JPS5838707B2 - 太陽熱利用プラント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽熱利用プラントに係わり、特に太陽熱の利
用度の増大を図った太陽熱利用プラントに関するもので
ある。

近年、石油エネルギーの枯渇が身近なものとなるに従い
、石油に代わるエネルギー源として太陽エネルギーの利
用が注目されるようになって来ている。

しかし乍ら、太陽エネルギーを地表上で受ける場合、そ
の入力は１ず一定とは言えない。

つ壕り、朝から夕方にかけての一日の間での変化がある
し、天候の状態によっても大きく左右される。

そのため、熱利用について見ると高温度を必要とする負
荷に適用しようとすれば、太陽光の実光度を上げなけれ
ばならないので設備費が高価となるばかりでなく、低日
射時には充分な高温を得ることができないので、プラン
トの稼動率も低くなり、一層下経済なものとなってしま
う。

一方、低温度で良いような負荷に適用しようとすれば、
逆に設備費は割安になってはくるが、快晴の日中のよう
に高温を得やすい状態下にあっても高温で利用可能なエ
ネルギーをみすみす低温で使用せざるを得なくなり、自
然エネルギーの有効利用という点では不満足な利用度で
ある。

ところで、一般産業では一つの事業場或いは一つの建屋
内において、電気の他に蒸気や熱水などの形でエネルギ
ーを使用しているような例が非常に多い。

それ故、このようなところに電気、蒸気、熱水等を併給
する太陽熱プラントを設置するようにすれば、太陽光の
状態に応じて最適なエネルギーの供給が可能となるため
、補助エネルギー源の利用度は最小限におさえられるこ
とになり、単一機能の太陽熱プラントに比べて太陽エネ
ルギーの利用度は大幅に増加する。

従って本発明の目的とするところは、高温、低温の２つ
の系統の熱ループを構成することにより、太陽エネルギ
ーの利用度が高くしかも一般産業のエネルギー需要形態
に適合した太陽熱利用プラントを提供することにある。

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明による太陽熱利用プラントの基本系統
の構成例を示すもので、図において実線は通常日射時の
系統を、また破線は低日射時の系統を夫々示す。

つ１す、本太陽熱利用プラントは太陽のエネルギーを得
るための夫々特性の異なる集熱器１ａ、１ｂと、これに
より集熱した熱を移送する高温、低温２系統の熱媒体系
統２ａ 、 ２ｂと、この熱を水のような使用しやすい
物質Ｃ以下、代表して水で説明する）に熱交換する熱交
換器３ａ 、３ｂと、また水系統４ａ、４ｂには移送さ
れてくる熱エネルギーを利用して働く熱負荷５ａ。

５ｂと、各系統じ設けられ熱媒体、水を循環させるため
の熱媒体ポンプ６ａ 、６ｂおよび給水ポンプ７とを備
えて構成している。

次に、かかる太陽熱利用プラントの作用について説明す
る。

図において、太陽光線のエネルギーは集熱器１ａ、１ｂ
によって吸収され、これらの中で熱エネルギーとなって
熱媒体に伝えられる。

これにより、温度の上昇した熱媒体は熱媒体系統２ａ、
２ｂを流れ、熱交換器３ａ 、３ｂにて水との熱交換が
行なわれ、温度が低下した後に熱媒体ポンプ６ａ、６ｂ
で加圧されて集熱器１ａ、Ｉｂに戻り、以下同様に熱媒
体系統２ａ 、２ｂ内を循環する。

この場合、集熱器１ａ、Ｉｂの特性と価格との間には密
接な関係があり、熱媒体の温度が百数十℃以下で良いな
ら非集光非追尾型の低温集熱器１ｂで達成することがで
き、たとえば固定式の平板型集熱器で良い。

しかし、それ以上の温度を得ようとすれば鏡またはレン
ズを使って太陽光を集光する必要があり、２００℃以上
となると常時太陽を追尾して自動的に動くようなもので
なければならないので、集光追尾型の高温集熱器１ａを
用いることになる。

ここで、後者の価格が前者に比べて非常に高いことは言
う１でもない。

そのため、必要とする温度範囲に最適な集熱器を設置す
ることが大切である。

一方、上記において低温熱交換器３ｂで加熱されて温度
の上昇した水は、高温熱交換器３ａを介してさらに高温
となり高温熱負荷５ａにその熱を与える。

この高温熱負荷５ａを出た水は１だ温度が高いため、次
に低温熱負荷５ｂへも導き、ここでも熱を与えた後給水
ポンプ７によって低温熱交換器３ｂに戻される。

このように、通常日射の状態においては、水は高温水系
統４ａを循環して太陽エネルギーが最大限利用される。

しかし、朝、夕方、薄曇りのような低日射時には、高温
熱交換器３ａにおいて充分な高温を得ることが不可能と
なり、高温熱負荷５ａの要求に応じられなくなる。

そこで、このような状態下では系統を切替えて、第１図
の破線にて示すような系統で運転を行なう。

すなわち、高温集熱器１ａで得られる熱を低温熱交換器
３ｂへ回し、低温集熱器１ｂで得られる熱と合わせて水
側へ熱交換する。

水側は、高温熱交換器３ａ、高温熱負荷５ａをバイパス
させ、低温熱水系統４ｂを用いて直接に低温熱負荷５ｂ
へ導き、全熱量を低温熱負荷５ｂに与える。

その結果、このような系統の切替えを行なうことにより
、低温熱負荷５ｂにはシステムとして目いっばいの熱を
供給することが可能となる。

第２図は、かかる系統切替えの他の例を示すものであり
、つ１り第１図では集熱器１ａ、Ｉｂを並列として運転
したものであるのに対し、これは直列に運転するもので
ある。

また、この場合並列、直列の切替えを条件に応じて選択
できるようなプラント構成とすることも可能であり、本
発明を適用すれば通常日射時、低日射時のそれぞれに見
合った熱利用を実現することができる。

一方、第１図、第２図に示した系統は構成の一例を示し
たものであり、熱媒体側、水側の高温、低温両系統を必
ずしもかかる構成とする必要はなく、熱の需要の形態に
応じて種々の構成が考えられる。

第３図は、本発明による太陽熱利用プラントの具体的な
一実施例構成を示すものであり、第１図、第２図と同一
部分には、同一符号を付して示している。

第３図において、高温熱交換器３ａは蒸気発生器であり
、ここで発生した高温蒸気はたとえば工業プロセス用蒸
気として高温熱負荷５ａへ供給される他、熱負荷の一種
である蒸気タービン８へ送られ、蒸気タービン８にて駆
動される発電機９ａにより発電が行なわれる。

また、蒸気タービン８からの排気の熱は低沸点媒体蒸発
器１０にてフロンのような低沸点媒体に与えられ、この
低沸点媒体はここで蒸発して低沸点媒体タービン１１を
回し、ここでも発電機９ｂによシミ力が得られる（発電
が行なわれる）。

一方、低温熱交換器３ｂで加熱された熱水の一部は、高
温熱交換器３ａへは行かずにたとえば暖房装置のような
低温熱負荷５ｂへ供給される。

高温熱負荷５ａ、低温熱負荷５ｂ、低沸点媒体蒸発器１
０でそれぞれ熱を与えて温度の低下した水は、給水ポン
プ７によって低温熱交換器３ｂへ戻され、以後上述した
系統を循環する。

また、低沸点媒体タービン１１の排気は低沸点媒体凝縮
器１２で凝縮した後、低沸点媒体ポンプ１３によって低
沸点媒体蒸発器１０へ戻されて低沸点媒体系統１４を循
環する。

一方、太陽光線の状態が低日射となって高温集熱器１ａ
にて得られる温度が、蒸気タービン８を回したり、或い
は高温熱負荷５ａへ与えることが不都合な値捷で低下し
た場合には、系統を図示実線の状態から破線で示す状態
へ切替える。

なおこの第３図の例では、熱媒体系統２ａ 、２ｂの切
替えは第１図に示した並列の例を用いている。

切替えられた状態では、高温熱交換器３ａへの水の供給
が止するから、蒸気タービン８も停止することとなるが
、低温熱交換器３ｂを出た熱水の一部は、低温熱水系統
４ｂを通って低沸点媒体蒸発器１０に供給されるので、
低沸点媒体タービン１１の運転は継続されこれにて駆動
される発電機９ｂによる発電が維持される。

また、高温熱負荷５ａへの蒸気の供給は停止することと
なるが、低温熱負荷５ｂへの熱水の供給は維持される。

この場合、本発明で用いる熱媒体系統２ ａ ａ２ｂに
は、熱媒体として沸点が高温集熱器１ａで得られる温度
以上、凝固点が冬期の外気温度以下であるような物質を
使用すれば、系統内は常時液相のみとなるため機器の構
成も運転制御も簡単となる。

なお、第３図は基本構成を示したものであり、実際には
補助熱源、蓄熱装置、弁等が設けられることになるが、
これらは本発明の主たる構成要素ではないので、その図
示及び説明を省略している。

第４図は、本発明による太陽熱利用プラントの他の基本
系統の実施例構成を示すものである。

本例では、高温熱媒体系統２ａに低日射用熱交換器１５
を設け、高温集熱器１ａで得た熱をこの熱交換器１５に
より水に伝える。

また、水は給水ポンプ７を出た後分岐して、その一部は
低温熱交換器３ｂにて低温集熱器１ｂから来る熱を受け
、残りは低日射用熱交換器１５にて高温集熱器１ａから
来る熱を受け、この両方が合流して低温熱負荷５ｂへ熱
を供給するようにしている。

第５図は、かかる第４図の系統切替の他の例を示すもの
であり、つ１り第４図では低温熱交換器３ｂ、低日射用
熱交換器１５を並列として運転したものであるのに対し
、これは直列にして運転するものである。

つ昔シ、第１図、第２図に示した例では熱媒体系統１ａ
、１ｂを操作したものであるのに対し、第４図、第５図
の例では水系統４ａ。

４ｂを操作するものである。

そして、いずれの場合についても、プラントシステムと
して太陽の日射の利用度が向上することには変わ９はな
い。

また、第４図、第５図の例では、第１図、第２図の例に
比べて低日射用熱交換器１５が追加となるが、プラント
各機器の運転特性等をつきつめて行くと、このような系
統とした方が有利な場合も起こり得るし、第４図、第５
図の場合には高温熱媒体系統２ａと低温熱媒体系統２ｂ
が融合しないため、温度条件から見て個々に最適な熱媒
体を使い得るというような利点もある。

尚、本発明において上述した系統耘よび運転形態は単に
一例を示したものであり、同様の効果をもたらす構成、
形態は種々に考えられる。

１ず、熱媒体系統２ａ 、２ｂは必ずしも２ループでな
くても良く、必要に応じて３またはそれ以上のルニプを
構成しても良い。

また、集熱器１ａ。１ｂについても３種類咬たはそれ以
上でも良く、且つ熱媒体のループの数と一致しなくとも
良い。

たとえば、集熱器は高、中、低温用の３種類とし、低温
用は低温用の熱媒体系統へ組込み、そして中温用、高温
用を直列にして高温用の熱媒体系統を構成し、中温用で
その温度が上った熱媒体をさらに高温用で昇温しで使用
するというような方法もある。

また、第３図における熱負荷５ａ、５ｂ、蒸気タービン
８、低沸点媒体タービン１１の組合せとじツバ、熱およ
び電気の需要条件によって様々なものが考えられるが、
基本的には第１図の変形であることに違いはない。

さらに、第３図における運転形態についても、上述の通
常日射時、低日射時の２通りに限られるわけではなく、
日射条件、負荷条件により上述以外の運転形態をとるこ
とも可能である。

例えば、プラントの出力として蒸気、熱水、電力の内任
意の一種類、あるいは２種類のみを供給するように、し
ても良く、またその量の割合についても固定されるもの
ではなく、各出力は独立した自由度を有するものである
。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々に
変形して実施することができるものである。

以上説明したように本発明によれば、特性の異なる熱媒
体系統を温度域ごとに使い分けるようにしたので、集熱
器に係わる費用を最も経極的にできるばかりでなく、蒸
気、熱水、電力というような一般の事業場や建築物で必
要とする熱と電気とを同時に供給することができる。

さらに、日射条件、負荷条件によって最適な運転形態を
とることができるので、太陽エネルギーの利用度を著し
く高めることができる。

すなわち、太陽熱発電プラントや太陽熱空調設備に見ら
れる従来の単一機能のプラントに比べて、より有効的な
太陽熱の利用を図ることが可能となり、極めて信頼度の
高い太陽熱利用プラントが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による太陽熱利用プラントの一基本系統
を示す構成図、第２図は第１図の変形例を示す構成図、
第３図は本発明による太陽熱利用プラントの一実施例の
系統を示す構成図、第４図は本発明による太陽熱利用プ
ラントの他の基本系統を示す構成図、第５図は第４図の
変形例を示す構成図である。 １ａ、１ｂ・・・・・・集熱器、２ａ、２ｂ・・・・・
・熱媒体系統、３ａ 、３ｂ・・・・・・熱交換器、４
ａ 、 ４ｂ・・・・・・水系統、５ａ、５ｂ・・・・
・熱負荷、６ａ、６ｂ・・・・・・熱媒体ポンプ、７・
・・・・給水ポンプ、８・・・・・・蒸気タービン、９
ａ 、９ｂ・・・・・発電機、１０・・・・・・低沸点
媒体蒸発器、１１・・・・・低沸点媒体タービン、１２
・・・・・・低沸点媒体凝縮器、１３・・・・・・低沸
点媒体ポンプ、１４・・・・・・低沸点媒体系統、１５
・・・・・・低日射用熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温のエネルギー形態を発生させる第１の系統と、
   この第１の系統の高温エネルギーを使用する第１の熱負
   荷と、低温のエネルギー形態を発生させる第２の系統と
   、この第２の系統の低温エネルギーを使用する第２の熱
   負荷とを備え、太陽の日射条件が前記第１の系統の運転
   条件を満たさない場合には、この第１の系統で得られる
   エネルギーを前記第２の系統で得られるエネルギーとと
   もに前記第２の熱負荷へ供給し、太陽の日射条件に見合
   った負荷形態に対応して運転するように槽底したことを
   特徴とする太陽熱利用プラント。 ２ 太陽集熱器からの熱を移送、伝達する熱媒体は熱媒
   体系統内で相変化することなく液相のみで使用するよう
   にしたものである特許請求の範囲第１項記載の太陽熱利
   用プラント。