JP5689196B1 - 発電装置および発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡便且つ効率的に発電を行うことが可能な発電装置および発電方法を提供する。【解決手段】発電装置１は、気体流を生成するジェットエンジン１０と、気体流に水を供給して作動流体を生成する水供給装置３０と、作動流体を受けて回転する羽根車４０と、羽根車４０に接続される発電機５０と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、発電を行う発電装置および発電方法に関する。

従来、化石燃料の燃焼エネルギーを利用する火力発電においては、主に汽力発電によって発電が行われている。この汽力発電では、石炭や天然ガス等をボイラで燃焼させて蒸気を生成し、この蒸気により回転する蒸気タービンによって発電機を回転させることで発電を行う。また、近年の火力発電では、より熱効率を高めたコンバインドサイクル発電も行われている（例えば、特許文献１参照）。このコンバインドサイクル発電では、ガスタービンによって直接発電機を回転させて発電を行うだけでなく、さらにガスタービンの廃熱によって蒸気を生成し、蒸気タービンによっても発電を行うことで汽力発電よりも高い熱効率を達成している。

一方、化石燃料の枯渇や地球温暖化等、近年の環境意識の高まりと共に、水力や風力、太陽光等の自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用した発電が見直されてきている。このような自然エネルギーを利用した発電は、化石燃料を燃焼させる火力発電と比較してエネルギー源が枯渇するといったことがなく、さらに二酸化炭素を排出しない等、環境負荷が低いというメリットを有している。このうち水力発電は、密度の高い水の流れを利用することからエネルギー変換効率が高く、さらに安定的な発電が可能であるため、古くから商用発電に利用されており、近年では上下水道や小河川等に設けた小水力発電が普及してきている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−３０６７０８号公報 特開２００６−１８９０１４号公報

しかしながら、従来のコンバインドサイクル発電は、汽力発電よりも高い熱効率が得られるものの、ガスタービンに加えて廃熱回収ボイラ、蒸気タービンおよび復水器等を必要とすることから設備費およびメンテナンス費が増大するという問題があった。また、水力発電は、設置場所が河川等の水流のある場所に限定されることから、設置場所が電力消費地から離れている場合には送電ロスが大きくなるという問題があった。さらに水力発電では、発電量を大きくするためにはダム等を建設して水の落差を大きくする必要があり、設備費が増大すると共に周囲の自然環境が破壊されるという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、より簡便且つ効率的に発電を行うことが可能な発電装置および発電方法を提供しようとするものである。

（１）本発明は、気体流を生成するジェットエンジンと、前記気体流に水を供給して作動流体を生成する水供給装置と、前記作動流体を順番に受ける複数の羽根列を有し、前記作動流体を受けて回転する羽根車と、前記羽根列から流出した前記作動流体を次の前記羽根列に向けて偏向する偏向部材と、前記羽根車に接続される発電機と、を備えることを特徴とする、発電装置である。

（２）本発明はまた、前記羽根車と共に回転するフライホイールを備えることを特徴とする、上記（１）に記載の発電装置である。

（３）本発明はまた、前記フライホイールの回転を前記ジェットエンジンに伝達して前記ジェットエンジンを起動する起動装置を備えることを特徴とする、上記（２）に記載の発電装置である。

（４）本発明はまた、前記ジェットエンジンの稼動中に前記羽根車の回転数が第１の回転数まで上昇したら前記ジェットエンジンを停止し、前記ジェットエンジンの停止中に前記羽根車の回転数が第２の回転数まで低下したら前記ジェットエンジンを起動する制御装置を備えることを特徴とする、上記（２）または（３）に記載の発電装置である。

（５）本発明はまた、前記気体流を前記羽根車に向けて誘導する誘導配管を備え、前記水供給装置は、前記誘導配管内に水を供給するように構成されることを特徴とする、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の発電装置である。

（６）本発明はまた、前記水供給装置は、自然水を貯留する貯水槽を備え、落差を利用して水を供給するように構成されることを特徴とする、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の発電装置である。

（７）本発明はまた、ジェットエンジンの生成した気体流に水を混合したものを作動流体として回転する羽根車によって発電機を回転させる発電方法であって、前記羽根車は、前記作動流体を順番に受ける複数の羽根列を有し、前記羽根列から流出した前記作動流体を偏向部材によって次の前記羽根列に向けて偏向することを特徴とする、発電方法である。

本発明に係る発電装置および発電方法によれば、より簡便且つ効率的に発電を行うことが可能という優れた効果を奏し得る。

本発明の実施形態に係る発電装置の構成を示した概略平面図である。 発電装置の一部の構成の概略正面図である。 （ａ）羽根車および偏向部材の概略平面図である。（ｂ）羽根車および偏向部材の一部を断面で示した概略正面図である。 羽根車および偏向部材における作動流体の流れを示した概略図である。 羽根車の回転数および発電装置各部の稼動のタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

まず、本実施形態に係る発電装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る発電装置１の構成を示した概略平面図であり、図２は、発電装置１の一部の構成の概略正面図である。なお、図２では、理解を容易にするために一部の構成の記載を省略している。

これらの図に示されるように、発電装置１は、気体流を生成するジェットエンジン１０と、ジェットエンジン１０に空気を供給する空気供給タワー２０と、ジェットエンジン１０の生成した気体流に水を供給して作動流体を生成する水供給装置３０と、作動流体を受けて回転する羽根車４０と、羽根車４０に接続された発電機５０と、羽根車４０を起動する羽根車起動装置６０と、ジェットエンジン１０を起動するジェットエンジン起動装置７０と、発電装置１全体を制御する制御装置８０と、を備えている。本実施形態の発電装置１は、ジェットエンジン１０の生成した気体流に水を混合したものを作動流体として羽根車４０を回転させ、この羽根車４０の回転力によって発電機５０を回転させることで発電を行うように構成されている。

ジェットエンジン１０は、空気供給タワー２０から供給された空気により燃料を燃焼させ、燃焼ガスを高温、高圧のジェット（噴流）として排出し、これにより気体流を生成するものである。すなわち、ジェットエンジンは、燃料の持つ化学エネルギーを熱エネルギーおよび運動エネルギーに変換して取り出すものである。

ジェットエンジン１０は、キャビン１１内に収容されており、キャビン１１の吸気側には、空気供給タワー２０に繋がる吸気配管１２が接続されている。また、キャビン１１の排気側には、ジェットエンジン１０の生成した気体流を羽根車４０に向けて誘導する誘導配管１３が接続されている。従って、ジェットエンジン１０は、吸気配管１２を介して空気を取り込み、燃焼ガスを誘導配管１３に向けて噴出する。これにより、キャビン１１内から誘導配管１３内を通過する気体流が生成される。

誘導配管１３の先端は、羽根車４０に向けて作動流体を噴出するノズル１３ａとなっている。また、吸気配管１２には、キャビン１１内に供給される空気の流量を検出する吸気側流量センサ１４が設けられている。同様に、誘導配管１３には、キャビン１１から流出する気体流の流量を検出する排気側流量センサ１５が設けられている。

なお、ジェットエンジン１０としては、例えば既存の航空機用のものを使用することが可能であり、安価な中古品を使用するようにしてもよい。また、ジェットエンジン１０は、ターボジェットエンジンであってもよいし、ターボファンジェットエンジンであってもよい。ターボファンジェットエンジンを使用する場合は、燃焼ガスおよびファンからの空気流によって誘導配管１３を通過する気体流が生成されることとなる。また、ジェットエンジンの使用する燃料が特に限定されないことは言うまでもない。

空気供給タワー２０は、ジェットエンジン１０に供給する空気を取り入れる空気取入口２１が上部に設けられたタワー（塔）である。このように空気取入口２１を高い位置に配置することで、砂埃等の異物の吸い込みを防止すると共に、比較的低温の空気を取り入れてジェットエンジン１０の熱効率を向上させることが可能となる。空気供給タワー２０の内部には、キャビン１１から空気取入口２１に向かう吸気配管１２が通されている。そして、本実施形態では、吸気配管１２の先端にブロワ２２を接続している。

このように、空気供給タワー２０にブロワ２２を設けることで、大気の状態に影響されることなく、より効率的且つ安定的に所定の流量の空気をジェットエンジン１０に供給することが可能となる。なお、空気取入口２１の位置は、異物の吸い込み防止および吸気温度の低下の観点からは高い方が好ましいが、位置を高くするほど吸気配管１２の圧力損失が大きくなるという問題がある。従って、これらのバランスを考慮すると、空気取入口２１は、２０〜１００ｍの高さに配置することが好ましい。

水供給装置３０は、誘導配管１３内に水を供給することで、誘導配管１３内を流れる気体流に水を混合するものである。このように、ジェットエンジン１０の生成した気体流に水を混合することで、高温の燃焼ガスを含む誘導配管１３内の気体流を冷却し、羽根車４０を回転させる作動流体の温度を下げることが可能となる。また、混合された水の少なくとも一部は燃焼ガスにより加熱されて蒸発、膨張することとなるため、作動流体をさらに加速させることが可能となる。すなわち、気体流に水を混合することで、燃焼ガスの有する熱エネルギーを運動エネルギーに変換することができる。さらに、水を混合することにより作動流体の密度が高まるため、作動流体の運動エネルギーを効率的に羽根車４０に伝達させることが可能になる。

水供給装置３０は、河川水、湖沼水、地下水または雨水等の自然水を貯留する貯水槽３１と、貯水槽３１内の水を誘導配管１３まで導く水供給配管３２と、誘導配管１３内に供給する水の流量を調整する調整バルブ３３と、誘導配管１３内に供給する水の流量を検出する水流量センサ３４と、を備えている。本実施形態では、貯水槽３１を誘導配管１３よりも高い位置に配置し、落差を利用して水を供給するようにしている。誘導配管１３内への水の供給には水力発電程の落差を必要としないため、本実施形態の発電装置１は、自然水を利用しながらも設置場所が限定されないようになっている。なお、貯水槽３１の位置に応じて適宜のポンプを設けるようにしてもよいことは、言うまでもない。

羽根車４０は、ノズル１３ａから噴出された作動流体を受けて回転するものである。すなわち、羽根車４０は、作動流体の運動エネルギーを回転動力に変換して出力するものである。羽根車４０は、略円柱状に構成され、回転軸を略水平方向とした状態で２つの基台４１によって回転自在に支持されている。羽根車４０の外周部には、作動流体を衝突させる第１の羽根列４２および第２の羽根列４３の２つの羽根列が設けられている。そして、ノズル１３ａの近傍における羽根車４０の正面側には、第１の羽根列４２から流出した作動流体を第２の羽根列４３に向けて偏向する偏向部材９０が配置されている。すなわち、本実施形態の羽根車４０は、一旦第１の羽根列４２に衝突させた作動流体を、偏向部材９０を介して再度第２の羽根列４３に衝突させることで、作動流体の運動エネルギーを効率的に羽根車４０に伝達させるようにしている。

図３（ａ）は、羽根車４０および偏向部材９０の概略平面図であり、図３（ｂ）は、羽根車４０および偏向部材９０の一部を断面で示した概略正面図である。これらの図に示されるように、羽根車４０の外周部には、軸方向の一端側（背面側）において複数（本実施形態では、３６）の第１の羽根４２ａが周方向に沿って配列されており、この複数の第１の羽根４２ａによって第１の羽根列４２が構成されている。同様に、羽根車４０の外周部における軸方向の他端側（正面側）には、複数（本実施形態では、３６）の第２の羽根４３ａが周方向に沿って配列されており、この複数の第２の羽根４３ａによって第２の羽根列４３が構成されている。

第１の羽根列４２は、第１の遮蔽板４４によって一端側（背面側）から覆われており、第２の羽根列４３は、第２の遮蔽板４５によって他端側（正面側）から覆われている。そして、第１の羽根列４２と第２の羽根列４３の間は、中間遮蔽板４６によって仕切られている。また、第２の遮蔽板４５には、流出配管４７を介して第１の羽根４２ａの間の空間と繋がる第１の流出口４５ａ、および第２の羽根４３ａの間の空間と繋がる第２の流出口４５ｂが設けられている。

本実施形態では、第１の羽根４２ａよりも小さい運動エネルギーが伝達されることとなる第２の羽根４３ａを第１の羽根４２ａよりも小さく構成すると共に、羽根車４０の外周側寄り配置することで、第２の羽根４３ａおよび流出配管４７を半径方向に並べて効率的に配置することを可能としている。

偏向部材９０は、正面視の形状が羽根車４０の円周方向（回転方向）に沿う略円弧状に構成された回収部９１と、回収部９１から突出する偏向部９２と、から構成されている。回収部９１は、羽根車４０側が開口した略箱状に構成されており、複数（本実施形態では、３つ）の第１の流出口４５ａを覆うように構成されている。また、回収部９１と羽根車４０の第２の遮蔽板４５の間には適宜のシール構造が設けられている。偏向部９２は、回収部９１の下部、すなわち羽根車４０の回転方向の前方側端部から第２の羽根列４３に向かう管状に構成されており、先端部は第２の羽根４３ａに向けて作動流体を噴出するノズル９２ａとなっている。

図４は、羽根車４０および偏向部材９０における作動流体の流れを示した概略図である。同図に示されるように、作動流体はノズル１３ａから第１の羽根４２ａに向けて噴出され、第１の羽根４２ａに衝突した後に大部分が流出配管４７内に流入し、第１の流出口４５ａから偏向部材９０の回収部９１内に流入する。回収部９１内に流入した作動流体はその後、回収部９１内を羽根車４０の回転方向に沿って流動して偏向部９２内に流入し、ノズル９２ａから第２の羽根４３ａに向けて噴出する。第２の羽根４３ａに衝突した作動流体は、一部は第２の流出口４５ｂから流出し、一部はそのまま第２の羽根４３ａから落下する。

このように本実施形態では、羽根車４０に対して作動流体を２回衝突させるようにしているため、より多くの運動エネルギーを回転動力に変換することが可能となっている。また、この結果、第２の羽根４３ａに衝突した後の作動流体の有する運動エネルギーが十分に小さくなるため、使用後の作動流体に含まれる水を容易に回収、排出することが可能となっている。なお、流出配管４７を設ける代わりに第１の流出口４５ａを第１の遮蔽板４４に設け、第１の遮蔽板４４側に偏向部材９０を配置するようにしてもよい。

図３（ａ）および（ｂ）に戻って、羽根車４０における第１の羽根４２ａおよび第２の羽根４３ａよりも中心側の部分は、適宜の重量（質量）を有するように構成されたフライホイール部４８となっている。すなわち本実施形態では、羽根車４０をフライホイールと一体的に構成している。換言すれば、本実施形態では、羽根車４０自体の重量を大きくすることで羽根車４０をフライホイールとして機能するように構成している。

このように、フライホイール部４８を設けて羽根車４０の重量を大きくすることにより、羽根車４０の回転を安定させることが可能となる。さらに、作動流体から伝達された運動エネルギーを羽根車４０に蓄えることができるため、ジェットエンジン１０を間欠運転させることが可能となる。すなわち、羽根車４０は一定期間であれば慣性力のみによって回転を維持し、発電を行うことができるため、慣性力で回転する羽根車４０の回転数が所定の下限値まで低下した場合にジェットエンジン１０を起動して羽根車４０を駆動し、羽根車４０の回転数が所定の上限値まで上昇したならばジェットエンジン１０を停止して、再度羽根車４０を慣性力で回転させるといった運転方法が可能となる。この結果、ジェットエンジン１０の燃料消費量および水供給装置３０による水の消費量を軽減すると共に、ジェットエンジン１０内部、第１の羽根４２ａおよび第２の羽根４３ａ等の寿命を伸ばすことができる。

羽根車４０の大きさおよび重量、ならびに羽根車４０の回転数は、特に限定されるものではなく、必要な発電量等の各種条件に応じて適宜に設定すればよい。本願発明者の知見によれば、例えば１０００００ｋＷ程度の定格（電気）出力を想定した場合には、羽根車４０の外径を１５〜２５ｍ、羽根車４０の重量を４０〜６０ｔｏｎ、羽根車４０の定格回転数を１５０〜２５０ｒｐｍに設定することで、安定的な発電が可能となる。さらに、この場合、推力が６０００〜７０００ｌｂｆのジェットエンジン１０を使用することで、ジェットエンジン１０の稼動時間を発電時間の１０％程度に低減することが可能となる。

また、２５００００ｋｗ程度の定格（電気）出力を想定した場合には、本願発明者の知見によれば、羽根車４０の外径を４０〜６０ｍ、羽根車４０の重量を８０〜１２０ｔｏｎ、羽根車４０の定格回転数を１５０〜２５０ｒｐｍに設定することで、安定的な発電が可能となる。さらに、この場合、推力が８０００〜９０００ｌｂｆのジェットエンジン１０を使用することで、ジェットエンジン１０の稼動時間を発電時間の１０％程度とすることが可能となる。

なお、羽根車４０にフライホイール部４８を設けるのではなく、羽根車４０とは別体のフライホイールを設けるようにしてもよいことは言うまでもない。また、この場合、フライホイールを配置する位置は特に限定されるものではなく、フライホイールを羽根車４０と同軸に配置するようにしてもよいし、別軸に配置するようにしてもよい。

図１および２に戻って、羽根車４０は、支軸４９を介して基台４１に回転自在に支持されており、この支軸４９には羽根車４０の回転数を検出する回転数センサ４９ａが設けられている。また、羽根車４０の下方にはピット１００が設けられており、羽根車４０は、このピット１００内に下側の一部を収容された状態で配置されている。ピット１００には、使用後の作動流体に含まれる水を排出するための排出通路１０１が接続されており、羽根車４０に衝突後落下した水はこの排出通路１０１を介して外部に排出される。また、偏向部材９０は、支持部材９３を介してピット１００内の基礎等に固定されている。

なお、羽根車４０を覆うケーシングおよび排気塔を設け、使用後の作動流体に含まれる燃焼ガス等を上方に向けて効率的に排出するようにしてもよい。さらに、このケーシングまたは排気塔内に、使用後の作動流体に含まれる蒸気を水にして回収する水回収装置を設けるようにしてもよいし、脱硝装置や脱硫装置等を設けるようにしてもよい。また、排出通路１０１から排出した水を再度貯水槽３１に戻すようにしてもよい。

発電機５０は、羽根車４０の回転動力を受けて発電を行うものである。発電機５０は、増速機５１、発電機用クラッチ５２およびベルト伝導装置５３を介して羽根車４０と接続されている。増速機５１は、入力軸５１ａが羽根車４０の支軸４９に接続され、出力軸５１ｂがベルト伝導装置５３に接続されている。増速機５１は、入力軸５１ａに入力された羽根車４０の回転動力を所定の増速比で増速して出力軸５１ｂから出力する。発電機用クラッチ５２は、出力軸５１ｂに設けられており、羽根車４０への発電機５０の接続および遮断の切り替えを行う。ベルト伝導装置５３は、出力軸５１ｂと略並列に配置された発電機５０に出力軸５１ｂの回転動力を伝達する。ベルト伝導装置５３はまた、所定の増速比で出力軸５１ｂの回転数を増速して発電機５０に伝達する。

本実施形態では、羽根車４０にフライホイール機能を持たせると共に比較的低速で回転させることで、簡便且つ効率的な発電を行うようにしている。このため、羽根車４０の回転動力は、増速機５１およびベルト伝導装置５３によって所定の回転数に増速された上で発電機５０に伝達される。なお、発電機５０、増速機５１、発電機用クラッチ５２およびベルト伝導装置５３としては、既存の各種構造のものを使用することができる。また、本実施形態では、発電機５０を４台設けるようにしているが、発電機５０の個数は特に限定されるものではない。また、ベルト伝導装置５３に代えて、例えばチェーン伝導装置や歯車伝導装置等の他の伝導装置を使用するようにしてもよい。また、増速を増速機５１のみで行うようにしてもよい。

羽根車起動装置６０は、羽根車４０の起動、すなわち停止している羽根車４０を回転させる場合に使用されるものである。羽根車起動装置６０は、回転動力を発生するモータ６１と、増速機５１の出力軸５１ｂに接続された接続軸６２と、を備え、モータ６１の回転動力を増速機５１の出力軸５１ｂに入力することによって羽根車４０を回転させるように構成されている。従って、羽根車４０を起動する際には、増速機５１は減速機として機能することとなる。羽根車起動装置６０はまた、モータ６１の回転動力を減速して出力する減速機６３と、減速機６３から出力された回転動力を接続軸６２に伝達するおよびベルト伝導装置６４を備えている。また、羽根車起動装置６０は、接続軸６２に設けられた羽根車起動用クラッチ６５を備えており、この羽根車起動用クラッチ６５によって羽根車４０への羽根車起動装置６０の接続および遮断が切り替えられるようになっている。

本実施形態では、羽根車４０の重量を大きくしてフライホイール機能を持たせるようにしているが、このように羽根車起動装置６０を設けることで、羽根車４０を迅速に起動することが可能となる。また、ジェットエンジン１０の推力のみで羽根車４０を起動する必要がなくなるため、小型のジェットエンジン１０を使用して発電時にジェットエンジン１０を略全負荷の状態で稼動させることが可能となる。これにより、設備費および燃料費を削減すると共に、ジェットエンジン１０の熱効率を向上させることができる。

ジェットエンジン起動装置７０は、ジェットエンジン１０のコンプレッサおよびタービン等に回転動力を伝達し、ジェットエンジン１０を起動するためのものである。ジェットエンジン起動装置７０は、羽根車４０が停止している場合にジェットエンジン１０を起動するモータ起動部７１と、羽根車４０が回転している場合にジェットエンジン１０を起動する伝達起動部７２と、を備えている。

モータ起動部７１は、回転動力を発生するモータ７１ａと、モータ７１ａの回転動力を増速してジェットエンジン１０に伝達する増速機７１ｂと、を備えている。すなわち、モータ起動部７１は、モータ７１ａの回転動力によってジェットエンジン１０のコンプレッサ等を回転させるように構成されている。モータ起動部７１はまた、増速機７１ｂとジェットエンジン１０の間にモータ起動部用クラッチ７１ｃを備えており、このモータ起動部用クラッチ７１ｃによってジェットエンジン１０へのモータ起動部７１の接続および遮断を切り替えるようになっている。

伝達起動部７２は、増速機５１の入力軸５１ａの回転動力を増速してジェットエンジン１０に伝達するベルト伝導装置７２ａおよび増速機７２ｂを備えている。すなわち、伝達起動部７２は、羽根車４０の回転動力によってジェットエンジン１０のコンプレッサ等を回転させるように構成されている。伝達起動部７２はまた、伝達起動部用クラッチ７２ｃを増速機７２ｂとジェットエンジン１０の間に備えており、この伝達起動部用クラッチ７２ｃによってジェットエンジン１０への伝達起動部７２の接続および遮断を切り替えるようになっている。

上述のように本実施形態では、発電中はジェットエンジン１０を間欠運転させ、ジェットエンジン１０の停止中は慣性力によって羽根車４０を回転させるようにしているが、ジェットエンジン起動装置７０に伝達起動部７２を設けることにより、この羽根車４０の慣性力を有効活用してジェットエンジン１０を起動することができる。これにより、発電装置１の稼動中（すなわち、発電中）、定期的に起動されることとなるジェットエンジン１０を、電力に変換される前の回転動力によって起動することができるため、発電効率を高めることが可能となる。なお、伝達起動部７２において、ベルト伝導装置７２ａと入力軸５１ａの間にクラッチを設けるようにしてもよい。また、ベルト伝導装置７２ａに代えて、例えばチェーン伝導装置や歯車伝導装置等の他の伝導装置を使用するようにしてもよい。

制御装置８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびハードディスク等を含む既存のコンピュータ等から構成されている。制御装置８０は、ジェットエンジン１０、ブロワ２２、水供給装置３０、発電機５０、発電機用クラッチ５２、羽根車起動装置６０およびジェットエンジン起動装置７０等、発電装置１の各部を制御する。

例えば、制御装置８０は、吸気側流量センサ１４、排気側流量センサ１５および回転数センサ４９ａの検出結果に基づき、ジェットエンジン１０およびブロワ２２を制御する。制御装置８０はまた、水流量センサ３４および排気側流量センサ１５の検出結果に基づいて調整バルブ３３を制御することで、水の供給量を調整する。制御装置８０はまた、回転数センサ４９ａの検出結果に基づいてジェットエンジン１０およびジェットエンジン起動装置７０を制御することで、ジェットエンジン１０を起動または停止する。

本実施形態の発電装置１はまた、キャビン１１（ジェットエンジン１０）、羽根車４０、発電機５０、羽根車起動装置６０、ジェットエンジン起動装置７０および制御装置８０等を収容する建屋１１０を備えている。この建屋１１０の構造は、特に限定されるものではなく、例えば空気供給タワー２０または貯水槽３１と一体的に構成されるものであってもよい。また、発電装置１の構成ごとに個別に建屋１１０を設けるようにしてもよいし、発電装置１の構成の全部または一部を地下に設けるようにしてもよい。

次に、発電装置１による発電方法について説明する。図５は、羽根車４０の回転数および発電装置１各部の稼動のタイムチャートであり、横軸に時間を示し、縦軸に羽根車４０の回転数および各部のオン／オフ、すなわち稼動または停止を示している。

発電を開始するには、まず羽根車４０を起動し、回転数を第１の回転数Ｒ１（本実施形態では、２２０ｒｐｍ）まで上昇させる。制御装置８０は、羽根車起動装置６０の羽根車起動用クラッチ６５を接続し、モータ６１を起動する。制御装置８０はまた、これと略並行してブロワ２２を起動すると共に、ジェットエンジン起動装置７０のモータ起動部用クラッチ７１ｃを接続してモータ７１ａによりジェットエンジン１０を起動する。制御装置８０はさらに、水供給装置３０の調整バルブ３３を開いて作動流体を生成する。

この結果、羽根車４０は、モータ６１の回転動力および作動流体の衝突力を受けて回転を開始し、起動時間Ｔ０（例えば、約１５分）をかけて第１の回転数Ｒ１まで加速する。なお、制御装置８０は、ジェットエンジン１０が起動したならば、モータ起動部用クラッチ７１ｃを遮断（開放）してジェットエンジン起動装置７０をジェットエンジン１０から切り離すと共に、モータ７１ａを停止する。

羽根車４０の回転数が第１の回転数Ｒ１まで上昇したならば、制御装置８０は、羽根車起動用クラッチ６５を遮断して羽根車起動装置６０を羽根車から切り離すと共に、モータ６１を停止する。制御装置８０はまた、ブロワ２２およびジェットエンジン１０を停止すると共に、水供給装置３０の調整バルブ３３を閉じて水の供給を停止する。この結果、羽根車４０は慣性力で回転することとなる。次に、制御装置８０は、発電機用クラッチ５２を接続する。これにより、発電機５０が羽根車４０の回転動力を受けて回転することとなり、発電が開始される。なお、発電機用クラッチは、羽根車４０の回転数が第１の回転数Ｒ１に到達する前、または羽根車４０の回転開始前に予め接続しておいてもよい。

慣性力によって回転する羽根車４０は、発電中徐々に回転数が低下し、持続時間Ｔ１（例えば、約５４分）の経過後に回転数が第２の回転数Ｒ２（本実施形態では、１９０ｒｐｍ）となる。羽根車４０の回転数が第２の回転数Ｒ２となったならばブロワ２２およびジェットエンジン１０を起動し、水供給装置３０の調整バルブ３３を開いて作動流体を生成する。これにより、羽根車４０は作動流体を受けて加速し、加速時間Ｔ２（例えば、６分）経過後に回転数は再び第１の回転数Ｒ１に到達することとなる。

なお、この場合のジェットエンジン１０の起動は、羽根車４０の回転数が第２の回転数Ｒ２となる前の所定のタイミングにおいて、ジェットエンジン起動装置７０の伝達起動部用クラッチ７２ｃを接続し、羽根車４０の回転動力をジェットエンジン１０に伝達することによって行う。また、制御装置８０は、ジェットエンジン１０が起動したならば、伝達起動部用クラッチ７２ｃを遮断して、ジェットエンジン起動装置７０をジェットエンジンから切り離す。

羽根車４０の回転数が第１の回転数Ｒ１に到達したならば、制御装置８０は、ブロワ２２およびジェットエンジン１０を停止すると共に水供給装置３０の調整バルブ３３を閉じて水の供給を停止する。これにより、羽根車４０は再び慣性力で回転することとなり、持続時間Ｔ１の経過後に回転数が第２の回転数Ｒ２となる。羽根車４０の回転数が第２の回転数Ｒ２となったならば、制御装置８０は、ブロワ２２およびジェットエンジン１０を起動し、水供給装置３０の調整バルブ３３を開いて作動流体を生成する。これにより、羽根車４０は再び加速し、加速時間Ｔ２の経過後に回転数が第１の回転数Ｒ１となる。以後、これを繰り返すことによって、発電が継続される。

本実施形態の発電装置１では、このようにして発電が行われる。なお、発電を停止する場合には、制御装置８０は、発電機用クラッチ５２を遮断する。また、このときジェットエンジン１０が稼動している場合には、制御装置８０はジェットエンジン１０を停止する。羽根車４０は、メンテナンス等が必要な場合には、適宜に設けたブレーキ等によって停止させる。また、羽根車４０を停止させる必要がない場合には、そのまま慣性力によって回転させ続けることで、発電再開に必要なエネルギーを削減することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る発電装置１は、気体流を生成するジェットエンジン１０と、気体流に水を供給して作動流体を生成する水供給装置３０と、作動流体を受けて回転する羽根車４０と、羽根車４０に接続される発電機５０と、を備えている。また、本実施形態に係る発電方法は、ジェットエンジン１０の生成した気体流に水を混合したものを作動流体として回転する羽根車４０によって発電機５０を回転させる。

このような構成とすることで、より簡便且つ効率的に発電を行うことができる。すなわち、ジェットエンジン１０の生成した高温、高圧の気体流に水を混合することで、羽根車４０の受ける作動流体の温度を下げることが可能となるため、羽根車４０およびその周辺を簡素且つ安価に構成することができる。また、密度の高い作動流体を生成すると共に、水の蒸発、膨張により作動流体を加速させることが可能となるため、羽根車４０に効率的にエネルギーを伝達し回転させることができる。

また、発電装置１は、羽根車４０と共に回転するフライホイール（フライホイール部４８）を備えている。このようにすることで、羽根車４０の回転を安定させることができる。また、作動流体のエネルギーを羽根車４０に蓄えることが可能となるため、ジェットエンジン１０および水供給装置３０の稼動時間を短縮し、燃料消費量および水消費量を削減すると共に、各部を長寿命化することができる。

また、発電装置１は、フライホイールの回転をジェットエンジン１０に伝達してジェットエンジン１０を起動する起動装置（ジェットエンジン起動装置７０）を備えている。このようにすることで、電力に変換される前の回転動力でジェットエンジン１０を起動することが可能となるため、発電効率を高めることができる。

また、発電装置１は、ジェットエンジン１０の稼動中に羽根車４０の回転数が第１の回転数Ｒ１まで上昇したらジェットエンジン１０を停止し、ジェットエンジン１０の停止中に羽根車４０の回転数が第２の回転数Ｒ２まで低下したらジェットエンジン１０を起動する制御装置８０を備えている。このようにすることで、燃料消費量および水消費量を必要最低限としながらも、羽根車４０を安定的に回転させて安定的な発電を行うことができる。

また、発電装置１は、気体流を羽根車４０に向けて誘導する誘導配管１３を備え、水供給装置３０は、誘導配管１３内に水を供給するように構成されている。このようにすることで、発生した蒸気の略全てを羽根車４０に向かわせることが可能となるため、ジェットエンジン１０からの気体流の有する熱エネルギーを効率的に作動流体の運動エネルギーに変換し、羽根車４０に伝達することができる。

また、羽根車４０は、作動流体を順番に受ける複数の羽根列（第１の羽根列４２および第２の羽根列４３）を有している。このようにすることで、より多くのエネルギーを作動流体から羽根車４０に伝達すると共に、使用後の作動流体の処理を容易にすることができる。

また、発電装置１は、羽根列（第１の羽根列４２）から流出した作動流体を次の羽根列（第２の羽根列４３）に向けて偏向する偏向部材９０を備えている。このようにすることで、複数の羽根列に作動流体を確実に受けさせることが可能となるため、エネルギーの伝達効率を高めることができる。

また、水供給装置３０は、自然水を貯留する貯水槽３１を備え、落差を利用して水を供給するように構成されている。このようにすることで、河川水等の自然に存在する水を有効活用して効率的な発電を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の発電装置および発電方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、発電装置１各部の形状や配置構成は、上記実施形態において示したものに限定されず、他の任意の形状や配置構成を採用することができる。

また、羽根車４０の形状は、作動流体を受けて回転することが可能な形状であれば、どのような形状であってもよい。さらに、羽根車４０は、軸流式、遠心式または斜流式のものであってもよい。また、羽根車４０の有する羽根列の数は、３つ以上であってもよいし、１つであってもよい。また、複数の羽根列ごとに複数の羽根車４０を別体に設けるようにしてもよい。また、羽根車４０を回転させる作動流体は、水を含んだ気液二相流であってもよいし、混合した水が全て蒸気となった気体流であってもよい。

また、１つの羽根車４０に対して複数のジェットエンジン１０を設けるようにしてもよく、この場合さらにジェットエンジン１０ごとに専用の羽根列を設けるようにしてもよい。また、誘導配管１３を分岐させる等して、１つのジェットエンジン１０に対して複数の羽根車４０を設けるようにしてもよい。また、ジェットエンジン１０や発電機５０等を２セット設け、各セットを交互に運転するようにしてもよく、この場合、発電を停止することなく、メンテナンスを行うことができる。

また、上記実施形態において示した作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したものに過ぎず、本発明による作用および効果は、これらに限定されるものではない。

本発明に係る発電装置および発電方法は、商用発電のみならず、自家発電や非常時発電においても利用することができる。

１ 発電装置
１０ ジェットエンジン
１３ 誘導配管
３０ 水供給装置
３１ 貯水槽
４０ 羽根車
４２ 第１の羽根列
４３ 第２の羽根列
４８ フライホイール部
５０ 発電機
７０ ジェットエンジン起動装置
８０ 制御装置
９０ 偏向部材
Ｒ１ 第１の回転数
Ｒ２ 第２の回転数

Claims (7)

1. 気体流を生成するジェットエンジンと、
   前記気体流に水を供給して作動流体を生成する水供給装置と、
   前記作動流体を順番に受ける複数の羽根列を有し、前記作動流体を受けて回転する羽根車と、
   前記羽根列から流出した前記作動流体を次の前記羽根列に向けて偏向する偏向部材と、
   前記羽根車に接続される発電機と、を備えることを特徴とする、
   発電装置。
2. 前記羽根車と共に回転するフライホイールを備えることを特徴とする、
   請求項１に記載の発電装置。
3. 前記フライホイールの回転を前記ジェットエンジンに伝達して前記ジェットエンジンを起動する起動装置を備えることを特徴とする、
   請求項２に記載の発電装置。
4. 前記ジェットエンジンの稼動中に前記羽根車の回転数が第１の回転数まで上昇したら前記ジェットエンジンを停止し、前記ジェットエンジンの停止中に前記羽根車の回転数が第２の回転数まで低下したら前記ジェットエンジンを起動する制御装置を備えることを特徴とする、
   請求項２または３に記載の発電装置。
5. 前記気体流を前記羽根車に向けて誘導する誘導配管を備え、
   前記水供給装置は、前記誘導配管内に水を供給するように構成されることを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置。
6. 前記水供給装置は、自然水を貯留する貯水槽を備え、落差を利用して水を供給するように構成されることを特徴とする、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の発電装置。
7. ジェットエンジンの生成した気体流に水を混合したものを作動流体として回転する羽根車によって発電機を回転させる発電方法であって、
   前記羽根車は、前記作動流体を順番に受ける複数の羽根列を有し、
   前記羽根列から流出した前記作動流体を偏向部材によって次の前記羽根列に向けて偏向することを特徴とする、発電方法。

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