JP2010275996A

JP2010275996A - 太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置

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Publication number: JP2010275996A
Application number: JP2009132134A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Aoyama; 邦明青山; Kei Inoue; 慶井上; Ichita Kobayashi; 一太小林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-06-01
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-06-01
Also published as: JP5291541B2

Abstract

【課題】回転数や出力を速やかに精度よく制御して動特性を安定させることができる太陽熱ガスタービンを提供する。
【解決手段】空気を吸入して昇圧させる圧縮機１と、集光器で集めた太陽光の熱により圧縮機１で昇圧された高圧空気を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを具備する太陽熱ガスタービンＧＴ１において、受熱器２の出口から流出する高温高圧空気がタービン３をバイパスして流れる高温空気主バイパス流路２１を形成し、該高温空気主バイパス流路２１に流量調整弁２２を設けるとともに、高温空気主バイパス流路２１と並列に、通常時閉の放風弁２４を備えた高温空気補助バイパス流路２３を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光を利用して加熱される空気等の圧縮性作動流体を用いて駆動される太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置に係り、特に、太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置の運転制御に関する。

近年、地球温暖化等の環境問題を解決するため、太陽光や風力等の自然エネルギーが注目されている。
そこで、自然エネルギーの一つである太陽光を利用し、太陽光の熱により加熱した高温高圧の圧縮性作動流体により駆動される太陽熱ガスタービン、そして、この太陽熱ガスタービンにより発電機を駆動して発電する太陽熱ガスタービン発電装置が提案されている。

図６に示す太陽熱ガスタービンＧＴは、圧縮性作動流体を圧縮して昇圧させる圧縮機１と、太陽光を変換した熱により圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを主な構成要素とする装置である。すなわち、太陽熱ガスタービンＧＴは、天然ガス等の燃料を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器に代えて、太陽光の熱エネルギーを利用して、高圧の低温圧縮性作動流体を加熱昇温する受熱器２を設けたものである。

この場合の受熱器２は、太陽光を熱エネルギーに変換するための装置であり、図示しない集光器（ヘリオスタット）により集めた光の熱を用いて、高圧の低温圧縮性作動流体を加熱して昇温させることができる。
また、発電機４を太陽熱ガスタービンＧＴの出力軸に連結し、太陽熱ガスタービンＧＴで発電機４を駆動するように構成すれば、太陽光を利用して発電する太陽熱ガスタービン発電装置となる。なお、図中の符号５は、タービン３で仕事をした後に煙突６から大気へ排出される圧縮性作動流体の排熱を用い、圧縮機１で昇圧された高圧の低温圧縮性作動流体を予熱するための再熱器である。なお、諸条件に応じて、予熱を行わないように再生器５を省略する構成とすることも可能である。

このような太陽熱ガスタービン発電装置において、太陽熱ガスタービンＧＴの回転数や出力の制御は、集光器の角度を調節し、集光器から受熱器２に入る光の熱量を調整する制御方法が考えられる。
一方、燃焼器を有するガスタービンエンジンの出力調整方法としては、圧縮機出口空気の一部について、燃焼器及び高圧タービンをバイパスさせる技術が開示されている。しかし、この従来技術は、燃焼器により高温高圧の燃焼ガスを生成してタービンを駆動するものであり、太陽熱の利用に関する記載はない。（たとえば、特許文献１参照）

特公昭６１−４６６５６号公報

ところで、上述した従来の太陽熱ガスタービン発電装置においては、集光器の角度を調整して受熱器２に入る光の熱量を調節する太陽熱ガスタービンＧＴの出力制御及び回転数制御を行う場合、自然エネルギーである太陽光を利用するため、次のような問題が指摘されている。
第１の問題点は、光の強さが天候に左右されて絶えず変動することである。
第２の問題点は、受熱器２の熱容量が大きいため、光の入り切りを行って受熱器２に入る光の熱量を調整しても、太陽熱ガスタービンＧＴの回転数や出力に反映されて変化するまでには数分の応答時間が必要である。

このため、太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置において、集光器の角度調節により受熱器２の入熱量を調整する制御方法では、精度のよい制御を速やかに実施することが不可能であり、従って、太陽熱ガスタービンＧＴの動作を不安定にするという問題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回転数や出力を速やかに精度よく制御して動特性を安定させることができる太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項１に係る太陽熱ガスタービンは、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された低温圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高圧の高温圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成される太陽熱ガスタービンにおいて、前記受熱器の出口から流出する高圧の高温圧縮性作動流体が前記タービンをバイパスして流れる高温圧縮性流体の主バイパス流路を形成し、該高温圧縮性流体の主バイパス流路に流量調整弁を設けるとともに、前記高温圧縮性流体の主バイパス流路と並列に、通常時閉の放風弁を備えた高温圧縮性流体の補助バイパス流路を形成したことを特徴とするものである。

このような太陽熱ガスタービンによれば、受熱器の出口から流出する高圧の高温圧縮性作動流体がタービンをバイパスして流れる高温圧縮性流体の主バイパス流路を形成し、該高温圧縮性流体の主バイパス流路に流量調整弁を設けるとともに、高温圧縮性流体の主バイパス流路と並列に、通常時閉の放風弁を備えた高温圧縮性流体の補助バイパス流路を形成したので、受熱器からタービンに供給される高圧の高温圧縮性作動流体量は、流量調整弁によるバイパス流量の調整を行うことで運転状況に応じた増減が可能になる。ここで使用する流量調整弁は、バイパス流量を調整するもので圧力差が大きく、比較的少流量を取り扱う小径のものでよい。
また、太陽熱ガスタービンの緊急停止が必要となった場合には、放風弁を全開にしてタービンに供給される高圧の高温圧縮性作動流体量を急減させることができる。

本発明の請求項２に係る太陽熱ガスタービンは、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された低温圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高圧の高温圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成される太陽熱ガスタービンにおいて、前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の低温圧縮性作動流体を流す主流路に、前記圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、前記三方弁を介して前記低温圧縮性流体の主流路から分岐し前記受熱器をバイパスして前記タービンに連結される低温圧縮性流体の主バイパス流路を形成するとともに、該低温圧縮性流体のバイパス流路と並列に、通常時閉のバイパス弁を備えた低温圧縮性流体の補助バイパス流路を形成したことを特徴とするものである。

このような太陽熱ガスタービンによれば、圧縮機と受熱器との間を連結して圧縮機から流出する高圧の低温圧縮性作動流体を流す主流路に、圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、三方弁を介して低温圧縮性流体の主流路から分岐し受熱器をバイパスしてタービンに連結される低温圧縮性流体の主バイパス流路を形成するとともに、該低温圧縮性流体のバイパス流路と並列に、通常時閉のバイパス弁を備えた低温圧縮性流体の補助バイパス流路を形成したので、受熱器からタービンに供給される高圧の高温圧縮性作動流体量は、三方弁による受熱器のバイパス流量を調整することで、運転状況に応じた温度に調整が可能になる。ここで使用する三方弁、遮断弁及びバイパス弁は、受熱器を通過する前で比較的低温の状態にある圧縮性作動流体を取り扱うため、耐熱性の面で有利になる。
また、太陽熱ガスタービンの緊急停止が必要となった場合には、遮断弁を所定開度まで絞り、かつ、バイパス弁を全開にすることにより、受熱器を通過する低温圧縮性作動流体量を急減させてタービンの入口温度を低下させることができる。

本発明の請求項３に係る太陽熱ガスタービンは、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された低温圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高圧の高温圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成される太陽熱ガスタービンにおいて、前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の低温圧縮性作動流体を流す主流路に、前記圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、前記三方弁を介して前記主流路から分岐し前記受熱器及び前記タービンをバイパスする低温圧縮性流体の主バイパス流路を形成するとともに、該低温圧縮性流体のバイパス流路と並列に、通常時閉のバイパス弁を備えた低温圧縮性流体の補助バイパス流路を形成したことを特徴とするものである。

このような太陽熱ガスタービンによれば、圧縮機と受熱器との間を連結して圧縮機から流出する高圧の低温圧縮性作動流体を流す主流路に、圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、三方弁を介して低温圧縮性流体の主流路から分岐し受熱器及びタービンをバイパスする低温圧縮性流体の主バイパス流路を形成するとともに、該低温圧縮性流体のバイパス流路と並列に、通常時閉のバイパス弁を備えた低温圧縮性流体の補助バイパス流路を形成したので、受熱器からタービンに供給される高圧の高温圧縮性作動流体量は、三方弁による受熱器のバイパス流量を調整することで、運転状況に応じた流量調整が可能になる。この場合、受熱器をバイパスした作動流体は、たとえば煙突から大気へ排出される。そして、ここで使用する三方弁、遮断弁及びバイパス弁についても、受熱器を通過する前で比較的低温の状態にある圧縮性作動流体を取り扱うため、耐熱性の面で有利になる。
また、太陽熱ガスタービンの緊急停止が必要となった場合には、遮断弁を所定開度まで絞り、かつ、バイパス弁を全開にすることにより、受熱器を通過する低温圧縮性作動流体量を急減させてタービンの入口温度及び通過流量を低下させることができる。

請求項２または３に記載の太陽熱ガスタービンにおいては、前記低温圧縮性流体の主流路に前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を前記タービンから排出される高温の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器を備え、前記三方弁を前記再熱器の下流側に設けることを好ましく、これにより、タービンで仕事をした高温の圧縮性作動流体が保有する排熱を有効利用できる。

請求項２または３に記載の太陽熱ガスタービンにおいては、前記低温圧縮性流体の主流路に前記圧縮機から流出する高圧の低温圧縮性作動流体を前記タービンから排出される高温の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器を備え、前記三方弁を前記再熱器の上流側に設けることが好ましく、これにより、タービンで仕事をした高温の圧縮性作動流体が保有する排熱を有効利用でき、しかも、再熱器を通過する前で低温の状態にある圧縮性作動流体を取り扱うため、耐熱性の面でより一層有利になる。

本発明の請求項６に係る太陽熱ガスタービン発電装置は、請求項１から５のいずれかに記載の太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンで駆動されて発電する発電機とを備えていることを特徴とするものである。

このような太陽熱ガスタービン発電装置によれば、請求項１から５のいずれかに記載の太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンで駆動されて発電する発電機とを備えているので、自然エネルギーの太陽光を利用して運転する太陽熱ガスタービンの回転数制御や出力制御を精度よく速やかに行い、安定した動特性を得て発電することができる。

上述した本発明によれば、集光器の角度調節により受熱器の入熱量を調整する制御方法では不可能だった回転数や出力の制御を精度よく速やかに行い、太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置の動特性を安定させることができる。

本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第１の実施形態を示す構成図（系統図）である。本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第２の実施形態を示す構成図（系統図）である。図２に示す第２の実施形態に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第１変形例を示す構成図（系統図）である。本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第３の実施形態を示す構成図（系統図）である。図４に示す第３の実施形態に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第１変形例を示す構成図（系統図）である。太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置の従来例を示す構成図（系統図）である。

以下、本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１に示す実施形態において、太陽熱ガスタービンＧＴ１は、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機１と、集光器（不図示）で集めた太陽光の熱により圧縮機１で昇圧された低温圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器２と、高圧の低温圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを具備して構成される。
そして、図示の太陽熱ガスタービンＧＴ１は、圧縮機１及びタービン３と同軸に連結した発電機４を設けることにより、太陽光を利用して発電する太陽熱ガスタービン発電装置となる。

圧縮機１は、圧縮性作動流体を吸入して所望の高圧に圧縮する装置であり、同軸のタービン３が発生させる出力の一部を使用して駆動される。圧縮機１で圧縮する圧縮性作動流体には、たとえば大気から吸入した空気が使用される。以下の説明では、圧縮性作動流体を空気として説明するが、これに限定されることはない。
圧縮機１で昇圧された圧縮性作動流体の空気は、高圧空気流路１１を通って受熱器２に導かれる。図示の構成例では、高圧空気流路１１の途中に再熱器５が設けられている。この再熱器５は、圧縮機１で昇圧された高圧の低温空気と、タービン３で仕事をした高温空気とを熱交換させる装置である。すなわち、再熱器５は、タービン３で仕事をして煙突６から大気へ放出される高温空気の排熱を有効利用し、高圧の低温空気を予熱することによって太陽熱ガスタービンＧＴ１及び太陽熱ガスタービン発電装置の熱効率を向上させる熱交換器である。

再熱器５を通過する際に予熱され、圧縮機１の出口温度より温度上昇した高圧空気は、高圧空気流路１１を通って受熱器２に導かれる。
受熱器２は、太陽光を熱エネルギーに変換するための装置であり、集光器（不図示）により集めた光の熱を用いて高圧の低温空気を加熱するので、高圧の低温空気の温度を上昇させることができる。すなわち、受熱器２は、高圧の低温空気を流す多数の配管に集光器から光を当てることにより、配管及び配管内の高圧の低温空気を加熱して昇温させる加熱装置である。

受熱器２で加熱された高圧の高温空気の出口温度については、発電機４で発電運転しない太陽熱ガスタービンＧＴ１の昇速時にはタービン回転数に対して、発電機４で発電運転する負荷運転時には発電機負荷に対して、各々所定の回転数または発電機負荷となるように集光器の角度を調整して受熱器２への入熱量を制御する。
また、受熱器２の配管温度についても、所定の温度以上とならないように、受熱器２への入熱量を集光器で制御する。
一般に、受熱器２の熱容量が大きいことから、入熱量の変化に対して高温空気の出口温度変化は数分以上の遅れが生じ、緩慢な制御となる。

受熱器２で加熱された高圧空気は、たとえば出口温度が９００℃程度の高温高圧空気となり、高温高圧空気流路１２を通ってタービン３へ供給される。
タービン３に供給された高温高圧空気は、タービン内の動翼／静翼間を通過する際に膨張し、動翼と一体のタービン軸を回転させてタービン出力を発生させる。タービン３で発生した出力は、同軸に連結された圧縮機１及び発電機４の駆動力として用いられる。タービン３で仕事をした高温高圧空気は、タービン入口より圧力及び温度が低下した高温空気（以下では、「使用済み空気」ともいう）となり、排気流路１３を通って再熱器５に導かれる。この使用済み空気は、再熱器５で高圧空気流路１１を通って導入された高圧空気を予熱した後、さらに温度低下して煙突６から大気へ放出される。

そして、上述した太陽熱ガスタービンＧＴ１には、受熱器２の出口から流出する高温高圧空気がタービン３をバイパスして流れるように、高温高圧空気流路１２から分岐して煙突６に至る高温空気主バイパス流路（高温圧縮性流体主バイパス流路）２１が形成されている。この高温空気主バイパス流路２１には、タービン３をバイパスして流す高温高圧空気のバイパス流量を調整するため、開度調整可能な流量調整弁２２が設けられている。
さらに、上述した太陽熱ガスタービンＧＴ１には、高温空気主バイパス流路２１と並列に高温空気補助バイパス流路（高温ガス補助バイパス流路）２３が形成されている。この高温空気補助バイパス流路２３は、流量調整弁２２の上流で高温空気主バイパス流路２１から分岐し、流量調整弁２２の下流で高温空気主バイパス流路２１に再度合流する流路であり、高温空気補助バイパス流路２３の途中には、流量調整弁２２と並列に通常時閉の放風弁２４が設けられている。

このように構成された太陽熱ガスタービンＧＴ１では、発電機４が発電していない運転状況において、太陽熱ガスタービンＧＴ１が所定の回転数となるように、流量調整弁２２の開度を調整する運転制御が行われる。すなわち、流量調整弁２２の開度制御を行うことにより、タービン３をバイパスして煙突６から直接大気へ放出される高温高圧空気のバイパス流量を調整し、実際にタービン３を流れる高温高圧空気量を増減させる制御を実施する。このような高温高圧空気量の流量制御は、精度のよい制御を速やかに実施することができる。

また、上述した太陽熱ガスタービンＧＴ１では、発電機４が発電している運転状況において、太陽熱ガスタービンＧＴ１が所定の出力となるように、流量調整弁２２の開度を調整する運転制御が行われる。すなわち、流量調整弁２２の開度制御を行うことにより、タービン３をバイパスして煙突６から直接大気へ放出される高温高圧空気のバイパス流量を調整し、実際にタービン３を流れる高温高圧空気量を増減させる制御を実施する。このような高温高圧空気量の流量制御は、精度のよい制御を速やかに実施することができる。

また、太陽熱ガスタービンＧＴ１に異常が発生した場合には、運転の緊急停止が必要となる。このような場合には、放風弁２４を全開にする制御を行い、タービン３を流れる高温高圧空気量を急激に減少させることができる。すなわち、高温高圧空気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３においては、熱エネルギー源となる高温高圧空気の供給量が急減するため、回転の継続及び出力の発生を停止することができる。

このような運転制御は、受熱器２からタービン３に供給する高温高圧空気量について、流量調整弁２２の開度制御によりバイパス流量を調整して増減するものであるから、運転状況に応じた精度のよい流量制御を速やかに実施することができる。従って、太陽熱ガスタービンＧＴの回転数や出力の制御についても、運転状況に応じた精度のよい速やかな流量制御に応じて確実に実施することができる。
そして、このような制御に使用する流量調整弁２２は、高温高圧空気のバイパス流量を調整するものである。従って、流量調整弁２２は、受熱器２からタービン３へ供給する高温高圧空気の最大流量と比較して少流量を取り扱うことになり、小径で安価なものを使用できる。
なお、上述した実施形態では再熱器５を設けて高圧空気の予熱を行っているが、諸条件に応じて再熱器５を廃止し、予熱を行わないように構成することも可能である。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第２の実施形態を図２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図２に示す太陽熱ガスタービンＧＴ２は、上述した実施形態と同様に、空気（圧縮性作動流体）を吸入して昇圧させる圧縮機１と、集光器で集めた太陽光の熱により圧縮機１で昇圧された高圧空気を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを具備して構成される。なお、図示の実施形態では再熱器５を備えているが、諸条件に応じて再熱器５を廃止し、予熱を行わないように構成することも可能である。

本実施形態の太陽熱ガスタービンＧＴ２では、圧縮機１と受熱器２との間を連結して圧縮機１から流出する高圧空気を流す高圧空気流路（低温ガス主流路）１１に、圧縮機１側から順に三方弁３１及び遮断弁３２を設けてある。そして、高圧空気流路１１から三方弁３１を介して分岐し、受熱器２をバイパスしてタービン３に流すように、高温高圧空気流路１２へ連結される高圧空気主バイパス流路（低温ガス主バイパス流路）３３が形成されている。

さらに、図示の太陽熱ガスタービンＧＴ２には、三方弁３１の上流側（圧縮機１側）で高圧空気流路１１から分岐して高温高圧空気流路１２に連結される高圧空気補助バイパス流路（低温ガス補助バイパス流路）３４が、高圧空気主バイパス流路３３と並列に形成されている。この高圧空気補助バイパス流路３４には、通常時閉のバイパス弁３５が設けられている。
なお、図示の実施形態では、三方弁３１及び遮断弁３２の設置位置や高圧空気補助バイパス流路３４の分岐位置が、高圧空気流路１１においていずれも再熱器５よりも下流側となっている。

このように構成された太陽熱ガスタービンＧＴ２において、受熱器２からタービン３に供給される高温高圧空気は、三方弁３１による受熱器２のバイパス流量を調整することにより、運転状況に応じた温度調整が可能になる。すなわち、三方弁３１を操作することにより、受熱器２へ流れて加熱される高圧空気量と、受熱器２をバイパスしてタービン３へ流れる高圧空気量（バイパス流量）との分配が可能になるので、タービン３へ供給する高温高圧空気の温度は、受熱器２から供給される高温高圧空気と低温高圧空気との混合割合に応じて変化する。

また、遮断弁３２及び通常時閉のバイパス弁３５を備えた高圧空気補助バイパス流路３４を設けたことにより、太陽熱ガスタービンＧＴ２の緊急停止が必要となった場合には、遮断弁３２を所定開度まで絞り、かつ、バイパス弁３５を全開にすることにより、受熱器２を通過する高圧空気量を急減させてタービン３の入口温度を低下させることができる。
この実施形態で使用する三方弁３１、遮断弁３２及びバイパス弁３５は、いずれも受熱器２を通過して加熱を受ける前の高圧空気を取り扱うものであり、従って、高圧空気が比較的低温の状態にあるため耐熱性の面で有利になる。すなわち、三方弁３１、遮断弁３２及びバイパス弁３５には、耐熱温度が低い仕様の比較的安価な弁類を使用することができる。

そして、発電機４が発電していないと運転状況では、太陽熱ガスタービンＧＴ２の回転数が所定の回転数となるように三方弁３１を開閉し、受熱器２を流れる高圧空気量を増減させてタービン３の入口空気温度を変化させる制御をする。
一方、発電機４が発電している運転状況では、太陽熱ガスタービンＧＴ２の出力が所定の出力となるように三方弁３１を開閉し、受熱器２を流れる高圧空気量を増減させてタービン３の入口空気温度を変化させる制御をする。

このような運転制御は、受熱器２へ供給して加熱する高圧空気量について、三方弁３１の開閉操作によりバイパス流量を調整して増減するものであるから、運転状況に応じた精度のよい流量制御を速やかに実施することができる。従って、太陽熱ガスタービンＧＴ２の回転数や出力の制御についても、運転状況に応じた精度のよい速やかな流量制御に応じて確実に実施することができる。
なお、遮断弁３２を全閉にしないで所定開度まで絞るのは、受熱器２に流れる高圧空気量を減少させ過ぎると加熱能力が過大となり、受熱器２の配管温度が所定値以上の高温になりやすいためである。

ところで、図２に示した実施形態では、高圧空気流路１１に再熱器５を設置し、圧縮機１から流出する高圧空気をタービン３から排出される高温高圧空気との熱交換により予熱しており、三方弁３１を再熱器５の下流側に設けている。このため、タービン３で仕事をした高温高圧空気が保有する排熱を有効利用し、装置全体の熱効率を高めている。
一方、図３に示す第１変形例の太陽熱ガスタービンＧＴ３では、高圧空気流路１１に設置した再熱器５の上流側に三方弁４１及び遮断弁４２を設けている。すなわち、再熱器５で予熱する前の高圧空気をタービン３の上流にバイパスさせ、受熱器２で加熱された高温高圧空気と合流させるように構成したものである。

この構成では、高圧空気主バイパス流路４３が三方弁４１を介して高圧空気流路１１から分岐し、タービン３の上流で高温高圧流路１２に合流している。また、三方弁４１の上流側で高圧空気流路１１から分岐し、タービン３の上流で高温高圧流路１２に合流する高圧空気補助バイパス流路４４が高圧空気バイパス流路４３と並列に設けられている。この高圧空気補助バイパス流路４４には、通常時閉のバイパス弁４５が設けられている。

このような構成を採用すると、再熱器５が設置されているため、タービン３で仕事をした高温高圧空気が保有する排熱を有効利用でき、しかも、三方弁４１、遮断弁４２及びバイパス弁４５が再熱器５を通過する前でより低温の状態にある高圧空気を取り扱うため、耐熱性の面でより一層有利になる。
なお、三方弁４１、遮断弁４２及びバイパス弁４５の開閉操作による制御及び作用効果は、図２に示した実施形態と同様になる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第３の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図４に示す太陽熱ガスタービンＧＴ４は、上述した実施形態と同様に、空気（圧縮性作動流体）を吸入して昇圧させる圧縮機１と、集光器で集めた太陽光の熱により圧縮機１で昇圧された高圧空気を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを具備して構成される。なお、図示の実施形態では再熱器５を備えているが、これに限定されることはない。

本実施形態の太陽熱ガスタービンＧＴ４では、圧縮機１と受熱器２との間を連結して圧縮機１から流出する高圧空気を流す高圧空気流路（低温ガス主流路）１１に、圧縮機１側から順に三方弁５１及び遮断弁５２を設け、三方弁５２を介して高圧空気流路１１から分岐し受熱器２及びタービン３をバイパスする高圧空気主バイパス流路（低温圧縮性作動流体の主バイパス流路）５３を形成している。図示の高圧空気主バイパス流路５３は、煙突６に接続されてバイパスさせた高圧空気を大気へ放出するようになっているが、これに限定されることはない。

さらに、図示の太陽熱ガスタービンＧＴ４には、三方弁５１の上流側（圧縮機１側）で高圧空気流路１１から分岐して煙突６に連結される高圧空気補助バイパス流路（低温圧縮性作動流体の補助バイパス流路）５４が、高圧空気主バイパス流路５３と並列に形成されている。この高圧空気補助バイパス流路５４には、通常時閉のバイパス弁５５が設けられている。
なお、図示の実施形態では、三方弁５１及び遮断弁５２の設置位置や高圧空気補助バイパス流路５４の分岐位置が、高圧空気流路１１においていずれも再熱器５よりも下流側となっている。

このように構成された太陽熱ガスタービンＧＴ４において、受熱器２からタービン３に供給される高温高圧空気は、三方弁５１による受熱器２のバイパス流量を調整することにより、運転状況に応じた流量調整が可能になる。すなわち、三方弁５１を操作することにより、受熱器２へ流れて加熱される高圧空気量と、受熱器２をバイパスして煙突６へ流れる高圧空気量（バイパス流量）との分配が可能になるので、タービン３へ供給する高温高圧空気量は、受熱器２から供給される高温高圧空気量に応じて変化する。

また、遮断弁５２及び通常時閉のバイパス弁５５を備えた高圧空気補助バイパス流路５４を設けたことにより、太陽熱ガスタービンＧＴ４の緊急停止が必要となった場合には、遮断弁５２を所定開度まで絞り、かつ、バイパス弁５５を全開にすることにより、受熱器２を通過する高圧空気量を急減させてタービン３への供給量を低下させることができる。
この実施形態で使用する三方弁５１、遮断弁５２及びバイパス弁５５は、いずれも受熱器２を通過して加熱を受ける前の高圧空気を取り扱うものであり、従って、高圧空気が比較的低温の状態にあるため耐熱性の面で有利になる。すなわち、三方弁５１、遮断弁５２及びバイパス弁５５には、耐熱温度が低い仕様の比較的安価な弁類を使用することができる。

そして、発電機４が発電していないと運転状況では、太陽熱ガスタービンＧＴ４の回転数が所定の回転数となるように三方弁５１を開閉し、受熱器２を流れる高圧空気量を増減させてタービン３の入口空気温度を変化させる制御をする。
一方、発電機４が発電している運転状況では、太陽熱ガスタービンＧＴ４の出力が所定の出力となるように三方弁５１を開閉し、受熱器２を流れる高圧空気量を増減させてタービン３の入口空気温度を変化させる制御をする。

このような運転制御は、受熱器２へ供給して加熱する高圧空気量について、三方弁５１の開閉操作によりバイパス流量を調整して増減するものであるから、運転状況に応じた精度のよい流量制御を速やかに実施することができる。従って、太陽熱ガスタービンＧＴ４の回転数や出力の制御についても、運転状況に応じた精度のよい速やかな流量制御に応じて確実に実施することができる。

ところで、図４に示した実施形態では、高圧空気流路１１に再熱器５を設置し、圧縮機１から流出する高圧空気をタービン３から排出される高温高圧空気との熱交換により予熱しており、三方弁５１を再熱器５の下流側に設けている。このため、タービン３で仕事をした高温高圧空気が保有する排熱を有効利用し、装置全体の熱効率を高めている。
一方、図５に示す第１変形例の太陽熱ガスタービンＧＴ５では、高圧空気流路１１に設置した再熱器５の上流側に三方弁６１及び遮断弁６２を設けている。すなわち、再熱器５で予熱する前の高圧空気を煙突６にバイパスさせ、直接大気へ放出するように構成したものである。

この構成では、高圧空気主バイパス流路６３が三方弁６１を介して高圧空気流路１１から分岐し、そのまま煙突６に合流している。また、三方弁６１の上流側で高圧空気流路１１から分岐して直接煙突６に合流する高圧空気補助バイパス流路６４が、高圧空気バイパス流路６３と並列に設けられている。この高圧空気補助バイパス流路６４には、通常時閉のバイパス弁６５が設けられている。

このような構成を採用すると、再熱器５が設置されているため、タービン３で仕事をした高温高圧空気が保有する排熱を有効利用でき、しかも、三方弁６１、遮断弁６２及びバイパス弁６５が再熱器５を通過する前でより低温の状態にある高圧空気を取り扱うため、耐熱性の面でより一層有利になる。
なお、三方弁６１、遮断弁６２及びバイパス弁６５の開閉操作による制御及び作用効果は、図４に示した実施形態と同様になる。

このように、上述した各実施形態によれば、集光器の角度調節により受熱器２の入熱量を調整する制御方法では緩慢だった太陽熱ガスタービンの回転数や出力の制御を、圧縮性作動流体である空気の流量制御を行うことで精度よく速やかに実施できるようになる。この結果、太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置の運転は、動特性を安定させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば再熱器５の有無が限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１圧縮機
２受熱器
３タービン
４発電機
５再熱器
６煙突
１１高圧空気流路（低温圧縮性流体主流路）
１２高温高圧空気流路
１３排気流路
２１高温空気主バイパス流路（高温圧縮性流体主バイパス流路）
２２流量調整弁
２３高温空気補助バイパス流路（高温圧縮性流体補助バイパス流路）
２４放風弁
３１，４１，５１，６１三方弁
３２，４２，５２，６２遮断弁
３３，４３，５３，６３高圧空気主バイパス流路（低温圧縮性流体主バイパス流路）
３４，４４，５４，６４高圧空気補助バイパス流路（低温圧縮性流体補助バイパス流路）
ＧＴ１〜ＧＴ５太陽熱ガスタービン

Claims

圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高圧の高温圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成される太陽熱ガスタービンにおいて、
前記受熱器の出口から流出する高圧の高温圧縮性作動流体が前記タービンをバイパスして流れる高温圧縮性流体の主バイパス流路を形成し、該高温圧縮性流体のバイパス流路に流量調整弁を設けるとともに、前記高温圧縮性流体の主バイパス流路と並列に、通常時閉の放風弁を備えた高温圧縮性流体の補助バイパス流路を形成したことを特徴とする太陽熱ガスタービン。
圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高圧の高温圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成される太陽熱ガスタービンにおいて、
前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の低温圧縮性作動流体を流す主流路に、前記圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、前記三方弁を介して前記低温主流路から分岐し前記受熱器をバイパスして前記タービンに連結される低温圧縮性流体の主バイパス流路を形成するとともに、低温圧縮性流体の主バイパス流路と並列に、通常時閉のバイパス弁を備えた低温圧縮性流体の補助バイパス流路を形成したことを特徴とする太陽熱ガスタービン。
圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高圧の高温圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成される太陽熱ガスタービンにおいて、
前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の低温圧縮性作動流体を流す主流路に、前記圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、前記三方弁を介して前記主流路から分岐し前記受熱器及び前記タービンをバイパスする低温圧縮性流体の主バイパス流路を形成するとともに、該低温圧縮性流体の主バイパス流路と並列に、通常時閉のバイパス弁を備えた補助バイパス流路を形成したことを特徴とする太陽熱ガスタービン。
前記低温圧縮性流体の主流路に前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を前記タービンから排出される高温の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器を備え、前記三方弁が前記再熱器の下流側に設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の太陽熱ガスタービン。
前記低温圧縮性流体の主流路に前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を前記タービンから排出される高温の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器を備え、前記三方弁が前記再熱器の上流側に設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の太陽熱ガスタービン。
請求項１から５のいずれかに記載の太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンで駆動されて発電する発電機とを備えていることを特徴とする太陽熱ガスタービン発電装置。