(57)【要約】【課題】太陽熱ランキンサイクル発電装置において、悪天候および夜間における出力低下および運転不能となる問題を回避し、安定した出力を得られるようにすること。【解決手段】太陽熱ランキンサイクルで構成される下位サイクル１００ｂに、ガスタービンサイクルを用いた発電装置を上位サイクル１００ａとして組み合わせ、コンバインドサイクルを構成する。さらに両サイクルは同じ作動流体を使用し、バルブ１０８および１１５，１１６を介して作動流体の乾き度減少に伴う圧縮機１０３の仕事増加を防止しつつ直接熱交換を行い、悪天候，夜間における蒸気タービン１１０の出力低下および外部に対して熱供給を行う凝縮器１１２の出力低下を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱を熱源とするクローズドサイクルランキンサイクル装置を含む下位サイクルと、
水素燃料または化石燃料を燃料とするクローズドサイクルブレイトンサイクル装置を含む上位サイクルと、
前記上位サイクルと前記下位サイクルとの間を作動流体が流通可能な連絡経路と、
を備え、
前記上位サイクルの作動流体と前記下位サイクルの作動流体とは同種類のものである、コンバインドサイクル装置。
【請求項２】
負荷変動および要求される出力に応じて、
前記上位サイクルと前記下位サイクルとの協調運転、前記上位サイクルの単独運転、および前記下位サイクルの単独運転のいずれかを選択して運転可能である、請求項１に記載のコンバインドサイクル装置。
【請求項３】
前記上位サイクルの膨張機構出口における作動流体を抽気し、前記下位サイクルの膨張機構の上流に前記抽気した作動流体を流入させる弁機構と、
をさらに備えた、請求項１に記載のコンバインドサイクル装置。
【請求項４】
前記下位サイクルのポンプの出口または圧縮機の出口における作動流体を抽気し、前記上位サイクルの圧縮機の上流に前記抽気した作動流体を流入させる弁機構と、
をさらに備えた、請求項１に記載のコンバインドサイクル装置。
【請求項５】
前記上位サイクルが再生式ブレイトンサイクルである、請求項１に記載のコンバインドサイクル装置。
【請求項６】
前記上位サイクルから前記下位サイクルへの作動流体の導入量を、作動流体の温度および圧力から下位サイクル膨張機構が最適運転点となるように流量を設定する制御を行なう、コンバインドサイクル装置。
【請求項７】
前記上位サイクルから前記下位サイクルへの作動流体の導入量と質量流量とが同じとなるように、前記下位サイクルから前記上位サイクルへ作動流体を還流させる制御を行なう、請求項６に記載のコンバインドサイクル装置。
【請求項８】
前記再生式ブレイトンサイクルの再生熱交換器と前記下位サイクルで使用する太陽熱集熱器とを一体とした、請求項５に記載のコンバインドサイクル装置。
【請求項９】
前記上位サイクルで使用する膨張機構と前記下位サイクルで使用する膨張機構とを軸で直結し、前記軸の延長線上に前記上位サイクルの圧縮機を連結した、請求項１に記載のコンバインドサイクル装置。
【請求項１０】
前記上位サイクルの膨張機構の下流において下位サイクルの膨張機構をバイパスして前記下位サイクルの凝縮器へと作動流体を流通させる弁機構を有し、下位サイクルの膨張機構による発電効率を維持した状態で凝縮器の能力が変更可能である、請求項１に記載のコンバインドサイクル装置。
【請求項１１】
凝縮器へ上位サイクルの作動流体を導入し、凝縮機を上位サイクルの圧縮機の前置冷却機として用いることができる、請求項１０に記載のコンバインドサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンバインドサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱を熱源として蒸気タービンを駆動することにより発電を行うランキンサイクル（以下太陽熱ランキンサイクルと称する）は、基本的には燃料費を必要としないため、理論上は費用対効果に優れたものである。しかしながら、実用上は、解決すべき種々の問題がある。
【０００３】
特に、日中の日射量は天候によって変動するため、利用できる太陽熱の量が変動し、ひいては蒸気タービンによる発電量が不安定となる。さらに、日射のない夜間においては、太陽熱ランキンサイクルの使用は不可能である。
【０００４】
上記で述べた問題を解決するための工夫として、太陽熱ランキンサイクルを下位サイクルとし、この太陽熱ランキンサイクルに対して上位に別のサイクルを配置し、両者を熱的に結合することによってコンバインドサイクルとすることが提唱されている。
【０００５】
さらに、従来から、ブレイトンサイクルに代表される内燃機関における熱効率向上のため、内燃機関からの排気に含まれる熱量を熱源として、内燃機関に使用する作動流体よりも沸点が低い流体を用いてサイクルを構成するコンバインドサイクル装置が存在する。
【０００６】
コンバインドサイクル装置には多様な熱機関の組み合わせがあるが、上位サイクルには排気温度が比較的高温で、下位サイクルにおける熱源として利用しやすいガスタービンと、その排気を熱源として利用する低沸点媒体による蒸気タービンを組み合わせた形式が一般的である。
【０００７】
図４は、特許文献１に開示されている、太陽熱ランキンサイクルを下位サイクルとするコンバインドサイクル装置の構成図である。太陽熱ボイラ４０３において過熱された蒸気タービン用作動流体は、差込式加熱器４０７に導入され、ガスタービン発電機４０１の排気を熱源とする４０７内の高圧過熱器４０５において乾き蒸気となり、高圧蒸気タービン４１０を駆動し発電を行う。高圧蒸気タービン４１０の排気蒸気は再度差込式加熱器４０７に導入され、４０７内の低圧再加熱器４０６においてガスタービン発電機４０１の排気により再加熱され、定圧蒸気タービン４１３を駆動、発電を行う。なお、ガスタービン発電機４０１にも発電機が有り、ガスタービンはタービン出力を用いて発電を行なう。
【０００８】
特許文献１に開示された技術のように、従来のコンバインドサイクル発電装置においては、上位サイクルのガスタービン装置として、空気を作動流体とするオープンサイクルが用いられ、下位サイクルとして、上位サイクルの排気温度を考慮して選定された作動流体を用いるクローズドサイクル蒸気タービンが用いられるのが一般的である。
【０００９】
従来のコンバインドサイクルにおいては、上述したように、上位サイクルの作動流体と下位サイクルの作動流体が異なり、さらに上位サイクルのサイクル形態と下位サイクルのサイクル形態が異なっているため、両者の間で作動流体を共有することができなかった。そのため、上位サイクルと下位サイクルとの間の熱の授受のために、両サイクルの間に熱交換器を設ける必要があった。
【００１０】
熱交換器を介して熱の授受を行う場合、熱交換器における熱抵抗によって損失が発生するため、上位サイクルの作動流体から下位サイクルの作動流体受け渡すことができる熱量が抑制されていた。このことは、コンバインドサイクル全体としての熱効率を低下させることになる。
【００１１】
非特許文献１には、上記の問題を解決するために、上位サイクル作動流体の一部を抽気し、下位サイクルの作動流体として利用するＦｉｅｌｄサイクルに関する技術が開示されている。
【００１２】
図５はＦｉｅｌｄサイクルの構成図である。燃焼器５０４において発生した熱は熱交換器５０５においてガスタービン作動流体に移動し、タービン５０１を回転させる。タービン５０１は、軸５０２を介して圧縮機５０３に連結されており、タービン５０１の出力に応じて圧縮機５０３を駆動させるとともに、発電機５０６も駆動する。タービン５０１を含むサイクルは、上位サイクルを構成する。タービン５０１を通過した作動流体は、再生熱交換器５０７に導入される。再生熱交換器５０７において適当な温度になったとき、蒸気タービン５０９の容量に見合った分の作動流体が下位サイクルに抽気され、管路５０８を通じて蒸気タービン５０９に導入され、発電機５１０を駆動する。蒸気タービン５０９を通過した作動流体は凝縮器５１１において凝縮後、電動機５１３にて駆動されるポンプ５１２により圧縮機５０３の上流に還流される。
【特許文献１】特表２０００−５１４１４９号公報
【非特許文献１】Ｊｏｈｎ．Ｈ．Ｈｏｒｌｏｃｋ著、「ＣＯＭＢＩＮＥＤ ＰＯＷＥＲ ＰＬＡＮＴＳ」、ＫＲＩＥＧＥＲ ＰＵＢＬＩＳＨＩＮＧ ＣＯＭＰＡＮＹ、２００２ 、Ｐ４３−４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、上位サイクルと下位サイクルとの間の熱の授受は熱交換器を介して行なわれるため、熱交換器での熱抵抗による損失が発生し、サイクル全体としての熱効率が低下する。また、太陽熱を集熱しにくい悪天候時や、太陽熱を得られない夜間においては、下位サイクルの蒸気タービン出力がほとんど得られなくなる問題がある。
【００１４】
一方、非特許文献１に記載の構成では、上位サイクルと下位サイクルとの間に熱交換器が存在しないため、理論上は高効率が期待できる。しかしながら、凝縮後の作動流体を上位サイクルの圧縮機上流に還流することで、上位サイクルの作動流体の乾き度が低下し、圧縮仕事の増加を招くため、実際には、効率上昇が理論値を下回るという問題がある。
【００１５】
上記の課題を解決するため、本発明は、高効率かつあらゆる天候においても安定した出力を維持できる、太陽熱を利用したコンバインドサイクル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】
【００１６】
本発明は、ガスタービン装置である上位サイクルと蒸気タービン装置である下位サイクルで作動流体を共通化し、熱交換器を用いずに、上位サイクルの作動流体の一部を注記して直接下位サイクルに導入することで効率を低下させずに上下サイクル間で熱授受を行うとともに、天候により日射量の増減が生じた場合、日射量に応じて上位サイクルの加熱量および下位サイクルへの抽気量を加減することで下位サイクルの出力を補償し、常時安定した出力を確保する、コンバインドサイクル装置を提供する。
【００１７】
本発明は、下位サイクルから還流された作動流体を太陽熱集熱機および再生熱交換器を経てから圧縮機へ導入させる、コンバインドサイクル装置を提供する。これにより作動流体の乾き度を保持し、圧縮仕事の増大を回避することで、効率が維持される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のコンバインドサイクル装置によれば、熱抵抗および乾き度低下による損失を発生することなく上下サイクル間で熱授受を行うとともに、悪天候化においても安定した出力を保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるコンバインドサイクル装置の構成図である。
【００２１】
上位サイクル１００ａは、燃料の燃焼熱を熱源として作動するブレイトンサイクルで構成されている。ブレイトンサイクルには、発電機を駆動するクローズドサイクルガスタービン１００ａが含まれている。
【００２２】
下位サイクル１００ｂは、太陽熱を熱源として作動するランキンサイクルで構成されている。ランキンサイクルには、発電機を駆動するランキンサイクル蒸気タービン１００ｂが含まれている。
【００２３】
上位サイクル１００ａと下位サイクル１００ｂは、バルブ１０８とバルブ１１６を介して、相互に接続されている。上位サイクル１００ａの作動流体と下位サイクル１００ｂの作動流体は、同一種類のもの（例えば、二酸化炭素）が用いられている。
【００２４】
上位サイクル（クローズドサイクルガスタービン）１００aは、タービン１０１，主軸１０２，圧縮機１０３，燃焼器１０４，熱交換器１０５，発電機/始動電動機１０６，熱交換器１０７を備えている。熱交換器１０７は、太陽熱集熱機と再生熱交換器を組み合わせることによって構成されている。
【００２５】
下位サイクル（ランキンサイクル蒸気タービン）１００bは、タービン１１０，発電機１１１，凝縮器１１２，ポンプ１１３，電動機１１４，太陽熱集熱器１０７を備えている。太陽熱集熱器１０７は、再生熱交換器と組み合わされている。
【００２６】
上位サイクル１００aと下位サイクル１００bは、同じ作動流体を用いる。これにより、両サイクル間における熱の授受は、熱交換器を介する方式とは異なり、上位サイクルの作動流体の一部を下位サイクル内に直接導入することによって行なわれる。
【００２７】
上位サイクル１００aから下位サイクル１００bへ導入する作動流体の量Ｑｔは、下位サイクル１００bのタービン１１０における比速度nsが（数１）に示す値となるように、上位サイクルタービン１０１出口のエンタルピht（温度，圧力）と下位サイクルタービン１１０の入口におけるエンタルピhb（温度，圧力）ならびに下位サイクルの導入前のタービン入口作動流体循環流量Qbと回転数ωsから求められる。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
上記の値を満足するように導入量Qtを決定すべくバルブ１０８の開度を制御するとともに、条件によっては蒸気タービン１１０の回転数ωｓを変更する。これにより設計作動点におけるタービン効率を落とすことなく下位サイクルの運転が可能となる。
【００３０】
上位サイクル１００aから下位サイクル１００bへ作動流体を導入した場合、上位サイクルの作動維持の為に、下位サイクル１００bから上位サイクル１００aへの作動流体の還流が必要となる。還流量は、導入量と質量流量を釣り合わせる必要がある。
【００３１】
そこで、バルブ１０８の直後における温度，圧力および体積流量計１０９の計測結果から、上位サイクル１００aから下位サイクル１００bへ導入された作動流体の質量流量を求める。下位サイクル１００bから上位サイクル１００aへの作動流体の還流量は、バルブ１１５の直前で計測した温度，圧力の計測結果を用いて、導入された質量流量に相当する体積流量を計算することにより求められる。この還流量を維持するように、バルブ１１５の開度を制御する。
【００３２】
上位サイクル１００aから下位サイクル１００bへ導入される作動流体は、下位サイクル１００bの蒸気タービン1１０直前の流路内に導入されるのが好ましい。
【００３３】
下位サイクルから上位サイクルへ作動流体を還流させる位置は、太陽熱の有無により、二通りが考えられる。
【００３４】
太陽熱が十分に得られて還流する作動流体の乾き度が十分である場合、バルブ１１５を閉鎖しバルブ１１６を開放して、集熱器１０７の下流へ還流するのが好ましい。このように還流することで、タービン１０１の排気圧力よりも高い圧力をもつ作動流体を上位サイクルに押し込むことができる。なお、バルブ１１６の開度の制御は、上述したバルブ１１６の制御方法と同じになる。
【００３５】
太陽熱が十分に得られないまたはまったく得られない場合は、バルブ１１６を閉鎖しバルブ１１５を開放して再生熱交換器の上流に還流するのが好ましい。このように還流することで、適度に過熱された状態の作動流体を圧縮機１０３へ導入することが可能となり、上位サイクル１００aにおける圧縮機上流での乾き度低下を防止することができる。
【００３６】
尚、本発明のコンバインドサイクル装置は、上位サイクルと下位サイクルの作動流体に共通の流体を作動流体として用いるものである。作動流体の種類は、二酸化炭素，水，ヘリウム等、上位サイクルであるブレイトンサイクル（ガスタービンサイクル）および下位サイクルであるランキンサイクルが成立する流体であれば、種類を問わない。
【００３７】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の構成図である。図２において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００３８】
図２においては、図１において再生熱交換器と組み合わされていた太陽熱集熱器を２０１として別置きとしたものである。図１における再生熱交換器１０７は、全体の省スペース化を図るために太陽熱集熱器と組み合わせた構造となっているが、太陽熱の集熱効率を高めるために、再生熱交換器と切り離して定置することも可能である。
【００３９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の構成図である。図３において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４０】
図３は、蒸気タービン１１０を上位サイクルの主軸１０２の延長線上におき、タービン１０１と同軸にした構成を示している。この構成とすることで図１に示した蒸気タービン発電機１１１を省略することができる。
【００４１】
なお、上下サイクル間の作動流体の導入量および還流量は、蒸気タービン１１０がタービン１０１と同一回転数となることから、実施形態１および２とは異なるものとなる。
【００４２】
本発明のコンバインドサイクル発電装置によれば、前記直接導入方式により熱交換器における熱抵抗に起因する伝熱損失を生じることなく上位サイクルと下位サイクルとの間で熱交換を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のコンバインドサイクル発電装置は、下位サイクルに太陽熱を熱源とするランキンサイクルを用いる発電装置またはコージェネレーション装置において、システムの全天候作動性能を確保しつつ高効率の運転を実現できるものとして、多大な利用価値を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施の形態１の構成図
【図２】実施の形態２の構成図
【図３】実施の形態３の構成図
【図４】従来のハイブリッド発電システム構成図
【図５】従来のＦｉｅｌｄサイクルの構成図
【符号の説明】
【００４５】
１００ａ    上位サイクル
１００ｂ    下位サイクル
１０１    タービン
１０２    主軸
１０３    圧縮機
１０４    燃焼器
１０５    主熱交換器
１０６    始動電動機/発電機
１０７    再生熱交換器一体型太陽熱集熱器
１０８    バルブ
１０９    体積流量計
１１０    蒸気タービン
１１１    発電機
１１２    凝縮器
１１３    ポンプ
１１４    電動機
１１５    バルブ
１１６    バルブ
２０１    太陽熱集熱器
４０１    ガスタービン
４０２    発電機
４０３    太陽熱ボイラ
４０４    ダクト
４０５    高圧過熱器
４０６    低圧再加熱器
４０７    差込式加熱器
４０８    ダクト
４０９    供給水加熱器
４１０    高圧蒸気タービン
４１３    低圧蒸気タービン
４１４    凝縮器
４１５    ポンプ
５０１    タービン
５０２    軸
５０３    圧縮機
５０４    燃焼器
５０５    熱交換器
５０６    発電機
５０７    再生熱交換器
５０８    抽気ダクト
５０９    蒸気タービン
５１０    発電機
５１１    凝縮器
５１２    ポンプ
５１３    電動機
【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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