JP2009257238A - 三位一体型発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
多くが無駄に捨てられている廃熱を利用して作られる熱上昇流体に、ロータに水平方向から流入する流体エネルギおよび前記ロータの上方を流れる流体の流体エネルギの作用で作りだされる熱上昇旋回流体を利用し、構成が簡素且つ丈夫で寿命の長い流体力発電装置を含んでいる三位一体型発電装置を提供する。
【解決手段】
次の構成要件を備えた三位一体型発電装置、
風雨対策や安全管理のために屋内に設置される必要があるバイオマス発電装置とそれを収納することが出来、かつ風力発電装置の架台となりうる構造物、
風力発電装置の架台となりうる前記構造物の上に取付けられる流体力発電装置、
太陽光を受光するために傾斜壁あるいは水平壁をもつ前記構造物に取付けられる太陽光発電装置の太陽光発電パネルとする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、自然エネルギによる発電の代表的な３種類の発電装置であるバイオマス発電装置、風力発電装置と太陽光発電装置の３つを一つの装置として組込む際に、発電効率を高めること、占有空間を少なくすること、安価であることおよび堅牢であることを目的にする三位一体型発電装置に関する。

自然エネルギによる発電を複数種類組合わせる技術は、これまでも知られている。太陽光発電と風力発電を組合わせた街路灯などがその例である。一般に単一の自然エネルギによる発電は、発電中でも不安定である以外に、自然現象による制約が厳しい。化石燃料を使った発動発電機のような安定で、必要時に必要な時間を発電できるものではない。自然エネルギによる発電を複数種類組合わせることで、同様の利便性が模索されている。こうした組合わせを考える際に、単独の効率の単なる組合わせを越えるもので、占有空間の少ないものが求められている。バイオマス発電はその廃熱を回収利用できれば、効率はあがる。風力発電は、集風出来れば、効率はあがる。太陽光発電は建物に取付けができれば占有空間を少なくすることが期待できる。三位一体型発電装置の考えは、今までは世に存在しなかったが、その意図に叶う組込みが可能な風力発電装置としては、例えば特許文献１に記載された技術が従来公知である。
（特許文献１：国際公開番号(WO2005/008063)
この特許文献１には、上昇旋回流体を作り出す仕組とそれを利用する流体力発電装置の技術が記載されている。
「国際公開番号(WO2005/008063)」

（特許文献１記載の技術の問題点）
三位一体型発電装置の１要素である風力発電に関する特許文献１記載の技術では、自然界で起こる流れが存在する場合にのみ発電が可能であると限定されるために、発電時の不安定な発電出力や、必要時に発電量の確保が困難等の制約がある。

本発明は背景技術の事情に鑑み、自然エネルギによる発電の代表的な３種類の発電装置であるバイオマス発電装置、風力発電装置と太陽光発電装置の３つを一つに組込む目的があり、その目的に叶うバイオマス発電装置が発電する際に多量の熱エネルギーを発生し、多くが無駄に捨てられている廃熱を利用して作られる熱上昇流体に、ロータに水平方向から流入する流体エネルギおよび前記ロータの上方を流れる流体の流体エネルギの作用で作りだされる熱上昇旋回流体を利用し、構成が簡素且つ丈夫で寿命の長い流体力発電装置を含んでいる三位一体型発電装置を提供することを課題とする。

次に、前記課題を解決した本発明を説明するが、本発明の要素には、後述の実施の形態の具体例（実施例）の要素との対応を容易にするため、実施例の要素の符号をカッコで囲んだものを付記する。また、本発明を後述の実施例の符号と対応させて説明する理由は、本発明の理解を容易にするためであり、本発明の範囲を実施例に限定するためではない。

（第１発明）
前記技術的課題を解決するために、第１発明の三位一体型発電装置は、次の構成要件（Ａ01）〜（Ａ03）を有することを特徴とする。
（Ａ01）風雨対策や安全管理のために屋内に設置される必要があるバイオマス発電装置とそれを収納することが出来、かつ風力発電装置の架台となりうる構造物（１）、
（Ａ02）風力発電装置の架台となりうる前記構造物の上に取付けられる流体力発電装置（Ｕ）、
（Ａ03）太陽光を受光するために傾斜壁（３ａ）あるいは水平壁（４）をもつ前記構造物に取付けられる太陽光発電装置の太陽光発電パネル。

前記第１発明の三位一体型発電装置は、構成要件（Ａ01）を次の構成要件（Ａ04）と置換えることができる。
（Ａ04）風雨対策や安全管理のために屋内に設置される必要がある発熱部を持つ燃料電池発電装置等や大型調理器等とそれを収納することが出来、かつ風力発電装置の架台となりうる構造物。
また、前記第１発明の三位一体型発電装置は、構成要件（Ａ03）を次の構成要件（Ａ05）と置換えることができる。
（Ａ05）太陽光を受光するために傾斜壁あるいは水平壁をもつ前記構造物に取付けられる太陽熱発電装置のソーラコレクタ。

（第２発明）
前記技術的課題を解決するために、本発明の三位一体型発電装置は、次の構成要件（Ａ01）〜（Ａ03），（Ａ06）を有することを特徴とする。
（Ａ06）バイオマス発電装置の発熱部（３１）に接続され、前記構造物の天井近くに配置する放熱機（３２）。

前記第２発明の三位一体型発電装置は、構成要件（Ａ06）を次の構成要件（Ａ07）と置換えることができる。
（Ａ07）発熱部を持つ燃料電池発電装置等や大型調理器等に接続され、前記構造物の天井近くに配置する放熱機（３２）。

（第１発明の作用）
前記構成要件（Ａ01）〜（Ａ03）を備えた第１発明の三位一体型発電装置（Ｖ）は、自然エネルギによる発電の代表的な３種類の発電装置であるバイオマス発電装置、風力発電装置と太陽光発電装置の３つを一つに安価で安全で占有空間を少なくして組込むことを可能にしている。
また、３種類の発電装置であるバイオマス発電装置、風力発電装置と太陽光発電装置の特性を勘案し、その装置の発電量の規模や運転時間を考慮することで、発電時の不安定な発電出力を除き、発電量の安定確保を可能にしている。

（第２発明の作用）
前記構成要件（Ａ01）〜（Ａ03），（Ａ06）を備えた第２発明の三位一体型発電装置（Ｖ）は、
バイオマス発電装置の発熱部（３１）に接続され、前記構造物の天井近くに配置する放熱機（３２）が上壁（４）より上方に熱上昇流を作り出し、周囲から流入する流体流量を増加させることが出来る。三位一体型発電装置（Ｖ）では、鉛直方向に延びるロータ軸（１７）は回転可能に支持されている。前記ロータ軸（１７）に連結されたロータブレード（１９）は前記ロータ軸（１７）回りの流体の熱上昇旋回流により回転力が発生する。
前記ロータブレード（１７）の外周に沿って所定間隔で配置された複数の上昇旋回流生成用整流板（１３）は、前記ロータブレード（１９）の外周の接線方向に流れる水平な流体を前記ロータ（１６）に接近させ且つ上方に偏向させることにより、前記ロータブレード（１９）が配置された空間に熱上昇旋回流を生じさせる。
前記ロータ（１６）の上方に配置され、上端開口（７ａ）および下端開口（７ｂ）を有し、上方に行くに従って直径が縮小する円筒状錐壁（７）は、前記円筒状錐壁（７）に沿って流れる流体が上端開口（７ａ）から剥離する際に生じる剥離渦により円筒状錐壁（７）内部の流体を上方に吸引する。
したがって、前記複数の上昇旋回流生成用整流板（１３）により、前記ロータブレード（１９）が配置された空間に生じる熱上昇旋回流は、前記円筒状錐壁（７）の上面に沿って流れる流体が上端開口（７ａ）から剥離する際に生じる剥離渦により上方に吸引される。このため、前記熱上昇旋回流の流量および流速が増加するので、ロータ（１６）の回転速度が増加する。発電機（２１）の回転子は、前記ロータ軸（１７）の回転に連動して回転し、発電する。

前記本発明は簡単な構成の円筒状錐壁（７）を使用することにより、ロータ（１６）の上方を流れる流体のエネルギを利用してロータ（１６）の回転速度を増加させることができるので、風力エネルギを電力エネルギに変換する際のエネルギ変換効率を高めることができる。
また、円筒状錐壁（７）の構成は簡素且つ堅牢であり、長寿命である。したがって、三位一体型発電装置（Ｖ）の発電コストを低く抑えることができる。
なお、本発明の三位一体型発電装置（Ｖ）で使用する円筒状錐壁は、角筒状錐壁、多角錐壁により構成することが可能である。

自然エネルギによる発電の代表的な３種類の発電装置であるバイオマス発電装置、風力発電装置と太陽光発電装置の３つを一つに組込む目的があり、その目的に叶うバイオマス発電装置が発電する際に多量の熱エネルギーを発生し、多くが無駄に捨てられている廃熱を利用して作られる熱上昇流体に、ロータに水平方向から流入する流体エネルギおよび前記ロータの上方を流れる流体の流体エネルギの作用で作りだされる熱上昇旋回流体を利用し、構成が簡素且つ丈夫で寿命の長い流体力発電装置を含んでいる三位一体型発電装置を提供することができる。

（実施例１）
図１は本発明の実施例１である三位一体型発電装置の説明図で斜視図である。
図２は同実施例１の説明図で、図２Ａは平面図、図２Ｂは前記図２ＡのIIＢ−IIＢ線断面図である。
図３は同実施例１の説明図で、図３Ａは平面図、図３Ｂは前記図３ＡのIIIＢ−IIIＢ線断面図である。
図１〜図３において、実施例１の三位一体型発電装置Ｖは、平面図で正方形の角錐台１を有している。角錐台１は、正方形の底壁２と、前記底壁２の４つの側辺から上方斜めに延び且つ上方に行くに従って外径が縮小する角錐壁３と、前記角錐壁３の上端に連結する正方形の上壁４とを有している。前記角錐壁３は４個の傾斜壁３ａにより構成されている。前記上壁４の中央部にはロータ軸貫通口４ａが形成されている。また、前記角錐台１の上壁４上に支持される円筒状の上昇旋回流生成部材とその上端に取付けられる内側が円柱中空で外側が円錐台の円筒状錐壁７がある。前記円筒状錐壁７は、上端開口７ａおよび下端開口７ｂを有している。前記上端開口７ａから前記下端開口７ｂへ下方に延びる円柱面板７ｃが設けられている。

バイオマス発電装置の発熱部は、角錐台１の内部に設置されており、この発熱部と連結された放熱部は正方形の上壁４の上方に熱上昇流体を生成するように、角錐台１の内部の天井部分近くに取付けられている。太陽光発電の太陽光発電パネルは、角錐壁３の東面、西面、南面の三面に取付けられる。尚、角錐壁３の北面の一部は、角錐台１への入口が取付けられる。

図４は前記角錐台１の上壁４上に支持される円筒状の上昇旋回流生成部材とその上端に取付けられる内側が円柱中空で外側が円錐台の円筒状錐壁７、そして前記上昇旋回流生成部材の内側に配置されるロータとの説明図である。
図５は前記図４の円筒状に配置される上昇旋回流生成部材と円筒状錐壁、上昇旋回流生成部材の内側に配置されるロータとの分解説明図であり、図５Ａは円筒状の上昇旋回流生成部材と円筒状錐壁の斜視図、図５Ｂはロータとロータ軸の下端部を示す図である。
図４、図５において、円筒状の上昇旋回流生成部材１１は、間隔を置いて配置される２枚のリング状連結プレート１２と、これらリング状プレート１２を連結する複数の上昇旋回流生成用整流板１３とを有している。
前記リング状プレート１２および複数の上昇旋回流生成用整流板１３の内測にロータ１６が配置されている。

前記各上昇旋回流生成用整流板１３は、円周方向に沿って所定間隔で配置され、前記円筒状の上昇旋回流生成部材１１の外周の接線方向に流れる水平な流体を内測且つ上方に偏向させることにより、前記ロータ１６が配置された空間を、放熱機３２により作りだされる熱上昇流が上昇する際に熱上昇旋回流を生じさせるように、各上昇旋回流生成用整流板１３の上端および下端はねじれた状態で前記リング状プレート１２に連結されている。

図５において、前記円筒状の上昇旋回流生成部材１１の内部に配置される前記ロータ１６は、鉛直方向に延び且つ回転可能に支持されたロータ軸１７と、前記ロータ軸１７上端および下部にそれぞれ連結された半径方向に延びる複数の放射状連結部材１８と、前記放射状連結部材部材の外端に連結された３個のロータブレード１９とを有する。
前記ロータ軸１７の下端部は、前記ロータ軸貫通口４ａを貫通して前記角錐台１の上壁４の下方に延びている。前記角錐台１内部には発電機２１が配置されており、前記ロータ軸１７の下端部は発電機２１の回転子に回転力を伝達するように連結されている。そして前記ロータ１６およびそのロータ軸１７が回転すると、発電機２１が発電するように連結されている。発電した電力は図示しない蓄電器に蓄電されたり、商用電力線に系統連係される。
本実施例では、ロータとして上記の３枚のロータブレードとロータ軸との固定方法を設定したが、
ロータブレード枚数やロータブレードとロータ軸との固定方法をこれらに制約する必要はない。

（実施例１の作用）
図６は本発明による三位一体型発電装置Ｖの作用説明図である。
図６において、前記構成を備えた本発明の三位一体型発電装置の実施例１では、鉛直方向に延びるロータ軸１７は回転可能に支持されている。前記ロータ軸１７に連結されたロータブレード１９は前記ロータ軸１７回りの流体の熱上昇旋回流により回転力が発生する。
前記ロータブレード１９の外周に沿って所定間隔で配置された複数の上昇旋回流生成用整流板１３は、前記ロータブレード１９の外周の接線方向に流れる水平な流体を前記ロータ軸１７に接近させ且つ上方に偏向させることにより、前記ロータブレード１９が配置された空間に熱上昇旋回流を生じさせる。
前記ロータ１６の上方に配置され、上端開口７ａおよび下端開口７ｂを有し、上方に行くに従って直径が縮小する円筒状錐壁７は、前記円筒状錐壁７の上面に沿って流れる流体が上端開口７ａから剥離する際に生じる剥離渦により円筒状錐壁７内部の流体を上方に吸引する。
したがって、前記複数の上昇旋回流生成用整流板１３により、前記ロータブレード１９が配置された空間に生じる熱上昇旋回流は、前記円筒状錐壁７の上面に沿って流れる流体が上端開口７ａから剥離する際に生じる剥離渦により上方に吸引される。このため、前記熱上昇旋回流の流量および流速が増加するので、ロータ１６の回転速度が増加する。発電機２１の回転子は、前記ロータ軸１７の回転に連動して回転し、発電する。

前記本発明は廃熱を利用した熱上昇旋回流と簡単な構成の円筒状錐壁７を使用することにより、ロータ１６の上方を流れる流体のエネルギを利用してロータ１６の回転速度を増加させることができるので、風力エネルギを電力エネルギに変換する際のエネルギ変換効率を高めることができる。
この廃熱を利用した熱上昇流の生成は、無駄に捨てられるものを利用し、かつ簡単な仕組みである。
また、円筒状錐壁７の構成は簡素且つ堅牢であり、長寿命である。したがって、三位一体型発電装置Ｖの発電コストを低く抑えることができる。
なお、本発明で利用する流体力発電装置Ｕにおいて、円筒状錐壁７の代わりに、角筒状錐壁、６角錐壁等を採用することが可能である。
角錐台１の内部に設置されるバイオマス発電装置の発熱部は、他の発熱部を採用することが可能で、燃料電池発電、大型調理器等を採用することが可能である。
角錐壁３に取付けられる太陽光発電装置の太陽光発電パネルは、太陽熱発電装置のコレクターパネル等を採用することが可能である。

前記ロータ１６の下方に近接して配置され、前記ロータ１６のロータ軸１７から半径方向外方に行くに従って下方に傾斜する傾斜壁３ａは、前記ロータ１６の下方に向かう水平な流体を上昇させながらロータ１６に導入する上昇流導入壁３ａとしての機能を有している。このため、ロータブレード１９が配置された空間に生じる熱上昇旋回流の流量および流速が増加するので、発電量が増加する。

（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ02）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例１では、前記２枚のリング状プレート１２を使用しているが、これらを３枚のリング状プレート１２の中の上下方向の中央部に配置されたリング状プレート１２により上下２段に別れて配置できる。このように、前記複数の上昇旋回流生成用整流板１３を上下に複数段（２段以上）に別けて配置することにより、上昇旋回流生成用整流板１３下側から上方に行くに従ってねじれた状態で配置することが容易となる。
（Ｈ02）角錐台１の代わりに円錐台を使用可能である。その場合、前記ロータ１６の下方に向かう水平な流体を上昇させながらロータ１６に導入する上昇流導入壁は、円錐壁により形成されることになる。また、前記上昇流導入壁は、漏斗状の曲面により形成することも可能である。

図１は本発明の三位一体型発電装置の実施例１の説明図で斜視図である。 図２は同実施例１の説明図で、図２Ａは平面図、図２Ｂは前記図２ＡのIIＢ−IIＢ線断面図である。 図３は同実施例１の説明図で、図３Ａは平面図、図３Ｂは前記図３ＡのIIIＢ−IIIＢ線断面図である。 図４は前記角錐台１の上壁４上に支持される円筒状の上昇旋回流生成部材と、前記上昇旋回流生成部材の内側に配置されるロータとの説明図である。 図５は前記図４の円筒状に配置される上昇旋回流生成部材と、その内側に配置されるロータとの分解説明図であり、図５Ａは円筒状錐壁と円筒状の上昇旋回流生成用整流部材11の斜視図、図５Ｂはロータとロータ軸を示す図である。 図６は本発明の三位一体型発電装置Ｖの作用説明図である。

符号の説明

１ … 角錐台、
・ … 底壁、
３ … 角錐壁
３ａ … 傾斜壁(上昇流導入壁)、
４ … 上壁
７ … 円筒状錐壁、
７ａ … 上端開口、
７ｂ … 下端開口、
・ … 上昇旋回流生成部材
１２ … リング状プレート
１３ … 上昇旋回流生成用整流板、
１６ … ロータ、
１７ … ロータ軸、
１８ … 放射状連結部材、
１９ … ロータブレード、
・ … 発電機、
３１ … 発熱部
・ … 放熱機
Ｕ … 流体力発電装置
Ｖ … 三位一体型発電装置、

Claims (5)

1. 次の構成要件（Ａ01）〜（Ａ04）を備えた三位一体型発電装置、
   （Ａ01）風雨対策や安全管理のために屋内に設置される必要があるバイオマス発電装置とそれを収納することが出来、かつ風力発電装置の架台となりうる構造物、
   （Ａ02）風力発電装置の架台となりうる前記構造物の上に取付けられる流体力発電装置、
   （Ａ03）太陽光を受光するために傾斜壁あるいは水平壁をもつ前記構造物に取付けられる太陽光発電装置の太陽光発電パネル。
2. 請求項１の構成要件（Ａ01）を次の構成要件（Ａ04）と置換えることができる三位一体型発電装置、
   （Ａ04）風雨対策や安全管理のために屋内に設置される必要がある発熱部を持つ燃料電池発電装置や大型調理器等とそれを収納することが出来、かつ風力発電装置の架台となりうる構造物。
   また、請求項１の構成要件（Ａ03）を次の構成要件（Ａ05）と置換えることができる三位一体型発電装置、
   （Ａ05）太陽光を受光するために傾斜壁あるいは水平壁をもつ前記構造物に取付けられる太陽熱発電装置のソーラコレクタ。
3. 次の構成要件（Ａ06）を備えた請求項１記載の三位一体型発電装置、
   （Ａ06）バイオマス発電装置の発熱部に接続され、前記構造物の天井近くに配置する放熱機。
4. 請求項３の構成要件（Ａ06）を次の構成要件（Ａ07）と置換えることができる三位一体型発電装置、
   （Ａ07）発熱部を持つ燃料電池発電装置や大型調理器等接続され、前記構造物の天井近くに配置する放熱機。
5. 請求項１から４の三位一体型発電装置において、流体力発電装置として「国際公開番号(WO2005/008063)」の『流体力発電機』の仕組を利用する三位一体型発電装置。
   

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