JP6223955B2 - 太陽熱発電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱発電システムに関する。

太陽熱を効果的に蓄熱することが可能な太陽熱発電プラントとして、水／水蒸気を１次熱媒体として使用し過熱蒸気を生成する太陽熱集熱装置と、太陽熱蓄熱放熱熱媒体として溶融塩又は油を用いた太陽熱蓄熱放熱装置と、水蒸気を２次熱媒体として用いた蒸気タービン発電設備とを備えた太陽熱発電プラントがある（例えば、特許文献１参照）。

また、１次熱媒体と蓄熱放熱熱媒体としては溶融塩を、２次熱媒体としては水蒸気を使用し、集熱器からの高温の溶融塩を蓄える高温溶融塩タンクと、蒸気タービンを駆動する２次熱媒体を加熱した後の溶融塩を蓄える低温溶融塩タンクとを備えた太陽熱発電プラントがある（例えば、非特許文献１参照）。

この太陽熱発電プラントは、従来の太陽熱発電プラントの構成を示す概念図である図７に示すように、太陽が放射した直射日光を集熱器に集めるために、太陽の方向に応じて位置を変更するように構成された太陽追尾ミラーであるヘリオスタット２００と、１次熱媒体である溶融塩が循環する太陽熱集熱／蓄熱系である１次系統Ａと、２次熱媒体である水蒸気により蒸気タービンを駆動し発電する２次系統Ｂとを備えている。

１次系統Ａは、低温溶融塩を蓄える低温溶融塩タンク２０１と、低温溶融塩タンク２０１から低温溶融塩を取り出して送出する第１溶融塩ポンプ２０２と、ヘリオスタット２００からの直射日光を集熱し第１溶融塩ポンプ２０２が送出した溶融塩を加熱する集熱器２０３と、集熱器２０３で加熱された高温溶融塩を蓄える高温溶融塩タンク２０４と、高温溶融塩タンク２０４から高温溶融塩を取り出して送出する第２溶融塩ポンプ２０５と、第２溶融塩ポンプ２０５が送出した高温溶融塩が供給され、２次熱媒体である水蒸気や給水を加熱する過熱器２０６、再熱器２０７、蒸発器２０８、給水予熱器２０９とを備えている。給水予熱器２０９で給水を加熱することで、冷却された溶融塩は低温溶融塩タンク２０１に蓄えられる。

２次系統Ｂは、過熱器２０６から供給された過熱蒸気により駆動する高圧タービン３０１と、再熱器２０７から供給された再熱蒸気により駆動する中低圧タービン３０２と、中低圧タービン３０２で仕事を終えた２次熱媒体を復水する空冷復水器３０３と、復水を蓄える復水タンク３０４と、復水タンク３０４から給水予熱器２０９へ給水を送出する給水ポンプ３０５と、高圧タービン３０１と中低圧タービン３０２とにより駆動されて発電する発電機３０６とを備えている。

この太陽熱発電プラントにおいては、夜間に、低温溶融塩タンク２０１から集熱器２０３と高温溶融塩タンク２０４への溶融塩の供給を行なわずに、高温溶融塩タンク２０４に蓄えられた高温溶融塩を過熱器２０６、再熱器２０７、蒸発器２０８、給水予熱器２０９へ供給し、低温溶融塩タンク２０１に回収することで、２次熱媒体を加熱できるので、生成した蒸気で高圧タービン３０１と中低圧タービン３０２とを駆動し発電することができる。

特開２０１４−９２０８６号公報 ‘Crescent Dunes Solar Energy Project’［online］. Solar Reserve, LLC.［retrived 29.September 2011］. Retrived from the Internet: < URL: http://www.solarreserve.com/what-we-do/csp-technology/ >.

上述した特許文献１の太陽熱発電プラントでは、主蒸気切り替え弁６、蓄熱運転時蒸気熱交換器入口弁４１、及び放熱運転時高圧蒸気タービン入口配管合流弁１０７を備えていて、これら３弁の切り替え制御を運転モード（太陽熱蓄熱運転モードまたは太陽熱放熱運転モード）に応じて制御する。このため、３弁を使った切り替えシステムの構成の複雑化や、切り替え制御などの運用の複雑化が懸念される。

また、蓄熱材に熱を伝える１次熱媒体の水蒸気は、温度の変化により、過熱蒸気および飽和蒸気から飽和水と気体から液体に変化する相変化現象が生じる。このため、４種類の熱交換器（蒸気熱交換器３３、飽和蒸気復水器３４、飽和水熱交換器３５、飽和水蒸発器３８）の設置が必要となると共に、蓄熱放熱系統が複雑化し、太陽熱発電プラントの建設コストが増加する要因となる。

また、非特許文献１の太陽熱発電プラントも、２次熱媒体に水蒸気を用いて蒸気タービンを駆動して発電するシステムなので、相変化現象に対応する複数の熱交換器（給水予熱器、蒸発器、過熱器、再熱器）の設置が必要になり、システムが複雑化し、建設コストの増加を招くという課題がある。

本発明は、上述した事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、太陽熱発電プラントにおけるシステムを簡素化して、建設コストと発電コストを低減した太陽熱発電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、太陽熱を集熱して１次熱媒体である溶融塩を加熱する太陽熱集熱装置と、前記太陽熱集熱装置へ供給する溶融塩を蓄える低温タンクと、前記太陽熱集熱装置で加熱された高温の溶融塩を蓄える高温タンクと、前記高温タンクから供給された高温の溶融塩を加熱媒体として２次熱媒体を加熱する２次熱媒体加熱器とを有する太陽熱蓄熱／放熱装置と、大気から吸引した空気を所定の圧力まで昇圧して前記２次熱媒体である圧縮空気を生成する圧縮機と、前記２次熱媒体加熱器で加熱された圧縮空気を導入して発電機を駆動する高温空気タービンとを有する圧縮機／高温タービン発電装置と、前記圧縮機を駆動する電動機と、前記電動機へ動力を供給し、前記電動機の回転数制御するインバータと、前記２次熱媒体加熱器で加熱された圧縮空気を、前記高温空気タービンをバイパスさせて高温空気タービン排気母管に導くバイパス系統と、前記バイパス系統を流れる圧縮空気の流量を調節するバイパス弁と、前記高温空気タービンに流入する圧縮空気の流量を調節する入口弁と、前記バイパス弁及び前記入口弁の開度を調節することで、前記高温空気タービンに導入される圧縮空気の流量と圧力が所定値になるように制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、太陽熱発電プラントにおけるシステムを簡素化して、建設コストと発電コストを低減した太陽熱発電システムを提供できる。

本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態の構成を示す概念図である。 本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態における圧縮機の起動時間に対する高温空気タービン入口圧力の特性を示す特性概念図である。 本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態における１日の直達日射強度の変化に対する、高温空気タービン入口温度、高温空気タービン入口流量、及び高温空気タービン発電機出力の特性を示す特性概念図である。 本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態における１日の太陽熱エネルギの運用構成を示す特性概念図である。 本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態の構成を示す概念図である。 本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態における圧縮機の起動時間に対する高温空気タービン入口圧力の特性を示す特性概念図である。 従来の太陽熱発電プラントの構成を示す概念図である。

以下、本発明の太陽熱発電システムの実施の形態を説明する。
本発明の太陽熱発電システムの実施の形態は、１次系の熱媒体として溶融塩を使い、太陽熱を集熱し蓄熱と放熱を行う１次系と、２次系の熱媒体として周りの大気から空気を吸い込み１台の空気圧縮機で圧縮した圧縮空気を使い、高温空気タービンを駆動して発電する２次系とを備えている。２次系において、圧縮空気は２次熱媒体加熱器で加熱されて、高温空気となり、高温空気タービンを駆動した後には、圧縮機出口の空気を加熱した後に大気に放出される。

また、高温空気タービンは、タービン入口の空気の温度を８５０℃のような高温空気とせず。温度範囲を４００℃〜６００℃程度に抑えて設計している。このことにより、ニッケル等の高価な金属材料の使用範囲を抑制して、一般的な炭素合金鋼を用いた高温空気タービンを可能としている。この結果、高温空気タービンの低コスト化が図れ、自然環境にやさしい、経済的な太陽熱発電システムを構築できる。

具体的には、太陽熱を集熱し蓄熱と放熱を行う１次系の熱媒体である１次熱媒体を、水蒸気でなく溶融塩を用いて、この高温熱媒体を高温熱源として活用する。一方、発電系統である２次系に蒸気タービンではなく、高温空気タービンを使う。すなわち、空気圧縮機を使って約６bar絶対圧〜１０bar絶対圧程度の比較的低い圧力で、温度は６００℃程度の高圧高温空気を生成し、この空気を２次熱媒体として使用して高温空気タービンと発電機を駆動して発電する。

蓄熱運転や放熱運転のために必要となる高温熱媒体である蓄熱材は、安価で６００℃程度までの高温仕様に耐え得る溶融塩、例えば、硝酸ナトリウム６０％と硝酸カリウム４０％から成る溶融塩を使うことが可能である。低温熱媒体としては、大気中の空気を２次熱媒体として活用し、この２次熱媒体を１台または２台以上の空気圧縮機を用いて加圧する。

１次熱媒体と２次熱媒体との間の熱交換を行なう熱交換器として、２次熱媒体加熱器が設けられている。このことにより、太陽熱で加熱された高温空気が生成され、高温空気タービンに供給される。高温空気タービンは、直結した発電機を駆動して発電し、空気圧縮機等の所内消費動力を差し引いた動力を送電電力として系統へ供給する。

本発明の太陽熱発電システムの実施の形態を構成する太陽熱集熱装置はトラフ型でなく高温空気が得られやすいタワー型を採用している。本実施の形態においては、日中に発電を行なうと同時に、夜間の発電に備えて１次熱媒体を２タンク方式のタンクに蓄える運用を行い、夜間には、タンクから１次熱媒体を送り出して放熱し発電する運用を行なう。

以下、図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態の構成を示す概念図である。図１において、太陽熱発電システムは、１次系を構成する太陽熱蓄熱／放熱装置１００Ａと、同じく１次系を構成する太陽熱集熱装置１００Ｂと、２次系を構成する圧縮機／高温タービン発電装置２００とを備えている。

太陽熱蓄熱／放熱装置１００Ａは主な構成として、低温の一次熱媒体を蓄える一次低温熱媒体タンク５と、一次低温熱媒体タンク５から太陽熱集熱装置１００Ｂへ一次熱媒体を送出する１次低温熱媒体ポンプ７と、太陽熱集熱装置１００Ｂからの高温の一次熱媒体を蓄える１次高温熱媒体タンク２５と、１次高温熱媒体タンク２５から２次熱媒体加熱器４７または１次低温熱媒体タンク５へ一次熱媒体を送出する１次高温熱媒体ポンプ２７と、高温の１次熱媒体の熱エネルギを２次熱媒体の圧縮空気に伝える２次熱媒体加熱器４７とを備えている。

太陽熱集熱装置１００Ｂは主な構成として、タワー３の頂上部に設置した集熱器４８と、太陽１から出る直達日射光４２を反射鏡にて反射させ、直達日射光反射光として集熱器４８に集光して１次熱媒体を昇温するヘリオスタット２と、必要な太陽熱エネルギを集めるために、ヘリオスタット２の太陽光反射角度を制御する太陽熱集熱量制御装置４とを備えている。

圧縮機／高温タービン発電装置２００は主な構成として、大気から空気を吸い込み圧縮する第１圧縮機８６と、第１圧縮機８６からの圧縮空気を加熱する再生器６５と、再生器６５で加熱された後に２次熱媒体加熱器４７で更に加熱された高温空気により駆動される高温空気タービン５６と、高温空気タービン５６により駆動されて発電を行う発電機１４５と、所内電気系統５００とを備えている。高温空気タービン５６からの排気は、再生器６５へ供給され、第１圧縮機８６からの圧縮空気を加熱した後、排気塔８０から排出される。高温空気タービン５６と発電機１４５とは、軸連結器１４６を介して回転軸の脱着を行う。軸連結器１４６としては、クラッチまたはトルクコンバータが用いられる。

第１圧縮機８６の空気入口には、第１圧縮機入口空気配管１７１が接続されている。第１圧縮機入口空気配管１７１には、乾燥器１６８と二酸化炭素除去装置１７２とが設けられている。第１圧縮機入口空気配管１７１の更に上流には空気入口配管１６４の一端が接続されている。空気入口配管１６４の他端には、第１吸い込み空気入口フィルタ７３が設けられている。

所内電気系統５００は、発電機１４５の出力端に一端側を接続した発電機出口主回路と、発電機出口主回路の他端側に接続した発電機出口遮断器１４３と、発電機１４５の出力電圧を系統電圧まで昇圧する主変圧器１４０と、主変圧器１４０の高圧側に配置され発電機１４５と外部電力系統１３５との接続／遮断を行う主回路遮断器１３９とを備えている。

また、所内電気系統５００は、所内電力と外部電力系統１３５との接続／遮断を行う所内変圧器遮断器１４１と、系統電圧を所内電源の電圧まで降圧する所内変圧器１３４と、所内変圧器１３４の低圧側に接続された所内電気系統１２１と、所内電気系統１２１からの電力と第１圧縮機インバータ装置１３０との接続／遮断を行う第１圧縮機遮断器１２９とを備えている。

次に、太陽熱発電システムにおける各熱媒体の流れを説明しながら、太陽熱蓄熱／放熱装置１００Ａ、太陽熱集熱装置１００Ｂ、圧縮機／高温タービン発電装置２００の構成を説明する。

太陽熱蓄熱／放熱装置１００Ａ及び太陽熱集熱装置１００Ｂにおいて、１次低温熱媒体タンク５に蓄えられた１次熱媒体である低温溶融塩は、図１に示すように、１次低温熱媒体ポンプ入口配管６を介して取り出され１次低温熱媒体ポンプ７により昇圧される。昇圧された低温溶融塩は１次低温熱媒体ポンプ出口弁８を通過して１次低温熱媒体ポンプ出口配管９内を流れタワー入口弁１０を通過してタワー入口熱媒体配管１３内を流れ集熱器４８に送られる。

集熱器４８では、太陽１が放射した直達日射光４２を多数のヘリオスタット（太陽光反射鏡）２で反射して集めて生まれる高温熱エネルギを低音溶融塩の加熱に用いる。

加熱された低温溶融塩は、高温溶融塩となりタワー出口熱媒体配管１４を通過してタワー出口弁１５を流下してタワー出口配管１７内を流れ１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５の液位を調整する１次高温熱媒体タンク液位調整弁２１に送られる。タワー出口配管１７には、管内の高温溶融塩の温度を検出する温度センサ２０が設けられている。また、１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５には、高温溶融塩の液位を検出する液位センサ４３と高温溶融塩の温度を検出する温度センサ７２が設けられ、液位センサ４３で検出された高温溶融塩の液位に応じた制御信号が１次高温熱媒体タンク液位調整弁２１に送られ、１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５の液位が制御される。

１次高温熱媒体タンク液位調整弁２１を通過した高温溶融塩は１次高温熱媒体タンク入口配管２２と１次高温熱媒体タンク入口弁２３と１次高温熱媒体タンク入口弁出口配管２４を通過して１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５に送られる。

なお、１次低温熱媒体ポンプ出口配管９にその一端を接続し、その他端をタワー出口配管１７に接続したタワーバイパス配管１２と、タワーバイパ配管１２の連通／遮断を行なうタワーバイパス弁１６とが設けられている。タワーバイパス弁１６は、タワー３側に何らかの異常事態が生じて、低温溶融塩を受熱器４８へ供給できなくなった場合に、低温溶融塩を１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５へ直接供給するためのバイパス弁である。また、太陽熱が十分に集熱出来ない早朝など、システムの起動時には、必要に応じてこのバイパス系統を使って低温溶融塩を１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５に直接送るという運用も可能となる。

次に、１次高温熱媒体タンク２５に蓄えられた高温溶融塩は、１次高温熱媒体タンク出口配管２６を介して取り出され、１次高温熱媒体ポンプ２７により昇圧される。昇圧された高温溶融塩は、１次高温熱媒体ポンプ出口弁２８と１次高温熱媒体ポンプ出口弁出口配管３２を通過して１次高温熱媒体タンク出口母管３３と２次熱媒体加熱器入口１次熱媒体配管３４とを流れ２次熱媒体加熱器入口１次熱媒体弁３５と２次熱媒体加熱器１次熱媒体入口配管４４を通過して、２次熱媒体加熱器４７に送られる。２次熱媒体加熱器１次熱媒体入口配管４４には、管内の高温溶融塩の温度を検出する温度センサ４６が設けられている。

１次高温熱媒体ポンプ２７の取り出し高温溶融塩の流量は１次低温熱媒体ポンプ７の送り出し低温溶融塩の流量の約半分程度であり、残りの高温溶融塩の流量が１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５に貯留される。このことにより、太陽熱の蓄熱運転が可能となる。

なお、タワー出口配管１７の下流側にその一端を接続した１次高温熱媒体タンクバイパス弁入口配管３０と、１次高温熱媒体ポンプ出口弁出口配管３２の下流側に他端を接続した１次高温熱媒体タンクバイパス弁出口配管３１と、１次高温熱媒体タンクバイパス弁入口配管３０の他端をその入口側に接続し、１次高温熱媒体タンクバイパス弁出口配管３１の一端をその出口側に接続した１次高温熱媒体タンクバイパス弁２９とが設けられている。１次高温熱媒体タンクバイパス弁２９は、１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５側に異常事態が生じて、高温溶融塩を１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５へ供給できなくなった場合に、１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５をバイパスするための弁である。

２次熱媒体加熱器４７で２次熱媒体を加熱した溶融塩は、低温溶融塩となる。この低温溶融塩は、２次熱媒体加熱器１次熱媒体出口配管４０と２次熱媒体加熱器１次熱媒体出口弁３７とを通過して２次熱媒体加熱器１次熱媒体出口弁出口配管７１と１次低温熱媒体タンク戻り１次熱媒体配管３９を流れ、１次低温熱媒体タンク（低温タンク）５の液位を調整する１次低温熱媒体タンク液位調整弁４１を通過して１次低温熱媒体タンク（低温タンク）５に戻り蓄えられる。

２次熱媒体加熱器１次熱媒体出口配管４０には、管内の低温溶融塩の温度を検出する温度センサ４５が設けられている。１次低温熱媒体タンク戻り１次熱媒体配管３９には、管内の低温溶融塩の温度を検出する温度センサ１７３が設けられている。また、１次低温熱媒体タンク（低温タンク）５には、低温溶融塩の液位を検出する液位センサ１９と低温溶融塩の温度を検出する温度センサ１８が設けられ、液位センサ１９で検出された低温溶融塩の液位に応じた制御信号が１次低温熱媒体タンク液位調整弁４１に送られ、１次低温熱媒体タンク（低温タンク）５の液位が制御される。

なお、１次高温熱媒体タンク出口母管３３にその一端を接続し、その他端を２次熱媒体加熱器１次熱媒体出口弁出口配管７１に接続した２次熱媒体加熱器バイパス弁出口１次熱媒体配管３６と、２次熱媒体加熱器バイパス弁出口１次熱媒体配管３６の連通／遮断を行なう２次熱媒体加熱器１次熱媒体バイパス弁３８とが設けられている。２次熱媒体加熱器１次熱媒体バイパス弁３８は、２次熱媒体加熱器４７に異常事態が生じて、高温溶融塩を２次熱媒体加熱器４７へ供給できなくなった場合に、２次熱媒体加熱器４７をバイパスするための弁である。

次に、太陽熱蓄熱／放熱装置１００Ａ及び太陽熱集熱装置１００Ｂの制御計装系統について説明する。
太陽熱集熱装置１００Ｂを構成する太陽熱集熱量制御装置４は、後述する高温空気タービン出力制御装置１３３からの指令信号や、温度センサ１８が検出した１次低温熱媒体タンク５の低温溶融塩の温度信号、及び温度センサ７２が検出した１次高温熱媒体タンク２５の高温溶融塩の温度信号を取り込み、これらの信号を基に、集熱器４８へ太陽光を集熱して必要な太陽熱エネルギを集めるために、全体のヘリオスタット２の中から該当する複数のヘリオスタット２に対して、太陽光反射角度を制御する指令を出力する。

また、太陽熱集熱量制御装置４は、温度センサ２０が検出したタワー出口配管１７内を流れる高温溶融塩の温度信号を取り込み、集熱器４８が正常に働き、太陽熱エネルギにて高温溶融塩が計画温度まで加熱されている事を確認する。

また、太陽熱集熱量制御装置４は、温度センサ４６が検出した２次熱媒体加熱器１次熱媒体入口配管４４内を流れる高温溶融塩の温度信号と、温度センサ４５が検出した２次熱媒体加熱器１次熱媒体出口配管４０内を流れる低温溶融塩の温度信号と、温度センサ１７３が検出した１次低温熱媒体タンク戻り１次熱媒体配管３９内を流れる低温溶融塩の温度信号とを取り込み、確実に、太陽熱エネルギが２次熱媒体に伝達されている事を監視する。

さらに、太陽熱集熱量制御装置４は、温度センサ１８が検出した１次低温熱媒体タンク５の低温溶融塩の温度信号を取り込み、低温溶融塩の下限温度（約２６０℃）以下とならないような監視制御を行なう。具体的には、例えば、１次低温熱媒体タンク５にヒータを設け、低温溶融塩の温度が下限温度に近づいた場合には、ヒータを通電して加熱する。ここで説明した下限温度２６０℃は溶融塩の種類によって異なる。

次に、圧縮機／高温タービン発電装置２００における熱媒体の流れを説明しながら、圧縮機／高温タービン発電装置２００の構成を説明する。

圧縮機／高温タービン発電装置２００において、２次熱媒体となる空気は、図１に示すように、大気から第１吸い込み空気入口フィルタ７３を通過した後に、空気入口配管１６４と空気乾燥器入口弁１６５を経由して空気乾燥器入口管１６６を通過して空気乾燥器１６８へ流入する。空気乾燥器１６８は、吸い込み空気中の水分を取り除く、取り除かれた水分は空気乾燥器水分排出管１６７を介して系外に排出される。

空気乾燥器１６８で水分を取り除いた清浄空気は、二酸化炭素除去装置１７２を通過して第１圧縮機入口配管１７１内を流れ、第１圧縮機８６に吸い込まれる。二酸化炭素除去装置１７２は、吸い込み空気中の少量の二酸化炭素ガスを除去するものであって、下流側の機器の二酸化炭素ガスにより生じる炭酸による鉄類金属の腐食の予防を目的としていて、本発明においては、必ず必要となる機器ではない。

第１圧縮機８６で昇圧された高圧空気は、第１圧縮機出口配管８７内を流れ、再生器６５に流入する。第１圧縮機出口配管８７には、第１圧縮機８６の出口空気圧力を検出する圧力センサ８８が設けられていて、第１圧縮機８６の性能を監視する。

再生器６５に流入した高圧空気は、高温空気タービン５６から排出された排気空気を加熱媒体として熱交換し加熱される。再生器６５で加熱された高圧空気は２次熱媒体加熱器空気入口配管７４を通って２次熱媒体加熱器４７へ送られる。２次熱媒体加熱器空気入口配管７４には、２次熱媒体加熱器４７の空気入口圧力を検出する圧力センサ９５が設けられている。

２次熱媒体加熱器４７に流入した高圧空気は、１次熱媒体である高温溶融塩を加熱媒体として熱交換し加熱される。２次熱媒体加熱器４７で加熱された高圧高温空気は、２次熱媒体出口配管５１を通過して、高温空気タービン入口バタフライ弁入口配管５３側と、高温空気タービンバイパスバタフライ弁入口配管５２側とに分かれる。２次熱媒体出口配管５１には、２次熱媒体加熱器４７の空気出口圧力を検出する圧力センサ５４が設けられていて、２次熱媒体加熱器４７の空気側の圧力が計画値に合っているかを監視する。また、高温空気タービン入口バタフライ弁入口配管５３には、高温空気タービン入口空気の温度を検出する温度センサ７６と、高温空気タービン入口空気の圧力を検出する圧力センサ７５とが設けられている。

ここで、高温空気タービン入口バタフライ弁入口配管５３には、高温空気タービン入口バタフライ弁５５が設けられ、高温空気タービンバイパスバタフライ弁入口配管５２には、高温空気タービンバイパスバタフライ弁６０が設けられている。両弁は後述する高温空気タービン出力制御装置１３３からの指令により開度制御される。具体的には、通常負荷運転中は高温空気タービン５６に流れる高温空気流量と圧力を高温空気タービン入口バタフライ弁５５の開度により制御し、高温空気タービン５６の出力を制御する。一方、高温空気タービン５６の起動時や異常時などの高温空気タービン５６へ高圧高温空気を流せない場合には、高温空気タービンバイパスバタフライ弁６０を開けることで、高圧高温空気を高温空気タービンバイパスバタフライ弁出口配管６１経由で高温空気タービン排気母管６２に流出させる。

高温空気タービン５６からの排気空気は、高温空気タービン５６の出口から高温空気タービン排気逆止弁５８と高温空気タービン排気母管６２を通過して、高温２次熱媒体再生器入口配管６４内を流れ、高温２次熱媒体として再生器６５に流入する。高温空気タービン排気逆止弁５８の上流側には、高温空気タービン５６の出口の空気温度を検出する温度センサ５７が設けられている。また、高温空気タービン排気逆止弁５８の下流側には、高温空気タービン５６の出口の空気圧力を検出する圧力センサ５９が設けられている。高温空気タービン排気母管６２には、再生器６５に流入する高温２次熱媒体の入口温度を検出する温度センサ６３が設けられている。

再生器６５に流入した排気空気は、第１圧縮機８６出口空気を加熱して、高温２次熱媒体再生器出口配管６６と再生器出口２次熱媒体配管６８とを流下し、再生器出口２次熱媒体排気バタフライ弁６９と２次熱媒体排気塔入口配管７０を通過して２次熱媒体排気塔８０に導かれ、大気に排出される。高温２次熱媒体再生器出口配管６６には、排気空気温度を検出する温度センサ６７が設けられている。

上述したように、高温空気タービン入口バタフライ弁５５を介して圧力と流量を制御された高温高圧空気が高温空気タービン５６に導入され、高温空気タービン５６と連結された発電機１４５を駆動する。発電機１４５により発電された電力は、発電機出口遮断器１４３と主変圧器１４０と主回路遮断器１３９と内部電力送電回路１３６とを介して外部電力系統１３５と並列する。また、内部電力送電回路１３６には所内電力送電回路１３７が接続されている。所内電力は、所内電力遮断器１４１を通過して所内変圧器１３４により所内電圧に降圧されて、所内電気系統１２１に供給されている。

所内電気系統１２１において、第１圧縮機８６を駆動する第１圧縮機電動機１３２は、第１圧縮機電動機電気回路１３１を介して第１圧縮機電動機インバータ装置１３０から周波数変換された電力を供給される。第１圧縮機電動機インバータ装置１３０は、第１圧縮機遮断器１２９を介して所内電気系統１２１から所内電力を供給される。

このことにより、第１圧縮機電動機１３２の回転数制御が可能となり、第１圧縮機８６の起動から部分負荷運転、さらには定格負荷運転までの間、回転数制御運転が可能になる。この結果、一般的な圧縮機出口弁絞り制御方式に比べて、第１圧縮機８６の消費動力を大幅に減少することができる。

次に、圧縮機／高温タービン発電装置２００の制御計装系統について説明する。
圧縮機／高温タービン発電装置２００を構成する高温空気タービン出力制御装置１３３は、中央給電所からの系統負荷指令１４８と発電機１４５の発電出力とを比較して偏差を算出する偏差演算装置１４７から偏差信号を入力し、この偏差信号と温度センサ７６で検出した高温空気タービン入口空気温度信号と圧力センサ７５が検出した高温空気タービン入口空気圧力信号と、温度センサ５７が検出した高温空気タービン出口空気温度信号と圧力センサ５９が検出した高温空気タービン出口空気圧力信号とを読み込み、高温空気タービン５６の電気出力と高温空気タービン５６に導入する高温高圧空気の流量と圧力を算出する。高温高圧空気が算出した流量と圧力になるように、高温空気タービン入口バタフライ弁５５と高温空気タービンバイパスバタフライ弁６０とへそれぞれ弁開度指令信号が出力され、高温空気タービン５６の出力制御が行われる。

また、高温空気タービン出力制御装置１３３は、算出した高温空気タービン５６の電気出力信号を太陽熱集熱量制御装置４へ出力する。太陽熱集熱量制御装置４は、入力した高温空気タービン５６の電気出力信号に応じて、必要な太陽熱エネルギを集めるために、全体のヘリオスタット２の中から該当する複数のヘリオスタット２に対して、太陽光反射角度を制御する指令を出力する。

高温空気タービン出力制御装置１３３は、上述した高温空気タービン入口空気温度信号と高温空気タービン出口空気温度信号から温度低下量を算出し、高温空気タービン入口空気圧力信号と高温空気タービン出口空気圧力信号から圧力低下量を算出する。これらを用いて、高温空気タービン５６における発生動力を算出している。

また、高温空気タービン出力制御装置１３３は、温度センサ６３が検出した高温２次熱媒体の再生器入口温度信号と、温度センサ６７が検出した高温２次熱媒体の再生器出口温度信号とを取り込み、確実に、高温２次熱熱媒体の熱エネルギが第１圧縮機８６の出口空気の加熱に用いられている事を監視する。

次に、本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態を構成する第１圧縮機８６の起動時間に対する昇圧特性を図２を用いて説明する。図２は本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態における圧縮機の起動時間に対する高温空気タービン入口圧力の特性を示す特性概念図である。

図２において、横軸は第１圧縮機８６が起動したときを０とした起動時間を示し、縦軸は高温空気タービン入口空気圧力（絶対圧）を示す。ここで、第１圧縮機８６は圧力比６程度のものが選定されている。

第１圧縮機８６の入口圧力は、図１に示す第１吸込空気入口フィルタ７３や空気乾燥器１６８等を通過するので、大気圧よりも若干減少するが、その圧力降下量は十分に小さく大気圧と同じ約１bar-abs（絶対圧）となる。このため、第１圧縮機８６の起動前（横軸０）において、高温空気タービン入口空気圧力（絶対圧）は、約１bar-abs（絶対圧）となる。

図２に示すように、高温空気タービン入口空気圧力（絶対圧）は、第１圧縮機８６の起動開始から約２０分で１bar-abs（絶対圧）から６bar-abs（絶対圧）程度に昇圧される。第１圧縮機８６の出口から吐出された空気は、再生器６５や２次熱媒体加熱器４７を通過するとき若干の圧力降下を生じるが、高温空気タービン５６の入口では、６bar-abs（絶対圧）程度になる。

次に、本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態における１日の直達日射強度の変化に対する高温空気タービン発電機出力の変化等を図３を用いて説明する。図３は本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態における１日の直達日射強度の変化に対する、高温空気タービン入口温度、高温空気タービン入口流量、及び高温空気タービン発電機出力の特性を示す特性概念図である。

図３において、横軸は時間を示していて、縦軸は（ａ）直達日射強度信号［kW/m²］、（ｂ）高温空気タービン入口温度信号［℃］、（ｃ）高温空気タービン入口流量信号［kg/s］、（ｄ）高温空気タービン発電機出力信号［kWe］をそれぞれ示している。

図３の（ａ）に示す直達日射強度信号から、午前６時頃から直達日射の集光が可能になることがわかり、（ｂ）及び（ｃ）に示すように高温空気タービン入口温度と高温空気タービン入口流量とが上昇を開始する。そして、（ｄ）に示すように高温空気タービンに接続された発電機１４５の発電気出力が、午前１２時頃に最大出力（定格出力）になっている。

その後、図３の（ａ）に示す直達日射強度信号は、午後３時頃に急減減少が生じている。これは、例えば上空を雲が通過するなどして、太陽光が一旦中断されることで生じる。本実施の形態においては、このような直達日射強度が生じても、図３の（ｂ）、（ｃ）に示すように高温空気タービン入口空気温度や高温空気タービン入口流量は急減しないので、高温空気タービン発電機出力は安定した運転となる。これは、本実施の形態を構成する１次高温熱媒体タンク（高温タンク）２５の熱容量が大きく熱慣性が大きいためである。

次に、本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態における１日の太陽熱エネルギの運用構成について図４を用いて説明する。図４は本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態における１日の太陽熱エネルギの運用構成を示す特性概念図である。

図４において、横軸は時間を示していて、縦軸は太陽熱エネルギを示す。図４は、１日における蓄熱エネルギと発電エネルギと放熱エネルギの概略時間変化を示している。具体的には、午前６時から午後６時までの日照時間が得られる時間帯に太陽熱を集熱して、その集熱したエネルギの約半分を蓄熱エネルギとして蓄え、残りの半分を昼間の発電エネルギとして活用している。

図４の破線の上側の蓄熱エネルギは夜間に放熱エネルギとして使用され、高温空気を生み出し、高温空気タービン５６を駆動して発電機１４５を駆動することで、発電を行う。図４の破線の下側の発電エネルギと放熱エネルギは発電に使われる太陽熱エネルギを示している。

上述した本発明の太陽熱発電システムの第１の実施の形態によれば、太陽熱発電プラントにおけるシステムを簡素化して、建設コストと発電コストを低減した太陽熱発電システムを提供できる。

また、上述した本発明の太陽熱発電システムの一実施の形態によれば、太陽の直達日射強度の急変による熱エネルギの変化を吸収できるので、安定した太陽熱発電を行うことができ、建設単価と発電原価を太陽光発電設備と同等またはそれ以下にできる。この結果、経済的で安定した電力を供給できる太陽熱発電システムを提供できる。

以下、本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図５は本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態の構成を示す概念図、図６は本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態における圧縮機の起動時間に対する高温空気タービン入口圧力の特性を示す特性概念図である。図５及び図６において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態において、太陽熱発電システムの構成は大略第１の実施の形態と同じであるが、図５に示すように、圧縮機／高温タービン発電装置２００において、空気圧縮機を２台構成とし、大気圧から所定の圧力比まで昇圧する第１圧縮機８６と、第１圧縮機８６から吐出された圧縮空気を冷却する第１中間冷却器９０と、第１中間冷却器９０で冷却された圧縮空気を吸引して所定の圧力比まで昇圧する第２圧縮機９４とを備えた点が異なる。

本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態を構成する圧縮機の起動時間に対する昇圧特性を図６を用いて説明する。図６において、横軸は第１圧縮機８６が起動したときを０とした起動時間を示し、縦軸は高温空気タービン入口空気圧力（絶対圧）を示す。ここで、第１圧縮機８６は圧力比２程度のものが選定され、第２圧縮機９４は３程度のものが選定されている。

第１圧縮機８６の入口圧力は、図５に示す第１吸込空気入口フィルタ７３や空気乾燥器１６８等を通過するので、大気圧よりも若干減少するが、その圧力降下量は十分に小さく大気圧と同じ約１bar-abs（絶対圧）となる。このため、第１圧縮機８６の起動前（横軸０）において、高温空気タービン入口空気圧力（絶対圧）は、約１bar-abs（絶対圧）となる。

図６に示すように、高温空気タービン入口空気圧力（絶対圧）は、第１圧縮機８６の起動開始から約１０分で１bar-abs（絶対圧）から１×２＝２bar-abs（絶対圧）程度に昇圧される。その後、第２圧縮機９４により第１圧縮機８６の起動開始から約２０分で２bar-abs（絶対圧）から２×３＝６bar-abs（絶対圧）程度に昇圧される。第１圧縮機８６の出口から吐出された空気は、第１中間冷却器９０と再生器６５と２次熱媒体加熱器４７とを通過するとき若干の圧力降下を生じるが、高温空気タービン５６の入口では、第１の実施の形態と同様に６bar-abs（絶対圧）程度になる。

このように、圧縮機を２分割の構成として、第１圧縮機８６で圧縮された空気を第１中間冷却器９０で冷却する事により、第２圧縮機９４の入口空気温度が下がり、第２圧縮機９４の消費動力が大幅に減少するという効果が生じる。このように、１台の圧縮機のみで空気を圧縮するより、２台に圧縮機を分割し中間冷却するシステムは圧縮機の合計消費動力の大幅な減少効果をもたらす。

なお、本実施の形態では、圧縮機を２台で構成する例を示したが、これに限るものではない。圧縮機台数は、計画する空気圧力の大小と圧縮機の性能と高温空気タービンの性能と各機器の経済性とを総合的に検討して最適圧縮機台数を選定することが望ましい。

次に、圧縮機／高温タービン発電装置２００の第１の実施の形態と異なる構成を図５を用いて説明する。上述したように、本実施の形態は、２台の圧縮機の間に第１中間冷却器９０を備えている。第１中間冷却器９０の圧縮空気を冷却する熱媒体となる空気は、図６に示すように、大気から第２吸い込み空気入口フィルタ１０１を通過した後に、吸込空気入口フィルタ出口配管１０２と冷却ファン入口バタフライ弁１０３を経由して冷却ファン１０４に吸込まれる。冷却ファン１０４で昇圧された空気は、冷却ファン出口配管冷却ファン出口配管１０５と第１中間冷却器冷却空気入口弁１０７と第１中間冷却器冷却空気入口配管１０８とを通過して第１中間冷却器９０に流入する。

第１中間冷却器９０に流入した空気は、第１圧縮機８６出口空気を冷却して、第１中間冷却器冷却空気出口配管１０９と第１中間冷却器冷却空気出口弁１１０と第１中間冷却器冷却空気出口弁出口配管１１１とを流下し、冷却空気出口排気塔入口弁１１９を通過して冷却空気出口排気塔１１２に導かれ、大気に排出される。

なお、第１圧縮機８６で２bar-abs（絶対圧）に昇圧された出口空気は、第１圧縮機出口配管８７内を流れ、第１中間冷却器９０に流入し、冷却ファン１０４から供給された空気を冷却媒体として熱交換し冷却される。第１中間冷却器９０で冷却された出口空気は、第１中間冷却気出口配管９１内を流れ第２圧縮機９４へ送られる。第２圧縮機９４で６bar-abs（絶対圧）に昇圧された出口空気は、第２圧縮機出口配管９２を通過して再生器６５に送られる。第２圧縮機出口配管９２には、第２圧縮機９４の出口空気圧力を検出する圧力センサ９３が設けられていて、第２圧縮機９４の性能を監視する。

所内電気系統１２１において、第２圧縮機９４を駆動する第２圧縮機電動機１２５は、第２圧縮機電動機電気回路１２４を介して第２圧縮機電動機インバータ装置１２３から周波数変換された電力を供給される。第２圧縮機電動機インバータ装置１２３は、第２圧縮機遮断器１２２を介して所内電気系統１２１から所内電力を供給される。

このことにより、第２圧縮機電動機１２５の回転数制御が可能となり、第２圧縮機９４の起動から部分負荷運転、さらには定格負荷運転までの間、回転数制御運転が可能になる。この結果、第２圧縮機９４の消費動力を減少することができる。

上述した本発明の太陽熱発電システムの第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を奏する。

また、上述した太陽熱発電システムの第２の実施の形態によれば、圧縮機を２分割の構成として、第１圧縮機８６で圧縮された空気を第１中間冷却器９０で冷却する構成としたので、第２圧縮機９４の入口空気温度が下がり、第２圧縮機９４の消費動力が大幅に減少する。このことにより、圧縮機の合計消費動力の減少効果をもたらし、発電コストを更に低減した太陽熱発電システムを提供することができる。

なお、本実施の形態においては、第１中間冷却器９０の冷却材として空気を使用した場合を例に説明したが、これに限るものではなく、海水または淡水を使用しても良い。

また、本発明は上述した実施例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、上記した実施例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。例えば、１次熱媒体として本実施例では溶融塩を用いた場合を例に説明したが、合成油でも同様な太陽熱集熱・蓄熱・放熱発電が可能である。この場合、合成油の使用可能温度が上限４３０℃程度に制限されるので、高温空気タービンの入り口温度は最大４２０℃程度となり溶融塩に比較して低下するが、このような温度であっても、高温空気タービンは駆動可能であり、太陽熱発電システムを構成することは可能である。

１：太陽、２：ヘリオスタット（太陽光反射鏡）、３：タワー、４：太陽熱集熱量制御装置、５：１次低温熱媒体タンク（低温タンク）、１８：温度センサ（１次低温熱媒体タンク温度）、１９：液位センサ（１次低温熱媒体タンク液位）、２０：温度センサ（集熱器出口１次高温熱媒体温度）、２５：１次高温熱媒体タンク（高温タンク）、４２：直達日射光、４３：液位センサ（１次高温熱媒体タンク）、４５：温度センサ（２次熱媒体加熱器出口１次熱媒体温度）、４６：温度センサ（２次熱媒体加熱器入口１次熱媒体温度）、４７：２次熱媒体加熱器、４８：集熱器、５５：高温空気タービン入口バタフライ弁、５６：高温空気タービン、５７：温度センサ（高温空気タービン出口空気温度）、５８：高温空気タービン排気逆止弁、５９：圧力センサ（高温空気タービン排気逆止弁出口圧力）、６０：高温空気タービンバイパスバタフライ弁、６５：再生器、７２：温度センサ（１次高温熱媒体タンク液温）、７５：圧力センサ（高温空気タービン入口圧力）、７６：温度センサ（高温空気タービン入口温度）、８６：第１圧縮機、８８：圧力センサ（第１圧縮機出口圧力）、９０：第１中間冷却器、９３：圧力センサ（第２圧縮機出口圧力）、９４：第２圧縮機、１００Ａ：１次系（太陽熱蓄熱／放熱装置）、１００Ｂ：１次系（太陽熱集熱装置１００Ｂ）、１０４：冷却ファン、１２１：所内電気系統、１２２：第２圧縮機遮断器、１２３：第２圧縮機電動機インバータ装置、１２５：第２圧縮機電動機、１２９：第１圧縮機遮断器、１３０：第１圧縮機電動機インバータ装置、１３２：第１圧縮機電動機、１３３：高温空気タービン出力制御装置、１４５：発電機、１６８：空気乾燥器、１７２：二酸化炭素除去装置、２００：２次系（圧縮機／高温タービン発電装置）。

Claims (8)

1. 太陽熱を集熱して１次熱媒体である溶融塩を加熱する太陽熱集熱装置と、
   前記太陽熱集熱装置へ供給する溶融塩を蓄える低温タンクと、前記太陽熱集熱装置で加熱された高温の溶融塩を蓄える高温タンクと、前記高温タンクから供給された高温の溶融塩を加熱媒体として２次熱媒体を加熱する２次熱媒体加熱器とを有する太陽熱蓄熱／放熱装置と、
   大気から吸引した空気を所定の圧力まで昇圧して前記２次熱媒体である圧縮空気を生成する圧縮機と、前記２次熱媒体加熱器で加熱された圧縮空気を導入して発電機を駆動する高温空気タービンとを有する圧縮機／高温タービン発電装置と、
   前記圧縮機を駆動する電動機と、
   前記電動機へ動力を供給し、前記電動機を回転数制御するインバータと、
   前記２次熱媒体加熱器で加熱された圧縮空気を、前記高温空気タービンをバイパスさせて高温空気タービン排気母管に導くバイパス系統と、
   前記バイパス系統を流れる圧縮空気の流量を調節するバイパス弁と、
   前記高温空気タービンに流入する圧縮空気の流量を調節する入口弁と、
   前記バイパス弁及び前記入口弁の開度を調節することで、前記高温空気タービンに導入される圧縮空気の流量と圧力が所定値になるように制御する制御装置とを備えた
   ことを特徴とする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、
   前記圧縮機／高温タービン発電装置は、大気から吸引した空気を昇圧する第１圧縮機と、前記第１圧縮機が吐出した圧縮空気を冷却する中間冷却器と、前記中間冷却器で冷却した圧縮空気を吸引して所定の圧力まで昇圧する第２圧縮機とを備えた
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
3. 請求項１または２に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記２次熱媒体加熱器の２次熱媒体側の流路の上流側に設けられ、前記高温空気タービンからの排気を加熱媒体として前記圧縮空気を加熱する再生器を更に備えた
   ことを特徴とする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、
   大気から吸引した空気を昇圧する前記圧縮機の空気吸い込み側に、吸い込み空気中の水蒸気を除去し乾燥する乾燥機を設けた
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
5. 請求項２に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   大気から吸引した空気を昇圧する前記第１圧縮機の空気吸い込み側に、吸い込み空気中の水蒸気を除去し乾燥する乾燥機を設けた
   ことを特徴とする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、
   大気から吸引した空気を昇圧する前記圧縮機の空気吸い込み側に、吸い込み空気中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置を設けた
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
7. 請求項２に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   大気から吸引した空気を昇圧する前記第１圧縮機の空気吸い込み側に、吸い込み空気中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置を設けた
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。
8. 請求項２に記載の太陽熱発電システムにおいて、
   前記第１圧縮機を駆動する第１電動機と、前記第１電動機へ動力を供給する第１インバータと、前記第２圧縮機を駆動する第２電動機と、前記第２電動機へ動力を供給する第２インバータとを供え、
   前記第１電動機及び前記第２電動機は前記第１インバータ及び前記第２インバータによりそれぞれ回転数制御される
   ことを特徴とする太陽熱発電システム。

Images