(57)【要約】【課題】水の落差を利用して発電を行う循環型マイクロ水力発電システムにおいて、発電効率を高くし、大きな発電量を得ることにある。【解決手段】貯留タンク（３）内の水を吸入して吐出する複数の循環ポンプ（４）と、循環ポンプ（４）から吐出された水を上方へ導く複数の揚水管（５）と、複数の揚水管（５）の水を下方へ導くように湾曲する複数の湾曲管（６）と、複数の湾曲管（６）の水を集めて下方へ落下させる降水管（７）と、降水管（７）から落下する水の流れの勢いを強くするための複数段の絞り部（３９、４１）を有する絞り管（８）と、絞り管（８）からの水の流れによって発電する発電装置（９）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の落差を利用して発電を行う循環型マイクロ水力発電システムにおいて、
水を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンク内の水を吸入して吐出する複数の循環ポンプと、
前記循環ポンプから吐出された水を上方へ導く複数の揚水管と、
前記複数の揚水管の水を下方へ導くように湾曲する複数の湾曲管と、
前記複数の湾曲管の水を集めて下方へ落下させる降水管と、
前記降水管から落下する水の流れの勢いを強くするための複数段の絞り部を有する絞り管と、
前記絞り管からの水の流れによって発電する発電装置とを備えることを特徴とする循環型マイクロ水力発電システム。
【請求項２】
前記発電装置は、前記絞り管からの水の流れによって駆動する水車と前記水車の駆動によって発電する発電部とを備え、
前記水車は、前記絞り管から落下する水の流れの勢いをさらに強くするためのノズルを備えることを特徴とする請求項１に記載の循環型マイクロ水力発電システム。
【請求項３】
前記循環ポンプには、外部エネルギで発生した電力を供給することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の循環型マイクロ水力発電システム。
【請求項４】
前記貯留タンクには、前記貯留タンク内の水を加温する加熱器を設置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の循環型マイクロ水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、循環型マイクロ水力発電システムに係り、特に水の落差を利用して発電を行う循環型マイクロ水力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水力発電システムとしては、ダムや急流を用いた大型の水力発電が主流であり、このため、発電を行うには大型の設備が必要であった。
そこで、近年、大型の設備を必要としない、小型の水力発電システムが望まれていた。小型の水力発電システムにあっては、貯留タンク内の水を循環ポンプで揚上し、その水を落下させることにより発電装置で発電させて電力を得ている。
このような水力発電システムとしては、例えば、以下の先行技術文献がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−６４１９２号公報  特許文献１に係る揚水再循環水力発電システムと揚水機は、上部水槽と下部水槽とを備え、上部水槽から下部水槽への水の落差で水車を駆動させて発電するものであり、また、下部水槽から上部水槽にパスカルの原理を応用して揚水する構造である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の特許文献１では、上部水槽から下部水槽への水の落差で水車を駆動して発電を行う場合に、水が落ちる落下エネルギによってのみ水車を駆動させるだけであり、このため、発電効率が低く、発電量が小さかった。
【０００５】
そこで、この発明は、発電効率を高くし、発電量を大きくすることができる循環型マイクロ水力発電システム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】
【０００６】
この発明は、水の落差を利用して発電を行う循環型マイクロ水力発電システムにおいて、水を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンク内の水を吸入して吐出する複数の循環ポンプと、前記循環ポンプから吐出された水を上方へ導く複数の揚水管と、前記複数の揚水管の水を下方へ導くように湾曲する複数の湾曲管と、前記複数の湾曲管の水を集めて下方へ落下させる降水管と、前記降水管から落下する水の流れの勢いを強くするための複数段の絞り部を有する絞り管と、前記絞り管からの水の流れによって発電する発電装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、水が落ちる落下エネルギに、落下する水の圧縮エネルギを加えることで、発電効率を高くし、発電量を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は循環型マイクロ水力発電システムの概略側面図である。（実施例１）
【図２】図２は図１のＩＩ−ＩＩ線による平面図である。（実施例１）
【図３】図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線による平面図である。（実施例１）
【図４】図４は揚水管と湾曲管との側面図である。（実施例１）
【図５】図５は降水管と絞り管との側面図である。（実施例１）
【図６】図６は保持具の平面図である。（実施例１）
【図７】図７はパイプガイドの平面図である。（実施例１）
【図８】図８は図１のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線による平面図である。（実施例１）
【図９】図９は発電装置の正面図である。（実施例１）
【図１０】図１０は図９のＸ−Ｘ線による水車の側面図である。（実施例１）
【図１１】図１１は水車のノズルの拡大断面図である。（実施例１）
【図１２】図１２は図９のＸＩＩ−ＸＩＩ線による発電部の側面図である。（実施例１）
【図１３】図１３は循環型マイクロ水力発電システムの構成図である。（実施例１）
【図１４】図１４は循環型マイクロ水力発電システムの構成図である。（実施例２）
【図１５】図１５は循環型マイクロ水力発電システムの構成図である。（実施例３）
【発明を実施するための形態】
【０００９】
この発明は、発電効率を高くし、発電量を大きくする目的を、落下する水の落下エネルギと圧縮エネルギとを利用して水の勢いを強くし、この勢いが強くなった水を水車に供給して実現するものである。
【実施例１】
【００１０】
図１〜図１３は、この発明の実施例１を示すものである。
図１に示すように、循環型マイクロ水力発電システム１は、水の落差を利用して発電を行うものであり、架台２と、貯留タンク３と、複数（例えば３台）の循環ポンプ４・４・４と、複数（例えば３本）の揚水管５・５・５と、複数（例えば３本）の湾曲管６・６・６と、降水管７と、絞り管８と、発電装置９とを備える。
【００１１】
架台２は、図１〜図３に示すように、平面視で四角形状に形成され、各隅部位に上下方向で立設された４本の支柱（アングル材）１０・１０・１０・１０を備える。支柱１０・１０・１０・１０には、下方から上方へ向かって複数段階（例えば４段階）に、第１〜第４枠部（アングル材）１１〜１４が水平方向で設置される。図１に示すように、第１枠部１１は、支柱１０の下部に配置される。第２枠部１２は、第１空間１５を形成するように第１枠部１１よりも上方に配置され、平面視において中央空間１６を形成した２つの載置部材１７・１７を備える（図８参照）。第３枠部１３は、第２空間１８を形成するように第２枠部１２よりも上方に配置される。第４枠部１４は、第３空間１９を形成するように第３枠部１３よりも上方に配置され、上板２０を備える（図３参照）。
【００１２】
貯留タンク３は、図１に示すように、所要量（例えば７００リットル）の水を貯留するように四角体に形成され、架台２の第１枠部１１に支持されて第１空間１５内に配置される。
【００１３】
循環ポンプ４は、貯留タンク３内の水を吸入して吐出するものであり、図１、図２に示すように、揚水管５の途中に配置され、かつ第３空間１９内に設置される。
【００１４】
揚水管５は、循環ポンプ４から吐出された水を上方へ導くものであり、図１、図４に示すように、上下方向に延びて配置され、下端部５Ａが貯留タンク３内の底部位付近に開口し、貯留タンク３の上部を貫通するとともに、第２枠部１２の一方の載置部材１７の貫通孔２１を貫通し（図１、図８参照）、さらに、架台２の上板２０の貫通孔２２を貫通して上方へ延び（図１、図３参照）、上端部５Ｂが架台２の第４枠部１４から所定の高さの位置に配置される。
図３、図４に示すように、揚水管５の途中は、固定フランジ２３によって架台２の上板２０の上面に保持される。揚水管５は、所定の直径Ｄ１（例えば３００ｍｍ）に形成される。揚水管５の上端部５Ｂには、継手手段（ヘルール継ぎ手）２４を介して湾曲管６の一端部６Ａが接続される。
【００１５】
湾曲管６は、図４に示すように、揚水管５の直径Ｄ１と同じ直径Ｄ２に形成され、且つ揚水管５の水を下方へ導くように所定の曲率半径Ｒによって湾曲形成される。また、湾曲管６の他端部６Ｂは、下方へ向かって配置され、降水管７に接続される。
湾曲管６の最頂部位と揚水管５の最下部位とは、所定の高さ（例えば約８ｍ）に設定される。
なお、互いに接続される揚水管５と湾曲管６とは、一本の管材で構成することも可能である。
【００１６】
降水管７は、図５に示すように、揚水管５・湾曲管６の直径Ｄ１・Ｄ２よりも大きな直径Ｄ３に形成され、下方向に延びる。
図５、図６に示すように、降水管７の上端部７Ａには、３本の湾曲管６の各他端部６Ｂを貫通孔２５に貫通させて保持する保持具２６が備えられる。降水管７は、３本の湾曲管６からの水を集めて下方へ落下させる。保持具２６には、降水管７内の空気を抜くエア抜き孔２７が形成される。
降水管７の下端部７Ｂは、図１、図５に示すように、継手手段（ヘルール継ぎ手）２８を介して絞り管８の上端に接続される。
【００１７】
降水管７と３本の揚水管５・５・５とは、図７に示すように、パイプガイド２９によって一体的に保持される。パイプガイド２９は、図１に示すように、複数段（例えば３段）に配設される。
図７に示すように、パイプガイド２９は、降水管７を保持する降水管保持部３０と、一側連結部３１を介して３本の揚水管５・５・５を保持する揚水管保持部３２とを備える。また、パイプガイド２９には、降水管保持部３０に接続した他側連結部３３を介して梯子３４の踏段３５が備えられる。梯子３４は、図１に示すように、複数の連結部３３Ａを介して架台２に支持される。
【００１８】
絞り管８は、図５に示すように、下方へ延びるように配置され、降水管７の直径Ｄ３と同等の直径Ｄ４を備えて所定の高さの大径管３６と、架台２の上板２０の上面に取り付けられる固定フランジ３７を介して下方へ延びる小径管３８とを備える（図１、図５参照）。
小径管３８は、下方へ向かって所定の高さＨ１で絞られた第１絞り部３９と、第１絞り部３９から下方へ向かって所定の高さで大径管３６の直径Ｄ４よりも小さな直径Ｄ５（例えば５０ｍｍ）の第１直線管４０と、第１直線管４０から下方へ向かって第１絞り部３９の高さＨ１よりも小さな高さＨ２で絞られた第２絞り部４１と、第２絞り部４１から下方へ向かって第１直線管４０の直径Ｄ５よりも小さな直径Ｄ６でかつ第１直線管４０の高さよりも小さな高さの第２直線管４２とを備える。従って、Ｄ５＞Ｄ６の関係がある。また、絞り管８の小径管３８は、降水管７から落下する水の流れの勢いを強くするために、複数段の絞り部３９、４１を有する。
【００１９】
絞り管８の小径管３８の第２直線管４２の下端は、図５に示すように、絞り管８からの水の流れによって発電する発電装置９に接続される。
発電装置９は、図８、図９に示すように、水車４３と発電部４４とを備え、台部４５を介して架台２の第２枠部１２の載置部材１７・１７に支持される。
水車４３の水車用回転軸４６と発電部４４の発電部用回転軸４７とは、カップリング４８で結合される。
水車４３は、図１０に示すように、水車用回転軸４６と一体の羽根部４９と、羽根部４９を覆うケーシング５０と、ケーシング５０に上方へ延びるように備えられかつ小径管３８に接続されるノズル５１と、ケーシング５０に接続されて下方へ延びて貯留タンク３に接続する戻し管部５２とを備え、且つケーシング５０の下部の水車用支持部５３を介して台部４５に保持される。
ノズル５１は、図１１に示すように、上方へ開口し、上端の直径Ｄ７から下方へ高さＨ３で窄むように形成された第１ノズル絞り部５４と、上端の直径Ｄ８から下方へ高さＨ４で窄むように形成された第２ノズル絞り部５５と、中央部位で直径Ｄ９（例えば２０ｍｍ）のノズル通路５６を備える。従って、Ｄ７＞Ｄ８＞Ｄ９の関係がある。
発電部４４は、図９に示すように、発電部側回転軸４７に一体のインナロータ５７と、インナロータ５７を覆うケーシング５８と、ケーシング５８に固定された電力取出部（コイル部）５９とを備え、且つケーシング５８の下部の発電部用支持部６０を介して台部４５に保持される（図１２参照）。
【００２０】
図１３に示すように、循環ポンプ４・４・４は、ポンプモータ４Ａ・４Ａ・４Ａを備え、操作側電力線６１を介して操作盤６２に接続されるとともに、発電側電力線６３を介して発電装置９の発電部４４の電力取出部５９に接続される。操作盤６２には、スイッチ部６４が備えられ、また、少なくとも循環ポンプ４の駆動開始時に用いられる電力を備える電力源６５が接続される。さらに、発電装置９の発電部４４の電力取出部５９には、蓄電器６６と、他の機器への電力線６７とが接続される。
【００２１】
この実施例に係る循環型マイクロ水力発電システム１においては、以下のように、一例を挙げる。
循環ポンプ４の出力を１台当たり０．４Ｋｗ（２５０リットル／毎分）とすると、循環ポンプ４が３台であることから、初動使用使用電力は、１．２Ｋｗ（７５０リットル／毎分）となる。
理論発電量は、
理論発電量＝水量×落差×係数×圧力倍率×効率
で表される。
従って、この実施例では、理論発電量は、
１２リットル／秒×６．５×９．８×１０．０×６０％＝４．５８Ｋｗ
となる。
有効発電量は、
有効発電量＝発電量−使用電力
で表される。
従って、この実施例では、有効発電量は、
４．５８Ｋｗ−１．２０Ｋｗ＝３．３８Ｋｗ
となる。
【００２２】
次に、この実施例１に係る循環型マイクロ水力発電システム１の発電について説明する。
循環型マイクロ水力発電システム１の発電においては、先ず、操作盤６２のスイッチ部６４を操作して電力源６５からの電力によって循環ポンプ４・４・４の駆動を開始すると、貯留タンク３内の水は、揚水管５・５・５の下端部５Ａ・５Ａ・５Ａの開口から吸入されて揚水管５・５・５の上端部５Ｂ・５Ｂ・５Ｂ側に吐出される。
そして、揚水管５・５・５の上端部５Ｂ・５Ｂ・５Ｂの水は、湾曲管６・６・６で下方へ向かって降水管７へ導かれる。降水管７には、湾曲管６・６・６からの水が集約されて勢い良く流れ込む。
そして、降水管７の水は、落下エネルギによって絞り管８に勢い良く流れ込む。絞り管８では、所定の高さの大径管３６によって湾曲管６・６・６からの水を効率良く集めるとともに、小径管３８に所定の高さの第１、第２直線管４０、４２及び第１、第２絞り部３９、４１が存在することにより、その落下する水が圧縮状態となり、落下する水の圧縮エネルギによって水の流れがさらに勢い良くなる。
その後、その水は、水車４３のケーシング５０のノズル５１に至り、ノズル５１の第１、第２ノズル絞り部５４、５５によってさらに圧縮されることから、この水の圧縮エネルギによって水の流れがさらに速くなり、その勢いがさらに高くなる。
そして、ノズル５１により流れが速くなった水は、水車４３の羽根部４９に強く当たることから、水車用回転軸４６の回転数が高くなり、水車用回転軸４６にカップリング４８を介して連結された発電部用回転軸４７が同様に回転し、発電部４４によって発電が行われる。
この発電による電力は、循環ポンプ４の駆動に利用されたり、蓄電器６６に蓄えられたり、あるいは、他の機器の駆動に利用される。この発電による電力が循環ポンプ４の駆動に利用され、かつその電力が循環ポンプ４の駆動に十分な場合には、循環ポンプ４の駆動には電力源６５からの電力が不要になる。
一方、水車４３を駆動した後の水は、ケーシング５０の戻り管部５２を経て貯留タンク３へ戻された後、再度、循環ポンプ４の駆動によって揚上され、繰り返し循環される。
【００２３】
この結果、この実施例の構造によれば、降水管７から落下する水の流れの勢いを強くするための複数段の絞り部３９、４１を有する絞り管８を備えていることから、落下する水の落下エネルギと圧縮エネルギとを利用して水の勢いを強くし、この勢いが強くなった水を水車に供給して、発電効率を高くし、発電量を大きくすることができる。
また、複数の循環ポンプ４と複数の揚水管５とを備えることにより、貯留タンク３内の水を効率良く揚上させることができ、発電効率に貢献する。
【実施例２】
【００２４】
図１４は、この発明の実施例２を示すものである。
以下の実施例においては、上述の実施例１と同一機能を果たす箇所には、同一符号を付して説明する。
この実施例２の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、循環ポンプ４には、外部エネルギを取り入れるように、電力補助装置６８を接続する。電力補助装置６８は、外部エネルギとして、例えば、太陽光エネルギを利用するものであり、循環ポンプ４に接続された蓄電器６９と、この蓄電器６９に太陽光エネルギを導く太陽光パネル７０とからなる。
この実施例２の構造によれば、発電部４４からの電力が低下した場合に、循環ポンプ４の駆動を電力補助装置６８からの電力によってアシストすることができ、循環ポンプ４の所要の駆動を確保し、循環ポンプ４の機能を十分に発揮させ、発電効率の向上に寄与させることができる。
【実施例３】
【００２５】
図１５は、この発明の実施例３を示すものである。
この実施例３の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、貯留タンク３には、内部の水を加温する加熱器７１を設置する。加熱器７１は、例えば、太陽光エネルギを利用するものであり、蓄電器７２に接続される。蓄電器７２は、太陽光エネルギを導く太陽光パネル７３に接続される。加熱器７１は、操作盤６２によって操作される。
この実施例３の構造によれば、加熱器７１によって貯留タンク３内の水を加温することにより、この水が膨張して貯留タンク３内の全体的な圧力が高くなり、水の循環を良くし、発電効率の向上に寄与させることができる。
なお、この実施例３においては、蓄電器７２・太陽光パネル７３の代わりに、上記の実施例２に係る電力補助装置６８の蓄電器６９・太陽光パネル７０を併用することも可能である。
また、循環型マイクロ水力発電システム１においては、実施例３に係る構造と実施例２に係る構造とを、組み合わせて用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
この発明に係る循環型マイクロ水力発電システムは、各種発電システムに適用可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１  循環型マイクロ水力発電システム
２  架台
３  貯留タンク
４  循環ポンプ
５  揚水管
６  湾曲管
７  降水管
８  絞り管
９  発電装置
３６  大径管
３８  小径管
３９  小径管の第１絞り部
４１  小径管の第２絞り部
４３  水車
４４  発電部
５１  水車のノズル
５４  第１ノズル絞り部
５５  第２ノズル絞り部
【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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【図１５】
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