WO2007004290A1 - ピストン型水車を用いた発電装置 - Google Patents

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WO2007004290A1
WO2007004290A1 PCT/JP2005/012371 JP2005012371W WO2007004290A1 WO 2007004290 A1 WO2007004290 A1 WO 2007004290A1 JP 2005012371 W JP2005012371 W JP 2005012371W WO 2007004290 A1 WO2007004290 A1 WO 2007004290A1
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liquid
water tank
tank
opening
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PCT/JP2005/012371
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Inventor
Tetsuji Tateoka
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Tetsuji Tateoka
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00Other machines or engines
    • F03B17/02Other machines or engines using hydrostatic thrust
    • F03B17/04Alleged perpetua mobilia

Definitions

  • the present invention relates to a power generation device using a piston-type water turbine. More specifically, the piston type that uses the vertical movement of this buoyant body as power, by raising and lowering the buoyant body by pouring river water into the aquarium and draining the river water accumulated in the aquarium. It relates to power generation equipment using water turbines.
  • hydroelectric power generation is known as a power generation method using water.
  • a representative method of hydropower generation is to generate electricity by setting up a small dam to keep water in the river.
  • the intake water from the dam is taken, and the taken water is led to the tank inside the power plant.
  • the turbine and turbine are rotated at high speed and high pressure by the force of water flowing down from the tank through the hydraulic iron pipe. Electricity is generated by a generator linked to the turbine or turbine.
  • a hydroelectric power generation there is a hydroelectric power generation called a pumped-storage power generation.
  • This pumped-storage power generation is a method of pumping water at night when there is little usage of electricity in the lower adjustment pond power located between the power plants, and generating electricity by dropping water in the upper adjustment pond power during the daytime when electricity usage is high .
  • the energy conversion efficiency during power generation is 60% or less, and it has a great economic effect in that it generates power using surplus power at night.
  • Patent Document 1 the applicant of the present application attempts to generate electricity by causing air to flow into the tank, discharging the liquid in the tank from the lower part of the tank, and rotating the hydro turbine by the discharge force (water flow). A power generator is proposed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-124866
  • the present invention is very efficient even when it is not possible to secure a site condition for dropping a liquid (river water, etc.) from a high place or when it is difficult to secure a large amount of liquid (water amount).
  • the purpose is to provide a small-scale power generation device that can generate electricity automatically.
  • the power generation device using the piston-type water turbine of the present invention has a water tank (12, 2) in which liquid (W) is injected with an upward or downward force, and water is discharged from below, and water is injected into the water tank.
  • the buoyant body (11, 1) that rises and falls with the liquid amount of the drained liquid, the generator (16) that generates power by rotational movement, and the liquid to the water tank Motion conversion means (17, 7) that converts the upward / downward movement of the buoyant body in the water tank due to water injection or liquid drainage from the water tank into a rotational motion for rotating the generator. It is characterized by comprising.
  • the present invention is formed at the upper or lower portion of the water tank (12, 2), the water inlet (121, 21) for pouring the liquid (W), and at the lower portion of the water tank.
  • the present invention further includes a water inlet opening / closing valve (41, 4b) for opening and closing the water inlet (121, 21), and the water inlet opening / closing valve is the drain outlet opening / closing valve (42, 4a). ) It is preferable that the opening is closed when the water opening / closing valve is opened and the opening is opened when the drain opening / closing valve is closed.
  • the water tank (2A, 2B) formed in the upper part or the lower part of the water tank (21) for pouring the liquid (W), formed in the lower part of the water tank, A drain opening (22) for draining a liquid, and a plate-like slide opening / closing valve (4) for opening and closing the water injection port and the drain opening in the water tank, the slide opening / closing valve being a water tank
  • the water outlet is opened by sliding on the surface where the water inlet and the water outlet are provided, and the surface of the water tank is provided with the water inlet and the water outlet.
  • the water inlet can be opened by moving.
  • the motion converting means (17, 7) is provided with a strobe mechanism (111) for controlling the rising and lowering of the buoyancy body (11, 1). Keep the buoyant body submerged in the bottom of the aquarium until the water tank (12, 2) is completely filled and before it becomes full, allowing the buoyant body to rise when the tank is almost full In addition, the buoyant body is suspended in the upper part of the aquarium until it is empty after the drainage from the aquarium is completed, and the buoyancy body is allowed to descend when the aquarium is almost empty. I like it.
  • the present invention is formed at an upper part or a lower part of the water tank (12, 2), and a water injection port (121, 21) for pouring the liquid (W), and a lower part of the water tank.
  • drain outlets (122, 22) for draining liquid water inlet opening / closing valves (41, 4b) for opening and closing the water inlet, and drain opening / closing valves (42 , 4a), and a water storage tank (20) that is installed at a height that is higher than the top surface of the aquarium so that its bottom comes, and temporarily stores the liquid (W) introduced by the river's isotropic force. It is also preferable that the liquid stored in the water storage tank is injected from the bottom of the water storage tank into the water tank through the water inlet opening / closing valve.
  • a plurality of water tanks (12, 2) are arranged in a staircase shape, and drained liquid (W, 22) is drained from the upper water tank (W ) Force Guided to the water inlet (121, 21) of the lower tank.
  • the liquid is poured into the water tank and the water tank is used.
  • the vertical movement of the buoyant body is converted into a rotational movement by controlling the operation to drain. Therefore, it is possible to generate electricity by rotating the generator with a large force by the converted rotational motion. As a result, it is possible to generate power even when the site conditions for dropping water from high places cannot be ensured. Even a river with a low flow rate, such as a stream, can use almost all of its flow rate for power generation, so it can generate power very efficiently.
  • the drainage opening and closing valve can be opened and closed without electronic control.
  • the water tank is further equipped with a water inlet, and the opening and closing of the water inlet opening / closing valve is linked with the opening and closing of the water outlet opening / closing valve, so that more efficient water injection and drainage can improve power generation efficiency.
  • a plate-like slide on / off valve for opening and closing the water inlet and the drain outlet is provided in the water tank as the water inlet on / off valve and the drain outlet on / off valve, the slide on / off valve is directed upward or downward. By sliding and moving, the water inlet and outlet can be efficiently opened and closed.
  • the generator can be rotated with a greater force than when the buoyant body gradually moves up and down as the liquid in the water tank increases and decreases. Power generation.
  • buoyant body is configured to be flat and the plane area is increased, the height of the portion that will sink into the liquid is reduced, so that power generation is performed even under conditions with a low drop force of, for example, lm or less. Is possible.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing another structural example of a power generator using a piston-type water turbine according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a transmission diagram of the power generator shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a system configuration of the power generator of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view including a buoyant body 1 A and a water tank 2 A located on the left side with respect to the generator 6
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a power generator using a piston type turbine according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a perspective view showing an example of the structure of a buoyancy body and a water tank.
  • FIG. 7 is a plan view of a power generator using a piston type turbine.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing an operation in which the motion conversion means converts the vertical motion of the buoyant body into a rotational motion.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of the structure of the motion conversion means.
  • FIG. 10 is a plan view showing a configuration example in the case where power generation is performed using a plurality of units of power generation devices according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a power generator using a piston type turbine according to the present invention.
  • FIG. 2 is a side transparent view of the power generator shown in FIG.
  • the power generators using the piston type turbine are respectively buoyant bodies 11A and 11B (collectively referred to as “11.”
  • the same reference numerals are used for the following components.
  • the power generator converts the vertical motion of the rod 13 into a rotational motion to generate a generator. It includes motion conversion means 17 for rotating 16.
  • the buoyancy body 11A, the water tank 12A, the water storage tank 20A, and the rod 13A are connected to the motion converting means 17 with the buoyancy body 11B, the water tank 12B, the water tank 20B, and the rod 13B. Arranged at symmetrical positions. As shown in FIG. 1, the water storage tank 20 is installed at a height that is higher than the height of the upper surface of the water tank 12 so that the bottom surface thereof comes.
  • the buoyancy body 11 of the present embodiment has, for example, a rectangular parallelepiped shape or a spherical shape!
  • the buoyancy body 11 may have another shape such as a prismatic shape or a cylindrical shape.
  • the buoyancy body 11 is manufactured using, for example, a synthetic resin such as polyethylene or aluminum. Further, a cavity is formed inside the buoyancy body 11.
  • a predetermined amount of liquid W (for example, water) is poured into the cavity inside the buoyancy body. By injecting a predetermined amount of the liquid W in this way, the buoyancy and the own weight of the buoyancy body 11 can be adjusted appropriately.
  • a weight using lead or the like may be attached outside or inside the buoyancy body.
  • the water tank 12 and the water storage tank 20 of the present embodiment have a rectangular parallelepiped shape.
  • the water tank 12 has a horizontal cross-sectional shape that is about twice larger than the horizontal cross-sectional shape of the buoyancy body so that the buoyancy body 11 that moves up and down in the water tank does not come into contact with the water tank.
  • the water tank 12 and the water storage tank 20 may have other prismatic shapes or cylindrical shapes. Here, it is desirable that the amount of water stored in the water storage tank is greater than or equal to the amount stored in the water tank.
  • the water tank 12 is provided with water injection ports 121A and 121B at the upper part and drainage ports 122A and 122B at the lower part, respectively.
  • the water storage tank 20A and the water tank 12A, and the water storage tank 20B and the water tank 12B are an electric water injection side on-off valve 4 1A for injecting the liquid W stored in the water storage tank into the water injection ports 121 A and 121B of the water tank. , 41B is connected via piping.
  • piping for draining water from the drain ports 122A and 122B is provided at the bottom of the water tank by opening and closing the electric drain side opening / closing valves 42A and 42B.
  • the force connecting the bottom of the water storage tank 20 and the top of the water tank 12 is connected by pipe connection between the bottom of the water storage tank 20 and the bottom of the water tank 12, and water can be poured from the bottom of the water tank.
  • the motion converting means 17 includes a large gear 171 and a connecting rod 172.
  • the vertical motion of each rod 13 is converted into rotational motion via the connecting rod 172 of the motion conversion means 17.
  • the converted rotational motion is transmitted from the large gear 171 of the motion conversion means 17 to the generator 16 via a belt (for example, belt) 19 to rotate the generator.
  • the generator 16 generates power by the rotational force generated by the rotational motion transmitted through the V-belt 19.
  • the motion conversion means 17 is provided with a stagger mechanism 111 that restricts the lifting and lowering of the buoyancy body 11.
  • the stopper mechanism 111 is operated by the power of a motor that operates in accordance with a command from an information processing device such as a computer, and restricts the vertical movement of the rod 13 according to a program.
  • the stagger mechanism 11 is a state in which each buoyant body is submerged in the bottom (bottom dead center) of the water tank by fixing the rod and pressing the buoyant body until the water tank 12 is full. When the tank is full, stop the stagger mechanism. When the stagger mechanism 111 is released, the buoyancy body 11 is raised and the connecting rod 172 is rotated. When the buoyant body 11 rises and reaches the upper part of the tank 12 (top dead center), the stagger mechanism 111 is actuated by the motor power to fix the rod 13 again, and the buoyant body descends during drainage. Suppress. At this time, the buoyancy body 11 is suspended in the water tank 12.
  • the strobe mechanism 111 When the drainage is almost completed, the strobe mechanism 111 is released, and the buoyant body 11 is lowered by its own weight to rotate the connecting rod 172. By repeating the above operation, the connecting rod 172 continuously rotates, and power is transmitted to the generator 16 via the large gear 171 and the V-belt 19 to generate power.
  • the stagger mechanism 111 By providing such a stagger mechanism 111, more force is applied to the rod 13 when the buoyant body rises and lowers than when the buoyant body 11 gradually moves up and down as the liquid W in the water tank 12 increases and decreases. Therefore, power can be generated by rotating the generator 16 with a large force.
  • the buoyancy body 11 has reached top dead center by attaching a flywheel to the connecting rod 172 and providing a clutch at the connecting portion of the connecting rod 13 and the connecting rod 172. Stop at the bottom dead center! / Even when hitting, the connecting rod rotates due to inertial force to generator 16 If a mechanism for providing power is provided, it is possible to generate power more efficiently.
  • liquid W for example, water
  • water force taken from a river or lake
  • water storage tank 20 By controlling the water injection side open / close valve 41 to open and close, the water W stored in the water storage tank 20 is blocked from being injected into the water tank 12. Further, the drainage of the liquid W from the water tank 12 is shut off by controlling the drain side opening / closing valve 42 to open and close.
  • the water storage tank 20 is always filled with liquid from a river or the like. By providing such a water storage tank, even when the water tank 12 is drained, the entire amount of water, including the river power, can be stored in the water storage tank and used for power generation.
  • the buoyancy body 11 moves up and down. Further, the buoyancy body 11 performs the vertical movement of the rod 13 force S according to the vertical movement. Then, the motion conversion means 17 converts the vertical motion of the rod 13 into a rotational motion.
  • an information processing device such as a computer executes processing according to a program to control the timing of opening and closing the water injection side on-off valve 41 and the drain side on-off valve 42.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the system configuration of the power generator of this embodiment.
  • the water injection side open / close valve 41 and the drain side open / close valve 42 are opened and closed under computer control.
  • the computer controls the operation of the stopper mechanism 111 to control the lifting and lowering of the buoyant body 11 in the water tank 12.
  • the generator 16 that generates power using the power from the V-belt 19 transmits the generated power from the transmission line via the battery.
  • the battery power supplied to the generator is supplied to the motor that operates the computer, the water injection side opening / closing valve 41, the drain side opening / closing valve, and the stagger mechanism 111.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view including the buoyant body 11A and the water tank 12A located on the left side with respect to the generator 16.
  • the water tank 12 is assumed to be a cube having a square bottom and side surfaces.
  • the width w and depth t of the water tank 12A are 1.5 m, and the maximum water depth h when water W is poured into the water tank is 4 m. Then the buoyancy body 11A rises and falls The amount of water consumed Q of the liquid W injected into the tank 12A required per cycle
  • water consumption Q per cycle of the entire power generation system is calculated using the following equation.
  • This amount of water can be secured relatively easily even in a small stream.
  • the power generation output generated using the power generation device will be described.
  • the volume of the spherical buoyant body 11A shown in FIG. 4 is 1020 liters.
  • the density of water is lkgZl.
  • buoyancy F of the buoyancy body 11A is obtained using the following equation.
  • the force to pull down the rod is 510kgf.
  • the buoyancy body 11B can be considered.
  • the power (T) due to the force with which the buoyancy pushes up the rod 13A is obtained using the following equation.
  • the total power (T) of the buoyancy bodies 11A and 11B can be obtained using the following equation.
  • the vertical movement of the buoyant bodies 11A, 11B is rotationally driven by controlling to repeat the operation of pouring and draining the liquid W into the water tanks 12A, 12B. It is possible to generate electricity by turning the generator 16 by the converted rotary motion.
  • the buoyancy bodies 11A and 11B can be moved up and down with a large force, and this can generate electricity by rotating the generator 16 with a large rotational power.
  • a small-scale power generation device capable of performing the above is provided.
  • the power generation efficiency of the generator the open / close stopper of the electric water injection side open / close valve and the drain side open / close valve, the computer controlling the water injection and drainage, etc.
  • the power generation system with two tanks can still produce 8 to 9 kW of power output.
  • the drain opening opens and the liquid accumulated in the water tank is drained, and the water tank is drained.
  • a plurality of water tanks 12 may be arranged in a stepped manner so that the liquid W drained from the drain 122 of the upper tank is led to the water inlet 121 (or the storage tank 20) of the lower tank. For example, power can be generated efficiently even in a river with a small flow rate.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a power generator using a piston type turbine according to the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing an example of the structure of the buoyancy body and the water tank.
  • FIG. 6 as an example, of the two buoyancy bodies 1A and 1B and the water tanks 2A and 2B shown in FIG.
  • a buoyant body 1A and a water tank 2A located on the left side of the generator 6 are shown.
  • the structures of the buoyancy body 1B and the water tank 2B located on the right side of the generator 6 are the same as the structures of the buoyancy body 1A and the water tank 2A shown in FIG.
  • the buoyancy body 1 A has a cylindrical shape.
  • the buoyancy body 1 A may have another shape such as a quadrangular prism shape or a triangular prism shape.
  • a hollow portion is formed inside the buoyancy body 1A, and a predetermined amount of liquid W (for example, water) is poured therein.
  • the water tank 2A has a prismatic shape.
  • the water tank 2A is formed in a prismatic shape with a pentagonal bottom as shown in FIG. It is also possible to use a tank 2A with other shapes such as a rectangular prism shape.
  • a trough 23 is formed in the lower part of the water tank 2A by using the prismatic water tank 2A having a pentagonal bottom surface. By forming the valley 23, when the liquid W is injected from the water injection port 21, the liquid W is efficiently filled into the water tank 2A.
  • water injection ports 2la, 21b, and 21c for injecting the liquid W into the water tank 2A are provided at the upper part of one of the two side surfaces in the longitudinal direction of the water tank 2A.
  • the number of force water inlets explaining the case where the three water inlets 21 are provided in the upper part of one side surface of the water tank 2A is not limited to three.
  • only one or two inlets may be provided on the side surface of the water tank 2A.
  • Four or more inlets may be provided.
  • the buoyancy body is not directly hooked.
  • drainage ports 22a, 22b, and 22c for draining the liquid W in the water tank 2A are provided in the lower part of the side surface of the water tank 2A in which the water injection port 21 is provided.
  • the number of force outlets for explaining the case where three outlets 22 are provided in the lower part of one side surface of the tank 2A is not limited to three.
  • only one or two drains may be provided on the side surface of the water tank 2A, or four or more drains may be provided.
  • the water tanks 2A and 2B have plate-like slide opening / closing valves 4A and 4B on the side surfaces where the water injection port 21 and the drain port 22 are provided, respectively.
  • the slide opening / closing valves 4A and 4B move up and down while sliding so that the water inlet 21 and the drain port 22 are opened and closed.
  • the slide opening / closing valves 4A and 4B move downward, the water inlet 21 is opened and the drain outlet is closed simultaneously, and the liquid W is injected into the water tanks 2A and 2B.
  • the slide opening / closing valves 4A and 4B move upward, the drain port 22 is closed and the drain port is opened at the same time, and the liquid W in the water tanks 2A and 2B is drained.
  • the opening and closing of the slide on-off valves 4A and 4B can be performed electrically using a motor-operated valve or the like. In order to simplify the mechanism, it is also preferable to perform mechanically.
  • plate-like slide opening / closing valves 4A and 4B are integrally formed, and when the water level reaches a predetermined height, the water inlet is closed and at the same time the water outlet is opened, and when the water level falls below the predetermined height, the water inlet is opened.
  • a mechanical valve that opens and closes the slide open / close valve by the buoyancy of a float body (not shown) that closes the drain outlet, or the water pressure from the liquid accumulated in the water tank reaches a predetermined value.
  • a mechanical valve can be used that opens the drain and drains the liquid accumulated in the water tank and closes it after draining much of the liquid accumulated in the water tank.
  • a water inlet opening / closing valve 4b for opening and closing the water inlet 21 is provided, and this water inlet opening / closing valve is interlocked with the opening / closing of the water outlet opening / closing valve 4a. It is also preferable that the opening / closing valve opens when closed.
  • FIG. 7 is a plan view of a power generator using a piston type turbine.
  • Fig. 7 corresponds to the power generator shown in Fig. 5 as viewed from above with respect to the installation surface.
  • the operation conversion means 7A, 7B and the generator 6 shown in FIG. 5 are omitted.
  • water is taken from the upstream side of the river or lake, and the water taken through the inlet pipe is poured into each of the water tanks 2A and 2B as liquid W.
  • the inlet pipe is divided into six distribution pipes (referred to as the water injection side distribution pipe 5 1). As shown in Fig. 7, three of the six water injection side distribution pipes 51 are connected to the water tank 2A, and liquid W is injected into the water tank 2A. Used to do.
  • three water injection side distribution pipes 51 other than the water injection side distribution pipe 51 connected to the water tank 2A are connected to the water tank 2B, and are used to inject the liquid W into the water tank 2B.
  • the power generator drains the liquid W used for power generation downstream through a drain pipe.
  • the drain pipe is divided into six branch pipes (referred to as the drain side branch pipe 52), as shown in FIG.
  • three of the six drain side branch pipes 52 are connected to the tank 2A and used to drain the liquid W from the tank 2A.
  • three drain side branch pipes 52 other than the drain side branch pipe 52 connected to the water tank 2A are connected to the water tank 2B and used to drain the water tank 2B liquid W.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing an operation in which the motion converting means converts the vertical motion of the buoyant body into a rotational motion.
  • the buoyancy bodies 1A and 1B, the water tanks 2A and 2B, the rods 3A and 3B and the motion conversion means 7A and 7B shown in FIG. 5 the buoyancy body 1A located on the left side with respect to the generator 6 A water tank 2A, a rod 3A, and a motion conversion means 7A are shown.
  • FIG. 8 only a part of the components of the motion converting means 7A is shown.
  • the operations of the buoyancy body 1B, the rod 3B, and the motion conversion means 7B located on the right side with respect to the generator 6 are the same as the operations of the buoyancy body 1A, the rod 3A, and the motion conversion means 7A shown in FIG.
  • FIG. 8 the liquid W is drained through the water tank 2A force drain 22 and poured into the water tank 2A, and the amount of liquid W is minimized (FIG. 8 (a)).
  • the slide opening / closing valve 4A is first moved while sliding downward. Control as follows. By moving the slide open / close valve 4A downward, as shown in FIG. 8 (a), the water injection port 21 is opened, and the injection of liquid W from the water injection port 21 into the water tank 2A is started. .
  • an information processing apparatus such as a computer executes processing according to a program to control the direction and timing of sliding the slide opening / closing valve 4A.
  • the motion conversion means 7 A includes a crank 71 and a gear 72.
  • the crank 71 has one end rotatably connected to the rod 3A.
  • the end of the crank 71 opposite to the side connected to the rod 3A is fixed to the gear 72.
  • FIG. 8 (b) when the rod 3A is raised, the gear 72 is rotated via the crank 71 by the force by which the rod 3A is raised.
  • the gear 72 may rotate clockwise as the rod 3A rises.
  • the slide on-off valve 4A is controlled to move while sliding upward as shown in FIG. 8 (c).
  • the slide opening / closing valve 4A is controlled to move while sliding upward as shown in FIG. 8 (c).
  • the drain port 22 is opened, and drainage of the liquid in the water tank 2A is started from the drain port 22.
  • the motion conversion means 7A includes a speed increasing gear.
  • the motion conversion means 7A uses the speed increasing gear to convert the rotational speed of the rotary motion converted from the vertical motion of the rod 3A. Speed up.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of the structure of the motion conversion means.
  • the motion converting means 7A includes a speed increasing gear 73 using a plurality of large and small gears, and has a function of increasing the rotational speed of the rotational motion of the gear 72 converted via the crank 71.
  • the motion conversion means 7B is also provided with a configuration using a speed increasing gear similarly to the generator 6 in a similar manner.
  • the motion converting means 7A rotates the generator 6 by the increased rotational motion.
  • the motion conversion means 7B also converts the vertical movement of the rod 3B into a rotational movement according to the same operation as the motion conversion means 7A, and accelerates the converted rotational movement using a speed increasing gear. Further, the motion conversion means 7B rotates the generator 6 by the increased rotational motion.
  • the generator 6 generates power by the rotational force generated by the rotational motion to which the motion converting means 7A and 7B are also transmitted.
  • control is performed such that the liquid W is alternately injected into the water tank 2A and the water tank 2B, and the liquid W is alternately discharged. That is, when the liquid W is injected into the water tank 2A side, the water tank 2B force is also controlled to drain the liquid W. Further, when the liquid W is being injected into the water tank 2B side, the liquid W is controlled to be drained from the water tank 2A. Therefore, the buoyant body 1A and the buoyant body 1B alternately rise and fall, and the rod 3A and the mouth 3B alternately rise and fall. By controlling in this way, the liquid W (water in this example) taken from the river or lake can be efficiently poured into the water tank 2A and the water tank 2B, respectively, and drained.
  • FIG. 10 is a plan view showing a configuration example in the case where power generation is performed using a plurality of units of power generation devices.
  • FIG. 10 a case will be described in which power generation is performed using five units of power generation devices 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E.
  • each power generator 1 OA, 10B, IOC, 10D, and 10E correspond to the power generation apparatus shown in the second embodiment.
  • water taken from rivers and lakes is carried through a water intake pipe 151 (for example, a diameter of about 30 m).
  • the inlet pipe 151 has five pipes (also called branch inlet pipes) 151A
  • 151B, 151C, 151D, 151E (for example, about 6m in diameter), and water is injected into the power generators 10A, 10B, IOC, 10D, 10E, respectively.
  • each branch water intake pipe 151A, 151B, 151C, 151D, 151 ⁇ is further branched into six water injection side branch pipes 51 for each power generation device, and respectively into water tanks 2 ⁇ and 2 ⁇ . Water is poured.
  • the water used in each of the power generators 10A, 10B, IOC, 10D, and 10E is drained through a drain pipe 152 (for example, a diameter of about 30 m).
  • the drainage pipe 152 is branched into five pipes (both branch water pipes) 152A, 152B, 152C, 152D, and 152E (for example, about 6 m in diameter). Used for 10D and 10E drainage.
  • each of the branched water pipes 152A, 152B, 152C, 152D, 152E is further branched into six drainage side branch pipes 52 for each power generator, and discharged from the water tanks 2A, 2B, respectively. Used for water.
  • the power generation device per unit is realized with a width of 14 m and a depth of 11 m.
  • the total width of the power generation system shown in Fig. 10 should be about 70m, considering the width of the power generation equipment per unit.
  • the depth of the entire power generation system shown in Fig. 10 can be understood to be about 80m if the depth of the power generation device per unit and the diameters of the inlet pipe 151 and drain pipe 152 are taken into account.
  • the power generation output of the entire power generation system shown in FIG. 10 is about 5 times the power generation output of the power generation apparatus per unit shown in the second embodiment.
  • a plurality of power generation units are arranged in parallel to generate power.
  • a plurality of water tanks 2A and 2B are arranged in a staircase shape and drained from the drain port 22 of the upper water tank.
  • the power generation unit may be arranged in a stepwise manner so that the liquid W thus introduced is guided to the water inlet 21 of the lower water tank (not shown).
  • the power generation units arranged in a staircase can efficiently generate power even in rivers with a small flow rate.
  • the present invention can be applied to the use of power generation facilities that generate power using water taken from rivers and lakes.

Abstract

 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、効率的に発電を行えるようにする。  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

明 細 書
ピストン型水車を用いた発電装置
技術分野
[0001] 本発明は、ピストン型水車を用いた発電装置に関する。より詳細には、水槽に河川 水等を注水し、また水槽に溜めた河川水等を排水することにより、浮力体を上昇'下 降させ、この浮力体の上下運動を動力として使用するピストン型水車を用いた発電装 置に関する。
背景技術
[0002] 従来から、水を利用する発電方法として水力発電が知られている。現在、水力発電 の代表的な方法としては、河川に水をせき止めるための小さなダムを設けて発電する 方法がある。この方法では、先ず、ダムの取水ロカ 水が取り入れられ、取り入れら れた水が発電所内の水槽に導かれる。次いで、その水槽から水圧鉄管を介して水が 流れ落ちていく力によって、高速且つ高圧に水車やタービンが回転される。そして、 その水車やタービンに連動する発電機によって発電が行われる。
[0003] また、特に、水力発電の中で揚水発電と呼ばれるものがある。この揚水発電は、発 電所を挟んで位置する下部調整池力 電気の使用量が少ない夜間に水を汲み上げ 、電気の使用量の多い昼間に上部調整池力も水を落として発電する方法である。こ のような揚水発電では、発電する際のエネルギー転換効率が 6割以下と 、われて ヽ る力 夜間の余剰電力を利用して発電を行う点で経済的効果が大き 、。
[0004] 本願出願人は下記特許文献 1において、タンク内に空気を流入させてタンク内の液 体をタンクの下部から排出させ、その排出力(水流)によって水力タービンを回転させ 発電を行おうとする発電装置を提案している。
特許文献 1:特開 2004— 124866号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] しかし、上記の水力発電方法では、水を高速且つ高圧で落下させるために、取水 ダムの設定場所と水車やタービンの設置場所との間に相当の高低差を設けなけれ 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 ことが多力つた。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ぐ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 U、と 、つた問題があった。
[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、上方または下方力も液体 (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 または該水槽力 排水された液体の液量に伴 ヽに上昇 ·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。
[0009] ここで、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、ものとすることが好ましい。
[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力 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 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、ものとするこ とが好ましい。
[0012] また本発明は、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)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つ て、前記注水口を開放する、ものとすることもできる。
[0013] ここで、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 するストツバ機構(111)が備えられており、該ストツバ機構は、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、ことが好ま 、。
[0014] また本発明は、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、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、河川等力 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、ものとすることも好 ましい。
[0015] さらに本発明のピストン型水車を用いた発電装置は、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)力 排水された液体 (W)力 下段の 水槽の注水口(121, 21)へ導かれる、ことを特徴とする。
発明の効果
[0016] 本発明のピストン型水車を用いた発電装置では、液体を水槽内に注水し水槽から 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 つても、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。
[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(=浮力一荷重)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 とがでさる。
[0020] また、浮力体の上昇 ·下降を制御するストツバ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。
[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、水槽力 の排水中においても、河川等力 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、上段の水槽の排水ロカ 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、 効率的かつ大出力の発電を可能とすることができる。
[0023] なお浮力体を平たく構成しその平面積を増してやれば、液体中に沈むこととなる部 分の高さが小さくなるため、例えば lm以下の低落差し力ない条件下でも発電を行う ことが可能となる。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1]第 1の実施形態によるピストン型水車を用いた発電装置の他の構造例を示す断 面図である。
[図 2]図 1に示す発電装置を側面側力 見た透過図である。
[図 3]第 1の実施例の発電装置におけるシステム構成を示したブロック図である。
[図 4]発電機 6に対して左側に位置する浮力体 1 A及び水槽 2Aを含む断面図である
[図 5]第 2の実施形態によるピストン型水車を用いた発電装置の構造の例を示す断面 図である。
[図 6]浮力体及び水槽の構造の例を示す斜視図である。
[図 7]ピストン型水車を用いた発電装置の平面図である。
[図 8]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を示す説明図 である。
[図 9]運動変換手段の構造の例を示す説明図である。
[図 10]第 3の実施形態による複数ユ ットの発電装置を用いて発電を行う場合の構 成例を示す平面図である。
符号の説明
[0025] 1A, IB, 11A, 11B 浮力体
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, IOC, 10D, 10E 発電装置
19 Vベノレ卜
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 ストツバ機構
121A, 121B, 21a, 21b, 21c 注水 PI
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
発明を実施するための最良の形態
[0026] 以下、本発明の第 1の実施形態を図面を参照して説明する。図 1は、本発明による ピストン型水車を用いた発電装置の構造の例を示す断面図である。また、図 2は、図 1に示す発電装置を側面側力 見た側面透過図である。
実施例 1
[0027] 図 1および図 2に示すように、ピストン型水車を用いた発電装置は、それぞれ、浮力 体 11A, 11B (これらをまとめて 11という。以下の各構成要素の符号についても同様 に表現する。)、水槽 12 A, 12B、ロッド 13A, 13B、貯水タンク 20A, 20Bおよび発 電機 16を含む。また、発電装置は、ロッド 13の上下運動を回転運動に変換し発電機 16を回転させる運動変換手段 17を含む。
[0028] 図 1に示すように、例えば、浮力体 11A、水槽 12A、貯水タンク 20Aおよびロッド 13 Aは、運動変換手段 17に対して、浮力体 11B、水槽 12B、水槽 20Bおよびロッド 13 Bと対称となる位置に配置される。なお、貯水タンク 20は、図 1に示すように、水槽 12 の上面高さより高くにその底面が来る程度の高さに設置される。
[0029] 本実施例の浮力体 11は、例えば、直方体形状や球体形状をして!/、る。なお、浮力 体 11として、角柱形状や円柱形状など他の形状のものを用いてもよい。また、浮力体 11は、例えば、ポリエチレンなどの合成樹脂やアルミニウムを用いて製作される。 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 、。
[0030] また本実施例の水槽 12および貯水タンク 20は、直方体形状をしている。水槽 12は 、水槽内で昇降する浮力体 11が水槽と接触することのないように、浮力体の水平方 向断面の形状よりも二廻り程度大きな水平方向断面形状を有している。なお、水槽 1 2および貯水タンク 20は、その他の角柱形状や円柱形状などとすることも可能である 。ここで貯水タンクの貯水量は水槽の貯水用よりも多いか、同程度であることが望まし い。
水槽 12には、それぞれ、上部に注水口 121A, 121Bが設けられ、下部に排水口 1 22A, 122Bが設けられる。
[0031] 貯水タンク 20Aと水槽 12A、貯水タンク 20Bと水槽 12Bとは、貯水タンクに貯水した 液体 Wを水槽の注水口 121 A, 121Bに注水するために、電動式の注水側開閉弁 4 1A, 41Bを介して配管接続されている。また水槽の底部には電動式の排水側開閉 弁 42A, 42Bの開閉により排水口 122A, 122Bから排水を行うための配管がなされ ている。
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力 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 Uヽ(図示せず)。
[0032] 運動変換手段 17は、図 2に示すように、大型ギア 171とコンロッド 172とを含む。各 ロッド 13の上下運動は、運動変換手段 17のコンロッド 172を介して回転運動に変換 される。また、変換された回転運動は、運動変換手段 17の大型ギア 171から、ベルト (例えば、 ベルト) 19を介して発電機 16に伝えられ、発電機を回転させる。そして、 発電機 16は、 Vベルト 19を介して伝えられた回転運動による回転力によって発電を 行う。
[0033] ここで運動変換手段 17には、浮力体 11の昇降を制限するストツバ機構 111が備え られている。このストッパ機構 111は、コンピュータなどの情報処理装置からの指令に 従って作動するモータの動力により操作され、ロッド 13の上下運動をプログラムに従 つて制限する。
より具体的には、ストツバ機構 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ツバ機構を解除する。ストツバ機構 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、ストツバ機構 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ツバ機構 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 1 9を介して発電機 16に動力が伝えられ、発電が行われる。このようなストツバ機構 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。
[0034] なお図面は省略するが例えば、コンロッド 172にフライホイールを取り付け、また、口 ッド 13とコンロッド 172との連結部にクラッチを設けるなどして、浮力体 11が上死点ま たは下死点で停止して!/ヽる際にも、コンロッドが慣性力によって回転して発電機 16に 動力を与える機構を備えてやれば、より効率的に発電を行うことが可能となる。
[0035] 本実施例では、河川や湖から取り入れた液体 W (例えば、水)力 まず貯水タンク 2 0に溜められる。注水側開閉弁 41を制御して開閉することによって、貯水タンク 20に 溜めた液体 Wの水槽 12への注水 '遮断が行われる。また、排水側開閉弁 42を制御 して開閉することによって、水槽 12内からの液体 Wの排水 '遮断が行われる。
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、河川等力も導入した水の全 量を貯水タンクに貯えて発電に利用することができる。
[0036] このように水槽 12内に液体 Wを注水し排水する制御を繰り返し実行することによつ て、浮力体 11が上下運動を行う。また、浮力体 11が上下運動に従って、ロッド 13力 S 上下運動を行う。そして、運動変換手段 17は、ロッド 13の上下運動を回転運動に変 換する。
[0037] なお、本実施例では、例えば、コンピュータなどの情報処理装置がプログラムに従 つて処理を実行することによって、注水側開閉弁 41及び排水側開閉弁 42を開閉す るタイミングを制御する。
[0038] 図 3に本実施例の発電装置におけるシステム構成をブロック図で示した。注水側開 閉弁 41および排水側開閉弁 42は、コンピュータの制御によって開閉される。またコ ンピュータは、ストッパ機構 111の動作を制御して、水槽 12内での浮力体 11の昇降 をコントロールする。一方、 Vベルト 19からの動力により発電を行う発電機 16は、発電 した電力を、バッテリーを介して送電線から送電する。なお、コンピュータ、注水側開 閉弁 41および排水側開閉弁、ストツバ機構 111を作動するモータには、発電機につ ながれたバッテリー力 電力が供給される。
[0039] 次に、発電装置の具体的な設計例を説明する。まず、水槽 12の設計例を説明する 。図 4は、発電機 16に対して左側に位置する浮力体 11A及び水槽 12Aを含む断面 図である。なお本例では、設計を容易にするため、水槽 12が、底面および側面が正 方形の立方体であるものとする。
[0040] 図 4に示すように本設計例では、水槽 12Aの幅 wおよび奥行き tを 1. 5mとし、水槽 に液体 Wを注水したときの最大の水深 hを 4mとする。すると、浮力体 11Aが上昇し下 降する 1サイクルあたりに必要な、水槽 12Aに注水される液体 Wの消費水量 Q は、
A
次式を用いて求められる。
Q =w X t X h= l . 5 (m) X I . 5 (m) X 4 (m) = 9 (m3)
A
[0041] また、水槽 12Bについても、同様に、 1サイクルあたりの液体 Wの消費水量 Q力 S9m
B
3と求められるので、発電装置全体の 1サイクルあたりの消費水量 Qは、次式を用いて 求められる。
Q = 9 (m3) X 2= 18 (m3)
[0042] ここで、浮力体 11A, 1 IBが上昇し下降するまでの 1サイクルあたりに要する時間は
、 9秒程度であることが望ましい。 1サイクルあたりに要する時間を τ = 9秒とすると、 1 秒あたりの発電装置の消費水量 qは、次式を用いて求められる。
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。
[0043] 次に、発電装置を用いて発電される発電出力について説明する。本例では、図 4に 示した球体形状の浮力体 11Aの体積を 1020リットルとする。また水の密度を lkgZl とする。
すると、浮力体 11Aの浮力 Fは、次式を用いて求められる。
A
F = (浮力体 11 Aの体積) X (水の密度)
A
= 1020 X l = 1020 (kgf)
[0044] ここで、浮力体 11Aの自重を 510kgにすると、浮力体 11Aがロッド 13Aを押し上げ
、またはロッドを引き下げる力はともに、 510kgfとなる。また浮力体 11Bについても同 様に考えることができる。
[0045] 浮力体 11Aが 1秒間に浮上する距離を lmとすると、浮力がロッド 13Aを押し上げる 力による仕事率 (T )は、次式を用いて求められる。
A
T = 510 (kgf) X 1 (m) /1 (s) = 510 (kgfm/s)
A
[0046] このとき浮力体 11Bは自重により 1秒間に lm下降するため、その仕事率 (T )は、 5
B
lOkgfmZsとなる。
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=T +Τ = = 1020 (kgfm/s) [0047] ここで仕事率を、 1W (ワット) =0. 102kgfmZsの関係から電力に変換すると、 W=T/0. 102= 1020/0. 102= 10000 (W) = 10 (kW)
となる。
[0048] 以上のように、本実施例によれば、液体 Wを水槽 12A, 12B内に注水し排水する 動作を繰り返すように制御することによって、浮力体 11A, 11Bの上下運動を回転運 動に変換し、変換した回転運動によって発電機 16を回転させることで、発電を行うこ とがでさる。
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!、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。
[0049] なお実際には発電機の発電効率や電動式の注水側開閉弁や排水側開閉弁の開 閉ゃストッパ機構、注水及び排水を制御するコンピュータ等において、 l〜2kW程度 のロスや電力消費があると考えられるが、それでもなお 2つの水槽力 なる発電装置 では 8〜9kWの発電出力を得ることができる。
[0050] ここで、排水側開閉弁 42の代わりに,液体 Wが水槽に溜まった液体からの水圧が 所定値に達することで排水口が開口して水槽に溜まった液体を排水し、水槽に溜ま つた液体の多くを排水した後に閉口する機械式弁を用いれば、排水口の開閉にかか る電力消費をなくすことができる。
[0051] また発電装置の台数を増やせば、発電量を増やすことができるのは当然である。こ の場合、複数の水槽 12を階段状に配置し、上段の水槽の排水口 122から排水され た液体 Wが、下段の水槽の注水口 121 (又は貯水タンク 20)へ導かれるようにしてや れば、少ない流量の河川等であっても効率的に発電を行うことができる。
実施例 2
[0052] 以下、本発明の第 2の実施形態を図面を参照して説明する。図 5は、本発明による ピストン型水車を用いた発電装置の構造の例を示す断面図である。また図 6は、浮力 体及び水槽の構造の例を示す斜視図である。
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〖こ 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 1 A及び 水槽 2Aの構造と同様である。
[0053] 図 6に示すように、本実施例では、浮力体 1 Aは、円筒形状である。なお、浮力体 1 Aとして、四角柱形状や三角柱形状など他の形状のものを用いてもよい。また、浮力 体 1A内部には、空洞部が形成されその中には、所定量の液体 W (例えば、水)が注 入されていることは実施例 1と同様である。
[0054] 図 6に示すように、水槽 2Aは、角柱形状をしている。本実施例では、水槽 2Aは、図 2に示すような底面が五角形の角柱形状に形成されている。なお水槽 2Aとして、四 角柱形状など他の形状のものを用いてもょ 、。
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 2 A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。
[0055] また、水槽 2Aの長手方向の 2つの側面のうち一方の側面の上部には、水槽 2A内 に液体 Wを注入するための注水口 2 la, 21b, 21cが設けられる。なお、図 6では、水 槽 2Aの一方の側面の上部に 3つの注水口 21を設ける場合を説明する力 注水口の 数は 3つに限られない。例えば、水槽 2Aの側面に 1又は 2つの注入口だけを設けて もよぐ 4以上の注入口を設けてもよい。
なお浮力体に注水された液体が上方力 掛かると、浮力体には下向きの荷重がか 力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カもないようにすることが好ましい。
[0056] また、注水口 21が設けられた水槽 2Aの側面の下部には、水槽 2A内の液体 Wを排 水するための排水口 22a, 22b, 22cが設けられる。図 6では、水槽 2Aの一方の側面 の下部に 3つの排水口 22を設ける場合を説明する力 排水口の数は 3つに限られな い。例えば、水槽 2Aの側面に 1又は 2つの排水口だけを設けてもよぐ 4以上の排水 口を設けてもよい。
[0057] また、図 5に示すように、発電装置において、水槽 2A, 2Bには、それぞれ、注水口 21及び排水口 22が設けられている側面に、板状のスライド開閉弁 4A, 4Bが設けら れる。本実施例では、スライド開閉弁 4A, 4Bが、スライドするように摺動しながら上下 に移動することによって、注水口 21及び排水口 22が開閉される。具体的には、スライ ド開閉弁 4A, 4Bが下方向に移動することによって、注水口 21が開口されると同時に 排水口が閉口し、水槽 2A, 2B内に液体 Wが注入される。また、スライド開閉弁 4A, 4Bが上方向に移動することによって、排水口 22が閉口されると同時に排水口が開口 し、水槽 2A, 2B内の液体 Wが排水される。
[0058] なおスライド開閉弁 4A, 4Bの開閉は電動弁などを使用して電気的に行うことも可 能である力 その機構をより簡素なものとするために、機械的に行うことも好ましい。 例えば、板状のスライド開閉弁 4A, 4Bを一体として形成し、水位が所定の高さまで 達すると注水口を閉口すると同時に排水口を開口し、水位が所定の高さを下回ると 注水口を開口すると同時に排水口を閉口するフロート体(図示せず)の浮力によりス ライド開閉弁の開閉を行う機械式弁を用いることや、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ことで排水口が開口して水槽に溜まった液体を排水し、水 槽に溜まった液体の多くを排水した後に閉口する機械式弁を用いることができる。後 者の場合、注水口 21を開閉するための注水口開閉弁 4bを設け、この注水口開閉弁 を排水口開閉弁 4aの開閉に連動させ、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も好ましい。
[0059] 図 7は、ピストン型水車を用いた発電装置の平面図である。図 7は、図 5に示す発電 装置を、設置面に対して上から見た図に相当する。なお、図 7では、図 5に示した運 動変換手段 7A, 7B及び発電機 6等は省略されている。
[0060] 本実施例では、河川や湖の上流側から水を取り入れ、入水管を介して取り入れた 水を液体 Wとして各水槽 2A, 2Bに注水する。入水管は、 6つの分管(注水側分管 5 1という)に分けられ、図 7に示すように、 6つの注水側分管 51のうちの 3つが水槽 2A に接続され、水槽 2Aに液体 Wを注水するために用いられる。また、水槽 2Aに接続さ れる注水側分管 51以外の 3つの注水側分管 51が水槽 2Bに接続され、水槽 2Bに液 体 Wを注水するために用いられる。
[0061] また、発電装置は、発電に用いた液体 Wを、排水管を介して下流側へ排水する。
本実施例では、排水管は、 6つの分管 (排水側分管 52という)に分けられ、図 7に示 すように、 6つの排水側分管 52のうちの 3つが水槽 2Aに接続され、水槽 2Aから液体 Wを排水するために用いられる。また、水槽 2Aに接続される排水側分管 52以外の 3 つの排水側分管 52が水槽 2Bに接続され、水槽 2B力 液体 Wを排水するために用 いられる。
[0062] 次に、動作について説明する。図 8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を示す説明図である。図 8では、一例として、図 5に示す浮力体 1A, 1B、水槽 2A, 2B、ロッド 3A, 3B及び運動変換手段 7A, 7Bのうち、発電機 6に 対して左側に位置する浮力体 1A、水槽 2A、ロッド 3A及び運動変換手段 7Aを示す 。なお、図 8では、運動変換手段 7Aについては、その構成部分のうち一部だけが示 されている。また、発電機 6に対して右側に位置する浮力体 1B、ロッド 3B及び運動 変換手段 7Bの動作も、図 8に示す浮力体 1A、ロッド 3A及び運動変換手段 7Aの動 作と同様である。
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で説明したストツバ機構や貯水タンクを省略する 1S このことは本実施例において、ストツバ機構や貯水タンクを備えることを禁止する ものではな!/、ことは勿論である。
[0063] 図 8では、水槽 2A力 排水口 22を介して液体 Wが排水され、水槽 2Aに注水され て 、る液体 Wの量が最小となって 、る状態(図 8 (a) )力もの動作を説明する。図 8 (a) に示すように、水槽 2A内に注水されて 、る液体 Wの量が最小となって 、る状態にお いて、まず、スライド開閉弁 4Aを下方向にスライドさせながら移動させるように制御す る。スライド開閉弁 4Aを下方向に移動させることによって、図 8 (a)に示すように、注 水口 21が開放された状態となり、注水口 21から水槽 2A内への液体 Wの注水が開始 される。
[0064] なお本実施例では、例えば、コンピュータなどの情報処理装置がプログラムに従つ て処理を実行することによって、スライド開閉弁 4Aをスライドさせる方向やタイミングを 制御する。
[0065] 液体 Wの注水が開始されると、水槽 2A内の液体 Wの量が増加する。すると、図 8 ( b)に示すように、液体 Wの量の増加に従って、浮力体 1 Aの位置が上昇する。また、 浮力体 1Aの位置の上昇に従って、ロッド 3Aの位置が上昇する。
[0066] 図 8に示すように、運動変換手段 7Aは、クランク 71と、ギア 72とを含む。また、図 4 に示すように、クランク 71は、一方の端部がロッド 3Aに回動可能に接続される。 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 つて、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。
[0067] また、更に水槽 2A内に液体 Wが注水され続けると、水槽 2A内に注水されている液 体 Wの量が最大となり、浮力体 1Aが最高点まで上昇する。また、浮力体 1Aが最高 点まで上昇することによって、ロッド 3Aが最高点まで上昇する(図 8 (c) )。
[0068] 水槽 2A内に注入されて 、る液体 Wの量が最大となると、図 8 (c)に示すように、スラ イド開閉弁 4Aを上方向にスライドさせながら移動させるように制御する。スライド開閉 弁 4Aを上方向に移動させることによって、図 8 (c)に示すように、排水口 22が開放さ れた状態となり、排水口 22から水槽 2A内の液体の排水が開始される。
[0069] 液体 Wの排水が開始されると、水槽 2A内の液体 Wの量が減少する。すると、図 8 ( d)に示すように、液体 Wの量の減少に従って、浮力体 1Aの位置が下降する。また、 浮力体 1Aの位置の下降に従って、ロッド 3Aの位置が下降する。この場合、図 8 (d) に示すように、ロッド 3Aが下降すると、ロッド 3Aが下降する力によって、クランク 71を 介してギア 72が回転される。
[0070] また、更に水槽 2A内の液体 Wが排水され続けると、水槽 2A内に注水されている液 体 Wの量が最小となり、浮力体 1 Aが最低点まで下降する。また、浮力体 1 Aが最低 点まで下降することによって、ロッド 3Aが最低点まで下降する(図 8 (a) )。
[0071] そして、以上に示した動作に従って、水槽 2A内への液体 Wの注水及び排水の動 作が繰り返し行われることによって、ロッド 3Aが繰り返し上下運動を行い、ギア 72が 回転し続ける。
[0072] また本実施例では、運動変換手段 7Aは、増速ギアを備える。そして、運動変換手 段 7Aは、ロッド 3Aの上下運動を変換した回転運動の回転速度を、増速ギアを用い て増速する。
[0073] 図 9は、運動変換手段の構造の例を示す説明図である。図 9に示すように、運動変 換手段 7Aは、大小複数のギアを用いた増速ギア 73を備え、クランク 71を介して変換 したギア 72の回転運動の回転速度を増速する機能を備える。なお、本実施例では特 に言及していないが、運動変換手段 7Bも、発電機 6に対して対称に、同様に増速ギ ァを用いた構成を備える。
[0074] 運動変換手段 7Aは、増速ギアを用いて回転速度を増速すると、増速した回転運動 によって発電機 6を回転させる。
[0075] 運動変換手段 7Bも、運動変換手段 7Aと同様の動作に従って、ロッド 3Bの上下運 動を回転運動に変換し、変換した回転運動を増速ギアを用いて増速する。また、運 動変換手段 7Bは、増速した回転運動によって発電機 6を回転させる。
[0076] そして、発電機 6は、運動変換手段 7A, 7B力も伝えられた回転運動による回転力 によって発電を行う。
[0077] なお、本実施例では、水槽 2Aと水槽 2Bとに、それぞれ、交互に液体 Wが注水され 、且つ交互に液体 Wが排水されるように制御する。すなわち、水槽 2A側に液体 Wが 注入されているときには、水槽 2B力も液体 Wを排水するように制御する。また、水槽 2 B側に液体 Wが注入されているときには、水槽 2Aから液体 Wを排水するように制御 する。そのため、浮力体 1Aと浮力体 1Bとが交互に上昇と下降とを行い、ロッド 3Aと口 ッド 3Bとが交互に上昇と下降とを行う。そのように制御することによって、河川や湖か ら取り入れた液体 W (本例では、水)を、効率的に水槽 2A及び水槽 2Bにそれぞれ注 水し、且つ排水することができる。
実施例 3
[0078] 次に、本発明の第 3の実施の形態を図面を参照して説明する。本実施例では、実 施例 2で示した発電装置を 1ユニットとし、複数ユニットの発電装置を用いて発電を行 う場合を説明する。
[0079] 図 10は、複数ユニットの発電装置を用いて発電を行う場合の構成例を示す平面図 である。本実施例では、図 10に示すように、 5ユニットの発電装置 10A, 10B, 10C, 10D, 10Eを用いて発電する場合を説明する。なお、図 10において、各発電装置 1 OA, 10B, IOC, 10D, 10Eは、それぞれ、実施例 2で示した発電装置に相当する。
[0080] 本実施例では、河川や湖から取り入れられた水が入水管 151 (例えば、直径 30m 程度)を介して運ばれる。また、入水管 151は、 5つの管(分岐入水管ともいう) 151A
, 151B, 151C, 151D, 151E (例えば、直径 6m程度)に分岐され、それぞれ発電 装置 10A, 10B, IOC, 10D, 10Eに注水される。
[0081] なお、図 7に示したように、各分岐入水管 151A, 151B, 151C, 151D, 151Είま、 発電装置毎に、さらに 6つの注水側分管 51に分岐され、それぞれ水槽 2Α, 2Βに注 水される。
[0082] また、本実施例では、各発電装置 10A, 10B, IOC, 10D, 10Eで用いられた水は 、排水管 152 (例えば、直径 30m程度)を介して排水される。また、排水管 152は、 5 つの管(分岐 水管とも \ /、う) 152A, 152B, 152C, 152D, 152E 列えば、、直径 6 m程度)に分岐され、それぞれ発電装置 10A, 10B, IOC, 10D, 10Eの排水に用 いられる。
[0083] なお、図 7に示したように、各分岐 水管 152A, 152B, 152C, 152D, 152Eは、 発電装置毎に、さらに 6つの排水側分管 52に分岐され、それぞれ水槽 2A, 2Bの排 水に用いられる。
[0084] 本実施例において、例えば、 1ユニットあたりの発電装置は、幅 14m及び奥行き 11 mで実現される。この場合、図 10に示す発電システム全体の幅は、 1ユニットあたりの 発電装置の幅を考慮すると、 70m程度確保すればよいことが分かる。また、図 10に 示す発電システム全体の奥行きは、 1ユニットあたりの発電装置の奥行きと、入水管 1 51及び排水管 152の直径とを考慮すると、 80m程度確保すればょ ヽことが分かる。
[0085] また、実施例 2の 1ユニットあたり且つ 1秒あたりの発電装置の消費水量力 ¾ = 3 (m3 Zs)であるとすると、図 7に示す発電システム全体の 1秒あたりの消費水量は、 15 (m 3Zs)であることが分かる。
[0086] すなわち、図 10に示す発電システム全体の発電出力は、実施例 2で示した 1ュニッ トあたり且つ発電装置の発電出力の 5倍程度となる。
[0087] なお本実施形態では複数の発電ユニットを並列に並べて発電を行う構成となって いるが、複数の水槽 2A, 2Bを階段状に配置し、上段の水槽の排水口 22から排水さ れた液体 Wが、下段の水槽の注水口 21へ導かれるように発電ユニットを階段状に並 ベて発電を行う構成とすることもできる(図示せず)。階段状に並べた発電ユニットに よれば、少ない流量の河川等であっても、効率的に発電を行うことができる。
産業上の利用可能性
本発明は、河川や湖から取り入れた水を利用して発電する発電設備の用途に適用 できる。

Claims

請求の範囲
[1] 上方または下方から液体 (W)が注水され、また、下方力 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。
[2] 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。
[3] 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。
[4] 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。
[5] 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。
[6] 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 ツバ機構(111)が備えられており、
該ストツバ機構は、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。
[7] 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。
[8] 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)力 排水された液体 (W)力 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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