WO2020009031A1 - 浮力体を用いた発電プラント及びその発電方法 - Google Patents

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立岡　哲治
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Definitions

  • the present invention relates to a power plant that generates power using small hydropower and a method of generating power, and in particular, raises and lowers a buoyant body by repeatedly injecting river water or the like into a water tank and draining water stored in the water tank.
  • the present invention also relates to a power plant using a buoyant body that generates power using energy that moves up and down the buoyant body, and a power generation method thereof.
  • Hydroelectric power generation has been known as a power generation method using water. If the amount of power generation is “10,000 kW or less”, it is called a small hydroelectric power generation. In the classification of the power generation method of the small hydro power generation, there are a “flow-in type” and a “water channel type”. This is a power generation system that is distinguished from large-scale reservoir-type dams and medium-scale dams with regulating ponds, and uses water, such as river water, without storing it.
  • This small hydro power generation is a power generation method that makes effective use of energy that is wasted now, such as general rivers, agricultural water, sabo dams, and water and sewage.
  • Small hydropower has been attracting attention as an environmentally friendly one that does not involve large-scale development such as dams.
  • This small hydropower can generate power stably all day and night. Its capacity factor is as high as 50 to 90%, and it can generate 5 to 8 times as much power as solar power. In addition, the output fluctuation is small, and the system stability and power quality are not affected. Its installation area is small compared to solar power generation equipment.
  • a power generation facility using an agricultural irrigation canal is a "run-of-river" type hydroelectric power generation facility that effectively uses water from an agricultural irrigation canal flowing through a river. Water is taken from waterways, and power is generated using the heads of river terraces created by nature.
  • a technique related to hydroelectric power generation for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-98782, “Small hydroelectric power generation system”, a water tank from which water flows in from the outside and a water tank provided at a lower position than the water tank and flow from the water tank.
  • An arithmetic unit that transmits a command for variable speed control based on the number to the rotation speed control device has been proposed.
  • the inventor of the present invention does not use the water as it is in a place where there is abundant water and uses the water as it is for power generation, but once the abundant water is converted to another energy, the power is efficiently generated. Focused on being available.
  • the present invention has been made to solve such a problem. That is, the object of the present invention is to use a buoyant body that can be used for power generation, by once converting abundant water into another energy, in a place where there is no difference in elevation, even in a weak water. An object of the present invention is to provide a power generation plant and a power generation method thereof.
  • the power plant according to the present invention is a power plant using a buoyant body that generates power using energy that causes the buoyant body (4) to move up and down, A buoyant body (4) arranged in a water tank (5) so as to rise by injecting water and descend by draining; A variable capacity tank (2) in which the filling capacity of the air to be put into the interior changes, A weight (12) placed on top of the variable capacity tank (2) to exhaust air from the variable capacity tank (2); A generator (6) for generating electricity by rotating a turbine with air exhausted from the variable capacity tank (2), When the buoyant body (4) rises by water injection, the upper part of the variable capacity tank (2) is pulled up by using a motion converting means (15) to take in air therein. The air exhausted from the variable capacity tank (2) by the weight of the weight (12) is used to rotate the turbine of the generator (6) to generate power.
  • the variable capacity tank (2) is a folding type tank (3) having a bellows-shaped peripheral wall which expands and contracts in the vertical direction.
  • a piston (52) is vertically movably inserted into a vertically arranged cylinder (51), and the piston (52) is raised to intake air.
  • a cylinder-piston tank (53) configured to be lowered and exhausted.
  • the motion converting means (15) has a rack (16) attached to the buoyant body (4) along the vertical movement direction, and a drive hoisting wheel (18) attached to a pinion (17) meshing with the rack (16).
  • a second wire (19) is wound around the drive hoisting wheel (18) to raise a member for changing the filling capacity of the variable capacity tank (2) upward.
  • Each exhaust pipe (7a, 7b) connected to each variable capacity tank (2a, 2b) is connected to one generator (6), It is possible to adopt a configuration in which the turbine of the generator (6) is rotated by air exhausted from either of the two variable capacity tanks (2a, 2b).
  • the power generation method according to the present invention is a power generation method using a buoyant body that generates power using energy that moves up and down the buoyant body (4), Water is poured into the water tanks (5, 5a, 5b) from the water inlets (21), and the buoyancy body (4) is raised in accordance with the rise of the water level in the water tanks (5, 5a, 5b).
  • variable capacity tank (2, 2a, 2b) When the buoyant body (4) is raised, the upper part of the variable capacity tank (2, 2a, 2b) is pulled up using the motion converting means (15) to fill the inside with air, Next, when the inside of the variable capacity tank (2, 2a, 2b) is filled with air, the air in the variable capacity tank (2, 2a, 2b) is evacuated by the gravity of the weight (12), and this air is exhausted. The power generation is performed by rotating the turbine of the generator (6) with the air.
  • variable capacity tank (2a, 2b) two sets of devices comprising a variable capacity tank (2a, 2b) and a water tank (5a, 5b) containing a buoyant body (4) for lifting the upper part of the variable capacity tank (2a, 2b) are provided.
  • air is sucked into one of the variable capacity tanks (2a)
  • the gas is exhausted from one of the variable capacity tanks (2a) and the turbine of the generator (6) is rotated to generate electric power.
  • the other variable capacity tank (2b) is suctioned.
  • the turbine of the generator (6) is rotated by air exhausted from the other variable capacity tank (2b).
  • the exhaust from the tanks (2a, 2b) can be used alternately to continuously generate power.
  • the buoyant body (4) placed in the water tank (5) is raised by pouring water, thereby pulling up the upper part of the variable capacity tank (2) to take in air therein, Due to the weight of the weight (12), the air exhausted from the variable capacity tank (2) can be used for the rotation of the turbine of the generator (6) to generate electric power.
  • a small hydroelectric power plant which has been limited to a place having a head and a flow rate as in the related art, can easily generate power in any place as long as there is water.
  • variable capacity tanks (2a, 2b) and water tanks (5a, 5b) containing buoyancy bodies (4) for lifting the upper portions of the respective variable capacity tanks (2a, 2b) are provided.
  • stable power can be supplied.
  • Power can be generated by taking water from first-grade rivers and ordinary rivers. Power can be taken from agricultural irrigation canals, and power can be generated using water in any of the water and sewage systems.
  • FIG. 2 is a front view showing a power plant using the buoyant body of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a power plant using the buoyant body of the first embodiment. It is the front view which made a partial cross section which shows the electric power generation method by the electric power generation plant using the buoyant body of Example 1, (a) is the state which pulled up the upper part of a foldable tank and was filled with air, (b) is a foldable type. This is a state in which the air in the tank is exhausted by weights and power is generated by a generator. It is a front view showing an example of a power plant using a buoyancy body of Example 2.
  • FIG. 9 is a side view illustrating an example of a power plant using the buoyant body of the second embodiment.
  • FIG. 2 It is a schematic explanatory view showing switching of the exhaust of two variable capacity type tanks of Example 2, (a) is a state in which air is taken into one first variable capacity type tank, (b) is one variable capacity type A state in which exhaust (power generation) is performed from the tank and suction is performed in the other variable capacity tank, and FIG. Power generation).
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating a control device that controls water injection and drainage into a water tank and air supply to a generator of the power generation plant of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart which shows the electric power generation method by the electric power generation plant of this invention.
  • FIG. 3 It is a front sectional view showing a power plant using a buoyant body of Example 3, (a) is a state where a piston part of a cylinder piston type tank was pulled up and filled with air, and (b) is a cylinder piston type tank. This is a state in which the air inside is exhausted by weights in order to be used for power generation by the generator. It is a front sectional view showing a power plant using a buoyancy body of Example 4, (a) is a state where air is supplied from a variable capacity tank by an air supply tank, and (b) is a state where the variable capacity tank is full. It is.
  • the present invention provides a buoyant body that floats on water arranged in a water tank so that it rises by pouring water and descends by draining water, a variable capacity tank in which a filling capacity of air to be introduced changes, and a capacity.
  • a weight mounted on the upper part of the variable capacity tank and a generator for generating electricity by rotating a turbine with the air exhausted from the variable capacity tank are provided. It is a power plant.
  • FIG. 1 is a front view showing the principle configuration of a power plant using the buoyant body of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view showing the principle configuration of the power plant using the buoyant body of the first embodiment.
  • the power plant 1 using the buoyant body according to the first embodiment shows a principle configuration thereof, and uses a foldable tank 3 having a bellows-shaped wall which expands and contracts vertically as a variable capacity tank 2.
  • the power plant 1 using the buoyant body of the first embodiment is a power plant including the foldable tank 3, a water tank 5 containing a buoyant body 4 that floats on water, and a generator 6 that generates power by blast air.
  • the foldable tank 3 (variable capacity tank 2) of the first embodiment is a tank capable of storing a large amount of air by increasing the capacity when the inside is filled with air.
  • the folding type tank 3 having a bellows-shaped wall which expands and contracts in the up-down direction can take in air into the inside by pulling up the upper part.
  • the exhaust pipe at the lower part A check valve 8 is mounted on the upper part so that air can be exhausted from 7.
  • the exhaust pipe 7 is connected to a turbine of the generator 6.
  • the folding tank 3 is used by expanding and contracting in the vertical direction.
  • the foldable tank 3 is sandwiched between support frames 9 so that the upright state is maintained.
  • the support frame 9 has a two-piece configuration, but this number is not limited to the two-piece configuration. It is possible to have a three or four configuration. Further, the configuration of the support frame 9 in the illustrated example is not limited as long as the folding type tank 3 can maintain the state of expansion and contraction in the vertical direction and can prevent overturning.
  • a horizontal frame 9a is bridged over the support frame 9 having two components, and the first hoisting wheel 10 is suspended from the horizontal frame 9a.
  • One end of a first wire 11 is hooked on the first hoisting wheel 10, and the other end of the first wire 11 is hooked on an upper portion (weight 12) of the foldable tank 3.
  • the upper part (weight 12) of the foldable tank 3 is pulled up.
  • the rotating shaft 13 of the first hoisting wheel 10 is arranged in the longitudinal direction of the horizontal frame 9a, and the second hoisting wheel 14 is attached to each end.
  • the rotating shaft 13 of the first hoisting wheel 10 is arranged in the longitudinal direction of the horizontal frame 9a, and the second hoisting wheel 14 is attached to each end.
  • an example is shown in which two second hoisting wheels 14 are provided, but this may be one.
  • the terms “first” and “second” are not used to indicate grades and orders, but are used for the sake of convenience in classifying members having the same shape and the same function.
  • the weight 12 placed on the upper part of the foldable tank 3 is made of metal, cement or the like.
  • the weight 12 is used when exhausting the air in the foldable tank 3. However, it is necessary that the weight be such that it can be lifted up and down by the buoyancy of the buoyant body 4 described later.
  • the water tank 5 of the power plant 1 using the buoyant body of the first embodiment is filled with water from a general river, agricultural water, a sabo dam, water and sewage, and the like.
  • the purpose is to make effective use of the energy that is wasted now in these general rivers, agricultural water, sabo dams, water and sewage systems, and the like.
  • the buoyancy member 4 to be put in the water tank 5 may be one filled with air or a porous plastic body.
  • a substantially rectangular parallelepiped buoyant body 4 is vertically movably placed in a rectangular parallelepiped water tank 5 without leaving any gap. This is to prevent the buoyant body 4 which rises by pouring water into the water tank 5 and descends by draining it from tilting. This is for moving the buoyancy body 4 up and down smoothly in the water tank 5.
  • the kinetic conversion means 15 is a mechanism for temporarily converting the vertical movement of the buoyant body 4 in the water tank 5 into kinetic energy.
  • the motion converting means 15 in the illustrated example includes a rack 16 attached to the buoyant body 4 along the vertical movement direction, a drive hoisting wheel 18 attached to a pinion 17 meshing with the rack 16, and the folding type tank 3 attached to the drive hoisting wheel 18. Is wound around a second wire 19 for raising the pressure.
  • the motion converting means 15 is provided at two places in one buoyant body 4 in order to uniformly transmit the energy of the vertical movement of the buoyant body 4. Further, the motion converting means 15 is not limited to such a combination of the rack 16 and the pinion 17, but may have various configurations using a hydraulic configuration or a gas pressure configuration.
  • the first wire 11 is wound up by the second hoisting wheel 14 and the first hoisting wheel 10 using the buoyant body 4 which rises by pouring water into the water tank 5 and descends by draining by the motion converting means 15.
  • the upper portion of the foldable tank 3 is pulled up to fill with air.
  • the diameter (L1) of the drive hoisting wheel 18 is about three times the diameter (L2) of the second hoisting wheel 14, as shown in FIG. This is to match the vertical movement interval (H1) of the buoyant body 4 with the vertical movement interval (H2) of the foldable tank 3.
  • the vertical movement distance (H1) of the buoyant body 4 and the vertical movement distance (H2) of the foldable tank 3 may be configured to interpose a speed change mechanism such as a double-speed gear.
  • an electromagnetic clutch 18a is attached to the drive hoisting wheel 18.
  • the drive hoisting wheel 18 and the pinion 17 of the motion converting means 15 are connected by an electromagnetic clutch 18a.
  • the foldable tank 3 is lowered, that is, when power is generated, the electromagnetic clutch 18a is disconnected, the foldable tank 3 is smoothly lowered, and the exhaust gas is used to rotate the turbine of the generator 6 without any trouble.
  • the connection and disconnection between the drive hoisting wheel 18 and the motion converting means 15 are not limited to the electromagnetic clutch 18a, but may be a mechanical clutch.
  • variable capacity tanks 2, water tanks 5 and generators 6 are set on a table 20.
  • the illustrated arrangement of the variable capacity tank 2, the water tank 5, and the generator 6 is an example, but is not limited to this arrangement. Further, the invention is not limited to one water tank 5 in one variable capacity tank 2. In the case of a small buoyant body 4, a configuration in which a plurality of water tanks 5 are used to move one variable capacity tank 2 up and down by a plurality of buoyant bodies 4 is also possible.
  • FIG. 3 is a partially sectional front view showing a power generation method by the power plant using the buoyant body according to the first embodiment.
  • FIG. (B) is a state in which the air in the foldable tank is exhausted with a weight and power is generated by a generator.
  • water taken from first-class rivers, ordinary rivers, agricultural waterways, water supply and sewerage systems is used to open and close the water inlet 21 of the water tank 5.
  • the valve 22 is opened and put into the water tank 5.
  • the buoyancy body 4 rises.
  • the rack 16 of the buoyant body 4 rotates the pinion 17, and the drive hoisting wheel 18 connected to the rotating shaft 13 of the pinion 17 rotates. At this time, the electromagnetic clutch 18a of the drive hoisting wheel 18 is connected.
  • the second wire 19 wound around the driving hoisting wheel 18 is attached to the first hoisting wheel 10 described above.
  • One end of a second wire 19 is hooked on the first hoisting wheel 10, and the other end of the second wire 19 is hooked on the upper part of the foldable tank 3.
  • the upper part of the foldable tank 3 is pulled up. Air is taken into the foldable tank 3 from the check valve 8.
  • the open / close electromagnetic valve 22 of the water inlet 21 of the water tank 5 is closed and the open / close electromagnetic valve 24 of the drain port 23 is opened to drain water.
  • the electromagnetic clutch 18a of the drive hoisting wheel 18 is disconnected.
  • a check valve 25 is connected to the exhaust pipe 7 to exhaust air from the foldable tank 3 by the weight of the weight 12. This air is injected, and the turbine of the generator 6 can be vigorously rotated to generate power.
  • the generated electric power charges the battery 26. Power is transmitted from the transmission line via the battery 26.
  • power is supplied from a battery 26 connected to the generator 6 for the operation of the computer control device and the opening / closing solenoid valves 22 and 24 described later.
  • FIG. 4 is a front view illustrating an example of a power plant using the buoyant body of the second embodiment.
  • FIG. 5 is a side view illustrating an example of a power plant using the buoyant body of the second embodiment.
  • the power plant 101 according to the second embodiment uses two sets of water tanks 5a and 5b (buoyancy members 4) for one variable capacity tank 2a and 2b having the above-described principle configuration, and generates one set of power. It is desirable to use a configuration in which power is generated by using the machine 6. Each device and equipment has the same configuration as the above-described device.
  • the exhaust pipes 7a, 7b connected to the variable capacity tanks 2a, 2b are connected to one generator 6. This is to stably generate power by alternately using two sets of devices.
  • FIGS. 6A and 6B are schematic explanatory views showing switching of the exhaust of two variable displacement tanks according to the second embodiment.
  • FIG. 6A shows a state where air is taken into one first variable displacement tank
  • air is first sucked into one of the first variable displacement tanks 2a.
  • the first variable capacity tank 2a (3) is filled with air, the air is exhausted from the first variable capacity tank 2a (3), and the exhaust rotates the turbine of the generator 6.
  • FIG. 6A shows a state where air is taken into one first variable displacement tank
  • FIG. 6A air is first sucked into one of the first variable displacement tanks 2a.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a control device for controlling water injection and drainage into the water tank and air supply to the generator of the power plant according to the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a control device for controlling water injection, drainage, and air supply to the generator of the power plant according to the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a power generation method by the power plant of the present invention.
  • the control device 31 controls water injection and drainage into the water tanks 5, 5a, 5b of the power generation plant 1, 101 of the present invention. As shown in FIGS.
  • a buoyancy sensor 32 a tank operation sensor 33, an amplification processing unit 34 (AMP), and a control signal input unit 35 are connected to the input side of the control device 31.
  • the amplification processor 34 (AMP) amplifies the detection signals measured by the buoyancy sensor 32 and the tank operation sensor 33.
  • the buoyancy sensor 32 is a sensor that detects that the buoyancy body 4 has risen to the upper ends of the water tanks 5, 5a, 5b. The fact that the buoyant body 4 is at this position means that the buoyant body 4 does not move even if water is injected into the water tanks 5, 5a, 5b.
  • the tank operation sensor 33 is a sensor that detects that the variable capacity tanks 2, 2a, 2b have been pulled up to the upper end. This means that air cannot be taken into the variable capacity tanks 2, 2a, 2b even if it is pulled up further.
  • the output side of the control device 31 is connected to an on-off valve operation signal output unit 36 for operating each of the on-off solenoid valves 22 and 24 and a display processing unit 37.
  • An LED or the like is connected to the display processing unit 37. It informs the current operation state.
  • the signal processing unit 38 processes the detection signals of the buoyancy sensor 32 and the tank operation sensor 33 on the input side by an amplification processing unit 34 (AMP) for amplifying the detection signals.
  • AMP amplification processing unit 34
  • the electromagnetic valve 22 and the opening / closing electromagnetic valve 24 of the drain port 23 are opened and closed. Therefore, the buoyant body 4 placed in the water tanks 5, 5a, 5b is raised by pouring water, and the upper part of the variable capacity tank 2 is pulled up to take in air.
  • the variable capacity tanks 2, 2 a, 2 b can generate power by using the air exhausted from the capacity variable tanks 2, 2 a, 2 b by the weight of the weight 12 for the rotation of the turbine of the generator 6.
  • the motion converting means 15 is not limited to the configuration of the pinion 17 and the rack 16 described above.
  • a sprocket and a chain can be used as the motion converting means.
  • a sprocket is arranged at two places in the upper and lower parts of the water tank 5, a chain is hung over both sprockets, and a protrusion of the buoyant body 4 is fixed to one place of the chain.
  • a drive hoisting wheel 18 is attached to one upper sprocket, and a second wire 19 is wound around the drive hoisting wheel 18 to pull up a member that varies the filling capacity of the variable capacity tank (foldable tank 3). .
  • various structures other than the movement converting means 15 can be used. .
  • FIG. 10 is a front sectional view showing a power generation plant using a buoyant body according to the third embodiment.
  • (B) is a state in which the air in the cylinder-piston type tank is exhausted by a weight in order to be used for power generation by a generator.
  • the variable capacity tank 2 is not limited to the above-described foldable tank 3 as long as the turbine of the generator 6 can be rotated by filling the air and exhausting the air at a stretch.
  • a piston portion 52 is vertically movably inserted into a vertically arranged cylinder portion 51, and the piston portion 52 is raised.
  • a cylinder / piston type tank 53 configured to take in air and descend and exhaust.
  • the check valve 8 that can take in air into the cylinder-piston type tank 53 of the third embodiment is attached to the piston portion 52.
  • a weight 12 made of metal, cement, or the like is placed on the upper part of the piston portion 52.
  • the weight 12 is used when exhausting the air in the cylinder-piston type tank 53.
  • the weight 12 is hooked with the first wire 11 similarly to the foldable tank 3 of the first embodiment.
  • the check valve 8 for taking in air may be provided in the cylinder portion 51.
  • the exhaust pipe 7 for exhausting the internal air is provided below the cylinder part 51 of the cylinder-piston type tank 53 of the third embodiment. This exhaust pipe 7 is connected to the turbine of the generator 6.
  • the opening / closing solenoid valve 22 of the water inlet 21 of the water tank 5 is opened and put in the water tank 5 as in the folding type tank 3 of the first embodiment.
  • the buoyancy body 4 rises with the rise of the water surface in the water tank 5.
  • the second wire 19 is wound by the drive hoisting wheel 18, so that the piston portion 52 is pulled up and air can be taken into the cylinder portion 51.
  • the piston portion 52 can generate power by utilizing the air exhausted from the inside for the rotation of the turbine of the generator 6 by the weight of the weight 12.
  • FIG. 11 is a front cross-sectional view illustrating a power plant using a buoyant body according to the fourth embodiment.
  • (B) is a state where the variable capacity tank is full.
  • the air supply to the variable capacity tank 2 is performed by using an air supply tank 61 having the same configuration as the air supply tank.
  • the upper part of the air supply tank 61 is fixed by the fixed frame 62, and the lower part of the air supply tank 61 is a tank that freely expands and contracts.
  • the buoyancy body 4 is attached to the lower part of the air supply tank 61.
  • the buoyancy body 4 is arranged in a water tank 5.
  • air is directly fed from the air supply tank 61 to the variable capacity tank 2 using the air supply pipe 63.
  • a check valve 64 is attached to the air supply pipe 63.
  • the air exhausted from the variable capacity tank 2 can be used to rotate the turbine of the generator 6 to generate power.
  • the air supply tank 61 has a check valve 65 mounted on an upper part thereof.
  • air can be taken into the inside.
  • the air inside is supplied to the variable capacity tank 2 through the air supply pipe 63.
  • the air supplied to the variable capacity tank 2 is used for rotating the turbine of the generator 6 as described above.
  • the energy of the vertical movement of the buoyant body 4 can be transmitted without using the above-described motion converting means 15, the first hoisting wheel 10, the second wire 19, the driving hoisting wheel 18, and the like.
  • the combination of the variable capacity tank 2 (3) and the buoyant body 4 (water tank 5) may be filled with air and exhausted at once to rotate the turbine of the generator 6 as described above.
  • the present invention is not limited to the combination of one variable capacity tank 2 (3) and one buoyant body 4 (water tank 5).
  • the power plant according to Modification 1 is a combination of one variable capacity tank 2 (3) and a plurality of buoyant bodies 4 (water tanks 5).
  • the number of buoyancy members 4 (water tank 5) is not limited to two, and three buoyancy members 4 (water tank 5) can be used.
  • one variable capacity tank 2 (3) is vertically moved using such a plurality of buoyant bodies 4 (water tank 5).
  • the turbine of the generator 6 is rotated.
  • the power plant using the buoyant body of Modification 2 is a combination of a plurality of variable capacity tanks 2 (3) and one buoyant body 4 (water tank 5).
  • a plurality of variable capacity tanks 2 (3) are moved up and down to rotate the turbine of the generator 6 Can be done.
  • various combinations can be made according to the topography, the amount of water, and the water force.
  • the present invention is to convert the abundant water into another energy once, in a place where there is no difference in elevation, even in the case of weak water, if it can be used for small hydroelectric power generation, It is needless to say that the present invention is not limited to the embodiments, but can be variously modified without departing from the gist of the present invention.
  • the present invention can use small hydropower such as a place where there is no difference in elevation, a general river with weak water, agricultural water, a sabo dam, and water and sewage.

Abstract

豊富にある水を一旦別のエネルギーに変換することで、高低差がない場所、水勢の弱い水であっても、小水力発電に利用する。注水することで上昇し、排水することで下降するように、水槽（５）内に配置された水に浮かぶ浮力体（４）と、内部に入れた空気の充填容量が変化する容量可変式タンク（２）と、容量可変式タンク（２）内の空気を排気するために、容量可変式タンク（２）の上部に載置したウエイト（１２）と、容量可変式タンク（２）から排気される空気でタービンを回転させて発電を行う発電機（６）と、を備え、浮力体（４）が注水により上昇する際に、運動変換手段（１５）により容量可変式タンク（２）の上部を引き上げて内部に空気を取り入れ、ウエイト（１２）の自重により容量可変式タンク（２）内から排気する空気を発電機（６）のタービンの回転に利用して発電する。

Description

浮力体を用いた発電プラント及びその発電方法
  本発明は、小水力を利用して発電する発電プラント及びその発電方法に係り、特に水槽に河川水等を注水し、この水槽に溜めた水を排水することの繰り返しにより浮力体を上昇、下降させ、この浮力体の上下動するエネルギーを用いて発電する浮力体を用いた発電プラント及びその発電方法に関する。
　従来より、水を利用する発電方法としては水力発電が知られている。また、その発電量が「１０，０００ｋＷ以下」の場合は、小水力発電と称されている。この小水力発電の発電方式の分類では、「流れ込み式」、「水路式」がある。貯水池式の大規模ダム、調整池式の中規模ダムとは区別され、河川水等の水を貯めること無く、そのまま利用する発電方式である。
　この小水力発電は、一般河川、農業用水、砂防ダム、上下水道など、現在無駄に捨てられているエネルギーを有効利用する発電方法である。小水力発電は、ダムなどの大規模開発などが伴わない環境に配慮したものとして注目されるようになっている。
　この小水力発電は、昼夜、年間を通じて安定した発電が可能である。その設備利用率が５０～９０％と高く、太陽光発電と比較して５～８倍の電力量を発電できる。また、出力変動が少なく、系統安定、電力品質に影響を与えないので経済性が高い。太陽光発電の設備と比較すると、その設置面積が小さい。
　農業用水路の利用も注目されている。既存の用水路を使用することもでき、さらに発電した電力を消費する施設も近隣にある可能性が高く、農用動力と組み合わせることもできる。地域の活性化からも農業用水路での小水力発電が注目されている。農業用水路を利用した発電設備は、河川を流れる農業用水路の水を有効利用する「流れ込み式」の水力発電設備である。水路から取水し、自然が生み出した河岸段丘の落差を利用して発電する。
  農業用水路、河川等の水を水槽に貯め、導水路勾配等の落差（位置エネルギー）を利用して水車を回転させ、水車に連結された発電機を回転させることによって電気エネルギーを得る構造の小水力発電に関する技術として、例えば特許文献１の特開２０１６－９８７８２公報「小水力発電システム」のように、外部から水が流入する水槽と、前記水槽より低い位置に設けられ、前記水槽から流入する水によって回転する水車と、前記水車に連結される発電機と、前記発電機の回転速度を制御する回転速度制御装置と、所定の計算式に従って前記水車の最適回転数を算出し、前記最適回転数に基づく可変速制御の指令を前記回転速度制御装置に送信する演算装置と、を有する小水力発電システムが提案されている。
特開２０１６－９８７８２公報
　しかし、小水力発電は、水を高速・高圧で落下させるために、取水又は貯水する場所と発電機の水車の設置場所とに相当の高低差（落差）がないと利用できない。その設置場所、立地条件が制限されていた。河川、農業用水、ダムの近くで水は豊富にあるが、そこに高低差がなく、その流速も遅い場所では、このような小水力発電を利用できないという問題を有していた。
本発明の発明者は、水が豊富にある場所において、その水をそのまま水車を回転させて発電に利用するのではなく、この豊富な水を一旦別のエネルギーに変換すれば、効率よく発電に利用できることに着目した。
　本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、豊富にある水を一旦別のエネルギーに変換することで、高低差がない場所、水勢の弱い水であっても、発電に利用することができる浮力体を用いた発電プラント及びその発電方法を提供することにある。
　本発明の発電プラントは、浮力体（４）が上下動するエネルギーを用いて発電する浮力体を用いた発電プラントであって、
  注水することで上昇し、排水することで下降するように、水槽（５）内に配置された浮力体（４）と、
  内部に入れる空気の充填容量が変化する容量可変式タンク（２）と、
  前記容量可変式タンク（２）内の空気を排気するために、該容量可変式タンク（２）の上部に載置したウエイト（１２）と、
  前記容量可変式タンク（２）から排気される空気でタービンを回転させて発電を行う発電機（６）と、を備え、
  前記浮力体（４）が注水により上昇する際に、運動変換手段（１５）を用いて前記容量可変式タンク（２）の上部を引き上げて内部に空気を取り入れ、
　前記ウエイト（１２）の自重により前記容量可変式タンク（２）内から排気する空気を前記発電機（６）のタービンの回転に利用して発電する構成にした、ことを特徴とする。
　前記容量可変式タンク（２）は、上下方向に伸縮する周壁が蛇腹状の折りたたみ型タンク（３）である。
　また、前記容量可変式タンク（２）は、上下方向に配置されたシリンダー部（５１）内に、ピストン部（５２）を上下動自在に内挿し、該ピストン部（５２）を上昇させて吸気し、下降させて排気するように構成したシリンダー・ピストン型タンク（５３）である。
　前記運動変換手段（１５）は、前記浮力体（４）にその上下動方向に沿って取り付けたラック（１６）と、これに噛合するピニオン（１７）に駆動巻き上げ輪（１８）を取り付け、
　該駆動巻き上げ輪（１８）に前記容量可変式タンク（２）の充填容量を可変する部材を上方へ引き上げる第２ワイヤー（１９）を巻き付けたものである。
　容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）と、容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）の上部を引き上げる浮力体（４）を入れた水槽（５ａ，５ｂ）と、から成る装置を２組備え、
　各容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）に連結した各排気管（７ａ，７ｂ）を、１基の発電機（６）に連結し、
　両容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）の何れから排気される空気で前記発電機（６）のタービンを回転する構成にすることができる。
　本発明の発電方法は、浮力体（４）の上下動するエネルギーを用いて発電する浮力体を用いた発電方法であって、
  水槽（５，５ａ，５ｂ）内に注水口（２１）から注水し、該水槽（５，５ａ，５ｂ）の水面の上昇に併せて浮力体（４）を上昇させ、
  前記浮力体（４）を上昇させたときに、運動変換手段（１５）を用いて容量可変式タンク（２，２ａ，２ｂ）の上部を引き上げてその内部に空気を充満させ、
  次に、該容量可変式タンク（２，２ａ，２ｂ）内が空気で充満したら、ウエイト（１２）の重力で容量可変式タンク（２，２ａ，２ｂ）内の空気を排気させ、この排気される空気で発電機（６）のタービンを回転させて発電を行う、ことを特徴とする。
　また、容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）と、該容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）の上部を引き上げる浮力体（４）を入れた水槽（５ａ，５ｂ）と、から成る装置を２組備え、先ず一方の容量可変式タンク（２ａ）に吸気し、
　該一方の容量可変式タンク（２ａ）から排気して発電機（６）のタービンを回転させて発電し、同時に他方の容量可変式タンク（２ｂ）には吸気し、
　一方の容量可変式タンク（２ａ）からの排気が終了したら、他方の容量可変式タンク（２ｂ）から排気される空気で前記発電機（６）のタービンを回転する構成にした、両容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）の排気を交代で利用して連続的に発電するようにすることができる。
　上記構成の発電プラントでは、水槽（５）に入れた浮力体（４）を注水により上昇させることで、容量可変式タンク（２）の上部を引き上げて内部に空気を取り入れ、この容量可変式タンク（２）をウエイト（１２）の自重により、容量可変式タンク（２）内から排気する空気を発電機（６）のタービンの回転に利用して発電することができる。従来のように、落差と流量がある場所に限定されていた小水力発電プラントが、水さえあればどのような場所でも容易に発電することができる。
　上記構成の発電方法では、２組の容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）と、各容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）の上部を引き上げる浮力体（４）を入れた水槽（５ａ，５ｂ）と、から成る装置を交互に用いることで、常に発電機（６）のタービンを回転させることができる。そこで、安定した電力を供給することができる。
　一級河川から取水、普通河川から取水して発電することもでき、農業用水路から取水し、上下水道のいずれの場所でもその水を利用して発電することができる。
実施例１の浮力体を用いた発電プラントを示す正面図である。 実施例１の浮力体を用いた発電プラントを示す平面図である。 実施例１の浮力体を用いた発電プラントによる発電方法を示す一部断面にした正面図であり、（ａ）は折りたたみ型タンクの上部を引き上げ、空気を充満させる状態、（ｂ）は折りたたみ型タンク内の空気をウエイトで排気して発電機で発電する状態である。 実施例２の浮力体を用いた発電プラントの一例を示す正面図である。 実施例２の浮力体を用いた発電プラントの一例を示す側面図である。 実施例２の２基の容量可変式タンクの排気の切り替えを示す概略説明図であり、（ａ）は一方の第１容量可変式タンク内に吸気する状態、（ｂ）は一方の容量可変式タンクから排気（発電）すると共に、他方の容量可変式タンクでは吸気する状態、（ｃ）は一方の第１容量可変式タンクの排気（発電）が終了し、他方の容量可変式タンクから排気（発電）する状態である。 本発明の発電プラントの水槽内への注水、排水と発電機への給気を制御する制御装置を示すブロック図である。 本発明の発電プラントの水槽内への注水、排水と発電機への給気を制御する制御装置を示す概略構成図である。 本発明の発電プラントによる発電方法を示すフロー図である。 実施例３の浮力体を用いた発電プラントを示す正断面図であり、（ａ）はシリンダー・ピストン型タンクのピストン部を引き上げ、空気を充満させた状態、（ｂ）はシリンダー・ピストン型タンク内の空気を発電機の発電に利用するためにウエイトで排気した状態である。 実施例４の浮力体を用いた発電プラントを示す正断面図であり、（ａ）は容量可変式タンクを給気用タンクで給気する状態、（ｂ）は容量可変式タンクが充満した状態である。
　本発明は、注水することで上昇し、排水することで下降するように、水槽内に配置された水に浮かぶ浮力体と、内部に入れる空気の充填容量が変化する容量可変式タンクと、容量可変式タンク内の空気を排気するために、該容量可変式タンクの上部に載置したウエイトと、容量可変式タンクから排気される空気でタービンを回転させて発電を行う発電機とを備えた発電プラントである。浮力体が注水により上昇する際に、運動変換手段を用いて容量可変式タンクの上部を引き上げて内部に空気を取り入れ、ウエイトの自重により前記容量可変式タンク内から排気する空気を発電機のタービンの回転に利用して発電する構成のものである。
　以下、本発明の浮力体を用いた発電プラントの好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。　図１は実施例１の浮力体を用いた発電プラントの原理構成を示す正面図である。図２は実施例１の浮力体を用いた発電プラントの原理構成を示す平面図である。
　実施例１の浮力体を用いた発電プラント１は、その原理構成を示すものであり、容量可変式タンク２として上下方向に伸縮する壁面が蛇腹状の折りたたみ型タンク３を用いたものである。実施例１の浮力体を用いた発電プラント１は、この折りたたみ型タンク３と、水に浮かぶ浮力体４を入れた水槽５と、噴射空気で発電する発電機６を備えた発電プラントである。
＜容量可変式タンク（折りたたみ型タンク）の構成＞
　実施例１の折りたたみ型タンク３（容量可変式タンク２）は、内部に空気が充填されると容量が拡大し、大量の空気を溜めることができるタンクである。この上下方向に伸縮する壁面が蛇腹状の折りたたみ型タンク３は、上部を引き上げることで、内部に空気を取り入れることができ、この折りたたみ型タンク３を上から下へ押し付けると、その下部の排気管７から空気が排気されるように、逆止弁８が上部に取り付けられている。この排気管７は、発電機６のタービンに連結されている。
　折りたたみ型タンク３は上下方向に伸縮させて使用する。折りたたみ型タンク３は、その起立状態が維持されるように支持枠９に挟まれている。図示例では２本構成の支持枠９であるが、この本数は２本構成に限定されない。３本構成又は４本構成にすることができる。また、折りたたみ型タンク３の上下方向へ伸縮状態を維持でき、かつ転倒を防止できれば、図示例の支持枠９の構成に限定されない。
　２本構成の支持枠９の上部には横枠９ａを架け渡し、この横枠９ａに第１巻き上げ輪１０を吊り下げている。この第１巻き上げ輪１０に第１ワイヤー１１の一端が掛けとめられ、この第１ワイヤー１１の他端は、折りたたみ型タンク３の上部（ウエイト１２）に掛けとめられている。この第１巻き上げ輪１０で第１ワイヤー１１を巻き上げることで折りたたみ型タンク３の上部（ウエイト１２）を引き上げるようになっている。
　第１巻き上げ輪１０の回転軸１３が横枠９ａの長手方向に配置され、その両端にそれぞれ第２巻き上げ輪１４が取り付けられている。図示例では、第２巻き上げ輪１４を２か所設けた例を示しているが、これは１か所でもよい。ここで、第１、第２と表現したのは、等級、順番を表すのではなく、同一形状、同一の機能を有する部材を区分けするために便宜的に使用するものである。
　折りたたみ型タンク３の上部に載せるウエイト１２は、金属製、セメント製等からなる。このウエイト１２は、折りたたみ型タンク３内の空気を排気する際に利用される。但し、後述する、浮力体４の浮力による上下動の動作で吊り上げられる程度の重量にする必要がある。
＜水槽と浮力体の構成＞
　実施例１の浮力体を用いた発電プラント１の水槽５には、一般河川、農業用水、砂防ダム、上下水道などから注水する。これらの一般河川、農業用水、砂防ダム、上下水道などで現在無駄に捨てられているエネルギーを有効利用するためである。この水槽５内に入れる浮力体４は内部に空気を充填したもの、または多孔質のプラスチック体を用いることができる。
　図示例では、図２に示すように、直方体形状の水槽５に、同じく隙間を空けずに略直方体形状の浮力体４を上下動可能に入れた。これは水槽５内に注水することで上昇し、排水することで下降する浮力体４が、傾斜しないようにするためである。浮力体４を水槽５内で円滑に上下動させるためである。
　運動変換手段１５は、水槽５内における浮力体４の上下動作を一旦運動エネルギーに変換する機構である。図示例の運動変換手段１５は、浮力体４にその上下動方向に沿って取り付けたラック１６と、これに噛合するピニオン１７に駆動巻き上げ輪１８を取り付け、この駆動巻き上げ輪１８に折りたたみ型タンク３を引き上げる第２ワイヤー１９を巻き付けたものである。運動変換手段１５は浮力体４の上下動作のエネルギーを均等に伝達するために、１の浮力体４に２か所設けている。また、運動変換手段１５はこのようなラック１６とピニオン１７との組み合わせに限定されず、油圧構成、ガス圧構成を用いた種々の構成のものを用いることができる。
　この運動変換手段１５により、水槽５内に注水することで上昇し、排水することで下降する浮力体４を用いて、この第２巻き上げ輪１４と第１巻き上げ輪１０で第１ワイヤー１１を巻き上げ、折りたたみ型タンク３の上部を引き上げ、空気を充満させるようになっている。
　駆動巻き上げ輪１８の直径（Ｌ１）は、図１に示すように、第２巻き上げ輪１４の直径（Ｌ２）の約３倍程度にする。浮力体４の上下動間隔（Ｈ１）と折りたたみ型タンク３の上下動間隔（Ｈ２）を合わせるためである。あるいは、倍速ギヤなどの変速機構を介在して浮力体４の上下移動距離（Ｈ１）と折りたたみ型タンク３の上下移動距離（Ｈ２）とを合わせる構成にすることも可能である。
　駆動巻き上げ輪１８には、図２に示すように、電磁クラッチ１８ａを取り付けてある。折りたたみ型タンク３の上部を引き上げるときは、駆動巻き上げ輪１８と運動変換手段１５のピニオン１７とを電磁クラッチ１８ａで連結しておく。折りたたみ型タンク３を下降させるとき、即ち発電するときは、電磁クラッチ１８ａを切り離して、折りたたみ型タンク３を円滑に下降させ、その排気で発電機６のタービンを支障なく回転させるようにする。
　この駆動巻き上げ輪１８と運動変換手段１５との連結、切り離しは、電磁クラッチ１８ａに限定されず、機械的なクラッチでもよい。
　これらの容量可変式タンク２、水槽５と発電機６は台２０の上に設置する。また、これらの容量可変式タンク２、水槽５と発電機６の図示した配置は一例であるが、この配置に限定されない。更に、１基の容量可変式タンク２に１槽の水槽５に限定されない。小さい浮力体４の場合は、複数の水槽５を用いて複数の浮力体４で１基の容量可変式タンク２を上下動させる構成も可能である。
＜折りたたみ型タンクによる発電の説明＞　図３は実施例１の浮力体を用いた発電プラントによる発電方法を示す一部断面にした正面図であり、（ａ）は折りたたみ型タンクの上部を引き上げ、空気を充満させる状態、（ｂ）は折りたたみ型タンク内の空気をウエイトで排気して発電機で発電する状態である。
　実施例１の浮力体を用いた発電プラント１では、図３（ａ）に示すように、一級河川、普通河川、農業用水路、上下水道から取水した水を、水槽５の注水口２１の開閉電磁弁２２を「開」にして水槽５内に入れる。水槽５内の水面の上昇と共に、浮力体４が上昇する。この浮力体４の上昇により、浮力体４のラック１６がピニオン１７を回動させ、このピニオン１７の回動軸１３に連結された駆動巻き上げ輪１８が回動する。このときは駆動巻き上げ輪１８の電磁クラッチ１８ａを連結しておく。
　駆動巻き上げ輪１８に巻かれた第２ワイヤー１９は、上述した第１巻き上げ輪１０に取り付けられている。この第１巻き上げ輪１０に第２ワイヤー１９の一端が掛けとめられ、この第２ワイヤー１９の他端は、折りたたみ型タンク３の上部に掛けとめられている。この第１巻き上げ輪１０で第１ワイヤー１１を巻き上げることで折りたたみ型タンク３の上部を引き上げる。逆止弁８から折りたたみ型タンク３の内部に空気を取り入れる。
　次に、この折りたたみ型タンク３内に空気が充満したら、水槽５の注水口２１の開閉電磁弁２２を「閉」にし、排水口２３の開閉電磁弁２４を「開」にして排水する。駆動巻き上げ輪１８の電磁クラッチ１８ａを切断する。浮力体４は下降すると同時に、駆動巻き上げ輪１８も逆回転する。次に、排気管７には逆止弁２５を接続して、ウエイト１２の自重により折りたたみ型タンク３内から排気する。この空気は噴射され、発電機６のタービンを勢いよく回転させ、発電することができる。発電した電力はバッテリー２６に充電する。バッテリー２６を介して送電線から送電する。なお、後述するコンピュータの制御装置と各開閉電磁弁２２，２４の作動には、発電機６につながれたバッテリー２６から電力が供給される。
＜発電プラントの構成例＞
　図４は実施例２の浮力体を用いた発電プラントの一例を示す正面図である。図５は実施例２の浮力体を用いた発電プラントの一例を示す側面図である。
　実施例２の発電プラント１０１は、上述した原理構成にある１基の容量可変式タンク２ａ，２ｂに１槽の水槽５ａ，５ｂ（浮力体４）を２組用いて、これらで１基の発電機６を用いて発電する構成が望ましい。個々の装置、設備は上述した装置と同じ構成のものである。各容量可変式タンク２ａ，２ｂに連結した各排気管７ａ，７ｂを、１基の発電機６に連結している。２組の装置を交代で利用することで、安定的に発電するためである。
　図６は実施例２の２基の容量可変式タンクの排気の切り替えを示す概略説明図であり、（ａ）は一方の第１容量可変式タンク内に吸気する状態、（ｂ）は一方の容量可変式タンクから排気（発電）すると共に、他方の容量可変式タンクでは給気する状態、（ｃ）は一方の第１容量可変式タンクの排気（発電）が終了し、他方の容量可変式タンクから排気（発電）する状態である。
　図６（ａ）に示すように、先ず一方の第１容量可変式タンク２ａ内に吸気する。この第１容量可変式タンク２ａ（３）内に空気が充満したら、この第１容量可変式タンク２ａ（３）から排気し、その排気で発電機６のタービンを回転させている。
　図６（ｂ）に示すように、第１容量可変式タンク２ａ（３）から排気して発電しているときに、同時に他方の第２容量可変式タンク２ｂ（３）では給気する。
　図６（ｃ）に示すように、一方の第１容量可変式タンク２ａ（３）の排気が終了したら、他方の第２容量可変式タンク２ｂ（３）からの排気で発電機６のタービンを回転させる。このような動作を繰り返すことで、常に発電機６のタービンを回転させることにより、安定的に発電することができる。
＜システムの構成例＞
　図７は本発明の発電プラントの水槽内への注水、排水と発電機への給気を制御する制御装置を示すブロック図である。図８は本発明の発電プラントの水槽内への注水、排水と発電機への給気を制御する制御装置を示す概略構成図である。図９は本発明の発電プラントによる発電方法を示すフロー図である。
　制御装置３１は、本発明の発電プラント１，１０１の水槽５，５ａ，５ｂ内への注水と排水を制御する。図７と図８に示すように、この制御装置３１の入力側には、浮力体センサ３２、タンク動作センサ３３、増幅処理部３４（ＡＭＰ）及び制御信号入力部３５が接続されている。増幅処理部３４（ＡＭＰ）は浮力体センサ３２、タンク動作センサ３３が測定した検知信号を増幅処理する。
　浮力体センサ３２は、浮力体４が水槽５，５ａ，５ｂの上端に上昇したことを検知するセンサである。浮力体４がこの位置にいることは、水槽５，５ａ，５ｂに注水しても浮力体４が移動しないことを意味する。タンク動作センサ３３は、容量可変式タンク２，２ａ，２ｂを上端に引き上げたことを検知するセンサである。これ以上引き上げても容量可変式タンク２，２ａ，２ｂに空気を取り込めないことを意味する。
　制御装置３１の出力側には、各開閉電磁弁２２，２４を作動させる開閉弁動作信号出力部３６及び表示処理部３7が接続されている。表示処理部３７にはＬＥＤ等が接続されている。現在の動作状態を知らせるものである。信号処理部３８が、入力側の浮力体センサ３２、タンク動作センサ３３の検知信号を増幅処理する増幅処理部３４（ＡＭＰ）で処理して、これらの出力側の各動作、注水口２１の開閉電磁弁２２、排水口２３の開閉電磁弁２４を開閉する。そこで、水槽５，５ａ，５ｂに入れた浮力体４を注水により上昇させ、容量可変式タンク２の上部を引き上げて内部に空気を取り入れる。この容量可変式タンク２，２ａ，２ｂをウエイト１２の自重により、容量可変式タンク２，２ａ，２ｂ内から排気する空気を発電機６のタービンの回転に利用して発電することができる。
＜運動変換手段の変形例＞
　運動変換手段１５は上述した、ピニオン１７とラック１６の構成に限定されない。図示していないが運動変換手段は、スプロケットとチェーンとを用いることができる。水槽５に上下２か所にスプロケットを配置し、両スプロケットにチェーンを架け渡し、チェーンの１か所に、浮力体４の突起を固定したものである。一方の上側のスプロケットに駆動巻き上げ輪１８を取り付け、この駆動巻き上げ輪１８に容量可変式タンク（折りたたみ型タンク３）の充填容量を可変する部材を上方へ引き上げる第２ワイヤー１９を巻き付けたものである。
　なお、水槽５内に水が注水、排水されることで、浮力体４の上下運動をエネルギーに変換できる構成であれば、これらの運動変換手段１５以外の種々の構造のものを用いることができる。
＜容量可変式タンク（シリンダー・ピストン型タンク）の構成＞　図１０は実施例３の浮力体を用いた発電プラントを示す正断面図であり、（ａ）はシリンダー・ピストン型タンクのピストン部を引き上げ、空気を充満させた状態、（ｂ）はシリンダー・ピストン型タンク内の空気を発電機の発電に利用するためにウエイトで排気した状態である。
　容量可変式タンク２は、空気を充満し、それを一気に排気することで、発電機６のタービンを回転させることができれば、上述した折りたたみ型タンク３に限定されない。実施例３の浮力体を用いた発電プラントに用いる容量可変式タンク２は、上下方向に配置されたシリンダー部５１内に、ピストン部５２を上下動自在に内挿し、このピストン部５２を上昇させて吸気し、下降させて排気するように構成したシリンダー・ピストン型タンク５３である。
　実施例３のシリンダー・ピストン型タンク５３の内部に空気を取り入れることができる逆止弁８がピストン部５２に取り付けられている。同じくこのピストン部５２の上部には、金属製、セメント製等のウエイト１２が載置されている。このウエイト１２は、シリンダー・ピストン型タンク５３内の空気を排気する際に利用される。このウエイト１２は、実施例１の折りたたみ型タンク３と同様に、第１ワイヤー１１が掛け止められている。なお、図示していないが空気を取り入れる逆止弁８はシリンダー部５１に設けることも可能である。
　実施例３のシリンダー・ピストン型タンク５３のシリンダー部５１の下部には、内部の空気を排気する排気管７が設けられている。この排気管７は発電機６のタービンに連結されている。
　この実施例３のシリンダー・ピストン型タンク５３でも、実施例１の折りたたみ型タンク３と同様に水槽５の注水口２１の開閉電磁弁２２を「開」にして水槽５内に入れる。図３（ａ）に示すように、水槽５内の水面の上昇と共に、浮力体４が上昇する。この浮力体４の上昇により、駆動巻き上げ輪１８で第２ワイヤー１９を巻き上げることでピストン部５２を引き上げ、シリンダー部５１内部に空気を取り入れることができる。
　次に、シリンダー・ピストン型タンク５３は、ピストン部５２はそのウエイト１２の自重により、内部から排気する空気を発電機６のタービンの回転に利用して発電することができる。
＜容量可変式タンクに給気用タンクから給気する構成＞　図１１は実施例４の浮力体を用いた発電プラントを示す正断面図であり、（ａ）は容量可変式タンクを給気用タンクで給気する状態、（ｂ）は容量可変式タンクが充満した状態である。
　実施例４では、容量可変式タンク２への給気を、これと同様な構成の給気用タンク６１を用いた。この実施例４では、給気用タンク６１の上部は固定枠６２で固定され、給気用タンク６１の下部が自由に伸縮する構成のタンクである。この給気用タンク６１の下部に浮力体４を取り付けたものである。この浮力体４を水槽５に配置した構成のものである。この実施例４では、給気用タンク６１から容量可変式タンク２へ送気管６３を用いて直接空気を送り込む構成のものである。この送気管６３には逆止弁６４を取り付けてある。容量可変式タンク２から排気した空気を、発電機６のタービンの回転に利用して発電することができる。
　この給気用タンク６１は、その上部に逆止弁６５が取り付けられている。給気用タンク６１下部の浮力体４が降下すると、内部に空気を取り入れることができる。浮力体４が水槽５内の水面の上昇と共に上昇すると内部の空気が送気管６３を通って容量可変式タンク２へ給気される。この容量可変式タンク２に給気された空気は、上述したように発電機６のタービンの回転に利用される。
　このように、浮力体４の上下動のエネルギーは、上述した運動変換手段１５、第１巻き上げ輪１０、第２ワイヤー１９、駆動巻き上げ輪１８などを使わなくても伝達することができる。
＜１基の容量可変式タンクと複数基の浮力体（水槽）との組み合わせの変形例１＞
　容量可変式タンク２（３）と浮力体４（水槽５）の組み合わせは、空気を充満し、それを一気に排気することで、発電機６のタービンを回転させることができる構成であれば、上述した１基の容量可変式タンク２（３）に対して１基の浮力体４（水槽５）との組み合わせに限定されない。図示していないが、変形例１の発電プラントは、１基の容量可変式タンク２（３）に複数の浮力体４（水槽５）と組み合わせたものである。浮力体４（水槽５）は２基に限定されず、３基の浮力体４（水槽５）で構成することも可能である。この発電プラントを設置する場所が、水勢が弱い場所、高低差が低い場所では、このような複数の浮力体４（水槽５）を用いて１基の容量可変式タンク２（３）を上下動作させ、発電機６のタービンを回転させることが好ましい。
＜複数基の容量可変式タンクと１基の浮力体（水槽）との組み合わせの変形例２＞
　逆に、図示していないが、変形例２の浮力体を用いた発電プラントは、複数基の容量可変式タンク２（３）に１基の浮力体４（水槽５）と組み合わせたものである。水勢が強い場所、高低差が高い場所では、１基の浮力体４（水槽５）であっても、複数基の容量可変式タンク２（３）を上下動作させ、発電機６のタービンを回転させることができる。実施例３、実施例４に示すように地形、水量、水勢に応じて種々組み合わせることができる。
　なお、本発明は、豊富にある水を一旦別のエネルギーに変換することで、高低差がない場所、水勢の弱い水であっても、小水力発電に利用することができれば、上述した発明の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
　本発明は、高低差がない場所、水勢の弱い水の一般河川、農業用水、砂防ダム、上下水道などの小水力を利用することができる。
　１　浮力体を用いた発電プラント
　２，２ａ，２ｂ　容量可変式タンク
　３　折りたたみ型タンク
　４　浮力体
　５，５ａ，５ｂ　水槽
　６　発電機
１０　第１巻き上げ輪
１１　第１ワイヤー（ワイヤー）
１２　ウエイト
１４　第２巻き上げ輪
１５　運動変換手段
１６　ラック
１７　ピニオン
１８　駆動巻き上げ輪
１８ａ　電磁クラッチ
１９　第２ワイヤー（ワイヤー）
２１　注水口
２２　注水口の開閉電磁弁
２３　排水口
２４　排水口の開閉電磁弁
５１　シリンダー部
５２　ピストン部
５３　シリンダー・ピストン型タンク
 

 

Claims (6)

  1. 　浮力体（４）が上下動するエネルギーを用いて発電する浮力体を用いた発電プラントであって、
      注水することで上昇し、排水することで下降するように、水槽（５）内に配置された浮力体（４）と、
      内部に入れる空気の充填容量が変化する容量可変式タンク（２）と、
      前記容量可変式タンク（２）内の空気を排気するために、該容量可変式タンク（２）の上部に載置したウエイト（１２）と、
      前記容量可変式タンク（２）から排気される空気でタービンを回転させて発電を行う発電機（６）と、を備え、
      前記浮力体（４）が注水により上昇する際に、運動変換手段（１５）を用いて前記容量可変式タンク（２）の上部を引き上げて内部に空気を取り入れ、
    　前記ウエイト（１２）の自重により前記容量可変式タンク（２）内から排気する空気を前記発電機（６）のタービンの回転に利用して発電する構成にした、ことを特徴とする浮力体を用いた発電プラント。
  2. 　前記容量可変式タンク（２）は、上下方向に伸縮する周壁が蛇腹状の折りたたみ型タンク（３）である、ことを特徴とする請求項１の浮力体を用いた発電プラント。
  3. 　前記容量可変式タンク（２）は、上下方向に配置されたシリンダー部（５１）内に、ピストン部（５２）を上下動自在に内挿し、該ピストン部（５２）を上昇させて吸気し、下降させて排気するように構成したシリンダー・ピストン型タンク（５３）である、ことを特徴とする請求項１の浮力体を用いた発電プラント。
  4. 　前記運動変換手段（１５）は、前記浮力体（４）にその上下動方向に沿って取り付けたラック（１６）と、これに噛合するピニオン（１７）に駆動巻き上げ輪（１８）を取り付け、
    　該駆動巻き上げ輪（１８）に前記容量可変式タンク（２）の充填容量を可変する部材を上方へ引き上げる第２ワイヤー（１９）を巻き付けたこと、ことを特徴とする請求項１の浮力体を用いた発電プラント。
  5. 　容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）と、容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）の上部を引き上げる浮力体（４）を入れた水槽（５ａ，５ｂ）と、から成る装置を２組備え、
    　各容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）に連結した各排気管（７ａ，７ｂ）を、１基の発電機（６）に連結し、
    　両容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）の何れから排気される空気で前記発電機（６）のタービンを回転する構成にした、ことを特徴とする請求項１，２，３又は４の浮力体を用いた発電プラント。
  6. 　浮力体（４）の上下動するエネルギーを用いて発電する浮力体を用いた発電方法であって、
      水槽（５，５ａ，５ｂ）内に注水口（２１）から注水し、該水槽（５，５ａ，５ｂ）の水面の上昇に併せて浮力体（４）を上昇させ、
    　容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）と、該容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）の上部を引き上げる浮力体（４）を入れた水槽（５ａ，５ｂ）と、から成る装置を２組備え、先ず一方の容量可変式タンク（２ａ）に吸気し、
    　該一方の容量可変式タンク（２ａ）から排気して発電機（６）のタービンを回転させて発電し、同時に他方の容量可変式タンク（２ｂ）には吸気し、
    　一方の容量可変式タンク（２ａ）からの排気が終了したら、他方の容量可変式タンク（２ｂ）から排気される空気で前記発電機（６）のタービンを回転する構成にした、両容量可変式タンク（２ａ，２ｂ）の排気を交代で利用して連続的に発電する、ことを特徴とする浮力体を用いた発電方法。
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