JP2010270660A

JP2010270660A - 発電装置およびこの発電装置を備えるエネルギー回収システム

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Publication number: JP2010270660A
Application number: JP2009122725A
Authority: JP
Inventors: Eizo Fujisawa; 栄蔵藤沢; Mamoru Araki; 衛荒木; Kenji Fujisawa; 憲治藤沢
Original assignee: FUJISAWA DENKI KANKO KK
Current assignee: FUJISAWA DENKI KANKO KK
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: JP4523064B1

Abstract

【課題】環境に優しい、新たな発電装置およびこの発電装置を備えるエネルギー回収システムを提供することを目的とする。
【解決手段】発電装置が備える発電機の回転軸に取り付けられ、水力によって回転する羽根車１２２の羽根について、第１種の第１羽根１２２６Ａと第２種の第２羽根１２２６Ｂとし、第１羽根１２２６Ａと第２羽根１２２６Ｂとを、羽根車１２２の回転方向に交互に配置したものである。第１羽根１２２６Ａおよび第２羽根１２２６Ｂ各々は、第１羽根１２２６Ａの回転軸側端部が、第２羽根１２２６Ｂの回転軸側端部と比較し、羽根車外周側となるように配置されるとともに、第１羽根１２２６Ａの羽根車外周側端部が、第２羽根１２２６Ｂの羽根車外周側端部と比較し、羽根車外周側となるように配置される。第１羽根１２２６Ａには、羽根車１２２の回転方向後進側の面に凸状部１２２８が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電機の回転軸に取り付けられ、水力によって回転する羽根車の回転を利用して電気エネルギーを発生させる発電装置に関するものである。

近年、環境問題に対する関心が高まっている。このような状況において、環境に優しい発電装置が提案されている。例えば、一般家庭から工業に至る全てが使用する水道の廃棄排水を利用した発電装置として、全ての上水道又は工業用水を廃棄排水することの過程で、水道管或は工業用水道管に装着された水車で駆動による発電機を設置した、クリーンで省エネルギーな発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

なお、ポンプなどで流体を搬送するシステムにおいて、省エネルギーを図ることを目的として、ポンプの余剰揚程を、ポンプ前段に設けたエネルギー回収型揚程調節ユニットで、エネルギーに変換して帰還する閉回路型液体搬送システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−３３２９４７号公報特開２００１−２２７４７３号公報

ところで、一般に自治体などが提供している上水道の送水圧力は２００〜３００ｋＰａ程度であるが、利用者側からすれば、多くの場合、水量だけが必要であり、必ずしも水圧は必要ではない。例えば、アパート、マンション、オフィスビル、病院などは私有地内に受水槽（貯水槽）を持ち、一旦、受水槽に水をためてから、配水ポンプで適宜建物内に送水するのが一般的である。また、近年は受水槽が平地または地下に設置される場合が多いので、受水槽に水を供給する場合に水道管の末端に作用する背圧は大気圧に近い場合が多い。このことは、上水道の送水圧力２００〜３００ｋＰａの持つエネルギーを無駄に使い捨てていることを示している。

本発明は、環境に優しい、新たな発電装置およびこの発電装置を備えるエネルギー回収システムを提供することを目的とする。

上記課題に鑑みなされた本発明は、発電装置が備える発電機の回転軸に取り付けられ、水力によって回転する羽根車の羽根を、第１種の第１羽根と第２種の第２羽根とし、第１羽根と第２羽根とを、羽根車の回転方向に交互に配置したものである。

第１羽根の回転軸側端部各々と、第１羽根の羽根車外周側端部各々と、第２羽根の回転軸側端部各々と、第２羽根の羽根車外周側端部各々とは、互いに異なる円周上に、それぞれ配置される。

第１羽根および第２羽根各々は、第１羽根の回転軸側端部が、第２羽根の回転軸側端部と比較し、羽根車外周側となるように配置されるとともに、第１羽根の羽根車外周側端部が、第２羽根の羽根車外周側端部と比較し、羽根車外周側となるように配置される。換言すれば、第２羽根は、第２羽根の回転軸側端部が、第１羽根の回転軸側端部と比較し、回転軸側となるように配置されるとともに、第２羽根の羽根車外周側端部が、第１羽根の羽根車外周側端部と比較し、回転軸側となるように配置される。

第１羽根には、羽根車の回転方向後進側の面に凸状部が形成される。羽根車を回転させるための水は、羽根車外周側から羽根車内に流入し、第１羽根と第２羽根とによって形成される空間を通過し、回転軸側から吐き出される。

本発明を反映した第１の課題解決手段は、発電機と、前記発電機の回転軸に取り付けられた羽根車とを備え、前記羽根車を、水力を利用して回転させることで、電気エネルギーを発生させる発電装置であって、前記羽根車は、前記羽根車の回転方向に交互に配置される、第１種の第１羽根と第２種の第２羽根とを備え、前記第１羽根の回転軸側端部各々と、前記第１羽根の羽根車外周側端部各々と、前記第２羽根の回転軸側端部各々と、前記第２羽根の羽根車外周側端部各々とは、互いに異なる円周上に、それぞれ配置され、前記第１羽根および前記第２羽根各々は、前記第１羽根の回転軸側端部が、前記第２羽根の回転軸側端部と比較し、前記羽根車外周側となるように配置されるとともに、前記第１羽根の羽根車外周側端部が、前記第２羽根の羽根車外周側端部と比較し、前記羽根車外周側となるように配置され、前記第１羽根は、前記羽根車の回転方向後進側の面に凸状部を備え、前記羽根車を回転させるための水は、前記羽根車外周側から前記羽根車内に流入し、前記第１羽根と前記第２羽根とによって形成される空間を通過し、前記回転軸側から吐き出されることを特徴とする発電装置である。これによれば、水力を利用し、効果的（効率良く）発電することができる。

第２の課題解決手段は、水道本管と前記水道本管から供給される水を貯留する受水槽とを接続する枝管の途中に配置可能なエネルギー回収システムであって、第１の課題解決手段の発電装置と、前記枝管と前記発電装置とを接続する第１流路と、前記枝管に接続され、前記発電装置をバイパスする第２流路と、前記水道本管から供給される水が、前記第１流路を流れる状態とするか、前記第２流路を流れる状態とするかを切り換える流路切替弁機構とを備えることを特徴とするエネルギー回収システムである。これによれば、水道本管から受水槽に供給される水（水の水力）を利用して、発電することが可能であるとともに、水道本管から供給される水を、発電装置を通過させることなく、受水槽に供給することもできる。

第３の課題解決手段は、第２の課題解決手段のエネルギー回収システムであって、前記水道本管から供給され、前記エネルギー回収システム内を流れる水の流量を調整するための流量調整弁機構を備えることを特徴とする。これによれば、羽根車の回転数（発電機の回転数）を、流量調整弁機構によって調整することができる。

第４の課題解決手段は、第２または第３の課題解決手段のエネルギー回収システムであって、前記発電装置の振動を検知する振動センサを備え、前記振動センサによって、前記発電装置の振動が所定の振動レベルであると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記水道本管から供給される水が、前記第１流路を流れる状態から、前記第２流路を流れる状態に切り替えることを特徴とする。

これによれば、発電装置の振動が所定の振動レベルである場合、水道本管から供給される水を、第２流路をとおして、受水槽に供給することができる。例えば、羽根車に異常が発生したとしても、受水槽への水の供給を遮断させることなく、発電装置を停止させ、発生した異常を修理することができる。

第５の課題解決手段は、第２から第４の課題解決手段のいずれか１つのエネルギー回収システムであって、前記流路切替弁機構は、前記第１流路および前記第２流路に対し、前記水道本管から供給される水の流れを遮断した止水状態に切り替え可能であるとともに、前記受水槽に貯留された水の水位または水量を検知する貯留水センサを備え、前記貯留水センサによって、前記受水槽に貯留された水の水位または水量が所定の低レベル状態であると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記止水状態から、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態に切り替え、前記貯留水センサによって、前記受水槽に貯留された水の水位または水量が所定の高レベル状態であると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態から、前記止水状態に切り替えることを特徴とする。これによれば、受水槽に貯留された水の水位または水量に連動して、発電装置のオン・オフ動作を実現することができる。

第６の課題解決手段は、第５の課題解決手段のエネルギー回収システムであって、前記発電装置と所定の電源とを接続する電源接続スイッチを備え、前記貯留水センサによって、前記受水槽に貯留された水の水位または水量が所定の低レベル状態であると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記止水状態から、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態に切り替えるとともに、前記電源接続スイッチを接続状態とし、前記貯留水センサによって、前記受水槽に貯留された水の水位または水量が所定の高レベル状態であると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態から、前記止水状態に切り替えるとともに、前記電源接続スイッチを遮断状態とすることを特徴とする。これによれば、発電装置のオン・オフ動作に連動して、電源接続スイッチの接続および遮断を実現することができる。

第７の課題解決手段は、第６の課題解決手段のエネルギー回収システムであって、前記発電機の回転数を検知する回転数検知センサを備え、前記流路切替弁機構が前記止水状態から、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態に切り替えられ、さらに前記回転数検知センサによって、前記発電機の回転数が所定回転数であると検知された場合、前記電源接続スイッチを接続状態とすることを特徴とする。これによれば、発電機の回転数が所定回転数であることが検知された場合、電源接続スイッチを接続状態とし、給電を開始することができる。

本発明によれば、環境に優しい、新たな発電装置およびこの発電装置を備えるエネルギー回収システムを得ることができる。

発電装置を示す図である。羽根車の羽根を示す図である。エネルギー回収システムを示す図である。（ａ）および（ｂ）は、エネルギー回収システムの電気回路を示し、（ｃ）は、バッテリー駆動による場合を説明する図である。実験システムを示す図である。（ａ）は、比較羽根車を示し、（ｂ）は、本実施形態の羽根車を示す図である。２つの羽根車を有するポンプを備える発電装置を示す図である。２台の発電装置を含むエネルギー回収システムを示す図である。

本発明を反映した上記課題解決手段を実施するための実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。上記課題解決手段は、以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に説明する各構成において、所定の構成を省略することもできる。

（発電装置）
本実施形態の発電装置１００について、図１を参照して説明する。発電装置１００は、発電機１１０とポンプ１２０とを備える。なお、図１に示すポンプ１２０について、その一部を切断した状態で図示している。また、図１に記載の一点鎖線は、発電装置１００の構成を示すものではなく、作図上の中心線（基準線）である。発電機１１０は、コイルが巻線された固定子（図示を省略）と、固定子の内周に僅かな空隙を介して対向して配置された回転子（図示を省略）とを備える。回転子は、回転軸１１２に取り付けられる。回転軸１１２は、軸受（図示を省略）を介して保持される。これにより、回転子は、固定子の内周を回転自在に保持される。

また、回転軸１１２には、ポンプ１２０を構成する羽根車１２２が取り付けられている。羽根車１２２は、ポンプ１２０を構成するケーシング１２４に収納される。ケーシング１２４には、羽根車１２２を通過する水を吸い込む吸込口１２４２と、羽根車１２２を通過し、羽根車１２２から吐き出される水を吐出する吐出口１２４４とが形成される。なお、吸込口１２４２および吐出口１２４４は、水が流れる流路に接続される。流路への接続についての詳細は、後述する。

発電装置１００が備えるポンプ１２０は、いわゆる渦巻ポンプを逆転させたものであり、羽根車１２２は、この渦巻きポンプなどにも採用される遠心ファンと称されるタイプの羽根車と同様の構成を有する。羽根車１２２は、主板１２２２と、側板１２２４と、第１種の第１羽根１２２６Ａおよび第２種の第２羽根１２２６Ｂ（以下、第１羽根１２２６Ａおよび第２羽根１２２６Ｂを総称して「羽根１２２６」ともいう。）とにより構成される。ポンプ１２０において、羽根車１２２は、側板１２２４が下側（発電機１１０と反対側）となるように、回転軸１１２に取り付けられる。なお、羽根車１２２の中心には、回転軸１１２を取り付けるための取付穴１２３０が形成されている。

羽根車１２２の羽根１２２６について、図２を参照して説明する。羽根車１２２において、羽根１２２６は、回転方向（図２で「回転方向」と記載の矢印参照）側の面が凹状である円弧形状、換言すれば、回転方向後進側の面が凸状である円弧形状をなす。第１羽根１２２６Ａおよび第２羽根１２２６Ｂは、羽根車１２２の回転方向に交互に配置される。なお、本実施形態の羽根車１２２では、第１羽根１２２６Ａおよび第２羽根１２２６Ｂの数を、各３枚（合計６枚）とし、６枚の羽根１２２６は、６０度間隔で等しく配置される（一点鎖線で記載した直線参照／羽根１２２６の枚数は、６枚に限定されるものではない）。

第１羽根１２２６Ａの回転軸側端部各々は、第１の円周上（円ａ１（一点鎖線）参照）に配置される。第１羽根１２２６Ａの羽根車外周側端部各々は、第２の円周上（羽根車１２２の外径線参照）に配置される。第２羽根１２２６Ｂの回転軸側端部各々は、第３の円周上（円ｂ１（一点鎖線）参照）に配置され、第２羽根１２２６Ｂの羽根車外周側端部各々は、第４の円周上（円ｂ２（一点鎖線）参照）に配置される。

第１羽根１２２６Ａおよび第２羽根１２２６Ｂ各々は、第１羽根１２２６Ａの回転軸側端部が、第２羽根１２２６Ｂの回転軸側端部と比較し、羽根車外周側となるように配置されるとともに、第１羽根１２２６Ａの羽根車外周側端部が、第２羽根１２２６Ｂの羽根車外周側端部と比較し、羽根車外周側となるように配置される。換言すれば、第１羽根１２２６Ａおよび第２羽根１２２６Ｂ各々は、第２羽根１２２６Ｂの回転軸側端部が、第１羽根１２２６Ａの回転軸側端部と比較し、回転軸側となるように配置されるとともに、第２羽根１２２６Ｂの羽根車外周側端部が、第１羽根１２２６Ａの羽根車外周側端部と比較し、回転軸側となるように配置される。

第１羽根１２２６Ａには、羽根車１２２の回転方向後進側の面に凸状部１２２８が形成されている。凸状部１２２８は、羽根車１２２の回転方向後進側の面の所定の位置、例えば羽根車外周側寄りの位置において、第１羽根１２２６Ａの幅方向（回転軸１１２と略同一の方向）に形成される。例えば、凸状部１２２８は、第１羽根１２２６Ａの幅方向の略全域に形成される。また、凸状部１２２８は、羽根車１２２の回転方向に略垂直な面を有する。吸込口１２４２からケーシング１２４内に吸い込まれ、羽根車１２２を回転させる水は、まず、凸状部１２２８の回転方向に対して略垂直な面に当たって羽根車１２２を押すと同時に、流れの向きを変えて、羽根車外周側から羽根車１２２内に流入し、第１羽根１２２６Ａと第２羽根１２２６Ｂとによって形成される空間を通過し、回転軸側から吐き出される（図１参照）。なお、凸状部１２２８を形成することによって、羽根車１２２内部の流線が安定するため、一定条件で運転する際の流水量が安定し、その結果、ケーシング１２４の振動および騒音を小さくすることができる。

（エネルギー回収システム）
本実施形態のエネルギー回収システム２００について、図３を参照して説明する。なお、以下では、水道事業者による上水道（水道本管）から供給される水道水を利用した構成のエネルギー回収システムを例として説明する。エネルギー回収システム２００は、水道事業者による上水道３００と上水道３００から供給される水道水を貯留（貯水）する受水槽（貯水槽）４００とを接続する枝管３１０の途中に、枝管３１０に接続された状態、すなわち、一端が枝管３１０Ａに接続され、他端が枝管３１０Ｂに接続された状態で設置される。換言すれば、エネルギー回収システム２００は、水道事業者の量水器３２０の下流で、かつ上水道３００から供給され量水器３２０を通過した水道水を貯留する受水槽４００の上流に設置される。

なお、受水槽４００には、受水槽４００に貯留された水（水道水）の水位（液面）または水量を検知する貯留水センサ４１０が設置されている。貯留水センサ４１０は、例えば、ボールタップまたはフロートレスリレー（フロートレススイッチ）によって構成される。ここで、一つの受水槽４００に基づけば、水位が高ければ、水量は多く、水位が低ければ、水量は少ない。逆に、水量が多ければ、水位は高く、水量が少なければ、水位は低い。なお、以下では、水位を例として説明する。また、枝管３１０Ｂには、枝管３１０Ｂを流れる水道水の水量を測定（検出）するための量水センサ３４０が設置されている。

エネルギー回収システム２００は、エネルギー回収システム２００のための電気回路を収納した制御ボックス２１０を備える。エネルギー回収システム２００の電気回路についての詳細は、後述する。また、エネルギー回収システム２００は、エネルギー回収システム２００内を流れる水道水の量を調整する流量調整弁機構２２０を備える。なお、流量調整弁機構２２０は、流量を調整可能なものであればよく、例えば、手動式の調整バルブによって構成することができる。

エネルギー回収システム２００は、上述した発電装置１００を備える。発電装置１００には、振動センサ１０２が取り付けられている。振動センサ１０２は、発電装置１００、具体的には、発電機１１０またはポンプ１２０に生じる振動、例えば羽根車１２２または回転軸１１２などを支持する軸受が原因となって発生する振動を検出する。発電装置１００は、エネルギー回収システム２００を構成する第１流路２３０の途中に設置される。第１流路２３０は、発電装置１００と枝管３１０とを接続する。具体的には、発電装置１００の吸込口１２４２に、その一端が上水道側の枝管３１０Ａに接続された第１流路２３０Ａの他端が接続され、吐出口１２４４に、その一端が受水槽側の枝管３１０Ｂに接続された第１流路２３０Ｂの他端が接続される。また、エネルギー回収システム２００は、発電装置１００をバイパスし、枝管３１０（枝管３１０Ａ，３１０Ｂ）に接続される第２流路２４０を備える。

第１流路２３０、詳細には、第１流路２３０Ａには、第１流路２３０への水道水の流れを制御する第１電磁弁２５０が設置されている。第２流路２４０には、第２流路２４０への水道水の流れを制御する第２電磁弁２６０が設置されている。

第１電磁弁２５０が開放状態で、第２電磁弁２６０が閉鎖状態である場合、第２流路２４０を介した水道水の流れは遮断される。換言すれば、水道水は、第１流路２３０を流れる。一方、第１電磁弁２５０が閉鎖状態で、第２電磁弁２６０が開放状態である場合、第１流路２３０を介した水道水の流れは遮断される。換言すれば、水道水は、第２流路２４０を流れる。すなわち、第１電磁弁２５０および第２電磁弁２６０は、水道水が、第１流路２３０を流れる状態とするか、第２流路２４０を流れる状態とするかを切り替える流路切替弁機構としての機能を有する。第１流路２３０および第２流路２４０がともに閉鎖状態である場合、第１流路２３０および第２流路２４０への水道水の流れは遮断される（止水状態）。エネルギー回収システム２００が通常状態（発電装置１００で発電されている状態）で作動している場合、第２電磁弁２６０は、閉鎖状態とされる。

例えば、受水槽４００に設置された貯留水センサ４１０によって、受水槽４００に貯留された水の水位が所定の低レベル状態であると検知された場合、止水状態から、上水道３００から供給され量水器３２０を通過した水道水が第１流路２３０を流れる状態に切り替えられる（移行される）。換言すれば、閉鎖状態にある第１電磁弁２５０および第２電磁弁２６０の内、第１電磁弁２５０は開放状態に移行する。この場合、水道水が、第１流路２３０Ａを通過し、吸込口１２４２に吸い込まれ、凸状部１２２８の回転方向に対して略垂直な面に当たって羽根車１２２を押すと同時に、流れの向きを変えて、羽根車外周側から羽根車１２２内に流入し、第１羽根１２２６Ａと第２羽根１２２６Ｂとによって形成される空間を通過し、回転軸側から吐き出される。そして、羽根車１２２の回転軸側から吐き出された水道水は、吐出口１２４４から吐出され、第１流路２３０Ｂを通過し、さらに、枝管３１０Ｂを流れて受水槽４００に供給される。

このような水道水の流れによって、羽根車１２２が回転する。これにともない発電機１１０の回転子が回転し、発電が行われる（開始される）。なお、流量調整弁機構２２０を操作し、水道水の量を調整することで、羽根車１２２の回転数（発電機１１０の回転数）を調整することができる。例えば、流量を増加させることで、羽根車１２２の回転数を高回転とすることができる。一方、流量を減少させることで、低回転とすることができる。

発電された電気（電気エネルギー）は、発電装置１００の電源接続スイッチ（図２で図示を省略）を介して所定の電源など（例えば、商用電源または所定の装置）に給電される。なお、水道水が第１流路２３０を流れる状態に切り替えられた場合、電源接続スイッチは、接続状態に移行される。電源接続スイッチの接続状態への移行は、水道水が第１流路２３０を流れる状態に切り替えられたことの他、さらに、これによって、発電機１１０（回転子）の回転数が所定回転数に到達したこと（発電機１１０の回転数が所定の回転数であること）を、条件とすることもできる。この場合、発電機１１０の回転数は、回転子の回転数を検知可能な回転数検知センサによって検知される。

これに対し、受水槽４００に水道水が供給され、貯留水センサ４１０によって、受水槽４００に貯留された水の水位が所定の高レベル状態であると検知された場合、開放状態にある第１電磁弁２５０は、閉鎖状態に移行する。これにより、水道水の流れは、止水状態になる（移行する）。なお、止水状態への移行にともない、羽根車１２２の回転が終了するとともに、発電も終了し、所定の電源などへの給電も停止される。電源接続スイッチは遮断状態に移行する。

また、第１電磁弁２５０が開放状態で、第２電磁弁２６０が閉鎖状態にされ、水道水が第１流路２３０を流れ、羽根車１２２が回転状態である場合において、振動センサ１０２が所定のレベル以上の振動を検出したとき、振動センサ１０２からの電気信号に基づき、第１電磁弁２５０は閉鎖状態に移行し、第２電磁弁２６０は開放状態に移行する。エネルギー回収システム２００では、ポンプ１２０の振動に基づきポンプ１２０において異常が発生したと想定される場合、水道水の流れが、第２流路２４０に切り替えられる。なお、第２流路２４０に水道水の流れを切り替えることによって、受水槽４００への水道水の供給は、ポンプ１２０の異常に関わりなく、実現される。

上記同様、水道水が第１流路２３０を流れている場合において、枝管３１０Ｂに設置された量水センサ３４０が、枝管３１０Ｂを流れる水道水の水量が、所定の基準値より少なくなったことを検出したとき、量水センサ３４０からの電気信号に基づき、第１電磁弁２５０は、閉鎖状態に移行し、第２電磁弁２６０は、開放状態に移行する。これによって、水道水が、受水槽４００に適切に供給される。

（制御ボックスの電気回路）
エネルギー回収システム２００で、上述した動作を実現するための制御ボックス２１０に収納された電気回路について、図４を参照して説明する。電気回路は、切替スイッチ２１０２を有する。切替スイッチ２１０２は、発電装置１００を、停止状態にするための切替接点２１０２ａと、自動運転状態にするための切替接点２１０２ｂと、手動運転状態にするための切替接点２１０２ｃとを有する。第１電磁弁２５０および第２電磁弁２６０が、リレー接点２１０４を介して接続される。第１電磁弁２５０は、リレー２１０３のコイルに通電しているときに繋がっている接点側に接続され、第２電磁弁２６０は、リレー２１０３のコイルに通電していないときに繋がっている接点側に接続される。

第１電磁弁２５０と並列に運転ランプ２５０２が接続され、第２電磁弁２６０と並列に運転ランプ２６０２が接続されている。なお、切替スイッチ２１０２が切替接点２１０２ａに切り替えられた場合、第１電磁弁２５０は、閉鎖状態となる一方、第２電磁弁２６０は、開放状態となる。また、切替スイッチ２１０２が切替接点２１０２ｃに切り替えられた場合、第１電磁弁２５０は、開放状態となる一方、第２電磁弁２６０は、閉鎖状態となる。

電気回路は、リレー２１０５とリレー接点２１０６とを有する。リレー接点２１０６の各接点は、リレー接点２１０４側の端子Ｍ，Ｎに接続される。また、電気回路には、振動センサ１０２と、圧力センサ２１０８（図３で図示を省略）とが接続される。圧力センサ２１０８では、所定の箇所の水圧が測定される。切替スイッチ２１０２の切替接点２１０２ａ側および切替接点２１０２ｂ側には、入切スイッチ２１１０Ａ，２１１０Ｂが設けられている。さらに、電源ランプ２１１２が接続されている。

エネルギー回収システム２００は、商用電源の他、直流電源（バッテリー）による駆動も可能である（図４（ｂ）参照）。なお、図４（ｂ）に示す電気回路自体は、図４（ａ）と同一であるため、その説明は省略する。バッテリーによる駆動とする場合、例えば、発電機（発電機１１０とは別の発電機）によって発電された電気を、ブレーカーを介してトランス（変圧器）に入力し、トランスで所定の電圧（例えば１２Ｖ）に変換し、整流器で整流し、バッテリーに充電し、これを、例えば第１電磁弁２５０および第２電磁弁２６０に出力（給電）する（図４（ｃ）参照）。

エネルギー回収システム２００に対応する実験用エネルギー回収システムを含むシステム（以下、「実験システム」ともいう。）を構築し、実験用エネルギー回収システムによる流量変化および発電に関する実験を行った。以下、これについて説明する。なお、実験用エネルギー回収システムにおいて、発電装置は、上述した発電装置１００を採用した。

（実験システム全体の概要）
まず、今回の実験システム７００全体の概要について、図５を参照して説明する。実験システム７００は、実験用水槽７０２と増圧ポンプ７０４とを含む。実験用水槽７０２は、今回の実験で用いる水を貯留するための水槽である。実験システム７００は、増圧ポンプ７０４から吐出された水を、発電装置１００側に流す第１実験用流路７３０と、発電装置１００を通過することなく実験用水槽７０２に戻す第２実験用流路７４０とを備える。第１実験用流路７３０と第２実験用流路７４０とは、それぞれ、第３実験用流路７１０（送水側である第３実験用流路７１０Ａ）から分岐し、第３実験用流路７１０（受水側である第３実験用流路７１０Ｂ）に合流する。なお、図５に示す実線の矢印は、第１実験用流路７３０の水の流れを示し、破線の矢印は、第２実験用流路７４０の水の流れを示す。

増圧ポンプ７０４は、実験システム７００を流れる水を、上水道３００からの水道水と同程度の水圧に増圧させるためのポンプである。増圧ポンプ７０４は、揚水ポンプ６５φ×揚程３０ｍ×揚水量７００Ｌ／分×７．５ｋＷのタービン式のポンプである。増圧ポンプ７０４は、第３実験用流路７１０Ａに設置されている。実験用水槽７０２と増圧ポンプ７０４とを接続する第３実験用流路７１０Ａには、実験システム７００を流れる水量を調節するための水量調節バルブ７２０が設置されている。

第１実験用流路７３０には、第１実験用流路７３０の水の流れを制御（切り替える）するバルブ７５０が設置されている。第２実験用流路７４０には、第２実験用流路７４０の水の流れを制御（切り替える）するバルブ７６０が設置されている。バルブ７５０が開放状態で、バルブ７６０が閉鎖状態である場合（第１電磁弁２５０が開放状態で、第２電磁弁２６０が閉鎖状態である場合に相当（図２参照））、増圧ポンプ７０４から吐出される水は、第１実験用流路７３０を流れる。一方、バルブ７５０が閉鎖状態で、バルブ７６０が開放状態である場合（第１電磁弁２５０が閉鎖状態で、第２電磁弁２６０が開放状態である場合に相当（図２参照））、水は第２実験用流路７４０を流れる。第３実験用流路７１０Ｂには、第３実験用流路７１０Ｂを流れる水道水の水量を測定するための水量計量器７７０が設置されている。

なお、発電装置１００のポンプ１２０には、ポンプ１２０から吐出される水の水圧を測定するための吐出圧ゲージ２０２が、取り付けられている。同様に、増圧ポンプ７０４にも、増圧ポンプ７０４から吐出される水の水圧を測定するための吐出圧ゲージ７０６が、取り付けられている。

実験システム７００の上記各構成と図３の構成との対応をとると、次のとおりである。すなわち、実験用水槽７０２は、上水道３００および受水槽４００に対応する。実験システム７００を流れる水（今回の実験では、送水圧力を２００ｋＰａに設定）は、上水道３００からの水道水に対応する。また、第３実験用流路７１０は、枝管３１０に、具体的には、送水側の第３実験用流路７１０Ａは、枝管３１０Ａに対応し、受水側である第３実験用流路７１０Ｂは、枝管３１０Ｂに対応する。第１実験用流路７３０は、第１流路２３０に対応し、第２実験用流路７４０は、第２流路２４０に対応する。水量調節バルブ７２０は、流量調整弁機構２２０に対応し、バルブ７５０は、第１電磁弁２５０に対応し、バルブ７６０は、第２電磁弁２６０に対応する。さらに、水量計量器７７０は、量水センサ３４０に対応する。

ここで、実験システム７００において、エネルギー回収システム２００に対応する実験用エネルギー回収システムは、発電装置１００と第１実験用流路７３０と第２実験用流路７４０と水量調節バルブ７２０とバルブ７５０，７６０によって構成される。

（実験結果）
次に、実験用エネルギー回収システムによる流量変化および発電に関する実験結果について説明する。

（流量変化）
実験用エネルギー回収システムによる流量変化に関する実験は、増圧ポンプ７０４から吐出された水が、第１実験用流路７３０に流れるように、バルブ７５０を開放状態とし、バルブ７６０を閉鎖状態とした第１状態と、第２実験用流路７４０に流れるように、バルブ７５０を閉鎖状態とし、バルブ７６０を開放状態とした第２状態とで行った。そして、第１状態および第２状態の各状態において、第３実験用流路７１０Ｂを流れる水の水量を、水量計量器７７０で測定した。

また、この流量変化に関する実験では、発電装置１００のポンプ１２０が備える羽根車１２２を、図６（ａ）に示す構成の羽根車（以下、「比較羽根車」という。）９００としたポンプを備える発電装置（エネルギー回収システム）を比較例とした。この際、羽根車１２２の場合と同一条件の下、第３実験用流路７１０Ｂを流れる水の水量を、水量計量器７７０で測定した。なお、以下、羽根車１２２を備えたポンプ１２０による場合を「本実施形態の構成」といい、比較羽根車を備えたポンプによる場合を「比較例の構成」ともいう。なお、図６（ｂ）に、比較羽根車との比較を容易なものとするため、羽根車１２２（図２と同一の構成）を示す。

測定結果を説明する前に、比較羽根車９００について説明する。比較羽根車９００も、羽根車１２２と同じく、主板および側板（図６（ａ）で図示を省略）と、両板間に羽根９１０とを備える。比較羽根車９００は、羽根９１０を６枚備え、これら６枚の羽根９１０が、等間隔で配置される（図６（ａ）に一点鎖線で記載した直線参照）。羽根９１０は、羽根車１２２の第１羽根１２２６Ａおよび第２羽根１２２６Ｂと異なり、６枚とも同一の形状を有する。羽根９１０の回転軸側端部各々は、一の円周上（図６（ａ）に一点鎖線で記載した小径の円参照）に配置される。また、羽根９１０の羽根車外周側端部各々は、他の円周上（比較羽根車の外形線参照／一の円と同心円）に配置される。なお、比較羽根車９００は、通常の渦巻ポンプが採用する形状の遠心ファンである。

次に、水量計量器７７０による水量の測定結果について説明する。本実施形態の構成では、第１状態の水量は、第２状態の水量と略同一であった。すなわち、実験用エネルギー回収システムを流れることで、より具体的には、発電装置１００のポンプ１２０を通過することで、増圧ポンプ７０４から吐出された水の水量が、低下するといった現象は認められなかった。また、本実施形態の構成では、吐出圧ゲージ２０２で測定された水圧は、増圧ポンプ７０４の吐出圧ゲージ７０６で測定された水圧と略同一であった。これらは、第１羽根１２２６Ａおよび第２羽根１２２６Ｂ各々の配置について、第１羽根１２２６Ａの回転軸側端部が、第２羽根１２２６Ｂの回転軸側端部と比較し、羽根車外周側となるように配置されるとともに、第１羽根１２２６Ａの羽根車外周側端部が、第２羽根１２２６Ｂの羽根車外周側端部と比較し、羽根車外周側となるように配置された、羽根車１２２の構成に基づくものと考えられる。すなわち、このような構成により、羽根車１２２の外周側の空間（第２羽根１２２６Ｂを介して隣接する第１羽根１２２６Ａの間の空間（幅）／図６（ｂ）の羽根車１２２の外周外側に示す両矢の矢印参照）が、広くなっていることなどに基づくものであると考えられる。なお、上述の構成を有する羽根車１２２では、羽根車１２２の外周側の空間と同じく、羽根車１２２の回転軸側の空間も、広くなっている。この点についても、有利に作用しているものと考えられる。

これに対し、比較例の構成では、第１状態の水量は、第２状態の水量に対し、２０〜３０％低下した。このような結果に基づけば、本実施形態の構成（羽根車１２２）は、水量の低下が発生せず、この点において、好適な流量特性を発揮することができる。なお、本実施形態の構成によれば、キャビテーションの発生を抑制することができた。また、本実施形態の構成によれば、羽根車１２２の回転数を一定で安定させることができた。

（発電効率）
発電効率に関する実験は、増圧ポンプ７０４から吐出された水が、第１実験用流路７３０側に流れるように、バルブ７５０，７６０の状態を、上記第１状態として行った。実験の結果、発電装置１００によって、６０サイクル、３相、２００〜２４０Ｖ、１．６〜２．０ｋＷの発電を観測できた。ここで、元のエネルギー（入力エネルギー）Ｅは、式（１）で示すとおりであるから、式（１）に、送水圧力Ｐ＝２００×１０３（Ｎ／ｍ^２）と、流量Ｖ（ｍ^３／ｓ）＝７００／（１，０００×６０）とを代入して元のエネルギーＥを算出すると、元のエネルギーＥは、約２．３（ｋＷ）（２，３３３（Ｎ・ｍ／ｓ））である。
Ｅ＝Ｐ（Ｎ／ｍ^２）×Ｖ（ｍ^３／ｓ）・・・（１）
したがって、実験用エネルギー回収システムにおけるエネルギー回収効率は、約６９（１．６／２．３３３×１００）〜８６（２．０／２．３３３×１００）％であった。このようなエネルギー回収効率は、羽根車１２２を備える本実施形態の構成によって得られる優れた流量特性に起因する。

（本実施形態の構成に基づく有利な効果）
本実施形態の羽根車１２２を有するポンプ１２０を備えた発電装置１００を含むエネルギー回収システム２００によれば、上水道３００の送水圧力（２００〜３００ｋＰａ程度／余力）を有効に活用し、効果的（効率的）に発電することができる。すなわち、本実施形態の発電装置１００を備えたエネルギー回収システム２００は、環境に易しいクリーンなエネルギー供給源として利用することが可能で、二酸化炭素の排出量低減に貢献することができる。また、第１流路２３０への水道水の流れを遮断しつつ、第２流路２４０をとおして水道水を受水槽４００に供給することが可能であるため、発電装置１００が、仮に故障などしたとしても、適切に対処することができる。

（変形例）
（１）上記では、１つの羽根車１２２を有するポンプ１２０を備える発電装置１００を例に説明した。しかし、これ以外の構成とすることもできる。すなわち、回転軸１１２に羽根車を複数個取り付けた構成とすることもできる。例えば、図７（図１と同一の構成については、同一の符号を付す。図７に記載の一点鎖線は、作図上の中心線（基準線）である。）に示す発電装置のように、２個の羽根車１２２Ｘ，１２２Ｙを回転軸１１２に取り付けたポンプ１２０とすることもできる。このような発電装置によれば、より効果的に発電することができる。

例えば、羽根車１２２Ｘ，１２２Ｙは、羽根車１２２Ｘの主板１２２２と羽根車１２２Ｙの主板１２２２とが対向した位置関係で、回転軸１１２に取り付けられる（第１構成／図７参照）。第１構成では、羽根車１２２Ｘ，１２２Ｙにおいて、羽根車外周側から羽根車１２２Ｘ，１２２Ｙ内に流入した水は、各々反対側の方向に吐き出される。なお、第１構成を採用する場合、羽根車１２２Ｘ，１２２Ｙの第１羽根１２２６Ａおよび第２羽根１２２６Ｂの形状は、羽根車１２２Ｘ，１２２Ｙが同一の方向に回転するように設定される。凸状部１２２８は、羽根車１２２Ｘ，１２２Ｙのいずれについても、回転方向後進側の面の所定の位置（上記参照）に形成される。

また、羽根車１２２Ｘの主板１２２２と羽根車１２２Ｙの側板１２２４とが対向した位置関係、または、羽根車１２２Ｙの主板１２２２と羽根車１２２Ｘの側板１２２４とが対向した位置関係となるように、羽根車１２２Ｘ，１２２Ｙを回転軸１１２に取り付けた構成とすることもできる（第２構成）。なお、第１構成および第２構成のいずれの場合であっても、羽根車１２２Ｘ，１２２Ｙから吐き出される水の吐き出し方向が、対向した関係となることはない。

（２）上記では、発電装置１００を第１流路２３０に配置し、第２流路２４０および第２電磁弁２６０を備えたエネルギー回収システム２００を例に説明した。例えば、水の供給（本実施形態の構成に基づけば、受水槽４００への水道水の供給）を、一時的に遮断することが許容される場合、第２流路２４０および第２電磁弁２６０を省略した構成のエネルギー回収システムとすることもできる。なお、この場合、第１電磁弁２５０を省略することもできる。

（３）上記では、発電装置１００を１台備えるエネルギー回収システム２００を例に説明した。しかし、これ以外の構成とすることもできる。すなわち、複数台の発電装置１００を備える構成とすることもできる。例えば、図８（図３と同一の構成については、同一の符号を付す。）に示すように、発電装置１００を２台連続して配置したエネルギー回収システムとすることもできる。この場合、１番目の発電装置１００−１の吐出口１２４４（図１参照）から吐出された水道水が、再度、２番目の発電装置１００−２の吸込口１２４２（図１参照）から吸い込まれる。このようなエネルギー回収システムによれば、より効果的に発電することができる。なお、発電装置としては、例えば、上記変形例（１）のような発電装置とすることもできる。

（４）上記では、電気回路を、ハードウェアによって構成した例に基づき説明したが、コンピュータのような制御装置と、制御装置に各種処理を実行させるためのソフトウェアとによって構成することもできる。

（５）上記では、水道事業者による上水道３００から供給される水道水を利用する構成を例に説明した。しかし、これ以外の構成とすることも可能であり、多目的に利用することができる。例えば、農作物などを栽培するハウスで利用される循環ポンプを利用し、ハウスに設置され、この循環ポンプによる配管途中に、エネルギー回収システム２００を設置（接続）した構成とすることもできる。これにより、発電装置１００によって発電された電気を利用して循環水の温度を上昇させ、ハウス内の温度を上昇させることが可能で、省エネルギー（省電力）に貢献できる。なお、ハウスで、水（温水）の循環を一時的に遮断することが可能であれば、エネルギー回収システム２００を、上記変形例（２）によるエネルギー回収システムのようにすることもできる。

また、ボイラーなどが設置された建物などである場合、ボイラーなどの循環配管の途中に、発電装置１００（上記変形例（２）によるエネルギー回収システム参照）または発電装置１００を備えるエネルギー回収システム２００を設置（接続）した構成とすることもできる。これにより、発電装置１００によって発電された電気を利用して、ボイラー電源または建物内の冷暖房設備などを駆動させることが可能で、省エネルギー（省電力）に貢献できる。

１００発電装置
１１０発電機
１１２回転軸
１２０ポンプ
１２２羽根車
１２２６Ａ第１羽根
１２２６Ｂ第２羽根
１２２８凸状部
１２４ケーシング
１２４２吸込口
１２４４吐出口

Claims

発電機と、前記発電機の回転軸に取り付けられた羽根車とを備え、前記羽根車を、水力を利用して回転させることで、電気エネルギーを発生させる発電装置であって、
前記羽根車は、前記羽根車の回転方向に交互に配置される、第１種の第１羽根と第２種の第２羽根とを備え、
前記第１羽根の回転軸側端部各々と、前記第１羽根の羽根車外周側端部各々と、前記第２羽根の回転軸側端部各々と、前記第２羽根の羽根車外周側端部各々とは、互いに異なる円周上に、それぞれ配置され、
前記第１羽根および前記第２羽根各々は、前記第１羽根の回転軸側端部が、前記第２羽根の回転軸側端部と比較し、前記羽根車外周側となるように配置されるとともに、前記第１羽根の羽根車外周側端部が、前記第２羽根の羽根車外周側端部と比較し、前記羽根車外周側となるように配置され、
前記第１羽根は、前記羽根車の回転方向後進側の面に凸状部を備え、
前記羽根車を回転させるための水は、前記羽根車外周側から前記羽根車内に流入し、前記第１羽根と前記第２羽根とによって形成される空間を通過し、前記回転軸側から吐き出されることを特徴とする発電装置。
水道本管と前記水道本管から供給される水を貯留する受水槽とを接続する枝管の途中に配置可能なエネルギー回収システムであって、
請求項１に記載の発電装置と、
前記枝管と前記発電装置とを接続する第１流路と、
前記枝管に接続され、前記発電装置をバイパスする第２流路と、
前記水道本管から供給される水が、前記第１流路を流れる状態とするか、前記第２流路を流れる状態とするかを切り換える流路切替弁機構とを備えることを特徴とするエネルギー回収システム。
前記水道本管から供給され、前記エネルギー回収システム内を流れる水の流量を調整するための流量調整弁機構を備えることを特徴とする請求項２に記載のエネルギー回収システム。
前記発電装置の振動を検知する振動センサを備え、
前記振動センサによって、前記発電装置の振動が所定の振動レベルであると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記水道本管から供給される水が、前記第１流路を流れる状態から、前記第２流路を流れる状態に切り替えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のエネルギー回収システム。
前記流路切替弁機構は、前記第１流路および前記第２流路に対し、前記水道本管から供給される水の流れを遮断した止水状態に切り替え可能であるとともに、
前記受水槽に貯留された水の水位または水量を検知する貯留水センサを備え、
前記貯留水センサによって、前記受水槽に貯留された水の水位または水量が所定の低レベル状態であると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記止水状態から、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態に切り替え、
前記貯留水センサによって、前記受水槽に貯留された水の水位または水量が所定の高レベル状態であると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態から、前記止水状態に切り替えることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のエネルギー回収システム。
前記発電装置と所定の電源とを接続する電源接続スイッチを備え、
前記貯留水センサによって、前記受水槽に貯留された水の水位または水量が所定の低レベル状態であると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記止水状態から、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態に切り替えるとともに、前記電源接続スイッチを接続状態とし、
前記貯留水センサによって、前記受水槽に貯留された水の水位または水量が所定の高レベル状態であると検知された場合、前記流路切替弁機構を、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態から、前記止水状態に切り替えるとともに、前記電源接続スイッチを遮断状態とすることを特徴とする請求項５に記載のエネルギー回収システム。
前記発電機の回転数を検知する回転数検知センサを備え、
前記流路切替弁機構が前記止水状態から、前記水道本管から供給される水が前記第１流路を流れる状態に切り替えられ、さらに前記回転数検知センサによって、前記発電機の回転数が所定回転数であると検知された場合、前記電源接続スイッチを接続状態とすることを特徴とする請求項６に記載のエネルギー回収システム。