JP2004251259A - 循環式水力発電装置及び発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の水力発電方法の課題であった立地条件・環境問題・建設コスト・発電コストを大きく改善する新しい水力発電方法と水力発電装置を提供する。
【解決手段】上部に設けた上部貯水槽２に貯水した水を、上部貯水槽から水圧管４により導水し、水車８と発電機７により発電する。発電使用後の水を吸出管１１により、下部に設けた下部貯水槽１３に貯水する。下部に貯水された水を下部貯水槽１３内部に設けた加圧予備水圧力隔壁２８の開閉弁を通し加圧ユニット１８の機構により加圧水タンク３５と揚水加圧室２３に供給する。供給した水は揚水加圧板２２により加圧水タンク３５の水重量で加圧され、揚水管１７を通して上部貯水槽２に貯水される。
上記の工程を恒常的に繰り返し、これを自動的に制御することで発電する水力発電方法と水力発電装置である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電方法と水力発電装置に関するものである。
詳しくは、水力発電に必要とする水を、地球の引力つまり水の容量と重力、気体の容量と重力を利用し、それぞれを目的別に隔離し制御することにより揚水し、主体的な揚水エネルギーを必要としない水力発電方法であり、また確保できる水が所定量の場合、基本的に発電に必要とする装置と方法を密閉した設備内で実現しようとする水力発電方法及び水力発電装置である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発電技術は、化石燃料を燃焼させて蒸気でタービンを回転させる火力発電・水を高所から落下させ水の位置エネルギーを水車の回転に変える水力発電・ウラン燃料の核分裂熱エネルギーで蒸気を発生させタービンを回転させる原子力発電・潮の干満の差を利用し上部貯水池に海水を引き込み干潮時に海水が流出する際の位置エネルギーで水車を回転に変える潮力発電・波の上下運動を空圧又は油圧エネルギーで回転に変える波力発電・太陽光を発電素子で電気に変える太陽光発電・風を風車のブレード回転に変える風力発電等が知られている。
しかし上記の発電方法には、それぞれに立地条件・建設コスト・環境・安全・安定発電・発電容量・送電・発電コスト等の問題がある。
【０００３】特に、従来の大規模水力発電は高所や山岳地に大きな貯水池又はダム湖を必要とし、その建設費用は国家的予算を必要とするほど高額であり、また建設による環境破壊は大きな社会問題となっている。
また安定発電に必要な水量は、自然事象に大きく依存している。この理由により乾燥地や砂漠地・市街地には不可能な発電方法である。また水力発電の適地においても、降雨量の多い時期には、発電量が大きくなるが無駄な放水量も多く、降雨量の少ない時期には発電量が少なくなる問題がある。
発電後の水は、通常そのまま河川に放流され、必ずしも有効利用されているとはいえない。上記理由により、大規模水力発電による発電量は、今後増える傾向にはない。
【０００４】また日本国内には、一部に小規模水力発電もあり、貯水池を利用し、上方貯水池に揚水し発電する純揚水式発電方法や、河川を利用した混合揚水式発電方法が存在する。
しかし従来の揚水式発電は、電力需要の軽負荷時における供給余力で揚水し、重負荷時に発電するものである。機械設備の違いにより、別置式揚水発電・タンデム式揚水発電・ポンプ水車式揚水発電等の揚水発電方法が知られているが、いずれの発電方法も電力系統の運用をより一層合理化しようとの考えの下に発生したものであり、機械設備などの外見は水力発電であるが、揚水動力費を必要とする点では燃料を用いる火力発電・原子力発電と同様であることは、発電技術者には衆知の事実である。
【０００５】また揚水方法である揚水ポンプやその他の機械は、めざましい技術の発展により省電力化や効率化がみられるが、揚水に必要とする投入エネルギーを格段に少なくすることは、実現していない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水力発電方法と水力発電装置には、上記の課題がある。
本発明の目的は、特に水力発電の立地条件・環境・建設コスト・発電コストの課題を解決しようとすることであり、原理的に制御機器動作エネルギー以外の揚水に必要なエネルギーを必要としない揚水技術と装置により、これを利用した水力発電方法と水力発電装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した目的を達成するため、以下に記載する基本的技術構成を採用している。本発明の第１の態様としては、水の落下位置エネルギーにより稼働する既存技術の水車と発電機、当該発電機の上方に位置し所定量の水を貯水し当該発電機に水を供給する上部貯水槽、当該発電機の下方に位置し所定量の水を貯水する下部貯水槽、下部貯水槽内及び一部を下部貯水槽外に設けた揚水手段となる揚水装置により構成する水力発電装置である。
【０００８】第２の態様として当該揚水手段は、下部貯水槽内及び一部を下部貯水槽外に設けた目的別に隔離した室で構成され、揚水する水は、揚水加圧室に形成した自動制御可能な開閉弁を開とし、揚水加圧板と連結する加圧水タンクに形成した自動制御可能な開閉弁を開にし、揚水加圧板と連結する加圧水タンクが上昇することにより、水が揚水加圧室に供給される。
揚水加圧室の水は、揚水加圧室に形成した開閉弁を閉とし、揚水加圧板と揚水加圧板に連結した加圧水タンクに形成した開閉弁を閉とすることにより、揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクが下降し、揚水加圧室の水に加圧水タンクの膨大な水重量が加圧することにより、揚水加圧室内の水容積が変化し上方に解放した揚水管を通り上部貯水槽に揚水される装置である。下記にその原理を記載する。
【０００９】揚水加圧板と揚水加圧板に連結した加圧水タンクが上昇時に、揚水加圧室に水が供給される理由は、揚水加圧室に形成した開閉弁を開とし、揚水加圧室上部に設け比重１以下に形成した揚水加圧板と加圧水タンクが、揚水加圧室外の水の浮力・揚水加圧板の上部に形成し密閉されている空圧調整室の負圧上昇力・揚水加圧板上部に接している上昇補助スプリングの反発上昇力・加圧水タンク下部に形成し密閉した浮力調整室の圧縮空気の反発力等により揚水加圧板と揚水加圧板に連結している加圧水タンクが上昇することにより、加圧水タンク内の水が自動的に揚水加圧室に供給される。
【００１０】この場合、揚水加圧板と揚水加圧板に連結している加圧水タンクが上昇する理由は、揚水加圧板や加圧水タンク壁面及び底面に中空構造を用い、比重１以下に形成し、下部に形成した開閉弁を開にすることにより、加圧水タンク外にある加圧予備水が加圧水タンクに取り込まれ、加圧水タンク内と外部の水圧は同じとなり水の浮力と、上記した揚水加圧板上昇と同じ理由により上昇する。
【００１１】この場合、揚水加圧板上部に形成し密閉した空圧調整室が負圧になる理由は、揚水加圧板と連結した加圧水タンクが上昇端にあって、空圧調整室の空気圧を所定気圧で密閉する。揚水加圧板と加圧水タンクが下降する際に、空圧調整室の容積が大きくなり下降端時の空圧調整室内圧力は上昇端時の所定気圧に比較して負圧となっていることによる。
【００１２】この場合、揚水加圧板に接する上昇補助スプリングが上昇力になる理由は、揚水加圧板最上部に形成したＴ字様の鍔の下方に、鍔に接するように配置した上昇補助スプリングが、揚水加圧板下降時に圧縮され、揚水加圧板上昇時には当該スプリングの反発力が上昇力となることによる。
【００１３】この場合、加圧水タンク下部に形成し密閉した浮力調整室の空気が圧縮空気になり上昇力となる理由は、揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクが上昇端で浮力調整室の空圧を所定圧力とし、この場合、揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンク下降時には、浮力調整室の容積が小さくなり、内部の空気は圧縮空気となり、その反発力が揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンク上昇時に上昇力となることによる。
【００１４】揚水加圧板と揚水加圧板に連結した加圧水タンクの上昇時に加圧水タンクから揚水加圧室に水を供給し、加圧水タンク内の水容積が変わらない理由は、加圧水タンク下部に形成した自動制御可能な開閉弁を開とし、加圧水タンク外部にある加圧予備水と下部貯水槽内の下部貯水により、加圧水タンクの水は自動的に供給されることによる。
【００１５】揚水加圧板と揚水加圧板に連結した加圧水タンクの上昇時、加圧予備水圧力隔壁と加圧水タンクに隔離された加圧予備水の水容積が変わらない理由は、加圧予備水圧力隔壁下部に形成した自動制御可能な開閉弁を開とし、加圧予備水と圧力隔壁外部にある下部貯水槽下部貯水により、自動的に加圧予備水は供給されることによる。
【００１６】
揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクが上昇後、自動的に下降し、揚水加圧室の水を加圧し揚水する理由は、揚水管上方に解放し、その他の壁を閉じた揚水加圧室に取り入れた所定量の水が、揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクの上昇端で、揚水加圧室に形成した自動開閉可能な開閉弁を閉とし、同時に加圧水タンクに形成した自動制御可能な開閉弁を閉とし、同時に加圧予備水圧力隔壁に形成した自動開閉可能な開閉弁を閉としたときに、加圧水タンクに取り込んでいる所定の膨大な水重量により、加圧水タンクに連結する揚水加圧板で揚水加圧室の水が加圧されることによる。
揚水加圧室の水は、唯一解放されている揚水管上部に揚水されることとなり、揚水加圧室内の水容量が減少することにより揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクは自動的に下降する。
この物理現象は、原理的に注射器や水鉄砲の放水と同じである。ピストンを加圧し、内容液が減少することによりピストンは下降または移動することとなる。
また加圧水タンク内の所定水容量は、設計上の自由度が大きく、揚水加圧室の容積に比較し、数倍から数十倍の容積に設計することができる。このことは、揚水量・揚水速度・揚水高さを自由に設計できることであり、当該発明の大きな特徴である。
【００１７】揚水加圧板と揚水加圧板に連結した加圧水タンクの下降時、加圧水タンクの外部にある加圧予備水の浮力が揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクの下降の障害にならない理由は、設計上、加圧予備水の水容量は加圧水タンク水容量の数十分の１にしてあり、加圧水タンクと加圧予備水圧力隔壁の隙寸法は、加圧水タンクの上昇下降に障害のない最小隙寸法に設計する、また加圧水タンクの下部に形成した浮力調整室は、加圧水タンクの内部底面と外部底面の面積差を構成し、加圧水タンクが底面から受ける浮力を小さくする。このことはシリンダー内のピストン表面積がロッド側とロッド反対側に違いがあり、同じ圧力でピストンを加圧した場合、ピストン表面積が大きいロッド反対側からピストン表面積が小さいロッド側にピストンが移動する原理と同じである。機械技術者には衆知の原理である。
また加圧水タンクの下降時に圧縮され、上方に移動する加圧予備水は、加圧予備水圧力隔壁の上部に形成した開口部より、加圧予備水圧力隔壁外部の下部貯水槽に排出される。これらの理由により、揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクの下降に、加圧水タンク外部の加圧予備水浮力は障害とならないほど小さい。
【００１８】揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクの下降時、揚水加圧板上部に形成したＴ字様鍔に接する上昇補助スプリングの反発上昇力が障害にならない理由は、加圧水タンクの水容量と重量が、上昇補助スプリングの反発上昇力に比較して桁違いの下降力として作用する理由により、上昇補助スプリングの反発上昇力は、揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクの下降に障害とならないほど小さい。
【００１９】揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクの下降時、揚水加圧板上部に形成した空圧調整室の負圧が障害にならない理由は、加圧水タンクの水容量と重量が、空圧調整室の負圧による上昇力に比較して桁違いの下降力として作用する理由により、空圧調整室の負圧は、揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクの下降に障害とならないほど小さい。
【００２０】揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクの下降時、加圧水タンク下部に形成した浮力調整室の圧縮空気の反発力が障害にならない理由は、加圧水タンクの水容量と重量が、浮力調整室の圧縮空気の反発力に比較して桁違いの下降力として作用する理由により、浮力調整室の圧縮空気反発力は、揚水加圧板と揚水加圧板に連結する加圧水タンクの下降に障害とならないほど小さい。
【００２１】本発明は、以上に記載した態様と技術的理由により、下部貯水槽から制御エネルギー以外の揚水エネルギーを使用しないで揚水し、上部貯水槽に所定の水を貯水し、その水を落下させることにより上部貯水槽下部に設けた既存技術による水車と発電機を持つ発電装置で発電し、下部貯水槽に貯水する作用を恒常的に繰り返す水力発電方法と水力発電装置であり、従来の水力発電方法の課題を改善しまた解決しようとするものである。
【００２２】
【本発明の実施形態】
本発明に係わる発電方法と発電装置は、圧力の違う目的別に隔離された室に水や空気を入れ、これを適時に制御し、その重力の違いにより揚水するものである。原理的に単純であり、その装置は安価に建設することができる。また装置を密閉した場合、一度投入した水は原則的に減少することはない。この理由により立地条件は自由度が大きく、例えば乾燥地や砂漠地にも建設することができる。
【００２３】また都市部に建設する新規高層ビルには、当初から当該発電装置を設計することにより、燃料を必要としない自家発電を得ることができる。
【００２４】また当該水力発電装置を、都市部の既存高層ビルの上部に小形貯水槽を設置することができれば、地上または地下に下部貯水槽を設け、地上階付近または地下において発電することができる。
【００２５】また当該水力発電装置は、揚水装置が単純である理由により、揚水装置を小さく設計し、ユニット化をすることにより、必要電力量や立地条件に応じた揚水量を設計できる。このことは小規模水力発電には下部貯水槽内のユニット数を少なく設置し、必要電力量に応じてユニット数を増減することが簡単にできることを意味し、住宅地・過疎地・都市等の需要に応じた水力発電装置が建設できる。
【００２６】また当該水力発電装置の発電場所を多くした場合、計画地域だけの送電線を設置することができる。この理由により、遠距離送電による電力損失を防止することができる。
【００２７】
【発明の効果】
当該水力発電装置は、その技術的要素及び態様の特徴により、従来の水力発電方法及び水力発電装置と比較して、最小の貯水面積で最大の発電能力を発揮することができる。通常、水力発電方法による発電量は、位置エネルギーの大きさにより決定される。その技術条件は、水車から上部貯水までの有効落差と、水車に導水する１秒毎の水量である。当該水力発電装置の能力を試算した場合、発電装置の建設条件を▲１▼下部貯水槽面積：９００ｍ^２・▲２▼下部貯水槽深さ：１０ｍ・▲３▼下部貯水量：９，０００立方ｍ・▲４▼揚水装置揚水加圧室容積：１立方ｍ＝揚水１ｔｏｎ／１回・▲５▼揚水装置動作回数：４回／１分・▲６▼加圧水タンク容積：８立方ｍ・▲７▼有効落差：１００ｍ・▲８▼下部貯水漕内揚水装置数：４５０台で計算すると、▲９▼計算式：発電力＝９．８η・Ｑ・Ｈ〔ｋＷ〕を使い▲１０▼２３，５２０ｋＷ／ｓとなる。
（η：水車発電機合成効率８０％・Ｑ：使用水量〔立方ｍ／ｓ〕・Ｈ：有効落差〔ｍ〕）
上記試算結果では、本発明による当該水力発電装置の単位面積１ｍ^２当たり発電能力は２６．１３ｋＷとなる。この発電能力値は、公知の水力発電方法で最大となる。
【００２８】また当該水力発電方法は、燃料及び自己発電以上のエネルギーを必
要としない。この理由と
【００２７】記載の理由により従来の水力発電方法と水力発電装置に比較して、発電コストを大きく低減できる。
【００２９】当該水力発電装置は、その建設に際し、貯水槽・水車・発電機・揚水装置・配管・制御部品・構築素材・設計等全ての建設要素は既存技術で対応できる。また建設における立地条件の自由度が大きく、必要発電量に対する必要面積が少ない。また既存設備や海・自然河川・自然湖沼を利用しやすく、この理由により従来の水力発電方法と水力発電装置に比較して、建設コストを大きく低減できる。
【００３０】当該水力発電方法と水力発電装置は、上部貯水槽・加圧水管・発電装置・下部貯水槽・揚水装置・揚水管等を、必ずしも一体で構成する必要はなく、立地条件により最適な建設態様にすることができる。この理由により、山岳地・低地・過疎地・都市部・海岸地・熱帯地・寒冷地・乾燥地・砂漠地等々立地を制限する必要はない。また従来水力発電装置に比較して装置が簡易であり、建設必要面積が少ない理由により、当該水力発電方法と水力発電装置の立地条件は、従来の水力発電方法と水力発電装置に比較して、立地自由度が大きく改善される。
【００３１】当該水力発電方法と水力発電装置は、発電媒体に通常の水や海水を使用し、化石燃料は必要としない。この理由により、現在、環境問題となって久しい一酸化炭素・二酸化炭素による地球温暖化現象に直接影響することはない。また核燃料を必要としない理由により、人類が最も危機を感じる放射能汚染の問題や放射性廃棄物の貯蔵問題は発生しない。
また従来の大規模発電に必要な山岳地の森林破壊・居住地埋没・水生生物生息環境の悪化・土砂流出等々の環境問題が発生しない。
上記理由により当該水力発電方法と発電装置は、従来の水力発電方法と発電装置に比較して、環境問題を大きく改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の水力発電方法及び装置の正面図である。
揚水加圧室に水が供給され、揚水加圧室に形成した開閉弁を開とし、加圧水タンクに形成した開閉弁を開とし、加圧予備水圧力隔壁に形成した開閉弁を開とした図である。
【図２】図２は本発明の水力発電方法及び装置の部分正面図である。
揚水加圧室に水が供給され、揚水加圧室に形成した開閉弁を閉とし、加圧水タンクに形成した開閉弁を閉とし、加圧予備水圧力隔壁に形成した開閉弁を閉とし、加圧水タンクの水重量により揚水加圧室の水が加圧される直前の図である。
【図３】図３は本発明の水力発電方法及び装置の部分正面図である。
揚水加圧室の水が加圧水タンクの水重量により加圧され、揚水管により上部貯水槽に排出された図である。揚水加圧室に形成した開閉弁は閉とし、加圧水タンクに形成した開閉弁は閉とし、加圧予備水圧力隔壁に形成した開閉弁は閉としている。この直後に全ての開閉弁は開となり、加圧水タンクが上昇する直前の図である。
【符号の説明】
１． 上部貯水レベルスイッチ ３５．加圧水タンク
２． 上部貯水槽 ３６．空圧調整室
３． 水圧管開閉弁
４． 水圧管
５． 流量調節弁
６． 発電室
７， 発電機
８． 水車
９． 加圧予備水排出口
１０．発電制御階
１１．吸出管
１２．下部貯水レベルスイッチ
１３．下部貯水槽
１４．加圧予備水圧力隔壁開閉弁
１５．加圧予備水取入口
１６．上部貯水
１７．揚水管
１８．加圧ユニット
１９．上昇補助スプリング
２０．揚水開閉弁
２１．揚水一方向弁
２２．揚水加圧板
２３．揚水加圧室
２４．揚水加圧室開閉弁
２５．下部貯水
２６．加圧水取入口
２７．加圧水
２８．加圧予備水圧力隔壁
２９．加圧水タンク開閉弁
３０．加圧水取入口
３１．加圧予備水
３２．エアー取込口
３３．浮力調整室
３４．防水壁

Claims (11)

1. 上方より落下する水の位置エネルギーで稼働する水車、水車と連結する発電機、水車回転後の水を下部貯水槽に送水する吸出管、当該発電機の下方に位置し発電利用後の水を回収貯水する下部貯水槽、下部貯水槽内に設けた揚水加圧室に水を取入れ下部貯水槽内の他水を利用して揚水加圧室の水を加圧し揚水する加圧ユニット、揚水加圧室から上部貯水槽に揚水する揚水管、揚水を一時貯水する上部貯水槽、上部貯水槽から水車に送水する水圧管から構成されている事を特徴とする水力発電装置と水力発電方法。
2. 下部貯水槽内に設けた揚水装置の揚水加圧室に、自動制御可能な開閉弁を設け、下部貯水槽内の他水圧を利用し揚水加圧室に適時に水を供給することを特徴とする揚水装置を設けた請求項１記載の水力発電装置と水力発電方法。
3. 下部貯水槽内に設けた揚水装置の揚水加圧室に、揚水加圧板を設け、揚水加圧室外の水重量を利用し揚水加圧室内の水に加圧する方法と機構を特徴とする揚水装置を設けた請求項１又は２に記載の水力発電装置。
4. 下部貯水槽内に設けた揚水装置の揚水加圧板に、揚水加圧板上昇を補助するスプリング及び油圧装置や空圧装置その他の上昇補助装置を、下部貯水槽内又は下部貯水槽外に設けた揚水装置を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の水力発電装置と水力発電方法。
5. 下部貯水槽内に設けた揚水装置の揚水加圧板と、揚水加圧板に付帯する装置と部品を中空構造等の軽量設計とし、比重１以下に構成し、揚水加圧板が揚水加圧室外の水の浮力を利用し、自然上昇する機能を特つ揚水装置を設ける事を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の水力発電装置と水力発電方法。
6. 下部貯水槽内に設けた揚水装置の揚水加圧室と揚水加圧板に加圧する方法として、揚水加圧室水圧と下部貯水槽水圧と別の水圧を有し、自動制御可能な開閉弁を有する加圧水タンクを設けた揚水装置を特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の水力発電装置と水力発電方法。
7. 下部貯水槽内に設けた揚水装置の加圧水タンク外側に、加圧水タンクが下部貯水槽内の他水圧の影響を受けない目的で、自動制御可能な開閉弁を有する圧力隔壁を設けた揚水装置を特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の水力発電装置と水力発電方法。
8. 下部貯水槽内に設けた揚水装置の加圧水タンク壁面と、近接する外部の壁面の隙を、浮力を減少させる目的で小さく設計した構造を持つ揚水装置を特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の水力発電装置と水力発電方法。
9. 下部貯水槽内に設けた揚水装置の加圧水タンク下部に、加圧水タンクが受ける浮力を減少させる目的で浮力調整室又は浮力減圧機構を設けた揚水装置を特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の水力発電装置と水力発電方法。
10. 下部貯水漕内に設けた揚水装置の揚水加圧室の水に、貯水槽内及び貯水槽外の水重量及び他の加圧補助装置を用いて加圧し、揚水の水容積を減少させる事により揚水管を通して上部貯水槽に揚水し、上部貯水槽から水を水圧管で送水し、水の位置エネルギーで水車を回転させ、水車に連結する発電機により発電し、発電利用後の水を吸出管により下部貯水漕に送水する。これを自己発電量以下の電気エネルギー又は自然エネルギーで揚水を循環制御する方法と機構装置を特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の水力発電装置と水力発電方法。
11. 海・自然河川・自然湖沼・人工河川・人工湖沼その他の貯水可能な地に設ける請求項１乃至１０の何れかに記載する水力発電装置と水力発電方法

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