JP2012117411A

JP2012117411A - 太陽熱発電装置およびその運転方法

Info

Publication number: JP2012117411A
Application number: JP2010266272A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Wakimoto; 一政脇元; Toki Iemoto; 勅家本; Yoji Ishikawa; 洋史石川; Yutaka Suzukawa; 豊鈴川; Toru Shiomitsu; 徹塩満
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: JP5598288B2

Abstract

【課題】レシーバーが効率よく受光でき、発電用流体への入熱量の変動とこれに伴う蒸気発生量の変動を適切に抑えることができる太陽熱発電装置を提供する。
【解決手段】複数のヘリオスタット３を、集光タワー１を中心とした周方向で端から順に、ヘリオスタット群４a〜４cに区分けするとともに、レシーバー２の受光部を３つの受光部５a〜５cで構成し、ヘリオスタット群４a〜４cにより受光部５a〜５cにそれぞれ集光するようにし、受光部５aと受光部５cを、液体を加熱して飽和蒸気とするための伝熱管で構成し、受光部５bを、前記飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気とするための伝熱管で構成した。ヘリオスタットのコサイン効果を反映して、レシーバーによる効率のよい安定した受光が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、レシーバーの受光効率を高く維持できる太陽熱発電装置およびその運転方法に関するものである。

従来、特許文献１に示すような太陽熱発電システムが知られている。この太陽熱発電システムでは、太陽光をヘリオスタット群で反射して、集光タワーの上部に設置されたレシーバーに集光し、このレシーバーに循環する流体を加熱気化して蒸気とする。この蒸気をタービンに送り、発電機を駆動して電力を得るものである。タービンを出た蒸気は、凝縮器で冷却されて凝縮し、凝縮した流体は循環ポンプによりレシーバーに送られる。レシーバーは、伝熱管で構成される受光部を有しており、ヘリオスタット群で反射した太陽光は、この受光部に集光される。レシーバーには、数千基のヘリオスタットからの光が集光されるため、高いエネルギー密度の光線が届く。そのため、レシーバーの受光部を構成する伝熱管の表面温度は高温となり、伝熱管内部を通過する流体を加熱する。

ヘリオスタットは、駆動機構により角度調整が可能な反射鏡を備えており、駆動機構により太陽の位置変化に追従して角度を変えることで、太陽光をレシーバーの受光部に集光するように制御される。
図７は、ヘリオスタットが太陽光をレシーバー方向に反射する様子を模式的に示した図である。太陽の位置は時間とともに変化するため、反射鏡の角度も追従して変化する。このとき、反射鏡の垂線と太陽の位置とのなす角度θも時間とともに変化する。図に示すように、反射鏡の幅Ｗと反射光の幅Ｓとの関係は下式で表される。
Ｓ＝Ｗ×ｃｏｓ（θ）

図７から明らかなように、θ＝０ではＳ＝Ｗとなり、θ＞０ではＳ＜Ｗとなる。このように、角度θに違いでＳがＷより小さくなる現象をコサイン効果という。ヘリオスタットの配置の設計に当たっては、角度θがなるべく小さくなるように設計する必要がある。一般的に、北半球において緯度が大きい場合、集光タワーの南側に配置したヘリオスタットでは角度θの値が一日中大きく、東西に配置したヘリオスタットでは角度θの値が午前・午後で大きく変化する。北側に配置したヘリオスタットでは角度θの値の変化が比較的小さい。

国際公開第２００９／１０５６８９号

レシーバーは集光タワーの周囲に設置された多数のヘリオスタットからの光を受けるため、受光部が光を受けやすい形状である必要がある。しかし、従来のレシーバーでは、時間とともに位置が変化する太陽をヘリオスタットが追尾していても、例えば、上述したコサイン効果により個々のヘリオスタットからレシーバーに届く光量が変化するため、角度が固定された受光部（伝熱面）が受けるエネルギー量も変化する。そのため流体への入熱量が変化して、蒸気発生量に変動が生じるという問題がある。

したがって本発明の目的は、レシーバーが効率よく受光でき、発電用流体への入熱量の変動とこれに伴う蒸気発生量の変動を適切に抑えることができる太陽熱発電装置およびその運転方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］上部にレシーバー（２）を備えた集光タワー（１）と、その周囲に設置される複数のヘリオスタット（３）を備え、太陽光線をヘリオスタット（３）で反射してレシーバー（２）に集光し、レシーバー（２）では集光された太陽光線の熱で液体を加熱して蒸気を生成させ、この蒸気で蒸気タービン（６）を駆動して発電機（７）により発電を行う太陽熱発電装置において、
複数のヘリオスタット（３）を、集光タワー（１）を中心とした周方向で端から順に、ヘリオスタット群（４a）、ヘリオスタット群（４b）及びヘリオスタット群（４c）に区分けするとともに、レシーバー（２）の受光部を３つの受光部（５a）、（５b）及び（５c）で構成し、ヘリオスタット群（４a）により受光部（５a）に集光し、ヘリオスタット群（４b）により受光部（５b）に集光し、ヘリオスタット群（４c）により受光部（５c）に集光するようにし、
受光部（５a）と受光部（５c）を、液体を加熱して飽和蒸気とするための伝熱管で構成し、受光部（５b）を、前記飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気とするための伝熱管で構成したことを特徴とする太陽熱発電装置。

［2］上記［1］の太陽熱発電装置において、ヘリオスタット（３）が、集光タワー（１）を中心とした周方向で北側を含む東側〜西側間の領域に設置され、受光部（５a）が東北東方向を中心とした方位角３０〜６０°の範囲内の方向に向けられ、受光部（５b）が北方向を中心とした方位角３０〜６０°の範囲内の方向に向けられ、受光部（５c）が西北西方向を中心とした方位角３０〜６０°の範囲内の方向に向けられたことを特徴とする太陽熱発電装置。
［3］上記［1］または［2］の太陽熱発電装置において、系内を循環する発電用の流体の流路（ｘ）の途中に、受光部（５a）と受光部（５c）を直列または並列に設け、その下流側に受光部（５b）を設けたことを特徴とする太陽熱発電装置。
［4］上記［3］の太陽熱発電装置において、系内を循環する発電用の流体の流路（ｘ）の途中に、並列した２つの流路部（ｘ1）,（ｘ2）を設けるとともに、流路部（ｘ1）に受光部（５a）を、流路部（ｘ2）に受光部（５c）をそれぞれ設け、その下流側の流路（ｘ）に受光部（５b）を設け、受光部（５a）と受光部（５c）の入側の流路部（ｘ1）,（ｘ2）には、それぞれ流量調整弁を設けたことを特徴とする太陽熱発電装置。

［5］上記［4］の太陽熱発電装置において、蒸気タービン（６）を出た蒸気を凝縮するための凝縮器（８）の下流側の流路（ｘ）に流量調整弁を設けたことを特徴とする太陽熱発電装置。
［6］上記［4］の太陽熱発電装置の運転方法であって、
受光部（５a）と受光部（５c）の出側の流路部（ｘ1）,（ｘ2）を流れる流体の温度をそれぞれ測定し、両流体温度がほぼ等しくなるように、受光部（５a）と受光部（５c）の入側の流路部（ｘ1）,（ｘ2）に設けられた流量調節弁で流量調整を行うことを特徴とする太陽熱発電装置の運転方法。
［7］上記［5］の太陽熱発電装置の運転方法であって、
受光部（５b）の入側の流路（ｘ）を流れる蒸気の温度および圧力と、受光部（５b）の出側の流路（ｘ）を流れる蒸気の温度および圧力を測定し、これら測定された蒸気の温度および圧力に応じて、凝縮器（８）の下流側の流路（ｘ）に設けられた流量調整弁で流量調整を行うことを特徴とする太陽熱発電装置の運転方法。

本発明の太陽熱発電装置は、ヘリオスタットのコサイン効果を反映して、レシーバーによる効率のよい安定した受光が可能であり、発電用流体への入熱量の変動とこれに伴う蒸気発生量の変動を適切に抑えることができる。
また、本発明の太陽熱発電装置の運転方法によれば、より効率的で且つ安定した発電を行うことができる。

本発明の太陽熱発電装置の一実施形態を示す全体構成図図１の実施形態において、ヘリオスタットと集光タワーおよびレシーバーの配置を平面的に示す説明図図１の実施形態におけるレシーバーの斜視図図３のレシーバーを構成する１つの受光部の水平断面図本発明の他の実施形態における発電用流体のフロー図図２のヘリオスタットの配置におけるコサイン効果の計算結果を示すグラフコサイン効果に関する説明図

図１〜図４は本発明の太陽熱発電装置の一実施形態を示すもので、図１は全体構成図、図２はヘリオスタットと集光タワーおよびレシーバーの配置を平面的に示す説明図、図３はレシーバーの斜視図、図４はレシーバーを構成する１つの受光部の水平断面図である。
この太陽熱発電装置の基本的な構成は公知の装置と同様であり、上部にレシーバー２を備えた集光タワー１と、その周囲に設置される複数（多数）のヘリオスタット３を備え、太陽光線をヘリオスタット３で反射してレシーバー２に集光し、このレシーバー２では集光された太陽光線の熱で液体（通常、水）を加熱して蒸気を生成させ、この蒸気で蒸気タービン６を駆動して発電機７により発電を行うものである。すなわち、レシーバー２では系内を循環する流体を加熱して蒸気とし、この蒸気を蒸気タービン６に送ってタービンを駆動させ、発電機７で発電がなされる。蒸気タービン６を出た蒸気は、凝縮器９で冷却されて凝縮して液体になり、図示しない循環ポンプによりレシーバー２に循環する。

前記集光タワー１の高さは、通常、５０〜１５０ｍ程度であり、レシーバー２はその最上部に設置される。
前記レシーバー２は、内部に流体が通される伝熱管２０（通常、複数の並列した伝熱管）で構成される３つの受光部５a、５bおよび５cを有し、ヘリオスタット３で反射した太陽光線は、これら受光部５a〜５cに集光され、伝熱管２０内を流れる流体を加熱する。伝熱管２０で構成される受光部５a〜５cは、その前面側（受光面側）が凹形に窪んだ形状をしている。
前記ヘリオスタット３は、一般に、反射鏡３０と、この反射鏡３０の支持体３１（支柱など）と、反射鏡３０の角度を太陽の位置変化に追従して調整する駆動装置（図示せず）などで構成される。

前記ヘリオスタット３は、集光タワー１の周囲の広い領域（例えば、図２のＬ＝５０〜１０００ｍ程度）に多数設置されるが、集光タワー１を中心とした周方向で「北側を含む東側〜西側間」の領域に設置されることが好ましい。さきに述べたように、一般的に、北半球において緯度が大きい場合、集光タワーの南側に配置したヘリオスタットでは角度θの値が一日中大きいのに対して、北側に配置したヘリオスタットでは角度θの値の変化が比較的小さく、また角度θそのものも南側よりは相対的に小さいからである。また、東西に配置したヘリオスタットでは角度θの値が午前・午後で大きく変化するが、後述するように角度θの値は午前・午後でほぼ正反対の関係になり、本発明によれば、これをうまく利用して受光効率を安定化させることができる。

ここで、集光タワー１を中心とした周方向で「北側を含む東側〜西側間」の領域とは、厳密に真東〜真西間の領域でなくてもよく、例えば、「東側」については真東を中心として方位角３０〜６０°程度の範囲（図２にαで示した方位角範囲）内の方位を、また、「西側」についても真西を中心として方位角３０〜６０°程度の範囲（図２にαで示した方位角範囲）内の方位を、それぞれ設置領域端とすればよい。したがって、本発明において「北側を含む東側〜西側間」とは、そのような意味を有するものとする。

上記のように設置された多数のヘリオスタット３は、集光タワー１を中心とした周方向で端から順に、ヘリオスタット群４a、ヘリオスタット群４bおよびヘリオスタット群４cに区分けされ（図２において破線で区分けしてあるのがヘリオスタット群４a〜４c）、各群のヘリオスタットにより、レシーバー２の異なる受光部に集光させられるようにしてある。本実施形態では、略東〜北東部の領域にあるものをヘリオスタット群４a、略北東〜北〜北西の領域にあるものをヘリオスタット群４b、略北西〜西の領域にあるものをヘリオスタット群４cとしている。これらヘリオスタット群４a〜４cの区分けは、発生させる蒸気の過熱度により配分が変わり、過熱度が大きいほどヘリオスタッド群４ｃの比率を大きくする。

前記レシーバー２の３つの受光部５a〜５cのうち、受光部５aが略東北東方向に向けられ、受光部５bが略北方向に向けられ、受光部５cが略西北西方向に向けられており、ヘリオスタット群４aにより受光部５aに集光し、ヘリオスタット群４bにより受光部５bに集光し、ヘリオスタット群４cにより受光部５cに集光するようにしてある。
ここで、受光部５aが向けられる方向は、東北東方向を中心として方位角３０〜６０°程度の範囲内の方位であることが、また、受光部５bが向けられる方向は、真北方向を中心として方位角３０〜６０°程度の範囲内の方位であることが、また、受光部５cが向けられる方向は、西北西方向を中心として方位角３０〜６０°程度の範囲内の方位であることが、それぞれ好ましい。

本実施形態のようなヘリオスタットの配置（図２）を前提に、神奈川県横浜市鶴見区の緯度における夏至のｃｏｓ（θ）の値を計算したものを図６に示す。これによれば、ヘリオスタット群４bの領域ではｃｏｓ（θ）の値の変化が比較的小さい。一方、ヘリオスタット群４aとヘリオスタット群４cの領域では、ｃｏｓ（θ）の値が午前・午後で大きく変化するが、ｃｏｓ（θ）の値は午前・午後でほぼ正反対の関係になる。

そこで、本発明の装置では、ヘリオスタット群４aとヘリオスタット群４cが集光を行う受光部５aと受光部５cを、液体を加熱して飽和蒸気とするための伝熱管で構成し、ヘリオスタット群４bが集光を行う受光部５bを、前記飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気とするための伝熱管で構成するものである。このようにすることにより、液体を加熱して飽和蒸気にする段階では、ｃｏｓ（θ）の値が午前・午後で正反対の関係になるヘリオスタット群４a・受光部５aとヘリオスタット群４c・受光部５cが補完関係になるため、全体として高効率で安定した受光が可能となり、一方、飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気とする段階では、ｃｏｓ（θ）の値の変化が比較的小さいヘリオスタット群４bと受光部５bで、高効率で安定した受光が可能となる。なお、上記とは逆に、受光部５bを飽和蒸気を得るための伝熱管で構成し、受光部５a，５cを過熱蒸気を得るための伝熱管で構成するような構造としないのは、受光部５a,５cでは、過熱蒸気を安定的に生成できないおそれがあるからである。

したがって、本発明の装置では、系内を循環する発電用流体（例えば、水・水蒸気）の流路ｘの途中に、レシーバー２の受光部５aと受光部５cを直列または並列に設け、その下流側にレシーバー２の受光部５bを設けるものであり、これにより、液体が受光部５aと受光部５cで加熱されることで飽和蒸気となり、次いで、この飽和蒸気は、受光部５bで加熱されることで過熱蒸気となり、この過熱蒸気が蒸気タービン６に送られる。
この場合、流路ｘの途中に、並列した２つの流路部ｘ1,ｘ2を設けるとともに、流路部ｘ1に受光部５aを、流路部ｘ2に受光部５cをそれぞれ設け、その下流側の流路ｘに受光部５bを設け、さらに、受光部５aと受光部５cの流体入側の流路部ｘ1,ｘ2にはそれぞれ流量調整弁を設け、この流量調整弁により、受光部５aと受光部５cでの受熱量に応じてそれぞれの伝熱管に供給する流体量を調整できるようにすることが好ましい。また、蒸気タービン６を出た蒸気を凝縮するための凝縮器８の下流側の流路ｘにも流量調整弁を設けることが好ましい。

図５は、そのような構成を有する本発明装置の一実施形態を示すもので、系内を循環する発電用流体のフロー図である。発電用流体（例えば、水・水蒸気）は、図中矢印方向に流れる。
系内を循環する発電用流体の流路ｘの途中には、並列した２つの流路部ｘ1,ｘ2が設けられるとともに、この２つの流路部ｘ1，ｘ2に受光部５aと受光部５cが設けられ、その下流側の流路ｘに受光部５bが設けられている。そして、受光部５aと受光部５cの流体入側の流路部ｘ1,ｘ2には、流量調整弁９，１０が設けられている。また、受光部５aと受光部５cの流体出側の流路部ｘ1,ｘ2には温度計１１，１２が、受光部５bの流体入側の流路ｘには温度計１３と圧力計１４が、同じく流体出側の流路ｘには温度計１５と圧力計１６がそれぞれ設置されている。また、凝縮器８の流体出側の流路ｘには流量調整弁１７が設けられている。

このような装置では、レシーバー２が稼動中は、流路部ｘ1，ｘ2の温度計１１，１２で測定された流体の温度、つまり受光部５aの流体出側の流路部ｘ1を流れる流体の温度と受光部５cの流体出側の流路部ｘ2を流れる流体の温度がほぼ等しくなるように、受光部５aと受光部５cの流体入側に設けられた流量調節弁９，１０の開度を制御して流量調整を行う。すなわち、図６に示すように、受光部５aと受光部５cはコサイン効果の時間変化が大きく異なるので、それぞれの受光部での受熱量の差を補正するため、このような制御を行う。受光部５a、受光部５cを出て合流した流体は受光部５bに導かれるが、その途中で、飽和蒸気条件にあることを確認するために、温度計１３と圧力計１４により温度と圧力が計測される。また、受光部５bの流体出側では、蒸気の過熱度を確認するため、温度計１５と圧力計１６より流体の圧力と温度が計測される。上記のように測定・計算される蒸気の温度、圧力、過熱度が目標値と異なる場合には、凝縮器８の下流側の流路ｘに設けられた流量調整弁１７で流量を増減し、蒸気の温度、圧力、過熱度が目標値と一致するように制御する。受光部５bを出た過熱蒸気は、蒸気タービン６を駆動し、発電機７による発電が行われる。蒸気タービン６を出た蒸気は凝縮器８で冷却され凝縮して液体となる。流体は、流量調整弁１７で流量調整されながらポンプ１８にて流路ｘを循環する。
図５の実施形態の装置において、以上のような運転を行うことにより、より効率的で且つ安定した発電を行うことができる。

１集光タワー
２レシーバー
３ヘリオスタット
４a，４b，４c ヘリオスタット群
５a，５b，５c 受光部
６蒸気タービン
７発電機
８凝縮器
９，１０流量調整弁
１１，１２，１３，１５温度計
１４，１６圧力計
１７流量調整弁
２０伝熱管
３０反射鏡
３１支持体
ｘ流路
ｘ1,ｘ2 流路部

Claims

上部にレシーバー（２）を備えた集光タワー（１）と、その周囲に設置される複数のヘリオスタット（３）を備え、太陽光線をヘリオスタット（３）で反射してレシーバー（２）に集光し、レシーバー（２）では集光された太陽光線の熱で液体を加熱して蒸気を生成させ、この蒸気で蒸気タービン（６）を駆動して発電機（７）により発電を行う太陽熱発電装置において、
複数のヘリオスタット（３）を、集光タワー（１）を中心とした周方向で端から順に、ヘリオスタット群（４a）、ヘリオスタット群（４b）及びヘリオスタット群（４c）に区分けするとともに、レシーバー（２）の受光部を３つの受光部（５a）、（５b）及び（５c）で構成し、ヘリオスタット群（４a）により受光部（５a）に集光し、ヘリオスタット群（４b）により受光部（５b）に集光し、ヘリオスタット群（４c）により受光部（５c）に集光するようにし、
受光部（５a）と受光部（５c）を、液体を加熱して飽和蒸気とするための伝熱管で構成し、受光部（５b）を、前記飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気とするための伝熱管で構成したことを特徴とする太陽熱発電装置。
ヘリオスタット（３）が、集光タワー（１）を中心とした周方向で北側を含む東側〜西側間の領域に設置され、受光部（５a）が東北東方向を中心とした方位角３０〜６０°の範囲内の方向に向けられ、受光部（５b）が北方向を中心とした方位角３０〜６０°の範囲内の方向に向けられ、受光部（５c）が西北西方向を中心とした方位角３０〜６０°の範囲内の方向に向けられたことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱発電装置。
系内を循環する発電用流体の流路（ｘ）の途中に、受光部（５a）と受光部（５c）を直列または並列に設け、その下流側に受光部（５b）を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽熱発電装置。
系内を循環する発電用流体の流路（ｘ）の途中に、並列した２つの流路部（ｘ1）,（ｘ2）を設けるとともに、流路部（ｘ1）に受光部（５a）を、流路部（ｘ2）に受光部（５c）をそれぞれ設け、その下流側の流路（ｘ）に受光部（５b）を設け、受光部（５a）と受光部（５c）の入側の流路部（ｘ1）,（ｘ2）には、それぞれ流量調整弁を設けたことを特徴とする請求項３に記載の太陽熱発電装置。
蒸気タービン（６）を出た蒸気を凝縮するための凝縮器（８）の下流側の流路（ｘ）に流量調整弁を設けたことを特徴とする請求項４に記載の太陽熱発電装置。
請求項４に記載の太陽熱発電装置の運転方法であって、
受光部（５a）と受光部（５c）の出側の流路部（ｘ1）,（ｘ2）を流れる流体の温度をそれぞれ測定し、両流体温度がほぼ等しくなるように、受光部（５a）と受光部（５c）の入側の流路部（ｘ1）,（ｘ2）に設けられた流量調節弁で流量調整を行うことを特徴とする太陽熱発電装置の運転方法。
請求項５に記載の太陽熱発電装置の運転方法であって、
受光部（５b）の入側の流路（ｘ）を流れる蒸気の温度および圧力と、受光部（５b）の出側の流路（ｘ）を流れる蒸気の温度および圧力を測定し、これら測定された蒸気の温度および圧力に応じて、凝縮器（８）の下流側の流路（ｘ）に設けられた流量調整弁で流量調整を行うことを特徴とする太陽熱発電装置の運転方法。