JP2009144514A

JP2009144514A - 補助電力併用型循環式水力発電装置

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Publication number: JP2009144514A
Application number: JP2007319396A
Authority: JP
Inventors: Yasuhisa Choshoin; 松院泰久長
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】揚水式の水力発電機や循環式の水力発電機には、高圧水流式、揚水落差式と、考案されているが、それぞれ性能不足や製作コスト高との課題があった。本願発明は、これを大幅に改善し、高効率の低コスト型の水力発電機を提供する。
【解決手段】本発明は、前もって水を満たした貯水式大型水槽の下部底面に適宜量の放水口を設け、その放水口の下に水車と発電機を取り付け、この水槽の放流水で回転し発電する水力発電システム〔１〕、その水力発電システム〔１〕の下部の放流水の直下に、水力発電システム〔１〕と同じ、水を満たしたシステム〔２〕を置き、上と下の貯水槽の下の放水ノズルを同時に開き、中の水を放水して水力発電システム〔１〕と同システム〔２〕で同時に発電、上部の水力発電システム〔１〕の貯水槽１にパイプを介して揚水、この水が同システム〔２〕へも落水し、循環し発電するシステムの補助電力併用型循環式水力発電装置が完成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、前もって水を満たした貯水式大型水槽の下部底面に適宜量の放水口を設け、その放水口の下に水車と発電機を取り付け、この水槽の放流水で回転し発電する水力発電システム〔１〕、その水力発電システム〔１〕の下部の放流水の直下に、水力発電システム〔１〕と同じ、水を満たしたシステム〔２〕を置き、上と下の貯水槽の下の放水ノズルを同時に開き、中の水を放水して水力発電システム〔１〕と同システム〔２〕で同時に発電、この時装置の摩擦ロス等で電力が不足する為、このシステム〔２〕の発電量と、これに加えて一部、外部から少量の補助電力を取り入れ加算、この合算電力で揚水ポンプを回転利用、上部の水力発電システム〔１〕の貯水槽１にパイプを介して揚水、この水が同システム〔２〕へも落水し、循環し発電するシステムで、特別の高層落差式や特殊大型装置を使用することなく限られた水量と補助電力で高効率の発電ができる構造を特徴とする補助電力併用型循環式水力発電装置に関するものである。

従来から水力発電機としては、ダムや急流を利用した大型水車発電が主流で、更に近年は原子力発電に注目され、大型の水力発電設備は建設されなくなり、水力発電の役割は十分であった。

しかし、原子力発電機の事故で、環境破壊と使用済後のコスト高が近時急速に問題視され、再度、風力と水力の発電が見直されてきたが、これらの自然エネルギーの設置にも、大型化での設置は更なる環境破壊元になるとして、新設には困難な面が多く特に風力発電機は風量が一定でなく、発電量も不安定で、小型化の実用化にはいたっていない。近時は、地球温暖化のスピードが早く、再度原子力発電機の設置が増加しているが、安全性と使用後の処理費用は解決されておらず問題が多い。

特に、環境改善には水力発電も小型化して、大型ダムを必要とせず、送電線の必要がない電力の消費地に近い場所での、１基数キロワットから数百キロワットの商用発電が可能な小型水力発電装置の開発が急務である。

特に水力発電機で、水量の少ない山間部の渓流地や河川で使用できる小型の水力発電機の開発が必要であるが、渓流地や河川、海には、国、県、市、町、村の許可と地域の農業、漁業の使用権者間との話し合いもあって、個人の河川使用には限界があり、これらの自然地への設置が必要ない、構造をした水力発電機の開発が必要である。

この改善策として、河川や海を使用しない、又、水利権の必要がない、構造物の貯水式や回転流水式、ビル排水型の小型水力発電機が考案されているが、完全実用化には至っていない。

落差式水力発電機には、揚水型が一般的に知られているが、ダム貯水式で、機械装置式はほとんどなく、従来から言われている「エネルギー不滅の方式」があり、自己発電の電力を利用し、自己発電量より上回る電力は得る事が困難であるが、近年は新素材や、従来には考えられない高効率の発電機も開発されており、初期投下電力量を上回る発電装置の発明が望まれる。

最近では、水流循環式と高圧揚水式が考案されており、一定量の水を貯水しておき、この水を繰り返し利用する事で、外部からの水を必要最小限とし、水力発電をするもので、水力発電としては、ムダのない発電システムで参考文献は次の通りである。
特開２００５−２９９４３４特開２００４−２５１２５９特開２０００−１１０７０２特開平１１−０７０８９６特開平０９−１４４６４６平成１８年９月に日刊工業新聞で公表された、ファロス社（那覇市、小松秋男社長）

その他には、「非特許文献1」の開発は多槽式水循型発電装置が考案されているが、この方式は、７０ｍの高さに水を圧送する方法で、水を落下させるシステムである。

この方法は、水を高所より落下させるものであり、７０ｍと水をポンプ圧送する事で、２５ｍのポンプ圧送よりパイプの管内壁と流水との間に摩擦が生じ、数倍の電力を要し、大型のモーターを必要とする欠点があり、電力損失が過大である。

本願発明の補助電力併用貯水式自動循環型水力発電装置との相違点は、規模にもよるが、低い位置への水のポンプ圧送を大型貯水槽へ送り、当初から水は満杯にしておく方法により、低位置でも水圧を利用する事で、水流の圧力を十分得る事ができ、その上水力による自己発電量をカバーする為、自己発電の他、外部から少量の電力を供給し、ポンプ圧送の水量の調整幅をアップする効果がある。

この違いは、貯水槽の大小により必要な水流を自由にコントロールできる利点と、大量の水を圧送しても消費電力は少なく、水力発電に必要な水量と水圧が容易に得られ、更に全体の設備投下の規模が小さくでき、資金も少なくコスト低下にも役立ち、利点が大きい。

解決しようとする問題点は、
日本は山間地や渓流地が多く、水流は早いため水量の少ない小型水力発電が出来ないか、又その方法はどうすれば良いか
大型ダムを必要としない、自然の山や海を使用せず、環境破壊の全く心配のない水力発電機は作れないか
大型工事も必要としない、送電線もいらず、大都市型の電力消費地内に安定した水力発電は出来ないか
又、少量の電力を供給しても同じ水を循環させ、自立型の小型発電から大型の水力発電機で商用電源用として、可能な装置で低コストでできないか
本発明は、これらの欠点や課題を解決する為になされたものである。

請求項１の発明は、前もって水を満たした貯水式大型水槽の下部底面に適宜量の放水口を設け、その放水口の下に水車と発電機を取り付け、この水槽の放流水で回転し発電する水力発電システム〔１〕、その水力発電システム〔１〕の下部の放流水の直下に、水力発電システム〔１〕と同じ、水を満たしたシステム〔２〕を置き、上と下の貯水槽の下の放水ノズルを同時に開き、中の水を放水して水力発電システム〔１〕と同システム〔２〕で同時に発電、この時装置の摩擦ロス等で電力が不足する為、このシステム〔２〕の発電量と、これに加えて一部、外部から少量の補助電力を取り入れ加算、この合算電力で揚水ポンプを回転利用、上部の水力発電システム〔１〕の貯水槽１にパイプを介して揚水、この水が同システム〔２〕へも落水し、循環し発電するシステムで、特別の高層落差式や特殊大型装置を使用することなく限られた水量と補助電力で高効率の発電ができる構造を特徴とする補助電力併用型循環式水力発電装置を提供するものである。

請求項２の発明は、貯水式大型水槽の数や形状、サイズ、材質は限定せず、強度を要する作りで、使用する水車も大型用、小型用とでプロペラ水車、ペルトン水車、クロスフロー水車、フランシス水車の中から、目的別の製作形状にあった水車を選定して、効率を上げる作りで、放水ノズルは大型水車用はダブルジェットノズル、小型水車にはシングル穴のノズルを使用、補助電力を使用しない作りの水力発電機もあるが、主力は補助電力使用型で、補助電力には商用電力か、又は山間部や離島用には、完全自立型用で、自然エネルギーの風力発電、太陽光発電を主に利用、特別複雑な装置を必要とせず、発電の数、規模、設置場所も自由で製作も容易な構造を特徴とする請求項１に記載する補助電力併用型循環式水力発電装置を提供するものである。

本発明には次の効果がある。
（イ）１台の装置として、数キロワットから数百キロワットの水力発電装置ができる。
（ロ）少量の補助電力供給量で高水圧の水力発電機システム２基以上が稼働できる。
（ハ）複雑な機構や特殊な化学物質を必要とせず、安全性も高く、メンテナンスがしやすい。
（ニ）風力や太陽光発電の自然エネルギーの電力を補助電力に使用することで、完全な自立型水力発電が可能。
従って、効率もよく環境改善にも役立つ水力発電が出来るため、地球温暖化防止には相当の実用効果が得られる。

本願発明の補助電力併用型循環式水力発電装置の立面姿図は図１に示す通りで、機械装置として単体で製作でき、基本は大型貯水槽及水力発電システム〔１〕を上に置き、更に同じシステム〔１〕を下部にも同じシステム〔２〕として置いた構造で、全体の水力発電機の能力としては、数キロワットから数百キロワットの製作が可能。

大型貯水タンク（貯水槽と同じ意味で、タンクと以下表示する）の形状には指定はないが、一応円筒形が最良の形態で、全体がコンパクトで仕上がり、大型ダム、河川、海などの開発行為が不要で、送電線の必要がなく、設置が容易である。

本願発明を分かりやすく説明する為に大型貯水槽及水力発電システム〔１〕セットで１kwを発電するシステムとして、風力発電と太陽光発電を併用して説明すれば次の通りである。
大型貯水槽及水力発電システム〔１〕を発電システム〔１〕同システム〔２〕と以下表示して記述する。

図２は立面斜視図で一部内部を図解して説明すれば、貯水タンク１を含む全体が上部にあって、発電システム〔１〕と表し、内部はタンク１の中に貯水７が満タンしてあって、常時水圧が全体にかかり、特に水の重量として、下部方向に特に高水圧がかかり、この水を放水し水車を回し発電するシステムである。

この貯水７の高水圧は、５の１の放水バルブキーを開く事で、水は３の１のダブルジェットノズルを回して、４の１のクロスフロー水車に高圧水として噴射され、水車に取り付けられているプーリー（Ｖベルト用車輪）〔大〕１３が、Ｖベルト６を通じ、プーリー（小）付発電機、９の１に連結され、回転数は必要に応じて増速され発電するもので、この一連のセットが水力発電システム〔１〕である。

この水力発電システム〔１〕と同じシステムを同システム〔１〕の直下に置き、発電システム〔１〕の貯水タンク１の水７を３の１のダブルジェットノズルから放水し、その水が拡散しない様アクリルカバー８により誘導され、落下水路２０の穴を通って、システム〔２〕の貯水タンク２に入り、発電システム〔１〕と全く同じ貯水の水圧で発電するシステム〔２〕を構成している。

この時発電システム〔１〕と同システム〔２〕のタンク内には、それぞれ貯水７が前もって満タンに貯水されており、発電システム〔１〕と同システム〔２〕の放水バルブは同時に開ける事で、発電システム〔１〕と同システム〔２〕のタンク１、２の中の水は減る事はなく、従って水圧も不変で、水が下へ落下した水量分は２２の揚水ポンプで発電システム〔１〕の貯水タンクに揚水パイプ１０を通じて給水されるため、流水量及貯水タンク内の水圧も全く変わる事はなく、循環維持される。

発電システム〔２〕で、３の２のダブルジェットノズルから４の２のクロスフロー水車を回転し、落下した水は８の防水アクリケースに誘導され、その防水アクリケース８の底穴から１６の調整タンク（調整槽とも言う）に落水し、２１のポンプ吸水口を通じ２２の揚水ポンブで１０の揚水パイプを経由して、発電システム〔１〕の大型貯水タンク１に給水され、１９は揚水パイプ用調整バルブで水量を調整するが、自動的にはタンク内の貯水７の上にある１８の浮式水量調整器が作動して、タンク内の水位で水量をコントロールする。

前述の通り、システムの構成を分かりやすくするため、発電量で説明すれば、発電システム〔１〕で仮に１kwが発電し、発電システム〔２〕で１kwの発電とし、合計２kwが発電するが、水を揚水する為には、発電機、揚水ポンプ、揚水パイプなどの回転や、摩擦ロスで全体に電力が不足するため、これを図２の上部に設置してある風力発電機１１から１００w、１２の太陽光発電から２００wの電力を供給すれば、合計２.３kwの電力となる。

この風力、太陽光発電の自然エネルギーは、図２の１４のダイオードや整流機、バッテリー利用で電力変換ロスがある為、風力と太陽光の発電量３００wからロス分を５０w差し引き２５０wを使用できる電力として計算する。

その為、発電システム〔１〕と同システム〔２〕で２kwの発電力と自然エネルギーのロス分を除いた２５０wを合計して２.２５kwとなる。

この水力発電システムで１kwを発電する為には、貯水タンク７の水圧を加味して、タンク７の水量は１,０００Ｌ（重量約１トン）が必要で、発電システム〔１〕のタンク１に１,０００Ｌ、同システム〔２〕のタンク２に１,０００Ｌの水が、前もって貯水して置く必要がある。

この貯水１,０００Ｌの水圧で、ダブルジェットノズル３の１の発電システム〔１〕で１kwの発電には、ダブルジェットノズルの口径は、１８mmの穴が２ヶ付で１分間に３５０Ｌの水量が必要である。

揚水ポンプは、３.８mを揚水するのに消費電力８００wで５００Ｌを揚水でき、揚水ポンプの初期回転電力は、４０％増が必要で、１,１８０w（１.１８kw）となる。

図２の全体図で説明すれば、前述の通り発電システム〔１〕で、１kwが発電し、同発電システム〔２〕で１kwが発電するもので、自然エネルギーの変換ロスを除き２５０wの供給電力で合計１,２５０wで、発電システム〔１〕の貯水タンクに５００Ｌ／分の水を揚水し、発電システム〔１〕の発電する１kwの電力は、自由に使用できる循環式水力発電装置である。

図３は右から見た右側面図で、全体的姿図では大型に見えるが、コンパクトな作りで、２３は全体装置の架台枠である。１、２、９の１、９の２、１０、１１、１２、１６、１７は、図２の通りである。

図４は平面図で、２４は空気口で空気の取入口になり、２５はメンテナンス点検口である。１１、１２、１９、２３は、図２、図３の通りである。

図５はダブルジェットノズル及貯水タンク断面図で、１の貯水タンクの貯水７は、２６の円形放水バルブを５の１の放水バルブキーで開閉され、３の１のダブルジェットノズルで圧水で放流され、４の１のクロスフロー水車に当り回転し、水はそのまま２０の落水路を通り、貯水タンク２に落水する。８は防水アクリケースである。

図６は、貯水タンク内の貯水７の上に１８の浮式水量調整器（又はフロート器）、２７はフロート弁で、タンク内の流入量を調整する役目ができる。１０、２３、２４の数字は、図３、５の通りである。

図７は補助電力及発電系統図である。図２の通り、説明が分かりやすい為、水力発電システム〔１〕の発電量を１kwとして説明すれば、図７の中心に記載の通り、貯水タンク（貯水槽と同じ意味）１の水力発電機９の１で１kw、これでシステム〔１〕となり、その直下に貯水タンク２があって、その下で水力発電機９の２があって、ここでも１kwの発電となり、これがシステム〔２〕である。

ここで電力は下のコントローラー２８に集められ、水は調整タンク１６を経由して、２２の揚水ポンプにより揚水パイプ１０を経由して、貯水タンク１に揚水され循環するシステムで、コントローラーに集めた電力は水力発電分が２kwである。

これに系統図左上の自然エネルギー補助電力ーＡで、１１の風力発電が１００wで、太陽光発電が２００wで、これを１４の整流機（電流の流れをスムーズにするもの）や逆流防止のダイオードボックスを経由して、合計で３００wの電流をバッテリー１７に充電される。

それから交流電力に変換され、３００wが変換ロスで２５０wに減少するが、コントローラー２８でシステム〔２〕の水力発電機の１kwと合計１,２５０wの内、８００wで揚水ポンプを稼働させ、１分間に５００Ｌの水を１０の揚水パイプを経由して、貯水タンク１に揚水するシステム図で、電力的には４５０wの余裕があり、ダブルジェットノズルで１分間に３６０Ｌの水流は十分、水量にも余力がある。

自然エネルギー補助電力が風力や太陽光がフル稼働して電力が余れば、制限コントロールを介して負荷コンセント２９の２で電力を使用できる。

システム〔２〕の水力発電の１kwは、コントローラー２８で、自然エネルギーの２５０wと合計され、１,２５０wで揚水ポンプ稼働用に消費される。

システム〔１〕の水力発電の１kwは、負荷コンセント２９の１で、３０の照明や冷暖房等に消費できる。

系統図の右下で補助電力ーＢは、自然エネルギーを使用しない一般の商用電力を一部補助電力に利用した場合の連系図で、３２の商用電源及メーターセットを介し２５０wを導入し、システム〔２〕の水力発電１kwと合計し１,２５０wで揚水ポンプを稼働させる。

従って、自然エネルギーか一般の商用電源かは区別なく、系統図でわかる点は、２５０w〜３００wの補助電力を供給する事でシステム〔２〕の１kwは揚水ポンプに消費するが、システム〔１〕の水力発電１kwは、電力源として利用でき、補助電力の３〜４倍の電力を生む事ができ、使用する水も同じ水で自動循環する為、ほとんど補給する必要はない。

現在電気エネルギーを生む方法としては、原子力発電、火力発電で７０％以上であるが、資源の枯渇、環境問題、地球温暖化と問題が山積している。これに反して、水力、風力、太陽光などの自然エネルギーにおいても、開発、騒音、コスト高と、全世界において普及できるものではない。

これに対して、本願発明の補助電力併用型循環式水力発電装置は、当初の設備投資は必要であるが、若干の補助電力を利用、一定量の水があれば自己発電の電力を併用して、循環自立型発電機の製作設置ができ、又、電力消費地で利用でき送電線も不要で、安全性と環境にも勝れ、発電量も１基１kwの小型用から、数百キロワットと商用発電もでき、場所も限定せず、施工上においても自由な設計と施工が容易であり、地球温暖化効果防止上からも画期的な発明で産業上においても実用効果は大きい。

補助電力併用型循環式水力発電装置の立面姿図立面斜視図右側面図平面図ダブルノズル及貯水タンク断面図水流調整フロート図補助電力及発電系統図

符号の説明

１．大型貯水槽１（又は貯水タンク）セットで水力発電システム〔１〕
２．〃２（〃）〃〔２〕
３の１．３の２．ダブルジェットノズル（放水弁とも言う）
４の１．４の２．クロスフロー水車
５の１．５の２．放水バルブキー
６．Ｖベルト
７．貯水
８．防水アクリケース
９の１．９の２．プーリー（小）付発電機
１０．揚水パイプ
１１．風力発電機
１２．太陽光発電器
１３．プーリー（Ｖベルト用車輪）〔大〕
１４．ダイオード整流機
１５．コントローラー（インバーター、整流機、ブレーカー）
１６．調整タンク（調整槽とも言う）
１７．バッテリー
１８．浮式水量調整器（又はフロート器）
１９．揚水パイプ用調整バルブ
２０．落下水路
２１．ポンプ吸水口
２２．揚水ポンプ
２３．架台枠
２４．空気口
２５．メンテナンス点検口
２６．円形放水バルブ
２７．フロート弁
２８．コントローラー
２９の１．２９の２．負荷コンセント
３０．照明、冷暖房
３１．制限コントローラー
３２．商用電源（メーター付）

Claims

水力発電に関するもので、前もって水を満たした貯水式大型水槽の下部底面に適宜量の放水口を設け、その放水口の下に水車と発電機を取り付け、この水槽の放流水で回転し発電する水力発電システム〔１〕、その水力発電システム〔１〕の下部の放流水の直下に、水力発電システム〔１〕と同じ、水を満たしたシステム〔２〕を置き、上と下の貯水槽の下の放水ノズルを同時に開き、中の水を放水して水力発電システム〔１〕と同システム〔２〕で同時に発電、この時装置の摩擦ロス等で電力が不足する為、このシステム〔２〕の発電量と、これに加えて一部、外部から少量の補助電力を取り入れ加算、この合算電力で揚水ポンプを回転利用、上部の水力発電システム〔１〕の貯水槽１にパイプを介して揚水、この水が同システム〔２〕へも落水し、循環し発電するシステムで、特別の高層落差式や特殊大型装置を使用することなく限られた水量と補助電力で高効率の発電ができる構造を特徴とする補助電力併用型循環式水力発電装置。
貯水式大型水槽の数や形状、サイズ、材質は限定せず、強度を要する作りで、使用する水車も大型用、小型用とでプロペラ水車、ペルトン水車、クロスフロー水車、フランシス水車の中から、目的別の製作形状にあった水車を選定して、効率を上げる作りで、放水ノズルは大型水車用はダブルジェットノズル、小型水車にはシングル穴のノズルを使用、補助電力を使用しない作りの水力発電機もあるが、主力は補助電力使用型で、補助電力には商用電力か、又は山間部や離島用には、完全自立型用で、自然エネルギーの風力発電、太陽光発電を主に利用、特別複雑な装置を必要とせず、発電の数、規模、設置場所も自由で製作も容易な構造を特徴とする請求項１に記載する補助電力併用型循環式水力発電装置。