JP5486739B2 - バイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電方法およびシステム - Google Patents

バイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電方法およびシステム Download PDF

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Description

本発明は、バイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電方法及びシステムに関するものであり、新規のエネルギ発電の分野に属し、特に、バイオマス及び太陽エネルギのようなクリーンなエネルギを使用する発電に属する。
従来からの化石燃料（石炭、石油、天然ガス）の埋蔵量が減少するに伴い、また、人類の生存および発展を直接的に脅かす化石エネルギの使用により生じる環境汚染問題に伴い、再生可能で環境に優しいエネルギの開発は、世界規模の関心事になっている。太陽エネルギは、広く分布しており、埋蔵量が制限されておらず、回収および利用をクリーンに行うことができ、且つＣＯ２の排出量がゼロである点において、特徴的である。
しかしながら、太陽エネルギの大規模な開発および利用はコストがかかるものであり、従来の化石エネルギの開発よりもかなり多くの費用を要する。また、太陽エネルギの獲得は、天気の変化に影響を受けることから、不安定であると共に非連続的である。従って、いかにして上記の問題を解決するかが、昨今のエネルギおよび発電の研究分野では注目の話題となっている。
植物の光合成によって生成される有機物として、バイオマスは広く分布しており、貯蔵量が大量であり、化石エネルギよりもずっとクリーンであり、且つＣＯ２の排出量がゼロである点で特徴的である。従って、バイオマスは極めて重要な再生可能エネルギである。バイオマスの開発および利用もまた、昨今のエネルギおよび発電の研究分野では注目の話題となっている。作物のわら、森林燃料木材、および木材加工廃棄物をバイオマス燃料として使用するバイオマスボイラ発電施設は、産業化が成熟している。しかしながら、バイオマス燃料の発熱量は、単位体積当たりでは、同じ単位体積当たりの石炭よりも低い。バイオマスボイラ発電施設の連続作動を維持するために、バイオマス燃料の貯蔵領域では、広い面積を必要としており、結果的に大きな土地が要望される。また、屋外で貯蔵されるバイオマス燃料は、湿りがちであり、それにより燃焼が影響を受けてしまい、また、ある種のバイオマス燃料は、湿潤環境で自然発火することが可能である。これらの問題全てにより、バイオマスボイラ発電施設の有益な結果全体が制限されてしまう。
アメリカのイーソーラ社（ｅＳｏｌａｒ）は、太陽熱発電塔技術を開発した。タワーＩＩシステムは数百或いは数千個の鏡（ヘリオスタットとしても知られている）を使用して、太陽放射を受信装置（ソーラボイラとしても知られている）に反射させる。焦点温度は１０００℃程度である。伝熱媒体として溶融塩（または伝導油）が約５６０℃に加熱されると共に、蓄熱タンクに貯蔵される。水は熱交換器を介して溶融塩（または伝導油）により加熱されて、高温高圧蒸気に変換される。蒸気は最終的に発電用タービンに投入される。
イスラエルのルズ社（ＬＵＺ）は、南カリフォルニアの砂漠で、９組のパラボラトラフ型太陽発電システムを開発した。太陽エネルギは、放射面の焦線上に置かれた太陽収熱管に集中させられる。伝熱油は、加熱されて流され、蓄熱タンクに保管される。次に伝熱油は熱交換機を介して水を加熱して、約３７２℃の蒸気にする。蒸気は最終的に発電用タービンに投入される。
太陽放射は天候や雲に大きく影響を受けるものであり、また、太陽放射の獲得は、現地時間の８時から１７時の間にのみ行われることが可能であることから、上記の塔型またはトラフ型の太陽発電システムは、太陽エネルギの特性に適応し、頻繁且つ迅速にシステムを始動させ、またタービンの安定的な作動を維持するために、特別に開発された高速始動タービン（太陽タービンとしても知られており、昼間に作動して夜間に停止し、或いは晴れの日に作動して曇天では停止する）を導入している。従来の化石エネルギを利用するタービンと比較して、太陽タービンは、ジガーを予熱するのに長時間を必要とせず、十分に大きい蓄熱システムを備え、また蓄熱媒体（伝熱油または溶融塩）と作動媒体（水蒸気）の間で２度の熱交換を行うという点で特徴的である。しかしながら、この技術的構想はシステムをより複雑なものにしており、また、コストがより高くなる。２度の熱交換により、熱電変換の効率は低下する。また、太陽タービンはその特別な材料や特別な構成に起因して、容積がより大きく、コストがより高く、熱効率がより低い。
即ち、本システムは溶融塩を蓄熱媒体として使用しており、これによりシステムの作動はより困難になる。２６０℃よりも低い温度では、溶融塩は液体状態から固体状態に変換されてしまい、固体状態の溶融塩は、配管や蓄熱タンクに存在するかを問わず、システムの作動に影響を及ぼす。従って、溶融塩を２６０℃よりも高い温度に長時間維持する必要があるが、これはエネルギを消費するものであり、また、実現が極めて難しい。
冬の夜間や気温が０℃未満である雪や曇りの日には、上記の太陽タービンは連続作動が不可能である。有益な結果が生じないのに加えて、いかにしてシステムを凍結から回避するかは、困難な問題であり、またエネルギを消費する問題である。
上述の問題に鑑み、本発明の目的の一つは、バイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽発電方法およびそれに関連するシステムを提供することにある。本発明は、バイオマスボイラを補助熱源として利用すると共に、バイオマスエネルギおよびソーラパワーを組み合わせることにより、太陽エネルギの不安定さの問題を効果的に解決する。
本発明の技術的構成は以下のとおりである。バイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽発電方法であって、本方法は太陽光集光器と、バイオマスボイラと、ターボネータユニットを組み合わせる。太陽光集光器およびバイオマスボイラは、水を吸熱および蓄熱のための作動媒体として利用する。バイオマスボイラは第２熱源として作用し、補助熱源を太陽光発電に提供する。本方法は以下の工程を含む。
１）バイオマスボイラドラムの水位Ｌ１が予め定められた水位に達したらバイオマスドラムを着火し、バイオマスボイラ発電施設の作動手順に従って、ターボネータユニットを始動させる工程。
２）太陽光集光器を始動させ、太陽光集光器の排水口本管において水温ｔ３を検出し、ｔ３≧９５℃である時に、太陽光集光器の排水口本管とバイオマスボイラドラムの間に配置される第２制御弁を開放すると共に、太陽光集光管への水供給を制御する第３制御弁を開放し、水をバイオマスボイラドラムに導入し、ｔ３≧９５℃を維持するために、水温ｔ３に応じて太陽光集光管への水供給量を調節し、ターボネータユニットの制御システムにより自動調節し、バイオマスボイラドラムの水位、バイオマスボイラの蒸気出口における蒸気圧および蒸気温度を規定値に維持し、且つターボネータユニットの安定した作動を維持する工程。
３）太陽光集光管への水供給が最低値に調節される一方で、ターボネータユニットによって検出される太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３が減少してｔ３＜９５℃であるならば、太陽光集光器の水排出口本管の第２制御弁および太陽光集光管への水供給を制御する第３制御弁を閉鎖して、太陽光集光管内の水が流出するのを阻止すると共に、水を保温作動準備状態に維持し、ターボネータユニットを火力発電モードに切り替え、ターボネータユニットの制御システムにより自動調節し、バイオマスボイラの蒸気出口における蒸気圧および蒸気温度を規定値に維持すると共に、ターボネータユニットの安定した作動を維持するために、バイオマスボイラへの燃料投入を増加させる工程。
４）太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３が減少してｔ３＝５〜９℃となるならば、太陽光集光器の排水口本管および水補給タンクの間に配置される第１制御弁を開放し、室温の水を太陽光集光管から脱塩水タンクへ排出するために、ブリード弁を開放し、残りの水を配管から除去するために排出弁を開放し、水が残っていない状態になるまで、圧縮空気を排出弁の開口から全ての配管まで導入し、太陽光集光器および配管を無水凍結防止状態に維持し、ターボネータユニットをバイオマスボイラ発電モードに切り替える工程。
５）太陽放射の回収によって、太陽光集光管内の水温が増加してｔ３≧９５℃になるならば工程１）を繰り返し、水をバイオマスボイラに供給し、ターボネータユニットの自動調節により、バイオマスボイラへの燃料投入を減少させる工程。
上記の方法に適用されるバイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電システムは、太陽光集光器と、バイオマスボイラと、ターボネータユニットを含む。太陽光集光器およびバイオマスボイラは水を吸熱および蓄熱のための作動媒体として利用する。太陽光集光器は中圧真空太陽光集光管を直並列マトリクスの組み合わせで導入する。太陽光集光器の蒸気出口は、第２制御弁を介して、バイオマスボイラドラムの底部と連結される。バイオマスボイラドラムの出口は、タービンのシリンダと連結される。
本発明の改良点として、太陽光集光器は中圧真空太陽光集光管を直並列マトリクスの組み合わせで導入する。太陽光集光器の出口は、第２制御弁を介して、バイオマスボイラドラムの底部と連結される。バイオマスボイラドラムの蒸気出口は、タービンのシリンダと連結される。
本発明の改良点として、蒸気過熱装置は、バイオマスボイラドラムの蒸気出口およびタービンのシリンダと連結される配管の間で直列接続される。蒸気過熱装置はタービンの高圧シリンダの入口と連通する。蒸気過熱装置は、バイオマスボイラの送気管内部に配置される。
本発明の改良点として、高圧シリンダの出口は、配管を介して蒸気再加熱装置と連結される。蒸気再加熱装置はタービンの低圧シリンダの入口と連結される。蒸気再加熱装置はバイオマスボイラの送気管内部に配置される。
本発明の改良点として、凝縮器はタービンシリンダの出口と連通する。凝縮器の排水口は脱気装置と連通する。凝縮器の排水口は脱気装置および第１水ポンプを介して、太陽光集光管およびバイオマスボイラの取水口の少なくともいずれかと連通する。
本発明の改良点として、補助加熱装置はバイオマスボイラの取水口管と直列接続され、補助加熱装置はバイオマスボイラの送気管内部に配置される。
本発明の改良点として、太陽光集光器の水補給タンクおよびバイオマスボイラは、断熱層を含む脱塩水タンクである。脱塩水タンクは第２水ポンプを介して脱器装置と連結され、更に脱器装置および第１水ポンプを介して、太陽光集光管およびバイオマスボイラの取水口と連結される。脱塩水タンクは第１制御弁を介して、太陽光集光器の出口と連結される。
本発明の改良点として、温度センサＴ３が太陽光集光器の排水口および第２制御弁および第１制御弁の間の配管に配置される。温度センサＴ３によって表される制御点は最終的に第２制御弁および第１制御弁の制御ループに出力される。温度センサＴ３の作動温度は、バイオマスボイラの安全作動温度範囲に予め定められる。
本発明の改良点として、太陽光集光器は、パラボラトラフミラーと、真空太陽光集光管を含み、真空太陽光集光管はパラボラトラフミラーの焦線上に載置される。
本発明の改良点として、太陽光集光器は、反射型フレネルレンズと、真空太陽光集光管を含み、真空太陽光集光管は反射型フレネルレンズの焦線上に載置される。
本発明の改良点として、太陽光集光器は、透過型フレネルレンズと、真空太陽光集光管を含み、真空太陽光集光管は透過型フレネルレンズの焦線上に載置される。
本発明の効果は以下のとおりである。
本発明の２熱源式発電システムには複数の異なる弁が備えられており、昼間と夜間の交代よる太陽放射の変化、および天候の変化に応じて、太陽光発電モード、バイオマス発電モード、または太陽光・バイオマス組み合わせ型発電モードにシステムを切り替えることができる。従って、ターボネータユニットは、昼夜連続して作動することが可能であり、冬の間の太陽光集光器の凍結回避の問題は解決される。
太陽光集光器によって加熱される水の最高温度は、従来のボイラによって加熱される水の最高温度よりもずっと低いので、本発明のバイオマスボイラには補助加熱装置、蒸気過熱装置および蒸気再加熱装置が備えられる。太陽光集光器内の水はバイオマスボイラドラムおよび補助装置に導入されて、過熱或いは再加熱されるので、太陽熱エネルギの温度勾配作用が得られると共に、ターボネータユニット全体の熱効率が改善される。
本発明の発電システムは、（伝導油または溶融塩を蓄熱媒体として使用し、）従来技術の太陽熱発電施設で適用される蓄熱システムを廃止することにより簡略化されており、また、ターボネータの昼夜連続作動を維持するために、昼と夜の交代による太陽放射の変化や天候の変化に応じて、太陽熱源またはバイオマス熱源を交互に或いは同時に使用することができるので、太陽エネルギ発電システムの利用性が効果的に高まると共に、冬の間の太陽光集光器の凍結回避の問題が解決される。
太陽光集光器は、バイオマス燃料貯蔵現場の屋根上に置かれる。バイオマス燃料貯蔵現場領域は十分に広いので、このような配置によりバイオマス燃料を雨から防ぐと共に、バイオマスボイラを第２熱源として使用して、太陽熱発電施設の土地利用が改善される。
本発明の太陽光発電システムの構造図。 バイオマス燃料貯蔵現場の屋根上に置かれるパラボラトラフ型太陽光集光器の構造図。 反射型フレネルレンズおよび真空太陽光集光管を含む太陽光集光器の構造図。 透過型フレネルレンズおよび真空太陽光集光管を含む太陽光集光器の構造図。
バイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電方法およびそれに関連するシステムを、添付の図面と組み合わせて、以下に詳細に説明する。
図１に示すように、１は発電機を示し、２はタービンを示し、３はタービン２の高圧シリンダを示し、４はタービン２の低圧シリンダを示し、５は凝縮器を示し、６はバイオマスボイラを示し、７はバイオマスボイラ６の送気管６ａ内部に配置される補助加熱装置を示し、８はバイオマスボイラ６の送気管６ａ内部に配置される蒸気再加熱装置を示し、９はバイオマスボイラ６の送気管６ａ内部に配置される蒸気過熱装置を示し、１０は第１水ポンプを示し、１１はバイオマスボイラ６の第２水ポンプを示し、１２は化学的水処理装置からの軟水を保管する断熱層を備えた脱塩水タンクを示し、１３は太陽光集光管を示し、１４はバラボラタラフミラーを示す。ｎ個の太陽光集光管１３およびｍ個のパラボラトラフミラーが組み合わせられて太陽光集光現場が形成され、ｎおよびｍは両方とも自然数である。１９，２０，２１，２２は切り替え弁を示しており（空気圧弁、電動弁、液圧弁、または電磁弁を導入しており、図１には空気圧弁を示す）、これらの切替弁は発電システム２３全体の作動モードを制御する。２３，２４，２５，２６は調整弁（空気圧式、電気式、または液圧式であり、図１には空気圧式調整弁を示す）であり、その中の２３，２４はタービンへの蒸気流の流入を調整可能であり、２５は水流を調整可能であり、２６は太陽光集光器の水本管への水流を調整可能である。２８は脱気装置を示し、Ｌ１はバイオマスボイラドラムの水位ゲージを示す。Ｐ１はバイオマスボイラの出口における蒸気圧ゲージを示す（検出された圧力値はｐ１で表す）。Ｔ１はバイオマスボイラの出口における蒸気温度センサを示す（検出された温度値はｔ１で表す）。Ｔ３は太陽光集光器の排水口本管にある水温センサを示す（検出された温度値はｔ３で表す）。
バイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電システムは、太陽光集光器と、バイオマスボイラと、ターボネータユニットを含む。太陽光集光器およびバイオマスボイラは、水を吸熱および蓄熱用の作動媒体として利用する。太陽光集光器は、中圧真空太陽光集光管１３を直並列マトリクスの組み合わせで導入している。太陽光集光器の出口は、第２制御弁２２を介して、バイオマスボイラドラム６ａの底部と連結される。バイオマスボイラドラム６ａの蒸気出口は、タービンシリンダと連結される。太陽光集光器およびバイオマスボイラは、同じ水を直接的に加熱して、発電機を作動および駆動させるためにタービン２を駆動する水蒸気を生成する。
太陽光集光器の取水口管は、脱気装置２８および第１水ポンプ１０と直列接続される。
蒸気過熱装置９は、バイオマスボイラドラム６ａの蒸気出口およびタービンシリンダに接続する配管の間に直列接続される。蒸気過熱装置９はタービンの高圧シリンダ３の入口と連通する。蒸気過熱装置９はバイオマスボイラの送気管６ｂ内に載置される。バイオマスボイラ内の燃焼排気は水蒸気を加熱して、水蒸気を乾燥蒸気に変換する。
高圧シリンダ３の出口は、配管を介して、蒸気再加熱装置８と連結される。蒸気再加熱装置８は、タービンの低圧シリンダ４の入口と連結される。蒸気再加熱装置８は、バイオマスボイラの送気管６ｂ内に載置される。バイオマスボイラ内の燃焼排気は蒸気を加熱する。
凝縮器５はタービンシリンダの出口と連通する。凝縮器５の排水口は脱気装置２８と連通する。凝縮器５の排水口は、脱気装置２８および第１水ポンプ１０を介して、太陽光集光管１３およびバイオマスボイラの取水口の少なくともいずれかと連通することにより、水の循環が実現する。
補助加熱装置７はバイオマスボイラ６の取水口管と直列連結されており、また補助加熱装置７はバイオマスボイラの送気管６ｂ内に載置される。バイオマスボイラ内の燃焼排気は、バイオマスボイラ内の水を予熱する。
太陽光集光器およびバイオマスボイラの水補給タンクは、断熱層を含む脱塩水タンク１２である。脱塩水タンク１２は、第２水ポンプ１１を介して脱気装置２８と連結され、更に脱気装置２８および第１水ポンプ１０を介して、太陽光集光管１３およびバイオマスボイラの取水口と連結される。脱塩水タンク１２は、第１制御弁２１を介して、太陽光集光器の出口と連結される。
温度センサＴ３は、太陽光集光器の排水口と第２制御弁２２と第１制御弁２１の間の配管に配置される。温度センサＴ３によって表示される制御点は、第２制御弁２２および第１制御弁２１の制御ループに最終的に出力される。温度センサＴ３の作動温度は、バイオマスボイラの安全作動温度範囲内に予め定められる。
図２は、バイオマス燃料貯蔵現場の屋根上に置かれるパラボラトラフ型太陽光集光器の構造図である。太陽光集光器はパラボラトラフミラー１４と、真空太陽光集光管１３を含み、真空太陽光集光管１３は、パラボラトラフミラー１７の焦線上に置かれる。１７はバイオマス燃料貯蔵現場の屋根を表す。
図３は、太陽光集光器の構造図であって、反射型フラネルレンズと、真空太陽光集光管を含む。太陽光集光器は反射型フラネルレンズ３０と、真空太陽光集光管１３を含む。真空太陽光集光管１３は、反射型フラネルレンズ３０の焦線上に置かれる。
図４は、太陽光集光器の構造図であって、透過型フラネルレンズと、真空太陽光集光管を含む。太陽光集光器は透過型フラネルレンズ３１と、真空太陽光集光管１３を含む。真空太陽光集光管１３は、透過型フラネルレンズ３１の焦線上に置かれる。
バイオマスボイラのバイオマス燃料貯蔵現場は、適当な高さおよび十分に大きい面積を有する屋根を含む。太陽光集光器は、バイオマス燃料貯蔵現場の屋根上に置かれる（或いは屋根ユニットである）。水は太陽光集光器およびバイオマスボイラの伝熱媒体として作用し、或いは又はそれと同時に、同じ化学的水処理装置によって予熱された後に太陽光集光管或いはバイオマスボイラに投入される（周知の任意の化学的水処理装置の脱塩水タンクには、断熱層が備えられることが求められる）。次に水は蒸気に変換され、タービンに投入されて発電機を駆動する。
バイオマスボイラおよび太陽光集光器には、（空気圧式弁、電動弁、液圧式弁、或いは電磁弁を導入することにより）切替弁１８，１９，２０，２２が備えられる。バイオマスボイラおよび太陽光集光器内の水および蒸気の作用状態は、これら切替弁の幾つかを開放または閉鎖することにより容易に切り替えられ、それにより、発電システム全体が太陽光発電モード、バイオマス発電モード、或いは太陽光‐バイオマス組み合わせ発電モードにある。
当然のことながら、図１のバイオマスボイラ６は、従来技術のバイオマス合成ガス燃焼ボイラ、石炭燃焼ボイラ、灯油燃焼ボイラ、天然ガス燃焼ボイラ、炭田メタンボイラ、または油田ボイラによって構成されてよい。
当然のことならが、図１〜図４の真空太陽光集光管は、従来技術の黒体太陽光集光管によって構成されてよい。
太陽光発電システムの作動過程を、図１および図２を組み合わせて以下に説明する。
太陽光集光器およびバイオマスボイラは、水を吸熱および蓄熱用作動媒体として利用する。バイオマスボイラは、補助熱源を太陽光発電に提供するための第２熱源として作用する。バイオマスボイラおよび太陽光集光器は、同時に始動する。
本方法は詳細には以下の工程を含む。
１）バイオマスボイラドラムの水位が予め定められた水位に達したときにバイオマスを着火させ、且つ、バイオマスボイラ発電施設の作動手順に従ってターボネータユニットを始動させる工程。
２）太陽光集光器を（第１制御弁２１が閉鎖状態にある時点に）始動させ、太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３を検出し、ｔ３≧９５℃である時に太陽光集光器の排水口本管およびバイオマスボイラドラムの間に配置された第２制御弁を開放し、太陽光集光管への水の供給を制御する第３制御弁を開放し、水をバイオマスボイラドラムへ導入し、水温ｔ３に応じてｔ３≧９５℃を維持するために太陽光集光管への水の供給を調節し、ターボネータユニットの制御システムにより自動調節し、バイオマスボイラドラムの水位、バイオマスボイラの蒸気出口における蒸気圧および蒸気温度を規定値で維持し、且つターボネータユニットの安定作動を維持する工程。
３）太陽光集光管への水の供給が最低値（一般的にはバイオマスボイラへの規定水流の１０％の値であるが、規定値の１０％よりも低い水流を除外しない）に調節される一方で、ターボネータユニットによって検出される太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３がｔ３＜９５℃に減少するならば、太陽光集光器の排水口本管の第２制御弁および太陽光集光管への水供給を制御する第３制御弁を閉鎖して、太陽光集光管内の水が流出するのを阻止すると共に、水を保温作動準備状態に保ち、ターボネータユニットを火力発電モードに切り替え、ターボネータユニットの制御システムによって自動調節し、バイオマスボイラの蒸気出口における蒸気圧および蒸気温度を規定値に維持すると共に、ターボネータユニットの安定作動を維持するために、バイオマスボイラへの燃料の投入を増加させる工程。
４）太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３が減少し続けてｔ３＝５〜９℃となったら、太陽光集光器の排水口本管および水補給タンクの間に配置された第１制御弁を開放し、室温の水を太陽光集光管から脱塩水タンクへ排出するためにブリード弁を開放し、残りの水を配管から取り除くために排出弁を開放し、残りの水がなくなるまで、圧縮空気を排気弁の開口から全ての配管に導入し、太陽光集光器および配管を無水凍結防止状態に保ち、且つ、ターボネータユニットをバイオマスボイラ発電モードに切り替える工程。
５）太陽放射の回収により、太陽光集光管内の水温が増加してｔ３≧９５℃になるならば工程１）を繰り替えし、水をバイオマスボイラへ供給し、且つ、ターボネータユニットの自動調節により、バイオマスボイラへの燃料の投入を減少させる工程。
本発明の新規の太陽光発電システムを始動させる（或いは、大きな修繕の後にシステム全体を再起動させる）。日の出前に、切替弁２１を閉鎖し、切替弁１８，１９，２０，２２を開放し、且つ第２水ポンプ１１を始動させて、水位ゲージＬ１によって検出されるバイオマスボイラドラム６ａの水位が、確実に予め定められた水位に達すると共に、水が全ての太陽光集光管に充填されるようにする。日の出時に、バイオマスボイラを着火し、且つバイオマスボイラ発電施設の作動手順に従ってターボネータユニットを始動させる。太陽が昇るにつれて、太陽放射は急激に増加し、現地時間の８時には３０分間で最高点となり、太陽光集光器からの加熱された水はバイオマスボイラドラム６ａに直接的に注入される。６５Ｔ／ｈの中間温度および圧力のバイオマスボイラを一例として取り上げると、規定圧ｐ１＝５．２９ＭＰａ、規定温度ｔ１＝４５０℃、補助加熱装置７の出口における水温が２３１℃である。ターボネータユニットの安定作動を維持するために、バイオマスボイラドラム６ａの水位、ｐ１、およびｔ１を規定値に保つ。
太陽光集光器および補助熱源としてのバイオマスボイラが、曇りや雨の日の昼間の時間に同時に作動する、という構想Ａを採用する。構想Ａの詳細な工程は以下のとおりである。
曇りや雨の日の昼間の時間に、太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３が低下すると、バイオマスボイラドラム６ａの水位、ｐ１およびｔ１が規定値に維持されるまで、バイオマスボイラへの燃料の投入を増加させるようにターボネータユニットの制御システムが自動調節する。雲の層がより厚くなって雨が降るときには、太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３は減少し続け、ｔ３が（バイオマスボイラの安全作動のための最低温度値に従って）２３１℃以下、約９５℃に減少した時に、太陽光集光器の排水口本管の第２制御弁２２および第３制御弁１９が閉鎖されて、太陽光集光管の水が流出するのが阻止されると共に、水が保温作動準備状態に保たれる。従って、ターボネータユニットは火力発電モードに切り替えられる。雲の層が消失して太陽放射が回復した時には、太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３が増加し、ｔ３が９５℃以上である時には、第２制御弁２２および第３制御弁１９が開放して、太陽光集光現場の作動が再開し、水がバイオマスボイラドラム６ａに投入される。太陽光集光管内の水温上昇に伴い、バイオマスボイラへの燃料投入は、ターボネータユニットの自動調節状態において減少する。
構想Ｂは暗い夜間に採用されるものであり、構想Ｂの詳細な工程は以下のとおりである。
夜暗くなる前に、太陽光集光器が太陽光を集めなくなると、太陽光集光器の排水口本管における水温は低下し、ｔ３が９℃から５℃の範囲よりも低くないならば（ｔ３≧５℃）、システムは構想Ａを実行する。太陽光集光管内の水が流出しないようにされると共に、保温作動準備状態にある。昼間の雲層が存在せずに太陽放射が回復するまで、ターボネータユニットは火力発電モードに切り替えられる。
夜間の温度が水の凝固点まで低下した時（或いは曇りの日で温度が水凝固点まで低下した時）に構想Ｃが採用され、構想Ｃの詳細な工程は以下のとおりである。
夜暗くなる前に、太陽光集光器が太陽光を集めない時には、システムは構想Ｂを実行する。ｔ３が低下し続けてｔ３＝５〜９℃である時には、第１制御弁２１およびブリード弁２７が開放して、室温の水が太陽光集光管から脱塩水タンク１２へ排出される。排出弁２９は開放されて、残りの水が配管から取り除かれる。残りの水がなくなるまで、圧縮空気が空気ベントを介して全ての配管へ導入される。従って、太陽光集光器および配管は、無水凍結回避状態に保たれ、ターボネータユニットはバイオマスボイラ発電モードに切り替えられる。
要約
本発明の発電システムは、バイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電システムであり、水が本システムによって直接加熱される。本発明は、従来技術の太陽熱発電施設では利用される（伝導油または溶融塩を蓄熱媒体として使用する）蓄熱システムをなくすことにより簡素化されており、また、ターボネータユニットの昼夜連続作動を維持するために、昼と夜が入れ替わることにより、また天候の変化により、太陽放射の変化に応じて、太陽光熱源またはバイオマス熱源を交互に或いは同時に使用することができるので、太陽発電システムの有用性が効果的に改善されると共に、冬季の間の太陽光集光器の凍結回避問題が解消される。
１ 発電機
２ タービン
３ 高圧シリンダ
４ 低圧シリンダ
５ 凝縮器
６ バイオマスボイラ
６ａ バイオマスボイラドラム
６ｂ 送気管
７ 補助加熱装置
８ 蒸気再加熱装置
９ 蒸気過熱装置
１０ 第１水ポンプ
１１ 第２水ポンプ
１２ 脱塩水タンク
１３ 太陽光集光管
１４ パラボラトラフミラー
１７ 屋根
１８，１９，２０，２２ 切替弁
２１ 第１制御弁
２３，２４，２５，２６ 調節弁
２７ ブリード弁
２８ 脱気装置
３０ 反射型フラネルレンズ
３１ 透過型フラネルレンズ
Ｌ１ 水位ゲージ
Ｐ１ 蒸気圧ゲージ
Ｔ１ 蒸気温度センサ
Ｔ３ 水温センサ

Claims (12)

  1. バイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電方法であって、
    太陽光集光器と、
    バイオマスボイラと、
    ターボネータユニットとを含み、
    前記太陽光集光器および前記バイオマスボイラは、水を吸熱および蓄熱用作動媒体として利用し、
    前記補助熱源を前記太陽光発電に提供するために、前記バイオマスボイラは第２熱源として作用し、
    １）バイオマスボイラドラムの水位Ｌ１が予め定められた水位に達したら前記バイオマスドラムを着火し、バイオマスボイラ発電施設の作動手順に従って、前記ターボネータユニットを始動させる工程と、
    ２）前記太陽光集光器を始動させ、前記太陽光集光器の排水口本管において水温ｔ３を検出し、ｔ３≧９５℃である時に、前記太陽光集光器の排水口本管と前記バイオマスボイラドラムの間に配置される第２制御弁を開放すると共に、太陽光集光管への水供給を制御する第３制御弁を開放し、水を前記バイオマスボイラドラムに導入し、ｔ３≧９５℃を維持するために、水温ｔ３に応じて前記太陽光集光管への水供給量を調節し、前記ターボネータユニットの制御システムの自動調節により、前記バイオマスボイラドラムの水位、前記バイオマスボイラの蒸気出口における蒸気圧および蒸気温度を規定値に維持し、且つ前記ターボネータユニットの安定作動を維持する工程と、
    ３）前記太陽光集光管への水供給が最低値に調節される一方で、前記ターボネータユニットによって検出される前記太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３が減少してｔ３＜９５℃であるならば、前記太陽光集光器の水排出口本管の第２制御弁および前記太陽光集光管への水供給を制御する第３制御弁を閉鎖して、前記太陽光集光管内の水が流出するのを阻止すると共に、水を保温作動準備状態に維持し、前記ターボネータユニットを火力発電モードに切り替える工程と、前記ターボネータユニットの制御システムの自動調節により前記バイオマスボイラへの燃料供給を増加させて、前記バイオマスボイラの蒸気出口における蒸気圧および蒸気温度を規定値に維持すると共に、前記ターボネータユニットの安定した作動を維持する工程と、
    ４）前記太陽光集光器の排水口本管における水温ｔ３が減少し続けてｔ３＝５〜９℃となるならば、前記太陽光集光器の排水口本管および水補給タンクの間に配置される第１制御弁を開放し、ブリード弁を開放して室温の水を前記太陽光集光管から脱塩水タンクへ排出し、残りの水を配管から除去するために排出弁を開放し、水が残っていない状態になるまで、圧縮空気を排出弁の開口から全ての配管まで導入し、前記太陽光集光器および前記配管を無水凍結防止状態に維持し、前記ターボネータユニットをバイオマスボイラ発電モードに切り替える工程と、
    ５）太陽放射の回復により、前記太陽光集光管内の水温が増加してｔ３≧９５℃になるならば工程１）を繰り返し、水を前記バイオマスボイラに供給し、前記ターボネータユニットの自動調節により、前記バイオマスボイラへの燃料投入を減少させる工程と
    を含むバイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電方法。
  2. 請求項１の方法に適用されるバイオマスボイラを補助熱源として使用する太陽光発電システムであって、
    前記太陽光集光器と、
    前記バイオマスボイラと、
    前記ターボネータユニットとを含み、
    前記太陽光集光器および前記バイオマスボイラは水を吸熱および蓄熱用作動媒体として利用し、
    前記太陽光集光器は中圧真空太陽光集光管を直並列マトリクスの組み合わせで導入し、
    前記太陽光集光器の出口は前記第２制御弁（２２）を介して前記バイオマスボイラドラム（６ａ）の底部と連結されており、
    前記バイオマスボイラドラム（６ａ）の蒸気出口はタービンシリンダと連結される
    ことを特徴とする太陽光発電システム。
  3. 前記太陽光集光器は前記中圧真空太陽光集光管を直並列マトリクスの組み合わせで導入し、
    前記太陽光集光器の出口は前記第２制御弁（２２）を介して前記バイオマスボイラドラム（６ａ）の底部と連結されており、
    前記バイオマスボイラドラム（６ａ）の蒸気出口は前記タービンシリンダと連結される
    ことを特徴とする請求項２の太陽光発電システム。
  4. 蒸気過熱装置（９）は前記バイオマスボイラドラム（６ａ）の蒸気出口および前記タービンシリンダと連結される配管の間で直列接続され、
    前記蒸気過熱装置（９）は前記タービンの高圧シリンダ（３）の入口と連通しており、
    前記蒸気過熱装置（９）は前記バイオマスボイラの送気管（６ｂ）内に置かれる
    ことを特徴とする請求項２又は３の太陽光発電システム。
  5. 高圧シリンダ（３）の出口は配管を介して蒸気再加熱装置（８）と連結され、
    前記蒸気再加熱装置（８）は前記タービンの低圧シリンダ（４）の入口と連結され、
    前記蒸気再加熱装置（８）は前記バイオマスボイラの送気管（６ｂ）内に置かれる
    ことを特徴とする請求項２又は３の太陽光発電システム。
  6. 凝縮器（５）は前記タービンシリンダの出口と連通しており、
    前記凝縮器（５）の排水口は脱気装置（２８）と連通しており、
    前記凝縮器（５）の排水口は前記脱気装置（２８）および第1水ポンプ（１０）を介して、前記太陽光集光管（１３）および前記バイオマスボイラの取水口の少なくともいずれかと連通する
    ことを特徴とする請求項２又は３の太陽光発電システム。
  7. 補助加熱装置（７）は前記バイオマスボイラ（６）の取水配管と直列接続され、前記補助加熱装置（７）は前記バイオマスボイラの送気管（６ｂ）内に置かれる
    ことを特徴とする請求項２又は３の太陽光発電システム。
  8. 前記太陽光集光器および前記バイオマスボイラの水補給タンクは、断熱層を含む脱塩水タンク（１２）であり、
    前記脱塩水タンク（１２）は第２水ポンプ（１１）を介して脱気装置（２８）と連結されると共に、更に前記脱気装置（２８）および第１水ポンプ（１０）を介して前記太陽光集光管（１３）および前記バイオマスボイラの取水口と連結され、
    前記脱塩水タンク（１２）は前記第１制御弁（２１）を介して前記太陽光集光器の出口と連結される
    ことを特徴とする請求項２又は３の太陽光発電システム。
  9. 温度センサＴ３が前記太陽光集光器の排水口および前記第２制御弁（２２）および第１制御弁（２１）の間の配管に配置されており、
    前記温度センサＴ３によって表示される制御点は、最終的に前記第２制御弁（２２）および前記第１制御弁（２１）の制御ループに出力され、
    前記温度センサＴ３の作動温度は、前記バイオマスボイラの安全作動温度範囲内に予め定められる
    ことを特徴とする請求項２又は３の太陽光発電システム。
  10. 前記太陽光集光器は、バラボラトラフミラー（１４）と前記真空太陽光集光管（１３）を含み、前記真空太陽光集光管（１３）は前記パラボラトラフミラー（１４）の焦線上に載置される
    ことを特徴とする請求項２又は３の太陽光発電システム。
  11. 前記太陽光集光器は、反射型フラネルレンズ（３０）と真空太陽光集光管（１３）を含み、前記真空太陽光集光管（１３）は前記反射型フラネルレンズ（３０）の焦線上に載置される
    ことを特徴とする請求項２又は３の太陽光発電システム。
  12. 前記太陽光集光器は、透過型フラネルレンズ（３１）と真空太陽光集光管（１３）を含み、前記真空太陽光集光管（１３）は前記透過型フラネルレンズ（３１）の焦線上に載置される
    ことを特徴とする請求項２又は３の太陽光発電システム。
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