成果報告書詳細
管理番号20150000000068
タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (風力発電その他未利用エネルギー) 未利用熱エネルギーを用いた小型発電システムの研究開発
公開日2015/4/17
報告書年度2011 - 2012
委託先名九州電子技研株式会社
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成23年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(風力発電その他未利用エネルギー) 未利用熱エネルギーを用いた小型発電システムの研究開発

本研究開発において、我々は複合タービンという新しいコンセプトによる未利用熱源を用いた発電システムを開発した。複合タービンとは、タービン、ポンプ、発電機を同じ回転軸で結合したものである。カリーナサイクルによる発電へ機械的エネルギーを出力する点で、タービン系は発電システムの中での重要性は明らかである。タービンはエネルギー出力とコストの面から設計した。  本プロジェクトの最も重要な目的の一つはコストダウンを果たしながら大量生産が可能な手法を見いだし確立することである。本タービン系では以下の基本的仕様を仮定する。(i)単段もしくは速度複式軸流衝動タービン、(ii)ノズル入口蒸気圧力は2[MPa]以下、(iii)タービン回転数は3600[rpm]。  生産コストへ影響することから、さらに以下のパラメータ、(iv)軸流の平均半径、r、(v)蒸気質量流量、m、を考慮して設計した。タービンの設計は運動量理論よる線図出力を計算しておこなった。  タービン設計計算は上に揚げたパラメータを変えながらおこなった。3つの異なるタービン直径、0.18、0.24、0.30 [m]の結果から、線図効率、出力の直径依存性を求めた。小さい直径に対しても大きな出力が得られる速度複式タービンが望ましいが、最もタービン径の大きなものがタービンブレードの製作コストの点で最適であることがわかった。  製作コスト、小型化の両面に寄与する最小のタービン系のものでも、新たな工夫によって速度複式と同等レベルの出力を得ることが可能であることがわかり、小径のタービンを採用した。  タービン系が組み入れられるカリーナサイクルは、比較的低温の熱源に対して熱交換器、ポンプ系の最適な選択を行なうためにいくつかのサイクルパラメータについて数値シミュレーションをおこなった。 (i)質量分率9:1のアンモニア/水混合物、(ii)熱水の入口温度80度C、(iii)冷水の入口温度30度C、等の他、使用制限が緩和された代替フロンを作動媒体とした場合について計算し、サイクル構造に必要な部品のほとんどはこのような解析によって決定された。  組み上げたシステムについて、作動媒体として代替フロンを用いた場合について各種の試験をおこなった。数カ所にとりつけた光学窓により、蒸発器、分離器後(タービン入口)、凝縮器入口(タービン出口)、ポンプ前後で、作動媒体の気体、液体状態であることを確認し、サイクル全体の正常動作が確認された。ただし、商品としての品質向上には、作動媒体選定、サイクル機器の最適化、タービン系の効率向上等の課題の解決が望まれる。
英文要約Title: New Energy Technology Research Development/ New Energy Venture Business Technology Innovation Program (wind power generation and other untapped energies ) / Compact Power Generation System Utilizing Unused Thermal Energy (FY2011-FY2012) FY2012 Final Report

We are developing a power generation system utilizing unused thermal resources based on a new concept of compound turbine system. The compound turbine system combines turbine, pump and electric generator with a common axis of rotation. Among these, turbine system is important in a power generation process, since this part has a role of mechanical power output in generator based on the Kalina cycle. Design of turbine system has been made with special emphasis on the output power level and production cost. To find and establish the cost effective mass production scheme is one of the most important purpose of the present project. The following conditions are assumed as fundamental features of the present turbine system, i.e., (i) axial flow based impulse turbine of single stage or velocity compound impulse turbine, (ii) nozzle inlet steam pressure is less than p1=2 [MPa], (iii) turbine rotation frequency is 3600 [rpm]. Further parameters such as (iv) mean radius of axial flow, r (or outer diameter of turbine), (v) steam mass flux, m, must be taken into account, since they influence the production cost. Turbine design is entirely based on the diagram procedure by the momentum theory. Turbine design calculations have been made by varying parameters listed above. Results of three different turbine diameters, 0.18, 0.24 and 0.30[m] indicate that both diagrammatic efficiency and output increases with diameter. Although the velocity compound turbine is favorable for larger output even for smaller diameter, turbine system with largest turbine diameter is found to be the best due to the fabrication cost of turbine blades. We have found a new way to enhance turbine power even for a turbine having smaller diameter. It is possible to produce larger output power nearly equivalent to that of velocity compound turbine in our new scheme. Eventually, we adopt smaller turbine both for cost and output. Turbine system must be incorporated into a Kalina cycle. Design of the Kalina cycle has been simulated for several cycle parameters in order to obtain optimum selection of heat exchangers, pump systems appropriate for the relatively low temperature heat sources. Some of the specifications of the cycle parameters are (i) ammonia/water mixture of 9:1 mass fraction, (ii) inlet temperature of the hot water is 80 [degrees Celcius], (iii) inlet temperature of the cold water is 30 [degrees Celcius], including alternative CFCs as a working fluid. Most of the required parts of the cycle construction were determined by the present analysis. Various tests have been made on the constructed system utilizing an alternative CFC. Glass windows at evaporator, separator (or turbine inlet), condenser (or turbine outlet) and pump section make it possible to observe the state of working fluid, i.e., vapor or liquid state. It is confirmed the appropriate operation of the system operates. In order to improve the quality of the device, selection of working fluid, various cycle devices must further be optimized and performance increase in turbine system are desired in the future.
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