(57)【要約】【課題】  接触軸受を用いながら、接触面積をできるだけ小さくできて、作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能となり、回転起動も円滑に行え、また電磁石支持による場合の煩雑な制御や消費電力による全体効率の低下の問題がなくて、低コストで発電効率の良い熱発電システムを提供する。【解決手段】  熱エネルギーを吸収するコレクタ１によって、直接または間接的に作動媒体３を加熱し、作動媒体３の蒸気をノズル８から噴出させ、ノズル８からの高圧蒸気によってタービン５を回転駆動させる。タービン５の回転によって、発電機６における発電機ロータ６Ａを回転させ、前記発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電させる。前記タービン５と前記発電機ロータ６Ａとを連結する主軸７は垂直方向に設置し、主軸７の下端をピボット部１１で支持し、主軸７の上部を永久磁石１２，１３の反発により支持する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーを吸収するコレクタによって、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、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における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るシステムにおいて、
前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸を垂直方向に設置し、前記主軸の下端をピボット部で支持し、前記主軸の上部を永久磁石の反発により支持する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、前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸を、タービンが主軸の下部、発電機ロータが主軸の上部になるように連結した熱発電システム。
【請求項３】
請求項２において、前記ピボット部を潤滑する潤滑剤を前記作動媒体とした熱発電システム。
【請求項４】
請求項３において、前記タービンのノズルから噴出後に液化した作動媒体を前記ピボット部の周辺に貯める手段を持つ熱発電システム。
【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、前記発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を有する熱発電システム。
【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、前記タービンの翼車は前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成した熱発電システム。
【請求項７】
請求項６において、前記プラスチック材料はＰＥＥＫ材である熱発電システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記タービンが、高圧蒸気を膨張に伴う冷却作用によって液化させるものである熱発電システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記作動媒体を加熱する手段を有する熱発電システム。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記熱エネルギーは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、太陽熱で作動媒体を加熱し、その作動媒体の高圧蒸気でタービンを回転駆動し、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１〜３）。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した太陽熱発電システムでは、得られる熱エネルギーが小さくエネルギー密度が低いため、作動媒体として、気化し易い有機媒体あるいは沸点の低い有機媒体（例えばアンモニア、代替フロン、アルコール、アセトンなど）が使用される。ところが、このような作動媒体を使用した場合、高熱のためタービンを回転支持する軸受用の潤滑剤保持が難しく、長期回転ができないという問題があった。
この問題を解決する対策の一例として、例えば動圧軸受やフォイル軸受を用いてタービンを回転支持することが考えられる。しかし、この場合には、タービンの回転停止状態において軸受部が機械的に接触した状態となるので、回転起動トルクが大きく回転起動ができ難いという問題が生じる。
このほか、電磁石の単独、もしくは電磁石と永久磁石の組合せによりタービンを完全な非接触状態で支持することも可能であるが、この場合には、非接触支持の制御のためのコントローラが必要になり、コスト面で問題がある。また、電磁石による消費電力の分だけシステムの発電効率が下がるという問題もある。
【０００４】
また、次の各問題がある。
・接触軸受を用いた場合、接触部分が発熱する。
・タービンおよび発電機で構成されるユニット内に、作動媒体が残り、有効に作動媒体を利用できない。
・作動媒体として用いられる有機媒体によって発電機ステータ部のコイルの被覆やこのコイルを保護しているモールド樹脂が劣化し、安定した発電性能に悪影響を与えることがある。
・太陽熱発電では、得られる熱エネルギが小さく、エネルギ密度が低いため、タービン部材の質量および慣性モーメントが大きいと、回転起動が難しい。
・熱発電システムは、作動媒体の温度差によって発電するシステムであるが、作動媒体を冷却させる専用の機器を用いると、システムコストが高くなる。
・熱変換システムでは、作動媒体の温度が低いとエネルギー変換効率が低い。
【０００５】
この発明の目的は、接触軸受を用いながら、接触面積をできるだけ小さくできて、作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能となり、回転起動も円滑に行え、また電磁石支持による場合の煩雑な制御や消費電力による全体効率の低下の問題がなくて、低コストで発電効率の良い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】
【０００６】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、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、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における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るシステムにおいて、前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸を垂直方向に設置し、前記主軸の下端をピボット部で支持し、前記主軸の上部を永久磁石の反発により支持することを特徴とする。この熱発電システムは、太陽熱を熱エネルギーとする太陽熱発電システムであっても良い。
【０００７】
この構成によると、主軸を回転自在に支持するのに、主軸を垂直方向に設置し、その軸下端をピボット部で支持し、軸上部を永久磁石の反発で非接触状態に支持するようにしたため、接触軸受を用いながら、接触面積を小さくできる。そのため、潤滑剤使用上の制限が少なくなり、作動媒体としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機媒体、あるいは沸点の低い有機媒体を使用しても、軸受の潤滑に問題が生じることはない。その結果、作動媒体の種類に制限を受けることなく、タービンの長期回転が可能となる。
また、主軸の下端が接触面積の小さいピボット部で支持され、主軸の上部が永久磁石の反発により非接触状態に支持されることから、回転トルクロスおよび摩耗が少なく、エネルギロスを極力低減できると共に、回転起動を円滑に行うことができる。
また、ピボット部と永久磁石による支持のため、電磁石使用の場合のコントローラが不要で、主軸の支持構造が単純になるため、コスト低減にもなる。電磁石の消費電力による全体効率の低下の問題もない。
【０００８】
この発明において、前記タービンと発電機ロータとを連結する主軸を、タービンが主軸の下部、発電機ロータが主軸の上部になるように連結しても良い。
タービンが下部、発電機ロータが上部であると、タービンに流入する作動媒体が発電機側に浸入し難くなり、作動媒体で発電機が劣化するのを防止できる。また、液化した作動媒体をピボット部の潤滑剤として利用することが可能となり、潤滑剤を別途準備することが不要となる。タービンのノズルから噴出後に液化した作動媒体を前記ピボット部の周辺に貯める手段を持つものとしても良い。これにより、タービンのノズルから噴出した液化した作動媒体をピボット部の潤滑に利用することが容易となる。
【０００９】
この発明において、前記発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を有するものとしても良い。発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を設けることで、発電機ステータ部におけるコイルの表面の絶縁皮膜やコイルを保護するコイル・モールド樹脂などが、作動媒体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といった事態を回避できる。
【００１０】
この発明において、前記タービンの翼車は前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成しても良い。タービンをプラスチック材料で構成すると、タービンが軽量化されるので、僅かな噴出圧力でも回転できるようになる。タービン翼車にプラスチック材料を用いても、作動媒体に侵されない材質のものであれば支障がない。例えば、前記プラスチック材料はＰＥＥＫ材（ポリエーテルエーテルケトン材）であっても良い。ＰＥＥＫ材は、耐熱性、難燃性、耐薬品性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、タービン翼車の材質として各種の面で優れたものとなる。
【００１１】
この発明において、前記タービンが、高圧蒸気を膨張に伴う冷却作用によって液化させるものであっても良い。このようにタービン内で作動媒体が冷却されるようにした場合、作動媒体を冷却させる専用の機器が不要となり、それだけコスト低減が可能となる。
【００１２】
この発明において、前記作動媒体を加熱する手段を有するものとしても良い。コレクタによって加熱された作動媒体を、さらに加熱手段で再加熱することにより、作動媒体の加熱温度をさらに高めて蒸気圧を上げることができ、これによりタービンによるエネルギー変換効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、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、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における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るシステムにおいて、前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸を垂直方向に設置し、前記主軸の下端をピボット部で支持し、前記主軸の上部を永久磁石の反発により支持するものとしたため、接触軸受を用いながら、接触面積をできるだけ小さくできて、作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能となり、回転起動も円滑に行え、また電磁石支持による場合の煩雑な制御や消費電力による全体効率の低下の問題がなくて、低コストで発電効率の良い熱発電システムとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。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る。この熱発電システムは、図１に示すように、太陽熱を吸収するコレクタ１と、タービン５および発電機６を有するタービンユニット２と、コレクタ１とタービン５との間で作動媒体３を循環させる作動媒体循環路４とを備える。
【００１５】
作動媒体循環路４は、前記コレクタ１で直接的に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に噴射させタービン５を回転駆動するノズル８と、タービン５の回転に使用された作動媒体３をコレクタ１に循環供給するポンプ９とを有する。タービン５とポンプ９の間に作動媒体３を貯蓄するタンク（図示なし）を設けてもよい。
【００１６】
タービンユニット２の発電機６は、回転部分である発電機ロータ６Ａと静止部分である発電機ステータ部６Ｂとでなり、タービン５と発電機ロータ６Ａとは主軸７で連結されている。主軸７は、その下部がタービン５となり上部が発電機ロータ６Ａとなるように垂直方向に設置される。このように垂直姿勢とした主軸７は、その軸下端をピボット部１１（図２）で、また軸上部を永久磁石１２，１３の反発により支持することにより、回転自在とされている。具体的には、発電機６はアキシアルギャップ発電機であり、主軸７の中胴部に設けられた円形のフランジ部であるスラスト板７ａの外周部に発電機ロータ６Ａが設けられ、この発電機ロータ６Ａを挟んで、軸方向に所定のギャップを介して一対の発電機ステータ部６Ｂ，６Ｂが対向配置される。主軸７の下端側にはタービン５の翼車（図１には図示せず）が連結される。これにより、タービン翼車の回転が発電機ロータ６Ａの回転となり、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。この発電はコントローラ１０によって制御される。
【００１７】
図２は図１におけるタービンユニット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。図２において、主軸７の下部に連結されるタービン翼車５ａの外周には、円筒状のノズル部材１８が微小隙間を介して固定設置される。このノズル部材１８に、タービン翼車５ａのタービン翼５ａａに向けて貫通するノズル８が、周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材１８の上端部は給気ポート１９を介して作動媒体循環路４の上流部に連結され、コレクタ１で加熱された作動媒体３を給気ポート１９を経てノズル部材１８の内側へ流入させるようにされている。
【００１８】
タービンユニット２のユニットハウンジグ２ａの下端の中央には、上記したピボット部１１が設けられ、このピボット部１１の外周側には囲壁２２が設けられている。この囲壁２２は、タービン５のノズル８から噴出後に液化した作動媒体３をピボット部１１の周辺に溜める手段となるものである。このようにしてピボット部１１の周辺に溜められた液化作動媒体３は、ピボット部１１を潤滑する潤滑剤となる。上記囲壁２２の外周側には、タービン翼車５ａに回転エネルギーを与えた作動媒体３を作動媒体循環路４の下流部に流出させる排気ポート２０が、ユニットハウジング２ａを貫通して設けられている。
【００１９】
タービン５は作動媒体３に侵されないプラスチック材料で構成される。特に、タービン５のタービン翼車５ａおよびタービン翼５ａａが上記プラスチック材料で構成される。この場合のプラスチック材料としては、例えばＰＥＥＫ材（ポリエーテルエーテルケトン材）等が好適である。タービン５をプラスチック材料製とした場合は、軽量化されるため、僅かな噴出力でも回転できるようになる。プラスチック材料を用いても、作動媒体３に侵されない材質のものを使用することで支障が生じない。ＰＥＥＫ材は、耐熱性、難燃性、耐薬品性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、タービン５の材質として各種の面で優れたものとなる。
【００２０】
主軸７の上部を支持する永久磁石１２，１３のうち、第１の永久磁石１２は回転側である主軸７の外周に設けられ、これに対向して第２の永久磁石１３が固定側であるユニットハウジング２ａの内周に設けられる。これら両永久磁石１２，１３は、それらの対向面が互いに同一磁極となるように極性の向きを定めて配置される。これにより、第１の永久磁石１２と第２の永久磁石１３の間で主軸７の軸心に直交するラジアル方向に反発力が働き、主軸７の上部を非接触状態でラジアル方向に支持する。なお、ここでは、第１の永久磁石１２と第２の永久磁石１３の組合せが軸方向に３組並べられている。
【００２１】
発電機６の回転部分と静止部分との間の一部には隔壁２１が設けられている。具体的には、発電機６の静止部分である発電機ステータ部６Ｂ，６Ｂの表面を隔壁２１で被覆保護している。このように発電機ステータ部６Ｂで被覆保護することにより、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、作動媒体３である有機媒体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。
【００２２】
次に、この太陽熱発電システムの動作を説明する。作動媒体循環路４内の作動媒体３は、太陽熱を吸収するコレクタ１によって直接的に加熱され高圧蒸気となり、この高圧蒸気はノズル８を介してタービン５のタービン翼５ａａに噴射される。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。タービン５に回転エネルギーを与えた作動媒体３は、ポンプ９によってコレクタ１まで輸送される。このとき、タービン５は作動媒体３の高圧蒸気を膨張に伴う冷却作用によって液化させるので、タービン５からポンプ９までの経路において作動媒体３は完全に液体に戻る。これにより、作動媒体３を冷却させる専用の機器が不要となり、それだけコスト低減が可能となる。
【００２３】
このように、この太陽熱発電システムでは、主軸７を回転自在に支持するのに、主軸７を垂直方向に設置し、その軸下端をピボット部１１で支持し、軸上部を永久磁石１２，１３で非接触状態に支持するようにしているので、接触軸受を用いながら、接触面積が非常に小さくなる。そのため、潤滑剤使用上の制限が少なくなり、作動媒体としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機媒体、あるいは沸点の低い有機媒体を使用しても、軸受の潤滑に問題が生じることはない。その結果、作動媒体の種類に制限を受けることなく、タービン５の長期回転が可能となる。
また、主軸７の下端が接触面積の小さいピボット部１１で支持され、主軸７の上部が永久磁石１２，１３の反発により非接触状態に支持されることから、回転トルクロスおよび摩耗が少なく、エネルギロスを極力低減できると共に、回転起動を円滑に行うことができる。
また、ピボット部１１と永久磁石１２，１３による支持のため、電磁石使用の場合のコントローラが不要で、主軸７の支持構造が単純になるため、コスト低減にもなる。電磁石の消費電力による全体効率の低下の問題もない。
【００２４】
また、この実施形態では、タービン５が主軸７の下部、発電機ロータ６Ａが主軸７の上部となるように、垂直設置した主軸７でタービン５と発電機ロータ６Ａとを連結しているので、タービン５に流入する作動媒体３が発電機６側に浸入し難くなり、作動媒体３で発電機６が劣化するのを防止できる。
【００２５】
また、主軸７の下端を支持するピボット部１１の周囲に、タービン５のノズル８から噴出後に液化した作動媒体３を貯める手段として囲壁２２を設けているので、この囲壁２２で貯められた液化作動媒体３を潤滑剤としてピボット部１１を潤滑することができ、ピボット部１１用として潤滑剤を特別に用意する必要がない。
【００２６】
さらに、この実施形態では、発電機６の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁２１を設けているので、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、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といった事態を回避することができる。
【００２７】
図４はこの発明の他の実施形態を示す。この熱発電システムは、図１の実施形態における作動媒体循環路４に代えて、コレクタ１に第１の作動媒体３Ａを循環させる第１の作動媒体循環路４Ａと、タービン５に第２の作動媒体３Ｂを循環させる第２の作動媒体循環路４Ｂを設けると共に、コレクタ１によって加熱された第１の作動媒体３Ａの熱量を、熱交換器２３を介して第２の作動媒体３Ｂに与えることにより、第２の作動媒体３Ｂを間接的に加熱するようにしたものである。ノズル８およびポンプ９は第２の作動媒体循環路４Ｂに設けられる。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。
【００２８】
このように、コレクタ１から熱エネルギーを獲得するための作動媒体３Ａと、タービン５を駆動する作動媒体３Ｂとを分離することにより、それぞれの役目に適した作動媒体を個別に選択でき、作動媒体の選択自由度を拡大できる。
【００２９】
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、第１の実施形態において、作動媒体循環路４のコレクタ１からタービン５に至る経路の途中に作動媒体３を加熱する手段としてヒータ１４を設けたものである。なお、ヒータ１４はコレクタ１に設けても良い。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。
このように、コレクタ１によって加熱された作動媒体３を、さらにヒータ１４で加熱することにより、作動媒体３の加熱温度をさらに高めて蒸気圧を上げることができて、タービン５への噴射エネルギーを高めることができる。これにより、タービン５によるエネルギー変換効率を高めることができる。
【００３０】
なお、上記各実施形態では、発電機６としてアキシャルギャップ発電機を用いた場合について説明したが、ラジアルギャプ発電機を用いても良い。また、上記各実施形態では太陽熱を熱エネルギーとする太陽熱発電システムの場合を例示して説明したが、他の熱源を熱エネルギーとする熱発電システムについて適用しても、上記と同様の効果を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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構成を示す断面図である。
【図２】同熱発電システムにおけるタービンユニット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の概略構成を示す断面図である。
【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構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…コレクタ
２…タービンユニット
３，３Ａ，３Ｂ…作動媒体
５…タービン
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
６Ｂ…発電機ステータ部
７…主軸
８…ノズル
１４…ヒータ
２１…隔壁
２２…囲壁
【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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