JPWO2006064719A1 - 電気エネルギー発生システム - Google Patents

Abstract

発生装置の設置はもちろん、その稼動においても自然環境の破壊や環境汚染も起こさない電気エネルギー発生装置を提供する。風力発電機を電源とした水電気分解機を設け、水電気分解機に接続して、水槽を備えた水素燃焼炉を設け、水素燃焼炉に接続して、タービンを備えた発電機を設け、水電気分解機により分解された水素と酸素を水素燃焼炉へ送り、水素燃焼炉において水素を燃焼させ、水素が燃焼する熱により水素燃焼炉の水槽内の水を加熱して水蒸気を発生させ、水蒸気を発電機へ送り、発電機においてタービンの回転翼を回転させて発電する。

Description

本発明は、風力発電機を電源として、水を電気分解し、水素を取り出し、当該水素を燃焼させてその熱により水を加熱して水蒸気を発生させ、この水蒸気によりタービンの回転翼を回転させて発電する、自然環境を汚さない、低価格で電気エネルギーを発生させるシステムに関するものである。

個人の生活や企業の活動において電力は、不可欠であり、その需要も年々伸び、なくてはならない社会基盤のひとつである。そして、従来、水力発電、火力発電など各種の発生装置が採用され、夫々休むことなく盛んに稼動している。
しかしながら、水力発電所であるダム建設による自然破壊、また火力発電所の稼働における窒素酸化物の排出による環境汚染や、また二酸化炭素の大量排出による地球温暖化による環境破壊やその悪化が懸念され、社会問題ともなっている。そして、経済発展と環境破壊のバランスが問い直されている今日において、少しでも環境破壊を抑制する設備や装置があれば、それらは望まれるものである。
その一方で、必要以上にコストがかかると製造する意味が無くなり、コストは出来るだけ抑制することが望まれる。

そこで本発明は、風力発電機を主な電源として、この装置の設置はもちろん、その稼動においても自然環境の破壊や環境汚染も起こさない、低価格な電気エネルギー発生システムを提供して上記課題を解決することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の発明に係る電気エネルギー発生システムは、風力発電機と、該風力発電機を電源とした水電気分解機を設け、該水電気分解機に接続して、水槽を備えた水素燃焼炉を設け、該水素燃焼炉に接続して、タービンを備えた発電機を設け、前記水電気分解機により分解された水素と酸素を前記水素燃焼炉へ送り、該水素燃焼炉において前記水素を燃焼させ、前記水素が燃焼する熱により前記水素燃焼炉の水槽内の水を加熱して水蒸気を発生させ、該水蒸気を前記発電機へ送り、前記発電機において前記タービンの回転翼を回転させて発電することを特徴とする。
また、本発明の上記目的は、前記電気エネルギー発生システムにおいて、前記タービンの回転翼を回転させることによって液化した水を、再度前記水素燃焼炉へ送り、前記水素燃焼炉において繰り返し使用することによって効果的に達成される。
上記課題を解決するための第２の発明に係る電気エネルギー発生システムは、風力発電機と、該風力発電機を電源とした水電気分解機と、燃焼室、ピストン及び点火手段を有する水素エンジンと、前記水電気分解機によって作られた水素−酸素混合ガスを所定量及び所定のタイミングで前記水素エンジンの前記燃焼室に送り込む水素−酸素混合ガス送出手段と、水を加熱して水蒸気にして、所定量及び前記水素−酸素混合ガスと同じタイミングで前記水素エンジンの前記燃焼室に送り込む加熱水蒸気発生／送出手段と、駆動シャフトを回転させることによって発電を行う発電機とを具備し、前記水素エンジンは、前記点火手段により前記水素−酸素混合ガスを爆発燃焼させ、発生した熱によって前記水蒸気を加熱膨張させて前記ピストンを作動させ、それによって得られた回転運動により前記発電機の駆動シャフトを回転させて発電することを特徴とする。

図１は本発明に係る電気エネルギー発生システムの第１の発明の実施例を示す系統図である。
図２は本発明に係る電気エネルギー発生システムの第２の発明の実施例を示す系統図である。

上記課題を解決するための第１の発明は、風力発電機と、該風力発電機を電源とした水電気分解機を設け、該水電気分解機に接続して、水槽を備えた水素燃焼炉を設け、該水素燃焼炉に接続して、タービンを備えた発電機を設け、前記水電気分解機により分解された水素と酸素を前記水素燃焼炉へ送り、前記水素燃焼炉において水素を燃焼させ、該水素が燃焼する熱により前記水素燃焼炉の水槽内の水を加熱して水蒸気を発生させ、該水蒸気を前記発電機へ送り、前記発電機において前記タービンの回転翼を回転させて発電するものである。
さらに、前記タービンの回転翼を回転させることによって液化した水を再度前記水素燃焼炉へ送り、前記水素燃焼炉において繰り返し使用するようにしている。

以下、この第１の発明の実施例を図１に基づいて説明する。
図１は、この第１の発明の実施例の電気エネルギー発生システムＡ（以下、単に「発生システムＡ」という）を示す。この発生システムＡは，風力発電機１、水電気分解機２、水素燃焼炉３、及び発電機４から成り、夫々管や配線によって接続されている。風力発電機１は、胴体１ａに回動自在に軸支された軸部から成り、軸部は内筒と外筒の二重構造と成っており、夫々にプロペラ１ｂが設けられて、発電効率を高めるために、外筒に設けられたセグメント磁石と内筒の電機子の双方が相互に逆方向に回転するようになっている（図示省略）。
この風力発電機１からは、配線１ｃが伸ばされてバッテリー６、インバータ５を介して水電気分解機２へと繋がっており、この風力発電機１により発電された電力は、コンバータ等（図示省略）を通じて一旦バッテリー６に充電され、その後インバータ５を介して直流から交流に変換されて水電気分解機２へと送られている。
水電気分解機２は、一般に市販されているものを使用している（例えば、イタリア国ＩＬＴ社の「ピエール（登録商標）」シリーズなど）。この水電気分解機２には、三つの管が繋がっており、その中の一つは電気分解する水をこの水電気分解機に給水している給水パイプである（図示省略）。また残りの二つは、この水電気分解機２から出て水素燃焼炉３へと繋がっており、この水電気分解機２において、電気分解により発生した水素ガス（Ｈ_２）と酸素ガス（Ｏ_２）を夫々水素燃焼炉３へと送っている。さらに酸素ガス（Ｏ_２）を送る管２ｂには、途中から空気を送る管が接続されており（図示省略）、ここで供給される空気の量により、水素燃焼炉３における水素ガス（Ｈ_２）の燃焼温度を調整している。
水素燃焼炉３は、内側の燃焼炉３ａの部分の周りに水槽３ｂが設けられており、この水槽３ｂの中には、水が充填され、燃焼炉３ａの側面に沿って沢山の管３ｃが上下方向に設けられている。これらの管３ｃの上部は、水素燃焼炉３の上面から夫々外部へ突出して環状の管３ｄに夫々連絡され、この環状の管３ｄは、一側から伸びて発電機４へと繋がっており、途中に調整弁３ｆを設けている。さらに水槽３ｂ内の管３ｃの下部は、水槽３ｂの中で切断されて夫々開口しており、水槽３ｂ内の水が管３ｃ内に流入するようになっている。またこの水素燃焼炉３の上面からは、燃焼炉３ａ内で水素ガス（Ｈ_２）が酸素ガス（Ｏ_２）により燃焼した際のガスや水を排気する排出管３ｅが設けられている。
発電機４は、５０ＫＷ型で、扁平な長方形状の箱体から成り、この箱体の一側面には長手方向に四つのタービンを並設しており、各タービンの回転翼４ａ部分の上下に、水素燃焼炉３から伸ばされた管３ｄを這わせている。またこの発電機４は、別途設けられた統合制御監視装置７によって制御・監視されている。
さらにこの発電機４の下方には、水槽８を設けており、この水槽８内に上記発電機４の各タービンの回転翼４ａの上下の部分を通った管３ｄの出口が取り付けられている。そして、この水槽８内において、発電機４の各タービンの回転翼４ａを回転させて温度が下がり液化した水を溜めている。この水槽８内から管８ａを水素燃焼炉３に向けて設けて、この水槽８内の水を水素燃焼炉３の水槽３ｂ内へと送り、再度水蒸気発生用の水として使用している。この様に水素燃焼炉３の水槽３ｂ内及び水槽８内の水を循環させて繰り返し使用している。またこの循環させる水は、水槽８に別設の補助タンク（図示省略）から、適宜補給される。
次に、この様な発生システムＡにより発電する手順を説明する。
風力発電機１により、発電された交流電流をここでは、コンバータ（図示省略）により、直流電流に変えてバッテリー６に充電し、バッテリー６に充電された直流電流をインバータ５により交流の毎時３Ｖ・５００アンペアに変換して水電気分解機２に送る。これにより水電気分解機２が作動し、水の電気分解を行い、これにより発生した理論体積比２：１の水素ガス（Ｈ_２）と酸素ガス（Ｏ_２）を夫々別の管２ａ、２ｂによって水素燃焼炉３へと送る。
水素燃焼炉３の内側の燃焼炉３ａへと運ばれた水素ガス（Ｈ_２）と酸素ガス（Ｏ_２）及び空気は、混合されて混合気体と成る。この混合気体は点火されて当該混合気体中の水素ガス（Ｈ_２）が酸素ガス（Ｏ_２）により燃焼する。これらの作用が連続して行われることにより、水素燃焼炉３の燃焼炉３ａの外側の水槽３ｂの管３ｃを過熱して管３ｃ内部の水を気化させて水蒸気とし、管３ｃ、３ｄ内を急速に移動してこの水蒸気の水蒸気圧力により、発電機４のタービンの回転翼４ａを回転させて発電する。
この時、水蒸気の流れは、上記管３ｄ内に設けられた調整弁３ｆにより、適切な流量に調整されている。また上記管３ｄは、各回転翼４ａの上部を通過した後、折り返して各回転翼４ａの下部を通過して各回転翼４ａの上下の二箇所に水蒸気を当てて回転力を増している。
この発生システムＡによる発電量は、１台５０ＫＷの発生システムＡをいくつ設置するかによって発生出力は決定される。例えば、５０ＫＷ×２台ならば、１００ＫＷとなり、５０ＫＷ×４台ならば、２００ＫＷとなり、５０ＫＷ×１０台ならば、５００ＫＷとなる。
上記実施例においては、風力発電機１の軸部が内筒と外筒の二重構造とし、外筒に設けられたセグメント磁石と内筒の電機子の双方が相互に逆方向に回転するようにしているが、風力発電機１は、これらの構成に限定されるものではない。また水電気分解機２として、イタリア国ＩＬＴ社のピエールシリーズを紹介しているが、水電気分解機２は、これに限定されるものではない。
また水電気分解機２の電源として上記風力発電機１を使用しているが、風力が全くない状態が続いた場合、補助的に商用電源９を使用するようにしてもよい。この商用電源９から電源を取る場合、コンバータ等（図示省略）を介してバッテリー６へ充電し、このバッテリー６から水電気分解機２へ供給する。
さらに発電機４として、箱体の一側面に長手方向に四つのタービンを設け、各タービンの回転翼４ａ部分の上下に、水素燃焼炉３から伸ばされた管３ｄを這わせて各回転翼４ａを回転させているが、発電機４としては、これらの構成のものに限定されるものではなく、さらに発生システムＡとして５０ＫＷ型のものを使用し、発電出力の計算において、５０ＫＷ型のものを基準に計算しているが、発生システムＡとしては、５０ＫＷ型のものに限定されるものではない。また各タービンの回転翼４ａ部分の上下に、水素燃焼炉３から伸ばされた管３ｄを這わせているが、各タービンの回転をより安定したものにするために、水素燃焼炉３から伸ばされた管３ｄを一定の部分で分岐させて各タービンの回転翼４ａの上部に至る四本の管を設け、直接水蒸気を各タービンの回転翼４ａの上部に送るようにしても良い。
上記第１の発明によれば、この電気エネルギー発生システムから得られる電力の電気特性として、常時、目標とする１００ＫＷ〜５００ＫＷまでの電力を得ることが出来る。
またシステムの稼動に際して、二酸化炭素はもとより、窒素酸化物などの有害物質を一切発生させず、自然環境の破壊や環境を汚染することが全く無いクリーンなエネルギーの生産が出来る。
さらに電気エネルギー発生システムとして、分散して設置できるので、電力を必要とする箇所に直接的に設置して配電可能である。また反応させる水素と酸素の原料が水であり、クリーンで地球上には常に存在し、入手も容易であるので、この電気エネルギー発生システムの使用を促進するものである。
また、水電気分解機の電源として風力発電機を使用するので、商用の電源と比べ、環境破壊や汚染を起こす可能性がなく、また、自然界にある風力により発電するので、この部分での費用を大きく抑えることが出来、さらに使用を促進するものである。また、前記タービンの回転翼を回転させることによって液化した水を、再度前記水素燃焼炉へ送り、該水素燃焼炉において繰り返し使用することにより、このシステムは、さらに経済的なものとなる。
上記課題を解決するための第２の発明は、第１の発明における水素燃焼炉の代わりに、水素エンジンを使用し、エンジンの回転力によって発電機の駆動シャフトを直接回転させて発電するようにしたものである。
燃料源となる水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体を燃焼室に送り込み、それに点火して爆発させることにより、ピストンを作動させるタイプの水素エンジンが知られている。水素２容量と酸素１容量との混合ガスを爆鳴気といい、点火されて爆発すると水蒸気となり多量の熱を発生する。計算によると、１モル（約２２．４リットル）の水素が燃焼して１モルの水蒸気が生成する場合、５８．３ｋｃａｌの熱を発生して、温度は４７１０℃に、圧力は１２気圧に達する。従って、燃焼室の耐熱強度及び耐圧強度の観点から見ると、水素と酸素の混合ガスの燃焼のみによってピストンを作動させることは好ましくない。
これに対して、本願の発明者は、水素と酸素の混合ガスの爆発によって発生する熱を利用して、他のガスを加熱して膨張させ、その圧力でピストンを作動させれば、水素−酸素混合ガスの消費量は少なく抑えられることに着目した。
この第２の発明は、水素−酸素混合ガスを起爆剤として、その燃焼によって生じた熱で水蒸気−空気混合ガスを加熱して膨張させ、その圧力でピストンを作動させるようにした水素エンジンを利用した電気エネルギー発生システムに関するものである。以下、本発明の好ましい実施の形態について図２を参照しつつ詳細に説明する。
（実施例）
図２は第２の発明に係る電気エネルギー発生システムの実施形態を示す系統図である。水の電気分解機２は、水を電気分解して水素と酸素の混合ガスを生成するものであり、公知の電気分解機（例えば、国際公開ＷＯ２００２／０９０６２１号パンフレット参照。）を利用することが可能である。バッテリー６は電気分解のための電源として使用される。
水素−酸素混合ガス送出手段１０は所定量の混合ガスを所定のタイミングで水素エンジン３の燃焼室内に送り込む働きをするものである。
加熱水蒸気発生／送出手段１１は水を瞬間的に２５０〜３００℃の水蒸気にして、空気取り入れ口１２から取り入れた空気と混合させ、所定の量を所定のタイミングで水素エンジン３の燃焼室に送り込む働きをするものである。加熱した水蒸気−空気混合ガスを燃焼室に送り込むタイミングは、前記水素−酸素混合ガスを燃焼室に送り込むタイミングと同じである。加熱水蒸気発生／送出手段１１の内部には金属板からなるヒータが設けられており、これに水が触れると瞬間的に水蒸気が発生するようになっている。
水素エンジン３は燃焼室のほかに、ピストン、点火手段（電気プラグ）、及びピストンに連結されたクランク機構を備えている（いずれも図示せず）。なお、水素エンジン３は従来のガソリンエンジンの構造と同じであり、そのまま流用することが可能である。
以上の構成において、燃焼室内に導入された水素−酸素混合ガスと加熱水蒸気−空気混合ガスに対して、点火手段により点火を行うと、水素−酸素混合ガスが爆発的に燃焼し、高熱を発する。この熱によって加熱水蒸気−空気混合ガスがさらに熱せられて体積が爆発的に膨張し、ピストンを下に下げ、クランク機構によって回転運動を得る。ピストンが最下点まで達すると燃焼室内の排気が始まり、排気が終わると再び水素−酸素混合ガスと加熱水蒸気−空気混合ガスが送りこまれる。その後は上記の繰り返しになる。
上記水素エンジンによって得られた回転運動は発電機４の駆動シャフトに伝えられ、駆動シャフトが回転駆動され、電気エネルギーが発生する。本実施例における発電機４の発電能力は１００ＫＷである。
なお、水の電気分解機２で使用される電力の供給については第１の発明と同じであるので説明は省略したが、さらに、ソーラーパネル１３による太陽光発電によって得られた電力を使用してもよい。
また、図２に示すようにブースター１４を設けることにより、発電した電気を昇圧して利用することができる。
上記第２の発明によれば、水素−酸素混合ガスに加えて加熱水蒸気−空気混合ガスの膨張圧力も利用するので、水素の消費量が少なくて済むという効果がある。また、水素−酸素混合ガスのみを使用する場合と比較して、燃焼室内の温度を低く抑えることができるので、水素エンジンの耐熱性設計上有利となる。

Claims (5)

1. 風力発電機と、該風力発電機を電源とした水電気分解機を設け、該水電気分解機に接続して、水槽を備えた水素燃焼炉を設け、該水素燃焼炉に接続して、タービンを備えた発電機を設け、
   前記水電気分解機により分解された水素と酸素を前記水素燃焼炉へ送り、該水素燃焼炉において前記水素を燃焼させ、前記水素が燃焼する熱により前記水素燃焼炉の水槽内の水を加熱して水蒸気を発生させ、該水蒸気を前記発電機へ送り、前記発電機において前記タービンの回転翼を回転させて発電することを特徴とする、電気エネルギー発生システム。
2. 前記タービンの回転翼を回転させることにより液化した水を再度前記水素燃焼炉へ送り、前記水素燃焼炉において繰り返し使用することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電気エネルギー発生システム。
3. 風力発電機と、該風力発電機を電源とした水電気分解機と、燃焼室、ピストン及び点火手段を有する水素エンジンと、前記水電気分解機によって作られた水素−酸素混合ガスを所定量及び所定のタイミングで前記水素エンジンの前記燃焼室に送り込む水素−酸素混合ガス送出手段と、水を加熱して水蒸気にして、所定量及び前記水素−酸素混合ガスと同じタイミングで前記水素エンジンの前記燃焼室に送り込む加熱水蒸気発生／送出手段と、駆動シャフトを回転させることによって発電を行う発電機とを具備し、
   前記水素エンジンは、前記点火手段により前記水素−酸素混合ガスを爆発燃焼させ、発生した熱によって前記水蒸気を加熱膨張させて前記ピストンを作動させ、それによって得られた回転運動により前記発電機の駆動シャフトを回転させて発電することを特徴とする電気エネルギー発生システム。
4. 前記加熱水蒸気発生／送出手段は、前記水蒸気に空気を混合させて、前記燃焼室に送出することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の電気エネルギー発生システム。
5. さらに太陽光発電手段を備え、前記水電気分解機の補助電源としたことを特徴とする請求の範囲第３項または４項に記載の電気エネルギー発生システム。

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