JP2015017579A - コンクリート構造物を用いた発電方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】これまで有効利用されていなかったコンクリートから発生する熱をエネルギーに転換することで、ＣＯ２排出量の非常に少ないエネルギーを用いて発電し、建設現場で使用することができる。【解決手段】コンクリート構造物１の施工前にあらかじめ配管２を部材の内部を貫通するように設け、施工予定のコンクリート構造物１外にタービン３とポンプ４を設置し、コンクリート構造物１のコンクリート５を打設し、コンクリート構造物１の施工完了後からポンプ４を作動させて液体を前記コンクリート構造物の内部の配管２へ供給し、徐々にコンクリートの水和熱が発生し、この熱で配管２内の液体を気化させて蒸気とし、この蒸気でタービン３を回転させて発電する。【選択図】 図１

Description

本発明は、コンクリート構造物を用いた発電方法に関するものである。

日本における発電電力量の構成は、火力発電が石炭、ＬＮＧ、石油等を合わせて６０％程度、原子力が３０％程度、水力が８％程度で残りの２％が太陽光や風力、地熱などの新エネルギーであった（エネルギー白書２０１０）。このような状況の中、２０１１年３月に発生した東日本大震災の影響により、脱原発や卒原発の動きが高まり、火力発電所に頼らなければならない現状において、ＣＯ_２排出削減のために、新エネルギーへの転換が急速に求められている。

新エネルギーとは、日本では、「新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法」において指定されるものであり、バイオマス、太陽熱利用、地熱発電、風力発電、太陽光発電、波力発電、潮力発電などがそれにあたる。

バイオマス発電は、有機性の資源である、生ゴミ、家畜糞尿、下水汚泥などの廃棄物系バイオマスを主な原料として用いたバイオマス原料から、例えばバクテリアを利用したメタン発酵等によりバイオガスを生成させ、そのバイオガスを燃焼させることなどにより発電機を駆動させて発電する発電方法である。

太陽熱利用発電は、太陽から降り注ぐエネルギーには光と熱があり、日光は明るいのと同時に浴びていると暖かいのは太陽光線に熱があるからで、これを太陽熱と言い、この太陽熱を新エネルギーとして利用するものである。

地熱発電は、火山等の熱を利用し、地下より吹き上がってくる蒸気により、タービンを回転させて、発電を行うものである。

風力発電は、風車を設置し、自然界で生じる風力により発電用風車を回転させて、発電を行うものである。

波力発電は、波は海と風という自然の巨大なエネルギーによって作り出されるものであること着目し、その巨大なエネルギーを利用する。

潮力発電は、地球の自転や月の引力によって、海には満潮や干潮といった潮の干満があり、干満の時に大量の海水が移動する力を利用して発電を行う。

前述の新エネルギーのうち、太陽熱、雪氷熱、地熱、太陽光は、いずれも「熱」をエネルギーに転換する技術を応用したものである。建設分野においても様々な形で熱が発生する。

一方、ダム建設等大量のコンクリート（マスコンクリート）を使用する建設現場は、山間にある場合が多く、電気が手軽に得られない場所であることも多い。

このような場所で、発電で電気を得ようとすると、前記新エネルギーによるバイオマス、太陽熱利用、地熱発電、風力発電、太陽光発電、波力発電、潮力発電などはいずれも導入に際し独自の設備やスペースが必要となることに加え、コスト面でも課題を有しており、建設現場でもそれほど普及していない。太陽熱については建設現場への適用がなされているものの発電量が微小であり、天候によって発電量が大きく異なるため、適用が難しい。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、特に建設現場という特殊環境で、しかも、大量の電気をその場で必要とする場所において、これまで有効利用されていなかったコンクリートから発生する熱をエネルギーに転換することで、ＣＯ_２排出量の非常に少ないエネルギーを用いて発電し、建設現場で使用することができるコンクリート構造物を用いた発電方法および装置を提供することにある。

前記目的を達成するためコンクリート構造物を用いた発電方法として、請求項１記載の本発明は、コンクリート構造物の施工前にあらかじめ配管を部材の内部を貫通するように設け、施工予定のコンクリート構造物外にタービンとポンプを設置し、コンクリート構造物のコンクリートを打設し、コンクリート構造物の施工完了後からポンプを作動させて液体を前記コンクリート構造物の内部の配管へ供給し、徐々に発生するコンクリートの水和反応による水和熱で管内の液体を気化させて蒸気とし、この蒸気でタービンを回転させて発電することを要旨とするものである。

コンクリート構造物を用いた発電装置として、コンクリート又はモルタルを利用した発電装置であって、打設中（まだ固まらない状態を含む）コンクリート又はモルタル等のセメント系材料からなる構造物と、前記構造物を貫通するように埋設された熱伝導性の配管と、前記配管中を流れる液体（流体）と、前記流体を送るポンプと、蒸発した液体（流体）媒体により発電するタービンとを有することを要旨とするものである。

たとえばコンクリートは水和反応の際に大量の熱を発生する。水和熱によってコンクリートは膨張し、膨張したコンクリートは外気温によって冷却されることで収縮する。この膨張と収縮の作用によってコンクリートに「温度応力」が発生し、ひび割れが発生する場合がある。

ダムのように堆積の大きな構造物に用いるコンクリート（マスコンクリート）においては、水和熱の影響が大きくなることから、なるべく水和熱が発生しないように対策を行うのが一般的である。

また、水槽やタンク、ダムのように表面積が大きくコンクリートが剥き出しになっている構造物は、輻射熱によってその表面が非常に熱くなる場合がある。このように、コンクリート構造物では「水和熱」や「輻射熱」によって大量の熱エネルギーが発生しているものの、まったく有効利用されていないのが現状である。

請求項１および請求項４記載の本発明によれば、これまで有効利用されていなかったコンクリートから発生する熱をエネルギーに転換することで、ＣＯ_２排出量の非常に少ないエネルギーを建設現場で使用することができる。

請求項２記載の本発明は、配管は、マスコンクリートのひび割れ制御のためのパイプクーリング用の管を利用することを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明によれば、本発明の実施によりコンクリート内部を冷却させることにもなり、部材内部と外部での温度差を低減できることから、温度応力に伴うひび割れ抑制のために行われるパイプクーリングと同様の効果が期待され、コンクリート構造物のひび割れ抑制にもつながる。

請求項３記載の本発明は、水和熱による発電終了後でも、季節変動による外気温の変化等によってコンクリート表面の温度が大きく変化する場所では、コンクリート表面の輻射熱とコンクリート内部との温度差によって発電し続けることを要旨とするものである。

請求項３記載の本発明によれば、季節変動による外気温の変化等によってコンクリート表面の温度が大きく変化する場所では、コンクリート表面の輻射熱とコンクリート内部との温度差によって、半永久的に発電し続けることができる。

以上述べたように本発明のコンクリート構造物を用いた発電方法および装置は、これまで有効利用されていなかったコンクリートから発生する熱をエネルギーに転換することで、ＣＯ_２排出量の非常に少ないエネルギーを用いて発電し、建設現場で使用することができるもので、特に建設現場という特殊環境で、しかも、大量の電気をその場で必要とする場所において、有効利用を図ることができるものである。

以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明のコンクリート構造物を用いた発電方法および装置の１実施形態を示す説明図で、図中１は、橋脚、水槽やタンク、ダムなどのマスコンクリートをもって構築するコンクリート構造物である。

コンクリート構造物１の施工前に、施工部分の中心部にあらかじめ熱伝導性の配管２をコンクリート部材の内部を貫通するように設ける。この配管２は密閉され、一部はコンクリート構造物１の施工箇所に出て、無端として閉鎖されている。この熱伝導性の配管２は、銅合金やアルミニウム合金などの金属製で、熱伝導率の高い材料であることが望ましい。

また、配管２の配置形状は図示のようの縦方向の輪を連続に描くように螺旋に連続させる場合、その他、縦管や横管を並列接続で配置する場合等種々の形態が選択できる。

さらに、配管２は、マスコンクリートのひび割れ制御のためのパイプクーリング用の管を利用することができる。コンクリート標準示方書［施工編］（土木学会）では、底版厚さが０．８ｍ〜１．０ｍ以上、竪壁厚さ０．５ｍ以上のコンクリートをマスコンクリートとして取り扱う必要があると述べており、また、重要構造物の一つである橋梁下部工などのマスコンクリートの施工にあたり土木工事共通仕様書では、「事前に水和熱による温度応力及び温度ひび割れに対する十分な検討を行わなければならない。」と記述されている。

コンクリート構造物１の外側で、コンクリート構造物１の施工箇所に出ている管２の途上にタービン（Ｔ）３とポンプ（Ｐ）４を設置する。

このように本発明のコンクリート構造物を用いた発電装置は、コンクリート又はモルタルを利用した発電装置であって、打設中（まだ固まらない状態を含む）コンクリート又はモルタル等のセメント系材料からなるコンクリート構造物１と、前記コンクリート構造物１を貫通するように埋設された熱伝導性の配管２と、前記配管２中を流れる液体（流体）と、前記流体を送るポンプ４と、蒸発した液体（流体）媒体により発電するタービン３とを有するものである。

次に、前記装置の使用法について説明する。コンクリート構造物１の施工のために、コンクリート５を打ち込む。

配管２内に媒体としての液体を充填するが、この液体は沸点が低く気化し易く、また、凝縮点も比較的高く液化し易く、水に良く溶けるため、水溶液として使用されるものとして、たとえばアンモニア等が好適である。

このようにして管２内の液体をポンプ（Ｐ）４で循環し、コンクリート構造物１の内部では、徐々に水和熱が発生し、管２内の液体が気化することで蒸気となる。

この蒸気はコンクリート構造物１からでて、タービン３を回転させ、発電する。前記タービン３は、コンクリート内部の水和熱により蒸発した液体（流体）媒体より発電する。なお、水和熱は数１０日程度で外気温と同等になることから、水和熱による発電はここで終了となる。

しかし、季節変動によってコンクリート表面の温度が大きく変化する場所では、コンクリート表面の輻射熱とコンクリート内部との温度差によって、半永久的に発電し続けることができる。

前記タービン３は、コンクリート表面の輻射熱により蒸発した液体（流体）媒体より発電する。

このように本発明は、コンクリート内部の水和熱またはコンクリート表面の輻射熱により閉鎖された配管の中に液体のアンモニア等の媒体を入れ、ポンプで温かい部分に送ると、媒体が気化して蒸気となることから、この蒸気によってタービンを回して発電するというものである。ポンプを作動させる電力の約２〜４倍の電力を生み出すことができる。

本発明のコンクリート構造物を用いた発電方法および装置の１実施形態を示す説明図である。

１…コンクリート構造物 ２…配管
３…タービン ４…ポンプ
５…コンクリート

Claims (4)

1. コンクリート構造物の施工前にあらかじめ配管を部材の内部を貫通するように設け、施工予定のコンクリート構造物外にタービンとポンプを設置し、コンクリート構造物のコンクリートを打設し、コンクリート構造物の施工完了後からポンプを作動させて液体を前記コンクリート構造物の内部の配管へ供給し、コンクリートの水和反応による熱で管内の液体を気化させて蒸気とし、この蒸気でタービンを回転させて発電することを特徴としたコンクリート構造物を用いた発電方法。
2. 配管は、マスコンクリートのひび割れ制御のためのパイプクーリング用の管を利用する請求項１記載のコンクリート構造物を用いた発電方法。
3. 水和熱による発電終了後も、コンクリート表面の輻射熱とコンクリート内部との温度差によって発電し続ける請求項１または請求項２記載のコンクリート構造物を用いた発電方法。
4. コンクリート又はモルタルを利用した発電装置であって、打設中（まだ固まらない状態を含む）コンクリート又はモルタル等のセメント系材料からなる構造物と、前記構造物を貫通するように埋設された熱伝導性の配管と、前記配管中を流れる液体（流体）と、前記流体を送るポンプと、蒸発した液体（流体）媒体により発電するタービンとを有することを特徴とするコンクリート構造物を用いた発電装置。