(57)【要約】      （修正有）【課題】河川等の水路において、大掛りな装置を用いなくともその水路幅を無駄なく有効活用して、電気エネルギーを生成する発電設備、及び発電方法を提供する。【解決手段】水を貯めることができる水槽１と、該水槽１を支持している昇降手段と、該水槽１の昇降動作に連動している発電手段と、を有する発電設備とする。昇降手段は、水槽の下部に配置された油圧シリンダ２ａを有していることが好ましく、また、発電手段は、油圧シリンダ２ａが収縮または膨張する際に発生した油圧により、発電機９を作動させる機構を含むことが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を貯めることができる水槽と、
該水槽を支持している昇降手段と、
該水槽の昇降動作に連動している発電手段と、
を有する発電設備。
【請求項２】
前記昇降手段は、前記水槽の下部に配置された油圧シリンダを有している、請求項１に記載の発電設備。
【請求項３】
前記昇降手段は、前記油圧シリンダと連結する油圧配管、油圧ポンプ、及び油圧コントローラを有している、請求項２に記載の発電設備。
【請求項４】
前記発電手段は、前記油圧シリンダが収縮または膨張する際に発生した油圧により、発電機を作動させる機構を含む、請求項２または３に記載に記載の発電設備。
【請求項５】
前記昇降手段は、前記水槽の上方に配置された滑車と、該滑車に接続されているウエイトを有している、請求項１に記載の発電設備。
【請求項６】
前記発電手段は、前記水槽の昇降動作と連動して前記滑車を回転させ、該回転する力が遊星歯車を介して発電機を作動させる機構を含む、請求項５に記載の発電設備。
【請求項７】
水路において電気エネルギーを生成する発電方法であって、流れる水を水槽に貯める第一工程と、該水槽に水が貯められることによって、該水槽が押し下げられる第二工程とからなり、前記第一工程における該水槽の位置エネルギーと、前記第二工程における該水槽の位置エネルギーとの差を電気エネルギーに変換することを特徴とする発電方法。
【請求項８】
前記水路に設けられた堰構造の下流側に前記水槽を設置し、該堰からの溢流を前記水槽中へ落し込んで行う請求項７に記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川等の水路において、水を貯める水槽の降下により生じる位置エネルギーの変化を有効活用して、電気エネルギーを生成する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水路を流れる水を利用する小水力発電として、河川から取り込まれた農業用の灌漑水路に水車を配設し、水車の回転を利用することで発電を行う回転水車式小水力発電が知られている。例えば、特許文献１には、水平軸を中心とする円周上に複数の水平直線翼が配置された発電用水車を用い、前記水平直線翼の断面形状をレ型とし、該レ型の頂部から水流面に着水させることにより着水時の抵抗を低減するとともに、別途樋を設けて該樋からの落下水を前記レ型の凹部で受けさせて生じる反力によって、水車の回転力、すなわち水車の回転エネルギーを高めることで、発電効率を向上させるという技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９０３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記回転水車式小水力発電は、水車を水路幅全体に設置しようとすれば水車全体を大型化しなければならず、装置が大荷重となって水の流れエネルギーだけでは水車を回転させることができないという難点がある。そのため、水車は、従来汎用されていたような小型のもので対応しなければならず、したがって、水路を流れる水のうち多くは、水車の両脇を素通りすることとなる。よって、水路を流れる水エネルギーの全量に対する発電に関わる電気エネルギー量の比率（発電効率）はかなり低い。
【０００５】
また、別途に樋を設置しようとすれば、水路の流れ勾配が小さい故に相当離れた上流側から取水する必要があり、大掛りな付加設備を設ける必要があることから、発電装置全体が大掛りなものとなり実現性が乏しい。さらに、水路近辺から水をポンプアップするのでは、そのための消費電力によって相殺され、自然エネルギーの活用というそもそもの思想と整合しなくなる。
【０００６】
さらに、水車を回転させる構造は、水路に流れる流木等のごみの影響を受けやすく、例えば、大雨や台風の後では、上流から流れてくる藁や小枝等が絡まり、回転が停止するトラブルが頻発する。
【０００７】
本発明は上記の事情に着目してなされたものであって、その目的は、河川等の水路において、大掛りな装置を用いなくともその水路幅を無駄なく有効活用して、電気エネルギーを生成する発電設備、及び発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決し得た本発明の発電設備は、水を貯めることができる水槽と、該水槽を支持している昇降手段と、該水槽の昇降動作に連動している発電手段とを有しており、特に、前記発電手段が前記水槽の昇降動作に連動している点に特徴を有している。
【０００９】
前記昇降手段は、前記水槽の下部に配置された油圧シリンダを有していることが好ましい。
【００１０】
前記昇降手段は、前記油圧シリンダと連結する油圧配管、油圧ポンプ、及び油圧コントローラを有していることが好ましい。
【００１１】
前記発電手段は、前記油圧シリンダが収縮または膨張する際に発生した油圧により、発電機を作動させる機構を含むことが好ましい。
【００１２】
また、本発明の発電設備は、該設備における動力伝達経路、及び構成部品の高精度化や、動作方法の高性能化を図るために、前記昇降手段として、油圧シリンダを用いる油圧方式から、水槽の上方に配置された滑車及び該滑車に接続されているウエイトを用いる機械方式に変更しても良い。
【００１３】
前記昇降手段として機械方式を用いる発電手段は、前記水槽の昇降動作と連動して前記滑車を回転させ、該回転する力が遊星歯車を介して発電機を作動させる機構を含むことが好ましい。
【００１４】
上記課題を解決し得た本発明の発電方法は、水路において電気エネルギーを生成する発電方法であり、流れる水を水槽に貯める第一工程と、該水槽に水が貯まることによって、該水槽が押し下げられる第二工程とからなり、前記第一工程における該水槽の位置エネルギーと、前記第二工程における該水槽の位置エネルギーとの差を電気エネルギーに変換する点に特徴を有している。
【００１５】
本発明の発電方法の各工程は、前記水槽に水を貯める工程をもって出発点としている。したがって、この工程を適確に行う主旨で、当該水槽へ必要量の水をできるだけ多く、且つ、一気に投入する目的で水路に堰を設けておき、該堰の下流側に前記水槽を設置し、該堰からの溢流を前記水槽中へ落し込んで行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、河川等の水路において、水を貯めることができる水槽を昇降させることで生じる位置エネルギーの変化を有効活用して、電気エネルギーを生成する発電設備、及び発電方法であることから、設備や該設備を構成する諸部品の複雑化を招くことなく、発電効率を向上させて、河川等の水量を高効率に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る発電設備の側面図（一部断面図）である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る発電設備の詳細側面図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る発電設備の側面図（一部断面図）である。
【図４】本発明の発電方法の概略図である。
【図５】本発明の発電設備における水槽の形状の違いによる位置エネルギーへの影響を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の昇降手段として油圧シリンダを有する場合を例にして説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。
【００１９】
本発明の発電設備は、水路を流れてくる水を受け入れて貯めることができる水槽と、該水槽を支持している昇降手段と、該水槽の昇降動作に連動している発電手段とから構成されている。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、昇降手段として油圧シリンダを有する実施の形態１に係る本発明の発電設備の側面図（一部断面図）を示したものである。図１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、水槽１に水が貯まり始める状態、該水槽１に水が貯まった状態、及び該水槽１から水が排水される状態を示す。
【００２１】
水槽１は、水路で流れる水を貯めることができる水槽であり、該水槽１の大きさは、水路における水量や発電量に合わせて、適宜調整することが可能である。
【００２２】
水槽１の材質は特に制限されないが、耐久性を考慮すればステンレス製が望ましく、軽量化と余分な慣性力を低減することを考慮すれば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いることがより望ましい。
【００２３】
本発明の実施の形態１における昇降手段は、前記水槽１の下部に配置された油圧シリンダ（図示せず）である。該油圧シリンダを用いることで、該水槽１の昇降動作をスムーズに行うことができると共に、該油圧シリンダの動作に関わる作動油自体に防錆や潤滑効果があることから、機器内部の摩耗を抑制することができる。
【００２４】
油圧シリンダは、シリンダ２ａ、及びロッド２ｂから構成されており、油圧によって該油圧シリンダ内の該ロッド２ｂを昇降させるものである。該油圧シリンダには、昇降の両方に油圧力を必要とする複動式と、一方が油圧駆動、他方が外力またはバネ駆動の単動式があるが、戻り速度が安定して繰り返し使用が可能な複動式を用いることが好ましい。
【００２５】
また、油圧シリンダの収縮、膨張の動作をスムーズに行うために、該油圧シリンダと連結する油圧配管３、油圧ポンプ４、及び油圧コントローラ５をさらに有することが好ましい。
【００２６】
油圧配管３は、油圧動作を行う作動油を流す流路であり、材質は、鋼管、ステンレス鋼管、高圧用ゴムホース等の種類があり、一般には鋼管や高圧用ゴムホースが使用される。
【００２７】
油圧ポンプ４は、作動油に圧力を加え、前記油圧配管３に該作動油を送り出す機能を持つもので、ベーンポンプ、ギヤポンプ等構造の違いにより各種あるが、本発明においては特に限定されるものではない。
【００２８】
油圧コントローラ５は、油圧を制御するための油圧制御弁（図示せず）、及び該油圧制御弁を制御する制御部（図示せず）から構成されており、市販されている油圧制御弁、及び制御部を用いることで十分であり、本発明において特に限定されるものではない。
【００２９】
作動油は、水路に及ぼす環境への影響を配慮して、環境対応型難燃性作動油（例えば、日本クエーカー・ケミカル製のクイントルブリック８２２−２００（商品名））が好ましい。
【００３０】
次に、本発明の実施の形態１における油圧シリンダの具体的動作について説明する。
【００３１】
水槽１の降下は、該水槽１に水が溜まることで水の重力が増加して該水槽１の下部に配置されている油圧シリンダ内のロッド２ｂが降下し、この動作と連動して該水槽１が落下するという仕組みである。
【００３２】
水槽１の再上昇は、該水槽１の排水が終了する位置を位置検出センサ（図示せず）で検知して、該センサからの信号を油圧ポンプ４に伝えた後、該油圧ポンプ４より油圧コントローラ５を介して油圧配管３に作動油が送り込まれ、該油圧シリンダ内のロッド２ｂが上昇する動作と連動して該水槽１が上昇するという仕組みである。
【００３３】
位置検出センサは、前記水槽１の位置を検出するセンサであり、接触式、光学式等各種あるが、市販されている位置検出センサを用いることで十分であり、特に限定されるものではない。
【００３４】
なお、水槽１の昇降は、安定でスムーズな昇降を行うために、該水槽１の昇降が行われる軌道に対応するように設置されたガイドレール（図示せず）に沿って行われることが好ましい。前記ガイドレールは、前記水槽１の昇降軌道を確実に導くことができる直線状のレールが好ましく、材質としては、エレベータガイドレール等で使用される鋼鉄製が好ましい。
【００３５】
次に、本発明の実施の形態１における発電メカニズムについて説明する。図２は、図１における発電設備の詳細側面図を示したものである。図２において、水槽１の水路上流側の側面部には、該水槽１の昇降軌道に対応してラックアンドピニオン６が設置されており、該ラックアンドピニオン６のピニオン７は車軸８を介して発電機９と連結されている。
【００３６】
ラックアンドピニオン６は、歯車の一種であり、例えば、平板上の柱状物に歯切りをしたラックとピニオンと呼ばれる円形歯車を組み合わせたもので、直線の動きを回転力に変換することが可能である。
【００３７】
ラックアンドピニオン６の仕様について特に限定するものではなく、該水槽１や昇降手段の仕様に合わせて、適宜設計することが可能である。
【００３８】
本発明の実施の形態１においては、前記水槽１の昇降に伴い前記ラックアンドピニオン６のピニオン７が回転し、該回転する力は車軸８を介して発電機９に伝わることで、該発電機９が駆動するものである。
【００３９】
なお、上記水槽１が降下する場合と再上昇する場合とでは、前記ピニオン７の回転は逆向きとなるが、該ピニオン７と接続する逆回転する歯車を適宜組み合わせることにより、該ピニオン７の回転の向きに依存することなく発電機９を駆動させることができる。
【００４０】
ところで、本発明の実施の形態１においては、水槽１の昇降に伴い、油圧シリンダ内のロッド２ｂは昇降すると共に、油圧が発生する。この油圧により該発電機９を駆動させることも可能である。これにより、余分の油圧を電気エネルギーに変換することができる。
【００４１】
具体的には、水槽１が降下する場合は、油圧シリンダ内のロッド２ｂの降下に伴い、油圧シリンダ内部の作動油が押し出される。その際に、作動油は油圧配管３を通過し、油圧コントローラ５を介して油圧ポンプ４にて油圧を発生させ、該油圧は遊星歯車１０を介して発電機９を駆動する。
【００４２】
本発明の発電設備を設置する上での困難性やコスト面を考慮すると、水路１３に設けられた堰構造（図面では、落差設置用堰１４）の下流側に、水槽１を設けて電気エネルギーの発生を行わせることが望ましい。
【００４３】
（実施の形態２）
本発明の発電設備は、該設備における動力伝達経路、及び構成部品の高精度化や動作方法の高性能化を図るために、昇降手段として油圧シリンダを用いる油圧方式から、水槽１の上方に配置された滑車１１及び該滑車に接続されているウエイト１２を用いる機械方式に変更することが可能である。
【００４４】
図３は、昇降手段として滑車１１とウエイト１２を有する実施の形態２に係る発電設備の側面図（一部断面図）を示したものである。
【００４５】
昇降手段は、前記水槽１の上方に配置された滑車１１と、該滑車に接続されているウエイト１２である。
【００４６】
前記滑車１１、及び前記ウエイト１２は、特に制限されないが、具体的な例としては、ロープ式エレベータで採用されている滑車（シーブ）やウエイトを用いることが好ましい。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態２における昇降手段の具体的動作について説明する。
【００４８】
水槽１が降下する仕組みは、該水槽１に水が溜まることにより、水の分だけ水槽１の質量が増加することで、滑車１１と接続するウエイト１２と該水槽１との質量バランスが崩れ、該水槽１が落下するものである。
【００４９】
水槽１が上昇する仕組みは、該水槽１が最下部に到達した際に、該水槽１から水が排出されて該水槽１の質量が軽くなることで、滑車１１と接続するウエイト１２と該水槽１との質量バランスが逆転し、該水槽１が上昇するものである。
【００５０】
次に、本発明の実施の形態２における発電メカニズムについて説明する。
【００５１】
本発明の実施の形態２における発電メカニズムは、水槽１の昇降動作として、滑車１１と該滑車１１に接続されているウエイト１２を用いている点以外は、実施の形態１における発電手段と同様である。
【００５２】
すなわち、水槽１の昇降に伴いラックアンドピニオン６のピニオン７が回転し、該回転する力は車軸８を介して発電機９に伝わることで、該発電機９が駆動するものである。
【００５３】
また、本発明の実施の形態２においては、水槽１の昇降に伴い、滑車１１と該滑車１１に接続されているウエイト１２とのバランスにより、該滑車１１が回転する。滑車１１は、車軸を介して遊星歯車１０、及び発電機９と接続されており、該回転する力により発電機９を駆動させることも可能である。
【００５４】
水槽１が上昇する場合は、水槽１の上昇に伴い前記滑車１１が回転し、該回転する力を該滑車１１と接続している遊星歯車１０に伝え、さらに該遊星歯車１０と接続している発電機９に伝えることで、該発電機９を駆動させるものである。
【００５５】
なお、上記水槽１が降下する場合と上昇する場合とでは、該滑車１１の回転は逆向きとなるが、該滑車１１と接続している遊星歯車１０を適宜組み合わせる（例えば、該遊星歯車１０と逆回転する歯車を組み合わせる。）ことにより、該滑車１１の回転の向きに依存することなく該発電機９を駆動させることができる。
【００５６】
次に、本発明の発電方法を図４の概略図に従って説明する。本発明の発電方法は、以下の二つの工程からなる。まず、第一工程において、河川等を流れる水が水槽１に貯められる。ここで、流れる水の速さは、本発明を実施する上では特に関係ない。
【００５７】
次に、第二工程において、前記水槽１に水が貯まることによって、該水槽１が水の質量により押し下げられる。
【００５８】
第一工程における該水槽１の位置エネルギーをＥ１、第二工程における該水槽の位置エネルギーをＥ２と定義すると、該位置エネルギーＥ１と該位置エネルギーＥ２との絶対値差｜Ｅ１−Ｅ２｜が、本発明において得られる電気エネルギーＷとなる。
【００５９】
すなわち、前記電気エネルギーＷは次式（１）で求められる。
Ｗ＝｜Ｅ１−Ｅ２｜                                                      （１）
【００６０】
ここで、水が貯まっている状態における水槽１の総質量をｍ、第一工程における該水槽１の高さをｈ１、第二工程における該水槽１の高さをｈ２、重力加速度をｇとすると、以下の式（２）、（３）の関係となる。
Ｅ１＝ｍｇｈ１                                                          （２）
Ｅ２＝ｍｇｈ２                                                          （３）
（ｈ１＞ｈ２）
【００６１】
電気エネルギーＷを最大限取り出すためには、第一工程における該水槽１の位置エネルギーＥ１と、第二工程における該水槽の位置エネルギーＥ２との絶対値差｜Ｅ１−Ｅ２｜を可能な限り大きくすることが肝要である。
【００６２】
図５は、本発明の発電設備における水槽の形状の違いによる位置エネルギーへの影響を模式的に示したものである。例えば、水槽の水平方向の断面積が小さく、底が深い場合を（ａ）とし、水槽の水平方向の断面積が大きく、底が浅い場合を（ｂ）とし、該水槽に貯まる水の量は、（ａ）の場合が（ｂ）の場合よりも多いとする。また、該水槽の降下により得られる位置エネルギーを、それぞれ、Ｅａ、及びＥｂとする。
【００６３】
ここで、Ｅａ及びＥｂが同じエネルギー量である場合、（ａ）における水槽の降下距離ｈａは、（ｂ）における水槽の降下距離ｈｂよりも小さくてもよいことになる。
【００６４】
しかしながら、（ａ）の場合、底の深い水槽に水が貯まることから、水が貯まるまでの間に位置エネルギーを無駄に消費していることになり、底の浅い水槽の場合の（ｂ）と比べて、実質的に得られる位置エネルギー量は低下するといえる。
【００６５】
以上のことを考慮すると、本発明の発電設備において、実際の河川等の水路幅を無駄なく有効活用し、実質的な位置エネルギー量を確保するために、該水槽１の形状について、該水槽１の水平方向の断面積が大きく、該水槽１の深さが浅いものを設計することが望ましい。例えば、水槽１の水平方向の断面積Ｓ［ｍ２］と水槽の深さＤ［ｍ］との関係が、以下の式（４）を満足するように、該水槽１を設計することが望ましい。
Ｓ［ｍ２］／（Ｄ［ｍ］）２＞１                                          （４）
【００６６】
本発明の発電設備を設置する上での困難性やコスト面を考慮すると、水路１３に設けられた堰構造（図面では、落差設置用堰１４）の下流側に、水槽１を設けて電気エネルギーの発生を行わせることが望ましい。
【符号の説明】
【００６７】
１  水槽
２ａ  シリンダ
２ｂ  ロッド
３  油圧配管
４  油圧ポンプ
５  油圧コントローラ
６  ラックアンドピニオン
７  ピニオン
８  車軸
９  発電機
１０  遊星歯車
１１  滑車
１２  ウエイト
１３  水路
１４  落差設置用堰
【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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