JP2013108491A - ソーラーガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】既存の方式よりも熱損失の小さいソーラーガスタービンを提供する。
【解決手段】集光装置がビームダウン型で、受熱部４とガスタービン１９の両方とも地上位置にあるため、受熱部４からガスタービン１９までの高温圧縮空気Ｔ３の導入経路が短く、熱損失が小さい。また発電のために水を必要としないため、水が貴重な砂漠地域等において有用である。更に空気だけでタービン２１を回すため、二酸化炭素の排出を完全に抑制することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ソーラーガスタービンに関するものである。

ガスタービンの圧縮空気を太陽熱により加熱し、その加熱した圧縮空気を膨張させてタービンを駆動させる技術が知られている。太陽熱を得るための集光装置としては、一般に太陽を追尾しながら常に太陽に向いた状態を維持するディッシュ型や、タワーの頂部に複数のヘリオスタットにより太陽光を集光させるタワートップ型が知られている。

このように集光装置の受熱部に太陽光を集光させ、受熱部に圧縮空気を通過させることにより、圧縮空気を加熱する構造になっている。タービンは受熱部から離れた位置に設置され、加熱された圧縮空気は受熱部からタービンへ送り込まれる。ガスタービンは重量物であるため一般に地上に設置される（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２８０６３８号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、ディッシュ型及びタワートップ式のいずれの場合であっても、受熱部を高い位置に設けなければならないため、地上に設置されたガスタービンとの距離が大きくなり、熱損失が大きくなるという課題があった。

本発明は、このような従来の技術の課題に着目してなされたものであり、既存の方式よりも熱損失の小さいソーラーガスタービンを提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、地上よりも高い位置に設置され、下面に反射面を有するセンターミラーと、前記センターミラーの周囲の地上領域に設置され、太陽光を前記センターミラーに向けて反射する複数のヘリオスタットと、前記センターミラーで反射された太陽光が集光する地上位置に設置された受熱部と、大気を吸引する空気圧縮機と、空気圧縮機からの圧縮空気により回転するタービンと、タービンに連結された発電機とを有するガスタービンを地上位置に設け、前記受熱部が空気圧縮機とタービンとの間に設けられ、タービンに供給される圧縮空気を太陽熱で加熱することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、受熱部とタービンとの間に、燃料を燃焼させて燃焼ガスをタービンへ供給する補助燃焼室を設けたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記センターミラーが、断面が回転楕円体に合致した湾曲面を有し、かつ、下方に第１焦点と第２焦点を持つものであり、上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた筒型集光鏡を、前記上部開口の中心と前記第２焦点とを略一致させた状態で設置し、前記受熱部は、筒型集光鏡の下部開口付近に設置されており、記ヘリオスタットは、反射光が前記第１焦点へ向かうように制御されることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記ヘリオスタットが、平面視でセンターミラーを中心とした角度９０度を超える地上領域に設置されることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、前記ヘリオスタットは、日中の太陽方位の対角となる範囲に収まるように設置されており、前記センターミラーは、前記ヘリオスタットからの反射光が当たらない部分が切欠かれていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、集光装置がビームダウン型で、受熱部とガスタービンの両方とも地上位置にあるため、受熱部からガスタービンまでの高温圧縮空気の導入経路が短く、熱損失が小さい。また発電のために水を必要としないため、水が貴重な砂漠地域等において有用である。更に空気だけでタービンを回すため、二酸化炭素の排出を完全に抑制することができる。

請求項２記載の発明によれば、受熱部とタービンとの間に補助燃焼室を設けたため、夜間や曇りで太陽エネルギーが十分でない場合には、補助燃焼室の燃焼ガスによりタービンを回して発電することができる。

請求項３記載の発明によれば、センターミラーは断面が楕円に合致した湾曲面を有した形状であって、ヘリオスタットで反射した太陽光がセンターミラーの第１焦点を通過すれば、その太陽光は幾何光学的に必ず第２焦点に集光する。そのため、ヘリオスタットは反射光が常に第１焦点へ向かうように制御すれば良く、ヘリオスタットの制御が容易である。また、第２焦点の周囲に筒型集光鏡が位置するため、第２焦点から外れた太陽光も筒型集光鏡内に取り入れて内面で反射しながら確実に受熱部に導くことができる。

請求項４記載の発明によれば、ビームダウン式のため、一点のターゲットに対して、ヘリオスタットを平面視で少なくとも９０度を超えた角度範囲、最大３６０度の全周範囲に配置することができる。タワー式の場合は、タワーの側面に設けられた一点のターゲットに対して、タワーの一方側の角度約９０度の範囲にしかヘリオスタットを配置することができない。そのため、ビームダウン式の場合は、タワー式によりもヘリオスタットの数を増して集光度を十分に高めることもできる。

請求項５記載の発明によれば、センターミラーにおいてヘリオスタットからの反射光が当たらない部分を切り欠いているため、センターミラーの軽量化を図ることができ、センターミラーの設置作業が容易になる。また、ヘリオスタットは日中の太陽方位の対角となる範囲に収まるように設置されているため、全周に配置する場合よりもヘリオスタットの数は減るものの、太陽光の入射方向と反射方向の関係によりエネルギーのロスが大きくなる領域のヘリオスタットが省略されただけなので、集光装置全体のエネルギーのロスはそれほど大きくなく、減った分のヘリオスタットのコスト削減を考慮すると、結果的に太陽光の利用効率及びコストの面で有利な構造となる。

第１実施形態に係るソーラーガスタービンを示す斜視図。 ソーラーガスタービンを示す平面図。 ソーラーガスタービンを示す一部断面の側面図。 ガスタービンの構造を示す図。 受熱部に対する入射角度に関与する距離要素を示す説明図。 ヘリオスタットを示す斜視図。 ヘリオスタットを示す分解斜視図。 ヘリオスタットのミラーの支持構造を示す概略説明図。 第２実施形態に係るガスタービンの構造を示す図。

（第１実施形態）
図１〜図８は、本発明の第１実施形態を示す図である。この実施形態では、小型のパイロットプラント級のサイズを例に説明する。また東西南北の方向性は日本のように北半球の中緯度の地域を例にして説明する。

図１はビームダウン型の集光装置を示している。中心にはセンターミラー１が３本のタワー２により地面から約２０ｍの高さに支持されている。センターミラー１の表面形状は仮想的な回転楕円体の一部をなし、平面視で北側の角度１２０度の範囲が切欠かれた形状をしている。センターミラー１は縦断面が楕円に合致した湾曲面を有し、その中心を上下に貫通する中心軸Ｇ上に共焦点として第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在している。

第２焦点Ｂには筒型集光鏡３が設置されている。筒型集光鏡３は上部開口よりも下部開口が狭い概略テーパー筒形状で、内面は鏡面になっている。

筒型集光鏡３の下側には受熱部４が設けられている。受熱部４は太陽光を熱に変換し且つそこを通過する空気と熱交換できる構造になっている。

センターミラー１の北側から東西両側にかけて角度２４０度の範囲内に複数のヘリオスタット５が放射状に設置されている（図２参照）。ヘリオスタット５が配置されている範囲は、日中の太陽方位の対角となる範囲で、センターミラー１の南側領域にはヘリオスタット５は配置されていない。

図２に示す扇状エリアＥは、従来のタワートップ式の場合のヘリオスタット領域で、約角度９０度の範囲である。タワートップ式の場合は、この範囲を超えて設置しても（例えばタワーの横に回り込むようにしても）、タワーの側面に設置された１つのターゲットには太陽光が届かないため、どうしても９０度程度が限界であった。それに対して、本実施形態のビームダウン式にすれば、タワートップ式の角度範囲を超えて広い領域にヘリオスタット５を設置することができる。

このヘリオスタット５は、ミラー要素としての４枚のミラー２に反射機能を分散させたマルチミラー型のものである。各ヘリオスタット５のベース６にはセンターミラー１側にバー７が立設され、その上端にセンサー８が固定されている。ベース６のバー７とは反対側に支柱９が設けられ、その上端に第１駆動部１０が設けられている。第１駆動部１０には、地球の自転軸と平行で地面に対して所定の角度を有する第１軸１１が設けられている。この第１軸１１は第１駆動部１０により軸心を中心に日周運動に関連する赤経方向Ｘ（図８参照）へ回転自在である。

第１軸１１の先端にはコ字形のフレーム１２が固定されている。このフレーム１２の両側のフランジには第１軸１１と直交する方向に第２軸１３が貫通している。第２軸１３は金属パイプで、フランジの外側へ両側が突出している。フレーム１２と第２軸１３との間には、第２軸１３を季節運動に関連する赤緯方向Ｙ（図８参照）へ回転させる第２駆動部１４が設けられている。

フレーム１２から外側へ突出した第２軸１３の両端には別の支持パイプ１５が直交方向に貫通している。第２軸１３と支持パイプ１５でＨ形を形成し、その四隅となる支持パイプ１５の両端にミラー２がそれぞれ金具１６により取り付けられている。ミラー２は直径５０ｃｍの円形で、その表面はそれぞれ第１焦点Ａまでの距離に応じた実質的な焦点距離を有する凹球面になっている。

フレーム１２の内側の第２軸１３には一対のブラケット１７を介してセンサーミラー１８が取付けられている。センサーミラー１８は横長の長方形で、表面はフラットである。

センサーミラー１８で反射された太陽光Ｌはセンサー８により受光される。センサー８は、センサーミラー１８と第１焦点Ａとを結ぶ仮想直線上に位置している。従って、センサーミラー１８で反射された太陽光Ｌが常にセンサー８で受光されるように、ミラー２の回転を赤経方向Ｘ及び赤緯方向Ｙで制御すると、その太陽光Ｌはセンサー８を通過してその先の第１焦点Ａに必ず向かうことになる。４枚のミラー２は、センサーミラー１８にて反射された太陽光Ｌの光路を代表的光軸として、その光軸上における第１焦点Ａへ向けて各ミラー２からの反射光が集光するように、僅かながら異なる角度で予め調整されている。

センサー８の内部には太陽光Ｌの左右方向（赤経方向）及び上下方向（赤緯方向）での中立位置を検出する光検出素子が設けられており、センサー８から第１駆動部１０及び第２駆動部１４へ信号を出力している。そして、センサーミラー１８で反射される太陽光Ｌが必ずセンサー８で受光されるように（センサー８の方向に向かうように）、第１駆動部１０及び第２駆動部１４をフィードバック制御し、第１軸１１及び第２軸１３を赤道儀方式により赤経方向Ｘ及び赤緯方向Ｙへ回転させて、４枚のミラー２で反射された４本の太陽光Ｌを第１焦点Ａに集合させるようにしている。各ミラー２で反射された太陽光Ｌは所定の太さを有する光束で、第１焦点Ａを通過する時に最も細くなり、第１焦点Ａを通過してから多少拡散しながらセンターミラー１で反射されて第２焦点Ｂで収束する。第２焦点Ｂには筒型集光鏡３が設けられているため、第２焦点Ｂから多少ずれた太陽光Ｌも上部開口より内部に取り入れて下部開口より受熱部４へ確実に導くことができる。

ヘリオスタット５は、ミラー２が、第１軸１１を中心にした日周運動と、第２軸１３を中心とした季節運動で回転する赤道儀方式のため、太陽を追尾し易い。すなわち、一日のミラー２の動きは専ら日周運動に支配され、季節運動はほんの僅かである。従って、例えば、センサー８による太陽Ｓの追尾中に、太陽Ｓが雲で隠れた場合などは、照度計などによりその状態を検知して、センサー８によるリアルタイム制御から、通常の太陽の動きに応じた定速回転を再現するクロック制御に切り換える。そうすれば、ミラー２は概ねセンサー８で制御している場合と同様の回転を進めるため、雲が無くなって再び太陽Ｓが現れた時には、センサーミラー１８で反射された太陽光Ｌは必ずセンサー８で捕捉され、センサー８による制御が復帰して、センサー８によるリアルタイム追尾制御をそこから継続することができる。

更に、センサー８による制御は、センサーミラー１８で実際に反射された太陽光Ｌの光路位置をリアルタイムで検出するため、いわゆる二次側制御（出側制御）となり、ヘリオスタット５に加わった一次側の外因（風圧やガタなど）も含めて制御することができる。

センターミラー１にて反射される太陽光Ｌは筒型集光鏡３で集光するため、入射角度を、筒型集光鏡３で導入可能な入射角度以内に維持する必要がある。導入可能な入射角度より大きくなると、筒型集光鏡３内で複数回反射して上部開口から出てしまう。

ビームダウン式の場合は、センターミラー１に近いヘリオスタット５は筒型集光鏡３に対して垂直（中心軸Ｇ）に近い角度で入射するため問題ない。これに対して、センターミラー１から遠いヘリオスタット５からの太陽光Ｌは、遠くなるほど筒型集光鏡３に対する入射角度θ（中心軸Ｇに対する）が大きくなるため、最遠のヘリオスタット５からの太陽光Ｌ′を筒型集光鏡３の許容入射角度以内にコントロールする必要がある。

すなわち、図５に示すように、最遠のヘリオスタット５からの太陽光Ｌ′の筒型集光鏡３に対する入射角度θは、センターミラー１での反射点Ｐと中心軸Ｇとを結ぶ水平距離Ｍと、前記反射点Ｐと筒型集光鏡３の上部開口中心とを結ぶ垂直距離Ｈとの関係で決まる。従って、システム全体を設計する場合、まず必要な総エネルギー量からヘリオスタット５の総数が決められた後に、最遠のヘリオスタット５からの太陽光Ｌ′の入射角度θが許容入射角度以内になるように、この水平距離Ｍと垂直距離Ｈを決定する。２つの距離要素Ｍ，Ｈを調整するだけで、最遠の太陽光Ｌ′の入射角度を許容入射角度以下に設定することができるため、全体設計が容易である。

以上のような構造をしたビームダウン式の集光装置の受熱部４と同じ地上位置に、図４に示すようなガスタービン１９が設置されている。ガスタービン１９は空気圧縮機２０とタービン２１と発電機２２とから基本的に構成されている。

このような構造のガスタービン１９において、空気圧縮機２０とタービン２１との間に受熱部４が設けられている。受熱部４の上部には筒型集光鏡３が設けられている。受熱部４は太陽光を熱に変換する構造と、そこを通過する空気と熱交換できる構造になっている。例えば複数の金属パイプを隙間なくパネル状に並設した熱交換器を有し、そこに空気を通過させながら上部の筒型集光鏡３より太陽光を照射する構造になっている。

まず大気Ｔ１は空気圧縮機２０に吸引されて、そこで圧縮されて圧縮空気Ｔ２となる。圧縮空気Ｔ２は空気圧縮機２０から受熱部４へ供給される。圧縮空気Ｔ２は空気圧縮機２０で圧縮されることにより大気Ｔ１よりも高温になるが、受熱部４を通過することにより更に加熱されて高温圧縮空気Ｔ３となる。受熱部４内の熱交換器を形成する金属の耐熱性にもよるが高温圧縮空気Ｔ３は８００°Ｃ程度に加熱される。

高温圧縮空気Ｔ３は受熱部４からタービン２１に導入される。タービン２１に導入された高温圧縮空気Ｔ３は断熱膨張によりタービン２１を回転させて、直結された発電機２２より電力を取り出すことができる。

タービン２１を通過した排気Ｔ４は十分高温なため、その熱は空気圧縮機２０に導入される大気Ｔ１の予熱等に再利用される。

この発明によれば、受熱部４とガスタービン１９の両方とも地上位置にあるため、受熱部４からタービン２１への高温圧縮空気Ｔ３の導入経路が短く、熱損失が小さい。従って、太陽エネルギーの効率的な利用が図れる。

また発電のために水を必要とせず、空気のみを作動流体として利用するため、水が貴重な砂漠地域等において特に有用である。更に空気だけで発電可能なため、二酸化炭素の排出を完全に抑制することもできる。

（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

この実施形態のガスタービン２３は先の実施例同様にビームダウン式の集光装置の受熱部４と同じ地上位置に設置されている。

このガスタービン２３は、受熱部４とタービン２１との間に補助燃焼室２４が設けられている。補助燃焼室２４は非稼働時においては単純に受熱部４からの高温圧縮空気Ｔ３をタービン２１側へ通過させ、タービン２１を回転させることができる。

夜間や曇りの時など、太陽エネルギーが十分でない場合は、受熱部４での圧縮空気Ｔ２の加熱が十分でなく、受熱部４からタービン２１に高温圧縮空気Ｔ３が供給されないため、そのような場合には、補助燃焼室２４で燃料を燃焼させて燃焼ガスＴ５をタービン２１側へ供給する。タービン２１は供給された燃焼ガスＴ５により回転して発電機２２により発電することができる。タービン２１からの排気Ｔ６も高温のため再利用できる。

この実施形態によれば、夜間などでも発電が可能になるため、発電能力の安全性及び信頼性が向上する。

以上の実施形態では、ビームダウンとして、楕円状のセンターミラーを用いる例を示したが、これに限らず、双曲面状のセンターミラーでも、複数のミラーから構成された分割型のセンターミラーでも、ヘリオスタットからの反射光を地上へ向けて反射・集光させる機能を有するものであれば、いかなるタイプのビームダウンであっても良い。

１ センターミラー
２ ミラー
３ 筒型集光鏡
４ 受熱部
５ ヘリオスタット
８ センサー
１８ センサーミラー
１９、２３ ガスタービン
２０ 空気圧縮機
２１ タービン
２２ 発電機
２４ 補助燃焼室
Ａ 第１焦点
Ｂ 第２焦点
Ｅ タワートップ式のヘリオスタット設置範囲
Ｘ 赤経方向
Ｙ 赤緯方向
Ｌ 太陽光
Ｌ′ 最遠のヘリオスタットからの太陽光
Ｇ 中心軸
Ｓ 太陽

Claims (5)

1. 地上よりも高い位置に設置され、下面に反射面を有するセンターミラーと、
   前記センターミラーの周囲の地上領域に設置され、太陽光を前記センターミラーに向けて反射する複数のヘリオスタットと、
   前記センターミラーで反射された太陽光が集光する地上位置に設置された受熱部と、
   大気を吸引する空気圧縮機と、空気圧縮機からの圧縮空気により回転するタービンと、タービンに連結された発電機とを有するガスタービンを地上位置に設け、
   前記受熱部が空気圧縮機とタービンとの間に設けられ、タービンに供給される圧縮空気を太陽熱で加熱することを特徴とするソーラーガスタービン。
2. 受熱部とタービンとの間に、燃料を燃焼させて燃焼ガスをタービンへ供給する補助燃焼室を設けたことを特徴とする請求項１記載のソーラーガスタービン。
3. 前記センターミラーが、断面が楕円に合致した湾曲面を有し、かつ、下方に第１焦点と第２焦点を持つものであり、
   上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた筒型集光鏡を、前記上部開口の中心と前記第２焦点とを略一致させた状態で設置し、
   前記受熱部は、筒型集光鏡の下部開口付近に設置されており、
   前記ヘリオスタットは、反射光が前記第１焦点へ向かうように制御されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のソーラーガスタービン。
4. 前記ヘリオスタットが、平面視でセンターミラーを中心とした角度９０度を超える地上領域に設置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のソーラーガスタービン。
5. 前記ヘリオスタットは、日中の太陽方位の対角となる範囲に収まるように設置されており、前記センターミラーは、前記ヘリオスタットからの反射光が当たらない部分が切欠かれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のソーラーガスタービン。

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