CN105317553B - 太阳热空气涡轮发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳热空气涡轮发电系统，在降低建设成本和发电成本的同时，不使用化石燃料。具备：吸入空气来进行升压的压缩机；受热器，其通过由聚光器收集的太阳光的热来加热由压缩机进行升压的压缩空气而使之升温；空气涡轮机，其导入由受热器加热的压缩空气来驱动压缩机和发电机；再生热交换器，其设置在压缩机和受热器之间，将来自空气涡轮的排气作为加热介质加热由压缩机进行升压的压缩空气；和分配装置，其设置在压缩机和再生热交换器之间，将压缩空气的流量分配到再生热交换器侧和空气涡轮的入口侧即旁路侧，还具备控制装置，其通过调节作为加热介质而流入再生热交换器的来自空气涡轮机的排气流量，控制空气涡轮机入口空气温度为固定。

Description

太阳热空气涡轮发电系统
技术领域
本发明涉及一种太阳热空气涡轮发电系统。
背景技术
作为利用了太阳热的太阳热发电系统，具备压缩导入的空气而生成压缩流体的压缩机、通过太阳热进一步加热压缩流体而成为高温压缩流体的太阳聚光受热器、导入高温压缩流体后得到输出的燃气轮机以及与燃气轮机连接的发电机(例如参照专利文献1)。
构成上述的太阳热发电系统的太阳聚光受热器为了使高温配管的长度为最短，而与太阳热燃气涡轮机一起配置在塔的上方。因此，会有塔的制作成本增大的问题。具有一种太阳热燃气轮机和太阳热燃气轮机发电装置，该太阳热燃气轮机通过将压缩机和涡轮机分离配置，从而降低塔的载重，能够抑制塔的制作成本(例如参照专利文献2)。
专利文献1中记载的太阳热发电系统在不能充分地得到太阳光的情况下，通过配置在太阳聚光受热器和涡轮机之间的辅助燃烧器使化石燃料进行喷射燃烧，需要使提供给涡轮机的压缩流体升温到预定的温度。因此，需要辅助燃烧器用的化石燃料供给设备，因此建设成本上升的同时，消耗化石燃料，从而发电成本变高。
专利文献2中记载的太阳热燃气轮机发电装置在地上设置压缩机1和压缩机驱动用电动机7，汇集受热器2、涡轮机3、发电机4以及再热器5后设置在集热器塔T的顶上。因此，塔T的载重比专利文献1的情况要低，不过是在塔上装载涡轮机3和发电机4的结构，所以涡轮机3的运行变得不稳定，担心存在塔T的基础建设成本增加和运行时的振动对策的问题。另外，成为不直接从涡轮机轴提供压缩机1的动力的轴结构，因此会有以下问题，即需要驱动压缩机1的大型电动机7从而导致设备费用的增加。
专利文献1：日本特开2011-7149号公报
专利文献2：日本特开2010-275997号公报
发明内容
本发明是根据以上情况提出的，其目的为提供一种在降低建设成本和发电成本的同时，不使用化石燃料的太阳热空气涡轮发电系统。
为了解决上述课题，例如采用专利保护范围所记载的结构。本申请包括多个解决上述问题的手段，如果列举其一例，则提供一种太阳热空气涡轮发电系统，具备：压缩机，其吸入空气来进行升压；受热器，其通过由聚光器收集的太阳光的热来加热通过上述压缩机进行升压后的压缩空气而使压缩空气升温；空气涡轮机，其导入由上述受热器进行加热的压缩空气来驱动上述压缩机和发电机；再生热交换器，其设置在上述压缩机的下游侧且上述受热器的上游侧，将来自上述空气涡轮的排气作为加热介质来加热通过上述压缩机进行升压后的压缩空气；分配装置，其设置在上述压缩机的下游侧且上述再生热交换器的上游侧，将通过上述压缩机进行升压后的压缩空气分配到上述再生热交换器侧和上述空气涡轮机的入口侧即旁路侧，该太阳热空气涡轮发电系统通过调节作为加热介质而流入上述再生热交换器的来自上述空气涡轮机的排气流量，控制上述空气涡轮机入口的空气温度成为固定值。
根据本发明，能够提供一种太阳热空气涡轮发电系统，其能够降低建设成本和发电成本，并且不使用化石燃料。
附图说明
图1是表示本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的结构的概念图。
图2A是用于说明构成本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的压缩机的启动方式的特性图。
图2B是用于说明构成现有的燃气轮机的压缩机的启动方式的特性图。
图3A是为了说明本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的针对1天的天气变化的设备的动作，表示大气温度、涡轮机入口高温空气温度以及直达太阳照射强度的特性的特性概念图。
图3B是为了说明本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的针对1天的天气变化的设备的动作，表示冷水旁路流量和再生热交换器旁路空气量的特性的特性概念图。
图3C是为了说明本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的针对1天的天气变化的设备的动作，表示发电机输出、太阳热集热装置侧空气量以及太阳热集热旁路侧空气量的特性的特性概念图。
符号的说明
1：空气压缩机、2：空气涡轮、3：发电机、4：空气冷却器、5：冷水循环泵、6：涡轮制冷机、7：三通冷水流量调整阀、16：温度传感器(空气冷却器出口空气温度)、17：空气冷却器出口空气温度控制装置、18：温度传感器(空气涡轮机入口空气温度)、19：温度传感器(太阳热集热装置出口空气温度)、20：温度传感器(太阳热集热装置旁路空气温度)、21：温度传感器(空气涡轮机出口空气温度)、22：温度传感器(空气压缩机出口空气温度)、23：温度传感器(再生热交换器出口空气温度)、24：温度传感器(空气冷却器入口空气温度)、25：压力传感器(太阳热集热装置出口空气压力)、26：高温空气泄压控制装置、27：空气泄压调整阀、28：轴连接器、29：太阳热受热器、30：塔、32：太阳热反射装置、33：直达太阳照射光、34：直达太阳照射光反射光、35：再生热交换器旁路阀、36：偏差运算装置、37：压缩空气分配控制装置、38：三通压缩空气分配蝶阀、39：直达太阳热量计、43：压缩机入口蝶阀、45：再生热交换器、47：太阳热集热装置入口蝶阀、52：太阳热集热装置出口蝶阀、60：系统联络断路器、61：主电路断路器、62：主变压器、64：变频器装置、67：所内变压器断路器、68：所内变压器高压侧电路、69：所内变压器、70：发电机出口主电路、71：主变压器低压侧电路、75：外部系统、80：所内辅机电路、90：再生热交换器出口空气温度控制装置、91：太阳热集热量控制装置。
具体实施方式
以下说明本发明的太阳热空气涡轮发电系统的实施方式。
构成本发明的太阳热空气涡轮发电系统的实施方式主要设备，除了太阳热集热器，别名、太阳热受热器被设置在塔的顶上的高位置以外，设置在地上。
即，具备：多个反射镜，其面向设置在塔上的太阳受热器，反射来自太阳的直达太阳照射光后反射到太阳热受热器；压缩机；太阳热空气涡轮发电机，其直接连接空气涡轮机和发电机；冷却机，其冷却压缩机的吸入空气；再生热交换器，其进一步将压缩机出口空气进行加热；变频器装置，用于在起动时将太阳热空气涡轮发电机作为电动机而使用。通过太阳热空气涡轮发电机所输出的电力，能够不影响1天的天气变化，将一切有害的化石燃料的燃烧气体不排出到大气中，从而能够从太阳热稳定地生成经济且廉价的电。
从所内电力系统取出太阳热空气涡轮发电机的产生电力的一部分，驱动冷水冷却机，例如涡轮冷却机等而生成冷水，通过将该冷水流到空气冷却器，冷却压缩机的吸入空气。
通过使用将压缩机出口的中压中温空气分配到太阳热受热器侧和对太阳热受热器进行旁路的侧的三通空气分配装置，根据天气的变化分配压缩机出口空气的流出目的地。通过从日出的经过时间和当天的天气来控制该分配空气的运用。另外，根据由于天气的变化而连续不断时刻变化的大气温度和直达太阳照射强度，通过三通冷水流量调节阀控制向空气冷却器的冷水通过流量并控制压缩机入口的空气温度的下降量，由此间接地对空气涡轮机入口高温空气温度进行固定控制。
进而，为了进一步加热压缩机出口的中温空气而成为高温空气，将再生热交换器设置在压缩机出口，通过空气涡轮机的排气空气来加热压缩机出口的中温空气。
空气涡轮的排气空气流入再生热交换器流入系统和再生热交换器旁路系统，通过设置在再生热交换器旁路系统的三通旁路空气流量调整阀，调整旁路空气流量。这样，不受天气变化的影响而间接地将空气涡轮机入口温度控制在固定温度，达到空气涡轮机的电气输出和安全运行。
如果太阳集热温度或集热量要超过最大容许值，或者空气涡轮机入口温度超过了控制计划值时，使集热率调整控制装置工作，改变太阳光反射装置的反射角度，使对太阳受热器的反射光转向，由此减少太阳热集热量，将空气涡轮机入口温度保持为固定，预防空气涡轮机的超过容许输出运行。
以下，使用附图进行详细说明。
图1是表示本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的结构的概念图。图1中，太阳热空气涡轮发电系统具备燃气轮机发电/压缩装置100、空气涡轮机入口温度控制装置200、太阳热集热装置300、涡轮制冷装置400以及所内电气系统500。
燃气轮机发电/压缩装置100具备：压缩机1，其将从涡轮制冷装置400提供的空气进行压缩；空气涡轮机2，其通过从太阳热集热装置300提供的高温空气来进行驱动；以及发电机3，其在通过空气涡轮机2来驱动时进行发电，在从系统经由变频器装置64受电的情况下作为电动机发挥功能。通过相同的旋转轴直接连接压缩机1和空气涡轮机2，空气涡轮机2和发电机3经由轴连接器28进行旋转轴的装卸。作为轴连接器28使用离合器或扭矩转换器。在本实施方式中，说明例如使用了三S离合器的例子。
空气涡轮机入口温度控制装置200具备：压缩机出口配管44，其一端与压缩机1的出口连接；再生热交换器45，其与压缩机出口配管44的另一端连接，将来自压缩机的压缩空气进行升温；再生热交换器出口配管46，其将通过再生热交换器45进行升温后的压缩空气发送给太阳热集热装置300；空气涡轮机排气空气配管56，其一端侧与空气涡轮机2的排气口连接；再生热交换器旁路配管57，其与设置在空气涡轮机排气配管56的另一端侧的分支部的一方连接，对再生热交换器45进行旁路后将排气释放到大气中；空气涡轮机排气侧再生热交换器入口配管58，其与设置在空气涡轮机排气空气配管56的另一端侧的分支部的另一方连接，将排气作为加热介质发送给再生热交换器45；以及再生热交换器旁路阀35，其设置在再生热交换器旁路配管57上，调节对再生热交换器45进行旁路的排气的流量。
另外，压缩机出口配管44中设置有用于检测压缩机出口空气温度的温度传感器22，再生热交换器出口配管46中设置有用于检测再生热交换器出口空气温度的温度传感器23，空气涡轮机排气空气配管56中设置有用于检测空气涡轮机出口空气温度的温度传感器21。由温度传感器21至23检测出的温度信号分别被输入到后述的再生热交换器出口空气温度控制装置90。
另外，空气涡轮机入口温度控制装置200具备：三通压缩空气分配蝶阀38，其将压缩空气的流量分配控制到再生热交换器45侧和旁路侧即空气涡轮机侧2；空气涡轮机入口高温空气配管55，其一端与空气涡轮机2的入口连接；太阳热集热装置旁路蝶阀出口配管54，其一端侧与空气涡轮机入口高温空气配管55的另一端连接，将其另一端侧经由三通压缩空气分配蝶阀38与压缩机出口配管44连接。
另外，空气涡轮机入口高温空气配管55中设置检测空气涡轮机入口空气温度的温度传感器18，太阳热集热装置旁路蝶阀出口配管54中设置检测太阳热集热装置旁路空气温度的温度传感器20。由温度传感器20检测出的温度信号被输入到后述的压缩空气分配控制装置37和太阳热集热量控制装置91，温度传感器18检测出的温度信号被输入到后述的压缩空气分配控制装置37、再生热交换器出口空气温度控制装置90、太阳热集热量控制装置91以及空气冷却器出口空气温度控制装置17。
另外，控制空气涡轮机入口温度控制装置200具备：压缩空气分配控制装置37，其通过控制三通压缩空气分配蝶阀38调整来自压缩机1的压缩空气的对太阳集热装置侧和旁路侧的分配量；和再生热交换器出口空气温度控制装置90，其通过控制再生热交换器旁路阀35的开度而将空气涡轮机2的入口空气温度调整到固定温度。
太阳热集热装置300具备：太阳热集热装置入口蝶阀47，其设置在再生热交换器出口配管46上；太阳热受热器29，其设置在塔30的顶上部；塔入口空气配管48，其将一端侧与太阳热集热装置入口蝶阀47的出口侧连接，将另一端侧与太阳热受热器29的入口侧连接；太阳热反射装置32，其通过反射镜将从太阳31发出的直达太阳照射光33反射，作为直达太阳照射反射光34在太阳热受热器29进行聚光而使空气升温；直达太阳热量计39，其测量直射日光的日射量。
另外，太阳热集热装置300具备：塔出口空气配管49，其一端侧与太阳热受热器29的出口侧连接；塔出口空气涡轮机侧空气配管50，其一端侧与设置在塔出口空气配管49的另一端侧的分支部的一方连接，另一端侧与太阳热集热装置旁路蝶阀出口配管54连接；太阳热集热装置出口蝶阀52，其设置在塔出口空气涡轮机侧空气配管50上；高压塔出口空气泄压配管51，其与设置在塔出口空气配管49的另一端侧的分支部的另一方连接，将异常升压后的空气释放到大气中；以及空气泄压调整阀27，其设置在高压塔出口空气泄压配管51上，是配管内的空气异常升压时的泄压装置。直达太阳热量计39所测量的直射日光的日射量信号被输入到热交换器出口空气温度控制装置90。
另外，塔出口空气涡轮机侧空气配管50中设置有用于检测太阳热集热装置出口空气温度的温度传感器19和检测配管内的空气压力的压力传感器25。压力传感器25检测出的太阳集热出口空气压力信号被输入到后述的空气泄压控制装置26。温度传感器19检测出的温度信号被输入到压缩空气分配控制装置37和后述的太阳热集热量控制装置91。
另外，太阳热集热装置300具备：太阳热集热量控制装置91，其为了调整输入到空气涡轮机2的燃气量，控制太阳热发射装置32的反射角度；和空气泄压控制装置26，其在塔出口空气涡轮机侧空气配管50的内部空气异常升压时控制空气泄压调整阀27。
涡轮制冷装置400具备：空气冷却器4，其具备冷水流过线圈内的冷却线圈和风洞；空气冷却器入口风洞41，其一端侧与空气冷却器4的空气入口连接，在另一端侧设置大气吸入口40；空气冷却器出口风洞42，其一端侧与空气冷却器4的空气出口连接，另一端侧与压缩机1的出口连接；以及压缩机入口蝶阀43，其设置在空气冷却器出口风洞42上，在压缩机1起动时为了节流运行而半开，在到达额定转速后全开。
另外，在空气冷却器入口风洞41设置有用于检测空气冷却器入口空气温度的温度传感器24，在空气冷却器出口风洞42设置有用于检测空气冷却器出口空气温度的温度传感器16。由温度传感器24和温度传感器16检测出的温度信号分别被输入到后述的空气冷却器出口空气温度控制装置17。
另外，涡轮制冷装置400具备：冷水回流管10，其一端侧与空气冷却器4的冷却线圈的冷水出口侧连接；冷水循环泵入口阀11，其设置在冷水回流管10上；冷水循环泵5，其将冷水回流管10的另一端侧与入口连接，使冷水循环；涡轮制冷机冷水回流管14，其一端侧与冷水循环泵5的出口连接，设置有单向阀12和出口阀13；涡轮制冷机6，其将涡轮制冷机冷水回流管14的另一端侧与入口连接，将冷水进行冷却；以及涡轮制冷机出口冷水管15，其一端侧与涡轮制冷机6的出口连接。另外，涡轮制冷机冷水回流管14中设置有用于检测涡轮制冷机入口冷水温度的温度传感器84，涡轮制冷机出口冷水配管15中设置检测涡轮制冷机出口冷水温度的温度传感器83。由温度传感器84和温度传感器83检测出的温度信号分别被输入到后述的空气冷却器出口空气温度控制装置17。
另外，涡轮制冷装置400具备：三通冷水流量调整阀7，其将入口与涡轮制冷机出口冷水配管15的另一端侧连接；冷水供给配管8，其将一端侧与三通冷水流量调整阀7的一方出口连接，将另一端侧与空气冷却器4的冷却线圈的冷水入口侧连接；以及冷水旁路配管9，其将一端侧与三通冷水流量调整阀7的另一方出口连接，将另一端侧与冷水回流管10的另一端侧连接。
另外，涡轮制冷装置400具备空气冷却器出口空气温度控制装置17，其为了将空气冷却器4的出口空气的温度调整为预定的温度，控制三通冷水流量调整阀7的开度。
所内电气系统500具备：发电机出口主电路70，其将一端侧与发电机3的输出端连接；变频器旁路断路器66，其与发电机出口主电路70的另一端侧连接；变频器出口断路器65，其与发电机出口主电路70的另一端侧连接；变频器装置64，其配置在变频器出口断路器65的上游侧，将来自系统的电力转换为可变频率电源后，将发动机3作为空气涡轮机2的驱动电动机；变频器入口断路器63，其配置在变频器装置64的上游侧，进行来自系统的电力和变频器装置64的连接/断开；变频器旁路断路器66，其对变频器64进行旁路后在通常运行时将系统和发电机3连接；主变压器低压侧电路71，其一端侧与变频器入口断路器63的上游侧和变频器旁路断路器66的上游侧连接，另一端侧与主变压器62的低压侧连接；主变压器62，其将发电机3的输出电压升压到系统电压；主电路断路器61，其配置在主变压器62的高压侧，进行发电机3和外部系统75之间的连接/断开；以及系统联络断路器60，其配置在主电路断路器61的上游侧，进行与外部系统75的连接/断路。
另外，所内电气系统500具备：所内变压器断路器67，其与系统连络式馈电断路器60和主电路断路器61之间的电路连接，进行所内电力和外部系统75的连接/断路；所内变压器高压侧电路68，其一端侧与所内变压器断路器67的下游侧连接，另一端侧与所内变压器69的高压侧连接；所内变压器69，其将系统电压降压到所内电源的电压；所内辅机电路80，其与所内变压器69的低压侧连接；以及涡轮制冷机断路器81，其进行来自所内辅机电路80的电力和涡轮制冷装置400的涡轮制冷机6的连接/断路。
接着，使用图1说明太阳热空气涡轮发电系统的各个热介质的流动和动作。
在涡轮制冷装置400中，从大气吸入口40取入的空气通过空气冷却器入口风洞41，流入空气冷却器4，通过流过冷却线圈的流水进行冷却。通过温度传感器24检测空气冷却器入口空气温度，通过温度传感器16检测被冷却的空气的温度即空气冷却器出口空气温度。
经由涡轮制冷机断路器81将通过所内变压器69从外部系统75进行了降压的所内辅机电路80的电力提供给涡轮制冷机6。将通过冷水循环泵5从空气冷却器4的冷水回流管10排出的被加热的冷水提供给涡轮制冷机6。涡轮制冷机6通过电能将该冷水进行冷却，经由涡轮制冷机出口冷水配管15发送给三通冷水流量调整阀7。三通冷水流量调整阀7将该冷水分配到冷水供给配管8侧和冷水旁路配管9侧，调整进入空气冷却器4的冷水流量和要进行旁路的冷水流量，由此控制由温度传感器16检测出的空气冷却器出口空气温度。
空气冷却器出口空气温度控制装置17读入由温度传感器24检测出的空气冷却器入口空气温度信号、由温度传感器18检测出的空气涡轮机入口空气温度信号、由温度传感器16检测出的空气冷却器出口空气温度信号、由温度传感器83检测出的涡轮制冷机出口冷水温度信号、由温度传感器84检测出的涡轮制冷机入口冷水温度信号，空气涡轮机2的入口空气温度与大气温度的变化对应，计算不进行变动而成为固定值的控制指令信号。通过将该指定信号输出给三通冷水流量调整阀7，进行冷水流量的分配控制。
通过涡轮制冷装置400的空气冷却器4进行冷却的空气经由空气冷却器出口风洞42和压缩机入口蝶阀43提供给压缩机1。在压缩机1起动时，通过将空气压缩机入口蝶阀43进行半封闭节流运行，使压缩机入口压力下降。这是通过未图示的控制装置检测压缩机1的入口压力和出口压力，使该压力比不抵触压缩机1的浪涌线地进行。在压缩机1的转速到达额定转速后，完全打开空气压缩机入口蝶阀43。
在空气涡轮机入口温度控制装置200中，流出空气压缩机入口蝶阀43的冷却空气进入压缩机1而被压缩，成为中压中温空气，流下压缩机出口配管44，大多通过三通压缩空气分配蝶阀38流入再生热交换器45，一部分流入太阳热集热装置旁路蝶阀出口配管54侧。
流入到再生热交换器45的中压中温的压缩空气与将从空气涡轮机2排出的底压高温空气作为加热介质进行热交换而被加热。由再生热交换器45进行加热的压缩空气通过再生热交换器出口配管46而被送到太阳热集热装置300。
从空气涡轮机2排出的低压高温空气经由空气涡轮机排气空气配管56流入空气涡轮机排气侧再生热交换器入口配管58和再生热交换器旁路配管57。流入到空气涡轮机排气侧再生热交换器入口配管58的低压高温空气流入再生热交换器45，和压缩空气进行热交换后排出到大气。另一方面，流入到再生热交换器旁路配管57的低压高温空气的与再生热交换器旁路阀35的开度对应的流量被直接排出到大气。
控制再生热交换器蝶阀35的开度的再生热交换器出口空气温度控制装置90读入通过直达太阳热量计39检测出的直射日光的太阳照射量信号、通过温度传感器18检测出的空气涡轮机入口空气温度信号、通过温度传感器21检测出的空气涡轮机出口空气温度信号、由温度传感器22检测出的压缩机出口空气温度信号以及由温度传感器23检测出的再生热交换器出口空气温度信号，即使是在直达太阳照射信号发生了变化的情况下，也可以计算空气涡轮机入口空气温度不变动而保持为固定值的再生热交换器旁路阀35的开度指令信号。通过计算出的指令信号控制再生热交换器旁路阀35，即使直达太阳照射信号发生急剧变化，也能够通过固定值控制空气涡轮机入口空气温度。
在太阳热集热装置300中，通过再生热交换器45进行了加热的加热空气通过了再生热交换器出口配管46和太阳热集热装置入口蝶阀47后，通过塔入口空气配管48被导入设置在塔30的顶上的太阳热受热器29。太阳热受热器29中，太阳热反射装置32的反射镜使从太阳31出来的直达太阳照射光33进行反射，使直达太阳照射光反射光34聚光。这样，太阳热受热器29的加热空气进一步升温。
控制太阳热反射装置32的反射角度的太阳热集热量控制装置91读入通过温度传感器18检测出的空气涡轮机入口空气温度信号、通过温度传感器19检测出的太阳热集热装置出口空气温度信号、由温度传感器20检测出的太阳热集热装置旁路空气温度信号，计算用于加减导入到空气涡轮机2中的热量的指令信号。在太阳热集热温度或聚热量要超过最大容许值时，或者在空气涡轮机入口空气温度超过了控制计划值时，使对太阳热受热器29的反射光转向。减少太阳热聚光量。
通过太阳热受热器29进行了升温的中压高温空气经由塔出口空气配管49流入塔出口空气涡轮机侧空气配管50和高压塔出口空气泄压配管51。
高压塔出口空气泄压配管51设置有在配管内的空气异常升压时，对大气释放的空气泄压调整阀27。控制空气泄压调整阀27的空气泄压控制装置26在由压力传感器25检测出的太阳集热出口空气压力信号超过了预定的可运行设定压力的情况下，对空气泄压调整阀27输出打开指令，由此进行泄压动作。其结果为，异常升压了的空气被释放到大气。
流入塔出口空气涡轮机侧空气配管50的中压高温空气经由太阳热集热装置出口蝶阀52与从太阳热集热装置旁路蝶阀出口配管54流入的中压中温空气合流，经由空气涡轮机入口高温空气配管55流入空气涡轮机2。其结果为，空气涡轮机2产生驱动压缩机1和发电机3的动力。
控制空气涡轮入口温度控制装置200的三通压缩空气分配蝶阀38的压缩空气分配控制装置37将来自电力系统(中央供电所)的负荷指令和发电机3的发电输出进行比较后，从计算出偏差的偏差运算装置36输入偏差信号，读入该偏差信号和通过温度传感器18检测出的空气涡轮机入口空气温度信号、通过温度传感器19检测出的太阳热集热装置出口空气温度信号、由温度传感器20检测出的太阳热集热装置旁路空气温度信号，为了对导入到空气涡轮机2中的热量进行加减，计算从压缩机1对太阳热集热装置侧和旁路侧的出口空气的分配量。为了成为计算出的分配量而对三通压缩空气分配蝶阀38输出指令信号。
例如，当负荷指令比发电输出大时，增加太阳热集热装置侧的分配量，减少旁路侧的分配量。另外，当负荷下降时等，发电输出比负荷指令大时，减少太阳热集热装置侧的分配量，增加旁路侧的分配量。通过执行这样的控制，根据系统负荷指令，发电机输出稳定地进行追随，能够达到高效率的发电运用。
太阳热集热装置300的太阳热集热装置入口蝶阀47和太阳热集热装置出口蝶阀52在夜间等不能进行太阳热发电时为全封闭状态。由此，在白天生成的中压中温/高温的空气被封入(热存储)到塔入口空气配管48和塔出口空气配管49以及塔出口空气涡轮机侧空气配管50的内部。并且在第二天启动时，首先对太阳热集热装置出口蝶阀52进行打开操作，将封入的中压中温/高温的空气导入空气涡轮机2，以除去中压高温空气配管系统等的水分为目的而进行使空气涡轮机2以低旋转进行旋转的预热运行。在该预热运行时，将轴连接器作为非连接位置，使发动机3不旋转。
接着，使用图2A和图2B说明构成本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的压缩机的启动方法。图2A是用于说明构成本发明的太阳热空气涡轮发电系统一个实施方式的压缩机的启动方式的特性图。图2B是用于说明构成现有的燃气轮机的压缩机的启动方式的特性图。
在图2A和图2B中，横轴表示时间，纵轴表示压缩机的转速。一般，为了将压缩机的转速上升为一般的额定转速即几千转，需要大的动力。根据确保该动力的方式压缩机的启动方法不同。
在图2B所示的构成现有的燃气轮机的压缩机的情况下，在燃气轮机压缩机轴设置启动用电动机，在压缩机的转速上升到通过N1表示的约20％转速后，使转速上升到成为通过N2表示的几千转的100％额定转速。这时所需要的动力较大。
为了通过一般的燃气轮机进行燃气轮机启动时的燃料清洗运行，通过启动电动机使压缩机上升到约20％转速左右后运行几分钟。之后，通过燃烧器或辅助燃烧器焚烧化石燃料来制作高温气体，通过高温气体和启动电动机(中途的例如以70％转速自动被排除)之间的协作使压缩机的转速上升到100％额定转速。在图2B中，时刻t11表示通过气启动电动机和高温体之间协作而转速开始上升的时刻，时刻t12表示到达100％额定转速时刻。因此，从起动开始到时刻t11之间，只通过启动用电动机来旋转驱动压缩机，从时刻t11到t12之间，通过高温气体和启动电动机旋转驱动压缩机。
另一方面，在本发明的实施方式中，如图2A所示，通过打开操作太阳热集热装置出口蝶阀52，使进行了热存储的中压高温空气流入空气涡轮机2来进行压缩机1的起动。之后，在时刻t1时，通过变频器装置64使系统电力进行频率转换后发送给发电机3，通过将发电机作为电动机而使用，使压缩机1升速到额定转速N2。在图2A中，时刻t2表示到达100％额定转速时刻。
返回图1，更详细地说明压缩机1的启动。
关于启动日前一天的夜间的状态，在太阳热集热装置300中，将太阳热集热装置入口蝶阀47和太阳热集热装置出口蝶阀52全部打开，将在白天生成的中压中温/高温的空气进行热存储。另一方面，所内电气系统500投入系统联络断路器60和所内变压器断路器67，经由所内变压器69对所内辅机电路80进行充电。主电路断路器61、变频器入口断路器63、变频器出口断路器65以及变频器旁路断路器66分别被断开。
在启动时，首先将太阳热集热装置出口蝶阀52进行打开操作，将被封入的中压中温/高温的空气导入空气涡轮机2，使空气涡轮机2以低旋转进行旋转。这时候，将轴连接器28设为非连接位置，使发电机3不旋转。
接着，在所内电气系统500中，投入主电路断路器61和变频器入口断路器63，对变频器装置64提供来自系统的电力，生成进行了频率转换的电力。之后，投入变频器出口断路器65，将进行了频率转换的电力经由发电机出口主电路70提供给发电机3。由此，发电机3以预定的低旋转进行驱动。之后，在发电机3的转速和空气涡轮机2的转速之间的差变小时，将轴连接器28作为连接位置而连接空气涡机轮轴和发电机轴。
变频器装置64通过使要提供的电力从相当低速旋转的频率逐渐上升，而使作为电动机使用的发电机3的转速即空气涡轮机2和压缩机1的转速上升。经由与发电机旋转轴连接的空气涡轮机轴使压缩机1的转速上升后，将压缩空气发送给太阳热集热装置300。即，不需要燃烧化石燃料来产生出燃烧气体能量，同时也不需要涡轮机启动用辅助燃烧器，也不需要启动时的空气涡轮机排气系统的清洗运行。另外，也不需要空气涡轮机启动用电动机。
从电力系统取入电力能量，将发电机3用作电动机直到额定转速为止，将空气发送给太阳热集热装置300，不过随着太阳热热输入的增加，随着来自太阳热集热装置300的高温空气量和高温空气温度的上升，空气涡轮机2的输出增加。由此，太阳热空气涡轮机的发电机3的运行从受电运行(从系统到发电机3)慢慢地切换到送电运行(从发电机3到系统)。
这里，所内电气系统500将变频器入口断路器63和变频器出口断路器65和主电路断路器61断开，投入变频器旁路断路器66。之后，同步检查发电机3进行发电的电力和系统电力，投入主电路断路器61，由此再对系统进行并行继续发电运行。
接着，使用图3A到图3C说明本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的针对1天的天气变化的设备的动作。图3A是为了说明本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的针对1天的天气变化的设备的动作，表示大气温度、涡轮机入口高温空气温度以及直达太阳照射强度的特性的特性概念图。图3B是为了说明本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的针对1天的天气变化的设备的动作，表示冷水旁路流量和再生热交换器旁路空气量的特性的特性概念图。图3C是为了说明本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式的针对1天的天气变化的设备的动作，表示发电机输出、太阳热集热装置侧空气量以及太阳热集热装置旁路侧空气量的特性的特性概念图。
图3A～图3C中，横轴表示时间。图3A的纵轴的(a)表示通过实线表示的大气温度、(b)表示通过短划线表示的涡轮入口空气温度、(c)表示通过折线表示的直达太阳照射强度。另外，图3B的纵轴(d)表示通过实线表示的冷水旁路流量、(e)表示通过折线表示的再生热交换器旁路空气流量。另外，图3C的纵轴(f)表示通过实线表示的发电机输出、(g)表示通过折线表示的太阳热集热装置侧空气流量、(h)表示通过短划线表示的太阳热集热装置旁路侧空气流量。
图3A～图3C表示在从某一天的日出到日落大气温度和直达太阳照射强度发生变化的情况下，发动机输出和空气涡轮入口温度没有变化而发电机输出确保为固定的运行例。
图3A的特性线(a)所示的大气温度从上午9点上升后到达最高温度，在上午一度下降之后恢复到最高温度。在该大气温度的行为时，图3B的特性线(d)所示的冷水旁路流量通过由涡轮制冷装置400的空气冷却器出口空气温度控制装置17进行控制的三通冷水流量调整阀7从通常量开始增加。由此，空气冷却器4的出口空气的温度增加，补偿大气温度的下降。其结果，能够使图3A的特性线(b)所示的涡轮机入口空气温度和图3C的特性线(f)所示的发电机输出没有变化地进行运行。
图3A的特性线(c)所示的直达太阳照射强度从上述6点以后上升，在上午9点到达最高值，不过在下午例如云通过的情况下，一度急剧下降之后恢复到最高值。在该直达太阳照射强度的行为时，图3B的特性线(e)所示的再生热交换器旁路空气流量通过由空气涡轮机入口温度控制装置200的热交换器出口空气温度控制装置90进行控制的再生热交换器旁路阀35从通常量急剧减少。由此，再生热交换器45的出口空气的温度增加，补偿直达太阳照射强度的下降。其结果，能够使图3A的特性线(b)所示的涡轮机入口空气温度和图3C的特性线(f)所示的发电机输出没有变化地进行运行。
图3C的特性线(h)所示的太阳热集热装置旁路侧空气流量和特性线(g)所示的太阳热集热装置侧空气流量从上午6点以后的空气涡轮机2的启动开始进行上升，在图3C的特性线(f)所示的发电机输出在到达最高值(额定)的上午9点分别成为最高值。之后，图3C的特性线(h)所示的太阳热集热装置旁路侧空气流量通过由空气涡轮机入口温度控制装置200的压缩空气分配控制装置37进行控制的三通压缩空气分配蝶阀38从最高值逐渐减少，最终成为0，全部量成为太阳热集热装置侧空气流量。这是为了对图3A的特性线(b)所示的涡轮机入口空气温度进行与发电机输出的上升对应的程序控制而进行的。
另一方面，图3C的特性线(g)所示的太阳热集热装置侧空气流量伴随着下午15点前的图3C的特性线(f)所示的发电机输出的下降而减少，在该发电机输出的下降时，图3C的特性线(h)所示的太阳热集热装置旁路侧空气流量通过由空气涡轮入口温度控制装置200的压缩空气分配控制装置37进行控制的三通压缩空气分配蝶阀38从0逐渐增加，增加到固定值。之后，从固定值逐渐减少，最终到0。这也是为了对图3A的特性线(b)所示的涡轮机入口空气温度进行与发电机输出的下降对应的程序控制而进行的。
根据上述的本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式，在降低建设成本和发电成本的同时，能够提高不使用化石燃料的太阳热空气涡轮发电系统。
另外，根据上述的本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式，通过每天的日出到日落的天气状态与时刻变化的大气温度和直达太阳照射强度对应的同时，为了追踪来自系统的负荷请求信号而设置了控制压缩空气的流量的控制装置，所以能够提供能够进行稳定运行的太阳热空气涡轮发电系统。
另外，根据上述的本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式，不需要发电用的化石燃料成本，也不需要蒸汽轮机发电设备，因此能够简化发电设备，降低建设成本和发电成本并提高经济性。
另外，根据上述的本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式，在每日启动时不需要将氮氧化物气体和二氧化碳气体全部排出到大气中，而能够与天气的变化无关地从太阳热提供廉价且稳定的电力。
另外，根据上述的本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式，在塔30的顶上部只设置太阳热受热器29，这以外的构成设备设置在地上部，所以对塔30没有负荷大的设备载荷。由此，能够简化塔30及其塔基，其结果，能够降低建设成本。
另外，根据上述的本发明的太阳热空气涡轮发电系统的一个实施方式，作为压缩机1和空气涡轮机2的启动方法执行以下的步骤。
(1)夜间，在太阳热集热装置的系统内将中压高温空气进行热存储。
(2)在第二天启动时将前一天残余高温空气导入空气涡轮机2，升速到低速转速。
(3)通过变频器装置64将发动机3驱动为电动机，在升速到空气涡轮2的转速的附近后，通过轴连接器28将空气涡轮轴和发电机轴进行连接。
(4)通过变频器装置64而使频率上升，由此到达额定速度。采用了这样的起动方法，所以不需要从完全停止压缩机1和空气涡轮2的状态开始转动时的电力提供。该结果为能够下降起动用的所内动力的消耗量。
另外，本发明不限定于上述实施例，还包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而详细地说明的实施例，不限定于必须具备所说明的所有的结构。

Claims (6)

1.一种太阳热空气涡轮发电系统的启动方法，上述太阳热空气涡轮发电系统具备：压缩机，其吸入空气来进行升压；受热器，其通过由聚光器会聚的太阳光的热对由上述压缩机进行升压的压缩空气进行加热而使压缩空气升温；空气涡轮机，其导入通过上述受热器加热后的压缩空气来驱动上述压缩机和发电机；再生热交换器，其设置在上述压缩机的下游侧且上述受热器的上游侧，将来自上述空气涡轮机的排气作为加热介质来加热通过上述压缩机进行升压的压缩空气；分配装置，其设置在上述压缩机的下游侧且上述再生热交换器的上游侧，将通过上述压缩机进行升压后的压缩空气分配到上述再生热交换器侧和上述空气涡轮机的入口侧即旁路侧；控制装置，其通过调节作为加热介质而流入上述再生热交换器的来自上述空气涡轮机的排气流量，控制上述空气涡轮机入口的空气温度成为固定值；变频器装置，其将来自所内电力系统的电力转换为变频电源后提供给上述发电机；太阳热集热装置入口蝶阀，其设置在上述受热器的入口侧；以及，太阳热集热装置出口蝶阀，其设置在上述受热器的出口侧，
上述启动方法的特征在于，
在前一天的运行结束后，通过关闭上述太阳热集热装置入口蝶阀和上述太阳热集热装置出口蝶阀，将在太阳热集热装置的系统内进行热存储的高温空气导入上述空气涡轮机后使之低速旋转，
之后，将通过上述变频器装置进行转换后的预定的频率电源提供给上述发电机，将上述发电机作为电动机进行驱动，
在空气涡轮机轴和发电机轴之间的转速的差成为预定的值之后，通过轴连接器连接空气涡轮机轴和发电机轴，
经由与发电机旋转轴连接的空气涡轮机轴使压缩机的转速上升后，将压缩空气提供给上述受热器，
在来自上述受热器的高温空气量和高温空气温度成为预定的值之后，将发电机和所内电力系统从受电运行切换到送电运行，以及
在上述发电机输出到达额定之后通过上述分配装置将压缩空气全部量提供给受热器侧。
2.根据权利要求1所述的太阳热空气涡轮发电系统的启动方法，其特征在于，
上述太阳热空气涡轮发电系统具备：
再生热交换器流入系统，其将上述空气涡轮机的排气导入上述再生热交换器；
再生热交换器旁路系统，其对上述空气涡轮机的排气向上述再生热交换器的流入进行旁路；以及
流量调节阀，其对流入上述再生热交换器旁路系统的排气流量进行调节，
上述控制装置是控制上述流量调节阀的开度的控制装置。
3.根据权利要求1所述的太阳热空气涡轮发电系统的启动方法，其特征在于，
上述太阳热空气涡轮发电系统具备：
空气冷却器，其将上述压缩机所吸入的上述空气进行冷却；
冷水循环泵，其使冷水在上述空气冷却器中循环；
涡轮制冷机，其冷却上述冷水；
调整阀，其控制流入上述空气冷却器的上述冷水的流量；
空气冷却器出口空气温度控制装置，其控制上述调整阀的开度；
第一温度传感器，其检测上述空气涡轮机的入口空气温度；
第二温度传感器，其检测上述空气冷却器的出口空气温度；以及
第三温度传感器，其检测大气温度，
上述空气冷却器出口空气温度控制装置读入由上述第一温度传感器、上述第二温度传感器和上述第三温度传感器检测出的上述空气涡轮机的入口空气温度和上述空气冷却器的出口空气温度以及大气温度，控制上述空气冷却器出口的空气温度，使得上述空气涡轮机的入口空气温度成为固定值。
4.根据权利要求3所述的太阳热空气涡轮发电系统的启动方法，其特征在于，
上述分配装置具备：三通空气流量切换阀，其将通过上述压缩机进行升压后的压缩空气的流量分配到上述再生热交换器侧和上述空气涡轮机的入口侧即旁路侧；和分配控制装置，其控制上述三通空气流量切换阀的开度，
上述分配控制装置读入由上述第一温度传感器检测出的上述空气涡轮机的入口空气温度和上述发电机的输出，控制上述三通空气流量切换阀的开度，使得对上述空气涡轮机的入口空气温度进行程序控制。
5.根据权利要求4所述的太阳热空气涡轮发电系统的启动方法，其特征在于，
上述太阳热空气涡轮发电系统具备：
太阳热集热装置，其由配置在塔的顶上部的上述受热器和具有反射装置的上述聚光器组成；
太阳热集热控制装置，其控制上述太阳热集热装置的上述反射装置的反射位置；
第四温度传感器，其检测上述太阳热集热装置的出口空气温度；以及
第五温度传感器，其检测上述空气涡轮机的入口侧即旁路侧的空气温度，
上述太阳热集热控制装置读入由上述第一温度传感器和上述第四温度传感器以及上述第五温度传感器检测出的上述空气涡轮机的入口空气温度和上述太阳热集热装置的出口空气温度以及上述空气涡轮机的入口侧即旁路侧的空气温度，控制上述反射装置的反射位置，对导入上述空气涡轮机的热量进行加减。
6.根据权利要求1所述的太阳热空气涡轮发电系统的启动方法，其特征在于，
上述太阳热空气涡轮发电系统具备：
泄压调整阀，其将一端侧与上述太阳热集热装置的出口侧连接，另一端侧在大气中开放；
泄压控制装置，其控制上述泄压调整阀的开度；以及
压力传感器，其检测上述太阳热集热装置的出口侧的空气压力，
上述泄压控制装置读入由上述压力传感器检测出的上述太阳热集热装置的出口侧的空气压力，当上述空气压力增加到预先设定的压力以上时，使上述泄压调整阀进行打开动作，将上述空气释放到大气。
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