JP2016075157A - 発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発電のために十分な水の落差を得られない場所であっても、水力を利用して適切に発電することができる発電装置を提供すること。
【解決手段】本発明の発電装置は、その内部に液体を導入するための導入口と、その内部から液体を排出するための排出口とを含む液体貯留部と、液体貯留部に接続され、導入口から液体貯留部内に液体を導入するときに液体貯留部内の気体を外部に排出するための排出部と、液体貯留部に接続され、排出口から液体貯留部内の液体を排出するときに外部の気体を液体貯留部内に導入するための導入部と、排出部を通る気体、導入部を通る気体の少なくとも一方の運動エネルギーにより発電する風力発電機と、を有する。
【選択図】図2

Description

本発明は、水力により生じた風力を利用して発電する発電装置に関する。
現在、発電方法として、原子力発電、火力発電、地熱発電、風力発電、太陽熱発電、水力発電などが知られている。そして、水力発電は、水が落下する際のエネルギーを利用している。
このような水力発電では、まず、水流を堰き止めてダムを築き、人工湖を造って水位を上昇させる。そして、重力によって水が高い所から低い所に落ちる際に生じるエネルギーを利用して、発電装置を駆動させることで発電する。
しかし、水位を上昇させるためのダムは、河川が流れる山間部にコンクリートを打設して、河川を堰き止めることで築かれているため、容易に設置および撤去することができなかった。そこで、容易に設置および撤去することができる小規模な水力発電装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の水力発電装置は、水路に設置される堰板と、堰板に形成された取水口と、その一端が取水口に連結され、上流側の水を下流側に導くための流路と、流路に設置された水車と、水車に連結された発電機とを有する。特許文献1に記載の水力発電装置では、水路に堰板を設置することにより落差を生じさせる。次いで、堰板に形成された取水口から流路を介して水が下流側に流れる。このとき、流路を流れる水が水車を回転させることで、発電機が駆動して発電する。
特開2001−153021号公報
前述のとおり、特許文献1に記載の水力発電装置では、発電するために堰板で十分な水の落差を生じさせる必要がある。このため、堰板により水位を上昇させたとしても、発電するために十分な水の落差が得られない場所においては、水圧不足および水の流体摩擦により水車を十分に回転させることができず、特許文献1に記載の水力発電装置は、適切に発電をすることができない。
本発明の目的は、発電のために十分な水の落差を得られない場所であっても、水力を利用して適切に発電することができる発電装置を提供することである。
本発明者は、水力により風を発生させ、この風の風力を利用して発電することで、上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成された。
すなわち、本発明は、以下の発電装置に関する。
[1]その内部に液体を導入するための導入口と、その内部から液体を排出するための排出口とを含む液体貯留部と、前記液体貯留部に接続され、前記導入口から前記液体貯留部内に液体を導入するときに前記液体貯留部内の気体を外部に排出するための排出部と、前記液体貯留部に接続され、前記排出口から前記液体貯留部内の液体を排出するときに外部の気体を前記液体貯留部内に導入するための導入部と、前記排出部を通る気体、前記導入部を通る気体の少なくとも一方の運動エネルギーにより発電する風力発電機と、を有する、発電装置。
[2]前記導入口には、第1開閉バルブが配置されており、前記排出口には、第2開閉バルブが配置されており、前記排出部には、第3開閉バルブが配置されており、前記導入部には、第4開閉バルブが配置されており、前記導入口から前記液体貯留部内に液体を導入させるときには、前記第1開閉バルブおよび前記第3開閉バルブを開くとともに、前記第2開閉バルブおよび前記第4開閉バルブを閉じ、前記排出口から前記液体貯留部内の液体を排出するときには、前記第1開閉バルブおよび前記第3開閉バルブを閉じるとともに、前記第2開閉バルブおよび前記第4開閉バルブを開く、[1]に記載の発電装置。
[3]前記液体貯留部内における液体の水位を検知するセンサーをさらに有する、[1]または[2]に記載の発電装置。
本発明によれば、発電のために十分な水の落差を得られない場所であっても適切に発電することができる。
図1は、実施の形態1に係る発電装置の模式図である。 図2A、Bは、実施の形態1に係る発電装置の使用方法を説明するための模式図である。 図3は、実施の形態2に係る発電装置の模式図である。 図4は、実施の形態1の変形例に係る発電装置の模式図である。
以下、本発明の実施の形態に係る発電装置について、図面を参照して詳細に説明する。
[実施の形態1]
(発電装置の構成)
図1は、実施の形態1に係る発電装置100の構成を示す模式図である。図1に示されるように、発電装置100は、導入口111および排出口112を有する液体貯留部110と、排出部120と、導入部130と、風力発電機140と、制御部150とを有する。本実施の形態に係る発電装置100は、液体貯留部110内における液体の水位の変化により、液体貯留部110外に気体を排出、または液体貯留部110内に気体を導入させるときの気体の流れ(風力)を利用して、風力発電機140を駆動させて発電する。以下の実施の形態では、本実施の形態に係る発電装置100を河川に設置する場合について説明するが、本実施の形態に係る発電装置100は、水が流れている流路においても使用することができる。流路の例には、一般河川や、砂防ダム、農業用水、上水道、下水道、工場循環水、工業用水などが含まれる。特に、水の流れが所定の高低差を有する場所に配置されることが好ましい。詳細は後述するが、水の流れが所定の高低差を有する場所に設置することで、水(液体)を液体貯留部110内に導入することおよび水(液体)を液体貯留部110外に排出することが容易になり、発電に必要な動力を簡単に得ることができる。
液体貯留部110は、液体を一時的に貯留する。液体貯留部110の形状は、特に限定されない。液体貯留部110の形状の例には、直方体、立方体、円柱などが含まれる。また、液体貯留部110の大きさも特に限定されない。液体貯留部110の大きさは、発電する電力の大きさや設置する場所の水量などによって適宜設定される。
液体貯留部110は、導入口111および排出口112を有する。液体貯留部110は、導入口111が河川の上流側に位置するように配置され、排出口112が河川の下流側に位置するように配置される。本実施の形態では、導入口111は、液体貯留部110の上流側の側面に配置されており、排出口112は、液体貯留部110の下流側の側面に配置されている。導入口111は、液体貯留部110内に水を導入するための部位である。液体貯留部110の高さ方向における導入口111の位置は、特に限定されない。本実施の形態では、導入口111は、液体貯留部110の高さ方向において下側に配置されている。また、排出口112は、液体貯留部110内に貯留された水を外部に排出するための部位である。導入口111には第1開閉バルブ113が配置されており、排出口112には第2開閉バルブ114が配置されている。
第1開閉バルブ113および第2開閉バルブ114は、導入口111および排出口112をそれぞれ開閉する。第1開閉バルブ113および第2開閉バルブ114の種類は、前述の機能を発揮することができれば特に限定されない。第1開閉バルブ113および第2開閉バルブ114は、油圧式の開閉バルブであってもよいし、空圧式の開閉バルブであってもよい。第1開閉バルブ113および第2開閉バルブ114は、制御部150にそれぞれ接続されており、個別に制御することができるようになっている。導入口111から液体貯留部110内に水を導入するときには、制御部150によって第1開閉バルブ113を開くとともに、第2開閉バルブ114を閉じる。一方、排出口112から液体貯留部110外に水を排出するときには、制御部150によって第1開閉バルブ113を閉じるとともに、第2開閉バルブ114を開く。
また、液体貯留部110には、液体貯留部110内に貯留された水の水位を検出するセンサー117が配置されていてもよい。センサー117は、液体貯留部110内の水の水位を検出することができれば、種類および数は、特に限定されず適宜選択することができる。本実施の形態では、液体貯留部110には、水の上限水位を検知する上限センサー118と、水の下限水位を検知する下限センサー119とがそれぞれ配置されている。
また、液体貯留部110には、排出部120および導入部130が接続されている。排出部120は、導入口111から液体貯留部110内に水を導入するときに、液体貯留部110内の気体(通常は空気)を外部に排出するための通路である。排出部120は、液体貯留部110に導入する水の上限水位より高い位置に接続され、導入した水が入り込まないようになっている。本実施の形態では、排出部120は、液体貯留部110の天板に接続されている。
また、排出部120には、第3開閉バルブ115が配置されている。第3開閉バルブ115は、第1開閉バルブ113および第2開閉バルブ114と同じ開閉バルブを使用することができる。また、第3開閉バルブ115は、制御部150に接続されており、第1開閉バルブ113および第2開閉バルブ114と別個に制御できるようになっている。導入口111から液体貯留部110内に水を導入するときには、制御部150によって第3開閉バルブ115を開き、排出口112から液体貯留部110外に水を排出するときには、第3開閉バルブ115を閉じる。なお、排出部120および液体貯留部110の接続部に第3開閉バルブ115が配置されていてもよい。この場合も「排出部120に第3開閉バルブ115が配置されている」ものとする。
導入口111から液体貯留部110内に水を導入するときの、排出部120を通る気体の風速は、5〜21m/sの範囲内であることが好ましい。排出部120を通る気体の風速が5m/s未満の場合、風力発電機140の羽根車144が回転しないおそれがある。一方、排出部120を通る気体の風速が21m/s超の場合、風力発電機140の羽根車144の回転限界を超えてしまうおそれがある。排出部120を通る気体の風速は、排出部120の径や導入口111の大きさ(液体貯留部110に導入される液体の量および速さ)を適宜調整することによって調整できる。
導入部130は、排出口112から液体貯留部110内の水を外部に排出するときに、外部の気体(通常は空気)を液体貯留部110内に導入するための通路である。導入部130は、液体貯留部110に導入する水の上限水位より高い位置に接続され、導入した水が入り込まないようになっている。本実施の形態では、導入部130は、液体貯留部110の天板に接続されている。排出部120および導入部130は、液体貯留部110の天板に並んで配置されている。
また、導入部130には、第4開閉バルブ116が配置されている。第4開閉バルブ116は、第1開閉バルブ113、第2開閉バルブ114および第3開閉バルブ115と同じ開閉弁を使用することができる。第4開閉バルブ116は、制御部150に接続されており、第1開閉バルブ113、第2開閉バルブ114および第3開閉バルブ115と別個に制御できるようになっている。導入口111から液体貯留部110内に水を導入するときには、制御部150によって第4開閉バルブ116を閉じ、排出口112から液体貯留部110外に水を排出するときには、第4開閉バルブ116を開く。なお、導入部130および液体貯留部110の接続部に第4開閉バルブ116が配置されていてもよい。この場合も「導入部130に第4開閉バルブ116が配置されている」ものとする。
排出口112から液体貯留部110外に水を排出するときの、導入部130を通る気体の風速は、5〜21m/sの範囲内であることが好ましい。導入部130を通る気体の風速が5m/s未満の場合、風力発電機140の羽根車144が回転しないおそれがある。一方、排出部120を通る気体の風速が21m/s超の場合、風力発電機140の羽根車144がの回転限界を超えてしまうおそれがある。導入部130を通る気体の風速は、導入部130の径や排出口112の大きさ(液体貯留部110から排出される液体の量および速さ)を適宜調整することによって調整できる。
さらに、排出部120および導入部130の間には、風力発電機140の風車141が収容される収容部131が接続されている。収容部131は、排出部120を通る気体および導入部130を通る気体によって風車141の羽根車144が回転するように、風車141を収容する。本実施の形態では、収容部131は、排出部120および導入部130の内部に羽根146が位置するように、風車141を収容している。これにより、排出部120および導入部130を通る両方の気体により羽根車144が回転する。
風力発電機140は、排出部120を通る気体、導入部130を通る気体の少なくとも一方の運動エネルギーにより発電する。風力発電機140は、風車141および発電部142を有する。風車141は、発電部142の動力を発生させる。風車141は、回転軸143および羽根車144を有する。回転軸143は、不図示の軸受けにより回転自在に支持されている。羽根車144は、回転軸143に固定されている。羽根車144は、基端が回転軸143に固定された支持部材145と、支持部材145の先端に固定された羽根146とを有する。支持部材145は、回転軸143の軸方向に直交する平面方向に、回転軸143を中心として、放射状に複数配置されている。支持部材145の数は、特に限定されず、適宜設計される。なお、本実施の形態では、支持部材145の数は、8本である。羽根146は、気体を受けて羽根車144を回転させる。羽根146の形状は、気体を受けて羽根車144を回転させることができれば、特に限定されない。羽根146の形状は、平面であってもよいし、風杯型(半球または円錐)であってもよい。本実施の形態では、羽根の形状は、半球の風杯型である。このように、本実施の形態に係る発電装置100では、水力を利用する発電装置でありながら、流体摩擦が大きい水車ではなく流体摩擦が小さい風車141を用いるため、効率よく発電することができる。
発電部142は、羽根車144が回転することにより生じる動力を電力に変換する。発電部142の構成は、羽根車144が回転することによって生じる動力より発電することができるものであれば、特に限定されない。
制御部150は、各開閉バルブ113、114、115、116の制御や、発電量の集計などを行う。特に図示しないが、本実施の形態では,制御部150は、第1開閉バルブ113を制御する第1開閉バルブ制御部と、第2開閉バルブ114を制御する第2開閉バルブ制御部と、第3開閉バルブ115を制御する第3開閉バルブ制御部と、第4開閉バルブ116を制御する第4開閉バルブ制御部と、各開閉バルブ制御部を統括的に制御する制御処理部とを有する。制御部150は、例えば、ソフトウェアを実行するコンピュータである。
(発電装置による発電方法)
次に、図2を参照して、発電装置100による発電方法(発電装置100の使用方法)について説明する。図2Aは、液体貯留部110内に水を導入するときの模式図であり、図2Bは、液体貯留部110外に水を排出するときの模式図である。なお、図2A、Bでは、発電部142および制御部150を省略している。
図2Aに示されるように、制御部150により第1開閉バルブ113および第3開閉バルブ115を開くとともに、第2開閉バルブ114および第4開閉バルブ116を閉じることで、液体貯留部110外(上流側)と液体貯留部110内との水位差により導入口111から水が導入される。
液体貯留部110内の水の水位が上昇することに伴い、液体貯留部110内の気体は、排出部120を介して外部に排出される。このとき、排出部120を通る気体によって、風車141の羽根車144が回転し、この羽根車144の回転により発電部142で発電する。
導入された水が規定の水位まで到達すると、上限センサー118が水の水位を検知して、制御部150が第1開閉バルブ113および第3開閉バルブ115を閉じる。これにより、液体貯留部110内への水の導入が停止される。
一方、図2Bに示されるように、制御部150により第1開閉バルブ113および第3開閉バルブ115を閉じるとともに、第2開閉バルブ114および第4開閉バルブ116を開くことで、液体貯留部110内と液体貯留部110外(下流側)との水位差により排出口112から水が排出される。
液体貯留部110内の水の水位が下降することに伴い、外部の気体が導入部130を介して液体貯留部110内に導入される。このとき、導入部130を通る気体によって、風車141の羽根車144が回転、この羽根車144の回転により発電部142が発電する。
液体貯留部110内に残留した水が規定の水位まで到達すると、下限センサー119が水の水位を検知して、制御部150が第2開閉バルブ114および第4開閉バルブ116を閉じる。これにより、液体貯留部110外への水の排出が停止される。
以上を連続して繰り返すことにより、連続的に発電することができる。
(効果)
以上のように、本実施の形態に係る発電装置100によれば、液体貯留部110に対する水(液体)の導入および排出により生じる気体の流れ(風力)によって風力発電機140の動力を得ることができるため、発電のために十分な水の落差を得られない場所であっても水力を利用して適切に発電することができる。
また、発電装置100の構造が簡単であるため故障が生じにくい。さらに、発電過程において、二酸化炭素を発生することがないため、環境を破壊することがない。
[実施の形態2]
(発電装置の構成)
実施の形態2に係る発電装置200は、風車241、271が2個配置されている点と、発電部142、142が2個配置されている点などにおいて、実施の形態1に係る発電装置100と異なる。そこで、実施の形態1に係る発電装置100と同様の構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図3は、実施の形態2に係る発電装置200の構成を示す図である。図3に示されるように、発電装置200は、液体貯留部110と、排出部120と、導入部130と、第1風車241、第2風車271および2個の発電部142、142を含む風力発電機240と、制御部150とを有する。
液体貯留部110には、液体を導入するための導入口111と、液体を排出するための排出口112と、気体を排出するための排出部120と、気体を導入するための導入部130と、センサー117とが配置されている。また、導入口111には第1開閉バルブ113が配置されており、排出口112には第2開閉バルブ114が配置されている。さらに、排出部120には第3開閉バルブ115が配置されており、導入部130には第4開閉バルブ116が配置されている。
排出部120には、第1風車241を収容する第1収容部231が接続されている。第1収容部231は、排出部120の内部に風力発電機240の第1羽根246が位置するように、第1風車241を収容している。
第1風車241は、第1回転軸243および第1羽根車244を有する。第1羽根車244は、第1回転軸243に固定されている。第1羽根車244は、基端が第1回転軸243に固定された第1支持部材245と、第1支持部材245の先端に固定された第1羽根246とを有する。第1支持部材245は、第1回転軸243の軸方向に直交する平面方向に、第1回転軸243を中心として、放射状に複数配置されている。本実施の形態では、第1支持部材245の数は、8本である。第1羽根246は、気体を受けて第1羽根車244を回転させる。第1羽根246の形状は、気体を受けることができれば、特に限定されない。第1羽根246の形状は、平面であってもよいし、風杯型(半球または円錐)であってもよい。本実施の形態では、第1羽根246の形状は、半球の風杯型である。
導入部130には、第2風車271を収容する第2収容部232が接続されている。第2収容部232は、排出部120の内部に風力発電機240の第2羽根276が位置するように、第2風車271を収容している。
第2風車271は、第2回転軸273および第2羽根車274を有する。第2羽根車274は、第2回転軸273に固定されている。第2羽根車274は、基端が第2回転軸273に固定された第2支持部材275と、第2支持部材275の先端に固定された第2羽根276とを有する。第2支持部材275は、第2回転軸273の軸方向に直交する平面方向に、第2回転軸273を中心として、放射状に複数配置されている。本実施の形態では、第2支持部材275の数は、8本である。第2羽根276は、気体を受けて第2羽根車274を回転させる。第2羽根276の形状は、気体を受けることができれば、特に限定されない。第2羽根276の形状は、平面であってもよいし、風杯型(半球または円錐)であってもよい。本実施の形態では、第2羽根276の形状は、半球の風杯型である。
(発電装置による発電方法)
このように構成された実施の形態2に係る発電装置200では、第1開閉バルブ113および第3開閉バルブ115を開くとともに、第2開閉バルブ114および第4開閉バルブ116を閉じることで、導入口111から水が導入される。
このとき、液体貯留部110内の水の水位が上昇することに伴い、液体貯留部110内の水がない領域(上部)の気体は、排出部120を介して外部に排出される。また、排出部120を通る気体によって、第1風車241の第1羽根車244が回転し、この第1羽根車244の回転により一方の発電部142で発電する。
一方、第1開閉バルブ113および第3開閉バルブ115を閉じるとともに、第2開閉バルブ114および第4開閉バルブ116を開くことで、排出口112から水が排出される。
このとき、水の水位が下降することに伴い、外部の気体が導入部130を介して液体貯留部110内の水がない領域(上部)に導入される。また、導入部130を通る気体によって、第2風車271の第2羽根車274が回転し、この第2羽根車274の回転により他方の発電部142で発電する。
(効果)
以上のように本発明によれば、実施の形態2に係る発電装置200は、実施の形態1に係る発電装置100と同様の効果を有する。
なお、第3開閉バルブ115および第4開閉バルブ116は、逆止弁であってもよい。この場合、第3開閉バルブ115は、液体貯留部110から外部に向かって気体が排出され、外部の気体が液体貯留部110内に導入されないように、排出部120に配置される。また、第4開閉バルブ116は、外部の気体が液体貯留部110内に導入され、液体貯留部110から外部に向かって気体が排出されないように導入部130に配置される。排出部120から気体を排出する場合、第3開閉バルブ115および第4開閉バルブ116に対して、液体貯留部110側から圧力(空圧)が与えられるため、第3開閉バルブ115は開き、第4開閉バルブ116は閉じる。一方、導入部130から気体を排出する場合、第3開閉バルブ115および第4開閉バルブ116に対して、外部側から圧力(空圧)が与えられるため、第3開閉バルブ115は閉じて、第4開閉バルブ116は開く。このように、第3開閉バルブ115および第4開閉バルブ116の開閉に電力を必要としないため、ランニングコストを削減することができる。
また、図4に示されるように、発電装置100は、空気圧縮部380を有していてもよい。空気圧縮部380は、制御部150に接続されている。また、特に図示しないが、空気圧縮部380は、各開閉バルブ113、114、115、116に接続されている。空気圧縮部380は、液体貯留部110内に液体を導入するときに一部の空気を圧縮する。空気圧縮部380の構成は、液体貯留部110内の一部の空気を圧縮することができれば、特に限定されない。例えば、空気圧縮部380は、一端が開放した円筒管を有していてもよい。この場合、液体貯留部110内に液体を導入すると、円筒管内の空気が圧縮されて圧縮空気となる。圧縮空気の圧力と大気圧との差により発生する膨張力は、各開閉バルブ113、114、115、116の開閉の動力として使用することができる。また、空気圧縮部380により生じた動力のみで、各開閉バルブ113、114、115、116が開閉しない場合には、風力発電機140で発電した電力も使用することができる。また、実施の形態2に係る発電装置200に空気圧縮部380が設けられていてもよい。
本発明に係る発電装置は、少ない水力を利用した発電装置として有用である。たとえば、本発明に係る発電装置は、大規模停電が起きて、電気が復旧しない地域などで、簡易的な発電所として機能することができる。発電量が1000kW以下であれば、本発明に係る発電装置は、そのまま電柱の配線に電気を流すことができ、周囲の住居に電気を供給することができる。
100、200 発電装置
110 液体貯留部
111 導入口
112 排出口
113 第1開閉バルブ
114 第2開閉バルブ
115 第3開閉バルブ
116 第4開閉バルブ
117 センサー
118 上限センサー
119 下限センサー
120 排出部
130 導入部
131 収容部
140 風力発電機
141 風車
142 発電部
143 回転軸
144 羽根車
145 支持部材
146 羽根
150 制御部
231 第1収容部
232 第2収容部
241 第1風車
243 第1回転軸
244 第1羽根車
245 第1支持部材
246 第1羽根
271 第2風車
273 第2回転軸
274 第2羽根車
275 第2支持部材
276 第2羽根
380 空気圧縮部

Claims (3)

  1. その内部に液体を導入するための導入口と、その内部から液体を排出するための排出口とを含む液体貯留部と、
    前記液体貯留部に接続され、前記導入口から前記液体貯留部内に液体を導入するときに前記液体貯留部内の気体を外部に排出するための排出部と、
    前記液体貯留部に接続され、前記排出口から前記液体貯留部内の液体を排出するときに外部の気体を前記液体貯留部内に導入するための導入部と、
    前記排出部を通る気体、前記導入部を通る気体の少なくとも一方の運動エネルギーにより発電する風力発電機と、
    を有する、発電装置。
  2. 前記導入口には、第1開閉バルブが配置されており、
    前記排出口には、第2開閉バルブが配置されており、
    前記排出部には、第3開閉バルブが配置されており、
    前記導入部には、第4開閉バルブが配置されており、
    前記導入口から前記液体貯留部内に液体を導入させるときには、前記第1開閉バルブおよび前記第3開閉バルブを開くとともに、前記第2開閉バルブおよび前記第4開閉バルブを閉じ、
    前記排出口から前記液体貯留部内の液体を排出するときには、前記第1開閉バルブおよび前記第3開閉バルブを閉じるとともに、前記第2開閉バルブおよび前記第4開閉バルブを開く、
    請求項1に記載の発電装置。
  3. 前記液体貯留部内における液体の水位を検知するセンサーをさらに有する、請求項1または請求項2に記載の発電装置。
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