JP2010275992A

JP2010275992A - 水力発電装置

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Publication number: JP2010275992A
Application number: JP2009132077A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyasu Ikeda; 吉康池田
Original assignee: YAMAYOSHI KK
Current assignee: YAMAYOSHI KK
Priority date: 2009-06-01
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2010-12-09

Abstract

【課題】装置全体の小型化と、発電効率の向上の双方を同時に実現する。
【解決手段】上下に設けられた一対の上部ギア１３と下部ギア間１４に環状に掛け渡された搬送用チェーン１２と、少なくとも一方のギア１３、１４の回転軸に接続され、当該各ギア１３、１４の回転に応じて発電する発電機２１と、搬送用チェーン１２に、その循環移動方向に向かって底面となるように所定間隔で設けられた複数の容器１５と、少なくとも上部ギア１３と下部ギア１４間に水面高さが調整された流路と、水面上の所定位置にある容器１５ａに対して上から水を供給する供給管５と、水面下の所定位置にある容器１５ｂに対して下から気泡を供給する室１７とを備え、搬送用チェーン１２は、供給管５により容器１５に供給された水の重力と、容器１５に供給された気泡の浮力とに基づいて、上部ギア１３並びに下部ギア１４間で循環移動することにより、ギア１３、１４を回転させる。
【選択図】図１

Description

水路を流れる水の位置エネルギー差を利用する水力発電装置に関し、特に発電効率をより向上させる上で好適な水力発電装置に関する。

水力発電装置は、取水ダムや貯水池等の水源から導水管を介して水車に加圧水を供給することによって水車を回転させ、回転する水車の駆動力により発電を行う。特に水力発電において用いられる水車は、加圧水を供給する箇所が一箇所であり、大きな発電エネルギーを得るには、より大きな直径からなる水車が必要となる。また、この発電効率を改善するためには、大きなダムを作り高いところから水を落下させて発電させる必要がある。このため、水道水等を利用した家庭用の水力発電装置としての実用化を考える上での障壁となっていた。

即ち、小型の水力発電装置とすることで一般家庭においても適用可能な構成を考える際、装置全体の小型化と、発電効率の向上の双方を同時に解決する必要があった。

従来においては、例えば特許文献１に示すように気泡による浮力を利用した発電システムが提案されている。この特許文献１の開示技術によれば、重力による下向きに引っ張られる力と、空気ポンプから出てきた気泡を空気溜めに溜めた浮力により環状構造物を回転させることを特徴としている。また、特許文献２においては、浮力を利用したパワーマシンが開示されている。

特開２００７−２３９７２６号公報特開２００４−２７０５０２号公報

しかしながら、特許文献１の開示技術によれば、あくまで空気ポンプを利用して空気溜めに空気を溜めるため、かかる空気ポンプの動力において多大なエネルギーを費やすことになる。また、この特許文献１の開示技術では、水面下にあることから、実質的には、水の位置エネルギー差に基づく水力発電としての恩恵を受けられないことになり、発電効率の面において劣るという問題点もあった。

また、特許文献２の開示技術においても同様に、浮力を利用した発電への応用は考えることができるものの、水の位置エネルギー差を利用した水力発電を組み合わせることに関しては何ら記載されていない。

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、水の重力と気泡の浮力の２つの力を組み合わせることにより、装置全体の小型化と、発電効率の向上の双方を同時に実現することが可能な水力発電装置を提供することにある。

本発明に係る水力発電装置は、上述した課題を解決するために、上下に設けられた一対の上部ギアと下部ギア間に環状に掛け渡された搬送用チェーンと、少なくとも一方の上記ギアの回転軸に接続され、当該各ギアの回転に応じて発電する発電機と、上記搬送用チェーンに、その循環移動方向に向かって底面となるように所定間隔で設けられた複数の容器と、少なくとも上記上部ギアと上記下部ギア間に水面高さが調整された流路と、上記水面上の所定位置にある容器に対して上から水を供給する水供給手段と、上記水面下の所定位置にある容器に対して下から気泡を供給する気泡供給手段とを備え、上記搬送用チェーンは、上記水供給手段により上記容器に供給された水の重力と、上記気泡供給手段により上記容器に供給された気泡の浮力とに基づいて、上記上部ギア並びに上記下部ギア間で循環移動することにより、上記ギアを回転させることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、水の重力と気泡の浮力の２つの力を組み合わせることにより、装置全体の小型化と、発電効率の向上の双方を同時に実現することが可能となる。

本発明を適用した水力発電装置の構成例を示す図である。本発明を適用した水力発電装置における室の構成について説明するための図である。

以下、本発明を適用した水力発電装置について、図面を参照しながら詳細に説明をする。

図１は、本発明を適用した水力発電装置１の構成例を示している。この水力発電装置１は、供給管５から供給された水がタンク１８まで落下する際の位置エネルギー差を利用して発電を行うものである。この水力発電装置１は、供給管５から水が供給される水槽１１と、この水槽１１の下端に設けられた室１７と、室１７とタンク１８とを連結する排水管１９とを備えている。そして、この水槽１１内においては、上下に設けられた一対の上部ギア１３並びに下部ギア１４と、この上部ギア１３と下部ギア１４間に環状に掛け渡された搬送用チェーン１２と、上部ギア１３の回転軸１３ａに接続され、当該上部ギア１３の回転に応じて発電する発電機２１と、搬送用チェーン１２に設けられた複数の容器１５とを備えている。

水槽１１は、供給管５から供給された水を所定量に亘り貯水する。この水槽１１に貯水された水は、室１７を介して外部へと排出されることになる。水槽１１は、貯水する水の水面高さが上部ギア１３と下部ギア１４間に位置するように、供給管５からの水供給量、並びに室１７を介した水排出量が調整されている必要がある。また、この水槽１１は、図中矢印で示される方向に水を流す流路が形成されている。この流路は、水面下において搬送用チェーン１２に沿うとともに少なくとも環状とされ、搬送用チェーン１２の図中Ａ方向への循環移動に応じて水を図中Ａ方向へ循環可能とされている。実際にこの水を図中Ａ方向へ循環させるためには、水槽１１を環状に構成する必要があるところ、例えば水槽１１の幅方向中央において壁体２５を構成するようにしてもよい。この壁体２５は、少なくともその上下端において水を通過させるための通水路２６、２７が形成されるように配設されている必要がある。その結果、図１に示すように水槽１１は、下方向へ流れる流路と、上方向に流れる流路が形成されることになる。このとき、下方向へ流れる流路や上方向に流れる流路をそれぞれ円柱や角柱の水槽で構成し、これらを通水路２６、２７に相当する図示しない管で連結するようにしてもよい。因みに通水路２６は、少なくとも水面下を含む高さにおいて形成されている必要がある。

搬送用チェーン１２は、上部ギア１３並びに下部ギア１４それぞれに対して噛合可能な構成とされている。この搬送用チェーン１２は、図中Ａ方向に循環移動可能な構成とされており、この循環移動に応じてこれに噛合されている上部ギア１３並びに下部ギアを回転可能とされている。

上部ギア１３並びに下部ギア１４は、それぞれ搬送用チェーン１２に噛合可能なように、円周方向に凹凸が形成されている。そして、この搬送用チェーン１２のＡ方向の循環移動に応じて、この上部ギア１３並びに下部ギア１４は回転可能とされている。特にこの上部ギア１３の回転軸１３ａには、発電機２１が取り付けられており、上部ギア１３の回転に応じて回転軸１３ａを回転させることにより、発電機２１内にあるタービンを回転させて発電を行うことが可能となる。

なお、この発電機２１は、上部ギア１３の回転軸１３ａの回転によって発電する場合に限定されるものではなく、下部ギア１４の回転軸の回転によって発電するものであってもよい。

容器１５は、水や気泡を収容可能なように構成されている。この容器１５は、搬送用チェーンに、その循環移動方向Ａに向かって底面となるように所定間隔で複数個に亘り設けられている。容器１５は、例えば樹脂製で構成されていてもよく、しかも水の抵抗を受けないようにするために特に底面部に関しては先細化させた円錐状で構成してもよい。

室１７は、水槽１１内の水が排出されてくるとともに、これを一時的に貯水し、更に排水管１９を介してタンク１８へと排出する。また、この室１７は、気泡を水槽１１内において供給する機能をも担う。ちなみに、このタンク１８に排出された水は、仮に本発明を上水道中に設ける場合には、これを生活用水として用いるようにしてもよい。また、このタンク１８に溜められた水を後段の本発明に係る水力発電装置１へ供給する水として用いるようにしてもよい。なお、この水力発電装置１をこのように段階的に配置して用いることにより、より大きな電力を発電させることも可能となる。

上述の如き構成からなる本発明では、供給管５から供給される水が水槽１１へ向けて噴出されてくることになる。このとき、供給管５からの水は、水面上の所定位置（この場合は、供給管５の直下）にある容器１５ａに対して注がれることになる。その結果、容器１５ａは、水で満たされることになり、また満たされた水の重力に基づいて下方向に引っ張られることになる。

また室１７からは、気泡が噴出する結果、水面下の所定位置（この場合は、室１７の直上）にある容器１５ｂに対して下から気泡が供給されることになる。その結果、容器１５ｂは、空気で満たされることになり、また空気による浮力に基づいて上方向に引っ張られることになる。

そして、この供給管５により容器１５ａに供給された水の重力と、室１７により容器１５ｂに供給された気泡の浮力とに基づいて、上部ギア１３並びに下部ギア１４間で搬送用チェーン１２を循環移動させる。かかる搬送用チェーン１２の循環移動により、上部ギア１３、下部ギア１４をそれぞれ回転させ、ひいてはこの上部ギア１３ａの回転に応じた回転軸１３の回転に基づいて、発電機２１を発電させる。

また、搬送用チェーン１２を循環移動させることにより、この容器１５の位置もそれぞれＡ方向へとシフトする。その結果、供給管５からの水が供給される水面上の所定位置（この場合は、供給管５の直下）には新たな容器１５ａが来ることになり、また室１７から気泡が供給される水面下の所定位置（この場合は、室１７の直上）には新たな容器１５ｂが来ることになる。そして、新たに循環移動させられてきた容器１５ａには供給管５から水が供給され、新たに循環移動させられてきた容器１５ｂには、室１７から気泡が供給される。

これらの動作を繰り返し実行することにより、搬送用チェーン１２を連続して循環移動させ、ひいては上部ギア１３を回転させることにより発電を連続的に行うことができる。

なお、本発明によれば、このような水の重力と気泡の浮力に加えて、更に水槽１１内にある水を図中矢印方向に循環させることができる。この水の循環は、水の重力と気泡の浮力に基づいた搬送用チェーン１２並びに容器１５のＡ方向への循環移動により、引き起こされるものである。そして、この水の循環は、逆に搬送用チェーン１２並びに容器１５の循環移動を助長させることにもつながり、双方ともに循環移動効果を相乗的に向上させることが可能となる。

なお、気泡が溜められてしかも水面直下にある容器１５ｃは、水面上に浮上する際において、かかる容器１５ｃ内に満たされた空気により、殆ど抵抗なく水面上へ引き上げることが可能となる。また、供給管５を介して水が供給された容器１５ａについても同様に、かかる容器ａ内に水が満たされていることから、殆ど抵抗無く水面下へ下降させることが可能となる。

なお、本発明を適用した水力発電装置１によれば、室１７について、例えば以下に説明するような構成としてもよい。

室１７は、室１７の下部から水を排出する開閉自在な排水口３１と、室１７の上部を介して外部から空気を流入させる開閉自在な空気孔３２と、水槽１１に対して開閉可能な流路孔３３と、水槽１１に対して開閉自在な排気口３４とを有している。

最初に図２(a)に示すように室１７内に水が満たされている状態では、この排水口３１、空気孔３２、流路孔３３、排気口３４が何れも閉口された状態となっている。次に図２(b)に示すように、流路孔３３、排気口３４を閉めた状態のまま、排水口３１と、空気孔３２とを開口させる。その結果、水はこの排出口３１を介して排水されることになる。また、空気孔３２を介してこの室１７内に空気が供給されることになる。排出口３１を介した排水により室１７の気圧が低くなろうとするため、この空気孔３２を介して外部から空気を勢いよく吸入させることが可能となる。そして、この排出口３１を介した排水と、空気孔３２を介した空気の流入を続けて実行することにより、図２(c)に示すように、室１７が空気でほぼ満たされることになる。

次に図２(d)に示すように排水口３１と、空気孔３２とを閉口させ、更に流路孔３３と、排気口３４とを開口させる。その結果、流路孔３３からは、水槽１１を介して水が流入されてくることになる。また、室１７内に流入されてきた水により、室３２内の空気は押し出されるようになり、排気口３４を介して水槽１１内に排気されることになる。その結果、水槽１１内に気泡を供給することができる。

なお、この排気口３４としては、例えば図２(d)に示すように、一端が回動可能なヒンジ３４ａで固定された蓋体３４ｂを介して開閉自在とされていてもよい。これにより、流路孔３３を介して水槽１１から室１７内へ流入させた水に基づいて室１７内にある空気により蓋体３４ｂを押し上げさせて気泡を供給することが可能となる。また、排水口３１、空気孔３２、流路孔３３、排気口３４は何れも電磁弁を介して開閉可能とされていてもよい。

この図２(a)〜(d)の動作を繰り返し実行することにより、水槽１１内の水の排水と、容器１５ｂに対する気泡の供給を実現することが可能となる。

なお本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、図２における流路孔３３の構成を省略し、排気口３４において室１７内への水の排出と、水槽１１内への気泡の供給の双方を実現させるようにしてもよい。かかる場合において排気口３４は、上述のように、ヒンジ３４ａと蓋体３４ｂで構成する場合に限定されるものはなく、一般的な電磁弁を介して開閉可能な構成とされていてもよい。

また本発明は、例えば水路を流れる水の位置エネルギー差を利用するものであればいかなる箇所に配設されていてもよく、ダムの水、又は川の堰き止めた水を引き上部から水槽内に供給するシステムにおいて適用されるものであってもよいし、さらに住宅にある水道管の途中において配設されるものであってもよい。特に本発明によれば、水の重力、気泡の浮力に加え、水の循環の３つの力を相乗的に利用するものであるから、エネルギー効率をより向上させることができる。従来の水力発電装置のように風車の直径をいきおい大きくする必要性も無くなり、また大きなダムを作る必要性も少なくなることから、システム全体の小型化を実現することも可能となり、特に水道水等を利用した家庭用の水力発電装置としての実用化を図ることが可能となる。

即ち、本発明を適用した水力発電装置１は、装置全体の小型化と、発電効率の向上の双方を同時に実現でき、一般家庭においても適用可能な構成とすることが可能となる。

本発明では、水槽１１を、雨水を貯水するためのタンクとしても適用することができ、大雨の時には、この水槽１１に雨水を貯水させることにより、水害の減少にも役立たせることができる。

更に、本発明によれば、太陽光や風力とは違い、水という安定したエネルギー源を使用することができる。また、家庭用から事業用までその応用範囲を幅広くすることができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば空気としては、あらゆるガスを用いてもよい。このガスの例としては、ヘリウムガス、水素ガス、プロパンガス等を用いてもよい。空気よりも比重の小さいガスを用いることにより浮力を大きくすることができる。実際にガスを用いる場合には、空気供給手段としては、ガスボンベを用いるようにしてもよい。

また、本発明はダム等に適用される場合には水供給手段としては、供給管５の代替として、直接的に水を容器１５に供給するようにしてもよい。

１水力発電装置
５供給管
１１水槽
１２搬送用チェーン
１３上部ギア
１４下部ギア
１５容器
１７室
１８タンク
１９排水管
２１発電機
２５壁体
２６、２７通水路
３１排水口
３２空気孔
３３流路孔
３４排気口

Claims

上下に設けられた一対の上部ギアと下部ギア間に環状に掛け渡された搬送用チェーンと、
少なくとも一方の上記ギアの回転軸に接続され、当該各ギアの回転に応じて発電する発電機と、
上記搬送用チェーンに、その循環移動方向に向かって底面となるように所定間隔で設けられた複数の容器と、
少なくとも上記上部ギアと上記下部ギア間に水面高さが調整された流路と、
上記水面上の所定位置にある容器に対して上から水を供給する水供給手段と、
上記水面下の所定位置にある容器に対して下から気泡を供給する気泡供給手段とを備え、
上記搬送用チェーンは、上記水供給手段により上記容器に供給された水の重力と、上記気泡供給手段により上記容器に供給された気泡の浮力とに基づいて、上記上部ギア並びに上記下部ギア間で循環移動することにより、上記ギアを回転させること
を特徴とする水力発電装置。
上記流路は、水面下において上記搬送用チェーンに沿うとともに少なくとも環状とされ、上記搬送用チェーンの移動に応じて水を循環可能とされていること
を特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
上記気泡供給手段は、室と、上記室の下部から水を排出する開閉自在な排水口と、上記室の上部を介して外部から空気を流入させる開閉自在な空気孔と、上記流路に対して開閉可能な流路孔と、上記流路に対して開閉自在な排気口とを有し、
上記流路孔を閉口させるとともに、排気口を閉口させ、更に上記空気孔を開口させるとともに、上記排水口を開口させることにより、上記室に溜められた水を上記排水口を介して排水させるとともに、上記空気孔を介して上記室内に空気を流入させ、
その後上記空気孔を閉口させるとともに、上記排水口を閉口させ、上記流路孔を開口させるとともに、排気口を開口させることにより、上記流路孔を介して上記流路から上記室内へ水を流入させ、更に上記室中の空気を上記排気口を介して排気して上記気泡を供給し、
かかる動作を繰り返し実行すること
を特徴とする請求項１又は２記載の水力発電装置。
上記排気口は、一端が回動可能なヒンジで固定された蓋体を介して開閉自在とされ、上記流路孔を介して上記流路から上記室内へ流入させた水に基づいて上記室内にある空気により上記蓋体を押し上げさせて上記気泡を供給すること
を特徴とする請求項３記載の水力発電装置。
上記気泡供給手段は、室と、上記室の下部から水を排出する開閉自在な排水口と、上記室の上部を介して外部から空気を流入させる開閉自在な空気孔と、上記流路に対して開閉自在な排気口とを有し、
上記排気口を閉口させ、上記空気孔を開口させるとともに、上記排水口を開口させることにより、上記室に溜められた水を上記排水口を介して排水させるとともに、上記空気孔を介して上記室内に空気を流入させ、
その後上記空気孔を閉口させるとともに、上記排水口を閉口させ、上記排気口を開口させることにより、上記排気口を介して上記流路から上記室内へ水を流入させ、更に上記室中の空気を上記排気口を介して排気して上記気泡を供給し、
かかる動作を繰り返し実行すること
を特徴とする請求項１又は２記載の水力発電装置。