JP2013024161A - 高層ビル下水の落下エネルギーを利用するビル内水力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】高層ビルや超高タワーから発生する下水の落下エネルギーに注目した。現状この下水に関しては、何の再利用計画も無く、ただ地下の下水管に垂れ流しするだけである。この下水を発電に再利用するものである。
【解決手段】高層ビルの下水管は各階層毎の下水管と屋上から地下までの全ての階の下水を纏めて流す主下水管の２種類に大別できる。各階毎の小発電を行う階層発電機と、全体の主下水管を流れ落ちる下水を利用する主発電機を高層ビルに設置し、無用の下水で有用の電力を確保し、高層ビルで使用する電力の５０％以上を自前で作り、電力不足に対処するものである。階層発電機は、スクリュー式水車による発電、主下水管では、汚水の汚物にも対応できる本発明のプロペラ水車型発電機で発電、電力を得る。
【選択図】図４

Description

本発明は高層ビルや超高タワーから落下する下水で、水車を回し発電する、ビル内発電システムに関するものである。

従来の水力発電は、ダム式発電、水路式発電、揚水発電等、自然水を対象とした発電が主流である。ダム式発電のダム水落下速度を上げる為、ダム水誘導官をストレート官から、スクリュー官とする方式が特許文献１に、水力を天秤式重力発電装置に連結して出力増を狙うハイブリッド発電装置が特許文献２にあるが、高層ビルに配水管の水を揚水ポンプで汲み上げ供給した上水道の使用済み水道水(下水)の落下エネルギーを利用する水力発電システムは見当たらない。

特許公開２０１１−０４３１３７ 特許公開２０１０−１６５３５５

石油等の化石燃料の枯渇および地球温暖化等地球規模での環境問題に対応すべく、火力発電に取って代わって、原子力発電が将来の主流と言われてきたが、原子力発電所の自然破壊に伴う対応が困難を極めることから、自然エネルギーが見直されてきている。自然エネルギーとしては、太陽光発電、風力発電、海洋発電、地熱発電、水力発電等がある。一方、これらには、発電を促すエネルギーが不安定であったり、建設費が膨大であったり、それぞれに問題がある。
本発明は、発電に要するエネルギーを風力等と同様、費用を必要としない、高層ビル等で使用した下水の落下エネルギーを動力源とする、エコなビル内水力発電システムを提供するものである。
また、本発明の更なる目的は、従来費用を支払って捨てていた水道水(下水)で発電することから、ビル内使用電力の５０％以上を自給自足できる新規な発電システムを提供することにある。

図１、図２に、現状の１２階建て高層ビルの例を示す。図１はビルの屋上に高置貯水槽６を持ち、配水管２の水を貯水槽３に一時貯め、揚水ポンプ４で配管５を使い、水を高置貯水槽６に供給し、各階への水道水供給は高置貯水槽６からの位置エネルギーでするものである。また、使用済み下水は配管９を通り、主下水管１０を通り、一気に配水管１１に導かれる。図２のビルは、図１の高置貯水槽が無く、増圧ポンプ５５でビルの各階に配水管５１，８を使って水道水を供給する方式のビルで、使用後の水は下水として、下水管９，１０を通して、下水管１１に戻す方式である。この図１、図２に共通するのは、下水管９、１０の下水が大きな落下エネルギーを持っているのに、何にも利用されていない点である。
本発明は、この無駄になっている下水の落下エネルギーに着目する。即ち、下水管９に軸流水車を設ければ、ビル内で発電が可能となる。さらに主下水管１０の下端に水車を設ければ、落下エネルギーが大きいだけ、発電量も大きくなる。

上記を達成するためには、２つの問題がある。１つは、水車の回転振動、騒音をビルに伝えない防振構造、防音構造である。２つは、汚物が絡みつかない水車の構造である。

本発明は上記問題を解決し、所期の目的を達成したものである。
本発明の階層発電機１４を図４に示す。階層発電機は容量も小さく、数も多い為、取付け取外しが容易でなければならない。従来の下水管１６，２１にバルブ１７a，１７dを設け、その間の下水管を取外し、そこに図４の発電システムを組み込む。即ち、スクリュー水車２４を水抜け穴のある軸受け２３で受け、これを発電管２２で保持する。スクリューの回転を、傘歯車２５を使い発電機２６に伝達する。発電管２２の両端にはバルブ１７b，１７cを設けて有り、発電管２２にトラブルが発生した場合は、直ちにバルブ１７b，１７cを閉め、下水は開バルブ１７e及び管７０のバイパスを通ってビル生活に支障をきたすことなく発電管２２の交換ができる。

次に、主下水管下部の発電機を図５で説明する。従来の下水管の上下２７，２８部の中間を除去し、中間に容量の大きいプロペラ水車式発電機３５を設ける。発電機３５はプロペラ水車３０aと一体となり、ベアリング３０、歯車３０bと一体となっている。即ち、ベアリング内輪と一体の水車３０aの回転はベアリング３０ｂで軸支され、かつベアリング内輪と一体の歯車３０bが回転、この回転は、ベアリング受け２９aのボス２９cに設けたスプライン軸３１a,３２a上の歯車３１，３２を回し、カップリング３４で発電機ベース２９bにフランジ３５aで固定された発電機３５に伝わり、発電が行われる。

発電機本体２９ｂ、２９ｄ及び架台３８、カバー４０はビルの床４１と防振ゴム３９を介してビルへの振動を防止し、従来の下水管とはベローズ３６，３７で上下とも防振対策をする。更に、防音措置として、発電機室を吸音材で囲い騒音の外部伝達を防ぐ。

図６でプロペラ水車を説明する。プロペラは図５の３０aの如くある傾斜をなし、プロペラの固定はベアリング３０の内輪と一体とし、先端は薄く、根元は厚くして、プロペラの強度を維持する。

図７は、本発明による発電システムの水道管と、発生した電気のケーブル６１，６２の関係を示したものでる。実線が水道管、点線が電源ケーブルである。主発電機１５での発電量はビル全体に、各階層発電機１４の発電量は各階層に還元出来ることを示す。尚、６０に制御盤室を示す。

以上記載の如く請求項１の発明によれば、エネルギー源を高層ビルから落下する下水とすることにより、エネルギー源が容易に、かつ全世界的に確保でき、かつ費用を支払って捨てていた下水で、電力を起こすことから、支出を逆に収入とすることが出来る。

また、請求項２の発明によれば、階毎の階層発電ができ、スクリュー水車を使用することにより、下水流を確実にスクリュー回転に結びつけるため、高効率の水車回転が得られる。この結果、階毎の電力確保が可能となる。

また、請求項３の発明によれば、階層発電機の下水入口、出口にバルブを設け、バイパス管１６を設けることにより、バルブ１７a，１７dを閉めればバルブ１７ｂ，１７ｃで管連結を外すことができる。この結果、容易に発電機ユニット２２が着脱でき、階層発電機の保守点検が容易となる。また、バイパス管１６により、下水は通常通り流れ、ビル機能に支障をきたすことはない。

また、請求項４の発明によれば、プロペラ水車の羽３０aの付根をベアリング内輪に結合させるため、羽の強度が確保でき、水車全体をコンパクトに、かつシンプルにできる。また、水車の回転遠心力でプロペラ根元にかかる水力にベアリング内輪が対抗でき、かつ、プロペラ根元にかかる大きな回転動力を効果的に水車の回転力として取り出す事ができ、エネルギー効率を向上できる。また、ベアリング内輪に歯車が一体化してある事から、プロペラ水車の回転を直接歯車３１に伝達でき、回転動力の損失を最小にできる。この結果、ビル内水力発電システムを小型化できる。

高置貯水槽式高層ビルの上下水道概念図。 増圧ポンプ式水供給高層ビルの上下水道概念図。 高層ビルの下水利用発電システム概念図。 本発明の階層発電機説明図である。 本発明の主下水発電装置の説明図である。 本発明のプロペラ水車説明図である。 本発明の水道管と発電した電力の分配概念図である。

自然エネルギーは海や山だけにあるのではなく、都会そのものが大きなエネルギーの塊と言える。高層ビルや超高タワーには、発電のエネルギーが詰まっている。要は、ただ捨てている下水の落下エネルギーで水車を回し、発電するシステムであり、これから、脚光を浴びてしかるべき技術と考えられる。

図４は、本発明の小容量階層発電機の一実施例を示す説明図である。
先ずシステムを説明する。１６，２１は従来の下水管である。１７a，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ、１７eはバルブであり、手動で管内部下水の通過を開閉する。７０は、発電管２２を着脱する時のバイパス管である。発電管２２の内部には、スクリュー水車２４があり、管内部の水流穴付き支持金具２３で管２２と同心に組み込まれている。スクリュー軸の下端には、傘歯車２５が一体化され、発電管２２の側面に設けた発電機２６の入力軸傘歯車に係合させる。
次にシステムの動作について説明する。通常発電時は、バルブ１７eを閉とし、バルブ１７a， １７b,１７c,１７dを開とすればよい。以上により、下水管１６から落下する下水は２３のスクリュー支持金具２３の開口部を通り、スクリュー２４部に流入する。流入した落下エネルギーを持つ下水はスクリュー２４を回し、この回転動力はスクリューと一体となる傘歯車２５を回し、発電管２２の側面にある発電機２６に伝達され、発電が行われる。スクリュー２４を回した下水は下方のスクリュー支持金具２３の開口部から下方の下水管２１に流入し下水は地下の下水管に流れ込み、下水の処理が通常の如く行われる。この結果、ビルとしての上下水の処理は通常通り行われ、発電した電気のみ、回収できる。

図５，６は、主下水管１０の下端に設ける主下水発電機を示す。構造としては、２７が主下水管１０の下端で、一部切断され、他方の下水管２８の間に、主下水発電機を設ける。主下水発電機と上部下水管の間にベローズ３６、下部下水管２８との間にベローズ３７を設ける。主発電機は、架台３８にベース２９ｂ、２９ｄで支持する。主発電機のボス部２９aに歯車３０ｂ付ベアリング３０を固定し、ベアリング３０の内輪にプロペラ水車の羽３０aを結合させる。このプロペラ水車の回転はベアリング３０の内輪と一体の歯車３０bを回し、この回転は、ボス２９bに設けたスプライン軸３１a,３２a上の歯車３１，３２を回し、カップリング３４を介して、ボス２９dにフランジ３５aで結合する発電機３５に伝達させる。また、主発電機全体を防振ゴム３９上に設置し、振動がビルに伝わるのを最小とする。
次に本システムの動作について説明する。
aから流れ落ちる下水は、プロペラ水車３０aをbの如く回し、ｃ方向に落下して地下の下水管に流入する。ベアリング３０の内輪にプロペラ水車の羽が一体化され、かつ歯車も一体化することから、効率の良い回転動力発生機構が実現できる。即ち、プロペラの羽に当たった下水の力は羽の傾斜角で回転動力となり、プロペラの回転はこれと一体の歯車３０bを回すことになる。
一方この回転は、ベアリング３０で、回転動力損失を最小にできる。また、この歯車で、ダイレクトに歯車３１，３２を回し、発電機３５に回転動力を伝達することから、水車全体の動力損失を最小にできる。また、水車が回転することから、遠心力で下水中の汚物が羽の付根の方に寄せられ、羽の付根にある大きな空間部から、汚物を水車損傷なく下方に落下排除できる。

1：高層ビル ２：配水管 ４：揚水ポンプ ６：高置貯水槽 ９：階層下水管 １０：主下水管 １１：地下下水管 ５５：増圧ポンプ １４：階層発電機 １５：主下水発電機 １７，１８，１９，２０：バルブ ７０：バイパス管 ２２：発電管 ２４：スクリュー水車 ２６：階層発電機 ６，３７：ベローズ ２９：発電管 ３０：ベアリング ３０a ：プロペラ ３０ｂ：歯車
３１，３２：歯車 ３５：主発電機 ３９：防振ゴム ４０：カバー ６０：制御盤室
６１，６２：電源ケーブル

Claims (4)

1. 高層ビルまたは超高タワーの下水を動力源とし、下水管に水車を取り付け、水車で発電機を回すことにより、ビル内で発電する事を特徴とする 高層ビル下水の落下エネルギーを利用するビル内水力発電システム。
2. 高層ビルの各階毎に、スクリュー水車式階層発電機を設けることを特徴とする 前記請求項１記載の高層ビル下水の落下エネルギーを利用するビル内水力発電システム。
3. 階層下水管に階層発電機水車を設け，その両端にそれぞれ２個のバルブを設け上下２個のバルブ間に、バイパス管16を設けたことを特徴とする 高層ビル下水の落下エネルギーを利用するビル内水力発電システム。
4. 主下水管の容量の大きい水車にプロペラ水車を用い、プロペラの根元はベアリングの内輪とし、根元が厚く、先端が薄い事、またベアリング内輪に平歯車が一体化されていることを特徴とする 高層ビル下水の落下エネルギーを利用するビル内水力発電システム。