JP5311366B2 - タービンシステム、超臨界二酸化炭素タービンにエネルギを供給するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して二酸化炭素タービンに関し、詳しくは、再生可能なエネルギ源によって動力を与えられる二酸化炭素タービンに関する。

地球上で供給される化石燃料の枯渇や化石燃料の消費による地球温暖化を懸念して、クリーンで再生可能なエネルギ源が常に求められている。太陽エネルギ塔（ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｔｏｗｅｒｓ）は、塔に取り付けられた集熱器に太陽放射線を高密度に集めることにより、太陽光線から電力を発生させる。太陽エネルギ塔システム（ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｔｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ）は、概して「低温」貯蔵タンク、太陽集熱器、ヘリオスタット、「高温」貯蔵タンク、および蒸気発生器やタービン／発電装置などのエネルギ変換システムを含む。稼動時に、熱伝達流体が、低温貯蔵タンクから太陽集熱器に圧送される。熱伝達流体は、熱を伝達する能力があり、かつ耐熱性が高い、水や液体金属や溶融塩などの媒体であれば、どの媒体でもよい。

太陽集熱器は、概ね地上から５０フィート（約１５．２メートル）〜２５０フィート（約７６．２メートル）、あるいはさらに高い位置に設置され、ヘリオスタットによって熱せられる。ヘリオスタットは、太陽からの放射線を太陽集熱器の向きに変えて高密度に集める。太陽集熱器の集熱管の中を流れる熱伝達流体は、高密度に集められた太陽エネルギによって熱せられる。太陽集熱器の中で、熱伝達媒体として使われる液体金属は、約１６００°Ｆ（約８７１℃）の温度まで熱することができる。熱伝達媒体として使われる水／蒸気は、約１０５０°Ｆ（約５６６℃）のピーク温度まで熱することができる。熱伝達媒体として現在使われている溶融塩は、約１１００°Ｆ（約５９３℃）の温度まで熱することができる。

熱伝達媒体は、太陽集熱器の中で熱せられた後、典型的には、高温熱貯蔵タンクへ流入する。この熱伝達流体は、発電のために必要とされるまで、高温熱貯蔵タンクに貯蔵される。高温熱貯蔵タンクがあることにより、曇りの日や夜間にも電力を生成することができる。電気エネルギが必要とされたとき、高温の熱伝達媒体が高温貯蔵タンクからエネルギ変換システムへ圧送される。熱伝達流体は、エネルギ変換システム内で熱を伝達する。エネルギ変換システムは、例えばランキンサイクル変換システムやブレイトンサイクル変換システムとすることができる。ブレイトンサイクルは、再生用熱交換器（あるいは復熱器（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）ともいう）を備え、一般にランキンサイクルよりも高い効率を有し、約３４％〜約４０％の効率を示す。熱を奪われた熱伝達流体は、再利用のために低温貯蔵タンクに送り返される。

自然資源の枯渇や大気汚染による地球温暖化を懸念して、再生可能なエネルギ源を利用して電気を生成する方法が当技術分野で必要とされている。また、太陽エネルギ設備は一般に投資費用が高いので、効率よく、かつ高い対費用効果で電力を生成する方法も当技術分野で必要とされている。

タービンシステムが、超臨界二酸化炭素タービン（ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｔｕｒｂｉｎｅ）および太陽熱加熱システム（ｓｏｌａｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）を含む。この太陽熱加熱システムは、超臨界二酸化炭素タービンに熱エネルギを供給する溶融塩熱伝達流体を含む。

図１に概略的に示すタービンシステム１０は、概して、太陽熱加熱システム１２および超臨界二酸化炭素タービンシステム１４を含む。太陽熱加熱システム１２は、超臨界二酸化炭素タービンシステム１４に熱エネルギを供給するために、１日に２４時間まで使用される。太陽熱加熱システム１２を超臨界二酸化炭素タービンシステム１４と連結して使用することにより、超臨界二酸化炭素タービンシステム１４を効率よく使用することができ、超臨界二酸化炭素タービンシステム１４の電気変換効率を約４６％まで向上させることができる。こうして、タービンシステム１０の全体の効率を高めつつ、工場の投資費用や電気の生産費を減らすことができる。

太陽熱加熱システム１２は、概して、循環システム１６、低温貯蔵タンク１８、太陽集熱器２０、ヘリオスタット２２、高温貯蔵タンク２４、および熱交換器２６を含む。循環システム１６は、太陽熱加熱システム１２に熱伝達流体を通流させるシステムであり、概して、主ライン２８、副ライン３０、低温ポンプ３２ａ、および高温ポンプ３２ｂからなる。主ライン２８は、熱伝達流体を低温貯蔵タンク１８から太陽集熱器２０まで運ぶ。副ライン３０は、閉ループにおいて、熱伝達流体を高温貯蔵タンク２４から熱交換器２６に運び、さらに低温貯蔵タンク１８まで戻す。熱伝達流体は、低温ポンプ３２ａによって主ライン２８に圧送され、高温ポンプ３２ｂによって副ライン３０に圧送される。

稼動時に、熱伝達流体は低温貯蔵タンク１８に貯蔵されている。この熱伝達流体はポンプ３２ａを介して太陽集熱器２０に圧送される。ヘリオスタット２２は、太陽からの放射線の向きを変えて太陽集熱器の上に高密度に集める。この太陽集熱器は、向きを変えられた太陽光線を熱エネルギに変換する。熱伝達流体は、太陽集熱器２０の中を流れるときに、高密度に集められた太陽エネルギによって熱せられる。太陽集熱器２０は耐熱性があり、約１０６５°Ｆ（約５７４℃）以上の温度に耐えることができる。一実施例において、太陽熱加熱システム１２は、太陽エネルギ塔システムである。

熱伝達流体は、太陽集熱器２０の中で所望の温度まで熱せられた後、高温貯蔵タンク２４に流入する。その後、熱伝達流体は、電気を生成するために超臨界二酸化炭素システム１４で必要とされるまで、高温熱貯蔵タンク２４に貯蔵される。高温熱貯蔵タンク２４は、曇りの日や夜間にも電力の生産を可能にする。電気の生成が必要なとき、熱せられた熱伝達流体が高温貯蔵タンク２４から熱交換器２６を介して超臨界二酸化炭素システム１４に圧送され、熱エネルギを供給する。熱伝達流体が熱交換機２６を通過すると、熱エネルギを奪われた熱伝達流体は、温度が約８００°Ｆ（約４２７℃）まで急激に低下する。この熱伝達流体は、低温貯蔵タンク１８に送り返され、再び利用されるまで、閉サイクルの太陽熱加熱システム１２内に貯蔵される。

熱伝達流体は、熱を伝達する能力があり、かつ耐熱性が高い、水や液体金属や溶融塩などの媒体であれば、どの流体でもよい。また熱伝達流体は、低温貯蔵タンク１８および高温貯蔵タンク２４に収容されている固体の熱伝達媒体と相互作用してもよい。一実施例において、太陽熱加熱システム１２を流れる熱伝達流体として溶融塩が使用される。太陽集熱器２０からの熱を超臨界二酸化炭素システム１４に移すために使われる溶融塩は、約１０６５°Ｆ（約５７４℃）以上の温度に熱することができる。溶融塩は、硝酸ナトリウムおよび硝酸カリウムの共融混合物からなる塩とすることができる。この溶融塩に適する構成化合物の濃度範囲は、約５０重量％〜約７０重量％の硝酸ナトリウムおよび約３０重量％〜約５０重量％の硝酸カリウムである。この溶融塩に最適な構成化合物の濃度の一つは、約６０重量％の硝酸ナトリウムおよび約４０重量％の硝酸カリウムである。

超臨界二酸化炭素タービンシステム１４は、概して、循環システム３４、熱交換器２６、タービン３６、タービン発電機３８、高温復熱器４０、低温復熱器４２、前置冷却器４４、主圧縮機４６、および再圧縮機（ｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）４８を含む。循環システム３４は、超臨界二酸化炭素システム１４にブレイトンサイクル作動流体を通流させるシステムであり、概して、高温ライン５０、第１の中間温度ライン５２、高温復熱器出口ライン５４、第２の中間温度ライン５６、低温復熱器出口ライン５８、第３の中間温度ライン６０、前置冷却器ライン６２、主圧縮機ライン６４、低温復熱器入口ライン６６、再圧縮機入口ライン６８、再圧縮機出口ライン７０、第１の弁７２、第２の弁７４、および高温復熱器入口ライン７６を含む。ブレイトンサイクル作動流体は、主圧縮機４６と再圧縮機４８とによって循環システム３４を循環するように圧送される。さらに、発電機３８、タービン３６、再圧縮機４８、および主圧縮機４６が、シャフト７８に接続されている。主圧縮機４６および再圧縮機４８は、第１のシャフト部７８ａを介して互いに接続されている。再圧縮機４８およびタービン３６は、第２のシャフト部７８ｂを介して互いに接続されている。タービン３６および発電機３８は、第３のシャフト部７８ｃを介して互いに接続されている。一実施例において、超臨界二酸化炭素システム１４は、超臨界二酸化炭素ブレイトン電力変換サイクルである。

太陽熱加熱システム１２からの熱伝達流体が熱交換器２６を通過するときに、超臨界二酸化炭素システム１４を流れるブレイトンサイクル作動流体に熱が移される。一実施例において、超臨界二酸化炭素システム１４を流れるブレイトンサイクル作動流体として、超臨界二酸化炭素が使用される。超臨界二酸化炭素システム１４を流れる超臨界二酸化炭素は、約１０２２°Ｆ（約５５０℃）の温度まで熱することが可能である。熱交換器２６で、太陽熱加熱システム１２の溶融塩から超臨界二酸化炭素システム１４の超臨界二酸化炭素へ熱エネルギが交換されるとき、超臨界二酸化炭素は約１０２２°Ｆ（約５５０℃）の温度まで熱せられ、これが熱交換器２６から流出して高温ライン５０を流れるとき、約２８７６ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の圧力になる。高温ライン５０は、超臨界二酸化炭素を熱交換器２６からタービン３６まで運ぶ。

タービン３６において、ブレイトンサイクル作動流体は膨張してエネルギを放出し、ブレイトンサイクル作動流体の温度は約８２５°Ｆ（約４４１℃）に、圧力は約１１４６ｐｓｉに低下する。タービン３６で膨張する間に放出されるエネルギは、シャフト７８に接続した主圧縮機４６、再圧縮機４８、発電機３８を回転させるのに十分な大きさである。発電機３８は、タービン３６からの力学的エネルギを使って発電装置を回転させ、電気を発生させる。一実施例において、発電機３８は、約３００メガワットの正味の電気エネルギを発生させ、このときの効率は約９０％である。発電機３８によって発生する電力は、さまざまな用途に利用され、商用および居住用建物の電力供給などに使用されるが、これに限定されない。

ブレイトンサイクル作動流体は、続いてタービン３６から第１の中間温度ライン５２を介して高温復熱器４０まで運ばれる。高温復熱器４０において、ブレイトンサイクル作動流体の温度は、約３３５°Ｆ（約１６８℃）まで急低下する。ブレイトンサイクル作動流体は、続いて第２の中間温度ライン５６を介して低温復熱器４２に運ばれ、この低温復熱器４２において、ブレイトンサイクル作動流体の温度は、約１５８°Ｆ（約７０℃）までさらに低下する。高温復熱器４０および低温復熱器４２は、熱を再捕集して超臨界二酸化炭素システム１４に送り返す熱交換器として機能し、超臨界二酸化炭素システム１４の効率を向上させる。こうして、高温復熱器４０および低温復熱器４２ならびに熱交換器２６において、ブレイトンサイクル作動流体に熱が与えられる。

ブレイトンサイクル作動流体は低温復熱器４２から第３の中間温度ライン６０を介して第１の弁７２へ送られる。第１の弁７２において、ブレイトンサイクル作動流体の一部分が前置冷却器ライン６２を介して前置冷却器（ｐｒｅｃｏｏｌｅｒ）４４に送られ、この前置冷却器４４においてブレイトンサイクル作動流体の温度が約９０°Ｆ（約３２℃）まで低下した後、ブレイトンサイクル作動流体は、主圧縮機ライン６４を介して主圧縮機４６まで運ばれる。前置冷却器４４は、水中に熱を捨て、捨てられた熱は冷却塔へ送られて大気中に放出される。あるいは、直接的な空気冷却により、熱が除かれるようにしてもよい。この冷却は、ブレイトンサイクル作動流体の温度を閉システムの超臨界二酸化炭素システム１４の所望の低い開始温度まで低下させるために必要とされる。主圧縮機４６において、ブレイトンサイクル作動流体は、圧力が約２９００ｐｓｉまで圧縮され、温度は約１４２°Ｆ（約６１℃）になる。主圧縮機４６の入口での温度を二酸化炭素の臨界温度よりもわずかに高くして主圧縮機４６を作動させることにより、必要とされる仕事が顕著に減少する。ブレイトンサイクル作動流体の流れは、続いて低温復熱器入口ライン６６を介して低温復熱器４２に戻り、約３１７°Ｆ（約１５８℃）の温度まで熱せられる。ブレイトンサイクル作動流体は、続いて低温復熱器４２から流出し、低温復熱器出口ライン５８を介して第２の弁７４に流入する。

これと平行して、ブレイトンサイクル作動流体の第２の部分は、第１の弁７２から再圧縮機入口ライン６８を介して再圧縮機４８に運ばれ、圧力が約２８９９ｐｓｉまで圧縮され、温度は約３１７°Ｆ（約１５８℃）になる。再圧縮機４８から流出したブレイトンサイクル作動流体は、続いて主圧縮機４６から吐出されたブレイトンサイクル作動流体と合流し、再圧縮機出口ライン７０を介して第２の弁７４へ流入する。合流したブレイトンサイクル作動流体は、続いて第２の弁７４から流出して高温復熱器入口ライン７６を介して高温復熱器４０に流入し、温度が約７４６°Ｆ（約３９７℃）まで熱せられ、圧力は約２８９５ｐｓｉになる。

図２に、太陽熱加熱システム１２から超臨界二酸化炭素システム１４に熱エネルギを供給するために、熱伝達流体を使用する方法のフローチャートを示す。上記のとおり、溶融塩は初めに低温貯蔵タンク１８に貯蔵されている（ステップ１００）。溶融塩が必要とされたとき、太陽集熱器２０に圧送され（ステップ１０２）、約１０６５°Ｆ（約５７４℃）以上の温度まで熱せられる（ステップ１０４）。熱せられた溶融塩は、高温貯蔵タンク２４に送られ、超臨界二酸化炭素システム１４で必要とされるまで貯蔵される（ステップ１０６）。熱せられた溶融塩が超臨界二酸化炭素システム１４に圧送され、溶融塩からの熱エネルギが超臨界二酸化炭素に移されて、超臨界二酸化炭素システム１４に動力を与える（ステップ１０８）。

本発明のタービンシステムは、溶融塩太陽熱加熱システムを使って超臨界二酸化炭素システムに熱エネルギを供給する。この超臨界二酸化炭素システムは、約１０２２°Ｆ（約５５０℃）の二酸化炭素のピーク温度を必要とする。太陽熱加熱システムは、この太陽熱加熱システムに溶融塩を熱伝達流体として通流させ、超臨界二酸化炭素システムに動力を与えるために必要とされる熱エネルギを運ぶ。一実施例において、太陽熱加熱システムは、溶融塩を約１０６５°Ｆ（約５７４℃）の温度まで熱する太陽エネルギ塔システムである。

本発明を最良の形態について記述したが、当業者であれば、本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、形態や細部で変更が行われ得ることを理解されるであろう。

タービンシステムの概略図。 太陽熱加熱システムの熱伝達流体として溶融塩を使用する方法のフローチャート。

符号の説明

１８…低温貯蔵タンク
２０…太陽集熱器
２２…ヘリオスタット
２４…高温貯蔵タンク
２６…熱交換器
３８…タービン発電機
４０…高温復熱器
４２…低温復熱器

Claims (19)

1. 出口を有する超臨界二酸化炭素タービンと、
   前記超臨界二酸化炭素タービンの出口に接続された第１の入口と、第１の出口と、を有する高温復熱器と、
   前記高温復熱器の前記第１の出口に接続された第１の入口と、第１の出口と、を有する低温復熱器と、
   入口と、第１の出口と、第２の出口と、を有するとともに、前記入口が、前記低温復熱器の前記第１の出口に接続された、第１の弁と、
   前記第１の弁の前記第１の出口に接続された圧縮機と、
   前記第１の弁の前記第２の出口に接続された前置冷却器と、
   前記超臨界二酸化炭素タービンに熱エネルギを供給する溶融塩熱伝達流体を有する太陽熱加熱システムと、
   を備え、
   前記超臨界二酸化炭素タービンが、約１０２２°Ｆ（約５５０℃）以上の温度で稼動するタービンシステム。
2. 前記溶融塩熱伝達流体が、約５０重量％〜約７０重量％の硝酸ナトリウムおよび約３０重量％〜約５０重量％の硝酸カリウムからなることを特徴とする請求項１に記載のタービンシステム。
3. 前記太陽熱加熱システムが、前記溶融塩熱伝達流体を約１０６５°Ｆ（約５７４℃）以上の温度に熱することを特徴とする請求項１に記載のタービンシステム。
4. 前記超臨界二酸化炭素タービンが、超臨界二酸化炭素ブレイトン出力変換サイクルであることを特徴とする請求項１に記載のタービンシステム。
5. 熱交換器をさらに備え、前記熱エネルギが前記溶融塩熱伝達流体から二酸化炭素ブレイトンサイクル作動流体に移されることを特徴とする請求項１に記載のタービンシステム。
6. 超臨界二酸化炭素タービンにエネルギを供給するシステムであって、
   前記超臨界二酸化炭素タービンにエネルギを供給するためのブレイトンサイクル作動流体と、
   前記超臨界二酸化炭素タービンから前記ブレイトンサイクル作動流体を受け取り、これを冷却する高温復熱器と、
   前記高温復熱器から前記ブレイトンサイクル作動流体を受け取り、これを冷却する低温復熱器と、
   前置冷却器と、
   前記低温復熱器で冷却された前記ブレイトンサイクル作動流体を、前記前置冷却器に流入する第１の部分と、前記前置冷却器に流入しない第２の部分と、に分ける第１の弁と、
   前記前置冷却器によって冷却された前記ブレイトンサイクル作動流体の前記第１の部分と、前記前置冷却器によって冷却されない前記ブレイトンサイクル作動流体の前記第２の部分と、を混合させる第２の弁と、
   熱伝達流体を約１０６５°Ｆ（約５７４℃）以上に熱する太陽集熱器と、
   を備え、
   前記熱伝達流体が前記ブレイトンサイクル作動流体と熱の授受をし、
   前記超臨界二酸化炭素タービンが、約１０２２°Ｆ（約５５０℃）以上の温度で稼動するシステム。
7. 前記超臨界二酸化炭素タービンが、約１０２２°Ｆ（約５５０℃）の入口温度で稼動することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記熱伝達流体が溶融塩であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
9. 前記溶融塩熱伝達流体が、約５０重量％〜約７０重量％の硝酸ナトリウムおよび約３０重量％〜約５０重量％の硝酸カリウムからなることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記熱伝達流体が、前記超臨界二酸化炭素タービンに熱エネルギを供給することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
11. 熱交換器をさらに備え、前記熱エネルギが前記溶融塩から二酸化炭素に移されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記システムが太陽熱加熱システムであることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
13. 超臨界二酸化炭素タービンを用いて電力を生成する方法であって、
    太陽光線から太陽エネルギを捕集するステップと、
    前記太陽エネルギを使って熱伝達流体を約１０６５°Ｆ（約５７４℃）以上に熱するステップと、
    前記超臨界二酸化炭素タービンのブレイトンサイクル作動流体を熱するために前記熱伝達流体からエネルギを移動させるステップと、
    前記加熱した前記ブレイトンサイクル作動流体を前記超臨界二酸化炭素タービンに通流させるステップと、
    前記超臨界二酸化炭素タービンからの前記ブレイトンサイクル作動流体を高温復熱器で冷却するステップと、
    前記高温復熱器からの前記ブレイトンサイクル作動流体を低温復熱器で冷却するステップと、
    前記低温復熱器からの前記冷却されたブレイトンサイクル作動流体を第１および第２の部分に分けるステップと、
    前記ブレイトンサイクル作動流体の前記第１の部分を冷却するステップと、
    前記ブレイトンサイクル作動流体の前記第２の部分を冷却しないステップと、
    前記ブレイトンサイクル作動流体の前記第１の部分を冷却するステップの後に、前記ブレイトンサイクル作動流体の前記第１の部分と、前記冷却されていない前記ブレイトンサイクル作動流体の前記第２の部分と、を混合するステップと、
    を含み、
    前記超臨界二酸化炭素タービンが、約１０２２°Ｆ（約５５０℃）以上の温度で稼動することを特徴とする方法。
14. 前記太陽エネルギを捕集するステップが、太陽熱加熱システムを使用することを含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記熱伝達流体が溶融塩であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記溶融塩熱伝達流体が、約５０重量％〜約７０重量％の硝酸ナトリウムおよび３０重量％〜５０重量％の硝酸カリウムからなることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記超臨界二酸化炭素タービンのブレイトンサイクル作動流体を熱するために前記熱伝達流体からエネルギを移動させるステップが、熱交換器を使用することを含む請求項１３に記載の方法。
18. 前記熱伝達流体が、前記超臨界二酸化炭素タービンに熱エネルギを供給することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
19. 前記超臨界二酸化炭素タービンが、超臨界二酸化炭素ブレイトン出力変換サイクルからなることを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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