(57)【要約】【課題】太陽光の強度が低下して太陽熱ガスタービンの運転を停止した状態でも、蒸気タービンによる発電をできるようにして熱効率を改善した太陽熱ガスタービン発電装置を提供する。【解決手段】圧縮機１、受熱器２及びタービン３を具備してなる太陽熱ガスタービンＧＴと、太陽熱ガスタービンＧＴにより駆動されて発電する発電機４と、タービン３から排出される高温空気を蒸気発生器２１に導入し、蒸気発生器２１で生成した蒸気により運転される蒸気タービン２２が発電機２３を駆動して発電する蒸気発電サイクル２０Ａとを備え、蒸気発電サイクル２０Ａの蒸気タービン２２上流に集光器Ｈで集めた熱により加熱して蒸気を生成する太陽熱蒸気発生器３０を設け、集光器Ｈで集めた太陽光を受熱器２及び太陽熱蒸気発生器３０に分配する分配比が太陽光強度に応じて調整される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備してなる太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンにより駆動されて発電する発電機と、前記タービンから排出される高温の圧縮性作動流体を蒸気発生器に導入し、該蒸気発生器で生成した蒸気により運転される蒸気タービンが発電機を駆動して発電する蒸気発電サイクルとを備え、
前記蒸気発電サイクルの前記蒸気タービン上流に前記集光器で集めた熱により加熱して蒸気を生成する太陽熱蒸気発生器を設け、前記集光器で集めた太陽光を前記受熱器及び前記太陽熱蒸気発生器に分配する分配比が太陽光強度に応じて調整されることを特徴とする太陽熱ガスタービン発電装置。
【請求項２】
前記太陽熱蒸気発生器で発生させた蒸気を前記受熱器へ供給して冷却する冷却蒸気供給流路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱ガスタービン発電装置。
【請求項３】
前記太陽熱ガスタービンが化石燃料焚きの補助燃焼器を備え、前記太陽熱蒸気発生器で発生させた蒸気を前記補助燃焼器へ供給して冷却する冷却蒸気供給流路を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽熱ガスタービン発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を利用して加熱された空気等の圧縮性作動流体を用いて駆動される太陽熱ガスタービン発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化等の環境問題を解決するため、太陽光や風力等の自然エネルギーが注目されている。
そこで、自然エネルギーの一つである太陽光を利用し、太陽光の熱により高圧の圧縮性作動流体を加熱して駆動する太陽熱ガスタービンより発電機を駆動して発電する太陽熱ガスタービン発電装置が提案されている。
【０００３】
図４に示す太陽熱ガスタービン発電装置Ｐは、圧縮性作動流体を圧縮して昇圧させる圧縮機１と、太陽光を変換した熱により圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを主な構成要素とする太陽熱ガスタービンＧＴを備えている。この太陽熱ガスタービンＧＴは、発電機４を駆動して発電するとともに、太陽熱ガスタービンＧＴの排熱を利用して発電する蒸気発電サイクル２０を備えた複合発電設備である。
すなわち、太陽熱ガスタービン発電装置Ｐは、天然ガス等の燃料を燃焼させて高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器に代えて、太陽光の熱エネルギーを利用して圧縮性作動流体を加熱昇温する受熱器２を設けて運転される太陽熱ガスタービンＧＴを採用した複合発電設備である。
【０００４】
上述した受熱器２は、太陽光を熱エネルギーに変換するための装置であり、集光器（ヘリオスタット）Ｈにより集めた光の熱を用いて、高圧の圧縮性作動流体を加熱して昇温させることができる。なお、図中の符号５は、タービン３で仕事をした圧縮性作動流体の排熱を用い、圧縮機１で昇圧された高圧の圧縮性作動流体を予熱するための再熱器である。
また、蒸気発電サイクル２０は、タービン３から排出される高温の空気を蒸気発生器２１に導入し、蒸気発生器２１内で水を加熱して蒸気を発生する。蒸気発生器２１で発生した蒸気は蒸気タービン２２に供給され、この蒸気により運転される蒸気タービン２２が発電機２３を駆動して発電する。
蒸気タービン２２で仕事をした蒸気は、復水器２４を通過して水に戻された後、再び蒸気発生器２１に供給される。従って、蒸気発生器２１でタービン３から排出される空気によって加熱される水は、水及び蒸気の状態変化を繰り返して閉回路の配管流路を循環する。なお、蒸気発生器２１で蒸気発生に使用された空気は、煙突５から大気へ排出される。
【０００５】
この他にも、太陽光を利用する発電設備の従来技術としては、太陽光により発生させた蒸気でタービンを駆動するパッケージ型発電設備が提案されている。（たとえば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第１４１１９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の太陽熱ガスタービン発電装置は、太陽光の強度低下により熱効率が低下する特性を有している。特に、太陽光の強度が設計点の４０〜５０％以下に低下すると、太陽熱を使用する太陽熱ガスタービンＧＴの特性上、運転継続が困難になる。このため、太陽光の強度が低下して太陽熱ガスタービンの運転を停止した状態でも、蒸気タービンによる発電をできるようにして熱効率を改善することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、太陽光の強度が低下して太陽熱ガスタービンの運転を停止した状態でも、蒸気タービンによる発電をできるようにして熱効率を改善した太陽熱ガスタービン発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の太陽熱ガスタービン発電装置は、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備してなる太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンにより駆動されて発電する発電機と、前記タービンから排出される高温の圧縮性作動流体を蒸気発生器に導入し、該蒸気発生器で発生した蒸気により運転される蒸気タービンが発電機を駆動して発電する蒸気発電サイクルとを備え、前記蒸気発電サイクルの前記蒸気タービン上流に前記集光器で集めた熱により加熱して蒸気を生成する太陽熱蒸気発生器を設け、前記集光器で集めた太陽光を前記受熱器及び前記太陽熱蒸気発生器に分配する分配比が太陽光強度に応じて調整されることを特徴とするものである。
【０００９】
このような太陽熱ガスタービン発電装置によれば、蒸気発電サイクルの蒸気タービン上流に太陽熱蒸気発生器を設け、集光器で集めた太陽光を受熱器及び太陽熱蒸気発生器に分配する分配比を太陽光強度に応じて調整するので、太陽光強度が高い運転状況では、太陽光を受熱器に集中させて太陽熱ガスタービン及び蒸気タービンの両方で発電を行い、太陽光強度が低い運転状況では、太陽光を太陽熱蒸気発生器に集中させて蒸気タービンによる発電を行うことができる。
【００１０】
上記の太陽熱ガスタービン発電装置においては、前記太陽熱蒸気発生器で発生させた蒸気を前記受熱器へ供給して冷却する冷却蒸気供給流路を設けることも可能であり、これにより、受熱器の冷却が可能になるとともに、冷却で吸収した熱量を蒸気タービンにて回収することができる。
【００１１】
上記の太陽熱ガスタービン発電装置においては、前記太陽熱ガスタービンが化石燃料焚きの補助燃焼器を備え、前記太陽熱蒸気発生器で発生させた蒸気を前記補助燃焼器へ供給して冷却する冷却蒸気供給流路を設けることも可能であり、これにより、受熱器及び補助燃焼器の冷却が可能になるとともに、冷却で吸収した熱量を蒸気タービンにて回収することができる。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明によれば、太陽熱強度が低下した場合には蒸気タービンのみによる発電が可能になるので、自然エネルギーである太陽光を利用して発電する太陽熱ガスタービン発電装置の熱効率向上に大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る太陽熱ガスタービン発電装置の一実施形態を示す構成図（系統図）である。
【図２】図１に示す実施形態の太陽熱ガスタービン発電装置について、第１変形例を示す構成図（系統図）である。
【図３】図１に示す実施形態の太陽熱ガスタービン発電装置について、第２変形例を示す構成図（系統図）である。
【図４】太陽熱ガスタービン発電装置の従来例を示す構成図（系統図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る太陽熱ガスタービン発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態において、太陽熱ガスタービン発電装置Ｐ１は、太陽光の熱により高圧の圧縮性作動流体を加熱昇温して駆動する太陽熱ガスタービンＧＴと、この太陽熱ガスタービンＧＴにより駆動されて発電する発電機４と、太陽熱ガスタービンＧＴの排熱を利用して発電する蒸気発電サイクル２０Ａとを備えている。
【００１５】
太陽熱ガスタービンＧＴは、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機１と、集光器Ｈで集めた太陽光の熱により圧縮機１で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを具備して構成される。
【００１６】
圧縮機１は、圧縮性作動流体を吸入して所望の高圧に圧縮する装置であり、同軸のタービン３が発生させる出力の一部を使用して駆動される。圧縮機１で圧縮する圧縮性作動流体には、たとえば大気から吸入した空気が使用される。以下の説明では、圧縮性作動流体を空気として説明するが、これに限定されることはない。
圧縮機１で昇圧された圧縮性作動流体の空気は、高圧空気流路１１を通って受熱器２に導かれる。受熱器２は、図示しないタワーの上部に配置されて太陽光を熱エネルギーに変換するための装置であり、地上に配置した多数の鏡を主な構成要素とする集光器Ｈにより集めた光の熱を用いて高圧空気を加熱するので、高圧空気の温度を上昇させることができる。すなわち、受熱器２は、高圧空気を流す多数の配管に集光器Ｈから光を当てることにより、配管及び配管内の高圧空気を加熱して昇温させる加熱装置である。
【００１７】
受熱器２で加熱された高圧空気は、たとえば出口温度が９００℃程度の高温高圧空気となり、高温高圧空気流路１２を通ってタービン３へ供給される。
タービン３に供給された高温高圧空気は、タービン内の動翼／静翼間を通過する際に膨張し、動翼と一体のタービン軸を回転させてタービン出力を発生させる。タービン３で発生した出力は、同軸に連結された圧縮機１及び発電機４の駆動力として用いられる。タービン３で仕事をした高温高圧空気は、タービン入口より圧力及び温度が低下した高温空気（以下では、「既膨張空気」ともいう）となり、排気流路１３を通って蒸気発電サイクル２０Ａの蒸気発生器２１に導かれる。この既膨張空気は、蒸気発生器２１で吸熱されて蒸気を生成するので、さらに温度低下して煙突５から大気へ放出される。
【００１８】
蒸気発電サイクル２０Ａは、タービン３から排出される既膨張空気を蒸気発生器２１に導入し、蒸気発生器２１内で水を加熱して蒸気を生成する。蒸気発生器２１で生成した蒸気は、後述する太陽熱蒸気発生器３０を通って蒸気タービン２２に供給され、この蒸気により運転される蒸気タービン２２が発電機２３を駆動して発電する。
蒸気タービン２２で仕事をした蒸気は、復水器２４を通過して水に戻された後、再び蒸気発生器２１に供給される。従って、蒸気発生器２１で既膨張空気に加熱される水は、水及び蒸気の状態変化を繰り返して閉回路の配管流路２５を循環する。
【００１９】
このように、蒸気発電サイクル２０Ａを備えた太陽熱ガスタービン発電装置Ｐ１は、タービン３より排出される高温高圧の既膨張空気が保有する熱エネルギーを有効利用し、装置全体の熱効率を向上させることができる。すなわち、タービン３より排出される既膨張空気をそのまま煙突５から大気へ放出するのではなく、蒸気タービン２２を運転するための蒸気生成により熱回収をし、タービン３に駆動される発電機４の発電量に加えて、蒸気タービン２２により駆動される発電機２３の発電量を得て熱効率の向上を達成している。
【００２０】
そして、上述した本実施形態の蒸気発電サイクル２０Ａにおいては、蒸気タービン２２の上流に蒸気発生器２１と直列に設けられた太陽熱蒸気発生器３０が、集光器Ｈで集めた熱により加熱して蒸気を生成する。すなわち、閉回路の配管流路２５に設けられた太陽熱蒸気発生器３０は、集光器Ｈで集めた太陽光を受けて、配管流路２５を流れる流体（水または蒸気）を加熱することができる。
この場合の集光器Ｈは、受熱器２及び太陽熱蒸気発生器３０に対する太陽光の分配比について、鏡の角度調整により適宜調整できるようになっている。換言すれば、受熱器２及び太陽熱蒸気発生器３０は、たとえばタワー上で隣接する位置のように、鏡の角度調整に応じて集光器Ｈから集光する太陽光の分配比を変化させることができるように設置されている。
【００２１】
ここで、太陽熱蒸気発生器３０の加熱を具体的に説明する。
最初に、十分な太陽光強度がある運転状況では、蒸気発生器２１で生成した蒸気を再加熱し、過熱度を与えた蒸気が使用される。すなわち、たとえば設計点の概ね８０％以上となる太陽光強度がある運転状況では、太陽光の多く（たとえば８０％以上）を受熱器２側に集光するよう集光器Ｈの鏡角度を変更する。この結果、太陽熱蒸気発生器３０側に集光できる太陽光はなくなるか少ない状態になるので、蒸気タービン２２を駆動する蒸気は、タービン３の使用済み既膨張空気を用いて蒸気発生器２１により生成することとなり、太陽熱蒸気発生器３０は、分配された太陽光に応じて蒸気に過熱度を与えるだけとなる。
【００２２】
次に、十分な太陽光強度がない運転状況では、太陽熱蒸気発生器３０で生成した蒸気が使用される。すなわち、たとえば設計点の概ね４０〜５０％以下となる太陽光強度の運転状況では、太陽光の全て（１００％）を太陽熱蒸気発生器３０側に集光するよう集光器Ｈの鏡角度を変更する。この結果、受熱器２に集光する太陽光がなくなって太陽熱ガスタービンＧＴの運転は停止され、蒸気タービン２２を駆動する蒸気は、太陽光蒸気発生器２１で太陽光のみにより生成されることとなる。
このように、本実施形態の太陽熱ガスタービン発電装置Ｐ１では、太陽熱蒸気発生器３０を設けることにより、集光器Ｈで集めた太陽光を受熱器２及び太陽熱蒸気発生器３０に分配する分配比を太陽光強度に応じて調整し、たとえば設計点の２０〜６０％程度に太陽光強度が低い運転状況でも、太陽光を太陽熱蒸気発生器３０に集中させて蒸気タービン２２による発電を行うことができる。
【００２３】
次に、本実施形態の第１変形例を図２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この第１変形例において、太陽熱ガスタービン発電装置Ｐ２は、太陽熱蒸気発生器３０で発生させた蒸気を受熱器２へ供給して冷却する冷却蒸気供給流路２６を備えている。この冷却蒸気供給流路２６は、太陽熱蒸気発生器３０の下流側で配管流路２５から分岐し、受熱器２を経由して蒸気タービン２２の上流側に合流する蒸気流路である。なお、図示は省略したが、温度条件等に応じて受熱器２へ供給する蒸気量を調整するため、適所に流量調整弁等を設けておくことが望ましい。
【００２４】
冷却蒸気供給流路２６を通って受熱器２に供給される冷却蒸気は、太陽光を受けて高圧空気を加熱する受熱器２内において、高温高圧空気が流れる多数の空気配管（不図示）と断熱材を貼付した外壁（不図示）との間に多数配置された冷却蒸気管（不図示）の内部を流れ、高温となる空気配管から外壁への熱伝導を最小限に抑えている。すなわち、太陽光に加熱された高温高圧空気より低温で、かつ、外気より温度の高い蒸気を流す冷却蒸気管が存在することにより、高温高圧空気を流す空気配管と外気との温度差が抑制される。この結果、受熱器２については、高温高圧空気から外気への放熱（熱損失）を抑制した冷却が可能となるので、断熱材の厚さを低減することも可能になる。
また、上述した冷却蒸気供給流路２６を設けることは、受熱器２の冷却を可能にするだけでなく、冷却で吸収した熱量に応じて蒸気の過熱度が上昇するので、この蒸気で運転される蒸気タービン２２により熱回収して効率を増すことができる。
【００２５】
次に、本実施形態の第２変形例を図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この第２変形例において、太陽熱ガスタービン発電装置Ｐ３は、太陽熱ガスタービンＧＴ１が化石燃料焚きの補助燃焼器６を備えている。図示の補助燃焼器６は、バイパス流路１４を介して受熱器２と並列に配設されているが、直列配置としてもよい。この補助燃焼器６は、太陽光を十分に得られない運転状況において、高圧空気の加熱能力を増すために使用される。
【００２６】
そして、この変形例では、太陽熱蒸気発生器３０で発生させた蒸気を補助燃焼器６へ供給し、補助燃焼器６を冷却する冷却蒸気供給流路２７が設けられている。この冷却蒸気供給流路２７は、太陽熱蒸気発生器３０の下流側で配管流路２５から分岐し、補助燃焼器６を経由して蒸気タービン２２の上流側に合流する蒸気流路である。なお、図示は省略したが、温度条件等に応じて補助燃焼器６へ供給する蒸気量を調整するため、適所に流量調整弁等を設けておくことが望ましい。
【００２７】
冷却蒸気供給流路２７を通って補助燃焼器６に供給される冷却蒸気は、化石燃料を燃焼させる補助燃焼器６内において、断熱材を貼付した外壁（不図示）の内側に多数配置された冷却蒸気管（不図示）の内部を流れ、補助燃焼器６を冷却して温度上昇を抑制する。この冷却により吸熱する蒸気は過熱度が上昇するので、蒸気タービン２２により熱回収して効率を増すことができる。
また、図示の変形例では、上述した第１変形例と同様に、太陽熱蒸気発生器３０で発生させた蒸気を受熱器２へ供給して冷却する冷却蒸気供給流路２６を備えているので、蒸気タービン２２による回収できる熱量はより大きなものとなり、その分効率の向上も大きなものとなる。
【００２８】
このように、上述した本発明によれば、太陽熱強度が低下した場合には、集光器Ｈで集めた太陽光の全てを太陽熱蒸気発生器３０へ向けることにより、蒸気タービン２２のみによる発電が可能になる。この結果、自然エネルギーの太陽光を利用して発電するため、従来は運転できなかった状況でも発電できるようになり、太陽熱ガスタービン発電装置の熱効率が向上する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば再熱器５の有無が限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１    圧縮機
２    受熱器
３    タービン
４，２３    発電機
５    煙突
６    補助燃焼器
１１    高圧空気流路
１２    高温高圧空気流路
１３    排気流路
１４    バイパス流路
２０Ａ〜２０Ｃ    蒸気発電サイクル
２１    蒸気発生器
２２    蒸気タービン
２４    復水器
２５    配管流路
２６，２７    冷却蒸気供給通路
３０    太陽熱蒸気発生器
Ｐ１〜Ｐ３    太陽熱ガスタービン発電装置
ＧＴ，ＧＴ１    太陽熱ガスタービン
Ｈ    集光器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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