JPH03189372A - 無公害エネルギ供給システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、エネルギ供給設備に係り、特に、地球環境の
健全性を保つことを目的とするに好適な無公害エネルギ
供給システムに関する。

〔従来の技術〕

従来例は、添付参考文献に示したように、自然エネルギ
（太陽光、風力、波力、潮力等）単体を利用する発電設
備は各種考案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術では、以下に示す問題点がある。

（１）自然エネルギを利用する各種発電設備（太陽光、
風力、波力、潮力）は、単体ではエネルギ密度が小さく
、かつ、エネルギ変換効率が低いため大規模な設備とな
り建設コストが割高となる。

（２）自然エネルギは、気象条件により大幅に変動する
ため、エネルギの安定供給ができない。

本発明の目的は、この二つの問題点を解決し、自然エネ
ルギを最大限に有効利用し単位面積当たりの発電量の増
大を図ると共に無公害エネルギである水素ガスの製造を
行ない、電力、水素燃料の安定供給を行なうことにある
。

〔課題を解決するための手段〕

エネルギ密度が小さい自然エネルギ（太陽光：集光集熱
後熱発電、風力、波力、潮力）を最大限に有効利用し単
位面積当たりの発電量を多くする手段として、本発明で
は、これらの発電ユニットを効率良く集合し、海洋（海
岸線近傍）に設置した。

海洋に設置することによる利点を以下に示す。

（ａ）　　太陽光利用発電 障害物が無いため影による影響がない。

（ｂ）　　風力発電 障害物が無いため風の通りが良い。

（ｃ）　　波力、潮力発電 海岸線近傍に本システムを設置することにより、波力と
して波の高低差が大きいこと、また、潮力として押し寄
せる潮力が期待できるためである。

これらの自然エネルギを最大限に有効利用し単位面積当
たりの発電量を多くするためには、発電ユニットを効率
良く集合しなければならない。

以下に本発明における発電ユニットの集合構成の特徴を
示す。

（ａ）　　太陽光利用発電と風力発電の一体構成本発明
における太陽光利用発電は主に水素製造に使用する電源
（ただし、余剰電力は電力として使用）とすることから
、直接発電を行なう太陽電池は使用せず熱電変換素子を
採用した。熱電変換素子を選択した理由は、温度差が大
きいほど高効率で高出力が得られることによる。つまり
、太陽光で得られた熱（約６００℃）と海水（はぼ１５
℃前後で一定）の温度から大きな温度差をとることがで
きるためである。このような、熱電変換素子を採用する
と、太陽光で高温部を作る必要がある。この高温部を作
るために本発明では、太陽炉を採用した。つまり、パラ
ボラ反射鏡により太陽光を集光し、パラボラ反射鏡中心
部に位置するヒートパイプ（外側真空断熱）で下部の高
温槽（上記高温部）に熱輸送することにした。このパラ
ボラ反射鏡は、同心円状の構造であり、回転させても反
射効率の低下がないことから、外側に風力発電のための
受風羽根を取り付けた。これによって太陽光利用発電と
風力発電の一体化がなり建設コストの低減が図られる。

（ｂ）　　波動発電と水素製造システムの一体化波動発
電は、波の上下運動で発電を行なうため、浮遊体が必要
になる。浮遊体の上部外側には、太陽光利用発電と風力
発電システムが乗っている。

この浮遊体は、水素製造用の電解槽を兼用しており、海
水の淡水化で得られた水、及び、電気分解用電極を保有
している。水素製造は、太陽光利用発電で得られた電力
を利用しこの浮遊体内で行われる。なお、海水の淡水化
は、浮遊体の運動エネルギの一部を利用し海水を高圧に
して逆浸透法で行なう。これによって波動発電と水素製
造システムの一体化が成り建設コストの低減が図れる。

このように、各発電ユニットと水素製造ユニットを効率
良く集合すること、並びに、潮力発電ユニットを組合せ
ることにより、建設コストの大幅な低減ができる。また
、（２）に示した問題点であるエネルギの安定供給につ
いても、晴天時は太陽光、風力、潮力が、悪天候時は風
力、波力、潮力が期待できること、かつ、電力系統に蓄
電池を設けることにより、充分対応ができる。

〔作用〕

本発明による無公害エネルギ供給システムの構成は、太
陽光利用発電システム、風力発電システム、波動発電シ
ステム、潮力発電システム、水素製造システム及び電力
供給システムから成る。以下にこれら各システムの構成
要素の作用を示す。

パラボラ反射鏡は、太陽光を反射し集光して。

ヒートパイプに熱を伝達するが、一方では、風力発電の
受風羽根が反射鏡の外側に取付けられており、風力によ
り回転し、動力を伝える役割も果たす。

ヒートパイプは、パラボラ反射鏡で集光した熱を下部の
高温槽に輸送するものであり、放熱による熱損失が問題
になるが、本発明では、ヒートパイプの外側にガラス管
で覆った真空断熱層を配備するので、熱損失を最小に抑
えることができる。

高温槽は、高温で蓄熱する必要があり、本発明では、液
体金属を採用した。これによって、高温槽が一定温度に
保たれるため構造物に対する熱影響等が緩和される。

熱電変換素子は、その発電部が高温槽下部に接合されて
おり、その電極は、水素製造に使用する別電極を介し浮
遊体（波力発電−の動力源）内の保有水中（保有水温度
：海水で冷却されるため約２０℃程度）に挿入されてい
る。これによって、熱電変換素子にかかる温度差は、約
５８０℃と大きくなるため、高効率で高出力が得られる
。

受風羽根は、パラボラ反射鏡外側に取付けられており、
風力を受けるとパラボラ反射鏡と一体で回転し、発電機
にその動力を伝える。これによって、設置面積ならびに
建設コストを少なく抑えることができる。

浮遊体は、内部に水素製造用の水を保有しており、波の
上下運動によって取付架台のレールにそって浮き沈みす
る。これによって常に同軸上の往復運動となり、その運
動エネルギを有効に伝えることができる。

クツションは、浮遊体とその下部に設置するエアーピス
トンの間に設置し、浮遊体の大きな上下運動が発生した
時の衝撃緩和の役割を果たす。これによって、衝撃によ
る破損を免れることができる。

エアーピストンは、上下に作動し浮遊体の運動エネルギ
を高圧空気に変換するもので、上方及び下方に動いた場
合でも高圧空気を得る構造とした。

これによって、波動エネルギを有効にエアータービンに
伝達することができる。

エアータービンは、エアーピストンにより圧縮された高
圧空気により回転し、発電機で電力取り出すものである
。

潮流案内管は、潮流により回転する羽根を囲むように設
置し、前後は広口構造とした。これによって、海峡等に
設置した場合は、潮位差の流れが逆方向になっても発電
が可能になる。

回転羽根は、飛行機のプロペラ状、扇風機の羽根形状等
多種あるが、本発明では、螺旋状の羽根を採用した。こ
れによって、潮流の流れ方向が逆になっても同効率で回
転する。

電解槽は、浮遊体を兼用している。内部構造は、電気分
解で発生する水素、酸素ガスを分離するため中央部に仕
切り板を設置している。この仕切り板は、電極下端まで
で、それ以下は、発生ガスの分離膜（アスベストシート
等）になっている。これによって、発生ガス（水素、酸
素）の再結合を防止できる。

電解槽内液位針は、電解槽内の液位を制御するもので、
この液位針の指示によって、海水淡水化系の三方弁の開
閉制御を行い水を注入する。これによって、電解槽内の
液位を一定に保つ。

海水加圧ピストンは、浮遊体の上下運動に連動して動作
し、海水を加圧して、淡水化装置に注入する。これによ
って、逆浸透法を採用した淡水化装置に必要な圧力を得
る。

逆浸透法を用いた淡水化装置は、電解槽内液位針で動作
し、電気分解で減少した水の補給を行なう。これによっ
て、海水中の不純物を除くことができ、電解槽及び電極
の劣化も最小限に抑えることができる。

ヘッダは、発生した水素ガスを一時的に蓄めでおくもの
である。

水素ガス加圧ポンプは、水素貯蔵タンクに発生した水素
を送るものである。

電解槽内ガス圧力コントロール弁は、発生ガスの再結合
を防止する目的で二つに分割している電解槽内のガス圧
をコントロールするものである。

これによって、二つの槽内の液位を一定にコントロール
できる。

水素貯蔵タンクは、製造した水素ガスを貯蔵するタンク
である。これによって、水素ガスの安定供給が行なえる
。

コンバータは、風力、波力、潮力発電で得られる交流（
ＡＣ）電力を直流に変換するものである。

これによって、電力を安定供給するために設けた短電池
に充電できる。

インバータは、直流電力を交流電力に変換するものであ
る。これによって、商用電力と同等の使用が可能になる
。

蓄電池は、余剰電力の充電及び直接供給する電力が不足
した場合に放電を行なうものである。これによって、気
象状況が発電に不向きで直接供給する電力が不足した場
合でも、電力の安定供給ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明における無公害エネルギ供給システム
の構成を示す。

本システムは、太陽光利用発電システム、風力発電シス
テム、波動発電システム、潮力発電システム、水素製造
システム及び電力供給システムから成る。

太陽光利用発電システムは、太陽光１をパラボラ反射鏡
２で、パラボラ反射鏡２の中心部に位置するヒートパイ
プ３（外側真空断熱）に集光し、下部に設けた液体金属
（Ｎａ）４を保有する高温槽５（外側断熱材６でおおわ
れる）に熱を伝達し約６００℃まで加熱する。この高温
槽５の低部には、熱電変換素子７が接合されており、そ
の電極は、水素製造に使用する電極８に接続されている
。

この電極８は、水素製造電解槽９（波動発電の浮遊体と
兼用）の保有水１０（水温は海水で冷却されるため約２
０℃前後である。）中に没している。

このような構成にすることで、熱電変換素子７には約５
８０℃の大きな温度差がかかる。熱電変換素子７は、高
温領域で使用するほど効率が良く。

５ｉＧｅで約１４％である。ここで発電した電力は、主
に水素製造用に使用されるが、余剰電力が発生した場合
は、電力供給系に接続している蓄電池（第３図参照）に
充電する。

以下に上記システムで発電可能な電力の計算例を示す。

計算条件： パラボラ反射鏡直径ｄ：１０ｍ ヒートパイプ効率η１　：９０％ 熱発電素子効率ηｚ　　：１４％ 日射量Ｓｐ　　：　１１７８ＫＷｈ／ｍ・年（入用１９
８３年測定） 発電電力Ｓｗｅ（ＫＷｈ／年）は、以下の（１）式％式
％（１） （１）式から発電電力Ｓｗｅは、１１６５１ＫＷｈ／年
程度になる。

風力発電システムの受風羽根１１は、パラボラ反射鏡２
と一体構造となっており、パラボラ反射鏡２の外側に取
付けられている。そのため、風１２を受けるとパラボラ
反射鏡２自体が回転する。

この回転力を下部に設けたギヤ１３を経由して発電機１
４に伝達する。ここで、パラボラ反射鏡２は、中心部の
ヒートパイプ３を軸として回転するため、集光反射鏡と
しての性能には影響しない。

以下、この風力発電システムで発電可能な電力の計算例
を示す。

計算条件： 掃過面積Ａ　　　：４８ｒｒｒ 空気密度ｐ　　　：　０．１２２１ｋｇ５”／ｍ番パワ
ー係数Ｃｐ：０．４１５ 風車効率η８　　ニア０％ 風速Ｖ　　　　　：５ｍ／ｓ（年間平均）発電電力Ｗ　
ｗ　ｅ　（Ｗ　）は、以下の（２）式で求める。

Ｗｗｏ＝１７２・ρ・ｖｓ−ＣＰ・９．８０７・・・（
２）（２）式から、年間の発電電力は、１３１４０ＫＷ
ｈ／年程度になる。

波動発電システムは、上部に太陽光利用発電システムと
風力発電システムが乗った浮遊体９（水素製造電解槽と
兼用）の上下運動で発電するものである。この浮遊体９
の運動エネルギは、浮遊体９下部に取り付けられている
ピストンシャフト１５に伝えられ、エアーピストン１６
を動作させ、高圧空気を製造し、その高圧空気でエアー
タービン１７を回転させ、発電機１８で電力を発生する
。

なお、ここで、エアーピストン１６は、上方及び下方の
動きどちらでも高圧空気が製造できる構造とした。また
、浮遊体９とエアーピストン１６の間には、スプリング
のクツション１９を設け、浮遊体９の大きな動きの時の
破損防止構造とした。

以下この波動発電システムで発電可能な計算例を示す。

上記計算に当たって、まず、浮遊体９の浮力を計算する
。

計算条件： 浮遊体の寸法：４ｍＸ４ｍＸ３ｍ　（高さ）：厚さ、０
．００５’ｍ 浮遊体構造物の比重７１　　：　７８２０ｋｇ／ｍ’海
水の比重’／ｘ　：　１０２０ｋｇ／ｒｒｉ’浮遊体の
容積Ｆｖ：４８ｒｎ’ 浮遊体内の水の容積Ｈｖ：３２ｒｒｉ’浮遊体内の水の
比重ｙａ　　：　１０００ｋｇ／ｒｎ’上記条件から、
浮遊体の重量Ｆｗは、３５１２８　ｋｇである。

浮力Ｆ　（ｋｇ）は、以下の式で求まる。

Ｆ＝γ２°Ｆｖ　　　　　　　　　　　　　・・・（３
）これから、浮力Ｆは４８９６０ｋｇである。

これらの計算結果から、Ｆ　＞　Ｆ　ｗの関係が成立し
ており、浮遊体９は、充分浮くことがわかる。

また、Ｆ−Ｆ豐の差分の重量（１３８３２ｋｇ）を浮遊
体９の上部に乗せられることがわかる。

つぎに、この浮遊体９の上下運動で発生する動力を求め
る。

計算条件二波の高さ（２０）Ｈ＝０．２５ｍ浮遊体の余
剰浮力Ｆｏｒ＝８８３２ｋｇ波動周期Ｈｚ：３ｓ （ここで浮遊体９の重量は３５１２８ｋｇ、太陽光利用
発電システム及び風力発電システムの重量を５０００ｋ
ｇとする。） 浮遊体９の一周期の動力Ｐは、以下の式で求めた。

Ｐ；４・ＦＤＰ−Ｈ／Ｈｚ　　　　　　　・・・（４）
（４）式から浮遊体９が下方に動いた時の動力は１３２
５ｋｇ−ｍ／Ｓ（水素製造海水加圧ピストン動力として
１０％を考慮）で、上方に移動した時の動力は１４７２
ｋｇ−ｍ／Ｓである。動力を換算すると、下方に移動し
た時の動力Ｗｏは１３ＫＷで、上方に移動した時の動力
Ｗｕは１４．４ＫＷで、平均動力ＷＴＴは、約１３．７
ＫＷである。

つぎに、これらの結果を基に発電可能な電力Ｗ　Ｆ　ｅ
を求める。

計算条件： エアーピストン効率９番　ニア５％ エアーピストン効率η６　：９０％ 発電電力ＷＦｅは以下の式（５）で求める。

Ｖ／ｒｅ　＝　ＷＴＴ　０η４′１η６　　　　　　　
　°−（５）（５）式から、年間の発電電力は、８１０
０８ＫＷｈ／年程度となる。

潮力発電システムは、潮の流れ２１によって発電するも
のであり、本発明では、螺旋状の羽根車２２を回転させ
発電機２３で動力を得る構造とした。なお、ここで、潮
流２１の案内管２４を、潮位差の流れがある海峡等に設
置する場合を考慮して、潮流の流れが逆になった場合で
も発電が可能なように前後を広口構造とした。

以下、この潮力発電システムで発電可能な電力の計算例
を示す。

計算条件： 設置場所：海峡ではなく海岸線近傍とする。

（打ち寄せる波の潮力で動作） 潮流の種類：３ｓ周期の波で１ｓ間１ｍ／ｓの流れがあ
る。

潮流の通過する面積Ｓ：１０イ 発電電力ＷＳＥ（ＫＷ）は以下の式で求める。

Ｗｓｅ＝０．５１３　・５−Ｖ３／Ｈｚ　　　　−（６
）（６）式から年間の発電電力量は、１４９８０ＫＷｈ
／年程度になる。

以上の解析結果から、本発明による発電システム（太陽
光利用、風力、波動、潮力発電）の総合発電量は、１２
０７７９ＫＷ　ｈ　／年（１３，８ＫＷ）　ｉ’あリ、
単位面積当たりの発電量は約６０４ＫＷｈ／ｍ′・年（
設置面積２００ｍとする）となり、太陽電池による発電
（約１５０ＫＷｈ／ボ・年）に比べ約四倍になる。

水素製造システムは、太陽光利用発電システムで発電し
た電力主に使用し、水素ガスの製造を行なう。水素製造
は、電解槽９の中の保有水１０を電気分解して行う。こ
の電解槽９の中には、電気分解電極８．仕切り板（分離
膜含む）２５．液位計２６で構成している。ここで、仕
切り板２５は、発生ガスの再結合を防止するもので、低
部は、アスベスト等の分離膜となっている。また、液位
計２６は、保有水１０の水位を制御するためのものであ
る。この制御方法については、後述する。本発明による
水素製造は、海水を、直接、電気分解するのではなく、
海水を淡水化して使用する。これは、海水を、直接、電
気分解した場合に発生する不純物の析出による電解槽９
、及び、電極８等の劣化を防止するためである。淡水化
の方法は、逆浸透法を用いる。この方法では、淡水化装
置２７に高圧の海水を注入する必要がある。本発明では
、浮遊体９（電解槽と兼用）の上下運動を利用し、海水
加圧ピストン２８で高圧海水を得る。

この海水加圧ピストン２８にかかる力は、浮遊体９が下
方に下がる時の力の１０％とした。電解槽９への水の注
入量は、水素ガス製造により減少する水量を補充するだ
けで良いが、その流量制御は、液位計２６の指示で三方
弁２９を開閉して行なう。

電解槽９で発生した水素ガスは、ガス圧力コントロール
弁３０．ヘッダー３１を経由して水素ガス加圧ポンプ３
２により駆動され海底に設置した水素貯蔵タンク３３に
貯蔵される。この時、水素ガスと同時に発生する酸素ガ
スは、ガス圧力コントロール弁３４を経由して大気に放
出される。本発明では、ガス発生時の電解槽９のガス圧
力が重要になる。つまり、電解槽９内が二槽に分かれて
いるため、検量のガス圧力のバランスが取れていないと
水位に差が発生し効率の良い水素製造ができなくなるた
めである。第２図を用いて、ガス発生時のガス圧力制御
方法を説明する。二つの槽の圧力計（水素ガス側：Ｐ）
１．酸素ガス側：　Ｐｏ　）の指示を常に一定になるよ
うに、ガス圧力コントロール弁３０．３４で調整すると
同時に、ヘッダ３１の圧力計Ｐｒｏの指示よりＰＨ，Ｐ
Ｏが高くなるように制御する。水素ガス加圧ポンプ３２
は、ヘッダ３１の圧力計ＰＨＤの指示が作動設定値にな
ったら駆動する。これによって、自動制御が可能になる
。　以上述べた水素製造システムにおける製造能力の計
算結果を以下に示す。

計算条件： 使用電力Ｓｗｅ　　：１３３０Ｗ （太陽光利用発電電力） 電解電圧ＤＶ　　：２．ＩＶ 水素発生量ＱＢ　：　０．４１８　Ｘ　Ｉ　Ｏ”ｒｒｉ
”／Ａｈ水素ガスの発生量ＱＨＧ　（ｒｎ’／　ｈ　）
は、ＱＨａ＝　（Ｓ　ｗｅ／　Ｄ　Ｖ　）　・Ｑａ　　
　　　　　・−（７）（７）式から、水素ガスの発生量
は、０．２６５（ｒｎ’　／　ｈ　）であり、年間で２
３１９（ｒｎ’）である。

なお、この時、酸素の大気放出量は、年間で１１６０（
ｒｎ’　）となり、地球環境改善に大きな役割を果たす
。

本発明による電力供給系を第３図を用いて説明する。

風力、波力、潮力で発電する交流電力は、電力調整装置
３５内のコンバータ３６で、一端、直流に変換され、そ
の後、インバータ３７で商用電力量等に変換されて送電
されるが、直流で送電する場合は、そのまま送電する。

この系統で余剰電力が発生した場合は、蓄電池３８に充
電する。太陽光利用で発電する直流電力は、水素製造電
力として送電されるが、余剰電力が発生した場合は、風
力、波力、潮力発電と同様に蓄電池３８に充電する。蓄
電池３８からの放電は、送電電力が不足した場合に行な
う。

このような電力供給システムとすることで、気象条件に
左右されず、電力の安定供給ができる。

以上、本発明の一実施例として海岸線に設置する無公害
エネルギ供給システムについて説明したが、本システム
を海洋開発用電源設備として使用すると、ディーゼル発
電機等による電源設備、燃料、及び、燃料運搬等が不要
になり、メリットも大きくなる。

なお、本発明では、高温槽の蓄熱材として液体金属を使
用することから、現在開発が行われているアルカリ金属
熱電発電素子の適用も可能である。

アルカリ金属熱電発電素子は、アルカリ金属を固体電解
質内を横切って電気化学的に膨張させることにより、熱
エネルギを電気エネルギに変換する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、気象状況に左右される自然エネルギを
利用し発電するにもかかわらず電力を安定して供給でき
る。また、水素燃料及び電力の供給が必要に応じてでき
る。

さらに、水素製造課程で大量（水素発生量の半分）の酸
素を大気中に放出するので、地球環境の改善が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の無公害エネルギ供給システ
ムの系統図、第２図は、水素製造システムのガス圧力制
御系統図、第３図は、本発明の無公害エネルギ供給シス
テムの電力供給系統図であ２・・・パラボラ反射鏡、 極。 ・・ヒートパイプ、 ８・・・電 第 λ 第２区 篇

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、太陽光を集光し熱に変換する集光集熱システムとそ
   の熱を電気に変換する熱発電システムと風力で受風羽根
   を回転し、その回転力を電気に変換する風力発電システ
   ムと海洋の波力、及び、潮力を電気エネルギに変換する
   波動発電システム及び潮流発電システムを集合し、単位
   面積当たりの電気エネルギ取出量を多くしたことを特徴
   とする無公害エネルギ供給システム。 ２、請求項１の発電システムからの電力を用いて水の電
   気分解を行ない水素製造を行なう無公害エネルギ供給シ
   ステム。 ３、太陽光を集光し、その熱をヒートパイプで輸送を行
   ない沸点の高い液体に集熱する集光集熱システムとその
   熱を熱電変換素子を用いて電気に変換する熱発電システ
   ムを備えた無公害エネルギ供給システム。 ４、太陽光を集光する反射鏡の外側に受風羽根を取付け
   、風力により反射鏡自身を回転させることを特徴とする
   無公害エネルギ供給システム。 ５、波動発電のエネルギ源となる浮遊体内に水素ガス発
   生源となる水を保有することを特徴とする無公害エネル
   ギ供給システム。 ６、請求項５において、前記波動発電の浮遊体の上下運
   動により海水を高圧にして逆浸透法により淡水化を行な
   い、前記浮遊体内に真水を供給することを特徴とする無
   公害エネルギ供給システム。