JP6719752B2 - ユニット型小水力発電装置。 - Google Patents

Description

内陸地に所定量の貯水槽とタービン塔、及び、発電機器室を一体に、又は、湖水内にタービン塔、及び、発電機器室が一体形成されたユニット型小水力発電装置を形成して自然エネルギーによる二酸化炭素排出ゼロの、低コスト発電可能な分散型発電を可能にし、かつ、更には、該装置複数基設置の大規模化を図って脱原発化推進可能な発電技術に関する。

既存の発電装置は、火石、水力、太陽光、風力、地熱、波浪、揚水、原子力、バイオマス式等の多くの様式があった。然し、何れも、震災を含む自然条件や、環境問題、或いは、資源問題等の制約を受けることが多く、かつ、エネルギー転換効率や、高圧送電網を要する施設等の条件によるコスト高となり、今後、益々、革新的技術による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脱原発をも可能とするベースロード電源が求められていた。

本発明は上記現状の課題に着目して、一定量の貯水確保可能な、極寒地を除くほぼ如何なる内陸地に於いても、又は、湖水内に於いて、震災や自然条件に左右されず、かつ、環境問題に優しい自然界エネルギーによる、かつ、低電気料金提供可能な新たな耐震性を有するユニット型の小水力発電装置を形成し、かつ、該単位装置からなる大規模化をも可能とし、同時に、高さ半減の小型発電タンク式発電装置を形成して汎用性を有するベースロード電源を確立して地球上の課題であったエネルギー問題の解決を図って生活の向上と産業の生産性向上、及び、地球温暖化防止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、叉は、半地下、若しくは、湖水設置等のユニット型小水力型発電装置を、所定容量の上部開放の内部が縦間仕切り式に設けられた複数室からなる耐震性を有する所定発電能力の単位小水力発電所を形成し、かつ、任意基数設置可能な中、乃至、大規模発電所形成のインフラ構築を可能とするもので、例えば、平面形状角型の、１０メートル角の、各コーナーを半円状とする深さ約２０メートル強の縦型筒管状の所定容量の耐震槽を設けて設置し、内部に、縦間仕切り式の一定量の流体用貯水室、及び、上げ底状に設けた約１０メートルｙくの上部室にタービン内蔵室、下部を約１０メートルの貯水共通可能に設けたタービン塔、及び、発電機器収納室を一体形成し、かつ、貯水室とタービン室上部間にサイフォンを配して形成するものとし、この様に形成された本耐震性小水力発電所は、サイフォンによって流体が吸投入され、タービン回転後の落下流体を補給用直通管（以下、補給用バイパス又はバイパスと言う）付き瞬間滞留プールからなるポンプ機構で下方に圧送して配置された約１０メートルの垂直落下筒管によって上げ底下部貯水室底部に配した逆止弁を介して吐出合流、かつ、循環可能に形成するものとし、かつ、タービン伝動可能な発電装置によって所定発電能力の耐震性を有するユニット型発電所を形成出来る。

この様に形成された小水力発電所は、前記タービン通過後の落下流体の底部吐出力が最大の課題であったが、本発明は、貯水槽と滞留プール間に流量調整可能な補給用バイパスを設けたことを特徴として、瞬間滞留プール内の落下流体の増量を図り、かつ、フロート式センサーを備えて水量欠乏の不安なくポンプ機構で圧送して、底部の貯水圧に勝る吐出圧で吐出、かつ、合流を可能として上下循環可能なシステムを形成出来る。
なお、本ポンプ機構は有軸螺旋羽根、又は、スクリュウと電動モーターの組み合わせ式に、又は、送水ポンプ式等に設けて圧送出来る。

かつ、該ユニット式発電所は、各々が、単位発電装置毎に、流体投入管、及び、タービン、及び、再圧送ポンプ機構を複式に構成して単位発電能力増強形成可能に設けることが出来る。更には、これを所定基数倍設置して中、大規模発電所を建設することが出来る。
なお、再圧送ポンプ機構を含めたこれらの補助装置の電源としては外部電源、及び、該ユニット式発電所で発電した自家発電エネが落下吐出圧補助等のために用いられる。なお、本装置は、極寒冷地に於いては凍結対策を講じる必要がある。かつ、蒸発水の補充を要する。

従がって、この様に形成された本発電装置は、自然界の再生可能な水力の垂直落下のエネルギーを用いて形成されて、二酸化炭素排出もゼロ、かつ、設備投資額が極めて低く、かつ、ほぼフリーメインテナンスで耐用年数に優れて発電コストも廉価であり、かつ、分散型建設可能で長距離高圧送電網設備をもほぼ不要とするため、時代の求める脱原発社会を形成可能なベースロード電源となりうるインフラ発電装置である。

また、本発明は、請求項２の如く、湖水内に小水力発電装置を設置形成のため、胴部中空部にタービン内蔵のタービン塔単体を発電装置室併設可能に形成し、該装置を、やぐら、又は、型枠を組んで湖水内に、該頭部湖面突起可能に設置し、流体サイフォン投入式、叉は、湖面近傍設置の投入管を経て湖水投入可能に形成するものとし、かつ、タービン下部に、前記湖水直結の補給バイパスを設けた瞬間滞留プールからなる圧送ポンプ機構を配して下方垂直筒管に圧送し、底部の逆止弁を介して湖水内に吐出合流、かつ、上部連続投入の循環可能に設けられたタービン塔単体のユニット型小水力発電装置を形成することが出来る。

かつ、本発明のタービン塔単体湖水設置式の小水力発電装置は、該タ―ビン塔内に各関連機器を複式に構成して単位発電能力の向上を図ることも出来ると同時に。内陸地に大型プールを設けて、任意に複数基を設置して大型化を図ることも出来る。

また、本発明は、請求項３の如く、前記ユニット型小水力発電装置構造の小型化と簡素化を図って更なる利便性と汎用性を高めるため、例えば、前記耐震槽の高さを、ほぼ１０メートル強に半減の縦型外部容器(以下発電タンクと言う)を、内部を縦間仕切りして一定容量の貯水槽、及び、ポケット付きタービン室、及び、発電機器室を設けて形成し、上部に正副のサイフォン式流体吸投入管を配して落下流体の自己エネルギーによるタービン回転可能に形成、該下部に、落差を有する異径の曲がり管を配して、タービン回転後の減圧された残留落下エネルギーを有する流体を投入し、補助圧送手段を配して貯水室に吐出合流可能に形成することが出来る。かつ、本発明は、縦ポケットにサブサイフォンを嵌合して約１０メートルの最大落下可能に設けて異経曲がり管内に同時投入可能に形成し、この様に形成された流体の吐出力は、スクリュウ式等の補助圧送手段効果と相乗して貯水槽内への吐出力を高めて合流して流体の循環可能に形成出来る。

従って、この様に形成された、本発明の発電タンク式小型小水力発電所は、所要水量が半減して貯水圧も半減されているため、タービン回転通過時に減圧された落下流体の残存エネルギーを有効利用して、下部に配した所定の落差を有する異径曲がり管の落差分と、サブサイフォンを配して所定水量の全落下エネルギーを加算、かつ、補助圧送手段を配して吐出圧を高めて貯水室内に吐出可能な簡易型に形成される故、所定の水量が確保可能であれば、如何なる内陸地に於いても、地産地消型の、ＣＯ２排出ゼロの、気象条件に左右されない、かつ、極めて安価な設備コストで、かつ、メインテナンスフリーからなる低電気料金提供可能に形成して、小規模発電装置による利便性と、更なる汎用性を高める事により、画期的なエネルギー政策の近代化を推進することが出来る。
なお、本発明は、サブサイフォン、叉は、補助圧送手段の何れかを選択することも出来る。

かつ、該発電タンク式発電装置に於いても、内部のタービンを含む装置を複数に設けることも出来る。かつ、本発電装置は、湖水内、叉は、陸上のプール内に単、若しくは、複数基を設置してインフラ形成することも出来る。
従がって、該小型発電所は分散型発電装置の普及をより促進にして、長距離送電を不要とすると同時に、都市部の送電線をも極小化し、かつ、送電線の地下埋設化をも可能とする未来型の発電、配電社会の形成を可能とすることが出来る。

一定量の流体確保可能な内陸地、若しくは、湖水内に設置する、所定容量の貯水室、及び、上げ底式のタービン塔、及び、発電機器室からなる耐震性ユニット型小水力発電装置の機能向上のため、貯水室と瞬間滞留プール間に直結する補給バイパスを配して併設されたセンサー付き圧送プ機構で下部吐出圧送力を高めた上下循環システム確立可能な小水力発電装置を形成し、更に、前記タービン塔高さ、及び、貯水圧半減の発電タンク式小水力発電装置を形成のため、タービン室下部に落下流体受け入れ可能な所定の落差を有する異径曲がり管を補助圧送ポンプ付き、及び、正副サイフォン式に設けてタービンの落下残存エネルギーを有効活用し、かつ、サブサイフォン全落下流体圧、及び、機械的加圧送補助手段を配して貯水室内吐出合流可能な単位小水力発電所を形成して従来型再生エネ発電装置に勝る効率の良い、低装置コストの、低電気料金実現可能な分散型、または、任意基数設置して脱原発可能な大規模発電装置を提供出来る。

本発明の耐震槽内に収納されたユニット式流体バイパス付き小水力発電所の部分切欠の正面断面構成図で陸上半地下式に設置された様子を示す。 同上、耐震性ユニット式発電所のタービン２連式の平面構成図。 流体吐出用のスプリング式逆止弁の正面部分断面切欠図で、片側は可撓性パッキングと逆椀状下弁が流体吐出時開弁した様子を示す。 本発明のユニット式発電装置併設の発電機器室併設のタービン塔単体を湖水に設置した様子を示す部分切欠の正面断面図。 本発明の高さ半減の発電タンク式小水力発電装置の部分切欠正面断面構成図で、タービン通過落下流体を受け入れる異径曲がり管を配して補助圧送手段を併設し、かつ、サブサイフォン流体同時投入可能に形成した様子を示す図。

以下、本発明の形態を図1、図２、図３、図４、図５によって説明する。

図１〜３に示す如く、本発明のユニット型小水力発電可能な装置１の耐震性を有する小水力発電所１Ａ形成のため、内陸部の地上Ａ、若しくは、半地下式の任意設置可能な耐震槽2を、例えば、タービン１連の場合、上部開放の平面形状約１０メートル角の各コーナー
２ａ半円状の、高さ、２０メートル強の縦型筒管状の所定容量に設け、内部に縦間仕切り３を配して一定量の流体Ｗ用貯水室２Ａ、及び、タービン塔２Ｂを上げ底４式に設けて上部中空部Ｂにタービン５内蔵のタービン室２Ｔ、下部に流体共通室２Ｗのタービン塔２Ｂを配し、かつ、発電機器内蔵の発電機器室２Ｃによって形成され、かつ、貯水室２Ａとタービン塔２Ｂ上部間に、例えば１０００ミリメートルΦのサイフォン６Ａを流体Ｗ吸投入可能に配して落下流体の自己エネルギーでタービン５回転可能に形成、かつ、タービン塔２Ｂは、タービン５下部に落下流体瞬間滞留用プール７をバイパス７Ａ付きに設けた圧送ポンプ機構８を配して下方圧送可能に、かつ、落下筒管９を上げ底４を貫通して下部共通室２Ｗ底部に、例えば、スプリング１０式の可変圧対応可能な逆止弁１１を配して底部貯水室２Ｗ内に吐出可能に形成され、かつ、流体Ｗ上下循環可能に、かつ、タービン５連続回転、かつ、発電可能に形成される。
なお、ポンプ機構８はプール７内に有軸螺旋羽根８Ａを電動モーター８Ｂ駆動式、叉は、図示しないが送水ポンプ式等に設けることが出来る。

この様に形成された縦間仕切り３と半円状のコーナー２ａによって容器構造が強化された耐震槽２からなる耐震性小水力発電所１Ａは、タービン塔２Ｂ内に設けた瞬間滞留プール７に配した、貯水室２Ａから直通する、例えば、１００ミリメートルΦの流量調整可能なバイパス７Ａが瞬間滞留プール７内の流体を常時補強し、増量流体分がフロート１２に反応して加圧送可能に設けられて運転時の滞留流体の流量不足の不安なくポンプ機構８で下方に加圧送し、下部の、例えば、８〜１０メートルの垂直落下筒管９の距離で生ずる自己落下エネルギーと共に倍加されて底部の逆止弁１１を介して貯水共通室２Ｗ内の流体圧を凌駕して吐出して合流、かつ、サイフォン６Ａ吸引による連続循環可能に設けられた耐震性小水力発電所１Ａを形成している。

なお、前記逆止弁１１は、図３に示す如く、例えば、上部に配した可撓性パッキング１１Ａとスプリング１０によって上下可動する逆椀状下弁１１Ｂが開閉して落下流体可変追随吐出可能に形成することが出来、かつ、逆流入防止可能に形成出来る。
また、サイフォン吸引口部６ａ近傍にスクリュウ式の補助圧送手段１３を、または、逆止弁１１流体吐出部近傍にエアレーション式等の補助撹拌手段１４を配置可能に形成出来る。

本発電装置１Ａの運転停止の時はタービン５を停止すると同時に、サイフォンのバルブ１５Ａ，１５Ｂ、及び、バイパスのバルブ７Ｂの操作で流体Ｗ落下を止め、逆止弁１１は、パッキング１１Ａ自身の復元力と、スプリング１０の復元力と底部貯水圧で下弁１１Ｂが素早く閉じられ、タービン室２Ｔと垂直落下筒管９はほぼ中空に維持される。
かつ、運転開始時は、サイフォン吸入口側、同排出側のバルブ１５Ａ，１５Ｂ，及び、バイパスのバルブ７Ｂを閉めて貯水室２Ａとサイフォン６内の充填をし、かつ、タービン室２Ｔ内の中空Ｂを確認後、各バルブを同時開栓、かつ、タービン５を駆動して稼働することが出来る。なお、初期、及び、補助伝動装置の電力は、外部電源、及び、発電装置１Ａの自己発電々力を用いることが出来る。

従がって、この様に形成されたユニット型耐震性小水力発電所１Ａは、簡易な構造による設備コストで建設出来、かつ、メインテナンスフリーで長年月間連続運転可能な小発電所となりうるもので、所定量の流体が確保されるほぼ如何なる内陸地でも任意に設置可能と同時に、図２に示す如く各室内設備を複式に設けて単位発電装置の発電能力を高めることも出来る。さらに、本単位小水力発電所１Ａは、これを任意基設置して中、大規模発電所をインフラ形成可能とし、或いは、地域ごと、需要家ごとの分散型発電所設置を可能にして長距離送電を不要とし、かつ、都市部の送電線を極小化して未来型の発電と配電社会の形成可能とすることが出来る。なお、本装置は、陸上設置の条件として極寒地における対策を講じると同時に、運転稼働中の流体の蒸発分の補充を必要とする。

また、本発明のユニット型小水力発電装置１Ｂは、図４に示す如く、タービン５内蔵の縦型中空タービン塔２Ｂ単体を発電機器室２Ｃと併設してやぐら１６等を用いて湖水Ｃ内に頭部突出の開放可能に設置し、かつ、上部にサイフォン６Ａを配して湖水吸投入可能に設けて中空のタービン室のタービン５を回転、かつ、伝動可能に構成して発電可能に形成され、かつ、タービン５下部に配した瞬間滞留プール７に湖水直結のバイパス７Ａをバルブ７Ｂ付きに設けて圧送ポンプ機構８で流体下方加圧送可能に設け、かつ、垂直落下筒管９を経て底部に配したスプリング式逆止弁１１を介して湖水Ｃ内に流体Ｗ吐出可能に形成して湖水循環可能な湖水用ユニット型小水力発電装置１Ｂを形成出来る。
なお、本湖水ユニット型小水力発電装置１Ｂに於いても図示しないがサイフォン吸入口６ａに圧送補助装置１３を設けることも、又は、バルブ１１近傍にエァレーション等の撹拌補助手段１４を用いて循環効率を高めることが出来る。

かつ、この様に形成された湖水式ユニット型小水力発電装置１Ｂに於いても、単位発電装置ごとに、各室ごとの装置を複数設置して単位発電能力を高めることも出来る。或いは、該発電装置を、内陸部に設けられた大型プール内に任意複数基設置して大型小水力発電装置を形成できる。

また、本発明は、図５に示す如く、前記ユニット式小水力型発電装置の小型化を図って更なる利便性を高めるため、外部容器の発電タンク１７を、タービン５が１連の場合、例えば、平面、約７〜８メートル角の、高さ１０〜１２メートルに設けて小型化し、かつ、内部の縦間仕切り３によって、貯水室２Ａ、及び、タービン５収納のタービン室２ＴをポケットＰ付きに設けて、及び、発電機器室２Ｃによって構成され、かつ、貯水室２Ａとタービン室２Ｔ上部間にサイフォン６Ａを配し、かつ、貯水室２Ａとタービン塔のポケットＰ間上部に所定径のサブサイフォン６Ｂを配して上部流体吸投入可能に形成し、かつ、タービン下部に、タービン回転後の残留エネルギーを有する落下流体受け入れ可能な、所定の落差Ｄ１を有する異径曲がり管１８を配して形成し、かつ、前記サブサイフォン６Ｂの全落下距離D２の流体を同時吸収可能に、かつ、ポンプ式等の補助圧送手段１３を配して貯水室２Ａ吐出可能に形成することが出来る。
なお、本発明は、例えば、図５の如くサイフォンの吸引口６ａ側延長部Ｘ１と、曲がり管１８吐出口延長部Ｘ２を所定の間隙Ｅを設けて配管可能に形成することが出来る。なお、前記サブサイフォン６Ｂと加圧送ポンプ１３はこれを選択採用することが出来る。

この様に形成された、本発明の発電タンク１７式小型小水力発電所１Ｃは、貯水室高さが半減して貯水圧が半減した貯水内に、タービン通過後の残留エネルギーを有する流体を、約２〜３メートルの落差Ｄ１を有する異径曲がり管１８内で加圧送し、かつ、サブサイフォン６Ｂの全落下距離Ｄ２圧と合流し、かつ、加圧送手段１３を用いて貯水室２Ａ内に吐出圧を倍加して吐出可能に設けて、循環可能に形成することが出来る。
従がって、本小型小水力発電装置は、一定の水量が確保可能であれば、極寒地を除くほぼ如何なる内陸地に於いても、ＣＯ２排出ゼロの、かつ、極めて安価な設備コストで、かつ、メインテナンスフリーからなる低発電料金提供可能に形成して、小規模発電装置による利便性と、更なる汎用性を高める事により、生産性の高い、かつ、社会生活向上に貢献出来る有望なベースロード電源化を推進することが出来る。
もとより、本発電タンク式発電装置１Ｃに於いても、図示しないが単位発電装置自身の発電力向上を図ることが出来ると同時に、任意基数拡大設置して中、大規模化発電システムを構築して世界の脱原発社会を形成可能とすることが出来る。

１ ユニット型小水力発電装置
１Ａ 耐震性小水力発電所
１Ｂ 湖水型小水力発電所
１Ｃ 発電タンク型小水力発電所
２ 耐震槽
２a 同コーナー
２Ａ 貯水室
２Ｂ タービン塔
２Ｔ 上部中空タービン室
２Ｗ 下部貯水共通室
２Ｃ 発電機器室
３ 縦間仕切り
４ 上げ底
５ タービン
６Ａ サイフォン
６Ｂ サブサイフォン
６ａ サイフォン吸入口
７ 瞬間滞留プール
７Ａ バイパス
７Ｂ 同上バルブ
８ ポンプ機構
８Ａ 有軸螺旋羽根
８Ｂ 電動モーター
９ 垂直落下筒管
１０ スプリング
１１ 逆止弁
１１Ａ筒状可撓性パッキング
１１Ｂ逆椀状下弁
１２ フロート
１３ スクリュー式等の補助圧送手段
１４ エアレーション等の補助圧送手段
１５Ａサイフォンの吸入バルブ
１５Ｂサイフォン排出バルブ
１６ やぐら
１７ 発電タンク
１８ 異径曲がり管
１９ マンホール
Ａ 地上
Ｂ 中空部
Ｃ 湖水
Ｄ１ 異径曲がり管の落差
Ｄ２ サブサイフォンの落差
Ｅ 所定の間隙
Ｐ サブサイフォン嵌合ポケット
Ｘ１ サイフォン口部側延長部
Ｘ２ 曲がり管吐出口延長部
Ｗ 流体

Claims (3)

1. ユニット型小水力発電装置であって、
   陸上内陸部に設置可能な、所定容量の、所定高さを有する外槽を上部平面ほぼ角型の縦型筒管状に設けて平面各コーナーを半円状に設け、かつ、該内部を縦間仕切り式複数室の耐震構造を有する耐震槽に、貯水室、及び、上げ底式の上部中空室に発電用タービンを内蔵し、下部に流体共通室を設けたタービン塔、及び、発電機器室を一体形成し、
   該耐震槽上部に流体吸投入可能なサイフォンを配して前記発電用タービンを回転可能にし、
   該タービン下部に落下流体瞬間滞留可能なプールからなる圧送ポンプ機構を併設し、
   該プールと前記貯水室との間に前記貯水室から前記プールへ流体を流すためのバイパスを配し、
   前記圧送ポンプ機構下部に、垂直筒管、及び、可変圧対応可能な逆止弁を配して、該落下流体を、前記圧送ポンプ機構、前記垂直筒管、及び前記逆止弁介して前記下部貯水室内に流体吐出合流可能に設けたユニット型小水力発電装置。
2. 湖水内に設置されるユニット型小水力発電装置であって、
   上げ底式の上部中空室に発電用タービンを内蔵したタービン塔、及び、発電機器室を一体形成して頭部湖面突起可能に設置し、
   前記タービン塔上部にサイフォンを配して前記発電用タービンを回転可能にし、
   該発電用タービン下部に落下流体瞬間滞留可能なプールからなる圧送ポンプ機構を併設し、
   該プールと前記湖水との間に前記湖水から前記プールへ流体を流すためのバイパスを配し、
   前記圧送ポンプ機構下部に、垂直筒管、及び、可変圧対応可能な逆止弁を配して、該落下流体を、前記圧送ポンプ機構、前記垂直筒管、及び前記逆止弁を介して湖水内吐出合流可能に形成した湖水式ユニット型小水力発電装置。
3. 前記ユニット型小水力発電装置全高をほぼ半減縮小の縦型外部容器内部を縦間仕切り式に設けて貯水室、縦ポケットを隣接して設けた前記タービン室、及び、発電機器室を一体形成し、
   サブサイフォンを前記縦ポケットに嵌合可能に配して流体垂直落下可能に形成し、
   前記タービン及び前記サブサイフォン下部に、両落下流体同時吸収可能な、所定の落差を有する異径曲がり管を補助圧送手段併設可能に配して前記貯水室内吐出合流可能に形成した請求項１に記載のユニット型小水力発電装置。