(57)【要約】【課題】  システム全体がコンパクトになり、軽量化・低コスト化が可能な熱発電システムを提供する。【解決手段】  熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体３を加熱し、前記作動媒体３の蒸気をノズル８から噴出させて動翼５ｂを回転駆動させる。この動翼５ｂの回転によって発電機ロータ５Ａを回転させ、前記発電機ロータ５Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電させる。動翼５ｂを出た蒸気は復水器７により再び液体に戻す。前記ノズル８、動翼５ｂ、発電機６、復水器７、および動翼５ｂと前記発電機６を連結する主軸１０は、互いに一体の組立体であるユニット構造体２とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させて動翼を回転駆動させ、この動翼の回転により発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させ、動翼を出た蒸気を復水器により再び液体に戻すシステムにおいて、
前記ノズル、動翼、発電機、復水器、および動翼と前記発電機を連結する主軸とを、互いに一体の組立体であるユニット構造体としたことを特徴とする熱発電システム。
【請求項２】
請求項１において、前記復水器はノズル出口側に１個または複数個設けた熱発電システム。
【請求項３】
請求項２において、前記復水器は前記ノズル出口側の上方に設け、下方に排気口を設けた熱発電システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記復水器に冷却用作動媒体を循環させる循環経路を設け、この冷却用作動媒体の循環経路に空冷装置または熱交換器を設けた熱発電システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記ユニット構造体は、前記主軸を垂直方向とし、前記ノズルから動翼に向かって周方向に噴出するように配置した熱発電システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記熱エネルギーが太陽熱である熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽熱等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の熱発電システムの従来例として、コレクタ部において作動媒体を太陽熱で加熱し、その作動媒体の高圧蒸気をタービン動翼の外周側に設けられた１個ないし複数個のノズルから動翼に噴出させてタービンを回転駆動し、タービン動翼を出た作動媒体の蒸気を復水器により再び液体に戻してコレクタ部に循環させるという熱サイクルを行い、タービンの回転で発電機を発電させるようにした太陽熱発電システムが知られている（例えば特許文献１〜４）。
【特許文献１】特開２００２−２４２６９３号公報
【特許文献２】特開２０００−１１０５１５号公報
【特許文献３】特開２００３−２２７３１５号公報
【特許文献４】特開２００４−２７８３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような熱サイクルによって熱発電を行う熱発電システムでは、タービンと発電機を組み合わせたタービンユニットや、コレクタ部、復水器などと、システムを構成する装置が多く、システム全体が大型になるという問題がある。
また、そのほか、次のような各問題もある。
復水器では、タービンの回転に使用された作動媒体の蒸気から熱エネルギーを奪う必要があり、このとき液化された作動媒体から熱エネルギーが奪われると過冷却となり、熱サイクル効率が低くなる。
復水器では、タービン駆動用作動媒体の蒸気から熱エネルギーを奪うのに、別の冷却用作動媒体を使用するので、この冷却用作動媒体から熱エネルギーを奪うための冷却処理が別途必要になる。しかし、この冷却処理を電力を用いて行うと、システムの発電効率が下がるという問題がある。また、冷却処理により冷却用作動媒体から奪った熱エネルギーは放出することになるので、エネルギーを有効利用できないという問題もある。
また、タービンの回転に使用された作動媒体が液化してタービンユニットの内部に残ると損失が大きくなるという問題もある。
【０００４】
この発明の目的は、システム全体がコンパクトになり、軽量化・低コスト化が可能な熱発電システムを提供することである。
この発明の他の目的は、上記したコンパクト化以外の各問題を解決した熱発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させて動翼を回転駆動させ、この動翼の回転により発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させ、動翼を出た蒸気を復水器により再び液体に戻すシステムにおいて、前記ノズル、動翼、発電機、復水器、および動翼と前記発電機を連結する主軸とを、互いに一体の組立体であるユニット構造体としたことを特徴とする。
この構成によると、ノズル、動翼、発電機および復水器と、前記動翼と発電機ロータとを連結する主軸を、互いに一体の組立体であるユニット構造体としているので、システム全体をコンパクトに構成でき、軽量化・低コスト化が可能となる。
なお、この明細書において、「ユニット構造体」は、互いに一体に組み立てられた組立体であって、その組立体が独立して運搬が可能なものをいう。上記のノズル、動翼、発電機、復水器、および動翼と前記発電機を連結する主軸を互いに一体の組立体としたユニット構造体としたものではないもの、例えば、従来の一般的な構成である、ノズル、動翼、発電機、主軸が一体の組立体とされるが、復水器が上記ユニット構造体とは別に構成されたものは、上記組立体と復水器とを配管等で連結する必要がある。
これに対して、この発明のように復水器を含めて一体の組立体であるユニット構造体としたものであると、つぎの各利点が得られる。(1) タービン動翼を出た作動媒体をすぐに冷却できるため、復水圧力（ノズル出口からポンプ間の圧力）が上昇するのを防ぐことができ、より大きい断熱熱落差を得られる。(2) 一体化することにより、復水器無しの組立体と復水器の間の配管等を設置する手間が省けるため、組立性に優れる。(3) 太陽熱発電システムのような小エネルギーでタービンを駆動するシステムでは、蒸気を液化するために必要なエネルギーも小さいため、復水器の規模を小さくでき、狭いスペースでも設置できる。
【０００６】
この発明において、前記復水器はノズル出口側に１個または複数個設けても良い。
【０００７】
この発明において、前記復水器は前記ノズル出口側の上方に設け、下方に排気口を設けても良い。
この構成の場合、作動媒体の蒸気と液体とが復水器の配置される上側と排気口のある下側に分離されることになる。すなわち、蒸気は上方に上がり、液体は底に溜まるといった特徴を利用して蒸気と液体とが分離され、そのため蒸気だけを復水器で冷却することができて、理想的なランキンサイクルに近づけることができる。
【０００８】
この発明において、前記復水器に冷却用作動媒体を循環させる循環経路を設け、この冷却用作動媒体の循環経路に空冷装置または熱交換器を設けても良い。
冷却用作動媒体の循環経路に空冷装置を設けた場合には、復水器の冷却用作動媒体がシステム用作動媒体の蒸気から奪った熱エネルギーを空冷装置で外部に放出できるので、熱エネルギー放出のために別途使用する電力を最小限に抑えることができる。
また、冷却用作動媒体の循環経路に熱交換器を設けた場合には、冷却用作動媒体が奪った熱エネルギーを温水器などのエネルギーとして最大限利用でき、コジェネレーションを利用した総合効率が大幅に向上する。
【０００９】
この発明において、前記ユニット構造体は、前記主軸を垂直方向とし、前記ノズルから動翼に向かって周方向に噴出するように配置しても良い。この構成の場合、作動媒体が液化しても自重で下方に向かうことになり、動翼内に液化した作動媒体が残りにくくなる。そのため、液化した作動媒体が残ることによる損失を回避でき、システムの発電効率が向上する。
【００１０】
この発明において、前記熱エネルギーが太陽熱であっても良い。この発明の熱発電システムを太陽熱発電システムに用いる場合、小型・軽量化が可能であることから、家屋の屋上等への設置が容易となる。また、得られる熱エネルギーが小さいので、復水器も小型にでき、前記ユニット構造体がより構成しやすくなる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させて動翼を回転駆動させ、この動翼の回転によって発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させ、動翼を出た蒸気を復水器により再び液体に戻すシステムにおいて、前記ノズル、動翼、発電機、復水器、および動翼と前記発電機を連結する主軸とを、互いに一体の組立体であるユニット構造体としたため、システム全体がコンパクトになり、軽量化・低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、この発明の熱発電システムの概略構成を示す。この熱発電システムは、熱エネルギーである太陽熱を電気エネルギーに変換して出力する太陽熱発電システムであって、太陽光を集光して太陽熱を吸収するコレクタ部１と、タービン５，発電機６，復水器７などを互いに一体の組立体としたユニット構造体２と、コレクタ部１とユニット構造体２の間で作動媒体３を循環させるクローズド経路の作動媒体経路４とを備える。
【００１３】
ユニット構造体２では、作動媒体経路４の一部として、ノズル８と、タービン５と、復水器７が、作動媒体３の流れの上流側から下流側へとこれらの順に並べて配置される。ノズル８は、コレクタ部１で加熱された作動媒体３の蒸気を高圧蒸気として前記タービン５に噴出させ、タービン５を回転駆動する。復水器７は、前記ノズル８から噴出してタービン５の回転に使用された作動媒体３の蒸気を液体に戻す。作動媒体経路４におけるユニット構造体２とコレクタ部１との間には、前記復水器７で液体に戻した作動媒体３をコレクタ部１に循環供給する循環ポンプ９が配置される。
なお、図１では、熱発電システムの構成を簡略化して説明するために、ユニット構造体２におけるタービン５、発電機６、および復水器７を同図のような配置として示しているが、後述するようにユニット構造体２の構成はこれとは異なる。
【００１４】
図２はユニット構造体２の拡大断面図を示し、図３は図２におけるIII −III 矢視断面図を示す。このユニット構造体２では、発電機６とタービン５と復水器７とが、これらの順に上から下へと配置される。発電機６は、回転部分である一対の発電機ロータ６Ａ，６Ａと、静止部分である発電機ステータ部６Ｂとでなる。具体的には、発電機６はアキシャルギャップ型発電機であり、円筒状のユニットハウジング１２の内周側に設けられた発電機ステータ部６Ｂに対して、垂直方向に向く姿勢とした主軸１０に設けられた一対の発電機ロータ６Ａ，６Ａが上下に所定のギャップを介して対向配置されている。この発電機６での発電はコントローラ１１（図１）によって制御される。
【００１５】
発電機ステータ部６Ｂは、そのステータ基体１３が非磁性体からなるコアレス構造とされており、ステータ基体１３の周方向に１個ないし複数個のコイル部１４が集中巻きで配置されている。なお、発電機ステータ部６Ｂのステータ基体１３を磁性体とした場合、始動トルクの増大、高速回転域での鉄損増大やコギングトルクによる騒音、振動等が生じるが、コアレス構造としたこの実施形態では、そのような問題を回避できる。ただし、発電機６は上記したコアレス構造のものに限らず、他の構造のものを採用しても良い。前記コイル部１４は、その表面の絶縁被膜を保護するために樹脂等でモールドされている。これにより、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイル部１４の表面の絶縁被膜が、作動媒体３である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。
各発電機ロータ６Ａは、主軸１０に一体に形成したフランジ状のロータ基体１５における前記発電機ステータ部６Ｂに対向する側面の円周上に、１個ないし複数個の磁石１６を配置して構成されている。この場合の磁石１６の磁極は、その磁束が発電機ステータ部６Ｂのコイル部１４に鎖交するように（例えば上ロータ磁石：Ｎ極，下ロータ磁石：Ｓ極）配置される。
【００１６】
タービン５は、前記主軸１０の下端部に嵌合し、主軸１０の下端の雄ねじ部に螺合させたナット１７で位置決めされる円盤状の動翼取付部材５ａと、この動翼取付部材５ａの外周部において周方向に列状に並べて設けられる複数の動翼５ｂとでなる。動翼５ｂは、樹脂成形品や金属製品からなる。タービン５の外周には円筒状のノズル部材１８が設けられ、このノズル部材１８に動翼５ｂの翼列に向けて貫通するノズル８が、図３のように周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材１８の外周側には、システム用作動媒体経路４の上流部に繋がりコレクタ部１で加熱されて蒸気となった作動媒体３を流入させる吸気口１９が、ユニット構造体２のユニットハウジング１２を貫通して設けられている。
【００１７】
復水器７は、前記タービン５の動翼５ｂが周方向に並ぶ翼列の内側の空間に配置される。この復水器７は、例えばユニットハウジング１２の底壁部１２ａを貫通してタービン５の下位置にフィン付きパイプ２０を配管してなる。このフィン付きパイプ２０を循環経路として、ユニットハウジング１２外から冷却用作動媒体２３を循環供給することにより、タービン５に回転エネルギーを与えたシステム用作動媒体３の蒸気から熱エネルギーを奪って液化させる。この場合の循環経路は、前記フィン付きパイプ２０に限らず、銅パイプなど他の部材で構成しても良い。なお、復水器７は、冷却用作動媒体２３を循環供給する方式のものに限らず、他の方式のものも適用可能である。タービン５の動翼５ｂが並ぶ翼列の内側の空間の下位置であるユニットハウジング１２の底壁部１２ａには、システム用作動媒体３をシステム用作動媒体経路４の下流部に排出する排気口２１が設けられている。
【００１８】
主軸１０は磁気軸受やフォイル軸受などの非接触軸受２２Ａ〜２２Ｃを介してユニットハウジング１２に回転自在に支持される。なお、主軸１０の支持は、非接触軸受２２Ａ〜２２Ｃによらず、接触式の軸受で行っても良い。
【００１９】
上記構成による熱発電システムの動作を説明する。作動媒体経路４内のシステム用作動媒体３は循環ポンプ９によってコレクタ部１に送られる。コレクタ部１では太陽熱を吸収し、吸収した熱エネルギーをシステム用作動媒体３に与えることにより高圧蒸気とする。作動媒体３の高圧蒸気はユニットハウジング１２の吸気口１９からノズル８を介してタービン５の動翼５ｂに噴射され、これによりタービン５が回転駆動される。タービン５の回転によって発電機ロータ６Ａが回転し、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電される。この発電の制御はコントローラ１１によって行われる。このようにして、タービン５の回転が電気エネルギーに変換される。タービン５に回転エネルギーを与えたシステム用作動媒体３の蒸気は復水器７によって液化され、循環ポンプ９によって再度コレクタ部１まで送られる。
【００２０】
この熱発電システムでは、ノズル８、タービン５の動翼５ｂ、発電機６および復水器７と、前記動翼５ｂと発電機ロータ６Ａとを連結する主軸１０とを、互いに一体の組立体であるユニット構造体２としているので、システム全体をコンパクトに構成でき、軽量化・低コスト化が可能となる。
すなわち、復水器７をユニット構造体２とは別に設ける従来の一般的な構成のものに比べて、次の各利点が得られる。
(1) タービン動翼５ｂを出た作動媒体をすぐに冷却できるため、復水圧力（ノズル８の出口からポンプ間の圧力）が上昇するのを防ぐことができ、より大きい断熱熱落差が得られる。
(2) 一体化することにより、ユニット構造体２と復水器７の間の配管等を設置する手間が省けるため、組立性に優れる。
(3) 太陽熱発電システムのような小エネルギーでタービンを駆動するシステムでは、蒸気を液化するために必要なエネルギーも小さいため、復水器７の規模を小さくでき、狭いスペースでも設置できる。このように小型・軽量化が可能であることから、家屋の屋上等への設置が容易となる。
【００２１】
また、この実施形態では、前記ユニット構造体２において、主軸１０を垂直方向に向けた姿勢とし、タービン５の動翼５ｂが並ぶ周方向にシステム用作動媒体３の蒸気を噴出するようにノズル８を配置しているので、作動媒体３が液化しても自重で排気口２１のある下方に向かうことになり、動翼５ｂ内に液化した作動媒体３が残ることによる損失を回避できる。
【００２２】
図４は、この発明の熱発電システムの他の実施形態におけるユニット構造体の部分の拡大断面図を示す。ユニット構造体以外の部分は、先の実施形態の場合と同様であるため、ここでは図示および説明を省略する。この熱発電システムでは、先の実施形態におけるユニット構造体２において、タービン５の動翼５ｂが周方向に並ぶ翼列の内周側に円筒状のノズル部材１８が配置され、動翼５ｂの翼列に向けて内側のノズル８から周方向に作動媒体３の蒸気を噴出するようにされている。ユニットハウジング１２の底壁部１２ａにおける前記ノズル部材１８の配置部位の中央には、システム用作動媒体３の蒸気を流入させる吸気口１９が設けられる。
【００２３】
また、ノズル８の出口側、つまりタービン５の動翼５ｂが周方向に並ぶ翼列の外周側の空間の上位置に復水器７が配置される。復水器７は、ユニットハウジング１２の側壁部１２ｂを貫通してタービン５の外周側にフィン付きパイプ２０を配管してなる。この場合、復水器７は、タービン５の周方向に複数個が分配して配置される。復水器７を構成する前記フィン付きパイプ２０にユニットハウジング１２外から冷却用作動媒体２３を循環供給することにより、タービン５に回転エネルギーを与えたシステム用作動媒体３の蒸気から熱エネルギーを奪って液化させることは、先の実施形態の場合と同様である。
ユニットハウジング１２の側壁部１２ｂにおける前記復水器７の設置箇所より下位置には、システム用作動媒体３を排出する排気口２１が設けられている。その他の構成は先の実施形態の場合と略同様である。
【００２４】
この実施形態の場合、ノズル８の出口側の空間において、上位置に復水器７が配置され、下位置に作動媒体３の排気口２１が設けられているので、作動媒体３の蒸気と液体とが復水器７の配置される上側と排気口２１のある下側に分離されることになり、蒸気だけを復水器７で冷却することができて復水効率を向上させることができる。
【００２５】
図５は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この熱発電システムは、図１に示す第１の実施形態において、復水器７を、冷却用作動媒体２３を循環供給する方式のものとすると共に、冷却用作動媒体２３の循環経路２０Ａの途中に、空冷装置２４または熱交換器を設けたものである。循環経路２０Ａの一部が上記フィン付きパイプ（図２）となる。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。
【００２６】
この実施形態において、冷却用作動媒体２３の循環経路２０Ａの途中に空冷装置２４を設けた場合には、復水器７の冷却用作動媒体２３がシステム用作動媒体３の蒸気から奪った熱エネルギーを空冷装置２４で外部に放出できるので、熱エネルギー放出のために別途使用する電力を最小限に抑えることができる。
また、冷却用作動媒体２３の循環経路２０Ａの途中に熱交換器を設けた場合には、冷却用作動媒体２３が奪った熱エネルギーを温水器などのエネルギーとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる熱発電システムの概略図である。
【図２】同熱発電システムにおけるユニット構造体の拡大断面図である。
【図３】図２におけるIII −III 矢視断面図である。
【図４】この発明の他の実施形態にかかる熱発電システムにおけるユニット構造体の拡大断面図である。
【図５】この発明のさらに他の実施形態にかかる熱発電システムの概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…コレクタ部
２…ユニット構造体
３…作動媒体
５…タービン
５ｂ…動翼
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
６Ｂ…発電機ステータ部
７…復水器
８…ノズル
１０…主軸
２０…フィン付きパイプ
２０Ａ…冷却用作動媒体の循環経路
２１…排気口
２３…冷却用作動媒体
２４…空冷装置
【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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