JPWO2007004290A1 - ピストン型水車を用いた発電装置 - Google Patents
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Abstract
開閉弁(121A,121B,122A,122B)を制御することによって、水槽(12A,12B)に液体(W)を注水又は排水する。水槽に液体を注水すると、液体の増加に従って浮力体(11A,11B)が上昇し、ロッド(13A,13B)が上昇する。また、水槽から液体を排水すると、液体の減少に従って浮力体が下降し、ロッドが下降する。運動変換手段(17)は、ロッドの上下運動を回転運動に変換する。また、運動変換手段は、変換した回転運動によって発電機を回転させる。そして、発電機は、運動変換手段からの回転運動による回転力によって発電を行う。
Description
2A,2B,12A,12B 水槽
3A,3B,13A,13B ロッド
4A,4B スライド開閉弁
4a 注水側開閉弁
4b 排水側開閉弁
6,16 発電機
7A,7B,17 運動変換手段
10A,10B,10C,10D,10E 発電装置
19 vベルト
20A,20B 貯水タンク
23 谷部
41A,41B 注水側開閉弁
42A,42B 排水側開閉弁
51 注水側分管
52 排水側分管
71 クランク
72 ギア
73 増速ギア
111 ストッパ機構
121A,121B,21a,21b,21c 注水口
122A,122B,22a,22b,22c 排水口
151A,151B,151C,151D,151E 分岐入水管
152A,152B,152C,152D,152E 分岐排水管
171 大型ギア
172 コンロッド
さらに浮力体11内部には、空洞部が形成されている。そして、浮力体内部の空洞部には、所定量の液体W(例えば、水)が注水されている。このように所定量の液体Wを注入することによって、浮力体11の浮力および自重を適切に調整することができる。なお、浮力体11の浮力を調整するために、浮力体の外部あるいは内部に、鉛などを用いた錘を取り付けてもよい。
水槽12には、それぞれ、上部に注水口121A,121Bが設けられ、下部に徘水口122A,122Bが設けられる。
なお図1では貯水タンク20の底部と水槽12の上部とを配管接続しているが、貯水タンク20の底部と水槽12の底部とを配管接続し、水槽の底部から注水してやることも可能である。この場合には、注水側開閉弁41および排水側開閉弁42の2つの弁を用いる代わりに1つの三方弁を用いてやることも好ましい(図示せず)。
より具体的には、ストッパ機構11は、水槽12内が満水となる前まではロッドを固定して浮力体を押さえ付けることで、水槽内底部(下死点)に各浮力体を沈めた状態で留め、水槽内が満水となった時点でストッパ機構を解除する。ストッパ機構111が解除されると浮力体11が上昇し、コンロッド172を回転させる。浮力体11が上昇し水槽12内上部(上死点)に来た際には、ストッパ機構111はモータの動力により作動してロッド13を再び固定し、排水中に浮力体が下降することを抑制する。このとき浮力体11は水槽12内で宙吊り状態となる。排水がほぼ完了した時点でストッパ機構111が解除され、浮力体11は自重により下降することでコンロッド172を回転させる。以上の動作を繰り返すことで、連続的にコンロッド172が回転し、大型ギア171およびvベルト19を介して発電機16に動力が伝えられ、発電が行われる。このようなストッパ機構111を備えることで、浮力体11が水槽12内の液体Wの増減に従って徐々に昇降するのと比して、浮力体の上昇・下降時により多くの力がロッド13に付与されるため、大きな力により発電機16を回転させて発電を行うことができる。
なお貯水タンク20へは、河川等から常に液体が注水されて溜められる。このような貯水タンクを設けることで、水槽12の排水時においても、河川等から導入した水の全量を貯水タンクに貯えて発電に利用することができる。
QA=w×t×h=1.5(m)×1.5(m)×4(m)=9(m3)
Q=9(m3)×2=18(m3)
q=Q/τ=18/9=2(m3/s)
この程度の水量は小さな小川でも比較的容易に確保することができる。
すると、浮力体11Aの浮力FAは、次式を用いて求められる。
FA=(浮力体11Aの体積)×(水の密度)
=1020×1=1020(kgf)
TA=510(kgf)×1(m)/1(s)=510(kgfm/s)
したがって浮力体11A,11Bの総仕事率(T)は、次式を用いて求められる。
T=TA+TB==1020(kgfm/s)
W=T/0.102=1020/0.102=10000(W)=10(kW)
となる。
このように本発明によれば、水を高所から落下させる立地条件を確保できない場合や多くの水量の確保が難しい場合であっても、浮力体11A,11Bを大きな力により上下運動させることができ、これにより大きな回転動力で発電機16を回転させて発電を行うことができる小規模の発電装置が提供される。
図6では、一例として、図5に示す2つの浮力体1A,1B及び水槽2A,2Bのうち、発電機6に対して左側に位置する浮力体1A及び水槽2Aを示す。なお、発電機6に対して右側に位置する浮力体1B及び水槽2Bの構造も、図6に示す浮力体1A及び水槽2Aの構造と同様である。
本実施例では、底面が五角形の角柱形状の水槽2Aを用いることによって、水槽2Aの下部に谷部23が形成される。この谷部23が形成されていることによって、注水口21から液体Wを注入した場合に、効率的に水槽2A内に液体Wが充填される。
なお浮力体に注水された液体が上方から掛かると、浮力体には下向きの荷重がかかることとなり浮力体の浮力が減殺され好ましくないため、注水口の位置や注水角度は注水した液体が浮力体に直接掛からないようにすることが好ましい。
また図8では、運動変換手段が浮力体の上下運動を回転運動に変換する動作の説明を容易化するために、実施例1で説明したストッパ機構や貯水タンクを省略するが、このことは本実施例において、ストッパ機構や貯水タンクを備えることを禁止するものではないことは勿論である。
また、クランク71は、ロッド3Aに接続されている側とは反対側の端部がギア72に固定される。図8(b)に示すように、ロッド3Aが上昇すると、ロッド3Aが上昇する力によって、クランク71を介してギア72が回転される。なお、本実施例では、ギア72が反時計回りに回転する場合を説明するが、ロッド3Aの上昇によって、ギア72が時計回りに回転してもよい。
ばならない。しかし、一般に、河川や池、貯水地等から水をひいて、高所から高速且つ高圧で水を落下させることは、立地条件の確保等の点において非常に困難を伴うことが多かった。また、そのような立地条件を満たす設置場所に発電設備を設置した場合であっても、発電設備建設のために自然環境を破壊してしまう恐れがあった。
[0006]
また、水を高所から落下させるのではなく、河川に直接プロペラ型の水車やタービンを設定して、河川を流れる水の流速を利用して発電することも考えられるが、発電のために必要な水の流速や水圧を確保することは難しいといった問題があった。
[0007]
そこで、本発明は、液体(河川水等)を高所から落下させる立地条件を確保できない場合や多くの液量(水量)の確保が難しい場合であっても、非常に効率的に発電を行える小規模の発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
[0008]
本発明のピストン型水車を用いた発電装置は、上方または下方から液体(W)が注水され、また、下方から液体が排水される水槽(12,2)と、該水槽に注水された液体または該水槽から排水された液体の液量に伴いに上昇・下降する浮力体(11,1)と、回転運動により発電を行う発電機(16)と、前記水槽への液体の注水または前記水槽からの液体の排水に伴う前記浮力体の水槽内での上昇および下降の上下運動を動力として、前記発電機を回転させるための回転運動に変換する運動変換手段(17,7)と、を備えた、ピストン型水車を用いた発電装置であって、前記運動変換手段には、前記浮力体の上昇・下降を制御するストッパ機構(111)が備えられており、該ストッパ機構は、前記水槽(12,2)内への注水が完了して満水となる前までは水槽内底部に浮力体を沈めた状態で留め、水槽内がほぼ満水となった時点で浮力体の上昇を許可し、また、前記水槽内からの排水が完了して空となる前までは水槽内上部に浮力体を宙吊り状態で留め、水槽内がほぼ空となった時点で浮力体の下降を許可する、ことを特徴とする。
ここで、前記動力変換手段(17,7)を構成するコンロッド(172)にはフライホイールが取り付けられており、前記浮力体(11,1)が上死点または下死点で停止している際にも、前記コンロッドが慣性力によって回転して発電機に動力を与える、ことが好ましい。
[0009]
また、前記浮力体(11,1)内部には空洞部が形成されており、該空洞部には水槽(12,2)への注水により浮力体が発生する上昇力と、水槽からの排水により浮力体に発生する下降力とが同程度となる量の液体(W)が予め注水されている、ことが好ましい。
[0010]
さらに本発明は、前記水槽(12,2)の上部又は下部に形成された、液体(W)を注水するための注水口(121,21)と、前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口(122,22)と、該排水口を開閉するための排水口開閉弁(42,4a)と、を備え、該排水口開閉弁は、液体が水槽に溜まった液体からの水圧が所定値に達すると、排水口を開口して水槽に溜まった液体の排水し、水槽に溜まった液体の多くを排水した後に閉口する、ものとすることもできる。
[0011]
ここで本発明は、前記注水口(121,21)を開閉するための注水口開閉弁(41,4b)をさらに備え、該注水口開閉弁は前記排水口開閉弁(42,4a)の開閉に連動し、排
排水する動作を繰り返すように制御することによって、浮力体の上下運動を回転運動に変換する。そのため、変換した回転運動によって発電機を大きな力によって回転させ、発電を行うことができる。これにより、水を高所から落下させる立地条件を確保できない場合であっても、発電を行うことができる。また流量が少ない河川・小川等であっても、その流量のほぼ全量を発電に利用することも可能であるため、非常に効率的に発電を行うことができる。
また、浮力体の上昇・下降を制御するストッパ機構を備えてやれば、浮力体が水槽内の液体の増減に従って徐々に昇降するのと比して、より大きな力で発電機を回転させて発電を行うことができる。
また、前記動力変換手段を構成するコンロッドにフライホイールを取り付けることにより、浮力体が停止している際にも、発電機に動力を与えることができるので、より効率的に発電を行うことが可能となる。
[0017]
ここで、浮力体内部の空洞部に予め所定量の液体が注水されているように構成すれば、浮力体の上昇力と下降力を同じくすることができ、発電機の回転をスムーズに行わせることができる。ここで液体の所定量とは、注水により浮力体が発生する上昇力(=浮力−荷重)と、排水により浮力体に発生する下降力(=荷重)とが同程度となるような液量をいう。
[0018]
また、水槽に溜まった液体の水圧を利用して排水口の開閉を行う機構を設ければ、電子的な制御によらずに排水口開閉弁の開閉を行うことができる。ここで水槽に注水口をさらに備えてやり、注水口開閉弁の開閉を排水口開閉弁の開閉に連動してやることで、より効率的な注水および排水により、発電効率を向上させることができる。
[0019]
また、水槽内に、注水口及び排水口を開閉するための板状のスライド開閉弁を注水口開閉弁および排水口開閉弁として備えれば、スライド開閉弁を上方向又は下方向に摺動させて移動させることによって、効率的に注水口及び排水口の開閉を行うことができる。
[0020]
[0021]
また、水槽に注水する液体を水槽よりも高い位置に設置した貯水タンクから導き入れるようにすることで、水槽からの排水中においても、河川等から導入した水を無駄にすることなく貯水タンクに溜めることができ、有効に河川水等を利用することができる。
[0022]
さらに、複数の水槽を階段状に配し、上段の水槽の排水口から排水された液体を下段の水槽の注水口に導くことで、少ない高低差、少ない水量の河川等であっても、
Claims (8)
- 上方または下方から液体(W)が注水され、また、下方から液体が排水される水槽(12,2)と、
該水槽に注水された液体または該水槽から排水された液体の液量に伴いに上昇・下降する浮力体(11,1)と、
回転運動により発電を行う発電機(16)と、
前記水槽への液体の注水または前記水槽からの液体の排水に伴う前記浮力体の水槽内での上昇・下降の上下運動を、前記発電機を回転させるための回転運動に変換する運動変換手段(17,7)と、を備えた、ことを特徴とするピストン型水車を用いた発電装置。 - 前記浮力体(11,1)内部には空洞部が形成されており、
該空洞部には予め所定量の液体(W)が注水されている、ことを特徴とする請求項1に記載のピストン型水車を用いた発電装置。 - 前記水槽(12,2)の上部又は下部に形成された、液体(W)を注水するための注水口(121,21)と、
前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口(122,22)と、
該排水口を開閉するための排水口開閉弁(42,4a)と、を備え、
該排水口開閉弁は、液体が水槽に溜まった液体からの水圧が所定値に達すると、排水口を開口して水槽に溜まった液体の排水し、水槽に溜まった液体の多くを排水した後に閉口する、ことを特徴とする請求項1に記載のピストン型水車を用いた発電装置。 - 前記注水口(121,21)を開閉するための注水口開閉弁(41,4b)をさらに備え、
該注水口開閉弁は前記排水口開閉弁(42,4a)の開閉に連動して、排水口開閉弁が開口すると閉口し、排水口開閉弁が閉口すると開口する、ことを特徴とする請求項3に記載のピストン型水車を用いた発電装置。 - 前記水槽(2A,2B)の上部又は下部に形成された、液体(W)を注水するための注水口(21)と、
前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口(22)と、
前記水槽に、前記注水口及び前記排水口を開閉するための板状のスライド開閉弁(4,4a,4b)と、を備え、
該スライド開閉弁は、水槽の前記注水口及び前記排水口が設けられている面に摺動して移動することによって、前記排水口を開放し、水槽の前記注水口及び前記排水口が設けられている面に摺動して移動することによって、前記注水口を開放する、ことを特徴とする請求項1に記載のピストン型水車を用いた発電装置。 - 前記運動変換手段(17,7)には、前記浮力体(11,1)の上昇・下降を制御するストッパ機構(111)が備えられており、
該ストッパ機構は、前記水槽(12,2)内への注水が完了して満水となる前までは水槽内底部に浮力体を沈めた状態で留め、水槽内がほぼ満水となった時点で浮力体の上昇を許可し、また、前記水槽内からの排水が完了して空となる前までは水槽内上部に浮力体を宙吊り状態で留め、水槽内がほぼ空となった時点で浮力体の下降を許可する、ことを特徴とする請求項1に記載のピストン型水車を用いた発電装置。 - 前記水槽(12,2)の上部又は下部に形成された、液体(W)を注水するための注水口(121,21)と、
前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口(122,22)と、
前記注水口を開閉するための注水口開閉弁(41,4b)と、
前記排水口を開閉するための排水口開閉弁(42,4a)と、
前記水槽の上面高さより高くにその底部が来る程度の高さに設置され、河川等から導き入れた液体(W)を一時的に貯水する貯水タンク(20)と、を備え、
該貯水タンクに貯水した液体を、貯水タンクの底部から、前記注水口開閉弁を経て前記水槽に注水する、ことを特徴とする請求項1に記載のピストン型水車を用いた発電装置。 - 複数の水槽(12,2)が階段状に配置され、
上段の水槽の排水口(122,22)から排水された液体(W)が、下段の水槽の注水口(121,21)へ導かれる、ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のピストン型水車を用いた発電装置。
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