JP2014214660A - ソーラーガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】受熱部内部に熱破損が生じないソーラーガスタービンを提供する。【解決手段】ヘリオスタット２で反射された太陽光Ｌを予め熱交換部材９で受け、そこに空気ａを通して加熱空気ｂをつくり、その加熱空気ｂを受熱部４内に導入するため、受熱部４には太陽光Ｌが直接当たらない。加熱空気ａは流れの中で分散して受熱部４に当たるため、受熱部４に部分的な熱破損が生じない。太陽光Ｌを直接受ける熱交換部材９は非金属耐熱材料製のため、そこに加熱温度分布が生じても熱破損することはない。【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によりタービンを駆動させ、タービンに直結された発電機から電力を得る技術が知られている。太陽集光装置により太陽光を受熱部に集光させ、そこ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。受熱部の内部は、複数の金属パイプをパネル状に並設した構造になっており、受熱部の内部に取り入れた太陽光を金属パイプに照射することで光を熱に変換し、その内部を流れる圧縮空気を加熱する。金属パイプを構成する金属の耐熱性にもよるが一般に８００°Ｃ程度の高温圧縮空気が得られる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−７１４９号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、圧縮空気を通過させる金属部品に太陽光を直接照射する構造のため、太陽光の集光状態に起因した加熱温度分布が金属部品に生じ、金属部品の均一な加温が行えない場合がある。そのため金属部品に一部分のみが過熱状態となるホットスポットが生じ、その部分を熱破損させるおそれがあった。

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、受熱部内部に熱破損が生じな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、ヘリオスタットにより反射された太陽エネルギーを受ける受熱部と、大気を吸引圧縮する空気圧縮機と、空気圧縮機からの圧縮空気により回転するタービンとを含む圧縮空気の第１流路と、タービンに連結された発電機とを備え、前記受熱部が空気圧縮機とタービンとの間に設けられ、太陽エネルギーの入光側位置に設けられ貫通孔を有する非金属耐熱材料からなる熱交換部と、前記受熱部と、通風手段とを含む加熱空気の第２流路が設けられ、前記熱交換部は前記受熱部の上流に設けられ、前記受熱部において前記圧縮空気が熱交換により加熱されることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、熱交換部材及び受熱部を通風手段が設けられたハウジング内に収納し、且つハウジングの太陽光の入光部分に耐熱性を有する透明窓を設けたことを特徴とする。

請求項３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て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を有し、ヘリオスタットで反射された太陽光をセンターミラーで下向きに反射させるビームダウン式太陽集光装置により地上位置に集光される構造で、受熱部及び熱交換部材が地上位置における太陽光の集光位置に設置されると共に、空気圧縮機とタービンと発電機が前記受熱部に近い地上位置に設置されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、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、熱交換部材は前記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１記載の発明によれば、ヘリオスタットで反射された太陽光を予め熱交換部材で受け、そこに空気を通して加熱空気をつくり、その加熱空気を受熱部内に導入して受熱部を加熱するため、受熱部には太陽光が直接当たらない。熱交換部材を通過した加熱空気は流れの中で分散して受熱部に当たるため、受熱部に部分的な熱破損が生じない。太陽光を直接受ける熱交換部材は非金属耐熱材料製のため、それ自身に加熱温度分布が生じても熱破損することはない。受熱部が確実に加熱されるため、そこを通過する圧縮空気は確実に高温圧縮空気となりタービンを回転させる。

請求項２記載の発明によれば、熱交換部材と受熱部を一緒のハウジング内に収納したため、熱交換部材を通過した加熱空気を全て受熱部に導入することができる。受熱部の入光側に透明窓が設けられているため、入光のために大きな窓を開放する必要がなく熱交換部材への埃などの侵入を抑制することができる。

請求項３記載の発明によれば、集光装置がビームダウン型で、受熱部とタービンの両方とも地上位置にあるため、受熱部から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。

請求項４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熱交換部材に導くことができる。

実施形態に係るソーラーガスタービンを示す側面図。 ソーラーガスタービンを示す平面図。 ガスタービンの構造を示す図。 筒型集光鏡及び受熱部の内部構造を示す断面図。 筒型集光鏡を示す平面図。 熱交換部材を示す平面図。 熱交換部材の構成部品を示す斜視図。 受熱部を示す平面図。 受熱部を示す斜視図。

本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、太陽熱を得るためのビームダウン式太陽集光装置の説明をする。この実施形態では日本のような北半球の中緯度の地域の場合を例にして説明する。

ビームダウン式太陽集光装置の中心にはセンターミラー１が図示せぬ３本のタワーにより支持されている。センターミラー１は、日中に太陽が存在する方角とは反対側が切欠かれた部分回転楕円形状をしている。センターミラー１は図１に示すように、断面が楕円に合致した湾曲面を有し、下方に共焦点として第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在する。

センターミラー１は図２に示すように、平面視で、半円よりも東側及び西側に所定の角度範囲だけ張り出した状態になっている。センターミラー１の北側及び東西両側には複数のヘリオスタット２が放射状に設置されている。

ヘリオスタット２は図示せぬセンサーにより太陽の動きに連動して向きを変化させる構造となっており、常に太陽光Ｌを第１焦点Ａへ向けて反射するように制御される。第１焦点Ａを通過した太陽光Ｌはセンターミラー１で反射されて第２焦点Ｂに集光する。

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、内面はマルチミラー式の複数のセグメントにより構成された鏡面になっている。ヘリオスタット２の反射光は、センターミラー１で反射された後に、すべてこの筒型集光鏡３内に導入される。筒型集光鏡３の下側には熱交換部材（熱交換部）９と受熱部４が一体的に設けられ、熱交換部材９は筒型集光鏡３の直近（入光側位置）に配置される。

筒型集光鏡３は周囲が角型のハウジング５により覆われていて、筒型集光鏡３とハウジング５との間には中空部６が存在する。ハウジング５の上部には中空部６への空気取入口７が形成されている。

筒型集光鏡３の下側の熱交換部材９と受熱部４は下部が細くなったロート状のハウジング８に収納されている。熱交換部材９と受熱部４はこのハウジング８の断面を塞ぐように設けられている。

筒型集光鏡３のハウジング５と、熱交換部材９及び受熱部４のハウジング８とは、通気路１２を介して連結されている。筒型集光鏡３の下部開口に臨むハウジング８の上面には透明窓１３が形成されている。この透明窓１３は耐熱性を有する石英硝子で形成されている。ハウジング８の下部には通気手段としてのファン１４が設けられている。

第１の熱交換器としての熱交換部材９は複数個から構成され、それぞれ非金属耐熱材料としての黒色で炭化珪素膜（ＳｉＣ）製の多貫通孔構造をしており約１０００℃以上の耐熱性を有している。個々の熱交換部材９は通過空気を均一化するためのロート状のカバー１４（図７）内に収納されている。

第２の熱交換器としての受熱部４は後述する２つの流路の接点であり、二段で互い違いに配置された複数の金属パイプから構成されている。ハステロイ（登録商標）やインコネル（登録商標）等の超耐熱金属製で、内部にガスタービン１９の圧縮空気Ｔ２が通過する。

ここでガスタービン１９の構造を説明する。ガスタービン１９自体もビームダウン式太陽集光装置の集光点である地上位置に設置されている。ガスタービン１９は受熱部４と空気圧縮機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。

空気を熱媒体とする圧縮空気の流路（第１流路）には大気Ｔ１が吸引される側から空気圧縮機２０、受熱部４、タービン２１が配置される。受熱部４は第１流路において空気圧縮機２０とタービン２１との間に設けられている。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から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。このガスタービン１９は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。

次にこのガスタービン１９の受熱部４で圧縮空気Ｔ２を太陽光により加熱する過程を説明する。

まずセンターミラー１で反射された太陽光Ｌは全て筒型集光鏡３内に導入され、その内面で反射されて集光されるが、反射の際に筒型集光鏡３自体を加熱するため筒型集光鏡３が大変に高温になる。そのため、空気取入口７から取り入れられた空気ａは中空部６内で筒型集光鏡３の裏面と接して予備的に加熱される。

ある程度加熱された空気ａは通気路１２を介して熱交換部材９の上部空間１０に導入される。上部空間１０に導入された空気ａは熱交換部材９を通過して下部空間１１に至る。この際、熱交換部材９には筒型集光鏡３の下部開口から透明窓１３を経て高エネルギーの太陽光が照射されて熱に変換され、熱交換部材９が大変な高温になっている。そのため、熱媒体としての空気ａは熱交換部材９を通過して第１の熱交換（エネルギー変換）をすることにより加熱空気ｂとなる。

この加熱空気ｂが複数の金属パイプで構成された受熱部４を通過するため、受熱部４が加熱され、その内部を通過する圧縮空気Ｔ２を加熱して高温圧縮空気Ｔ３にする。高温圧縮空気Ｔ３はタービン２１を回転させて発電機２２を稼働させる。受熱部４を通過した加熱空気ｂはファン１４により外部排出される。尚、この排出される高温圧縮空気Ｔ３を再度、空気取入口７へ循環しても良い。

空気を熱媒体とする加熱空気の流路（第２流路）には上流側から中空部６、上部空間１０、熱交換部９、下部空間１１、受熱部４（第２熱交換部）、ファン１４が配置される。したがって、圧縮空気の流路（第１流路）と加熱空気の流路（第２流路）は受熱部４で交わって第２の熱交換を行い圧縮空気Ｔ２が高温圧縮空気Ｔ３となる。

この実施形態によれば、以上説明したように、ヘリオスタット２で反射された太陽光Ｌを予め熱交換部材９で受け、そこに空気ａを通して加熱空気ｂをつくり、その加熱空気ｂを受熱部４内に導入する。したがって、太陽光Ｌのエネルギーが熱媒体ｂを介して受熱部４に伝達されるため、受熱部４には太陽光Ｌが直接当たらない。加熱空気ａは熱流体としてハウジング８内で分散して受熱部４に接触するため、受熱部４に不均一な温度分布による局所的な熱破損が生じずさらに熱変換効率も高い。太陽光Ｌを直接受ける熱交換部材９は非金属耐熱材料製のため、それ自身に加熱温度分布が生じても熱破損することはない。

また熱交換部材９と受熱部４を一緒のハウジング８内に収納したため、熱交換部材９を通過した加熱空気ｂを全て受熱部４に導入することができる。受熱部４の入光側に透明窓１３が設けられているため、入光のために大きな窓を開放する必要がなく熱交換部材９への埃などの侵入を抑制することができる。

更に、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。

加えて、センターミラー１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２で反射した太陽光Ｌがセンターミラー１の第１焦点Ａを通過すれば、その太陽光Ｌは幾何光学的に必ず第２焦点Ｂに集光する。そのため、ヘリオスタット２は反射光が常に第１焦点Ａへ向かうように制御すれば良く、ヘリオスタット２の制御が容易である。また、第２焦点Ｂの周囲に筒型集光鏡３が位置するため、第２焦点Ｂから外れた太陽光Ｌも筒型集光鏡３内に取り入れて内面で反射しながら確実に熱交換部材９に導くことができる。

以上の実施形態では、ビームダウン式太陽集光装置により太陽光を熱交換部材９に対して集光する例を示したが、それに限定されず、どのような集光装置であっても良い。

１ センターミラー
２ ヘリオスタット
３ 筒型集光鏡
４ 受熱部
７ 空気取入口
８ ハウジング
９ 熱交換部材（熱交換部）
１３ 透明窓
１４ ファン（通気手段）
１９ ガスタービン
２０ 空気圧縮機
２１ タービン
２２ 発電機
Ａ 第１焦点
Ｂ 第２焦点
Ｌ 太陽光

Claims (4)

1. ヘリオスタットにより反射された太陽エネルギーを受ける受熱部と、大気を吸引圧縮する空気圧縮機と、空気圧縮機からの圧縮空気により回転するタービンとを含む圧縮空気の第１流路と、タービンに連結された発電機とを備え、
   前記受熱部が第１流路における空気圧縮機とタービンとの間に設けられ、
   太陽エネルギーの入光側位置に設けられ貫通孔を有する非金属耐熱材料からなる熱交換部と、前記受熱部と、通風手段とを含む加熱空気の第２流路が設けられ、
   前記熱交換部は第２流路における前記受熱部の上流に設けられ、前記受熱部において前記圧縮空気が熱交換により加熱されることを特徴とするソーラーガスタービン。
2. 熱交換部及び受熱部を通風手段が設けられたハウジング内に収納し、且つハウジングの太陽光の入光部分に耐熱性を有する透明窓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. 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て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を有し、ヘリオスタットで反射された太陽光をセンターミラーで下向きに反射させるビームダウン式太陽集光装置により地上位置に集光される構造を有し、
   受熱部及び熱交換部が地上位置における太陽光の集光位置に設置されると共に、空気圧縮機とタービンと発電機が前記受熱部に近い地上位置に設置されてい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、
   熱交換部材は前記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３記載のソーラーガスタービン。

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