WO2014065185A1 - 水素生成装置を備える太陽光利用ガスタービン発電システム - Google Patents

水素生成装置を備える太陽光利用ガスタービン発電システム Download PDF

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谷村和彦
杉本隆雄
クステラー・カーステン
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川崎重工業株式会社
ベー・ウント・ベー・アゲマ・ゲーエムベーハー
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Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine power generation system that generates power using sunlight as a heat source.
  • Patent Document 1 a power generation technique using a turbine device that uses sunlight as a heat source, for example, a gas turbine power generation system that uses the heat of sunlight has been proposed (for example, Patent Document 1). reference).
  • an object of the present invention is to provide a gas turbine power generation system capable of supplying electric power corresponding to an increase or decrease in electric power demand while using sunlight as a heat source in order to solve the above problems.
  • a gas turbine power generation system is a power generation system having a gas turbine engine that uses sunlight, and includes a compressor that compresses air as a working medium, and the compressor.
  • a solar heater that heats compressed air using sunlight as a heat source
  • a hydrogen combustor that burns air compressed by the compressor using hydrogen as fuel, the solar heater, and the hydrogen combustor
  • a turbine for extracting power from a hot gas heated at least one of the above, a generator driven by the turbine, and hydrogen by decomposing water using the output of the turbine or exhaust heat from the turbine.
  • at least one hydrogen generator for supplying the hydrogen to the hydrogen combustor.
  • the hydrogen generator is preferably an electrolysis hydrogen generator that electrolyzes water using electric power generated by the generator. According to this configuration, it is possible to effectively use surplus generated power when the amount of sunlight is large with respect to the power demand, and perform power supply corresponding to the increase or decrease of the power demand.
  • a pyrolysis hydrogen generator for generating hydrogen by pyrolyzing water using the exhaust gas from the turbine is further provided. According to this configuration, by further utilizing the exhaust heat of the gas turbine engine, it is possible to perform power supply corresponding to increase / decrease in power demand while improving the efficiency of the entire system.
  • a compressed air preheating passage for preheating the air compressed by the compressor with heat generated by the pyrolysis hydrogen generator is further provided.
  • the compressed air preheating passage is a reaction in which the exothermic reaction is performed in response to the exchange of the reaction chamber in which the endothermic reaction is performed and the reaction chamber in which the exothermic reaction is performed in the pyrolysis hydrogen generator. It is preferable to provide a mechanism for switching the flow path so as to pass through the vicinity of the chamber. According to this configuration, the efficiency of the entire system can be improved by effectively using the heat generated by the pyrolysis reaction.
  • the exhaust gas heat exchange passage further includes an exhaust gas heat exchange passage through which the exhaust gas from the turbine is passed to exchange heat between the exhaust gas and the pyrolysis hydrogen generator, and the exhaust gas heat exchange A flow path so that the passage passes in the vicinity of the reaction chamber in which the endothermic reaction is performed in response to the exchange of the reaction chamber in which the endothermic reaction is performed and the reaction chamber in which the exothermic reaction is performed in the pyrolysis hydrogen generator. It is preferable to provide a mechanism for switching between the two. According to this configuration, the efficiency of the entire system can be improved by effectively using the heat of the exhaust gas from the turbine.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a gas turbine power generation system (hereinafter simply referred to as “power generation system”) S according to an embodiment of the present invention.
  • the power generation system S includes a gas turbine engine GE that uses sunlight. That is, the power generation system S includes a compressor 1 that compresses air A as a working medium, a solar heater 3 and a hydrogen combustor 5 that heat the air A compressed by the compressor 1, and the compressed and heated air.
  • a turbine 7 for extracting power from the air A is provided.
  • the power generation system S is configured as a regeneration cycle engine that supplies the air A discharged from the turbine 7 to the compressor 1 and reuses it.
  • the generator 9 as a load is driven by the output of the gas turbine engine GE.
  • the air A compressed by the compressor 1 is sent to the solar heater 3 after passing through the regenerator 13 via the compressed air supply path 11.
  • the regenerator 13 uses the heat of the high-temperature exhaust gas EG discharged from the turbine 7 to preheat the air A from the compressor 1 toward the solar heater 3 and the hydrogen combustor 5.
  • the solar heater 3 disposed between the compressor 1 and the turbine 7 receives the solar light SL supplied from the solar light collector 15 installed outside the power generation system S, and uses this as a heat source. Air A is heated.
  • a large number of mirrors MR that can be angle-adjusted so as to collect light toward the solar heater 3 are used as the solar light collector 15.
  • a hydrogen combustor 5 for combusting air A using hydrogen as a fuel is provided between the solar heater 3 and the turbine 7, a hydrogen combustor 5 for combusting air A using hydrogen as a fuel is provided.
  • the high-temperature and high-pressure air A supplied from the solar heater 3 or the hydrogen combustor 5 is driven from the turbine 7 as a high-temperature and low-pressure exhaust gas EG after driving the turbine 7.
  • the turbine 7 is connected to the compressor 1 via a rotating shaft 17.
  • the compressor 1 and the generator 9 are driven by the turbine 7 via the rotating shaft 17.
  • the hydrogen combustor 5 is connected to a hydrogen fuel reservoir 21 through a hydrogen fuel supply path 19 and receives supply of hydrogen fuel from the hydrogen fuel reservoir 21.
  • the hydrogen fuel reservoir 21 is connected to the first hydrogen generator 25 via the first hydrogen introduction path 23.
  • the first hydrogen generator 25 is configured as an electrolysis hydrogen generator that generates hydrogen by electrolyzing water.
  • the first hydrogen generator 25 receives supply of electric power necessary for electrolysis from the generator 9 driven by the turbine 7.
  • a bypass path 27 that bypasses the compressed air A from the solar heater 3 as necessary, and a flow path to the bypass path 27.
  • a detour switching valve 29 for switching is provided between the regenerator 13 and the hydrogen combustor 5 in the compressed air supply path 11, a bypass path 27 that bypasses the compressed air A from the solar heater 3 as necessary, and a flow path to the bypass path 27.
  • a detour switching valve 29 for switching is provided.
  • the hydrogen fuel reservoir 21 is also connected to the second hydrogen generator 33 via the second hydrogen introduction path 31.
  • the second hydrogen generator 33 is configured as a pyrolysis hydrogen generator that generates hydrogen by thermally decomposing water.
  • the second hydrogen generator 33 uses the heat of the high-temperature exhaust gas EG discharged from the turbine 7 as a heat source necessary for thermal decomposition.
  • the second hydrogen generator 33 according to the illustrated example uses a so-called UT-3 process as a hydrogen pyrolysis process.
  • the UT-3 process consists of the following four reactions using compounds such as calcium, iron and bromine as process circulating materials.
  • CaBr 2 + H 2 O ⁇ CaO + 2HBr (1-A) CaO + Br 2 ⁇ CaBr 2 + 1 / 2O 2 (1-B) Fe 3 O 4 + 8HBr ⁇ 3FeBr 2 + 4H 2 O + Br 2 (2-A) 3FeBr 2 + 4H 2 O ⁇ Fe 3 O 4 + 6HBr + H 2 (2-B)
  • the second hydrogen generator 33 includes a calcium reaction part 41, an iron reaction part 43, an oxygen separation part 45, and a hydrogen separation part 47, as schematically shown in FIG.
  • the calcium reaction part 41 the above reactions (1-A) and (1-B) using a calcium compound are performed.
  • the iron reaction section 43 the above reactions (2-A) and (2-B) are performed using an iron compound.
  • the oxygen separation unit 45 separates and extracts oxygen generated by the reaction (1-B) in the calcium reaction unit 41.
  • the hydrogen separator 47 the hydrogen generated in the reaction (2-B) in the iron reactor 43 is separated and taken out.
  • the calcium reaction section 41 has two reaction chambers (first calcium reaction chamber 41a and second calcium reaction chamber 41b), and one of the reactions (1-A) and (1-B) described above.
  • the reaction is performed in the first calcium reaction chamber 41a, and the other is performed in the second calcium reaction chamber 41b.
  • the iron reaction section 43 has two reaction chambers (the first iron reaction chamber 43a and the second iron reaction chamber 43b), and the reactions (2-A) and (2-B) described above.
  • One of the reactions is performed in the first iron reaction chamber 43a, and the other is performed in the second iron reaction chamber 43b.
  • reaction chambers in which the endothermic reaction among the reactions (1-A) and (1-B) using a calcium compound and the reactions (2-A) and (2-B) using an iron compound are performed are performed.
  • the reaction chambers in which the exothermic reaction is performed are arranged adjacent to each other. That is, in the illustrated example, the first calcium reaction chamber 41a and the first iron reaction chamber 43a are disposed adjacent to each other, and the second calcium reaction chamber 41b and the second iron reaction chamber 43b are disposed adjacent to each other. ing.
  • An endothermic reaction is performed in the first calcium reaction chamber 41a and the first iron reaction chamber 43a adjacent to each other to form an endothermic reaction region Ren, and an exothermic reaction is performed in the second calcium reaction chamber 41b and the second iron reaction chamber 43b adjacent to each other. Is performed to form a heat generation region Rex (hereinafter, this state is referred to as a first phase).
  • an exhaust gas heat exchange passage 53 for exchanging heat between the exhaust gas EG and the second hydrogen generator 33 is branched from the middle of the exhaust gas passage 51 that discharges the high-temperature exhaust gas EG from the turbine 7. Is provided.
  • an exhaust gas flow path switching valve 55 that switches the flow path of the exhaust gas EG between the exhaust gas passage 51 and the exhaust gas heat exchange passage 53 is provided.
  • the exhaust gas heat exchange passage 53 is branched into a first endothermic reaction side heat exchange passage 53a and a second endothermic reaction side heat exchange passage 53b.
  • a heat exchange flow path switching valve 57 is provided at a branch point between the first endothermic reaction side heat exchange passage 53a and the second endothermic reaction side heat exchange passage 53b.
  • a compressed air preheating passage 61 for preheating the compressed air A by heat generated by the second hydrogen generator 33 is provided in the middle of the compressed air supply path 11.
  • a compressed air flow path switching valve 63 that switches the flow path of the compressed air A between the compressed air supply path 11 and the compressed air preheat path 61 is provided at a branch point between the compressed air supply path 11 and the compressed air preheat path 61. ing.
  • the compressed air preheating passage 61 is branched into a first exothermic reaction side compressed air preheating passage 61a and a second exothermic reaction side compressed air preheating passage 61b.
  • a compressed air preheating passage switching valve 65 is provided at a branch point between the first exothermic reaction side compressed air preheating passage 61a and the second exothermic reaction side compressed air preheating passage 61b.
  • the first endothermic reaction side heat exchange passage 53 a and the second exothermic reaction side compressed air preheating passage 61 b include the first calcium reaction chamber 41 a of the calcium reaction section 41 of the second hydrogen generator 33, and iron. Passes in the vicinity of the ferrous reaction chamber 43a of the reaction unit 43.
  • the second endothermic reaction side heat exchange passage 53 b and the first exothermic reaction side compressed air preheating passage 61 a are provided in the second calcium reaction chamber 41 b of the calcium reaction portion 41 of the second hydrogen generator 33 and the ferric iron of the iron reaction portion 43. Passes near the reaction chamber 43b.
  • the reaction (1-A), which is an endothermic reaction, is performed in the first calcium reaction chamber 41a, and the reaction (2-B), which is an endothermic reaction, in the first iron reaction chamber 43a.
  • the reaction (1-B) that is an exothermic reaction is performed in the second calcium reaction chamber 41b, and the reaction (2-A) that is an exothermic reaction is performed in the second iron reaction chamber 43b.
  • the heat exchange passage switching valve 57 of the exhaust gas heat exchange passage 53 is switched to the first endothermic reaction side heat exchange passage 53a passing through the vicinity of the endothermic reaction region Ren, and the compressed air of the compressed air preheating passage 61 is switched.
  • the flow path switching valve 63 is switched to the first exothermic reaction side compressed air preheating passage 61a side passing through the vicinity of the exothermic reaction region Rex.
  • the heat exchange flow path switching valve 57 of the exhaust gas heat exchange passage 53 is switched to the second endothermic reaction side heat exchange passage 53b side, and the compressed air flow of the compressed air preheating passage 61 is switched.
  • the path switching valve 63 is switched to the second exothermic reaction side compressed air preheating path 61b side.
  • the arrangement of the reaction chambers in the endothermic reaction region Ren and the exothermic reaction region Rex minimizes energy loss in heat exchange with the exhaust gas EG and the compressed air A. It is preferable to set so. That is, in the endothermic reaction region Ren that receives heat from the exhaust gas EG, from the upstream side to the downstream side in the flow of the exhaust gas EG, the reaction chamber performing a higher temperature reaction is followed by the reaction chamber performing a low temperature reaction (this implementation).
  • the first calcium reaction chamber 41a having a reaction temperature of about 730 ° C.
  • the first iron reaction chamber 43a having a reaction temperature of about 600 ° C.
  • the compressed air A From the upstream side to the downstream side in the flow of the flow, in the order of the reaction chamber for performing the lower temperature reaction to the reaction chamber for performing the higher temperature reaction (in the example of this embodiment, from the ferric reaction chamber 43b having a reaction temperature of about 350 degrees) (To a second calcium reaction chamber 41b having a reaction temperature of about 500 ° C.).
  • the operation of the power generation system S configured as described above will be described.
  • the surplus power generated by the generator 9 and the heat of the exhaust gas EG from the turbine 7 are used to generate the first and second hydrogen generators 25 and 33.
  • Produce hydrogen When the second hydrogen generator 33 is operated, the exhaust gas flow switching valve 55 is switched to the exhaust gas heat exchange passage 53 side to supply the exhaust gas EG to the exhaust gas heat exchange passage 53 and the compressed air flow switching valve 63. Is switched to the compressed air preheating passage 61 side, and the compressed air A is supplied to the compressed air preheating passage 61.
  • the heat exchange flow path switching valve 57 of the exhaust gas heat exchange passage 53 is set to the first endothermic reaction side.
  • Switching to the heat exchange passage 53a side allows the exhaust gas EG to pass through the vicinity of the first calcium reaction chamber 41a and the first iron reaction chamber 43a, and the compressed air preheating passage switching valve 65 of the compressed air preheating passage 61 is set to the first exothermic reaction.
  • Switching to the side compressed air preheating passage 61a side allows the air A to pass through the vicinity of the second calcium reaction chamber 41b and the second iron reaction chamber 43b in which the exothermic reaction is proceeding.
  • the heat exchange flow path switching of the exhaust gas heat exchange passage 53 is performed.
  • the valve 57 is switched to the second exothermic reaction side compressed air preheating passage 61b side so that the exhaust gas EG passes through the vicinity of the second calcium reaction chamber 41b and the second iron reaction chamber 43b and the compressed air preheating of the compressed air preheating passage 61 is performed.
  • the passage switching valve 65 By switching the passage switching valve 65 to the exothermic reaction side compressed air preheating passage 61b side, the air A passes through the vicinity of the first calcium reaction chamber 41a and the first iron reaction chamber 43a.
  • the heat of the high-temperature exhaust gas EG passing through the first endothermic reaction side heat exchange passage 53a or the second endothermic reaction side heat exchange passage 53b constituting a part of the exhaust gas heat exchange passage 53 is converted into the endothermic reaction region Ren.
  • the heat generated in the exothermic reaction region Rex preheats the air A passing through the first exothermic reaction side compressed air preheating passage 61a or the second exothermic reaction side compressed air preheating passage 61b.
  • the exhaust gas EG that has passed through the second hydrogen generator 33 is supplied to the regenerator 13 as a heating medium.
  • the air A that has passed through the second hydrogen generator 33 is supplied to the regenerator 13 as a medium to be heated.
  • the exhaust gas heat exchange passage 53 for exchanging heat of the exhaust gas EG with the pyrolysis hydrogen generator is an endothermic reaction region in the second hydrogen generator 33 which is the pyrolysis hydrogen generator.
  • a mechanism is provided for switching the flow path so as to pass through the vicinity of the endothermic reaction region Ren.
  • the mechanism for switching the flow path is the endothermic reaction side passages 53a and 53b, and the switching valve 57 for switching these passages.
  • the compressed air preheating passage 61 for exchanging heat of the air A with the pyrolysis hydrogen generator forms a reaction chamber and an exothermic reaction zone in the second hydrogen generator 33 which is a pyrolysis hydrogen generator.
  • a mechanism for switching the flow path so as to pass through the vicinity of the exothermic reaction region Rex is provided.
  • the mechanism for switching the flow path is the passages 61a and 61b on the exothermic reaction side and the switching valve 65 for switching these paths. Therefore, the efficiency of the entire system can be improved by effectively using the heat of the exhaust gas EG and the heat generated by the thermal decomposition reaction.
  • the exhaust gas flow path switching valve 55 is switched to the exhaust gas passage 51 side, and the exhaust gas EG is directly supplied to the regenerator 13 as a heating medium.
  • the compressed air flow path switching valve 63 is switched to the compressed air supply path 11 side, and the compressed air A is directly supplied to the regenerator 13 as a heated medium.
  • the water decomposition process used in the second hydrogen generator which is a thermal cracking hydrogen generator
  • the second hydrogen generator which is a thermal cracking hydrogen generator
  • the IS process consists of (1) a reaction in which sulfur dioxide gas is absorbed by a mixture of water and iodine at a temperature around 100 ° C. to obtain hydrogen iodide and sulfuric acid, and (2) iodination at a temperature of 400 to 500 ° C. It consists of three reactions: a reaction that generates hydrogen by thermal decomposition of hydrogen, and (3) a reaction that decomposes sulfuric acid at a temperature around 850 ° C. to generate oxygen.
  • Reaction (3) is an endothermic reaction and reaction (1) is an exothermic reaction. Therefore, even when using the IS process, the second hydrogen generator, which is a pyrolysis hydrogen generator, corresponds to the exchange of the reaction chamber forming the endothermic reaction region and the reaction chamber forming the exothermic reaction region, A mechanism for switching the flow path so that the exhaust gas heat exchange passage for exchanging the exhaust gas EG with the pyrolysis hydrogen generator passes through the vicinity of the endothermic reaction region, and a compressed air preheating passage for exchanging the compressed air A with the pyrolysis hydrogen generator It is preferable that a mechanism for switching the flow path is provided so as to pass through the vicinity of the exothermic reaction region.
  • either one of the first and second hydrogen generators 25 and 33 may be omitted.
  • the second hydrogen generator 33 that is a pyrolysis hydrogen generator may be omitted, and the hydrogen that becomes the fuel of the hydrogen combustor 5 may be generated and supplied only by the first hydrogen generator that is an electrolysis hydrogen generator.
  • the power generation system S when the amount of sunlight is large and the power demand is small, hydrogen is generated and stored by the hydrogen generator, and when the power demand is large, the hydrogen is stored. Since it is possible to increase the amount of power supply using Oita hydrogen, it is possible to supply power corresponding to the increase or decrease in power demand while using sunlight as a heat source.

Abstract

　太陽光を利用するガスタービンエンジンを有する発電システムにおいて、作動媒体である空気（Ａ）を圧縮する圧縮機（１）と、前記圧縮機で圧縮された空気を、太陽光を熱源として加熱する太陽光加熱器（３）と、前記圧縮機で圧縮された空気を、水素を燃料として燃焼させる水素燃焼器（５）と、前記太陽光加熱器および前記水素燃焼器の少なくとも一方で加熱された高温のガス（ＨＧ）から動力を取り出すタービン（７）と、前記タービンによって駆動される発電機（９）と、前記タービンの出力または前記タービンからの排熱を利用して水を分解することにより水素を生成し、この水素を前記水素燃焼器に供給する少なくとも１つの水素生成装置（２５）とを設ける。

Description

水素生成装置を備える太陽光利用ガスタービン発電システム 関連出願
　本出願は、２０１２年１０月２６日出願の特願２０１２－２３６３７７の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　本発明は、太陽光を熱源として利用して発電するガスタービン発電システムに関する。
　近年、環境問題やエネルギー問題の一解決策として、太陽光を熱源として利用するタービン装置による発電技術、例えば、太陽光の熱を利用したガスタービン発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１１－０３２９６０号公報
　しかし、太陽光を利用するこのような設備は、一般に、エネルギー源である太陽光の供給量を制御することができないため、電力の需要量の変化に適切に対応して電力を供給することが困難であった。そのため、日照量に対して電力需要が低い昼間に余剰電力が発生する一方、夜間や悪天候時には電力供給ができないという問題があった。
　そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、太陽光を熱源として利用しながら、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことができるガスタービン発電システムを提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン発電システムは、太陽光を利用するガスタービンエンジンを有する発電システムであって、作動媒体である空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気を、太陽光を熱源として加熱する太陽光加熱器と、前記圧縮機で圧縮された空気を、水素を燃料として燃焼させる水素燃焼器と、前記太陽光加熱器および前記水素燃焼器の少なくとも一方で加熱された高温のガスから動力を取り出すタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記タービンの出力または前記タービンからの排熱を利用して水を分解することにより水素を生成し、この水素を前記水素燃焼器に供給する少なくとも１つの水素生成装置とを備えている。
　この構成によれば、日照量が多く、電力需要が小さい時に、水素生成装置によって水素を生成・貯蔵しておき、日照のない夜間や電力需要が大きい時に、貯蔵しておいた水素を利用して電力供給量を増やすことができるので、太陽光を熱源として利用しながら、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能となる。
　本発明の一実施形態において、前記水素生成装置は、前記発電機によって生成された電力を利用して水を電気分解する電気分解水素生成装置であることが好ましい。この構成によれば、電力需要に対して日照量が多い場合の余剰発電電力を有効に利用して、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能となる。
　本発明の一実施形態において、さらに、前記タービンからの排ガスを利用して水を熱分解することにより水素を生成する熱分解水素生成装置を備えていることが好ましい。この構成によれば、さらにガスタービンエンジンの排熱も利用することにより、システム全体の効率を高めながら電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能となる。
　本発明の一実施形態において、さらに、前記圧縮機で圧縮された空気を、前記熱分解水素生成装置で発生した熱によって予熱する圧縮空気予熱通路を備えていることが好ましい。この場合、さらに、前記圧縮空気予熱通路が、前記熱分解水素生成装置内において吸熱反応が行われる反応室と発熱反応が行われる反応室とが入れ替わるのに対応して前記発熱反応が行われる反応室の近傍を通るように流路を切り替える機構を備えていることが好ましい。この構成によれば、熱分解反応で発生する熱を有効に利用して、当該システム全体の効率を向上させることができる。
　本発明の一実施形態において、さらに、前記タービンからの排ガスを通過させて、この排ガスと前記熱分解水素生成装置との間で熱交換を行う排ガス熱交換通路を備えており、前記排ガス熱交換通路が、前記熱分解水素生成装置内において吸熱反応が行われる反応室と発熱反応が行われる反応室とが入れ替わるのに対応して前記吸熱反応が行われる反応室の近傍を通るように流路を切り替える機構を備えていることが好ましい。この構成によれば、タービンからの排ガスの熱を有効に利用して、当該システム全体の効率を向上させることができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係るガスタービン発電システムの概略構成を示すブロック図である。 図１の実施形態の第２水素生成装置（第１フェーズ）の概略構成を拡大して示すブロック図である。 図１の実施形態の第２水素生成装置（第２フェーズ）の概略構成を拡大して示すブロック図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるガスタービン発電システム（以下、単に「発電システム」という。）Ｓを示す概略構成図である。この発電システムＳは、太陽光を利用するガスタービンエンジンＧＥを備えている。すなわち、発電システムＳは、作動媒体である空気Ａを圧縮する圧縮機１、圧縮機１で圧縮された空気Ａを加熱する太陽光加熱器３および水素燃焼器５、並びにこの圧縮・加熱された空気Ａから動力を取り出すタービン７を有している。本実施形態では、発電システムＳを、タービン７から排出される空気Ａを圧縮機１へ供給して再利用する再生サイクルエンジンとして構成している。ガスタービンエンジンＧＥの出力により、負荷である発電機９が駆動される。
　圧縮機１で圧縮された空気Ａは、圧縮空気供給路１１を介して、再生器１３を通過した後に、太陽光加熱器３へ送られる。再生器１３は、タービン７から排出された高温の排ガスＥＧの熱を利用して、圧縮機１から太陽光加熱器３、水素燃焼器５へ向かう空気Ａを予熱する。
　圧縮機１とタービン７との間に配置された太陽光加熱器３は、発電システムＳの外部に設置された太陽光の集光装置１５から供給された太陽光ＳＬを受け、これを熱源として空気Ａを加熱する。本実施形態では、太陽光集光装置１５として、太陽光加熱器３に向けて集光するように角度調整可能な多数のミラーＭＲを用いている。
　太陽光加熱器３とタービン７の間に、水素を燃料として空気Ａを燃焼させる水素燃焼器５が設けられている。太陽光加熱器３または水素燃焼器５から供給された高温高圧の空気Ａは、タービン７を駆動した後、高温・低圧の排ガスＥＧとしてタービン７から排出される。タービン７は圧縮機１に回転軸１７を介して連結されている。回転軸１７を介してタービン７により圧縮機１および発電機９が駆動される。
　水素燃焼器５は、水素燃料供給路１９を介して水素燃料貯蔵器２１に接続しており、この水素燃料貯蔵器２１から水素燃料の供給を受ける。水素燃料貯蔵器２１は、第１の水素導入路２３を介して第１の水素生成装置２５に接続されている。第１水素生成装置２５は、水を電気分解することによって水素を生成する電気分解水素生成装置として構成されている。この第１水素生成装置２５は、電気分解に必要な電力の供給を、タービン７によって駆動される発電機９から受ける。なお、圧縮空気供給路１１における再生器１３と水素燃焼器５との間には、必要に応じて圧縮空気Ａを太陽光加熱器３から迂回させる迂回路２７およびこの迂回路２７へ流路を切り替える迂回切替弁２９が設けられている。
　水素燃料貯蔵器２１は、また、第２の水素導入路３１を介して第２の水素生成装置３３に接続されている。第２水素生成装置３３は、水を熱分解することによって水素を生成する熱分解水素生成装置として構成されている。この第２水素生成装置３３は、熱分解に必要な熱源として、タービン７から排出される高温の排ガスＥＧの熱を利用する。図示の例に係る第２水素生成装置３３は、水素の熱分解プロセスとして、いわゆるＵＴ－３プロセスを利用する。
　ＵＴ－３プロセスは、プロセス循環物質としてカルシウム、鉄、臭素などの化合物を用いた以下の４つの反応から成り立っている。
　　CaBr2　＋　H2O　→　CaO　＋　２HBr　　　　　　　（１－Ａ）
　　CaO　＋　Br2　→　CaBr2　＋　1/2O2　　　　　　　　（１－Ｂ）
　　Fe3O4　＋　８HBr　→　３FeBr2　＋　４H2O　＋　Br2　（２－Ａ）
　　３FeBr2　＋　４H2O　→　Fe3O4　＋　６HBr　＋　H2　（２－Ｂ）
　まず、７３０℃付近の温度下で、（１－Ａ）の反応により臭化カルシウムと水蒸気とを反応させて臭化水素ガスと酸化カルシウムを生成する。酸化カルシウムは５００℃付近の温度下で（１－Ｂ）の反応により臭素と反応させて、臭化カルシウムを再生するとともに酸素を生成する。一方、臭化鉄を、６００℃付近の温度下で、（２－Ｂ）の反応により水蒸気と反応させて臭化水素ガスと酸化鉄を得るとともに水素を生成する。酸化鉄は３５０℃付近の温度下で、（２－Ａ）の反応により臭化水素ガスと反応させて臭素と臭化鉄の再生を行う。これらの反応はすべて固体と気体との反応である。臭化物と水蒸気を反応させる２つの加水分解反応（１－Ａ），（２－Ｂ）は吸熱反応であり、他の反応（１－Ｂ），（２－Ａ）は発熱反応である。
　第２水素生成装置３３は、図２に模式的に示すように、カルシウム反応部４１、鉄反応部４３、酸素分離部４５および水素分離部４７を備えている。カルシウム反応部４１では、カルシウム化合物を用いる上記（１－Ａ）、（１－Ｂ）の反応を行う。鉄反応部４３では、鉄化合物を用いる上記（２－Ａ）、（２－Ｂ）の反応を行う。また、酸素分離部４５では、カルシウム反応部４１における（１－Ｂ）の反応で生成した酸素を分離して取り出す。水素分離部４７では、鉄反応部４３における（２－Ｂ）の反応で生成した水素を分離して取り出す。
　カルシウム反応部４１は、２つの反応室（第１カルシウム反応室４１ａ，第２カルシウム反応室４１ｂ）を有しており、上記（１－Ａ）、（１－Ｂ）の反応のうちの一方の反応が第１カルシウム反応室４１ａで行われ、他方が第２カルシウム反応室４１ｂで行われる。また、同様に、鉄反応部４３は、２つの反応室（第１鉄反応室４３ａ，第２鉄反応室４３ｂ）を有しており、上記（２－Ａ）、（２－Ｂ）の反応のうちの一方の反応が第１鉄反応室４３ａで行われ、他方が第２鉄反応室４３ｂで行われる。ただし、カルシウム化合物を用いる上記（１－Ａ）、（１－Ｂ）の反応と鉄化合物を用いる上記（２－Ａ）、（２－Ｂ）の反応のうちの吸熱反応が行われる反応室同士が互いに隣接するように配置され、発熱反応が行われる反応室同士が互いに隣接するように配置される。すなわち、図示の例では、第１カルシウム反応室４１ａと第１鉄反応室４３ａとが隣接するように配置され、第２カルシウム反応室４１ｂと第２鉄反応室４３ｂとが隣接するように配置されている。互いに隣接する第１カルシウム反応室４１ａおよび第１鉄反応室４３ａで吸熱反応が行われて吸熱反応領域Ｒｅｎを形成し、互いに隣接する第２カルシウム反応室４１ｂおよび第２鉄反応室４３ｂで発熱反応が行われて発熱領域Ｒｅｘを形成する（以下、この状態を第１フェーズと呼ぶ）。
　もっとも、熱分解水素生成反応が進むに連れて、カルシウム反応部４１において、第１カルシウム反応室４１ａ内のCaBr2はCaOに変化し、第２カルシウム反応室４１ｂ内のCaOはCaBr2に変化するので、両反応室４１ａ，４１ｂ内の組成が入れ替わっていく。また、同様に、鉄反応部４３においても、第１鉄反応室４３ａ内のFeBr2はFe3O4に変化し、第２鉄反応室４３ｂ内のFe3O4はFeBr2に変化するので、両反応室４３ａ，４３ｂ内の組成が入れ替わっていく。そこで、本実施形態では、一定時間後に、図３に示すように第２水素生成装置３３内における反応ガスの流れ方向を逆転させて、第１カルシウム反応室４１ａで行われていた吸熱反応（１－Ａ）と第２カルシウム反応室４１ｂで行われていた発熱反応（１－Ｂ）とを入れ替え、かつ、第１鉄反応室４３ａで行われていた吸熱反応（２－Ｂ）と第２鉄反応室４３ｂで行われていた発熱反応（２－Ａ）とを入れ替える。つまり、一定時間後に、互いに隣接する第１カルシウム反応室４１ａおよび第１鉄反応室４３ａで発熱反応が行われて発熱反応領域Ｒｅｘが形成され、互いに隣接する第２カルシウム反応室４１ｂおよび第２鉄反応室４３ｂで吸熱反応が行われて吸熱反応領域Ｒｅｎが形成される（以下、この状態を第２フェーズと呼ぶ）。その後も、一定時間間隔で、吸熱反応領域Ｒｅｎを形成する反応室と発熱反応領域Ｒｅｘを形成する反応室とを入れ替えて、第１フェーズと第２フェーズを交互に繰り返す。
　次に、ガスタービンエンジンＧＥと第２水素生成装置３３との間で熱交換を行う構造について説明する。図１に示すように、タービン７からの高温の排ガスＥＧを排出する排ガス通路５１の中途から、排ガスＥＧと第２水素生成装置３３との間で熱交換するための排ガス熱交換通路５３が分岐して設けられている。排ガス通路５１と排ガス熱交換通路５３との分岐点には、排ガスＥＧの流路を排ガス通路５１および排ガス熱交換通路５３の間で切り替える排ガス流路切替弁５５が設けられている。排ガス熱交換通路５３は、その中途が、第１吸熱反応側熱交換通路５３ａと第２吸熱反応側熱交換通路５３ｂとに分岐している。第１吸熱反応側熱交換通路５３ａと第２吸熱反応側熱交換通路５３ｂとの分岐点には、熱交換流路切替弁５７が設けられている。
　また、圧縮空気供給路１１の中途から、圧縮された空気Ａを第２水素生成装置３３で発生した熱によって予熱するための圧縮空気予熱通路６１が分岐して設けられている。圧縮空気供給路１１と圧縮空気予熱通路６１との分岐点には、圧縮空気Ａの流路を圧縮空気供給路１１および圧縮空気予熱通路６１の間で切り替える圧縮空気流路切替弁６３が設けられている。圧縮空気予熱通路６１は、その中途が、第１発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ａと第２発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ｂとに分岐している。第１発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ａと第２発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ｂとの分岐点には、圧縮空気予熱通路切替弁６５が設けられている。
　図２に示すように、第１吸熱反応側熱交換通路５３ａおよび第２発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ｂは、第２水素生成装置３３のカルシウム反応部４１の第１カルシウム反応室４１ａ、および鉄反応部４３の第１鉄反応室４３ａの近傍を通過する。第２吸熱反応側熱交換通路５３ｂおよび第１発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ａは、第２水素生成装置３３のカルシウム反応部４１の第２カルシウム反応室４１ｂ、および鉄反応部４３の第２鉄反応室４３ｂの近傍を通過する。
　図２に示す第１フェーズにおいては、第１カルシウム反応室４１ａで吸熱反応である上記反応（１－Ａ）が行われ、第１鉄反応室４３ａで吸熱反応である上記反応（２－Ｂ）が行われており、第２カルシウム反応室４１ｂで発熱反応である上記反応（１－Ｂ）が行われ、第２鉄反応室４３ｂで発熱反応である上記反応（２－Ａ）が行われている。この状態では、排ガス熱交換通路５３の熱交換流路切替弁５７が、吸熱反応領域Ｒｅｎの近傍を通る第１吸熱反応側熱交換通路５３ａ側に切り替えられ、かつ圧縮空気予熱通路６１の圧縮空気流路切替弁６３が、発熱反応領域Ｒｅｘの近傍を通る第１発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ａ側に切り替えられる。
　一方、図３に示す第２フェーズにおいては、排ガス熱交換通路５３の熱交換流路切替弁５７が第２吸熱反応側熱交換通路５３ｂ側に切り替えられ、かつ圧縮空気予熱通路６１の圧縮空気流路切替弁６３が第２発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ｂ側に切り替えられる。
　なお、第１フェーズおよび第２フェーズのいずれにおいても、吸熱反応領域Ｒｅｎ内および発熱反応領域Ｒｅｘ内の各反応室の配置は、排ガスＥＧ，圧縮空気Ａとの熱交換においてエネルギーロスが最小となるように設定することが好ましい。すなわち、排ガスＥＧから熱を受け取る吸熱反応領域Ｒｅｎ内では、排ガスＥＧの流れにおける上流側から下流側に向かって、より高温の反応を行う反応室から低温の反応を行う反応室の順に（本実施形態の例では反応温度約７３０℃の第１カルシウム反応室４１ａから反応温度約６００℃の第１鉄反応室４３ａ）配置し、圧縮空気Ａに熱を与える発熱反応領域Ｒｅｘ内では、圧縮空気Ａの流れにおける上流側から下流側に向かって、より低温の反応を行う反応室から高温の反応を行う反応室の順に（本実施形態の例では反応温度約３５０度の第２鉄反応室４３ｂから反応温度約５００℃の第２カルシウム反応室４１ｂへ）配置する。
　次に、このように構成された発電システムＳの動作について説明する。図１に示すように、電力需要が低い時間帯には、発電機９で生成する余剰電力およびタービン７からの排ガスＥＧの熱を利用して、第１，２の水素生成装置２５，３３で水素を生成する。第２水素生成装置３３を稼働させる場合には、排ガス流路切替弁５５を排ガス熱交換通路５３側に切り替えて、排ガスＥＧを排ガス熱交換通路５３に供給するとともに、圧縮空気流路切替弁６３を圧縮空気予熱通路６１側に切り替えて、圧縮された空気Ａを圧縮空気予熱通路６１に供給する。
　第２水素生成装置３３では、熱分解反応プロセスの反応の進行に伴って、上述のように、カルシウム反応部４１の２つの反応室４１ａ、４１ｂ間、および鉄反応部４３の２つの反応室４３ａ，４３ｂ間で吸熱反応と発熱反応が入れ替わる。第１カルシウム反応室４１ａおよびこれに隣接する第１鉄反応室４３ａにおいて吸熱反応が進行している第１フェーズにおいては、排ガス熱交換通路５３の熱交換流路切替弁５７を第１吸熱反応側熱交換通路５３ａ側に切り替えて、排ガスＥＧを第１カルシウム反応室４１ａおよび第１鉄反応室４３ａの近傍を通過させるとともに、圧縮空気予熱通路６１の圧縮空気予熱通路切替弁６５を第１発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ａ側に切り替えて、空気Ａを発熱反応が進行している第２カルシウム反応室４１ｂおよび第２鉄反応室４３ｂの近傍を通過させる。
　一方、第２水素生成装置の第１カルシウム反応室４１ａおよびこれに隣接する第１鉄反応室４３ａにおいて発熱反応が進行している第２フェーズにおいては、排ガス熱交換通路５３の熱交換流路切替弁５７を第２発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ｂ側に切り替えて、排ガスＥＧを第２カルシウム反応室４１ｂおよび第２鉄反応室４３ｂの近傍を通過させるとともに、圧縮空気予熱通路６１の圧縮空気予熱通路切替弁６５を発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ｂ側に切り替えて、空気Ａを第１カルシウム反応室４１ａおよび第１鉄反応室４３ａの近傍を通過させる。
　いずれの場合も、排ガス熱交換通路５３の一部を構成する第１吸熱反応側熱交換通路５３ａまたは第２吸熱反応側熱交換通路５３ｂを通過する高温の排ガスＥＧの熱が、吸熱反応領域Ｒｅｎに供給されて吸熱反応を促進する。一方、発熱反応領域Ｒｅｘで発生した熱が、第１発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ａまたは第２発熱反応側圧縮空気予熱通路６１ｂを通過する空気Ａを予熱する。その後、第２水素生成装置３３を通過した排ガスＥＧは、再生器１３に加熱媒体として供給される。第２水素生成装置３３を通過した空気Ａは、再生器１３に被加熱媒体として供給される。
　このように、本実施形態に係る発電システムＳでは、排ガスＥＧを熱分解水素生成装置と熱交換させる排ガス熱交換通路５３が、熱分解水素生成装置である第２水素生成装置３３において吸熱反応領域Ｒｅｎを形成する反応室と発熱反応領域Ｒｅｘを形成する反応室とが入れ替わるのに対応して、吸熱反応領域Ｒｅｎの近傍を通るように流路を切り替える機構を有している。この流路を切り替える機構は、本実施形態の例では吸熱反応側の通路５３ａ、５３ｂ、およびこれらの通路を切り替える切替弁５７である。また、空気Ａを熱分解水素生成装置と熱交換させる圧縮空気予熱通路６１が、熱分解水素生成装置である第２水素生成装置３３において吸熱反応領域を形成する反応室と発熱反応領域を形成する反応室とが入れ替わるのに対応して、発熱反応領域Ｒｅｘの近傍を通るように流路を切り替える機構有している。この流路を切り替える機構は、本実施形態の例では発熱反応側の通路６１ａ、６１ｂ、およびこれらの通路を切り替える切替弁６５である。したがって、排ガスＥＧの熱や熱分解反応で発生する熱を有効に利用して、システム全体の効率を向上させることができる。
　電力需要が大きい時間帯には、第１，２の水素生成装置での水素の生成を停止し、水素燃料貯蔵器２１に貯蔵した水素を利用して発電電力量を増加させる。このとき、排ガス流路切替弁５５を排ガス通路５１側に切り替えて、排ガスＥＧを再生器１３に加熱媒体として直接供給する。また、圧縮空気流路切替弁６３を圧縮空気供給路１１側に切り替えて、圧縮された空気Ａを再生器１３に被加熱媒体として直接供給する。なお、夜間や悪天候時など、日照量が極端に少ない場合には、空気Ａを再生器１３から迂回路２７を介して直接水素燃焼器５に供給して、水素燃焼器５のみで加熱（燃焼）を行ってもよい。
　なお、熱分解水素生成装置である第２水素生成装置で利用する水の分解プロセスとしては、ＵＴ－３プロセスに限らず、例えば、ＩＳプロセス（Iodine-Sulfurプロセス）を利用してもよい。ＩＳプロセスは、（１）１００℃付近の温度下で、水とヨウ素の混合物によって二酸化硫黄ガスを吸収してヨウ化水素と硫酸を得る反応、（２）４００～５００℃の温度下でヨウ化水素の熱分解により水素を生成する反応、（３）８５０℃付近の温度下で硫酸を分解して酸素を生成する反応、の３つの反応からなる。反応（３）は吸熱反応であり、反応（１）は発熱反応である。したがって、ＩＳプロセスを利用する場合も、熱分解水素生成装置である第２水素生成装置が、吸熱反応領域を形成する反応室と発熱反応領域を形成する反応室とが入れ替わるのに対応して、排ガスＥＧを熱分解水素生成装置と熱交換させる排ガス熱交換通路が吸熱反応領域の近傍を通るように流路を切り替える機構、および圧縮空気Ａを熱分解水素生成装置と熱交換させる圧縮空気予熱通路が発熱反応領域の近傍を通るように流路を切り替える機構を備えていることが好ましい。
　どのような熱分解プロセスを利用するにしても、ＵＴ－３プロセスやＩＳプロセスなどの水素熱分解には７５０℃以上の高温を必要とするから、ガスタービンサイクルとしてはこれに対応できる低圧力比の再生サイクルを選定し、かつ、採用する個々の熱分解プロセスに合わせたガスタービンサイクルを選定する。また、水素の熱分解反応のうち、吸熱反応である水素分離と、発熱反応である酸素分離は同時に行ってもよいし、反応の媒体量を多くすることで蓄熱機能を持たせ、時間帯をずらせて反応させてもよい。
　また、第１，２の水素生成装置２５，３３のうち、いずれか一方を省略してもよい。例えば、熱分解水素生成装置である第２水素生成装置３３を省略し、電気分解水素生成装置である第１水素生成装置のみによって水素燃焼器５の燃料となる水素を生成・供給してもよい。この場合にも、電力需要に対して日照量が多い場合の余剰発電電力を有効に利用して、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能である。
　以上のように、本実施形態に係る発電システムＳによれば、日照量が多く、電力需要が小さい時に、水素生成装置によって水素を生成・貯蔵しておき、電力需要が大きい時に、貯蔵しておいた水素を利用して電力供給量を増やすことができるので、太陽光を熱源として利用しながら、電力需要の増減に対応した電力供給を行うことが可能となる。
　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
　１　圧縮機
　３　太陽光加熱器
　５　水素燃焼器
　７　タービン
　９　発電機
　２５　第１水素生成装置
　３３　第２水素生成装置
　Ａ　空気
　Ｓ　ガスタービン発電システム

Claims (6)

  1. 　太陽光を利用するガスタービンエンジンを有する発電システムであって、
    　作動媒体である空気を圧縮する圧縮機と、
    　前記圧縮機で圧縮された空気を、太陽光を熱源として加熱する太陽光加熱器と、
    　前記圧縮機で圧縮された空気を、水素を燃料として燃焼させる水素燃焼器と、
    　前記太陽光加熱器および前記水素燃焼器の少なくとも一方で加熱された高温のガスから動力を取り出すタービンと、
    　前記タービンによって駆動される発電機と、
    　前記タービンの出力または前記タービンからの排熱を利用して水を分解することにより水素を生成し、この水素を前記水素燃焼器に供給する少なくとも１つの水素生成装置と、
    を備えるガスタービン発電システム。
  2. 　請求項１に記載のガスタービン発電システムにおいて、前記水素生成装置は、前記発電機によって生成された電力を利用して水を電気分解する電気分解水素生成装置であるガスタービン発電システム。
  3. 　請求項２に記載のガスタービン発電システムにおいて、さらに、前記タービンからの排ガスを利用して水を熱分解することにより水素を生成する熱分解水素生成装置を備えるガスタービン発電システム。
  4. 　請求項３に記載のガスタービン発電システムにおいて、さらに、前記圧縮機で圧縮された空気を、前記熱分解水素生成装置で発生した熱によって予熱する圧縮空気予熱通路を備えるガスタービン発電システム。
  5. 　請求項４に記載のガスタービン発電システムにおいて、前記圧縮空気予熱通路が、前記熱分解水素生成装置内において吸熱反応が行われる反応室と発熱反応が行われる反応室とが入れ替わるのに対応して前記発熱反応が行われる反応室の近傍を通るように流路を切り替える機構を備えているガスタービン発電システム。
  6. 　請求項３から５のいずれか一項に記載のガスタービン発電システムにおいて、さらに、前記タービンからの排ガスを通過させて、この排ガスと前記熱分解水素生成装置との間で熱交換を行う排ガス熱交換通路を備えており、前記排ガス熱交換通路が、前記熱分解水素生成装置内において吸熱反応が行われる反応室と発熱反応が行われる反応室とが入れ替わるのに対応して前記吸熱反応が行われる反応室の近傍を通るように流路を切り替える機構を備えているガスタービン発電システム。
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