JP2015038325A - 太陽熱を利用する外燃式ブレイトンサイクルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光を熱源として利用しながら高い効率が得られる外燃式ブレイトンサイクルエンジンを提供する。【解決手段】ヘリウムを作動媒体（ＷＭ）とする外燃式ブレイトンサイクルエンジン（Ｅ）において、前記作動媒体（ＷＭ）を圧縮する圧縮機（１）と、前記作動媒体（ＷＭ）から動力を取り出すタービン（５）と、前記タービンから排出された作動媒体（ＷＭ）を冷却して前記圧縮機（１）に供給する冷却器（３９）と、前記圧縮機（１）と前記タービン（５）との間に配置されて、太陽光（ＳＬ）を熱源として前記作動媒体（ＷＭ）を加熱する加熱器（３）とを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光を熱源として利用する外燃式ブレイトンサイクルエンジンに関する。

近年、環境問題やエネルギー問題の一解決策として、太陽光を熱源として利用するタービン装置による発電技術、例えば、太陽熱を利用した蒸気タービンやガスタービンが提案されている（例えば、特許文献１、２）。

特開２０１１−２２０１６３号公報 特開２０１１−０３２９６０号公報

しかし、太陽光を利用するこのような設備は、一般に、サンベルト地域のように日照時間が長く、かつ降水量の少ない場所に設置されるので、蒸気タービンの作動媒体や冷却媒体として用いられる水の確保が困難である。また、ガスタービンでは作動媒体および冷却媒体に空気を用いるので、水の確保という課題は生じないものの、太陽光から得られる熱を圧縮空気に伝達する加熱器の耐圧性および耐熱温度に制約があることから、十分なエンジン効率が得られない。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、太陽光を熱源として利用しながら高い効率が得られる外燃式ブレイトンサイクルエンジンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る外燃式ブレイトンサイクルエンジンは、ヘリウムを作動媒体とする外燃式ブレイトンサイクルエンジンであって、前記作動媒体を圧縮する圧縮機と、前記作動媒体から動力を取り出すタービンと、前記タービンから排出された作動媒体を冷却して前記圧縮機に供給する冷却器と、前記圧縮機と前記タービンとの間に配置されて、太陽光を熱源として前記作動媒体を加熱する加熱器とを備えている。

この構成によれば、作動媒体として、空気のような２原子分子からなるガスよりも大きいガス定数を有する単原子分子であるヘリウムガスを用いることにより、エンジン内の圧力比を低く設定しても、高い効率を得ることができる。したがって、加熱器の圧力も低く設定することが可能となるので、加熱器の信頼性が向上するとともに、コストを低減することができる。さらに、ヘリウムガスは軽量であるので、高い温度伝導度を有し、太陽光を熱源とする加熱器から高いガス温度で熱回収できることからエンジンの効率が向上する。

本発明の一実施形態において、前記加熱器が、外部の集光装置から太陽光を受けて前記作動媒体を加熱する加熱体を有していることが好ましい。この構成によれば、太陽光のエネルギーを効率的にエンジンに利用することができる。

本発明の一実施形態において、前記圧縮機の低圧圧縮部と高圧圧縮部との間に、前記低圧圧縮部で圧縮された作動媒体を冷却して前記高圧圧縮部に供給する中間冷却器が設けられていることが好ましい。この構成によれば、低圧圧縮部からの圧縮途中の作動媒体を冷却することにより、高圧圧縮部の仕事が減少し、出力が増加し、復熱器での熱交換を組み合わせることでエンジン全体の効率も一層向上する。

本発明に係る外燃式ブレイトンサイクルエンジンによれば、以上のように、太陽光を熱源として利用しながら、極めて高い効率を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る外燃式ブレイトンサイクルエンジンの概略構成を示すブロック図である。 図１のブレイトンサイクルエンジンに使用される加熱器を示す断面図である。 図１の実施形態の変形例に係る外燃式ブレイトンサイクルエンジンの概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる外燃式ブレイトンサイクルエンジン（以下、単に「エンジン」という。）Ｅを示す概略構成図である。このエンジンＥは、主要な構成要素として、作動媒体ＷＭを圧縮する圧縮機１、圧縮機１で圧縮された作動媒体ＷＭを加熱する加熱器３、およびこの圧縮・加熱された作動媒体ＷＭから動力を取り出すタービン５を有している。本実施形態では、エンジンＥを、タービン５から排出される作動媒体ＷＭを圧縮機１へ供給して再利用する閉サイクルエンジンとして構成しており、作動媒体ＷＭとしてヘリウムガスを使用している。エンジンＥの出力により、発電機７のような負荷が駆動される。

圧縮機１は、低圧圧縮機部１ａと高圧圧縮機部１ｂとからなり、これら低圧圧縮機部１ａと高圧圧縮機部１ｂとの間に、中間冷却器１１が設けられている。この中間冷却器１１によって低圧圧縮機部１ａで圧縮された作動媒体ＷＭを冷却することにより、高圧圧縮機部１ｂの圧縮仕事が小さくなり、効率が向上する。圧縮機１から排出された高圧の作動媒体ＷＭは、復熱器１３を通過した後に、加熱器３へ送られる。復熱器１３は、後述するように、タービン５から排出された高温の作動媒体ＷＭの熱を利用して、圧縮機１から加熱器３へ向かう作動媒体ＷＭを予熱する。

圧縮機１とタービン５との間に配置された加熱器３は、エンジンＥの外部に設置された太陽光の集光装置１７から供給された太陽光ＳＬを受け、これを熱源として作動媒体ＷＭを加熱する。本実施形態では、太陽光集光装置１７として、加熱器３に向けて集光するように角度調整可能な多数のミラーＭＲを用いている。

図２に、加熱器３の構造を示す。加熱器３は、太陽光集光装置１７（図１）からの太陽光ＳＬを受ける集光部１９、受光ウインドウ２１および加熱体２３を介して、加熱器３に導入された作動媒体ＷＭを加熱する。ほぼ半球形状を有する受光ウインドウ２１は、加熱器３の外周壁を形成する円筒状の容器２５の一方の底面２５ａに、容器２５の内部に向かって膨出するように取り付けられている。受光ウインドウ２１の外表面２１ａ、つまり容器２５の内側を向く面は、太陽光ＳＬを吸収して熱に変換し、作動媒体ＷＭを加熱する加熱体２３で覆われており、さらに、加熱体２３は、有底円筒形状を有する隔壁２７によって覆われている。換言すれば、受光ウインドウ２１と、有底円筒形状の隔壁２７の開口部２７ａとの間が、加熱体２３によって塞がれている。受光ウインドウ２１は、太陽光ＳＬに対して透明であり、かつ高圧の作動媒体ＷＭの圧力に耐え得る強度を有する素材、例えば石英ガラスで形成されている。加熱体２３は、耐熱性を有する多孔性の素材、例えば、セラミック発泡体で形成されている。

容器２５の他方の底面２５ｂには、圧縮機１で圧縮された作動媒体ＷＭの導入路２９を形成する導入管３１および加熱器３で加熱された作動媒体ＷＭの排出路３３を形成する排出管３５が接続されている。排出管３５は、容器２５の他方の底面２５ｂを貫通して、隔壁２７の内方空間に連通している。

導入管３１から加熱器３内に導入された作動媒体ＷＭは、容器２５の内周面と隔壁２７との間の空間Ｓを通った後に、多孔質の加熱体２３の内部に取り込まれる。加熱体２３によって加熱された作動媒体ＷＭは、隔壁２７の内方空間から排出路３３を経て加熱器３の外部に排出され、図１に示すように、タービン５へ送給される。

加熱器３から供給された高温高圧の作動媒体ＷＭは、タービン５を駆動した後、高温・低圧の作動媒体ＷＭとしてタービン５から排出される。このタービン５から排出された作動媒体ＷＭは、最終的に圧縮機１に供給されるが、タービン５から圧縮機１へ作動媒体ＷＭを戻す返送通路３７の中途には、前記復熱器１３および冷却器３９が設けられており、復熱器１３を通過することにより、圧縮機１から排出された作動媒体ＷＭによって、高温の作動媒体ＷＭが冷却され、その後冷却器３９によってさらに冷却される。冷却された作動媒体ＷＭが、圧縮機１に供給される。

冷却器３９としては、一般的に用いられているものを使用することができるが、エンジンＥが水の確保が困難な場所に設置されることを考慮して、冷却媒体として水を用いない乾式冷却式の冷却器として構成することが好ましい。

なお、本実施形態の変形例として、図３に示すように、タービン５を高圧タービン部５ａと低圧タービン部５ｂとからなる２段に構成し、高圧タービン部５ａと低圧タービン部５ｂの間に追加の加熱器４３を設けてもよい。このように構成して、作動媒体ＷＭを再度加熱することにより、エンジンＥの効率がさらに向上する。また、図１のエンジンＥにおいて、圧縮機１を１段で構成して中間冷却器を省略してもよい。

以上のように、本実施形態に係るエンジンＥでは、作動媒体ＷＭとして、空気のような２原子分子からなるガスよりも大きいガス定数を有する単原子分子であるヘリウムガスを用いている。空気のガス定数が１．４であるのに対して、ヘリウムのガス定数は、１．６６である。これにより、エンジンＥ内の圧力比を低く設定しても、高い効率を得ることができる。したがって、加熱器３の圧力も低く設定することが可能となるので、加熱器３の信頼性が向上するとともに、コストを低減することができる。さらに、ヘリウムガスは軽量であるので、高い温度伝導度を有し、エンジンＥの効率が向上する。

なお、本発明には含まれないが、作動媒体としてヘリウムガスの代わりにアルゴンガスを用いることもできる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 圧縮機
３ 加熱器
５ タービン
７ 発電機
２３ 加熱体
３９ 冷却器
Ｅ 外燃式ブレイトンサイクルエンジン
ＷＭ 作動媒体

Claims (3)

1. ヘリウムを作動媒体とする外燃式ブレイトンサイクルエンジンであって、
   前記作動媒体を圧縮する圧縮機と、
   前記作動媒体から動力を取り出すタービンと、
   前記タービンから排出された作動媒体を冷却して前記圧縮機に供給する冷却器と、
   前記圧縮機と前記タービンとの間に配置されて、太陽光を熱源として前記作動媒体を加熱する加熱器と
   を備える外燃式ブレイトンサイクルエンジン。
2. 請求項１において、前記加熱器は、外部の集光装置から太陽光を受けて前記作動媒体を加熱する加熱体を有する外燃式ブレイトンサイクルエンジン。
3. 請求項１または２において、前記圧縮機の低圧圧縮部と高圧圧縮部との間に、前記低圧圧縮部で圧縮された作動媒体を冷却して前記高圧圧縮部に供給する中間冷却器が設けられている外燃式ブレイトンサイクルエンジン。

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