(57)【要約】      （修正有）【課題】化石燃料を燃焼させず、太陽熱エネルギを集熱して空気を加熱し、この加熱空気で空気タービン、空気圧縮機及び発電機を効果的に駆動して発電することができる太陽熱空気発電設備を提供する。【解決手段】起動用電動機１４と太陽熱エネルギを集熱して生み出した高温空気を空気タービン６に導入して、発電機１３の回転数を引き上げ系統に発電機を同期併入させる太陽熱空気発電設備である。かつ本発電設備を経済的にする、空気タービンの空気条件は約０．５ＭＰａ／６００℃程度にする。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
起動用電動機と、該電動機とクラッチを介して連結された空気圧縮機と、該空気圧縮機と同軸に連結された空気タービンと、該空気タービンによって駆動される発電機と、空気を加熱する太陽熱加熱装置と、上記空気圧縮機と上記太陽熱加熱装置を連通させる第一の空気流路と、上記太陽熱加熱装置と上記空気タービンを連通させる第二の空気流路と、起動時に上記電動機によって上記空気圧縮機を所定の回転数まで駆動させるとともに上記太陽熱加熱装置から上記第二の空気流路によって供給される加熱空気によって上記空気タービン及び上記圧縮機を定格回転数まで駆動させるタービン回転数・負荷制御装置と、を有することを特徴とする太陽熱空気発電設備。
【請求項２】
上記タービン回転数・負荷制御装置は、上記空気タービンの定格運転時にタービン入口における空気圧力をほぼ０．５ＭＰａ、空気温度をほぼ６００℃に制御する請求項１記載の太陽熱空気発電設備。
【請求項３】
上記第二の空気流路に設置され、上記発電機の緊急負荷遮断発生時に上記空気タービンに流入する空気を遮断して発電機の加速度事故を予防する空気遮断装置と、圧縮空気系統に留まった高温圧縮空気を即時に大気へ逃がす大気放出装置とを有する請求項１記載の太陽熱空気発電設備。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、化石燃料を用いず、太陽熱エネルギを電気エネルギに変換する太陽熱空気発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】  太陽熱エネルギを電気エネルギに変換する装置について、先行特許文献１、特開２０１４−１６４１号では、１塔の太陽熱集光タワ−が集熱した太陽熱エネルギ−によって二酸化炭素ガスを加熱し、該二酸化炭素ガスで二酸化炭素ガスタービンを駆動して、同軸の圧縮機動力と発電機動力両方を発生させた太陽熱ガスタ−ビン発電システムを開示している。また、同先行例の図１４では、空気温度／圧力：６５０℃／１．０ＭＰａの条件下で空気タービンを駆動して、発電動力を発生するオープンサイクルガスタービン系統が開示されている。
【先行技術文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１６４１号  公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】  先行例、特開２０１４−１６４１号の図９では太陽熱集熱器塔１塔で、二酸化炭素ガスを加熱し１台の二酸化炭素ガスタービンを駆動し、同軸に直結した３台の圧縮機と１台の発電機を駆動する太陽熱発電装置が提案されているが、該太陽熱集熱器で生み出す二酸化炭素ガスの温度／圧力が６５０℃／２０ＭＰａと高温／高圧であり、この条件に耐える合金鋼が発電装置の広範囲に必要となるため発電設備費用が高騰するという課題がある。さらに先行例の図９の構成では、軸構成が長くなり、かつ圧縮機３台と発電機とタービンを合計した重量が増加するのでこの装置の起動停止装置が大型化複雑化するという課題がある。【０００５】  さらに同先行例の図１４では、圧縮機と発電機と同軸の空気タービンが太陽熱で加熱された空気で駆動され発電機出力５．８ＭＷｅを得ることが提示されているが、本装置のタービン起動停止装置と制御装置に関する説明がない。すなわち、圧縮機の入口、大気圧力約０．１ＭＰａから１０倍の１．０ＭＰａ程度に加圧する圧縮機を起動するための空気タービン動力発生装置と制御装置の説明がない。また、発電機を電力系統に同期並列させ、無負荷定格回転数まで発電機の回転数を持ち上げる動力源の出所の説明がない。【０００６】  また、同先行例の図９では、タービン軸シール部分からの高圧高温の二酸化炭素ガスが外部へリークするのを防ぐために、軸受シール部の構造が複雑化し大がかりな軸受シール装置が必要になる課題もある。
【課題を解決する手段】
【０００７】  一般的な大気圧力０．１ＭＰａ程度の大気を約０．５ＭＰａ程度の５倍の圧力に圧縮する空気圧縮機と、電力系統に同期並列する発電機と、太陽熱空気加熱装置から送られてくる高温空気で駆動する空気タービンを同軸構成にして起動停止運転と発電運転が可能となる起動停止制御装置と負荷運用制御装置を有する太陽熱空気発電設備を考案した。
【０００８】  発電機と空気圧縮機を駆動する空気タービンと、太陽光を集光して圧縮空気を加熱する太陽熱加熱装置から成る太陽熱空気発電装置の発電負荷を最大に得られるように負荷運用して、起動停止する起動停止制御装置と負荷運転制御装置を考案した。
【０００９】  本考案では発電機の負荷遮断発生時、空気タービンへの空気流入を遮断する遮断装置と、空気加熱器装置内に残留した高温高圧の空気を大気へ逃がす装置と、太陽熱空気発電の緊急停止制御装置を有する。
【考案の効果】
【００１０】  本考察による負荷運転制御装置により、空気条件（＝空気タービン入口の計画温度／計画圧力条件）が一定に制御されて、発電機出力が安定し、安価でクリーンな電力が連続して長期に得られる効果が生まれる。
【００１１】  さらに、起動停止制御装置と緊急停止制御装置により、本太陽熱空気発電装置を起動したり停止したりする運転や、緊急に安全に停止する運転ができる。
【００１２】  さらに、本考案は、蒸気タービン発電方式でなく空気タービン発電方式なので、蒸気タービン復水器冷却用の多量の冷却水が必要なくなる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この考案の実施の形態の太陽熱空気発電装置と同左装置の制御装置の全体基本構成を示す。
【図２】本装置を起動する時の直達日射強度と発電機回転数と発電負荷の変化を示す。
【図３】本装置を停止する時の直達日射強度と発電機回転数と発電負荷の変化を示す。
【図４】空気の温度−エントロピ線図（Ｔ−ｓ線図）上に本考案に係る発電サイクルを示す。
【図５】タービン入口温度を一定にした時の発電可能動力の変化を示す。
【図６】タービン入口圧力を一定にした時の発電可能動力の変化を示す。
【考案を実施するための形態】
【００１４】  太陽熱を集熱して空気を加熱し空気タービンを駆動して発電機を回転させ発電する各装置と、同装置を起動停止運転または定常負荷運転または緊急停止運転する際の各制御装置間との形態を以下実施例に従い説明する。
【実施例】
【００１５】  以下、添付図面に従って実施例を説明する。図１では、太陽１の太陽光を太陽熱集熱装置２で集め集熱塔３の上部に設置された太陽熱加熱装置４に集光して空気圧縮機５から太陽熱集熱装置入口管２４を通過して送られてくる圧縮空気を加熱する。その後、加熱された圧縮空気は太陽熱集熱装置出口管２５を経て空気タービン６に流れ、空気圧縮機５と発電機１３を駆動し、空気を圧縮する動力と発電機を駆動する動力を発生する。空気タービン６を駆動した空気は空気タービン出口ダクト２７を通過して系外に排出される。【００１６】  本発電装置に外部系統から来る計画の発電指令を、図１の系統負荷指令９０に示す。さらに、計画の発電機回転数を図１の発電機回転数９１に示す。また、計画の発電機出力を計画発電機出力９２に示す。現状の発電機回転数や出力と系統負荷指令９０との偏差を図１の偏差９３に示す。本発電装置はこの偏差値に基づいて、この偏差が無くなるような方向に制御される。【００１７】  図２はある晴天時に午前中太陽が昇り始め１１時頃に本太陽熱空気発電設備が定格負荷１００％負荷運転に達した様子を示す。図２の時間帯Ａにおいて、図１にある起動用電動機１４に、外部電力を導入して起動用電動機１４を駆動して空気圧縮機５と空気タービン６と発電機１３の共通軸１７の回転数を３０％程度に上昇させる。起動用電動機の回転数は起動用電動機回転数計５０で検出されその信号は、タービン回転数・負荷制御装置９４に伝えられ調整弁７の開度を調整して圧縮機５出口流量、すなわち空気タービン６入口空気流量が制御される。【００１８】  次に徐々に時間経過とともに太陽から来る直達日射の強度が上昇する様子を直達日射強度計５５が検出して、太陽熱集熱量制御装置９５に送る。本制御信号を太陽熱集熱装置２に送り、太陽熱エネルギを集熱して高温空気を生み出しタービン６を駆動してタービンの回転数を約９５％回転数程度まで上げて行く。この過程でクラッチ３０を切り離し、起動用電動機１４を停止する。次に、太陽熱加熱装置４から送られて来る加熱空気を空気タービン６に送り、発電機１３の回転数を１００％回転数に持ち上げ系統に同期並列させると同時に並列負荷約１０％程度を発電し送電する。この様子を図２の時間帯Ｂに示す。【００１９】  次に直達日射強度の上昇を待って、時間帯Ｃに示す如く直達日射強度計５５からの信号を太陽熱集熱量制御装置９５に送り、太陽熱集熱装置２を動かし、発電機１３の負荷を約１０％並列負荷から定格１００％負荷に上昇させる。発電機１３の発電出力は発電機出力計５２が検出し、発電量はタービン回転数・負荷制御装置９４に常に伝達される。以下、直達日射強度が約９００Ｗ／ｍ２程度に達したあとは、直達日射強度の急激な低下がない限り、時間帯Ｄに示す如く定格１００％負荷発電運転を数時間継続できる。【００２０】  図３は、連続負荷運転を数時間連続運転した後で、ある晴天の午後に太陽高度が下り始め、１７時頃に本太陽熱空気発電設備が発電を停止した様子を示す。負荷１００％を示す時間帯Ｄに続き、図３の時間帯Ｅにおいて、発電機負荷を１００％負荷から徐々に下げ解列負荷約１０％まで調整弁７の開度を絞り、発電機１３の負荷を１０％負荷程度まで下げる。次に図３の時間帯Ｆにおいて、発電機１３を送電発電機運転モードから受電電動機運転モードに切り替える。次に図３の時間帯Ｇにおいて、図１にあるクラッチ３０を連結して、起動用電動機１４を外部電力を導入して運転して空気圧縮機５と空気タービン６と発電機１３の共通軸１７の回転数を３０％程度に保持する。次に、太陽熱集熱量制御装置９５から太陽熱を集熱する動作を停止する信号が太陽熱集熱装置２に出され、高温空気の温度が下がり空気タービン６の空気タービン入口温度計５６の信号がタービン回転数・負荷制御装置９４に伝えられる。次に、同左制御装置から調整弁７へ全閉信号が出され、図１にあるクラッチ３０が解放され共通軸１７の回転数は共通軸回転数計５１で検出されタービン回転数・負荷制御装置９４に伝えられ発電機１３の回転数が停止状態になる。【００２１】  図４では、本装置が定格負荷運転時の各装置の計画状態値を空気温度−エントロピ線図（Ｔ−ｓ線図）上に示した図である。すなわち、空気温度−エントロピ線図上に、空気タービン入口圧力を０．５ＭＰａ、温度を８７３Ｋ（６００℃）とした場合の熱サイクル（圧縮：▲１▼→▲２▼、加熱：▲２▼→▲３▼、膨張：▲３▼→▲４▼、排気：▲４▼→▲１▼）を示した図である。【００２２】空気圧縮機５の入口空気の温度は常温で約１５℃（＝２８８Ｋ）程度である。かつ圧力は約０．１ＭＰａ程度である。本基準点は、図４の▲１▼点で示される。吸い込まれた空気は圧縮機で圧縮され約０．５ＭＰａに昇圧される。図４の▲２▼点が該当する。【００２３】  圧縮された空気は約２８０℃に上昇するが、太陽熱でさらに空気を加熱し空気タービン入口温度を約６００℃（＝８７３℃）に上げる。この点を図４の▲３▼点で示す。この▲３▼の空気を０．１ＭＰａまで膨張させて空気タービン６を駆動して圧縮動力と発電動力を得る。この点を図４の▲４▼点で示す【００２４】  図５では空気タービン入口温度を６００℃一定として、空気タービン入口圧力を増加させた場合の圧縮機動力とタービン動力と発電可能動力の各変化特性を試算した結果である。圧縮機動力は空気タービン入口圧力が増加すると増加する。しかし、得られるタービン動力の増加割合は減少し、空気タービン入口圧力が約１．８ＭＰａ付近で圧縮機動力を下回り発電可能動力が得られなくなる。発電可能動力は空気タービン発生動力から圧縮機必要動力を差し引いた値である。空気タービン入口圧力が下がると、発電可能動力は０．５ＭＰａ付近から急激に増加するが、空気の比容積も増加するので、実現可能な各機器の大きさ制限から、空気タービン入口圧力は０．５ＭＰａ付近が妥当な圧力である。【００２５】  すなわち、関係する配管や熱交換器や調整弁７の圧力損失を考慮して、妥当な空気タービン入口空気圧力は０．５ＭＰａ付近である。【００２６】  図６では空気タービン入口圧力を０．５ＭＰａ一定として、空気タービン入口温度を増加させた場合の圧縮機動力とタービン動力と発電可能動力の変化特性を試算した結果である。空気タービン入口圧力が０．５ＭＰａ一定であるので、空気圧縮機５に供給される空気タービン６からの圧縮機動力は、空気タービン入口温度に影響されず一定である。発電可能動力とは空気タービン発��動力から圧縮機の空気圧縮動力分を差し引いた動力である。空気タービン入口温度が、増加すると発電可能動力も増加するが、空気タービン入口温度が約６００℃付近で空気タービン６が発生する動力の増加割合は少なくなり、発電可能動力の増加割合も同じく少なくなる。したがって、空気タービン入口温度が約６００℃付近に妥当な空気タービン入口温度が存在する。【００２７】  すなわち、関係する配管や各換器の材料はこの温度が低いほど合金鋼を使わないですみ、合金鋼に比較して安価な炭素鋼の使用可能範囲が広がる。できるだけ高価な合金鋼の使用範囲を減らすことが、経済的な発電設備を可能とする。【００２８】  また、空気タービン入口空気圧力と温度の選定は発電可能動力の大小に影響すると同時に、関係する配管や熱交換器や各装置の設備費用に影響するので、経済性を考慮した空気タービン入口空気圧力と温度条件を選定する必要がある。【００２９】  緊急に発電停止する場合は、図１にある調整弁７を全閉して、かつ遮断装置１０を全閉して空気の流れを緊急に遮断する。同時に、大気放出装置１１を開けて空気加熱系統に残った高温空気を排出し圧力を下げる。すなわち、遮断装置１０と太陽熱加熱装置４と各配管内に残留している高温圧縮空気を大気放出装置１１を通じて大気に排出して空気タービン６への流入空気を遮断して発電機１３の加速防止対策を行う。【００３０】  緊急に発電負荷遮断する時は、タービン回転数・負荷制御装置９４からの緊急停止信号が遮断装置１０に送信され、高温空気が空気タービン６へ流入する流れが遮断される。同時に、タービン回転数・負荷制御装置９４から大気放出装置１１に緊急解放信号が送られ、機器内部に残留した高温空気が大気に放出される。【００３１】  図５や図６で説明した最適圧力／温度の試算例は、調整弁７での空気絞り損失や各機器の圧力損失や、各機器の熱放散損失を考慮しないで試算しており、これらの損失を考慮すると発電可能量は図５や図６で説明した出力より若干低下する。しかし、これらの損失は空気タービン６が発生する動力に比較して小さく本試算図５、図６で示す妥当な温度／圧力（６００℃／０．５ＭＰａ）の結論は変わらない。【００３２】  本試算は、空気１ｋｇ／ｓ当たりの試算例であり、実際の一般的なガスタービンでは吸い込み空気量がガスタービンの出力と燃焼ガス温度により変化するが、数十〜数百ｋｇ／ｓであることから本装置の製造可能な大きさから考えて１設備当たり約数千ｋＷから数万ｋＷの発電量が期待できる。【００３３】  発電原価の内訳はおおきく分けて燃料費と発電設備費との合計である。太陽熱発電は燃料費が必要ない利点が大きい。さらに、発電原価を下げるために発電設備費を安くする必要がある。その為に、空気タービン入口計画温度と圧力を妥当な値までに下げると、安価な電気出力が得られ、かつ経済的な発電設備となる。
【符号の説明】
【００３４】１  太陽
２  太陽熱集熱装置
３  集熱塔
４  太陽熱加熱装置
５  空気圧縮機
６  空気タービン
７  調整弁
１０  遮断装置
１１  大気放出装置
１３  発電機
１４  起動用電動機
１５  圧縮機入口フィルタ−
１６  圧縮機入口ダクト
１７  共通軸
２４  太陽熱加熱装置入口管
２５  太陽熱加熱装置出口管
２７  空気タービン出口ダクト
３０  クラッチ
５０  起動用電動機回転数計
５１  圧縮機軸回転数計
５２  発電機出力計
５３  空気タービン入口圧力計
５４  圧縮機出口圧力計
５５  直達日射強度計
５６  空気タービン入口温度計
９０  系統負荷指令
９１  発電機回転数
９２  計画発電機出力
９３  偏差
９４  タービン回転数・負荷制御装置
９５  太陽熱集熱量制御装置
【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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【図６】
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