JP2007092652A - 熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 コレクタで作動媒体が十分に加熱されない場合でも、高圧蒸気の作動媒体で確実にタービンを駆動できる熱発電システムを提供する。
【解決手段】 熱エネルギーを吸収するコレクタ１によって、直接または間接的に作動媒体３を加熱し、作動媒体３の蒸気をノズル８から噴出させ、ノズル８からの高圧蒸気によってタービン５を回転駆動させる。タービン５の回転によって、発電機６における発電機ロータ６Ａを回転させ、前記発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電させる。前記タービン５、発電機６、並びにこれらタービン５および発電機６を支持する軸受１１から構成されるタービンユニット２のノズル入り口付近に、作動媒体３を再加熱するための加熱部１２を内蔵する。
【選択図】 図１

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。

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ノズルからタービンに噴射すること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

しかし、上記した太陽熱発電システムでは、コレクタで太陽熱を獲得し、獲得した熱量を作動媒体に与えることで作動媒体の蒸気圧力を高めるので、十分な熱エネルギーを獲得できない場合、あるいは低圧力（低温度）の蒸気でタービンを駆動する場合には、コレクタで加熱された作動媒体の蒸気がノズル入口に到達するまでに冷えて液化するという問題があった。

また、太陽熱等の再生可能エネルギーは、得られるエネルギーが不安定なため、発電効率が最大となるように制御することが困難であった。
太陽熱発電では、得られるエネルギーが小さく、エネルギー密度が低いため、作動媒体に使用される流体には、気化しやすい、または沸点の低い、例えばアンモニアや代替フロン、アルコール、アセトンなどの有機媒体が使用される。これらの作動媒体を使用した場合には、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もある。

この発明の目的は、コレクタで作動媒体が十分に加熱されない場合でも、高圧蒸気の作動媒体で確実にタービンを駆動できる熱発電システムを提供することである。

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、発電機、並びにこれらタービンおよび発電機を支持する軸受から構成されるタービンユニットのノズル入り口付近に、作動媒体を再加熱するための加熱部を内蔵したことを特徴とする。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。

この構成によると、タービンユニットのノズル入り口付近に、作動媒体を再加熱するための加熱部を内蔵したため、コレクタで吸収できる熱エネルギが少ない場合であっても、作動媒体が噴射前に液化することを防止できる。例えば、熱発電システムが太陽熱発電システムの場合には、天候条件等によって十分な熱エネルギーをコレクタで獲得できない場合がある。このような場合、コレクタで加熱された作動媒体の蒸気がノズルから噴出されるまでに液化してしまう恐れがある。このような液化が、前記加熱部によって防止され、タービンを確実に回転駆動できる。また、作動媒体を更に高温高圧の蒸気にして、発電機の発電量を向上させることもできる。

この発明において、前記タービンと発電機の間の一部に、熱伝導防止材を介在させても良い。熱伝導防止材は、タービンや発電機のハウジング等を構成する部材よりも熱伝導率の低い物質とする。
このように熱伝導防止材を介在させることで、タービンと発電機間の熱伝導を減らすことができる。上記のようにタービンの内部のノズル入り口付近に加熱部を設置した場合、ハウジングに対して発電機の熱が伝導し、発電機が故障する恐れがある。前記熱伝導防止材を設けることで、このような熱伝導を低減させ、熱伝導に起因する発電機の故障を防止することができる。

この発明において、前記コレクタとノズル間の前記作動媒体の圧力、または前記コレクタの温度、または前記コレクタに入力される熱量を測定する手段を有し、この手段で測定される圧力または温度または熱量を一定に保つように前記加熱部の出力を調整する加熱制御手段を有するものとしても良い。
この構成の場合、コレクタが獲得する熱エネルギーが不安定な太陽熱発電システムのような場合であっても、加熱部の出力を加熱制御手段で調整することで、タービンに入力されるエネルギーを一定となるように調整することなどで、発電制御が容易となる。例えば発電効率が最大となるように入力エネルギーを制御することも可能となる。

この発明において、前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸が非接触軸受によって支持されていても良い。
熱発電システムが太陽熱発電システムである場合には、コレクタで得られる熱エネルギーが小さく、エネルギー密度も低いため、作動媒体として使用される流体には、気化し易いもしくは沸点の低い、例えばアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの有機溶媒が使用される。この場合に、主軸を接触式の軸受で支持すると、軸受用の潤滑剤が高熱の作動媒体で劣化するので長期回転ができない。これに対して、主軸を非接触軸受で支持すると、潤滑剤が不要となる。そのため、作動媒体による軸受用潤滑剤の劣化という問題が無く、長期回転が可能である。

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、発電機、並びにこれらタービンおよび発電機を支持する軸受から構成されるタービンユニットのノズル入り口付近に、作動媒体を再加熱するための加熱部を内蔵したため、コレクタで作動媒体が十分に加熱されない場合でも、高圧蒸気の作動媒体で確実にタービンを駆動することができる。

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って、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。
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の間には、作動媒体３を貯蔵もしくは冷却するためのタンク（図示なし）を設けても構わない。

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。具体的には、発電機６はアキシャルギャップ発電機であり、主軸７の一端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の他端にはタービン５の翼車（図１には図示せず）が連結される。主軸７は非接触軸受１１によって回転自在に支持される。非接触軸受１１は、主軸７を径方向で支持するラジアル軸受部１１Ａと、前記スラスト板７ａを軸方向で挟むことにより主軸７を軸方向で支持するスラスト軸受部１１Ｂとでなる。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。非接触軸受１１は、動圧軸受，フォイル軸受，磁気軸受などを用い、その種類により配置や構造は異なる。

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の他端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、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の外周側には、作動媒体循環路４の上流部に繋がりコレクタ１で加熱された作動媒体３を流入させる給気ポート１９が、タービンユニット２のユニットハウジング２ａを貫通して設けられている。タービン５の一端の回転中心部には、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が開口させてある。タービンユニット２を水平面に対して傾けて設置すれば、作動媒体３がタービンユニット２内で液化した場合でも、自重により廃棄ポート２０から排出させることができる（図示なし）。

非接触軸受１１を構成するラジアル軸受部１１Ａの一部は、タービン翼車５ａを支持する。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。

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。このように隔壁２１で発電機ステータ部６Ｂを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である有機溶媒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。

また、タービンユニット２におけるタービン５と発電機６の間の一部には、熱伝導防止材１５が介在させてある。具体的には、ユニットハウジング２ａにおいて、タービン５の配置部と発電機６の配置部との間の部分に前記熱伝導防止材１５が介在させてある。熱伝導防止材１５は、ユニットハウジング２ａよりも、熱伝導率の低い物質、例えば空気や樹脂などが用いられる。熱伝導防止材１５は、特に、ユニットハウジング２ａが金属製の場合に設けることが効果的である。

タービンユニット２におけるノズル８の入り口付近には、給気ポート１９から流入する作動媒体３を再加熱する加熱部として複数本のヒータ１２が内蔵されている。ヒータ１２には電気ヒータが用いられる。具体的には、円筒状のノズル部材１８とその外周側のユニットハウジング２ａとの間に形成される空間に、複数本のヒータ１２が周方向に分配設置されている。
この加熱部であるヒータ１２への電力供給は、例えば図１のように、測定手段１３の測定値に応じて電力を制御する加熱制御手段１４によって制御される。測定手段１３は、コレクタ１とノズル８の間の作動媒体３の圧力、またはコレクタ１の温度、またはコレクタ１に入力される熱量を測定するものである。加熱制御手段１４は、例えば、測定手段１３の測定値（圧力または温度または熱量）を一定に保つように、ヒータ１２への供給電力を制御するものとされる。

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。タービンユニット２のノズル８の入り口付近には、作動媒体３を再加熱する加熱部としてヒータ１２が設けられているので、作動媒体４の蒸気がノズル８の入り口に到達するまでに液化するのを防止でき、タービン５が確実に回転駆動される。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が、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ものとしてあると、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。

太陽熱発電システムでは、天候条件等によって十分な熱エネルギーをコレクタ１で獲得できない場合があり、コレクタ１で加熱された作動媒体３の蒸気がタービンユニット２のノズル８の入り口付近に到達するまでに液化してしまう恐れがある。この太陽熱発電システムの場合は、上記したようにタービンユニット２のノズル８の入り口付近に設けたヒータ１２で作動媒体３を再加熱するようにしているので、上記した作動媒体３の液化を防止でき、タービン５を確実に回転駆動できる。

この実施形態では、コレクタ１とノズル８の間の作動媒体３の圧力、またはコレクタ１の温度、またはコレクタ１に入力される熱量を測定する測定手段１３を設けると共に、測定される前記圧力または温度または熱量を一定に保つように、加熱制御手段１４で前記ヒータ１２への供給電力を調整するようにしている。このため、コレクタ１が獲得する熱エネルギーが不安定な太陽熱発電システムの場合でも発電制御が容易になる。

また、この実施形態では、タービン５と発電機６の間の一部に熱伝導防止材１５を介在させているので、タービンユニット２のノズル８の入り口付近に設けたヒータ１２による熱が、ユニットハウジング２ａを介して発電機６に伝導するのを低減して、熱伝導に起因する発電機６の故障を防止できる。

さらに、この実施形態では、主軸７を非接触軸受１１で支持しているので、潤滑剤が不要となり、作動媒体３による軸受用潤滑剤の劣化という問題が無くて長期回転が可能である。すなわち、この実施形態のように熱発電システムが太陽熱発電システムである場合には、コレクタ１で得られる熱エネルギーが小さく、エネルギー密度も低いため、作動媒体３として使用される流体には、気化し易いもしくは沸点の低い、例えばアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの有機溶媒が使用される。このため、主軸７を支持する軸受が接触式の軸受であると、軸受用の潤滑剤が高熱の作動媒体３で劣化するので長期回転ができない。この実施形態では、このような問題が非接触軸受１１の使用により解消される。

図４はタービンユニット２の他の例を示す拡大断面図、図５は図４のＶ−Ｖ矢視断面図である。このタービンユニット２の例では、図２のタービンユニット２において、ユニットハウジング２ａの外周壁部に設けていた給気ポート１９を、排気ポート２０と同様にユニットハウジング２ａの端部側に設けている。また、ノズル入り口付近で作動媒体３を再加熱する加熱部であるヒータ１２を、タービン５側のユニットハウジング２ａ’の外周壁部の周囲の全周に設け、ユニットハウジング２ａ’を加熱することにより、ユニットハウジング２ａ’の内壁部分で作動媒体３を加熱している。その他の構成は図２の例と同じである。

図６はタービンユニット２のさらに他の例を示す拡大断面図、図７は図６のVII −VII 矢視断面図である。このタービンユニット２の例では、図２のタービンユニット２において、タービン翼車５ａの内周に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、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の一端には、作動媒体循環路４の上流部に繋がりコレクタ１で加熱された作動媒体３を流入させる給気ポート１９が、ユニットハウジング２ａの端部壁を貫通して設けられている。ノズル部材１８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が開口させてある。また、ノズル入り口付近で作動媒体３を再加熱する加熱部であるヒータ１２を、ノズル部材１８の軸心位置に固定設置している。その他の構成は図２の例と同じである。

この構成のタービンユニット２では、給気ポート１９から流入した作動媒体３の蒸気がヒータ１２で再加熱されてから、タービン翼車５ａの内周側のノズル８からタービン翼車５ａａに噴射されることで、タービン５が回転駆動される。タービン翼車５ａを通過した作動媒体３は、タービン５の外周側の排気ポート２０からタービンユニット２の外側に排出される。

図８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を設けている。これにより、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２２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ている。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。

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。

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、ラジアルギャッ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適用しても、上記と同様の効果を上げることができる。

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。 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。 図２におけるIII −III 矢視断面図である。 タービンユニットの他の例を示す拡大断面図である。 図４におけるＶ−Ｖ矢視断面図である。 タービンユニットのさらに他の例を示す拡大断面図である。 図６におけるVII −VII 矢視断面図である。 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。

符号の説明

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
１１…非接触軸受
１２…ヒータ（加熱部）
１３…測定手段
１４…加熱制御手段
１５…低熱伝導物質
２２…熱交換器

Claims (5)

1. 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、発電機、並びにこれらタービンおよび発電機を支持する軸受から構成されるタービンユニットのノズル入り口付近に、作動媒体を再加熱するための加熱部を内蔵したことを特徴とした熱発電システム。
2. 請求項１において、前記タービンと発電機の間の一部に、熱伝導防止材を介在させた熱発電システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記コレクタとノズル間の前記作動媒体の圧力、または前記コレクタの温度、または前記コレクタに入力される熱量を測定する手段を有し、この手段で測定される圧力または温度または熱量を一定に保つように前記加熱部の出力を調整する加熱制御手段を有する熱発電システム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記タービンと前記発電機ロータとを連結する主軸が非接触軸受によって支持されている熱発電システム。
5. 請求項１ないし請求項４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。

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