JPWO2013002054A1 - 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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Abstract
【解決手段】給水ポンプ11から供給される水を太陽光の熱で加熱する低温加熱装置13と、低温加熱装置13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4と、汽水分離装置4で分離された蒸気を太陽光の熱で加熱する高温加熱装置14と、汽水分離装置4で分離した水を低温加熱装置13に供給する循環ポンプ15を備えたことを特徴とする。
【選択図】図1
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。
給水ポンプから供給される水を太陽光の熱で加熱する低温加熱装置と、
その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、
その汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で加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を備えた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、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(平面状または内側に向けて若干曲面状)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地上面に配置して、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。
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量を調整する循環流量制御弁を設け、
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循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環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。
前記低温加熱装置は、
例えば酸化ジフェ二ル、ビフェ二ル、1,1ジフェ二ルエタンなどの熱媒体が循環する熱媒体流路と、
その熱媒体流路の途中に設けられた熱媒体循環ポンプと、
前記熱媒体流路の途中に設けられ、太陽光を集光して生じた熱を前記熱媒体流路を循環する熱媒体に伝達する集光・集熱装置と、
前記熱媒体流路の一部が熱交換器として内側に設置された熱交換器付き低温加熱装置を備えて、
前記集光・集熱装置で集熱した熱を前記熱媒体を介して前記熱交換器付き低温加熱装置内の水に伝達する構成になっていることを特徴とするものである。
前記第1ないし第9の手段の太陽熱ボイラと、
その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、
その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、
その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、
その蒸気タービンで駆動される発電機と、
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の一部を太陽光の熱で加熱する低温加熱装置と、
その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、
その汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で加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低温加熱装置に供給する循環ポンプを
備えた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。
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量を調整する循環流量制御弁を設け、
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循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環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。
前記低温加熱装置は、
熱媒体が循環する熱媒体流路と、
その熱媒体流路の途中に設けられた熱媒体循環ポンプと、
前記熱媒体流路の途中に設けられ、太陽光を集光して生じた熱を前記熱媒体流路を循環する熱媒体に伝達する集光・集熱装置と、
前記熱媒体流路の一部が熱交換器として内側に設置された熱交換器付き低温加熱装置を備えて、
前記集光・集熱装置で集熱した熱を前記熱媒体を通じて前記熱交換器付き低温加熱装置内の水に伝達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。
ビン、9は発電機、11は給水ポンプである。
[0014]
図18に示されるように、集熱装置1を蒸発器2と過熱器3とに機能分離し、蒸発器2と過熱器3との間に、汽水分離装置4を設置している。この集熱装置1は、高さが30〜100m程度のタワー5の上に設置されており、地上に設置されたヘリオスタット6により太陽7からの光を反射して、集熱装置1に集光することで、前記蒸発器2ならびに過熱器3を加熱する。この集熱装置1で生成した過熱蒸気は蒸気タービン8に送られ、発電機9を回転して発電する仕組みになっている。
[0015]
また図19は、米国特許第7,296,410号明細書(特許文献3)に記載されている太陽熱発電システムの概略構成図である。図中の符号200は太陽熱発電システム、201は流体経路、202はバルブ、203はポンプ、204はトラフ装置、205は集熱管、206は太陽集熱器、207はタワー、208は低温蓄熱タンク、209は中間蓄熱タンク、210は高温蓄熱タンク、211は高出力発生装置、212はタービン、213は発電機である。
[0016]
この太陽熱発電システムは、低温蓄熱タンク208に貯留した熱流動媒体を、ポンプ203によりトラフ装置204に供給し、太陽106の光を集光した熱で加熱し、さらに、タワー207で加熱した後、高温蓄熱タンク210に送る。高温蓄熱タンク210に送られた熱流動媒体はポンプ203で高出力発生装置211に送られ、熱交換して温度が下がった状態で、低温蓄熱タンク208に戻される。
[0017]
一方、高出力発生装置211で発生した蒸気はタービン212に送られ、発電機213で発電する構成になっている。
[0018]
さらに図20は、米国特許第8,087,245号明細書(特許文献4)に記載されている太陽熱集光プラントの概略構成図である。図中の符号301はトラフ型コレクタ、302はヘリオスタットとタワー、303は低温蓄熱器、304は高温蓄熱器、305は化石燃料による補助装置、306はタービン、307は発電機、308は復水器、309はポンプである。
[0019]
この太陽熱集光プラントは、水をポンプ309でトラフ型コレクタ301に送り、太陽の熱で加熱することで、飽和蒸気を生成し、生成した飽和蒸気をヘリオスタットとタワー302に送り、過熱蒸気を生成することで、タービン306を駆動し、発電機307で発電する。
[0020]
蒸気は復水器308で水に戻され、再びポンプ309で給水される。さらに、トラフ型コレクタ301を出た飽和蒸気をヘリオスタットとタワー302に流通させず、化石燃料による補助装置305に通し、過熱蒸気を生成するラインを有する構成になっている。
先行技術文献
特許文献
[0021]
特許文献1:国際公開2009/129166A2号公報
特許文献2:国際公開2010/048578A1号公報
特許文献3:米国特許第7,296,410号明細書
特許文献4:米国特許第8,087,245号明細書
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0022]
しかしながら、前述した図17および図18に示した従来技術においては、蒸発器2ならびに過熱器3とともに汽水分離装置4も高さが30〜100mもあるタワー5の上部に設置する必要がある。このため、多数本の伝熱管の集合体である蒸発器2と過熱器3の他に、内部に飽和水を保有する汽水分離装置4の荷重を支えることができ、地震などにも十分耐え得ることのできる強固なタワー5を建設する必要があり、そのため設備コストおよび建設コストが増大するという課題がある。
[0023]
また、水を給水ポンプ11によって高所の汽水分離装置4の所まで上げる必要があるから、揚水能力の高い高価な給水ポンプ11が必要となり、それにより設備コストおよびランニングコストも高くなる。
[0024]
さらに、蒸発器2や過熱器3を構成する伝熱管の熱的損傷を回避するため
に、集熱装置1での集熱量を抑制する必要があり、そのために蒸気タービン8へ供給される蒸気の量や温度が変動し、結果的には発電量が一定でないという課題もある。
[0025]
図19に示した従来技術においては、熱流動媒体と水−蒸気との熱交換のために、高出力発生装置211が必要となり、さらに、日射量変動に伴う温度変化を抑制して発電機307の出力を安定化させるために、低温蓄熱タンク208、中間蓄熱タンク209ならびに高温蓄熱タンク210なども必要となる。そのため、設備コストが高くなり、設置スペースが広大化するという課題がある。
[0026]
また、図20に示した従来技術においては、トラフ型コレクタ301に水平集熱管が設置されているため、日照量が変動した際に、水平集熱管内の気液2相流の流動状態が変化する。このため、管の底部が水、管の上部が蒸気で満たされた状態となり、片面加熱となるトラフ型コレクタ301では、蒸気の存在する側(上部)の温度が異常に高くなり、集熱管が損傷する可能性がある。
[0027]
さらに、日照量の変動に対応するため、化石燃料による補助装置305を設置する必要があり、設備コストおよびランニングコストが高くなるという課題がある。
[0028]
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、設備コストおよび建設コストを増大させることなく、伝熱管の熱的損傷を回避できると共に、蒸気タービンでの発電量の変動が抑制されて、品質の高い電気の供給が可能な太陽熱ボイラおよびそれを用いた単独型または複合型の太陽熱発電プラントを提供することにある。
課題を解決するための手段
[0029]
前記目的を達成するため、本発明の第1の手段は太陽熱ボイラにおいて、
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、
その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、
その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を備えたことを特徴とするものである。
[0030]
本発明の第2の手段は前記第1の手段において、
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、
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量を調整する循環流量制御弁を設け、
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循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環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。
[0031]
本発明の第3の手段は前記第1または第2の手段において、
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ものである。
[0032]
本発明の第4の手段は前記第1ないし第3の手段において、
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ものである。
[0033]
本発明の第5の手段は前記第4の手段において、
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ものである。
[0034]
本発明の第6の手段は前記第4の手段において、
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ものである。
[0035]
本発明の第7の手段は前記第1ないし第3の手段において、
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ものである。
[0036]
本発明の第8の手段は、
例えばジフェニル、ビフェニル、1,1ジフェニルエタンなどの熱媒体が循環する熱媒体流路と、その熱媒体流路の途中に設けられた熱媒体循環ポンプと、前記熱媒体流路の途中に設けられ、水平に配置されて内部を前記熱媒体が流通する伝熱管と、太陽光を前記伝熱管に集光する集光ミラーを有し、前記太陽光を集光して生じた熱を前記伝熱管内を流通する熱媒体に伝達する集光・集熱装置と、
前記集光・集熱装置の熱媒体流路の一部が熱交換器として内側に設置された熱交換器付き低温加熱装置と、
水を前記熱交換器付き低温加熱装置に供給する給水ポンプと、
前記集光・集熱装置で集熱した熱を前記熱媒体を介して前記熱交換器付き低温加熱装置内の水に伝達して生成した水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
その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熱交換器付き低温加熱装置に供給する循環ポンプを備えたことを特徴とするものである。
[0037]
本発明の第9の手段は前記第1ないし第8の手段において、
前記汽水分離装置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。
[0038]
本発明の第10の手段は太陽熱発電プラントにおいて、
前記第1ないし第9の太陽熱ボイラと、
その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、
その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。
[0039]
本発明の第11の手段は太陽熱発電プラントにおいて、
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、
その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、
その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、
その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、
その汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で加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低温加熱装置に供給する循環ポンプを備えたことを特徴とするものである。
[0040]
本発明の第12の手段は前記第11の手段において、
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
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量を調整する循環流量制御弁を設け、
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循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環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。
[0041]
本発明の第13の手段は前記第11または第12の手段において、
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ものである。
[0042]
本発明の第14の手段は前記第11ないし第13の手段において、
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ものである。
[0043]
本発明の第15の手段は前記第14の手段において、
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ものである。
[0044]
本発明の第16の手段は前記第14の手段において、
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ものである。
[0045]
本発明の第17の手段は前記第11ないし第13の手段において、
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ものである。
[0046]
本発明の第18の手段は前記第11ないし第13の手段において、
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量を調整する循環量制御弁を設け、
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循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環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。
[0047]
本発明の第19の手段は前記第11ないし第13の手段において、
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、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。
[0048]
発明の効果
[0049]
本発明は前述のような構成になっており、設備コストおよび建設コストを増大させることなく、伝熱管の熱的損傷を回避できると共に、蒸気タービンでの発電量の変動が抑制されるので、品質の高い電気の供給が可能な太陽熱ボイラおよびそれを用いた単独型または複合型の太陽熱発電プラントを提供することができる。
よる外周ガラス管の割れ、ならびに伝熱管表面温度の高温化による放射冷却を抑制することができない。
[0069]
図8は、トラフ式(またはフレネル式)の集光・集熱装置に用いる伝熱管付近の一部拡大断面図である。同図に示すように水平伝熱管38の外周には外周ガラス管42が配置されて、二重構造になっている。この外周ガラス管42は、水平伝熱管38と外周ガラス管42の間を気密状態もしくは真空状態にして、水平伝熱管38から外気への熱放出を抑止するために設けられている。
[0070]
この伝熱管38は、複数本をそれぞれ接合して1本の長い伝熱管38にする訳であり、伝熱管38は例えば炭素鋼ステンレスなどの金属で構成しているため、図8に示すように伝熱管38どうしを溶接43して所定の長さにすることができる。
[0071]
一方、外周ガラス管42の方はそれらどうしを直接溶接することはできないから、図8に示すように、外周ガラス管42の接合部の内側と外側にそれぞれ金属製の接合用管体44を配置して、外周ガラス管42と接合用管体44を溶接することにより、接合用管体44を介して外周ガラス管42どうしを所定の長さに連結した構造になっている。
[0072]
このようにして所定の長さに連結された外周ガラス管42の内側に、所定の長さに連結された伝熱管38が挿入されて、集光・集熱装置内に取り付けられる。そのため、伝熱管38と外周ガラス管42との熱伸び差が大きくなると、外周ガラス管42と接合用管体44の連結部付近が割れることがある。
[0073]
また、伝熱管38の表面温度の高温化に伴って外気との温度差が大きくなり、放射冷却現象(温度の4乗差で熱が移動)により、外気への熱放散が大きくなるといった問題がある。
[0074]
そのため本実施形態では、低温加熱装置24の出口流体温度を300℃以下、具体的には250〜300℃の範囲に制限して、伝熱管38と外周ガラス管42との熱伸び差による外周ガラス管42の割れ、ならびに伝熱管38
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。
[0093]
このため内部流体が二相流となった場合には、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。
[0094]
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、予め二相流が流れる範囲を特定しておくことが難しい。
[0095]
このため、全体的に伝熱管材を高性能なもの、すなわち熱的損傷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問題がある。
[0096]
本発明の第7実施形態はこのような問題点を解消するためのもので、図13は、この第7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。
[0097]
本実施形態の場合図13に示すように、低温加熱装置13の入口側に循環流量を調整する給水循環流量制御弁37と流量計28を設けるとともに、汽水分離装置4の水位を検出する水位計29を設ける。
[0098]
そして流量計28の流量計測信号と水位計29の水位計測信号が演算装置26に入力され、演算装置26では汽水分離装置4の水位が目標値となるように、給水流量を調整するための給水弁19、あるいは(および)循環流量を調整するための給水循環流量制御弁37へ制御信号を出力している。
[0099]
本実施形態のように汽水分離装置4の水位を制御することによって、低温加熱装置13の伝熱管において相分離を発生させない運転が可能となる。この原理を図14ならびに図15を用いて説明する。
[0100]
図14は、汽水分離装置4の水位L(横軸)と、低温加熱装置13の出口クオリティ(全質量流量に占める蒸気流量の割合)×(縦軸)との関係を示す特性図で、汽水分離装置4の全質量流量Gをパラメータとして水位Lと出
Claims (20)
- 給水ポンプから供給される水を太陽光の熱で加熱する低温加熱装置と、
その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、
その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を備えた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ないし3のいずれか1項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1ないし4のいずれか1項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1ないし4のいずれか1項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1ないし4のいずれか1項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3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量を調整する循環流量制御弁を設け、
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循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環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、
熱媒体が循環する熱媒体流路と、
その熱媒体流路の途中に設けられた熱媒体循環ポンプと、
前記熱媒体流路の途中に設けられ、太陽光を集光して生じた熱を前記熱媒体流路を循環する熱媒体に伝達する集光・集熱装置と、
前記熱媒体流路の一部が熱交換器として内側に設置された熱交換器付き低温加熱装置を備えて、
前記集光・集熱装置で集熱した熱を前記熱媒体を介して前記熱交換器付き低温加熱装置内の水に伝達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9のいずれか1項に記載の太陽熱ボイラと、
その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、
その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、
その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、
その蒸気タービンで駆動される発電機と、
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の一部を太陽光の熱で加熱する低温加熱装置と、
その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、
その汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で加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低温加熱装置に供給する循環ポンプを
備えたことを特徴とする太陽熱発電プラント。 - 請求項11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11または12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11ないし13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11ないし13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11ないし13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11ないし13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11ないし13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量を調整する循環流量制御弁を設け、
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循環流量制御弁によって給水流量あるいは循環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11または12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、
熱媒体が循環する熱媒体流路と、
その熱媒体流路の途中に設けられた熱媒体循環ポンプと、
前記熱媒体流路の途中に設けられ、太陽光を集光して生じた熱を前記熱媒体流路を循環する熱媒体に伝達する集光・集熱装置と、
前記熱媒体流路の一部が熱交換器として内側に設置された熱交換器付き低温加熱装置を備えて、
前記集光・集熱装置で集熱した熱を前記熱媒体を介して前記熱交換器付き低温加熱装置内の水に伝達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11ないし13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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