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JP2016033360A - 太陽熱空気タービン発電システム - Google Patents

太陽熱空気タービン発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】建設コストと発電コストを低減すると共に、化石燃料を使用しない太陽熱空気タービン発電システムを提供する。【解決手段】空気を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により圧縮機で昇圧された圧縮空気を加熱して昇温させる受熱器と、受熱器で加熱された圧縮空気を導入して圧縮機と発電機とを駆動する空気タービンと、圧縮機と受熱器との間に設けられ、空気タービンからの排気を加熱媒体として圧縮機で昇圧された圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、圧縮機と再生熱交換器との間に設けられ、圧縮空気の流量を再生熱交換器側と空気タービンの入口側であるバイパス側とに分配する分配装置とを備えた太陽熱空気タービン発電システムにおいて、加熱媒体として再生熱交換器へ流入する空気タービンからの排気流量を調節することで、空気タービンの入口の空気温度を一定に制御する制御装置を備えた。【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽熱空気タービン発電システムに関する。
太陽熱を利用した太陽熱発電システムとして、導入した空気を圧縮して圧縮流体を生成する圧縮機と、圧縮流体を太陽熱により更に加熱して高温圧縮流体とする太陽集光受熱器と、高温圧縮流体を導入して出力を得るガスタービンと、ガスタービンと連結された発電機とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
上述した太陽熱発電システムを構成する太陽集光受熱器は、高温配管の長さを最短とするためタワーの上に太陽熱ガスタービンと共に配置されている。このため、タワーの製作コストが増大するという問題がある。圧縮機をタービンと分離して配置することでタワーの積載重量を低減し、タワー製作コストを抑制できる太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２０１１−７１４９号公報 特開２０１０−２７５９９７号公報
特許文献１に記載の太陽熱発電システムは、太陽の光が十分に得られない場合には、太陽集光受熱器とタービンとの間に配置された補助燃焼器により化石燃料を噴射燃焼させて、タービンに供給される圧縮流体を所定の温度まで昇温させることが必要になる。このため、補助燃焼器用の化石燃料供給設備が必要になるので、建設コストが上昇するとともに、化石燃料を消費するため発電コストが高くなる。
特許文献２に記載の太陽熱ガスタービン発電装置は、圧縮機１と圧縮機駆動用電動機７を地上に設置し、受熱器２とタービン３と発電機４と再熱器５とを纏めて集熱器タワーＴの頂上に設置している。このため、タワーＴの積載重量は、特許文献１の場合より低減されるが、タービン３と発電機４とがタワーＴに積載される構成であるので、タービン３の運転が不安定となり、タワーＴの基礎の建設コストの増加や運転時の振動対策が懸念されるといった課題が残る。また、圧縮機１の動力がタービン軸から直接供給されない軸構成となるため、圧縮機１を駆動する大型の電動機７が必要になり設備費の増加を招くという課題が生じる。
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、建設コストと発電コストを低減すると共に、化石燃料を使用しない太陽熱空気タービン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、空気を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮空気を加熱して昇温させる受熱器と、前記受熱器で加熱された圧縮空気を導入して前記圧縮機と発電機とを駆動する空気タービンと、前記圧縮機の下流側かつ前記受熱器の上流側に設けられ、前記空気タービンからの排気を加熱媒体として前記圧縮機で昇圧された圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮機の下流側かつ前記再生熱交換器の上流側に設けられ、前記圧縮機で昇圧された圧縮空気を前記再生熱交換器側と前記空気タービンの入口側であるバイパス側とに分配する分配装置とを備えた太陽熱空気タービン発電システムにおいて、加熱媒体として前記再生熱交換器へ流入する前記空気タービンからの排気流量を調節することで、前記空気タービンの入口の空気温度を一定値になるように制御する制御装置を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、建設コストと発電コストを低減すると共に、化石燃料を使用しない太陽熱空気タービン発電システムを提供できる。
本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態の構成を示す概念図である。 本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態を構成する圧縮機の起動の態様を説明するための特性図である。 従来のガスタービンを構成する圧縮機の起動の態様を説明するための特性図である。 本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態における１日の天候変化に対する機器の動作を説明するために、大気温度、タービン入口高温空気温度、及び直達日射強度の特性を示す特性概念図である。 本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態における１日の天候変化に対する機器の動作を説明するために、冷水バイパス流量及び再生熱交バイパス空気量の特性を示す特性概念図である。 本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態における１日の天候変化に対する機器の動作を説明するために、発電機出力、太陽熱集熱装置側空気量、及び太陽熱集熱装置バイパス側空気量の特性を示す特性概念図である。
以下、本発明の太陽熱空気タービン発電システムの実施の形態を説明する。
本発明の太陽熱空気タービン発電システムの実施の形態を構成する主要機器は、太陽熱集熱器、別名、太陽熱受熱器がタワーの頂上の高い位置に設置される以外は、地上に設置される。
すなわち、タワー上に設置された太陽受熱器へ向かって、太陽からの直達日射光を反射して太陽熱受熱器へ反射する多数の反射鏡と、圧縮機と、空気タービンと発電機を直結した太陽熱空気タービン発電機と、圧縮機の吸い込み空気を冷却する冷却機と、圧縮機出口空気をさらに過熱する再生熱交換器と、太陽熱空気タービン発電機を起動時に電動機として使うためのインバータ装置とを備えている。太陽熱空気タービン発電機が出力する電力により、１日の天候の変化に影響されず、有害な化石燃料の燃焼ガスを大気に一切排出せずに、経済的で安価な電気を太陽熱から安定的に生成できる。
太陽熱空気タービン発電機の発生電力の一部を所内電力系統から取り出し、冷水冷却機、例えばターボ冷却機等を駆動して冷水を生成し、この冷水を空気冷却器に流すことで、圧縮機の吸い込み空気を冷却する。
圧縮機出口の中圧中温空気を太陽熱受熱器側と太陽熱受熱器をバイパスする側とに分配する３方空気分配装置を使用することで、天候の変化に対応して圧縮機出口空気の流出先を分配する。日の出からの時間経過とその日の天候によりこの分配空気の運用を制御する。また、天気の変化により次々刻々変わる大気温度や直達日射強度に対応して、３方冷水流量調整弁にて空気冷却器への冷水通過流量を制御して圧縮機入口の空気温度の低下量を制御することで、間接的に、空気タービン入口高温空気温度を一定制御する。
さらに、圧縮機出口の中温空気をさらに加熱して高温空気とするために、再生熱交換器を圧縮機出口に設け、空気タービンの排気空気により、圧縮機出口の中温空気を加熱する。
空気タービンの排気空気は、再生熱交換器流入系統と再生熱交換器バイパス系統とに流入し、再生熱交換器バイパス系統に設けた３方バイパス空気流量調整弁により、バイパス空気流量を調整する。このことにより、天気の変化に影響されないで空気タービン入口温度を間接的に一定温度に制御して、空気タービンの電気出力と安全運転を達成する。
太陽集熱温度や集熱量が最大許容値を超えそうになったら、または、空気タービン入口温度が制御計画値を超過した場合は、集熱率調整制御装置を動かして太陽光反射装置の反射角度を変えて太陽熱受熱器への反射光をそらせることで、太陽熱集熱量を減らし、空気タービン入口温度を一定に保ち、空気タービンの許容出力超過運転を予防する。
以下、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態の構成を示す概念図である。図１において、太陽熱空気タービン発電システムは、ガスタービン発電・圧縮装置１００と、空気タービン入口温度制御装置２００と、太陽熱集熱装置３００と、ターボ冷凍装置４００と、所内電気系統５００とを備えている。
ガスタービン発電・圧縮装置１００は、ターボ冷凍装置４００から供給される空気を圧縮する圧縮機１と、太陽熱集熱装置３００から供給される高温空気により駆動される空気タービン２と、空気タービン２により駆動される場合は発電を行い、系統からインバータ装置６４を介して受電する場合には電動機として機能する発電機３とを備えている。圧縮機１と空気タービン２とは同一の回転軸で直結し、空気タービン２と発電機３とは、軸連結器２８を介して回転軸の脱着を行う。軸連結器２８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。本実施の形態においては、例えばスリーエスクラッチを用いた例を説明する。
空気タービン入口温度制御装置２００は、圧縮機１の出口に一端を接続された圧縮機出口配管４４と、圧縮機出口配管４４の他端が接続され圧縮機からの圧縮空気を昇温する再生熱交換器４５と、再生熱交換器４５で昇温された圧縮空気を太陽熱集熱装置３００へ送る再生熱交換器出口配管４６と、空気タービン２の排気口に一端側を接続する空気タービン排気空気配管５６と、空気タービン排気空気配管５６の他端側に設けた分岐部の一方に接続され、再生熱交換器４５をバイパスして排気を大気に放出する再生熱交換器バイパス配管５７と、空気タービン排気空気配管５６の他端側に設けた分岐部の他方に接続され、排気を加熱媒体として再生熱交換器４５へ送る空気タービン排気側再生熱交換器入口配管５８と、再生熱交換器バイパス配管５７に設けられ、再生熱交換器４５をバイパスする排気の流量を調節する再生熱交換器バイパス弁３５とを備えている。
また、圧縮機出口配管４４には、圧縮機出口空気温度を検出する温度センサ２２が、再生熱交換器出口配管４６には、再生熱交換器出口空気温度を検出する温度センサ２３が、空気タービン排気空気配管５６には、空気タービン出口空気温度を検出する温度センサ２１がそれぞれ設けられている。温度センサ２１乃至２３が検出した温度信号は、それぞれ後述する再生熱交換器出口空気温度制御装置９０へ入力される。
また、空気タービン入口温度制御装置２００は、圧縮空気の流量を再生熱交換器４５側とバイパス側である空気タービン側２とに分配制御する３方圧縮空気分配バタフライ弁３８と、空気タービン２の入口に一端を接続した空気タービン入口高温空気配管５５と、空気タービン入口高温空気配管５５の他端にその一端側を接続し、その他端側を３方圧縮空気分配バタフライ弁３８を介して圧縮機出口配管４４に接続する太陽熱集熱装置バイパスバタフライ弁出口配管５４とを備えている。
また、空気タービン入口高温空気配管５５には、空気タービン入口空気温度を検出する温度センサ１８が、太陽熱集熱装置バイパスバタフライ弁出口配管５４には、太陽熱集熱装置バイパス空気温度を検出する温度センサ２０がそれぞれ設けられている。温度センサ２０が検出した温度信号は、後述する圧縮空気分配制御装置３７と太陽熱集熱量制御装置９１へ入力され、温度センサ１８が検出した温度信号は、後述する圧縮空気分配制御装置３７、再生熱交換器出口空気温度制御装置９０、太陽熱集熱量制御装置９１、及び空気冷却器出口空気温度制御装置１７へ入力される。
また、空気タービン入口温度制御装置２００は、３方圧縮空気分配バタフライ弁３８を制御することで圧縮機１からの圧縮空気の太陽集熱装置側とバイパス側への分配量を調整する圧縮空気分配制御装置３７と、再生熱交換器バイパス弁３５の開度を制御することで空気タービン２の入口空気温度を一定温度に調整する再生熱交換器出口空気温度制御装置９０とを備えている。
太陽熱集熱装置３００は、再生熱交換器出口配管４６に設けられた太陽熱集熱装置入口バタフライ弁４７と、タワー３０の頂上部に設置した太陽熱受熱器２９と、一端側を太陽熱集熱装置入口バタフライ弁４７の出口側に接続し、他端側を太陽熱受熱器２９の入口側に接続したタワー入口空気配管４８と、太陽３１から出る直達日射光３３を反射鏡にて反射させ、直達日射光反射光３４として太陽熱受熱器２９に集光して空気を昇温する太陽熱反射装置３２と、直射日光による日射量を測定する直達日射計３９とを備えている。
また、太陽熱集熱装置３００は、一端側を太陽熱受熱器２９の出口側に接続したタワー出口空気配管４９と、タワー出口空気配管４９の他端側に設けた分岐部の一方に一端側を接続し、他端側を太陽熱集熱装置バイパスバタフライ弁出口配管５４に接続したタワー出口空気タービン側空気配管５０と、タワー出口空気タービン側空気配管５０に設けられた太陽熱集熱装置出口バタフライ弁５２と、タワー出口空気配管４９の他端側に設けた分岐部の他方に接続され、異常昇圧した空気を大気に放出する高圧タワー出口空気圧力逃がし配管５１と、高圧タワー出口空気圧力逃がし配管５１に設けられ、配管内の空気が異常昇圧したときの圧力逃がし装置である空気圧力逃がし調整弁２７とを備えている。直達日射計３９が測定した直射日光による日射量信号は、熱交換器出口空気温度制御装置９０へ入力される。
また、タワー出口空気タービン側空気配管５０には、太陽熱集熱装置出口空気温度を検出する温度センサ１９と配管内の空気圧力を検出する圧力センサ２５とが設けられている。圧力センサ２５が検出した太陽集熱出口空気圧力信号は後述する空気圧力逃がし制御装置２６へ入力される。温度センサ１９が検出した温度信号は、圧縮空気分配制御装置３７と後述する太陽熱集熱量制御装置９１へ入力される。
また、太陽熱集熱装置３００は、空気タービン２に入力する燃量を調整するために、太陽熱反射装置３２の反射角度を制御する太陽熱集熱量制御装置９１と、
タワー出口空気タービン側空気配管５０の内部の空気が異常昇圧したときに空気圧力逃がし調整弁２７を制御する空気圧力逃がし制御装置２６とを備えている。
ターボ冷凍装置４００は、コイル内を冷水が流れる冷却コイルと風洞とを備えた空気冷却器４と、空気冷却器４の空気入口に一端側を接続し、他端側に大気吸い込み口４０を設けた空気冷却器入口風洞４１と、空気冷却器４の空気出口に一端側を接続し、他端側を圧縮機１の出口に接続した空気冷却器出口風洞４２と、空気冷却器出口風洞４２に設けられ圧縮機１の起動時には絞り運転のために半開にされ、定格回転数到達後には全開にされる圧縮機入口バタフライ弁４３とを備えている。
また、空気冷却器入口風洞４１には、空気冷却器入口空気温度を検出する温度センサ２４が、空気冷却器出口風洞４２には、空気冷却器出口空気温度を検出する温度センサ１６がそれぞれ設けられている。温度センサ２４と温度センサ１６が検出した温度信号は、それぞれ後述する空気冷却器出口空気温度制御装置１７へ入力される。
また、ターボ冷凍装置４００は、空気冷却器４の冷却コイルの冷水出口側に一端側を接続した冷水戻り配管１０と、冷水戻り配管１０に設けられた冷水循環ポンプ入口弁１１と、冷水戻り配管１０の他端側を入口に接続し冷水を循環する冷水循環ポンプ５と、一端側を冷水循環ポンプ５の出口に接続し、チェック弁１２と出口弁１３とを設けたターボ冷凍機戻り冷水配管１４と、ターボ冷凍機戻り冷水配管１４の他端側を入口に接続し、冷水を冷却するターボ冷凍機６と、ターボ冷凍機６の出口に一端側を接続するターボ冷凍機出口冷水配管１５とを備えている。また、ターボ冷凍機戻り冷水配管１４にはターボ冷凍機入口冷水温度を検出する温度センサ８４が、ターボ冷凍機出口冷水配管１５にはターボ冷凍機出口冷水温度を検出する温度センサ８３が、それぞれ設けられている。温度センサ８４と温度センサ８３が検出した温度信号は、それぞれ後述する空気冷却器出口空気温度制御装置１７へ入力される。
また、ターボ冷凍装置４００は、ターボ冷凍機出口冷水配管１５の他端側に入口を接続した３方冷水流量調整弁７と、３方冷水流量調整弁７の一方の出口に一端側を接続し、他端側を空気冷却器４の冷却コイルの冷水入口側に接続した冷水供給配管８と、３方冷水流量調整弁７の他方の出口に一端側を接続し、他端側を冷水戻り配管１０の他端側に接続した冷水バイパス配管９とを備えている。
また、ターボ冷凍装置４００は、空気冷却器４の出口空気の温度を所定の温度に調整するために、３方冷水流量調整弁７の開度を制御する空気冷却器出口空気温度制御装置１７を備えている。
所内電気系統５００は、発電機３の出力端に一端側を接続した発電機出口主回路７０と、発電機出口主回路７０の他端側を接続したインバータバイパス遮断器６６と、発電機出口主回路７０の他端側を接続したインバータ出口遮断器６５と、インバータ出口遮断器６５の上流側に配置され系統からの電力を可変周波数電源に変換して発電機３を空気タービン２の駆動電動機とするインバータ装置６４と、インバータ装置６４の上流側に配置され、系統からの電力とインバータ装置６４との接続／遮断を行うインバータ入口遮断器６３と、インバータ装置６４をバイパスして通常運転時に系統と発電機３とを接続するインバータバイパス遮断器６６と、一端側をインバータ入口遮断器６３の上流側とインバータバイパス遮断器６６の上流側とに接続し、他端側を主変圧器６２の低圧側に接続する主変圧器低圧側回路７１と、発電機３の出力電圧を系統電圧まで昇圧する主変圧器６２と、主変圧器６２の高圧側に配置され発電機３と外部系統７５との接続／遮断を行う主回路遮断器６１と、主回路遮断器６１の上流側に配置され外部系統７５との接続／遮断を行う系統連絡遮断器６０とを備えている。
また、所内電気系統５００は、系統連絡遮断器６０と主回路遮断器６１との間の回路に接続され所内電力と外部系統７５との接続／遮断を行う所内変圧器遮断器６７と、一端側を所内変圧器遮断器６７の下流側に接続し、他端側を所内変圧器６９の高圧側に接続する所内変圧器高圧側回路６８と、系統電圧を所内電源の電圧まで降圧する所内変圧器６９と、所内変圧器６９の低圧側に接続された所内補機回路８０と、所内補機回路８０からの電力とターボ冷凍装置４００のターボ冷凍機６との接続／遮断を行うターボ冷凍機遮断器８１とを備えている。
次に、太陽熱空気タービン発電システムにおける各熱媒体の流れと動作を図１を用いて説明する。
ターボ冷凍装置４００において、大気吸い込み口４０から取り入れた空気は、空気冷却器入口風洞４１を通過して、空気冷却器４に流入して、冷却コイルを流れる流水により冷却される。空気冷却器入口空気温度は温度センサ２４で検出し、冷却された空気の温度である空気冷却器出口空気温度は温度センサ１６で検出する。
ターボ冷凍機６には、外部系統７５から所内変圧器６９により降圧した所内補機回路８０の電力がターボ冷凍機遮断器８１を介して供給される。ターボ冷凍機６には、冷水循環ポンプ５により空気冷却器４の冷水戻り配管１０から排出された暖められた冷水が供給される。ターボ冷凍機６は電気エネルギによりこの冷水を冷却し、ターボ冷凍機出口冷水配管１５を介して３方冷水流量調整弁７へ送り出す。３方冷水流量調整弁７は、この冷水を冷水供給配管８側と冷水バイパス配管９側とに分配して、空気冷却器４に入る冷水流量とバイパスする冷水流量とを調整することで、温度センサ１６が検出する空気冷却器出口空気温度を制御する。
空気冷却器出口空気温度制御装置１７は、温度センサ２４が検出した空気冷却器入口空気温度信号と、温度センサ１８が検出した空気タービン入口空気温度信号と、温度センサ１６が検出した空気冷却器出口空気温度信号と、温度センサ８３が検出したターボ冷凍機出口冷水温度信号と、温度センサ８４が検出したターボ冷凍機入口冷水温度信号とを読み込み、空気タービン２の入口空気温度が大気温度の変化に対応して、変動することなく一定値となるような、制御指令信号を算出する。この指定信号を３方冷水流量調整弁７へ出力することで、冷水流量の分配制御を行う。
ターボ冷凍装置４００の空気冷却器４で冷却された空気は、空気冷却器出口風洞４２と圧縮機入口バタフライ弁４３を介して圧縮機１へ供給される。圧縮機１の起動時には、空気圧縮機入口バタフライ弁４３を半閉し絞り運転することで圧縮機入口圧力を下げる。これは、図示しない制御装置により圧縮機１の入口圧力と出口圧力とを検出し、その圧力比が、圧縮機１のサージングラインに抵触しないように行う。圧縮機１の回転数が定格回転数に達した後には、空気圧縮機入口バタフライ弁４３を全開する。
空気タービン入口温度制御装置２００において、空気圧縮機入口バタフライ弁４３を出た冷却空気は圧縮機１に入り圧縮されて、中圧中温空気となり圧縮機出口配管４４を流下し、３方圧縮空気分配バタフライ弁３８により多くが再生熱交換器４５に流入し、一部が太陽熱集熱装置バイパスバタフライ弁出口配管５４
５４側へ流入する。
再生熱交換器４５に流入した中圧中温の圧縮空気は、空気タービン２から排出された低圧高温空気を加熱媒体として熱交換して加熱される。再生熱交換器４５で加熱された圧縮空気は再生熱交換器出口配管４６を通って太陽熱集熱装置３００へ送られる。
空気タービン２から排出された低圧高温空気は、空気タービン排気空気配管５６を介して空気タービン排気側再生熱交換器入口配管５８と再生熱交換器バイパス配管５７とに流入する。空気タービン排気側再生熱交換器入口配管５８に流入した低圧高温空気は、再生熱交換器４５に流入し、圧縮空気と熱交換した後に大気へ排出される。一方、再生熱交換器バイパス配管５７に流入した低圧高温空気は、再生熱交換器バイパス弁３５の開度に応じた流量が直接大気へ排出される。
再生熱交換器バイパス弁３５の開度を制御する再生熱交換器出口空気温度制御装置９０は、直達日射計３９で検出した直射日光による日射量信号と、温度センサ１８で検出した空気タービン入口空気温度信号と、温度センサ２１で検出した空気タービン出口空気温度信号と、温度センサ２２が検出した圧縮機出口空気温度信号と、温度センサ２３が検出した再生熱交換器出口空気温度信号とを読み込み、直達日射信号が変化した場合であっても、空気タービン入口空気温度が変動することなく一定の値で保持されるような再生熱交換器バイパス弁３５の開度指令信号を算出する。算出した指令信号で再生熱交換器バイパス弁３５を制御することで、直達日射信号が急変しても、空気タービン入口空気温度を一定値で制御することができる。
太陽熱集熱装置３００において、再生熱交換器４５で加熱された加熱空気は再生熱交換器出口配管４６と太陽熱集熱装置入口バタフライ弁４７を通過した後、タワー入口空気配管４８を通ってタワー３０の頂上に設置された太陽熱受熱器２９に導かれる。太陽熱受熱器２９には、太陽熱反射装置３２の反射鏡が太陽３１から出る直達日射光３３を反射させて、直達日射光反射光３４を集光させている。このことにより、太陽熱受熱器２９の加熱空気が更に昇温する。
太陽熱反射装置３２の反射角度を制御する太陽熱集熱量制御装置９１は、温度センサ１８で検出した空気タービン入口空気温度信号と、温度センサ１９で検出した太陽熱集熱装置出口空気温度信号と、温度センサ２０が検出した太陽熱集熱装置バイパス空気温度信号とを読み込み、空気タービン２に導入する熱量を加減するための指令信号を算出する。太陽熱集熱温度や周熱量が最大許容値を超えそうになった場合、または空気タービン入口空気温度が制御計画値を超過した場合には、太陽熱受熱器２９への反射光をそらせて。太陽熱集光量を減らす。
太陽熱受熱器２９で昇温された中圧高温空気は、タワー出口空気配管４９を介してタワー出口空気タービン側空気配管５０と高圧タワー出口空気圧力逃がし配管５１とに流入する。
高圧タワー出口空気圧力逃がし配管５１には、配管内の空気が異常昇圧したときに、大気へ放出する空気圧力逃がし調整弁２７が設けられている。空気圧力逃がし調整弁２７を制御する空気圧力逃がし制御装置２６は、圧力センサ２５が検出した太陽集熱出口空気圧力信号が、所定の運転可能設定圧力を超えた場合に、空気圧力逃がし調整弁２７へ開指令を出力することで、圧力逃がし動作を行う。この結果、異常昇圧した空気は大気へ放出される。
タワー出口空気タービン側空気配管５０に流入した中圧高温空気は、太陽熱集熱装置出口バタフライ弁５２を介して太陽熱集熱装置バイパスバタフライ弁出口配管５４から流入した中圧中温空気と合流し、空気タービン入口高温空気配管５５を介して空気タービン２に流入する。この結果、空気タービン２は圧縮機１と発電機３とを駆動する動力を発生させる。
空気タービン入口温度制御装置２００の３方圧縮空気分配バタフライ弁３８を制御する圧縮空気分配制御装置３７は、電力系統（中央給電所）からの負荷指令と発電機３の発電出力とを比較して偏差を算出する偏差演算装置３６から偏差信号を入力し、この偏差信号と温度センサ１８で検出した空気タービン入口空気温度信号と、温度センサ１９で検出した太陽熱集熱装置出口空気温度信号と、温度センサ２０が検出した太陽熱集熱装置バイパス空気温度信号とを読み込み、空気タービン２に導入する熱量を加減するために、太陽熱集熱装置側とバイパス側とへの圧縮機１からの出口空気の分配量を算出する。算出した分配量になるように３方圧縮空気分配バタフライ弁３８へ指令信号を出力する。
例えば、負荷指令の方が発電出力より大きい場合には、太陽熱集熱装置側の分配量を増加し、バイパス側の分配量を減少させる。また、負荷降下の場合など、負荷指令より発電出力の方が大きい場合には、太陽熱集熱装置側の分配量を減少し、バイパス側の分配量を増加させる。このような制御が実行されることにより、系統負荷指令に対応して、発電機出力が安定的に追従し、高効率な発電運用が達成できる。
太陽熱集熱装置３００の太陽熱集熱装置入口バタフライ弁４７と太陽熱集熱装置出口バタフライ弁５２とは、夜間等、太陽熱発電ができないときに、全閉状態にする。このことにより、昼間に生成された中圧中温／高温の空気が、タワー入口空気配管４８とタワー出口空気配管４９とタワー出口空気タービン側空気配管５０との内部に封入（ホットバンキング）される。そして、翌日の起動に際しては、まず、太陽熱集熱装置出口バタフライ弁５２を開操作して、封入されていた中圧中温／高温の空気を空気タービン２に導入し、中圧高温空気配管系等の水分除去を目的に空気タービン２を低回転で回転させる暖機運転を行う。この暖気運転のときには、軸連結器２８を非連結位置として、発電機３は回転させない。
次に、本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態を構成する圧縮機の起動方法について図２Ａと図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは、本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態を構成する圧縮機の起動の態様を説明するための特性図、図２Ｂは従来のガスタービンを構成する圧縮機の起動の態様を説明するための特性図である。
図２Ａと図２Ｂにおいて、横軸は時間を、縦軸は圧縮機の回転数をそれぞれ示している。一般に、圧縮機の回転数を一般的な定格回転数である数千回転に上げるためには、大きな動力を必要とする。この動力を確保する方式により圧縮機の起動方法が異なる。
図２Ｂに示す従来のガスタービンを構成する圧縮機の場合、ガスタービン圧縮機軸に起動用電動機を設け、Ｎ１で示す約２０％回転数まで、圧縮機の回転数を上げた後に、Ｎ２で示す数千回転になる１００％定格回転数まで回転数を上げる。このときの必要な動力は大きい。
一般的なガスタービンではガスタービン起動時の燃料パージ運転を行うために、起動電動機で圧縮機を約２０％回転数程度まで上げて数分間運転する。その後、化石燃料を燃焼器又は補助燃焼器で焚いて高温ガスを作り、高温ガスと起動電動機（途中の例えば７０％回転数で自動的に除外される）との協働で１００％定格回転数まで圧縮機の回転数を上げる。図２Ｂにおいて、時刻ｔ１１は、起動電動機と高温ガスとの協働での回転数上昇開始時刻を、時刻ｔ１２は、１００％定格回転数到着時刻をそれぞれ示す。したがって、起動開始から時刻ｔ１１までの間、圧縮機は起動用電動機のみにより回転駆動され、時刻ｔ１１からｔ１２までの間は、高温ガスと起動電動機で圧縮機は回転駆動される。
一方、本発明の実施の形態においては、図２Ａに示すように、圧縮機１の起動は、ホットバンキングした中圧高温空気を、太陽熱集熱装置出口バタフライ弁５２を開操作することで、空気タービン２に流入させて行う。その後、時刻ｔ１のときに、系統電力をインバータ装置６４で周波数変換させて発電機３に送り、発電機を電動機として用いることで、圧縮機１を定格回転数Ｎ２まで昇速させる。図２Ａにおいて、時刻ｔ２は、１００％定格回転数到着時刻を示す。
図１に戻り、圧縮機１の起動をより詳細に説明する。
起動日の前日の夜間における状態は、太陽熱集熱装置３００において、太陽熱集熱装置入口バタフライ弁４７と太陽熱集熱装置出口バタフライ弁５２とを全閉して、昼間に生成された中圧中温／高温の空気をホットバンキングしている。一方、所内電気系統５００は、系統連絡遮断器６０と所内変圧器遮断器６７とが投入されて、所内変圧器６９を介して所内補機回路８０が充電されている。主回路遮断器６１と、インバータ入口遮断器６３と、インバータ出口遮断器６５とインバータバイパス遮断器６６とは、それぞれ遮断されている。
起動に際しては、まず、太陽熱集熱装置出口バタフライ弁５２を開操作して、封入されていた中圧中温／高温の空気を空気タービン２に導入し、空気タービン２を低回転で回転させる。このときには、軸連結器２８を非連結位置として、発電機３は回転させない。
次に、所内電気系統５００において、主回路遮断器６１とインバータ入口遮断器６３とを投入し、インバータ装置６４に系統からの電力を供給し、周波数変換した電力を生成する。その後、インバータ出口遮断器６５を投入し、周波数変換した電力は、発電機出口主回路７０を介して発電機３に供給される。このことにより、発電機３は所定の低回転で駆動する。この後、発電機３の回転数と空気タービン２の回転数の差が小さくなったときに軸連結器２８を連結位置として空気タービン軸と発電機軸とを連結させる。
インバータ装置６４は、供給する電力を低速回転相当の周波数から徐々に上昇させることで、電動機として使用する発電機３の回転数すなわち、空気タービン２と圧縮機１の回転数を上昇させる。発電機回転軸と繋がった空気タービン軸を介して圧縮機１の回転数を上げて太陽熱集熱装置３００へ圧縮空気を送る。即ち、化石燃料を燃焼して燃焼ガスエネルギを生み出す必要がなくなり、同時にタービン起動用補助燃焼器も必要なくなり、起動時の空気タービン排気系統のパージ運転も必要なくなる。また、空気タービン起動用電動機も必要なくなる。
電力系統から電力エネルギを取り入れ定格回転数まで発電機３を電動機として活用し太陽熱集熱装置３００に空気を送るが、太陽熱入熱の増加に伴い、太陽熱集熱装置３００からの高温空気量と高温空気温度が上昇するにつれて、空気タービン２の出力が増加する。このことにより、太陽熱空気タービンの発電機３の運転が、受電運転（系統から発電機３へ）から、徐々に送電運転（発電機３から系統へ）に切り替わる。
ここで、所内電気系統５００は、インバータ入口遮断器６３とインバータ出口遮断器６５と主回路遮断器６１とを遮断し、インバータバイパス遮断器６６を投入する。この後、発電機３の発電した電力と系統電力とを同期検定して、主回路遮断器６１を投入することで、系統へ再並列して発電運転を継続する。
次に、本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態における１日の天候変化に対する機器の動作を図３Ａ乃至図３Ｃを用いて説明する。図３Ａは本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態における１日の天候変化に対する機器の動作を説明するために、大気温度、タービン入口高温空気温度、及び直達日射強度の特性を示す特性概念図、図３Ｂは本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態における１日の天候変化に対する機器の動作を説明するために、冷水バイパス流量及び再生熱交バイパス空気量の特性を示す特性概念図、図３Ｃは本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態における１日の天候変化に対する機器の動作を説明するために、発電機出力、太陽熱集熱装置側空気量、及び太陽熱集熱装置バイパス側空気量の特性を示す特性概念図である。
図３Ａ乃至図３Ｃにおいて、横軸は時間を示している。図３Ａの縦軸の（ａ）は実線で示す大気温度を、（ｂ）は一点鎖線で示すタービン入口空気温度を、（ｃ）は破線出示す直達日射強度をそれぞれ示している。また、図３Ｂの縦軸の（ｄ）は実線で示す冷水バイパス流量を、（ｅ）は破線で示す再生熱交換器バイパス空気流量をそれぞれ示している。また、図３Ｃの縦軸の（ｆ）は実線で示す発電機出力を、（ｇ）は破線で示す太陽熱集熱装置側空気流量を、（ｈ）は一点鎖線で示す太陽熱集熱装置バイパス側空気流量をそれぞれ示している。
図３Ａ乃至図３Ｃは、ある１日の日の出から日没までに大気温度や直達日射強度が変化した場合に、発電機出力や、空気タービン入口温度が変化せず、発電機出力が一定して確保される運転例を示している。
図３Ａの特性線（ａ）に示す大気温度は、午前９時から上昇して最高温度に到達するが、午前中に一旦低下しその後最高温度に復活している。この大気温度の挙動に際して、図３Ｂの特性線（ｄ）に示す冷水バイパス流量が、ターボ冷凍装置４００の空気冷却器出口空気温度制御装置１７によって制御される３方冷水流量調整弁７により通常量から増加される。このことにより、空気冷却器４の出口空気の温度が増加して、大気温度の低下を補償している。この結果、図３Ａの特性線（ｂ）に示すタービン入口空気温度と図３Ｃの特性線（ｆ）に示す発電機出力とを変化させずに、運転することができる。
図３Ａの特性線（ｃ）に示す直達日射強度は、午前６時すぎから上昇して午前９時に最高値に到達するが、午後に、例えば雲が通過した場合、一旦急激に低下しその後最高値に復活している。この直達日射強度の挙動に際して、図３Ｂの特性線（ｅ）に示す再生熱交換器バイパス空気流量が、空気タービン入口温度制御装置２００の熱交換器出口空気温度制御装置９０によって制御される再生熱交換器バイパス弁３５により通常量から急激に減少される。このことにより、再生熱交換器４５の出口空気の温度が増加して、直達日射強度の低下を補償している。この結果、図３Ａの特性線（ｂ）に示すタービン入口空気温度と図３Ｃの特性線（ｆ）に示す発電機出力とを変化させずに、運転することができる。
図３Ｃの特性線（ｈ）に示す太陽熱集熱装置バイパス側空気流量と、特性線（ｇ）に示す太陽熱集熱装置側空気流量は、午前６時すぎの空気タービン２の起動から上昇して、図３Ｃの特性線（ｆ）に示す発電機出力が最高値（定格）に到達する午前９時にそれぞれ最高値になる。その後、図３Ｃの特性線（ｈ）に示す太陽熱集熱装置バイパス側空気流量は、空気タービン入口温度制御装置２００の圧縮空気分配制御装置３７によって制御される３方圧縮空気分配バタフライ弁３８により最高値から徐々に減少し、最終的には０になり、全量が太陽熱集熱装置側空気流量となる。これは、図３Ａの特性線（ｂ）に示すタービン入口空気温度を発電機出力の上昇に応じたプログラム制御するためになされている。
一方、図３Ｃの特性線（ｇ）に示す太陽熱集熱装置側空気流量は、午後１５時前の図３Ｃの特性線（ｆ）に示す発電機出力の降下に伴って減少していく。この発電機出力の降下の際、図３Ｃの特性線（ｈ）に示す太陽熱集熱装置バイパス側空気流量は、空気タービン入口温度制御装置２００の圧縮空気分配制御装置３７によって制御される３方圧縮空気分配バタフライ弁３８により０から徐々に増加し、一定値まで増加する。その後、一定値から徐々に減少し、最終的には０になる。これも、図３Ａの特性線（ｂ）に示すタービン入口空気温度を発電機出力の下降に応じたプログラム制御するためになされている。
上述した本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態によれば、
建設コストと発電コストを低減すると共に、化石燃料を使用しない太陽熱空気タービン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空気タービン発電システムの一実施の形態によれば、毎日の日の出から日没までの天候状態により次々刻々変わる大気温度や直達日射強度に対応すると共に、系統からの負荷要求信号に追従するように圧縮空気の流量を制御する制御装置を設けたので、安定した運転のできる太陽熱空気タービン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空気タービン発電システムの一実施の形態によれば、発電用の化石燃料コストが不要となり、蒸気タービン発電設備も必要としないので発電設備が簡素化され、建設コストと発電コストを低減し経済性が向上する。
また、上述した本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態によれば、窒素酸化物ガスや二酸化炭素ガスを毎日の起動時に大気中に一切排出することがなく、天候の変化に関わらず、太陽熱から安価で安定した電力を提供することができる。
また、上述した本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態によれば、タワー３０の頂上部には、太陽熱受熱器２９のみが設置され、それ以外の構成機器は、地上部に設置されるのでタワー３０に大きな機器荷重が負荷されない。このことにより、タワー３０とその基礎を簡略化することが可能となり、この結果、建設コストを低減することができる。
また、上述した本発明の太陽熱空気タービン発電システムの一実施の形態によれば、圧縮機１と空気タービン２との起動方法として以下の手順を実行する。
（１）夜間、太陽熱集熱装置の系統内に中圧高温空気をホットバンキングする。
（２）翌日の起動に際して前日の残存高温空気を空気タービン２に導入して、低速回転数まで昇速する。
（３）インバータ装置６４で発電機３を電動機として駆動し、空気タービン２の回転数の近傍まで昇速した後、軸連結器２８で空気タービン軸と発電機軸とを連結する。
（４）インバータ装置６４で周波数を上昇させることで、定格速度まで到達させる。
このような起動方法を採るので、圧縮機１と空気タービン２とを完全停止状態から回し始めるときの電力供給が不要になる。この結果、起動用の所内動力の消費量を下げることができる。
なお、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。
１ 空気圧縮機
２ 空気タービン
３ 発電機
４ 空気冷却器
５ 冷水循環ポンプ
６ ターボ冷凍機
７ ３方冷水流量調整弁
１６ 温度センサ（空気冷却器出口空気温度）
１７ 空気冷却器出口空気温度制御装置
１８ 温度センサ（空気タービン入口空気温度）
１９ 温度センサ（太陽熱集熱装置出口空気温度）
２０ 温度センサ（太陽熱集熱装置バイパス空気温度）
２１ 温度センサ（空気タービン出口空気温度）
２２ 温度センサ（空気圧縮機出口空気温度）
２３ 温度センサ（再生熱交換器出口空気温度）
２４ 温度センサ（空気冷却器入口空気温度）
２５ 圧力センサ（太陽熱集熱装置出口空気圧力）
２６ 高温空気圧力逃がし制御装置
２７ 空気圧力逃がし調整弁
２８ 軸連結器
２９ 太陽熱受熱器
３０ タワー
３２ 太陽熱反射装置
３３ 直達日射光
３４ 直達日射光反射光
３５ 再生熱交換器バイパス弁
３６ 偏差演算装置
３７ 圧縮空気分配制御装置
３８ ３方圧縮空気分配バタフライ弁
３９ 直達日射計
４３ 圧縮機入口バタフライ弁
４５ 再生熱交換器
４７ 太陽熱集熱装置入口バタフライ弁
５２ 太陽熱集熱装置出口バタフライ弁
６０ 系統連絡遮断器
６１ 主回路遮断器
６２ 主変圧器
６４ インバータ装置
６７ 所内変圧器遮断器
６８ 所内変圧器高圧側回路
６９ 所内変圧器
７０ 発電機出口主回路
７１ 主変圧器低圧側回路
７５ 外部系統
８０ 所内補機回路
９０ 再生熱交出口空気温度制御装置
９１ 太陽熱集熱量制御装置

Claims (7)

  1. 空気を吸入して昇圧させる圧縮機と、集光器で集めた太陽光の熱により前記圧縮機で昇圧された圧縮空気を加熱して昇温させる受熱器と、前記受熱器で加熱された圧縮空気を導入して前記圧縮機と発電機とを駆動する空気タービンと、前記圧縮機の下流側かつ前記受熱器の上流側に設けられ、前記空気タービンからの排気を加熱媒体として前記圧縮機で昇圧された圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮機の下流側かつ前記再生熱交換器の上流側に設けられ、前記圧縮機で昇圧された圧縮空気を前記再生熱交換器側と前記空気タービンの入口側であるバイパス側とに分配する分配装置とを備えた太陽熱空気タービン発電システムにおいて、
    加熱媒体として前記再生熱交換器へ流入する前記空気タービンからの排気流量を調節することで、前記空気タービンの入口の空気温度を一定値になるように制御する制御装置を備えた
    ことを特徴とする太陽熱空気タービン発電システム。
  2. 請求項１に記載の太陽熱空気タービン発電システムにおいて、
    前記空気タービンの排気を前記再生熱交換器に導く再生熱交換器流入系統と、前記空気タービンの排気の前記再生熱交換器への流入をバイパスさせる再生熱交換器バイパス系統と、前記再生熱交換器バイパス系統に流入する排気流量を調節する流量調節弁とを備え、
    前記制御装置は、前記流量調節弁の開度を制御する制御装置である
    ことを特徴とする太陽熱空気タービン発電システム。
  3. 請求項１または２に記載の太陽熱空気タービン発電システムにおいて、
    前記圧縮機が吸入する前記空気を冷却する空気冷却器と、前記空気冷却器に冷水を循環させる冷水循環ポンプと、前記冷水を冷却するターボ冷凍機と、前記空気冷却器に流れる前記冷水の流量を制御する調整弁と、
    前記調整弁の開度を制御する空気冷却器出口空気温度制御装置と、前記空気タービンの入口の空気温度を検出する第１温度センサと、前記空気冷却器の出口空気温度を検出する第２温度センサと、大気温度を検出する第３温度センサとを備え、 前記空気冷却器出口空気温度制御装置は、前記第１乃至第３温度センサが検出した前記空気タービンの入口の空気温度と前記空気冷却器の出口空気温度と大気温度とを読み込み、前記空気タービンの入口の空気温度が一定値となるように、前記空気冷却器出口の空気温度を制御する
    ことを特徴とする太陽熱空気タービン発電システム。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の太陽熱空気タービン発電システムにおいて、
    前記分配装置は、前記圧縮機で昇圧された圧縮空気の流量を前記再生熱交換器側と前記空気タービンの入口側であるバイパス側とに分配する３方空気流量切換え弁と、前記３方空気流量切換え弁の開度を制御する分配制御装置とを備え、
    前記分配制御装置は、前記第１温度センサが検出した前記空気タービンの入口の空気温度と前記発電機の出力とを読み込み、前記空気タービンの入口の空気温度をプログラム制御するように、前記３方空気流量切換え弁の開度を制御する
    ことを特徴とする太陽熱空気タービン発電システム。
  5. 請求項４に記載の太陽熱空気タービン発電システムにおいて、
    タワーの頂上部に配置された前記受熱器と反射装置を有する前記集光器とからなる太陽熱集熱装置と、前記太陽熱集熱装置の前記反射装置の反射位置を制御する太陽熱集熱制御装置と、前記太陽熱集熱装置の出口の空気温度を検出する第４温度センサと、前記空気タービンの入口側であるバイパス側の空気温度を検出する第５温度センサとを備え、
    前記太陽熱集熱制御装置は、前記第１温度センサと前記第４温度センサと前記第５温度センサとが検出した前記空気タービンの入口の空気温度と前記太陽熱集熱装置の出口の空気温度と前記空気タービンの入口側であるバイパス側の空気温度とを読み込み、前記空気タービンに導入する熱量を加減するように、前記反射装置の反射位置を制御する
    ことを特徴とする太陽熱空気タービン発電システム。
  6. 請求項４に記載の太陽熱空気タービン発電システムにおいて、
    前記発電機を前記空気タービンの駆動用電動機とするために、所内電力系統に設けられ、前記所内電力系統からの電力を可変周波数電源に変換して前記発電機に供給するインバータ装置と、
    前記太陽熱集熱装置の入口側に設けた太陽熱集熱装置入口バタフライ弁と、前記太陽熱集熱装置の出口側に設けた太陽熱集熱装置出口バタフライ弁とを備え、
    前日の運転終了後に前記太陽熱集熱装置入口バタフライ弁と前記陽熱集熱装置出口バタフライ弁とを閉止することで太陽熱集熱装置の系統内にホットバンキングした高温空気を、前記空気タービンに導入して低速回転させ、
    その後、前記インバータ装置で変換した所定の周波数電源を前記発電機に供給し、前記発電機を電動機として駆動させる
    ことを特徴とする太陽熱空気タービン発電システム。
  7. 請求項５または６に記載の太陽熱空気タービン発電システムにおいて、
    前記太陽熱集熱装置の出口側に一端側が接続され他端側が大気に開放された圧力逃がし調整弁と、前記圧力逃がし調整弁の開度を制御する圧力逃がし制御装置と、前記太陽熱集熱装置の出口側の空気圧力を検出する圧力センサとを備え、
    前記圧力逃がし制御装置は、前記圧力センサが検出した前記太陽熱集熱装置の出口側の空気圧力を読み込み、前記空気圧力が予め設定した圧力以上に増加した場合に、前記圧力逃がし調整弁を開動作させて大気へ前記空気を放出する
    ことを特徴とする太陽熱空気タービン発電システム。
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