JP2005273466A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 大掛かりな設備の必要のない発電システムを提供することである。
【解決手段】 建築物Ａに設けた水路Ｌ１，Ｌ２と、上記水路Ｌ１，Ｌ２の途中に設けた発電機Ｇとを備えて構成され、ダム等の大規模施設によらずに無駄に消費されていた建築物Ａ内を流れる上水や排水等の位置エネルギもしくは運動エネルギを電気エネルギに変換する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電システムの改良に関する。

この種発電システムとしては、たとえば、構築物たるダムなどの貯水施設と、ダムに設けた水路と、水路の途中に設けた発電機とを備えたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

そして、この種発電システムにあっては、ダムに貯めておいた水をポンプで汲み上げ、水路中に放出し、水路中に設けた発電機の羽根車等を回転させて発電している。
特開平１０−８２０３６号公報（発明の実施の形態の欄，図１および図２）

しかし、上述従来の発電システムでは、水を蓄えておくダム等の大掛かりな設備が必要であり、その施設を構築するためには高額な費用が伴うこととなる。

そこで、本発明の目的とするところは、大掛かりな設備の必要のない発電システムを提供することである。

上記した目的を達成するため、建築物に設けた水路と、上記水路の途中に設けた発電機とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ダム等の大規模施設を必要とせず、安価な設備で発電が可能である。

また、従来では、ポンプで電気エネルギ等を消費して水を上方まで送るだけであり、上方に送られた水が落下するときには、何等エネルギを取り出すことはなされておらず、エネルギが無駄に消費されていたが、本発電システムでは、従来無駄に消費されていた水等の位置エネルギを電気エネルギに変換して取り出すことができる。

また、上記変換された電気エネルギを建築物で消費される電気エネルギの一部に充当すれば、省電力化が図れ、建築物の維持コストを低減することが可能となる。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図1は、一実施の形態における発電システムの縦断面図である。図２は、一実施の形態における発電機の縦断面図である。図３は、発電機の環状凹部における側部の斜視図である。図４は、一実施の形態における発電機の羽根の正面図である。図５は、発電機の環状永久磁石の磁極配置を示した図である。図６は、発電機の環状永久磁石の他の磁極配置を示した図である。図７は、一実施の形態における他の発電機の概念図である。図８は、一実施の形態の発電システムにおける蓄電装置の回路図である。

図１に示すように、一実施の形態における発電システムは、建築物Ａ内に配在の水路と、水路の途中に設けた発電機Ｇとで構成されている。

以下、詳細に説明すると、建築物Ａは、建築物Ａの外部に埋設等されている上水道管Ｊに接続されるポンプＰと、建築物本体Ａ１と、建築物本体Ａ１の屋上に設置された屋上貯水槽Ｒと、建築物本体Ａ１の任意の位置に設置された貯水槽Ｓと、ポンプＰと屋上貯水槽Ｒとを結び、かつ、建築物本体Ａ１の任意の位置に上水を導く水路たる上水路Ｌ１と、排水を回収し、かつ、貯水槽Ｓおよび建築物本体Ａ１の外部に埋設等されている下水管Ｅとを結ぶ水路たる排水路Ｌ２とで構成されている。なお、建築物Ａの構造は、鉄骨造、鉄筋コンクリート造その他どのような構造でもよく、その用途も住居、オフィスビル、その他どのような用途に供せられるものでもよいが、発電の効率性からは中高層の建築物であることが好ましい。また、排水路Ｌ２には、気路Ｌ３が設けられ、この気路Ｌ３は、建築物本体Ａ１の外方と排水路Ｌ２とを連通し、かつ、気路Ｌ３内に排水が逆流しないように、気路Ｌ３は排水路Ｌ２の接続位置より上方に向けて伸びるように設置されている。

そして、発電機Ｇは、上記した建築物Ａの水路たる上水路Ｌ１、排水路Ｌ２および気路Ｌ３の任意の箇所に設けられている。また、本実施の形態においては、貯水槽Ｓを設けてあり、安定した発電を行えるように、幾つかの発電機Ｇは、貯水槽Ｓより下方の排水管Ｌ２の途中に設けられている。

なお、発電機Ｇは、上水路Ｌ１，排水路Ｌ２もしくは気路Ｌ３中に設けられ、水路たる上水路Ｌ１，排水路Ｌ２および気路Ｌ３中を流れる流体によって回転させられる羽根車と、羽根車に固着した永久磁石と、上記永久磁石に対向させて設けたコイルとを備えており、上記羽根車が流体の通過により回転して、永久磁石の磁力線がコイルを横切り、コイルに誘導起電力を生じさせて流体の運動エネルギを電気エネルギに変換することができるようになっている。上記したところによれは、羽根車を回転させるとしているが、その他流体が上水路Ｌ１，排水路Ｌ２もしくは気路Ｌ３を通過するときに、回転運動を呈するものであって、永久磁石をコイルに対して移動せしめられるものであれば良い。

そして、このように構成された発電システムにおいては、ポンプＰが上水道管Ｊから水を屋上貯水槽Ｒへ汲み上げる際、上水路Ｌ１の途中に設けた発電機Ｇは、上水路Ｌ１を通過する水によって、上述のように、発電することができ、また、排水路Ｌ２の途中に設けられた発電機Ｇは排水路Ｌ２を通過する排水によって発電することができる。

そして、貯水槽Ｓにあっては、排水を任意の量を貯めこむことができ、ある程度の量を貯水した後に、発電機Ｇに最適な流速と流量で排水する。すると、貯水槽Ｓより下方に設置された発電機Ｇは、貯水槽Ｓから排出される排水の通過により発電することが可能となるから、安定的に発電することができることとなる。

すなわち、建築物Ａの用途、すなわち、オフィスビル、住宅等の用途や時間帯により排水量が変化し、上記排水量は、必ずしも発電機Ｇにとって最適とならない場合もあり、効率の良い発電を行えない場合があるが、上述のように、建築物Ａに貯水槽Ｓを設けることにより、上記不具合を防止することが可能である。

なお、この貯水槽Ｓについては、地震時に建築物の振動の方向と反対方向に移動させて建築物の振動を抑制する制振装置としても使用可能である。

さらに、気路Ｌ３建築物本体Ａ１と排水路Ｌ２とを接続されており、排水路Ｌ２内を排水が通過することによる圧力変動によって、すなわち、排水が落下して気路Ｌ３内の圧力は減圧されるので、上記減圧作用は、気路Ｌ３内に建築物本体Ａ１の外方から気体を吸引するように作用する。したがって、気路Ｌ３の途中に設けられた発電機Ｇは、排水時に気路Ｌ３内を気体が通過するので、これにより発電することができる。

したがって、本発電システムによれば、ダム等の大規模施設を必要とせず、安価な設備で発電が可能である。

また、従来では、ポンプＰで電気エネルギ等を消費して水を上方まで送るだけであり、上方に送られた水が落下するときには、何等エネルギを取り出すことはなされておらず、エネルギが無駄に消費されていたが、本発電システムでは、従来無駄に消費されていた水等の位置エネルギを電気エネルギに変換して取り出すことができる。

また、上記変換された電気エネルギを建築物Ａで消費される電気エネルギの一部に充当すれば、省電力化が図れ、建築物Ａの維持コストを低減することが可能となる。

さらに、上述したところによれば、単一の建築物Ａに適用しているが、多数の建築物に本発電システムを適用することも可能であり、その場合には、上水、排水量も多くなり、発電量を多くすることもできる。

なお、上記したところでは、ポンプＰと屋上貯水槽Ｒとの間に発電機Ｇを設けているが、水を建築物Ａの屋上まで送るときに発電させると、水を屋上に送る際のポンプＰの消費エネルギが大きくなるので、あまり好ましくはない。

また、上水路Ｌ１は、ともかくとして排水路Ｌ２には、排水だけでなく、固体も一緒に流れてくる場合があるから、排水路Ｌ２に設けた貯水槽Ｓに濾過装置を設けておくか、排水路Ｌ２自体に濾過装置を設けておくとよい。

ちなみに、排水路Ｌ２は、上水路Ｌ１を経由した水を排水するためのものだけではなく、たとえば、雨水を回収して排水するために使用される水路であってもよい。

つづいて、具体的な発電機Ｇについて説明する。一実施の形態における発電機Ｇは、図２に示すように、気体もしくは上水もしくは排水の流路Ｍが設けられたケース１と、コイル２と、ケース１内に回転自在に設けた軸３と、軸３の外周に設けられた複数の羽根４と、当該羽根４の外周に設けられた環状永久磁石５とで構成されている。

以下、詳細に説明すると、ケース１は、円筒状であって非磁性体で形成されており、その内周側には環状凹部１ａが設けられている。そして、ケース１の両端は、上述の上水路Ｌ１、排水路Ｌ２もしくは気路Ｌ３に接続されている。なお、上水路Ｌ１、排水路Ｌ２もしくは気路Ｌ３を形成する管をそのままケース１として利用するとしてもよい。

さらに、環状凹部１ａは、側部１ｂ，１ｂと底部１ｃとで構成されている。そして、この側部１ｂ，１ｂのうち図１中右側に位置する側部１ｂ、すなわち、図２中下流側に位置する側部１ｂには、図３に示すように、円周方向に沿って凹凸が設けられている。この凹凸は、詳しくは、鋸歯状になっている。

また、この環状凹部１ａの側部１ｂに対向するコイル２が内設されている。このコイル２は、環状凹部１ａの側部１ｂの図２中左右に配置されて対を成しており、環状凹部１ａの円周に沿って複数対設けられている。なお、当該コイル２には、図示しないコアが挿入されているが、コアはなくても構わないが、大きな磁界を得るためにはコアを挿入するほうが好ましい。

また、ケース１内には、ボールベアリング６を介して軸３の両端側を回転自在に軸支する支持体７が設けられている。この支持体７は、中間にボールベアリング６が嵌挿されるリング（付示せず）と、リングの両端から延設される棒状体（付示せず）とで構成されており、上下の棒状体の端部がそれぞれケース１内周に結合されており、流路Ｍの全体を閉塞しないようになっている。

さらに、軸３の中間には、外周に４枚の羽根４が設けられた円筒８が結合されている。なお、羽根４を直接軸３に取付けることができれば、円筒８を省略するとしてもよい。したがって、この場合には、羽根車Ｆは、軸３と羽根４と、円筒８とで構成されている。

なお、羽根４は、上記したところでは、軸３に４枚取付けられているが、４枚に限らず、複数枚であればよい。

そして、この各羽根４の、外周には環状永久磁石５が結合されており、この環状永久磁石５は、図４に示すように、Ｎ極とＳ極が円周に沿って交互に現れる分割磁極パターンを有している。すなわち、図４中時計回りにＳ極とＮ極とが交互に配置されている。

また、各羽根４の外周径は、ケース１の内周径と略同一となるように設定され、この各羽根４の外周に設けられる環状永久磁石５は、ケース１の環状凹部１ａ内に挿入されている。したがって、環状永久磁石５がケース１の内周と干渉することはない。

つづいて、発電機Ｇの作用について説明する。まず、ケース１内に、すなわち、流路Ｍに水や気体等の流体を導く。そして、流体が流路Ｍに導かれると、羽根４が流体を受けて羽根車Ｆが回転する。このとき、羽根車Ｆの回転により環状永久磁石５も軸３を回転軸として回転するので、環状永久磁石５の磁力線も移動し、この磁力線はコイル２を横切ることとなる。すると、コイル２には誘導起電力が生じて流体の運動エネルギが電気エネルギに変換されることとなる。すなわち、水の位置エネルギが建築物Ａの上方から落下して、一端運動エネルギに変換され、この流体の運動エネルギが電気エネルギに変換されることとなる。

なお、羽根４が流体を受けて回転するときに、羽根４には、軸方向の力が作用するが、下流側の側部１ｂには、円周方向に沿って凹凸が設けられているので、側部１ｂの凸となる部分と環状永久磁石５との間に入り込む流体の圧力は高くなり、この圧力は環状永久磁石５を羽根４に作用する力に対向する方向に押圧することになり、羽根４が上記軸方向の力により弾性変形させられても、環状永久磁石５の下流側の側部１ｂへの接触が防止されている。したがって、この側部１ｂの凹凸により、羽根車Ｆの円滑な回転が保障される。なお、この凹凸は上記したところでは、鋸歯状としているが、鮫歯状に凸部と凸部との間に或る程度間隔を設けるとしたり、凸部や凹部の形状を楔形にせずに円弧状としてもよい。

そして、本実施の形態における発電機Ｇにあっては、環状永久磁石５は、流路Ｍの内径より大きな径であって、環状凹部１ａ内に挿入されているので、流路Ｍ内での流体の移動を妨げることが無い。また、発電に用いるコイルは流路外にあるので、この点でも流体の移動を妨げることはない。したがって、エネルギを変換する際のエネルギ損失を軽減することが可能となる。したがって、比較して効率の良い発電が可能となる。また、上記側部１ｂの凹凸により、羽根車Ｆの円滑な回転が保障され、これにより、より一層効率的な発電が保障される。

なお、本実施の形態においては、コイル２がケース１に内設されている、すなわち、コイル２が流路Ｍ外に設けられているので、この点においても、コイル２が流体の移動を妨げることはない。

したがって、上記した具体的な発電機Ｇにあっては、羽根車Ｆの滑らかな回転運動が保証され、過剰な振動、騒音を生じることがないので、建築物Ａ内に設置されても、住環境の悪化を招くことが無い。

さらに、発電機Ｇを軽量、コンパクトにすることができるから、発電機を設置するために、建築物Ａを特別な仕様にする必要はなく、また、既存の建築物にも設置することが可能である。

また、コイル２は流路Ｍに設ける必要はなく、流路Ｍ内には、羽根車Ｆと、支持体７と、ボールベアリング６のみを収納すればよいので構造が簡単であり、特に上水路Ｌ１に設けられる場合には、上水路Ｌ１の一部をケース１とすれば、流路を閉じたままで発電することが可能であるから、流路の任意の位置に特別シールを設けることなく可動部分を設置することができる。したがって、可動部分からの流体漏れ等の心配もない。また、流体漏れの心配がないので、上水をクリーンな状態に保つことが可能である。

なお、本実施の形態においては、環状凹部１ａの側部１ｂに対向するようにコイル２を設けているが、底部１ｃに対向するようにコイル２を設けるとしてもよく、また、側部１ｂおよび底部１ｃの両方、もしくは、側部１ｂの一方のみにコイル２を対向させて設けるとしても差し支えない。

また、本実施の形態では、環状永久磁石５は、一体的に形成されるものとして説明しているが、複数の磁石を接着等して環状となるように形成してもよく、磁極配置についても、交互に磁極が現れるようにしておけばよい。すなわち、この場合には、図５に示すような磁極配置でもよいし、図６に示すような磁極配置でもよい。

さらに、コイル２はケース１の内部に設けられるとしているが、環状凹部１ａの側部１ｂないし底部に対向させることが可能であれば、ケース１の外方に設けるとしてもよく、この場合にも、コイル２がケース１外方に設けられるので、流路Ｐ中にコイル２が配置されておらず、この点においても、コイル２が流体の移動を妨げることはない。なお、本実施の形態においては、環状凹部１ａの図２中左右幅を大きくするか、深さを深くしておけば、環状凹部１ａ内にコイル２を設けることができるが、特に流体が液体である場合にはケース１に内設されるか、ケース１外方に設けられるほうが、漏電、流体の汚染等の弊害がない点で有利となる。

また、ケース１についてであるが、羽根車Ｆおよび環状凹部１ａが設けられる部位については筒状とした方が流路抵抗の観点から好ましいが、他の形状とされてもよい。

なお、上記したところでは、発電機Ｇを上述のように構成しているが、たとえば、排水路Ｌ２の途中に、回転自在に設けられた螺旋状の管路を設け、排水路Ｌ２から流れる排水を上記螺旋状の管路内に導くことで、管路自体を回転させ、この管路の回転により発電するようにしてもよい。具体的には、図７に示すように、排水路Ｌ２の一部を除去して、その部分に建築物本体Ａ１に上記管路５０をボールベアリング等で回転自在に設置し、また、管路５０の上端には漏斗５１を設けて、排水路Ｌ２から流れ出てくる排水を受けるようにし、さらに、管路５０より下方の排水路Ｌ２の上端に漏斗５２を設け、管路５０から流れる排水を下方の排水路Ｌ２で受けられるようにし、またさらに、管路５０の外周等に発電手段、たとえば、永久磁石とコイルとを相対移動可能に設置したり、ベルト機構を用いて管路５０の回転運動を発電機に伝達したりして、管路５０の回転で発電するようにする。このようにしても、無駄に消費されていた水等の位置エネルギや運動エネルギを利用して発電することが可能である。

さらに、上記発電機Ｇが発電した電気を蓄える蓄電装置について説明する。図８に示すように、蓄電装置は、直列に接続された複数の電気二重層コンデンサ３０と、各電気二重層コンデンサ３０に対し並列に接続されるとともに、それぞれが直列に接続された抵抗器３１とで構成された第１蓄電器Ｃ１と、直列に接続された複数の電気二重層コンデンサ３２と、各電気二重層コンデンサ３２に対し並列に接続されるとともに、それぞれが直列に接続された抵抗器３３とで構成された第２蓄電器Ｃ２と、制御部４０と、コンバータ４１と、ダイオード４２とで構成され、第１蓄電器Ｃ１の両端はそれぞれ蓄電装置の入力端子５０，５１を介して発電機Ｇに接続されるとともに、第２蓄電器Ｃ２の両端に接続されている。さらに、第２蓄電器Ｃ２の両端はコンバータ４１に接続されている。また、制御部４０は、第１蓄電器Ｃ１の一方と第２蓄電器Ｃ２の一方とを接続する配線の途中に設置されている。なお、本実施の形態においては、大きな電荷を溜め込んでおけるように大容量化が可能な電気二重層コンデンサをしている。

そして、この制御部４０は、第１蓄電器Ｃ１の両端間の電圧差が一定となる場合に、第１蓄電器Ｃ１と第２蓄電器Ｃ２を接続して、第１蓄電器Ｃ１に放電させて第２蓄電器Ｃ２を充電し、その後、第１蓄電器Ｃ１の電圧が所定の電圧以下となる場合には、第１蓄電器Ｃ１と第２蓄電器Ｃ２との接続を断つようになっている。なお、制御部４０には、具体的には、たとえば、チャージコントローラ等を使用すればよい。

また、コンバータ４１は、第２蓄電器Ｃ２が放電する際に、電流を直流もしくは交流に変換するものである。

さらに、第１蓄電器Ｃ１と入力端子５０との間には電流を整流するダイオード４２が設置されており、電流が逆方向に流れることが防止され、充電中の第１蓄電器Ｃ１が放電してしまうことが防止されている。

上述のように、建築物Ａの任意の位置に設置された発電機Ｇは、上水路Ｌ１，排水路Ｌ２および気路Ｌ３内を通過する流体によって羽根車等を回転させて発電するが、その発電は、排水があった場合等に行われ、連続的に発電が行われない場合がある。したがって、発電機Ｇは安定した電力供給を行えない場合があるが、上記した蓄電装置にあっては、第１蓄電器Ｃ１に充電して、一定の電圧以上となる場合に第２蓄電器Ｃ２を充電するようにしてあるから、安定した電力供給を行うことが可能となる。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

一実施の形態における発電システムの縦断面図である。 一実施の形態における発電機の縦断面図である。 一実施の形態における発電機の環状凹部における側部の斜視図である。 一実施の形態における発電機の羽根の正面図である。 一実施の形態における発電機の環状永久磁石の磁極配置を示した図である。 一実施の形態における発電機の環状永久磁石の他の磁極配置を示した図である。 一実施の形態における他の発電機の概念図である。 一実施の形態の発電システムにおける蓄電装置の回路図である。

符号の説明

１ ケース
１ａ 環状凹部
１ｂ 側部
２ コイル
３ 軸
４ 羽根
５ 環状永久磁石
６ ボールベアリング
７ 支持体
８ 円筒
３０，３２ 電気二重層コンデンサ
３１，３３ 抵抗器
４０ 制御部
４１ コンバータ
４２ ダイオード
５０，５１ 入力端子
Ａ１ 建築物本体
Ｃ１ 第１蓄電器
Ｃ２ 第２蓄電器
Ｅ 下水管
Ｆ 羽根車
Ｇ 発電機
Ｊ 上水道管
Ｌ１ 水路たる上水路
Ｌ２ 排水路
Ｌ３ 気路
Ｍ 流路
Ｐ ポンプ
Ｒ 屋上貯水槽
Ｓ 貯水槽

Claims (9)

1. 建築物に設けた水路と、上記水路の途中に設けた発電機とを備えたことを特徴とする発電システム。
2. 建築物に設けた排水路に接続され排水時の排水路内の圧力変動により気体が導入される気路と、当該気路の途中に設けた発電機とを備えた発電システム。
3. 建築物に設けた水路と、上記水路の途中に設けた発電機と、建築物内に設けた排水路に接続され排水時の排水路内の圧力変動により気体が導入される気路と、当該気路の途中に設けた発電機とを備えた発電システム。
4. 水路が建築物に設けた配水管であることを特徴とする請求項１または３に記載の発電システム。
5. 水路の途中に貯水槽を設けるとともに、発電機を貯水槽より下方に設け、貯水槽からの落水により発電することを特徴とする請求項１、３または４に記載の発電システム。
6. 発電機は、水路もしくは気路の途中に設けた環状凹部と、水路もしくは気路の途中に回転自在に設けられた羽根車と、羽根車の外周に設けられ、かつ、環状凹部に挿入される分割磁極パターンを有する環状永久磁石と、環状永久磁石に対向する複数のコイルとを備えていることを特徴とする請求項１から５に記載の発電システム
7. 環状凹部の下流側の側部に円周方向に沿って凹凸を設けたことを特徴とする請求項６に記載の発電システム。
8. 発電機は、排水路の途中に回転自在に設けられた螺旋状の管路と、管路の回転により発電する発電手段とを備えたことを特徴とする発電システム。
9. 発電機の発電により充電される第１蓄電器と、第１蓄電器の電圧が一定以上となる場合に第１蓄電器に接続される第２蓄電器とを備えた請求項１から８に記載の発電システム。

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