JP2007132330A - 太陽熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱発電において、単位発電量に対する炭酸ガスの発生量を減少させて地球環境の悪化を抑制することを課題とする。
【解決手段】真空コレクター１と、熱エネルギーを蓄え、熱交換を行う蓄熱槽２と、真空コレクター１で収集された太陽熱エネルギーによって第１の温度まで加熱された第１の熱媒体を蓄熱槽２まで輸送し、蓄熱槽２で気化熱を放出した後第１の熱媒体を真空コレクター１に還流する第１のパイプ３と、蓄熱槽２で第１のパイプ３内の第１の熱媒体と熱交換される第２の熱媒体を循環させる第２のパイプ８と、蓄熱槽２で熱交換されて暖められた第２の熱媒体を高温の第２の温度まで加熱するボイラー５と、ボイラー５で高熱の蒸気となった第２の熱媒体によって駆動される蒸気タービン６と、蒸気タービン６と連結される発電機７とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は真空太陽熱収集装置による太陽熱エネルギーと石油、石炭等の燃料を燃焼させた熱エネルギーとの協調によって熱発電を行う太陽熱発電装置に関するものである。

従来の熱発電装置は、火力発電所等で実施されているように、石油等の化石燃料を燃焼させ、その熱エネルギーで発電していた（特許文献１参照）。
そのため、炭酸ガスが発生し、地球環境の悪化を招くという問題があった。
そこで、炭酸ガスを発生させない太陽エネルギーを利用した発電が考えられている。この場合、周知のように、反射鏡を用いて太陽光を反射集中させ、高温度を得て蒸気タービンを駆動し発電する方式か、或いは太陽電池によって発電する方式が主力であった（非特許文献１参照）。
特開平１０−３２５３０７号公報 太陽光発電工学、山田 興一、小宮山 宏 著、２００２．１０．７．日経ＢＰ社発行

しかしながら、反射鏡を用いた太陽熱発電は、曇天の時に反射鏡の反射光が散乱光になるため、雲からの放射量を効率良く発電に利用することができず、発電効率が晴天時の数１０分の１以下になるので、曇天の多い日本では実用にならない方式であった。
また、太陽電池による発電方式は、多数の太陽電池を要するため、発電コストが高く、中容量、大容量の発電には不向きであった。
本発明は、太陽熱エネルギーを利用し、単位発電量に対する炭酸ガスの発生量を減少させて地球環境の悪化を抑制することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、低温例えば数１０℃の第１の熱媒体を第１の温度例えば１５０〜２００℃に上昇させるのを、この温度領域では効率の良い真空太陽熱収集装置による太陽エネルギーを利用して行い、その後、熱交換した第２の熱媒体を第２の温度例えば３００〜５００℃まで上昇させるのを、石油その他の燃料を燃焼させて行う。
そして、高温に加熱された第２の熱媒体の蒸気によって蒸気タービンを駆動させ、これにより発電機を動作させて発電を行う。

本発明は、高温の熱媒体の蒸気を得るのに、真空太陽熱収集装置による太陽熱エネルギーと、石油等の燃料による熱エネルギーを利用するので、発電全体として必要なエネルギーの内、石油等の燃焼による熱エネルギーを減らして、単位発電量に対する炭酸ガスの発生量を減少させ、これによって地球環境の悪化を抑制することができる。

また、本発明で使用する真空太陽熱収集装置は、全天日射量に比例して熱エネルギーを収集するものであるから、曇天の日でもそれなりに快晴時の数分の１程度の集熱ができ、反射鏡で集光する方式のように曇ると数１０分の１になるということはない。
更に、本発明は太陽熱エネルギーと石油等による熱エネルギーを利用するので、太陽電池方式のように発電コストが高くなることもなく、大容量の発電にも十分適用することができる。

真空太陽熱収集装置と、熱エネルギーを蓄え、熱交換を行う蓄熱槽と、真空太陽熱収集装置で収集された太陽熱エネルギーによって第１の温度まで加熱された第１の熱媒体を蓄熱槽まで輸送し、蓄熱槽で気化熱を放出した後第１の熱媒体を真空太陽熱収集装置に還流する第１のパイプと、蓄熱槽で第１のパイプ内の第１の熱媒体と熱交換される第２の熱媒体を循環させる第２のパイプと、蓄熱槽で熱交換されて暖められた第２の熱媒体を高温の第２の温度まで加熱するボイラーと、ボイラーで高温の蒸気となった第２の熱媒体によって駆動される蒸気タービンと、蒸気タービンと連結される発電機とを備えることにより、炭酸ガスの発生が少い太陽熱発電装置を実現した。

図１は本発明の実施例である太陽熱発電システムの構成図である。
図１において、１は太陽熱エネルギーを収集する太陽熱収集装置（以下コレクターと言う）、２は熱エネルギーを蓄え、熱交換を行う蓄熱槽、３は第１の熱媒体の入っている第１のパイプ、４はポンプ、５はボイラー、６は蒸気タービン、７は発電機、８は第２の熱媒体の入っている第２のパイプ、９はポンプ、１０は回転軸である。

コレクター１として使用されるのは、真空の熱絶縁性を利用した型のコレクター即ち真空太陽熱収集装置であって、現在この型のコレクターとしては、高真空平板式コレクターと、真空管式コレクターと、クリプトンガスを熱絶縁に用いた低真空平板式コレクターの三つの型が代表的なものであるが、いずれの型のものでも適用することができる。

蓄熱槽２には蓄熱用の液体である熱媒体例えば水又は蒸気圧の低い油が入れられており、第１のパイプ３で構成された入力用熱交換部１１と第２のパイプ８で構成された出力用熱交換部１２が配置されている。
第１のパイプ３はコレクター１が集めた太陽熱エネルギーを第１の熱媒体を用いて蓄熱槽２まで輸送し、その後第１の熱媒体を再びコレクター１に還流する。
第１の熱媒体としては、気化熱の大きさから通常は水が使用されるが、寒冷地ではアルコールその他の低温度で蒸発する熱媒体を使用しても良い。
ポンプ４は蓄熱槽２から第１のパイプ３を通して出る液体の第１の熱媒体に高圧力をかけてコレクター１に圧入する。

ボイラー５、蒸気タービン６及び発電機７は火力発電所等で使用されている周知のもので、ボイラー５の内壁には第２のパイプ８が張りめぐらされており、バーナーで加熱し易いように構成されている。ボイラー５で加熱された第２の熱媒体の蒸気によって蒸気タービン６は駆動され、その回転は回転軸１０により連結されている発電機７に伝達されて発電を行う。

第２のパイプ８は、第２の熱媒体を、蓄熱槽２とボイラー５と蒸気タービン６との間を循環させるものである。
第２の熱媒体は、高温、高圧の蒸気となって蒸気タービン６を駆動させるのに適当な例えば水が使用される。蒸気タービン６から出た第２の熱媒体は液体にされ、ポンプ９により高圧力をかけられて蓄熱槽２に還流される。

次に動作について説明する。
第１のパイプ３内の第１の熱媒体が低温例えば数１０℃の液体状態でポンプ４によりコレクター１に送り込まれると、第１の熱媒体はコレクター１内で太陽熱による気化熱をもらって例えば１５０℃程度に温度を上げた蒸気となり、第１のパイプ３を通して蓄熱槽２に入る。
第１の熱媒体は蓄熱槽２内で液化して入力用熱交換部１１から気化熱を放出し、蓄熱槽２内の熱媒体の温度を例えば１５０℃前後まで上げる。
蓄熱槽２を通って液化した第１の熱媒体は数１０℃の液体となり、ポンプ４によって圧力をかけられてコレクター１内に還流する。このように第１のパイプ３内の第１の熱媒体は液化と気化を繰り返しながら、コレクター１と蓄熱槽２の間を循環している。

蓄熱槽２内の暖められた熱媒体は、第２のパイプ８の出力用熱交換部１２内の第２の熱媒体と熱交換し、これにより第２の熱媒体は１５０℃程度に暖められる。
暖められた第２の熱媒体は、更にボイラー５により蒸気タービンを駆動するのに効率の良い温度である例えば約３００℃位まで加熱されて、高温、高圧の蒸気となり、蒸気タービン６に入り、これを駆動し回転させる。
発電機７は蒸気タービン６と回転軸１０により連結されており、蒸気タービン６の回転と共に回転して発電する。

蒸気タービン６を駆動した蒸気の第２の熱媒体は熱エネルギーを失って数１０℃まで温度を下げ、液体となって第２のパイプ８及びポンプ９により再び蓄熱槽２内の第２のパイプ８に圧入され還流する。
なお、蒸気タービン６で第２の熱媒体の温度が十分に下がらない場合は、図示してない復水器により温度を下げて液体にする。

このようにして、コレクター１で収集した太陽熱エネルギーと、ボイラー５で燃料を燃焼させた熱エネルギーの協働により発電を行う。
コレクター１が収集する太陽熱は天候によって左右され、またその面積によっても変わるので、コレクター１とボイラー５の出力の割合は一定していない。
例えば、発電の負荷が軽く晴天の時はコレクター１の出力だけで発電できる場合もあるし、曇天で負荷が重い時はボイラー５が出力のほとんどを供給する場合もあるが、平均的にはコレクター１の出力とボイラー５の出力がほぼ同じ位で発電機７を駆動しているようにコレクター１の面積を選ぶと良い。

なお、コレクター１の出力温度の飽和値はコレクターの種類によって異なるが、最も効率の良い高真空平板式コレクターの場合は、晴天で最大４００℃位になる。
従って、コレクター１の面積を大きくすると、晴天時にはボイラー５がほとんど必要なくなるが、出力温度の高い所では、コレクター１の効率が悪くなるので、あまりコレクター１の面積を増やすのは経済的ではない。

コレクター１の出力側とボイラー５の間に接続されている蓄熱槽２は熱エネルギーの蓄積と熱交換を行うが、その目的の一つは、雲の移動で太陽熱の大きさが大きく変わるような場合に、ボイラー５に入る太陽熱の入力の変動を平滑にすることである。
また、他の目的の一つは、比較的長い第１のパイプ３の扱う第１の熱媒体の温度を低くしてその蒸気圧を低くし、耐圧の低い安価なパイプを利用できるようにすることである。そのために蓄熱槽２内で例えば１５０℃程度以下の温度の第１の熱媒体を扱う第１のパイプ３と、例えば３００℃程度以上の高温、高圧の第２の熱媒体の蒸気を扱う第２のパイプ８とを切り分けてある。

熱媒体に水を使用した場合、扱う温度が１５０℃なら蒸気圧は５気圧程度であるが、扱う温度が３００℃程度になると蒸気圧は１００気圧前後の値になり、耐圧の高い高価なパイプを必要とするようになる。
そこで、長い第１のパイプ３には低耐圧の安価なパイプを使用し、第２のパイプ８の内、特にポンプ９から蓄熱槽２、ボイラー５を経て蒸気タービン６に至るまでの短い第２のパイプ８には高耐圧の高価なパイプを使用するようにして経済化を計ることができる。

水或いは水蒸気の比熱は、その温度によって多少の差異はあるが、大きな差異はないので、低い温度になっている水の温度を上げるのに、燃料を使わずに太陽熱を利用するのは合理的である。
何故なら、低い温度での真空式コレクターの効率は大変良く、４０〜５０℃程度の集熱温度では、真空式コレクターは６０〜７０％程度の効率で集熱でき、１００℃を越えても５０％程度の効率を持っている。
この真空式コレクターとしては前述のように３種類のものがあるが、その中で最も効率の良いのは真空平板式コレクターで、次いで真空管式コレクターで、その次は内部にクリプトンガスを封入した低真空平板式コレクターである。これらはいずれも１５０℃程度の出力温度まで実用的な効率で出力を得ることができる。

更に高温度になってくると、コレクターの効率が低下し、必要量の太陽熱エネルギーを収集するのに広い面積のコレクターを必要とするので経済的でなくなる。高い温度を得るには燃料の燃焼熱エネルギーを使用する方が合理的である。

上記したように、本発明の実施例によれば、熱媒体の蒸気温度が例えば数１０℃から１５０℃近辺までは太陽熱を熱源として温度上昇を行い、例えば１５０℃から３００℃近辺までは石油等の燃料を熱源として温度上昇を行うと、発電全体としての必要熱エネルギーの約半分を太陽熱エネルギーで賄えるので、熱発電における炭酸ガスの発生量を従来の約半分に減少させることができる。これによって地球環境の悪化を抑制し、環境の保全に大いに役立つと言う効果を得ることができる。

また、真空式コレクターは全天日射量に比例して太陽熱エネルギーを収集するので、曇天の日でも快晴時の数分の１程度の集熱ができ、従来のように曇天時に数１０の１になってしまうことはない。
また、比較的低い温度の蒸気には太陽熱エネルギーを使用し、高圧で高温の蒸気には石油等の燃焼による熱エネルギーを使用するので、合理的であり、太陽電池方式のように発電コストが高くなることもなく、小、中容量の発電はもとより大容量の発電にも十分適用することができる。

更に、蓄熱槽を使用して蓄熱及び熱交換を行うので、太陽熱の入力量の変動を平滑化することができ、比較的温度の低い熱媒体を移送するパイプには耐圧の低い安価なものを利用し、高温、高圧の熱媒体を扱う部分のパイプのみに耐圧の高い高価なものを使用することにより経済化を計ることができる。

本発明の実施例を示す構成図である。

符号の説明

１ 太陽熱収集装置
２ 蓄熱槽
３ 第１のパイプ
４ ポンプ
５ ボイラー
６ 蒸気タービン
７ 発電機
８ 第２のパイプ
９ ポンプ
１０ 回転軸
１１ 入力用熱交換部
１２ 出力用熱交換部

Claims (1)

1. 真空太陽熱収集装置と、
   熱エネルギーを蓄え、熱交換を行う蓄熱槽と、
   前記真空太陽熱収集装置で収集された太陽熱エネルギーによって第１の温度まで加熱された第１の熱媒体を前記蓄熱槽まで輸送し、前記蓄熱槽で気化熱を放出した後第１の熱媒体を前記真空太陽熱収集装置に還流する第１のパイプと、
   前記蓄熱槽で前記第１のパイプ内の第１の熱媒体と熱交換される第２の熱媒体を循環させる第２のパイプと、
   前記蓄熱槽で熱交換されて暖められた第２の熱媒体を高温の第２の温度まで加熱するボイラーと、
   前記ボイラーで高温の蒸気となった第２の熱媒体によって駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンと連結される発電機とを備えたことを特徴とする太陽熱発電装置。

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