JP2013096384A - 太陽熱発電方法及び設備 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱で蒸気を生成させ、この蒸気で発電を行う太陽熱発電システムにおいて、熱媒によるトラブルを生じにくく、且つ日照量の変動などに影響されず、発電用の蒸気を安定して生成することができる方法を提供する。
【解決手段】熱媒ガスｇを、太陽熱で熱媒ガスｇを加熱するレシーバー１と、レシーバー１を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱する通気性蓄熱体を備えた蓄熱炉２と、蓄熱炉２を経た熱媒ガスｇと水との熱交換で蒸気を生成させる熱交換器３を有するガス循環系内で循環させ、この熱媒ガスｇの循環中、レシーバー１で熱媒ガスｇを加熱するとともに、熱媒ガスｇを熱交換器３で水と熱交換させて蒸気を生成させ、この蒸気を用いて蒸気タービン発電機８で発電を行い、蓄熱炉２では、レシーバー１を経た熱媒ガスｇの温度に応じて、熱媒ガスｇの熱の一部が蓄熱され又は炉に蓄えられた熱が熱媒ガスｇに放熱されるようにし、熱交換器３を通過する熱媒ガスｇの熱量変動を抑える。
【選択図】図１

Description

太陽光線の熱で蒸気を生成させ、この蒸気を用いて発電を行う太陽熱発電方法及び設備に関する。

従来、太陽熱発電システムとして、例えば特許文献１に示すようなものが知られている。この太陽熱発電システムでは、図７に示すように、太陽光をヘリオスタット群３０で反射して、集光タワー３２の上部に設置されたレシーバー３１に集光し、このレシーバー３１に循環する流体３３を加熱気化して蒸気とする。この蒸気をタービン３４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３４を出た蒸気は、凝縮器３５で冷却されて凝縮し、凝縮した流体は循環ポンプにより再びレシーバー３１に送られる。

また、他の太陽熱発電システムとして、非特許文献１に示されるようなものが知られている。この太陽熱発電システムでは、図８に示すように、昼間は太陽光線をパラボラトラフ２１で集光し、溶融塩を循環・加熱して熱回収する。加熱された溶融塩の一部は、２基の蓄熱タンク２２に蓄えられる。また、残りの溶融塩は熱交換器２３で水と熱交換し、蒸気を発生させて蒸気タービン及び発電機２４を駆動して発電を行う。蒸気タービンを通過した蒸気は、凝縮機２５で復水し、再び熱交換器２３に循環する。一方、夜は、蓄熱タンク２２に蓄えた高温の溶融塩を熱交換器２３に循環させて蒸気を発生させ、上記と同様に発電を行う。

さらに、特許文献２には、集光集熱装置で蒸気を生成させ、この蒸気を蒸気タービンに送って発電するシステムにおいて、集光集熱装置と蒸気タービンを結ぶ蒸気配管の途中に、蒸気アキュムレータと溶融塩蓄熱槽とを組み合わせた蓄熱装置を設け、日射量の変化に伴う集熱条件の変動を、蒸気アキュムレータと溶融塩蓄熱槽により適宜吸収できるようにした太陽熱発電システムが示されている。

国際公開第２００９／１０５６８９号 特開昭６１−２６１６７８号公報

「The parabolic trough power plants Andasol 1 to 3」、Solar Millennium AG、2008年、p.12

特許文献１（図７）に示される太陽熱発電システムでは、ヘリオスタットで集光する太陽光が雲の通過などで遮られた場合、レシーバーの受光量（受熱量）が低下して蒸気発生量が少なくなり、発電停止に至るなど、運転が短時間の気象変化に大きく影響されるという問題がある。

また、非特許文献１（図８）に示される太陽熱発電システムでは、太陽エネルギーを、太陽熱で溶融塩を加熱し、蓄熱タンクに蓄える方法で回収している。この方法は、日照量の短時間変化の影響を受けず、かつ夜間でも蒸気を発生させて発電を行うことができる利点があるが、溶融塩の温度が２５０℃程度まで低下すると、溶融塩が凝固して配管内で詰まりを生じ、操業ができなくなるという問題がある。そのため、配管全体を電器ヒーターで保温するなどの対策を講じる必要があり、設備費と運転費の増大を招く。また、現在使用されている溶融塩は６００℃程度の温度で不安定になるため、使用温度は実質的に４５０℃程度が上限となる。このため１０００℃程度の高い集熱温度では使用できず、結果として発電効率を高くできない。

さらに、特許文献２に示される太陽熱発電システムでは、蓄熱手段として、蒸気アキュムレータと溶融塩蓄熱槽を組み合わせた蓄熱装置を用いているが、蒸気アキュムレータは耐圧容器であるため製造コストが高く、また、容量を大きくすることができず、熱損失も大きい欠点がある。また、溶融塩を使用するため、上述した非特許文献１の技術と同様の問題がある。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、太陽光線の熱で蒸気を生成させ、この蒸気を用いて発電を行う太陽熱発電システムにおいて、熱媒によるトラブルを生じにくく、しかも雲の通過などによる日照量の変動などに影響されず、発電用の蒸気を安定して生成することができ、これにより太陽熱を利用した発電を安定的に行うことができる方法及び設備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］太陽光線の熱で蒸気を生成させ、この蒸気を用いて発電を行う太陽熱発電方法であって、熱媒ガスｇを、集光装置により集光された太陽光線で熱媒ガスｇを加熱するレシーバー（１）と、該レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備えた蓄熱炉（２）と、該蓄熱炉（２）を経た熱媒ガスｇと水との熱交換で蒸気を生成させる熱交換器（３）を有するガス循環系内で循環させ、この熱媒ガスｇの循環中、レシーバー（１）に集光された太陽光線で熱媒ガスｇを加熱するとともに、熱媒ガスｇを熱交換器（３）で水と熱交換させて蒸気を生成させ、この蒸気を用いて蒸気タービン発電機（８）で発電を行い、蓄熱炉（２）では、レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの温度に応じて、熱媒ガスｇの熱の一部が蓄熱され又は炉に蓄えられた熱が熱媒ガスｇに放熱されるようにすることで、熱交換器（３）を通過する熱媒ガスｇの熱量変動を抑えることを特徴とする太陽熱発電方法。

［2］上記［1］の太陽熱発電方法において、ガス循環系は、さらに、レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備え、蓄熱炉（２）と並列に設けられる第２の蓄熱炉（２a）を有し、熱媒ガスｇの一部をレシーバー（１）−蓄熱炉（２）−熱交換器（３）間で循環させるとともに、レシーバー（１）が所定の受光量を得ている場合には、熱媒ガスｇの一部をレシーバー（１）−蓄熱炉（２a）間で循環させることで、熱媒ガスｇの熱を蓄熱炉（２a）に蓄熱させ、レシーバー（１）の受光量が低下した場合には、レシーバー（１）−蓄熱炉（２a）間での熱媒ガスｇの循環を止め、熱媒ガスｇの一部を熱交換器（３）−蓄熱炉（２a）間で循環させることで、蓄熱炉（２a）に蓄えられた熱を熱媒ガスｇに放熱させ、熱交換器（３）を通過する熱媒ガスｇの熱量低下を抑えることを特徴とする太陽熱発電方法。

［3］上記［1］又は［2］の太陽熱発電方法において、レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇを加熱装置（４）で加熱した後、蓄熱炉（２）に導入することを特徴とする太陽熱発電方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの太陽熱発電方法において、熱交換器（３）で生成した蒸気を加熱装置（５）で加熱した後、蒸気タービン発電機（８）に導入して発電を行うことを特徴とする太陽熱発電方法。

［5］太陽光線の熱で蒸気を生成させ、この蒸気を用いて発電を行う太陽熱発電設備であって、集光装置により集光された太陽光線で熱媒ガスｇを加熱するレシーバー（１）と、該レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備えた蓄熱炉（２）と、該蓄熱炉（２）を経た熱媒ガスｇと水との熱交換で蒸気を生成させる熱交換器（３）と、熱媒ガスｇをレシーバー（１）−蓄熱炉（２）−熱交換器（３）間で循環させるガス循環流路（６）と、熱媒ガスｇをガス循環流路（６）内で循環させる循環ファン（７）と、熱交換器（３）で生成した蒸気を用いて発電を行う蒸気タービン発電機（８）を有し、蓄熱炉（２）において、レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの温度に応じて、熱媒ガスｇの熱の一部が蓄熱され又は炉に蓄えられた熱が熱媒ガスｇに放熱されるようにしたことを特徴とする太陽熱発電設備。

［6］上記［5］の太陽熱発電設備において、さらに、レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備え、蓄熱炉（２）と並列に設けられる第２の蓄熱炉（２a）を有し、ガス循環流路（６）は、レシーバー（１）を通過する熱媒ガスｇの一部を蓄熱炉（２）と熱交換器（３）を経由することなくレシーバー（１）−蓄熱炉（２a）間で循環させることができるバイパス流路（６x）と、熱交換器（３）を通過する熱媒ガスｇの一部をレシーバー（１）と蓄熱炉（２）を経由することなく熱交換器（３）−蓄熱炉（２a）間で循環させることができるバイパス流路（６y）と、両バイパス流路（６x），（６y）を選択的に用いるための開閉弁（９）を有することを特徴とする太陽熱発電設備。

［7］上記［6］の太陽熱発電設備において、蓄熱炉（２a）の一端側に接続される流路（６４）は２つの分岐流路（６４０），（６４１）を有し、このうち分岐流路（６４０）がレシーバー（１）の熱媒ガス出側の流路（６０）に接続され、分岐流路（６４１）が熱交換器（３）の熱媒ガス入側の流路（６１）に接続され、蓄熱炉（２a）の他端側に接続される流路（６５）は２つの分岐流路（６５０），（６５１）を有し、このうち分岐流路（６５０）がレシーバー（１）の熱媒ガス入側の流路（６２）に接続され、分岐流路（６５１）が熱交換器（３）の熱媒ガス出側の流路（６３）に接続され、各分岐流路（６４０），（６４１），（６５０），（６５１）には、それぞれ開閉弁（９）が設けられ、分岐流路（６４０）と分岐流路（６５０）がバイパス流路（６x）を構成し、分岐流路（６４１）と分岐流路（６５１）がバイパス流路（６y）を構成することを特徴とする太陽熱発電設備。

［8］上記［5］〜［7］のいずれかの太陽熱発電設備において、さらに、蓄熱炉（２）に導入される熱媒ガスｇを加熱するための加熱装置（４）を有することを特徴とする太陽熱発電装置。
［9］上記［5］〜［8］のいずれかの太陽熱発電設備において、さらに、蒸気タービン発電機（８）に導入される蒸気を加熱するための加熱装置（５）を有することを特徴とする太陽熱発電装置。

本発明によれば、熱媒ガスで蓄熱・放熱を行う蓄熱炉を利用することにより、熱媒によるトラブルを生じにくく、しかも雲の通過などによる日照量の変動などに影響されず、発電用の蒸気を安定して生成することができ、これにより太陽熱を利用した発電を安定的に行うことができる。

本発明の第一の形態の太陽熱発電設備の一実施形態を示す全体フロー図 本発明の第二の形態の太陽熱発電設備の一実施形態を示す全体フロー図 図２の設備を用いた本発明の太陽熱発電方法の実施状況を示す説明図 図２の設備を用いた本発明の太陽熱発電方法の実施状況を示す説明図 本発明法における蒸気発生状況を模式的に示すもので、日射強度と熱交換器の蒸気出側で測定される蒸気温度の経時変化を示す図面 本発明法において、１日の日射強度と操業開始から終了までの蒸気温度（熱交換器の蒸気出側での蒸気温度）の経時変化を示す模式図 従来の太陽熱発電システムの一例を示す説明図 従来の太陽熱発電システムの他の例を示す説明図

まず、本発明の第一の形態の太陽熱発電方法及び設備について説明する。
図１は、その太陽熱発電設備の一実施形態の全体フロー図である。
この太陽熱発電設備は、集光装置Ｓにより集光された太陽光線で熱媒ガスｇを加熱するレシーバー１と、このレシーバー１を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備えた蓄熱炉２と、この蓄熱炉２を経た熱媒ガスｇと水との熱交換で蒸気を生成させる熱交換器３と、熱媒ガスｇをレシーバー１−蓄熱炉２−熱交換器３間で循環させるガス循環流路６と、熱媒ガスｇをガス循環流路６内で循環させる循環ファン７と、熱交換器３で生成した蒸気を用いて発電を行う蒸気タービン発電機８を有する。熱媒ガスｇの種類は任意であるが、通常は空気が用いられる。

前記集光装置Ｓは、１又は複数の鏡体を備え、この鏡体に太陽光線を反射させてレシーバー１に集光させるものであり、本実施形態では、鏡体と太陽光線をレシーバー方向に導くための鏡角度制御装置とを組み合わせたヘリオスタットで構成されている。通常、このヘリオスタットは数百台〜数千台設置され、太陽の位置が変化しても、常にレシーバー１に太陽光線が集まるように鏡角度が制御される。なお、集光装置Ｓとしては、ヘリオスタット以外に、例えば、パラボラトラフ、リニアフレネル、パラボラディッシュなどの各方式の装置を用いてもよい。

前記レシーバー１は、図示しないタワー（鉄骨などで構成されるタワー）の上部に取り付けられる。タワーの高さは任意であるが、通常５０ｍ〜１００ｍ程度であり、各レシーバー１が受ける光の量により高さが適切に設計される。タワーは複数本設置してもよい。レシーバー１の受光面には、例えば、ボイラーチューブのような伝熱管が密に並べられ、集光された太陽光線を受けて加熱される。伝熱管内は熱媒ガスｇが流れており、伝熱管からの伝熱により熱媒ガスｇが加熱（通常、約６５０℃程度まで加熱）される。１基のレシーバー１の受光面の大きさは任意であるが、通常、高さ・幅ともに数メートル〜十メートル程度、面積は数十平方メートル〜百平方メートル程度である。

前記蓄熱炉２（ホットストーブ）は、製鉄プロセスにおいて溶鉱炉羽口に高温空気を供給するために使用される熱風炉と同じく、内部に通気性蓄熱体を備えている。この通気性蓄熱体は、例えば、多数のガス通気孔が形成された耐火物（煉瓦）を積み上げることにより構成される。この通気性蓄熱体を高温の熱媒ガスｇが通過することにより、熱媒ガスｇの熱が通気性蓄熱体に蓄えられ（蓄熱）、一方、蓄熱された高温の通気性蓄熱体を低温の熱媒ガスｇが通過することにより、通気性蓄熱体の熱で熱媒ガスｇが加熱される（放熱）。通常、蓄熱炉２の外殻は鋼製の耐圧容器である。本実施形態では、蓄熱炉２は１基設けられているが、２基以上を直列に設けてもよい。各蓄熱炉２の大きさは任意であるが、通常、直径が数メートル〜十メートル程度、高さが数十メートル〜百メートル程度である。
この蓄熱炉２では、レシーバー１を経て導入される熱媒ガスｇの温度に応じて、熱媒ガスｇの熱の一部が蓄熱され又は炉に蓄えられた熱が熱媒ガスｇに放熱される。

前記熱交換器３は、器内を通過する熱媒ガスｇと水を熱交換させ、水から蒸気を生成させるものであり、この熱交換器３には、下記する循環流路１０を通じて必要量且つ必要水質の水が供給される。
前記蒸気タービン発電機８と熱交換器３との間では、循環流路１０により水及び蒸気を循環する。この循環流路１０には、水を貯蔵するタンク１１と、循環用ポンプ１２と、蒸気タービン発電機８を出た蒸気を凝縮するための空冷式又は水冷式の凝縮器１３が設けられている。前記循環用ポンプ１２は、図示しない制御装置により、熱交換器３に対する送水量を調節できるようになっている。
また、本実施形態では、循環流路１０に蒸気タービン発電機８に導入される蒸気を加熱するための加熱装置５が設けられている。この加熱装置５では熱源として燃料が用いられ、必要に応じて蒸気を加熱した後、蒸気タービン発電機８に導入する。

前記循環ファン７は、ガス循環流路６内で熱媒ガスｇを循環させるものである。循環ファン７を設置する位置は任意であるが、本実施形態ではレシーバー１の上流側に設けられている。循環ファン７は、３５０℃程度の温度にも耐えられる耐熱性を有しており、図示しない制御装置により、送風量を調節できるようになっている。
また、本実施形態では、蓄熱炉２に導入される熱媒ガスｇを加熱するための加熱装置４が、蓄熱炉２の熱媒ガス入側に設けられている。この加熱装置４では、熱源として燃料が用いられ、必要に応じて熱媒ガスｇを加熱した後、蓄熱炉２に導入する。

本発明の第一の形態の太陽熱発電方法では、熱媒ガスｇをガス循環流路６、すなわち、レシーバー１と蓄熱炉２と熱交換器３を有するガス循環系内で循環させ、この循環中、レシーバー１に集光された太陽光線で熱媒ガスｇを加熱するとともに、熱媒ガスｇを熱交換器３で水と熱交換させて蒸気を生成させ、この蒸気を用いて蒸気タービン発電機８で発電を行う。そして、蓄熱炉２では、レシーバー１を経て蓄熱炉２に導入される熱媒ガスｇの温度に応じて、熱媒ガスｇの熱の一部が蓄熱され又は炉に蓄えられた熱が熱媒ガスｇに放熱されるようにし、これにより、熱交換器３を通過する熱媒ガスｇの熱量変動が抑えられる。すなわち、レシーバー１が所定の受光量（受熱量）を得ており、このためレシーバー１を経て蓄熱炉２に導入される熱媒ガスｇが余剰の熱量を有している時（＝熱交換器３での熱交換に必要な温度よりも高いガス温度の時）には、熱媒ガスｇの熱量の一部が蓄熱炉２に蓄熱され、残りの熱量を有する熱媒ガスｇが熱交換器３に送られる。なお、蓄熱炉２の蓄熱が飽和した時には、熱媒ガスｇはその熱量を維持したまま蓄熱炉２を通過し、熱交換器３に送られることは言うまでもない。一方、レシーバー１の受光量が低下し、レシーバー１を経て蓄熱炉２に導入される熱媒ガスｇの熱量が不足する時（＝熱交換器３での熱交換に必要な温度よりも低いガス温度の時）には、炉に蓄えられた熱が熱媒ガスｇに放熱されて熱媒ガスｇの熱量が高められ、この熱媒ガスｇが熱交換器３に送られる。このように熱媒ガスｇの熱量（温度）に応じて蓄熱炉２での蓄熱・放熱がなされるよう、蓄熱炉２（通気性蓄熱体）の蓄熱温度が決められる。

以上により、雲の通過などでレシーバー１の受光量が変動した場合でも、熱交換器３を通過する熱媒ガスｇの熱量変動が抑えられ、この結果、熱交換器３での蒸気の生成量や温度の変動が抑えられ、蒸気タービン発電機８での発電量を安定化することができる。
なお、日照不足などにより、上記のような蓄熱炉２の機能だけでは、必要な熱量（温度）を有する熱媒ガスｇを熱交換器３に送れないような場合には、必要に応じて、熱媒ガスｇを加熱装置４で加熱した後、蓄熱炉２に導入する。
また、熱交換器３で生成した蒸気の温度が不十分であるような場合には、必要に応じて、加熱装置５で蒸気を加熱した後、蒸気タービン発電機８に導入する。

次に、本発明の第二の形態の太陽熱発電方法及び設備について説明する。
図２は、その太陽熱発電設備の一実施形態の全体フロー図である。
この太陽熱発電設備は、図１に示した第一の形態の太陽熱発電設備において、さらに、蓄熱炉２と並列に第２の蓄熱炉２aを設けたものである。すなわち、レシーバー１、蓄熱炉２、熱交換器３、ガス循環流路６、蒸気タービン発電機８などの構成は図１と同様であるが、さらに、レシーバー１を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備え、蓄熱炉２と並列に設けられる第２の蓄熱炉２aを有している。この蓄熱炉２aの構造、機能などは蓄熱炉２と同様であるが、本実施形態では、蓄熱容量を蓄熱炉２よりも大きくしてある。これは、レシーバー１の受光量の少ない時間が比較的長く続く場合や日没後の発電に対応できるようにするためである。具体的には、蓄熱炉２ａの蓄熱容量を蓄熱炉２の蓄熱容量の５〜１０倍程度に設計する。これは、蓄熱炉２は、数分間〜１０分間程度の太陽光量の低下に対応できるようにし、これに対して蓄熱炉２ａは、１時間〜数時間程度にわたって熱を供給できるようにするためである。
また、熱媒ガスｇの種類は任意であるが、通常は空気が用いられる。

ガス循環流路６は、レシーバー１を通過する熱媒ガスｇの一部を蓄熱炉２と熱交換器３を経由することなくレシーバー１−蓄熱炉２a間で循環させることができるバイパス流路６xと、熱交換器３を通過する熱媒ガスｇの一部をレシーバー１と蓄熱炉２を経由することなく熱交換器３−蓄熱炉２a間で循環させることができるバイパス流路６yと、両バイパス流路６x，６yを選択的に切り換えて用いるための開閉弁９を有している。

具体的には、蓄熱炉２aの一端側に接続される流路６４は２つの分岐流路６４０，６４１を有し、このうち分岐流路６４０がレシーバー１の熱媒ガス出側の流路６０に接続されるとともに、分岐流路６４１が熱交換器３の熱媒ガス入側の流路６１に接続されている。蓄熱炉２aの他端側に接続される流路６５は２つの分岐流路６５０，６５１を有し、このうち分岐流路６５０がレシーバー１の熱媒ガス入側の流路６２に接続されるとともに、分岐流路６５１が熱交換器３の熱媒ガス出側の流路６３に接続されている。そして、分岐流路６４０と分岐流路６５０が前記バイパス流路６xを構成し、分岐流路６４１と分岐流路６５１が前記バイパス流路６yを構成している。各分岐流路６４０，６４１，６５０，６５１には、それぞれ開閉弁９a〜９dが設けられている。なお、以上の流路を構成する配管は、必要な保温構造を有する。

また、本実施形態では、バイパス流路６yを通じて熱媒ガスｇの一部を熱交換器３−蓄熱炉２a間で循環させるための循環ファン７aが、熱交換器３の熱媒ガス出側（熱交換器３とガス循環流路６に対する分岐流路６５１の接続部間の位置）に設けられている。循環ファン７aも、３５０℃程度の温度にも耐えられる耐熱性を有しており、図示しない制御装置により、送風量を調節できるようになっている。
その他図面において、１４は太陽光の日射強度を測定するための受光センサ、１５は蓄熱炉２aの熱媒ガス出側の熱媒ガス温度を測定するための温度計、１６は蓄熱炉２の熱媒ガス出側の熱媒ガス温度を測定するための温度計、１７は熱交換器３の熱媒ガス入側の熱媒ガス温度を測定するための温度計である。また、１８aは、ガス循環流路６に対する分岐流路６５１の接続部と分岐流路６５０の接続部間のガス循環流路に設けられる開閉弁（流量調整機能付き）であり、１８bは、蓄熱炉２とガス循環流路６に対する分岐流路６４１の接続部間のガス循環流路に設けられる開閉弁である。
その他の構成は、図１の実施形態と同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本発明の第二の形態の太陽熱発電方法でも、熱媒ガスｇの一部をレシーバー１−蓄熱炉２−熱交換器３間で循環させ、この循環中、レシーバー１に集光された太陽光線で熱媒ガスｇを加熱するとともに、熱媒ガスｇを熱交換器３で水と熱交換させて蒸気を生成させ、この蒸気を用いて蒸気タービン発電機８で発電を行う。そして、本発明の第一の形態（図１）と同様に、蓄熱炉２では、レシーバー１を経て蓄熱炉２に導入される熱媒ガスｇの温度に応じて、熱媒ガスｇの熱の一部が蓄熱され又は炉に蓄えられた熱が熱媒ガスｇに放熱されるようにし、熱交換器３を通過する熱媒ガスｇの熱量変動が抑えられる。

一方、この太陽熱発電方法では、上記に加えてさらに、第二の蓄熱炉２aを用いた以下のような操業が行われる。すなわち、レシーバー１が所定の受光量（受熱量）を得ている場合には、熱媒ガスｇの一部をレシーバー１−蓄熱炉２a間で循環させることで、熱媒ガスｇの熱を蓄熱炉２aに蓄熱させ、レシーバー１の受光量が低下した場合には、レシーバー１−蓄熱炉２a間での熱媒ガスｇの循環を止め、熱媒ガスｇの一部を熱交換器３−蓄熱炉２a間で循環させることで、蓄熱炉２aに蓄えられた熱を熱媒ガスｇに放熱させ、熱交換器３を通過する熱媒ガスｇの熱量低下を抑える。レシーバー１の受光量は受光センサ１４で測定され、この測定結果に基づいて、図示しない制御装置により、上記のような熱媒ガスｇの循環ルートの切り換えを行う。
その他、加熱装置４による熱媒ガスｇの加熱、加熱装置５による蒸気の加熱などは、図１の実施形態と同様である。

以下、図２に示す実施形態の設備を用いる場合を例に、図３及び図４に基づき本発明法の一実施例を説明する。この実施例では、熱媒ガスｇとして空気を用いる。なお、図３及び図４に示す開閉弁９a〜９dは、白抜きのものが開状態、黒く塗りつぶしたものが閉状態であることを示す。
図３は、通常の操業時、すなわちレシーバー１が所定の受光量（受熱量）を得ている場合の操業状態を示している。この操業時には、バイパス流路６x（流路６４０，６５０）の開閉弁９a，９cを開状態、バイパス流路６y（流路６４１，６５１）の開閉弁９b，９dを閉状態とし、循環ファン７，７aにより熱媒ガスｇをガス循環流路６とバイパス流路６xで循環させる。

熱媒ガスｇはレシーバー１において太陽熱で加熱される。集光装置Ｓにより太陽光線がレシーバー１の受光面に集光され、レシーバー１（受光面にある伝熱管）を通過する熱媒ガスｇが加熱される。このときレシーバー受光面での集光倍率（ヘリオスタット鏡面積の合計÷レシーバー受光面積）は５００〜１０００倍程度である。また、受光面にある伝熱管の外面温度は７００〜１０００℃程度で、レシーバー出口における熱媒ガスｇの温度は６５０〜７００℃程度である。このとき、レシーバー受光面に届く太陽光線のエネルギーに対して、熱媒ガスｇが加熱されて得るエネルギーの割合は７５％以上になるようにレシーバー１が設計されている。

レシーバー１を出た６５０〜７００℃の熱媒ガスｇは、ガス循環流路６とバイパス流路６xに分岐して流れ、それぞれ蓄熱炉２と蓄熱炉２aを通過する。蓄熱炉２を通過する熱媒ガスｇは、その熱の一部を蓄熱炉２に蓄熱する。すなわち、蓄熱炉２を通過する過程で炉内部の通気性蓄熱体を加熱して蓄熱炉２に熱を蓄える。このとき、蓄熱炉２内の温度（蓄熱温度）は約６５０℃程度で一定に保たれる。熱媒ガスｇは６００〜５５０℃程度の温度で蓄熱炉２を出て、熱交換器３に入り、この熱交換器３で水と熱交換して蒸気が生成する。熱媒ガスｇは約２５０℃程度の温度で熱交換器３を出た後、循環ファン７，７aを経てレシーバー１に循環する。熱交換器３で生成した蒸気は、蒸気タービン発電機８に送られ発電が行われる。なお、熱交換器３ではタンク１１から約５０℃の水が供給され、約４５０℃の蒸気が生成し、蒸気タービン発電機８に送られる。

蓄熱炉２aを通過する熱媒ガスｇも、その熱を蓄熱炉２aに蓄熱する。すなわち、蓄熱炉２aを通過する過程で炉内部の通気性蓄熱体を加熱して蓄熱炉２aに熱を蓄える。蓄熱炉２aを出た熱媒ガスｇは、循環ファン７を経てレシーバー１に循環する。このとき、蓄熱炉２aの熱媒ガス出側の温度計１５で測定された熱媒ガス温度が設定温度（例えば４５０℃）を超えると、図示されない制御装置が、蓄熱炉２aに十分に蓄熱されたと判断して、開閉弁９ｃを閉じる。熱媒ガス温度が設定温度（例えば４５０℃）よりも低くなると再び開閉弁９ｃを開く。このようにして、蓄熱炉２a内部の温度は、ほぼ一定（例えば、入側約６５０℃、出側４５０℃の温度勾配がある温度分布）に維持される。
なお、操業開始時は、設備を早急に立ち上げるために蓄熱炉２に対して熱媒ガスｇを優先的に流すようにすることもでき、この場合には、一時的に開閉弁９aを閉じてバイパス流路６xを遮断する。

上記のプロセスにおいて、太陽光の日射強度が所定レベルを保っている間は、蒸気発生量も一定に保たれるが、雲の通過などにより太陽光の日射強度が一時的（例えば、数分未満）に減少した場合には、レシーバー１を出る熱媒ガスｇの温度が一時的に低下する。しかしながら、蓄熱炉２は大きな蓄熱容量を有しているために、レシーバー１を出た熱媒ガスｇの温度が６５０℃を下回った場合は、蓄熱炉２から熱媒ガスｇに放熱がなされる（熱媒ガスｇが蓄熱炉２を通過する過程で加熱される）ので温度が上昇し、熱交換器３を通過する熱媒ガスｇが大きく温度低下することが抑制される。したがって、熱交換器３で蒸気が安定して生成され、蒸気タービン発電機８において発電が安定的に行われる。

しかしながら、太陽光の日射強度が低い状態がさらに長時間継続し、レシーバー１の受光量が低下した場合（例えば、雲の通過などにより太陽光の日射強度が数分以上に亘って減少した場合）には、レシーバー１を出る熱媒ガスｇの温度がより低下することによって蓄熱炉２の蓄熱量が減少し、蓄熱炉２の熱媒ガス出側でも熱媒ガス温度が低下する。その場合には、図４に示すように、バイパス流路６x（流路６４０，６５０）の開閉弁９a，９cを閉状態として、レシーバー１−蓄熱炉２a間での熱媒ガスｇの循環を止め、バイパス流路６y（流路６４１，６５１）の開閉弁９b，９dを開状態とし、循環ファン７の送風量を絞りつつ、熱媒ガスｇの一部を熱交換器３−蓄熱炉２a間で循環させる。なお、この循環ルートでの熱媒ガスｇの循環量は、循環ファン７と循環ファン７aの送風量の調整で制御することができる。以上により、蓄熱炉２aに蓄えられた熱を熱媒ガスｇに放熱させ、蓄熱炉２aの熱を熱媒ガスｇに補充することにより、熱交換器３を通過する熱媒ガスｇの熱量低下を抑える。

具体的には、温度計１６で測定される蓄熱炉２の熱媒ガス出側の熱媒ガス温度が設定値を下回った場合に、図４に示すように、開閉弁９a，９cを閉状態、開閉弁９b，９dを開状態とすることにより、バイパス流路６xによるレシーバー１−蓄熱炉２a間での熱媒ガスｇの循環を止める一方で、バイパス流路６yによる循環ファン７a→蓄熱炉２a→熱交換器３のルートで熱媒ガスｇを循環させ、蓄熱炉２aに蓄熱されていた熱を熱媒ガスｇに放熱させる。このとき、熱交換器３の熱媒ガス入側の温度計１７で測定される熱媒ガス温度が目標値まで上昇するように、開閉弁１８aの開度を絞って流量調整を行い、蓄熱炉２aからの回収熱量を調整する。
また、操業開始時の立ち上げを早めたい場合、或いはレシーバー１の受光量が少ない場合などにおいて、レシーバー１から出る熱媒ガスｇが一定温度以下の間は、蓄熱炉２の入側で加熱装置４により熱媒ガスｇを加熱してもよい。
また、レシーバー１の受光量が少ない時間が比較的長く続き、熱交換器３を通過する熱媒ガスｇが一定温度以下になった時には、加熱装置５で蒸気を加熱し、発電量を一定に保つようにしてもよい。

図５は、本発明法における蒸気発生状況を模式的に示したもので、日射強度と熱交換器３の蒸気出側の蒸気温度計１９で測定される蒸気温度の経時変化を示している。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は日射強度（細い実線）、蓄熱炉２，２aを使用しない場合の熱交換器３の出側蒸気温度（破線）、蓄熱炉２のみを使用した場合の熱交換器３の出側蒸気温度（一点鎖線）、蓄熱炉２，２aを使用した場合の熱交換器３の出側蒸気温度（太い実線）を示している。なお、蓄熱炉２，２aを使用しない場合は、開閉弁９c，９d，１８bを閉状態、開閉弁９a，９b，１８aを開状態として、熱媒ガスｇを循環させたものである。
図５に示されるように、日射強度が１〜２分の短時間に数百Ｗ／ｍ^２低下した場合（図の（i）、（iii）の場合）には、蓄熱炉２のみの使用でも蒸気温度変化は１０℃未満でわずかである。しかし、日射強度の低下が５分を超えて継続した場合、蓄熱炉２のみの使用では、蒸気温度変化が５０℃を超えてしまう。これに対して、蓄熱炉２aも使用した場合には、蒸気温度変化を１０℃未満に抑制できる。

図６は、本発明法において、１日の日射強度と操業開始から終了までの蒸気温度（熱交換器３の出側蒸気温度）の経時変化を示す模式図である。図において、（i）、（iii）が短時間の日射強度低下、（ii）は長時間の日射強度低下を示す。同図において、Ａ部分は、蓄熱炉２の熱媒ガス入側において加熱装置４により熱媒ガスｇを加熱したことによる温度上昇、Ｂ部分は蓄熱炉２による放熱効果、Ｃ部分は蓄熱炉２aによる放熱効果を示す。Ｄ部分は、日没後、蓄熱炉２aを用いて蒸気を発生させる場合の蒸気温度である。図６に示すように、本発明によれば、日没後であっても、蓄熱炉２aで蓄熱されていた熱を利用して発電を一定時間継続することができる。

１ レシーバー
２，２a 蓄熱炉
３ 熱交換器
４ 加熱装置
５ 加熱装置
６ ガス循環流路
６x，６y バイパス流路
７，７a 循環ファン
８ 蒸気タービン発電機
９，９a，９b，９c，９d 開閉弁
１０ 循環流路
１１ タンク
１２ 循環用ポンプ
１３ 凝縮器
１４ 受光センサ
１５，１６，１7 温度計
１８a，１８b 開閉弁
１９ 蒸気温度計
６０，６１，６２，６３，６４，６５ 流路
６４０，６４１，６５０，６５１ 分岐流路
Ｓ 集光装置

Claims (9)

1. 太陽光線の熱で蒸気を生成させ、この蒸気を用いて発電を行う太陽熱発電方法であって、
   熱媒ガスｇを、集光装置により集光された太陽光線で熱媒ガスｇを加熱するレシーバー（１）と、該レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備えた蓄熱炉（２）と、該蓄熱炉（２）を経た熱媒ガスｇと水との熱交換で蒸気を生成させる熱交換器（３）を有するガス循環系内で循環させ、
   この熱媒ガスｇの循環中、レシーバー（１）に集光された太陽光線で熱媒ガスｇを加熱するとともに、熱媒ガスｇを熱交換器（３）で水と熱交換させて蒸気を生成させ、この蒸気を用いて蒸気タービン発電機（８）で発電を行い、
   蓄熱炉（２）では、レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの温度に応じて、熱媒ガスｇの熱の一部が蓄熱され又は炉に蓄えられた熱が熱媒ガスｇに放熱されるようにすることで、熱交換器（３）を通過する熱媒ガスｇの熱量変動を抑えることを特徴とする太陽熱発電方法。
2. ガス循環系は、さらに、レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備え、蓄熱炉（２）と並列に設けられる第２の蓄熱炉（２a）を有し、
   熱媒ガスｇの一部をレシーバー（１）−蓄熱炉（２）−熱交換器（３）間で循環させるとともに、レシーバー（１）が所定の受光量を得ている場合には、熱媒ガスｇの一部をレシーバー（１）−蓄熱炉（２a）間で循環させることで、熱媒ガスｇの熱を蓄熱炉（２a）に蓄熱させ、レシーバー（１）の受光量が低下した場合には、レシーバー（１）−蓄熱炉（２a）間での熱媒ガスｇの循環を止め、熱媒ガスｇの一部を熱交換器（３）−蓄熱炉（２a）間で循環させることで、蓄熱炉（２a）に蓄えられた熱を熱媒ガスｇに放熱させ、熱交換器（３）を通過する熱媒ガスｇの熱量低下を抑えることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱発電方法。
3. レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇを加熱装置（４）で加熱した後、蓄熱炉（２）に導入することを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽熱発電方法。
4. 熱交換器（３）で生成した蒸気を加熱装置（５）で加熱した後、蒸気タービン発電機（８）に導入して発電を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽熱発電方法。
5. 太陽光線の熱で蒸気を生成させ、この蒸気を用いて発電を行う太陽熱発電設備であって、
   集光装置により集光された太陽光線で熱媒ガスｇを加熱するレシーバー（１）と、該レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備えた蓄熱炉（２）と、該蓄熱炉（２）を経た熱媒ガスｇと水との熱交換で蒸気を生成させる熱交換器（３）と、熱媒ガスｇをレシーバー（１）−蓄熱炉（２）−熱交換器（３）間で循環させるガス循環流路（６）と、熱媒ガスｇをガス循環流路（６）内で循環させる循環ファン（７）と、熱交換器（３）で生成した蒸気を用いて発電を行う蒸気タービン発電機（８）を有し、
   蓄熱炉（２）において、レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの温度に応じて、熱媒ガスｇの熱の一部が蓄熱され又は炉に蓄えられた熱が熱媒ガスｇに放熱されるようにしたことを特徴とする太陽熱発電設備。
6. さらに、レシーバー（１）を経た熱媒ガスｇの熱を蓄熱するための通気性蓄熱体を備え、蓄熱炉（２）と並列に設けられる第２の蓄熱炉（２a）を有し、ガス循環流路（６）は、レシーバー（１）を通過する熱媒ガスｇの一部を蓄熱炉（２）と熱交換器（３）を経由することなくレシーバー（１）−蓄熱炉（２a）間で循環させることができるバイパス流路（６x）と、熱交換器（３）を通過する熱媒ガスｇの一部をレシーバー（１）と蓄熱炉（２）を経由することなく熱交換器（３）−蓄熱炉（２a）間で循環させることができるバイパス流路（６y）と、両バイパス流路（６x），（６y）を選択的に用いるための開閉弁（９）を有することを特徴とする請求項５に記載の太陽熱発電設備。
7. 蓄熱炉（２a）の一端側に接続される流路（６４）は２つの分岐流路（６４０），（６４１）を有し、このうち分岐流路（６４０）がレシーバー（１）の熱媒ガス出側の流路（６０）に接続され、分岐流路（６４１）が熱交換器（３）の熱媒ガス入側の流路（６１）に接続され、
   蓄熱炉（２a）の他端側に接続される流路（６５）は２つの分岐流路（６５０），（６５１）を有し、このうち分岐流路（６５０）がレシーバー（１）の熱媒ガス入側の流路（６２）に接続され、分岐流路（６５１）が熱交換器（３）の熱媒ガス出側の流路（６３）に接続され、
   各分岐流路（６４０），（６４１），（６５０），（６５１）には、それぞれ開閉弁（９）が設けられ、
   分岐流路（６４０）と分岐流路（６５０）がバイパス流路（６x）を構成し、分岐流路（６４１）と分岐流路（６５１）がバイパス流路（６y）を構成することを特徴とする請求項６に記載の太陽熱発電設備。
8. さらに、蓄熱炉（２）に導入される熱媒ガスｇを加熱するための加熱装置（４）を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の太陽熱発電装置。
9. さらに、蒸気タービン発電機（８）に導入される蒸気を加熱するための加熱装置（５）を有することを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の太陽熱発電装置。

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