热发电系统的制作方法

本发明涉及热发电系统。

背景技术：

在核电站和/或火力发电站等中，驱动透平的水蒸气由在凝汽器中循环的海水冷却。通过冷却水蒸气而接受了热能的海水被向海排出。由此，热能也被与海水一起排出到海中。因此，提出各种用于再利用被向海中排出的热能的技术。

例如，公开了在海中铺设用于从凝汽器排出海水的配管、使用在配管中流动的海水的温度与海中的海水的温度差进行发电的热发电系统。

在凝汽器中循环的海水从凝汽器的高温部通过低温部而被排出。在以往的热发电系统中，使用经过低温部后的海水所具有的热能进行发电。因此，从凝汽器排出的海水的温度与海中的海水的温度的差比较小，难以高效进行发电。因此，以往的热发电系统的发电效率较低，所得到的发电量也比排放水所含的热能的量少。

另外，从降低对环境的负担的观点出发，在向海中排出来自凝汽器的海水的情况下，需要将排水的温度与海中的海水的温度的差设为7度以内。在以往的热发电系统中，从凝汽器起的配管被铺设于海中。因此，难以使用高温的排放水进行发电。

进而，在以往的热发电系统中，从凝汽器起的配管和/或热电转换元件被铺设于海中，所以装置的设置成本变大。另外，维护困难，所以装置的运行成本也变大。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述的事情而进行的，其目的在于热发电系统的低成本化和发电效率的提高。

本实施方式所涉及的热发电系统，利用来自凝汽器的排热而进行发电，所述凝汽器中，循环水通过在高温部和低温部流动而与水蒸气进行热交换，所述热发电系统具备：第1温水排出管路，排出经过高温部后的循环水；循环水循环管路，供来自水中的循环水进行循环；和热发电单元，利用在第1温水排出管路中流动的循环水的温度与在循环水循环管路中流动的循环水的温度的温度差而发电。

根据上述构成的热发电单元，能够实现装置的低成本化和发电效率的提高。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的热发电系统的概略构成的图。

图2是概略地表示构成发电设备的机器的配置的图。

图3是发电单元的立体图。

图4是表示支撑板的立体图。

图5是发电模块的俯视图。

图6是表示发电模块的aa截面的图。

图7是表示发电模块的bb截面的图。

图8是表示发电模块的cc截面的图。

图9是表示热电转换元件的概略构成的侧视图。

图10是表示热电转换元件的概略构成的俯视图。

图11是表示流路构件的图。

图12是表示嵌合于流路构件的槽的o型圈的图。

图13是表示通过将发电模块与支撑板一体化而形成的流路的图。

图14是实施例所涉及的热发电系统的系统图。

图15是比较例所涉及的热发电系统的系统图。

图16是表示变形例所涉及的热发电系统的图。

图17是表示变形例所涉及的热发电系统的图。

图18是表示变形例所涉及的热发电系统的图。

图19是表示被串联连接的发电单元的图。

附图标记说明

10…发电设备，11…锅炉，12…高压透平，13…低压透平，14…发电机，15…凝汽器，20、20a～20c…热发电系统，22～24…海水泵，30…发电单元，31、32…支撑板，33…发电模块，34…热电转换元件，40…螺栓，41…螺母，15a…高温冷却部，15b…低温冷却部，31a、31d…给水口(供水口)，31b、31c…排水口，31e、32e…开口，35a、35b…流路构件，35a…开口，35e…凹部，35f、35g…槽，35h…缺口，50…o型圈，120…防潮堤，130…发电设备建筑物，340a、340b…基板，341…n型半导体元件，342…p型半导体元件，343…导体，345…元件列，h1～h4…流路，of…油栏(oilfence)，p1～p5…管路，s…旋转轴。

具体实施方式

以下，使用附图对本实施方式进行说明。在说明时，适当使用由相互垂直的x轴、y轴、z轴构成的xyz坐标系。

图1是表示本实施方式所涉及的热发电系统20和与热发电系统20一并设置的发电设备10的概略构成的图。热发电系统20是利用从发电设备10排出的排放热进行发电的系统。发电设备10为例如商用的发电设备，包括：通过原子能和/或火力产生蒸气的锅炉11、发电机14、用于使发电机14的旋转轴s旋转的高压透平12和低压透平13、将蒸气冷凝的凝汽器15。高压透平12与低压透平13被设置于发电机14的旋转轴。发电机14为例如同步发电机。

在发电设备10中，通过锅炉11生成的蒸气被向高压透平12与低压透平13供给。由此，高压透平12以及低压透平13旋转，发电机14的旋转轴s旋转。在旋转轴s以额定转速旋转时，发电机14能够送电。

驱动高压透平12以及低压透平13的水蒸气在被从高压透平12以及低压透平13排出后，被向凝汽器15排出。凝汽器15是通过在蒸气与海水之间进行热交换而冷却蒸气而使其冷凝的装置。本实施方式所涉及的凝汽器15例如具备：冷却高温的蒸气的高温冷却部15a和冷却低温的蒸气的低温冷却部15b。高温冷却部15a通过管路p1与海水泵22连接，低温冷却部15b通过管路p1和从管路p1分支的管路p3，与海水泵22连接。

在使海水泵22运转时，经由管路p1向高温冷却部15a供给海水等循环水，经由管路p1、p3向低温冷却部15b供给海水。供给到高温冷却部15a的海水与被从高压透平12以及低压透平13排出的水蒸气进行热交换，被经由管路p4向海中排出。另外，供给到低温冷却部15b的海水也同样，与被从高压透平12以及低压透平13排出的水蒸气进行热交换，被经由管路p5向海中排出。这样，通过海水泵22，海水在高温冷却部15a以及低温冷却部15b与海之间循环。而且，被向凝汽器15供给的蒸气按顺序经过高温冷却部15a与低温冷却部15b，由此被冷却并被冷凝。

图2是概略地表示构成发电设备10的机器的配置的图。如图2所示，锅炉11、高压透平12、低压透平13、发电机14被设置于在防潮堤120的附近所设置的发电设备建筑物130的内部。另外，海水泵22被设置于防潮堤120，经由油栏of获取海水，将所获取的海水向凝汽器15等供给。

热发电系统20是利用来自海中的海水的温度与被从高温冷却部15a排出的海水的温度的差进行发电的系统。热发电系统20具备发电单元30。

图3是发电单元30的立体图。发电单元30是通过供温水与冷水流通而进行发电的单元。发电单元30具有多个发电模块33和支撑发电模块33的一对支撑板31、32。

例如作为冷水的海水为10～30℃，作为温水的海水为17～37℃左右。冷水与温水的温度差大约为7℃左右。

图4是表示支撑板31、32的立体图。如图4所示，支撑板31、32是将较长方向设为z轴方向的长方形板状的构件。支撑板31、32由例如钛、不锈钢、树脂等相对于海水的耐腐蚀性较高的原料形成。在支撑板31、32，在4个角部和上部中央以及下部中央形成有在y轴方向上贯通的圆形的开口31e、32e。

另外，在支撑板31的－x侧的上部角部以及下部角部，分别设有被供给温水的给水口31a和将温水排出的排水口31b。而且，在支撑板31的+x侧的上部角部以及下部角部，分别设有将冷水排出的排水口31c和被供给冷水的给水口31d。给水口31a、31d与排水口31b、31c在y轴方向上贯通支撑板31。

图5是发电模块33的俯视图。发电模块33是将较长方向设为z轴方向的构件。在发电模块33，在4个角部，设有与设置于支撑板31的给水口31a、31d和排水口31b、31c相对应的开口35a。

图6是表示图5中的发电模块33的aa截面的图。另外，图7是表示图5中的发电模块33的bb截面的图，图8是表示图5中的发电模块33的cc截面的图。如图6至图8所示，发电模块33由热电转换元件34和被配置于热电转换元件34的上表面以及下表面的1组流路构件35a、35b构成。

流路构件35a是由例如导热率较高的金属和/或相对于海水的耐腐蚀性较高的树脂等形成的板状的构件。如图5所示，在流路构件35a的4个角部，形成有在y轴方向上贯通的4个开口35a。另外，在流路构件35a的上端部与下端部，形成有u字状的缺口35h。

在流路构件35a的一侧的面(－y侧的面)，形成有包含－x侧的2个开口35a的梯形的凹部35e。在凹部35e的周围，沿着凹部35e的外边缘形成有槽35f。另外，在+x侧的2个开口35a的周围，沿着开口35a的外边缘形成有槽35g。流路构件35a的另一侧的面(+y侧的面)成为平的平坦面。在流路构件35a的平坦面，粘接有热电转换元件34。另外，在图中未图示，但在流路构件35a的凹部35e适当配置用于搅拌在凹部35e中流动的海水的翅片和/或突起部等。流路构件35b也具有与流路构件35a同等的构成。

热电转换元件34为板状的板式换热型元件。热电转换元件34被整形为比流路构件35a、35b小一圈。图9是表示热电转换元件34的概略构成的侧视图。另外，图10是表示热电转换元件34的概略构成的俯视图。如参照图9以及图10可知，热电转换元件34具备2块基板340a、340b和n型半导体元件341以及p型半导体元件342等。

基板340a、340b由例如陶瓷形成，是将较长方向设为z轴方向的长方形的基板。如图9所示，n型半导体元件341以及p型半导体元件342被配置于2块基板340a、340b之间。如图10所示，n型半导体元件341以及p型半导体元件342在x轴方向与y轴方向上被配置为矩阵状。作为n型半导体元件341以及p型半导体元件342，能够使用例如铋-碲系的无机物、导电性高分子等有机物的半导体等。

n型半导体元件341与p型半导体元件342在x轴方向以及y轴方向上交替配置，成为极性不同的半导体彼此相邻的状态。另外，沿着x轴排列的n型半导体元件341与p型半导体元件342通过设置于基板340a、340b的表面的导体343，被交替连接。由此，形成多条元件列345。导体343由例如铜(cu)形成。

元件列345的+x侧端的导体343与－x侧端的导体343经由线缆等(未图示)连接于例如功率调节器等交流直流转换器。在各元件列345，产生相应于基板340a侧的温度与基板340b侧的温度的差的电动势。在该状态时，从各元件列345，输出直流电力(power)。

如上述那样构成的流路构件35a、35b以及热电转换元件34，如图6至图8所示，流路构件35a的平坦面与流路构件35b的平坦面以夹着热电转换元件34的状态被粘接，由此被一体化。由此，形成发电模块33。

在图11中，通过实线表示发电模块33的流路构件35a，通过虚线表示流路构件35b。如图11所示，在流路构件35a与流路构件35b之间，凹部35e的朝向相反。具体地说，在流路构件35a与流路构件35b之间，凹部35e的与z轴平行的长边与短边的位置相对于与z轴平行的中心线l相反。而且，成为流路构件35a的开口35a与流路构件35b的开口35a一致、流路构件35a的缺口35h与流路构件35b的缺口35h一致的状态。

如图12所示，发电模块33以在3个槽35f、35g嵌合有o型圈50的状态，如图3所示地，以重合的状态被组合。在将发电模块33组合时，以在相邻的发电模块33之间凹部35e重叠的方式，配置发电模块33。

被重合了的发电模块33，如图3所示，以由支撑板31、32夹着的状态，通过将插入到支撑板31、32的开口31e、32e的6根螺栓40与6个螺母41紧固连接，由此被一体地支撑。发电模块33分别通过被配置于构成各发电模块33的流路构件35a、35b的缺口35h的内侧的螺栓40而成为位置被固定了的状态。

图13是表示通过将发电模块33与支撑板31、32一体化而形成的流路的图。如图13所示，在发电单元30中，通过流路构件35a、35b的凹部35e，在铅垂方向上形成有12个流路v1～v12，通过流路构件35a、35b的开口35a，在水平方向上形成有4个流路h1～h4。成为铅垂方向的流路v1～v6与流路v7～v12交替配置的状态。

流路h1与给水口31a衔接，流路h2与排水口31b衔接。另外，流路h3与给水口31d衔接，流路h4与排水口31c衔接。而且，流路v1～v12中，流路v1～v6被并联连接于流路h1、h2。而且，流路v7～v12被并联连接于流路h3、h4。

如上述那样构成的发电单元30如图1所示，在给水口31a连接有管路p4，在给水口31d连接有管路p2。如图2所示，发电单元30被设置于位于发电设备建筑物130与海之间的防潮堤120。

接下来，对热发电系统20的动作进行说明。发电设备10的发电机14工作着时，从锅炉11产生的蒸气在高压透平12或者低压透平13与凝汽器15中循环。另外，在发电机14工作着时，使海水泵22运转，经由管路p1、p3向凝汽器15供给海水。

蒸气经过凝汽器15时，在凝汽器15的高温冷却部15a和低温冷却部15b中循环的海水与蒸气之间进行热交换。在低温冷却部15b中循环的海水在进行了热交换后被向海排出。在高温冷却部15a中循环的海水通过与蒸气进行热交换而升温。通过海水升温而生成的温水被向发电单元30的给水口31a供给。该温水如在图13中通过实线表示的箭头所示，在流路h1、h2、v1～v6中循环。

另外，在海水泵22运转着时，经由从管路p1分支的管路p2，将来自海中的海水向发电单元30的给水口31d供给。该海水为比在凝汽器15循环了的海水低温的冷水。该冷水如在图13中通过虚线表示的箭头所示，在流路h3、h4、v7～v12中循环。

通过温水在流路h1、h2、v1～v6中循环且冷水在流路h3、h4、v7～v12中循环，在由流路v1～v6和流路v7～v12夹着的热电转换元件34的一侧与另一侧产生温度差。由此，通过热电转换元件34进行发电。

如以上所说明地，本实施方式所涉及的热发电系统20的凝汽器15如图1所示，具备冷却高温的蒸气的高温冷却部15a和冷却低温的蒸气的低温冷却部15b。而且，通过在凝汽器15的高温冷却部15a中经过而升温了的海水与通过海水泵22从海中汲取得到的海水，分别作为温水以及冷水而被向发电单元30供给。因此，与使用经过凝汽器15的低温冷却部15b后的海水进行发电的情况相比较，能够使发电量增加。因此，能够提高发电效率。

一般，将应该向凝汽器供给的冷却水的一部分用于热发电等其他的用途时，高压透平以及低压透平的输出下降。另外，为了补充在通过凝汽器升温了的海水经过发电单元时产生的压力损失，海水泵的消耗功率增加。因此，在进行上述热发电的情况下，需要通过热发电至少补充由透平的输出的下降量和海水泵的消耗功率的增加量引起的发电功率的下降量。

例如，在将伴随着透平输出的下降的发电机的输出功率的下降设为δpt(mw)、将海水泵的消耗功率的增加量设为δpp(mw)、将通过热发电单元得到的发电量设为δph(mw)时，不进行热发电时的发电量与进行了热发电时的发电量的差ptotal通过以下的式(1)表示。因此，在进行热发电的情况下，差ptotal需要超过0。另外，如果考虑热发电单元等的制造成本和/或运行成本，差ptotal优选为1mw以上。

δptotal＝δph－δpt－δpp…(1)

实施例

在图14中，表示本实施方式所涉及的热发电系统20中的各管路p1～p5处的海水的流量。海水泵22例如每分钟排出3，324m³的28℃的海水。从海水泵22排出的海水中的一部分海水经由管路p2冷却热电转换元件34。另外，剩余的海水被向凝汽器15供给。在本实施例中，每分钟1，385m³的海水经由管路p2对热电转换元件34进行冷却，每分钟1，939m³的海水被向凝汽器15供给。被向凝汽器15供给的海水的一半在凝汽器15的高温冷却部15a进行了热交换后，经由管路p4排出。从管路p4排出每分钟969.5m³的海水。该海水被升温到45℃，对热电转换元件34进行加热。如上所述，热电转换元件34由28℃的海水冷却，同时由45℃的海水加热，由此在热电转换元件34，发出与海水的温度差相应的电力。

如果设为热电转换元件34的元件面积为33，384m²、每单位面积的输出平均为340w/m²，则热电转换元件34的发电功率δph为11.36[mw]。另一方面，该情况下的伴随着透平输出的下降的发电机的输出功率的下降δpt为7.0[mw]，海水泵的消耗功率的增加量δpp为1.03[mw]。因此，具备本实施方式所涉及的热发电系统的发电设备中的不进行热发电时的发电量与进行了热发电时的发电量的差ptotal为+3.34[mw]。

比较例

在图15中，表示比较例所涉及的热发电系统中的各管路p1～p5处的海水的流量。比较例所涉及的热发电系统通过在凝汽器15的低温冷却部15b中循环的海水与海中的海水的温度差而发电，这一点与本实施方式所涉及的热发电系统20不同。

在比较例所涉及的热发电系统中，海水泵22排出例如每分钟3，324m³的28℃的海水。从海水泵22排出了的海水被向凝汽器15供给。供给到凝汽器15的海水的一半在凝汽器15的高温冷却部15a进行了热交换后，经由管路p4排出。另外，剩余的海水的一半在凝汽器15的低温冷却部15b进行了热交换后，经由管路p5排出。从管路p4，排出每分钟1，662m³的海水。该海水被升温到45℃。同样，从管路p5也排出每分钟1，662m³的海水。该海水被升温到35℃。管路p5的一部分被铺设于海中，在周围配置有热电转换元件300。该热电转换元件300通过在管路p5中流动的35℃的海水加热，并且通过海中的28℃的海水冷却。由此，在热电转换元件300，发出与海水的温度差相应的电力。

该热电转换元件300被配置于管路p5的周围，所以元件面积小到200m²。另一方面，每单位面积的输出平均为30w/m²。在比较例中，热电转换元件300的发电功率δph为0.006[mw]。另一方面，该情况下的伴随着透平输出的下降的发电机的输出功率的下降δpt为0[mw]，海水泵的消耗功率的增加量δpp为0.115[mw]。因此，具备比较例所涉及的热发电系统的发电设备中的不进行热发电时的发电量与进行了热发电时的发电量的差ptotal变为－0.109[mw]。

因此，为了使用海水高效进行热发电，重要的是使用温度比较高的海水，但从降低对环境的负担的观点来看较难。

另外，在本实施方式中，与比较例不同，具备热电转换元件34的发电单元30如图2所示，被设置于防潮堤120。因此，与比较例所示的热发电系统不同，装置的设置和/或维护变得容易。因此，能够削减发电单元的设置成本和/或运行成本。

进而，发电单元30如图3所示，成为通过由螺栓40连结的支撑板31、32保持多个发电模块33的构造。因此，能够将发电模块33一个一个分解进行维护。另外，能够通过使进行组合的发电模块33的数增减而容易地调整发电单元30的发电容量。

本实施方式所涉及的发电单元30被配置于陆地上。因此，能够与海中的海水的温度相应而将经过发电单元30后的温水冷却后排水。如图1所示，优选：通过将在管路p4中流动的温水与在管路p2中流动的冷水混合，使得要向海中排出的海水的温度与海中的海水的温度的差为7度以内。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，可考虑各种变形例。

变形例1

图16是表示变形例1所涉及的热发电系统20a的图。如图16所示，在热发电系统20a中，管路p2、p4被连接于管路p5。在管路p5中流动的海水的温度比在管路p4中流动的海水的温度低。因此，能够将来自发电单元30的排放水冷却而排出。由此，能够降低对环境的负担。

变形例2

图17是表示变形例2所涉及的热发电系统20b的图。如图17所示，在热发电系统20b中，管路p2连接于与海水泵22不同的海水泵23。因此，能够将从海水泵22排出的所有海水向凝汽器15供给。因此，能够不使高压透平12以及低压透平13的输出下降地进行热发电系统20的发电。

变形例3

图18是表示变形例3所涉及的热发电系统20c的图。如图18所示，在热发电系统20c中，在管路p4，设有与海水泵22、23不同的海水泵24。由此，能够减小在海水的循环中使用的海水泵各自的容量。结果，能够减小为了使海水循环而使用的功率。

在上述实施方式中，对热发电系统20具备1个发电单元30的情况进行了说明。但并不限定于此，热发电系统20也可以具备多个发电单元30。另外，如图19所示，也可以将发电单元30串联连接而使用。

在上述实施方式中，设为热发电系统20的发电单元30具有11个发电模块33。但并不限定于此，发电单元30具有的发电模块33也可以为13以上或者10以下。

在上述实施方式中，凝汽器15被分割为高温冷却部15a与低温冷却部15b这两个部分。但并不限定于此，凝汽器15也可以被分割为多个部分。

在上述实施方式中，对在凝汽器15中循环的循环水为海水的情况进行了说明。但并不限定于此，也可以将在河川中流动的水和/或从湖以及蓄水池等汲取的水用作循环水。另外，也可以向凝汽器15供给例如通过冷却器等冷却后的液体等作为循环水。另外，所谓循环水的循环，能够广义地解释为循环水在系统内的闭合的流路中循环的情况和/或、循环水在凝汽器与海和/或河川等开放的流路中循环的情况等。

以上所述的实施方式的热发电系统20具备凝汽器15，该凝汽器15具备：冷却高温的蒸气的高温冷却部15a和冷却低温的蒸气的低温冷却部15b。因此，能够提高发电效率。另外，凝汽器15设置于防潮堤120。因此，与比较例所示的热发电系统不同，装置的设置和/或维护变得容易。因此，能够削减发电单元的设置成本和/或运行成本。

另外，能够将上述的实施方式总结为以下的技术方案。

(技术方案1)

一种热发电系统，该热发电系统利用来自凝汽器的排热而进行发电，在所述凝汽器中，循环水通过在高温部和低温部流动而与水蒸气进行热交换，所述热发电系统具备：

第1温水排出管路，其将经过所述高温部后的循环水排出；

循环水循环管路，其供来自水中的循环水进行循环；和

热发电单元，其利用在所述第1温水排出管路中流动的循环水的温度与在所述循环水循环管路中流动的循环水的温度的温度差而发电。

(技术方案2)

在上述技术方案1中，

向所述凝汽器供给通过第1泵从水中所汲取的循环水，

所述循环水循环管路包括分支管路，该分支管路铺设于所述第1泵与所述凝汽器之间，从将循环水向所述凝汽器供给的循环水供给管路分支。

(技术方案3)

在上述技术方案1中，

向所述凝汽器供给通过第1泵从水中所汲取的循环水，

还具备与所述第1泵不同的第2泵，该第2泵使循环水在所述循环水循环管路中循环。

(技术方案4)

在上述技术方案1至3中，

所述第1温水排出管路连接于将经过所述低温部后的循环水排出的第2温水排出管路。

(技术方案5)

在上述技术方案1至4中，

所述热发电单元具备：

多条冷水流路，其供来自水中的冷水流动；和

温水流路，其供来自所述第1温水排出管路的温水流动，并隔着热电转换元件而与所述冷水流路相邻。

(技术方案6)

在上述技术方案1至5中，

所述热发电单元通过将流路模块层叠而形成，该流路模块具备：

所述热电转换元件；

第1流路构件，其配置于所述热电转换元件的一侧，在一侧的面形成所述冷水流路；以及

第2流路构件，其配置于所述热电转换元件的另一侧，在另一侧的面形成所述温水流路。

(技术方案7)

在上述技术方案5或6中，

所述热电转换元件为有机热电转换元件。

(技术方案8)

在上述技术方案5至7中，

所述热电转换元件为板式换热型的元件。

(技术方案9)

在上述技术方案1至8中，

所述凝汽器将来自对发电机进行驱动的蒸气透平的蒸气冷凝，

所述热发电单元设置于设置有所述蒸气透平的建筑物的外部的、供获取向所述凝汽器供给的循环水的海的防潮堤的内侧。

对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式是作为例子而提出的，并非用于限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他的各种方式实施，能够在不脱离发明的宗旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式和/或其变形包含于发明的范围和/或宗旨中，并且包含于权利要求书所记载的发明和与其均等的范围中。