(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方または下方から液体（Ｗ）が注水され、また、下方から液体が排水される水槽（１２，２）と、
該水槽に注水された液体または該水槽から排水された液体の液量に伴いに上昇・下降する浮力体（１１，１）と、
回転運動により発電を行う発電機（１６）と、
前記水槽への液体の注水または前記水槽からの液体の排水に伴う前記浮力体の水槽内での上昇および下降の上下運動を動力として、前記発電機を回転させるための回転運動に変換する運動変換手段（１７，７）と、を備えた、ピストン型水車を用いた発電装置であって、
前記運動変換手段には、前記浮力体の上昇・下降を制御するストッパ機構（１１１）が備えられており、
該ストッパ機構は、前記水槽（１２，２）内への注水が完了して満水となる前までは水槽内底部に浮力体を沈めた状態で留め、水槽内がほぼ満水となった時点で浮力体の上昇を許可し、また、前記水槽内からの排水が完了して空となる前までは水槽内上部に浮力体を宙吊り状態で留め、水槽内がほぼ空となった時点で浮力体の下降を許可する、ことを特徴とするピストン型水車を用いた発電装置。
【請求項２】
前記動力変換手段（１７，７）を構成するコンロッド（１７２）にはフライホイールが取り付けられており、前記浮力体（１１，１）が上死点または下死点で停止している際にも、前記コンロッドが慣性力によって回転して発電機に動力を与える、ことを特徴とする請求項１に記載のピストン型水車を用いた発電装置。
【請求項３】
前記浮力体（１１，１）内部には空洞部が形成されており、
該空洞部には水槽（１２，２）への注水により浮力体が発生する上昇力と、水槽からの排水により浮力体に発生する下降力とが同程度となる量の液体（Ｗ）が予め注水されている、ことを特徴とする請求項１に記載のピストン型水車を用いた発電装置。
【請求項４】
前記水槽（１２，２）の上部又は下部に形成された、液体（Ｗ）を注水するための注水口（１２１，２１）と、
前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口（１２２，２２）と、
該排水口を開閉するための排水口開閉弁（４２，４ａ）と、を備え、
該排水口開閉弁は、液体が水槽に溜まった液体からの水圧が所定値に達すると、排水口を開口して水槽に溜まった液体の排水し、水槽に溜まった液体の多くを排水した後に閉口する、ことを特徴とする請求項１に記載のピストン型水車を用いた発電装置。
【請求項５】
前記注水口（１２１，２１）を開閉するための注水口開閉弁（４１，４ｂ）をさらに備え、
該注水口開閉弁は前記排水口開閉弁（４２，４ａ）の開閉に連動して、排水口開閉弁が開口すると閉口し、排水口開閉弁が閉口すると開口する、ことを特徴とする請求項４に記載のピストン型水車を用いた発電装置。
【請求項６】
前記水槽（２Ａ，２Ｂ）の上部又は下部に形成された、液体（Ｗ）を注水するための注水口（２１）と、
前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口（２２）と、
前記水槽に、前記注水口及び前記排水口を開閉するための板状のスライド開閉弁（４，４ａ，４ｂ）と、を備え、
該スライド開閉弁は、水槽の前記注水口及び前記排水口が設けられている面に摺動して移動することによって、前記排水口を開放し、水槽の前記注水口及び前記排水口が設けられている面に摺動して移動することによって、前記注水口を開放する、ことを特徴とする請求項１に記載のピストン型水車を用いた発電装置。
【請求項７】
前記水槽（１２，２）の上部又は下部に形成された、液体（Ｗ）を注水するための注水口（１２１，２１）と、
前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口（１２２，２２）と、
前記注水口を開閉するための注水口開閉弁（４１，４ｂ）と、
前記排水口を開閉するための排水口開閉弁（４２，４ａ）と、
前記水槽の上面高さより高くにその底部が来る程度の高さに設置され、河川等から導き入れた液体（Ｗ）を一時的に貯水する貯水タンク（２０）と、を備え、
該貯水タンクに貯水した液体を、貯水タンクの底部から、前記注水口開閉弁を経て前記水槽に注水する、ことを特徴とする請求項１に記載のピストン型水車を用いた発電装置。
【請求項８】
複数の水槽（１２，２）が階段状に配置され、
上段の水槽の排水口（１２２，２２）から排水された液体（Ｗ）が、下段の水槽の注水口（１２１，２１）へ導かれる、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のピストン型水車を用いた発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン型水車を用いた発電装置に関する。より詳細には、水槽に河川水等を注水し、また水槽に溜めた河川水等を排水することにより、浮力体を上昇・下降させ、この浮力体の上下運動を動力として使用するピストン型水車を用いた発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水を利用する発電方法として水力発電が知られている。現在、水力発電の代表的な方法としては、河川に水をせき止めるための小さなダムを設けて発電する方法がある。この方法では、先ず、ダムの取水口から水が取り入れられ、取り入れられた水が発電所内の水槽に導かれる。次いで、その水槽から水圧鉄管を介して水が流れ落ちていく力によって、高速且つ高圧に水車やタービンが回転される。そして、その水車やタービンに連動する発電機によって発電が行われる。
【０００３】
また、特に、水力発電の中で揚水発電と呼ばれるものがある。この揚水発電は、発電所を挟んで位置する下部調整池から電気の使用量が少ない夜間に水を汲み上げ、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法である。このような揚水発電では、発電する際のエネルギー転換効率が６割以下といわれているが、夜間の余剰電力を利用して発電を行う点で経済的効果が大きい。
【０００４】
本願出願人は下記特許文献１において、タンク内に空気を流入させてタンク内の液体をタンクの下部から排出させ、その排出力（水流）によって水力タービンを回転させ発電を行おうとする発電装置を提案している。
【特許文献１】
特開２００４−１２４８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の水力発電方法では、水を高速且つ高圧で落下させるために、取水ダムの設定場所と水車やタービンの設置場所との間に相当の高低差を設けなければならない。しかし、一般に、河川や池、貯水地等から水をひいて、高所から高速且つ高圧で水を落下させることは、立地条件の確保等の点において非常に困難を伴うことが多かった。また、そのような立地条件を満たす設置場所に発電設備を設置した場合であっても、発電設備建設のために自然環境を破壊してしまう恐れがあった。
［０００６］
また、水を高所から落下させるのではなく、河川に直接プロペラ型の水車やタービンを設定して、河川を流れる水の流速を利用して発電することも考えられるが、発電のために必要な水の流速や水圧を確保することは難しいといった問題があった。
［０００７］
そこで、本発明は、液体（河川水等）を高所から落下させる立地条件を確保できない場合や多くの液量（水量）の確保が難しい場合であっても、非常に効率的に発電を行える小規模の発電装置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】
［０００８］
本発明のピストン型水車を用いた発電装置は、上方または下方から液体（Ｗ）が注水され、また、下方から液体が排水される水槽（１２，２）と、該水槽に注水された液体または該水槽から排水された液体の液量に伴いに上昇・下降する浮力体（１１，１）と、回転運動により発電を行う発電機（１６）と、前記水槽への液体の注水または前記水槽からの液体の排水に伴う前記浮力体の水槽内での上昇および下降の上下運動を動力として、前記発電機を回転させるための回転運動に変換する運動変換手段（１７，７）と、を備えた、ピストン型水車を用いた発電装置であって、前記運動変換手段には、前記浮力体の上昇・下降を制御するストッパ機構（１１１）が備えられており、該ストッパ機構は、前記水槽（１２，２）内への注水が完了して満水となる前までは水槽内底部に浮力体を沈めた状態で留め、水槽内がほぼ満水となった時点で浮力体の上昇を許可し、また、前記水槽内からの排水が完了して空となる前までは水槽内上部に浮力体を宙吊り状態で留め、水槽内がほぼ空となった時点で浮力体の下降を許可する、ことを特徴とする。
ここで、前記動力変換手段（１７，７）を構成するコンロッド（１７２）にはフライホイールが取り付けられており、前記浮力体（１１，１）が上死点または下死点で停止している際にも、前記コンロッドが慣性力によって回転して発電機に動力を与える、ことが好ましい。
［０００９］
また、前記浮力体（１１，１）内部には空洞部が形成されており、該空洞部には水槽（１２，２）への注水により浮力体が発生する上昇力と、水槽からの排水により浮力体に発生する下降力とが同程度となる量の液体（Ｗ）が予め注水されている、ことが好ましい。
［００１０］
さらに本発明は、前記水槽（１２，２）の上部又は下部に形成された、液体（Ｗ）を注水するための注水口（１２１，２１）と、前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口（１２２，２２）と、該排水口を開閉するための排水口開閉弁（４２，４ａ）と、を備え、該排水口開閉弁は、液体が水槽に溜まった液体からの水圧が所定値に達すると、排水口を開口して水槽に溜まった液体の排水し、水槽に溜まった液体の多くを排水した後に閉口する、ものとすることもできる。
［００１１］
ここで本発明は、前記注水口（１２１，２１）を開閉するための注水口開閉弁（４１，４ｂ）をさらに備え、該注水口開閉弁は前記排水口開閉弁（４２，４ａ）の開閉に連動し、排水口開閉弁が開口すると閉口し、排水口開閉弁が閉口すると開口する、ものとすることが好ましい。
【００１２】
また本発明は、前記水槽（２Ａ，２Ｂ）の上部又は下部に形成された、液体（Ｗ）を注水するための注水口（２１）と、前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口（２２）と、前記水槽に、前記注水口及び前記排水口を開閉するための板状のスライド開閉弁（４）と、を備え、該スライド開閉弁は、水槽の前記注水口及び前記排水口が設けられている面に摺動して移動することによって、前記排水口を開放し、水槽の前記注水口及び前記排水口が設けられている面に摺動して移動することによって、前記注水口を開放する、ものとすることもできる。
【００１３】
ここで、前記運動変換手段（１７，７）には、前記浮力体（１１，１）の上昇・下降を制御するストッパ機構（１１１）が備えられており、該ストッパ機構は、前記水槽（１２，２）内への注水が完了して満水となる前までは水槽内底部に浮力体を沈めた状態で留め、水槽内がほぼ満水となった時点で浮力体の上昇を許可し、また、前記水槽内からの排水が完了して空となる前までは水槽内上部に浮力体を宙吊り状態で留め、水槽内がほぼ空となった時点で浮力体の下降を許可する、ことが好ましい。
【００１４】
また本発明は、前記水槽（１２，２）の上部又は下部に形成された、液体（Ｗ）を注水するための注水口（１２１，２１）と、前記水槽の下部に形成された、液体を排水するための排水口（１２２，２２）と、前記注水口を開閉するための注水口開閉弁（４１，４ｂ）と、前記排水口を開閉するための排水口開閉弁（４２，４ａ）と、前記水槽の上面高さより高くにその底部が来る程度の高さに設置され、河川等から導き入れた液体（Ｗ）を一時的に貯水する貯水タンク（２０）と、を備え、該貯水タンクに貯水した液体を、貯水タンクの底部から、前記注水口開閉弁を経て前記水槽に注水する、ものとすることも好ましい。
【００１５】
さらに本発明のピストン型水車を用いた発電装置は、複数の水槽（１２，２）が階段状に配置され、上段の水槽の排水口（１２２，２２）から排水された液体（Ｗ）が、下段の水槽の注水口（１２１，２１）へ導かれる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のピストン型水車を用いた発電装置では、液体を水槽内に注水し水槽から排水する動作を繰り返すように制御することによって、浮力体の上下運動を回転運動に変換する。そのため、変換した回転運動によって発電機を大きな力によって回転させ、発電を行うことができる。これにより、水を高所から落下させる立地条件を確保できない場合であっても、発電を行うことができる。また流量が少ない河川・小川等であっても、その流量のほぼ全量を発電に利用することも可能であるため、非常に効率的に発電を行うことができる。
また、浮力体の上昇・下降を制御するストッパ機構を備えてやれば、浮力体が水槽内の液体の増減に従って徐々に昇降するのと比して、より大きな力で発電機を回転させて発電を行うことができる。
また、前記動力変換手段を構成するコンロッドにフライホイールを取り付けることにより、浮力体が停止している際にも、発電機に動力を与えることができるので、より効率的に発電を行うことが可能となる。
［００１７］
ここで、浮力体内部の空洞部に予め所定量の液体が注水されているように構成すれば、浮力体の上昇力と下降力を同じくすることができ、発電機の回転をスムーズに行わせることができる。ここで液体の所定量とは、注水により浮力体が発生する上昇力（＝浮力−荷重）と、排水により浮力体に発生する下降力（＝荷重）とが同程度となるような液量をいう。
［００１８］
また、水槽に溜まった液体の水圧を利用して排水口の開閉を行う機構を設ければ、電子的な制御によらずに排水口開閉弁の開閉を行うことができる。ここで水槽に注水口をさらに備えてやり、注水口開閉弁の開閉を排水口開閉弁の開閉に連動してやることで、より効率的な注水および排水により、発電効率を向上させることができる。
［００１９］
また、水槽内に、注水口及び排水口を開閉するための板状のスライド開閉弁を注水口開閉弁および排水口開閉弁として備えれば、スライド開閉弁を上方向又は下方向に摺動させて移動させることによって、効率的に注水口及び排水口の開閉を行うことができる。
［００２０］
［００２１］
また、水槽に注水する液体を水槽よりも高い位置に設置した貯水タンクから導き入れるようにすることで、水槽からの排水中においても、河川等から導入した水を無駄にすることなく貯水タンクに溜めることができ、有効に河川水等を利用することができる。
［００２２］
さらに、複数の水槽を階段状に配し、上段の水槽の排水口から排水された液体を下段の水槽の注水口に導くことで、少ない高低差、少ない水量の河川等であっても、効率的かつ大出力の発電を可能とすることができる。
【００２３】
なお浮力体を平たく構成しその平面積を増してやれば、液体中に沈むこととなる部分の高さが小さくなるため、例えば１ｍ以下の低落差しかない条件下でも発電を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施形態によるピストン型水車を用いた発電装置の他の構造例を示す断面図である。
【図２】図１に示す発電装置を側面側から見た透過図である。
【図３】第１の実施例の発電装置におけるシステム構成を示したブロック図である。
【図４】発電機６に対して左側に位置する浮力体１Ａ及び水槽２Ａを含む断面図である。
【図５】第２の実施形態によるピストン型水車を用いた発電装置の構造の例を示す断面図である。
【図６】浮力体及び水槽の構造の例を示す斜視図である。
【図７】ピストン型水車を用いた発電装置の平面図である。
【図８】運動変換手段が浮力体の上下運動を回転運動に変換する動作を示す説明図である。
【図９】運動変換手段の構造の例を示す説明図である。
【図１０】第３の実施形態による複数ユニットの発電装置を用いて発電を行う場合の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ  浮力体
２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ  水槽
３Ａ，３Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ  ロッド
４Ａ，４Ｂ  スライド開閉弁
４ａ  注水側開閉弁
４ｂ  排水側開閉弁
６，１６  発電機
７Ａ，７Ｂ，１７  運動変換手段
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ  発電装置
１９  ｖベルト
２０Ａ，２０Ｂ  貯水タンク
２３  谷部
４１Ａ，４１Ｂ  注水側開閉弁
４２Ａ，４２Ｂ  排水側開閉弁
５１  注水側分管
５２  排水側分管
７１  クランク
７２  ギア
７３  増速ギア
１１１  ストッパ機構
１２１Ａ，１２１Ｂ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ  注水口
１２２Ａ，１２２Ｂ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ  排水口
１５１Ａ，１５１Ｂ，１５１Ｃ，１５１Ｄ，１５１Ｅ  分岐入水管
１５２Ａ，１５２Ｂ，１５２Ｃ，１５２Ｄ，１５２Ｅ  分岐排水管
１７１  大型ギア
１７２  コンロッド
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の第１の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明によるピストン型水車を用いた発電装置の構造の例を示す断面図である。また、図２は、図１に示す発電装置を側面側から見た側面透過図である。
【実施例１】
【００２７】
図１および図２に示すように、ピストン型水車を用いた発電装置は、それぞれ、浮力体１１Ａ，１１Ｂ（これらをまとめて１１という。以下の各構成要素の符号についても同様に表現する。）、水槽１２Ａ，１２Ｂ、ロッド１３Ａ，１３Ｂ、貯水タンク２０Ａ，２０Ｂおよび発電機１６を含む。また、発電装置は、ロッド１３の上下運動を回転運動に変換し発電機１６を回転させる運動変換手段１７を含む。
【００２８】
図１に示すように、例えば、浮力体１１Ａ、水槽１２Ａ、貯水タンク２０Ａおよびロッド１３Ａは、運動変換手段１７に対して、浮力体１１Ｂ、水槽１２Ｂ、水槽２０Ｂおよびロッド１３Ｂと対称となる位置に配置される。なお、貯水タンク２０は、図１に示すように、水槽１２の上面高さより高くにその底面が来る程度の高さに設置される。
【００２９】
本実施例の浮力体１１は、例えば、直方体形状や球体形状をしている。なお、浮力体１１として、角柱形状や円柱形状など他の形状のものを用いてもよい。また、浮力体１１は、例えば、ポリエチレンなどの合成樹脂やアルミニウムを用いて製作される。
さらに浮力体１１内部には、空洞部が形成されている。そして、浮力体内部の空洞部には、所定量の液体Ｗ（例えば、水）が注水されている。このように所定量の液体Ｗを注入することによって、浮力体１１の浮力および自重を適切に調整することができる。なお、浮力体１１の浮力を調整するために、浮力体の外部あるいは内部に、鉛などを用いた錘を取り付けてもよい。
【００３０】
また本実施例の水槽１２および貯水タンク２０は、直方体形状をしている。水槽１２は、水槽内で昇降する浮力体１１が水槽と接触することのないように、浮力体の水平方向断面の形状よりも二廻り程度大きな水平方向断面形状を有している。なお、水槽１２および貯水タンク２０は、その他の角柱形状や円柱形状などとすることも可能である。ここで貯水タンクの貯水量は水槽の貯水用よりも多いか、同程度であることが望ましい。
水槽１２には、それぞれ、上部に注水口１２１Ａ，１２１Ｂが設けられ、下部に徘水口１２２Ａ，１２２Ｂが設けられる。
【００３１】
貯水タンク２０Ａと水槽１２Ａ、貯水タンク２０Ｂと水槽１２Ｂとは、貯水タンクに貯水した液体Ｗを水槽の注水口１２１Ａ，１２１Ｂに注水するために、電動式の注水側開閉弁４１Ａ，４１Ｂを介して配管接続されている。また水槽の底部には電動式の排水側開閉弁４２Ａ，４２Ｂの開閉により排水口１２２Ａ，１２２Ｂから排水を行うための配管がなされている。
なお図１では貯水タンク２０の底部と水槽１２の上部とを配管接続しているが、貯水タンク２０の底部と水槽１２の底部とを配管接続し、水槽の底部から注水してやることも可能である。この場合には、注水側開閉弁４１および排水側開閉弁４２の２つの弁を用いる代わりに１つの三方弁を用いてやることも好ましい（図示せず）。
【００３２】
運動変換手段１７は、図２に示すように、大型ギア１７１とコンロッド１７２とを含む。各ロッド１３の上下運動は、運動変換手段１７のコンロッド１７２を介して回転運動に変換される。また、変換された回転運動は、運動変換手段１７の大型ギア１７１から、ベルト（例えば、ｖベルト）１９を介して発電機１６に伝えられ、発電機を回転させる。そして、発電機１６は、ｖベルト１９を介して伝えられた回転運動による回転力によって発電を行う。
【００３３】
ここで運動変換手段１７には、浮力体１１の昇降を制限するストッパ機構１１１が備えられている。このストッパ機構１１１は、コンピュータなどの情報処理装置からの指令に従って作動するモータの動力により操作され、ロッド１３の上下運動をプログラムに従って制限する。
より具体的には、ストッパ機構１１は、水槽１２内が満水となる前まではロッドを固定して浮力体を押さえ付けることで、水槽内底部（下死点）に各浮力体を沈めた状態で留め、水槽内が満水となった時点でストッパ機構を解除する。ストッパ機構１１１が解除されると浮力体１１が上昇し、コンロッド１７２を回転させる。浮力体１１が上昇し水槽１２内上部（上死点）に来た際には、ストッパ機構１１１はモータの動力により作動してロッド１３を再び固定し、排水中に浮力体が下降することを抑制する。このとき浮力体１１は水槽１２内で宙吊り状態となる。排水がほぼ完了した時点でストッパ機構１１１が解除され、浮力体１１は自重により下降することでコンロッド１７２を回転させる。以上の動作を繰り返すことで、連続的にコンロッド１７２が回転し、大型ギア１７１およびｖベルト１９を介して発電機１６に動力が伝えられ、発電が行われる。このようなストッパ機構１１１を備えることで、浮力体１１が水槽１２内の液体Ｗの増減に従って徐々に昇降するのと比して、浮力体の上昇・下降時により多くの力がロッド１３に付与されるため、大きな力により発電機１６を回転させて発電を行うことができる。
【００３４】
なお図面は省略するが例えば、コンロッド１７２にフライホイールを取り付け、また、ロッド１３とコンロッド１７２との連結部にクラッチを設けるなどして、浮力体１１が上死点または下死点で停止している際にも、コンロッドが慣性力によって回転して発電機１６に動力を与える機構を備えてやれば、より効率的に発電を行うことが可能となる。
【００３５】
本実施例では、河川や湖から取り入れた液体Ｗ（例えば、水）が、まず貯水タンク２０に溜められる。注水側開閉弁４１を制御して開閉することによって、貯水タンク２０に溜めた液体Ｗの水槽１２への注水・遮断が行われる。また、排水側開閉弁４２を制御して開閉することによって、水槽１２内からの液体Ｗの排水・遮断が行われる。
なお貯水タンク２０へは、河川等から常に液体が注水されて溜められる。このような貯水タンクを設けることで、水槽１２の排水時においても、河川等から導入した水の全量を貯水タンクに貯えて発電に利用することができる。
【００３６】
このように水槽１２内に液体Ｗを注水し排水する制御を繰り返し実行することによって、浮力体１１が上下運動を行う。また、浮力体１１が上下運動に従って、ロッド１３が上下運動を行う。そして、運動変換手段１７は、ロッド１３の上下運動を回転運動に変換する。
【００３７】
なお、本実施例では、例えば、コンピュータなどの情報処理装置がプログラムに従って処理を実行することによって、注水側開閉弁４１及び排水側開閉弁４２を開閉するタイミングを制御する。
【００３８】
図３に本実施例の発電装置におけるシステム構成をブロック図で示した。注水側開閉弁４１および排水側開閉弁４２は、コンピュータの制御によって開閉される。またコンピュータは、ストッパ機構１１１の動作を制御して、水槽１２内での浮力体１１の昇降をコントロールする。一方、ｖベルト１９からの動力により発電を行う発電機１６は、発電した電力を、バッテリーを介して送電線から送電する。なお、コンピュータ、注水側開閉弁４１および排水側開閉弁、ストッパ機構１１１を作動するモータには、発電機につながれたバッテリーから電力が供給される。
【００３９】
次に、発電装置の具体的な設計例を説明する。まず、水槽１２の設計例を説明する。図４は、発電機１６に対して左側に位置する浮力体１１Ａ及び水槽１２Ａを含む断面図である。なお本例では、設計を容易にするため、水槽１２が、底面および側面が正方形の立方体であるものとする。
【００４０】
図４に示すように本設計例では、水槽１２Ａの幅ｗおよび奥行きｔを１．５ｍとし、水槽に液体Ｗを注水したときの最大の水深ｈを４ｍとする。すると、浮力体１１Ａが上昇し下降する１サイクルあたりに必要な、水槽１２Ａに注水される液体Ｗの消費水量ＱＡは、次式を用いて求められる。
ＱＡ＝ｗ×ｔ×ｈ＝１．５（ｍ）×１．５（ｍ）×４（ｍ）＝９（ｍ３）
【００４１】
また、水槽１２Ｂについても、同様に、１サイクルあたりの液体Ｗの消費水量ＱＢが９ｍ３と求められるので、発電装置全体の１サイクルあたりの消費水量Ｑは、次式を用いて求められる。
Ｑ＝９（ｍ３）×２＝１８（ｍ３）
【００４２】
ここで、浮力体１１Ａ，１１Ｂが上昇し下降するまでの１サイクルあたりに要する時間は、９秒程度であることが望ましい。１サイクルあたりに要する時間をτ＝９秒とすると、１秒あたりの発電装置の消費水量ｑは、次式を用いて求められる。
ｑ＝Ｑ／τ＝１８／９＝２（ｍ３／ｓ）
この程度の水量は小さな小川でも比較的容易に確保することができる。
【００４３】
次に、発電装置を用いて発電される発電出力について説明する。本例では、図４に示した球体形状の浮力体１１Ａの体積を１０２０リットルとする。また水の密度を１ｋｇ／ｌとする。
すると、浮力体１１Ａの浮力ＦＡは、次式を用いて求められる。
ＦＡ＝（浮力体１１Ａの体積）×（水の密度）
＝１０２０×１＝１０２０（ｋｇｆ）
【００４４】
ここで、浮力体１１Ａの自重を５１０ｋｇにすると、浮力体１１Ａがロッド１３Ａを押し上げ、またはロッドを引き下げる力はともに、５１０ｋｇｆとなる。また浮力体１１Ｂについても同様に考えることができる。
【００４５】
浮力体１１Ａが１秒間に浮上する距離を１ｍとすると、浮力がロッド１３Ａを押し上げる力による仕事率（ＴＡ）は、次式を用いて求められる。
ＴＡ＝５１０（ｋｇｆ）×１（ｍ）／１（ｓ）＝５１０（ｋｇｆｍ／ｓ）
【００４６】
このとき浮力体１１Ｂは自重により１秒間に１ｍ下降するため、その仕事率（ＴＢ）は、５１０ｋｇｆｍ／ｓとなる。
したがって浮力体１１Ａ，１１Ｂの総仕事率（Ｔ）は、次式を用いて求められる。
Ｔ＝ＴＡ＋ＴＢ＝＝１０２０（ｋｇｆｍ／ｓ）
【００４７】
ここで仕事率を、１Ｗ（ワット）＝０．１０２ｋｇｆｍ／ｓの関係から電力に変換すると、
Ｗ＝Ｔ／０．１０２＝１０２０／０．１０２＝１００００（Ｗ）＝１０（ｋＷ）
となる。
【００４８】
以上のように、本実施例によれば、液体Ｗを水槽１２Ａ，１２Ｂ内に注水し排水する動作を繰り返すように制御することによって、浮力体１１Ａ，１１Ｂの上下運動を回転運動に変換し、変換した回転運動によって発電機１６を回転させることで、発電を行うことができる。
このように本発明によれば、水を高所から落下させる立地条件を確保できない場合や多くの水量の確保が難しい場合であっても、浮力体１１Ａ，１１Ｂを大きな力により上下運動させることができ、これにより大きな回転動力で発電機１６を回転させて発電を行うことができる小規模の発電装置が提供される。
【００４９】
なお実際には発電機の発電効率や電動式の注水側開閉弁や排水側開閉弁の開閉やストッパ機構、注水及び排水を制御するコンピュータ等において、１〜２ｋＷ程度のロスや電力消費があると考えられるが、それでもなお２つの水槽からなる発電装置では８〜９ｋＷの発電出力を得ることができる。
【００５０】
ここで、排水側開閉弁４２の代わりに，液体Ｗが水槽に溜まった液体からの水圧が所定値に達することで排水口が開口して水槽に溜まった液体を排水し、水槽に溜まった液体の多くを排水した後に閉口する機械式弁を用いれば、排水口の開閉にかかる電力消費をなくすことができる。
【００５１】
また発電装置の台数を増やせば、発電量を増やすことができるのは当然である。この場合、複数の水槽１２を階段状に配置し、上段の水槽の排水口１２２から排水された液体Ｗが、下段の水槽の注水口１２１（又は貯水タンク２０）へ導かれるようにしてやれば、少ない流量の河川等であっても効率的に発電を行うことができる。
【実施例２】
【００５２】
以下、本発明の第２の実施形態を図面を参照して説明する。図５は、本発明によるピストン型水車を用いた発電装置の構造の例を示す断面図である。また図６は、浮力体及び水槽の構造の例を示す斜視図である。
図６では、一例として、図５に示す２つの浮力体１Ａ，１Ｂ及び水槽２Ａ，２Ｂのうち、発電機６に対して左側に位置する浮力体１Ａ及び水槽２Ａを示す。なお、発電機６に対して右側に位置する浮力体１Ｂ及び水槽２Ｂの構造も、図６に示す浮力体１Ａ及び水槽２Ａの構造と同様である。
【００５３】
図６に示すように、本実施例では、浮力体１Ａは、円筒形状である。なお、浮力体１Ａとして、四角柱形状や三角柱形状など他の形状のものを用いてもよい。また、浮力体１Ａ内部には、空洞部が形成されその中には、所定量の液体Ｗ（例えば、水）が注入されていることは実施例１と同様である。
【００５４】
図６に示すように、水槽２Ａは、角柱形状をしている。本実施例では、水槽２Ａは、図２に示すような底面が五角形の角柱形状に形成されている。なお水槽２Ａとして、四角柱形状など他の形状のものを用いてもよい。
本実施例では、底面が五角形の角柱形状の水槽２Ａを用いることによって、水槽２Ａの下部に谷部２３が形成される。この谷部２３が形成されていることによって、注水口２１から液体Ｗを注入した場合に、効率的に水槽２Ａ内に液体Ｗが充填される。
【００５５】
また、水槽２Ａの長手方向の２つの側面のうち一方の側面の上部には、水槽２Ａ内に液体Ｗを注入するための注水口２１ａ，２１ｂ，２１ｃが設けられる。なお、図６では、水槽２Ａの一方の側面の上部に３つの注水口２１を設ける場合を説明するが、注水口の数は３つに限られない。例えば、水槽２Ａの側面に１又は２つの注入口だけを設けてもよく、４以上の注入口を設けてもよい。
なお浮力体に注水された液体が上方から掛かると、浮力体には下向きの荷重がかかることとなり浮力体の浮力が減殺され好ましくないため、注水口の位置や注水角度は注水した液体が浮力体に直接掛からないようにすることが好ましい。
【００５６】
また、注水口２１が設けられた水槽２Ａの側面の下部には、水槽２Ａ内の液体Ｗを排水するための排水口２２ａ，２２ｂ，２２ｃが設けられる。図６では、水槽２Ａの一方の側面の下部に３つの排水口２２を設ける場合を説明するが、排水口の数は３つに限られない。例えば、水槽２Ａの側面に１又は２つの排水口だけを設けてもよく、４以上の排水口を設けてもよい。
【００５７】
また、図５に示すように、発電装置において、水槽２Ａ，２Ｂには、それぞれ、注水口２１及び排水口２２が設けられている側面に、板状のスライド開閉弁４Ａ，４Ｂが設けられる。本実施例では、スライド開閉弁４Ａ，４Ｂが、スライドするように摺動しながら上下に移動することによって、注水口２１及び排水口２２が開閉される。具体的には、スライド開閉弁４Ａ，４Ｂが下方向に移動することによって、注水口２１が開口されると同時に排水口が閉口し、水槽２Ａ，２Ｂ内に液体Ｗが注入される。また、スライド開閉弁４Ａ，４Ｂが上方向に移動することによって、排水口２２が閉口されると同時に排水口が開口し、水槽２Ａ，２Ｂ内の液体Ｗが排水される。
【００５８】
なおスライド開閉弁４Ａ，４Ｂの開閉は電動弁などを使用して電気的に行うことも可能であるが、その機構をより簡素なものとするために、機械的に行うことも好ましい。例えば、板状のスライド開閉弁４Ａ，４Ｂを一体として形成し、水位が所定の高さまで達すると注水口を閉口すると同時に排水口を開口し、水位が所定の高さを下回ると注水口を開口すると同時に排水口を閉口するフロート体（図示せず）の浮力によりスライド開閉弁の開閉を行う機械式弁を用いることや、液体が水槽に溜まった液体からの水圧が所定値に達することで排水口が開口して水槽に溜まった液体を排水し、水槽に溜まった液体の多くを排水した後に閉口する機械式弁を用いることができる。後者の場合、注水口２１を開閉するための注水口開閉弁４ｂを設け、この注水口開閉弁を排水口開閉弁４ａの開閉に連動させ、排水口開閉弁が開口すると閉口し、排水口開閉弁が閉口すると開口することも好ましい。
【００５９】
図７は、ピストン型水車を用いた発電装置の平面図である。図７は、図５に示す発電装置を、設置面に対して上から見た図に相当する。なお、図７では、図５に示した運動変換手段７Ａ，７Ｂ及び発電機６等は省略されている。
【００６０】
本実施例では、河川や湖の上流側から水を取り入れ、入水管を介して取り入れた水を液体Ｗとして各水槽２Ａ，２Ｂに注水する。入水管は、６つの分管（注水側分管５１という）に分けられ、図７に示すように、６つの注水側分管５１のうちの３つが水槽２Ａに接続され、水槽２Ａに液体Ｗを注水するために用いられる。また、水槽２Ａに接続される注水側分管５１以外の３つの注水側分管５１が水槽２Ｂに接続され、水槽２Ｂに液体Ｗを注水するために用いられる。
【００６１】
また、発電装置は、発電に用いた液体Ｗを、排水管を介して下流側へ排水する。本実施例では、排水管は、６つの分管（排水側分管５２という）に分けられ、図７に示すように、６つの排水側分管５２のうちの３つが水槽２Ａに接続され、水槽２Ａから液体Ｗを排水するために用いられる。また、水槽２Ａに接続される排水側分管５２以外の３つの排水側分管５２が水槽２Ｂに接続され、水槽２Ｂから液体Ｗを排水するために用いられる。
【００６２】
次に、動作について説明する。図８は、運動変換手段が浮力体の上下運動を回転運動に変換する動作を示す説明図である。図８では、一例として、図５に示す浮力体１Ａ，１Ｂ、水槽２Ａ，２Ｂ、ロッド３Ａ，３Ｂ及び運動変換手段７Ａ，７Ｂのうち、発電機６に対して左側に位置する浮力体１Ａ、水槽２Ａ、ロッド３Ａ及び運動変換手段７Ａを示す。なお、図８では、運動変換手段７Ａについては、その構成部分のうち一部だけが示されている。また、発電機６に対して右側に位置する浮力体１Ｂ、ロッド３Ｂ及び運動変換手段７Ｂの動作も、図８に示す浮力体１Ａ、ロッド３Ａ及び運動変換手段７Ａの動作と同様である。
また図８では、運動変換手段が浮力体の上下運動を回転運動に変換する動作の説明を容易化するために、実施例１で説明したストッパ機構や貯水タンクを省略するが、このことは本実施例において、ストッパ機構や貯水タンクを備えることを禁止するものではないことは勿論である。
【００６３】
図８では、水槽２Ａから排水口２２を介して液体Ｗが排水され、水槽２Ａに注水されている液体Ｗの量が最小となっている状態（図８（ａ））からの動作を説明する。図８（ａ）に示すように、水槽２Ａ内に注水されている液体Ｗの量が最小となっている状態において、まず、スライド開閉弁４Ａを下方向にスライドさせながら移動させるように制御する。スライド開閉弁４Ａを下方向に移動させることによって、図８（ａ）に示すように、注水口２１が開放された状態となり、注水口２１から水槽２Ａ内への液体Ｗの注水が開始される。
【００６４】
なお本実施例では、例えば、コンピュータなどの情報処理装置がプログラムに従って処理を実行することによって、スライド開閉弁４Ａをスライドさせる方向やタイミングを制御する。
【００６５】
液体Ｗの注水が開始されると、水槽２Ａ内の液体Ｗの量が増加する。すると、図８（ｂ）に示すように、液体Ｗの量の増加に従って、浮力体１Ａの位置が上昇する。また、浮力体１Ａの位置の上昇に従って、ロッド３Ａの位置が上昇する。
【００６６】
図８に示すように、運動変換手段７Ａは、クランク７１と、ギア７２とを含む。また、図４に示すように、クランク７１は、一方の端部がロッド３Ａに回動可能に接続される。
また、クランク７１は、ロッド３Ａに接続されている側とは反対側の端部がギア７２に固定される。図８（ｂ）に示すように、ロッド３Ａが上昇すると、ロッド３Ａが上昇する力によって、クランク７１を介してギア７２が回転される。なお、本実施例では、ギア７２が反時計回りに回転する場合を説明するが、ロッド３Ａの上昇によって、ギア７２が時計回りに回転してもよい。
【００６７】
また、更に水槽２Ａ内に液体Ｗが注水され続けると、水槽２Ａ内に注水されている液体Ｗの量が最大となり、浮力体１Ａが最高点まで上昇する。また、浮力体１Ａが最高点まで上昇することによって、ロッド３Ａが最高点まで上昇する（図８（ｃ））。
【００６８】
水槽２Ａ内に注入されている液体Ｗの量が最大となると、図８（ｃ）に示すように、スライド開閉弁４Ａを上方向にスライドさせながら移動させるように制御する。スライド開閉弁４Ａを上方向に移動させることによって、図８（ｃ）に示すように、排水口２２が開放された状態となり、排水口２２から水槽２Ａ内の液体の排水が開始される。
【００６９】
液体Ｗの排水が開始されると、水槽２Ａ内の液体Ｗの量が減少する。すると、図８（ｄ）に示すように、液体Ｗの量の減少に従って、浮力体１Ａの位置が下降する。また、浮力体１Ａの位置の下降に従って、ロッド３Ａの位置が下降する。この場合、図８（ｄ）に示すように、ロッド３Ａが下降すると、ロッド３Ａが下降する力によって、クランク７１を介してギア７２が回転される。
【００７０】
また、更に水槽２Ａ内の液体Ｗが排水され続けると、水槽２Ａ内に注水されている液体Ｗの量が最小となり、浮力体１Ａが最低点まで下降する。また、浮力体１Ａが最低点まで下降することによって、ロッド３Ａが最低点まで下降する（図８（ａ））。
【００７１】
そして、以上に示した動作に従って、水槽２Ａ内への液体Ｗの注水及び排水の動作が繰り返し行われることによって、ロッド３Ａが繰り返し上下運動を行い、ギア７２が回転し続ける。
【００７２】
また本実施例では、運動変換手段７Ａは、増速ギアを備える。そして、運動変換手段７Ａは、ロッド３Ａの上下運動を変換した回転運動の回転速度を、増速ギアを用いて増速する。
【００７３】
図９は、運動変換手段の構造の例を示す説明図である。図９に示すように、運動変換手段７Ａは、大小複数のギアを用いた増速ギア７３を備え、クランク７１を介して変換したギア７２の回転運動の回転速度を増速する機能を備える。なお、本実施例では特に言及していないが、運動変換手段７Ｂも、発電機６に対して対称に、同様に増速ギアを用いた構成を備える。
【００７４】
運動変換手段７Ａは、増速ギアを用いて回転速度を増速すると、増速した回転運動によって発電機６を回転させる。
【００７５】
運動変換手段７Ｂも、運動変換手段７Ａと同様の動作に従って、ロッド３Ｂの上下運動を回転運動に変換し、変換した回転運動を増速ギアを用いて増速する。また、運動変換手段７Ｂは、増速した回転運動によって発電機６を回転させる。
【００７６】
そして、発電機６は、運動変換手段７Ａ，７Ｂから伝えられ回転運動による回転力によって発電を行う。
【００７７】
なお、本実施例では、水槽２Ａと水槽２Ｂとに、それぞれ、交互に液体Ｗが注水され、且つ交互に液体Ｗが排水されるように制御する。すなわち、水槽２Ａ側に液体Ｗが注入されているときには、水槽２Ｂから液体Ｗを排水するように制御する。また、水槽２Ｂ側に液体Ｗが注入されているときには、水槽２Ａから液体Ｗを排水するように制御する。そのため、浮力体１Ａと浮力体１Ｂとが交互に上昇と下降とを行い、ロッド３Ａとロッド３Ｂとが交互に上昇と下降とを行う。そのように制御することによって、河川や湖から取り入れた液体Ｗ（本例では、水）を、効率的に水槽２Ａ及び水槽２Ｂにそれぞれ注水し、且つ排水することができる。
【実施例３】
【００７８】
次に、本発明の第３の実施の形態を図面を参照して説明する。本実施例では、実施例２で示した発電装置を１ユニットとし、複数ユニットの発電装置を用いて発電を行う場合を説明する。
【００７９】
図１０は、複数ユニットの発電装置を用いて発電を行う場合の構成例を示す平面図である。本実施例では、図１０に示すように、５ユニットの発電装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅを用いて発電する場合を説明する。なお、図１０において、各発電装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅは、それぞれ、実施例２で示した発電装置に相当する。
【００８０】
本実施例では、河川や湖から取り入れられた水が入水管１５１（例えば、直径３０ｍ程度）を介して運ばれる。また、入水管１５１は、５つの管（分岐入水管ともいう）１５１Ａ，１５１Ｂ，１５１Ｃ，１５１Ｄ，１５１Ｅ（例えば、直径６ｍ程度）に分岐され、それぞれ発電装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅに注水される。
【００８１】
なお、図７に示したように、各分岐入水管１５１Ａ，１５１Ｂ，１５１Ｃ，１５１Ｄ，１５１Ｅは、発電装置毎に、さらに６つの注水側分管５１に分岐され、それぞれ水槽２Ａ，２Ｂに注水される。
【００８２】
また、本実施例では、各発電装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅで用いられた水は、排水管１５２（例えば、直径３０ｍ程度）を介して排水される。また、排水管１５２は、５つの管（分岐排水管ともいう）１５２Ａ，１５２Ｂ，１５２Ｃ，１５２Ｄ，１５２Ｅ（例えば、直径６ｍ程度）に分岐され、それぞれ発電装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅの排水に用いられる。
【００８３】
なお、図７に示したように、各分岐排水管１５２Ａ，１５２Ｂ，１５２Ｃ，１５２Ｄ，１５２Ｅは、発電装置毎に、さらに６つの排水側分管５２に分岐され、それぞれ水槽２Ａ，２Ｂの排水に用いられる。
【００８４】
本実施例において、例えば、１ユニットあたりの発電装置は、幅１４ｍ及び奥行き１１ｍで実現される。この場合、図１０に示す発電システム全体の幅は、１ユニットあたりの発電装置の幅を考慮すると、７０ｍ程度確保すればよいことが分かる。また、図１０に示す発電システム全体の奥行きは、１ユニットあたりの発電装置の奥行きと、入水管１５１及び排水管１５２の直径とを考慮すると、８０ｍ程度確保すればよいことが分かる。
【００８５】
また、実施例２の１ユニットあたり且つ１秒あたりの発電装置の消費水量がｑ＝３（ｍ３／ｓ）であるとすると、図７に示す発電システム全体の１秒あたりの消費水量は、１５（ｍ３／ｓ）であることが分かる。
【００８６】
すなわち、図１０に示す発電システム全体の発電出力は、実施例２で示した１ユニットあたり且つ発電装置の発電出力の５倍程度となる。
【００８７】
なお本実施形態では複数の発電ユニットを並列に並べて発電を行う構成となっているが、複数の水槽２Ａ，２Ｂを階段状に配置し、上段の水槽の排水口２２から排水された液体Ｗが、下段の水槽の注水口２１へ導かれるように発電ユニットを階段状に並べて発電を行う構成とすることもできる（図示せず）。階段状に並べた発電ユニットによれば、少ない流量の河川等であっても、効率的に発電を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、河川や湖から取り入れた水を利用して発電する発電設備の用途に適用できる。
【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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【図７】
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【図８】
0004485534.tif 000009
【図９】
0004485534.tif 000010
【図１０】
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