(57)【要約】工業プロセスで用いる水蒸気を生成する方法が開示されている。その工業プロセスは、例えば発電又は脱塩であってもよい。その方法は、（ａ）水を含んだ作動流体の液体を第１の圧力に加圧することと、（ｂ）作動流体の液体を、第１の圧力における作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱することと、（ｃ）水蒸気を生成するために、作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、を含む。加圧作動流体の液体は、太陽放射吸収装置において直接加熱することによって工程（ｂ）で加熱される。  また、工業プロセスで用いる水蒸気を生成するための機器が開示されている。その機器は、水を含んだ作動流体の液体を第１の圧力に加圧するためのポンプ（３２）と、ポンプ（３２）の下流にある加熱ユニット（３４）であって、作動流体の液体を、第１の圧力における作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱するための加熱ユニット（３４）と、加熱ユニット（３４）の下流にあって、水蒸気を生成するために作動流体の液体をフラッシュ蒸発させるための協働する絞り弁（３６）及びフラッシュタンク（３８）と、を備える。加熱ユニット（３４）は、加圧された作動流体を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える。
2014514525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業プロセスで用いる水蒸気を生成する方法であって、
（ａ）水を含んだ作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）前記作動流体の液体を、前記第１の圧力における前記作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱することと、
（ｃ）水蒸気を生成するために前記作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、を含み、
前記加圧された作動流体の液体を、太陽放射吸収装置において直接加熱することによって工程（ｂ）で加熱する、方法。
【請求項２】
前記工業プロセスが発電である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
フラッシュ蒸発をフラッシュタンク内で実行し、前記フラッシュタンクが、飽和した加圧水を絞り弁を介して前記太陽放射吸収装置から受容するものである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
工程（ａ）における加圧することの前に前記作動流体の液体を予熱すること、を更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
予熱することを、太陽放射吸収装置において直接加熱することによって実施する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記太陽放射吸収装置は、１台以上の線形フレネル型太陽光吸収装置を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
工程（ｃ）の後に前記水蒸気を過熱すること、を更に含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記水蒸気を、前記加熱された作動流体とは異なる熱源によって過熱する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
過熱することを、太陽放射吸収装置において直接加熱することによって実施する、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記太陽放射吸収装置が、１台以上のタワー型太陽光吸収装置又は線形フレネル型太陽光吸収装置を備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
過熱することが、第１の過熱段階及び第２の過熱段階を含み、前記第１の過熱段階が、直接的な太陽熱式の加熱を用いるものであり、前記第２の過熱段階が、再生可能でないエネルギー源を用いるものである、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の過熱段階が、１台以上のタワー型太陽光吸収装置又は線形フレネル型太陽光吸収装置を使用し、前記第２の過熱段階が化石燃料を使用する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
工程（ｃ）におけるフラッシュ蒸発後に残存する前記作動流体の液体を、工程（ａ）に再循環させる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
水を含んだ前記作動流体の液体の５％〜１５％を、工程（ｃ）において水蒸気を生成するためにフラッシュ蒸発させる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記工業プロセスが、複合発電及び脱塩である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
発電の方法であって、
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法によって水蒸気を生成することと、
発電用のタービンに前記水蒸気を供給することと、を含む、方法。
【請求項１７】
工業プロセスで用いる水蒸気を生成する方法であって、
（ａ）水を含んだ作動流体の液体を０．５ＭＰａ〜５ＭＰａ（５バール〜５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）前記作動流体の液体を、前記第１の圧力における前記作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度に加熱することと、
（ｃ）前記水蒸気を生成するために、前記作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、を含み、
前記加圧された作動流体の液体を、太陽放射吸収装置において直接加熱することによって工程（ｂ）で加熱する、方法。
【請求項１８】
フラッシュ蒸発を、飽和した加圧水を絞り弁を介して前記太陽放射吸収装置から受容するフラッシュタンク内で実施する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
工程（ｃ）におけるフラッシュ蒸発後に残存する前記作動流体の液体を、工程（ａ）に再循環させる、請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
水を含んだ前記作動流体の液体の５％〜１５％を、工程（ｃ）において水蒸気を生成するためにフラッシュ蒸発させる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
工業プロセスで用いる水蒸気を生成するための機器であって、
水を含んだ作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧するためのポンプと、
前記ポンプの下流にある加熱ユニットであって、前記作動流体の液体を、前記第１の圧力における前記作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱するための、加熱ユニットと、
前記加熱ユニットの下流にあり、水蒸気を生成するために前記作動流体の液体を蒸発させるための協働する絞り弁及びフラッシュタンクと、を備え、
前記加熱ユニットが、前記加圧された作動流体を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える、機器。
【請求項２２】
前記工業プロセスが発電である、請求項２１に記載の機器。
【請求項２３】
前記加熱ユニットが、前記絞り弁を介して前記フラッシュタンクと流体連通する、請求項２１又は２２に記載の機器。
【請求項２４】
前記太陽放射吸収装置が、１台以上のパラボラトラフ型太陽光吸収装置を含む、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の機器。
【請求項２５】
前記１台以上のパラボラトラフ型装置の各々が、固定型コレクタ管を備える、請求項２４に記載の機器。
【請求項２６】
前記フラッシュタンクから前記ポンプに前記作動流体の液体を送るように構成された再循環ループを更に備える、請求項２１〜２５のいずれか一項に記載の機器。
【請求項２７】
前記ポンプと、加熱ユニットと、協働する絞り弁及びフラッシュタンクが互いに、水蒸気生成部を備え、前記機器が、前記作動流体の液体を予熱するための、前記水蒸気生成部の上流にある予熱部と、前記水蒸気を過熱するための、前記水蒸気生成部の下流にある過熱部と、を更に備える、請求項２１〜２６のいずれか一項に記載の機器。
【請求項２８】
前記予熱部が、前記作動流体の液体を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える、請求項２７に記載の機器。
【請求項２９】
前記太陽放射吸収装置が、１台以上の線形フレネル型太陽光吸収装置を含む、請求項２８に記載の機器。
【請求項３０】
前記過熱部が、前記加熱された作動流体とは異なる熱源を備える、請求項２７〜２９のいずれか一項に記載の機器。
【請求項３１】
前記過熱部が、前記水蒸気を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える、請求項２７〜３０のいずれか一項に記載の機器。
【請求項３２】
前記太陽放射吸収装置が、１台以上のタワー型太陽光吸収装置又は線形フレネル型太陽光吸収装置を含む、請求項３１に記載の機器。
【請求項３３】
前記過熱部が、第１の過熱段階及び第２の過熱段階を備え、前記第１の過熱段階がタワー型太陽光吸収装置又は線形フレネル型太陽光吸収装置を備え、前記第２の過熱段階が化石燃料バーナーを備える、請求項２７〜３２のいずれか一項に記載の機器。
【請求項３４】
前記工業プロセスが、複合発電及び脱塩であり、前記蒸気を、タービンを駆動するためにも、脱塩用の伝熱流体としても利用する、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の機器。
【請求項３５】
発電からの排気水蒸気を、脱塩用の伝熱流体として用いる、請求項３４に記載の機器。
【請求項３６】
請求項２１に記載の機器を使用して、工業プロセスで用いる水蒸気を生成する方法であって、
（ａ）前記ポンプを使用して作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）前記加熱ユニット内で前記作動流体の液体を、前記第１の圧力における前記作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱することと、
（ｃ）前記水蒸気を生成するために、前記協働する絞り弁及びフラッシュタンク内の前記作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、を含み、
前記作動流体の液体を、太陽放射吸収装置において直接加熱することによって前記加熱ユニット内で加熱する、方法。
【請求項３７】
太陽熱発電プラントであって、
請求項２１〜３５のいずれか一項に記載の、水蒸気を生成するための機器と、
水蒸気を生成するための前記機器から水蒸気を受容するように構成されたタービンと、を備える、太陽熱発電プラント。
【請求項３８】
請求項３７に記載の太陽熱発電プラントを動作させる方法であって、
水蒸気を生成するための前記機器内で水蒸気を生成することと、
発電用の前記タービンに前記水蒸気を供給することと、を含み、
前記水蒸気を、水を含んだ作動流体の液体から、
（ａ）前記作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）前記作動流体の液体を、前記第１の圧力における前記作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱することと、
（ｃ）水蒸気を生成するために前記作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、によって生成し、
前記加圧された作動流体の液体を、太陽放射吸収装置において直接加熱することによって工程（ｂ）で加熱する、方法。
【請求項３９】
脱塩プロセスで用いる水蒸気を生成するための機器であって、
水を含んだ作動流体の液体を０．５ＭＰａ〜５ＭＰa（５バール〜５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧するためのポンプと、
前記ポンプの下流にある加熱ユニットであって、前記作動流体の液体を、前記第１の圧力における前記作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱するための加熱ユニットと、
前記加熱ユニットの下流にあり、水蒸気を生成するために前記作動流体の液体を蒸発させるための協働する絞り弁及びフラッシュタンクと、を備え、
前記加熱ユニットが、加圧された前記作動流体を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える機器。
【請求項４０】
前記加熱ユニットが、前記絞り弁を介して前記フラッシュタンクと流体連通する、請求項３９に記載の機器。
【請求項４１】
前記太陽放射吸収装置が、１台以上のパラボラトラフ型太陽光吸収装置を含む、請求項３９又は４０に記載の機器。
【請求項４２】
前記１台以上のパラボラトラフ型装置の各々が、固定型コレクタ管を備える、請求項４１に記載の機器。
【請求項４３】
前記フラッシュタンクから前記ポンプに前記作動流体の液体を送るように構成された再循環ループを更に備える、請求項３９〜４２のいずれか一項に記載の機器。
【請求項４４】
脱塩プラントであって、
請求項３９〜４３のいずれか一項に記載の、水蒸気を生成するための機器と、
水蒸気を生成するための前記機器から水蒸気を受容するように構成された蒸発器と、を備える、脱塩プラント。
【請求項４５】
請求項４４に記載の脱塩プラントを動作させる方法であって、
水蒸気を生成するための前記機器内で水蒸気を生成することと、
伝熱を利用して塩水から水蒸気を蒸発させるために、前記蒸発器に前記水蒸気を供給することと、を含み、
前記水蒸気を、水を含んだ作動流体の液体から、
（ａ）水を含んだ前記作動流体の液体を０．５ＭＰａ〜５ＭＰａ（５バール〜５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）前記作動流体の液体を、前記第１の圧力における前記作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱することと、
（ｃ）水蒸気を生成するために前記作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、によって生成し、
前記加圧された作動流体の液体を、太陽放射吸収装置において直接加熱することによって工程（ｂ）で加熱する、方法。
【請求項４６】
複合太陽熱発電プラント及び脱塩プラントであって、
請求項２１〜３５のいずれか一項に記載の、水蒸気を生成するための機器と、
水蒸気を生成するための前記機器から水蒸気を受容するように構成された第１のタービンと、
前記第１のタービン及び互いと直列をなす、任意選択による１台以上の更なるタービンであって、それぞれが、そのすぐ上流のタービンから水蒸気を受容するように構成されたタービンと、
前記タービンの直列中の前記第１のタービン又は最終タービンから水蒸気を受容するように構成された蒸発器と、を備える、複合太陽熱発電プラント及び脱塩プラント。
【請求項４７】
添付の図面の図１を参照してかつ示したように実質的に本明細書に説明したとおりの太陽熱発電プラント。
【請求項４８】
添付の図面の図２及び図３を参照してかつ示したように実質的に本明細書に記載したとおりの脱塩プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽エネルギーを利用して、工業プロセスで用いる水蒸気を生成するための方法及び機器に関する。本発明は特に、発電及び／又は脱塩の用途で用いる水蒸気の生成に関するが、これらに限定するものではない。
【背景技術】
【０００２】
公益事業の規模（＞１０ＭＷ）での発電では従来より、タービンを駆動し電気を発生させるために、制御温度及び圧力において大量の水蒸気を必要とする。この作動流体の蒸気は通常、過熱水蒸気である。必要な水蒸気を生じさせ、次いでタービン動作の要求温度までその水蒸気を過熱させる、入熱量が必要である。入熱量は、様々な熱源から得られるが、本発明は、太陽エネルギーを熱エネルギーの一次供給源として利用する用途に関するものである。
【０００３】
典型的な集光型太陽熱発電プラントにおいては、太陽からエネルギーを集め、過熱水蒸気を発生させるために、伝熱流体ループが利用され、その過熱水蒸気は次いで、発電用のタービンに送られる。そのような既知のシステムの例が、国際公開第２００９／０３４５７７号及び同第２００７／０９３４７４号に開示されている。そのような既知のシステムにおける伝熱流体ループは、プラントの資本経費のうちの相当な割合に相当するものであり、したがって、過熱水蒸気を１台以上の太陽光吸収装置で直接発生させる代替的な構成が探求されてきた。欧州特許第１８９００３５号には、ある太陽熱発電プラントが開示されており、その太陽熱発電プラントにおいては、飽和した又はわずかに過熱された蒸気を生成するためにパラボラトラフ型コレクタが使用され、また、そのパラボラトラフ型コレクタで生成された蒸気を過熱するために３次元太陽熱コレクタが使用される。このタイプのプラントによって、より従来構成の伝熱流体ループ及びボイラーの資本費用が回避される。しかしながら、中で水が沸騰されるパラボラトラフ型コレクタにおける二相流の流動様式は、コレクタ管の座屈及びシステムの可制御性に関する問題につながり得る。
【０００４】
大量の作動流体の蒸気を必要とし得るもう一つ工業プロセスが脱塩であり、脱塩においては、人による摂取又は灌漑に適した淡水が塩水から得られる。脱塩プロセスにおいて、その後の凝縮及び使用のために、供給塩水から淡水が蒸発される。淡水を蒸発させる好ましい方法は減圧蒸留であるが、これは低圧蒸発のエネルギー費用が低減されるためである。しかしながら、伝熱流体との熱交換による沸騰も知られており、伝熱流体は液体であっても蒸気であってもよい。これらのプロセスは非常にエネルギーを消費するものである。
【０００５】
米国特許第４６７０７０５Ａ号には、あるランキンサイクルの発電プラントが開示されており、そのランキンサイクルの発電プラントでは、引火性の高い様々な炭化水素化合物が作動流体として利用される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した既知のシステムに対する改善を示すものであり、水を含んだ加圧作動流体の液体からフラッシュ蒸発によって直接、水蒸気を発生させることを伴う。加圧作動流体の液体は、太陽放射吸収装置における直接加熱を利用して、上昇圧力におけるその飽和温度に近い温度まで加熱される。加圧及び加熱作動流体の液体は次いで、作動流体の蒸気を生成するためにフラッシュ蒸発される。このようにして、太陽光吸収装置のコレクタ管における二相流の問題は、従来の伝熱流体ループ及びボイラーに頼る必要なく回避される。生成作動流体の蒸気は次いで、過熱され、発電用のタービンに送られてもよく、あるいは、脱塩などの他の用途に伝熱流体として利用されてもよい。一実施形態において、作動流体の液体は予熱されてもよく、また作動流体の蒸気は過熱されてもよく、これらのプロセスの一方又は両方が、更なる太陽放射吸収装置（単数又は複数）における直接的な太陽熱加熱を利用して実施されてもよい。
【０００７】
したがって、本発明の第１の態様によれば、工業プロセスで用いる水蒸気を生成する方法が提供され、その方法は、
（ａ）水を含んだ作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力まで加圧することと、
（ｂ）作動流体の液体を、第１の圧力における作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱することと、
（ｃ）水蒸気を生成するために作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、を含み、
加圧作動流体の液体は、太陽放射吸収装置における直接加熱によって工程（ｂ）で加熱される。
【０００８】
本明細書において、「実質的に等しい」とは、フラッシュ蒸発が生じ得る飽和温度まで（飽和温度を含む）の温度の範囲を含む誤差の関数マージンを包含するものである。この誤差の関数マージンは、加熱段階時の不可避の圧力損失を見込んでいるが、それは１％の幅であってもよい。したがって、本発明の実施形態によれば、「実質的に等しい」とは、第１の圧力における飽和温度よりも最大で５℃低い温度を包含するものである。
【０００９】
水を含んだ作動流体の液体は、ボイラー給水であってもよい。「ボイラー給水」とは、ボイラーに供給して水蒸気を生成するために使用される水であって、ボイラー内における腐食の問題又は沈積物につながり得る不純物を除去するように処理されている水であり、性能を改善するためにアルカリ剤などの添加剤を含んでもよい。
【００１０】
作動流体は、基準圧力にて工程（ａ）に供給されることができ、工程（ａ）の加圧により、作動流体の圧力は基準圧力を超えて第１の圧力へと増加する。
【００１１】
工業プロセスは発電であってもよく、発電において水蒸気はタービンを駆動するために利用され得る。そのような用途において、太陽熱式の予熱段階に先立った、作動流体の液体の更なる予熱が、タービンからの補助水蒸気を用いて実施されてもよい。
【００１２】
発電の実施形態において、本方法の規模は少なくとも１０ＭＷ、又は少なくとも５０ＭＷ、又は少なくとも１００ＭＷ、又は少なくとも１５０ＭＷであってよい。
【００１３】
フラッシュ蒸発は、飽和した加圧水を太陽放射吸収装置から絞り弁を介して受容するフラッシュタンクで実施され得る。
【００１４】
太陽放射吸収装置は、線形フレネル型吸収装置を備えてもよく、あるいはパラボラトラフ型装置を備えてもよい。パラボラトラフ型装置は、固定型コレクタ管を有してもよく、また例えば、英国特許第１００８０３２．３号によるパラボラトラフ型装置を備えてもよい。
【００１５】
本方法は更に、工程（ａ）における加圧することの前に作動流体の液体を予熱することを含んでもよい。
【００１６】
予熱することは、太陽放射吸収装置における直接加熱によって実施されてもよく、その太陽放射吸収装置は１台以上の線形フレネル型太陽光吸収装置を備えてもよい。
【００１７】
本方法は更に、工程（ｃ）の後に水蒸気を過熱することを含んでもよい。
【００１８】
水蒸気は、加熱作動流体とは異なる熱源によって過熱されてもよい。過熱することは、太陽放射吸収装置における直接加熱によって実施されてもよく、その太陽放射吸収装置は１台以上のタワー型太陽光吸収装置を備えてもよい。それに加えてあるいはそれに代わって、太陽放射吸収装置は、１台以上の線形フレネル型太陽光吸収装置を備えてもよい。
【００１９】
過熱することは、第１の過熱段階及び第２の過熱段階を含んでもよく、第１の過熱段階は、直接的な太陽熱式の加熱を用いてもよく、第２の過熱段階は、再生可能でないエネルギー源を用いてもよい。代替的な実施形態において、化石燃料による加熱が、第１の過熱段階にあるいは両方の過熱段階に用いられてよい。
【００２０】
第１の過熱段階は、１台以上のタワー型太陽光吸収装置及び／又は１台以上の線形フレネル型太陽光吸収装置を使用してもよく、第２の過熱段階は、化石燃料、バイオ燃料、又はバイオマス材料を使用してもよい。
【００２１】
工程（ｃ）におけるフラッシュ蒸発後に残存する作動流体の液体は、再び工程（ａ）に再循環されてもよい。一実施形態において、作動流体の液体の５％〜１５％が、工程（ｃ）においてフラッシュ蒸発して蒸気となり、残存する液体は工程（ａ）に再循環される。特定の実施形態において、作動流体の液体の７％〜８％が、工程（ｃ）においてフラッシュ蒸発して蒸気となり得る。
【００２２】
その工業プロセスは、複合発電及び脱塩であってもよい。
【００２３】
本発明の第２の態様によれば、発電の方法が提供され、その方法は、
本発明の第１の態様による方法によって水蒸気を生成することと、
発電用のタービンに水蒸気を供給することと、を含む。
【００２４】
本発明の第３の態様によれば、脱塩プロセスで用いる水蒸気を生成する方法が提供され、その方法は、
（ａ）水を含んだ作動流体の液体を０．５ＭＰａ〜５ＭＰａ（５バール〜５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）作動流体の液体を、第１の圧力における作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱することと、
（ｃ）水蒸気を生成するために作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、を含み、
加圧作動流体の液体は、太陽放射吸収装置における直接加熱によって工程（ｂ）で加熱される。
【００２５】
第３の態様によれば、水蒸気は脱塩用に給水を沸騰させる伝熱流体として利用されてもよい。
【００２６】
フラッシュ蒸発は、飽和加圧水を太陽放射吸収装置から絞り弁を介して受容するフラッシュタンクで実施され得る。
【００２７】
工程（ｃ）におけるフラッシュ蒸発後に残存する作動流体の液体は、再び工程（ａ）に再循環されてもよい。一実施形態において、作動流体の液体の５％〜１５％が、工程（ｃ）においてフラッシュ蒸発して蒸気となり、残存液体は工程（ａ）に再循環される。特定の実施形態において、作動流体の液体の７％〜８％が、工程（ｃ）においてフラッシュ蒸発して蒸気となり得る。
【００２８】
本発明の第４の態様によれば、工業プロセスで用いる水蒸気を生成するための機器が提供され、その機器は、
水を含んだ作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧するためのポンプと、
ポンプの下流にある加熱ユニットであって、作動流体の液体を、第１の圧力における作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度に加熱するための加熱ユニットと、
加熱ユニットの下流にある協働する絞り弁及びフラッシュタンクであって、作動流体の液体を蒸発させて水蒸気にするための絞り弁及びフラッシュタンクと、を備え、
加熱ユニットは、加圧作動流体を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える。
【００２９】
ポンプは高圧ポンプを含んでもよい。ポンプは、作動流体の圧力を基準圧力から第１の圧力Ｐに増加させるように動作可能となり得る。
【００３０】
工業プロセスは発電であってもよく、発電において水蒸気はタービンを駆動するために利用され得る。そのような用途において、太陽熱式の予熱段階に先立った、作動流体の液体の更なる予熱が、タービンからの補助水蒸気を用いて実施されてもよい。
【００３１】
加熱ユニットは、絞り弁を介してフラッシュタンクと流体連通してもよい。
【００３２】
太陽放射吸収装置は、１台以上のパラボラトラフ型太陽光吸収装置を含んでもよい。それに代わって又は加えて、太陽放射吸収装置は、１台以上の線形フレネル型太陽放射吸収装置を含んでもよい。
【００３３】
各パラボラトラフ型装置は、固定型コレクタ管を備えてもよく、また例えば、英国特許第１００８０３２．３号によるパラボラトラフ型装置を備えてもよい。
【００３４】
この機器は更に、作動流体の液体をフラッシュタンクからポンプに送るように構成され得る再循環ループを備えてもよい。
【００３５】
ポンプと、加熱ユニットと、協働する絞り弁及びフラッシュタンクは互いに、水蒸気生成部を備え、この機器は更に、作動流体の液体を予熱するための、水蒸気生成部の上流にある予熱部と、水蒸気を過熱するための、水蒸気生成部の下流にある過熱部とを更に備えてもよい。
【００３６】
加熱ユニットは、作動流体を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備えてもよい。太陽放射吸収装置は、１台以上の線形フレネル型太陽光吸収装置を含んでもよい。
【００３７】
過熱部は、加熱作動流体とは異なる熱源を備えてもよい。過熱部は、水蒸気を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備えてもよい。太陽放射吸収装置は、１台以上のタワー型太陽放射吸収装置を含んでもよい。それに加えてあるいはそれに代わって、太陽放射吸収装置は、１台以上の線形フレネル型太陽放射吸収装置を含んでもよい。
【００３８】
過熱部は、第１の過熱段階及び第２の過熱段階を備えてもよく、第１の過熱段階はタワー型太陽放射吸収装置及び／又は１台以上の線形フレネル型太陽光吸収装置を備え、第２の過熱段階は化石燃料バーナーを備えるものである。それに代わって、化石燃料バーナーが、一方又は両方の過熱段階に使用され得る。
【００３９】
工業プロセスは、複合発電及び脱塩を含んでもよく、ここで水蒸気は、タービンを駆動するためにも、脱塩用の伝熱流体としても利用され得る。他の実施形態によれば、発電から得られる排気水蒸気は、脱塩用の伝熱流体として用いられてもよい。
【００４０】
本発明の第４の態様の機器は、工業プロセスで用いる水蒸気を生成する方法で使用されてもよく、その方法は、
（ａ）ポンプを使用して、水を含んだ作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）加熱ユニット内の作動流体の液体を、第１の圧力における作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度に加熱することと、
（ｃ）水蒸気を生成するために、協働する絞り弁及びフラッシュタンク内の作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、を含み、
作動流体の液体は、太陽放射吸収装置における直接加熱によって加熱ユニット内で加熱される。
【００４１】
本発明の第５の態様によれば、太陽熱発電プラントが提供され、その太陽熱発電プラントは、
本発明の第４の態様による、水蒸気を生成するための機器と、
水蒸気を生成するための機器から水蒸気を受容するように構成されたタービンとを備える。
【００４２】
本発明の第６の態様によれば、本発明の第５の態様による太陽熱発電プラントを動作させる方法が提供され、その方法は、
水蒸気を生成するための機器内で水蒸気を生成することと、
発電用のタービンに水蒸気を供給することと、を含み、
水蒸気は、水を含んだ作動流体の液体から、
（ａ）水を含んだ作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）作動流体の液体を、第１の圧力における作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度に加熱することと、
（ｃ）水蒸気を生成するために作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、によって生成され、
加圧作動流体の液体は、太陽放射吸収装置における直接加熱によって工程（ｂ）で加熱される。
【００４３】
本発明の第７の態様によれば、脱塩プロセスで用いる水蒸気を生成するための機器が提供され、その機器は、
水を含んだ作動流体の液体を０．５ＭＰａ〜５ＭＰa（５バール〜５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧するためのポンプと、
ポンプの下流にある加熱ユニットであって、作動流体の液体を、第１の圧力における作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度に加熱するための加熱ユニットと、
加熱ユニットの下流にある協働する絞り弁及びフラッシュタンクであって、作動流体の液体を蒸発させて水蒸気を生成するための絞り弁及びフラッシュタンクと、を備え、
加熱ユニットは、加圧作動流体を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える。
【００４４】
加熱ユニットは、絞り弁を介してフラッシュタンクと流体連通してもよい。
【００４５】
太陽放射吸収装置は、１台以上のパラボラトラフ型太陽光吸収装置を含んでもよい。それに代わってあるいはそれに加えて、太陽放射吸収装置は、１台以上の線形フレネル型太陽放射吸収装置を含んでもよい。
【００４６】
各パラボラトラフ型装置は、固定型コレクタ管を備えてもよく、また例えば、英国特許第１００８０３２．３号によるパラボラトラフ型装置を備えてもよい。
【００４７】
この機器は更に、作動流体の液体をフラッシュタンクからポンプに送るように構成され得る再循環ループを備えてもよい。
【００４８】
本発明の第８の態様によれば、脱塩プラントが提供され、その脱塩プラントは、
本発明の第７の態様による、水蒸気を生成するための機器と、
水蒸気を生成するための機器から水蒸気を受容するように構成された蒸発器と、を備える。
【００４９】
本発明の第９の態様によれば、本発明の第８の態様による脱塩プラントを動作させる方法が提供され、その方法は、
水蒸気を生成するための前記機器内で水蒸気を生成することと、
伝熱を利用して塩水から水蒸気を蒸発させるために、蒸発器に水蒸気を供給することと、を含み、
水蒸気は、水を含んだ作動流体の液体から、
（ａ）水を含んだ作動流体の液体を０．５ＭＰａ〜５ＭＰａ（５バール〜５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）作動流体の液体を、第１の圧力における作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱することと、
（ｃ）水蒸気を生成するために作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、によって生成され、
加圧作動流体の液体は、太陽放射吸収装置における直接加熱によって工程（ｂ）で加熱される。
【００５０】
本発明の第１０の態様によれば、複合太陽熱発電プラント及び脱塩プラントが提供され、その複合太陽熱発電プラント及び脱塩プラントは、
本発明の第４の態様による、水蒸気を生成するための機器と、
水蒸気を生成するための前記機器から水蒸気を受容するように構成された第１のタービンと、
第１のタービン及び互いと直列をなす、任意選択による１台以上の更なるタービンであって、それぞれが、そのすぐ上流のタービンから水蒸気を受容するように構成されたタービンと、
タービンの直列中の第１のタービン又は最終タービンから水蒸気を受容するように構成された蒸発器と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
本発明の理解を高めるために、また本発明がいかにして実施され得るかを示すために、これから一例として以下の図面を参照することにする。
【図１】本発明の実施形態による太陽熱発電プラントの簡易ブロック図。
【図２】本発明の実施形態による太陽熱発電プラントの簡易ブロック図。
【図３】塩水蒸発器の代表的なブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本発明は、水蒸気を生成するための機器及び方法を含む。この機器及び方法は、付加的な予熱段階及び過熱段階によって拡張されてもよく、発電、脱塩、又は他の工業プロセスにおける用途に利用され得る。
【００５３】
本発明による機器は、給水を加圧するためのポンプと、給水を加熱するための、ポンプの下流にある加熱ユニットと、飽和水蒸気が発生するように給水をフラッシュ蒸発させるための、加熱ユニットの下流にある協働する絞り弁及びフラッシュタンクと、を備える。給水は既に加圧されていてもよく、その場合、ポンプは圧力の更なる増加をもたらす。
【００５４】
ポンプと、加熱ユニットと、協働する絞り弁及びフラッシュタンクはすべて流体連通しており、そのため、水はポンプから加熱ユニットへ、そしてフラッシュタンクへと流通され得る。ポンプはポンピングユニットを備えており、このポンピングユニットは、制御質量流量及び圧力で給水を加熱ユニットに供給するように動作可能である。好ましい実施形態において、発電用途の場合、ポンプは高圧ポンプであってもよく、少なくとも１２０ｋｇ／ｓの速度で、若しくは少なくとも２００ｋｇ／ｓの速度で、若しくは少なくとも３００ｋｇ／ｓの速度で、若しくは少なくとも４００ｋｇ／ｓの速度で、若しくは少なくとも５００ｋｇ／ｓの速度で、かつ好ましくは１５００ｋｇ／ｓ以下の速度で、若しくは１２５０ｋｇ／ｓ以下の速度で、若しくは１０００ｋｇ／ｓ以下の速度で、若しくは７５０ｋｇ／ｓ以下の速度で給水を供給するように動作可能であってもよい。例えば、ポンプは、５００ｋｇ／ｓ〜１５００ｋｇ／ｓの速度で給水を供給するように動作可能であってもよい。ポンプは更に、少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）若しくは少なくとも８ＭＰａ（８０バール）（絶対圧）で、かつ好ましくは２０ＭＰａ（２００バール）（絶対圧）以下若しくは１６ＭＰａ（１６０バール）（絶対圧）若しくは１４ＭＰａ（１４０バール）（絶対圧）以下の動作圧力で動作可能であってもよい。動作圧力の好適な範囲は、８ＭＰａ〜２０ＭＰａ（８０バール〜２００バール）（絶対圧）又は５ＭＰａ〜１６ＭＰａ（５０バール〜１６０バール）（絶対圧）である。他の実施形態において、脱塩を含む用途の場合、５０ｋｇ／ｓ〜１００ｋｇ／ｓで、かつ、少なくとも０．５ＭＰａ（５バール）（絶対圧）、好ましくは５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）以下又は２ＭＰａ（２０バール）（絶対圧）以下の動作圧力で給水を供給し得る。動作圧力の適切な範囲は、０．５ＭＰａ〜５ＭＰａ（５バール〜５０バール）（絶対圧）又は０．５ＭＰａ〜２ＭＰａ（５バール〜２０バール）（絶対圧）である。ポンプは第１の圧力Ｐで加熱ユニットに水を供給する。本発明の機器が利用されるシステム内で、他のポンプが設けられてもよい。そのようなポンプは、そのシステムを通じて、したがって本発明のポンプの中へと流通する水の基準圧力を定め得るものであり、つまり、本発明のポンプに到達した水は既に加圧されていることを意味する。本発明のポンプはしたがって、加熱ユニットに送給される水が所望の圧力Ｐにあるように、圧力における最終的な小さな増加のみを与えることができ、それにより、水は、加熱ユニットにて加熱されるときも依然として液状形態にあるようになる。
【００５５】
加熱ユニットは、加圧水を直接加熱するための１台以上の太陽放射吸収装置を備える。「直接加熱」とは、間接加熱と対照的に、それぞれの流体が太陽放射吸収装置内の加熱要素と直接接触することによって加熱されることを意味しており、間接加熱では、太陽放射吸収装置から熱を運び、その熱をそれぞれの流体に伝えるために、少なくとも１種類の伝熱流体が用いられる。太陽放射吸収装置は通常、太陽放射線を反射しコレクタに集束させるように構成された反射器を備えている。流体は、例えばコレクタ内に画定された通路を通じて流通することにより、加熱要素との接触によってコレクタ内で加熱され、その通路の壁は反射器からの太陽エネルギーによって加熱される。加熱ユニットの１台以上の太陽放射吸収装置は、線形フレネル太陽熱コレクタであってもよく、線形フレネル太陽熱コレクタにおいては、複数の線形反射要素が、反射器の共通の焦点に配置された固定型コレクタ管に太陽エネルギーを集束させる。別法として、好ましい実施形態によれば、１台以上の太陽放射吸収装置は線形パラボラトラフ型コレクタであってもよく、線形パラボラトラフ型コレクタにおいては、線形パラボラ反射器が、焦点軸に沿って固定されたコレクタ管に太陽エネルギーを集束させる。複数のそのようなパラボラトラフ型コレクタが、直列の及び／又は並列の適切な相互連結を伴う協調配列にて利用され得る。
【００５６】
第１の圧力Ｐにおける水の飽和温度に実質的に等しい温度まで、水が加熱ユニット内で加熱される。したがって、加熱ユニット内で水が加熱される温度は、その水が加熱ユニットに供給される圧力に依存する。理解されたいこととして、加熱ユニット全体にわたる１％程度の小さな圧力損失が予想され得るが、この圧力損失は最小化されるべきである。加熱ユニットはしたがって、水が加熱ユニットから流出する圧力における水の飽和温度まで、加圧水を加熱するように構成される。この圧力は、第１の圧力Ｐと可能な限り近くなり、加熱ユニット全体にわたる圧力損失が許容される。加熱ユニット内での加熱は、太陽放射吸収装置を通じた質量流量を制御することによって制御され、したがって厳密に制御され得る。
【００５７】
協働する絞り弁及びフラッシュタンクは、直接、加熱ユニットから、飽和加圧水を受容し、その水をフラッシュ蒸発させて、より低い温度及び圧力で飽和水蒸気を生成する。フラッシュ蒸発では、飽和液を急激な圧力低下にさらすことによって、飽和蒸気が生成される。生成飽和蒸気と残留飽和液は共に、新たな減圧圧力にて流体の飽和温度まで冷却される。好ましい実施形態において、水は、５％〜１５％のフラッシュ率で１０ＭＰａ〜１４ＭＰａ（１００バール〜１４０バール）（絶対圧）の圧力までフラッシュ蒸発され得る。他の実施形態（脱塩など）においては、水は、５％〜２５％のフラッシュ率で、０．１ＭＰａ〜０．１５ＭＰａ（１バール〜１．５バール）（絶対圧）の圧力に、例えばおよそ大気圧にフラッシュ蒸発され得る。本発明の実施形態によれば、機器は更に、残留液体の水をフラッシュタンクから再びポンプへと再循環させるように動作可能な再循環ループを備える。
【００５８】
ポンプと、加熱ユニットと、協働する絞り弁及びフラッシュタンクは共に、水蒸気生成部を備えている。本発明の実施形態によれば、機器は更に、水蒸気生成部の上流にある予熱部と、水蒸気生成部の下流にある過熱部とを備える。予熱部と、水蒸気生成部と、過熱部は流体連通しており、そのため、水は予熱部から水蒸気生成部へと流通され、飽和及び／又は過熱水蒸気は水蒸気生成部から過熱部へと流通され得るようになっている。
【００５９】
予熱部は、更なる太陽放射吸収装置を備え、好ましくは線形フレネル型太陽熱コレクタの配列を備える。予熱部は、１台以上の専用の予熱ユニットからなる複数の個別部を備えてもよく、各予熱ユニットは、給水を流入させる入口と、予熱された給水を流出させる出口とを有する。代替的な実施形態において、予熱部は、例えば、化石燃料、バイオ燃料、又はバイオマス材料の燃焼など、非太陽熱式の手段によって加熱される加熱要素を備えてもよい。予熱部に供給される給水の温度及び圧力は、本発明が用いられる特定の用途に依存する。発電の場合、給水は通常、復水器からの復水を含むことになり、その復水は、タービンからの補助水蒸気を用いてある程度の予熱を受けていてもよい。予熱部は、８ＭＰａ〜１５ＭＰａ（８０バール〜１５０バール）（絶対圧）の供給水を受容し得る。
【００６０】
過熱部は、更なる太陽放射吸収装置を備え、また、一実施形態によれば、タワー型太陽熱吸収装置を備える。そのような装置は、「発電タワー」として知られるものであり、通常、流体を流通させて加熱するためのタワー型構造内に支持された管型コレクタを備える。平面的で独立に移動可能な鏡又は「ヘリオスタット」の配列がタワー型構造物の周りに配列されて、太陽放射線がコレクタに集束される。他の実施形態によれば、過熱部は、線形フレネル型太陽熱コレクタの配列を備える。そのようなコレクタは、タワー型装置と同じ程度の過熱を達成できないこともあるが、低コストの選択肢を代表するものである。代替的な実施形態において、過熱部は、例えば、化石燃料、バイオ燃料、又はバイオマス材料の燃焼など、非太陽熱式の手段によって加熱される加熱要素を備えてもよい。過熱部は、１台以上の専用の過熱ユニットからなる複数の個別部を備えてもよい。本発明の実施形態によれば、過熱部は、第１の過熱段階及び第２の過熱段階を備える。第１の過熱段階は、タワー型太陽熱吸収装置又は線形フレネル型コレクタの配列など、太陽熱式の装置を備え、第２の過熱段階は、化石燃料、バイオ燃料、又はバイオマス材料の燃焼など、非太陽熱式の手段によって加熱される加熱要素を備える。第１の過熱段階と第２の過熱段階は流体連通しており、そのため、過熱水蒸気が第１の過熱段階から第２の過熱段階へと流通され得るようになっている。
【００６１】
本発明は、発電及び脱塩を含めて、多様な工業プロセス用に水蒸気を生成するために利用され得る。本発明はまた、複合発電及び脱塩用に水蒸気を生成するために利用されてもよく、好ましくは、水蒸気は、タービンを駆動するためにも、脱塩用の伝熱流体としても利用され、更に好ましくは、発電による排気水蒸気が脱塩用の伝熱流体として用いられる。
【００６２】
更に、本発明は、複合太陽熱発電プラント及び脱塩プラントにおいて水蒸気を生成するために利用されてもよく、その複合太陽熱発電プラント及び脱塩プラントは、水蒸気を生成するための本発明の機器と、水蒸気を生成するための前記機器から水蒸気を受容するように構成された第１のタービンと、第１のタービン及び互いと直列をなし、各々がそのすぐ上流のタービンから水蒸気を受容するように構成されている、任意選択の１台以上の更なるタービンと、一連のタービンのうちの第１のタービン又は最後のタービンから水蒸気を受容するように構成された蒸発器とを備える。
【００６３】
図１は、本発明の実施形態による太陽熱発電プラントを示す。太陽熱発電プラント２は、水蒸気生成領域１０と、発電領域２０とを備えている。水蒸気生成領域１０は、予熱部４と、水蒸気生成部６と、第１及び第２の過熱部８、１０とを備えている。発電領域２０は、複数のタービン２２と、復水器２４と、複数の予熱用熱交換器２６と、低圧ポンプ２５と、高圧ポンプ２７とを備えている。
【００６４】
予熱部４は、線形フレネル型太陽熱コレクタの配列で形成されたソーラーフィールド１２を備えている。予熱部４は、水蒸気生成部６と流体連通して、予熱給水を水蒸気生成部に供給するようになっている。水蒸気生成部６は、高圧ポンプ３２と、ソーラーフィールド３４と、協働する絞り弁３６及びフラッシュタンク３８とを備えている。高圧ポンプ３２は、予熱部４から水を受容し、制御質量流量及び圧力にてソーラーフィールド３４に水を供給する。ソーラーフィールド３４は、上で考察したタイプのパラボラトラフ型コレクタの配列を備えている。ソーラーフィールド３４は、フラッシュタンク３８に流体を供給する絞り弁３６と流体連通している。したがって、フラッシュ蒸発用の加圧液体は、一時的な貯蔵を必要とすることなく、絞り弁３６を介して、直接ソーラーフィールド３４からフラッシュタンク３８へと供給される。再循環ループ４０が、フラッシュタンク３８から再び高圧ポンプへと液体の水を再循環させて、予熱部４から供給された給水と混合器４２にて混合させる。
【００６５】
第１の過熱部及び第２の過熱部８、１０の各々は、第１の過熱段階４４、４８と、第２の過熱段階４６、５０とを備えている。第１の過熱段階４４、４８はソ−ラータワーを備えており、そのソーラータワーは、タワー構造内に保持されたコレクタ上に光を集束させる平面反射板の配列を有している。第２の過熱段階４６、５０は化石燃料バーナーを備えている。水蒸気生成部６は、フラッシュタンク３８から放出蒸気によって、第１の過熱部８と流体連通している。第１の過熱部はまた第１の複数のタービン２２と流体連通しており、第２の過熱部は、第１の複数のタービン２２と第２の複数のタービン２２の両方と流体連通している。
【００６６】
動作の際、復水器２４からの復水が、低圧及び高圧ポンプ２５、２７により、複数の予熱用熱交換器２６を通じて流通される。復水器からの復水は、０．０２ＭＰａ（０．２バール）（絶対圧）未満の圧力にて、かつ３０℃〜７０℃の温度にて、実質的に真空下に置かれ得る。予熱用熱交換器２６において、タービン２２からの補助水蒸気が、復水器２４からの復水を予熱するために用いられる。低圧及び高圧ポンプ２５、２７は、システムを通じて水を循環させ、復水の圧力を上昇させ、フラッシュタンク３８の基準圧力を定める。復水は給水として予熱部４に流通されるまでに、１５０℃〜２５０℃の温度をなし、かつ８ＭＰａ〜１４ＭＰａ（８０バール〜１４０バール）の圧力をなし得る。ソーラーフィールド１２を備える予熱部４において、給水は３００℃〜３５０℃の温度まで加熱され、この温度でソーラーフィールド１２から流出する。ソーラーフィールドによってもたらされる予熱の程度は、使用されているソーラーフィールドの面積によって、また鏡像焦点の角度によって決まり、これらの要因は、所望の出口温度をもたらすように厳密に制御される。予熱給水は次いで高圧ポンプ３２に流通され、この高圧ポンプ３２において圧力は、圧力Ｐに増加されるが、この圧力Ｐは１０ＭＰａ〜１７ＭＰａ（１００バール〜１７０バール）となり得る。このように、低圧ポンプ及び高圧ポンプ２５、２７によって定められた基準圧力を超えて圧力が増加することにより、給水がソーラーフィールド３４内で加熱されるとき、水は依然として液体状態となる。加圧水は次いで、水蒸気生成用のソーラーフィールド３４に流通され、ここで、圧力Ｐにおける水の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱される。好ましい実施形態において、この水は、ソーラーフィールド３４から流出する圧力における水の飽和温度まで加熱される。この圧力は、ポンプ３２が加圧水を供給する圧力Ｐにおよそ等しいが、ソーラーフィールド３４にわたる圧力損失のために最大で１％、低くてもよい。例えば、加圧水は３１０℃〜３６０℃に加熱されてもよい。
【００６７】
ソーラーフィールド３４から、加圧された飽和水が直接、協働する絞り弁３６及びフラッシュタンク３８に流通され、ここで水の圧力は１ＭＰａ〜５ＭＰａ（１０バール〜５０バール）だけ減じられ、水の５％〜１５％はフラッシュ蒸発されて水蒸気となる。生成水蒸気と残存液体は共に、新たな減圧圧力における水の飽和温度へと冷却される。フラッシュタンク内に液体として残存する水の８５％〜９５％は、再循環ループ４０によって混合器４２へと流通され、ここでその水は、予熱用のソーラーフィールド１２から高圧ポンプ３２へと流通する、予熱給水に加えられる。
【００６８】
フラッシュドラム３８内で生成された飽和水蒸気は、第１の過熱部８に流通される。第１の過熱部８内で、飽和水蒸気はまず、太陽熱発電タワーを備える第１の過熱段階４４を通じて流通される。太陽熱発電タワーにおいて、水蒸気は４００℃〜４９０℃に過熱される。過熱水蒸気は次いで、バイオマス又は化石燃料バーナーを備える第２の過熱段階４８に流通される。第２の段階において、水蒸気は更に５００℃〜５６０℃に過熱され、好ましくは、タービン効率に対する最適温度に過熱される。
【００６９】
第１の過熱部８から、過熱水蒸気が第１の複数のタービン２２に流通され、ここで、水蒸気の圧力と温度は共に、水蒸気がタービン２２を駆動するときに低下する。第１の複数のタービン２２から、０．５ＭＰａ〜２．５ＭＰａ（５バール〜２５バール）及び１６０℃〜２６０℃となった水蒸気は第２の過熱部１０に流通され、ここで、第１及び第２の過熱段階４８、５０を通じて５００℃〜５６０℃に再加熱される。第２の過熱部１０から、過熱水蒸気は、第２の複数のタービン２２に、そして復水器２４へと流通される。上述したように、第１のレベルの予熱を給水の復水にもたらすために、タービン２２からの補助水蒸気が予熱用熱交換器２６に流通される。
【００７０】
理解されたいこととして、ソーラーフィールド１２、３４、４４及び４８は、特定のタイプの太陽光吸収装置を備えるものとして説明されてきたが、予熱用、加圧加熱用、及び過熱用のソーラーフィールドの各々は、線形フレネル型、パラボラトラフ型、及び発電タワー型を含めて、任意の好適なタイプの太陽光吸収装置を備えてよい。加えて、予熱及び過熱部は、例えば、通常の化石燃料、バイオ燃料、又はバイオマス材料用のバーナーなど、非太陽熱式の加熱要素を備えてもよい。これらは、太陽放射吸収装置に代わるものであっても、それに加えられるものであってもよい。
【００７１】
また、理解されたいこととして、利用可能な太陽放射吸収装置の技術は、これらの装置において水蒸気が過熱され得る温度に、有限の極限を設けることになり得る。特定の例において、太陽熱エネルギーを利用した最大達成可能温度は、タービン効率に対する最適温度を下回ることがあり得る。太陽熱技術を利用して最適温度が達成され得る場合でも、これは最も効率的な選択肢を表していないことがある。例えば、各過熱部において単一の過熱段階のみを使用して、タワー型太陽熱加熱装置を利用して水蒸気をおよそ５５０℃に過熱することが可能となり得る。しかしながら、温度の上昇に伴って、より多くの熱が再び環境に放射されるので、太陽熱タワーを使用した最終的な６０℃の過熱は、非常に高い費用を課すことになり得る。したがって、所望の過熱温度が達成されるように、太陽熱式の加熱手段と非太陽熱式の加熱手段とを組み合わせることが望ましくなり得る。例えば、化石燃料又はバイオマスを過熱のうちの最後の６０℃〜８０℃を達成するためにのみ利用し、過熱の大部分が、再生可能なエネルギー資源を利用する太陽熱発電タワーを使用して達成されてもよい。過熱部は、所望の出口過熱温度が最も効率的な方式で達成されるように、太陽熱式の装置と非太陽熱式の装置との任意の適切な組合わせを備え得る。
【００７２】
加圧されたソーラーフィールド１２を通じて流通する水の加圧性により、このフィールドに利用され得る太陽熱吸収装置のタイプに、特定の制約が課せられる。特に、コレクタ管が反射表面と共に回転する標準的な線形パラボラトラフ型コレクタは適切ではない。そのようなコレクタで管の連結作業に必要となるスイベル管継手は、高圧ポンプ３２が水を供給する高圧に耐えることができない。水を後に沸騰させる伝熱流体を加熱するために使用される通常のソーラーフィールドは、それらを通じて流通するそのような高圧の液体を収容する必要がない。加圧されるソーラーフィールド１２における使用に特に適する線形パラボラトラフ型コレクタの設計の１つは、固定型コレクタ管を有する線形パラボラトラフである。そのような装置の例が英国特許第１００８０３２．３号に開示されており、線形パラボラ型反射器の焦線上に装着された固定型コレクタ管を備えている。反射器は、固定型コレクタの周りを回転するように装着されており、加圧されるソーラーフィールド１２に要求される圧力に耐えられないスイベル管継手又はたわみ管の配管の必要性を回避している。
【００７３】
上述した集中型太陽熱発電プラントの重要な利点は、伝熱流体のループ又はコレクタ管内の二相流のいずれかの必要性が排除されることである。伝熱流体のループの必要性を除くことにより、本発明は、資本支出の相当な削減をもたらすだけでなく、プラントを水のみで稼働させることでプラントの動作を簡略化する。フラッシュ蒸発を利用して水蒸気を生成する際、本発明はまた、太陽熱コレクタ内での沸騰の必要性を、したがって、制御性及びコレクタ管の座屈に関する問題を生じることが知られている、コレクタ管内での二相流の発生を排除する。上述した集中型太陽熱発電プラントはまた、水のエンタルピー曲線を整合化させることによって熱効率の改善をもたらすが、困ったことはない。また、更なる資本経費の削減、ソーラーフィールドの熱損失の低減、及びタービン効率の向上が、例えば、ヒートコレクタの選択と、プラントの３つの加熱部、つまり、予熱、加圧加熱、及び過熱とを整合化させることによって達成され得る。
【００７４】
上記のように、本発明は、脱塩を含めて、他の工業プロセス用に水蒸気を生成するために利用されてもよい。図２は、本発明の別の実施形態による脱塩プラントを示している。脱塩プラント２００は、作動流体のループ２１０と、塩水蒸発領域２２０とを備えている。作動流体のループ２１０は、水蒸気生成部２０６と復水部２０８とを備えている。塩水蒸発領域２１０は、複数の協働する塩水蒸発器２２２ａ〜２２２ｅと予熱用の熱交換器２２４とを備えている。
【００７５】
水蒸気生成部は、実質的に、図１の集中型太陽熱発電プラントに関連して上述したとおりに構成されている。水蒸気生成部２０６は、ポンプ２３２と、ソーラーフィールド２３４と、協働する絞り弁２３６及びフラッシュタンク２３８とを備えている。ポンプ２３２は、復水部２０８から流体を受容し、制御質量流量及び圧力にてソーラーフィールド２３４にその流体を供給する。ソーラーフィールド２３４は、上述したタイプのパラボラトラフ型太陽熱コレクタの配列を備えている。ソーラーフィールド２３４は、フラッシュタンク２３８に流体を供給する絞り弁２３６と流体連通している。再循環ループ２４０が、フラッシュタンク２３８から再びポンプ２３２へと液体の水を再循環させて、復水部２０８から供給された給水と混合器２４２にて混合させる。
【００７６】
復水部は、作動ポンプ２４４と、第１の塩水蒸発器２２２ａの作動流体領域とを備えている。第２の塩水蒸発器２２２ａは、フラッシュタンク２３８から飽和水蒸気を受容する。飽和水蒸気は塩水蒸発器内で凝縮され、ポンプ２４４を介して再び水蒸気生成部２０６に流通される。ポンプ２４４は、飽和水蒸気を加圧しないが、単にポンプ損失と上昇損失に打ち勝つものである。
【００７７】
プラント２００の塩水蒸発領域２２０は、プラント塩水入口２７０と、プラント濃縮塩水出口２７２と、プラント淡水出口２７４と、複数の協働する塩水蒸発器２２２ａ〜２２２ｅ及び予熱用熱交換器２２４とを備えている。ある代表的な塩水蒸発器２２２が図３に示されており、水蒸気入口２６０と、復水出口２６２と、塩水入口２６４と、濃縮塩水出口２６６と、水蒸気出口２６８とを備えている。塩水復水器内の熱交換要素（図示せず）が、水蒸気入口２６０に流入する水蒸気を塩水入口２６４に流入する供給塩水と接触させて、伝熱によって供給塩水から水蒸気を蒸発させる。残留濃縮塩水は、濃縮塩水出口２６６を介して蒸発器２２２から流出し、蒸発淡水蒸気は、水蒸気出口２６８を介して蒸発器から流出する。水蒸気を塩水から蒸発させるために用いられた凝縮水蒸気は、復水出口２６２にて復水器２２２から流出する。
【００７８】
動作の際、作動流体のループ２１０は、第１の塩水蒸発器２２２ａにおける塩水蒸発の第１の段階のために水蒸気を生成する。復水が、復水部２０８のポンプ２４４によって水蒸気生成部２０６のポンプ２３２に流通される。復水の圧力は、ポンプ２３２によって０．５ＭＰａ〜１．５ＭＰａ（５バール〜１５バール）に上昇される。加圧された水は次いで、水蒸気生成用のソーラーフィールド２３４に流通され、ここで、ソーラーフィールド２３４から流出する圧力における水の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱される。この圧力は、ポンプ２３２が加圧された水を供給する圧力におよそ等しいが、ソーラーフィールド２３４にわたる圧力損失のためにわずかに低くなってもよい。例えば、加圧水は１５０℃〜２００℃に加熱されてもよい。
【００７９】
ソーラーフィールド２３４から、加圧飽和水が、協働する絞り弁２３６及びフラッシュタンク２３８に流通され、ここで水の圧力は実質的に大気圧まで減じられ、水の１５％〜２０％はフラッシュ蒸発されて水蒸気となる。生成水蒸気と残存液体は共に、新たな減圧圧力における水の飽和温度へと冷却される。フラッシュタンク内に液体として残存する水の８０％〜８５％は、再循環ループ２４０によって混合器２４２へと流通され、ここでその水は、第１の塩水蒸発器２２２ａからポンプ２３２へと流通する復水に加えられる。
【００８０】
フラッシュドラム２３８内で生成された飽和水蒸気は、第１の塩水蒸発器２２２ａの水蒸気入口２６０に流通される。水蒸気は第１の塩水蒸発器２２２ａ内で凝縮され、復水出口２６２を介して第１の塩水蒸発器２２２ａから流出する。凝縮水は次いで、更なる加圧、加熱及びフラッシュ蒸発のために、復水部のポンプ２４４を介して再び水蒸気生成部２０６に流通される。作動流体のループはしたがって閉ループであり、水蒸気を生成して第１の塩水蒸発器内における蒸発を駆り立てる。
【００８１】
海水の形態をなす塩水が、プラント塩水入口２７０にてプラント２００に流入する。塩水は次いで、複数の予熱用熱交換器２２４に通され、ここで塩水の温度は、複数の塩水蒸発器２２２からの濃縮塩水との熱伝達によって上昇する。予熱塩水は次いで、第１の塩水蒸発器２２２ａの塩水入口２６４に流通され、ここで作動流体ループからの水蒸気が、塩水から淡水を蒸発させる。塩水蒸発器２２２ａに流入する塩水の１０％〜２０％が、蒸発されて水蒸気となり得る。蒸発後に残存する濃縮した液体の塩水は、濃縮塩水出口２６６を介して塩水蒸発器２２２ａから流出する。濃縮塩水は次いで、第１の予熱用熱交換器に、そして第２の塩水蒸発器２２２ｂの塩水入口へと流通される。次第に濃縮される塩水が、塩水蒸発器２２２及び予熱用熱交換器２２４のすべてを通じて循環された後、プラント濃縮塩水出口２７２にてプラント２００から放出される。第１の塩水蒸発器２２２ａにて塩水から蒸発された純水は、水蒸気出口２６８を介して第１の塩水蒸発器２２２ａから水蒸気として流出する。水蒸気は次いで、第２の塩水蒸発器２２２ｂの水蒸気入口２６０に流通され、ここで、第２の塩水蒸発器２２２ｂに流入する塩水から更に水蒸気を蒸発させるために用いられる。このプロセスの間、水蒸気は凝縮して水となり、復水出口２６２にて第２の塩水蒸発器から流出する。復水出口２６２から、水はプラント淡水出口２７４に流通される。第３、第４、及び第５の塩水蒸発器２２２ｃ、２２２ｄ、２２２ｅから流出した水は、混合器２８０、２８２、２８４介して、第２の塩水蒸発器２２２ｂからの水の流れと合流される。
【００８２】
理解されたいこととして、塩水蒸発器２２２の厳密な構成は、プラントの要件に応じて、例えば、必要となる混合器の台数を最小にするために、あるいは他の効率を節減するために、変更されてもよい。加えて、塩水蒸発器は、減圧（真空）条件下で作動されてもよい。
【００８３】
本発明によれば、発電と脱塩が単一のシステムに組み合わされ得る。したがって、図１に示すような太陽熱プラントにおける最終タービンの出力からの低圧水蒸気を凝縮する代わりに、太陽熱プラントは、図２の脱塩システムの塩水蒸発領域２２０の構成を有する塩水蒸発領域に結合される。この実施形態において、過熱水蒸気は、直列をなす第２の複数のタービン２２に流通される。直列中の最終タービン２２から、水蒸気は、図２に示すシステムの塩水蒸発領域２２０の第１の塩水蒸発器２２２ａの水蒸気入口２６０に流通される。
【００８４】
この実施形態において、脱塩工程で蒸発を駆り立てるのに適した温度及び圧力で、水蒸気が直列の最終タービン２２から抽出される。例えば、１００℃を超える温度及び大気圧を超える圧力、例えば２２４℃の温度及び０．１４ＭＰａ（１．４バール）（絶対圧）の圧力で、直列中の最終タービン２２から水蒸気が抽出され得る。この目的で、図１に示す発電のみの実施形態よりも少ない台数のタービンユニット２２が設けられてもよい。
【００８５】
水蒸気は、第１の塩水蒸発器２２２ａに流通され、図２に関連して説明したようにここで凝縮され、復水出口２６２を介して第１の塩水蒸発器２２２ａから流出し、ここから、複数の予熱用交換器２６を介して水蒸気生成部に再び流通される。次いで、図２に示す方式で、直列をなす塩水蒸発器２２２において塩水の脱塩が達成される。
【００８６】
この実施形態において、図１の発電の実施形態よりも高い温度及び圧力で、第２の複数のタービン２２から水蒸気が除去され、したがって、図１の実施形態と比較すると、太陽熱発電プラントで生成される電力に犠牲が生じる。例えば、このシステムは、図１の実施形態と比較して、太陽熱発電プラントで生成される電力に２０％の犠牲が生じるように動作され得る。しかしながら、複合発電及び脱塩の実施形態の全体的な熱効率は約６５％〜７０％であるが、これは、発電のみを扱う実施形態における、約４０％〜４５％の熱効率とは対照的である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月22日(2013.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業プロセスで用いる水蒸気を生成する方法であって、
（ａ）水を含んだ作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧することと、
（ｂ）前記作動流体の液体を、前記第１の圧力における前記作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱することと、
（ｃ）水蒸気を生成するために前記作動流体の液体をフラッシュ蒸発させることと、を含み、
前記加圧された作動流体の液体を、太陽放射吸収装置における直接加熱によって工程（ｂ）で加熱する、方法。
【請求項２】
前記工業プロセスが発電又は脱塩である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
フラッシュ蒸発をフラッシュタンク内で実行し、前記フラッシュタンクが、飽和した加圧水を絞り弁を介して前記太陽放射吸収装置から受容するものである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
工程（ａ）における加圧することの前に前記作動流体の液体を予熱すること、を更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
工程（ｃ）の後に前記水蒸気を過熱すること、を更に含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
過熱することを、太陽放射吸収装置において直接加熱することによって実施する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記太陽放射吸収装置が、１台以上のタワー型太陽光吸収装置又は線形フレネル型太陽光吸収装置を備える、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
過熱することが、第１過熱段階及び第２の過熱段階を含み、前記第１の過熱段階が、直接的な太陽熱式の加熱を用いるものであり、前記第２の過熱段階が、再生可能でないエネルギー源を用いるものである、請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
工程（ｃ）におけるフラッシュ蒸発後に残存する前記作動流体の液体を、工程（ａ）に再循環させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
工業プロセスで用いる水蒸気を生成するための機器であって、
水を含んだ作動流体の液体を少なくとも５ＭＰａ（５０バール）（絶対圧）の第１の圧力に加圧するためのポンプと、
前記ポンプの下流にある加熱ユニットであって、前記作動流体の液体を、前記第１の圧力における前記作動流体の液体の飽和温度に実質的に等しい温度まで加熱するための、加熱ユニットと、
前記加熱ユニットの下流にあり、水蒸気を生成するために前記作動流体の液体を蒸発させるための協働する絞り弁及びフラッシュタンクと、を備え、
前記加熱ユニットが、前記加圧された作動流体を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える、機器。
【請求項１１】
前記工業プロセスが発電である、請求項１０に記載の機器。
【請求項１２】
前記加熱ユニットが前記絞り弁を介して前記フラッシュタンクと流体連通し、かつ／又は、前記太陽放射吸収装置が、１台以上のパラボラトラフ型太陽光吸収装置を含む、請求項１０又は１１に記載の機器。
【請求項１３】
前記フラッシュタンクから前記ポンプに前記作動流体の液体を送るように構成された再循環ループを更に備える、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１４】
前記ポンプと、加熱ユニットと、協働する絞り弁及びフラッシュタンクが互いに、水蒸気生成部を備え、前記機器が、前記作動流体の液体を予熱するための、前記水蒸気生成部の上流にある予熱部と、前記水蒸気を過熱するための、前記水蒸気生成部の下流にある過熱部とを更に備える、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１５】
前記予熱部が、前記作動流体の液体を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える、請求項１４に記載の機器。
【請求項１６】
前記過熱部が、前記水蒸気を直接加熱するための太陽放射吸収装置を備える、請求項１４又は１５に記載の機器。
【請求項１７】
前記過熱部が、第１の過熱段階及び第２の過熱段階を含み、前記第１の過熱段階がタワー型太陽光吸収装置又は線形フレネル型太陽光吸収装置を備え、前記第２の過熱段階が化石燃料バーナーを備える、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１８】
前記工業プロセスが、複合発電及び脱塩であり、前記水蒸気を、タービンを駆動するためにも、脱塩用の伝熱流体としても利用する、請求項１０〜１７のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１９】
発電からの排気水蒸気を、脱塩用の伝熱流体として用いる、請求項１８に記載の機器。
【請求項２０】
太陽熱発電プラントであって、
請求項１０〜１９のいずれか一項に記載の、水蒸気を生成するための機器と、
水蒸気を生成するための前記機器から水蒸気を受容するように構成されたタービンと、を備える、太陽熱発電プラント。
【請求項２１】
請求項１０〜１９のいずれか一項に記載の、水蒸気を生成するための機器と、
水蒸気を生成するための前記機器から水蒸気を受容するように構成された第１のタービンと、
前記第１のタービン及び互いと直列をなす、任意選択による１台以上の更なるタービンであって、それぞれが、そのすぐ上流のタービンから水蒸気を受容するように構成されたタービンと、
前記タービンの直列中の前記第１のタービン又は最終タービンから水蒸気を受容するように構成された蒸発器と、を備える、複合太陽熱発電プラント及び脱塩プラント。
【国際調査報告】
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