JP5816899B2

JP5816899B2 - 循環式太陽熱発電装置

Info

Publication number: JP5816899B2
Application number: JP2013030534A
Authority: JP
Inventors: 慎一池見
Original assignee: 池見愼一
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: JP2014159903A

Description

本発明は、作動媒体が循環する循環式太陽熱発電装置において、太陽熱、ヒーター５０、冷却装置の凝縮器２２、補助凝縮器２５で発生する熱で発生する上昇気流及び下降気流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換して、回転エネルギーを電気エネルギーに変換して発電し、かつ、高温となった作動媒体を冷却箱２の放熱板、冷却装置の気化器２７及び放熱管９で冷却することにより、作動媒体が循環式太陽熱発電装置内を循環して発電する循環式太陽熱発電装置に関するものである。

従来上昇気流を利用して、発電する方式として、図１７に記載されるソーラーアップドラフトタワー方式の発電装置がある。

図１７において、ソーラーアップドラフトタワーはコレクタ部４０、煙突部４１、風力発電機４２で構成されている。コレクタ部４０は地面をガラスや透明プラスチックなどの天蓋で覆った温室状の設備で構成され、コレクタ部４０で太陽熱エネルギーを蓄積して空気を暖め、煙突部４１はコレクタ部４０で発生した暖かい空気を集めて上昇気流を発生させ、コレクタ部４０、煙突部４１の内部を上昇する気流で地上に設置されている風力発電機４２を駆動させて発電させている。

米国特許ＵＳ４，２７５，３０９１９８１年６月２３日

しかしながら、ソーラーアップドラフトタワー方式の発電装置の風力発電機４２は地上に設置されているので、風力発電機４２を回転させるエネルギーを得るために、上昇気流の多大な運動エネルギーを必要とし、かつ、風力発電機４２が地上に設置されているために地上で発生する上昇気流のエネルギーを１００％利用することができなく、数十％しか利用できない欠点があった。
また、煙突の高さが低い場合、煙突の頂上での外気温度が煙突内の温度との差が小さいために、煙突内の上昇気流の運動エネルギーが小さいので、大きな発電量が得られない欠点があった。
また、コレクタ部４０の敷地面積が少ないとコレクタ部４０で発生する上昇気流の発生量が少ないので、風力発電機４２を駆動するエネルギーが小さいので、発電量が少ない欠点があった。

したがって、煙突の頂上での外気温度と煙突内の温度との差を大きくして、上昇気流の多大な運動エネルギーを得るためには、煙突を数百ｍ以上の高さにしなければならない欠点があった。
また、風力発電機４２は地上に、かつ、コレクタ部４０に設置し、かつ、常に上昇気流が発生しているので、風力発電機４２のメンテナンス時の対策として、上昇気流を防ぐための装置に多大の費用が発生する欠点があった。

また、地上に設置されている風力発電機４２の回転エネルギーを得るためのコレクタ部４０の敷地面積は膨大な敷地面積が必要で、かつ、平坦でなければならない。平坦でない場合は気流が滞留して上昇気流のエネルギーが十分に得られない欠点があった。

したがって、高い煙突、広大な敷地のコレクタ部４０のため、自然災害特に地震、暴風雨等に弱く、日照時間が短い場所には設置できない欠点があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、数百ｍの煙突がなくても、大きな発電量が得られ、自然災害にも強く、かつ、昼夜、晴雨、日照時間に関係なく発電することができる小型化、低コストの発電装置ができることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、太陽熱で発生する上昇気流と同時に上昇気流が発生することにより下降気流が発生して、作動媒体が装置内を循環し、かつ、太陽熱以外に冷却装置の凝縮器２２、補助凝縮器２５で発生する熱と、ヒーター５０による熱で上昇気流を発生させて、上昇気流のエネルギーを得ることを特徴とする。

また、作動媒体が循環式太陽熱発電装置内を循環して、発電するために、上昇気流を発生させる蓄熱箱１と、上昇気流のエネルギーを回転エネルギーに変換する回転管３と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機４と、高温の作動媒体の熱を、循環式太陽熱発電装置外へ放熱する冷却箱を構成している放熱板と複数の放熱管９と作動媒体自体を冷却する気化器を内蔵する冷却箱２と、冷却された作動媒体が下降気流となり、蓄熱箱１へ送風する送風箱５で構成されたことを特徴とする。

また、本発明では、蓄熱箱１で上昇気流が発生すると同時に、送風箱５においても、上昇気流により下降気流が発生して、冷却箱２、回転管３および蓄熱箱１から作動媒体を吸引して作動媒体が蓄熱箱１、回転管３、冷却箱２、送風箱５、蓄熱箱１と循環することを特徴とする。

また、本発明では、上昇気流の運動エネルギーを１００％回転エネルギーに変換するために、回転管３を蓄熱箱１の天井に設け、かつ、回転管３を冷却箱２側の冷却用通風口１１に嵌着し、かつ、回転管３に流入する上昇気流の速度が蓄熱箱１の下部での上昇速度よりも大きくするために、蓄熱箱１の任意の高さから天井に向けて狭まめることを特徴とする。

また、回転管３内の温度および気圧が蓄熱箱１内の気圧、温度及び冷却箱２内の温度、気圧よりも高くするために、回転管３の体積を蓄熱箱１の体積よりも小さくしたことにより、蓄熱箱１の上昇気流の運動エネルギーで回転管３内で断熱圧縮を発生させることを特徴とする。

複数個のＬ字型ノズル３１より噴射される作動媒体の速度が、回転管３に流入する作動媒体の流入速度よりも大きくするために、複数個のＬ字型ノズル３１噴射口の総断面積を回転管３の断面積よりも小さくすることを特徴とする。

したがって、冷却箱２の温度と回転管３の温度との差、かつ、冷却箱２の気圧と回転管３の気圧の差により、複数個のＬ字型ノズル３１から噴射された作動媒体が冷却箱２内で断熱膨張より、作動媒体の熱を放熱して、作動媒体自体の温度を下げることを特徴とする。

また、本発明では、冷却箱２に流入した高温の作動媒体が断熱膨張で作動媒体の熱を冷却箱２に放熱し、放熱された熱を循環式太陽熱発電装置外に放熱するために、循環式太陽熱発電装置外の空気を送風機１０で放熱管９に送風して、放熱管９に流入した外気が熱を吸収して、循環式太陽熱発電装置外に放出する放熱管９を設けたことを特徴とする。

また、本発明では、電動機２０、コンプレッサー２１、凝縮器２２、補助電動機２３、補助コンプレッサー２４、補助凝縮器２５、キャピラリーチューブ２６、気化器２７、サクションパイプ２８で構成された冷却装置を循環式太陽熱発電装置内に設けたことを特徴とする。

また、凝縮器２２で液化した冷媒を凝縮器２２から数ｍ以上の高さに設けられているキャピラリーチューブ２６への搬出を補助する補助電動機２３、補助コンプレッサー２４、補助凝縮器２５を設けたことを特徴とする

また、本発明では、冷却装置の凝縮器２２、補助凝縮器２５で発生する熱を蓄熱箱１に放熱して上昇気流を発生させることを特徴とする。

また、冷却装置のキャピラリーチューブ２６および気化器２７を冷却箱２に設けることにより、液化した冷媒が気化器２７内で気化するときに、冷却箱２内の熱を吸収して、冷却箱２内の温度を下げると同時に、作動媒体を冷却することを特徴とする。

また、本発明では、複数個のヒーター５０を蓄熱箱１に、温度検出器５１を蓄熱箱１の天井に設け、制御装置５２を循環式太陽熱装置外に設けたことを特徴とする。

また、蓄熱箱１の天井の温度を測定し、温度検出器５１で測定された温度が設定範囲以下の場合はヒーター５０の電源を制御装置５２でＯＮに、また、設定範囲以上の場合はヒーター５０の電源を制御装置５２でＯＦＦにして、蓄熱箱１での上昇気流の温度を常に設定範囲内に保つことにより、設定範囲内の発電量を得ることを特徴とする。

以上述べたように、循環式太陽熱発電装置は外気温度、昼夜、季節及び晴雨に関係なく、発電することができることを特徴とする。

太陽熱及び冷却装置の凝縮器２２、補助凝縮器２５で発生する熱およびヒーター５０による発熱で、循環式太陽熱発電装置内で上昇気流、下降気流が発生し、上昇気流、下降気流の運動エネルギーを回転エネルギー、電気エネルギーに変換して発電することにより、昼夜、晴雨、季節、外気温に関係なく定常的に設定範囲内の発電量を得るができる。

また、化石燃料を燃やすこともないので、炭酸ガスを発生することなく、燃料コストを零にすることができるので、発電コストを大幅に低減することができる。

また、電動機２０、補助電動機２３及びヒーター５０で使用する電気は循環式太陽熱発電装置で発電された電気を利用することができるので、外部から電気を供給することもない。
したがって、循環式太陽熱発電装置は初期投資、メンテナンス費用以外に費用がかからない。

循環式太陽熱発電装置は上昇気流、下降気流を利用して、発電装置を製作するので、広大な敷地、高い煙突も必要としないので、建設コストが安くすることができ、かつ、循環式太陽熱発電装置を小型化できる。

請求項１３に記載された循環式太陽熱発電装置の全体構成の正面から見た断面図請求項１３に記載された循環式太陽熱発電装置の全体構成の側面から見た断面図（ａ）：蓄熱箱１の透視図（ｂ）：蓄熱箱１の正面から見た断面図（ｃ）：蓄熱箱１の側面から見たＡＡの断面図（ａ）：冷却箱２の透視図（ｂ）：冷却箱２の床側から見た平面図（ａ）：送風箱５の透視図（ｂ）：送風箱５の側面から見たＢＢの断面図請求項１に記載された循環式太陽熱発電装置の正面から見た断面図請求項１に記載された循環式太陽熱発電装置の側面からみた断面図回転管３の断面図図８のＣＣから見た回転管３の断面図Ｌ字型ノズル３１の断面図請求項７における循環式太陽熱発電装置の正面から見た断面図請求項７における循環式太陽熱発電装置の側面から見た断面図図１２のＤＤから見た循環式太陽熱発電機４の断面図冷却装置の基本構成図請求項８における循環式太陽熱発電装置の正面から見た断面図請求項８における循環式太陽熱発電装置の側面から見た断面図従来のアップドラフトタワーの発電装置の構成図

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施例について、図面を参照しながら説明する。図１、２が循環式太陽熱発電装置の最終の全体図であるが、機器構成の説明の関係から、最後に説明する。

図３は蓄熱箱１の説明図である。（ａ）は透視図である。（ｂ）は正面図である。（ｃ）はＡＡから見た断面図である。

図４は冷却箱２の説明図である。（ａ）は冷却箱２の透視図である。（ｂ）は冷却箱２の底側から見た平面図である。

図５は送風箱５の説明図で、ａは送風箱５の透視図である。（ｂ）はＢＢから見た断面図である。

図６は請求項１に記載されている循環式太陽熱発電装置の説明図で、正面から見た断面図である。蓄熱箱１の天井に冷却箱２を固着する。また、蓄熱箱１側の冷却用通風口１１と冷却箱２側の冷却用通風口１１を一致させて固着する。冷却箱２側の冷却用通風口１１に回転管３を嵌着する。回転管３の蓋３２の中心位置に発電機４の軸を固着する。

また、送風箱５は冷却箱２側の冷却用通風口１１と送風箱５側の冷却用通風口１１とを一致させて、冷却箱２の床に固着し、蓄熱箱１側の蓄熱用通風口１３と送風箱５側の蓄熱用通風口１３を一致させて、蓄熱箱１に固着する。

また、冷却箱２側の冷却用通風口１１に回転管３を嵌着し、回転管３の蓋３２の中心位置に発電機４の軸を固着する。

図７は請求項１に記載されている循環式太陽熱発電装置の説明図で、側面から見た断面図である。

図８は回転管３の断面図である。回転管３は円筒管３０と複数のＬ字型ノズル３１で構成する。円筒管３０に複数個の流出口を設け、複数個の流出口の各にＬ字型ノズル３１を固着する。また、円筒管３０の一方に蓋３２をして閉じ、他方を開放にする。円筒管３０の開放口を蓄熱箱側に、円筒管３０の蓋を冷却箱２側にする。Ｌ字型ノズル３１の噴射方向は流出口の接線方向とし、複数個のＬ字型ノズル３１の噴射方向（時計方向又は半時計方向）はすべて同一方向に円筒管３０に固着する。

図９は図８におけるＣＣから見た平面図である。

図１０はＬ字型ノズル３１の断面図である。

図１１は請求項７に記載された循環式太陽熱発電装置の説明図である。図６に記載された循環式太陽熱発電装置において、複数個の放熱管９を回転管３の周囲に配置して冷却箱２に固着する（図１３参照）。また、放熱管９の一方に循環式太陽熱発電装置外の外気温を放熱管９に送風する送風機１０を設け、放熱管９は冷却箱２の側壁を横に貫通して、回転管３から離れた位置で垂直に曲げて、冷却箱２の天井を貫通して、放熱管９に吸収された熱を循環式太陽熱発電装置外に排出する。

図１２は請求項７に記載されている循環式太陽熱発電装置の説明図で、側面から
見た断面図である。

図１３は図１２におけるＤＤから見た平面図である

図１４は冷却装置の説明図である。電動機２０にコンプレッサー２１を接続して、コンプレッサー２１に凝縮器２２を接続する。コンプレッサー２１にサクションパイプ２８より冷媒を吸入するための吸気弁を、コンプレッサー２１から凝縮器２２に冷媒を排出する排気弁を設ける。

補助電動機２３に補助コンプレッサー２４を接続して、補助コンプレッサー２４に補助凝縮器２５を接続する。補助コンプレッサー２４に凝縮器２２より液化した冷媒を吸入するための吸気弁を、補助コンプレッサー２４から液化した冷媒を補助凝縮器２５に排出する排気弁を設ける。

補助凝縮器２５にキャピラリーチューブ２６を接続し、キャピラリーチューブ２６に気化器２７を接続し、サクションパイプを気化器２７に接続して、サクションパイプ２８をコンプレッサー２１の吸気弁に接続する。

補助凝縮器２５は蓄熱箱１の天井及び冷却箱２の床を貫通して、キャピラーチューブ２６に結合し、気化器２７は送風用通風口１２を通過して、サクションパイプ２８に結合し、サクションパイプ２８は蓄熱用通風口１３を通過して、コンプレッサー２２の吸気弁に結合する。

図１５は請求項８に記載された循環式太陽熱発電装置の説明図である。図１１の循環式太陽熱発電装置内に冷却装置を内蔵する。電動機２０、コンプレッサー２１、凝縮器２２、補助電動機２３，補助コンプレッサー２４、補助凝縮器２５を蓄熱箱１に設け、キャピラリーチューブ２６と気化器２７を冷却箱２に設け、サクションパイプ２８を送風箱５に設ける。

図１６は請求項８に記載されている循環式太陽熱発電装置の説明図で、側面から見た断面図である。

また、補助電動機２３、補助凝縮器２５は凝縮器２２とキャピラリーチューブ２６の中間位置に設ける。かつ、補助凝縮器２５の体積は凝縮器２２の体積よりも小さくする。

図１は請求項１３に記載された循環式太陽熱発電装置の説明図である。図１５および図１６に記載された循環式太陽熱発電装置において、温度測定器を蓄熱箱１の天井に設け、かつ、複数個のヒーター５０を蓄熱箱１の下部に設ける。循環式太陽熱発電装置外に制御装置５２を設ける。温度検出器５１は制御装置５２に接続し、複数個のヒーター５０は制御装置５２に接続して、蓄熱箱１の温度を制御する。

図２は請求項１３に記載されている循環式太陽熱発電装置の説明図で、側面から見た断面図である。

１蓄熱箱
２冷却箱
３回転管
４発電機
５送風箱
９放熱管
１０送風機
１１冷却用通風口
１２送風用通風口
１３蓄熱用通風口
１４遮蔽板
２０電動機
２１コンプレッサー
２２凝縮器
２３補助電動機
２４補助コンプレッサー
２５補助凝縮器
２６キャピラリーチューブ
２７気化器
２８サクションパイプ
３０円筒管
３１Ｌ字型ノズル
３２蓋
４０コレクタ部
４１煙突部
４２風力発電機
５０ヒーター
５１温度検出器
５２制御装置

Claims

循環式太陽熱発電装置は蓄熱箱、回転管、発電機、冷却箱、送風箱で基本構成し、前記蓄熱箱の南面はガラス、透明プラステック等の透明板で、かつ、南に向き、他の面は断熱板で構成し、前記蓄熱箱の天井に円形形状の冷却用通風口、前記蓄熱箱の北面の下部に蓄熱用通風口を設け、前記冷却箱は床以外の面は放熱板で、前記冷却箱の床は断熱板で構成し、太陽が当たる前記放熱板から任意の距離の離れた位置に太陽熱を遮蔽する遮蔽板を設け、前記冷却箱の床に円形形状の前記冷却用通風口、及び送風用通風口を設け、前記送風箱の天井は前記冷却箱の床に固着し、前記送風箱の南面は前記蓄熱箱の後面に固着し、前記送風箱の天井に前記送風用通風口、前記送風箱の南面の下部に前記蓄熱用通風口を設け、前記冷却用通風口は前記蓄熱箱と前記冷却箱間を連通し、前記送風用通風口は前記冷却箱と前記送風箱間を連通し、前記蓄熱用通風口は前記送風箱と前記蓄熱箱間を連通し、前記冷却箱に回転管と発電機を内蔵し、前記回転管は前記冷却箱側の前記冷却用通風口に嵌着し、前記回転管は円筒管と複数個のＬ字型ノズルで構成し、前記円筒管の一方を開放にし、他方は蓋をし、前記蓋の中心位置に前記発電機を固着し、前記円筒管の開放にした面を前記蓄熱箱側に、前記蓋をした面を前記冷却箱の天井側にし、前記円筒管の側面に複数個の吹出口を設け、前記吹出口の各に前記Ｌ字型ノズルを固着し、前記Ｌ字型ノズルの流入口から流入した作動媒体は任意の位置で直角に曲がって噴射口から噴射し、上記に記載された前記蓄熱箱と、前記円筒管と前記複数個のＬ字型ノズルで構成される前記回転管と、前記発電機と、前記冷却箱と、前記送風箱で構成され、作動媒体が前記蓄熱箱、前記回転管、前記冷却箱、前記送風箱、前記蓄熱箱と循環することを特徴とする循環式太陽熱発電装置
前記蓄熱箱において、任意の高さ位置から天井に向かって狭めていくことにより、前記蓄熱箱の天井での作動媒体の上昇速度が前記蓄熱箱の下部での上昇速度よりも大きくなることを特徴とする請求項１に記載された循環式太陽熱発電装置。
前記円筒管の体積を前記蓄熱箱の体積よりも小さくしたことにより、前記回転管に流入する作動媒体の速度が蓄熱箱の天井での上昇速度よりも大きくなることを特徴とする請求項２に記載された循環式太陽熱発電装置。
前記円筒管に固着している複数個のＬ字型ノズル噴射口の総断面積が前記円筒管の断面積よりも小さくしたことにより、個々のＬ字型ノズルから流出する作動媒体の速度が前記円筒管へ流入する作動媒体の速度よりも大きくすることを特徴とする請求項３に記載された循環式太陽熱発電装置。
前記円筒管に流入した上昇気流の作動媒体が、前記個々のＬ字型ノズルから噴射される作動媒体は前記円筒管の円周方向で、かつ、同一方向（時計方向又は半時計方向のいずれかの方向）に噴射されることにより、前記回転管を回転させて、前記回転管が回転することにより前記発電機を駆動させて発電することを特徴とする請求項４に記載された循環式太陽熱発電装置。
前記円筒管を前記冷却箱側に前記冷却通風口に嵌着し、前記円筒管に前記複数個のＬ字型ノズルを固着して、前記蓄熱箱の上昇気流を前記円筒管に流入させて、前記複数個のＬ字型ノズルから作動媒体を噴射することにより、上昇気流の運動エネルギーを１００％回転エネルギー、電気エネルギーに変換することを特徴とする請求項５に記載された循環式太陽熱発電装置
前記回転管の周囲に複数個の放熱管を配置し、前記放熱管の一方から送風機で前記放熱管の管内に循環式太陽熱発電装置外の外気を送風し、前記冷却箱の熱を前記放熱管が吸収して、前記放熱管内の熱を他方の開放口から循環式太陽熱発電装置外へ排出することにより、前記冷却箱内を冷却することを特徴とする請求項６に記載された循環式太陽熱発電装置。
電動機、コンプレッサー、凝縮器、補助電動機、補助コンプレッサー、補助凝縮器、キャピラリーチューブ、気化器、サクションパイプで構成される冷却装置において、前記電動機、前記コンプレッサー、前記凝縮器、前記補助電動機、前記補助コンプレッサー、前記凝縮器を前記蓄熱箱に、前記キャピラリーチューブ、前記気化器を前記冷却箱に、前記サクションパイプを前記送風箱に内蔵し、冷却用冷媒（以下冷媒と略す）を前記コンプレッサー、前記凝縮器、前記補助コンプレッサー、前記補助凝縮器、前記キャピラリーチューブ、前記気化器、前記サクションパイプ、前記コンプレッサーと循環させることを特徴とする請求項７に記載された循環式太陽熱発電装置
前記凝縮器と前記キャピラリーチューブ間の任意の位置に、補助電動機、補助コンプレッサー、補助凝縮器を設け、かつ、前記補助凝縮器の体積は前記凝縮器よりも小さくすることで、前記凝縮器で液化した冷媒を前記補助コンプレッサーで前記補助凝縮器に搬出して、補助凝縮器内の冷媒に加圧することにより、数ｍ以上の高さに設けられている前記キャピラリーチューブに搬出することを特徴とする請求項８に記載された循環式太陽熱発電装置。
前記電動機で前記コンプレッサー内の冷媒を圧縮して、高温、高圧にし、前記凝縮器において、冷媒の熱を前記蓄熱箱に放熱して、冷媒を液化し、前記補助電動機で前記補助コンプレッサー内の液化した冷媒を再度高温、高圧にし、前記補助凝縮器で高温、高圧の液化した冷媒の熱を前記蓄熱箱に放熱することにより、太陽熱が得られない場合でも、上昇気流を発生させて、前記回転管を回転させて、発電することを特徴とする請求項９に記載された循環式太陽熱発電装置。
前記キャピラリーチューブ、前記気化器を前記冷却箱内に内蔵し、液化した冷媒が気化するとき、前記冷却箱の熱を吸収することにより、前記冷却箱の前記放熱板及び、前記放熱管で循環式太陽熱発電装置外に放熱できない熱を前記気化器で吸収して、冷却箱を冷却することを特徴とする請求項１０に記載された循環式太陽熱発電装置
前記冷却箱において、前記気化器で前記冷却箱の温度を吸収して、前記冷却箱を冷却することにより、前記冷却箱内の温度および気圧と、前記回転管内の温度と気圧の差を大きくすることにより、前記複数個のＬ字型ノズルから噴射するエネルギーは前記冷却箱と前記回転管の温度差及び気圧差に比例した高エネルギーを得ることにより、前記回転管の回転エネルギーを得て、発電エネルギーを得ることを特徴とする請求項１１に記載された循環式太陽熱発電装置。
前記蓄熱箱の天井に天井の温度を測定する温度測定器と、前記蓄熱箱内に熱を発生させる複数個のヒーターを設け、前記蓄熱箱の天井の温度測定により複数個のヒーターの電源をＯＮ／ＯＦＦする制御装置を設けることにより、昼夜、晴雨、日照時間、季節に関係なく発電することができることを特徴とする請求項１２に記載された循環式太陽熱発電装置。