JP2019085938A - ユニット型小水力発電装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】脱原発可能な新エネルギー革命時代形成の一助となることを目標とする。【解決手段】所定容量の流体用縦型貯水槽の外部、又は、内部に、タービン塔を、上部中空室にタービンと圧送ポンプ機構を配し、下部に貯水槽との共通室を設けて垂直落下筒管と逆止弁を配して貯水槽と一体に形成し、サイホン等を用いてタービン塔上部に投入された流体落下エネルギーでタービンを回転駆動させて伝動可能に設け、通過した流体を圧送ポンプ機構で下部の垂直落下筒管に圧送して自身の落下エネルギー圧と併せて倍加し、底部の逆止弁を強制開弁通過し、吐出流体を、貯水槽内、又は、湖水内に吐出して合流、かつ、循環可能に形成し、定量の小水力、又は、湖水内で上下循環式発電装置を形成し、ほぼ外部エネルギー不要の、低装置コストで、かつ、複数基で大規模化可能な発電装置を形成することが可能である。また、タービンを２連式に形成することも出来る。【選択図】図１

Description

陸上、又は、湖水等に設置可能な流体上下循環式ユニット型小水力発電装置に関する。

既存の発電装置は、水力、風力、太陽光、地熱、波浪、揚水、火力、原子力、焼却、バイオマス式等の様々の様式があった。然し、何れも、自然条件に左右されたり、或いは、環境問題上の制約を受けることが多く、特にこれからの、地球規模の低炭素化社会実現可能な、かつ、更なる経済性と汎用性を有するベースロード電源となるべき、かつ、脱原発社会形成可能な発電手段が求められていた。

本発明は上記現状課題に着目して、所定量の貯水が確保可能な、ほぼ如何なる陸地に於いても、所定量の貯水を循環させて得られる流体落下エネルギーを活用して地上、又は、湖水内で、自然条件に左右されず、かつ、環境問題に優しい、かつ、電気を低料金で提供可能な新たなユニット式の小水力発電装置を確立して産業の生産性向上と社会生活の向上に寄与することを目的とする。

本発明は、上記課題を達成するため、請求項１の如く、地上、若しくは、半地下埋設型の発電装置を、所定容量の上部開放の縦型貯水槽の外部、又は，内部に、上部開放の縦型タービン塔を一体に組み立てて、この貯水槽とタービン塔間の、上部に跨る所定径のサイホンを配して流体連続吸引と連続投入の循環可能に形成するため、前記タービン塔は、胴部上部を中空状に設けてタービン、及び、補助圧送ポンプ機構を内蔵可能に形成し、下部を貯水槽との共通室に設けて形成、かつ、圧送ポンプ機構下方に直結する垂直落下筒管を配し、底部に逆止弁を配して流体吐出可能に設けて貯水槽内に合流可能な流体循環式のユニット型小水力発電装置を形成することが出来る。

この様に形成されたユニット式の本発電装置は先ず、前記貯水槽とタービン塔が一体に設置されて貯水槽内の流体が上部間に設置のサイホンで吸引されて中空タービン塔上部から投入され、所要落下距離が設けられて生ずる流体自身の落下エネルギーでタービンを回転駆動して外部伝動可能に設け、かつ、このタービン回転後の通過流体を、圧送ポンプ機構を形成するプールで瞬間的に緩衝させて扇水機で圧送し、下部の垂直筒管の所定距離で生ずる流体自身の落下エネルギーと併せて倍加圧送可能に形成し、底部に配した変圧追随可能な逆止弁の下弁に衝撃を与えて強制吐出して貯水槽側の流体に合流可能に設け、かつ、サイホンに継続的に再吸投入可能な循環システムを構築してユニット型小水力発電装置を形成することが出来る。なお、底部の逆止弁は、例えば、水平の円型に設けて下弁が下部をスプリング様式に設けて流体の落下衝撃力に素早く反応し、かつ、パッキングを変形筒状に設けて上部に固定し、下部が可動下弁に密着してシール性を高めると同時に、吐排出を容易にし、かつ、流体減圧時の外部貯水の逆流入防止可能に形成している。
また、前記補助圧送ポンプ機構は、パワーコントロールを可能とするが、垂直落下筒管の落下距離、又は、筒管径の絞り具合等による吐出圧増、或いは、逆止弁径の下弁裏面受圧面積縮小等によって内部吐出力を高めてこれを任意設定とすることも出来る。
従がって、この様に形成された、本発電装置のサイホン方式は、確保された定量の流体の吸引と上部投入エネルギー応用のため、サイホン上部とタービン間の流体落下距離の最大化を可能とし、かつ、逆止弁の流体吐出時の貯水槽側の全水位の高水圧の抵抗液圧がサイホンの吸引部で吸引される減圧効果がある。特に、逆止弁吐出時は、この吐出圧が下弁

裏面と、逆止弁の開口部周状面積の合計圧力を凌駕させるため、前記圧送ポンプ機構の加圧送と逆止弁吐出時の外部液圧の低減技術が最大の課題であった。
また、本装置は、吐出圧で連続的に排出されて連続循環を可能にするが、運転停止の時は、流体の落下が途絶え、逆止弁が閉止されてタービン塔は中空に保たれる。また、本装置は、運転始動時はサイホン排出入管に配されたバルブを閉めて上部マンホールから流体の充填を行ってサイホンを満タンにして、かつ、貯水量を確認の上開栓する。また、運転中断後の再開時にも同様の操作を行う。なお、本装置は、陸上の地上に、埋設型に設けられる。と同時に設置の条件として、運転稼働点中の流体の蒸発分の補充を要する。
また、本装置は、複数基を設置して大規模発電所を建設出来る。かつ、本小水力発電装置は、図示しないがタービン塔内にタービンを水平、並列の２連に配して、かつ、サイホンを単、若しくは、複数に設けて高能力の小水力発電装置を形成できる。

従がって、この様に形成された、本発電装置のエネルギーコストは自然界の再生可能な小水力エネルギーを主とし、垂直落下加圧送の補助手段としての流体下方圧送プポン機構用の動力が僅かに用いられるが、エネルギーコストはほぼ無視可能で、気象条件にも左右されず、二酸化炭素の排出もなく、かつ、装置コストが低廉で、メインテナンス上のリスクも無く、かつ、発電効率の高い、かつ、極めて発電コストの安い脱原発可能な、時代の求めるベースロード電源装置として脱原発具現化が期待されるインフラ装置である。

また、本発明は、請求項２の如く、陸地に小水力発電装置を形成のため、所定容量の所定高さに設けられた貯水槽の壁面上部に所定の流体投入管を配して、貯水槽の外部、又は、内部に、所定高の上部開放の、上部中空室にタービンと圧送ポンプ機構内蔵の中空タービン塔を、下部に共通室を設けて一体接合して形成し、上部投入管から投入された流体が落下距離で生ずる自己エネルギーでタービンを回転させ、通過した流体を圧送ポンプ機構の加圧送補助手段を用いて、直結する下部共通室に配した垂直落下筒管に圧送し、この落下距離でエネルギーを倍加して、底部に配した逆止弁の下弁を落下衝撃で強制的に押し開いて流体吐出可能に設けて貯水槽内の流体に合流可能に形成出来る。
この様に形成の小水力発電装置に於いても、地上、又は、半埋設型に、かつ、複数基を設置して大規模発電所を建設できる。かつ、図示しないがタービン塔内にタービンを水平、並列の２連に配して、かつ、投入筒管を単、または、複数に設けて非サイホン式の２連式の小水力発電装置を形成できる。

また、本発明は、請求項３の如く、湖水内に前記タービン塔をやぐら、或いは、型枠工法等で直接湖底に設置して、ユニット型縦型小水力発電装置を形成することが出来る。
この様に形成の本発電装置は、湖面上に突出して設置するタービン塔上部に逆Ｕ字状サイホンを配して湖水吸投入可能に形成、かつ、タービン塔は上部胴を上部開放の、かつ、上部室を中空に設けてタービン、及び、流体圧送ポンプ機構を内蔵して、タ―ビン塔上部に投入する流体の垂直落下エネルギーでタービンを駆動回転させ、かつ、通過する流体下部に設けた圧送ポンプ機構で流体を加圧送させて、タービン塔下部の下部枠室内に配した垂直落下筒管に圧送し、この落下筒管距離の自己落下エネルギーと併せて衝撃力を倍加して底部に配したスプリング式逆止弁の下弁を押し開いて外部湖水内に強制吐出して湖水流体に合流可能なほぼエネルギーフリーの湖水ユニット型小水力落下循環発電装置を形成することが出来る。
かつ、本発明に於いても、複数基を設置して大規模発電所を建設できる。
かつ、本湖水に設置の小水力発電装置に於いても、図示しないがタービン塔内にタービンを水平、並列の２連に配して、かつ、サイホンを単、若しくは、複数に設けてサイホン式の２連式の小水力発電装置を形成できる。

本ユニット型小水力発電装置は、所定容量の流体確保可能な陸地に、所定高さの貯水槽とタービンを内蔵して、補助圧送手段配した中空タービン塔を一体に形成して貯留された定量の流体で、若しくは、湖水に中空タービン塔を設置して、湖水を上部連続投入可能に設けて、垂直落下させて循環方式によってタービン駆動回転式発電装置形成される本装置は、全天候性の、ほぼエネルギーフリーで、かつ、環境問題に優しい、かつ、低炭素社会実現に寄与し、かつ、簡易な構造で汎用性に優れ、かつ、装置コストが低廉、かつ、発電効率大で、更には、原発等のリスク無く、かつ、原発以下の低電気料金で提供可能なため、大手電力需要会社用自家発電等の地産地消をも推進可能とし、かつ、脱原発社会の実現可能な新ベースロード電源供給システムを提供して、国家の新産業戦略と未来型社会生活構築に寄与することが出来る。

本発明の陸上設置型サイホン式発電装置の中空タービン塔が貯水槽の外部に配された小水力構成図を示す。 同上逆止弁の構造図で片側が開弁した様子を示す 本発明の陸上設置型非サイホン式小水力発電装置の部分構成図で中空タービン塔が貯水槽の外部に配されて上部に投入筒管が装着された様子を示す。 湖水設置式タービン塔のサイホン式少水力発電装置の部分切欠構成図。

以下、本発明の形態を図1、乃至、図２、図３、図４によって説明する。

本発明のユニット型小水力発電装置１Aは、図１、乃至、図２に示す如く、陸上Ａの半地下埋設式等に設置して、例えば、水平断面形状が４，０００ミリメートル角、高さが約２０、乃至、１８メートルの上部開放の貯水槽２外部に、又は、内部に、例えば、水平断面が２，０００ミリメートル角の高さ１６乃至１５メートルの上部開放型３Ｃの中空室Ｂ、及び、底部に共通室３Ｂを設けてタービン３を回転可能に内蔵のタービン塔３Ａを一体に接合形成し、かつ、貯水槽２，タービン塔３Ａ間上部に、例えば、直径１，０００ミリメートルのサイホン４を配して流体５吸投入可能に形成し、かつ、タービン３の下部に、瞬間緩衝プール６Ａと扇水機６Ｂからなる圧送ポンプ機構６をパワーコントロール可能に配して、下部の共通室３Ｂに、圧送ポンプ機構６に連なる垂直落下筒管７を最大距離可能に設けて底部にスプリング８様式に設けた逆止弁９を下弁９Ａ上下可動可能な落下流体吐出、かつ、逆流入防止可能に設けて配し、かつ、再び、流体５を貯水槽２内に合流可能に形成することが出来る。

この様に形成された本発電装置１Ａは、貯水槽２に貯留された流体５を、外部に一体に接合設置のタービン塔３Ａ内にサイホン４を用いて吸投入して、例えば７メートルの落下距離で生ずる流体落下自己エネルギーで中空室Ｂのタービン３を外部伝動可能に回転させ、通過する流体５を、圧送ポンプ機構６で圧送して、下部の共通室３Ｂの、直結する、例えば、７メートルの垂直落下筒管７内で再自己発生のエネルギーを加圧送可能に設けてスプリング８式逆止弁９の下弁９Ａに垂直の落下衝撃を与えて強制的に開弁、かつ、吐出して貯水槽２内に合流可能に設けられ、再び、流体５がサイホン４によって吸引される流体循環システムを形成している。なお、逆止弁９のパッキング１０は変形筒状シール膜状等に設けて、流体５吐出時には吐出流体圧で下弁９Ａが下がると同時に筒状パッキング１０の下端Ｆが流圧で外開き状の上方に持ち上がって排出を容易にし、流体閉鎖時には、下弁９Ａがスプリング８の戻りによって閉止すると同時に、原型の初期成型時Ｅ方向に素早く閉じて下弁９Ａに密着シールして貯水逆流入防止可能な構造に形成されている。

なお、タービン通過後の流体加圧手段である前記圧送ポンプ機構６は、図示しないが螺旋羽根状等に設けて落下圧送補助することも、或いは、落下流体管７は落下距離を大に設けると同時にサイホン径と小差を設けて絞り、かつ、これを中間点で更に異型Ｄに絞り、かつ、逆止弁９を適正最小径に設けて吐出流圧を高めることが可能であって、圧送ポンプ機構６の調整可能に、かつ、設置を任意とすることも出来る。なお、前記逆止弁は、図示しないが、これを、ト―ションバネ式に設けることも出来る。また、流体５のサイホン４吸引部に機械的スクリュウ式圧送手段１２を講じてサイホンの吸引力を高めることも出来る。または、エアー式圧送可能な機械的手段を設けることも出来る。

なお、この様に形成された、本発電伝動装置は、確保された定量の貯水をサイホン方式を用いて吸引と上部投入することにより、サイホン上部とタービン間の流体距離増で生じる落下エネルギー増でタービンを回転駆動能力向上可能に形成、かつ、特に、サイホンは、同時に下部流体吸引部吸引による逆止弁の吐出抵抗液圧減の効果がある。

なお、タービンが稼働停止した時は、落下エネルギーがゼロとなって途絶え、逆止弁８は、自身のバネ９の復元力と外部貯水圧によって自動的に閉じられてタービン塔中空部Ｂ、及び、垂直落下筒管７は中空に維持される。また、本装置は、運転開始時、或いは、中断後再稼働の時は、サイホン吸入口と、排出口側のバルブ１３を閉めて流体侵入を遮断して、上部マンホールから流体の充填を行って貯水槽に充填する。本装置は、陸上設置の条件として、運転稼働中の流体の蒸発分の補充を必要とする。

従がって、この様に形成された、半埋地下設式の縦型外部水槽２内の流体５がほぼ定量維持可能に形成されて、外部、又は、内部に配した中空タービン塔３Ａと組み合わされ、サイホン投入によって生じる流体５落下自己生成エネルギー、及び、圧送ポンプ機構６圧送と併用の循環式小水力発電装置１Ａは、貯水槽２に必要な一定量の水を確保可能なところであれば如何なる陸地でも設置が可能でほぼ蒸発水の補充のみの、ほぼエネルギーコストゼロの、かつ、極めて簡易な構造で、かつ、ノーメインテナンスで半永続運転が可能となる。然し、この様に形成されたユニット式の小水力発電装置は、サイホンによって吸入され、かつ、投入された流体が中空タービン塔間の槽内の落下距離で生ずるエネルギーでタービン３を回転させることが可能と同時に、タービン通過後の流体の底部の逆止弁吐出力に於いて,流体の吐出パワーＰと、排出部（逆止弁の下弁裏面積の面圧Ｘ，及び、同下弁開口部の周囲面圧Ｙ）の合計との相関関係にある双方の圧力がＰ＞Ｘ＋Ｙであることが課題であった。依って、タービン通過後のエネルギーロスした落下流体を中空室Ｂのプール６Ａで瞬間的に緩衝させ、扇水機６Ｂを用いて垂直落下筒管７に圧送し、かつ、筒管７をサイホン径より絞り、かつ、下方の中間で絞りＤ，及び、逆止弁８径を適正小径に絞って相対する落下エネルギーの倍加を図って貯水槽の貯水液圧を凌駕する吐出圧を生成して貯水循環可能に形成出来る。

かつ、本発電装置は、大手電力需要会社の自家発電を容易とすると同時に、複数基を集合して大型発電所を建設して脱原発社会の具現化を可能とする。また、従来の遠距離の高圧電送を不要とし、かつ、地産地消化の推進を図り、かつ、電線の地下埋設化の推進をも可能とする。なお、本小水力発電装置は、図示しないがタービン塔内にタービンを水平、並列の２連に配して、かつ、サイホンを単、若しくは、複数に設けてサイホン式の２連式の小水力発電装置を形成できる。

本発明のユニット型小水力発電装置１Ｂは、図３に示す如く、例えば、陸上Ａの半埋設式等に設置した貯水槽２外部に、所定高の胴部上部開放３Ｃ、かつ、中空Ｂのタービン塔３Ａを、底部に貯水槽２との共通室３Ｂ設置可能に設けて一体接合し、かつ、貯水槽２上部の流体液面下部近傍に投入管２Ａを設けて流体５のタービン塔３Ａ投入可能に形成し、かつ、中空タービン塔３Ａは、内部の上部中空部Ｂに、タービン３、及び、圧送ポンプ機構６を配して、かつ、流体落下筒管７を経て底部に逆止弁９を配し、流体の加圧送された落下圧で 吐出した流体５が貯水槽２の流体５内に合流して貯水循環可能なユニット型小水力発電装置１Ｂを形成することが出来る。なお、本発明のユニット型小水力発電装置１Ｂは、図示しないが前記中空タービン塔３Ａを貯水槽２内に設置することも出来る。また、本装置に於いても、複数基を設置して大規模発電所を建設できる。かつ、図示しないがタービン塔内にタービンを水平、並列の２連に配して、かつ、サイホンを単、若しくは、複数に設けてサイホン式の２連式の小水力発電装置を形成できる。

また、本発明のユニット型小水力発電装置１Ｃは、図４に示す如く、湖水Ｃに、上部突起設置可能に形成のため、前記上部開放３Ｃ式に設けられた縦型中空タービン塔３Ａをやぐら１１等を用いて湖底に設置し、かつ、中空タービン塔３Ａの、上部中空室Ｂにタービン３を回転外部伝動可能に配し、かつ、圧送ポンプ機構６を内蔵して内部流体下方圧送可能に設け、かつ、垂直落下筒管７を経て底部に配したスプリング８式逆止弁９を介して
湖水Ｃ内に吐出可能に形成して湖水Ｃ循環可能なユニット型小水力発電装置１Ｃを形成出来る。なお、図示しないが湖水ユニット型発電装置１Ｃはサイホン４式に設けて陸上プール内に設置することも出来る。
かつ、この様に形成されたユニット型小水力発電装置１Ｃに於いても複数基を配して大規模化することが出来る。かつ、本湖水に設置の装置に於いても、図示しないがタービン塔内にタービンを水平、並列の２連に配して、かつ、サイホンを単、若しくは、複数に設けてサイホン２連式の小水力発電装置を形成できる。

１Ａ 陸上サイホン式ユニット型小水力発電装置
１Ｂ 陸上上部壁面投入式の非サイホン式ユニット型小水力発電装置。
１Ｃ 湖水用タービン式ユニット型小水力発電装置。
２ 流体用の縦型貯水槽
２Ａ 上部投入筒管
３ タービン
３Ａ タービン塔
３Ｂ 貯水槽との共通室
３Ｃ 上部開口部
４ サイホン
４Ａ 上部マンホール
５ 流体
６ 圧送ポンプ
６Ａ 瞬間滞留プール
６Ｂ 扇水機
７ 垂直落下筒管
８ スプリング
９ 逆止弁
９Ａ 下弁
１０ パッキング
１１ やぐら
１２ スクリュウ式圧送手段
１３ サイホン開閉バルブ
１４ 管理室
Ａ 地上
Ｂ タービン塔上部中空部
Ｃ 湖水
Ｄ 落下筒管径の絞り
Ｅ ＰＫＧの初期成型位置
Ｆ 開口時のＰＫＧの位置
Ｇ 吐出流体
Ｈ タービン下部枠室
Ｉ 湖底
Ｐ 落下流体吐出パワー
Ｘ 同下弁の裏面水圧
Ｙ 逆止弁の開口部周囲面水圧

Claims (3)

1. 陸上に設置の、所定容量の流体用縦型貯水槽外部、又は、内部に縦型のタービン塔を一体に接合形成し、かつ、貯水槽からタービン塔の上部間に跨る逆Ｕ字筒管状のサイホンを備えて貯水槽に貯留された流体を吸引してタービン塔投入可能に形成され、
   タービン塔は、上部開放の上部胴が中空に保たれて流体回転原動機であるタービン、及び、流体瞬間緩衝用プールと扇水機とを組み合わせた圧送ポンプ機構を配して形成、下部胴は貯水槽との共通室として構成されて、圧送ポンプ機構に直結の垂直落下筒管、及び、底部に逆流入防止と変圧追随吐出可能な逆止弁を配して形成されるものとし、
   縦型貯水槽に貯留された流体がサイホンで投入される落下エネルギーでタービンを回転させたあと、通過した流体を圧送ポンプ機構で下方に圧送し、更に、下部の垂直落下筒管距離で生ずる自己落下エネルギーとが加圧送されて逆止弁から吐出され、再び、縦型貯水槽内の流体に合流して循環可能に形成された陸上サイホン式ユニット型小水力発電装置。
2. 前記、陸上に設置の、流体貯留用縦型貯水槽外部、又は、内部に縦型タービン塔を一体に設置して形成される、上部流体投入式小水力発電装置に於いて、縦型貯水槽壁面上部所定位置に流体投入用筒管を配してタービン塔上部投入可能に形成するものとし、
   タービン塔は上部開放の縦型に設けられて、貯水槽の上部投入用筒管から落下する流体エネルギーでタービンを回転させたあと圧送ポンプ機構で圧送し、更に、下部胴の垂直落下筒管距離で加圧送されて底部の逆止弁から吐出され、再び、貯水槽の流体に合流して循環可能に形成された請求項１に記載の陸上非サイホン式ユニット型小水力発電装置。
3. 前記流体循環式発電装置を湖水等に設置可能に形成のため、縦型上部開放の、上部中空室と下部枠室からなるタービン塔を、上部を湖面突出状に配置し、下部枠室を湖底設置可能に形成し、サイホンを上部に配して湖水流体を上部投入可能に形成するものとし、
   流体落下エネルギーで、タービン塔上部中空室内に配置のタービンを回転駆動させたあと、落下流体を圧送ポンプ機構で加圧送し、かつ、下部枠室の、上部圧送ポンプ機構に直結する垂直落下筒管距離等で加圧送して底部に配した逆止弁を介して湖水内に合流可能に形成してサイホン吸投入式の循環可能に形成し、かつ、やぐら等を用いて湖底設置可能に構成された請求項１に記載の湖水用ユニット型小水力発電装置。