JP5602306B2 - 太陽熱ボイラおよびそれを用いた太陽熱発電プラント - Google Patents
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Description
これらの図において、符号1は集熱装置、2は蒸発器、3は過熱器、4は汽水分離装置、5はタワー、6はへリオスタット、7は太陽、8は蒸気タービン、9は発電機、11は給水ポンプである。
太陽熱発電プラントにおいて、蒸発器や過熱器は、最終的には蒸気タービンを駆動する蒸気(水)からなる流体を熱媒体として、これを直接、太陽の熱で加熱する集光・集熱装置の熱交換器となっている。
ところで、水−蒸気からなる流体を直接、太陽の熱で加熱する場合、特に蒸発器に用いられるフレネル型やトラフ型の集光・集熱装置は、それの伝熱管内で水から蒸気へと相変化が起きて、二相流相分離が生じると、伝熱管が局部的に熱的損傷を受ける可能性がある。
即ち、これら集光・集熱装置は、水平に配置された伝熱管の外周面のうち集光された範囲で受熱するため、伝熱管の外周にわたって不均等な熱流束分布を生じ易い構造となっている。このため内部流体が二相流相分離となった場合には、瞬時の集光・集熱量の変化によって伝熱異常が生じ、その伝熱管の部位において熱的損傷を生じる可能性がある。
フレネル型やトラフ型の集光・集熱装置は、長大な伝熱管をほぼ水平に配置し、広大な領域に設置されるものであり、太陽光による集熱量が一日のうちで大きく変動し、また天候によっても急激に変化するもので、予め二相流相分離が生じる範囲を特定しておくことが難しい。
このため、全体的に伝熱管材を高性能なもの、すなわち熱的損失を受け難い高価なものとする必要が生じ、そのためコスト高に繋がるという課題がある。
給水ポンプから供給される水を太陽光の熱で加熱するために、水平に配置されて内部を水が流通する伝熱管と前記太陽光を前記伝熱管に集光する集光ミラーを有する低温加熱装置と、
前記低温加熱装置によって生成した水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
前記汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で過熱する高温加熱装置と、
前記汽水分離装置で分離した水を前記低温加熱装置に供給する循環ポンプと、
前記汽水分離装置の水位を計測する水位計と、
前記低温加熱装置への給水流量を調整する給水弁と、
前記低温加熱装置と前記汽水分離装置の間の水の循環流量を調整する循環流量制御弁を備え、
前記汽水分離装置の水位が所定の値になるように、前記給水弁あるいは前記循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環流量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
前記低温加熱装置と汽水分離装置と循環ポンプを地上面または地上面付近に設置し、前記高温加熱装置を前記低温加熱装置ならびに汽水分離装置よりも高所に設置したことを特徴とするものである。
前記低温加熱装置は、
桶状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、
前記高温加熱装置は、
所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、多数の集光ミラーを配置して、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水蒸気を過熱するタワー式の集光・集熱装置からなることを特徴とするものである。
所定の長さの前記伝熱管の外周には所定の長さのガラス管が配置されて二重構造を有し、前記伝熱管とガラス管の間が気密状態もしくは真空状態に維持されており、
前記所定の長さの伝熱管は複数本の伝熱管をそれぞれ溶接接合して所定の長さの伝熱管を構成し、前記所定の長さのガラス管は複数本のガラス管どうしの接合部にそれぞれ金属製の接合用管体を配置して、ガラス管と接合用管体を溶接することにより、所定の長さのガラス管を構成して、
前記低温加熱装置の出口流体温度を300℃以下に規制したことを特徴とするものである。
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置への給水流量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量の値に応じて、前記高温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
前記汽水分離器から前記低温加熱装置に至る経路上に前記循環ポンプを設置したことを特徴とするものである。
第1ないし第8の太陽熱ボイラと、
前記太陽熱ボイラで生成した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで駆動される発電機を備えたことを特徴とするものである。
燃料を燃焼もしくは発熱させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラへ水を供給する給水ポンプと、
前記ボイラで発生した蒸気で駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで駆動される発電機と、
前記蒸気タービンからの抽気蒸気を用いて、前記給水ポンプから供給される水を加熱する給水加熱器と、
前記給水ポンプから供給される水の一部を太陽光の熱で加熱するために、水平に配置されて内部を水が流通する伝熱管と前記太陽光を前記伝熱管に集光する集光ミラーを有する低温加熱装置と、
前記低温加熱装置で生成した水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
前記汽水分離装置で分離した蒸気を太陽光の熱で過熱する高温加熱装置と、
前記汽水分離装置で分離した水を前記低温加熱装置に供給する循環ポンプと、
前記汽水分離装置の水位を計測する水位計と、
前記低温加熱装置への給水流量を調整する給水弁と、
前記低温加熱装置と前記汽水分離装置の間の水の循環流量を調整する循環流量制御弁を備え、
前記汽水分離装置の水位が所定の値になるように、前記給水弁あるいは前記循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環流量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
前記低温加熱装置と汽水分離装置と循環ポンプを地上面または地上面付近に設置し、前記高温加熱装置を前記低温加熱装置ならびに汽水分離装置よりも高所に設置したことを特徴とするものである。
前記低温加熱装置は、
桶状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、
前記高温加熱装置は、
所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、多数の集光ミラーを配置して、太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水を加熱して蒸気を生成するタワー式の集光・集熱装置からなることを特徴とするものである。
所定の長さの前記伝熱管の外周には所定の長さのガラス管が配置されて二重構造を有し、前記伝熱管とガラス管の間が気密状態もしくは真空状態に維持されており、
前記所定の長さの伝熱管は複数本の伝熱管をそれぞれ溶接接合して所定の長さの伝熱管を構成し、前記所定の長さのガラス管は複数本のガラス管どうしの接合部にそれぞれ金属製の接合用管体を配置して、ガラス管と接合用管体を溶接することにより、所定の長さのガラス管を構成して、
前記低温加熱装置の出口流体温度を300℃以下に規制したことを特徴とするものである。
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置への給水流量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量の値に応じて、前記高温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
前記蒸気タービンの出口側に抽気弁を設け、
前記高温加熱装置から供給される蒸気量に応じて前記抽気弁を操作して、前記蒸気タービンの抽気量を調整する構成になっていることを特徴とするものである。
次に本発明の実施形態を図面と共に説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。
このタワー式集光・集熱装置は図2に示すように、所定の高さ(30〜100m程度)を有するタワー16の上に高温加熱装置14(伝熱管パネル27)を設置する。一方、地上面に多数のヘリオスタット6を色々な向きに配置して、太陽7の動きを追尾しながら前記ヘリオスタット6群で高温加熱装置14(伝熱管パネル27)に集光して、過熱蒸気を生成する仕組みになっている。
図4は、本発明の第2実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。
本実施形態では、トラフ式の集光・集熱装置からなる低温加熱装置24を用いている。他の構成や発電の仕組みなどは前記第1実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
このトラフ式の集光・集熱装置は図5に示すように、桶状に延びた集光ミラー30の内周曲面上方の焦点位置に個別に伝熱管31を水平に配置し、太陽光32を前記集光ミラー30で伝熱管31に集光する。各伝熱管31内には水33が流通しており、伝熱管31に集められた熱によってその水33が加熱され、伝熱管31から水−蒸気二相流体34が得られる仕組みになっている。
このトラフ式の集光・集熱装置は、高度な集光技術は不要であり、構造が比較的単純であるという長所を有している。
このフレネル式の集光・集熱装置は図6に示すように、平面状あるいは若干曲面状の集光ミラー35を角度を少しずつ変えて多数枚並べて、その集光ミラー35群の上方数メートルの所にパネル状になった伝熱管31群を水平に配置する。
図7は、本発明の第3実施形態に係る太陽熱単独型発電プラントの概略構成図である。
本実施形態の場合図7に示すように、低温加熱装置24の出口側に流体温度と流量を測定する温度計25と流量計28を設け、その温度計25と流量計28の計測信号を演算装置26に入力する。そして演算装置26では、低温加熱装置24の出口流体温度が常に300℃以下になるように、給水弁19の開度、すなわち、給水流量を制御するための制御信号を給水弁19に出力している。
図9は、本発明の第4実施形態に係り、燃料を燃焼もしくは発熱(例えば核燃料の場合)させて、あるいは排気ガスの熱を回収して蒸気を発生させるなどのボイラプラントと太陽熱発電プラントを組み合わせた太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
また、蒸気タービン8から一部の蒸気が抽気され、抽気弁17を通って給水加熱器12へ送られ、給水が加熱される。
図11は、本発明の第5実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
本実施形態で前記第4実施形態と相違する点は、トラフ式あるいはフレネル式の集光・集熱装置からなる低温加熱装置24を用いた点である。
他の構成や発電の仕組みなどは前記第4実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
図12は、本発明の第6実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
本実施形態の場合図12に示すように、低温加熱装置24の出口側に流体温度を測定する温度計25と流量計28を設け、その温度計25と流量計28の計測信号を演算装置26に入力する。そして演算装置26では、低温加熱装置24の出口流体温度が常に300℃以下になるように、給水弁20の開度、すなわち、給水流量を制御するための制御信号を給水弁20に出力している。
前記何れの実施形態においても、低温加熱装置13(24)および高温加熱装置14は、最終的には蒸気タービン8を駆動する蒸気(水)からなる流体を熱媒体として、これを直接、太陽7の光32で加熱する集光・集熱装置となっている。
従って、水平伝熱管38内における水−蒸気二相流の好ましい流動状態は、噴霧流あるいは環状流である。
本発明の第8実施形態も前記第7実施形態と同様の問題点を解消するためのもので、図16はこの第8実施形態に係る太陽熱複合型発電プラントの概略構成図である。
本実施形態において、集光・集熱装置52としては、フレネル型またはトラフ型の集光・集熱装置のように、地表付近の低い位置に集光手段と集熱手段とが設置可能なものが好適である。
図16に示すように、集光・集熱装置52の出口側に熱媒体54の温度と流量を測定する熱媒体温度計56と熱媒体流量計57を設け、その熱媒体温度計56と熱媒体流量計57の計測信号をそれぞれ演算装置26に入力する。
他の構成は前述した実施形態と同じなので、同様に、重複する説明は省略する。
さらにまた、高温加熱装置を高所に設置することで、熱密度の高い熱交換が可能となり、高温の蒸気を効率的に得ることができる。
また、高温加熱装置で集熱量を制御した際の蒸気温度や蒸気流量の変動に応じて、蒸気タービン側の抽気蒸気量を調整することで、蒸気タービンの出力を一定に保つことが可能となる。
6:ヘリオスタット、
7:太陽、
8:蒸気タービン、
9:発電機、
10:ボイラプラント、
11:給水ポンプ、
12:給水加熱器、
13:低温加熱装置、
14:高温加熱装置、
15:循環ポンプ、
16:タワー、
17:抽気弁、
18:蒸気弁、
21:過熱器伝熱管、
24:トラフ式低温加熱装置、
25:温度計、
26:演算装置、
27:伝熱管パネル、
28:流量計、
30,35:集光ミラー、
31:伝熱管、
32:太陽の光、
33:水、
34:水−蒸気二相流、
37:循環流量制御弁、
38:水平伝熱管、
51:低温加熱装置、
52:集光・集熱装置、
53:熱媒体流路、
54:熱媒体、
55:熱媒体循環ポンプ、
56:熱媒体温度計、
57:熱媒体流量計。
Claims (17)
- 給水ポンプから供給される水を太陽光の熱で加熱するために、水平に配置されて内部を水が流通する伝熱管と前記太陽光を前記伝熱管に集光する集光ミラーを有する低温加熱装置と、
前記低温加熱装置によって生成した水−蒸気二相流相分離体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
前記汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で過熱する高温加熱装置と、
前記汽水分離装置で分離した水を前記低温加熱装置に供給する循環ポンプと、
前記汽水分離装置の水位を計測する水位計と、
前記低温加熱装置への給水流量を調整する給水弁と、
前記低温加熱装置と前記汽水分離装置の間の水の循環流量を調整する循環流量制御弁を備え、
前記汽水分離装置の水位が所定の値になるように、前記給水弁あるいは前記循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環流量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱ボイラ。 - 請求項1に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置と汽水分離装置と循環ポンプを地上面または地上面付近に設置し、前記高温加熱装置を前記低温加熱装置ならびに汽水分離装置よりも高所に設置したことを特徴とする太陽熱ボイラ。 - 請求項1または2に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置は、
桶状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、
前記高温加熱装置は、
所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、多数の集光ミラーを配置して、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水蒸気を過熱するタワー式の集光・集熱装置からなることを特徴とする太陽熱ボイラ。 - 請求項1または2に記載の太陽熱ボイラにおいて、
所定の長さの前記伝熱管の外周には所定の長さのガラス管が配置されて二重構造を有し、前記伝熱管とガラス管の間が気密状態もしくは真空状態に維持されており、
前記所定の長さの伝熱管は複数本の伝熱管をそれぞれ溶接接合して所定の長さの伝熱管を構成し、前記所定の長さのガラス管は複数本のガラス管どうしの接合部にそれぞれ金属製の接合用管体を配置して、ガラス管と接合用管体を溶接することにより、所定の長さのガラス管を構成して、
前記低温加熱装置の出口流体温度を300℃以下に規制したことを特徴とする太陽熱ボイラ。 - 請求項4に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置への給水流量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱ボイラ。 - 請求項4に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱ボイラ。 - 請求項4に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量の値に応じて、前記高温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱ボイラ。 - 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の太陽熱ボイラにおいて、
前記汽水分離器から前記低温加熱装置に至る経路上に前記循環ポンプを設置したことを特徴とする太陽熱ボイラ。 - 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の太陽熱ボイラと、
前記太陽熱ボイラで生成した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで駆動される発電機を備えたことを特徴とする太陽熱発電プラント。 - 燃料を燃焼もしくは発熱させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラへ水を供給する給水ポンプと、
前記ボイラで発生した蒸気で駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで駆動される発電機と、
前記蒸気タービンからの抽気蒸気を用いて、前記給水ポンプから供給される水を加熱する給水加熱器と、
前記給水ポンプから供給される水の一部を太陽光の熱で加熱するために、水平に配置されて内部を水が流通する伝熱管と前記太陽光を前記伝熱管に集光する集光ミラーを有する低温加熱装置と、
前記低温加熱装置で生成した水−蒸気二相流相分離体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
前記汽水分離装置で分離した蒸気を太陽光の熱で過熱する高温加熱装置と、
前記汽水分離装置で分離した水を前記低温加熱装置に供給する循環ポンプと、
前記汽水分離装置の水位を計測する水位計と、
前記低温加熱装置への給水流量を調整する給水弁と、
前記低温加熱装置と前記汽水分離装置の間の水の循環流量を調整する循環流量制御弁を備え、
前記汽水分離装置の水位が所定の値になるように、前記給水弁あるいは前記循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環流量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。 - 請求項10に記載の太陽熱プラントにおいて、
前記低温加熱装置と汽水分離装置と循環ポンプを地上面または地上面付近に設置し、前記高温加熱装置を前記低温加熱装置ならびに汽水分離装置よりも高所に設置したことを特徴とする太陽熱発電プラント。 - 請求項10または11に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記低温加熱装置は、
桶状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、前記太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、
前記高温加熱装置は、
所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、多数の集光ミラーを配置して、太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水を加熱して蒸気を生成するタワー式の集光・集熱装置からなることを特徴とする太陽熱発電プラント。 - 請求項10ないし12のいずれか1項に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
所定の長さの前記伝熱管の外周には所定の長さのガラス管が配置されて二重構造を有し、前記伝熱管とガラス管の間が気密状態もしくは真空状態に維持されており、
前記所定の長さの伝熱管は複数本の伝熱管をそれぞれ溶接接合して所定の長さの伝熱管を構成し、前記所定の長さのガラス管は複数本のガラス管どうしの接合部にそれぞれ金属製の接合用管体を配置して、ガラス管と接合用管体を溶接することにより、所定の長さのガラス管を構成して、
前記低温加熱装置の出口流体温度を300℃以下に規制したことを特徴とする太陽熱発電プラント。 - 請求項13に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置への給水流量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。 - 請求項13に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量が所定の値になるように、前記低温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。 - 請求項13に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記低温加熱装置の出口に温度計および流量計を設置して、その温度計および流量計で計測した温度および流量の値に応じて、前記高温加熱装置の集熱量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。 - 請求項10ないし12のいずれか1項に記載の太陽熱発電プラントにおいて、
前記蒸気タービンの出口側に抽気弁を設け、
前記高温加熱装置から供給される蒸気量に応じて前記抽気弁を操作して、前記蒸気タービンの抽気量を調整する構成になっていることを特徴とする太陽熱発電プラント。
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