JP2014001641A - 太陽熱ガスタービン発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱発電において、タービンサイクルの熱効率を向上させるとともに、蓄熱の経済性を向上させることを課題とする。
【解決手段】本発明の太陽熱ガスタービン発電システム１００では、特に、クローズドサイクルガスタービンシステム１０１を採用したことと、集熱部構造をモジュール化し表面の放射率の値を調整することにより放射熱損失を低減したこと、潜熱蓄熱材としてアルミニウムを使用したことにより、太陽熱発電において、タービンサイクルの熱効率を向上させるとともに、蓄熱の経済性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱（太陽光によって発生する熱）によってガスを加熱してタービンを動かすことで発電する技術に関する。

近年、太陽熱発電が重要視されている。理由としては、例えば、化石燃料の枯渇問題や、地球温暖化対策（温室効果ガスの削減）などが挙げられる。つまり、太陽の光エネルギーは、枯渇の心配がなく、クリーンで地球温暖化対策になり、しかも、莫大であるので、他のエネルギーの代替エネルギーとして期待されている。

従来の太陽熱発電の技術としては、例えば、へリオスタット方式の太陽熱タービン発電システムがある。図１７に示すように、へリオスタット方式の太陽熱タービン発電システム１０は、例えば、太陽Ｓによる光（太陽光）を反射するヘリオスタット１、太陽光を集める集光タワー２、集められた太陽光による熱を溶融塩に伝える集熱用加熱管３、その熱せられた溶融塩を高温溶融塩貯蔵タンク５ａ、低温溶融塩貯蔵タンク５ｂに移動させるための溶融塩循環用配管４、蒸気タービンシステム１１を備えている。蒸気タービンシステム１１は、溶融塩を収容する高温溶融塩貯蔵タンク５ａ、低温溶融塩貯蔵タンク５ｂ、溶融塩の熱で蒸気を発生させる蒸気発生器６、蒸気によって動く蒸気タービン７、蒸気タービン７の動きによって発電する発電機８等を備えている。これについては、スペイン、米国等で商業発電プラントが運転されている。一方、集光タワー２の位置に凹面鏡１２を設置して、太陽光を地上に設置され溶融塩冷却流路１４を周囲に有する集光部１３に集める図１８に示すビームダウン方式の太陽熱タービン発電システム１０ａも、パイロットプラント規模であるが開発されつつある。

ここで、溶融塩は熱を移動、循環させると同時に顕熱（相変化なしで温度変化のためだけに費やされる熱）蓄熱を行う働きをしている。太陽光は夜間や雨天、曇天の際には利用できないので、蓄熱は必須の条件である。このために用いられる流体に望ましい特性は、常温から５５０℃程度の高温まで相変化が無く安定であること、安価であること、比熱が大きいこと、熱伝導率が良好なことが挙げられる。しかし、これらの条件を完全に満たす流体は存在しない。

例えば、溶融塩として用いられる硝酸ナトリウムと硝酸カリウムの混合物は、融点は２２０℃、比熱は１．５６ｋＪ／ｋｇ・Ｋ、熱伝導率は０．４８〜０．３０Ｗ／ｍ・Ｋであり、相変化はあるものの安定で毒性が無く安価であることから近年多く採用されている。しかし、常温では固体であるために長い配管を常に融点以上の温度に保たなければならないことや、顕熱蓄熱であるからタンクの寸法が巨大になることなどの短所がある。更に、硝酸ナトリウムと硝酸カリウムの分解温度がそれぞれ３８０℃、４００℃であることから、５６５℃まで安定であるという見解もあるが、より高温（例えば６５０℃）における使用は無理と考えられる。

太陽熱発電システムの経済性を向上させるには熱効率の向上が必要である。太陽熱発電の場合、化石燃料と異なり燃料費はかからないが、熱効率が上昇すれば、同一発電量に対して設備容量が低減されることになるので経済性が向上する。熱効率は、入射する太陽熱が蓄熱材またはタービン流体に有効に利用される割合（太陽熱利用率）と、タービン流体に伝えられた熱エネルギーがタービンの機械的エネルギーに変換される割合（サイクル熱効率）の積である。サイクル熱効率を向上させるにはタービン温度を上げればよい。

しかし、加熱管表面の温度が高くなると放射熱損失や対流熱損失（以下、合わせて「放射・対流熱損失」とも称する。）が増加し、特に放射熱損失が急激に増加する問題がある。放射熱損失の量は絶対温度の４乗に比例するので、太陽熱発電システムにおいて、集熱容器構造等に放射熱損失を低減する工夫を加えずに溶融塩温度を上げれば、詳細な計算式等は省略するが、溶融塩温度が５５０℃までは熱効率が向上するものの、それ以上の温度ではかえって熱効率が低下してしまうことが分かっている。

更に、蒸気タービンの熱効率は４０％程度が上限であるために、たとえ高温化が達成されたとしても、一層の熱効率向上は望めない状況にある。また、蒸気タービンをクローズドサイクルガスタービンに変えればタービンサイクルの熱効率を向上させることは可能であるが、放射熱損失が急増する問題は解決しない。

また、ガスタービンを利用する太陽熱発電の技術として、超臨界二酸化炭素タービンシステム、および、溶融塩熱伝達流体を用いた太陽熱加熱システム、を備える発電システムがある（特許文献１参照）。

特開２０１１−１７４４９号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、単に既存の溶融塩太陽熱発電システムの蒸気タービンを既知の超臨界ＣＯ_２タービンに置換することで熱効率を向上させ得るとしたもので、超臨界ＣＯ_２タービンを適用するために不可欠な高温化に伴う放射熱損失増加の問題解決に触れていない。また、更に熱伝達流体として溶融塩を用いているので、前記したように、許容温度が高々６００℃であること、常温では固体であるために長い配管を常に融点以上の温度に保たなければならないことや、顕熱蓄熱であるからタンクの寸法が巨大になること等の短所がある。

そこで、本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものであり、太陽熱発電において、発電システムの熱効率を向上させるとともに、蓄熱の経済性を向上させることを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の太陽熱ガスタービン発電システムは、太陽光を反射する複数のヘリオスタットと、前記複数のヘリオスタットによって反射された太陽光を受けて加熱される表面の放射率の値を太陽熱吸収量がモジュール全体で略均等になるように調整された集熱部モジュールを複数有するモジュール型集熱部と、前記モジュール型集熱部の内部に保持され、潜熱蓄熱材として使用されるアルミニウムと、前記アルミニウムと接触しており、内部に収容するガスに前記アルミニウムの熱を伝える伝熱管と、前記ガスによってタービンを動かして発電するクローズドサイクルガスタービンシステムと、を備えることを特徴とする。
その他の手段については後記する。

本発明によれば、太陽熱発電において、発電システムの熱効率を向上させるとともに、蓄熱の経済性を向上させることができる。

本実施形態のタワートップ方式の太陽熱ガスタービン発電システムの全体構成図である。 各タービンサイクルの熱効率を示す図である。 本実施形態の集熱部の内部の構造を示す図である。 本実施形態の集熱部の構造の一部を示す図である。 本実施形態の集熱部の他の構造の一部を示す図である。 本実施形態について、タワートップ方式とビームダウン方式の場合の太陽熱利用率を示す図である。 本実施形態のビームダウン方式の太陽熱ガスタービン発電システムの全体構成図である。 実施例１のエネルギー収支を示す図である。 実施例１および実施例２のガスタービン系統の熱収支を示す図である。 実施例２のエネルギー収支を示す図である。 実施例３のエネルギー収支を示す図である。 実施例３のガスタービン系統の熱収支を示す図である。 クローズドサイクルのガスタービン系統を示す図である。 オープンサイクルのガスタービン系統を示す図である。 クローズドサイクルのガスタービン系統について、（ａ）はｉ-ｓ線図であり、（ｂ）はＴ-ｓ線図である。 オープンサイクルのガスタービン系統について、（ａ）はｉ-ｓ線図であり、（ｂ）はＴ-ｓ線図である。 従来のへリオスタット方式の太陽熱タービン発電システム（タワートップ方式）の全体構成図である。 従来のへリオスタット方式の太陽熱タービン発電システム（ビームダウン方式）の全体構成図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態と称する。）について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、説明や符号付与の都合上、同じ構成について別の符号を付したり、符号を省略したりしている場合があり、また、重複する説明は適宜省略する。

図１に示すように、本実施形態のタワートップ方式の太陽熱ガスタービン発電システム１００は、太陽Ｓによる光（太陽光）を反射する複数のヘリオスタット１と、太陽光を集める集光タワー２と、加熱されたガス（本実施形態ではＣＯ_２（二酸化炭素））によってタービン２３を動かして発電するクローズドサイクルガスタービンシステム１０１と、を備えて構成される。

集光タワー２は、複数のヘリオスタット１によって反射された太陽光を受けて加熱される集熱部２１（モジュール型集熱部）と、集熱部２１の内部に保持され、潜熱（融解熱、気化熱など、相変化のためだけに費やされる熱）蓄熱材として使用される金属のアルミニウム３５（図３参照）と、アルミニウム３５（図３参照）と接触しており、内部に収容するＣＯ_２にアルミニウム３５（図３参照）の熱を伝えるＣＯ_２伝熱管２２と、を備える。なお、アルミニウム３５は、潜熱蓄熱材としてだけでなく、顕熱蓄熱材としても機能する。

クローズドサイクルガスタービンシステム１０１は、加熱されたＣＯ_２の力で動くタービン２３と、タービン２３の動きによって発電する発電機８と、タービン２３から受け入れたＣＯ_２を循環させるとともに熱交換を行う再生熱交換器２４と、ＣＯ_２を適正温度まで冷却する冷却器２５と、タービン２３の動力の一部で動き、冷却器２５から受け入れたＣＯ_２を圧縮して再生熱交換器２４に送る圧縮機２６と、を備えている。

ここで、太陽熱ガスタービン発電システム１００の特徴は、従来技術では蒸気タービン発電であったところをクローズドサイクルガスタービン発電にしたところ、および、従来技術では溶融塩による顕熱蓄熱をしていたところをアルミニウムによる潜熱蓄熱にしたところである。

なお、高温化に伴いサイクル熱効率が向上するタービンサイクルを選定する必要がある。ガスタービンの作動媒体として、ＣＯ_２、蒸気、ヘリウムを用いた場合のサイクル熱効率を比較すると、図２に示すようにＣＯ_２ガスタービン（ＣＯ_２）が最も効率が良い。一方、ＣＯ_２ガスは、７００℃を超えると金属材料との反応の影響や高圧になることによる課題が考えられるため、７００℃以下が使用に適した温度範囲と考えられる。

そして、太陽熱利用では放射熱損失の急増を避けるために７００℃を超えるような高温での利用は可能性が薄いので、ＣＯ_２ガスタービンが最適と言える。図２を見れば、後述するように放射熱損失急増の問題を解決することにより、ガス温度を従来の蒸気タービンの５５０℃から６５０℃にまで高めたＣＯ_２ガスタービン発電を採用することにより、サイクル熱効率を蒸気タービン方式の約４０％から約４９％まで約９％向上して太陽熱利用率とサイクル熱効率の積で表されるトータルの熱効率も大幅に向上できることが分かる。

なお、図１において、クローズドサイクルガスタービンシステム１０１は、簡略記載されており、後記する実施例では、実際に実現するときの構成に近いもっと複雑な構成を例に挙げて説明する。

図３に示すように、集熱部２１は、ステンレス鋼からなり円柱形で軸方向に垂直な方向の断面視で円環部分が中空となっている容器である金属シェル３５ａ内に金属のアルミニウム３５が充填され、そのアルミニウム３５の内部にＣＯ_２の流れるＣＯ_２伝熱管３２の一部が配置されている。これにより、集熱部２１は、集熱機能と蓄熱機能を兼ね備える。図３では、集熱部２１は、３層の中空円柱で表示されているが、正確には円周方向にモジュールに分割され、モジュール間には隙間が設けられて、太陽光がモジュール奥まで到達し、かつモジュール側面の放射率を低くすることにより放射熱損失を低減する工夫が施されている（詳細は後記）。

集熱部２１は、太陽光３１により加熱される。また、ＣＯ_２伝熱管３２の集熱部２１内部分において、ＣＯ_２は、ＣＯ_２入口３３から流入し、ＣＯ_２出口３４から流出する。また、集熱部外径３６、集熱部内径３７および集熱部高さ３８は図示の部分の長さを示す。

太陽熱量を２０ＭＷとした場合、例えば、集熱部外径３６を８ｍ、集熱部内径３７を４ｍ、集熱部高さ３８を７ｍ程度にすればよい。また、集熱部２１内において、ＣＯ_２伝熱管３２の円周方向の配置間隔は等間隔とし、半径方向の配置は多数列とするのが好ましい。ＣＯ_２伝熱管３２を多数列とすることは流れ方向の伝熱面積を大きくし、熱流束を小さくすることにより、集熱部２１内のアルミニウム３５とＣＯ_２伝熱管３２との間の温度差を小さくする効果がある。

ＣＯ_２は、４７０℃程度の温度でＣＯ_２入口３３からＣＯ_２伝熱管３２の集熱部２１内部分に入り、太陽熱によって加熱されたアルミニウム３５によって６５０℃程度の温度となってＣＯ_２出口３４から出てクローズドサイクルガスタービンシステム１０１（図１参照）に送られる。

太陽熱は、集熱部２１の外表面である金属シェル３５ａから入り、アルミニウム３５に伝えられる。そして、加熱されたアルミニウム３５がＣＯ_２伝熱管３２内のＣＯ_２を加熱する。この際、早朝のアルミニウム３５の温度は融点（６６０℃）以下で固体であるが、晴れた日であれば太陽熱を十分に吸収するに従い溶融する。日暮れになり、太陽熱が供給されなくなると温度が下がるが、アルミニウム３５が多量の凝固熱を出して固体化するまで、温度は６６０℃に保たれる。即ち、夜間の蓄熱運転が可能となる。

一方、比較例について説明すると、既に実用化されているタワートップ方式の太陽熱発電システムでは、集熱部において、溶融塩などの流体は環状流路を流れ、太陽熱は金属シェルを通して流体に伝達される。このようにモジュール化されていない集熱部構造では外表面積が大きいために本実施形態のモジュール化された集熱部２１に比べて放射熱損失が大きい。

本実施形態の集熱部２１の説明に戻る。図４に示すように、タワートップ方式の集熱部２１は、例えば、図３のＡ方向に見た場合の円周方向に分割された集熱部モジュール５２（以下、単に「モジュール」と称する場合もある。）を複数備えて構成されるのが好ましい。ステンレス鋼であるモジュール側壁５６で囲まれた集熱部モジュール５２は、ＣＯ_２伝熱管５３とアルミニウム５４を含む。また、支持構造壁５５が、複数の集熱部モジュール５２を支持している。また、集熱部２１は、隣り合う集熱部モジュール５２同士の隙間に太陽光５１が入り込む構造となっている。

このようなモジュール構造とする第１の利点は、隣り合う集熱部モジュール５２同士の隙間に太陽光５１が入り込み、反射、散乱しつつ吸収され、一方、モジュール側壁５６から出る放射熱は低い放射率のため少ないことにより放射熱損失を減らせることである。また、第２の利点は、アルミニウム３５を支持する容器である金属シェル３５ａの肉厚を薄くできて熱抵抗を小さくできることである。

また、図５に示すように、ビームダウン方式の集熱部２１は、例えば、図４の場合と同様に円周方向に分割された集熱部モジュール６２を複数備えて構成されるのが好ましい。ステンレス鋼であるモジュール側壁６６で囲まれた集熱部モジュール６２は、ＣＯ_２伝熱管６３とアルミニウム６４を含む。また、支持構造壁６５が、複数の集熱部モジュール５２を支持している。また、集熱部２１は、隣り合う集熱部モジュール６２同士の隙間に太陽光６１が入り込む構造となっている。この場合には、モジュール先端部の放射率を小さく、奥に行くにしたがい大きい値になるように調整して、太陽熱吸収量がモジュール全体に均等になるようにすることが望ましい。そのような調整は、モジュールの表面の各所に所定の金属やセラミックス等によるコーティングを行うこと等によって実現できる。

次に、図７を参照して、ビームダウン方式の太陽熱ガスタービン発電システム１００ａ（１００）について説明する。ビームダウン方式の太陽熱ガスタービン発電システム１００ａは、太陽Ｓによる光（太陽光）を反射する複数のヘリオスタット９１と、ヘリオスタット９１からの太陽光９２を反射する凹面鏡９３と、凹面鏡９３からの太陽光によって加熱される集熱部９０と、ＣＯ_２によってタービンを動かして発電するクローズドサイクルガスタービンシステム１０１（図１と同様）と、を備えて構成される。

集熱部９０は、ＣＯ_２伝熱管９６とアルミニウム９９を含む集熱部モジュール９５を複数備えて構成され、また、空洞９４を有している。ＣＯ_２伝熱管９６で加熱されたＣＯ_２は、ＣＯ_２配管９８を経由してクローズドサイクルガスタービンシステム１０１に送られ、発電に利用される。

ビームダウン方式の場合には、太陽光９２は集熱部９０の頂部の開口部から空洞９４に入射し、そこで反射、散乱、吸収、放射が行われるが、集光、集熱に寄与する表面積に比べて放射・対流熱損失（符号９７）に寄与する開口部面積が小さいために光は空洞９４内に留まりなかなか外に出ていかず、タワートップ方式に比べると放射熱損失が小さくなる。それ故、集熱部表面の面積増加の影響が小さいため、図４、図５に示すようにモジュール全体に太陽光が均等に当たるようにするのがよい。全表面が高温になると放射熱が大量に発生するが、頂部を除き閉じた空間内部で放射と吸収が繰り返されるために（図７参照）、放射熱損失が少ないからである。

次に、図６によりタービン入口のガス温度と太陽熱利用率の関係について説明する。ここで、本発明ではタービン入口温度は集熱部出口流体温度そのものであるが、従来の溶融塩方式では、溶融塩からＣＯ_２に熱を伝えるために２０℃の温度差が必要であるとして計算を行った。図６に示すように、本実施形態の集熱部２１の構造（「Ａｌモジュール型ＣＯ_２冷却〜」）のほうが、それぞれ対応する比較例の従来技術の構造（「溶融塩冷却〜」）よりも、太陽熱利用率が高いことが分かる。

つまり、ガス温度を上げると集熱面からの放射損失が大きくなり太陽熱利用率が低減することになるために改善することが必要となり、タワートップ方式の従来方式の場合では、ガス温度（タービン入口温度）を５５０℃から６５０℃まで１００℃上げると太陽熱利用率が６４％から５３％まで１１％低下する。一方、本実施形態の場合では、ガス温度（タービン入口温度）が６５０℃において太陽熱利用率を６８％確保でき、高効率システムを実現できることが分かる。このように熱利用率を向上させることができたのは、モジュール側面の放射熱損失量を減らすことに成功したためである。

蓄熱に必要な設備に関して、例として１０ＭＷの熱量を１２時間供給するのに必要な容積を求めると次のようになる。
熱量＝１０×１０^３ｋＷ×１２ｈｒ×３６００ｓｅｃ／ｈｒ＝４３２×１０^６ｋＪ

＜溶融塩の場合（比較例）＞
１００℃の温度差を利用できるとすると比熱は１．５６ｋＪ／ｋｇ・Ｋであるから、
必要な溶融塩の重量＝（４３２×１０^６ｋＪ）／（１．５６ｋＪ／ｋｇ・Ｋ×１００Ｋ）
＝２．７７×１０^６ｋｇ
必要な溶融塩の体積＝（２．７７×１０^６ｋｇ）／（１７９０ｋｇ／ｍ^３）
＝１５４８ｍ^３
なお、溶融塩タンクは高温用と使用した溶融塩を夜間用に貯蔵するものと２基必要なので、実際にはもっと大容量となる。

＜アルミニウムの場合（本実施形態）＞
凝固熱は３９７ｋＪ／ｋｇであるから、
必要なアルミニウムの重量＝（４３２×１０^６ｋＪ）／（３９７ｋＪ／ｋｇ）
＝１．０９×１０^６ｋｇ
必要なアルミニウムの体積＝（１．０９×１０^６ｋｇ）／（２３７５ｋｇ／ｍ^３）
＝４５９ｍ^３

つまり、蓄熱容積で比較すると、アルミニウムの場合（本実施形態）は、溶融塩の場合（比較例）よりも１／３未満で済み、経済的であることが分かる。

次に、本実施形態の集熱部構造をタワートップ方式に適用した場合とビームダウン方式に適用した場合の太陽熱利用率について説明する。ここでは、集熱装置に同量の太陽光が集められたものとして計算する。図６に示すように、ビームダウン方式のほうがタワートップ方式よりも太陽熱利用率が高いことが分かる。実際には、ビームダウン方式では巨大な凹面鏡の設置が必要でコストアップ要因となるので総合的な経済性については未知な部分もあるが、タワートップ方式に比べると熱効率に関する限り、ビームダウン方式のほうが高温ガスタービンに適していると言える。

（実施例）
以下、タワートップ方式１例、ビームダウン方式１例、ビームダウン＋バイパス無しの通常のＣＯ_２ガスタービン方式１例の計３つの実施例について説明する。なお、集められる太陽エネルギーに関しては、直径６００ｍの円形の敷地の外周に沿って８ｍ×８ｍのヘリオスタットを３列に並べ、上空からの太陽光のエネルギー密度を０．８ｋＷ／ｍ^２と仮定して計算した。この場合、入射する太陽熱は２５６００ｋＷになる。タワートップ方式の場合には、モジュール外表面に入射する太陽熱の１−ε（εは放射率）が容器内に入るものとし、モジュール隙間に入射する太陽光は全て吸収されるものとした。ビームダウン方式の場合には、凹面鏡効率を８５％として、装置に集められる太陽光の８５％が集熱容器空洞内まで到達するものとした。

評価指標として、熱利用率、全ての熱をＣＯ_２加熱に利用する場合の発電の最大熱効率、一定割合（１５％）で夜間発電も行う場合の発電の熱効率を示す。これらの定義は下記の通りである。
・熱利用率＝（アルミニウムに伝達される熱量）／（集熱部に入射する熱量）×１００％
・発電の最大熱効率＝（最大発電量）／（アルミニウムに伝達される熱量）×１００％
・昼間発電の熱効率＝（昼間発電量）／（アルミニウムに伝達される熱量）×１００％

（実施例１（図１参照））
なお、図８にエネルギー収支を示し、図９にガスタービン系統の熱収支を示す。
１）集熱部
・集熱方式 タワートップ方式
・集熱部形状 円環外側加熱、モジュール形式
・集熱部寸法 外径８ｍ×内径４ｍ×高さ７ｍ×板厚３ｍｍ
・集熱部内部 アルミニウム（熱伝導率２３７Ｗ／ｍ・ｈｒ・Ｋ）
・集熱部モジュール壁 ステンレス鋼（熱伝導率１６．３Ｗ／ｍ・ｈｒ・Ｋ）
・ＣＯ_２伝熱管 外径３４ｍｍ×内径２２ｍｍ×９６００本（図４参照）
・大気温度 ４０℃
・放射率 ０．９
・大気への熱伝達率 １０Ｗ／ｍ^２・Ｋ

２）ＣＯ_２ガスタービンサイクル
・サイクル形式 中間冷却部分冷却（バイパス圧縮機）方式
・タービン入口温度 ６５０℃
・タービン入口圧力 ２０ＭＰａ
・前置冷却器出口温度 ３５℃
・タービン断熱効率 ９２％
・圧縮機断熱効率 ８８％
・再生熱交換器温度効率 ９１％（高温側と低温側の平均値）
・機器圧力損失（接続配管を含む）
ＣＯ_２伝熱管：１．２％、前置冷却器：１．０％、中間冷却器：０．８％
再生熱交換器高温側：０．４％、再生熱交換器低温側：１．２％
・サイクル熱効率 ４８．９１％
・伝熱管入口ガス温度 ４６８℃

３）エネルギー収支
・熱利用率＝（１７３４１ｋＷ）／（２５６００ｋＷ）×１００％
＝６７．７％
・最大発電量＝（１７３４１ｋＷ）×（４８．９１％）×（９８％）
＝８３１２ｋＷｅ
ここで、９８％は発電機効率
・最大発電時の発電熱効率＝（８３１２ｋＷｅ）／（２５６００ｋＷ）×１００％
＝３２．５％
・昼間発電量＝７０６０ｋＷｅ
・昼間発電時の発電熱効率＝（７０６０ｋＷｅ）／（２５６００ｋＷ）×１００％
＝２７．６％

（実施例２（図９参照））
図１０にエネルギー収支を示す。
１）集熱部
・集熱方式 ビームダウン方式
・集熱部形状 円環内側加熱、モジュール形式
・集熱部寸法 外径１０ｍ×内径８ｍ×高さ７ｍ×板厚３ｍｍ
・集熱部内部 アルミニウム（熱伝導率２３７Ｗ／ｍ・ｈｒ・Ｋ）
・集熱部モジュール壁 ステンレス鋼（熱伝導率１６．３Ｗ／ｍ・ｈｒ・Ｋ）
・ＣＯ_２伝熱管 外径３４ｍｍ×内径２２ｍｍ×１１４６０本
・大気温度 ４０℃
・放射率 ０．９
・大気への熱伝達率 ２０Ｗ／ｍ^２・Ｋ

２）ＣＯ_２ガスタービンサイクル
実施例１と同じ。
３）エネルギー収支
・熱利用率＝（２０６４９ｋＷ）／（２５６００ｋＷ）×１００％
＝８０．７％
・最大発電量＝（２０６４９ｋＷ）×（４８．９１％）×（９８％）
＝９８９７ｋＷｅ
・最大発電時の発電熱効率＝（９８９７ｋＷｅ）／（２５６００ｋＷ）×１００％
＝３８．７％
・昼間発電量＝８４１２ｋＷｅ
・昼間発電時の発電熱効率＝（８４１２ｋＷｅ）／（２５６００ｋＷ）×１００％
＝３２．９％

（実施例３）
図１１にエネルギー収支を示し、図１２にガスタービン系統の熱収支を示す。
１）集熱部
実施例２と同じ。

２）ＣＯ_２ガスタービンサイクル
・サイクル形式 中間冷却部分冷却ブレイトンサイクル方式
・タービン入口温度 ７００℃
・タービン入口圧力 ９ＭＰａ
・冷却器出口温度 ３５℃
・タービン断熱効率 ９２％
・圧縮機断熱効率 ８８％
・再生熱交換器温度効率 ９３％（高温側と低温側の平均値）
・機器圧力損失（接続配管を含む）
ＣＯ_２伝熱管：１．２％、冷却器：１．０％
再生熱交換器高温側：０．４％、再生熱交換器低温側：１．２％
・サイクル熱効率 ４５．８４％
・伝熱管入口ガス温度 ４６６℃

３）エネルギー収支
・熱利用率＝（２０６４９ｋＷ）／（２５６００ｋＷ）×１００％
＝８０．７％
・最大発電量＝（２０６４９ｋＷ）×（４５．８４％）×（９８％）
＝９２７６ｋＷｅ
・最大発電時の発電熱効率＝（９２７６ｋＷｅ）／（２５６００ｋＷ）×１００％
＝３６．２％
・昼間発電量＝７８８１ｋＷｅ
・昼間発電時の発電熱効率＝（７８８１ｋＷｅ）／（２５６００ｋＷ）×１００％
＝３０．８％

実施例１〜３によれば、従来技術の場合と比較して、発電熱効率が総じて高いと言える。例えば、最大発電時の発電熱効率について、従来技術の場合は２０％未満となるが、実施例１では３２．５％、実施例２では３８．７％、実施例３では３６．２％となっている。

（既存システムと本実施形態の太陽熱ガスタービン発電システム１００（以下、「本システム」とも称する。）との比較）
・既存システムでは蒸気タービン発電でサイクル熱効率が上限４０％程度であるのに対して、本システムでは４９％のサイクル熱効率を達成できる。
・既存システムでは、溶融塩が顕熱蓄熱であるため、蓄熱容積が巨大となり、放射熱損失が過大となるために集熱部と蓄熱漕を兼用することができない。
・集熱部と蓄熱漕を分離すると、これらを結ぶ溶融塩循環用配管が必要となり、全ての設備を常時融点である２２０℃以上に保たなければならず、少なからず運転上の制約となる。
・溶融塩の安定な使用限界は５５０℃程度（高々６００℃）であり、更に溶融塩からタービン流体に熱を伝えるために少なくとも２０℃の温度差を必要とするので、クローズドサイクルガスタービンは適用できない。
・アルミニウムの熱伝導率（２３７Ｗ／ｍ・Ｋ）は溶融塩の熱伝導率（０．４８〜０．３０Ｗ／ｍ・Ｋ）の５００倍と遥かに大きいので、伝熱設備の設計上、非常に有利である。
・本システムでは、蓄熱構造をモジュール形式とすることにより熱利用率を大幅に向上できる。
・以上の特性を考慮すると、本システムのビームダウン方式の場合、最大発電熱効率３６．２％（実施例３）という既存システムと比較して非常に高い値を達成できるので、発電コストの大幅な低減を期待できる。

（クローズドサイクルガスタービンとオープンサイクルガスタービンの比較）
既存の提案されているシステムで、オープンサイクルガスタービン（以下、単に「オープンサイクル」と称する場合もある。）を用いたものがある。オープンサイクルガスタービンは、冷却水を必要としないので、砂漠地帯に設置する場合等において、メリットがある。しかし、オープンサイクルガスタービンの熱効率はかなり低く、熱効率向上の目的にはそぐはない。したがって、本実施形態では、クローズドサイクルガスタービン（以下、単に「クローズドサイクル」と称する場合もある。）を用いている。つまり、クローズドサイクルガスタービンとオープンサイクルガスタービンとは、再生熱交換器を除き、タービン、圧縮機、加熱器、冷却器等の構成機器が同一であっても、特性的には全く別種のものである。以下、詳述する。

図１３にクローズドサイクル系統図を示し、図１４にオープンサイクル系統図を示す。各図には、分かり易いように、代表例として集熱部で２０ＭＷの太陽熱によりタービン入口温度が６５０℃に達する場合の温度、圧力、機器容量の値を付記した。

また、図１５は、クローズドサイクルのガスタービン系統について、（ａ）がｉ-ｓ線図であり、（ｂ）がＴ-ｓ線図である。また、図１６は、オープンサイクルのガスタービン系統について、（ａ）がｉ-ｓ線図であり、（ｂ）がＴ-ｓ線図である。各図において、サイクル内の各点を結ぶ線は本来曲線となるが、途中の値の計算を省略し、直線で結んで示してある。

図１３に示すクローズドサイクルガスタービンでは、ガス（この場合は空気）を圧縮機で圧縮して高圧（６．９ＭＰａ）にしてから太陽光加熱器（集熱部等）で高温（６５０℃）にした後、タービンで膨張させる。ここで、高温での膨張により発生する仕事量（１６．９ＭＷ）は低温での圧縮に必要な仕事量（８．５ＭＷ）よりも大きいので、その差の８．４ＭＷを発電に利用できるというのがこのサイクルの原理である。このために必要な機器は圧縮機、加熱器、タービンであって、これについては図１４のオープンサイクルガスタービンでも同様である。両者の違いは、タービンで膨張させたガスを再び系統に戻すか否かであるが、この違いにより次のような本質的な違いが生じる。

（１）オープンサイクルでは圧縮機入口ガス条件もタービン出口ガス条件も共に大気条件である。即ち、圧力は０．１ＭＰａである。
（２）クローズドサイクルではガスの種類も圧力レベルも任意に選択できる。ガスが利用するエネルギーは（体積流量）×（密度）×（比熱）×（温度差）で表され、体積流量は装置のサイズを表している。それ故、密度が大きい方が小さな装置で大きな電力を生み出せるので容器（集熱部）や配管の肉厚がむやみに厚くならない範囲で高圧にするのがよい。そのため、クローズドサイクルでは７ＭＰａ程度の高圧が採用されている。一方、オープンサイクルでは大気圧が基準になるので圧力レベルは限定される。
（３）タービン仕事は高温ほど大きく、圧縮機仕事は低温ほど小さい。タービン入口ガス温度と圧縮機入口ガス温度は既に与えられているが、これらが同じであっても、出口温度を変え、それによって平均温度を変えることにより、発電用に取り出せる仕事量を大きくすることができる。これは再生熱交換器の採用により可能になる。即ち、タービン出口ガスの持つ高温エネルギーを圧縮機出口ガスに与えることにより、加熱器に入るガスのエネルギーを高めることができる。オープンサイクルではこのような操作はできない。図１５と図１６を見比べると、クローズドサイクルではタービンの作動温度が圧縮機の作動温度よりもかなり高い（温度は℃ではなく絶対温度（Ｋ）で表示）のに対して、オープンサイクルではあまり差が無いのが分かる。

以上、ガスを自由に選べること、高圧（従ってコンパクト）にできること、再生熱交換器によりサイクル効率を高められることの３点で、クローズドサイクルはオープンサイクルとは本質的に異なる特性を有しており、熱サイクルとしては別個のものと言える。

（まとめ）
このように、本実施形態の太陽熱ガスタービン発電システム１００によれば、特に、クローズドサイクルガスタービンシステムを採用したことと、潜熱蓄熱材としてアルミニウムを使用し、蓄熱部をモジュール化してモジュール壁表面の放射率を調整し放射熱損失を低減することにより、太陽熱発電において、タービンサイクルの熱効率を向上させるとともに、蓄熱の経済性を向上させることができる。

また、集熱部を複数の集熱部モジュールから構成したことで、運びやすい、故障時に交換しやすい等の効果を奏する。

以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
例えば、クローズドサイクルガスタービンの流体（ガス）として、二酸化炭素を用いたが、これに限定されず、窒素などの他のガスを使用してもよい。なお、本実施形態の場合、二酸化炭素を超臨界ＣＯ_２として使用するが、その場合のサイクル形式はバイパス回路を含む超臨界ＣＯ_２特有の形式や、標準的なブレイトンサイクル形式等、特に限定されない。
その他、ハードウェアやフローチャートなどの具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１ ヘリオスタット
２ 集光タワー
３ 集熱用加熱管
４ 溶融塩循環用配管
５ａ 高温溶融塩貯蔵タンク
５ｂ 低温溶融塩貯蔵タンク
６ 蒸気発生器
７ 蒸気タービン
８ 発電機
１０、１０ａ 太陽熱タービン発電システム
１１ 蒸気タービンシステム
１２ 凹面鏡
１３ 集光部
１４ 溶融塩冷却流路
２１ 集熱部
２２ ＣＯ_２伝熱管
２３ タービン
２４ 再生熱交換器
２５ 冷却器
２６ 圧縮機
３１ 太陽光
３２ ＣＯ_２伝熱管
３３ ＣＯ_２入口
３４ ＣＯ_２出口
３５ アルミニウム
３５ａ 金属シェル
３６ 集熱部外径
３７ 集熱部内径
３８ 集熱部高さ
５１ 太陽光
５２ 集熱部モジュール
５３ ＣＯ_２伝熱管
５４ アルミニウム
５５ 支持構造壁
５６ モジュール側壁
６１ 太陽光
６２ 集熱部モジュール
６３ ＣＯ_２伝熱管
６４ アルミニウム
６５ 支持構造壁
６６ モジュール側壁
９０ 集熱部
９１ ヘリオスタット
９２ 太陽光
９３ 凹面鏡
９４ 空洞
９５ 集熱部モジュール
９６ 伝熱管
９８ ＣＯ_２配管
９９ アルミニウム
１００，１００ａ 太陽熱ガスタービン発電システム
１０１ クローズドサイクルガスタービンシステム
Ｓ 太陽

Claims (4)

1. 太陽光を反射する複数のヘリオスタットと、
   前記複数のヘリオスタットによって反射された太陽光を受けて加熱される表面の放射率の値を太陽熱吸収量がモジュール全体で略均等になるように調整された集熱部モジュールを複数有するモジュール型集熱部と、
   前記モジュール型集熱部の内部に保持され、潜熱蓄熱材として使用されるアルミニウムと、
   前記アルミニウムと接触しており、内部に収容するガスに前記アルミニウムの熱を伝える伝熱管と、
   前記ガスによってタービンを動かして発電するクローズドサイクルガスタービンシステムと、
   を備えることを特徴とする太陽熱ガスタービン発電システム。
2. 前記モジュール型集熱部は、隣り合う前記集熱部モジュール同士の隙間に太陽光が入り込む構造となっており、前記表面の放射率の値がコーティングによって調整されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱ガスタービン発電システム。
3. 前記複数のヘリオスタットにより集光する方式は、タワートップ方式、または、ビームダウン方式のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽熱ガスタービン発電システム。
4. 前記ガスは、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の太陽熱ガスタービン発電システム。

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