JP2013117183A - 筒体内上昇気流発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒体内で発生した上昇気流で発電する発電装置を提供する。
【解決手段】表面が太陽光吸熱素材である縦筒体１を直立させて設置し、該縦筒体１の底部寄りには吸気口２を備え、上端部には回動排気口３を備え、周囲には縦筒体１を取り囲む防風壁７を設け、内部には、下部に電気ヒータ４を装着し、上部に排気ファン５を装着し、それらの間に上下多段に連続した発電ユニット８を配設した筒体内上昇気流発電機であって、発電ユニット８は、ａ）先端部が前記縦筒体１の内周壁面に近い位置に達する長さの回転羽根９と、ｂ）回転羽根９の下部で回転軸１０に減速機を介して連結された発電機１１と、ｃ）発電機を固定し、回転羽根の回転軸を枢支する支持部材と、ｄ）回転羽根９の下方に配し、下部は縦筒体１の内周壁面に周囲を密閉可能とし、上部は回転羽根９の先端に接近可能とするテーパー筒状の気流絞り部材１２とから成る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、縦状の筒体内を上昇する気流の力を利用して、回転羽根を回し、効率良く且つ安定した発電量の得られる発電装置に関する。

直立した筒体内を上昇する気流によって発電する装置に関し、下記特許文献１の「風力発電装置」が提案されている。
この装置では、筒状体の中に上下間隔を置いて複数の回転羽根が設けられ、下の風取込口から自然の風を取り込んで上昇気流を発生させ、その気流の力で回転羽根を回転させて発電機を稼動し、電力を得るものであり、その際、筒状体の底部に釜場を備えた加熱装置を配設して空気を加熱して空気の浮力で気流の上昇力を高めることが開示されている。

登録実用新案第３１６９２６９号公報

しかし、自然の風力は変化が激しく、上記特許文献１の発電装置では風力が小さい場合には強い上昇気流が発生しないので、その風力を補うために釜場で空気を加熱した場合、燃料の燃焼で発生する煤や油脂が内部の羽根や発電部等に付着し、故障が発生する虞があった。
そこで本発明は、上記問題を解決すべく、変化の激しい自然の風力に頼らず、一定の上昇気流を効率良く発生させ、安定した電量を得ることが可能となる筒体内上昇気流発電装置を提供することを目的とする。

本発明の筒体内上昇気流発電機は、上記課題を解決するため以下の構成とした。
即ち、請求項１の発明においては、外周の全部又は殆どの表面が太陽光吸熱素材である縦筒体を平面上に直立状態に設置し、
該縦筒体の、Ａ）底部寄りには、吸気口を備え、Ｂ）上端部には、風を受けて回転し常に風下へ向く回動排気口を備え、Ｃ）周囲には、前記吸気口から一定の間隔を置いて前記縦筒体を取り囲む防風壁を設け、Ｄ）内部には、下部に電気ヒータを装着し、上部に排気ファンを装着し、該電気ヒータと排気ファンとの間に上下多段に連続した発電ユニットを配設し、該発電機ユニットで発電した電気を外部に送る送電線を備え、
前記発電ユニットは、ａ）基端部が縦筒体中心に配した回転軸に固着され、先端部が前記縦筒体の内周壁面に近い位置に達する長さの回転羽根と、ｂ）該回転羽根の下部で前記回転軸に直接又は減速機を介して連結された発電機と、ｃ）該縦筒体の内部に該発電機を固定するとともに前記回転羽根の回転軸を枢支する支持部材と、ｄ）前記回転羽根の下方に配し、下部は前記縦筒体の内周壁面に周囲を密閉可能とし、上部は前記回転羽根の先端に接近可能とするテーパー筒状の気流絞り部材と、から成ることを特徴とする。

請求項２の発明は、上記発明において、前記回転羽根の回転方向の向きを上下交互に逆回転方向に形成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、上記発明において、前記縦筒体内に上昇気流センサを設け、発電機に接続した送電線にバッテリとを接続し、該バッテリと前記電気ヒータ及び排気ファンとを、前記上昇気流センサからの信号を受けて、その信号が前記上昇気流センサで感知した気流の速度が設定値より小さいときには前記電気ヒータ及び排気ファンに送電し、気流の速度が設定値より大きいときには送電停止する送電制御部を介して電線で電気的に接続したことを特徴とする。

請求項４の発明は、上記発明において、前記吸気口に空気の吸入量を調節するダンパを設け、設定した発電量より発電量が少ないときには開き、発電量が多いときには閉じるように該ダンパを自動的に開閉制御可能とするダンパ制御部を備えたことを特徴とする。

請求項５の発明は、上記発明において、前記回転羽根の先端に、該羽回転根の回転方向に向って斜めに開いた立翼を直立させて設けたことを特徴とする。

本発明においては、先ず前記縦筒体の表面で太陽光線を吸収し、前記縦筒体の温度が上がると、前記縦筒体内部の空気の温度が上昇し浮力が発生する。その空気の浮力で吸気口から入り回動排気口から排出される上昇気流が縦筒体内部に発生する
該上昇気流は、吸気口から入る量と回動排気口から排出される量が等しく、その途中の各発電ユニットは同じ速度の上昇気流を受けて、多段に設けられた各段の発電ユニットの回転羽根が同時に回転し、その回転軸と連結した発電機が回転して発電ユニットごとに発電が行われる。
その際、前記縦筒体の周囲に設けた防風壁によって、吸入口に乱入する風を防ぐとともに発電機から発生する回転騒音を遮断して周囲の環境を静かに保つことが可能となる。
一方、太陽が昇る早朝で、まだ発生する上昇気流が小さい場合には、縦筒体の内部の下部に設けた電気ヒータの稼動により空気を加熱して空気の上昇を促進し、加えて上部では排気ファンを回転させて空気を強制的に排出させることで上昇気流の発生を促進する。
発生した上昇気流は、前記発電ユニットの気流絞り部材で絞られることで速度を増し、強く回転羽根を回転させ、大きな電力を得ることが可能となる。

請求項２に記載の発明では、前記回転羽根の回転方向の向きを上下交互に逆回転方向に形成したことで、各発電ユニットの上段の回転羽根がその下からの強い力を羽根に受けて、より強い回転が得られる。そしてより大きな電力が高効率で得られる。

請求項３に記載の発明では、前記送電制御部により、縦筒体内に設けた上昇気流センサで感知した気流の速度が設定値より小さいときには、バッテリに蓄電された電気を前記電気ヒータ及び排気ファンに送電して該電気ヒータ及び排気ファンが稼動し、一方、気流の速度が設定値より大きいときには送電が止って稼動が停止する。
即ち、前記送電制御部によって該電気ヒータ及び排気ファンの自動制御による稼動が可能となり、この結果、太陽熱の加熱が少なく発電機の回転が小さいときでも、上昇気流の上昇力を高めて回転羽根の回転数を大きくし、一定の発電量を確保することが可能となる。

請求項４に記載の発明では、吸気口に空気の吸入量を調節するダンパ制御部によって、予め設定した発電量より発電量が少ないときには大きくダンパを開いて空気を多く吸入させ、発電量が多いときにはダンパを閉じることで、吸入できる空気の量を少なくし、過小又は過大となる上気流の上昇力を調節して、発電量を一定に調節することが可能となる。

請求項５に記載の発明では、斜めに開いた立翼は、前記羽回転根が回転すると上昇気流を渦巻きにして中央へと気流を集め、強い上昇気流を発生させ、その上側の回転羽根を強く回転させることが可能となる。

本発明に縦断側面図である。 図１のＡ−Ａ線水平断面図である。 立翼を設けた羽回転根の形態を示す要部の斜視図である。

本発明の実施の形態を以下本発明の実施例を示す図に基づいて説明する。
本発明は、図１に示すように、地面にコンクリートを打設して平面Ｇを形成し、その上にコンクリート製の縦筒体１を垂直に建設する。
該縦筒体１のサイズは限定されるものではないが、例えば、内部の直径を３ｍとし、厚さ２０ｃｍの鉄筋入りコンクリート製の円筒形を成し、上端部までの高さを約１５ｍとすることができる。

そして、前記縦筒体１の表面は全て又は最下部を除いた全てを太陽光吸熱素材で表面を被覆するか、或いは前記縦筒体１そのものを太陽光吸熱素材で構成しても良い。
該太陽光吸熱素材として、カーボンブラック、カーボンブラックを含む有機塗料など黒色吸熱性樹脂組成物、酸化クロム（ブラッククロム）、酸化ニッケル（ブラックニッケル）等の黒色系金属酸化物の使用が可能である。
これらは、太陽光が当たると、いずれも効率良く吸熱し、前記縦筒体１の全体を加熱して、内部の空気を暖める。この結果、前記縦筒体１内に強い上昇気流を発生させることが可能となる。
又、該縦筒体１の底部寄りには周囲均等に複数の吸気口２を備える。該吸気口２は最下部でも良いが、２０ｃｍほど立ち上げた上部に直径３０ｃｍ程の大きさに開口させる。
図１では、円形の吸気口２を示したが、その形状に限定するものではなく、吸気口２は長方形や正方形であっても良い。

又、前記縦筒体１の上部には該縦筒体１の直径の半分である１．５ｍ程度に絞った筒体絞り部６を形成し、その絞った縦筒体１の上端に、下端が該縦筒体１の上端と同径の下部を有し、その上部が湾曲状を成して横向きに回動排気口３を形成する風受け回転体１５をベリング等の円滑手段を介してフリーに回転可能に接続する。
該風受け回転体１５は風を受けると、前記回動排気口３側が開いているので抵抗が大きく、湾曲側は流線型に近いので抵抗が少なく、風への抵抗の差で、前記回動排気口３が回転し常に風下へ向くこととなる。
なお、該風受け回転体１５の風向きに対する追随性を高めるために、前記回動排気口３側に、該回動排気口３の中央から後方に向けて直立させた飛行機の垂直尾翼のような風向板を設けることも可能である。

前記風受け回転体１５は風を受けると常に前記回動排気口３を風下に向けるように回転し、該回動排気口３の近傍の空気が風下となって減圧され、前記縦筒体１内部の空気を吸い上げる力が発生し、この力は、前記縦筒体１内部の上昇気流の上昇力を高めることに役立つこととなる。
又、該風受け回転体１５が回動するときの摩擦抵抗を少なくし、円滑な回転が得られるように、接続部分にベアリングを組み込むことも可能である。そして、軽く速やかに回転することで風向の変化に素早く対応し、該縦筒体１の上昇気流の円滑な外部への排出が可能となる。

朝、太陽が昇ると、前記縦筒体１の表面の太陽光吸熱素材が太陽光線を効率良く吸収し前記縦筒体１そのものの温度が上昇する。そして、これによって該縦筒体１内の空気が暖められて空気の浮力が増加し、吸気口２から回動排気口３へと縦筒体１内部に強い上昇気流が発生する。
晴天日か、曇りや雨天日かで、太陽光の強さに左右され発電量に変動があるが、風力によって発生する上昇気流ではないので、風力に較べれば発電の変動は比較的に少なくなる。
従って、設置場所は１年を通して晴天日の多い場所が適する。

又、前記縦筒体１の前記吸気口２から一定の間隔を置いて、その周囲に前記縦筒体１を取り囲む防風壁７を設ける。
前記防風壁７がないと、前記縦筒体１に直接風が当たり、風は風上側から吸入口２に入って来るが、そのまま風下側の吸入口から排出されるので、上昇気流の発生には殆ど役立たない。むしろ強く排出されことで上昇気流の逆流を誘う虞がある。
該防風壁は、吸入口２に入る風を防ぎ、又発電機から発生する騒音を遮断して周囲を静かな環境に保つことが可能となる。
このため、図１及び図２に示すように、前記防風壁７は前記縦筒体１の全周囲に、吸入口２を隠す一定の高さに設ける。
前記防風壁７中の前記縦筒体１の底部近くの表面は、前記防風壁７で遮られて太陽光線が直接には当たらなくなり温度が上がり難くなる。この前記防風壁７の影に入る部分は太陽光吸熱素材で被覆しない態様も可能である。
なお、前記縦筒体１の底部までの表面全部を太陽光吸熱素材で被覆する場合には、前記防風壁７をアクリル樹脂などの透明な素材で形成した防風壁７とし、太陽光線が底部まで当たるようにすることで太陽光の熱をより多く利用することも可能となる。

又、前記縦筒体１の内部には、図１に示すように、下部には棒状電気ヒータ４を複数本装着し、上部には前記回動排気口３の下部に排気ファン５を装着する、該排気ファン５にはモータ５ｂで回転する羽根５ａを備える。この排気ファン５には、回転稼動しないときでも上昇気流が多く通過可能とする広い通風路を内部に備える。このためファンの羽根５ａは幅の細い羽根とするか、又は２枚又は３枚程度の少ない枚数の羽根５ａとし、上下に気流が通過し易くする。
そして、下部の電気ヒータ４と上部の排気ファン５との間に、上下多段に連続した発電ユニット８を配設する。
更に、各発電ユニット８で発電した電気を外部に送る送電線（図省略）を備える。

前記発電ユニット８は、図１の破線で囲われた内にユニット１単位を示している。そして、図２に示すように、基端部が縦筒体１中心に配した回転軸１０に固着され、先端部が前記縦筒体１の内周壁面に近い位置に達する１４０ｃｍ長さの回転羽根９と、該回転羽根９の下部で前記回転軸１０に直接又は減速機（図省略）を介して連結された発電機１１とを配し、前記縦筒体１内壁に掛架された支持部材１３で該縦筒体１の内部に該発電機１０を下から固定するとともに、前記回転羽根９の回転軸１０を枢支する。
前記支持部材１３は、上昇気流が該発電ユニット８を上下に通過してできるだけ多く流れるように棒材又は板材を縦にして使用し、大きな気流通過間隔を得られるようにする。

又、前記回転羽根９の先端には、図３に示すように、羽回転根９の回転方向に向って、前記回転軸１０を中心とする羽回転根９端部の円周線の接線に対して先端側を斜め外向きに傾斜させて、高さ１８ｃｍで横幅２０ｃｍの立翼２１を直立に設けることができる。
該立翼２１は、前記羽回転根９が回転すると上昇気流を渦巻きにして中央へと気流を寄せ集め、強い上昇気流を発生させ、その結果、その上側の回転羽根９を強く回転させることが可能となる。

更に、前記支持材１３の上に、下部は前記縦筒体１の内周壁面に周囲を密閉可能とし、上部は前記回転羽根９の先端に接近可能とするテーパー筒状の気流絞り部材１２を設ける。
該気流絞り部材１２は、前記縦筒体１の内周壁面に合わせて外径を３ｍとし、上部の絞り口径を２．７ｍとし、高さを発電機１０及び回転軸１０の長さに応じた高さとする。
例えば前記発電機１０と回転軸１０とを加えた高さが４０ｃｍの場合では前記気流絞り部材１２の高さは３８ｃｍとし、上部の絞り口が前記回転羽根９の先端に接近する位置に設定することができる。

又、発電ユニット８は、前記支持材１３、前記気流絞り部材１２、前記回転羽根９の合計高さとなり、０．７ｍ〜１ｍ程度にできる。例えば１ｍとすると、前記排気ファン５と電気ヒータ４との間に上下多段に連続した１０段で１０ｍ程度となる。

前記縦筒体１の全体の長さを１５ｍとすると、前記発電ユニット８の下方及び上方にそれぞれ２．５ｍ高さの空間が得られる。
これらの下方及び上方の空間は、一定の上昇気流を得るために必要とする空間である。
雨天や曇天で太陽光が弱く、強い上昇気流が発生しない場合には、強制的な加熱で上昇気流を発生させることが必要となる。
そのために、下方の空間には棒状の電気ヒータ４を装着し、空気を前記縦筒体１内の下から加熱できるようにする。
又、上方に得られる空間は、発電ユニット８の上方で浮力の大きな空気溜まりが形成され上昇気流の上昇力を高め、上方への吸引力を増大させることで、内部に強い上昇気流を発生させるが、強い昇気流が発生しない場合には、上部に排気ファン５を設けて強制的に上昇気流を発生させることができる。

前記発電ユニット８は、図１で示した破線内が１単位のユニットを形成し、図１では発電ユニット８を１０段としたことを示しているが、段数は１０段に限定されるものではなく、それ以上でも、それ以下でも良い。
前記縦筒体１を高く形成し、段数を多く増やせば発電量はより大きくなるが、前記縦筒体１の高さ、強度、全体重量等から安全性を勘案してその段数を決める。

前記回転羽根９に当たる気流は、上方への空気の流れが各段の回転羽根９の方向によって空気の渦巻き方向が決まり、回転羽根９の全てが同方向へ回転する場合は渦巻きが同方向となる。この場合、上側の回転羽根９に当たる気流の方向が回転が弱まる方向となる。これに対し、上へ順に次の回転羽根９が逆向きとすると、上側の回転羽根９に大きな回転力を得ることができる。全体に均等な回転力を得て効率の高い発電をするためには、全ての回転羽根９を上下交互に逆回転方向に形成する。

又、前記電気ヒータ４及び排気ファン５を自動的に稼動させる形態が可能である。
この形態においては、前記発電機１０に電線２０でバッテリ１６を接続し、前記縦筒体１内の中間部位に上昇気流センサ１６を設ける。
そして、前記バッテリ１６と前記電気ヒータ４及び排気ファン５とを、上昇気流センサ１６からの信号を受けて送電の制御をする送電制御部１８を介して電線２０で電気的に接続する。
前記上昇気流センサ１６は空気の流れの速さを感知し、電線２０で前記送電制御部１８にその信号を送信する。
前記送電制御部１８は、予め設定した速度と感知した速度とを比較して、電気的に送電を制御し、バッテリ１６の電力で前記電気ヒータ４及び排気ファン５を制御して稼動させる。
その方法は、前記上昇気流センサ１７で感知した気流の速度が設定値より小さいときには、前記電気ヒータ４及び排気ファン５には送電し、気流の速度が設定値より大きいときには送電停止することで制御する。

上記送電制御部１８では、強制的な上昇気流の流れを得て、太陽光の弱さを補うものであるが、逆に上昇気流が強過ぎて回転羽根９が過度に早い回転が発生し、発電機、支持部材などが損傷するのを防ぐため、上昇気流の強さを抑える場合については、前記ダンパ１４を自動的に開閉制御して過度に強い上昇気流の発生を抑制する形態が可能である。
この形態では、前記ダンパ１４に、モータで開閉して前記吸気口２に空気の吸入量を調節するダンパ制御部１９を設ける。
この開閉方法は、バッテリ１６に蓄積される電力の発電量を測定し、設定した発電量よりバッテリ１６に蓄積される発電量が少ない場合には前記ダンパ１４を大きく開き、発電量が多いときには閉じるようにダンパ制御部１９に設けたダンパ開閉用のモータを稼動して行う。
そして、前記ダンパ１４の制御で、真夏の太陽光線の強い日には内部の温度が高くなるので、ダンパ１４を閉めて上昇気流を抑え、真冬の太陽光線の弱い日には内部の温度が上がらないので、ダンパ１４を開けて上昇気流の発生を促進させることが可能となる。

なお、図示はしないが、前記縦筒体１の外周面には、人が登り降り可能な最下部から最上部までの螺旋階段を設けることや、梯子を設け、各前記発電ユニット８の側面にはドアを設ければ、メンテナンスが容易となる。

本発明は発電ユニットを備えた縦筒体を地面に直立させて設置するものであるが、設置する場所は、海上に浮かぶメガフロートなどの移動体上であっても安定した平面が得られる場所であれば設置可能となる。

１ 縦筒体、
２ 吸気口
３ 回動排気口
４ 電気ヒータ
５ 排気ファン
５ａ 羽根
５ｂ モータ
６ 筒体絞り部
７ 防風壁
８ 発電ユニット
９ 回転羽根
１０ 発電機
１１ 気流絞り筒体
１２ 回転軸
１３ 支持部材
１４ ダンパ
１５ 風受け回転体
１６ バッテリ
１７ 上昇気流センサ
１８ 送電制御部
１９ ダンパ制御部
２０ 電線
２１ 立翼
Ｇ 平面

Claims (5)

1. 外周の全部又は殆どの表面が太陽光吸熱素材である縦筒体を平面上に直立状態に設置し、
   該縦筒体の、Ａ）底部寄りには、吸気口を備え、Ｂ）上端部には、風を受けて回転し常に風下へ向く回動排気口を備え、Ｃ）周囲には、前記吸気口から一定の間隔を置いて前記縦筒体を取り囲む防風壁を設け、Ｄ）内部には、下部に電気ヒータを装着し、上部に排気ファンを装着し、該電気ヒータと排気ファンとの間に上下多段に連続した発電ユニットを配設し、該発電機ユニットで発電した電気を外部に送る送電線を備え、
   前記発電ユニットは、ａ）基端部が縦筒体中心に配した回転軸に固着され、先端部が前記縦筒体の内周壁面に近い位置に達する長さの回転羽根と、ｂ）該回転羽根の下部で前記回転軸に直接又は減速機を介して連結された発電機と、ｃ）該縦筒体の内部に該発電機を固定するとともに前記回転羽根の回転軸を枢支する支持部材と、ｄ）前記回転羽根の下方に配し、下部は前記縦筒体の内周壁面に周囲を密閉可能とし、上部は前記回転羽根の先端に接近可能とするテーパー筒状の気流絞り部材と、から成ることを特徴とする筒体内上昇気流発電装置。
2. 回転羽根の回転方向の向きを上下交互に逆回転方向に形成したことを特徴とする請求項１に記載の筒体内上昇気流発電装置。
3. 縦筒体内に上昇気流センサを設け、発電機に接続した送電線にバッテリとを接続し、該バッテリと前記電気ヒータ及び排気ファンとを、前記上昇気流センサからの信号を受けて、その信号が前記上昇気流センサで感知した気流の速度が設定値より小さいときには前記電気ヒータ及び排気ファンに送電し、気流の速度が設定値より大きいときには送電停止する送電制御部を介して電線で電気的に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒体内上昇気流発電装置。
4. 吸気口に空気の吸入量を調節するダンパを設け、設定した発電量より発電量が少ないときには開き、発電量が多いときには閉じるように該ダンパを自動的に開閉制御可能とするダンパ制御部を備えたことを特徴とする請求項１から３のうちいずれかに記載の筒体内上昇気流発電装置。
5. 回転羽根の先端に、該羽回転根の回転方向に向って斜めに開いた立翼を直立させて設けたことを特徴とする請求項１から４のうちいずれかに記載の筒体内上昇気流発電装置。

Images