(57)【要約】      （修正有）【課題】より発電効率が良く、コンパクトな貯溜式水力発電装置を提供する。【解決手段】直立した円筒状水貯溜槽１の取水面Ｄの変化に追従する取水端２０を有する落水管２と、落水管２の下方で当該落水管２の途中位置に取り付けられた発電部３と、発電部３を通過した落水を貯溜する落水貯溜槽４と、落水貯溜槽４の内部に落水が設定水位に達したことの検知で当該落水貯溜槽４の水面を押圧して円筒状水貯溜槽１に排水するためのプレス部６と、プレス部６の動作と共に円筒状水貯溜槽１の下部に空気を噴出して当該円筒状貯溜槽１の水位を上昇させるための圧縮空気部とを備え、円筒状貯留槽１に貯留された水の落水による発電動作と、プレス部６と圧縮空気部の動作で円筒状貯溜槽１の水位上昇動作を交互に実行させる。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
落水の位置エネルギーで水車を回し、当該水車に連結された発電機を回転させることで発電を行う貯溜式水力発電装置であって、
直立した円筒状水貯溜槽と、
前記円筒状水貯溜槽の水面近傍の取水面から取水すると共に、当該取水面の位置変化に追従する取水端を有する落水管と、
前記落水管の下方で当該落水管の途中位置に取り付けられた発電部と、
前記発電部を通過した落水を貯溜する落水貯溜槽と、
前記落水貯溜槽の内部に前記落水が設定水位に達したことの検知で当該落水貯溜槽の水面を押圧して前記円筒状水貯溜槽に排水するためのプレス部と、
前記プレス部の動作と共に前記円筒状水貯溜槽の下部に空気を噴出して当該円筒状貯溜槽の水位を上昇させるための圧縮空気部と、
を備え、
前記円筒状貯留槽に貯留された水の落水力による発電動作と、前記プレス部と前記圧縮空気部とによる前記円筒状貯溜槽の水位上昇動作を交互に実行させることを特徴とする貯溜式水力発電装置。
【請求項２】
蓄電器を有して前記発電部の発電電力と系統とを連携するパワーコンディショナーを備え、前記プレス部と圧縮空気部に不足電力を供給すると共に、前記発電部の余剰電力を系統に出力することを特徴とする請求項１に記載の貯溜式水力発電装置。
【請求項３】
前記落水貯溜槽の貯水容量は、前記円筒状貯留槽の貯水容量の二分の一以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の貯溜式水力発電装置。
【請求項４】
前記落水貯溜槽に水位計を有し、前記水位計の検知が設定された高水位である場合には前記プレス部と前記圧縮空気部を動作させ、設定された低水位の検知で前記プレス部と前記圧縮空気部を停止させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の貯溜式水力発電装置。
【請求項５】
前記発電部は、発電機の上流に手動バルブと電磁バルブの直列接続を有すると共に、前記電磁バルブにはゲートバルブが並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の貯溜式水力発電装置。
【請求項６】
前記円筒状水貯溜槽の周囲に前記落水貯溜槽を８基接続してなり、前記円筒状水貯溜槽の底部には前記落水貯溜槽と連通するダンパーを有し、前記プレス部による落水貯溜槽の排水と前記圧縮空気部による前記円筒状水貯溜槽への空気の噴出とを、前記ダンパーを通して行うことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の貯溜式水力発電装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、貯溜槽に溜めた水の落下エネルギーで発電する水力発電に係り、特に発電した水を貯溜槽に戻し、これを循環させることで、外部から大量の水を供給することなく継続した発電を可能とした貯溜式水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知の水力発電は、上流と下流の落差（位置エネルギーの差）を利用して落下あるいは流下する水の位置エネルギーで水車をまわし、水車に連結した発電機で発電するものである。
【０００３】
水力発電には、上流河川あるいは湖沼から取水し、水路で下流に位置する発電所の水車に導いて水車を回し、水車に連結された発電機を回転させて発電を行う流れ込み式（水路式）、ダムに貯水した水の落差を利用する貯水池あるいは調整池式（ダム式）、発電機の上下位置にそれぞれ調整池を持ち、発電に使用した下部調整池の水を余剰電力で上部調整池に戻して発電機を回す揚水式などが知られている。
【０００４】
流れ込み式（水路式）の発電装置は小規模システムとして設置可能であるが基本的には水の補給が必要であり、その他の方式は大規模な設備を必要とするため、マンションや工場の専用電源として用いることは不可能である。
【０００５】
外部から大量の水を供給することなく継続した発電を可能とした従来技術として、特許文献１、特許文献２、と３をあげることができる。特許文献１は次のような水力発電装置を開示する。
【０００６】
前もって水を満たした貯水式大型水槽の下部底面に適宜量の放水口を設け、その放水口の下に水車と発電機からなる発電システムを取り付ける。発電システムの下部の放流水の直下に、上記の発電機システムと同じ水を満たした発電システムを置き、上と下の貯水槽の下の放水ノズルを同時に開き、中の水を放水して上下の発電システムで同時に発電する。下部の発電システムで発電した電力で上部の発電システムの貯水槽に揚水し、これを循環させる。不足する電力はソーラー発電や風力発電で補完する。
【０００７】
また、特許文献２は、水中にほぼ鉛直方向に設けられた中空の筒状部材と、前記筒状部材の内部であってその上端付近に設けられ、前記筒状部材の内部を上昇する水流によって回される回転部材と、前記回転部材の回転運動を電力に変換する発電機と、前記筒状部材の下端に気体を送り込む圧送機構と、を備え、前記筒状部材の下端に気体を送り込むことにより前記筒状部材の内部に気泡を発生させ、前記筒状部材内外の密度差による煙突効果により生じる上昇水流を利用して発電を行うことを特徴とする気泡による密度差を利用した発電システムを開示する。
【０００８】
そして、特許文献３は、海抜０ｍ以下の地下空間における水圧と大気圧力と圧縮空気エネルギーとを利用した、天然エネルギーの流水発電方法であり、水の押し上に使用する圧縮空気と水の押し上に使用した圧縮空気とが余剰電力によりエネルギーとして事前貯蔵を可能にし、かつ大気圧を隔離した圧縮空気の循環システムによりエネルギーの再使用を可能にした請求項１記載の水圧・圧縮空気及び大気圧を利用する地下水流発電方法を開示する。
【０００９】
特許文献３の発電方法では、水路管底部の圧縮空気の吹出口付近を上向に移動する圧縮空気の作用により大気圧の重さを低下させ、かつ水路側から水路管内への流入水の比重を小さくし、該水路側に作用する大気圧の重さと水圧とをエネルギーとして作用させ、水路管内の水を高い位置まで押し上る水圧・圧縮空気及び大気圧を利用したものである。
【００１０】
また、特許文献３の発電方法では、貯水管に海水又は、河川水の水を常時流入部から流水しかつ水量調整部を介して水路の水量を調節しながら、水路管へ流入させかつ同時に水路直結の圧縮空気貯蔵部から圧縮空気を水路管へ注入し、更に前記水路管に流れている水を押し上げて再度水車直結型の発電機に流水するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１４４５１４号公報
【特許文献２】特開平０７−７５３９５号公報
【特許文献３】特開２００６−７７７１９号公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に開示の水力発電装置では、上部発電システムへの揚水のための電力の不足分をソーラー発電機や風力発電機を設けることで得ている。ソーラー発電機や風力発電機を併設することが前提となっている。
【００１３】
特許文献２や特許文献３に開示の発電システムでは、揚水に圧縮空気を利用するが、何れも管の底部に圧縮空気等を送り、底部に送られた空気が気泡となって管内を上昇するエネルギーを利用し、管内を移動する水の移動エネルギーを利用して水車又はタービンを回動させており、圧縮空気噴出手段の構成は大がかりとなる。
【００１４】
本考案の目的は、上記従来技術の課題を解決するものであり、より発電効率が良く、コンパクトな貯溜式水力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本考案に係る貯溜式水力発電装置は限定された筒状の貯溜槽に貯溜した小容量の水を落水させ発電機を回転させて循環させることで大量の水を必要とせずに連続した発電を可能としたものである。代表的な構成を記述すると、以下の通りである。
【００１６】
直立した円筒状水貯溜槽を備え、前記円筒状水貯溜槽の水面から取水すると共に、当該水面の変化に追従する取水口を有する落水管と、前記落水管の下方で当該落水管の途中位置に取り付けられた発電部と、前記発電部を通過した落水を貯溜する落水貯溜槽と、前記落水貯溜槽の内部に前記落水が設定水位に達したことの検知で当該落水貯溜槽の水面を押圧して前記円筒状水貯溜槽に排水するためのプレス部と、前記プレス部の動作と共に前記円筒状水貯溜槽の下部に空気を噴出して当該円筒状貯溜槽の水位を上昇させるための圧縮空気部とを備えた貯溜式水力発電装置であり、前記円筒状貯留槽に貯留された水の落水による発電動作と前記とプレス部と前記圧縮空気部とによる前記円筒状貯溜槽の水位上昇動作を交互に実行させる。
【００１７】
この貯溜式水力発電装置には、蓄電器を設置して前記発電部の発電電力と系統とを連携するパワーコンディショナーを備え、前記プレス部と圧縮空気部に不足電力を供給すると共に、前記発電部の余剰電力を系統に出力する。
【００１８】
前記落水貯溜槽の貯水容量は、排水容量を考慮して、前記円筒状貯留槽の貯水容量の二分の一以下とするのが好ましい。
【００１９】
前記落水貯溜槽には水位計が取り付けられており、前記水位計の検知が設定された高水位である場合には前記プレス部と前記圧縮空気部を動作させ、設定された低水位の検知で前記プレス部と前記圧縮空気部を停止させる。
【００２０】
前記発電部は、発電機の上流に手動バルブと電磁バルブの直列接続を有すると共に、前記電磁バルブにはゲートバルブが並列接続されている。手動バルブは始動時に開放し、ゲートバルブを開くことで発電機が回転を始める。その後、電磁バルブを解放することで連続運転に入る。ゲートバルブは落下水量調整用である。
【００２１】
具体的な構成例の装置では、前記円筒状水貯溜槽に各２本の落水管を設け、当該円筒状水貯溜槽一本の周囲に前記落水貯溜槽を８基接続してなり、前記円筒状水貯溜槽の底部には前記落水貯溜槽と連通するダンパーを有し、前記プレス部による落水貯溜槽の排水と前記圧縮空気部による前記円筒状水貯溜槽への空気の噴出とを、前記ダンパーを通して行う。
【００２２】
本考案は上記の構成及び後述する実施の形態に記載された内容に限定されるものではなく、本考案の技術思想の歯にないでしゅじゅの変更が可能である。
【考案の効果】
【００２３】
本考案によれば、極めて小容量の水を貯蔵し、これを循環して使用することにより、発電効率が良く、コンパクトな貯溜式水力発電装置を提供することができる。筒状水貯溜槽に空圧縮空気を噴出させることで、落水貯溜槽の水の重量を軽減して筒状水貯溜槽に排出でき、水循環エネルギーを軽減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本考案に係る貯溜式水力発電装置の１実施例の要部を説明する図である。
【図２】本考案に係る貯溜式水力発電装置の１実施例の要部を説明するための図１の補間図である。
【図３】本考案に係る貯溜式水力発電装置の１実施例の要部を説明するための図１の一部を拡大した説明図である。
【図４】本考案に係る貯溜式水力発電装置の具体的な構成例を頂部からみた平面図である。
【図５】図４に示した本考案に係る貯溜式水力発電装置の断面図である。
【図６】本考案に係る貯溜式水力発電装置の１実施例に用いる発電機部分の説明図である。
【考案を実施するための形態】
【００２５】
以下、本考案に係る貯溜式水力発電装置の実施の形態例を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本考案に係る貯溜式水力発電装置の１実施例の要部を説明する図である。図２は、本考案に係る貯溜式水力発電装置の１実施例の要部を説明するための図１の補間図である。図１の丸で囲った符号Ａ〜Fのラインは図２の同一符号のラインに接続する。図１において、先ず、発電用の水は筒状水貯蔵槽１に最上レベル（満水レベル）Ｈに貯溜される。筒状水貯蔵槽１の内壁には２本の落水管２（２ａ、２ｂ）が設けられている。なお、図１、図２の回路構成におけるＭＣＣＢ、ＭＣは回線保護用遮断器、回路遮断器である。
【００２７】
落水管２の取水端２０は取水面Ｄに開口し、落水に伴う取水面Ｄの下降に追従して取水端２０も筒状水貯蔵槽１内で下降し、落水貯溜槽４から当該筒状水貯蔵槽１への排水による水面上昇に伴って上昇するフローティング構造となっている。落水管２の取水端２０は、円筒状水貯溜槽１の取水面Ｄで取水する。落水管２の下方は図示したように円筒状水貯溜槽１の下方で当該円筒状水貯溜槽１から外部に引き出されている。円筒状水貯溜槽１から外部に引き出された落水管２には発電部３が設置されている。
【００２８】
図３は、発電部の本考案に係る貯溜式水力発電装置の１実施例の要部を説明するための図１の一部を拡大した説明図である。本実施例の発電部３は一つの円筒状水貯溜槽１に２本の落水管２ａ、２ｂが設けられている。それぞれの落水管２ａ、２ｂには発電機３ｇ、３ｈの上流に、手動バルブ３ａ、３ｂと電磁バルブ３ｃ、３ｄの直列接続を有する。また、電磁バルブ３ｃ、３ｄにはゲートバルブ３ｅ、３ｆが並列接続されている。
【００２９】
手動バルブ３ａ、３ｂは始動時に開放し、ゲートバルブ３ｅ、３ｆを開くことで発電機３ｇ、３ｈが回転を始める。その後、電磁バルブ３ｃ、３ｄを開放することで連続運転に入る。ゲートバルブ３ｅ、３ｆは落下水量調整用である。
【００３０】
発電部３を通過した落水は貯溜する落水貯溜槽４に落水する。落水貯溜槽４には円筒状水貯溜槽１の役半分の水を貯溜しておく。発電に使用された落水が落水貯溜槽４の内部に入り、落水貯溜槽４の貯溜流量は増加して行く。落水貯溜槽４には水位計９が設けられており、落水貯溜槽４の水位が設定水位に達したことの検知でプレス部６が動作する。プレス部６は油圧コンプレッサーと押圧機構５（プレスプレート５ａとシャフト５ｂ）で当該落水貯溜槽４の水面を下方に押圧して前記円筒状水貯溜槽１に排水する。
【００３１】
落水貯溜槽４に設置された水位計９を図２に示す。この水位計９は接地電極９０と高水位検出電極９ａおよび低水位検出電極９ｂで構成されている。水面の変化で高水位検出電極９ａと低水位検出電極９ｂがそれぞれ接地電極９０と閉回路を構成することによって高水位あるいは低水位の各状態が検知される。
【００３２】
プレス部６の動作開始と共に、圧縮空気部１０が動作して円筒状水貯溜槽１の下部（底部）に空気を噴出させて当該円筒状貯溜槽１に落水貯溜槽４からの水を排出し、その取水面Ｄを上昇させる。圧縮空気部１０は、コンプレッサー１０ａと気蓄器１０ｂで構成される。円筒状貯溜槽１の下部から圧縮空気を噴出させることで当該円筒状貯溜槽１の内部の水に浮力を与え、短時間で落水貯溜槽４の水を円筒状貯溜槽１の内部に戻し、取水面Ｄを初期の状態に上昇させることができる。
【００３３】
この円筒状貯留槽１に貯留された水の落下による発電動作で、取水面Ｄの下降とプレス部６と圧縮空気部１０とによる円筒状貯溜槽１の水位上昇（取水面Ｄの上昇）の動作を交互に実行させる。高水位である場合にはプレス部６と圧縮空気部１０を動作させ、設定された低水位の検知でプレス部６と圧縮空気部１０を停止させる。円筒状貯留槽１に貯留された水の量と落水貯溜槽４の容量と設置数にもよるが、複数の落水貯溜槽４のランダム発電および排水動作を、各落水貯溜槽４について、例えば１時間の発電に対して約３分の排水動作を繰り返すことで、連続した発電を可能とすることができる。
【００３４】
この貯溜式水力発電装置には、蓄電器（鉛蓄電池、あるいはリチウムイオン電池などの高容量二次電池）を設置して発電部３の発電電力と系統（商用配電系統）とを連携するパワーコンディショナー７を備えている。発電部３で発電し、自身の負荷１１に給電するが、余ったときにはその余剰電力を蓄電池８の充電に使用しあるいは系統に出力する。また、系統からはプレス部６と圧縮空気部１０初期の始動時の電力などの不足電力を供給する。
【００３５】
図４は、本考案に係る貯溜式水力発電装置の具体的な構成例を頂部からみた平面図である。また、図５は、図４に示した本考案に係る貯溜式水力発電装置の断面図で、図４のＸ−Ｘ線に沿って断面した図である。
【００３６】
図４、図５に示した本考案の具体的な構成例の装置では、円筒状水貯溜槽１に各２本の落水管２を設け、当該円筒状水貯溜槽１が一本の周囲に落水貯溜槽４を８基接続してなり、円筒状水貯溜槽１の底部には前記落水貯溜槽と連通するダンパーを有し、前記プレス部による落水貯溜槽４の排水と圧縮空気部１０による円筒状水貯溜槽１への空気の噴出とを、ダンパー１ａを通して行う。ダンパー１ａは落水貯溜槽４側から円筒状水貯溜槽１側への一方通行弁（逆止弁）で、空気流も同じ方向のみに噴出される。
【００３７】
図６は、本考案に係る貯溜式水力発電装置の１実施例に用いる発電機部分の説明図である。図６は図１の円筒状水貯溜槽１に設けた落水管２ａに設置された発電部をしめす。図３で説明した発電部３は、落水管２ａに接続された手動バルブ３ａの後段に直列接続された電磁バルブ３ｃと、電磁バルブの後段に接続された発電機３ｇで構成される。発電機は水車１２の背面に当該水車の回転軸に共通に接続されている。この種の水車にはペルトン水車（衝動水車）が好適であるが、プロペラ型（軸流型）、その他の水車を用いることができる。なお、ゲートバルブは図示を省略してある。
【００３８】
上記実施例で説明したように、本考案によれば、円筒状水貯溜槽１に貯溜した極めて小容量の水を循環して使用することにより、発電効率が良く、コンパクトな貯溜式水力発電装置を提供することができる。筒状水貯溜槽に空圧縮空気を噴出させることで、落水貯溜槽の水の重量を軽減して筒状水貯溜槽に排出でき、水循環エネルギーを軽減させることができる。
【００３９】
本考案に係る貯溜式水力発電装置は、その円筒状水貯溜槽１に対して図４、図５で説明したような８個の落水貯溜槽を設置するものに限らない。
【符号の説明】
【００４０】
１・・・筒状水貯溜槽
１ａ・・・ダンパー
２（２ａ〜２ｊ）・・・落水管
２０・・・取水端
３・・・発電部
３ａ，３ｂ・・・手動バルブ
３ｃ，３ｄ・・・電磁バルブ
３ｅ，３ｆ・・・ゲートバルブ
３ｇ，３ｈ・・・発電機
４（４ａ〜４ｈ）・・・落水貯溜槽
５・・・押圧機構
５ａ・・・プレスプレート
５ｂ・・・とシャフト
６・・・プレス部（油圧コンプレッサーと蓄油器）
７・・・パワーコンディショナー
８・・・蓄電池
９・・・水位計
９０・・・接地電極
９ａ・・・高水位検出電極
９ｂ・・・低水位検出電極
１０・・・圧縮空気部
１０ａ・・・コンプレッサー
１０ｂ・・・気蓄器
１１・・・負荷
１２・・・水車
【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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