JP2008075451A - 熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 タービン動翼での損失を低減して発電効率を向上させることのできる熱発電システムを提供する。
【解決手段】 熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体３を加熱し、動翼５ｂの外側に設けられた１個または複数個のノズル８から動翼５ｂに向かって周方向に前記作動媒体３の蒸気を噴出させて前記動翼５ｂを回転駆動させる。この動翼５ｂの回転によって発電機ロータ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。前記動翼５ｂの内側には、この動翼５ｂを通過した作動媒体３が再び動翼５ｂ内に入ることを防止する排気案内部材２０を設ける。
【選択図】 図２

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、次の構成の太陽熱発電システムが種々提案されている（例えば特許文献１〜４）。これは、コレクタ部において作動媒体を太陽熱で加熱し、その作動媒体の高圧蒸気をタービン動翼の外周側に設けられた１個ないし複数個のノズルから動翼に噴出させてタービンを回転駆動し、タービン動翼を出た作動媒体の蒸気を復水器により再び液体に戻してコレクタ部に循環させるという熱サイクルを行い、タービンの回転で発電機を発電させるものである。
特開２００２−２４２６９３号公報 特開２０００−１１０５１５号公報 特開２００３−２２７３１５号公報 特開２００４−２７８３３５号公報

このような熱発電システムでは、動翼を通過した作動媒体の蒸気あるいは液体が再び内側から動翼に入り、損失が大きくなるという問題がある。
また、動翼の外周側に１個または複数個のノズルが分配設置されるため、周方向に並ぶ動翼の翼列において、ノズルから作動媒体の蒸気が噴射されない部分に作動媒体が流れ込み易くなり、さらに損失が大きくなる。
また、動翼の翼列の内側に設けられて、動翼に噴射された作動媒体を排気する排気口の断面積が小さいと、ノズルの出口側での圧力が上がるため、熱サイクル効率が低くなるという問題もある。

この発明の目的は、タービン動翼での損失を低減して発電効率を向上させることのできる熱発電システムを提供することである。
この発明の他の目的は、熱サイクル効率の向上により発電効率を向上させることの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、熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱し、動翼の外側に設けられた１個または複数個のノズルから動翼に向かって周方向に前記作動媒体の蒸気を噴出させて前記動翼を回転駆動させ、この動翼の回転によって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熱発電システムにおいて、前記動翼の内側に、この動翼を通過した作動媒体が再び動翼内に入ることを防止する排気案内部材を設けたことを特徴とする。
この構成によると、動翼の内側に排気案内部材を設けているので、動翼を通過した作動媒体が再び動翼内に入ることがなく、動翼での損失を低減でき、システムの発電効率を向上させることができる。

この発明において、前記排気案内部材が、スリットを設けた隔壁であっても良い。この場合、スリットの個数をノズルと同じとし、かつスリットの位相をノズルの位相と等しくしても良い。
この構成の場合、ノズルから噴出して動翼を通過した作動媒体の蒸気はそのままスリットを通過して排気案内部材の内側に達するが、スリット以外の部分は隔壁となっていて作動媒体が再び動翼の内部に侵入せず、確実に排気させることができる。

この発明において、前記スリットの総面積を、ノズルの総面積よりも大きくしても良い。この構成の場合、ノズルから噴出される作動媒体の蒸気が動翼の内側に排出されやすくなる。その結果、ノズルの出口側で圧力が上がるのを防止できて、大きな熱落差が得られることにより熱サイクル効率が上がり、システムの発電効率が向上する。

この発明において、前記排気案内部材が、作動媒体を軸方向に案内するコーン型部材であっても良い。この構成の場合、ノズルから噴出して動翼を通過した作動媒体の蒸気が、コーン型部材からなる排気案内部材のテーパ面に沿って軸方向に案内されるので、動翼を通過した作動媒体が再び動翼内に入るのを確実に防止できる。

この発明において、前記熱エネルギーが太陽熱であっても良い。この発明の熱発電システムは、太陽熱発電システムの場合、得られるエネルギー量が小さいため、動翼での損失量は小さくても、入力エネルギーに対する割合は高くなってしまうため、その効果がより効果的に発揮される。

この発明の熱発電システムは、熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱し、動翼の外側に設けられた１個または複数個のノズルから動翼に向かって周方向に前記作動媒体の蒸気を噴出させて前記動翼を回転駆動させ、この動翼の回転によって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熱発電システムにおいて、前記動翼の内側に、この動翼を通過した作動媒体が再び動翼内に入ることを防止する排気案内部材を設けたため、動翼での損失を低減して発電効率を向上させることができる。

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。図１は、この発明の熱発電システムの概略構成を示す。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、太陽光を集光して太陽熱を吸収するコレクタ部１と、タービン５および発電機６を有する熱発電タービンユニット２と、コレクタ部１とタービン５の間で作動媒体３を循環させるクローズド経路の作動媒体経路４とを備える。
作動媒体経路４は、前記コレクタ部１で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に噴出させタービン５を回転駆動するノズル８と、ノズル８から噴出してタービン５の回転に使用された作動媒体３の蒸気を液体に戻す復水器９と、液体に戻した作動媒体３をコレクタ部１に循環供給する循環ポンプ１０とを有する。

図２は熱発電タービンユニット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。この熱発電タービンユニット２では、発電機６とタービン５とが上下に配置される。発電機６は、回転部分である一対の発電機ロータ６Ａ，６Ａと、静止部分である発電機ステータ部６Ｂとでなる。具体的には、発電機６はアキシャルギャップ型発電機であり、円筒状のユニットハウジング１２の内周側に設けられた発電機ステータ部６Ｂに対して、垂直方向に向く姿勢とした主軸７に設けられた一対の発電機ロータ６Ａ，６Ａが上下に所定のギャップを介して対向配置されている。この発電機６での発電はコントローラ１１（図１）によって制御される。

発電機ステータ部６Ｂは、そのステータ基体１３が非磁性体からなるコアレス構造とされており、ステータ基体１３の周方向に１個ないし複数個のコイル部１４が集中巻きで配置されている。なお、発電機ステータ部６Ｂのステータ基体１３を磁性体とした場合、始動トルクの増大、低速回転域での鉄損増大やコギングトルクによる騒音、振動等が生じるが、コアレス構造としたこの実施形態では、そのような問題を回避できる。ただし、発電機６は上記したコアレス構造のものに限らず、他の構造のものを採用しても良い。前記コイル部１４は、その表面の絶縁被膜を保護するために樹脂等でモールドされている。これにより、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイル部１４の表面の絶縁被膜が、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。
各発電機ロータ６Ａは、主軸７に一体に形成したフランジ状のロータ基体１５における前記発電機ステータ部６Ｂに対向する側面の円周上に、１個ないし複数個の磁石１６を配置して構成されている。この場合の磁石１６の磁極は、その磁束が発電機ステータ部６Ｂのコイル部１４に鎖交するように配置される。例えば、上ロータ磁石がＮ極、下ロータ磁石がＳ極とされる。

タービン５は、前記主軸７の下端部に嵌合し、主軸７の下端の雄ねじ部に螺合させたナット１７で位置決めされる円盤状の動翼取付部材５ａと、この動翼取付部材５ａの外周部において周方向に列状に並べて設けられる複数の動翼５ｂとでなる。動翼５ｂは、樹脂成形品や金属製品からなる。タービン５の外周には円筒状のノズル部材１８が設けられ、このノズル部材１８に動翼５ｂの翼列に向けて貫通する１個ないし複数個のノズル８が、図３のように周方向に分配して（ここでは２個のノズル８が１８０°の位相で）設けられている。ユニットハウジング１２の底壁部１２ａには、作動媒体経路４の上流部に繋がり、コレクタ部１で加熱されて蒸気となった作動媒体３をノズル部材１８の外周側の空間に流入させる吸気口１９が貫通して設けられている。

タービン動翼５ｂの翼列の内側には、動翼５ｂを通過した作動媒体３が再び動翼５ｂ内に入ることを防止する円筒状の排気案内部材２０がタービン５と同心に設けられている。この排気案内部材２０は周方向の一部に切欠状のスリット２１を設けた隔壁であり、前記ノズル部材１８の内周に取付けられる。図３のように、スリット２１の個数はノズル８と同じ個数（２個）とされ、かつスリット２１の位相はノズル８の位相と等しくされている。また、スリット２１の総面積は、ノズル８の総断面積よりも大きくされている。ユニットハウジング１２の底壁部１２ａにおける前記排気案内部材２０の配置部位の中央位置には、作動媒体３を作動媒体経路４の下流部に排出する排気口２３が貫通して設けられている。

主軸７は磁気軸受やフォイル軸受などの非接触軸受２２Ａ〜２２Ｃを介してユニットハウジング１２に回転自在に支持される。なお、主軸７の支持は、非接触軸受２２Ａ〜２Ｃによらず、接触式の軸受で行っても良い。

上記構成による熱発電システムの動作を説明する。作動媒体経路４内の作動媒体３は循環ポンプ１０によってコレクタ部１に送られる。コレクタ部１では太陽熱を吸収し、吸収した熱エネルギーを作動媒体３に与えることにより高圧蒸気とする。作動媒体３の高圧蒸気はユニットハウジング１２の吸気口１９からノズル８を介してタービン５の動翼５ｂに噴射され、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。この発電の制御はコントローラ１１によって行われる。このようにして、タービン５の回転が電気エネルギーに変換される。タービン動翼５ｂの翼列を通過した作動媒体３の蒸気は、排気案内部材２０のスリット２１から排気案内部材２０の内側に案内されて排気口２３から作動媒体経路３の復水器９へ送られて液化され、循環ポンプ１０によって再度コレクタ部１まで送られる。

この熱発電システムでは、熱発電タービンユニット２において、タービン動翼５ｂの翼列の内側に排気案内部材２０を設けているので、動翼５ｂを通過した作動媒体３が再び動翼５ｂ内に入ることなく排気口２３に向かうことになり、タービン動翼５ｂでの損失を低減でき、システムの発電効率を向上させることができる。

また，この実施形態では、前記排気案内部材２０がスリット２１を設けた隔壁であり、スリット２１の個数をノズル８と同じとし、かつスリット２１の位相をノズル８の位相と等しくしているので、ノズル８から噴出して動翼５ｂを通過した作動媒体３の蒸気はそのままスリット２１を通過して排気案内部材２０の内側に達するが、スリット２１以外の部分は隔壁となっていて作動媒体３が再び動翼５ｂの内部に侵入せず、確実に排気口２３に向かわせることができる。
また、スリット２１の総面積をノズル８の総断面積より大きくしているので、それだけノズル２１から噴出される作動媒体３の蒸気が動翼５ｂの内側に排出されやすくなる。その結果、ノズル８の出口側で圧力が上がるのを防止でき、大きな熱落差が得られる（熱サククル効率が上がる）ことにより、システムの発電効率が向上する。

図４は、この発明の熱発電システムの他の実施形態における熱発電タービンユニット２の拡大断面図を示す。熱発電タービンユニット２以外の部分は、先の実施形態の場合と同様であるため、ここでは図示および説明を省略する。この熱発電システムでは、先の実施形態における熱発電タービンユニット２における排気案内部材２０を、スリット２１を設けた円筒状の隔壁に代えて、下面が中央に向けて下降傾斜するテーパ面２０ａとなったコーン型部材としている。この場合の排気案内部材２０は、タービン５の動翼取付部材５ａと共に主軸７の下端部に嵌合されて、主軸７の下端の雄ねじ部に螺合させたナット１７で動翼取付部材５ａの下位置に位置決めされる。なお、この場合の排気案内部材２０は、動翼取付部材５ａと一体としても良い。その他の構成は先の実施形態の場合と略同様である。

この実施形態の場合、ノズル８から噴出してタービン動翼５ｂを通過した作動媒体３の蒸気が、コーン型部材からなる排気案内部材２０のテーパ面２０ａに沿って軸方向に案内され下方の排気口２３に向かうので、動翼５ｂを通過した作動媒体３が再び動翼５ｂ内に入るのを確実に防止できる。

図５は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この発明の熱発電システムは、図１の実施形態における作動媒体経路４に代えて、コレクタ部１を循環する作動媒体３Ａの作動媒体経路４Ａと、タービン５を循環する作動媒体３Ｂの作動媒体経路４Ｂとを別々に設け、コレクタ部１によって加熱された作動媒体３Ａの熱エネルギーを、熱交換器２４を介してタービン５側の作動媒体３Ｂに与える構成としたものである。熱発電タービンユニット２の構成は、図２の構成のものに限らず図４の実施形態の構成であっても良く、ここではその説明を省略する。

このように、コレクタ部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を回転駆動するための作動媒体３Ｂとを分離した場合、それぞれの役割に適した作動媒体を選ぶことができる。

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図である。 同熱発電システムにおける熱発電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。 この発明の他の実施形態にかかる熱発電システムにおける熱発電タービンユニットの拡大断面図である。 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図である。

符号の説明

１…コレクタ部
２…熱発電タービンユニット
３，３Ａ，３Ｂ…作動媒体
５…タービン
５ｂ…動翼
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
６Ｂ…発電機ステータ部
８…ノズル
２０…排気案内部材
２１…スリット

Claims (6)

1. 熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱し、動翼の外側に設けられた１個または複数個のノズルから動翼に向かって周方向に前記作動媒体の蒸気を噴出させて前記動翼を回転駆動させ、この動翼の回転によって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熱発電システムにおいて、
   前記動翼の内側に、この動翼を通過した作動媒体が再び動翼内に入ることを防止する排気案内部材を設けたことを特徴とする熱発電システム。
2. 請求項１において、前記排気案内部材は、スリットを設けた隔壁である熱発電システム。
3. 請求項２において、前記スリットの個数を前記ノズルと同じとし、かつ前記スリットの位相を前記ノズルの位相と等しくした熱発電システム。
4. 請求項２または請求項３において、前記スリットの総面積を、ノズルの総面積よりも大きくした熱発電システム。
5. 請求項１において、前記排気案内部材は、作動媒体を軸方向に案内するコーン型部材である熱発電システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記熱エネルギーが太陽熱である熱発電システム。

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