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。
★2 kWで2日間の蓄電
★10 kW×10時間の利用
●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
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。
●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
実海域フィールド試験
多段式スターリングエンジンのイメージ
●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)
ピストン径
100 mm
ストローク(DP)
36 mm
ストローク(PP)
28 mm
作動ガス
ヘリウム
定格ガス圧力
3~4 MPa
定格ガス温度
280~300℃
定格回転数
1000 rpm
目標出力
500 W
ヒータ管材質
銅合金
再生器
SUS製積層金網
クーラ管材質
SUS304
発電機
誘導式
●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
●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)。
●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
●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)。
●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。
●排熱利用スターリングエンジン
●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】
●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。
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
型式
MU323DGSC
立型4サイクル
シリンダ数
3
シリンダ径
230 mm
ストローク
380 mm
定格出力
350 PS (257 kW)
定格回転数
420 rpm
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。
●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。
●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。
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』
●実海域におけるフィールド試験
●船舶への搭載
ディーゼルエンジン仕様
型式
S165L-UN X400kVA
立型4サイクル
シリンダ数
6
シリンダ径
230 mm
ストローク
380 mm
定格出力
353kW (480PS)
定格回転数
1200 rpm
●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。
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)
高温空気
運転
ディーゼル ディーゼル
排ガス運転 排ガス運転
(陸上)
(船上)
合計
1号機
780
101
91
972
2号機
830
63
83
976
3号機
1500
27
50
1577
●3号機
陸上にて耐久試験中
単位:時間
●実用化のための技術課題
●熱交換器の腐食対策,長寿命化
フィールド試験終了後のヒータ
●エンジンの耐久性能
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
●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。
6.まとめ
(1) 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。
(2) 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) 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。
(4) 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。
(5) 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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