JP4766317B2 - ハイブリッド型風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、工場などから排出される排気ガスに含まれる残留エネルギーと、自然風の風力エネルギーとの両方を利用して発電を行うハイブリッド型風力発電装置に関する。

工場には、溶鉱炉、熱処理炉、ボイラーなどの多種類の工業加熱炉が設けられている。この種の工業加熱炉に導入される空気等の加熱には石油系燃料を炉内に吹き込んで燃焼させるのが最も設備コストを低減できるため、一般的となっている。近年の燃料コストの高騰のため、工業加熱炉の排気ガスにより工業加熱炉に導入する空気を間接加熱して予熱したり、溶鉱炉から排出される高温高圧の排気ガスにより排気タービン付き発電機を用いて発電したりする省エネルギー技術が知られている。

下記の特許文献１は、主として速度エネルギーであるビル排出空気の残留エネルギーを発電回収する排気空気発電装置を提案している。
特開昭６４ー８７８７８号公報

上記特許文献１に記載されるビルの排出空気を利用する発電装置では、排出空気の静圧増大が困難であるため、主としてその速度エネルギーを利用して発電を行うことになるが、そのためには高速の排出空気を大量に翼車に流入させる必要があり、排出空気流量が少ない場合や排出停止時には発電を停止せざるを得なかった。

その他の排気ガスエネルギー回収技術として、排気ガスをタービン内にて断熱膨脹させて発電を行う排気タービン付き発電機が溶鉱炉の炉頂発電として知られている。しかし、一般の工業加熱炉の排気ガスの圧力はほとんど大気圧であるため、既述したように断熱膨脹効果を利用することができず、排気ガスの残留エネルギーを回収するとしてもほとんどその排出速度エネルギーだけしか回収することができず、そのうえ工業加熱炉の操業停止時にはこの発電設備の運転を行うことができず、総コストに反映される運転時間が短縮されるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、排気ガスや排出空気の残留エネルギーと自然風のエネルギーとの両方を比較的コンパクトな装置で効率よく回収可能なハイブリッド型風力発電装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明のハイブリッド型風力発電装置は、排出空気又は排気ガスを建物外部に導く排気ダクトと、翼車部とこの翼車部に連結された発電機部とを有して前記排気ダクトの出口部に所定間隔を隔てて配設されるとともに前記出口部から外気に排出される前記排気ガスにより駆動されて発電する風力発電機とを備え、前記風力発電機は、自然風により駆動可能な位置に配置されて自然風及び排気ガス風の両方により発電を行うことを特徴としている。

すなわち、この発明のハイブリッド型風力発電装置は、風力発電機の翼車部に高速で排出される建物の排出空気や加熱炉の排気ガスにより駆動されるとともに、この風力発電機の翼車部に自然風を直接導入することにより自然風により翼車部を直接駆動するので、風力発電機を排気ガス（排出空気を含む）のエネルギーと自然風のエネルギーの両方により駆動することができるため、単一の装置で出力増大を図ることができる。

更に、風力発電機に自然風を直接導入するため種々風向きが変わる自然風を導入して常に風力発電機の翼車部に導入する自然風案内ダクト構造を必要とせず、構造が簡単であり設置スペースを縮小できる利点もある。

本発明において、前記風力発電機の翼車部は、縦型風車からなる。縦型風車には特別の自然風案内機構を必要とすることなく水平面内における全方向から自然風を導入することができる。更に、縦型風車の翼車部に対して所定方向から排気ガス風を導入する排気ダクトの出口部は、この翼車部に対して自然風の導入の障害となりにくいため、自然風による風力発電効果がプロペラ型風車に比べて向上する。

自然風の流れ方向は種々変化する。このため、プロペラ型風車においては、翼車部を水平面ないにて自然風の風向に正向させるため、それを水平回動する必要があり、その結果として、プロペラ型風車の水平回転軸が、排気ダクトの出口部に対して好ましくない向きとなるという問題を生じる。また、プロペラ型風車では、その上流側に排気ダクトの出口部を設けることにより自然風をプロペラ型風車に導入するのが阻害されるという問題がある。これに対して公知の種々の縦型風車では、プロペラ型風車のように回動する水平回転軸をもたず、全方向からの自然風により駆動可能であるため、排気ダクトの出口部からの排気ガス風と、自然風との両方をより簡単に利用して発電を行うことができる。

風力発電機の近くに工場建屋などが存在すると、特別の自然風案内風路を構成しない限り、その風下側では風力発電機への自然風の導入が阻害される場合がある。このため、縦型風車及び排気ダクトの出口部を工場建屋の屋上部に配置することが好適であるが、工場建屋の側方にたとえば所定距離離して配置してもよい。

本発明では、前記排気ダクトの出口部を前記翼車部の回転軸を中心として前記翼車部からみて自然風の風下側に回動させるダクト出口回動機構を設ける。縦型風車の翼車部には元々自然風により駆動されない部分をもつため、この部分に排気ガス風を導入することにより、自然風による縦型風車の駆動を阻害することなく、排気ガス風により縦型風車を駆動することができる。更に説明すると、縦型風車では、その翼車旋回領域のうち、自然風により回転する翼車部の旋回方向が自然風の風向きと略同じとなる半分（以下、同一向き翼車旋回領域と称する）が、主として翼車部を旋回させるトルクを発生する。このことは、縦型風車の翼車旋回領域のうち、自然風により回転する翼車部の旋回方向が自然風の風向きと略逆となる半分（逆向き翼車旋回領域）に、自然風の風向きと逆方向に排気ガス風を導入すれば、排気ガス風の方向と翼車旋回方向とが一致するため高効率にて排気ガス風と自然風とを利用できることを意味する。

更に、翼車部から自然風の風上側に排出された前記排気ガスを自然風の風下側に導く案内ダクトを設けても良い。このようにすれば、この案内ダクトの出口側に作用する自然風のエゼクタ効果も利用することができる。すなわち、翼車部から自然風の上流側に出た排気ガス風が自然風により逆向きに圧迫されるのを抑止するために、翼車部から出た排気ガス風をたとえば水平面内にて少なくとも９０度方向変換して自然風に向けて排出する排気ガス風案内機構を設けてもよい。

以下、本発明の好適な実施形態を図面を参照して具体的に説明する。ただし、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、他の公知構成要素等を用いて本発明を実施しても良いことは当然である。

（実施形態１）
実施形態１のハイブリッド型風力発電装置を図１、図２を参照して説明する。図１はその模式側面図、図２はその装置の模式平面図である。

１は縦型風車型の風力発電機の翼車部、２は工場建屋、３は工場建屋２の屋上に設けられた工業加熱炉（図示せず）の排気ダクトの出口部である。

風力発電機の発電機部は工場建屋２の屋根面４下に格納されており、図１では図示省略されている。排気ダクトの出口部３は、図２に示すように、縦型の翼車部１の外周部に排気ガス風を吹き付ける配置となっており、これにより翼車部１は、その回転軸５を中心として回転する。また、自然風も縦型風車を回転させる。重要なことは、排気ダクトの出口部３が翼車部１に近接配置されているにもかかわらず、自然風の風向が変化しても自然風は良好に翼車部１を回転させることである。

たとえば、自然風が風向きＡをもつ場合を考える。上から見た翼車部１の円形の翼車旋回領域６のうちの半分を占める正向き翼車旋回領域７には、排気ダクトの出口部３により増速された自然風が導入されることになる。すなわち、排気ダクトの出口部３は、翼車部１へ導入される自然風の増速効果とともに、この増速風を主として正向き翼車旋回領域７のみに導入し、この増速風を逆向き翼車旋回領域８には導入しない効果を有する。自然風の風向きＢにおいては上記効果は更に顕著であり、自然風が逆向き翼車旋回領域８に流入するのを阻害し、正向き翼車自然風を旋回領域７に案内する。自然風の風向きＣ、Ｄにおいては、翼車部１の上流側に排気ダクトの出口部３が位置しないため、上記効果はほとんど期待できないものの、排気ダクトの出口部３が自然風の翼車部１への導入を阻害することもない。

（実施形態２）
実施形態２のハイブリッド型風力発電装置を図３、図４を参照して説明する。図３はその模式側面図、図４はその装置の模式平面図である。

この実施形態は、図１に示す実施形態において、排気ダクトの出口部３を工場建屋２の屋根面４から上方へ突出させたものであり、排気ガス風は、排気ダクト内を上昇した後、排気ダクトの出口部３内に設けられた風向き変換用の案内翼９により水平方向に方向変換されて縦型風車の翼車部１の外周部に導入される。なお、この実施形態では、排気ダクトの出口部３の先端は翼車部１の外周面に沿いつつ湾曲しており、これにより、排気ダクトの出口部３と翼車部１との間の間隙距離を減らして排気ガス風の速度低下を抑制している。

（実施形態３）
実施形態３のハイブリッド型風力発電装置を図５、図６を参照して説明する。図５はその模式側面図、図６はその装置の模式平面図である。

この実施形態は、図１に示す実施形態において、排気ダクトの出口部３１、３２を翼車部１の回転軸５を中心として回転対称位置（１８０度回転対称位置）に一対設けたものであり、両排気ダクトの出口部３は、それぞれ排気ガス風を翼車部１に向けて排出している。このようにすれば、翼車部１に生じる回転トルクバランスを改善することができ、翼車部１の潤滑部の耐久性を改善することができる。更に、既述した排気ダクトの出口部３による自然風増速効果を更に向上できることも理解されるであろう。なお、出口部を更に多数配置することも可能であり、この場合にもそれらを回転対称配置することが好適である。

（実施形態４）
実施形態４のハイブリッド型風力発電装置を図７、図８を参照して説明する。図７はその模式側面図、図８はその装置の模式平面図である。

この実施形態は、図５、図６に示す実施形態において、排気ダクトの出口部３１、３２を翼車部１の回転軸５を中心として回転対称位置（１８０度回転対称位置）に一対設ける代わりに、これら出口部３１、３２を回転軸５を中心線として線対称位置に配置し、排気ガス風を同一方向へ吹き出すようにしたものである。ただし、排気ガス風は翼車部１の外周部に吹き込まれる。このようにすれば、回転トルクバランスを改善することができる。なお、図７では、出口部３１の図示を省略している。

（実施形態５）
実施形態５のハイブリッド型風力発電装置を図９、図１０を参照して説明する。図９はその模式側面図、図１０はその装置の模式平面図である。
この実施形態は、図１、図２に示す実施形態において、翼車部１の外周部に排気ガス風を吹き出すように排気ダクトの出口部３を設ける代わりに、排気ガス風を翼車部１の回転軸５近傍すなわち図１０における左右方向中央部に吹き出すように出口部３を配置したものである。このようにすれば、図１１に示すように翼車部１の各翼部のうち、トルクを最も大きく稼げる回転位置の翼部沿って排気ガス風を流すことができるため、トルクを向上することができる。なお、図１１において、二重同心円で囲まれたリング状の領域は翼車部１の翼部が旋回する領域であり、内側の円の内側はこれら翼部を機械支持する支持部が旋回する領域である。図１１において、F1、F2は翼車部１の翼部１０に生じる力、T1、T2はこの力F1、F2のうちのトルク成分である。なお、図１１における翼部１０の形状は一例でありその適宜変更が可能であること、及び翼形変更によりその揚力や抗力が変化することは当然である。

（変形態様）
なお、上記実施形態では、翼車部１を工場建屋２上に配置したが、工場建屋２の外壁から所定距離離せば、工場建屋２の横に配置してもよい。

本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態１を示す模式側面図である。 本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態１を示す模式平面図である。 本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態２を示す模式側面図である。 本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態２を示す模式平面図である。 本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態３を示す模式側面図である。 本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態３を示す模式平面図である。 本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態４を示す模式側面図である。 本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態４を示す模式平面図である。 本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態５を示す模式側面図である。 本発明のハイブリッド型風力発電装置の実施形態５を示す模式平面図である。 実施形態５における翼車部のうち、最も大きなトルクを生じる翼部におけるトルク発生状態を示す説明図である。

符号の説明

１ 縦型風車型の風力発電機の翼車部
２ 工場建屋
３ 排気ダクトの出口部
４ 工場建屋の屋根面
５ 翼車部の回転軸
６ 翼車部の翼車旋回領域
７ 半円形の正向き翼車旋回領域
８ 半円系の逆向き翼車旋回領域
９ 風向き変換用の案内翼
３１、３２ 排気ダクトの出口部

Claims (2)

1. 排出空気又は排気ガスを建物外部に導く排気ダクトと、
   縦型風車からなる翼車部とこの翼車部に連結された発電機部とを有して前記排気ダクトの出口部に所定間隔を隔てて配設されるとともに前記出口部から外気に排出される前記排気ガスにより駆動されて発電する風力発電機と、
   を備え、
   前記風力発電機は、
   自然風により駆動可能な位置に配置されて自然風及び排気ガス風の両方により発電を行うものであり、前記排気ダクトの出口部を前記翼車部の回転軸を中心として前記翼車部からみて自然風の風下側に回動させるダクト出口回動機構を有し、
   前記排気ダクトの出口部は、自然風により回転する翼車部の旋回方向が自然風の風向きと略逆となる半分の領域に前記排気ガス風を導入する位置にセットされることを特徴とするハイブリッド型風力発電装置。
2. 請求項１に記載のハイブリッド型風力発電装置において、
   前記風力発電機は、
   前記排気ダクトと一体的に回動し、前記翼車部から自然風の風上側に排出された前記排気ガスを少なくとも９０度方向変換して自然風の風下側に導く案内ダクトを有するハイブリッド型風力発電装置。

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