(57)【要約】【課題】太陽熱ガスタービン及び発電装置において、天候の変動などに左右されることなく安定した運転の継続を可能にする。【解決手段】空気を吸入して昇圧させる圧縮機２１と、圧縮機２１で昇圧された空気を加熱して昇温させる加熱器２２と、加熱器２２で高温高圧となった空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン２３とを設けて構成し、加熱器２２として、加熱室３１内に、圧縮機２１で昇圧された空気を集光器４２で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させる第１加熱器３３と、第１加熱器３３で加熱される空気を化石燃料焚きの燃焼器３６により加熱して昇温させる第２加熱器３４とを設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、
該圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる加熱器と、
該加熱器で高温高圧となった圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンと、
を備える太陽熱ガスタービンにおいて、
前記加熱器は、
断熱された空間と、
該空間内に配置されて前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を集光器で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させる第１加熱器と、
前記空間内に配置されて前記第１加熱器で加熱される圧縮性作動流体を化石燃料焚きの燃焼器により加熱して昇温させる第２加熱器と、
を有することを特徴とする太陽熱ガスタービン。
【請求項２】
前記第１加熱器と前記第２加熱器は前記空間内でそれぞれ独立した空間に配置され、前記第２加熱器は、輻射熱により第１加熱器を流れる圧縮性作動流体を加熱することを特徴とする請求項１に記載の太陽熱ガスタービン。
【請求項３】
前記第２加熱器は、前記燃焼器から排出された排ガスにより該燃焼器に供給される化石燃料を加熱する第１熱交換器を有することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽熱ガスタービン。
【請求項４】
前記第２加熱器は、前記燃焼器から排出された排ガスにより前記第１加熱器に供給される圧縮性作動流体を加熱する第２熱交換器を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の太陽熱ガスタービン。
【請求項５】
前記第２加熱器の燃焼器は、化石燃料と前記タービンからの排ガスとを燃焼することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の太陽熱ガスタービン。
【請求項６】
前記第２加熱器の燃焼器から排出された排ガスにより前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱する第３熱交換器を設けることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の太陽熱ガスタービン。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一つに記載の太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンで駆動されて発電する発電機とを備えることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を利用して、空気などの圧縮性作動流体を加熱して駆動される太陽熱ガスタービン、並びに、この太陽熱ガスタービンを有する発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化等の環境問題を解決するため、太陽光や風力等の自然エネルギーが注目されている。そこで、自然エネルギーの一つである太陽光を利用し、この太陽光の熱により高温高圧の圧縮性作動流体を生成して駆動する太陽熱ガスタービン、そして、この太陽熱ガスタービンにより発電機を駆動して発電する発電装置が提案されている。
【０００３】
従来の太陽熱ガスタービンは、圧縮性作動流体を圧縮して昇圧させる圧縮機と、太陽光を変換した熱により圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを主な構成要素とする装置である。即ち、この太陽熱ガスタービンは、天然ガスなどの燃料を燃焼させて高温高圧の燃焼排ガスを生成する燃焼器に代えて、太陽光の熱エネルギーを利用して、高圧の圧縮性作動流体を加熱して昇温する受熱器を設けたものである。
【０００４】
この場合の受熱器は、太陽光を熱エネルギーに変換するための装置であり、例えば、集光器（ヘリオスタット）により集めた光の熱を用いて、高圧の圧縮性作動流体を加熱して昇温させることができる。また、発電機を太陽熱ガスタービンと同軸に連結し、太陽熱ガスタービンで発電機を駆動するように構成すれば、太陽光を利用して発電する太陽熱ガスタービン発電装置となる。
【０００５】
一方、従来のガスタービンを用いる熱併給動力発生装置としては、例えば、下記特許文献１に記載されているものがある。この装置は、燃焼用空気圧縮機を駆動するガスタービンと動力発生用の膨張タービンとを備えるものであり、燃焼用空気圧縮機を駆動するガスタービンに燃焼排ガスを供給する燃焼器に代えて加熱器を使用することが記載されており、この加熱器として、太陽熱などを含む他の熱源の排熱を利用することが記載されている。
【０００６】
また、太陽熱を用いる化石燃料ガス化プラントとしては、例えば、下記特許文献２に記載されているものがある。この装置は、太陽熱集光器、この集光器で集光した太陽熱によって液体金属を加熱する液体金属加熱器、ガス化炉で生成されたガス中に含まれる未反応粒子を分離する装置、この分離装置で分離された未反応粒子を液体金属加熱器において加熱された液体金属によって加熱する流動層未反応粒子加熱器を備えるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−１３５６１９号公報
【特許文献２】特許第３３３７２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述した従来の太陽熱ガスタービン発電装置は、自然エネルギーである太陽光を利用して運転するため、圧縮性作動流体を加熱する太陽光の強さが天候等に左右されて絶えず変動する。このため、受熱器に十分な太陽熱を得られない運転状況では、たとえば太陽熱が設計点の４０〜５０％程度まで低下するような運転状況では、太陽熱ガスタービンのタービンに対して、高温高圧の圧縮性作動流体を安定供給することは困難になる。この結果、太陽熱ガスタービンでは、十分な太陽熱を得られないと運転の継続が困難になり、最終的には運転停止に追い込まれるという問題を有している。
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、天候の変動などに左右されることなく安定した運転の継続を可能にする太陽熱ガスタービン及び発電装置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】
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明の太陽熱ガスタービンは、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、該圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる加熱器と、該加熱器で高温高圧となった圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンと、を備える太陽熱ガスタービンにおいて、前記加熱器は、断熱された空間と、該空間内に配置されて前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を集光器で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させる第１加熱器と、前記空間内に配置されて前記第１加熱器で加熱される圧縮性作動流体を化石燃料焚きの燃焼器により加熱して昇温させる第２加熱器と、を有することを特徴とするものである。
【００１１】
従って、圧縮性作動流体は、断熱空間内に配置される第１加熱器による太陽光の熱と第２加熱器の燃焼器により加熱されることとなり、第１加熱器における太陽光の熱量に応じて第２加熱器の燃焼器による加熱量を調整することで、タービンに送られる圧縮性作動流体の温度を所望の温度に維持することができ、天候の変動などに左右されることなく、安定した運転の継続を可能にすることができる。
【００１２】
本発明の太陽熱ガスタービンでは、前記第１加熱器と前記第２加熱器は前記空間内でそれぞれ独立した空間に配置され、前記第２加熱器は、輻射熱により第１加熱器を流れる圧縮性作動流体を加熱することを特徴としている。
【００１３】
従って、第１加熱器を流れる圧縮性作動流体は、第２加熱器からの輻射熱により加熱されることとなり、各加熱器は圧縮性作動流体を安定して加熱することができる。
【００１４】
本発明の太陽熱ガスタービンでは、前記第２加熱器は、前記燃焼器から排出された排ガスにより該燃焼器に供給される化石燃料を加熱する第１熱交換器を有することを特徴としている。
【００１５】
従って、化石燃料は、燃焼器からの排ガスにより加熱されてから燃焼器に供給されることとなり、第２加熱器の燃焼器は、化石燃料を効率良く燃焼することができる。
【００１６】
本発明の太陽熱ガスタービンでは、前記第２加熱器は、前記燃焼器から排出された排ガスにより前記第１加熱器に供給される圧縮性作動流体を加熱する第２熱交換器を有することを特徴としている。
【００１７】
従って、圧縮性作動流体は、燃焼器からの排ガスにより加熱されてから第１加熱器に供給されることとなり、排ガスの有効利用を可能とすることができる。
【００１８】
本発明の太陽熱ガスタービンでは、前記第２加熱器の燃焼器は、化石燃料と前記タービンからの排ガスとを燃焼することを特徴としている。
【００１９】
従って、タービンからの排ガスを化石燃料と共に第２加熱器の燃焼器で燃焼することで、排ガス処理の簡素化を可能とすることができる。
【００２０】
本発明の太陽熱ガスタービンでは、前記第２加熱器の燃焼器から排出された排ガスにより前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱する第３熱交換器を設けることを特徴としている。
【００２１】
従って、圧縮性作動流体は、燃焼器からの排ガスにより加熱されてから第１加熱器に供給されることとなり、排ガスの有効利用を可能とすることができる。
【００２２】
また、本発明の発電装置は、前記太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンで駆動されて発電する発電機とを備えることを特徴とするものである。
【００２３】
従って、自然エネルギーである太陽熱を十分に得られない運転状況においても、太陽熱の強度に応じて燃焼器の加熱能力を有効に利用し、圧縮性作動流体の温度を所望の温度に維持して太陽熱ガスタービンの安定した運転の継続が可能になる。その結果、太陽熱を十分に得られない運転状況においても、安定した動特性を有する太陽熱ガスタービンにより駆動される発電機は、安定した発電を継続することが可能になる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の太陽熱ガスタービン及び発電装置によれば、圧縮機と加熱器とタービンとを備え、加熱器として、断熱された空間内に配置されて圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を集光器で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させる第１加熱器と、空間内に配置されて第１加熱器で加熱される圧縮性作動流体を化石燃料焚きの燃焼器により加熱して昇温させる第２加熱器とを設けるので、太陽光の熱量に応じて燃焼器による加熱量を調整することで、タービンに送られる圧縮性作動流体の温度を所望の温度に維持することができ、天候の変動などに左右されることなく、安定した運転の継続を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る太陽熱ガスタービン発電装置を表す概略構成図である。
【図２】図２は、実施例１の太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施例２に係る太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。
【図４】図４は、本発明の実施例３に係る太陽熱ガスタービン発電装置を表す概略構成図である。
【図５】図５は、実施例３の太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。
【図６】図６は、本発明の実施例４に係る太陽熱ガスタービン発電装置を表す概略構成図である。
【図７】図７は、実施例４の太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。
【図８】図８は、本発明の実施例５に係る太陽熱ガスタービン発電装置を表す概略構成図である。
【図９】図９は、実施例５の太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る太陽熱ガスタービン及び発電装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００２７】
図１は、本発明の実施例１に係る太陽熱ガスタービン発電装置を表す概略構成図、図２は、実施例１の太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。
【００２８】
実施例１において、図１に示すように、発電装置１０は、太陽熱ガスタービン１１と発電機１２とを有している。この太陽熱ガスタービン１１は、空気（圧縮性作動流体）を吸入して昇圧させる圧縮機２１と、この圧縮機２１で昇圧された空気を加熱して昇温させる加熱器２２と、この加熱器２２で高温高圧となった空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン２３とから構成されている。
【００２９】
この場合、圧縮機２１とタービン２３とは回転軸２４により一体回転可能に連結されており、発電機１２は、この回転軸２４と同軸上にある駆動軸２５により圧縮機２１と駆動連結されている。また、圧縮機２１、加熱器２２、タービン２３の間に再熱器２６が設けられており、この再熱器２６は、タービン２３からの排ガスにより圧縮機２１から加熱器２２に供給される高圧空気を加熱することができる。そして、再熱器２６で熱交換された排ガスは、煙突２７から大気に放出される。
【００３０】
加熱器２２は、断熱材でほぼ密閉状態とされた加熱室３１の断熱空間３２に配置された第１加熱器３３と、第２加熱器３４とから構成されている。第１加熱器３３は、圧縮機２１で昇圧されて再熱器２６で昇温された空気を、集光器で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させるものであり、空気が流通する受熱器３５を有している。第２加熱器３４は、この第１加熱器３３で加熱されている空気を化石燃料焚きの燃焼器３６により加熱して昇温させるものである。そのため、加熱室３１の外部に空気を昇圧して供給する第１ブロア３７と、化石燃料（例えば、天然ガス）を昇圧して供給する第２ブロア３８が設けられており、空気と化石燃料との予混合気を燃焼器３６に供給可能となっている。
【００３１】
以下、加熱器２２について詳細に説明する。図２に示すように、加熱室３１は、内部にほぼ密閉状態となる断熱空間３２が形成され、非通気性である仕切板としての石英ガラス４１により独立した２つの空間に仕切られている。この場合、仕切板は石英ガラス４１に限るものではなく、耐熱性耐腐食性合金でもよく、例えば、耐熱性ニッケル合金（ハステロイ）などを用いてもよい。そして、一方の大きな空間に第１加熱器３３が配置され、他方の小さな空間に第２加熱器３４が配置されている。また、加熱室３１は、下部に開口部３１ａが形成され、開口部３１ａから集光器４２で集めた太陽光を第１加熱器３３側の空間に取込可能となっている。この場合、加熱室３１の一方側に第１加熱器３３が配置され、他方側に第２加熱器３４が配置され、両者の間には所定の空間部が設けられ、この空間部の下方に開口部３１ａが形成されている。
【００３２】
第１加熱器３３にて、受熱器３５は、断熱空間３２の一方に配置される伝熱管４３により構成されている。この伝熱管４３は、１本または複数本の配管が複数のＵ字形状をなすように配置されてなり、一端部が圧縮機２１（再熱器２６）に連結され、他端部がタービン２３に連結されている。そして、この第１加熱器３３を構成する伝熱管４３では、内部を流通する空気が開口部３１ａから取り込まれた太陽光の熱により加熱可能となっている。
【００３３】
第２加熱器３４にて、燃焼器３６は、断熱空間３２の他方に配置される伝熱管４４と、燃焼バーナ４５と、通気性のある輻射変換体としての金網４６により構成されている。伝熱管４４は、１本または複数本の配管が複数のＵ字形状をなすように配置されてなり、一端部に各ブロア３７，３８により空気と化石燃料との予混合気が供給される配管が連結され、他端部が複数の燃焼バーナ４５に連結されている。この場合、伝熱管４４と燃焼バーナ４５との間に金網４６が配置されており、各燃焼バーナ４５は、金網４６に向けて火炎を生成する。
【００３４】
そして、空気と化石燃料との予混合気が伝熱管４４を通して燃焼バーナ４５に供給され、燃焼バーナ４５は金網４６に向けて火炎を形成すると、ここで輻射熱が発生し、石英ガラス４１を通して第１加熱器３３側に向けて輻射される。第１加熱器３３を構成する伝熱管４３では、内部を流通する空気が第２加熱器３４からの輻射熱により加熱可能となっている。
【００３５】
また、加熱室３１は、上部に開口部３１ｂが形成され、開口部３１ｂから燃焼排ガスを排出可能となっている。即ち、燃焼バーナ４５により火炎が形成されることで生成された燃焼排ガスは、石英ガラス４１に堰きとめられることで第１加熱器３３側には流れず、金網４６を通って伝熱管４４に流れ、開口部３１ｂから外部に排出される。このとき、第２加熱器３４では、燃焼バーナ４５で発生した燃焼排ガスにより伝熱管４４を通って燃焼バーナ４５に供給される予混合気を加熱することができる。ここで、加熱室３１や伝熱管４４などにより本発明の第１熱交換器が構成される。
【００３６】
ここで、実施例１の発電装置１０の作用について説明する。図１及び図２に示すように、圧縮機２１は、空気を吸入して所定の高圧に圧縮し、この高圧空気は、高圧空気通路から再熱器２６を通って加熱器２２に供給される。この再熱器２６は、圧縮機２１で昇圧された高圧空気とタービン２３で仕事をした高温空気との間で熱交換、つまり、タービン２３からの高温空気により圧縮機２１からの高圧空気を加熱（予熱）しており、ここで、排熱の有効利用が可能となる。
【００３７】
この再熱器２６で、例えば、４５０℃の低温高圧となった空気は、加熱器２２に送られる。この加熱器２２にて、圧縮機２１から再熱器２６を通過した低温高圧の空気は、第１加熱器３３により加熱される。即ち、第１加熱器３３を構成する受熱器３５（伝熱管４３）は、集光器４２により集めた太陽光を熱エネルギーに変換し、この熱エネルギーにより伝熱管４３内を流れる空気を加熱することで、この低温高圧の空気の温度を更に上昇させる。
【００３８】
この場合、集光器４２は、発電装置１０の発電量が所望の発電量となるように、つまり、圧縮機２１及びタービン２３の回転数が適正値になるように、受熱器３５で加熱される高温高圧の空気の出口温度に応じて受光角度を調整し、受熱器３５への入熱量を制御する。
【００３９】
加熱器２２における第１加熱器３３で、８５０℃まで加熱された高温高圧の空気は、高温高圧空気通路を通ってタービン２３へ供給される。このタービン２３に供給された高温高圧の空気は、タービン２３内の動翼と静翼を通過する際に膨張し、動翼と一体の回転軸２４を回転させてタービン出力を発生させる。タービン２３で発生した出力は、回転軸２４を介して連結された圧縮機２１、更に駆動軸２５を介して連結された発電機１２の駆動力として用いられる。
【００４０】
その後、タービン２３で仕事をした高温高圧の空気は、タービン２３の出口より圧力及び温度が低下した高温高圧の空気（排ガス）となり、排気通路を通って再熱器２６に導かれ、この再熱器２６で更に温度低下して煙突２７から大気へ放出される。
【００４１】
また、加熱器２２は、第１加熱器３３に加えて第２加熱器３４を有している。この第２加熱器３４は、加熱室３１内にて、第１加熱器３３で加熱している高温高圧の空気を更に加熱することができる。即ち、第２加熱器３４の燃焼器３６にて、各ブロア３７，３８を作動すると、所定量の空気と所定量の化石燃料が送られ、所定の燃空比となる予混合気が伝熱管４４を通して各燃焼バーナ４５に供給される。このとき、伝熱管４４を流通する予混合気は、燃焼バーナ４５からの火炎で発生した燃焼排ガスにより加熱される。
【００４２】
そして、高温となった予混合気が燃焼バーナ４５に送られると、燃焼バーナ４５は、噴出する予混合気に着火することで、金網４６に向けた火炎を形成する。金網４６では、この火炎により輻射熱が発生し、石英ガラス４１を通して第１加熱器３３側に向けて輻射される。第１加熱器３３を構成する受熱器３５では、伝熱管４３を流通する空気が第２加熱器３４からの輻射熱により加熱される。一方、燃焼バーナ４５からの火炎で発生した燃焼排ガスは、伝熱管４４内の予混合気と熱交換を行った後、加熱室３１から外部に排出される。なお、この第２加熱器３４の燃焼器３６が区画された部屋では、燃焼排ガスと予混合気とで熱交換を行うことで、排熱の有効利用が可能となる。
【００４３】
この場合、加熱器２２は、第１加熱器３３に取り込んだ太陽熱と、第２加熱器３４で燃焼器３６の火炎からの輻射熱により、例えば、４５０℃の低温空気が８５０℃の高温空気まで加熱される。ここで、加熱器２２に送られた低温空気は、第１加熱器３３における太陽熱と第２加熱器３４における輻射熱により加熱されることから、両者の熱容量を調整することで、適正となる８５０℃の高温空気まで加熱することができる。
【００４４】
通常、地球環境や発電コストなどを考慮し、第１加熱器３３をメインとして運転し、第２加熱器３４をサブとして運転する。即ち、第１加熱器３３にて、取り込む太陽エネルギーの熱量だけで４５０℃の低温空気を８５０℃の高温空気まで加熱することができるのであれば、第２加熱器３４の運転を停止する。一方、第１加熱器３３にて、取り込む太陽エネルギーの熱量だけで４５０℃の低温空気を８５０℃の高温空気まで加熱することができないのであれば、第２加熱器３４を運転する。
【００４５】
この場合、加熱器２２にて、受熱器３５で加熱される高温高圧の空気の出口温度を検出し、この高温高圧の空気の出口温度が適正温度（例えば、８５０℃）となるように第２加熱器３４を運転する。即ち、第２加熱器３４は、受熱器３５からの高温高圧の空気の出口温度に基づいて、燃焼器３６に供給する予混合機量（化石燃料量）を調整する。
【００４６】
このように実施例１の太陽光ガスタービンにあっては、空気を吸入して昇圧させる圧縮機２１と、圧縮機２１で昇圧された空気を加熱して昇温させる加熱器２２と、加熱器２２で高温高圧となった空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン２３とを設けて構成し、加熱器２２として、加熱室３１内に、圧縮機２１で昇圧された空気を集光器４２で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させる第１加熱器３３と、第１加熱器３３で加熱される空気を化石燃料焚きの燃焼器３６により加熱して昇温させる第２加熱器３４とを設けている。
【００４７】
従って、空気は、加熱室３１内に配置される第１加熱器３３による太陽光の熱と第２加熱器３４における燃焼器３６の輻射熱により加熱されることとなり、第１加熱器３３における太陽光の熱量に応じて第２加熱器３４による加熱量を調整することで、タービン２３に送られる空気の温度を所望の温度に維持することができ、天候の変動などに左右されることなく、安定した運転の継続を可能にすることができる。
【００４８】
即ち、加熱室３１内に第１加熱器３３と第２加熱器３４を並列に配置したことで、変動の激しい自然エネルギーである太陽光の強度が弱く、受熱器３５で十分な加熱を受けられない運転状況においても、燃焼器３６の加熱により太陽光の不足分を補ってタービン２３へ所定の温度に昇温した高温高圧の空気を供給することができる。
【００４９】
また、実施例１の太陽光ガスタービンでは、第１加熱器３３と第２加熱器３４とを加熱室３１の断熱空間３２内でそれぞれ独立した空間に配置し、第２加熱器３４は、輻射熱により第１加熱器３３を流れる空気を加熱している。従って、第１加熱器３３を流れる空気は、第２加熱器３４からの輻射熱により加熱されることとなり、加熱器３３，３４は空気を安定して加熱することができる。
【００５０】
また、実施例１の太陽光ガスタービンでは、第２加熱器３４は、燃焼器３６から排出された燃焼排ガスによりこの燃焼器３６に供給される化石燃料と空気の予混合気を加熱している。従って、化石燃料は、燃焼器３６からの燃焼排ガスにより加熱されてから燃焼器３６に供給されることとなり、第２加熱器３４の燃焼器３６は、化石燃料を効率良く燃焼することができる。
【００５１】
また、実施例１の発電装置にあっては、上述した太陽熱ガスタービン１１と、この太陽熱ガスタービン１１で駆動されて発電する発電機１２とを備えている。
【００５２】
従って、自然エネルギーである太陽熱を十分に得られない運転状況においても、太陽熱の強度に応じて燃焼器３６の加熱能力を有効に利用し、空気の温度を所望の温度に維持して太陽熱ガスタービン１１の安定した運転の継続が可能になる。その結果、太陽熱を十分に得られない運転状況においても、安定した動特性を有する太陽熱ガスタービン１１により駆動される発電機１２は、安定した発電を継続することが可能になる。
【実施例２】
【００５３】
図３は、本発明の実施例２に係る太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５４】
実施例２において、図３に示すように、加熱器５１は、加熱室３１の断熱空間３２に配置された第１加熱器３３と第２加熱器３４とから構成されている。第１加熱器３３は、圧縮機２１で昇圧されて再熱器２６で昇温された空気を太陽光の熱により加熱して昇温させるものであり、受熱器３５を有している。第２加熱器３４は、第１加熱器３３で加熱されている空気を燃焼器３６により加熱して昇温させるものである。
【００５５】
即ち、加熱室３１は、断熱空間３２が石英ガラス４１により独立した２つの空間に仕切られ、一方の大きな空間に第１加熱器３３が配置され、他方の小さな空間に第２加熱器３４が配置されている。また、加熱室３１は、下部に開口部３１ａが形成され、開口部３１ａから集光器４２で集めた太陽光を第１加熱器３３側の空間に取込可能となっている。この場合、加熱室３１の一方側に第１加熱器３３と第２加熱器３４が隣接して配置され、両者の間に石英ガラス４１が配置され、第１加熱器３３が配置された空間部の下方に開口部３１ａが形成されている。
【００５６】
なお、この実施例２の加熱器５１は、加熱室３１内に第１加熱器３３と第２加熱器３４とが隣接して配置されるものの、この第１加熱器３３及び第２加熱器３４の構成、作用は、前述した実施例１と同様であることから、詳細な説明は省略する。
【００５７】
従って、低温高圧の空気が加熱器５１に送られると、第１加熱器３３の受熱器３５にて、集光器４２により集めた太陽光を熱エネルギーに変換し、この熱エネルギーにより伝熱管４３内を流れる空気が加熱され、この低温高圧の空気の温度が上昇する。また、第２加熱器３４の燃焼器３６にて、空気と化石燃料との予混合気が伝熱管４４を通して各燃焼バーナ４５に供給され、燃焼バーナ４５はこの予混合気に着火することで金網４６に向けた火炎を形成する。すると、この火炎により金網４６からの輻射熱が発生し、石英ガラス４１を通して第１加熱器３３側に向けて輻射されることで、受熱器３５の伝熱管４３を流通する空気が加熱される。
【００５８】
通常、第１加熱器３３にて、取り込む太陽エネルギーの熱量だけで低温空気を所望の温度まで加熱することができるのであれば、第２加熱器３４の運転を停止し、加熱することができないのであれば、第２加熱器３４を運転する。加熱器２２にて、受熱器３５で加熱される高温高圧の空気の出口温度を検出し、この高温高圧の空気の出口温度が適正温度となるように第２加熱器３４を運転する。
【００５９】
このように実施例２の太陽光ガスタービンにあっては、加熱器５１として、加熱室３１内に、圧縮機２１で昇圧された空気を集光器４２で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させる第１加熱器３３と、第１加熱器３３で加熱される空気を化石燃料焚きの燃焼器３６により加熱して昇温させる第２加熱器３４とを設けている。
【００６０】
従って、加熱室３１内に第１加熱器３３と第２加熱器３４を隣接して配置したことで、変動の激しい自然エネルギーである太陽光の強度が弱く、受熱器３５で十分な加熱を受けられない運転状況においても、燃焼器３６の加熱により太陽光の不足分を補ってタービン２３へ所定の温度に昇温した高温高圧の空気を供給することができる。また、第１加熱器３３と第２加熱器３４とを接近して配置したことで、第２加熱器３４の輻射熱を第１加熱器３３内の空気に対して効率良く付与することができ、空気に対する加熱効率を向上することができる。
【実施例３】
【００６１】
図４は、本発明の実施例３に係る太陽熱ガスタービン発電装置を表す概略構成図、図５は、実施例３の太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６２】
実施例３において、図４に示すように、発電装置６０は、太陽熱ガスタービン６１と発電機１２とを有している。この太陽熱ガスタービン６１は、空気（圧縮性作動流体）を吸入して昇圧させる圧縮機２１と、この圧縮機２１で昇圧された空気を加熱して昇温させる加熱器６２と、この加熱器６２で高温高圧となった空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン２３とから構成されている。
【００６３】
この場合、加熱器６２は、加熱室３１の断熱空間３２に配置された第１加熱器３３と第２加熱器３４とから構成されている。第１加熱器３３は、圧縮機２１で昇圧されて再熱器２６で昇温された空気を太陽光の熱により加熱して昇温させるものであり、受熱器３５を有している。第２加熱器３４は、この第１加熱器３３で加熱されている空気を燃焼器３６により加熱して昇温させるものである。そのため、空気を昇圧して供給する第１ブロア３７と、化石燃料を昇圧して供給する第２ブロア３８が設けられ、空気と化石燃料との予混合気を燃焼器３６に供給可能となっている。
【００６４】
この加熱器６２において、図５に示すように、加熱室３１は、断熱空間３２が石英ガラス４１により独立した２つの空間に仕切られ、一方の空間に第１加熱器３３が配置され、他方の空間に第２加熱器３４が配置されている。また、加熱室３１は、下部に開口部３１ａが形成され、開口部３１ａから集光器４２で集めた太陽光を第１加熱器３３側の空間に取込可能となっている。
【００６５】
第１加熱器３３は、受熱器３５を有し、この受熱器３５は伝熱管４３により構成されている。この伝熱管４３は、一端部に圧縮機２１（再熱器２６）が連結され、他端部がタービン２３に連結されており、内部を流通する空気が開口部３１ａから取り込まれた太陽光の熱により加熱可能となっている。
【００６６】
第２加熱器３４は、燃焼器３６を有し、この燃焼器３６は、伝熱管４４と、燃焼バーナ４５と、金網４６により構成されている。伝熱管４４は、一端部に各ブロア３７，３８により空気と化石燃料との予混合気が供給される配管が連結され、他端部が複数の燃焼バーナ４５に連結されている。この場合、伝熱管４４と燃焼バーナ４５との間に金網４６が配置されており、各燃焼バーナ４５は、金網４６に向けて火炎を生成する。
【００６７】
また、加熱室３１は、上部に開口部３１ｂが形成され、開口部３１ｂから燃焼排ガスを排出可能となっている。即ち、燃焼バーナ４５の火炎により生成された燃焼排ガスは、石英ガラス４１に堰きとめられることで第１加熱器３３側には流れず、金網４６を通って伝熱管４４に流れ、開口部３１ｂから外部に排出される。このとき、第２加熱器３４では、燃焼バーナ４５で発生した燃焼排ガスにより伝熱管４４を通って燃焼バーナ４５に供給される予混合気を加熱することができる。また、第２加熱器３４では、燃焼バーナ４５で発生した燃焼排ガスにより第１加熱器３３における受熱器３５に供給される空気を加熱する第２熱交換器６３が設けられている。
【００６８】
従って、圧縮機２１は、空気を吸入して所定の高圧に圧縮し、高圧空気は、高圧空気通路から再熱器２６で予熱されてから、例えば、４５０℃の低温高圧となった空気が加熱器６２に供給される。低温高圧の空気が加熱器６２に送られると、まず、第２熱交換器６３にて、燃焼バーナ４５で発生した燃焼排ガスによりこの低温空気が、例えば、６００℃まで加熱されてから受熱器３５に供給され、次に、この受熱器３５にて、集光器４２により集めた太陽光を熱エネルギーに変換し、この熱エネルギーにより伝熱管４３内を流れる空気が加熱され、この低温高圧の空気の温度が上昇する。また、第２加熱器３４の燃焼器３６にて、空気と化石燃料との予混合気が伝熱管４４を通して各燃焼バーナ４５に供給され、燃焼バーナ４５はこの予混合気に着火することで金網４６に向けた火炎を形成する。すると、この火炎により金網４６からの輻射熱が発生し、石英ガラス４１を通して第１加熱器３３側に向けて輻射されることで、受熱器３５の伝熱管４３を流通する空気が加熱される。
【００６９】
そして、加熱器６２における第１加熱器３３で、８５０℃まで加熱された高温高圧の空気は、高温高圧空気通路を通ってタービン２３へ供給され、タービン出力を発生させる。タービン２３で発生した出力は、回転軸２４を介して連結された圧縮機２１、更に駆動軸２５を介して連結された発電機１２の駆動力として用いられる。その後、タービン２３で仕事をした高温高圧の空気は、再熱器２６を通って煙突２７から大気へ放出される。
【００７０】
通常、第１加熱器３３にて、取り込む太陽エネルギーの熱量だけで低温空気を所望の温度まで加熱することができるのであれば、第２加熱器３４の運転を停止し、加熱することができないのであれば、第２加熱器３４を運転する。加熱器６２にて、受熱器３５で加熱される高温高圧の空気の出口温度を検出し、この高温高圧の空気の出口温度が適正温度となるように第２加熱器３４を運転する。
【００７１】
このように実施例３の太陽光ガスタービンにあっては、圧縮機２１、加熱器６２、タービン２３を設けて構成し、加熱器６２として、加熱室３１内に、圧縮機２１で昇圧された空気を集光器４２で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させる第１加熱器３３と、第１加熱器３３で加熱される空気を化石燃料焚きの燃焼器３６により加熱して昇温させる第２加熱器３４とを設けている。
【００７２】
従って、加熱室３１内に第１加熱器３３と第２加熱器３４を隣接して配置したことで、変動の激しい自然エネルギーである太陽光の強度が弱く、受熱器３５で十分な加熱を受けられない運転状況においても、燃焼器３６の加熱により太陽光の不足分を補ってタービン２３へ所定の温度に昇温した高温高圧の空気を供給することができる。また、第１加熱器３３と第２加熱器３４とを接近して配置したことで、第２加熱器３４の輻射熱を第１加熱器３３内の空気に対して効率良く付与することができ、空気に対する加熱効率を向上することができる。
【００７３】
また、実施例３の太陽光ガスタービンでは、第２加熱器３４の燃焼器３６から排出された燃焼排ガスにより第１加熱器３３の受熱器３５に供給される低温空気を加熱する第２熱交換器６３を設けている。従って、低温空気は、燃焼器３６からの燃焼排ガスにより加熱されてから第１加熱器３３の受熱器３５に供給されることとなり、燃焼排ガスの有効利用を可能とすることができる。
【実施例４】
【００７４】
図６は、本発明の実施例４に係る太陽熱ガスタービン発電装置を表す概略構成図、図７は、実施例４の太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７５】
実施例４において、図６に示すように、発電装置７０は、太陽熱ガスタービン７１と発電機１２とを有している。この太陽熱ガスタービン７１は、空気（圧縮性作動流体）を吸入して昇圧させる圧縮機２１と、この圧縮機２１で昇圧された空気を加熱して昇温させる加熱器７２と、この加熱器７２で高温高圧となった空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン２３とから構成されている。
【００７６】
この場合、加熱器７２は、加熱室３１の断熱空間３２に配置された第１加熱器３３と第２加熱器３４とから構成されている。第１加熱器３３は、圧縮機２１で昇圧された空気を太陽光の熱により加熱して昇温させるものであり、受熱器３５を有している。第２加熱器３４は、この第１加熱器３３で加熱されている空気を燃焼器３６により加熱して昇温させるものである。そのため、化石燃料を昇圧して供給する第２ブロア３８が設けられ、この化石燃料を燃焼器３６に供給可能となっている。
【００７７】
この加熱器７２において、図７に示すように、加熱室３１は、断熱空間３２が石英ガラス４１により独立した２つの空間に仕切られ、一方の空間に第１加熱器３３が配置され、他方の空間に第２加熱器３４が配置されている。また、加熱室３１は、下部に開口部３１ａが形成され、開口部３１ａから集光器４２で集めた太陽光を第１加熱器３３側の空間に取込可能となっている。
【００７８】
第１加熱器３３は、受熱器３５を有し、この受熱器３５は伝熱管４３により構成されている。この伝熱管４３は、一端部に圧縮機２１が直接連結され、他端部がタービン２３に連結されており、内部を流通する空気が開口部３１ａから取り込まれた太陽光の熱により加熱可能となっている。
【００７９】
第２加熱器３４は、燃焼器３６を有し、この燃焼器３６は、燃焼バーナ４５と、金網４６により構成されている。燃焼バーナ４５は、ブロア３８により化石燃料が供給される配管が連結されている。また、第２加熱器３４が配置される空間は、タービン２３からの排ガス（高温高圧の空気、例えば、５００℃）が供給されており、燃焼バーナ４５は、ブロア３８からの化石燃料とタービン２３からの空気により金網４６に向けて火炎を形成することができる。
【００８０】
また、加熱室３１における第２加熱器３４が配置される空間には、圧縮機２１で昇圧された低温高圧の空気（例えば、２５０℃）を流通させる伝熱管７３が配置されており、この伝熱管７３が受熱器３５に連結されている。そして、加熱室３１は、上部に開口部３１ｂが形成され、開口部３１ｂから燃焼排ガスを排出可能となっている。即ち、燃焼バーナ４５の火炎により生成された燃焼排ガスは、石英ガラス４１に堰きとめられることで第１加熱器３３側には流れず、金網４６を通って伝熱管７３に流れ、開口部３１ｂから外部に排出される。このとき、第２加熱器３４では、燃焼バーナ４５で発生した燃焼排ガスにより伝熱管７３を通って受熱器３５に供給される低温高圧の空気を加熱することができる。つまり、第２加熱器３４内に再熱器を配置している。
【００８１】
従って、圧縮機２１は、空気を吸入して所定の高圧に圧縮し、高圧空気は、高圧空気通路から加熱器７２に供給される。低温高圧の空気が加熱器７２に送られると、まず、第２加熱器３４にて、伝熱管７３を流れるとき、燃焼バーナ４５で発生した燃焼排ガスによりこの低温空気が、例えば、６００℃まで加熱されてから受熱器３５に供給され、次に、この受熱器３５にて、集光器４２により集めた太陽光を熱エネルギーに変換し、この熱エネルギーにより伝熱管４３内を流れる空気が加熱され、この低温高圧の空気の温度が上昇する。また、第２加熱器３４の燃焼器３６にて、燃焼バーナ４５は化石燃料とタービン２３からの高温高圧の空気に着火することで金網４６に向けた火炎を形成する。すると、この火炎により金網４６からの輻射熱が発生し、石英ガラス４１を通して第１加熱器３３側に向けて輻射されることで、受熱器３５の伝熱管４３を流通する空気が加熱される。
【００８２】
そして、加熱器７２における第１加熱器３３で、８５０℃まで加熱された高温高圧の空気は、高温高圧空気通路を通ってタービン２３へ供給され、タービン出力を発生させる。タービン２３で発生した出力は、回転軸２４を介して連結された圧縮機２１、更に駆動軸２５を介して連結された発電機１２の駆動力として用いられる。その後、タービン２３で仕事をした高温高圧の空気は、加熱器７２へ送られる。なお、加熱器７２の開口部３１ｂから排出される燃焼排ガスは、所定の処理がなされた後に煙突から排出される。
【００８３】
通常、第１加熱器３３にて、取り込む太陽エネルギーの熱量だけで低温空気を所望の温度まで加熱することができるのであれば、第２加熱器３４の運転を停止し、加熱することができないのであれば、第２加熱器３４を運転する。加熱器７２にて、受熱器３５で加熱される高温高圧の空気の出口温度を検出し、この高温高圧の空気の出口温度が適正温度となるように第２加熱器３４を運転する。
【００８４】
このように実施例４の太陽光ガスタービンにあっては、圧縮機２１、加熱器７２、タービン２３を設けて構成し、加熱器７２として、加熱室３１内に、圧縮機２１で昇圧された空気を集光器４２で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させる第１加熱器３３と、第１加熱器３３で加熱される空気を化石燃料焚きの燃焼器３６により加熱して昇温させる第２加熱器３４とを設けている。この場合、加熱器７２にて、圧縮機２１からの空気をタービン２３からの排ガス及び燃焼器３６からの燃焼排ガスにより予熱している。
【００８５】
従って、第１加熱器３３と第２加熱器３４とを接近して配置したことで、第２加熱器３４の輻射熱を第１加熱器３３内の空気に対して効率良く付与することができ、空気に対する加熱効率を向上することができる。また、圧縮機２１からの低温空気は、タービン２３からの排ガス及び燃焼器３６からの燃焼排ガスにより予熱されることとなり、燃焼排ガスの有効利用を可能とすることができる。また、再熱器を加熱器７２の内部に配置することで、装置のコンパクト化を可能とすることができる。
【００８６】
また、実施例４の太陽光ガスタービンでは、第２加熱器３４の燃焼器３６は、化石燃料とタービン２３からの排ガス（高温空気）とを燃焼している。従って、タービン２３からの排ガスを化石燃料と共に第２加熱器３４の燃焼器３６で燃焼することで、排ガス処理の簡素化を可能とすることができる。
【実施例５】
【００８７】
図８は、本発明の実施例５に係る太陽熱ガスタービン発電装置を表す概略構成図、図９は、実施例５の太陽熱ガスタービン発電装置における加熱器を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８８】
実施例５において、図８に示すように、発電装置８０は、太陽熱ガスタービン８１と発電機１２とを有している。この太陽熱ガスタービン８１は、空気（圧縮性作動流体）を吸入して昇圧させる圧縮機２１と、この圧縮機２１で昇圧された空気を加熱して昇温させる加熱器８２と、この加熱器８２で高温高圧となった空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン２３とから構成されている。
【００８９】
この場合、加熱器８２は、加熱室３１の断熱空間３２に配置された第１加熱器３３と第２加熱器３４とから構成されている。第１加熱器３３は、圧縮機２１で昇圧されて再熱器８３で昇温された空気を太陽光の熱により加熱して昇温させるものであり、受熱器３５を有している。第２加熱器３４は、この第１加熱器３３で加熱されている空気を燃焼器３６により加熱して昇温させるものである。そのため、化石燃料を昇圧して供給する第２ブロア３８が設けられ、この化石燃料を燃焼器３６に供給可能となっている。
【００９０】
この加熱器８２において、図９に示すように、加熱室３１は、断熱空間３２が石英ガラス４１により独立した２つの空間に仕切られ、一方の空間に第１加熱器３３が配置され、他方の空間に第２加熱器３４が配置されている。また、加熱室３１は、下部に開口部３１ａが形成され、開口部３１ａから集光器４２で集めた太陽光を第１加熱器３３側の空間に取込可能となっている。
【００９１】
第１加熱器３３は、受熱器３５を有し、この受熱器３５は伝熱管４３により構成されている。この伝熱管４３は、一端部に圧縮機２１（再熱器８３）が連結され、他端部がタービン２３に連結されており、内部を流通する空気が開口部３１ａから取り込まれた太陽光の熱により加熱可能となっている。
【００９２】
第２加熱器３４は、燃焼器３６を有し、この燃焼器３６は、燃焼バーナ４５を有している。燃焼バーナ４５は、ブロア３８により化石燃料が供給される配管が連結されている。また、第２加熱器３４が配置される空間は、タービン２３からの排ガス（高温高圧の空気、例えば、５００℃）が供給されており、燃焼バーナ４５は、ブロア３８からの化石燃料とタービン２３からの空気により火炎を形成することができる。
【００９３】
また、加熱室３１にて、燃焼バーナ４５の火炎により生成された燃焼排ガスは、石英ガラス４１に堰きとめられることで第１加熱器３３側には流れず、燃焼排ガス通路を通して外部に排出される。そして、外部に排出された燃焼排ガスは、この燃焼排ガス通路を通して再熱器８３に供給され、ここで、圧縮機２１からの高圧空気を加熱した後に煙突２７から大気に放出可能となっている。ここで、再熱器８３が本発明の第３熱交換器として機能する。
【００９４】
従って、圧縮機２１は、空気を吸入して所定の高圧に圧縮し、高圧空気は、高圧空気通路から再熱器８３を通して加熱器８２に供給される。低温高圧の空気が加熱器８２に送られると、第１加熱器３３の受熱器３５にて、集光器４２により集めた太陽光を熱エネルギーに変換し、この熱エネルギーにより伝熱管４３内を流れる空気が加熱され、この低温高圧の空気の温度が上昇する。また、第２加熱器３４の燃焼器３６にて、燃焼バーナ４５は化石燃料とタービン２３からの高温高圧の空気に着火することで火炎を形成する。すると、この火炎により発生した輻射熱が石英ガラス４１を通して第１加熱器３３側に向けて輻射されることで、受熱器３５の伝熱管４３を流通する空気が加熱される。
【００９５】
そして、加熱器８２における第１加熱器３３で、８５０℃まで加熱された高温高圧の空気は、高温高圧空気通路を通ってタービン２３へ供給され、タービン出力を発生させる。タービン２３で発生した出力は、回転軸２４を介して連結された圧縮機２１、更に駆動軸２５を介して連結された発電機１２の駆動力として用いられる。その後、タービン２３で仕事をした高温高圧の空気は、加熱器８２へ送られる。また、加熱器８２から排出される燃焼排ガスは、再熱器８３を通って煙突２７から大気へ放出される。
【００９６】
このように実施例５の太陽光ガスタービンにあっては、圧縮機２１、加熱器８２、タービン２３を設けて構成し、加熱器８２として、加熱室３１内に、圧縮機２１で昇圧された空気を集光器４２で集めた太陽光の熱により加熱して昇温させる第１加熱器３３と、第１加熱器３３で加熱される空気を化石燃料焚きの燃焼器３６により加熱して昇温させる第２加熱器３４とを設けている。
【００９７】
従って、第１加熱器３３と第２加熱器３４とを接近して配置したことで、第２加熱器３４の輻射熱を第１加熱器３３内の空気に対して効率良く付与することができ、空気に対する加熱効率を向上することができる。
【００９８】
また、実施例５の太陽光ガスタービンでは、第２加熱器３４の燃焼器３６から排出された燃焼排ガスにより圧縮機２１で昇圧された空気を加熱する再熱器８３を設けている。従って、高圧空気は、燃焼器３６からの燃焼排ガスにより予熱されてから第１加熱器３３に供給されることとなり、排ガスの有効利用を可能とすることができる。
【００９９】
なお、上述した各実施例では、加熱室３１内に第１加熱器３３と第２加熱器３４を対向または隣接して配置したが、その配置関係は実施例に限定されるものではない。また、太陽光を加熱室３１の下方から取り込んだが、その取込位置は実施例に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、太陽熱ガスタービン及び発電装置において、圧縮機からタービンに送る圧縮性作動流体を断熱された空間で太陽光の熱と燃焼器により加熱して昇温させることで、天候の変動などに左右されることなく安定した運転の継続を可能にするものであり、いずれの太陽熱ガスタービンや発電装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１０，６０，７０，８０  発電装置
１１，６１，７１，８１  太陽熱ガスタービン
１２  発電機
２１  圧縮機
２２，５１，６２，７２，８２  加熱器
２３  タービン
２６  再熱器
３１  加熱室
３２  断熱空間
３３  第１加熱器
３４  第２加熱器
３５  受熱器
３６  燃焼器
４１  石英ガラス（仕切板）
４２  集光器
４３，４４  伝熱管
４５  燃焼バーナ
４６  金網（輻射変換体）
６３  熱交換器（第２熱交換器）
８３  再熱器（第３熱交換器）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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