成果報告書詳細
管理番号20150000000069
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) 200℃以下の低温熱源を利用した可搬型小型発電システムの技術開発
公開日2015/4/17
報告書年度2011 - 2012
委託先名株式会社リッチストーン
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)/200℃以下の低温熱源を利用した可搬型小型発電システムの技術開発

本技術開発は、トラックで運べる程度の小型でありながら、これまでの技術では達成できなかった高効率の低温熱源利用発電システムの実現を目的として実施した。はじめに、サイクルに用いる作動媒体を、臨界温度、人体および環境への影響を考慮しながら検討を行った。いくつかの候補についてエネルギー回生効率の理論値を計算し、本開発で目標とする10-12%を達成できるか調べて、本発電システムに用いる作動媒体としてHFC-245faを選定した。次に、HFC-245faに対する膨張特性を計算し、スクロール形状の設計を行った。このスクロールを元に膨張機発電機の設計を行い、製作した。完成した膨張機発電機を発電システムに組み込む前に、単体でスクロールの面振れ測定と圧縮空気による回転試験を行い、動作に問題がないことを確認した。それから、100-200℃の低温熱源を回収し発電する作動媒体循環システム(ランキンサイクル)のフロー設計を行った。熱交換機、流量計、温度計、および圧力計の選定を行って作動媒体循環システムを製作した。また、沸点が200℃以上の熱媒体を実際に評価することにより、ひとつを選定した。この熱媒体に対して最適な熱媒体槽を製作した。それから、コンバータ・インバータ方式に基づく、膨張機の回転数によらず出力電圧および周波数を常に一定に保つための電力変換システムの機械設計および電気設計を行い、システムを組み立てた。コンバータ部で電圧、周波数および位相を商用電源と連携できるようにした。その後、発電システムに本装置を連結させ、電力変換実験を実施した。発電機のトルクが回転数の2乗に比例していることが示され、発電機制御インバータが正常に機能していることが確認できた。また、設計どおり回転数の3乗に比例した電力が発電されていることが確認され、4900rpmで3.58kWを達成し、変換効率も最高で93.2%と高いものであった。さらに、作動媒体HFC-245faに適応する流量、圧力条件を計算し、モデリング、バランス計算、および強度計算を行い、昇圧液ポンプを製作した。完成した昇圧液ポンプを用いて特性評価試験を実施した。差圧1.5MPa、流量7L/minの条件において、消費動力320Wを達成した。また、昇圧液ポンプの流量を自動制御するシステムを発電システムに組み込んだ。これにより、熱源の変動があっても、発電システムの自動運転ができるようになった。温度、圧力や循環油ポンプの異常を感知したときに自動停止するインターロックも設置し、無人運転も可能となった。低温廃熱を有する工場、および温泉旅館業者を訪問し、実際に廃棄されている低温熱源を調査するとともに、本開発品に対する意見交換を行った。昨今の社会情勢を背景に、非常に興味を示すユーザー候補が多いことが分かった。
英文要約Title: New Energy Venture Business Technology Innovation Program/ New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Wind Power Generation And Other Untapped Energies)/Development of A Small Portable Power Generation System using Heat Source of Low Temperature below 200 Deg. C. (FY2011-FY2012) Final Report

The development of the electric generation system was made to realize small size and high efficiency utilizing low thermal heat source. First of all, the several working media which might be used in the Rankin cycle were evaluated and selected considering the critical temperature, and influences to human body and the environment. From the evaluation, several candidate media were selected. Theoretical values of the energy recovery efficiency were calculated. Whether the target value, 10% to 12% of the energy recovery efficiency pursued in the development, can be reached was investigated. As a result, HFC-245fa was chosen as the working medium used in the electric generation system. The expansion characteristics on HFC-245fa were calculated. Using the calculation, scroll shape was designed. Based on the design, the expander-generator was designed and produced. The face deflections of the scroll were measured, and the rotations of the scrolls using the compressed air were tested to confirm the normal movements of the assembled expander-generator before it is built in the electric generation system. Then, the flow design was made for the working medium circulation system (Rankin system) that recovers low thermal source of temperature between 100 to 200 deg. C and generates power by it. The heat exchanger, the flow monitor, the temperature indicator, and the pressure indicator were selected. Applying them, the working medium circulation system was produced. Heat media whose boiling points are at or above 200 deg. C. were evaluated, and one of them was selected. The optimized heat medium tank matching the selected heat medium was produced. The mechanical design and the electrical design of the power conversion system based on converter and inverter methods were made so that the output voltage and frequency can be always constant regardless of the number of rotations of the expander. Applying the designs the system was assembled. A voltage, a frequency and a phase were linked with the commercial power supply at the converter part. After that, the power conversion was tested by connecting the power conversion system to the electric generation system. The torque of the generator was in proportion to the square of the number of rotations, thereby confirmed the normal function of the controlling inverter of the generator. It was also confirmed that the power proportional to the cube of the number of rotations was generated as designed. The power 3.58kW was achieved at the rotating speed 4900rpm. Power conversion efficiency was 93.2% when it reached highest value. Further, the conditions of the flow rate and the pressure suitable for the working medium HFC-245fa, the rotational balance, and the mechanical strength were calculated. Based on the calculation, a booster liquid pump was produced. The booster liquid pump was tested to evaluate the characteristics.
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