JP2024014641A

JP2024014641A - 複合型発電装置

Info

Publication number: JP2024014641A
Application number: JP2022125890A
Authority: JP
Inventors: 昭男松浦; Akio Matsuura
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2024-02-01

Abstract

【課題】複数の発電方式を複合させて発電作業の中断をなくし、且つ安価で効率のよい発電装置を提供する。【解決手段】ハウジングと、ハウジング内部に設置されたコンプレッサーと、コンプレッサーに接続されたエアタンクと、エアタンクに接続されたタービン発電ユニットと、エアタンクとタービン発電ユニットの間で高圧のエアを導通しまた回帰導通するエア供給管路及びエア回帰管路と、を有する風圧発電機；ハウジングの内部に設置された風車と、風車に連結されたローターとハウジングの内側に固定されたステーターとを含む電磁機構と、風車の動力を電磁機構へ伝達する動力伝達装置と、を有する風力発電ユニット；および、風圧発電機及び前記風力発電ユニットにより発電された電気を蓄える蓄電器、から成る複合型発電装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、複合型発電装置、特に太陽光発電と風圧発電を複合させて発電作用を行う複合型発電装置に関するものである。

従来、電力は原子力発電、火力発電、水力発電、太陽光発電、風圧発電、等々各種方式により生産されている。近年は、再生可能エネルギーを利用した発電である太陽光発電や風圧発電に関する各種技術提案がなされている。このような技術提案の例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。これは、大地をパラボナ面状、あるいは焦点が直線状になる、縦に切断した円柱に似た横長の放物面を持つように造成、成形し、その面を反射材に施工またはその面に反射材を設置することにより、太陽光を集め、それをエネルギー源として利用するものである。これにより安価で効率化を図っている。

特開２０１０－２３９１００号公報

しかしながら、上述の各発電方式にはそれぞれ一長一短があり、どれか１つをとって最良であるということはできない。この状況で、発電事業をより一層効率的、或いは有効に進めるには、上記各種発電方式のいくつかを複合させた発電方式を検討することが良策と考えられる。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の発電方式を複合させて発電作業の中断をなくし、且つ安価で効率のよい複合型発電装置を提供することである。

本発明の複合型発電装置は、ハウジングと、前記ハウジング内部に設置されたコンプレッサーと、前記ハウジング内部において前記コンプレッサーに接続されたエアタンクと、前記ハウジングの内部において前記エアタンクに接続されたタービン発電ユニットと、前記ハウジングの内部において前記エアタンクとタービン発電ユニットとの間に接続され、前記エアタンクから前記タービン発電ユニットへ高圧のエアを導通するエア供給管路と、前記ハウジングの内部において前記エアタンクとタービン発電ユニットとの間に接続され、前記タービン発電ユニットから前記エアタンクへエアを回帰導通するエア回帰管路とを有する風圧発電機、前記ハウジングの内壁に取り付けられた風車と、前記風車の回転軸に作動連結されたローターと前記ハウジングの内側壁に固定取り付けされたステーターとを含む電磁機構と、前記風車と前記電磁機構との間に設置され風車の動力を電磁機構へ伝達する動力伝達装置とを有する風力発電ユニット、および前記風圧発電機及び前記風力発電ユニットに接続されて前記風圧発電機及び前記風力発電ユニットにより発電された電気を蓄える蓄電器、から成ることを要旨とする。

かかる構成により、複合型発電装置内の風圧発電機により電気を生成する一方、風圧発電機に供給及び回帰されるエアの一部を分岐導通させてローターとステーターとの間で電磁作用を生じさせて風力発電を行うとともに、タービン発電ユニットによっても発電を行うことができ、１基の発電装置において多種類の発電を行わせて種々の状況において発電量を増大させることができる。

前記ローターは円板または概略円柱体から成り、円形の端面の外周部分には円周方向に沿ってＮ磁極セグメントとＳ磁極セグメントが交互に配置されており、前記ステーターは概略円板状又は円環状の構造体から成り、当該ステーターの円の面には円周方向に沿ってＮ磁極セグメントとＳ磁極セグメントが交互に配置されており、また、前記ローターと前記ステーターは、互いに円の面が対向した状態で相対的に回転運動可能に配置され、且つ前記ローター及び前記ステーターの対向面間に所定の空間が形成されるように設置されている。

これにより、ローターとステーターとをコンパクトに構成することができ、両者間で効率的な電磁作用を行わせることが可能となる。

また、タービン発電ユニット及び電磁機構に加えて太陽光発電装置を設置してもよい。

これにより、電磁機構及びタービン発電ユニットに加えて太陽光発電装置によっても発電を行うことができ、１基の発電装置による発電量を大幅に増大させることができる。

本発明によれば、複合型発電装置内で円形電磁板と湾曲電磁板との間で電磁作用を生じさせて発電を行うとともに、発電タービンによっても発電を行うというように、複数の発電方式を複合させて発電することができるため、１基の発電装置による発電量を増大させることができ、また発電作業の発電動作の中断をなくして、安価で効率発電が可能になる。

本発明の一実施の形態に係る複合型発電装置及びその設備全体の断面正面図である。本実施の形態において用いられる風力発電ユニットの構成例を概略的に示す正面図である。

次に、図１及び図２を用いて本発明の一実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る複合型発電装置（以下、単に「発電装置」という。）の内部構造を示す正面断面図である。また、図２は同実施の形態に係る発電装置の平面断面図である。図１及び図２において、符号１は発電装置を示す。この発電装置１は、外筐を形成するハウジング２と、当該ハウジング２の内部には高圧の空気、或いはその他の媒体を利用して発電を行う各種機器を収容配置される。ハウジング２は矩形又は円筒形構造を有し、その内部床面すなわち、基礎部分には、上記発電を行うための各種機器が設置されている。

図１中において、符号３はコンプレッサーであり、このコンプレッサー３に隣接した場所には、当該コンプレッサー３に接続されたエアタンク４が設置されている。コンプレッサー３はエアタンク４内に空気を送り込んでエアタンク４を高圧にする。エアタンク４は複数個が連なった多連構成を取っていてもよく、これに合わせてコンプレッサー３も複数設けられてもよい。ハウジング２の中心部にはシャフト５が、ハウジング２の中心軸に沿った方向（上下方向）に延びて宙吊りされた或いは直立した態勢で配置されている。シャフト５は、中空の筒状体、例えば円管から構成され、内部を空気が流通するようになっている。ハウジング２の中央部分にはタービン発電ユニット６が設置されている。そして、コンプレッサー３と、エアタンク４と、タービン発電ユニット６とにより発電装置１の中の主力発電機である風圧発電機が構成されている。

タービン発電ユニット６は、当該タービン発電ユニット６の上部においてシャフト５の上端に連結された第１のタービン７と、第１のタービン７の下方位置においてシャフト５の中間部分に連結された第２のタービン８と、第１のタービン７及び第２のタービンの間の位置においてシャフト５に連結された主発電機９とから構成されている。シャフト５と第１のタービン７との連結または、シャフト５と第２のタービン８との連結は、タービン発電ユニット６の動作状況によって、確実に連結される場合と連結解除状態を作る場合とがある。これに対して、シャフト５と主発電機９との連結は、確実な連結が実現される。シャフト５はタービン発電ユニット６の第２のタービン８よりも下方へ延びており、当該シャフト５の下端部にはモーター１０が連結取り付けされている。モーター１０とシャフト５の間には動力伝達機構１１が設けられている。シャフト５とモーター１０との連結は、タービン発電ユニット６の動作状況によって、確実に連結される場合と連結解除状態を作る場合とがある。

エアタンク４とタービン発電ユニット６との間には、エアタンク４からタービン発電ユニット６へ高圧のエアを導通するエア供給管路１２が接続されている。エア供給管路１２は、エアの入口側がエアタンク４の下部位置に接続される一方、エアの出口側がタービン発電ユニット６の頂部すなわち上壁に接続されている。また、エアタンク４とタービン発電ユニット６との間には、タービン発電ユニット６からエアタンク４へエアを回帰導通するエア回帰管路１３が接続されている。エア回帰管路１３は、エアの入口側がタービン発電ユニット６の下部位置に接続される一方、エアの出口側がエアタンク４の頂部すなわち上壁に接続されている。上述のように、エア供給管路１２は、エアの入口側がエアタンク４の下部位置に接続されて高圧のエアを導通する一方、エア回帰管路１３はタービン発電ユニット６を通過した後のエアをエアタンク４へエアを回帰導通するから、エアタンク４の内部は上側が低圧、下側が高圧となるようにエアの圧力が調整されている。なお、第１のタービン７及び第２のタービン８とタービン発電ユニット６の側壁との間にはシール部材１４が設けられている。これにより、タービン発電ユニット６に入った高圧のエアは全てが第１のタービン７及び第２のタービン８の駆動に使われる。

風力発電ユニット
また、ハウジング２の内部には上記タービン発電ユニット６とは別に風力発電ユニット１５が設置されている。風力発電ユニット１５は、風車１６と、風車１６の回転軸に作動連結されたローター１７、及びハウジング２の内側壁に取り付けられたステーター１８を含む電磁機構と、風車１６と電磁機構との間に設置され風車１６の動力を電磁機構へ伝達する動力伝達装置２５とから構成されている。

図２は風力発電ユニット１５の構成例を概略的に示す正面図である。ローター１７は円板または概略円柱体から成り、円形の端面の外周部分には円周方向に沿ってＮ磁極セグメント１７ａとＳ磁極セグメント１７ｂが交互に配置されている。ステーター１８は概略円板状又は円環状の構造体から成り、ハウジング２の内壁に取り付けられたステーター基台１９に固定取り付けされている。ステーター１８の円の面には円周方向に沿ってＮ磁極セグメント１８ａとＳ磁極セグメント１８ｂが交互に配置されている。そして、ローター１７とステーター１８は、連結ビン２０によって、互いに円の面が対向した状態で相対的に回転運動可能に連結され、且つローター１７及びステーター１８の対向面間に所定の空間（隙間）２１が形成されるように設置されて電磁機構を構成する。ローター１７とステーター１８の間の相対回転運動は、ステーター１８がステーター基台１９に固定取り付けされている関係上、ローター１７が連結ピン２０と一緒に回転することにより実現される。

風車１６には、タービン発電ユニット６のエア回帰管路１３から分岐して延びたエア送り管路２２が接続されている。また、風車１６からはエア戻し管路２３が延びており、このエア戻し管路２３の先端はエア回帰管路１３に接続されている。エア回帰管路１３へのエア送り管路２２の接続点Ａと、エア回帰管路１３へのエア戻し管路２３の接続点Ｂとの間では、接続点Ａの方が接続点Ｂよりも上流側に位置決めされている。したがって、エアは接続点Ａでは接続点Ｂよりも高圧となり、エア送り管路２２で取り出されたエアは一定の圧力で風車１６を流通して回転作動させ、その後エア戻し管路２３を通ってエア回帰管路１３へ戻ることができる。そして、上述の、エアが風車１６を流通する間に風車１６が回転作動して風力発電を行うことができる。

風車１６が回転作動して得られた動力は、動力伝達装置２５によりローター１７及びステーター１８を含む電磁機構へと伝達される。動力伝達装置２５は、風車１６から動力を取り出す出力軸２６と、風車１６の回転を複数段に分けて増速或いは減速させるギアボックス２７とを有して成る。

さらに、ハウジング２の内部には蓄電器３１が配設されている。蓄電器３１は、モーター１０と、風力発電ユニット１５と、主発電機９及び太陽光発電装置（後出。図１参照）３２に接続されている。蓄電器３１は、風力発電ユニット１５と、主発電機９及び太陽光発電装置３２から発電した電気を受領する一方、モーター１０には電力を供給する配電がなされる。蓄電器３１は隣接して設置された配電器３３に接続され、蓄電器３１からは配電器３３を通して発電装置１の外部の機器に対して配電することもできる。また、モーター１０と、風力発電ユニット１５と、主発電機９及び太陽光発電装置３２には電気的にオン／オフ動作が可能な開閉器である電磁スイッチ（図示してない）が設けられ、これらの電磁スイッチは蓄電器３１に接続されることにより当該蓄電器３１からの電力によりオン／オフ作動されるようになっている。蓄電器３１と電磁機構との間の通電線ｂは双方向矢印となっているが、実際は２本の電線から成り、蓄電器３１から電磁機構へ向かう矢印は電磁機構に設けられた電磁スイッチ作動用の電力が供給されることを表し、電磁機構から蓄電器３１へ向かう矢印は電磁機構で発電した電気を蓄電器３１へ送電することを表す。なお、モーター１０と、風力発電ユニット１５と、主発電機９及び太陽光発電装置３２に設けられた上記電磁スイッチは上記蓄電器３１に接続されるのみならず、一般的な商用電源（電力会社など）にも接続されて、電力供給を受けられるようにしても良い。これは、本実施の形態に係る発電装置において、蓄電器３１の蓄電量が著しく減少したような場合に備えたり、或いは割安な深夜電力を使ってコンプレッサー３により予めエアタンク４を高圧にするなどの操作を可能とするためである。

発電装置１の主要構成部分はビル２０などの建物の内部に設置されているが、さらにビル２０の屋上には追加的な発電装置として太陽光発電装置３２が設置される。そして、太陽光発電装置３２は蓄電器３１に接続され、太陽光発電装置３２により発電した電気は蓄電器３１に送電されるようになっている。

以上の構成を有する本実施の形態に係る発電装置１について、以下動作を説明する。動作に当たっては、コンプレッサー３に設けられた電磁スイッチと、電磁機構に設けられた電磁スイッチと、モーター１０に設けられた電磁スイッチとを外部からの操作によりオン動作させる。これにより、コンプレッサー３が動作し、電磁機構が電磁化せしめられ、またモーター１０が作動する。コンプレッサー３の動作は、昼間だけでなく深夜においても実行されることがあり得る。モーター１０が回転作動するとシャフト５を回転させる。シャフト５の回転方向は、矢印Ｓで示される反時計回り方向であっても良いが時計回り方向であっても良い。本実施の形態では、採用し得る発電方法として、風圧発電動作、モーター回転動作発電、風力発電動作、太陽光発電動作が考えられる。よって、それらの発電について説明する。

風圧発電動作
コンプレッサー３が動作することにより、当該コンプレッサー３に接続されたエアタンク４内に空気が送り込まれ、エアタンク４が高圧（例えば、５気圧或いはそれ以上）になって、この圧力に維持される。エアタンク４が所定の高圧に維持されている状態から、発電を行うためにエアタンク４の出口を開放すると、エアタンク４から高圧のエアがエア供給管路１２を通ってタービン発電ユニット６へ供給される。タービン発電ユニット６の上部へ供給されたエアは高圧で第１タービン７を通ることにより当該第１タービン７を高速で回転動作させ、さらに下方へ流れ下って高圧で第２タービン８を通ることにより当該第２タービン８を高速で回転動作させる。第１タービン７、第２タービン８及びシャフト５の回転方向は、矢印Ｓで示される反時計回り方向であっても良いが時計回り方向であっても良いが、いずれか一方の方向に決められる。第１タービン７及び第２タービン８は、風圧発電動作時にはシャフト５に確実に連結されており、これら第１タービン７及び第２タービン８の回転動力はシャフト５に伝達されて主発電機９を発電動作させる。他方、この風圧発電動作時にはモーター１０の動作は不要なので、シャフト５とモーター１０との間は連結解除状態に保持される。第２タービン８を通ったエアは、エア回帰管路１３に流れ込み当該エア回帰管路１３を通ってエアタンク４の戻り口へ回帰する。主発電機９で発電された電気は通電線ａを通って蓄電器３１へ送電され、ここに蓄電される。また、主発電機９で発電された電気は配電器３３の動作により電気を必要とする各種機器へと配電される。エアタンク４が多連構成の場合は、その高圧エアの放出時間を多く取ることができ、一定の時間風圧発電を継続することができる。したがって、例えば夏期の一日の、電力消費がピークに達する午後４時から午後６時頃にかけての時間帯に本風圧発電を稼動させることにより、電力不足を補うことができる。このときに、本実施の形態の風力発電ユニット１５、さらには太陽光発電装置３２も稼動させ、電力供給を増大させることもできる。そして、夜間になれば、深夜電力を使ってコンプレッサー３を作動させ、エアタンク４を高圧にするという作動サイクルが実現できる。

モーター回転発電動作
モーター１０が回転作動することによりシャフト５を回転させる。シャフト５の回転方向は、矢印Ｓで示される反時計回り方向又は時計回り方向に決められる。モーター１０は、モーター回転発電動作時にはシャフト５に確実に連結されており、これらモーター１０の回転動力はシャフト５に伝達されて主発電機９を発電動作させる。他方、このモーター回転発電動作時には第１タービン７及び第２タービン８の動作は不要なので、シャフト５と第１タービン７及び第２タービン８との間は連結解除状態に保持される。主発電機９で発電された電気は通電線ａを通って蓄電器３１へ送電され、ここに蓄電される。これは上記風圧発電動作のときと同じである。

風力発電動作
風力発電ユニット１５においては、タービン発電ユニット６のエア回帰管路１３の接続点Ａで分岐して延びたエア送り管路２２が風車１６に接続されており、このエアを風車１６が受けることにより風車１６が回転動作する。エア送り管路２２により供給されたエアは、一定の圧力で風車１６を流通して回転作動させ、その後エア戻し管路２３を通ってエア回帰管路１３へ戻る。風車１６が回転作動して得られた動力は、動力伝達装置２５により複数段に分けて増速或いは減速させる操作を受けながら電磁機構へと伝達される。電磁機構では、伝達されて来た動力によりローター１７が回転動作する。ローター１７とステーター１８の間では、互いに円の面が対向した状態で相対的に回転運動を行う。これにより、両者の端面の外周部分に配置されたＮ磁極セグメント１７ａとＳ磁極セグメント１７ｂ、及びＮ磁極セグメント１８ａとＳ磁極セグメント１８ｂが交互に回転方向に近接及び離脱動作を行って電磁誘導作用を起こし、発電が行われる。風力発電ユニット１５で発電された電気は通電線ｂを通って蓄電器３１へ送電され、ここに蓄電される。

太陽光発電動作
ビル２０の屋上に設置された太陽光発電装置３２によって、光・電気変換が行われることにより発電が行われる。この太陽光発電装置３２により発生した電気は通電線ａや通電線ｂとは異なるが同様の機能を有する別の通電線（図示していない）により蓄電器３１に送電され当該蓄電器３１に蓄電される。蓄電器３１に蓄電された電力は配電器３３を通して外部の機器に対して配電されることが可能である。

コンプレッサーと、エアタンクと、タービン発電ユニットとにより構成された風圧発電機と、前記エアタンクから分岐導出されたエアにより作動する風車及び電磁面を対向させて設置されたローターとステーターにより構成された電磁機構という複数の発電方式を複合させて発電作業の中断をなくし、且つ安価で効率のよい発電装置であり有用である。

１（複合型）発電装置
２ハウジング
３コンプレッサー
４エアタンク
５シャフト
６タービン発電ユニット
７第１のタービン
８第２のタービン
９主発電機
１０モーター
１１動力伝達機構
１２エア供給管路
１３エア回帰管路
１４シール部材
１５風力発電ユニット
１６風車
１７ローター
１８ステーター
１９ステーター基台
２０連結ビン
２１隙間
２２エア送り管路
２３エア戻し管路
２５動力伝達装置
２６出力軸
２７ギアボックス
３１蓄電器
３２太陽光発電装置
３３配電器

Claims

ハウジングと、
前記ハウジング内部に設置されたコンプレッサーと、
前記ハウジング内部において前記コンプレッサーに接続されたエアタンクと、
前記ハウジングの内部において前記エアタンクに接続されたタービン発電ユニットと、
前記ハウジングの内部において前記エアタンクとタービン発電ユニットとの間に接続され、前記エアタンクから前記タービン発電ユニットへ高圧のエアを導通するエア供給管路と、
前記ハウジングの内部において前記エアタンクとタービン発電ユニットとの間に接続され、前記タービン発電ユニットから前記エアタンクへエアを回帰導通するエア回帰管路と、
を有する風圧発電機、
前記ハウジングの内壁に取り付けられた風車と、
前記風車の回転軸に作動連結されたローターと前記ハウジングの内側壁に固定取り付けされたステーターとを含む電磁機構と、
前記風車と前記電磁機構との間に設置され風車の動力を電磁機構へ伝達する動力伝達装置と、
を有する風力発電ユニット、および
前記風圧発電機及び前記風力発電ユニットに接続されて前記風圧発電機及び前記風力発電ユニットにより発電された電気を蓄える蓄電器、
から成る複合型発電装置。
前記ローターは円板または概略円柱体から成り、円形の端面の外周部分には円周方向に沿ってＮ磁極セグメントとＳ磁極セグメントが交互に配置されており、
前記ステーターは概略円板状又は円環状の構造体から成り、当該ステーターの円の面には円周方向に沿ってＮ磁極セグメントとＳ磁極セグメントが交互に配置されており、また、
前記ローターと前記ステーターは、互いに円の面が対向した状態で相対的に回転運動可能に配置され、且つ前記ローター及び前記ステーターの対向面間に所定の空間が形成されるように設置されている、
ことを特徴とする請求項１記載の複合型発電装置。