JP2022175608A - 水中空気浮力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮空気を用いて水中の発電用パイプから効率良く電力を得ることができる水中空気浮力利用の発電システムを提供する。【解決手段】発電用パイプ１６の管壁に、発電装置３４の回転体３６の一部を配置するための開口部４２と、水圧均等空気室４０を設ける。回転体３６を水圧均等空気室４０と発電用パイプ１６の管壁にまたがってを配置する。回転体３６の軸体３８を水圧均等空気室４０内に配置する。水圧均等空気室４０にパイプ５６と気圧調整弁５８を介して圧縮空気貯蔵タンク１０内の圧縮空気を供給し、該圧縮空気の空気圧によって水圧均等空気室４０に発電用パイプの管壁の回転体配置用の開口部から水が流入しないようにする。【選択図】 図２

Description

本発明は、水中空気の浮力を利用した発電システムに関する。

海中に配置したパイプの下端にエアータンクに貯蔵した圧縮空気を送り、パイプの上端から吹き上げられる圧縮空気によって発電機を駆動する空気浮力による水圧誘導力発電システムが従来知られている（例えば特許文献１参照）。また、高水圧の下の水中で、管の中に気泡を発生させ、管内に発生する水流を利用して、管内のシャフトを回転させ、この管の上端から突出するシャフトの上端に連結した発電機の入力軸を回転させて発電を行う気泡の浮力を利用した発電が知られている（例えば特許文献２参照）。
実用新案登録第３１０７２１４号公報 特開２００４－１８３６３７号公報

水中に配置されるパイプの上端で、ここから吹き上げられる圧縮空気のエネルギーを利用して発電機を駆動する構成や、パイプの上端から突出する回転シャフトの上端に発電機の入力軸を連結して発電機を駆動する構成は、１つのパイプに対して１個の発電装置しか駆動できず、パイプ内の圧縮空気のエネルギーを有効に活用できないという問題点がある。水中のパイプの適所に発電装置を取り付けるようにできれば、発電装置の数を増加させることによって、水中のパイプ内の圧縮空気の上昇力を有効活用できる。
本発明は、水中に配置される発電パイプの管路の適所に発電装置を取り付けることができるようにして上記問題点を解決することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、水中に延びる管路を有し、該管路に発電装置３４の回転体３６を配置した発電用パイプ１６と、圧縮空気貯蔵タンク１０に気圧調整弁５８を介して連結する圧縮空気供給パイプ５６とを備え、前記圧縮空気供給パイプ５６から発電用パイプ１６の下端内部に圧縮空気を送り込み、発電パイプ１６内に気泡を発生させ、気泡のエネルギーにより発電用パイプ１６内の水を押し上げ、水圧を誘導して前記回転体３６を回転させる発電システムであって、前記発電用パイプ１６の管壁に前記回転体３６の一部を配置するための開口部４２を設け、前記発電用パイプ１６の管壁に水圧均等空気室４０を設け、該水圧均等空気室４０と発電用パイプ１６の管壁にまたがって発電装置３４の回転体３６を配置し、前記回転体３６の軸体３８を前記水圧均等空気室４０内に配置し、該水圧均等空気室４０にパイプ５６と気圧調整弁５８を介して圧縮空気貯蔵タンク１０内の圧縮空気を供給し、該圧縮空気の空気圧によって前記水圧均等空気室４０に前記発電用パイプの管壁の回転体配置用の開口部４２から水が流入しないようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記発電用パイプ１６の管壁に複数の開口部４２を設け、前記水圧均等空気室４０を前記複数の開口部４２ごとに設け、各水圧均等空気室４０内に前記発電装置３４の回転体３６の一部と軸体３８を配置したことを特徴とする。
また本発明は、前記発電用パイプ１６の管壁に前記水圧均等空気室４０を囲んで大型水圧均等空気室５４を設け、該大型水圧均等空気室５４の下部を開放し、該大型水圧均等空気室５４に圧縮空気を充填可能とし、圧縮空気の空気圧により大型水圧均等空気室５４に下部の開放部からの水の浸入を防止したことを特徴とする。
また本発明は、前記水圧均等空気室４０にドレン排出用のパイプ５２を設けたことを特徴とする。
また本発明は、前記発電用パイプ１６の管壁に、該管壁に対して傾斜した水流取入パイプ２０を管壁外側に突出して設けたことを特徴とする。
また本発明は、前記発電用パイプ１６の管壁に、前記水流取入パイプ２０に対して下流側近傍に位置させて、蓋を設け、該蓋により前記発電用パイプ１６の管路を開閉可能としたことを特徴とする
また本発明は、前記発電用パイプ１６の管壁に複数の細いパイプから成るパイプ群２６を配置し、該管路内の気泡を細かくし、気泡の上昇スピードを速めるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記発電用パイプ１６の管壁の内壁面に螺旋状にフィン２４を設け、発電用パイプ１６の管路内の気泡の上昇スピードを速めるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記発電用パイプ１６を複数本束ねたことを特徴とする。
また本発明は、前記発電用パイプ１６を骨組枠体７０の内側に固定し、該骨組枠体７０の上部に、圧縮空気供給機器部７２を設け、該圧縮空気供給機器部７２に圧縮空気供給パイプ５６を接続し、骨組枠体７０を人工プール６８に配置したことを特徴とする。
また本発明は、前記発電用パイプ１６の主要部が一方向に伸びる真直形状であることを特徴とする。
また本発明は、前記発電用パイプ１６が屈曲形状であることを特徴とするものである。

本発明は、水中に配置される発電パイプの管路に複数の発電湖装置を設けることができ、発電パイプから効率良く電力を取り出すことができる。また発電パイプの管壁に、発電パイプの内部と連結する水圧均等空気室を設けたので、発電装置の回転体の、水圧を逆方向に受ける部分を水圧均等空気室内に配置でき、効率よく回転体を回転させることができる。

本システムの全体説明図である。 本発明の説明図である。 本発明の説明図である。 本発明のＡ-Ａ線断面説明図である。 本発明の説明図である。 本発明の説明図である。 本発明の他の実施形態を示す説明図である。 本システムの他の実施形態を示す説明図である。

以下に本発明の構成を添付した図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発電システムの発電パイプを海中に吊り下げた構成の実施形態を示している。２は水深の深い海や湖の水面３に浮上配置した水上浮上施設であり、空気の詰まった浮き袋から成る浮力体４が複数個配置され、該浮力体４の浮力により水面に露出して浮上している。水上浮上施設２は、ロープ５により海底７４に取り付けられる。

水上浮上施設２には、風力発電機６と、該風力発電機６の出力により駆動されるコンプレッサー８、送電用の出力装置９、各種機器を制御するコントローラ（図示省略）等が設備されている。複数の浮力体４の各内部には圧縮空気充填用タンク１０が配置され、各タンク１０は、気圧調整弁１２を介してコンプレッサー８の出力部に接続するタンク用パイプ１４に連結している。１６は発電用パイプであり、本実施形態では全長が略１００メートル、外径が略２メートルのパイプを用いている。

発電用パイプ１６の上部は、ロープ等の取付具１８によって、水上浮上施設２に吊持されている。発電用パイプ１６の本体は、複数本の部分パイプ１６ａ（図２参照）により構成され、各パイプ１６ａはフランジを介して連結し、１本の発電用パイプ１６を構成している。図１の全体図では、部分パイプ１６ａを接続するフランジは図示省略され、１本の発電用パイプ１６として図示されている。各部分パイプ１６ａには、水流取入パイプ２０が設けられ、各パイプ２０は、発電用パイプ１６の本体に対して下向きに傾斜し、各パイプ２０の一端は、発電パイプ１６の管路内に逆止弁（図示省略）を介して連通し、他端は、水中に開口している。水流取入パイプ２０の各他端には、水中のゴミの侵入を阻止するためのネットなどのゴミ侵入阻止部材２２が取り付けられている。

発電パイプ１６の内側には、図５に示すように螺旋状にフィン２４が突設されている。また、発電用パイプ１６の管路には、発電用パイプ１６内の気泡２８（図６参照）を細かくするための細い複数のパイプから成るパイプ群２６が配置され、この細いパイプ群２６と螺旋状のフィン２４とで、発電用パイプ１６内の気泡２８の上昇スピードを高めるようにしている。発電用パイプ１６には、水流取入パイプ２０ごとに、蓋（図示省略）が配置されている。蓋は、ソレノイド３２により、発電用パイプ１６の管路を開閉する方向に制御されるように構成されている。水流取入パイプ２０がゴミで詰まったとき、コントローラは逆止弁を開放し、蓋を駆動してパイプ２０の直上の発電用パイプ１６の管路（中空部）を閉じ、水流取入パイプ２０内の水流を逆流させることでゴミ侵入阻止部材２２に付着したゴミを除去する。

発電用パイプ１６には、１０メートルごとに発電装置（発電タービン）３４（図３参照）の羽根車から成る回転体３６が配置されている。回転体３６の軸体３８は、発電用パイプ１６の側部に一体的に形成された水圧均等空気室４０の側壁に回転自在に軸支されている。回転体３６の軸体３８は、発電用パイプ１６の軸方向に対して直角な方向に配置されている。回転体３６は、図４に示すように、全周の約半分の部分が発電パイプ１６の中に配置され、他の約半分の部分が水圧均等空気室４０内に配置されている。

水圧均等空気室４０は、図４に示すように六面体のボックス体からなり、前壁４０ａが発電用パイプ１６の周壁に固定され、発電用パイプ１６の内部と、水圧均等空気室４０の内部は、発電用パイプ１６の周壁に形成された開口部４２を通じて、発電用パイプ１６の内部と連通している。水圧均等空気室４０には、クラッチ４４、変速機４６、フライホイル４８、発電機５０が配備されている。回転体３６、クラッチ４４、変速機４６、フライホイル４８、発電機５０の機構により、水圧均等空気室４０内に発電装置（発電タービン）３４が構成されている。空気室４０の底部には、ドレン排水用のパイプ５２が設けられている。

発電用パイプ１６には、前記空気室４０を囲んで、五面体のボックスからなる大型水圧均等空気室５４が取り付けられている。大型水圧均等空気室５４の底部は開放されている。上記空気室４０，５４、発電装置３４は、発電部３７を構成する。図１において、発電部３７の構成は図示省略されている。
図１中、５６は、圧縮空気供給パイプであり、一方が気圧調整弁５８を介して、タンク１０に接続し、下端部が発電用パイプ１６の下端部に挿入され、該発電用パイプ１６の内壁に固定されている。圧縮空気供給パイプ５６の下端近傍にはコントローラ（図示省略）によって開閉が制御される空気放出調整弁５９が取り付けられ、圧縮空気が数秒ごとの間隔で適量が発電パイプ１６に供給されるように構成されている。圧縮空気供給パイプ５６は、分岐され、気圧調整弁５８を介して、図２に示すように、水圧均等空気室４０と、大型水圧均等空気室５４に接続している。発電用パイプ１６の下端開放部には、ゴミ侵入防止部材２２が取り付けられている。

上記した構成において、発電用パイプ１６の下端に、圧縮空気を送り込むと、圧縮空気は気泡となって垂直に発電用パイプ１６の管路内を上昇するエネルギーが発生し、このエネルギーによって各発電部３７の回転体３６が回転し、発電機５０が発電する。発電部３７の水圧均等空気室４０は、気圧調整弁５８から供給された圧縮空気によって、室内に圧縮空気室が形成され、室内に発電用パイプ１６の開口部４２から水が浸入することはなく、室内の発電装置３４の回転体３６に対して水圧がかかることがなく、回転体３６を効率よく回転させることができる。フライホイル４８や、変速機４６やクラッチ４４等は、弱い空気エネルギーを安定した軸体３８の高速回転とし、該回転を発電機５０に入力する。

発電用パイプ１６内を気泡２８が上昇すると、発電用パイプ１６内の水も上昇し、気泡２８の上昇エネルギーを高め、このとき水流取入パイプ２０から水を発電用パイプ１６内に吸いこみ、気泡２８の上昇エネルギーを高める作用をする。各発電機５０の出力電力は、出力装置９に供給されここから外部に電力が出力される。本システムを構成する風力発電機６、コンプレッサー８、気圧調整弁１２，５８、発電装置３４、出力装置９、ソレノイド３２の各機器は、操作部を備えたコンピュータから成るコントローラ（図示省略）によって制御される。コントローラと各機器とは、図示省略した電気配線を介して電気的に接続している。

圧縮タンク１０に圧縮空気を貯蔵する方式は、風力発電機の電力により、コンプレッサーを駆動する構成に特に限定されるものではなく、各種の自然エネルギーを利用した発電機の出力を利用して圧縮空気を作るようにしても良い。また発電用パイプ１６は、単体で用いる方法に限定されるものではなく、複数本の発電パイプを束ねたパイプ束ね方式を採用しても良い。また本システムは水上浮上施設２を用いた発電パイプ吊り下げ方式に限定されるものでなく、発電パイプ１６を図６に示すように金属棒などの取付具６０を介して海や湖等の水底７４に固定する水底固定式としても良い。図６の発電パイプ１６の構成は、図１に示す発電パイプ１６の構成と同一であり、圧縮空気供給パイプ５６等は図示省略してある。大型水圧均等空気室５４は、気圧調整弁５８を介して供給される圧縮空気により、内部に空間が形成され、この空間に、水圧均等空気室４０内のドレンがパイプ５２から排出される。

図７は、本システムを給排水設備を備えた人工プール（発電用人工池）６８に設置した実施形態を示している。人工プール６８は本実施形態では深さ１０ｍ～２０ｍ規模となっている。工場で予め発電用パイプ１６が、取付具により、直方体形状の骨組枠体７０の内側に保持固定されている。骨組枠体７０にはクレーンで搬送するためのフック７４が設けられている。骨組枠体７０は、人工プール６８に１個又は複数個配置するのに適した寸法に設定され、金属製パイプから成る複数の縦型柱体７０ａと、金属製パイプから成る複数の横型柱体７０ｂと、上下の横型柱体７０ｂ間に交差して配置された金属製パイプから成る補強柱体７０ｃから構成され、これらは互いに結合されて縦長の直方体形状を構成している。発電用パイプ１６、圧縮空気供給パイプ５６が取り付けられた骨組枠体７０は、クレーンを用いて水を抜いた状態の人工プール６８内に配置され、発電システムの点検が行われる。点検後、人工プール６８に水が供給される。骨組枠体７０には最上部に、圧縮空気供給用、電気用、計器用等のプラグコンセントから成る接続部７２が設けられ、接続部７２を介して、圧縮エアータンク４に接続する圧縮空気供給パイプ５６により発電用パイプ１６の下端に圧縮空気が供給される。圧縮空気供給パイプ５６には、空気放出調整弁５９が取り付けられている。

プラグコンセントから成る接続部７２は、陸上に配置された風力発電機１６、コンプレッサ８，圧縮エアータンク４から成る圧縮エアー供給部７６と、送電用の出力部９にコード及びパイプを介して、接続している。圧縮空気供給パイプ５６は、接続部７２のプラグコンセントを介して、圧縮エアー供給部７６の圧縮エアータンク４に連結している。接続部７２，出力部９，圧縮エアー供給部７６、各種気圧調整弁５８等は、コンピュータから成るコントローラ３３によって制御されるように構成されている。コントローラ３３と本発電システムの各種電子機器との配線は図示省略している。図７において、発電パイプ１６に設置された発電部３７の構成は、図１に示す構成と同一であり、これらの構成は図示省略した。

発電用パイプ１６を陸上の人口プール６８に配置した理由は、海上などと違い誰でも簡単に発電施設に行くことができ、システムの本体や設備等の運搬及び設置工事とメンテナンスが簡単にできるためである。プール６８の深さは深ければ深いほど発電部３７を多く設置できる。またプール６４の平面形状を長方形にすることで、本システムの骨組枠体７０を人工プール６８に複数並列して配置することができる。

図８は、骨組枠体７０に発電パイプ１６をジグザグ状に屈曲して配置し、発電パイプ１６に発電部３７を設けた実施形態を示している。発電パイプ１６はジグザグ状以外に、各種の屈曲状態とすることができジグザグ状に特に限定されるものではない。発電部３７の構成は、図４に示す構成と同一であり、図示省略してある。

２ 水上浮上施設
４ 浮力体
５ ロープ
６ 風力発電機
８ コンプレッサー
９ 出力装置
１０ タンク
１２ 気圧調整弁
１４ パイプ
１６ 発電用パイプ
１６ａ 部分パイプ
１８ 取付具
２０ 水流取入パイプ
２２ ゴミ侵入阻止部材
２４ フィン
２６ パイプ群
２８ 気泡
３２ ソレノイド
３４ 発電装置（発電タービン）
３３ コントローラ
３６ 回転体
３７ 発電部
３８ 軸体
４０ 水圧均等空気室
４０ａ 前壁
４２ 開口部
４４ クラッチ
４６ 変速機
４８ フライホイル
５０ 発電機
５２ パイプ
５４ 大型水圧均等空気室
５６ 圧縮空気供給パイプ
５８ 気圧調整弁
５９ 空気放出調整弁
６０ 取付具
６８ 人工プール
７０ 骨組枠体
７２ 接続部
７４ フック

Claims (12)

1. 水中に延びる管路を有し、該管路に発電装置３４の回転体３６を配置した発電用パイプ１６と、圧縮空気貯蔵タンク１０に気圧調整弁５８を介して連結する圧縮空気供給パイプ５６とを備え、前記圧縮空気供給パイプ５６から発電用パイプ１６の下端内部に圧縮空気を送り込み、発電パイプ１６内に気泡を発生させ、気泡のエネルギーにより発電用パイプ１６内の水を押し上げ、水圧を誘導して前記回転体３６を回転させる発電システムであって、前記発電用パイプ１６の管壁に前記回転体３６の一部を配置するための開口部４２を設け、前記発電用パイプ１６の管壁に水圧均等空気室４０を設け、該水圧均等空気室４０と発電用パイプ１６の管壁にまたがって発電装置３４の回転体３６を配置し、前記回転体３６の軸体３８を前記水圧均等空気室４０内に配置し、該水圧均等空気室４０にパイプ５６と気圧調整弁５８を介して圧縮空気貯蔵タンク１０内の圧縮空気を供給し、該圧縮空気の空気圧によって前記水圧均等空気室４０に前記発電用パイプの管壁の回転体配置用の開口部４２から水が流入しないようにしたことを特徴とする水中空気浮力発電システム。
2. 前記発電用パイプ１６の管壁に複数の開口部４２を設け、前記水圧均等空気室４０を前記複数の開口部４２ごとに設け、各水圧均等空気室４０内に前記発電装置３４の回転体３６の一部と軸体３８を配置したことを特徴とする請求項１に記載の水中空気浮力発電システム。
3. 前記発電用パイプ１６の管壁に前記水圧均等空気室４０を囲んで大型水圧均等空気室５４を設け、該大型水圧均等空気室５４の下部を開放し、該大型水圧均等空気室５４に圧縮空気を充填可能とし、圧縮空気の空気圧により大型水圧均等空気室５４に下部の開放部からの水の浸入を防止したことを特徴とする請求項１に記載の水中空気浮力発電システム。
4. 前記水圧均等空気室４０にドレン排出用のパイプ５２を設けたことを特徴とする請求項３に記載の水中空気浮力発電システム。
5. 前記発電用パイプ１６の管壁に、該管壁に対して傾斜した水流取入パイプ２０を管壁外側に突出して設けたことを特徴とする請求項１に記載の水中空気浮力発電システム。
6. 前記発電用パイプ１６の管壁に、前記水流取入パイプ２０に対して下流側近傍に位置させて、蓋を設け、該蓋により前記発電用パイプ１６の管路を開閉可能としたことを特徴とする請求項１に記載の水中空気浮力発電システム。
7. 前記発電用パイプ１６の管壁に複数の細いパイプから成るパイプ群２６を配置し、該管路内の気泡を細かくし、気泡の上昇スピードを速めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水中空気浮力発電システム。
8. 前記発電用パイプ１６の管壁の内壁面に螺旋状にフィン２４を設け、発電用パイプ１６の管路内の気泡の上昇スピードを速めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水中空気浮力発電システム。
9. 前記発電用パイプ１６を複数本束ねたことを特徴とする請求項１に記載の水中空気浮力発電システム。
10. 前記発電用パイプ１６を骨組枠体７０の内側に固定し、該骨組枠体７０の上部に、圧縮空気供給機器部７２を設け、該圧縮空気供給機器部７２に圧縮空気供給パイプ５６を接続し、骨組枠体７０を人工プール６８に配置したことを特徴とする請求項１に記載の水中空気浮力発電システム。
11. 前記発電用パイプ１６の主要部が一方向に伸びる真直形状であることを特徴とする請求項１０に記載の水中空気浮力発電システム。
12. 前記発電用パイプ１６が屈曲形状であることを特徴とする請求項１０に記載の水中空気浮力発電システム。

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