(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内に配置されたタービン型の発電機と、
前記発電機が配置される領域の前記配管の外周を覆う吸音材と、
前記吸音材が覆われた領域の前記配管において前記配管の内外を連通する複数の開口と、
前記発電機を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記発電機の出力を調整することで、前記配管内部を流れる空気の風量調整を行うことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の発電システムと、
前記発電機の上流側に配置される集塵機と、
を備えることを特徴とする集塵装置システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システム及び集塵装置システムに係り、例えば、ガスタービン型の発電機を備える発電システム及びそのような発電システムを備える集塵装置システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように、工場等に設置される集塵装置システムでは、粉塵除去フィルター１０５を通して吸入口（大気）から外気を作業ルーム１０１に取り入れる。作業ルーム１０１内で放出された塵埃（粉塵・煤煙等）は、除去フィルター１０２を備える集塵機１２０で取り除かれ、排気ファン１０３を通して大気中へ排気が放出される。排気するにあたっては、サイレンサー１０４を搭載して放出音を減少させている。このサイレンサー１０４は、一般には圧力損失の増加の要因となっている。また、粉塵機１２０と排気ファン１０３の間の配管１１０には風量調整ダンパー１０６が配置されている。
【０００３】
集塵装置システムでは、集塵除去フィルター初期からの運転経過によってフィルターに塵が徐々に付着して、フィルター圧損が増す。この圧力損失の増加によって、排気ファンの排気性能が可変してしまう問題がある。
【０００４】
この問題に対して、初期利用時（集塵フィルターが未使用時）から集塵フィルター交換までの圧力変化を吸収する装置として、図１に示す風量調整ダンパーがある。
【０００５】
風量調整ダンパーは、初期利用時（集塵除去フィルター未使用時）から集塵除去フィルター交換までに生じる圧力変化を一定にする機能を備えている。すなわち、初期運転時の集塵除去フィルターが新品の状態では、圧力調整ダンパーは圧力をかけた状態に、集塵除去フィルターが交換に近づいた状態では、圧力を開放した状態に人的または電気的に可変調整される。
【０００６】
ところで、エネルギー需給の観点から、従来ではあまり利用されていないエネルギーの有効利用への取り組みが盛んになっている。この種のエネルギーとして工場等の排風がある。工場の排風を利用したエネルギー回収システムとして、工場に設置された排風用ファンからの排風を導き、当該排風によって回転する風車を設け、この風車の回転力を発電機に伝導し、この発電機を回転させて電力を発生させる自家発電装置を具備することにより排風が有するエネルギーを電気的に回収する技術がある（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
また、その種のシステムに適用可能な騒音対策技術として、ガスタービンのシステムにおいては、排気口にサイレンサーを取り付けて、消音を行う技術がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
ここで、サイレンサーの方式は、以下の関係式を満たした内張りダクトの方式で消音する方式が周知である（非特許文献１参照）。すなわち、サイレンサーの効果を得るためには、ダクト内を流れるエネルギー量は断面Ｓ（ｍ２）に比例し、吸音される量は周長Ｐ（ｍ）に比例して、その減衰量Ｒは近似的に、以下の式で示される。
Ｒ＝Ｋ・Ｐ／Ｓ  （ｄＢ／ｍ）・・・式（１）
この比例定数Ｋは、吸音材の吸音率によって変わる定数である。
ここで、配管の断面形状が半径ｒ（ｍ）の円である場合、Ｐ=２πｒ、Ｓ=πｒ２であるので、上記式（１）は、以下のとおりとなる。
Ｒ＝Ｋ・（２πｒ）／（πｒ２）＝Ｋ・２／ｒ  （ｄＢ／ｍ）・・・式（２）
【０００９】
この式（２）は、配管径を小さくして配管内の周囲に吸音率の良いグラスウール等を巻くことによって、排出音を下げることが可能となることを示している。つまり、吸音率の良い材料に排出される風が多く当たれば、排出音が減衰することを示している。
【００１０】
ただし、本方式の考えを用いて実用化すると、配管径を小さくすることによって増大する圧力損失により、排気ファンのエネルギーが増加して、状況によっては排気ができないという課題が発生する。
【００１１】
よって、実際に利用されるサイレンサーの構造としては、配管に小さな穴を取り付けて吸音率の良い材料を巻き付けた構造の方式が適切になる（例えば、特許文献３参照）。この方式は、排出ガスが供給された時の圧力によって、配管に取り付けた小さな穴から吸音率の良い材料へ排出ガスが流れ、消音できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−５４５５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２７２４７号公報
【特許文献３】実開昭４９−１０４５３０号公報
【非特許文献１】前川純一、「建築・環境音響学」、初版、1990年10月5日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、タービン型風力発電機を配管内および配管外へ搭載した場合に、一般に、排気ファンの音に加えタービン型風力発電機の風切り音によって騒音が増加する。そのため、現状の消音効果以上のサイレンサーを取り付ける必要がある。この騒音増加分をサイレンサー部だけに頼ると、圧力損失の増大やサイレンサー部の物理的なサイズアップとなり、現実的ではなかった。したがって、排気用の配管に発電機を設置することは、従来では一般的でなく、また、発電所からの電力供給が従来では比較的安定していたことから、排気設備（集塵装置システムに）に発電機能を持たせることはあまり想定されていなかった。
【００１４】
しかし、近年発電所からの電力供給力が不安定となるケースも出てきており、上述のように未使用のエネルギーの有効利用が求められるようになってきた。そして、工場等の排気エネルギーの利用には、上述の課題を解決する必要があった。すなわち、「従来のサイレンサーの圧力損失」＞「本タービン型風力発電機の圧力損失」という関係を保ちつつ、消音効果を実現する必要があった。
【００１５】
特許文献１に開示の技術では、エネルギー回収システムの基本的な概念を示すにとどまり、集塵装置にとってさらなる圧力損失の増加と、発電装置自体の騒音をもたらす可能性が高く、新たな技術が求められていた。つまり、配管内部というよりは、実質的に配管の外部に発電機が取り付けられるシステムであって、実際に導入するには発電機を囲う等の設備が必要であり、騒音等の対策が大がかりになってしまう。
【００１６】
本発明は、以上のような状況に鑑みなされたものであって、上記課題を解決する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の発電システムは、排気用の配管内に配置されたタービン型の発電機と、前記発電機が配置される領域の前記配管の外周を覆う吸音材と、前記吸音材が覆われた領域の前記配管において前記配管の内外を連通する多数の開口と、前記発電機を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記発電機の出力を調整することで、前記配管内部を流れる空気の風量調整を行う。
本発明の集塵装置システムは、上記の発電システムと、前記発電機の上流側に配置される集塵機と、を備える。
【発明の効果】
【００１８】
以上、本発明によると、工場等の集塵装置システムにおいて、効果的に消音化が可能な発電システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】背景技術に係る、工場等の一般的な集塵装置システムを示す図である。
【図２】本実施形態に係る、発電システムを適用した集塵装置システムを示す図である。
【図３】本実施形態に係る、消音・タービン型の発電装置を示す図である。
【図４】本実施形態に係る、タービン型風車による配管内部の風速についてシミュレーション結果（タービン回転数７５０ｒｐｍ）を示す図である。
【図５】本実施形態に係る、タービン型風車による配管内部の風速についてシミュレーション結果（タービン回転数１２５０ｒｐｍ）を示す図である。
【図６】本実施形態に係る、タービン型風車による配管内部の風速についてシミュレーション結果（タービン回転数１７５０ｒｐｍ）を示す図である。
【図７】本実施形態に係る、発電機無負荷電圧実験データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。
【００２１】
図２は、本実施形態に係る集塵装置システム１を示した図であり、図１で示したような集塵装置システムに、発電システム１０を適用したものである。具体的には、集塵装置システム１では、作業ルームの下流に集塵機３２が設置され、さらに、その下流に排気用の配管２０が設置されている。
【００２２】
配管２０の内部には、集塵機３２側から排気ファン３３及び発電機５０が配置されている。この発電機５０は、消音・タービン型の風力発電機である。さらに、発電機５０を制御する発電制御部６０が設けられ、所定の負荷８０への電力供給とバッテリー７５への蓄電、さらには、配管２０の排気の流量を制御する。
【００２３】
この発電システム１０では、発電機５０のトルクを可変することによって、風量調整ダンパー機能を有している。したがって、図１で示したような排気ファン３３より上流側に配置される風量調整ダンパーは不要となる。つまり、発電機５０は出力を調整することで、配管２０内部を流れる空気の風量調整を行う。また、この集塵装置システム１では、発電機５０等がサイレンサー機能を果たすことから、配管２０の排気口部分に設置されるサイレンサーは省かれている。
【００２４】
発電制御部６０は、発電機５０で発電された交流電流を直流電流に変換し負荷８０へ電力供給するとともに余剰電力をバッテリー７５に蓄積する。
【００２５】
具体的には、発電制御部６０は、各構成要素を統括的に制御し発電制御、蓄電制御及び電力供給制御の処理を行う演算処理部７０と、一般的な構成の整流回路６１、ＤＣ安定化回路部６３、定電圧回路部６４とを有する。整流回路６１とＤＣ安定化回路部６３との間には、風量測定スイッチ６２を備える。
【００２６】
また、ＤＣ安定化回路部６３から出力される電力は、定電圧回路部６４を介して負荷８０へ供給され、また、トランジスタＴＲ２を介してバッテリー７５に供給される。また、トランジスタＴＲ２と並列に放電スイッチ６５が配置されている。
【００２７】
演算処理部７０は、整流回路６１に接続され発電機電圧を取得する。また、演算処理部７０は、風量測定スイッチ６２に対して風量測定制御信号を出力したり、トランジスタＴＲ２に対して充電制御信号を出力したり、放電スイッチ６５に対してバッテリー７５から負荷８０へ電力供給するための放電制御信号を出力したりする。
【００２８】
図３は、発電機５０及び発電機５０が配置される配管２０の領域を示した図である。図示のように、発電機５０が配置される配管２０の領域には、配管内外を連通する多数の小穴４２が一面に形成されている。さらに、小穴４２が形成されている配管２０の外周には、グラスウール等の吸音材４１が巻き付けられている。小穴４２と吸音材４１とによっていわゆる消音部が構成されている。
【００２９】
発電機５０は、発電機本体５１と、上流側の回転軸に取り付けられたタービンブレード５２と、さらに、その上流側に取り付けられた整流する静翼５３とを備える。回転軸先端部５４はロケット形状を呈しており、気流の乱れを抑制して、タービンブレード５２や配管２０の周面に設けた消音部（吸音材４１、小穴４２）の方向へ効果的に送風させる。
【００３０】
つまり、タービンブレード５２を回転させるために集められた気流（排風）は、タービンブレード５２の回転により周面方向に拡散され、配管２０の周面側に送風され消音部（吸音材４１、小穴４２）に流れるようにした構造となっていることから、音を抑制することができる。
【００３１】
このような構造を採用することで、配管系の圧力損失が無いので、圧力損失は発電機５０の構造部分だけとなる。なお、流速１５ｍ／ｓ時の配管内径５５０ｍｍでタービン型風力発電機を動作させた場合の発電レベルと回転数の実験値を示す。発電は３００Ｗ、回転数は１０９３ｒｐｍであり、これより軽負荷となった場合は、回転数は増加する。なお、実験で計測した流速１５ｍ／ｓ時のタービン型風力発電機の圧力損失は、１２７Ｐａ程度の値であり、従来のサイレンサー圧力損失が１４０Ｐａ程度であることから、従来のサイレンサーをタービン型風力発電機（発電機５０）に置き換えることにより、圧力損失は減少し、騒音も増加しないことが確認できた。
【００３２】
参考例として、タービン型風車（発電機５０に対応）による配管内部の風速についてシミュレーションで算出した結果を図４〜図６に示す。図４がタービン型風車の回転数７５０ｒｐｍ、図５が回転数１２５０ｒｐｍ、図６が回転数１７５０ｒｐｍのときの結果である。シミュレーションは、配管内径５５０ｍｍで流速１５ｍ／ｓ時における、タービン型風車の回転数と流速分布を濃淡で示した結果である。濃い色が流速が高く、淡い色が流速が低い部分である。
【００３３】
タービン型風車の回転数が増すことによって、中央部の流速はほぼ一定であるが、円周部の流速が増加している。円周の流速が増加するほど、円周部分の圧力が低下するので、外側方向へ風が流れる作用が働く。
【００３４】
したがって、図３で示したように、配管２０の円周に無数の小穴４２を設けて、配管２０の周りにグラスウール等の吸音材４１を巻くことによって、発電機５０（タービンブレード５２）の回転数が増した時ほど、つまり、大きな音が発生しやすい状況ほど、外側に風が流れて消音効果が高まることが確認できる。
【００３５】
つぎに、本実施形態において特に特徴的な制御処理について図２を参照して説明する。配管系の圧力損失が増加すると、排気風量が低下して、発電機５０の発電量が低下する。このとき、ＤＣ安定化回路部６３からトランジスタＴＲ２に流れる充電電流Ｉ２の充電制御電流を緩和すれば、発電機トルクが低下して、排気ファン３３の風量が増加する。この充電電流Ｉ２を緩和して、最終的に充電電流Ｉ２が０となり圧力調整ができなくなった状態を、仮に除去フィルター３１の交換時期とすれば、風量調整ダンパーの機能と集塵機３２の除去フィルター３１の交換時期の判別が、充電電流Ｉ２の値によって判断できる。
【００３６】
また、発電機５０の無負荷電圧より、除去フィルターの塵状態によって変わる配管２０内の風量計測が可能となる。
【００３７】
図７は、発電機５０（タービン型風力発電機）の発電機無負荷電圧と流速の実測データを示した図である。図示のように、発電機無負荷電圧と流速には相関性があり、発電機無負荷電圧を計測することによって配管２０内の風量が算出できることが示されている。
【００３８】
具体的には、図２の風量測定スイッチ６２を定期的タイマーでＯＦＦとし、無負荷状態の発電機電圧（Ｖ）を計測する。この電圧値より風量計測が可能となる。
【００３９】
以上、本実施形態によれば、消音タービン型排風発電機を従来のサイレンサーに変えて取り付けることにより、圧力損失を減少させ、排風騒音を増加させることなく、排風からのエネルギー回収が可能となる。
【００４０】
以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４１】
例えば、配管２０の排気口部分に設置されるサイレンサーや、排気ファン３３より上流側に配置される風量調整ダンパーは不要としたが、それら構成が設置されてもよい。その場合でも、サイレンサーや風量調整ダンパーは従前と比較して小型化が可能であり、また集塵装置システム１の静音化が向上する。
【符号の説明】
【００４２】
１  集塵装置システム
１０  発電システム
２０  配管
３１  除去フィルター
３２  集塵機
３３  排気ファン
４１  吸音材
４２  小穴
５０  発電機
５１  発電機本体
５２  タービンブレード
５３  静翼
５４  回転軸先端部
６０  発電制御部
６１  整流回路
６２  風量測定スイッチ
６３  ＤＣ安定化回路部
６４  定電圧回路部
６５  放電スイッチ
７０  演算処理部
７５  バッテリー
８０  負荷
【要約】
【課題】工場等の集塵装置システムにおいて、効果的に消音化が可能な発電システムを実現する。
【解決手段】発電機５０が配置される配管２０の領域には、配管内外を連通する多数の小穴４２が形成されている。さらに、小穴４２が形成されている配管２０の外周には、グラスウール等の吸音材４１が巻き付けられている。小穴４２と吸音材４１とによっていわゆる消音部が構成されている。タービンブレード５２を回転させるために集められた気流は、タービンブレード５２の回転により拡散されて配管２０の周面側に送風され消音部（吸音材４１、小穴４２）に流れるようにした構造となっていることから、音を抑制することができる。
【選択図】図３【図１】
0005478753.tif 000002
【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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【図７】
0005478753.tif 000008