JP5460816B1 - 水素生成装置を備える太陽光利用ガスタービン発電システム - Google Patents

水素生成装置を備える太陽光利用ガスタービン発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】太陽光を熱源として利用しながら、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことができるガスタービン発電システムを提供する。
【解決手段】太陽光を利用するガスタービンエンジンを有する発電システムにおいて、作動媒体である空気(A)を圧縮する圧縮機(1)と、前記圧縮機で圧縮された空気を、太陽光を熱源として加熱する太陽光加熱器(3)と、前記圧縮機で圧縮された空気を、水素を燃料として燃焼させる水素燃焼器(5)と、前記太陽光加熱器および前記水素燃焼器の少なくとも一方で加熱された高温のガス(HG)から動力を取り出すタービン(7)と、前記タービンによって駆動される発電機(9)と、前記タービンの出力または前記タービンからの排熱を利用して水を分解することにより水素を生成し、この水素を前記水素燃焼器に供給する少なくとも1つの水素生成装置(25)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して発電するガスタービン発電システムに関する。
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、太陽光の熱を利用したガスタービン発電システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
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、エネルギー源である太陽光の供給量を制御することができないため、電力の需要量の変化に適切に対応して電力を供給することが困難であった。そのため、日照量に対して電力需要が低い昼間に余剰電力が発生する一方、夜間や悪天候時には電力供給ができないという問題があった。
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、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことができるガスタービン発電システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン発電システムは、太陽光を利用するガスタービンエンジンを有する発電システムであって、作動媒体である空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気を、太陽光を熱源として加熱する太陽光加熱器と、前記圧縮機で圧縮された空気を、水素を燃料として燃焼させる水素燃焼器と、前記太陽光加熱器および前記水素燃焼器の少なくとも一方で加熱された高温のガスから動力を取り出すタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記タービンの出力または前記タービンからの排熱を利用して水を分解することにより水素を生成し、この水素を前記水素燃焼器に供給する少なくとも1つの水素生成装置とを備えている。
この構成によれば、日照量が多く、電力需要が小さい時に、水素生成装置によって水素を生成・貯蔵しておき、日照のない夜間や電力需要が大きい時に、貯蔵しておいた水素を利用して電力供給量を増やすことができるので、太陽光を熱源として利用しながら、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能となる。
本発明の一実施形態において、前記水素生成装置は、前記発電機によって生成された電力を利用して水を電気分解する電気分解水素生成装置であることが好ましい。この構成によれば、電力需要に対して日照量が多い場合の余剰発電電力を有効に利用して、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能となる。
本発明の一実施形態において、さらに、前記タービンからの排ガスを利用して水を熱分解することにより水素を生成する熱分解水素生成装置を備えていることが好ましい。この構成によれば、さらにガスタービンエンジンの排熱も利用することにより、システム全体の効率を高めながら電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能となる。
本発明に係るガスタービン発電システムによれば、以上のように、太陽光を熱源として利用しながら、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能となる。
本発明の一実施形態に係るガスタービン発電システムの概略構成を示すブロック図である。 図1の実施形態の第2水素生成装置(第1フェーズ)の概略構成を拡大して示すブロック図である。 図1の実施形態の第2水素生成装置(第2フェーズ)の概略構成を拡大して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ガスタービン発電システム(以下、単に「発電システム」という。)Sを示す概略構成図である。この発電システムSは、太陽光を利用するガスタービンエンジンGE,すなわち、作動媒体である空気Aを圧縮する圧縮機1、圧縮機1で圧縮された空気Aを加熱する太陽光加熱器3および水素燃焼器5、並びにこの圧縮・加熱された空気Aから動力を取り出すタービン7を有している。本実施形態では、発電システムSを、タービン7から排出される空気Aを圧縮機1へ供給して再利用する再生サイクルエンジンとして構成している。ガスタービンエンジンGEの出力により、負荷である発電機9が駆動される。
圧縮機1で圧縮された空気Aは、圧縮空気供給路11を介して、再生器13を通過した後に、太陽光加熱器3へ送られる。再生器13は、タービン7から排出された高温の排ガスEGの熱を利用して、圧縮機1から太陽光加熱器3、水素燃焼器5へ向かう空気Aを予熱する。
圧縮機1とタービン7との間に配置された太陽光加熱器3は、発電システムSの外部に設置された太陽光の集光装置15から供給された太陽光SLを受け、これを熱源として空気Aを加熱する。本実施形態では、太陽光集光装置15として、太陽光加熱器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。
太陽光加熱器3とタービン7の間に、水素を燃料として空気Aを燃焼させる水素燃焼器5が設けられている。太陽光加熱器3または水素燃焼器5から供給された高温高圧の空気Aは、タービン7を駆動した後、高温・低圧の排ガスEGとしてタービン7から排出される。タービン7は圧縮機1に回転軸17を介して連結されており、回転軸17を介してタービン7により圧縮機1および発電機9が駆動される。
水素燃焼器5は、水素燃料供給路19を介して水素燃料貯蔵器21に接続しており、この水素燃料貯蔵器21から水素燃料の供給を受ける。水素燃料貯蔵器21は、第1の水素導入路23を介して第1の水素生成装置25に接続されている。第1水素生成装置25は、水を電気分解することによって水素を生成する電気分解水素生成装置として構成されている。この第1水素生成装置25は、電気分解に必要な電力の供給を、タービン7によって駆動される発電機9から受ける。なお、圧縮空気供給路11における再生器13と水素燃焼器5との間には、必要に応じて圧縮空気Aを太陽光加熱器3から迂回させる迂回路27およびこの迂回路27へ流路を切り替える迂回切替弁29が設けられている。
水素燃料貯蔵器21は、また、第2の水素導入路31を介して第2の水素生成装置33に接続されている。第2水素生成装置33は、水を熱分解することによって水素を生成する熱分解水素生成装置として構成されている。この第2水素生成装置33は、熱分解に必要な熱源として、タービン7から排出される高温の排ガスEGの熱を利用する。図示の例に係る第2水素生成装置33は、水素の熱分解反応として、いわゆるUT−3プロセスを利用する。
UT−3プロセスは、プロセス循環物質としてカルシウム、鉄、臭素などの化合物を用いた以下の4つの反応から成り立っている。
CaBr2 + H2O → CaO + 2HBr (1−A)
CaO + Br2 → CaBr2 + 1/2O2 (1−B)
Fe3O4 + 8HBr → 3FeBr2 + 4H2O + Br2 (2−A)
3FeBr2 + 4H2O → Fe3O4 + 6HBr + H2 (2−B)
まず、730℃付近の温度下で、(1−A)の反応により臭化カルシウムと水蒸気とを反応させて臭化水素ガスと酸化カルシウムを生成する。酸化カルシウムは500℃付近の温度下で(1−B)の反応により臭素と反応させて、臭化カルシウムを再生するとともに酸素を生成する。一方、臭化鉄を、600℃付近の温度下で、(2−B)の反応により水蒸気と反応させて臭化水素ガスと酸化鉄を得るとともに水素を生成する。酸化鉄は350℃付近の温度下で、(2−A)の反応により臭化水素ガスと反応させて臭素と臭化鉄の再生を行う。これらの反応はすべて固体と気体との反応であり、かつ、臭化物と水蒸気を反応させる2つの加水分解反応(1−A),(2−B)は吸熱反応であり、他の反応(1−B),(2−A)は発熱反応である。
第2水素生成装置33は、図2に模式的に示すように、カルシウム反応部41、鉄反応部43、酸素分離部45および水素分離部47を備えている。カルシウム反応部41では、カルシウム化合物を用いる上記(1−A)、(1−B)の反応を行い、鉄反応部43では、鉄化合物を用いる上記(2−A)、(2−B)の反応を行う。また、酸素分離部45では、カルシウム反応部41における(1−B)の反応で生成した酸素を分離して取り出し、水素分離部47では、鉄反応部43における(2−B)の反応で生成した水素を分離して取り出す。
カルシウム反応部41は、2つの反応室(第1カルシウム反応室41a,第2カルシウム反応室41b)を有しており、上記(1−A)、(1−B)の反応のうちの一方の反応が第1カルシウム反応室41aで行われ、他方が第2カルシウム反応室41bで行われる。また、同様に、鉄反応部43は、2つの反応室(第1鉄反応室43a,第2鉄反応室43b)を有しており、上記(2−A)、(2−B)の反応のうちの一方の反応が第1鉄反応室43aで行われ、他方が第2鉄反応室43bで行われる。ただし、カルシウム化合物を用いる上記(1−A)、(1−B)の反応と鉄化合物を用いる上記(2−A)、(2−B)の反応のうちの吸熱反応同士、発熱反応同士が、それぞれ互いに隣接する反応室で行われる。すなわち、図示の例では、第1カルシウム反応室41aと第1鉄反応室43aとが隣接するように配置され、第2カルシウム反応室41bと第2鉄反応室43bとが隣接するように配置されており、互いに隣接する第1カルシウム反応室41aおよび第1鉄反応室43aで吸熱反応が行われて吸熱反応領域Renを形成し、互いに隣接する第2カルシウム反応室41bおよび第2鉄反応室43bで発熱反応が行われて発熱領域Rexを形成する(以下、この状態を第1フェーズと呼ぶ)。
もっとも、熱分解水素生成反応が進むに連れて、カルシウム反応部41において、第1カルシウム反応室41a内のCaBr2はCaOに変化し、第2カルシウム反応室41b内のCaOはCaBr2に変化するので、両反応室41a,41b内の組成が入れ替わっていく。また、同様に、鉄反応部43においても、第1鉄反応室43a内のFeBr2はFe3O4に変化し、第2鉄反応室43b内のFe3O4はFeBr2に変化するので、両反応室43a,43b内の組成が入れ替わっていく。そこで、本実施形態では、一定時間後に、図3に示すように第2水素生成装置33内における反応ガスの流れ方向を逆転させて、第1カルシウム反応室41aで行われていた吸熱反応(1−A)と第2カルシウム反応室41bで行われていた発熱反応(1−B)とを入れ替え、第1鉄反応室43aで行われていた吸熱反応(2−B)と第2鉄反応室43bで行われていた発熱反応(2−A)とを入れ替える。つまり、一定時間後に、互いに隣接する第1カルシウム反応室41aおよび第1鉄反応室43aで発熱反応が行われて発熱反応領域Rexが形成され、互いに隣接する第2カルシウム反応室41bおよび第2鉄反応室43bで吸熱反応が行われて吸熱反応領域Renを形成する(以下、この状態を第2フェーズと呼ぶ)。その後も、一定時間間隔で、吸熱反応領域Renを形成する反応室と発熱反応領域Rexを形成する反応室とを入れ替えて、第1フェーズと第2フェーズを交互に繰り返す。
次に、ガスタービンエンジンGEと第2水素生成装置33との間で熱交換を行う構造について説明する。図1に示すように、タービン7からの高温の排ガスEGを排出する排ガス通路51の中途から、排ガスEGと第2水素生成装置33との間で熱交換するための排ガス熱交換通路53が分岐して設けられている。排ガス通路51と排ガス熱交換通路53との分岐点には、排ガスEGの流路を排ガス通路51および排ガス熱交換通路53の間で切り替える排ガス流路切替弁55が設けられている。排ガス熱交換通路53は、その中途が、第1吸熱反応側熱交換通路53aと第2吸熱反応側熱交換通路53bとに分岐している。第1吸熱反応側熱交換通路53aと第2吸熱反応側熱交換通路53bとの分岐点には、熱交換流路切替弁57が設けられている。
また、圧縮空気供給路11の中途から、圧縮された空気Aを第2水素生成装置33で発生した熱によって予熱するための圧縮空気予熱通路61が分岐して設けられている。圧縮空気供給路11と圧縮空気予熱通路61との分岐点には、圧縮空気Aの流路を圧縮空気供給路11および圧縮空気予熱通路61の間で切り替える圧縮空気流路切替弁63が設けられている。圧縮空気予熱通路61は、その中途が、第1発熱反応側圧縮空気予熱通路61aと第2発熱反応側圧縮空気予熱通路61bとに分岐している。第1発熱反応側圧縮空気予熱通路61aと第2発熱反応側圧縮空気予熱通路61bとの分岐点には、圧縮空気予熱通路切替弁65が設けられている。
図2に示すように、第1吸熱反応側熱交換通路53aおよび第2発熱反応側圧縮空気予熱通路61bは、第2水素生成装置33のカルシウム反応部41の第1カルシウム反応室41a、および鉄反応部43の第1鉄反応室43aの近傍を通過し、第2吸熱反応側熱交換通路53bおよび第1発熱反応側圧縮空気予熱通路61aは、第2水素生成装置33のカルシウム反応部41の第2カルシウム反応室41b、および鉄反応部43の第2鉄反応室43bの近傍を通過する。
図2に示す第1フェーズにおいては、第1カルシウム反応室41aで吸熱反応である上記反応(1−A)が行われ、第1鉄反応室43aで吸熱反応である上記反応(2−B)が行われており、第2カルシウム反応室41bで発熱反応である上記反応(1−B)が行われ、第2鉄反応室43bで発熱反応である上記反応(2−A)が行われている。この状態では、排ガス熱交換通路53の熱交換流路切替弁57が、吸熱反応領域Renの近傍を通る第1吸熱反応側熱交換通路53a側に切り替えられ、かつ圧縮空気予熱通路61の圧縮空気流路切替弁63が、発熱反応領域Rexの近傍を通る第1発熱反応側圧縮空気予熱通路61a側に切り替えられる。
一方、図3に示す第2フェーズにおいては、排ガス熱交換通路53の熱交換流路切替弁57が第2吸熱反応側熱交換通路53b側に切り替えられ、かつ圧縮空気予熱通路61の圧縮空気流路切替弁63が第2発熱反応側圧縮空気予熱通路61b側に切り替えられる。
なお、第1フェーズおよび第2フェーズのいずれにおいても、吸熱反応領域Ren内および発熱反応領域Rex内の各反応室の配置は、排ガスEG,圧縮空気Aとの熱交換においてエネルギーロスが最小となるように設定することが好ましい。すなわち、排ガスEGから熱を受け取る吸熱反応領域Ren内では、排ガスEGの流れにおける上流側から下流側に向かって、より高温の反応を行う反応室から低温の反応を行う反応室の順に(本実施形態の例では反応温度約730℃の第1カルシウム反応室41aから反応温度約600℃の第1鉄反応室43a)配置し、圧縮空気Aに熱を与える発熱反応領域Rex内では、圧縮空気Aの流れにおける上流側から下流側に向かって、より低温の反応を行う反応室から高温の反応を行う反応室の順に(本実施形態の例では反応温度約350度の第2鉄反応室43bから反応温度約500℃の第2カルシウム反応室41bへ)配置する。
次に、このように構成された発電システムSの動作について説明する。図1に示すように、電力需要が低い時間帯には、発電機9で生成する余剰電力およびタービン7からの排ガスEGの熱を利用して、第1,2の水素生成装置25,33で水素を生成する。第2水素生成装置33を稼働させる場合には、排ガス流路切替弁55を排ガス熱交換通路53側に切り替えて、排ガスEGを排ガス熱交換通路53に供給するとともに、圧縮空気流路切替弁63を圧縮空気予熱通路61側に切り替えて、圧縮された空気Aを圧縮空気予熱通路61に供給する。
第2水素生成装置33では、熱分解反応プロセスの反応の進行に伴って、上述のように、カルシウム反応部41の2つの反応室41a、41b間、および鉄反応部43の2つの反応室43a,43b間で吸熱反応と発熱反応が入れ替わる。第1カルシウム反応室41aおよびこれに隣接する第1鉄反応室43aにおいて吸熱反応が進行している第1フェーズにおいては、排ガス熱交換通路53の熱交換流路切替弁57を第1吸熱反応側熱交換通路53a側に切り替えて、排ガスEGを第1カルシウム反応室41aおよび第1鉄反応室43aの近傍を通過させるとともに、圧縮空気予熱通路61の圧縮空気予熱通路切替弁65を第1発熱反応側圧縮空気予熱通路61a側に切り替えて、空気Aを発熱反応が進行している第2カルシウム反応室41bおよび第2鉄反応室43bの近傍を通過させる。
一方、第2水素生成装置の第1カルシウム反応室41aおよびこれに隣接する第1鉄反応室43aにおいて発熱反応が進行している第2フェーズにおいては、排ガス熱交換通路53の熱交換流路切替弁57を第2発熱反応側圧縮空気予熱通路61b側に切り替えて、排ガスEGを第2カルシウム反応室41bおよび第2鉄反応室43bの近傍を通過させるとともに、圧縮空気予熱通路61の圧縮空気予熱通路切替弁65を発熱反応側圧縮空気予熱通路61b側に切り替えて、空気Aを第1カルシウム反応室41aおよび第1鉄反応室43aの近傍を通過させる。
いずれの場合も、第1吸熱反応側熱交換通路53aまたは第2吸熱反応側熱交換通路53bを通過する高温の排ガスEGの熱が、吸熱反応領域Renに供給されて吸熱反応を促進し、かつ、発熱反応領域Rexで発生した熱が、第1発熱反応側圧縮空気予熱通路61aまたは第2発熱反応側圧縮空気予熱通路61bを通過する空気Aを予熱する。その後、第2水素生成装置33を通過した排ガスEGは、再生器13に加熱媒体として供給され、第2水素生成装置33を通過した空気Aは、再生器13に被加熱媒体として供給される。
このように、本実施形態に係る発電システムSでは、排ガスEGを熱分解水素生成装置と熱交換させる排ガス熱交換通路53が、熱分解水素生成装置である第2水素生成装置33において吸熱反応領域を形成する反応室と発熱反応領域を形成する反応室とが入れ替わるのに対応して、吸熱反応領域Renの近傍を通るように流路を切り替える機構、つまり、本実施形態の例では吸熱反応側の通路53a、53b、およびこれらの通路を切り替える切替弁57を有している。また、空気Aを熱分解水素生成装置と熱交換させる圧縮空気予熱通路61が、熱分解水素生成装置である第2水素生成装置33において吸熱反応領域を形成する反応室と発熱反応領域を形成する反応室とが入れ替わるのに対応して、発熱反応領域Rexの近傍を通るように流路を切り替える機構、つまり、本実施形態の例では発熱反応側の通路61a、61b、およびこれらの通路を切り替える切替弁65を有している。したがって、排ガスEGの熱や熱分解反応で発生する熱を有効に利用して、システム全体の効率を向上させることができる。
電力需要が大きい時間帯には、第1,2の水素生成装置での水素の生成を停止し、水素燃料貯蔵器21に貯蔵した水素を利用して発電電力量を増加させる。このとき、排ガス流路切替弁55を排ガス通路51側に切り替えて、排ガスEGを再生器13に加熱媒体として直接供給する。また、圧縮空気流路切替弁63を圧縮空気供給路11側に切り替えて、圧縮された空気Aを再生器13に被加熱媒体として直接供給する。なお、夜間や悪天候時など、日照量が極端に少ない場合には、空気Aを再生器13から迂回路27を介して直接水素燃焼器5に供給して、水素燃焼器5のみで加熱(燃焼)を行ってもよい。
なお、熱分解水素生成装置である第2水素生成装置で利用する水の分解反応は、UT−3プロセスに限らず、例えば、ISプロセス(Iodine-Sulfurプロセス)を利用してもよい。ISプロセスは、(1)100℃付近の温度下で、水とヨウ素の混合物によって二酸化硫黄ガスを吸収してヨウ化水素と硫酸を得る反応、(2)400〜500℃の温度下でヨウ化水素の熱分解により水素を生成する反応、(3)850℃付近の温度下で硫酸を分解して酸素を生成する反応、の3つの反応からなる。反応(3)は吸熱反応であり、反応(1)は発熱反応である。したがって、ISプロセスを利用する場合も、熱分解水素生成装置である第2水素生成装置が、吸熱反応領域を形成する反応室と発熱反応領域を形成する反応室とが入れ替わるのに対応して、排ガスEGを熱分解水素生成装置と熱交換させる排ガス熱交換通路および圧縮空気Aを熱分解水素生成装置と熱交換させる圧縮空気予熱通路が、それぞれ、吸熱反応領域の近傍を通るように流路を切り替える機構、発熱反応領域の近傍を通るように流路を切り替える機構を備えていることが好ましい。
どのような熱分解プロセスを利用するにしても、UT−3プロセスやISプロセスなどの水素熱分解には750℃以上の高温を必要とするから、ガスタービンサイクルとしてはこれに対応できる低圧力比の再生サイクルを選定し、かつ、採用する個々の熱分解プロセスに合わせたガスタービンサイクルを選定する。また、水素の熱分解反応のうち、吸熱反応である水素分離と、発熱反応である酸素分離は同時に行ってもよいし、反応の媒体量を多くすることで蓄熱機能を持たせ、時間帯をずらせて反応させてもよい。
また、第1,2の水素生成装置25,33のうち、いずれか一方を省略してもよい。例えば、熱分解水素生成装置である第2水素生成装置33を省略し、電気分解水素生成装置である第1水素生成装置のみによって水素燃焼器5の燃料となる水素を生成・供給してもよい。この場合にも、電力需要に対して日照量が多い場合の余剰発電電力を有効に利用して、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能である。
以上のように、本実施形態に係る発電システムSによれば、日照量が多く、電力需要が小さい時に、水素生成装置によって水素を生成・貯蔵しておき、電力需要が大きい時に、貯蔵しておいた水素を利用して電力供給量を増やすことができるので、太陽光を熱源として利用しながら、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能となる。
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 太陽光加熱器
5 水素燃焼器
7 タービン
9 発電機
25 第1水素生成装置
33 第2水素生成装置
A 空気
S ガスタービン発電システム

Claims (3)

  1. 太陽光を利用するガスタービンエンジンを有する発電システムであって、
    作動媒体である空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された空気を、太陽光を熱源として加熱する太陽光加熱器と、
    前記圧縮機で圧縮された空気を、水素を燃料として燃焼させる水素燃焼器と、
    前記太陽光加熱器および前記水素燃焼器の少なくとも一方で加熱された高温のガスから動力を取り出すタービンと、
    前記タービンによって駆動される発電機と、
    前記発電機によって生成された電力を利用して水を電気分解することにより水素を生成し、この水素を前記水素燃焼器に供給する電気分解水素生成装置と、
    前記タービンからの排ガスを利用して水を熱分解することにより水素を生成し、この水素を前記水素燃焼器に供給する熱分解水素生成装置と、
    前記圧縮機で圧縮された空気を、前記熱分解水素生成装置で発生した熱によって予熱する圧縮空気予熱通路と、
    を備えるガスタービン発電システム。
  2. 請求項1に記載のガスタービン発電システムにおいて、前記圧縮空気予熱通路が、前記熱分解水素生成装置内において吸熱反応が行われる反応室と発熱反応が行われる反応室とが入れ替わるのに対応して前記発熱反応が行われる反応室の近傍を通るように流路を切り替える機構を備えているガスタービン発電システム。
  3. 請求項1または2に記載のガスタービン発電システムにおいて、さらに、前記タービンからの排ガスを通過させて、この排ガスと前記熱分解水素生成装置との間で熱交換を行う排ガス熱交換通路を備えており、前記排ガス熱交換通路が、前記熱分解水素生成装置内において吸熱反応が行われる反応室と発熱反応が行われる反応室とが入れ替わるのに対応して前記吸熱反応が行われる反応室の近傍を通るように流路を切り替える機構を備えているガスタービン発電システム。
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