(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、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太陽熱空気発電設備を提供する。【解決手段】太陽熱エネルギを集熱して生み出した高温圧縮空気を空気タービンに導入して発電機の回転数を引き上げ、系統に発電機を同期併入して発電運転させる太陽熱空気発電設備において、空気発電タービン６の排気出口ダクト２６に遠心式誘引通風機２７と排気塔２９を設置して空気タービン排気部を負圧として空気発電タービンの出力を増加した。【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、該電動機と継手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発電機を駆動して定格回転数まで上昇させ発電すると同時に、空気タービン出口ダクトに上記空気タービン駆動空気を分岐した空気で駆動される誘引通風機タービンと、誘引通風機タービンと流体継ぎ手により連結された誘引通風機と、該誘引通風機出口ダクト出口に設けた排気塔により、発電タービン排出圧力を負圧に運転することを特徴とする太陽熱空気発電設備。
【請求項２】
上記請求項１の太陽熱空気発電設備の定格負荷運転時に大気温度が変化した時、空気発電タービン駆動空気流量と、誘引通風機タービン駆動空気流量を加減操作して空気タービン排気部を大気温度変化に対応して常に負圧にすることを特徴とする太陽熱空気発電設備。
【請求項３】
上記請求項１の太陽熱空気発電設備の定格負荷運転時に大気圧力が変化した時、空気発電タービン駆動空気流量と、誘引通風機タービン駆動空気流量を加減操作して空気タービン排気部を大気圧力変化に対応して常に負圧にすることを有することを特徴とする太陽熱空気発電設備。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、化石燃料を用いず、太陽熱エネルギを集熱して電気エネルギに高効率かつ低コストで変換する太陽熱空気発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】  ガスタービンの排気系統にあるガスタービン排熱回収装置出口に誘引通風機を設ける事によりコンバインド発電の熱サイクル効率を高めた装置について、先行特許文献、特開２００４−１９０５５８号では、誘引通風機の駆動装置として電動機または蒸気タービン軸動力を用いた設備を開示している。また、非特許文献、「石炭燃焼ボイラ用送風機」日立評論  ＶＯＬ．６９  Ｎｏ．１０（１９８７−１０）では１０００ＭＷの石炭焚ボイラ用誘引通風機試算例として風量８０００ｍ３／ｍｉｎ、風圧８３０ｍｍＡｑ、電動機容量２０００ｋＷの軸流式誘引通風機の開発設計例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９０５５８号  公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】石炭燃焼ボイラ用送風機：日立評論ＶＯＬ．６９  Ｎｏ．１０（１９８７−１０）Ｐ３３
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】  先行例、特開２００４−１９０５５８号では図１で記載された誘引通風機の吸い込み圧力や吐出圧力や風圧の具体的数値が開示されていない。また、蒸気タービン発生動力から誘引通風機への駆動動力数値に関する記載がない。また、誘引通風機出口ダクトに設置された煙突のドラフト効果の具体的な数値の説明がなされていない。【０００６】  非特許文献の表５で記載された誘引通風機は駆動機として電動機を用いており電気エネルギを必要とする。一方、電気エネルギを使用しないで太陽熱エネルギを使用した誘引通風機については説明がない。【０００７】
【課題を解決する手段】
【０００８】  空気タービンの排気部を負圧にしてタービン出力を増加する手段として、遠心式誘引通風機の空気誘引力を活用する設備と、ある程度妥当な高さを持ったタービン排気塔が生み出す空気誘引力とを合わせて負圧を生み出す設備を考案した。
【０００９】  すなわち、空気発電タービン駆動の高温圧縮空気を一部分岐して、遠心式誘引通風機駆動タービンの駆動動力源として用いて空気発電タービン排気ダクトを負圧環境においた。さらに、発電タービン排気部に排気塔を設け同排気塔のドラフト効果も活用した。また、遠心式誘引通風機タービンの排気ダクト出口にも排気塔を設け同装置のドラフト効果を活用して負圧環境を生み出した。
【考案の効果】
【００１０】  本考察による太陽熱空気発電設備により、経済的で高効率な空気条件（＝空気タービン入口の計画温度／計画圧力条件）のみならず、最適なタービン排気圧力を明確にした。太陽熱を集熱して空気を加熱し、空気タービンにより発電機を駆動して安価な電力を生みだす。すなわち、化石燃料を燃焼することによる大気汚染ガスを一切発生させることなく、自然環境に優しい電力が得られる効果が生まれる。
【００１１】  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水用の多量の冷却水が必要なくなる。また、太陽からの直達日射強度が強い乾燥した高温地域で電力を安価に得られる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この考案の太陽熱空気発電装置の全体基本構成を示す。
【図２】空気温度−エントロピ線図（Ｔ−ｓ線図）上に太陽熱空気発電熱サイクルと誘引通風機空気タービン熱サイクルを示す。
【図３】空気タービン排気温度対タービン排気塔高さ１ｍ当たりのドラフト圧力（＝空気吸引圧力）変化例を示す。
【図４】タービン排気塔高さと、発電タービン排気圧力と遠心式誘引通風機タービン排気圧力の試算例を示す。
【図５】発電タービン排気圧力が変化した時の発電電力と発電設備費用の変化試算例を示す。
【図６】大気温度の変化とその大気温度の環境下にある排気塔のドラフト圧力の変化を示す。
【図７】大気圧力の変化とその大気圧力の環境下にある排気塔のドラフト圧力の変化を示す。
【図８】大気湿度の変化とその大気湿度の環境下にある排気塔のドラフト圧力の変化を示す。
【考案を実施するための形態】
【００１３】  太陽熱を集熱して空気を加熱し空気発電タービンをその高温圧縮空気により駆動して発電機を回転させて発電する空気発電タービンと、空気発電タービンの排気部を負圧にするために設けた遠心式誘引通風機タービンと、両タービンの排出部にそれぞれ妥当な高さを持った排気塔を設けて両タービン排気部を負圧にして、該各タービンの出力を増加させる安価な発電設備の実施例を以下、図面１〜８に従い説明する。
【実施例】
【００１４】  図１は太陽熱を集熱して空気を加熱する設備とタービン設備とある高さを持つ排気塔から成る太陽熱空気発電設備の全体基本構成を示す。標準状態にある大気中の空気圧力は０．１０１３ＭＰａ、温度は２０℃（２９３Ｋ）、相対湿度は６５％である。この空気は図１の大気吸い込みダクト１２を経て、大気を吸い込みフィルタ−１３を通過して空気圧縮機入口ダクト１４から空気圧縮機５に流入し約５倍の圧力０．５ＭＰａに圧縮される。圧縮された空気は集熱塔入口管１６を通過して太陽熱加熱装置４へ送られる。太陽熱加熱装置４としては、例えば実用新案登録第３２１８２６２号の熱媒体加熱集合体が使用できる。太陽１から受ける太陽光を太陽熱集熱装置２にて集熱し集熱塔３の上に設置された太陽熱加熱装置４にて、集熱塔入口管１６を通過して送られてくる約０．５ＭＰａの圧縮空気を約６００℃程度の主空気に加熱する。この加熱された主空気は集熱塔３内にある集熱塔出口管１７および空気発電タービン入口管１８を通過して発電タービン調整装置１０を流下して空気発電タービン６を駆動する。圧縮機とタービンと発電機を同時に駆動する共通軸９にて上記タービンは発電機１１を駆動して発電する。【００１５】  同時に、上記の主空気は一部分岐され、遠心式誘引通風機分岐管１９、誘引通風機タービン調整装置２０、および遠心式誘引通風機タービン入口管２２を通過して、遠心式誘引通風機タービン２３に流入して、該タービンを駆動して遠心式誘引通風機２７を駆動する。【００１６】  タービン２３の動力は流体継手３０にて遠心式誘引通風機２７へ伝わり、遠心式誘引通風機２７は空気発電タービン排気ダクト２６を通過した空気発電タービン排気を吸引して空気発電タービン６の排気部を０．０５ＭＰａ程度の負圧にして同タービンの出力を増加する。【００１７】  空気圧力と温度が０．５ＭＰａ、６００℃の空気を空気圧０．０５ＭＰａ程度まで膨張させると空気温度は１８７℃程度に下がる。しかし、発電タービン排気温度が１８７℃程度あれば排気塔高さ１ｍ当たり、約４０ｍｍＡｑ程度のドラフト吸引力が生じる。遠心式誘引通風機２７で吸引された空気は誘引通風機出口ダクト２８を通過して発電タービン排気塔２９にて一般的に称されているドラフト効果によりさらに空気が吸い上げられる。発電タービン排気部の圧力は遠心式誘引通風機２７の吸引力にこのドラフト効果力が加算され同タービンの排気部の圧力は０．０５ＭＰａ程度の負圧に下げられる。【００１８】  一方、遠心式誘引通風機タービン２３の排気空気の温度は発電タービン排気温度１８７℃よりも高く３３０℃程度あり、十分ドラフト効果による負圧効果が生じる。遠心式誘引通風機タービン出口ダクト２４を通過した空気は、遠心式誘引通風機タービン排気塔２５のドラフト効果を得て大気に排出される。【００１９】  図１の起動用電動機７は起動時に継手８を介して圧縮機タービン発電機共通軸９を駆動して圧縮機５を回転させ起動時の加熱用の空気を太陽熱加熱装置４へ送る。加熱された空気は空気発電タービン６を駆動して起動用電動機７から空気発電タービン６へ圧縮機の動力を切り替える。【００２０】  図２は空気温度−エントロピ線図（Ｔ−ｓ線図）上に太陽熱空気発電熱サイ���ルと誘引通風機空気タービン熱サイクルを示す。太陽熱空気発電熱サイクルを図２のＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅで示す。標準状態にある吸い込み大気を圧力約０．１ＭＰａ、温度２０℃、相対湿度６５％として、この状態を図２の記号Ａで示し圧縮機５入口の状態とする。この圧縮機吸い込み空気条件はその地域の天気の変化により変化する。以下、圧縮機５により０．５ＭＰａに圧縮された空気は、一般的な圧縮効率を約８２％とすると、圧縮された空気温度は約２０７℃程度となる。この状態を図２の記号Ｂで示す。次にこの空気を太陽熱加熱装置４で約６００℃程度に加熱する。この状態を図２の記号Ｃで示す。次にこの空気を標準気圧０．１ＭＰａよりも低い負圧である０．０５ＭＰａ程度まで空気ターン６内を膨張して動力を生み出す。該タービン効率を一般的な約８８％程度とした場合タービン出口空気温度は約１８７℃程度となる。この状態を図２の記号Ｄで示す。次にＤを出た圧力０．０５ＭＰａの空気は遠心式誘引通風機２７と発電タービン排気塔２９の吸引力により空気が系外に排出される。この状態を図２の記号Ｅで示す。【００２１】  太陽熱空気発電熱サイクルから分岐した誘引通風機空気タービン熱サイクルを図２のＡ→Ｂ→Ｃ→Ｆで示す。図２のＡ→Ｂ→Ｃまでは上記太陽熱空気発電熱サイクルと同一であるが、誘引通風機空気タービン２３の効率を一般的な８８％とすると、誘引通風機空気タービン２３出口温度、圧力は、３３０℃程度、０．１ＭＰａ程度となる。この状態を図２のＦで示す。タービン排気温度３３０℃の空気は誘引通風機を設けなくてもタービン排気塔によるドラフト効果が生じる高い温度レベルである。【００２２】  図３は空気タービン排気温度が１００℃〜５００℃と変化した場合の排気塔ドラフト圧力を示す。すなわち、タービン出口空気の温度に対応した軽い比重量をＡｋｇ／ｍ３とし、高い排気塔頂部出口の外気温度が２０℃の場合の重い比重量をＢｋｇ／ｍ３とした場合、両者の比重量差、（Ｂ−Ａ）ｋｇ／ｍ３が高さ１ｍ当たりの空気排気塔のドラフト圧力ｍｍＡｑ相当となる。【００２３】  タービン排気温度が１００℃から５００℃に上昇すると、ドラフト圧力も２８ｍｍＡｑ〜７６ｍｍＡｑに上昇することを示す。空気発電タービン２９の計画排気温度が１８７℃程度の場合、発電タービン排気塔２９は塔高さ１ｍ当たりのドラフト圧力が空気の比重計算によると、４２ｍｍＡｑ（０．０００４１ＭＰａ）程度しか生じないので妥当な排気塔の高さを選定する必要がある。また、一般的な遠心式誘引通風機の風圧は４０００ｍｍＡｑ程度は達成可能である。０．０５ＭＰａ（５０９８．５ｍｍＡｑ）程度の負圧を達成する為には残り１０９８．５ｍｍＡｑ程度のドラフト圧力を排気塔の妥当な高さで生み出す必要がある。【００２４】  一方、誘引通風機タービン２５の計画排気温度が３３０℃程度と発電タービン６の排気温度１８７℃に比較して高いので、誘引通風機タービン排気塔２５の１ｍ当たりのドラフト圧力が６２ｍｍＡｑ（０．０００６１ＭＰａ）程度ある。【００２５】  図４は大気が標準条件（圧力７６０ｍｍＨｇ，温度２０℃、相対湿度６５％）下で空気発電タービン６と誘引通風機タービン２３それぞれの排気塔の高さを１０ｍ〜１００ｍの間に変化させた場合の両排気塔のドラフト発生圧力を試算した例である。発電タービン６の排気圧力は発電タービン排気塔２９の高さと誘引通風機２７の風圧の妥当な負圧分担割合を定めて決められる。発電設備中の排気塔を含む排気系統の経済性と実現性を考慮して、発電タービン排気塔２９の高さは２６．１５ｍ程度、ドラフト圧力は１０９８．５ｍｍＡｑ程度を選択した。遠心式誘引通風機２７の風圧は４０００ｍｍＡｑとし合計で０．０５ＭＰａ（５０９８．５ｍｍＡｑ）のドラフト圧力を確保した。一方、誘引通風機タービン排気塔２５の高さとドラフト圧力は該排気塔の経済性を考慮して１６．１３ｍ、１０００ｍｍＡｑ程度が妥当である。【００２６】  図５は空気発電タービン６の排気圧力を大気が標準状態（圧力０．１０１３ＭＰａ、温度２０℃、相対湿度６５％）、から排気圧力を０．０５ＭＰａ、０．０１ＭＰａと負圧側に下げた場合の発電電力と発電設備費用の概算例を示す。発電タービン６の排気圧力を０．０５ＭＰａよりも更に０．０１ＭＰａまで下げると、発電電力は増加するが、排気塔を含むタービン排気設備費用の増加が指数関数的に跳ね上がるので妥当な選択ではない。さらに、各排気塔はその高さを高くすると負圧範囲が増加し、外界との温度差による排気塔の断熱設備や負圧による外圧に耐える耐圧設備費用が増加するので、０．０５ＭＰａ程度が妥当である。排気塔の高さは高くしないで可能な限り短くした方が経済的である。【００２７】  図６は空気発電タービン６の空気圧縮機５の入口温度が標準状態２０℃から±２０℃変化した同タービンの排気ドラフト圧力の変化をしめす。大気温度が上がると空気の比重が下がり、ドラフト圧力は空気温度４０℃で１０００ｍｍＡｑ程度ほど下がる。【００２８】  図７は空気発電タービン６の空気圧縮機５の入口圧力が標準状態７６０ｍｍＨｇから±４０ｍｍＨｇ程度変化した時、同タービンの排気ドラフト圧力の変化をしめす。大気圧力が上がると空気の比重が上がり、ドラフト圧力は空気圧力８００ｍｍＨｇで６００ｍｍＡｑ程度上がる。【００２９】  図８は空気発電タービン６の空気圧縮機５の入口相対湿度が標準状態６５％から±３０％程度変化した時、同タービンの排気ドラフト圧力の変化をしめす。ドラフト圧力変化は小さく、温度や圧力の変化に比較してその影響は小さい。【００３０】  発電タービン６が生み出し発電に寄与する動力と誘引通風機タービン２３が消費する動力を試算した結果、その割合は７：３程度である。発生した主空気流量は発電タービン調整装置１０と誘引通風機タービン調整装置２０にて太陽熱加熱装置４から来る全体の高温空気流量は同上の比率７：３程度に分配される。
【符号の説明】
【００３１】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  空気発電タービン
７  起動用電動機
８  継手
９  共通軸
１０  発電タービン調整装置
１１  発電機
１２  大気吸い込みダクト
１３  大気吸い込みフィルター
１４  空気圧縮機入口ダクト
１５  圧縮機出口管
１６  集熱塔入口管
１７  集熱塔出口管
１８  空気発電タービン入口管
１９  誘引通風機分岐管
２０  誘引通風機タービン調整装置
２２  誘引通風機タービン入口管
２３  誘引通風機タービン
２４  誘引通風機タービン出口ダクト
２５  誘引通風機タービン排気塔
２６  空気発電タービン排気ダクト
２７  遠心式誘引通風機
２８  誘引通風機出口ダクト
２９  発電タービン排気塔
３０  流体継手
【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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