新式地熱發電系統之「溫泉蒸氣發電」

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發展自然能源之水力、風力、地熱用渦輪發電機的新技術概要

株式會社Turbo Blade 林 正基

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渦輪設計工具介紹

自祖父時代展開的水力渦輪設計及製作當時的狀況

1927年製最早出現的水力渦輪水車型式：開放型橫軸法蘭西斯水車導向葉片可以手動改變皮帶傳動方式

○成為農村最常用的動力來源○農業生產力因採水力動力，而呈現飛躍式的成長○日本共興建了2萬座以上的小型水力動力廠

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橫軸前口型法蘭西斯水車

橫軸料管型法蘭西斯水車

縱軸螺旋漿水車

橫軸佩爾頓水車

初期的水力渦輪設計製作案例

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過去設計及製作的水力渦輪之種類與特徵

○以水力渦輪輸出功率500KW以下為主○利用自製水車設計軟體

進行高性能設計，達到高效率○追求低價結構，具優良經濟性○設法增加年發電輸出功率○主要的水車機種皆可設計○法蘭西斯水車數量最多

法蘭西斯水車設計軟體

回收海水能源350KW 利用隧道湧水的料管型30KW

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最近的小型水力設計主流為螺旋漿水車

○小型水力地點多半為低落差大流量○由於採可變間距，可增加年發電量○不易造成垃圾堵塞 重要

高落差用佩爾頓水車對向配置2噴嘴30KW 利用礦山湧水450KW地下發電廠

低落差作用螺旋漿水車

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最近的小型水力發電用新型水力渦輪之研究案例

採農業用水渠投入設置的方式超低落差用螺旋漿水車發電機 落差50cm以上即可

超低落差用螺旋漿水車水力發電裝置

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利用農業水渠落差的螺旋漿水車發電機25KW由於採可變轉速，可得到最大的年發電量

溫室

溫室耗電量5KW賣電20kw

保安燈

25kw水力發電設備

水車發電機

控制盤

保安燈城原地區水力發電廠概要圖

道之驛

水渠

九州電力

取水口

送電線

導水管

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利用農業用水渠既有落差工程之高效率外罩式水車發電機落差2m以下 輸出功率10KW以下

外罩式水車效率75％以上

不需進行落差工程改造低壓聯網

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虹吸式螺旋漿水車發電裝置

從農業用水渠的蓄水池中，利用虹吸式螺旋漿水車吸出水，再將水排放至下游的排水渠，利用其間僅1m落差的極低落差水力發電廠

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風力渦輪設計和解析技術的發展以及特殊的設計開發案例

○利用風力渦輪設計軟體實施許多風車設計及性能流體解析○風車設計輸出功率範圍：1KW～1000KW 可設計葉片數2～6片○在性能解析中，利用可變轉數、可變葉片間距等，取得性能線圖

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○實施風場多台風車的同步運轉性能解析○最多同時針對6台風車實施同步性能解析，計算各風車的發電輸出功率○在接近實際地形的地區設置風車，實施性能解析

風力渦輪設計和解析技術的發展以及特殊的設計開發案例

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風力渦輪設計和解析技術的發展以及特殊的設計開發案例

○設計集風型風力渦輪○利用結構物，將自然風集中在一處，再將高風速的風導入渦輪中○亦可透過小型風力渦輪，達到數百KW的發電輸出功率○已針對海外的發電廠進行渦輪設計，也製作了實機，目前正在測試運轉中

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利用地熱能的渦輪設計技術之發展緣由

利用噴出至地表的熱蒸氣，設計並製作地熱測量用感測器類的電源用1KW背壓式地熱蒸氣渦輪，此為最早的蒸氣渦輪設計

4段反轉式衝擊蒸氣渦輪 利用蒸氣噴氣的蒸氣渦輪發電測試

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利用引擎排氣能源的渦輪開發案例

利用引擎排氣熱產生的蒸氣之引擎能源回收型蒸氣渦輪的設計案例設計轉速每分鐘2萬～6萬共數個機種，配備在實機中進行測試

速度複式衝擊渦輪 壓力複式衝擊渦輪

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利用溫泉熱能的二元渦輪設計技術之發展

工廠排熱及溫泉熱發電用二元渦輪的開發設計與製作．實驗使用氨水介質的方式 縮小機體且設為高速運轉，以降低價格

部份性能測試結果（渦輪的性能評估）

渦輪發電機系統概略流程

工廠

燃料電池

汽電共生

自然能源

等的

低溫

熱源

控制

發電盤

聯網

冷卻塔蒸氣產生器

熱回收器

幫浦

幫浦

入口幫浦

電力系統

誘導發電機

減壓閥蒸氣及液體的隔離器

熱

凝縮器

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渦輪設計技術的特殊應用案例地幔挖掘用渦輪鑽孔設計

國家基礎技術國家專案針對深海鑽孔計畫用途目前正積極開發中溫度350℃可耐壓力2000氣壓以上，產生強大的輸出功率設計開發出多段液體渦輪為了配合5年後開始挖掘地幔的計畫，目前正積極執行開發計畫

今後亦將運用增壓鑽孔，進行甲烷水合物及稀有金屬的挖掘運用增壓鑽孔進行地熱挖掘

■研究瓦斯水合物的生成與衰變架構。

■到達人類未觸碰過的地幔，解析地殼深處的動態。

為了解析急速的氣候變遷和地震機制，探求地殼內生命和新資訊，

開發具全球頂尖深海挖掘能力的“地球深處探測船”，推動創造性的地球科學與生命科學。

地球深處探測船

藉由挖掘海底

■確立深海的先進技術。

■藉由分析海底堆積物，研究古老環境。

■探索地殼內生命。

■直接觀測地震發生地區。

水深2500m以上最終目標為4000m

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溫泉蒸氣發電實驗設備與溫泉井的熱水蒸氣狀態

熱水蒸氣溫泉井調查時的測量值壓力 約1.4氣壓溫度 80度訪談後取得的流量值

200L／分井尺寸100A

渦輪設計條件設定如下：

壓力 1.4氣壓溫度 115度流量 6L／分

只使用一小部份的熱水蒸氣

發電輸出功率設定為2KW左右

熱水蒸氣溫泉井第1次實驗時測量值壓力 約0.8氣壓溫度 115度

渦輪位置的熱水蒸氣狀態壓力 0.5氣壓溫度 115度流量只有蒸氣呈現極少量狀態只有熱水呈現每分鐘50L左右的狀態

熱水蒸氣渦輪發電機

配電盤燈具負載

50A配管

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蒸氣渦輪 熱水渦輪

同步發電機

減速皮帶

熱水蒸氣入口

熱水蒸氣噴射噴嘴

蒸氣真空幫浦驅動配管

噴射幫浦溫水出口

冷凝器冷卻水

冷凝器外殼

渦輪外殼

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地下源泉

熱水入口

蒸氣出口

冷凝器

最新的溫泉蒸氣發電機

發電

熱 水

熱水

熱水渦輪詳細圖

蒸氣渦輪詳細圖

溫泉井

溫泉

熱 水熱水出口

．全球首創的熱水渦輪高效率且機體小型

．2段式渦輪發電徹底回收能源

．簡單的發電裝置低價且容易運轉不易損壞

．將熱水能源的一半轉換為發電電力

熱水

可利用100℃以上的低溫熱水運轉之渦輪

利用劃時代的極低壓蒸氣運轉之渦輪

3號實驗機特徵入口至出口的

流動順暢且損失少

發電機

葉片

葉片

噴嘴

噴嘴

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溫泉蒸氣發電3號實驗機

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為了將全新地熱發電「溫泉蒸氣發電」推廣至全球各地，將持續展開促進實用化的研究

謝謝大家