機システム。

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