ヤンマーテクニカルレビュー

ゼロ・エミッション発電システムの開発~スターリングエンジン~

Abstract

The power-generating technology which does not emit CO2 at all (Zero Emission) leads to realize Yanmar Brand Statement “A SUSTAINABLE FUTURE”.

Not only energy-saving technologies, but also Zero Emission technologies using renewable energy such as solar and wind power are focused recently. The stirling engine is the one of the Zero Emission technologies which convert waste heat energy to electricity with high efficiency while it does not emit CO2 at all. However due to several problems of reliability, few manufactures succeed in commercialization in the world. Our purpose is to establish reliability of stirling engine generating system which can provide Zero Emission electricity. This article describes the development of Stirling engine generating system.

1.はじめに

当社のブランドステートメントである“A SUSTANABLE FUTURE-テクノロジーで新しい豊かさへ-”の実現のためにはCO2排出量低減だけ留まらず、CO2排出量ゼロ(ゼロ・エミッション)の高性能なエネルギー変換技術が求められる。

地球規模で温暖化問題が年々深刻になる中、使用電力量削減、CO2排出量低減につながる省エネ技術の導入だけでなく、太陽光や風力等の再生可能エネルギーを始めとするゼロ・エミッションの電力が求められている。ゼロ・エミッションの新たな電力として、これまで活用されていなかった排熱などの未利用熱エネルギーからの電力変換技術が注目されている。未利用熱エネルギーからの変換技術の一つにスターリングエンジンが知られているが、信頼性などの技術課題も多く、世界的に商品化事例が少ない。当社では、ゼロ・エミッションの電力を提供することを目的に、スターリングエンジンを開発した。本稿ではゼロ・エミッション発電システム“スターリングエンジン”の特徴と開発技術について紹介する。

2.スターリングエンジンの特徴

2.1 動作原理

本項では、一般的にβ形と呼ばれているスターリングについてその基本機構と動作を紹介する。図1に示すように、β形スターリングエンジンは、1つの気筒の中にディスプレーサピストンとパワーピストンが内蔵されており、この2つのピストンは90°の位相差をつけてクランク軸に接続されている。また、ディスプレーサピストンとパワーピストン各々の上部空間(膨張空間と圧縮空間)は、ヒータ・再生器・クーラからなる3つの熱交換器を介して連通しており、作動ガスは2つの空間を往復できる。なお、スターリングエンジンの作動ガスとして、熱伝導率が高いヘリウムや水素が一般的に使用される。

図1 β形スターリングエンジンの基本機構
図1 β形スターリングエンジンの基本機構

次にエンジンの作動原理を図2に示す。図2のサイクル線図の各状態(1~4)に沿って動作を解説する。まず、ディスプレーサピストンが上死点付近の時にパワーピストンが上昇し圧縮空間内の作動ガスを圧縮する(1→2)。作動ガスはクーラから再生器、ヒータへと移動し、ヒータ部で受熱する。さらにディスプレーサピストンが下降を始めることにより、低温の作動ガスがヒータに流入し、受熱して空間内の温度と圧力が上昇する(2→3)。この時、筒内圧力は音速で各空間に伝播し、膨張空間と圧縮空間はほぼ同一圧力となる。続いて、筒内圧力を受けたパワーピストンが下降を始めることで膨張仕事を取り出すことができる(3→4)。最後にディスプレーサピストンが再度上昇し、作動ガスがヒータからクーラへと移動することにより作動ガスが冷却されて状態1に戻る(4→1)。スターリングサイクルの理論熱効率はカルノーサイクルと一致し、非常に高い熱効率となるが、実際はエンジン内部の圧力損失や熱損失のために理論効率を下回る。しかし、各損失を低減することで高い熱効率を達成できる可能性がある。

図2 スターリングエンジンの作動原理
図2 スターリングエンジンの作動原理

2.2 未利用熱の伝熱形態(1)

排ガスなどの未利用熱を活用するには、熱交換器(ヒータ管)を通じて熱を取り込む必要がある。ここでは、伝熱形態を対流熱伝達と輻射熱伝達について解説する。

対流熱伝達として多管式熱交換器の例を表1に示す。ヒータ長さ、本数および配置などは熱交換器の基本構成要素である。最大の熱交換性能を得るには、これらを最適化して伝熱面積の大きくするとともに、ヒータ外壁面を通過する排ガスの平均流速を低下させないことが必要となる。また、排ガスの中には腐食性のダスト成分が含まれることがあり、耐食対策としてヒータの表面改質やヒータ表面のダスト付着物の除去対策が必要になる。

このようなヒータ管の腐食や目詰まりによる問題を回避するためにヒータ管を保護カバーで覆う手段がある。この場合のヒータ管への伝熱形態は表1の熱輻射となり、保護カバーからの放射エネルギーをヒータ外壁面に吸収させることとなる。しかしながら、保護カバー内が空気の場合、断熱効果が大きく熱抵抗となる。放射エネルギーによる有効入熱はステファン-ボルツマンの法則によるため、保護カバー内の壁面温度とヒータ外壁面温度の4乗の差に比例し、放射面積、ここでは保護カバーの内壁面積にも比例する。対流用ヒータよりも伝熱面積を大きくする必要があり、未利用熱源の温度は高く、放射面積が確保できることも導入の条件となる。

各熱形態に分けて解説したが、未利用熱の場合、クリーンな排ガスだけでなく、ダスト成分による熱抵抗の影響もあり、熱流体解析を含めた検討が重要になる。

表1 伝熱形態とヒータ例(1)

表1 伝熱形態とヒータ例(1)

3.スターリングエンジンの開発

図3にβ形の基本構成と実機外観図を示す。図1の基本構造と同様であるが、再生器、クーラを環状に配置することで、作動ガス流れを均一にでき、圧力損失を小さくできる。また環状に配置された再生器、クーラはコンパクトな同心円状の配置となるため、エンジン外径は小さくできる。しかし、本型式では、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが90°の位相差で構成され、かつその同軸上に往復駆動を回転運動に変換する複雑な駆動機構が必要となる。ピストン駆動機構を検討する上でシンプルかつ高寿命な機構が望ましい。1つのシリンダに2つのピストンを同軸上に構成できる代表的な機構として、クロスヘッド機構、ロンビック機構、スコッチヨーク機構がある。スコッチヨーク機構はロンビック機構に比べ、機構構成に必要な軸受の数も少なくシンプルな機構である。クロスヘッド機構はピストンの摺動損失を低減するためコネクティングロッドが長くなる。そのため、シンプル性とサイズの観点からピストン駆動機構はスコッチヨーク機構を採用した。図4にスコッチヨーク機構例を示す。

β型スターリングエンジン基本構成(1)
β型スターリングエンジン基本構成(1)
実機外観図
実機外観図

図3 排熱利用スターリングエンジンの構造と外観

図4 ピストン駆動機構(スコッチヨーク機構)
図4 ピストン駆動機構(スコッチヨーク機構)

ディスプレーサピストンとパワーピストンに90°位相差を設け、さらに両ピストンのストローク分に相当した偏心量を持つクランクシャフトを製作した。クランクシャフトはディスプレーサ及パワーピストンの各々の構成部品であるヨークに設けた長穴に貫通させる。ディスプレーサおよびパワーピストンは相対するヨークと繋がっており、個別のヨークと締結されている。各ピストンは、ヨーク端に装着したリニア軸受に直動軸と呼ばれるロッドを貫通させ、直動軸上を往復運動する。ピストンの往復運動はヨークの長穴を介してクランクシャフトで回転運動に変換される。本構造では、ヨークや直動軸およびクランクシャフトに大きな荷重が作用するために、駆動部品の信頼性を確保することが必要となる。

4.発電システムの開発(1)

高効率IPM(Interior Permanent Magnet:永久磁石埋込型)発電機をエンジンのクランクシャフト軸に直結し回転運動を電気エネルギーに変換した。熱源の温度・流量等の変化によって、電圧、電流、エンジンの発電出力が変動する。排熱利用スターリングエンジンの発電システムの概要を図5に示す。エンジンは制御盤内にあるPLC(Programmable Logic Controller:プログラマブルコントローラ)によって制御される。熱源条件の変動時にもスターリングエンジンのヒータから取り込まれる熱量(有効入熱)に伴ったエンジン回転数・発電出力に調整される。熱源が変化しても、熱量に適した回転数に調整することで、発電効率を大幅に低下させずに運用することができる。定常運用時、熱源状態を検知しながらエンジンの起動・発電・停止までの自動運転ができる発電システムを可能とした。さらに本システムは発電機制御用インバータ出口で直流化し、回生インバータにより整流されたAC200V変換される。変換されたAC200Vは導入施設に系統連系する。

図5 発電システムの概要<sup>(1)</sup>
図5 発電システムの概要(1)

5.実証事例(1)

本稿では、焼却炉煙道内部に排熱利用スターリングエンジンのヒータを設置する熱輻射による熱回収例を紹介する。自治体が家庭や事業者から回収したごみを焼却する一般廃棄物処理施設への設置事例とその写真を図6および図7に示す。焼却炉では、炉内温度が800~1000℃の高温でごみが焼却される。炉内の燃焼ガスに含まれる腐食性のダスト成分からスターリングエンジンのヒータを保護するために、円筒形状の保護カバーを設置している。燃焼ガスの熱エネルギーの一部を保護カバーに伝え、伝えられた熱は保護カバーの内壁面からの放射によって、ヒータ管外壁に供給される。炉内側壁の耐熱煉瓦にヒータ部の設置孔を設け、ヒータを挿入することで、排熱利用スターリングエンジンの炉壁への施工ができる。炉壁へのエンジンの設置しやすさを考慮し、ヒータ挿入方向を水平方向にエンジンを設置した例を示している。炉内側壁、天井部、煙道部等の高温部の空スペースに設置可能であり、複数のスターリングエンジンの挿入設置が可能である。

図6 一般廃棄物処理施設(焼却炉)への設置例(1)
図6 一般廃棄物処理施設(焼却炉)への設置例(1)
図7 炉壁に設置したエンジンの写真(1)
図7 炉壁に設置したエンジンの写真(1)

6.おわりに

未利用熱エネルギーから電力を回収するスターリングエンジンはCO2を全く排出しないゼロ・エミッション発電システムである。今後、さらに高効率×高性能を追求し、今まで未利用であった世界中の排熱から電気を回収し、ゼロ・エミッションの電力を、最小限の環境負荷でお客様に提供することで“A SUSTAINABLE FUTURE”を実現し、未来につながる社会とより豊かな暮らしに貢献する。

7.引用文献

  • (1)赤澤「排熱利用スターリングエンジン発電システムと実証例-未利用熱の活用について」
    日本マリンエンジニアリング学会誌 第51巻 第1号(2016年)p102-109

著者

研究開発ユニット 中央研究所

北崎 真人

研究開発ユニット 中央研究所

湯﨑 啓一朗

研究開発ユニット ソリューションセンター

赤澤 輝行