JP6923667B2 - 太陽熱発電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱を利用して発電する太陽熱発電システムに関する。

従来より、日中に太陽光を利用して蒸気を発生させ、その蒸気の一部の熱を蓄熱装置で蓄えておき、夜間または曇天時に蓄熱装置に蓄えられた熱を放熱して水から蒸気を生成し、その蒸気で蒸気タービンを回して発電する蓄熱式の太陽熱発電プラントが公知である。

例えば特許文献１には、第２の集熱器（過熱器、高温集熱装置とも呼ばれる）１１０８からの蒸気の熱を蓄熱システム９１２に溜め、水に相変化させてからポンプ１１１２、ポンプ１１１０で昇圧し、第１の集熱器（蒸発器、低温集熱装置とも呼ばれる）１１０２を含む循環ラインに戻す蓄熱式の太陽熱発電システムの構成が記載されている（図１２参照）。特許文献１に記載の太陽熱発電システムでは、第２の集熱器１１０８からの蒸気が高温蓄熱装置１１１６、低温蓄熱装置１１２０を順次流れる過程で、水に相変化する前に気液二相流となる。

これについて、図を用いてより詳細に説明する。図１２は、特許文献１に記載された従来技術に係る太陽熱発電システムの構成図、図１３は、図１２に示す蓄熱システムの管内流体温度を示す図である。図１２において、Ａは蓄熱システム９１２の入口側の所定位置、Ａ’は蓄熱システム９１２の出口側の所定位置、Ｂは高温蓄熱装置１１１６の入口、Ｂ’は高温蓄熱装置１１１６の出口、Ｃは低温蓄熱装置１１２０の入口、Ｃ’は低温蓄熱装置１１２０の出口である。図１３の横軸に示すＡ，Ｂ，Ｃ等は、図１２のＡ，Ｂ，Ｃ等の位置と対応しており、図１３中の点線は飽和温度、実線は管内流体温度を示している。なお、図１３において、機器を繋ぐ配管の圧力損失は無視している。

図１３に示すように、位置Ａ〜位置Ｃまでの間は、管内流体温度が飽和温度を上回っており、管内流体が蒸気であることが分かる。位置Ｃからやや位置Ａ’側の位置では、管内流体温度が飽和温度に等しくなり、概ね位置Ｃ〜位置Ｃ’間では管内流体温度と飽和温度とが等しい状態である。これは、低温蓄熱装置１１２０の内部では水と蒸気が混在した気液二相流（水−蒸気二相流体）の状態となることを示している。位置Ｃ’〜位置Ａ’では、管内流体温度が飽和温度より下回っているため、低温蓄熱装置１１２０の出口以降では管内を流れる流体は水である。このように、特許文献１では、蓄熱システム９１２を流れる流体が相変化する過程で気液二相流の状態となるため、蓄熱システム９１２を設計する際に、気液二相流を考慮しなければならない。

米国特許出願公開第２０１３／０３０７２７３号明細書

しかしながら、気液二相流は単相流に比べて伝熱流動特性が複雑であることが知られており、蓄熱装置（蓄熱システム）を設計する際においても、気液二相流の挙動を予測する必要があるために設計が難しくなるという課題がある。

さらに、特許文献１に記載の太陽熱発電システムでは、高温蓄熱装置及び低温蓄熱装置が直列に接続されていることから、蓄熱量は第２の集熱器（過熱器）からの蒸気の流量に依存してしまい、高温蓄熱装置及び低温蓄熱装置の蓄熱量を個別に調整できないという課題がある。

そこで、本発明は、高温蓄熱装置及び低温蓄熱装置を流れる流体が気液二相流になることを防止すると共に、高温蓄熱装置及び低温蓄熱装置の蓄熱量を個別に調整できる太陽熱発電システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る太陽熱発電システムの一態様は、水を太陽光の熱で加熱して水−蒸気二相流体を生成する低温集熱装置と、前記低温集熱装置で生成された水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、前記汽水分離装置と前記低温集熱装置とを接続し、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温集熱装置に供給する第１熱水ラインと、前記第１熱水ラインに設けられ、前記汽水分離装置で分離された水との熱交換により得られた熱を蓄える低温蓄熱装置と、前記汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で加熱して過熱蒸気を生成する高温集熱装置と、蒸気タービンと、前記高温集熱装置と前記蒸気タービンとを接続し、前記高温集熱装置で生成された過熱蒸気を前記蒸気タービンに供給する第１主蒸気ラインと、前記第１主蒸気ラインから分岐して前記第１主蒸気ラインと合流する第２主蒸気ラインと、前記第２主蒸気ラインに設けられ、前記高温集熱装置で生成された過熱蒸気との熱交換により得られた熱を蓄える高温蓄熱装置と、前記低温蓄熱装置の出口側と前記汽水分離装置の水−蒸気二相流体入口側とを前記低温集熱装置をバイパスして接続する低温バイパスラインと、前記汽水分離装置の蒸気出口側と前記高温蓄熱装置の入口側とを前記高温集熱装置をバイパスして接続する高温バイパスラインと、を備える。

本発明に係る太陽熱発電システムよれば、高温蓄熱装置及び低温蓄熱装置を流れる流体が気液二相流になることを防止でき、かつ、高温蓄熱装置及び低温蓄熱装置の蓄熱量を個別に調整できる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施形態に係る太陽熱発電システムの構成図である。 第１実施形態に係る太陽熱発電プラントの蓄熱運転モードの動作説明図である。 第１実施形態に係る太陽熱発電プラントの放熱運転モードの動作説明図である。 高温蓄熱装置の管内流体温度を示す図である。 循環ポンプ及び低温蓄熱装置の管内流体温度を示す図である。 第２実施形態に係る太陽熱発電プラントの構成図である。 第２実施形態に係る太陽熱発電プラントの蓄熱運転モードの動作説明図である。 第３実施形態に係る太陽熱発電プラントの構成図である。 第３実施形態に係る太陽熱発電プラントの蓄熱運転モードの動作説明図である。 第４実施形態に係る太陽熱発電プラントの構成図である。 第４実施形態に係る太陽熱発電プラントの蓄熱運転モードの動作説明図である。 高温蓄熱装置の管内流体温度を示す図である。 循環ポンプ、第２熱交換器及び低温蓄熱装置の管内流体温度を示す図である。 従来技術に係る太陽熱発電システムの構成図である。 図１２に示す蓄熱システムの管内流体温度を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

「第１実施形態」
以下、内部流体を太陽光の熱で加熱する集熱装置（加熱装置）として、低温集熱装置、高温集熱装置の２つを備えるシステム構成について述べる。なお、低温集熱装置は、ボイラにおける蒸発器に相当し、水を太陽光の熱で加熱して水−蒸気二相流体を生成するものである。高温集熱装置は、ボイラにおける過熱器に相当し、後述の汽水分離装置２で分離された蒸気を太陽光の熱で加熱して過熱蒸気を生成するものである。

図１は本発明の第１実施形態に係る太陽熱発電システムの構成図である。図１に示すように、第１実施形態に係る太陽熱発電システムは、水を太陽光の熱で加熱して水−蒸気二相流体を生成する低温集熱装置１と、低温集熱装置１で生成された水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する蒸気ドラム等で構成される汽水分離装置２と、汽水分離装置２で分離された水との熱交換により得られた熱を蓄える低温蓄熱装置４と、汽水分離装置２で分離された蒸気を太陽光の熱で加熱して過熱蒸気を生成する高温集熱装置３と、供給される過熱蒸気で駆動する蒸気タービン６と、高温集熱装置３で生成された過熱蒸気との熱交換により得られた熱を蓄える高温蓄熱装置５と、を主に備えている。

さらに図１に示す太陽熱発電システムは、汽水分離装置２に給水ラインＬ１を介して水を供給する給水ポンプ１７と、給水ポンプ１７の上流側に設けられ、給水ポンプ１７に供給する水を加熱する給水加熱器８と、蒸気タービン６と給水加熱器８とを接続する復水ラインＬ１０に設けられ、蒸気タービン６から排出された蒸気を水に戻す復水器７と、汽水分離装置２で分離された水を昇圧して低温集熱装置１及び低温蓄熱装置４に供給する循環ポンプ１５と、低温蓄熱装置４を流れた水を低温集熱装置１に昇圧して送り出すポンプ１６と、を備えている。なお、符号２１〜３０は三方弁である。

汽水分離装置２の水出口と低温集熱装置１の入口とは第１熱水ラインＬ２により接続され、この第１熱水ラインＬ２に、循環ポンプ１５、低温蓄熱装置４、及びポンプ１６が設けられている。また、汽水分離装置２の蒸気入口と低温集熱装置１の出口とは水−蒸気ラインＬ４により接続されている。さらに、第１熱水ラインＬ２のうち循環ポンプ１５の出口と低温蓄熱装置４の入口との間の位置にある三方弁２１から分岐し、汽水分離装置２で分離された水を低温蓄熱装置４をバイパスして低温集熱装置１に三方弁２３を介して直接供給する第２熱水ラインＬ３と、低温蓄熱装置４の出口側にある三方弁２２と汽水分離装置２の水−蒸気二相流体入口側にある三方弁２４とを、低温集熱装置１をバイパスして接続する低温バイパスラインＬ５とが設けられている。

汽水分離装置２の蒸気出口と高温集熱装置３の入口とは飽和蒸気ラインＬ６により接続され、高温集熱装置３の出口と蒸気タービン６とは第１主蒸気ラインＬ７により接続されている。また、第１主蒸気ラインＬ７に設けられた三方弁２６にて第１主蒸気ラインＬ７から分岐し、第１主蒸気ラインＬ７に設けられた三方弁２９にて再び第１主蒸気ラインＬ７に合流する第２主蒸気ラインＬ８に、高温蓄熱装置５が設けられている。さらに、汽水分離装置２の蒸気出口側にある三方弁２５と高温蓄熱装置５の入口側にある三方弁２７とを、高温集熱装置３をバイパスして接続する高温バイパスラインＬ９が設けられている。

また、蒸気タービン６の抽気側と給水加熱器８とを接続する抽気ラインＬ１１と、高温蓄熱装置５の出口側にある三方弁２８と抽気ラインＬ１１に設けられた三方弁３０とを接続する第１蒸気戻りラインＬ１２と、が設けられている。

なお、三方弁２１〜３０は、コントローラ５０と図示しない電気配線により接続されており、コントローラ５０からの指令により後述する蓄熱運転モードと放熱運転モードとによる運転が実行される。蓄熱運転モードと放熱運転モードとの切り換えは、コントローラ５０に設けられた切換スイッチ５１の手動操作により行われる構成とすることができる。勿論、図示しない温度センサ、圧力センサ等からの出力信号に基づいて自動的に運転モードが切り換わる構成としても良い。

ここで、本実施形態において、低温集熱装置１及び高温集熱装置３の一例を挙げるならば、低温集熱装置１は、樋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、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水−蒸気二相流体を生成するトラフ式の熱交換器、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、太陽光を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水−蒸気二相流体を生成するフレネル式の熱交換器で構成される。

高温集熱装置３は、例えば、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て、多数の集光ミラーを地上に設置して、太陽光を集光ミラー群でタワー上の伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管内を流通する蒸気を加熱して過熱蒸気を生成するタワー式の熱交換器で構成される。

また、本実施形態において、低温蓄熱装置４及び高温蓄熱装置５に用いられる蓄熱媒体としては、例えば硝酸カリウムや硝酸ナトリウムなどの硝酸塩系の溶融塩が好ましいが、コンクリート等の固体でもよく、それぞれ使用温度に適合するものであれば種類を問わない。

次に、本実施形態に係る太陽熱発電システムの運転モードについて説明する。本実施形態では、蓄熱運転モードと放熱運転モードとを備えている。

（蓄熱運転モード）
図２は、第１実施形態に係る太陽熱発電プラントの蓄熱運転モードの動作説明図である。なお、図２において流体が流れるラインを太線で示し、ライン上の矢印は流体の流れる向きを示している。

図２に示すように、給水ポンプ１７から汽水分離装置２に供給された水あるいは汽水分離装置２で分離された水は、循環ポンプ１５により昇圧され、第１熱水ラインＬ２を流れて低温蓄熱装置４に送られる。低温蓄熱装置４に供給された水（熱水）は、低温蓄熱装置４内の蓄熱媒体と熱交換して蓄熱媒体に放熱した後、ポンプ１６にて低温蓄熱装置４での圧力損失分を補ったうえで、低温集熱装置１に送られる。また、第１熱水ラインＬ２を流れる水の一部は、低温蓄熱装置４の手前で分流して第２熱水ラインＬ３を介して低温集熱装置１に送られる。

低温集熱装置１では太陽熱によって水を加熱し、水−蒸気二相流体を生成する。生成された水−蒸気二相流体は、水−蒸気ラインＬ４を流れて汽水分離装置２に導入され、汽水分離装置２にて水−蒸気二相流体は水と飽和蒸気に分離される。汽水分離装置２にて分離された飽和蒸気は、飽和蒸気ラインＬ６を介して高温集熱装置３に導入される。一方、汽水分離装置２にて分離された水は、汽水分離装置２中の水温を上昇させる。この水温上昇分の熱が低温蓄熱装置４に蓄えられる。すなわち、汽水分離装置２→低温蓄熱装置４→低温集熱装置１→汽水分離装置２を水が循環することで、低温集熱装置１にて加熱された水の熱が低温蓄熱装置４にて蓄えられる。

汽水分離装置２から高温集熱装置３に送られた飽和蒸気は、太陽熱でさらに加熱され、過熱蒸気となる。高温集熱装置３で生成された過熱蒸気は第１主蒸気ラインＬ７を流れて蒸気タービン６に供給され、蒸気タービン６が駆動される。蒸気タービン６が駆動されることで図示しない発電機が発電する。

また、高温集熱装置３で生成された過熱蒸気の一部は高温蓄熱装置５に送られ、高温蓄熱装置５内の蓄熱媒体と熱交換されることで、高温蓄熱装置５に熱が蓄えられる。高温蓄熱装置５にて熱交換後の過熱蒸気は、第２主蒸気ラインＬ８から第１蒸気戻りラインＬ１２を経て、抽気ライン１１に合流した後、給水加熱器８に導入される。給水加熱器８では、復水ラインＬ１０を流れてきた水と抽気ラインＬ１１を流れてきた抽気蒸気との間で熱交換して、給水ポンプ１７に供給する水を加熱する。

（放熱運転モード）
図３は、第１実施形態に係る太陽熱発電プラントの放熱運転モードの動作説明図である。なお、図３において流体が流れるラインを太線で示し、ライン上の矢印は流体の流れる向きを示している。

図３に示すように、給水ポンプ１７から汽水分離装置２に供給された水あるいは汽水分離装置２で分離された水は、循環ポンプ１５により昇圧され、第１熱水ラインＬ２を流れて低温蓄熱装置４に送られる。低温蓄熱装置４に供給された水は、低温蓄熱装置４内の蓄熱媒体により加熱されて水−蒸気二相流体となり、低温バイパスラインＬ５を経由して汽水分離装置２に導入される。

汽水分離装置２にて分離された飽和蒸気は、高温バイパスラインＬ９を経由して高温蓄熱装置５に送られる。高温蓄熱装置５に供給された飽和蒸気は、高温蓄熱装置５内の蓄熱媒体により加熱されて、過熱蒸気となり、第２主蒸気ラインＬ８を経由して蒸気タービン６に供給される。なお、蒸気タービン６の下流側の流れは蓄熱運転モードと同一であるため説明を省略する。

次に、蓄熱運転モードにおける低温蓄熱装置４と高温蓄熱装置５の管内流体温度について説明する。図４Ａは、高温蓄熱装置５の管内流体温度を示す図、図４Ｂは循環ポンプ１５及び低温蓄熱装置４の管内流体温度を示す図である。なお、図４Ａ、図４Ｂの横軸に示すＡ１，Ｂ１，Ｃ２等は、図２のＡ１，Ｂ１，Ｃ２等の位置と対応しており、図４Ａ、図４Ｂ中の点線は飽和温度、実線は管内流体温度を示している。なお、図４Ａ、図４Ｂにおいて、機器を繋ぐ配管の圧力損失は無視している。

図４Ａに示すように、高温蓄熱装置５の管内を流れる過熱蒸気の流体温度は、位置Ｂ１〜Ｂ１’の間で高温蓄熱装置５の蓄熱媒体に熱を奪われて低下するが、飽和温度も同時に低下して、管内流体温度が飽和温度より高い状態を維持する。そのため、高温蓄熱装置５の入口側の位置Ａ１から出口側の位置Ａ１’に至るまで、管内流体は蒸気のままである。すなわち、高温蓄熱装置５内の流体は単相流である。

一方、図４Ｂに示すように、低温蓄熱装置４側では、位置Ｂ２〜位置Ｂ２’において循環ポンプ１５により汽水分離装置２からの水が昇圧され、飽和温度もこれに伴い上昇する。昇圧された水は低温蓄熱装置４の入口へ供給され、位置Ｃ２と位置Ｃ２’との間で低温蓄熱装置４の蓄熱媒体に熱を奪われる。そのため、位置Ｃ２〜位置Ｃ２’において管内流体温度は低下する。低温蓄熱装置４の圧力損失により飽和温度も低下するが、管内流体温度は常に飽和温度よりも低く維持されるため、管内流体は水の状態を保つ。すなわち、低温蓄熱装置４内の流体は単相流である。

以上のように、本実施形態に係る太陽熱発電システムによれば、高温集熱装置３で生成された過熱蒸気の熱を高温蓄熱装置５のみで蓄え、汽水分離装置２で分離された熱水の熱を低温蓄熱装置４のみで蓄える構成としたので、高温蓄熱装置５及び低温蓄熱装置４をそれぞれ流れる流体が気液二相流になるのを防止できる。そのため、高温蓄熱装置５及び低温蓄熱装置４を設計する際に、水−蒸気二相流体を考慮する必要がなくなり、設計が簡単となる。また、本実施形態によれば、高温蓄熱装置５と低温蓄熱装置４とを直列に設けない構成となっているため、高温蓄熱装置５の蓄熱量と低温蓄熱装置４の蓄熱量とを個別に調整できる。

ここで、上述したように、図１２に示す従来技術では、高温蓄熱装置１１１６の蓄熱量と低温蓄熱装置１１２０の蓄熱量とを個別に調整できないため、例えば、低温蓄熱装置１１２０で凝縮しきれなかった蒸気がポンプ１１１２に供給されてポンプ１１１２がエロージョンにより損傷する可能性がある。また、高温蓄熱装置１１１６から高温の蒸気が低温蓄熱装置１１２０に供給されて、低温蓄熱装置１１２０の配管等が損傷する可能性もある。これに対して、本実施形態では、高温蓄熱装置５の蓄熱量と低温蓄熱装置４の蓄熱量とを個別に調整できるため、このような破損のリスクはない。

「第２実施形態」
図５は本発明の第２実施形態に係る太陽熱発電プラントの構成図である。図５に示す第２実施形態では、第１熱水ラインＬ２の低温蓄熱装置４の出口と低温集熱装置１の入口との間に、低温蓄熱装置４を流れた水を加熱する第１熱交換器４０を設け、この第１熱交換器４０と高温蓄熱装置５の出口側とを三方弁３２を介して接続する第２蒸気戻りラインＬ１３と、高温蓄熱装置５から第２蒸気戻りラインＬ１３を流れて第１熱交換器４０にて低温蓄熱装置４を流れた水との熱交換により復水された水を昇圧ポンプ１８で昇圧して、三方弁３１を介して低温集熱装置１に供給する第１復水供給ラインＬ１４と、を備えた点が第１実施形態と相違する。なお、第２実施形態では第２蒸気戻りラインＬ１３を設けたので、第１実施形態で示した第１蒸気戻りラインＬ１２は備えられていない。

次に、第２実施形態に係る太陽熱発電プラントの運転モードについて説明するが、放熱運転モードは第１実施形態と同様であるため、ここでは蓄熱運転モードについてのみ説明する。図６は、第２実施形態に係る太陽熱発電プラントの蓄熱運転モードの動作説明図である。なお、図６において流体が流れるラインを太線で示し、ライン上の矢印は流体の流れる向きを示している。

図６に示すように、給水ポンプ１７から汽水分離装置２に供給された水あるいは汽水分離装置２で分離された水は、循環ポンプ１５により昇圧され、第１熱水ラインＬ２を流れて低温蓄熱装置４に送られる。低温蓄熱装置４に供給された水（熱水）は、低温蓄熱装置４内の蓄熱媒体と熱交換して蓄熱媒体に放熱した後、ポンプ１６にて低温蓄熱装置４での圧力損失分を補ったうえで、さらに加圧され、第１熱交換器４０を介して低温集熱装置１に送られる。また、第１熱水ラインＬ２を流れる水の一部は、低温蓄熱装置４の手前で分流して第２熱水ラインＬ３を介して低温集熱装置１に送られる。

低温集熱装置１では太陽熱によって水を加熱し、水−蒸気二相流体を生成する。生成された水−蒸気二相流体は、水−蒸気ラインＬ４を流れて汽水分離装置２に導入され、汽水分離装置２にて水−蒸気二相流体は水と飽和蒸気に分離される。汽水分離装置２にて分離された飽和蒸気は、飽和蒸気ラインＬ６を介して高温集熱装置３に導入される。一方、汽水分離装置２にて分離された水は、汽水分離装置２中の水温を上昇させる。この水温上昇分の熱が低温蓄熱装置４に蓄えられる。すなわち、汽水分離装置２→低温蓄熱装置４→第１熱交換器４０→低温集熱装置１→汽水分離装置２を水が循環することで、低温集熱装置１にて加熱された水の熱が低温蓄熱装置４にて蓄えられる。

汽水分離装置２から高温集熱装置３に送られた飽和蒸気は、太陽熱でさらに加熱され、過熱蒸気となる。高温集熱装置３で生成された過熱蒸気は第１主蒸気ラインＬ７を流れて蒸気タービン６に供給され、蒸気タービン６が駆動される。蒸気タービン６が駆動されることで図示しない発電機が発電する。

また、高温集熱装置３で生成された過熱蒸気の一部は高温蓄熱装置５に送られ、高温蓄熱装置５内の蓄熱媒体と熱交換されることで、高温蓄熱装置５に熱が蓄えられる。高温蓄熱装置５にて熱交換後の過熱蒸気は、第２蒸気戻りラインＬ１３を流れて第１熱交換器４０に導入され、第１熱交換器４０において低温蓄熱装置４を流れた水を加熱する。この際、過熱蒸気は第１熱交換器４０にて水に戻され、昇圧ポンプ１８にて昇圧された後、低温集熱装置１に供給される。

第２実施形態における低温蓄熱装置４と高温蓄熱装置５の管内流体温度の変化は、第１実施形態と同様であり、何れの蓄熱装置でも単相流である。よって、第２実施形態においても第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

「第３実施形態」
図７は本発明の第３実施形態に係る太陽熱発電プラントの構成図である。図７に示す第３実施形態では、高温蓄熱装置５から第２蒸気戻りラインＬ１３を流れて第１熱交換器４０にて低温蓄熱装置４を流れた水との熱交換により復水された水を昇圧ポンプ１８で昇圧して、三方弁３３を介して循環ポンプ１５の入口側に供給する第２復水供給ラインＬ１５を備えた点が第２実施形態と相違する。

次に、第３実施形態に係る太陽熱発電プラントの運転モードについて説明するが、第２実施形態と概ね同様であるため、ここでは蓄熱運転モードにおいて第２実施形態と異なる動作についてのみ説明する。図８は、第３実施形態に係る太陽熱発電プラントの蓄熱運転モードの動作説明図である。なお、図８において流体が流れるラインを太線で示し、ライン上の矢印は流体の流れる向きを示している。

図８に示すように、高温蓄熱装置５にて熱交換後の過熱蒸気は、第２蒸気戻りラインＬ１３を流れて第１熱交換器４０に導入され、第１熱交換器４０において低温蓄熱装置４を流れた水を加熱する。この際、過熱蒸気は第１熱交換器４０にて水に戻され、昇圧ポンプ１８にて昇圧された後、第２復水供給ラインＬ１５を流れて、循環ポンプ１５の入口側に供給される。

第３実施形態における低温蓄熱装置４と高温蓄熱装置５の管内流体温度の変化は、第１実施形態と同様であり、何れの蓄熱装置でも単相流である。よって、第３実施形態においても第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

「第４実施形態」
図９は本発明の第４実施形態に係る太陽熱発電プラントの構成図である。図９に示す第４実施形態では、第１熱水ラインＬ２の循環ポンプ１５と低温蓄熱装置４との間に第２熱交換器４１を設け、高温蓄熱装置５からの過熱蒸気を第３蒸気戻りラインＬ１６を経由して、まず第２熱交換器４１に導入している点が第２実施形態と相違する。

次に、第４実施形態に係る太陽熱発電プラントの運転モードについて説明するが、第２実施形態と概ね同様であるため、ここでは蓄熱運転モードにおいて第２実施形態と異なる動作についてのみ説明する。図１０は、第４実施形態に係る太陽熱発電プラントの蓄熱運転モードの動作説明図である。なお、図１０において流体が流れるラインを太線で示し、ライン上の矢印は流体の流れる向きを示している。

図１０に示すように、高温蓄熱装置５にて熱交換後の過熱蒸気は、第３蒸気戻りラインＬ１６を流れて、まず第２熱交換器４１に導入され、第２熱交換器４１において循環ポンプ１５から低温蓄熱装置４に向けて流れる水を加熱する。さらに、第２熱交換器４１にて熱交換後の蒸気は第４蒸気戻りラインＬ１７を介して第１熱交換器４０に導入され、第１熱交換器４０において低温蓄熱装置４を流れた水を加熱する。こうして高温蓄熱装置５からの過熱蒸気は、第２熱交換器４１、第１熱交換器４０を順に流れて復水し、昇圧ポンプ１８にて昇圧された後、第３復水供給ラインＬ１８を流れて、低温集熱装置１に供給される。

次に、蓄熱運転モードにおける低温蓄熱装置４と高温蓄熱装置５の管内流体温度について説明する。図１１Ａは、高温蓄熱装置５の管内流体温度を示す図、図１１Ｂは循環ポンプ１５、第２熱交換器４１及び低温蓄熱装置４の管内流体温度を示す図である。なお、図１１Ａ、図１１Ｂの横軸に示すＡ１，Ｂ１，Ｃ２等は、図１０のＡ１，Ｂ１，Ｃ２等の位置と対応しており、図１１Ａ、図１１Ｂ中の点線は飽和温度、実線は管内流体温度を示している。なお、図１１Ａ、図１１Ｂにおいて、機器を繋ぐ配管の圧力損失は無視している。

図１１Ａに示すように、高温蓄熱装置５の管内を流れる過熱蒸気の流体温度は、位置Ｂ１〜Ｂ１’の間で高温蓄熱装置５の蓄熱媒体に熱を奪われて低下するが、飽和温度も同時に低下して、管内流体温度が飽和温度より高い状態を維持する。そのため、高温蓄熱装置５の入口側の位置Ａ１から出口側の位置Ａ１’に至るまで、管内流体は蒸気のままである。すなわち、高温蓄熱装置５内の流体は単相流である。

一方、図１１Ｂに示すように、低温蓄熱装置４側では、位置Ｂ２〜位置Ｂ２’において循環ポンプ１５により汽水分離装置２からの水が昇圧され、飽和温度もこれに伴い上昇する。第２熱交換器４１の出入口である位置Ｃ２〜位置Ｃ２’において、管内を流れる水は加熱されるため温度が上昇するが、飽和温度より低い温度に維持されている。そして、第２熱交換器４１で加熱された水は低温蓄熱装置４の入口へ供給され、位置Ｄ２と位置Ｄ２’との間で低温蓄熱装置４の蓄熱媒体に熱を奪われる。そのため、位置Ｄ２〜位置Ｄ２’において管内流体温度は低下する。低温蓄熱装置４の圧力損失により飽和温度も低下するが、管内流体温度は常に飽和温度よりも低く維持されるため、管内流体は水の状態を保つ。すなわち、低温蓄熱装置４内の流体は単相流である。

よって、第４実施形態においても、低温蓄熱装置４と高温蓄熱装置５の管内を流れる流体が気液二相流になるのを防止できるため、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。また、第４実施形態では、第２熱交換器４１にて水が加熱される分だけ、第１〜第３実施形態と比べて低温蓄熱装置４に高温の熱を蓄えることができる。すなわち、低温蓄熱装置４に蓄熱できる温度域を拡大できる利点がある。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ 低温集熱装置
２ 汽水分離装置
３ 高温集熱装置
４ 低温蓄熱装置
５ 高温蓄熱装置
６ 蒸気タービン
７ 復水器
８ 給水加熱器
１５ 循環ポンプ
１６ ポンプ
１７ 給水ポンプ
１８ 昇圧ポンプ
２１〜３３ 三方弁
４０ 第１熱交換器
４１ 第２熱交換器
５０ コントローラ
Ｌ１ 給水ライン
Ｌ２ 第１熱水ライン
Ｌ３ 第２熱水ライン
Ｌ４ 水−蒸気ライン
Ｌ５ 低温バイパスライン
Ｌ６ 飽和蒸気ライン
Ｌ７ 第１主蒸気ライン
Ｌ８ 第２主蒸気ライン
Ｌ９ 高温バイパスライン
Ｌ１０ 復水ライン
Ｌ１１ 抽気ライン
Ｌ１２ 第１蒸気戻りライン
Ｌ１３ 第２蒸気戻りライン
Ｌ１４ 第１復水供給ライン
Ｌ１５ 第２復水供給ライン
Ｌ１６ 第３蒸気戻りライン
Ｌ１７ 第４蒸気戻りライン
Ｌ１８ 第３復水供給ライン

Claims (6)

1. 水を太陽光の熱で加熱して水−蒸気二相流体を生成する低温集熱装置と、
   前記低温集熱装置で生成された水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
   前記汽水分離装置と前記低温集熱装置とを接続し、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温集熱装置に供給する第１熱水ラインと、
   前記第１熱水ラインに設けられ、前記汽水分離装置で分離された水との熱交換により得られた熱を蓄える低温蓄熱装置と、
   前記汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で加熱して過熱蒸気を生成する高温集熱装置と、
   蒸気タービンと、
   前記高温集熱装置と前記蒸気タービンとを接続し、前記高温集熱装置で生成された過熱蒸気を前記蒸気タービンに供給する第１主蒸気ラインと、
   前記第１主蒸気ラインから分岐して前記第１主蒸気ラインと合流する第２主蒸気ラインと、
   前記第２主蒸気ラインに設けられ、前記高温集熱装置で生成された過熱蒸気との熱交換により得られた熱を蓄える高温蓄熱装置と、
   前記低温蓄熱装置の出口側と前記汽水分離装置の水−蒸気二相流体入口側とを前記低温集熱装置をバイパスして接続する低温バイパスラインと、
   前記汽水分離装置の蒸気出口側と前記高温蓄熱装置の入口側とを前記高温集熱装置をバイパスして接続する高温バイパスラインと、を備えた太陽熱発電システム。
2. 請求項１に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記汽水分離装置に水を供給する給水ポンプと、
   前記給水ポンプの上流側に設けられ、前記給水ポンプに供給する水を加熱する給水加熱器と、
   前記第１熱水ラインから分岐して設けられ、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温蓄熱装置をバイパスして前記低温集熱装置に供給する第２熱水ラインと、
   前記第１熱水ラインに設けられ、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温集熱装置及び前記低温蓄熱装置に供給する循環ポンプと、
   前記蒸気タービンの抽気側と前記給水加熱器とを接続する抽気ラインと、
   前記第２主蒸気ラインの前記高温蓄熱装置の出口側にて分岐し、前記抽気ラインに合流する第１蒸気戻りラインと、をさらに備えた太陽熱発電システム。
3. 請求項２に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   複数の運転モードにより運転の制御を行うコントローラをさらに備え、
   前記複数の運転モードは、
   前記第１熱水ライン及び前記第２熱水ラインを開け、前記低温バイパスラインを閉じることで、前記汽水分離装置で分離された水の熱を前記低温蓄熱装置で蓄えつつ、前記低温集熱装置にて水−蒸気二相流体を生成して前記汽水分離装置に供給すると共に、前記第１主蒸気ラインを開け、前記第２主蒸気ラインの前記高温蓄熱装置の出口側を閉じ、前記第１蒸気戻りラインを開け、前記高温バイパスラインを閉じることで、前記高温集熱装置にて生成された過熱蒸気の熱を前記高温蓄熱装置にて蓄えつつ、前記高温集熱装置にて生成された過熱蒸気を前記蒸気タービンに供給する蓄熱運転モードと、
   前記第１熱水ラインを開け、前記第２熱水ラインを閉じ、前記低温バイパスラインを開けることで、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温蓄熱装置にて加熱して水−蒸気二相流体を生成し、生成された水−蒸気二相流体を前記低温バイパスラインを介して前記汽水分離装置に供給すると共に、前記第１主蒸気ラインを閉じ、前記第２主蒸気ラインを開け、前記高温バイパスラインを開け、前記第１蒸気戻りラインを閉じることで、前記汽水分離装置から前記高温バイパスラインを介して前記高温蓄熱装置に供給された蒸気を前記高温蓄熱装置にて加熱して過熱蒸気を生成し、生成された過熱蒸気を前記第２主蒸気ラインを介して前記蒸気タービンに供給する放熱運転モードと、を含む太陽熱発電システム。
4. 請求項１に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記汽水分離装置に水を供給する給水ポンプと、
   前記第１熱水ラインの前記低温蓄熱装置の出口と前記低温集熱装置の入口との間に設けられる第１熱交換器と、
   前記第１熱水ラインから分岐して設けられ、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温蓄熱装置をバイパスして前記低温集熱装置に供給する第２熱水ラインと、
   前記第１熱水ラインに設けられ、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温集熱装置及び前記低温蓄熱装置に供給する循環ポンプと、
   前記第２主蒸気ラインの前記高温蓄熱装置の出口側にて分岐し、前記第１熱交換器に戻る第２蒸気戻りラインと、
   前記高温蓄熱装置から前記第２蒸気戻りラインを介して前記第１熱交換器に戻された過熱蒸気を、前記第１熱交換器にて復水して、前記低温集熱装置に供給する第１復水供給ラインと、をさらに備えた太陽熱発電システム。
5. 請求項１に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記汽水分離装置に水を供給する給水ポンプと、
   前記第１熱水ラインの前記低温蓄熱装置の出口と前記低温集熱装置の入口との間に設けられる第１熱交換器と、
   前記第１熱水ラインから分岐して設けられ、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温蓄熱装置をバイパスして前記低温集熱装置に供給する第２熱水ラインと、
   前記第１熱水ラインに設けられ、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温集熱装置及び前記低温蓄熱装置に供給する循環ポンプと、
   前記第２主蒸気ラインの前記高温蓄熱装置の出口側にて分岐し、前記第１熱交換器に戻る第２蒸気戻りラインと、
   前記高温蓄熱装置から前記第２蒸気戻りラインを介して前記第１熱交換器に戻された過熱蒸気を、前記第１熱交換器にて復水して、前記循環ポンプの入口側に供給する第２復水供給ラインと、をさらに備えた太陽熱発電システム。
6. 請求項１に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記汽水分離装置に水を供給する給水ポンプと、
   前記第１熱水ラインの前記低温蓄熱装置の出口と前記低温集熱装置の入口との間に設けられる第１熱交換器と、
   前記第１熱水ラインから分岐して設けられ、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温蓄熱装置をバイパスして前記低温集熱装置に供給する第２熱水ラインと、
   前記第１熱水ラインに設けられ、前記汽水分離装置で分離された水を前記低温集熱装置及び前記低温蓄熱装置に供給する循環ポンプと、
   前記第１熱水ラインの前記循環ポンプと前記低温蓄熱装置の入口との間に設けられる第２熱交換器と、
   前記第２主蒸気ラインの前記高温蓄熱装置の出口側にて分岐し、前記第２熱交換器に戻る第３蒸気戻りラインと、
   前記高温蓄熱装置から前記第３蒸気戻りラインを介して前記第２熱交換器に戻された過熱蒸気を、前記第２熱交換器にて熱交換して前記第１熱交換器に供給する第４蒸気戻りラインと、
   前記第４蒸気戻りラインから供給された蒸気を、前記第１熱交換器にて復水して、前記低温集熱装置に供給する第３復水供給ラインと、をさらに備えた太陽熱発電システム。

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