JP2019078185A - 蓄熱型太陽熱発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽熱発電は、1日の日照時間が6時間程度と短いために、需要とのギャップがあり、蓄熱を併用して使用することが課題であり、蓄熱媒体を使っているが、媒体の価格が高く、周辺への汚染や環境負荷が高い。【解決手段】水のみを使って、高圧と低圧に分けたサイクルを採用、高圧段を100℃以上で発電、100℃以下の蓄熱、低圧タービンを使った発電を行うことで、高効率で低コストの蓄熱と発電を実現できる。【選択図】図１

Description

太陽熱を集熱パネルで収集して蓄熱と発電を行う太陽熱発電に関する
太陽熱発電システムは、高温で大容量のものが開発されているが、送電システムなどの設備が必要であること、集熱時間が6-8時間程度に限られていること等の問題がある。小規模の設備で、消費地に近い場所に設置し、発電に使われない大半の熱の有効利用が望まれている。また、1日6-8時間の日照時間以外での発電や熱利用が望まれている。
小規模なものは、各家庭の屋根の上に設置した集熱器で集熱した熱を発電と熱利用の両方を行うことが望ましい。各家庭では、日照時間には、電力消費が少なく、朝夕、特に夕刻の電力及び熱量の消費量が多く、蓄電と蓄熱が必要である。本考案は、日照時間にシ集熱した熱で発電を行い、発電後の温度が少し低下した熱の貯蔵を行うことで、電気と熱利用が望まれる時間帯での利用、利用量の増減への対応を可能とすることができる。
JPA_2012013345 JPA_2014122576
太陽熱発電・太陽熱利用, NEDO再生可能技術白書 第2版 第5章, 独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構編
太陽熱発電と熱利用を行う時、大規模な発電装置では、需要地までの送電が課題であり、熱利用でも需要地までの輸送が課題となっている。
発電装置は、大規模なものはすでに開発されているが、小規模な発電装置が少なく、熱媒を使う発電では、媒体の圧力が高いために、発電装置の構築が課題となっている。
蓄熱装置は、熱媒を使いのが一般的であるが、熱媒が高価であり、油などの特殊な媒体であり、環境や周辺を汚染する可能性がある。
媒体として、水のみを採用し、タービン等でも潤滑油を使用しない。
蓄熱は、水を採用し、100℃以下の熱水で蓄熱し、蓄熱タンクの耐圧を不要とする。
発電は、多段で行い、100℃以上の段と以下の段に分けた構成とする。
集熱器は、耐圧チューブ型を採用する。
耐圧チューブ型太陽熱集熱器を使うことで、集熱器のチュウブのみの耐圧を確保することで、安価で信頼性の高い、集熱装置を構成できる。
集熱器で加熱された水蒸気で単段又は多段のタービンを駆動、同軸の発電機で発電する。
発電後の蒸気は、復水器で復水後、100℃以下の温度で蓄熱タンクに収納する。
蓄熱タンクに貯蔵された温水を低圧タービンへと大気圧以下で導き、タービンを駆動後に凝縮器で復水して貯蔵タンクに貯蔵する。この水を集熱器へと送る。
前記のサイクルで発電と貯蔵が可能となる。低温発電と熱利用は、蓄熱タンクに貯蔵された温水を使った行うので、自由な時間に、必要な量を使うことができる。
発電と蓄熱系統図 高温段のPH線図 低温段のPH線図 送電端効率推定計算結果
家庭の屋根の集熱装置で集熱された蒸気で高温段の発電機を駆動して発電を行う。この時、タービン出口に設けられた凝縮器の出口温度が100℃以下となるように制御し、凝縮した温水を蓄熱タンクに貯蔵する。この蓄熱タンクにためた温水を発電と熱利用に使う。
本考案の第1実施例の系統図を図1に示す。太陽熱を集熱器510で受け、集熱器内部の耐熱耐圧チューブ内で蒸発した蒸気は、蒸気配管710を通って高圧タービン110へと入り、同軸の高圧発電機210を駆動して発電する。発電後にタービンを出て圧力と温度が下がった蒸気は、蒸気配管720を通って凝縮器310へと入る。凝縮器３１０で凝縮され温水となり、温水配管750と通って蓄熱タンク610へ入る。
蓄熱タンク610の内部は、高温部と低温部に分かれるように上部に高温水、下部に低温水となる傾向にあり、上下の混合を防止する仕切板などで混合が起こりにくくなっている。蓄熱タンク610の下部の水は、ポンプ410で凝縮器310に送られて、タービン出口の蒸気冷却に使われる。蓄熱タンク610の内圧は、100℃以下の蒸気の飽和圧に保たれている。
蓄熱タンク６１０の高温水は、温水配管７６０で蒸発器330へ送られて、低圧段の水を蒸発した後に、温度が低下してポンプ430で蓄熱タンク610へと戻る。
低圧段の蒸発器330で蒸発した蒸気は、蒸気配管780を通って、低圧タービン１２０へと入り、同軸の発電機220を駆動して発電を行った後に、蒸気配管７９０を通り、凝縮器320で水に戻り、温水配管810を通って、ポンプ440で加圧されて、蒸発器330へと送られる。凝縮器320の冷却水は、冷却塔（図示無）で作られる。
蓄熱タンク610を高温用と低温用に分けて、この間の水の量を調整するための配管を設け、相互の量を調整するバルブ又はポンプ、あるいは両方を設けることができる。この時、ポンプ410は低温側のタンクから、凝縮器310へ水を送り、ポンプ430は、低温側へ水を戻す。
図3に高圧段のPH線図を示す。このケースでは、集熱器５１０の入口温度は148℃、出口温度143℃で、140℃の蒸気を発生させている。この140℃の蒸気で高圧タービン110を駆動し、排気を蒸気管720へ排出し、圧力70.2kPaの凝縮器310に排出されている。この時のタービン圧力比は5.14である。更に、集熱温度が高い場合は、高圧タービン110の圧力比が高くなるので、高圧タービンを2段にすることもできる。
凝縮器310の冷却に使われる水の温度は、凝縮器入口で74℃、出口で87℃となっている。この87℃のお湯が蓄熱タンク610に蓄えられる。87℃のお湯は、大気圧以下の圧力であり、蓄熱タンク610は耐圧の必要性がない。
蓄熱タンク610の温度87℃のお湯は、自由な時間に自由な量を使うことができる。このお湯を使って蒸発器330で蒸発した蒸気で低圧蒸気タービン120を駆動、同軸の低圧発電機220で発電可能であり、蓄熱タンク610内にお湯がのこっている限り、発電時間や発電量は自由に設定可能である。お湯の仕様も同様である。
図4に送電端効率の推定計算結果を示す。集熱器510で集熱された温度を温水入口温度として表しており、集熱温度が高い場合は15-20%の高い効率である。
電気とお湯を使用するのは、一般家庭をはじめとして、ホテル、旅館、レストラン、食堂、食品工場、銭湯などの多種多様な業界に多く、産業上の利活用が可能である。また、燃料を使用しない本考案は、地球温暖化防止にも有効である。
110 高圧タービン
120 低圧タービン
210 高圧発電機
220 低圧発電機
310 凝縮器
320 凝縮器
330 蒸発器
410 ポンプ
420 ポンプ
430 ポンプ
440 ポンプ
510 集熱器
610 蓄熱タンク
710 蒸気配管
720 蒸気配管
730 温水配管
740 温水配管
750 温水配管
760 温水配管
770 蒸気配管
780 蒸気配管
790 蒸気配管
810 温水配管

Claims (4)

  1. 蓄熱と発電を行う作動流体に水を使った発電システムにおいて、高圧段を100℃以上、低圧段を100℃以下に分けて、低圧段入口の温水を蓄熱タンクに貯蔵することを特徴とする発電システム
  2. 請求項1において、高圧タービン出口の圧力を制御する弁を設けたことを特徴とする発電システム
  3. 請求項1において、蓄熱タンクから凝縮器に送る温水量をポンプ回転数を制御して調整することを特徴とする発電システム
  4. 請求項1において、蓄熱タンクを高温用と低温用の2つに分けたことを特徴とする発電システム
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