JPH0670530B2 - 太陽熱利用蒸気発生システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は太陽熱集熱システムにおいて、特に太陽熱集熱
装置の設置面積の縮小化、ならびに設備費用の低減化を
図り得るようにした太陽熱利用蒸気発生システムに関す
るものである。

（従来の技術） 近年、エネルギー資源開発の点から、太陽熱集熱装置で
集熱した太陽熱エネルギーを熱媒体に与えて、発電設
備，ユーティティ等の負荷へ供給するようにした太陽熱
集熱システムの研究が進められてきている。

第２図は、この種の従来の太陽熱集熱システムの構成例
を概念的に示したものである。第２図において、１は太
陽熱エネルギーを集熱する太陽熱集熱装置であり、この
集熱した太陽熱エネルギーを、熱媒ポンプ８で昇圧し熱
媒体循環用管路を介して移送循環される水，油等の熱媒
体15に与えるようになっている。また、この太陽熱集熱
装置１での集熱により高温となった熱媒体15は、給水タ
ンク５から給水ポンプ６で昇圧して移送される給水16と
の熱交換を熱交換器２にて行ない、熱媒体15により給水
16を加熱してプロセスへ供給するプロセス用蒸気を発生
させるようになっている。そして、このプロセス用蒸気
は、例えば図示しないタービンを駆動させて発電を行な
ったり、工程熱として用いられることになる。

ところで、上述した第２図に示すような太陽熱集熱シス
テムにおいては、太陽熱エネルギーによる単独集熱シス
テム構成としていることから、プロセスへ供給するプロ
セス用蒸気を必要量だけ発生させるのに必要な熱エネル
ギーを、太陽熱集熱装置１によって全て賄わなければな
らない。このため、太陽熱集熱装置１の容量が大きくな
り、結果的にその設置面積が非常に大きくなってシステ
ム設置面積の大半を占めてしまうばかりでなく、その設
置費用も大きくなってシステム全体費用の半分以上を占
めてしまうことになる。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、従来の太陽熱集熱システムにおいては、
プロセスへ供給するプロセス用蒸気を太陽熱集熱装置の
みにより全て賄っていることから、日射量が低くなった
場合には、プロセスが必要とする蒸気量を供給できなく
なる。そこで、これを解消するには、太陽熱集熱装置の
容量を大きくすればよいが、そうすると、太陽熱集熱装
置の設備面積ならびに設備費用が大きくなり、非常に不
経済でしかも信頼性の低いシステムとなる。

本発明の目的は、太陽熱集熱装置の容量を大きくするこ
となく、プロセスへの蒸気を安定して供給することが可
能な経済的でしかも信頼性の高い太陽熱利用蒸気発生シ
ステムを提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、太陽熱エネルギーを集熱し、この集熱した太
陽熱エネルギーを熱媒体に与えて昇温する太陽熱集熱装
置と、この太陽熱集熱装置での集熱により高温となった
熱媒体と給水タンクから移送される給水との熱交換を行
い、この熱交換により高温となった給水を送出する第１
の熱交換器と、この第１の熱交換器の出口温度が規定温
度になるように給水タンクからの給水量を調節する調節
弁と、第１の熱交換器の出口給水量が所定値を越えると
きにはその余剰分の給水を貯蔵し、かつ所定値以下のと
きはその不足分を第１の熱交換器の出口給水量に対して
補うための貯蔵タンクと、プロセスへの供給蒸気量が第
１の熱交換器の出口給水量及び貯蔵タンクにより補われ
る給水量では不足する場合に駆動し、給水タンクから移
送される給水を導入し、規定温度の給水を作って送出す
る温水ボイラと、第１の熱交換器、貯蔵タンク、温水ボ
イラから移送される給水と高温の作動媒体との間で熱交
換を行い、給水を高温、高圧のプロセス用の蒸気として
発生させる第２の熱交換器と、を備えて上記目的を達成
しようとする太陽熱利用蒸気発生システムである。

（作用） このような手段を備えたことにより、太陽熱集熱装置の
集熱により高温となった熱媒体と給水タンクから移送さ
れる給水との熱交換を第１の熱交換器で行い、この熱交
換で規定温度となった給水を、第２の熱交換器で高温の
作動媒体との間で熱交換を行って高温、高圧のプロセス
用の蒸気とする。

この際に、第１の熱交換器の出口給水量が所定値を越え
るときにはその余剰分の給水を貯蔵タンクに貯蔵し、所
定値以下のときは貯蔵タンクからその不足分を第１の熱
交換器の出口給水量に対して補う。

又、プロセスへの供給蒸気量が第１の熱交換器の出口給
水量及び貯蔵タンクにより補われる給水量では不足する
場合、温水ボイラにおいて給水タンクから移送される給
水を導入して規定温度の給水を作り、これを第２の熱交
換器に送出する。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明による太陽熱利用蒸気発生システムの
構成例を示すものであり、第２図と同一部分には同一符
号を付して示している。第１図において、１は太陽熱エ
ネルギーを集熱する太陽熱集熱装置であり、この集熱し
た太陽熱エネルギーを、熱媒ポンプ８で昇圧し熱媒体循
環用管路、調整弁CV1を介して移送循環される水，油等
の熱媒体15に与えるようにしている。また、この太陽熱
集熱装置１での集熱により高温となった熱媒体15は、給
水タンク５から給水ポンプ６で昇圧し調整弁CV2を介し
て移送される給水16との熱交換を熱交換器２にて行なう
ようにしており、この熱媒体15により加熱された給水16
は、調整弁CV3を介して熱交換器12へ導入するようにし
ている。さらに熱交換器12は、上述の熱交換器２での熱
交換により高温となった給水16と、作動媒体17との熱交
換を行なうものであり、作動媒体17により給水16を加熱
して、プロセスへ供給するプロセス用蒸気を発生させる
ようにししている。この作動媒体17はフロンであり、熱
交換器９で廃熱源14の熱を受けて飽和ガスとなり、圧縮
機10で圧縮されて高温，高圧のエネルギーとなって熱交
換器12に導かれる。

一方、貯蔵タンク３は上記調整弁CV3をバイパスするよ
うに設けられ、熱交換器２で昇温された給水16の余剰分
を貯蔵するためのものであり、熱交換器２からの給水16
が余剰のとき、この貯蔵タンク３の入口側における調整
弁CV4を開して余剰分を貯蔵し、また熱交換器２からの
給水16が不足したとき、出口側の補給水ポンプ７および
調整弁CV5を夫々駆動し開してその不足分を補なうよう
にしている。さらに、温水ボイラ４は、熱交換器２およ
び貯蔵タンク３からの給水16を行なっても、プロセスへ
の供給蒸気量が不足する場合に駆動される。すなわち、
上述の給水タンク５からの給水16を給水ポンプ６で昇圧
し調整弁CV6を介して導入し、規定温度の給水16を作
り、この規定温度の給水16を上述の熱交換器12へ導入す
るようにしている。なお、図中11は電力によって回転
し、圧縮機10を駆動するための原動機、13は上記作動媒
体17の圧力を減圧して湿りガスとするための膨張機構を
夫々示すものである。

次に、かかる如く構成した太陽熱利用蒸気発生システム
の作用について説明する。

まず、第１図に示す集熱系において、熱媒体15には、太
陽熱集熱装置１で集熱した太陽熱エネルギーが与えら
れ、熱媒ポンプ８および調整弁CV1の調節により規定温
度に制御される。この場合、熱媒体15を規定温度に制御
するために、太陽熱集熱装置１の出口温度を監視し、こ
れと規定温度との偏差信号に基づいて調整弁CV1の開度
を調整してその流量制限が行なわれる。このようにし
て、太陽熱集熱装置１での集熱により規定温度となった
熱媒体15は、給水16との間で熱交換器２において熱交換
を行ない、熱媒体15によって給水16が安定して加熱され
る。

次に給水系において、まず通常日射時（システムの運転
に必要な日射量が得られるとき）には、給水16は給水タ
ンク５から給水ポンプ６で昇圧されて調整弁CV2を通過
し、熱交換器２で太陽熱集熱装置１側の熱媒体15により
加熱されて規定温度の給水16となる。この時、熱交換器
２の出口温度は規定温度となるように、調整弁CV2によ
って給水16の流量制限が行なわれる。なお、この運転状
態の場合には調整弁CV6は全閉状態にあり、温水ボイラ
４は停止状態にある。

またこの場合、太陽熱エネルギーは大気の状態によっ
て、太陽熱集熱装置１に到達する日射量に差異が生じて
くる。すなわち、日射量が高い時には太陽熱集熱装置１
で集熱できる熱量が規定値よりも増加するため、熱媒体
15の循環量が規定値以上となり、熱交換器２で熱媒体15
により加熱された規定温度の給水16の量も規定量より増
加する。従って、このような日射状態の時には調整弁CV
3の調整によってプロセスが必要とする規定量が熱交換
器12へ導入され、余った高温の給水16は調整弁CV4を通
過して貯蔵タンク３へ貯蔵される。なお、この状態の場
合には調整弁CV5は全閉状態にあり、補給水ポンプ７も
停止状態にある。

一方、上述とは逆に日射量が低い時には太陽熱集熱装置
１で集熱できる熱量が規定値よりも減少するため、熱媒
体15の循環量が規定値以下となり、熱交換器２で熱媒体
15により加熱された規定温度の給水16の量も規定量より
減少する。従って、このような日射状態の時には、補給
水ポンプ７を起動すると共に調整弁CV5を調整すること
により、日射量が高い時に余った給水16を貯蔵していた
貯蔵タンク３内の給水16が、熱交換器12へ導入されるこ
とになる。なお、この状態の場合には、調整弁CV3は全
開状態にあり、調整弁CV4は全閉状態にある。

次に、不照時（悪天候あるいは夜間時等のシステム運転
に必要な日射量が得られないとき）には、熱交換器２か
らの高温の給水16はないので、温水ボイラ４が起動され
る。すなわち、給水タンク５からの給水は調整弁CV6を
通過し、温水ボイラ４によって規定温度の給水16が作ら
れる。この時、給水16は規定流量だけ流れるように、調
整弁CV6によってその流量制御が行なわれる。なお、こ
の不照状態の場合には太陽熱集熱装置１は太陽光の集光
を外した状態で待機しており、熱媒体15を供給する熱媒
ポンプ７は停止状態にある。また、給水系の各調整弁CV
2,CV3,CV4,CV5はそれぞれ全閉状態にある。

以上のような集熱作用により規定温度，規定流量となっ
た給水16は、熱交換器12において作動媒体17との間で、
熱交換を行ない、作動媒体17によって給水16が加熱され
る。その結果、給水16は一層高温，高圧の利用可能な蒸
気としてプロセスへ安定に供給され、図示しないタービ
ンを駆動して発電および工程熱として使用されることに
なる。なお、上記で熱交換器12にて熱交換された飽和液
の作動媒体17は、膨脹機構13を通過し圧力が減圧されて
湿りガスとなり、再び熱交換器９へ供給される。

上述したように、本実施例による太陽熱利用蒸気発生シ
ステムにおいては、従来の太陽熱エネルギーによる単独
集熱システムに比較して、熱交換器12で熱交換を行なう
ので、太陽熱集熱装置１の設備費用を低減することがで
きるばかりでなく、太陽熱集熱装置１の容量は小さいも
のでよいので、設備面積を縮小することができる。

さらに、ヒートポンプサイクルと称される作動媒体17の
サイクルによって、プロセスからの廃熱源14を有効的に
利用することができる。すなわち、作動媒体17のサイク
ルは工場等から排出される廃熱源14を熱源として利用
し、作動媒体17を圧縮機10で高温，高圧の利用し易いエ
ネルギーに変換していることから、省エネルギーでかつ
経済的なシステムである。具体的に述べると、原動機11
入力1KWに対し、熱交換器12で給水16に熱伝達する出力
は3Wとなり、３倍程度経済的なサイクルである。以上か
ら、本太陽熱利用蒸気発生システムは極めて経済的で、
しかも信頼性の高いシステムとすることができる。

又、貯蔵タンク３が設けられているので、日射量の高い
ときに余剰となった給水16を貯えることができ、かつ日
射量が低く太陽熱集熱装置１で集熱できる熱量が規定値
以下となった場合、貯蔵タンク３の給水を熱交換器12に
供給できる。

さらに、温水ボイラ４が設けられているので、不照時と
なり熱交換器２及び貯蔵タンク３からの給水ではプロセ
スへの供給蒸気量が不足する場合、温水ボイラ４により
規定温度の給水を作ることができ、プロセスへの供給蒸
気量を安定して供給できる。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、次のようにしても実施することができるものであ
る。

例えば、上記実施例では作動媒体17としてフロンを用い
たが、これに限らず水等の他の媒体を使用することも可
能であることは言うまでもない。

また、上記実施例において、ヒートポンプサイクルの構
成についても、第１図に示したものに限定されるもので
ないことは明らかである。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々に
変形して実施することができるものである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、太陽熱エネルギー
を集熱し、この集熱した太陽熱エネルギーを熱媒体に与
えて昇温する太陽熱集熱装置と、この太陽熱集熱装置で
の集熱により高温となった熱媒体と給水タンクから移送
される給水との熱交換を行い、この熱交換により高温と
なった給水を送出する第１の熱交換器と、この第１の熱
交換器の出口温度が規定温度になるように給水タンクか
らの給水量を調節する調節弁と、第１の熱交換器の出口
給水量が所定値を越えるときにはその余剰分の給水を貯
蔵し、かつ所定値以下のときはその不足分を第１の熱交
換器の出口給水量に対して補うための貯蔵タンクと、プ
ロセスへの供給蒸気量が第１の熱交換器の出口給水量及
び貯蔵タンクにより補われる給水量では不足する場合に
駆動し、給水タンクから移送される給水を導入し、規定
温度の給水を作って送出する温水ボイラと、第１の熱交
換器、貯蔵タンク、温水ボイラから移送される給水と高
温の作動媒体との間で熱交換を行い、給水を高温、高圧
のプロセス用の蒸気として発生させる第２の熱交換器と
を備えて構成したので、 太陽熱集熱装置の設置面積の縮小化ならびに設備費用の
低減化を図ることが可能であり、かつ日射量が低く太陽
熱集熱装置で集熱できる熱量が規定値以下となっても貯
蔵タンクから給水でき、さらに不照時となり熱交換器及
び貯蔵タンクからの給水ではプロセスへの供給蒸気量が
不足しても温水ボイラによりプロセスへの供給蒸気量を
安定して供給でき、極めて経済的でしかも信頼性が高い
太陽熱利用蒸気発生システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による太陽熱利用蒸気発生システムの一
実施例を示す構成図、第２図は従来の太陽熱集熱システ
ムの一例を示す概念図である。 １…太陽熱集熱装置、２…熱交換器、３…貯蔵タンク、
４…温水ボイラ、５…給水タンク、６…給水ポンプ、７
…補給水ポンプ、８…熱媒ポンプ、９…熱交換器、10…
圧縮機、11…原動機、12…熱交換器、13…膨脹機構、14
…廃熱源、15…熱媒体、16…給水、17…作動媒体、CV1
〜CV6…調整弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 内藤 真徳 (56)参考文献 特開 昭57−198952（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−245954（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽熱エネルギーを集熱し、この集熱した
   太陽熱エネルギーを熱媒体に与えて昇温する太陽熱集熱
   装置と、 この太陽熱集熱装置での集熱により高温となった熱媒体
   と給水タンクから移送される給水との熱交換を行い、こ
   の熱交換により高温となった給水を送出する第１の熱交
   換器と、 この第１の熱交換器の出口温度が規定温度になるように
   前記給水タンクからの給水量を調節する調節弁と、 前記第１の熱交換器の出口給水量が所定値を越えるとき
   にはその余剰分の給水を貯蔵し、かつ所定値以下のとき
   はその不足分を前記第１の熱交換器の出口給水量に対し
   て補うための貯蔵タンクと、 プロセスへの供給蒸気量が前記第１の熱交換器の出口給
   水量及び前記貯蔵タンクにより補われる給水量では不足
   する場合に駆動し、前記給水タンクから移送される給水
   を導入し、規定温度の給水を作って送出する温水ボイラ
   と、 前記第１の熱交換器、前記貯蔵タンク、前記温水ボイラ
   から移送される給水と高温の作動媒体との間で熱交換を
   行い、前記給水を高温、高圧の前記プロセス用の蒸気と
   して発生させる第２の熱交換器と、 を具備したことを特徴とする太陽熱利用蒸気発生システ
   ム。