JP2007092584A - Thermal power generation system - Google Patents

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孝美 尾崎
Koichi Okada
浩一 岡田
Nobuyuki Suzuki
伸幸 鈴木
Hiroshi Isobe
浩 磯部
Norihiko Sasaki
紀彦 佐々木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal power generation system wherein a contact bearing with a minimum contact area is used, a turbine can be rotated for a long period of time without restriction of kinds of working medium, rotation can be smoothly started, and a problem of deterioration in whole efficiency caused by a troublesome control or electric consumption unlike electromagnetic support is eliminated, so that a cost is reduced and generating efficiency is good. <P>SOLUTION: By a collector 1 absorbing thermal energy, the working medium 3 is heated directly or indirectly, vapor of the working medium 3 is jetted from a nozzle 8, and the turbine 5 is rotary driven by high-pressure vapor from the nozzle 8. The rotation of the turbine 5 rotates a generator rotor 6A in a generator 6, and a generator starter part 6B disposed to face the generator rotor 6A generates electric power. A main shaft 7 connecting the turbine 5 with the generator rotor 6A is installed in a vertical direction, and a lower end of a main shaft 7 is supported by a pivot part 11, and an upper part of the main shaft 7 is supported by repulsion of permanent magnets 12, 13. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、太陽熱等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電システムに関する。   The present invention relates to a thermoelectric generation system that converts thermal energy such as solar heat into electric energy.

この種の熱発電システムの従来例として、太陽熱で作動媒体を加熱し、その作動媒体の高圧蒸気でタービンを回転駆動し、タービンの回転で発電機を発電させるようにした太陽熱発電システムが知られている(例えば特許文献1〜3)。
特開2002−242693号公報 特開2000−110515号公報 特開2003−227315号公報
As a conventional example of this type of thermal power generation system, a solar thermal power generation system is known in which a working medium is heated by solar heat, a turbine is rotated by high-pressure steam of the working medium, and a generator is generated by the rotation of the turbine. (For example, Patent Documents 1 to 3).
JP 2002-242893 A JP 2000-110515 A JP 2003-227315 A

上記した太陽熱発電システムでは、得られる熱エネルギーが小さくエネルギー密度が低いため、作動媒体として、気化し易い有機媒体あるいは沸点の低い有機媒体(例えばアンモニア、代替フロン、アルコール、アセトンなど)が使用される。ところが、このような作動媒体を使用した場合、高熱のためタービンを回転支持する軸受用の潤滑剤保持が難しく、長期回転ができないという問題があった。
この問題を解決する対策の一例として、例えば動圧軸受やフォイル軸受を用いてタービンを回転支持することが考えられる。しかし、この場合には、タービンの回転停止状態において軸受部が機械的に接触した状態となるので、回転起動トルクが大きく回転起動ができ難いという問題が生じる。
このほか、電磁石の単独、もしくは電磁石と永久磁石の組合せによりタービンを完全な非接触状態で支持することも可能であるが、この場合には、非接触支持の制御のためのコントローラが必要になり、コスト面で問題がある。また、電磁石による消費電力の分だけシステムの発電効率が下がるという問題もある。
In the solar thermal power generation system described above, since the obtained thermal energy is small and the energy density is low, an organic medium that easily vaporizes or an organic medium having a low boiling point (for example, ammonia, alternative chlorofluorocarbon, alcohol, acetone, etc.) is used as the working medium. . However, when such a working medium is used, there is a problem in that it is difficult to hold the lubricant for the bearing for rotating and supporting the turbine due to high heat, and long-term rotation is not possible.
As an example of measures for solving this problem, for example, it is conceivable to rotationally support the turbine using a dynamic pressure bearing or a foil bearing. However, in this case, since the bearing portion is in mechanical contact with the turbine in a rotation stopped state, there is a problem that the rotation starting torque is large and it is difficult to start the rotation.
In addition, it is possible to support the turbine in a completely non-contact state by using an electromagnet alone or a combination of an electromagnet and a permanent magnet. In this case, however, a controller for controlling the non-contact support is required. There is a problem in terms of cost. Another problem is that the power generation efficiency of the system is reduced by the amount of power consumed by the electromagnet.

また、次の各問題がある。
・接触軸受を用いた場合、接触部分が発熱する。
・タービンおよび発電機で構成されるユニット内に、作動媒体が残り、有効に作動媒体を利用できない。
・作動媒体として用いられる有機媒体によって発電機ステータ部のコイルの被覆やこのコイルを保護しているモールド樹脂が劣化し、安定した発電性能に悪影響を与えることがある。
・太陽熱発電では、得られる熱エネルギが小さく、エネルギ密度が低いため、タービン部材の質量および慣性モーメントが大きいと、回転起動が難しい。
・熱発電システムは、作動媒体の温度差によって発電するシステムであるが、作動媒体を冷却させる専用の機器を用いると、システムコストが高くなる。
・熱変換システムでは、作動媒体の温度が低いとエネルギー変換効率が低い。
There are also the following problems.
・ When a contact bearing is used, the contact area generates heat.
-The working medium remains in the unit consisting of the turbine and generator, and the working medium cannot be used effectively.
-The organic medium used as the working medium may deteriorate the coating of the coil of the generator stator and the mold resin protecting the coil, adversely affecting stable power generation performance.
-In solar thermal power generation, the thermal energy obtained is small and the energy density is low, so if the mass and moment of inertia of the turbine member are large, it is difficult to start rotation.
The thermoelectric power generation system is a system that generates power based on the temperature difference of the working medium. However, using a dedicated device for cooling the working medium increases the system cost.
-In the heat conversion system, the energy conversion efficiency is low when the temperature of the working medium is low.

この発明の目的は、接触軸受を用いながら、接触面積をできるだけ小さくできて、作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能となり、回転起動も円滑に行え、また電磁石支持による場合の煩雑な制御や消費電力による全体効率の低下の問題がなくて、低コストで発電効率の良い熱発電システムを提供することである。   The object of the present invention is to make the contact area as small as possible while using a contact bearing, enabling long-term rotation of the turbine without being restricted by the type of working medium, enabling smooth start-up, and using an electromagnet support. It is an object to provide a thermoelectric power generation system that is low in cost and good in power generation efficiency, without the problem of a decrease in overall efficiency due to the complicated control and power consumption.

この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸を垂直方向に設置し、前記主軸の下端をピボット部で支持し、前記主軸の上部を永久磁石の反発により支持することを特徴とする。この熱発電システムは、太陽熱を熱エネルギーとする太陽熱発電システムであっても良い。   In the thermoelectric generation system of the present invention, the working medium is directly or indirectly heated by the collector that absorbs thermal energy, the steam of the working medium is ejected from the nozzle, and the turbine is rotationally driven by the high-pressure steam from the nozzle. The turbine and the generator rotor are connected in a system in which the generator rotor in the generator is rotated by the rotation of the turbine, thereby generating power with a generator stator provided opposite to the generator rotor. The main shaft is installed in a vertical direction, the lower end of the main shaft is supported by a pivot portion, and the upper portion of the main shaft is supported by repulsion of a permanent magnet. This thermoelectric power generation system may be a solar thermal power generation system that uses solar heat as thermal energy.

この構成によると、主軸を回転自在に支持するのに、主軸を垂直方向に設置し、その軸下端をピボット部で支持し、軸上部を永久磁石の反発で非接触状態に支持するようにしたため、接触軸受を用いながら、接触面積を小さくできる。そのため、潤滑剤使用上の制限が少なくなり、作動媒体としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機媒体、あるいは沸点の低い有機媒体を使用しても、軸受の潤滑に問題が生じることはない。その結果、作動媒体の種類に制限を受けることなく、タービンの長期回転が可能となる。
また、主軸の下端が接触面積の小さいピボット部で支持され、主軸の上部が永久磁石の反発により非接触状態に支持されることから、回転トルクロスおよび摩耗が少なく、エネルギロスを極力低減できると共に、回転起動を円滑に行うことができる。
また、ピボット部と永久磁石による支持のため、電磁石使用の場合のコントローラが不要で、主軸の支持構造が単純になるため、コスト低減にもなる。電磁石の消費電力による全体効率の低下の問題もない。
According to this configuration, because the main shaft is rotatably supported, the main shaft is installed in the vertical direction, the lower end of the shaft is supported by the pivot portion, and the upper portion of the shaft is supported in a non-contact state by the repulsion of the permanent magnet. The contact area can be reduced while using a contact bearing. For this reason, there are fewer restrictions on the use of lubricants, and there is a problem with bearing lubrication even when using ammonia, alternative chlorofluorocarbons, alcohols, acetone, or other organic media that are easily vaporized, or organic solvents with low boiling points. It does not occur. As a result, the turbine can be rotated for a long time without being limited by the type of working medium.
In addition, since the lower end of the main shaft is supported by a pivot portion having a small contact area, and the upper portion of the main shaft is supported in a non-contact state by the repulsion of the permanent magnet, there is less rotational torque and wear, and energy loss can be reduced as much as possible. Rotation can be started smoothly.
Further, since the pivot portion and the permanent magnet are used for the support, a controller when using an electromagnet is not required, and the support structure for the main shaft is simplified, thereby reducing the cost. There is no problem of a decrease in overall efficiency due to the power consumption of the electromagnet.

この発明において、前記タービンと発電機ロータとを連結する主軸を、タービンが主軸の下部、発電機ロータが主軸の上部になるように連結しても良い。
タービンが下部、発電機ロータが上部であると、タービンに流入する作動媒体が発電機側に浸入し難くなり、作動媒体で発電機が劣化するのを防止できる。また、液化した作動媒体をピボット部の潤滑剤として利用することが可能となり、潤滑剤を別途準備することが不要となる。タービンのノズルから噴出後に液化した作動媒体を前記ピボット部の周辺に貯める手段を持つものとしても良い。これにより、タービンのノズルから噴出した液化した作動媒体をピボット部の潤滑に利用することが容易となる。
In this invention, you may connect the main shaft which connects the said turbine and a generator rotor so that a turbine may become a lower part of a main shaft, and a generator rotor may be an upper part of a main shaft.
When the turbine is at the lower part and the generator rotor is at the upper part, it is difficult for the working medium flowing into the turbine to enter the generator side, and it is possible to prevent the generator from being deteriorated by the working medium. Further, the liquefied working medium can be used as a lubricant for the pivot portion, and it is not necessary to prepare a lubricant separately. The working medium liquefied after being ejected from the nozzle of the turbine may have means for storing around the pivot portion. Thereby, it becomes easy to use the liquefied working medium ejected from the nozzle of the turbine for lubrication of the pivot portion.

この発明において、前記発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を有するものとしても良い。発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を設けることで、発電機ステータ部におけるコイルの表面の絶縁皮膜やコイルを保護するコイル・モールド樹脂などが、作動媒体である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるといった事態を回避できる。   In this invention, it is good also as what has a partition in a part between the rotation part and stationary part of the said generator. By providing a partition wall between the rotating part and stationary part of the generator, the insulating film on the surface of the coil in the generator stator and the coil mold resin that protects the coil are organic solvents that are the working medium. It is possible to avoid a situation in which stable power generation cannot be performed due to being violated by the like.

この発明において、前記タービンの翼車は前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成しても良い。タービンをプラスチック材料で構成すると、タービンが軽量化されるので、僅かな噴出圧力でも回転できるようになる。タービン翼車にプラスチック材料を用いても、作動媒体に侵されない材質のものであれば支障がない。例えば、前記プラスチック材料はPEEK材(ポリエーテルエーテルケトン材)であっても良い。PEEK材は、耐熱性、難燃性、耐薬品性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、タービン翼車の材質として各種の面で優れたものとなる。   In this invention, the turbine impeller may be made of a plastic material that is not affected by the working medium. If the turbine is made of a plastic material, the weight of the turbine is reduced, so that the turbine can be rotated even with a small jet pressure. Even if a plastic material is used for the turbine impeller, there is no problem as long as the material is not affected by the working medium. For example, the plastic material may be a PEEK material (polyether ether ketone material). The PEEK material is an engineering plastic excellent in heat resistance, flame retardancy, and chemical resistance, and is excellent in various aspects as a material for a turbine impeller.

この発明において、前記タービンが、高圧蒸気を膨張に伴う冷却作用によって液化させるものであっても良い。このようにタービン内で作動媒体が冷却されるようにした場合、作動媒体を冷却させる専用の機器が不要となり、それだけコスト低減が可能となる。   In the present invention, the turbine may liquefy the high-pressure steam by a cooling action accompanying expansion. When the working medium is cooled in the turbine as described above, a dedicated device for cooling the working medium is not necessary, and the cost can be reduced accordingly.

この発明において、前記作動媒体を加熱する手段を有するものとしても良い。コレクタによって加熱された作動媒体を、さらに加熱手段で再加熱することにより、作動媒体の加熱温度をさらに高めて蒸気圧を上げることができ、これによりタービンによるエネルギー変換効率を高めることができる。   In this invention, it is good also as what has a means to heat the said working medium. By further reheating the working medium heated by the collector with the heating means, the heating temperature of the working medium can be further increased to increase the vapor pressure, thereby increasing the energy conversion efficiency by the turbine.

この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸を垂直方向に設置し、前記主軸の下端をピボット部で支持し、前記主軸の上部を永久磁石の反発により支持するものとしたため、接触軸受を用いながら、接触面積をできるだけ小さくできて、作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能となり、回転起動も円滑に行え、また電磁石支持による場合の煩雑な制御や消費電力による全体効率の低下の問題がなくて、低コストで発電効率の良い熱発電システムとすることができる。   In the thermoelectric generation system of the present invention, the working medium is directly or indirectly heated by the collector that absorbs thermal energy, the steam of the working medium is ejected from the nozzle, and the turbine is rotationally driven by the high-pressure steam from the nozzle. The turbine and the generator rotor are connected in a system in which the generator rotor in the generator is rotated by the rotation of the turbine, thereby generating power with a generator stator provided opposite to the generator rotor. The main shaft is installed in the vertical direction, the lower end of the main shaft is supported by the pivot part, and the upper part of the main shaft is supported by the repulsion of the permanent magnet, so that the contact area can be made as small as possible while using the contact bearing. The turbine can be rotated for a long time without being restricted by the type of medium, and the rotation can be started smoothly. Without problems lowering of overall efficiency due to complicated control and power consumption in the case by the electromagnet support, it is an electrical efficient heat generation system at low cost.

この発明の第1の実施形態を図1ないし図3と共に説明する。この熱発電システムは、熱エネルギーである太陽熱を電気エネルギーに変換して出力する太陽熱発電システムである。この熱発電システムは、図1に示すように、太陽熱を吸収するコレクタ1と、タービン5および発電機6を有するタービンユニット2と、コレクタ1とタービン5との間で作動媒体3を循環させる作動媒体循環路4とを備える。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This thermal power generation system is a solar thermal power generation system that converts solar heat, which is thermal energy, into electric energy and outputs the electric energy. As shown in FIG. 1, this thermoelectric generator system circulates a working medium 3 between a collector 1 that absorbs solar heat, a turbine unit 2 having a turbine 5 and a generator 6, and the collector 1 and the turbine 5. A medium circulation path 4.

作動媒体循環路4は、前記コレクタ1で直接的に加熱された作動媒体3の蒸気を高圧蒸気として前記タービン5に噴射させタービン5を回転駆動するノズル8と、タービン5の回転に使用された作動媒体3をコレクタ1に循環供給するポンプ9とを有する。タービン5とポンプ9の間に作動媒体3を貯蓄するタンク(図示なし)を設けてもよい。   The working medium circulation path 4 was used for rotating the turbine 5 and the nozzle 8 for rotating the turbine 5 by injecting the steam of the working medium 3 heated directly by the collector 1 to the turbine 5 as high-pressure steam. And a pump 9 for circulating and supplying the working medium 3 to the collector 1. A tank (not shown) for storing the working medium 3 may be provided between the turbine 5 and the pump 9.

タービンユニット2の発電機6は、回転部分である発電機ロータ6Aと静止部分である発電機ステータ部6Bとでなり、タービン5と発電機ロータ6Aとは主軸7で連結されている。主軸7は、その下部がタービン5となり上部が発電機ロータ6Aとなるように垂直方向に設置される。このように垂直姿勢とした主軸7は、その軸下端をピボット部11(図2)で、また軸上部を永久磁石12,13の反発により支持することにより、回転自在とされている。具体的には、発電機6はアキシアルギャップ発電機であり、主軸7の中胴部に設けられた円形のフランジ部であるスラスト板7aの外周部に発電機ロータ6Aが設けられ、この発電機ロータ6Aを挟んで、軸方向に所定のギャップを介して一対の発電機ステータ部6B,6Bが対向配置される。主軸7の下端側にはタービン5の翼車(図1には図示せず)が連結される。これにより、タービン翼車の回転が発電機ロータ6Aの回転となり、発電機ロータ6Aと対向して設けられた発電機ステータ部6Bで発電される。この発電はコントローラ10によって制御される。   The generator 6 of the turbine unit 2 includes a generator rotor 6A that is a rotating portion and a generator stator portion 6B that is a stationary portion. The turbine 5 and the generator rotor 6A are connected by a main shaft 7. The main shaft 7 is installed in the vertical direction so that the lower portion thereof becomes the turbine 5 and the upper portion thereof becomes the generator rotor 6A. The main shaft 7 in such a vertical posture is rotatable by supporting the lower end of the shaft with the pivot portion 11 (FIG. 2) and supporting the upper portion of the shaft with the repulsion of the permanent magnets 12 and 13. Specifically, the generator 6 is an axial gap generator, and a generator rotor 6A is provided on an outer peripheral portion of a thrust plate 7a which is a circular flange portion provided in the middle body portion of the main shaft 7. A pair of generator stator portions 6B and 6B are arranged opposite to each other with a predetermined gap in the axial direction across the rotor 6A. An impeller (not shown in FIG. 1) of the turbine 5 is connected to the lower end side of the main shaft 7. Thus, the rotation of the turbine impeller becomes the rotation of the generator rotor 6A, and power is generated by the generator stator portion 6B provided to face the generator rotor 6A. This power generation is controlled by the controller 10.

図2は図1におけるタービンユニット2の拡大断面図を示し、図3は図2におけるIII −III 矢視断面図を示す。図2において、主軸7の下部に連結されるタービン翼車5aの外周には、円筒状のノズル部材18が微小隙間を介して固定設置される。このノズル部材18に、タービン翼車5aのタービン翼5aaに向けて貫通するノズル8が、周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材18の上端部は給気ポート19を介して作動媒体循環路4の上流部に連結され、コレクタ1で加熱された作動媒体3を給気ポート19を経てノズル部材18の内側へ流入させるようにされている。   2 shows an enlarged cross-sectional view of the turbine unit 2 in FIG. 1, and FIG. 3 shows a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. In FIG. 2, a cylindrical nozzle member 18 is fixedly installed on the outer periphery of a turbine impeller 5 a connected to the lower portion of the main shaft 7 through a minute gap. The nozzle member 18 is provided with a plurality of nozzles 8 penetrating toward the turbine blade 5aa of the turbine impeller 5a in the circumferential direction. The upper end portion of the nozzle member 18 is connected to the upstream portion of the working medium circulation path 4 through an air supply port 19, and the working medium 3 heated by the collector 1 flows into the nozzle member 18 through the air supply port 19. Has been.

タービンユニット2のユニットハウンジグ2aの下端の中央には、上記したピボット部11が設けられ、このピボット部11の外周側には囲壁22が設けられている。この囲壁22は、タービン5のノズル8から噴出後に液化した作動媒体3をピボット部11の周辺に溜める手段となるものである。このようにしてピボット部11の周辺に溜められた液化作動媒体3は、ピボット部11を潤滑する潤滑剤となる。上記囲壁22の外周側には、タービン翼車5aに回転エネルギーを与えた作動媒体3を作動媒体循環路4の下流部に流出させる排気ポート20が、ユニットハウジング2aを貫通して設けられている。   The pivot part 11 described above is provided at the center of the lower end of the unit housing jig 2 a of the turbine unit 2, and the surrounding wall 22 is provided on the outer peripheral side of the pivot part 11. The surrounding wall 22 is a means for accumulating the working medium 3 liquefied after being ejected from the nozzle 8 of the turbine 5 around the pivot portion 11. Thus, the liquefied working medium 3 collected around the pivot portion 11 becomes a lubricant for lubricating the pivot portion 11. On the outer peripheral side of the surrounding wall 22, an exhaust port 20 is provided through the unit housing 2 a to allow the working medium 3 that has given rotational energy to the turbine impeller 5 a to flow out to the downstream portion of the working medium circulation path 4. .

タービン5は作動媒体3に侵されないプラスチック材料で構成される。特に、タービン5のタービン翼車5aおよびタービン翼5aaが上記プラスチック材料で構成される。この場合のプラスチック材料としては、例えばPEEK材(ポリエーテルエーテルケトン材)等が好適である。タービン5をプラスチック材料製とした場合は、軽量化されるため、僅かな噴出力でも回転できるようになる。プラスチック材料を用いても、作動媒体3に侵されない材質のものを使用することで支障が生じない。PEEK材は、耐熱性、難燃性、耐薬品性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、タービン5の材質として各種の面で優れたものとなる。   The turbine 5 is made of a plastic material that is not affected by the working medium 3. In particular, the turbine impeller 5a and the turbine blade 5aa of the turbine 5 are made of the plastic material. As a plastic material in this case, for example, a PEEK material (polyether ether ketone material) is suitable. When the turbine 5 is made of a plastic material, the weight of the turbine 5 is reduced, so that the turbine 5 can be rotated even with a small jet power. Even if a plastic material is used, no trouble is caused by using a material that is not affected by the working medium 3. The PEEK material is an engineering plastic excellent in heat resistance, flame retardancy, and chemical resistance, and is excellent in various aspects as the material of the turbine 5.

主軸7の上部を支持する永久磁石12,13のうち、第1の永久磁石12は回転側である主軸7の外周に設けられ、これに対向して第2の永久磁石13が固定側であるユニットハウジング2aの内周に設けられる。これら両永久磁石12,13は、それらの対向面が互いに同一磁極となるように極性の向きを定めて配置される。これにより、第1の永久磁石12と第2の永久磁石13の間で主軸7の軸心に直交するラジアル方向に反発力が働き、主軸7の上部を非接触状態でラジアル方向に支持する。なお、ここでは、第1の永久磁石12と第2の永久磁石13の組合せが軸方向に3組並べられている。   Of the permanent magnets 12 and 13 that support the upper portion of the main shaft 7, the first permanent magnet 12 is provided on the outer periphery of the main shaft 7 on the rotating side, and the second permanent magnet 13 is on the fixed side facing this. Provided on the inner periphery of the unit housing 2a. These permanent magnets 12 and 13 are arranged with their polar directions determined so that their opposing surfaces have the same magnetic pole. Thereby, a repulsive force acts in the radial direction perpendicular to the axis of the main shaft 7 between the first permanent magnet 12 and the second permanent magnet 13, and supports the upper portion of the main shaft 7 in the radial direction in a non-contact state. Here, three combinations of the first permanent magnet 12 and the second permanent magnet 13 are arranged in the axial direction.

発電機6の回転部分と静止部分との間の一部には隔壁21が設けられている。具体的には、発電機6の静止部分である発電機ステータ部6B,6Bの表面を隔壁21で被覆保護している。このように発電機ステータ部6Bで被覆保護することにより、発電機ステータ部6Bにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、作動媒体3である有機媒体等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。   A partition wall 21 is provided in a part between the rotating portion and the stationary portion of the generator 6. Specifically, the surfaces of the generator stator portions 6B and 6B, which are stationary portions of the generator 6, are covered and protected by the partition walls 21. In this way, by covering and protecting with the generator stator portion 6B, it is possible to prevent the insulating film on the surface of the coil in the generator stator portion 6B from being damaged by an organic medium or the like that is the working medium 3 to prevent stable power generation. it can.

次に、この太陽熱発電システムの動作を説明する。作動媒体循環路4内の作動媒体3は、太陽熱を吸収するコレクタ1によって直接的に加熱され高圧蒸気となり、この高圧蒸気はノズル8を介してタービン5のタービン翼5aaに噴射される。これにより、タービン5が回転駆動される。タービン5の回転によって発電機ロータ6Aが回転し、発電機ロータ6Aと対向して設けられた発電機ステータ部6Bで発電される。タービン5に回転エネルギーを与えた作動媒体3は、ポンプ9によってコレクタ1まで輸送される。このとき、タービン5は作動媒体3の高圧蒸気を膨張に伴う冷却作用によって液化させるので、タービン5からポンプ9までの経路において作動媒体3は完全に液体に戻る。これにより、作動媒体3を冷却させる専用の機器が不要となり、それだけコスト低減が可能となる。   Next, operation | movement of this solar thermal power generation system is demonstrated. The working medium 3 in the working medium circulation path 4 is directly heated by the collector 1 that absorbs solar heat to become high-pressure steam, and this high-pressure steam is injected through the nozzle 8 onto the turbine blade 5aa of the turbine 5. Thereby, the turbine 5 is rotationally driven. The generator rotor 6A is rotated by the rotation of the turbine 5, and electric power is generated by the generator stator portion 6B provided to face the generator rotor 6A. The working medium 3 that gives rotational energy to the turbine 5 is transported to the collector 1 by the pump 9. At this time, since the turbine 5 liquefies the high-pressure steam of the working medium 3 by the cooling action accompanying expansion, the working medium 3 completely returns to the liquid in the path from the turbine 5 to the pump 9. As a result, a dedicated device for cooling the working medium 3 becomes unnecessary, and the cost can be reduced accordingly.

このように、この太陽熱発電システムでは、主軸7を回転自在に支持するのに、主軸7を垂直方向に設置し、その軸下端をピボット部11で支持し、軸上部を永久磁石12,13で非接触状態に支持するようにしているので、接触軸受を用いながら、接触面積が非常に小さくなる。そのため、潤滑剤使用上の制限が少なくなり、作動媒体としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機媒体、あるいは沸点の低い有機媒体を使用しても、軸受の潤滑に問題が生じることはない。その結果、作動媒体の種類に制限を受けることなく、タービン5の長期回転が可能となる。
また、主軸7の下端が接触面積の小さいピボット部11で支持され、主軸7の上部が永久磁石12,13の反発により非接触状態に支持されることから、回転トルクロスおよび摩耗が少なく、エネルギロスを極力低減できると共に、回転起動を円滑に行うことができる。
また、ピボット部11と永久磁石12,13による支持のため、電磁石使用の場合のコントローラが不要で、主軸7の支持構造が単純になるため、コスト低減にもなる。電磁石の消費電力による全体効率の低下の問題もない。
Thus, in this solar thermal power generation system, in order to rotatably support the main shaft 7, the main shaft 7 is installed in the vertical direction, the lower end of the shaft is supported by the pivot portion 11, and the upper portion of the shaft is supported by the permanent magnets 12 and 13. Since it supports in a non-contact state, a contact area becomes very small, using a contact bearing. For this reason, there are fewer restrictions on the use of lubricants, and there is a problem with bearing lubrication even when using ammonia, alternative chlorofluorocarbons, alcohols, acetone, or other organic media that are easily vaporized, or organic solvents with low boiling points. It does not occur. As a result, the turbine 5 can be rotated for a long time without being restricted by the type of the working medium.
Further, since the lower end of the main shaft 7 is supported by the pivot portion 11 having a small contact area, and the upper portion of the main shaft 7 is supported in a non-contact state by the repulsion of the permanent magnets 12 and 13, there is less rotational torque and wear, and energy loss. Can be reduced as much as possible, and rotation can be started smoothly.
In addition, since the support by the pivot portion 11 and the permanent magnets 12 and 13 is not required, a controller when using an electromagnet is unnecessary, and the support structure of the main shaft 7 is simplified, thereby reducing the cost. There is no problem of a decrease in overall efficiency due to the power consumption of the electromagnet.

また、この実施形態では、タービン5が主軸7の下部、発電機ロータ6Aが主軸7の上部となるように、垂直設置した主軸7でタービン5と発電機ロータ6Aとを連結しているので、タービン5に流入する作動媒体3が発電機6側に浸入し難くなり、作動媒体3で発電機6が劣化するのを防止できる。   Further, in this embodiment, the turbine 5 and the generator rotor 6A are connected by the vertically installed main shaft 7 so that the turbine 5 is the lower portion of the main shaft 7 and the generator rotor 6A is the upper portion of the main shaft 7. It is difficult for the working medium 3 flowing into the turbine 5 to enter the generator 6 side, and the working medium 3 can prevent the generator 6 from deteriorating.

また、主軸7の下端を支持するピボット部11の周囲に、タービン5のノズル8から噴出後に液化した作動媒体3を貯める手段として囲壁22を設けているので、この囲壁22で貯められた液化作動媒体3を潤滑剤としてピボット部11を潤滑することができ、ピボット部11用として潤滑剤を特別に用意する必要がない。   Further, since the surrounding wall 22 is provided around the pivot portion 11 supporting the lower end of the main shaft 7 as means for storing the working medium 3 liquefied after being ejected from the nozzle 8 of the turbine 5, the liquefaction operation stored in the surrounding wall 22 is provided. The pivot portion 11 can be lubricated by using the medium 3 as a lubricant, and there is no need to prepare a special lubricant for the pivot portion 11.

さらに、この実施形態では、発電機6の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁21を設けているので、発電機ステータ部6Bにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、作動媒体3である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるといった事態を回避することができる。   Furthermore, in this embodiment, since the partition wall 21 is provided in a part between the rotating portion and the stationary portion of the generator 6, the insulating film on the surface of the coil in the generator stator portion 6B is the working medium 3. It is possible to avoid a situation where stable power generation cannot be performed due to being attacked by an organic solvent or the like.

図4はこの発明の他の実施形態を示す。この熱発電システムは、図1の実施形態における作動媒体循環路4に代えて、コレクタ1に第1の作動媒体3Aを循環させる第1の作動媒体循環路4Aと、タービン5に第2の作動媒体3Bを循環させる第2の作動媒体循環路4Bを設けると共に、コレクタ1によって加熱された第1の作動媒体3Aの熱量を、熱交換器23を介して第2の作動媒体3Bに与えることにより、第2の作動媒体3Bを間接的に加熱するようにしたものである。ノズル8およびポンプ9は第2の作動媒体循環路4Bに設けられる。その他の構成は第1の実施形態の場合と同じである。   FIG. 4 shows another embodiment of the present invention. In this thermoelectric generation system, instead of the working medium circuit 4 in the embodiment of FIG. 1, the first working medium circuit 4 </ b> A that circulates the first working medium 3 </ b> A through the collector 1 and the second operation through the turbine 5. By providing the second working medium circulation path 4B for circulating the medium 3B and applying the heat amount of the first working medium 3A heated by the collector 1 to the second working medium 3B via the heat exchanger 23 The second working medium 3B is indirectly heated. The nozzle 8 and the pump 9 are provided in the second working medium circulation path 4B. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

このように、コレクタ1から熱エネルギーを獲得するための作動媒体3Aと、タービン5を駆動する作動媒体3Bとを分離することにより、それぞれの役目に適した作動媒体を個別に選択でき、作動媒体の選択自由度を拡大できる。   Thus, by separating the working medium 3A for acquiring thermal energy from the collector 1 and the working medium 3B for driving the turbine 5, the working medium suitable for each role can be individually selected. The degree of freedom of selection can be expanded.

図5はこの発明のさらに他の実施形態を示す。この熱発電システムは、第1の実施形態において、作動媒体循環路4のコレクタ1からタービン5に至る経路の途中に作動媒体3を加熱する手段としてヒータ14を設けたものである。なお、ヒータ14はコレクタ1に設けても良い。その他の構成は第1の実施形態の場合と同じである。
このように、コレクタ1によって加熱された作動媒体3を、さらにヒータ14で加熱することにより、作動媒体3の加熱温度をさらに高めて蒸気圧を上げることができて、タービン5への噴射エネルギーを高めることができる。これにより、タービン5によるエネルギー変換効率を高めることができる。
FIG. 5 shows still another embodiment of the present invention. In the first embodiment, the thermoelectric generation system is provided with a heater 14 as means for heating the working medium 3 in the middle of the path from the collector 1 of the working medium circulation path 4 to the turbine 5. The heater 14 may be provided in the collector 1. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
In this way, by further heating the working medium 3 heated by the collector 1 with the heater 14, the heating temperature of the working medium 3 can be further increased to increase the vapor pressure, and the injection energy to the turbine 5 can be increased. Can be increased. Thereby, the energy conversion efficiency by the turbine 5 can be improved.

なお、上記各実施形態では、発電機6としてアキシャルギャップ発電機を用いた場合について説明したが、ラジアルギャプ発電機を用いても良い。また、上記各実施形態では太陽熱を熱エネルギーとする太陽熱発電システムの場合を例示して説明したが、他の熱源を熱エネルギーとする熱発電システムについて適用しても、上記と同様の効果を上げることができる。   In each of the above embodiments, the case where an axial gap generator is used as the generator 6 has been described, but a radial gap generator may be used. Moreover, although each said embodiment illustrated and demonstrated the case of the solar thermal power generation system which uses solar heat as a thermal energy, even if it applies to the thermoelectric power generation system which uses another heat source as a thermal energy, the same effect as the above is raised. be able to.

この発明の第1の実施形態にかかる熱発電システムの概略構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a thermoelectric generator system according to a first embodiment of the present invention. 同熱発電システムにおけるタービンユニットの拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the turbine unit in the thermoelectric power generation system. 図2におけるIII −III 矢視断面図である。It is the III-III arrow sectional drawing in FIG. この発明の他の実施形態にかかる熱発電システムの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the thermoelectric power generation system concerning other embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態にかかる熱発電システムの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the thermoelectric power generation system concerning further another embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…コレクタ
2…タービンユニット
3,3A,3B…作動媒体
5…タービン
6…発電機
6A…発電機ロータ
6B…発電機ステータ部
7…主軸
8…ノズル
14…ヒータ
21…隔壁
22…囲壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Collector 2 ... Turbine unit 3, 3A, 3B ... Working medium 5 ... Turbine 6 ... Generator 6A ... Generator rotor 6B ... Generator stator part 7 ... Main shaft 8 ... Nozzle 14 ... Heater 21 ... Partition 22 ... Enclosure

Claims (10)

熱エネルギーを吸収するコレクタによって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、
前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸を垂直方向に設置し、前記主軸の下端をピボット部で支持し、前記主軸の上部を永久磁石の反発により支持することを特徴とする熱発電システム。
The working medium is heated directly or indirectly by a collector that absorbs thermal energy, the steam of the working medium is ejected from the nozzle, the turbine is rotated by the high-pressure steam from the nozzle, and the generator is generated by the rotation of the turbine. In the system for generating power by the generator stator portion provided to face the generator rotor by rotating the generator rotor in
A thermoelectric power generation system comprising: a main shaft connecting the turbine and the generator rotor is installed in a vertical direction; a lower end of the main shaft is supported by a pivot portion; and an upper portion of the main shaft is supported by repulsion of a permanent magnet. .
請求項1において、前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸を、タービンが主軸の下部、発電機ロータが主軸の上部になるように連結した熱発電システム。   2. The thermoelectric generation system according to claim 1, wherein the main shaft that connects the turbine and the generator rotor is connected so that the turbine is located below the main shaft and the generator rotor is located above the main shaft. 請求項2において、前記ピボット部を潤滑する潤滑剤を前記作動媒体とした熱発電システム。   The thermoelectric generation system according to claim 2, wherein the working medium is a lubricant that lubricates the pivot portion. 請求項3において、前記タービンのノズルから噴出後に液化した作動媒体を前記ピボット部の周辺に貯める手段を持つ熱発電システム。   4. The thermoelectric generator system according to claim 3, further comprising means for storing a working medium liquefied after being ejected from a nozzle of the turbine around the pivot portion. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、前記発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を有する熱発電システム。   5. The thermoelectric generator system according to claim 1, further comprising a partition wall between a rotating portion and a stationary portion of the generator. 請求項1ないし請求項5のいずれか1項において、前記タービンの翼車は前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成した熱発電システム。   6. The thermoelectric generation system according to claim 1, wherein the turbine impeller is made of a plastic material that is not affected by the working medium. 請求項6において、前記プラスチック材料はPEEK材である熱発電システム。   The thermoelectric generation system according to claim 6, wherein the plastic material is a PEEK material. 請求項1ないし請求項7のいずれか1項において、前記タービンが、高圧蒸気を膨張に伴う冷却作用によって液化させるものである熱発電システム。   The thermoelectric power generation system according to any one of claims 1 to 7, wherein the turbine liquefies high-pressure steam by a cooling action accompanying expansion. 請求項1ないし請求項7のいずれか1項において、前記作動媒体を加熱する手段を有する熱発電システム。   8. The thermoelectric generation system according to claim 1, further comprising means for heating the working medium. 請求項1ないし請求項9のいずれか1項において、前記熱エネルギーは太陽熱である熱発電システム。   The thermoelectric power generation system according to any one of claims 1 to 9, wherein the thermal energy is solar heat.
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