JP2013144972A - 浮力を利用した空気流発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水中の浮力を利用した発電システムを提供する。
【解決手段】水中で空気は容積を得て重力を伴わない浮力エネルギー体となる。水の中で空気を放出すると空気は浮力を生じて上昇する。この水中で浮上してくる空気をパイプケースの中に捕捉して、水底から空気を連続的に供給し続けると、パイプケースの中で空気流となって上昇する。このパイプケースの中に、軸流方向に回転する発明の羽付ランナーの回転体を設置する。ランナーは空気流によって軸流方向に渦巻流を生じて回転する。この、ランナーの同軸に、発電機を連結すると回転力によって発電する。
【選択図】図−１

Description

発明の用途

水深のある水中で浮上する自然エネルギーの浮力を、パイプケースの中に捕捉して浮上する空気流を回転力に変換し、発電エネルギーとして利用する。浮力を利用した空気流の回転力を、電気エネルギーに利用することを特長とした発電装置である。

技術の分野

本発明は浮力を電気エネルギーに変換する、自然エネルギー利用の技術分野である。

水力 風力 太陽光゜ 地熱などの自然エネルギーで発電エネルギーを発生させている背景技術がある。

（１） 浮力を利用した動力゜システム 発明者 大桃 久夫
公開番号 出願番号 特願２００９−１６５１０３
公開期日 平成２１ １年１２月４日
（２）液体中に浮上する気体の浮力からエネルギーを取り出す技術 発明者 大桃 禎人
整理番号２０１１１１０８ 提出日 平成２３年１１月８日
特許出願人識別番号 ５０９１９７０５８
以下数件あり

発明が解決しようとしている課題

水力 火力 原子力 風力 太陽光 地熱などの電力発生技術はすでに開発されて実用化されているが、自然エネルギーの開発利用として、浮力エネルギーの発電利用システムは実用化されていない。
本発明は、従来の自然エネルギーを使った、発電エネルギーの開発技術に無かった、水中の浮力を利用した発電システムの開発である。
この空気流発電方式は、火力 原子力よりも環境に優しく、水力のように設備面や許認可条件 立地条件の制約が厳しくなく。風力 太陽光のように昼夜、晴雨天 季節の影響を受けることが無く。自然界に無尽蔵に存在する水と空気をエネルギー源とするクリーンエネルギーの利用の開発技術である。地球上で水と空気のあるところであれば、どこででも発電することの出来る
発電技術である。

課題を解決しようとする手段

システムの概要 ［図−１］概念図参照 単体発電装置
空気は水中では容積を得て重力を伴わない浮力エネルギー体となる。水の中で空気を放出すると、気体は浮力を生じて上昇する。この水中から浮上してくる空気を、パイプケースの中に捕捉して、水底に空気を連続的に放出し続けると、パイプケースの中の空気は、空気流となって上昇する。このパイプケースの中に軸流方向に回転する、発明の羽根付ランナーの回転体を設置する。ランナーは空気流によって軸流方向に渦巻流を生じて回転する。このランナーと同軸に発電機を連結すると、回転力により発電する。
すなわち、水中の浮上空気の浮力は発明の「浮力を利用した空気流発電装置」により回転力に変換されて発電エネルギーとなる。

発明の詳細な説明

［図−１］概念図参照 単体発電装置
▲１▼ この発電装置のエネルギー源はＡ点の送風機で発生する圧縮空気Ｑ_−０から始まる。送風機 Ａ点で発生した圧縮空気Ｑ_−０はエアーパイプを流速Ｖ_−０で通過する。このときのエネルギーはＥ_０−１＝Ｑ_−０×Ｖ_−０である。水中のＢ点に至る。
▲２▼ Ｂ点でノズルから水中に放出される空気は容積を持つ浮力エネルギー体となる。
Ｑ_−０を放出し続けると浮上速度Ｖ_−０を伴うエネルギー＝Ｅ_−０−２＝×Ｑ_−０×Ｖ_−０である。
▲３▼ Ｂ点で浮力エネルギー体をパイプケースで捕捉して、Ｑ_−０を放出し続けるとＶ_−０を伴ってパイプケースの中で空気流となって浮上する。ここまではＥ_−０−２＝Ｑ_−０×Ｖ_−０である。
▲４▼ Ｃ点のパイプケースの中に軸流方向に回転する発明の羽付ランナーを設置する。
▲５▼ ランナーに均等に複数枚取り付けられた羽根の隙間を空気が通過するとき、その、圧力 流速 流向 を羽根の面で受けて押圧力を発生させて、ランナーは軸方向に回転する。空気流は渦巻流となる。回転エネルギーＥ_−１＝Ｑ_−１×Ｖ_−１即ち浮力が回転力に変換される。 このときの理論回転力はＦ_−１＝Ｅ_−１＝Ｑ_−１×Ｖ_−１である、
回転力は効率η_０を伴ってＦ_−１＝Ｅ_−１×η_０
▲６▼ ランナーの同軸に発電機を連結しておくと、回転力により発電する。この発電エネルギーを水面上のバッテリーに収集する

ＫＷ_−１＝Ｆ_−１×η_Ｃ＝Ｅ_−１×η_Ｃ×η_０＝Ｑ_−１×Ｖ_−１×η_Ｃ×η_０
▲７▼ このときの、送風機の消費電力を ＫＷ_０とする。バッテリーの収集電力ＫＷ_−１は変圧調整器と分電盤に至りこのときの全電力エネルギーＫＷ_−Ｅとする。また需要に供給する電力エネルギーをＫＷ_−ｔとする。 ＫＷ_−ｔ＝ＫＷ_−Ｅ−ＫＷ_０である。

水中で発電機を積み重ねて増設する。 ［図ー２］参照
▲１▼ 水中の空気は水中を上昇するに従って、水圧の減少分の容積を膨らませるので浮力が増す。この浮力を利用するために、発明の発電装置を積み重ねて増加する発電エネルギーを利用する設備を設置する。
▲２▼ 図−２のように発明の発電装置を水探の許す中で積み重ねる。発電装置の（Ｉ）は前記のようにＫＷ_−１＝Ｆ_−１×η_Ｃ＝Ｅ_−１×η_０×η_０＝Ｑ_−１×Ｖ_−１×η_Ｃ×η_０である。
▲３▼ 発電装置の（Ｉ）で発電の終わった空気流は渦巻き状のまま上昇して（ＩＩ）の発電装置に至る。このとき空気流は水位の上昇した分だけ容積を膨らませる。
この容積はＱ_−１＋Ｑ_Δ＝Ｑ_−２となりる。流速もＱ_−２に見合った流速Ｖ_−２となる。従って（ＩＩ）の発電装置ではＫＷ_−２＝Ｆ_−２×η_Ｃ＝Ｅ_−２×η_０×η_Ｃ＝Ｑ_−２×Ｖ_−２×η_Ｃ×η_０である。
▲４▼ 以下（ＩＩＩ）の発電装置ではＫＷ_−３＝Ｆ_−３×η_Ｃ＝Ｅ_−３×η_０×η_Ｃ＝Ｑ_−３×Ｖ_−２×η_Ｃ×η_０である。
▲５▼ （ＩＶ）の発電装置ではＫＷ_−４＝Ｆ_４×η_Ｃ＝Ｅ_４×η_０×η_Ｃ＝Ｑ_−４×Ｖ_−４×η_Ｃ×η_０である。
▲６▼ （Ｖ）の発電装置ではＫＷ_−５＝Ｆ_５×η_Ｃ＝Ｅ_５×η_０×η_Ｃ＝Ｑ_−５×Ｖ_−５×η_Ｃ×η_０である。
空気流は（Ｖ）の発電装置で発電を終わって水面に出て空中で消滅する。
▲７▼ この積み重ねた５段の発電装置の合計した発電量は
ＫＷ_−１＋ＫＷ_−２＋ＫＷ_−３＋ＫＷ_−４＋ＫＷ_−５＝ＫＷ_−Ｅ
また差し引かれた余剰分の電力エネルギーをＫＷ_−ｔとする。 ＫＷ_−ｔ＝ＫＷ_−Ｅ−ＫＷ_０である。
ＫＷ_−ｔが余剰電力で需要に供給する電力エネルギーである。

装置を連結して浮力エネルギーを連続的に利用する。［図ー３］参照
▲１▼ ［０００６］の積み重ねた装置を 図ー３のようにエヤーパイプで連結する。
（Ｉ）のセットの形は前節 ［０００６］ ▲７▼ の通り
ＫＷ_−１＋ ＫＷ_−２＋ＫＷ_−３＋ＫＷ_−４＋ＫＷ_−５＝ＫＷ_−Ｅ １
（ＩＩ）のセットでは（Ｉ）のセットからエヤーパイプで連結される。このとき
（Ｉ）のセットのパイプケースの中の水面上に出てきた空気流のエネルギーは理 論的には送風機から発生した圧縮空気のエネルギーと同じＥ_−０−１である。
（ＩＩ）のセットの発電量は （Ｉ）のセットと同様である。即ち
ＫＷ_−１＋ＫＷ_−２＋ＫＷ_−３＋ＫＷ_−４＋ＫＷ_−５＝ＫＷ_−Ｅ ２
（ＩＩＩ）のセットも（ＩＩ）のセットからエヤーパイプで接続されているので同様に
ＫＷ_−１＋ＫＷ_−２＋ＫＷ_−３＋ＫＷ_−４＋ＫＷ_−５＝ＫＷ_−Ｅ ３
（ＩＶ）のセットも同様
ＫＷ_−１＋ＫＷ_−２＋ＫＷ_−３＋ＫＷ_−４＋ＫＷ_−５＝ＫＷ_−Ｅ ４
（Ｖ）のセットも同様
ＫＷ_−１＋ＫＷ_−２＋ＫＷ_−３＋ＫＷ_−４＋ＫＷ_−５＝ＫＷ_−Ｅ ５
集計して水上のバッテリーに収集される電力エネルギーは（Ｉ）〜（Ｖ）までの即ち
ＫＷ_−ＥＳ＝ＫＷ_−Ｅ １＋ＫＷ_−Ｅ ２＋ＫＷ_−Ｅ ３＋ＫＷ_−Ｅ ４＋ＫＷ_−Ｅ ５
この中から送風機の消費電力量の ＫＷ_０を賄った後の余剰電力、即ち
ＫＷ_−ｔＳ ＝ＫＷ_−ＥＳ−ＫＷ_０
が需要に供給される電力エネルギーである。 送風機の消費電力量ＫＷ_０は設備の増加に関わらず一定である。

発明の効果

発明の発電装置は、エネルギー源が水と空気である。地球上でどんな地点であっても水と空気のある所であれば、この装置を使って電力エネルギーを発生させて、利用することが出来る。
既存の、水力 火力 原子力などの発電設備に比べて設備的に、社会的に、技術的に、法律や官僚機構の制約が少ない発電装置である。
水力、火力や原子力のような長期期間わたつての環境調査や水文調査の必要が無く、水力のダム地点のような、広大な集水域の確保の必要が無く、立地の用地確保に大きな敷地を必要としたり、環境調査に厳しい制約を受けることがなく、建設地点を選定することが出来る。用地の確保少なくてすむ。また、水力のように自然災害である、洪水や渇水などの災害や、季節による降水量の影響を受けることもない発電設備である。
また、太陽光 風力 などのように昼夜間 天候の晴雨 風の有無などの自然現象の制約を受けることが無く、年中昼夜間無休で電力えねるぎを生産することが出来る。
ＣＯ２の問題は発生しない発電設備である。
既存の電力設備の中には無い最も安全で、相対的に建設費用のかからないで、安定的に長時間の運転が出来る発電技術である。

発明実施の形態

水深のある水中は、発電規模の小さい、数キロワットから２０キロワットクラスまでは水槽に発電設備を設置するのが効率的である。
規模がこの形態以上の規模の設備ではダムを築造して対応した方が効率的である。また、船舶に設置する場合は、船体の中に設備規模に見合った発電用の水槽を、設置可能な船体に利用出来る。
いずれにせよ、前記の［０００６］や［０００７］のように積み重ね方式や連結方式の発電装置の設置が費用的にも運用的にも効率的である。
エネルギー源の圧縮空気を発生する送風機は、水深が深くても２０メートル以内となるので、水中に圧縮空気を放出する位置で水圧が小さいので、送風機はファン式やブロァー式で十分である。

概念図参照 単体発電装置 発電機を積み重ねて増設する。 装置を連結して浮力エネルギーを連続的に利用する。［図−３］ 並設による増設 エアーパイプ 連結エアーパイプ パイプケース 発電機 羽付ランナー 羽根の構造 組み立て図

発明の概念

この発明の技術は、水中で浮上する空気流が、パイプケースの中の位置を通過するときのエネルギーを、回転力に変換して、発電エネルギーとして利用するものである。

発電装置の概要

圧縮空気の水中放出
水深のある水中に、パイプケースを設置して、パイプケースの中に軸流方向に回転する、羽付ランナーを組み込み、このランナーの同軸に発電機を連結する。
水上に圧縮空気を発生させる送風機を置き、送風機からエアーパイプでパイプケースの底に圧縮空気を移送して、逆止弁付きのノズルから、圧縮空気を放出する。

空気流の発生 図ー１のＢ
パイプケースの底部から圧縮空気を連続的に放出し続けると、パイプケースの中に捕捉された圧縮空気は空気流となって上昇する。

渦巻き流の発生でランナーを回転させる
パイプケースのなかに組み込んだ羽付ランナーにより、空気流は、羽根の隙間を通過するときその圧力、流速、流向を羽根の面で受けて押力を発生させて、ランナーを回転させる。即ちねランナーは空気流の渦巻流により回転運動をおこなう。

電力エネルギーの発生
ランナーと同軸に発電機を連結しておくと、ランナーの回転力により発電する。

電力エネルギーの収集と需要供給
発電機からケーブルで水面上のバッテリーに電力を収集する。バッテリーの電力を変圧調整器を経て分電盤に至る。分電盤から、送風機の消費電力を賄い、余剰電力を需要に供給する。

積み重ねによる増設

水深の許す中で、ユニットの発電装置を積み重ねて増設する。このとき、発電装置の水位の上昇により、水圧が減少した分、空気流は膨らむ、したがって、回転エネルギーは増える。

連結による増設

発明の発電装置を積み重ねたパイプケースを水中に設置して運転すると、やがて渦巻流は水面に出ると消滅する。
このとき、パイプケースの上部に「気密の器のエヤーパイプ」を設置して、並設の発電装置のパイプケース底部に、渦巻流の圧縮空気を移送する。 並設の発電装置は移送された圧縮空気を受けて発電する。以下同様の方法で、並設の発電装置を順次に作動して発電エネルギーを増大させる。

Claims (11)

1. 圧縮空気発生装置
   発明の発電装置のエネルギー源である圧縮空気を発生させる装置、電気エネルギーで賄われる圧縮空気発生装置としてコンプレッサーやブロァー式送風機がある。
   発明の発電装置に適合するものを市販で求めて利用するが、ファン式やブロァ式で十分である。
2. エアーパイプ ［図−５］
   圧縮空気発生装置から水底のパイプケースの底辺まで圧縮空気発を移送する。このパイプは発電装置の収納されるパイプケースの直径即ち、発電機の直径により空気流の放出量が定まるので、水底の放出箇所の水圧と放出空気流の量に見合ったサイズのエアーパイプを設置する。エアーパイプのノズルに逆止弁を取り付ける。
3. 水槽とダム
   発明の発電装置を設置する水中は［発明の実施の形態］［０００９］に述べたように、築造する水槽とダムがある。ほかに、海、湖沼、などがある。水深のある水中であれば地球上何処ででも設置できるので発電設備に見合ったものを設置する。
   発明の発電装置は、規模が大きくとも利用水深が２０メートル以内が効率的で、これより深い水深の利用よりも、平面的なエリアを広く利用することの方が運用保守の面で効率的である。
   船舶に設置する場合は、船体の中に設備規模に見合った発電用の水槽を設置する。
4. パイプケース ［図−７］
   パイプケースは、発明の発電装置を収納して、空気流を捕捉して羽付ランナーによって渦巻流を発生させる装置である。設置位置の水位によって水圧の影響を受けるので、水圧が羽付ランナーに、スムースに伝達されるように、図に示すような水圧調整用の坑を設ける構造である。
   また、積み重ねるので、積み重ねに支障の起きないで、渦巻流がケースの外部に漏れない構造とする。
5. 羽付ランナー ［図−９］
   発明の羽付ランナーは図のような構造とする。前記の［００１２］にあるような機能を要することから、ランナーには複数枚の羽根を均等に取り付けて回転力を効率的に発生させる構造。
6. 羽根の構造 ［図−１０］
   ランナーに取り付ける羽根は、［００１２］に示したように、羽根の隙間から渦巻流の通過により、押圧力を発生させて、ランナーを回転させる機能を持つものである。形状は三次元の面である。
7. 発電機 ［図−９］
   発電機はランナーに連結してその回転力により発電する。水中に設置するので構造の中に水分が入らないように気密構造で、発生した電力をケーブルで水面上のバッテリーに収集する。発電機は市販のもので、規模に見合った機能を持つもの利用する。
8. 連結エアーパイプ ［図−６］
   前記の［００１６］に示したように、発明の発電装置を積み重ねたセットの発電設備を、連結して増設するときに設置するものである。
   水面に浮上してくる圧縮空気のエネルギーを損ねることなく、並設の増設する積み重ね発電装置の水底に圧縮空気を移送する装置である。
   渦巻流の空気質も水分も混合した空気流が、流速と圧力を保って通過するので、［請求項２］のエアーパイプと同じ機能を持つものである。
9. バッテリーから変圧調整器と分電盤
   水中の発電機からケーブルでバッテリーに収集された、発生電力エネルギーは、変圧調整器を経て分電盤に至る。［００１５］の電力エネルギーの収集と需要と供給に示したような機能を要するので、バッテリー、変圧調整器、分電盤は市販のものを利用する。
10. 水中に移送された圧縮空気の浮力を、発電エネルギーに変換して利用する考え方。
    送風機で発生した圧縮空気をエアーパイプで水底に移送して水中に放出するまでの消費電力エネルギー即ち、この発明の発電装置を設置して利用すれば、［０００５］▲７▼でのべたＫＷ_−ｔ＝ＫＷ_−Ｅ−ＫＷ_０ように、消費電力ＫＷ_０よりも余剰電力ＫＷ_−ｔが大きくなる。この考え方と構造。
11. 空気流の連結による増設。［００１７］に述べたように図のように並設してエアーパイプで連結することにより、発明の発電装置を増設して電力エネルギーを得ることが出来る。この考え方と構造。

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