JP2005214139A - 太陽熱発電及び淡水化システム - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽熱の有効利用が図れると共に、発電サイクルをなす各機器を効率的な配置にでき、十分な発電及び淡水化効率を確保しつつ設備のコンパクト化、低コスト化を実現させられる太陽熱発電及び淡水化システムを提供する。
【解決手段】 太陽熱集熱装置１０で淡水化プロセスの蒸発器３２に導入される淡水化用原水の温度を高めると共に、蒸発器３２に至る前の淡水化用原水で発電サイクルの作動流体を加熱、蒸発させ、淡水化プロセスと発電サイクルを太陽熱から得られたエネルギで同時に稼働させることから、太陽熱を発電及び淡水化に活用して効率よく低コストの電力並びに淡水が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、日照が十分に得られる地域において、不純物を含んで飲用等の利用に不適な海水や地下水等の原水から、太陽熱により加熱した高温のものと未加熱の低温のものとをそれぞれ得、これらの温度差を利用して環境負荷を与えずに発電並びに淡水化を行える太陽熱発電及び淡水化システムに関する。

中緯度地域に多く見られる乾燥気候地帯のような、自然環境から淡水が得にくい地域では、火力発電所に淡水化設備を並設して電力と共に淡水を得る複合システムが従来から利用されている。火力発電所からの排熱を淡水化設備で有効に活用して淡水を作るため、エネルギコストを低減できる利点があり、こうした地域での人口増や産業発展に伴う電力や水需要の増大に合わせて利用がますます増える傾向にある。

ただし、こうした複合システムは、コストや効率の点から大規模施設として運用されるのが一般的であり、冷却水や淡水化される原水等として大量の水を必要とするため、水を容易に得られる海岸あるいは河川の流域等に設けられることが多かった。逆に、大量の水が得にくい乾燥気候地帯の内陸部等に設けることは困難であり、こうした地域は遠く離れた海岸等の発電所や淡水化施設から電力や水道水の供給を受けざるを得ないため、電力や水道水の供給状態が悪くなりがちで、特に発展途上国の場合、送電網や水供給網の不備から電力不足や水不足に陥りやすくなっている他、小規模集落では電力や水道水の供給そのものを未だ実現させていない場合もあり、国土の均衡ある発展を目指す上で問題となっていた。

また、火力発電所や淡水化設備においては、水を加熱するために石油・石炭等の化石燃料を燃やした熱を用いており、化石燃料の燃焼に伴い二酸化炭素等を大量に排出し、地球温暖化等の環境悪化を招くという問題があった。

このような従来の問題点を踏まえ、大規模な発電と淡水化の複合システムとは全く異なり、日照が十分に得られる地域では、小規模でも十分な効率を実現して設備や管理等のコストを抑えられ、地域分散型のシステムを構築でき、内陸部でも利用可能であり、且つ化石燃料を必要とせず、環境悪化を招かない等の特長を備える、太陽熱を利用して発電や淡水化を行うシステムが近年各種提案されている。

このうち、太陽熱を利用して淡水化を行う装置の一例として、特開２００３−１９０９３５号公報に記載されるものがあり、これを図５に示す。図５は従来の淡水化装置の概略構成図である。

前記図５において従来の淡水化装置１００は、取水された海水を加熱する日射加熱手段１０１と、加熱された海水を蒸発させる蒸発手段１０２と、蒸気を凝縮して蒸留水を得る蒸気冷却手段１０３とを備える構成である。日射、すなわち太陽熱で海水を加熱することにより、自然エネルギを最大限利用して低コストで海水を蒸留水として造水できる仕組みである。

また、太陽熱を利用して発電する装置の一例として、特開昭５９−１１０８７２号公報に記載されるものがあり、これを図６に示す。図６は従来の発電装置の概略系統図である。

前記図６において従来の発電装置２００は、表層の温かい海水に太陽熱を吸収させて高温にする集熱器２０１と、得られた高温の海水により作動媒体を蒸発させる蒸発器２０２と、取水した深層の冷たい海水により作動媒体を凝縮させる凝縮室２０３と、前記蒸発器２０２と凝縮器２０３との間を循環する作動媒体により作動するタービン２０４と、このタービン２０４により駆動される発電機２０５とを備える構成である。海洋温度差発電サイクルに太陽熱利用の集熱設備を併用することで、太陽熱を有効に利用して発電サイクル全体の効率を高められる仕組みとなっている。

さらに、太陽熱を利用して発電と淡水化の両方を行う装置の一例として、特開平９−１０３７６６号公報に記載されるものがあり、これを図７に示す。図７は従来の太陽熱発電装置及び海水淡水化装置の系統図である。

前記図７において従来の装置は、熱媒としての混合ガスを太陽熱により加熱する集光式受熱器３０１ａ、ガスタービン３０１ｂ、圧縮機３０１ｃ、放熱用熱交換器３０１ｄ、スタータジェネレータ３０１ｅ、及び再生熱交換器３０１ｆからなる密閉ガスタービンサイクルの太陽熱発電装置３０１と、海水を前記放熱用熱交換器３０１ｄにおける熱交換で蒸発させてなる蒸気を凝縮させ、蒸留水を得る凝縮器３０２とを備える構成である。放熱用熱交換器３０１ｄにおいて、太陽熱発電装置３０１の発電に利用した後の太陽熱に由来する排熱により海水を蒸発させ、この蒸気を凝縮器３０２に導入する一方、取水した海水の一部をそのまま凝縮器３０２での冷却水として用い、蒸気を凝縮させて淡水を得る仕組みとなっており、太陽熱を熱源としてランニングコストを低減しつつ、必要な電力と淡水を得ることができる。
特開２００３−１９０９３５号公報 特開昭５９−１１０８７２号公報 特開平９−１０３７６６号公報

従来の太陽熱を用いて発電や淡水化を行う装置は、前記各特許文献に示される構成となっており、前記特許文献１に示される第１の従来装置、及び前記特許文献２に示される第２の従来装置においては、乾燥気候地帯など少雨で日照が十分に得られる地域では太陽熱として十分なエネルギが得られるものの、そのエネルギをそれぞれ海水淡水化又は発電にしか使用しておらず、エネルギを有効に使用しているとは言い難かった。

特に、前記特許文献１に示される従来装置では、太陽熱で温められた水の蒸発過程で蒸発せずに残った水を、次段の凝縮器での冷却水として用いているため、熱収支の関係上、蒸気と冷却水との温度差を大きくとれず、蒸気の凝縮する割合は小さく、淡水化の効率が低いものとなっている。蒸発部分（冷却塔）と凝縮器の内部空間の圧力を低くすれば凝縮の効率については向上が望めるが、逆にポンプ損失が増えるため、全体的な効率は向上せず、太陽熱の有効利用にはほど遠いものであった。

また、前記特許文献３で示される第３の従来装置では、発電サイクルの作動流体となるガスを直接太陽熱で加熱しているため、太陽熱を得てから作動流体の加熱までに至るエネルギロスは少ないものの、日照の変動の影響を受けやすく、発電サイクルを一定状態で運転させることが難しいという課題を有していた。さらに、現実に太陽に対する配置の関係上、集熱装置の位置は周囲に反射鏡以外に障害物のない状況、例えば塔の上部などが望ましいが、集熱装置からタービンやジェネレータのある機構部分までの作動流体流路が長くなってしまうため、流路損失の増加に伴うポンプ出力増強や保温設備が必要になることに加え、設置や保守の面で安全性を確保するために、作動流体も反応性の低い安定した物質を使用する必要があり、作動流体の種類が限られるなど、高コストとなる要因が多いという課題を有していた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、太陽熱の有効利用が図れると共に、発電サイクルをなす各機器を効率的な配置にでき、十分な発電及び淡水化効率を確保しつつ設備のコンパクト化、低コスト化を実現させられる太陽熱発電及び淡水化システムを提供することを目的とする。

本発明に係る太陽熱発電及び淡水化システムは、所定の淡水化用原水を太陽熱で加熱する太陽熱集熱装置と、当該太陽熱集熱装置で加熱された後の淡水化用原水と所定の液相の作動流体とを熱交換させて当該作動流体を蒸発させる発電用蒸発器と、蒸発した前記作動流体の保有する熱エネルギを動力に変換する原動機と、当該原動機で駆動されて発電する発電機と、所定の水源より得られた冷却用原水と前記原動機で使用済の作動流体とを熱交換させて作動流体を凝縮させる発電用凝縮器と、前記発電用蒸発器で作動流体を蒸発させた後の淡水化用原水を所定の減圧空間内で蒸発させて蒸気を得る淡水化用蒸発器と、前記発電用凝縮器を出た冷却用原水及び／又は別途新規取水された冷却用原水と前記蒸気を熱交換させ、蒸気を凝縮させて蒸留水を得る淡水化用凝縮器とを備えるものである。

このように本発明においては、太陽熱集熱装置で淡水化プロセスの蒸発器に導入される淡水化用原水の温度を高めると共に、蒸発器に至る前の淡水化用原水で発電サイクルの作動流体を加熱、蒸発させ、淡水化プロセスと発電サイクルを太陽熱から得られたエネルギで同時に稼働させることにより、太陽熱を発電及び淡水化に活用して効率よく低コストの電力並びに淡水が得られる。また、作動流体に対し淡水化用原水を介して太陽熱エネルギを供給することで、淡水化用原水の蓄熱作用を生かして発電サイクルへの日照変化の影響を抑えられ、安定した電力供給が行えると共に、作動流体の選定に自由度が増え、様々な低沸点熱媒体を利用でき、高温源と低温源の温度差が小さくても十分発電サイクルを動作させられ、その分太陽熱集熱装置の設備をコンパクトにでき、設備コストを抑えられる。

また、本発明に係る太陽熱発電及び淡水化システムは必要に応じて、前記淡水化用原水と冷却用原水が、同一の天然水源から得られた等温等質の水であるものである。
このように本発明においては、作動流体を凝縮させ且つ淡水化用原水の蒸気を凝縮させる冷却用原水と淡水化用原水をそれぞれ同じ天然水源から得た水とし、淡水化用原水を太陽熱集熱装置で温めて冷却用原水との温度差を与え、この温度差を利用して発電サイクル及び淡水化プロセスを稼働させることにより、太陽熱以外は外部からあらかじめ高温又は低温とされた水やエネルギ等を一切与えずに発電サイクル及び淡水化プロセスの稼働を維持でき、他と独立したシステム運用が行え、送電網や水供給網から隔絶した地域でも確実に所望の電力及び淡水を供給できる。

また、本発明に係る太陽熱発電及び淡水化システムは必要に応じて、前記淡水化用凝縮器を出て温度の上昇した冷却用原水の一部又は全部を、前記淡水化用原水の少なくとも一部として前記太陽熱集熱装置に導入するものである。

このように本発明においては、熱交換を経て温度上昇した冷却用原水を一部淡水化用原水として利用し、冷却用原水の保有する太陽熱エネルギのうちシステム外に排出されて無駄になっていた分を減らせることにより、太陽熱エネルギの有効利用が図れ、システム全体の効率を高められると共に、取水する水のうち淡水化用原水として新規に取水する分を減らすことができ、全体の取水量を減らして取水に伴う水源への悪影響を抑えられる。さらに、熱交換を経た冷却用原水の利用で太陽熱集熱装置の入口における淡水化用原水の温度を高くできることとなり、太陽熱集熱装置の負荷を抑えられ、太陽熱集熱装置の入熱量を司り且つ大きなスペースを占める太陽光反射部分を縮小することができ、システム全体のコンパクト化が図れる。

また、本発明に係る太陽熱発電及び淡水化システムは必要に応じて、前記発電用凝縮器を出て温度の上昇した冷却用原水の一部又は全部を、前記淡水化用原水の少なくとも一部として前記太陽熱集熱装置に導入するものである。

このように本発明においては、熱交換を経て温度上昇した冷却用原水を一部淡水化用原水として利用し、冷却用原水の保有する太陽熱エネルギのうちシステム外に排出されたり温度の低い別の冷却用原水と混合されたりして無駄になっていた分を減らせることにより、太陽熱エネルギの有効利用が図れ、システム全体の効率を高められると共に、取水する水のうち淡水化用原水として新規に取水する分を減らすことができ、全体の取水量を減らして取水に伴う水源への悪影響を抑えられる。さらに、熱交換を経た冷却用原水の利用で太陽熱集熱装置の入口における淡水化用原水の温度を高くできることとなり、太陽熱集熱装置の負荷を抑えられ、太陽熱集熱装置の入熱量を司り且つ大きなスペースを占める太陽光反射部分を縮小することができ、システム全体のコンパクト化が図れる。

また、本発明に係る太陽熱発電及び淡水化システムは必要に応じて、前記淡水化用蒸発器で蒸発しきれず液相で残った分の淡水化用原水の一部又は全部を、新たな淡水化用原水の少なくとも一部として前記太陽熱集熱装置に導入するものである。

このように本発明においては、淡水化装置で蒸発しきれなかった液相の淡水化用原水を一部還流させて新規の淡水化用原水として再利用し、液相の淡水化用原水の保有する太陽熱エネルギのうちシステム外に排出されて無駄になっていた分を減らせることにより、太陽熱エネルギの有効利用が図れ、システム全体の効率を高められると共に、取水する水のうち淡水化用原水として新規に取水する分を減らすことができ、全体の取水量を減らして取水に伴う水源への悪影響を抑えられる。さらに、熱交換を経た淡水化用原水の再利用で太陽熱集熱装置の入口における淡水化用原水の温度を高くできることから、太陽熱集熱装置の負荷を抑えられ、太陽熱集熱装置の入熱量を司り且つ大きなスペースを占める太陽光反射部分を縮小することができ、システム全体のコンパクト化が図れる。

また、本発明に係る太陽熱発電及び淡水化システムは、所定の循環水を太陽熱で加熱する太陽熱集熱装置と、当該太陽熱集熱装置で加熱された循環水と所定の液相の作動流体とを熱交換させて当該作動流体を蒸発させ、熱交換後の循環水を太陽熱集熱装置へ還流させる発電用蒸発器と、蒸発した前記作動流体の保有する熱エネルギを動力に変換する原動機と、当該原動機で駆動されて発電する発電機と、所定の天然水源から取水された淡水化用原水と前記原動機を出た作動流体とを熱交換させて作動流体を凝縮させる発電用凝縮器と、前記発電用凝縮器で作動流体を凝縮させた後の淡水化用原水を所定の減圧空間内で蒸発させて蒸気を得る淡水化用蒸発器と、前記淡水化用原水と同じ水源から取水された冷却用原水と前記蒸気を熱交換させ、蒸気を凝縮させて蒸留水を得る淡水化用凝縮器とを備えるものである。

このように本発明においては、太陽熱集熱装置で温度を高めた循環水を用いて発電サイクルの作動流体を加熱、蒸発させると共に、この作動流体と淡水化プロセスの蒸発器に導入される淡水化用原水とを熱交換させ、作動流体を凝縮させる一方で淡水化用蒸発器に至る前の淡水化用原水の温度を高め、発電サイクルを太陽熱から得られたエネルギで稼働させつつ、同時に発電サイクルの排熱を淡水化プロセスで熱回収してプロセスを実行することにより、太陽熱を発電及び淡水化に活用して効率よく低コストの電力並びに淡水が得られる。さらに、作動流体に対し循環水を介して太陽熱エネルギを供給することで、循環水の蓄熱作用を生かして発電サイクルへの日照変化の影響を抑えられ、安定した電力供給が行えると共に、作動流体の選定に自由度が増え、様々な低沸点熱媒体を利用でき、高温源と低温源の温度差が小さくても十分発電サイクルを動作させられ、その分太陽熱集熱装置の設備をコンパクトにでき、設備コストを抑えられる。加えて、太陽熱集熱装置と発電用蒸発器の間での循環水の循環利用で太陽熱集熱装置の入口における循環水温度を高く維持できることから、太陽熱集熱装置の負荷を抑えられ、太陽熱集熱装置の入熱量を司り且つ大きなスペースを占める太陽光反射部分を縮小することができ、システム全体のコンパクト化が図れる。

また、本発明に係る太陽熱発電及び淡水化システムは必要に応じて、前記発電用蒸発器、発電用凝縮器、及び／又は淡水化用凝縮器として、金属製の伝熱板を複数並列状態で溶接一体化して形成され、各伝熱板間に一の熱交換用媒体の通過する第一隙間部と他の熱交換用媒体の通過する第二隙間部とがそれぞれ一つおきに生じると共に、前記各第一隙間部に前記一の熱交換用媒体を流入出させる一の流路と前記各第二隙間部に前記他の熱交換用媒体を流入出させる他の流路とが互いに独立させて設けられる全溶接プレート式熱交換器が用いられるものである。

このように本発明においては、発電サイクル用の蒸発器及び凝縮器、並びに淡水化用凝縮器として全溶接プレート式熱交換器を用い、複数並列状態の溶接一体化構造として耐圧を高くされた各伝熱板を隔てて高温の熱交換用媒体と低温の熱交換用媒体が流れ、これらが伝熱板を介して熱交換を行い、損失を最小限にして高い熱交換効率が得られることにより、高温源と低温源から得られる温度差が低くても発電サイクルと淡水化プロセスを継続的に稼働させられ、必要最小限の太陽熱エネルギ投入で電力及び淡水を得ることができる。

（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの概略系統図である。
前記図１において本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システム１は、太陽光を受光して太陽熱を得、導入された淡水化用原水を温める太陽熱集熱装置１０と、この太陽熱集熱装置１０で温められた淡水化用原水と熱交換する作動流体の相変化で発電のための動力を得る発電装置２０と、前記太陽熱集熱装置１０で温められた淡水化用原水を蒸発、凝縮させて淡水を得る淡水化装置３０とを備える構成である。

前記太陽熱集熱装置１０は、反射鏡等で太陽光の照射を所定の区画に集中させて通常の日射より大きな太陽熱を発生させ、この熱で外部から導入された淡水化用原水を加熱し、昇温した原水を取出せるようにした公知の加熱装置であり、詳細な説明を省略する。

前記発電装置２０は、発電用サイクルの作動流体（アンモニアと水の混合水等）と前記太陽熱集熱装置１０から出た淡水化用原水とを熱交換させ、作動流体の蒸気を得る蒸発器２１と、この蒸発器２１で得られた蒸気により動作する前記原動機としてのタービン２２と、タービン２２により駆動される発電機２３と、タービン２２を出た蒸気を凝縮させて液相とする凝縮器２４と、凝縮器２４から作動流体を取出して蒸発器２１に導入するポンプ（図示を省略）とを備える構成である。

前記蒸発器２１及び凝縮器２４としては、金属製の伝熱板を複数並列状態で溶接一体化して形成され、各伝熱板間に作動流体の通過する第一隙間部とその熱交換対象の各原水の通過する第二隙間部とがそれぞれ一つおきに生じると共に、前記各第一隙間部に作動流体を流入出させる一の流路と前記各第二隙間部に原水を流入出させる他の流路とが互いに独立させて設けられる全溶接プレート式熱交換器をそれぞれ用いており、優れた熱交換効率により、高温源と低温源の温度差が小さくても作動流体を確実に蒸発、凝縮させて発電用サイクルを稼働させられる仕組みである。

前記淡水化装置３０は、内部空間を大気圧以下に減圧される減圧容器３１と、この減圧容器３１内で前記発電装置２０の蒸発器２１から出た淡水化用原水をフラッシュ蒸発させて水蒸気を得る前記淡水化用蒸発器としてのフラッシュ蒸発部３２と、前記減圧容器３１内でフラッシュ蒸発部３２で得られた水蒸気を凝縮させて不純物を含まない水を得る前記淡水化用凝縮器としての凝縮部３３とを備える構成である。

前記フラッシュ蒸発部３２は、減圧容器３１内に配設される水噴霧用のノズル３２ａと、凝縮部３３へ向う蒸気流の中に混じった水の微細水滴（ミスト）を捕捉して取除くセパレータ３２ｂとを備える構成である。このフラッシュ蒸発部３２では、太陽熱集熱装置１０から出た淡水化用原水が減圧容器３１内のノズル３２ａに導かれ、ノズル３２ａから水が減圧容器３１の内部空間へ霧状に噴射される仕組みである。

前記凝縮部３３は、前記蒸発器２１及び凝縮器２４と同様の構造とされ、一方の流路にフラッシュ蒸発部３２からの水蒸気、他方の流路に冷却水を流通させて熱交換させ、蒸気を凝縮させるものである。前記冷却水としては、外部から導入される冷却用原水が用いられ、この冷却用原水は太陽熱集熱装置１０へ向う淡水化用原水と同じ地下水源から取込まれ、途中で分岐されて一方が太陽熱集熱装置１０に向い、他方が凝縮部３３に導入されることとなる。なお、この凝縮部３３に導入されようとする冷却用原水の一部は、前記発電装置２０の凝縮器２４を経由し、発電装置２０の作動流体と熱交換して昇温した後、残りの冷却用原水と合流して凝縮部３３に向う仕組みである。

前記減圧容器３１には、管路を通じて減圧排気装置３４が接続され、減圧容器３１内をノズル３２ａから噴射される水と同温度における水の飽和蒸気圧以下の圧力に減圧し、フラッシュ蒸発部３２で水が液相から気相に変化する（蒸発する）温度、及び、凝縮部３３内で蒸気の気相から液相に変化する（凝縮する）温度をそれぞれ大気圧における各温度に比べて低くなるよう維持している。これにより減圧容器３１内で噴射された水の一部が液相から気相に変化すると共に、液相で残った水の温度が低下する仕組みである。減圧容器３１内で蒸発しなかった分の水は、減圧容器３１外に排水管を通じて排出されることとなる。

次に、本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの使用状態について説明する。前提として、井戸等から冷却水や淡水の原水となる地下水を所定の流量を確保しつつ取水する。取水された原水（地下水等）は、その一部を淡水化用原水として、残りを冷却用原水としてそれぞれ供給、使用される。

淡水化用原水は、太陽熱集熱装置１０に導入され、ここで所定温度まで加熱される。昇温した淡水化用原水は発電装置２０の蒸発器２１内に導入され、作動流体を加熱・蒸発させる。蒸発した気相の作動流体がタービン２２を作動させ、このタービン２２により発電機２３が駆動されて発電を行う。タービン２２を出た作動流体は凝縮器２４に導入され、これとは別に凝縮器２４内に導入された冷却用原水との熱交換により凝縮され、液相となって蒸発器２１内に戻り、さらに蒸発以降の各過程を繰返すこととなる。凝縮器２４で作動流体の凝縮に使用された冷却用原水は、作動流体の凝縮潜熱分を受熱して所定温度まで昇温し、凝縮器２４を経由しなかった分の冷却用原水と合流して淡水化装置３０の凝縮部３３に導入される。

蒸発器２１での作動流体との熱交換により温度が下がったものの、依然取水時より高い温度を維持している淡水化用原水は、淡水化装置３０における減圧容器３１内の減圧されたフラッシュ蒸発部３２内に導入され、ノズル３２ａから霧状に噴射される。圧力の低い減圧容器３１内空間において、噴射された淡水化用原水の一部はフラッシュ蒸発により水蒸気に相変化し、同時に残りの液相の原水は温度を降下させてフラッシュ蒸発部３２下部に溜る。液相の淡水化用原水は所定時間滞留後、外部に排出される。

フラッシュ蒸発部３２で得られた水蒸気はセパレータ３２ｂを経由して凝縮部３３に達し、セパレータ３２ｂを通った際に水蒸気中に浮遊する液分（ミスト）を除去される。凝縮部３３に入った水蒸気は、伝熱板（図示を省略）を介してこの水蒸気に比べ十分温度の低い冷却用原水と熱交換して冷却され、伝熱板表面で凝縮して不純物を含まない淡水となる。得られた淡水は、凝縮部３３下部に一時的に貯水された後、底部より取出され、飲料水等として供給、使用される。一方、凝縮部３３で水蒸気の凝縮潜熱を受けて更に昇温した冷却用原水は、減圧容器３１外に取出され、最終的にシステム外に排出される。こうした冷却用原水や残った淡水化用原水の排出の際、取水箇所周辺の別の場所で地中に戻すようにすれば、貴重な水分の大気中への蒸発を防ぎ、地下水の枯渇を防止することができる。

このように、本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムにおいては、淡水化用原水を太陽熱集熱装置１０で温めて同じ水源から得た冷却用原水との温度差を与え、温めた淡水化用原水で発電装置２０の作動流体を加熱、蒸発させると共に、淡水化装置３０のフラッシュ蒸発部３２に導入し、太陽熱から得られた各原水の温度差に基づいて発電装置２０及び淡水化装置３０を同時に稼働させることから、太陽熱以外は外部からあらかじめ高温又は低温とされた水やエネルギ等を一切与えずに発電サイクル及び淡水化プロセスの稼働を維持でき、他と独立したシステム運用が行え、送電網や水供給網から隔絶した地域でも確実に所望の電力及び淡水を効率よく供給できる。また、発電装置２０の作動流体に対し淡水化用原水を介して太陽熱エネルギを供給することで、淡水化用原水の蓄熱作用を生かして発電サイクルへの日照変化の影響を抑えられ、安定した電力供給が行えると共に、作動流体の選定に自由度が増え、様々な低沸点熱媒体を利用でき、高温源と低温源の温度差が小さくても十分発電装置２０を動作させられ、その分太陽熱集熱装置１０の設備をコンパクトにでき、設備コストを抑えられる。

（本発明の第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図２に基づいて説明する。図２は本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの概略系統図である。
前記図２において本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システム２は、前記第１の実施形態同様、太陽熱集熱装置１０と、発電装置２０と、淡水化装置３０とを備える一方、異なる点として、作動流体および水蒸気の各凝縮潜熱を受けて加熱された冷却用原水の一部を還流させて淡水化用原水として使用する構成を有するものである。

次に、本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの使用状態について、前記第１の実施形態と異なる点のみ説明する。まず、井戸等から取水された地下水は、全てを冷却用原水として供給される。一方、淡水化装置３０の凝縮部３３で使用された後の冷却用原水の一部が、そのまま淡水化用原水として太陽熱集熱装置１０に導入される。この淡水化用原水は、前記第１の実施形態同様、太陽熱集熱装置１０で所定温度まで加熱された後、発電装置２０の蒸発器２１内に導入され、作動流体と熱交換し、さらに淡水化装置３０に導入される。

これに対し、取水された冷却用原水は、その一部を凝縮器２４に導入され、これが作動流体との熱交換を経て昇温した後、凝縮器２４を経由しない残りの冷却用原水と合流し、全体として淡水化装置３０の凝縮部３３へ達する。

淡水化装置３０では、フラッシュ蒸発部３２において淡水化用原水から得られた水蒸気がセパレータ３２ｂを経由して凝縮部３３に達し、凝縮部３３で水蒸気と冷却用原水とが伝熱板（図示を省略）を介して熱交換を行う。水蒸気の凝縮で得られた淡水が凝縮部３３より取出されて飲料水等として供給、使用される一方で、凝縮部３３で水蒸気の凝縮潜熱を受けて更に昇温した冷却用原水は、減圧容器３１外に取出され、所定割合が太陽熱集熱装置１０側に還流されて淡水化用原水として利用され、残り分がシステム外に排出される。

このように、本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムにおいては、各凝縮部分で使用された冷却用原水を一部淡水化用原水として利用することから、冷却用原水の保有する太陽熱エネルギのうちシステム外に排出されて無駄になっていた分を減らしてエネルギの有効利用が図れ、システム全体の効率を高められると共に、取水する地下水のうち淡水化用原水として新規に取水する分をなくすことができ、取水量を減らして地下水系にかかる負担を低減できる。また、熱交換を経た冷却用原水の利用で太陽熱集熱装置１０の入口における淡水化用原水の温度を高くできることとなり、太陽熱集熱装置１０の負荷を抑えられ、太陽熱集熱装置１０の入熱量を司り且つ大きなスペースを占める反射鏡部分を縮小することができ、システム全体のコンパクト化が図れる。

（本発明の第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの概略系統図である。
前記図３において本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システム３は、前記第１の実施形態同様、太陽熱集熱装置１０と、発電装置２０と、淡水化装置３０とを備える一方、異なる点として、淡水化装置３０のフラッシュ蒸発部３２で蒸発しなかった残りの液相の淡水化用原水を減圧容器３１外に取出した後、一部還流させて新たな淡水化用原水として再使用する構成を有するものである。

次に、本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの使用状態について、前記第１の実施形態と異なる点のみ説明する。まず、井戸等から取水された地下水は、全てを冷却用原水として供給される。一方、淡水化装置３０のフラッシュ蒸発部３２で蒸発しきれずに残った液相の淡水化用原水の一部、並びに淡水化装置３０の凝縮部３３で使用された後の冷却用原水の一部を、合わせてそのまま淡水化用原水として太陽熱集熱装置１０に導入される。この淡水化用原水は、前記第１の実施形態同様、太陽熱集熱装置１０で所定温度まで加熱された後、発電装置２０の蒸発器２１内に導入され、作動流体と熱交換し、さらに淡水化装置３０に導入される。

これに対し、取水された冷却用原水は、その一部を凝縮器２４に導入され、これが作動流体との熱交換を経て昇温した後、凝縮器２４を経由しない残りの冷却用原水と合流し、全体として淡水化装置３０の凝縮部３３へ達する。

淡水化装置３０では、淡水化用原水がフラッシュ蒸発部３２内に導入され、ノズル３２ａから減圧容器３１内空間に噴射された淡水化用原水の一部がフラッシュ蒸発により水蒸気に相変化し、同時に残りの液相の原水は温度を降下させてフラッシュ蒸発部３２下部に溜る。液相の淡水化用原水は所定時間滞留後、減圧容器外に取出され、所定割合が太陽熱集熱装置１０側に還流されて淡水化用原水として利用され、残り分がシステム外部に排出される。

フラッシュ蒸発部３２で得られた水蒸気はセパレータ３２ｂを経由して凝縮部３３に達し、凝縮部３３で水蒸気と冷却用原水とが伝熱板（図示を省略）を介して熱交換を行う。水蒸気の凝縮で得られた淡水は凝縮部３３より取出されて飲料水等として供給、使用される一方で、凝縮部３３で水蒸気の凝縮潜熱を受けて更に昇温した冷却用原水は、減圧容器３１外に取出される。

太陽熱集熱装置１０側に還流される液相の淡水化用原水は、フラッシュ蒸発部３２で水分の一部が蒸発して分離している分、不純物その他が濃縮された状態となっているので、この濃縮状態を解消し、淡水として蒸発する水分量を十分確保するために、凝縮部３３で昇温後減圧容器３１外に取出された冷却用原水を適切な量だけ補給される。こうして冷却用原水は所定割合を太陽熱集熱装置１０側に還流されて淡水化用原水の一部として利用され、残り分がシステム外部に排出される。

このように、本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムにおいては、淡水化装置で蒸発しきれなかった液相の淡水化用原水を一部還流させて新規の淡水化用原水として再利用することから、液相の淡水化用原水の保有する太陽熱エネルギのうちシステム外に排出されて無駄になっていた分を減らしてエネルギの有効利用が図れ、システム全体の効率を高められると共に、取水する地下水のうち淡水化用原水として新規に取水する分をなくすことができ、取水量を減らして地下水系にかかる負担を低減できる。また、熱交換を経た淡水化用原水の再利用で太陽熱集熱装置１０の入口における淡水化用原水の温度を高くできることから、太陽熱集熱装置１０の負荷を抑えられ、太陽熱集熱装置１０の入熱量を司り且つ大きなスペースを占める反射鏡部分を縮小することができ、システム全体のコンパクト化が図れる。

なお、前記実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムにおいて、太陽熱集熱装置１０側への還流分の淡水化用原水に対し、濃縮状態解消のために凝縮部３３で使用した後の冷却用原水を補給する構成としているが、この他、使用後の冷却用原水の代りに、地下から新規に取水した水の一部を淡水化用原水に補給する構成とすることもできる。

（本発明の第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの概略系統図である。
前記図４において本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システム４は、太陽光を受光して太陽熱を得、導入された循環水を温める太陽熱集熱装置４０と、この太陽熱集熱装置４０で温められた循環水、並びに地下から取水された淡水化用原水とそれぞれ熱交換する作動流体の相変化で発電のための動力を得る発電装置５０と、前記発電装置５０における熱交換で温められた淡水化用原水を蒸発、凝縮させて淡水を得る淡水化装置６０とを備える構成である。

前記太陽熱集熱装置４０は、反射鏡等で太陽光の照射を所定の区画に集中させて通常の日射より大きな太陽熱を発生させ、この熱で外部から導入された循環水を加熱し、昇温した循環水を取出せるようにした公知の加熱装置であり、詳細な説明を省略する。

前記発電装置５０は、発電用サイクルの作動流体（アンモニアと水の混合水等）と前記太陽熱集熱装置４０から出た循環水とを熱交換させ、作動流体を加熱してその蒸気を得る蒸発器５１と、この蒸発器５１で得られた蒸気により動作するタービン５２と、タービン５２により駆動される発電機５３と、タービン５２から出た作動流体蒸気を外部から導入された淡水化用原水と熱交換させ、作動流体を凝縮させて液相とする凝縮器５４と、凝縮器５４から作動流体を取出して蒸発器５１に導入するポンプ（図示を省略）とを備える構成である。前記蒸発器５１及び凝縮器５４は、前記第１の実施形態同様の全溶接プレート式熱交換器であり、詳しい説明を省略する。

この発電装置５０の蒸発器５１と前記太陽熱集熱装置４０との間には、所定の循環水を循環流通させる循環流路が設けられており、太陽熱集熱装置４０で温められた循環水が蒸発器５１に達して作動流体と熱交換して冷却された後、再び太陽熱集熱装置４０に導入されて温められ、さらに前記同様の過程を繰返す仕組みである。

前記淡水化装置６０は、内部空間を大気圧以下に減圧される減圧容器６１と、この減圧容器６１内で前記発電装置５０の凝縮器５４から出た淡水化用原水をフラッシュ蒸発させて水蒸気を得る前記淡水化用蒸発器としてのフラッシュ蒸発部６２と、前記減圧容器６１内でフラッシュ蒸発部６２で得られた水蒸気を凝縮させて不純物を含まない水を得る前記淡水化用凝縮器としての凝縮部６３とを備える構成である。

前記フラッシュ蒸発部６２は、減圧容器６１内に配設される水噴霧用のノズル６２ａと、凝縮部６３へ向う蒸気流の中に混じった水の微細水滴（ミスト）を捕捉して取除くセパレータ６２ｂとを備える構成である。このフラッシュ蒸発部６２では、発電装置５０の凝縮器５４から出た淡水化用原水が減圧容器６１内のノズル６２ａに導かれ、ノズル６２ａから水が減圧容器６１の内部空間へ霧状に噴射される仕組みである。

前記凝縮部６３は、前記蒸発器５１及び凝縮器５４と同様の全溶接プレート式熱交換器とされ、一方の流路にフラッシュ蒸発部６２からの水蒸気、他方の流路に冷却水を流通させて熱交換させ、蒸気を凝縮させるものである。前記冷却水としては、外部から導入される冷却用原水が用いられ、この冷却用原水は発電装置５０の凝縮器５４へ向う淡水化用原水と同じ地下水源から取込まれ、途中で分岐されて一方が凝縮器５４に向い、他方が凝縮部６３に導入されることとなる。

前記減圧容器６１には、管路を通じて減圧排気装置６４が接続され、減圧容器６１内をノズル６２ａから噴射される水と同温度における水の飽和蒸気圧以下の圧力に減圧し、フラッシュ蒸発部６２で水が液相から気相に変化する（蒸発する）温度、及び、凝縮部６３内で蒸気の気相から液相に変化する（凝縮する）温度をそれぞれ大気圧における各温度に比べて低くなるよう維持している。これにより減圧容器６１内で噴射された水の一部が液相から気相に変化すると共に、液相で残った水の温度が低下する仕組みである。減圧容器６１内で蒸発しなかった分の水は、減圧容器６１外に排水管を通じて排出されることとなる。

次に、本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの使用状態について説明する。前提として、井戸等から冷却水や淡水の原水となる地下水を所定の流量を確保しつつ取水する。取水された原水（地下水等）は、その一部を淡水化用原水として、残りを冷却用原水としてそれぞれ供給、使用される。また、循環水が発電装置５０の蒸発器５１と太陽熱集熱装置４０との間の循環流路に循環流通可能な状態とされる。

循環水は、太陽熱集熱装置４０に導入され、ここで所定温度まで加熱される。昇温した循環水は発電装置５０の蒸発器５１内に導入され、作動流体を加熱・蒸発させる。作動流体との熱交換で温度低下した循環水は太陽熱集熱装置４０へ還流されて新たに加熱され、以降も前記同様の過程で繰返し循環使用される。一方、蒸発した気相の作動流体はタービン５２を作動させ、このタービン５２により発電機５３が駆動されて発電を行う。タービン５２を出た作動流体は凝縮器５４に導入され、別途凝縮器５４内に導入された淡水化用原水との熱交換により凝縮され、液相となって蒸発器５１内に戻り、さらに蒸発以降の各過程を繰返すこととなる。

凝縮器５４で作動流体の凝縮に使用され、作動流体の凝縮潜熱分を受熱して取水時より高い温度に昇温した淡水化用原水は、淡水化装置６０における減圧容器６１内の減圧されたフラッシュ蒸発部６２内に導入され、ノズル６２ａから霧状に噴射される。圧力の低い減圧容器６１内空間において、噴射された淡水化用原水の一部はフラッシュ蒸発により水蒸気に相変化し、同時に残りの液相の原水は温度を降下させてフラッシュ蒸発部６２下部に溜る。液相の淡水化用原水は所定時間滞留後、外部に排出される。

フラッシュ蒸発部６２で得られた水蒸気はセパレータ３２ｂを経由して凝縮部６３に達し、セパレータ６２ｂを通った際に水蒸気中に浮遊する液分（ミスト）を除去される。凝縮部６３に入った水蒸気は、取水後そのまま伝熱板（図示を省略）間に導入されてこの水蒸気よりも温度の低い冷却用原水と伝熱板を介して熱交換して冷却され、伝熱板表面で凝縮して不純物を含まない淡水となる。得られた淡水は、凝縮部６３下部に一時的に貯水された後、底部より取出され、飲料水等として供給、使用される。一方、凝縮部６３で水蒸気の凝縮潜熱を受けて昇温した冷却用原水は、減圧容器６１外に取出され、最終的にシステム外に排出される。こうした冷却用原水や残った淡水化用原水の排出の際、取水箇所周辺の別の場所で地中に戻すようにすれば、貴重な水分の大気中への蒸発を防ぎ、地下水の枯渇を防止することができる。

このように、本実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムにおいては、太陽熱集熱装置４０で温度を高めた循環水を用いて発電装置５０の作動流体を加熱、蒸発させると共に、この作動流体と淡水化装置６０のフラッシュ蒸発部６２に導入される淡水化用原水とを熱交換させ、作動流体を凝縮させる一方でフラッシュ蒸発部６２に至る前の淡水化用原水の温度を高め、発電装置５０を太陽熱から得られたエネルギで稼働させつつ、同時に発電装置２０の排熱を淡水化装置６０で熱回収して淡水化プロセスを実行することから、太陽熱を発電及び淡水化に活用して効率よく低コストの電力並びに淡水が得られる。また、作動流体に対し循環水を介して太陽熱エネルギを供給することで、循環水の蓄熱作用を生かして発電サイクルへの日照変化の影響を抑えられ、安定した電力供給が行えると共に、作動流体の選定に自由度が増え、様々な低沸点熱媒体を利用でき、高温源と低温源の温度差が小さくても十分発電装置５０を動作させられ、その分太陽熱集熱装置４０の設備をコンパクトにでき、設備コストを抑えられる。加えて、太陽熱集熱装置４０と発電装置５０の蒸発器５１との間での循環水の循環利用で太陽熱集熱装置４０の入口における循環水温度を高く維持できることから、太陽熱集熱装置４０の負荷を抑えられ、太陽熱集熱装置４０の入熱量を司り且つ大きなスペースを占める反射鏡部分を縮小することができ、システム全体のコンパクト化が図れる。

なお、前記各実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムにおいて、発電装置２０、５０の発電機２３、５３を駆動する原動機としてタービン２２、５３を用いる構成としているが、これに限らず、容積型の膨張機を原動機として用いる構成とすることもできる。また、タービンと発電機の組合わせに代えて、熱電変換素子を用いて温度差を直接電力変換するようにしてもよい。さらに、淡水化装置３０、６０では大気圧飽和温度以下の操作で淡水を得る構成としているが、これに限らず、大気圧飽和温度以上の操作で淡水を得るようにしてもかまわない。

また、前記各実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムにおいて、フラッシュ蒸発部３２、６２に導入される淡水化用原水に対し特別な操作は行わない構成としているが、これに限らず、フラッシュ蒸発部３２、６２における蒸発効率を高めるため、フラッシュ蒸発部３２、６２の直前で、淡水化用原水をいったん減圧脱気装置（図示を省略）に導き、水中の空気を除去した後、フラッシュ蒸発部３２、６２に導入する構成とすることもできる。

また、前記各実施の形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムにおいては、前記凝縮部３３を全溶接プレート式熱交換器としているが、これに限らず、内部に冷却用原水の流路のある伝熱部を有し、導入された淡水化用原水の蒸気と接触し、冷却用原水との熱交換により蒸気を凝縮させるものであれば、他の形式の熱交換器でもかまわない。

本発明の第１の実施形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの概略系統図である。 本発明の第２の実施形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの概略系統図である。 本発明の第３の実施形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの概略系統図である。 本発明の第４の実施形態に係る太陽熱発電及び淡水化システムの概略系統図である。 従来の淡水化装置の概略構成図である。 従来の発電装置の概略系統図である。 従来の太陽熱発電装置及び海水淡水化装置の系統図である。

符号の説明

１、２、３、４ 太陽熱発電及び淡水化システム
１０、４０ 太陽熱集熱装置
２０、５０ 発電装置
２１、５１ 蒸発器
２２、５２ タービン
２３、５３ 発電機
２４、５４ 凝縮器
３０、６０ 淡水化装置
３１、６１ 減圧容器
３２、６２ フラッシュ蒸発部
３２ａ、６２ａ ノズル
３２ｂ、６２ｂ セパレータ
３３、６３ 凝縮部
３４、６４ 減圧排気装置
１００ 淡水化装置
１０１ 日射加熱手段
１０２ 蒸発手段
１０３ 蒸気冷却手段
２００ 発電装置
２０１ 集熱器
２０２ 蒸発器
２０３ 凝縮室
２０４ タービン
２０５ 発電機
３０１ 太陽熱発電装置
３０１ａ 集光式受熱器
３０１ｂ ガスタービン
３０１ｃ 圧縮機
３０１ｄ 放熱用熱交換器
３０１ｅ スタータジェネレータ
３０１ｆ 再生熱交換器
３０２ 凝縮器

Claims (7)

1. 所定の淡水化用原水を太陽熱で加熱する太陽熱集熱装置と、
   当該太陽熱集熱装置で加熱された後の淡水化用原水と所定の液相の作動流体とを熱交換させて当該作動流体を蒸発させる発電用蒸発器と、
   蒸発した前記作動流体の保有する熱エネルギを動力に変換する原動機と、
   当該原動機で駆動されて発電する発電機と、
   所定の水源より得られた冷却用原水と前記原動機で使用済の作動流体とを熱交換させて作動流体を凝縮させる発電用凝縮器と、
   前記発電用蒸発器で作動流体を蒸発させた後の淡水化用原水を所定の減圧空間内で蒸発させて蒸気を得る淡水化用蒸発器と、
   前記発電用凝縮器を出た冷却用原水及び／又は別途新規取水された冷却用原水と前記蒸気を熱交換させ、蒸気を凝縮させて蒸留水を得る淡水化用凝縮器とを備えることを
   特徴とする太陽熱発電及び淡水化システム。
2. 前記請求項１に記載の太陽熱発電及び淡水化システムにおいて、
   前記淡水化用原水と冷却用原水が、同一の天然水源から得られた等温等質の水であることを
   特徴とする太陽熱発電及び淡水化システム。
3. 前記請求項１又は２に記載の太陽熱発電及び淡水化システムにおいて、
   前記淡水化用凝縮器を出て温度の上昇した冷却用原水の一部又は全部を、前記淡水化用原水の少なくとも一部として前記太陽熱集熱装置に導入することを
   特徴とする太陽熱発電及び淡水化システム。
4. 前記請求項１又は２に記載の太陽熱発電及び淡水化システムにおいて、
   前記発電用凝縮器を出て温度の上昇した冷却用原水の一部又は全部を、前記淡水化用原水の少なくとも一部として前記太陽熱集熱装置に導入することを
   特徴とする太陽熱発電及び淡水化システム。
5. 前記請求項１ないし４のいずれかに記載の太陽熱発電及び淡水化システムにおいて、
   前記淡水化用蒸発器で蒸発しきれず液相で残った分の淡水化用原水の一部又は全部を、新たな淡水化用原水の少なくとも一部として前記太陽熱集熱装置に導入することを
   特徴とする太陽熱発電及び淡水化システム。
6. 所定の循環水を太陽熱で加熱する太陽熱集熱装置と、
   当該太陽熱集熱装置で加熱された循環水と所定の液相の作動流体とを熱交換させて当該作動流体を蒸発させ、熱交換後の循環水を太陽熱集熱装置へ還流させる発電用蒸発器と、
   蒸発した前記作動流体の保有する熱エネルギを動力に変換する原動機と、
   当該原動機で駆動されて発電する発電機と、
   所定の天然水源から取水された淡水化用原水と前記原動機を出た作動流体とを熱交換させて作動流体を凝縮させる発電用凝縮器と、
   前記発電用凝縮器で作動流体を凝縮させた後の淡水化用原水を所定の減圧空間内で蒸発させて蒸気を得る淡水化用蒸発器と、
   前記淡水化用原水と同じ水源から取水された冷却用原水と前記蒸気を熱交換させ、蒸気を凝縮させて蒸留水を得る淡水化用凝縮器とを備えることを
   特徴とする太陽熱発電及び淡水化システム。
7. 前記請求項１ないし６のいずれかに記載の太陽熱発電及び淡水化システムにおいて、
   前記発電用蒸発器、発電用凝縮器、及び／又は淡水化用凝縮器として、金属製の伝熱板を複数並列状態で溶接一体化して形成され、各伝熱板間に一の熱交換用媒体の通過する第一隙間部と他の熱交換用媒体の通過する第二隙間部とがそれぞれ一つおきに生じると共に、前記各第一隙間部に前記一の熱交換用媒体を流入出させる一の流路と前記各第二隙間部に前記他の熱交換用媒体を流入出させる他の流路とが互いに独立させて設けられる全溶接プレート式熱交換器が用いられることを
   特徴とする太陽熱発電及び淡水化システム。

Images