JP5621555B2 - 太陽熱発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、レシーバーの酸化劣化を抑えることができる太陽熱発電装置に関するものである。

従来、特許文献１に示すような太陽熱発電システムが知られている。この太陽熱発電システムでは、太陽光をヘリオスタット群で反射して、集光タワーの上部に設置されたレシーバーに集光し、このレシーバーに循環する流体を加熱気化して蒸気とする。この蒸気をタービンに送り、発電機を駆動して電力を得るものである。タービンを出た蒸気は、凝縮器で冷却されて凝縮し、凝縮した流体は循環ポンプによりレシーバーに送られる。レシーバーは、伝熱管で構成される受光部を有しており、ヘリオスタット群で反射した太陽光は、この受光部に集光される。
ヘリオスタットは、駆動機構により角度調整が可能な反射鏡を備えており、駆動機構により太陽の位置変化に追従して角度を変えることで、太陽光をレシーバーの受光部に集光するように制御される。

国際公開第２００９／１０５６８９号

レシーバーには、数千基のヘリオスタットからの光が集光されるため、高いエネルギー密度の光線が届く。そのため、レシーバーの受光部を構成する伝熱管の表面温度は高温となり、伝熱管内部を通過する流体を加熱する。しかし、伝熱管は高温になるため、大気中の酸素と反応して酸化されやすくなる。このため、レシーバーの伝熱管は一定期間経過すると酸化減肉のため交換する必要があり、また、その交換作業中は装置による発電を停止する必要があり、設備コストや装置の稼働率の面で問題があった。

したがって本発明の目的は、レシーバーの受光部を構成する伝熱管の酸化劣化を抑えることができる太陽熱発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］上部にレシーバー（２）を備えた集光タワー（１）と、その周囲に設置される複数のヘリオスタット（３）を備え、太陽光線をヘリオスタット（３）で反射してレシーバー（２）に集光し、レシーバー（２）では集光された太陽光線の熱で液体を加熱して蒸気を生成させ、この蒸気で蒸気タービン（６）を駆動して発電機（７）により発電を行う太陽熱発電装置において、
レシーバー（２）の受光部（４）を、前面が光を透過し且つ気密性のあるケーシング（５）内に配置し、該ケーシング（５）にはガス導入口（８）とガス排出口（９）を設け、これらを通じてケーシング（５）に対する非酸化性ガスの導入と排出を行うようにし、
ケーシング（５）に対して前記非酸化性ガスを循環させるガス流路（ｘ）を設けるとともに、該ガス流路（ｘ）の途中に、ケーシング（５）から排出された非酸化性ガスをレシーバー（２）に供給する発電用流体と熱交換することで、該発電用流体を予熱する熱交換器（１４）を設けたことを特徴とする太陽熱発電装置。

［2］上記［1］の太陽熱発電装置において、ガス流路（ｘ）内を流れる非酸化性ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度計（１０）と、同じく非酸化性ガスの圧力を測定する圧力計（１１）と、酸素濃度計（１０）で測定される酸素濃度に基づき、ガス流路（ｘ）内に新たな非酸化性ガスを補充するガス供給機構（１２）と、圧力計（１１）で測定されるガス圧力に基づき、ガス流路（ｘ）内の非酸化性ガスを系外に排出して圧力調整を行う圧力調整機構（１３）を有することを特徴とする太陽熱発電装置。

本発明の太陽熱発電装置は、レシーバー（２）の受光部（４）が非酸化性ガス雰囲気に保たれるケーシング（５）内に配置されるため、受光部（４）を構成する伝熱管の酸化劣化が効果的に抑えられる。
また、ケーシング（５）内で昇温した非酸化性ガスの顕熱を、熱交換器（１４）を用いて発電用流体の予熱に利用するとともに、この熱交換によって非酸化性窒素ガスの温度を下げてからケーシング（５）に循環させる機構を有することで、太陽熱発電装置の総合熱効率を高める効果がある。
さらに、ケーシング（５）に対して循環させる非酸化性ガスの酸素濃度と圧力を管理することにより、ケーシング（５）の構成部材に損傷を生じさせることなく、ケーシング（５）内を酸素濃度が極めて低い非酸化性ガス雰囲気に維持し、受光部（４）を構成する伝熱管の酸化劣化を特に効果的に抑えることができる。

本発明の太陽熱発電装置の一実施形態を示す全体構成図 図１の実施形態において、ヘリオスタットと集光タワーおよびレシーバーの配置を平面的に示す説明図 図１の実施形態におけるレシーバーの斜視図 図３のレシーバーを構成する１つの受光部の水平断面図 本発明の他の実施形態における非酸化性ガスの循環系を示す説明図

図１〜図４は本発明の太陽熱発電装置の一実施形態を示すもので、図１は全体構成図、図２はヘリオスタットと集光タワーおよびレシーバーの配置を平面的に示す説明図、図３はレシーバーの斜視図、図４はレシーバーを構成する１つの受光部の水平断面図である。
この太陽熱発電装置の基本的な構成は公知の装置と同様であり、上部にレシーバー２を備えた集光タワー１と、その周囲に設置される複数（多数）のヘリオスタット３を備え、太陽光線をヘリオスタット３で反射してレシーバー２に集光し、このレシーバー２では集光された太陽光線の熱で液体（通常、水）を加熱して蒸気を生成させ、この蒸気で蒸気タービン６を駆動して発電機７により発電を行うものである。すなわち、レシーバー２では系内を循環する流体を加熱して蒸気とし、この蒸気を蒸気タービン６に送ってタービンを駆動させ、発電機７で発電がなされる。蒸気タービン６を出た蒸気は、凝縮器１８で冷却されて凝縮して液体になり、図示しない循環ポンプによりレシーバー２に循環する。

前記集光タワー１の高さは、通常、５０〜１５０ｍ程度であり、レシーバー２はその最上部に設置される。
前記ヘリオスタット３は、一般に、反射鏡３０と、この反射鏡３０の支持体３１（支柱など）と、反射鏡３０の角度を太陽の位置変化に追従して調整する駆動装置（図示せず）などで構成される。
前記レシーバー２は、内部に流体が通される伝熱管２０（通常、複数の並列した伝熱管）で構成される受光部４を備えており、本実施形態では、集光タワー１の周囲の広範な領域に設置されたヘリオスタット群から受光するため、異なる方向を向いた３つの受光部４を備えている。ヘリオスタット３で反射した太陽光線は、これら受光部４に集光され、伝熱管２０内を流れる流体を加熱する。伝熱管２０で構成される受光部４は、その前面側（受光面側）が凹形に窪んだ形状をしている。なお、本発明装置において、受光部４の数は任意である。

前記各受光部４は、前面が光を透過し且つ気密性のあるケーシング５内に配置されている。このケーシング５は、ヘリオスタット３からの光を受ける前面側の部材５０が光透過性のガラス板（通常、透明ガラス板）などで構成されるとともに、背面側の部材５１（受光部４の背面を覆う部材）がカオウールなどのような耐火性材料で構成される。
ケーシング５には、ガス導入口８とガス排出口９が設けられ、これらを通じてケーシング５に対する非酸化性ガスの導入と排出を行うことができるようにしている。この実施形態では、ケーシング５を構成する部材５１の幅方向両側に各々ガス導入口８が設けられ、部材５１の中央部にガス排出口９が設けられている。

このような本発明の装置では、ヘリオスタット３で集光された太陽光は、ガラス板などからなる部材５０を透過して受光部４に入射する。ケーシング５内には、ガス導入口８から非酸化性ガスが導入され、ケーシング５内が非酸化性ガス雰囲気に維持されることにより、受光部４を構成する伝熱管２０の酸化劣化が抑えられる。ケーシング５内に導入された非酸化性ガスは、ガス排出口９から順次排出される。ケーシング５内の非酸化性ガス雰囲気は、酸素濃度が０．１vol％未満であることが好ましく、これにより伝熱管２０の酸化劣化をより効果的に抑えることができる。
非酸化性ガスとしては、通常は窒素ガスを用いるが、それ以外にも、例えばアルゴンガスなどを用いることができる。したがって、窒素ガス、アルゴンガスなどの１種または２種以上を用いることができる。

本発明の装置では、ケーシング５に対して非酸化性ガスを循環使用することが好ましく、この場合の好ましい実施形態としては、ケーシング５に対して非酸化性ガスを循環させるガス流路ｘを設けるとともに、この流路ｘの途中に、ケーシング５から排出された非酸化性ガスをレシーバー２に供給する発電用流体と熱交換することで、この発電用流体を予熱する熱交換器１４を設けることが好ましい。
その場合、さらに、ガス流路ｘ内を流れる非酸化性ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度計１０と、同じく非酸化性ガスの圧力を測定する圧力計１１と、酸素濃度計１０で測定される酸素濃度に基づき、ガス流路ｘ内に新たな非酸化性ガスを補充するガス供給機構１２と、圧力計１１で測定されるガス圧力に基づき、ガス流路ｘ内の非酸化性ガスを系外に排出して圧力調整を行う圧力調整機構１２を有することが好ましい。

図５は、そのような構成を有する本発明装置の一実施形態を示すもので、非酸化性ガスの循環系を示す説明図である。なお、図５には、便宜上１つの受光部４のみを示してある。以下、非酸化性ガスとして窒素ガスを用いる場合を例に説明する。窒素ガスは図中矢印の方向に流れる。
ガス流路ｘを流れる窒素ガスは、受光部４が配置されたケーシング５内に導入され、ケーシング５内を窒素ガス雰囲気とすることで、受光部４を構成する伝熱管を酸化劣化から保護する。窒素ガスはケーシング５内で太陽光を受けて昇温し、ケーシング５から排出された窒素ガスは、熱交換器１４で発電用流体（通常、水）と熱交換することで、発電用流体を予熱する。熱交換器１４で予熱された発電用流体は受光部４に供給され、太陽光の熱で加熱されることにより蒸気となる。

窒素ガスは熱交換器１４での発電用流体（通常、水）との熱交換で温度が低下する。熱交換器１４を出た窒素ガスは圧力計１１で圧力が測定され、弁制御装置１６は、測定された圧力が予め設定された目標値より高い場合は、圧力調整弁１３０を開いて、圧力が目標値になるように制御する。ここで、圧力の目標値としては、下記のような観点から５〜１０Ｐａ程度が好ましい。このような制御を行うことにより、ケーシング５の内部圧力を大気圧より高くして大気の浸入を抑制する一方で、ガラス板などからなる部材５０が内部圧力により変形して破損するのを防止することができる。
圧力計１１を経た窒素ガスは、循環ファン１５で昇圧される。昇圧された窒素ガスは酸素濃度計１０で酸素濃度が測定（通常、連続測定）される。弁制御装置１７は、測定された酸素濃度が予め設定された基準値（上限値）を超える場合、ガス供給機構１２を構成する流量調整弁１２０を開いてガス供給源１９から窒素ガスを供給（補充）する。ここで、酸素濃度の基準値は０．００１〜０．０１vol％程度が好ましい。このような制御を行うことにより、ケーシング５内を酸素濃度が極めて低い窒素ガス雰囲気に維持することができ、受光部４を構成する伝熱管の酸化劣化を特に効果的に抑えることができる。

本実施形態のように、ケーシング５内で昇温した窒素ガスの顕熱を、熱交換器１４を用いてレシーバー２（受光部４）に送る発電用流体の予熱に利用するとともに、この熱交換によって窒素ガスの温度を下げてからケーシング５に循環させる機構を有することで、太陽熱発電装置の総合熱効率を高める効果がある。さらに、ケーシング５に対して循環させる窒素ガスの酸素濃度と圧力を管理することにより、ケーシング５の構成部材（特に、ガラス板などからなる部材５０）に損傷を生じさせることなく、ケーシング５内を酸素濃度が極めて低い窒素ガス雰囲気に維持し、受光部４を構成する伝熱管の酸化劣化を特に効果的に抑えることができる。

１ 集光タワー
２ レシーバー
３ ヘリオスタット
４ 受光部
５ ケーシング
６ 蒸気タービン
７ 発電機
８ ガス導入口
９ ガス排出口
１０ 酸素濃度計
１１ 圧力計
１２ ガス供給機構
１３ 圧力調整機構
１４ 熱交換器
１５ 循環ファン
１６，１７ 弁制御装置
１８ 凝縮器
１９ ガス供給源
２０ 伝熱管
３０ 反射鏡
３１ 支持体
５０，５１ 部材
１２０ 流量調整弁
１３０ 圧力調整弁
ｘ ガス流路

Claims (2)

1. 上部にレシーバー（２）を備えた集光タワー（１）と、その周囲に設置される複数のヘリオスタット（３）を備え、太陽光線をヘリオスタット（３）で反射してレシーバー（２）に集光し、レシーバー（２）では集光された太陽光線の熱で液体を加熱して蒸気を生成させ、この蒸気で蒸気タービン（６）を駆動して発電機（７）により発電を行う太陽熱発電装置において、
   レシーバー（２）の受光部（４）を、前面が光を透過し且つ気密性のあるケーシング（５）内に配置し、該ケーシング（５）にはガス導入口（８）とガス排出口（９）を設け、これらを通じてケーシング（５）に対する非酸化性ガスの導入と排出を行うようにし、
   ケーシング（５）に対して前記非酸化性ガスを循環させるガス流路（ｘ）を設けるとともに、該ガス流路（ｘ）の途中に、ケーシング（５）から排出された非酸化性ガスをレシーバー（２）に供給する発電用流体と熱交換することで、該発電用流体を予熱する熱交換器（１４）を設けたことを特徴とする太陽熱発電装置。
2. ガス流路（ｘ）内を流れる非酸化性ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度計（１０）と、同じく非酸化性ガスの圧力を測定する圧力計（１１）と、酸素濃度計（１０）で測定される酸素濃度に基づき、ガス流路（ｘ）内に新たな非酸化性ガスを補充するガス供給機構（１２）と、圧力計（１１）で測定されるガス圧力に基づき、ガス流路（ｘ）内の非酸化性ガスを系外に排出して圧力調整を行う圧力調整機構（１３）を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽熱発電装置。

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