(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水道管内を流れる下水を受けて回転する水車と、
前記水車の回転動力により発電を行う発電機と、
前記下水道管の前記水車側の端部に設けられ、前記下水道管の断面形状を前記水車側に向かって横長の形状に変化させて、横長の形状に開口されるようにする流入誘導部と、
前記流入誘導部の内側で開口部近傍の下面に立設されると共に、上端が刃物状とされている整流板と、を備え、
前記下水を利用して発電を行うことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記整流板は、下水の流れ方向に延在すると共に、下水の流れに垂直な方向に複数並設されることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記開口部近傍の上面に立設されると共に、下水の流れに垂直な方向に複数並設され、下端が鋭利な刃物状とされている上部整流板を更に備えることを特徴とする、請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記下水道管は、その勾配が２％以上であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記下水道管は、その内表面に当該内表面の凹凸を平滑化する部材を備えることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の発電システム。
【請求項６】
前記水車は、軸まわりに回転可能な中実の筒体と、前記筒体の周壁外面に周方向に複数設置された複数の羽根と、を備えることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の発電システム。
【請求項７】
前記下水に対して、前記水車をバイパスさせるバイパス路を備えることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水道管内を流れる下水を利用した発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、特開昭５７−２８８７６号公報に開示されているように、上水道の水圧等のエネルギーを利用する手段や、特開昭６３−４０２５号公報に開示されているように、高層ビル等から下水道管へ排出される排水のエネルギーを利用する手段等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、家庭や工場等から排出されて下水道管に流入した後、この下水道管を通って処理場等へ向かって流れる下水のエネルギーに対しては、ほとんど関心が払われていない。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、下水道管内を流れる下水のエネルギーを利用可能な手段を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発電システムは、下水道管内を流れる下水を受けて回転する水車と、水車の回転動力により発電を行う発電機と、下水道管の水車側の端部に設けられ、下水道管の断面形状を水車側に向かって横長の形状に変化させて、横長の形状に開口されるようにする流入誘導部と、流入誘導部の内側で開口部近傍の下面に立設されると共に、上端が刃物状とされている整流板と、を備え、下水を利用して発電を行うことを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、従来捨てられていた、下水道管内を流れる下水のエネルギーが電力として回収される。
【０００７】
また、下水を受けて回転する水車と、水車の回転動力により発電を行う発電機と、を備える。
【０００８】
これによって、下水道管を流れる下水のエネルギーが水車によって簡易かつ低コストに回収できる。
【０００９】
また、下水道管は、その勾配が２％以上であることが好ましい。
【００１０】
従来の下水道管は、下水の流速が約３ｍ／ｓ以下となるようにして下水の流れによる管壁の損傷摩耗等を防ぐべく、その勾配が約１％程度とされているが、この下水道管の勾配を２％以上とすることにより、下水の流速が上がり、水車によりより効率的な発電が可能とされる。
【００１１】
また、下水道管は、その内表面に当該内表面の凹凸を平滑化する部材を備えることが好ましい。
【００１２】
これにより、下水道管内面の粗度係数が減少し、下水道管を流れる下水に対する管壁面の摩擦が減少され、下水の流速が上昇して、より効率のよい発電が可能とされる。
【００１３】
また、水車は、軸まわりに回転可能な中実の筒体と、筒体の周壁外面に周方向に複数設置された複数の羽根と、を備えることが好ましい。
【００１４】
このような水車によれば、筒体が中実とされて水車の回転慣性が大きくされ、水車の羽根が下水を受けて回転する際にこの筒体がはずみ車の機能を発揮して回転速度の変動が少なくなるため、下水の水量等が変動しても発電電力の変動が少なくされる。
【００１５】
また、流入誘導部の内側で開口部近傍の下面に立設されると共に、上端が刃物状とされている整流板を備える。
【００１６】
水車に向かう下水が整流板によって整流されるので、下水が水車に効率よく当たって、より効率よく発電が行える。
【００１７】
また、下水に対して、水車をバイパスさせるバイパス路を備えることが好ましい。
【００１８】
これにより、水車に下水を当てることなく下水をこのバイパス路を介して下流側に排出することが可能とされ、下水道機能を妨げることなく、水車のメンテナンス等を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る発電システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２０】
まず、本発明の第一実施形態に係る発電システム１００について説明する。図１は、本実施形態に係る発電システムを示す概略構成図である。
【００２１】
本実施形態に係る発電システム１００は、傾斜する地表面１に対して設置され、地中に埋設され下水道管１９等から下水が流入される筒状のマンホール９と、マンホール９に対して地表面１の傾斜下方向で高低差が１０ｍ程度となる位置に離間され地中に埋設された筒状のマンホール１０と、マンホール９とマンホール１０とを接続する下水道管２０と、を備えている。
【００２２】
下水道管２０は、マンホール９とマンホール１０との間に、地表面１の傾斜と同様又はそれ以上にマンホール１０側が低くなるように、埋設されている。ここで、この勾配は特に制限されないが、下水の流下速度を高めるべく２％以上であることが好ましく、５％以上であることがより好ましい。なお、下水中に固形物を多く含む場合には、流下速度が速すぎると下水道管２０を損傷摩耗するおそれがあるので、１０％以下とすることが好ましい。なお、下水道管２０の埋設土被り深さは地表から約１．２ｍ程度とされている。
【００２３】
また、下水道管２０の長さは、下水の流下速度が定常になることができる程度の距離とすることが好ましく、例えば、下水道管２０の径φが２５０〜１０００ｍｍの場合は、５０〜１００ｍとすればよい。この場合、例えば、４００φのコンクリート管では５．２４ｍ／ｓ、６００φのコンクリート管では６．８７ｍ／ｓ、４００φの硬質塩ビ管では６．８１ｍ／ｓ、６００φの硬質塩ビ管では８．９３ｍ／ｓの流下速度に達する。
【００２４】
この下水道管２０は、マンホール１０側の端部を除く部分に、鉄筋コンクリートの円筒のヒューム管２５の内面に、薄肉で硬質の塩化ビニル層（平滑化する部材）２６が内張りされてなる下水流下部２０ａを備え、マンホール９内の下水はこの下水流下部２０ａ内を流下して、壁面の摩擦力と釣り合う所定の流速にまで達する。
【００２５】
このような下水流下部２０ａは、例えば、ヒューム管の内径とほぼ同じ外径の塩化ビニル管をヒューム管内に圧入接着したり、ヒューム管の内径よりもやや小さい外径の塩化ビニル管を軸方向に沿って切り開いてヒューム管内に挿入する（カットされた部分には３０〜１００ｍｍ程度の隙間が生ずる）こと等により得られる。
【００２６】
また、下水道管２０は、図２に示すように、マンホール１０側の端部に、当該下水道管２０の断面形状が、マンホール１０側に向かって円筒形状から徐々に変化し、横長の矩形形状として開口されるようにする流入誘導部２０ｂを備えている。
【００２７】
ここで、下水道管２０の下水流下部２０ａの径をφとすると、流入誘導部２０ｂの長さを５〜１０φ、矩形開口部の横幅は２φ、矩形開口部の高さは１／２φ、とすることが好ましく、流入誘導部２０ｂを金属製とすることが好ましい。
【００２８】
流入誘導部２０ｂの内側で、開口部近傍の上下面には、下水の流れ方向に延在する整流板７０が立設され、この整流板７０は下水の流れに垂直な方向に複数並設されている。これらの整流板７０は、開口部から流出する下水の流れを整流する。流入誘導部２０ｂの上面に設置された整流板７０の下縁及び下面に設置された整流板７０の上縁は、各々鋭利な刃物状とされており、これにより下水中の夾雑物がカットされる。
【００２９】
なお、これら整流板７０は、その高さを流入誘導部２０ｂの開口部の高さの１／３程度とし、流れ方向の長さを２〜３φ程度とし、この長さのうち上流側の１〜２φは上流側に向かって高さが低くなる様に斜めにし、整流板７０の設置間隔は１００〜２００ｍｍ程度とし、下面に設置する整流板７０の枚数を上面の枚数より数枚程度多くすることが好ましい。
【００３０】
マンホール１０は、図３及び図４に示すように、地中に埋設された縦型の四角筒状のコンクリート構造物であって、その上部は連通部１１を介して地表面１と連通されている。
【００３１】
マンホール１０の下部は、図４に示すように、ドア１２ａを備える垂直な仕切板１２によって下水室１４と、防水構造とされる発電機室１３と、に水平方向に仕切られている。マンホール１０の側壁内面には、図３に示すように、上部の連通部１１から底面にわたって、足掛金物１５が上下に設置されており、地表面１からマンホール１０内の発電機室１３や下水室１４への人の出入りが可能となっている。
【００３２】
下水室１４の側壁でマンホール１０の底よりも所定距離上方には、図３〜図５に示すように、下水道管２０の流入誘導部２０ｂが、マンホール１０の側壁を貫通して所定長さ下水室１４内に突出するように接続されている。
【００３３】
下水室１４の底部近傍には、図３及び図４に示すように、マンホール１０内に導入される下水を排出する下水道管２１が接続されている。
【００３４】
そして、本実施形態においては、下水室１４内の流入誘導部２０ｂの開口部近傍に、この流入誘導部２０ｂから流入する下水を受けて回転する水車３０を有している。
【００３５】
この水車３０は、図５に示すように、水平方向に延在し水平な軸３６まわりを回転される中実な円筒体（筒体）３１を備えている。円筒体３１の周壁外面には、水平方向に延在する板状の羽根３２が周方向に沿って複数立設され、これらの羽根３２同士は、羽根３２同士を補強する補強板３３によって周方向に互いに連結されている。
【００３６】
そして、この水車３０は、流入誘導部２０ｂの開口部から導入される下水が、水車３０の軸３６よりも上側に位置する羽根３２に当たるように、軸受３５，３５によって回転可能に軸支されている。
【００３７】
ここで、円筒体３１の径を１／２φ以下とし、羽根３２の高さを１／２φ位とし、羽根の横幅を２φとし、羽根の枚数を６〜１０枚とし、水車３０の羽根３２の先端側の曲率半径を１／１０〜１／１５φ程度とし、羽根３２と羽根３２との間の谷間の曲率半径を１／５φ程度とし、材質を強度／耐摩耗性を有し耐酸耐アルカリ性の金属、例えば、アルミニウム合金、ステンレス、又は、人工ルビー被膜（酸化アルミニウム＋酸化クロム粉末剤を混合し塗布後焼成すること等により得る）とし、円筒体３１の中身はオイルや固形物等とすることが好ましい。また、補強板３３の厚みは５〜１０ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００３８】
水車３０の上方には、図３及び図５に示すように、水車３０の羽根３２に当たる下水の飛散等を防止するカバー３９が、水車３０の上部を覆うようにマンホール１０の側壁に対して設置され、このカバー３９はカバー補強板３９ａにより補強されている。
【００３９】
さらに、水車３０の軸３６は、図４に示すように、仕切板１２を貫通して発電機室１３内まで延在し、軸３６の回転速度を所望の速度に変化させる自動式あるいは機械式等の変速機４０を介して、回転動力を電力に変換する発電機４１に連結されている。
【００４０】
そして、この発電機４１は、図１に示すように、地表に設けられ変圧、蓄電、直交変換等を行う変電室７８を介して、路面等を照らす街路灯７５や、路面を暖めて積雪を防止するロードヒーティングシステム７６、さらには、電力会社等への売電設備７９に接続されている。
【００４１】
なお、マンホール９とマンホール１０との間には、下水道管２０とほぼ並行し、マンホール９内に開口すると共に、水車３０をバイパスしてマンホール１０内の底部近傍に開口するバイパス路７７が設置されている。これにより、このバイパス路７７を介して、水車３０に下水を当てることなくマンホール９からの下水を下流側に排出することが可能とされ、マンホール１０の下水道系統としての機能を妨げることなく、マンホール１０において水車３０のメンテナンス等を行うことができる。なお、このパイパス路７７は、下水道管２０と上下に併設されても、水平に併設されても構わない。
【００４２】
次に、本実施形態の発電システム１００の作用について説明する。
【００４３】
まず、家庭や工場等からの下水が、下水道管１９等を介してマンホール９内に流入する。流入した下水は、下水道管２０に入り、下水道管２０の勾配に基づいて下水流下部２０ａを流下して加速されて所定の定常流下速度とされ、流入誘導部２０ｂを介して整流されてマンホール１０に流入する。
【００４４】
マンホール１０に流入する下水はその水流のエネルギーによって水車３０を駆動し、水車３０が駆動されることにより発電機４１において発電が行われ、下水のエネルギーが電力Ｐ［ｋＷ］として（１）式のごとく回収される。
Ｐ＝９．８・Ｑ・Ｈ・ηT・ηG                        …（１）
【００４５】
ここで、Ｑは水量［ｍ3／ｓ］、Ｈは有効落差［ｍ］、ηTは水車効率［−］、ηGは発電機効率［−］である。そして、この電力Ｐによって、街路灯７５やロードヒーティングシステム７６が駆動され、さらには、この電力Ｐが電力会社等へ売電される。
【００４６】
このとき、下水道管２０には、２％以上の所定の勾配がつけられていて、下水の流れによる管壁の損傷摩耗を防ぐべく勾配を約１％程度とし下水の流速が３ｍ／ｓ以下に抑えられた従来の下水道管を用いる場合に比して、下水道管２０内を流下する下水の速度Ｖ［ｍ／ｓ］は（２）式のマニングの式により計算されるように、例えば、５ｍ／ｓ以上に高められるので、水車３０によるエネルギー回収がより効率的になされる。
Ｖ＝（１／ｎ）・（Ｒ2/3・Ｉ1/2）                    …（２）
【００４７】
ここで、ｎは粗度係数［−］、Ｒは径深（管断面積／流水潤辺長）［ｍ］、Ｉは勾配［−］である。
【００４８】
また、下水道管２０の下水流下部２０ａの内面には、塩化ビニル層２６が形成されており、これによって下水道管２０内面が平滑化されて粗度係数が小さくなり、下水道管２０内を流れる下水に対する壁の摩擦が低減されて、流下速度が一層高くされ、より効率よく発電が行われている。例えば、本実施形態においては、下水道管２０の粗度係数は、円筒コンクリートヒューム管の０．０１３から０．０１０に減少し、下水の流下速度は約３０％上昇している。
【００４９】
また、水車３０は中実の円筒体３１を備えて水車３０の回転慣性が大きくされ、水車３０の羽根３２が下水を受けて回転する際にこの円筒体３１がはずみ車の機能を発揮して水車３０の回転速度の変動が少なくなるため、下水の水量が変動しても発電電力の変動が少なくされている。
【００５０】
また、下水道管２０から水車３０に向かう下水が、整流板７０によって整流されるので、下水が水車３０に効率よく当たって、より効率よく発電がおこなわれる。
【００５１】
なお、一般的に、家庭等から排出され下水道管２０を流れる下水の水量は、一日のうちでは比較的大きく変動するものの、季節変化による変動はあまりなく、一年を通じて、コンスタントに発電が可能である。
【００５２】
次に、図６を参照して、第二実施形態に係る発電システム２００について説明する。本実施形態においては、第一実施形態に比して地表面の勾配が小さく、既存のマンホール間の高低差が５ｍ以下とされている既設の下水道系に適用した場合のものである。
【００５３】
本実施形態においては、マンホール間を結ぶ下水道管の勾配を大きくすると共に、下水の流下速度が定常に達するのに充分な長さを得るべく、１つおきに既存のマンホール９ａを廃止し、残りのマンホール１０，１０間に勾配がつけられた長い下水道管２０を敷設している。下水道管２０やマンホール１０の他の構成は、第一実施形態と同様である。
【００５４】
本実施形態によれば、勾配の比較的緩やかな傾斜地においても、下水道管２０によって充分な流下速度を得ることができ、効率的な発電が可能となっている。
【００５５】
次に、図７を参照して、第三実施形態に係る発電システム３００について説明する。本実施形態においては、第一実施形態に比して傾斜がきつく、低地２０５との高低差が２０ｍ以上ある高台２０１にある、例えば、大規模ニュータウン等の住宅２０２等から下水が排出される場合に適用したものである。
【００５６】
高台２０１においては、低地２０５から高台２０１に向かう勾配の緩やかな進入用の道路２０４に沿って、既存の、マンホール２０９により連結された下水道管２１０の列が埋設されている。そして、本実施形態の発電システム３００は、上流側のマンホール２０９から、スクリーン等により大きな夾雑物等を除去して中水道並みの水質とした上で、迂回下水道管２１９を介して下水を導出し、その下水を高台２０１に設置された貯留タンク２１８に導入し、この貯留タンク２１８の下水を流量等を調節しつつ、低地２０５に至る急斜面に沿って埋設された急勾配の下水道管２０内を流下させ、下水道管２０の先の低地２０５に設置された水車３０等を備えるマンホール１０に導入して発電するものである。
【００５７】
ここで、急勾配によって下水道管２０内の流速が比較的高くなるため、ヒューム管でなく上水道に用いられる圧力管等を使うことが好ましい。
【００５８】
このような発電システム３００によれば、高台２０１からの下水が、２１８に貯留された後、下水道管２０を介して一気に流下することにより、高低差に基づく下水のエネルギーが有効に電気に変換できる。
【００５９】
なお、本発明に係る発電システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形態様をとることが可能である。
【００６０】
例えば、上記実施形態では、下水により効率よく発電すべく、下水道管２０に所定の勾配をつけているが、下水の流量が多い場合等には、ほとんど勾配がなくてもよい。
【００６１】
また、上記実施形態においては、下水道管２０内の粗度係数を下げるべく、ヒューム管２５内に塩化ビニル層２６を備えているが、粗度係数をヒューム管や陶管等に比して低くできる部材の層であれば、他のプラスチック素材、硬質ガラス、特殊金属（例えば、アルミニウム合金、ステンレス、人工ルビー（酸化アルミニウム＋酸化クロム粉末混合剤を塗布し焼成化すること等により得る））等により内部を被覆しても良い。また、角形コンクリート二次製品、例えば、組合せ暗渠ブロック等の内部に、硬質ガラス板や、上述の特殊金属や、化学物質（例えば、塩ビ）等による皮膜を形成したものを採用しても良く、これによれば、粗度係数がさらに０．００８程度にまで減少可能で、通常のヒューム管に比して、下水の流下速度が５０％上昇する。また、下水道管２０の断面形状も円形に限らず、多角形等でも構わない。
【００６２】
また、上記実施形態では、水車３０として、板状の羽根３２を有する円筒羽根車を備えているが、カプラン水車等他の水車でも構わない。また、メンテナンス性や設置コストを下げるべく、水車３０をマンホール内に設置しているが、下水を受けることができれば場所は限定されず、例えば、下水道管２０内に、例えば、軸流型の水車等を設置しても良い。
【００６３】
また、上記実施形態では、メンテナンス性を高めるべくバイパス路７７を備えているが、下水道管２０の途中にメンテナンス用マンホール等を備えても良い。
【００６４】
また、上記実施形態においては、下水道管２０内に雨水が合流しない分流式とされているが、雨水等が合流する合流式としても構わない。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る発電システムは、下水道管内を流れる下水を利用して発電を行う。これにより、従来捨てられていた、下水道管内を流れる下水のエネルギーが電力として回収され、下水道管内を流れる下水のエネルギーを利用可能な手段が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態に係る発電システムを示す概略構成図である。
【図２】図１中の下水道管の下流側端部を示す斜視図である。
【図３】図１中のマンホールを示す縦断面図である。
【図４】図３のマンホールのＩ−Ｉ矢視図である。
【図５】図３のマンホールの水車近傍の斜視図である。
【図６】第二実施形態に係る発電システムを示す概略構成図である。
【図７】第三実施形態に係る発電システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
２０…下水道管、２６…塩化ビニル層（平滑化する部材）、３０…水車、３１…円筒体（筒体）、３２…羽根、４１…発電機、７０…整流板、７７…バイパス路、１００，２００，３００…発電システム。
【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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