WO2007023879A1

WO2007023879A1 - 発電装置および発電方法

Info

Publication number: WO2007023879A1
Application number: PCT/JP2006/316557
Authority: WO
Inventors: Tomio Sugano
Original assignee: Institute For Energy Application Technologies Co., Ltd.
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2007-03-01
Also published as: CN101248268A; US20080191486A1; GB0803534D0; GB2442929B; US7948106B2; JP4947800B2; GB2442929A; JPWO2007023879A1; CN101248268B

Abstract

　水の落差が小であっても、ダム式または水路式発電所で用いられている高落差用水車および発電機による発電を可能にし、発電単価を低減する。　水Ｗ１の流れによって駆動される第一の水車２と、この第一の水車２に連結され水Ｗ１の一部を汲み上げるポンプ３と、このポンプ３から吐出された水Ｗ１を所定の圧力まで上昇させる圧力制御弁７と、地上側に設けられ圧力制御弁７からの水Ｗ１によって駆動される第二の水車４と、地上側に設けられ第二の水車４によって駆動される発電機５とを備える。

Description

明細書

発電装置および発電方法

技術分野

[0001] 本発明は、自然エネルギーを利用した発電に関し、特に、水流または潮流のエネルギーを利用した発電装置および発電方法に関する。

背景技術

[0002] 流体中に配置された水車の回転力を利用して発電する技術は知られている（例えば、特許文献 1参照。 ) oまた、風車の回転力を利用して油圧を発生させ、油圧モータによって発電機を駆動する技術も知られている（例えば、特許文献 2参照。 )₀ 特許文献 1：特開平 8— 210237号公報

特許文献 2：特開平 11― 280637号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] ところで、自然エネルギーによる発電を普及させるためには、発電単価を大幅に低減することが必要である。しかしながら、上記特許文献 1に記載されているような装置では、水車と発電機とが共に流体中に埋没されるため、発電機には高い防水性が要求される。そのため、発電装置が高価になるとともに保守費も高くなり、発電単価が高くなる。

[0004] また、河川の水流を利用する発電において、発電単価を低減するためには、一般の水力発電所で使用されている標準タイプの水車や発電機を使用することが望ましい。し力しながら、河川の水流を利用する発電では、水の落差が著しく小さいことから、ダム式や水路式の発電所で採用されている高落差用水車等を使用することができない。

[0005] さらに、風力発電は天候の影響を受けやすぐ水力発電に比べて稼動率が低い。このため、上記特許文献 2に記載されているような装置においても、風車が回転しないと油圧を発生させることができないので、発電単価は高くなる。また、この風力発電装置では、油圧を用いて発電機を駆動するので、高粘度の油による管摩擦圧力損失が大きくなり、発電効率が低下する。さらに、油圧を利用する発電装置の場合は、油漏れのおそれがあり、油漏れによる環境汚染が懸念される。

[0006] そこで本発明は、水の落差が小であっても、ダム式または水路式発電所で用いられている高落差用水車および発電機による発電を可能にし、発電単価を低減するとともに、環境を汚染しない発電装置および発電方法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

[0007] 上記目的を達成するために請求項 1に記載の発明は、水の流れによって駆動される第一の水車と、この第一の水車に連結され前記水の一部を汲み上げるポンプと、このポンプ力吐出された水を所定の圧力まで上昇させる昇圧手段と、地上側に設けられ前記昇圧手段からの水によって駆動される第二の水車と、地上側に設けられ前記第二の水車によって駆動される発電機とを備えたことを特徴とする発電装置である

[0008] 請求項 2に記載の発明は、請求項 1に記載の発電装置において、前記発電機によつて生じた電力を貯蔵する電力貯蔵手段を備えたことを特徴としている。

[0009] 請求項 3に記載の発明は、水の流れによって第一の水車を駆動させ、この第一の水車に連結されたポンプによって前記水の一部を汲み上げ、前記ポンプから吐出された前記水を所定の圧力まで上昇させ、圧力が上昇した前記水によって地上側に設けられた第二の水車を駆動させ、この第二の水車によって地上側に設けられた発電機を駆動させて発電を行うことを特徴とする発電方法である。

[0010] 請求項 4に記載の発明は、請求項 3に記載の発電方法において、前記発電機によつて生じた電力は、水を電気分解して水素を製造するために使用されることを特徴としている。

[0011] 請求項 5に記載の発明は、請求項 3に記載の発電方法において、前記発電機によつて生じた電力は、電動機で走行する車両に供給されることを特徴としている。

[0012] 請求項 6に記載の発明は、請求項 1または 2に記載の発電装置または請求項 3〜5 の！、ずれか 1項に記載の発電方法にお!、て、前記第一の水車と前記ポンプとを複数備えたことを特徴としている。

[0013] 請求項 7に記載の発明は、請求項 1または 2に記載の発電装置または請求項 3〜5 のいずれか 1項に記載の発電方法において、前記第一の水車は、増速堰によってカロ速された水の流れによって駆動されることを特徴としている。

[0014] 請求項 8に記載の発明は、請求項 7に記載の発電装置または発電方法において、前記第二の水車および発電機は、前記増速堰の上に配置されていることを特徴としている。

[0015] 請求項 9に記載の発明は、請求項 1または 2に記載の発電装置または請求項 3〜5のいずれか 1項に記載の発電方法において、前記第一の水車およびポンプは、前記水に浮かび係留されたフロートに支持されていることを特徴としている。

[0016] 請求項 10に記載の発明は、請求項 1または 2に記載の発電装置または請求項 3〜5 の！、ずれか 1項に記載の発電方法にお!、て、前記ポンプは前記第一の水車の下流側からの水を汲み上げ、前記第二の水車から吐出される水は前記第一の水車の上流側に戻されることを特徴としている。

[0017] さらに、次のようにしてもよい。第 1に、請求項 3に記載の発電方法において、前記水が海水であって、前記第二の水車から吐出された海水に含まれる鉱物資源を捕捉する鉱物資源採取工程を備える。

[0018] 第 2に、請求項 3に記載の発電方法において、前記水が海水であって、前記第二の水車から吐出された海水を魚貝類の養殖に用いる。

[0019] 第 3に、請求項 3に記載の発電方法において、前記水が海水であって、前記第二の水車から吐出された海水を淡水化処理する。そして、淡水化によって得られた水を食糧生産のために用いる。あるいは、淡水化によって得られた水を電気分解による水素製造のために用いる。

発明の効果

[0020] 請求項 1および請求項 3に記載の発明によれば、第二の水車と発電機とを地上側に設け、ポンプ力吐出された水を所定の圧力まで上昇させ、圧力が上昇した水を第二の水車に供給するようにしたので、水の落差が小であってもダム式や水路式の発電所で使用されている高落差用水車や発電機を使用することができる。これにより、装置を安価に抑えることができ、発電単価を低減することができる。また、発電機は地上側に設けられるため、標準タイプの発電機が使用でき、発電機が水中に配置される構造に比べて保守が容易となる。さらに、油圧で発電機を駆動する構造を採用しないので、流水または潮流への油の流出の危険がなぐ環境汚染の心配もない。また、水や海水は油に比べて低粘度であり、管摩擦圧力損失が小さいので、油圧を用いた場合よりも発電効率が向上する。

[0021] 請求項 2に記載の発明によれば、発電機によって生じた電力を電力貯蔵手段に貯蔵するようにしたので、貯蔵された夜間電力を昼間のピーク時に負荷に供給することができ、電力負荷の平準化が図れる。

[0022] 請求項 4に記載の発明によれば、発電機によって生じた電力により水を電気分解して水素を製造するようにしたので、降水量の多、地域では大量の水素を製造することができる。この水素を電力需要の多い各地域に輸送すれば、各地域でのクリーンェネルギ一による発電が可能となる。

[0023] 請求項 5に記載の発明によれば、発電機によって生じた電力を電動機で走行する車両に供給するようにしたので、乗用車、バス、トラック等の車両力の CO

2の排出が解消され、地球温暖化を抑制することができる。

[0024] 請求項 6に記載の発明によれば、第一の水車とポンプとを複数備えているので、第二の水車へ大量の水を供給でき、発電機を高速で回転駆動させることができる。これにより、流水や潮流を利用する発電としては大規模な発電が可能となる。

[0025] 請求項 7に記載の発明によれば、第一の水車は増速堰によって加速された水の流れによって駆動されるので、流れの緩やかな河川であってもポンプから吐出される水の流量を増カロさせることが可能となり、発電量を増カロさせることができる。

[0026] 請求項 8に記載の発明によれば、増速堰の上に第二の水車および発電機を配置したので、発電所を設置するためのスペースを確保する必要がなぐ発電所の建設コストを低減することができる。

[0027] 請求項 9に記載の発明によれば、第一の水車およびポンプを係留されたフロートに支持するようにしたので、水車やポンプを河川等の河底に設けた基礎に支持する構造に比べ、コストを低減することができる。

[0028] 請求項 10に記載の発明によれば、ポンプによって汲み上げられた河川の水を第一の水車の上流側に戻すようにしたので、第一の水車を通過する水の速度を高めることができ、発電量を増加することができる。

[0029] さらに次のような効果が得られる。第 1に、第二の水車から吐出された海水を利用することで、海水を利用した従来の鉱物資源採取や淡水化のようにモータ等により海水を汲み上げる必要がなくなる。従って、少ないエネルギーで鉱物資源の採取や淡水化が可能となり、コストを低減することができる。

[0030] 第 2に、第二の水車から吐出された海水を魚貝類の養殖に用いることで、地上側でも海水を利用した魚貝類の養殖が容易となる。これにより、海洋での養殖のように気象条件等の影響を受けることが少なくなくなり、魚貝類の生産性を高めることができる。

[0031] 第 3に、第二の水車から吐出された海水を淡水化処理することで、淡水が入手困難な場所での食糧生産などが可能となる。また、淡水化によって得られた水を電気分解による水素製造のために用いることで、電気分解に必要な淡水が入手困難な場所でも水素製造が可能となる。

図面の簡単な説明

[0032] [図 1]本発明の実施の形態 1に係わる発電装置の構成ブロック図。

[図 2]本発明の実施の形態 1に係わる発電装置の発電系統図。

[図 3]本発明の実施の形態 1に係わる発電装置の増速堰周辺の平面図。

[図 4]図 3の A— A断面図。

[図 5]本発明の実施の形態 1に係わる発電装置による発電の利用方法を示すブロック図。

[図 6]本発明の実施の形態 2に係わる発電装置の発電系統図。

[図 7]図 6の B— B断面図。

[図 8]本発明の実施の形態 3に係わる発電装置の発電系統図。

[図 9]本発明の実施の形態 4に係わる発電装置の発電系統図。

[図 10]本発明の実施の形態 5に係わる発電装置の発電系統図。

[図 11]本発明の実施の形態 6に係わる発電装置の発電系統図。

[図 12]図 11の C C断面図。

[図 13]本発明の実施の形態 6に係わる発電装置におけるフロートの位置制御方法を示すフローチャート。圆 14]本発明の実施の形態 7に係わる発電装置の構成ブロック図。

[図 15]図 14の発電装置の概要斜視図。

[図 16]図 15におけるフレームの拡大斜視図。

[図 17]図 16のフレームに形成された流路近傍の断面図。

符号の説明

1 河川

2 第一の水車

3 ポンプ

4 第二の水車

5 発電機

6 配管

7 圧力制御弁 (昇圧手段）

8 調速機

11 スィッチ

12 フイノレタ

21 交流直流変換器

22 電力貯蔵手段 (バッテリー)

23 直流交流変換器

24 太陽電池

25 コントローラ

26 水素製造装置

34 尤^ 5§

35 増速堰

50 フロート

70 f , i自 ¾o束

80 フロート

200 フレーム

201 流路 211 増速堰

214 鉱物資源採取装置

216 養殖池

217 淡水化装置

219 食糧生産工場

220 水素製造装置

Wl 水

W2 海水

発明を実施するための最良の形態

[0034] 以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

[0035] (実施の形態 1)

図 1〜図 5は、本発明における実施の形態 1を示している。本発明における水には、海水も含まれる。本発明が対象とする自然エネルギーは、河川であれば水流であり、海洋であれば潮流 (海流)である。実施の形態 1は水流および潮流の!/ヽずれにも適用できるが、ここでは、河川の水流を利用した例について説明する。

[0036] 符号 1は河川を示している。河川 1の水 W1の中には、第一の水車 2が 3機設けられている。第一の水車 2は、水流によって回転駆動力を得られるものであれば、種類を問わない。水深が浅い場合は、バケツトコンベア一タイプの水車を採用するのが望ましい。本実施形態では、第一の水車 2として、プロペラ水車が使用される。プロペラ水車力もなる第一の水車 2は、ポンプ 3の回転軸に取り付けられている。ポンプ 3は、その回転軸が第一の水車 2によって回転駆動されることにより、河川 1の水 W1を汲み上げる機能を有する。また、ポンプ 3は、第二の水車 4に供給される水の圧力および流量に基づき、最適な種類およびサイズのものが選定される。本実施形態では、 3機の第一の水車 2と 3機のポンプ 3が設けられている。各ポンプ 3は、河川 1の川底に設けられた基礎 36に固定されている。基礎 36は、鉄筋コンクリートからなる。第一の水車 2は水中に埋没される力設置工事を容易にするため、第一の水車 2およびポンプ 3 を地上側力支持する構成としてもよい。また、第一の水車 2およびポンプ 3は、後述する鋼矢板を用いた増速堰 35に支持される構成としてもよい。各ポンプ 3には、地上側に設けられた発電家屋 20に向力つて延びる配管 6が接続されている。

[0037] 配管 6は、吸込み用配管 6aと吐出用配管 6bとを有する。各ポンプ 3の吸込み用配管 6aの先端には、フィルタ 12が取付けられている。河川 1の水流による第一の水車 2の回転によってポンプ 3が駆動されると、河川 1の水 W1の一部はフィルタ 12を介してポンプ 3に汲み上げられる。ポンプ 3によって汲み上げられた水 W1は、吐出用配管 6b を介して第二の水車 4側に供給される。ポンプ 3の下流側の吐出用配管 6bには、昇圧手段としての圧力制御弁 7が設けられている。この圧力制御弁 7は、各ポンプ 3から吐出された水 W1を所定の圧力まで上昇させる機能を有する。圧力制御弁 7によって制御される水 W1の圧力の値は、第二の水車 4の種類に応じて最適値に設定されている。圧力制御弁 7は、第二の水車 4に供給する水 W1の圧力を一定に保っため、圧力制御弁 7に供給された水 W1の一部を第二の水車 4の下流側の下流側配管 6cに戻す機能を有する。なお、昇圧手段は、圧力制御弁 7に限定されず、流路断面積を絞る調整弁であってもよ、。

[0038] 発電家屋 20には、第二の水車 4、発電機 5等が配置されている。第二の水車 4および発電機 5は、地上側に設けられた基礎に固定されている。第二の水車 4の出力軸には、発電機 5の回転軸が連結されている。発電機 5は、第二の水車 4の回転駆動力によって回転し、交流の電力を発生させる。第二の水車 4には、調速機 8が設けられている。調速機 8は、発電機 5の負荷変動に合わせて第二の水車 4に供給される水量を自動調整する機能を有する。これにより、発電機 5の負荷変動による第二の水車 4および発電機 5の回転数の変動が防止され、交流電力の周波数は一定に保たれる。第二の水車 4力も吐出された水 W1は、下流側配管 6cを介して排出口 6dから第一の水車 2の上流側に戻される。

[0039] 第二の水車 4は、ダム式または水路式発電所等で採用される標準タイプのフランシス水車やペルトン水車等から構成されている。発電機 5は、ダム式または水路式発電所等の水力発電所で使用されているものと同様の同期発電機力構成されている。第一の水車 2およびポンプ 3を複数採用したのは、河川 1からの多量の水 W1を供給し大型の第二の水車 4を駆動させるためである。すなわち、第一の水車 2およびポンプ 3を増加することにより、ダム式や水路式発電所と同様の大型の第二の水車 4を高速回転で駆動させることが可能となる。これにより、河川 1の水流を利用する発電であつても、大規模な発電が可能となるとともに、水中に発電機を設置する構造に比べ保守性も向上する。また、第二の水車 4および発電機 5として一般の水力発電所で使用される標準タイプものを採用することにより、発電装置の投資コストを低減することが可能となる。

[0040] 第一の水車 2の上流側には、水 W1の速度を増加させるための増速堰 35が設けられている。この増速堰 35は、川底に固定されている。増速堰 35は、水 W1の流れを変えるものであれば、コンクリート、石を積んだ構造、鉄製等、種類を問わない。例えば、鋼矢板（steel sheet pilings)を川床に打ち込むことにより、増速堰 35は、容易に得られる。増速堰 35の上流側の端部 35cは、川岸 laの近くに位置している。増速堰 35の傾斜部 35aは、川岸 laの近くから川を斜めに横断するように、第一の水車 2の近くまで延びている。増速堰 35の直線部 35bは、第一の水車 2の上流近くからボンプ 3の下流近くまで、川の流れ方向と同じ方向に延びている。増速堰 35の上流側における水の流速は、 Vとなっている。第一の水車 2が位置する場所の水 W1の流速は、増速堰 35によって Vよりも著しく速められ、 Vとなっている。

1 2

[0041] 川底力も増速堰 35の頂部までの高さは、 Hとなっている。水面から増速堰 35の頂部までの高さは、 Hとなっている。本実態様では、増速堰 35の頂部は水面から露出し

2

ているが、水面よりも少し低くすることは可能である。この場合は、増速堰 35は地上側力もは見えないので、以前の景観を維持することができる。増速堰 35の高さ Hは、洪水等の水量増加時に、水 W1が地上に氾濫しない高さに設定されている。増水時には、水 W1は増速堰 35を超えて下流側に流れる。水の流速が速い山間部等の場所では、増速堰 35は不要である。平野部は山間部に比べて水の流れが緩やかになる力水 W1の流れを集中させる増速堰 35を採用することにより、大きなエネルギーで第一の水車 2を駆動させることができる。

[0042] 第一の水車 2の上流側には、第一の水車 2側への魚類や流木などの異物の侵入を防止するフェンスを設けることが望ましい。このフェンスには、異物が滞留するのを防止する異物除去装置を設けることが望ましぐまた、フィルタ 12の吸込部分には、目詰りを防止するために、流水のエネルギーによって回転する回転ブラシを設けることが望ましい。さらに、ポンプ 3の下流側にも、異物の第一の水車 2側への侵入を防止するフェンスを設けることが望まし、。

[0043] 発電機 5によって生じた交流電力は、スィッチ 11を介して需要家または変換器 21に供給される。変 21により直流に変換された電力は、電力貯蔵手段としてのバッテリー 22側に供給される。電力の供給先は、負荷の変動に応じてスィッチ 11により自動的に切り替える。バッテリー 22は、電力貯蔵用の鉛蓄電池 (valve regulated lead acid battery)から構成される。バッテリー 22は、例えば夜間帯に生じる電力の全てを貯蔵可能な容量を持っている。バッテリー 22に貯蔵された電力は、変翻2 3により交流に変換される。コントローラ 25は、負荷の変動に応じてバッテリー 22に貯蔵された電力を変換器 23を介して需要家側に供給する機能を有する。太陽電池 24 は、コントローラ 25に電力を供給する。例えば、海外の未開発の地域では、本装置を設置する際に電力を得ることができない場合がある。そのため、この装置では、最初は太陽電池 24からの電力を利用してコントローラ 25を動作させ、発電を開始する。その後の運用においては、変を介してコントローラ 25に電力が供給される。電力貯蔵手段としては、ノッテリーの他に揚水発電等がある。揚水発電を用いれば、自然エネルギーによる大電力を貯蔵することが可能となる。

[0044] 図 5に示すように、発電機 5からの電力の一部は、例えば水素製造装置 26に送られるようになっている。水素製造装置 26には、水 27が供給されている。水素製造装置 2 6を川岸の近くに設置すれば、河川の水 W1を水素製造装置 26に容易に供給することができる。水素製造装置 26では、水を発電機 5からの電力を用いて電気分解することにより、水素 28が製造される。本発明の発電装置を例えばヒマラヤ山脈等の降水量の多い地域の河川に適用すれば、大電力を得ることができる。この大電力を送電線を介して港の近くに建設された水素製造装置 26に供給すれば、港の近くで大量の水素を製造することができる。水素製造装置 26によって製造された水素 28は液ィ匕され、船などの水素輸送手段 29によって海外の需要地に輸送される。発電機 5から生じた電力を液体水素に変換して船で輸送するのは、海外への送電線による送電は電力損失が多ぐ発電単価が高くなるからである。

[0045] 需要地の港に到着した水素 28は、例えば港の近くに建設された発電所 30に供給される。発電所 30には、燃料電池 31、電力貯蔵用のバッテリー 32、変換器 33が設けられている。大型の燃料電池 31は、供給された水素 28によって直流の電力を発生させる。燃料電池 31からの電力の一部は、電力貯蔵用バッテリー 32に貯蔵される。燃料電池 31からの直流電力は、変換器 33によって交流に変換され、需要家に送られる。なお、水素輸送手段 29の輸送エネルギーとして水素 28を用いれば、河川 1での発電力も発電所 30での発電に至るまでの工程において、 COの排出を皆無にする

2

ことができる。これにより、 COの排出による地球温暖化を抑制することが可能となる。

2

[0046] COの排出による地球温暖化をさらに抑制するためには、この発明の発電装置によ

2

つて生じた電力を、電動機で走行する車両に供給することが望ましい。例えば、この自然エネルギーによる電力を、図 1および図 5に示すように、充電器 34を介して電気自動車 70のバッテリーの充電に使用すれば、自動車全体での COの排出を抑制す

2

ることが可能となる。ここで、電動機で走行する車両には、ノッテリーを電源とする車両と、架線力パンタグラフを介して電力が供給される車両のいずれもが含まれる。従って、電動機で走行する車両には、乗用車だけではなぐトラック、バス、自走路面電車、鉄道車両等も含まれる。

[0047] 次に、本実施形態における作用について説明する。河川 1を流れてきた水 W1は、増速堰 35によって第一の水車 2側に導かれる。第一の水車 2が配置される場所は、増速堰 35によって水 W1の流速が高められているので、第一の水車 2は増速された水 W1によって回転駆動される。第一の水車 2によってポンプ 3が回転すると、河川 1の水 W1の一部がポンプ 3によって汲み上げられ、水 W1はポンプ 3から第二の水車 4側に供給される。ポンプ 3から吐出される水 W1は、昇圧手段としての圧力調整弁 7よつて圧力が所定値まで上昇する。圧力が上昇した水 W1は、第二の水車 4に供給されて第二の水車 4を駆動し、発電機 5による発電が行われる。排出口 6dは、第二の水車 4の上流側に位置しているので、第二の水車 4から吐出された水 W1は第一の水車 2の上流側に戻される。これにより、第一の水車 2の上流側の水量が増加し、第一の水車 2を通過する水 W1の速度は、さらに速められる。

[0048] 本実施態様では、河川 1に増速堰 35を設けているが、増速堰 35がなくとも発電は可能である。河川 1の流れが緩やかな場所においては、流れる水のエネルギーが小さく、ダム式や水路式発電所で使用される水車や発電機を用いた発電が難しい。この発明では、流れが緩やかであっても、第二の水車 4に供給される水は圧力制御弁 7より圧力が高められるので、ダム式や水路式発電所で使用される標準タイプの水車を駆動させることが可能となる。そのため、例えば高落差用ペルトン水車からなる第二の水車 4によって発電機 5を駆動させることができ、河川 1の水流を利用しても高落差による発電と同様の発電が可能となる。このように、ポンプ 3によって汲み上げられた水 W1は、昇圧手段によって圧力が上昇されるので、取水位置であるフィルタ 12の位置が第二の水車 4の位置よりも低くても、第二の水車 4を回転駆動させることが可能となる。

[0049] また、本実施態様においては、第一の水車 2とポンプ 3とを複数使用しているので、第二の水車 4に供給される水 W1の流量も十分確保でき、第二の水車 4の出力を高めることができる。従って、河川 1の水深が浅くとも、第一の水車 2とポンプ 3とを同時に多数使用することにより、風力発電の風車のような大きな直径を有する水車を用いることなく、大出力の発電が可能となる。

[0050] 一般に、大きな直径を有する水車は、量産が難しぐ製造コストが高くなる。本実施態様のように、第一の水車 2を複数機使用することにより、大きな直径を有する水車と同等のエネルギーを得ることが可能となる。小さな直径の水車は、量産に適しており、製造コストが安価となる。また、小さな直径の水車は、現地への輸送、取扱い、設置も容易となる。このように、直径の小さな第一の水車 2を多数設ける本発電装置の構造では、量産効果等により、投資コストが低減できる。

[0051] また、河川 1の水 W1は年間を通して絶えず流れているので、この発明の発電装置では、常時発電を行うことができる。従って、風力発電や太陽光発電に比べて、稼動率は著しく高くなり、他の自然エネルギーによる発電よりも発電単価を低くすることができる。

[0052] 水に浮かぶフロートに発電機を設けた従来装置では、高電圧ケーブルがフロートに追従して揺れ動くので、高電圧ケーブルが損傷しやすぐ信頼性の面で問題がある。これに対し、本実施形態では、発電機 5は、地上側に設置された発電家屋 20内に固定されているので、高電圧ケーブルを固定することができる。従って、需要家に電力を供給するための高電圧ケーブルは揺れ動くことはなぐ発電装置の信頼性を高めることができる。また、発電機 5は、地上側に配置されるので、水中に埋没される構造の発電機に比べて保守も容易となる。さらに、第一の水車 2によって駆動されるボンプ 3は、油圧ポンプでなく水ポンプから構成されるので、ポンプ 3または吐出用配管 6 bから河 J 111へ水 W1が漏れたとしても、河川 1が汚染されることはな!/、。

[0053] (実施の形態 2)

図 6および図 7は、本発明における実施の形態 2を示している。本実施の形態では、増速堰 38の構成が実施の形態 1と異なり、その他の構成については実施の形態 1と同等であるため、同等の構成については実施の形態 1と同一符号を付してその説明を省略する。なお、後述する実施の形態 3〜7についても、同様とする。

[0054] 図 6に示すように、河川 1には、中州に似た台形状の増速堰 38が設けられている。川幅は、増速堰 38の斜辺部 38aによって上流側から下流側に徐々に狭められている。斜辺部 38aの下流側は、直線部 38bとなっている。この直線部 38bは、第一の水車 2 の上流近くからポンプ 3の下流近くまで、川の流れ方向と同じ方向に延びている。第一の水車 2およびポンプ 3は、直線部 38bと川岸 lbとの間に配置されている。直線部 38bと川岸 lbとの間は、水の流れが集中することにより、上流側よりも流速が著しく速められている。増速堰 38の川底力もの高さは Hとなっている。増速堰 38の水面から

3

の高さは Hとなっている。高さ Hは、洪水等の流量増加時に、水が地上に氾濫しな

4 3

い高さに設定されている。増水時には、水は増速堰 38を超えて下流側に流れる。増速堰 38の上には、発電家屋 20が配置されている。この発電家屋 20は、複数の支柱 20aによって支持されている。支柱 20aは、増水時に発電家屋 20が水没しない高さとされている。

[0055] 本実施形態のように、増速堰 38を中州状することにより、河川 1以外の場所に発電所を作るスペースを確保する必要がない。従って、発電所の建設コストを低減できる。

[0056] (実施の形態 3)

図 8は、本発明における実施の形態 3を示している。上記実施の形態 1, 2では、川の流れ方向に対して直角方向に第一の水車 2を複数配置したが、本実施形態では川の流れ方向と平行に第一の水車 2が複数配置されている。この配置は、川幅が狭い場合に有効である。

[0057] (実施の形態 4)

図 9は、本発明における実施の形態 4を示している。実施の形態 4では、地上側に河川の水を導く水路 Idを設け、水路 Idに第一の水車 2とポンプ 3とを配置している。河川 1には、増速堰 39が配置されている。増速堰 39は、河川 1の多くの水量を水路 Id に導き、水路 Idの流速を速める。このように、水路 Idに第一の水車 2とポンプ 3とを配置することにより、直接河川 1に水車とポンプとを配置する構造に比べて、保守が容易になる。例えば、水路 Idの上流端および下流端に開閉可能なゲート 37a、 37bを設ければ、水路 Idに流入する水を止めることができ、第一の水車 2およびポンプ 3の点検が容易となる。

[0058] (実施の形態 5)

図 10は、本発明における実施の形態 5を示している。第一の水車 2とポンプ 3とは、河川 1に浮かぶフロート 80に支持されている。フロート 80は、ロープ 81を介して地上側に設けられた固定手段 82に係留されている。ポンプ 3には、配管としての高圧ホース 83が接続されている。ポンプ 3から吐出された水は、高圧ホース 83を介して第二の水車 4側に供給される。これにより、河川 1の水位の変化によりフロート 80の位置が変化しても、高圧ホース 83はフロート 80に追従して動くので、配管は損傷することはない。

[0059] 上記実施の形態 1では、ポンプ 3を河底に設けられた基礎 36によって固定する構造としたが、本実施形態ではフロート 80を係留する構造としたので、建設費が高くなる基礎 36が不要となり、投資コストを低減することができる。

[0060] (実施の形態 6)

図 11〜図 13は、本発明における実施の形態 6を示しており、海洋における潮流エネルギーを利用したものである。本実施形態でも、潮流の速度を速めるために、増速堰 35を設けることが望ましい。符号 50は、海水 W2に浮かぶフロートを示している。フロート 50は、胴体 51、タンク 52、舵 53、操舵部 54を有している。胴体 51の左右には、タンク 52が取付けられている。胴体 51の下流側には、舵 53が設けられている。舵 53 は、操舵部 54によって駆動される。フロート 50は、例えばワイヤーロープ 57を介して地上側の支柱 60に連結されている。フロート 50は、支柱 60を中心として海洋側または地上側に移動可能になっている。海水 W2が流れる配管 6は、ワイヤーロープ 57に沿って延びている。配管 6は、複数の接続具 59によってワイヤーロープ 57に支持されている。

[0061] 第一の水車 2およびポンプ 3は、胴体 51に対して移動可能に取付けられている。これにより、第一の水車 2およびポンプ 3は、常に潮流の流れ方向と対向するようになっている。ポンプ 3は、第一の水車 2によって駆動され、海水 W2の一部を汲み上げる。ポンプ 3から吐き出される海水は、圧力制御弁 7によって圧力が高められる。地上側には、第二の水車 4および発電機 5が設けられている。第二の水車 4は、圧力が高められた海水 W2によって駆動され、第二の水車 4により発電機 5が駆動される。第二の水車 4から吐出された海水 W2は、第一の水車 2の上流側に戻される。海水 W2を使用する各水車 2、 4およびポンプ 3等には、海水 W2に対する耐食性を考慮した金属材料が使用される。

[0062] 胴体 51の下面には、車輪 55が取り付けられている。車輪 55は、フロート 50を地上側に導くためのものである。支柱 60側には、フロート 50の位置を検出する角度センサ 61が設けられている。角度センサ 61は、支柱 60とワイヤーロープ 57とによる角度力もフロート 50の位置を検出する。フロート 50の上流端部には、潮流の流速を検出する流速センサ 56が設けられている。角度センサ 61と流速センサ 56からの信号は、コントローラ 25に入力されている。操舵部 54は、コントローラ 25によって制御される。海岸 75側には、フロート 50を収容するポート 76が形成されている。フロート 50は、ポート 76の傾斜面 76aによって地上側に引き上げ可能となっている。

[0063] 本実施形態においては、図 11に示すように、フロート 50は、ポート 76側に位置する場合は、舵 53は角度 Θ となっている。フロート 50を海岸 75側に移動させる場合は、操舵部 54によって舵 53は角度 Θ に制御される。図 13は、フロート 50の位置制御を

2

示している。ステップ 101では、舵 53の角度が制御される。ステップ 102では、舵 53 の角度が Θ に制御されたことにより、フロート 50は舵 53に作用する潮流の力によつ

2

て海岸 75を離れる。ステップ 103では、角度センサ 61からの信号に基づき、フロート 50の位置が検出される。ステップ 104では、流速センサ 56からの信号に基づき、潮流の速度が検出される。ステップ 105では、フロート 50が海岸 75から最も離れた位置に到達した力否かが判断される。そして、最も離れた位置に到達した場合はステップ 106に進み、角度センサ 61と流速センサ 56からの信号に基づき、コントローラ 25によって潮流の速度が最大の場所が計算される。ステップ 107では、ステップ 106の計算結果に基づき舵 53が制御され、フロート 50が最大流速位置に移動、停止される。このようにして、フロート 50が最大流速位置に停止されるため、高い発電出力が得られる。

[0064] (実施の形態 7)

図 14〜17は、本発明における実施の形態 7を示しており、とくに第二の水車 4から吐出される海水 W2の利用形態を示している。図 15に示すように、海岸に沿って鉄筋コンクリートからなる防波堤 210が延びている。防波堤 210と対向する海洋には、海水 W2が防波堤 210に沿って流れている。防波堤 210の近傍には、上流側に行くにしたがって防波堤波 210から離れる方向に斜めに延びる増速堰 211が設けられて、る。増速堰 211は、下流端部 21 laが海水 W2の流れ方向とほぼ並行になっている。増速堰 211は、底部が海底に固定されており、上部は海面力も突出している。防波堤 2 10と増速堰 211の下流端部との間の海中には、金属製のフレーム 200が配置されている。フレーム 200は、一端部 200aが防波堤 210に支持され、他端部 200bが増速堰 211の下流端部 21 laに支持されている。フレーム 200は、略直方体に形成されており、複数の流路 201を有している。各流路 201は、海水 W2を通過させるためのものであり、海水 W2の流れ方向に延びている。増速堰 211は、防波堤 210と同様に鉄筋コンクリートから構成されるが、耐食性を有する金属等の部材カも構成してもよい。増速堰 211は、海水 W2の流れをフレーム 200の各流路 201に収束させ、各流路 20 1を通過する海水 W2の速度を高める機能を有する。増速堰 211は、海水 W2の速度を高めるだけでなぐ高波を抑制する防波堤の機能を兼用するのが望ましい。

[0065] 図 17に示すように、フレーム 200における各流路 201の上流部は、下流に行くにしたがって流路断面積が徐々に小となる漏斗状部 202に形成されている。漏斗状部 202 の下流端には円筒部 203が接続されている。第一の水車 2およびポンプ 3は、円筒部 203の内側に配置されている。第一の水車 2は、ポンプ 3の上流側に位置しており、ポンプ 3の回転軸に第一の水車 2が連結されている。ポンプ 3は、円筒部 203の内周面に支持されている。第一の水車 2は、漏斗状部 202により増速された海水 W2の運動エネルギーによって回転駆動される。海水 W2を取水するフィルタ 12は、ポンプ 3の下流側に設けられている。フィルタ 12の吸込部には、海水 W2の流れによって回転し海藻等の付着を防止する回転ブラシ（図示略)が設けられている。ポンプ 3は、第一の水車 2によって回転駆動されると、フィルタ 12を介して海水 W2を汲み上げる。各ポンプ 3から吐出される海水 W2は、フレーム 200側で集合され、配管 204を介して地上側に設けられた昇圧手段 7に供給されるようになっている。地上側に設けられた第二の水車 4は、昇圧手段 7によって圧力が高められた海水 W2によって回転駆動される。地上側に設けられた発電機 5は、第二の水車 4によって回転駆動され、交流電力を発生させる。発電機 5によって生じた電力は、送電線を介して需要地に供給される

[0066] 第二の水車 4から吐出される海水 W2は、配管 213を介して地上側に設置された鉱物資源採取工程に供給されるようになっている。鉱物資源採取工程には、鉱物資源採取装置 214が設けられている。鉱物資源採取装置 214は、吸着法を利用して海水中のウランを捕捉する機能を有している。吸着法では、チタン酸等の吸着剤にウランを吸着させた後、脱着剤にて吸着剤力ゝら脱着液を得る。その後、脱着液はイオン交換榭脂を通過させることによりイオン交換樹脂に吸着される。そして、イオン交換榭脂に吸着された抽出液は、ウラン鉱石処理と同様の処理が行われ、ウランが採取される。第二の水車 4から吐出された海水 W2は、すべて鉱物資源採取装置 214を通過するようになっているので、多量の海水 W2を吸着剤と接触させることができ、鉱物資源の多量の採取が可能となる。鉱物資源採取装置 214によって採取されたウランは、原子力発電に利用される。なお、採取可能な鉱物資源はウランに限定されず、海水に含まれるリチウム等の採取も可能である。このように、第二の水車 4から吐出される海水 W2を利用できるので、モータ等により海水 W2を汲み上げる必要がなくなり、少な、エネルギーで鉱物資源の採取が可能となる。

[0067] 鉱物資源採取装置 214から排出されたウラン採取後の海水 W2は、配管 215aを介して地上側に設置された養殖池 216に供給されるようになっている。養殖池 216は、海水で生育する魚貝類を養殖する場所である。養殖池 216に供給される海水 W2は、魚貝類の養殖に適した温度に調整されるようになっている。この海水 W2の温度調整に必要な電力は、発電機 5からの電力が用いられる。地上側に設けられた養殖池 216では、海洋での養殖のように気象条件等の影響を受けることが少なくなるので、海洋での養殖に比べて魚貝類の生産性を高めることができる。本実施の形態では、鉱物資源採取装置 214から排出された海水 W2を利用しているが、第二の水車 4から直接吐出された海水 W2を利用できるのは勿論可能である。なお、ウラン採取後の海水 W2のうち、余剰分は海洋に戻される。

[0068] 鉱物資源採取装置 214から排出されたウラン採取後の海水 W2は、配管 215bを介して地上側に設置された淡水化装置 217に供給されるようになっている。淡水化装置 217は、逆浸透法により海水 W2を淡水にする機能を有している。逆浸透法は、海水 W2に圧力をかけて逆浸透膜と呼ばれる一種のフィルタに海水 W2を通し、淡水を得る方法である。この方法は、他の淡水化方法に比べて、エネルギー消費が少なぐ運転維持管理も容易である。淡水化装置 217によって得られた淡水は、後述するように食糧生産、水素製造のために使用される。

[0069] 淡水化装置 217で生成された淡水は、配管 218aを介して食糧製造工場 219に供給されるようになっている。食糧製造工場 219は、例えば野菜等を水耕栽培により自動的に生産する工場である。野菜等を生育するために必要な光および熱エネルギーは、発電機 5によって生じた電力が使用される。野菜等の水耕栽培には淡水が不可欠である力淡水化装置 217により淡水が入手困難な場所でも海水 W2があれば、食糧生産が可能となる。また、淡水を利用して家畜の飼料となる穀物の生産もできるので、家畜の飼育も可能となる。食糧製造工場 219では、光や熱を制御することにより野菜等の生育条件を一定にすることが容易であるため、田や畑などの野外での栽培に比べて気象条件の影響を受けにくぐ生産性を高めることができる。

[0070] 淡水化装置 217で生成された淡水は、配管 218bを介して水素製造装置 220に供給されるようになっている。水素製造装置 220は、淡水化装置 217で得られた淡水を発電機 5からの電力を利用して電気分解し、水素を得る機能を有する。電気分解による水素の製造には、淡水が不可欠であるが、淡水化装置 217により淡水が入手困難な場所でも海水 W2があれば、水素製造が可能となる。水素製造装置 220により得られた水素は、例えば液ィ匕された後、各地へ輸送され、燃料電池を介して電力に変換される。

[0071] このように、本実施の態様では、第二の水車 4から吐出された海水 W2を有効利用することにより、少ないエネルギーで鉱物資源の採取、海水の淡水化、魚貝類の養殖が可會になる。

[0072] 以上、この発明の実施の形態 1〜7を詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなぐこの発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、この発明の発電装置を陸地から遠く離れた海洋上に配置し、流れの速い潮流 (海流）によって得られた電力を超伝導ケーブル等により陸地に供給する構成としてもよい。また、この発明で地上とは、水面または海面よりも上方を意味するものであり、陸地に限定されない。従って、河川や海洋に人工的に作られ水面や海面よりも上方に位置する構築物も地上に含まれる。

Claims

請求の範囲

[1] 水の流れによって駆動される第一の水車と、この第一の水車に連結され前記水の一部を汲み上げるポンプと、このポンプから吐出された水を所定の圧力まで上昇させる昇圧手段と、地上側に設けられ前記昇圧手段からの水によって駆動される第二の水車と、地上側に設けられ前記第二の水車によって駆動される発電機とを備えた、ことを特徴とする発電装置。

[2] 前記発電機によって生じた電力を貯蔵する電力貯蔵手段を備えた、

ことを特徴とする請求項 1に記載の発電装置。

[3] 水の流れによって第一の水車を駆動させ、この第一の水車に連結されたポンプによつて前記水の一部を汲み上げ、前記ポンプから吐出された前記水を所定の圧力まで上昇させ、圧力が上昇した前記水によって地上側に設けられた第二の水車を駆動させ、この第二の水車によって地上側に設けられた発電機を駆動させて発電を行う、ことを特徴とする発電方法。

[4] 前記発電機によって生じた電力は、水を電気分解して水素を製造するために使用される、

ことを特徴とする請求項 3に記載の発電方法。

[5] 前記発電機によって生じた電力は、電動機で走行する車両に供給される、

ことを特徴とする請求項 3に記載の発電方法。

[6] 前記第一の水車と前記ポンプとを複数備えた、

ことを特徴とする請求項 1または 2に記載の発電装置または請求項 3〜5のいずれか

1項に記載の発電方法。

[7] 前記第一の水車は、増速堰によって加速された水の流れによって駆動される、ことを特徴とする請求項 1または 2に記載の発電装置または請求項 3〜5のいずれか

1項に記載の発電方法。

[8] 前記第二の水車および発電機は、前記増速堰の上に配置されている、

ことを特徴とする請求項 7に記載の発電装置または発電方法。

[9] 前記第一の水車およびポンプは、前記水に浮かび係留されたフロートに支持されている、ことを特徴とする請求項 1または 2に記載の発電装置または請求項 3〜5のいずれか 1項に記載の発電方法。

前記ポンプは前記第一の水車の下流側からの水を汲み上げ、前記第二の水車から吐出される水は前記第一の水車の上流側に戻される、

ことを特徴とする請求項 1または 2に記載の発電装置または請求項 3〜5のいずれか 1項に記載の発電方法。