(57)【要約】【課題】都市部のように広い設置面積が確保しにくい場所でも、実用上十分な発電量が得られる太陽熱利用発電システムを提供する。【解決手段】空気が通過する中空部２２を有し、太陽光の照射により加熱された肉厚部２１によって中空部２２を通過する空気を加熱する柱状の複数の煙突２と、壁面に煙突２の中空部２２のそれぞれに連結される複数の孔３１を有し、かつ一方の開口３２より空気が流入する連結管３と、連結管３内を通過する空気流によって発電を行う発電機４とを備えている。煙突２の肉厚部２１を太陽熱で加熱することで、煙突２内部に上昇気流を発生させ、空気流入口３２から流入する空気流でタービンの羽根４１を回転させることにより発電を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱によって加熱された空気を利用して発電を行う太陽熱利用発電システムであって    、
空気が通過する中空部を有し、太陽光の照射により加熱された肉厚部によって前記中空部を通過する空気を加熱する柱状の複数の煙突と、
壁面に前記複数の煙突の中空部のそれぞれに連結される複数の孔を有し、かつ一方の開口より空気が流入する連結管と、
前記連結管内を通過する空気流によって発電を行う発電機と、を備えたことを特徴とする太陽熱利用発電システム。
【請求項２】
前記煙突の肉厚部のうち、太陽光が照射される外周面を吸熱性の高い材料で覆うことを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項３】
前記煙突の肉厚部のうち、太陽光が照射される側とは反対側の外周面を断熱性の高い材料で覆うことを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項４】
前記煙突の肉厚部の一部を蓄熱性の高い材料で構成することを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項５】
前記煙突の太陽光が照射される側とは反対側の近傍に凹面鏡を設置することを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項６】
前記発電機として、回転軸に取り付けられたタービンの羽根、および前記回転軸の回転により発電を行う発電機本体とで構成されるタービン発電機を用い、
前記連結管の一方の開口である空気流入口近傍に前記タービンの羽根を設置し、前記連結管の他方の開口に前記発電機本体を設置することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項７】
前記空気流入口と前記タービンの羽根との間に、空気流入口の口径が空気流出口の口径より小さいコーン状構造体を設置することを特徴とする、請求項６に記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項８】
前記コーン状構造体を、前記連結管の空気流の流路に沿って複数個設置することを特徴とする、請求項７に記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項９】
前記タービンの羽根を複数個備え、これら複数のタービンの羽根が前記回転軸に等間隔に取り付けられることを特徴とする、請求項６に記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項１０】
前記タービンの羽根は、空気流の上流側に配置されたものほど径方向の長さが小さいことを特徴とする、請求項９に記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項１１】
前記発電機として、長尺の圧電素子が空気流によって振動することにより発電を行う発電機を用い、
前記長尺の圧電素子を、長手方向が空気流の流路に直交する状態で設置することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の太陽熱利用発電システム。
【請求項１２】
前記圧電素子を複数個備え、これら複数の圧電素子を空気流の流路に沿って設置することを特徴とする、請求項１１に記載の太陽熱利用発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱により加熱された空気を利用して発電を行う太陽熱利用発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ２ガスの削減に代表される地球温暖化対策の一環として、自然のエネルギーを利用した発電システムへの関心が高まっている。そして、自然エネルギーの利用として、ソーラーパネルを用いた太陽光発電と並んで、太陽熱発電および風力発電が注目されている。しかし風力発電については、整った風が一定速度以上で定常的に吹くという限られた風況の地域において、大型の風車が導入されるに留まっている。
【０００３】
一方、太陽熱および風力を利用した発電システムとして、１９８０年代の初めに、「ソーラーチムニー」と呼ばれる太陽熱を利用して強制的に風力発電を行うシステムが提案されている（非特許文献１参照）。図６にソーラーチムニーの概略の構成を示す。
【０００４】
ソーラーチムニー１０は、空気層Ａを介して地表面１５上を覆う円形の透明カバー１１と、透明カバー１１の中心部に接続された煙突１２とで構成されている。そして煙突１２の入口付近にはタービンの羽根１３が配置され、地上にはタービンの羽根１３の回転によって発電を行う発電機１４が設置されている。
【０００５】
太陽光により地表面１５が暖められ、その熱が熱伝導や放射によって透明カバー１１の下の空気層Ａに伝わる。加熱されて軽くなった空気層Ａが、透明カバー１１の中央部に設けられた煙突１２内を上昇し、その際の上昇気流によってタービンの羽根１３が回転し、発電が行われる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】R. Richards: Electrical Review, Vol.210, No.15, April, 1982, pp.26-27
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したソーラーチムニー１０は、消耗部品がほとんどなく、しかも一旦設置すれば永続的に発電を行える利点がある、その反面、実用上十分な発電量を得るためには、受熱部である透明カバー１１の直径を２００ｍ程度、煙突１２の高さを１００ｍ以上とする必要がある。しかし、このような広い設置面積を必要とする発電システムは、土地が狭小である都市部においては実用的ではない。
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、都市部のように広い設置面積を確保しにくい場所でも、実用上十分な発電量が得られる太陽熱利用発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明にかかる太陽熱利用発電システムは、太陽熱によって加熱された空気を利用して発電を行う太陽熱利用発電システムであって、
空気が通過する中空部を有し、太陽光の照射により加熱された肉厚部によって前記中空部を通過する空気を加熱する柱状の複数の煙突と、
壁面に前記複数の煙突の中空部のそれぞれに連結される複数の孔を有し、かつ一方の開口より空気が流入する連結管と、
前記連結管内を通過する空気流によって発電を行う発電機と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記煙突の肉厚部のうち、太陽光が照射される外周面を吸熱性の高い材料で覆ってもよい。また前記煙突の肉厚部のうち、太陽光が照射される側とは反対側の外周面を断熱性の高い材料で覆ってもよい。また前記煙突の肉厚部の一部を蓄熱性の高い材料で構成してもよい。また前記煙突の太陽光が照射される側とは反対側の近傍に凹面鏡を設置してもよい。
【００１１】
本発明にかかる太陽熱利用発電システムにおいて、前記発電機として、回転軸に取り付けられたタービンの羽根、および前記回転軸の回転により発電を行う発電機本体とで構成されるタービン発電機を用い、前記連結管の一方の開口である空気流入口近傍に前記タービンの羽根を設置し、前記連結管の他方の開口に前記発電機本体を設置することが好ましい。
【００１２】
ここで、前記空気流入口と前記タービンの羽根との間に、空気流入口の口径が空気流出口の口径より小さいコーン状構造体を設置してもよい。また前記コーン状構造体を、前記連結管の空気流の流路に沿って複数個設置してもよい。また前記タービンの羽根を複数個備え、これら複数のタービンの羽根が前記回転軸に等間隔に取り付けられていてもよい。また前記タービンの羽根は、空気流の上流側に配置されたものほど径方向の長さが小さいものであってもよい。
【００１３】
本発明にかかる太陽熱利用発電システムにおいて、前記発電機として、長尺の圧電素子が空気流によって振動することにより発電を行う発電機を用い、前記長尺の圧電素子を、長手方向が空気流の流路に直交する状態で設置してもよい。その場合、前記圧電素子を複数個備え、これら複数の圧電素子を空気流の流路に沿って設置してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる太陽熱利用発電システムは、煙突自体を太陽熱で加熱することで煙突内部に上昇気流を発生させているため、前述のソーラーチムニーのような広い面積の受熱部を必要としない。結果として、都市部などの狭小地の戸建の住宅や、集合住宅、事務所ビルといった建物の壁面に沿って配置できるような、コンパクトな発電システムを実現できるため、風況に制限されることなく自然エネルギーの活用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる太陽熱利用発電システムの構成を示す断面図である。
【図２】吸熱性および蓄熱性を向上させた煙突の断面図である。
【図３】空気流の利用効率を高める方法を採用した連結管の空気流入口付近の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に用いる発電機の全体構成を示す図である。
【図５】図４の圧電素子の使用状態を示す斜視図である。
【図６】従来の太陽熱利用発電システムであるソーラーチムニーの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態にかかる太陽熱利用発電システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１にかかる太陽熱利用発電システム（以降「発電システム」と略す）の構成を示す。発電システム１は、複数の柱状の煙突２と、壁面に煙突２の中空部のそれぞれに連結される複数の孔を有する連結管３と、連結管３内の空気流によって発電を行うタービン発電機４とで構成されている。
【００１８】
煙突２は、肉厚部２１と中心に形成された中空部２２とで構成され、肉厚部２１によって温められた空気が中空部２２を通って上部から外気に放出される。複数の煙突２は鉛直方向を向き、かつ所定の間隔を隔てて直線状に一列に並べられ、ビルディング等の南や東南を向いた壁５に金具等を用いて設置される。煙突２の上部には、雨水の流入を防ぐためカバー等（図示せず）が設置されるが、温められた空気流が上昇していくのを阻害しないように開放状態とするのが好ましい。
【００１９】
連結管３の管壁には複数の孔３１が形成され、孔３１は、それぞれ煙突２の中空部２２に連結されている。また連結管３の一方の開口には空気流入口３２が設けられ、他方の開口３３は発電機４２で閉じられている。空気流入口３２は、先端に向かって口径が狭くなる円錐台形状に加工されている。
【００２０】
タービン発電機４は、連結管３の空気流入口３２の近傍に配置されたタービンの羽根４１と、連結管３の他方の開口３３に設置された発電機本体４２と、タービンの羽根４１の回転を発電機本体４２に伝達する回転軸４３で構成されている。図示しないが、回転軸４３は、軸受を介して複数の箇所で連結管３の内壁に固定されている。
【００２１】
次に、発電システム１の動作を説明する。煙突２の肉厚部２１の外周面に太陽光が照射されることにより、肉厚部２１に太陽熱が蓄積される。煙突２の中空部２２を通過する空気は、熱伝導および放射により肉厚部２１に蓄積された太陽熱によって暖められ、中空部２２を上昇する。
【００２２】
煙突２内に上昇気流ができると、連結管３の孔３１付近の気圧が低下し、連結管３の空気流入口３２から空気が流れ込んで空気流が生成される。煙突２一本当たりの上昇気流はそれ程強いものではないが、煙突の数が多いことからそれぞれの煙突による気圧低下が合計されて、連結管３の空気流入路３２付近では気圧が相当下がり、高速の空気流となる。連結管３の空気流入口３２の近傍に設置されたタービンの羽根４１は、この空気流によって回転し、発電機本体４２で発電が行われる。
【００２３】
上述したように、本実施の形態にかかる発電システム１は、煙突自体を太陽熱で加熱することで煙突内部に上昇気流を発生させ、結果として、設置面積が小さいコンパクトな発電システムを実現できる。従って、この発電システム１を、都市部などの狭小地の戸建の住宅や、集合住宅、事務所ビルといった建物の壁面に沿って配置すれば、土地が狭小な都市部でも十分設置が可能となる。
【００２４】
例えば、本実施の形態にかかる発電システム１を、高さが５０ｍ以上のビルの南面に設置し、かつ煙突を窓の位置を外すように配置すれば、採光を妨げることもなく、ビルの高さを利用して高性能の発電システムを実現できる。
【００２５】
次に、タービン発電機４の発電量を増やす方法について説明する、発電機４の発電量を増やす方法として、煙突２における空気の加熱効率を高めてより強い上昇気流を生成する方法と、連結管３内に生成される空気流の利用効率を高める方法がある。最初に、煙突２における空気の加熱効率を高める方法について説明する。
【００２６】
煙突２には銅管を含む金属管を使用することも可能であるが、入手が容易で価格面でも優れていることから、塩化ビニル製の管を用いることが好ましい。そして塩化ビニル管の吸熱性および蓄熱性を向上させるため、すなわち煙突２における空気の加熱効率を高めるために、数々の対策が施される。図２に、煙突２の肉厚部２１の吸熱性および蓄熱性を向上させた煙突の断面を示す。
【００２７】
図２（ａ）は、肉厚部２1の外周面のうち太陽光が照射される面に黒色の塗料２３を塗布したものである。肉厚部２１の外周面を、吸熱性の高い材料である黒色の塗料で覆うことによって、煙突２の吸熱性を高めることができる。
【００２８】
図２（ｂ）は、肉厚部２1の外周面のうち太陽光が照射される面と反対側の面に断熱性の高い材料２４を塗布したものである。肉厚部２１の外周面を断熱性の高い材料２４で覆うことによって、肉厚部２１に蓄積された熱が放射や伝導により外気中に拡散するのを防止することができ、煙突２の蓄熱性を高めることができる。
【００２９】
図２（ｃ）は、煙突２の肉厚部２１のうち、少なくとも上部を蓄熱性に優れた材料、例えばコンクリートそのもので構成したものや、砂石やコンクリート成分を骨材として含有した塩ビ管で構成されたものである。塩化ビニル管は価格の面で優れているが、蓄熱性では必ずしも満足できるものではないため、肉厚部２１の一部を蓄熱性に優れた材料２５で構成することにより、煙突２の蓄熱性を高めることができる。
【００３０】
図２（ｄ）は、煙突２の太陽光照射面とは反対側の近傍に凹面鏡２６を配置したものである。凹面鏡２６によって、通常では太陽光が照射されない肉厚部２１の表面に太陽光を照射することにより、煙突２の吸熱性を高めることができる。
【００３１】
なお、図２（ａ）〜図２（ｄ）では、煙突における空気の加熱効率を高める対策を別々に示したが、これらの対策を組み合わせることにより、煙突２における空気の加熱効率をさらに高めることができる。
【００３２】
次に、連結管３内に生成される空気流の利用効率を高める方法について説明する。図３に、連結管３の空気流入口３２の付近の形状とタービンの羽根４２の配列を示す。
【００３３】
図３（ａ）は、図１に示した連結管３の断面図である。連結管３の口径が空気流の下流に向かって拡がっており、空気流入口３２付近で空気流の流速が最大となる、その空気流を利用してタービンの羽根４１を回転させるため、発電機４の回転数も増加する。
【００３４】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した構造の変形である。図３（ａ）では、連結管３の一方の開口付近の口径を変化させていた。図３（ｂ）では、連結管３の開口の口径は変えず、代わりに、空気流入口３２付近に、空気流入口の口径が空気流出口の口径より小さいコーン状構造体４４を設置している。連結管３の口径は一定であり、別途作成したコーン状構造体４４を空気流入口３２付近に配置するだけですむため、連結管３を加工する必要がない。結果として、連結管３を製造する際のコスト低減が図れる。
【００３５】
図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示したコーン状構造体４４を、空気流の流路に沿って２個直列に配置し、これに対応する形で、回転軸４３にタービンの羽根４１を２個取り付けたものである。２個のコーン状構造体４４のそれぞれに対応する形でタービンの羽根を設けることにより、空気流の利用効率を高めることができる。なお、図では２個のコーン状構造体とタービン羽根の組を示しているが、この組が３組以上の複数組であっても構わない。
【００３６】
図３（ｄ）は、図３（ｂ）に示した構造の変形である。図３（ｂ）では、コーン状構造体４４に対応するタービンの羽根４１を１個設けている。タービンの羽根４１を回転軸４３に直列に複数個取り付けることにより、空気流の利用効率を高めて発電機４の回転数を上げることができる。
【００３７】
図３（ｅ）は、図３（ｄ）に示した構造の変形である。回転軸４３に直列に複数個取り付けられたタービンの羽根４１のうち、隣り合うタービンの羽根の角度を９０度ずらすことにより、回転軸４３に沿って流れる空気流の利用効率が高まり、発電機４の回転数を上げることができる。
【００３８】
図３（ｆ）は、図３（ｄ）に示した構造の変形である。図３（ｄ）では、同じ大きさのタービンの羽根４１を、回転軸４３に直列に複数個取り付けたが、図３（ｆ）では、大きさの異なる複数個のタービンの羽根４１を回転軸４３に直列に取り付け、かつ空気流入口３２に近いほど小さい羽根を配置することで、空気流の利用効率を高めている。
【００３９】
＜実験例＞
本実施の形態にかかる発電システム１の効果を確認するために、下記のミニチュアモデルを作成した。煙突２として、塩化ビニル製の長さ４ｍ、内径１３ｍｍの高耐衝撃性のパイプ（濃紺色）を１２本用いた。連結管３は、塩化ビニル製の１３Ａ（呼び径１３ｍｍ）のチーズ１１本と、同じく１３Ａのエルボ１本を連結して作製し、また空気流入口３２を内径６．５ｍｍまで縮径した。
【００４０】
準備した１２本の煙突２と連結管３を図１に示すように接続した。小型の風速計（キーエンス社製、ＦＤ−Ａ１０）を連結管３の空気流入口３２に接続し、通過風量から風速を算出した。またＫ熱電対を用いて煙突２の肉厚部２１の管内壁面表面温度を測定した。
【００４１】
このようにして組み立てた煙突２と連結管３を、外気温１４℃の建物の南面に立て掛け、晴天時の太陽光によって煙突２を暖めた。煙突２の肉厚部２１の管内壁面表面温度は２９℃、算出した空気流入口３２の風速は秒速１ｍであった。実験の結果、ミニチュアモデルでも、冬季の日射レベルで十分な風速が得られ、実用システムにおいて、タービンの羽根を回転させるために必要な風速が得られることを確認した。
【００４２】
（実施の形態２）
実施の形態１では、タービン発電機により発電を行っている。タービン発電機は構造が複雑で比較的高価であるため、大規模な発電システムに向いているが、小規模な建物の壁を利用した発電システムには不向きである。本実施の形態では、圧電素子を用いた比較的小型の発電機により発電を行う発電システムについて説明する。
【００４３】
本実施の形態では、図４に示す圧電素子６を用いた発電機４ａを図１の空気流入口３２の近傍に設置する。なお、発電機４ａ以外の構成は実施の形態１の発電システムと同じである。以下、図４および図５を参照して、圧電素子６を用いた発電機４ａの構成と動作を説明する。
【００４４】
図４は、圧電素子６を用いた発電機４ａの構成の一例を示し、図５は、圧電素子６の使用状態を示す。図４において、長尺の圧電素子６は、高弾性材料で作製された断面が楕円の円柱状の芯材層６１、芯材層６１の表裏面を挟むように設けられ、電歪性高分子材料で作製された断面が扁平な一対の電歪層６２、および電歪層６２から電力を取り出すための電極６３で構成される。
【００４５】
圧電素子６は、電歪層６２が変形した時に発生する起電力を利用して発電を行うもので、空気流により圧電素子６を振動させることによって電歪層６２から電力を取り出すことができる。
【００４６】
図５に圧電素子６の使用状態を示す。圧電素子６は、支持基材６４によって空気流の流路に、長手方向が空気流と直交する状態で設置され、圧電素子６の長手方向に直交する特定方向から風を当てることが好ましい。この特定方向としては、断面の長径の長さ方向に対する風の迎え角をθ、これに依存する揚力係数をＣL（θ）、抗力係数をＣD（θ）としたときに、ｄＣL（θ）／ｄθ＋ＣD（θ）＜０となる方向であることが好ましい。
ここで、風の迎え角θは、θが小さすぎると圧電素子が風を受けた際に揚力の発生が起こりにくく、逆にθを大きくすると揚力とは逆方向の抗力が大きくなってしまいギャロッピング現象を発生させにくくなることから、上記数式から１０〜２０度の範囲であることが好ましい。圧電素子６は空気流によって２点鎖線で示すように振動し、電歪層６２で発電が行われる。
【００４７】
電歪層６２で発生し電極６３によって取り出された交流電力は、図４に示すように電線７によって整流回路８に送られ、整流回路８で直流に変換された後、蓄電池９に蓄えられる。なお、蓄電池９は発電機４ａの必須の構成要素ではなく、整流回路８で整流された電力をそのまま負荷に供給してもよい。
【００４８】
図４に示す圧電素子６において、電歪層６２に用いられる電歪性高分子材料としては、アクリルゴムやシリコンゴム主体の誘電性エラストマーや、ポリアニリンやポリピロールやポリチオフェンなどを主体とする導電性高分子がある。電流−伸縮応答速度の大きさや変位を電力に変換する効率の高さから、誘電性エラストマー系のものを用いるのが好ましい。
【００４９】
芯材層６１に用いられる高弾性材料としては、繰り返し変形する際においても弾性が維持されるものであれば、特に限定されない。微風下でも振動を発生させるためには、例えば、ガラス繊維強化樹脂や、超延伸して高い弾性化させたポリプロピレンが好ましい。
【００５０】
上述したように、圧電素子６を用いた発電機４ａは、図１に示したタービン発電機４に比較して小型である。従って、圧電素子６を図１の空気流入口３２の近傍に、空気流に沿って複数個設置することにより、効率的な発電が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明にかかる発電システムは、十分な設置面積を確保できない都市部での発電に好適であり、一旦設置すれば永続的に発電が可能となるため、その利用価値は高い。
【符号の説明】
【００５２】
１  太陽熱利用発電システム
２  煙突
３  連結管
４  タービン発電機
４ａ  圧電素子を用いた発電機
５  壁
６  圧電素子
７  電線
８  整流回路
９  蓄電池
２１  肉厚部
２２  中空部
３１  孔
３２  空気流入口
４１  タービンの羽根
４２  発電機本体
４３  回転軸
６１  芯材層
６２  電歪層
６３  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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