(57)【要約】  発電装置は、ブルギア（３１３）と、ブルギアと噛み合うピニオン（３１７）を備えた圧縮機シャフト（３１５）とからなる、ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）を備える。装置は、さらに、ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）の入口に流動式に連結可能な蒸気源（３０１）を備える。蒸気タービン設備（３２７、３２９）は、ギア一体型蒸気圧縮機設備から圧縮され過熱された蒸気のストリームを受け取るためにギア一体型蒸気圧縮機設備の出口と流動式に連結可能である。蒸気タービン設備によって駆動される発電機（３３１）は、蒸気タービン設備によって生成された機械的パワーを電気パワーに変換する。【選択図】図９
2016540913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー生成システムであって、
ブルギア（１７９Ａ）と、前記ブルギア（１７９Ａ）と噛み合うピニオン（１７９Ｂ、１７９Ｆ）を備えた圧縮機シャフト（１７９Ｃ）とからなる少なくとも１つのギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）と、
前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）の入口に流動的に連結可能な蒸気源と、
前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）の出口に流動的に連結可能な、前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）から圧縮され過熱された蒸気のストリームを受け取り、有用なパワーを生成するための少なくとも１つの蒸気タービン設備（３２７、３２９）とを備える、パワー生成システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの蒸気タービン設備（３２７、３２９）によって駆動される、前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）によって生成された機械的パワーの少なくとも一部を電気パワーに変換するための発電機（１５３）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）の前記ブルギア（１７９Ａ）を回転式に駆動するための原動機をさらに備え、前記原動機は好ましくは、電気モータ（１９６）を備え、前記原動機には、好ましくは、前記ブルギア（１７９Ａ）と同軸の駆動シャフトが設けられる、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）が、前記ブルギア（１７９Ａ）と駆動式に連結され、それにより、前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）によって生成された機械的パワーの少なくとも一部は、前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）の前記ブルギア（１７９Ａ）を回転式に駆動する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）が、高圧蒸気タービンおよび低圧蒸気タービンを備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）が、ピニオンがその上に装着された少なくとも１つのタービンシャフト（１５１）を備え、前記ピニオンは、前記ブルギア（１７９Ａ）と噛み合う、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）が、前記ブルギア（１７９Ａ）と同軸のタービンシャフト（１５１）を備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記タービンシャフト（１５１）と前記ブルギア（１７９Ａ）の間に配置された、選択的に、前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）を前記ブルギア（１７９Ａ）に連結する、または前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）を前記ブルギア（１７９Ａ）から連結解除するためのクラッチ（１８４）をさらに備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）が、前記発電機（１５３）に駆動式に連結された主要タービンと、前記ブルギア（１７９Ａ）に駆動式に連結された補助タービンとを備え、前記蒸気源は、前記主要タービンと連結可能である、少なくとも請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
前記蒸気源が、蒸気を生成するために液体にソーラー熱を伝えるように構成され配置されたソーラーコレクタを備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
集光型ソーラー発電装置（１０１）であって、
ソーラーエネルギーを収集するためのソーラーフィールド（１０３）と、
蒸気タービンシステムであって、前記蒸気タービンシステム内を循環する作用流体を加熱することによって発生した過熱された蒸気を受け取る蒸気タービン設備（３２７、３２９）を備える、蒸気タービンシステムと、
ソーラー熱エネルギーを前記ソーラーフィールド（１０３）から前記蒸気タービンシステムに伝えるように構成された伝熱システムと、
前記ソーラーフィールド（１０３）からの前記ソーラー熱エネルギーが不十分であるときにパワーを前記作用流体に付加して前記十分な過熱蒸気を発生させるように構成された、ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）とを備える、集光型ソーラー発電装置（１０１）。
【請求項１２】
前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）が、電気モータ（１９６）によって駆動される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）が、前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）から圧縮された蒸気を受け取るように配置された、前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）によって駆動される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）が、前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）から圧縮された蒸気を受け取るように配置された、補助蒸気タービンによって駆動される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
高圧蒸気蓄積装置を備え、前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）が、前記高圧蒸気蓄積装置または前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）と選択的に流体連結するように構成される、請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
熱から有用なパワーを生成するための方法であって：
作用流体を閉回路（１４１）内で循環させるステップと；
前記作用流体を加熱して圧縮された蒸気を発生させるステップと；
ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）を用いて前記蒸気を過熱するステップと；
前記過熱された蒸気を蒸気タービン設備（３２７、３２９）内で膨張させ、それと共に有用なパワーを生成するステップとを含む、方法。
【請求項１７】
前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）（１７９、３００）を前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）によって駆動するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）を電気モータ（１９６）によって駆動するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
集光型ソーラー発電装置（１０１）を作動させる方法であって：
ソーラーフィールド（１０３）によってソーラー熱エネルギーを収集するステップと；
作用流体を前記ソーラー熱エネルギーによって加熱することによって過熱蒸気を発生させるステップと；
前記過熱蒸気を蒸気タービン設備（３２７、３２９）内で膨張させ、それと共に機械的パワーを発生させるステップと；
前記ソーラー熱エネルギーが十分な過熱蒸気を生成するのに不十分であるとき、前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）に送出された蒸気を過熱するためにギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）によって送出された補強エネルギーによって、前記ソーラー熱エネルギーを補強するステップとを含む、方法。
【請求項２０】
前記蒸気タービン設備（３２７、３２９）によって前記ギア一体型蒸気圧縮機設備（３００）を駆動するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題の実施形態は、一般に、発電装置およびシステムに関する。一部の実施形態は、集光型ソーラー熱発電装置およびその作動のためのシステムに関する。他の実施形態は、熱エネルギーを有用な機械的または電気的エネルギーに変換するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のソーラー熱発電技術は、一般に、太陽からエネルギーを集め、それにより、効率的な発電に必要とされる高い圧力および温度を得ることができる。さまざまな種類のコレクタが、当技術分野で知られている。これらは、通常、いわゆるソーラーフィールドを形成するように組み合わせられ、この中で複数のコレクタは、ソーラーエネルギーを熱収集回路内に集光し、この回路内では伝熱流体または伝熱媒体が循環し、前記媒体は、収集された熱エネルギーを熱力学サイクル内に伝える。
【０００３】
たとえば、収集されたソーラー熱エネルギーは、機械的パワーを発生させるためにランキンサイクル内で使用することができ、この機械的パワーは、任意選択で、発電機によって電気パワーに変換され得る。
【０００４】
熱力学サイクルの効率性は、入手可能なソーラー熱エネルギー、特に熱力学的サイクル内で達成できる圧力および温度の状態によって左右される。
【０００５】
ソーラーフィールドによって収集され得るパワーは、気象状態および日中の太陽の位置からによって大幅に左右される。従来技術の一部の実施形態では、熱収集および貯蔵手段が、１日の中心部分の間に入手可能な余分の熱エネルギーを貯蔵するために使用され、これは、ソーラーエネルギーがあまり入手できない期間中に熱力学的サイクルの全体的な効率を改良するために使用され得る。それにもかかわらず、ソーラー熱発電装置は、たとえば、夜間ならびに日の出および日の入り中、ソーラーパワーの供給が不十分である、またはソーラーパワーが不足するために１日のうち数時間止めなければならない。
【０００６】
図１は、現在技術の集光型ソーラー熱発電装置１を示す。熱エネルギーは、３で概略的に示すソーラーフィールドによって収集される。ソーラーフィールド３は、管５Ａ上にソーラーエネルギーを集める、たとえばパラボラトラフの形態の複数のソーラー集光器５からなることができ、管５Ａは、トラフの焦点内に配置され、熱伝導材料から作製され、その中に伝熱媒体が流れる。トラフ５の個々の列から熱エネルギーを収集する管５Ａは、ダクト７内で合流する。ダクト７内を流れる伝熱媒体は、熱エネルギーをシステムに送出し、ここで熱エネルギーは、たとえば、蒸気タービンによるランキンサイクルなどの熱力学的サイクルを介して、機械的パワーに変換される。
【０００７】
順々に配置された複数の熱交換機９、１１、１３、１５は、熱エネルギーを伝熱媒体から熱力学的サイクルの作用流体に伝えるために使用される。熱交換機９は、過熱器であり、ここで閉回路１７内を循環する作用流体は、過熱される。熱交換機１１は、水蒸気発生器であり、ここで作用流体は、液体相から飽和蒸気相に転換される。作用流体が水である場合、蒸気は水の蒸気、すなわち水蒸気である。熱交換機１３は、ソーラー予熱器の一部を形成し、ここで作用流体は、水蒸気または蒸気に転換される前に液体相において予熱される。
【０００８】
熱交換機１５は、ソーラー再熱器の一部を形成し、これは、水蒸気または蒸気を再加熱するために使用され、この水蒸気または蒸気は、連続的に配置された高圧の水蒸気または蒸気タービン１９および低圧の水蒸気または蒸気タービン２１内で実行される第１の膨張ステップと第２の膨張ステップの間、閉回路１７内を循環する。再熱器に入る伝熱媒体は、過熱器９に入る伝熱媒体と同じ温度であり、ダクト７と再熱器１５の間の連結は、バイパスライン７Ａを介するものである。
【０００９】
戻りダクト２３は、熱交換機からの伝熱媒体または伝熱流体をソーラーフィールドの方に戻す。膨張容器２４が、戻りダクト２３の上流側に設けられる。
【００１０】
バイパスライン２５が設けられ、これを介して、一部または全体の伝熱媒体の流れは、ソーラーフィールド３によって収集された熱エネルギーが、回路１７によって必要とされる熱エネルギーより高いとき、および／または熱力学的サイクルがどのような理由があれ停止されるときに迂回され得る。バイパスライン２５を通って流れる伝熱媒体に含まれる熱は、熱交換機２７内で、熱貯蔵媒体、たとえば高温塩貯蔵タンク２９内で収集された塩に伝えられ得る。ソーラーフィールド３によって収集された熱エネルギーが、回路１７において熱力学的サイクルを稼動させるのに不十分であるとき、補強熱を、貯蔵タンク２９内に貯蔵された高温塩によって、この高温塩を熱交換機２７を介して貯蔵タンク２９から低温塩貯蔵タンク３１まで圧送することによって提供することができ、熱交換機２７において、熱エネルギーは、間接的熱交換によって熱貯蔵塩からバイパスライン２５内を循環する伝熱媒体に伝えられる。
【００１１】
回路１７内を循環する作用流体は、通常、いわゆるランキンサイクルを実行し、通常は水である。一部の実施形態では、ランキンサイクルは、有機流体、たとえばシクロペンタンを使用する有機ランキンサイクルになることができる。
【００１２】
過熱器９によって送出された作用流体は、過熱されたガス状状態にあり、最初、高圧タービン１９内で膨張され、その後低圧タービン２１内でさらに膨張される。第１の膨張と第２の膨張の間で、作用流体は、ソーラー再熱器１５を含む、回路３３内で作用流体を循環させることによって再加熱され得る。２つのタービン２１および１９は、発電機２２を駆動するために使用可能であり、発電機２２は、さらに、電気パワーを、Ｇで概略的に示す送電網に送出することができる。
【００１３】
低圧タービン２１からの、使用され、任意選択で部分的に凝縮された水蒸気または蒸気は、凝縮器３５内で凝縮され、場合によっては低圧予熱器３７内で、たとえば、低圧タービン２１の中間段から流れ出る、部分的に膨張された蒸気または水蒸気の側方流との熱交換によって予熱される。循環ポンプ３９は、作用流体を脱気器４１まで圧送する。供給水ポンプ４０は、脱気器４１からの作用流体をソーラー予熱器１３、水蒸気発生器１１、過熱器９を通して圧送する。
【００１４】
図２は、ギアボックス２０を介して互いに連結された高圧水蒸気タービン１９および低圧水蒸気タービン２１を備えた一般的な水蒸気タービン設備を示す。参照番号１５は、ここでも再熱器を示す。ソーラーフィールドが最小の負荷状態において熱力学的サイクルを稼動させるのに十分なエネルギーをもたらさない場合、熱力学的サイクルは、停止されなければならない。
【００１５】
入手可能なソーラーエネルギーが最小閾値を下回り、水蒸気を過熱するのに不十分であるときに、現在技術の集光型ソーラー発電装置の効率性を改良する必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開昭５７−２１２３０８号公報
【発明の概要】
【００１７】
一部の実施形態によれば、パワー生成システムであって、ブルギアと、前記ブルギアと噛み合うピニオンを備えた圧縮機シャフトとからなる、少なくとも１つのギア一体型圧縮機設備を備える、パワー生成システムが提供される。蒸気源は、蒸気をギア一体型圧縮機設備に提供するように、一体型ギア付き圧縮機設備の入口に流動的に連結可能である。蒸気タービン設備は、ギア一体型圧縮機設備からの圧縮され過熱された蒸気のストリームを受け取るように構成される。蒸気タービン設備は、蒸気内に含まれたエネルギーの少なくとも一部を、機械的エネルギーの形の有用なエネルギーに変換する。一部の実施形態では、蒸気タービン設備によって駆動される発電機は、さらに、蒸気タービン設備によって生成された機械的パワーの少なくとも一部を電気パワーに変換することができる。一部の実施形態では、発電機は、ギア一体型圧縮機設備のブルギアと同軸になることができ、それによって駆動され得る。他の実施形態では、発電機は、蒸気タービン設備と同軸になることができ、それによって駆動され得る。
【００１８】
主要ドライバまたは原動機が、ギア一体型圧縮機設備のブルギアを回転させるために設けられ得る。一部の実施形態では、原動機は、電気モータになることができる。
【００１９】
一部の実施形態では、ブルギアを駆動する原動機は、ブルギアと同軸になることができる。たとえば、電気モータには、たとえばクラッチを介してブルギアのシャフトと連結可能な駆動シャフトが設けられ得る。
【００２０】
他の実施形態では、原動機は、たとえば上記で述べた蒸気タービン設備である、蒸気タービンになることができる。たとえば、蒸気タービン設備は、ブルギアと駆動式に連結可能であり、それにより、蒸気タービン設備によって生成された機械的パワーは、前記ギア一体型圧縮機設備のブルギアを回転式に駆動する。
【００２１】
蒸気タービン設備は、１つまたは複数のタービンまたはタービン段を備えることができる。一部の実施形態では、蒸気タービン設備は、高圧蒸気タービンおよび低圧蒸気タービンを備えることができる。蒸気再加熱が、高圧蒸気タービンと低圧蒸気タービンの間にもたらされ得る。
【００２２】
蒸気タービン設備は、ギア一体型圧縮機設備から機械的に連結解除することができ、これは、それらの間に駆動連結が提供されないことを意味する。他の実施形態では、蒸気タービン設備は、ギア一体型圧縮機設備と駆動式に連結されたタービンシャフトからなる、少なくとも１つの蒸気タービン、または少なくとも１つの蒸気タービン段を備えることができる。たとえば、タービンシャフトは、ギア一体型圧縮機設備のブルギアと駆動式に連結され得る。一部の実施形態では、タービンシャフトは、その上に装着されたピニオンからなり、ピニオンは、ギア一体型圧縮機設備のブルギアと噛み合う。タービンシャフトの回転速度は、ブルギアの回転速度とは異なり得る。他の実施形態では、蒸気タービン設備は、タービンシャフトであって、ブルギアと同軸であり、たとえば、選択的に、蒸気タービンをブルギアに連結させる、または蒸気タービンをブルギアから連結解除するためのクラッチを介してブルギアと駆動式に連結される、タービンシャフトを備える。一部の実施形態では、タービンシャフトとブルギアの間にはギアボックスを設けることもでき、それにより、この場合もまた、蒸気タービンの回転速度は、ブルギアの回転速度とは異なり得る。
【００２３】
蒸気タービン設備は、たとえば、発電機に駆動式に連結された主要タービンと、ギア一体型圧縮機のブルギアに駆動式に連結された補助タービンとを含むことができる。一部の実施形態では、蒸気源は、たとえば蒸気状態に応じて、ギア一体型圧縮機設備と、または主要タービンと交互に選択的に連結され得る。
【００２４】
本明細書において説明するようなシステムは、たとえば、蒸気を生成するために液体にソーラー熱を伝えるように構成され配置されたソーラーコレクタによって収集されたソーラーエネルギーから、機械的および／または電気的なパワーを生成するために使用され得る。この場合、蒸気源は、たとえば、集光型ソーラー発電装置のソーラーフィールドによって収集された、ソーラーエネルギーによって動力供給される。
【００２５】
他の実施形態によれば、さまざまな熱源が、蒸気を生成するために使用され得る。工業プラント内の任意の排熱源が、たとえば、蒸気をもたらすために有用に利用され得る。一部の実施形態では、蒸気源は、たとえばディーゼルエンジンの往復エンジンなどの内燃機関またはガスタービンの排気燃焼ガスからの熱によって、動力供給される蒸気発生器である。
【００２６】
別の態様によれば、本開示は、集光型ソーラー発電装置であって、ソーラーエネルギーを収集するためのソーラーフィールドと、蒸気タービンシステムであって、蒸気タービンシステム内を循環する作用流体を加熱することによって発生した過熱蒸気を受け取る蒸気タービン設備を備える、蒸気タービンシステムと、前記ソーラーフィールドからのソーラー熱エネルギーを前記蒸気タービンシステムに伝えるように構成された伝熱システムとを備える、集光型ソーラー発電装置に関する。システムは、さらに、ソーラーフィールドからのソーラー熱エネルギーが、十分な過熱蒸気を発生させるのに不十分であるとき、蒸気を過熱するように構成されたギア一体型圧縮機設備を備えることができる。
【００２７】
ギア一体型圧縮機設備は、電気モータによっておよび／または前記ギア一体型圧縮機設備から圧縮された蒸気を受け取るように配置された、蒸気タービン設備によって駆動され得る。たとえば、発電機を駆動するための主要タービン設備を設けることができ、また、ギア一体型圧縮機設備から圧縮された蒸気を受け取るように配置された、補助蒸気タービンを設けることができる。
【００２８】
通常、任意の流体の蒸気、たとえば有機流体を使用することができる。一部の実施形態では、流体は水であり、蒸気は水蒸気である。
【００２９】
蒸気タービンシステムは、ランキンサイクルシステムを備えることができる。
【００３０】
一部の実施形態では、ソーラー装置は、ソーラーフィールドから熱エネルギーを受け取る伝熱媒体回路と、別個の作用流体回路であって、作用流体が循環され、たとえばランキンサイクルによる周期的な熱力学的転換を受ける、作用流体回路とを備えることができる。熱交換機設備が、伝熱媒体回路内を循環する伝熱媒体からの熱エネルギーを作用流体に伝えるために設けられ、構成され、配置され得る。他の実施形態では、熱は、蒸気タービンによって処理された作用流体によって直接的にソーラーフィールド内で収集される。
【００３１】
熱交換機設備は、蒸気発生器および過熱器などの１つまたは複数の熱交換機を備えることができる。
【００３２】
作用流体回路は、第２の回路であって、たとえばソーラーフィールドが蒸気を過熱するのに十分なソーラーエネルギーを提供しない場合、熱交換機設備からの作用流体を、ギア一体型圧縮機設備を通し、そこから前記蒸気タービン設備に選択的に迂回させるように構成され配置された第２の回路を備えることができる。
【００３３】
さらに別の実施形態によれば、本開示は、熱から有用なパワーを生成するための方法であって：作用流体を閉回路内で循環させるステップと；前記作用流体を加熱して圧縮された蒸気を発生させるステップと；ギア一体型圧縮機設備を用いて前記蒸気を過熱するステップと；前記過熱された蒸気を蒸気タービン設備内で膨張させ、それと共に有用なパワーを生成するステップとを含む、方法に関する。
【００３４】
別の態様によれば、本開示は、集光型ソーラー発電装置を作動させる方法であって：ソーラーフィールドによってソーラー熱エネルギーを収集するステップと；作用流体を前記ソーラー熱エネルギーによって加熱することによって過熱蒸気を発生させるステップと；前記過熱蒸気を蒸気タービン設備内で膨張させ、それと共に機械的パワーを発生させるステップと；前記ソーラー熱エネルギーが十分な過熱蒸気を生成するのに不十分であるとき、前記蒸気タービン設備に送出された蒸気を過熱するためにギア一体型圧縮機設備によって送出された補強エネルギーによって、前記ソーラー熱エネルギーを補強するステップとを含む、方法に関する。
【００３５】
一部の実施形態によれば、本明細書において開示する方法は、さらに、以下のステップ：
前記ソーラーフィールドからのソーラー熱エネルギーを第２の回路に伝えるために第１の回路内で伝熱媒体を循環させるステップと、
作用流体を前記第２の回路内で循環させるステップであって、前記作用流体は、熱力学的サイクルを実行して前記蒸気タービン設備内で前記ソーラー熱エネルギーの少なくとも一部を機械的エネルギーに変換する、ステップと；
ソーラー熱エネルギーが十分な過熱蒸気を発生させるのに不十分であるとき、前記作用流体にエネルギーを補強するために前記ギア一体型圧縮機設備内で前記作用流体を処理するステップとを含む。
【００３６】
以下の参照は、水および水蒸気、すなわち水の蒸気を使用するシステムに対してなされる。しかし、本開示は、より全般的には、任意の適切な作用流体を使用することができるシステムを参照する。たとえば、本開示のシステムおよび方法は、有機作用流体を使用する有機ランキンサイクルに基づくことができる。適切な作用流体は、ペンタン、サイクロペンタン、または適切な特性を有する他の炭化水素になることができる。
【００３７】
特徴および実施形態が、以下において開示され、さらに、本説明の不可欠の部分を形成する付属の特許請求の範囲においても記載される。上記の簡単な説明は、後続の詳細な説明がより良好に理解され得るように、また、当技術分野に対する本発明の貢献がより良好に理解され得るように、本発明のさまざまな実施形態の特徴を記載する。当然ながら、これ以後説明され、付属の特許請求の範囲において記載される、本発明の他の特徴が存在する。この点に関して、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明のさまざまな実施形態が、その適用において、以下の説明において記載される、または図において示される構成要素の構造および配置の詳細に限定されるものではないことが、理解される。本発明は、他の実施形態を可能にすることができ、また、さまざまな方法で実践および実施することができる。また、本明細書において使用する表現および用語は、説明のためのものであり、限定的としてみなされてはならないことを理解されたい。
【００３８】
したがって、当業者は、本開示が基づく概念が、本発明のいくつかの目的を実施するために他の構造、方法および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用され得ることを理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、そのような等価の構造を、これらが本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り含むものとしてみなされ得ることが重要である。
【００３９】
本発明の開示された実施形態およびその付随する利点の多くのより完全な理解は、添付の図を併用して考慮されたとき、以下の詳細な説明を参照してより良好に理解されるため、容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】現在技術による集光型ソーラー発電装置の図である。
【図２】過熱水蒸気によって作用する高圧水蒸気タービンを備えた集光型ソーラー発電装置の代表的な再加熱水蒸気タービン設備を示す図である。
【図３】本開示による集光型ソーラー発電装置の第１の実施形態を示す図である。
【図３Ａ】本開示による集光型ソーラー発電装置のソーラー集光器設備の実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】本開示による集光型ソーラー発電装置のソーラー集光器設備の実施形態を示す図である。
【図４】本開示の改変されたランキンサイクルを使用する集光型ソーラー発電装置のための圧力−エンタルピ図である。
【図５】簡易化された構成の、本開示による改変されたランキンサイクルのための温度−エントルピ図である。
【図６】再加熱サイクルを示す、図５の図に類似する図である。
【図７】本開示による集光型ソーラー発電装置の別の実施形態の図である。
【図８】本開示による集光型ソーラー発電装置のさらに別の実施形態の図である。
【図９】本開示による発電装置の別の実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図を参照する。さまざまな図における同じ参照番号は、同じまたは類似の要素を特定する。さらに、図は、必ずしも原寸通りに描かれていない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定しない。その代わり、本発明の範囲は、付属の特許請求の範囲によって定義される。
【００４２】
本明細書を通じて「１つの実施形態」または「一実施形態」または「一部の実施形態」に対する参照は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態内に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通じてさまざまな場所における語句「１つの実施形態」または「一実施形態」または「一部の実施形態」の出現は、必ずしも同じ実施形態（複数可）を指しているものではない。
【００４３】
さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされてよい。
【００４４】
一部の実施形態の以下の詳細な説明において、装置は、水および水蒸気を作用流体として使用するランキンサイクルに基づく熱力学的サイクルを使用する。しかし、上記で指摘したように、他の実施形態では、さまざまな作用流体が使用され得る。作動方法は、水蒸気の代わりに、そのような異なる作用流体の蒸気を発生させ処理することを除いて、ほぼ同じである。
【００４５】
図３を参照すれば、本開示による集光型ソーラー発電装置１０１の主要構成要素が、説明される。集光型ソーラー発電装置１０１は、ソーラーフィールド１０３を含む。ソーラーフィールド１０３は、複数のソーラー集光器１０５を備える。図３の概略図では、複数のトラフ集光器１０５を備えるソーラーフィールド１０３が、概略的に表される。集光器は、ソーラーエネルギーを、パラボラトラフ１０５の焦点に配置された複数の管１０７上に集める。図３Ａは、例として、パラボラ鏡１０５Ａを含む１つのそのようなソーラー集光器１０５を示し、その焦点内には、管１０７が配置される。管１０７を流れる伝熱流体は、したがって、トラフ１０５Ａによって収集されたソーラーエネルギーによって加熱される。
【００４６】
当業者に知られている方法において、ソーラーフィールド１０３は、通常、列に配置された多数のソーラー集光器１０５を備え、各々の列には１つの管１０７が設けられ、管１０７を流れる伝熱媒体内の熱エネルギーを収集する。トラフ１０５Ａは、最大放射エネルギーを収集するために日中太陽を追跡するように制御される。
【００４７】
他の実施形態では、ソーラーフィールド１０３は、異なって設計され得る。図３Ｂは、例として、複数の平坦な鏡１０６を備えるソーラーフィールド１０３を示し、平坦な鏡１０６は、ソーラーエネルギーを、タワー１１０の上部の領域１０８内に集めるように配置される。領域１０８内には、熱交換機が設けられ、そこを通って伝熱媒体が、鏡１０６によって集められたソーラーエネルギーによって加熱されるために循環する。鏡１０６は、領域１０８上に集光されるソーラーエネルギーを最大限にするために太陽を追跡するようにモータ制御される。
【００４８】
一部の実施形態では、図３に示すように、ソーラーフィールド１０３を通って循環する伝熱媒体によって収集された熱は、別個の回路に伝えられ、ここでは第２の流体が循環し、熱力学的サイクルを実行する。ソーラー熱は、したがって、伝熱流体がいかなる熱力学的転換も受けずに循環する第１の回路から、異なる流体が、熱力学的転換を受けて熱エネルギーを有用な機械的および／または電気エネルギーに変換する第２の回路まで伝えられる。単一の流体が循環し、ソーラーフィールドから熱を収集し、加圧蒸気に転換され、膨張装置またはタービン内で膨張し、凝縮器内で凝縮し、液体相でソーラーフィールドまで圧送して戻される、１つの同じ閉回路を使用する可能性は、排除されない。
【００４９】
図３では、管１０７は、送出ダクト１０９内に収集され、送出ダクト１０９は、ソーラーフィールド１０３からの加熱された伝熱媒体を熱交換器装置を通して送出する。一部の実施形態では、熱交換機設備は、ソーラー過熱器１１１、水蒸気（すなわち水の蒸気）発生器または蒸発器１１３、ソーラー予熱器１１５と称される一連の熱交換機を備える。図示しない他の実施形態では、上記で述べた熱交換機の２つまたはそれ以上が、単一の熱交換設備またはユニットに組み合わせられ得る。
【００５０】
一部の実施形態によれば、ソーラー再熱器１１７がさらに設けられ、ここを通って、バイパスライン１０４内を流れる伝熱媒体の一部が、送出される。ライン１０４内を流れる伝熱媒体は、ソーラー過熱器１１１、水蒸気発生器１１３およびソーラー予熱器１１５を迂回する。他の実施形態では、再熱器は設けられない。
【００５１】
直列に配置された熱交換機１１１〜１１５内では、伝熱媒体は、熱エネルギーを漸進的に低い温度で閉回路１４１内を循環する作用流体に伝え、これ以後説明される閉回路１４１内では、作用流体は、熱力学的サイクル、たとえばランキンサイクルを実行して、熱エネルギーまたは熱を機械的エネルギーに変換し、最終的には電気エネルギーに変換する。
【００５２】
熱交換機を通過した後、冷却された伝熱媒体は、膨張容器１１９内に収集され、ポンプ１２３によって戻りダクト１２１に沿って圧送されてソーラーフィールド１０３に再度戻される。
【００５３】
一部の実施形態では、中間の熱エネルギー貯蔵設備１２５が、ソーラーフィールド１０３から入手可能な余分の熱エネルギーを貯蔵するために設けられ得る。
【００５４】
一部の実施形態では、熱エネルギー貯蔵設備１２５は、バイパスライン１２７を含むことができ、バイパスライン１２７は、高温伝熱媒体を送出ダクト１０９から受け取り、これを熱交換機１２９を通して送出し、この中で熱エネルギーは、低温タンク１３３から高温タンク１３１に流れる熱貯蔵媒体に伝えられる。高温タンク１３１内に貯蔵された熱エネルギーは、必要とされるとき、たとえばソーラーフィールド１０３によって収集されたソーラーエネルギーが少ないときに、熱交換機１２９によって高温伝熱媒体に戻される。
【００５５】
したがって、伝熱媒体は、ソーラーフィールド１０３を含む閉ループまたは回路、すなわちソーラー過熱器１１１と、水蒸気発生器１１３と、ソーラー予熱器１１５と、ソーラー再熱器１１７と、送出ダクト１０９と、戻りダクト１２１とを含む熱交換機設備の高温側内を循環する。
【００５６】
ソーラーフィールド１０３によって収集された熱エネルギーは、伝熱媒体によって、熱交換機１１１〜１１７を通して第２の閉回路１４１に伝えられ、この中で、第２の閉回路１４１内を循環する作用流体は、熱力学的サイクルを実行し、熱エネルギーを機械的パワーに変換する。
【００５７】
閉回路１４１は、ソーラー過熱器１１１、水蒸気発生器１１３、ソーラー予熱器１１５、およびソーラー再熱器１１７の低温側を含む。
【００５８】
ソーラー過熱器１１１によって送出された過熱水蒸気は、ダクト１４３を通って水蒸気タービン設備１４５に向かって流れる。
【００５９】
一部の実施形態では、水蒸気タービン設備１４５は、第１の、高圧水蒸気タービン１４７と、第２の低圧水蒸気タービン１４９とを備え、これらの水蒸気タービンは、順々に配置され、高圧ロータおよび低圧ロータそれぞれを含む。
【００６０】
高圧水蒸気タービン１４７の高圧ロータおよび低圧水蒸気タービン１４９の低圧ロータは、共通のタービンシャフト１５１上に装着され得る。
【００６１】
タービンシャフト１５１は、発電機１５３にリンクさせることができ、発電機１５３は、タービンシャフト１５１上で入手可能な機械的パワーを電気パワーに変換し、この電気パワーは、送電網Ｇに送出され得る。
【００６２】
一部の実施形態では、低圧タービン１４９および高圧水蒸気タービン１４７は、図２に例として示すように異なる回転速度で回転することができる。この場合、ギアボックスまたは別の速度操作デバイスが、通常、高圧ロータシャフトと低圧ロータシャフトの間に配置される。２つのロータおよびその間に配置されたギアボックスによって形成されたシャフト線は、次いで、一方の端部において発電機１５３に連結される。
【００６３】
一部の実施形態では、水蒸気は、高圧水蒸気タービン１４７内で部分的に膨張され、その後、ダクト１５５を通してソーラー再熱器１１７に送出される。ソーラー再熱器１１７内では、部分的に膨張された蒸気は、再加熱され、再加熱された蒸気は、ダクト１５７を通して低圧水蒸気タービン１４９の入口に送出される。
【００６４】
水蒸気タービン設備１４５を退出した使用された蒸気は、凝縮器１５９内で凝縮され、最終的には、脱気器１６１を通してソーラー予熱器１１５まで送出される。
【００６５】
一部の実施形態では、低圧予熱器１６０が、凝縮された作用流体の流路に沿って凝縮器１５９と脱気器１６１の間に配置され得る。低圧予熱器１６０内では、低圧の凝縮された作用流体は、低圧水蒸気タービン１４９の中間段から流れ出る水蒸気の側方ストリームに対して熱交換を行って予熱される。
【００６６】
ポンプ１６３は、脱気器１６１内に収集された水または凝縮された作用流体の圧力を所要の上側圧力まで上げ、加圧された作用流体を液相でソーラー予熱器１１５を通して送出する。ソーラー予熱器１１５から、依然として液相の加熱された作用流体は、水蒸気発生器１１３を通して送出され、水蒸気発生器１１３でこれは、蒸発され、飽和水蒸気に変換される。飽和水蒸気は、最終的には、ソーラー過熱器１１１内で過熱される。
【００６７】
作用流体が熱力学的サイクルを実行するためにそこを通って流れる、配管および熱交換機を伴う水蒸気タービン設備１４５と、脱気器１６１と、凝縮器１５９とを含む水蒸気タービンシステムは、さらに、二次回路１７１を備える。作用流体は、ソーラーフィールド１０３から入手可能な熱エネルギーが、ソーラー過熱器１１１の出口において作用流体の適切な過熱状態を達成するのに不十分であるとき、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９によって過熱されるために、二次回路１７１内に迂回され得る。
【００６８】
一部の実施形態では、二次回路１７１は、ソーラー過熱器１１１から水蒸気タービン設備１４５に至るダクト１４３と流体連通する迂回ライン１７３を備える。迂回ライン１７３は、水／水蒸気セパレータ１７５とも流体連通することができる。水／水蒸気セパレータ１７５の蒸気出口は、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の入口に連結され得る。
【００６９】
水／水蒸気セパレータ１７５からの飽和水蒸気または部分的に過熱された水蒸気は、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の吸引側に送出される。ギア一体型水蒸気圧縮機１７９は、飽和された水蒸気を、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の出口において、水蒸気が水蒸気タービン設備１４５内の膨張に適した過熱された状態にあることを確実するのに十分な高さの圧力まで圧縮する。ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の送出側は、ライン１８１Ａを通して低圧水蒸気タービン１４９の入口と、またはライン１８１Ｂを通して高圧水蒸気タービン１４７の入口と流体連通させることができる。弁１８９Ａ、１８９Ｂが、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９を２つの水蒸気タービン１４７、１４９の一方または他方と選択的に連結するためにライン１８１Ａおよび１８１Ｂ上に配置され得る。他の実施形態では、ライン１８１Ａおよび弁１８９Ａのみが、設けられ得る。
【００７０】
一部の実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９は、電気モータ１９６によって回転式に駆動され得るブルギアまたは中央ギア１７９Ａを備える。電気モータ１９６は、図３に概略的に示すような送電網Ｇによって、または発電機１５３によって直接的にパワー供給され得る。
【００７１】
一部の実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９は、複数の段を備えることができる。図３の概略図では、第１の段１７９Ｄおよび第２の段１７９Ｅのみが示されるが、より多い数の段を設けることができることが理解されるものとする。
【００７２】
２つの段１７９Ｄ、１７９Ｅのロータは、共通シャフト１７９Ｃ上でキー連結可能であり、共通シャフト１７９Ｃは、ブルギア１７９Ａおよびシャフト１７９Ｃ上でキー連結されたピニオン１７９Ｂを介してモータ１９６によって回転式に駆動される。
【００７３】
図示しない他の実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９は、別個の圧縮機段の別個のシャフトを備えることができる。各々のシャフトには、ブルギア１７９Ａと噛み合うそれ専用のピニオンを設けることができ、それにより、各々の圧縮機段は、異なる速度で回転することができる。
【００７４】
さらに別の実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９は、ブルギア１７９Ａによって駆動される、２つ以上のシャフトを備えることができる。２つの圧縮機段の２つのロータは、１つの、いくつかの、またはすべてのシャフト上に装着され得る。
【００７５】
１つの、いくつかの、またはすべての圧縮機段には、最適な流体流れ制御のための可変の入口案内羽根を設けて、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の作動を作動状態、たとえば入手可能な水蒸気流量に適合させることができる。
【００７６】
以下でより詳細に説明されるように、二次回路１７１は、ソーラーフィールド１０３の作動状態に応じて、選択的に、主要水蒸気回路に連結する、またはそこから分離することができる。
【００７７】
ダクト１４３に沿って、第１の弁１８３が配置可能であり、第１の弁１８３は、熱力学的サイクルの作動モードに応じて交互に開かれまたは閉じられる。第２の弁１８５を迂回ライン１７３に沿って設けることができ、第３の弁１８７を水／水蒸気セパレータ１７５の出口と、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の吸引側との間に配置することができる。別の弁１８９Ａおよび１８９Ｂは、上記で述べたように、ライン１８１Ａおよび１８１Ｂに沿って、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の送出側と、低圧水蒸気タービン１４９および高圧水蒸気タービン１４７の入口との間にそれぞれ配置され得る。
【００７８】
バイパス１９１が、ダクト１５５と、低圧水蒸気タービン１４９の排出側との間に設けられ得る。弁１９３が、バイパスライン１９１上に設けられ得る。これ以後より詳細に説明するように、特定の作動状態下では、高圧タービン１４７は迂回され、低圧水蒸気タービン１４９のみが作動している。この場合、高圧水蒸気タービン１４７の内部は、真空状態下に置かれなければならない。これは、弁１９３を開き、作動していない高圧タービン１４７を凝縮器１５９にバイパスライン１９１を介して連結することによって得られる。
【００７９】
図３を参照してこれまで説明した集光型ソーラー発電装置１０１は、次の通りに作動する。
【００８０】
通常の作動状態下、十分なソーラーエネルギーがソーラーフィールド１０３によって収集されたとき、図３の集光型ソーラー発電装置は、現在技術の装置（図１）とほぼ同じ方法で作動する。熱エネルギーは、ダクト１０９、１０４、１２１内を流れる伝熱媒体によってソーラーフィールド１０３から引き出され、第２の閉回路１４１の水蒸気タービンシステム内を循環する作用流体に伝えられる。水蒸気タービンシステム内を循環する作用流体は、ソーラーフィールド１０３から受け取った熱パワーをタービンシャフト１５１上で入手可能な機械的パワーに変換するランキンサイクルを実行する。
【００８１】
二次回路１７１は、閉じられる。弁１８５、１８７、１８９Ａおよび１８９Ｂは閉じられ、その一方で弁１８３は開かれる。過熱水蒸気は、ダクト１４３に沿って流れて高圧水蒸気タービン１４７に入る。部分的に膨張された水蒸気は、再熱器１１７内で再加熱され、最終的に、低圧水蒸気タービン１４９内で膨張される。使用された水蒸気は、凝縮器１５９内で凝縮され、ソーラー予熱器１１５まで送出され、ここで水は加熱され、その後水蒸気発生器１１３内で水蒸気に転換され、ソーラー過熱器１１１内で再度過熱される。
【００８２】
ソーラーフィールド１０３から入手可能な熱パワーが、ソーラー過熱器１１１の出口において過熱された作用流体の適切な流れを発生させるのに不十分である場合、水蒸気タービンシステムは、変更された作動モードに切り替えられ、この中で作用流体は、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９を用いて過熱される。弁１８３は閉じられ、一方で弁１８５、１８７、および弁１８９Ａ、１８９Ｂの少なくとも１つが、開かれる。
【００８３】
飽和された水蒸気状態または不十分に過熱された状態にある作用流体は、水／水蒸気セパレータ１７５内の迂回ライン１７３を通して送出される。水が、水／水蒸気セパレータ１７５の底部から排水され、ソーラー予熱器１１５に流れて戻され、一方で飽和水蒸気は、弁１８７および送出ダクト１８７Ａを通してギア一体型水蒸気圧縮機１７９内に送出される。ギア一体型水蒸気圧縮機１７９は、水蒸気内のエネルギーを、その圧力を実質的に断熱圧縮プロセスにおいて増大させることによって導入する。水蒸気圧縮機１７９によって送出された水蒸気は、したがって、過熱された状態にあり、また、ソーラー過熱器１１１における出口圧力より高い圧力にある。通常、圧縮機送出圧力は、集光型ソーラー発電装置１０１が設計条件で作動しているとき、すなわち水蒸気がソーラーエネルギーを使用して過熱されるときにソーラー過熱器１１１によって送出された過熱水蒸気の圧力より低い。
【００８４】
過熱されかつ部分的に加圧された水蒸気は、１８９Ａを通して低圧水蒸気タービン１４９に送出され、高圧水蒸気タービン１４７を迂回する。ギア一体型水蒸気圧縮機１７９によって送出された加圧された水蒸気の圧力が、十分に高い場合、加圧された蒸気は、弁１８９Ｂを通して高圧水蒸気タービン１４７に送出され得る。
【００８５】
低圧水蒸気タービン１４９を通って（または代替的には高圧水蒸気タービン１４７および低圧水蒸気タービン１４９の両方を通って）流れることにより、水蒸気は膨張され、その中に含まれるエネルギーは、タービンシャフト１５１上で利用可能な機械的エネルギーに少なくとも部分的に変換される。低圧水蒸気タービン１４９を退出した使用された水蒸気は、凝縮器１５９内で凝縮され、これが再度液体相で、ソーラー予熱器１１５、水蒸気発生器１１３、およびソーラー過熱器１１１を通って送出されるまで、通常のさらなる転換を受ける。
【００８６】
これらの変更された作動状態下では、再熱器回路は作動不能になり得る。ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の送出側における水蒸気圧力に応じて、高圧水蒸気タービン１４７は作動しないこともある。弁１８３は、閉じられる。
【００８７】
図４は、図３の集光型ソーラー発電装置の３つの異なる作動状態を示す圧力／エンタルピ図を示す。
【００８８】
通常の設計条件において、回路１４１内の作用流体によって実行された熱力学的サイクルは、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥによって表される。例示的な実施形態では、サイクル内の低圧は、約０．０５バールになることができ、前記圧力は、凝縮器システム１５９によって達成され、凝縮液は、凝縮液ポンプによって低圧加熱器（複数可）１６０を通して脱気器内に圧送される。供給ポンプ１６３は、流体圧力を、脱気器１６１内の圧力からたとえば約１００バールの高サイクル圧力まで上げ、流体は、Ｃにおいて終了する水／水蒸気相変化を開始する前に点Ｂまで加熱され、前記点は、飽和ライン上に存在している。飽和水蒸気は、次いで、過熱されて点Ｄに到達し、点Ｄは、ソーラー過熱器１１１の出力における作用流体状態を表す。過熱水蒸気は、水蒸気タービン設備１４５内で点Ｄから点Ｅまで膨張される。図４の概略図では、水蒸気の再加熱は省略される。
【００８９】
最小限の負荷状態下では、ランキンサイクルは、曲線ＡＦＧＨによって定義される。高圧水蒸気タービンの作動に適した、過熱による、たとえば約１７．６バールの上側作用流体圧力は、約８バールの飽和水蒸気圧力から達成される。前記上側圧力値は、設計状態における圧力よりかなり低い。十分なソーラーエネルギーが、水蒸気を点Ｇから点Ｈに過熱するために入手可能であり、過熱水蒸気は、次いで、水蒸気タービン設備１４５内で膨張される。この場合もまた、再加熱は、図には表されない。
【００９０】
入手可能なソーラーエネルギーがさらに少ない場合、集光型ソーラー発電装置は、標準的なランキンサイクルを実行することはできない。装置は、したがって、変更された作動モードに切り替えられ、ここでは補強エネルギーが、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９によって作用流体に送出される。作用流体によって実行される熱力学的サイクルは、この場合、曲線ＡＩＪＨＥによって表される。サイクルは、通常サイクルの最小作動圧力、たとえば約８バ−ルの上側圧力より低くなり得る上側圧力で作動される。
【００９１】
曲線の点Ｉと点Ｊの間で、水は加熱され、ソーラーフィールド１０３から入手可能なソーラーエネルギーを使用して点Ｊにおいて飽和水蒸気に転換される。点Ｊは、ソーラー過熱器１１１の出口における飽和水蒸気の状態を表す。これらの状態下、過熱器１１１は、実際には、水蒸気発生交換機として作動し、その理由は、過熱器によって送出された水蒸気は、飽和されたまたはほぼ飽和された状態にあるためである。ΔＥＳは、ソーラーフィールド１０３によってもたらされたエネルギーである。飽和水蒸気は、次いで、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９を通して送出され、過熱状態において、たとえば約１７．６バールのより高い圧力にある点Ｈによって表される状態にもっていかれる。ΔＥＣは、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９によって供給されるエネルギーを表す。点Ｈから点Ｅまでのその後の水蒸気膨張は、機械的エネルギーをもたらす。ΔΕΤは、低圧水蒸気タービン１４９によって生成される有用な機械的エネルギーである。
【００９２】
図５は、温度エントルピ図上の同じ熱力学的サイクルを示す。この場合もまた、再加熱ステップは示されない。
【００９３】
図４および５の両方の図において、熱力学的サイクルは、再加熱がもたらされない簡易化された実施形態で表されている。同じ考慮事項は、再加熱式サイクルの場合に適用される。図６は、正常な作動状態が、高圧水蒸気タービン１４７内の膨張後に水蒸気の再加熱をもたらす状況における図５と同じ曲線を示す。この場合、正常な作動状態において、すなわちソーラーフィールド１０３が、ランキンサイクルにおいて水蒸気を過熱するのに十分なソーラーパワーを送出するとき、水蒸気は、点Ｄまで過熱され、高圧水蒸気タービン１４７内で点ＤＩまで膨張され、次いで、点Ｄ２に到達するように再熱器１１７内で再加熱される。ここから、再加熱された水蒸気は、低圧水蒸気タービン１４９内で、低サイクル圧力まで膨張され、凝縮される（点Ａ）。曲線Ａ、Ｉ、Ｊ、Ｈは、変更された作動状態における熱力学的サイクルを示し、ここでは過熱（曲線ＪＨ）は、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９によって実行される。
【００９４】
図４、５、および６において報告された圧力および温度値は、例示的なものとしてかつ限定しないものとして考慮される。
【００９５】
図３の例示的な実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９は、ソーラーエネルギーが、標準的なランキンサイクルでタービン設備を稼動させるのに不十分であるとき、飽和水蒸気を過熱するためのみに使用される。他の実施形態では、水蒸気圧縮機１７９はまた、さらなる機能のために使用され得る。図示しない一部の実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機は、過熱水蒸気の圧力を上げるために使用可能であり、この水蒸気は次いで、その後、位相段階中、たとえばソーラーフィールド１０３によって収集されたソーラーエネルギーが低下したときに使用するために過熱水蒸気貯蔵タンク内に貯蔵される。
【００９６】
図７は、本明細書において開示する主題を具現化する集光型ソーラー装置の別の実施形態を示す。図３にすでに示し、上記で説明した同じ要素、構成要素、および部分は、同じ参照番号で標識され、再度説明されない。
【００９７】
図７に示す実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９は、ブルギア２０１と、周囲に配置されたシャフト上に装着された１つまたは複数のピニオンとからなるギアボックス２００を備える。
【００９８】
一部の実施形態では、ブルギア２０１と噛み合う第１のピニオン２０３は、第１のシャフト２０５上に装着され、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の１つまたは複数の段を回転式に駆動させる。一部の例示的な実施形態では、低圧圧縮機段２０７および高圧圧縮機段２０９は、シャフト２０５の両側に配置され、それによって駆動される。先に説明した実施形態と同様に、各々の圧縮機段は、それぞれのシャフト上に吊り下げ配置で配置されたインペラを備える。可変の入口案内羽根が、圧縮機の１つ、いくつか、またはすべての段に対して設けられ得る。
【００９９】
２つの圧縮機段２０７および２０９は、順々に連結され、それにより、第１の圧縮機段２０７に入った水蒸気は、それによって圧縮され、第２の圧縮機段２０９の吸引側に送出される。
【０１００】
図示しない他の実施形態では、３つ以上の圧縮機段が設けられ、たとえば、複数のシャフトと、ブルギア２０１と噛み合う関連するピニオンとによって駆動されることが可能であり、それにより、各々のシャフトは、１つまたは２つの吊り下げられたインペラを支持する。
【０１０１】
別のピニオン２１１が、ブルギア２０１と噛み合うことができ、シャフト２１３上に装着される。シャフト２１３は、補助水蒸気タービン２１５の出力シャフトである。補助水蒸気タービン２１５によって発生したパワーは、ピニオン２１１を介してブルギア２０１を回転式に駆動し、それによってピニオン２０３およびシャフト２０５を介して、ならびに図示しない、圧縮機がそれからなることができる他の追加のシャフトおよび関連する圧縮機段（複数可）を介して圧縮機段２０７および２０９を回転式に駆動する。
【０１０２】
水−水蒸気セパレータ２７５の水蒸気出口は、ダクト２８７Ａおよび弁２８７を介して、低圧圧縮機段２０７または補助水蒸気タービン２１５に選択的に連結され得る。弁２１７および２１９は、ダクト２８７Ａを補助水蒸気タービン２１５および／または低圧圧縮機段２０７それぞれに選択的に連結するために提供される。
【０１０３】
高圧圧縮機段２０９の送出側は、補助水蒸気タービン２１５と、水蒸気タービン設備１４５の低圧水蒸気タービン１４９、または高圧タービン１４７と選択的に流動式に連結され得る。この目的のために、加圧された蒸気送出ダクト２２１が、弁２２３を介して補助水蒸気タービン２１５の入口またはその中間段と連結され得る。送出ダクト２２１は、さらに、弁１８９Ａおよび１８９Ｂそれぞれによってライン１８１Ａおよび１８１Ｂに連結されて、圧縮された蒸気を低圧水蒸気タービン１４９または高圧水蒸気タービン１４７それぞれに送出する。
【０１０４】
図７に示す装置は、十分なエネルギーが過熱水蒸気を発生させるためにソーラーフィールド１０３から入手可能であるとき、図３の装置とほぼ同じ方法で作動し、加熱された蒸気は、ダクト１４３を通して水蒸気タービン設備１４５に送出され、バイパス弁１８５は閉じられている。
【０１０５】
熱交換機設備１１１−１１５によって発生した水蒸気が、飽和されており、またはたとえば不十分な太陽放射によって部分的にしか過熱されていないとき、弁１９３は閉じられ、ライン１７３上に設けられた弁１８５は開かれ、それにより、部分的に過熱されたまたは飽和された水蒸気は、図３に関連してすでに開示したように、水／水蒸気セパレータ１７５に送出される。水が、水／水蒸気セパレータ１７５の底部から排水され、閉回路１４１の液体ブランチ内で再循環され、一方で飽和された水蒸気または湿潤水蒸気は、ライン１８７Ａおよび弁１８７を通して、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９に向かって、および補助水蒸気タービン２１５に送出される。
【０１０６】
作動状態に応じて、少なくとも一部の位相段階では、水／水蒸気セパレータ１７５からの飽和された水蒸気は、弁２１９を閉じた状態に維持して、補助水蒸気タービン２１５のみに送出することができる。水蒸気は、したがって、補助水蒸気タービン２１５を通して機械的パワーを発生させ、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９のブルギア２０１を回転させるために使用される。
【０１０７】
十分なパワーが、補助タービンシャフト２１３上で利用可能である場合、飽和水蒸気は、弁２１９を開くことによって低圧圧縮機段２０７の吸引側に送出することができる。補助水蒸気タービン２１５によって発生したパワーは、したがって、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の圧縮機段２０７、２０９を駆動するために使用され、こうして水蒸気の圧力を増大させる。過熱水蒸気は、したがって、高圧圧縮機段２０９の送出側に送出される。
【０１０８】
ギア一体型水蒸気圧縮機１７９が開始され、十分な過熱水蒸気がそれによって発生した後、弁２１７を閉じ、弁２２３を開くことができ、それにより、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９によって送出された過熱された水蒸気は、補助水蒸気タービン２１５内で膨張されて、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９を作動状態に維持する機械的パワーを発生させる。
【０１０９】
ギア一体型水蒸気圧縮機１７９によって送出された、過熱され圧縮された水蒸気の一部は、ライン１８１Ａおよび弁１８９Ａを通して水蒸気タービン設備１４５の低圧水蒸気タービン１４９に送出され得る。特定の作動状態下で、十分に高い圧力が、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９の送出側で達成される場合、必要とされる場合、水蒸気タービン設備１４５の第１または中間段にある、その高圧水蒸気タービン１４７までライン１８１Ｂおよび弁１８９Ｂを通して過熱水蒸気を送出することができる。過熱水蒸気は、次いで、高圧水蒸気タービン１４７内で、その後、低圧水蒸気タービン１４９内で膨張される。
【０１１０】
したがって、図７の実施形態では、水蒸気を水蒸気タービン設備１４５内で膨張させるように過熱するための補強パワーは、補助電気モータではなく、補助水蒸気タービン２１５を用いて、水／水蒸気セパレータ１７５によって送出された同じ水蒸気によって発生する。実質上、水／水蒸気セパレータ１７５によって送出された飽和水蒸気の流れは分割され、水蒸気の流れの一部は、追加の機械的パワーを発生させてギア一体型水蒸気圧縮機１７９を駆動し、圧縮され過熱された水蒸気の一部は、水蒸気タービン設備１４５内で膨張されて有用なパワーを生成し、この有用なパワーは、発電機１５３によって電気パワーに変換され、最終的に、送電網Ｇに送出される。
【０１１１】
補助水蒸気タービン２１５からの使用された水蒸気は、凝縮器１５９内でライン２２５に沿って収集される。水蒸気タービン設備１４５からの使用された水蒸気もまた、上記で説明したように凝縮器１５９内に収集される。
【０１１２】
圧力対エンタルピおよび温度対エントルピ図上の図７の装置によって実行された変更されたランキンサイクルを表す曲線は、上記で説明した図４から６に示すようにほぼ同じである。
【０１１３】
図８は、ソーラーフィールドからの入手可能なソーラーエネルギーが不十分であるときに水蒸気を過熱するためにギア一体型水蒸気圧縮機を使用する集光型ソーラー熱発電装置の別の実施形態を示す。図３および７に使用される同じ参照番号は、同じまたは等価の部分、構成要素または要素を示し、これらは再度説明されない。
【０１１４】
図８の例示的な実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９には、４つの圧縮機段を回転式に駆動するブルギア１７９Ａが設けられる。シャフト１７９Ｃ上にキー連結された第１のピニオン１７９Ｂは、ブルギア１７９Ａと噛み合い、２つの圧縮機段１７９Ｄおよび１７９Ｅを回転式に駆動する。別のシャフト１７９Ｇ上にキー連結された別のピニオン１７９Ｆは、ブルギア１７９Ａと噛み合い、２つの別の圧縮機段１７９Ｈおよび１７９Ｊを回転式に駆動する。段の数は、異なり得ることは明確であり、図８に示す４つの段は、例としてのみである。１つ、いくつか、またはすべての圧縮機段には、上記で説明したように可変入口案内羽根が設けられ得る。
【０１１５】
水／水蒸気セパレータ１７５によって送出された、飽和されたまたは部分的に過熱された水蒸気は、圧縮機段１７９Ｄ、１７９Ｅ、１７９Ｈ、１７９Ｊによって連続的に処理され、水蒸気タービン設備１４５に送出される。一部の実施形態では、水蒸気は、高圧水蒸気タービン１４７まで送出され、高圧水蒸気タービン１４７内および低圧水蒸気タービン１４９内で連続的に膨張され得る。弁設備が、水蒸気の状態に応じて、高圧水蒸気タービン１４７を迂回し、水蒸気を低圧水蒸気タービン１４９に直接的に送出するために設けられ得る。他の実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９と低圧水蒸気タービン１４９との連結のみが、設けられ得る。
【０１１６】
タービンシャフト１５１は、たとえば、クラッチ１８４によって、選択的に、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９に連結され、またはそこから連結解除され得る。
【０１１７】
十分なソーラーエネルギーが入手可能であるときの、図８に示すシステムの作動は、図３に関して上記で説明したのと同じである。不十分なソーラーエネルギーしか、水蒸気を過熱するために入手可能でない場合、飽和されたまたは不十分な（部分的に）過熱水蒸気または湿潤水蒸気は、すでに上記で説明したように、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９を通して送出される。ギア一体型水蒸気圧縮機１７９は、この場合、水蒸気タービン設備１４５によってもたらされた機械的パワーによって回転式に駆動される。したがって、水蒸気タービン設備１４５によって水蒸気から機械的パワーに変換されたパワーの一部は、ギア一体型水蒸気圧縮機１７９を駆動するために使用され、タービンシャフト１５１上で利用可能な余分のパワーすべては、発電機１５３によって電気パワーに変換され、送電網Ｇに送出され得る。
【０１１８】
図９は、本開示による設備の別の実施形態を示す。この実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機３００は、たとえばガスタービンまたはそのようなものなどの別のプラントからの廃熱を使用して低温水蒸気発生器からの水蒸気を過熱するために補強エネルギー源として使用される。
【０１１９】
参照番号３０１は、飽和されたまたは部分的に過熱された水蒸気を発生させるために使用された熱源を概略的に示し、この水蒸気は、水蒸気ライン３０３を通してギア一体型水蒸気圧縮機３００に送出される。一部の実施形態では、水／水蒸気セパレータ３０５が、ライン３０３を通して送出された水蒸気の流れから水を分離するために設けられ得る。水／水蒸気セパレータ３０５の底部から排水された水は、たとえば、熱交換機３０１の入口から戻りライン３０７を通って再循環される。水／水蒸気セパレータ３０５からの水蒸気は、ライン３０９を通してギア一体型水蒸気圧縮機３００に送出され得る。
【０１２０】
ギア一体型水蒸気圧縮機３００は、軸３１３Ａの周りで回転するように装着されたブルギア３１３を含むギアボックス３１１からなることができる。ピニオン３１７がその上に装着された圧縮機シャフト３１５は、ブルギア３１３によって回転式に駆動される。ピニオン３１７は、ブルギア３１３と噛み合う。一部の実施形態では、低圧圧縮機段３１９および高圧圧縮機段３２１は、シャフト３１５上に装着され得る。１つまたは複数の追加の圧縮機段を駆動する１つまたは複数の追加のシャフトが、設けられ得る。
【０１２１】
可変の入口案内羽根が、１つ、いくつか、またはすべての圧縮機段に対して設けられ得る。
【０１２２】
前述の実施形態のように、圧縮機段（複数可）のインペラは、関連するシャフト上に吊り下げるように配置されるため、可変入口案内羽根を各々の段の入口において容易に設けることができ、したがって各々の段の作動状態の精密な調整および調和を個々に可能にする。
【０１２３】
一部の実施形態によれば、別のピニオン３２５が設けられた別のシャフト３２３が、ブルギア３１３に駆動式に連結される。ピニオン３２５は、ブルギア３１３と噛み合う。高圧水蒸気タービン３２７および低圧水蒸気タービン３２９は、シャフト３２３に駆動式に連結することができ、それにより、水蒸気タービン３２７、３２９によって発生したパワーは、ブルギア３１３を回転させるために使用され得る。２つの水蒸気タービン３２７、３２９は、シャフト３２３の両端部に配置され得る。他の実施形態では、１つだけのタービンを関連するシャフト３２３の一方の端部に設けることができる。
【０１２４】
発電機３３１は、ギア一体型水蒸気圧縮機３００に駆動式に連結可能であり、それにより、水蒸気タービン（複数可）３２７、３２９によって発生した機械的パワーは、発電機を駆動し、電気パワーに変換されるために少なくとも部分的に使用され得る。一部の実施形態によれば、発電機３３１は、ブルギア３１３の中央シャフト３１３Ａに連結され得る。他の実施形態では、発電機３３１は、ブルギア３１３と噛み合うピニオンが設けられたシャフトによって駆動され得る。
【０１２５】
低圧圧縮機段３１９の吸引側は、湿潤または飽和された水蒸気を水／水蒸気セパレータ３０５から受け取るためにライン３０９に連結される。低圧圧縮機段３１９によって圧縮された水蒸気は、前記低圧圧縮機段３１９の送出側から高圧圧縮機段３２１の吸引側に送出される。圧縮された水蒸気は、次いで、高圧圧縮機段３２１の送出側からライン３３５を通って高圧タービン３２７の入口に送出され、高圧タービン３２７の出口は、低圧水蒸気タービン３２９の入口に連結される。
【０１２６】
図９に示す実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機３００は、共通のシャフト３１５によって駆動される、２つの圧縮機段３１９、３２１のみを備え、それにより、２つの圧縮機段３１９、３２１のインペラは同じ速度で回転する。他の実施形態では、２つの圧縮機段３１９、３２１は、別個のシャフトを使用して異なる速度で駆動させることができ、各々のシャフトには、ブルギア３１３と噛み合う対応するピニオンが設けられる。２つのピニオンは異なる直径を有することができ、それにより、２つの圧縮機段は、異なる速度で回転することができる。
【０１２７】
図示しないさらに別の実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機３００には、１つ、２つ、またはそれ以上の別個のシャフトによって駆動される、３つ以上の段を設けることができ、各々のシャフトは、ブルギア３１３と、これと噛み合うそれぞれのピニオンによって駆動式に連結され、それにより、共通シャフトによって駆動される各々の圧縮機段または圧縮機段の各々対は、異なる速度で回転することができる。さまざまな圧縮機段の回転速度は、さまざまな段の圧縮比に基づいて最適化され得る。
【０１２８】
一部の実施形態では、ギア一体型水蒸気圧縮機３００の送出側は、タ―ビン設備３２７または３２９に、または過熱水蒸気タンク３３７に選択的に連結され得る。過熱水蒸気タンク３３７は、さらに、ライン３３９を介して水蒸気タービン設備３２７、３２９の入口、より詳細には、たとえば（図９に示す実施形態において示すように）高圧水蒸気タービン３２７の入口に連結され得る。たとえば、弁３４１、３４３、３４５を備える弁設備が、ライン３３５および３３９を通る水蒸気の流れを制御し調整するために設けられ得る。
【０１２９】
低圧水蒸気タービン３２９の出口は、ライン３４７を介して凝縮器３４９に連結される。使用された水蒸気は、凝縮器３４９内で凝縮され、ポンプ３５１によって熱交換機３０１に圧送される。
【０１３０】
図９の装置は、以下の通りに作動する。熱源３０１は、飽和されたまたは部分的に過熱水蒸気の流れを発生させ、この流れは、水／水蒸気セパレータ３０５内のライン３０３を通って送出される。水／水蒸気セパレータ３０５の水蒸気は、ライン３０９を通って低圧圧縮機段３１９に送出される。低圧圧縮機段３１９および高圧圧縮機段３２１は、水蒸気タービン設備３２７、３２９によって回転式に駆動され、水蒸気タービン設備によって発生した機械的パワーは、ライン３０９からの水蒸気のエネルギー成分を増大させるために部分的に使用される。圧縮機段３１９、３２１によって処理された後、ライン３０９からの水蒸気は過熱され、ライン３３５および弁３４５を通って高圧水蒸気タービン３２７に送出される。
【０１３１】
水蒸気は、高圧水蒸気タービン３２７内で部分的に膨張され、その後、低圧水蒸気タービン３２９に送出され、ここでこれは、凝縮器圧力が低圧水蒸気タービン３２９の出口において達成されるまでさらに膨張する。
【０１３２】
一部の実施形態では、上記で述べたように、圧縮され過熱水蒸気を膨張させるために、１つだけの水蒸気タービンが設けられ得る。
【０１３３】
水蒸気タービン設備３２７、３２９によって発生したパワーは、上記で述べたように、低圧圧縮機段３１９および高圧圧縮機段３２１を含むギア一体型水蒸気圧縮機３００を駆動するために使用される。シャフト３２３上で入手可能な余分のパワーは、発電機３３１を駆動するために使用され、電気パワーに変換され、この電気パワーは、送電網Ｇに送出され得る。
【０１３４】
本明細書において説明する主題の開示された実施形態は、図に示され、いくつかの例示的な実施形態に関連して具体的に詳細に上記で完全に説明されてきたが、多くの改変、変更、および省略が、新規の教示、本明細書において記載する原理および概念、ならびに付属の特許請求の範囲において引用する主題の利点から実質的に逸脱することなく可能であることは当業者に明白であろう。故に、開示された新規性の適切な範囲は、すべてのそのような改変、変更および省略を包含するために付属の特許請求の範囲の最も広範な解釈によってのみ決定されなければならない。加えて、任意のプロセスまたは方法ステップの順番または順序は、代替の実施形態にしたがって変更され、または並べ直されてよい。
【符号の説明】
【０１３５】
１  集光型ソーラー熱発電装置
３  ソーラーフィールド
５  トラフ、ソーラー集光器
５Ａ  管
７  ダクト
７Ａ  バイパスライン
９  過熱器、熱交換機
１１  水蒸気発生器、熱交換機
１３  ソーラー予熱器、熱交換機
１５  再熱器、熱交換機
１７  閉回路
１９  高圧水蒸気タービン
２０  ギアボックス
２１  低圧水蒸気タービン
２２  発電機
２３  戻りダクト
２４  膨張容器
２５  バイパスライン
２７  熱交換機
２９  高温塩貯蔵タンク
３１  低温塩貯蔵タンク
３３  回路
３５  凝縮器
３７  低圧予熱器
３９  循環ポンプ
４０  供給水ポンプ
４１  脱気器
１０１  集光型ソーラー発電装置
１０３  ソーラーフィールド
１０４  バイパスライン
１０５  ソーラー集光器、トラフ集光器、パラボラトラフ
１０５Ａ  パラボラ鏡、トラフ
１０６  鏡
１０７  管
１０８  領域
１０９  送出ダクト
１１０  タワー
１１１  ソーラー過熱器、熱交換機
１２  熱交換機
１１３  蒸気発生器、熱交換機
１１４  熱交換機
１１５  ソーラー予熱器、熱交換機
１１６  熱交換機
１１７  ソーラー再加熱器、熱交換機
１１９  膨張容器
１２１  戻りダクト
１２３  ポンプ
１２５  中間熱エネルギー貯蔵設備
１２７  バイパスライン
１２９  熱交換機
１３１  高温タンク
１３３  低温タンク
１４１  第２の閉回路
１４３  ダクト
１４５  水蒸気タービン設備
１４７  高圧水蒸気タービン
１４９  低圧水蒸気タービン
１５１  タービンシャフト
１５３  発電機
１５５  ダクト
１５７  ダクト
１５９  凝集器
１６０  低圧予熱器
１６１  脱気器
１６３  ポンプ
１７１  二次回路
１７３  迂回ライン
１７５  水／水蒸気セパレータ
１７９  ギア一体型水蒸気圧縮機
１７９Ａ  ブルギア、中央ギア
１７９Ｂ  第１のピニオン
１７９Ｃ  共通シャフト
１７９Ｄ  第１の段
１７９Ｅ  第２の段
１７９Ｆ  ピニオン
１７９Ｇ  シャフト
１７９Ｈ  圧縮機段
１８１Ａ、１８１Ｂ  ライン
１８３  第１の弁
１８４  クラッチ
１８５  第２の弁
１８７  第３の弁
１８７Ａ  送出ダクト、ライン
１８９Ａ、１８９Ｂ  弁
１９１  バイパスライン
１９３  弁
１９６  電気モータ
２００  ギアボックス
２０１  ブルギア
２０３  第１のピニオン
２０５  第１のシャフト
２０７  低圧圧縮機段
２０９  高圧圧縮機段
２１１  ピニオン
２１３  補助タービンシャフト
２１５  補助水蒸気タービン
２１７、２１９  弁
２２１  水蒸気送出ダクト
２２３  弁
２２５  ライン
２２３  弁
２７５  水−水蒸気セパレータ
２８７  弁
２８７Ａ  ダクト
３００  ギア一体型水蒸気圧縮機
３０１  熱源
３０３  水蒸気ライン
３０５  水／水蒸気セパレータ
３０７  戻りライン
３０９  ライン
３１１  ギアボックス
３１３  ブルギア
３１３Ａ  軸
３１５  圧縮機シャフト
３１７  ピニオン
３１９  低圧圧縮機段
３２１  高圧圧縮機段
３２３  シャフト
３２５  ピニオン
３２７  高圧水蒸気タービン
３２９  低圧水蒸気タービン
３３１  発電機
３３５、３３９、３４７  ライン
３３７  過熱水蒸気タンク
３４１、３４３、３４５  弁
３４９  凝集器
３５１  ポンプ
Ｇ  送電網
【図１】
2016540913.tif 000003
【図２】
2016540913.tif 000004
【図３】
2016540913.tif 000005
【図３Ａ】
2016540913.tif 000006
【図３Ｂ】
2016540913.tif 000007
【図４】
2016540913.tif 000008
【図５】
2016540913.tif 000009
【図６】
2016540913.tif 000010
【図７】
2016540913.tif 000011
【図８】
2016540913.tif 000012
【図９】
2016540913.tif 000013
【国際調査報告】
2016540913.tif 000014
2016540913.tif 000015