特開 2021-1558 発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-1558(P2021-1558A)

(43)【公開日】2021年1月7日

(54)【発明の名称】発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03D 9/37 20160101AFI20201204BHJP

   F03D 13/20 20160101ALI20201204BHJP

   F03D 13/25 20160101ALI20201204BHJP

   F03D 80/80 20160101ALI20201204BHJP

   F02C 1/04 20060101ALI20201204BHJP

   F01D 1/22 20060101ALI20201204BHJP

【ＦＩ】

   F03D9/37

   F03D13/20

   F03D13/25

   F03D80/80

   F02C1/04

   F01D1/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2019-114722(P2019-114722)

(22)【出願日】2019年6月20日

(71)【出願人】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱パワー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】谷岡 忠輝

(72)【発明者】

【氏名】宇麼谷 雅英

(72)【発明者】

【氏名】水谷 誠

(72)【発明者】

【氏名】中野 晋

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA03

3H178AA22

3H178AA25

3H178AA26

3H178AA43

3H178AA62

3H178AA66

3H178BB31

3H178BB52

3H178BB77

3H178BB79

3H178CC23

3H178CC25

3H178DD04Z

3H178DD12Z

3H178DD18Z

3H178DD29X

3H178DD51Z

3H178DD57X

3H178DD61Z

(57)【要約】

【課題】設備の有効利用により効率的な発電が可能な発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置は、風車ロータと、前記風車ロータを支持するタワーと、前記タワーの下部の周囲又は前記タワーが立設させる土台構造の周囲に設けられ、太陽熱により空気を加温するように構成された集熱部と、前記集熱部からの空気を前記タワーの内部に取り入れるための空気導入部と、前記空気導入部よりも上方に設けられ、前記タワーの内部の空気を外部へ排出するための空気排出部と、前記集熱部から前記空気導入部を通って前記空気排出部に向かう空気流により駆動されるように構成されたタービンと、を備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

風車ロータと、
前記風車ロータを支持するタワーと、
前記タワーの下部の周囲又は前記タワーが立設される土台構造の周囲に設けられ、太陽熱により空気を加温するように構成された集熱部と、
前記集熱部からの空気を前記タワーの内部に取り入れるための空気導入部と、
前記空気導入部よりも上方に設けられ、前記タワーの内部の空気を外部へ排出するための空気排出部と、
前記集熱部から前記空気導入部を通って前記空気排出部に向かう空気流により駆動されるように構成されたタービンと、
を備える発電装置。

【請求項2】

前記空気導入部が、前記タワーの下端部に設けられた
請求項１に記載の発電装置。

【請求項3】

高さ方向における前記タワーの下端と前記タワーの上端との距離をＨｔとしたとき、前記空気排出部は、前記高さ方向において、前記下端を基準とした高さが０．８×Ｈｔの位置よりも上方に設けられた
請求項１又は２に記載の発電装置。

【請求項4】

前記空気排出部は、前記タワーの上部における前記タワーの壁に設けられ、前記タワーの内部空間と外部空間とを連通させる出口開口を含む
請求項１乃至３の何れか一項に記載の発電装置。

【請求項5】

前記風車ロータを回転可能に支持するように構成されたナセルをさらに備え、
前記空気排出部は、前記ナセルの後部に設けられた
請求項１乃至３の何れか一項に記載の発電装置。

【請求項6】

前記集熱部は、光透過性の材料で形成され、地面又は水面との間に空間を隔てて前記地面又は前記水面を覆うように設けられる屋根部を含む
請求項１乃至５の何れか一項に記載の発電装置。

【請求項7】

前記タービンは、軸方向に間隔をあけて配置された複数の円盤を有するロータを含み、前記複数の円盤の間の前記軸方向における隙間を流れる前記空気と、前記複数の円盤とのせん断力により駆動されるように構成された
請求項１乃至６の何れか一項に記載の発電装置。

【請求項8】

前記タービンは、前記タワーの壁の内部に設けられ、前記空気導入部から導入された空気は、前記壁の内部に設けられた流路を介して、前記タービンに供給される
請求項１乃至７の何れか一項に記載の発電装置。

【請求項9】

前記タービンは、前記タワーの壁の内部に設けられ、前記空気導入部から導入された空気は、前記壁の内部に設けられた流路を介して、前記タービンの径方向外側から径方向内側に向けて、前記複数の円盤の間の軸方向隙間に供給される
請求項７に記載の発電装置。

【請求項10】

前記タービンにより駆動される発電機と、
前記発電機で生成した電力によって駆動されるように構成された補機と、
をさらに備える
請求項１乃至９の何れか一項に記載の発電装置。

【請求項11】

前記土台構造は、少なくとも部分的に水上に設けられる基礎構造又は浮体構造である
請求項１乃至１０の何れか一項に記載の発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

太陽熱で加温された地表付近の空気から生成される上昇気流を利用した発電装置が提案されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、地面を透明な屋根で覆って太陽熱により地表付近の空気を加温することで、屋根の中央部に設けた筒状のタワー内を上昇する上昇気流を発生させ、この上昇気流を用いて、タワーの下端部に設けたタービンインペラを駆動することにより、タービンに接続された発電機を駆動する発電システムが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第４２７５３０９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に開示される発電システムにおいて実用的な発電量を得るためには、非常に高いタワー（例えば１００ｍ程度以上の高さのタワー）、及び、非常に広大な屋根の設置面積（例えば直径が４０〜５０ｍ程度以上の面積）が必要となる。この点、広大な面積の土地を確保するのは容易ではなく、また、このように大規模な装置を建設するのでは、費用も膨大となる。

【0006】

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、設備の有効利用により効率的な発電が可能な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】

【0007】

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る発電装置は、
風車ロータと、
前記風車ロータを支持するタワーと、
前記タワーの下部の周囲又は前記タワーが立設される土台構造の周囲に設けられ、太陽熱により空気を加温するように構成された集熱部と、
前記集熱部からの空気を前記タワーの内部に取り入れるための空気導入部と、
前記空気導入部よりも上方に設けられ、前記タワーの内部の空気を外部へ排出するための空気排出部と、
前記集熱部から前記空気導入部を通って前記空気排出部に向かう空気流により駆動されるように構成されたタービンと、
を備える。

【0008】

上記（１）の構成では、空気導入部と、空気排出部との間の空気流路として、一般的に背の高い風車タワーの内部空間を利用するので、空気導入部と、空気排出部との間に高低差を設けやすい。したがって、空気導入部における比較的高温の空気と、タワー外部における比較的低温の空気との間に生じる密度差に起因してタワー内部の比較的高温の空気に生じる浮力により、タワー内部を上昇する上昇気流を効率的に形成することができる。すなわち、集熱部から空気導入部を通ってタワー内部に導入され、タワー内部を上昇しながら空気排出部に向かう空気流を効率的に形成することができる。
また、上記（１）の構成では、集熱部をタワーの下部又は土台構造の周囲に設けたので、集熱部で加温した空気を、比較的下方に設けられる空気導入部に導入しやすくなり、このため、上述の空気流を効率的に形成することができる。
したがって、上記（１）の構成によれば、風車のタワーを有効利用して、集熱部から空気導入部を通って空気排出部に向かう空気流を効率的に形成できるとともに、この空気流によりタービンを駆動することができる。よって、上記（１）の構成によれば、効率的に発電を行うことができる。

【0009】

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記空気導入部が、前記タワーの下端部に設けられる。

【0010】

上記（２）の構成によれば、空気導入部をタワーの下端部に設けたので、空気導入部と空気排出部との高低差を大きくとりやすい。したがって、空気導入部における比較的高温の空気と、タワー外部における比較的低温の空気との間に生じる密度差を大きくしやすくなるため、タワー内部を上昇する上昇気流をより効率的に形成することができる。よって、集熱部から空気導入部を通って空気排出部に向かう空気流をより効率的に形成して、タービンを駆動することができる。

【0011】

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
高さ方向における前記タワーの下端と前記タワーの上端との距離をＨｔとしたとき、前記空気排出部は、前記高さ方向において、前記下端を基準とした高さが０．８×Ｈｔの位置よりも上方に設けられる。

【0012】

上記（３）の構成によれば、風速が大きくなる比較的高所に空気排出部を設けたので、風車の周囲を流れる風によるエゼクター効果が得られやすくなり、これにより、タワー内部を上昇する上昇気流をより効率的に形成することができる。よって、集熱部から空気導入部を通って空気排出部に向かう空気流をより効率的に形成して、タービンを駆動することができる。

【0013】

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記空気排出部は、前記タワーの上部における前記タワーの壁に設けられ、前記タワーの内部空間と外部空間とを連通させる出口開口を含む。

【0014】

上記（４）の構成によれば、タワーの壁に空気排出部としての出口開口を設けた比較的簡素な構成で、集熱部から空気導入部を通って出口開口（即ち空気排出部）に向かう空気流を形成することができ、これによりタービンを駆動することができる。

【0015】

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記発電装置は、前記風車ロータを回転可能に支持するように構成されたナセルをさらに備え、
前記空気排出部は、前記ナセルの後部に設けられる。

【0016】

上記（５）の構成によれば、空気排出部をナセルの後部に設けたので、タワー内を上昇してきた空気流を、ナセルの内部を通過させてから外部に排出することができる。よって、ナセル内部を通過する空気流により、ナセルの内部に設置された機器を冷却することができる。このため、風車を効率的に運転することができる。
また、ナセルの後部は、通常、風車の周囲を流れる風の風下側に位置する。この点、上記（５）の構成によれば、ナセルの後部に設けた空気排出部を介して空気流を外部に排出するようにしたので、風車の周囲を流れる風により空気排出部の排気能力が低減されるのを抑制することができる。

【0017】

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記集熱部は、光透過性の材料で形成され、地面又は水面との間に空間を隔てて前記地面又は前記水面を覆うように設けられる屋根部を含む。

【0018】

上記（６）の構成によれば、光透過性の材料で形成された屋根部を含む比較的簡素な構成により、集熱部から空気導入部を通って空気排出部に向かう空気流を形成することができ、これによりタービンを駆動することができる。

【0019】

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記タービンは、軸方向に間隔をあけて配置された複数の円盤を有するロータを含み、前記複数の円盤の間の前記軸方向における隙間を流れる前記空気と、前記複数の円盤とのせん断力により駆動されるように構成される。

【0020】

上記（７）の構成によれば、複数の円盤と、複数の円盤の間を流れる空気とのせん断力により駆動されるタービンを採用したので、上記（１）の構成により形成される空気流（すなわち、集熱部から空気導入部を通って空気排出部に向かう空気流）の流量が少なく、比較的低圧であっても、気体の温度がある程度確保された低熱源の空気から効率的に発電を行うことができる。

【0021】

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、
前記タービンは、前記タワーの壁の内部に設けられ、前記空気導入部から導入された空気は、前記壁の内部に設けられた流路を介して前記タービンに供給される。

【0022】

上記（８）の構成によれば、タービンと、タービンに空気を供給する流路とを、タワーの壁の内部に設けることができる。

【0023】

（９）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記タービンは、前記タワーの壁の内部に設けられ、前記空気導入部から導入された空気は、前記壁の内部に設けられた流路を介して、前記タービンの径方向外側から径方向内側に向けて、前記複数の円盤の間の軸方向隙間に供給される。

【0024】

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの構成において、
前記発電装置は、
前記タービンにより駆動される発電機と、
前記発電機で生成した電力によって駆動されるように構成された補機と、
をさらに備える。

【0025】

上記（１０）の構成によれば、上記（１）の構成により形成される空気流（すなわち、集熱部から空気導入部を通って空気排出部に向かう空気流）により駆動されるタービンを用いて生成した電力によって補機を駆動するようにしたので、風車ロータを含む風車を効率的に運転することができる。

【0026】

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成において、
前記土台構造は、少なくとも部分的に水上に設けられる基礎構造又は浮体構造である。

【0027】

上記（１１）の構成によれば、風車ロータ及びタワーを含む風車は、水上に設けられる洋上風車であるので、風車の周囲に、集熱部を設けるための広い設置空間を確保しやすい。よって、風車の設置エリアを有効利用して集熱部を設けることで、上記（１）で述べたように、集熱部から空気導入部を通って空気排出部に向かう空気流を効率的に形成して、タービンを駆動することができる。

【発明の効果】

【0028】

本発明の少なくとも一実施形態によれば、設備（風車等）の有効利用により効率的な発電が可能な発電装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】一実施形態に係る発電装置の概略図である。

【図2】一実施形態に係る発電装置の概略図である。

【図3】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。

【図4】一実施形態に係る発電装置の概略図である。

【図5】一実施形態に係る発電装置の概略図である。

【図6】一実施形態に係る発電装置の概略図である。

【図7】一実施形態に係る発電装置の概略図である。

【図8】一実施形態に係るタービンの概略断面図である。

【図9】一実施形態に係るタービンの概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

【0031】

図１及び図２は、それぞれ、一実施形態に係る発電装置の概略図である。図１及び図２に示すように、発電装置１は、土台構造２に立設されるタワー３と、タワー３に支持されるナセル５及び風車ロータ４と、を含む風車１００を備えている。なお、図１及び図２に示す風車１００は、風車ロータ４の回転によって発電機１４を駆動するように構成された風力発電装置である。

【0032】

風車ロータ４は、回転シャフト１０に接続されるハブ６と、ハブ６に取り付けられる少なくとも１本のブレード８と、を含み、ナセル５によって回転可能に支持されている。風車ロータ４は、風を受けて回転するように構成される。風車ロータ４の回転エネルギーは、風車ロータ４と発電機１４との間に設けられるドライブトレイン１２を介して発電機１４に伝えられる。ドライブトレイン１２は、回転シャフト１０の回転を増速して発電機シャフトに伝えるように構成される。ドライブトレイン１２は、ギア式の増速機であってもよく、あるいは、油圧ポンプ及び油圧モータを含む油圧トランスミッションであってもよい。なお、他の実施形態では、ドライブトレインを介さずに、回転シャフト１０の回転により発電機１４を直接駆動するようになっていてもよい。回転シャフト１０、ドライブトレイン１２、及び、発電機１４を含む種々の機器は、タワー３の上に設置されたナセル５に収納されている。

【0033】

タワー３は、水上又は陸上に設けられた土台構造２に立設される。土台構造２は、水上又は陸上に設けられる基礎構造であってもよく、あるいは、水上に設けられる浮体構造であってもよい。なお、図１及び図２に示す例示的な実施形態では、土台構造２は水上に設けられており、土台構造２の一部が水面ＳＬよりも上方に位置している。

【0034】

発電装置１は、タワー３の周囲又は土台構造２の周囲に設けられる集熱部１６と、集熱部１６からの空気をタワー３の内部に取り入れるための空気導入部１８と、空気導入部１８よりも上方に設けられ、タワー３の内部の空気を外部へ排出するための空気排出部２０と、タービン２２と、をさらに備えている。また、発電装置１は、タービン２２により駆動されるように構成された発電機７４（図８参照）をさらに備えている。

【0035】

集熱部１６は、タワー３の下部の周囲又は土台構造２の周囲に設けられ、太陽熱により空気を加温するように構成されている。ここで、タワー３の下部とは、タワー３の下端３ａを基準とした高さが０．５×Ｈｔ以下の範囲内の部分である。ここで、Ｈｔは、高さ方向におけるタワー３の下端３ａと上端３ｂとの距離である。

【0036】

図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。幾つかの実施形態では、例えば図１〜図３に示すように、集熱部１６は、地面又は水面（図１及び図２では水面ＳＬ）との間に空間を隔てて地面又は水面ＳＬを覆うように設けられる屋根部３０と、屋根部３０を支持するための支持部３１（図３参照）と、を含む。

【0037】

屋根部３０は、タワー３又は土台構造２を囲うように設けられている。また、屋根部３０は、太陽光が透過可能な光透過性の材料で形成されている。このような光透過性の材料は、例えば、ガラス、又は、アクリル樹脂や塩化ビニル樹脂等の樹脂であってもよい。屋根部３０は、板材又はシート材により形成されていてもよい。

【0038】

支持部３１は、屋根部３０と地面又は水面との間に空間が形成されるように、屋根部３０を支持するように構成されている。幾つかの実施形態では、例えば図３に示すように、支持部３１は、タワー３の下部においてタワー３の周囲に放射線状に延びる複数の支持フレーム３２を含む。支持フレーム３２の両端のうち、径方向内側（タワーの径方向の内側）に位置する内側端３２ａは、タワー３の壁に固定され、径方向外側に位置する外側端３２ｂは、地面又は水面よりも高い位置に維持されるようになっている。なお、他の実施形態では、支持フレーム３２の内側端３２ａは土台構造２に固定されるようになっていてもよい。

【0039】

集熱部１６によって覆われる地面又は水面の面積は、タワーの高さＨｔとしたとき、直径が０．５×Ｈｔの円の面積（すなわち、（０．２５×Ｈｔ）＾２×π）以上の大きさであってもよい。

【0040】

集熱部１６において、太陽熱により、屋根部３０と地面又は水面との間の空間の空気が温められる。また、集熱部１６の空間と、タワー３の上部の外部空間とは、空気導入部１８、タワー３の内部空間、及び、空気排出部２０を介して連通している。したがって、集熱部１６の空間及び空気導入部１８における比較的高温の空気と、タワー３の外部における比較的低温の空気との間に密度差を生じさせて、比較的高温の空気に浮力を生じさせることができる。このように生じた浮力により、空気導入部１８から空気排出部２０に向けてタワー３の内部を上昇する上昇気流を形成することができるとともに、集熱部１６からの比較的高温の空気を、空気導入部１８を介してタワー３の内部に引き入れることができる。すなわち、集熱部１６から空気導入部１８を通ってタワー３の内部空間に導入され、タワー３の内部空間を上昇しながら空気排出部２０に向かう空気流を形成することができる。なお、各図中の矢印は、この空気流を示す。

【0041】

タービン２２は、集熱部１６から空気導入部１８を通って空気排出部２０に向かう空気流により駆動されるとともに、発電機７４（図８参照）を駆動するように構成されている。すなわち、タービン２２は、上述の空気流の流路に設けられる。タービン２２は、例えば、タワー３の内部、タワー３の壁の内部、又は、上述の空気流の流路のうち、空気導入部１８よりも上流側の部位に設けられていてもよい。

【0042】

上述した発電装置１では、空気導入部１８と、空気排出部２０との間の空気流路として、一般的に背の高い風車タワーの内部空間を利用するので、空気導入部１８と、空気排出部２０との間に高低差を設けやすい。したがって、空気導入部１８における比較的高温の空気と、タワー３の外部における比較的低温の空気との間に生じる密度差に起因してタワー３の内部の比較的高温の空気に生じる浮力により、タワー３の内部を上昇する上昇気流を効率的に形成することができる。すなわち、集熱部１６から空気導入部１８を通ってタワー３の内部に導入され、タワー３の内部を上昇しながら空気排出部２０に向かう空気流を効率的に形成することができる。
また、上述の発電装置１では、集熱部１６をタワー３の下部又は土台構造２の周囲に設けたので、集熱部１６で加温した空気を、比較的下方に設けられる空気導入部１８に導入しやすくなり、このため、上述の空気流を効率的に形成することができる。
したがって、上述の発電装置１によれば、風車１００のタワー３を有効利用して、集熱部１６から空気導入部１８を通って空気排出部２０に向かう空気流を効率的に形成できるとともに、この空気流によりタービン２２を駆動することができる。このため、効率的に発電を行うことができる。

【0043】

幾つかの実施形態では、タービン２２により駆動される発電機７４で生成した電力は、風車１００の補機の駆動電力として用いられるようになっていてもよい。すなわち、発電装置１は、タービン２２により駆動される発電機７４で生成した電力によって駆動されるように構成された補機をさらに備えていてもよい。この補機は、例えば、風車１００の構成機器（増速機等）に潤滑油を供給するためのポンプ等であってもよい。

【0044】

あるいは、幾つかの実施形態では、タービン２２により駆動される発電機７４で生成した電力は、風車１００のメンテナンス用の電力として使用可能となっていてもよい。

【0045】

このように、集熱部１６から空気導入部１８を通って空気排出部２０に向かう空気流により駆動されるタービン２２を用いて生成した電力によって補機を駆動し、あるいは、メンテナンス用の電力として用いるようにしたので、風車ロータを含む風車を効率的に運転することができる。

【0046】

幾つかの実施形態では、空気導入部１８は、タワー３の下端部に設けられる。図１及び図２に示す例示的な実施形態では、タワー３の下端部に床部３３が設けられており、空気導入部１８は、床部３３を通過するように設けられている。

【0047】

この場合、空気導入部１８をタワー３の下端部に設けたので、空気導入部１８と空気排出部２０との高低差を大きくとりやすい。したがって、空気導入部１８における比較的高温の空気と、タワー３の外部における比較的低温の空気との間に生じる密度差を大きくしやすくなるため、タワー３の内部を上昇する上昇気流をより効率的に形成することができる。よって、集熱部１６から空気導入部１８を通って空気排出部２０に向かう空気流をより効率的に形成して、タービン２２を駆動することができる。

【0048】

また、上述の実施形態によれば、空気導入部１８をタワー３の下端部に設けたので、タワー３の下部又は土台構造２の周囲に設けられる集熱部１６と、空気導入部１８とが、上下方向において比較的近くに位置する。したがって、集熱部１６で加温した空気を効率的に空気導入部１８に送ることができ、これにより、上述の空気流を効率的に生成することができる。

【0049】

幾つかの実施形態では、空気排出部２０は、高さ方向において、タワー３の下端３ａを基準とした高さが０．８×Ｈｔの位置よりも上方に設けられる。

【0050】

この場合、風速が大きくなる比較的高所に空気排出部２０を設けたので、比較的高所にて風車１００の周囲を流れる比較的高速の風によるエゼクター効果が得られやすくなり、これにより、タワー３の内部を上昇する上昇気流をより効率的に形成することができる。よって、集熱部１６から空気導入部１８を通って空気排出部２０に向かう空気流をより効率的に形成して、タービン２２を駆動することができる。

【0051】

幾つかの実施形態では、空気排出部２０はタワー３に設けられる。図１に示す例示的な実施形態では、空気排出部２０は、タワー３の上部におけるタワー３の壁に設けられ、タワー３の内部空間と外部空間とを連通させる出口開口２４を含む。出口開口２４は、上下方向に延びるスリットを含んでいてもよい。また、出口開口２４は、周方向に間隔を空けて位置するように設けられる複数のスリットを含んでいてもよい。

【0052】

また、空気排出部２０は、出口開口２４から排出される空気が上方に向けて流れるように案内するためのガイド部２６が設けられていてもよい。ガイド部２６は、タワー３の壁に接続される下端と、タワー３の壁よりも径方向外側に位置する上端と、を含んでいてもよい。

【0053】

上述のように、タワー３の壁に空気排出部２０としての出口開口２４を設けることにより、比較的簡素な構成で、集熱部１６から空気導入部１８を通って出口開口２４（空気排出部２０）に向かう空気流を形成することができ、これによりタービン２２を駆動することができる。

【0054】

幾つかの実施形態では、空気排出部２０はナセル５に設けられる。図２に示す例示的な実施形態では、空気排出部２０は、ナセル５の後部に設けられた出口開口２８を含む。

【0055】

このように、空気排出部２０をナセル５の後部に設けることにより、タワー３内を上昇してきた空気流を、ナセル５の内部を通過させてから外部に排出することができる。よって、ナセル５の内部を通過する空気流により、ナセル５の内部に設置された機器（増速機等のドライブトレイン１２や発電機１４等）を冷却することができる。このため、風車１００を効率的に運転することができる。
また、ナセル５の後部は、通常、風車１００の周囲を流れる風の風下側に位置する。この点、上述の実施形態によれば、ナセル５の後部に設けた出口開口２８（空気排出部２０）を介して空気流を外部に排出するようにしたので、風車１００の周囲を流れる風により空気排出部２０の排気能力が低減されるのを抑制することができる。

【0056】

図４〜図７は、それぞれ、一実施形態に係る発電装置の概略図である。幾つかの実施形態では、風車１００のタワー３が立設される土台構造２は、少なくとも部分的に水上に設けられる基礎構造又は浮体構造を含む。

【0057】

図４及び図５に示す例示的な実施形態では、風車１００の土台構造２は、部分的に海底に埋設されるとともに、部分的に水面よりも上方に設けられる基礎構造３４Ａ，３４Ｂ（以下、まとめて「基礎構造３４」ともいう。）を含む。すなわち、図４及び図５に示す風車１００は、着床式の洋上風車である。図４に示す基礎構造３４Ａは、モノパイル式の基礎構造である。また、図５に示す基礎構造３４Ｂは、ジャケット式の基礎構造である。

【0058】

一方、図６及び図７に示す例示的な実施形態では、風車１００の土台構造２は、水上に浮かぶ浮体構造３６Ａ，３６Ｂ（以下、まとめて「浮体構造３６」ともいう。）を含む。すなわち、図６及び図７に示す風車１００は、浮体式の洋上風車である。図６に示す浮体構造３６Ａは、セミサブ型の浮体構造である。また、図７に示す浮体構造３６Ｂは、スパー型の浮体構造である。

【0059】

図４〜図７に示す例示的な実施形態では、集熱部１６は、基礎構造３４又は浮体構造３６の周囲に設けられている。また、集熱部１６で加温された空気は、基礎構造３４又は浮体構造３６に設けられた通気口（不図示）を介して、一旦基礎構造３４又は浮体構造３６の内部に取り入れられ、基礎構造３４又は浮体構造３６の内部に設けられた通路（不図示）を介して、タワー３の下端部に設けられた空気導入部１８（図１及び図２参照）に導かれるようになっている。

【0060】

上述の実施形態によれば、風車ロータ４及びタワー３を含む風車は、水上に設けられる洋上風車であるので、風車１００の周囲に、集熱部１６を設けるための広い設置空間を確保しやすい。よって、風車１００の設置エリアを有効利用して集熱部１６を設けることで、上述したように、集熱部１６から空気導入部１８を通って空気排出部２０に向かう空気流を効率的に形成して、タービン２２を駆動することができる。

【0061】

発電装置１におけるタービン２２の種類は特に限定されず、タービン翼を備えたタービン等、周知のタービンを用いることができるが、幾つかの実施形態では、以下に説明するタービン２２を用いてもよい。

【0062】

図８及び図９は、それぞれ、一実施形態に係るタービン２２の概略断面図である。図８及び図９に示すタービン２２は、タワー３の壁５２の内部に設けられている。即ち、空気導入部１８から導入された空気は、タワー３の壁５２の内部においてタービン２２の下方に設けられた流路５３を流れて、タービン２２に供給されるようになっている。

【0063】

図８及び図９に示すように、タービン２２は、回転シャフト５４と、回転シャフト５４の周囲において、軸方向に間隔をあけて配置された複数の円盤５６と、含むロータ５０を備えている。回転シャフト５４は、タワー３の内壁面５２ａ側において壁５２を貫通するように設けられ、回転シャフト５４と壁５２の間には空気流が通過可能な隙間６８が設けられている。

【0064】

タービン２２の回転シャフト５４には発電機７４が接続されている。発電機７４は、タワー３の外部空間に設けられていてもよく、あるいは、タワー３の内部空間に設けられていてもよい。

【0065】

図８に示す例示的な実施形態では、回転シャフト５４の一端は、タワー３の壁５２を貫通するように設けられるシャフト７２を介して、タワー３の外部空間に設けられた発電機７４に接続されている。シャフト７２によるタワー３の壁５２の貫通部及びタービンケーシングと側壁円盤の間には、流路５３からタービン２２に供給される空気の、タワー３の外部空間への漏れを抑制するためのシール部６７が設けられている。

【0066】

図９に示す例示的な実施形態では、回転シャフト５４の一端は、タワー３の内部空間に設けられた発電機７４に接続されている。この実施形態では、回転シャフト５４の一端側に、複数の円盤５６を含むロータ５０が設けられているとともに、タワー３の内壁面５２ａ側の回転シャフト５４による壁５２の貫通部を挟んで反対側に位置する他端側に、発電機７４が接続されている。

【0067】

複数の円盤５６は、軸方向において隙間６８から最も遠くに配置される１枚である端部円盤５６Ａを含む。端部円盤５６Ａを含む複数の円盤５６は、それぞれ、回転シャフト５４に固定されている。端部円盤５６Ａ以外の円盤５６Ａの各々には、軸方向に沿って延びる貫通穴５７が設けられている。貫通穴５７は、径方向において回転シャフト５４の近傍に設けられている。貫通穴５７は、回転シャフト５４の周囲に設けられた環状の穴であってもよいし、あるいは、周方向に離散して設けられた複数の穴を含んでいてもよい。ただし、環状の穴の場合、円盤を回転シャフトに固定する部位を環状穴中に設けてもよい。

【0068】

タービン２２は、複数の円盤５６の間の軸方向における隙間を流れる空気と、複数の円盤とのせん断力により駆動されるように構成される。より具体的には、集熱部１６から空気導入部１８に導かれた空気流が、タワー３の壁５２の内部に形成された流路５３を介して、タービン２２の径方向外側から径方向内側に向けて、複数の円盤５６の間の軸方向隙間に供給される。そうすると、空気流と円盤５６の表面との間の粘性摩擦に起因するせん断力が円盤５６に作用する。このせん断力により、タービン２２のロータ５０が駆動される。円盤５６と円盤５６の間の軸方向隙間を通過した空気流は、複数の円盤５６に設けられた貫通穴５７を介して軸方向に沿って流れ、隙間６８を介してタワー３の内部空間に導入され、空気排出部２０に向けてタワー３の内部を上昇した後、空気排出部２０からタワー３の外部に排出される。

【0069】

上述の実施形態によれば、複数の円盤５６と、複数の円盤５６の間を流れる空気とのせん断力により駆動されるタービン２２を採用したので、集熱部１６から空気導入部１８を通って空気排出部２０に向かう空気流の流量が少なく、また比較的低圧であっても、気体の温度がある程度確保された低熱源の空気から効率的に発電を行うことができる。

【0070】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

【0071】

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

【符号の説明】

【0072】

１ 発電装置
２ 土台構造
３ タワー
３ａ 下端
３ｂ 上端
４ 風車ロータ
５ ナセル
６ ハブ
８ ブレード
１０ 回転シャフト
１２ ドライブトレイン
１４ 発電機
１６ 集熱部
１８ 空気導入部
２０ 空気排出部
２２ タービン
２４ 出口開口
２６ ガイド部
２８ 出口開口
３０ 屋根部
３１ 支持部
３２ 支持フレーム
３２ａ 内側端
３２ｂ 外側端
３３ 床部
３４ 基礎構造
３４Ａ 基礎構造
３４Ｂ 基礎構造
３６ 浮体構造
３６Ａ 浮体構造
３６Ｂ 浮体構造
５０ ロータ
５２ 壁
５２ａ 内壁面
５３ 流路
５４ 回転シャフト
５６ 円盤
５６Ａ 端部円盤
５７ 貫通穴
６７ シール部
６８ 隙間
７２ シャフト
７４ 発電機
１００ 風車
Ｈｔ 高さ
ＳＬ 水面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】