JP4870811B2 - 自動的に持続する入れ子式末広煙突により機械的エネルギーを生成する装置 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料で作製された、自動的に持続する入れ子式末広煙突により機械的エネルギーを生成する装置に関する。前記煙突の傾斜した壁は、その頂部へ向かって広がるように形成され、浮力を十分に超えた推力をもたらす内部気流を誘導し、１００ｍ／ｓ付近までタービンの速度を上昇させる。前記煙突内の気圧が低いため、前記装置全体の自己浮揚が可能となる。

地表付近の暖かい空気を煙突内に誘導して高所で排出することにより発電する原理はすでに知られており、特にスペインおよびオーストラリアで研究の対象とされてきた（「ソーラー発電塔プログラム」）。高さ１９５ｍの実験塔はマドリッドの南にあるマンサナレス（Ｍａｎｚａｎａｒｅｓ）に設置され、１９８６年〜１９８９年の間に信頼度９５％で平均電力５０ｋＷを発電した。

この場合、断面が直線状のプレストレストコンクリートの煙突内に空気を通過させ、煙突内の空気に浮力が作用して永続的に生じる気流のエネルギーの一部を、交流発電機に連結したタービンで集めるというプロセスが使用されるが、前記浮力は、煙突外部の空気とそれより暖かく軽い煙突内部の空気との間にできた密度差により生じるものである。

その数年後に続いたオーストラリアのプロジェクトでは高さ１０００ｍの塔が建設されたが、特にその高さおよび耐震要件からくる構造上の制約による技術的困難が伴い、また、かかった費用が約５〜７．５億米ドルと非常にコスト高であった。

他の同様な発明も世界中で考案されてきたが、浮力の側面を実施する態様のみにとどまっており、この作用に必要かつ十分な高さは２００メートルから１０００メートルを超えるのものと試算されているが、これらの発明はこの高さを得るために高価な構造を要するという著しい欠点を有している。

煙突を通過する暖気に働く浮力を回収する公知の技術と比べ、本発明のもたらす利点は次のとおりである。

１）傾斜した壁により高温の内部気流に作用する推力は、煙突の上方へ移動する同じ気流にかかる浮力の１０００倍を超える。その結果、当該煙突への吸気前、経路に設置されたタービンのレベルで１００ｍ／ｓを超える空気速度が得られ、これはこれまで広く実施されてきている浮力だけを使った速度約１５ｍ/ｓという実験結果をはるかに凌ぐものである。これにより、エネルギー効率は１０倍向上した。

２）前記煙突は、その形状を空中で自動的に持続するため、展開状態を保つ上でコスト高なコンクリートその他の材料の構造を必要とせず、海上（波の影響を受けないことが条件）や地震帯を含め、どこでも容易に配置できる。この優位な結果は、前記タービンにおける経路から高所の排気口まで、前記煙突内部の全レベルで気圧が永続的に低くなることによりもたらされる。前記煙突の外部の空気から前記傾斜した壁にかかるこの圧力差の結果、当該煙突内部で上方へ移動する気流による下向きの推力を補う上で十分強力な上向きの推力が、当該煙突の構造の重量に加えられる。この圧力差により、当該煙突の壁に抗して上昇する空気による下向きの推力に加わる当該煙突の重量より強力な上向きの推力が生じる。

３）前記煙突の全高度で内部全体に生じる低い空気圧は、前記経路で前記タービンを通過する気流からエネルギーを取得する結果であり、また当該煙突へ流入する空気が先細形状を有した前記吸気口を通過する際加速する結果である。

４）前記煙突は入れ子式であるため、高所でコスト高な作業をすることなく地上で組み立てられ、また地表から展開でき、特に整備または悪天候の際、地表から折り畳むことができる。

本発明は極めて軽量な煙突を有し、この煙突は、主に複合材料（繊維ガラス、炭素、または他の耐日光性材料）で構成され、空中に浮かんで数百メガワットの有用な出力を提供できる（図１および２を参照）。

これらの材料を使うと当該煙突に優れた軽量性および十分な剛性が得られ、それ自体の重量および関与する空力負荷の作用にかかわらず、その形状を維持することができる。

図１は前記煙突の本体（３）を例示しており、この本体（３）は入れ子式で、動作時に端部同士がしっかり結合される円錐台（４）から構成されている。この煙突（３）の最上位の要素は排気用そらせ板になっており、下方へ開放された半トーラス（９）として成形されている。このように、この煙突は以下で形成される。
−中心軸と比べて角度が１〜５度異なる末広セクション
−数百メートルの高さ（６）および数十メートルの直径（１３）

当該煙突の入れ子式要素には、その内部の空気より高い外部大気の圧力がかかる。図３に示すように、それらの入れ子式要素は、複合材料でできた水平方向の固定ホイール（１５）が当該入れ子式要素の頂端に設置されて補剛される。前記水平方向の固定ホイールは、自転車の車輪のようにプレストレスされて（圧縮応力をかけられて）おり、これと同じタイプで垂直方向に移動可能な１若しくはそれ以上の中間ホイール（１６）が各要素（４）の頂端セクションを強化する。これらの中間ホイールは、展開中は、当該中間ホイールを垂直方向に下方へ移動させる目的で設けられたハウジング内で垂直方向に下方へ移動し、当該煙突の折り畳み中に起こる前記入れ子式要素のインターロック中は、前記固定ホイールの下で上方へ移動する（図５を参照）。

図５に示すように、前記そらせ板排気口は、６つの垂直壁（２０）により最後の前記要素に取り付けられており、運動中の流体から当該そらせ板出力部にかかる力を当該煙突の周壁に伝達する。前記垂直壁（２０）は、６つの放射方向範囲に配置されており、負荷の損失を最小限に抑える態様で、気流の排出を誘導する。６つの内部電動シャッター（１０）は、頂部から底部へスライドして良好な気密性で各排気口を開閉する。また、当該煙突に対しその全長にわたり影響を及ぼす横風に応じて、当該煙突のヘッド位置を誘導するよう、前記６つの排気口は気流方向を調整する。

前記そらせ板排気口（９）にかかる上向きの推力を含んだ空気力学的な力（空力）の作用で、当該煙突の前記入れ子式要素には垂直方向の張力がかかり続ける。この垂直方向の張力は、当該煙突の周壁を介して持続する。図２に示すように、張力のかかっているケーブル（１４）は、当該煙突の軸に沿って垂直方向に前記最後の要素から地面まで配置してあり、ウインチ（図示せず）で地面から引張ることができる。このケーブル（１４）は、各固定ホイールのレベルに１つずつスラストカラー（つば部）を含み、それらのスラストカラーは、各ホイールに取り付けられたダイヤフラムに係合して各入れ子式要素を下方へ引張る。このケーブルは、前記展開および前記折り畳みの段階中、地面に最も近い前記要素に下向きの力をかけるよう動作可能である。

吸気口（１）は、図１に示すように、全体的に先細のセクションを有する。この吸気口は、当該煙突の軸の周りで四分円を回転して生成される、重ね合わせられた２つの３Ｄ面（１１）および（１２）により区切られている。その下方の面（１２）は、前記吸気口に入ってくる空気の推力を受けるため、中央レベルにおいて強化されている。前記吸気口からの気流は、まず当該煙突の軸へ向かって放射方向に進んだのち、当該煙突の軸と平行に上向きにシフトする。

前記上方の面（１１）は、放射状に分散され配置された６つの垂直壁により下方の面で固定されている。前記６つの垂直壁は、前記下方の面および前記上方の面をまとめて固定し、負荷の損失を最小限に抑えながら前記煙突の経路へ向かって空気を流通させるという２つの機能を有する
機械的エネルギーは、タービン（２）により収集される。このタービンは、前記吸気口（１）を前記煙突（３）本体から分離する経路のレベルで水平方向に配置され、この構成により、空気速度が最高の位置でエネルギーが収集され、出力が最大化される。

動作方法：
煙突内部の空気の動きが定常状態に到達すると、先細形状の前記吸気口内の空気の加速と、前記タービン内を前記空気が通過することにより、外部の空気と比べて前記煙突内の圧力が下がる。当該煙突内外のこの空気圧の差により、当該煙突の傾斜した壁の外周全体に上向きの推力がかかり、当該煙突は、軽い材料から成り剛性のある複合材料で作製されていることにより、上方移動が可能になる。

展開：
当該煙突の上方移動の工程は、次のとおりである。要素を互いに入れ子にした状態で、すべての要素が地上に置かれる（図５参照）。前記そらせ板を頂部に取り付けた最後の要素には、他の全要素が含まれる。図５に示したように、最上位要素である前記最後の要素は、当該装置を折り畳んだ状態ですべての要素を収納する。

前記そらせ板が頂部に取り付けられた前記最後の要素は、加熱された空気で充填され、前記加熱された空気は、動作開始時、前記スライドシャッターが高い位置で保たれ（図５）確実に密閉されているため逃げ場がない。

屋外空気と、当該最後の要素内の高温空気との密度差により、前記煙突は、熱気球状の浮力がかかって上方へ移動する。上方の要素は、十分上昇するとそれに続く下方要素の高方縁部に沿ってそれ自体を固定し（図４）、それら２つの要素の接合部は継手により封止され、前記要素がすべて上昇するまで、浮力により一度に２つずつ要素が順次上昇していく。第１の要素は前記経路のレベルに固定された状態で保たれ、これにより最重要事項である当該煙突の密閉が確実にもたらされて当該煙突内で低い空気圧が保たれ、当該煙突が確実に上昇する。

すべての前記要素が空中へと上昇すると、前記そらせ板排気口（９）下にある最後の前記入れ子式要素の前記スライドシャッター（１０）が、内部の空気を逃がすため完全に開く。当該煙突内に含まれる高温の空気（８）が当該煙突の頂部から逃げることにより、地面からの前記暖気（７）は前記煙突内を通過できるようになる。

定常状態：
地表近くの空気は、進入時の負荷損失を軽減するため６等分された放射方向範囲に分割されて前記吸気口（１）を通り抜け、垂直に上昇する方向へと放射状に移動するよう誘導される。

当該煙突の経路において前記吸気口の排出レベルで水平方向に配置されたタービン（２）が、空気により作動される。

当該煙突の排気口において、前記空気（８）は、下面の開放された半トーラスとして成形され６等分の範囲に分割された前記そらせ板に沿って流通する。この６つの範囲への分割により、空気は最低限の負荷損失で前記排気口へと方向付けられる。下方へ開放された半トーラス形の前記そらせ板（９）の形状で、空気は下向きに駆動され、これにより、当該構造全体を一体にロックするために必要な推力が得られる。

排出気流は、電動機で作動される前記スライドシャッター（１０）により、前記６つの範囲の各方向に基づいて調整される。そのため、当該煙突の高さ全体にかかる風力に合わせて補正を行うため必要な水平方向の推力を当該煙突の頂部で生成するという要求に応じ、排気口における気流方向を調整することができる。前記排出気流の方向は、地上からコンピュータにより制御される。

この装置は、当該構造の重量を増大し空気力学的な安定性を損なう氷結の危険性を避けるため、暖かい地域に設置しなければならない。

前記タービンで保たれる吸気速度および出力は、正の温度（摂氏）を維持して当該構造内部での氷結の危険性を回避するよう、制御される。

折り畳み：
整備作業を行う場合または天候が劣悪な場合は、当該煙突の軸に沿って配置した複合材料製の前記ケーブル（１４）により当該入れ子式要素（４）を地面に戻す。このケーブルは、ダイヤフラムに抗したスラストカラー状の装置で各固定ホイール（１５）に接続され、地面に最も近い前記入れ子式要素だけにけん引力を及ぼす。それより高い位置にある前記そらせ板排気口までの前記要素では、降下中、それぞれの周壁を通じたけん引力が保たれる。

各要素が地面に接触すると、装置が前記ダイヤフラムを開き、そのダイヤフラムが前記スラストカラーをリリースして、前記ケーブルが引き続き降下できるようにする。この段階で、それより高い前記要素のダイヤフラムがけん引力を受けて下方へ引張られ、それ自体の固定先であった地上の前記要素から分離する。それ以降、最後の前記要素まで同様である。

前記そらせ板排気口のレベルで空気が下方へ誘導されて折り畳み工程が常時制御され続けることにより、当該構造は、降下する間中、それにかかるけん引力が保たれる。

この段階において、当該煙突の吸気速度は前記タービンにより維持され、折り畳み動作の安全性を確実にするよう気流に必要なエネルギーが与えられる。

産業への応用：
本発明は、産業廃棄物または温室効果を一切生じることなく、完全に再生可能なエネルギー源から発電を行う。

本発明は、凍結の危険性を避けるため、特に地球の温暖地域に適用される。また、その監視と、慎重さを要する展開および折り畳みの作業とに人間が最低限介入するだけで、中断なく機能できる。

本発明は、前記吸気口の設定に必要なインフラストラクチャを備えるだけで、いかなる場所にも設置でき、前記吸気口は、半径４５〜１００メートルの円形領域を地上に要するだけである。波の影響を受けないようにすれば、海上にも設置可能である。その場合、本発明は、海水を加水分解する水素プラントに連結できる。

本発明が、例えば高さ５００ｍで前記経路半径１５ｍの煙突を備えている場合は、要求に応じて２００〜４００ＭＷを発電できる。このように、この手段では、消費レベルに合わせて発電レベルを調整して、大規模の発電を補うことが可能である。

図１は、本発明に係る装置の断面図である。 図２は、本発明に係る展開した装置の斜視図である。 図３は、本発明に係る入れ子式要素の斜視図である。 図４は、２つの入れ子式要素の接合部の詳細である。 図５は、互いを収納した３つの入れ子式要素の詳細である。 図６は、そらせ板の下方部分の上面図である。

符号の説明

各図では、番号と構成要素が以下のように対応する。
１．吸気口
２．タービン
３．末広煙突
４．複合材料で作製された厚さ０．２〜２ｃｍの入れ子式要素
５．角度１°〜５°
６．高さ２００〜１，５００ｍ
７．暖気
８．冷却された空気
９．下面が開放された半トーラス形状のそらせ板
１０．電動スライドシャッター
１１．吸気口の上方の３Ｄ面
１２．地面に固定された前記先細吸気口の下方の３Ｄ面
１３．直径１０〜５０ｍ
１４．入れ子式要素けん引用のケーブル
１５．以下の（１７）と結合される、複合材料で作製された固定ホイール
１６．複合材料で作製された中間ホイール
１７．２つの要素間の外部固定部材
１８．２つの要素間の内部固定部材
１９．入れ子式要素の高さ１０〜２０ｍ
２０．排気口の垂直壁

Claims (6)

1. 入れ子式に伸縮可能な末広形状の煙突を有し空気流から機械的エネルギーを生成する装置であって、前記装置は：
   入れ子式に重ねられた複数の円錐台形状の要素を有する煙突本体であって、
   前記煙突本体において、前記円錐台形状の各要素は：
   内部に取り込まれた暖気が上昇することによってそれぞれの要素が上方に移動し、上下方向に隣接する前記要素の端部同士が係合し、
   前記要素の上下方向に隣接する端部同士が連結し伸長することによって末広形状を有する煙突が形成され、
   各要素を入れ子式に格納することによって地面に降下する、
   煙突本体と、
   地面近傍に固定され下方から暖気を取り込み上方に移動させる、先細吸気口（１）と、
   前記先細吸気口（１）の上端部と末広形状の煙突の間部分であって前記先細吸気口から煙突へ移動する暖気の経路に配置され、取り込まれた暖気が通過することによって動作し機械的エネルギーを発生させる、タービン（２）と、
   前記末広形状の煙突（５）の上方に設置される開閉可能なスライドシャッターであって、シャッターを閉めることによって前記煙突内を上方閉塞状態に保ち、それによって前記煙突内を暖気が上昇すると前記要素のそれぞれが上方へ移動し前記煙突が伸長することを許容する、開閉可能なスライドシャッターと、
   前記スライドシャッターの上方に設けられ前記煙突から上方向へ放出された暖気を下方へ誘導するそらせ板排気口（９）であって、それによって前記煙突を上方向へ駆動しその伸長状態を維持する、そらせ板排気口（９）と、
   を有する、装置。
2. 請求項１記載の装置において、少なくとも前記煙突本体は、
   コンポジット材料、炭素、またはガラス繊維から作製されるものである。
3. 請求項１記載の装置において、前記装置は、さらに、
   地面に固定されたウインチと最上部の要素との間を前記煙突の軸に沿って縦方向に位置決めされるケーブルを有し、該ケーブルは、各要素に固定されたホイールにスラストカラーを介して連結され前記煙突の展開および折り畳みの段階の間に全体にけん引力がかかった状態を維持することで安全性を保ち、各要素を引くことによって煙突が折り畳まれる、装置。
4. 請求項１記載の装置において、この装置は、
   前記そらせ板排気口のレベルに、要求される方向に従って排出気流の運動量を増減させるための６つのスライドシャッター（１０）を
   有し、
   前記スライドシャッターにより、高さ全体にわたり風の作用に影響される前記煙突の頂部位置を地面から制御することを可能にし、前記展開の段階では、当該展開が完了するまで前記煙突の内部に高温の空気を閉じ込めるように閉じた状態で保たれる、装置。
5. 請求項１記載の装置において、この装置は円錐台（４）形状の要素から構成され、当該要素は、整備または悪天候の際、便利で安全な展開および折り畳みを確実にするため、入れ子式に互いを収納でき相互に依存し合うように保持されるものである。
6. 入れ子式に伸縮可能な末広形状の煙突を有し空気流から機械的エネルギーを生成する装置を使用する方法であって、前記方法は：
   互いに入れ子式に格納可能な複数の円錐台形状の要素を有する末広形状の煙突の上端部に設けられたスライドシャッター（１０）を閉める工程であって、それぞれの前記煙突本体を構成する要素は、前記煙突内部を上方閉塞状態に保ち暖気が通過することにより上方に移動可能である、工程と、
   地面近傍に固定された先細吸気口（１）の下方から暖気を取り込む工程であり、取り込まれた暖気を上方に移動させる、工程と、
   前記先細吸気口（１）の上端であって前記煙突への空気の経路中に配置されるタービン（２）を、前記先細吸気口（１）から取り込まれた暖気を通過させることによって動作させ機械的エネルギーを発生させる、工程と、
   前記煙突内を上方向の空気の流れによって前記入れ子式に重ねられた要素のそれぞれを上昇させ前記煙突を伸長する、工程と、
   前記スライドシャッターを開ける工程であって、前記煙突内の空気の流れを助長し暖気が上方から逃がされることを許容する、工程と、
   地面に固定されたウインチと最上部の要素との間を前記煙突の軸に沿って縦方向に位置決めされ各要素に固定されたホイールにスラストカラーを介して連結されるケーブルを引くことによって煙突を折り畳む、工程と
   を有する方法。

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