JP2014214646A - 発電システム - Google Patents

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Hiroshi Kamimura
宏 上村
修 佐々部
Osamu Sasabe
修 佐々部
浩嗣 石川
Koji Ishikawa
浩嗣 石川
黒崎孝一
Koichi Kurosaki
孝一 黒崎
芳博 野崎
Yoshihiro Nozaki
芳博 野崎
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Abstract

【課題】設備費用や設置費用、メインテナンス費用を抑えつつ、上部に排ガス出口を有する排気ダクト内の高温の排ガスを利用して電力を発生可能な発電システムの提供。
【解決手段】発電システム1は、上部に排ガス出口15oを有する排気ダクト10の煙突部15に接続されて下方に向けて延びる追加ダクト20と、追加ダクト20の下部に形成された開口部22に配置される風車31と、当該風車31に連結された発電機32とを含み、煙突効果によって開口部22から追加ダクト20内に空気が吸い込まれることで当該開口部22に生じる空気の流れにより風車31を回転させ、それにより発電機32を駆動して電力を発生する。
【選択図】図1

Description

本発明は、上部に排ガス出口を有する排気ダクト内の高温の排ガスを利用して電力を発生する発電システムに関する。
従来、ガスを排気する煙突のガス排気経路中に設置されてガス排気に起因する風を受けることにより発電を行う煙突設置型発電装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この煙突設置型発電装置は、ステータと、ステータの中空貫通部の周囲近傍に配置された複数の発電用コイルと、ステータの中空貫通部内に配置されると共にガス排気方向に沿った方向を回転軸として回転する中空円環状のロータと、ロータの外周円近傍に配置された複数の発電用磁石と、ガス排気方向におけるロータの下流位置にガス排気経路外からの外気を案内する外気案内路とを有する。そして、ロータは、外周円から内周円にかけて、風力をロータの回転力に変換する複数のブレードを有すると共に、内周円の内側においてガス排気を実質的に妨げないように構成されている。また、従来、ボイラーと、ボイラーに接続された排気煙道と、排気煙道内に設けられたファンと、ファンに接続された発電機とを備えた風力発電装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。この風力発電装置は、煙道内の排気風によりファンを回転させ、ファンの回転によって発電機を駆動して電力を発生する。
特開2011−085075号公報 特開2003−120506号公報
しかしながら、特許文献1および2に記載の発電装置では、高温の排ガスが流通する煙突や排気煙道といった排気ダクト内にブレードやファンが配置されることから、耐熱性を考慮してブレードやファンの耐久性を確保しつつ、設備費用を低減化することは困難である。また、煙突や排気煙道といった排気ダクトは、一般に高所に設置されることから、上記従来の発電装置では、装置の設置費用やメインテナンス費用が嵩んでしまうおそれもある。
そこで、本発明は、設備費用や設置費用、メインテナンス費用を抑えつつ、上部に排ガス出口を有する排気ダクト内の高温の排ガスを利用して電力を発生可能な発電システムの提供を主目的とする。
本発明による発電システムは、上記主目的を達成するために以下の手段を採っている。
本発明による発電システムは、
上部に排ガス出口を有する排気ダクト内の外気よりも高温の排ガスを利用して電力を発生する発電システムであって、
前記排ガス出口よりも上流側で前記排気ダクトに接続されて下方に向けて延びる追加ダクトと、
前記追加ダクトの下部に形成された開口部に配置される風車と、
前記風車に連結された発電機とを備えることを特徴とする。
この発電システムでは、上部に排ガス出口を有する排気ダクトに対して、下方に向けて延びる追加ダクトが接続され、追加ダクトの下部に形成された開口部には、発電機に連結された風車が配置される。このような発電システムでは、排気ダクトと追加ダクトとの合流部から排ガス出口までの間を外気よりも排気ガスが流通している際に、排気ダクトと追加ダクトとの合流部付近で、高温の排ガスと低温の外気との密度の差、すなわち高温の排ガスと低温の外気との温度差に起因して、排気ダクト内の気体(排ガス)の圧力が外気の圧力よりも低くなる。これにより、この発電システムでは、排気ダクトと追加ダクトとの合流部付近における排気ダクト内外の圧力差に基づいて、いわゆる煙突効果によって排気ダクトに接続された追加ダクトの開口部から当該追加ダクト内に空気(外気)が吸い込まれる。更に、追加ダクト内に吸い込まれた空気は、排ガスの熱により暖められることで追加ダクトおよび排気ダクト内を上昇していく。この結果、追加ダクトから排気ダクトへと空気が上昇するのに伴って開口部に生じる空気の流れ(風)により風車を回転させ、それにより発電機を駆動して電力を得ることが可能となる。
そして、この発電システムでは、風車が追加ダクトの下部に形成された開口部に配置されることから、風車と高温の排ガスとが直接接触するのを抑制することが可能となる。従って、風車に対して特別な熱対策を施す必要がなくなり、当該風車の耐久性を確保しつつ設備費用を低減化することができる。また、風車を追加ダクトの下部に形成された開口部に配置することで、例えば煙突上部の排ガス出口といった高所に風車等を配置する場合に比べて、風車や発電機の設置費用やメインテナンス費用を削減することも可能となる。従って、この発電システムによれば、設備費用や設置費用、メインテナンス費用を抑えつつ、上部に排ガス出口を有する排気ダクト内の高温の排ガスを有効に利用して電力を得ることができる。
更に、この発電システムでは、排気ダクトに追加ダクトを接続しても当該排気ダクト内の排ガスの流通に直接に影響を与えないことから、発電量、すなわち発電に際して要求される風速や風車の受風面積(サイズ)に応じて追加ダクトの開口部の開口面積を任意に選択することが可能となる。加えて、この発電システムによれば、排ガスのエネルギーを電力に変換することで、排気ダクトから排出される排ガスの温度を低下させることができるので、排ガスの排出源に排ガス冷却設備が含まれる場合には、当該排ガス冷却設備の負担を軽減することもできる。
また、前記開口部の開口面積は、前記排気ダクトと前記追加ダクトとの合流部の管路断面積よりも小さくてもよい。すなわち、排気ダクトと追加ダクトとの合流部の管路断面積を“S1”とし、当該合流部付近における気体の流速を“u1”とし、追加ダクトの開口部の開口面積を“S2”とし、当該開口部における風速を“u2”とすれば、u2≒u1・(S1/S2)という関係が成立する。従って、開口部の開口面積S2を合流部の管路断面積S1よりも小さくすることで、開口部における風速u2をより高めることができる。そして、開口部に配置された風車から得られるパワーは、当該開口部における風速の3乗に比例する。従って、かかる構成を採用すれば、風車を小型化しつつ、排ガスのエネルギーを効率よく電力に変換して、より多くの電力を得ることが可能となる。なお、開口部の開口面積が小さくなると風車の受風面積も小さくなるが、風車から得られるパワーは受風面積の二乗に比例することから、開口面積を小さくして風速を高めた方がより多くの電力を得ることができる。
更に、前記排気ダクトは、前記排ガス出口を有すると共に前記追加ダクトが接続される煙突部と、前記煙突部と前記追加ダクトとの合流部から斜め下方に向けて延びる傾斜部とを含むものであってもよい。これにより、追加ダクト内を上昇した空気が煙突部との合流部から排気ダクトの傾斜部、すなわち排ガスの排出源側へと流れ込んでしまうのをより良好に抑制することが可能となる。
また、前記排ガスの排出源は、前記排ガスを前記排気ダクトへと送り出す排ガス送出装置を有するものであってもよい。すなわち、本発明による発電システムでは、排気ダクト内に風車や発電機が配置されないことから、風車等が排ガスの流れの抵抗になることはなく、圧損等を考慮して排ガス送出装置の能力を高める必要がない。従って、本発明による発電システムでは、その設置に伴う排ガスの排出源側の設備変更やそれに伴う設備費用の発生を抑制することが可能となる。また、排ガス送出装置により排ガスを排気ダクトへと送り出すことで、排気ダクトと追加ダクトとの合流部において排ガスの流れにより追加ダクト内の空気を排気ダクトへと引き込み、それにより追加ダクトの開口部における風速をより高めることもできる。
そして、前記排ガスは、燃焼設備または加熱処理設備から排出されるものであってもよい。すなわち、本発明による発電システムを工場等に存在する燃焼設備または加熱処理設備と組み合わせることで、燃焼設備や加熱処理設備の排ガスを有効に利用して電力を得ることが可能となる。
本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成図である。 本発明による発電システムの動作を説明するための模式図である。 本発明の変形態様に係る発電システムの概略構成図である。
次に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る発電システム1を示す概略構成図である。同図に示す発電システム1は、工場等における建屋100内に設置された例えばボイラー等を含む燃焼設備50と組み合わせられ、当該燃焼設備50から排出される排ガスを利用して電力を発生するものである。発電システム1と組み合わされる燃焼設備50は、例えば都市ガスや重油等を燃焼させたのに伴って発生する外気よりも高温(例えば100〜150℃程度)の排ガスを建屋100外の上方へと排出するための排気ダクト10と、排ガスを排気ダクト10へと送り出す排ガス送出装置51とを有する。排ガス送出装置51は、排ガスを排気ダクト10に引き込む排気ファンであってもよく、排ガスを排気ダクト10に押し込む給気ファンであってもよい。また、燃焼設備50には、排ガスの成分に応じて、排ガスからNOxやSOx等を除去するための触媒を有する排ガス浄化装置が適宜設けられている。
排気ダクト10は、燃焼設備50の図示しないボイラー等に接続されると共に主に建屋100内に配置される建屋内ダクト部11と、上部に排ガス出口15oを有すると共に建屋内ダクト部11に接続され、建屋100外に配置される煙突部15とを含む。本実施形態において、排気ダクト10の煙突部15は、一定の断面積を有する管材からなり、建屋100により支持されて上下方向すなわち概ね鉛直方向に延在する。また、排気ダクト10の建屋内ダクト部11は、例えば煙突部15と同一かつ一定の断面積を有する管材からなると共に煙突部15との合流部から斜め下方に向けて延びる傾斜部12を含む。これにより、燃焼設備50で発生する排ガスは、排ガス送出装置51により排気ダクト10の建屋内ダクト部11に送り出されると共に、建屋内ダクト部11から傾斜部12を介して煙突部15に流入し、当該煙突部15の排ガス出口15oから上方に排出される。
上述のような燃焼設備50と組み合わされる発電システム1は、排気ダクト10の中途、すなわち排ガス出口15oよりも上流側で排気ダクト10に接続されて下方に向けて延びる追加ダクト20と、追加ダクト20の下部に配置された風力発電装置30とを含む。本実施形態において、追加ダクト20は、煙突部15と同一かつ一定の断面積を有する管材からなり、煙突部15の下端部、すなわち建屋内ダクト部11の傾斜部12と煙突部15との合流部付近で排気ダクト10に接続されて鉛直下方に向けて煙突部15と同軸に延在する。これにより、図1に示すように、追加ダクト20の軸心と、建屋内ダクト部11の傾斜部12の軸心とは、鋭角をなす。また、本実施形態において、追加ダクト20の下端部は閉鎖されており、当該追加ダクト20の下部には、側方すなわち追加ダクト20の軸心と直交する方向に開口する開口部22が形成されている。更に、本実施形態において、開口部22の開口面積S2(図2参照)は、追加ダクト20の断面積、すなわち煙突部15(排気ダクト10)と追加ダクト20との合流部の管路断面積S1(図2参照)よりも小さく定められている。
風力発電装置30は、追加ダクト20の下部に形成された開口部22内に配置される風車(羽根車)31と、当該風車31に連結された発電機32とを有する。本実施形態では、風車31として、例えば水平軸式のプロペラ型風車が採用されている。ただし、風車31は、例えば水平軸式の多翼型風車であってもよく、垂直軸風車であってもよい。また、発電機32としては、例えばアウターロータ型の誘導発電機または同期発電機が採用される。ただし、発電機32は、風車31を介して風力エネルギーを電力に変換するものであれば、如何なる構成のものであってもよい。
次に、図2等を参照しながら、上述のように構成される発電システム1の動作について説明する。
上述のように構成された発電システム1において、煙突部15と追加ダクト20との合流部は、煙突部15の排ガス出口15oよりも下方に位置することから、煙突部15と追加ダクト20との合流部の内外における気体の圧力は、当該合流部から排ガス出口15oまでの間の気体の重さ分だけ、排ガス出口15o付近の気体の圧力よりも若干高くなる。そして、図2に示すように、煙突部15と追加ダクト20との合流部内の気体の圧力を“Pi”とし、当該合流部内の気体の密度を“ρi”とし、煙突部15と追加ダクト20との合流部付近の外気の圧力を“Po”とし、当該合流部付近の外気の密度を“ρo”とし、煙突部15と追加ダクト20との合流部から排ガス出口15oまでの高さを“h”とし、重力加速度を“g”とすれば、煙突部15と追加ダクト20との合流部内の気体と、当該合流部付近の外気との圧力差ΔPを次式(1)のように表すことができる。更に、煙突部15内の排ガスの平均温度を“Ti”とし、外気温度を“To”とすれば、ボイルシャルルの法則より、ρi=ρo・To/Tiと表すことができるので、式(1)を次式(2)のように変形することができる。
ΔP=Po−Pi=g・ρo・h−g・ρi・h=g・(ρo−ρi)・h …(1)
ΔP=g・h・ρo・(Ti−To)/Ti …(2)
このように、発電システム1では、燃焼設備50の稼働に伴って煙突部15、すなわち排気ダクト10(煙突部15)と追加ダクト20との合流部から排ガス出口15oまでの間を外気よりも高温の排気ガスが流通している際に、煙突部15と追加ダクト20との合流部付近で、高温の排ガスと低温の外気との密度の差、すなわち高温の排ガスと低温の外気との温度差(Ti−To)に起因して、排気ダクト10内の気体(排ガス)の圧力が外気の圧力よりも低くなる。更に、追加ダクト20の開口部22は、煙突部15と追加ダクト20との合流部よりも下方に位置することから、開口部22付近の外気の圧力は、煙突部15と追加ダクト20との合流部から開口部22までの間の空気の重さ分だけ、当該合流部付近の外気の圧力よりも僅かに(理論上)高くなる。
これにより、発電システム1では、煙突部15と追加ダクト20との合流部付近における排気ダクト10の内外の圧力差ΔPに基づいて、いわゆる煙突効果によって排気ダクト10の煙突部15に接続された追加ダクト20の開口部22から当該追加ダクト20内に外気(空気)が吸い込まれることになる。更に、追加ダクト20内に吸い込まれた空気は、排ガスの熱により暖められることで追加ダクト20および排気ダクト10の煙突部15内を上昇していく。この結果、追加ダクト20から煙突部15へと空気が上昇するのに伴って開口部22に生じる空気の流れ(風)により風車31を回転させ、それにより発電機32を駆動して電力を得ることが可能となる。
一方、圧力差ΔPによって開口部22から追加ダクト20内に流入する空気(外気)の体積を“V”とし、体積Vの空気の質量を“m”とし、追加ダクト20を介して煙突部15に流入する空気、すなわち煙突部15と追加ダクト20との合流部における空気の流速を“u1”とすると、エネルギー保存の法則から、次式(3)の関係が成立する。そして、上記式(1)式および式(3)の関係と、ρo=m/Vという関係とを用いると共に、エネルギー損失を補正するための流量係数C(=0.65〜0.7)を導入することで、煙突部15と追加ダクト20との合流部における気体の流速u1を次式(4)のように表すことができる。
ΔP・V=1/2・m・u12 …(3)
u1=C・√[2・g・h・(Ti−To)/Ti] …(4)
従って、発電システム1では、排ガスと外気との温度差(Ti−To)が大きいほど、煙突部15と追加ダクト20との合流部における空気の流速u1、ひいては追加ダクト20の開口部22における風速u2を高めることができる。また、煙突部15と追加ダクト20との合流部の管路断面積S1、すなわち当該合流部(付近)における追加ダクト20の管路断面積S1と、当該合流部付近における気体の流速u1と、開口部の開口面積S2と、当該開口部における風速u2との間には、u2≒u1・(S1/S2)という関係が成立する。従って、上述のように開口部22の開口面積S2を煙突部15と追加ダクト20との合流部の管路断面積S1よりも小さくすることで、開口部22における風速u2をより高めることができる。更に、本実施形態では、燃焼設備50の排ガス送出装置51により排ガスが排気ダクト10へと送り出されることから、排気ダクト10内の排ガスの流れが形成され、煙突部15と追加ダクト20との合流部において傾斜部12から煙突部15へと向かう排ガスの流れにより追加ダクト20内の空気を煙突部15へと引き込み、それにより追加ダクト20の開口部22における風速u2をより高めることもできる。そして、開口部22に配置された風車31から得られるパワーは、当該開口部22における風速u2の3乗に比例する。従って、発電システム1では、風車31を小型化しつつ、排ガスのエネルギーを効率よく電力に変換して、より多くの電力を得ることが可能となる。なお、煙突部15と追加ダクト20との合流部の管路断面積S1は、当該合流部(付近)における排気ダクト10(煙突部15)の管路断面積であってもよい。従って、開口部22の開口面積S2を排気ダクト10(煙突部15)の管路断面積よりも小さくしてもよい。
更に、発電システム1では、風車31が追加ダクト20の下部に形成された開口部22に配置されることから、風車31と高温の排ガスとが直接接触するのを抑制することができる。従って、風車31に対して特別な熱対策を施す必要がなくなり、当該風車31の耐久性を確保しつつ設備費用を低減化することが可能となる。また、風車31を追加ダクトの下部に形成された開口部22に配置することで、例えば煙突部15の上部の排ガス出口15oといった高所に風車31等を配置する場合に比べて、風車31や発電機32の設置費用やメインテナンス費用を削減することも可能となる。更に、発電システム1では、煙突部15に追加ダクト20を接続しても排気ダクト10内の排ガスの流通に直接に影響を与えないことから、発電量、すなわち発電に際して要求される風速u2や風車31の受風面積(サイズ)に応じて追加ダクト20の開口部22の開口面積を任意に選択することが可能となる。
また、本実施形態において、排気ダクト10は、煙突部15と追加ダクト20との合流部から斜め下方に向けて延びる傾斜部12を含むことから、追加ダクト20内を上昇した空気が煙突部15との合流部から排気ダクト10の傾斜部12、すなわち排ガスの排出源である燃焼設備50側へと流れ込んでしまうのをより良好に抑制することが可能となる。更に、発電システム1では、排気ダクト10内に風車31や発電機32が配置されないことから、風車31等が排ガスの流れの抵抗になることはなく、圧損等を考慮して排ガス送出装置51の能力を高める必要がない。従って、発電システム1の設置に伴う燃焼設備50側の設備変更やそれに伴う設備費用の発生を抑制することができる。加えて、発電システム1によれば、排ガスのエネルギーを電力に変換することで、排気ダクトの煙突部15から排出される排ガスの温度を低下させることが可能となるので、燃焼設備50に排ガス冷却設備が含まれる場合には、当該排ガス冷却設備の負担を軽減することもできる。
ここまで説明したように、発電システム1では、上部に排ガス出口15oを有する排気ダクト10の煙突部15に接続されて下方に向けて延びる追加ダクト20と、追加ダクト20の下部に形成された開口部22に配置される風車31と、当該風車31に連結された発電機32とを含む。これにより、いわゆる煙突効果によって開口部22から追加ダクト20内に空気が吸い込まれることで当該開口部22に生じる空気の流れにより風車31を回転させ、それにより発電機32を駆動して電力を得ることができる。従って、発電システム1によれば、設備費用や設置費用、メインテナンス費用を抑えつつ、上部に排ガス出口15oを有する排気ダクト10の煙突部15内の高温の排ガスを有効に利用して電力を得ることが可能となる。
また、上述のように追加ダクト20の開口部22の開口面積S2を煙突部15と追加ダクト20との合流部の管路断面積S1よりも小さくすれば、開口部22における風速u2をより高めることができるので、風車31を小型化しつつ、排ガスのエネルギーを効率よく電力に変換して、より多くの電力を得ることが可能となる。更に、煙突部15と追加ダクト20との合流部から斜め下方に向けて延びる傾斜部12を排気ダクト10に設ければ、追加ダクト20内を上昇した空気が排気ダクト10の傾斜部12、すなわち燃焼設備50側へと流れ込んでしまうのをより良好に抑制することができる。そして、発電システム1では、排気ダクト10内に風車31や発電機32が配置されないことから、風車31等が排ガスの流れの抵抗になることはなく、圧損等を考慮して排ガス送出装置51の能力を高める必要がない。従って、発電システム1では、その設置に伴う燃焼設備50側の設備変更やそれに伴う設備費用の発生を抑制することが可能となる。また、排ガス送出装置51により排ガスを排気ダクト10へと送り出すことで、煙突部15と追加ダクト20との合流部において排ガスの流れにより追加ダクト20内の空気を煙突部15へと引き込み、それにより追加ダクト20の開口部22における風速u2をより高めることもできる。
なお、発電システム1,1Bは、外気よりも高温の排ガスを排出するものであれば燃焼設備50以外の如何なる設備と組み合わされてもよく、例えば加熱処理設備と組み合わされてもよい。また、排気ダクト10(煙突部15)に接続される追加ダクト20の長さは、発電システム1が適用される設備等に応じて任意に定められることができる。更に、上記発電システム1では、追加ダクト20に対して、当該追加ダクト20の軸心と直交する方向に開口する開口部22が形成されるが、これに限られるものではない。すなわち、図3に示す発電システム1Bのように、鉛直下方に向けて開口する開口部22Bを追加ダクト20Bに形成してもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。また、上記発明を実施するための形態は、あくまで課題を解決するための手段の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、課題を解決するための手段の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。
本発明は、発電システムの製造産業において利用可能である。
1,1B 発電システム、10 排気ダクト、11 建屋内ダクト部、12 傾斜部、15 煙突部、15o 排ガス出口、20,20B 追加ダクト、22,22B 開口部、30 風力発電装置、31 風車、32 発電機、50 燃焼設備、51 排ガス送出装置、100 建屋。

Claims (5)

  1. 上部に排ガス出口を有する排気ダクト内の外気よりも高温の排ガスを利用して電力を発生する発電システムであって、
    前記排ガス出口よりも上流側で前記排気ダクトに接続されて下方に向けて延びる追加ダクトと、
    前記追加ダクトの下部に形成された開口部に配置される風車と、
    前記風車に連結された発電機とを備えることを特徴とする発電システム。
  2. 請求項1に記載の発電システムにおいて、
    前記開口部の開口面積は、前記排気ダクトと前記追加ダクトとの合流部の管路断面積よりも小さいことを特徴とする発電システム。
  3. 請求項1または2に記載の発電システムにおいて、
    前記排気ダクトは、前記排ガス出口を有すると共に前記追加ダクトが接続される煙突部と、前記煙突部と前記追加ダクトとの合流部から斜め下方に向けて延びる傾斜部とを含むことを特徴とする発電システム。
  4. 請求項1から3の何れか一項に記載の発電システムにおいて、
    前記排ガスの排出源は、前記排ガスを前記排気ダクトへと送り出す排ガス送出装置を有することを特徴とする発電システム。
  5. 請求項1から4の何れか一項に記載の発電システムにおいて、
    前記排ガスは、燃焼設備または加熱処理設備から排出されることを特徴とする発電システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016133255A (ja) * 2015-01-19 2016-07-25 中外炉工業株式会社 工業用炉、工業用炉の省エネルギ稼働方法及び工業用炉の改造方法
CN109405568A (zh) * 2018-11-28 2019-03-01 胡峰华 一种冶炼厂石灰窑尾气的综合利用系统
JP2020022222A (ja) * 2018-07-30 2020-02-06 凸版印刷株式会社 発電機及び発電方法

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