WO2013098945A1

WO2013098945A1 - 太陽熱発電設備

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Publication number: WO2013098945A1
Application number: PCT/JP2011/080232
Authority: WO
Inventors: 秀明大田
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-04
Also published as: US20140202155A1; MA35871B1; CN103842649A; AU2011384554A1; MX2014002631A

Abstract

　液相と気相との間で相変化する熱媒体を使用する太陽熱発電設備１０であって、太陽熱によって熱媒体を加熱するフレネル式集熱装置２２と、排ガスを排出しつつ発電するガスタービン発電装置２０と、フレネル式集熱装置２２によって加熱された後の熱媒体が流れる第１の流路５０、および第１の流路５０に隣接してガスタービン発電装置２０の排ガスが流れる第２の流路５２を備え、第１の流路５０内の熱媒体を第２の流路内５２の排ガスによって加熱する加熱装置１４と、加熱装置１４によって加熱された後の熱媒体を気相と液相とに分離する気液分離装置２６と、気液分離装置２６によって分離された気相の熱媒体に駆動されるタービン発電装置１８と、を有する。

Description

太陽熱発電設備

　本発明は、液相と気相との間で相変化する熱媒体を利用するとともに、太陽熱を利用する太陽熱発電設備に関する。

　特許文献１に記載されているように、熱媒体と太陽熱とを利用する太陽熱発電設備が知られている。特許文献１に記載する太陽熱発電設備の場合、太陽熱で加熱された第１の熱媒体が太陽熱を蓄熱槽に伝達し、太陽熱が蓄熱槽に蓄熱される。第２の熱媒体は蓄熱槽に蓄えられた熱で加熱されてから、さらにボイラ装置で加熱されて気相化される。気相化された第２の熱媒体が蒸気タービン発電装置を駆動する。

　熱媒体を太陽熱で加熱するために、太陽熱を熱媒体に集める太陽熱集熱装置が使用される。太陽熱集熱装置としては、パラボリックトラフ式集熱装置（Parabolic Trough Collector）、フレネル式集熱装置（Fresnel Collector またはLinear Fresnel Collector）、タワー式集熱装置（Tower Collector または Central Tower Collector）などが存在する（特許文献２，３参照）。パラボリックトラフ式集熱装置は、図１２に示すように、断面が放物線形状のパラボリックトラフミラー１０１０を有する。パラボリックトラフミラー１０１０は、放物線の焦点位置に配置されて、内部を熱媒体が流れる熱吸収パイプ１０１２に向かって太陽光を反射するように構成されている。太陽の移動に合わせてパラボリックトラフミラー１０１０の傾き角度が変更される。

　フレネル式集熱装置は、図１３に示すように、複数の平板ミラー１０２２を有する。平板ミラー１０１０の上部に、平板ミラーと平行に熱吸収パイプが配置されている。太陽の移動に合わせて、平板ミラーは熱吸収パイプ１０１２に向かって太陽光を反射するように構成されている。太陽の移動に合わせて各々の平板ミラー１０２２の傾き角度が変更される。

　タワー式集熱装置は、図１４に示すように、熱媒体が流れる先端部１０３０を備えるタワー１０３２と、タワー１０３２を中心として且つタワー１０３２までの距離が異なる複数の同心円、同心半心円、または同心多角形上に配置された複数の平板ミラー１０３４（Heliostat:ヘリオスタットと呼ぶ）とを有する。各々のヘリオスタット１０３４は、タワー１０３２の先端部１０３０に向かって太陽光を反射するように構成されている。太陽の移動に合わせて各々のヘリオスタット１０３４の傾き角度が変更される。

　太陽光の反射光が照射される（すなわち、太陽熱によって加熱される）熱吸収パイプとして、真空式パイプまたは非真空式パイプが使用される。真空式パイプは、放熱しにくいので熱損失が少なく、例えば、熱媒体が流れるスチール製チューブと、スチール製チューブを囲むガラス製チューブとから構成されている。スチール製チューブとガラス製チューブとの間の空間は真空状態にされている。特定の波長の太陽光を選択的に吸収することができるコーティング膜が、スチール製パイプの外側表面に形成されている。真空式パイプは、熱媒体として油が使用されるとともに、集熱装置としてパラボリックトラフ式集熱装置が使用される場合に、採用されることが多い。

　一方、非真空式パイプは、例えば、単なるスチール製パイプである。非真空式パイプは、真空式パイプに比べて放熱が多いが、構造が簡単で製造コストが低く、取り扱いが容易という利点を有する。非真空式パイプは、熱媒体として水が使用されるとともに、集熱装置としてフレネル式集熱装置が使用される場合に、採用されることが多い。

　熱媒体が流れるパイプであって、熱媒体の熱を蓄熱するパイプが、特許文献４に記載されている。特許文献４に記載された太陽熱発電設備は、熱媒体の熱をパイプに設けられた蓄熱媒体に蓄熱し、蓄熱媒体に蓄えられた熱によって熱媒体を加熱するように構成されている。熱媒体と蓄熱媒体との間の熱交換を選択的に実行するために、蓄熱媒体に熱的に接続された主供給パイプと、蓄熱媒体から熱的に分離されたバイパスパイプと、主供給パイプまたはバイパスパイプのいずれか一方に熱媒体を流すための制御弁が設けられている。

特開２００７－１３２３３０号公報特開２０１０－０５８０５８号公報特開２００９－１９７７３３号公報国際公開２０１０／０５２７１０号公報

　地上に到達する太陽熱エネルギ強度（直達日照強度：Direct Normal Irradianceまたは略してＤＮＩと呼ぶ）は、季節、時刻、天候、場所などによって変化する。例えば、アメリカ合衆国のデンバーにおける直逹日照強度の変化を図１５に示すように、暦日によって日照時間が異なり、時刻によって直逹日照強度が異なる。雲が太陽をさえぎるなどの天候の急変によって直逹日照強度は急激に変化する。即ち、太陽熱によって熱媒体を十分に加熱できない可能性がある。ゆえに、太陽熱によって十分に加熱された気相の熱媒体(例えば水蒸気)を利用して発電する太陽熱発電設備は、十分に電力を発電できない可能性がある。

　この対処方法として、特許文献４に記載された太陽熱発電設備のように、太陽熱によって十分にまたは過分に加熱された熱媒体が保持する熱の一部を蓄熱媒体に蓄熱し、太陽熱によって不十分に加熱された熱媒体を蓄熱媒体に蓄えられた熱によって加熱することが考えられる。いつでも熱媒体を加熱できるようにするためには、大量の熱を蓄えるための大量の蓄熱媒体と、その大量の蓄熱媒体を収容する大型の収容設備（例えば、蓄熱タンク）が必要になる。その結果、太陽熱発電設備の製造コストおよび維持コストが高くなる。

　別の対処方法として、集熱効率（すなわち熱媒体の加熱効率）が比較的低いフレネル式集熱装置ではなく、集熱効率が比較的高いパラボリックトラフ式集熱装置またはタワー式集熱装置を使用することが考えられる。しかしながら、パラボリックトラフ式集熱装置またはタワー式集熱装置は、フレネル式集熱装置に比べて製造コストおよび維持コストが高い。

　本発明は、安価な構成で、日照時間が短い場合、直逹日照強度が低い場合、および／または直逹日照強度が急激に変化する場合でも熱媒体を十分に加熱することができ、十分に発電することができる太陽熱発電設備を提供することを課題とする。

　上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

　本発明の一態様によれば、液相と気相との間で相変化する熱媒体を使用する太陽熱発電設備であって、太陽熱によって熱媒体を加熱するフレネル式集熱装置と、排ガスを排出しつつ発電するガスタービン発電装置と、フレネル式集熱装置によって加熱された後の熱媒体が流れる第１の流路、および第１の流路に隣接してガスタービン発電装置の排ガスが流れる第２の流路を備え、第１の流路内の熱媒体を第２の流路内の排ガスによって加熱する加熱装置と、加熱装置によって加熱された後の熱媒体を気相と液相とに分離する気液分離装置と、気液分離装置によって分離された気相の熱媒体に駆動されるタービン発電装置と、を有する、太陽熱発電設備が提供される。

　本発明によれば、安価な構成で、日照時間が短い場合、直逹日照強度が低い場合、および／または直逹日照強度が急激に変化する場合でも熱媒体を十分に加熱することができ、太陽熱発電設備は十分に発電することができる。

　本発明の態様と特徴は、添付図面についての好ましい実施の形態の記述から明らかになる。この図面においては、
本発明の実施の形態１に係る太陽熱複合発電設備の概念図図１に示す太陽熱複合発電設備の概略的構成図加熱装置の概略的構成図図３に示す加熱装置の断面図直逹日照強度(DNI)と蒸気タービン発電量との関係を示す図比較例の加熱装置の概略的構成図実施の形態１の改良形態の加熱装置の断面図比較例の太陽熱複合発電設備の概略的構成図本発明の実施の形態２に係る太陽熱複合発電設備の加熱装置の概略的構成図本発明の実施の形態３に係る太陽熱複合発電設備の加熱装置の概略的構成図本発明の実施の形態４に係る太陽熱複合発電設備の加熱装置の概略的構成図パラボリックトラフ式集熱装置を示す図フレネル式集熱装置を示す図タワー式集熱装置を示す図暦日および時間によって異なる直逹日照強度の変化を示す図

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１に係る太陽熱発電設備（太陽熱複合発電設備）の構成を概念的に示している。

　図１に示す太陽熱複合発電設備（ＩＳＣＣ:Integrated Solar Combined Cycle)１０は、太陽熱と熱媒体とを利用して発電する太陽熱発電設備の一例であって、複数の発電源を備えている。

　本明細書において、「熱媒体」は、熱を保持しつつ流れることが可能な流体を言う。本実施の形態においては、液相と気相との間で相変化する熱媒体として安価な水が使用される。

　図１が示すように、太陽熱複合発電設備１０は、太陽熱によって液相の熱媒体（水）を気相化する（蒸気を発生させる）ソーラーフィールド１２と、太陽熱によって加熱された後の熱媒体（気相の割合が低い熱媒体）を加熱して気相の割合を高める加熱装置１４と、加熱装置１４によって加熱された熱媒体（気相の熱媒体）によって駆動される蒸気タービン発電装置１８と、加熱装置１４に高温の排ガスを供給しつつ発電するガスタービン発電装置２０とを有する。

　ソーラーフィールド１２、加熱装置１４、およびガスタービン発電装置２０は、蒸気タービン発電装置１８に気相状態の熱媒体を供給する熱媒体供給装置を構成している。蒸気タービン発電装置１８とガスタービン発電装置２０との両方を用いて発電するとともに、ガスタービン発電装置２０から排出された排ガスによって液相の熱媒体を加熱して気相化し、気相の熱媒体で蒸気タービンを駆動して発電する設備はガスタービン複合発電設備（ＣＣＰＰ：Combined Cycle Power Plant）と呼ばれている。

　図２は、太陽熱複合発電設備１０の具体的な構成を示している。熱媒体の流れを説明しながら太陽熱複合発電設備１０の複数の構成要素について説明する。各図は本発明に関連する主なる構成要素のみを示している。図示しない他の構成要素がある。以下で説明される複数の構成要素は、本発明に関連する構成要素であり、太陽熱複合発電設備１０に必要な全ての構成要素ではないことに留意すべきである。

　ソーラーフィールド１２は、液相の熱媒体を太陽熱によって加熱するフレネル式集熱装置２２を有する。フレネル式集熱装置２２は、熱吸収パイプ２４内を流れる液相の熱媒体を加熱する複数の平板ミラー２２ａを有する。各平板ミラー２２ａは、太陽光を反射し、その反射光を熱吸収パイプ２４に照射するように構成されている。太陽の移動に合わせて、各平板ミラー２２ａの傾き角度が調整される。

　本発明の熱吸収パイプ２４は、真空式パイプまたは非真空式パイプのいずれであってもよい。真空式パイプは、集熱効率は大きいが作製コストが高い。非真空式パイプは真空式パイプより集熱効率は小さいが安価であるので設備コスト面で有利である。

　熱媒体を太陽熱によって加熱するための集熱装置として、フレネル式集熱装置２２を採用する理由は、構造が簡単で安価な複数の平板ミラー２２ａを使用するため、他の集熱装置に比べて安価であるからである。

　他の集熱装置として、図１２が示すパラボリックトラフ式集熱装置は、集熱効率がフレネル式集熱装置２２に比べて高く、３０ＭＷ級以上の大規模な太陽熱発電設備に多用されている。通常、熱媒体として油が使用されるので、使用温度に限界（油の種類によるが、例えば約４００℃程度）がある。フレネル式集熱装置に比べて作製コストが高い。

　図１４が示すタワー式集熱装置も、フレネル式集熱装置２２に比べて集熱効率が高い。熱媒体として溶融塩を使用する場合、熱媒体を非常な高温度に加熱することができる（溶融塩の種類によるが、例えば硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合塩の場合では約５６０℃を超える温度）。耐震強度が必要なタワー１０３０と、タワー１０３２の先端部１０３０に熱媒体を送る高出力ポンプ（図示せず）が必要となる。そのため、フレネル式集熱装置に比べて作製コストが高い。

　フレネル式集熱装置２２は、他の集熱装置に比べて安価に構成可能であるが、他の集熱装置に比べて集熱効率が低いという欠点がある。このフレネル式集熱装置２２の集熱性を補うために、加熱装置１４が太陽熱複合発電設備１０に設けられている。

　図１および図２が示すように、ソーラーフィールド１２の加熱によって気相化された熱媒体（蒸気）は、熱吸収パイプ２４から流れ出て、加熱装置１４を通過する。加熱装置１４は、蒸気タービン発電装置１８への定格蒸気量の蒸気の供給が可能となるように、熱媒体を加熱してその気相の割合を高める。好ましくは、加熱装置１４の加熱により、熱媒体は、気相のみの状態にされる。加熱装置１４の詳細については後述する。

　加熱装置１４によって加熱された熱媒体は、気液分離装置２６によって気相（蒸気）と液相（水）に分離される。液相の熱媒体は、ソーラーフィールド１２に戻される。気相の熱媒体は、貯気槽２８に送られて貯えられる。貯気槽２８に貯えられている間に液相に相変化した熱媒体は、ソーラーフィールド１２に戻される。

　貯気槽２８に蓄えられた気相の熱媒体は、流量調節弁３０によって蒸気タービン発電装置１８の定格蒸気量に対応する蒸気量に調節される。その後、蒸気タービン発電装置１８に供給される。熱媒体（蒸気）は蒸気タービン発電装置１８の蒸気タービン１８ａを駆動する。蒸気タービン１８ａは発電機１８ｂを駆動する。それにより、発電機１８ｂは発電する。

　蒸気タービン１８ａを駆動した後の気相の熱媒体は、復水器３２によって液相化される。液相化された熱媒体は、ポンプ３４によって送られ、給水加熱器３６によって加熱され、脱気器３８によって脱気される。脱気された熱媒体はポンプ４２によってソーラーフィールド１２に送られる。

　次に、加熱装置１４の詳細について説明する。図３は、加熱装置１４の構成を概略的に示している。図４は、加熱装置１４の断面（Ａ－Ａ断面）を示している。

　加熱装置１４の役割について説明する。上述したように、蒸気タービン発電装置１８が定格発電量の電力を発電するためには、定格蒸気量の蒸気（気相の熱媒体）が必要である。図５は、一日の太陽熱エネルギ強度（DNI）（一点鎖線）と、蒸気タービン発電装置１８の発電量（実線）と、ソーラーフィールド１２が取得する太陽熱エネルギ（二点鎖線）とを示している。図５（Ｂ）に示すように、ソーラーフィールド１２が取得する太陽熱エネルギと、その熱エネルギを変換した電気エネルギである発電量とは完全に一致しない。なぜなら、太陽熱エネルギを電気エネルギに変換する過程において、蒸気タービン発電装置１８の銅損、鉄損、摺動摩擦などの原因でエネルギ損失が生じるからである。

　通常、太陽熱発電設備を計画する場合、蒸気タービン発電装置１８の定格発電量は、ソーラーフィールド１２が敷設された場所の平均の直逹日照強度に基づいて決定される。なぜなら、一日の内で最大直逹日照強度が得られる時間帯は短く、それ以外の大部分の時間帯において蒸気タービン発電装置は部分負荷運転される。部分負荷運転では蒸気タービン効率が低下するので、発電設備全体の発電効率が低下する。したがって、蒸気タービン発電装置１８の定格発電量は、最大直達日照強度ではなく、「平均直逹日照強度」に基づいて決定するのが合理的である。「平均直達日照強度」とは、一日の内で変化する直達日照強度を用いて発電する発電量と等しい発電量を、一定の直達日照強度で発電すると仮定した場合の直達日照強度を言う。計画の具体的ステップとして、先ず平均直逹日照強度の太陽熱によってソーラーフィールド１２を介して発生する気相の熱媒体量を算出する。次に、算出した気相の熱媒体量によって可能な発電量を算出する。算出した発電量に基づいて蒸気タービン発電装置１８の仕様を決定する。

　図５（Ａ）は、一日の内で変化する直逹日照強度の一部が、平均直逹日照強度よりも高い日を示している。図５（Ｂ）は、一日の内で変化する直逹日照強度が平均直逹日照強度よりも低い日を示している。

　図５（Ａ）が示すように、直逹日照強度が平均直逹日照強度よりも高い場合、ソーラーフィールド１２から出力される熱媒体は気相の割合が相対的に大きい。その結果、定格蒸気量以上の蒸気を得ることができる。しかし、定格発電量以上の電力の発電が可能であるにもかかわらず、発電量が定格発電量を超えないように蒸気タービン発電装置１８は運転される。すなわち、ハッチングされた太陽熱エネルギの部分が有効に使用されない状況が生じる。

　一方、図５（Ｂ）が示すように、一日の内の直逹日照強度が平均直逹日照強度に比べて低い場合には、ソーラーフィールド１２から出力される熱媒体は気相の割合が相対的に小さくなる。すなわち、定格蒸気量の蒸気を得ることができない。したがって、蒸気タービン発電装置１８の発電量が定格発電量に達しない状況が生じる。

　これらのことを考慮して、加熱装置１４は、太陽熱（ソーラーフィールド１２）によって加熱された後の熱媒体を、ガスタービン発電装置２０の排ガスによって加熱するように構成されている。この結果、太陽熱エネルギを無駄にすることなく、蒸気タービン発電装置１８が定格発電量の電力を安定発電できる。加熱装置１４は、他の集熱装置に比べて集熱効率が低いフレネル式集熱装置２２を補助するために設けられる。

　図３および図４が示すように、加熱装置１４は、ソーラーフィールド１２から気液分離装置２６に向かう熱媒体が通過する熱媒体流路（第１の流路）５０と、ガスタービン発電装置２０から供給された高温の排ガスが通過する排ガス流路（第２の流路）５２と、熱を保持可能な加熱材５４を有する。

　熱媒体流路５０および排ガス流路５２は、熱媒体および排ガスが流れる内部空間と外部との間で効率的に熱交換可能な、例えばスチール製パイプによって作製されている。図４は円筒形状の流路および流路の円環配置を示すが、流路形状および流路配置はこれらに限定されない。

　他の物体から熱を吸収して保持し、且つ保持熱を他の物体に供給する加熱材５４は、例えば、コンクリート、砂、溶融塩、セラミック製パウダーなどの材料であるが、これに限定されない。加熱材５４は、密閉された空気等の気体であってもよい。

　図４が示すように、加熱材５４は、熱媒体流路５０（すなわち熱媒体）と直接的に熱的に接続されている。また、排ガス流路５２（すなわち排ガス）とも直接的に熱的に接続されている。したがって、加熱材５４は、熱媒体または排ガスから熱を吸収して保持できるとともに、保持熱によって熱媒体を加熱することができる（熱媒体に熱を供給することができる）。つまり、排ガスと熱媒体は、加熱材５４を介在して間接的に熱的に接続されている。

　ソーラーフィールド１２から熱媒体流路５０に流入する気相の熱媒体量に基づいて、ガスタービン発電装置２０の発電出力が制御されて排ガス流路５２に供給される排ガスの量が調節されるように、太陽熱複合発電設備１０は構成されている。

　熱媒体流路５０に流入する気相の熱媒体量を測定するために、流量測定装置５８、圧力測定装置６０、および温度測定装置６２が設けられている。熱媒体流路５０に流入する気相の熱媒体量は、流量測定装置５８が検出する熱媒体の流量、圧力測定装置６０が検出する熱媒体の圧力、および温度測定装置６２が検出する熱媒体の温度に基づいて算出される。

　加熱装置１４の熱媒体流路５０に流入する気相の熱媒体量の算出作業、および算出結果に基づくガスタービン発電装置２０の制御は、太陽熱複合発電設備１０のメインコンピュータ（図示しない）によって行われる。このメインコンピュータは、蒸気タービン発電装置１８、ガスタービン発電装置２０、復水器３２、脱気器３８、流量調節弁３０、ポンプ３４、４２などを制御する。

　ソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量が規定量に比べて多い場合、加熱装置１４は、加熱材５４によって熱媒体の保持熱を吸収するように構成されている。気相の熱媒体量が規定量に比べて少ない場合、加熱装置１４は、加熱材５４の保持熱によって熱媒体を加熱するように構成されている。ここで言う「規定量」は、蒸気タービン発電装置１８に到達するまでに損失する気相の熱媒体量と定格蒸気量とに基づいて算出される量である。

　本実施の形態の場合、加熱材５４を所定の温度（すなわち所定の保持熱量に対応する温度）で一定に維持するように、排ガス流路５２に供給される排ガスの量が、ガスタービン発電装置２０の発電出力を制御することによって調節されている。所定の温度は、熱媒体流路５０を流れる気相の熱媒体量がほぼ規定量であるときに熱媒体から加熱材５４への熱移動がほとんど生じない温度とするのが好ましい。そのために、加熱材５４の温度を検出する温度測定装置６４が加熱装置１４に設けられている。温度測定装置６４の設置場所は、加熱装置１４の内部において加熱材５４の温度（保持熱量）と相関する温度を検出できる場所であれば、どこに設けてもよい。

　加熱材５４が所定の温度で一定に維持されている場合、熱媒体流路５０を流れる気相の熱媒体量が規定量を上回ると、ガスタービン発電装置２０の発電出力が下げられまたは停止されて排ガス流路５２に供給される排ガス量が減少される。その結果、加熱材５４の保持熱量が減少し、熱媒体の保持熱の一部が加熱材５４に吸収される。一方、気相の熱媒体量が規定量を下回ると、ガスタービン発電装置２０の発電出力が上げられまたは始動されて排ガスの供給量が増加される。その結果、加熱材５４の保持熱量が増加し、熱媒体に加熱材５４の保持熱の一部が供給される。このようにして、加熱装置１４から出力される気相の熱媒体量をほぼ規定量に維持することができる。

　太陽熱複合発電設備１０の運転を開始する場合、加熱材５４の保持熱量を増加させる目的とか、熱媒体流路５０および排ガス流路５２を暖める目的で、（すなわち加熱装置１４を暖機する目的で）、ガスタービン発電装置２０を制御して排ガスを排ガス流路５２に供給してもよい。

　以下に加熱装置１４の利点について説明する。

　１つの利点として、日照時間が短い場合、直逹日照強度が低い場合、および／または直逹日照強度が急激に変化する場合でも、加熱装置１４が、ソーラーフィールド１２によって加熱された熱媒体を補助的に加熱することにより、蒸気タービン発電装置１８に気相の熱媒体を十分に安定供給することができる。その結果、蒸気タービン発電装置１８が十分に発電することができる。熱媒体を加熱する熱源がガスタービン発電装置２０の排ガスであるため、排ガスを発生させる際に副次的にガスタービン発電装置２０が発電する電力を、太陽熱複合発電設備１０の出力電力として使用することができる。これらの効果として、自然エネルギである太陽熱エネルギの利用度が向上する。例えば、直逹日照強度が低いときに、太陽熱複合発電設備１０の運転を停止する必要がなくなる。

　別の利点として、加熱材５４の量を少量化できる。これを具体的に説明するために、排ガスを用いることなく、加熱材のみにより、ソーラーフィールドから供給された熱媒体を加熱する比較例の加熱装置を図６に示す。

　図６が示す比較例の加熱装置１１４においては、加熱材１５４の保持熱量が下限近傍であって、且つソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量がほぼ規定量である場合、加熱材１５４との熱的な接続を回避して熱媒体が流れるためのバイパス流路１６６を設けておく必要がある。

　図２及び図３の本実施の形態１の加熱装置１４においては、排ガスによって加熱材５４の温度（保持熱量）が一定に維持されているため、熱媒体は加熱材５４に大きく熱を吸収されることがない。

　比較例の加熱装置１１４においては、加熱材１５４の保持熱量が下限近傍であって且つソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量が規定量を下回る場合、加熱材１５４の保持熱によって熱媒体を加熱することができない。したがって、蒸気タービン発電装置１８の発電量が低下する。ゆえに、大量の加熱材１５４を設ける必要がある。

　図２及び図３の本実施の形態１の加熱装置１４においては、ガスタービン発電装置２０の排ガスによって加熱材５４の温度（保持熱量）が一定に維持されているので、また、ガスタービン発電装置２０の発電出力を上げることによって排ガス流路５２に供給される排ガスの量を増加させることができるので、熱媒体を加熱することができる。

　比較例の加熱装置１１４においては、加熱材５４の保持熱量が上限近傍であって且つソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量が規定量を上回る場合、加熱材１５４は熱媒体の熱をほとんど吸収できない。また、比較例の加熱装置１１４は、加熱材１５４の保持熱によって熱媒体を加熱する構成になっているため、加熱材１５４は外部から熱的に分離されている（加熱材１５４の自然放熱が抑制されている）。ゆえに、大量の加熱材１５４を設ける必要がある。

　本実施の形態１の加熱装置１４においては、加熱材５４の保持熱量が上限近傍であって且つソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量が規定量を上回る場合、ガスタービン発電装置２０を停止して排ガス流路５２への排ガスの供給を停止する。この結果、加熱材５４の保持熱量を減少させて、加熱材５４に熱媒体の熱を吸収させることができる。すなわち、排ガスの供給を停止すると、加熱材５４の保持熱の一部は、排ガス流路５２内に移動し、煙突４８から外部に放散する。

　これらのことを考慮すると、比較例の加熱装置１１４の場合、バイパス流路１６６と大量の加熱材１５４とが必要になる。そして、大量の加熱材１５４を収容する大型の収容槽が必要となる。その結果、製造コストが高くなる。

　本実施の形態１の加熱装置１４の場合、大量の加熱材５４を必要としないので、製造コストが安くなる。

　本発明は、熱媒体と加熱材５４との熱交換を回避するためのバイパス流路を不要としていない。ソーラーフィールド１２からほぼ規定量の気相の熱媒体が供給される頻度が高い場合、加熱装置１４は、バイパス流路を備えるのが好ましい。

　図７が示すように、排ガスによって熱媒体を直接的に加熱できるように、熱媒体流路５０（すなわち熱媒体）と排ガス流路５２（すなわち排ガス）とを直接的に熱的に接続してもよい。この場合、図４が示すように加熱材５４を介して排ガスで熱媒体を間接的に加熱する場合に比べて、直逹日照強度の急激な変化、すなわち気相の熱媒体量の急激な変化にすばやく応答することができる。例えば、天候の急変によって熱媒体流路５０を流れる気相の熱媒体量が急激に減少した場合、ガスタービン発電装置２０の発電出力を増やすことによって排ガス流路５２に供給される排ガス量を増やして、排ガスの保持熱の一部（熱媒体流路５０に移動する熱）によって熱媒体をすばやく加熱することができる。

　図３が示すように、熱媒体が熱媒体流路５０に流入する前、すなわち熱媒体と加熱材５４との間で熱交換が行われる前に、流量測定装置５８、圧力測定装置６０、および温度測定装置６２の測定結果によって、気相の熱媒体量が算出されている。この場合、気相の熱媒体量に基づいて、排ガス流路５２に供給する排ガスの量の調節（すなわちガスタービン発電装置２０の制御）はフィードフォワード制御される。代わって、熱媒体流路５０から流出した後に、すなわち熱媒体と加熱材５４との間で熱交換が行われた後に、気相の熱媒体量を測定してもよい。この場合、気相の熱媒体量に基づく排ガス流路５２に供給する排ガスの量の調節（すなわちガスタービン発電装置２０の制御）はフィードバック制御される。また、上記のフィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて行うことも可能である。その結果、排ガスの量を高精度に調節することができる。

　加熱装置１４の排ガス流路５２に供給される排ガスの量を調節するために（すなわちガスタービン発電装置２０を制御するために）、気相の熱媒体量を測定（算出）しているが、本発明はこれに限らない。液相の熱媒体量の測定結果に基づいて排ガス流路５２に供給する排ガス量を調節することも可能である。例えば、図２に示すように、気液分離装置２６によって分離された液相の熱媒体量を検出する流量測定装置６８を設け、流量測定装置６８によって検出された液相の熱媒体量に基づいて、ガスタービン発電装置２０の発電出力（排ガス流路５２に供給される排ガス量）が調節される。例えば、流量測定装置６８によって検出される液相の熱媒体量が増加すると、ガスタービン発電装置２０の発電出力が上げられ、排ガス流路５２に供給される排ガス量が増加される。一方、流量測定装置６８によって検出される液相の熱媒体量が減少すると、ガスタービン発電装置２０の発電出力が下げられ、排ガス流路５２に供給される排ガス量が減少される。

　この流量測定装置６８に関して、流量測定装置６８によって検出される液相の熱媒体量と、ソーラーフィールド１２によって加熱される前の液相の熱媒体量（すなわち、ポンプ４２がソーラーフィールド１２に供給する熱媒体量）とがほぼ同一である場合、ガスタービン発電装置２０を停止して加熱装置１４の排ガス流路５２への排ガスの供給を停止するように構成してもよい。この流量測定装置６８によって検出される液相の熱媒体量とソーラーフィールド１２によって加熱される前の液相の熱媒体量とがほぼ同一であることは、直逹日照強度が低いために、加熱装置１４によって熱媒体を加熱しても、気相の熱媒体量がほとんど増加しないことを意味するからである。

　また、流量測定装置６８によって検出される液相の熱媒体量に基づいて、ソーラーフィールド１２に供給される液相の熱媒体量（すなわち、ポンプ４２がソーラーフィールド１２に供給する熱媒体量）を調節してもよい。例えば、流量測定装置６８によって検出される液相の熱媒体量が増加すると、ポンプ４２を介してソーラーフィールド１２に供給される液相の熱媒体量が減少される。一方、流量測定装置６８によって検出される液相の熱媒体量が減少すると、ポンプ４２を介してソーラーフィールド１２に供給される液相の熱媒体量が増加される。これにより、加熱装置１４は、その加熱能力を発揮することができる。すなわち、加熱装置１４の加熱能力（すなわち液相の熱媒体を気相化できる能力）を超える大量の液相の熱媒体が加熱装置１４に供給されることが抑制され、加熱装置１４の加熱能力を充分に活用する量の液相の熱媒体が加熱装置１４に供給される。

　ポンプ４２に関して、ソーラフィード１２の熱吸収パイプ２４の温度が高温状態になったときに、ポンプ４２は、ソーラーフィールド１２への液相の熱媒体の供給を開始するのが好ましい。すなわち、熱吸収パイプ２４の温度が液相の熱媒体が気相に相変化できない温度の場合、大量の液相の熱媒体がそのまま熱吸収パイプ２４から加熱装置１４に流れて、加熱装置１４が冷却される。その結果、加熱装置１４の加熱材５４が保持する熱が奪われる。

　そこで、太陽熱によって（ミラー２２ａからの反射光によって）熱吸収パイプ２４が高温状態となったときに、ソーラーフィールド１２への液相の熱媒体の供給を開始するようにポンプ４２を制御する。例えば、熱吸収パイプ２４の温度を測定する温度測定装置（図示せず）と加熱装置１４の内部温度を測定する温度測定装置６４とが略同一の温度を検出したときに、ポンプ４２がソーラーフィールド１２への液相の熱媒体の供給を開始する。これにより、大量の液相の熱媒体によって加熱装置１４が冷却されることが抑制される。

　図２に示すように、ガスタービン発電装置２０と加熱装置１４との間に、排ガスを煙突４８を介して外気に逃がす逃がし弁４４を設けてもよい。例えば、蒸気タービン発電装置１８が定格発電量を出力している状態で、ガスタービン発電装置２０が発電する電力が所望される場合が考えられる。蒸気タービン発電装置１８が定格発電量を出力しているとき、ソーラーフィールド１２によって熱媒体が十分に加熱されているため、ガスタービン発電装置２０の排ガスが加熱装置１４に供給されると、熱媒体が過分に加熱されることになる。これを回避するために逃がし弁４４を設け、ガスタービン発電装置２０から加熱装置１４に供給される排ガス量を調節してもよい。これにより、太陽熱複合発電設備１０は、蒸気タービン発電装置１８の定格発電量と、ガスタービン発電装置２０の定格発電量とを合計した電力量を出力することができる。

　以下に、本実施の形態１の太陽熱複合発電設備１０の利点を、類似する比較例の太陽熱複合発電設備と比較しながら説明する。図８は、比較例の太陽熱複合発電設備１０’の構成を示している。

　図８に示す比較例の太陽熱複合発電設備１０’は、図２に示す本実施の形態１の太陽熱複合発電設備１０と略同一の構成要素を有するが、加熱装置１４を有していない。加熱装置１４の代わりとして、比較例の太陽熱複合発電設備１０’は、本実施の形態１の太陽熱複合発電設備１０が有していない排熱回収ボイラ装置１６を有する。

　排熱回収ボイラ装置１６は、エコノマイザ（予熱器）１６ａ、エバボレータ（蒸発器）１６ｂ、およびスーパーヒータ（過熱器）１６ｃを有し、ガスタービン発電装置２０の排ガスを用いて、気液分離装置２６によって分離された気相の熱媒体を加熱（過熱）するように構成されている。

　具体的には、貯気槽２８から排熱回収ボイラ装置１６に供給された熱媒体が、エバポレータ（蒸発器）１６ｂによって気相化された熱媒体と合流し、スーパーヒータ（過熱器）１６ｃに流入する。スーパーヒータ１６ｃによって過熱された熱媒体（過熱蒸気）は、蒸気タービン１８ａに供給される。

　脱気器３８によって脱気された熱媒体の一部は、ポンプ４０によって排熱回収ボイラ装置１６に送られ、エコノマイザ（予熱器）１６ａによって予熱され、エバポレータ１６ｂによって気相化され、貯気槽２８から供給された熱媒体と合流する。

　液相の熱媒体を予熱し、気相化し、過熱する熱源として、ガスタービン発電装置２０のガスタービン２０ａから排出された排ガスが排熱回収ボイラ１６に供給される。

　排熱回収ボイラ装置１６に供給されたガスタービン発電装置２０の排ガスは、最終的に煙突４６から外部に放散される。

　このような排熱回収ボイラ装置１６を有するため、図８に示す比較例の太陽熱複合発電設備１０’は、実施の形態１の太陽熱複合発電設備１０に比べて製造コストは高くなる。

　また、排熱回収ボイラ装置１６に排ガスを常に供給する必要があるため、比較例のガスタービン発電装置２０は、太陽熱複合発電設備１０’の稼動中、常時運転されている必要がある。詳述すると、ガスタービン発電装置２０から排熱回収ボイラ装置１６への排ガス供給が停止すると、気液分離装置２６から供給される気相の熱媒体は、脱気器３８から供給される液相の熱媒体によって冷却される。その結果、蒸気タービン発電装置１８に十分量の気相の熱媒体を供給できなくなり、蒸気タービン発電装置１８による発電を停止させる必要が生じる。このため、比較例のガスタービン発電装置２０は、常時運転されている必要がある。

　比較例の太陽熱複合発電設備１０’は、ソーラフィード１２と気液分離装置２６との間に、本実施の形態１のように熱媒体を加熱する加熱装置１４が設けられていない。それゆえ、ソーラーフィールド１２から気液分離装置２６を介して蒸気タービン発電装置１８に気相の熱媒体を安定供給するためには、集熱効率が高い集熱装置、すなわちフレネル式集熱装置２２ではなく、高価なパラボリックトラフ式集熱装置またはタワー式集熱装置を採用せざるを得ない。

　比較例の太陽熱複合発電設備１０’は、加熱装置１４を有していないものの、排熱回収ボイラ装置１６と集熱効率が高い高価な集熱装置とを有するため、本実施の形態１の太陽熱複合発電設備１０’に比べて製造コストが高い。

　また、比較例の太陽熱複合発電設備１０’は、集熱効率の高い、パラボリックトラフ式集熱装置を有していても、日照時間が短い場合、直逹日照強度が低い場合、および／または直逹日照強度が急激に変化する場合には、蒸気タービン発電装置１８に十分量の気相の熱媒体を供給できない。一方、本実施の形態１の太陽熱複合発電設備１０は、加熱装置１４を有するため、日照時間が短い場合、直逹日照強度が低い場合、および／または直逹日照強度が急激に変化する場合であっても、蒸気タービン発電装置１８に十分量の気相の熱媒体量を供給できる。

　本実施の形態１によれば、安価な構成で、日照時間が短い場合、直逹日照強度が低い場合、および／または直逹日照強度が急激に変化する場合にも、熱媒体を十分に加熱することができる。熱媒体を十分に気相化して、十分量の気相の熱媒体を蒸気タービン発電装置１８に供給することができる。その結果、蒸気タービン発電装置１８（すなわち太陽熱複合発電設備１０）は、十分に電力を発電することができる。

（実施の形態２）
　本実施の形態２の太陽熱複合発電設備は、加熱装置を除いて、実施の形態１と同じである。以下に、本実施の形態２に係る加熱装置を説明する。

　図９は、本実施の形態２の加熱装置２１４を示している。本実施の形態２の加熱装置２１４は、実施の形態１の加熱装置１４と異なり、加熱材を有していない。熱媒体流路２５０（すなわち熱媒体）と排ガス流路２５２（すなわち排ガス）は熱的に接続されている。

　本実施の形態２の加熱装置２１４の場合、ソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量（すなわち、流量測定装置２５８、圧力測定装置２６０、および温度測定装置２６２の検出結果に基づいて算出された気相の熱媒体量）が規定量を上回ると、ガスタービン発電装置２０の発電出力を下げることによりまたは発電を停止することにより、排ガス流路２５２への排ガスの供給量が減少されたり、または排ガス供給が停止される。熱媒体は熱媒体流路２５０を流れつつ、その保持熱の一部は排ガス流路２５２に入り、煙突４８から外部に放散する。

　ソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量が規定量を下回る場合、その気相の熱媒体量に基づいて、ガスタービン発電装置２０の発電出力を下げることによりまたは発電を開始することにより、排ガス流路２５２への排ガスの供給量が増加されたりまたは排ガス供給が開始される。

　本実施の形態２の加熱装置２１４は、加熱材を備えていないため、実施の形態１の加熱装置１４に比べてコンパクト化される。しかし、加熱材を備えていないため、熱媒体の保持熱を吸収して保持することができない。ゆえに、ソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量が規定量を上回る場合、加熱材によって熱媒体の保持熱の一部を吸収して保持することができない。また、加熱材の保持熱を熱媒体の加熱に使用することができない。

　ソーラーフィールド１２からほぼ規定量の気相の熱媒体が供給される頻度が高い場合、加熱装置２１４は、排ガス流路２５２と熱的に分離されたバイパス流路を備えるのが好ましい。

（実施の形態３）
　本実施の形態３の太陽熱複合発電設備は、加熱装置を除いて、実施の形態１と同じである。以下に、本実施の形態３に係る加熱装置を説明する。

　図１０は、本実施の形態３の加熱装置３１４を示している。本実施の形態３の加熱装置３１４は、実施の形態１の加熱装置１４と異なり、加熱材３５４と排ガス流路３５２（すなわち排ガス）とが熱的に分離されている。加熱材３５４と排ガスは熱交換しない。

　その理由で、加熱装置３１４は、排ガス流路３５２のみと熱的に接続された熱媒体流路３５０ａと、加熱材３５４のみと熱的に接続された熱媒体流路３５０ｂと、熱媒体流路３５０ａまたは熱媒体流路３５０ｂの少なくとも一方に熱媒体を供給するための流量調節弁３５６ａ、３５６ｂとを有する。

　本実施の形態３の加熱装置３１４の場合、流量測定装置３５８、圧力測定装置３６０、および温度測定装置３６２の検出結果に基づいて算出されるソーラーフィールド１２からの気相の熱媒体量と温度測定装置３６２の検出結果（加熱材３５４の保持熱量）とに基づいて、ガスタービン発電装置２０が制御される。この結果、排ガス流路３５２への排ガス供給量が調節されるとともに、２つの流量調節弁３５６ａ，３５６ｂが制御される。

　ソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量が規定量を下回る場合、熱媒体の一部は排ガスによって加熱されるように熱媒体流路３５０ａに供給され、残りは加熱材３５４によって加熱されるように熱媒体流路３５０ｂに供給される。

　このような構成の加熱装置３１４は、気液分離装置２６に供給する気相の熱媒体量を高精度に制御することができる。

　ソーラーフィールド１２からほぼ規定量の気相の熱媒体が供給される頻度が高い場合、加熱装置３１４は、排ガス流路３５２および加熱材３５４と熱的に分離されたバイパス流路を備えるのが好ましい。

（実施の形態４）
　本実施の形態４の太陽熱複合発電設備は、加熱装置を除いて、実施の形態１と同じである。以下に、本実施の形態４に係る加熱装置を説明する。

　図１１は、本実施の形態４の加熱装置４１４を示している。本実施の形態４の加熱装置４１４は、実施の形態１の加熱装置１４と異なり、加熱材４５４と排ガス流路４５２（すなわち排ガス）とが熱的に分離されている。加熱材４５４と排ガスは熱交換しない。

　加熱装置４１４は、排ガス流路４５２のみと熱的に接続された熱媒体流路４５０ａと、加熱材４５４のみと熱的に接続された熱媒体流路４５０ｂとを有する。熱媒体流路４５０ｂを通過した後の熱媒体は、必ず熱媒体流路４５０ａを流れるように、加熱装置４１４は構成されている（この点で実施の形態３と異なる）。

　本実施の形態４の加熱装置４１４の場合、流量測定装置４５８、圧力測定装置４６０、および温度測定装置４６２の検出結果に基づいて算出されるソーラーフィールド１２からの気相の熱媒体量と温度測定装置４６８の検出結果（加熱材３５４の保持熱量）に基づいて、ガスタービン発電装置２０が制御されることによって排ガス流路４５２への排ガス供給量が調節される。

　ソーラーフィールド１２から供給される気相の熱媒体量が規定量を下回る場合、熱媒体は熱媒体流路４５０ｂを通過しながら加熱材４５４によって加熱され、さらに熱媒体流路４５０ａを通過しながら排ガス流路４５２を流れる排ガスによって加熱される。

　このような構成の加熱装置４１４は、気液分離装置２６に供給する気相の熱媒体量を高精度に制御することができる。実施の形態３の加熱装置３１４に比べて、本実施の形態４の加熱装置４１４の構造は簡単である。

　ソーラーフィールド１２からほぼ規定量の気相の熱媒体が供給される頻度が高い場合、加熱装置４１４は、排ガス流路４５２と熱的に分離されたバイパス流路と、加熱材４５４と熱的に分離されたバイパス流路とを備えるのが好ましい。

　本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して記載しているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

　本発明は、太陽熱によって加熱された熱媒体を利用して発電する太陽熱発電設備および太陽熱発電方法であれば、適用可能である。また、本発明に係る熱媒体供給装置および熱媒体加熱装置は、気相の熱媒体を必要とする設備であれば、適用可能である。例えば、圧縮空気を発生させるターボ圧縮機の駆動源として、またはドライヤの熱源として、本発明に係る熱媒体供給装置および熱媒体加熱装置によって得られる気相の熱媒体を使用することができる。

１０　太陽熱発電設備（太陽熱複合発電設備）
１４　加熱装置
１８　タービン発電装置（蒸気タービン発電装置）
２０　ガスタービン発電装置
２２　フレネル式集熱装置
５０　第１の流路（熱媒体流路）
５２　第２の流路（排ガス流路）

Claims

　液相と気相との間で相変化する熱媒体を使用する太陽熱発電設備であって、
　太陽熱によって熱媒体を加熱するフレネル式集熱装置と、
　排ガスを排出しつつ発電するガスタービン発電装置と、
　フレネル式集熱装置によって加熱された後の熱媒体が流れる第１の流路、および第１の流路に隣接してガスタービン発電装置の排ガスが流れる第２の流路を備え、第１の流路内の熱媒体を第２の流路内の排ガスによって加熱する加熱装置と、
　加熱装置によって加熱された後の熱媒体を気相と液相とに分離する気液分離装置と、
　気液分離装置によって分離された気相の熱媒体に駆動されるタービン発電装置と、を有する、太陽熱発電設備。
　気相の熱媒体量を測定する気体量測定装置を有し、
　気体量測定装置によって測定された気相の熱媒体量に基づいて、加熱装置の第２の流路に供給される排ガス量が、ガスタービン発電装置の発電出力を制御することによって調節される、請求項１に記載の太陽熱発電設備。
　気体量測定装置が測定する気相の熱媒体量が規定量を超える場合、ガスタービン発電装置を停止させる、請求項２に記載の太陽熱発電設備。
　フレネル式集熱装置に液相の熱媒体を供給する供給装置を有し、
　供給装置がフレネル式集熱装置に供給する液相の熱媒体量と、気液分離装置によって分離された液相の熱媒体量とが略同一である場合、ガスタービン発電装置を停止させる、請求項１に記載の太陽熱発電設備。
　加熱装置の内部温度を測定する温度測定装置を有し、
　温度測定装置が測定する温度を一定に維持するように、加熱装置の第２の流路に供給される排ガス量が、ガスタービン発電装置の発電出力を制御することによって調節される、請求項１に記載の太陽熱発電設備。
　フレネル式集熱装置が熱媒体の加熱を開始する前に、ガスタービン発電装置の排ガスによって加熱装置を暖機する、請求項１に記載の太陽熱発電設備。
　フレネル式集熱装置に液相の熱媒体を供給する供給装置と
　加熱装置の内部温度を測定する加熱装置温度測定装置と
　液相の熱媒体が流れるフレネル式集熱装置の熱吸収パイプの温度を測定する熱吸収パイプ温度測定装置とを有し、
　熱吸収パイプ温度測定装置が測定する熱吸収パイプ温度が加熱装置温度測定装置が測定する加熱装置の内部温度と略同一になると、供給装置が液相の熱媒体のフレネル式集熱装置への供給を開始する、請求項１に記載の太陽熱発電設備。
　ガスタービン発電装置の排ガスを外気に逃がし、加熱装置の第２の流路への排ガスの供給量を調節する排ガス供給量調節装置を有する、請求項１に記載の太陽熱発電設備。
　加熱装置が、熱媒体から熱を吸収して保持する加熱材を有し、且つ、加熱材の保持熱を熱媒体の加熱に使用するように構成されている、請求項１に記載の太陽熱発電設備。
　気相の熱媒体量を測定する気体量測定装置を有し、
　加熱装置が、気体量測定装置が測定した気相の熱媒体量が規定量に比べて多い場合に、加熱材によって熱媒体から熱を吸収し、
　気体量測定装置が測定した気相の熱媒体量が規定量に比べて少ない場合に、加熱材の保持熱によって熱媒体を加熱するように構成されている、請求項９に記載の太陽熱発電設備。
　加熱装置が、気液分離装置によって分離された液相の熱媒体量が規定量に比べて少ない場合に、加熱材によって熱媒体から熱を吸収し、
　気液分離装置によって分離された液相の熱媒体量が規定量に比べて多い場合に、加熱材の保持熱によって熱媒体を加熱するように構成されている、請求項９に記載の太陽熱発電設備。
　フレネル式集熱装置に液相の熱媒体を供給する供給装置を有し、
　気液分離装置によって分離された液相の熱媒体量に基づいて、供給装置がフレネル式集熱装置に供給する液相の熱媒体量を調節する、請求項１に記載の太陽熱発電設備。
　熱媒体が、水である、請求項１に記載の太陽熱発電設備。