(57)【要約】      （修正有）【課題】発電システムを提供する。【解決手段】発電システム１０は、圧縮排気を予熱する太陽予熱器１８と、加熱圧縮空気を太陽予熱器１８から受け取るとともに、加熱圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて高温燃焼ガスを生成する燃焼器３６と、高温燃焼ガスを燃焼器３６から受け取るとともに、この高温燃焼ガスを膨張させて排気ガスを生成する第１タービン２８と、排気ガスを第１タービン２８から受け取るとともに、この排気ガスを用いて凝縮流体を加熱することにより蒸気を生成する排熱回収蒸気発生器４６と、加熱作動流体を排熱回収蒸気発生器４６から受け取るとともに、この加熱作動流体を加熱することにより太陽熱蒸気を生成する太陽熱蒸発器／過熱器２２と、蒸気と太陽熱蒸気とを用いて第２発電機６２を駆動させる第２タービン５８とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱された太陽熱流体の第１部分を用いて圧縮排気を予熱することにより、加熱圧縮空気を生成する太陽予熱器（１８）と；
前記太陽予熱器（１８）に動作的に結合された燃焼器（３６）であって、
前記太陽予熱器（１８）から前記加熱圧縮空気を受け取り、
前記加熱圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて高温燃焼ガスを生成する、燃焼器（３６）と；
前記燃焼器（３６）に動作的に結合された第１タービン（２８）であって、
前記燃焼器（３６）から前記高温燃焼ガスを受け取り、
前記高温燃焼ガスを膨張させて排気ガスを生成する、第１タービン（２８）と；
前記第１タービン（２８）に動作的に結合された排熱回収蒸気発生器（４６）であって、
前記第１タービン（２８）から前記排気ガスを受け取り、
前記排気ガスを用いて凝縮流体を加熱し、蒸気を生成する、排熱回収蒸気発生器（４６）と；
前記排熱回収蒸気発生器（４６）に動作的に結合された太陽熱蒸発器／過熱器（２２）であって、
前記排熱回収蒸気発生器（４６）から加熱作動流体を受け取り、
前記加熱された太陽熱流体の第２部分を用いて前記加熱作動流体を加熱し、太陽熱蒸気を生成する、太陽熱蒸発器／過熱器（２２）と；
前記排熱回収蒸気発生器（４６）から受け取った蒸気と前記太陽熱蒸発器／過熱器（２２）から受け取った前記太陽熱蒸気とを用いて、第２発電機（６２）を駆動させるように構成された第２タービン（５８）と、を有する発電システム（１０）。
【請求項２】
太陽光線を集光するとともに、太陽熱流体を加熱して前記加熱された太陽熱流体を生成する集熱受光器（１２）を更に有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記太陽予熱器（１８）は、前記加熱された太陽熱流体の前記第１部分を受け取るように、前記集熱受光器（１２）に動作的に結合されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記太陽熱蒸発器／過熱器（２２）は、前記加熱された太陽熱流体の前記第２部分を受け取るように、前記集熱受光器（１２）に動作的に結合されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記太陽予熱器（１８）は、前記圧縮排気を前記圧縮機（２６）から受け取るように、圧縮機（２６）と動作的に関連している、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記圧縮機（２６）は、
低圧圧縮機（１３０）であって、
導入口（１３２）からの空気を受け取り、
空気（３０４）を所望の圧力レベルに圧縮して圧縮空気を生成する、低圧圧縮機（１３０）と；
前記低圧圧縮機（１３０）に動作的に結合された中間冷却器（１２８）であって、
前記低圧圧縮機（１３０）から前記圧縮空気を受け取り、
前記圧縮空気を冷却して冷却圧縮空気を生成するように構成された中間冷却器（１２８）と；
前記中間冷却器（１２８）に動作的に結合された高圧圧縮機（１３４）であって、
前記中間冷却器（１２８）から前記冷却圧縮空気を受け取り、
前記冷却圧縮空気を圧縮して前記圧縮排気を生成する、高圧圧縮機（１３４）と、
を更に有する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１タービン（２８）は、
前記燃焼器（１４８）に動作的に結合された高圧タービン（１５４）であって、
前記燃焼器（１４８）から前記高温燃焼ガスを受け取り、
前記高温燃焼ガスを膨張させて第１膨張ガスを生成する、高圧タービン（１５４）と；
前記高圧タービンに動作的に結合された再熱器（１５６）であって、
前記高圧タービン（１５４）から前記第１膨張ガスを受け取り、
前記第１膨張ガスを用いて燃料を燃焼させ、第１加熱膨張ガスを生成する、再熱器（１５６）と；
前記高圧タービン（１５４）と前記再熱器（１５６）に動作的に結合されており、前記再熱器（１５６）から受け取った前記第１加熱膨張ガスを膨張させて前記排気ガスを生成するように構成された、低圧タービン（１６０）と、
を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記凝縮流体を生成する凝縮器（２００）を更に有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１タービンと動作的に関連して発電を行う第１発電機（１６２）を更に有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
加熱された太陽熱流体の第１部分を用いて圧縮排気を予熱することにより、加熱圧縮空気を生成する太陽予熱器（１２２）と；
前記太陽予熱器に動作的に結合された燃焼器（１４８）であって、
前記太陽予熱器（１２２）から前記加熱圧縮空気を受け取り、
前記加熱圧縮空気を用いて燃料を燃焼させ、高温燃焼ガスを生成する、燃焼器（１４８）と；
前記燃焼器に動作的に結合された高圧タービン（１５４）であって、
前記燃焼器（１４８）から前記高温燃焼ガスを受け取り、
前記高温燃焼ガスを膨張させて第１膨張ガスを生成する、高圧タービン（１５４）と；
前記高圧タービンに動作的に結合された再熱器（１５６）であって、
前記高圧タービン（１５４）から前記第１膨張ガスを受け取り、
前記第１膨張ガスを用いて燃料を燃焼させ、第１加熱膨張ガスを生成する、再熱器（１５６）と；
前記高圧タービン（１５４）と前記再熱器（１５６）とに動作的に結合されており、前記再熱器（１５６）から受け取った前記第１加熱膨張ガスを膨張させて前記排気ガスを生成する低圧タービン（１６０）と；
前記低圧タービン（１６０）に接続されており、前記低圧タービン（１６０）から受け取った前記排気ガスを用いて凝縮流体を加熱することにより蒸気を生成する排熱回収蒸気発生器（１６６）と；
前記排熱回収蒸気発生器（１６６）に動作的に結合された太陽熱蒸発器／過熱器（１８２、１８４）であって、
前記排熱回収蒸気発生器（１６６）から加熱作動流体と蒸気を受け取り、
前記加熱された太陽熱流体の第２部分を用いて前記加熱作動流体を加熱することにより太陽熱蒸気を生成する、太陽熱蒸発器／過熱器（１８２、１８４）と；
前記排熱回収蒸気発生器（１６６）から受け取った前記蒸気と前記太陽熱蒸発器／過熱器（１８２、１８４）から受け取った前記太陽熱蒸気とを用いて第２発電機（２０４）を駆動させる第２タービン（１９２）と、を有する発電システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して発電に関し、特に太陽エネルギーを用いた発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電は、一般的には他の形態のエネルギーを用いたプロセスであり、電力は、大抵は発電所において、通常は熱機関で駆動される電気機械式発電機によって生成される。この熱機関への動力供給を、化学的燃焼、核分裂、又は、流水や風等の運動エネルギーといったその他の手段により行うことがある。また、太陽エネルギーを用いて発電用の熱機関を駆動させることもある。
【０００３】
熱機関を用いた発電技術では、一般的には化石燃料を燃焼させて電力を発生させる。しかし、化石燃料を使用する発電は、化石燃料のコスト高と天然資源の枯渇の影響を受けるので、結果的に電力コストが高くなる。その一方、太陽エネルギーを用いた発電では、再生可能なエネルギー源を用いるが、プラントの建設に関連したコスト高の影響を受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５４１７０５２Ａ号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、太陽エネルギー、燃料及び／又はこれらの両方を用いて発電するように構成された発電所の設計を開発することが望ましい。特に、燃料価格が高いときは全面的又は部分的に太陽エネルギーで運転可能で、十分な太陽エネルギーが得られないときは全面的又は部分的に燃料で運転可能な発電所の必要性がある。更に、発電時の効率が高く、発電にかかるコスト全体を削減できる発電所の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の技術の一態様に従って、発電システムを簡潔に提示する。この発電システムは、加熱された太陽熱流体の第１部分を用いて圧縮排気を予熱することにより、加熱圧縮空気を生成する太陽予熱器と；太陽予熱器に動作的に結合された燃焼器であって、加熱圧縮空気を太陽予熱器から受け取り、加熱圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて高温燃焼ガスを生成する燃焼器と；燃焼器に動作的に結合された第１タービンであって、高温燃焼ガスを燃焼器から受け取り、高温燃焼ガスを膨張させて排気ガスを生成する第１タービンと；第１タービンに動作的に結合された排熱回収蒸気発生器であって、排気ガスを第１タービンから受け取り、この排気ガスを用いて凝縮流体を加熱することにより蒸気を生成する排熱回収蒸気発生器と；排熱回収蒸気発生器に動作的に結合された太陽熱蒸発器／過熱器であって、加熱作動流体を排熱回収蒸気発生器から受け取り、加熱された太陽熱流体の第２部分を用いて加熱作動流体を加熱することにより太陽熱蒸気を生成する太陽熱蒸発器／過熱器と；排熱回収蒸気発生器から受け取った蒸気と太陽熱蒸発器／加熱器から受け取った太陽熱蒸気とを用いて第２発電機を駆動させるように構成された第２タービンと、を有する。
【０００７】
本発明の技術の別の態様に従って、発電システムを提示する。この発電システムは、加熱された太陽熱流体の第１部分を用いて圧縮排気を予熱することにより、加熱圧縮空気を生成する太陽予熱器と；太陽予熱器に動作的に結合された燃焼器であって、加熱圧縮空気を太陽予熱器から受け取り、加熱圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて高温燃焼ガスを生成する燃焼器と；燃焼器に動作的に結合された高圧タービンであって、高温燃焼ガスを燃焼器から受け取り、高温燃焼ガスを膨張させて第１膨張ガスを生成する高圧タービンと；高圧タービンに動作的に結合された再熱器であって、第１膨張ガスを高圧タービンから受け取り、第１膨張ガスを用いて燃料を燃焼させて第１加熱膨張ガスを生成する再熱器と；高圧タービン及び再熱器に動作的に結合された低圧タービンであって、再熱器から受け取った第１加熱膨張ガスを膨張させて排気ガスを生成する低圧タービンと；低圧タービンに接続されており、低圧タービンから受け取った排気ガスを用いて凝縮流体を加熱することにより蒸気を生成する排熱回収蒸気発生器と；排熱回収蒸気発生器に動作的に結合された太陽熱蒸発器／過熱器であって、加熱作動流体を排熱回収蒸気発生器から受け取り、加熱された太陽熱流体の第２部分を用いて加熱作動流体を加熱することにより太陽熱蒸気を生成する太陽熱蒸発器／過熱器と；排熱回収蒸気発生器から受け取った蒸気と太陽熱蒸発器／加熱器から受け取った太陽熱蒸気とを用いて第２発電機を駆動させる第２タービンと、を有する。
【０００８】
本発明の技術のまた別の態様に従って、発電方法を提示する。この発電方法は、加熱された太陽熱流体の第１部分を用いて圧縮排気を予熱することにより加熱圧縮空気を生成するステップと、加熱圧縮空気を用いて燃料を燃焼させることにより高温燃焼ガスを生成するステップと、高温燃焼ガスを高圧タービン内で膨張させることにより第１膨張ガスを生成するステップと、第１膨張ガスを用いて燃料を燃焼させることにより第１加熱膨張ガスを生成するステップと、第１加熱膨張ガスを膨張させることにより排気ガスを生成するステップと、この排気ガスを利用して凝縮流体を加熱することにより蒸気と加熱作動流体とを生成するステップと、加熱された太陽熱流体の第２部分を用いて加熱作動流体を加熱して蒸発させることにより太陽熱蒸気を生成するステップと、蒸気と太陽熱蒸気を用いて第２タービンを駆動させて発電を行うステップと、を含む。
【０００９】
複数の図面を通して対応するパーツを対応する符号で示す添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明を読むと、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、利点の理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の技術の態様に従った、発電システムの一実施形態の線図である。
【図２】本発明の技術の態様に従った、発電用発電システムの別の実施形態の線図である。
【図３】本発明の技術の態様に従った例示的な発電プロセスを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の技術の態様に従った、発電システム１０の一実施形態の線図である。詳細には、図１は、太陽予熱を用いた混成複合サイクルによる発電用の発電システム１０を示す。図１に示すように、発電システム１０は、太陽１４からの太陽光線を集光するとともに太陽光線の熱を吸収する集熱受光器１２を含み得る。太陽光線を集光する例示的集熱受光器を、図２を参照しながら更に詳細に説明する。集熱受光器１２には、太陽光線を集光するための、例えば、焦点に吸収受光器を有する反射パラボリック・ディッシュ、焦線に吸収管を有するパラボリック・トラフ、太陽光線を中央受光器に向けて反射するヘリオスタットとして周知の鏡配列体、リニアフレネルレンズ又は鏡が含まれる。
【００１２】
更に、一実施形態において、集熱受光器１２は、太陽熱流体を用いて太陽光線の熱を吸収する。本明細書で使用する場合、「太陽熱流体」という用語は、太陽光線の熱を吸収する流体を指すことがある。太陽熱流体には、例えば、溶融塩、溶融金属、Galinstan（登録商標）（ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、スズ１０％）等の共晶合金、熱媒油、水、蒸気又は加圧空気が含まれる。太陽熱流体により熱が吸収されると、太陽熱流体の温度が上昇する。太陽熱流体の温度上昇の結果として、加熱された太陽熱流体が生成される。例示的な実施形態では、加熱された太陽熱流体の温度は、約３００°Ｃ〜約１０００°Ｃの範囲である。
【００１３】
更に、システム１０は、タービンエンジン２４を含み得る。タービンエンジン２４は、例えば、第１タービン２８に軸３０を介して動作的に結合された圧縮機２６を含む。圧縮機２６は、導入口３２から受け取った空気を圧縮することにより、圧縮排気を生成する。空気を圧縮すると、導入口３２から受け取った空気の温度に対して圧縮排気の温度が高くなる。空気の温度上昇は、圧縮機２６の圧縮比と構造に依存する。或る実施形態では、圧縮排気の温度が約３００°Ｃ〜約５００°Ｃの範囲内になる。圧縮排気は、その後、管路２７を介して太陽予熱器１８に送られる。太陽予熱器１８は、また、集熱受光器１２から管路１６を介して、加熱された太陽熱流体の第１部分を受け取る。本明細書で使用する場合、「太陽予熱器」という用語は、加熱された太陽熱流体の第１部分の熱を圧縮排気に伝達するために用いる熱交換器を指すことがある。更に、集熱受光器１２からの加熱された太陽熱流体の第２部分は、管路２０を介して太陽熱蒸発器／過熱器２２に送られる。
【００１４】
また更に、圧縮排気は、太陽予熱器１８により加熱される。一実施形態において、太陽予熱器１８は、加熱された太陽熱流体の第１部分の熱を圧縮排気に伝達することにより、圧縮排気を加熱する。圧縮排気を加熱すると、結果的に加熱圧縮空気が生成される。加熱圧縮空気の温度は、約７００°Ｃ〜約１０００°Ｃの範囲内になる。更に、加熱された太陽熱流体の第１部分の熱を圧縮排気に伝達させることにより、加熱された太陽熱流体の第１部分の温度が低下する。太陽予熱器１８における、この加熱された太陽熱流体の第１部分の温度低下により、冷却された太陽熱流体が生成される。図１に示すように、冷却された太陽熱流体は、その後、管路３４を介して集熱受光器１２に送り返される。冷却された太陽熱流体は、次に、集熱受光器１２の至る所にポンプ送りされ、太陽光線の熱を吸収する。こうして、加熱された太陽熱流体が生成される。
【００１５】
更に、システム１０は、太陽予熱器１８に動作的に結合された燃焼器３６を含み得る。一実施形態において、加熱圧縮空気が生成されると、この加熱圧縮空気は、太陽予熱器１８から管路３８を介して燃焼器３６に送られる。一実施形態では、燃焼器３６で、導入口４０から受け取った燃料を燃焼させる。燃焼器３６は、例えば、太陽予熱器１８から受け取った加熱圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる。一実施形態において、加熱圧縮空気を用いて燃料を燃焼させることにより、高温燃焼ガスを生成する。或る実施形態において、高温燃焼ガスの温度は、約１２００°Ｃ〜約１５００°Ｃの範囲内である。
【００１６】
更に、高温燃焼ガスは、管路４２を介してタービンエンジン２４内の第１タービン２８に送られる。第１タービン２８は、例えばガスタービンである。加えて、一実施形態において、第１タービン２８は、高圧タービンであっても、低圧タービンであっても、中圧タービンであってもよい。別の実施形態において、第１タービン２８には、軸３０上に設置された低圧タービン、中圧タービン、高圧タービンのうち１つ以上の組み合わせが含まれる。高温燃焼ガスは、第１タービン２８内で膨張し、排気ガスが生成される。
【００１７】
また更に、或る実施形態において、第１タービン２８は、第１発電機４４及び排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４６と動作的に関連している。第１タービン２８が第１発電機４４を駆動させることにより、発電を行う。更に、ＨＲＳＧ４６は、第１タービン２８から排気ガスを受け取る。ここで意図している構成に示すように、ＨＲＳＧ４６は、凝縮器５４から管路５２を介して凝縮流体を受け取る。この凝縮流体には、例えば、水、或いは、炭化水素やフッ素化炭化水素といった有機流体が含まれる。凝縮流体は、第１タービン２８から受け取った排気ガスを用いてＨＲＳＧ４６で加熱され、蒸気及び／又は加熱作動流体が生成される。ＨＲＳＧ４６から生成される蒸気には、例えば、高圧蒸気、中圧蒸気、低圧蒸気、又はこれらを組み合わせたものが含まれる。更に、一実施形態において、ＨＲＳＧ４６により生成される蒸気は、過熱蒸気である。また、ここで意図している構成に示すように、ＨＲＳＧ４６は、加熱作動流体を太陽熱蒸発器／過熱器２２に管路５０を介して送る。一実施形態において、加熱作動流体は、管路５０を介して太陽熱蒸発器／過熱器２２に蒸気及び／又は液体として送られる。また更に、一実施形態では、加熱作動流体を太陽熱蒸発器／過熱器２２に送ることにより、太陽熱蒸気を生成する。本明細書で使用する場合、「太陽熱蒸気」という用語は、太陽エネルギーを用いて、又は加熱太陽熱流体の第２部分を用いて生成される蒸気を指すことがある。
【００１８】
また、太陽熱蒸発器／過熱器２２には、高圧太陽熱蒸発器／過熱器、中圧太陽熱蒸発器／過熱器、低圧太陽熱蒸発器／過熱器、又はこれらを組み合わせたものが含まれる。すなわち、低圧太陽熱蒸発器／過熱器は低圧太陽熱蒸気を生成する一方、高圧太陽熱蒸発器／過熱器は高圧太陽熱蒸気を生成する。同様に、中圧太陽熱蒸発器／過熱器は、中圧太陽熱蒸気を生成する。なお、ここで意図している構成では、システム１０に太陽熱蒸発器／過熱器を含むが、その他の実施形態では、システム１０に、太陽熱蒸発器、太陽熱ボイラ、太陽熱過熱器、太陽熱エコノマイザ、太陽熱再熱器、又はこれらを組み合わせたものを含めることができる。
【００１９】
また、太陽熱蒸発器／過熱器２２は、加熱された太陽熱流体の第２部分を用いて加熱作動流体を加熱して蒸発させることにより、太陽熱蒸気を生成する。太陽熱蒸気は、例えば、高圧太陽熱蒸気、低圧太陽熱蒸気、又は中圧太陽熱蒸気であってよい。なお、ここで意図している構成では、システム１０が単一の太陽熱蒸発器／過熱器２２を含むように示されているが、その他の実施形態では、システム１０に複数の太陽熱蒸発器／過熱器を含めることもできる。
【００２０】
一実施形態において、ＨＲＳＧ４６から受け取った加熱作動流体を、集熱受光器１２からの加熱された太陽熱流体の第２部分を用いて加熱して蒸発させることにより、加熱された太陽熱流体の第２部分が冷却される。こうして、冷却された太陽熱流体が得られる。その後、この冷却された太陽熱流体は、太陽熱蒸発器／過熱器２２から管路５６を介して集熱受光器１２に送られる。冷却された太陽熱流体は、次に、太陽光線熱を吸収させて加熱された太陽熱流体を生成するために、集熱受光器１２で用いられる。
【００２１】
また更に、図１に示すように、太陽熱蒸発器／過熱器２２から生成される太陽熱蒸気と、ＨＲＳＧ４６により生成される蒸気は、管路６０を介して第２タービン５８に送られる。一実施形態において、蒸気には、高圧蒸気、低圧蒸気、又はその両方が含まれる。一実施形態において、第２タービン５８は、蒸気タービンである。太陽熱蒸発器／過熱器２２により生成された太陽熱蒸気とＨＲＳＧ４６により生成された蒸気は、その後、発電を行う第２発電機６２を駆動させるために第２タービン５８で用いられる。なお、ここで意図している構成では、第１タービン２８は第１発電機４４を駆動させ、第２タービン５８は第２発電機６２を駆動させるが、その他の実施形態において、第１タービン２８と第２タービン５８で単一の発電機を駆動させることもできる。
【００２２】
図２は、本発明の技術の態様に従った、発電用の発電システム１００の別の実施形態の線図である。詳細には、図２は、太陽予熱を利用した混成複合サイクルを用いて発電を行う発電システム１００の線図である。発電システム１００は、太陽１１０からの太陽光線を集光するとともに太陽光線から熱を吸収する集熱受光器１０２を含み得る。一実施形態において、集熱受光器１０２は、図２に示すように、複数の２軸追随鏡１０４、１０６、１０８と、タワー１１２と受光器１１４とを含むが、便宜上、鏡は３つだけ図示されている。複数の２軸追随鏡１０４、１０６、１０８の方向は、太陽１１０から受け取れる最大量の太陽光線を集光するために、太陽１１０の位置に応じて変更可能である。なお、ここで意図している構成において、集熱受光器１０２は３つの鏡１０４、１０６、１０８を含むものとして示されているが、その他の実施形態において、集熱受光器１０２の鏡の数が３つよりも多くても少なくてもよい。
【００２３】
また更に、一実施形態では、集熱受光器１０２の受光器１１４は、タワー１１２の最上部に取り付けられる。図２に示すように、複数の２軸追随鏡１０４、１０６、１０８で集光される太陽光線は、受光器１１４に向けて反射される。代替的な実施形態では、二次鏡（図２に図示せず）がタワー１１２の最上部に取り付けられていても、地上受光器（図２に図示せず）が地上に配置されてもよい。このような実施形態において、二次鏡は、複数の２軸追随鏡１０４、１０６、１０８から受け取った太陽光線の向きを地上受光器の方向に修正する。更に、ここで意図している構成では、集熱受光器１０２は複数の２軸追随鏡１０４、１０６、１０８を含むが、或る実施形態において、その代わりに、集熱受光器１０２に、パラボリック・トラフ、ディッシュ型集光フレネル反射板等を含めることもできる。
【００２４】
また、受光器１１４は、太陽光線から多量の熱を吸収する太陽熱流体を含み得る。図１を参照しながら上述したように、「太陽熱流体」という用語を使用して、太陽光線の熱を吸収する流体を指すことがある。太陽熱流体には、例えば、溶融塩、溶融金属、Galinstan（登録商標）（ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、スズ１０％）等の共晶合金、熱媒油、水、蒸気又は加圧空気が含まれる。受光器１１４において太陽熱流体が熱を吸収すると、太陽熱流体の温度が上昇し、その結果、加熱された太陽熱流体が得られる。一実施形態において、加熱された太陽熱流体の温度は、約３００°Ｃ〜約１０００°Ｃの範囲内になる。
【００２５】
加えて、一実施形態において、発電システム１００は、集熱受光器１０２から受け取った加熱された太陽熱流体を貯蔵する加熱太陽熱流体緩衝タンク１１６を任意で含む。加熱太陽熱流体緩衝タンク１１６は、加熱された太陽熱流体を受光器１１４から受け取る。加熱太陽熱流体緩衝タンク１１６は、例えば日射遮断時又は日射量減少時、並びに夜間に、加熱された太陽熱流体を補充することにより、日照不足の日又は夜間の発電システム１００への加熱された太陽熱流体の供給途絶を防止できる。
【００２６】
また更に、ここで意図している構成に示すように、加熱太陽熱流体緩衝タンク１１６からの加熱された太陽熱流体の第１部分は、管路１１８を介して太陽予熱器１２２に送られる。一実施形態において、太陽予熱器１２２は、太陽予熱器１８（図１参照）である。太陽予熱器１２２は、ガスタービンエンジン１２６の高圧圧縮機（ＨＰＣ）１３４から管路１３６を介して圧縮排気を受け取る。
【００２７】
本発明の別の実施形態によると、ガスタービンエンジン１２６に、任意で、低圧圧縮機（ＬＰＣ）１３０、並びに、ＬＰＣ１３０とＨＰＣ１３４に動作的に結合された中間冷却器１２８とを更に含めることができる。ＬＰＣ１３０は、導入口１３２から受け取った空気を圧縮することにより、圧縮空気を生成する。空気圧縮の結果、圧縮空気の温度が上昇する。その後、圧縮空気が中間冷却器１２８で冷却され、低温圧縮空気が生成される。この低温圧縮空気がＨＰＣ１３４で更に圧縮され、圧縮排気が生成される。一実施形態において、圧縮排気の温度は、約３００°Ｃ〜約５００°Ｃの範囲内になる。なお、任意で中間冷却器１２８を含めることにより、発電システム１００の効率を向上させ、圧縮排気温度を低下させることができる。また、一実施形態において、ＬＰＣ１３０と中間冷却器１２８とをガスタービンエンジン１２６内に含まない場合、空気をＨＰＣ１３４のみで圧縮して、圧縮排気を生成することもできる。
【００２８】
また更に、一実施形態において、太陽予熱器１２２は、加熱太陽熱流体緩衝タンク１１６から受け取った加熱された太陽熱流体の第１部分の熱を、ＨＰＣ１３４から管路１３６を介して受け取った圧縮排気に伝達する熱交換器を含む。加熱された太陽熱流体の第１部分から圧縮排気へ熱が伝達されると、圧縮排気の温度が上昇するとともに、加熱された太陽熱流体の第１部分の温度が低下する。太陽予熱器１２２内の加熱された太陽熱流体の第１部分の温度が低下すると、冷却された太陽熱流体が得られる。この冷却された太陽熱流体は、その後、太陽予熱器１２２から管路１３８を介して低温緩衝タンク１４０に送られる。図２に示すように、冷却された太陽熱流体１４２は、低温緩衝タンク１４０に貯蔵される。更に、冷却された太陽熱流体１４２は、低温緩衝タンク１４０から管路１４４を介して受光器１１４に送られる。なお、ここで意図している構成において、集熱受光器１０２は、加熱された太陽熱流体を貯蔵する加熱太陽熱流体緩衝タンク１１６と、冷却された太陽熱流体を貯蔵する低温緩衝タンク１４０とを含むが、或る実施形態において、単一のタンクを用いて、加熱された太陽熱流体と冷却された太陽熱流体とのポンプ送り又は貯蔵を行うこともできる。
【００２９】
同様に、太陽予熱器１２２内の圧縮排気の温度上昇の結果、加熱圧縮空気が生成される。上述したように、加熱圧縮空気の温度は、約７００°Ｃ〜約１０００°Ｃの範囲内になる。また、一実施形態において、加熱圧縮空気の温度が、加熱された太陽熱流体の第１部分の温度とほぼ同じになることもある。
【００３０】
引き続き図２を参照すると、システム１００は、太陽予熱器１２２に動作的に結合された燃焼器を含む。燃焼器１４８は、加熱圧縮空気を太陽予熱器１２２から管路１４６を介して受け取る。一実施形態において、燃焼器１４８は、加熱圧縮空気を用いて、導入口１５０から受け取った燃料を燃焼させて高温燃焼ガスを生成する。或る実施形態において、高温燃焼ガスの温度は、約１２００°Ｃ〜約１５００°Ｃの範囲内になる。
【００３１】
更に、高温燃焼ガスは、ガスタービンエンジン１２６内の高圧タービン（ＨＰＴ）１５４に管路１５２を介して送られる。一実施形態において、ＨＰＴ１５４は、第１タービン２８（図１参照）である。高温燃焼ガスは、その後、ＨＰＴ１５４内で膨張して、第１膨張ガスが得られる。ここで意図している構成に示すように、ＨＰＴ１５４を、再熱器１５６に動作的に結合できる。一実施形態において、再熱器１５６は、燃料を導入口１５８から受け取る。再熱器１５６は、第１膨張ガスを用いて、導入口１５８から受け取った燃料を燃焼させて、加熱された第１膨張ガスを生成する。この加熱された第１膨張ガスは、その後、低圧タービンＬＰＴ１６０内で膨張し、排気ガスが生成される。また、図２に示すように、システム１００に、ＬＰＴ１６０に動作的に関連する第１発電機１６２を含めることができる。
【００３２】
更に、ここで意図している構成に示すように、排気ガスは、ＬＰＴ１６０から管路１６４を介して排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１６６に送られる。一実施形態において、ＨＲＳＧ１６６は、排気ガスを用いて加熱作動流体を生成する。異なる複数の圧力レベルの蒸気を生成するために、ＨＲＳＧ１６６に、任意で、補助高圧ボイラ／過熱器（ａｕｘ＿ＨＰＢ／Ｓ）１６８、補助中圧過熱器（ａｕｘ＿ＩＰＳ）１７０、高圧蒸発器（ＨＰＥ）１７２、中圧ボイラ（ＩＰＢ）１７４、低圧ボイラ／過熱器（ＬＰＢ／Ｓ）１７６、中圧蒸発器（ＩＰＥ）１７８、低圧蒸発器（ＬＰＥ）１８０のうちの１つ以上を含めることもできる。
【００３３】
加えて、図２に示すように、ＨＲＳＧ１６６を、凝縮器２００に動作的に結合してもよい。凝縮器２００は、流体を凝縮させて凝縮流体を生成し、その後、この凝縮流体はＨＲＳＧ１６６に送られる。図２に示すように、凝縮器２００は、低圧タービン（ＬＰＴ）１９８から受け取った流体を凝縮させて、凝縮流体を生成する。本明細書で使用する場合、「凝縮流体」という用語は、蒸気を生成するために用いる流体を指すことがある。凝縮流体には、例えば、水、又は、ランキンサイクルでの使用に適した炭化水素等の有機流体が含まれる。更に、一実施形態において、凝縮器２００は、ＨＲＳＧ１６６内のＬＰＥ１８０に管路２０２を介して凝縮流体を送る。凝縮器２００は、ポンプ２０６により凝縮流体をＬＰＥ１８０に所望の圧力でポンプ送りできる。一実施形態において、ＬＰＥ１８０は、排気ガスの熱を用いて凝縮流体を加熱することにより、低圧蒸気及び／又は低圧加熱流体を生成する。一実施形態において、低圧蒸気及び／又は低圧加熱流体の圧力は、約４．５バールである。また、或る実施形態において、低圧蒸気又は低圧加熱流体の温度は、約３２０°Ｃである。
【００３４】
更に、図２に示すように、ＬＰＥ１８０は、次に、管路２１０を介して低圧蒸気及び／又は低圧加熱流体をＩＰＥ１７８及びＬＰＢ／Ｓ１７６に送る。図２に示すように、ＬＰＥ１８０は、低圧蒸気及び／又は低圧加熱流体を、ポンプ２０８によりＩＰＥ１７８にポンプ送りできる。このように、ＩＰＥ１７８は、排気ガスの熱を用いて低圧蒸気及び／又は低圧加熱流体を加熱することにより、中圧流体を生成する。同様に、一実施形態において、ＬＰＢ／Ｓ１７６は、低圧蒸気を生成する。ＩＰＥ１７８から生成される中圧蒸気の圧力は、例えば約３５バールである。更に、ＩＰＥ１７８から生成される中圧流体の温度は、約６２０°Ｃである。一実施形態において、ＬＰＢ／Ｓ１７６から生成される低圧蒸気の圧力は、約４．５バールである。別の実施形態において、ＬＰＢ／Ｓ１７６から生成される低圧蒸気の温度は、約３２０°Ｃである。
【００３５】
また更に、ＩＰＥ１７８は、管路２１６を介して中圧流体を、ＬＰＢ／Ｓ１７６、ＩＰＢ１７４、ＨＰＥ１７２に送る。ＩＰＢ１７４は、中圧蒸気を生成する。一実施形態において、中圧蒸気は、ポンプ２１２により所望の圧力でＨＰＥ１７２に送られる。一実施形態において、ＨＰＥ１７２は、中圧流体を加熱することにより、高圧流体を生成する。
【００３６】
加えて、ａｕｘ＿ＩＰＳ１７０は、中圧蒸気をＩＰＢ１７４から管路２１８を介して受け取る。一実施形態において、ＩＰＢ１７４は、中圧蒸気を太陽熱中圧再熱器／過熱器ＳＩＰＲ／Ｓ１８２に、管路１２４を用いて、三方弁２１４を介して送る。本明細書で後述するが、例えば、ＳＩＰＲ／Ｓ１８２は、加熱された太陽熱流体の第２部分の熱を利用して中圧蒸気を加熱することにより、過熱中圧太陽熱蒸気を生成する。また、ＩＰＢ１７４は代替的に、中圧蒸気を、三方弁２１４を介してａｕｘ＿ＩＰＳ１７０に送ることもできる。ａｕｘ＿ＩＰＳ１７０は、過熱中圧蒸気を生成する。過熱中圧蒸気の圧力は、例えば約３５バールである。また、過熱中圧蒸気の温度は、例えば約６２０°Ｃである。
【００３７】
更に、図２に示すように、三方弁２２０をＨＰＥ１７２で用いて、高圧流体をａｕｘＨＰＢ／Ｓ１６８と太陽熱高圧蒸発器／過熱器（ＳＨＰＢ／Ｓ）１８４とに送る。図２に示すように、ＨＰＥ１７２は、管路１８６を用いて、高圧流体を三方弁２２０に送る。更に、高圧蒸気は、三方弁２２０から管路２２２を介してＳＨＰＢ／Ｓ１８４に送られる。一実施形態において、ａｕｘＨＰＢ／１６８は、圧力が約１８０バールで温度が約６２０°Ｃの過熱蒸気を生成する。
【００３８】
更に、上述したように、ＳＩＰＲ／Ｓ１８２及びＳＨＰＢ／Ｓ１８４はそれぞれ、ＩＰＢ１７４からの中圧蒸気及びＨＰＥ１７２からの高圧流体を受け取る。図２に示すように、ＳＩＰＲ／Ｓ１８２及びＳＨＰＢ／Ｓ１８４は更に、太陽熱流体緩衝タンク１１６から管路１２０を介して、加熱された太陽熱流体の第２部分を受け取る。ＳＨＰＢ／Ｓ１８４は、加熱された太陽熱流体の第２部分を利用して高圧流体を加熱することにより、過熱高圧太陽熱蒸気を生成する。同様に、ＳＩＰＲ／Ｓ１８２は、加熱された太陽熱流体の第２部分を利用して中圧流体を加熱することにより、過熱中圧太陽熱蒸気を生成する。本明細書で使用する場合、「高圧太陽熱蒸気」という用語は、太陽エネルギーを利用して生成される高圧蒸気を指すことがある。同様に、本明細書で使用する場合、「中圧太陽熱蒸気」という用語は、太陽エネルギーを利用して生成される中圧蒸気を指すことがある。
【００３９】
加えて、或る実施形態において、ＳＨＰＢ／Ｓ１８４から生成される過熱高圧太陽熱蒸気と、ＨＲＳＧ１６６内のａｕｘ＿ＨＰＢ／Ｓ１６８から生成される過熱蒸気は、管路１８８を介して高圧タービン（ＨＰＴ）１９２に送られる。過熱高圧太陽熱蒸気と過熱蒸気は、第２発電機２０４を駆動させるために、ＨＰＴ１９２で用いられる。一実施形態において、第２発電機２０４は、第２発電機６２（図１参照）である。同様に、ＳＩＰＲ／Ｓ１８２から生成される過熱中圧太陽熱蒸気と、ａｕｘ＿ＩＰＳ１７０から生成される中圧蒸気は、管路１９０を介して中圧タービン（ＩＰＴ）１９４に送られる。更に、ＬＰＢ／Ｓ１７６から生成される低圧蒸気は、管路２２６を介して低圧タービン（ＬＰＴ）１９８により受け取られる。加えて、ここで意図している構成に示すように、ＬＰＴ１９８、ＩＰＴ１９４、ＨＰＴ１９２は、第２発電機２０４の駆動に用いる軸２２４上に設置される。
【００４０】
図３は、本発明の技術の態様に従った発電の例示的なプロセスを示す、流れ図３００である。図３に示すように、参照符号３０２は、加熱された太陽熱流体を表し、参照符号３０４は空気を表す。図１及び図２を参照しながら上述したように、加熱された太陽熱流体３０２は、太陽熱流体を集熱受光器内で加熱することにより生成される。更に、ステップ３０６において空気３０４を圧縮することにより、圧縮排気が生成される。空気３０４は、例えば圧縮機で圧縮される。更に、ステップ３０８において、圧縮排気を加熱することにより、加熱圧縮空気が生成される。図１及び図２を参照しながら上述したように、圧縮排気を、太陽予熱器又は太陽熱交換器内で加熱できる。太陽予熱器又は太陽熱交換器では、一般的に、加熱された太陽熱流体３０２の第１部分を利用して、圧縮排気を加熱する。
【００４１】
更に、ステップ３１０において、加熱圧縮空気を燃焼器内で燃焼させることにより、高温燃焼ガスが生成される。ステップ３１２において、この高温燃焼ガスが高圧タービン内で膨張し、第１膨張ガスが生成される。第１膨張ガスはその後、ステップ３１４において、再熱器内で燃料により燃焼し、加熱された第１膨張ガスが生成される。第１加熱膨張ガスは次に、ステップ３１８において、低圧タービン内で膨張し、排気ガスが生成される。図３に示すように、一実施形態では、ステップ３１６において、高温燃焼ガスと加熱された第１膨張ガスとを用いて、第１発電機を駆動させる。また、別の実施形態では、ステップ３１６において、第１膨張ガスと排気ガスとを用いて、第１発電機を駆動させる。
【００４２】
引き続き図３を参照すると、ステップ３２０において、蒸気と加熱作動流体が生成される。蒸気には、例えば過熱蒸気を含む。図１及び図２を参照しながら上述したように、加熱作動流体と蒸気は、排熱回収蒸気発生器によって生成される。加熱作動流体、蒸気の一部分、加熱された太陽熱流体の第２部分を用いて、ステップ３２２において太陽熱蒸気が生成される。太陽熱蒸気を、例えば、太陽過熱器、太陽熱蒸発器、太陽再熱器、太陽熱ボイラ、又はこれらを組み合わせたものによって生成することもできる。更に、ステップ３２４において、第２発電機を駆動させることもできる。
【００４３】
ここでは、本発明の一部の特徴についてのみ図示及び説明してきたが、当業者には多様な修正及び改変が想到可能であろう。すなわち、添付の特許請求の範囲は、このような修正及び改変も全て、本発明の技術的範囲に含まれるものとして包含することを理解されたい。
【符号の説明】
【００４４】
１０  発電システム
１２  集熱受光器
１４  太陽
１６  加熱された太陽熱流体の第１部分を集熱受光器から受け取る
１８  太陽予熱器
２０  太陽熱蒸発器／過熱器に送る
２２  太陽熱蒸発器／過熱器
２４  タービンエンジン
２６  圧縮機
２８  第１タービン
３０  軸
３２  導入口
３４  冷却された太陽熱流体を集熱受光器に送り返す
３６  燃焼器
３８  圧縮空気を太陽予熱器から燃焼器に送る
４０  導入口
４２  高温燃焼ガスをタービンエンジンの第１タービンに送る
４４  第１発電機
４６  排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
４８  ＨＲＳＧが排気ガスを第１タービンから受け取る
５０  加熱作動流体を太陽熱蒸発器／過熱器に送る
５２  ＨＲＳＧが凝縮流体を凝縮器から受け取る
５４  凝縮器
５６  冷却された太陽熱流体を太陽熱蒸発器／過熱器から集熱受光器に送る
５８  第２タービン
６０  ＨＲＳＧから生成された蒸気を第２タービンに送る
６２  第２発電機
１００  発電システムの実施形態
１０４  複数の２軸追随鏡
１０６  複数の２軸追随鏡
１０８  複数の２軸追随鏡
１１０  太陽
１１２  タワー
１１４  受光器
１１６  加熱太陽熱流体緩衝タンク
１１８  加熱された太陽熱流体の第１部分を、加熱太陽熱流体緩衝タンクから太陽予熱器に送る
１２０  ＳＨＰＢ／Ｓが、加熱された太陽熱流体の第２部分を太陽熱流体緩衝タンクから受け取る
１２２  太陽予熱器
１２４  中圧蒸気を太陽中圧再熱器／過熱器ＳＩＰＲ／Ｓに送る
１２６  ガスタービンエンジン
１２８  中間冷却器
１３０  低圧圧縮機
１３２  導入口
１３４  高圧圧縮機
１３６  圧縮排気を太陽予熱器から受け取る
１３８  冷却された太陽熱流体を太陽予熱器から低温緩衝タンクに送る
１４０  低温緩衝タンク
１４２  冷却された太陽熱流体
１４４  冷却された太陽熱流体を低温緩衝タンクから受光器に送る
１４６  燃焼器が加熱圧縮空気を太陽予熱器から受け取る
１４８  燃焼器
１５０  導入口
１５２  高温燃焼ガスを高圧タービン（ＨＰＴ）に送る
１５４  高圧タービン
１５６  再熱器
１５８  導入口
１６０  低圧タービン
１６２  第１発電機
１６４  排気ガスをＬＰＴから排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に送る
１６６  ＨＲＳＧ
１６８  高圧ボイラ／過熱器
１７０  補助中圧過熱器
１７２  高圧蒸発器
１７４  中圧ボイラ
１７６  低圧ボイラ／過熱器
１７８  中圧蒸発器
１８０  低圧蒸発器
１８２  太陽中圧再熱器／過熱器ＳＩＰＲ／Ｓ
１８４  太陽高圧蒸発器／過熱器（ＳＨＰＢ／Ｓ）
１８６  ＨＰＥが高圧流体を三方弁に送る
１８８  過熱高圧太陽熱蒸気及び過熱蒸気を高圧タービン（ＨＰＴ）に送る
１９０  中圧蒸気を中圧タービン（ＩＰＴ）に送る
１９２  高圧タービン
１９４  中圧タービン
１９８  低圧タービン
２００  凝縮器
２０２  凝縮器が凝縮流体をＬＰＥに送る
２０４  第２発電機
２０６  ポンプ
２０８  ポンプ
２１０  低圧蒸気及び／又は低圧過熱流体をＩＰＥ及びＬＰＢ／Ｓに送る
２１２  ポンプ
２１４  三方弁
２１６  中圧流体をＬＰＢ／Ｓ、ＩＰＢ及びＨＰＥに送る
２１８  ａｕｘ＿ＩＰＳが中圧蒸気をＩＰＢから受け取る
２２０  三方弁
２２２  高圧蒸気を三方弁からＳＨＰＢ／Ｓ１８４に送る
２２４  軸
２２６  低圧蒸気を低圧タービンから受け取る
３００  発電の例示的プロセスを示す流れ図
３０２  加熱された太陽熱流体
３０４  空気
３０６  圧縮排気を生成する
３０８  加熱された圧縮排気を生成する
３１０  高温燃焼ガスを生成する
３１２  第１膨張ガスを生成する
３１４  加熱された第１膨張ガスを生成する
３１６  第１発電機を駆動させる
３１８  排気ガスを生成する
３２０  蒸気と加熱作動流体を生成する
３２２  太陽熱蒸気を生成する
３２４  第２発電機を駆動させる
【図１】
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【図２】
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【図３】
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