(57)【要約】【課題】  本発明は、分散型水力発電システム並びに空間内の熱エネルギーを利用し、発電後の水を空間拡散帰還する方法を提供する。【解決手段】  本発明は、地下に断面積が大きく、深い有底穴を掘り、有底穴内の底板および壁面に垂直および水平方向に分散配置した多数のタービン発電装置に温度差を有する水を供給し、分散型水力発電を行う。発電後の水に空気圧を加えて有底穴内の空間部に拡散する。水に与えた温度差により有底穴の下部空間内に高温・高圧の空気圧が発生し、上部に発生する低温・低圧の空間との圧力差により空間内を上方向に流動する空気流は、発電後の水を上位空間内に帰還する。【選択図】    図４
2007085321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の位置エネルギーを利用して水力発電を行う水力発電システムにおいて、
地下に掘削した角形、円筒形状又は円錐形状の有底穴１４と、
その有底穴１４の外周に設けた低温貯水槽９と、
有底穴１４の底部表面と壁部に垂直方向および水平方向に分散配置した多数のタービン発電装置３３からなり、
低温貯水槽９内に貯水する低温水の水面は、有底穴１４の頂部近くにあり、
低温水分岐配水管２８は、低温貯水槽９に貯水する低温の水を有底穴１４の上位に配置したタービン発電装置３３に供給し、
温水給水管２６は、有底穴１４の上部から温水分岐配水管２７を経て高温の水を有底穴１４の下位に配置したタービン発電装置３３に供給することを特徴とする分散型水力発電システム。
【請求項２】
地中に掘削した有底穴１４と、地上に建設した減圧塔１０と、減圧塔１０の側壁に一端を結合し、横方向に延びる変圧路１１と、変圧路１１の他端と有底穴１４の底部を結合する空気流路４１を含み、空気が循環する通路は、空気流路４１から有底穴１４の底部を経て上方向の内部空間に連通し、有底穴１４の上部に設けた減圧塔１０の内部と変圧路１１を経て空気流路４１に一巡する空気循環経路を形成することを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項３】
減圧塔１０の側壁に少なくとも一個の大きな開口部３８を設け、変圧路１１の一端に開口部３８と同じ大きさの開口部７４を設け、変圧路１１の開口部７４を減圧塔１０の開口部３８に結合することを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項４】
変圧路１１の一端の開口部７４の断面積は大きく、他端の開口部３９の断面積が小さい構造とし、開口部７４から開口部３９に向け、変圧路１１は、傾斜構造に断面積を縮小する構造の外壁７５を備えたことを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項５】
有底穴１４の底板２０は、円形又は角形とし、底板２０の周囲から上方向に延びる側壁７１は、傾斜構造とし、傾斜構造の側壁７１に水平に多数のタービン発電装置配置段３２を設けたことを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項６】
傾斜構造の側壁７１に水平に設けた多数のタービン発電装置配置段３２にそれぞれ多数の発電装置３３を配設したことを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項７】
有底穴１４は、内壁２２と外壁２３を含み、外壁２３の内部に、外壁２３から離れた位置に内壁２２を設け、内壁２２の下部は底板２０に結合し、内壁２２と外壁２３の間に低温水供給室４０を設け、内壁２２の上部は、減圧塔１０の内部空間に突き出し、減圧塔１０の天井１６、減圧塔側壁１５と内壁２２の間に上部開口部２５を形成することを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項８】
有底穴１４の外壁２３の外部に底板２０と外壁２３を共通にする低温貯水槽９を設け、外壁２３の下部において底板２０の表面に設けた通路２４は、低温貯水槽９と低温水供給室４０の底部を連通し、低温貯水槽９、低温水供給室４０および通路２４によりＵ字形貯水槽７６を形成することを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項９】
有底穴１４の内壁２２に多数の低温水分岐配水管２８および低温水散布管２９を設け、低温水分岐配水管２８および低温水散布管２９は、低温水供給室４０と有底穴１４の内部空間又は低温水供給室４０と減圧塔１０の内部空間を連結することを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項１０】
減圧塔１０の下部に設けた低温貯水槽４５は、変圧路１１に設けた低温貯水槽９５に連通し、帰還水配管２８１は、低温貯水槽９５の水を低温貯水槽９に帰還することを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項１１】
水源の水を引き入れる沈砂池２は、温水貯水槽４および低温貯水槽５に連結し、低温貯水槽５は、低温貯水槽７を経てＵ字形貯水槽７６に連結することを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項１２】
温水貯水槽４と低温貯水槽５に貯水する水の熱を交換するヒートポンプ形熱交換機６と減圧塔１０内の上下空間の空気の熱を交換するヒートポンプ形熱交換機３５を備えたことを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項１３】
温水貯水槽４は、温水給水管８を経て有底穴１４内に配設した多数の温水給水管２６に連結し、温水給水管２６に連結する温水分岐配水管２７は、タービン発電装置３３に連結し、温水を供給することを特徴とする請求項１記載の分散型水力発電システム。
【請求項１４】
タービン５１は、駆動軸５６により発電機５２、空気圧縮機５３およびヒートポンプ形熱交換機５４に連結し、低温水分岐配水管２８が供給する低温水、又は温水分岐配水管２７が供給する高温水と空気圧縮機５３が送出する空気圧により駆動軸５６を回転駆動することを特徴とする分散型水力発電装置。
【請求項１５】
バーナ５５は、空気圧縮機５３が送出する加圧空気を加熱し、加熱した圧力空気をタービン５１に供給するとともに、温水分岐配水管２７が下方に向けて供給する温水を加熱することを特徴とする請求項１４記載の分散型水力発電装置。
【請求項１６】
ヒートポンプ形熱交換機５４の伝熱媒体圧縮機５４２は、温水分岐配水管２７が下方に向けて供給する温水を加熱し、伝熱媒体蒸発機５４１は、低温水供給室４０が上方向に給水する冷水を冷却することを特徴とする請求項１４記載の分散型水力発電装置。
【請求項１７】
有底穴１４の底板２０の表面積を決定し、側壁７１に設けるタービン発電装置配置段３２の幅と高さから有底穴１４の上部開口部直径を計算し、有底穴１４内に流れる流体の流速と流体が含有して移動可能な空気流単位容積当たりの水分量を基準に各タービン発電装置配置段３２に配設可能な発電機出力を計算し、各タービン発電装置配置段３２に配設可能な発電機出力の総合計をもって有底穴１４が出力する発電機総出力値とし、計画発電機総出力値に達した底板２０の有効深さをもって有底穴１４の最深部有効深さとする最深部有効深さ決定方法。
【請求項１８】
傾斜壁７１を備えた有底穴１４の頂部から底板２０までの有効深さにおいて、タービン発電装置配置段３２に配設する配設可能な発電機出力に最大値が存在するとき、その最大値位置を有底穴１４の最深部有効深さとし、傾斜側壁７１を上方向に折り返すことを特徴とする請求項１７記載の有底穴１４の最深部有効深さ決定方法。
【請求項１９】
傾斜側壁７１を備えた有底穴１４の頂部から底板２０までの有効深さにおいて、タービン発電装置配置段３２に配設する配設可能な発電機出力に最大値が存在し、その最大値位置を有底穴１４の最深部有効深さとして傾斜側壁７１を上方向に折り返した場合において、上方向に移行するに従って各段ごとに減少するタービン発電装置配置段３２に配設する配設可能な発電機出力の減少値を観察し、タービン発電装置配置段３２に配設する配設可能な発電機出力の減少値が大幅に変化する有効深さ位置において、再び下方に傾斜側壁７１を折り返すことを特徴とする請求項１７記載の有底穴１４の最深部有効深さ決定方法。
【請求項２０】
発電システム１の起動方法において、第一に、タービン５１に水を供給することなく、発電機５２を電動機として運転し、空気圧縮機５３とヒートポンプ形熱交換機５４を運転する。必要によりバーナ５５も点火し、有底穴１４の内部空間に温度差と圧力差を発生する。有底穴１４の内部空間の下部を高温・高圧にし、上部を低温・低圧に制御し、有底穴１４の内部空間内に上昇気流を発生する。第二に、空気流検出器と温度検出器により、制御器は、有底穴１４の内部空間内の空気流速と空気温度をタービン水供給用第一設定値と比較する。第三に、内部空間内の空気流速と空気温度がタービン水供給用第一設定値に達したとき、制御器は、水供給弁７３を開き、タービン５１に水を供給する。第四に、制御器は、有底穴１４の内部空間内の空気流速と空気温度を監視し、発電機負荷開始第二設定値において、発電機５２に負荷を接続する。第五に、制御器は、発電管理シーケンスに移行し、発電システム１を最適条件に運転する。第六に、制御器は、発電管理シーケンスにおいて、有底穴１４の内部空間の空気流速、空気温度を監視し、有底穴１４の上下間圧力差が所定の範囲内になるように、各タービン５１に供給する水の温度と、空気圧を調整することを特徴とする発電システム１の発電方法。
【請求項２１】
タービン発電装置３３を有底穴１４の内部空間内に分散配置し、有底穴１４の内部空間に温度差と圧力差を発生すると、上部のタービン５１は、下部のタービン５１が放射する水を上方向に加速し、有底穴１４の内部空間に上昇空気流を発生する。有底穴１４内の上昇空気流は、有効にタービン５１が放射する水を有底穴１４の内部空間内に拡散し、低温・低圧に内部空間を維持した減圧塔１０内に含水空気流を移動する。制御器は、空気圧縮機５３とヒートポンプ形熱交換機５４およびバーナ５５を制御し、有底穴１４の内部空間内の圧力差と温度差が所定の条件になるように調整することを特徴とする請求項２０記載の発電システム１の発電方法。
【請求項２２】
地中に掘削した多数の有底穴１４と、有底穴１４上の地上に建設した減圧塔１０と、減圧塔１０の側壁に一端を結合し、横方向に延びる変圧路１１と、近接配置する減圧塔１０の側壁に結合する変圧路１１と、変圧路１１の一端と有底穴１４の底部を結合する空気流路４１を含み、空気流路４１は、有底穴１４の内部空間を経て減圧塔１０に連通し、変圧路１１から近接配置する次段に配置した減圧塔１０の空気流路４１に接続する縦続空気循環経路を形成することを特徴とする分散型水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、河川、湖沼又は海水などの水位を利用して多数のタービン発電装置を駆動して水力発電を行い、発電後の水は、空気中に拡散帰還する分散型水力発電システム、発電装置並びに方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の揚水発電においては、昼間の最大需要電力時間帯に上位の湖沼に貯水した水の水位を利用して水力発電を行い、深夜の余剰電力を利用して発電後の水を上位の湖沼に帰還している。【０００３】  従来の揚水発電においては、昼間の水力発電における発電電力量と、深夜の余剰電力を利用して発電後の水を上位に帰還する帰還電力量を比較すると、発電電力量よりも多くの帰還電力量を消費し、発電後の水を上位の湖沼に帰還することを必要とする問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  従来の揚水発電システムは、上位の湖沼に貯水した水を給水圧力管に供給し、水圧により下位に配置した水車を回転駆動して発電し、同じ給水圧力管を経て発電後の水を上位の湖沼に帰還していた。【０００５】  本発明は、地下に断面積が大きい深い有底穴を掘り、有底穴内の垂直および水平方向に分散配置した多数のタービン発電装置に温度差を有する水を供給し、分散型水力発電を行う。発電後の水は、空気圧を加え、有底穴内の空間部に拡散する。水に与えた温度差により有底穴の空間内に圧力差が発生し、圧力差により空間内を上方向に流動する空気流は、水を上位空間内に帰還させることを目的とするものである。
【問題を解決するための手段】
【０００６】  上記目的を達成するために、本発明の発電システムは、河川、湖沼又は海岸など安定した水源近くの陸地に有底穴を堀り、その有底穴の壁部と底部に多数のタービン発電装置を分散配置する。有底穴内の異なる高さ位置において、水平方向に多段構成に多数分散配置したタービン発電装置のタービンは、温度差を与えた水圧と空気圧により広い有底穴内の空間に発電後の水を放射し、広い空間内の空気中に水を拡散させながら発電機を回転駆動する。
【０００７】  本発明の発電システムは、沈砂池に水源の水を貯水し、水に含む砂や異物を除去する。沈砂池の水は、多数の貯水池に移動し、ヒートポンプ形熱交換機を使用し、貯水する水に温度差を与える。高温の水は、有底穴の壁下部と底部に配置したタービンに供給し、低温の水は、有底穴の壁上部に配置したタービンに供給する。有底穴の壁下部と底部に配置したタービンは、高温の水を空気中に放射し、有底穴の壁下部を高温・高圧にする。有底穴の壁上部に配置したタービンは、低温の水を空気中に放射し、有底穴の壁上部を低温・低圧にする。有底穴の壁下部を高温・高圧にし、有底穴の壁上部を低温・低圧にすることにより、有底穴の空間部に上方向の空気流が発生し、タービンが放射した水は、空気中に拡散しながら有底穴の上部水面まで上昇する。
【０００８】  タービンは、ヒートポンプ形熱交換機を回転駆動する。ヒートポンプ形熱交換機は、タービンに供給する低温の水と高温の水間において熱交換し、有底穴の上位のタービンに供給する水を低温にし、下位に供給する水を高温にすることにより、有底穴の空間内温度差と圧力差を拡大する。
【０００９】  上位のタービンに供給する低温の水を有底穴の下部から上方向に供給するために、冷水貯水槽にＵ字形貯水槽を結合する。Ｕ字形貯水槽は、有底穴の底部のＵ字形断面通路から上方向に低温の水を供給する。有底穴の下位に配置したヒートポンプ形熱交換機は、上方向に供給する低温の水から吸熱し、低い温度の水を上方向に供給する。
【００１０】  タービンが回転駆動するヒートポンプ形熱交換機は、伝熱媒体圧縮機を含み、圧縮機が伝熱媒体を圧縮するときに発生する圧縮熱により、下方向に供給する高温の水を加熱し、上方向に供給する低温の水から吸収した熱を高温水側に移動し、温水を更に加熱する。
【００１１】  タービンは、空気圧縮機を回転駆動する。空気圧縮機は、タービンに加圧空気を供給し、タービンから放射する水に空気圧を加える。タービンに加えた空気圧は、タービンが放射する水を有効に、有底穴の空間内に拡散する。
【００１２】  タービン発電装置は、水素燃料バーナを備える。水素燃料バーナは、発電システムの起動時や、冬季など有底穴の空間内温度が低いとき、又は有底穴内の温度差と圧力差が所定の制御値に達しないとき、有効にタービンに加える水と空気を加熱し、有底穴の空間内温度勾配と圧力差を所定の制御値に調整する。
【００１３】  有底穴の地上部に減圧塔を設ける。Ｕ字形低温水供給路の上部は、減圧塔内に開口する。Ｕ字形低温水供給路の上部に設けた電動ポンプは、低温の水を減圧塔内に散布する。散布した低温の水は、減圧塔内部空間の空気を冷却し、減圧塔内を低温、低圧に維持する。更に、電動ポンプが散布する低温の水は、減圧塔の内部空気が含む水分を凝集し、減圧塔内の空気から気体と液体を分離する。
【００１４】  減圧塔内に配置したヒートポンプ形熱交換機は、減圧塔内の下部を低温に維持し、上部を高温に維持する。減圧塔内の低温下部は、有底穴から上昇する空気流に含む水を有効に凝集し、減圧塔内を低温・低圧に維持する。減圧塔内の高温上部は、水を有効に蒸発し、浄水を浄水溜まりに供給する。浄水溜まりに供給した浄水は、飲料水として利用する。なお、同時に中間品質の農工業用水も抽出する。
【００１５】  他の実施例において、多数の減圧塔を設置した場合、多数の減圧塔間に変圧路を結合する。変圧路の空気流入り口は、大きな開口部を備え、減圧塔から空気流を受け入れる。空気流路に結合する変圧路の出口は小さく、変圧路は、入り口から受け入れた低圧の空気流を高圧の空気流に変圧する。減圧塔の出口近くにヒートポンプ形熱交換機を設置し、減圧塔内下部の空気を冷却し、上部の空気を加熱する。ヒートポンプ形熱交換機は、下部から低温の空気流を変圧路内に供給し、上部から高温の空気流を変圧路内に供給する。空気流入り口から出口に向かって断面積が減少する変圧路は、内部を流通する空気流を変圧し、高温・高圧の空気流を空気流路内に供給する。空気流路は、高圧の空気流を変圧路出口から有底穴の底部に、循環方式に供給する。
【００１６】  タービンは、交流発電機を回転駆動し、交流発電機は、発電した電力を変圧器に供給する。変圧器は、交流送電線に商用周波数の交流電力を送出する。
【００１７】  タービン発電装置を配置する有底穴を円形断面形状の傾斜壁溝構造とする場合において、有底穴の容積に対する傾斜壁に配置するタービン発電装置総出力が最大になる、経済的な有底穴の最深部深さを求める方法は、第一に、一つの有底穴に割り当てる設計総発電出力の最小目標値と、有底穴の頂部直径の最大目標値を定める。第二に、有底穴の底部面積と深さを仮定する。第三に、タービン発電装置を配置するための、有底穴の側壁に設ける各段の幅と高さを決定する。第四に、タービンの噴射ノズルの位置と回転速度から、タービンのノズルから噴射する水噴射速度と噴射方向を決定する。第五に、タービンの水噴射速度から上昇空気流速度を推定し、またはシミュレーションにより計算する。第六に、推定又は計算した上昇空気流が包含し、空気流の単位容積当たりに移動可能な水量を決定する。第七に、空気流が単位容積当たりに移動可能な水量からタービン発電装置の一段当たり出力可能な総最大発電電力を計算する。第八に、一段当たりの総最大発電電力と有底穴の有効深さとの関係曲線を描く。第九に、一段当たりの総最大発電電力と有底穴の有効深さとの関係曲線を解析する。第十は、一段当たりの総最大発電電力を計算した結果、有底穴の最上部から底部までの間の中間位置において、一段当たりの総量大発電電力の最大点があるとき、その最大点における有底穴の有効深さを最深部と仮決定する。第十一は、仮決定した最深部を有底穴の底部に決定した場合において、各段の総最大発電電力の総和と、一つの有底穴に割り当てる設計総発電出力の最小目標値を比較する。第十二は、各段の総量大発電電力の総和が一つの有底穴に割り当てる設計総発電出力の最小目標値よりも大きいとき、有底穴の頂部直径を予想値と比較する。第十三は、有底穴の頂部直径が予想値よりも小さく、各段の総最大発電電力の総和が、一つの有底穴に割り当てる設計総発電出力の最小目標値よりも大きいとき、仮決定した最深部を有底穴の底部に決定する。第十四は、有底穴の頂部直径が予想値よりも小さいが、各段の総最大発電電力の総和が設計総発電出力の最小目標値設計総発電出力の最小目標値よりも小さいきいとき、仮決定した最深部の面積を拡大するか、又は仮決定した最深部から上方向に傾斜壁を折り返すか、計算手順を繰り返す。単純に最深部の面積を拡大するよりも、仮決定した最深部から上部に傾斜壁を折りかえすと、頂部直径の増加分を小さく抑えながら、一つの有底穴に割り当てる各段の総最大発電電力の総和を大きくすることができる。計算した各段の総最大発電電力の総和と有底穴の頂部直径を比較しながら有底穴の底部において折り返す傾斜壁構造の計算を繰り返す。
【００１８】  発電システムの運転方法は、第一に、タービンに水を供給することなく、発電機を電動機として運転し、空気圧縮機とヒートポンプ形熱交換機を運転する。必要によりバーナも点火し、有底穴の内部空間に温度差と圧力差を発生する。有底穴の内部空間の下部を高温・高圧ににし、上部を低温・低圧に制御すると、有底穴の内部空間内に上昇気流が発生する。第二に、空気流検出器と温度検出器により、有底穴の内部空間内の空気流速と空気温度をタービン水供給用第一設定値と比較する。第三に、内部空間内の空気流速と空気温度がタービン水供給用第一設定値に達したとき、タービンに水を供給する。第四に、制御器は、有底穴の内部空間内の空気流速と空気温度を監視し、発電機負荷開始第二設定値において、発電機に負荷を接続する。第五に、制御器は、発電管理シーケンスに移行し、発電システムを最適条件に運転する。第六に、制御器は、発電管理シーケンスにおいて、有底穴の内部空間の空気流速、空気温度を監視し、有底穴の上下間圧力差が所定の範囲内になるように、各タービンに供給する水の温度と、空気圧を調整する。
【００１９】  上記のように、タービン発電装置を有底穴の内部空間内に分散配置し、有底穴の内部空間に温度差と圧力差を発生すると、上部のタービンは、下部のタービンが放射する水を上方向に加速し、有底穴の内部空間に上昇空気流を発生する。上昇空気流は、有効にタービンが放射する水を有底穴空間内に拡散し、低温・低圧に内部空間を維持した減圧塔内に含水空気流を移動する。制御器は、空気圧縮機とヒートポンプ形熱交換機およびバーナを制御し、有底穴の内部空間内の圧力差と温度差が所定の条件になるように調整する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】  以下本発明の実施の形態を図１〜図１４に基づいて説明する。【００２１】  図１は、本発明の基本的動作原理を示す発電システムの断面図である。地下に円筒形状の有底穴を掘り、外側円筒２９５の内側に内側円筒２９６を建設する。外側円筒２９５と内側円筒２９６は、水を透過しない有底空間を構成し、内側の有底穴１４は、空間室とする。外側円筒２９５と内側円筒２９６の間の空間は、低温貯水槽９とする。有底穴１４の底板および側壁に多数のタービン発電装置３３を縦横に分散配置する。上位に配置したタービン発電装置３３は、低温水分岐配水管２８が接続し、下位に配置したタービン発電装置３３は、温水分岐配水管２７が接続する。温水給水管２６は、温水分岐配水管２７に温水を供給する。【００２２】  図２は、タービン発電装置３３のブロック図である。図２において、タービン発電装置３３は、駆動軸５６にタービン５１と発電機５２を連結し、タービン５１は、低温水分岐配水管２８または高温水供給配水管２７が供給する水圧により、発電機５２を回転駆動する。空気圧縮機５３は、タービン５１の駆動力により空気を圧縮し、バーナ５５は、圧縮した空気流を加熱し、タービン５１に供給する。タービン５１は、水圧と空気圧により有底穴１４の空間内に高速の含水空気流を放射し、その反動により回転する。【００２３】  タービン５１は、ヒートポンプ形熱交換機５４を回転駆動する。ヒートポンプ形熱交換機５４の伝熱媒体圧縮機５４２は、温水給水管２６が矢印３１１の下方向に供給する温水を更に加熱し、高温水として矢印３１２に示す下方向に供給する。伝熱媒体蒸発機５４１は、低温貯水槽９が矢印３０１に示す上方向に供給する低温水を更に冷却し、低温水として矢印３０２に示す上方向に供給する。【００２４】  有底穴１４の上位に配置するタービン５１に低温水分岐配水管２８から低温の加圧水を供給し、下位に配置するタービン５１に高温水供給配水管２７から高温の加圧水を供給すると、有底穴１４は、下部空間２８４の領域の圧力と温度が高くなり、上部空間２８３の領域の圧力と温度が低下する傾斜温度・圧力分布を実現する。【００２５】  有底穴１４の内部空間に発生する傾斜温度・圧力分布は、タービン５１が下部空間２８４に放射する水含有空気流を、矢印４２に示す上部空間２８３の方向に加速する。有底穴１４の内部空間高さ方向に分散配置したタービン発電装置３３は、下位のタービン発電装置３３が放射した水含有空気流を上部空間２８３の方向に、有効に加速する。【００２６】    図３は、発電システム１の平面図、図４は、図３の発電システム１を一点鎖線において切断し、Ａ−Ａの方向を見た断面図を示す。【００２７】発電システム１は、円形又は角形断面の有底穴１４の上部に減圧塔１０を建設する。変圧路１１と空気流路４１は、それぞれ減圧塔１０と有底穴１４に連結し、減圧塔１０、変圧路１１、空気流路４１から有底穴１４の下部空間に連通する空気の循環通路を形成する。【００２８】  有底穴１４の側壁に多数のタービン発電装置配置段３２を設け、有底穴１４の底板２０の表面とタービン発電装置配置段３２の表面に多数のタービン発電装置３３を分散配置する。【００２９】  水供給系統は、沈砂池２に河���や海から導入した源水を貯水し、ヒートポンプ形熱交換器６は、高温貯水槽４内の水を加熱し、低温貯水槽５の水を冷却する。低温貯水槽５の低温水は、低温貯水槽９に貯水し、Ｕ字形断面通路２４を経て有底穴１４内に設けた低温水供給室４０に供給する。低温水供給室４０の上部開口部２５は、減圧塔１０の上部に開口する。低温水供給室４０の上部開口部２５の近くに電動ポンプ７２を配設する。【００３０】  減圧塔１０内に配設した多数の電動ポンプ７２は、低温水供給室４０の上部２５から低温水を汲み上げ、汲み上げた低温水を減圧塔１０の内部空間に散布する。減圧塔１０の内部空間は、低温、低圧になり、有底穴１４から上昇する含水空気流を上部空間内に吸引する。
電動ポンプ７２が散布する低温水は、減圧塔１０に流入する空気流に含む水分を凝集し、底部帰還水貯水槽４５に収集する。帰還水貯水槽４５の冷水は、変圧路１１に設けた低温貯水槽９５に集め、帰還配管２８１を経て低温貯水槽９に循環する。【００３１】  減圧塔１０の内部に設けたヒートポンプ形熱交換機３５は、下部に配設した低温発生部３７において下部の空気を冷却し、流通空気を乾燥する。上部に配設した高温発生部３６は、上部の空気を加熱し、空気流に含む水分を蒸発させ、変圧路１１において蒸留水を分留する。【００３２】  発電システム１の運転方法は、図２、図４において、第一に、タービン５１に水を供給することなく、発電機５２を電動機として運転し、空気圧縮機５３とヒートポンプ形熱交換機５４を運転する。必要によりバーナ５５も点火し、有底穴１４の内部空間に温度差と圧力差を発生する。有底穴１４の内部空間の底板２０の表面付近を高温・高圧にし、有底穴上部を低温・低圧に制御すると、有底穴１４の内部空間内に上昇気流が発生する。第二に、空気流検出器（図示せず）と温度検出器（図示せず）の検出信号により、制御器（図示せず）は、有底穴１４の内部空間内の空気流速と空気温度をタービン水供給用第一設定値と比較する。第三に、内部空間内の空気流速と空気温度がタービン水供給用第一設定値に達したとき、制御器は、水供給弁７３を開放し、タービン５１に水を供給する。第四に、制御器は、有底穴１４の内部空間内の空気流速と空気温度を監視し、発電機負荷開始第二設定値において、発電機５２に負荷を接続する。第五に、制御器は、発電管理シーケンスに移行し、発電システム１を最適条件に運転する。第六に、制御器は、発電管理シーケンスにおいて、有底穴１４の内部空間の空気流速、空気温度を監視し、有底穴１４の上下間圧力差が所定の範囲内になるように、各タービン５１に供給する水の温度と、空気圧を調整する。【００３３】  有底穴１４をＶ字形断面の傾斜壁溝構造とする場合において、有底穴１４の有効深さを決定する方法は、目標合計出力１，０００，０００（ｋＷ）を設定する。図５、図６において、第一に、有底穴１４の最深有効深さＨｅｆｆ＝５００（ｍ）と有底穴１４の底穴内径Ｄ＝２８（ｍ）を仮に設定する。第二に、タービン発電装置３３を配置するための、有底穴１４の側壁７１に設けるタービン発電装置配置段３２の段幅ΔＷ＝３（ｍ）と各段高さΔＨ＝１０（ｍ）を決定する。第三に、有底穴１４の有効深さＨｅｆｆ＝５００（ｍ）を各段高さΔＨ＝１０（ｍ）により除し、タービン発電装置配置段３２の段数５０を計算する。第四に、タービン５１の噴射ノズルの位置と回転速度から、タービン５１のノズルから噴射する水噴射速度と噴射方向を決定する。第五に、タービン５１の水噴射速度から上昇空気流速度を推定し、またはシミュレーションにより計算する。ここでは、平均上昇空気流速度＝５０（ｍ／ｓ）とする。第六に、推定又は計算した上昇空気流が包含し、空気流の単位容積当たりに移動可能な水量Ｑ（ｍ３／ｓ）を決定する。ここでは、平均上昇空気流速度＝５０（ｍ／ｓ）に単位容積当たり１／１０，０００の水量の水を移動可能であると設定する。第七に、有底穴の底部からタービン発電装置配置段位置までの空気流が移動可能な合計水量Ｑ（ｍ３／ｓ）を計算する。第八に、現在計算中のタービン発電装置配置段位置における合計水量Ｑｎから前回計算のタービン発電装置配置段位置における合計水量Ｑ（ｎ−１）を差し引き、現在計算中のタービン発電装置配置段位置における差水量＝ΔＱ（ｍ３／ｓ）を計算する。【００３４】  タービン発電装置配置段が２６段目の場合、現在有効深さＨｅｆｆ＝２６０（ｍ）であり、有底穴１４の壁間直径Ｄ＝１７２（ｍ）となる。２６段目の表面積は、２３，２２３．４４（ｍ２）となる。平均上昇空気流速度＝５０（ｍ／ｓ）の空気流は、１／１０，０００の水量Ｑ２６（ｍ３／ｓ）を移動可能であるから、数１により計算する。
【数１】
Ｑ２６＝π＊５０＊Ｄ２／４＊１０，０００＝０．００４＊Ｄ２＝０．００４＊（２３，２２３）２＝１１８．３（ｍ３／ｓ）
【００３５】  タービン発電装置配置段が２７段目の前段有効深さＨｅｆｆ＝２７０（ｍ）における移動可能な水量Ｑ２７＝１１０．２（ｍ３／ｓ）であるから、現在有効深さＨｅｆｆ＝２６０（ｍ）における移動可能な水量Ｑ差２６（ｍ３／ｓ）は、数２により計算する。
【数２】
ΔＱ２６＝Ｑ２６−Ｑ２７＝１１８．３−１１０．２＝８．１（ｍ３／ｓ）
【００３６】  タービン発電装置配置段３２の有効深さＨｅｆｆ＝２６０（ｍ）における一段当たり出力可能な総最大発電力Ｐ２６を数３により計算する。総合効率は、０．６６とする。
【数３】
Ｐ２６＝９．８＊Δ  Ｑ２６＊Ｈｅｆｆ２６０＊０．６６＝９．８＊８．１＊２６０＊０．６６＝１３，６４１（ｋＷ）
【００３７】  第八に、図６に示す一段当たりの総最大発電電力Ｐ（ｋＷ）と有底穴１４の有効深さＨｅｆｆとの関係曲線を描く。第九に、一段当たりの総最大発電電力Ｐ（ｋＷ）と有底穴１４の有効深さＨｅｆｆとの関係曲線を解析する。第十は、一段当たりの総最大発電電力Ｐ（ｋＷ）を計算した結果、有底穴１４の最上部から底部までの間の中間位置において、一段当たりの総最大発電電力Ｐ（ｋＷ）の最大点があるとき、その最大点における有底穴１４の有効深さＨｅｆｆを最深部と仮決定する。
【００３８】  図６の実施例において、有効深さＨｅｆｆ＝２７０（ｍ）の位置に、一段当たりの総最大発電電力Ｐ＝１３，６６３（ｋＷ）が存在する。この例においては、有効深さＨｅｆｆ＝２７０（ｍ）を最深部に決定し、最深有効深さＨｅｆｆ＝２７０（ｍ）までの各段発電出力Ｐ（ｋＷ）の合計を計算する。この例の場合、有底穴表面から最深有効深さＨｅｆｆ＝２７０（ｍ）までの合計発電出力Ｐｔｏｔａｌ＝２５２，０００（ｋＷ）であり、目標合計発電出力１，０００，０００（ｋＷ）よりも不足する。
【００３９】  図７、図８の実施例において、最深有効深さＨｅｆｆ＝２７０（ｍ）の位置において、傾斜壁を上方向に折りかえし、Ｗ字形断面傾斜壁構造とする。この例においては、合計発電出力Ｐｔｏｔａｌ＝５５４，３６５（ｋＷ）であり、目標合計発電出力１，０００，０００（ｋＷ）よりも不足する。
【００４０】  図９、図１０の実施例において、最深有効深さＨｅｆｆ＝２７０（ｍ）の位置において、傾斜壁を上方向に折りかえし、各段差出力ΔＰを計算する。有効深さＨ（ｍ）＝１６０の段番号３８において、急速に各段差出力ΔＰが増加する。そこで、段番号３８において、傾斜壁を下方に折りかえす。下方に折りかえした傾斜壁が最深有効深さＨｅｆｆ＝２７０（ｍ）の位置に達したとき、傾斜壁を更に上方向に折りかえす。有底穴１４の頂部に達したとき、合計発電出力Ｐｔｏｔａｌ＝１，０１３、６２６（ｋＷ）を計算し、目標合計発電出力１，０００，０００（ｋＷ）に達したとき、有底穴１４の寸法とする。
【００４１】  図９、図１０の実施例において、合計発電出力Ｐｔｏｔａｌ＝１，０１３，６２６（ｋＷ）を発電するための有底穴１４の諸特性値は、タービン発電装置配置段３２の段数ｎ＝７５段、頂部凸形中心部穴直径＝５０（ｍ）、頂部最大溝内径＝４９４（ｍ）、最深有効深さＨｅｆｆ＝２７０（ｍ）、中間凸部頂上深さ＝１６０（ｍ）、合計消費水量Ｑ＝９７６．１（ｍ３）と、決定する。
【００４２】  図１１の実施例において、タービン５１は、有底穴内に設けたタービン配置段２８５の上部に配設し、駆動軸５６は、発電機５２およびヒートポンプ形熱交換機５４を回転駆動する。タービン５１は、漏斗形のケース２８６を含み、漏斗形のケース２８６の広い入り口部に空気案内壁２８７を固定する。温水給水管２６は、温水分岐配水管２７に温水を供給する。タービン羽根２８９が回転すると、空気案内壁２８７は、矢印４２の方向に周囲の空気を吸い込み、漏斗形のケース２８６の狭い放出口から矢印２８８の方向に、含水空気流を放射する。タービン５１は、矢印２８８の方向に放射する含水空気流の放射の反動により回転する。漏斗形のケース２８６は、漏斗形のケース２８６内の空気を圧縮し、水圧タービン５１と空気圧縮機５３を兼用する。
【００４３】  図１２の実施例において、タービン５１のタービン羽根２８９は、送風羽根２９３，２９４と水圧駆動タービン羽根２９２を含む。ノズル２９１は、温水分岐配水管２７が送出する高圧の水をタービン羽根２９２に噴射し、駆動軸５６を回転駆動する。送風羽根２９３，２９４は、矢印４２の方向から空気流を吸いこみ、矢印２８８の方向から含水空気流を放射する。狭い吐出口から矢印２８８の方向に噴射する含水空気流は、放射する反動により駆動軸５６を回転駆動する。
【００４４】  図１３、図１４は、減圧塔１０を環状に配置した実施例を示す。変圧路１１は、二個の減圧塔１０間を連結し、前段の減圧塔１０が放出する空気流を次段の減圧塔１０に供給する。空気流路（図示せず）は、次段の減圧塔１０内に受け入れた空気流を有底穴１４の底部に供給する。環状に配置した減圧塔１０は、結合する変圧路１１を経て順次空気流を次段の減圧路１０に供給し、高圧・高速の空気流は、環状に結合した減圧塔１０間を循環する。
【００４５】  以上述べたように、本発明は、地下に有底穴を掘削し、その掘削した有底穴内の底部表面と壁部に多数のタービン発電装置を分散配置することにより、タービンが放射する発電後の水を有底穴内の空間部に拡散しやすくすることを特徴とする。
更に、タービンは、空気圧縮機を回転駆動し、発電後の水に空気圧を加え、有底穴内の空気中にタービンが放射する発電後の水を拡散する。
タービンは、ヒートポンプ形熱交換機を回転駆動する。上位に配置したタービンに下方から供給する低温の水を供給し、下位に配置したタービンに上方から供給する温水を供給することにより、ヒートポンプ形熱交換機は、上方向に供給する低温の水から熱を吸収し、下方向に供給する温水に吸収した熱を移動する。
垂直方向に分散配置した下位のタービンは、温度の高い温水を放射しながら発電し、有底穴の下部を高温・高圧に維持する。
垂直方向に分散配置した上位のタービンは、低温の水を放射しながら発電し、有底穴の上部を低温・低圧に維持する。
有底穴の上部に設けた減圧塔内に配設した電動ポンプは、Ｕ字形貯水槽の上部から低温の水を汲み上げ、減圧塔内に散布することにより、減圧塔内部空間を低温・低圧に維持する。
電動ポンプが散布する低温の水は、減圧塔内に流入する空気から水を分留し、空気と水を有効に分離する。
有底穴内に流入する供給水温度が高いとき、有底穴の下部と上部間に発生する温度差と圧力差は、水を帰還するために十分な状態に達し、バーナが消費する水素燃料を低減することにより、発電システムは、省エネルギーに電力を発生する。
減圧塔内において空気と水を分留するときに発生する水蒸気は、飲料水を生産し、水道水として利用することができる効果もある。
開示した実施例は、発明の最良の実施形態を説明したものであり、ここに開示した技術の範囲内において、大小様々な組合せの発電システムを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】  発電システムの構成を説明するための断面図である。
【図２】  発電システム１に配設するタービン発電装置３３の構成を説明するためのブロック図である。
【図３】  発電システム１の平面図である。
【図４】  図３に示した発電システム１の平面図を一点鎖線において切断し、Ａ−Ａ方向を見た断面図である。
【図５】  発電システム１のＶ字形傾斜壁溝一段当たりの出力計算例図である。
【図６】  ５０段Ｖ字形傾斜壁溝方式の出力計算例を表示したグラフである。
【図７】  ５２段Ｗ字形傾斜壁溝一段当たりの出力計算例図である。
【図８】  ５２段Ｗ字形傾斜壁溝方式の出力計算例を表示したグラフである。
【図９】  ７５段ＷＷ字形傾斜壁溝一段当たりの出力計算例図である。
【図１０】  ７５段ＷＷ字形傾斜壁溝方式の出力計算例を表示したグラフである。
【図１１】  タービンの構成を説明するためのブロック図である。
【図１２】  タービンの動作機能を説明するためのブロック図である。
【図１３】  発電システム１の他の実施例の平面図である。
【図１４】  図１４の平面図を一点鎖線において切断し、Ｂ−Ｂ方向を見た断面図である。
【符号の説明】
【００４７】１  発電システム
２  沈砂池
４  温水貯水槽
５、７、９、４５、９５  低温貯水槽
６、３５、５４  ヒートポンプ形熱交換機
８、温水給水管
１０  減圧塔
１１  変圧路
１４  有底穴
１５、７１  側壁
１６、天井
２０、底板
２２、内壁
２３、外壁
２４、通路
２５  上部開口部
２６  温水給水管
２７  温水分岐配水管
２８  低温水分岐配水管
２９、低温水散布管
３２  タービン発電装置配置段
３３  タービン発電装置
３８、３９、７４  開口部
４０  低温水供給室
４１  空気流路
５１  タービン
５２  発電機
５３  空気圧縮機
５５  バーナ
５６  駆動軸
７２  電動ポンプ
７３、水供給弁
７５、外壁
７６、Ｕ字形貯水槽
２８１  帰還水配管
５４１、伝熱媒体蒸発機
５４２、伝熱媒体圧縮機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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