JP7241494B2 - 水流、水圧発電の２方式による揚水式水圧発電構造体。 - Google Patents

Description

本発明は海洋・湖沼の深層水域に存在する深層水を、深層高圧水域に配置の耐圧空洞体に、外部から内部へ、水圧原理により複数の内部配管内に導入して、各内部耐圧配管内に装備の発電機で発電後に噴射ノズルで前記耐圧空洞体の内部空間への噴射放出でタービン発電、放出水を耐圧空洞体下部に貯留し、下部に設置の揚水管口から上部天頂の貫通孔と連通管へ連結し、水上の浮体構造プラットホームのポンプ施設で揚水し、水上施設で多目的に利用、発生電力による海洋・湖沼等での海洋、湖沼等の開発が可能である。

海洋、淡水での発電・成分利用・養殖等の利用の為、揚水が必要であるが、現地電力供給設備と燃料補給での大量揚水は経費的に採算性に問題であり、現地自然エネルギー利用での自給発生動力・電力エネルギーが必要である。

海洋・深海でのメタンのハイドレート資源開発や海洋調査が進んでいるが、今後はさらに開発の為の各種活動や作業が必要であり、外洋・遠洋では供給は困難であり、沿岸・近海用には、安価な動力エネルギーの現地発生電力の供給が必要。

発明が解決しようとする課題

水圧発電では、極力高い水圧を得る為、耐圧殻を有する耐圧空洞体を、必要とする水圧の水域に沈下設置して、構造体内に深層水を取水して導入するか、構造体を水面下の上層水域に配置して、取水管を構造体下部より延伸し深層高圧水域に配置して取水するかの違いは、耐圧構造の強度及び付属装備構造に多くの影響を与える。

陸上水力発電は、河川水をダムに貯留し流体エネルギーとして放水し、位置エネルギー・運転エネルギー・圧力エネルギーとして電力に変換をする。
揚水式水圧発電方式は、静止状態の深層水を揚水し高圧流動水として耐圧空洞体内へ導入、その高圧を位置エネルギーとし、高圧水流を圧力エネルギーと運動エネルギーとして耐圧空洞体内で発電するが、耐圧性能と高い揚水能力を必要とし課題とする。

陸上水力発電は、発電後の放流水を飲用水、又は生活用水・農業・産業・等に活用で、電力以上の経済性を有する。揚水式水圧発電は水中の水圧を利用し発電発生電力で、海洋、湖沼等からの低温水利用水産養殖用水、メタンハイドレートの資源開発の電源に利用。

課題を解決するための手段

本発明は、地球上に存在する自然エネルギーの中で最大と思われる水圧エネルギーを開発利用し、陸上の水力ダムと揚水式ダムの、発電力と発電後の放出水の有効利用と利便性を、海洋・湖沼の深海、深層水域で静止状態の高圧水を、揚水して高圧流動体に変換する事で水圧エネルギーとして、水力発電に活用、又、揚水による、無限に存在し多様な要素を持った原料・資源としての海洋深層水を各種産業による有効利用で、利便性と経済効率の向上の可能性を有する揚水式水圧発電。

本発明は、耐圧構造空洞体を水中に全没し自由沈下で、耐圧構造の強度の限度内で深海・深層水域に設置、設置深度の深層水を外部から内部に達する貫通孔一体装備電磁弁を通じ直接に耐圧空洞体内に導入、内部空間の気圧との圧力差を水力ダムの位置エネルギーと見做し、耐圧配管内に高圧高速水流を通し水流発電後、配管からの放出水で水圧発電後に下部空間へ放出貯留の深層水は、揚水管で揚上げて水上で放出。

耐圧空洞体を上部構造と下部構造に二分割建造とし、上部構造に配管・発電設備・気圧調節管・送電線・バルブ・センサーの主要装備を集中装備し、下部構造は、全体を貯留空間として、外部高圧水の導入による水流発電後の水圧発電での放出水を貯留、空洞体全体の安定のバラスト水とし機能、底部附近に設置の揚水管口から水上の揚水ポンプで揚水する。

水圧発電での耐圧空胴体内の貯留水は、揚水管と貫通孔に接続の連通管を通じて洋上に設置の浮体式フロート上の揚水ポンプ施設で汲み揚げた多量の深層水の多目的利用と上記の水流発電と水流発電の２方式発電と併せ費用対効果と経済効率で実用性向上が可能。

発明の効果

地球表面積の７割の海洋、湖沼や人工池等には水圧が存在し、潜在エネルギー量は巨大であり、水量と共に無限とも考えられる。特に海洋は、温度差、海流、潮流、波浪、潮汐で各発電方法が行われている。本発明は潜在エネルギーとしての水圧を揚水して高圧流動体として水中の耐圧空洞体内部で水流・水圧発電による２方式発電で電力を得る。

本発明は、本体耐圧構造以外の内外構造と内部設備は発電機、発電設備と揚水設備が主要装備で、既存の技術と設備と建造方法が利用可能。

深海、深層水域の高圧を利用する為に、耐圧空洞体を必要とする水圧の水域へ自沈し設置して、空洞体上部に装備の複数の貫通孔から接続の各内部配管へ外部高圧水を導入、外部水圧と内部空間の圧力差で流入の高圧高速水流で水流発電後に、配管から下部空間放出、高圧ノズルの噴出水をタービンで水圧発電し、複数機の連動発電と２発電方式の複合発電で十分な電力量を得る事ができる。

本発明は、陸上の水力ダム発電と揚水発電の２方式を、海洋、湖沼、人工池の発電に必要な水圧の存在する水中・水域で、耐圧空洞体内に高水圧水を導入して、水流と水圧で発電する事で、深層水域を河川水とダム湖と見做し、空洞体内への導入をダムからの放出水とし、水圧・水流を位置・圧力・運動の各エネルギーとし、上記のダムと揚水の２方式発電で、発電効率と利用効率と利便性・多目的利用での経済効果を海洋、湖沼等で実現する。建設適地は地球規模で広大であり環境破壊を防止出来る、又、耐圧空洞体を海底近くの上層に浮遊、自由状態で海底に係留設置。

本発明の特徴は、汎用性が高く耐圧殻の能力範囲で、外洋・遠洋の大型から離島周辺・近海・沿海の中型、沿岸、湾内、湖沼、ダム等の人工池での小型等の各環境地形での型式建造が可能で船舶建造と相似、水圧と水深の存在でどこでも設置が可能。

発明を実施する為の形態

前記の耐圧空洞体は水中での構造体とし、耐圧殻内の発電装置と貫通孔一体電磁弁と各種センサーを上部構造に集め、下部構造では揚水管以外は主として貯留水空間として、上部構造の床に発電装置を設置し、発電後に床下の下部空間に噴射放出して発電装置を噴射時の水分から防止及び上下空間を密閉せず通気を共有。

耐圧空洞体は、造船施設又は重工施設で分割建造後に、船舶・台船等で搬送され設置現場で合体し上下結合する。現地水域に配置の水上フロート上から連通管を通じて耐圧空洞体に接続し、空洞体上部構造の上方に装備の外部から内部空間に達する貫通孔と一体装備の自動電磁弁を通じて任意の水深位置に設置、貫通孔から導入し内部耐圧配管を経て下部空間に貯留、貯水重量で自沈、貯留水位の調節でバラスト水として沈下、中立、浮上の自由を得て、本体の耐圧空洞体を浮遊状態で設置水域の水圧を利用。

前記耐圧空洞体は球形の耐圧構造を有する各種形状が可能であるが、球形で説明を行う。耐圧空洞体は、上部構造と下部構造で分割建造され上部天頂より下方の同心円周上の複数個所に等間隔に上記の貫通孔と電磁弁を装備し耐圧内部配管に接続、複数の配管内に装備の発電機で貫通孔から導入の高圧水流と圧力で水圧発電後、配管から内部空間への放出時に噴射ノズルからの高圧放射水でタービンによる水圧発電、放出水は下部空間で貯留後に、球体内の揚水管で貫通孔を経て接続の連通管から水上の揚水ポンプで揚水、揚水した豊富な水量を水上の各種の海洋関連施設で資源、原料として利用。

球形耐圧空洞体は、内容積の大きさで大・中・小の型式とし中型で説明を行う。
使用状況に対応した水圧を得る為に予定深度に設置し、耐圧殻の強度の範囲内で、内部空間の貯留水量を調節して自沈・中立・浮上の自由を得る。

耐圧空洞体は、水中を上下に自由状態で位置し、上部構造の天頂上部の同一水深線の同心円周上の位置に、同性能に統一の発電機を装備し、貫通孔から水高速水流で発電後、内部耐圧配管の口径を絞った噴射ノズルで大気圧又は減圧状態の下部空間へ直噴射でタービン水圧発電を、高水圧での圧力エネルギーを位置水頭として発電する事ができる。

耐圧空洞体上部の同一水深の同心円周上に装備の２個の貫通孔と自動電磁弁を経て、定置水深の深層水を導入し、同圧・同水量の高速水が大気圧状態の内部空間の２基の耐圧配管内に流入して、配置水域の水圧によって、事実上無限的に供給される高圧水流、位置、圧力、運動の３水頭による２機の発電機で水流発電後、前記耐圧配管の排出口径を縮小して自動電磁弁と一体装備の噴射ノズルによる各種水車で、高速高圧噴射による２機の水圧発電、従って２基の内部耐圧配管内発電と、同配管外の内部空間に装備の２機の水圧発電機での２機ずつの連動で、計４機による複合発電で電力量を得る。

耐圧空洞体の下半分を占める下部空間への放出水は、バラスト水として球形状の空洞体を直立の状態で維持して貯留後、内部空間の中心に揚水管を装備して下部底の近くに配置の揚水口から空洞体天頂に装備の貫通孔を経て連通管で水上の浮体式フロートに設備の揚水ポンプで揚水される。

下部構造空間の貯留水は、水中・水上での安定と姿勢の制御に作用と共に、揚水による空間の拡大に対し、貫通孔から高圧水を導入して、貯留量と導入量を貫通孔と放出口の２基の自動電磁弁の同調で貯留量を一定調節、水上の大気圧を、連通管を通じて接続し内部空間に設置の気圧調節管とＡＩ頭脳の調節の下で、外部と内部の圧力差による設置水深水域の高圧水を導入する事で発電が可能である。

水中の耐圧空洞体には、水圧は空洞体の全表面に垂直に掛かる為、水中の耐圧空洞体の上部の同一円周線上に２基の貫通孔を等距離に設置し、内部耐圧配管に接続の貫通孔と一体装備の自動電磁弁を通じて外部高圧水が直接に空洞体内に急速流入、自動電磁弁バルブを人工知能で開閉を調節する事で、配管内に設置の２基の発電機を、同圧・同水量・同速度の高速高圧水流として同調、連動による水流発電後、配管から空間下部への噴射ノズルでタービン発電機２基の連動による水圧発電で総合効率を得る。

耐圧圧発電構造体 水中、水上の全体構造断面概要図 耐圧空洞体部分 水中空洞体と発電構造、貯留水空間断面図 浮体構造プラットホーム 浮体構造プラットホーム施設概要一覧図 空洞体上部構造 上部構造と内部配管及び発電構造断面概要図 空洞体下部構造 分流導入管、分流分配室、深層水導入管、取水口図 空洞体下部構造 下部構造の揚水管、貯留空間のａ－ｃ断面図 空洞体中央部 上下構造中央フロアー発電部分の断面概要図 取水口部 深層水域配置図

考案を実施する為の形態

揚水式水圧発電構造体図１は、揚水による水圧発電の為の各種の耐圧構造内の、水中の耐圧空洞体部分図２と、浮体構造フロート水上施設部分図３及び取水口部、導入管、分流分配室、分流導入管部分図４として連結して全体構造とする。

上部構造図５は天頂中心に揚水管２の貫通孔一体自動電磁弁３を装備し、深層水域ｄｗに設置した取水口３０から深層水を自然上昇水流として分流分配室２６で４本の分流導入管４ａ－４ｄへ配分し、耐圧殻１に貫通孔一体自動電磁弁８ａ－８ｄを同円周上に等間隔に装備して内部耐圧配管９ａ－９ｄへ接続、前記内部耐圧配管１０で４機の発電機１０ａ－１０ｄに分流高圧水流を通し４機の連動で水流発電１１ａ－１１ｄ後、高圧水放出ダクト１２ａ－１２ｄの高圧噴射ノズル一体自動電磁弁１３ａ－１３ｄから直噴射放出水で４機のタービン１４ａ－１４ｄの連動で水圧発電１５ａ－１５ｄ後、放出水は下部構造空間２４で貯留後、静止水として下部構造図６から水上の浮体構造プラットホーム図３ポンプ施設３９で揚水。

水圧は、水中の耐圧空洞体図２の内部に対し垂直に働き、その全表面に水圧が加わるが同一水準、水深位置では同一の水圧が加わる。深海・深層水域ｄｗの高圧水を、上部構造図５の下方の円周上の同一水準・水深の位置に吸引導入の際に、分流分配室を経て４本の分流導入管４ａ－４ｄに配分し耐圧空洞体図２の上部の円周上に均等に設置の貫通孔一体自動電磁弁８ａー８ｄから前記内部耐圧配管９ａ－９ｄへ同水圧・同水量の高圧高速水で４機連動による水流発電と高圧放出水で４機連動のタービン水圧発電での計８機の発電機による効率発電の揚水式水圧発電構造図１。

上部構造、（図５）と下部構造、（図６）を合体後、分流導入管４ａ～ｄ、分流分配室２の順に耐圧空洞体図２の外殻に装備、搬送の支援船から水上に降ろして分流分配室から深層水域に深層水導入管を延伸し取水口３０ａ－３０ｄを配置。水上の浮体構造プラットホーム図３と耐圧構造体図２はケーブル乃至鎖３４ａ、３４ｂで懸垂、連通管３５ａ－３５ｃで接続。

深海・深層水域の深層水を上部構造図５の等間隔に設備の貫通孔一体電磁弁８ａ－８ｄを経て吸引導入、各内部耐圧配管９ａ－９ｄ内の発電機で水流・水圧発電、後の放出水を下部空間２４に貯留する。耐圧空洞体図２内の底部近くに吸引口を配置し、空洞体図２中心を貫いて天頂の貫通孔一体電磁弁図３に達する揚水管２で貯留水を浮体構造プラットホーム図３の揚水ポンプ施設３９で揚水の結果、水量減少による内部空間の拡大による気圧低下を利用し深層水を吸引導入、内部減圧と外部高圧の相対的な圧力差で吸引による水圧発電構造。

揚水式水圧発電図１は、耐圧空洞体図２内の貯留水を大量に浮体構造上の揚水ポンプ施設３９で揚水して、深層低温水を冷却水として温度差発電４０に利用、その発生電力と耐圧空洞体図２内の水流、水圧発電の電力と併せて現地産業施設の動力源とし、又、送電線設備の無い地域では浮体構造プラットホーム施設３９で電解法による水素発生４１と貯蔵４２、による水素エネルギー基地を目的とすると共に、海洋水成分利用産業４５・水産施設４６・海洋養殖設備４７への資源・原料として揚水を多目的に活用し、費用対効果・経済効率の向上・実用性を目的とする。

上記の水圧発電後の放出水を下部空間２４で貯留、空洞体図２全体のバラスト水として存在後、貯留水量を揚水量と流入量との増減の調節により空洞体を水中に沈下・中立・浮上の上下活動で任意の水深位置に移動が可能。

深海、深層水域ｄｗの海底近くの砂泥や地形、夾雑物、海底生物の影響を受けない水域に、耐圧空洞体外底部に接続の分配室２６から深層水導入管２８を延伸して取水口３０を降ろして配置し、耐圧空洞体図２内の減圧状態との圧力差を利用し取水口から吸引し、深層水導入管２８を通じて分配室２６から耐圧空洞体図２の外殻に沿う分流導入管４ａー４ｄへ同圧同水量の深層水を分配、各貫通孔一体電磁弁を経て内部耐圧配管９ａ－９ｄへ深層水を分配、複数の発電機１０ａ－１０ｄでの連動発電。

深海・深層水域ｄｗの深層水を耐圧空洞体図２内で発電、海底ｓｆ近くの取水口３０から深層水を吸引導入、深海底ｓｆに豊富に存在するガス体・メタンハイドレートを採取し回収機から取水口３０に配管を接続して混入、上昇水流と共に耐圧空洞体図２内で水圧発電後に放出水と分離、天頂附近に設置のガス排出孔一体自動電磁弁６と連通管３５を通じ水上浮体構造フロート図３のガス回収ポンプ３７で回収・貯蔵後消費に搬送。

水中の耐圧空洞体図２を簡素で堅牢・耐久性の構造とし、浮体構造プラットホーム図３で温度差発電４０、水素エネルギー４１基地として機能施設、海洋成分利用産業４５、水産センター４６、海洋養殖設備４７等の海洋開発の支援基地として活用。又、取水口を耐圧空洞体から分離して深層水導入管２８と共に深海・深層水域ｄｗに延伸して設置し深層水の活用で高い総合経済効率を得る。

Ｗ 海面、水面
Ｗｈ 上層高温水域
Ｗｌ 海洋気象・海況の影響を受けぬ上層水域
ｄｗ 深海、深層低温水域
Ｓｆ 海底・水底
１ 耐圧殻
２ 揚水管
３ 揚水管自動電磁弁
４ 分流導入管 ４ａ～４ｄ
５ 上下構造結合ベルト ５ａ～５ｂ
６ ガス体排出孔一体自動電磁弁
７ 内圧調節管併用電力ケーブル管
８ 分流導入管貫通孔一体自動電磁弁 ８ａ～８ｄ、
９ 内部耐圧配管 ９ａ～９ｄ、
１０ 水流発電機 １０ａ～１０ｄ、
１１ 水流発電室 １１ａ～１１ｄ、
１２ 配管放出ダクト １２ａ～１２ｄ
１３ 噴射放出ノズルと自動電磁弁 １３ａ～１３ｄ
１４ タービン発電機 １４ａ～１４ｄ
１５ 水圧発電室 １５ａ～１５ｄ
１６ 発電室防水保護及び内部気圧調節室 １６ａ～１６ｄ
１７ 気圧調節電磁弁 １７ａ～１７ｂ
１８ 内部気圧調節管一体電磁弁
１９ 上段フロアー
２０ 中央フロアー
２１ 中央フロアー支柱＆通気フロアー
２２ 上部構造空間
２３ 放出水ダクト ２３ａ～２３ｄ、
２４ 下部構造貯留水空間
２５ 下層支柱
２６ 分流分配室
２７ 分配室取水口一体電磁弁
２８ 深層水導入管
２９ 取水口一体自動電磁弁
３０ 深層水取水口
３１ 取水口夾雑物防御ケース ３１ａ～３１ｂ
３２ 係留鎖・ケーブル、 ３２ａ～３２ｂ、
３３ 海底・水底係留杭
３４ 懸垂ケーブル、チェーン ３４ａ～３４ｂ、
３５ 連通管
３６ 揚水ポンプ ３６ａ～３６ｂ
３７ ガス体・エアー吸引ポンプ
３８ 内部気圧調節真空ポンプ
３９ 揚水ポンプセンター ３９ａ～３９ｂ
４０ 温度差発電センター
４１ 水素発生センター
４２ 水素貯留タンク
４３ ガス体貯留タンク
４４ コントロールセンター
４５ 海洋成分利用分離センター
４６ 水産センター
４７ 外洋養殖設備
４８ 耐圧空洞体内貯留水位 上限
４９ 耐圧空洞体内貯留水位 下限

Claims (2)

1. 揚水式水圧発電構造の設置環境は、海洋、湖沼又は人工貯留池であり、水中に配置の耐圧空洞体と、分流導入管、分流分配室、深層水導入管及び深層水取水口と、浮体構造プラットホーム施設部分で構成された３部分の構造体とし、前記耐圧空洞体は、上部構造と下部構造の外殻への浮体設備とが合体されており、取水部分は上部から、前記外殻の複数の貫通孔から前記外殻に沿った前記分流導入管、前記外殻底に接続された前記分流分配室、深層水域に延伸された深層水導入管及び前記深層水取水口の順で構成され、前記外殻内の貯留水を揚水する事で生じる減圧空間へ、深層水を複数の前記貫通孔から内部耐圧配管に分流配分して複数発電機による連動で、水流・水圧の２方式複合発電を特徴とする揚水式水圧発電構造体。
2. 水中の耐圧空洞体に対し、水圧は全表面に作用し、垂直に圧力が加わり、同一水深の水平面上では等圧に作用する原理を利用し、耐圧空洞体の上部天頂中心から少し下方の同心円周の同一水深・水平面上に外殻から内部耐圧配管に達する貫通孔と一体自動電磁弁を等間隔に複数配置し、深層水域の深層水を取水口から分流分配室を経て分流導入管に配分し、揚水による内部空間拡大で生じる減圧状態を利用して、同圧同水量の分流を貫通孔から前記内部耐圧配管へ吸引導入し、高圧高速水流を通し複数機連動での前記内部耐圧配管内に装備の各１基の水流発電機群による第一次発電後に、同耐圧配管に装備の高圧噴射ノズルからの噴射放出水で、各１基の発電機による連動での水圧発電での、第二次発電をおこなう２方式発電方式で発電することを、特徴とする請求項１に記載の揚水式水圧発電構造体。

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