JP2007092653A - 熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱による発電機の故障を無くし、かつ発電効率を高めることが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から噴射させ、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。前記タービン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。このような構成の熱発電システムにおいて、前記作動媒体３と発電機ステータ部６Ｂの間で熱交換を行う手段２４を設ける。
【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

上記熱発電システムでは、以下に挙げるような問題がある。
・発電機によってタービンの回転を電気エネルギーに変換する際に、発電機ステータ部のコイルが発熱し、故障の原因となる可能性がある。また、その発熱分が損失となり、全体の発電効率が低下する。
・タービンユニット（発電機＋タービン＋軸受）内部のノズル入り口付近にヒータ等の加熱部を設置した場合、ユニットハウジングを介して加熱部の熱が発電機へ伝導し、発電機が故障する可能性がある。
・発電機で発生した熱で作動媒体を加熱することにより熱吸収効率を上げようとしても、熱エネルギーを吸収するコレクタまで作動媒体を輸送する間に、作動媒体の熱が放熱されるので熱吸収効率が上がらない。
・太陽熱発電システムの場合、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、作動媒体としては、気化し易い若しくは沸点の低い、例えばアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトン等の有機溶媒が使用される。ところが、これらの有機溶媒を作動媒体として使用した場合には、タービンを回転支持する軸受の潤滑剤を保持することが難しく、長期回転ができない。

この発明の目的は、発熱による発電機の故障を無くし、かつ発電効率を高めることが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射させ、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、作動媒体と発電機ステータ部の間で熱交換を行う手段を有することを特徴とする。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、作動媒体と発電機ステータ部との間での熱交換より、発電機ステータ部のコイルが冷却され、発熱による発電機の故障を防止することができる。また、発電機ステータ部での発熱が作動媒体を加熱する熱エネルギーとして有効利用されることになり、システム全体の発電効率を高めることができる。

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。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し、発電機のステータ部の温度上昇による故障を防止することができる。

この発明において、コレクタ部およびタービンユニットを真空室中に入れても良い。真空室中に入れると、発電機ステータ部で加熱された作動媒体がコレクタに還流される途中で放熱するのを防止できるため、発電機で発生した熱を有効に利用できる。また、コレクタで加熱された作動媒体がタービンに供給される途中で放熱することも防止される。これらにより、熱利用効率がさらに向上し、それだけ発電効率を高めることができる。

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。非接触軸受で支持すると、接触軸受と異なり、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、長期回転が可能となる。

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射させ、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、作動媒体と発電機ステータ部の間で熱交換を行う手段を有するものとしたため、発電機ステータが冷却されて発熱による発電機の故障を無くすことができ、また発電機ステータで発生した熱を有効に利用することができて、発電効率を高めることができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４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を液化する復水器１２と、液化した作動媒体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、動圧軸受やフォイル軸受，磁気軸受などがあり、様々な配置や構造が考えられる。

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、タービンユニット２内で作動媒体３が液化しても自重によって排気ポート２０から排出させることができる（図示なし）。スラスト軸受部１１Ｂと共に非接触軸受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。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。

作動媒体循環路４におけるポンプ９よりも下流部と発電機ステータ部６Ｂとの間には、作動媒体３と発電機ステータ部６Ｂとの間で熱交換を行う手段として、作動媒体サブ循環路２４が設けられている。この作動媒体サブ循環路２４は、発電機６の断面図を示す図４のように、発電機ステータ部６Ｂのコイル６Ｂａに接触させた熱交換部２４ｂと、図１のように作動媒体循環路４の作動媒体３の一部を前記熱交換部２４ｂに流入させる往路部２４ａと、熱交換部２４ｂを流れた作動媒体３を作動媒体循環路４に還流させる復路部２４ｃとでなる。作動媒体サブ循環路２４のうち、少なくとも前記熱交換部２４ｂが熱伝導率の良い銅パイプやアルミパイプからなる。また、作動媒体サブ循環路２４には、作動媒体サブ循環路２４の流量を変更するバルブやポンプ（図示なし）を別途設けても構わない。

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６Ｂａ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。

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１４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１４が介在させてある。熱伝導防止材１４には、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１４は、特に、ユニットハウジング２ａを金属製とした場合には設けることが好ましい。

図１に示す熱発電システムにおけるコレクタ１の部分およびタービンユニット２の部分、具体的には作動媒体循環路４における復水器１２やポンプ９の設置部等、作動媒体３の温度が低い部分以外の部分は、真空室１３内に設置されている。

なお、この実施形態では設けていないが、タービンユニット２におけるノズル８の入り口付近に、給気ポート１９から流入する作動媒体３を再加熱するヒータ等からなる加熱部を設けても良い。これにより、作動媒体３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して、タービン５を確実に回転駆動させることができる。

次に、この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のタービン翼車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により発電される。タービン５に回転エネルギーを与えた作動媒体３は復水器１２によって完全に液化され、液化された作動媒体３がポンプ９によってコレクタ１まで輸送される。

ポンプ９によってコレクタに輸送される作動媒体３の一部は、作動媒体サブ循環路２４を経て発電機ステータ部６Ｂに循環供給される。このため、作動媒体３と発電機ステータ部６Ｂとの間の熱交換作用により、発電機ステータ部６Ｂのコイル６Ｂａが冷却され、発熱による故障を防止することができる。また、上記熱交換により加熱された作動媒体３は作動媒体循環路４に戻されてコレクタ１へと輸送されるので、発電機ステータ部６Ｂでの発熱が作動媒体３を加熱する熱エネルギーとして有効利用されることになる。そのため、システム全体の発電効率を高めることができる。

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１４を介在させているので、タービン５側での熱が、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の故障が防止される。
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の入り口付近に達するまでに液化してしまう恐れがある。そこで、これを防止するために、例えばタービンユニット２のノズル入り口付近に、作動媒体３を再加熱する過熱部としてヒータ等を配置しても良い。この場合、その熱が発電機６に伝導して発電機６を故障させる原因になるが、上記したように熱伝導防止材１４を介在させることにより、このような発電機６の故障を防止できる。

また、この実施形態では、熱発電システムにおけるコレクタ１の部分およびタービンユニット２の部分を真空室１３内に設置しているので、コレクタ１で加熱された作動媒体３が作動媒体循環路４を経てタービン５に供給される途中で放熱したり、発電機ステータ部６Ｂで加熱された作動媒体３が作動媒体サブ循環路２４の復路２４ｃを経て作動媒体循環路４に戻る途中で放熱するのを防止できる。そのため、熱利用効率がさらに向上し、それだけ発電効率をさらに高めることができる。

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として使用される液体には、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、主軸７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、主軸７を非接触軸受１１で支持しているので、潤滑剤が不要であり、そのため、前記作動媒体３による軸受用潤滑剤の劣化という問題が無く、長期回転が可能である。

なお、上記実施形態では、発電機ステータ部６Ｂのコイル６Ｂａに対して、作動媒体サブ循環路２４の熱交換部２４ｂを直接接触させたが、これに限らず図５のように、熱伝導性の良いモールド材１５を介して発電機ステータ部コイル６Ｂａに作動媒体サブ循環路２４の熱交換部２４ｂを接触させるようにしても良い。すなわち、作動媒体サブ循環路２４の熱交換部２４ｂとなる銅パイプを熱伝導性の良いモールド材１５でモールドしても良い。

図６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の実施形態において復水器１２を省略して、作動媒体３の高圧蒸気をタービン５での膨張に伴う冷却作用によって液化させるようにしたものである。これにより、作動媒体３を液化させる専用の復水器１２が不要となり、それだけコスト低減が可能となる。

図７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、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たものである。ノズル８、復水器１２およびポンプ９は第２の作動媒体循環路４Ｂに設けられ、作動媒体サブ循環路２４の往路２４ａ，２４ｃも第２の作動媒体循環路４Ｂに連結される。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太陽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。 タービンユニットにおける発電機の断面図である。 タービンユニットにおける発電機の他の例の断面図である。 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。 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。

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
８…ノズル
１１…非接触軸受
１３…真空室
１４…低熱伝導率物質
２２…熱交換器
２４…作動媒体サブ循環路
２４ａ…往路部
２４ｂ…熱交換部
２４ｃ…復路部

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射させ、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、
   作動媒体と発電機ステータ部の間で熱交換を行う手段を有することを特徴とする熱発電システム。
2. 請求項１において、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、コレクタ部およびタービンユニットを真空室中に入れた熱発電システム。
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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