(57)【要約】  本発明の目的は、圧縮機の中間冷却によるエネルギーの系外への放出を低減し、太陽熱を有効に利用できる太陽熱利用ガスタービンシステムを提供することにある。  空気を圧縮する圧縮機１と、該前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器２と、該燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動されるタービン４と、前記圧縮機の吸気に微細液滴を噴霧する液スプレー１１と、前記圧縮機で圧縮された空気を太陽熱により加熱する空気加熱器３とを備えたことを特徴とする太陽熱利用ガスタービンシステム。
2012114367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、該前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気に微細液滴を噴霧する噴霧装置と、前記圧縮機で圧縮された空気を太陽熱により加熱する空気加熱器とを備えたことを特徴とする太陽熱利用ガスタービンシステム。
【請求項２】
前記噴霧装置は、前記圧縮機に導入されるまでの間に噴霧された液滴の一部を気化させ、前記空気と共に前記圧縮機内に導入された未気化の液滴を前記圧縮機内を流下中に気化させることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用ガスタービンシステム。
【請求項３】
ガスタービン排ガスから排熱を回収する排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで発生した蒸気により駆動される蒸気タービンとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用ガスタービンシステム。
【請求項４】
前記圧縮機を低圧段と高圧段に分割し、その間に中間冷却部を設け、該中間冷却部に液滴を噴霧する第２の噴霧装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用ガスタービンシステム。
【請求項５】
ガスタービンの系外の排熱を回収する廃熱回収部を備え、該廃熱回収部で加熱された媒体を太陽熱で更に加熱して前記空気加熱器に供給することを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用ガスタービンシステム。
【請求項６】
前記空気加熱器は、廃熱回収部で加熱された媒体と、前記廃熱回収部と太陽熱とで加熱された媒体とが切替えて供給されることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用ガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気を太陽熱で加熱する太陽熱利用ガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用電力を支える発電プラントのひとつに天然ガスや石油などの化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントがある。このガスタービン発電プラントは化石資源を燃料とするため、地球温暖化物質のひとつである二酸化炭素（ＣＯ2）の排出量をできる限り抑制することが求められている。ガスタービン発電システムの熱サイクルは基本的にBraitonサイクルに従い、熱効率は空気の圧縮比によって決まる。【０００３】
もし圧縮空気を太陽熱で加熱できるなら、高い熱効率により太陽熱の有効利用を期待できる。一方、圧縮過程では断熱圧縮により空気温度が増加する。空気温度が高いと、太陽熱による空気の加熱が抑制される。すなわち、太陽熱を有効に利用できない問題が生じる。このため、空気圧縮に伴う温度上昇を抑制する方法が望まれる。【０００４】
非特許文献１には、圧縮過程を二段階に分け中間冷却し圧縮空気の温度を低下させ、太陽熱で加熱するガスタービン発電システムが開示されている。特許文献１には吸気部に液滴を噴霧し圧縮機段落内での蒸発により空気を冷却するガスタービン発電システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２３６０２４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】COMILLAS report“Integration of Solar Energy in Hybrid Power Plants”，p.66
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１では、中間冷却器により圧縮空気の温度を下げ、太陽熱による加熱を促進している。圧縮機の動力を減らす効果も期待される。だが、中間冷却器によりエネルギーが外系に放出されるため、熱効率が低下するデメリットがある。【０００８】
特許文献１は、吸気される空気に噴霧した液滴の蒸発により空気を冷却するため、エネルギーが外系に放出されるデメリットは生じない。出力増大と効率向上が目的とされ、冷却された空気は消費される燃料を増やし、所定の温度に加熱される。しかし、太陽熱の利用は何ら考慮されていない。【０００９】
本発明の目的は、圧縮機の中間冷却によるエネルギーの系外への放出を低減し、太陽熱を有効に利用できる太陽熱利用ガスタービンシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、吸気噴霧冷却により圧縮空気の温度を下げ、冷却された圧縮空気を太陽熱で加熱する。太陽熱で加熱された空気は所定の温度まで燃焼により再度加熱され、タービンで仕事が取り出される。【００１１】
具体的には、本発明の太陽熱利用ガスタービンシステムは、空気を圧縮する圧縮機と、該前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気に微細液滴を噴霧する噴霧装置と、前記圧縮機で圧縮された空気を太陽熱により加熱する空気加熱器とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧縮機の中間冷却によるエネルギーの系外への放出を低減し、太陽熱を有効に利用できる太陽熱利用ガスタービンシステムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】太陽熱利用ガスタービンシステムの構成図である（実施例１）。
【図２】太陽熱利用ガスタービンシステムの構成図である（実施例２）。
【図３】太陽熱利用ガスタービンシステムの構成図である（実施例３）。
【図４】太陽熱利用ガスタービンシステムの構成図である（実施例４）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
先ず、各実施例に共通する本発明の基本原理について説明する。ガスタービン発電システムの圧縮機の吸気に液滴を噴霧する。液滴は噴霧直後から蒸発を開始し、蒸発潜熱に相当する分、空気を冷却する。これは最大で、蒸気分圧が飽和蒸気圧力になるまで続く。次に、冷却された空気は圧縮機段落へ流入する。圧縮機では空気が断熱圧縮され圧力だけでなく温度が上昇するが、これにより液滴が蒸発し空気を冷却するため、温度上昇が抑制される。液滴の蒸発に伴い空気と蒸気の混合ガスの質量流量が増加するが、体積流量が減少するため、圧縮機の動力が低減される。同時に、圧縮機から流出する圧縮空気の温度が低下する。
【００１５】
一方、太陽光はミラーなどにより集光され、通常、流体である集熱媒体に集熱される。集熱媒体は冷温から高温に加熱される。太陽光が得られるのは昼間に限られ、また、日射量は天候により変動する。この変動の影響を緩和するため、高温となった集熱媒体は一旦、高温タンクに蓄えられ、先の圧縮空気を加熱する。低温となった集熱媒体は低温タンクに蓄えられる。
【００１６】
加熱された圧縮空気は燃焼器に送られ、燃焼により所定の温度まで加熱される。次にタービンに送られ仕事を得る。
【実施例１】
【００１７】
本発明の実施例１を図１により説明する。図１は太陽熱利用ガスタービンシステムの基本構成を示す。本実施例におけるガスタービンシステムは、空気を圧縮する圧縮機１、圧縮機１で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器２、圧縮機で圧縮され燃焼器２に供給される空気を太陽熱によって加熱する空気加熱器３、燃焼器２で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービン４、タービン４とシャフトを介して連結される発電機９により構成されている。本実施例ではさらに、圧縮機１に取り込まれる吸気である大気１０に微細液滴を噴霧する液スプレー１１（噴霧装置）、この液スプレー１１に供給する水を貯蔵する液タンク１２を備えている。また、太陽光を集光する集光ミラー２０、集光ミラー２０で集光され得られる太陽熱を集熱する集熱管２１、集熱管２１に供給される被加熱媒体を貯蔵する低温タンク７、集熱管２１で加熱され昇温した被加熱媒体を貯蔵する高温タンク６とを備えている。図１において圧縮機１，タービン４，発電機９はシャフトで繋がれ、タービン４で発生した動力は圧縮機１と発電機９に伝達される。圧縮機１の吸気側には液スプレー１１が設けられ、圧縮機１の吸気に微細な液滴（例、粒径１〜５０μｍ）が噴霧される。液スプレー１１で噴霧された液滴は、その一部が圧縮機１に導入されるまでの間で気化するとともに、未気化の液滴が圧縮機内に導入され、その全ては圧縮機１内を流下（圧縮工程）中に蒸発する。一方、太陽光は集光ミラー２０により集光され集熱管２１に集まる。集熱管２１では集熱媒体が加熱され高温タンク６に蓄えられる。高温タンク６から空気加熱器３に高温の集熱媒体が送られ、圧縮空気を加熱する構成となっている。【００１８】
圧縮機１の吸気に噴霧された液滴は噴霧直後から蒸発を開始し、蒸発潜熱に相当する分、空気を冷却する。これは最大で、蒸気分圧が飽和蒸気圧力になるまで続く。次に、冷却された空気は圧縮機１の段落へ流入する。圧縮機１では空気が断熱圧縮され圧力だけでなく温度が上昇するが、これにより液滴が蒸発し空気を冷却する。このため、温度上昇が抑制される。液滴の蒸発に伴い空気と蒸気の混合ガスの質量流量が増加するが、体積流量が減少するため、圧縮機１の動力が低減される。同時に、圧縮機１から流出する圧縮空気の温度が低下する。【００１９】
一方、太陽光はミラー２０により集熱管２１に集光される。集熱管２１で集熱媒体は冷温から高温に加熱される。太陽光が得られるのは昼間に限られ、また、日射量は天候により変動する。このため、本実施例では高温タンク６と低温タンク７を設けることによりこの変動の影響を緩和している。すなわち、日射量の多いときは高温タンク６に蓄熱し、日射量の少ない、あるいは無いときは蓄熱された熱を消費する。高温の集熱媒体は空気加熱器３で圧縮空気を加熱する。低温となった集熱媒体は低温タンク７に蓄えられる。【００２０】
加熱された圧縮空気は燃焼器２に送られ、燃焼により所定の温度まで加熱される。次にタービン４に送られ仕事を得る。【００２１】
本実施例によれば、液スプレー１１で圧縮機の吸気を噴霧冷却させ、さらに圧縮機内を流下中に液滴を蒸発させるため、中間冷却器でエネルギーを系外に放出するタイプ（非特許文献１）のように熱効率が低下するデメリットが無く、太陽熱を効果的に利用できる。さらに、燃焼により所定の温度まで再加熱するため、ガスタービンシステムの計画設計点での稼動を可能とする。これにより、天候に伴う日射量によらず安定した出力を得られる。太陽熱は補助的に使われるが、一般的にガスタービンシステムの熱効率はスケールメリットにより大規模なほど高い。このため、大規模なガスタービンシステムへ本発明を適用することにより、太陽熱の利用効率の大幅な向上を期待できる。
【実施例２】
【００２２】
本発明の実施例２を図２により説明する。図２はタービン４の排熱を回収し蒸気タービンを稼動させるコンバインド発電プラントへの適用した構成図である。本実施例により追加された構成は、蒸気タービン５，排熱回収ボイラ１５，復水器１６である。タービン４の排気はなお高温であり、排熱回収ボイラ１５で排熱により蒸気を生成する。蒸気は蒸気タービン５に送られ出力を得、最終的に復水器１６で凝縮する。【００２３】
本実施例によれば、コンバインド発電プラントに投入された太陽熱はタービン４を経由し、蒸気タービン５に送られるため、高い熱効率を得る。また、良く知られている太陽熱の利用は蒸気タービン単独、あるいはコンバインドプラントの蒸気タービンへ蒸気を供給するのが一般的であるが、本実施例ではガスタービンを経由するため、太陽熱の利用効率をより高めることが可能である。
【実施例３】
【００２４】
本発明の実施例３を図３により説明する。図３は中間冷却型のガスタービンを用いたコンバインド発電プラントへの適用した構成図である。圧縮機１は低圧圧縮機１ａと高圧圧縮機１ｂに分離され、その間に空気冷却器１７が新たに設けられる。これに合わせ、液スプレー１１は低圧圧縮機１ａの吸気用１１ａと、高圧圧縮機１ｂの吸気用１１ｂが設けられる。【００２５】
吸気噴霧流量は液スプレー１１ａと液スプレー１１ｂをそれぞれ独立に設定できる。中間冷却の冷却媒体の流量も目的に合わせ設定できる。非特許文献１に対して液スプレー１１ａ，１１ｂがあることにより、低圧圧縮機１ａと高圧圧縮機１ｂの段落内部でも冷却でき、低圧圧縮機１ａ，高圧圧縮機１ｂの動力をより効果的に低減できる。高圧圧縮機１ｂの段落内部での冷却は圧縮空気の温度をさらに低下させる。空気冷却器１７の冷却媒体を無くし液スプレー１１ａからの吸気噴霧のみにしても良い。この場合、運転条件に合わせ、吸気噴霧流量を液スプレー１１ａと液スプレー１１ｂで変えられる。例えば、高緯度地域では寒冷時、大気温度が氷点以下となり液スプレーができない恐れがあるが、高圧圧縮機１ｂ用にはその限りでない。低圧圧縮機１ａでの断熱圧縮により空気温度が上昇するためである。
【実施例４】
【００２６】
本発明の実施例４を図４により説明する。図４は他の廃熱を併用した構成図であり、新たな構成としては廃熱回収部３０を設けた点と、高温タンク６を第１の高温タンク６ａと第２の高温タンク６ｂに分割して設けた点である。本実施例により、低温タンク７から供給される集熱媒体は、廃熱回収部３０で昇温された後、第１の高温タンク６ａを経由して空気加熱器３に供給する系統と、廃熱回収部３０を経由後に集熱管２１で太陽熱により更に加熱する系統が構成される。【００２７】
廃熱回収部３０で回収する廃熱としては、工場或いはごみ焼却炉の廃熱を想定する。これらは一日の中で太陽熱より安定して長時間得られる。このため、ベースとして廃熱回収部３０からの廃熱を用い、太陽熱が利用できる期間は、さらに高温の集熱媒体を得、燃料消費を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
ガスタービンに太陽熱を適用したガスタービンシステムとして利用することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１  圧縮機
１ａ  低圧圧縮機
１ｂ  高圧圧縮機
２  燃焼器
３  空気加熱器
４  タービン
５  蒸気タービン
６  高温タンク
７  低温タンク
９  発電機
１０  大気
１１  液スプレー
１２  液タンク
１５  排熱回収ボイラ
１６  復水器
１７  空気冷却器
２０  集光ミラー
２１  集熱管
３０  廃熱回収部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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