(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層階のビルの各部屋から排出される一般排水や生活排水をまとめ、一階または地階に設けられて一旦貯蔵する貯水槽Aと、この貯水槽Aよりも低位置に設置され、貯水槽Aからの排水の自然流入を制御する電動開閉弁Aと、流入させた排水の外部への放出を制御する電動開閉弁Bとを備え、それらの制御によって内部の空気圧を上昇させ、または負圧を生じさせる構造を持つ貯水槽Bと、この貯水槽Bから流入する空気と外部から取り込む空気を圧縮してより強力な空気流を生成するベンチュリ形状を持ち、これら空気の流入を制御する自然開閉弁AとB、および電動開閉弁CとDとを備えて常時風車を回転させて直流または交流の発電機を駆動して発電を行う発電ユニット９を備え、その電力を安定な直流１２Vまたは５０V以下の適宜な電圧として大容量蓄電池に蓄えて本装置の制御に供する直流電源とし、さらにこの直流電源をDC/ACインバータにて日本の一般家庭にて使用されるAC１００V〜１１０Vに変換してビル全体に供給する定電圧電源回路を備え、さらに発電装置全体を自動的に制御する電子制御装置を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
集合住宅の生活排水などの下水に限らず、あらゆる流体を一旦貯えるための貯水槽Aと、この貯水槽Aよりも低位置に設置され、貯水槽Aからの流体の自然流入を制御する電動開閉弁Aと、流入させた流体の外部への放出を制御する電動開閉弁Bとを備え、それらの制御によって内部の空気圧を上昇させ、または負圧を生じさせる構造を持つ貯水槽Bと、この貯水槽Bから流入する空気と外部から取り込む空気を圧縮してより強力な空気流を生成するベンチュリ形状を持ち、これら空気の流入を制御する自然開閉弁AとB、および電動開閉弁CとDとを備えて常時風車を回転させて直流または交流の発電機を駆動して発電を行う発電ユニットを備え、その電力を安定な直流１２Vまたは５０V以下の適宜な電圧として大容量蓄電池に蓄えて本装置の制御に供する直流電源とし、さらにこの直流電源をインバータにて日本の一般家庭にて使用される５０または６０ＨｚのAC１００V〜１１０Vに変換してビル全体に供給する定電圧電源回路を備え、さらに発電装置全体を自動的に制御する電子制御装置を備えることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
集合住宅などの排水の位置エネルギーを空気圧エネルギーに変換し、このエネルギーにて風車を回転させて発電機を駆動することにより発電する技術である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、下水の水流を利用して小規模水力発電を行う技術が知られている。この技術は、本来ならば海洋へと投棄される下水の水流エネルギーを電力に変換するものであり、資源コストを低く、またはほぼゼロに抑えられる点が優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２２５６８１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】該当文献なし
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の発電装置にあっては、下水に含まれる汚物が水車の羽根に付着・堆積したり、塩分などが水車本体と周辺部品を腐食することにより、水車の回転効率を損なうという問題があった。また水車などの回転部品が絶えず汚水中に没しているために腐食を早め、経年変化が進行しやすいという欠点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、集合住宅などから排出される汚水と発電装置を隔離することで回転部品の回転効率の改善と経年変化を防ぐことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の排水応用発電装置は、マンションなど集合住宅の各部屋から排出される排水を一旦蓄える貯水槽Aと、この位置エネルギーを活用すべく低位置に配置された貯水槽Bと、下水が貯水槽AからBに移動する際に貯水槽B内に生じる空気圧をさらに強力な空気流に変える形状を持つ構造と、その空気流により回転する風車と、その風車により駆動される発電機を備え、また継続的に風車を回転させるように考慮された自然開閉弁と装置全体を制御する電子制御装置により作動する電動開閉弁を備えていることを特徴としている。
【０００８】
この特徴によれば、発電機を駆動する回転部品は従来の水車ではなく風車を応用することで汚水からは物理的に隔離され、回転部品全体の経年変化を抑制することができ、また特許文献１のように下水の一部がバイパスされることなく、全ての位置エネルギーが空気圧エネルギーに変換されて風車に伝えられることから発電効率を上げることが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、従来は下水として海洋へ投棄されていた集合住宅などの排水を活用することから、発電資源コストをほぼゼロに抑えることが可能であり、また排水の位置エネルギーを空気圧エネルギーに変換し、汚水から隔離された風車を回転させて発電機を駆動することから、風車と周辺部品の汚水による腐食や汚物の付着を防いで回転効率の低下を防止すると共に腐食による経年変化を抑えることができる。よってエネルギー資源の乏しい我が国にあっては非常に有用であり、また機器寿命が長く、且つCO2などの有害ガスや放射性汚染物質を排出しないクリーンな発電手段を提供することができる。
【００１０】
本発明による発電は、停電などの送電障害の影響を受けることがないため、災害時の非常時照明や防犯目的の照明に適している。タイマーや照度センサー、停電センサーを応用して集合住宅などの各階の廊下や各戸の玄関口、通用口、駐車場などを必要時のみ照明してもよいし、地下駐車場や階段など建物の構造上の暗がりを低コストで２４時間照明することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の全体の構成
【図２】発電ユニットと風車の基本構造
【図３】発電ユニットの排気モードと吸気モード
【図４】電子制御装置による発電設備の制御と定電圧電源回路
【図５】電子制御装置の動作フローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１はマンションなどの集合住宅１に採用した本発明の応用例である。１階３から最上階２に至る各階からの生活排水５は下水管６を通じて地下機械室４の貯水槽A、１５に一旦貯えられる。この際に、貯水槽A、１５内に排水中に含まれるメタンガスなどの有害ガスが充満するのを防ぐためにガス抜きパイプ８が貯水槽A、１５上部に設けられている。すなわち貯水状態では貯水槽A、１５内部の空気やガスはガス抜きパイプ８から放出され、排水状態では外部の新鮮な空気が流入して貯水槽A、１５内の有害ガス充満を防止する。
【００１３】
貯水槽A、１５内の有毒ガス充満の防止には、貯水槽A、１５以前に下水浄化槽を設置する方法もあるが、本発明の主旨には特に関係がないため、これらの説明は割愛する。
【００１４】
貯水槽A、１５内の排水を貯水槽A、１５よりも低位置に設置された貯水槽B、１８に注入すると貯水槽B、１８内の空気圧が上昇して発電ユニット９内に入り、風車が回転して発電機を駆動させる。さらに貯水槽B、１８内に充満した排水を外部に放出する際には貯水槽B、１８内に負圧が生じて外部の空気が発電ユニット９内に取り込まれ、風車が回転して発電機を駆動させる。これらの一連の動作は段落００１８以降で詳述する。
【００１５】
図２に発電ユニット９の基本構造を示す。電動開閉弁D、９７から流入した空気流は周辺の形状にてさらに圧縮されて送風孔９９に入る。周辺の形状は、送風孔９９を通る空気の流速が最大となるようなベンチュリ効果が得られるように考慮されている。この空気流が風車９１の回転軸と回転翼内部の空洞を通って回転翼の排気口から噴射されることにより風車９１が回転し、直流発電機９３を駆動して発電する。風車回転軸と直流発電機９３は継手フライホイール９０にて結合されており、フライホイールの慣性モーメントにより、後述する排気モードと吸気モードの切り替え時に空気流が短時間弱まって風車９１の回転が低下するのを防ぐと共に、発電機９３の回転数を可能な限り一定にする。
【００１６】
図２Bに風車の基本構造を示す。ここでは風車回転翼の回転原理の説明のため便宜的に２翔の回転翼が示されているが、この限りではなく、回転効率の向上のために３翔にするなど回転翼を増やしたり、これらの回転翼を並列に結合してもよいし火力発電や船舶などに採用される蒸気タービンの構造に似せてもよい。
【００１７】
図２Bにおいて、A方向から送風パイプ９１ｄを通じて回転軸９１ｇ内部の空洞を通った空気流は、さらにこの回転軸９１ｇに結合されて同様の空洞を持つ回転翼９１ｂに達し、回転翼先端に設けられた排気口９１ｆから噴射され、その反作用により回転翼９１ｂがC方向に回転して直流発電機９３を駆動する。排気口９１ｆから噴射された空気流は外殻９１aに設けられた通気口９１ｈからB方向に排出される。
【００１８】
発電開始から停止の手順は、図５のフローチャートのように行われる。
【００１９】
発電開始直前の各開閉弁のディフォルト位置は図５の表に示すように全て「閉」位置である。
【００２０】
図４において、電子制御装置の入力１はテストポイント電圧のモニター、入力２は上限センサー１６のモニター、入力３は下限センサー１７のモニターをそれぞれ行う。出力１は電動開閉弁C、９６の開閉、出力２は電動開閉弁D、９７の開閉を、出力３は電動開閉弁Aの開閉、出力４は電動開閉弁Bの開閉をそれぞれ制御する。
【００２１】
ここで、電動開閉弁A、Bは水流制御弁、電動開閉弁C、Dは空気流制御弁であり、それぞれ１２Vの直流モーターにて電動開閉される。またこのモーターの電源は定電圧電源回路１０２のDC１２V出力から供給される。
【００２２】
図１、図４において、発電開始スイッチ１０６がONされると、まず電動開閉弁D、９７が開かれ、次に電動開閉弁A、１３が開かれて貯水槽A、１５からの下水が連結管１０を通じて貯水槽B、１８に流入する。
【００２３】
このとき貯水槽B、１８内に発生する空気圧は、図３の排気モードに示すように電動開閉弁D、９７を通って送風孔９９に至り、風車９１を回転させ、直流発電機９３を駆動する。風車９１を回転させて排出された空気は自然開閉弁A、９４を開き、吸気＆排気パイプ１２から排気される。
【００２４】
風車の回転により発電機が駆動され、発電が開始される。発電が正常に開始されたかどうかは電子制御装置１０５の入力１にてテストポイントの電圧をモニターすることで確認される。発電機の定格出力は直流１２Vであるが、発電初期には定格出力に達しないので、テストポイントの電圧が＋５V以上であれば発電機９３は発電を開始したものと判断する。つまり＋５V以下であれば回転障害など何らかの異常が発生したと判断し、また＋１３V以上を検出した場合は過剰回転と判断して電動開閉弁D、９７を半開にするなどで回転を調整するが、異常が制御しきれないときは後述の発電停止動作へと移行する。
【００２５】
次に電子制御装置１０５は入力２にて上限センサー１６の状態をモニターして貯水槽B、１８内の水位を確認する。上限センサー１６がONになれば水位が上限に達したと判断し、電動開閉弁A、１３を閉じて貯水槽A、１５からの下水流入を遮断する。次に電動開閉弁D、９７を閉じて電動開閉弁C、９６を開き、さらに電動開閉弁B、１４を開いて貯水槽B、１８内の下水を排出する。
【００２６】
これにより貯水槽B、１８内に負圧が生じる。電動開閉弁C、９６が開かれているのでこの負圧は発電ユニット９内に至り、図３Bの吸気モードに示すように吸気＆排気パイプ１２から外部の空気を吸引して自然開閉弁B、９５を開き、送風孔９９を通って風車９１を回転させ、直流発電機９３を駆動する。
【００２７】
排気モードから吸気モードに切り替わる過渡期には、風車への空気流の流入量が一時的に減少して発電機の回転数が低下するおそれがあるが、継手フライホイールの慣性モーメントにより回転を維持することができる。
【００２８】
吸気モードにおいて発電機が駆動されて正常に発電が行われているかどうかは、排気モード同様に電子制御装置１０５の入力１にてテストポイントの電圧をモニターすることで確認される。テストポイントの電圧が＋５Vから＋１３Vの範囲であれば発電機９３は正常に動作しているものと判断する。
【００２９】
次に電子制御装置１０５は入力３にて下限センサー１７の状態をモニターし、貯水槽B、１８内の水位を確認する。下限センサーがOFFになれば水位が下限に達したと判断し、電動開閉弁B、１４を閉じて貯水槽B、１８からの下水流出を遮断する。次に電動開閉弁C、９６を閉じて電動開閉弁D、９７を開き、さらに電動開閉弁A、１３を開いて貯水槽A、１５内の下水を貯水槽B、１８へと取り込む。以下、同様にこれらの動作を反復し、継続的な発電を行う。
【００３０】
図４Bに本発明の電源ユニットに採用する定電圧電源回路の構成を示す。発電機からの不安定な発電出力は安定化回路によりDC12Vに安定化され、大容量蓄電池に蓄電されて電子制御装置と電動開閉弁に供給され、且つDC/ACコンバータによりAC100V出力となって目的の用途に供される。定電圧電源回路の構成は一例であって、この限りではなく、不安定な発電機出力が安定化されて大容量に蓄電され、DC12VとAC100Vが継続的に安定して供給されれば他の構成でも構わない。なお、蓄電池の容量は、想定される全負荷が使用されている状態で発電機が停止しても、少なくとも２４時間は継続給電できる容量が望ましい。
【００３１】
発電を停止する場合は、図５のフローチャートに示すように発電停止スイッチ１０７をONにすることにより発電停止割り込みを行う。これにより電子制御装置は電動開閉弁A、１３を閉じて貯水槽A、１５からの下水流入を遮断する。次に電動開閉弁B、１４を開いて貯水槽B、１８内の下水を排出し、下限センサー１７がOFFになったことを確認して電動開閉弁B、１４を閉じる。さらに電動開閉弁C、９６とD、９７を閉じるか又は閉状態を確認した後に装置を停止させる。
【００３２】
異常動作を確認した場合、例えば図５のフローチャートにおいてテストポイント電圧が＋５V以下または＋１３V以上の状態が制御しきれないときは何らかの異常が発生したと判断し、発電停止と同様の操作を行い装置を停止させる。
【００３３】
その他の異常、例えば何らかの故障により貯水槽A、１５または貯水槽B、１８に下水が異常に流入してオーバーフロー状態になった場合は、排水管A、７および排水管C、１９により外部にバイパス排水され、オーバーフローを防止する。
【実施例】
【００３４】
図１に示すような集合住宅への応用に適している。雑居ビルや商業ビルにも応用可能であるが、生活排水などが多く排出されて単位時間当たりの下水量が多い集合住宅への応用が最適である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
集合住宅に応用した場合、ビル全体で使用する電力の数パーセントを本発明の発電により負担できると想定される。主として廊下や内部階段部分の暗がりの照明、駐車場の照明、防犯灯の照明、災害による停電時の各戸玄関口の非常照明などの共用部分を、ほぼゼロ資源コストで賄えるので各戸で負担するビル管理費の軽減に商業的に寄与できる。
【００３６】
また停電時でも継続して給電できることから、ビル玄関口の防犯照明や通用口の防犯照明、駐車場の防犯照明、防犯アラーム装置の電源バックアップなどビル全体の保安設備の信頼性向上が可能となって集合住宅全体の商業的価値を高めることができる。
【符号の説明】
【００３７】
符合の説明は各図面の下部の符合表に記載あり。
【要約】
【課題】生活排水などの下水から得られるエネルギーを効率よく利用し、下水による汚れや腐食を防いで経年変化を抑制できる発電装置の考案
【解決手段】下水から得られる位置エネルギーを空気圧エネルギーに変換し、風車を回転させて発電機を駆動することにより下水のエネルギーを効率よく利用し、且つ下水から風車を物理的に隔離して、汚れや腐食による経年変化を防ぐ発電装置を構成する。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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