JP2009148210A

JP2009148210A - 栽培施設

Info

Publication number: JP2009148210A
Application number: JP2007329555A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sato; 茂佐藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】風力発電と温室とをブラウンガスを介して効果的に組み合わせることにより、寒冷地や積雪地での温室内の保温を効率よく行うことができる栽培施設を提供する。
【解決手段】作物栽培用の温室１と、風力発電装置２と、該風力発電装置２で発電した電力を使用してブラウンガスを発生させるブラウンガス発生装置３と、該ブラウンガス発生装置３で発生したブラウンガスを利用したボイラー４とを備え、該ボイラー４で発生した熱を利用して前記温室１内を所定温度に保温する。
【選択図】図１

Description

本発明は、栽培施設に関し、特に、寒冷地に設けられた温室内を効率よく保温することができる栽培施設に関する。

一般に、冬季や寒冷地における作物の栽培には、作物の生育環境を一定温度以上に保つために、温室、例えばビニールハウスやガラス温室が用いられており、温室内を保温するための装置として、液体燃料である重油や灯油を使用した加熱装置が広く採用されている。この場合は、燃料を補給する手間が掛かり、多額の燃料代も必要となる。このため、温室栽培に要する費用を削減するため、温室で使用する補助電力の発電源として太陽電池パネルや風力発電用風車を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−３１９７２０号公報

しかし、温室の照明やファンの電源として太陽電池パネルや風力発電用風車を用いただけでは十分なコストダウンを得ることができない。また、太陽電池パネルは積雪地では冬季の発電量が激減してしまうため、電力供給源として用いるのには問題がある。また、風力発電も、単に発電した電力をそのまま使用するだけでは、発電電力を有効利用することができないという問題があった。

そこで本発明は、風力発電と温室とをブラウンガスを介して効果的に組み合わせることにより、寒冷地や積雪地での温室内の保温を効率よく行うことができる栽培施設を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の栽培施設は、作物栽培用の温室と、風力発電装置と、該風力発電装置で発電した電力を使用してブラウンガスを発生させるブラウンガス発生装置と、該ブラウンガス発生装置で発生したブラウンガスを利用したボイラーとを備え、該ボイラーで発生した熱を利用して前記温室内を所定温度以上に保温することを特徴としている。

さらに、本発明の栽培施設で使用する前記風力発電装置は、基礎面から鉛直方向に立設した筒状部材にて構成された風洞と、前記筒状部材の周壁から法線方向に延出した複数の集風板と、該集風板相互間及び筒状部材の上端開口を閉塞する天板と、前記筒状部材の周壁に設けられて前記集風板によって集約された風を前記風洞内に導く複数の風取込口と、該風取込口に設けられて筒状部材外部から筒状部材内部への風の流通のみを許容し、内部から外部への流通を規制する逆流防止手段と、隣接する集風板間に設けられて集風板によって集約された風を下方に向けてガイドする複数のガイド板と、前記風洞の一端部から吹き出す風によって駆動されるタービンと、該タービンにより駆動される発電機とを含む風力発電装置であることが好ましい。

また、前記風力発電装置において、隣接する前記集風板の外部側間に、外部から集風板間への風の流通のみを許容し、集風板間から外部への流通を規制する第２の逆流防止手段が設けられていると好適である。さらに、前記集風板は、筒状部材の周方向に６枚が等間隔で設けられていると好適である。前記風洞には、該風洞内に取り込まれた過剰の風を排出する余剰風排出部を設けることが好ましい。前記タービン及び前記発電機は、一つの風洞に風の流れ方向に複数設けられ、前記タービンの回転羽根は、風洞内に１／２〜１／４を臨ませると好適である。さらに、前記ブラウンガス発生装置は、前記ブラウンガスを貯留するガス貯槽を備えていることが好ましい。

本発明の栽培施設によれば、風力発電装置で発電した電力をブラウンガスに変換して利用するので、電力の有効利用が図れる。また、風力発電装置として前述の構成の風力発電装置を使用することにより、風向きに関係なく、弱い風でも効率よく発電できるので、一つの風力発電装置で大面積の温室の保温が可能となる。さらに、余剰の電力を売電する他、一部をブラウンガスに変換してガス貯槽に貯留しておくことにより、一時的な熱量増大要求にも対応することができる。

図１は本発明の栽培施設の一形態例を示す概略図である。この栽培施設は、作物栽培用の温室１と、風力発電装置２と、該風力発電装置２で発電した電力Ｅを使用してブラウンガスを発生させるブラウンガス発生装置３と、該ブラウンガス発生装置３で発生したブラウンガスＢを利用したボイラー４とを備えており、各ボイラー４で発生した熱を利用して各温室１内を保温するようにしている。また、ブラウンガス発生装置３には、発生したブラウンガスを貯留するガス貯槽５が併設されている。

温室１は、その面積や栽培作物の種類等に応じて各種のものを用いることができ、小規模なビニールハウスから大規模なガラス温室まで、任意の構成のものを用いることができ、栽培作物に応じて各種構成のものを組み合わせることも可能である。

ブラウンガス発生装置３は、周知のように、水を電気分解して水素と酸素との混合ガス、即ちブラウンガスを発生させる装置であって、一般的には、水を張った電解槽内に陽極と陰極とを配置し、陽極から発生する酸素と陰極から発生する水素とを捕集するように形成されている（例えば、特許第３１３００１４号公報等参照）。

前記風力発電装置２は、図２乃至図６に示すように、地下に発電機室１１を、地上に集風手段１２をそれぞれ設けている。該集風手段１２は、基礎１３の上方に立設した筒状部材１４と、下端が基礎１３に固設され、基部が筒状部材１４の周壁に固定されて、該周壁の壁面から法線方向に延出した６枚の集風板１５と、前記筒状部材１４の上端開口及び隣接する集風板１５同士の上端開口を閉塞する天板１６と、前記筒状部材１４の壁面に設けられた風取込口１７と、隣接する集風板１５間に設けられた上下複数のガイド板１８とを有している。

前記筒状部材１４は、その内部に前記発電機室１１に至る風洞１９を有している。この筒状部材１４は、正６角形状に形成されており、各角部に前記集風板１５の基部が固着され、各辺部に前記風取込口１７が設けられている。前記筒状部材１４は、その高さや径に応じて周方向及び高さ方向に複数に分割形成し、風力発電装置の設置場所にて組み立てることができる。また、前記筒状部材１４は、高さ方向全体を同一径としてもよく、該筒状部材１４の強度や前記風洞１９内の圧力状態等に応じて下方を大径に、上方を小径とした緩やかな円錐形状とすることもできる。

前記集風板１５は、風向きが年間を通して略一定の方向であれば２〜３枚とすることも可能であるが、全方向からの風を効率よく集風するためには６枚が最適である。すなわち、前記集風板１５を前記筒状部材１４の周囲に等間隔で６枚設置することにより、いずれの方向からの風であっても、最低でも隣接する２枚の前記集風板１５によって風を中心部に集めて前記風洞１９内に導くことができる。なお、前記集風板１５を７枚以上設置することも可能であるが、装置コストが上昇する割には集風効果の向上は小さく経済的ではない。この集風板１５も、高さや幅に応じて高さ方向及び幅方向に複数に分割形成して組み立てることができる。

前記ガイド板１８は、その側面視が、集風板１５の先端側が略水平方向を向き、集風板１５の基部側が鉛直方向を向く円弧状に湾曲した形状を有している。上下のガイド板１８同士の間隔は、集風板１５の基部から外端までの寸法に応じて設定することができる。また、ガイド板１８を設けることにより、隣接する集風板１５同士を連結して集風板１５を補強することができる。

このように設置した前記集風板１５及びガイド板１８により集められた風は、最下部が基礎１３、最上部が天板１６によって囲まれ、さらに、上下のガイド板１８によって囲まれた平面視が三角形の頂点に向かって収斂する状態となるので、圧力が上昇した状態で、また、ガイド板１８によって下向きの流れになって前記風取込口１７から前記風洞１９内に流入する。

前記風取込口１７は、前記筒状部材１４の壁板を四角形状に打ち抜くことによって形成したものであって、風取込口１７の外側で隣接する集風板１５の基部同士の間には、外部から筒状部材１４の内部に向かう風の流通を許容し、筒状部材１４の内部から外部への風の流通を規制する第１の逆流防止手段２０を備えた壁板２１が設けられている。

該第１の逆流防止手段２０は、壁板２１に設けた開口２２の内側に、上部にヒンジ２３を有するスイング式のフラップ２４を設けたものである。このフラップ２４は、外部から風圧が作用すると、ヒンジ２３を中心にして下部が風取込口１７側に開き、外部から筒状部材１４の内部に向かう風の流通を許容する。また、外部から風圧が作用していないときには、自重によって開口２２を閉じた状態になり、内部から外部への風の流通を規制する。

さらに、隣接する集風板１５の外端部には、外部から集風板１５間への風の流通のみを許容し、集風板１５間から外部への流通を規制する第２の逆流防止手段２５が設けられている。この第２の逆流防止手段２５は、集風板１５の基部側に設けた前記逆流防止手段２０と同様に、集風板１５の外端部間を覆う壁板２６に開口２７を設け、この開口２７の内側に、上部にヒンジ２８を有するスイング式のフラップ２９を設けたものである。このフラップ２９も、外部から風圧が作用すると、ヒンジ２８を中心にして下部が内側に開き、外部から集風板１５間に向かう風の流通を許容する。また、外部から風圧が作用していないときには、自重によって開口２７を閉じた状態になり、内部から外部への風の流通を規制する。

したがって、風上側に位置した両逆流防止手段２０，２５は、風圧によってフラップ２４，２９が自動的に開状態となり、風上側以外の両逆流防止手段２０，２５は、自動的に閉状態となるように形成されている。また、開口２２，２７の周囲とフラップ２４，２９との間にゴム製シール材を設けることにより、密着性を向上させて確実な閉塞状態が得られる。

さらに、前記逆流防止手段２０，２５は、寒冷地における低温状態で凍結したり、氷雪が付着したりして作動不良を生じないように、例えば、図７に示すように、直接外気に接する外側の第２の逆流防止手段２５のフラップ２９の背面に、軽量な炭素繊維を熱源とした加熱手段２９ａを貼り付けておき、外気温の状態などにより、発電した電力を用いて加熱手段２９ａを発熱させることができるようにしておくことが好ましい。このような加熱手段は、第２の逆流防止手段２５の内側に位置する第１の逆流防止手段２０にも同様に設けることができる。なお、前記逆流防止手段２０，２５の構造は、これらに限定されるものではない。

このように形成した前記逆流防止手段２０，２５は、開口２２，２７の下方を開口させていることで、開口２７から集風板１５間に流入する風及び開口２２から風洞１９内に流入する風に下方に向かう流れを形成する。特に、前記ガイド板１８及び前記逆流防止手段２０の相乗作用によって風洞１９内に下方の発電機室１１に向かう風の流れを効率よく形成することができる。また、前記逆流防止手段２０，２５によって集風板１５間及び風洞１９内に取り込んだ風が外部に吹き抜けることを防止できるので、取り込んだ風を発電用として有効に利用することができる。

前記風取込口１７や前記逆流防止手段２０，２５の大きさ（流量）や設置数は、前記集風板１５によって集風される風量に応じて設定され、集風板１５の幅寸法が小さければ設置数を少なく、あるいは、小さな風取込口１７とし、集風板１５の幅寸法が大きいときには、設置数を多くして風取込口１７や逆流防止手段２０，２５も大きなものとすればよい。

地下に設けられた前記発電機室１１には、前記風洞１９に連通する地下風洞３０が設けられ、この地下風洞３０内を流れる風によって回転駆動されるタービン３１と、このタービン３１によって駆動される発電機３２と、その他の送電設備等が設けられている。このタービン３１及び発電機３２には、風洞１９から地下風洞３０に供給される風圧、風量に対応したものを選択して使用することができ、風力発電装置２の設置場所における電力の使用目的に応じて選択すればよい。また、タービン３１を駆動した風は、地下風洞３０の末端３０ａから大気に排気される。

また、前記風洞１９の上下両端部に、風洞１９内の圧力があらかじめ設定した圧力を超えたときに風洞１９内から外部に圧力を逃がすための余剰風排出部をそれぞれ設けておくことにより、強風時に風洞１９内に取り込まれた過剰の風を排出することができるので、タービン３１の過負荷を防止することができる。余剰風排出部としては、天板１６に通風孔を形成して、該通風孔を開閉するフラップ状のものを設けることで形成できる。

上下の余剰風排出部の作動圧力は同一に設定することができるが、風洞１９内の風の流れを考慮すると、下方の余剰風排出部の作動圧力を低く設定することが好ましい。また、余剰風排出部における排気流量も同一としておくとができるが、台風等の強風時を考慮すると、作動圧力を高めに設定した上方の余剰風排出部の排気流量を多く設定しておくことにより、通常の風力の変動範囲では、作動圧力を低く設定した下方の余剰風排出部のみが作動して風洞１９内の風の流れを乱さずに少量の余剰風を排出し、台風等の強風時には作動圧力を高く設定した上方の余剰風排出部も作動して大量の余剰風を排出することにより、タービン３１等の機器を確実に保護することができる。

また、排気方向を風下側に向けることができるように、複数の方向に向けて余剰風排出部を設けておくこともできる。さらに、前記発電機３２の発電状態に応じて排気量を自動的に調整する自動調整式の余剰風排出部を設けることもできる。また、前記風洞１９や前記地下風洞３０の底部には、風洞１９内に侵入した水分を排出するドレンを設けておくことが好ましい。

さらに、前記風取込口１７から風洞１９内に異物が侵入することを防止するため、前記風取込口１７の外側や前記逆流防止手段２０，２５の外側にスクリーンを設置しておくことが好ましい。スクリーンは、例えば、通常の金網等をフレームにより保持し、このフレームを隣接する集風板１５や壁板２１，２６に固定することによって設置することができる。

このように、風力発電装置２における集風手段１２として筒状部材１４と、複数、特に６枚の集風板１５と複数のガイド板１８とを組み合わせることにより、様々な方向からの風を有効に捕集して発電用に使用することができ、弱風状態でも十分な発電出力を得ることができる。また、設置場所の条件に応じて高さと直径とを選択することによって必要な電力供給を安定して行うことができる。さらに、比較的小型の風力発電装置２では、基礎１３に代わる底板を組み合わせて集風手段１２をユニット化することも可能であり、この複数のユニットを積み重ねて用いることもできる。

前記タービン３１及び前記発電機３２は、一つの地下風洞３０に風の流れ方向に所定間隔を存して複数設け、風速に応じて発電機３２の稼働数を増減させるようにしてもよい。例えば、図８に示すように、地下風洞３０に５つのタービン３１ａ，３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ，３１ｅを設け、各タービン３１ａ〜３１ｅによって駆動される発電機３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅをそれぞれ設けることができる。地下風洞３０に導入された風は、前記タービン３１ａ〜３１ｅを回転駆動し、これらのタービン３１ａ〜３１ｅによって各発電機３２ａ〜３２ｅを駆動して発電する。これらのタービン３１ａ〜３１ｅを回転駆動した風は、地下風洞３０の末端３０ａから排気される。

さらに、このように複数のタービン３１及び発電機３２を設置する場合、図９に示すように、タービン３１の羽根車３３は、地下風洞３０内に１／２〜１／４程度を臨ませることにより、地下風洞３０内を流れる風は風速の落ちないまま通過し、これらの複数のタービン３１を回転駆動することができる。

前記筒状部材１４、前記集風板１５、ガイド板１８等は、風力発電装置全体の大きさや予測される最大風速等の条件に応じて適当な材料及び製造方法を採用することができる。一般的には、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の耐食性に富んだ金属材料が好適であり、また、金属製の骨組に防蝕鉄板やＦＲＰ等の板材を張り付ける構造とすることもできる。

前記集風板１５の幅寸法は、風力発電装置の設置場所における各種条件に応じて決定することができ、また、前記風力発電装置の高さと直径（前記集風板１５の先端部を通る円の直径）の比率も任意に選択することができる。例えば、高さ制限がない場合には、高さを１００ｍあるいは２００ｍ以上に高くして前記集風板１５を幅狭にしてもよく、設置面積に余裕がある場合には、高さを低く抑えて前記集風板１５を幅広として直径を１００ｍ以上に大きくすることができる。通常は、地表部に比べて安定している上空の風を効果的に集風できるように、できるだけ高く形成することが好ましい。また、高層ビルの屋上等ならば高さや直径が数ｍ乃至１０ｍ程度のものでも十分な集風力を得ることができる。

建築物としての風力発電装置２の強度は、前記筒状部材１４を中心として６方向に集風板１５を設けているので、前記筒状部材１４の高さ、集風板１５の幅を適切に設定することにより、強風や地震に対しても十分な強度を得ることが可能である。また、必要に応じて適当な位置に補強部材を設けることもでき、耐震性に対しては適当な柔構造を採用することもできる。

さらに、前記天板１６の上部に展望台４１を設けたり、下部にホール４２を設けたりすることができ、ホール４２から展望台４１に昇降するためのエレベータを、筒状部材１４や集風板１５に沿って設けることができる。また、風力発電装置２の上部は、展望台４１の他、ヘリポート、電波塔、無線中継所、測候所、天体観測所等を設置することもできる。さらに、筒状部材１４や集風板１５に梯子（ステップ）を設けておくことにより、逆流防止手段２０，２５等の保守、点検を行うことができる。また、集風板１５や逆流防止手段２５の外面を広告宣伝用として利用することができ、集風板１５や逆流防止手段２５に周囲の景観に応じた着色や模様を施したり、夜間にライトアップしたりすることも可能である。

このように形成した風力発電装置２で発電した電力Ｅは、前記ブラウンガス発生装置３に供給されて水を電気分解するための電力に用いられ、ブラウンガス発生装置３で発生したブラウンガスＢは、前記ボイラー４に供給されてボイラー４の熱源となる。ボイラー４で発生したスチームや高温水は、所定の配管により各温室１内の所定位置に供給循環され、温室１内の空気を加温し、温室１内を所定の温度、例えば冬季でも１０℃以上に加温して保持する。

このようにして風力発電装置２で発生した電力ＥでブラウンガスＢを発生させ、このブラウンガスＢをボイラー４の熱源として用いることにより、風力発電装置２からの電力を効率よく利用することができ、適当な規模の風力発電装置２を１基設置するだけで広大な温室１の保温を行うことが可能となる。

また、余剰のブラウンガスを必要に応じてガス貯槽５に貯留しておくことにより、温室１内を加温するための熱量が一時的に大量に必要になったときに迅速に対応することができる。なお、発電した電力を直流に変換してバッテリーに充電しておくことも可能であるが、ガス貯槽に比べて初期コストが膨大で、メンテナンス費用も膨大なものとなる。このガス貯槽５は、温室１の大きさ等の条件により必要に応じて設ければよく、ガス貯槽５内に貯留したブラウンガスを各ボイラー４に供給できれば任意の構造のものを採用できる。なお、ガス貯槽５の有無に関係なく、余剰の電力を電力会社に売電することにより、余剰電力の有効利用が図れる。

このような風力発電装置２及びブラウンガス発生装置３を組み合わせることにより、作物栽培用の温室１の面積や設定温度に応じた発電量及び熱量を容易に得ることができる。例えば、風洞直径０．３ｍ、高さ３〜５ｍ、直径１〜２ｍ程度で一般的な大きさの温室の一つを保温するのに十分な熱量をボイラー４で発生させることができる。また、風洞直径０．６ｍ、高さ４０ｍ、直径４ｍ程度にすれば温室数棟分に対応することができ、風洞直径１ｍ、高さ８０ｍ、直径１０ｍ程度にすれば比較的大規模な温室を数棟有する栽培施設に対応可能となる。さらに、風洞直径２ｍ、高さ１００ｍ、直径２０ｍ程度にすれば大規模な栽培施設に対応でき、それ以上の大きさ、例えば風洞直径３ｍ、高さ１５０ｍ、直径５０ｍ、さらに、風洞直径４ｍ、高さ２００ｍ、直径８０ｍ、また、風洞直径１０ｍ、高さ３００ｍ、直径２００ｍ等の風力発電装置２を構築することにより、日中でも外気温が氷点下となるような寒冷地に構築された温室面積が数十万平方メートルの栽培施設の加温用として、更には風力発電装置２からの電力を照明用等として十分に利用可能である。

また、前記ボイラー４の形式、構造は、ブラウンガスを利用できれば任意に選定することができ、必要に応じて液体燃料、気体燃料、固体燃料を併用するものを用いることも可能である。また、温室１内におけるボイラー４の設置数は任意であり、ボイラー４で発生したスチーム等による温室１内の加温手段も温室１の大きさに合わせて任意に選定することができる。

本発明の栽培施設の一形態例を示す概略図である。本発明の栽培施設で使用する風力発電装置の一形態例を示す正面図である。同じく横断面図である。装置中央部の縦断面図である。図４のＶ−Ｖ断面図である。装置中央部の正面図である。加熱手段を備えた逆流防止手段の一例を示す縦断面図である。１つの風洞にタービン及び発電機を複数設けた例を示す縦断面図である。図８のタービン及び発電機の設置部分の横断面図である。

符号の説明

１…温室、２…風力発電装置、３…ブラウンガス発生装置、４…ボイラー、５…ガス貯槽、１１…発電機室、１２…集風手段、１３…基礎、１４…筒状部材、１５…集風板、１６…天板、１７…風取込口、１８…ガイド板、１９…風洞、２０…第１の逆流防止手段、２１…壁板、２２…開口、２３…ヒンジ、２４…フラップ、２４ａ…加熱手段，２９ａ、２５…第２の逆流防止手段、２６…壁板、２７…開口、２８…ヒンジ、２９…フラップ、２９ａ…加熱手段、３０…地下風洞、３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ…タービン、３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ…発電機、３３…羽根車、４１…展望台、４２…ホール

Claims

作物栽培用の温室と、風力発電装置と、該風力発電装置で発電した電力を使用してブラウンガスを発生させるブラウンガス発生装置と、該ブラウンガス発生装置で発生したブラウンガスを利用したボイラーとを備え、該ボイラーで発生した熱を利用して前記温室内を保温することを特徴とする栽培施設。
前記風力発電装置は、基礎面から鉛直方向に立設した筒状部材にて構成された風洞と、前記筒状部材の周壁から法線方向に延出した複数の集風板と、該集風板相互間及び筒状部材の上端開口を閉塞する天板と、前記筒状部材の周壁に設けられて前記集風板によって集約された風を前記風洞内に導く複数の風取込口と、該風取込口に設けられて筒状部材外部から筒状部材内部への風の流通のみを許容し、内部から外部への流通を規制する逆流防止手段と、隣接する集風板間に設けられて集風板によって集約された風を下方に向けてガイドする複数のガイド板と、前記風洞の一端部から吹き出す風によって駆動されるタービンと、該タービンにより駆動される発電機とを備えていることを特徴とする請求項１記載の栽培施設。
隣接する前記集風板の外部側間に、外部から集風板間への風の流通のみを許容し、集風板間から外部への流通を規制する第２の逆流防止手段が設けられている請求項２記載の栽培施設。
前記集風板は、筒状部材の周方向に６枚が等間隔で設けられている請求項２記載の栽培施設。
前記風洞に、該風洞内に取り込まれた過剰の風を排出する余剰風排出部が設けられている請求項２記載の栽培施設。
前記タービン及び前記発電機は、一つの風洞に風の流れ方向に複数設けられ、前記タービンの回転羽根は、風洞内に１／２〜１／４を臨ませる請求項２記載の栽培施設。
前記ブラウンガスを貯留するガス貯槽を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の栽培施設。