最新バイナリー発電システム

 

 

　　

 　

                                       収　穫


　　　　　　　　　　　魚が釣れたぞ！

　　　　　　　　　　　雨降りだというのに、魚たちは

　　　　　　　　　　　水面に出てきて、十四番の

　　　　　　　　　　　ブラックモスキートに食いついた。

　　　　　　　　　　　彼は意識を集中させねばならなかった。

　　　　　　　　　　　今にかぎっては、他のものはぜんぶあたまから

　　　　　　　　　　　閉めだした。どこにいくにもかついで歩いていた

　　　　　　　　　　　昔の人生も。同じように、

　　　　　　　　　　　新しい人生も。何度もなんども、彼は

　　　　　　　　　　　人間の行いのなかではいちばん内的だと思われる

　　　　　　　　　　　ことをやった。それは、一粒の雨と一匹の河マスとの

　　　　　　　　　　　あいだにある違いを見分けるために、心を

　　　　　　　　　　　とぎすますこと。そのあと濡れた野原を

　　　　　　　　　　　車まで歩いていった。風がハコヤナギのかたちを

　　　　　　　　　　　変えていくのを見ながら。

　　　　　　　　　　　彼はかつて愛した、すべての人々を

　　　　　　　　　　　捨てたのだ。

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Lombardy Poplar

 

　　　　　　　　　　　　The Catch

　　　　　　　　　　　　　Happy to have these fish!
　　　　　　　　　　　　　In spite of the rain, they came
　　　　　　　　　　　　　to the surface and took
　　　　　　　　　　　　　the No. 14 Black Mosquito.
　　　　　　　　　　　　　He had to concentrate,
　　　　　　　　　　　　　close everything else out
　　　　　　　　　　　　　for a change. His old life,
　　　　　　　　　　　　　which he carried around
　　　　　　　　　　　　　like a pack. And the new one,
　　　　　　　　　　　　　that one too. Time and again
　　　　　　　　　　　　　he made what he felt were the most
　　　　　　　　　　　　　intimate of human movements.
　　　　　　　　　　　　　Strained his heart to see
　　　　　　　　　　　　　the difference between a raindrop
　　　　　　　　　　　　　and a brook trout. Later,
　　　　　　　　　　　　　walking across the wet field
　　　　　　　　　　　　　to the car. Watching
　　　　　　　　　　　　　the wind change the aspen trees.
　　　　　　　　　　　　　He abandoned everyone
　　　　　　　　　　　　　he once loved.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 

 【最新バイナリー発電システム構想】

 『ようこそ！スマートキャンティ』（2011.01.23）や『水中プラズマと木質バイオマス発酵工学』（201
5.02.01）では、木質バイオマスをメタン変換し、精製後、メタン燃料電池（要改質工程）あるいは、ガス
タービン発電するシステムを紹介掲載した。ここでは、木質バイオマスメタン発酵ガス発電システムの,、
（１）水と原料バイオマスパウダーを混合し、高速発酵を実現する前処理工程と、（２）（１）の工程で
直接、バイオマススラリーから水素ガスを製造する工程で液中プラズマ処理に導入することが可能であり、
液中プラズマ技術の概要とその応用技術を考察してみたが、エネルギー変換効率ついての見積もりはおこ
なわずにいた。もっとも、試算したとしても変換効率は直接燃焼を超えるものではないと考えられる。ま
た、一年後の『驕る石油・原発・・・』（2016.02.13)では、バイオマスを細粉化させたあと水と発酵菌と空
気を加え→発酵熱（～６０℃を利用→（１）バイナリ発電装置で発電＋（２）給湯暖房＋（３）発酵後の
バイオマスをバイオ発電・ボイラーに再利用→燃えかすは堆肥利用の完全リサイクルシステムを構想して
いる。またそれは、市販されている小型バイナリー発電装置なをふまえ。オーガニックランキンサイクル
（ORC）を採用し、70～95℃の温水で発電――作動媒体には、小型バイナリー発電の規制緩和に適合した
不活性ガスを採用や摺動構造を基本とするタービン－ダイナモ方式を取っ払らった熱電変換素子方式など
も視野に構想してきたが、熱電変換素子方式は地熱用と同時にバイオマス用のバイナリー（２つの）な応
用展開が考えられるので、ここではバイオマス発電をもう一度新規考案してみたい。

  特開2016-019462

【符号の説明】

１ 白熱ゴーズスクリーン　２ 水蒸気回収管　３ 第１気液分離器　４ 発電機　５ 直流／交流変換機　　
６ 周波数調整機（インバーター）　　７ 冷却塔　　８ 潜熱循環機　 ９ 冷却水循環ポンプ  １０ 冷却
水補給ポンプ　１１ 第２気液分離器・・・

その前に「特開2016-019462 潜熱循環を特徴とする発電効率の飛躍的向上システム」（上図）を参考し、
水を利用した蒸気発電システム（ランキンサイクル）と類似するが、水の代わりに沸点の低い有機作業媒
体を利用し、熱から発電。温泉熱などの地熱や、バイオマス発電機、工場などから排出される廃熱から電
気をつくりるオーガニックランキンサイクル課題をまず整理する。

工場廃熱、都市ごみ焼却炉排ガス、アルミ精錬排ガス、自噴水蒸気、自噴熱水などの腐食性や摩食性成分
を含む低カロリー熱源発電システム（当然、高カロリー熱源を含む）発電システムの低カロリー熱源は通
常、特有の硫黄化合物、その他の不純物を多量に含む場合が多く、これらの不純物が発電設備に多大の悪
影響を回避し、２次蒸気を利用するバイナリー発電システムが開発された経緯があるが、バイナリー発電
システムは太陽光発電や風力発電と同様に、発電効率が４～７％と極めて低い水準で、家電製品の場合と
異なり、発電効率を重視する工業規模の設備では，設備償却が困難である。
として、水力発電単価はｋＷｈ当り１３．６円、この特許提案システムの発電単価はｋＷｈ当り１１円。
さらに、低カロリー熱源の場合、（ケール付着、腐食及び摩食成分を含む熱源が多いので，発電単価の評
価以前に、技術課題を抱える。

このシステム回転機械を全く含まず、設備メンテが有利であり、多様な規模の低カロリー熱源発電に適用
でき、ニュートン熱力学に準拠した潜熱循環システムで、各既存発電システムの発電効率を約３倍に飛躍
させることができる。従来技術は、エネルギー流体の顕熱保存システムが存在したが、潜熱保存システム
を配慮されていなかった。この潜熱保存技術は発電システムに流入するエネルギー流体の潜熱の２２.７５
％を電力に変換できるというもので、従来システムの最高発電効率の約３倍強に相当する。他方、この飛
躍的発電効率の達成可能根拠が後述の熱力学関係式（１）～（６）により理論的に証明される。

• スケール付着予防：スケールが付着すると、経年的に発電出力が減少し、長期間の使用が困難とな
  る。この防止には、この不純物を除去が必要だが、不純物を除去するには、一定期間、発電装置の
  運転を止めざるをえない。
• 腐食や摩食予防：他方、低カロリーエネルギー流体に共存するアンモニア、硫化水素、炭酸ガス等
  の腐食性ガス成分は発電装置の原動機たる旧来のタービン翼を激しく腐食する。
• 発電効率の飛躍的向上：従来の発電システムでは、発電効率が極めて低く、特に小容量発電システ
  ムでは高価な設備の償却が不可能である――例えば、０.１５ＭＰａＧ １２７℃の自噴蒸気の場合、
  バイナリー発電システムの送電端出力は３４ｋＷｈ／ｈ、発電設備建設費は約７５００万円となり
  設備償却は不可能で、その発電効率は約４％でしかない。

図２に沿って下記の如く理論解析できる。
発電システム入口エネルギー流体エンタルピー：Ａ ｋＪ／ｈ＝ 水蒸気顕熱Ａ１＋水顕熱Ａ２
循環エネルギー流体のエンタルピー：Ｂ ｋＪ／ｈ
凝縮水エンタルピー： 水の顕熱 Ａ２
発電出力： Ｐ ｋＪ／ｈ＝０．０００２７７７Ｐ ｋＷｈ／ｈ
ΔＰ１≒ΔＰ２
本発明システムの発電機廻りの発電効率 η１＝Ｐ１／（Ａ＋Ｂ） （１）
本発明システムのシステム全体の発電効率 η２＝Ｐ１／Ａ （２）
従来システムのシステム全体の発電効率 η３＝Ｐ２／Ａ （３）
式（１）及び式（２）から１／η２＝（１／η１）－（Ｂ／Ｐ１）
従って、η２＝１／［（１／η１）－（Ｂ／Ｐ１）］ ＞ １／［（１／η１）］＝η１ （４）
本発明のシステム全体の発電効率η２＞従来システムの発電効率η１
η１＝η３である為、Ｐ１／（Ａ＋Ｂ）＝（Ｐ２／Ａ）
従って、Ｐ２＝（Ａ／（Ａ＋Ｂ））Ｐ１
又はＰ１＝（Ａ＋Ｂ）Ｐ２／Ａ＝（１＋Ｂ／Ａ）Ｐ２
従って、Ｂ／Ａ≧０の場合には、Ｐ１＝（１＋Ｂ／Ａ）Ｐ２≧Ｐ２ （５）
又は Ｐ１－Ｐ２≧０ 或いは Ｐ２－Ｐ１≦０
従って、η２－η３＝（Ｐ１－Ｐ２）／Ａ≧０
又は、η２≧η３ （６）

因って、本発明による循環システムの発電量Ｐ１は常に従来システムの発電量Ｐ２よりも大きいことを
式（５）は理論的に証明した」と宣言できる。
式（４）により、循環エンタルピーがゼロ（Ｂ＝０）の場合、全体発電効率（η２）は最小（η２＝η１）
になることも判る。
式（４）により、循環量エンタルピーを伴うη２はいつも、η１より大きい。
式（５）は常に、本発明による発電システムη２が従来システムの発電効率η３より大きいことを理論証
明している。
式（４）により、循環量エンタルピー（Ｂ）が増大する程、全体発電効率（η２）が最大に近づくことが
わかる
式（６）により「本発明の全体発電効率η２が常に従来システムのη３より大きいことが理論的に証明さ
れた」と宜言しても良い。
エンタルピーＢ＝Ｐ１／η１の時であるが、エネルギー流体の対流及び伝導伝熱式と式（４）及び発電式
の３個の連立方程式の解を求める必要がある。

以上のように説明されているが、肝心の熱電変換素子はどのような技術課題があるのか俯瞰してみる。
まず、「特開2016-025325 熱電変換モジュール」（下図）。複数の熱電変換素子５が第１基板１０と第２
基板２０との間に配され、それらの第１基板１０、第２基板２０の対向面側に、空気の熱伝導率よりも小
さい熱伝導率の絶縁レジスト１８、２８を設ける。そして、絶縁レジスト１８、２８は、第１電極１６、
第２電極２６に所定厚みで重なって形成され、その側端面が熱電変換素子５の側面に間隙をもって位置す
る第１部分１８Ａ、２８Ａを有した形状に形成し、それらの側端面で熱電変換素子５の設置箇所を構成す
ることで、種々の技術分野で、熱を電気に変換する、または電気を熱に変換する熱電変換モジュールに関
し、熱電変換素子を間に挟む基板間での不要な熱の伝達が抑えられると共に、生産性の向上も図れる構成
のものを提供する。

【符号の説明】

３　熱電変換モジュール　　５　熱電変換素子　　１０　第１基板　　１２、２２　銅板　　１４、２４　絶縁層　　１６　第１電
極　　１８、２８、１９、２９　絶縁レジスト　　１８Ａ、２８Ａ　第１部分　　１８Ｂ、２８Ｂ　第２部分　　２０　第２基板　　２６　
第２電極　　　３１Ａ、３１Ｂ　孔部

同じく、「特開2016-018903 熱電変換材料、熱電変換モジュール、熱電変換材料の製造方法 」（下図）を
みてみよう。第１の相と第１の相と異なる第２の相とを備え、薄膜状の第１の相の両面を前記第２の相で
挟むことで第１の相が量子井戸構造を形成し、第１の相は母相と母相と異なる異相とを備えることを特徴
とする熱電変換材料。第１の相と前記第１の相と異なる第２の相とを備え、薄膜状の前記第１の相と薄膜
状の第２の相とを交互に積層することで複数の第１の相が量子井戸構造を形成し、第１の相は母相と母相
と異なる異相とを備えることを特徴とすることで、熱電変換材料の変換効率を向上させるというもの

【符号の説明】

１００：熱電変換材料、１０１：熱電変換相を挟む相、１０２：熱電変換相、１０３：母相と異なる異相（
異相）、１０４：母相、３００：熱電変換モジュール、３０１：取り出し電極、３０２：絶縁性基板、
３０３：熱電変換素子 

さらに、同上同申請者の「特開2016-025271 熱電変換装置」では、互いに対向配置される高温側の板部２
２および低温側の板部１２と、高温側の板部２２を加熱する加熱流体が流される加熱流路２３と、板部１
２，２２の間に配置されて温度差が付与される熱電変換モジュール４０とを備える。熱電変換モジュール
４０は、高温側および低温側の電極４５と、これら電極４５間にマトリックス状に配列される熱電変換素子
４１とを有し、熱電変換素子４１の、少なくとも加熱流体の流れ方向あるいは流れ方向に直交する横断方
向の少なくとも一方の方向の配列ピッチが、流れ方向の上流側から下流側に向かうにしたがって所定のパ
ターンでしだいに粗になる領域を有することで、発電量を低下させることなく熱電変換素子の数を減らし
て効果的にコストの低減が図られる熱電変換装置を提供するもの。

【符号の説明】

１…発電装置（熱電変換装置） １２…低温側の板部 ２２…高温側の板部 ２３…加熱流路 ４０…熱電変
換モジュール ４５…電極 ４１…熱電変換素子 　Ａ…流れ方向 　Ｂ…横断方向

次に、熱電変換素子材料とその素子及びモジュールのつくり方の新規考案技術を俯瞰してみよう。、まず、
「特開2016-015361 半導体素子の製造方法、半導体素子の製造デバイス、半導体素子、及び該半導体素子
を用いてなる熱電変換素子」（下図）は次のようになっている。

２つの電極間に、一方の電極に近接して素子前駆体を載置すると共にイオン含有物を該素子前駆体と他方
の電極間に置き、所定電圧を印加する、イオンドーピング工程を含み、上記素子前駆体がカーボンナノチ
ューブ、層状２次元材料、またはナノワイヤーからなる成形体であることを特徴とするｐ型－ｎ型制御可
能な半導体素子の製造方法、製造方法に用いることができる半導体素子の製造デバイス、製造方法により
得られる半導体素子、半導体素子を用いて熱電変換素子で、簡便で、ドーピングの制御がしやすく、ドー
ピングの効果が高く、ｐ型－ｎ型の半導体素子の製造が可能な半導体素子の製造方法、半導体素子の製造
デバイス、半導体素子、及び該半導体素子を用いてなる熱電変換素子が提供されている。

　特開2016-015361 

次に、「特開2016-018809 熱電変換材料及びその製造方法」（下図）をみてみよう。安価な炭素材料であ
るグラファイトまたはカーボンブラックを酸化して酸化グラフェン又は酸化カーボンブラックを得、酸化
グラフェン及び酸化カーボンブラックからなる群より選択される原料を還元することにより得られる炭素
材料と導電性ポリマーとを含有することで安価な炭素原料を用いて製造可能であり、優れた熱電変換特性
を有する熱電変換材料、並びにそれを用いた熱電変換素子及びその製造方法を提供されている。

こうしてみると、『デジタル革命渦論』の基本特性をもったシステムは最っとも優位であるが、技術の担
保を整いつつあるとみる。さて、木質バイオマス用に考えると、（１）大がかりな設備でなく、（２）安
定した前処理を考えなければならない。そこで、「シロアリの木質バイオマス資源化機能を活用したきの
こ廃菌床からのバイオディーゼル燃料の生産」（近畿大学農学部 板倉修司 2006.12.06）を参考とする（
下図）。

つまり、木き質バイオマス原料を大きく裁断し、できれば、地下の遮蔽壁で守られた前処理槽で、セルロ
ールロース（「木質系および草本系バイオマス糖化液からのバイオエタノール並行発酵菌 」WO 20090819
41A1）などを大量飼育したシロアリに投入し木質バイオマス原料を分解・粉砕させておけば、飼育条件を
維持するだけで、コスト削減しながら二次処理できるであろう。次に、参考にした技術報告書にも書かれ
ているようにシロアリは良質のタンパク源でもあり、バイオ燃料でもある。分離してバイオ燃料とするも
よし、食料の原料に供することもできるし、そのまま木質バイオ燃料に用いることができる。もしくは、
もう一段、発酵分解処理することで良質の燃料に改質できる可能性ある。そしてバイオマスボイラーの直
燃原料料として供給し、温水とししてまた熱電変換し、潜熱を百パーセント利用できるシステムが構築で
きる。さらに、燃え殻は炭素堆肥として今日することができるだろう。

●　昨夜の新年会メモ

一年ぶりに顔を合わせ、各自の近況報告と抱負を話し合い歓談。役２時間半があっという間に時間が過ぎ
気づけばデジカメすることも忘れていた。送迎バスの運転手は前職協力企業に勤めいた方でこれも盛り上
がったのだが、例のナショナル・トレッキングへの協力依頼をチャッカリとお願いする。なお、谷口さん
と山田さんは体調が悪いため参加いただけなかった。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　お疲れさまでした。