JP5232916B2 - 太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光を利用して加熱される空気等の圧縮性作動流体を用いて駆動される太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置に係り、特に、太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置の起動昇速に関する。

近年、地球温暖化等の環境問題を解決するため、太陽光や風力等の自然エネルギーが注目されている。
そこで、自然エネルギーの一つである太陽光を利用し、太陽光の熱により高温高圧の圧縮性作動流体により駆動される太陽熱ガスタービン、そして、この太陽熱ガスタービンにより発電機を駆動して発電する太陽熱ガスタービン発電装置が提案されている。

図７Ａに示す太陽熱ガスタービンＧＴは、圧縮性作動流体を圧縮して昇圧させる圧縮機１と、太陽光を変換した熱により圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを主な構成要素とする装置である。すなわち、太陽熱ガスタービンＧＴは、天然ガス等の燃料を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器に代えて、太陽光の熱エネルギーを利用して圧縮性作動流体を加圧昇温する受熱器２を設けたものである。

この場合の受熱器２は、太陽光を熱エネルギーに変換するための装置であり、図示しない集光器（ヘリオスタット）により集めた光の熱を用いて、高圧の圧縮性作動流体を加熱して昇温させることができる。
また、発電機４を太陽熱ガスタービンＧＴの出力軸に連結し、太陽熱ガスタービンＧＴで発電機４を駆動するように構成すれば、太陽光を利用して発電する太陽熱ガスタービン発電装置となる。なお、図中の符号５は、タービン３で仕事をした後に煙突６から大気へ排出される圧縮性作動流体の排熱を用い、圧縮機１で昇圧された高圧の圧縮性作動流体を予熱するための再熱器であり、この再熱器５については、諸条件に応じて予熱を行わないよう省略することも可能である。

このような太陽熱ガスタービン発電装置において、太陽熱ガスタービンＧＴが天候に左右される自然エネルギーの太陽光を使用するため、その起動昇速には数分程度の応答時間が必要である。すなわち、太陽光の強さが天候に左右されて絶えず変動していること、さらに、受熱器２の熱容量が大きいことから、太陽光の受光量や強さを変化させて入熱量を調整しても太陽熱ガスタービンＧＴの運転にはすぐに反映されず、従って、タービン３の回転数や出力を所望の値にするには数分程度の時間を要することとなる。

このため、太陽熱ガスタービンＧＴの起動昇速時には、たとえば図７Ｂに示すように、起動用駆動源として大容量の起動モータやサイリスタを使用することで太陽熱量の不足を補い、無負荷低速回転まで速やかに昇速させることが考えられる。すなわち、太陽熱ガスタービンＧＴの起動昇速時において、タービン３の回転数を図中に実線で示すように起動昇速する場合、図中に破線で示す太陽熱量を十分に得られない運転状況では、図中に一点差線で示すように、モータまたはサイリスタの動力を利用して圧縮機１及びタービン３を起動昇速することが必要となる。

一方、燃料を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器を備えたガスタービンプラントの起動時においては、圧縮機から作動流体の一部を抽気し、タービンへとバイパスする方法が知られている。（たとえば、特許文献１参照）

特開昭６１−１４２３３５号公報

ところで、上述した従来の太陽熱ガスタービンＧＴを備えた太陽熱ガスタービン発電装置においては、変動する太陽熱量の不足を補うため、太陽熱ガスタービンＧＴの起動昇速時に大容量の起動用駆動源（起動モータやサイリスタ等）を使用して無負荷低速回転まで速やかに昇速させることは可能である。しかし、大容量の起動モータやサイリスタは極めて高価な機器であり、従って、小さな容量の起動用駆動源により効率のよい起動昇速運転を可能にすることが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、起動昇速時に太陽熱量の不足を補う起動用駆動源の容量を低減し、効率のよい運転を可能にした太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項１に係る太陽熱ガスタービンは、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成され、前記圧縮機が起動昇速用の起動用駆動源を備えている太陽熱ガスタービンにおいて、前記タービンの運転停止から起動までの間に前記受熱器内の流体流れを遮断して蓄熱することを特徴とするものである。

このような太陽熱ガスタービンによれば、タービンの運転停止から起動までの間に受熱器内の流体流れを遮断して蓄熱するので、受熱器で加熱された高温高圧の圧縮性作動流体を比較的短時間で使用できるようになり、従って、起動用駆動源の容量を小さくすることが可能になる。すなわち、起動用駆動源については、起動及び昇速時において、タービンの定格回転数を基準にして低い領域（たとえば１０〜３０％程度）を維持できる小容量のものを使用できる。

請求項１に記載の太陽熱ガスタービンにおいて、前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を流す低温圧縮性流体主流路に、前記圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、前記三方弁を介して前記受熱器をバイパスして前記タービンに連結される低温圧縮性流体主バイパス流路を形成するとともに、該低温バイパス流路と並列に、通常時閉の低温圧縮性流体補助バイパス流路を形成し、前記タービンの起動昇速時には前記低温圧縮性流体補助バイパス流路を開とし、前記起動用駆動源を用いて前記圧縮機を所定の起動時回転数まで昇速させた後、前記受熱器の出入口を開放して太陽光による受熱器内配管の加熱を開始し、前記受熱器内配管の温度が所定値以上の高温となった時点で圧縮性作動流体を流通させて加熱することが好ましい。

請求項２に記載の太陽熱ガスタービンにおいて、前記低温圧縮性流体主流路に前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を前記タービンから排出される高温高圧の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器を備え、前記低温圧縮性流体主バイパス流路及び前記低温圧縮性流体補助バイパス流路は、前記再熱器の上流側または下流側に設けられていることが好ましく、これにより、タービンで仕事をした高温高圧の圧縮性作動流体が保有する排熱を有効利用できる。ここで、低温圧縮性流体主バイパス流路及び低温圧縮性流体補助バイパス流路を再熱器の上流側に設けると、三方弁や遮断弁の耐熱仕様を低くすることができる。

本発明の請求項４に係る太陽熱ガスタービンは、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成され、前記圧縮機が起動昇速用の起動用駆動源を備えている太陽熱ガスタービンにおいて、前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を流す低温圧縮性流体主流路に、三方弁を介して前記受熱器と並列または直列に配置された補助燃焼器を備え、前記タービンの運転停止から起動までの間に前記受熱器内の流体流れを遮断して蓄熱することを特徴とするものである。

このような太陽熱ガスタービンによれば、低温圧縮性流体主流路に三方弁を介して受熱器と並列または直列に配置された補助燃焼器を備え、タービンの運転停止から起動までの間に受熱器内の流体流れを遮断して蓄熱するので、受熱器で加熱された高温高圧の圧縮性作動流体を比較的短時間で使用できるようになり、従って、起動用駆動源の容量を小さくすることが可能になる。すなわち、起動用駆動源については、起動及び昇速時において、定格回転数を基準にして低い領域（たとえば１０〜３０％程度）を維持できる小容量のものを使用できる。また、補助燃焼器を備えているので、太陽熱の強度に応じて圧縮性作動流体の分配量や補助燃焼器の燃料供給量を調整すれば、圧縮性作動流体のタービン入口温度を所望の値に維持することができる。

請求項４に記載の太陽熱ガスタービンにおいて、前記低温圧縮性流体主流路に、前記圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、前記三方弁を介して前記受熱器をバイパスして前記タービンに連結される低温圧縮性流体主バイパス流路を形成するとともに、該低温バイパス流路と並列に、通常時閉の低温圧縮性流体補助バイパス流路を形成し、前記タービンの起動昇速時には前記前記補助燃焼器に圧縮性作動流体の全量を流すように前記三方弁を操作し、前記起動用駆動源を用いて前記圧縮機を所定の起動時回転数まで昇速させた後、前記受熱器の出入口を開放して太陽光による受熱器内配管の加熱を開始し、前記受熱器内配管の温度が所定値以上の高温となった時点で圧縮性作動流体を流通させて加熱することが好ましい。

請求項４または５に記載の太陽熱ガスタービンにおいて、前記低温圧縮性流体主流路に前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を前記タービンから排出される高温高圧の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器を備えていることが好ましく、これにより、タービンで仕事をした高温高圧の圧縮性作動流体が保有する排熱を有効利用できる。

本発明の請求項７に係る太陽熱ガスタービンは、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成され、前記圧縮機が起動昇速用の起動用駆動源を備えている太陽熱ガスタービンにおいて、前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を流す低温圧縮性流体主流路に制御弁を設けるとともに、前記制御弁の上流側から分岐して煙突に至る低温圧縮性流体バイパス流路を形成してバイパス制御弁を設け、前記タービンの運転停止から起動までの間は、前記バイパス制御弁を開くとともに前記制御弁を微開とし、前記受熱器への流体流れを制限して蓄熱することを特徴とするものである。

このような太陽熱ガスタービンによれば、圧縮機と受熱器との間を連結して圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を流す低温圧縮性流体主流路に制御弁を設けるとともに、制御弁の上流側から分岐して煙突に至る低温圧縮性流体バイパス流路を形成してバイパス制御弁を設け、タービンの運転停止から起動までの間は、バイパス制御弁を開くとともに制御弁を微開とし、受熱器への流体流れを少量（たとえば１０％以下）に制限して蓄熱するので、受熱器で加熱された高温高圧の圧縮性作動流体を比較的短時間で使用できるようになり、従って、起動用駆動源の容量を小さくすることが可能になる。すなわち、起動用駆動源については、起動及び昇速時において、タービンの定格回転数を基準にして低い領域（たとえば１０〜３０％程度）を維持できる小容量のものを使用できる。
また、タービンの運転停止から起動までの間にもタービン内を少量の流体流れがあるため、タービン入口温度の変動は小さくなり、バイパス制御弁のサイズもバイパス流量が少ない分小型化できる。

本発明の請求項８に係る太陽熱ガスタービン発電装置は、請求項１から７のいずれかに記載の太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンで駆動されて発電する発電機とを備えていることを特徴とするものである。

このような太陽熱ガスタービン発電装置によれば、請求項１から７のいずれかに記載の太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンで駆動されて発電する発電機とを備えているので、自然エネルギーの太陽光を利用して運転する太陽熱ガスタービンの起動昇速時に太陽熱量の不足を補う起動用駆動源の容量を低減し、効率のよい運転を行って発電することができる。

上述した本発明によれば、太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置の停止前に受熱器が蓄熱した熱を有効に利用し、起動昇速時に太陽熱量の不足を補う起動用駆動源（起動モータやサイリスタ等）の容量を低減し、安価な設備コストで効率のよい運転が可能になる。また、太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置の停止前に受熱器が蓄熱した熱を有効に利用し、起動用駆動源を使用した起動昇速から太陽熱を利用した運転への切替時間を短縮することができる。

本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第１の実施形態を示す構成図（系統図）である。 本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、起動昇速時における回転数、モータまたはサイリスタ動力、太陽熱量及び受熱器空気流量の時間による変化例を示す図である。 図１に示す第１の実施形態に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第１変形例を示す構成図（系統図）である。 本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第２の実施形態を示す構成図（系統図）である。 図３に示す第２の実施形態に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第１変形例を示す構成図（系統図）である。 本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第３の実施形態を示す構成図（系統図）である。 各実施形態及び変形例の三方弁に代えて、二つの制御弁を使用した構成例を示す図である。 太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、従来例を示す構成図（系統図）である。 図７Ａに示す従来の太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、起動昇速時における回転数、モータまたはサイリスタ動力及び太陽熱量の時間による変化例を示す図である。

以下、本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１Ａに示す実施形態において、太陽熱ガスタービンＧＴ１は、圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機１と、集光器（不図示）で集めた太陽光の熱により圧縮機１で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを具備して構成される。
そして、図示の太陽熱ガスタービンＧＴ１は、圧縮機１及びタービン３と同軸に連結した発電機４を設けることにより、太陽光を利用して発電する太陽熱ガスタービン発電装置となる。

圧縮機１は、圧縮性作動流体を吸入して所望の高圧に圧縮する装置であり、同軸のタービン３が発生させる出力の一部を使用して駆動される。圧縮機１で圧縮する圧縮性作動流体には、たとえば大気から吸入した空気が使用される。以下の説明では、圧縮性作動流体を空気として説明するが、これに限定されることはない。
圧縮機１で昇圧された圧縮性作動流体の空気は、高圧空気流路１１を通って受熱器２に導かれる。図示の構成例では、高圧空気流路１１の途中に再熱器５が設けられている。この再熱器５は、圧縮機１で昇圧された高圧の低温空気と、タービン３で仕事をした高温高圧空気とを熱交換させる装置である。すなわち、再熱器５は、タービン３で仕事をして煙突６から大気へ放出される高温高圧空気の排熱を有効利用し、高圧の低温空気を予熱することによって太陽熱ガスタービンＧＴ１及び太陽熱ガスタービン発電装置の熱効率を向上させる熱交換器である。

再熱器５を通過する際に予熱され、圧縮機１の出口温度より温度上昇した高圧空気は、高圧空気流路１１を通って受熱器２に導かれる。
受熱器２は、太陽光を熱エネルギーに変換するための装置であり、集光器（不図示）により集めた光の熱を用いて高圧の低温空気を加熱するので、高圧の低温空気温度を上昇させることができる。すなわち、受熱器２は、高圧の低温空気を流す多数の内部配管に集光器から光を当てることにより、配管及び配管内の高圧の低温空気を加熱して昇温させる加熱装置である。

集光器においては、受熱器２で加熱された高温の高圧空気の出口温度について、発電機４で発電運転しない太陽熱ガスタービンＧＴ１の昇速時にはタービン回転数に対して、発電機４で発電運転する負荷運転時には発電機負荷に対して、各々所定の回転数または発電負荷となるように集光器の角度を調整して受熱器２への入熱量を制御する。
また、受熱器２の配管温度についても、所定の温度以上とならないように、受熱器２への入熱量を集光器で制御する。
一般に、受熱器２の熱容量が大きいことから、入熱量の変化に対して高温空気の出口温度変化は数分以上の遅れを生じ、緩慢な制御となる。

受熱器２で加熱された高圧空気は、たとえば出口温度が９００℃程度の高温高圧空気となり、高温高圧空気流路１２を通ってタービン３へ供給される。
タービン３に供給された高温高圧空気は、タービン内の動翼／静翼間を通過する際に膨張し、動翼と一体のタービン軸を回転させてタービン出力を発生させる。タービン３で発生した出力は、同軸に連結された圧縮機１及び発電機４の駆動力として用いられる。タービン３で仕事をした高温高圧空気は、タービン入口より圧力及び温度が低下した高温高圧空気（以下では、「使用済み空気」ともいう）となり、排気流路１３を通って再熱器５に導かれる。この使用済み空気は、再熱器５で高圧空気流路１１を通って導入された高圧空気を予熱した後、さらに温度低下して煙突６から大気へ放出される。

そして、上述した太陽熱ガスタービンＧＴ１には、圧縮機１の出口から流出する高圧空気が受熱器２をバイパスして流れるように、高圧空気流路１１から分岐してタービン３の入口に至る高圧空気主バイパス流路（低温圧縮性流体主バイパス流路）２１が形成されている。この高圧空気主バイパス流路２１は、再熱器５の上流側に設けた三方弁２２を介して高圧空気流路１１から分岐している。また、三方弁２２と再熱器５との間には、遮断弁２３が設けられている。
また、上述した太陽熱ガスタービンＧＴ１には、高圧空気主バイパス流路２１と並列に高圧空気補助バイパス流路（高圧圧縮性流体補助バイパス流路）２４が形成されている。この高圧空気補助バイパス流路２４は、圧縮機１の出口から流出する低温の高圧空気をタービン３の入口に導く流路であり、その途中には通常時閉のバイパス弁２５が設けられている。

このように構成された太陽熱ガスタービンＧＴ１では、タービン３の運転を停止したガスタービン停止後から起動前までの間に、特に、ＤＳＳ（Daly Start and stop）運転等におけるガスタービン停止後から起動前までの間に、受熱器２内の流体流れを遮断して蓄熱するように構成されている。
これを具体的に説明すると、タービン３の運転停止から起動までの蓄熱時には、受熱器２の内部を暖かい状態に保つため、受熱器２の出入口に設置した流路開閉部（不図示）を閉じて高圧空気流路１１及び高温高圧空気流路１２から遮断する。この操作と同時に、三方弁２２及び遮断弁２３のいずれか一方を操作し、受熱器２の上流側で高圧空気流路１１を遮断するとともに、高圧空気主バイパス流路２１及び高圧空気補助バイパス流路２４についても、バイパス弁２５及び三方弁２２により流路を遮断しておく。

この結果、受熱器２内の高温高圧空気は、運転停止時の温度を有して外部へ流出することなく受熱器２内に封入されるため、外気への放熱によりゆっくりと温度低下することとなる。すなわち、受熱器２内に封入された高温高圧空気は、比較的長時間にわたって高温状態を維持することができる。

このようにして受熱器２内に蓄熱された状態から太陽熱ガスタービンＧＴ１を再起動するため、太陽熱ガスタービンＧＴ１には、再起動駆動源として圧縮機１及びタービン３の主軸に連結された図示しない起動モータまたはサイリスタが設けられている。この再起動駆動源は、受熱器２の蓄熱を有効利用してタービン３を起動昇速するため、太陽熱ガスタービンＧＴ１のタービン定格回転数を基準にして、たとえば定格回転数の１０〜３０％程度となる起動時回転数を維持できる比較的小さな容量を有していればよい。すなわち、太陽熱ガスタービンＧＴ１の起動昇速に必要な再起動駆動源については、後述する手順に基づいて実施することにより、運転停止時の蓄熱を有効に利用して小容量化することが可能になる。

太陽熱ガスタービンＧＴ１の起動昇速時には、受熱器２の蓄熱状態からバイパス弁２５を開とし、図１Ｂに一点鎖線で示すように、再起動駆動源を起動して出力を上げ、圧縮機１を起動時回転数まで上昇させる。この場合の起動時回転数は、図１Ｂに実線で示す回転数が時間ｔ１に対応する値である。圧縮機１の運転により加圧された空気は、バイパス弁２５を開とした高圧空気補助バイパス流路２４を通ってタービン３へ供給され、再起動駆動源と共にタービン３を駆動する。
こうして圧縮機１の回転数が起動時回転数まで上昇した後には、受熱器２の流路開閉部を操作することにより、受熱器２の内部を高圧空気流路１１及び高温高圧空気流路１２と連通させる。なお、この時点では、三方弁２２または遮断弁２３により、高圧空気流路１１が遮断されている。

そして、上述した操作と同時に、集光器Ｈを調節して受熱器２に太陽熱を投入する。すなわち、図１Ｂに細破線で示すように、太陽熱量の投入が時間ｔ１の時点で開始される。このような太陽熱量を投入することにより、受熱器２の内部配管は太陽熱量に加熱されて温度上昇するので、所定の配管温度に到達するまで加熱が継続される。この場合、所定の配管温度は、受熱器２の内部配管について予め設定した代表点の温度（たとえば６００℃程度）であり、最も高温となる位置を選択した複数点の温度計測により設定される。

受熱器２の内部配管が所定の配管温度に到達すると、すなわち、図１Ｂの時間ｔ２に到達した時点で、三方弁２２または遮断弁２３による空気流路１１の遮断を解除し、受熱器２の内部配管に高圧空気を流して加熱を開始する。なお、この時点でバイパス弁２５は閉とされ、高圧空気主バイパス流路２１及び高圧空気補助バイパス流路２４はともに遮断された状態となる。
この結果、図１Ｂに破線で示すように、受熱器２を通過して流れる受熱器空気流量は回転数の上昇に伴って増加し、受熱器２で加熱された高温高圧空気は、時間ｔ２以降からタービン３へ供給されるようになる。従って、タービン３の出力が増加し、図中に実線で示す回転数も上昇する。なお、再起動駆動源については、受熱器２による高圧空気の加熱が開始された時間ｔ２以降にタービン主軸との連結を切り離し、その運転を停止する。

このように、上述した起動昇速運転では、タービン３の運転停止から起動までの間において、受熱器２内の流体流れを遮断して蓄熱するので、受熱器２で加熱された高温高圧空気は、運転開始から比較的短時間で使用できる温度となり、従って、起動用駆動源の容量を小さく設定しても短時間での起動昇速が可能になる。すなわち、太陽熱ガスタービンＧＴ１の起動用駆動源については、たとえばＤＳＳ運転等の起動昇速時において、定格回転数を基準にして低い領域（たとえば１０〜３０％程度）を維持できる小容量の安価な機器を使用することができる。

こうして太陽熱ガスタービンＧＴ１が通常の運転に移行すると、タービン３に供給される高温高圧空気の受熱器出口温度を所望の値にするため、集光器から受熱器２への入熱量を調整して運転制御する。また、受熱器２の内部配管についても、所定温度以上の高温まで温度上昇しないように、集光器から受熱器２への入熱量が調整される。
また、太陽熱ガスタービンＧＴ１の回転数については、たとえば三方弁２２を操作して高温空気主バイパス流路２１へのバイパス流量を調整することにより、発電負荷等の諸状件に応じて所望の値に制御することができる。

ところで、上述した図１Ａの実施形態では、高圧空気主バイパス流路２１及び高圧空気補助バイパス流路２４が再熱器５の上流側から分岐して設けられている。このため、高圧空気主バイパス流路２１及び高圧空気補助バイパス流路２４に設置する三方弁２２、遮断弁２３及びバイパス弁２５については、再熱器５により昇温する前の高圧空気を取り扱うため、コスト的に有利な耐熱仕様の低い機器を使用することができる。

また、上述した実施形態の太陽熱ガスタービンＧＴ２については、たとえば図２に示す第１変形例の太陽熱ガスタービンＧＴ２のように構成してもよい。この変形例では、高圧空気主バイパス流路２１Ａ及び高圧空気補助バイパス流路２４Ａが、再熱器５の下流側で高圧空気流路１１から分岐する構成となっている。このような構成を採用すると、三方弁２２、遮断弁２３及びバイパス弁２５を通過する高圧空気の温度が再熱器５の加熱分だけ高くなるので、耐熱仕様のグレードを上げる必要がある。従って、機器のコストは上昇することになるが、ガスタービン停止後から起動前までの間に流体流れを遮断して受熱器２に蓄熱するなど、他の作用効果については同じである。
なお、上述した実施形態では再熱器５を設けて高圧空気の予熱を行っているが、諸条件に応じて再熱器５を廃止し、予熱を行わないように構成することも可能である。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第２の実施形態を図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図３に示す太陽熱ガスタービンＧＴ３は、上述した実施形態と同様に、空気（圧縮性作動流体）を吸入して昇圧させる圧縮機１と、集光器で集めた太陽光の熱により圧縮機１で昇圧された高圧空気を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを具備して構成される。なお、図示の実施形態では再熱器５を備えているが、これに限定されることはない。

本実施形態の太陽熱ガスタービンＧＴ３では、圧縮機１と受熱器２との間を連結して圧縮機１から流出する高圧空気を流す高圧空気流路１１に、途中から分岐して受熱器２をバイパスする高圧空気バイパス流路３０が設けられている。この高圧空気バイパス流路３０は、三方弁３１を介して高圧空気流路１１から分岐している。
高圧空気バイパス流路３０には、受熱器２と並列に補助燃焼器７が設けられている。この補助燃焼器７は、不安定な太陽光による受熱器２の加熱を補うため、燃料を燃焼させて生じる熱により高圧空気を加熱するための装置である。なお、高圧空気バイパス流路３０は、受熱器２の下流側で高圧空気流路１１に合流し、タービン３へ高温高圧空気を供給するように構成されている。

このように構成された太陽熱ガスタービンＧＴ３は、タービン３の運転を停止したガスタービン停止後から起動前までの間に、受熱器２内の流体流れを遮断して蓄熱することができる。
すなわち、タービン３の運転停止から起動までの蓄熱時には、受熱器２の内部を暖かい状態に保つため、受熱器２の出入口に設置した流路開閉部（不図示）を閉じて高圧空気流路１１及び高温高圧空気流路１２から遮断する。この操作と同時に、三方弁３１を操作して高圧空気流路１１の流れを全て補助燃焼器７側へ導くように設定する。この結果、受熱器２内の高温高圧空気は、運転停止時の温度を有して外部へ流出することなく受熱器２内に封入されるため、外気への放熱によりゆっくりと温度低下することとなり、比較的長時間にわたって高温状態を維持することができる。

このようにして受熱器２内に蓄熱された状態から太陽熱ガスタービンＧＴ３を再起動するため、太陽熱ガスタービンＧＴ３には、圧縮機１及びタービン３の主軸に連結された不図示の再起動駆動源（起動モータまたはサイリスタ）が設けられている。この再起動駆動源は、受熱器２の蓄熱を有効利用してタービン３を起動昇速するため、太陽熱ガスタービンＧＴ３のタービン定格回転数を基準にして、たとえば定格回転数の１０〜３０％程度となる起動時回転数を維持できる比較的小さな容量を有していればよい。すなわち、太陽熱ガスタービンＧＴ３の起動昇速に必要な再起動駆動源については、運転停止時の蓄熱を有効利用して小容量化することができる。

太陽熱ガスタービンＧＴ３の起動昇速時には、受熱器２の蓄熱状態から再起動駆動源を起動して出力を上げ、圧縮機１を起動時回転数まで上昇させる。圧縮機１の運転により加圧された空気は、三方弁３１に導かれて高圧空気バイパス流路３０及び補助燃焼器７を通過して流れる。この高圧空気はタービン３へ供給され、再起動駆動源と共にタービン３を駆動する。
こうして圧縮機１の回転数が起動時回転数まで上昇した後には、受熱器２の流路開閉部を操作することにより、受熱器２の内部を高圧空気流路１１及び高温高圧空気流路１２と連通させる。なお、この時点の受熱器２は、三方弁３１により高圧空気流路１１との間が遮断されている。

そして、上述した再起動駆動源を起動と同時に、集光器Ｈを調節して受熱器２に太陽熱を投入する。このような太陽熱量を投入することにより、受熱器２の内部配管は太陽熱量に加熱されて温度上昇するので、所定の配管温度に到達するまで加熱が継続される。この場合、所定の配管温度は上述した実施形態と同様に、受熱器２の内部配管について予め設定した代表点の温度（たとえば６００℃程度）となり、最も高温となる位置を選択した複数点の温度計測により設定される。なお、この場合の高圧空気流路１１は三方弁２２により遮断され、高圧空気バイパス流路３０を介して補助燃焼器７側へ連通している。

受熱器２の内部配管が所定の配管温度に到達すると、受熱器２の流路開閉部を操作するとともに三方弁３１を切替操作し、受熱器２と空気流路１１との間の遮断を解除する。この結果、受熱器２の内部配管には高圧空気が導入されるようになり、内部配管を流れる高圧空気に対する加熱が開始される。
このため、受熱器２を通過して流れる受熱器空気流量は回転数の上昇に伴って増加し、受熱器２で加熱された高温高圧空気は、タービン３へ供給されるようになる。従って、タービン３の出力が増加するとともに、タービン３の回転数も上昇する。
なお、再起動駆動源については、受熱器２による高圧空気の加熱が開始された後、タービン主軸との連結を切り離して運転を停止する。

このように、上述した起動昇速運転では、タービン３の運転停止から起動までの間において、受熱器２内の流体流れを遮断して蓄熱するので、受熱器２で加熱された高温高圧空気は、運転開始から比較的短時間で使用できる温度となり、従って、起動用駆動源の容量を小さく設定しても短時間での起動昇速が可能になる。すなわち、太陽熱ガスタービンＧＴ３の起動用駆動源については、たとえばＤＳＳ運転等の起動昇速時において、定格回転数を基準にして低い領域（たとえば１０〜３０％程度）を維持できる小容量の安価な機器を使用することができる。

こうして太陽熱ガスタービンＧＴ３が通常の運転に移行すると、タービン３に供給される高温高圧空気の受熱器出口温度を所望の値にするため、集光器から受熱器２への入熱量を調整する運転制御が行われる。さらに、補助燃焼器７で燃料を燃焼させて得られる発熱量の調整や、三方弁３１により受熱器２及び補助燃焼器７に分配される高圧空気量の調整を行うことにより、太陽光強度が弱い場合の太陽熱量不足を補い、太陽熱ガスタービンＧＴ３の安定した運転制御が可能になる。
また、補助燃焼器７については、蓄熱量が不十分な場合など、起動昇速時に使用して迅速な起動を行うことも可能である。なお、補助燃焼器７に高圧空気の一部をバイパスさせて導入すれば、補助燃焼器７の冷却を容易に実施することができる。

ところで、上述した図３の実施形態では、補助燃焼器７が受熱器２と並列に配置されている。しかし、本実施形態では、たとえば図４に示す第１変形例のように、補助燃焼器７を受熱器２と直列に配置してもよい。この場合、受熱器２より上流側の高圧空気流路１１には三方弁３１が設けられ、この三方弁３１を介して受熱器２をバイパスし、補助燃焼器７の上流側に合流する高圧空気バイパス流路３０Ａが設けられている。

このような構成を採用すれば、上述した実施形態と同様に蓄熱し、再起動駆動源の容量を小さくすることができるとともに、太陽光強度が弱い場合でも安定した運転が可能になる。
さらに、通常の運転時に補助燃焼器７を使用する場合には、受熱器２で加熱された高温高圧空気が燃料を燃焼させる空気として供給されるため、燃焼により排出される燃料の未燃分排出量を低減することができる。
なお、本実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様に再熱器５を設けて高圧空気の予熱を行っているが、諸条件に応じて再熱器５を廃止し、予熱を行わないように構成することも可能である。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置について、第３の実施形態を図５に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図５に示す太陽熱ガスタービンＧＴ５は、上述した実施形態と同様に、空気（圧縮性作動流体）を吸入して昇圧させる圧縮機１と、集光器で集めた太陽光の熱により圧縮機１で昇圧された高圧空気を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧空気が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３とを具備して構成される。なお、図示の実施形態では再熱器５を備えているが、これに限定されることはない。

本実施形態の太陽熱ガスタービンＧＴ５では、圧縮機１と受熱器２との間を連結して圧縮機１から流出する高圧空気を流す高圧空気流路１１に制御弁４１を設けるとともに、制御弁４１の上流側から分岐して煙突６に至る高圧空気バイパス流路４２を形成してバイパス制御弁４３を設けてある。この場合、制御弁４１及びバイパス制御弁４３は開度調整可能な弁であるから、高圧空気流路１１及び高圧空気バイパス流路４２を流れる空気流量の制御が可能となる。
また、バイパス制御弁４３と並列となるように、放風弁４４を設置した放風弁流路４５が形成されている。なお、この放風弁４４は、通常の運転時には閉じられている。

このように構成された太陽熱ガスタービンＧＴ５は、タービン３の運転停止から起動までの間において、バイパス制御弁４３を開くとともに制御弁を微開とし、受熱器２への流体流れを制限して蓄熱することができる。
すなわち、タービン３の運転停止から起動までの間、受熱器２を暖かい状態に保つため、バイパス制御弁４３を全開にするとともに制御弁４１を微開にして、空気流量のほとんど（たとえば９０％以上）が受熱器２をバイパスして煙突６から放出されるようにする。換言すれば、微開の制御弁４３は、空気流量の一部（たとえば１０％以下の少量）が受熱器２を通過して流れるような開度に設定される。

こうして受熱器２への空気流れが少量に制限されると、運転停止時の温度を有している受熱器２内の高温高圧空気は、外部への流出量が少量に抑えられる。このため、受熱器２内の高温高圧空気は、実質的に外気への放熱によってゆっくりと温度低下することとなる。すなわち、運転を停止した時点で受熱器２内に存在している高温高圧空気は、比較的長時間にわたって高温状態が維持されるので、運転停止時の蓄熱が可能になる。

この結果、運転開始時には、受熱器２で加熱された高温高圧空気を比較的短時間で使用できるようになり、従って、起動用駆動源の容量を小さくすることが可能になる。すなわち、起動用駆動源については、起動及び昇速時において、タービン３の定格回転数を基準にして低い領域（たとえば１０〜３０％程度）を維持できる小容量のものを使用できる。
また、タービン３の運転停止から起動までの間においては、タービン３の内部を少量の高温高圧空気が流れているため、運転停止時におけるタービン入口温度の変動は小さくなる。また、バイパス制御弁４３のサイズは、少量を受熱器２へ流しているので、その分バイパス流量が少なくなって小サイズのものを使用できる。

また、上述した各実施形態及びその変形例において、たとえば図１Ａ等に示す三方弁２２，３１については、図６に示すように、２つの制御弁５１，５２を組み合わせた構成としてもよい。
このような構成は、一つの三方弁に対して２つの制御弁５１，５２が必要になるものの、制御弁５１，５２の構造上から三方弁より高精度な流量制御が可能になる。

このように、上述した各実施形態によれば、太陽熱ガスタービンの停止前に受熱器２が蓄熱した熱を有効に利用し、起動昇速時に太陽熱量の不足を補う起動用駆動源の容量を低減して安価な設備コストで効率のよい運転が可能になる。
また、停止前に受熱器２が蓄熱した熱を有効に利用することにより、起動用駆動源を使用した起動昇速から太陽熱を利用した運転への切替時間を短縮することができる。
従って、上述した本発明は、たとえばＤＳＳ運転のように、比較的短い間隔で運転及び停止を繰り返すような運転形態の太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置に好適である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば再熱器５の有無が限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 圧縮機
２ 受熱器
３ タービン
４ 発電機
５ 再熱器
６ 煙突
７ 補助燃焼器
１１ 高圧空気流路（低温圧縮性流体主流路）
１２ 高温高圧空気流路
１３ 排気流路
２１，２１Ａ 高圧空気主バイパス流路（高圧圧縮性流体主バイパス流路）
２２，３１ 三方弁
２３ 遮断弁
２４，２４Ａ 高圧空気補助バイパス流路（高圧圧縮性流体補助バイパス流路）
２５ バイパス弁
３０，３０Ａ 高圧空気バイパス流路
４１，５１，５２ 制御弁
４２ 高圧空気バイパス流路
４３ バイパス制御弁
ＧＴ１〜ＧＴ５ 太陽熱ガスタービン

Claims (8)

1. 圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成され、前記圧縮機が起動昇速用の起動用駆動源を備えている太陽熱ガスタービンにおいて、
   前記タービンの運転停止から起動までの間に前記受熱器内の流体流れを遮断して蓄熱することを特徴とする太陽熱ガスタービン。
2. 前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を流す低温圧縮性流体主流路に、前記圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、
   前記三方弁を介して前記受熱器をバイパスして前記タービンに連結される低温圧縮性流体主バイパス流路を形成するとともに、該低温バイパス流路と並列に、通常時閉の低温圧縮性流体補助バイパス流路を形成し、
   前記タービンの起動昇速時には前記低温圧縮性流体補助バイパス流路を開とし、前記起動用駆動源を用いて前記圧縮機を所定の起動時回転数まで昇速させた後、前記受熱器の出入口を開放して太陽光による受熱器内配管の加熱を開始し、前記受熱器内配管の温度が所定値以上の高温となった時点で圧縮性作動流体を流通させて加熱することを特徴とする請求項１に記載の太陽熱ガスタービン。
3. 前記低温圧縮性流体主流路に前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を前記タービンから排出される高温高圧の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器を備え、前記低温圧縮性流体主バイパス流路及び前記低温圧縮性流体補助バイパス流路は、前記再熱器の上流側または下流側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の太陽熱ガスタービン。
4. 圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成され、前記圧縮機が起動昇速用の起動用駆動源を備えている太陽熱ガスタービンにおいて、
   前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を流す低温圧縮性流体主流路に、三方弁を介して前記受熱器と並列または直列に配置された補助燃焼器を備え、前記タービンの運転停止から起動までの間に前記受熱器内の流体流れを遮断して蓄熱することを特徴とする太陽熱ガスタービン。
5. 前記低温圧縮性流体主流路に、前記圧縮機側から順に三方弁及び遮断弁を設け、
   前記三方弁を介して前記受熱器をバイパスして前記タービンに連結される低温圧縮性流体主バイパス流路を形成するとともに、該低温バイパス流路と並列に、通常時閉の低温圧縮性流体補助バイパス流路を形成し、
   前記タービンの起動昇速時には前記補助燃焼器に圧縮性作動流体の全量を流すように前記三方弁を操作し、前記起動用駆動源を用いて前記圧縮機を所定の起動時回転数まで昇速させた後、前記受熱器の出入口を開放して太陽光による受熱器内配管の加熱を開始し、前記受熱器内配管の温度が所定値以上の高温となった時点で圧縮性作動流体を流通させて加熱することを特徴とする請求項４に記載の太陽熱ガスタービン。
6. 前記低温圧縮性流体主流路に前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を前記タービンから排出される高温高圧の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器を備えていることを特徴とする請求項４または５に記載の太陽熱ガスタービン。
7. 圧縮性作動流体を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを具備して構成され、前記圧縮機が起動昇速用の起動用駆動源を備えている太陽熱ガスタービンにおいて、
   前記圧縮機と前記受熱器との間を連結して前記圧縮機から流出する高圧の圧縮性作動流体を流す低温圧縮性流体主流路に制御弁を設けるとともに、
   前記制御弁の上流側から分岐して煙突に至る低温圧縮性流体バイパス流路を形成してバイパス制御弁を設け、
   前記タービンの運転停止から起動までの間は、前記バイパス制御弁を開くとともに前記制御弁を微開とし、前記受熱器への流体流れを制限して蓄熱することを特徴とする太陽熱ガスタービン。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の太陽熱ガスタービンと、該太陽熱ガスタービンで駆動されて発電する発電機とを備えていることを特徴とする太陽熱ガスタービン発電装置。

Images