(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水ポンプから供給される水を太陽光の熱で加熱するために、水平に配置されて内部を水が流通する伝熱管と前記太陽光を前記伝熱管に集光する集光ミラーを有する低温加熱装置と、
前記低温加熱装置によって生成した水−蒸気二相流相分離体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
前記汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で過熱する高温加熱装置と、
前記汽水分離装置で分離した水を前記低温加熱装置に供給する循環ポンプと、
前記汽水分離装置の水位を計測する水位計と、
前記低温加熱装置への給水流量を調整する給水弁と、
前記低温加熱装置と前記汽水分離装置の間の水の循環流量を調整する循環流量制御弁を備え、
前記汽水分離装置の水位が所定の値になるように、前記給水弁あるいは前記循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環流量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱ボイラ。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置と汽水分離装置と循環ポンプを地上面または地上面付近に設置し、前記高温加熱装置を前記低温加熱装置ならびに汽水分離装置よりも高所に設置したことを特徴とする太陽熱ボイラ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置は、
桶状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、
前記高温加熱装置は、
所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、多数の集光ミラーを配置して、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水蒸気を過熱するタワー式の集光・集熱装置からなることを特徴とする太陽熱ボイラ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の太陽熱ボイラにおいて、
所定の長さの前記伝熱管の外周には所定の長さのガラス管が配置されて二重構造を有し、前記伝熱管とガラス管の間が気密状態もしくは真空状態に維持されており、
前記所定の長さの伝熱管は複数本の伝熱管をそれぞれ溶接接合して所定の長さの伝熱管を構成し、前記所定の長さのガラス管は複数本のガラス管どうしの接合部にそれぞれ金属製の接合用管体を配置して、ガラス管と接合用管体を溶接することにより、所定の長さのガラス管を構成して、
前記低温加熱装置の出口流体温度を３００℃以下に規制したことを特徴とする太陽熱ボイラ。
【請求項５】
請求項４に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置への給水流量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱ボイラ。
【請求項６】
請求項４に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱ボイラ。
【請求項７】
請求項４に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量の値に応じて、前記高温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱ボイラ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記汽水分離器から前記低温加熱装置に至る経路上に前記循環ポンプを設置したことを特徴とする太陽熱ボイラ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の太陽熱ボイラと、
前記太陽熱ボイラで生成した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで駆動される発電機を備えたことを特徴とする太陽熱発電プラント。
【請求項１０】
燃料を燃焼もしくは発熱させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラへ水を供給する給水ポンプと、
前記ボイラで発生した蒸気で駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで駆動される発電機と、
前記蒸気タービンからの抽気蒸気を用いて、前記給水ポンプから供給される水を加熱する給水加熱器と、
前記給水ポンプから供給される水の一部を太陽光の熱で加熱するために、水平に配置されて内部を水が流通する伝熱管と前記太陽光を前記伝熱管に集光する集光ミラーを有する低温加熱装置と、
前記低温加熱装置で生成した水−蒸気二相流相分離体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
前記汽水分離装置で分離した蒸気を太陽光の熱で過熱する高温加熱装置と、
前記汽水分離装置で分離した水を前記低温加熱装置に供給する循環ポンプと、
前記汽水分離装置の水位を計測する水位計と、
前記低温加熱装置への給水流量を調整する給水弁と、
前記低温加熱装置と前記汽水分離装置の間の水の循環流量を調整する循環流量制御弁を備え、
前記汽水分離装置の水位が所定の値になるように、前記給水弁あるいは前記循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環流量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。
【請求項１１】
請求項１０に記載の太陽熱プラントにおいて、
前記低温加熱装置と汽水分離装置と循環ポンプを地上面または地上面付近に設置し、前記高温加熱装置を前記低温加熱装置ならびに汽水分離装置よりも高所に設置したことを特徴とする太陽熱発電プラント。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記低温加熱装置は、
桶状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、
前記高温加熱装置は、
所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、多数の集光ミラーを配置して、太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水を加熱して蒸気を生成するタワー式の集光・集熱装置からなることを特徴とする太陽熱発電プラント。
【請求項１３】
請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
所定の長さの前記伝熱管の外周には所定の長さのガラス管が配置されて二重構造を有し、前記伝熱管とガラス管の間が気密状態もしくは真空状態に維持されており、
前記所定の長さの伝熱管は複数本の伝熱管をそれぞれ溶接接合して所定の長さの伝熱管を構成し、前記所定の長さのガラス管は複数本のガラス管どうしの接合部にそれぞれ金属製の接合用管体を配置して、ガラス管と接合用管体を溶接することにより、所定の長さのガラス管を構成して、
前記低温加熱装置の出口流体温度を３００℃以下に規制したことを特徴とする太陽熱発電プラント。
【請求項１４】
請求項１３に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置への給水流量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。
【請求項１５】
請求項１３に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。
【請求項１６】
請求項１３に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量の値に応じて、前記高温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。
【請求項１７】
請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記蒸気タービンの出口側に抽気弁を設け、
前記高温加熱装置から供給される蒸気量に応じて前記抽気弁を操作して、前記蒸気タービンの抽気量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽からの熱を集熱して、その熱で蒸気を生成する太陽熱ボイラおよびそれを用いた太陽熱発電プラントに係り、特に安価で、伝熱管の熱的損傷が防止できる太陽熱ボイラおよびそれを用いた太陽熱発電プラントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱ボイラにおける集熱量は、その立地によっては雲により太陽光が遮られるなど、短時間で日照量が急激に変動することに伴い、急速な増減が繰り返されることが不可避である。【０００３】
一方、太陽熱ボイラは、年間の総集熱量をできるだけ多く得る観点から、サンベルト地帯と呼ばれる地域、即ち、年間の直達日照量が２０００ｋＷｈ／ｍ２を超える地域に導入されることが多い。【０００４】
サンベルト地帯は、年間を通じて晴天が多く、天候の変化に伴う日照量の急変が生じにくく、集熱量が経時的に安定しているので、前記した課題は顕在化し難い。【０００５】
しかし、サンベルト地帯以外の地域、例えば日本では、一日の内で天候の変化や雲の動きに伴う日射量の急激な変動が頻繁に発生し、集熱量の急速な増減が繰り返し起こる。このため、このような課題への対応が重要である。【０００６】
集光・集熱型の太陽熱発電プラントには、大別して、単独型発電プラントと複合型発電プラントがある。単独型発電プラントでは、大部分の熱を太陽熱で賄ない、一部を化石燃料等でバックアップすることもある。一方、複合型発電プラントでは、大部分の熱を化石燃料や核燃料で賄い、一部を太陽熱でバックアップしている。【０００７】
前記単独型発電プラントと複合型発電プラントのいずれの型式においても、太陽光からの熱を集熱し、加熱源として使用しており、集光・集熱装置もほぼ共通するものが使用されている。【０００８】
一般的に、集光・集熱装置として、桶状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式、平面状あるいは若干曲面状の集光ミラーを角度を少しずつ変えて多数枚並べ、その集光ミラー群の上方に多数の伝熱管を配置し、太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光して蒸気を生成するフレネル式、所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、一方、地上面に多数の集光ミラー（ヘリオスタット）を配置して、太陽光を前記集光ミラー（ヘリオスタット）群で伝熱管パネルに集光して蒸気を生成するタワー式などが使用されている。【０００９】
このうち、トラフ式とフレネル式は焦点距離が短く、太陽の集光度（集熱部での熱密度）が低い。これに対してタワー式は焦点距離が長いため、太陽の集光度（集熱部での熱密度）が高いという特長がある。【００１０】
集熱部での熱密度が高ければ、単位伝熱面積当りの集熱量が高くなり、より高温の蒸気が得られる。しかし、単純に熱密度を上げて、水の状態から過熱蒸気まで相変化させると、局部的に高温の領域が形成され、伝熱管が損傷する等の課題がある。【００１１】
火力発電ボイラ等では、燃料量が適切に管理されており、このような伝熱管の損傷はないが、太陽熱の場合は入熱量が大きく変動するため、伝熱管の熱的損傷を回避することが困難である。【００１２】
このような熱密度の高いタワー式における課題に対して、例えば特許文献１や特許文献２などでは、図１７ならびに図１８に示すような構成の太陽熱ボイラが提案されている。【００１３】
図１７は太陽熱ボイラの概略構成図、図１８はその太陽熱ボイラに使用する集熱装置の拡大概略構成図である。  
これらの図において、符号１は集熱装置、２は蒸発器、３は過熱器、４は汽水分離装置、５はタワー、６はへリオスタット、７は太陽、８は蒸気タービン、９は発電機、１１は給水ポンプである。【００１４】
図１８に示されるように、集熱装置１を蒸発器２と過熱器３とに機能分離し、蒸発器２と過熱器３との間に、汽水分離装置４を設置している。この集熱装置１は、高さが３０〜１００ｍ程度のタワー５の上に設置されており、地上に設置されたヘリオスタット６により太陽７からの光を反射して、集熱装置１に集光することで、前記蒸発器２ならびに過熱器３を加熱する。この集熱装置１で生成した過熱蒸気は蒸気タービン８に送られ、発電機９を回転して発電する仕組みになっている。【００１５】
また図１９は、米国特許第７，２９６，４１０号明細書（特許文献３）に記載されている太陽熱発電システムの概略構成図である。図中の符号２００は太陽熱発電システム、２０１は流体経路、２０２はバルブ、２０３はポンプ、２０４はトラフ装置、２０５は集熱管、２０６は太陽集熱器、２０７はタワー、２０８は低温蓄熱タンク、２０９は中間蓄熱タンク、２１０は高温蓄熱タンク、２１１は高出力発生装置、２１２はタービン、２１３は発電機である。【００１６】
この太陽熱発電システムは、低温蓄熱タンク２０８に貯留した熱流動媒体を、ポンプ２０３によりトラフ装置２０４に供給し、太陽１０６の光を集光した熱で加熱し、さらに、タワー２０７で加熱した後、高温蓄熱タンク２１０に送る。高温蓄熱タンク２１０に送られた熱流動媒体はポンプ２０３で高出力発生装置２１１に送られ、熱交換して温度が下がった状態で、低温蓄熱タンク２０８に戻される。【００１７】
一方、高出力発生装置２１１で発生した蒸気はタービン２１２に送られ、発電機２１３で発電する構成になっている。【００１８】
さらに図２０は、米国特許第８，０８７，２４５号明細書（特許文献４）に記載されている太陽熱集光プラントの概略構成図である。図中の符号３０１はトラフ型コレクタ、３０２はヘリオスタットとタワー、３０３は低温蓄熱器、３０４は高温蓄熱器、３０５は化石燃料による補助装置、３０６はタービン、３０７は発電機、３０８は復水器、３０９はポンプである。【００１９】
この太陽熱集光プラントは、水をポンプ３０９でトラフ型コレクタ３０１に送り、太陽の熱で加熱することで、飽和蒸気を生成し、生成した飽和蒸気をヘリオスタットとタワー３０２に送り、過熱蒸気を生成することで、タービン３０６を駆動し、発電機３０７で発電する。【００２０】
蒸気は復水器３０８で水に戻され、再びポンプ３０９で給水される。さらに、トラフ型コレクタ３０１を出た飽和蒸気をヘリオスタットとタワー３０２に流通させず、化石燃料による補助装置３０５に通し、過熱蒸気を生成するラインを有する構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】国際公開２００９／１２９１６６Ａ２号公報
【特許文献２】国際公開２０１０／０４８５７８Ａ１号公報
【特許文献３】米国特許第７，２９６，４１０号明細書
【特許文献４】米国特許第８，０８７，２４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、前述した図１７および図１８に示した従来技術においては、蒸発器２ならびに過熱器３とともに汽水分離装置４も高さが３０〜１００ｍもあるタワー５の上部に設置する必要がある。このため、多数本の伝熱管の集合体である蒸発器２と過熱器３の他に、内部に飽和水を保有する汽水分離装置４の荷重を支えることができ、地震などにも十分耐え得ることのできる強固なタワー５を建設する必要があり、そのため設備コストおよび建設コストが増大するという課題がある。【００２３】
また、水を給水ポンプ１１によって高所の汽水分離装置４の所まで上げる必要があるから、揚水能力の高い高価な給水ポンプ１１が必要となり、それにより設備コストおよびランニングコストも高くなる。
太陽熱発電プラントにおいて、蒸発器や過熱器は、最終的には蒸気タービンを駆動する蒸気（水）からなる流体を熱媒体として、これを直接、太陽の熱で加熱する集光・集熱装置の熱交換器となっている。
ところで、水−蒸気からなる流体を直接、太陽の熱で加熱する場合、特に蒸発器に用いられるフレネル型やトラフ型の集光・集熱装置は、それの伝熱管内で水から蒸気へと相変化が起きて、二相流相分離が生じると、伝熱管が局部的に熱的損傷を受ける可能性がある。
即ち、これら集光・集熱装置は、水平に配置された伝熱管の外周面のうち集光された範囲で受熱するため、伝熱管の外周にわたって不均等な熱流束分布を生じ易い構造となっている。このため内部流体が二相流相分離となった場合には、瞬時の集光・集熱量の変化によって伝熱異常が生じ、その伝熱管の部位において熱的損傷を生じる可能性がある。
フレネル型やトラフ型の集光・集熱装置は、長大な伝熱管をほぼ水平に配置し、広大な領域に設置されるものであり、太陽光による集熱量が一日のうちで大きく変動し、また天候によっても急激に変化するもので、予め二相流相分離が生じる範囲を特定しておくことが難しい。
このため、全体的に伝熱管材を高性能なもの、すなわち熱的損失を受け難い高価なものとする必要が生じ、そのためコスト高に繋がるという課題がある。
【００２４】
さらに、蒸発器２や過熱器３を構成する伝熱管の熱的損傷を回避するために、集熱装置１での集熱量を抑制する必要があり、そのために蒸気タービン８へ供給される蒸気の量や温度が変動し、結果的には発電量が一定でないという課題もある。【００２５】
図１９に示した従来技術においては、熱流動媒体と水−蒸気との熱交換のために、高出力発生装置２１１が必要となり、さらに、日射量変動に伴う温度変化を抑制して発電機３０７の出力を安定化させるために、低温蓄熱タンク２０８、中間蓄熱タンク２０９ならびに高温蓄熱タンク２１０なども必要となる。そのため、設備コストが高くなり、設置スペースが広大化するという課題がある。【００２６】
また、図２０に示した従来技術においては、トラフ型コレクタ３０１に水平集熱管が設置されているため、日照量が変動した際に、水平集熱管内の気液２相流の流動状態が変化する。このため、管の底部が水、管の上部が蒸気で満たされた状態となり、片面加熱となるトラフ型コレクタ３０１では、蒸気の存在する側（上部）の温度が異常に高くなり、集熱管が損傷する可能性がある。【００２７】
さらに、日照量の変動に対応するため、化石燃料による補助装置３０５を設置する必要があり、設備コストおよびランニングコストが高くなるという課題がある。【００２８】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、設備コストおよび建設コストを増大させることなく、伝熱管の熱的損傷を回避できると共に、蒸気タービンでの発電量の変動が抑制されて、品質の高い電気の供給が可能な太陽熱ボイラおよびそれを用いた単独型または複合型の太陽熱発電プラントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は太陽熱ボイラにおいて、
給水ポンプから供給される水を太陽光の熱で加熱するために、水平に配置されて内部を水が流通する伝熱管と前記太陽光を前記伝熱管に集光する集光ミラーを有する低温加熱装置と、
前記低温加熱装置によって生成した水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
前記汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で過熱する高温加熱装置と、
前記汽水分離装置で分離した水を前記低温加熱装置に供給する循環ポンプと、
前記汽水分離装置の水位を計測する水位計と、
前記低温加熱装置への給水流量を調整する給水弁と、
前記低温加熱装置と前記汽水分離装置の間の水の循環流量を調整する循環流量制御弁を備え、
前記汽水分離装置の水位が所定の値になるように、前記給水弁あるいは前記循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環流量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記低温加熱装置と汽水分離装置と循環ポンプを地上面または地上面付近に設置し、前記高温加熱装置を前記低温加熱装置ならびに汽水分離装置よりも高所に設置したことを特徴とするものである。
【００３１】
本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、
前記低温加熱装置は、
桶状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、
前記高温加熱装置は、
所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、多数の集光ミラーを配置して、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水蒸気を過熱するタワー式の集光・集熱装置からなることを特徴とするものである。【００３２】
本発明の第４の手段は前記第１ないし第３の手段において、
所定の長さの前記伝熱管の外周には所定の長さのガラス管が配置されて二重構造を有し、前記伝熱管とガラス管の間が気密状態もしくは真空状態に維持されており、
前記所定の長さの伝熱管は複数本の伝熱管をそれぞれ溶接接合して所定の長さの伝熱管を構成し、前記所定の長さのガラス管は複数本のガラス管どうしの接合部にそれぞれ金属製の接合用管体を配置して、ガラス管と接合用管体を溶接することにより、所定の長さのガラス管を構成して、
前記低温加熱装置の出口流体温度を３００℃以下に規制したことを特徴とするものである。【００３３】
本発明の第５の手段は前記第４の手段において、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置への給水流量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。【００３４】
本発明の第６の手段は前記第４の手段において、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。【００３５】
本発明の第７の手段は前記第４の手段において、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量の値に応じて、前記高温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
【００３７】
本発明の第８の手段は前記第１ないし第７の手段において、
前記汽水分離器から前記低温加熱装置に至る経路上に前記循環ポンプを設置したことを特徴とするものである。
【００３８】
本発明の第９の手段は太陽熱発電プラントにおいて、
第１ないし第８の太陽熱ボイラと、
前記太陽熱ボイラで生成した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで駆動される発電機を備えたことを特徴とするものである。
【００３９】
本発明の第１０の手段は太陽熱発電プラントにおいて、
燃料を燃焼もしくは発熱させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラへ水を供給する給水ポンプと、
前記ボイラで発生した蒸気で駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで駆動される発電機と、
前記蒸気タービンからの抽気蒸気を用いて、前記給水ポンプから供給される水を加熱する給水加熱器と、
前記給水ポンプから供給される水の一部を太陽光の熱で加熱するために、水平に配置されて内部を水が流通する伝熱管と前記太陽光を前記伝熱管に集光する集光ミラーを有する低温加熱装置と、
前記低温加熱装置で生成した水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
前記汽水分離装置で分離した蒸気を太陽光の熱で過熱する高温加熱装置と、
前記汽水分離装置で分離した水を前記低温加熱装置に供給する循環ポンプと、
前記汽水分離装置の水位を計測する水位計と、
前記低温加熱装置への給水流量を調整する給水弁と、
前記低温加熱装置と前記汽水分離装置の間の水の循環流量を調整する循環流量制御弁を備え、
前記汽水分離装置の水位が所定の値になるように、前記給水弁あるいは前記循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環流量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
【００４０】
本発明の第１１の手段は前記第１０の手段において、
前記低温加熱装置と汽水分離装置と循環ポンプを地上面または地上面付近に設置し、前記高温加熱装置を前記低温加熱装置ならびに汽水分離装置よりも高所に設置したことを特徴とするものである。
【００４１】
本発明の第１２の手段は前記第１０または第１１の手段において、
前記低温加熱装置は、
桶状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、
前記高温加熱装置は、
所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、多数の集光ミラーを配置して、太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水を加熱して蒸気を生成するタワー式の集光・集熱装置からなることを特徴とするものである。
【００４２】
本発明の第１３の手段は前記第１０ないし第１２の手段において、
所定の長さの前記伝熱管の外周には所定の長さのガラス管が配置されて二重構造を有し、前記伝熱管とガラス管の間が気密状態もしくは真空状態に維持されており、
前記所定の長さの伝熱管は複数本の伝熱管をそれぞれ溶接接合して所定の長さの伝熱管を構成し、前記所定の長さのガラス管は複数本のガラス管どうしの接合部にそれぞれ金属製の接合用管体を配置して、ガラス管と接合用管体を溶接することにより、所定の長さのガラス管を構成して、
前記低温加熱装置の出口流体温度を３００℃以下に規制したことを特徴とするものである。
【００４３】
本発明の第１４の手段は前記第１３の手段において、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置への給水流量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
【００４４】
本発明の第１５の手段は前記第１３の手段において、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
【００４５】
本発明の第１６の手段は前記第１３の手段において、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量の値に応じて、前記高温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
【００４７】
本発明の第１７の手段は前記第１０ないし第１２の手段において、
前記蒸気タービンの出口側に抽気弁を設け、
前記高温加熱装置から供給される蒸気量に応じて前記抽気弁を操作して、前記蒸気タービンの抽気量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００４９】
本発明は前述のような構成になっており、設備コストおよび建設コストを増大させることなく、伝熱管の熱的損傷を回避できると共に、蒸気タービンでの発電量の変動が抑制されるので、品質の高い電気の供給が可能な太陽熱ボイラおよびそれを用いた単独型または複合型の太陽熱発電プラントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。
【図２】高温加熱装置を設置したタワー式集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。
【図３】その高温加熱装置に用いる伝熱管パネルの拡大概略構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。
【図５】トラフ式の集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。
【図６】フレネル式の集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。
【図８】トラフ式（またはフレネル式）の集光・集熱装置に用いる伝熱管付近の一部拡大断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
【図１０】その第４実施形態において、高温加熱装置の出口側に設けた蒸気弁の通過蒸気量の変化に伴って、蒸気タービンの出口側に設けた抽気弁の開度を調整する一例を示した図である。
【図１１】本発明の第５実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
【図１２】本発明の第６実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
【図１３】本発明の第７実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。
【図１４】汽水分離装置の水位Ｌと、低温加熱装置の出口クオリティＸとの関係を示す特性図である。
【図１５】（ａ）は低温加熱装置の水平伝熱管内における水−蒸気二相流の流動状態を分類分けして示した図、（ｂ）は水平伝熱管内における水−蒸気二相流の各流動状態を示した模式図である。
【図１６】本発明の第８実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
【図１７】従来の太陽熱ボイラの概略構成図である。
【図１８】その太陽熱ボイラに使用される集熱装置の拡大概略構成図である。
【図１９】特許文献３により提案された太陽熱発電システムの概略構成図である。
【図２０】特許文献４により提案された太陽熱集光プラントの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
（第１実施形態）
次に本発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。
【００５２】
この太陽熱発電プラントは図１に示すように、給水ポンプ１１から供給された水は給水弁１９を通り、給水加熱器１２に送られて加熱され、汽水分離装置４を通して低温加熱装置１３に導入される。この低温加熱装置１３では太陽７からの光３２によって給水を加熱し、水は循環ポンプ１５によって汽水分離装置４と低温加熱装置１３の間を循環する。
【００５３】
低温加熱装置１３で生成された水−蒸気二相流相分離体は汽水分離装置４で飽和水と飽和蒸気に分離され、分離された蒸気はタワー１６上に設置されている高温加熱装置１４へ送られる。その高温加熱装置１４に導入された蒸気は、へリオスタット６で反射して高温加熱装置１４に導かれた太陽熱でさらに過熱される。
【００５４】
高温加熱装置１４で生成した過熱蒸気は蒸気タービン８を回転し、その回転により発電機９で発電する仕組みになっている。なお、蒸気タービン８へ供給する蒸気量を調整するために、給水ポンプ１１と給水加熱器１２の間に給水弁１９が、また、高温加熱装置１４と蒸気タービン８の間に蒸気弁１８が設置されている。
【００５５】
図２は、高温加熱装置１４を設置したタワー式集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。  
このタワー式集光・集熱装置は図２に示すように、所定の高さ（３０〜１００ｍ程度）を有するタワー１６の上に高温加熱装置１４（伝熱管パネル２７）を設置する。一方、地上面に多数のヘリオスタット６を色々な向きに配置して、太陽７の動きを追尾しながら前記ヘリオスタット６群で高温加熱装置１４（伝熱管パネル２７）に集光して、過熱蒸気を生成する仕組みになっている。
【００５６】
このタワー式の集光・集熱装置は、トラフ式の集光・集熱装置よりも高温の蒸気を生成することができ、タービン効率を上げて、より多くの電力が得られるという長所を有している。
【００５７】
図３は、高温加熱装置１４に用いる伝熱管パネル２７の拡大概略構成図である。この伝熱管パネル２７は、汽水分離装置４からの蒸気を均等に分配する過熱器下部ヘッダ２２と、その過熱器下部ヘッダ２２で分配された蒸気を流通させる多数本並列に配置された過熱器伝熱管２１と、その過熱器伝熱管２１から流出した過熱蒸気を集合させる過熱器上部ヘッダ２３で構成される。過熱器上部ヘッダ２３から出た過熱蒸気は、蒸気タービン８へ供給される。
【００５８】
前記低温加熱装置１３と汽水分離装置４は、内部に多量の水を保有し、装置全体が重たくなるため、地上面あるいは高さが例えば１〜２ｍ程度の低めの土台を用いて地上面付近に設置している。このように低温加熱装置１３と汽水分離装置４は地上面あるいはその付近に設置しているから、従来のように水を例えば３０〜１００ｍの高所まで上げる必要がなく、そのため揚水能力が低くて安価な給水ポンプ１１を用いることができる。
【００５９】
一方、高温加熱装置１４は、ヘリオスタット６からの光３２を高い光密度で集光するため、地上面より１０ｍ以上（例えば３０〜１００ｍ）の高所に設置している。この高温加熱装置１４の内部を流れる流体は蒸気のみであるから、従来の蒸発器２と過熱器３と汽水分離装置４からなる集熱装置１（図１８参照）に比べると遥かに軽量で小型である。なお、低温加熱装置１３と高温加熱装置１４の集熱量比率は概ね９：１〜７：３であり、高温加熱装置１４の集熱量は低温加熱装置１３よりも遥かに少ない。
【００６０】
図１に示す本実施形態では、汽水分離装置４から低温加熱装置１３へ至る経路上に循環ポンプ１５を設置している。低温加熱装置１３から汽水分離装置４へ至る経路上に循環ポンプ１５を設置する場合に比べて、循環ポンプ１５の使用温度を下げることができるので、耐熱性の高い高価なポンプを用いる必要がなく、コストの低減と信頼性の向上が図れる。この効果は、第２実施形態以降の実施形態においても同様に得られる効果である。
【００６１】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。  
本実施形態では、トラフ式の集光・集熱装置からなる低温加熱装置２４を用いている。他の構成や発電の仕組みなどは前記第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００６２】
図５は、トラフ式の集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。  
このトラフ式の集光・集熱装置は図５に示すように、桶状に延びた集光ミラー３０の内周曲面上方の焦点位置に個別に伝熱管３１を水平に配置し、太陽光３２を前記集光ミラー３０で伝熱管３１に集光する。各伝熱管３１内には水３３が流通しており、伝熱管３１に集められた熱によってその水３３が加熱され、伝熱管３１から水−蒸気二相流体３４が得られる仕組みになっている。  
このトラフ式の集光・集熱装置は、高度な集光技術は不要であり、構造が比較的単純であるという長所を有している。
【００６３】
なお、本実施形態ではトラフ式の集光・集熱装置からなる低温加熱装置２４を用いたが、フレネル式の集光・集熱装置からなる低温加熱装置を用いてもよい。
【００６４】
図６は、フレネル式の集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。  
このフレネル式の集光・集熱装置は図６に示すように、平面状あるいは若干曲面状の集光ミラー３５を角度を少しずつ変えて多数枚並べて、その集光ミラー３５群の上方数メートルの所にパネル状になった伝熱管３１群を水平に配置する。
【００６５】
太陽光３２を前記集光ミラー３５群で伝熱管３１群に集光し、各伝熱管３１内を流通する水３３を加熱して、伝熱管３１から水−蒸気二相流体３４が得られる仕組みになっている。
【００６６】
このフレネル式の集光・集熱装置は、前記トラフ式の曲面集光ミラー３０よりも製造が簡便であり、安価に製造でき、しかも集光ミラー３５が風圧に影響され難いという長所を有している。
【００６７】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。  
本実施形態の場合図７に示すように、低温加熱装置２４の出口側に流体温度と流量を測定する温度計２５と流量計２８を設け、その温度計２５と流量計２８の計測信号を演算装置２６に入力する。そして演算装置２６では、低温加熱装置２４の出口流体温度が常に３００℃以下になるように、給水弁１９の開度、すなわち、給水流量を制御するための制御信号を給水弁１９に出力している。
【００６８】
このように低温加熱装置２４の出口流体温度を３００℃以下に制限することで、トラフ式（またはフレネル式）の集光・集熱装置からなる低温加熱装置２４の構造を簡素化できると共に、伝熱効率の低下を抑制できるという利点がある。具体的には、トラフ式（またはフレネル式）の集光・集熱装置を高温下で使用する場合の課題である、伝熱管と外周ガラス管との熱伸び差による外周ガラス管の割れ、ならびに伝熱管表面温度の高温化による放射冷却を抑制することができない。
【００６９】
図８は、トラフ式（またはフレネル式）の集光・集熱装置に用いる伝熱管付近の一部拡大断面図である。同図に示すように水平伝熱管３８の外周には外周ガラス管４２が配置されて、二重構造になっている。この外周ガラス管４２は、水平伝熱管３８と外周ガラス管４２の間を気密状態もしくは真空状態にして、水平伝熱管３８から外気への熱放出を抑止するために設けられている。
【００７０】
この伝熱管３８は、複数本をそれぞれ接合して１本の長い伝熱管３８にする訳であり、伝熱管３８は例えば炭素鋼ステンレスなどの金属で構成しているため、図８に示すように伝熱管３８どうしを溶接４３して所定の長さにすることができる。
【００７１】
一方、外周ガラス管４２の方はそれらどうしを直接溶接することはできないから、図８に示すように、外周ガラス管４２の接合部の内側と外側にそれぞれ金属製の接合用管体４４を配置して、外周ガラス管４２と接合用管体４４を溶接することにより、接合用管体４４を介して外周ガラス管４２どうしを所定の長さに連結した構造になっている。
【００７２】
このようにして所定の長さに連結された外周ガラス管４２の内側に、所定の長さに連結された伝熱管３８が挿入されて、集光・集熱装置内に取り付けられる。そのため、伝熱管３８と外周ガラス管４２との熱伸び差が大きくなると、外周ガラス管４２と接合用管体４４の連結部付近が割れることがある。
【００７３】
また、伝熱管３８の表面温度の高温化に伴って外気との温度差が大きくなり、放射冷却現象（温度の４乗差で熱が移動）により、外気への熱放散が大きくなるといった問題がある。
【００７４】
そのため本実施形態では、低温加熱装置２４の出口流体温度を３００℃以下、具体的には２５０〜３００℃の範囲に制限して、伝熱管３８と外周ガラス管４２との熱伸び差による外周ガラス管４２の割れ、ならびに伝熱管３８の表面温度の高温化による放射冷却を抑制している。
【００７５】
なお、高温加熱装置１４の出口流体温度は３００℃以上になるように、前記温度計２５と流量計２８の計測信号に基づいて高温加熱装置１４の集熱量が調整できるようになっている。集熱量は給水弁１９の開度を調整し、給水流量を変化させることで調整される。
【００７６】
他の構成や発電の仕組みなどは前記第２実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００７７】
本実施形態では、低温加熱装置２４の出口側に温度計２５と流量計２８を設置して、計測した温度および流量が所定の値になるように低温加熱装置２４への給水流量を調整したが、低温加熱装置２４の出口側に温度計２５と流量計２８を設置して、計測した温度および流量が所定の値になるように低温加熱装置２４の集熱量を調整することもできる。
【００７８】
（第４実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態に係り、燃料を燃焼もしくは発熱（例えば核燃料の場合）させて、あるいは排気ガスの熱を回収して蒸気を発生させるなどのボイラプラントと太陽熱発電プラントを組み合わせた太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
【００７９】
この太陽熱複合型発電プラントの場合、図１に示した太陽熱発電プラントの他に、燃料を燃焼もしくは発熱させて、あるいは排熱ガスの熱を回収して蒸気を発生させるボイラプラント１０と、そのボイラプラント１０へ水を供給する給水ポンプ１１と、前記ボイラプラント１０で発生した過熱蒸気により駆動される蒸気タービン８と、その蒸気タービン８からの抽気蒸気を用いて、給水ポンプ１１から供給される水を加熱する給水加熱器１２などを備えている。
【００８０】
この太陽熱複合型発電プラントでは、給水ポンプ１１から供給された水の大部分はボイラプラント１０へ供給され、図示されていない燃料を燃焼もしくは発熱させて、水を最終的には過熱蒸気へと変換し、蒸気タービン８へ送られ、発電機９を作動させることで発電する。  
また、蒸気タービン８から一部の蒸気が抽気され、抽気弁１７を通って給水加熱器１２へ送られ、給水が加熱される。
【００８１】
給水ポンプ１１から供給された給水のうち、ボイラプラント１０へ供給される給水を除いたものは、給水弁２０を通って低温加熱装置１３に供給され、太陽７の光３２で加熱することで、その一部が蒸気となった水−蒸気二相流体となり、汽水分離装置４へ流入する。汽水分離装置４で飽和蒸気と飽和水とに分離され、飽和水は循環ポンプ１５により低温加熱装置１３へ再度供給される。汽水分離装置４で分離された飽和蒸気は、高温加熱装置１４で加熱されて高温の蒸気となって、給水加熱器１２に送られる（図中のＡからＡへ）。
【００８２】
また、図９に示すように、高温加熱装置１４で加熱された高温の蒸気を、ボイラプラント１０に供給したり（図中のＡからＡ´へ）、あるいはボイラプラント１０から出た過熱蒸気とともに蒸気タービン８に供給することもできる（図中のＡからＡ"へ）。
【００８３】
図１０は、図９に示すように高温加熱装置１４の出口側に設けた蒸気弁１８の通過蒸気量の変化に伴って[図１０（ａ）参照]、蒸気タービン８の出口側に設けた抽気弁１７の開度を調整する[図１０（ｂ）参照]一例を示した図である。
【００８４】
この図に示すように、蒸気弁１８の通過蒸気量が増大すれば抽気弁１７の開度を小さくし、反対に蒸気弁１８の通過蒸気量が減少すれば抽気弁１７の開度を大きくするようにして、高温加熱装置１４から供給される蒸気量に応じて、抽気弁１７を操作して蒸気タービン８の抽気量を増減（調整）することで、発電出力の大幅な変動を回避することができる。
【００８５】
なお、この高温加熱装置１４から供給される蒸気量に応じた、蒸気タービン８の抽気量の調整は、後述する実施形態においても適用可能である。
【００８６】
（第５実施形態）
図１１は、本発明の第５実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。  
本実施形態で前記第４実施形態と相違する点は、トラフ式あるいはフレネル式の集光・集熱装置からなる低温加熱装置２４を用いた点である。  
他の構成や発電の仕組みなどは前記第４実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００８７】
（第６実施形態）
図１２は、本発明の第６実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。  
本実施形態の場合図１２に示すように、低温加熱装置２４の出口側に流体温度を測定する温度計２５と流量計２８を設け、その温度計２５と流量計２８の計測信号を演算装置２６に入力する。そして演算装置２６では、低温加熱装置２４の出口流体温度が常に３００℃以下になるように、給水弁２０の開度、すなわち、給水流量を制御するための制御信号を給水弁２０に出力している。
【００８８】
このように低温加熱装置２４の出口流体温度を３００℃以下に制限する理由は、前記第３実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００８９】
（第７実施形態）
前記何れの実施形態においても、低温加熱装置１３（２４）および高温加熱装置１４は、最終的には蒸気タービン８を駆動する蒸気（水）からなる流体を熱媒体として、これを直接、太陽７の光３２で加熱する集光・集熱装置となっている。
【００９０】
従って、太陽熱ボイラとしては、低温加熱装置１３（２４）および高温加熱装置１４以外には熱交換器を用いないので、ボイラ装置全体の構成が簡素で、小型化やコストの低減が図れるなどの特長を有している。
【００９１】
一方、水−蒸気からなる流体を直接、太陽７の光３２で加熱する場合、特に低温加熱装置１３（２４）に用いられるフレネル型あるいはトラフ型の集光・集熱装置は、それの伝熱管内で水から蒸気へと相変化が起きて、二相流が生じると、伝熱管が局部的に熱的損傷を受ける可能性がある。
【００９２】
即ち、特にフレネル型あるいはトラフ型の集光・集熱装置は、水平に配置された伝熱管の外周面のうち集光された範囲で受熱するため、伝熱管の外周にわたって不均等な熱流束分布を生じ易い構造となっている。
【００９３】
このため内部流体が二相流となった場合には、瞬時の集光・集熱量の変化によって伝熱異常が生じ、その伝熱管の部位において熱的損傷を生じる可能性がある。
【００９４】
フレネル型やトラフ型の集光・集熱装置は、長大な伝熱管をほぼ水平に配置し、広大な領域に設置されるものであり、太陽光による集熱量が一日のうちで大きく変動し、また天候によっても急激に変化するもので、予め二相流が流れる範囲を特定しておくことが難しい。
【００９５】
このため、全体的に伝熱管材を高性能なもの、すなわち熱的損傷を受け難い高価なものとする必要が生じ、そのためコスト高に繋がるという問題がある。
【００９６】
本発明の第７実施形態はこのような問題点を解消するためのもので、図１３は、この第７実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。
【００９７】
本実施形態の場合図１３に示すように、低温加熱装置１３の入口側に循環流量を調整する給水循環流量制御弁３７と流量計２８を設けるとともに、汽水分離装置４の水位を検出する水位計２９を設ける。
【００９８】
そして流量計２８の流量計測信号と水位計２９の水位計測信号が演算装置２６に入力され、演算装置２６では汽水分離装置４の水位が目標値となるように、給水流量を調整するための給水弁１９、あるいは（および）循環流量を調整するための給水循環流量制御弁３７へ制御信号を出力している。
【００９９】
本実施形態のように汽水分離装置４の水位を制御することによって、低温加熱装置１３の伝熱管において相分離を発生させない運転が可能となる。この原理を図１４ならびに図１５を用いて説明する。
【０１００】
図１４は、汽水分離装置４の水位Ｌ（横軸）と、低温加熱装置１３の出口クオリティ（全質量流量に占める蒸気流量の割合）Ｘ（縦軸）との関係を示す特性図で、汽水分離装置４の全質量流量Ｇをパラメータとして水位Ｌと出口クオリティＸの関係を示している。
【０１０１】
前記低温加熱装置１３の出口クオリティＸとは、全質量流量Ｇに対する蒸気の質量流量の比率のことである。また、汽水分離装置４の全質量流量Ｇとは、汽水分離装置４を介して低温加熱装置１３を循環する流体の流量のことである。
【０１０２】
図１５（ａ）は、横軸に低温加熱装置１３の出口クオリティＸ、縦軸に汽水分離装置４の全質量流量Ｇをとって、低温加熱装置１３の水平伝熱管３８内の水−蒸気二相流の流動状態を噴霧流、環状流、気泡流、スラグ流ならびに成層流の状態に分けて、その領域を示した図である。
【０１０３】
また、図１５（ｂ）は、前記水平伝熱管３８内における水−蒸気二相流の各流動状態を示した模式図で、噴霧流、環状流、気泡流、スラグ流ならびに成層流の状態が示されている。
【０１０４】
この図１５（ｂ）において、水−蒸気二相流が噴霧流とは、管内の大部分が蒸気で、蒸気中に微小な水滴が蒸気に同伴されて流れる状態を示す。環状流とは、管壁に非常に薄い水膜を形成し、その内側が蒸気主体の噴霧流の状態を示す。気泡流とは、管内の大部分が水で満たされ、その中に小さな気泡が存在する状態を示す。スラグ流とは、前記気泡流に比べて気泡の大きさがかなり大きく、気泡流と成層流の中間の状態を示す。成層流とは、気相と液相が重力の作用で上限分離した状態を示す。  
従って、水平伝熱管３８内における水−蒸気二相流の好ましい流動状態は、噴霧流あるいは環状流である。
【０１０５】
前記図１４の結果から明らかなように、汽水分離装置４の水位Ｌと、低温加熱装置１３の出口クオリティ（全質量流量に占める蒸気流量の割合）Ｘには、相関関係があることが分かる。従って、例えば汽水分離装置４の質量流量Ｇ１において、汽水分離装置４の水位Ｌ１を計測することで、低温加熱装置１３の出口クオリティＸ１を求めることができる。
【０１０６】
次に、図１５（ａ）に示すように、低温加熱装置１３の出口クオリティＸと、汽水分離装置４の全質量流量Ｇが分かれば、低温加熱装置１３内の水−蒸気二相流の流動状態を知ることができる。図１４に示した例で説明すれば、質量流量Ｇ１の条件で、汽水分離装置４の水位がＬ１であれば、出口クオリティはＸ１であることが分かる。
【０１０７】
そして図１５（ａ）により、質量流量がＧ１で出口クオリティはＸ１であることから、低温加熱装置１３の水平伝熱管３８内における水−蒸気二相流の流動状態は噴霧流であることが分かる。
【０１０８】
低温加熱装置１３の水平伝熱管内において、相分離を生じさせないためには、全運転条件にわたって、気泡流、環状流もしくは噴霧流の流動状態であることが好ましく、低温加熱装置１３の熱負荷が高い状態においては、特に環状流もしくは噴霧流とすることが望ましい。
【０１０９】
図１３に示すように片側加熱である低温加熱装置１３の管内において、図１５（ｂ）に示すスラグ流や成層流のように水と蒸気の二相に分離すると、水平伝熱管３８は局所的な過熱を生じ、高温クリープや管の変形といった、発電プラントの安定運用に対して好ましくない事象を生じる。よって、低温加熱装置１３内における水−蒸気二相流の流動状態を適切に管理することは、発電プラントの安定運用上、極めて重要である。
【０１１０】
従って本実施形態では、前述のように望ましい流動状態になる出口クオリティＸの値に対応した汽水分離装置４の水位目標値が予め演算装置２６に記憶されている。そして、流量計２８の流量と水位計２９の水位のそれぞれの計測信号が演算装置２６に入力され、演算装置２６では汽水分離装置４の水位が目標値となるように、給水流量を調整するための給水弁１９、あるいは（および）循環流量を調整するための給水循環流量制御弁３７へ制御信号を出力する構成になっており、発電プラントの安定運用が可能となる。
【０１１１】
本実施形態では太陽熱単独型発電プラントの場合について説明したが、太陽熱複合型発電プラントの場合にも適用可能である。
【０１１２】
（第８実施形態）
本発明の第８実施形態も前記第７実施形態と同様の問題点を解消するためのもので、図１６はこの第８実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
【０１１３】
同図に示すように、低温加熱装置５１と集光・集熱装置５２とを別体とし、集光・集熱装置５２に熱媒体流路５３が付設され、熱媒体流路５３の途中に熱媒体循環ポンプ５５が設けられている。その熱媒体流路５３の一部が熱交換器として低温加熱装置５１内に配置されて熱交換器付き低温加熱装置となっており、熱媒体５４が集光・集熱装置５２から熱媒体流路５３内を循環する構成になっている。
【０１１４】
そして集光・集熱装置５２で集熱した熱を熱媒体流路５３を循環する熱媒体５４を通じて低温加熱装置５１に伝達し、低温加熱装置５１内の水−蒸気からなる流体を加熱する。
【０１１５】
なお、低温加熱装置５１内の熱交換器（本実施形態では、熱媒体流路５３の一部）は、低温加熱装置５１内の水−蒸気からなる流体と、熱媒体５４が直接接触しない非接触型のものであれば良く、特に限定されない。  
本実施形態において、集光・集熱装置５２としては、フレネル型またはトラフ型の集光・集熱装置のように、地表付近の低い位置に集光手段と集熱手段とが設置可能なものが好適である。
【０１１６】
熱媒体５４としては使用温度範囲で相変化しない熱媒体が用いられ、熱媒体循環ポンプ５５により集光・集熱装置５２から熱媒体流路５３内を循環する。熱媒体５４として、例えば酸化ジフェ二ル、ビフェ二ル、１，１ジフェ二ルエタンなどの単体、あるいはブレンドした化学合成油を用いることができる。
【０１１７】
この例示した熱媒体５４の最高使用温度はいずれも４００℃程度であり、これを超えると性能の著しい劣化、損失を生じる。このため厳密な温度管理を必要とするが、図１６に示すように熱媒体流路５３に熱媒体温度計５６を付設して、集光・集熱装置５２の出口熱媒体温度を監視して、熱媒体５４の温度が最高使用温度よりも低く、例えば３００℃以下に規制することによって、運用範囲内で特別な処置を講じる必要はなくなる。
【０１１８】
このように集光・集熱装置５２において、熱媒体５４が相変化せず、二相流となることがないので、瞬時の集光・集熱量の変化によって伝熱異常を生じることがない。従って、不均等な熱流束分布条件においても伝熱管の熱的損傷を引き起こすことがなく、信頼性の向上ならびに材料コストの低減を図ることができる。
【０１１９】
なお、さらに以下の構成を設けてもよい。  
図１６に示すように、集光・集熱装置５２の出口側に熱媒体５４の温度と流量を測定する熱媒体温度計５６と熱媒体流量計５７を設け、その熱媒体温度計５６と熱媒体流量計５７の計測信号をそれぞれ演算装置２６に入力する。
【０１２０】
そして演算装置２６では、集光・集熱装置５２の出口側熱媒体温度が３００℃以下になるように、給水弁２０の開度、すなわち、給水流量を制御するための制御信号を給水弁２０に出力するようになっている。
【０１２１】
このように集光・集熱装置５２の出口流体温度を３００℃以下に制限する理由は、前記第３実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。また、
他の構成は前述した実施形態と同じなので、同様に、重複する説明は省略する。
【０１２２】
この第８実施形態は、低温加熱装置５１では、別体の集光・集熱装置５２で加熱された熱媒体を通じて太陽熱を間接的に蒸気発生・加熱に用い、高温加熱装置１４では、他の実施形態と同様、集光・集熱した太陽熱で蒸気を直接的に加熱するものであり、いわばハイブリッド加熱式とでも称することができるものである。
【０１２３】
この第８実施形態によれば、ボイラ装置の構成を複雑化する熱交換器および熱媒体循環ポンプ５５など、熱媒体の循環系統に係わる部分の構成と規模を必要最小限に抑えつつ、前記第７実施形態の説明の冒頭で記述した課題を確実に抑制することができ有効である。
【０１２４】
前記各実施形態で用いる給水加熱器１２として、給水を例えば蒸気などの熱媒体によって加熱する構成のものを使用したが、この給水加熱器１２も太陽熱を利用して給水を加熱する構成にすることも可能である。
【０１２５】
本発明は前述のように、低温加熱装置および汽水分離装置を地上面あるいはその付近に設置することで、飽和水を保有する重量物を支持する構造体（例えば支持土台）が不要となるか、低くて低温加熱装置および汽水分離装置の設置ならびにメンテナンスが容易な構造体で済む。また、蒸気のみを保有する比較的軽量の高温加熱装置を高所に設置するための、その方の構造体を簡素化できる。
【０１２６】
さらに、低温加熱装置と高温加熱装置を機能分離し、その間に汽水分離装置を設置することで、伝熱管の損傷リスクを低減できる。  
さらにまた、高温加熱装置を高所に設置することで、熱密度の高い熱交換が可能となり、高温の蒸気を効率的に得ることができる。  
また、高温加熱装置で集熱量を制御した際の蒸気温度や蒸気流量の変動に応じて、蒸気タービン側の抽気蒸気量を調整することで、蒸気タービンの出力を一定に保つことが可能となる。
【０１２７】
本実施形態では太陽熱複合型発電プラントの場合について説明したが、太陽熱単独型発電プラントの場合にも適用可能である。
【符号の説明】
【０１２８】
４：汽水分離装置、
６：ヘリオスタット、
７：太陽、
８：蒸気タービン、
９：発電機、
１０：ボイラプラント、
１１：給水ポンプ、
１２：給水加熱器、
１３：低温加熱装置、
１４：高温加熱装置、
１５：循環ポンプ、
１６：タワー、
１７：抽気弁、
１８：蒸気弁、
２１：過熱器伝熱管、
２４：トラフ式低温加熱装置、
２５：温度計、
２６：演算装置、
２７：伝熱管パネル、
２８：流量計、
３０，３５：集光ミラー、
３１：伝熱管、
３２：太陽の光、
３３：水、
３４：水−蒸気二相流、
３７：循環流量制御弁、
３８：水平伝熱管、
５１：低温加熱装置、
５２：集光・集熱装置、
５３：熱媒体流路、
５４：熱媒体、
５５：熱媒体循環ポンプ、
５６：熱媒体温度計、
５７：熱媒体流量計。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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