(57)【要約】【課題】  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な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から噴出させる。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、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を回転させることにより、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で発電させる。タービン５の翼車と発電機ロータ６Ａとを連結する主軸７は、非接触軸受１１によって支持する。【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、
前記タービンの翼車と前記発電機ロータとを連結する主軸を非接触軸受によって支持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３】
請求項１または請求項２において、前記タービン、発電機、および主軸からなるユニットから前記作動媒体が自重によって排出されるように、前記ユニットの前記主軸を水平面に対して傾けて設置した熱発電システム。
【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、前記タービン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５】
請求項４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７】
請求項１ないし請求項６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、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】
上記した各太陽熱発電システムでは、いずれも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の保持が難しく、長期回転ができないという問題があった。
【０００４】
また、次の各問題があった。
・上記の溶媒によって発電機ステータ部のコイルや、このコイルを保持しているモールド樹脂が劣化する。
・タービン、発電機、および主軸からなるユニットの内部に作動媒体が残り、有効に作動媒体を利用できない。
・太陽熱発電では、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、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。
・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の変換効率が低い。
【０００５】
この発明の目的は、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、上記各問題を解消することである。
【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、前記タービンの翼車と前記発電機ロータとを連結する主軸を非接触軸受によって支持したことを特徴とする。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。
この構成によると、タービンと発電機ロータとを連結する主軸を非接触軸受で回転自在に支持するため、軸受に潤滑剤が不要となる。そのため、主軸を回転支持する軸受の潤滑剤が高熱の作動媒体で劣化するといった事態が生じる恐れがない。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。
【０００７】
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。このように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により、発電機ステータ部におけるコイル表面の絶縁皮膜や、コイルを保護しているモールド樹脂が、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。
【０００８】
この発明において、前記タービン、発電機、および主軸からなるユニットから前記作動媒体が自重によって排出されるように、前記ユニットの前記主軸を水平面に対して傾けて設置しても良い。このように、ユニットの主軸を水平面に対して傾けて設置し、ユニットから作動媒体が自重によって排出されるようにすることで、タービンを通過した作動媒体がユニット内で万一結露した場合でも、その液化した作動媒体が流出し易い。そのため、液化した作動媒体が発電機の部分へ侵入し、あるいは非接触軸受に接触して、エネルギー変換効率が低下するのを防止することができる。
【０００９】
この発明において、前記タービン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製とすると、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。
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、タービンの材質として各種の面で優れたものとなる。
【００１０】
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。
【００１１】
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】
【００１２】
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、前記タービンの翼車と前記発電機ロータとを連結する主軸を非接触軸受によって支持したため、潤滑剤が不要となり、そのため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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の第１の実施形態を図１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って、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。
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に噴出させタービン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。
【００１４】
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。具体的には、発電機６はラジアルギャップ型発電機であり、発電機ロータ６Ａは主軸７の外周に設けられ、その周囲に発電機ロータ６Ａと対向して発電機ステータ部６Ｂが設けられる。これにより、タービン５のタービン翼車（図１には図示せず）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。
【００１５】
主軸７は非接触軸受１１によって回転自在に支持される。
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（図示せず）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、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。
【００１６】
上記構成による太陽熱発電システムの動作を説明する。コレクタ１によって太陽熱を獲得し、獲得した熱エネルギーを、作動媒体循環路４内の作動媒体３に与えることにより、作動媒体の蒸気圧力を高める。この高圧蒸気はノズル８を介してタービン５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。このように、タービン５の回転が電気エネルギーに変換される。
【００１７】
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まで輸送されるが、タービン５からポンプ９までに冷却され、完全に液体に戻る。このとき、タービン５は、作動媒体３の高圧蒸気を断熱膨張に伴う冷却作用によって液化させるようにすることが好ましい。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。
【００１８】
タービン５と発電機ロータ６Ａとを連結する主軸７は、非接触軸受１１で回転自在に支持しているので、軸受の潤滑剤が不要となる。潤滑剤を用いないため、作動媒体３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溶媒、あるいは沸点の低い有機溶媒を使用しても、軸受の回転自在な支持に問題が生じることはない。その結果、作動媒体３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、非接触軸受１１で主軸７が支持されていることから、回転トルクロスが少なく、エネルギ変換効率低下を極力低減できる。そのため、エネルギーロスを極力低減したいこのような熱発電システムでは最適となる。
【００１９】
図２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と、熱交換機１２とを設けたものである。コレクタ１によって加熱された第１の作動媒体３Ａの熱を、熱交換器１２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が間接的に加熱される。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。
【００２０】
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材質の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。
【００２１】
図３〜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の実施形態おけるラジアルギャップ型の発電機６に代えて、アキシアルギャップ型の発電機１６を用いたものである。すなわち、この実施形態では、主軸７に形成したフランジ部７ａの周面に設けられた発電機ロータ１６Ａに対して、軸方向に所定のギャップを介して１対の発電機ステータ部１６Ｂ，１６Ｂを対向配置したものである。
【００２２】
図４はこの実施形態におけるタービンユニット２の拡大断面図を示し、図５は図４におけるＶ−Ｖ矢視断面図を示す。図４において、タービン５の翼車５ａの内周には、一端を開放した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、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の開放端は、作動媒体循環路４の上流部に繋がりコレクタ１で加熱された作動媒体３を流入させる給気ポート１９とされる。タービン翼車５ａ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、タービンユニット２の外周壁２ａを貫通して設けられている。主軸７が非接触軸受１１で支持されることなど、その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。
このように構成されたタービンユニット２では、給気ポート１９から流入した作動媒体３の蒸気が、タービン５の内周側のノズル８からタービン翼車５ａに噴射されることで、タービン翼車５ａが回転駆動される。タービン翼車５ａを通過した作動媒体３は、タービン５の外周側の排気ポート２０からタービンユニット２の外側に排出される。
【００２３】
図６は、タービンユニット２の他の例を示す拡大断面図である。このタービンユニット２の例では、図４のタービンユニット２において、発電機１６の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁２１を設けたものである。具体的には、発電機１６の静止部分である発電機ステータ部１６Ｂ，１６Ｂの表面を隔壁２１で被覆保護している。その他の構成は図４の例の同じである。
このように発電機ステータ部１６Ｂを隔壁２１で被覆保護することにより、発電機ステータ部１６Ｂ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のを回避できる。
【００２４】
図７はタービンユニット２のさらに他の例を示す拡大断面図、図８は図７におけるVIII−VIII矢視断面図である。このタービンユニット２の例では、タービン５の外周に円筒状のノズル部材１８が設けられ、このノズル部材１８にタービン５の翼車５ａ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の外周側には、作動媒体循環路４の上流部に繋がりコレクタ１で加熱された作動媒体３を流入させる給気ポート１９が、タービンユニット２の外周壁２ａを貫通して設けられている。タービン翼車５ａの一端の回転中心部には、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が開口させてある。また、このタービンユニット２の場合も、図６の例のように発電機ステータ部１６Ｂ，１６Ｂの表面を隔壁２１で被覆保護している。主軸７が非接触軸受１１で支持されることなど、その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。
このように構成されたタービンユニット２では、給気ポート１９から流入した作動媒体３の蒸気が、タービン５の外周側のノズル８からタービン翼車５ａに噴射されることで、タービン翼車５ａが回転駆動される。タービン翼車５ａを通過した作動媒体３は、タービン翼車５ａの内周側の排気ポート２０からタービンユニット２の外側に排出される。
【００２５】
図９はタービンユニット２のさらに他の例を示す拡大断面図である。このタービンユニット２の例では、図７のタービンユニット２において、ユニット２の主軸７を排気ポート２０側の端部が下向きとなるように水平面に対して傾けて設置し、タービンユニット２内から作動媒体３が自重によって排気ポート２０から排出されるようにしたものである。なお、排気ポート２０は、上記傾斜姿勢において、主軸７の軸心から下方に偏った位置に設けられている。
このように、タービンユニット２を、その主軸７が水平面に対して傾くように設置し、タービンユニット２内の作動媒体３が自重によって排気ポート２０から排出されるようにすることにより、タービン５を通過した作動媒体３がタービンユニット２内で万一結露した場合でも、その液化した作動媒体３が発電機６の部分へ侵入し、あるいは液化した作動媒体３が非接触軸受１１に接触して、エネルギー変換効率が低下するのを防止することができる。
【００２６】
図１０はタービンユニット２のさらに他の例を示す拡大断面図である。このタービンユニット２の例では、図４のタービンユニット２において、給気ポート１９側の端部が下向きとなるように、タービンユニット２の主軸７を水平面に対して傾けて設置すると共に、排気ポート２０を主軸７の軸心から下方に偏った位置に設けることで、タービンユニット２内から液化した作動媒体３が自重によって排気ポート２０から排出されるようにしたものである。その他の構成は図４のタービンユニット２の場合と同じである。
この場合も、タービンユニット２を、その主軸７が水平面に対して傾くように設置し、タービンユニット２内の作動媒体３が自重によって排気ポート２０から排出されるようにする。これにより、発電機６の部分へ液化した作動媒体３が侵入し、あるいは液化した作動媒体３が非接触軸受１１に接触して、エネルギー変換効率が低下するのを防止することができる。
【００２７】
図１１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１３を設けたものである。ヒータ１３には電気ヒータが用いられる。なお、ヒータ１３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１３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、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、エネルギーの変換効率が向上する。
【００２８】
なお、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、上記と同様の各効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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】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３】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。
【図４】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５】図４におけるＶ−Ｖ矢視断面図である。
【図６】タービンユニットの他の例を示す拡大断面図である。
【図７】タービンユニットのさらに他の例を示す拡大断面図である。
【図８】図７におけるVIII−VIII矢視断面図である。
【図９】タービンユニットのさらに他の例を示す拡大断面図である。
【図１０】タービンユニットのさらに他の例を示す拡大断面図である。
【図１１】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】
【００３０】
１…コレクタ
２…タービンユニット
３…作動媒体
５…タービン
５ａ…タービン翼車
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
１１…非接触軸受
１３…ヒータ（加熱手段）
１６…発電機
１６Ａ…発電機ロータ
１６Ｂ…発電機ステータ部
２１…隔壁
【図１】
2007071071.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007071071.tif 000007
【図６】
2007071071.tif 000008
【図７】
2007071071.tif 000009
【図８】
2007071071.tif 000010
【図９】
2007071071.tif 000011
【図１０】
2007071071.tif 000012
【図１１】
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