JP2013194715A - 太陽熱発電設備、及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱発電設備で、起動時にタービンロータの回転トルクを好適に制御する。
【解決手段】圧縮機１０からの圧縮空気の一部をタービン２０に対してバイパスさせるタービンバイパス配管７４と、タービンバイパス配管７４を流れる圧縮空気の流量を調節するタービンバイパス弁７５と、起動装置６０によるロータ回転数の昇速過程でロータ回転数が定格回転数になる以前から、タービンバイパス弁７５を開けて置き、タービンバイパス弁７５によりバイパスさせる圧縮空気の流量を調節させて、タービンロータ２１の回転トルクを制御する制御装置８０と、を備えている。制御装置８０は、発電機５０が電力系統Ｓに接続される併入時に、タービンバイパス弁７５を瞬間的に全閉にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動媒体を圧縮して圧縮媒体を生成する圧縮機と、太陽光を受けて圧縮空気を加熱する受熱器と、受熱器で加熱された圧縮媒体で駆動するタービンと、タービンの駆動で発電する発電機とを備えている太陽熱発電設備、及びその起動方法に関する。

近年、環境にやさしいクリーンなエネルギーとして、太陽光を集光して得られる熱エネルギーを利用した設備が盛んに開発されている。

このような設備の一例として、例えば、以下の特許文献１に記載されている太陽熱発電設備がある。この太陽熱発電設備は、作動媒体としての空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、太陽光を受けて圧縮空気を加熱する受熱器と、受熱器に太陽光を照射する集光器（ヘリオスタット）と、受熱器で加熱された圧縮空気で駆動するタービンと、タービンの駆動で発電する発電機とを備えている。

この太陽熱発電設備は、さらに、受熱器で加熱された圧縮空気をタービンに送る加熱空気配管から分岐して、煙突とつながるタービンバイパス配管が設けられていると共に、このタービンバイパス配管を流れる圧縮空気の流量を調節するタービンバイパス弁が設けられている。

この太陽熱発電設備では、受熱器に太陽光を照射する集光器の台数変更、及び、タービンバイパス弁の弁開度の変更により、タービン出力を調節している。

ところで、ガスタービン発電設備としては、空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの圧縮空気に燃料を混入させて燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスにより駆動するタービンと、このタービンの駆動で発電する発電機と、を備えているものが一般的である。このガスタービン発電設備では、起動時に、例えば、電動機を駆動して、タービンのロータ回転数を昇速させる。この際、燃焼器に供給する燃料流量を調節することで、タービンロータの回転トルクを制御している。

特開２０１０−２７５９９６号公報

上述の一般的なガスタービン発電設備では、起動方法が基本的に確立している。しかしながら、特許文献１に記載されている太陽熱発電設備では、その起動方法や負荷併入時の同期調整方法が未だ確立していない。

そこで、例えば、太陽熱発電設備で、起動時において、上述の一般的なガスタービン発電設備の起動方法を踏襲する方法が考えられる。この場合、電動機でタービンロータの回転数を昇速させつつ、空気の加熱場所である受熱器への熱エネルギー投入量、つまり、受熱器に太陽光を照射する集光器の台数変更でロータの回転トルクを制御する方法が考えられる。

しかしながら、この方法では、太陽光の強さが常時天候に左右され、受熱器に太陽光を照射する集光器の台数変更では、起動時におけるタービンロータの回転トルク制御が極めて難しいことが予想される。また、この方法では、受熱器の熱容量が大きいため、受熱器に太陽光を照射する集光器の数量を変えても、受熱器に太陽光を照射する集光器の台数変化がタービンロータの回転トルクの変化に反映されるまでに数分必要となり応答性が悪く、起動時における微妙なタービンロータの回転トルク制御にあまりむかないと考えられる。

そこで、本発明は、起動時にタービンロータの回転トルクを好適に制御することができる太陽熱発電設備、及びその起動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための発明に係る太陽熱発電設備は、
作動媒体を圧縮して圧縮媒体を生成する圧縮機と、太陽光を受けて前記圧縮媒体を加熱する受熱器と、前記受熱器で加熱された前記圧縮媒体でタービンロータが回転するタービンと、前記タービンロータの回転で発電する発電機と、起動時に前記タービンロータを回転させる起動装置と、前記圧縮機からの前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記タービン又は前記受熱器に対してバイパスさせるバイパス手段と、前記起動装置によるロータ回転数の昇速過程で該ロータ回転数が定格回転数になる以前から、前記バイパス手段により、前記圧縮媒体をバイパスさせておき、バイパスさせる該圧縮媒体の流量を調節させて、前記タービンロータの回転トルクを制御する制御装置と、を備えていることを特徴とする。

ロータ回転数の昇速過程でロータ回転数が定格回転数になる以前から、バイパス手段により、圧縮媒体をバイパスさせておけば、バイパスさせる圧縮媒体の流量を調節させることで、タービンに流入する圧縮媒体の流量を調節することができる。このため、ロータ回転数が定格回転数になってから発電機の併入時までの間のタービンロータの回転トルクを制御することができる。このように、バイパスさせる圧縮媒体の流量を調節して、回転トルクを制御する方法では、タービンへ送る圧縮媒体の流量を変えることになるため、天候の影響が小さい。さらに、この方法では、バイパスさせる圧縮媒体の流量の変化がタービンロータの回転トルクの変化に反映されるまでの時間が極めて短い。このため、バイパスさせる圧縮媒体の流量を調節することで、起動時にタービンロータの回転トルクを好適に制御することができる。

ここで、前記太陽熱発電設備において、前記制御装置は、前記ロータ回転数が前記定格回転数になった後であって、前記発電機が電力系統に接続される併入時に、前記バイパス手段によりバイパスさせる前記圧縮媒体の流量を瞬間的に減少させてもよい。この場合、前記制御装置は、併入時に、前記バイパス手段よりバイパスさせる前記圧縮媒体の流量を０にさせてもよい。また、前記バイパス手段がバイパスさせる前記圧縮媒体の流量を調節するバイパス流量調節弁を有している場合には、前記制御装置は、前記併入時に、前記バイパス流量調節弁の弁開度を全閉にしてもよい。

発電機が電力系統に併入されると、発電機に急激に負荷がかかり、タービンロータの回転数は急激に低下しようとする。そこで、当該太陽熱発電設備では、発電機の併入と同時に、バイパス手段によりバイパスさせる圧縮媒体の流量を瞬間的に減少させ、圧縮機から送り出された圧縮媒体のうちで、タービンに送られていなかった圧縮媒体をタービンに送り、タービンロータの回転数が定格回転数を維持するようにしている。

また、前記太陽熱発電設備において、前記制御装置は、前記併入直前まで、実際の前記ロータ回転数が予め定められている起動時のロータ回転数パターンに近づくように、前記バイパス手段により、バイパスさせる前記圧縮媒体の流量を調節させてもよい。この場合、前記制御装置は、前記併入時以前に前記起動装置による前記タービンロータの回転補助を停止させてもよい。

当該太陽熱発電設備では、タービンロータの回転数を制御するために、発電機に供給する電力を制御することで発電機の回転数を変える回転数変換機構が不要になる。このため、当該太陽熱発電設備の製造コストを抑えることができる。

また、前記太陽熱発電設備において、前記起動装置は、起動時に前記タービンロータを回転させる電動機と、入力軸から出力軸に伝わるトルクの比率を変えるトルク比変換機構と、を有し、前記トルク比変換機構の前記入力軸は前記電動機の出力軸に接続され、該トルク比変換機構の前記出力軸は前記タービンロータに接続され、前記制御装置は、起動時に前記トルク比変換機構に対して、時間経過に応じた前記トルク比の目標値に対応した制御指令を出力して、前記起動装置から前記タービンロータに伝わる回転トルクを高めて前記ロータ回転数を昇速させてもよい。

また、前記太陽熱発電設備において、前記起動装置は、起動時に前記タービンロータを回転させる電動機として機能する前記発電機と、該発電機に供給する電力を制御することで該発電機の回転数を変える回転数変換機構と、を有し、前記制御装置は、起動時に前記回転数変換機構に対して、時間経過に応じた前記発電機の回転数の目標値に応じた制御指令を出力して、前記起動装置により前記ロータ回転数を昇速させてもよい。

また、前記太陽熱発電設備において、前記バイパス手段は、前記受熱器よりも上流側で前記圧縮媒体をバイパスさせてもよい。

当該太陽熱発電設備では、バイパス手段に受熱器で加熱された高温の圧縮媒体が流れないため、高温用のバイパス手段、例えば、高温用のパイプやバルブが不要となり、このバイパス手段の製造コストを抑えることができる。

また、前記太陽熱発電設備において、前記バイパス手段は、前記圧縮機で圧縮された前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記タービンよりも上流側から該タービンの排気側に導くタービンバイパス配管と、該タービンバイパス配管を流れる前記圧縮媒体の流量を調節するタービンバイパス弁と、を有し、前記制御装置は、前記タービンバイパス弁の弁開度を調節してもよい。また、前記太陽熱発電設備において、前記バイパス手段は、前記圧縮機で圧縮された前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記受熱器よりも上流側から該受熱器よりも下流側であって前記タービンよりも上流側に導く受熱器バイパス配管と、該受熱器バイパス配管を流れる前記圧縮媒体の流量を調節する受熱器バイパス弁と、を有し、前記制御装置は、前記受熱器バイパス弁の弁開度を調節してもよい。また、前記太陽熱発電設備において、前記バイパス手段は、前記圧縮機で圧縮された前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記受熱器よりも上流側から大気に放出する放風配管と、該放風配管から大気に流出する前記圧縮媒体の流量を調節する放風弁と、を有し、前記制御装置は、前記放風弁の弁開度を調節してもよい。

上記目的を達成するための発明に係る太陽熱発電設備の起動方法は、
作動媒体を圧縮して圧縮媒体を生成する圧縮機と、太陽光を受けて前記圧縮媒体を加熱する受熱器と、該受熱器で加熱された該圧縮媒体でタービンロータが回転するタービンと、該タービンロータの回転で発電する発電機と、起動時に前記タービンロータを回転させる起動装置と、を備えている太陽熱発電設備の起動方法において、前記起動装置で前記タービンロータの回転数を昇速させる昇速工程と、前記昇速工程中であって、前記タービンロータの回転数が定格回転数になる以前から、前記圧縮機からの前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記タービン又は前記受熱器に対してバイパスさせておき、バイパスさせる該圧縮媒体の流量を調節して、前記発電機が電力系統に接続される併入時迄の前記タービンロータの回転トルクを制御する併入過程制御工程と、を実行することを特徴とする。

ロータ回転数の昇速過程でロータ回転数が定格回転数になる以前から、圧縮媒体をバイパスさせておけば、バイパスさせる圧縮媒体の流量を調節させることで、タービンに流入する圧縮媒体の流量を調節することができる。このため、ロータ回転数が定格回転数になってから発電機の併入時までの間のタービンロータの回転トルクを制御することができる。このように、バイパスさせる圧縮媒体の流量を調節して、回転トルクを制御する方法では、タービンへ送る圧縮媒体の流量を変えることになるため、天候の影響が小さい。さらに、この方法では、バイパスさせる圧縮媒体の流量の変化がタービンロータの回転トルクの変化に反映されるまでの時間が極めて短い。このため、バイパスさせる圧縮媒体の流量を調節することで、起動時にタービンロータの回転トルクを好適に制御することができる。

ここで、前記太陽熱発電設備の起動方法において、前記併入過程制御工程では、前記併入時に、バイパスさせる前記圧縮媒体の流量を瞬間的に減少させてもよい。この場合、前記併入過程制御工程では、前記併入時に、バイパスさせる前記圧縮媒体の流量を０にさせてもよい。

発電機が電力系統に併入されると、発電機に急激に負荷がかかり、タービンロータの回転数は急激に低下しようとする。そこで、当該起動方法では、発電機の併入と同時に、バイパスさせる圧縮媒体の流量を瞬間的に減少させ、圧縮機から送り出された圧縮媒体のうちで、タービンに送られていなかった圧縮媒体をタービンに送り、タービンロータの回転数が定格回転数を維持するようにしている。

本発明によれば、起動時にタービンロータの回転トルクを好適に制御することができる。

本発明に係る一実施形態における太陽熱発電設備の構成を示す説明図である。 本発明に係る一実施形態における太陽熱発電設備の動作を示すタイムチャートである。 本発明に係る一実施形態の第一変形例における太陽熱発電設備の構成を示す説明図である。 本発明に係る一実施形態の第二変形例における太陽熱発電設備の構成を示す説明図である。 本発明に係る一実施形態の第二変形例における太陽熱発電設備の動作を示すタイムチャートである。

以下、本発明に係る太陽光発電設備の一実施形態及びその変形例について、図面を参照して詳細に説明する。

「実施形態」
まず、図１及び図２を参照して、太陽熱発電設備の一実施形態について説明する。

本実施形態の太陽熱発電設備は、図１に示すように、作動媒体としての空気を圧縮して圧縮媒体である圧縮空気を生成する圧縮機１０と、太陽光を受けて圧縮空気を加熱する受熱器３０と、受熱器３０に太陽光を照射する複数のヘリオスタット４０と、受熱器３０で加熱された圧縮空気で駆動するタービン２０と、タービン２０の駆動で発電する発電機５０と、起動時に圧縮機ロータ１１及びタービンロータ２１を回転させる起動装置６０と、これらを制御する制御装置８０と、を備えている。

受熱器３０は、太陽光が照射される受熱部３１と、この受熱部３１を覆うケーシング３５と、を有している。受熱部３１は、下部ヘッダ配管３２と、この下部ヘッダ配管３２の上方に配置されている上部ヘッダ配管３３と、鉛直方向に延び下部ヘッダ配管３２と上部ヘッダ配管３３とをつなぐ複数の受熱管３４と、を有している。ケーシング３５の下部には、受熱部３１の内部にヘリオスタット４０からの太陽光を導くための開口３６が形成されている。この受熱器３０は、太陽熱発電設備の設置領域内に建てられたタワー（不図示）上に設けられる。

ヘリオスタット４０は、太陽光を反射する反射鏡４１と、反射鏡４１を支持する支持脚４３と、反射鏡４１を目的の方向に向ける駆動制御器４２と、を有している。このヘリオスタット４０は、受熱器３０が設けられているタワーの周囲に配置される。

圧縮機１０は、回転する前述の圧縮機ロータ１１と、この圧縮機ロータ１１を回転可能に覆う圧縮機ケーシング１２と、有している。

タービン２０は、回転する前述のタービンロータ２１と、このタービンロータ２１を回転可能に覆うタービンケーシング２２と、を有している。このタービンロータ２１は、圧縮機ロータ１１の延長線上に位置に、圧縮機ロータ１１に接続されている。また、この圧縮機ロータ１１は、発電機ロータ５１に接続されている。よって、発電機ロータ５１が回転すると、圧縮機ロータ１１及びタービンロータ２１も回転する。

タービン２０の排気側には、タービン２０から排気された高温の圧縮空気である排気空気を利用して、圧縮機１０からの圧縮空気を加熱する再熱器２５が設けられている。さらに、この再熱器２５には、圧縮空気を加熱した後の排気空気を排気する排気ダクト２８が設けられている。

起動装置６０は、起動時に、発電機ロータ５１、圧縮機ロータ１１及びタービンロータ２１を回転させる電動機６１と、入力軸６５から出力軸６６に伝わるトルクの比率を変えるトルクコンバータ（トルク比変換機構）６４と、を備えている。トルクコンバータ６４は、内蔵されているガイドベーン（不図示）の開度を変えることで、入力軸６５から出力軸６６に伝わるトルクの比率を変えることができる。トルクコンバータ６４の入力軸６５は、電動機６１の出力軸６２に接続され、トルクコンバータ６４の出力軸６６は、発電機ロータ５１に接続されている。発電機ロータ５１は、前述したように、圧縮機ロータ１１に接続されており、この圧縮機ロータ１１は、タービンロータ２１に接続されている。このため、トルクコンバータ６４の出力軸６６は、発電機ロータ５１を介して圧縮機ロータ１１に接続されていると共に、タービンロータ２１にも接続されている。

発電機５０は、発電機遮断器５５を介して電力系統Ｓと電気的に接続されている。また、電動機６１は、起動装置遮断器５６を介して電力系統Ｓと電気的に接続されている。

圧縮機１０の吐出口１３と再熱器２５の圧縮空気入口２６とは圧縮空気配管７１で接続されている。再熱器２５の圧縮空気出口２７と受熱器３０の下部ヘッダ配管３２とは再熱空気配管７２で接続されている。受熱器３０の上部ヘッダ配管３３とタービン２０の吸気口２３とは加熱空気配管７３で接続されている。圧縮空気配管７１と排気ダクト２８とはタービンバイパス配管７４で接続されている。このタービンバイパス配管７４には、ここを通る圧縮空気の流量を調節するタービンバイパス弁７５が設けられている。なお、本実施形態では、タービンバイパス配管７４とタービンバイパス弁７５でバイパス手段を構成している。これらタービンバイパス配管７４及びタービンバイパス弁７５により、タービン２０のトリップ時等、緊急停止を必要とするとき、高温の作動媒体のタービン２０への流入が制限され、安全にタービン停止を図ることが可能となる。

加熱空気配管７３には、受熱器３０で加熱された圧縮空気の温度を測定する受熱器出口温度計３８が設けられている。また、受熱器３０の受熱管３４には、この受熱管３４の温度を測定する受熱管温度計３９が設けられている。発電機ロータ５１と圧縮機ロータ１１とタービンロータ２１とのうち、いずれかには、これらの回転数であるロータ回転数を測定する回転数計１９が設けられている。これら受熱器出口温度計３８、受熱管温度計３９、及び回転数計１９で測定された値は、いずれも、制御装置８０に送られる。

制御装置８０は、機能的に、起動時にトルクコンバータ６４にトルク比指令を出力するトルクコンバータ制御部８２と、各遮断器５５，５６に開閉指令を出力する遮断器制御部８３と、複数のヘリオスタット４０毎に受熱器３０への太陽光の照射オン又はオフ指令を出力するヘリオスタット制御部８４と、タービンバイパス弁７５に弁開度指令を出力するバイパス弁制御部８５と、外部から各種データを受け付けて、以上の各制御部８２〜８５を制御する統合制御部８１と、を有している。

なお、制御装置８０は、コンピュータであり、各種演算を実行するＣＰＵと、ＣＰＵのワークエリアとなるメモリと、ＣＰＵが実行するプログラムや各種データが記憶されている外部記憶装置と、各種データの入出力インタフェースとを備えている。制御装置８０の上記機能構成は、いずれも、外部記憶装置に記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することで機能する。

次に、図２に示すタイミングチャートに従って、太陽熱発電設備の起動時の動作について説明する。

この太陽熱発電設備では、朝、太陽が昇り始めると、制御装置８０のヘリオスタット制御部８４が複数のヘリオスタット４０に対して、照射オン指令を出力する（ｔ０）。この照射オン指令を受けたヘリオスタット４０の駆動制御器４２は、反射鏡４１で反射した太陽光が受熱器３０に向うよう、反射鏡４１の向きを調節する。

受熱器３０の受熱部３１に太陽光が照射されると、受熱部３１と共に受熱部３１内の空気が加熱され、これらの温度が次第に上昇する。

制御装置８０の遮断器制御部８３は、受熱器出口温度計３８又は受熱管温度計３９で測定された温度が予め定められた温度（例えば、200〜300℃）になると（ｔ１）、統合制御部８１からの指示で、起動装置遮断器５６に対して閉指令を出力する。この結果、電動機６１に系統電力が供給され始め、電動機６１が駆動し始める。また、制御装置８０のトルクコンバータ制御部８２は、これと同時に、統合制御部８１からの指示で、トルクコンバータ６４に対して起動指令を出力する。

トルクコンバータ制御部８２は、例えば、予め定められているトルク比パターンで示されている目標トルク比に関する指令をトルクコンバータ６４に出力する。具体的に、トルク比パターンは、電動機６１の起動開始時からロータ回転数の単位時間当たり増加率が所定の増加率になるようよう、電動機６１の起動開始時からの時刻毎における目標トルク比を定めたものである。トルクコンバータ制御部８２は、このトルク比パターンに従って、その時刻における目標トルク比が得られるよう、トルクコンバータ６４のガイドベーンの開度をトルク比指令として、このガイドベーンに出力する。なお、ここでは、ガイドベーンの開度が大きくなるに伴い、入力トルクに対する出力トルクの大きさが大きくなる。したがって、ここでは、ガイドベーンの開度が時間経過に伴って次第に大きくなる。この結果、トルクコンバータ６４の入力軸６５から出力軸６６に伝わるトルクが時間経過に伴って次第に増加して、発電機ロータ５１の回転数、圧縮機１０及びタービン２０のロータ回転数が時間経過に伴って次第に増加する。

圧縮機ロータ１１が回転し始めると、空気を吸引して圧縮空気を生成し、これを圧縮機ケーシング１２の吐出口１３から吐出する。この圧縮空気は、圧縮空気配管７１、再熱器２５、再熱空気配管７２を経て、受熱器３０の受熱部３１に送られ、ここで加熱される。受熱器３０で加熱された圧縮空気は、加熱空気配管７３を経て、タービン２０に送られ、タービンロータ２１を回転させる。タービンロータ２１を回転させた圧縮空気は排気空気として、再熱器２５を経て、排気ダクト２８から大気に排気される。この過程で、再熱器２５において、排気空気と圧縮空気配管７１を通ってきた圧縮空気との熱交換により、この圧縮空気が加熱される。

ここで、ロータ回転数が予め定められた回転数Ｎａ（例えば、定格回転数Ｎｄの20〜40％の回転数）になると（ｔ２）、トルクコンバータ制御部８２によるトルクコンバータ６４のトルク比制御を一時中止してトルク比を固定し、受熱器出口温度計３８又は受熱管温度計３９で測定された温度が予め定められた温度（例えば、500〜700℃）になるまで待ってもよい。そして、受熱器出口温度計３８又は受熱管温度計３９で測定された温度が予め定められた温度なると（ｔ３）、再び、トルクコンバータ制御部８２によるトルクコンバータ６４のトルク比制御を実行するようにしてもよい。この方法により、タービン起動に必要なトルクを小さく一定にすることが可能である。

太陽光の光量は、太陽が昇るにつれて増加するため、受熱器３０に太陽光を照射するヘリオスタット４０の台数が一定であっても、受熱器３０の受熱部３１が受ける光量、言い換えると熱量は増加する。このため、受熱部３１に送られてきた圧縮空気に対する単位時間当たりの加熱量も増加し、圧縮空気でタービンロータ２１を回転させる回転トルクが増加する。一方、電動機６１でタービンロータ２１を回転させる回転トルクは相対的に減少する。

ロータ回転数が次第に増加して、回転数計１９で測定されたロータ回転数が予め定められた回転数Ｎｂ（例えば、定格回転数Ｎｄの40〜60％の回転数）以上になると（ｔ４）、制御装置８０のバイパス弁制御部８５は、統合制御部８１からの指示で、タービンバイパス弁７５に弁開度指令を出力する。この結果、タービンバイパス弁７５は、開いて指示された弁開度になる。前述したように、時間経過に伴って受熱器３０での圧縮空気への加熱量が増加し、この圧縮空気でタービンロータ２１を回転させる力が増加するため、タービンバイパス弁７５を開けて、タービン２０に送られる加熱された圧縮空気の流量が減す。

この際、バイパス弁制御部８５は、回転数計１９で測定されたロータ回転数が予め定められた回転数パターンに近づくように、タービンバイパス弁７５の弁開度を定める。具体的に、回転数パターンは、電動機６１の起動開始時からタービンロータ２１が定格回転数Ｎｄになるまで、ロータ回転数の単位時間当たり増加率が所定の増加率になるよう、電動機６１の起動開始時からの時刻毎におけるロータ回転数を定めたものである。なお、この回転数パターンは、一端、定格回転数Ｎｄになると、その後、この定格回転数Ｎｄで一定である。バイパス弁制御部８５は、例えば、回転数計１９で測定されたロータ回転数と、回転数パターンが定めるそのときの目標回転数との偏差に応じて、タービンバイパス弁７５の弁開度を定める。タービンバイパス弁７５が開き、タービン２０に送られる加熱された圧縮空気の流量が変化すると、タービンロータ２１を回転させる回転トルクが変化して、ロータ回転数が変わる。すなわち、ここでは、タービンバイパス弁７５の弁開度を調節して、タービンロータ２１を回転させる回転トルクを制御することで、ロータ回転数を制御している。

ところで、タービンロータ２１を回転させる回転トルクは、受熱器３０に太陽光を照射するヘリオスタット４０の台数を変更する方法でも制御可能である。しかしながら、前述したように、この方法では、太陽光の強さが常時天候に左右され、受熱器３０に太陽光を照射するヘリオスタット４０の台数変更では、起動時における回転トルクの制御が極めて難しいことが予想される。また、この方法では、受熱器３０の熱容量が大きいため、受熱器３０に太陽光を照射するヘリオスタット４０の台数を変えても、受熱器３０に太陽光を照射するヘリオスタット４０の台数変化が回転トルクの変化に反映されるまでに数分かかってしまい、起動時における微妙な回転トルクの制御にあまりむかないと考えられる。

一方、タービンバイパス弁７５の弁開度を調節して、回転トルクを制御する方法では、タービン２０へ送る圧縮空気の流量を変えることになるため、天候の影響が小さい。さらに、この方法では、タービンバイパス弁７５の弁開度の変化がタービンロータ２１の回転トルクの変化に反映されるまでの時間が極めて短い。このため、タービンバイパス弁７５の弁開度を調節することで、起動時にタービンロータ２１の回転トルクを好適に制御することができる。

タービンバイパス弁７５が開いた後のトルク比パターンは、例えば、次第に小さくなり、回転数パターンが定格回転数Ｎｄになる時刻で０になる、つまり、電動機６１から発電機ロータ５１に伝えられるトルクが０になる。このため、トルクコンバータ６４のトルク比は、このトルク比パターンに従って変化し、ロータ回転数がほぼ定格回転数Ｎｄになると（ｔ５）、０になる。トルクコンバータ６４のトルク比が０になると、遮断器制御部８３が起動装置遮断器５６に対して開指令を出力し、電力系統Ｓから電動機６１への電力供給を断たせて電動機６１を停止させる。

タービンロータ２１を回転させるトルク成分のうち、加熱された圧縮空気によってタービンロータ２１を回転させるトルク成分は、時間経過に伴って、電動機６１によってタービンロータ２１を回転させるトルク成分に対して相対的に大きくなる。このため、ロータ回転数の制御は、時間経過に伴い、タービンバイパス弁７５の弁開度による制御が支配的になってくる。そして、電動機６１が停止した以降（ｔ５）、つまり、圧縮機ロータ１１及びタービンロータ２１が電動機６１の補助なして、定格回転数Ｎｄを維持できるようになると、ロータ回転数は、基本的にタービンバイパス弁７５の弁開度で制御される。

なお、トルク比パターン及び回転数パターンは、時間経過に伴うトルク比や回転数の変化が基本的に固定的であるが、太陽光が長時間にわたって雲に遮られ、受熱器出口温度計３８等で測定された温度が下限温度を下回るような場合には、例えば、受熱器出口温度計３８等で測定された温度が下限温度を下回ってから再び下限温度以上になるまで、各パターンのタイムスケジュールは停止する。

ロータ回転数がほぼ定格回転数Ｎｄになってから（ｔ５）、所定時間経過すると（ｔ６）、統合制御部８１からの指示で、遮断器制御部８３が発電機遮断器５５に対して閉指令を出力し、電力系統Ｓと発電機５０とを電気的に接続する、つまり発電機５０は電力系統Ｓに併入される。これと同時には、バイパス弁制御部８５は、統合制御部８１から指示で、タービンバイパス弁７５に対して弁開度０、つまり全閉の指令を与える。

発電機５０が電力系統Ｓに併入されると、発電機５０に急激に負荷がかかり、発電機ロータ５１やタービンロータ２１の回転数は急激に低下しようとする。そこで、ここでは、発電機５０の併入と同時に、タービンバイパス弁７５を瞬間的に全閉にして、圧縮機１０から送り出された圧縮空気のうちで、タービン２０に送られずに、タービンバイパス配管７４を経て排気ダクト２８から排気していた圧縮空気をタービン２０に送り、発電機ロータ５１やタービンロータ２１の回転数が定格回転数Ｎｄを維持するようにしている。

以降、タービン２０は、基本的に、受熱器３０に太陽光を照射するヘリオスタット４０の台数調節で制御される。なお、このヘリオスタット４０の台数調節は、ヘリオスタット制御部８４が実行する。但し、例えば、電力系統Ｓの負荷が急激に変化した場合や、受熱器出口温度計３８や受熱管温度計３９で測定された温度がそれぞれの上限値を超えた場合には、タービンバイパス弁７５等の弁開度を調節して、これらの場合に対応する。

なお、本実施形態において、電動機６１が駆動している期間、つまり電動機６１で圧縮機ロータ１１及びタービンロータ２１の回転を補助している期間（ｔ１〜ｔ５）が、本実施形態の太陽熱発電設備における昇速工程である。また、本実施形態において、タービンバイパス弁７５が開き始めてから全閉になるまでの期間（ｔ４〜ｔ６）が、本実施形態の太陽熱発電設備における併入過程制御工程である。

以上のように、本実施形態では、起動時におけるタービンロータ２１の回転トルクを好適に制御することができ、結果として起動時におけるロータ回転数を好適に制御することができる。

「第一変形例」
次に、以上で説明した太陽熱発電設備の一実施形態の第一変形例について、図３を用いて説明する。

以上で説明した実施形態では、タービンバイパス弁７５の弁開度で起動時におけるタービンロータ２１の回転トルクを制御するが、以下で説明する変形例では、他の弁の弁開度で起動時における回転トルクを制御する。

例えば、圧縮空気配管７１と加熱空気配管７３とを接続する受熱器バイパス配管７６を設けると共に、この受熱器バイパス配管７６に受熱器バイパス弁７７を設ける。そして、この受熱器バイパス弁７７の弁開度をタービンバイパス弁７５の弁開度と同様に調節して、タービンロータ２１の回転トルクを制御することで、起動時におけるロータ回転数を制御するようにしてもよい。

また、再熱空気配管７２に、ここを通る圧縮空気を大気に放出する放風配管７８を設けると共に、ここに放風弁７９を設ける。そして、この放風弁７９の開度をタービンバイパス弁７５の弁開度と同様に調節して、タービンロータ２１の回転トルクを制御するようにしてもよい。

以上のように、圧縮機１０からの圧縮空気の一部をタービン２０又は受熱器３０に対してバイパスさせる手段を設け、この手段により、バイパスさせる圧縮空気の流量を調節させて、起動におけるタービンロータ２１の回転トルクを制御するものであれば、如何なる方法でも、起動時におけるタービンロータ２１の回転トルクを好適に制御することができる。

但し、受熱器３０で加熱された後の圧縮空気の一部をタービン２０に対してバイパスさせる場合には、この圧縮空気の温度が極めて高いため、バイパスさせる圧縮空気の流量を調節する弁が非常に高価になる。例えば、加熱空気配管７３と排気ダクト２８とを接続するタービンバイパス配管を設けると共に、このタービンバイパス配管にタービンバイパス弁を設ける場合には、このタービンバイパス弁が非常に高価になる。このため、受熱器３０で加熱された後の圧縮空気の一部をタービン２０に対してバイパスさせる方法は避けることが好ましい。

また、タービン２０又は受熱器３０に対してバイパスさせる手段は、１つである必要はなく、複数であってもよく、この場合、複数の手段を併用して、起動時におけるタービンロータ２１の回転トルクを制御してもよい。

「第二変形例」
次に、以上で説明した太陽熱発電設備の一実施形態の第二変形例について、図４及び図５を用いて説明する。

本変形例は、上記実施形態における起動装置６０を変更したものである。

本変形例の起動装置６０ａは、図４に示すように、電動機としても機能する発電機５０ａと、この発電機５０ａの回転数を制御するインバータ（回転数変換機構）６９と、を備えている。

電動機としても機能する発電機５０ａは、上記実施形態と同様、発電機遮断器５５を介して電力系統Ｓと電気的に接続されている。この発電機５０ａは、さらに、出力側遮断器５７を介してインバータ６９と電気的に接続されている。このインバータ６９は、入力側遮断器５８を介して電力系統Ｓと電気的に接続されている。

このように、本変形例の起動装置６０ａは、上記実施形態におけるトルクコンバータ６４の替わりに、発電機５０ａの回転数を制御するインバータ６９を備えているため、本変形例の制御装置８０ａは、上記実施形態におけるトルクコンバータ制御部８２の替わりに、インバータ制御部８６を備えている。

次に、図５に示すタイミングチャートに従って、本変形例における太陽熱発電設備の起動時の動作について説明する。

本変形例では、ヘリオスタット制御部８４が複数のヘリオスタット４０に対して、照射オン指令を出力し（ｔ０）、受熱器出口温度計３８又は受熱管温度計３９で測定された温度が予め定められた温度（例えば、200〜300℃）になると（ｔ１）、統合制御部８１からの指示で、遮断器制御部８３が入力側遮断器５８及び出力側遮断器５７に対して閉指令を出力する。この結果、インバータ６９を介して発電機５０ａに系統電力が供給され始め、発電機５０ａが電動機として駆動し始める。また、インバータ制御部８６は、これと同時に、例えば、インバータ６９の制御を開始する。

インバータ制御部８６は、例えば、電動機としての発電機５０ａが予め定められている回転数パターンで示されている目標ロータ回転数になるよう、この目標回転数又はこれに対応する値を含む制御指令をインバータ６９に出力する。具体的に、回転数パターンは、電動機としての発電機５０ａの起動開始時からロータ回転数の単位時間当たり増加率が所定の増加率になるようよう、この発電機５０ａの起動開始時からの時刻毎における目標ロータ回転数を定めたものである。この結果、発電機ロータ５１、圧縮機ロータ１１及びタービンロータ２１の回転数であるロータ回転数が時間経過に伴って次第に増加する。なお、インバータ６９の出力電力は、図５に示すように、タービン２０回転数の増加に伴って増加する。

ここで、ロータ回転数が予め定められた回転数Ｎａ（例えば、定格回転数Ｎｄの20〜40％の回転数）になると（ｔ２）、上記実施形態と同様、インバータ制御部８６によるインバータ制御を一時中止してロータ回転数を固定し、受熱器出口温度計３８又は受熱管温度計３９で測定された温度が予め定められた温度（例えば、50〜700℃）になるまで待ってもよい。そして、受熱器出口温度計３８又は受熱管温度計３９で測定された温度が予め定められた温度なると（ｔ３）、再び、インバータ制御部８６によるインバータ制御を実行するようにしてもよい。

ロータ回転数が次第に増加して、回転数計１９で測定されたロータ回転数が予め定められた回転数Ｎｂ（例えば、定格回転数Ｎｄの40〜60％の回転数）以上になると（ｔ４）、上記実施形態と同様、制御装置８０ａのバイパス弁制御部８５は、統合制御部８１からの指示で、タービンバイパス弁７５に弁開度指令を出力する。この結果、タービンバイパス弁７５は、開いて指示された弁開度になる。前述したように、時間経過に伴って受熱器３０での圧縮空気への加熱量が増加し、この圧縮空気でタービンロータ２１を回転させる力が増加するため、タービンバイパス弁７５を開けて、タービン２０に送られる加熱された圧縮空気の流量が減す。

この際、バイパス弁制御部８５は、例えば、タービンバイパス弁７５の弁開度が予め定められた弁開度パターンの示す目標弁開度になるよう、タービンバイパス弁７５の弁開度を定める。具体的に、弁開度パターンは、例えば、弁開度０から、所定弁開度までが単位時間当たりの弁開度の増加率が所定の増加率になり、以降、一定弁開度になっているものである。

前述したように、タービンロータ２１を回転させるトルク成分のうち、加熱された圧縮空気によってタービンロータ２１を回転させるトルク成分は、時間経過に伴って、発電機５０ａによってタービンロータ２１を回転させるトルク成分に対して相対的に大きくなる。このため、インバータ６９による発電機ロータ５１の回転数制御が実行されているものの、インバータ６９から発電機５０ａに送られる出力電力は、ある時点を境に減少傾向になる。

本変形例では、ロータ回転数が定格回転数Ｎｄになった以降（ｔ５）も、インバータ６９による発電機ロータ５１の回転数制御が継続される。これは、本変形例において、タービンバイパス弁７５の弁開度の調節が、上記実施形態のようにロータ回転数制御を目的とするものではないからである。

ロータ回転数が定格回転数Ｎｄになってから（ｔ５）、所定時間経過すると（ｔ６）、統合制御部８１からの指示で、遮断器制御部８３が入力側遮断器５８及び出力側遮断器５７に対して開指令を出力すると共に、発電機遮断器５５に対して閉指令を出力する。この結果、インバータ６９を介して発電機５０ａに系統電力が供給されなくなり、発電機５０ａは電動機として機能しなくなる。さらに、この際、電力系統Ｓと発電機５０ａとが電気的に接続される、つまり発電機５０ａは電力系統Ｓに併入され、発電機５０ａから電力系統Ｓに電力供給が開始される。

発電機５０ａが電力系統Ｓに併入されると、発電機５０ａに急激に負荷がかかり、発電機ロータ５１やタービンロータ２１の回転数は急激に低下しようとする。そこで、本変形例でも、発電機５０ａの併入と同時に、タービンバイパス弁７５を瞬間的に全閉にして、圧縮機１０から送り出された圧縮空気のうちで、タービン２０に送られずに、タービンバイパス配管７４を経て排気ダクト２８から排気していた圧縮空気をタービン２０に送り、発電機ロータ５１やタービンロータ２１の回転数が定格回転数Ｎｄを維持するようにしている。

以降、タービン２０は、上記実施形態と同様、基本的に、受熱器３０に太陽光を照射するヘリオスタット４０の台数調節で制御される。

以上のように、本変形例でも、起動時におけるタービンロータ２１の回転トルクを好適に制御することができる。

なお、本変形例においても、タービンバイパス弁７５の替わりに、第一変形例で例示したように、受熱器バイパス弁７７や放風弁７９を設け、これにより、起動時におけるタービンロータ２１の回転トルクを制御するようにしてもよい。

また、上記実施形態及び本変形例では、発電機５０，５０ａが電力系統Ｓに併入されると、タービンバイパス弁７５を瞬間的に全閉にしている。しかしながら、発電機５０，５０ａの併入時にタービンバイパス弁７５の弁開度が瞬間的に小さくなり、タービンバイパス配管７４を流れる圧縮空気の流量が瞬間的に減少するのであれば、全閉にしなくてもよい。

また、上記実施形態及び上記各変形例では、タービン２０の排気側に再熱器２５を設けているが、この再熱器２５は、太陽熱発電設備において必須のものではない。

１０：圧縮機、１１：圧縮機ロータ、２０：タービン、２１：タービンロータ、２５：再熱器、２８：排気ダクト、３０：受熱器、４０：ヘリオスタット、５０，５０ａ：発電機、６０，６０ａ：起動装置、６１：電動機、６４：トルクコンバータ、６９：インバータ、７１：圧縮空気配管、７２：再熱空気配管、７３：加熱空気配管、７４：タービンバイパス配管、７５：タービンバイパス弁、７６：受熱器バイパス配管、７７：受熱器バイパス弁、７８：放風配管、７９：放風弁、８０，８０ａ：制御装置、８１：統合制御部、８２：トルクコンバータ制御部、８３：遮断器制御部、８４：ヘイオスタット制御部、８５：バイパス弁制御部、８６：インバータ制御部

Claims (15)

1. 作動媒体を圧縮して圧縮媒体を生成する圧縮機と、
   太陽光を受けて前記圧縮媒体を加熱する受熱器と、
   前記受熱器で加熱された前記圧縮媒体でタービンロータが回転するタービンと、
   前記タービンロータの回転で発電する発電機と、
   起動時に前記タービンロータを回転させる起動装置と、
   前記圧縮機からの前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記タービン又は前記受熱器に対してバイパスさせるバイパス手段と、
   前記起動装置によるロータ回転数の昇速過程で該ロータ回転数が定格回転数になる以前から、前記バイパス手段により、前記圧縮媒体をバイパスさせておき、バイパスさせる該圧縮媒体の流量を調節させて、前記タービンロータの回転トルクを制御する制御装置と、
   を備えていることを特徴とする太陽熱発電設備。
2. 請求項１に記載の太陽熱発電設備において、
   前記制御装置は、前記ロータ回転数が前記定格回転数になった後であって、前記発電機が電力系統に接続される併入時に、前記バイパス手段によりバイパスさせる前記圧縮媒体の流量を瞬間的に減少させる、
   ことを特徴とする太陽熱発電設備。
3. 請求項２に記載の太陽熱発電設備において、
   前記制御装置は、前記併入時に、前記バイパス手段よりバイパスさせる前記圧縮媒体の流量を０にさせる、
   ことを特徴とする太陽熱発電設備。
4. 請求項２に記載の太陽熱発電設備において、
   前記バイパス手段は、バイパスさせる前記圧縮媒体の流量を調節するバイパス流量調節弁を有し、
   前記制御装置は、前記併入時に、前記バイパス流量調節弁の弁開度を全閉にする、
   ことを特徴とする太陽熱発電設備。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載の太陽熱発電設備において、
   前記制御装置は、前記併入直前まで、実際の前記ロータ回転数が予め定められている起動時のロータ回転数パターンに近づくように、前記バイパス手段により、バイパスさせる前記圧縮媒体の流量を調節させる、
   ことを特徴とする太陽熱発電設備。
6. 請求項５に記載の太陽熱発電設備において、
   前記制御装置は、前記併入時以前に前記起動装置による前記タービンロータの回転補助を停止させる、
   ことを特徴とする太陽熱発電設備。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の太陽熱発電設備において、
   前記起動装置は、起動時に前記タービンロータを回転させる電動機と、入力軸から出力軸に伝わるトルクの比率を変えるトルク比変換機構と、を有し、
   前記トルク比変換機構の前記入力軸は前記電動機の出力軸に接続され、該トルク比変換機構の前記出力軸は前記タービンロータに接続され、
   前記制御装置は、起動時に前記トルク比変換機構に対して、時間経過に応じた前記トルク比の目標値に対応した制御指令を出力して、前記起動装置から前記タービンロータに伝わる回転トルクを高めて前記ロータ回転数を昇速させる、
   ことを特徴とする太陽熱発電設備。
8. 請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽熱発電設備において、
   前記起動装置は、起動時に前記タービンロータを回転させる電動機として機能する前記発電機と、該発電機に供給する電力を制御することで該発電機の回転数を変える回転数変換機構と、を有し、
   前記制御装置は、起動時に前記回転数変換機構に対して、時間経過に応じた前記発電機の回転数の目標値に応じた制御指令を出力して、前記起動装置により前記ロータ回転数を昇速させる、
   ことを特徴とする太陽熱発電設備。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の太陽熱発電設備において、
   前記バイパス手段は、前記受熱器よりも上流側で前記圧縮媒体をバイパスさせる、
   ことを特徴とする太陽熱発電設備。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の太陽熱発電設備において、
    前記バイパス手段は、前記圧縮機で圧縮された前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記タービンよりも上流側から該タービンの排気側に導くタービンバイパス配管と、該タービンバイパス配管を流れる前記圧縮媒体の流量を調節するタービンバイパス弁と、を有し、
    前記制御装置は、前記タービンバイパス弁の弁開度を調節する、
    ことを特徴とする太陽熱発電設備。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の太陽熱発電設備において、
    前記バイパス手段は、前記圧縮機で圧縮された前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記受熱器よりも上流側から該受熱器よりも下流側であって前記タービンよりも上流側に導く受熱器バイパス配管と、該受熱器バイパス配管を流れる前記圧縮媒体の流量を調節する受熱器バイパス弁と、を有し、
    前記制御装置は、前記受熱器バイパス弁の弁開度を調節する、
    ことを特徴とする太陽熱発電設備。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の太陽熱発電設備において、
    前記バイパス手段は、前記圧縮機で圧縮された前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記受熱器よりも上流側から大気に放出する放風配管と、該放風配管から大気に流出する前記圧縮媒体の流量を調節する放風弁と、を有し、
    前記制御装置は、前記放風弁の弁開度を調節する、
    ことを特徴とする太陽熱発電設備。
13. 作動媒体を圧縮して圧縮媒体を生成する圧縮機と、太陽光を受けて前記圧縮媒体を加熱する受熱器と、該受熱器で加熱された該圧縮媒体でタービンロータが回転するタービンと、該タービンロータの回転で発電する発電機と、起動時に前記タービンロータを回転させる起動装置と、を備えている太陽熱発電設備の起動方法において、
    前記起動装置で前記タービンロータの回転数を昇速させる昇速工程と、
    前記昇速工程中であって、前記タービンロータの回転数が定格回転数になる以前から、前記圧縮機からの前記圧縮媒体の少なくとも一部を前記タービン又は前記受熱器に対してバイパスさせておき、バイパスさせる該圧縮媒体の流量を調節して、前記発電機が電力系統に接続される併入時迄の前記タービンロータの回転トルクを制御する併入過程制御工程と、
    を実行することを特徴とする太陽熱発電設備の起動方法。
14. 請求項１３に記載の太陽熱発電設備の起動方法において、
    前記併入過程制御工程では、前記併入時に、バイパスさせる前記圧縮媒体の流量を瞬間的に減少させる、
    ことを特徴とする太陽熱発電設備の起動方法。
15. 請求項１４に記載の太陽熱発電設備の起動方法において、
    前記併入過程制御工程では、前記併入時に、バイパスさせる前記圧縮媒体の流量を０にさせる、
    ことを特徴とする太陽熱発電設備の起動方法。

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