JP4947800B2

JP4947800B2 - 発電装置および発電方法

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Publication number: JP4947800B2
Application number: JP2007532161A
Authority: JP
Inventors: 富男菅野
Original assignee: INSTITUTE FOR ENERGY APPLICATION TECHNOLOGIES CO.,LTD.
Current assignee: INSTITUTE FOR ENERGY APPLICATION TECHNOLOGIES CO.,LTD.
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: WO2007023879A1; JPWO2007023879A1; GB2442929B; CN101248268B; US20080191486A1; GB2442929A; CN101248268A; US7948106B2; GB0803534D0

Description

本発明は、自然エネルギーを利用した発電に関し、特に、水流または潮流のエネルギーを利用した発電装置および発電方法に関する。

流体中に配置された水車の回転力を利用して発電する技術は知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、風車の回転力を利用して油圧を発生させ、油圧モータによって発電機を駆動する技術も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平８−２１０２３７号公報特開平１１−２８０６３７号公報

ところで、自然エネルギーによる発電を普及させるためには、発電単価を大幅に低減することが必要である。しかしながら、上記特許文献１に記載されているような装置では、水車と発電機とが共に流体中に埋没されるため、発電機には高い防水性が要求される。そのため、発電装置が高価になるとともに保守費も高くなり、発電単価が高くなる。

また、河川の水流を利用する発電において、発電単価を低減するためには、一般の水力発電所で使用されている標準タイプの水車や発電機を使用することが望ましい。しかしながら、河川の水流を利用する発電では、水の落差が著しく小さいことから、ダム式や水路式の発電所で採用されている高落差用水車等を使用することができない。

さらに、風力発電は天候の影響を受けやすく、水力発電に比べて稼動率が低い。このため、上記特許文献２に記載されているような装置においても、風車が回転しないと油圧を発生させることができないので、発電単価は高くなる。また、この風力発電装置では、油圧を用いて発電機を駆動するので、高粘度の油による管摩擦圧力損失が大きくなり、発電効率が低下する。さらに、油圧を利用する発電装置の場合は、油漏れのおそれがあり、油漏れによる環境汚染が懸念される。

そこで本発明は、水の落差が小であっても、ダム式または水路式発電所で用いられている高落差用水車および発電機による発電を可能にし、発電単価を低減するとともに、環境を汚染しない発電装置および発電方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、水の流れによって駆動される第一の水車と、前記第一の水車によって駆動され前記水の一部を汲み上げるポンプと、地上側に設けられ、前記ポンプによる取水位置よりも高い位置に配置される第二の水車と、前記ポンプにより汲み上げられた水を前記第一の水車が受ける水の運動エネルギーを利用して前記第二の水車を回転駆動させるための圧力まで上昇させる管路に設けられ、前記第二の水車に供給される水の圧力を一定に保つ圧力制御弁と、地上側に設けられ前記第二の水車によって駆動される発電機と、を備えたことを特徴とする発電装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発電装置において、前記発電機によって生じた電力を貯蔵する電力貯蔵手段を備えたことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、水の流れによって第一の水車を駆動させ、前記第一の水車によって駆動されるポンプにより前記水の一部を管路に汲み上げ、前記ポンプにより汲み上げられた前記管路の水を前記第一の水車が受ける水の運動エネルギーを利用して第二の水車を回転駆動させるための圧力まで上昇させるとともに、前記第二の水車に供給される水の圧力を前記管路に設けられる圧力制御弁によって一定に保ち、前記管路から供給される圧力が上昇した水によって地上側の前記ポンプによる取水位置よりも高い位置に配置される前記第二の水車を駆動させ、前記第二の水車によって地上側に設けられた発電機を駆動させて発電を行う、ことを特徴とする発電方法である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発電方法において、前記発電機によって生じた電力は、水を電気分解して水素を製造するために使用されることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発電方法において、前記発電機によって生じた電力は、電動機で走行する車両に供給されることを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の発電装置または請求項３〜５のいずれか１項に記載の発電方法において、前記第一の水車と前記ポンプとを複数備えたことを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、請求項１または２に記載の発電装置または請求項３〜５のいずれか１項に記載の発電方法において、前記第一の水車は、増速堰によって加速された水の流れによって駆動されることを特徴としている。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発電装置または発電方法において、前記第二の水車および発電機は、前記増速堰の上に配置されていることを特徴としている。

請求項９に記載の発明は、請求項１または２に記載の発電装置または請求項３〜５のいずれか１項に記載の発電方法において、前記第一の水車およびポンプは、前記水に浮かび係留されたフロートに支持されていることを特徴としている。

請求項１０に記載の発明は、請求項１または２に記載の発電装置または請求項３〜５のいずれか１項に記載の発電方法において、前記水は海水である、ことを特徴としている。

さらに、次のようにしてもよい。第１に、請求項３に記載の発電方法において、前記水が海水であって、前記第二の水車から吐出された海水に含まれる鉱物資源を捕捉する鉱物資源採取工程を備える。

第２に、請求項３に記載の発電方法において、前記水が海水であって、前記第二の水車から吐出された海水を魚貝類の養殖に用いる。

第３に、請求項３に記載の発電方法において、前記水が海水であって、前記第二の水車から吐出された海水を淡水化処理する。そして、淡水化によって得られた水を食糧生産のために用いる。あるいは、淡水化によって得られた水を電気分解による水素製造のために用いる。

請求項１および請求項３に記載の発明によれば、第二の水車と発電機とを地上側に設け、ポンプから吐出された水を所定の圧力まで上昇させ、圧力が上昇した水を第二の水車に供給するようにしたので、水の落差が小であってもダム式や水路式の発電所で使用されている高落差用水車や発電機を使用することができる。これにより、装置を安価に抑えることができ、発電単価を低減することができる。また、発電機は地上側に設けられるため、標準タイプの発電機が使用でき、発電機が水中に配置される構造に比べて保守が容易となる。さらに、油圧で発電機を駆動する構造を採用しないので、流水または潮流への油の流出の危険がなく、環境汚染の心配もない。また、水や海水は油に比べて低粘度であり、管摩擦圧力損失が小さいので、油圧を用いた場合よりも発電効率が向上する。

請求項２に記載の発明によれば、発電機によって生じた電力を電力貯蔵手段に貯蔵するようにしたので、貯蔵された夜間電力を昼間のピーク時に負荷に供給することができ、電力負荷の平準化が図れる。

請求項４に記載の発明によれば、発電機によって生じた電力により水を電気分解して水素を製造するようにしたので、降水量の多い地域では大量の水素を製造することができる。この水素を電力需要の多い各地域に輸送すれば、各地域でのクリーンエネルギーによる発電が可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、発電機によって生じた電力を電動機で走行する車両に供給するようにしたので、乗用車、バス、トラック等の車両からのＣＯ_２の排出が解消され、地球温暖化を抑制することができる。

請求項６に記載の発明によれば、第一の水車とポンプとを複数備えているので、第二の水車へ大量の水を供給でき、発電機を高速で回転駆動させることができる。これにより、流水や潮流を利用する発電としては大規模な発電が可能となる。

請求項７に記載の発明によれば、第一の水車は増速堰によって加速された水の流れによって駆動されるので、流れの緩やかな河川であってもポンプから吐出される水の流量を増加させることが可能となり、発電量を増加させることができる。

請求項８に記載の発明によれば、増速堰の上に第二の水車および発電機を配置したので、発電所を設置するためのスペースを確保する必要がなく、発電所の建設コストを低減することができる。

請求項９に記載の発明によれば、第一の水車およびポンプを係留されたフロートに支持するようにしたので、水車やポンプを河川等の河底に設けた基礎に支持する構造に比べ、コストを低減することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、水は海水であるので、以下の効果が得られる。

第１に、第二の水車から吐出された海水を利用することで、海水を利用した従来の鉱物資源採取や淡水化のようにモータ等により海水を汲み上げる必要がなくなる。従って、少ないエネルギーで鉱物資源の採取や淡水化が可能となり、コストを低減することができる。

第２に、第二の水車から吐出された海水を魚貝類の養殖に用いることで、地上側でも海水を利用した魚貝類の養殖が容易となる。これにより、海洋での養殖のように気象条件等の影響を受けることが少なくなくなり、魚貝類の生産性を高めることができる。

第３に、第二の水車から吐出された海水を淡水化処理することで、淡水が入手困難な場所での食糧生産などが可能となる。また、淡水化によって得られた水を電気分解による水素製造のために用いることで、電気分解に必要な淡水が入手困難な場所でも水素製造が可能となる。

本発明の実施の形態１に係わる発電装置の構成ブロック図。本発明の実施の形態１に係わる発電装置の発電系統図。本発明の実施の形態１に係わる発電装置の増速堰周辺の平面図。図３のＡ−Ａ断面図。本発明の実施の形態１に係わる発電装置による発電の利用方法を示すブロック図。本発明の実施の形態２に係わる発電装置の発電系統図。図６のＢ−Ｂ断面図。本発明の実施の形態３に係わる発電装置の発電系統図。本発明の実施の形態４に係わる発電装置の発電系統図。本発明の実施の形態５に係わる発電装置の発電系統図。本発明の実施の形態６に係わる発電装置の発電系統図。図１１のＣ−Ｃ断面図。本発明の実施の形態６に係わる発電装置におけるフロートの位置制御方法を示すフローチャート。本発明の実施の形態７に係わる発電装置の構成ブロック図。図１４の発電装置の概要斜視図。図１５におけるフレームの拡大斜視図。図１６のフレームに形成された流路近傍の断面図。

符号の説明

１河川
２第一の水車
３ポンプ
４第二の水車
５発電機
６配管
７圧力制御弁（昇圧手段）
８調速機
１１スイッチ
１２フィルタ
２１交流直流変換器
２２電力貯蔵手段（バッテリー）
２３直流交流変換器
２４太陽電池
２５コントローラ
２６水素製造装置
３４充電器
３５増速堰
５０フロート
７０電気自動車
８０フロート
２００フレーム
２０１流路
２１１増速堰
２１４鉱物資源採取装置
２１６養殖池
２１７淡水化装置
２１９食糧生産工場
２２０水素製造装置
Ｗ１水
Ｗ２海水

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１〜図５は、本発明における実施の形態１を示している。本発明における水には、海水も含まれる。本発明が対象とする自然エネルギーは、河川であれば水流であり、海洋であれば潮流（海流）である。実施の形態１は水流および潮流のいずれにも適用できるが、ここでは、河川の水流を利用した例について説明する。

符号１は河川を示している。河川1の水Ｗ１の中には、第一の水車２が３機設けられている。第一の水車２は、水流によって回転駆動力を得られるものであれば、種類を問わない。水深が浅い場合は、バケットコンベアータイプの水車を採用するのが望ましい。本実施形態では、第一の水車２として、プロペラ水車が使用される。プロペラ水車からなる第一の水車２は、ポンプ３の回転軸に取り付けられている。ポンプ３は、その回転軸が第一の水車２によって回転駆動されることにより、河川１の水Ｗ１を汲み上げる機能を有する。また、ポンプ３は、第二の水車４に供給される水の圧力および流量に基づき、最適な種類およびサイズのものが選定される。本実施形態では、３機の第一の水車２と３機のポンプ３が設けられている。各ポンプ３は、河川１の川底に設けられた基礎３６に固定されている。基礎３６は、鉄筋コンクリートからなる。第一の水車２は水中に埋没されるが、設置工事を容易にするため、第一の水車２およびポンプ３を地上側から支持する構成としてもよい。また、第一の水車２およびポンプ３は、後述する鋼矢板を用いた増速堰３５に支持される構成としてもよい。各ポンプ３には、地上側に設けられた発電家屋２０に向かって延びる配管６が接続されている。

配管６は、吸込み用配管６ａと吐出用配管６ｂとを有する。各ポンプ３の吸込み用配管６ａの先端には、フィルタ１２が取付けられている。河川１の水流による第一の水車２の回転によってポンプ３が駆動されると、河川１の水Ｗ１の一部はフィルタ１２を介してポンプ３に汲み上げられる。ポンプ３によって汲み上げられた水Ｗ１は、吐出用配管６ｂを介して第二の水車４側に供給される。ポンプ３の下流側の吐出用配管６ｂには、昇圧手段としての圧力制御弁７が設けられている。この圧力制御弁７は、各ポンプ３から吐出された水Ｗ１を所定の圧力まで上昇させる機能を有する。圧力制御弁７によって制御される水Ｗ１の圧力の値は、第二の水車４の種類に応じて最適値に設定されている。圧力制御弁７は、第二の水車４に供給する水Ｗ１の圧力を一定に保つため、圧力制御弁７に供給された水Ｗ１の一部を第二の水車４の下流側の下流側配管６ｃに戻す機能を有する。なお、昇圧手段は、圧力制御弁７に限定されず、流路断面積を絞る調整弁であってもよい。

発電家屋２０には、第二の水車４、発電機５等が配置されている。第二の水車４および発電機５は、地上側に設けられた基礎に固定されている。第二の水車４の出力軸には、発電機５の回転軸が連結されている。発電機５は、第二の水車４の回転駆動力によって回転し、交流の電力を発生させる。第二の水車４には、調速機８が設けられている。調速機８は、発電機５の負荷変動に合わせて第二の水車４に供給される水量を自動調整する機能を有する。これにより、発電機５の負荷変動による第二の水車４および発電機５の回転数の変動が防止され、交流電力の周波数は一定に保たれる。第二の水車４から吐出された水Ｗ１は、下流側配管６ｃを介して排出口６ｄから第一の水車２の上流側に戻される。

第二の水車４は、ダム式または水路式発電所等で採用される標準タイプのフランシス水車やペルトン水車等から構成されている。発電機５は、ダム式または水路式発電所等の水力発電所で使用されているものと同様の同期発電機から構成されている。第一の水車２およびポンプ３を複数採用したのは、河川1からの多量の水Ｗ１を供給し大型の第二の水車４を駆動させるためである。すなわち、第一の水車２およびポンプ３を増加することにより、ダム式や水路式発電所と同様の大型の第二の水車４を高速回転で駆動させることが可能となる。これにより、河川１の水流を利用する発電であっても、大規模な発電が可能となるとともに、水中に発電機を設置する構造に比べ保守性も向上する。また、第二の水車４および発電機５として一般の水力発電所で使用される標準タイプものを採用することにより、発電装置の投資コストを低減することが可能となる。

第一の水車２の上流側には、水Ｗ１の速度を増加させるための増速堰３５が設けられている。この増速堰３５は、川底に固定されている。増速堰３５は、水Ｗ１の流れを変えるものであれば、コンクリート、石を積んだ構造、鉄製等、種類を問わない。例えば、鋼矢板（ｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｐｉｌｉｎｇｓ）を川床に打ち込むことにより、増速堰３５は、容易に得られる。増速堰３５の上流側の端部３５ｃは、川岸１ａの近くに位置している。増速堰３５の傾斜部３５ａは、川岸１ａの近くから川を斜めに横断するように、第一の水車２の近くまで延びている。増速堰３５の直線部３５ｂは、第一の水車２の上流近くからポンプ３の下流近くまで、川の流れ方向と同じ方向に延びている。増速堰３５の上流側における水の流速は、Ｖ_１となっている。第一の水車２が位置する場所の水Ｗ１の流速は、増速堰３５によってＶ_１よりも著しく速められ、Ｖ_２となっている。

川底から増速堰３５の頂部までの高さは、Ｈ_１となっている。水面から増速堰３５の頂部までの高さは、Ｈ_２となっている。本実態様では、増速堰３５の頂部は水面から露出しているが、水面よりも少し低くすることは可能である。この場合は、増速堰３５は地上側からは見えないので、以前の景観を維持することができる。増速堰３５の高さＨ_１は、洪水等の水量増加時に、水Ｗ１が地上に氾濫しない高さに設定されている。増水時には、水Ｗ１は増速堰３５を超えて下流側に流れる。水の流速が速い山間部等の場所では、増速堰３５は不要である。平野部は山間部に比べて水の流れが緩やかになるが、水Ｗ１の流れを集中させる増速堰３５を採用することにより、大きなエネルギーで第一の水車２を駆動させることができる。

第一の水車２の上流側には、第一の水車２側への魚類や流木などの異物の侵入を防止するフェンスを設けることが望ましい。このフェンスには、異物が滞留するのを防止する異物除去装置を設けることが望ましく、また、フィルタ１２の吸込部分には、目詰りを防止するために、流水のエネルギーによって回転する回転ブラシを設けることが望ましい。さらに、ポンプ３の下流側にも、異物の第一の水車２側への侵入を防止するフェンスを設けることが望ましい。

発電機５によって生じた交流電力は、スイッチ１１を介して需要家または変換器２１に供給される。変換器２１により直流に変換された電力は、電力貯蔵手段としてのバッテリー２２側に供給される。電力の供給先は、負荷の変動に応じてスイッチ１１により自動的に切り替える。バッテリー２２は、電力貯蔵用の鉛蓄電池（ｖａｌｖｅｒｅｇｕｌａｔｅｄｌｅａｄａｃｉｄｂａｔｔｅｒｙ）から構成される。バッテリー２２は、例えば夜間帯に生じる電力の全てを貯蔵可能な容量を持っている。バッテリー２２に貯蔵された電力は、変換器２３により交流に変換される。コントローラ２５は、負荷の変動に応じてバッテリー２２に貯蔵された電力を変換器２３を介して需要家側に供給する機能を有する。太陽電池２４は、コントローラ２５に電力を供給する。例えば、海外の未開発の地域では、本装置を設置する際に電力を得ることができない場合がある。そのため、この装置では、最初は太陽電池２４からの電力を利用してコントローラ２５を動作させ、発電を開始する。その後の運用においては、変換器２１を介してコントローラ２５に電力が供給される。電力貯蔵手段としては、バッテリーの他に揚水発電等がある。揚水発電を用いれば、自然エネルギーによる大電力を貯蔵することが可能となる。

図５に示すように、発電機５からの電力の一部は、例えば水素製造装置２６に送られるようになっている。水素製造装置２６には、水２７が供給されている。水素製造装置２６を川岸の近くに設置すれば、河川の水Ｗ１を水素製造装置２６に容易に供給することができる。水素製造装置２６では、水を発電機５からの電力を用いて電気分解することにより、水素２８が製造される。本発明の発電装置を例えばヒマラヤ山脈等の降水量の多い地域の河川に適用すれば、大電力を得ることができる。この大電力を送電線を介して港の近くに建設された水素製造装置２６に供給すれば、港の近くで大量の水素を製造することができる。水素製造装置２６によって製造された水素２８は液化され、船などの水素輸送手段２９によって海外の需要地に輸送される。発電機５から生じた電力を液体水素に変換して船で輸送するのは、海外への送電線による送電は電力損失が多く、発電単価が高くなるからである。

需要地の港に到着した水素２８は、例えば港の近くに建設された発電所３０に供給される。発電所３０には、燃料電池３１、電力貯蔵用のバッテリー３２、変換器３３が設けられている。大型の燃料電池３１は、供給された水素２８によって直流の電力を発生させる。燃料電池３１からの電力の一部は、電力貯蔵用バッテリー３２に貯蔵される。燃料電池３１からの直流電力は、変換器３３によって交流に変換され、需要家に送られる。なお、水素輸送手段２９の輸送エネルギーとして水素２８を用いれば、河川１での発電から発電所３０での発電に至るまでの工程において、ＣＯ_２の排出を皆無にすることができる。これにより、ＣＯ_２の排出による地球温暖化を抑制することが可能となる。

ＣＯ_２の排出による地球温暖化をさらに抑制するためには、この発明の発電装置によって生じた電力を、電動機で走行する車両に供給することが望ましい。例えば、この自然エネルギーによる電力を、図１および図５に示すように、充電器３４を介して電気自動車７０のバッテリーの充電に使用すれば、自動車全体でのＣＯ_２の排出を抑制することが可能となる。ここで、電動機で走行する車両には、バッテリーを電源とする車両と、架線からパンタグラフを介して電力が供給される車両のいずれもが含まれる。従って、電動機で走行する車両には、乗用車だけではなく、トラック、バス、自走路面電車、鉄道車両等も含まれる。

次に、本実施形態における作用について説明する。河川１を流れてきた水Ｗ１は、増速堰３５によって第一の水車２側に導かれる。第一の水車２が配置される場所は、増速堰３５によって水Ｗ１の流速が高められているので、第一の水車２は増速された水Ｗ１によって回転駆動される。第一の水車２によってポンプ３が回転すると、河川１の水Ｗ１の一部がポンプ３によって汲み上げられ、水Ｗ１はポンプ３から第二の水車４側に供給される。ポンプ３から吐出される水Ｗ１は、昇圧手段としての圧力調整弁７よって圧力が所定値まで上昇する。圧力が上昇した水Ｗ１は、第二の水車４に供給されて第二の水車４を駆動し、発電機５による発電が行われる。排出口６ｄは、第二の水車４の上流側に位置しているので、第二の水車４から吐出された水Ｗ１は第一の水車２の上流側に戻される。これにより、第一の水車２の上流側の水量が増加し、第一の水車２を通過する水Ｗ１の速度は、さらに速められる。

本実施態様では、河川１に増速堰３５を設けているが、増速堰３５がなくとも発電は可能である。河川１の流れが緩やかな場所においては、流れる水のエネルギーが小さく、ダム式や水路式発電所で使用される水車や発電機を用いた発電が難しい。この発明では、流れが緩やかであっても、第二の水車４に供給される水は圧力制御弁７より圧力が高められるので、ダム式や水路式発電所で使用される標準タイプの水車を駆動させることが可能となる。そのため、例えば高落差用ペルトン水車からなる第二の水車４によって発電機５を駆動させることができ、河川１の水流を利用しても高落差による発電と同様の発電が可能となる。このように、ポンプ３によって汲み上げられた水Ｗ１は、昇圧手段によって圧力が上昇されるので、取水位置であるフィルタ１２の位置が第二の水車４の位置よりも低くても、第二の水車４を回転駆動させることが可能となる。

また、本実施態様においては、第一の水車２とポンプ３とを複数使用しているので、第二の水車４に供給される水Ｗ１の流量も十分確保でき、第二の水車４の出力を高めることができる。従って、河川１の水深が浅くとも、第一の水車２とポンプ３とを同時に多数使用することにより、風力発電の風車のような大きな直径を有する水車を用いることなく、大出力の発電が可能となる。

一般に、大きな直径を有する水車は、量産が難しく、製造コストが高くなる。本実施態様のように、第一の水車２を複数機使用することにより、大きな直径を有する水車と同等のエネルギーを得ることが可能となる。小さな直径の水車は、量産に適しており、製造コストが安価となる。また、小さな直径の水車は、現地への輸送、取扱い、設置も容易となる。このように、直径の小さな第一の水車２を多数設ける本発電装置の構造では、量産効果等により、投資コストが低減できる。

また、河川１の水Ｗ１は年間を通して絶えず流れているので、この発明の発電装置では、常時発電を行うことができる。従って、風力発電や太陽光発電に比べて、稼動率は著しく高くなり、他の自然エネルギーによる発電よりも発電単価を低くすることができる。

水に浮かぶフロートに発電機を設けた従来装置では、高電圧ケーブルがフロートに追従して揺れ動くので、高電圧ケーブルが損傷しやすく、信頼性の面で問題がある。これに対し、本実施形態では、発電機５は、地上側に設置された発電家屋２０内に固定されているので、高電圧ケーブルを固定することができる。従って、需要家に電力を供給するための高電圧ケーブルは揺れ動くことはなく、発電装置の信頼性を高めることができる。また、発電機５は、地上側に配置されるので、水中に埋没される構造の発電機に比べて保守も容易となる。さらに、第一の水車２によって駆動されるポンプ３は、油圧ポンプでなく水ポンプから構成されるので、ポンプ３または吐出用配管６ｂから河川１へ水Ｗ１が漏れたとしても、河川１が汚染されることはない。

（実施の形態２）
図６および図７は、本発明における実施の形態２を示している。本実施の形態では、増速堰３８の構成が実施の形態１と異なり、その他の構成については実施の形態１と同等であるため、同等の構成については実施の形態１と同一符号を付してその説明を省略する。なお、後述する実施の形態３〜７についても、同様とする。

図６に示すように、河川１には、中州に似た台形状の増速堰３８が設けられている。川幅は、増速堰３８の斜辺部３８ａによって上流側から下流側に徐々に狭められている。斜辺部３８ａの下流側は、直線部３８ｂとなっている。この直線部３８ｂは、第一の水車２の上流近くからポンプ３の下流近くまで、川の流れ方向と同じ方向に延びている。第一の水車２およびポンプ３は、直線部３８ｂと川岸１ｂとの間に配置されている。直線部３８ｂと川岸１ｂとの間は、水の流れが集中することにより、上流側よりも流速が著しく速められている。増速堰３８の川底からの高さはＨ_３となっている。増速堰３８の水面からの高さはＨ_４となっている。高さＨ_３は、洪水等の流量増加時に、水が地上に氾濫しない高さに設定されている。増水時には、水は増速堰３８を超えて下流側に流れる。増速堰３８の上には、発電家屋２０が配置されている。この発電家屋２０は、複数の支柱２０ａによって支持されている。支柱２０ａは、増水時に発電家屋２０が水没しない高さとされている。

本実施形態のように、増速堰３８を中州状することにより、河川１以外の場所に発電所を作るスペースを確保する必要がない。従って、発電所の建設コストを低減できる。

（実施の形態３）
図８は、本発明における実施の形態３を示している。上記実施の形態１，２では、川の流れ方向に対して直角方向に第一の水車２を複数配置したが、本実施形態では川の流れ方向と平行に第一の水車２が複数配置されている。この配置は、川幅が狭い場合に有効である。

（実施の形態４）
図９は、本発明における実施の形態４を示している。実施の形態４では、地上側に河川の水を導く水路１ｄを設け、水路１ｄに第一の水車２とポンプ３とを配置している。河川１には、増速堰３９が配置されている。増速堰３９は、河川１の多くの水量を水路１ｄに導き、水路１ｄの流速を速める。このように、水路１ｄに第一の水車２とポンプ３とを配置することにより、直接河川１に水車とポンプとを配置する構造に比べて、保守が容易になる。例えば、水路１ｄの上流端および下流端に開閉可能なゲート３７ａ、３７ｂを設ければ、水路１ｄに流入する水を止めることができ、第一の水車２およびポンプ３の点検が容易となる。

（実施の形態５）
図１０は、本発明における実施の形態５を示している。第一の水車２とポンプ３とは、河川１に浮かぶフロート８０に支持されている。フロート８０は、ロープ８１を介して地上側に設けられた固定手段８２に係留されている。ポンプ３には、配管としての高圧ホース８３が接続されている。ポンプ３から吐出された水は、高圧ホース８３を介して第二の水車４側に供給される。これにより、河川１の水位の変化によりフロート８０の位置が変化しても、高圧ホース８３はフロート８０に追従して動くので、配管は損傷することはない。

上記実施の形態１では、ポンプ３を河底に設けられた基礎３６によって固定する構造としたが、本実施形態ではフロート８０を係留する構造としたので、建設費が高くなる基礎３６が不要となり、投資コストを低減することができる。

（実施の形態６）
図１１〜図１３は、本発明における実施の形態６を示しており、海洋における潮流エネルギーを利用したものである。本実施形態でも、潮流の速度を速めるために、増速堰３５を設けることが望ましい。符号５０は、海水Ｗ２に浮かぶフロートを示している。フロート５０は、胴体５１、タンク５２、舵５３、操舵部５４を有している。胴体５１の左右には、タンク５２が取付けられている。胴体５１の下流側には、舵５３が設けられている。舵５３は、操舵部５４によって駆動される。フロート５０は、例えばワイヤーロープ５７を介して地上側の支柱６０に連結されている。フロート５０は、支柱６０を中心として海洋側または地上側に移動可能になっている。海水Ｗ２が流れる配管６は、ワイヤーロープ５７に沿って延びている。配管６は、複数の接続具５９によってワイヤーロープ５７に支持されている。

第一の水車２およびポンプ３は、胴体５１に対して移動可能に取付けられている。これにより、第一の水車２およびポンプ３は、常に潮流の流れ方向と対向するようになっている。ポンプ３は、第一の水車２によって駆動され、海水Ｗ２の一部を汲み上げる。ポンプ３から吐き出される海水は、圧力制御弁７によって圧力が高められる。地上側には、第二の水車４および発電機５が設けられている。第二の水車４は、圧力が高められた海水Ｗ２によって駆動され、第二の水車４により発電機５が駆動される。第二の水車４から吐出された海水Ｗ２は、第一の水車２の上流側に戻される。海水Ｗ２を使用する各水車２、４およびポンプ３等には、海水Ｗ２に対する耐食性を考慮した金属材料が使用される。

胴体５１の下面には、車輪５５が取り付けられている。車輪５５は、フロート５０を地上側に導くためのものである。支柱６０側には、フロート５０の位置を検出する角度センサ６１が設けられている。角度センサ６１は、支柱６０とワイヤーロープ５７とによる角度からフロート５０の位置を検出する。フロート５０の上流端部には、潮流の流速を検出する流速センサ５６が設けられている。角度センサ６１と流速センサ５６からの信号は、コントローラ２５に入力されている。操舵部５４は、コントローラ２５によって制御される。海岸７５側には、フロート５０を収容するポート７６が形成されている。フロート５０は、ポート７６の傾斜面７６ａによって地上側に引き上げ可能となっている。

本実施形態においては、図１１に示すように、フロート５０は、ポート７６側に位置する場合は、舵５３は角度θ_１となっている。フロート５０を海岸７５側に移動させる場合は、操舵部５４によって舵５３は角度θ_２に制御される。図１３は、フロート５０の位置制御を示している。ステップ１０１では、舵５３の角度が制御される。ステップ１０２では、舵５３の角度がθ_２に制御されたことにより、フロート５０は舵５３に作用する潮流の力によって海岸７５を離れる。ステップ１０３では、角度センサ６１からの信号に基づき、フロート５０の位置が検出される。ステップ１０４では、流速センサ５６からの信号に基づき、潮流の速度が検出される。ステップ１０５では、フロート５０が海岸７５から最も離れた位置に到達したか否かが判断される。そして、最も離れた位置に到達した場合はステップ１０６に進み、角度センサ６１と流速センサ５６からの信号に基づき、コントローラ２５によって潮流の速度が最大の場所が計算される。ステップ１０７では、ステップ１０６の計算結果に基づき舵５３が制御され、フロート５０が最大流速位置に移動、停止される。このようにして、フロート５０が最大流速位置に停止されるため、高い発電出力が得られる。

（実施の形態７）
図１４〜１７は、本発明における実施の形態７を示しており、とくに第二の水車４から吐出される海水Ｗ２の利用形態を示している。図１５に示すように、海岸に沿って鉄筋コンクリートからなる防波堤２１０が延びている。防波堤２１０と対向する海洋には、海水Ｗ２が防波堤２１０に沿って流れている。防波堤２１０の近傍には、上流側に行くにしたがって防波堤波２１０から離れる方向に斜めに延びる増速堰２１１が設けられている。増速堰２１１は、下流端部２１１aが海水Ｗ２の流れ方向とほぼ並行になっている。増速堰２１１は、底部が海底に固定されており、上部は海面から突出している。防波堤２１０と増速堰２１１の下流端部との間の海中には、金属製のフレーム２００が配置されている。フレーム２００は、一端部２００aが防波堤２１０に支持され、他端部２００ｂが増速堰２１１の下流端部２１１aに支持されている。フレーム２００は、略直方体に形成されており、複数の流路２０１を有している。各流路２０１は、海水Ｗ２を通過させるためのものであり、海水Ｗ２の流れ方向に延びている。増速堰２１1は、防波堤２１０と同様に鉄筋コンクリートから構成されるが、耐食性を有する金属等の部材から構成してもよい。増速堰２１１は、海水Ｗ２の流れをフレーム２００の各流路２０１に収束させ、各流路２０１を通過する海水Ｗ２の速度を高める機能を有する。増速堰２１1は、海水Ｗ２の速度を高めるだけでなく、高波を抑制する防波堤の機能を兼用するのが望ましい。

図１7に示すように、フレーム２００における各流路２０１の上流部は、下流に行くにしたがって流路断面積が徐々に小となる漏斗状部２０２に形成されている。漏斗状部２０２の下流端には円筒部２０３が接続されている。第一の水車２およびポンプ３は、円筒部２０３の内側に配置されている。第一の水車２は、ポンプ３の上流側に位置しており、ポンプ３の回転軸に第一の水車２が連結されている。ポンプ３は、円筒部２０３の内周面に支持されている。第一の水車２は、漏斗状部２０２により増速された海水Ｗ２の運動エネルギーによって回転駆動される。海水Ｗ２を取水するフィルタ１２は、ポンプ３の下流側に設けられている。フィルタ１２の吸込部には、海水Ｗ２の流れによって回転し海藻等の付着を防止する回転ブラシ（図示略）が設けられている。ポンプ３は、第一の水車２によって回転駆動されると、フィルタ１２を介して海水Ｗ２を汲み上げる。各ポンプ３から吐出される海水Ｗ２は、フレーム２００側で集合され、配管２０４を介して地上側に設けられた昇圧手段７に供給されるようになっている。地上側に設けられた第二の水車４は、昇圧手段７によって圧力が高められた海水Ｗ２によって回転駆動される。地上側に設けられた発電機５は、第二の水車４によって回転駆動され、交流電力を発生させる。発電機５によって生じた電力は、送電線を介して需要地に供給される。

第二の水車４から吐出される海水Ｗ２は、配管２１３を介して地上側に設置された鉱物資源採取工程に供給されるようになっている。鉱物資源採取工程には、鉱物資源採取装置２１４が設けられている。鉱物資源採取装置２１４は、吸着法を利用して海水中のウランを捕捉する機能を有している。吸着法では、チタン酸等の吸着剤にウランを吸着させた後、脱着剤にて吸着剤から脱着液を得る。その後、脱着液はイオン交換樹脂を通過させることによりイオン交換樹脂に吸着される。そして、イオン交換樹脂に吸着された抽出液は、ウラン鉱石処理と同様の処理が行われ、ウランが採取される。第二の水車４から吐出された海水Ｗ２は、すべて鉱物資源採取装置２１４を通過するようになっているので、多量の海水Ｗ２を吸着剤と接触させることができ、鉱物資源の多量の採取が可能となる。鉱物資源採取装置２１４によって採取されたウランは、原子力発電に利用される。なお、採取可能な鉱物資源はウランに限定されず、海水に含まれるリチウム等の採取も可能である。このように、第二の水車４から吐出される海水Ｗ２を利用できるので、モータ等により海水Ｗ２を汲み上げる必要がなくなり、少ないエネルギーで鉱物資源の採取が可能となる。

鉱物資源採取装置２１４から排出されたウラン採取後の海水Ｗ２は、配管２１５aを介して地上側に設置された養殖池２１６に供給されるようになっている。養殖池２１６は、海水で生育する魚貝類を養殖する場所である。養殖池２１６に供給される海水Ｗ２は、魚貝類の養殖に適した温度に調整されるようになっている。この海水Ｗ２の温度調整に必要な電力は、発電機５からの電力が用いられる。地上側に設けられた養殖池２１６では、海洋での養殖のように気象条件等の影響を受けることが少なくなるので、海洋での養殖に比べて魚貝類の生産性を高めることができる。本実施の形態では、鉱物資源採取装置２１４から排出された海水Ｗ２を利用しているが、第二の水車４から直接吐出された海水Ｗ２を利用できるのは勿論可能である。なお、ウラン採取後の海水Ｗ２のうち、余剰分は海洋に戻される。

鉱物資源採取装置２１４から排出されたウラン採取後の海水Ｗ２は、配管２１５ｂを介して地上側に設置された淡水化装置２１７に供給されるようになっている。淡水化装置２１７は、逆浸透法により海水Ｗ２を淡水にする機能を有している。逆浸透法は、海水Ｗ２に圧力をかけて逆浸透膜と呼ばれる一種のフィルタに海水Ｗ２を通し、淡水を得る方法である。この方法は、他の淡水化方法に比べて、エネルギー消費が少なく、運転維持管理も容易である。淡水化装置２１７によって得られた淡水は、後述するように食糧生産、水素製造のために使用される。

淡水化装置２１７で生成された淡水は、配管２１８aを介して食糧製造工場２１９に供給されるようになっている。食糧製造工場２１９は、例えば野菜等を水耕栽培により自動的に生産する工場である。野菜等を生育するために必要な光および熱エネルギーは、発電機５によって生じた電力が使用される。野菜等の水耕栽培には淡水が不可欠であるが、淡水化装置２１７により淡水が入手困難な場所でも海水Ｗ２があれば、食糧生産が可能となる。また、淡水を利用して家畜の飼料となる穀物の生産もできるので、家畜の飼育も可能となる。食糧製造工場２１９では、光や熱を制御することにより野菜等の生育条件を一定にすることが容易であるため、田や畑などの野外での栽培に比べて気象条件の影響を受けにくく、生産性を高めることができる。

淡水化装置２１７で生成された淡水は、配管２１８ｂを介して水素製造装置２２０に供給されるようになっている。水素製造装置２２０は、淡水化装置２１７で得られた淡水を発電機５からの電力を利用して電気分解し、水素を得る機能を有する。電気分解による水素の製造には、淡水が不可欠であるが、淡水化装置２１７により淡水が入手困難な場所でも海水Ｗ２があれば、水素製造が可能となる。水素製造装置２２０により得られた水素は、例えば液化された後、各地へ輸送され、燃料電池を介して電力に変換される。

このように、本実施の態様では、第二の水車４から吐出された海水Ｗ２を有効利用することにより、少ないエネルギーで鉱物資源の採取、海水の淡水化、魚貝類の養殖が可能になる。

以上、この発明の実施の形態１〜７を詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、この発明の発電装置を陸地から遠く離れた海洋上に配置し、流れの速い潮流（海流）によって得られた電力を超伝導ケーブル等により陸地に供給する構成としてもよい。また、この発明で地上とは、水面または海面よりも上方を意味するものであり、陸地に限定されない。従って、河川や海洋に人工的に作られ水面や海面よりも上方に位置する構築物も地上に含まれる。

Claims

水の流れによって駆動される第一の水車と、
前記第一の水車によって駆動され前記水の一部を汲み上げるポンプと、
地上側に設けられ、前記ポンプによる取水位置よりも高い位置に配置される第二の水車と、
前記ポンプにより汲み上げられた水を前記第一の水車が受ける水の運動エネルギーを利用して前記第二の水車を回転駆動させるための圧力まで上昇させる管路に設けられ、前記第二の水車に供給される水の圧力を一定に保つ圧力制御弁と、
地上側に設けられ前記第二の水車によって駆動される発電機と、
を備えたことを特徴とする発電装置。
前記発電機によって生じた電力を貯蔵する電力貯蔵手段を備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
水の流れによって第一の水車を駆動させ、
前記第一の水車によって駆動されるポンプにより前記水の一部を管路に汲み上げ、
前記ポンプにより汲み上げられた前記管路の水を前記第一の水車が受ける水の運動エネルギーを利用して第二の水車を回転駆動させるための圧力まで上昇させるとともに、前記第二の水車に供給される水の圧力を前記管路に設けられる圧力制御弁によって一定に保ち、
前記管路から供給される圧力が上昇した水によって地上側の前記ポンプによる取水位置よりも高い位置に配置される前記第二の水車を駆動させ、
前記第二の水車によって地上側に設けられた発電機を駆動させて発電を行う、
ことを特徴とする発電方法。
前記発電機によって生じた電力は、水を電気分解して水素を製造するために使用される、
ことを特徴とする請求項３に記載の発電方法。
前記発電機によって生じた電力は、電動機で走行する車両に供給される、
ことを特徴とする請求項３に記載の発電方法。
前記第一の水車と前記ポンプとを複数備えた、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置または請求項３〜５のいずれか１項に記載の発電方法。
前記第一の水車は、増速堰によって加速された水の流れによって駆動される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置または請求項３〜５のいずれか１項に記載の発電方法。
前記第二の水車および発電機は、前記増速堰の上に配置されている、
ことを特徴とする請求項７に記載の発電装置または発電方法。
前記第一の水車およびポンプは、前記水に浮かび係留されたフロートに支持されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置または請求項３〜５のいずれか１項に記載の発電方法。
前記水は海水である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置または請求項３〜５のいずれか１項に記載の発電方法。