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JP6685648B2 - 発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、供給される高温流体及び低温流体の温度差を利用して熱電素子により発電すると共に、高温流体及び低温流体の少なくとも一方を所定の温度に調節して排出する発電システムに関する。
ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を利用して発電システムを構成したものがある（例えば、特許文献１）。特許文献１では、熱伝導性を有する一対のプレートによって熱電素子を挟み込んでプレート状熱発電ユニットを形成し、プレート状熱発電ユニットを複数積層して、隣り合うプレート状熱発電ユニットの間に高温流体が流れる高温流体通路及び低温流体が流れる低温流体通路を形成している。このような発電システムは、発電プラントに組み込まれ、蒸気タービンを通過した後の水蒸気を高温流体として利用している。この発電システムは、プラントにおける排熱を利用して発電するため、プラント全体のエネルギー効率を高めることができる。
特開２００９−８１９７０号公報
熱電素子は、１つの素子当りの起電力が小さいため、多数の素子を直列接続して使用される。しかしながら、熱電素子の数を増やすと発電システムを通過する間に高温流体及び低温流体間の熱交換量が大きくなり、熱電素子に生じる温度差が小さくなる。熱電素子は、両端に生じる温度差の大きさに応じて起電力が変化するため、温度差が小さい状態で使用すると、１つの素子当りの発電効率が低下し、発電量に対する発電システムのコストが増加する。そのため、発電効率の観点からは、発電システムに含まれる熱電素子の数を減らして高温流体及び低温流体間の熱交換を抑制し、個々の熱電素子に生じる温度差を大きく維持することが好ましい。しかしながら、この場合には発電素子での熱交換量が小さくなるため、排出される高温流体の冷却又は低温流体の加熱、すなわち温度調節を十分に行うことができなくなる。
本発明は、以上の背景を鑑み、熱電素子を備えた発電システムにおいて、熱電素子当たりの発電効率を向上させると共に、排出される高温流体又は低温流体の温度調節を可能にすることを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は発電システム（１）であって、熱電素子（７Ａ、７Ｂ）を備えた発電モジュール（２）と、熱交換器（３）と、高温流体入口（４Ａ）及び高温流体出口（４Ｂ）を備え、前記高温流体入口及び前記高温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された高温流体通路（４）と、低温流体入口（５Ａ）及び低温流体出口（５Ｂ）を備え、前記低温流体入口及び前記低温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された低温流体通路（５）とを有し、前記低温流体通路は、前記発電モジュールを迂回する低温側バイパス通路（５Ｆ）と、前記発電モジュールに流入する低温流体の流量を調節する低温側流量調節弁（５０）とを有し、前記低温側流量調節弁は、前記発電モジュールを通過した直後の高温流体及び低温流体の温度差に基づいて開度が制御されることを特徴とする。
この構成によれば、発電モジュールにおける高温流体及び低温流体の温度差を維持するために両者の熱交換量を小さくする場合にも、発電モジュールの下流側に設けられた熱交換器によって高温流体を冷却し、又は低温流体を加熱して、発電システムの外部に排出することができる。すなわち、発電モジュールにおける高温流体及び低温流体の温度差を比較的大きく維持して各熱電素子における発電効率を向上させる場合にも、熱交換器において高温流体又は低温流体の温度を調節して発電システムの外部に排出することができる。そのため、本発明の発電システムは、各種プラントにおいて流体の冷却又は加熱が必要な部分に適用することができ、従来の熱交換システムに置換して使用することができる。また、本発明の発電システムは、従来の熱交換システムの上流側に発電モジュールを追加することによっても構築することができ、既存設備への適用が容易である。また、発電システムでは、発電モジュール及び熱交換器において共通の高温流体及び低温流体を使用するため、装置の構成を簡素にすることができる。また、高温流体及び低温流体は、熱交換器の前に発電モジュールに供給されるため、発電モジュールにおける高温流体及び低温流体の温度差を大きくすることができる。また、高温流体及び低温流体の流量や温度が変化する場合にも、発電モジュールに供給する低温流体の流量を調節して、発電モジュールの出口における高温流体及び低温流体の温度差を所定値以上に維持することができる。
上記の発明において、前記高温流体通路は、前記発電モジュールを迂回する高温側バイパス通路（４Ｆ）と、前記発電モジュールに流入する高温流体の流量を調節する高温側流量調節弁（５５）とを有し、前記高温側流量調節弁は、前記発電モジュールを通過した直後の高温流体及び低温流体の温度差に基づいて開度が制御されるとよい。
この構成によれば、高温流体及び低温流体の流量や温度が変化する場合にも、発電モジュールに供給する高温流体の流量を調節して、発電モジュールの出口における高温流体及び低温流体の温度差を所定値以上に維持することができる。
また、本発明の他の側面は、発電システム（１）であって、熱電素子（７Ａ、７Ｂ）を備えた発電モジュール（２）と、熱交換器（３）と、高温流体入口（４Ａ）及び高温流体出口（４Ｂ）を備え、前記高温流体入口及び前記高温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された高温流体通路（４）と、低温流体入口（５Ａ）及び低温流体出口（５Ｂ）を備え、前記低温流体入口及び前記低温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された低温流体通路（５）とを有し、前記高温流体通路は、前記発電モジュールを迂回する高温側バイパス通路（４Ｆ）と、前記発電モジュールに流入する高温流体の流量を調節する高温側流量調節弁（５５）とを有し、前記高温側流量調節弁は、前記発電モジュールを通過した直後の高温流体及び低温流体の温度差に基づいて開度が制御されることを特徴とする。
上記の発明において、前記高温側バイパス通路（４Ｇ）は、前記発電モジュール及び前記熱交換器を迂回してもよい。
この構成によれば、高温流体の温度が低い場合には、高温流体を発電モジュール及び熱交換器に通過させずに外部に排出することができる。
上記の発明において、前記高温流体通路における前記高温流体入口と前記発電モジュールとの間の部分に設けられ、高温流体の温度を調節する温度調節器（１４１、１５１）を更に有するとよい。
この構成によれば、発電モジュールに供給する高温流体の温度を調節することができる。これにより、過度に温度が高い高温流体が発電モジュールに供給されることが防止され、熱に伴う熱電素子の損傷が防止される。
上記の発明において、前記温度調節器（１５１）は、前記低温流体通路から分岐した分岐通路に接続され、前記分岐通路を介して供給される低温流体と、高温流体とを混合することによって高温流体の温度を調節するとよい。
この構成によれば、効率良く高温流体の温度を低下させることができる。例えば、高温流体及び低温流体が混合されても問題がない場合、例えば、高温流体及び低温流体が同種の流体である場合（共に水等の水溶液である場合）に適している。
上記の発明において、前記温度調節器（１４１）は、前記低温流体通路から分岐した分岐通路に接続され、前記分岐通路を介して供給される低温流体と、高温流体とを互いに混ざり合わない状態で熱交換させることによって高温流体の温度を調節するとよい。
この構成によれば、高温流体と低温流体との混合を避けつつ、高温流体の温度を低下させることができる。例えば、高温流体が炭化水素等の有機溶液であり、低温流体が水等の水溶液である場合に適している。
上記の発明において、前記低温流体出口における低温流体の温度が６０℃以下であるとよい。
この構成によれば、低温流体通路内の液温の上昇が抑制され、藻等の発生による低温流体通路の閉塞が抑制される。
上記の発明において、前記発電モジュールは、高温流体及び低温流体が前記熱電素子を挟んで対向流となるように形成されているとよい。
この構成によれば、発電モジュールの各部における高温流体と低温流体との温度差の分布が均質になり、熱電素子による発電の効率が向上する。
以上の構成によれば、発電効率が良く、従来の熱交換システムに置換可能な発電システムを提供することができる。
第１実施形態に係る発電システムを示すブロック図 第１実施形態に係る発電モジュールの分解斜視図 第１実施形態に係るプレートユニットの分解斜視図 第１実施形態に係る発電モジュールの断面図 第１実施形態に係る発電システムにおける温度変化を示す（Ａ）ブロック図、及び（Ｂ）グラフ 比較例に係る発電システムにおける温度変化を示す（Ａ）ブロック図、及び（Ｂ）グラフ 第２実施形態に係る発電システムを示すブロック図 第３実施形態に係る発電システムを示すブロック図 第４実施形態に係る発電システムを示すブロック図 第５実施形態に係る発電システムを示すブロック図 第６実施形態に係る発電システムを示すブロック図 第７実施形態に係る発電システムを示すブロック図 実施形態に係る発電システムを石油精製プラントに適用した例を示すブロック図 実施形態に係る発電システムを発電プラントに適用した例を示すブロック図 実施形態に係る発電システムをＬＮＧの再ガス化設備に適用した例を示すブロック図 実施形態に係る発電システムを反応装置に適用した例を示すブロック図 実施形態に係る発電システムを水素化芳香族化合物の脱水素反応設備に適用した例を示すブロック図
以下、図面を参照して、本発明に係る発電システムの実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１に示すように、発電システム１は、発電モジュール２と、熱交換器３と、発電モジュール２及び熱交換器３に接続された高温流体通路４及び低温流体通路５とを有する。高温流体通路４は、発電システム１への高温流体の流入口となる高温流体入口４Ａと、発電システム１からの高温流体の排出口となる高温流体出口４Ｂとを備え、高温流体入口４Ａ及び高温流体出口４Ｂの間において発電モジュール２及び熱交換器３に接続されている。低温流体通路５は、発電システム１への低温流体の流入口となる低温流体入口５Ａと、発電システム１からの低温流体の排出口となる低温流体出口５Ｂとを備え、低温流体入口５Ａ及び低温流体出口５Ｂの間において発電モジュール２及び熱交換器３に接続されている。
本実施形態では、高温流体通路４は、高温流体入口４Ａと発電モジュール２とを接続する通路４Ｃと、発電モジュール２と熱交換器３とを接続する通路４Ｄと、熱交換器３と高温流体出口４Ｂとを接続する通路４Ｅとを有する。すなわち、高温流体通路４は、発電モジュール２と熱交換器３とを直列に接続し、高温流体は発電モジュール２、熱交換器３の順に流れる。
本実施形態では、低温流体通路５は、低温流体入口５Ａと発電モジュール２とを接続する通路５Ｃと、発電モジュール２と熱交換器３とを接続する通路５Ｄと、熱交換器３と低温流体出口５Ｂとを接続する通路５Ｅとを有する。すなわち、低温流体通路５は、発電モジュール２と熱交換器３とを直列に接続し、低温流体は発電モジュール２、熱交換器３の順に流れる。また、低温流体通路５は、発電モジュール２を迂回するように通路５Ｃと通路５Ｄとに接続されたバイパス通路５Ｆを有する。
図３及び図４に示すように、発電モジュール２は、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子７Ａ、７Ｂを有している。本実施形態では、熱電素子７Ａは複数のｐ型半導体であり、熱電素子７Ｂは複数のｎ型半導体である。他の実施形態では、熱電素子７Ａ、７Ｂは金属から形成されてもよい。
熱電素子７Ａ、７Ｂは、複数個が組み合わされてサブユニット８を形成している。サブユニット８は、２枚のプレート９Ａ、９Ｂを有する。複数の熱電素子７Ａ、７Ｂは、２枚のプレート９Ａ、９Ｂの間に配置されている。プレート９Ａ、９Ｂは、熱伝導率が高い材料から形成されることが好ましい。複数の熱電素子７Ａ、７Ｂは、２枚のプレート９Ａ、９Ｂの間において各プレート９Ａ、９Ｂに沿うように平面状に配置される。熱電素子７Ａの一方のプレート９Ａ側に配置される端部は、隣り合う熱電素子７Ｂの一方のプレート９Ａ側に配置される端部と電極１３によって接続され、熱電素子７Ａの他方のプレート９Ｂ側に配置される端部は、他の隣り合う熱電素子７Ｂの他方のプレート９Ｂ側に配置される端部と電極１３によって接続されている。これにより、複数の熱電素子７Ａ、７Ｂは、一連の電気回路を形成する。各熱電素子７Ａ、７Ｂの接続方法は、直列や並列等、任意に選択することができる。本実施形態では、１つのプレートユニット１２に含まれる複数の熱電素子７Ａ、７Ｂは、互いに直列となるように接続され、電気回路の両端を形成する電極１３には、リード線１５が接続されている。
２枚のプレート９Ａ、９Ｂと電極１３との間、各電極１３間、各熱電素子７Ａ、７Ｂ間には絶縁体１６が設けられている。両プレート９Ａ、９Ｂの縁部は、リード線１５を引き出す部分を除いて互いに結合されている。両プレート９Ａ、９Ｂの結合方法は、例えば加圧接合法であってよい。
以上のように形成された複数のサブユニット８は、２枚のプレート１１Ａ、１１Ｂの間に配置され、両プレート１１Ａ、１１Ｂと共にプレートユニット１２を構成する。各サブユニット８は、各プレート９Ａ、９Ｂがプレート１１Ａ、１１Ｂと接触するように配置される。各サブユニット８は、それぞれのリード線１５が接続され、一連の電気回路を形成する。各サブユニット８の接続方法は、直列や並列等、任意に選択することができる。本実施形態では、各サブユニット８は、互いに直列となるように接続されている。両プレート１１Ａ、１１Ｂの縁部は、回路の端部に配置されたサブユニット８からのリード線１５を引き出す部分を除いて互いに結合されている。両プレート９Ａ、９Ｂの結合方法は、例えば加圧接合法であってよい。
本実施形態では、熱電素子７Ａ、７Ｂを組み合わせてサブユニット８とし、このサブユニット８を２枚のプレート１１Ａ、１１Ｂ間に配置したが、他の実施形態では、プレート９Ａ、９Ｂを省略し、プレート１１Ａ、１１Ｂの内側に絶縁体１６を介して熱電素子７Ａ、７Ｂを配置してもよい。
図２に示すように、両プレート１１Ａ、１１Ｂの互いに結合された上縁部には、両プレート１１Ａ、１１Ｂを厚み方向に貫通する第１孔２１及び第２孔２２が形成されている。同様に、両プレート１１Ａ、１１Ｂの互いに結合された下縁部には、両プレート１１Ａ、１１Ｂを厚み方向に貫通する第３孔２３及び第４孔２４が形成されている。第１〜第４孔２１〜２４は、両プレート１１Ａ、１１Ｂが互いに結合された部分に結合されているため、両プレート１１Ａ、１１Ｂ間の熱電素子７Ａ、７Ｂが配置された空間と隔離されている。他の実施形態では、両プレート１１Ａ、１１Ｂ間にガスケットを介装し、熱電素子７Ａ、７Ｂが配置された空間と、第１〜第４孔２１〜２４とを液密に区画してもよい。
発電モジュール２は、前後に積層された複数個のプレートユニット１２と、最も前側に配置されたプレートユニット１２の前側に配置された前端プレート２６と、最も後側に配置されたプレートユニット１２の後側に配置された後端プレート２７と、各プレートユニット１２の間、最も前側に配置されたプレートユニット１２と前端プレート２６の間、及び最も後側に配置されたプレートユニット１２と後端プレート２７の間に配置されたガスケット３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃとを有する。前端プレート２６の前側には前アウタプレート３１が配置され、後端プレート２７の後側には後アウタプレート３２が配置されている。前アウタプレート３１と後アウタプレート３２とは前後に延びる複数のタイロッド（図示省略）によって結合され、前端プレート２６、複数枚のプレートユニット１２、後端プレート２７、及び各ガスケット３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、前アウタプレート３１及び後アウタプレート３２によって前後方向から挟持されている。
前端プレート２６は、第１〜第４孔２１〜２４と対向する部分に、厚み方向に貫通する接続孔３５を有する。前アウタプレート３１は、第１孔２１と対向する部分に高温流体入口孔３６、第２孔２２と対向する部分に低温流体出口孔３７、第３孔２３と対向する部分に高温流体出口孔３８、第４孔２４と対向する部分に低温流体入口孔３９を有する。高温流体入口孔３６、低温流体出口孔３７、高温流体出口孔３８、及び低温流体入口孔３９は、前アウタプレート３１を厚み方向に貫通する。
ガスケット３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、第１〜第３ガスケット３０Ａ〜３０Ｃの３種類を含む。各プレートユニット１２を前側から昇順に第１、第２、...第ｎとする（本実施形態ではｎは奇数とする）。第１ガスケット３０Ａは、奇数番のプレートユニット１２の前面と、偶数番のプレートユニット１２の後面又は前端プレート２６の後面との間のそれぞれに介装されている。第２ガスケット３０Ｂは、奇数番のプレートユニット１２の後面と、偶数番のプレートユニット１２の前面又は後端プレート２７の前面との間のそれぞれに介装されている。第３ガスケット３０Ｃは、前アウタプレート３１の後面と前端プレート２６の前面との間に介装されている。
第１ガスケット３０Ａは、偶数番のプレートユニット１２の後面及び奇数番のプレートユニット１２の前面と共に、両プレートユニット１２の第２孔２２同士、及び第４孔２４同士をそれぞれ接続する低温接続通路４１Ｂと、両プレートユニット１２の両第１孔２１及び両第３孔２３の全てを接続する高温主通路４２Ａとを形成する。同様に、第１ガスケット３０Ａは、前端プレート２６の後面及び奇数番のプレートユニット１２の前面と共に、第２孔２２と第２孔２２に対向する接続孔３５、及び第４孔２４と第４孔２４に対向する接続孔３５をそれぞれ接続する低温接続通路４１Ｂと、第１孔２１、第３孔２３、第１孔２１と対向する接続孔３５、第３孔２３と対向する接続孔３５の全てを接続する高温主通路４２Ａとを形成する。高温主通路４２Ａは、プレートユニット１２の主面の大部分を覆うように形成される。
第２ガスケット３０Ｂは、奇数番のプレートユニット１２の後面及び偶数番のプレートユニット１２の前面と共に、両プレートユニット１２の第１孔２１同士、及び第３孔２３同士をそれぞれ接続する高温接続通路４２Ｂと、両プレートユニット１２の両第２孔２２及び両第４孔２４の全てを接続する低温主通路４１Ａとを形成する。また、第２ガスケット３０Ｂは、奇数番のプレートユニット１２の後面及び後端プレート２７の前面と共に、第２孔２２及び第４孔２４を接続する低温主通路４１Ａを形成し、第１孔２１及び第３孔２３を閉塞する。低温主通路４１Ａは、プレートユニット１２の主面の大部分を覆うように形成される。
第３ガスケット３０Ｃは、前アウタプレート３１の後面及び前端プレート２６と共に、高温流体入口孔３６及び高温流体出口孔３８とそれぞれ対向する接続孔３５と接続する高温接続通路４２Ｂと、低温流体入口孔３９及び低温流体出口孔３７とそれぞれ対向する接続孔３５と接続する低温接続通路４１Ｂとを形成する。
以上の構成により、高温流体入口孔３６と高温流体出口孔３８とは、高温接続通路４２Ｂ、第１孔２１、高温主通路４２Ａ、及び第３孔２３を介して互いに接続され、高温流体通路４の一部を構成する。同様に、低温流体入口孔３９と低温流体出口孔３７とは、低温接続通路４１Ｂ、第４孔２４、低温主通路４１Ａ、及び第２孔２２を介して互いに接続され、低温流体通路５の一部を構成する。また、各プレートユニット１２の前面及び後面の一方には高温流体通路４が配置され、他方には低温流体通路５が配置される。高温流体通路４を流れる高温流体はプレートユニット１２の一側面を上から下に流れ（図２中の白抜き矢印参照）、低温流体通路５を流れる低温流体はプレートユニット１２の他側面を下から上に流れ（図２中の黒色矢印参照）、高温流体と低温流体とはプレートユニット１２を介して対向流となる。
熱交換器３は、高温流体が流れる通路と、低温流体が流れる通路とを有し、高温流体と低温流体との間で熱交換させる。熱交換器３は、例えばプレート式熱交換器やスパイラル式熱交換器等の公知の熱交換器３であってよい。高温流体が流れる通路と低温流体が流れる通路とは、高温流体及び低温流体が対向流となるように配置されている。
発電モジュール２の高温流体入口孔３６は通路４Ｃに接続され、高温流体出口孔３８は通路４Ｄに接続され、低温流体入口孔３９は通路５Ｃに接続され、低温流体出口孔３７は通路５Ｄに接続されている。
バイパス通路５Ｆには、流量調節弁５０が設けられている。流量調節弁５０は、開閉することによって、バイパス通路５Ｆを流れる低温流体の流量を調節する。すなわち、流量調節弁５０は、開閉することによって、発電モジュール２に流入する低温流体の流量を調節する。
高温流体通路４の通路４Ｄにおける発電モジュール２の出口部分には、高温側温度センサ５１が設けられ、低温流体通路５の通路５Ｄにおける発電モジュール２の出口部分には、低温側温度センサ５２が設けられている。なお、低温側温度センサ５２は、通路５Ｄにおいて、バイパス通路５Ｆの下流端が接続された部分よりも上流側の部分に設けられている。また、発電システム１は、流量調節弁５０を制御する制御装置（不図示）を有する。制御装置には、高温側温度センサ５１及び低温側温度センサ５２の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて、発電モジュール２の出口における高温流体と低温流体との温度差ΔＴを算出する。そして、制御装置は、算出した温度差ΔＴに基づいて流量調節弁５０の目標開度を設定し、流量調節弁５０を開閉制御する。制御装置５３は、例えば温度差ΔＴが所定の閾値以上の場合に流量調節弁５０を閉じ、温度差ΔＴが閾値より小さい場合に温度差ΔＴが小さくなるほど開度が大きくなるように流量調節弁５０を制御する。
発電モジュール２において、高温流体がプレートユニット１２の一側面側を流れ、低温流体がプレートユニット１２の他側面側を流れると、プレートユニット１２内の熱電素子７Ａ、７Ｂの一側面側の端部が他側面側の端部に対して高温になり、熱電素子７Ａ、７Ｂに温度差が生じる。これにより、ゼーベック効果によって熱電素子７Ａ、７Ｂに起電力が発生する。熱電素子７Ａ、７Ｂが発生する起電力は、熱電素子７Ａ、７Ｂに生じる温度差に比例する。
図５に示すように、発電システム１における、発電システム１の入口（高温流体入口孔３６）における高温流体の温度をＴ１ｉｎ、発電モジュール２の出口（高温流体出口孔３８、熱交換器３の入口）における高温流体の温度をＴ１ｘ、発電システム１の出口（熱交換器３の出口）における高温流体の温度をＴ１ｏｕｔ、発電システム１の入口（低温流体入口孔３９）における低温流体の温度をＴ２ｉｎ、発電モジュール２の出口（低温流体出口孔３７、熱交換器３の入口）における低温流体の温度をＴ２ｘ、発電システム１の出口（熱交換器３の出口）における低温流体の温度をＴ２ｏｕｔとする。
発電モジュール２の出口における高温流体及び低温流体の温度差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ１ｘ−Ｔ２ｘ）は、所定値以上となるように設定されている。温度差ΔＴは、３０℃以上、好ましくは５０℃以上に設定されている。温度差ΔＴは、高温流体及び低温流体の温度及び流量によって変化させることができる。
発電システム１では、発電モジュール２において高温流体が失う熱量がＱｇ、熱交換器３において高温流体が失う熱量がＱｃとなり、システム全体で高温流体が失う熱量がＱ０（＝Ｑｇ＋Ｑｃ）となる。発電モジュール２において高温流体が失う熱量Ｑｇは、熱伝導によって低温流体が受け取る熱量Ｑ１、熱伝導によって熱電素子７Ａ、７Ｂに加わり、電気に変換される熱量Ｑ２、熱電素子７Ａ、７Ｂに電流が流れることによって発生するジュール熱Ｑ３、及び発電モジュール２から放熱される熱量Ｑ４の総和となる。低温流体の昇温に寄与する熱量Ｑ５は、熱伝導によって低温流体が受け取る熱量Ｑ１及びジュール熱Ｑ３の合計値である。低温流体が受け取る熱量Ｑ５（＝Ｑ１＋Ｑ３）は、低温流体の発電モジュール２における入口温度Ｔ２ｉｎ及び出口温度Ｔ２ｘを測定することによって得ることができる。本実施形態では、発電モジュール２における発電効率η（％）は、低温流体が受け取る熱量Ｑ５を基準として、η＝Ｑ２／（Ｑ５＋Ｑ２）と定義する。
図６に、本実施形態に係る発電システム１の比較例として、熱交換器３を省略し、発電モジュール２のみとした発電システム１を示す。比較例に係る発電システム１の入口における高温流体及び低温流体の温度、発電システム１の出口における高温流体及び低温流体の温度を本実施形態に係る発電システム１の温度Ｔ１ｉｎ、Ｔ２ｉｎ、Ｔ１ｏｕｔ、Ｔ２ｏｕｔと同じ値とする。この場合、比較例に係る発電システム１では、高温流体及び低温流体の発電モジュール２の出口における温度差ΔＴ２（Ｔ１ｏｕｔ−Ｔ２ｏｕｔ）となる。本実施形態に係る発電システム１での発電モジュール２の出口における温度差ΔＴは、比較例に係る発電モジュール２の出口における温度差ΔＴ２よりも大きくなるため、１つの熱電素子７Ａ、７Ｂ当りの発電量が増加する。また、本実施形態に係る発電モジュール２の出口における低温流体の温度Ｔ２ｘは、比較例に係る発電モジュール２の出口における低温流体の温度Ｔ２ｏｕｔよりも低くなり、低温流体が受け取る熱量Ｑ５が小さくなるため、本実施形態に係る発電システム１は比較例よりも発電効率が向上する。
第１実施形態に係る発電システム１は、発電モジュール２の下流側に熱交換器３を有するため、発電モジュール２における高温流体と低温流体との温度差を大きく維持しつつ、発電システム１の出口における高温流体の温度を所定値以下まで低下させることができる。そのため、プラント等において、従来、熱交換器３のみが使用されていた場所に、本実施形態に係る発電システム１を置換することができる。また、プラント等において、従来、熱交換器３のみが使用されていた場所の上流側に熱電モジュールを追加することによって、本実施形態に係る発電システム１を形成することができる。
また、発電モジュール２の出口における高温流体と低温流体との温度差ΔＴに基づいて流量調節弁５０が制御され、発電モジュール２を通過する低温流体の流量が制御されるため、発電モジュール２の出口における高温流体と低温流体との温度差ΔＴが所定の閾値以上に維持され、熱電素子７Ａ、７Ｂが効率の良い状態で発電を行う。これにより、発電システム１に流入する高温流体及び低温流体の温度及び流量が変動する場合にも、発電モジュール２は効率の良い状態で発電を行うことができる。
以下の第２〜第７実施形態に係る発電システムは、第１実施形態に係る発電システム１と比較して、高温流体通路及び低温流体通路の構成が異なる。第２〜第７実施形態に係る発電システムの構成のうち、第１実施形態に係る発電システム１と同様のものは、同一の符号を付して説明を省略する。
（第２実施形態）
図７に示すように、第２実施形態に係る発電システム１００は、第１実施形態に係る発電システム１と比べて、高温流体通路４が発電モジュール２を迂回するように通路４Ｃと通路４Ｄとに接続されたバイパス通路４Ｆを有する点が異なる。また、発電システム１００の低温流体通路５において、バイパス通路５Ｆ及び流量調節弁５０が省略されている点が異なる。
バイパス通路４Ｆには、流量調節弁５５が設けられている。流量調節弁５５は、開閉することによって、バイパス通路４Ｆを流れる高温流体の流量を調節する。すなわち、流量調節弁５５は、開閉することによって、発電モジュール２に流入する高温流体の流量を調節する。流量調節弁５５は、制御装置によって、発電モジュール２の出口における高温流体と低温流体との温度差ΔＴに基づいて制御される。
発電システム１００は、発電システム１００に流入する高温流体及び低温流体の温度及び流量が変動する場合にも、流量調節弁５５によって発電モジュール２に供給する高温流体の流量を調節することができる。これにより、発電モジュール２の出口における高温流体と低温流体との温度差ΔＴが所定の値に維持され、発電モジュール２は効率の良い状態で発電を行うことができる。
（第３実施形態）
図８に示すように、第３実施形態に係る発電システム１１０は、第１実施形態に係る発電システム１と比べて、高温流体通路４が、発電モジュール２を迂回するように通路４Ｃと通路４Ｄとに接続されたバイパス通路４Ｆを有する点が異なる。バイパス通路４Ｆには流量調節弁５５が設けられている。流量調節弁５０は、制御装置によって、発電モジュール２の出口における高温流体と低温流体との温度差ΔＴに基づいて制御される。
発電システム１１０は、発電システム１１０に流入する高温流体及び低温流体の温度及び流量が変動する場合にも、流量調節弁５０、５５によって発電モジュール２に供給する高温流体及び低温流体の流量を調節することができる。
（第４実施形態）
図９に示すように、第４実施形態に係る発電システム１２０は、第１実施形態に係る発電システム１と比べて、高温流体通路４が発電モジュール２及び熱交換器３を迂回するように通路４Ｃと通路４Ｅとに接続されたバイパス通路４Ｇを有する点が異なる。バイパス通路４Ｇには、流量調節弁５５が設けられている。流量調節弁５５は、開閉することによって、バイパス通路４Ｆを流れる高温流体の流量を調節する。流量調節弁５５は、制御装置によって、発電モジュール２の出口における高温流体と低温流体との温度差ΔＴに基づいて制御される。
（第５実施形態）
図１０に示すように、第５実施形態に係る発電システム１３０は、第１実施形態に係る発電システム１と比べて、高温流体通路４及び低温流体通路５のそれぞれが、発電モジュール２及び熱交換器３を並列に接続している点が異なる。高温流体通路４は、高温流体入口４Ａと発電モジュール２とを接続する通路４Ｈと、発電モジュール２と高温流体出口４Ｂとを接続する通路４Ｊと、通路４Ｈと熱交換器３とを接続する通路４Ｋと、熱交換器３と通路４Ｊとを接続する通路４Ｌとを有する。通路４Ｋ、熱交換器３、及び通路４Ｌは、発電モジュール２を迂回する一連のバイパス通路を構成する。通路４Ｈの通路４Ｋが接続された部分よりも下流側（発電モジュール２側）の部分には、流量調節弁１３１が設けられている。通路４Ｊの通路４Ｌが接続された部分よりも上流側（発電モジュール２側）の部分には、高温側温度センサ５１が設けられている。
低温流体通路５は、低温流体入口５Ａと発電モジュール２とを接続する通路５Ｈと、発電モジュール２と低温流体出口５Ｂとを接続する通路５Ｊと、通路５Ｈと熱交換器３とを接続する通路５Ｋと、熱交換器３と通路５Ｊとを接続する通路５Ｌとを有する。通路５Ｋ、熱交換器３、及び通路５Ｌは、発電モジュール２を迂回する一連のバイパス通路を構成する。通路５Ｋには、流量調節弁１３２が設けられている。通路５Ｊの通路５Ｌが接続された部分よりも上流側（発電モジュール２側）の部分には、低温側温度センサ５２が設けられている。流量調節弁１３１、１３２は、制御装置によって、発電モジュール２の出口における高温流体と低温流体との温度差ΔＴに基づいて制御される。
（第６実施形態）
図１１に示すように、第６実施形態に係る発電システム１４０は、第１実施形態に係る発電システム１と比べて、高温流体通路４の通路４Ｃに温度調節器１４１が設けられている点が異なる。温度調節器１４１は、発電システム１４０に供給された高温流体を発電モジュール２に適した温度に調節する装置である。第６実施形態では、温度調節器１４１は、公知の対向流式の熱交換器であり、高温流体入口４Ａに供給された高温流体と、低温流体入口５Ａに供給された低温流体とが互いに混ざり合わない態様で熱交換させる。
温度調節器１４１は、高温流体通路４の通路４Ｃの上流側部分をなす通路４Ｃ１によって高温流体入口４Ａと接続され、通路４Ｃの下流側部分をなす通路４Ｃ２によって発電モジュール２と接続されている。また、低温流体通路５の通路５Ｄの上流側部分をなす通路５Ｄ１によって発電モジュール２と接続され、通路５Ｄの下流側部分をなす通路５Ｄ２によって熱交換器３と接続されている。通路５Ｃと通路５Ｄ１とは、発電モジュール２を迂回するバイパス通路５Ｄ３によって互いに接続されている。バイパス通路５Ｄ３には、発電モジュール２に流入する低温流体の流量を変化させる流量調節弁１４２が設けられている。
通路４Ｃ２の発電モジュール２の入口部分には、発電モジュール２に流入する高温流体の温度を検出する入口温度センサ１４３が設けられている。発電システム１４０の制御装置は、入口温度センサ１４３の検出信号に基づいて流量調節弁１４２を制御する。制御装置は、例えば、発電モジュール２に流入する高温流体の温度が所定値以上の場合に、流量調節弁１４２を開き、温度が高くなるほど開度を大きくする。
発電モジュール２の熱電素子７Ａ、７Ｂは、使用温度域を超えた過度な高温に曝された場合に変形や損傷する虞があるが、発電システム１４０では発電モジュール２に流入する高温流体の温度が温度調節器１４１によって制御されるため、熱電素子７Ａ、７Ｂの損傷が防止される。温度調節器１４１による冷却は、高温流体が例えばサーマルオイルや炭化水素等の蒸気、高温スチーム等である場合に適用される。
（第７実施形態）
図１２に示すように、第７実施形態に係る発電システム１５０は、第６実施形態に係る発電システム１４０と比べて、温度調節器１５１の構成、及び通路５Ｃの構成が異なる。通路５Ｃは、低温流体入口５Ａと発電モジュール２とを接続する通路５Ｃ１と、通路５Ｃ１と温度調節器１５１とを接続する通路５Ｃ２とを有する。通路５Ｃ２には、温度調節器１４１に流入する低温流体の流量を変化させる流量調節弁１５２が設けられている。温度調節器１５１は、通路５Ｃ２によって供給される低温流体を、通路４Ｃ１から通路４Ｃ２に流れる高温流体に混合して、高温流体を冷却する。発電システム１５０の制御装置は、入口温度センサ１４３の検出信号に基づいて流量調節弁１５２を制御する。なお、本実施形態は、高温流体及び低温流体が混合可能な場合に適用することができ、例えば、高温流体がスチーム、低温流体が水である場合等に用いることができる。
次に、以上の第１〜第７実施形態の発電システムの各種プラントへの適用例について説明する。以下の例では、第１実施形態に係る発電システム１を適用した例を示すが、第２〜第７実施形態に係る発電システム１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０も同様に適用することができる。
（石油精製プラントへの適用例）
図１３に示すように、石油精製プラント２００は、原油を加熱する加熱炉２０１と、加熱炉２０１において加熱された原油を蒸留する蒸留装置２０２（蒸留塔）とを有する。発電システム１は、蒸留装置２０２の下流側に設けられ、蒸留装置２０２において分離された原油中の任意の成分（例えば、重油、軽油、灯油、ガソリン等）を冷却する熱交換器として使用される。発電システム１の高温流体入口４Ａは、蒸留装置２０２において蒸留された任意の成分が流れる通路に接続され、発電システム１の低温流体入口５Ａは冷却水通路に接続される。蒸留装置２０２を通過して分離された任意の成分は、発電システム１を通過することによって冷却され、発電システム１は任意の成分が有する熱量の一部を利用して発電を行う。
また、発電システム１の低温流体入口５Ａは冷却水通路に代えて、加熱炉２０１に送られる前の原油が流れる通路に接続されてもよい。この場合、発電システム１において、蒸留装置２０２を通過した任意の成分が有する熱量を利用して原油が加熱されるため、石油精製プラント２００におけるエネルギー効率が向上する。
また、加熱炉２０１又は原油が流れる通路上に、電力によって加熱を行う加熱装置２０３を設け、この加熱装置２０３に発電システム１によって発電された電力を供給する。加熱装置２０３は、例えば抵抗加熱を利用した加熱装置であってよい。この構成によれば、石油精製プラント２００におけるエネルギー効率が向上する。なお、他の実施形態では、電力によって加熱を行う加熱装置２０３に代えて、熱交換器や燃料燃焼によって加熱を行う加熱器等を適用してもよい。
（発電プラントへの適用例）
図１４に示すように、発電プラント３００は、水を加熱し、蒸気を生成するボイラー３０１と、ボイラー３０１で生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン３０２と、蒸気タービン３０２によって駆動される発電機３０３と、蒸気タービン３０２を通過した蒸気を冷却し、凝縮する復水器３０４とを有する。本実施形態に係る発電システム１は、蒸気タービン３０２と復水器３０４との間に設けられ、蒸気を冷却する熱交換器として使用される。発電システム１の高温流体入口４Ａは、蒸気タービン３０２を通過した蒸気が流れる通路に接続され、発電システム１の低温流体入口５Ａは復水器３０４と共通の冷却水通路に接続される。すなわち、蒸気タービン３０２を通過した蒸気を高温流体として使用し、復水器３０４に使用する冷却水を低温流体として使用する。冷却水は、例えば海水であってよい。蒸気タービン３０２を通過した蒸気は、発電システム１を通過することによって冷却され、発電システム１は蒸気が有する熱量の一部を利用して発電を行う。発電システムは、通常であれば復水器３０４において捨てられる蒸気の熱量を利用して発電を行うため、発電プラント３００のエネルギー効率を向上させることができる。
（ＬＮＧの再ガス化設備への適用例）
図１５に示すように、ＬＮＧの再ガス化設備４００は、ＬＮＧを貯留するＬＮＧタンク４０１と、ＬＮＧを気化する海水気化器４０２とを有する。海水気化器４０２は、海水とＬＮＧとを熱交換させ、海水の熱によってＬＮＧを気化させる装置である。本実施形態に係る発電システム１は、ＬＮＧタンク４０１と海水気化器４０２との間に設けられ、ＬＮＧを昇温する熱交換器３として使用される。発電システム１の高温流体入口４Ａは海水気化器４０２と共通の海水通路に接続され、発電システム１の低温流体入口５ＡはＬＮＧタンク４０１からのＬＮＧが流れる通路に接続される。すなわち、海水を高温流体として使用し、ＬＮＧを低温流体として使用する。ＬＮＧは、発電システム１を通過することによって昇温され、発電システム１は海水とＬＮＧとの温度差を利用して発電を行う。
（反応設備への適用例）
図１６に示すように、反応設備５００は、各種原料を反応させて生成物を生成する設備である。反応設備５００は、原料タンク５０１、加熱器５０２、反応器５０３を有する。発電システム１は、反応設備５００を有する石油化学工業、天然ガス化学工業、石炭化学工業、高分子化学工業等の各種化学工業プラントに適用することができる。
原料タンク５０１は、原料を貯留するタンクである。加熱器５０２は、原料タンク５０１から反応器５０３に供給される原料を加熱する。加熱器５０２は、例えば、電気ヒータや熱交換器等である。また、反応器５０３は、発熱反応又は吸熱反応を行う容器である。
本実施形態に係る発電システム１は、反応器５０３の下流側に設けられ、反応器５０３において生成された生成物を冷却する熱交換器として使用される。発電システム１の高温流体入口４Ａは反応器５０３の出口に接続され、発電システム１の低温流体入口５Ａは冷却水通路に接続される。生成物は、発電システム１を通過することによって冷却される。発電システム１は、生成物と冷却水との温度差を利用して発電を行う。一例として加熱器５０２が電気ヒータである場合、発電システム１が発電した電力は、加熱器５０２に供給され、原料を加熱するために使用される。
（脱水素反応設備への適用例）
図１７に示すように、脱水素反応設備６００は、水素化芳香族化合物から水素と芳香族化合物とを生成する設備である。水素化芳香族化合物には、例えばベンゼンやトルエン、ナフタレン等が含まれ、芳香族化合物にはシクロヘキサンやメチルシクロヘキサン、テトラリン等が含まれる。脱水素反応設備６００は、水素化芳香族化合物タンク６０１、加熱器６０２、脱水素反応器６０３、気液分離装置６０４、水素タンク６０５、芳香族化合物タンク６０６を有する。
水素化芳香族化合物タンク６０１は、原料である水素化芳香族化合物を貯留するタンクである。加熱器６０２は、水素化芳香族化合物タンク６０１から脱水素反応器６０３に供給される水素化芳香族化合物を加熱する。加熱器６０２は、例えば、電気ヒータや熱交換器等である。脱水素反応器６０３は、水素化芳香族化合物を水素と芳香族化合物とに分離する脱水素触媒が充填された反応容器である。加熱器６０２で加熱された水素化芳香族化合物は、脱水素反応器６０３で分解され、水素と芳香族化合物との混合物として気液分離装置６０４に送られる。気液分離装置６０４は、気体である水素と、液体である芳香族化合物とを分離する。気液分離装置６０４によって分離された水素は水素タンク６０５に貯留され、芳香族化合物は芳香族化合物タンク６０６に貯留される。
本実施形態に係る発電システム１は、脱水素反応器６０３と気液分離装置６０４との間に設けられ、脱水素反応器６０３において生成された水素及び芳香族化合物を冷却する熱交換器として使用される。発電システム１の高温流体入口４Ａは脱水素反応器６０３の出口に接続され、発電システム１の低温流体入口５Ａは冷却水通路に接続される。水素及び芳香族化合物は、発電システム１を通過することによって冷却され、気体の芳香族化合物が凝縮される。発電システム１は、水素及び芳香族化合物と冷却水との温度差を利用して発電を行う。一例として加熱器６０２が電気ヒータである場合、発電システム１が発電した電力は、加熱器６０２に供給され、水素化芳香族化合物を加熱するために使用される。
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記の各実施形態では、流量調節弁（５０、６０等）は、制御装置によって、発電モジュール２の出口における高温流体と低温流体との温度差ΔＴに基づいて制御される構成としたが、これに加えて発電モジュール２の出口における低温流体の温度が６０℃以下となるように制御されてもよい。この場合、低温流体通路５における液体の温度上昇が抑制され、藻の発生が抑制される。
１，１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０...発電システム、２...発電モジュール、３...熱交換器、４...高温流体通路、４Ａ...高温流体入口、４Ｂ...高温流体出口、４Ｆ，４Ｇ...バイパス通路、５...低温流体通路、５Ａ...低温流体入口、５Ｂ...低温流体出口、５Ｆ...バイパス通路、７Ａ...熱電素子、７Ｂ...熱電素子、１１...プレート、１２...プレートユニット、１３...電極、１５...リード線、１６...絶縁体、３０...ガスケット、５０，５５，１４２，１５２...流量調節弁、５１...高温側温度センサ、５２...低温側温度センサ、１４１，１５１...温度調節器、１４３...入口温度センサ、２００...石油精製プラント、２０１...加熱炉、２０２...蒸留装置、２０３...加熱装置、３００...発電プラント、３０１...ボイラー、３０２...蒸気タービン、３０３...発電機、３０４...復水器、４００...再ガス化設備、４０１...ＬＮＧタンク、４０２...海水気化器、６００...脱水素反応設備、６０１...水素化芳香族化合物タンク、５０１...原料タンク、５０２...加熱器、５０３...反応器、６０２...加熱器、６０３...脱水素反応器、６０４...気液分離装置、６０５...水素タンク、６０６...芳香族化合物タンク

Claims (11)

  1. 熱電素子を備えた発電モジュールと、熱交換器と、高温流体入口及び高温流体出口を備え、前記高温流体入口及び前記高温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された高温流体通路と、低温流体入口及び低温流体出口を備え、前記低温流体入口及び前記低温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された低温流体通路とを有する発電システムであって、
    前記高温流体入口は、石油精製プラントの原油を蒸留する蒸留装置において蒸留された所定の成分が流れる通路に接続され、
    前記低温流体入口は、冷却水通路または前記石油精製プラントの原油を加熱する加熱炉に送られる前の原油が流れる通路に接続され、
    前記低温流体通路は、前記発電モジュールを迂回する低温側バイパス通路と、前記低温側バイパス通路に配置され、前記低温側バイパス通路に流入する低温流体の流量を調節する低温側流量調節弁とを有し、
    前記低温側流量調節弁は、前記発電モジュールを通過した直後の高温流体及び低温流体の温度差が所定の閾値以上の場合に閉じられ、前記温度差が閾値より小さい場合に前記温度差が小さくなるほど開度が大きくなるように制御されることを特徴とする発電システム。
  2. 前記発電システムによって発電された電力が、前記原油を加熱するために前記加熱炉に供給されることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  3. 熱電素子を備えた発電モジュールと、熱交換器と、高温流体入口及び高温流体出口を備え、前記高温流体入口及び前記高温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された高温流体通路と、低温流体入口及び低温流体出口を備え、前記低温流体入口及び前記低温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された低温流体通路とを有する発電システムであって、
    前記高温流体入口及び前記高温流体出口は、ＬＮＧの再ガス化設備のＬＮＧを気化する海水気化器に海水を供給する海水通路に接続され、
    前記低温流体入口及び前記低温流体出口は、ＬＮＧタンクから前記海水気化器にＬＮＧを供給する通路に接続され、
    前記低温流体通路は、前記発電モジュールを迂回する低温側バイパス通路と、前記低温側バイパス通路に配置され、前記低温側バイパス通路に流入する低温流体の流量を調節する低温側流量調節弁とを有し、
    前記低温側流量調節弁は、前記発電モジュールを通過した直後の高温流体及び低温流体の温度差が所定の閾値以上の場合に閉じられ、前記温度差が閾値より小さい場合に前記温度差が小さくなるほど開度が大きくなるように制御されることを特徴とする発電システム。
  4. 熱電素子を備えた発電モジュールと、熱交換器と、高温流体入口及び高温流体出口を備え、前記高温流体入口及び前記高温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された高温流体通路と、低温流体入口及び低温流体出口を備え、前記低温流体入口及び前記低温流体出口の間において前記発電モジュール及び前記熱交換器に接続された低温流体通路とを有する発電システムであって、
    前記高温流体入口は、水素化芳香族化合物から水素と芳香族化合物とを生成する脱水素反応を行なう脱水素反応器の出口に接続され、
    前記低温流体入口は冷却水通路に接続され、
    前記低温流体通路は、前記発電モジュールを迂回する低温側バイパス通路と、前記低温側バイパス通路に配置され、前記低温側バイパス通路に流入する低温流体の流量を調節する低温側流量調節弁とを有し、
    前記低温側流量調節弁は、前記発電モジュールを通過した直後の高温流体及び低温流体の温度差が所定の閾値以上の場合に閉じられ、前記温度差が閾値より小さい場合に前記温度差が小さくなるほど開度が大きくなるように制御されることを特徴とする発電システム。
  5. 前記高温流体通路は、前記発電モジュールを迂回する高温側バイパス通路と、前記発電モジュールに流入する高温流体の流量を調節する高温側流量調節弁とを有し、
    前記高温側流量調節弁は、前記発電モジュールを通過した直後の高温流体及び低温流体の温度差に基づいて開度が制御されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の発電システム。
  6. 前記高温側バイパス通路は、前記発電モジュール及び前記熱交換器を迂回することを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
  7. 前記高温流体通路における前記高温流体入口と前記発電モジュールとの間の部分に設けられ、高温流体の温度を調節する温度調節器を更に有することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つの項に記載の発電システム。
  8. 前記温度調節器は、前記低温流体通路から分岐した分岐通路に接続され、前記分岐通路を介して供給される低温流体と、高温流体とを混合することによって高温流体の温度を調節することを特徴とする請求項７に記載の発電システム。
  9. 前記温度調節器は、前記低温流体通路から分岐した分岐通路に接続され、前記分岐通路を介して供給される低温流体と、高温流体とを互いに混ざり合わない状態で熱交換させることによって高温流体の温度を調節することを特徴とする請求項７に記載の発電システム。
  10. 前記低温流体出口における低温流体の温度が６０℃以下であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つの項に記載の発電システム。
  11. 前記発電モジュールは、高温流体及び低温流体が前記熱電素子を挟んで対向流となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つの項に記載の発電システム。
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