JPH08189457A

JPH08189457A - 太陽熱発電システム

Info

Publication number: JPH08189457A
Application number: JP7150148A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Ito; 正治伊藤; Masahiro Atsumi; 正博渥美; Koichi Matsuyama; 行一松山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-11-01
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 1996-07-23
Anticipated expiration: 2017-02-18
Also published as: JP3258530B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はシステム効率が高く、コンパクトな太
陽熱発電システムを提供することを目的とする。【構成】液体空気を利用する太陽熱発電システムにお
いて、液体空気タンク１５と、ポンプ１と、再生熱交換
器２と、太陽熱集光器３と、タービン４を具備し、前記
ポンプ１は、液体空気タンク１５から吸入した液体空気
を加圧して再生熱交換器２に吐出し、前記再生熱交換器
２は、ポンプ１からの高圧液体空気を常温附近まで加温
し、前記太陽熱集光器３は、再生熱交換器２からの空気
を、さらに加熱し、前記タービン４は、太陽熱集光器３
からの高温高圧空気により駆動され、前記タービン４か
ら排出された空気は、再生熱交換器２において、ポンプ
１からの液体空気を加熱した後、大気に放出されること
を特徴とする太陽熱発電システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽熱発電システムに
利用されるガスタービン発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の太陽熱発電システムを図１４に示
す。従来技術では熱効率を高めるため水を作動流体とす
るランキンサイクルを用いている。このサイクルではポ
ンプ１で昇圧後、再生熱交換器２と太陽熱集光器３で加
熱し、高圧高温の水蒸気を発生させ、水蒸気タービン４
で動力を取出す。その後、再生熱交換器２で凝縮させて
水タンク５に戻す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では水蒸気タ
ービンを回してエネルギを取出すため、タービン入口温
度は一般に臨界温度３７４℃を越える高温が必要とな
る。このため、太陽熱集光器出口でこの温度を越えない
日照状況では、タービンは回らず動力を取出すことがで
きない。特に、タービンとポンプの作動点は日照状況に
より大きく変化するため、設計点より低い効率で運転さ
れることも多く、エネルギの変換効率が全体的に低くな
る。

【０００４】また、ランキンサイクルでは最高で４７％
の効率にしか達しない。実際に達成できている効率はせ
いぜい３５％程度と低く、設備の規模に比べて取出せる
エネルギは小さいという問題がある。本発明はこれらの
問題を解決することができる太陽熱発電システムを提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

（第１の手段）本発明に係る太陽熱発電システムは、
液体空気を利用する太陽熱発電システムにおいて、
（Ａ）液体空気タンク１５と、（Ｂ）ポンプ１と、
（Ｃ）再生熱交換器２と、（Ｄ）太陽熱集光器３と、
（Ｅ）タービン４を具備し、（Ｆ）前記ポンプ１は、液
体空気タンク１５から流入した液体空気を加圧して再生
熱交換器２に吐出し、（Ｇ）前記再生熱交換器２は、ポ
ンプ１からの高圧液体空気を常温付近まで加温し、
（Ｈ）前記太陽熱集光器３は、再生熱交換器２からの空
気を、さらに加熱し、（Ｉ）前記タービン４は、太陽熱
集光器３からの高温高圧空気により駆動され、（Ｊ）前
記タービン４から排出された空気は、再生熱交換器２に
おいて、ポンプ１からの液体空気を加熱した後、大気に
放出されることを特徴とする。（第２の手段）本発明に係る太陽熱発電システムは、
第１の手段において、太陽熱集光器３とタービン４の間
に補助燃焼器８を設け、太陽熱集光器３の出口温度をセ
ンシングして補助燃焼を行い、タービン入口温度を高温
に保つことを特徴とする。（第３の手段）本発明に係る太陽熱発電システムは、
第１の手段又は第２の手段において、液体空気タンク１
５に液体空気を供給するための液体空気製造装置７を有
することを特徴とする。（第４の手段）本発明に係る太陽熱発電システムは、
液体空気を利用する太陽熱発電システムにおいて、
（Ａ）液体空気タンク１５と、（Ｂ）ポンプ１と、
（Ｃ）太陽電池３１と、（Ｄ）再生熱交換器２と、
（Ｅ）太陽熱集光器３と、（Ｆ）タービン４を具備し、
（Ｇ）前記ポンプ１は、液体空気タンク１５から流入し
た液体空気を加圧して、太陽電池３１を冷却しながら、
再生熱交換器２に吐出し、（Ｈ）前記再生熱交換器２
は、ポンプ１からの高圧液体空気を常温付近まで加温
し、（Ｉ）前記太陽熱集光器３は、再生熱交換器２から
の空気を、さらに加熱し、（Ｊ）前記タービン４は、太
陽熱集光器３からの高温高圧空気により駆動され、
（Ｋ）前記タービン４から排出された空気は、再生熱交
換器２において、ポンプ１からの液体空気を加熱した
後、大気に放出されることを特徴とする。（第５の手段）本発明に係る太陽熱発電システムは、
第４の手段において、太陽電池（３１）と再生熱交換器
（２）とを一体化した再生熱交換器一体型太陽電池（３
２）を有することを特徴とする。

【０００６】

【作用】

（Ａ）液体空気を作動流体にしたことにより、（１）常温でも充分にガス化しているため、確実にター
ビンを駆動することができ、運転上の温度制限をなくす
ることができる。

【０００７】（２）補助燃焼器を付加することによりガ
スタービン入口温度を高温に保ち、出力を一定にするこ
とができる。そのためシステムの熱効率を落とすことな
く、動力エネルギを取出すことができる。（Ｂ）開放系タービンサイクルを用いたことにより、（１）ランキンサイクルに比べ、システム効率を大きく
することができる。

【０００８】（２）そのため受光面積に対して出力を大
きくすることができ、設備の小型化をはかることができ
る。（Ｃ）すなわち、本発明では作動量体に液体空気を用い
た開放系タービンサイクルを用い、これにより常温でも
確実にガス化させることができるため、タービンを駆動
でき、太陽熱集光器出口温度が３７０℃以下であっても
動力を有効に取出すことができる。

【０００９】また、システムの効率もタービン効率にの
み依存するため全体効率を６０〜７０％までに向上させ
ることができ、設備を従来のものよりも小型化できる。
そして、作動流体が空気のため、太陽熱集光器の下流に
補助燃焼器を置くことにより、タービン入口温度を一定
に保ち、全体効率を低下させることなく運転できるコン
バインドサイクルを形成することができる。そのためこ
のサイクルでは全体効率が低下せず、変動する太陽熱を
有効に動力エネルギに変換することができる。（Ｄ）液体空気の流路上に太陽電池を設置することによ
り、太陽電池を液体空気の温度に冷却し、低温で太陽電
池の出力電力が増大することを利用して、常温時よりも
大きな太陽電池出力を得ることができる。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図１〜図１３に示す。（第１実施例）図１は本発明の第１実施例の基本太陽熱
発電システムの系統図を示す。

【００１１】図１において、液体空気は液体空気タンク
１５からポンプ１で数１０kgf ／cm² 〜数１００kgf ／
cm² まで加圧される。高温になった液体空気は再生熱交
換器２で常温付近まで加温された後、太陽熱集光器３で
更に加熱され、９５０〜１０５０℃程度の高温にまで達
する。

【００１２】高温・高圧の空気はタービン４を駆動する
ことにより動力を発生させた後、再生熱交換器２を通過
して大気に放出される。再生熱交換器２から得られた動
力は一部をポンプ駆動に回しながら、そのほとんどを発
電機あるいは負荷装置６により電気エネルギあるいは機
械エネルギに変換される。

【００１３】図１ではタービン４とポンプ１が機械的に
結合されたものになっているが、ポンプ１の駆動をモー
タで行ない電気的に結合させることも可能である。運転
方法としては、夜間等の余剰となっている電力等で液体
空気を製造・貯蔵しておき、昼間の太陽光を集光できる
ときに発電を行なうという使い方をする。

【００１４】第１実施例では、作動流体に空気を用いる
ためタービン４などのコンポーネント設計が簡単にな
る。なお、このシステムでは液体空気の代わりに液体窒
素、液体水素などの極低温流体を用いてもよい。（第２実施例）図２は本発明の第２実施例の基本的な太
陽熱発電システムの系統図を示す。

【００１５】第２実施例は第１実施例の基本サイクルの
太陽熱集光器３の下流に補助燃焼器８を取付けて、コン
バインドサイクルにしたものである。第２実施例は、日
照状況に合わせて変化する太陽熱集光器３の出口温度を
センシングして補助燃焼を行ない、タービン入口温度を
常に高温に保つシステムであるため、第２実施例のシス
テムによれば、必要な動力を太陽熱と燃料の系統からし
て安定して得ることができる。

【００１６】従って、第２実施例のシステムにより、シ
ステム全体の効率を大きく支配するタービンの作動点を
高い効率を得ることができる点に維持して運転をするこ
とができる。

【００１７】そのため、安定した出力供給ができるとと
もに、変動する太陽熱を高効率で動力にエネルギに変換
することができる。前述のように本発明システムでは、
液体空気を作動媒体とし、これをポンプで昇圧し、熱源
で加熱して高温・高圧のガスを生成してタービンにより
エネルギを取出す。

【００１８】熱源には太陽熱集光器、燃焼器あるいはこ
の２つを組合わせたものを用いる。動力は機械的に取出
すことも、発電機をつけて電気的に取出すことも可能で
ある。（第３実施例）本発明の第３実施例の基本的な太陽熱発
電システムの系統図を図３に示す。

【００１９】液体空気製造装置７により生成した液体空
気を、液体空気タンク１５に溜め、この液体空気をポン
プ１で太陽電池３１に送り出し、太陽電池３１を冷却し
て、常温時よりも大きな発電電力を取り出す取り出すと
もに、液体空気を加熱する。

【００２０】液体空気は、再生熱交換器２で、さらに加
熱された後、太陽熱集光器３で高温・高圧の空気とな
り、タービン４を駆動し、発電機あるいは負荷装置６に
エネルギーを供給する。

【００２１】タービン駆動後の空気は、再生熱交換器２
において液体空気を加熱した後、排気される。図４に、
基本となる太陽電池３１の冷却手段を示す。その構成
は、断熱層と太陽電池と冷却層からなる。

【００２２】前記断熱層は、太陽電池の冷却時に、電池
表面での結露や氷結を防止して、太陽の受光を確保する
役割をもつ。なお前記断熱層は、結露および氷結防止機
構（例えば太陽電池に温風を直接吹き付ける機構）と代
替え可能である。

【００２３】図５に、他の冷却手段を示す。その手段
は、太陽電池を液体空気中に直接漬けるというものであ
る。（第４実施例）本発明の第４実施例の基本的な太陽熱発
電システムの系統図を図６に示す。

【００２４】第４実施例は、第３実施例中の太陽電池３
１と再生熱交換器２を一体化することにより、設備と機
能の集約を図り、太陽光の受光面積を確保しやすくし、
大出力化に適した構成にしたものである。

【００２５】まず、液体空気製造装置７により、液体空
気を生成し、液体空気タンク１５に溜め、ポンプ１で、
この液体空気を再生熱交換器一体型太陽電池３２に送り
出し、液体空気を加熱するとともに、太陽電池を冷却
し、常温時よりも大きな発電電力を取り出す取り出す。

【００２６】液体空気は、さらに加熱された後、太陽熱
集光器３で高温・高圧の空気となり、タービン４を駆動
し、発電機あるいは負荷装置６にエネルギーを供給す
る。タービン駆動後の空気は、再生熱交換器一体型太陽
電池３２において液体空気を加熱した後、排気される。（再生熱交換器一体型太陽電池）図７に、第４実施例の
再生熱交換器一体型太陽電池の構成を示す。

【００２７】図７のように、一体型の構成にすることに
より、設備における太陽光の受光面積の確保が容易にな
り、大出力化に適した構成になる。（動力用エンジンとしての実施例）第４実施例の動力用
エンジンとしての例を図８〜図１０に示す。

【００２８】第４実施例と第３実施例との違いは、第４
実施例では、図８〜図１０に示すように、自動車などの
小型移動体でも利用できるように、大型の太陽熱集光器
をもたないことである。

【００２９】図８は、ＮＯ_X やＣＯ_X のまったく発生し
ないクリーンなハイブリッド・エンジンである。図８に
おいて、液体空気タンク１５に貯蔵した液体空気を、ポ
ンプ１を用いてシステムに供給する。ポンプ１の駆動
は、蓄電器１０７と制御装置１０８とモータ１０６を用
いて行う。

【００３０】供給された液体空気は、太陽電池３１を冷
却し、太陽電池３１の発電効率を高めたのち、再生熱交
換器２において気化し、空気流となってタービン４に供
給される。

【００３１】なお、再生熱交換器２への外気（液体空気
に対し十分高温な気体）の取込は、移動体前面からの取
込や、他のポンプ等を用いた強制吸入でも可能である。
強制吸入とした場合には、移動体用エンジンに限らず、
据付型エンジンとしても使用可能になる。

【００３２】空気流によるタービン４の駆動力により、
負荷６に動力を取出す。このとき、負荷動力に余剰がで
る場合には、モータ１０６を発電機として使用してエネ
ルギ−を電力に変換し、蓄電器１０７に貯える。

【００３３】システムの高速回転部やモータ等の高温と
なる部分については、再生熱交換器２で冷却した外部か
らの取込み空気を用いて、車体冷却１０９、またはシス
テム冷却をする。

【００３４】なお、タービン４通過後の空気も冷却用に
使用できる。蓄電器１０７に貯えられた電力は、タービ
ン出力の補助としてモータ１０６の駆動に用いることが
でき、システム全体として長時間使用可能な、制御性の
よい動力用ハイブリッド・エンジンにすることができ
る。

【００３５】図９は、性能に合わせてポンプを選択可能
な、ポンプ分解型ハイブリッド・エンジンである。図９
のポンプ分解型ハイブリッド・エンジンは、図８のハイ
ブリッド・エンジンと次の点で相違する。

【００３６】図８のハイブリッド・エンジンでは、ポン
プ１は発電機兼モ−タ１０６で駆動されるが、この発電
機兼モ−タ１０６は、モ−タとして蓄電器１０７からの
電力で駆動されるとともに、負荷動力に余剰がでる場合
には、タービン４で駆動され、発電機として使用してエ
ネルギ−を電力に変換し、蓄電器１０７に貯える。

【００３７】他方、図９のポンプ分解型ハイブリッド・
エンジンでは、ポンプ１０１は発電機兼モ−タ１０６と
は別の独立したモ−タ１０７で駆動される。そのため、
ポンプ１０１については独立に制御し、制御性を高める
ことができる。

【００３８】図１０は、燃料および燃焼器を持ち、液体
空気の安定気化と高出力化が可能なハイブリッド・エン
ジンである。図１０のハイブリッド・エンジンは、図８
のハイブリッド・エンジンと次の点で相違する。

【００３９】図１０のハイブリッド・エンジンは、図８
のハイブリッド・エンジンに燃料タンク１１１と燃焼器
１１２を追加したもので、再生熱交換器２で生成した空
気を燃料に加えて、燃焼器１１２で燃焼させ、タービン
出力を大きくするものである。

【００４０】また、これらの追加により、エネルギー源
としての液体空気の他に、電力と燃料の２つのバックア
ッブエネルギー源を確保して、運用性の高いエンジンに
することができる。

【００４１】もちろん、図８〜図１０の組み合わせによ
る実施も可能である。図１１は、本発明の太陽電池３１
の冷却による出力電力の向上効果を確認する試験のセッ
トアップ（試験実施の配置図）をしめす。

【００４２】図１２および図１３は、本発明の太陽電池
３１が、液体空気による冷却により（以下冷却によりと
いう）、どの程度、その出力電力を向上することができ
るか、についての効果確認の試験結果をしめす。

【００４３】図１２および図１３に示す試験結果から、
太陽電池３１を液体空気により冷却することにより（以
下冷却時という）、常温のとき（以下常温時という）よ
りも、出力電力を３５％程度、向上することができるこ
とが確認できた。

【００４４】

【発明の効果】本願発明は前述のように構成されている
ので、以下に記載するような効果を奏する。（１）太陽熱発電に必要な上昇温度を水のランキンサイ
クルで必要な温度３７０℃程度から常温付近まで下げて
もタービンを駆動することができる。（２）システム熱効率を３５％程度から６５％程度まで
向上できるため、受光面積に対する出力を大幅に向上で
きる。そのため設備の小型化をはかることができる。（３）補助燃焼器を取付けることにより、コンバインド
サイクルにすることができる。コンバインドサイクルに
することにより出力を一定に出すことができ、システム
の全体効率を落とすことなく太陽熱を有効エネルギに変
換できる。（４）太陽電池を液体空気により冷却することにより、
冷却時には、常温時よりも、出力電力を３５％程度、向
上することができる。（５）太陽電池を液体空気により冷却することにより、
再生熱交換器および太陽熱集光器の能力軽減と小形化が
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る太陽熱発電システム
の系統図。

【図２】本発明の第２実施例に係る太陽熱コンバインド
発電システムの系統図。

【図３】本発明の第３実施例に係る太陽熱発電システム
の系統図。

【図４】第３実施例に係る太陽電池の液体空気による冷
却方法を示す図（その１）。

【図５】第３実施例に係る太陽電池の液体空気による冷
却方法を示す図（その２）。

【図６】本発明の第４実施例に係る太陽熱発電システム
の系統図。

【図７】第４実施例に係る再生熱交換器一体型太陽電池
の構成例を示す図。

【図８】第４実施例に係る動力用エンジンとしての例を
示す図（その１）。

【図９】第４実施例に係る動力用エンジンとしての例を
示す図（その２）。

【図１０】第４実施例に係る動力用エンジンとしての例
を示す図（その３）。

【図１１】第４実施例の効果を確認するための試験のセ
ットアップを示す図。

【図１２】第４実施例の効果確認試験結果示す図（その
１）。

【図１３】第４実施例の効果確認試験結果示す図（その
２）。

【図１４】従来の太陽熱発電システムを示す系統図。

【符号の説明】

１…ポンプ、２…再生熱交換器、３…太陽熱集光器、４…タービン、５…水タンク、６…発電機あるいは負荷装置、７…液体空気製造装置、８…補助燃焼器、１０…液体空気１５…液体空気タンク、１８…燃料ポンプ、３１…太陽電池３２…再生熱交換器一体型太陽電池、４１…断熱材、５１…冷却材、１０６…モータ、１０７…蓄電器、１０８…制御装置、１０９…車体冷却、１１１…燃料タンク、１１２…燃焼器。

フロントページの続き (72)発明者松山行一愛知県小牧市大字東田中1200番地三菱重工業株式会社名古屋誘導推進システム製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体空気を利用する太陽熱発電システム
において、（Ａ）液体空気タンク（１５）と、（Ｂ）ポ
ンプ（１）と、（Ｃ）再生熱交換器（２）と、（Ｄ）太
陽熱集光器（３）と、（Ｅ）タービン（４）を具備し、
（Ｆ）前記ポンプ（１）は、液体空気タンク（１５）か
ら流入した液体空気を加圧して再生熱交換器（２）に吐
出し、（Ｇ）前記再生熱交換器（２）は、ポンプ（１）
からの高圧液体空気を常温付近まで加温し、（Ｈ）前記
太陽熱集光器（３）は、再生熱交換器（２）からの空気
を、さらに加熱し、（Ｉ）前記タービン（４）は、太陽
熱集光器（３）からの高温高圧空気により駆動され、
（Ｊ）前記タービン（４）から排出された空気は、再生
熱交換器（２）において、ポンプ（１）からの液体空気
を加熱した後、大気に放出されることを特徴とする太陽
熱発電システム。
【請求項２】太陽熱集光器（３）とタービン（４）の
間に補助燃焼器（８）を設け、太陽熱集光器（３）の出
口温度をセンシングして補助燃焼を行い、タービン入口
温度を高温に保つことを特徴とする請求項１記載の太陽
熱発電システム。
【請求項３】液体空気タンク（１５）に液体空気を供
給するための液体空気製造装置（７）を有することを特
徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽熱発電システ
ム。
【請求項４】液体空気を利用する太陽熱発電システム
において、（Ａ）液体空気タンク（１５）と、（Ｂ）ポ
ンプ（１）と、（Ｃ）太陽電池（３１）と、（Ｄ）再生
熱交換器（２）と、（Ｅ）太陽熱集光器（３）と、
（Ｆ）タービン（４）を具備し、（Ｇ）前記ポンプ
（１）は、液体空気タンク（１５）から流入した液体空
気を加圧して、太陽電池（３１）を冷却しながら、再生
熱交換器（２）に吐出し、（Ｈ）前記再生熱交換器
（２）は、ポンプ（１）からの高圧液体空気を常温付近
まで加温し、（Ｉ）前記太陽熱集光器（３）は、再生熱
交換器（２）からの空気を、さらに加熱し、（Ｊ）前記
タービン（４）は、太陽熱集光器（３）からの高温高圧
空気により駆動され、（Ｋ）前記タービン（４）から排
出された空気は、再生熱交換器（２）において、ポンプ
（１）からの液体空気を加熱した後、大気に放出される
ことを特徴とする太陽熱発電システム。
【請求項５】太陽電池（３１）と再生熱交換器（２）
とを一体化した再生熱交換器一体型太陽電池（３２）を
有することを特徴とする請求項４記載の太陽熱発電シス
テム。