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船の低温排熱を活用して発電

船の低温排熱を活用して発電. ～港湾内の環境保全を目指した 内航船舶用排熱回収システムの開発～. 講演内容. １．研究プロジェクトの概要 ２．排熱利用スターリングエンジンの開発 ３．排熱回収システムの性能特性 ４．実海域におけるフィールド試験 ５．排熱回収システムの実用化検討 ６．まとめ. （独）海上技術安全研究所 平田　宏一 （株） e スター 赤澤　輝行，坂口　諭 　東　海運（株） 井上　敏彦，飯田　光利. １．研究プロジェクトの概要. 開発コンセプト. ● 必要最小限の電力を貯蔵する。 ●設置スペースが小さい。 ●既存船への設置が可能である。.

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船の低温排熱を活用して発電

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Presentation Transcript

  1. 船の低温排熱を活用して発電 ～港湾内の環境保全を目指した内航船舶用排熱回収システムの開発～ 講演内容 １．研究プロジェクトの概要 ２．排熱利用スターリングエンジンの開発 ３．排熱回収システムの性能特性 ４．実海域におけるフィールド試験 ５．排熱回収システムの実用化検討 ６．まとめ （独）海上技術安全研究所 平田　宏一 （株）eスター 赤澤　輝行，坂口　諭 　東　海運（株） 井上　敏彦，飯田　光利

  2. １．研究プロジェクトの概要 開発コンセプト ●必要最小限の電力を貯蔵する。 ●設置スペースが小さい。 ●既存船への設置が可能である。 ★2 kWで2日間の蓄電 ★10 kW×10時間の利用

  3. ●研究実施体制（平成17～19年度） （独）鉄道建設・運輸施設整備支援機構　基礎的研究推進制度 「港湾内の環境保全を目指した内航船舶用排熱回収システムの開発」 （独）海上技術安全研究所 課題名：「排熱回収システムの基本設計と総合評価」 ・排熱回収システムの基本設計と性能評価 （株）eスター（松下電器社内ベンチャー） • 課題名：「排熱回収用スターリングエンジンの開発」 • スターリングエンジンの開発と排熱回収用熱交換器に関する研究 東　海運（株） • 課題名：「運航実態の評価並びに実海域における実証実験」 • 運航実態の調査並びに評価

  4. ２．排熱利用スターリングエンジンの開発 スターリングエンジン 加熱と冷却を繰り返す外燃機関 2つのピストンと熱交換器で連続的な運転をさせている。 実用的な性能を得るために，高圧ヘリウムまたは水素を使用する。

  5. ●多段式スターリングエンジンの開発経緯 H17年度 システム設計 実験用エンジン １号機開発 H18年度 実験用エンジン ２号機開発 H19年度 実験用エンジン ３号機開発 制御システム開発 多段式スターリングエンジンのイメージ 実海域フィールド試験

  6. ●実験用スターリングエンジン１号機 仕様および目標性能 実験用スターリングエンジン（1号機）

  7. ●高性能化のためのエンジン構造 ●低温な熱源で作動させるために銅製ヒータを採用。（ただし，腐食対策が必要） ●無潤滑ピストンシールを保護するための直動機構。 銅製ヒータ（φ6×t1.0×64本） スコッチ・ヨーク機構

  8. ●実験用スターリングエンジン２号機 ●１号機の運転結果を踏まえて熱損失の低減を図った形状とした（基本構造に変更なし）。

  9. ●熱損失低減のためのエンジン構造 ●再生器内の圧力損失を50%低減（200W→100W）。 ●再生器ハウジングの薄肉化による熱伝導損失低減。 再生器ハウジングの強度解析結果

  10. ●実験用スターリングエンジン３号機 基本設計指針 ●作動空間の主要寸法は2号機と同じとし，ヒータ形状は変更しない。 ●低コスト化のために，機構部の基準面を変更（クランクケースの簡略化）。 ●フランジ部のボルト寸法・本数の見直し（メンテナンス性向上）。

  11. ●低コスト化のためのエンジン構造 ベースフランジ クランクブロック スコッチ・ヨーク機構 溶接式クランクケース ●クランクブロックは将来的に鋳物（アルミダイキャスト）をイメージした形状。 ●溶接構造とし，精度（垂直度，位置精度）が必要なのは2箇所。

  12. ●排熱利用スターリングエンジン

  13. ●制御システムの開発 ●排ガスの流量・温度の変動。 ●バッテリ充電終了時等の負荷変動。 ●バッテリ充電ラインとは別に制御回路（抵抗）を取り付ける。 排熱利用スターリングエンジンの制御システム【概念図】

  14. ●制御システム ●スターリングエンジンの回転数を自動制御して，安全に充電するシステムを開発。

  15. ３．排熱回収システムの性能特性 ディーゼルエンジン仕様 ディーゼルエンジン 実験条件 ●ディーゼルエンジンの回転数を420 rpm一定として，負荷を変化させて，排ガス温度を調整。 ●スターリングエンジンは上流から1100，1000，950 rpmで運転。

  16. ●発電出力 ●排ガス温度400℃において，2号機の発電出力は560W。 ●排ガス温度400℃において，全発電出力は1.3kW。

  17. ●熱効率 ●エンジン効率（取り入れた熱量に対する発電出力の割合）は6～8%。 ●排熱回収率（全排ガス熱量に対する発電出力の割合）は1.5%程度。

  18. ４．実海域におけるフィールド試験 セメント専用船『パシフィックシーガル』

  19. ●実海域におけるフィールド試験

  20. ●船舶への搭載 ディーゼルエンジン仕様

  21. ●フィールド試験（東京－函館航路） ●排ガス温度は330～370℃。 ●最高発電出力は700W程度。 ●充電量は530W程度。 ●約36時間の連続運転。 ●田子の浦ｰ大船渡航路にて，制御システムの動作確認。 ●大船渡-東京航路にて，最高発電出力900W。

  22. ５．排熱回収システムの実用化検討 実験用スターリングエンジンの運転時間（H20.5.24現在） ●3号機 陸上にて耐久試験中 単位：時間

  23. ●実用化のための技術課題 ●熱交換器の腐食対策，長寿命化 ●エンジンの耐久性能 フィールド試験終了後のヒータ 振動による配管の破損 ●多段式エンジンの最適化 ●安全性を踏まえたシステム開発 ●長期に安定したシールの開発 ●船舶の電力需要とのマッチング

  24. ●実用化のための開発フローチャート ●適切な目標設定，出力・コスト・寸法のバランスが取れたエンジン開発が重要である。 ●普及させるためには，導入コストと経済性のバランスを考える必要がある。 ●排熱回収電力を有効に利用できる電気推進船に適用。 ●量産による低コストかが期待できる陸上施設への適用。

  25. ６．まとめ • 内航船舶の運航実態や蓄電池技術について調査結果に基づき，排熱回収システムの基本設計を行った。 • 高性能化や低コスト化を考慮し，低温排熱で作動する3台の排熱利用スターリングエンジンを完成させた。 • 3台のスターリングエンジンを多段に配置し，400℃のディーゼルエンジン排ガスにより加熱することで，最大発電出力1.3kWを回収した。 • フィールド試験により36時間の連続発電運転を行うとともに，発電・充電から船内電力供給にまでの実証を行った。 • スターリングエンジン1号機～3号機は延べ3500時間程度の運転を行っており，エンジンの信頼性を高めるとともに，多くの知見が得られた。

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