(57)【要約】【課題】集熱された太陽熱を受け表面温度が５００℃を超える受熱部に熱媒体を供給しても支障なく太陽熱から熱交換でき、過熱蒸気を生成して発電することができる太陽熱利用発電装置を提供することを課題とする。【解決手段】太陽熱利用発電装置において、固体粒子を気相に分散させた混相熱媒体を蒸気過熱のための熱媒体として供給する混相熱媒体供給装置４と、太陽熱集熱装置５から太陽熱を受熱すると共に、混相熱媒体供給装置４から混相熱媒体の供給を受け、受熱した太陽熱により該混相熱媒体を加熱する太陽熱受熱装置６と、太陽熱受熱装置６から供給された混相熱媒体との熱交換により、ボイラ１からの蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及びボイラからの過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱のうち少なくとも一方を行い、過熱蒸気を蒸気タービン発電機３へ供給する蒸気過熱熱交換器２と、を有する。【選択図】図１
2011214425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を生成するボイラと、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、過熱蒸気により発電する蒸気タービン発電装置とを有し、
太陽熱集熱装置からの太陽熱で熱媒体を加熱し、該熱媒体でボイラからの蒸気を加熱して過熱蒸気を生成して蒸気タービン発電装置を駆動することにより発電する太陽熱利用発電装置において、
固体粒子を気相に分散させた混相熱媒体を蒸気過熱のための熱媒体として供給する混相熱媒体供給装置と、
太陽熱集熱装置から太陽熱を受熱すると共に、混相熱媒体供給装置から混相熱媒体の供給を受け、受熱した太陽熱により該混相熱媒体を加熱する太陽熱受熱装置と、
太陽熱受熱装置から供給された混相熱媒体との熱交換により、ボイラからの蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及びボイラからの過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱のうち少なくとも一方を行い、過熱蒸気を蒸気タービン発電機へ供給する蒸気過熱熱交換器と、
を有することを特徴とする太陽熱利用発電装置。
【請求項２】
蒸気を生成するボイラと、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、過熱蒸気により発電する蒸気タービン発電装置とを有し、
太陽熱集熱装置からの太陽熱で熱媒体を加熱し、該熱媒体でボイラからの蒸気を加熱して過熱蒸気を生成して蒸気タービン発電装置を駆動することにより発電する太陽熱利用発電装置において、
固体粒子を気相に分散させた混相熱媒体を蒸気過熱のための熱媒体として供給する混相熱媒体供給装置と、
太陽熱集熱装置から太陽熱を受熱すると共に、混相熱媒体供給装置から混相熱媒体の供給を受け、受熱した太陽熱により該混相熱媒体を加熱する太陽熱受熱装置と、
太陽熱受熱装置から混相熱媒体を受け入れると共に該混相熱媒体を貯留し、該混相熱媒体との熱交換により、ボイラからの蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及びボイラからの過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱のうち少なくとも一方を行うと共に蓄熱を行い、過熱蒸気を蒸気タービン発電機へ供給する蒸気過熱熱交換器・蓄熱器と、
を有することを特徴とする太陽熱利用発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を利用する発電装置に関する。さらに詳しくは、太陽熱によって加熱した熱媒体により、ボイラからの蒸気を過熱して過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電する太陽熱利用発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の太陽熱利用発電装置として、特許文献１に開示された装置が知られている。特許文献１では、太陽熱で液体熱媒体を加熱し、該液体熱媒体を介して水を加熱蒸発することにより飽和蒸気を生成した後、ガスタービンの駆動に使用された燃焼ガスによって該飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成し、該過熱蒸気を蒸気タービンに供給して発電を行うこととしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０３９３６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の発電装置では、太陽熱で加熱された液体熱媒体によって水を加熱して飽和蒸気を生成し、燃焼ガスによって該飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成するので、太陽熱の大部分が飽和蒸気生成のための水の蒸発潜熱に消費される。この結果、発電に対する太陽熱の寄与が小さくなってしまう。
【０００５】
太陽熱を収束集熱して利用する場合、通常の日射量の千倍以上に集熱された太陽熱を受ける受熱部の表面温度は５００℃を超える。受熱部に設けられた熱交換器で熱媒体が太陽熱により加熱されるが、熱媒体として、油脂類を用いる場合、この油脂類が液漏れすると着火・燃焼して火炎を発生し、装置破損等の被害に至る懸念があるなど問題がある。
【０００６】
熱媒体として、溶融塩を用いる場合でも、受熱部の表面温度が５００℃以上となる場合、溶融塩が熱分解したり、沸点に達して急激な圧力上昇を起こしたりすることで、溶融塩熱媒体配管の破裂や損傷が生じることが懸念される。さらに、太陽の日射の低下した場合や夜間の日射の無い場合には、温度降下して溶融塩が凝固するので、再立ち上げ時に凝固した溶融塩を溶融させるための熱源が必要となるなどの問題がある。
【０００７】
また、空気等の気体を熱媒体として用いる場合、受熱部の表面温度が５００℃以上となっても装置の破損は招かないものの、気体熱媒体は単位容積あたりの熱容量が小さいので、この気体熱媒体を大量に受熱部に送る必要があり、ガス流速を大きくしたり、圧力を高めたりするためのエネルギが必要になるという問題がある。
【０００８】
さらには、加圧された温水、すなわち加圧水と飽和蒸気の混合物を熱媒体として活用することも原理的に可能ではあるが、４００℃以上での飽和蒸気圧力は２００気圧を大幅に超えるため、実際に熱交換器や配管材としてこのような高い内部圧力に耐えるものを製作することは、高価な高温高圧に耐える材料を用いなければならないので、実質的に困難であるという問題がある。
【０００９】
また、昼夜間や天候（晴天・曇天・雨天・他）による日射量の変動により、太陽熱受熱量が変動するが、このような太陽熱受熱量の変動を平滑化して、高効率発電を維持することが要望されている。
【００１０】
本発明は、上述のごとくの事情に鑑み、集熱された太陽熱を受け表面温度が５００℃を超える受熱部に熱媒体を供給しても支障なく太陽熱から熱交換でき、過熱蒸気を生成して発電することができる太陽熱利用発電装置を提供することを第一の課題とし、さらに、これに加えて、太陽熱受熱量の変動を平滑化して高効率発電を維持することもできる太陽熱利用発電装置を提供することを第二の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によると、上述の第一そして第二の課題は、次の第一発明そして第二発明によりそれぞれ解決される。
【００１２】
第一発明そして第二発明に係る太陽熱利用発電装置は、蒸気を生成するボイラと、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、過熱蒸気により発電する蒸気タービン発電装置とを有し、太陽熱集熱装置からの太陽熱で熱媒体を加熱し、該熱媒体でボイラからの蒸気を加熱して過熱蒸気を生成して蒸気タービン発電装置を駆動することにより発電する。
【００１３】
＜第一発明＞
かかる太陽熱利用発電装置において、第一発明では、固体粒子を気相に分散させた混相熱媒体を蒸気過熱のための熱媒体として供給する混相熱媒体供給装置と、太陽熱集熱装置から太陽熱を受熱すると共に、混相熱媒体供給装置から混相熱媒体の供給を受け、受熱した太陽熱により該混相熱媒体を加熱する太陽熱受熱装置と、太陽熱受熱装置から供給された混相熱媒体との熱交換により、ボイラからの蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及びボイラからの過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱のうち少なくとも一方を行い、過熱蒸気を蒸気タービン発電機へ供給する蒸気過熱熱交換器と、を有することを特徴としている。
【００１４】
＜第二発明＞
第二発明では、上述の第一発明の構成中、蒸気過熱熱交換器に関して改善が加えられていて該蒸気過熱熱交換器・蓄熱器として構成されており、太陽熱受熱装置から混相熱媒体を受け入れると共に該混相熱媒体を貯留し、該混相熱媒体との熱交換により、ボイラからの蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及びボイラからの過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱のうち少なくとも一方を行うと共に蓄熱を行い、過熱蒸気を蒸気タービン発電機へ供給するようになっている。
【００１５】
このような構成の第一発明そして第二発明では、ボイラで飽和蒸気又は過熱蒸気を生成し、該ボイラで飽和蒸気が生成される場合には過熱蒸気の生成そして加熱に太陽熱を活用し、該ボイラで過熱蒸気が生成される場合には該過熱蒸気の加熱に太陽熱を活用する。このように、太陽熱を過熱蒸気の生成あるいは過熱蒸気の加熱に活用することにより、該太陽熱の電気変換効率が大幅に高められる。
【００１６】
さらに、第一発明そして第二発明では、太陽熱を収束集熱された高温の熱エネルギを受けて加熱される熱媒体として、固体粒子を気相に分散させて熱容量を大きくした混相熱媒体を用いることとしているので、表面温度が５００℃を超える受熱部に熱媒体を供給しても、支障なく太陽熱から熱交換でき、さらに蒸気過熱熱交換器に熱媒体を円滑に移送し、ボイラで生成した飽和蒸気又は過熱蒸気を過熱することができる。
【００１７】
混相熱媒体は、熱の供給を受ける固体粒子を主体とし、固体粒子を気相に分散することにより、気相輸送又は円滑に機械的に移動できる機能を有する。集熱された太陽熱エネルギの大部分を固体粒子に蓄熱させて輸送でき、必要な場所で熱供給することができる。
【００１８】
また、第二発明では、第一発明の作用効果を奏する上に、蓄熱槽に貯留される混相熱媒体に太陽熱が蓄熱されるので、昼夜間や天候（晴天・曇天・雨天・他）による日射量の変動により、太陽熱受熱量が変動しても、このような太陽熱受熱量の変動を平滑化して高効率発電を維持することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、第一発明そして第二発明によれば、熱媒体として混相熱媒体を用いているので、集熱された太陽熱を受け表面温度が５００℃を超える受熱部に熱媒体を供給しても、支障なく太陽熱から熱交換でき、過熱蒸気を生成して発電することができる太陽熱利用発電装置を提供すること、さらに、これに加えて、第二発明では、太陽熱受熱量の変動を平滑化して高効率発電を維持することができる太陽熱利用発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施形態の概要構成図である。
【図２】本発明の第二実施形態の概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面に基づいて本発明に係る太陽熱利用発電装置の実施形態を説明する。
【００２２】
＜第一実施形態＞
図１における第一実施形態としての太陽熱利用発電装置は、廃棄物処理装置のボイラ１から蒸気を受け、この蒸気を蒸気過熱熱交換器２で過熱蒸気とし、この過熱蒸気で蒸気タービン発電機３を駆動すべく、上記ボイラ１、蒸気過熱熱交換器２そして蒸気タービン発電機３が接続されている。
【００２３】
上記蒸気過熱熱交換器２における熱交換用の熱媒体は、気体中に固定粒子が分散された混相熱媒体であり、混相熱媒体供給装置４から供給される。
【００２４】
本実施形態では、太陽熱集熱装置５とこれに接続された太陽熱受熱装置６とを有している。太陽熱受熱装置６は、太陽熱集熱装置５から太陽熱を受けると共に、該太陽熱受熱装置６に接続されている混相熱媒体供給装置４から混相熱媒体の供給を受け、この混相熱媒体を太陽熱で加熱するようになっている。上記混相熱媒体供給装置４は、粒子供給装置７を介して粒子貯層８が接続されていて、ここから粒子を受けるようになっている。さらに、このような各装置を有する本実施形態装置では、蒸気過熱熱交換器２は、熱交換後の混相熱媒体を帰還すべく、混相熱媒体供給装置４と粒子貯槽８とも接続されており、また、この粒子貯槽８は槽内で分離した気体を帰還すべく、混相熱媒体供給装置４とも接続されている。
【００２５】
次に、図１の装置における構成要素のうちの主要要素等について詳述する。
【００２６】
＜太陽熱集熱装置及び太陽熱受熱装置＞
太陽熱集熱装置５は、太陽熱を集熱すべく構成されていて、例えば、複数の反射鏡と反射された太陽光を収束させるため断面が放物線状の収束反射鏡とを有していて、複数の反射鏡で反射された太陽光が収束反射鏡により集光され、収束された太陽光を太陽熱受熱装置６の受熱部に照射することにより効率的に太陽熱を利用するようになっている。この太陽熱受熱装置６は、内部に混相熱媒体を流通させる受熱部を有していて、太陽熱集熱装置５からの太陽熱により混相熱媒体を加熱するようになっている。
【００２７】
太陽熱受熱装置６の表面は、透明ガラス、透明石英等に覆われ、透明ガラス等と受熱部との間の空間を真空とすることにより、対流伝熱による熱ロスを抑制できる。また、受熱部表面は、黒色塗料が塗布されるか、凹凸のある鏡面構造を有することで、輻射伝熱ロスを抑制できるようになっていて、太陽熱集熱装置５からの受熱熱量を最大に、かつ熱ロスを最小化にする。
【００２８】
＜混相熱媒体＞
混相熱媒体は固体粒子を気相に分散させた熱媒体である。高温でも安定な固体粒子として、セラミック粒子や金属粒子、又は、これらと同等の性質を有する固体粒子を用いることができる。セラミック粒子の例としてアルミナ粒子を用いることができ、アルミナ粒子は強度が高いので粉化しにくく、熱衝撃にも耐える性質があり、１０００℃以上の高温でも反応しないし、粒子同士が焼結して固着する懸念がなく使用できるので、好ましい。金属粒子の例としてステンレス粒子を用いることができる。固体粒子の形状は球形であることが流動性などの点から好ましいが、これに限らない。
【００２９】
固体粒子の大きさは平均粒径で０．１〜１ｍｍ程度が好ましい。固体粒子の大きさが１０ｍｍより大きいと、熱媒体輸送配管が大きくなり、支障が生じることがある。また、１０ｍｍより大きいと、表面積／重量比率が小さく受熱装置で受熱する接触面積比が小さくなるので、望ましくない。固体粒子の大きさが０．１μｍ以下のような微細粒子となると、熱媒体配管内での詰まりが生じることがあるので望ましくない。
【００３０】
気体としては窒素など不活性なガスが好ましい。空気を用いてもよい。
【００３１】
固体粒子は、適切な材質を選定することにより、温度が５００℃を大幅に超えても安定であるので、熱媒体の熱分解や熱媒体の圧力が上昇することなく使用できる。また、温度降下しても溶融塩のように凝固することはない。固気比率（固体粒子／輸送用気体の重量比）を５倍から１００倍程度にできるので、気体を熱媒体として使用する場合よりも単位容積あたりの熱容量が大きく、受熱装置をコンパクトな設備にすることができる。
【００３２】
＜混相熱媒体供給装置＞
混相熱媒体供給装置４は、粒子と気体を受けて混相熱媒体を生成し供給する。粒子貯槽８に貯留されている固体粒子を粒子供給装置（ロータリバルブなどの定量切り出し装置）７により、混相熱媒体供給装置４へ切り出し、該混相熱媒体供給装置４に備えられているブロワにより送気される気体を受け、気体中に固体粒子を所定の固気比率となるように分散させ、混相熱媒体を生成し、太陽熱受熱装置６の受熱部内へ気流輸送する。
【００３３】
＜蒸気過熱熱交換器＞  
蒸気過熱熱交換器２は、太陽熱受熱装置６から供給された太陽熱により加熱されている混相熱媒体との熱交換により、ボイラ１からの蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及びボイラからの過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱のうち少なくとも一方を行う。
【００３４】
蒸気を過熱した混相熱媒体は蒸気過熱熱交換器２から払い出され、混相熱媒体供給装置４へ戻される。払い出された混相熱媒体の一部は、図１の破線で示されるごとく、例えば、粒子が部分的に凝固していると、粒子貯槽８に戻される場合もあり、その場合は、粒子貯槽８から分離した気体が混相熱媒体供給装置４へ循環される。
【００３５】
＜廃棄物発電設備＞
蒸気タービン発電機を含む廃棄物発電設備は、廃棄物処理炉で処理される廃棄物の種類によって、廃棄物の燃焼により発生する熱量が変動する（例えば、１２００ｋｃａｌ／ｋｇ〜２８００ｋｃａｌ／ｋｇ−湿ベース）ことを考慮して、高カロリー廃棄物に対応した廃熱回収発電設備を備えている。廃棄物発電設備の一例として、廃棄物焼却炉にボイラを備え、焼却炉から排出される排ガスの廃熱を回収し該ボイラにて水を加熱して蒸発させて飽和蒸気を生成し、該飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成し、該過熱蒸気を蒸気タービン発電機３に供給して発電することが行われている。
【００３６】
近年は、廃棄物の分別収集が進行し、高カロリーのプラスチックごみが分別され、焼却炉へ供給される廃棄物のカロリーが低下しているため、廃熱回収発電設備能力に相当余裕ができており、換言すれば、廃熱回収発電設備能力が有効に利用されていない。このような事情から、既設の廃棄物発電設備の廃熱回収発電設備能力を有効に活用することが要望されている。
【００３７】
本発明に係る太陽熱利用発電装置の蒸気を生成するボイラとして、廃棄物を燃焼又はガス化溶融する燃焼炉又はガス化溶融炉からの排ガスから廃熱回収するボイラを用いることにより、既設の廃棄物発電設備の発電設備能力を有効活用できるばかりでなく、新規の廃棄物発電設備においてもさらに発電効率を向上できる効果がある。
【００３８】
＜第二実施形態＞
第二実施形態は、第一実施形態の蒸気過熱熱交換器２を蒸気過熱熱交換器・蓄熱器２Ａとし、該蒸気過熱熱交換器・蓄熱器２Ａで貯留中に分離する気体を混相熱媒体供給装置４へ帰還せしめるように接続している点で第一実施形態と相違し、他は第一実施形態と同じである。
【００３９】
本実施形態における 蒸気過熱熱交換器・蓄熱器２Ａは、太陽熱受熱装置６から混相熱媒体を受け入れると共に、この混相熱媒体を貯留し、該混相熱媒体との熱交換により、ボイラ１からの蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及びボイラからの過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱のうち少なくとも一方を行うと共に蓄熱を行う。蒸気過熱熱交換器・蓄熱器２Ａは、内部に混相熱媒体を貯留する構造を有しており、ボイラで生成した蒸気と混相熱媒体との熱交換を行う熱交換面が、貯留されている混相熱媒体と接触するようになっている。例えば、貯留容器の底部、側面、上面に伝熱管などの熱交換部材が配置されている。
【００４０】
蒸気過熱熱交換器・蓄熱器２Ａで熱交換された混相熱媒体は払い出されて混相熱媒体供給装置４へ戻される。
【００４１】
このような第二実施形態によると、第一実施形態での作用効果に加え、蓄熱器に貯留される混相熱媒体に太陽熱が蓄熱されるので、昼夜間や天候（晴天・曇天・雨天・他）による日射量の変動により、太陽熱受熱量が変動しても、このような太陽熱受熱量の変動を平滑化して高効率発電を維持することができる。
【００４２】
本発明の混相熱媒体を使用して、集熱された５００℃以上の太陽熱を有効利用することは、蒸気タービン発電装置へ供給する蒸気の過熱に適用することだけでなく、太陽熱の供給手段として他のプロセスに適用することができる。例えば、廃棄物処理炉設備において廃棄物処理炉へ供給する支燃ガスの予熱熱源や、有害物を加熱して分解し無害化する装置の熱源等に利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  ボイラ
２  蒸気過熱熱交換器
２Ａ  蒸気過熱熱交換器・蓄熱器
３  蒸気タービン発電装置（発電機）
４  混相熱媒体供給装置
５  太陽熱集熱装置
６  太陽熱受熱装置
【図１】
2011214425.tif 000003
【図２】
2011214425.tif 000004