特表 2022-537062 バイナリーサイクル発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-08-23

(54)【発明の名称】バイナリーサイクル発電システム

(51)【国際特許分類】

   F22B 1/16 20060101AFI20220816BHJP

【ＦＩ】

F22B1/16 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021576238

(86)(22)【出願日】2020-06-17

(85)【翻訳文提出日】2022-02-14

(86)【国際出願番号】 FI2020050434

(87)【国際公開番号】W WO2020254727

(87)【国際公開日】2020-12-24

(31)【優先権主張番号】20195534

(32)【優先日】2019-06-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FI

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521554653

【氏名又は名称】ウェレスコ オイ

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100205659

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 拓也

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100185269

【弁理士】

【氏名又は名称】小菅 一弘

(72)【発明者】

【氏名】ウェルムンドセン ユハ レイダー

(57)【要約】

本願は、電力を生成するためのバイナリーサイクル発電システム１００に関する。システムは、第１の流体１０６を蒸発させる熱交換器１１６と、タービンコンバータ１２０と、発電機１２２と、蒸発した第１の流体を凝縮させる第１の凝縮器１２４と、を備える。タービンコンバータは、蒸発した第１の流体のエネルギーを機械的エネルギーに変換し、発電機は、機械的エネルギーから電力を生成する。熱交換器は、ヒートポンプ１１０の一部である第２の凝縮器１１６であり、ヒートポンプ内を循環する第２の流体１０８からの熱を第１の流体に伝達して第１の流体を蒸発させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力を生成するためのバイナリーサイクル発電システム（１００）であり、
第１の流体（１０６）を蒸発させるための熱交換器（１１６）と、
タービンコンバータ（１２０）と、
発電機（１２２）と、
蒸発した第１の流体を凝縮させるための第１の凝縮器（１２４）と、
を備え、
前記タービンコンバータは、蒸発した第１の流体のエネルギーを機械的エネルギーに変換し、前記発電機は、機械的エネルギーから電力を生成する、バイナリーサイクル発電システム（１００）であって、
前記熱交換器は、ヒートポンプ（１１０）の一部である第２の凝縮器（１１６）であり、前記ヒートポンプは、第１の流体を蒸発させるように、前記ヒートポンプ内を循環する第２の流体（１０８）から第１の流体に熱（１１１）を伝達することを特徴とする、
バイナリーサイクル発電システム（１００）。

【請求項2】

前記ヒートポンプは、周囲の空気から第２の流体に熱を抽出する空気源ヒートポンプ（１１０）である、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記ヒートポンプは、熱エネルギーが第２の流体に伝達され、第２の流体の蒸発を引き起こす蒸発器（１１２）を備える、請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

前記ヒートポンプの流路系の一部が、河川もしくは湖沼系の水中、または海水中に配置されており、前記ヒートポンプは、水から第２の流体に熱を抽出し、第２の流体は、前記ヒートポンプの流路系を循環し、熱エネルギーが第２の流体に移行し、第２の流体の蒸発を引き起こす、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記ヒートポンプは、蒸発した第２の流体を圧縮してその圧力および温度を上昇させる圧縮機（１１４）を備える、請求項３または４に記載のシステム。

【請求項6】

前記ヒートポンプは、前記第２の凝縮器内で前記第１の流体に熱を移す際に凝縮して冷却された第２の流体を、その圧力および温度が低下するように膨張させる膨張器（１１８）を備える、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項7】

第１の流体を前記第２の凝縮器に向けて循環させる液体ポンプを備える、請求項１～６のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１項に記載のバイナリーサイクル発電システム（１００）において電力を生成するための発電方法であって、
第２の凝縮器（１１６）によって、第１の流体が蒸発するように第２の流体（１０８）から第１の流体（１０６）に熱を伝達するステップと、
タービンコンバータ（１２０）によって、蒸発した第１の流体のエネルギーを機械的エネルギーに変換するステップと、
第１の凝縮器（１２４）によって、蒸発した第１の流体を凝縮させるステップと、
発電機（１２２）によって、機械的エネルギーから電力を生成するステップと、
を少なくとも含む、発電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、一般に、バイナリーサイクル発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、世界で最も差し迫った問題の１つは、気候変動、例えば、地球の気温上昇にどのように対処するかということである。気候変動の原因は、温室効果ガスの増加により、太陽光によって生成されたより多くの暖かさが大気や海洋に閉じ込められることであると言われている。主な温室効果ガスは二酸化炭素（ＣＯ_２）であり、大気中に二酸化炭素が増加する主な原因は、私たちが必要とするエネルギーのために、石炭、石油、泥炭などの化石燃料を燃やしたことにある。

【0003】

有害な化石燃料を使わずに発電する解決策としては、地熱エネルギーを利用したバイナリーサイクル発電プラントが知られている。このような発電プラントでは、地熱貯留層（ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）から温水を汲み上げ、熱交換器を介して循環させ、地下の貯留層（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）に戻す。別の流体、つまりバイナリー流体も熱交換器に送られ、そこで蒸発させ、タービンに通す。蒸発した流体は、タービンを出た後、冷気のラジエータや冷水で凝縮され、再び熱交換器を通る。蒸発した流体はタービンを回転させ、タービンに接続された発電機によって、タービンで発生した機械的エネルギーから電力を生成する。

【0004】

これらの解決策は、地下の貯留層の水を加熱する火山活動に依存しているため、そのような活動が行われている地域にしか設置できないという問題があった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の１つの目的は、既知の解決策の欠点を解消し、工業用ヒートポンプを使用して、周囲の空気または湖水、河川水、海水から、バイナリー流体を加熱するために熱交換器で使用される熱を取得し、この熱をバイナリー流体に伝達するバイナリーサイクル発電システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の１つの目的は、独立請求項による発電システムおよび発電方法を提供することによって満たされる。

【0007】

本発明の１つの実施形態は、電力を生成するためのバイナリーサイクル発電システムである。このシステムは、第１の流体を蒸発させるための熱交換器と、タービンコンバータと、発電機と、蒸発した第１の流体を凝縮させるための第１の凝縮器と、を備える。タービンコンバータは、蒸発した第１の流体のエネルギーを機械的エネルギーに変換し、発電機は、機械的エネルギーから電力を生成する。熱交換器は、ヒートポンプの一部である第２の凝縮器である。ヒートポンプは、第１の流体が蒸発するように、ヒートポンプ内を循環する第２の流体から第１の流体に熱を伝達する。

【0008】

本発明の１つの実施形態は、バイナリーサイクル発電システムにおいて電力を生成するための発電方法であり、これは先のシステムの実施形態に従ったものである。この方法は、第２の凝縮器によって、第１の流体が蒸発するように第２の流体から第１の流体に熱を伝達するステップと、タービンコンバータによって、蒸発した第１の流体のエネルギーを機械的エネルギーに変換するステップと、を少なくとも含む。また、この方法は、第１の凝縮器によって、蒸発した第１の流体を凝縮させるステップと、発電機によって、機械的エネルギーから電力を生成するステップと、を含む。

【0009】

本発明のさらなる実施形態は、従属請求項に定義されている。

【0010】

本発明の実施形態を、添付の図を参照して説明する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、クリーンかつ十分に効果的な方法で電力を生成するためのバイナリーサイクル発電システム１００を示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

システム１００は、少なくとも２つのサイクル１０２、１０４を備えており、流体１０６、１０８間の熱伝達、そしてもちろんサイクル１０２、１０４間の熱伝達を提供するために、１つの流体１０６、１０８が各サイクル１０２、１０４内を循環する。流体１０６、１０８は、第１の流体１０６が第１のサイクル１０２内を循環し、第２の流体１０８が第２のサイクル１０４内を循環するように配置されている。

【0013】

第１および第２のサイクル１０２、１０４は共に、図中に別々の参照番号が付されていない流路系を構成しており、第１および第２の流体１０６、１０８は、第１および第２のサイクル１０２、１０４内でこれらの流路系に沿って循環する。

【0014】

第２のサイクル１０４は、ヒートポンプ１１０で構成されており、第２の流体１０８は、ヒートポンプ１１０の外部から熱（エネルギー）１１１を受け取り、それを第１のサイクル１０２の第１の流体１０６に移すために循環する。

【0015】

第２の流体１０８は、液体の状態での沸点が、気体の熱エネルギーをより小さな体積に凝縮させる凝縮プロセスに適しているように選択される。第２の流体１０８は、例えば、プロピレングルコールまたはエチルアルコールからなる。

【0016】

ヒートポンプ１１０は、蒸発器１１２を備えており、ヒートポンプ１１０およびシステム１００の外部から受けた熱エネルギー１１１が第２の流体１０８に伝わり、その熱１１１によって、蒸発器１１２を流れる第２の流体１０８が蒸発する。

【0017】

ヒートポンプ１１０は、図にしたがって、周囲の空気から第２の流体１０８に熱１１１を抽出する空気源ヒートポンプであってよい。

【0018】

あるいは、ヒートポンプ１１０は、第２のサイクル１０４の流路系を蒸発器１１２に接続せずに製造してよい。また、第２のサイクル１０４は、本実施形態では、第２の流体１０８が循環する閉ループである。第２のサイクル１０４の流路系の一部、例えば図中の蒸発器１１２の構造体の内部に提示されている流路部分は、河川や湖沼系の水の中、あるいは海水の中に配置（浸漬；ｉｍｍｅｒｇｅｒｅｄ）されている。ヒートポンプ１１０は、水（海水）から第２の流体１０８に熱１１１を抽出し、ヒートポンプ１１０（システム１００）の外部、すなわち水から受け取った熱エネルギー１１１は、第２のサイクル１０４の流路系の浸漬された部分を流れる際に、第２の流体１０８に伝達される。これにより、蒸発器１１２の場合と同様に、第２の流体１０８の蒸発が行われる。その他、この代替実施形態の動作は、図の実施形態に準拠している。

【0019】

ヒートポンプ１１０がどのように熱１１１を受け取るかにかかわらず、システム１００は、電気エネルギーの生産のためのクリーンエネルギーおよび無限のエネルギー資源を可能にする。

【0020】

ヒートポンプ１１０は、圧縮機１１４をさらに備える。蒸発した第２の流体１０８は、蒸発器１１２から、または流路系の浸漬された部分から、流路系に沿って圧縮機１１４に流れ、圧縮機１１４は、蒸発した第２の流体１０８の圧力および温度が上昇するように、蒸発した第２の流体１０８を圧縮する。

【0021】

ヒートポンプ１１０は、第２の凝縮器（熱交換器）１１６をさらに備える。加圧された高温の第２の流体１０８は、流路系に沿って圧縮機１１４から凝縮器１１６に流れ、第２の流体１０８が第２凝縮器１１６に沿って流れると、第２の流体１０８にある熱は、第１のサイクル１０２を循環する第１の流体１０６に移動し、その結果、第１の流体１０６が蒸発する。

【0022】

第２の流体１０８は、熱を第１の流体１０６に移す際に、凝縮して冷える。

【0023】

ヒートポンプ１１０は、膨張器１１８をさらに備える。第２の流体１０８は、凝縮器１１６でその熱を再放出した後、流路系に沿って膨張器１１８に流れ、第２の流体１０８の圧力と温度とが低下するように第２の流体１０８を膨張させる。

【0024】

次いで、膨張器１１８の後、膨張した第２の流体１０８は、流路系に沿って蒸発器１１２にまたは流路系の浸漬された部分に再び戻り、そこで外部からの熱１１１を再び受けられる状態になることで、そのサイクルを完了する。

【0025】

また、第２のサイクル１０４と同様に、第１のサイクル１０２においても、熱交換器として動作する凝縮器１１６を備える。そのため、熱交換器（第２の凝縮器）１１６は、ヒートポンプ１１０および第１のサイクル１０２で共有されている。

【0026】

熱交換器１１６は、上記で説明したように、第１の流体が蒸発するように、第２の流体１０８から第１の流体１０６に熱を伝達する。

【0027】

第１の流体１０６は、それが液体の状態にあるときの沸点が周囲の温度よりもわずかに高くなるように選択される。第１の流体１０６は、例えば、ペンタンまたはイソブタンからなる。

【0028】

沸点が利用可能な温度、すなわち熱１１１に対して最適化されるように、閉ループシステム１００、１１０の内部の絶対圧は制御されてよい。

【0029】

第１のサイクル１０２は、タービンコンバータ１２０をさらに備える。蒸発した第１の流体１０６は、熱交換器１１６から（ヒートポンプ１１０から）第１のサイクル１０２の流路系に沿ってタービンコンバータ１２０に流れ、タービンコンバータ１２０は、蒸発した第１の流体１０６のエネルギーを機械的エネルギーの形態、すなわち回転運動Ｒに変換する。

【0030】

第１のサイクル１０２は、発電機１２２をさらに備える。回転運動Ｒ、すなわち生成された機械的エネルギーは、発電機１２２において電力を生成するために使用される。

【0031】

第１のサイクル１０２は、（第１の）凝縮器１２４をさらに備える。タービンコンバータ１２０に回転Ｒを起こさせた第１の流体１０６は、流路系に沿ってタービンコンバータ１２０から凝縮器１２４に向かって流れ、そこで蒸発した第１の流体１０６が凝縮される。

【0032】

第１のサイクル１０２は、液体ポンプ１２６をさらに備える。凝縮された第１の流体１０６は、凝縮器１２４から流路系に沿って液体ポンプ１２６に流れ、この液体ポンプ１２６は、第１のサイクル１０２内の第１の流体１０６を循環させ、その結果、第１の流体１０６を熱交換器１１６に向けて導く。

【0033】

最後に、液体ポンプ１２６の後、第１の流体１０６は、流路系に沿って熱交換器１１６に戻ることで、そのサイクルを完了し、そこで、（ヒートポンプ１１０からの）第２の流体１０８からの熱を再び受け取る準備ができる。

【0034】

本発明は、これらの上述した実施形態に限定されるものではなく、以下の請求項の範囲内で可能なすべての実施形態を含むものである。

【図】

【国際調査報告】