(57)【要約】【課題】  非常時における大規模負荷に対して水のエネルギを活用して給電を可能とする給電システムを提供する。【解決手段】  建造物の上部に設置された貯水槽２と、貯水槽２から貯留水を落下させる発電専用水路６と、発電専用水路６の下部に設置され、発電専用水路６を介して流下する貯留水により回転される水車８と、水車８の回転運動によって回転し、負荷系統に給電可能とする発電機Ｇ２と、発電専用水路６を開閉する開閉弁１１とを有し、商用電源系統の電圧低下を検出した場合に開閉弁１１を開状態に切り替え、給水槽２の水を発電用水路６を介して流下させ、水車８を回転させて発電機Ｇ２により発電し、得られた電力を負荷系統に供給する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建造物の上部に設置された貯水槽と、
貯水槽から貯留水を流下させる発電専用水路と、
前記発電専用水路の下部に設置され、前記発電専用水路を介して流下する貯留水により回転される水車と、
前記水車の回転運動によって回転し、負荷系統に給電可能とする発電機と、
前記発電専用水路を開閉する開閉手段と、
商用電源系統の電圧低下を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段によって電圧低下を検出した場合に前記開閉手段を開状態に切り替える制御手段と
を具備することを特徴とする給電システム。
【請求項２】
前記制御手段による前記開閉手段の開状態への切換えは、前記電圧検出手段によって電圧低下を検出してから所定時間が経過した後に行われることを特徴とする請求項１記載の給電システム。
【請求項３】
前記建造物の給水用の配管内に設置され、使用流水により回転させる他の水車と、
この他の水車の回転運動によって回転し、電力を生成する他の発電機と、
前記他の発電機により生成された電力を蓄積し、蓄積された電力を負荷系統に利用可能とする蓄電手段と
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の給電システム。
【請求項４】
前記貯水槽に水を汲み上げる揚げ水ポンプと前記発電機とを一体化したことを特徴とする請求項１記載の給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ビルの屋上や給水塔に設けられた貯水槽の水を利用して発電し、非常用電源として利用することが可能な給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの企業に導入されているシステムやサーバは、安定稼動が前提条件となっており、商用電源系統が停電または瞬時電圧低下した場合に備え、鉛蓄電池やフライホイールなどを利用した無停電電源装置（ＵＰＳ）に接続されている。また、災害時や非常時の停電時に給排水ポンプや照明、エレベータなどの大規模負荷に対して必要な電力を供給するディーゼル発電機を利用した非常用電源設備なども利用されている。
【０００３】
しかしながら、鉛蓄電池は、経年により容量が低下し、外気の温度変化により性能が変化する不都合があり、また、フライホイールにあっては、回転体を高速回転させるので、取り扱いに注意が必要となる。また、ディーゼル発電機にあっては、使用許可が必要になるなど厳格な管理が必要となる。このため、これらに代わる簡易な代替給電システムの開発が要請されている。
【０００４】
ところで、貯水槽給水方式を採用しているオフィスビルなどにあっては、水道本管から受水槽に溜められた水を揚水ポンプにより屋上などの高所に設置された貯水槽（高置水槽）に汲み上げ、貯水槽から給水管を介して給水するようになっている。また、給水塔にあっても、揚水ポンプにより水道本管の水や地下水などを貯水槽に汲み上げ、給水管を介して各設備に供給するようになっており、これら貯水槽から給水される水は、その運動エネルギーや位置エネルギーが有効に利用されておらず、エネルギーの殆どが無駄に費やされている。
【０００５】
このため、貯水槽に溜められた水のエネルギーを利用することが考えられており、例えば、特許文献１に示されるように、トイレ、洗面所、風呂場、台所等の水利用施設における流水用の配管内に水の流れで回転する回転体を設け、この回転体の回転に連動して回転する発電機で生成された電気エネルギーを蓄電池に蓄電し、この蓄電された電気エネルギーを水利用施設における電気施設に利用する発電システムなどが公知となっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５３７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した構成においては、本来給水のみを意図して設けられている給水管の流水を利用して発電しているので、比較的消費電力が少なく連続的に使用しない設備の補助電源又は代替電源として適したものであるが、大規模な負荷に対しては対応しきない不都合があり、停電などに用いられる非常用電源としては適していない。
【０００８】
そこで、この発明においては、非常時における大規模負荷に対して水のエネルギを活用して給電を可能とする給電システムを提供することを主たる課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するために、この発明に係る給電システムは、建造物の上部に設置された貯水槽と、貯水槽から貯留水を流下させる発電専用水路と、前記発電専用水路の下部に設置され、前記発電専用水路を介して流下する貯留水により回転される水車と、水車の回転運動によって回転し、負荷系統に給電可能とする発電機と、前記発電専用水路を開閉する開閉手段と、商用電源系統の電圧低下を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって電圧低下を検出した場合に前記開閉手段を開状態に切り替える制御手段とを具備することを特徴としている（請求項１）。
【００１０】
したがって、上述した構成によれば、電圧検出手段によって商用電源系統の電圧低下が検出されると、制御手段によって開閉手段が開状態に切り替えられるので、給水槽の貯留水が発電用水路を介して一気に流下し、水車が回転して発電機により発電された電力を負荷系統に供給することが可能となり、非常用電源として利用することが可能となる。
【００１１】
ここで、制御手段による開閉手段の開状態への切換えは、電圧検出手段によって電圧低下を検出してから所定時間が経過した後に行うようにするとよい（請求項２）。既存の給電系統は、停電しても早期に復旧する場合が多いことから、商用電源系統の電圧低下が一時的なものであれば、給電系統を切り替える必要がないので、早期の復旧が困難な場合ににのみ給電系統が切り替えられる。
【００１２】
また、以上の構成に加え、建造物の給水用の配管内に設置され、使用流水により回転させる他の水車と、この他の水車の回転運動によって回転し、電力を生成する他の発電機と、前記他の発電機により生成された電力を蓄積し、蓄積された電力を負荷系統に利用可能とする蓄電手段とをさらに具備するようにしてもよい（請求項３）。
【００１３】
このような構成によれば、前述したシステムを非常用電源装置として機能させつつ、無停電電源装置としても機能させることが可能となる。
【００１４】
尚、前記発電機は、直流発電機を用い、インバータを介して負荷系統に給電するものであっても、交流発電機を用い、コンバータとインバータとを介して負荷系統に給電するものであってもよい。また、前記貯水槽に水を汲み上げる揚げ水ポンプと発電機とを一体化し、コンパクトな機器を構成してもよい（請求項４）。
【発明の効果】
【００１５】
以上述べたように、請求項１に係る発明によれば、電圧低下を検出した場合に建造物の上部に設置された貯水槽から貯留水を発電専用水路を介して流下させ、水車を回転させて発電機により電力を発生させるようにしたので、非常時において大規模負荷に対して給電することが可能となる。
【００１６】
また、請求項２に係る発明によれば、制御手段による開閉手段の開状態への切換えを、電圧検出手段によって電圧低下を検出してから所定時間が経過した後に行うことが可能となるので、早期に商用電源系統の復旧が困難な場合にのみ負荷に対して給電系統を切り替えることが可能となる。
【００１７】
さらに、請求項３に係る発明によれば、非常用電源装置としての構成に加え、建造物の流水用の配管内に流水により回転する水車を設置し、この水車の回転運動によって発電機を回転させて電力を生成し、この生成された電力を蓄電手段に蓄積して負荷系統に利用可能としたので、非常用電源装置としての機能を持たせつつ、無停電電源装置としても機能させることが可能となる。
【００１８】
さらにまた、請求項４に係る発明によれば、貯水槽に水を汲み上げる揚げ水ポンプと発電機とを一体化したので、上述した効果に加えて、コンパクトな機器を形成し、設置スペースの縮小化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１において、貯水槽給水方式を採用したビルに本発明に係る給電システムを採用した構成例が示されている。この貯水槽給水方式を採用しているビルは、地面などの低所に受水槽１が設定され、屋上などの高所に貯水槽（高置水槽）２が設置され、水道本管の水をいったん受水槽１に貯め、この受水槽１の水を揚水ポンプ３により揚水パイプ４を介して貯水槽２に汲み上げ、この貯水槽２から各階のトイレや洗面所、風呂場、台所等の水利用施設へ給水管５を介して給水するようにしている。
【００２１】
また、ビルの貯水槽２が設けられた高所から地面などの低所にかけて貯水槽２の水を流下させる発電専用水路６が設けられている。この発電専用水路６は、給水管５とは別経路として独立に設けてもよいが、この例においては、給水管５から分岐した経路として設けられている。
【００２２】
給水管５の途中には、給水管内を流れる水により回転する第１の水車７が収容され、また、発電専用水路６の下部には、発電専用水路６を介して流下する水により回転する第２の水車８が設置されている。第１の水車７は、ベルト伝達機構を介して、或いは回転軸を同軸とした第１の直流発電機Ｇ１と連結され、第２の水車８は、ベルト伝達機構を介して、或いは回転軸を同軸とした第２の直流発電機Ｇ２と連結され、それぞれ水車７，８の回転運動により発電機Ｇ１，Ｇ２を回転させ、電力（電気エネルギー）を生成するようにしている。
【００２３】
発電専用水路６は、途中に設けられた開閉弁１１によって開閉されるもので、この開閉弁１１が閉状態であるときは、貯水槽２の水を給水管５を介して各フロアへ供給可能とし、開状態であるときは、貯水槽２の水を、給水管５を介して各フロアへ供給可能としつつ、発電専用水路６を介して流下させるようにしている。
【００２４】
図２に上述したビルの給電系統の概略が示されており、重要負荷１２は、常時インバータ方式のＵＰＳに接続され、平常時においては、商用電源からの交流電力がコンバータ（整流器）１３を介して蓄電池１４に入力されると共にインバータ１５に入力され、蓄電池１４を充電すると共にインバータ１５を介して負荷に供給され、停電時においては、蓄電池１４に蓄積された電力がインバータ１５を介して負荷に供給されるようになっている。
【００２５】
また、一般負荷１６に対しては、商用電力が開閉器１７を介して供給されると共に以下に述べる無停電電源装置と非常用電源装置からも電力が供給可能となっている。即ち、前記第１の直流発電機Ｇ１によって生成された電力は、蓄電池１８に入力されると共にインバータ１９に入力され、蓄電池１８を充電すると共にインバータ１９を介して一般負荷１６へ供給されるようになっており、前記第２の直流発電機Ｇ２によって生成された電力は、インバータ２０及び開閉器２１を介して一般負荷１６に供給されるようになっている。
【００２６】
ここで、重要負荷１２とは、コンピュータシステムやサーバなど無瞬断で電力を供給する必要がある負荷を想定しており、一般負荷１６とは、前述した揚水ポンプを含む給排水ポンプや照明、エレベータなど、施設の用途により停電時にその機能を維持するために必要な設備機器を想定している。
【００２７】
また、商用電源系統の電圧は、電圧検出部２２によって検出され、この電圧検出部２２により検出された結果は所定の信号として制御部２３に入力されるようになっている。
【００２８】
制御部２３は、例えば、中央演算装置（ＣＰＵ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力ポート、開閉弁や開閉器を駆動制御する駆動制御回路等を有して構成されているもので、電圧検出部からの信号などが入力され、メモリに与えられた所定のプログラムにしたがって入力信号を処理し、開閉弁１１の開閉、開閉器１７，２１の開閉を制御するようにしている。
【００２９】
これら電圧検出部２２や制御部２３は、商用電源系統の停電時においても動作し得るように、蓄電池１８から電力が供給されるようになっている。
【００３０】
図３に、前記制御部による開閉弁１１および開閉器１７，２１の制御動作例がフロチャートとして示されており、以下、このフローチャートに基づいて制御動作例を説明する。ここで示す制御動作例は、説明の便宜上、開閉弁１１および開閉器１７，２１の制御動作と関連する処理のみが示され、その他の処理は割愛されている。
【００３１】
制御部２３は、初期設定などの一連の処理を経てこの制御ルーチンを行うもので、ステップ５０において、電圧検出部２２によって検出された電圧値に対応する信号が入力され、次のステップ５２において、商用電源の電圧が所定の閾値以下に低下したか否かを判定する。このステップ５２により商用電源系統に停電などが生じたことが検出される。
【００３２】
その後、ステップ５４において、電圧低下が発生してから所定時間が経過したか否かが判定される。電圧低下が検出された場合でも多くの場合には短時間で復旧することから、災害時などのように長時間にわたって復旧する見込みがない状態であることを判別する必要があり、このステップにおいて、電圧低下が所定時間経過したと判定された場合には、開閉弁１１を開状態にして貯水槽２の水を発電専用水路６を介して流下させ、第２の水車８を回転させて第２の直流発電機Ｇ２により電力を生成し（ステップ５６）、また、開閉器１７を開成して商用電源系統を遮断すると共に、開閉器２１を閉成して第２の直流発電機Ｇ２で生成された電力を一般負荷１６に供給する（ステップ５８）。
【００３３】
したがって、上述の構成によれば、停電が生じた場合には、重要負荷１２に対しては蓄電池１４からの電力が無瞬断で供給され、一般負荷１６に対しては、蓄電池１８からの電力が無瞬断で供給されると共に、発電専用水路６を流下する水によって発電された電力が供給されることとなる。ここで、第２の直流発電機Ｇ２による出力Ｐは、貯水槽２の高さをＨｍ、水の流量をＱｍ3 ／ｓ、効率（水車効率×発電機効率）をηとすると、Ｐ＝９．８ηＨＱ（ｋW)となり、この電力がインバータ２０を介して一般負荷１６に供給されるので、給排水ポンプやエレベータなどの大規模負荷にも対応することが可能となる。
【００３４】
さらに、上述の構成によれば、第１の直流発電機Ｇ１で発電された電力が平常時にも一般負荷１６に供給されるので、この電力分だけ商用電源による消費電力が節約され、貯水槽２の水のエネルギーを有効に利用することが可能となり、また、停電時においては、一般負荷１６に対しても蓄電池１８による無瞬断の電力供給が可能になるので、開閉器１７，２１の切換えに数msec程度時間がかかる場合でも安定した電力を供給することが可能となる。このため、一般負荷１６にコンピュータや通信機器などを割り当てることも可能となる。
【００３５】
図４に上述した構成の変形例が示されている。この変形例が前記構成例と異なる点は、前記揚水ポンプ３と、第２の水車８及び第２の直流発電機Ｇ２によって構成される水車発電機２４とを一体化してユニット装置２５を構成した点にある。このような構成においては、発電専用水路６が揚水パイプ４に接続されると共にこの接続部分の手前に開閉弁２６がさらに設けられており、この開閉弁２６を前記制御部２３により開閉弁１１と同期して開閉制御させるようにしている。即ち、通常時においては、開閉弁１１，２６を閉成してユニット装置２５を揚水ポンプとして使用し、非常時においては、開閉弁１１，２６を開成して貯水槽２の水を発電専用水路６を流下させて水車８へ供給し、ユニット装置２５を発電機として使用するようにしている。
尚、その他の構成は、前記構成例と同様であるので、同一箇所に同一番号を付して説明を省略する。
【００３６】
このような構成によれば、一台のユニット装置２５によって揚水ポンプと発電機とを兼用することができるので、コンパクトな機器を形成することができ、設置スペースの縮小化を図ることが可能となる。
【００３７】
尚、上述の構成においては、負荷系統を重要負荷１２と一般負荷１６とに分類し、非常時における給電系統を分けるようにしたが、重要負荷１２も一般負荷１６と同じ給電系統を利用してもよい。また、上述の構成例においては、貯水槽２を屋上に設置したビルの構成例を示したが、上部に貯水槽が設置される給水塔などの他の建造物に対しても同様の構成を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明に係る給電システムをビルに利用した構成例を示す図である。
【図２】図２は、本発明に係る給電システムを利用した給電系統例を示す図である。
【図３】図３は、図２の制御部による制御動作例を説明するフローチャートである。
【図４】図４は、図１に係る給電システムの変形例を示す構成例である。
【符号の説明】
【００３９】
２  貯水槽
３  揚水ポンプ
６  発電専用水路
７  第１の水車
８  第２の水車
１２  重要負荷
１６  一般負荷
２２  電圧検出部
２３  制御部
Ｇ１  第１の発電機
Ｇ２  第２の発電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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