JP2018178982A - 水中で空気の浮力を利用した発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水中を浮上する空気流の浮力、即ち、気泡がパイプケースの中を通過するときの浮力エネルギーを、羽根車で補足し回転力に変換して、発電エネルギーとして利用するものである。【解決手段】送風機Ａで大量の圧縮空気Ｑを発生させて水底に移送する手段として、上段水槽Ｃと下段水槽の水位差を利用して水圧の高い流水を圧縮空気Ｑと混合体にして水底の水中に放水する手段がある。この水圧の高い流水を生じる為に気泡ポンプの原理を用いて上段水槽に揚水して、ここから下段水槽の水底にパイプで水圧の高い流水を移送して、此処で送風機から来る圧力の弱い空気との混合体を作って水底の水中に放水する。即ち、水中の浮上空気の浮力は、水中で空気の浮力を利用した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。【選択図】図１

Description

発明の用途

水深のある水中で、空気などの気体はは気泡となって浮上する。この自然エネルギーを、水槽の水底で大量の空気を放出すると空気流が発生する。これをパイプケースの中に羽根車を数段設置してパイプケースの中に捕捉すると羽根車は浮力によって回転する。これを水面上に設置した発電機に連結して空気流の浮力を回転力に変換して発電することが出来る。浮力を発電エネルギーとして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を利用する開発技術である。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 浮力発電装置
水の中で気体の空気を放出すると、気体は浮力を生じて上昇する。気体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。
水槽の中にパイプケースを設置する。ケースの中に羽根車を数段に設置して置くと羽根車は浮上してくる空気を捕捉して回転する。水底から連続的に大量の圧縮空気Ｑを放出して、パイプケースの中に捕捉すると、下段の羽根車から順に回転して渦巻き流を発生させて上段に向かって回転力を増して行く、そして、パイプケースの中の羽根車群は一体となって回転する。水面上の同軸に発電機を置き連結すると、羽根車の回転により発電する。即ち、パイプケースによって捕捉された空気の浮力が、回転力に変換されて、発電エネルギーが発生する。

発明の詳細な説明

浮力発電装置 ［図―１］
▲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大量の圧縮空気Ｑから始まる。
送風機 Ａ点で発生し圧縮空気Ｑは、エアーパイプで水底まで移送するのだが、水底の水深による水圧作用に劣るために、移送して来た圧縮空気Ｑは水中に放出することが出来ない。
▲２▼ 圧縮空気を水中に放出する手段として、下段水槽の上段に上段水槽Ｃを設置して、上段、下段水槽の水位差を利用して圧力の強い流水を水パイプでＢ点へ移送する。エアーパイプの吐出口を二重管として，内側の管を圧力の強いジェット流を、外側の管は送風機からの圧縮空気Ｑを通して、混合物として水底の水の中に放出する。
内側管は流水圧が強いジェット流となるために、二重管の中の水パイプ吐口で、真空に近い状態になる。送風機からの 圧縮空気Ｑは真空状態の中をジェット流と混合して水底の水中に放水される。
▲３▼ 圧縮空気は水圧の影響を受けてこの水中から、浮上速度を伴うエネルギー体となる。パイプケースの中に捕捉されて浮上 速度 を得て羽根車に作用するときは浮力エネルギー体となる。
▲４▼ 羽根車の回転と上段水槽への揚水
浮力エネルギー体は、パイプケースの中の羽根車に捕捉されて回転する。この浮力体は空気と水の気泡体である。これが、一連の羽根車の回転によって渦巻き流になってパイプケースの中で下段水槽の水面を越えて盛り上がり、パイプの上端で上段水槽の中に揚水する。
▲５▼ パイプケース ［図―１］
パイプケースの中に複数の羽根車を回転軸を同一にして連結する。羽根車は水中にして、同一軸の水面上に発電機を設置する。
パイプケースの中は数段の羽根車の回転体により圧縮空気は渦巻流となって浮上する、パイプケースの長さの容積が浮力エネルギーの算出理論の要素となる。又、一方、気泡体を上段水槽まで揚水供給する装置である。
▲６▼ 羽根車の回転体
羽根車は浮上してくる気泡体を羽根で捕捉して回転する。パイプケースの中の復数の羽根車の回転体は同軸シャフトで連結しておく。ケースの中は渦巻き流となる。一連の羽根車の回転体群はパイプケースの中の浮力エネルギーを回転力に変換する。
▲７▼ 発電機 ［図―１］
同一のシャフトで連結した羽根車の回転力を水面上の発電機に連結して発電するには、発電機の回転数に整合させる装置が必要となる。又回転力を整合させるフライホールなどを装置する。
発電した電力を利用電力に整合するために変圧調整器。分電盤などを設置する。一連の設備を装置して、発電機は作動して発電する。
▲８▼ 発生電力 ［図―１］
発生した電力をケーブルで変圧調整機、分電盤に、分電盤から圧縮空気発生用の送風機の消費電力を賄い。余剰電力を需要に供給する。

発明の効果

発明の浮力発電装置は、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の程度の少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エネルギーを生産することが出来る。
ＣＯ_２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民間の資金事情で建設出来るので需要の拡大が期待出来る。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１５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加的である。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する方法が考えられる。エネルギー源の圧縮空気を発生する送風機の機能は、水深が深くても１５メートル以内となる。送風機からの圧力の弱い空気は、水中に圧縮空気を放出する位置Ｂで、水圧の高いパイプ流水との混合体となるので、水圧に弱い送風機で、ファン式やブロァー式で十分賄いる。

浮力発電装置概要 発電装置の仕組み 二重管 ジェット流と真空状態、水底に圧縮空気を放出

本発明は、浮力を発電エネルギーに変換する自然エネルギーを利用する発電装置に関するものである。

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る発電装置が知られ、実用化されているが、斯かる発電装置は、設備面や許可条件や立地条件の制約があり、また、昼夜、晴雨天や季節の影響を受けるという問題がある。

ところで、本発明の発明者は、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発電装置を提案していた（例えば、下記特許文献１−３参照）

先行技術分野

特許文献

特開 ２０１０−２７５９３６号公報 特開 ２０１１−１９４６号公報 特開 ２０１３−１４４９７２号公報

発明が解決しようとしている課題

斯かる特許文献１〜３は、アイデアとしては完成しているものの実用化への更なる改良が必要であった。

本発明は、自然界に豊富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を利用するもので、実用化を可能とする発電装置を実現することを目的とする。

課題を解決するための手段

本発明に係る水中で空気の浮力を利用した発電装置は、上段水槽と、この上段水槽の下方に位置して液体を保持する下段水槽と、この下段水槽と前記上段水槽とを連結状態に設置されたパイプケースと、このパイプケース内にあって前記下段水槽の底面付近に位置する下端から前記液体の水面付近に位置する上端の間に縦方向に設置された単一軸で回転する複数段の羽根車と、前記上段水槽及び前記下段水槽の外部に設置されて前記パイプケースの前記下端から前記パイプケース内に圧縮空気を送る送風機と、前記圧縮空気による前記羽根車の回転に応じて生ずる前記液体及び前記圧縮空気からなる渦巻流によって前記下段水槽から前記上段水槽へ前記液体を揚水することにより生ずる前記上段水槽と前記下段水槽との水位差で前記パイプケース内の前記下端側に発生するジェット流によって前記圧縮空気を前記液体の中に放出することにより前記単一軸の回転に応じて発電を行う前記上段水槽及び前記下段水槽の外部に設置された発電機と、を有するものであるる。

発明の効果

液体の水中で気体を放出すると、気体は浮力を生じて上昇することで容積を得た重力を伴わない浮力エネルギーとなり、この浮力エネルギーによって水槽の中のパイプケースの中の羽根車が回転すると、羽根車の下段から上段に向かって回転力が増大し、これら羽根車は一体となって回転することにより、羽根車を支持する同一軸の回転に応じて発電機か発電を行う。

つまり、パイプケースによって捕捉された空気の浮力が回転力へ変換されて発電エネルギーが発生するもので、自然界に豊富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を利用することが出来るものである。

本発明の実施形態に係る全体構成を示す説明図 同上の要部を示す説明図

以上、本発明の実施の形態を図 １、図２に基づき説明する。

本発明に係る水中で空気の浮力を利用した発電装置は、図 １で示すように、上段水槽１と、この上段水槽 １の下方に位置して液体を保持する下段水槽２と、この下段水槽２と上段水槽１とを連結状態に設置されたパイプケース３と、このパイプケース３内であって下段水槽２の底面付近に位置する下端から前記液体の水面付近に位置する上端の間に縦方向に設置されて単一軸４で回転する複数枚（本実施３段）の羽根車５と、上段水槽１及び下段水槽２の外部に設置されてパイプケース３の前記下端からパイプケース３内に圧縮空気を送る送風機６と、前記圧縮空気による羽根車５の回転に応じて生ずる前記液体および前記圧縮空気からなる渦巻き流によって下段水槽２から上段水槽１へ前記液体を揚水することにより生ずる上段水槽１と下段水槽２との水位差でパイプケース３内の前記下端側に発生するジェット流によって前記圧縮空気を 前記液体の中に放出することにより単一軸４の回転に応じこて発電を行う上段水槽１及び下段水槽２の外部に設置された発電機７とからなる。

この発電装置のエネルギー源は、送風機６で発生する大量の前記圧縮空気から始まり、この圧縮空気をエアーパイプ８ で下段水槽２の水底まで移送するが、水底の水深による水圧作用により、移送された前記圧縮空気は水中に放出できない。

前記圧縮空気を水中に放出する手段として、下段水槽２の上方に設置した上段水槽１の水位差を利用して圧力の強い流水である前記液体を水パイプ９でパイプケース３内の前記圧縮空気を吐出口の近傍へ送ることにより、すなわち、図２で示すように、エアーパイプ８の内部に水パイプ９を挿入することにより、エアーパイプ８の前記吐出口付近を二重管構造とすることで、内側管の水パイプ９の圧力の強いジェット流として、外側管のエアーパイプは送風機６からの前記圧縮空気を通して、前記液体と前記圧縮空気との混合物をバイブケース３内へ放出される。

つまり、前記内側管は、流水圧の強いジェット流となるために、二重貫構造の水パイプ９の前記吐出口では真空に近い状態となり、送風機６からの前記圧縮空気は真空状態のジェット流と混合してパイプケース３内の前記液体の中に放出される。

なお、エアーパイプ７の水パイプ９のが挿入されて二重管構造になっいる箇所処理の上流側には、逆止弁１０を設けている。

前記圧縮空気は、前記液体の水圧の影響を受けて浮上速度を伴うエネルギー体となり、パイプケース３に捕捉されて浮上速度を得て、羽根車５に到達する際には浮力エネルギーとなる。

前記浮力エネルギー体は、パイプケース３内の羽根車５に捕捉され、羽根車５が単一軸４を中心として回転するが、前記浮力エネルギー体は、前記圧縮空気と前記液体との混合物の気泡体であり、羽根車５の回転により渦巻き流としてパイプケース３内を通過すると、下段水槽２水面を超えて盛り上がり、パイプケース３から上段水槽に１へ揚水することが出来る。

パイプケース３内の単一軸４を中心として軸支した複数団の羽根車５の回転により、パイプケース３内の前記圧縮空気は渦巻流として浮上することにより、パイプケース３の長さの容積が前記浮力エネルギーの算出理論の要素となる。

単一軸４に軸支した羽根車５の回転力を発電機７に連結して発電するには、発電機７の回転数に整合させるためにフライホールなどの整合機（図示しない）用意することが必要であり、発電した電力を利用電力に整合するために変圧調整器１１、分電盤１２などを設置することが必要である。

上記発電した電力は、変圧調整器１１、分電盤１２から送風機６の消費電力を賄うように配線され、余剰電力を需要用として出力するものである。

なお、本発明に係る水中で空気の浮力を利用した発電装置は、発電規模の小さい数キロワットから数十キロワット程度として設置するのが効果的であり、これよりも大きな規模の場合は、水槽１ 、２ ではなくダムを用いるのが望ましく、前記エネルギー源となる前記圧縮空気を発生させる送風機６の機能は、水深が深くとも１５メートル以内で済むため、送風機６からの圧力の弱い空気は、水中に前記圧縮空気を放出する地点に置いて、水圧の高い流水である前記液体との混合体となるので、水圧の弱い送風機６であっても対応可能となり フアン式やブロアー式で十分賄える。

本発明に係る水中で空気の浮力を利用した発電装置は、エネルギー源が水と空気であり、地球上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、社会的、技術的に制約が少ない発電設備である。

特に、前記既設設備のような長期期間にわたっての環境調査や水文調査の必要がなく、水力のダム地点のような広い集水域の確保の必要がなく建設地点を選定すめことができ、立地の用地確保に大きな敷地を必要、あるいは、環境調査に厳しい制約を受けることがない。

また、水力のように、自然災害である洪水や濁水などの災害や季節による降水量の影響を受けることの程度が少なく、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なく、年中昼夜間無休で電力エネルギーを生産することが出来る。

とくに、二酸化炭素の問題が発生しない発電設備であり、前記既存設備の中にはない最も安全で、相対的に設備費用がかからないために民間の資金事情で建設出来るので需要の拡大が期待できるなど、安定的に長時間の運転が゛できる発電技術である。

１ 上段水槽
２ 下段水槽
３ パイプケース
４ 単一軸
５ 羽根車
６ 送風機
７ 発電機
８ エアーパイプ
９ 水パイプ
１０ 逆止弁
１１ 変圧調整機
１２ 分電盤

Claims (12)

1. 発明の概念
   水深のある水中、今回は水槽Ａとする。水槽にパイプケースを設置して、パイプケース羽根車を複数設置する。水パイプで下段水槽のＢ点で圧力の強い流水のジェット流を使って大量の圧縮空気を水中に放出する。パイプケースの中は渦巻流によって上段水槽Ｃに揚水される。
   パイプケースの下部から大量の圧縮空気を放出続けると、複数の羽根車は回転する、 複数の羽根車の同軸水面上に発電機を設置して、回転力により発電する。
2. 送風機と空気流の発生 ［図ー１］
   発明の発電装置のエネルギー源である大量の圧縮空気を発生させる装置として。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の電力送風機で十分である。
   水面上に圧縮空気Ｑを発生させる送風機Ａを置き、送風機からエアーパイプで水中のパイプケースの底Ｂに大量の圧縮空気を移送する装置。
3. ノズルの二重パイプ方式で圧縮空気Ｑの水底放出 ［図ー２］
   水面上に圧縮空気Ｑを発生させる送風機Ａを置き大量の圧縮空気は、水底Ｂ点の水圧に劣るのて水中に放出出来ない。この低圧の圧縮空気を水底の水中に放出する手段として、上段水槽Ｃを設置して、パイプケースから上段水槽に噴出する気泡による揚水を行う。上段水槽Ｃの位置の高い所からの水パイプの圧力の強い流水を、ノズルの二重パイプの中で水パイプを内側にしてジェット流を発生させて、ノズルの中に真空状態の領域を発生させる、この領域に低圧の圧縮空気Ｑ_０を逆止弁付きエアーパイプから放出する。ノズルの出口はジェット流の泡状となって水底Ｂ点の水中に放出する装置。
4. エアーパイプ ［図―２］
   送風機から水底のパイプケースの底辺Ｂ点まで圧縮空気発を移送する。エアーパイプはノズルの手前で逆止弁を取り付ける。ノズルの中は水パイプを内側にして二重管にする。水パイプのジェット流により水底の水中に放出される。この圧縮空気を移送する装置。
5. 下段水槽
   水槽は、水中で浮力エネルギーの生産装置であるパイプケース、エアーパイプ、水パイプ、ケース内には羽根車の回転体などが収容される。送られて来た圧縮空気を浮力に変換して羽根車の回転体に回転力を発生させる。などの、この発明の主要設備を収容する装置。
6. 上段水槽と水パイプ
   上段水槽は上下水槽の水位差を利用して水底Ｂ点にジェット流を放水する水源地である。 上段水槽は下段水槽の水面上で、パイプケースの中を上昇してくる気泡混合体の水部分を蓄えて、水パイプを通してジェット流を発生させる装置。
7. 上段水槽Ｃへ気泡混合体による揚水
   パイプケースの中は水と空気の泡状の浮力体が羽根車を回転させて渦巻流が浮上している。 パイプケースの上端で、空中へ出たとき、渦巻き流から解放される。この時、浮上してきた空気は空気中に、水分は上部水槽Ｃに貯まる。要するに、パイプケースは、気泡井戸の原理で下段水槽の水を上段水槽に揚水する装置。
8. 二重パイプ構造
   送風機Ａからの圧縮空気は水槽の水底Ｂまでエアーパイプで移送されてくる。 送風機からの圧縮空気は圧力が弱いために、所定の水底Ｂ点で、水中に放出が出来ない。
   エアーパイプはノズルの二重パイプ構造の直前で逆至弁を取り付けておく。圧縮空気Ｑは上部水槽Ｃからの圧力の強い水パイプのジェット流でエアーパイプの中の二重管の吐出口で放水する。二重管の内の水パイプの吐出口では、ジェット流によって真空状態が出来る、この真空状態の中で圧力の弱い圧縮空気Ｑは、ジェット流と混合して、水底Ｂの水中に放出させる装置。
9. パイプケース
   パイプケースの中は数段の羽根車の回転体により圧縮空気は渦巻流となって浮上する。回転体、の羽根車を収容して、圧力の掛かった渦巻き流が回転浮上する、パイプケースの容積が浮力エネルギーの算出理論の要素となる、又一方、気泡体を上段水槽まで揚水するなどの、機構を備えだ装置
10. 羽根車回転体 ［図―３］
    パイプケースの中の復数の羽根車の回転体は同軸シャフトで連結して回転する。羽根車は浮上してくる気泡体を羽根で捕捉して回転する。ケースの中は渦巻き流となる。一連の羽根車の回転体群はパイプケースの中の浮力エネルギーを回転力に変換する装置。
11. 発電機 ［図―１］
    一連の羽根車の回転体群の水面上に発電機を連結する。発電機の回転数に整合させる歯車機構などの装置が必要となる。又回転力を整合させるフライホールなどを装置する。
    発電した電力を利用電力に整合するために変圧調整器。分電盤などを設置する。一連の設備を装置して、発電機が作動して発電する装置。
12. 発生電力 ［図―１］、発生した電力をケーブルで分電盤に、分電盤から圧縮空気発生の送風機の消費電力を賄い。余剰電力を需要に供給する考え方。

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