JP3219670U - 太陽熱空気再熱発電造水造塩設備 - Google Patents

Abstract

【課題】化石燃料を燃焼させず、自然エネルギーのみを活用して、安価でクリーンな電力を連続して長期に得られる太陽熱空気再熱発電設備を提供する。
【解決手段】起動用電動機１０と、同左電動機とクラッチ１１を介して連結された空気圧縮機７と、空気圧縮機と同軸に連結され同左空気圧縮機を駆動する第１空気タービン８及び空気再熱タービン９と、同左空気再熱タービンによって駆動される発電機１３と、空気圧縮機で圧縮され第１の空気流路によって導かれた空気を太陽熱で加熱する第１空気加熱器５と、同左第１空気加熱器で加熱された空気を同左第１空気タービンに導く第２の空気流路と、同左第１空気タービンから排気され第３の空気流路によって導かれた空気を太陽熱で加熱する空気再熱加熱器６と、同左再熱加熱器と空気再熱タービンを連通させる第４の空気流路と、を有し、空気再熱タービンを駆動することによって発電機を駆動し発電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、化石燃料を燃焼させて熱エネルギを得るのでなく、太陽光を集光して空気を加熱し太陽熱エネルギを電気エネルギに変換する太陽熱空気発電設備と、海水淡水化設備と造塩設備に関する。

太陽熱エネルギを電気エネルギに変換する装置について、先行特許文献１、特開平８−２４６８１１号では蒸気タ−ビン発電システムと、淡水化設備と造塩設備を組み合わせた設備を開示している。また、非特許文献１、「海水淡水化技術の動向と課題」日本海水学会誌 第５０巻 第４号では、水蒸気を加熱源として海水を加熱させ、海水を蒸発させこの水蒸気から淡水を得る設備を開示している。

特開平８−２４６８１１号 公報

海水淡水化技術の動向と課題 日本海水学会誌 第５０巻 第４号Ｐ．２２２

先行例、特開平８−２４６８１１号では焼却炉熱回収設備から蒸気を得て、蒸気タービン発電機を駆動し発電すると同時に、蒸気タービンの排気蒸気を造塩設備に送っているが、造塩設備の具体的な説明がない。また海水ポンプの海水を淡水化設備に送る連絡通路が記載されているが、この海水から淡水を生み出す、具体的な、淡水化設備の説明がなされていない。

さらに非特許文献１ではボイラ等で発生させた加熱蒸気を海水の加熱源として用いており、この加熱蒸気を生み出す為に化石燃料が必要となる。加熱蒸気を用いないで海水を加熱する設備の説明がなされていない。

通常の大気圧力約０．１ＭＰａの大気圧力を約１０倍の圧力、約１．０ＭＰａに圧縮する空気圧縮機の必要動力と、発電する為の必要動力と、太陽熱空気再熱加熱装置から送られてくる高温高圧空気で駆動する第１空気タービンと、空気再熱タービンと、発電機と、を同軸構成にして発電する太陽熱空気発電設備を考案した。さらに、同時に、該空気再熱タービン排気空気の熱空気エネルギを活用して、海水を淡水化する海水淡水化設備と、同上の熱空気エネルギを用いて濃縮海水から水分を蒸発させて、塩粒子を生み出す造塩設備を考案した。

同上設備に最適な空気再熱サイクルを考案した。第１空気タービンと空気再熱タービン入口計画圧力、計画温度条件として、第１空気タービン入口圧力、温度条件、は１．０ＭＰａ、６００℃、とし、再熱空気タ−ビン入口圧力、温度条件は０．５ＭＰａ、６００℃を採用した空気再熱サイクルを考案した。

本考察では、化石燃料を燃焼させることなく、自然エネルギのみを活用して、安価でクリーンな電力を連続して長期に得られ効果が生まれる。さらに、同時に、淡水や塩粒子が、ボイラ等から発生させた水蒸気を一切必要としないで、海水から安価な淡水と塩粒子も同時に得られる経済効果が生まれる。

この考案の１塔式太陽熱空気再熱発電造水造塩設備の全体基本構成を示す。 この考案の２塔式太陽熱空気再熱発電造水造塩設備の全体基本構成を示す。 本考案の太陽熱海水淡水化設備を示す。 本考案の太陽熱造塩設備を示す。 空気の温度−エントロピ線図（Ｔ−ｓ線図）上に本考案に係る空気再熱サイクルの一例を示す。 タービン入口圧力を１．０ＭＰａ一定にして、タービン入口温度を変化させた時の発電可能動力の試算結果を示す。

太陽光の熱エネルギを集光して空気を加熱し空気再熱タービンを駆動して発電機を回転させ発電する発電装置と、空気再熱タービンの排気空気熱エネルギを活用して、海水を淡水化する海水淡水化装置と、同左の海水淡水化装置から得られる濃縮海水中の水分を、同上の空気再熱タービンが排出する排気空気熱エネルギを活用して、大気中に蒸発させて得られる塩粒子を製造する造塩設備の形態を以下の図１，２，３，４，５，６に従い説明する。

図１は、空気再熱サイクルを採用して、集熱塔が１塔、圧縮機が１台、空気タービンが２台、発電機１台と、海水淡水化装置と造塩装置から成る、太陽熱空気再熱発電造水造塩設備を示す。図１では、太陽１の太陽光を第１太陽熱集熱装置２で太陽光を集光し、集合集熱塔３の上部に設置された集合太陽熱加熱装置４に設置された第１空気加熱器５に空気圧縮機７から第１空気加熱器入口管５０を通過して送られてくる圧縮空気を加熱する。このような太陽熱利用装置は周知の技術であるため、詳細な説明は省略する。加熱された圧縮空気は第１空気加熱器出口管２１を通過して、第１空気タービン８に流入して駆動し空気圧縮動力を発生する。さらに、第１空気タービン排気は、第１空気タービン排気管２８を経て空気再熱加熱器６に送られ再度太陽エネルギで加熱され再熱空気加熱器出口管２９を通過した高温空気が空気再熱タービン９に流れ圧縮動力と発電動力を発生する。

さらに、空気再熱タービン９を駆動した排気空気の温度は、約３５０℃程度と常温空気温度１５℃に比較して、十分利用可能な温度レベルである。この排気空気は、空気再熱タービン出口ダクト２０を通過して３分割され、多くは大気排出ダクト２５と大気排出ダンパ−２２を通過して大気に放出される。その１部は、海水淡水化装置３１の海水の加熱源となり、残りは造塩装置３２の濃縮海水の加熱源となる。

図１の海水淡水化設備３１へは、海水ポンプ４３を動かし、海水タンク４０から海水を送る。海水は海水淡水化設備３１を通過しながら水分と濃縮海水に分離される。汲み上げた海水は、海水ポンプ出口管４４を通過して海水淡水化設備入口弁４５を経て海水淡水化設備３１に送られる。海水淡水化設備３１にて濃縮海水と分離された淡水は、淡水管３６を通過して淡水タンク４１に送水され貯水される。

図１の海水淡水化設備入口ダクト２６を通過した高温空気は海水淡水化装置入口ダンパ−２３を通過して、海水淡水化設備３１へ熱エネルギ源として送られ海水を加熱して水分を蒸発させて、さらにこの水蒸気を海水で冷やして復水に戻し淡水を造る。

図１の造塩設備３２へは、海水淡水化設備３１から濃縮海水管４７と、濃縮海水弁４８を通過して濃縮海水が送られる。造塩設備３２で分離された塩粒子６７は、図４に示す塩粒子移送トレイ４９を経由して、塩粒子タンク４２に送られ蓄えられる。

図２は、集熱塔が、第１空気加熱器５を塔頂にもつ分割第１集熱塔６１と、空気再熱加熱器６を塔頂にもつ分割第２集熱塔６４に２分された２塔式集熱塔の場合を示す。さらに、図２の分割第１太陽熱加熱装置６２は第１空気加熱器５を持つ。同様に分割第２太陽熱集熱装置６３は空気再熱加熱器６を持つ。

図２は集熱塔が２塔式、圧縮機が１台、空気タービンが２台、発電機１台と、図１で示した海水淡水化設備３１と、造塩設備３２から成る、２塔式の太陽熱空気再熱発電造水造塩設備を示す。

図２では、太陽１の太陽光を分割第２太陽熱集熱装置６０で太陽光を集光し、この太陽光は分割第１集熱塔６１の上部に設置された分割第１太陽熱加熱装置６２に設置された第１空気加熱器５を加熱する。空気圧縮機７から第１空気加熱器入口管５０を通過して送られてくる圧縮空気は、第１空気加熱器５にて太陽熱にて加熱される。加熱された高温空気は、第１空気加熱器出口管２１を通過して、第１空気タービン入口弁１６を経由して第１空気タービン８に流入して空気圧縮機７の圧縮動力を発生する。

図２の第１空気タービン８の排気空気は、第１空気タービン排気管２８を通過して空気再熱加熱器入口管５２を通過して空気再熱加熱器６に送られ太陽熱で再熱される。再熱された空気は、空気再熱加熱器出口管２９を経由して、空気再熱タービン入口弁１９を通過して空気再熱タービン９に送られて、空気再熱タービン９を駆動して圧縮機動力の不足分と発電動力を生み出す

図２の再熱空気タービン９の排気空気は、図１の空気再熱タービン９の排気空気と同様、空気再熱タービン排気ダクト２０を経由して、大気放出と、海水淡水化設備３１と、造塩設備３２と３方向へ分流される。

図３は本考案の海水淡水化設備を示す、多段フラッシュ蒸発方式を採用し、本設備の海水を加熱して蒸発させる熱エネルギ源として、空気再熱タービン９の高温排気空気熱エネルギを有効活用した海水淡水化設備を示す。このような海水淡水化設備は例えば非特許文献１に記載されているものが利用できる。

海水タンク４０から海水を海水ポンプ４３を駆動して汲み上げ、海水弁７８を通過して、海水管７６にて最終段蒸発器７３に送水される。最終段蒸発器７３に流入した海水は、図３の最終段蒸発器７３内に充満した水蒸気を冷却して淡水を作る。最終段蒸発器７３の内圧は、真空ポンプ７０にて負圧となっている。さらに水蒸気を冷却した海水は海水ブロー弁７２を通過して海水ブロー管７１を経由して系外にブロー漕へ排出される。ブロー海水の一部は再循環海水管７４を経て、再循環海水弁７５を通過して最終段蒸発器７３に戻される。

図３の第３段蒸発器８６へは、濃縮海水ポンプ８０でくみ出された濃縮海水が濃縮海水ポンプ出口管８１を通過して濃縮海水再循環弁８３を経て冷却海水が送られる。第３段蒸発器８６内の蒸気はこの海水冷却水にて冷却され復水になり淡水に変化する。濃縮海水弁８２を通過した造塩装置海水入口管９０を経て造塩装置３２に送られる。

図３の第２段蒸発器８５へは、後段の第３段蒸発器８６を出た冷却海水が流入して第２段蒸発器８５内の水蒸気を冷却して淡水を作り出す。同時に、図３の第２段蒸発器８５へは上段の第１段蒸発器８４からの濃縮海水が送り出されてくる。

図３の第１段蒸発器８４へは後段の第２段蒸発器８５を出た冷却海水が流入して第１段蒸発器８４内の水蒸気を冷却して淡水を作り出す。同時に、図３の第１段蒸発器８４を出た海水は、濃縮海水加熱器入口海水管８７を通過して海水加熱管８８に送られ空気再熱タービン排気空気により加熱される。第１段蒸発器８４へは第１段蒸発器入口海水管８９を経由して加熱された海水が流入してくる。

図３の海水淡水化装置入口ダクト２６を通過して来た空気再熱タービン９の高温排気空気は、海水淡水化装置入口ダンパ−２３を通過して、海水加熱管８８にて第１段蒸発器８４出口の海水を加熱する。

図３で生じた濃縮海水は、図４の造塩設備濃縮海水入口管９０を経て濃縮海水スプレイ装置９１を通過して塩加熱ダクト９８の上に散布され、海水の水分が蒸発して、海水中の塩粒子６７が残る。

造塩設備入口ダクト２７を通過した加熱空気は、塩加熱ダクト入口箱９２に入る。この空気は塩加熱ダクト９８を通過して塩加熱ダクト９８の上面に散布された濃縮海水を加熱して水分を蒸発させて塩粒子６７を斜面に沿って落下させる。塩加熱ダクト側板９３に沿って斜面を滑り落ちてきた塩粒子６７は、塩取出しトレイ４９を通過して塩粒子タンク４２に集められ蓄えられる。

塩加熱ダクト９８を通過した加熱空気は温度が下がり、塩加熱ダクト出口箱９７を通過して造塩設備排気ダクト３５を経由して大気に排出される。

図５では、本装置が定格負荷運転時の各装置の計画状態値を空気温度−エントロピ線図（Ｔ−ｓ線図）上に示した図である。すなわち、空気温度−エントロピ線図上に、第１空気タービン入口圧力を１．０ＭＰａ、温度を８７３Ｋ（６００℃）、再熱空気タービン入口圧力を０．５ＭＰａ、温度を８７３Ｋ（６００℃）、とした場合の熱サイクル（圧縮：Ａ→Ｂ、第１加熱：Ｂ→Ｃ、第１膨張：Ｃ→Ｄ、再熱加熱：Ｄ→Ｅ、再熱膨張：Ｅ→Ｆ、再熱排気：Ｆ→Ａ）を示した図である。

空気圧縮機５の入口空気の温度は常温で約１５℃（２８８Ｋ）程度である。かつ圧力は約０．１ＭＰａ程度である。本基準点は、図５のＡ点で示される。吸い込まれた空気は圧縮機で圧縮され約１．０ＭＰａに昇圧される。図５のＢ点に該当する。

圧縮された空気は約２９０℃に上昇するが、太陽熱でさらにこの空気を加熱し空気タービン入口温度を６００℃（８７３Ｋ）までに昇温する。この点を図４のＣ点で示す。このＣ点の空気を０．５ＭＰａまで膨張させて第１空気タービン８を駆動して空気圧縮動力を得る。この点を図５のＤ点（約４５０Ｋ）で示す。さらに再熱温度６００℃（８７３Ｋ）に太陽熱で再熱する。この点を図５のＥ点で示す。さらにこの再熱された空気は再度膨張して空気再熱タービン９を駆動して空気圧縮動力の不足分を補い、残りは発電動力を生み出す。この点を図５のＦ点（約３５０℃）で示す。

図６では第１空気タービン８の入口圧力を１．０ＭＰａ一定として、第一空気タービン８の入口温度を増加させた場合の圧縮機動力と第１タービン動力と第２タービン動力、発電可能動力の変化特性を試算した結果である。図６の第１タービン動力と第２タービン動力とは、第１空気タービン８の動力と空気再熱タービン９の動力を意味する。

第１空気タービン入口圧力が１．０ＭＰａ一定であるので、空気圧縮機７が必要とする圧縮機動力は、空気タービン入口温度に影響されず一定である。

また、発電可能動力とは第１及び第２空気タービン発生動力合計分から圧縮動力分を差し引いた動力である。第１及び第２タ−ビン入口温度が、増加すると発電可能動力も増加するが、空気タービン入口温度が約６００℃付近で第１タービン８、及び第２タービン９が発生する動力の増加割合は少なくなり、発電可能動力の増加割合も同じく少なくなる。したがって、第１及び第２タービン入口温度が６００℃近傍に妥当な空気再熱タービン入口温度が存在する。

本考案設備に関係する配管や各換器の材料はタービン入口温度が低いほど合金鋼を使わないですみ、合金鋼に比較して安価な炭素鋼の使用可能範囲が広がる。できるだけ高価な合金鋼の使用範囲を減らすことが、経済的な発電設備となる。

図６で説明した最適空気圧力／温度の試算例は、第１空気タービン入口弁１６での空気絞り圧力損失や、各機器の圧力損失や、各機器の熱放散損失をあえて考慮しないで試算しており、これらの損失動力を考慮すると発電可能動力量は図６で試算した出力より若干低下する。しかし、これらの損失により発生する損失動力は第１空気タービン８と空気再熱タービン９が発生する動力に比較して小さい。

本試算図６で示している、第１空気タービン入口空気温度／圧力条件が、６００℃／１．０ＭＰａ近傍である事と、空気再熱タービン入口空気温度／圧力条件が、６００℃／０．５ＭＰａ近傍である事は、経済性と実現性を考えて妥当な空気条件である。

本試算は、空気１ｋｇ／ｓ当たりの試算例であり、実際の一般的なガス燃料を燃焼させるガスタービンでは吸い込み空気量がガスタービンの出力と燃焼ガス温度により変化するが、約数十〜数百ｋｇ／ｓであることから本装置の現実的な製造可能な大きさ制限から考えて１設備当たり約数千ｋＷから数万ｋＷの発電量が期待できる。

１ 太陽
２ 第１太陽熱集熱装置
３ 集合集熱塔
４ 集合太陽熱加熱装置
５ 第１空気加熱器
６ 空気再熱加熱器
７ 空気圧縮機
８ 第１空気タービン
９ 空気再熱タービン
１０ 起動用電動機
１１ クラッチ
１２ 共通軸
１３ 発電機
１４ 圧縮機入口フィルタ−
１５ 圧縮機入口ダクト
１６ 第１空気タービン入口弁
１９ 空気再熱タービン入口弁
２０ 空気再熱タービン排気ダクト
２１ 第１空気加熱器出口管
２２ 大気排出ダンパ−
２３ 海水淡水化設備入口ダンパ−
２４ 造塩設備入口ダンパ−
２５ 大気排出ダクト
２６ 海水淡水化設備入口ダクト
２７ 造塩設備入口ダクト
２８ 第１空気タービン排気管
２９ 空気再熱加熱器出口管
３１ 海水淡水化設備
３２ 造塩設備
３４ 海水淡水化設備排気ダクト
３５ 造塩設備排気ダクト
３６ 淡水管
４０ 海水タンク
４１ 淡水タンク
４２ 塩粒子タンク
４３ 海水ポンプ
４４ 海水ポンプ出口管
４５ 海水淡水化設備入口弁
４７ 濃縮海水管
４８ 濃縮海水弁
４９ 塩粒子移送トレイ
５０ 第１空気加熱器入口管
５４ 空気再熱タービン排気ダクト
６０ 分割第１太陽熱集熱装置
６１ 分割第１集熱塔
６２ 分割第１太陽熱加熱装置
６３ 分割第２太陽熱集熱装置
６４ 分割第２集熱塔
６６ 真空ポンプ出口管
６７ 塩粒子
７０ 真空ポンプ
７１ 海水ブロー管
７２ 海水ブロー弁
７３ 最終段蒸発器
７４ 再循環海水管
７５ 再循環海水弁
７６ 海水管
７７ 淡水ポンプ
７８ 海水弁
７９ 淡水弁
８０ 濃縮海水ポンプ
８１ 濃縮海水ポンプ出口管
８２ 濃縮海水弁
８３ 濃縮海水再循環弁
８４ 第１段蒸発器
８５ 第２段蒸発器
８６ 第３段蒸発器
８７ 加熱器入口海水管
８８ 海水加熱管
８９ 第１段蒸発器入口海水管
９０ 造塩設備濃縮海水入口管
９１ 濃縮海水スプレイ装置
９２ 塩加熱ダクト入口箱
９３ 塩加熱ダクト側板
９６ 濃縮海水加熱管
９７ 塩加熱ダクト出口箱
９８ 塩加熱ダクト
９９ 塩加熱ダクト入口箱土台

Claims (3)

1. 起動用電動機と、同左電動機とクラッチを介して連結された空気圧縮機と、上記空気圧縮機と同軸に連結され同左空気圧縮機を駆動する第１空気タービン及び空気再熱タービンと、同左空気再熱タービンによって駆動される発電機と、上記空気圧縮機で圧縮され第１の空気流路によって導かれた空気を太陽熱で加熱する第１空気加熱器と、同左第１空気加熱器で加熱された空気を同左第１空気タービンに導く第２の空気流路と、同左第１空気タービンから排気され第３の空気流路によって導かれた空気を太陽熱で加熱する空気再熱加熱器と、同左再熱加熱器と上記空気再熱タービンを連通させる第４の空気流路と、を有し、上記空気再熱タービンを駆動することによって上記発電機を駆動し発電することを特徴とする太陽熱空気再熱発電設備。
2. 請求項１において、上記空気再熱タービンの排気空気を海水淡水化設備に導き、上記排気空気の熱を用いて海水淡水化設備を駆動することを特徴とする発電設備。
3. 請求項２において、上記空気再熱タービンの排気空気と上記海水淡水化設備で生成した濃縮海水とを用いて、海水から塩粒子を作る造塩設備を駆動することを特徴とする発電設備。