JPS5911817B2 - 太陽熱集熱装置の温度制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽熱利用装置の制御方法に係り、特に太陽熱
集熱装置の出口温度の制御方法に関する。

太陽熱集熱装置は太陽光エネルギーから熱エネルギーを
取り出す装置であるが、太陽光の照射熱量は時間に伴っ
て変動すると共に、その出力（熱量）取り出しは間欠的
となる特性がある。

このため、集熱性能を高くしたり、高い信頼性を持たせ
るには、太陽熱集熱装置の出口温度を制御する必要があ
る。

従来、温度制御方法の一つとして、第１図に示す方法が
ある。

即ち、ポンプ１で太陽熱集熱装置２に送られた集熱媒体
は加熱されて温度上昇を来たし、配管３を通って蓄熱装
置４、または負荷５に送られる。

ここで、太陽熱集熱装置２の出口温度を制御する場合は
、配管３中に設けられた温度計６の信号により温度調節
器７を働かせ、太陽熱集熱装置２へ供給される集熱媒体
の流量をポンプ１の回転数またはストローク等を調節す
ることにより制御する。

また他の従来例を第２図により説明する。

この例は、過熱蒸気を発生する太陽熱集熱装置の例であ
り、集熱装置は蒸発器２′と過熱器２′に分割されてお
り、蒸発器２′の出口に気水分離器１０を設置し、過熱
器２“へは気水分離器１０で分離された飽和蒸気のみが
供給される。

なお、気水分離器１０内で分離された液体の方は循環ポ
ンプ１１により蒸発器２′の入口側、給水ポンプ１′の
出口側に戻される。

図示されてはいないが、気水分離器１０内の液位を一定
に維持するように、給水ポンプ１′から送り出される集
熱媒体の流量が調節される。

過熱器２“へ供給された飽和蒸気は加熱され、配管３′
を通り蓄熱装置４′へ、あるいはタービン（負荷）５′
へ送られる。

この例における過熱器２“出口温度の制御は、配管３′
に設けられた温度計６′の信号により、温度調節器７′
を働かせ、注水弁１２の開度を調節し、過熱器で内への
注水量を変えて行なわれる。

なお、図中５“はタービン５′によって駆動する発電機
、１４は冷却機、１５はポンプである。

しかし、前記二側における温度制御方法によれば、太陽
光エネルギー、すなわち日射量が緩かに変化する場合は
出口温度は設定値にほぼ近い値に制御できるが、日射量
が急激に変化すると、集熱装置２、あるいは過熱器２“
等の熱容量による温度変化の遅れや、流量変化自体の流
動遅れのため、出口温度に大きな変動が生じる。

特に過熱蒸気を発生するような、前記第２の従来例の場
合に著しい。

例えば第２図に示した例における温度制御の応答性のシ
ミュレーションによる計算結果の一例を第３図に示す。

この計算は、定格日射量０．７５ＫＷ／７７１”、過熱
器出口温度設定値４００℃に対し。

日射量が３分間で定格の１／４に降下し次の３分間で再
び日射量が定格値に回復するという想定のもとに応答性
の計算を実施したものである。

計算結果では温度変化幅は１５０℃にも達しており、ま
た変化速度も大きく集熱管の熱応力が大きく、寿命が短
くなるという欠点がある。

また、必要以上に温度が高くなり、集熱管の破損や熱損
失の増大、したがって集熱性能の低下が考えられる。

なお、第３図には、蒸気流量、注入流量等の変化をも示
す。

本発明の目的は、太陽熱集熱装置の集熱媒体出口温度の
変化速度および変化幅を減少させ、太陽熱集熱装置の破
損の可能性をなくして信頼性を向上させ、しかも集熱性
能を向上させる温度制御方法を提供するにある。

このような目的を達成するために本発明は、太陽熱集熱
装置の出口温度の変動の原因となっている日射量の変動
に基づくデータを先行信号とし、一方、従来用いられて
いる出口温度の設定値からの偏差を他の信号とし、これ
らの信号より、集熱装置内を流れる集熱媒体の流量、ま
たは注水流量を調節し、出口温度を制御するものである
。

本発明の詳絽を、過熱蒸気を発生する太陽熱集熱装置に
適用した場合を例にとり、第４図により説明する。

本図は太陽熱発電システムの概要を示したもので、蒸発
器２′を出た集熱媒体は気水分離器１０に入り、気水分
離器１０で分離された飽和蒸気が過熱器２“に入る。

過熱器２″を出た蒸気は配管３′を通り蓄熱装置４′、
またはタービン５１に供給される。

５“は発電機でタービンｑにより駆動された電気エネル
ギーを発生する。

ここで、過熱器で出口の蒸気温度の制御、特に降温は、
過熱器２“内に設けた減温器９の検出結果に基づき蒸発
器２′への給水の一部を注水配管１８、注水弁１２を介
して蒸気中に注水することにより行なわれる。

ここで、過熱器γへの注水流量は、配管３′Ｉこある温
度計６′による測定値と、出口温度設定値との偏差、お
よび太陽からのエネルギー量を測定する日射計８からの
信号またはこの信号と集熱装置固有の特性とから作られ
る信号を基にして調節器７“により注水弁１２の弁簡度
を調節して制御される。

調整器７“における働きを第５図によりさらに詳しく述
べる。

温度計６′で測定された温度Ｔと設定器６１からの設定
値Ｔｓとを比較器６２にて比較して偏差信号ΔＴを演算
し、これを基にして演算装置６３にてＰＩ演算を行ない
これをＸＴとする。

一方、日射計８にて測定される種々の日射量に対する注
水弁開度信号ＸＭを、演算装置６４にて過熱器出口温度
が設定温度になる状態で求めておき（求め方は試運転時
に実験的に求めるか、あるいは静特性シミュレーション
計算による）、この弁開度信号を日射量の関数ｆ（φ）
としておく。

そこで、演算装置６５にてＸＴとＸＭを加えてＸとし、
これを注水弁の操作信号とする。

なお、第４図中の符号１４〜１７で示すものは、第２図
で示す従来の各機器と同一のものを示す。

また、前記各信号、演算値はそれぞれ次の式で与えられ
る。

なお、ここでに１はゲイン、Ｔｏは積分時間、τは時刻
を示す。

このような制御方法によると、日射量が急激に変化した
場合、過熱器出口の蒸気温度信号の変化よりも日射計で
検出される信号の方が早く変化応答し注水弁開度、した
がって注水流量を速やかに適正値に設定でき、制御系と
しての応答性が良くなる。

このような制御を行なった場合の、動特性シミュレーシ
ョン計算結果を第６図に示す。

これは第３図で応答性を示したものと同じ仕様の集熱装
置を対象に計算したもので、蒸気温度、蒸気流量、注水
流量、日射量の各変化を示す。

このグラフで示すように、過熱器出口の蒸気温度変化幅
は、本発明によれば８５℃と約４３％低減になっている
。

さらに、温度設定値からの上昇値を比較すれば、従来例
での６０℃に対し本発明では約１０℃で５０℃の低減と
なっており、集熱配管の耐熱設計が改善される。

第５図には、先行信号（注水弁開度信号）ＸＭの発生に
対し、日射量φの信号しか用いていないが、太陽熱集熱
装置の集熱特性は日射量の他、時刻によっても変化する
。

したがって、本発明の、信号ＸＭの発生方法の他の実施
例として、第７図に示すように、時刻τ８１により演算
装置８２によって集熱特性を表わす関数ＸＣ＝ｇ（τ）
を発生させ、この信号をも用いて、日射計８で検知され
た日射量φとから演算装置８３にて弁制御信号ＸＭを演
算し、このＸＭ＝ｆ（φ）・ＸＣを先行信号とする。

こうすることにより、より精度の高い制御が可能となる
。

以上述べたように、日射量の変化に対して、結果として
プロセス側（集熱装置、過熱器等）で生じる温度の変化
よりも早く検出できる日射量の変化を先行信号として注
水流量、あるいは給水流量を制御することにより、系の
応答性を改善でき、集熱媒体出口温度の変化幅、温度設
定値からの上昇値を低減できる。

このことにより、熱応力、必要強度の低減が図れ、安全
性の向上、寿命の長期化を図ることができる。

さらには集熱性能の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は太陽熱集熱装置の集熱媒体出口温度の制御を行
なっている従来例を示す概念図、第２図は過熱蒸気を発
生する太陽熱集熱装置で出口の温度制御を行なっている
他の従来例を示す図、第３図は第２図における温度応答
性を示すグラフ、第４図は本発明による温度制御法を適
用した実施例、第５図は、第４図における温度制御系の
説明図、第６図は第４図における温度応答性を示すグラ
フ、第７図は本発明による他の温度制御系の実施例を示
す図である。 ２′・・・・・・蒸発器、２“・・・・・・過熱器、３
′・・・・・・配管、６′・・・・・・温度計、φ・・
・・・十射量、７“・・・・・・調節器、ＸＭ。 ＸＴ、Ｘ・・・・・・制御信号、８・・・・・・日射計
、Ｔ・・・・・・温度、９・・・・・・感温器、Ｔｓ・
・・・・・温度設定値、１２・・・・・・注水弁、ＸＣ
・・・・・・集熱特性関数、１８・・・・・・注水配管
、τ・・・・・・時刻。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 集熱装置の出口から流出する集熱媒体の温度をｍ１
   ］御する太陽熱集熱装置において、定常的な日射条件で
   出口温度を設定温度にするための日射量に対する適正集
   熱媒体流量を予めプログラム設定しておき、運転時には
   、日射量を検知して検知された日射量に応じて前記プロ
   グラム設定値より得られた熱集媒体流量制御信号と、出
   口設定温度と出口検出温度との偏差をＰＩ演算した結果
   とを加算した信号により集熱媒体流量を制御することを
   特徴とする太陽熱集熱装置の温度制御方法。 ２ 減温器を有し注水弁により注水流量制御を行なう過
   熱器のある太陽熱集熱装置において、定常的な日射条件
   で出口温度を設定温度にするため日射量に対する注水弁
   制御信号を予めプログラム設定しておき、運転時には、
   日射量を検知し、検知された日射量に応じて前記プログ
   ラム設定値より得られた注水弁制御信号と、出口設定温
   度と出口検出温度との偏差をＰＩ演算した結果とを加算
   した信号により注入流量を制御することを特徴とする太
   陽熱集熱装置の温度制御方法。