JP5161382B1 - 水流噴射装置およびそれを備えた水流発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】環境に優しくかつ低コストの発電を行なうことができる水流噴射装置およびそれを備えた水流発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】道路８０の下の地中に水路９０を形成し、水路９０内に水を満たす。また、水路９０内に水流噴射装置１０と発電タービン１３０を設置し、水流噴射装置１０が発電タービン１３０に向けて水を噴出する。自動車１５０の前輪が、踏み板７０を登ると、踏み板７０に自動車１５０の重量がかかるので、油圧ピストン２１が押し下げられる。このとき、水流噴射装置１０の噴出口４１から水が勢いよく噴出されるので、水路９０内の水は噴出方向に流れ、下流に設置された発電タービン１３０を回す。これにより、発電が行なわれる。
【選択図】図４

Description

本発明は、水流噴射装置およびそれを備えた水流発電システムに関し、より詳細には、道路、線路等に設置される水流噴射装置およびそれを備えた水流発電システムに関する。

近年、環境汚染が深刻な原子力発電に代わり、例えば太陽光発電、風力発電等の自然エネルギーを利用する発電方法の開発が進められている。しかし、これらの発電方法は、天候に左右されたり、風力に左右されたりするので、安定して電力を供給することが難しいという問題がある。また、ソーラーパネルを設置したり、風車を設置したりするために、広大な土地が必要になるという問題もある。

また、特許文献１には、高速道路の料金所の地下に発電装置として機能するポンプ型水槽を設置し、当該ポンプ型水槽の上を自動車が通過する際に水槽内の水路に流れる水を利用して発電タービンを回すことにより、発電することが開示されている。

特開２００７−２８３２号公報

しかし、特許文献１に開示されているポンプ型水槽では、その内部に設けられた水路に水を流すことによって発電を行なうので、ポンプ型水槽ごとに少なくとも１台の発電タービンを設置しなければならない。このため、ポンプ型水槽の製造コストが高くなり、ひいては発電コストが高くなるという問題がある。

そこで、本発明は、環境に優しくかつ低コストの発電を行なうことができる水流噴射装置およびそれを備えた水流発電システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、外部から力を与えられると水流を噴出する水流噴射装置であって、
外部から与えられた力を伝達する圧力伝達部と、
内壁を摺動しながら上下に移動可能なピストンと、貫通孔が設けられ、かつ内壁に固定された支持板と、一端および他端が前記ピストンおよび前記支持板にそれぞれ固定され、かつ復元力を有する弾性体とを有し、前記ピストンと前記支持板とによって挟まれた空間に水を蓄えることが可能なシリンダと、
前記シリンダに取り付けられ、前記シリンダから噴出された水の噴出方向を制御する排出管とを備え、
前記圧力伝達部は、
媒体槽と、
前記媒体槽の内壁を摺動しながら上下に移動可能な圧力伝達ピストンと、
前記媒体槽の底面と前記シリンダとを接続する配管と、
前記媒体槽と、前記配管と、前記配管および前記ピストンによって挟まれた前記シリンダの空間とに密閉された圧力媒体とを備え、
前記外部から与えられた力が前記圧力伝達ピストンに与えられると、前記圧力伝達ピストンが前記媒体槽の内壁を摺動しながら下方に移動することによって、前記外部からの力を前記ピストンに伝え、
前記ピストンが前記弾性体によって押し上げられると、前記圧力伝達ピストンが前記媒体槽の内壁を摺動しながら上方に移動し、
前記外部から与えられた力が前記弾性体の前記復元力よりも強いとき、前記ピストンは前記弾性体を押し縮めるように移動し、前記シリンダに蓄えられた水を噴出することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記シリンダの側面に設けられた開口部に取り付けられ、前記シリンダの前記空間と連通する給水管をさらに備え、
前記外部から与えられた力が前記弾性体の前記復元力よりも弱いとき、前記ピストンは前記弾性体によって押し上げられ、前記給水管から前記シリンダの前記空間に水が供給されることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、
前記支持板の前記貫通孔を塞ぐための第１の逆止弁と、前記シリンダの側面の前記開口部を塞ぐための第２の逆止弁とをさらに備え、
前記シリンダに蓄えられた水を噴出するとき、前記第１の逆止弁が開くと共に、前記第２の逆止弁が閉じ、
前記シリンダの前記空間に水を供給するとき、前記第１の逆止弁が閉じると共に、前記第２の逆止弁が開くことを特徴とする。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、
前記弾性体はばねであることを特徴とする。

第５の発明は、水流によって発電する水流発電システムであって、
自動車が互いに逆方向に走行可能な車線をそれぞれ少なくとも１車線ずつ含む道路と、
前記車線の下方の地中に埋設された複数の主水路と、前記複数の主水路の各端部を接続する複数の横断水路とによって構成され、水を貯水する環状水路と、
少なくとも前記排出管が前記環状水路の水中に没するように取り付けられた、第１から第４のいずれかの発明に係る水流噴射装置と、
前記水流噴射装置の前記圧力伝達ピストンに取り付けられ、前記道路の路面に配置された複数の踏み板と、
前記環状水路内に設置された発電タービンとを備え、
前記水流噴射装置は、前記自動車が前記踏み板上を通過したときに前記踏み板を押し下げることにより、前記排出管から水を噴出して前記環状水路内の水を循環させ、
前記発電タービンは、前記環状水路内を循環する水によって回されることを特徴とする。

第６の発明は、水流によって発電する水流発電システムであって、
列車が互いに逆方向に走行可能な単線の線路をそれぞれ少なくとも１線路ずつ含む複線の線路と、
前記単線の線路の下方の地中に埋設された複数の主水路と、前記複数の主水路の各端部を接続する複数の横断水路とによって構成され、水を貯水する環状水路と、
少なくとも前記排出管が前記環状水路の水中に没するように取り付けられた、第１から第４のいずれかの発明に係る水流噴射装置と、
前記水流噴射装置の前記圧力伝達ピストンに取り付けられ、前記単線の線路を構成する２本のレールの間の地面に配置された踏み板と、
前記環状水路内に設置された発電タービンとを備え、
前記水流噴射装置は、前記列車が前記踏み板上を通過したときに、前記列車の底面に取り付けられた押圧部が前記踏み板を押し下げることにより、前記排出管から水を噴出して前記環状水路内の水を循環させ、
前記発電タービンは、前記環状水路内を循環する水によって回されることを特徴とする。

第７の発明は、第５または第６の発明において、
給水管は水を取り入れるための給水口を有し、前記給水口は前記環状水路に貯水された水の水位よりも低い位置に設けられていることを特徴とする。

第８の発明は、第５から第７のいずれかの発明において、
前記発電タービンは、水流が噴出される方向であって、前記水流噴射装置の前記排出管の近傍に設置されていることを特徴とする。

第９の発明は、第５から第８のいずれかの発明において、
前記発電タービンと送電線に接続された蓄電池をさらに備え、前記蓄電池は前記発電タービンによって発電された電気を蓄積し、前記送電線を介して外部に送電することを特徴とする。

第１０の発明は、第６の発明において、
前記押圧部は、前記列車の底面に取り付けられた支持部材と、前記支持部材に回転可能に取り付けられた弾性材からなるタイヤとによって構成され、
前記タイヤの地面からの高さは、前記踏み板の高さよりも低くなるように固定され、
前記列車が前記踏み板上を走行するとき、前記タイヤは前記踏み板上を転がりながら進むことによって押圧することを特徴とする。

第１１の発明は、第１０の発明において、
前記踏み板は、前記列車の進行方向に向かって高さが高くなる斜面のみからなることを特徴とする。

第１の発明によれば、外部から圧力伝達部に力を与えられると、与えられた力が圧力伝達部内の圧力媒体によってピストンに伝えられる。ピストンに伝えられた力が、シリンダのピストンと支持板とによって挟まれた空間に収納された弾性体の復元力よりも強い場合には、ピストンが弾性体を押し縮める。これにより、シリンダのピストンと支持板とによって挟まれた空間に蓄えられていた水が支持板の貫通孔から押し出されるので、水流噴射装置は、排出管によって噴出方向を制御された水流を噴出することができる。このように、水流噴射装置は、水流を噴出する際に環境を汚染する物質を排出することがない。また、水流噴射装置の構造が簡単であるため保守点検が容易である。また、電力等のエネルギーを供給しなくても動作させることができるので、水流噴射装置の運転コストを抑えることができる。さらに、圧力伝達部とシリンダとを接続する配管が設けられているので、外部からの力に対して圧力伝達部を垂直に保ちつつ、配管だけを曲げて水路に設置することができる。これにより、外部からの力を効率よくピストンに伝達することができるとともに、水流噴射装置を幅の狭い水路に設置することができる。この場合、掘削のための工事費を低減することができ、ひいては発電コストを低減することができる。

第２の発明によれば、外部から与えられた力が弾性体の復元力よりも弱くなると、弾性体によってピストンが押し上げられ、シリンダの支持板とピストンとによって挟まれた空間に水が供給される。これにより、外部から再び力が与えられると、水流噴射装置は主流を噴出することができる。

第３の発明によれば、ピストンを押し下げるときには、第１の逆止弁を開き、第２の逆止弁を閉じるので、シリンダ内に蓄えられた水を貫通孔からのみ押し出すことができる。また、ピストンを押し上げるときには、第１の逆止弁を閉じ、第２の逆止弁を開くので、給水管のみからシリンダ内に水を供給することができる。このように、ピストンから水を押し出したり、ピストンに水を供給したりすることを効率的に行なうことができる。

第４の発明によれば、弾性体としてばねを使用することにより、外部から力を与えられていないとき、または弱い力を与えられているとき、ピストンを容易に押し上げることができる。さらに、ゴムなどを使用する場合に比べて水流噴射装置の耐久性を向上させることができる。

第５の発明によれば、互いに逆方向に走行可能な車線をそれぞれ少なくとも１車線ずつ含む道路を自動車が走行することにより、路面に設置された踏み板が自動車によって押し下げられる。その結果、環状水路に取り付けられた水流噴射装置の排出管から環状水路内に水が噴出され、環状水路内を水が循環する。この循環する水によって、発電タービンが回され、発電が行われる。このような発電システムは、環境を汚染する物質を排出することがないので、環境に優しい発電を行なうことができる。また、低コストで動作する水流噴射装置から噴出される水流を利用して発電を行なうので、発電コストを低く抑えることができる。

第６の発明によれば、互いに逆方向に走行可能な単線の線路をそれぞれ少なくとも１線路ずつ含む複線の線路を列車が走行することにより、単線の線路を構成する２本のレールの間の地面に設置された踏み板が、列車の底面に取り付けられた押圧部によって押し下げられる。その結果、環状水路に取り付けられた水流噴射装置の排出管からを環状水路内に水が噴出され、環状水路内を水が循環する。この循環する水によって、発電タービンが回され、発電が行われる。このような発電システムは、環境を汚染する物質を排出しないので、環境に優しい発電を行なうことができる。また、低コストで動作する水流噴射装置から噴出される水流を利用して発電を行なうので、発電コストを低く抑えることができる。

第７の発明によれば、給水管の給水口を環状水路に貯水された水の水位よりも低い位置に設けることによって、給水口からシリンダ内に水を供給しやすくすることができる。

第８の発明によれば、水流噴射装置から噴出される水流の噴出方向の近傍に発電タービンを設置するので、流速が速い水流によって発電タービンを回すことができる。これにより、発電タービンの回転が速くなるので、より多くの発電を行なうことができる。

第９の発明によれば、発電タービンは蓄電池に接続されているので、発電タービンによって発電された電気を蓄電池に蓄電することにより、蓄電池に接続された送電線を介して各家庭等に直接送電したり、変電所に送電したりすることができる。

第１０の発明によれば、２本のレールの間に配置された踏み板は、列車の底面に取り付けられたタイヤが踏み板上を転がりながら進むので、列車が踏み板上を走行する際に受ける衝撃が少なく、乗客の乗り心地を悪くすることはない。

第１１の発明によれば、踏み板は列車の進行方向に向かって高くなる斜面のみからなるので、踏み板の製造が容易であり、水流噴射装置の製造コストひいては水流発電システムによる発電コストを低減することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る水流発電システムに使用される水流噴射装置の構成を示す図である。 図１に示す水流噴射装置において、シリンダ内の水を噴出するときの動作を示す図である。 図１に示す水流噴射装置において、シリンダ内に水を供給するときの動作を示す図である。 図１に示す水流噴射装置を用いて発電する原理を示す図である。 図１に示す水流噴射装置を用いて発電する原理を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る水流発電システムの構成を示す平面図である。 図６に示す水流発電システムにおいてＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図６に示す水流発電システムにおいて、主水路の幅が踏み板を並べた領域の幅よりも狭い場合を示す断面図である。 図８に示す水流発電システムに使用される水流噴射装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る水流発電システムの構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る水流発電システムの構成を示す平面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ図１１に示す水流発電システムの線路を走行する列車の正面図および側面図である。 図１２に示す列車の底面に取り付けられた押圧部の形状を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ図１１に示す水流発電システムの線路の間に設けられた踏み板上を通過する列車の正面図および側面図である。 図１３に示す列車に取り付けられた押圧部のタイヤが踏み板上を進む様子を示す図である。 図１１に示す水流発電システムにおいて、２本のレールに挟まれた地面に、レールが延びる方向に沿って踏み板を一列に並べた図である。 図１１に示す水流発電システムにおいて、複数の踏み板が線路の間に並行に並べられた配置を示す図である。 図１７に示す線路上を走行する列車の正面図である。 図１１に示す水流発電システムに使用可能な他の形状の踏み板を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る水流噴射装置およびそれを備えた発電システムについて、添付図面を参照して詳細に説明する。

＜１．第１の実施形態＞
＜１．１ 水流噴射装置の構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る水流発電システムに使用される水流噴射装置１０の構成を示す図である。図１に示すように、水流噴射装置１０は、油圧部２０と、シリンダ３１と、排出管４０と、給水管５０とからなり、油圧部２０の油圧ピストン２１に外部から力が加えられると、排出管４０から水流を噴出することができる装置である。

油圧部２０は、油槽２２と、油槽２２の内壁を摺動しながら上下に移動可能な油圧ピストン２１と、油槽２２の底面に接続された配管２３とからなる。油圧ピストン２１と後述するシリンダ３１のピストン３２とによって挟まれた、油槽２２、配管２３およびピストン３２の上方のシリンダ３１内の空間に、鉱物油を主成分とする作動油２４が封入されている。

油圧ピストン２１に力が加えられると、油圧ピストン２１は油槽２２内を下降し、油圧ピストン２１の断面積とピストン３２の断面積との比に応じた下向きの力が作動油２４を介してピストン３２に伝わる。この場合、油圧ピストン２１の面積をピストン３２の面積よりも大きくすれば、ピストン３２に伝わる力が大きくなるだけでなく、ピストン３２の下向きの移動距離は、油圧ピストン２１の移動距離よりも長くなる。

シリンダ３１内には、その内壁を摺動しながら上下に移動可能なピストン３２と、シリンダ３１の下方でシリンダ３１の内壁に固定された支持板３４と、ピストン３２と支持板３４とによって挟まれた空間に収納されたコイルばね（以下、「ばね」という）３３とが含まれる。

シリンダ３１の上部には、油槽２２から延びる配管２３が接続されている。シリンダ３１内をピストン３２が上下に移動することにより、作動油２４は、配管２３からピストン３２の上部のシリンダ３１に入ったり、シリンダ３１から配管２３に出たりする。また、ピストン３２と支持板３４とによって挟まれたシリンダ３１内の空間には、水を注入したり噴出したりすることができる。

支持板３４には、貫通孔３５が設けられると共に、その下面に逆止弁３６（第１の逆止弁）が取り付けられている。ばね３３は、その一端がピストン３２の下面に固定され、他端が支持板３４の上面に固定されており、シリンダ３１の長さ方向に伸縮可能な状態でシリンダ３１内に収納されている。

このため、シリンダ３１内に水が入っている状態で、ばね３３の復元力よりも大きな力でピストン３２が押し下げられると、ばね３３が縮むことによって、シリンダ３１内に入っていた水が貫通孔３５から勢いよく排出される。また、ピストン３２に加えられていた力がばね３３の復元力よりも弱くなると、ばね３３の復元力によりピストン３２は元の位置まで押し上げられる。

逆止弁３６は、貫通孔３５を開いたり閉じたりする。すなわち、シリンダ３１内の水が貫通孔３５から噴出されるときには、シリンダ３１内の圧力が高くなるので、逆止弁３６が開く。しかし、ピストン３２がばね３３によって押し上げられることによって、シリンダ３１内の圧力が低くなれば、逆止弁３６は閉じ、貫通孔３５を塞ぐ。このため、水が外部から貫通孔３５を通ってシリンダ３１内に逆流することはない。

また、シリンダ３１内に水を供給するために、シリンダ３１の側面に開口部３７が設けられ、給水管５０が開口部３７に取り付けられている。給水管５０はシリンダ３１の側面に対して斜め上方に向かって延びるように取り付けられている。これにより、給水管５０からシリンダ３１内に水を供給することができる。開口部３７に近いシリンダ３１の内壁には逆止弁５２（第２の逆止弁）が取り付けられている。ピストン３２および逆止弁３６、５２の動作については後述する。

排出管４０はシリンダ３１の底面に接続され、支持板３４の貫通孔３５から噴出された水は排出管４０から外部に噴出される。このため、排出管４０の噴出口４１の向きを変えることにより、水流噴射装置１０は水流を任意の方向に噴出することができる。

＜１．２ 水流噴射装置の動作＞
図２は、シリンダ３１内の水を噴出するときの水流噴射装置１０の動作を示す図であり、図３は、シリンダ３１内に水を供給するときの水流噴射装置１０の動作を示す図である。

まず、ピストン３２が上方に移動し、ピストン３２と支持板３４とによって挟まれたシリンダ３１内の空間に、水が満たされているとする。このとき、図２に示すように、外部から油圧ピストン２１に力を加えられると、油圧ピストン２１は押し下げられる。油圧ピストン２１に加えられた力は、封入された作動油２４を介してシリンダ３１内のピストン３２に伝わり、ピストン３２を下向きに押し下げようとする。ピストン３２を押し下げようとする力がばね３３の復元力よりも大きければ、ピストン３２はばね３３を押し縮めて下向きに移動する。このとき、シリンダ３１内の圧力が高くなり、開口部３７は逆止弁５２によって塞がれるので、シリンダ３１内の水が給水管５０に逆流することはない。また、逆止弁３６は開き、シリンダ３１内の水は貫通孔３５から排出管４０に噴出される。

次に、油圧ピストン２１に加えられていた力がばね３３の復元力よりも弱くなれば、ばね３３が復元力によって伸び、ピストン３２はばね３３によって押し上げられる。ピストン３２が押し上げられれば、封入された作動油２４を介して上向きの力が油圧ピストン２１に伝えられ、油圧ピストン２１は押し上げられる。これにより、油圧ピストン２１は、力が加えられる前の位置に戻る。このとき、シリンダ３１内の圧力が低くなるので、逆止弁３６が閉じ、逆止弁５２が開く。これにより、貫通孔３５が塞がれ、開口部３７が開くので、給水管５０からシリンダ３１内に水が供給され、ピストン３２と支持板３４とによって挟まれたシリンダ３１内の空間に水が満たされる。

再び外部から油圧ピストン２１に力が加えられれば、油圧ピストン２１は押し下げられ、排出管４０から水が噴出される。また、油圧ピストン２１に加えられていた力が弱くなれば、給水管５０からシリンダ３１内に水が供給され、ピストン３２および油圧ピストン２１は元の位置に戻る。このようにして、油圧ピストン２１に力が加えられるごとに、水流噴射装置１０は水を噴出する。

また、逆止弁３６、５２が同時に開いたり閉じたりすることはないので、シリンダ３１内から水を噴出する経路と、シリンダ３１内に水を供給する経路とが異なる。これにより、水の噴出および供給を効率よく行なうことができる。

なお、ばね３３の代わりに、ゴム等の弾性体を使用することもできる。しかし、ばね３３を使用することにより、水流噴射装置１０の耐久性を向上させることができる。

＜１．３ 水流発電システムの原理＞
図４および図５は、図１に示す水流噴射装置１０を用いて発電する原理を示す図である。図４に示すように、道路８０の下の地中に水路９０を形成し、水路９０内に水を満たす。また、水路９０内に水流噴射装置１０と発電タービン１３０を設置し、水流噴射装置１０の噴出口４１から発電タービン１３０に向けて水を噴出するように、噴出口４１の方向を調整する。なお、詳細は後述するが、水流噴射装置１０の噴出口４１と発電タービン１３０だけでなく、給水管５０の給水口５１も水中に没するように、水路９０内の水位を調整する。

自動車１５０が水流噴射装置１０上を走行しやすいように、水流噴射装置１０の油圧ピストン２１の上面に踏み板７０が取り付けられている。踏み板７０は、図４に示すように、油圧ピストン２１の上面から左下方に向かって延びる斜面と、右下方に向かって延びる斜面とが油圧ピストン２１の上面で繋がれた板である。自動車１５０の前輪は、図４の左側から踏み板の左側斜面を登って油圧ピストン２１の上面に到達し、さらに右側の斜面を下る。

踏み板７０は、その前後の端部が道路８０の路面によって支えられている。踏み板７０上に自動車１５０の前輪が乗り上げると、踏み板７０に自動車１５０の重量がかかるので、踏み板７０を支える両端部が路面上を滑り、踏み板７０の高さが低くなる。これにとり、油圧ピストン２１が押し下げられ、水流噴射装置１０の噴出口４１から水が噴出される。その結果、水路９０内の水は噴出方向に流れ、下流に設置された発電タービン１３０を回すので、発電が行なわれる。なお、踏み板７０の高さおよび傾斜は、自動車に乗っている人の乗り心地が悪くならないように設定される。

図５に示すように、自動車１５０の前輪が踏み板７０上を通過すると、踏み板７０に自動車１５０の重量がかからなくなるので、水流噴射装置１０の油圧ピストン２１は元の位置に戻る。これにより、踏み板７０も押し上げられて元の高さに戻る。

次に、自動車１５０の後輪が踏み板７０上を走行すると、再び水流噴射装置１０の噴出口４１から水が勢いよく噴出され、水路９０内の水は噴出方向に流れるようになる。このようにして、水路９０内に水流が生じると、発電タービン１３０は水流によって回され、発電が行なわれる。水流噴射装置１０が水を噴出する回数が多くなればなるほど、水流の流速は速くなり、発電タービン１３０を回す回数が多くなる。

水路９０を環状にした環状水路内で水を循環させれば、水流噴射装置１０から水路９０内の水に与えられるエネルギーは蓄積されるので、水路９０内を循環する水流の流速が速くなる。これにより、発電タービン１３０の回転数が多くなり、発電量をより増やすことができる。このように、水路９０を環状水路にすることによって、水流噴射装置１０から噴出される水のエネルギーを効率的に発電に利用することができる。

また、図４および図５では、水流発電の原理を示すために、水路９０内に設置された水流噴射装置１０および発電タービン１３０はそれぞれ１台ずつとしたが、多数の水流噴射装置１０および発電タービン１３０を水路９０内に設置すれば、それに応じて発電量をより増やすことができる。

そこで、水流噴射装置１０を用いて効率的に発電を行なうことができる水流発電システム１００を以下に説明する。

＜１．４ 水流発電システム＞
図６は、本発明の第１の実施形態に係る水流発電システム１００の構成を示す平面図であり、図７は、図６に示す水流発電システム１００においてＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図６に示すように、片側１車線ずつ、合計２車線の道路１１０の下方の地中に、環状水路１２０が形成されている。環状水路１２０は、道路１１０の各車線に沿って延びる２本の主水路１２１と、２本の主水路１２１をその両端でそれぞれ接続する２本の横断水路１２２とによって構成されている。水は、環状水路１２０を循環するように流れている。図６の各主水路１２１では、環状水路１２０内の水は、その上方の道路１１０を走行する自動車と同じ方向（矢印で示す方向）に流れ、全体として環状水路１２０を右回りに流れている。

各主水路１２１には、それぞれ２台の発電タービン１３０が設置され、これら２台の発電タービン１３０は所定の距離だけ離して１台ずつ設置されている。発電タービン１３０は蓄電池１３５に接続されており、発電タービン１３０によって発電された電気は蓄電池１３５に蓄電される。蓄電池１３５には送電線（図示しない）が接続されているので、送電線を介して各家庭等に直接送電したり、変電所に送電したりすることができる。

各車線の路面には、幅が車線幅とほぼ等しく、長さが複数個分の踏み板７０の長さに相当する面積を有し、水流噴射装置の油圧ピストンに取り付けられた複数個の踏み板７０をマトリクス状に並べた領域１４０が、車線ごとにそれぞれ２箇所ずつ設けられている。この領域１４０は、発電タービン１３０が設置された主水路１２１の上流側の路面上に設けられている。これにより、水流噴射装置１０から噴出された直後の水流によって発電タービン１３０を回すことができるので、発電タービン１３０を高速で回転させることができ、発電量を増やすことができる。

また、踏み板７０が配列された領域１４０の幅を各車線の幅とほぼ等しい長さにすることによって、自動車が路面上を進行方向に向かって左右のいずれかに偏って走行している場合であっても、自動車はいずれかの踏み板７０上を確実に走行することができる。これにより、道路１１０を走行する大多数の自動車が発電に寄与するので、発電量を増やすことができる。

図７に示すように、図示しない配管または排出管の長さを調整することによって、主水路１２１内に設置された複数の水流噴射装置の噴出口４１は、主水路１２１内の異なる位置および深さにそれぞれ配置されている。これにより、各噴出口４１から主水路１２１内に噴出される水流が環状水路１２０内の水全体を一様に循環させる。この場合、主水路１２１の幅方向に複数台の発電タービン１３０を並べて設置することにより、各発電タービン１３０を略同じ回転数で回すことができるので、発電量をより増やすことができる。

また、図５に示すように、水流噴射装置１０が水を噴出した後、ばね３３の復元力によってピストン３２が元に戻る際に、給水管５０の給水口５１からシリンダ３１内に水を供給できるようにするために、水路９０内を流れる水の水位を、給水管５０の給水口５１よりも高い位置になるようにする。これにより、シリンダ３１内のピストン３２が上昇することによって、シリンダ３１内の圧力が低くなったとき、逆止弁５２が開き、水路９０内の水がシリンダ３１内に確実に供給することができる。

図８は、図６に示す水流発電システム１００において主水路１２１の幅が踏み板７０を並べた領域１４０の幅よりも狭い場合を示す断面図である。図９は、図８に示す主水路１２１の端部に取り付けられた水流噴射装置１５の構成を示す図である。図８に示す主水路１２１の端部付近に、主水路１２１の中央付近に取り付けられた水流噴射装置１０と同じ水流噴射装置を取り付ければ、水流噴射装置１０の噴出口４１と給水口５１を主水路１２１内に配置することができない。そこで、図９に示す斜めに傾いた水流噴射装置１５を準備し、油圧ピストン２１上に踏み板７０を取り付け、主水路１２１内に設置する。このような水流噴射装置１５を設置することにより、主水路１２１の幅が狭くても発電を行なうことができる。この場合、主水路１２１を掘削するための工事費を低減することができ、ひいては発電コストを低減することができる。

また、図６では、主水路１２１内に設置する発電タービン１３０は１台ずつとした。しかし、複数の水流噴射装置１０のうち、より近い位置に設置された水流噴射装置１０の噴出口４１から噴出される水流を有効に利用できるように、発電タービン１３０の設置台数および設置方法を変えてもよい。例えば、主水路１２１の幅が広い場合には複数台の発電タービン１３０を主水路１２１の幅方向に並べて設置してもよい。また、主水路１２１の深さが深い場合には、複数台の発電タービン１３０を深さ方向に並べて設置してもよい。いずれの場合にも、主水路１２１内の水流を有効に活用することができるので、発電コストを低減することができる。

また図６では、上記実施形態では、環状水路１２０を流れる水の方向は、自動車の走行方向と同じであるとした。しかし、水流噴射装置１０の排出管４０の噴出口４１を逆向きにすることにより、環状水路１２０を流れる水の方向を自動車の走行方向と逆向きの方向にすることができる。

＜１．５ 効果＞
第１の実施形態によれば、水流噴射装置１０は、水流を噴出する際に環境を汚染する物質を排出することがなく、また水流噴射装置１０の構造が簡単であるため保守点検が容易である。また電力等のエネルギーを供給しなくても、水流噴射装置１０は動作するので、その運転コストを抑えることができる。

また、道路１１０の下方の地中に水を貯水する環状水路１２０が設けられ、環状水路１２０に水流噴射装置１０が取り付けられている。水流噴射装置１０に取り付けられた踏み板７０上を自動車１５０が走行すれば、水流噴射装置１０から噴出される水流によって、環状水路１２０内の水が循環し、発電タービン１３０を回す。これにより、環境を汚染する物質を排出することがないので、環境に優しい発電を行なうことができる。また、低コストで動作する水流噴射装置１０から噴出される水流を利用して発電を行なうので、発電コストを低く抑えることができる。

＜１．６ 変形例＞
図１０は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る水流発電システム２００の構成を示す平面図である。図１０に示すように、片側２車線ずつ、合計４車線の道路２１０の下方の地中に、環状水路２２０が形成されている。環状水路２２０は、各車線に沿って延びる４本の主水路２２１と、４本の主水路２２１をその両端でそれぞれ接続する２本の横断水路２２２とによって構成されている。水は、環状水路２２０を循環するように流れている。各主水路２２１では、水は、その上方の道路２１０を走行する自動車と同じ方向（矢印で示す方向）に流れ、全体として環状水路２２０を右回りに流れている。

各主水路２２１にそれぞれ２台の発電タービン１３０が設置され、これら２台の発電タービン１３０は所定の距離だけ離して１台ずつ設置されている。発電タービン１３０で発電された電気を蓄電するために、発電タービン１３０に接続された、１または２台以上の蓄電池（図示を省略）が設けられている。

道路２１０の路面に、幅が車線幅とほぼ等しく、長さが複数個分の踏み板７０の長さに相当する面積を有し、水流噴射装置の油圧ピストンに取り付けられた複数個の踏み板７０をマトリクス状に並べた領域２４０が、車線ごとにそれぞれ２箇所ずつ設けられている。

このように、車線の数が多くなれば、それに応じて設置される水流噴射装置および発電タービン１３０の台数を多くすることができるので、発電量が増える。また、環状水路２２０内を循環する水流の流速を速くすることができるので、発電タービン１３０の回転数が多くなり、発電量がより増える。

この水流発電システム２００は、２車線（片側１車線）または４車線（片側２車線）の道路だけでなく、より多くの車線を有する道路に適用することもできる。また、車線数が偶数の道路だけでなく、奇数の道路にも適用することができる。

＜２．第２の実施形態＞
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る水流発電システム３００の構成を示す平面図である。図１１に示すように、並走する２本の線路３１０の下方の地中にそれぞれ主水路３２１が設けられ、各線路３１０の中央には、水流噴射装置に取り付けられた踏み板３７０が設置されている。より詳しくは、２本のレール３１１に挟まれた地面の中央に、レール３１１の延びる方向に沿って踏み板３７０が配置されている。

図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、それぞれ図１１に示す水流発電システム３００の線路３１０を走行する列車３５０の正面図および側面図であり、図１３は、図１２に示す列車３５０の底面に取り付けられた押圧部３６０の形状を示す図である。図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示すように、列車３５０の底面には、押圧部３６０が取り付けられている。

図１３に示すように、押圧部３６０は、ゴム製のタイヤ３６１と支持部材３６２とからなる。タイヤ３６１は、列車３５０の進行方向に回転可能となるように、支持部材３６２によって列車３５０の底面に取り付けられている。列車３５０は、自動車１５０と異なり、線路３１０上を走行するので、地面に設置する踏み板３７０の位置が決まれば、タイヤ３６１を取り付けるべき列車３５０の底面の位置が決まる。また、タイヤ３６１は、踏み板３７０が設置されていない場所では地面に接触しないように、後述するように所定の高さに取り付けられている。タイヤ３６１は、ゴム等の弾力性素材からなり、かつ踏み板３７０の斜面を登るように転がるので、列車３５０が踏み板３７０上を走行する際の受ける衝撃が少なく、列車の乗客の乗り心地を悪くすることはない。また、タイヤ３６１を回転させることによってタイヤ３６１の摩耗を減らすことができるので、タイヤ３６１の寿命を長くすることができる。

図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、それぞれ図１１に示す水流発電システムの線路の間に設けられた踏み板上を通過する列車３５０の正面図および側面図である。図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示すように、列車３５０が踏み板３７０上を走行するときに、タイヤ３６１は踏み板３７０上を転がりながら踏み板３７０を押し下げる。

図１５は、図１３に示す列車３５０に取り付けられた押圧部３６０のタイヤ３６１が踏み板３７０上を進む様子を示す図である。図１５に示すように、踏み板３７０が設置されている箇所では、タイヤ３６１は、斜面である踏み板３７０上を転がりながら進む。このとき、タイヤ３６１の地面からの高さは、踏み板３７０の高さよりも低くなるように固定されているので、タイヤ３６１が踏み板３７０上を転がりながら登るときに踏み板３７０を下方に押さえる。これにより、油圧ピストン２１が押し下げられ、水流噴射装置から水が噴出される。この噴出された水によって、環状水路３２０内の水が循環して発電タービン１３０を回し、発電が行なわれる。

本実施形態による効果は、第１の実施形態による効果と同じであるので、その説明を省略する。

なお、図１１では、２本のレール３１１に挟まれた地面の中央に、踏み板３７０を１つだけを配置したが、複数の踏み板を配置してもよい。図１６は、図１１に示す水流発電システム３００において２本のレール３１１に挟まれた地面の中央に、レール３１１が延びる方向に沿って踏み板３７０を一列に並べた図である。この場合、タイヤ３６１は、踏み板３７０を一つずつ順に下方に押さえるので、水流噴射装置は主水路３２１内の水中に順に水を噴出する。

図１７は、図１１に示す水流発電システム３００において２本のレール３１１に挟まれた地面に、複数の踏み板３７０を並行に並べた図である。図１８は、図１７に示す線路上を走行する列車３５０の正面図である。この場合、各踏み板３７０を同時に下方に押さえる必要がある。このため、図１８に示すように、各踏み板３７０にそれぞれ対応するように複数本のタイヤ３６１が、列車３５０の底面に取り付けられている。なお、タイヤ３６１の幅を広くすれば、１本のタイヤ３６１で複数の踏み板３７０を同時に下向きに押すことができるので、取り付けるタイヤ３６１の本数を減らすことができる。

このように、設置する踏み板３７０を多くすることによって、各踏み板３７０が取り付けられた水流噴射装置から水が噴出されるので、環状水路３２０内を流れる水の流速がより速くなる。これにより、環状水路内に設置された発電タービン１３０の回転数が多くなるので、発電量もより増える。

また、図１９は、水流発電システム３００に使用可能な他の形状の踏み板３７５を示す図である。図１９に示すように、踏み板３７５は、タイヤ３６１が転がりながら登るべき斜面になる板のみから構成されていてもよい。この場合、踏み板３７５の製造が容易になるので、水流噴射装置の製造コストを低減することができる。また、油圧ピストン２１の形状も図１９に示すように、左右対象の形状でなくてもよい。なお、タイヤ３６１は踏み板３７５を下方に押すための力を加えるだけであり、列車の走行には無関係である。このため、タイヤ３６１の接する踏み板３７５の位置が最も高い位置から低い位置に急に変化しても、列車の乗客の乗り心地に悪影響を与えることはない。

また、上記実施形態では、複線の場合について説明したが、例えば複々線等、複数の線路が並走するように敷設された線路に本発明を適用することにより、上記実施形態と同様にして発電を行なうことができる。

＜３．各実施形態に共通する変形例＞
上記第１および第２の実施形態では、油圧部２０の作動油２４として鉱物油を使用する場合について説明した。しかし、鉱物油の代わりに、難粘性であるリン酸エステル系や水−グリコール系の作動油、環境に優しい植物油や合成油を使用してもよい。また、その他の液体を使用してもよい。さらに、液体の代わりに圧縮空気等の気体を使用してもよい。そこで、本明細書では、これらの液体および気体をまとめて圧力媒体、油圧部２０を圧力伝達部、油圧ピストン２１を圧力伝達ピストン、油槽２２を媒体槽ということがある。

＜４．従来技術との対比＞
最後に、本発明と従来技術との相違点、当該相違点に基づく本発明の有利な効果について説明する。特開２００７−２８３２号公報に記載された発電は、車両が通過した際に発生する水流を用いて発電タービンを回すことにより行なわれる水流発電であり、環境汚染に配慮した発電である点では本発明と共通している。

しかし、従来技術では、個々のポンプ型水槽内を流れる水流によって、その内部に設けられた発電タービンを回すために、ポンプ型水槽ごとに発電タービンを設置しなければならない。このため、ポンプ型水槽の製造コストが高くなり、ひいては発電コストも高くなる。また、発電タービンの大きさをあまり大きくできないので、発電量も少ない。これに対して、本発明に係る水流噴射装置１０、１５には発電タービンを設ける必要がなく、複数の水流噴射装置１０、１５ごとに発電タービン１３０を設ければよいので、水流発電システム１００、２００、３００の製造コストを抑えることができる。また、発電タービン１３０は、道路１１０、２１０等の下に設けた環状水路１２０、２２０、３２０に設置されるので、大型の発電タービンを設置することができる。このため、より多くの電気を短時間で発電することができる。

また、従来技術に記載されたポンプ型水槽では、２つのピストンに対して補助板を含む１つのシーソー盤が取り付けられているのに対して、本発明では、１つの油圧ピストン２１、２１ａに対して１つの踏み板７０、３７０がそれぞれ取り付けられている。これにより、本発明の踏み板７０、３７０の面積を、従来技術のシーソー盤の面積に比べて小さくすることができるので、シーソー盤よりもより多くの踏み板７０、３７０を道路１１０上に配置することができる。このため、本発明に係る水流発電システム１００、２００、３００は、従来技術に比べてより多くの電気を効率的に発電することができる。

１０、１５…水流噴射装置
２０…油圧部
３１…シリンダ
３２…ピストン
３３…ばね（コイルばね）
３４…支持板
３５…貫通孔
３６…逆止弁（第１の逆止弁）
３７…開口部
４０…排出管
５０、５０ａ…給水管
５１…給水口
５２…逆止弁（第２の逆止弁）
７０、３７０…踏み板
１００、２００、３００…水流発電システム
１１０、２１０…道路
１２０、２２０、３２０…環状水路
１３０…発電タービン
１３５…蓄電池
１５０…自動車
３１０…線路
３５０…列車
３６１…タイヤ

Claims (11)

1. 外部から力を与えられると水流を噴出する水流噴射装置であって、
   外部から与えられた力を伝達する圧力伝達部と、
   内壁を摺動しながら上下に移動可能なピストンと、貫通孔が設けられ、かつ内壁に固定された支持板と、一端および他端が前記ピストンおよび前記支持板にそれぞれ固定され、かつ復元力を有する弾性体とを有し、前記ピストンと前記支持板とによって挟まれた空間に水を蓄えることが可能なシリンダと、
   前記シリンダに取り付けられ、前記シリンダから噴出された水の噴出方向を制御する排出管とを備え、
   前記圧力伝達部は、
   媒体槽と、
   前記媒体槽の内壁を摺動しながら上下に移動可能な圧力伝達ピストンと、
   前記媒体槽の底面と前記シリンダとを接続する配管と、
   前記媒体槽と、前記配管と、前記配管および前記ピストンによって挟まれた前記シリンダの空間とに密閉された圧力媒体とを備え、
   前記外部から与えられた力が前記圧力伝達ピストンに与えられると、前記圧力伝達ピストンが前記媒体槽の内壁を摺動しながら下方に移動することによって、前記外部からの力を前記ピストンに伝え、
   前記ピストンが前記弾性体によって押し上げられると、前記圧力伝達ピストンが前記媒体槽の内壁を摺動しながら上方に移動し、
   前記外部から与えられた力が前記弾性体の前記復元力よりも強いとき、前記ピストンは前記弾性体を押し縮めるように移動し、前記シリンダに蓄えられた水を噴出することを特徴とする、水流噴射装置。
2. 前記シリンダの側面に設けられた開口部に取り付けられ、前記シリンダの前記空間と連通する給水管をさらに備え、
   前記外部から与えられた力が前記弾性体の前記復元力よりも弱いとき、前記ピストンは前記弾性体によって押し上げられ、前記給水管から前記シリンダの前記空間に水が供給されることを特徴とする、請求項１に記載の水流噴射装置。
3. 前記支持板の前記貫通孔を塞ぐための第１の逆止弁と、前記シリンダの側面の前記開口部を塞ぐための第２の逆止弁とをさらに備え、
   前記シリンダに蓄えられた水を噴出するとき、前記第１の逆止弁が開くと共に、前記第２の逆止弁が閉じ、
   前記シリンダの前記空間に水を供給するとき、前記第１の逆止弁が閉じると共に、前記第２の逆止弁が開くことを特徴とする、請求項２に記載の水流噴射装置。
4. 前記弾性体はばねであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の水流噴射装置。
5. 水流によって発電する水流発電システムであって、
   自動車が互いに逆方向に走行可能な車線をそれぞれ少なくとも１車線ずつ含む道路と、
   前記車線の下方の地中に埋設された複数の主水路と、前記複数の主水路の各端部を接続する複数の横断水路とによって構成され、水を貯水する環状水路と、
   少なくとも前記排出管が前記環状水路の水中に没するように取り付けられた、請求項１から４のいずれか１項に記載の水流噴射装置と、
   前記水流噴射装置の前記圧力伝達ピストンに取り付けられ、前記道路の路面に配置された複数の踏み板と、
   前記環状水路内に設置された発電タービンとを備え、
   前記水流噴射装置は、前記自動車が前記踏み板上を通過したときに前記踏み板を押し下げることにより、前記排出管から水を噴出して前記環状水路内の水を循環させ、
   前記発電タービンは、前記環状水路内を循環する水によって回されることを特徴とする、水流発電システム。
6. 水流によって発電する水流発電システムであって、
   列車が互いに逆方向に走行可能な単線の線路をそれぞれ少なくとも１線路ずつ含む複線の線路と、
   前記単線の線路の下方の地中に埋設された複数の主水路と、前記複数の主水路の各端部を接続する複数の横断水路とによって構成され、水を貯水する環状水路と、
   少なくとも前記排出管が前記環状水路の水中に没するように取り付けられた、請求項１から４のいずれか１項に記載の水流噴射装置と、
   前記水流噴射装置の前記圧力伝達ピストンに取り付けられ、前記単線の線路を構成する２本のレールの間の地面に配置された踏み板と、
   前記環状水路内に設置された発電タービンとを備え、
   前記水流噴射装置は、前記列車が前記踏み板上を通過したときに、前記列車の底面に取り付けられた押圧部が前記踏み板を押し下げることにより、前記排出管から水を噴出して前記環状水路内の水を循環させ、
   前記発電タービンは、前記環状水路内を循環する水によって回されることを特徴とする、水流発電システム。
7. 給水管は水を取り入れるための給水口を有し、前記給水口は前記環状水路に貯水された水の水位よりも低い位置に設けられていることを特徴とする、請求項５または６に記載の水流発電システム。
8. 前記発電タービンは、水流が噴出される方向であって、前記水流噴射装置の前記排出管の近傍に設置されていることを特徴とする、請求項５から７のいずれか１項に記載の水流発電システム。
9. 前記発電タービンと送電線に接続された蓄電池をさらに備え、前記蓄電池は前記発電タービンによって発電された電気を蓄積し、前記送電線を介して外部に送電することを特徴とする、請求項５から８のいずれか１項に記載の水流発電システム。
10. 前記押圧部は、前記列車の底面に取り付けられた支持部材と、前記支持部材に回転可能に取り付けられた弾性材からなるタイヤとによって構成され、
    前記タイヤの地面からの高さは、前記踏み板の高さよりも低くなるように固定され、
    前記列車が前記踏み板上を走行するとき、前記タイヤは前記踏み板上を転がりながら進むことによって押圧することを特徴とする、請求項６に記載の水流発電システム。
11. 前記踏み板は、前記列車の進行方向に向かって高さが高くなる斜面のみからなることを特徴とする、請求項１０に記載の水流発電システム。

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