JP2018003705A - 太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備コストを低減することができる太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法を提供する。
【解決手段】太陽熱発電システムは、太陽熱を集熱して液体の熱媒体を加熱する太陽熱集熱系１と、太陽熱集熱系の加熱された液体の熱媒体との熱交換により空気を加熱し、この加熱された空気を水と熱交換させることで過熱蒸気を生成する空気ボイラ系２と、空気ボイラ系により生成された過熱蒸気で蒸気タービン１４１を駆動して発電する蒸気タービン発電系３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法に関する。

太陽熱発電システムは、集熱装置により太陽光を集光して集熱した太陽熱を利用して蒸気を生成し、その蒸気により蒸気タービンを駆動して発電するものである。太陽熱発電システムには、太陽熱を集熱して溶融塩や合成油等の液体の熱媒体流体を加熱する集熱器と、この熱媒体流体と水との間で熱交換を行い蒸気を発生させる蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気により発電機を駆動させる蒸気タービンとを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１１２５２号公報

特許文献１に記載の発電システム（発電プラント）においては、蒸気発生器を用いて、太陽熱で加熱された液体の熱媒体流体と給水を熱交換させて蒸気を発生させている。特許文献１には、蒸気発生器の具体的な構成や構造の説明がない。しかし、蒸気発生器は、一般的に、容器状の胴体部や、胴体部内に配置された伝熱管等で構成された熱交換器であると想定される。

特許文献１に記載の発電システムのように過熱蒸気の生成のための加熱源として溶融塩や合成油等の液体の熱媒体を用いる場合、蒸気発生器の伝熱管や胴体部を製作する際に、液体の熱媒体による腐食を考慮する必要がある。例えば、伝熱管や胴体部に９Ｃｒ鋼やＣｒ−ＭＯ鋼といった高級な合金鋼材料を多量に使用した例がある。

また、液体の熱媒体は、蒸気発生器の伝熱管又は多数の伝熱管が配置された胴体部内を流通するので、高温高圧な状態とされる。したがって、伝熱管の厚肉化や胴体部の耐圧化が必要である。さらに、液体の熱媒体が気体の熱媒体のよりも大きな比重を有しているので、蒸気発生器の構成部品は、液体の熱媒体の重量を支持するための強度が要求され、板厚をその分厚くする必要もある。このため、蒸気生成器の大型化や重量の増加を招く場合がある。

以上のように、過熱蒸気生成のための加熱源として液体の熱媒体を用いる場合、蒸気生成器に関して、高級な合金鋼材料の使用、重量の増加、大型化等により、設備コストの増加を招く結果となる。

また、液体の熱媒体を用いて給水から過熱蒸気を生成しようとする場合、水の３つの状態、すなわち、サブクール水、飽和水及び飽和蒸気の混合状態、過熱蒸気に応じた３つの予熱器、蒸発器、過熱器で構成した蒸気発生器を用いるのが一般的である。これら３つの予熱器、蒸発器、過熱器はそれぞれ、異なる熱交換器であり、蒸気発生器は複雑な構成となる。さらに、３つの予熱器、蒸発器、過熱器のそれぞれに上記の問題が生じる場合がある。このため、設備コストが高くなる傾向にある。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、設備コストを低減することができる太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法を提供することである。

上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、太陽熱を集熱して液体の熱媒体を加熱する太陽熱集熱系と、前記太陽熱集熱系の加熱された液体の熱媒体との熱交換により空気を加熱し、この加熱された空気を水と熱交換させることで過熱蒸気を生成する空気ボイラ系と、前記空気ボイラ系により生成された過熱蒸気で蒸気タービンを駆動して発電する蒸気タービン発電系とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、過熱蒸気生成のための加熱源として高温の空気を用いるので、過熱蒸気生成のための熱交換器は、液体の熱媒体を加熱源とする場合と異なり、空気による腐食の懸念がなく、空気の流通する部分は炭素鋼等の一般的な低級材料を使用可能である。また、空気の比重は液体の熱媒体よりも小さく、また、熱交換器内を流れる空気は、液体の熱媒体の場合よりも摩擦が小さく低圧状態での流通が可能なので、熱交換器の構成部品の強度や板厚を、液体の熱媒体を用いる場合よりも小さくすることが可能である。したがって、発電システムの設備コストを低減することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態を示す構成図である。 図１に示す本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態の一部を構成する空気ボイラ系の熱媒体熱交換器及び空気ボイラを示す概略構造図である。 図２に示す本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態の一部を構成する空気ボイラ系の熱媒体熱交換器及び空気ボイラにおける各種の熱媒体の温度変化を示す特性図である。 某地点における直達日射強度の実測値の一例を示す図である。 本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態を示す構成図である。

以下、本発明の太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法の実施の形態を図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態のシステム構成を図１を用いて説明する。図１は本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態を示す構成図である。図１中、矢印は、本発電システムにおける各種の熱媒体の流れの方向を示している。

図１において、太陽熱発電システムは、太陽熱を集熱して液体の熱媒体である第１熱媒体を加熱する太陽熱集熱系１と、第２熱媒体としての空気を太陽熱集熱系１の加熱された第１熱媒体との熱交換により加熱し、この加熱された空気を第３熱媒体としての水と熱交換させることで過熱蒸気を生成する空気ボイラ系２と、空気ボイラ系２により生成された過熱蒸気を用いて発電する蒸気タービン発電系３とを備えている。破線の各枠はそれぞれ、太陽熱集熱系１、空気ボイラ系２、蒸気タービン発電系３を示している。本太陽熱発電システムの特徴は、燃料を用いることなく、太陽熱を利用して過熱蒸気を生成して発電するものであり、太陽熱で加熱された液体の熱媒体を加熱源として空気を加熱し、この加熱された高温空気を水と熱交換させることで過熱蒸気を生成するものである。したがって、本太陽熱発電システムは、燃料の投入により過熱蒸気を生成して発電する従来の発電システムや太陽熱で加熱された液体の熱媒体を水と熱交換させることで過熱蒸気を生成して発電する従来の発電システムとは異なる。

具体的には、太陽熱集熱系１は、太陽熱を集熱して第１熱媒体を加熱する集熱装置１０を備えている。第１熱媒体は、空気ボイラ系２の後述する熱媒体熱交換器７２における空気の加熱源であり、例えば、溶融塩である。集熱装置１０は、例えば、タワー型の集熱装置であり、太陽Ｓからの日射光を多数のヘリオスタット（太陽光反射鏡）１１で反射してタワー受熱器１２に集光し、タワー受熱器１２内を流れる第１熱媒体を加熱するものである。ヘリオスタット１１は、反射鏡の向きや角度を太陽の移動に伴い変更することが可能である。集熱装置１０は、直射日光による日射量を測定する直達日射計５３を更に備えている。直達日射計５３が測定した直達日射強度信号は、後述する制御装置４に入力される。

太陽熱集熱系１は、集熱装置１０に第１熱媒体を循環させる循環セクション１３を更に備えている。循環セクション１３は、集熱装置１０に供給する第１熱媒体を収容する第１タンク１４と、集熱装置１０で加熱された第１熱媒体を収容するバッファタンクとしての第２タンク１５と、空気ボイラ系２の後述する熱媒体熱交換器７２からの第１熱媒体を収容する第３タンク１６とを備えている。

第１タンク１４の出口とタワー受熱器１２の入口には、受熱器入口配管１８が接続されている。タワー受熱器１２の出口には、受熱器出口配管１９の一端が接続されている。受熱器出口配管１９の他端には、第２タンク１５の入口に一端が接続されている第２タンク入口配管２０が接続されている。第２タンク１５の出口には、第２タンク出口配管２１の一端が接続されている。第２タンク出口配管２１の他端は、空気ボイラ系２の熱媒体熱交換器７２の熱媒体入口に一端が接続されている熱交換器入口配管２２に接続されている。熱媒体熱交換器７２の熱媒体出口と第３タンク１６の入口には、第３タンク入口配管２３が接続されている。第３タンク１６の出口と第１タンク１４の入口には、第３タンク出口配管２４が接続されている。

受熱器入口配管１８には、第１移送ポンプ２６、熱媒体流量調整弁２７、及び熱媒体流量計２８が下流方向に向かって順に設けられている。第１移送ポンプ２６は、第１タンク１４に収容されている第１熱媒体をタワー受熱器１２に送出するものである。熱媒体流量調整弁２７は、タワー受熱器１２に供給される第１熱媒体の流量を調整するものである。熱媒体流量計２８は、タワー受熱器１２に供給される熱媒体の流量を検出するものである。

熱交換器入口配管２２には、第２移送ポンプ３０及び熱交換器入口弁３２が下流方向に向かって順に設けられている。第３タンク入口配管２３には、熱交換器出口弁３３が設けられている。第３タンク出口配管２４には、第３移送ポンプ３５が設けられている。第２移送ポンプ３０は、第２タンク１５に一時的に保持されている高温の第１熱媒体を空気ボイラ系２の熱媒体熱交換器７２に送出するものである。熱交換器入口弁３２及び熱交換器出口弁３３は、後述する熱交換器バイパス系統５４の熱交換器バイパス弁５６と共に、熱媒体熱交換器７２に供給する第１熱媒体の流量を調整するものである。第３移送ポンプ３５は、第３タンク１６に収容されている第１熱媒体を第１タンク１４に送出するものである。

第１タンク１４の入口側及び出口側の配管２４、１８にはそれぞれ、第１タンク入口弁３７及び第１タンク出口弁３８が設けられている。同様に、第２タンク１５の入口側及び出口側の配管２０、２１にはそれぞれ、第２タンク入口弁３９及び第２タンク出口弁４０が設けられている。また、第３タンク１６の入口側及び出口側の配管２３、２４にはそれぞれ、第３タンク入口弁４１及び第３タンク出口弁４２が設けられている。

受熱器出口配管１９には、第２タンクバイパス配管４４の一端が接続されており、第２タンクバイパス配管４４の他端は熱交換器入口配管２２に接続されている。第２タンクバイパス配管４４には、第２タンクバイパス弁４５が設けられている。本循環セクション１３は、第２タンク１５から第１熱媒体が漏洩した場合に、第２タンクバイパス弁４５を開放し、第２タンク入口弁３９及び第２タンク出口弁４０を閉止することで、第１熱媒体が第２タンク１５を迂回して集熱装置１０に循環するように構成されている。

第１タンク１４、第２タンク１５、第３タンク１６にはそれぞれ、各タンク１４、１５、１６内の第１熱媒体の温度（第１、第２、第３タンク熱媒体温度）を検出する第１の温度計４７、第２の温度計４８、第３の温度計４９が設置されている。受熱器出口配管１９には、集熱装置１０から流出する高温の第１熱媒体の温度（集熱装置出口熱媒体温度）を検出する第４の温度計５０が設置されている。熱交換器入口配管２２における熱交換器入口弁３２の下流側の位置には、熱媒体熱交換器７２に導入される第１熱媒体の温度（熱交換器入口熱媒体温度）を検出する第５の温度計５１が設置されている。第３タンク入口配管２３における熱交換器出口弁３３の上流側の位置には、熱媒体熱交換器７２から流出する第１熱媒体の温度（熱交換器出口熱媒体温度）を検出する第６の温度計５２が設置されている。第４及び第５の温度計５０、５１が検出した温度信号は、それぞれ制御装置４へ入力される。

循環セクション１３は、さらに、熱媒体熱交換器７２に供給する第１熱媒体の一部又は全量を熱媒体熱交換器７２に対して迂回させる熱交換器バイパス系統５４を備えている。熱交換器バイパス系統５４は、一端が熱交換器入口配管２２における第２移送ポンプ３０の下流側で熱交換器入口弁３２の上流側の部分に接続されると共に他端が第３タンク入口配管２３における熱交換器出口弁３３の下流側で第３タンク入口弁４１の上流側の部分に接続される熱交換器バイパス配管５５と、熱交換器バイパス配管５５に設けた熱交換器バイパス弁５６とを備えている。熱交換器バイパス弁５６は、熱交換器入口弁３２及び熱交換器出口弁３３と共に、熱媒体熱交換器７２を迂回する第１熱媒体の流量を調整するものである。

本実施の形態において、受熱器入口配管１８が「第１タンク内の液体の熱媒体を集熱装置に供給する第１ライン」を構成する。また、受熱器出口配管１９、第２タンク入口配管２０、第２タンク出口配管２１、及び熱交換器入口配管２２が「集熱装置で加熱された液体の熱媒体を熱媒体熱交換器に供給する第２ライン」を構成し、「第２ライン」上に第２タンク１５を設けた構成となっている。また、第３タンク入口配管２３及び第３タンク出口配管２４が「熱媒体熱交換器からの液体の熱媒体を第１タンクに供給する第３ライン」を構成し、「第３ライン」上に第３タンク１６を設けた構成となっている。

次に、空気ボイラ系２の構成を説明する。空気ボイラ系２は、蒸気タービン発電系３の発電に用いる過熱蒸気を生成するためのものであり、過熱蒸気を生成する加熱源の第２熱媒体として、液体の熱媒体よりも、熱交換器に対する腐食性が低く、かつ、比重が小さい空気を用いるものである。空気ボイラ系２は、空気を、大気から系内に取り込み、過熱蒸気の加熱源として利用した後、大気に放出する。大気（空気）は、本発電システムの周囲に無尽蔵に存在する。そのため、空気ボイラ系２は、第２熱媒体を循環させる必要がなく、第２熱媒体の貯留設備も不要となる。

具体的には、空気ボイラ系２は、系内に空気である大気を取り込む押込ファン７１と、押込ファン７１により取り込まれた空気を太陽熱集熱系１からの熱媒体と熱交換させる熱媒体熱交換器７２と、熱媒体熱交換器７２からの空気を蒸気タービン発電系３から供給された水と熱交換させて過熱蒸気を生成する空気ボイラ７３（図１の二点鎖線の枠）とを備えている。熱媒体熱交換器７２は、詳細な構造は後述するが、空気ボイラ７３と一体構造とすることが可能である。空気ボイラ７３は、詳細な構造は後述するが、蒸気タービン発電系３からの給水を熱媒体熱交換器７２からの空気で予熱する節炭器７４と、節炭器７４からの水を熱媒体熱交換器７２からの空気で加熱して飽和蒸気を生成する蒸発器７５と、蒸発器７５からの飽和蒸気を熱媒体熱交換器７２からの空気で加熱して過熱蒸気を生成する過熱器７６とを備えている。

空気ボイラ系２は、さらに、押込ファン７１により取り込まれた低温の吸込み空気（大気）と空気ボイラ７３から排出された高温の排出空気との間で熱交換を行う空気加熱器７８を備えている。空気加熱器７８として、例えば、伝熱エレメント等の蓄熱体を内蔵したロータを備えた回転再生式のものや鋼板を一定間隔に並べた鋼板式のものなどがある。回転再生式は、空気ボイラ７３から排出される高温の排出空気の熱エネルギを回転する蓄熱体に蓄熱させ、さらに回転する蓄熱状態の蓄熱体が低温の吸込み空気（大気）に対して熱エネルギを放出することで大気を予熱するものである。鋼板式は、空気ボイラ７３から排出される高温の排出空気と低温の吸込み空気とを鋼板１枚おきに流通させることで熱交換を行うものである。

空気ボイラ系２は、一端が大気吸込口であり、他端が空気加熱器７８の低温側入口に接続された吸気ダクト８０と、空気加熱器７８の低温側出口と熱媒体熱交換器７２の空気側入口とに接続された熱交換器入口ダクト８１と、熱媒体熱交換器７２の空気側出口と空気ボイラ７３の過熱器７６とに接続された空気ボイラ入口ダクト８２と、空気ボイラ７３の節炭器７４と空気加熱器７８の高温側入口とに接続された空気ボイラ出口ダクト８３と、一端が空気加熱器７８の高温側出口に接続され、他端が大気排出口である排気ダクト８４とを更に備えている。これらのダクト８０、８１、８２、８３、８４は、空気が流通する流路を構成している。吸気ダクト８０には、押込ファン７１及び吸気側ダンパ８６が空気の流れの下流方向に向かって順に設けられている。排気ダクト８４には、排気側ダンパ８７が設けられている。吸気側ダンパ８６及び排気側ダンパ８７は、相互に関連して、熱媒体熱交換器７２及び空気ボイラ７３に供給する空気の流量を調整するものである。

吸気ダクト８０の大気吸込口には、取り込まれる大気の温度（吸込口空気温度）を検出する第７の温度計９０が設置されている。空気ボイラ入口ダクト８２における熱媒体熱交換器７２の出口近傍には、熱媒体熱交換器７２から流出する空気の温度（熱交換器出口空気温度）を検出する第８の温度計９１が設置されている。熱交換器入口ダクト８１における空気加熱器７８の低温側出口近傍には、空気加熱器７８の低温側出口から流出する空気の温度（空気加熱器低温側出口空気温度）を検出する第９の温度計９２、空気ボイラ出口ダクト８３における空気加熱器７８の高温側入口近傍には、空気加熱器７８の高温側入口へ流入する空気の温度（空気加熱器高温側入口空気温度）を検出する第１０の温度計９３、排気ダクト８４における空気加熱器７８の高温側出口近傍には、空気加熱器７８の高温側出口から流出する空気の温度（空気加熱器高温側出口空気温度）を検出する第１１の温度計９４がそれぞれ設置されている。第８の温度計９１が検出した温度信号は、制御装置４へ入力される。

次に、蒸気タービン発電系３の構成を説明する。蒸気タービン発電系３は、過熱蒸気により駆動される蒸気タービン１４１と、蒸気タービン１４１の作動流体である水／水蒸気（第３熱媒体）を蒸気タービン１４１に循環させる循環系統と、蒸気タービン１４１に機械的に連結された発電機１４２と、発電機１４２が生成した電力を外部系統２００に送電する電気系統とを備えている。

水／水蒸気の循環系統は、蒸気タービン１４１の入口に一端が接続されると共に、空気ボイラ系２の空気ボイラ７３の過熱器７６に他端が接続される主蒸気配管１４４と、蒸気タービン１４１の出口に一端が接続された蒸気タービン排気ダクト１４５と、蒸気タービン排気ダクト１４５の他端に一端が接続されると共に空気ボイラ系２の空気ボイラ７３の節炭器７４に他端が接続される復水給水系統とを有している。主蒸気配管１４４は、空気ボイラ系２の空気ボイラ７３で生成された過熱蒸気を蒸気タービン１４１に供給するものである。主蒸気配管１４４には、第１２の温度計１４７及び蒸気タービン制御弁１４８が下流方向に向かって順に設けられている。第１２の温度計１４７は、蒸気タービン１４１に導入される過熱蒸気の温度（蒸気タービン入口主蒸気温度）を検出するものであり、温度信号を制御装置４に出力する。蒸気タービン制御弁１４８は、蒸気タービン１４１に導入される過熱蒸気の流量を調整するものである。

復水給水系統は、蒸気タービン１４１からの排気蒸気を冷却することで凝縮させ水に戻す復水器１５１と、復水器１５１からの復水を加熱脱気する脱気器１５２とを備えている。復水器１５１は、例えば、空冷式のものであり、冷却ファン１５１ａを有する。復水給水系統は、また、復水器１５１の出口と脱気器１５２の入口とに接続された復水配管１５４と、脱気器１５２の出口と空気ボイラ７３の節炭器７４とに接続された給水配管１５５とを備えている。脱気器１５２には、蒸気タービン１４１からの抽気を供給する抽気配管１５６が接続されている。復水配管１５４には、復水ポンプ１５８が設けられている。復水ポンプ１５８は、復水器１５１で生じた水を脱気器１５２に送出するものである。給水配管１５５には、給水ポンプ１５９、給水流量調整弁１６１及び給水流量計１６２が下流方向に向かって順に設けられている。給水ポンプ１５９は、脱気器１５２の給水を空気ボイラ７３の節炭器７４に送出するものである。給水流量調整弁１６１は、節炭器７４への給水の流量を調整するものである。給水流量計１６２は、節炭器７４への給水の流量を検出するものであり、給水流量信号を制御装置４へ出力する。

蒸気タービン発電系３の電気系統は、発電機１４２と外部系統２００とを接続する主回路１７１と、主回路１７１上に設けられ、発電機１４２の出力を検出する発電機出力検出器１７２と、発電機出力検出器１７２の下流側に配置され、発電機１４２の出力電圧を外部の系統電圧まで昇圧する主変圧器１７３と、主変圧器１７３の高圧側に配置され、外部系統２００との接続／遮断を行う主遮断器１７４とを備えている。発電機出力検出器１７２の検出した発電機出力信号は、制御装置４へ入力される。また、主遮断器１７４が接続状態である閉から遮断状態の開に切換えられた場合には、主遮断器１７４の開信号が制御装置４へ出力される。

太陽熱発電システムは、さらに、蒸気タービン発電系３の発電量の制御やシステム運転の停止を行う制御装置４を備えている。制御装置４は、基本的には、各種機器からの信号を読み込み、発電機１４２の出力が計画出力値となるように各種操作端を制御するものである。

制御装置４は、発電機出力検出器１７２の検出した発電機出力信号、直達日射計５３が検出した直達日射強度信号、第４の温度計５０が検出した集熱装置出口熱媒体温度信号と、第５の温度計５１が検出した熱交換器入口熱媒体温度信号、第８の温度計９１で検出した熱交換器出口空気温度信号、第１２の温度計１４７が検出した蒸気タービン入口主蒸気温度信号、給水流量計１６２が検出した給水流量信号、主遮断器１７４の開信号を読み込む。

制御装置４は、発電機１４２の出力を増減させる場合、各種機器からの信号に基づき、蒸気タービン制御弁１４８、給水流量調整弁１６１、吸気側ダンパ８６、熱交換器入口弁３２及び熱交換器出口弁３３、熱交換器バイパス弁５６、熱媒体流量調整弁２７、へリオシュタット１１を制御する。

次に、本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態の一部を構成する空気ボイラ系２の熱媒体熱交換器及び空気ボイラの詳細な構造を図１及び図２を用いて説明する。図２は図１に示す本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態の一部を構成する空気ボイラ系の熱媒体熱交換器及び空気ボイラを示す概略構造図である。図２中、矢印は、本システムにおける各種の熱媒体の流れの方向を示している。なお、図２において、図１に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図２において、熱媒体熱交換器７２は、筒状のケーシング１０１と、ケーシング１０１の内部に配設された複数の熱交換器伝熱管１０２と、複数の熱交換器伝熱管１０２の入口端が接続された熱交換器入口ヘッダ１０３と、複数の熱交換器伝熱管１０２の出口端が接続された熱交換器出口ヘッダ１０４とを備えている。ケーシング１０１は、空気ボイラ７３の後述するボイラケーシング１１１と１つに統合された一体構造とされており、開口部が熱交換器入口ダクト８１に接続されている。ケーシング１０１は、内部が空気の流路となるものであり、大気圧よりも少し高い圧力の空気が流通する。このため、ケーシング１０１は、炭素鋼等の低級材料で成形し、板厚の比較的薄い構造物とすることが可能である。複数の熱交換器伝熱管１０２は、空気の流れ方向に並ぶように配置される。熱交換器入口ヘッダ１０３は、熱交換器出口ヘッダ１０４よりも空気の流れ方向の下流側に配置されている。熱交換器入口ヘッダ１０３及び熱交換器出口ヘッダ１０４にはそれぞれ、太陽熱集熱系１の熱交換器入口配管２２及び第３タンク入口配管２３が接続されている。複数の熱交換器伝熱管１０２、熱交換器入口ヘッダ１０３、熱交換器出口ヘッダ１０４には、太陽熱集熱系１からの第１熱媒体が流通する。

空気ボイラ７３は、節炭器７４、蒸発器７５、過熱器７６で構成されており、空気の上流方向に向かって順に配置されている。節炭器７４、蒸発器７５、過熱器７６は、１つに統合された一体構造の筒状のボイラケーシング１１１を備えている。ボイラケーシング１１１は、さらに、熱媒体熱交換器７２のケーシング１０１と１つに統合された一体構造とされており、開口部が空気ボイラ出口ダクト８３に接続されている。ボイラケーシング１１１は、熱媒体熱交換器７２のケーシング１０１と共に空気の流路の一部を構成しており、熱媒体熱交換器７２のケーシング１０１と同様に、炭素鋼等の低級材料で成形し、板厚の比較的薄い構造物とすることが可能である。

節炭器７４は、ボイラケーシング１１１の内部に配設された複数の節炭器伝熱管１１２と、複数の節炭器伝熱管１１２の入口端が接続された節炭器入口ヘッダ１１３と、複数の節炭器伝熱管１１２の出口端が接続された節炭器出口ヘッダ１１４とを更に備えている。複数の節炭器伝熱管１１２は、空気の流れ方向に並ぶように配置される。節炭器入口ヘッダ１１３は、節炭器出口ヘッダ１１４よりも空気の流れ方向下流側に配置されている。節炭器入口ヘッダ１１３には、蒸気タービン発電系３の給水配管１５５が接続されており、蒸気タービン発電系３からの水が供給される。節炭器出口ヘッダ１１４には、節炭器出口配管１１５の一端が接続されており、節炭器出口配管１１５の他端は、蒸発器７５の後述する蒸発器入口ヘッダ１２３に接続されている。

蒸発器７５は、ボイラケーシング１１１の内部に配設された複数の蒸発器伝熱管１２２と、複数の蒸発器伝熱管１２２の入口端が接続された蒸発器入口ヘッダ１２３と、複数の蒸発器伝熱管１２２の出口端が接続された蒸発器出口ヘッダ１２４と、ボイラケーシング１１１の外部に配設され、飽和蒸気と飽和水の気液二相流体を飽和蒸気と飽和水に分離する汽水分離器１２５と、一端が蒸発器出口ヘッダ１２４に接続されると共に他端が汽水分離器１２５の入口側に接続された汽水分離器入口管１２６と、一端が汽水分離器１２５の蒸気出口側に接続された汽水分離器出口管１２７と更に備えている。汽水分離器出口管１２７の他端は、過熱器７６の後述する過熱器入口ヘッダ１３３に接続されている。複数の蒸発器伝熱管１２２は、空気の流れ方向に並ぶように配置される。蒸発器入口ヘッダ１２３は、蒸発器出口ヘッダ１２４よりも空気の流れ方向下流側に配置されている。蒸発器７５は、さらに、一端が汽水分離器１２５の飽和水出口側に接続される共に他端が蒸発器入口ヘッダ１２３に接続された戻り管１２８と、戻り管１２８に設けた循環ポンプ１２９とを備えている。

過熱器７６は、ボイラケーシング１１１の内部に配設された複数の過熱器伝熱管１３２と、複数の過熱器伝熱管１３２の入口端が接続された過熱器入口ヘッダ１３３と、複数の過熱器伝熱管１３２の出口端が接続された過熱器出口ヘッダ１３４とを更に備えている。複数の過熱器伝熱管１３２は、空気の流れ方向に並ぶように配置される。過熱器入口ヘッダ１３３は、過熱器出口ヘッダ１３４よりも空気の流れ方向下流側に配置されている。過熱器出口ヘッダ１３４には、蒸気タービン発電系３の主蒸気配管１４４が接続されている。

なお、図２に示すように、熱媒体熱交換器７２と空気ボイラ７３が一体構造となるように構成されている場合、図１に示す熱媒体熱交換器７２の空気出口側と空気ボイラ７３の空気入口側を接続する空気ボイラ入口ダクト８２が不要となり、構成の簡素化を図ることができる。

本実施の形態においては、過熱蒸気を生成するための装置として、空気を加熱源とする空気ボイラ７３を採用している。この空気ボイラ７３は、空気の流路であるボイラケーシング１１１を共通とし、ボイラケーシング１１１内に各種伝熱管を配置した構造の節炭器７４、蒸発器７５、過熱器７６で構成されている。このため、構成の簡素化が図られている。

それに対して、過熱蒸気を生成するための装置として、液体の熱媒体、例えば、溶融塩を加熱源とする蒸気発生器を採用する場合でも、節炭器、蒸発器、過熱器で構成することが可能である。だたし、その構造は上記のものとは異なるものである。溶融塩を加熱源とする節炭器及び過熱器としては、一般的に、シェルアンドチューブ型の熱交換器が採用され、伝熱管には水／水蒸気が流れ、胴体部には溶融塩が流れる。胴体部を流れる溶融塩は、圧送されるものであり、空気よりも比重が大きいので、胴体部を厚肉化する必要がある。また、溶融塩を加熱源とする蒸発器としては、一般的に、ケトル型が採用され、伝熱管には溶融塩が流れ、胴体部には水／水蒸気が流れる。すなわち、蒸発器の溶融塩及び水／水蒸気の流路は、節炭器及び過熱器のものと反転する。このため、溶融塩を加熱源とする節炭器、蒸発器、過熱器は、胴体部の共通化ができず、個々にそれぞれ分離した構成とする必要がある。したがって、溶融塩等の液体の熱媒体を加熱源とする蒸気発生器は、上記した空気ボイラ７３よりも、構成が複雑である。

また、液体の熱媒体を加熱源とする場合、蒸気発生器に対する腐食の影響を考慮して高級な合金鋼材料を用いることが必要な場合がある。それに対して、空気を加熱源とする場合、空気による腐食に対して特別な考慮は不要であり、液体の熱媒体を加熱源とする場合よりも低級な材料を用いることができる。

次に、本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態の太陽熱発電方法を図１を用いて説明する。
図１に示す太陽熱集熱系１において、第１熱媒体としての第１熱媒体が第１タンク１４に収容されている。この第１熱媒体の温度は第１の温度計４７により検出され、集熱装置１０へ供給する第１熱媒体の温度を確認することができる。
第１熱媒体が硝酸塩系の溶融塩の場合、溶融塩の固化を防止するために、最低温度を約２６０℃以上に確保する。

第１タンク１４内の第１熱媒体は、第１移送ポンプ２６により受熱器入口配管１８を介してタワー受熱器１２に移送される。このとき、タワー受熱器１２に供給される第１熱媒体の流量は、熱媒体流量調整弁２７により調整されると共に熱媒体流量計２８により検出される。この第１熱媒体は、タワー受熱器１２を通過する間に、ヘリオスタット１１により反射された太陽Ｓの日射光により加熱されて昇温する。

加熱されて高温の第１熱媒体は、受熱器出口配管１９及び第２タンク入口配管２０を介してバッファタンクとしての第２タンク１５に一時的に収容される。タワー受熱器１２から流出する第１熱媒体の温度は第４の温度計５０により検出され、第２タンク１５内の第１熱媒体は第２の温度計４８により検出される。第４の温度計５０の検出温度と第１の温度計４７の検出温度とを比較することで、集熱装置１０により集熱した太陽熱が第１熱媒体に伝達されていることを確認できる。

第２タンク１５に保持されている第１熱媒体は、第２移送ポンプ３０により昇圧され、第２タンク出口配管２１及び熱交換器入口配管２２を介して空気ボイラ系２の熱媒体熱交換器７２に送られる。熱媒体熱交換器７２に供給される第１熱媒体の流量は、例えば、熱媒体熱交換器入口弁３２及び熱媒体熱交換器出口弁３３により調整される。また、熱媒体熱交換器７２に供給される第１熱媒体の温度は、第５の温度計５１により検出される。熱媒体熱交換器７２内を流れる第１熱媒体は、空気ボイラ系２の空気を加熱して降温する。

熱媒体熱交換器７２から流出した第１熱媒体は、第３タンク入口配管２３を介して第３タンク１６に流入する。熱媒体熱交換器７２から流出する第１熱媒体の温度は第６の温度計５２により検出され、第３タンク１６内の第１熱媒体の温度は第３の温度計４９により検出される。第３の温度計４９の検出温度により、集熱装置１０により集熱した太陽熱が空気ボイラ系２の空気に伝達されていることを確認できる。第３タンク１６内の第１熱媒体は、第３移送ポンプ３５により第１タンク１４に送られる。第１タンク１４に送られて収容された第１熱媒体は、集熱装置１０に再度移送されて、上記のように循環する。

一方、空気ボイラ系２においては、押込ファン７１により、太陽熱集熱系１の第１熱媒体により加熱される空気（大気）が吸気ダクト８０内に吸い込まれる。吸込み空気の温度は、第７の温度計９０により検出される。この吸込み空気は、略大気温度の低温で、かつ、押込ファン７１により大気圧よりも十数パーセント程度昇圧された状態で空気加熱器７８に流入する。空気加熱器７８に流入する流量は、吸込側ダンパ８６により調整される。空気加熱器７８に流入した低温の吸込み空気は、空気ボイラ７３から排出された高温の排気空気との熱交換により予熱されて昇温する。

空気加熱器７８で昇温した空気は、熱交換器入口ダクト８１を介して熱媒体熱交換器７２に導入され、そこで、太陽熱集熱系１からの高温の第１熱媒体との熱交換により加熱されて昇温する。熱媒体熱交換器７２から流出した高温空気は、空気ボイラ７３に導入される。熱媒体熱交換器７２に導入される空気の温度は第９の温度計９２により、熱媒体熱交換器７２から流出する高温空気の温度は第８の温度計９１により検出される。これらの温度は、監視されてシステム運用に活用されている。

高温空気は、空気ボイラ７３の過熱器７６、蒸発器７５、節炭器７４を順次通過し、蒸気タービン発電系３からの給水を加熱する。これにより、空気ボイラ７３において過熱蒸気が生成される。

給水を加熱して空気ボイラ７３から排出された排気空気は、加熱した分、温度が降下しているが、大気温度よりも高温である。この排気空気は、空気ボイラ出口ダクト８３を介して空気加熱器７８に流入して吸込み空気を加熱した後、排気側ダンパ８７を通過し排気ダクト８４の大気排出口を介して大気に戻される。空気加熱器７８における低温の吸込み空気と高温の排気空気との熱交換により、太陽熱の有効利用を図ることができる。空気加熱器７８に流入する排気空気及び空気加熱器７８から流出する排気空気の温度は、それぞれ第１０及び第１１の温度計９３、９４により検出される。第１０の温度計９３の空気加熱器高温側入口空気温度は監視されており、システムの運用に役立てられている。第１１の温度計９４の空気加熱器高温側出口空気温度は、空気加熱器７８の低温空気のリーク量（回転再生式の場合において構造上生じる漏れ流れの量）の影響に関係するものであり、監視されてシステムの運用に役立てられている。

このとき、蒸気タービン発電系３において、空気ボイラ系２の空気ボイラ７３から流出した過熱蒸気は、主蒸気配管１４４を介して蒸気タービン１４１に導入され、蒸気タービン１４１を回転駆動する。蒸気タービン１４１の回転駆動により発電機１４２が駆動されて発電する。蒸気タービン１４１に導入される過熱蒸気の流量は、蒸気タービン制御弁１４８により調整される。また、この過熱蒸気の温度は、第１２の温度計１４７により検出される。

蒸気タービン１４１を駆動して排出された蒸気は、蒸気タービン排気ダクト１４５を介して復水器１５１に流入し、そこで、冷却ファン１５１ａにより送出された大気空気を冷却空気として冷却されて水に戻る。復水器１５１の復水は、復水ポンプ１５８により昇圧されて復水配管１５４を介して脱気器１５２に供給される。そこで、蒸気タービン１４１から抽気配管１５６を介して供給された抽気蒸気により加熱され脱気される。脱気器１５２で脱気された給水は、給水ポンプ１５９により昇圧されて給水配管１５５を介して空気ボイラ系２の空気ボイラ７３に供給される。給水の流量は、給水流量調整弁１６１により調整され、給水流量計１６２により検出される。

空気ボイラ７３に供給された給水は、空気ボイラ７３の節炭器７４、蒸発器７５、過熱器７６を順次通過し、そこで、空気ボイラ系２の高温空気により加熱される。節炭器７４では給水が予熱され、蒸発器７５では節炭器７４からの予熱された給水から飽和蒸気が生成され、過熱器７６では蒸発器７５からの飽和蒸気から過熱蒸気が生成される。この過熱蒸気は、蒸気タービン１４１に再度導入され、上記のように循環する。

また、蒸気タービン発電系３の発電機１４２が発電した電力は、主変圧器１７３により系統電圧まで昇圧され、主回路１７１を介し主遮断器１７４を通過して外部系統２００に送られる。このとき、発電機１４２の出力は、発電機出力検出器１７２により検出される。

次に、本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態を構成する空気ボイラ系の熱媒体熱交換器及び空気ボイラの作用を図２及び図３を用いて説明する。
図３は図２に示す本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態の一部を構成する空気ボイラ系の熱媒体熱交換器及び空気ボイラにおける各種の熱媒体の温度変化を示す特性図である。図３中、縦軸Ｔは温度を、横軸は熱媒体熱交換器及び空気ボイラの位置をそれぞれ示している。なお、図３において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図２に示す空気ボイラ系２の熱媒体熱交換器７２では、空気加熱器７８（図１参照）からの空気が熱交換器入口ダクト８１を介してケーシング１０１内を流通している。このとき、太陽熱集熱系１の高温の第１熱媒体が熱交換器入口配管２２を介して熱媒体熱交換器７２に導入される。この高温の第１熱媒体は、熱交換器入口ヘッダ１０３を経由してケーシング１０１内に配設されている複数の熱交換器伝熱管１０２内を流通する。各熱交換器伝熱管１０２を流通する第１熱媒体は、ケーシング１０１内を流れる空気との熱交換により熱を放出して、熱交換器出口ヘッダ１０４で合流する。熱交換器出口ヘッダ１０４に集められた第１熱媒体は、第３タンク入口配管２３を介して熱媒体熱交換器７２から流出する。熱交換器伝熱管１０２を流通する第１熱媒体の温度は、図３に示すように、第１熱媒体が熱交換器入口ヘッダ１０３から熱交換器出口ヘッダ１０４に向かう間に空気に放熱することで、徐々に低下していく。

それに対して、空気ボイラ系２の空気は、各熱交換器伝熱管１０２の外表面側を流れるので、各熱交換器伝熱管１０２を流通する高温の第１熱媒体との熱交換により加熱される。この空気の温度は、図３に示すように、下流側に向かって徐々に上昇し計画空気温度に到達する。これにより、熱媒体熱交換器７２の後段に位置する空気ボイラ７３の加熱源として、この空気を用いることができる。

熱媒体熱交換器７２で加熱された高温の空気は、図２に示すように、空気ボイラ７３のボイラケーシング１１１内を流通し、過熱器７６、蒸発器７５、節炭器７４を順次通過する。この高温空気は、過熱器７６、蒸発器７５、節炭器７４の各々の伝熱管１３２、１２２、１１２の外表面を順次通過する際に、蒸気タービン発電系３からの給水から過熱蒸気を生成する加熱源として放熱する。そのため、空気の温度は、図３に示すように、空気ボイラ７３の下流側に向かって徐々に降下していく。

一方、空気ボイラ７３には、蒸気タービン発電系３の給水配管１５５を介して給水が導入される。この給水は、先ず、節炭器７４の節炭器入口ヘッダ１１３を経由してボイラケーシング１１１内に配設されている複数の節炭器伝熱管１１２内を流通する。各節炭器伝熱管１１２を流通する給水は、ボイラケーシング１１１内を流れる空気との熱交換により加熱され、節炭器出口ヘッダ１１４で合流する。節炭器出口ヘッダ１１４に集められた加熱された給水は、節炭器出口管１１５を介して蒸発器７５へ流入する。節炭器伝熱管１１２を流通する給水の温度は、図３に示すように、給水が節炭器入口ヘッダ１１３から節炭器出口ヘッダ１１４に向かう間に高温空気の加熱により徐々に上昇していく。

節炭器７４からの給水は、蒸発器入口ヘッダ１２３を経由してボイラケーシング１１１内に配設されている複数の蒸発器伝熱管１２２内を流通する。各蒸発器伝熱管１２２を流通する給水は、ボイラケーシング１１１内を流れる空気との熱交換により加熱されて、飽和蒸気と飽和水とが混合した状態の二相流体となり、蒸発器出口ヘッダ１２４で合流する。蒸発器伝熱管１２２を流通する給水の温度は、図３に示すように、給水が蒸発器入口ヘッダ１２３から蒸発器出口ヘッダ１２４に向かう間に高温空気からの加熱により飽和蒸気が生成され略一定である。

この二相流体は、汽水分離器入口配管１２６を介して汽水分離器１２５に流入し、そこで、飽和蒸気と飽和水に分離される。汽水分離器１２５で分離された飽和水は、循環ポンプ１２９で昇圧されて戻り管１２８を介して節炭器７４からの給水と合流し、再び蒸発器入口ヘッダ１２３に戻る。この飽和水は、節炭器７４からの給水と共に蒸発器７５内を再循環して空気との熱交換により加熱され、再度二相流体となる。一方、汽水分離器１２５で分離された飽和蒸気は、汽水分離器出口配管１２７を介して過熱器７６へ流入する。

蒸発器７５からの飽和蒸気は、過熱器入口ヘッダ１３３を経由してボイラケーシング１１１内に配設されている複数の過熱器伝熱管１３２内を流通する。各過熱器伝熱管１３２を流通する飽和蒸気は、ボイラケーシング１１１内を流れる空気との熱交換により加熱されて過熱蒸気となり、過熱器出口ヘッダ１３４で合流する。過熱器出口ヘッダ１３４に集められた過熱蒸気は、主蒸気配管１４４を介して蒸気タービン１４１へ導入され発電に利用される。過熱器伝熱管１３２を流通する過熱蒸気の温度は、図３に示すように、過熱器入口ヘッダ１３３から過熱器出口ヘッダ１３４に向かう間に高温空気の加熱により徐々に上昇し計画蒸気温度に到達する。

次に、本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態の各種の状態における太陽熱発電方法を図１及び図４を用いて説明する。図４は某地点における直達日射強度の実測値の一例を示す図である。図４中、縦軸Ｉは直達日射強度を、横軸ｔは時間をそれぞれ示している。

本実施の形態において、図１に示す制御装置４は、原則、発電機１４２の出力が計画出力値となるように制御する。そのため、発電機出力検出器９１の検出した発電機出力信号を読み込み、発電機１４２の１４２の出力変化を常に監視している。

制御装置４は、発電機１４２の出力を増減させる場合、例えば、太陽熱集熱系１の熱交換器入口弁３２及び熱交換器出口弁３３の開度を制御し、空気ボイラ系２の空気の加熱源としての第１熱媒体の熱媒体熱交換器７２への供給量を調整する。さらに、空気ボイラ系２の吸気側ダンパ８６を制御し、空気ボイラ系２の空気ボイラ７３の加熱源としての空気の流量を調整する。加えて、蒸気タービン発電系３の給水流量調整弁１６１の開度を制御し、空気ボイラ７３への給水量を調整する。これらの相互の流量調整により空気ボイラ７３で生成される過熱蒸気の生成量を調整する。最終的には、蒸気タービン制御弁１４８の開度を制御し、蒸気タービン１４１に導入される過熱蒸気の流量を調整する。これにより、蒸気タービン１４１の出力値を目標出力値に追従させることができ、発電機１４２の出力が増減する。

この時、制御装置４は、第１２の温度計１４７の検出した蒸気タービン入口主蒸気温度が蒸気タービン１４１の運用温度幅内（計画蒸気温度）であるか否かを判定（監視）する。運用温度の範囲外であると判定した場合、例えば、蒸気タービン入口の主蒸気温度の急激な低下が生じたような場合には、蒸気タービン１４１を緊急停止させる。また、第８の温度計９１の検出した熱交換器出口空気温度が計画空気温度であるか否かを判定（監視）する。空気ボイラ７３において、第８の温度計９１の熱交換器出口空気温度は、一般的な化石燃料をボイラ火炉内で燃焼させて高温ガスを生み出し蒸気を発生させる時の火炉出口ガス温度に相当するので、発生する蒸気の温度変化に大きな影響を及ぼす。そこで、制御装置４は、第８の温度計９１の検出した熱交換器出口空気温度信号を入力信号とし、発生蒸気の温度変化の予想制御に活用する。

また、発電機の出力を増減させる場合、制御装置４は、太陽熱集熱系１の熱交換器入口弁３２及び熱交換器出口弁３３の開度を制御する代わりに、太陽熱集熱系１の熱交換器バイパス弁５６の開度を制御することも可能である。この場合、熱交換器バイパス弁５６の開度制御により、第２タンク１５から熱媒体熱交換器７２を迂回する第１熱媒体の流量を調整することで、熱媒体熱交換器７２への第１熱媒体の供給量を調整する。つまり、熱交換器バイパス弁５６は、熱交換器入口弁３２及び熱交換器出口弁３３と同様な機能を発揮する。例えば、発電機１４２の発電量を低下させる場合、第２タンク１５から熱媒体熱交換器７２を迂回する第１熱媒体の流量が増加するように熱交換器バイパス弁５６を制御する。

また、蒸気タービン発電系３が外部系統２００から切り離された場合、制御装置４は、発電機出力検出器１７２の検出した発電機出力信号又は主遮断器１７４の開信号を読み込み、発電機１４２が緊急遮断されたと判定する。この場合、熱交換器バイパス弁５６を全開させる制御を行う。これにより、第２タンク１５からの第１熱媒体の大部分が熱交換器バイパス配管５５を通過して熱媒体熱交換器７２を迂回し第３タンク１６に流入するので、熱媒体熱交換器７２に供給される第１熱媒体の流量を急減させることができる。このため、熱媒体熱交換器７２で生じる高温空気の温度が低下し、空気ボイラ７３での蒸気発生量を急激に減少させることができる。さらに、給水流量調整弁１６１を全閉させる制御を行う。これにより、空気ボイラ７３への給水が停止され、最終的に、蒸気の生成が停止される。制御装置４は、さらに、ヘリオスタット１１に集光停止信号を出力する。これにより、ヘリオスタット１１では、タワー受熱器１２への集光量が０となるように平面鏡の向きや角度を調整され、太陽熱の集熱が停止される。以上により、集熱装置１０、空気ボイラ７３、蒸気タービン１４１、発電機１４２を安全に停止することができる。

ところで、図４の符号Ｘで示すように直達日射強度が数分間のみ急減したような場合、例えば、雲が太陽の前を一時的に横切った場合、図１に示す集熱装置１０による太陽熱の集熱量はそれに応じて急減する。この場合、集熱装置１０から第２タンク１５に流入する第１熱媒体の温度は低下するが、第２タンク１５内に収容されている第１熱媒体の容量の大きさ（保有する熱量）に応じて第２タンク１５内の第１熱媒体の温度低下が軽減される。すなわち、第２タンク１５内に一時的に所定以上の容量の第１熱媒体を保持しておくことで、直達日射強度が数分程度急減した場合であっても、第２タンク１５内の第１熱媒体の温度を略一定に保つことができる。したがって、直達日射強度の変動によらず、熱媒体熱交換器７２に供給される第１熱媒体の温度を略一定に維持することができ、過熱蒸気の発生量や温度の影響を低減することができる。

一方、直達日射強度が数時間低下することが想定される場合、集熱装置１０による太陽熱の集熱量が低下した状態が継続することになる。この場合、温度の低下した第１熱媒体が第２タンク１５に流入し続けることになり、第２タンク１５内の第１熱媒体の温度が低下する虞がある。この場合、制御装置４は、第４の温度計５０の受熱器出口熱媒体温度信号、第２の温度計４８の第２タンク熱媒体温度信号、第５の温度計５１の熱交換器入口熱媒体温度を入力信号として、熱媒体流量調整弁２７の絞り制御を行う。これにより、第１タンク１４から集熱装置１０に供給される第１熱媒体の流量が絞られ、タワー受熱器１２から流出する第１熱媒体の温度を所定の温度に維持することができる。第２タンク１５は第１熱媒体を一時的に収容しているので、第２タンク１５に供給される第１熱媒体の流量が減少しても、第２タンク１５から熱媒体熱交換器７２に供給する第１熱媒体の流量を一定量に維持することができる。したがって、直達日射強度が長時間低下した場合であっても、所定の温度の第１熱媒体を熱媒体熱交換器７２に供給することができるので、過熱蒸気の発生量を維持できる。そのため、発電機１４２の出力を略一定に維持することができる。

上述したように、本発明の太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法の第１の実施の形態によれば、過熱蒸気生成のための加熱源として高温の空気を用いるので、過熱蒸気生成のための空気ボイラ（熱交換器）７３は、液体の熱媒体を加熱源とする場合と異なり、空気による腐食の懸念がなく、空気の流通部分には炭素鋼等の一般的な低級材料を使用可能である。また、空気の比重は液体の熱媒体よりも小さく、空気ボイラ（熱交換器）７３を流れる空気は、液体の熱媒体の場合よりも摩擦が小さく低圧状態での流通が可能なので、空気ボイラ（熱交換器）７３の構成部品の強度や板厚を、液体の熱媒体を加熱源とする場合よりも小さくすることが可能である。したがって、発電システムの設備コストを低減することができる。

また、本実施の形態によれば、燃料を用いることなく、太陽熱を利用して過熱蒸気を生成して発電するので、燃料の投入により過熱蒸気を生成して発電するシステムと比較して、発電コストを低減することができる。

さらに、本実施の形態によれば、大気を押込みファンで系内に取り込み、この大気（空気）を空気ボイラ７３の加熱源として利用するので、加熱源としての空気を循環させる必要がなく、空気の貯留設備も不要となる。

また、本実施の形態によれば、熱媒体熱交換器７２のケーシング１０１と空気ボイラ７３のボイラケーシング１１１を一体構造としたので、構造の簡素化を図ることができる。

さらに、本実施の形態によれば、空気ボイラ系２の空気加熱器７８において、大気から吸込まれた低温の吸込み空気が空気ボイラ７３から排出された高温の排出空気により予熱されるので、大気に排出される排気空気の熱が吸込み空気に回収される。したがって、太陽熱の有効利用を図ることができる。

さらにまた、本実施の形態によれば、液体の熱媒体が熱媒体熱交換器７２を迂回する熱交換器バイパス系統５４を太陽熱集熱系１に設けたので、熱媒体熱交換器７２へ供給する第１熱媒体の流量を調整することができる。特に、蒸気タービン１４１を緊急停止させる場合には、第１熱媒体を熱交換器バイパス系統５４に流通させることで、熱媒体熱交換器７２に供給される第１熱媒体の流量を容易に急減させることができる。

加えて、本実施の形態によれば、熱媒体熱交換器７２を迂回した高温の第１熱媒体を第３タンク１６で収容するように構成したので、集熱装置１０に供給する第１熱媒体を収容する第１タンク１４を、高温熱媒体の収容を考慮せずに、低温熱媒体を収容する仕様で設計すればよい。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法の第２の実施の形態を図５を用いて説明する。図５は本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態を示す構成図である。図５中、矢印は、本発電システムにおける各種の熱媒体の流れの方向を示している。なお、図５において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図５に示す太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法の第２の実施の形態は、第１の実施の形態の太陽熱集熱系１の構成に対して、夜間の放熱運転による発電を可能とする蓄熱セクション６０を追加すると共に、新たなセクションの追加に伴い不要な構成を削除したものである。

具体的には、太陽熱集熱系１Ａは、第１の実施の形態と同様の集熱装置１０と、第１の実施の形態とは構成が一部異なる循環セクション１３Ａと、集熱装置１０で加熱した第１熱媒体を循環させずに貯留する蓄熱セクション６０とを備えている。循環セクション１３Ａは、第１の実施の形態の循環セクション１３のうち、第２タンク１５、第２タンク入口配管２０、第２タンク出口配管２１、及び第２移送ポンプ３０を削除する。その代わり、受熱器出口配管１９から分岐して熱交換器入口配管２２に接続された循環配管５８と、循環配管５８に設けられた循環流量調整弁５９とを備えている。

蓄熱セクション６０は、蓄熱タンク６１と、受熱器出口配管１９から分岐して蓄熱タンク６１の入口に接続された蓄熱タンク入口配管６２と、蓄熱タンク６１の出口と循環配管５８に接続された蓄熱タンク出口配管６３とを備えている。蓄熱タンク入口配管６２には、蓄熱タンク流量調整弁６４、蓄熱タンク入口弁６５が下流側に向かって順に設けられている。蓄熱タンク出口配管６３には、蓄熱タンク出口弁６６、第４移送ポンプ６７が下流側に向かって順に設けられている。蓄熱タンク６１には、蓄熱タンク６１内の熱媒体の温度（蓄熱タンク熱媒体温度）を検出する蓄熱タンク温度計６８が設置されている。

本実施の形態において、「第１ライン」及び「第３ライン」は第１の実施の形態と同じ構成である。また、「集熱装置で加熱された液体の熱媒体を熱媒体熱交換器に供給する第２ライン」を、受熱器出口配管１９、循環配管５８、及び熱交換器入口配管２２が構成する。また、蓄熱タンク入口配管６２及び蓄熱タンク出口配管６３が「第２ラインの上流側と下流側の部分に接続される第４ライン」を構成し、「第４ライン」上に蓄熱タンク６１を設けた構成となっている。

太陽熱発電システムの制御装置４Ａは、第１の実施の形態の制御装置４と同様に、蒸気タービン発電系３の発電量の制御やシステム運転の停止を行うものであるが、第１の実施の形態の制御装置４が読み込む信号の他に、蓄熱タンク温度計６８が検出した蓄熱タンク熱媒体温度も読み込む。制御装置４は、また、第１の実施の形態の制御装置４が制御する操作端の他に、循環流量調整弁５９、蓄熱タンク流量調整弁６４、第４移送ポンプ６７を制御する。

次に、本発明の太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法の第２の実施の形態の日中の発電及び蓄熱方法を説明する。まず、蓄熱タンク入口弁６５を開状態にすると共に、蓄熱タンク出口弁６６を閉状態にする。これにより、蓄熱セクション６０を蓄熱モードにする。集熱装置１０のタワー受熱器１２から流出した高温の第１熱媒体は、蓄熱タンク入口配管６２及び循環配管５８に分流する。高温の第１熱媒体の一部は、蓄熱タンク入口配管６２を介して蓄熱タンク６１に流入し、そこで、放熱運転時まで貯留される。一方、残りの第１熱媒体は、循環配管５８及び熱交換器入口配管２２を介して熱媒体熱交換器７２に供給される。熱媒体熱交換器７２及び蓄熱タンク６１に供給される第１熱媒体の流量は、発電量計画に従って発電量と蓄熱量のバランスを取って決められる。これらの流量は、制御装置４Ａにより循環流量調整弁５９及び蓄熱タンク流量調整弁６４を相互に制御することによって調整される。つまり、制御装置４Ａは、熱媒体熱交換器７２及び蓄熱タンク６１に供給する第１熱媒体の流量の分配制御を行う。

具体的には、蓄熱量を減らす場合には、制御装置４Ａが循環流量調整弁５９の開度を大きくする制御を行い、通過流量を増加させる。蓄熱量を増加させる場合には、制御装置４Ａが蓄熱タンク流量調整弁６４の開度を大きくする制御を行い、通過流量を増加させる。熱媒体熱交換器７２に供給される第１熱媒体の流量に応じて空気ボイラ７３で生成される過熱蒸気の生成量が調整される。蓄熱タンク６１内の第１熱媒体の温度は、蓄熱タンク温度計６８により検出される。制御装置４Ａは、蓄熱タンク温度計６８の蓄熱タンク熱媒体温度信号を読み込み常時監視する。これにより、高温の第１熱媒体が蓄熱タンク６１に蓄熱されていることを確認する。

なお、日中の発電の際の空気ボイラ系２及び蒸気タービン発電系３の動作は、前述した第１の実施の形態と同様なものであり、その説明を省略する。

次に、夜間等の放熱運転による発電方法を説明する。まず、蓄熱タンク入口弁６５を全閉状態にすると共に、蓄熱タンク出口弁６６を開状態にする。その後、制御装置４Ａにより第４移送ポンプ６７を駆動させる制御を行う。これにより、蓄熱タンク６１内に貯留されている高温の第１熱媒体が第４移送ポンプ６７により昇圧されて蓄熱タンク出口配管６３及び熱交換器入口配管２２を介して熱媒体熱交換器７２に移送され、空気ボイラ系２の吸込み空気を加熱する。放熱運転による発電の場合でも、空気ボイラ系２及び蒸気タービン発電系３の動作は、前述した第１の実施の形態の空気ボイラ系２及び蒸気タービン発電系３の日中の発電時の動作と同様なものであり、その説明を省略する。

なお、放熱運転時において、熱媒体熱交換器７２に供給する第１熱媒体の流量を以下のように調整することが可能である。制御装置４Ａにより循環流量調整弁５９の開度を制御し、蓄熱タンク６１から第４移送ポンプ６７により吐出されて熱媒体熱交換器７２に供給する第１熱媒体の一部を循環配管５８を介して蓄熱タンク６１に還流させる。つまり、循環流量調整弁５９の開度を調整することで、熱媒体熱交換器７２に供給する第１熱媒体及び蓄熱タンク６１に再循環させる第１熱媒体の流量を調整する。

上述したように、本発明の太陽熱発電システム及び太陽熱発電方法の第２の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、集熱装置１０で加熱した液体の熱媒体を循環させずに貯留する蓄熱セクション６０を備えているので、太陽熱を集熱できない夜間等に第１熱媒体の放熱による発電が可能となる。

［その他の実施形態］
なお、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

例えば、上述した第１及び第２の実施の形態においては、集熱装置１０として、タワー型の装置を採用した例を示したが、トラフ型やフレネル型又はそれらの組み合わせた装置を採用可能である。

また、上述した実施の形態においては、第１熱媒体として、溶融塩を用いた例を示したが、合成油等の各種の液体の熱媒体を用いることが可能である。

なお、上述した実施の形態においては、太陽熱集熱系１、１Ａが第３タンクを備えた例を示したが、第３タンクを省略した太陽熱集熱系も可能である。しかし、この場合、熱媒体熱交換器７２を迂回した高温の第１熱媒体を第１タンク１４により収容する必要があるので、高温熱媒体を収容する仕様で第１タンク１４を設計する必要がある。また、第３タンクは、循環する第１熱媒体の圧力の変動を緩和するといる有利な効果を備えている。

１、１Ａ…太陽熱集熱系、２…空気ボイラ系、３…蒸気タービン発電系、４、４Ａ…制御装置、１０…集熱装置、１４…第１タンク、１５…第２タンク（バッファタンク）、１６…第３タンク、１８…受熱器入口配管（第１ライン）、１９…受熱器出口配管（第２ライン）、２０…第２タンク入口配管（第２ライン）、２１…第２タンク出口配管（第２ライン）、２２…熱交換器入口配管（第２ライン）、２３…第３タンク入口配管（第３ライン）、２４…第３タンク出口配管（第３ライン）、５４…熱交換器バイパス系統、５６…熱交換器バイパス弁、５８…循環配管（第２ライン）、５９…循環流量調整弁、６１…蓄熱タンク、６２…蓄熱タンク入口配管（第４ライン）、６３…蓄熱タンク出口配管（第４ライン）、７１…押込みファン、７２…熱媒体熱交換器、７３…空気ボイラ、７４…節炭器、７５…蒸発器、７６…過熱器、７８…空気加熱器、１０１…ケーシング、１０２…熱交換器伝熱管（伝熱管）、１１１…ボイラケーシング、１１２…節炭器伝熱管（伝熱管）、１２２…蒸発器伝熱管（伝熱管）、１３２…過熱器伝熱管（伝熱管）、１４１…蒸気タービン、

Claims (14)

1. 太陽熱を集熱して液体の熱媒体を加熱する太陽熱集熱系と、
   前記太陽熱集熱系の加熱された液体の熱媒体との熱交換により空気を加熱し、この加熱された空気を水と熱交換させることで過熱蒸気を生成する空気ボイラ系と、
   前記空気ボイラ系により生成された過熱蒸気で蒸気タービンを駆動して発電する蒸気タービン発電系とを備える
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
2. 請求項１に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記空気ボイラ系は、
   系内に空気である大気を取り込む押込ファンと、
   前記押込ファンにより取り込まれた空気を前記太陽熱集熱系からの液体の熱媒体と熱交換させる熱媒体熱交換器と、
   前記熱媒体熱交換器からの空気を水と熱交換させて過熱蒸気を生成する空気ボイラとを備える
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
3. 請求項２に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記空気ボイラは、
   前記熱媒体熱交換器からの空気で水を予熱する節炭器と、
   前記熱媒体熱交換器からの空気で前記節炭器からの水を加熱して飽和蒸気を生成する蒸発器と、
   前記熱媒体熱交換器からの空気で前記蒸発器からの飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を生成する過熱器とで構成され、
   前記節炭器、前記蒸発器、前記過熱器はそれぞれ、内部が空気の流路となるボイラケーシングと、前記ボイラケーシング内に配設され、水／水蒸気が流通する複数の伝熱管とを有し、
   前記過熱器、前記蒸発器、及び前記節炭器の前記ボイラケーシングは、１つに統合された一体構造である
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
4. 請求項３に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記熱媒体熱交換器は、内部が空気の流路となるケーシングと、前記ケーシング内に配設され、液体の熱媒体が流通する複数の伝熱管とを有し、
   前記熱媒体熱交換器の前記ケーシングは、前記空気ボイラの前記ボイラケーシングと１つに統合された一体構造である
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記空気ボイラ系は、前記押込ファンにより取り込まれた大気と前記空気ボイラから排出された空気との間で熱交換を行う空気加熱器を更に備える
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
6. 請求項２に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記太陽熱集熱系は、
   太陽熱を集熱して液体の熱媒体を加熱する集熱装置と、
   前記集熱装置に液体の熱媒体を循環させる循環セクションとを備え、
   前記循環セクションは、
   液体の熱媒体を収容する第１タンクと、
   前記第１タンク内の液体の熱媒体を前記集熱装置に供給する第１ラインと、
   前記集熱装置で加熱された液体の熱媒体を前記熱媒体熱交換器に供給する第２ラインと、
   前記熱媒体熱交換器からの液体の熱媒体を前記第１タンクに供給する第３ラインと、
   前記第２ライン上に設けられ、前記集熱装置で加熱された液体の熱媒体を収容する第２タンクとを備える
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
7. 請求項２に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記太陽熱集熱系は、
   太陽熱を集熱して液体の熱媒体を加熱する集熱装置と、
   前記集熱装置に循環させる循環セクションと、
   前記集熱装置からの液体の熱媒体を循環させずに貯留する蓄熱セクションとを備え、
   前記循環セクションは、
   液体の熱媒体を収容する第１タンクと、
   前記第１タンク内の液体の熱媒体を前記集熱装置に供給する第１ラインと、
   前記集熱装置で加熱された液体の熱媒体を前記熱媒体熱交換器に供給する第２ラインと、
   前記熱媒体熱交換器からの液体の熱媒体を前記第１タンクに供給する第３ラインとを備え、
   前記蓄熱セクションは、
   前記第２ラインの上流側と下流側の部分に接続される第４ラインと、
   前記第４ライン上に設けられ、前記集熱装置で加熱された液体の熱媒体を貯留する蓄熱タンクとを備える
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
8. 請求項６又は７に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記循環セクションは、液体の熱媒体が前記熱媒体熱交換器を迂回する熱交換器バイパス系統を更に備える
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
9. 請求項８に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記蒸気タービン発電系の発電量を制御する制御装置を更に備え、
   前記熱交換器バイパス系統は、前記熱媒体熱交換器を迂回する液体の熱媒体の流量を調整する熱交換器バイパス弁を有し、
   前記制御装置は、前記蒸気タービン発電系の発電量を低下させる場合、前記熱交換器バイパス弁を制御する
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
10. 請求項８に記載の太陽熱発電システムにおいて、
    前記循環セクションは、前記第３ライン上に設けられ、前記熱媒体熱交換器からの液体の熱媒体及び前記熱媒体熱交換器を迂回した液体の熱媒体を収容する第３タンクを更に備える
    ことを特徴とする太陽熱発電システム。
11. 請求項７に記載の太陽熱発電システムにおいて、
    前記蒸気タービン発電系の発電量を制御する制御装置を更に備え、
    前記循環セクションは、前記第２ラインに設けられ、前記集熱装置から前記熱媒体熱交換器に供給される液体の熱媒体の流量を調整する循環流量調整弁を更に有し、
    前記制御装置は、前記循環流量調整弁を制御することで、前記蓄熱タンクから前記熱媒体熱交換器に供給される液体の熱媒体の流量と前記熱媒体熱交換器に供給される液体の熱媒体の一部を前記蓄熱タンクに還流させる流量を調整する
    ことを特徴とする太陽熱発電システム。
12. 太陽熱を集熱して液体の熱媒体を加熱し、
    加熱された液体の熱媒体を加熱源として空気を加熱し、
    加熱された空気との熱交換により水から過熱蒸気を生成し、
    生成した過熱蒸気で蒸気タービンを駆動して発電する
    ことを特徴とする太陽熱発電方法。
13. 請求項１２に記載の太陽熱発電方法において、
    加熱された液体の熱媒体をバッファタンクに収容し、
    前記バッファタンクから供給される液体の熱媒体を空気の加熱源として用いる
    ことを特徴とする太陽熱発電方法。
14. 請求項１２に記載の太陽熱発電方法において、
    加熱された液体の熱媒体の一部を蓄熱タンクに貯留しておき、
    太陽熱を集熱できない場合、
    前記蓄熱タンクに貯留していた液体の熱媒体を加熱源として空気を加熱し、
    加熱された空気との熱交換により水から過熱蒸気を生成し、
    生成した過熱蒸気で蒸気タービンを駆動して発電する
    ことを特徴とする太陽熱発電方法。

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