JP2012180778A - 水力発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 発電効率を改善し、比較的簡単な構成でかつ低コストな水力発電装置を提供する。
【解決手段】 本発明の水力発電プラント100Aは、略水平な土地に形成された円形プール110を有し、円形プール110は、円形状の外壁112Aと円形状の内壁114Aとによって形成された環状の溝113を有し、当該環状の溝113に水を貯蔵する。また、円形プール110の環状の溝113内にスクリュー120が配され、スクリュー120は、動力源130によって回転される。さらに円形プール110の環状の溝113内に複数の水車140が配置され、水車140は、環状の溝113内を移動する水によって回転され、水車150の回転は、発電モータ150に伝達される。
【選択図】 図3
【解決手段】 本発明の水力発電プラント100Aは、略水平な土地に形成された円形プール110を有し、円形プール110は、円形状の外壁112Aと円形状の内壁114Aとによって形成された環状の溝113を有し、当該環状の溝113に水を貯蔵する。また、円形プール110の環状の溝113内にスクリュー120が配され、スクリュー120は、動力源130によって回転される。さらに円形プール110の環状の溝113内に複数の水車140が配置され、水車140は、環状の溝113内を移動する水によって回転され、水車150の回転は、発電モータ150に伝達される。
【選択図】 図3
Description
本発明は、水力発電装置または水力発電プラントに関し、特に、水の落下を利用することなく発電を行うことができる循環式の水力発電装置に関する。
化石燃料を用いた火力発電は、多量の二酸化炭素を排出し、地球温暖化の原因となる。このため、火力発電に代えて、太陽光発電、水力発電、風力発電などの再生可能なエネルギーを資源に利用した発電が注目されている。とりわけ、水力発電は、太陽光発電や風力発電と比較して天候の影響を受け難いという利点を備えている。典型的な水力発電は、ダム等に水を貯蔵しそこから落下される水の落下エネルギーを利用して発電機またはタービンを回転させることにより電力を発生させている。これ以外にも、河川等に水車を設置し、水車を回転させることで発電させるものもある。
特許文献1は、水力発電に使用する大量の水を、水を高速循環することで量的に解決する水力循環発電システムを開示している。特許文献1では、図1に示すように、導水管1の最上部に循環ポンプ4が設置され、導水管1を落下した水が水車5を駆動すると連結発電機6が回転して発電し、水車を駆動した水は、サイホン現象と立上導水管2を上昇し、循環ポンプ4の吸入口に到達する。このとき、立上導水管2に空気圧縮機11からの圧縮空気を吹き込んでサイホン現象を助ける。
特許文献2は、水力発電設備で大規模なダム装置等を設置する必要がない水循環式の水力発電装置を開示している。特許文献2では、密閉下部集水容器の水が真空ポンプによって密閉上部集水容器に汲み上げられ、密閉上部集水容器を出た水が発電機用羽根車に導かれ発電機を駆動し、この水が密閉下部集水容器に供給される。特許文献3は、海水の高低起伏により形成された落差の位置エネルギーを利用して発電機ユニットの運転動力に転換させる水力発電システムを開示している。
しかしながら、上記した従来の水力発電装置では、発電効率には未だ改善の余地があり、しかも、自然界における水の落下エネルギーを利用する発電装置は、場所に制約があり、人工的に水の落下エネルギーを生成する場合には、比較的大規模な装置となってコストが高くなってしまうという課題があった。
本発明は、このような従来の課題を解決し、発電効率を改善し、比較的簡単な構成でありかつ低コストな水力発電装置を提供することを目的とする。
本発明の水力発電装置は、略水平な土地に形成された円形プールであって、当該円形プールは、円形状の外壁と円形状の内壁とによって形成された環状の溝を有し、当該環状の溝に水を貯蔵する、前記円形プールと、前記円形プールの環状の溝内に少なくともプロペラ部分を配置し、前記環状の溝に貯蔵された水を前記プロペラ部分を介して移動させるスクリューと、前記スクリューを回転するための動力を伝える動力手段と、前記環状の溝内に配置され、溝内の水によって駆動される部材と、前記駆動される部材に接続された発電手段とを有する。
好ましくは前記駆動される部材は、環状部と、環状部の中心を通りかつ環状部に対して垂直方向に延在する軸棒と、環状部の裏面側に形成され、前記溝内に配置される複数の羽根板とを有する回転体を含み、前記回転体は、前記軸棒を中心に回転する。好ましくは前記環状部の裏面には、歯車が形成され、前記発電手段は、前記歯車と噛み合う歯車を含む。好ましくは前記溝には、前記駆動される部材への水力を増加させるために水量を絞る絞り部が形成される。好ましくは前記駆動される部材は、前記環状の溝内に配置された複数の水車である。好ましくは前記環状の溝が同心円状に複数形成され、各環状の溝内の水が前記スクリューによって移動され、各環状の溝内に前記駆動される部材が配置され、前記発電手段は、各環状の溝毎に発電可能である。好ましくは前記環状の溝の内側に、貯水槽が形成され、当該貯水槽に蓄えられた水によって前記円形プール内の水を補充可能である。
本発明によれば、太陽光発電や風力発電のように天候に左右されずに安定した電力発電を行うことができる。さらに、従来のように水が落下するときのエネルギーを利用しないため、水平な土地を利用して発電を行うことができ、水力発電を建設する用地に制約がなく、水力発電の建設コストを低減することができる。
以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の水力発電プラントは、自然界に存在する物質である水を利用することが可能な発電装置である。ただし、水は、純粋、真水、雨水、海水などを用いることができ、不純物を含むものであってもよい。さらに、寒冷地であれば不凍液を含む水であってもよい。本発明では、これらを総称して「水」と称する。
本発明の実施の形態に係る水力発電プラントは、略水平または平坦な土地、あるいは山岳部であってもよいが、必ずしも自然界において水が落下するような地形である必要がない土地に形成されるものであり、そのような土地に円形状または環状のプールまたは溝を形成し、そこに水を貯蔵し、貯蔵された水をプロペラ付きのスクリューを用いて回転させる。これにより、貯蔵された水は、円形のプール内を高速にかつ慣性力を持って流れる。さらに、円形のプール内には、水車またはタービンが設置され、貯蔵された水の移動によって、水車またはタービンが回転され、この回転により発電モータが回転し、電力が生成させる。このような水力発電プラントは、天候等に関係なく安定的に発電することができ、CO2の排出がなく、騒音も少なく、環境に良い発電システムである。さらに、発電プラントの建設コストを安価にすることができる。
以下に例示する水力発電プラントは、発明の特徴を分かり易く説明するために誇張する部分を含んでおり、装置の各部は、必ずしも実際の装置のスケールを表すものではないことに留意すべきである。
図2は、本発明の第1の実施例に係る水力発電プラント(装置)の概略構成を示す模式的な平面図である。本実施例に係る水力発電プラント100は、環状の溝が形成された円形プール110と、円形プール110の溝内に所定の間隔で設置された複数のスクリュー120と、スクリュー120を回転させる動力源130と、円形プール110の溝内に配置された複数の水車140と、水車140に接続された発電モータ150とを有する。
円形プール110は、好ましくはコンクリート、プラスチック、耐水性のある樹脂、あるいは防水加工された木材などを用いて土中内に形成された外壁112と、外壁112の内側に同様にして形成された円形状の内壁114と、外壁112および内壁114によって囲まれた一定の深さを有する環状の溝113とを有する。外壁112、内壁114および溝113の底の表面は、水との抵抗ができるだけ小さくなるような滑らかな表面に仕上げられる。さらに、外壁112および内壁114と接続される溝113の境界は、一定の傾斜角を有するのではなく曲面または球面であることが望ましい。結果として、円形プール110は、その断面が一定の大きさであるほぼ管状の溝であることができる。
円形プール110の外壁112には、円周方向にほぼ45度の間隔で、半径方向に突出した8つのスクリュー設置部116が形成されている。スクリュー設置部116は、平面図で見たときほぼ三角形状を有しているが、特にこのような形状に限定されるものではなく、半円状や矩形状であってもよい。また、スクリュー設置部116の数は8つに限らず、これ以外の数であってもよい。さらに、スクリュー接地部116は、後述する第2の実施例に示すように必ずしも必須ではない。
スクリュー設置部116には、スクリュー120が設置される。好ましくは、スクリュー120の先端のプロペラ部分は、環状の溝113に貯蔵された水の水位よりも低い位置で回転される。スクリュー120の他方の端部は、動力源130に機械的に接続され、スクリュー120は、動力源130からの駆動により回転し、環状の溝内に貯蔵された水を一定の方向に向けて移動させる。好ましくは、各スクリュー120は、円形プール110の円周方向に対してほぼ同一の角度で交差するように配置され、言い換えれば、各スクリュー120によって円形プール110内の水にほぼ均一な方向に力が伝達されるようにする。これにより、円形プール110内に貯蔵された水は、一定方向に流れる。
動力源130は、ガソリンや軽油などの内燃機関を利用した一定馬力で回転するモータであることができる。勿論、動力源130は、その他のエネルギー源を用いたものであってもよい。
円形プール110内には、複数の水車140が設置される。水車140は、クロスフロー水車のような公知の構成であることができ、例えば、2枚の円形板の間に複数の水を受ける受け板を形成したドラム形状を有し、受け板に水が勢い良くあたることで水車は回転軸を中心に回転する。水車140の配置する位置、数、大きさ、形状等は、特に限定されるものではなく、これらは水力発電の設計仕様に応じて適宜選択される。水車140の回転軸は、直接または間接的に発電モータ150が接続される。好ましくは、水車140と発電モータ150との間には、適切なギア比で接続された複数の歯車、ベルト、リンクなどの任意の動力伝達機構を介在させることができる。
このように構成された水力発電プラント100において、円形プール110内に貯蔵された水は、スクリュー120の回転によって一定方向に高速で流れ(図2では時計方向)、この水の移動により水車140が回転され、発電モータ150により発電される。
本実施例の水力発電プラント100によれば、太陽発電や風力発電のように天候に左右されることなく電力を得ることが可能である。円形プール110内を移動する水は、一定の慣性力を有するため、一度流れ出すと、その後のスクリュー120による回転力を小さくすることができる。また、複数の水車140を回転させることで、安定した発電を行うことができる。さらに、略平坦または水平な用地を利用することで、低コストで水力発電プラントを生成することができる。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。第1の実施例では、スクリュー設置部116を形成したが、スクリュー設置部116を省略することで円形プール110内を流れる水の抵抗または障害が小さくすることができる。図3は、第2の実施例の水力発電プラント100Aを説明する図であり、第1の実施例と同一構成については同一参照番号を付し、ここでの説明を省略する。
第2の実施例において、円形プール110は、円形の外壁112Aと、これより内側の円形の内壁114Aとを有し、外壁112Aと内壁114Aとの間に環状の溝113が形成されている。スクリュー120は、外壁112Aと内壁114Aとの間に形成された支持体160上に設置することができる。図3に示す例では、スクリュー120は、90度間隔で4箇所に設置されている。各スクリュー120は、円形プール110の円周方向に対して所定の角度で設定され、動力源130によって回転される。これにより、円形プール110内に貯蔵された水は、時計方向に流れる。また、4箇所のスクリュー120の間には、複数の水車140が設置され、水車140は、円形プール110を流れる水によって回転され、この回転エネルギーは、図示しない発電モータに伝達される。第2の実施例によれば、ほぼ円形に近い環状の溝113を形成することで水の流れるときの抵抗が小さくなり、発電効率を高めることができる。さらに、外壁112A、内壁114Aは、円形に形成されればよいので、第1の実施例のときよりも製造が容易であり、製造コストを削減することができる。
また、第1、2の実施例では、スクリュー120と水車140とが一定の距離だけ離間して設置される例を示したが、スクリュー120と水車140は、鉛直方向のおいて重複する位置関係にあることも可能である。図4は、スクリューと水車との位置関係を示す模式的な平面図、図5は、その模式的な側面図である。図4に示すように、外壁112Aと内壁114Aとの間に支持部材162が取り付けられ、支持部材162上に動力源130が固定される。さらに支持部材162から離間してもう1つの支持部材164が外壁112Aと外壁114Aとの間に取り付けられる。動力源130に接続されたスクリュー120は、支持部材164において固定部材166により回転自在に固定される。
水車140は、支持部材164から離間された位置にあり、その回転軸142が固定部材144によって外壁112A、内壁114Aに回転自在に固定されている。図5に示すように、スクリュー120は、動力源130から斜め下方に延び、その先端のプロペラ部分122が水車140の下方に重複するように位置される。これにより、スクリュー120および動力源130と、水車140との間隔を狭めることができ、結果的に、高速に流れる水を効果的に水車140へ供給することができ、かつ、円形プール110のスペースを効率よく利用し、多数のスクリュー130や水車140を配置することが可能になる。好ましくは、円形プール110内に貯蔵される水Wの水位は、水車140の回転軸142の近傍である。
図6Aは、本発明のスクリューの他の設置例を示す模式的な平面図である。同図に示すように、円形の外壁112Aの一部にスクリュー設置部116Aが形成され、そこにスクリュー120および動力源130が取り付けられ、同様に、円形の内壁114Aの一部にスクリュー設置部116Bが形成され、そこにスクリュー120および動力源130が取り付けられる。この場合、外壁112Aおよび内壁114Aは円形であり、環状の溝113が形成される。このように、外壁112Aおよび内壁114Aの両側にスクリューを設置することで、より効果的に円形プール内に貯蔵された水を駆動することができる。
図6A(a)〜(e)は、溝の好ましい形状を示す図である。図6A(a)は、溝113の概略断面を示しており、溝113の底111には、底上げ部111Aが形成される。底上げ部111Aは、水車140へ水が供給される入口側に形成され、底上げ部111Aを設けることにより、底111と水車140との間を流れる空間が狭められ、これにより水の勢いまたは速度が大きくなり、効率よく水車140を回転させることができる。なお、底上げ部111Aは、隅の抵抗が大きくならないような滑らかな平面形状を有することが望ましい。
図6A(b)〜(e)は、図6A(a)と直交する方向での溝の断面形状を示している。溝113の底は、図6A(b)に示すように円形状111Bであることができ、あるいは図6A(c)に示すように直線状111Cであることができる。さらに、図6A(a)に示すように、底上げ部111Aを形成する場合には、図6A(d)に示すように底全体に形成してもよいし、図6A(e)に示すように底の一部に形成するものであってもよい。
図6Bは、本発明の他の水力発電プラント100Bの例を示す図である。同図に示す水力発電プラント100Bでは、環状の溝111の幅が一部で狭くなる構成になっている。すなわち、図6A(a)の例では、底上げ部111Aを形成することで水流を絞り流速を上げるようにしたが、図6Bでは、幅を狭めることで水流を絞り流速を上げるものである。円形プール110の外壁112A、内壁114Aには、スクリュー120と水車140との間に、球面状または円形状の突起114B、112Bが形成され、水流の絞りを形成している。なお、突起114B、112Bによる絞りは、図6A(a)の底上げ部111Aと組み合わせて一緒に用いるようにすれば、より効果的である。
図6Cは、本発明の他の水力発電プラント100Cの例を示す図である。便宜上、外壁112Aと貯水槽118にハッチングを付してある。同図に示すように、円形プール110よりも内側の空きスペースに貯水槽118を形成することができる。貯水槽118は、例えば雨水を貯水し、円形プール110に貯水された水が蒸発等によって少なくなった場合に、水を補給する。貯水槽118は、必ずしもオープンエアである必要はなく、屋根などを設けてそこから収集された水を貯水するものであってもよい。さらに、貯水槽118と円形プール110との間で水の送受を可能にする連結水路118Aを形成することができる。
図6Dは、本発明の水力発電プラントのその他の円形プールの構成例を示している。図6D(a)に示すように、本発明の円形プール110は、必ずしも円形に限らず、楕円形状のプール110Aであってもよいし、さらには、図6D(b)に示すように、両端に半円形状の溝が形成され、その間に直線状の溝が形成された半円状のプール110Bであってもよい。
さらに本発明の水力発電プラントは、単一の円形プール110に限らず、同心円上に複数の円形プールが形成されたものであってもよい。図6D(c)に示すように、円形プール110−1、110−2、・・・110−n(nは正の整数)が順々に形成され、各円形プール内に複数の水車140、発電モータ150を配置させ、各円形プール毎に水力発電を行うことが可能である。各円形プール毎に発電された電気エネルギーは、最終的に統合することができる。このような水力発電プラントであれば、複数の円形プールのいずれかの円形プールの発電システムに故障等が生じても、全体の発電システムにおいて発電が完全に停止されることが防止される。また、内側の円形プールによって駆動される発電モータと、外側の円形プールによって駆動される発電モータとは、各々独立に駆動されてもよいが、これとは別に、内側の円形プールと外側の円形プールとの水車によって共通で駆動される発電モータを配置するようにしてもよい。、
次に、本発明の第3の実施例に係る水力発電プラントについて説明する。図7(a)は、第3の実施例に係る水力発電プラント200の模式的な平面図、図7(b)は、回転体210と円形プール300との関係を示す模式的な断面図、図8は、図7(a)のA−A線で切断された回転体の断面図である。
第3の実施例において、回転体210は、一定の厚さを有する環状部220と、環状部220の裏面に等間隔で形成される矩形状の複数の羽根板230と、環状部220の中心において垂直方向に一定の長さで細長く延びる軸棒240と、軸棒240の先端部と環状部220とを連結する補強連結棒250とを備えて構成される。回転体210は、例えば、鉄等の金属によって形成され、一定の重量を有する。
一方、円形プール300は、円形の外壁310と円形の内壁320によって形成された環状の溝330と、環状の溝330の中心に軸壁340によって形成された軸溝350とを有する。環状の溝330の半径は、回転体210の羽根板230の半径方向の長さに対応し、軸棒240の先端が軸溝350内に挿入されたとき、羽根板230が溝350内に配置される。外壁310、内壁320および軸壁340は、例えば、水平な土地にコンクリートを打設することによって形成することができる。軸棒240は、軸溝350内で回転可能であり、両者の摩擦を低減するために、潤滑油を用いたり、軸棒240の表面に摩擦を低減するようなコーティングをしたり、軸棒240と軸溝340との間にベアリング機構を介在させることができる。環状の溝330内には、第1および第2の実施例のときと同様に水が貯蔵され、この水は、スクリュー120および動力源130によって環状の溝330内を回転される。
図9は、回転体210と発電モータ150との接続関係を示す模式的な断面図である。図8に示すように、回転体210の環状部220の裏面には歯車部222が形成されている。そして、図9に示すように、歯車部222は、歯車270と係合し、回転体210の回転運動が、歯車270に伝達され、さらに歯車270と噛み合う歯車280によって発電モータ150が回転され、発電される。歯車270、280は、発電モータ150に適切な回転数が伝達されるようにそれらのギア比が選択される。
第3の実施例によれば、回転体210は、一度回転されると、その後は間性力によって回転し続けるため、水力を駆動する動力源130の動力は比較的小さくてすむ。さらに、環状部220と軸棒240との間は、連結棒250によって補強されるため、回転体210は強固な剛性を有するとともに、回転体210の重心が低くなり、回転体210は、あたかもやじろべえの如く安定的に回転する一体のタービンを構成する。
図10は、第3の実施例の他の構成例を示す図である。図10(a)に示す例では、発電モータ150、歯車270、280は、回転体210の羽根板230よりも内側に配置される。この場合、回転体210の裏面には、歯車270と噛み合うための歯車部が形成される。このような配置とすることで、省スペース化を図ることができる。さらに図10(b)に示すように、羽根板230の外側と内側の双方に、歯車270、280および発電モータ150をそれぞれ設置するようにし、発電効率を向上させるようにしてもよい。
本発明の好ましい実施例を説明したが、上記の実施例は、それぞれ単独での構成のみならず、それぞれの実施例は、適宜組み合わせることも可能である。例えば、第3の実施例においても、円形プールの中央に貯水槽を設けることが可能である。さらに、水車と発電モータ、または羽根板と発電モータとの間に形成される動力伝達機構は、歯車列以外の構成、ベルトやリンクを用いるものであってもよい。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求項の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
100,100A、200:水力発電プラント
110、300:円形プール
112、112A、310:外壁
113:溝
114、114A、320:内壁
116、116A:スクリュー設置部
120:スクリュー
122:プロペラ部分
130:動力源
140:水車
150:発電モータ
210:回転体
220:環状部
222:歯車部
230:羽根板
240:軸棒
250:補強連結部
330:環状の溝
350:軸溝
110、300:円形プール
112、112A、310:外壁
113:溝
114、114A、320:内壁
116、116A:スクリュー設置部
120:スクリュー
122:プロペラ部分
130:動力源
140:水車
150:発電モータ
210:回転体
220:環状部
222:歯車部
230:羽根板
240:軸棒
250:補強連結部
330:環状の溝
350:軸溝
Claims (7)
- 略水平な土地に形成された円形プールであって、当該円形プールは、円形状の外壁と円形状の内壁とによって形成された環状の溝を有し、当該環状の溝に水を貯蔵する、前記円形プールと、
前記円形プールの環状の溝内に少なくともプロペラ部分を配置し、前記環状の溝に貯蔵された水を前記プロペラ部分を介して移動させるスクリューと、
前記スクリューを回転するための動力を伝える動力手段と、
前記環状の溝内に配置され、溝内の水によって駆動される部材と、
前記駆動される部材に接続された発電手段と、
を有する水力発電装置。 - 前記駆動される部材は、環状部と、環状部の中心を通りかつ環状部に対して垂直方向に延在する軸棒と、環状部の裏面側に形成され、前記溝内に配置される複数の羽根板とを有する回転体を含み、前記回転体は、前記軸棒を中心に回転する、
請求項1に記載の水力発電装置。 - 前記環状部の裏面には、歯車が形成され、前記発電手段は、前記歯車と噛み合う歯車を含む、請求項2に記載の水力発電装置。
- 前記溝には、前記駆動される部材への水力を増加させるために水量を絞る絞り部が形成される、請求項1ないし3いずれか1つに記載の水力発電装置。
- 前記駆動される部材は、前記環状の溝内に配置された複数の水車である、請求項1ないし4いずれか1つに記載の水力発電装置。
- 前記環状の溝が同心円状に複数形成され、各環状の溝内の水が前記スクリューによって移動され、各環状の溝内に前記駆動される部材が配置され、前記発電手段は、各環状の溝毎に発電可能である、請求項1ないし5いずれか1つに記載の水力発電装置。
- 前記環状の溝の内側に、貯水槽が形成され、当該貯水槽に蓄えられた水によって前記円形プール内の水を補充可能である、請求項1ないし6いずれか1つに記載の水力発電装置。
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2011043472A Withdrawn JP2012180778A (ja) | 2011-03-01 | 2011-03-01 | 水力発電装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2012180778A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2580452R1 (es) * | 2015-02-24 | 2016-10-27 | Pedro MAGAZ DIEZ | Toro hidráulico productor de electricidad |
-
2011
- 2011-03-01 JP JP2011043472A patent/JP2012180778A/ja not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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ES2580452R1 (es) * | 2015-02-24 | 2016-10-27 | Pedro MAGAZ DIEZ | Toro hidráulico productor de electricidad |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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