JP2022544152A - 光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム - Google Patents

光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム Download PDF

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Abstract

本発明は、ガスタービン、太陽熱収集装置及び太陽光反射鏡を含む光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システムを提供し、前記ガスタービンは、空圧インペラ、タービン、再生器及び燃焼室を含み、前記再生器は、外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとを含み、前記中間ケーシングと、外部ケーシングとの間には低温吸気通路が形成され、前記中間ケーシングと、内部ケーシングとの間には高温吸気通路が形成され、前記低温吸気通路の入口と出口がそれぞれ空圧インペラの出口と燃焼室の入口と連通し、前記高温吸気通路の入口と出口がそれぞれタービンの出口と外部と連通し、前記太陽熱収集装置は、前記再生器の外部ケーシングに覆う吸熱板を含む。本発明は、太陽熱とガスタービンのコンバインドサイクルを実現でき、エネルギー利用率が単一の太陽熱発電又はガスタービン発電より高く、エネルギーの高効率利用を実現する。【選択図】図2

Description

本発明は、エネルギー回収及び利用の技術分野に関し、特に光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システムに関する。
太陽熱は、クリーンで無汚染の再生可能エネルギーであり、その開発と利用が現在の化石エネルギーの消費圧力、環境汚染圧力の軽減に重要な意義がある。
太陽熱発電技術は、太陽熱の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術であり、太陽熱集束は、主にディッシュ式、タワー式、トラフ式及びフレネル式の4つがある。太陽熱発電技術の直接熱発電効率は低く、一般的に20%前後で、大量の光熱変換エネルギーが利用されていない。また、単独の太陽熱発電システムは、夜間や雨の日には十分なエネルギーを供給できない。従って、太陽熱と他の発電システムを組み合わせた発電技術はますます注目されていく。この中で、ガスタービン発電システムとの組み合わせは、システム全体の発電能力と発電安定性を向上できるだけでなく、効率が高い。
ガスタービン発電システムは、効率が高く、起動が速く、ピーク調整性能がよく、建設周期が短く、敷地面積が小さく、水の消費が少なく、環境汚染が小さいなどの一連の利点があるが、天然ガスなどの燃料供給の問題により、ガスタービン発電技術はある程度制約されている。そのため、システムの効率と電力を保証したうえで、燃料の消費をできるだけ減らすことは、ガスタービン発電システムのより広範な普及に有利である。また、太陽熱集熱とガスタービン発電システムとの組み合わせのもう1つの大きな利点は、太陽の放射エネルギーを利用して、一部の必要な燃料の熱エネルギーを代替し、それにより、ガスタービン発電システムに必要な燃料量を減らすことである。
また、従来の太陽熱発電システムでは、反射鏡の多くは、一定の角度に固定され、一定の角度に固定された反射鏡で太陽光を吸収する。該角度は、計算された最適な角度である。しかし、反射鏡が固定されているが、太陽が回転しているため、太陽が常時反射鏡に直射しないという問題があり、太陽が反射鏡を斜めに射るとき、反射する太陽光が少ないため、太陽熱を十分に利用できず、エネルギーを浪費してしまう。
上記技術課題を解決するために、本発明は、太陽熱とガスタービンのコンバインドサイクルを実現でき、エネルギーの利用率が単一の太陽熱発電又はガスタービン発電より高く、エネルギーの高効率利用を実現する、光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システムを提供することを目的とする。
本発明の技術的解決手段は、以下のとおりである。
光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システムであって、ガスタービン、太陽熱収集装置及び太陽光反射鏡を含み、前記ガスタービンが固定棒を介して太陽光反射鏡の上方に固定され、
前記ガスタービンは、空圧インペラ、タービン、再生器及び燃焼室を含み、前記再生器は、外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとを含み、前記中間ケーシングと、外部ケーシングとの間には低温吸気通路が形成され、前記中間ケーシングと、内部ケーシングとの間には高温吸気通路が形成され、前記低温吸気通路の入口と出口がそれぞれ空圧インペラの出口と燃焼室の入口と連通し、前記高温吸気通路の入口と出口がそれぞれタービンの出口と外部と連通し、
前記太陽熱収集装置は、前記再生器の外部ケーシングに覆う、前記太陽光反射鏡の反射スポット又は集束線に位置する吸熱板を含む。
さらに、前記外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとは、外から内へ互いに平行に設けられ、
前記外部ケーシングの内側に複数のフィンが設けられ、各前記フィンは、再生器の長さ方向に沿って設けられ、且つ前記フィンの一端が外部ケーシング内に固定される。
さらに、前記外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとは、外から内へ設けられる同軸の円筒状であり、
各前記フィンは、放射状でガスタービンの長さ方向に沿って外部ケーシング内に配列され、各前記フィンは、外部ケーシングの径方向に沿って設けられる。
前記外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとは、外から内へ設けられる同軸の角筒状であり、
前記フィンは、ガスタービンの長さ方向に沿って外部ケーシングの各板面内に配列され、各前記フィンは、外部ケーシングに垂直に設けられる。
さらに、前記太陽光反射鏡は、ガスタービンに近い先部の面積が大きく、ガスタービンに近い末端の面積が小さい。
さらに、前記太陽熱ガスタービン発電システムは、取り付け台をさらに含み、前記太陽光反射鏡は、調整手段を介して前記取り付け台に取り付けられ、前記調整手段は、伸縮棒、ヒンジ、ベース、膨張瓶及びパイプを含み、
前記取り付け台の最上部に複数のベースが固定され、前記ベースは、偶数個であり、対となるように対称的に設けられ、前記ベースは、ヒンジを介して伸縮棒に接続され、前記伸縮棒は、太陽光反射鏡の底部に接続され、
各ベースの外側であって、取り付け台頂面に膨張瓶が固定され、前記膨張瓶がパイプを介してその対向側のベースの伸縮棒に接続され、前記膨張瓶が加熱されると、その対向側の伸縮棒が延出してさらに該側の太陽光反射鏡を上げる。
さらに、前記伸縮棒は、突き出し棒と鞘棒を含み、前記鞘棒の底部は、ヒンジを介してベースに設けられ、前記突き出し棒の底部は、鞘棒内に入れられ、鞘棒に滑り嵌めされ、前記突き出し棒の最上部は、太陽光反射鏡の底部に接続され、
前記膨張瓶内に膨張液が充填され、前記膨張瓶が加熱されると、前記膨張液は、膨張してそれに接続される突き出し棒を突き出す。
さらに、前記ベースは、円周に沿って均一に分布しており、前記伸縮棒は、該円周に沿って均一に分布している。
さらに、前記ベース及び伸縮棒は、取り付け台に2列に対称的に設けられる。
さらに、前記膨張瓶は、前記瓶ベース内に埋め込まれ、前記瓶ベースは、前記取り付け台に固定して取り付けられる。
本発明は、従来技術に比べて、以下の有益な効果を有する。
1、本発明は、太陽熱とガスタービンコンバインドの原理を用いて、太陽光を受ける吸熱板をガスタービンの再生器の外部ケーシングに被覆し、作動ガスを加熱することにより、エネルギーの利用効率を向上させる。また、ペア再生器構造の合理的な配置により、空圧インペラ、タービン、再生器及び燃焼室が協力することで、システムの各環節から生じた熱量をリサイクル利用でき、エネルギーの回収効率が高い。
2、本発明によって提案された再生器構造は、低温吸気通路と高温吸気通路により作動ガスの熱交換効率を向上させることができ、フィンの一端が外部ケーシングに固定され、他端を固定密封する必要がなく、再生器の製造難度を大幅に低減している。
3、本発明では、太陽光反射鏡の、ガスタービンに近い先部の面積が大きく、ガスタービンに近い末端の面積が小さい技術案は、吸熱板が長いため、前端から後端まで温度が低下する問題を解決できる。
4、本発明は、太陽熱の追跡過程全体が電気エネルギーを消費せず、追跡がより正確で、より高いエネルギー利用率を得ることができる。
本発明の太陽熱ガスタービン発電システムの作動原理の模式図である。 本発明の一実施例の再生器の側面構造模式図である。 本発明の一実施例の再生器の正面構造模式図である。 本発明他の実施例の再生器の側面構造模式図である。 本発明他の実施例の再生器の正面構造模式図である。 本発明の一実施例で太陽光を追跡する構造模式図である。 本発明の一実施例で太陽光を追跡する構造平面図である。 本発明他の実施例で太陽光を追跡する構造模式図である。 本発明他の実施例で太陽光を追跡する構造平面図である。
本発明の技術的解決手段をよりよく理解するために、以下では具体的な実施形態、明細書の図面を参照しながら本発明をさらに説明する。
図1に示すように、本発明の実施例に係る光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システムであり、ガスタービン1、太陽光反射鏡2及び太陽熱収集装置21を含む。
本発明のガスタービン1は、空圧インペラ102、タービン104、再生器101及び燃焼室105を含む。
ガスタービン1は、固定棒5を介して太陽光反射鏡2の上方に固定され、太陽熱収集装置21は、太陽光反射スポット(ディッシュ式反射鏡)又は集束線(トラフ式反射鏡)に位置するようにする。具体的には、太陽熱収集装置21は、ガスタービン1に設けられ吸熱板211を含み、該吸熱板211は、再生器101の外部ケーシングに覆い、再生器101の一部又は全部の外部ケーシングとしてもよい。
本発明の1つの実施の形態としては、図2、3を参照すると、ガスタービンの再生器101は、外から内へ同軸の円筒状外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとを含み、吸熱板211は、該外部ケーシングに覆い、前記外部ケーシングの内側には、ガスタービン1の長さ方向に沿って複数のフィン1011が設けられ、各前記フィン1011は、放射状で分布しており、単一のフィン1011の一端は、外部ケーシング内に固定され、他端は、フローティングしており、中間ケーシングとの間には隙間がある。前記中間ケーシングと、外部ケーシングとの間には低温吸気通路1012が形成され、フィン1011の作用は、放熱面積を増大させることであり、吸熱板211の熱量を外部ケーシングとフィン1011により十分に伝達し、低温吸気通路1012内の温度を予め上昇させることができる。中間ケーシングと、内部ケーシングとの間には高温吸気通路1013が形成され、前記低温吸気通路1012の入口と出口がそれぞれ空圧インペラ102の出口と燃焼室105の入口と連通し、前記高温吸気通路1013の入口と出口がそれぞれタービン104の出口と外部大気又は他の余熱リサイクル利用装置と連通する。
燃焼室105の高温ガスは、タービン104を押して仕事を行わせた後、高温吸気通路1013内に流れ込み、圧縮後のガスは、コンプレッサの空圧インペラ102から排出され、低温吸気通路1012に入り、高温ガスと低温ガスとが熱交換した後、低温ガスは、低温吸気通路1012から燃焼室105に入って燃焼し、燃焼室105に入るガスの温度を向上させることにより、燃料の利用率を向上させる。高温ガスは、高温吸気通路1013を介して排出され、該ガスは、大気に排出され、又は、さらに余熱回収サイクルに入ることができる。
本発明の他の実施の形態としては、図4、5を参照すると、ガスタービン再生器101は、外から内へ互いに平行した角筒状の外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとを含み、吸熱板211は、該外部ケーシングに覆い、各前記フィン1011は、互いに平行し、再生器101の長さ方向に沿って設けられ、単一のフィン1011の一端は、外部ケーシング内に固定される。前記中間ケーシングと、外部ケーシングとの間には低温吸気通路1012が形成され、フィン1011の作用は、放熱面積を増大させることであり、吸熱板211の熱量を外部ケーシングとフィン1011により十分に伝達し、低温吸気通路1012内の温度を予め上昇させることができ、中間ケーシングと、内部ケーシングとの間には高温吸気通路1013が形成される。前記低温吸気通路1012の入口と出口がそれぞれ空圧インペラ102の出口と燃焼室105の入口と連通し、前記高温吸気通路1013の入口と出口がそれぞれタービン104の出口と外部大気又は他の余熱リサイクル利用装置と連通する。
燃焼室105の高温ガスは、タービン104を押して仕事を行わせた後に高温吸気通路1013内に流れ込み、圧縮後のガスは、コンプレッサの空圧インペラ102から排出され、低温吸気通路1012に入り、高温ガスと低温ガスとが熱交換した後、低温ガスは、低温吸気通路1012から燃焼室105に入って燃焼し、高温ガスは、高温吸気通路1013を介して排出され、該ガスは、大気に排出され、又は、さらに余熱回収サイクルに入ることができる。
本発明の上記実施例の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システムの具体的な作動プロセスは、以下のとおりである。
ガスは、空圧インペラ102に入り、圧縮された後に、再生器101における低温吸気通路1012の入口に入り、再生器101内のガス温度は、500℃-600℃である。再生器101の低温吸気通路1012の出口から流出したガスは、燃焼室105内に入って燃焼され、燃焼後の高温ガスは、タービン104に入って、タービンによりモーター103を駆動して発電させ、ガスは、タービン104の出口を介して再生器101の高温吸気通路1013の入口に入り、再生器101内において温度低減した後に再生器101の高温吸気通路1013の出口から外部に排出され、燃焼室105内の温度は、800℃-950℃であり、好ましくは、900℃である。モーター103は、駆動・発電一体式モーターであり、まずモーターとして、空圧インペラ102を回転駆動し、独立に運転できるまで加速した後、発電機として発電する。
さらに、吸熱板211が長く、特にトラフ式反射鏡を用いる場合、吸熱板及びトラフ式反射鏡の長さが20メートルにも達することができ、前端から後端まで温度が低下し、従って、後端では、より多くの熱量を必要とする。上記問題を解決するために、本発明の実施例では、太陽光反射鏡2のレイアウト構造を提供する。後端では反射鏡の面積を増加させ、すなわち、太陽光反射鏡2は、ガスタービン1に近い先部の面積が大きく、ガスタービン1に近い末端の面積が小さい。
本発明の太陽光反射鏡2は、図6~9を参照すると、特定のスポットを有する反射鏡であり、具体的には、ディッシュ式太陽光反射鏡又はトラフ式反射鏡を用いることができる。ディッシュ式反射鏡を選択する場合、吸熱板211が反射鏡の反射スポットに位置し、トラフ式反射鏡を選択する場合、吸熱板211が反射鏡の集束線に位置する。
好ましくは、図6~9を参照すると、本発明は、取り付け台3と調整手段4をさらに含む。
取り付け台3は、地表に固定される又は地面に埋め込められる平板であり、鋼板を選択することができる。
ディッシュ式反射鏡の場合、図6を参照すると、調整手段4は、突き出し棒401、鞘棒402、ヒンジ403、ベース404、膨張瓶405、及びパイプ406を含む。
取り付け台3の最上部に複数のベース404が固定され、ベース404は、偶数個であり、対となるように対称的に設けられ、円周に沿って分布しており(好ましくは、図7を参照すると、ベース404は、円周に沿って均一に分布している)、ベース404は、伸縮棒を介して太陽光反射鏡2の底部に接続され、伸縮棒は、突き出し棒401と鞘棒402を含み、突き出し棒401は、鞘棒402内において摺動可能であり、鞘棒402の底部がヒンジ403を介してベース404に設けられ、突き出し棒401の底部が鞘棒402内に入れられ、最上部が太陽光反射鏡2の底部に接続される(好ましくは、図7を参照すると、突き出し棒401は、太陽光反射鏡2の底部に円周に沿って均一に分布している)。各ベース404の外側であって、取り付け台3の頂面に膨張瓶405が固定され、膨張瓶405内には、膨張液(好ましくは、膨張灯油)が充填され、パイプ406を介してその対向側のベース404における鞘棒402に接続され、膨張瓶405が加熱されると、膨張油は、膨張し、対向側の突き出し棒401を突き出し、さらに太陽光反射鏡2を対向側において上げることにより、光が強い側の光を吸収する。
さらに、太陽光がちょうど垂直に地面に射すとき、各膨張瓶405の加熱度が同じであり、該時点で、太陽光反射鏡2の軸心が地面に垂直である。各膨張瓶405が瓶ベース407内に埋め込むことができ、瓶ベース407が取り付け台3に固定される。
図6を参照すると、本実施例の調整手段4の構造では、強い光が左側に位置するものとすると、右側の伸縮棒の長さが左側長く、太陽光反射鏡2の右側が左側より高いことにより、左側の強い光を受け、逆に、右側の強い光を受けることができる。従って、本発明の発電システムは、調整手段4の作用で、太陽光を自動的に追跡することを実現でき、太陽光反射鏡2が常に光が強い側に面することを確保する。
図7を参照すると、本実施例の調整手段4の構造では、伸縮棒は、3対設けられ、3つの角度から太陽光反射鏡2を調節できる。伸縮棒は、1対、2対、4対、5対…などの整数対として設けられてもよい。伸縮棒を多く設けるほど、太陽光反射鏡2の角度をより正確に調節できる。
トラフ式反射鏡の場合、図8と図9を参照すると、取り付け台3の最上部に複数のベース404が固定され、各ベース404が2列に対称的に設けられる以外は、ディッシュ式反射鏡の構成と同じである。
以上の説明は本願の好ましい実施例及び適用される技術原理についての説明に過ぎない。当業者であれば理解されるように、本願に係る発明の範囲は、上記技術的特徴の特定の組み合わせの技術的解決手段に限定されるものではなく、また、前記発明の構想から逸脱することなく、上記技術的特徴又はその同等の特徴を任意に組み合わせて形成された他の技術的解決手段をカバーすべきである。例えば、上記した特徴は、本願において開示されている(但し、これに限定されるものではない)。

Claims (10)

  1. 光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システムであって、ガスタービン、太陽熱収集装置及び太陽光反射鏡を含み、前記ガスタービンが固定棒を介して太陽光反射鏡の上方に固定され、
    前記ガスタービンは、空圧インペラ、タービン、再生器及び燃焼室を含み、前記再生器は、外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとを含み、前記中間ケーシングと、外部ケーシングとの間には低温吸気通路が形成され、前記中間ケーシングと、内部ケーシングとの間には高温吸気通路が形成され、前記低温吸気通路の入口と出口がそれぞれ空圧インペラの出口と燃焼室の入口と連通し、前記高温吸気通路の入口と出口がそれぞれタービンの出口と外部と連通し、
    前記太陽熱収集装置は、前記再生器の外部ケーシングに覆う、前記太陽光反射鏡の反射スポット又は集束線に位置する吸熱板を含む、ことを特徴とするシステム。
  2. 前記外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとは、外から内へ互いに平行に設けられ、
    前記外部ケーシングの内側に複数のフィンが設けられ、各前記フィンは、再生器の長さ方向に沿って設けられ、且つ前記フィンの一端が外部ケーシング内に固定される、ことを特徴とする請求項1に記載の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム。
  3. 前記外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとは、外から内へ設けられる同軸の円筒状であり、
    各前記フィンは、放射状でガスタービンの長さ方向に沿って外部ケーシング内に配列され、各前記フィンは、外部ケーシングの径方向に沿って設けられている、ことを特徴とする請求項2に記載の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム。
  4. 前記外部ケーシングと、中間ケーシングと、内部ケーシングとは、外から内へ設けられる同軸の角筒状であり、
    前記フィンは、ガスタービンの長さ方向に沿って外部ケーシングの各板面内に配列され、各前記フィンは、外部ケーシングに垂直に設けられている、ことを特徴とする請求項2に記載の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム。
  5. 前記太陽光反射鏡は、ガスタービンに近い先部の面積が大きく、ガスタービンに近い末端の面積が小さい、ことを特徴とする請求項1に記載の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム。
  6. 前記太陽熱ガスタービン発電システムは、取り付け台をさらに含み、前記太陽光反射鏡は、調整手段を介して前記取り付け台に取り付けられ、前記調整手段は、伸縮棒、ヒンジ、ベース、膨張瓶及びパイプを含み、
    前記取り付け台の最上部に複数のベースが固定され、前記ベースは、偶数個であり、対となるように対称的に設けられ、前記ベースは、ヒンジを介して伸縮棒に接続され、前記伸縮棒は、太陽光反射鏡の底部に接続され、
    各ベースの外側であって、取り付け台の頂面に膨張瓶が固定され、前記膨張瓶がパイプを介してその対向側のベースの伸縮棒に接続され、前記膨張瓶が加熱されると、その対向側の伸縮棒が延出してさらに該側の太陽光反射鏡を上げる、ことを特徴とする請求項1に記載の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム。
  7. 前記伸縮棒は、突き出し棒と鞘棒を含み、前記鞘棒の底部は、ヒンジを介してベースに設けられ、前記突き出し棒の底部は、鞘棒内に入れられ、鞘棒に滑り嵌めされ、前記突き出し棒の最上部は、太陽光反射鏡の底部に接続され、
    前記膨張瓶内に膨張液が充填され、前記膨張瓶が加熱されると、前記膨張液は、膨張してそれに接続される突き出し棒を突き出す、ことを特徴とする請求項6に記載の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム。
  8. 前記ベースは、円周に沿って均一に分布しており、前記伸縮棒は、該円周に沿って均一に分布している、ことを特徴とする請求項6に記載の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム。
  9. 前記ベース及び伸縮棒は、取り付け台に2列に対称的に設けられる、ことを特徴とする請求項6に記載の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム。
  10. 前記膨張瓶は、前記瓶ベース内に埋め込まれ、前記瓶ベースは、前記取り付け台に固定して取り付けられる、ことを特徴とする請求項6に記載の光熱原理に基づく太陽熱ガスタービン発電システム。
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