JP6964915B1 - 液体循環式発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造ながら効率良く液体を循環させることができ、高いエネルギ効率で発電することが可能な液体循環式発電装置を提供する。【解決手段】本開示の液体循環式発電装置は、上方貯留槽と、下方貯留槽と、液体が下方貯留槽から上方貯留槽に向かって流れる吸入路と、液体が上方貯留槽から下方貯留槽に向かって流れる排出路と、排出路における液体の流れを利用して発電する発電ユニットと、上方貯留槽内の空気を下方貯留槽に移送する電動ポンプと、を備え、発電ユニットによって発電された電力で電動ポンプが駆動され、上方貯留槽内に負圧が発生するとともに、該上方貯留槽から下方貯留槽に移送された空気によって該下方貯留槽内の液体が加圧され、液体が吸入路を流通する。【選択図】図１

Description

本発明は、液体回路を液体が循環する液体循環式発電装置に関する。

従来から、発電方法として、火力発電や原子力発電、水力発電等が知られている。ここで、化石燃料を燃焼させる火力発電は、温室効果ガスの発生による地球温暖化が懸念されている。また、原子力発電は、化石燃料を燃焼させないものの、核燃料による環境汚染が懸念されている。一方、水力発電は、再生可能エネルギである水力を利用した発電方法であって、温室効果ガスを排出しないため、低炭素社会を実現し得る発電方法として知られている。

そして、水力発電においては、ダムを必要とする大規模水力発電とは異なる中小水力の発電装置が近年注目されている。例えば、特許文献１には、上下方向に連設された複数の貯水タンク間で真空ポンプを用いて下方から上方へ水を吸引し、吸引された水を最上段の供給タンクから最下段の受水タンクに放出することで生じる運動エネルギにより発電する、発電システムが開示されている。このような発電システムによれば、ダム等の貯水域に河川から流入する水や降雨による水を貯める必要がないため、環境に左右されることなく発電を行うことができる。

また、特許文献２にも同様に、水を循環利用できるマイクロ水力発電システムが開示されている。この発電システムでは、貯水槽の水を該貯水槽から下降する導水管に流すことで発電が行われ、該導水管に接続された復水管によって水が貯水槽に戻される。ここで、復水管には、該復水管内の水を貯水槽内に排出するポンプが設けられていて、該ポンプが復水管内の水を排出することによって生じる吸引力により、復水管及び導水管内に一様な吸引流を発生させ、水を循環させることができる。

特開２０１７−７８３５４号公報 特許第６０１６００７号公報

従来から知られている、ダム等の貯水域を利用しない中小水力の発電装置では、ポンプを用いた吸引によって水を下方から上方へ移動させるため、揚水に費やすエネルギが大きくなり易い。例えば、特許文献１に記載の技術によれば、貯水タンク内を真空状態にするための真空ポンプが稼働されることで水の吸引が行われるため、水を吸引できる程度に真空ポンプを稼働させようとすると、その消費エネルギが大きくなってしまう虞がある。

一方、特許文献２に記載の技術によれば、復水管内の水をポンプが排出することによってあたかも生じる空隙に吸引される力により、復水管及び導水管内の水が、サイフォンの原理によって平衡状態に復帰するまで減圧状態で一様な吸引流となって管内を循環するため、比較的小さいエネルギで循環水流を形成することができるとされているものの、あくまで吸引により水を移動させるものである。そして、このような吸引により水を移動させる構成では、下方から上方への水の移動が緩慢になる場合がある。

本開示の目的は、簡易な構造ながら効率良く液体を循環させることができ、高いエネルギ効率で発電することが可能な液体循環式発電装置を提供することにある。

本開示の液体循環式発電装置は、上下方向に連設され所定の液体を貯留する複数の貯留槽、及び該複数の貯留槽を接続する複数の流路を含んで構成される液体回路を前記液体が循環する液体循環式発電装置である。そして、この液体循環式発電装置は、前記複数の貯留槽のうち上方に位置する貯留槽である上方貯留槽と、前記複数の貯留槽のうち下方に位置する貯留槽である下方貯留槽と、前記複数の流路のうち、前記液体が前記下方貯留槽から前記上方貯留槽に向かって流れる流路である吸入路と、前記複数の流路のうち、前記液体が前記上方貯留槽から前記下方貯留槽に向かって流れる流路である排出路と、前記排出路に設置され、該排出路における前記液体の流れを利用して発電する発電ユニットと、前記上方貯留槽内の空気を前記下方貯留槽に移送する電動ポンプと、を備え、前記発電ユニットによって発電された電力で前記電動ポンプが駆動され、前記上方貯留槽内に負圧が発生するとともに、該上方貯留槽から前記下方貯留槽に移送された空気によって該下方貯留槽内の前記液体が加圧され、前記液体が前記吸入路を流通する。

上記の液体循環式発電装置では、重力によって、上方貯留槽から下方貯留槽に向かって所定の液体が排出路を流れることになる。そうすると、排出路に設置された発電ユニットによって発電が行われる。ここで、上記の液体とは例えば水であって、発電ユニットは、例えば、羽根車を有する水車と、該水車の軸に接続された発電機と、を含んで構成される。そして、上方貯留槽から下方貯留槽に流入した液体は、電動ポンプによる作用で、吸入路を介して上方貯留槽に汲み上げられる。このとき、電動ポンプは、発電ユニットによって発電された電力で駆動され、発電ユニットが発電した残りの電力が外部に供給されることになる。つまり、電動ポンプを駆動するための別途の電源が不要となり、構造が簡素化されるとともに装置全体として高いエネルギ効率を実現することができる。なお、ダム等の貯水域が不要であるため低コストであることは勿論であるし、化石燃料を燃焼させないために温室効果ガスを発生させることがなく、また、液体を循環させるため環境汚染を生じさせないことは勿論である。

そして、このような液体循環式発電装置では、電動ポンプによって、上方貯留槽内の空気が下方貯留槽に移送されることで、効率良く液体を循環させることができる。詳しくは、電動ポンプが上方貯留槽内の空気を移送することで、該上方貯留槽内に負圧が発生し、該負圧によって吸入路の液体が上方貯留槽に吸引される。更に、電動ポンプが下方貯留槽内に空気を移送することで、該下方貯留槽内の液体が加圧され、その圧力によって吸入路の液体が下方貯留槽から押し上げられる。このように、電動ポンプが上方貯留槽内の空気を下方貯留槽に移送することで、簡易な構造ながら効率良く液体を循環させることができる。そして、これによっても、発電装置としてのエネルギ効率を高めることができる。なお、吸入路全体（吸入路の入口、出口を含む）が液密状態になるように構成されてもよい。これによれば、サイフォンの原理が働き、更に電動ポンプの消費電力を削減することができる。

ここで、本開示の液体循環式発電装置では、上記の構成において、前記上方貯留槽は、前記吸入路と接続された第１貯留槽と、前記排出路と接続された第２貯留槽と、を含んで構成され、前記第２貯留槽よりも容積が小さな前記第１貯留槽に一旦貯留された前記液体が、前記第２貯留槽に供給されてもよい。また、前記下方貯留槽は、前記排出路と接続された第３貯留槽と、前記吸入路と接続された第４貯留槽と、を含んで構成されてもよい。そして、前記電動ポンプによって、前記第１貯留槽内の空気が前記第４貯留槽に移送されてもよい。これによれば、第１貯留槽内に好適に負圧を発生させることができるとともに、第４貯留槽内の液体を好適に加圧することができる。なお、第１貯留槽と第２貯留槽との接続部には、流量調整機構が設けられてもよい。更に、以上に述べた液体循環式発電装置において、前記発電ユニットは、前記液体の流れが作用する羽根車と、該羽根車の回転を支持する回転軸と、該回転軸の一方の端部に接続された発電機と、を含んで構成され得る。このような液体循環式発電装置では、前記発電ユニットの前記回転軸の他方の端部に接続された送風機であって、該回転軸の回転を受けて、吸入口から吸入した空気を吐出口から吐出する送風機を更に備えてもよい。そして、前記送風機は、前記吸入口が前記上方貯留槽に接続され、前記吐出口が前記下方貯留槽に接続されてもよい。そうすると、この送風機によっても、上方貯留槽内の空気が下方貯留槽に移送されることになり、より効率良く液体を循環させることができる。

本開示によれば、簡易な構造ながら効率良く液体を循環させることができ、高いエネルギ効率で発電することが可能な液体循環式発電装置を提供することができる。

第１実施形態における液体循環式発電装置の概略構成を示す図である。 第１実施形態における水ライン毎の発電の管理を模式的に説明するための図である。 発電ユニットが有する水車の構造を例示する図である。 第２実施形態における送風機による空気の移送を模式的に説明するための図である。 第２実施形態における送風機を説明するための図である。

以下、図面に基づいて、本開示の実施の形態を説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本開示は実施形態の構成に限定されない。

＜第１実施形態＞
第１実施形態における液体循環式発電装置の概要について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態における液体循環式発電装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係る液体循環式発電装置１は、液体回路を液体が循環する液体循環式発電装置である。ここで、本実施形態では、上記の液体として水を例にして説明する。つまり、本実施形態は、水を循環させることで発電を行う、中小水力の発電装置である。そして、液体循環式発電装置１は、上下方向に連設され水を貯留する貯留槽１０と、上下方向の貯留槽１０を接続する複数の流路を含んで構成される水回路２０と、水回路２０における水の流れを利用して発電する発電ユニット３０と、貯留槽１０内の空気を移送する電動ポンプ４０と、を備える。

貯留槽１０は、上方に位置する上方貯留槽１１と、下方に位置する下方貯留槽１２と、を含んで構成される。そして、水回路２０は、水が下方貯留槽１２から上方貯留槽１１に向かって流れる流路である吸入路２１と、水が上方貯留槽１１から下方貯留槽１２に向かって流れる流路である排出路２２と、を含んで構成される。この場合、発電ユニット３０は、排出路２２に設置され、該排出路２２における水の流れを利用して発電する。また、電動ポンプ４０は、上方貯留槽１１内の空気を下方貯留槽１２に移送する。

このような液体循環式発電装置１では、重力によって、上方貯留槽１１から下方貯留槽１２に向かって水が排出路２２を流れることになる。そうすると、排出路２２に設置された発電ユニット３０によって発電が行われる。そして、上方貯留槽１１から下方貯留槽１２に流入した水は、後述する電動ポンプ４０による作用で、吸入路２１を介して上方貯留槽１１に汲み上げられる。このとき、電動ポンプ４０は、発電ユニット３０によって発電された電力で駆動され、発電ユニット３０が発電した残りの電力が外部に供給されることになる。つまり、電動ポンプ４０を駆動するための別途の電源が不要となり、構造が簡素化されるとともに装置全体として高いエネルギ効率を実現することができる。

ここで、本実施形態では、図１に示すように、上方貯留槽１１が、吸入路２１と接続された第１貯留槽１１１と、排出路２２と接続された第２貯留槽１１２と、を含んで構成され、下方貯留槽１２が、排出路２２と接続された第３貯留槽１２３と、吸入路２１と接続された第４貯留槽１２４と、を含んで構成される。また、水回路２０は、吸入路と排出路とが組になった複数の水ラインを有していて、本実施形態では、図１及び図２に示す３つの水ライン（吸入路２１ａと排出路２２ａとの組、吸入路２１ｂと排出路２２ｂとの組、および吸入路２１ｃと排出路２２ｃとの組）によって構成されている。このような構成によれば、水ライン毎に発電を管理することができる。これについて、図２に基づいて以下に詳しく説明する。

図２は、本実施形態における水ライン毎の発電の管理を模式的に説明するための図である。本実施形態では、吸入路２１、排出路２２、発電ユニット３０、および電動ポンプ４０によって、１組の水ラインが構成される。そして、この１組の水ライン内における電動ポンプ４０は、該水ライン内の発電ユニット３０によって発電された電力で駆動される。このように構成された水ラインによれば、ラインを増設することで液体循環式発電装置１の発電量を増やすことができる。また、複数の水ラインのうちの１つの水ラインを取り外しても、他の水ラインによって発電することができるため、発電を継続しながら部品の交換、修理を行うことができる。例えば、図２に示す例では、吸入路２１ｃと排出路２２ｃとを含んだ水ラインがメンテナンスされている最中であるが、吸入路２１ａと排出路２２ａとを含んだ水ライン、および吸入路２１ｂと排出路２２ｂとを含んだ水ラインによって発電を継続することができる。なお、３つの水ラインにおける上方貯留槽１１と排出路２２との接続部には仕切弁６０がそれぞれ設けられており、メンテナンス中の水ラインではこの仕切弁６０が閉じられることで、上方貯留槽１１からの水の漏出が抑制される。以上に述べた構成によれば、液体循環式発電装置１をメンテナンスし易くなる。

また、発電ユニット３０単体で交換や増設がされてもよい。ここで、図３は、３つの水ラインの排出路２２のそれぞれに設けられる発電ユニット３０の構造を例示する図である。発電ユニット３０が有する水車は、水の流れが作用する羽根車３１と、該羽根車３１の回転を支持する回転軸３２と、を含んで構成される。ここで、羽根車３１は、密封型ベアリング３３によって回転軸３２に支持される。このような水車では、上流側の排出路２２からの水がスクロール３４に流入し、スクロール３４内の水の流れが羽根車３１に作用し、下流側の排出路２２に水が流出する。そして、回転軸３２に発電機が接続されることで、水の流れを利用して発電することが可能となる。更に、３つの水ラインの排出路２２のそれぞれに、水車と並列してバイパス流路６１を設置することができる。このバイパス流路６１は、例えば、スクロール３４をバイパスして上流側の排出路２２と下流側の排出路２２とを繋ぐ流路である。そうすると、発電ユニット３０単体で交換することが可能となる。詳しくは、所定の発電ユニット３０をメンテナンスするときには、該発電ユニット３０の水車と並列して設けられたバイパス流路６１を開くことで、その発電ユニット３０を取り外してメンテナンスすることができる。これによっても、発電を継続しながら部品の交換、修理を行うことができる。なお、上記のバイパス流路６１は、通常は仕切弁６３などによって閉じられている。

そして、図１に戻って、本開示では、発電ユニット３０によって発電された電力で電動ポンプ４０が駆動されると、上方貯留槽１１内に負圧が発生するとともに、該上方貯留槽１１から下方貯留槽１２に移送された空気によって該下方貯留槽１２内の水が加圧され、水が吸入路２１を流通することになる。これによれば、液体循環式発電装置１において、効率良く水を循環させることが可能となる。

本実施形態では、上述したように、上方貯留槽１１が、吸入路２１と接続された第１貯留槽１１１と、排出路２２と接続された第２貯留槽１１２と、を含んで構成され、下方貯留槽１２が、排出路２２と接続された第３貯留槽１２３と、吸入路２１と接続された第４貯留槽１２４と、を含んで構成される。そうすると、電動ポンプ４０によって、第１貯留槽１１１内の空気が第４貯留槽１２４に移送されることになる。これによれば、第１貯留槽１１１内に好適に負圧を発生させることができる。詳しくは、図１によれば、上方貯留槽１１では、第２貯留槽１１２よりも容積が小さな第１貯留槽１１１に一旦貯留された水が、第２貯留槽１１２に供給される。ここで、上方貯留槽１１において、第１貯留槽１１１の容積は十分に小さい。そのため、第１貯留槽１１１内の空気が移送されると該第１貯留槽１１１内に負圧が発生し易くなる。そして、第１貯留槽１１１内に負圧が発生すると、該負圧によって吸入路２１の水が第１貯留槽１１１に吸引されることになる。

なお、第１貯留槽１１１と第２貯留槽１１２との接続部には、流量調整機構１１３が設けられてもよい。そうすると、流量調整機構１１３を用いて、第１貯留槽１１１から第２貯留槽１１２に供給される水の流量を調整できるとともに、第１貯留槽１１１内の水位を調整することができる。これによれば、第１貯留槽１１１内に発生する負圧も調整することができる。また、吸入路２１全体（吸入路２１の入口、出口を含む）が液密状態になるように調整し易くなる。そして、入口と出口とを含んだ吸入路２１全体を液密状態にすることができれば、サイフォンの原理が働き、電動ポンプ４０の消費電力を削減することができる。

更に、本実施形態の液体循環式発電装置１によれば、電動ポンプ４０が第４貯留槽１２４内に空気を移送することで、該第４貯留槽１２４内の水が加圧され、その圧力によって吸入路２１の水が第４貯留槽１２４から押し上げられることになる。つまり、本開示によれば、電動ポンプ４０が上方貯留槽１１内の空気を下方貯留槽１２に移送することで、吸入路２１の水に対して、上方貯留槽１１内の負圧による吸引と、下方貯留槽１２からの加圧による押し上げと、を作用させることができ、以て、液体循環式発電装置１において、効率良く水を循環させることが可能となる。これによれば、簡易な構造ながら効率良く水を循環させることができるとともに、発電装置としてのエネルギ効率を高めることができる。

なお、上記の図２に示したように、水ライン毎に複数の発電ユニット３０を設けることができる。そうすると、複数の発電ユニット３０によって、電動ポンプ４０の消費電力を上回る電力を発電することができる。

また、本開示によれば、上方貯留槽１１と下方貯留槽１２とが上下方向に連設されるため、仮に、地震等によって液体循環式発電装置１が倒壊し得る事態が生じると、上方貯留槽１１から大質量の水が落下してしまう虞がある。そこで、このような事態にそなえるために、緊急ドレン管が設けられてもよい。このような緊急ドレン管は、排出路２２をバイパスする流路であって、且つ、上方貯留槽１１の水を下方貯留槽１２に可及的速やかに移すことができるように構成される。

以上に述べた液体循環式発電装置１によれば、簡易な構造ながら効率良く液体を循環させることができ、高いエネルギ効率で発電することが可能となる。

＜第２実施形態＞
上述した第１実施形態では、電動ポンプ４０が上方貯留槽１１内の空気を下方貯留槽１２に移送することで、吸入路２１の水に対して、上方貯留槽１１内の負圧による吸引と、下方貯留槽１２からの加圧による押し上げと、を作用させることができる。本実施形態では、第１実施形態の説明で述べた液体循環式発電装置１の構成に加えて、上方貯留槽１１内の空気を下方貯留槽１２に移送する送風機が更に設けられる。これについて、図４および図５に基づいて説明する。

図４は、本実施形態における送風機による空気の移送を模式的に説明するための図である。そして、図５は、本実施形態における送風機を説明するための図である。図５に示すように、送風機５０は、発電ユニット３０の回転軸３２において、発電機６２が接続された一方の端部とは異なる他方の端部に接続されている。そして、回転軸３２の回転を受けて、吸入口５１ａから吸入した空気を吐出口５２ａから吐出する。ここで、吸入口５１ａは空気吸入路５１に接続され、吐出口５２ａは空気吐出路５２に接続されている。

そして、図４に示すように、空気吸入路５１は第１貯留槽１１１に接続され、空気吐出路５２は第４貯留槽１２４に接続されている。なお、図４では、説明のため、１組の水ラインのみを図示している。このような構成によれば、送風機５０によっても、第１貯留槽１１１内の空気を第４貯留槽１２４に移送することができ、より効率良く水を循環させることが可能となる。

以上に述べた液体循環式発電装置１によっても、簡易な構造ながら効率良く液体を循環させることができ、高いエネルギ効率で発電することが可能となる。

なお、本実施形態では、送風機５０から吐出された空気を用いてタービン発電が行われてもよい。

＜その他の変形例＞
上記の実施形態はあくまでも一例であって、本開示はその要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施しうる。上記の実施形態では、水を循環させることで発電を行う、中小水力の発電装置を例にして説明したが、本開示の液体循環式発電装置では、液体が循環する際の該液体の流れを利用して発電できるものであればその液体の種類は問わない。そして、この液体は、水やオイル等のニュートン流体であってもよいし、液体に所定の固体が混合された非ニュートン流体であってもよい。

１・・・・・液体循環式発電装置
１１・・・・上方貯留槽
１２・・・・下方貯留槽
２１・・・・吸入路
２２・・・・排出路
３０・・・・発電ユニット
４０・・・・電動ポンプ

Claims (3)

1. 上下方向に連設され所定の液体を貯留する複数の貯留槽、及び該複数の貯留槽を接続する複数の流路を含んで構成される液体回路を前記液体が循環する液体循環式発電装置であって、
   前記複数の貯留槽のうち上方に位置する貯留槽である上方貯留槽と、
   前記複数の貯留槽のうち下方に位置する貯留槽である下方貯留槽と、
   前記複数の流路のうち、前記液体が前記下方貯留槽から前記上方貯留槽に向かって流れる流路である吸入路と、
   前記複数の流路のうち、前記液体が前記上方貯留槽から前記下方貯留槽に向かって流れる流路である排出路と、
   前記排出路に設置され、該排出路における前記液体の流れを利用して発電する発電ユニットと、
   前記上方貯留槽内の空気を前記下方貯留槽に移送する電動ポンプと、
   を備え、
   前記発電ユニットによって発電された電力で前記電動ポンプが駆動され、前記上方貯留槽内に負圧が発生するとともに、該上方貯留槽から前記下方貯留槽に移送された空気によって該下方貯留槽内の前記液体が加圧され、前記液体が前記吸入路を流通し、
   前記排出路は、互いに並列に設けられ、かつ、前記発電ユニットをそれぞれ有する複数の排出路を含み、
   前記複数の排出路と前記上方貯留槽との接続部に設けられた第１仕切弁と、
   前記複数の排出路において前記発電ユニットをそれぞれバイパスするバイパス流路と、
   前記複数の排出路における前記バイパス流路にそれぞれ設けられた第２仕切弁と、
   を更に備えている、液体循環式発電装置。
2. 前記上方貯留槽は、
   前記吸入路と接続された第１貯留槽と、前記排出路と接続された第２貯留槽と、を含んで構成され、前記第２貯留槽よりも容積が小さな前記第１貯留槽に一旦貯留された前記液体が、前記第２貯留槽に供給され、
   前記下方貯留槽は、
   前記排出路と接続された第３貯留槽と、前記吸入路と接続された第４貯留槽と、を含んで構成され、
   前記電動ポンプによって、前記第１貯留槽内の空気が前記第４貯留槽に移送される、
   請求項１に記載の液体循環式発電装置。
3. 前記発電ユニットは、前記液体の流れが作用する羽根車と、該羽根車の回転を支持する回転軸と、該回転軸の一方の端部に接続された発電機と、を含んで構成され、
   前記発電ユニットの前記回転軸の他方の端部に接続された送風機であって、該回転軸の回転を受けて、吸入口から吸入した空気を吐出口から吐出する送風機を更に備え、
   前記送風機は、前記吸入口が前記上方貯留槽に接続され、前記吐出口が前記下方貯留槽に接続される、
   請求項１又は請求項２に記載の液体循環式発電装置。

Images