JP2008115809A - 風力発電機を備えた煙突 - Google Patents

Abstract

【課題】上昇気流を利用して風力発電を行うことができる風力発電機を備えた煙突を提供すること。
【解決手段】燃焼ガスを排出する排出路１０、１２、１４と、前記排出路１０、１２、１４に隣接して断熱のために設けられた断熱路２０と、前記断熱路２０内に発生した上昇気流による風力を電力に変換する風力発電機３０、３２と、を備えた煙突。前記断熱路２０を構成する壁２２は、前記排出路１０、１２、１４を取り囲んで形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電機を備えた煙突に係り、特に二重管式煙突内の上昇気流を用いた風力発電機を備えた煙突に関する。

火力発電所においては、燃焼ガスで発生する熱により煙突の外側にて温度が高くなる。このため、安全上の要請から温度の上昇を抑え、構造上の強度を確保し、また建設コスト低減、美観上の目的から二重管式煙突が使用されている。

従来、二重管式煙突は、主目的である燃焼ガスの排出のためのみで使用されている。しかし、煙突管の内筒と外筒との間の空間は、内筒内部の排ガスの熱により外気より高い温度となっている。また、煙突上部と最下部では空気の密度差が生じているため、上昇気流が発生している。

この上昇気流を利用して風力発電を行うことができれば、エネルギーの有効活用ができる。関連する技術としては、上昇気流による風力を利用した高度差風力発電装置が提案されている（例えば、参考文献１）。
特開平６−２２１２５９号公報

しかし、参考文献１の提案では、煙突を含めて専用の設備を新設する必要があるので、高価である。また、その専用の設備は煙突内に設置されているので、燃焼ガスによる故障が起きやすい。

本発明は、上記の問題点を解決した風力発電機を備えた煙突を提供することを目的とする。

本発明者は、煙突管の内筒と外筒間の空間にて上昇気流が発生していることに着目して本発明を完成するに至った。

（１） 燃焼ガスを排出する排出路と、前記排出路に隣接して断熱のために設けられた断熱路と、前記断熱路内に発生した風力を電力に変換する風力発電機と、を備えた煙突。

（１）の発明は、燃焼ガスを排出する排出路と、前記排出路に隣接して断熱のために設けられた断熱路と、前記断熱路内に発生した風力を電力に変換する風力発電機と、を備えた煙突である。排出路に隣接して断熱のために設けられた断熱路では、下部において燃焼ガスの熱により内部の空気が加熱される。その結果、下部の空気と上部の空気との間に温度差が生じる。また、上部の空気と下部の空気の密度が異なってくるので上昇気流が生じる。さらに、断熱路の上部が解放されている場合は、煙突効果によりさらに上昇気流の風力が大きくなる。

したがって、断熱路内の空気の通路に風力発電機を設置することにより、断熱路内に発生した風力を電力に変換することができる。また、燃焼ガスを排出する排出路と断熱路とは仕切られているので、風力発電機が燃焼ガスにより損傷されることもない。

（２） 前記断熱路を構成する壁は、前記排出路を筒状に取り囲んで形成される（１）に記載の煙突。

（２）に記載の発明において、（１）の発明の前記断熱路を構成する壁は、排出路を筒状に取り囲んで形成されているので、排出路で発生する熱を断熱路に大部分取り込むことができる。したがって、取り込んだ熱により風力発電機を動かす風力を有効に発生させることができる。

（３） 前記排出路の下部に排出路の熱を断熱路内に放出する熱交換器をさらに備えた（１）または（２）に記載の煙突。

(３)に記載の発明は、排出路の下部に排出路の熱を断熱路内に放出する熱交換器をさらに備える。排出路では下部の温度が高く煙突の上部では温度が低くなる。熱交換器により下部の高い熱が断熱路内に放出されるので、断熱路内の温度差を大きくすることができる。その結果、断熱路内に発生する風力を大きくすることができるので風力発電機により取得する電力を大きくすることができる。

（４） 前記風力発電機を前記断熱路の空気吸込口の近傍に設置したことを特徴とする（１）または（２）に記載の煙突。

（４）に記載の発明は、断熱路の空気吸込口の近傍に設置したことを特徴とする。煙突は安全上の理由から出口部分の風速を制限するために頂部に蓋などをする場合がある。そのような場合は煙突の下部の空気吸込口の近傍の方が大きな風速となる。このような場合には、風速の大きな所に風力発電機を設置することにより有効に電力を取り出すことができる。

（５） 前記断熱路の断面積が煙突の上部に行くに従い減少し、その後拡大する部分が断熱路に有り、断面積が最も減少した部分の近傍に前記風力発電機を設置したことを特徴とする（１）から（３）に記載の煙突。

（５）に記載の発明は、流体力学のベルヌイ（Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ）の定理を応用したものである。ベルヌイの定理のように、流体は断面積が絞られたところで流速が早くなる。この定理を応用して、断熱路の断面積が煙突の上部に行くに従い減少し、その後拡大する部分が断熱路に有り、断面積が最も減少した部分の近傍に前記風力発電機を設置することにより流速をより早くすることができる。すなわち、断熱路を流線形に絞ることにより空気の流速を早くすることができる。空気の流速が早くなった部分に風力発電機を設置することで大きな電力を取り出すことができる。なお、風力発電機を設置することにより流速が最も早くなる場所が変動する場合もあるので適切な設置場所を調整することが望ましい。

（６） 屋内式ボイラの燃焼ガスを排出する排出路と、前記排出路に隣接して断熱のために設けられた断熱路と、前記断熱路内に発生した風力を電力に変換する風力発電機と、前記断熱路の下部に屋内式ボイラの屋内で前記屋内式ボイラにより加熱された空気を取り入れる取入口と、を備えた煙突。

（６）に記載の発明は、屋内式ボイラの燃焼ガスを排出する煙突に適用されるものである。屋内式ボイラではボイラ本体が室内にあるため、室内の空気が暖められる。暖められた空気の温度が数十度Ｃになることも有る。この暖められた空気を断熱路の下部に取り入れることにより断熱路内の温度差を大きくすることができる。この温度差により断熱路内で発生する風力をより大きくすることができ、より大きな電力を取り出すことができる。

本発明によれば、断熱路内の空気の通路に風力発電機を設置することにより、断熱路内に発生した風力を電力に変換することができる。また、燃焼ガスを排出する排出路と断熱路とは仕切られているので、風力発電機が燃焼ガスにより損傷されることもない。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図を参照しながら説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。

［第１の実施例］
図１は、本発明の風力発電機を備えた煙突の一例を示す図である。本発明の煙突は、燃焼ガスを排出する排出路１０と、排出路１２と、排出路１４と、及び排出路１０と、排出路１２と、排出路１４に隣接して断熱のために設けられた断熱路２０と、断熱路２０内に発生した風力を電力に変換する風力発電機３０と、風力発電機３２と、を備える。

図１の例では、排出路１０と、排出路１２と、排出路１４とは、３本の円筒管で表現されているが、燃焼ガスを排出することができれば円筒管に限らず、多角形の管でもよい。また、管の本数は３本に限らず一本でもよいし複数本でもよい。また、断熱路２０は、図１のように排出路１０と、排出路１２と、排出路１４を取り囲む外壁２２と、空気取り入れ口２４と、上部において空気を排出する開口部２６により形成されている。

風力発電機３０と、風力発電機３２とは、外壁２２の内側に取り付けられている。図１の例では風力発電機は外壁２２に沿って水平方向に２つ取り付けられているが、水平方向に３以上取り付けることもできる。また、煙突の上下方向に複数取り付けることもできる。

風力発電機３０と、風力発電機３２とは、図１では、プロペラ型風車で表示されているが、断熱路２０内で発生する風速、断熱路２０内のスペースに対応して、適切な種類を選定することができる。例えば、風速が小さければサボニウス型風車を、風速が速くなるのに対応してダリウス型風車、直線翼垂直軸型風車などを適用することができる。

排出路１０と、排出路１２と、排出路１４に隣接して断熱のために設けられた断熱路２０の下部において燃焼ガスの熱により内部の空気が加熱される。その結果、上部の空気との間に温度差が生じる。また、空気の密度が異なってくるので上昇気流が生じる。さらに、断熱路２０の上部が開口部２６の部分で解放されているので、煙突効果によりさらに断熱路２０内の風力が大きくなる。

したがって、断熱路２０内の空気の通路に設置された風力発電機３０と、風力発電機３２により、断熱路２０内に発生した風力を電力に変換することができる。また、燃焼ガスを排出する排出路１０と、排出路１２と、排出路１４とは仕切られているので、風力発電機３０と、風力発電機３２が燃焼ガスにより損傷されることもない。

［第２の実施例］
図２は、本発明の風力発電機を備えた煙突の別の実施例を示す図である。第２の実施例は、排出路１６が一本の円筒状の管である点と、風力発電機４０がスパイラル型風車４２であることを特徴とする。他の部分は第１の実施例と同一であるので、同一な部分については説明を省略する。

スパイラル型風車４２は、排出路１６の外壁にラジアル軸受４３と、ラジアル軸受４４と、ラジアル軸受４７とを介して回転自在に取り付けられている。また、スラスト軸受４８により軸方向に支持されている。また、スパイラル型風車４２と同一の軸上に発電機のロータ４６が取り付けられ、発電機の固定子４５と相対している。ロータ４６は永久磁石で作製することにより、回転により回転磁界が生じる。この回転磁界により固定子４５に発電する電力を取り出すことができる。

スパイラル型風車４２は、断熱路２０内の空気の流通路の断面積の大部分を使うことができるので、断熱路２０内に発生する風力を有効に取り出すことができる。

［第３の実施例］
図３は、本発明の風力発電機を備えた煙突の別の実施例を示す図である。第３の実施例は、排出路１７が一本の円筒状の管であり、排出路１７の下部１８で螺旋状に巻かれている点と、風力発電機３４と、風力発電機３６の風車が下向きである点が第１の実施例と異なる。他の部分は第１の実施例と同一であるので、同一な部分については説明を省略する。

排出路１７の下部１８で螺旋状に巻かれているので排出路１７の熱は断熱路２０内の下部１８にて他の部分よりも多く放出される。排出路１７では下部の温度が高く煙突の上部では温度が低くなる。螺旋状に巻かれている下部１８の高い熱が断熱路２０内に放出されるので、断熱路２０内の温度差を大きくすることができる。その結果、断熱路２０内に発生する風力を大きくすることができるので、風力発電機３４と風力発電機３６により取得する電力とを大きくすることができる。

また、風力発電機３４と、風力発電機３６の風車が下向きであるので、煙突の上部から雨水などが入る場合にも、風力発電機３４と、風力発電機３６の発電部の内部への水の浸入による故障を防止することができる。

［第４の実施例］
図４は、本発明の風力発電機と熱交換器を備えた煙突の別の実施例を示す図である。第４の実施例は、排出路１０と、排出路１２と、排出路１４の下部に排出路群の熱を断熱路２０内に放出する熱交換器５０をさらに備える点と、風力発電機３４と、風力発電機３６の風車が下向きである点が第１の実施例と異なる。他の部分は第１の実施例と同一であるので、同一な部分については説明を省略する。

排出路１０と、排出路１２と、排出路１４では下部の温度が高く煙突の上部では温度が低い。熱交換器５０により下部の高い熱が断熱路２０内に放出されるので、断熱路２０内の下部と上部との温度差を大きくすることができる。その結果、断熱路２０内に発生する風力を大きくすることができ、風力発電機３４と風力発電機３４により取得する電力とを大きくすることができる。

［第５の実施例］
図５は、本発明の空気吸込口の近傍に風力発電機を備えた煙突の実施例を示す図である。第５の実施例は、風力発電機３７を空気吸込口２４に設置した点が第１の実施例と異なる。他の部分は第１の実施例と同一であるので、同一な部分については説明を省略する。

煙突の設置に関しては安全上の理由より吐き出し風速を制限する場合もある。その場合は図５に示すように出口付近に蓋２７をするような場合もある。このような場合には、断熱路２０に空気吸込口２４の近傍の風力が相対的に大きくなる。したがって、図５に示すように空気吸込口２４の近傍に風力発電機３７を設置する。設置に際しては安全上の理由から金網等の防護壁３８を設けることが望ましい。一例によれば、煙突の上部を安全上の理由から風速を制限した場合も空気吸込口の近傍では１０ｍ／小程度の風速があるので十分に風力発電をすることができる。

［第６の実施例］
図６と図７は、本発明の空気吸込口の近傍に風力発電機を、下部に熱交換フィンを備えた煙突の別の実施例を示す図である。第６の実施例は、下部に熱交換フィン５２を設置した点が第５の実施例と異なる。他の部分は第５の実施例と同一であるので、同一な部分については説明を省略する。

図６の例では、熱交換フィン５２は単独フィンを排出管１７の全周に設ける。図７の例では、熱交換フィン５６はスパイラル状のフィンを排出管１７の全周に設ける。いずれのフィンも銅などの導電率の高い材質を用いることにより排出管１７の内部にある燃焼ガスの熱をこれらの熱交換フィンに伝達して排出管１７の周りの空気を加熱することができる。

断熱路２０内の下部の空気がより加熱されるので、上昇気流が発生して風速がより大きくなる。この大きくなった風力によりより大きな電力を風力発電機３７により取り出すことができる。

［第７の実施例］
第７の実施例は、流体力学のベルヌイの定理を応用したものである。ベルヌイの定理によれば、流体は断面積が絞られたところで流速が早くなる。この定理を応用して断熱路の断面積が煙突の上部に行くに従い減少し、その後拡大する部分が断熱路に有り、断面積が最も減少した部分の近傍に前記風力発電機を設置することにより流速をより早くすることができる。

図８は、本発明のベルヌイの定理を応用し、風力発電機を備えた煙突の一例を示す図である。図８の例は、図１に示す第１の実施例と、断面積が絞られた部分２９が断熱路２０においてある点が異なる。他の部分は同一であるので説明を省略する。

図８に示すように、断熱路２０の断面積が煙突の上部に行くに従い減少し、その後、部分２９にて拡大する。断面積が最も減少した部分２９の近傍に風力発電機３０、風力発電機３２を設置する。断面積が最も減少した部分の近傍に風力発電機３０等を設置することにより風車にあたる空気の流速をより早くすることができる。なお、風力発電機３０等を設置することにより流速が最も早くなる場所が変動するので適切な設置場所を調整することが望ましい。また、図８に示すように、断熱路２０を流線形に絞ることが望ましい。空気の流速が早くなる部分２９に風量発電機３０等を設置することにより、より大きな電力を取り出すことができる。

［第８の実施例］
第８の実施例は、屋内式ボイラの燃焼ガスを排出する煙突に適用されるものである。屋内式ボイラではボイラ本体が室内にあるため、室内の空気がボイラ本体からの熱により暖められる。この暖められた空気を有効活用することを特徴とする。

図９は、本発明の屋内式ボイラの燃焼ガスを排出するものに風力発電機を備えた煙突の一例を示す図である。図９に示すように屋内式ボイラ６０は建物６２の中に収められている。屋内式ボイラ６０が稼働すると建物６２の内部の空気は屋内式ボイラ６０の発する熱により加熱される。熱せられた空気は摂氏５０度Ｃから６０度Ｃにもなることがある。

この加熱された空気はダクト６７により建物内の取入口６５より断熱路２０の取入口６８に導かれて断熱路２０内に取り入れられる。この暖められた空気を断熱路２０の下部に取り入れることにより断熱路２０内の上下の空気の温度差を大きくすることができる。この温度差により断熱路２０内で発生する風力をより大きくすることができ、より大きな電力を風力発電機３７より取り出すことができる。

以上、本発明の実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることができる。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、風車はプロペラとスパイラルの例で説明をしたが、風速が小さければサボニウス型風車を、風速が速くなるのに対応してダリウス型風車、直線翼垂直軸型風車を用いてもよい。

本発明の風力発電機を備えた煙突の一例を示す図である。 本発明の風力発電機を備えた煙突の別の実施例を示す図である。 本発明の風力発電機を備えた煙突の別の実施例を示す図である。 本発明の風力発電機と熱交換器を備えた煙突の別の実施例を示す図である。 本発明の空気吸込口の近傍に風力発電機を備えた煙突の実施例を示す図である。 本発明の空気吸込口の近傍に風力発電機を、下部に熱交換フィンを備えた煙突の別の実施例を示す図である。 本発明の空気吸込口の近傍に風力発電機を、下部に熱交換フィンを備えた煙突の別の実施例を示す図である。 本発明のベルヌイの定理を応用し、風力発電機を備えた煙突の一例を示す図である。 本発明の屋内式ボイラの燃焼ガスを排出するものに風力発電機を備えた煙突の一例を示す図である。

符号の説明

１０、１２、１４ 排出路
２０ 断熱路
２４ 空気吸込口
３０、３２ 風力発電機
３７ 風力発電機
５０ 熱交換器
５２ 熱交換フィン
５６ 熱交換フィン
６０ 屋内式ボイラ
６２ 建物
６８ 取入口

Claims (6)

1. 燃焼ガスを排出する排出路と、
   前記排出路に隣接して断熱のために設けられた断熱路と、
   前記断熱路内に発生した風力を電力に変換する風力発電機と、
   を備えた煙突。
2. 前記断熱路を構成する壁は、前記排出路を筒状に取り囲んで形成される請求項１に記載の煙突。
3. 前記排出路の下部に排出路の熱を断熱路内に放出する熱交換器をさらに備えた請求項１または２に記載の煙突。
4. 前記風力発電機を前記断熱路の空気吸込口の近傍に設置したことを特徴とする請求項１または２に記載の煙突。
5. 前記断熱路の断面積が煙突の上部に行くに従い減少し、その後拡大する部分が断熱路に有り、断面積が最も減少した部分の近傍に前記風力発電機を設置したことを特徴とする請求項１から３に記載の煙突。
6. 屋内式ボイラの燃焼ガスを排出する排出路と、
   前記排出路に隣接して断熱のために設けられた断熱路と、
   前記断熱路内に発生した風力を電力に変換する風力発電機と、
   前記断熱路の下部に屋内式ボイラの屋内で前記屋内式ボイラにより加熱された空気を取り入れる取入口と、
   を備えた煙突。
   

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