JP2000110515A

JP2000110515A - 太陽熱発電システム

Info

Publication number: JP2000110515A
Application number: JP10316770A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hatanaka; 武史畑中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2000-04-18

Abstract

(57)【要約】【目的】環境公害の少ない、省エネ型の太陽熱発電
システムを提供することを目的とする。【構成】この発明の太陽熱発電システムにおいて、
クローズドシステム（１２）内に低沸点の有機溶媒系作
動流体を封入し、クローズドシステム内に蒸発器（１
４）を配置して作動流体を加熱して高圧蒸気を生成し、
高圧蒸気により蒸気タービン（５０）を駆動し、タービ
ン排気を凝縮液化した後冷却手段（６８）により蒸発器
に給送し、蒸発器に蓄熱材（１８）を組み合わせて補助
加熱手段（３０）を間欠運転し、流量当たりの熱効率の
高い蒸気タービンを利用することにより高効率の太陽熱
発電システムを得るようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は太陽エネルギー変換シ
ステムに関し、とくに、太陽熱発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第５，２４７，７９６号には太
陽熱を利用したエネルギー変換装置において作動流体を
高圧ガスに変換し、これにより発電機用タービンを駆動
する太陽熱発電システムが開示されている。このシステ
ムでは曇り日および夜間に発電することができず、シス
テム効率が悪く、電力を安定的に供給することができな
かった。さらに、このシステムで利用されるタービンは
タービンハウジングとタービンブレード間の空隙が大き
く、未利用の高速作動流体がタービンブレード間の空隙
を流出し、タービンは流量当たりの出力、熱効率が低か
った。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の太陽熱発電シス
テムは、安定的に電力を供給することができない上にシ
ステム効率が悪いため、高効率発電システムを小型軽
量、コンパクトにすることができなかった。

【０００４】本発明はシステム効率が高く、コンパクト
な太陽熱発電システムを提供することを目的とする。

【０００５】

【問題を解決するための手段】本願第１の発明は、低沸
点の混合有機溶媒からなる作動流体を封入したクローズ
ドシステムと、太陽熱を吸収するソーラコレクタと、補
助加熱手段と、クローズドシステムに連結されていてソ
ーラコレクタと補助加熱手段により加熱される蓄熱材を
備えていて作動流体を高圧蒸気に変換する蒸発器と、高
圧蒸気により駆動される蒸気タービンと、蒸気タービン
により駆動される発電機と、タービン排気を凝縮液化し
て蒸発器に液相の作動流体を圧送する冷却手段と、蓄熱
材の温度を検出して温度信号を出力する温度センサー
と、温度信号に応答して補助加熱手段を間欠運転するこ
とにより蓄熱材を予め定められた温度領域内に制御する
制御装置とを備え、蒸気タービンが高圧蒸気を高速蒸気
に変換する噴射ノズル手段と、噴射ノズル手段に連通し
ていて高速蒸気の旋回流をラジアル面に発生させる旋回
流発生手段を有するステータと、ステータに対向して配
置されたタービンロータとを備え、タービンロータのラ
ジアル面が旋回流発生手段に対面する複数のタービン動
翼を備える太陽熱発電システムである。

【０００６】

【作用】本発明の太陽熱発電システムにおいて、ソーラ
ーコレクタの吸収熱を蓄熱材に蓄熱し、蓄熱材を補助加
熱手段により補助的に加熱するようにしたため、太陽熱
を主エネルギーとして安定的に高効率で電力を供給でき
るようにしたものである。

【０００７】

【実施例】以下、本発明について図面を用いて詳細に説
明する。図１は本発明の太陽熱発電システム１０の系統
図を示す。図１において、発電システム１０は７５〜９
５重量％のメチルアルコールと５〜２５重量％のアンモ
ニアとの低沸点混合有機溶媒からなる作動流体を封入し
たクローズドシステム１２を備える。混合有機溶媒は、
好ましくは、１２重量％のアンモニアを混合したメチル
アルコールが良く、この場合、沸点は約５０℃、融点は
−８５℃、１７５℃で４０ａｔｍ、２１５℃で１００ａ
ｔｍ、２６０℃で２６０ａｔｍの高圧蒸気となる。クロ
ーズドシステム１２には高圧蒸気を発生させるための蒸
発器１４が配置される。蒸発器１４は密閉容器１６と、
その中に収納された蓄熱材１８を備える。蓄熱材１８は
固体のマグネシア２０と溶融硝酸ナトリウム２２からな
り、同一容積で水の６０倍の蓄熱容量を有する。

【０００８】蒸発器１４の蓄熱材１８を加熱するため
に、ソーラコレクタ２４が家屋のベランダまたは屋根に
配置されて太陽熱が集熱される。ソーラコレクタ２４は
透光性の真空容器２４ａ内に集熱板およびヒートパイプ
の吸熱部を収納したもので、ダイムラーベンツ・エアロ
スペース社によりＳＥＩＤＯシリーズで市販されている
太陽熱集熱器を１例として利用しても良い。ソーラコレ
クタ２４は熱媒を封入したヒートパイプ２６に接続さ
れ、ヒートパイプ２６はタンク１６内に収納された加熱
部２６ａを備える。ヒートパイプ２６には熱媒をソーラ
コレクタ２４に循環させるための循環ポンプ２８が配置
される。補助加熱装置３０は液化天然ガスまたはプロパ
ンガスを燃料としたバーナからなり、上述した熱媒を封
入したヒートパイプ３２を備え、ヒートパイプ３２はタ
ンク１６内に収納されて蓄熱材１８を補助的に加熱する
ための加熱部３２ａを有する。変形例において、補助加
熱装置３０は電熱ヒータに代えても良く、この場合、電
力単価の安い深夜電力を利用して蓄熱材１８を加熱して
も良い。密閉容器１６には蓄熱材の温度を検出して温度
信号を出力するための温度センサ３４が設置され、温度
信号は制御装置３５に供給される。

【０００９】蒸発器１４はクローズドシステム１２と連
通している蒸発管１４ａを備え、蒸発管１４ａは密閉容
器１６に収納されて蓄熱材１８と接触する。蒸発器１４
で発生した高圧蒸気は調圧弁４０を介して蒸気タービン
５０に供給され、発電機６０を駆動する。調圧弁４０の
上流側においてクローズドシステム１２には圧力センサ
３６が設置され、高圧蒸気の圧力を検出した圧力信号が
制御装置３５に供給される。蒸気タービン５０の排気は
排気ポート５２ｂから凝縮器６４および昇圧ポンプ６３
からなる冷却手段６８により冷却液化される。凝縮器６
４には冷却水ポンプ６５を介して冷却水６４ａが供給さ
れ、冷却水６４ａは冷却塔６７で２０〜３５℃迄冷却さ
れる。液相の作動流体は昇圧ポンプ６３を経て蒸発器１
４に給送される。制御装置３５には入力装置７０から、
設定温度および設定圧力等に関する各種入力データがイ
ンプットされる。制御装置３５は設定データと検知デー
タ、すなわち、温度信号と圧力信号との偏差値に基づい
て、補助加熱装置３０をオンオフ制御する。

【００１０】図２において、蒸気タービン５０は作動流
体の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換する噴射ノ
ズル５２ａ、５２ａ’と排気ポート５２ｂを有するター
ビンハウジング５２を備える。タービンハウジング５２
は円筒部材５２ｃと、フロントプレート５２ｄおよびフ
レーム５２ｅを備える。円筒部材５２ｃには軸方向に間
隔をおいて配置された固定円板からなるステータ５３、
５４が固定支持される。円筒部材５２ｃの内側において
ステータ５３、５４に対向して回転円板からなるタービ
ンロータ５５が回転可能に支持される。タービンロータ
５５は出力軸５６に圧入されたハブ５５ａと軸流ファン
５５ｂを備える。ハブ５５ａの両側にはスリーブ５７、
５８が配置され、スリーブ５７はステータ５４により固
定支持され、スリーブ５８はベアリングサポート５９に
より固定支持される。出力軸５６はフロントプレート５
２ｄに支持されたベアリングＢ１とベアリングサボート
５９に支持されたベアリングＢ２により回転可能に支持
される。ベアリングサポート５９はフレーム５２ｅとス
テータ５３の間に固定支持され、排気ボート５２ｂに連
通する連通口５９ａ、５９ｂを有する。

【００１１】図３において、ステータ５３はそのラジア
ル面において外周から中心部へ延びていて軸方向に開口
する第１段および第２段旋回流発生手段５３ａ、５３ｂ
および連絡通路５３ｃを備える。第１段および第２段旋
回流発生手段５３ａ、５３ｂは同心的な環状通路からな
り、第１段環状通路５３ａの入口側は噴射ノズル５２ａ
に連通し、出口側は連絡通路５３ｃを介して第２段環状
通路５３ｂに連通する。ステータ５３は中央開口部５３
ｄを備え、第２段環状通路５３ｂは連絡通路５３ｅを介
して中央開口部５３ｄと連通する。第１段および第２段
環状通路５３ａ、５３ｂはそれぞれ旋回流の流れ方向に
等間隔で配列された複数の案内翼５３ｆ、５３ｇを備え
る。図２において、案内翼５３ｆ、５３ｇの頂部はステ
ータ５３のラジアル面から凹んでいるが、ラジアル面と
同一平面に位置するように形成しても良い。ステータ５
３の背面にはラジアル通路５３ｈが形成されていて、中
央開口部５３ｄと連通口５９ａ、５９ｂと連通される。

【００１２】図２において、ステータ５４のラジアル面
はステータ５３と同様に同心的に形成された第１段およ
び第２段環状通路５４ａ、５４ｂと、これら環状通路５
４ａ、５４ｂ内にそれぞれ等間隔で配列されて円弧状作
用面を有する複数の案内翼５４ｆ、５４ｇを有する。第
１段環状通路５４ａは第２段環状通路５４ｂと連通し、
第２段環状通路５４ｂはステータ５４の中央開口部５４
ｄと連通する。ステータ５４の旋回流方向はステータ５
３の旋回流方向と同一となるように第１段および第２段
環状通路５４ａ、５４ｂは形成される。

【００１３】図２、図４において、タービンロータ５５
の両側のラジアル面は同心的に形成された第１段および
第２段環状案内溝５５ｃ、５５ｄを備える。環状案内溝
５５ｃ、５５ｄはそれぞれ周方向に等間隔に配列されて
いて円弧状作用面を有する複数のタービン動翼５５ｅ、
５５ｆを有する。タービンロータ５５の環状案内溝５５
ｃ、５５ｄはそれぞれ隣接したステータ５３、５４の第
１段、第２段の旋回流発生通路と同一径の軌道上に形成
される。動翼５５ｅ、５５ｆの頂部は放射方向に配列さ
れており、このため、タービンロータ５５への回転エネ
ルギーは周方向に与えられる。

【００１４】図２〜図５において、噴射ノズル５２ａに
流入した作動流体の高速流Ａ１はステータ５３の第１段
環状通路５３ａを旋回流となって流れ、連絡通路５３ｃ
を経て第２段環状通路５３ｂで旋回流が生ずる。第２段
環状通路５３ｂの出口側で旋回流は排気となって連絡通
路５３ｅ、中央開口部５３ｄ、ラジアル通路５３ｈおよ
び連通口５９ａ、５９ｂを経て排気ポート５２ｂから排
出される。上記工程において、図５に示されるように、
高速流Ａ１はステータ５３の案内翼５３ｆによって偏向
流Ａ２となってタービン動翼５５ｃに衝突してタービン
ロータ５５を矢印Ｂ方向に移動させる。タービン動翼５
５ｃに衝突した旋回流はタービン動翼の曲面壁によって
方向が変えられ、偏向流Ａ３となり、この偏向流Ａ３は
ステータ５３の案内翼５３ｆにより再びタービン動翼５
５ｃの方向に案内される。このように噴射ノズル５２ａ
から第１段環状通路５３ａおよび第２段環状通路５３ｂ
を通過する旋回流は案内翼５３ｆ、５３ｇおよびタービ
ン動翼５５ｅ、５５ｆで流れ方向が偏向されながらター
ビン動翼５５ｅ、５５ｆに直接衝突して回転エネルギー
を与える。図５（ａ）および図５（ｂ）はステータ５３
に対するタービンロータ５５のそれぞれ異なる相対位置
関係を示す。図２において、タービンロータ５５の両側
のラジアル面の複数のタービン動翼５５ｅ、５５ｆには
複数の旋回流が同時に衝突するため、タービンロータ５
５には大きな回転力が与えられる。このとき、タービン
動翼５５ｅ、５５ｆに衝突した旋回流は案内溝５５ｃ、
５５ｄの壁でかこまれた通路を流れてステータ５３の案
内翼５５ｅ、５５ｆの方向に偏向させるため、タービン
動翼の側壁からの漏れ蒸気を防ぐことができ、タービン
の流量当たりの出力・効率を飛躍的に向上させることが
できる。しかも、タービンロータ５５は低速高トルクで
回転される。

【００１５】図６、図７はそれぞれ図５、図６のステー
タおよびタービンロータの変形例を示し、類似部品につ
いては図５、図６の符号にシングルまたはダブルアポス
トロフィが付してある。図６の変形例において、ステー
タ５３’の旋回流発生手段は円筒ケーシング５２ｃ’の
渦巻形噴射ノズル５２ａ’と中央開口部５３ｄ’に連通
する第１、第２スパイラル旋回通路５３ａ’、５３ａ”
からなる。図７の変形例において、タービンロータ５
５’はステータ５３’のスパイラル旋回通路５３ａ’、
５３ａ”と同一の軌道上にそれぞれ形成された第１、第
２スパイラル案内溝５５ｃ’、５５ｃ”とこれらの中に
配置されたタービン動翼５５ｅ’、５５ｅ”を備える。
スパイラル旋回通路５３ａ’、５３ａ”および第１、第
２スパイラル案内溝５５ｃ’、５５ｃ”はそれぞれ図４
と同様な半円状断面もしくはＵ字状断面を有する。ター
ビン動翼５５ｅ’、５５ｅ”は放射状に形成されたリブ
状の形状を有するが、図２に示されるように、円弧状の
作用面５５ｅに類似した形状を備えても良い。

【００１６】図６、図７において、噴射ノズル５２ａ’
の蒸気噴流Ｃは第１、第２スパイラル旋回通路５３
ａ’、５３ａ”に流入してスパイラル旋回流Ｃ１、Ｃ２
を発生させる。このとき、スパイラル旋回通路５３
ａ’、５３ａ”の壁面は案内翼として機能し、スパイラ
ル旋回流Ｃ１、Ｃ２の１部は遠心力によりスパイラル旋
回通路５３ａ’、５３ａ”の壁面により案内されてター
ビンロータ５５’のタービン動翼５５ｅ’、５５ｅ”に
周方向に衝突する。タービン動翼５５ｅ’、５５ｅ”に
衝突した旋回流は隣接した案内溝５５ｃ’、５５ｃ”を
経てスパイラル旋回通路５３ａ’、５３ａ”の旋回流と
混合もしくは合流する。このことが繰り返されて複数の
タービン動翼５５ｅ’、５５ｅ”に同時に旋回流が衝突
するため、タービンロータ５５’は大きなトルクで回転
される。なお、タービン動翼５５ｅ’、５５ｅ”に衝突
するときに旋回流はタービン動翼５５ｅ’、５５ｅ”に
隣接する案内溝５５ｃ’、５５ｃ”の側壁により拘束さ
れて、蒸気漏れがないため、速度エネルギーの損失が少
なくなり、タービンの流量当たりの出力・効率が飛躍的
に向上する。

【００１７】図８において、制御装置３５は入力装置７
０に接続された入力インターフェース３５ａと、ＲＡＭ
３５ｂ、ＣＰＵ３５ｃ、ＲＯＭ３５ｄ、出力インターフ
ェース３５ｅ、および制御器３５ｆを備える。入力装置
７０は温度Ｔ１、Ｔ２に相当する入力データと、圧力設
定値に相当する入力データを入力インターフェース３５
ａを通じてＲＡＭ３５ｂに入力する。温度センサ３４の
温度信号と圧力センサ３６の圧力信号は入力インターフ
ェース３５ａを介してＣＰＵ３５ｃに供給される。出力
インターフェース３５ｅにはリレーＲＬを駆動するため
のトランジスタＴＲが接続され、リレーＲＬは制御回路
８５の電源８３に補助加熱装置３０を間欠的に接続す
る。さらに、出力インターフェース３５ｅには比例積分
形の制御器３５ｆが接続されており、これは調圧弁４０
を制御する。

【００１８】図１、図８、図９において、たとえば早朝
の時間ｔ_０において、ドライブ信号Ｄ１によりリレーＲ
Ｌがクローズされると、制御回路８５により補助加熱装
置３０がオンにされ、補助加熱装置３０が蓄熱材１８を
Ｔ０からＴ２まで加熱する。このとき、蒸発器１４内の
作動流体は５０℃以上にて気化されて高圧蒸気が発生
し、この高圧蒸気は調圧弁４０を経てタービン５０に供
給され、タービン５０を駆動する。タービン１００には
昇圧ポンプ１４４が内蔵されているため、昇圧ポンプ１
４４は液相の作動流体を蒸発器１４に給送する。液相の
作動流体は蒸発器１４の蓄熱材１８によって高圧蒸気に
変換される。その後、ソーラコレクタ２４の加熱部２６
ａまたは補助加熱装置３０の加熱により、時間ｔ_１にお
いて、蓄熱材１８の温度がＴ２に達すると、ＲＡＭ３５
ｂに入力された設定温度値と温度センサ３４からの温度
信号の偏差値はゼロとなるため、ＣＰＵ３５ｃはオフ指
令信号を出力し、出力インターフェース３５ｅを介して
トランジスタＴＲをオフにする。このとき、補助加熱装
置３０はオフにされるため、オフ期間中に補助加熱装置
３０によりエネルギーは消費されない。時間ｔ_１からｔ
_２の期間中に蒸発器１４は蓄熱材１８の蓄熱エネルギー
により作動液体を加熱気化させる。曇天によりソーラコ
レクタ２４の加熱部２４ａの熱エネルギーが低下した状
態で、蓄熱材１８の熱エネルギーが消費される。そのと
き、時間ｔ_２において、蒸発器１４の蓄熱材１８の温度
がＴ１に達すると、出力インターフェース３５ｅからド
ライブ信号Ｄ２が出力され、蓄熱材１８は再び加熱され
る。図９において、時間ｔ_４、ｔ_５の期間において、ド
ライブ信号Ｄ３が出力される。このように、蒸発器１４
の補助加熱装置３０は蓄熱材１８の温度を予め定められ
たＴ１およびＴ２の範囲内になるように間欠運転され
る。圧力センサ３６からの圧力検出値は入力インターフ
ェース３５ａを介してＣＰＵ３５ｃに供給され、圧力偏
差値がプラスのときは制御器８０ｆを介して調圧弁４０
の開度を絞るように制御し、偏差値がマイナスのときは
調圧弁４０の開度を大きくする方向に操作する。このよ
うに、調圧弁４０は温度Ｔ１およびＴ２の期間内におい
て、タービン１００へ供給される高圧ガスの値を常に一
定になるように調整する。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の太陽熱発
電システムでは蒸発器に蓄熱材を収納し、ソーラコレク
タにより蓄熱材を加熱するとともに、補助加熱装置によ
り蓄熱材を補助的に加熱できるように構成し、曇天や夜
間等の時間帯においても省エネルギーで安定的に電力を
供給できる効果があり、地球温暖化防止にも多大の貢献
が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による太陽熱発電システムの系統図であ
る。

【図２】図１の蒸気タービンの断面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線から見たステータの平
面図である。

【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線から見たタービンロータの
平面図である。

【図５】図２のステータと、タービンロータとの相対位
置関係を示す図である。

【図６】図のステータの変形例を示す平面図である。

【図７】図のタービンロータの変形例を示す平面図で
ある。

【図８】図１の制御装置のブロック図である。

【図９】図８の蓄熱温度とドライブ信号との関係を示す
図である。

【符号の説明】

１０太陽熱発電システム１２クローズ
ドシステム１４蒸発器５２タービン
ハウジング１６密閉容器５３ステータ１８蓄熱材５４ステータ２４ソーラーコレクタ５５タービン
ロータ２６ヒートパイプ５６出力軸２８循環ポンプ６０発電機３０補助加熱装置６３昇圧ポン
プ３４温度センサ６４凝縮器３５制御装置６５冷却水ポ
ンプ３６圧力センサ６７冷却塔４０調圧弁６８冷却手段５０蒸気タービン７０入力装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低沸点の混合有機溶媒からなる作動流体を
封入したクローズドシステムと、太陽熱を吸収するソー
ラコレクタと、補助加熱手段と、クローズドシステムに
連結されていてソーラコレクタと補助加熱手段により加
熱される蓄熱材を備えていて作動流体を高圧蒸気に変換
する蒸発器と、高圧蒸気により駆動される蒸気タービン
と、蒸気タービンにより駆動される発電機と、タービン
排気を凝縮液化して蒸発器に液相の作動流体を圧送する
冷却手段と、蓄熱材の温度を検出して温度信号を出力す
る温度センサーと、温度信号に応答して補助加熱手段を
間欠運転することにより蓄熱材を予め定められた温度領
域内に制御する制御装置とを備え、蒸気タービンが高圧
蒸気を高速蒸気に変換する噴射ノズル手段と、噴射ノズ
ル手段に連通していて高速蒸気の旋回流をラジアル面に
発生させる旋回流発生手段を有するステータと、ステー
タに対向して配置されたタービンロータとを備え、ター
ビンロータのラジアル面が旋回流発生手段に対面する複
数のタービン動翼を備える太陽熱発電システム。
【請求項２】請求項１において、混合有機溶媒が７５〜
９５重量％のメチルアルコールと、５〜２５重量％のア
ンモニアからなる太陽熱発電システム。
【請求項３】請求項１または２において、旋回流発生手
段がステータのラジアル面に形成された環状旋回通路
と、環状旋回通路内に形成された複数の案内翼とを備え
る太陽熱発電システム。
【請求項４】請求項１または２において、旋回流発生手
段がステータのラジアル面に形成されたスパイラル旋回
通路を備え、タービンロータがスパイラル旋回通路と同
一軌道上に形成されたスパイラル案内溝と、スパイラル
案内溝に形成された複数のタービン動翼を備える太陽熱
発電システム。
【請求項５】請求項１または２において、冷却手段がク
ローズドシステム内に配置された凝縮器および昇圧ポン
プと、凝縮器に接続されて冷却水を冷却する冷却塔と、
冷却水を凝縮器と冷却塔との間で循環させる冷却水ポン
プを備える太陽熱発電システム。