| 【発明の名称】 |
新規熱圧サイクルと複合発電システムおよびその装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】前田 豊
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| 【要約】 |
【課題】地球上のあらゆる物質（熱源）に蓄えられている太陽エネルギー（熱エネルギー）を人間に有効な電気と熱エネルギーとして資源化する複合発電システムの提供。
【解決手段】自己発熱した熱エネルギーを前記とは別の熱交換器１Ｂを通して加熱対象物を加熱し熱エクセルギーを得つつ、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル１と、分離液体分は、熱交換器２Ａを通して熱源に接触させてＴｏ付近まで液状で加熱して冷熱エクセルギーを得、更に熱交換器２Ｂを通して熱源から熱エネルギーを得て気化させ、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル２を形成し、両サイクルを結合することによって、全サイクルにおいて電力として取り出し得る熱媒膨張のエクセルギーと冷熱・温熱エクセルギー総和が、外部投入を必要とする断熱圧縮と熱媒循環ポンプの作動エクセルギーを上回るようにした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】物質熱源の温度（Ｔ０）で飽和蒸気圧力（Ｐｏ）を有する圧縮ガス熱媒を、外部仕事をさせつつ断熱膨張させることにより、冷却・部分液化させ、気液を分離した後、気体分は熱交換器を通して熱源に接触させて、Ｔ０付近まで定積加熱し、次いで断熱圧縮することにより、自己発熱した熱エネルギーを前記とは別の熱交換器を通して加熱対象物を加熱し、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル１と、分離液体分は、別の熱交換器を通して熱源に接触させてＴｏ付近まで液状で加熱し、更に熱交換器を通して熱源から熱エネルギーを得て気化させ、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル２を形成し、両サイクルを結合することによって、全サイクルにおいて電力として取り出し得る熱媒の膨張のエクセルギーと冷熱・温熱エクセルギーが、外部投入を必要とする熱媒断熱圧縮と循環のエクセルギーを上回るようになさしめたことを特徴とする新規熱圧サイクル。
【請求項２】物質熱源の温度（Ｔ０）で飽和蒸気圧力（Ｐｏ）を有する圧縮ガス熱媒を、発電タービン作動下に断熱膨張させることにより、冷却・部分液化させつつ膨張エクセルギーを得、気液を分離した後、気体分は熱交換器１Ａを通して熱源に接触させて冷熱エクセルギーを得つつ、Ｔ０付近まで定積加熱し、次いで断熱圧縮することにより、自己発熱した熱エネルギーを前記とは別の熱交換器１Ｂを通して加熱対象物を加熱し熱エクセルギーを得つつ、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル１と、分離液体分は、熱交換器２Ａを通して熱源に接触させてＴｏ付近まで液状で加熱して冷熱エクセルギーを得、更に熱交換器２Ｂを通して熱源から熱エネルギーを得て気化させ、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル２を形成し、両サイクルを結合することによって、全サイクルにおいて電力として取り出し得る熱媒膨張のエクセルギーと冷熱・温熱エクセルギー総和が、外部投入を必要とする断熱圧縮と熱媒循環ポンプの作動エクセルギーを上回るようになさしめたことを特徴とする複合発電システム。
【請求項３】請求項２記載のシステムにおいて、圧縮ガス熱媒を炭酸ガスとし、熱交換器１Ａの入り口と出口に同一体積量熱媒送り出しポンプを配置し、かつ中間に逆止弁を必要量配置して、気体を定積加熱せしめ断熱圧縮ポンプに供給することを特徴とする複合発電装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】本発明は、気体、液体、固体など各種物質がもつ熱エネルギーを、実用可能な電気と熱の複合エネルギーとして資源化する新規熱圧サイクルと複合発電システムおよびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、エネルギーや環境の問題が人類の最大の課題として取り挙げられるようになっている。エネルギー問題については、火力発電、燃料電池などに用いる化石燃料は、資源枯渇と環境問題から永続性に疑問がある。
【０００３】原子力の利用は、放射性汚染物質の問題から、立地に制約があり、大幅な拡大は難しい。核融合エネルギーの活用は、技術面で見通しが立っていない。
【０００４】他のエネルギーとしては、例えば水力、太陽電池、風力、波力、又は地熱などのエネルギーの活用がある。これらは、クリーンで分散できるところが有利であり、利用技術の向上と実用化の拡大が望まれるが、エネルギー密度が低いか、熱源が局在している。
【０００５】一方、最近注目されているエネルギー関連革新技術に、ナトリウム硫黄電池、リチウム電池、フライホイール電池などがある。しかしこれらは、エネルギーを一時的に貯蔵して、平準化ないし一時大容量使用に対応する利用効率向上を目的とするものであり、エネルギー資源を創出するものではない。
【０００６】また熱媒体の蒸発、液化サイクルを連結することによって、クリーンな有効エネルギーを創出できることは、既に自然現象によって実証済みである。
【０００７】即ち、膨大なエネルギーを放出する台風や低気圧、竜巻などがそれであり、その出力エネルギーは計り知れないものがある。台風こそ水と空気を熱媒体とする巨大な熱機関＝ヒートボンプ・クリーンエネルギー発生システムである。また、火山の水蒸気爆発は、熱エネルギーから巨大なエクセルギーが取り出し得ることを証明している。
【０００８】また、地球に１時間降り注ぐ太陽の輻射エネルギーは、全人類の１年間の消費エネルギーに匹敵するとされているが、大地、海水、外気、河川水等は太陽輻射エネルギーの大部分を蓄える熱エネルギーの貯蔵庫である。
【００９】これらに備えられた熱エネルギーを熱媒体に作用させて、気化、液化サイクルによって、潜熱を有劾活用できれば、人類のエネルギー問題は解消するとさえ考えられるほど莫大なエネルギー発生システムとなる。
【００１０】このような原理を実現化するシステムは、ヒートポンプとして公知であり、温熱空調機、暖房機、温水貯蔵器などとして商品化されている。また集熱装置と連結されて、地域暖房や融雪装置としての利用も、考えられている。
【００１１】これらのヒートポンプシステムは、熱媒液化用コンプレッサー作動のために供給した加圧エネルギーの３−８倍の熱エネルギーを発生させることができることがわかっている。しかし、そこでは従来、熱エネルギーとしての利用に留まっている。
【００１２】また、地球に降り注ぐ太陽の輻射エネルギーの利用方法は、太陽電池や、鏡面を用いて集熱する方法などで、極一部の活用に留まっている。まだ地球上あまねく活用可能であるのみならず、宇宙空間ですら活用可能な膨大な蓄積熱エネルギーを将来有望な大規模クリーンエネルギー源として積極的に活用する思想は育っていない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、物質熱源に、その温度近辺で蒸発する液体熱媒を熱交換器を通して接触させることにより気化する工程（１）と、気化熱媒を加圧下で前記熱交換器とは別の熱交換器を通して加熱対象物質を加熱することによって放熱液化させる工程（２）とを連結循環させ、工程（１）の液体熱媒気化時の体積膨張エネルギー及び工程（２）の放熱エネルギーを取り出し、有効熱エネルギーと、電気エネルギー又は、運動エネルギー等として資源化することを特徴とする物質熱エネルギーの資源化システムが存在することを見出し、既に特許出願済み（特願平１１−３３８３２０、特願平３７５９６２、特願２０００−３５８４０）である。
【００１４】本発明は、上記発明技術に更に改良するべく検討した結果、到達した発明関するものである。即ち、本発明は、物質熱源の温度（Ｔ０）で飽和蒸気圧力（Ｐｏ）を有する圧縮ガス熱媒を、外部仕事をさせつつ断熱膨張させることにより、冷却・部分液化させ、気液を分離した後、気体分は熱交換器を通して熱源に接触させて、Ｔ０付近まで定積加熱し、次いで断熱圧縮することにより、自己発熱した熱エネルギーを前記とは別の熱交換器を通して加熱対象物を加熱し、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル１と、分離液体分は、別の熱交換器を通して熱源に接触させてＴｏ付近まで液状で加熱し、更に熱交換器を通して熱源から熱エネルギーを得て気化させ、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル２を形成し、両サイクルを結合することによって、全サイクルにおいて電力として取り出し得る熱媒の膨張のエクセルギーと外部取り出し可能な冷熱・温熱エクセルギーが、熱媒断熱圧縮と循環に必要とする外部投入エクセルギーを上回るようになさしめたことを特徴とする新規熱圧サイクルを第１の要旨とする。又、物質熱源の温度（Ｔ０）で飽和蒸気圧力（Ｐｏ）を有する圧縮ガス熱媒を、発電タービン作動下に断熱膨張させることにより、冷却・部分液化させつつ膨張エクセルギーを得、気液を分離した後、気体分は熱交換器１Ａを通して熱源に接触させて冷熱エクセルギーを得つつ、Ｔ０付近まで定積加熱し、次いで断熱圧縮することにより、自己発熱した熱エネルギーを前記とは別の熱交換器１Ｂを通して加熱対象物を加熱し熱エクセルギーを得つつ、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル１と、分離液体分は、熱交換器２Ａを通して熱源に接触させてＴｏ付近まで液状で加熱して冷熱エクセルギーを得、更に熱交換器２Ｂを通して熱源から熱エネルギーを得て気化させ、温度Ｔｏ−圧力Ｐｏの気体に戻すサイクル２を形成し、両サイクルを結合することによって、全サイクルにおいて電力として取り出し得る熱媒膨張のエクセルギーと冷熱・温熱エクセルギー総和が、外部投入を必要とする断熱圧縮と熱媒循環ポンプの作動エクセルギーを上回るようになさしめたことを特徴とする複合発電システムを第２の要旨とする。更に、請求項２記載のシステムにおいて、圧縮ガス熱媒を炭酸ガスとし、熱交換器１Ａの入り口と出口に実質的に同一体積量熱媒送り出しポンプを配置し、かつ中間に逆止弁を必要量配置して、気体を定積加熱せしめ断熱圧縮ポンプに供給することを特徴とする複合発電装置を第３の要旨とする。
【００１５】本発明の基本システムは、熱源温度付近の熱媒飽和蒸気（温度Ｔｏ、圧力Ｐｏ）を体積膨張させてエネルギー（エクセルギー）を活用すると共に、断熱膨張による自己冷却によって部分液化する工程（１）と、冷却熱媒の気液を密度差により重力活用分離する工程（２）と、熱媒気体分を冷熱活用を行いつつ定積加熱によって熱源温度付近まで加熱後、断熱圧縮することにより発生する圧縮熱をエネルギー（エクセルギー）として活用する工程（３）と、液体熱媒を冷熱活用を行いつつ加熱後、熱源からエネルギーを得て熱源温度付近の飽和蒸気とする工程（４）から成り立ち、気体系サイクル１と液体系サイクル２が統合されて１つの新規熱圧サイクルが形成される。
【００１６】ここに、エクセルギーとは有効仕事能力のことで、熱圧サイクルにおいて、熱媒のある状態ａから別の状態ｂに移行した場合、エクセルギーＥは次式で表される。
Ｅ＝Ｈａ−Ｈｂ−Ｔｏ（Ｓａ−Ｓｂ）
ただし、Ｅ；エクセルギー（Ｋｃａｌ／Ｋｇ）、Ｈ；エンタルピー（Ｋｃａｌ／Ｋｇ）、Ｔｏ；環境温度（２９８℃）、Ｓ；エンタルピー（Ｋｃａｌ／Ｋｇ）
【００１７】熱媒に炭酸ガスを使用する場合、図２に示すモリエル線図（ｉ−ｐ図）を利用して、エクセルギーを算出することができるが、熱媒温度１０−２５℃（４５−６５気圧）の飽和蒸気を−１０−０℃（２７−３６気圧）の状態までタービンによる出力をさせながら断熱膨張させた場合、圧縮に投入すべきエクセルギーより大きくなることが判明した。
【００１８】即ち、この熱圧サイクルによって条件を選べば、断熱膨張時に非常に大きなエクセルギー変化を発生させることができ、タービン式発電機等を設置して電力を取り出したり、回転運動エネルギーを本発明サイクルの圧縮仕事に利用できる一方、定積加熱において熱媒は熱源からエクセルギーを得ることが出来、実質的に外部からの仕事を必要としないエクセルギー発生機関と成し得る特徴を有している。また、付随して発生する冷熱および、温熱を有効資源として活用するところにも本発明の特徴がある。
【００１９】その他、熱源温度を選べば、熱媒には、水、アンモニア、水・アンモニア混合系その他が活用できることは言うまでもない。
【００２１】低温熱媒気体の定積加熱においては、加熱と共に圧力上昇が起きるので、ピストンやタンクなどに投入してバッチ式で行うことも可能であるが、サイクルの連続性を確保するためには、パイプで連結した状態で、入り口と出口の熱媒移動体積を単位時間当たり実質的に同等にする方法で達成することができ、その方法としては、定積加熱熱交換器の入り出口に定量ギヤポンプなど等積移送ポンプを用いて、逆流防止弁を併用することが望ましい。
【００２２】液層系の加熱においても基本的には同思想による移送ポンプを用いることが望まれる。
【００２３】本発明のシステムの稼働安定化状態では、該システムからの出力エネルギーの一部を電気エネルギー又は運動エネルギーに変換して、システムの作動エネルギーとして利用することが可能であり、また、太陽電池発電動力や風力をコンプレッサー動力として用いたハイブリッドシステムをとることも可能であり、太陽電池発電エネルギーや風力発電エネルギーの数倍もする熱エネルギーを付加した有効熱エネルギーや電気・運動エネルギーを供給することも可能である。
【００２４】尚、大気、河川、海水等の流動性物質を熱源として使用する場合、これらの物質が太陽エネルギー（熱・光）を吸収して、対流することによって連続的にエネルギーが供給される。つまり、効果的な総合太陽エネルギー有効活用システムとなる。
【００２５】以下本発明を図に従って詳細に説明する。
【００２６】図１は本発明の複合発電装置の一例を示す概略図である。同図において、熱源は、大気、海水、河川などの自然環境物質であり、この温度で常態となる高圧炭酸ガスを熱媒として設定している。ここで高圧蒸気タンク１に蓄えられた熱媒蒸気は、低温蒸気タービン式発電機２を通して断熱膨張され、低圧気液分離タンク３に蓄えられる。
【００２７】このタンクで分離された熱媒気体分は、サイクル１に沿って、定積加熱熱交換器１Ａに移送され冷熱を利用されつつ熱源加熱される。このとき出入り口は時間当たり同一体積の熱媒が移送されるようポンプ能力が設定されており、加熱によって増加する圧力によって熱媒が逆流しないように、必要に応じて、逆止弁が中間に取り付けられている。
【００２８】コンプレッサー５は、スクロール式、スクリュー式などの連続式加圧機で出口で高温となった熱媒の熱エネルギーは、熱交換器６（１Ｂ）で加熱対象と熱交換され有効資源として活用される。そしてほぼ熱源温度に冷却された熱媒が高圧蒸気タンク１に投入される。
【００２９】一方、低圧気液分離タンクで分離された液体熱媒は、サイクル２に沿って、熱交換器７（２Ａ）によって、冷熱を資源として活用されながら、熱源付近の温度まで加熱され、次いで蒸発器８（２Ｂ）において、熱源から熱エネルギーを得て高圧蒸気となり、高圧蒸気タンク１に移送される。
【００３０】上記サイクル１と２が連結され、続いてタービン発電、加熱、圧縮の工程を繰り返す本発明の新規熱圧サイクルが出来上がる。
【００３１】本発明のサイクルを始動するコンプレッサーの初期動力は、太陽エネルギーや風力エネルギー等を用いれば、本質的にクリーンであり、廃物も一切発生しない独立系のエネルギー源と成し得る。また安定出力状態になった発生電力でコンプレッサーを作動させれば、完全に自家発電で作動する発電システムおよび発電装置となる。
【００３２】本発明の発電方法を、より効率的に作動させるには、コンプレッサー動力を、直接タービン回転動力に切り替えた方がよい場合がある。又、熱交換のための熱源移動動力やコンプレッサー動力にＳＲＭ（スイッチアンドリラクタントモーター）など高効率モーターを活用することができる。
【００３３】このような電気と熱エネルギーを発生させる、小型クリーンエネルギー発生装置は、極端に云えば、例えば開発が進む炭酸ガス熱媒空調機の熱媒蒸発系に、小型高性能タービン、空気作動式モーター等を取り付け、凝縮液系分離の若干の回路変更によってさえ達成することができる。
【００３４】これらは、家庭用電力と暖冷房を供給する新たなシステムとして活用される。又、加温器、特に大熱量を要する各種加熱器、温泉等として極めて省エネ効果の大きい加熱装置とすることができる。
【００３５】一方、大型クリーンエネルギー発生装置を開発すれば、その電力と熱エネルギーの組み合わせによって、地域電力や暖冷房に活用することが可能となる。しかも太陽電池のように、太陽輻射熱を直に使用するわけでないため、曇天、夜間を問わずエネルギー供給が可能である。つまり大気、海水、湖沼等への太陽エネルギー補給によって、間断なく無尽蔵の電気エネルギーを生み出すことができる。
【００３６】この装置は、コンプレッサー動力に太陽電池や風力発電機等を用いれば、完全クリーンエネルギー供給システムとなり、地球温暖化阻止の有力手段を提供するものとなる。更に一旦発電が始まれば、自己発電エネルギーの一部を使ってコンプレッサーを動かし、熱源からの熱エネルギーの循環供給がある限り、電力エネルギーを創出することが可能であるという特徴がある。
【００３７】発電装置２については、蒸気タービン方式、あるいは、その他による発電も有効である。特に熱媒蒸気によるタービン作動効率が本発明のエネルギー創出に大きく影響を与える。
【００３８】コンプレッサーについては、小型のシステムの場合、スクロール式又は、ピストン式が用いられるが、中型・大型のシステムでは、スクリュー方式やターボ方式のコンプレッサーを採用することが可能である。
【００３９】蒸発器等熱交換器については、大気熱に適応した集熱・放熱効果の優れた薄手放熱金属襞熱交換器を用いることができる。水熱を適用する場合には、従来公知の水冷用熱交換器を用いたり、改良装置を適用する事ができる。土砂・岩石などの熱を利用する場合にはこれらに配管し水等の液体に熱を伝達する１次熱交換系を経由して、熱吸収することができる。
【００４０】装置構成部材としては、従来公知のものが使用できるが、更に、材料適性があり、量産加工が可能な各種先端材料を使用できる。
【００４１】先進複合材料としては炭素繊維樹脂複合材料や炭素繊維・炭素複合材料の他、アラミド繊維や高性能ガラス繊維を基材として用いることが可能である。先端材料使用に効果ある部品としては、コンプレッサーのシリンダー、シャフト、ピストン、タービン部品、パイプ等、また発電機の回転はねやシャフト、フレーム、熱交換器のパイプフレーム等を挙げることができる。
【００４２】本発明の装置の初期動力に、風の運動エネルギーを動力源として使用した場合、風によってもたらされる大気熱エネルギーを温熱エネルギーとして取り出したり、更に風の運動エネルギーを上回る熱エネルギーから転換した電気エネルギーを発生させる事ができる。
【００４３】
【発明の効果】上述のように構成された本発明の新規熱圧サイクルによる複合発電システム及び装置によれば、投入エネルギーを上回る電力と有効温冷熱熱資源エネルギーを、使用する場所を問わず、適正温度の熱エネルギーを有する熱源から取り出すことができる。また太陽熱エネルギーや風力エネルギーが大量に得られるところで本発明のシステムをハイブリッドシステムとして使用すれば、過酷な環境でも空調、加熱などの人間活動の必要エネルギーを容易に大量に供給する事ができる。またこれらのエネルギー発生に際して汚染物質が生じないので、地球環境を守る点からも極めて有効である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９９１６７５０４
【氏名又は名称】前田 豊
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| 【出願日】 |
平成１２年１１月２８日（２０００．１１．２８） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６１７１５（Ｐ２００２−１６１７１５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月７日（２００２．６．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−４０３５４５（Ｐ２０００−４０３５４５） |
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