(57)【要約】【課題】空気の浮力と液流の排出力とを利用して水力タービンを回転させて発電する沈水式発電装置を提供する。【解決手段】液体Ｗに浮遊させる浮遊本体３１内において、その喫水線γの高さ位置に圧力タンク３３を設け、前記浮遊本体３１の外周から液体Ｗを前記圧力タンク３３内に導入し、該圧力タンク３３内にコンプレッサ３８により圧力タンク３３に空気を導入して、圧力タンク内の液体を排出しつつ圧力タンク３３内の底部に接続された水圧管１６の出口に設けた、発電機３７の水力タービン３６を回転させ、また、前記コンプレッサ３８による空気の導入を水力タービン３６の下流側から行うことにより、コンプレッサ３８からの空気の浮力を水力タービン３６に作用させる。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体（Ｗ）に浮遊させる浮遊本体（１１、３１）と、
該浮遊本体（１１、３１）内において、その喫水線（γ）の高さ位置に設けた圧力タンク（２、１２、３３）と、
前記浮遊本体（１１、３１）の外周に、前記喫水線（γ）より下方近傍に開けた導入口（１３、３５）と、
該導入口（１３、３５）と前記圧力タンク（２、１２、３３）とを連通する導入管（１５）と、
該導入管（１５）の途中に設けた閉止弁（１４）と、
前記圧力タンク（２、１２、３３）の底部に接続された水圧管（１６）の出口に設けた、発電機（３、１７、３７）の水力タービン（４、１８、３６）と、
上記圧力タンク（２、１２、３３）内に空気を導入する送風機（５、１９、３８）とを備え、
上記送風機（５、１９、３８）の排気口（６）を上記水力タービン（４、１８、３６）の下流側に接続し、
前記導入口（１３、３５）から液体（Ｗ）を流入する際に、前記導入管（１５）を通して液体（Ｗ）を前記圧力タンク（２、１２、３３）内に導入して貯水するとともに、
前記閉止弁（１４）を閉じた状態において、前記送風機（５、１９、３８）により空気を水力タービン（４、１８、３６）内を通して圧力タンク（２、１２、３３）内に流入させ、該空気を上記水力タービン（４、１８、３６）に作用させるとともに、圧力タンク（２、１２、３３）内から水力タービン（４、１８、３６）内を通して排出される液体（Ｗ）の液流を水力タービン（４、１８、３６）に作用させた
ことを特徴とする沈水式発電装置。
【請求項２】
上記送風機（５）がコンプレッサ（１９、３８）である、ことを特徴とする請求項１に記載した沈水式発電装置。
【請求項３】
前記発電機（３、１７、３７）で出力した電流を充・放電するバッテリー（２３）を系統連系に設けた、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した沈水式発電装置。
【請求項４】
前記送風機（５、１９、３８）の駆動、前記閉止弁（１４）の開閉、及び前記バッテリー（２３）の充・放電電流を制御する制御装置（２６）を設けた、ことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載した沈水式発電装置。
【請求項５】
前記発電機（３、１７、３７）の水力タービン（４、１８、３６）の回転数と発電状況に関する制御装置（２６）による制御内容のデータを遠隔へ送る送信装置（２７）を設けた、ことを特徴とする請求項４に記載した沈水式発電装置。
【請求項６】
前記浮遊本体（１１、３１）を、液体（Ｗ）を入れた水槽（３２）内に浮遊させた、ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載した沈水式発電装置。
【請求項７】
前記水槽（３２）内に浮遊させた前記浮遊本体（１１、３１）を上下方向に浮沈させる伸縮装置（３４）を水槽（３２）に設けた、ことを特徴とする請求項６に記載した沈水式発電装置。
【請求項８】
前記浮遊本体（１１、３１）内と水槽（３２）内とを連通する空気流入口を該浮遊本体（１１、３１）に設けた、ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載した沈水式発電装置。
【請求項９】
前記水槽（３２）内を高圧にした、ことを特徴とする請求項６、請求項７又は請求項８に記載した沈水式発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペットボトルに水を入れ逆さまにすると水が流出するが、下から空気をいれた場合更に勢い良く水が流出する原理を利用し、空気と液流とを利用して水力タービンを回転させて発電する沈水式発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。現在その代表的なものは、川に水をせき止める小さなダムを設け、その取水口から取り入れた水を水槽まで導き、そこから水圧鉄管を介して水の流れ落ちる力を利用して高速・高圧の水で水車を回転し、当該水車と連動する発電機で発電するというものである。
【０００３】
特に、水力発電のうち揚水発電は、発電所を挟んで位置する下部調整池から水を汲み上げ、電気の使用量の多い昼間に上部調整池から水を落として発電する方式である。このような揚水発電はそのエネルギー転換効率が６割程度といわれているが、夜間の余剰電力を使用する点で経済的効果が大とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の水力発電方法は、水を高速・高圧で落下させるために、取水ダムの設置場所と水車の設置場所に相当の高度差を設けなければならないといった立地条件が制限されるという問題を有していた。更に、かかる立地条件を満たすための設置場所は自然環境を破壊する結果を招くことが多々あった。
【０００５】
【特許文献１】
そこで、本出願人により出願した特願２００２−２９１９３９号において示した沈水式発電装置がある。この出願の明細書に記載した沈水式発電装置によれば、タンク内の液体をタンク内に空気を流入させて下部から排出させ、その排出力（水流）により水力タービンを回転させ発電を行おうとするものである。
【０００６】
この沈水式発電装置にあっては、タンク内から排出される液流より水力タービンを回転させるもので、ある程度のエネルギー効率を得ることができるが、さらなる、エネルギー効率の向上が求められている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、液体（Ｗ）に浮遊させる浮遊本体（１１、３１）と、浮遊本体（１１、３１）内において、その喫水線（γ）の高さ位置に設けた圧力タンク（２、１２、３３）と、前記浮遊本体（１１、３１）の外周に、前記喫水線（γ）より下方近傍に開けた導入口（１３、３５）と、該導入口（１３、３５）と前記圧力タンク（２、１２、３３）とを連通する導入管（１５）と、該導入管（１５）の途中に設けた閉止弁（１４）と、前記圧力タンク（２、１２、３３）の底部に接続された水圧管（１６）の出口に設けた、発電機（３、１７、３７）の水力タービン（４、１８、３６）と、上記圧力タンク（２、１２、３３）内に空気を導入する送風機（５、１９、３８）とを備え、上記送風機（５、１９、３８）の排気口（６）を上記水力タービン（４、１８、３６）の下流側に接続し、前記導入口（１３、３５）から液体（Ｗ）を流入する際に、前記導入管（１５）を通して液体（Ｗ）を前記圧力タンク（２、１２、３３）内に導入して貯水するとともに、前記閉止弁（１４）を閉じた状態において、前記送風機（５、１９、３８）により空気を水力タービン（４、１８、３６）内を通して圧力タンク（２、１２、３３）内に流入させ、該空気を上記水力タービン（４、１８、３６）に作用させるとともに、圧力タンク（２、１２、３３）内から水力タービン（４、１８、３６）内を通して排出される液体（Ｗ）の液流を水力タービン（４、１８、３６）に作用させたことを特徴とする沈水式発電装置（１、１０、３０）が提供される。
【０００８】
前記送風機（５、１９、３８）で発生した空気を流入させ、該空気の浮力とともに圧力タンク（２、１２、３３）内からの液体（Ｗ）の排出流で水力タービン（４、１８、３６）を回転させることができ、発電機（３、１７、３７）のエネルギー効率の向上に寄与する。
【０００９】
前記送風機（５）をコンプレッサ（１９、３８）にすることにより圧力タンク（２、１２、３３）内に圧縮空気を流入させることができ、水中においてより深度の深い位置で圧力タンク（２、１２、３３）内に圧縮空気を送風することが可能とし、その分、浮力による水力タービン（４、１８、３６）への作用を大きくすることができ、発電機（３、１７、３７）のより高効率化を図ることができる。
【００１０】
前記圧力タンク（２、１２、３３）に、前記閉止弁（１４）と連係動作する送風機（５、１９、３８）が設けられている。前記発電機（３、１７、３７）で出力した電流を充・放電するバッテリー（２３）を系統連系に設ける、ことができる。前記送風機（５、１９、３８）の給気、前記閉止弁（１４）の開閉、及び前記バッテリー（２３）の充・放電電流を制御する制御装置（２６）を設ける、ことが好ましい。前記発電機（３、１７、３７）の水力タービン（４、１８、３６）の回転数と発電状況に関する制御装置（２６）による制御内容のデータを遠隔へ送る送信装置（２７）を設ける、ことができる。
【００１１】
浮遊本体（１１、３１）を、液体（Ｗ）を入れた水槽（３２）内に浮遊させるように構成したので、装置全体をコンパクトにすることができる。例えば、浮遊本体（１１、３１）を上下方向に浮沈させる伸縮装置（３４）を設けることにより、導入口（１３、３５）から液体（Ｗ）が流入するときは勿論のこと、液体（Ｗ）が流出するときにも水力タービン（４、１８、３６）を回転駆動させて発電機（３、１７、３７）で発電することができる。
【００１２】
この場合、導入口（１３、３５）から液体（Ｗ）が流入、蓄積され、満水時に閉止弁（１４）が閉じる。この閉止弁（１４）は電動又は浮力を利用して弁を開閉する浮き等を使用するものとする。導入管（１５）は液体（Ｗ）を圧力タンク（２、１２、３３）内へ導き、送風機（５、１９、３８）は、液体（Ｗ）より軽い空気を圧力タンク（２、１２、３３）の上部に蓄積させる。この際、流入された空気は水力タービン（４、１８、３６）に作用する。また、圧力タンク（２、１２、３３）内に流入された空気により液体（Ｗ）を排出管より流出させ、該排出流は水力タービン（４、１８、３６）に作用する。空気流入口は浮遊本体（１１、３１）の外部からの空気を送風機に送る構成とすることが好ましい。
【００１３】
浮遊本体（１１、３１）を、液体（Ｗ）を入れた水槽（３２）内に浮遊させると、当該沈水式発電装置の小型化を図ることができる。
【００１４】
前記水槽（３２）内に浮遊させた前記浮遊本体（１１、３１）を上下方向に浮沈させる伸縮装置（３４）を水槽（３２）に設けると、圧力タンク（２、１２、３３）内へ液体（Ｗ）の流入を調整することができる。水槽（３２）内を高圧にすると、圧力タンク（２、１２、３３）内への液体（Ｗ）の導入をスムーズにすることができ、当該発電機（３、１７、３７）のエネルギー効率をさらに向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
発電機の水力タービンをタンク内の圧力を増しその液体の排出流にて回転させるものについては、上記本出願人の特願２００２−２９１９３９号に記載したとおりであり、本発明沈水式発電装置は、これに加えて浮力を利用して水力タービンの回転力を増大しようとするものである。
【００１６】
先ず、図１を用いて、浮力のみを利用した場合の発電の効率について説明する。
【００１７】
沈水式発電装置１は、たとえば、縦１０ｍ×横１０ｍ×高さ１ｍ（容積Ｖ＝１００ｍ３）の直方体の閉鎖的なタンク２の下部に発電機３を設置し、このようなタンク２を液体Ｗにその上部がやや水面から突出する程度に位置させる。
【００１８】
発電機３には水力タービン４が設けられ、該水力タービン４を回転させることにより発電する。
【００１９】
タンク２の上部に送風機５が設けられ、該送風機５の排出口６が上記発電機３の下流側に接続されており、該送風機５により発電機３の下流側に空気が送り込まれる。
【００２０】
なお、ここで用いる送風機５は静圧０．４〜４．８ｋＰａ（４０〜４９０ｍｍＡｑ）で、風量０．４〜９５ｍ３／ｍｉｎ、取付原動機０．２〜１５ｋｗのものを用いる。
【００２１】
発電機３の下流側に送り込まれた空気は気泡となり、発電機３内を通過して上記タンク２内に送り込まれる。
【００２２】
このとき、上記気泡は発電機３内を上昇し、上記水力タービン４を回転させ発電を行う。
【００２３】
このときの、水力タービン４の回転による発電効率は以下のように求められる。
【００２４】
先ず、上記送風機５を用いた場合、計算を簡単にするため、タンク２の高さ０．５ｍ（４９０ｍｍＡｑ）まで、空気を送り込むことが可能とすれば、タンク２の容積Ｖの半分すなわち、５０ｍ３の水を押し退けたことになる。
【００２５】
物体（水）の重量は、
５０ｍ３×１０００ｋｇ／ｍ３＝５００００ｋｇ（＝５０ｔ）
物体（水）の浮力は、
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物体（水）を０．５ｍ動かした仕事量は、
４９００００Ｎ×０．５ｍ＝２４５０００Ｊ
実際に空気を送り込むのに要する時間
５０ｍ３／９５ｍ３／ｍｉｎ＝０．５２ｍｉｎ（約３２ｓｅｃ）
∴仕事率（電力）は、
２４５０００Ｊ／３２ｓｅｃ＝７６５６ｗ（約７．７ｋｗ）
【００２６】
となる。これにより、上記発電機３における浮力による発電効率（仕事量）は７．７ｋｗであることが分かる。
【００２７】
よって、浮力のみによるエネルギー転換効率は、発電効率／送風機の仕事量で、これを計算すると、
【００２８】
７．７／１５＝５１．３３％となる。これは浮力のみに着目した場合の転換効率であり、後述するように、タンク２内から排出される液体Ｗの排出流による発電効率を加えると、少なくとも上記揚水発電のエネルギー転換効率６割を上回る。
【００２９】
そして、上述した本特許出願人が出願した特願２００２−２９１９３９号で示した沈水式発電装置に加え、発電機３の水力タービン４に気泡の上昇による浮力を作用させることにより、水力タービン４にさらに回転力を与え、発電のエネルギー効率を向上させることができる。
【００３０】
次に、本発明の沈水式発電装置の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。図２乃至図４は沈水式発電装置の第１の実施の形態を示すもので、図２は全体の概略断面図、図３は水力タービンの拡大断面図、図４は制御系のブロック図である。
【００３１】
第１の実施の形態の沈水式発電装置１０は、海水、河川水又は湖水等の液体に浮遊させる船舶のような浮遊本体１１と、この浮遊本体１１内において、その喫水線γの高さ位置に圧力タンク１２を設けたものである。浮遊本体１１の外周に、喫水線γより下方近傍に開けた導入口１３と、この導入口１３と圧力タンク１２とを連通すると共に、途中に閉止弁１４を有する導入管１５とを設けた。この導入口１３と圧力タンク１２とを喫水線γより下方近傍になるように配置したのは、圧力タンク１２内に液体ｗを効率良く貯水するためである。圧力タンク１２に設けた閉止弁１４は、圧力タンク１２内の空気及び液体Ｗが導入管１５から流出することを防止するものである。
【００３２】
圧力タンク１２の底部には、水圧管１６を介して発電機１７の水力タービン１８が接続され、さらに、水力タービン１８の下流側には液流を外部へ排出する排出管２０が設けられ、また、該排出管２０の水力タービン１８側に上記コンプレッサ１９の送風管２１が接続されている。
【００３３】
送風管２１が接続された排出管２０の部位には、ガイドナー２２が設けられており、該ガイドナー２２は、排出管２０に送風された圧縮空気を効率よく水力タービン１８まで導くとともに、水力タービン１８からの排出流を排出管２０に効率よく排出することができる。
【００３４】
水力タービン１８は、水の位置エネルギーを機械的エネルギーに変換するとともに、上記原理でも説明したように、コンプレッサ１９からの圧縮空気を水力タービン１８の羽１８ａで受け止め、気泡の浮力を機械的エネルギーに変換するものである。かかる水力タービン１８は、図示するような羽根構造に限らず、プロペラ構造、スクリュー構造の何れでもよい。なお、ここで液体Ｗは海水に限らず、川、沼、湖、ダム等における淡水の他、オイル、水銀等の液状体も含むものである。
【００３５】
しかして、上記コンプレッサ１９から圧縮空気を送風管２１から水力タービン１８内に導入すると、先ず、圧縮空気が気泡となって水力タービン１８内に導入され、ガイドナー２２に導かれて水力タービン１８まで浮上し、水力タービン１８の羽１８ａで受け止められる。水力タービン１８の羽１８ａで受け止められた気泡は、該羽１８ａを上方へ押し上げることになり、水力タービン１８に回転力を与えることになる。
【００３６】
そして、水力タービン１８を回転させた気泡はさらに上昇して、圧力タンク１２内に進入した後、さらに上昇して圧力タンク内の上部に貯められ、その分、圧力タンク１２内の上部の圧力が高くなる。圧力タンク１２内の上部の圧力が高められると、圧力タンク１２内の液体Ｗが下部に押し下げられ、水圧管１６、排出管２０を通して排出される。このとき、その排出流は水力タービン１８を回転させることになり、上記浮力による水力タービン１８への作用に、この排出流による作用が水力タービン１８に加わり、なおさら水力タービン１８の回転力が増加される。
【００３７】
このように、水力タービン１８の排出管２０に流入された圧縮空気は、水力タービン１８は液流（水流）のみによる回転力に加えて気泡による回転力が加わり、さらに回転力を増すことになり、その結果、発電機１７の発電効率をさらに向上させることができる。
【００３８】
また、コンプレッサ１９により圧縮空気を圧力タンク１２に導入した場合、液体に比べ気体の方が遥かに少ない運動量で済むため、より高い加圧が可能となる。特に圧力タンク１２の底部は注射器のように一点に圧力を高める構成となっているため、さらに圧力を高め、発電機１７の発電能力を高めることが可能となる。
【００３９】
図４は本発明の制御系統を示す構成ブロック図である。
【００４０】
本発明の発電機１７で発電した電流は、系統連系に設けたバッテリー２３を充・放電する。この充電した電力は、前述したコンプレッサ１９の給気するための駆動電源、閉止弁１４を開閉するサーボモータ２４の駆動電源として利用するようになっている。これらのコンプレッサ１９の給気、閉止弁１４のサーボモータ２４の駆動、及びバッテリー２３の充・放電電流について電力測定装置２５を介して制御装置２６により制御する。
【００４１】
更に、この系統連系には発電機１７の水力タービン１８の回転数と発電状況に関する制御装置２５による制御内容のデータを遠隔へ送る送信装置２７を設けたので、逐次発電状況を認識することができる。
【００４２】
図５及び図６は本発明沈水式発電装置の第２の実施の形態を示すもので、図５は断面図であり、図６は要部を拡大して示す断面図である。
【００４３】
第２の実施の形態にかかる沈水式発電装置３０は、第１の実施の形態のような、浮遊本体１１を海水、河川水又は湖水等の液体Ｗに船舶のように浮遊させるものとは異なり、略円筒形状の浮遊本体３１を液体Ｗを入れた水槽３２内に浮遊させ、上記浮遊本体３１の内部に圧力タンク３３を配置している。この第２の実施の形態にかかる沈水式発電装置３０にあっては、装置全体をコンパクトにすることができる。浮遊本体３１を上下方向に浮沈させるパンタグラフ形状の伸縮装置３４を設けることにより、導入口３５から液体Ｗが流入するときは勿論のこと、液体Ｗが流出するときにも水力タービン３６を回転駆動させて発電機３７で発電することができる。
【００４４】
また、水槽３２の内部はたとえば約２気圧の高圧にしておくことにより、浮遊本体３１内の圧力タンク３３への液体Ｗの導入をスムーズにすることができ、当該発電機３７の発電効率をさらに向上させることができる。
【００４５】
コンプレッサ３８には水力タービン３６の下流側の排出管３９の途中に連通する送風管４０が設けられ、水力タービン３６内の水圧に勝る圧力の空気が水力タービン３６内に送られる。
【００４６】
そして、水力タービン３６の排出管３９に流入された空気は、排出管３９内で気泡となって上昇し、水力タービン３６の羽３６ｂで受け止められる。水力タービン３６の羽３６ｂで受け止められた気泡は、該羽３６ｂを上方へ押し上げることになり、水力タービン３６に回転力を与えることになる。これにより、水力タービン３６は水流のみによる回転力に加えて気泡による回転力が加わり、さらに回転力を増すことになり、その結果、発電機３７の発電効率をさらに向上させることができる。
【００４７】
なお、本発明は上述した発明の各実施の形態に限定されず、浮遊本体１１、３１が、浮遊本体１１、３１の質量と引力により圧力タンク１２、３３内に貯水する構成であれば、図示した第１及び第２の形態に限定されず、その他種々の形状にすることができ、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。
【００４８】
【発明の効果】
上述したように、本発明の沈水式発電装置は、浮遊本体が浮遊本体の質量と引力によりする際に、導入内筒の上端開口部より喫水線が下方になると、水を導入口から導入内筒を通して圧力タンク内に導入して貯水し、この圧力タンク内に貯水した水をその位置エネルギーを利用して水力タービンを回転駆動させ、さらに、水力タービンの下方から送風機（コンプレッサ）で圧縮空気を流入することにより、浮力を利用して水力タービンを回転させることができ、容易に発電することができる。
【００４９】
また、浮遊本体を水槽内に浮遊させて装置全体をコンパクトにすることができ、容易に水力タービンを回転駆動させて発電機で発電することができる、等の効果がある。
【００５０】
これにより、上述した水力発電方法のように、水を高速・高圧で落下させ、取水ダムの設置場所と水車の設置場所に相当の高度差を設けなければならないといった立地条件に制限されることなく、また、自然環境を破壊することがない発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】浮力のみを利用した場合の発電の効率について説明するための概略断面図である。
【図２】図３及び図４とともに本発明沈水式発電装置の第１の実施の形態を説明するためのもので、本図は全体の概略断面図である。
【図３】水力タービンの拡大断面図である。
【図４】制御系のブロック図である。
【図５】図６とともに本発明沈水式発電装置の第２の実施の形態を説明するためのもので、本図は全体の概略断面図である。
【図６】水力タービンの拡大断面図である。
【符号の説明】
１  沈水式発電装置
２  タンク
３  発電機
４  水力タービン
５  送風機
６  排出口
Ｗ  液体
γ
１０  沈水式発電装置
１１  浮遊本体
１２  圧力タンク
１３  導入口
１４  閉止弁
１５  導入管
１６  水圧管
１７  発電機
１８  水力タービン
１９  コンプレッサ
２０  排出管
２１  送風管
２２  ガイドナー
２３  バッテリー
２４  サーボモータ
２５  電力測定装置
２６  制御装置
２７  送信装置
３０  沈水式発電装置
３１  浮遊本体
３２  水槽
３３  圧力タンク
３４  伸縮装置
３５  導入口
３６  水力タービン
３７  発電機
３８  コンプレッサ
３９  排出管
４０  送風管
【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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【図６】
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