JP7663170B2 - Geothermal power generation equipment - Google Patents
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Description
本発明は、地中と地表層または外気との温度差、または地表層と外気との温度差を利用し、熱電変換モジュールを通じて発電を行う地中熱発電装置に関するものである。 The present invention relates to a geothermal power generation device that utilizes the temperature difference between the ground and the surface layer or the outside air, or between the surface layer and the outside air, to generate electricity through a thermoelectric conversion module.
昨今、温室効果ガスの増大による地球温暖化問題を解決することがグローバルな課題となっており、温室効果ガスの発生防止の観点から、化石燃料の代わりに、太陽光、風力、水力および地熱等の自然エネルギーを利用することが世界的に推進されている。 In recent years, solving the problem of global warming caused by the increase in greenhouse gases has become a global issue, and from the perspective of preventing the generation of greenhouse gases, there has been a worldwide push to use natural energy sources such as solar, wind, hydroelectric and geothermal energy instead of fossil fuels.
例えば、自然エネルギーを利用した発電方式として、太陽光発電、風力発電、水力発電、地熱発電およびバイオマス発電等が知られている。For example, known power generation methods that utilize natural energy include solar power generation, wind power generation, hydroelectric power generation, geothermal power generation, and biomass power generation.
これらのうち、地熱発電は地熱を利用した発電方式であり、従来の地熱発電では、マグマの熱で高温・高圧になった蒸気または熱水が貯蔵された地熱貯留層(地下数km)まで井戸を掘削し、井戸を通じて地熱貯留層から蒸気または熱水を地上に取り出し、取り出した蒸気または熱水を利用してタービンを回転させることによって発電を行う(例えば、特許文献1、2等参照)。Of these, geothermal power generation is a method of generating electricity that utilizes geothermal energy. In conventional geothermal power generation, wells are drilled to a geothermal reservoir (several kilometers underground) where steam or hot water that has been heated to high temperatures and pressures by the heat of magma is stored, and the steam or hot water is extracted from the geothermal reservoir through the well to the surface, where it is used to rotate a turbine to generate electricity (see, for example,
そして、従来の地熱発電は、天候や日射に関係なく安定的に発電することができ、運転時のCO2排出量を少なくして環境負荷を抑制することができ、また、地熱という枯渇することがないエネルギーを利用して発電できるという長所を有している。 Conventional geothermal power generation has the advantage of being able to generate electricity stably regardless of weather or solar radiation, reducing the burden on the environment by reducing CO2 emissions during operation, and generating electricity using geothermal energy, which is an inexhaustible source of energy.
しかし、その一方で、従来の地熱発電は次のような欠点を有していた。
(1)地熱貯留層に到達するには地下数kmまで掘削しなければならず、井戸の掘削コストだけでも数億円を要し、加えて、地熱発電には大規模な設備が必要であり、設備の建築に多大なコストと長期間を要する。
However, conventional geothermal power generation has the following drawbacks.
(1) To reach the geothermal reservoir, it is necessary to drill several kilometers underground, and the cost of drilling a well alone can cost hundreds of millions of yen. In addition, geothermal power generation requires large-scale facilities, and building such facilities is very costly and takes a long time.
(2)地熱貯留層は一般に火山地帯に存在するので、地熱発電の設備の設置場所が限定される。しかも、地熱貯留層は国立公園や温泉地等と重なる地域に存在している。そのため、地熱発電の設備の設置に先立って、地熱発電が地域の環境や観光事業に悪影響を及ぼさないように環境アセスメントを実施する必要がある。 (2) Geothermal reservoirs are generally found in volcanic areas, which limits the locations where geothermal power generation facilities can be installed. Moreover, geothermal reservoirs are located in areas that overlap with national parks and hot spring areas. Therefore, prior to the installation of geothermal power generation facilities, an environmental assessment must be carried out to ensure that geothermal power generation does not have a negative impact on the local environment or tourism industry.
(3)1本の井戸を掘るのに多大なコストを要するので、掘削の前に地熱貯留層の存在し得る場所を特定するための掘削調査を行う必要があり、この調査にもコストと時間を要する。 (3) Because it costs a lot to dig a single well, drilling surveys must be carried out before drilling to identify possible locations of geothermal reservoirs, and these surveys also require cost and time.
すなわち、地熱発電の設備の建設には長期間と莫大なコストを要していた。 In other words, constructing geothermal power generation facilities required a long period of time and enormous costs.
したがって、本発明の課題は、設置場所の制約を受けにくく、しかも低コストで容易に設置ができる小型の地中熱発電装置を提供することにある。 Therefore, the objective of the present invention is to provide a small geothermal power generation device that is not restricted by installation location and can be easily installed at low cost.
上記課題を解決するため、本発明によれば、棒状に形成された伝熱体と、前記伝熱体の一端側に設けられた、地中または地表層と前記伝熱体との熱交換のための第1の熱交換部と、前記伝熱体の他端側に設けられた、地表層または外気と前記伝熱体との熱交換のための第2の熱交換部と、を備え、前記第1の熱交換部は、前記伝熱体の前記一端側において前記伝熱体の外周面を包囲する熱伝導性を有する第1の筒体または角筒体と、前記伝熱体および前記第1の筒体または角筒体間に配置され、前記第1の筒体または角筒体を前記伝熱体に熱伝導可能に結合する伝熱・結合構造と、前記第1の筒体または角筒体の外側を一定の間隔をあけて包囲する熱伝導性を有する第2の筒体または角筒体と、一面および他面を有し、前記第1および前記第2の筒体間または前記第1および前記第2の角筒体間に配置されて、前記一面において前記第1の筒体または角筒体に熱的に接触する一方、前記他面において前記第2の筒体または角筒体に熱的に接触する少なくとも1つの熱電変換モジュールと、前記第1および前記第2の筒体または前記第1および前記第2の角筒体における前記伝熱体の前記一端側に位置する開口を封閉する第1の断熱部材と、前記伝熱体に対する貫通穴を有し、前記伝熱体が前記貫通穴を貫通した状態で、前記第1および前記第2の筒体または前記第1および前記第2の角筒体における前記伝熱体の前記他端側に位置する開口を封閉する第2の断熱部材と、を備え、前記第1および前記第2の熱交換部間に生じる温度差に応じて、前記少なくとも1つの熱電変換モジュールから電力が取り出されるものであることを特徴とする地中熱発電装置が提供される。In order to solve the above problems, according to the present invention, a heat transfer body formed in a rod shape, a first heat exchange section provided on one end side of the heat transfer body for heat exchange between the underground or the earth surface layer and the heat transfer body, and a second heat exchange section provided on the other end side of the heat transfer body for heat exchange between the earth surface layer or the outside air and the heat transfer body, the first heat exchange section being comprised of a first cylindrical or square cylindrical body having thermal conductivity surrounding the outer circumferential surface of the heat transfer body at the one end side of the heat transfer body, a heat transfer and coupling structure disposed between the heat transfer body and the first cylindrical or square cylindrical body and coupling the first cylindrical or square cylindrical body to the heat transfer body in a thermally conductive manner, a second cylindrical or square cylindrical body having thermal conductivity surrounding the outside of the first cylindrical or square cylindrical body at a certain interval, one side and the other side, and a heat transfer and coupling structure disposed between the first and second cylindrical bodies or between the first and second cylindrical bodies The present invention provides a geothermal power generation device comprising: at least one thermoelectric conversion module disposed between angular cylinders and thermally contacting the first cylinder or angular cylinder on one side and the second cylinder or angular cylinder on the other side; a first insulating member sealing an opening located on the one end side of the heat transfer body in the first and second cylinders or the first and second angular cylinders; and a second insulating member having a through hole for the heat transfer body and sealing an opening located on the other end side of the heat transfer body in the first and second cylinders or the first and second angular cylinders with the heat transfer body passing through the through hole, wherein electric power is extracted from the at least one thermoelectric conversion module in accordance with a temperature difference occurring between the first and second heat exchange sections.
本発明の好ましい実施例によれば、前記第1の熱交換部の前記伝熱・結合構造は、前記伝熱体から放射状にかつ前記伝熱体の軸方向にのび、先端縁において前記第1の筒体または角筒体に結合された複数枚の導熱板からなっている。According to a preferred embodiment of the present invention, the heat transfer and connection structure of the first heat exchange section is composed of a plurality of heat conductive plates extending radially from the heat transfer body and in the axial direction of the heat transfer body and connected at their tip edges to the first cylindrical body or rectangular cylindrical body.
本発明の別の好ましい実施例によれば、前記第1の熱交換部の前記伝熱・結合構造は、前記伝熱体の軸方向に間隔をあけた複数の位置において、それぞれ前記伝熱体の外周の全長にわたって前記伝熱体から放射状にのび、先端縁において前記第1の筒体または角筒体に結合された複数枚の導熱板からなっている。According to another preferred embodiment of the present invention, the heat transfer and connection structure of the first heat exchange section comprises a plurality of heat conductive plates extending radially from the heat transfer body over the entire circumference of the heat transfer body at a plurality of positions spaced apart in the axial direction of the heat transfer body, and connected at their tip edges to the first cylindrical or rectangular cylindrical body.
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記熱電変換モジュールは、板状またはシート状に形成された単一の熱電変換素子、または複数の前記熱電変換素子が厚さ方向に互いに熱伝導可能に重ね合わされた積層体からなっている。According to yet another preferred embodiment of the present invention, the thermoelectric conversion module comprises a single thermoelectric conversion element formed in a plate or sheet shape, or a laminate in which a plurality of the thermoelectric conversion elements are stacked in the thickness direction so as to be thermally conductive to each other.
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記地中熱発電装置は、さらに、前記伝熱体における前記第1および前記第2の熱交換部間の領域を被覆する第3の断熱部材をさらに備えている。According to yet another preferred embodiment of the present invention, the geothermal power generation apparatus further comprises a third insulating member covering an area between the first and second heat exchange sections in the heat transfer body.
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記伝熱体は少なくとも1本のヒートパイプからなっている。According to yet another preferred embodiment of the present invention, the heat transfer body comprises at least one heat pipe.
本発明の地中熱発電装置は、第1および第2の熱交換部がそれぞれ地中および地上または地表層に位置する配置で地中に埋設され(以下、「第1の設置状態」という。)、あるいは、第1および第2の熱交換部がそれぞれ地表層および地上に位置する配置で地表層に埋設される(以下、「第2の設置状態」という。)。The geothermal power generation device of the present invention is buried in the ground with the first and second heat exchange units located underground and above ground or in the surface layer, respectively (hereinafter referred to as the "first installation state"), or buried in the surface layer with the first and second heat exchange units located in the surface layer and above ground, respectively (hereinafter referred to as the "second installation state").
第1の設置状態において、伝熱体の一端側は第1の熱交換部を通じて地中と熱交換を行い、伝熱体の他端側は第2の熱交換部を通じて外気または地表層と熱交換を行う。In the first installation state, one end of the heat transfer body exchanges heat with the ground through the first heat exchange section, and the other end of the heat transfer body exchanges heat with the outside air or the ground surface through the second heat exchange section.
ところで、年間を通して、また1日を通して、外気の温度(気温)の変化、地表層の温度変化および地中の温度変化はそれぞれ異なるサイクルで、かつ異なる変動幅で生じている。
とりわけ、年間を通した地中の温度変化は地中深くなるにつれて次第に小さくなり、地下約10mの深さでは、年間を通してほぼ一定の温度(その地域の年間平均気温に相当)に保たれている。
By the way, throughout the year and throughout the day, the outside air temperature (air temperature), the temperature of the earth's surface layer, and the temperature underground each occur in different cycles and with different fluctuation ranges.
In particular, the temperature change underground throughout the year gradually decreases the deeper one goes underground, and at a depth of about 10 meters underground, a nearly constant temperature (corresponding to the annual average temperature of the region) is maintained throughout the year.
そのため、年間を通して、また1日を通して、地中の温度が気温または地表層の温度よりも高くなる期間(時間)とそれが逆転する期間(時間)とが交互に発生している。As a result, throughout the year and throughout the day, there are alternating periods (hours) when the temperature underground is higher than the air temperature or the temperature of the surface layer, and periods (hours) when the opposite is true.
そして、地中の温度が気温または地表層の温度よりも高いときは、地中の熱が第1の熱交換部を通じて伝熱体の一端側に吸収されて、伝熱体の他端側まで移動し、第2の熱交換部を通じて外気中または地表層に排出される。この熱移動に伴って、各熱電変換モジュールの一面および他面間に温度差が生じ、各熱電変換モジュールから電力が取り出される。When the temperature underground is higher than the air temperature or the surface layer temperature, the heat from the underground is absorbed by one end of the heat transfer body through the first heat exchanger, moves to the other end of the heat transfer body, and is discharged to the outside air or the surface layer through the second heat exchanger. This heat transfer creates a temperature difference between one side and the other side of each thermoelectric conversion module, and electricity is extracted from each thermoelectric conversion module.
一方、地中の温度が気温または地表層の温度よりも低いときは、外気中または地表層の熱が第2の熱交換部を通じて伝熱体の他端側に吸収されて、伝熱体の一端側まで移動し、第1の熱交換部を通じて地中に排出される。この熱移動に伴って、各熱電変換モジュールの一面および他面間に温度差が生じ、各熱電変換モジュールから電力が取り出される。On the other hand, when the temperature underground is lower than the air temperature or the surface layer temperature, the heat from the outside air or the surface layer is absorbed by the other end of the heat transfer body through the second heat exchanger, moves to one end of the heat transfer body, and is discharged into the ground through the first heat exchanger. This heat transfer creates a temperature difference between one side and the other side of each thermoelectric conversion module, and electricity is extracted from each thermoelectric conversion module.
第2の設置状態において、伝熱体の一端側は第1の熱交換部を通じて地表層と熱交換を行い、伝熱体の他端側は第2の熱交換部を通じて外気と熱交換を行う。In the second installation state, one end of the heat transfer body exchanges heat with the ground surface through the first heat exchange section, and the other end of the heat transfer body exchanges heat with the outside air through the second heat exchange section.
そして、地表層の温度が気温よりも高いときは、地表層の熱が第1の熱交換部を通じて伝熱体の一端側に吸収されて、伝熱体の他端側まで移動し、第2の熱交換部を通じて外気中に排出される。この熱移動に伴って、各熱電変換モジュールの一面および他面間に温度差が生じ、各熱電変換モジュールから電力が取り出される。When the temperature of the ground surface layer is higher than the air temperature, the heat of the ground surface layer is absorbed by one end of the heat transfer body through the first heat exchanger, moves to the other end of the heat transfer body, and is discharged into the outside air through the second heat exchanger. This heat transfer creates a temperature difference between one side and the other side of each thermoelectric conversion module, and electricity is extracted from each thermoelectric conversion module.
一方、地表の温度が気温よりも低いときは、外気中の熱が第2の熱交換部を通じて伝熱体の他端側に吸収されて、伝熱体の一端側まで移動し、第1の熱交換部を通じて地表層に排出される。この熱移動に伴って、各熱電変換モジュールの一面および他面間に温度差が生じ、各熱電変換モジュールから電力が取り出される。On the other hand, when the temperature of the ground surface is lower than the air temperature, heat in the outside air is absorbed by the other end of the heat transfer body through the second heat exchanger, moves to one end of the heat transfer body, and is discharged to the ground surface layer through the first heat exchanger. This heat transfer creates a temperature difference between one side and the other side of each thermoelectric conversion module, and electricity is extracted from each thermoelectric conversion module.
こうして、年間を通した、また1日を通した地中の温度と気温または地表層の温度との温度差、または地表層の温度と気温との温度差を有効利用することによって、安定的な発電が可能になる。In this way, stable power generation becomes possible by effectively utilizing the temperature difference between the underground temperature and the air temperature or the temperature of the surface layer, or between the temperature of the surface layer and the air temperature, throughout the year and throughout the day.
そして、本発明の地中熱発電装置による実用レベルの発電に必要な温度差を得るには、本発明の地中熱発電装置は3~5mの長さを有しておれば十分であり、また、熱電変換モジュールの縦横サイズは数cm~数十cmのオーダーであり、また、伝熱体の直径は数cmのオーダーである。
すなわち、本発明によれば、小型かつ簡単な構造の地中熱発電装置を提供することができる。
Furthermore, in order to obtain the temperature difference necessary for practical levels of power generation using the geothermal power generation device of the present invention, it is sufficient for the geothermal power generation device of the present invention to have a length of 3 to 5 m, the length and width of the thermoelectric conversion module are on the order of a few centimeters to a few tens of centimeters, and the diameter of the heat transfer body is on the order of a few centimeters.
That is, according to the present invention, a geothermal power generation device having a small size and simple structure can be provided.
さらには、本発明の地中熱発電装置は、地中と外気または地表層との間、または地表層と外気との間に適当な温度差が生じる場所であれば設置可能であり、しかも比較的小さいスペースに設置できるので、設置場所の制約を受けにくいし、低コストで容易に設置することができる。 Furthermore, the geothermal power generation device of the present invention can be installed anywhere there is an appropriate temperature difference between the ground and the outside air or the surface layer, or between the surface layer and the outside air, and since it can be installed in a relatively small space, it is not subject to restrictions on installation location and can be easily installed at low cost.
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明する。
図1(A)は、本発明の1実施例による地中熱発電装置の斜視図であり、図1(B)~(C)は同地中熱発電装置の設置状態を示す概略図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the configuration of the present invention will be described based on preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1(A) is a perspective view of a geothermal power generation system according to one embodiment of the present invention, and FIGS. 1(B) and 1(C) are schematic diagrams showing the installation state of the geothermal power generation system.
図1(A)~(C)を参照して、本発明の地中熱発電装置1は、棒状に形成された伝熱体2と、伝熱体2の一端2a側に設けられた、地中Xまたは地表層Yと伝熱体2との熱交換のための第1の熱交換部3と、伝熱体2の他端2b側に設けられた、地表層Yまたは外気Zと伝熱体2との熱交換のための第2の熱交換部4と、を備えている。
Referring to Figures 1 (A) to (C), the geothermal
伝熱体2は、この実施例では、高い熱伝導率を有する金属または合金、好ましくは、銅またはアルミニウムから形成されている。In this embodiment, the
図2は、図1の地中熱発電装置の縦断面図であり、図3(A)は、同地中熱発電装置の第1の熱交換部の分解斜視図であり、図3(B)は同第1の熱交換部の横断面図である。 Figure 2 is a longitudinal cross-sectional view of the geothermal power generation device of Figure 1, Figure 3 (A) is an exploded oblique view of the first heat exchange section of the geothermal power generation device, and Figure 3 (B) is a transverse cross-sectional view of the first heat exchange section.
図2および図3(A)~(B)に示すように、第1の熱交換部3は、この実施例では、伝熱体2の一端2a側において伝熱体2の外周面を包囲する熱伝導性を有する第1の角筒体5と、伝熱体2および第1の角筒体5間に配置され、第1の角筒体5を伝熱体2に熱伝導可能に結合する伝熱・結合構造6と、第1の角筒体5の外側を一定の間隔をあけて包囲する熱伝導性を有する第2の角筒体7とを備えている。As shown in Figures 2 and 3 (A) to (B), in this embodiment, the first
この実施例では、第1および第2の角筒体5、7は、いずれも横断面が正方形であり、同一の長さを有している。なお、第1および第2の角筒体5、7の横断面はこの形状に限定されず、互いに相似形となっていれば、任意の多角形状であってよい。In this embodiment, the first and second
また、第1および第2の角筒体5、7は、高い熱伝導率を有する金属または合金、好ましくは、銅またはアルミニウムから形成されている。
In addition, the first and second
伝熱・結合構造6は、この実施例では、伝熱体2から放射状にかつ伝熱体2の軸方向にのび、先端縁において第1の角筒体5に結合された複数枚の導熱板8からなっている。In this embodiment, the heat transfer/
導熱板8もまた、第1および第2の角筒体5、7と同様、高い熱伝導率を有する金属または合金、好ましくは、銅またはアルミニウムから形成されている。The
好ましくは、第1および第2の角筒体5、7および導熱板8は、一定程度の剛性を維持しつつ、できるだけ薄くなるように形成される。それによって、第1および第2の角筒体5、7および導熱板8の熱交換性および熱伝導性が高められる。Preferably, the first and second
伝熱・結合構造6の構成はこの実施例に限定されず、伝熱体2および第1の角筒体5間に配置され、第1の角筒体5を伝熱体2に熱伝導可能に結合する任意の構成を有し得る。The configuration of the heat transfer/
図4(A)~(B)には、伝熱・結合構造6の別の実施例を示した。
図4(A)~(B)に示すように、この実施例では、伝熱・結合構造6´は、伝熱体2の軸方向に間隔をあけた複数の位置において、それぞれ伝熱体2の外周の全長にわたって伝熱体2から放射状にのび、先端縁において第1の角筒体5に結合された複数枚の導熱板8´からなっている。
4A-4B show another embodiment of the heat transfer and
As shown in Figures 4(A)-(B), in this embodiment, the heat transfer/connection structure 6' is composed of a plurality of heat conductive plates 8' which extend radially from the
導熱板8´は、導熱板8と同様、高い熱伝導率を有する金属または合金、好ましくは、銅またはアルミニウムから形成されている。The heat conduction plate 8', like the
第1の熱交換部3は、さらに、一面9aおよび他面9bを有し、第1および第2の角筒体5、7間に配置されて、一面9aにおいて第1の角筒体5に熱的に接触する一方、他面9bにおいて第2の角筒体7に熱的に接触する少なくとも1つの熱電変換モジュール9を備えている。The first
熱電変換モジュール9は、板状またはシート状に形成された単一の熱電変換素子、または複数枚の当該熱電変換素子が厚さ方向に互いに熱伝導可能に重ね合わされた積層体からなっている。The
後者の構成においては、積層体中の各熱電変換素子は互いに電気的に直列接続される。それによって、熱電変換モジュール9の一面および他面間の温度差が同じであっても、単一の熱電変換素子から形成された熱電変換モジュール9よりも、大きな出力が得られる。
なお、この実施例では、熱電変換モジュール9は複数枚の熱電変換素子の積層体からなっている。
In the latter configuration, the thermoelectric conversion elements in the stack are electrically connected in series with each other, so that even if the temperature difference between one side and the other side of the
In this embodiment, the
熱電変換素子としては、公知の熱電変換素子、例えば、ゼーベック効果またはスピンゼーベック効果を利用したものが使用される。 As the thermoelectric conversion element, a known thermoelectric conversion element, for example, one that utilizes the Seebeck effect or the spin Seebeck effect, is used.
この実施例では、第1の角筒体5の4つの側面のそれぞれに1つの熱電変換モジュール9が配置され、4つの熱電変換モジュール9は互いに電気的に直列接続される。
なお、第1の角筒体5の1側面当たりに配置される熱電変換モジュール9の個数はこの実施例に限定されず、任意である。
In this embodiment, one
The number of
また、各熱電変換モジュール9の電気的な接続方法も限定されず、全ての熱電変換モジュール9が直列接続されてもよいし、熱電変換モジュール9が複数の組に分けられ、同一の組内の熱電変換モジュールが直列接続され、そして組毎に並列接続されてもよい。
In addition, the electrical connection method of each
第1の熱交換部3は、さらに、第1および第2の角筒体5、7における伝熱体2の一端2a側に位置する開口を封閉する第1の断熱部材10と、伝熱体2に対する貫通穴11aを有し、伝熱体2が貫通穴11aを貫通した状態で、第1および第2の角筒体5、8における伝熱体2の他端2b側に位置する開口を封閉する第2の断熱部材11とを備えている。The first
第2の熱交換部4は、この実施例では、それぞれ中央に導熱体2に対する貫通穴を有する四角形状に形成され、伝熱体2の他端2b側の軸方向に間隔をあけた複数の位置において、伝熱体2が貫通穴を貫通した状態で伝熱体2に熱伝導可能に取り付けられた複数枚の導熱板12からなっている。
導熱板12は、高い熱伝導率を有する金属または合金、好ましくは、銅またはアルミニウムから形成されている。
In this embodiment, the second
The heat-conducting
好ましくは、伝熱体2における第1および第2の熱交換部3、4間の領域を被覆する第3の断熱部材がさらに備えられる。
Preferably, a third insulating member is further provided covering the area between the first and second
次に、この地中熱発電装置1の動作を説明する。
地中熱発電装置1は、第1および第2の熱交換部5、7がそれぞれ地中Xおよび地上(または地表層Y)に位置する配置で地中Xに埋設され(以下、「第1の設置状態」という。)、あるいは、第1および第2の熱交換部5、7がそれぞれ地表層Yおよび地上に位置する配置で地表層Yに埋設される(以下、「第2の設置状態」という。)。
Next, the operation of this geothermal
The geothermal
図1(B)は、第1の設置状態にある地中熱発電装置1を示す概略図であり、図1(C)は、第2の設置状態にある地中熱発電装置1を示す概略図である。
図1(C)に示すように、第2の設置状態においては、必要に応じて、地中熱発電装置1が風圧を受ける等して傾倒することを防止し、地中熱発電装置1の設置状態を安定に保つために、適当な追加の支持手段13が地中熱発電装置1の第1の熱交換部5の下部に取り付けられ。
FIG. 1(B) is a schematic diagram showing the geothermal
As shown in FIG. 1(C), in the second installation state, if necessary, a suitable additional support means 13 is attached to the lower part of the first
図1(B)を参照して、第1の設置状態において、伝熱体2の一端側2aは第1の熱交換部5を通じて地中Xと熱交換を行い、伝熱体2の他端側2bは第2の熱交換部7を通じて外気Z(または地表層Y)と熱交換を行う。
Referring to FIG. 1(B), in the first installation state, one end side 2a of the
ところで、年間を通して、また1日を通して、外気Zの温度(気温)の変化、地表層Yの温度変化および地中Xの温度変化はそれぞれ異なるサイクルで、かつ異なる変動幅で生じている。
とりわけ、年間を通した地中Xの温度変化は地中X深くなるにつれて次第に小さくなり、地下約10mの深さでは、年間を通してほぼ一定の温度(その地域の年間平均気温に相当)に保たれている。
By the way, throughout the year and throughout the day, the temperature (air temperature) of the outside air Z, the temperature change of the earth's surface layer Y, and the temperature change of the earth X occur in different cycles and with different fluctuation ranges.
In particular, the temperature change throughout the year at X underground becomes gradually smaller the deeper one goes underground, and at a depth of about 10 m underground, the temperature is maintained at an almost constant level throughout the year (corresponding to the annual average temperature of the area).
そのため、年間を通して、また1日を通して、地中Xの温度が気温または地表層Yの温度よりも高くなる期間(時間)とそれが逆転する期間(時間)とが交互に発生している。 Therefore, throughout the year and throughout the day, there are alternating periods (times) when the temperature of underground X is higher than the air temperature or the temperature of surface layer Y, and periods (times) when this is reversed.
そして、地中Xの温度が気温(または地表層Yの温度)よりも高いときは、地中Xの熱が第1の熱交換部3を通じて伝熱体2の一端2a側に吸収されて、伝熱体2の他端2b側まで移動し、第2の熱交換部4を通じて外気Z中(または地表層Y)に排出される。この熱移動に伴って、各熱電変換モジュール9の一面9aおよび他面9b間に温度差が生じ、各熱電変換モジュール9から電力が取り出される。When the temperature of the ground X is higher than the air temperature (or the temperature of the ground surface layer Y), the heat of the ground X is absorbed by one end 2a of the
一方、地中Xの温度が気温または地表層Yの温度よりも低いときは、外気Z中または地表層Yの熱が第2の熱交換部4を通じて伝熱体2の他端2b側に吸収されて、伝熱体2の一端2a側まで移動し、第1の熱交換部3を通じて地中Xに排出される。この熱移動に伴って、各熱電変換モジュール9の一面9aおよび他面9b間に温度差が生じ、各熱電変換モジュール9から電力が取り出される。On the other hand, when the temperature of the ground X is lower than the air temperature or the temperature of the ground surface layer Y, the heat in the outside air Z or the ground surface layer Y is absorbed by the other end 2b of the
図1(C)を参照して、第2の設置状態において、伝熱体2の一端2a側は第1の熱交換部3を通じて地表層Yと熱交換を行い、伝熱体2の他端2b側は第2の熱交換部4を通じて外気Zと熱交換を行う。
Referring to Figure 1 (C), in the second installation state, one end 2a of the
そして、地表層Yの温度が気温よりも高いときは、地表層Yの熱が第1の熱交換部3を通じて伝熱体2の一端2a側に吸収されて、伝熱体2の他端2b側まで移動し、第2の熱交換部4を通じて外気Z中に排出される。この熱移動に伴って、各熱電変換モジュール9の一面9aおよび他面9b間に温度差が生じ、各熱電変換モジュール9から電力が取り出される。When the temperature of the ground surface layer Y is higher than the air temperature, the heat of the ground surface layer Y is absorbed by one end 2a of the
一方、地表層Yの温度が気温よりも低いときは、外気Z中の熱が第2の熱交換部4から伝熱体2の他端2b側に吸収されて、伝熱体2の一端2a側まで移動し、第1の熱交換部3を通じて地表層Yに排出される。この熱移動に伴って、各熱電変換モジュール9の一面9aおよび他面9b間に温度差が生じ、各熱電変換モジュール9から電力が取り出される。On the other hand, when the temperature of the ground surface layer Y is lower than the air temperature, the heat in the outside air Z is absorbed from the second
なお、地中Xの温度と気温(または地表層Yの温度)、あるいは地表層Yの温度と気温の高低が逆転すると、それに伴って熱電変換モジュール9から出力される電流の極性が反転するので、地中熱発電装置1の実際の運用に際しては、地中熱発電装置1とこれから電力供給を受ける装置(電子機器、蓄電池等)との間に適当な極性反転回路(図示されない)が設けられる。また、必要に応じて、極性反転回路の後段に昇圧用DC-DCコンバータまたはパワーコンディショナーが設けられる。
When the temperature of underground X and the air temperature (or the temperature of surface layer Y), or the temperature of surface layer Y and the air temperature, reverses, the polarity of the current output from the
こうして、年間を通した、また1日を通した地中Xの温度と気温または地表層Yの温度、または地表層Yの温度と気温との温度差を有効利用することによって、安定的な発電が可能になる。In this way, by effectively utilizing the temperature difference between the underground temperature X and the air temperature or the temperature of the surface layer Y, or between the temperature of the surface layer Y and the air temperature throughout the year and throughout the day, stable power generation becomes possible.
そして、本発明の地中熱発電装置1による実用レベルの発電に必要な温度差を得るには、地中熱発電装置1は3~5mの長さを有しておれば十分であり、また、熱電変換モジュール9のサイズは数cm~数十cmのオーダーであり、伝熱体2の直径は数cmのオーダーである。
すなわち、本発明によれば、小型かつ簡単な構造の地中熱発電装置1を提供することができる。
In order to obtain the temperature difference necessary for practical level power generation using the geothermal
That is, according to the present invention, it is possible to provide a geothermal
さらには、本発明の地中熱発電装置1は、地中Xと外気Zまたは地表層Yとの間、または地表層Yと外気Zとの間に適当な温度差が生じる場所であれば設置可能であり、しかも比較的小さいスペースに設置できるので、設置場所の制約を受けにくいし、低コストで容易に設置することができる。
Furthermore, the geothermal
加えて、本発明の地中熱発電装置1は、自らの駆動源を必要としないので、ランニングコストがかからないし、メンテナンス費用も殆どかからず、非常に経済的であり、また、一般的な送電網から切り離されたオフグリッド発電装置として機能するので、災害時の非常用電源装置として有効活用され得る。
In addition, the geothermal
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の構成は上述の実施例に限定されず、当業者が添付の請求の範囲に記載された構成の範囲内で種々の変形例を案出し得ることは言うまでもない。 Although the above describes a preferred embodiment of the present invention, it goes without saying that the configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and that a person skilled in the art may devise various modifications within the scope of the configuration described in the appended claims.
例えば、上述の実施例では、伝熱体2が高い熱伝導率を有する金属または合金、好ましくは、銅またはアルミニウムから形成されているが、その代わりに、伝熱体2を1本のヒートパイプまたは複数のヒートパイプの束から形成してもよい。For example, in the above-described embodiment, the
この構成によれば、地中熱発電装置1が第1の配置状態にあるときは、主として、地中Xの温度が気温または地表層Yの温度よりも高い場合に、また、地中熱発電装置1が第2の配置状態にあるときは、主として、地表層Yの温度が気温よりも高い場合に、第1の熱交換体3側から第2の熱交換体4側への高効率な熱移動を達成することができ(ヒートパイプの熱伝導率は銅の熱伝導率の数倍~数十倍である。)、それによって、より高出力の発電を実現することができる。
According to this configuration, when the geothermal
また、上述の実施例では、第1の熱交換部3は第1および第2の角筒体5、7を備えるが、第1の熱交換部3が、第1および第2の角筒体5、7の代わりに、小径の筒体および大径の筒体を備えてもよい。
In addition, in the above-described embodiment, the first
また、第2の熱交換部4の構成は上述の実施例に限定されず、第2の熱交換部4は、伝熱体2の他端2b側と外気Z(または地表層Y)との間の効率的な熱交換を達成する任意の構成を有し得る。
Furthermore, the configuration of the second
図5(A)は本発明の別の実施例による地中熱発電装置の斜視図であり、図5(B)は同地中熱発電装置の第1の熱交換部の横断面図である。また、図6は、図5に示した地中熱発電装置の縦断面図であり、図7は、図5に示した地中熱発電装置の第3の断熱部材の斜視図である。
なお、図5中、図1~4に示したものと同じ構成要素には同一番号を付して、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。
Fig. 5(A) is a perspective view of a geothermal power generation device according to another embodiment of the present invention, Fig. 5(B) is a cross-sectional view of a first heat exchanger of the geothermal power generation device, Fig. 6 is a vertical cross-sectional view of the geothermal power generation device shown in Fig. 5, and Fig. 7 is a perspective view of a third insulating member of the geothermal power generation device shown in Fig. 5.
In FIG. 5, the same components as those shown in FIGS. 1 to 4 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted below.
図5~6を参照して、この実施例では、地中熱発電装置1´は、図1~4に示した地中熱発電装置1の構成に加えて、第1の断熱部材10から第1および第2の角筒体5、7間の間隙を経て、伝熱体2と第2の熱交換部4との境界までのびる角筒状の第3の断熱部材14を備えている。
Referring to Figures 5 to 6, in this embodiment, the geothermal power generation device 1' has, in addition to the configuration of the geothermal
第3の断熱部材14は、それぞれ第1および第2の角筒体5、7間の間隙に対応する厚みを有する4枚の矩形状の断熱板15から形成されている。そして、第3の断熱部材14の内側空間の横断面の外縁が第1の角筒体5の横断面の正方形の外縁に対応する正方形状をなし、第3の断熱部材14の横断面の外縁が第2の角筒体7の横断面の正方形の内縁に対応する正方形をなしている。The third insulating
さらに、第3の断熱部材14の各側壁下部の熱電変換モジュール9に対応する位置に、熱電変換モジュール9の形状に対応する形状の開口15aが形成されている。
また、第3の断熱部材14における第2の熱交換部4側の開口は、第2の断熱部材11によって閉じられている。
Furthermore, an opening 15 a having a shape corresponding to the shape of the
Moreover, the opening of the third insulating
この実施例においても、図1~4に示した実施例と同様の作用効果が得られることは言うまでもない。 Needless to say, this embodiment also provides the same advantageous effects as the embodiment shown in Figures 1 to 4.
1、1´ 地中熱発電装置
2 伝熱体
2a 一端
2b 他端
3 第1の熱交換部
4 第2の熱交換部
5 第1の角筒体
6、6´ 伝熱・結合構造
7 第2の角筒体
8、8´ 導熱板
9 熱電変換モジュール
9a 一面
9b 他面
10 第1の断熱部材
11 第2の断熱部材
11a 貫通穴
12 導熱板
13 支持手段
14 第3の断熱部材
15 断熱板
15a 開口
X 地中
Y 地表層
Z 外気
Claims (6)
前記伝熱体の一端側に設けられた、地中または地表層と前記伝熱体との熱交換のための第1の熱交換部と、
前記伝熱体の他端側に設けられた、地表層または外気と前記伝熱体との熱交換のための第2の熱交換部と、を備え、
前記第1の熱交換部は、
前記伝熱体の前記一端側において前記伝熱体の外周面を包囲する熱伝導性を有する第1の筒体または角筒体と、
前記伝熱体および前記第1の筒体または角筒体間に配置され、前記第1の筒体または角筒体を前記伝熱体に熱伝導可能に結合する伝熱・結合構造と、
前記第1の筒体または角筒体の外側を一定の間隔をあけて包囲する熱伝導性を有する第2の筒体または角筒体と、
一面および他面を有し、前記第1および前記第2の筒体間または前記第1および前記第2の角筒体間に配置されて、前記一面において前記第1の筒体または角筒体に熱的に接触する一方、前記他面において前記第2の筒体または角筒体に熱的に接触する少なくとも1つの熱電変換モジュールと、
前記第1および前記第2の筒体または前記第1および前記第2の角筒体における前記伝熱体の前記一端側に位置する開口を封閉する第1の断熱部材と、
前記伝熱体に対する貫通穴を有し、前記伝熱体が前記貫通穴を貫通した状態で、前記第1および前記第2の筒体または前記第1および前記第2の角筒体における前記伝熱体の前記他端側に位置する開口を封閉する第2の断熱部材と、を備え、
前記第1および前記第2の熱交換部間に生じる温度差に応じて、前記少なくとも1つの熱電変換モジュールから電力が取り出されるものであることを特徴とする地中熱発電装置。 A rod-shaped heat transfer body;
a first heat exchange section provided on one end side of the heat transfer body for heat exchange between the underground or the earth surface layer and the heat transfer body;
a second heat exchange section provided on the other end side of the heat transfer body for exchanging heat between the ground surface layer or the outside air and the heat transfer body;
The first heat exchange section includes:
a first cylindrical body or a square cylindrical body having thermal conductivity surrounding an outer peripheral surface of the heat transfer body at the one end side of the heat transfer body;
a heat transfer and coupling structure disposed between the heat transfer body and the first cylindrical body or the rectangular cylindrical body, the heat transfer and coupling structure coupling the first cylindrical body or the rectangular cylindrical body to the heat transfer body in a thermally conductive manner;
a second cylindrical body or a rectangular cylindrical body having thermal conductivity and surrounding the outside of the first cylindrical body or the rectangular cylindrical body at a certain interval;
at least one thermoelectric conversion module having one surface and another surface, disposed between the first and second cylindrical bodies or between the first and second rectangular cylindrical bodies, and in thermal contact with the first cylindrical body or the rectangular cylindrical body at the one surface and in thermal contact with the second cylindrical body or the rectangular cylindrical body at the other surface;
a first heat insulating member that seals an opening located on the one end side of the heat transfer body in the first and second cylindrical bodies or the first and second rectangular cylindrical bodies;
a second heat insulating member that has a through hole for the heat transfer body and seals an opening located on the other end side of the heat transfer body in the first and second cylinders or the first and second rectangular cylinders when the heat transfer body passes through the through hole;
A geothermal power generation device, characterized in that electric power is extracted from the at least one thermoelectric conversion module in response to a temperature difference occurring between the first and second heat exchange sections.
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