(57)【要約】【課題】使用環境による制限がなく吸入空気を冷却することのできるガスタービン発電システムを提供する。【解決手段】吸入される空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機３と、圧縮機３で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼する燃焼器５と、燃焼器５で燃焼された燃焼ガスにより回転されるガスタービン２と、ガスタービン２の回転により駆動される発電機１と、ガスタービン２から排出される排気ガスの廃熱を利用して発電を行う熱電発電部６と、熱電発電部６から電力の供給を受けて、圧縮機３に吸入される空気を冷却するペルチェ冷却部８とを備えるガスタービン発電システム２０。【選択図】図１
2008232086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入される空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記圧縮空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器で燃焼された燃焼ガスにより回転されるガスタービンと、
前記ガスタービンの回転により駆動される発電機と、
前記ガスタービンから排出される排気ガスの廃熱を利用して発電を行う熱電発電部と、
前記熱発電部から電力の供給を受けて、前記圧縮機に吸入される空気を冷却するペルチェ冷却部と、
を備えることを特徴とするガスタービン発電システム。
【請求項２】
前記ペルチェ冷却部で冷却された前記空気の一部を前記熱電発電部に供給する経路を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンによる発電システムに関し、特に、ガスタービンに取り入れられる空気を冷却して、発電効率を向上する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、空気入口、コンプレッサ、燃焼室、タービン及び排気口を主構成要素としており、燃焼室内の空気−燃料混合物の点火の前に燃料と混合するため取り入れられた空気（以下、吸入空気）を圧縮し、点火によって高温ガスを発生してタービンを駆動する。この吸入空気の温度が高くなると体積当たりの質量が低下し、そのためにガスタービンの出力が低下する。したがって、例えば、夏季にはガスタービンの出力低下が懸念される。また、熱帯地域では夏季に限らず、ガスタービンの出力低下の問題がある。そこで、吸入空気を冷却することにより発電効率を向上させるために、吸入空気を冷却するいくつかの技術がこれまで提案されている。
例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）の気化熱を利用して吸入空気を冷却する方法（特許文献１〜３）、氷蓄熱装置を利用して吸入空気を冷却する方法（特許文献４〜６）、直接蒸発冷却装置を利用して吸入空気を冷却する方法（特許文献７）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特公昭５９−２７７１号公報
【特許文献２】特開平１−１４２２１９号公報
【特許文献３】特開平６−１７３７１０号公報
【特許文献４】特開平７−１９０６７号公報
【特許文献５】特開平７−１８０５６６号公報
【特許文献６】特許第２８５１７９４号公報
【特許文献７】特開平７−１６６８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、ＬＮＧの気化熱を利用して吸入空気を冷却する方法は、ＬＮＧを燃料とするガスタービン、またはＬＮＧプラントが付随している場合に限られる。
また、氷蓄熱装置を利用して吸入空気を冷却する方法は、氷蓄熱が夜間電力を使用することを前提としているため、夜間電力が不足する熱帯地域での使用が困難である。また、夜間に発電を停止するシステムの場合には、この発電による氷蓄熱装置が機能しないことになる。
さらに、直接蒸発冷却装置を利用して吸入空気を冷却する方法は、相対湿度が７５％以上でないと直接蒸発冷却装置が機能しないため、相対湿度の高い熱帯地域では十分な冷却を得ることができない。
【０００５】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、使用環境による制限がなく吸入空気を冷却することのできるガスタービン発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者等は、ガスタービンの廃熱を利用して発電を行い、かつこの発電による電力を利用して吸入空気の冷却を行うシステムを検討した。ガスタービンの廃熱を利用して発電を行う場合、ガスタービンを運転している限り、使用環境による制限をうけることなく、吸入空気を冷却することができる。一方で、吸入空気の冷却のための設備は、可能な限り小さいことが望まれる。以上を考慮した本発明のガスタービン発電システムは、吸入される空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、燃焼器で燃焼された燃焼ガスにより回転されるガスタービンと、ガスタービンの回転により駆動される発電機と、ガスタービンから排出される排気ガスの廃熱を利用して発電を行う熱電発電部と、熱電発電部から電力の供給を受けて、圧縮機に吸入される空気を冷却するペルチェ冷却部と、を備えることを特徴とする。なお、本発明において、熱電発電部とは、熱電素子を用いて発電を行うものをいう。また、本発明において、ペルチェ冷却部とは、ペルチェ素子を用いて冷却を行うものをいう。
【０００７】
本発明のガスタービン発電システムにおいて、ペルチェ冷却部で冷却された空気の一部を熱電発電部に供給する経路を備えることが好ましい。熱電発電部に用いられる熱電素子は、発電のために所定の温度差が必要である。本発明は、その温度差をつけるための高温を排気ガスの廃熱により得る一方、低温をペルチェ冷却部で冷却された空気により得ようというものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明によるガスタービン発電システムは、ペルチェ冷却部により、吸入空気を冷却することができる。したがって、外気温度が高くても、ガスタービンの出力の低下を抑制し、または出力を向上することができる。また、ペルチェ冷却部は、ペルチェ素子を複数備えるユニットを適所に配置することにより構成することができるため、設備的なスペースを小さくできる。
また、本発明によるガスタービン発電システムは、ペルチェ冷却部に供給される電力が、ガスタービンからの排気ガスを利用して熱電発電部により得られる。したがって、外部からの電力供給に頼ることなく、吸入空気を冷却することができる。このことは、ガスタービンが運転されている限り、周囲の環境に左右されることなく、ガスタービンの出力の低下を抑制し、または出力を向上できることを意味する。
さらに、本発明によるガスタービン発電システムは、熱電発電部が、ガスタービンからの排気ガスを利用して高温状態を得ることができるし、また、低温状態は室温でも可能であるが、ペルチェ冷却部で冷却された空気を用いて低温状態を得ることができる。したがって、このガスタービン発電システムは、熱電発電部が発電するための、高温状態及び低温状態を、その系内で実現することができる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本発明によるガスタービン発電システム２０の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、ガスタービン発電システム２０は、発電にかかる基本的な構成として、発電機１と、ガスタービン２と圧縮機３とを同一の回転軸４上に配列する。そして、燃焼器５に圧縮機３で圧縮した空気と燃料とを供給して燃焼させ、この燃焼ガスによりガスタービン２を回転させて発電機１を駆動して発電を行う。なお、以上の基本的な構成については、従来公知の技術を適宜利用できることはいうまでもない。
【００１０】
ガスタービン発電システム２０は、以上の基本的な構成の他に、ガスタービン２から排出される排気ガスを利用して発電を行い、かつこの発電で得られた電力によって吸入空気を冷却するための構成を備えている。
すなわち、ガスタービン発電システム２０は、ガスタービン２の排気ガス経路７上に熱電発電部６が設けられている。熱電発電部６は、ガスタービン２から排出される排気ガスが持つ廃熱を利用して発電を行う。また、ガスタービン発電システム２０は、吸入経路９上に、ペルチェ冷却部８が設けられている。ペルチェ冷却部８は、熱電発電部６が発電した電力で、吸入空気の冷却を行う。熱電発電部６が発電した電力をペルチェ冷却部８に供給するため、熱電発電部６とペルチェ冷却部８とは、電力供給ライン１０で接続されている。
【００１１】
熱電発電部６は、熱電素子を主構成要素としている。熱電素子は、一般的に、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合したもので環状回路を形成し、その両接合部の一方を高温に、他方を低温にすると両端に電位差が生じて電流が流れるものである。本発明は、前記一方を高温にするためにガスタービン２から排出される排気ガスを利用する。
本発明において、熱電素子を構成する材料は限定されず、公知の材料を適宜使用することができる。ただし、材料によって使用温度範囲が限られているので、材料に応じて熱電発電部６を設置する部位を定める必要がある。例えば、ＢｉＴｅ系熱電素子材料は常温から約３００℃の温度域で、ＰｂＴｅ系熱電素子材料は３００〜６００℃の温度域で、ＳｉＧｅ系熱電素子材料は６００〜９００℃の温度域で、各々有効である。ガスタービン２からの排気ガスの温度は５００〜７００℃であるが、排気ガス経路７上の熱電発電部６を設置する位置によっては、いずれの熱電素子材料を用いることができる。ＢｉＴｅ系熱電素子材料を用いる場合であっても、ガスタービン２から距離が離れた位置に熱電発電部６を設置すればよい。
【００１２】
本発明は、熱電素子の低温側を得るために、ペルチェ冷却部８により冷却された空気を利用することができる。したがって、ガスタービン発電システム２０は、吸入経路９から分岐する冷却空気分岐路１１が設けられている。この冷却空気分岐路１１に供給される冷却空気は、熱電発電部６に流入される。なお、ここでは、ペルチェ冷却部８により冷却された空気を利用するが、大気の温度が低い場合には、大気を熱電発電部６に取り込むことができる。また、低温の流体を用いることもできる。
【００１３】
図２は、複数の熱電素子を備えた熱電ユニット３０の構成例を示している。
熱電ユニット３０は、ヒートシンク３１と、ヒートシンク３１の一方の表面に配設された複数の熱電素子３２とを備えている。ヒートシンク３１は、例えば銅、銅合金のように熱伝導性の優れた材料で構成されている。また、ヒートシンク３１の内部には、冷却媒体が流通する流路が形成されている。この冷却媒体として、本発明は、前述した冷却空気を用いることができる。熱電素子３２は、前述した構成をなしている。熱電ユニット３０は、熱電素子３２をヒートシンク３１の一方の表面に形成したが、図３に示すように、表裏両面に形成した熱電ユニット３０とすることもできる。本発明において、図２又は図３に示すような熱電ユニット３０を複数用いて、熱電発電部６を構成する。
【００１４】
本実施の形態において、熱電ユニット３０を配設する位置は限定されない。ガスタービン２からの排気ガスの廃熱を利用して発電できる位置に配設すればよい。例えば、ガスタービン２の排気塔を取り囲むように複数の熱電ユニット３０を排気塔の外壁に配設することができる。この場合、図２に示す熱電ユニット３０を用いたとすると、熱電素子３２が配設されている側を外壁に対向させる。また、排気塔はガスタービン２の本体を構成するものであるが、ガスタービン２の本体から排出された排気ガスが流通する部分に熱電ユニット３０を配設することができる。この排気ガスが流通する管路を、一般に排気煙道と称している。排気煙道は、排気ダクト及び排気煙突を含む概念を有している。図４は、排気煙道５０内に複数の熱電ユニット４０を平行に配設した例を模式的に示している。この場合は、図３に示した、ヒートシンク３１の表裏両面に熱電素子３２が配設された熱電ユニット４０を用いることが好ましい。これは、熱電ユニット３０（４０）の配設の一例であって、排気煙道５０を区分して、その区分された領域の側壁に熱電ユニット３０を添着する形態としてもよい。
【００１５】
以上のように設定された熱電発電部６は、ガスタービン２の排気ガスの廃熱による高温、及びペルチェ冷却部８で冷却された空気による低温を利用することにより、発電を行い、電力供給ライン１０を介してペルチェ冷却部８に電力を供給する。
【００１６】
ペルチェ冷却部８は、熱電発電部６が発電した電力を利用して、圧縮機３に吸入される空気を冷却する。
ペルチェ冷却部８は、ペルチェ素子を主構成要素としている。ペルチェ素子は、ｐ−ｎ接合部に電流を流すと、ｎ→ｐ接合部分では吸熱現象が、ｐ→ｎ接合部分では放熱現象が発生する。これをペルチェ効果という。熱電素子が熱から電気を作るのに対して、ペルチェ素子は電気を流すことで熱を低温側（吸熱側）から高温側（発熱側）へ移行させるものと捉えることができる。
また、ペルチェ素子を構成する材料は、基本的には熱電素子を構成する材料と一致する。つまり、ＢｉＴｅ系材料、ＰｂＴｅ系材料及びＳｉＧｅ系材料を始めとする公知の材料を用いてペルチェ素子を作製することができる。
【００１７】
ペルチェ冷却部８は、圧縮機３に吸入される空気を冷却するものであるから、圧縮機３の前段に配設する必要がある。通常、圧縮機３には吸気塔が設けられており、この吸気塔を通って空気が圧縮機３に吸入される。したがって、吸気塔内に複数のペルチェ冷却部８を配設することができる。ただし、吸気塔に限るものではなく、本発明は、吸入空気を冷却できる位置を広く包含する。
ここで、図５に、複数のペルチェ素子を備えたペルチェユニット６０の構成例を示している。
ペルチェユニット６０は、ヒートシンク６１と、ヒートシンク６１の一方の表面に配設された複数のペルチェ素子６２とを備えている。ヒートシンク６１は、例えば銅、銅合金のように熱伝導性の優れた材料で構成されている。ヒートシンク６１にはペルチェ素子６２に電力を供給する電線が接続されている。電力が供給されることにより、ペルチェ素子６２は、ヒートシンク６１に接ししている面側に熱が移行して、外気に開放されている面の温度が低下する。この温度低下により、吸入空気の温度を低下させる。
吸気塔の内壁に複数のペルチェユニット６０を添着すればよい。この場合、ヒートシンク６１を吸気塔の内壁に対向させて配設する必要がある。また、吸気塔の内壁に添着する以外に、熱電ユニット４０の配設例として図４に示すよう、吸気塔の内部に複数のペルチェユニット６０を平行に配設することもできる。この場合は、ヒートシンク６１の表裏両面にペルチェ素子６２が配設されたペルチェユニットを用いることが好ましい。
【００１８】
以上のとおり、本実施の形態によるガスタービン発電システム２０は、ペルチェ冷却部８により、圧縮機３に吸入される空気の温度を下げることができる。したがって、外気温度が高くても、ガスタービン２の出力の低下を抑制できるか、または出力を向上することができる。
本実施の形態によるガスタービン発電システム２０は、ペルチェ冷却部８に供給される電力が、ガスタービン２からの排気ガスを利用して熱電発電部６が発電されている。したがって、外部からの電力供給に頼ることなく、吸入空気を冷却することができる。このことは、ガスタービン２が運転されている限り、周囲の環境に左右されることなく、ガスタービン２の出力の低下を抑制し、または出力を向上できることを意味する。
また、本実施の形態によるガスタービン発電システム２０は、熱電発電部６が、ガスタービン２からの排気ガスを利用して高温状態を、また、ペルチェ冷却部８で冷却された空気を用いて低温状態を得ている。したがって、ガスタービン発電システム２０は、熱電発電部６が発電するための、高温状態及び低温状態を、その係内で実現することができる利点がある。
【００１９】
以上のガスタービン発電システム２０は、発電を熱電発電部６によるものとしているが、本発明のガスタービン発電システムは、太陽光発電を併用することができる。特に、熱帯地域では有効である。
【００２０】
次に、本発明を利用したガスタービン発電システムによる性能向上の試算を示しておく。なお、熱電ユニットを煙道に配設し、ペルチェユニットを吸気塔に配設するものとする。
（１）煙道面積より求められる熱電ユニットの発電量
煙道は、幅３０ｃｍ、縦２ｍ、長さ１０ｍが３０本あるものと仮定する。
各煙道の面積は、２ｍ×１０ｍ＝２０ｍ２の表裏で４０ｍ２となる。煙道は３０本あるので、総面積は、下記により、１２００ｍ２となる。
４０ｍ２×３０本＝１２００ｍ２となる。
一方、熱電ユニットとして、１２ｃｍ×３０ｃｍ＝３６０ｃｍ２で５０Ｗ／ｈの発電能力を有するものを用いるとすると、単位面積当たりの発電量は、下記により１．３８８ＫＷ／ｍ２となる。
５０Ｗ／ｈ÷０．０３６ｍ２＝１．３８８ＫＷ／ｍ２
熱電ユニットを、各煙道の両側面に隙間なく添着したとすると、下記により、１６６５．６ＫＷ／ｈの発電量を得ることができる。
１２００ｍ２×１．３８８ＫＷ／ｍ２＝１６６５．６ＫＷ／ｈ
【００２１】
（２）発電量より求められるペルチェユニットの吸熱量
１．０５ＫＷを消費し、４００Ｗの吸熱量を持つペルチェユニットを用いるものとする。
熱電ユニットによる発電量をそのまま冷却に使用したとすると、このペルチェユニットは、下記により、６３４．５１４ＫＷを吸熱できる。
（１６６５．６ＫＷ÷１．０５ＫＷ）×４００Ｗ＝６３４５１４Ｗ＝６３４．５１４ＫＷ
【００２２】
（３）ガスタービンの空気消費量
略６５０ｋｇ／ｓｅｃの空気を消費するガスタービンを想定する。
空気（１５℃）の１ｍ３当たりの重量は１．２９３ｋｇなので、このガスタービンの単位時間当たりの消費量は、６５０ｋｇ÷１．２９３ｋｇ＝５０２．７ｍ３／ｓｅｃとなる。１時間当たりでは、１８０９７２０ｍ３／ｈを消費することになる。
【００２３】
（４）空気を１℃下げるのに必要なエネルギー
１ｍ３の空気を１℃下げるのに３１０ｃａｌが必要である。したがって、上記ガスタービンの場合、必要なエネルギーは、下記により、５６１０１３．２ｋｃａｌとなる。１Ｗ＝８５９．９９ｃａｌなので、５６１０１３．２Ｋｃａｌ＝６５２．３ＫＷである。
１８０９７２０ｍ３／ｈ×３１０ｃａｌ＝５６１０１３．２ｋｃａｌ
【００２４】
（５）ペルチェユニットによる温度低下
上記したように、ペルチェユニットは、６３４．５１４ＫＷを吸熱できる。したがって、下記により、このペルチェユニットは、０．９７℃の温度低下をもたらす。
６３４．５１４ＫＷ÷６５２．３ＫＷ＝０．９７℃
【００２５】
（６）ガスタービンの性能向上
ガスタービンの場合、空気温度が１℃下がれば出力は１％向上する。当該ガスタービンの出力が２７０ＭＷ／ｈだとすると、出力は下記により、２．６ＭＷ向上する。
２７０ＭＷ／ｈ×０．９７％＝２．６ＭＷ
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施の形態におけるガスタービン発電ユニットの構成を示すブロック図である。
【図２】熱電ユニットの、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】熱電ユニットの他の例を示す側面図である。
【図４】排気煙道に熱電ユニットを配列する例を示す斜視図である。
【図５】ペルチェ素子ユニットの、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
【００２７】
２０…ガスタービン発電システム、１…発電機、２…ガスタービン、３…圧縮機、４…回転軸、５…燃焼器、６…熱電発電部、７…排気ガス経路、８…ペルチェ冷却部、９…吸入経路、１０…電力供給ライン、１１…冷却空気分岐路
【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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