JP4599126B2

JP4599126B2 - 水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電方法とその発電機構

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Publication number: JP4599126B2
Application number: JP2004264883A
Authority: JP
Inventors: 照治横須賀
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Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-09-13
Also published as: JP2006077719A

Description

本発明は発電システム及び発電方法に関するが、詳しくは海中及び水中における地下水発電方法とその発電機構に関するものである。

従来の水力発電は、水車を用いたものが一般的である。この水車を用いた水力発電の原理は、管水路の途中に水車を設けて水の位置エネルギーを水車の回転エネルギーにし、更に水車エネルギーの発電機の電気エネルギーに変える方法である。例えば、地下水流発電方法としては特開平１０−２１５２８１号（海水又は河川水を利用した地下水流発電方法とその発電機構）及び特開平７−７５３９５号（気泡による密度差を利用した発電システム）が開示されている。
特開平１０−２１５２８１号公報特開平７−７５３９５号公報特許文献１の発明は本願出願人が開発し開示したものであって、その具体的な地下水流発電方法は図５に示すとおりである。この従来方法は、海水又は河川水の水圧を利用して成る水力は発電機構において、海水又は河川水を水車に流水させる管水路と、該管水路の流水を貯水する水溜室と該水溜室の流水を管水路に環流かつ循環させる循環ポンプと、前記管水路内を循環する流水の圧力を利用して水車を作動させる水力発電機構とから構成され、更に前記循環ポンプと管水路との間に流水防止弁を設けかつ該流水防止弁と管水路との間に油圧又は水圧による流速調整部材を付設し前記管水路内の流水速度を調整する海水又は河川水を利用した地下水力発電方法とその発電機構の提供するものであり、その具体的な発電機構は、図３に示すように海水又は河川水Ｓの水面下に吸水管１１を有する管水路１２を埋設すると共に、地下１６の地面に連通される管水路１３に水車Ｄと水力発電機Ｃと循環ポンプ１５とを埋設して成り、循環ポンプ１５の作動によって管水路１２内の流水路１２に海水又は河川水Ｗの吸水管１１から流水させて環流と循環をさせる。この海水又は河川水Ｗの循環によって水車１２を回転させて水力発電機Ｃを駆動させることができる。

特許文献２記載の発明は、海や糊等の水中を有効利用して安定した電力を供給しかつ環境汚染の全くない気泡による密度差を利用した発電システムを提供するものであり、その主要な構成は上昇気水流管は水中にほぼ鉛直方向に設けられた中空の筒状部材であり、空気圧送パイプはこの上昇気水流管の下端に気体を送り込むためのものである。空気圧送ポンプは空気圧送パイプに空気を圧送するものであり、これにより上昇気水流管の下端に送られた空気が気泡となって放出される。この気泡は上昇水流管内を上昇するため、管内の密度が管外の密度よりも相対的に小さくなる。
こうして生じた密度差による煙突効果によって上昇気水流管内には上昇水流が発生し、この上昇水流によってタービンを回して発電機によって発電を行うところにある。
具体的な従来の発電システムは、図４に示すように上昇気水流管２２は水中にほぼ鉛直方向に設けられた中空の筒状部材であって、例えば樹脂材料により形成されている。空気圧送パイプ２１は、この上昇気水流管２２の下端に気体を送り込むためのものであり、その一方端は空気圧送ポンプに連結されている。空気圧送ポンプＣは、空気を圧縮して空気圧送パイプ２１に送り出すものであり、この圧縮空端に送られ気泡となって放出される。
このように上昇気水流管２２の下端付近に気泡が発生すると、この気泡Ｒは上昇するため上昇気水流管２２内の水の密度が外部の密度よりも相対的に小さくなる。すなわち、単位体積当たりの水の重量を比較すると、気泡Ｒを含んだ管内の水の密度の方が気泡Ｒを含まない管外の水の密度より小さくなる。

このような従来発電システムは、いずれも発電機を駆動するための起動力とその後の駆動には発電が不可欠である。すなわち、水車又はタービンを回動させるためには水力又は動力発電が必要であり、その回動後は循回ポンプの空気圧を介して海水等の水を循環させて継続発電を可能にすることが必要となる。これに本発明が解決しようとする課題を有する。

本発明は上記の如き課題を解決するために開発したものであって、例えば、発電用水が流入するための常時流水部７に連結した所定深さの水路部２と、少なくとも底部が2つに区切られ、区切られた底部の一方部が前記水路部２の底部に連結し頂部が前記常時流水部７より上部まで延び該頂部から斜め下部に向かって傾斜している水路管４と、前記水路管４の頂部から斜め下部に向かって傾斜している上部傾斜部の途中上部に連結し、上方に延出したのち下降して前記水路管４底部の区切られた他方部に連結する空気送風管５と、前記水路管４の傾斜部先端に連結され下方に配設された略U字型の常時放水部８と、前記空気送風管５内に設けられた空気を圧縮して送風する空気圧縮機Ｂと、前記水路管部の頂部と前記空気送風管５連結部間に設けられた水車直結型発電機Ａとを備え、前記空気圧縮機Ｂは、圧縮した空気が前記空気送風管５を介して前記水路管４の底部他方部から前記水路部４に噴出することを特徴とする。
そして例えば、前記空気送風管５の前記水路管４底部の区切られた他方部への連結部分に近接して圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵部６を備えることを特徴とする。
また例えば、前記水路管４の底部から前記常時放水部８の放水口間をほぼ気密構造とすることを特徴とする。
または、発電用水が流入するための流水路に連結した所定深さの水路部２と、少なくとも底部が2つに区切られ、区切られた底部の一方部が前記水路部２の底部に連結し頂部が前記常時流水部７より上部まで延び該頂部から斜め下部に向かって傾斜している水路管４と、前記水路管４の頂部から斜め下部に向かって傾斜している上部傾斜部の途中上部に連結し、上方に延出したのち下降して前記水路管４底部の区切られた他方部に連結する空気送風管５と、前記水路管４の傾斜部先端に連結され下方に配設された略U字型の常時放水部８とを備える発電システムの発電方法であって、前記空気送風管５内に空気を圧縮して送風する空気圧縮機Ｂと、前記水路管４の頂部と前記空気送風管５連結部間に水車直結型発電機Ａを設け、前記空気送風管５をほぼ気密にして前記空気圧縮機Bよりの圧縮空気を前記水路管４の底部から取り込まれた発電用水と混合して前記水路管４内の発電用水の比重を小さくして頂部まで押し上げ、前記水車直結型発電機Aを回転させた後に常時放水部８から排出し、発電用水と混合した空気は前記水車直結型発電機A通過後に前記空気送風管５から空気圧縮機Bに圧縮状態で送られることで空気圧縮状態を維持する発電方法であることを特徴とする。
そして例えば、前記空気送風管５の前記水路管４底部の区切られた他方部への連結部分に近接して圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵部６を備え、前記水路部２よりの取水量に応じて前記圧縮空気を混合可能とする発電方法であることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮気体を使用して強い上昇水流を発生させ、該上昇水流を利用して効率の良い発電をすることができる。また、簡単な構成で発電に使用する圧縮気体を外部に対して気密状態に保つことにより、気体圧縮効率を向上させることができ、高い圧縮効率と発電効率を達成することができる。

本発明の最良な実施形態は、海抜０ｍ以下の地下空間における水圧と大気圧力と圧縮空気エネルギーとを利用した天然エネルギーの流水発電方法によることを特徴とする水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電方法であり、また前記の地下水流発電方法において水の押し上に使用する圧縮空気と水の押上に使用した圧縮空気とが余剰電力によりエネルギーとして事前貯蔵を可能にしかつ大気圧を隔離した圧縮空気の循環システムによりエネルギーの再使用を可能にした水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電方法であるから、前述のように従来では得られない多くの効果が得られる。

また本発明の最良な実施形態は、水路管底部の圧縮空気の吹出口付近を上向に移動する圧縮空気の作用により大気圧の重さを低下させかつ水路側から水路管内への流入水の比重を小さくし、該水路側に作用する大気圧の重さと水圧とをエネルギーとして作用させ水路管内の水を高い位置まで押し上ることを特徴とする水圧・圧縮空気及び大気圧を利用して地下水流発電機構であり、また前記の地下水発電機構において貯水管に海水又は河川水の水を常時流入部から流水しかつ水量調整部を介して水路の水量を調節しながら、水路管へ流入させかつ同時に水路直結の圧縮空気貯蔵部から圧縮空気を水路管へ注入し、更に前記水路管に流れている水を押し上て再度水車直結型の発電機に流水する水圧・圧縮空気及び大気圧を利用して地下水流発電機構であり、更に前記の地下水流発電機構において水車直結型発電機からの送水を常時放水部から別設の水路管を介して常時放水部から放出させて圧縮空気の回収システムを備えて水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電機構であるから、前述のように従来システムでは得られない多くの効果が得られる。

以下、図面に従って本発明に係る一発明の実施例システムについて説明する。
図１は本実施例システムの地下水流発電方法を示したものであり、Ａが水車直結型の発電機でＢが空気圧縮機である。水車直結型発電機Ａは、海水又は河川水などの水量調整した水Ｗと圧縮空気とを一緒に送り込れた水圧と空気圧によって水車を回動して循環する方法である。
一方、水車直結型発電機Ａから流水された水Ｗと空気は、図２の回収システムを介して常時放水され、空気は空気圧縮機Ｂを介して再度圧縮空気貯蔵６に送り込まれる。この循環工程を繰り返して発電機を駆動させて電力を貯蔵することが可能となる。
なお、図中１は貯水管、２は水路、３は水量調整部、４は水路管、５は空気送風管、７は常時流水部、８は常時放水部である。

図１に示すように、本実施の形態例は、常時流水部７に連結した所定深さの水路部２と、少なくとも底部が2つに区切られ、区切られた底部の一方部が水路部２の底部に連結し頂部が常時流水部７より上部まで延び該頂部から斜め下部に向かって傾斜している水路管４と、水路管４の頂部から斜め下部に向かって傾斜している上部傾斜部の途中上部に連結し、上方に延出したのち下降して水路管４底部の区切られた他方部に連結する空気送風管５と、水路管４の傾斜部先端に連結され下方に配設された略U字型の常時放水部８と、空気送風管５内に設けられた空気を圧縮して送風する空気圧縮機Ｂと、水路管４の頂部と空気送風管５連結部間に設けられた発電機Ａとを備え、空気圧縮機Ｂは、圧縮した空気が空気送風管５を介して前記水路管４の底部他方部から前記水路管４に噴出する構成である。
更に、空気送風管５の水路管４底部の区切られた他方部への連結部分に近接して圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵部６を備える。
次に、本実施例システムの地下水流発電方法のエネルギー理論について説明する。すでに海上保安試験研究センターにおいて発表されている「潮流発電装置に関する研究」によれば、そのエネルギー理論は次のとおりである。

物体の運動エネルギーＰは次式で与えられる。

Ｐ＝１／２ρＡＶ³η・・・・・・・1
ここで、ρ：流体密度（ｋｇ／）
Ｖ：流体速度（ｍ／ｓ）
Ａ：流れに垂直な断面積（掃過面積）
（平方メートル）

理想水車が自然流から取り出すことのできる最大軸出力Ｐ_tmaxは、次式で表される。

Ｐ_tmax＝８／２７ρＡＶ³・・・・・・・２
１、２式より、水車理論効率の最大値η_tmaxは次式となる。

η_tmax＝Ｐ_tmax／Ｐ＝０．５９３
実際の水車では、水車出力係数（ＰｏｗｅｒＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）Ｃｐとして表すので水車軸出力Ｃｔは一般に次式で示される。

Ｃｔ＝１／２ρＡＶ³Ｃｐ・・・・・・・３
３式より、理論的に潮流の有するエネルギーは海水の密度ρ＝１，０２５ｋｇ／とすれば、流速１ｍ／ｓ（約１．９４ｋｔ）で流れに垂直な断面積１平方メートルあたり約５００Ｗである。この値は、水車により違いプロペラ方式では０．３〜０．４、ローター方式では０．２〜０．３であるので約１００Ｗ〜２００Ｗの水車軸出力が得られる。更に、３式より明らかなように流速の３乗に比例するので流速２ｍ／ｓ（約３．８８ｋｔ）になると水車軸出力は８００Ｗ〜１６００Ｗが得られることになる。

更に本実施例の発電方法において、発電の基となるエネルギー源についての実験例は次のとおりである。

〈エネルギー源の発電条件〉

１．事前に製造し貯蔵した圧縮空気：３００ＫＰａ：５００立方メートル
２．圧縮空気の再使用に伴う圧縮力アップ：５０ＫＰａ
３．水路側の水の深さ２０ｍ：２００ＫＰａ
４．大気圧の重さ：１００ＫＰａ
管水路内の全揚程＝１＋３＋４＝１３ｍ＋６ｍ＋６ｍ＝２５ｍ
〈出力計算条件〉

１．管水路の断面積：４平方メートル
２．管水路の高さ（深さ）：２５ｍ
３．毎秒当たりの送水量：５０立方メートル
４．毎秒当たりの圧縮空気の量：５０立方メートル（３００ｋｐａ）
５．管水路内の水の速度：２２ｍ／ｓ
６．管水路内への注入の圧縮空気圧力ｐ1 : ３００ｋｐａ
７．圧縮空気再使用時の初期空気圧ｐ2 : ３００ｋｐａ

なお、本実施例発電方法に用いられる機種の事例は次のとおりである。
（１）圧縮機の理論動力
気体ガスを圧縮したときの圧力（ρ）と体積（ν）の関係式ρν^k ＝一定 (ｋは圧縮指数) からｋ＝１のとき等温圧縮であり、断熱圧縮の場合ｋは比熱比（定圧比熱と定積比熱との比）として表され、空気の場合ｋ＝１．４０である。
これより圧縮機の理論所要動力Ｐｏは、風量Ｑ（立方メートル／ｓ）を圧力ρ₁ （Ｐａ）から圧力ρ₂ （Ｐａ）に圧縮するとき次式で示される。

(２) 電動機の所要動力
実際に電動機に要求される所要動力Ｐｍは次式で示される。

ここで、ａ：余裕率（０．０５〜０．２），η：機械効率
（３）ポンプ（送風機）の運転と流量制御
ポンプ（送風機）は、配管路状態および吹込み・吐出しの状態に応じて両者の釣り合った点が運転点となる。すなわち、管路内などの摩擦抵抗損失を示す管路抵抗曲線Ｒと、吐出量（風量）Ｑと揚程（風圧）Ｈの相関を示すＱ−Ｈ曲線との交点がポンプ（送風機）の運転点となる。流量制御として代表的なものに、ポンプの場合の台数制御、管路弁の開度を調整する弁制御や回転速度制御などがある。

図２は本発明に係る一実施例の発電機構を示したものであり、基本的システムは図１に示した方法と同じ機構である。すなわち、１は海水や河川水の水ｗを常時満水状態に溜める貯水管であり、常に常時流水部７から水ｗが流入されている。この貯水管１の水ｗは水路２を経て下端に有する水量調整部３で水量が調整され水路管４に送り込まれて圧縮空気と一緒に水車直結型発電機Ａに送り込まれる。
一方、空気圧縮機Ｂの圧縮空気は、空気送風管５を経て圧縮空気貯蔵６に送り込まれ前記の水路管４に送り込れた水ｗと一緒に水車直結型発電機Ａに送り込れる。そして、水車直結型発電機Ａに送り込れた水ｗは常時放水部８に放出され、回収システムを介して放出かつ回収されることになる。
更に、圧縮空気の方は再度空気圧縮機Ｂに送り込れ空気送風管５を経て圧縮注入部６に送り込れる。この水ｗと圧縮空気の循環作用によって少量の起電力があれば以降の起動電力は、発電機の駆動作用によって駆動させることが可能となる。
以上説明したように本実施の形態例は、水圧と大気圧力と圧縮空気エネルギーとを利用した天然エネルギーの流水発電方法によることを特徴とする水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電方法及び前記の地下水流発電方法において水の押し上に使用する圧縮空気と水の押上に使用した圧縮空気とが余剰電力によりエネルギーとして事前貯蔵を可能にし大気圧を隔離した圧縮空気の循環システムによりエネルギーの再使用を可能にした水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電方法であり、また水路管底部の圧縮空気の吹出口付近を上向に移動する圧縮空気の作用により大気圧の重さを低下させかつ水路側から水路管内への流入水の比重を小さくし、該水路側に作用する大気圧の重さと水圧とをエネルギーとして作用させ水路管内の水を高い位置まで押し上ることを特徴とする水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電機構であり、また前記の地下水流発電機構において貯水管に海水又は河川水の水を常時流入部から流水しかつ水量調整部を介して水路の水量を調節しながら、水路管へ流入させかつ同時に水路直結の圧縮空気貯蔵部から圧縮空気を水路管へ注入し、更に前記水路管に流れている水を押し上て再度水車直結型の発電機に流水する水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電機構であり、更に前記の地下水流発電機構において水車直結型発電機からの送水を常時放水部から別設の水路管を介して常時放水部から放出させて圧縮空気の回収システムを備えた水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電機構の提供にある。
［本実施の形態例の効果］
本実施の形態例は、海抜０ｍ以下の地下空間における水圧と大気圧力と圧縮空気エネルギーとを利用した天然エネルギーの流水発電方法によることを特徴とする水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電方法であり、また前記の地下水流発電方法において水の押し上に使用する圧縮空気と水の押し上に使用した圧縮空気とが余剰電力によりエネルギーとして事前貯蔵を可能にしかつ大気圧を隔離した圧縮空気の循環システムによりエネルギーの再使用を可能にした水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水発電方法である。
更に本実施の形態例は水路管底部の圧縮空気の吹出口付近を上向に移動する圧縮空気の作用により大気圧の重さを低下させかつ水路側から水路管内への流入水の比重を小さくし、該水路側に作用する大気圧の重さと水圧とをエネルギーとして作用させ水路管内の水を高い位置まで押し上ることを特徴とする水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電機構であり、また前記の地下水流発電機構において貯水管に海水又は河川水の水を常時流入部から流水しかつ水量調整部を介して水路の水量を調節しながら、水路管へ流入させかつ同時に水路直結の圧縮空気貯蔵部から圧縮空気を水路管へ注入し、更に前記水路管に流れている水を押し上て再度水車直結型の発電機に流水する水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電機構である。
また前記の地下水流発電機構において水車直結型発電機からの送水を常時放水部から別設の水路管を介して常時放水部から放出させて圧縮空気の回収システムを備えた水圧・圧縮空気及び大気圧を利用した地下水流発電機構であるから、無尽蔵・無公害・低価格の天然エネルギーの発電システムを提供するものである。その結果、二酸化炭素等の排出による地球温暖化防止を未然に防ぐことができ、また従来不可能とされていた次のような多くの効果も得られる。
ア）水路管内の水を管底から管の上端まで押し上に使用する圧縮空気は、余剰電力等により事前に製造しエネルギーとしての貯蔵が可能となること。
イ）水路管内の水の押し上に使用した圧縮空気は、循環システムによりエネルギーとして発生した少量の電力使用が可能となること。
ウ）水路管底部の圧縮空気の吹出口付近は上向きに移動する圧縮空気の作用により大気圧の重さが低下し、その結果水路側から水路管内へ流入する水の比重は小さくなり、合わせて水路側に作用する大気圧の重さと水路側の水圧がエネルギーとして作用するから水路管内の水は高い位置まで押し上が可能となること。

本発明に係る一実施の形態例の発電方法を示した説明図である。本実施の形態例の発電機構を示した概要図である。従来の地下水流発電システムを示した概要図である。従来の地下水流発電システムを示した概要図である。

符号の説明

１貯水管２水路
３水量調整部４水路管
５空気送風管６圧縮空気貯蔵部
７常時流水部８常時放水部
１１吸水管１２流水路
１３管水路１４水溜室
１５循環ポンプ１６地下
２１空気圧送パイプ２２上昇気水流管
２３タービン２４回転シャフト
Ａ水車直結型発電機Ｂ空気圧縮機
Ｃ水力発電機Ｄ水車
Ｅ空気圧送ポンプＦ発電機
Ｗ水Ｒ気泡

Claims

発電用水が流入するための常時流水部７に連結した所定深さの水路部２と、
少なくとも底部が2つに区切られ、区切られた底部の一方部が前記水路部２の底部に連結し頂部が前記常時流水部７より上部まで延び該頂部から斜め下部に向かって傾斜している水路管４と、
前記水路管４の頂部から斜め下部に向かって傾斜している上部傾斜部の途中上部に連結し、上方に延出したのち下降して前記水路管４底部の区切られた他方部に連結する空気送風管５と、
前記水路管４の傾斜部先端に連結され下方に配設された略U字型の常時放水部８と、
前記空気送風管５内に設けられた空気を圧縮して送風する空気圧縮機Ｂと、
前記水路管部の頂部と前記空気送風管５連結部間に設けられた水車直結型発電機Ａとを備え、
前記空気圧縮機Ｂは、圧縮した空気が前記空気送風管５を介して前記水路部４の底部他方部から前記水路管４に噴出することを特徴とする発電システム。
前記空気送風管５の前記水路管４底部の区切られた他方部への連結部分に近接して圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵部６を備えることを特徴とする請求項１記載の発電システム。
前記水路管４の底部から前記常時放水部８の放水口間をほぼ気密構造とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発電システム。
発電用水が流入するための常時流水部７に連結した所定深さの水路部２と、少なくとも底部が2つに区切られ、区切られた底部の一方部が前記水路部２の底部に連結し頂部が前記常時流水部７位置より上部まで延び該頂部から斜め下部に向かって傾斜している水路管４と、前記水路管４の頂部から斜め下部に向かって傾斜している上部傾斜部の途中上部に連結し、上方に延出したのち下降して前記水路管４底部の区切られた他方部に連結する空気送風管５と、前記水路管４の傾斜部先端に連結され下方に配設された略U字型の常時放水部８とを備える発電システムの発電方法であって、
前記空気送風管５内に空気を圧縮して送風する空気圧縮機Ｂと、前記水路管４の頂部と前記空気送風管５連結部間に水車直結型発電機Ａを設け、
前記空気送風管５をほぼ気密にして前記空気圧縮機Bよりの圧縮空気を前記水路管４の底部から取り込まれた発電用水と混合して前記水路管４内の発電用水の比重を小さくして頂部まで押し上げ、前記水車直結型発電機Aを回転させた後に常時放水部８から排出し、発電用水と混合した空気は前記水車直結型発電機A通過後に前記空気送風管５から空気圧縮機Bに圧縮状態で送られることで空気圧縮状態を維持することを特徴とする発電方法。
前記空気送風管５の前記水路管４底部の区切られた他方部への連結部分に近接して圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵部６を備え、前記水路部２よりの取水量に応じて前記圧縮空気を混合可能とすることを特徴とする請求項４記載の発電方法。