(57)【要約】【課題】  ドラフトダクト型発電装置において、効率的に電力を取り出すことを可能とし、発電単価を引き下げることを可能にするドラフトダクト型発電装置を提供する。【解決手段】  太陽輻射を利用して空気を暖めるソーラーコレクター２０と、該ソーラーコレクター２０により暖められた空気が導入され、空気の浮力により上昇気流を発生させるドラフトダクト１０と、該ドラフトダクト１０の上部空気出口に設置された発電用のタービン３０とを備えたドラフトダクト型発電装置であって、前記タービン３０は、前記上部空気出口を覆うドーム上に等間隔に穿った孔に設置され、前記ドラフトダクト１０内の上昇気流をすべて前記タービン３０に導き、タービン排気を直接大気に放散して発電することを特徴とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽輻射を利用して空気を暖めるソーラーコレクターと、
該ソーラーコレクターにより暖められた空気が導入され、空気の浮力により上昇気流を発生させるドラフトダクトと、
該ドラフトダクトの上部空気出口に設置された発電用のタービンとを備えたドラフトダクト型発電装置であって、
前記タービンは、前記上部空気出口を覆うドーム上に等間隔に穿った孔に設置され、前記ドラフトダクト内の上昇気流をすべて前記タービンに導き、タービン排気を直接大気に放散して発電することを特徴とするドラフトダクト型発電装置。
【請求項２】
前記ドラフトダクトは、平面形状が円形に形成された前記ソーラーコレクターの中心位置に立設され、
前記ソーラーコレクターの周縁部から前記ソーラーコレクターの中心へ向けて空気が吸引され、暖められた空気が前記ドラフトダクトの下部に導入されることを特徴とする請求項１記載のドラフトダクト型発電装置。
【請求項３】
前記ドラフトダクトは、段差状地形の段丘部の壁面に支持されて立設され、
前記ソーラーコレクターは、段丘部の壁面の基部に広がる平地部に設けられ、
前記ドラフトダクトの下部と前記ソーラーコレクターとを連通するトンネルが設けられ、前記ソーラーコレクターにより暖められた空気が前記ドラフトダクトの下部に導入されることを特徴とする請求項１記載のドラフトダクト型発電装置。
【請求項４】
前記ドラフトダクトは、段差状地形の段丘部の岩盤内に坑を掘削して形成され、
前記ソーラーコレクターは、段丘部の壁面の基部に広がる平地部に形成され、
前記ドラフトダクトの下部と前記ソーラーコレクターとを連通するトンネルが設けられ、前記ソーラーコレクターにより暖められた空気が前記ドラフトダクトの下部に導入されることを特徴とする請求項１記載のドラフトダクト型発電装置。
【請求項５】
前記ソーラーコレクターは、前記平地部が略水平地形の場合には、前記段丘部の壁面の基部を直径とする半円形に形成し、
該ソーラーコレクターの直径側を閉止して、円弧側のみからソーラーコレクター内へ空気を流入させることを特徴とする請求項３または４記載のドラフトダクト型発電装置。
【請求項６】
前記ソーラーコレクターは、前記平地部が勾配地形の場合には、前記平地部に扇形あるいは矩形に形成し、
前記扇形に形成する場合は円弧部分のみから、前記矩形に形成する場合は前記ドラフトダクトから最遠となる端辺のみからソーラーコレクター内へ空気を流入させることを特徴とする請求項３または４記載のドラフトダクト型発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はドラフトダクト型発電装置に関し、より詳細には、ソーラーコレクターとドラフトダクトとを組み合わせて使用するドラフトダクト型発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料や核燃料など、在来型の地球由来エネルギーは有限である。一方、太陽由来エネルギーは薄く拡散してはいるが、量的には無限と言ってよい。太陽由来エネルギーの担い手としてソーラーセルが電力への転換効率が高いことから最も有力視されているが在来エネルギーに比して高価格で依然として普及の阻害因子となっており、もう一段の技術革新が求められている。
風力、水力は価格も高くなく、実用化されているが立地の制限があり、これ以上の普及が難しいところである。
【０００３】
2001年にオーストラリアのエンバイロン・ミッション社が世界最高となる「ソーラー・タワー」すなわち高さ1,000 メートル、直径150メートルのドラフトダクトをノース・サウス・ウエスト州のウェントワース郡に建設すると発表した。ドラフトダクトの底部にタービンを設置し、200 メガワットの発電をしようという計画である。
図３にドラフトダクトを備えた発電装置の概要を示す。ドラフトダクト１０の周囲には、直径5 キロメートルの太陽熱集熱空気加熱器（ソーラーコレクター）２０が設置されている。このソーラーコレクター２０は、ガラスまたはプラスチックの薄膜で覆われていて、その下の空気を吸入空気温度プラス35-40 ℃にまで暖める。温まった空気は軽くなり、ドラフトダクト１０内で上昇気流となる。この上昇気流を利用してドラフトダクト１０の底部に設置されたタービン３０を回して発電する。本明細書においては、ドラフトダクトとソーラーコレクターとを組み合わせて発電する装置をドラフトダクト型発電装置と称することにする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
1982年から1989年にかけて西ドイツ科学技術庁がスポンサーとなってスペインのマンザナレで、ドラフトダクト型発電装置のプロトタイプの実験装置が試験的に運用された。この成果に基づいて設計されたオーストラリアのエンバイロン・ミッション社の装置を平均日照時間が12時間で晴れの日が80パーセントの太陽直下の地方で年間333日運転したとすると、年間の総発電量は322 テラワット時となる。
もし、初期投下資本を回収するための年間キャッシュフローが初期投資額の10.67 パーセントで5人の運転員で操業するとすれば、発電単価はキロワット時当たり20.9 円となる。この発電単価は、通常の石炭火力発電単価の5.9 円と比し、高価であるが、太陽電池の 74 円と比べれば十分低く、今後の可能性を捨てきれない。参考までに、他の発電単価を例示すると、石油火力10.9 円、LNG火力6.3 円、原子力5.6 円、水力11 円、風力9.4 〜 13.1 円である。
【０００５】
本出願人は、前述したオーストラリア・プロジェクトのリバース・エンジニアリング・モデルを作成し、ドラフトダクト型発電装置の発電効率を解析する過程において、より効率的に電力を取り出し得る方法を見出した。本発明は従来のドラフトダクト型発電装置と比較して、効率的に電力を取り出すことを可能とし、発電単価を引き下げることを可能とするドラフトダクト型発電装置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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は次の構成を備える。
すなわち、太陽輻射を利用して空気を暖めるソーラーコレクターと、該ソーラーコレクターにより暖められた空気が導入され、空気の浮力により上昇気流を発生させるドラフトダクトと、該ドラフトダクトの上部空気出口に設置された発電用のタービンとを備えたドラフトダクト型発電装置であって、前記タービンは、前記上部空気出口を覆うドーム上に等間隔に穿った孔に設置され、前記ドラフトダクト内の上昇気流をすべて前記タービンに導き、タービン排気を直接大気に放散して発電することを特徴とする。
なお、本発明で使用するソーラーコレクターは、太陽輻射を透過し空気を透過しない透明なプラスチックフィルム等のフィルム体により所要の平面領域を覆うように設置したものである。ソーラーコレクターの外周囲から流入した空気がソーラーコレクター内で暖められドラフトダクトの空気流入口に吸引されるようにして導入される。本発明においては、タービンをドラフトダクトの頂部に設けた上部空気出口を覆うドーム上に設置することにより、タービン排気速度を下げることができ、発電装置として最大の出力を達成できる。
一般に、ソーラーコレクター内での温度上昇が低い程、同じソーラーコレクターで多量の空気を暖めることができ、ドラフトダクトに流入する風量は温度上昇の逆数に比例する。ドラフトダクトの頂部にタービンを設置する本法では、発電量は風量の二乗にほぼ比例する。従って発電量は温度上昇の逆数の二乗にほぼ比例することになる。一方、温度上昇が小さいときは浮力も減少し、ドラフトダクトのドラフト力も減るが、この減り方は温度上昇にほぼ比例する。結果として温度上昇が小さいほど、発電量は増すことになる。オーストラリアプロジェクトでは温度上昇は摂氏35―40度であるが、本発明によれば、数度という温度上昇の採用が可能である。また、タービンをドラフトダクトの上部空気出口を覆うドーム上に設置する場合には、タービンをドラフトダクトの下部に設置する場合にくらべてドラフトダクト径を小さくすることができ、したがって、本発明によれば、ソーラーコレクターの温度上昇を抑え、かつ建設コストを抑えた設計とすることができる。
【０００７】
また、前記ドラフトダクトは、平面形状が円形に形成された前記ソーラーコレクターの中心位置に立設され、前記ソーラーコレクターの周縁部から前記ソーラーコレクターの中心へ向けて空気が吸引され、暖められた空気が前記ドラフトダクトの下部に導入されることを特徴とする。ソーラーコレクターを円形の平面形状に形成し、その中心位置にドラフトダクトを設置することによって、ソーラーコレクターの外側からソーラーコレクターに流入した空気は、ソーラーコレクター内で暖められ、中心のドラフトダクトに吸引されるようにしてドラフトダクトに導入される。
【０００８】
また、前記ドラフトダクトは、段差状地形の段丘部の壁面に支持されて立設され、前記ソーラーコレクターは、段丘部の壁面の基部に広がる平地部に設けられ、前記ドラフトダクトの下部と前記ソーラーコレクターとを連通するトンネルが設けられ、前記ソーラーコレクターにより暖められた空気が前記ドラフトダクトの下部に導入されることを特徴とする。
また、前記ドラフトダクトは、段差状地形の段丘部の岩盤内に坑を掘削して形成され、前記ソーラーコレクターは、段丘部の壁面の基部に広がる平地部に形成され、前記ドラフトダクトの下部と前記ソーラーコレクターとを連通するトンネルが設けられ、前記ソーラーコレクターにより暖められた空気が前記ドラフトダクトの下部に導入されることを特徴とする。
また、前記ソーラーコレクターは、前記平地部が略水平地形の場合には、前記段丘部の壁面の基部を直径とする半円形に形成し、該ソーラーコレクターの直径側を閉止して、円弧側のみからソーラーコレクター内へ空気を流入させることを特徴とする。
また、前記ソーラーコレクターは、前記平地部が勾配地形の場合には、前記平地部に扇形あるいは矩形に形成し、前記扇形に形成する場合は円弧部分のみから、前記矩形に形成する場合は前記ドラフトダクトから最遠となる端辺のみからソーラーコレクター内へ空気を流入させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るドラフトダクト型発電装置によれば、下記の（１）〜（４）の作用効果により発電単価を引き下げることが可能となる。（１）オーストラリア方式のようにドラフトダクトの底部にタービンを設置した場合には避けられないドラフトダクトの頂部から無駄に放出される風力エネルギーも電力に変換できる。（２）ドラフトダクト頂部の荷重増加によるドラフトダクト建設費の増加よりもドラフトダクト内部の風速を大きくしてドラフトダクト径を小さくするコスト節約効果がおおきい。（３）一般に、ソーラーコレクター内での温度上昇が低い程、ドラフト力は低下するが同じソーラーコレクターで多量の空気を暖めることができ風量が増す。結果として風量の増大効果の方が大きく発電量が増大する。（４）ドラフトダクトの上部空気出口を覆うドーム上にタービンを設置することにより、タービン排気の相互干渉を減じることができ、低い排気速度を採用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係るドラフトダクト型発電装置の第１の実施の形態を示す。本実施の形態のドラフトダクト型発電装置は、円形に形成したソーラーコレクター２０の中心位置にドラフトダクト１０をダクトタワーとして立設した構成を備え、従来のドラフトダクトの下部にタービンを設置する構想に対して、ドラフトダクト１０の頂部の上部空気出口に発電用のタービン３０を設置することを特徴とする。
【００１１】
ドラフトダクト１０の下部は、ソーラーコレクター２０の内側空間に連通して設けられ、ソーラーコレクター２０の外周囲からコレクター内に流入した空気はソーラーコレクター２０によって暖められ、ドラフトダクト１０の下部に設けられた空気流入口に導入される。ドラフトダクト１０内では、空気の浮力により常時、上昇気流が生じており、ソーラーコレクター２０に流入した空気は、ドラフトダクト１０に吸引されるようにしてソーラーコレクター２０に導入される。ドラフトダクト１０内の上昇気流をすべてタービン３０に導き、タービン排気を直接大気に放散させることによって発電する。
【００１２】
ドラフトダクト１０の上部空気出口を覆うドーム上にタービン３０を設置して発電させる方法は、タービン３０をドラフトダクト１０の頂部に設置することによる建設費増よりも、ドラフトダクト１０の径を小さくできることによる建設費減と、ドラフトダクト１０の底部にタービン３０を設置した場合にくらべて、より多く電力を取り出せることの相乗効果によって、発電単価を引き下げることが可能となる。
【００１３】
ドラフトダクト１０の上部空気出口を覆うドーム上にタービン３０を配置する際には、まずドラフトダクト断面に細密充填配置によってタービン軸を垂直に配置するとしてドラフトダクト１０の頂部に設置できるタービン３０の数を決める。その台数は（１＋Σ6n）台である。n=１、２、３、・・・、ダクトの直径はタービン直径の(2n+1)倍である。実際のタービンの台数は、タービンの翼強度などから最終決定する。実際の設置法としてタービン排気の相互干渉を減らす目的でドラフトダクトの上部空気出口を覆うドームに等間隔に設置する。図４に示されるようにドームの形状は円弧状、末広円弧状、半球状のいずれでもよいが、平面状はダクト底部に設置するタービンに類似となり、本発明には含まれない。半球状ドームの場合、頂上部を北極とみたてて赤道部近傍のタービンの風を送るためのガイドベーンを図４のようにドーム内に設置することも本発明の要素となる。
【００１４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明に係るドラフトダクト型発電装置の第２の実施の形態を示す。本実施の形態のドラフトダクト型発電装置は、段丘部と平地部とが形成されている地形を利用し、段丘部の壁面にそって、段丘部壁面に支持されるようにドラフトダクトを設置するか、段丘部の岩盤内に縦坑を掘削してドラフトダクト１０とする。ドラフトダクト１０とソーラーコレクターとは、水平トンネル１２によって連通させ、ソーラーコレクターで暖められた空気を水平トンネル１２を介してドラフトダクト１０の下部に導入する。発電用のタービン３０は、実施の形態１と同様にドラフトダクト１０の頂部に設置し、ドラフトダクト内の上昇気流をすべてタービンに導き、タービン排気を直接大気に放散させる。
【００１５】
図２(a)は、段丘部の基部に続く平地部の地面がほぼ水平の場合で、直径部分を段丘部の壁面の基部にそわせて半円形にソーラーコレクター２２を設置した例を示す。ソーラーコレクター２２の直径部分については封止し、半円形の周縁部からソーラーコレクター２２に空気を流入させ、ソーラーコレクター２２の中心に暖められた空気を集めドラフトダクト１０に導入する。
【００１６】
図２(b)は、段丘部の基部に続く平地部が傾斜地で地面が勾配のある場合で、矩形にソーラーコレクター２４を設置した例を示す。この場合は、ソーラーコレクター２４の側縁部分については封止し、ドラフトダクト１０が設置されている位置から最遠の辺からのみ空気を流入させ、ソーラーコレクター２４に流入して暖められた空気をソーラーコレクター２４の前縁部に設置されたドラフトダクト１０に導入する。
段丘部に続く平地部の地面が勾配のある場合には、図２(c)に示すようにソーラーコレクター２６を扇形に形成し、扇形の要の位置にドラフトダクトを設置する配置とすることもできる。扇形に形成する場合は、ソーラーコレクター２６の円弧部分以外の側縁部２６ａについては封止し、円弧部分のみからソーラーコレクター２６内に空気を流入させ、ドラフトダクト１０に暖められた空気を導入する。
【００１７】
岩盤内に縦坑を掘削する実施施形態のドラフトダクト型発電装置の場合は、水平トンネル１２を設けることによって、エア流に対する摩擦抵抗が増えるが、ドラフトダクト１０を段丘部に設置したことにより、ドラフトダクト１０の頂部にタービン３０を設置する作業が容易になる。また、段丘部の内部の縦坑自体がドラフトダクト１０となることから、ドラフトダクト１０の高さを確保する場合に、図１に示すような独立タワーを建設する方法にくらべて、容易であり、段丘部あるいは崖の地形によっては独立塔方式の最適高さの1,200メートルを越える高さを確保することができる。
【実施例】
【００１８】
以下に、リバース・エンジニアリングに使ったエンジニアリング・モデルを使って各種タイプの発電効率を比較し、タービンをドラフトダクトの頂部に設置する方がドラフトダクトの底部に設置するよりも出力が増し、経済性があることを検証した実施例について説明する。また、最適設計を試みた結果についても説明する。
まず、検証で用いた各部のモデルについて説明する。
【００１９】
（ソーラーコレクター・モデル）
ソーラーコレクターは平坦な土地に柱を建てその上にワイヤーを張り巡らせ、薄いプラスチックフィルムをワイヤーの上に敷き詰めたものである。円形の周辺部から空気を吸い込み、中心に設置するドラフトダクトに空気を吸入する仕掛けとなっている。中心部の風速の高いところはプラスチックないしガラス板で覆ってある。
太陽輻射のカバーの透過率ηSは0.6で地面に達し、地面を加熱する。地面は一部を赤外線として放射するが、カバーの赤外線透過率ηCは0.05として殆ど再吸収されるとした。加熱された地面は上を流れる空気を加熱する。この強制対流伝熱係数はヌッセルト式で推算する。カバーの黒体輻射の熱放射率εC は0.6、地面の黒体輻射の熱放射率εe は0.4とし、太陽、カバー、地面、カバー下を流れる空気、カバー上を吹く風、宇宙と互いに熱交換するとした。
【００２０】
設計変数としてソーラーコレクターでの温度上昇を与えれば、これら全ての熱交換と熱収支を満足するカバー温度ｔc、地面温度ｔe、ソーラーコレクターの熱回収効率Ｑc／Ｑが求まる。
ソーラーコレクターの受光面積当たりの太陽輻射強度はIEC60904-1 AM1.5. の1平方メートル当たり1キロワットを検討基準とした。風量はソーラーコレクターの熱回収効率が決まれば、吸収熱総量をエンタルピー差で除すことによって求まる。このとき水注入を行うときは、水の気化熱は控除する。
水を含有する空気の比容積ないし密度は理想気体を想定して計算し、ソーラーコレクター内部の風速を計算し、相当直径を使って摩擦損失をファニングの式で計算する。ソーラーコレクターへの流入空気の加速損失も考慮して流速が適切になるようにカバーを支持する柱高を調節する。このときの地面の粗さは1ミリとした。
【００２１】
（絞り機構モデル）
タービンをドラフトダクトの底部に設置する場合でも頂部に設置する場合でも、タービンの前に絞り機構を挿入して風速を増さねばならない。また、ドラフトダクトの底部にタービンを設置しない場合でも、ソーラーコレクターからドラフトダクトに入る部分に絞り機構が必要となる。
絞り機構では当然絞り損失が生じる。急激な絞り損失に関するローズのデータを相関式にして使った。実際には滑らかな絞り機構が使われるが、補正係数0.5を使うとオーストラリア・プロジェクト公表データとのよい一致が見られた。
【００２２】
（タービンモデル）
タービンは絞り機構に連続して覆い（カウル）の中に設置するため、ベッツ係数は1となる。従って入口速度頭と出口速度頭との差が理論出力となる。入口風速は全系のドラフト力と全損失と回収動力がバランスするように決める。
ドラフトダクトの底部におけるタービンの出口風速はドラフトダクトの入口風速とする。ドラフトダクトの頂部におけるタービンの出口風速はタービン口径総面積をドーム表面積で除したファクターを入風速に乗じた値になるとした。
タービンの翼効率は86パーセント 、発電機効率は 98 パーセントとした。
【００２３】
（ドラフトダクトモデル）
高さＺ (メートル)のドラフトダクトの頂部の外気温ｔoは次のNASAの式で計算した。
ｔo + 273=(ｔi + 273) 0.0065 Ｚ
ここで、Ｚ(メートル)はドラフトダクトの高さである。
ドラフトダクトの頂部の外気圧ｐo(Kg/m2)も同じNASAの式で計算した。
ｐo=ｐi (1- 0.0065 Ｚ/(ｔo + 273)5.2569 
ドラフトダクトの内壁との摩擦損失はファニングの式で求める。壁の粗さは1ミリメートルとした。この摩擦損失とドラフトダクト底部の絞り機構損失、底部タービンの翼損失およびドラフトダクト内空気が露点に達したときの水の凝縮熱はドラフトダクト内気温を上昇させドラフトダクト内浮力を増加させるとした。
ドラフトダクトを支持する支持壁の内壁には、厚さ20ミリメートルの岩綿保温を施し、その熱伝導係数は0.05 (kcal/m/h/℃)として壁を貫通する熱損失を計算し、ドラフトダクトの底部とドラフトダクトの頂部の気圧差による断熱膨張による温度低下とともにドラフトダクト内の気温は低下するとし、浮力を減少させるものとした。
【００２４】
（ドラフト力バランス）
ドラフト力はすなわち浮力によって生じ、その浮力はドラフトダクト内外の空気密度差にドラフトダクト高を乗じたものである。
一方、浮力に抵抗する力はコレクター空気取り入れ口での加速損失、コレクターの摩擦抵抗、絞り機構損失、ドラフトダクトの内面との摩擦抵抗、タービンで抽出された動力、ドラフトダクトから流れ出る風の未回収速度頭の合計である。両者が一致するようにタービンの入口風速を決める。
【００２５】
（ダクトタワーのコンクリート総量推算）
ドラフトダクトをダクトタワーとして構築した場合、高さが500メートルを越えると地震は関係なく、風圧が支配的になる。以下の設計条件でダクトタワーの塔壁の厚さを計算し、コンクリート量を推算した。
ダクトタワーの底部の設計風速；80 m/sec
ダクトタワーの頂部の設計風速； 120 m/sec
コンクリートの許容応力度； =12,000kN/m2
コンクリートの密度； RC =24kN/m3
ダクトタワー頂部の断面積当たりタービン荷重；100kg/m2
計算の便宜上、ダクトタワーを以下の寸法に３分割してそれぞれの壁厚を計算した。
上部：ダクトタワー頂部から50%まで
中部：ダクトタワー頂部から 50% − 80%まで
下部：ダクトタワー頂部から 80% −100% まで
壁厚は風による曲げモーメントと自重に耐える厚さとした。
【００２６】
（建設費）
各種方式を同じ単価で比較するために用意した簡単なコスト相関は以下の通り。
ソーラーコレクターの入口柱高をＺi(メートル)とし、出口柱高をＺo(メートル)としたときのコレクター一式の受光面積当たりの複合単価；
1,000+20(Ｚi+ Ｚo)   (yen/m2)
ドームを含むタービンシステム一式の出力当たりの複合単価；
30,000  (yen/kW)
基礎を含むドラフトタワー一式の、ドラフトタワー本体コンクリート容積当たりの複合単価；
15,000  (yen/m3)
縦坑とトンネルの掘削費はドラフトダクトの高さに関係なく一定とした。；
3,000  (yen/m3)
【００２７】
（各種方式の試設計結果）
試設計結果を表１に示す。全てのケースはソーラーコレクターの直径を5,000メートルに統一してある。ケースＡ（比較例）は、オーストラリア型の逆エンジニアリングの結果である。タービンをドラフトダクトの底部に設置することを特徴としている。発電端出力202 メガワットとなり公表された出力200メガワットによく一致している。発電の熱効率、すなわちソーラーコレクターの受光面が受けた太陽エネルギーが電力に変換される効率は1.03%である。これは農業のエネルギー転換効率に近い値である。またモデルの総建設費627億円と新聞報道の7億オーストラリアドルとよく一致している。結果として発電単価はキロワット時当たり20.9円となる。
【表１】
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【００２８】
ケースＢ（比較例）は、タービンをドラフトダクトの底部に設置することと、ソーラーコレクター直径5 キロメートルはオーストラリア・プロジェクトと同じであるが、ソーラーコレクターにおける温度上昇、ドラフトダクトの高さを最適化した結果で、ソーラーコレクタでの温度上昇が摂氏3度、ドラフトダクトの高さ1,200メートル、ドラフトダクト径800メートルとなった。発電端出力は668メガワット、発電の熱効率は3.58%に増える。建設費は1,854億円に上がるが、発電単価はキロワット時当たり18.6円と下がる。
【００２９】
ケースＣ（実施例）は、タービンをドラフトダクトの頂部ドームに設置するケースである。ドラフトダクトの高さして1,000 メートル、ソーラーコレクター径5 キロメートル、コレクターにおける温度上昇は摂氏35度とオーストラリア・プロジェクトと同じにした。
大きな違いは、ドラフトダクトの径と出力でオーストラリア・プロジェクトが直径150 メートルであるに対し、110 メートルですみ、出力は273メガワット、発電の熱効率は1.21%である。一方、建設費は684億円で少し増えただけである。結果として発電単価はキロワット時当たり19.0円に下げることができた。
【００３０】
ケースＤ（実施例）は、タービンをドラフトダクトの頂部ドームに設置すること、ソーラーコレクター径5 キロメートルはケースＣと同じであるが、コレクターにおける温度上昇、ドラフトダクトの高さを最適化した結果を示す。これによって、ソーラーコレクターにおける温度上昇が摂氏3度、ドラフトダクトの高さが1,200メートル、ドラフトダクト径が535ートルとなった。発電端出力は826メガワット、発電の熱効率は4.30%と更に増え、ソーラーセルの約半分となる。建設費は1,783億円に上がるが、発電単価はキロワット時当たり14.1円と最低となる。
【００３１】
ケースＥ（実施例）は、70度の傾斜を持つ段丘部に掘削した縦坑と水平トンネルの組みあわせでドラフト力を生み出そうというものである。タービンをドラフトダクトの頂部ドーム、すなわち崖上に設置する。ソーラーコレクターは直径が5キロメートル半円形とし、ソーラーコレクターにおける温度上昇は摂氏35度とする。ドラフトダクトの高さは1,000メートル。縦坑直径は82メートル、発電端出力は115メガワット、発電の熱効率は0.58%である。建設費は500億円、発電単価はキロワット時当たり29.0円となる。
【００３２】
ケースＦはケースＥを最適化した結果を示す。タービンをドラフトダクトの頂部ドームに設置すること、70度の傾斜を持つ段丘部の断崖内部に掘削した縦坑と水平トンネルの組みあわせ、半円形コレクター、ソーラーでの温度上昇はケースＥと同じであるが、ドラフトダクトの高さを2,000メートルとした。縦坑直径67メートル、発電端出力は263メガワット、発電の熱効率は1.34%である。建設費は634億円となり、発電単価はキロワット時当たり15.9円となる。
【００３３】
以上の試設計結果から、ドラフトダクトの頂部ドームにタービンを設置する方式は、タービンをドラフトダクトの底部に設置するよりも格段に出力が増大し、建設費増はそれほどでなく、結果として発電単価が下がるという長所をもっていることがわかる。
このドラフトダクトの頂部ドームにタービンを設置する方式は、ドラフトダクトを独立したダクトタワーとして形成する場合も、段丘部に縦坑として設ける方式あるいは段丘部の崖（壁面）に支持する方式のいずれの場合にも有効である。
ソーラーコレクターは、ダクトタワー方式による場合は円形が有効であり、段丘部に設置する方式の場合は半円形、扇状、矩形いずれの方式とも組み合わせることができる。
【００３４】
なお、ドラフトダクトの底部と頂部の両方にタービンを設置するケースも検討したが、優位性は発見できなかった。また、ソーラーコレクター内部の空気流路に加熱板を浮かせて設置する方式も検討したが、優位性は見つけられなかった。また、ソーラーセルとのハイブリッド型も検討したが、コストパーフォーマンスを向上させる組み合わせを見つけることはできなかった。また、水をコレクター内に注入する方式も検討したが、水の軽い分子量がドラフト力を増すことよりも空気加熱に使う熱が不足すると判明した。
【００３５】
（最適設計点についての考察）
上述したように、ドラフトダクトの頂部ドームにタービンを設置する方式は、ドラフトダクトの底部にタービンを設置する方式とくらべて格段に出力が増大するという利点を有する。表２に、最適化例を示すが、以下に最適設計点を検討した内容について説明する。
最適設計にあたっては、ソーラーコレクターを円形コレクターとし、ソーラーコレクター径を5,000メートルとした条件で、ドラフトダクトの高さを1,000メートル、1,200メートル、1,400メートルとし、ソーラーコレクターでの温度上昇を摂氏3、5、10、20、35度としたすべての組み合わせについて試設計を行って比較検討した。
【表２】
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【００３６】
図５は、ソーラーコレクターにおける温度上昇と風量との関係を示している。ソーラーコレクターでの温度上昇が小さい場合には、同じ太陽熱で多量の空気を暖めることができるので温度上昇の逆数に比例し風量が級数的に増大する。ドラフトダクトの高さは風量に影響を与えない。結果として図６に示すように、ソーラーコレクターでの温度上昇が小さい場合には、ドラフトダクトの径が大きくなる。グラフに示すように、ドラフトダクトの高さが高いとドラフトダクト径は少し小さくなる。
【００３７】
ドラフト力は図７に示すように、ソーラーコレクターでの温度上昇が小さくなると減ってくる。一方、ソーラーコレクターでの温度上昇が小さくなると図５に示したように、風量が増大し、その増大の割合が大きいことから、風量とドラフト力の積に比例する発電端出力（図８）は、温度上昇が小さい方が大きくなる。
【００３８】
ソーラーコレクターの受光面が受けた太陽輻射が電力に変換される熱効率も発電端出力に比例し、図９に示すように、ソーラーコレクターでの温度上昇が小さいと増え、摂氏3度の温度上昇の場合で、ソーラーセルの半分の効率を達成できることになる。
【００３９】
ところで、ドラフトダクトの壁の厚さは、図１０に示すように、ドラフトダクトの高さが低くなると薄くて済むようになるから、図１１に示すように、コンクリート量には最適点が発生する。ドラフトダクトの高さが1,400 メートルではソーラーコレクターでの温度上昇が摂氏10度、1,200メートルでは摂氏20度、1,000メートルでは摂氏35度が最適点である。
【００４０】
図１２は発電単価を示している。ソーラーコレクターでの温度上昇が摂氏3度と低いほど発電単価は安くなり、ドラフトダクトの高さは1,200メートルが最適である。発電単価はキロワット時当たり14.1円と最低になる。
これらの検討結果は、ドラフトダクト型発電装置においてはソーラーコレクターにおける温度上昇を低く抑える（数度程度）設計とすることによって高効率を達成することができ、発電単価を低く抑えることができることを示している。上記設計によれば、本発明に係るドラフトダクト型発電装置が太陽由来エネルギーを利用した発電装置として実用可能であることを示すものである。
【００４１】
以上ソーラーコレクター径を5,000メートルに統一して比較したが、ソーラーコレクターでの温度上昇を摂氏３度、ドラフトダクト高を1,200メートルに固定してソーラーコレクター径を1,500ｍ、3,000ｍ、5,000ｍ、6、000ｍについて試算した結果を図１３、１４に示した。この結果によれば、ソーラーコレクター径を5,000ｍとすることが最適であることが分かる。
図１５に最適設計時のドラフトダクト形発電装置の縮尺縦断面図を示す。
【００４２】
なお、上記実施形態においては、実用上における採算コストを考慮した発電装置として説明したが、ソーラーコレクターとドラフトダクトとタービンとを主要構成とするドラフトダクト型発電装置においては、ドラフトダクトの頂部ドームにタービンを設置して発電させる方式がもっとも有効である。実際に発電装置を設置する場合には、設置位置の自然環境、地形等を考慮して、ソーラーコレクターの大きさや形状、ドラフトダクトの高さや径を適切に設計することによって有効に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】ドラフトダクト型発電装置の第１の実施の形態を示す説明図である。
【図２】ドラフトダクト型発電装置の第２の実施の形態を示す説明図である。
【図３】ドラフトダクト型発電装置の従来の構成を示す説明図である。
【図４】ドラフトダクト頂のドームの形態を示す説明図である。
【図５】高さの異なるドラフトダクトついて、ソーラーコレクターにおける温度上昇と風量との関係を示すグラフである。
【図６】高さの異なるドラフトダクトついて、ソーラーコレクターにおける温度上昇とダクト径との関係を示すグラフである。
【図７】高さの異なるドラフトダクトついて、ソーラーコレクターにおける温度上昇とドラフト力との関係を示すグラフである。
【図８】高さの異なるドラフトダクトついて、ソーラーコレクターにおける温度上昇と発電端出力との関係を示すグラフである。
【図９】高さの異なるドラフトダクトついて、ソーラーコレクターにおける温度上昇と熱効率との関係を示すグラフである。
【図１０】高さの異なるドラフトダクトついて、ソーラーコレクターにおける温度上昇とダクト底部における壁面の厚さとの関係を示すグラフである。
【図１１】高さの異なるドラフトダクトついて、ソーラーコレクターにおける温度上昇とコンクリート量との関係を示すグラフである。
【図１２】高さの異なるドラフトダクトついて、ソーラーコレクターにおける温度上昇と発電単価との関係を示すグラフである。
【図１３】ソーラーコレクターにおける温度上昇を摂氏３度、ドラフトダクト高1,200ｍに固定して直径の異なるソーラーコレクターについてドラフトダクト径、発電端出力、総建設費の関係を示すグラフである。
【図１４】ソーラーコレクターにおける温度上昇を摂氏３度、ドラフトダクト高1,200ｍに固定して直径の異なるソーラーコレクターについての熱効率と発電単価を示すグラフである。
【図１５】最適設計の縮尺縦断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  ドラフトダクト
１２  水平トンネル
２０、２２、２４  ソーラーコレクター
３０  タービン
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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