湯けむり発電

熱水蒸気タービン発電装置本体部の組み立て完成

熱水蒸気タービン発電装置本体部の組み立てが完成しました。

全体がステンレス製なので、ピカピカな状態で見栄えが良い組みあがり状態です。

この本体部の廻りに必要な配管を明日組み付けて、装置状態の完成を行うことになります。

最終配管部には、ジェットポンプやエジェクターなども組み付けられますので、それも写真に撮っておきます。

熱水蒸気タービン発電装置据え付け場所の様子

据え付けと実験を開始する「熱水蒸気タービン発電装置」を設置する場所の様子は、次のようになります。

奥の少し低い位置のコンクリート部にタービン発電機を置き、周りに配電盤と負荷の電灯群を設置します。

熱水井戸からの配管も途中まで準備して頂いており、据え付け時の配管作業も大変スムーズに進むと予想しています。

衝動流体タービンの完成状態

衝動流体タービンが次の写真のように完成しました。

この完成状態も大変に良く出来ており、全ステンレス製なのでピカピカで満足です。

果たしてこのタービンがどれくらいの性能を出すのか、心配なような期待するような複雑な気持ちです。

でもとっても気をつけて設計計算と羽根形状生成を行ったので、多分良い結果となるでしょう。

ただ今回のタービンは詳細な粒子法シミュレーションを用いないと性能予測が難しいので、その点が最も不安な点です。

熱水蒸気タービン発電装置の据え付け完成

熱水蒸気タービン発電装置の据え付けを行いました。

実験に必要な配管を行いましたが、写真のようにかなり複雑なものとなっています。

慣らし運転までを行い据え付け作業を終えましたので、今後1週間ぐらいをかけて各種実験を実施する予定です。

設備としてはなかなかに立派なものとなったのも、共同研究を行っている各企業の皆さんのおかげと感じて感謝しています。

熱水蒸気タービン用復水器の試験を行いました

据え付け及び調整運転では熱水蒸気タービン発電装置の重要な機能である復水器の試験を行ってみました。

結果としては、次の写真にあるように蒸気を想定の60℃に冷却する機能と真空を造る機能を確認しました。

ただこの写真では最低真空時の値を撮り損なっていますので、真空度が少ない連成計メーター値となっています。

まだ実験にて色々な条件を探っている状態なので、最適な状態を温泉の温度、圧力から作り出せているわけではないので、続けて実験を行いながらベストバランスを探ります。

そのような実験および小改造を4月いっぱいまでは続けていくこととなるでしょう。

熱水蒸気発電実験装置の据え付け工事の様子

熱水蒸気発電実験装置の研究内容発表があり、その中での資料の一部である発電装置据え付け工事の様子写真を載せてみます。

資料の左上写真がユニックで吊って据え付け地点に下ろそうとしているところです。

この写真で熱水蒸気発電実験装置の小ささが分かって頂けると思います。

右上写真は、熱水蒸気発電装置に熱水井戸から配管を行ってもらっている状況であり、非常に短時間で配管完成してもらっています。

左下写真は、発電用負荷の配電盤と電気工事をしてもらっている状況です。

そして右下写真は、少し小さくて分かりにくいですが、据え付け時の熱水井戸の様子を見るために空中に噴射してもらっている状況です。

以上の据え付け、配管工事、電気工事は開始からわずか3時間で完成していますので、いかに皆さんが手際よく工事をして頂いたか分かります。

ペルトンタービンランナ

ペルトンタービンランナの組み立て状態完成品です。

写真のように組み立て式ランナであり、多数のバケットが円盤に組みつけられています。

このペルトンタービンランナを設計する時の難しさは、そのお椀のようなバケット形状となり、同様にバケットに存在する切欠き形状は相当気を使います。

それらを慎重に回転位置位相ごとの速度三角形から最適形状を求めて設計を行います。

湯けむり発電 調整運転時の様子

「湯けむり発電」と呼んでいる熱水蒸気発電装置の調整運転時の写真を載せてみます。

調整運転時に湯けむり発電装置から盛大に蒸気の湯けむりが出ている様子です。

タービン発電機のケーシングのふたを開けて運転しているので、湯けむりが見られる状態となっています。

本来のタービン発電機の状態は、タービンを通った蒸気を復水器で水に戻すため、写真のようなタービンから立ち上る湯気を見ることは出来ず、いたって静かな運転状態で運転を続けることとなります。

ケーシングのふたを開けて運転している理由は、タービン発電機には2種類のタービンが入っており、各タービンごとの運転試験を行うために考えられる色々な状態を作り出しているからです。

そのようなタービン毎の運転状態のマッチングをうまく取らないと、熱水蒸気のエネルギーを効率良く動力に転換出来ないので、タービン毎の運転状態を詳細に捉えることが非常に重要です。

また運転状態を造り出すベストな設定状態を、大変多くの考えられる運転状態の中から探していかなければならないことも大変な作業です。

更に、温泉熱水井戸という井戸ごとに千差万別の熱水と蒸気の状態を詳細に理解する必要があり、それを理解していないと、ボイラーの中の状態が分からない火力発電のようなもので、最適なタービンの設計開始も出来ないこととなります。

遠心蒸気タービン羽根 分解して状態を見たもの

しばらく運転をした遠心蒸気タービン羽根を、タービンを分解して取り出して見た写真が次です。

分解したところ写真のように羽根は少々汚れており、一部がドレンに浸かっていたことが分かりました。

磨けば取れる汚れなので問題はなかったのですが、予想よりも早く汚れていました。

組み立てたり、分解したりしながら実験を続け、その都度色々なことが分かり、改善策を考え、設計変更を行い、新部品を手配し、また組み込んで実験を行いの以下繰り返しが延々と続き製品が良くなり、使い勝手も上がっていきます。

結局改良の連続となり、それがまた新しい画期的な考えを生む元ともなるのでしょう。

通常の地熱発電と「湯けむり発電」の違い

現在開発中で、発電実験を進行中の「湯けむり発電」は、通常の地熱発電とどのように異なるのか、その違いを図として表してみました。

説明図にあるように、通常の地熱発電と「湯けむり発電」の最大の違いは、噴気のエネルギーも有効に電力として回収すると共に、エネルギーを回収した適温になったお湯は給湯に使われるという点です。

そしてこの方式の「湯けむり発電」では熱水の温度が低くてもその熱エネルギーを特殊なタービンで回収することが出来、これまでその噴気エネルギーを無駄に捨てていた地熱発電には使えないような温泉井戸でも発電を可能としているところです。

湯けむり発電装置 改良作業進行中

湯けむり発電装置の初期全体構成は、次の写真のようですが、現在その改良作業を進行中です。

湯けむり発電装置改良作業の最初の主な点は、当初測定値よりも使用圧力が低かったことによるタービン回転数最適値の変更で、発電機へのベルト減速をやめてタービン軸直結で発電機を駆動する改造です。

これにより発電機の定格電圧が確保出来ることとなり、発電電力の測定が行い易くなります。

段々と良い方向へ行っているのは確かであり、内心ではワクワク感が出てきている発展性を持ったタービン発電機となりそうです。

湯けむり発電装置の小改造

湯けむり発電装置の小改造を行いました。

小改造の主な点は、タービンの回転数と発電機の回転数が同じぐらいのほうが最適な出力が出ると現在の熱水井戸の能力から推定されるため、プーリー減速を廃止して、発電機をたわみ軸継手でタービンに直結した部分です。

次の写真が小改造直後の様子です。

発電機はシンプルな改構造にて直結出来ました。

更に水面監視用の液面計を付ける作業を行い、全体工事は終了です。

その後、温泉井戸からの熱水蒸気をタービンに流したところ、以前より高速で回転出来ることが分かり、今回の改造は成功だったと考えています。

湯けむり発電装置のエネルギー源

湯けむり発電のエネルギー源を端的に表す写真が次となります。

井戸から高速で噴き出す熱水蒸気、これが湯けむり発電のエネルギーの元なのです。

実際に見る噴気状況は、すごいものがあります。

遠心型タービンの設計品を紹介

蒸気用遠心型タービンの設計品を紹介します。

次の写真は遠心タービンの回転動翼、全周配置ガイドベーン、ケーシングを示しています。

プロペラ水車組み立て途中1

この遠心タービンの定格回転数は毎分9000rpmとなり、少々高速です。

実際のところ毎分9000rpmでタービンを回転させるのは大丈夫と分かっていても怖いものであり、高速型回転機は非常に気を使うこととなります。

例えば、回転部の固定ネジが緩んでいないか、遠心力で羽根に亀裂が入っていないか、共振を起こしていないか、偏心でどこかが擦っていないか、など、気を付ける点が運転中に頭に浮かびます。

プロペラ水車組み立て途中2

小さな羽根であっても高速回転をするとその最外径部の回転する速度は速度にして時速500Km以上ともなったりしますので、もし羽根がちぎれてその速度で自分に飛んで来れば自分は確実に死ぬこととなるでしょう。

更に高速型のタービンでは、その外周回転速度が音速を超えることもあり、それが飛んでくることは大変に恐ろしいことです。

以上のように高速回転の機械を運転する場合は、気を使いすぎぐらいでちょうど良いと思っています。

湯けむり発電の熱水タービン回転状態を撮りました

湯けむり発電の実験現場で運転を行い、次の写真のように熱水タービンが高速で回転している状態を撮りました。

タービン上部ふたを開放して熱水タービンの運転を行ってみたので、タービン内部で回転している普通は見えない羽根の回転状況を写真に撮ることが出来ています。

蒸気も上部ふた開口部から勢い良く出ているので、回転が少し蒸気に隠れ気味ですが、回転状態は見て取れます。

実際に近くで羽根高速回転を見ると、その噴射ノズルからの超音速流れの高周波音、そしてタービン回転の高周波音などで非常に迫力があり、怖いぐらいです。

新型地熱発電「湯けむり発電」の実験設備全体構成図

これまでに地熱発電に使われていなかった低温度低圧力の温泉井戸熱水蒸気を使用可能とした新型地熱発電である「湯けむり発電」の実験設備全体は、次の図のような構成になっています。

既存の温泉井戸から極少量の熱水蒸気をタービンに導いて「湯けむり発電」の実験を行っている状況です。

温泉井戸から少量の熱水蒸気を配管で導いてくる過程で熱水の圧力が低下してしまいタービンにかけられる圧力が現在は予定の3分の1程度なので予定発電出力に達していませんが、その少ない圧力状態でも効率良くタービンは駆動していることは分かりました。

よって今後の改造としては、タービン発電機をより温泉井戸に近づけ配管の影響をなるべく減らして当初の計画に近い圧力を確保し、更なる発電出力の向上を目指します。

新型地熱発電 湯けむり発電用タービン発電機の構造

これまでに地熱発電では使えなかった120℃以下の熱水蒸気を使った新型の地熱発電である「湯けむり発電」用のタービン発電機の構造は、次の図のようになっています。

熱水タービンと蒸気タービンの2段構成となっているタービン発電機であり、熱水が持つ熱と圧力のエネルギーを徹底的にタービン動力として取り出せる仕組みです。

タービンで使われた熱水蒸気は復水器で温泉に適切な温度である80℃以下に冷やされ、これまでどおりに温泉として配湯されます。

同時に復水器の蒸気凝縮作用がタービンの軸出力増加に使うことが出来、さらにタービン発電機出力を増大させます。

専門的にこの仕組みを言えば、2相流タービンとそれにともなう超音速ノズル、高効率低圧駆動蒸気タービンという各種タービン技術の粋を集めたものとなっています。

少しずつタービン効率を工夫により改善中であり、かなり良い状態まで持ってくることが出来ています。

温泉給湯設備と湯けむり発電設備の違い

温泉地域の温泉を給湯する基となる温泉井戸+温泉給湯設備と、それを利用して発電を行う湯けむり発電設備の違いを次の図に示してみます。

熱水井戸を使う温泉給湯設備は、上図の左のように井戸に隣接して設置している温泉タンクに井戸からの熱水を勢い良く噴出させることでそのエネルギーをなくし、さらに水を加えて適切な給湯温度まで湯温を調整している。

それに対して「湯けむり発電」では、これまでの温泉給湯設備で無駄に捨てられていた熱水のエネルギーをタービンが回転動力に変換するので発電が出来るようになっている。その時にタービン出口での湯温を適切に調整可能です。

よって最終的な給湯は、これまでの温泉給湯設備と湯けむり設備でなんら変わることはなく、しかも発電設備も小さく音も静かなので周りの環境への影響もなく、無駄にしているエネルギーを回収して発電を行う理想的な温泉熱水利用発電システムとなっている。

これまでの地熱発電と新型地熱発電である湯けむり発電の仕組

これまでの地熱発電に対して、より低温度・低圧力で可能な新型の地熱発電である「湯けむり発電」の仕組みを比較図で説明してみます。

これまでの地熱発電は

1.地熱用の井戸を新しく掘削している。

2.地熱熱水温度が150℃以上必要である。

3.地熱熱水の圧力も2気圧以上は必要である。

4.使った熱水は地下に戻していた。

5.設備が複雑で建設費が高価。

それに対して「湯けむり発電」は

1.既に存在している温泉井戸の熱水を使うので井戸を新しく掘る必要がない。

2.温度100℃~130℃ぐらいの熱水を使用可能である。

3.圧力1気圧以下の熱水を使用可能である。

4.使った熱水はそのまま給湯に使える。

5.小型でシンプルな発電装置により建設費が安い。

以上のように、これまでの地熱発電に比べて「湯けむり発電」が非常に有利であることを分かって頂いたと思います。

湯けむり発電に使う蒸気タービン部分の性能解析

これまでにない新型地熱発電である「湯けむり発電」に使われる蒸気タービン部分の性能解析を、実験結果と設計時点の設計計算を詳細に対比するために行っています。

その性能解析シミュレーションでの結果を一部ですが載せてみます。

現在、回転数を色々と変えてタービン性能全般を掴む作業に入っていますので、かなりの量の解析計算を行っています。

それにより、湯けむり発電用蒸気タービン部のタービン全体性能を把握出来ることとなるでしょう。

それが次のより発電出力の大きいタービン発電機設計に活かされます。

湯けむり発電装置の見学に環境学会の皆さんが来られました

大分県の別府で全国環境学会が開かれ、その後の視察として環境学会に参加された方々が「湯けむり発電装置」の見学に来られました。

最近は、湯けむり発電の見学希望が大変に多くなり、見学して頂くにはこちらの準備も大変なので団体の方々以外は見学をお断りしたりしています。

見学の主な方々は、万が一の危険も考え、写真中の階段の上から運転を見て頂きました。

熱水タービンと蒸気タービンが同時に動いている状況を見て頂けたので、いつもより長く見学運転をしたと思います。

いつもは運転が分かりやすいように、熱水タービンのみをその上部の蓋を開けて運転しており大変にタービンの回転高周波音と蒸気噴出で非常に迫力のある運転を見て頂けるのです。

湯けむり発電(低温熱水蒸気発電)実験機の良いアングルの写真

最近非常に見学者の多い湯けむり発電(低温熱水蒸気発電)実験機の良いアングルの写真を2枚載せてみます。

プロペラ水車組み立て途中1

次もアングルを変えて、

プロペラ水車組み立て途中2

湯けむりが立ち上る湯けむり発電実験機の写真でした。

ここで

〇湯けむり発電とはなにか?

  湯けむり発電=低温熱水を利用した新型の地熱発電と言って良いでしょう。

〇湯けむり発電のメリットは?

  現在ある温泉井戸の熱水や蒸気を使って発電出来ます。

〇湯けむり発電装置の大きさは?

  100KWクラスでも自動車1台分程度の大きさに納まります。

〇湯けむり発電装置の電気は売電出来ますか?

  再生可能エネルギーの固定買い取り制度での地熱発電となり売電出来ます。

〇湯けむり発電装置の金額は?

  50KW発電出力の場合で、すべての工事費込みで5千万円ぐらいでしょうか。