JP2005076565A - 太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 地球環境にやさしい、クリーンな太陽光熱を集光熱した熱源および風力を有効に、確実に、効率高く、安全に利用して発電が出来るようにした太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置を提供すること。
【解決手段】 太陽光熱を集光熱するレンズ１２と、このレンズ１２で集光熱された熱源を所定の場所にガイドする光導ファイバー１６と、この光導ファイバー１６からの熱源にて回転させられる光熱磁気モータ型の磁気回転盤１８と、この磁気回転盤１８に一体に設けられている磁束発生手段４２とで光熱磁気発電部１１を構成する。風力を受けて回転する翼車３２と、この翼車３２の回転により回転する回転軸３７と、この回転軸３７と一体に設けられている外筒３８と、この外筒３８の内周面に設けられて、前記磁束発生手段４２とは対面している電機子巻線４４とで風力発電部３１を構成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置に関するものである。

従来より、石油や石炭などの化石型燃料を燃焼した熱を熱源とした発電装置は多々存在しているが、地球環境汚染や地球温暖化ガスの排出で大いに問題となっているのが現状である。
そこで、近年注目されてきているのが風力発電である。例えば、以下に示す特許文献が挙げられる。

特開２００３−２３２２７４号公報 特開２００３−２３５２９８号公報

上記特許文献１や特許文献２では、動力源を風力とした風力発電装置であり、地球環境汚染や地球温暖化ガスの排出が防止されて、所謂環境にやさしい発電装置である。しかしながら、この風力発電装置は、風があるときは発電が可能であるものの、微風であったり、風が止んだ場合には発電が出来ないという問題を有している。
また、風力発電装置においては、大きな電力を取ろうとする場合には、羽根が非常に大きくなったりして装置自体が大型化してしまう。

本発明は上述の問題点に鑑みて提供したものであって、地球環境にやさしい、クリーンな太陽光熱を集光熱した熱源および風力を有効に、確実に、効率高く、安全に利用して発電が出来るようにした太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置を提供することを目的としているものである。

そこで、本発明の請求項１記載の太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置では、太陽光熱を集光熱するレンズと、このレンズで集光熱された熱源を所定の場所にガイドする光導ファイバーと、この光導ファイバーからの熱源にて回転させられる光熱磁気モータ型の磁気回転盤と、この磁気回転盤に一体に設けられている磁束発生手段とで構成される光熱磁気発電部と、
風力を受けて回転する翼車と、この翼車の回転により回転する回転軸と、この回転軸と一体に設けられている外筒と、この外筒の内周面に設けられて、前記磁束発生手段とは対面している電機子巻線とで構成される風力発電部とを備えていることを特徴としている。

請求項２に記載の太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置では、前記光導ファイバーから導いた太陽光熱を、前記磁気回転盤に配置した複数のチップのうち、対称な複数の感温磁性材料からなるチップに照射して該チップをキューリ温度以上にし、これらのチップの照射スポットの磁気を消して磁気回転盤を回転させているようにしていることを特徴としている。

請求項３に記載の太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置では、前記光熱磁気発電部の回転軸と、前記風力発電部の回転軸との回転方向は互いに逆方向としていることを特徴としている。

請求項４に記載の太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置では、前記レンズをフレネルレンズとし、該フレネルレンズは追尾装置にて太陽を常時追尾していることを特徴としている。

本発明の太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置によれば、太陽光熱を利用した光熱磁気発電部と、風力を利用した風力発電部を組み合わせたハイブリッド発電装置を形成しているものであるから、化石型燃料を一切使用せずに、発電することができ、しかも、風がある場合、あるいは昼間の場合のいずれかの状態にあれば発電が可能であり、特に、晴天の場合には、一層効率良く発電を行なうことができる。
また、化石型燃料を一切使用せずに、発電することができるので、地球環境にやさしいクリーンな太陽光熱を集光熱した熱源及び風力を有効に、確実に、効率高く、安全に利用して発電ができるものである。

また、光熱磁気発電部の回転軸と、前記風力発電部の回転軸との回転方向は互いに逆方向としているので、発電効率を高めることができる。

さらに、フレネルレンズは追尾装置にて太陽を常時追尾しているので、太陽光熱を有効に、且つ確実に集光熱することができて、発電効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。本発明は、地球環境にやさしいクリーンな太陽光熱を熱源に利用し、キューリ温度以上で磁気が消える原理を活用した光熱磁気モータによる発電機と、同じく地球環境にやさしいクリーンな風力発電機とを組み合わせたハイブリッド発電機を提供するものである。

先ず、本発明に用いる光熱磁気モータの原理について説明する。なお、この光熱磁気モータについての詳細は、特開２００２−２０４５８８号公報に記述されている。図１及び図２は、感温磁性材料を利用した光熱磁気モータの基本的な構成を示し、図１は光熱磁気モータの平面図を、図２は断面図をそれぞれ示している。
ＮｉＡｌ合金で作成した感温磁性材料の複数のチップ１を、非磁性で熱伝導率の低いセラミックスなどの円板状の支持板４の一方の面に、該支持板４の回転方向に等間隔に多極として固着させている。チップ１の表面（受光面）は効率的に光の熱エネルギーの吸収のために黒体物質をコーティングしている。黒体物質は例えば、耐熱性樹脂にカーボンブラックを混入したものを塗布して形成している。

上記支持板４は、中央に回転軸５及び軸受７にて回転円板としてある。支持板４の側方には永久磁石２が配置されており、この永久磁石２は１極で、非磁性のアルミニウム合金、マグネシウム合金などの固定板６の上面に固定されている。温度上昇によってチップ１の磁気特性を変化させるために、レーザ光や太陽光などの光熱源を用い、レンズ８により光熱源を集光して、チップ１の表面（永久磁石２による磁化中心からずれた位置）に光（熱）を照射する。

図３はこの光熱磁気モータの回転駆動原理を示す図であり、雰囲気温度はキューリ温度以下のほぼ室温とする。太陽光等の照射前に永久磁石２から生じる磁場９（図２参照）によって間近の軟磁性材料である感温磁性材料のチップ１が磁化され図１に示すようにバランスして保持される。
ここで、図３の白丸で示されるスポット３ａ（永久磁石２による磁化中心からずれた位置）の箇所に太陽光熱及びレーザ等の光がチップ１ａに照射され、チップ１ａのスポット３ａが加熱され、その部位の磁化は低下する。

チップ１ａのスポット３ａが加熱されて局所温度上昇によってチップ１ａ内の磁気バランスが崩れ、チップ１ａ内の温度上昇の遅れている箇所が永久磁石２の磁場９に引き寄せられ矢印の方向に回転を開始する。そして、すぐにチップ１ａ全体が温度上昇し、隣のチップ１ｂが永久磁石２の磁場９に引き寄せられ回転が加速する。この繰り返しにより連続回転力が得られる。
チップ１が再び当初の位置まで戻る回転をしている間に自然冷却され、チップ１の温度は低下し、磁気特性は向上する。これら一連の加熱と冷却によって連続回転が維持される。

なお、本原理において、回転を逆回転する場合は、図３において光の照射位置を３ｂにずらすことによって図面では反時計方向に回転をする。

次に本発明の構成について詳述する。図４は太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置Ａの構成図を示し、このハイブリッド発電装置Ａは、前記光熱磁気モータを応用して太陽光を熱源としてクリーンな発電を行なう光熱磁気発電部１１と、自然の風力を利用してクリーンな発電を行なう風力発電部３１とで構成されている。

光熱磁気発電部１１は、太陽光熱を集光熱した熱源を利用するために、該太陽光熱を集光熱するためのアクリル製のフレネルレンズ１２と、太陽光熱を有効に、確実に集光熱するために前記フレネルレンズ１２を太陽に向けて追尾させる追尾装置１３と、前記フレネルレンズ１２の焦点側に該焦点方向に移動自在に配置されてフレネルレンズ１２からの集光熱を受光する集光熱板１４と、この集光熱板１４側に一端が配置されている複数の石英製の光導ファイバー１６と、この光導ファイバー１６の他端側と対向し回転軸１７と一体となって回転自在とした磁気回転盤１８と、前記磁気回転盤１８の面とは所定の間隔をあけて面対向している支持体１５等で構成されている。

図５は上記磁気回転盤１８及び支持体１５の破断平面図を示し、右側が磁気回転盤１８を示し、左側が支持体１５を示している。図６に示すように、磁気回転盤１８の中央部と回転軸１７の基部とが一体となっていて、磁気回転盤１８は回転軸１７を軸として回転自在となっている。
また、支持体１５は回転軸１７に軸受２１を介して配設されており、この支持体１５は他の箇所のケーシング等に固定されている。すなわち、支持体１５が固定され、支持体１５の軸受２１に回転軸１７が挿通されてこの軸受２１により磁気回転盤１８及び回転軸１７は支持体１５に対して回転自在となっている。

上記磁気回転盤１８と支持体１５とはほぼ同じ径の大きさであり、非磁性体の材料からなる支持体１５の周縁部には本実施形態では６個の永久磁石２２を設けている。この実施形態では感温磁性材料からなるチップ２０と永久磁石２２とを平行に配置した場合であり、永久磁石２２は厚さ方向に着磁されていて、支持体１５の周縁部に等間隔で６個の永久磁石２２を固定配置している。
なお、永久磁石２２は支持体１５の上面（図６での方向）に設けているが、支持体１５に切欠部を設けて、この切欠部内に永久磁石２２を埋設して、永久磁石２２の上面と支持体１５の上面とを面一にするようにしても良い。

また、光導ファイバー１６の他端も磁気回転盤１８の周縁部に等間隔で配置されており、永久磁石２２の位置に対応した箇所に光導ファイバー１６の他端が位置し、該光導ファイバー１６の他端よりチップ２０を照射するようになっている。

また、磁気回転盤１８は、セラミックス等の非磁性で熱伝導率の低い材料で作成されていて、この磁気回転盤１８に固定配置される上記感温磁性材料からなるチップ２０の上面には黒体物質を受光面にコーティングしている。
図６に示すように、チップ２０と永久磁石２２とは平行に配置されているので、矢印で図示するような磁場２３が発生する。

また、上記光導ファイバー１６の他端は図６に示すように、チップ２０の表面とは近接ないし接触して、該コーティングの端面からチップ２０の表面に太陽光熱を照射するようになっている。この光導ファイバー１６によりフレネルレンズ１２及び集光熱板１４にて集光熱した熱源を、確実に、安全に、ロス無く、目的の場所であるチップ２０に導いて照射するものである。

また、光導ファイバー１６から導かれた太陽光熱を磁気回転盤１８の複数の対称な複数のチップ２０のスポット（図３のスポット３ａと同様）をキューリ温度以上にし、これらのスポットの磁気を消し、磁気回転盤１８を回転させ、この回転力によりコイルを回転させ、発電させるものである。

風力発電部３１は図４に示すように、風力を受けて回転する翼車３２と、この翼車３２の軸３３の回転の向きを変える回転変換機３４と、この回転変換機３４の軸３５を回転軸３７に回転の向きを変換して伝達する回転変換機３６と、前記回転軸３７と一体に回転する外筒３８等で構成されている。

前記外筒３８内に光熱磁気発電部１１の回転軸１７が位置しており、この部分を発電部４０と称する。図７はこの発電部４０の要部拡大断面図を示し、この発電部４０の構成は、例えば、同期発電機と同様な構成としてある。
磁気回転盤１８の回転軸１７には回転子４１が固着されており、この回転子４１の外周には永久磁石または界磁巻線からなる磁束発生手段４２が設けられている。

一方、風力発電部３１側の円筒状の外筒３８の内周面には固定子４３が設けられていて、この固定子４３の内周面に前記磁束発生手段４２の外周面と僅かな隙間を介して対面する電機子巻線４４が配設されている。
回転軸１７が回転することにより、磁束発生手段４２が形成する回転磁界により電圧を電機子巻線４４に誘起することで発電される。

ここで、風がない場合などの翼車３２が回転していない場合で、昼間の太陽が出ている場合には、フレネルレンズ１２にて太陽光熱を集光熱し、光導ファイバー１６からの集光熱が磁気回転盤１８のチップ１を照射し、上述した原理で磁気回転盤１８が回転する。
磁気回転盤１８が回転することで、回転軸１７の磁束発生手段４２が形成する回転磁界により電圧を電機子巻線４４に誘起することで発電される。この場合、発電部４０の風力発電部３１側の外筒３８は回転しない。

次に、夜間で風があり翼車３２が回転している場合には、風力発電部３１側の回転軸３７が回転することで外筒３８が回転する。この場合、光熱磁気発電部１１側の回転軸１７は回転しないが、外筒３８の電機子巻線４４が回転することで、相対的に磁束発生手段４２が形成する回転磁界により電圧を電機子巻線４４に誘起することで発電される。

また、風があって翼車３２が回転している場合で、且つ昼間の場合には、光熱磁気発電部１１側の回転軸１７と、風力発電部３１側の外筒３８も同時に回転することになる。ここで、光熱磁気発電部１１側の回転軸１７の回転方向と、風力発電部３１側の回転軸３７（外筒３８）の回転方向とは逆にしており、発電機としての回転は、回転軸１７と回転軸３７との合計の回転数となり、電機子巻線４４における発電効率を高めることができる。

また、磁気回転盤１８のチップ１に照射する温度を上昇させる場合には、上記集光熱板１４またはフレネルレンズ１２の何れかを集光方向に移動させることで、容易に行なうことができる。かかる場合、チップ１の材料によりキューリ温度が高い場合などに利用でき、どのような感温磁性材料でチップ１を形成しても対応することができる。

このように本発明では、太陽光熱を利用した光熱磁気発電部１１と、風力を利用した風力発電部３１を組み合わせたハイブリッド発電装置Ａを形成しているものであるから、化石型燃料を一切使用せずに、発電することができ、しかも、風がある場合、あるいは昼間の場合のいずれかの状態にあれば発電が可能であり、特に、晴天の場合には、一層効率良く発電を行なうことができる。
また、化石型燃料を一切使用せずに、発電することができるので、地球環境にやさしいクリーンな太陽光熱を集光熱した熱源及び風力を有効に、確実に、効率高く、安全に利用して発電ができるものである。

また、光熱磁気発電部１１の回転軸１７と、前記風力発電部３１の回転軸３７との回転方向は互いに逆方向としているので、発電効率を高めることができる。 さらに、フレネルレンズ１２は追尾装置１３にて太陽を常時追尾しているので、太陽光熱を有効に、且つ確実に集光熱することができて、発電効率を高めることができる。

本発明の実施の形態における光熱磁気モータの原理を示す平面図である。 本発明の実施の形態における光熱磁気モータの原理を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光熱磁気モータの原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態におけるハイブリッド発電装置の構成図である。 本発明の実施の形態における光熱磁気発電部の磁気回転盤と支持体との破断平面図である。 本発明の実施の形態における光熱磁気発電部の磁気回転盤と支持体との構成を示す要部拡大断面図である。 本発明の実施の形態におけるハイブリッド発電装置の要部拡大断面図である。

符号の説明

１１ 光熱磁気発電部
１２ フレネルレンズ
１３ 追尾装置
１４ 集光熱板
１５ 支持体
１６ 光導ファイバー
１７ 回転軸
１８ 磁気回転盤
２０ チップ
２２ 永久磁石
３１ 風力発電部
３２ 翼車
３７ 回転軸
３８ 外筒
４０ 発電部
４２ 磁束発生手段
４４ 電機子巻線

Claims (4)

1. 太陽光熱を集光熱するレンズ（１２）と、このレンズ（１２）で集光熱された熱源を所定の場所にガイドする光導ファイバー（１６）と、この光導ファイバー（１６）からの熱源にて回転させられる光熱磁気モータ型の磁気回転盤（１８）と、この磁気回転盤（１８）に一体に設けられている磁束発生手段（４２）とで構成される光熱磁気発電部（１１）と、
   風力を受けて回転する翼車（３２）と、この翼車（３２）の回転により回転する回転軸（３７）と、この回転軸（３７）と一体に設けられている外筒（３８）と、この外筒（３８）の内周面に設けられて、前記磁束発生手段（４２）とは対面している電機子巻線（４４）とで構成される風力発電部（３１）とを備えていることを特徴とする太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置。
2. 前記光導ファイバー（１６）から導いた太陽光熱を、前記磁気回転盤（１８）に配置した複数の感温磁性材料からなるチップ（１）のうち、対称な複数のチップ（１）に照射して該チップ（１）をキューリ温度以上にし、これらのチップ（１）の照射スポット（３ａ）の磁気を消して磁気回転盤（１８）を回転させているようにしていることを特徴とする請求項１記載の太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置。
3. 前記光熱磁気発電部（１１）の回転軸（１７）と、前記風力発電部（３１）の回転軸（３７）との回転方向は互いに逆方向としていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置。
4. 前記レンズ（１２）をフレネルレンズとし、該フレネルレンズ（１２）は追尾装置（１３）にて太陽を常時追尾していることを特徴とする請求項１〜請求項３にいずれか記載の太陽光熱と風力を組み合わせたハイブリッド発電装置。
   

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