JP7270116B1 - 循環型水力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電所の代替設備として汎用性及び拡張性が高い循環型水力発電システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る循環型水力発電システム（１００）は、水を貯留するピット（１）と、ピットの周囲に配置され、それぞれが水の落差を利用して発電を行う複数の発電装置（１０Ａ，Ｂ，・・・，Ｐ）と、を備え、複数の発電装置のそれぞれは、バイオ燃料で駆動する第１エンジン（１１）と、第１エンジンで駆動され、ピットの水を吸入して吐出する第１ポンプ（１２）と、第１ポンプから吐出された水を上方へ導く第１揚水管（２１）と、第１揚水管にて上方に導かれた水を下方へ落下させる降水管（２４）と、降水管から落下した水の流れによって回転する水車（３０）と、水車の回転によって発電する発電機（３２）と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水の落差を利用して発電を行う循環型水力発電システムに関する。

本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１には、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、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、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、複数の湾曲管の水を集めて下方へ落下させる降水管と、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、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た循環型マイクロ水力発電システムが記載されている。

そして、この特許文献１に記載の水力発電システムによれば、水が落ちる落下エネルギーに、落下する水の圧縮エネルギーを加えることで、発電効率を高くし、発電量を大きくすることができるとされている。

特開２０１６－０７５２５６号公報

ところで、近年、国連が主導する持続可能な開発目標（Sustainable Development Goals：ＳＤＧｓ）の目標７「すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する」に貢献することが求められている。この点、特許文献１に記載の水力発電システムでは、現在稼働している発電所に置き換わる技術としては十分ではなく、ＳＤＧｓの観点から見ても改良の余地がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、発電所の代替設備として汎用性及び拡張性が高い循環型水力発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、水を貯留するピットと、前記ピットの周囲に配置され、それぞれが水の落差を利用して発電を行う複数の発電装置と、前記複数の発電装置に接続される水合流装置と、を備えた循環型水力発電システムであって、前記複数の発電装置のそれぞれは、電力で駆動するモータと、前記モータにより駆動され、前記ピットの水を吸入して吐出するポンプと、前記ポンプから吐出された水を上方へ導く揚水管と、前記揚水管にて上方に導かれた水を下方へ落下させる降水管と、前記降水管から落下した水の流れによって回転する水車と、前記水車の回転によって発電する発電機と、を備え、前記水合流装置は、バイオ燃料で駆動するバイオディーゼルエンジンと、前記バイオディーゼルエンジンで駆動され、前記ピットの水を吸入して吐出する斜流ポンプと、前記斜流ポンプから吐出された水を上方へ導く揚水配管と、前記揚水配管にて上方に導かれた水を前記複数の発電装置のそれぞれの前記降水管に分流させるヘッダと、を備えることを特徴とする循環型水力発電システムである。

本発明によれば、発電所の代替設備として汎用性及び拡張性が高い循環型水力発電システムを提供できる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施形態に係る循環型水力発電システムの全体構成図である。 第１実施形態に係る循環型水力発電システムの１階部分を模式的に示す平面図である。 第１実施形態に係る循環型水力発電システムを模式的に示す側面図である。 第１実施形態に係る循環型水力発電システムを模式的に示す正面図である。 第１実施形態に係る循環型水力発電システムの屋上部分を模式的に示す平面図である。 変形例１に係る循環型水力発電システムの全体構成図である。 第２実施形態に係る循環型水力発電システムの全体構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る循環型水力発電システム１００の全体構成図、図２は循環型水力発電システム１００の１階部分を模式的に示す平面図、図３は循環型水力発電システム１００を模式的に示す側面図、図４は循環型水力発電システム１００を模式的に示す正面図、図５は循環型水力発電システム１００の屋上部分を模式的に示す平面図である。図１において、点線は電気配線を示す。また、説明の便宜のため、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸をそれぞれ図２～５の通り定義する。なお、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は、それぞれ循環型水力発電システム１００の長手方向、短手方向、高さ方向に相当する。なお、図２～５は、循環型水力発電システム１００の主な構成要素を模式的に示したものであって、細かい構成要素（例えば、鉄骨や配管サポート類、メンテナンス用のステップや手摺、あるいはエレベータなど）の図示は省略している。

図１～５に示すように、循環型水力発電システム１００は、ピット１と、多数の発電装置１０（１０Ａ、Ｂ，・・・，Ｐ）と、を備えている。循環型水力発電システム１００は、例えば、Ｘ軸方向が８０ｍ、Ｙ軸方向が１５ｍ、Ｚ軸方向が４０ｍ程度の大きさの建屋６に、８基×２＝１６基の発電装置１０が設置された屋内発電設備である。即ち、循環型水力発電システム１００は、建屋６によって四方及び天井を覆われた完全屋内型の発電設備である。なお、発電装置１０の出力は、１基当たり９４０ｋｗ／ｈである。

ピット１は、水を貯留するための穴部であり、例えば、１階の床面２から掘り下げられている。床面２は、ピット１を挟んでＹ軸方向の両側に、かつ、Ｘ軸方向に延びるように形成されている。つまり、床面２はピット１の長手方向に沿って周囲を囲うように設けられている。そして、この床面２に複数（例えば、８基×２＝１６基）の発電装置１０が配置されている。具体的には、ピット１を挟んで対向するように、かつ、ピット１のＸ軸方向に整列して、８基ずつ発電装置１０が床面２に配置されている。各発電装置１０は、同一の構成要素を備えている。以下、各発電装置１０を区別して説明する場合には、発電装置１０Ａ，１０Ｂ等と称し、それぞれの発電装置１０の各構成にも符号の末尾にＡ，Ｂを付すことにする。一方、各発電装置１０を区別する必要がない場合には、単に発電装置１０とし、発電装置１０の各構成の符号の末尾のＡ，Ｂも省略して説明する。

発電装置１０は、第１エンジン１１と、第１ポンプ１２と、第１揚水管２１と、第２エンジン１５と、第２ポンプ１６と、第２揚水管２２と、湾曲管２３と、降水管２４と、水車３０と、増速機３１と、発電機３２と、を備えている。

第１エンジン１１は、バイオ燃料で駆動するバイオディーゼルエンジンである。第２エンジン１５も同様にバイオディーゼルエンジンである。水車３０は、例えばクロスフロー水車であるが、その他の形式の水車を用いても良い。水車３０は増速機３１を介して発電機３２と接続されており、水車３０の回転により発電機３２が発電する。また、第１ポンプ１２は、第１エンジン１１より駆動されて、例えば３６００ｒｐｍで回転し、１秒間に３立方メートルの流量を吐出する。第２ポンプ１６も第１ポンプ１２と同様の構成から成り、第２エンジン１５により駆動される。

第１ポンプ１２の吸入口には、吸入管１３が取り付けられている。また、吸入管１３にはフィルタ１４が設けられている。このフィルタ１４により、第１ポンプ１２への異物の吸入が防止される。

第１ポンプ１２から水車３０までの間は、これらの上方の空間に引き回された配管によって接続されている。例えば、発電装置１０Ａの配管について主に図４を参照して説明すると、第１ポンプ１２Ａと第２ポンプ１６Ａとの間は第１揚水管２１Ａで接続され、第２ポンプ１６Ａと水車３０Ａとの間は第２揚水管２２Ａ、湾曲管２３Ａ、及び降水管２４Ａで接続されている。そして、図４に示すように、第１揚水管２１Ａ及び第２揚水管２２Ａは斜め上方に延在するが、延在する方向（傾斜する方向）が逆向きである。具体的には、第１揚水管２１ＡはＸ軸正方向に向かって上方に延在する一方で、第２揚水管２２ＡはＸ軸負方向に向かって上方に延在している。また、降水管２４は、第２揚水管２２Ａと湾曲管２３Ａを介して接続され、Ｚ軸方向に沿って垂直に延在している。

次に、発電装置１０と隣り合う発電装置１０Ｃの配管について、主に図４を参照して説明すると、第１ポンプ１２Ｃと第２ポンプ１６Ｃとの間は第１揚水管２１Ｃで接続され、第２ポンプ１６Ｃと水車３０Ｃとの間は第２揚水管２２Ｃ、湾曲管２３Ｃ、及び降水管２４Ｃで接続されている。そして、図４に示すように、第１揚水管２１Ｃ及び第２揚水管２２Ｃは斜め上方に延在するが、延在する方向（傾斜する方向）が逆向きである。具体的には、第１揚水管２１ＣはＸ軸負方向に向かって上方に延在する一方で、第２揚水管２２ＣはＸ軸正方向に向かって上方に延在している。また、降水管２４Ｃは、第２揚水管２２Ｃと湾曲管２３Ｃを介して接続され、Ｚ軸方向に沿って垂直に延在している。

そして、隣り合う１組の発電装置１０Ａと発電装置１０Ｃにおいて、第１揚水管２１Ａと第１揚水管２１Ｃとは、延在する方向（傾斜する方向）が互いに逆向きとなっており、かつ、立体交差している（図３参照）。また、同様に、発電装置１０Ａの第２揚水管２２Ａと発電装置１０Ｃの第２揚水管２２Ｃとは、延在する方向（傾斜する方向）が互いに逆向きとなっており、かつ、立体交差している。その他の隣り合う１組の発電装置（例えば符号１０Ｂと１０Ｄ）における第１揚水管２１同士（例えば符号２１Ｂと２１Ｄ）及び第２揚水管２２同士（例えば符号２２Ｂと２２Ｄ）も同様に、傾斜する方向が互いに逆向き、かつ、立体交差している（図３参照）。

また、図５に示すように、建屋６の屋上５には、多数の太陽光パネル４０が設置されている。図示しないが、建屋６の南面にも多数の太陽光パネル４０が設置されている。そして、太陽光パネル４０で発電した電力は、同じく屋上５に設置された蓄電装置４２に蓄えられる。なお、蓄電装置４２は建屋６内に設置しても良い。

（使用方法）
次に、循環型水力発電システム１００の使用方法について説明する。オペレータが循環型水力発電システム１００の電源をオンすると、蓄電装置４２に蓄えられた電力で第１エンジン１１及び第２エンジン１５のセルモータ（スタータ）が回り、バイオ燃料が供給されて第１エンジン１１及び第２エンジン１５が駆動する。すると、第１ポンプ１２及び第２ポンプ１６が駆動し、ピット１内の水を吸入する。そして、吸入された水は、第１揚水管２１、第２揚水管２２、湾曲管２３、降水管２４の順に流れて、水車３０に向かって落下する。落下した水によって水車３０が回転し、水車３０を回転させた水は、ピット１に戻される。水車３０の回転速度は増速機３１により増速されて発電機３２に伝達される。こうして、発電機３２が駆動し、発電が行われる。このように、ピット１内の水が循環することにより、発電が行われる。そして、発電機３２で発電した電力は、需要先７０に適宜、供給される。

以上説明したように、第１実施形態に係る循環型水力発電システム１００によれば、以下のような作用効果を奏することができる。

水をピット１に貯留し、その水を循環して発電を行うことができる。しかも、第１エンジン１１及び第２エンジン１５はバイオ燃料により駆動するバイオディーゼルエンジンであるため、ＣＯ２を排出することなく、循環型水力発電システム１００を運転できる。そのため、火力発電所のように化石燃料を使用することなく、クリーンな環境で電力を供給できる。さらに言えば、火力発電所の代替設備として、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを可能とすることができる。また、太陽光パネル４０により発電した電力を蓄電装置４２に蓄え、その電力により第１エンジン１１及び第２エンジン１５のセルモータを回すことができるため、循環型水力発電システム１００のシステム稼働時においても、ＣＯ２の排出をなくすことができる。つまり、循環型水力発電システム１００は、ＣＯ２を一切排出することなく、発電できる。

また、建屋６内にピット１及び発電装置１０を設置できるため、外部環境を汚染する心配もない。さらに、電力供給量を増やしたい場合には、発電装置１０の数を増やすだけで対応できるため、発電所の代替設備として汎用性及び拡張性が高い。

また、例えば、隣り合う1組の発電装置１０Ａ，１０Ｃにおいて、第１揚水管２１Ａと第１揚水管２１Ｃとの傾斜する方向が逆向きであり、かつ、立体交差して配置されているため、空間の有効利用が図られ、コンパクトな配管の引き回しが可能である。特に、第１揚水管２１Ａと第１揚水管２１Ｃとを図３，４のように立体交差させると、Ｘ軸方向の寸法をコンパクトにすることができる。そして、隣り合う１組の発電装置１０，１０毎に上記したように第１揚水管２１，２１及び第２揚水管２２，２２を立体交差させることで、建屋６全体のＸ軸方向の寸法をコンパクトにできる。

また、本実施形態では、降水管２４をＺ軸に沿って垂直に配置しており、水を垂直に落下させた後、水の流れの向きを水平方向に変えて、水車３０に導入することにより、水車３０を効率良く回転させることができる。よって、発電効率の高い設備を提供できる。

このように、本実施形態に係る循環型水力発電システム１００は、ＳＤＧｓの開発目標に貢献できる優れたシステムであり、化石燃料を使用する既存の火力発電所の代替設備として大変有効である。また、必要な数の発電装置１０と水があれば、都市部、地方部、沿岸部、内陸部など、場所を問わずどこでも電力を供給できるため、電力設備のない地域や緊急災害時にも容易に適用可能である。

（変形例１）
次に、第１実施形態に係る循環型水力発電システム１００の変形例について説明する。図６は、変形例１に係る循環型水力発電システムの全体構成図である。変形例１では、第１揚水管２１から第２揚水管及び湾曲管２３を迂回して、直接、降水管２４に水を流すためのバイパス流路２５を設け、このバイパス流路２５に電磁開閉弁３５を設けた点に特徴がある。

この構成によれば、例えば、電力需要が低く、循環型水力発電システム１００を５０％負荷で運転したい場合に、図示しない制御室から電磁開閉弁３５を開けるよう指令を出力すると共に、第２エンジン１５を停止させるようにする。そうすると、第１ポンプ１２によりピット１から吸入され吐出した水は、第１揚水管２１を流れた後、バイパス流路２５を流れて降水管２４から落下し、水車３０を回転させることになる。これにより、水車３０の回転速度を通常運転に比べて減速できるため、発電量を抑えた運転が可能となる。つまり、変形例１では、需要先７０の要求に応じた効率の良い運転を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る循環型水力発電システム２００について説明する。図７は、第２実施形態に係る循環型水力発電システム２００の全体構成図である。図７に示すように、第２実施形態に係る循環型水力発電システム２００は、第１実施形態に係る循環型水力発電システム１００の各構成のうち第１エンジン１１及び第２エンジン１５の代わりに第１モータ５１及び第２モータ５２を用いている点と、ピット１の水を汲み上げて湾曲管２３に合流させる水合流装置６０を備えている点とに特徴がある。以下、これらの特徴について主に説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。

水合流装置６０は、斜流ポンプ５４と、斜流ポンプ５４を駆動するバイオディーゼルエンジン（以下、エンジン）５３と、揚水管（揚水配管）６１と、ヘッダ６２と、分岐管６３と、を備える。斜流ポンプ５４の吸入口には吸入管６４が設けられている。なお、本実施形態において、水合流装置６０は、循環型水力発電システム２００の長手方向の両端部に１組ずつ、合計２組設けられているが、その組数は２組に限定されない。

次に、循環型水力発電システム２００の使用方法について説明する。循環型水力発電システム２００の電源をオンすると、まず、蓄電装置４２に蓄えられている電力で第１モータ５１及び第２モータ５２を駆動し、各発電装置１０にて発電が行われる。発電装置１０にて発電した電力も一部は蓄電装置４２に蓄えられる。こうして、太陽光パネル４０で発電した電力と発電装置１０により発電した電力とにより、循環型水力発電システム２００の稼働を開始させる。

所定の電力を供給できる状態となったら、発電装置１０の第１モータ５１及び第２モータ５２を停止し、水合流装置６０を駆動させる。即ち、エンジン５３を起動し、斜流ポンプ５４を駆動させる。そして、斜流ポンプ５４によりピット１内の水を汲み上げて、揚水管６１を介してヘッダ６２に水を送る。そして、分岐管６３から各湾曲管２３に水を分流し、各降水管２４を介して水を落下させ、各水車３０を回転させて発電を行う。このような構成であっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。しかも、第２実施形態によれば、第１ポンプ１２及び第２ポンプ１６を電動の第１モータ５１及び第２モータ５２で駆動できるため、バイオ燃料の消費を抑えることができるといった利点もある。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。上記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

例えば、水量（第１ポンプ１２及び／又は第２ポンプ１６の流量）や水車３０の能力等に応じて、建屋６を２階建てにすることもできるし、反対に建屋６を４階以上にすることもできる。何れにしても、必要な電力需要と設備規模とに応じて、建屋６を設計し、適した発電装置１０を設置するだけで良いため、本発明に係る循環型水力発電システムは汎用性及び拡張性が高い。

なお、第１ポンプ１２から吐出された水は、第１揚水管２１を流れて第２ポンプ１６に直接吸入される構成としたが、第１揚水管２１と第２ポンプ１６との間に、トレイなどの貯留部を設けて置き、貯留部に溜まった水を第２ポンプ１６が吸入する構成としても良い。

また、ピット１を設ける代わりに、貯留槽を多数設置する構成としても良い。さらに、図３に示すように、ピット１内の水を貯留可能なサブピット８０を設ける構成としても良い。具体的には、ピット１とサブピット８０とを配管８１で接続し、配管８１に仕切弁８２を取り付けた構成とすることもできる。この構成の場合、通常運転時、仕切弁８２は閉じられているが、循環型水力発電システム１００のメンテナンス時には、仕切弁８２を開けることで、ピット１内の水をサブピット８０に一時的に貯留させることができる。この構成によれば、ピット１内の水を捨てることなく有効利用できるため、より一層ランニングコストを抑えることができる。

また、第１実施形態に係る循環型水力発電システム１００において、バイオ燃料で駆動する第１エンジン１１及び第２エンジン１５に替えてモータを使用することもできる。この場合、モータへの電力は、蓄電装置４２から供給すれば良い。この構成によれば、バイオ燃料が不要となるため、コスト削減効果が見込める。また、同様に、第２実施形態に係る循環型水力発電システム２００において、バイオ燃料で駆動するエンジン５３に替えて
モータを使用しても良い。

また、屋上５に溜まった雨水をピット１に導入する管路を設けておくと、雨水を有効活用できるので好ましい。

また、変形例１に係るバイパス流路２５と電磁開閉弁３５の構成を第２実施形態に係る循環型水力発電システム２００に適用しても良い。

１ ピット
２ 床面（１階）
３ 床面（２階）
４ 床面（３階）
５ 屋上
６ 建屋
１０ 発電装置
１１ 第１エンジン
１２ 第１ポンプ
１３ 吸入管
１４ フィルタ
１５ 第２エンジン
１６ 第２ポンプ
２１ 第１揚水管
２２ 第２揚水管
２３ 湾曲管
２４ 降水管
２５ バイパス流路
３０ 水車
３１ 増速機
３２ 発電機
４０ 太陽光パネル
４２ 蓄電装置
５１ 第１モータ
５２ 第２モータ
５３ エンジン
５４ 斜流ポンプ
６０ 水合流装置
６１ 揚水管（揚水配管）
６２ ヘッダ
６３ 分岐管
６４ 吸入管
７０ 需要先
８０ サブピット
８１ 配管
８２ 仕切弁
１００，２００ 循環型水力発電システム。

Claims (3)

1. 水を貯留するピットと、前記ピットの周囲に配置され、それぞれが水の落差を利用して発電を行う複数の発電装置と、前記複数の発電装置に接続される水合流装置と、を備えた循環型水力発電システムであって、
   前記複数の発電装置のそれぞれは、
   電力で駆動するモータと、
   前記モータにより駆動され、前記ピットの水を吸入して吐出するポンプと、
   前記ポンプから吐出された水を上方へ導く揚水管と、
   前記揚水管にて上方に導かれた水を下方へ落下させる降水管と、
   前記降水管から落下した水の流れによって回転する水車と、
   前記水車の回転によって発電する発電機と、を備え、
   前記水合流装置は、
   バイオ燃料で駆動するバイオディーゼルエンジンと、
   前記バイオディーゼルエンジンで駆動され、前記ピットの水を吸入して吐出する斜流ポンプと、
   前記斜流ポンプから吐出された水を上方へ導く揚水配管と、
   前記揚水配管にて上方に導かれた水を前記複数の発電装置のそれぞれの前記降水管に分流させるヘッダと、
   を備えることを特徴とする循環型水力発電システム。
2. 請求項１に記載の循環型水力発電システムにおいて、
   太陽光で発電する太陽光パネルをさらに備え、
   前記モータは、前記太陽光パネルから供給される電力で駆動する、ことを特徴とする循環型水力発電システム。
3. 請求項２に記載の循環型水力発電システムにおいて、
   隣り合う１組の前記発電装置のそれぞれの前記揚水管は、立体交差するように配置される、ことを特徴とする循環型水力発電システム。

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