JP3240617U

JP3240617U - 風力発電装置

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Publication number: JP3240617U
Application number: JP2022003891U
Authority: JP
Inventors: 國太荒井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-11-07
Filing date: 2022-11-07
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2032-11-07

Abstract

【課題】クリーンで、変動のない安定した電力を発電すると同時に、大電力発電をする風力発電装置を提供する。【解決手段】本考案はクリーンな水力発電による電力を送風機１０の駆動源として送風機の電動機１８に送り、強力で定速、且つ一定方向の高速空気流を送風管２０及びノズル２１を通して風車２３に供給し、風車軸と発電機のロータの回転軸を共通なシャフト２４で結び、風車出力を発電機出力に変え、大きな電力を得ようとするものであり、ＣＯ２の出ない海洋温度上昇を止め自然環境を維持するシステムとなる。【選択図】図２

Description

公安の属する技術分野

本考案は、水力発電、送風、風車、発電の機構を組み合わせることにより、風力発電を実現するもので、特に、クリーンな変動のない安定した電力を発電すると同時に大電力発電をする装置に係る。

風力発電は、陸上や海上で自然の風を利用して、風車の回転力を発電機に伝え発電している。自然の風は強弱があり、天候や季節により、風向・風速が変わるので発電した電圧や電力量などが変動し、安定した電力が得られない。不安定な電力を独立電源として用いる場合は蓄電池に充電するなどの貯蔵手段、あるいは他の発電方式と組み合わせ電圧や電力量などの調整が必要となる。

従来の風力発電では大きな電力を得るには多くの風力発電施設が必要となり、山岳地域や耕作地、海上に施設を設置する。それには膨大な費用がかかる。そこで、従来のクリーンな風力発電方法に改良を加え変動の無い、安定した大きな電力を得るため、従来の風力発電の方法を改善する必要がある。

本考案の課題は（１）クリーンな電力を発電すること、（２）変動の無い、安定した電力を発電すること、（３）従来の風力発電ではできなかった大きな電力を発電すること、（４）持続可能な発電装置であること、（５）発電コストが安価であること、などが課題として挙げられる。

上記の課題を解決するための本考案の要旨は次の通りである。
〔１〕クリーンな自然エネルギーである水力発電の電力を送風機の駆動源に使用し、空気流を作り、風車に吹き込み回転させ、発電機ロータを回して発電する。水力発電の電力や風力発電の電力はクリーン電力となる。
〔２〕送風機から変動の無い一定流速、一定方向の空気流を風車に吹き込み、発電機ロータを変動がなく回転させることで安定した電力を発電することができる。
〔３〕送風機に造風量の大きな軸流ブロワーを用いて、自然風速の約２０倍の高速空気流を出力し、出力された空気流を風車に供給し、風車と一体となった発電機ロータにより大きな電力を発電することができる。
〔４〕本考案の風力発電装置は自然エネルギーである既存の水力発電電力によって電動機を駆動し、空気を高速空気流として発生するため、電力資源は水と空気のみで、それぞれ自然循環させて使用できるので持続可能な発電機構となる。
〔５〕本考案の電力資源は天然水と自然の空気を循環して使用するのでので、資源を購入する費用は無く、設備費用のみとなり安価になる。したがって、発電コストは従来の火力発電のような燃料費が全く必要なく。また、火力発電ではボイラ、加熱機、復水器、原子力発電の加圧水型では、加圧機、蒸気発生器、復水器、沸騰水形では再循環器、復水器、給水ポンプなどのような付属設備に必要な経費がかからないので、電力料金を安価にすることができる。

上記の特徴を持つ機構と風力発電装置を具体的に説明する。
［１］本考案はクリーンな電力である水力発電とクリーンな風力発電を組合せで、クリーンで変動のない安定した電力を得ることができる。

［２］本考案で使用する送風機の能力は電動機の能力により送風量が決まり、送風方向が一定で、時間や季節、天候に左右されることなく、変動の無い、一定方向、一定風速の送風機構であるので安定した発電ができる。

［３］本考案で使用する送風機の軸流ブロワーの能力は一分間に６万立方メートルの造風能力がある送風機で。空気流を作り送風量は一定で１分間の造風量を１秒間の造風量に置き換えれば１千立方メートルとなり、軸流ブロワーの吐出口から送風され、送風機ノズルから出た空気流を調整して２３０ｍ／ｓの高速空気流（空気密度１．２１ｋｇ／ｍ^３）を作り出すことができる。この風速流を風車断面積４．５２ｍ^２の風車羽根面積４．６０４ｍを２５回転／ｓさせたときの風車出力は約８４７，９９１ｋＷの風車出力（効率１００％）が発生する。この出力は通常一般的な風力出力効率を４５％とするが本発明では効率を３分の１の３３％として厳しく見積もって計算したとき約２７９，８３７ｋＷの風車出力が得られる。発電機出力はこの値の９５％の２６５，８４５ｋＷとなり、この発電システムではほぼ２５０，０００ｋＷの発電が可能となる。
強力な送風機の軸流ブロワーにより、高速空気流を発生させ、変動の無い安定した大電力発電を得ることができる。
この送風機の軸流ブロワーの空気流量を１秒間の造風量と空気密度の積から求まる。高速空気量を１０％増のとき、１１００（ｍ^３／ｓ）＊１．２１（ｋｇ／ｍ^３）＝１３３１（ｋｇ／ｓ）の空気流量を出力することができる。
この空気流量を風力の力を利用する大型ジェット機のエンジンの空気流量と出力を比較した。
最新航空機の大型ターボファンジェットエンジンの空気流量は１３６１（ｋｇ／ｓ）、離昇推力３３９．６ｋＮであり、本発明に使用する軸流ブロワーの空気流量１３３１ｋｇ／ｓ風力３３８．３ｋＮである。本考案で使用する軸流ブロワーは最新の大型ジェット機の推力に近い出力を出すことができる送風機である。

［４］本考案の風力発電装置の動力は自然エネルギーの水力発電の電力を送風機駆動の電力とする。水力発電は自然サイクルの中で営まれる天然水の循環を利用した発電であるので持続性があり、この電力を利用して送風機を回転させ人口の風を作ることは自然に存在する空気の循環のみを利用することで持続性がある。２つの持続性のある現象を組み合わせたものであるから常にこの風力発電装置は持続性がある。

［５］送風機の駆動動力は自然の流水を利用した水力発電の電力であり、発電電力のコストは安価である。また、風車を駆動する空気を用いることで本考案の駆動資源は自然の循環物なので消費はほとんど無いため極めてコストが低くなり、従来の電気料金と比較すると安価になる。

本考案に係る風力発電装置とその機構を示した図。本考案に係る風力発電装置とその機構を実施するための装置示した図。

以下、本考案の実施形態を図－１、図―２の風力発電ブロック図と風力発電装置図に基づいて説明する。
図―１は本考案に係る風力発電の発電までの工程を示すもので▲１▼水力発電である。本考案の駆動力源を出力する機構である。▲２▼軸流ブロワーである。風力発電の基になる高速空気流を発生する機構となる。▲３▼風車（タービン）である。送風機からの空気流を回転力に変換する機構である。▲４▼風力発電機である。風車から送られた回転力を発電機に伝え電力を発生させる機構である。
▲１▼～▲４▼の機構には二酸化炭素を発生させる機構や熱冷却による温排水の機構はなく、クリーンな発電装置となる。

図―２風力発電装置図による風力発電の詳細を具体的に説明する。

水力発電機構▲１▼１．は自然の水流で２．の導水管を落差で流れ３．の上水槽に流れ込む、上水槽は水位の上限が決められていて、水位は常に一定で水圧を制御できる。上水槽に入った水は４．の水圧管を通るときのエネルギーを５．の水車に放出して水車の回転力となる。水車にエネルギーを放出した水は６．放水される。回転力を得た水車はシャフトと直結した水力発電機８．を駆動して発電をする。このクリーンで調整された電力は送電され１８．の誘導電動機に送られる。

送風機構▲２▼軸流ブロワーは水力発電で出力された電力により９．の送電回路から送られた電力により１８．誘導電動機を駆動し１０．の軸流ブロワーを駆動する。１２．軸流ブロワーの吸込み口から１３．軸流ブロワーの動翼に吸い込まれた空気は１５．静翼が圧力調整をして１９．吐出口へと送風する。１４．は動翼、静翼を固定するボスで、これを中心に高速回転し、送風された空気は吐出口１９．を通り２０．送風管、２１．ノズルを通過し、エネルギーをもった空気がノズルから２２．ケーシング内の２３．風車羽根に吹き込まれる。
軸流ブロワーの造風メカニズムの例を示すと９．送電回路を送られた電力により１８．の誘導電動機が駆動し１３．の動翼が空気を吸い込み、同時に送り出す。軸流ブロワーの内容積は直径３．２ｍ、有効シャフト長さ６ｍのとき、３．１４＊１．６＊６．０＝４８．２ｍ^３１秒間の回転数２５回、１秒間の造風量４８．２＊２５＝１２０５ｍ^３となる。１３．動翼、１５．静翼、１４．ボス、シャフトの体積は約２立方メートルで１秒間の回転数が２５回であるから約５０ｍ^３とすると、１秒間の造風量は１１５５ｍ／ｓとなり、これを風速に変え風車に当てる。

風車機構▲３▼風車（タービン）軸流ブロワーで造風された風速流の流速Ｖは風速流速Ｖ：１１５５／４．５２＝２５５．５ｍ／ｓ…約風速Ｖ＝２３０ｍ／ｓ風車ケーシング内断面積は１．３^２＊３．１４＝４．５２ｍ^２風車出力の風速は毎秒として計算する。風量（ｍ^３／ｓ）／ケーシング内断面積（ｍ）＝１１／４．５２＝２５４ｍ／ｓ約風速は約２３０ｍ／ｓとした。ρ：１気圧２０℃の空気の密度１．２１（ｋｇ／ｍ^３）風車羽根の枚数は１２８枚であるがノズルとの迎え角を１２０°とすると風力をｓｉｎ３０°＝１／２羽根枚数を１２８枚の２分の１、羽根の枚数は６４枚となる。
風車が１秒間に回転する数：２５回／ｓ
πＲ：風車羽根の総面積＝０．０６＊１．２＊６４＊２５＝１１５．２（ｍ^２）
ここで風車のパワーを求めてみると、
各項の値は次の値を用いる
ρπＲＶ：Ａ＝１．２１＊１１５．２（ｍ^３）＊２３０（ｍ／ｓ）＝３２０６０．２ｍ^３／ｓ
空気密度：ρ＝１．２１（ｋｇ／ｍ^３）
風車半径：Ｒ＝１．２（ｍ）
風車羽根の面積／ｓ＝０．０６＊１．２＊６４＊２５＝１１５．２ｍ^２／ｓ
風流速：Ｖ＝２３０（ｍ／ｓ）
風車効率：η＝０．３３

風車出力＝８４７，９９１＊０．３３＝２７９，８３７（ｋＷ）効率１００％

風力発電工程▲４▼風力発電の発電機１機当たりの出力を求めると、風車パワーとシャフトと一体となった発電機の出力は機械効率を減じることで発電出力となるので、次のようになる。発電機効率を（１－０．０５）とすると風車出力の９５％が発電機出力となる。本考案による風力発電装置の発電出力は次のようになる。
発電機出力＝風車出力＊発電機効率＝２７９，８３７＊０．９５＝２６５，８４５（ｋＷ）発電所内需要電力率を５％とする。
送電端出力＝発電機出力＊発電所内需要電力率＝２６５，８４５＊０．９５＝２５２，５５４（ｋＷ）
（ｋＷ）発電機１機当たりの出力：約２５０，０００（ｋＷ）となる。

（１）現在稼働中の自然風力発電機の出力と本考案の風力発電とのデータを整合し換算して出力を比較した。
機種：ＳＵＢＡＲＵ８０／２．０（富士重工業株式会社製）
性能試験の仕様データ
ロータ直径：８０ｍ
受風面積：５０２４ｍ^２
定格風速：１３ｍ／ｓのときの発電出力２，０００ｋＷ
定格回転速度：１７．７ｍｉｎ
自然風力発電の出力を本考案の送風機軸流ブロワーを使って発電した出力と比較したとき、次のようになった。
本考案の風車受風面積／仕様データの受風面積＝１０８／５０２４
＝０．０２１５
本考案の風速の３乗／仕様データの風速の３乗＝（２３０^３／１３^３）
＝５５３８
以上のデータより稼動中の風力発電の出力電力の換算値を求めた。
データの風力発電出力＊面積比＊風速の３乗比／回転角＊発電効率
＝２０００＊０．０２１５＊５５３８／０．２９２＊０．３３
＝２６９，１２４（ｋＷ）
現在運転中の自然風力発電の出力の換算値が２６９，１２４ｋＷである。また本考案の風力発電の出力電力が２６５，８４５ｋＷであった。両発電機の電力差は３，２８０ｋＷで－１．２％あった。

送風機の軸流ブロワーの性能を確かめるために、異なる分野の航空機のジェットエンジンの空気流量と推力について性能を比較した。
（１）Ｂ２１１ターボファンエンジン、イギリス・ロールスロイス社製、ロッキードＬ－１０１１トライスター旅客機用に開発したターボファンエンジンＲＢ２１１モデルー２２Ｂの空気流量は６２６ｋｇ／ｓ、離昇推力・・・１８６．６ｋＮ，エンジン直径・・・２．１５４ｍ
本考案使用の軸流ブロワーの空気流量は１３３１ｋｇ／ｓ、推定推力・・・３３８ｋＮである。
ＲＢ２１１－２２Ｂターボファンエンジンの約２倍のパワーがある。

（２）ＧＥ９０ターボファンエンジンゼネラル・エレクトリック社製、ターボフアンエンジンー７６Ｂ
推力・・・３３９．６ｋＮ
エンジン直径・・・３．４０４ｍ
空気流量・・・１３６１．０ｋｇ／ｓ
なお、ＧＥ９０の最新モデル１１５Ｂは２００１年に推力５１１．６ｋＮの世界記録を出した世界で最も強力なジェットエンジンである。
世界で最大級のジェットエンジンの空気流量と本考案使用の軸流ブロワーの空気流量は軸流ブロワー１３３１ｋｇ／ｓを比較すると、３０ｋｇ／ｓ程度の差はあるが同程度の出力が得られる。

（３）本考案が使用している図―１▲２▼軸流ブロワーが造る１秒間の空気流量は、造風量＊空気密度＝１１００ｍ^３／ｓ＊１．２１ｋｇ／ｍ^３＝１３３１ｋｇ／ｓとなる。

航空機のジェットエンジンの空気流量は航空機本体を離昇推進力になるパワーを出力する。そのパワーは本発明の軸流ブロワーが造る空気流量＝造風量＊空気密度と同じパワーとなるので航空機の離昇推進力と同じパワーと考える。

（１）日本全国で必要電力の出力値は約１億ｋＷといわれている。本考案では１機当たり２５万ｋＷの出力であるので４００機あれば需用量を満たすことになる。発電所の設備費は本考案の風力発電装置の施設では誘導電動機付き軸流ブロワーと風車と一体化した風力発電機が主なもので、現在稼働中の火力発電所ではタービン発電機の他にボイラー、過熱機、復水器や燃料、原子力発電所の加圧水型では加圧機、蒸気発生器、復水器、沸騰水形では再循環器、復水器、給水ポンプなどの付属施設が必要になり、建設用地の大きさも大きく、本発明のシステムは格段に安くなる。したがって、将来は需要家の電気料金も現在から比較すれば大幅に低減される。

（２）本考案の目標はクリーンで変動の無い安定した大きな電力を発電することである。水力発電と風力発電から二酸化炭素の排出は零に近く、蒸気による発電ではないので冷却水による高温水を海洋投棄がない。このことにより脱炭素が実現し、地球温暖化阻止の風力発電装置となる。

（３）本考案の風力発電装置の設備を建物内に収容すれば施設内で管理運営ができるため、自然風力発電のように発電機の周辺への低周波被害や自然環境への影響はまったく無くなる。

１自然流水
２導水路：自然流水を上水槽に導く導水管
３上部水槽：サージタンクを併設し、水圧を調整する上水槽
４水圧管：管内に水が充満されて水面と放水面により圧力を発生させる水圧管
５水車：放水圧を受けて水車出力を発生させる水車
６水車にパワーを与えた後の放流水
７シャフト：水車のパワーを発電機に伝える連結シャフト
８発電機：水力発電装置
９送電線：発電された電気を送る送電回路
１０送風機：風速流を発生させる装置で軸流ブロワー
１１空気流
１２吸い込み口：軸流ブロワーの空気吸込み
１３動翼：軸流ブロワーの吸気用の羽根で動翼
１４ボス：軸流ブロワーの羽根などを取付ける中心となるボス
１５静翼：軸流ブロワーの圧力を調整する羽根で静翼
１６ケーシング：軸流ブロワーの金属製外枠
１７駆動軸継手：軸流ブロワーと駆動用電動機を連結する軸継手
１８誘導電動機：軸流ブロワーを駆動する誘導電動機
１９吐出口：軸流ブロワーから風速流を送風口
２０送風管：軸流ブロワ－から送風された風速流を風車に送る送風管
２１ノズル：風車の羽根に風速流を送り込む送風ノズル
２２ケーシング：風車の内部を保護する金属製の外枠
２３風車羽根
２４シャフト：風車と発電機を結ぶ連結シャフト
２５取り付けリング：風車羽根取付け用の金属リング
２６発電機ロータ
２７風力発電機
２８送電線：風力発電機が発電した電力を送る送電線

Claims

水力発電の電力を使って、送風機の軸流ブロワーの電動機を駆働し、高速空気流を取り出す送風機構と、この高速空気流を金属製のケーシングに囲まれた風車に吹き込み、風車を回転させる風車機構と、一本のシャフト上に連結された風車と発電機ロータによる、発電機構を実行することで、変動の無い、大きな電力を発電する風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置であって、送風機構の送風機の軸流ブロワーのケーシングは金属製で、円筒Ｌ型であり、送風作用を行なう羽根は動翼と静翼があり、それぞれアルミ合金、ステンレス鋼、チタン合金でつくられ、羽根の動翼は空気を吸い込むと同時に送り出し作用があり、静翼は圧力を調整する役割があり、軸流ブロワーから発生する空気流は一定方向の流れで、毎秒２３０ｍ／ｓ以上の高速空気流を発生することを特徴とする送風機構であり、この高速空気流を風車と発電機ローターに用いた風力発電装置。
請求項２に記載の風力発電装置であって、風車機構と発電機構は送風機構の軸流ブロワーから送風された高速空気流により、風車回転軸の羽根取り付けリングに風車羽根を取り付けた風車を複数段設け、空気流力を風車羽根に伝え、風車軸トルクが最大となるように風車羽根の角度を調整し、風車と発電機ロータを一本のシャフトに直結し、それぞれのケーシング内に配置し、軸流ブロワーから高速空気流をノズルから風車に吹き込み、ケーシングに囲まれた空間を通過するときに高速空気流の力を風車に伝え、風車と発電機ロータを同時に回転させ、クリーンで変動のない大きな電力を発電することを特徴とする風力発電装置。