WO2019087657A1 - 太陽熱発電システム - Google Patents

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WO2019087657A1
WO2019087657A1 PCT/JP2018/036937 JP2018036937W WO2019087657A1 WO 2019087657 A1 WO2019087657 A1 WO 2019087657A1 JP 2018036937 W JP2018036937 W JP 2018036937W WO 2019087657 A1 WO2019087657 A1 WO 2019087657A1
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WO
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line
steam
storage device
water
temperature heat
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/036937
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English (en)
French (fr)
Inventor
康平 篠崎
丸本　隆弘
聡 多田隈
哲夫 四方
Original Assignee
三菱日立パワーシステムズ株式会社
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Publication date
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Priority to JP2019550914A priority patent/JP6923667B2/ja
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Priority to AU2018358974A priority patent/AU2018358974B2/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/02—Use of accumulators and specific engine types; Control thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/12—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having two or more accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/006—Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D1/00—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters
    • F22D1/003—Feed-water heater systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D11/00—Feed-water supply not provided for in other main groups
    • F22D11/02—Arrangements of feed-water pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22G—SUPERHEATING OF STEAM
    • F22G1/00—Steam superheating characterised by heating method
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the present invention relates to a solar thermal power generation system that generates electricity using solar heat.
  • the heat of the vapor from the second heat collector (also referred to as a superheater or high-temperature heat collector) 1108 is stored in a heat storage system 912 and phase-changed to water, and then the pump 1112 and the pump 1110 are used.
  • the configuration of a thermal storage solar thermal power generation system is described (see FIG. 12) that is boosted and returned to a circulation line that includes a first heat collector (also referred to as an evaporator, a low temperature collector) 1102.
  • the vapor from the second heat collector 1108 flows through the high-temperature heat storage device 1116 and the low-temperature heat storage device 1120 sequentially, and before the phase change to water, become.
  • FIG. 12 is a block diagram of a solar thermal power generation system according to the prior art described in Patent Document 1
  • FIG. 13 is a view showing a fluid temperature in the heat storage system shown in FIG. 12,
  • A is a predetermined position on the inlet side of the heat storage system 912
  • a ' is a predetermined position on the outlet side of the heat storage system 912
  • B is an inlet of the high temperature heat storage device 1116
  • B' is an outlet of the high temperature heat storage device 1116
  • C is The inlet of the low-temperature heat storage device 1120
  • C ′ is the outlet of the low-temperature heat storage device 1120.
  • FIG. 13 correspond to the positions of A, B, C, etc. in FIG. 12, the dotted line in FIG. 13 shows the saturation temperature, and the solid line shows the fluid temperature in the pipe. .
  • the pressure loss of the piping which connects an apparatus is disregarded.
  • the fluid temperature in the pipe is higher than the saturation temperature between position A and position C, and it can be seen that the fluid in the pipe is a vapor.
  • the fluid temperature in the pipe is equal to the saturation temperature at a position slightly closer to the position A 'from the position C, and the fluid temperature in the pipe and the saturation temperature are generally equal between the position C and the position C'.
  • the inside of the low-temperature heat storage device 1120 is in a state of gas-liquid two-phase flow (water-vapor two-phase fluid) in which water and steam are mixed.
  • the fluid flowing in the pipe is water after the outlet of the low-temperature heat storage device 1120 because the fluid temperature in the pipe is lower than the saturation temperature.
  • Patent Document 1 since the fluid flowing through the heat storage system 912 is in a state of gas-liquid two-phase flow in the process of phase change, the gas-liquid two-phase flow must be considered when designing the heat storage system 912. You must.
  • gas-liquid two-phase flow is known to be complicated in heat transfer flow characteristics compared to single-phase flow, and even when designing a heat storage device (heat storage system), the behavior of gas-liquid two-phase flow There is a problem that design becomes difficult because it is necessary to predict.
  • the present invention provides a solar thermal power generation system capable of preventing the fluid flowing through the high temperature heat storage device and the low temperature heat storage device from becoming a gas-liquid two-phase flow and individually adjusting the heat storage amount of the high temperature heat storage device and the low temperature heat storage device. To be a task.
  • one mode of a solar thermal power generation system concerning the present invention heats water with heat of the sun light, and generates a water-steam two phase fluid, and the above-mentioned low temperature heat collector
  • a steam separation device for separating the water-steam two-phase fluid generated in the above into water and steam, the steam separation device and the low temperature heat collector, and the water separated by the steam separation device being the low temperature
  • a low-temperature storage device for storing heat obtained by heat exchange with water separated from the first hot water line, the first hot water line supplying the heat collector, and the first hot water line;
  • a high temperature heat collector for heating the steam separated by the separator with the heat of solar light to generate superheated steam, a steam turbine, the high temperature heat collector and the steam turbine are connected, and the high temperature heat collector Supplying the superheated steam generated by A main steam line, a second main steam line branching from the first main steam line and joining the first main steam line, and the second main steam line, which are generated by the high-temperatur
  • the solar thermal power generation system it is possible to prevent the fluid flowing through the high temperature heat storage device and the low temperature heat storage device from becoming a gas-liquid two phase flow, and to adjust the heat storage amount of the high temperature heat storage device and the low temperature heat storage device individually.
  • the subject except having mentioned above, a structure, and an effect are clarified by description of the following embodiment.
  • the low temperature heat collector corresponds to an evaporator in a boiler, and heats water with the heat of sunlight to generate a water-steam two-phase fluid.
  • the high-temperature heat collector corresponds to a superheater in a boiler, and heats the steam separated by the later-described steam separator 2 with the heat of sunlight to generate superheated steam.
  • FIG. 1 is a block diagram of a solar thermal power generation system according to a first embodiment of the present invention.
  • the solar thermal power generation system according to the first embodiment includes a low temperature heat collector 1 for heating water with the heat of sunlight to generate a water-vapor two-phase fluid;
  • the heat obtained by heat exchange between the water separated by the steam separation device 2 and the steam separation device 2 configured of a steam drum or the like that separates the generated water-vapor two-phase fluid into water and steam is stored.
  • a low temperature heat storage device 4 a high temperature heat collecting device 3 for heating the steam separated by the brackish water separation device 2 with the heat of sunlight to generate a superheated steam, a steam turbine 6 driven by the supplied superheated steam, a high temperature
  • a high temperature heat storage device 5 is mainly provided which stores heat obtained by heat exchange with the superheated steam generated by the heat collection device 3.
  • the solar thermal power generation system shown in FIG. 1 is provided on the upstream side of the feed water pump 17 that supplies water to the brackish water separation device 2 via the feed water line L1, and the feed water pump 17, and heats the water supplied to the feed water pump 17.
  • a condenser 7 is provided on a feed water heater 8 and a condensate line L10 connecting the steam turbine 6 and the feed water heater 8 and the steam discharged from the steam turbine 6 is returned to water and separated by the steam water separation device 2
  • the circulation pump 15 for boosting the pressured water and supplying it to the low temperature heat collecting device 1 and the low temperature heat storage device 4; ing.
  • Reference numerals 21 to 30 denote three-way valves.
  • the water outlet of the brackish water separator 2 and the inlet of the low temperature heat collector 1 are connected by a first hot water line L2, and a circulation pump 15, a low temperature storage device 4, and a pump 16 are provided in the first hot water line L2. It is done. Further, the steam inlet of the brackish water separator 2 and the outlet of the low temperature heat collector 1 are connected by a water-steam line L4.
  • the three-way valve 21 located at a position between the outlet of the circulation pump 15 and the inlet of the low temperature storage device 4 in the first hot water line L2, and the water separated by the steam separation device 2 is stored in the low temperature storage device 4
  • the second hot water line L3 directly supplied to the low temperature heat collector 1 via the three way valve 23, the three way valve 22 on the outlet side of the low temperature heat storage device 4 and the water-steam two phase of the brackish water separation device 2
  • a three-way valve 24 on the fluid inlet side is connected with a low temperature bypass line L5 that bypasses the low temperature heat collector 1.
  • the steam outlet of the brackish water separator 2 and the inlet of the high temperature collector 3 are connected by a saturated steam line L6, and the outlet of the high temperature collector 3 and the steam turbine 6 are connected by a first main steam line L7. Further, the three-way valve 26 provided in the first main steam line L7 branches from the first main steam line L7, and the three-way valve 29 provided in the first main steam line L7 causes the first main steam line L7 again.
  • the high-temperature heat storage device 5 is provided in the second main steam line L8 which merges.
  • a high temperature bypass line L9 is provided which connects the three-way valve 25 on the steam outlet side of the brackish water separator 2 and the three-way valve 27 on the inlet side of the high-temperature storage device 5 by bypassing the high-temperature collector 3 There is.
  • a bleed line L11 connecting the bleed side of the steam turbine 6 to the feed water heater 8, a three-way valve 28 on the outlet side of the high-temperature heat storage device 5, and a three-way valve 30 provided on the bleed line L11 are connected 1 steam return line L12 is provided.
  • the three-way valves 21 to 30 are connected to the controller 50 by electrical wiring (not shown), and operations from the heat storage operation mode and the heat radiation operation mode described later are executed according to a command from the controller 50.
  • the switching between the heat storage operation mode and the heat radiation operation mode can be performed by manual operation of the switch 51 provided in the controller 50.
  • the operation mode may be automatically switched based on an output signal from a temperature sensor, a pressure sensor or the like (not shown).
  • the low temperature heat collecting device 1 is a heat transfer tube above the inner peripheral curved surface of the light collecting mirror extended in a bowl shape.
  • a trough-type heat exchanger that generates water-steam two-phase fluid by heating water flowing in the heat transfer tube by condensing sunlight into a heat transfer tube with a light collecting mirror, or a substantially flat heat exchanger
  • a large number of collector mirrors are arranged side by side, a heat transfer tube is disposed above the collection mirror group, and sunlight is condensed on the heat transfer tube by the collection mirror group to heat the water flowing in the heat transfer tube. It consists of a Fresnel type heat exchanger that produces a water-vapor two-phase fluid.
  • a heat transfer tube panel is installed on a tower having a predetermined height, and a large number of collecting mirrors are installed on the ground, and sunlight is collected on the tower by collecting mirrors. It is comprised by the tower type heat exchanger which heats the vapor
  • nitrate based molten salts such as potassium nitrate and sodium nitrate are preferable, but solids such as concrete may be used.
  • the type is not limited as long as it conforms to.
  • the heat storage operation mode and the heat release operation mode are provided.
  • FIG. 2 is operation
  • a line through which the fluid flows is indicated by a thick line, and an arrow on the line indicates the flow direction of the fluid.
  • the water supplied from the water supply pump 17 to the brackish water separation device 2 or the water separated by the brackish water separation device 2 is pressurized by the circulation pump 15 and flows through the first hot water line L2 for low temperature storage. It is sent to the device 4.
  • the water (hot water) supplied to the low temperature heat storage device 4 exchanges heat with the heat storage medium in the low temperature heat storage device 4 and dissipates heat to the heat storage medium, and then the pump 16 compensates for the pressure loss in the low temperature heat storage device 4 And sent to the low temperature heat collector 1. Further, part of the water flowing through the first hot water line L2 is branched before the low temperature heat storage device 4 and is sent to the low temperature heat collecting device 1 via the second hot water line L3.
  • the low temperature heat collector 1 heats the water by solar heat to generate a water-vapor two-phase fluid.
  • the generated water-steam two-phase fluid flows through the water-steam line L4 and is introduced into the steam separator 2, and the water-steam two-phase fluid is separated into water and saturated steam in the steam separator 2.
  • the saturated steam separated by the brackish water separation device 2 is introduced into the high temperature heat collecting device 3 via the saturated steam line L6.
  • the water separated by the brackish water separation device 2 raises the water temperature in the brackish water separation device 2.
  • the heat corresponding to the rise in water temperature is stored in the low temperature heat storage device 4. That is, water circulates through the brackish water separation device 2 ⁇ low temperature heat storage device 4 ⁇ low temperature heat collector 1 ⁇ brackish water separation device 2 so that the heat of water heated by the low temperature heat collector 1 It is stored.
  • the saturated steam sent from the brackish water separator 2 to the high temperature heat collector 3 is further heated by solar heat and becomes superheated steam.
  • the superheated steam generated by the high temperature heat collecting device 3 flows through the first main steam line L7 and is supplied to the steam turbine 6, and the steam turbine 6 is driven.
  • a generator (not shown) generates power by driving the steam turbine 6.
  • part of the superheated steam generated by the high temperature heat collecting device 3 is sent to the high temperature heat storage device 5 and heat is exchanged with the heat storage medium in the high temperature heat storage device 5, whereby heat is stored in the high temperature heat storage device 5 .
  • Superheated steam after heat exchange in the high-temperature heat storage device 5 is introduced into the feed water heater 8 after joining the extraction line 11 from the second main steam line L8 through the first steam return line L12.
  • the water supplied to the feed water pump 17 is heated by heat exchange between the water flowing through the condensate line L 10 and the extraction steam flowing through the extraction line L 11.
  • FIG. 3 is operation
  • a line through which the fluid flows is indicated by a thick line, and an arrow on the line indicates the flow direction of the fluid.
  • the water supplied from the water supply pump 17 to the brackish water separation device 2 or the water separated by the brackish water separation device 2 is pressurized by the circulation pump 15 and flows through the first hot water line L2 for low temperature storage. It is sent to the device 4.
  • the water supplied to the low temperature heat storage device 4 is heated by the heat storage medium in the low temperature heat storage device 4 to become a water-vapor two-phase fluid, and is introduced into the steam water separation device 2 via the low temperature bypass line L5.
  • the saturated steam separated by the brackish water separation device 2 is sent to the high temperature heat storage device 5 via the high temperature bypass line L9.
  • the saturated steam supplied to the high temperature heat storage device 5 is heated by the heat storage medium in the high temperature heat storage device 5 to become superheated steam, and is supplied to the steam turbine 6 via the second main steam line L8.
  • the flow on the downstream side of the steam turbine 6 is the same as that in the heat storage operation mode, and hence the description thereof is omitted.
  • FIG. 4A is a diagram showing the in-pipe fluid temperature of the high-temperature heat storage device 5
  • FIG. 4B is a diagram showing the in-pipe fluid temperature of the circulation pump 15 and the low-temperature heat storage device 4.
  • A1, B1, C2, etc. shown on the horizontal axis in FIGS. 4A, 4B correspond to the positions of A1, B1, C2, etc. in FIG. 2, and the dotted line in FIGS. 4A, 4B is the saturation temperature, solid line Indicates the fluid temperature in the tube.
  • the pressure loss of the piping which connects an apparatus is disregarded.
  • the fluid temperature of the superheated steam flowing in the pipe of the high-temperature heat storage device 5 drops due to the heat storage medium of the high-temperature heat storage device 5 taking heat between the positions B1 to B1 ′.
  • the in-pipe fluid temperature remains higher than the saturation temperature. Therefore, from the position A1 on the inlet side of the high temperature heat storage device 5 to the position A1 'on the outlet side, the fluid in the pipe remains as steam. That is, the fluid in the high temperature heat storage device 5 is a single phase flow.
  • the water from the water separator 2 is pressurized by the circulation pump 15 at positions B2 to B2 ', and the saturation temperature also rises accordingly.
  • the pressurized water is supplied to the inlet of the low temperature heat storage device 4, and the heat is transferred to the heat storage medium of the low temperature heat storage device 4 between the position C2 and the position C2 '. Therefore, the in-pipe fluid temperature decreases at position C2 to position C2 '.
  • the saturation temperature is also lowered due to the pressure loss of the low temperature heat storage device 4, the fluid temperature in the pipe is always kept lower than the saturation temperature, so the fluid in the pipe remains in the water state. That is, the fluid in the low temperature heat storage device 4 is a single phase flow.
  • the heat of the superheated steam generated by the high temperature heat collecting device 3 is stored only by the high temperature heat storage device 5, and the hot water separated by the steam water separating device 2 Since the heat is stored only in the low-temperature heat storage device 4, the fluid flowing through the high-temperature heat storage device 5 and the low-temperature heat storage device 4 can be prevented from becoming a gas-liquid two-phase flow. Therefore, when designing the high temperature storage device 5 and the low temperature storage device 4, it is not necessary to consider the water-vapor two-phase fluid, and the design is simplified. Further, according to the present embodiment, since the high temperature storage device 5 and the low temperature storage device 4 are not provided in series, the heat storage amount of the high temperature storage device 5 and the heat storage amount of the low temperature storage device 4 are individually It can be adjusted.
  • the low temperature heat storage device 1120 can not condense The vapor can be supplied to the pump 1112 and the pump 1112 can be damaged by erosion.
  • high-temperature steam is supplied from the high-temperature heat storage device 1116 to the low-temperature heat storage device 1120, which may damage the piping or the like of the low-temperature heat storage device 1120.
  • the heat storage amount of the high temperature heat storage device 5 and the heat storage amount of the low temperature heat storage device 4 can be adjusted individually, there is no risk of such breakage.
  • FIG. 5 is a block diagram of a solar thermal power generation plant according to a second embodiment of the present invention.
  • the first heat for heating the water flowing through the low-temperature heat storage device 4 between the outlet of the low-temperature heat storage device 4 of the first hot water line L2 and the inlet of the low-temperature heat collector 1 A second steam return line L13 is provided which includes the exchanger 40 and connects the first heat exchanger 40 and the outlet side of the high temperature heat storage device 5 via the three-way valve 32, and a second steam return line L13 from the high temperature heat storage device 5.
  • the water recovered by heat exchange with the water flowing through the low-temperature heat storage device 4 in the first heat exchanger 40 is pressurized by the pressure pump 18, and the low-temperature heat collecting device 1 is
  • the point which was equipped with the 1st condensed water supply line L14 to supply differs from a 1st embodiment.
  • the second vapor return line L13 is provided, the first vapor return line L12 shown in the first embodiment is not provided.
  • FIG. 6 is an operation explanatory view of a heat storage operation mode of the solar thermal power generation plant according to the second embodiment.
  • the lines through which the fluid flows are indicated by thick lines, and the arrows on the lines indicate the directions in which the fluids flow.
  • the water supplied from the water supply pump 17 to the brackish water separation device 2 or the water separated by the brackish water separation device 2 is pressurized by the circulation pump 15 and flows through the first hot water line L2 for low temperature storage. It is sent to the device 4.
  • the water (hot water) supplied to the low temperature heat storage device 4 exchanges heat with the heat storage medium in the low temperature heat storage device 4 and dissipates heat to the heat storage medium, and then the pump 16 compensates for the pressure loss in the low temperature heat storage device 4 Then, the pressure is further pressurized and sent to the low temperature heat collector 1 through the first heat exchanger 40. Further, part of the water flowing through the first hot water line L2 is branched before the low temperature heat storage device 4 and is sent to the low temperature heat collecting device 1 via the second hot water line L3.
  • the low temperature heat collector 1 heats the water by solar heat to generate a water-vapor two-phase fluid.
  • the generated water-steam two-phase fluid flows through the water-steam line L4 and is introduced into the steam separator 2, and the water-steam two-phase fluid is separated into water and saturated steam in the steam separator 2.
  • the saturated steam separated by the brackish water separation device 2 is introduced into the high temperature heat collecting device 3 via the saturated steam line L6.
  • the water separated by the brackish water separation device 2 raises the water temperature in the brackish water separation device 2.
  • the heat corresponding to the rise in water temperature is stored in the low temperature heat storage device 4.
  • the saturated steam sent from the brackish water separator 2 to the high temperature heat collector 3 is further heated by solar heat and becomes superheated steam.
  • the superheated steam generated by the high temperature heat collecting device 3 flows through the first main steam line L7 and is supplied to the steam turbine 6, and the steam turbine 6 is driven.
  • a generator (not shown) generates power by driving the steam turbine 6.
  • part of the superheated steam generated by the high temperature heat collecting device 3 is sent to the high temperature heat storage device 5 and heat is exchanged with the heat storage medium in the high temperature heat storage device 5, whereby heat is stored in the high temperature heat storage device 5 .
  • the superheated steam after heat exchange in the high temperature heat storage device 5 flows through the second steam return line L13 and is introduced into the first heat exchanger 40, and heats the water flowing through the low temperature heat storage device 4 in the first heat exchanger 40 Do. At this time, the superheated steam is returned to water by the first heat exchanger 40, and after being pressurized by the pressure pump 18, is supplied to the low temperature heat collector 1.
  • the changes in the in-pipe fluid temperature of the low temperature heat storage device 4 and the high temperature heat storage device 5 in the second embodiment are the same as in the first embodiment, and any heat storage device is a single phase flow. Therefore, in the second embodiment, the same function and effect as the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 7 is a block diagram of a solar thermal power generation plant according to a third embodiment of the present invention.
  • the second embodiment is different from the second embodiment in that the second condensed water supply line L15 is supplied to the inlet side of the circulation pump 15 through the three-way valve 33 by boosting the pressure with the boost pump 18.
  • FIG. 8 is an operation explanatory view of a heat storage operation mode of the solar thermal power generation plant according to the third embodiment.
  • a line through which the fluid flows is indicated by a thick line, and an arrow on the line indicates the flow direction of the fluid.
  • the superheated steam after heat exchange in the high temperature heat storage device 5 flows through the second steam return line L13 and is introduced into the first heat exchanger 40, and the low temperature heat storage device in the first heat exchanger 40 Heat the water that has flowed through 4.
  • the superheated steam is returned to water by the first heat exchanger 40, and after being boosted by the pressure pump 18, flows through the second condensed water supply line L15 and is supplied to the inlet side of the circulation pump 15. .
  • the changes in the in-pipe fluid temperature of the low-temperature heat storage device 4 and the high-temperature heat storage device 5 in the third embodiment are the same as those in the first embodiment, and any heat storage device is a single-phase flow. Therefore, also in the third embodiment, the same function and effect as the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 9 is a block diagram of a solar thermal power generation plant according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the second heat exchanger 41 is provided between the low temperature storage device 4 and the circulation pump 15 of the first hot water line L2, and the superheated steam from the high temperature storage device 5 is used as the third steam.
  • the point which is first introduced into the 2nd heat exchanger 41 via return line L16 differs from a 2nd embodiment.
  • FIG. 10 is an operation explanatory view of the heat storage operation mode of the solar thermal power generation plant according to the fourth embodiment.
  • a line through which the fluid flows is indicated by a thick line, and an arrow on the line indicates the flow direction of the fluid.
  • the superheated steam after heat exchange in the high temperature heat storage device 5 flows through the third steam return line L16 and is first introduced into the second heat exchanger 41, and is circulated in the second heat exchanger 41.
  • the water flowing from the pump 15 toward the low temperature heat storage device 4 is heated.
  • the steam after heat exchange in the second heat exchanger 41 is introduced into the first heat exchanger 40 via the fourth steam return line L17, and the water that has flowed through the low temperature heat storage device 4 in the first heat exchanger 40 Heat up.
  • the superheated steam from the high temperature heat storage device 5 flows through the second heat exchanger 41 and the first heat exchanger 40 in order and is condensed, and after being boosted by the pressure pump 18, the third condensed water supply line L18 It flows and is supplied to the low temperature heat collecting device 1.
  • FIG. 11A is a diagram showing the in-pipe fluid temperature of the high-temperature heat storage device 5
  • FIG. 11B is a diagram showing the in-pipe fluid temperature of the circulation pump 15, the second heat exchanger 41 and the low-temperature heat storage device 4.
  • A1, B1, C2, etc. shown on the horizontal axes of FIGS. 11A, 11B correspond to the positions of A1, B1, C2, etc. in FIG. 10, and dotted lines in FIGS. 11A, 11B represent saturation temperatures, solid lines. Indicates the fluid temperature in the tube.
  • FIG. 11A and FIG. 11B the pressure loss of the piping connecting the devices is neglected.
  • the fluid temperature of the superheated steam flowing in the pipe of the high temperature heat storage device 5 drops due to the heat storage medium of the high temperature heat storage device 5 being deprived of heat between the positions B1 to B1 ′.
  • the in-pipe fluid temperature remains higher than the saturation temperature. Therefore, from the position A1 on the inlet side of the high temperature heat storage device 5 to the position A1 'on the outlet side, the fluid in the pipe remains as steam. That is, the fluid in the high temperature heat storage device 5 is a single phase flow.
  • the water from the water separator 2 is pressurized by the circulation pump 15 at position B2 to position B2 ', and the saturation temperature also rises accordingly.
  • positions C2 to C2 ' which are the inlets and outlets of the second heat exchanger 41, the water flowing in the pipe is heated and the temperature rises, but is maintained at a temperature lower than the saturation temperature.
  • the water heated by the second heat exchanger 41 is supplied to the inlet of the low temperature heat storage device 4 and heat is taken away by the heat storage medium of the low temperature heat storage device 4 between the position D2 and the position D2 '. Therefore, the in-pipe fluid temperature decreases at position D2 to position D2 '.
  • the fluid temperature in the pipe is always kept lower than the saturation temperature, so the fluid in the pipe remains in the water state. That is, the fluid in the low temperature heat storage device 4 is a single phase flow.
  • the fluid flowing in the tubes of the low temperature heat storage device 4 and the high temperature heat storage device 5 can be prevented from becoming a gas-liquid two-phase flow, the same function and effect as the first embodiment can be obtained.
  • high-temperature heat can be stored in the low-temperature heat storage device 4 as much as the water is heated by the second heat exchanger 41, as compared to the first to third embodiments. That is, there is an advantage that the temperature range in which the low temperature heat storage device 4 can store heat can be expanded.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes various modifications.
  • the above-described embodiment is described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to one having all the described configurations.

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Abstract

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。低温集熱装置１と、汽水分離装置２と、汽水分離装置で分離された水を低温集熱装置に供給する第１熱水ラインＬ２と、第１熱水ラインに設けられる低温蓄熱装置４と、高温集熱装置３と、蒸気タービン６と、過熱蒸気を蒸気タービンに供給する第１主蒸気ラインＬ７と、第１主蒸気ラインから分岐して第１主蒸気ラインと合流する第２主蒸気ラインＬ８と、第２主蒸気ラインに設けられる高温蓄熱装置５と、低温蓄熱装置の出口側と汽水分離装置の水－蒸気二相流体入口側とを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Ｌ５と、汽水分離装置の蒸気出口側と高温蓄熱装置の入口側とを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Ｌ９と、を備えた太陽熱発電システム。

Description

太陽熱発電システム
　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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