管路式水力発電方法および管路式水力発電システム
【課題】本発明は、水車の効率が悪くなる、小水位差の場所。水位差が１メートル以下で、水車の利用が難しい場所。このような場所で利用できる、効率の良い管路式水力発電方法および管路式水力発電システムを提供することを課題とする。
【解決手段】課題を解決するために、パスカルの原理と、ピストン等を組み合わせて、水位差を増幅する機能を水力発電に応用することにより、小水位差、１メートル以下の水位差の場所でも発電できる管路式水力発電方法および管路式水力発電システムが提供できる。
【解決手段】課題を解決するために、パスカルの原理と、ピストン等を組み合わせて、水位差を増幅する機能を水力発電に応用することにより、小水位差、１メートル以下の水位差の場所でも発電できる管路式水力発電方法および管路式水力発電システムが提供できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来利用できない小水位差の場所、たとえば、水位差が１メートル以下の管路の流れでも利用できる、管路式水力発電方法および管路式水力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、管路と水車の組み合わせで、効率の良い水力発電機が多数考案されている。たとえば、特開Ｈ０５−１５７０３８号公報には、設備の小型簡素化、及び、運転効率の高い装置が開示されている。特開Ｈ０９−１３７４３７号公報には、ダムを作らずに容易に建設できる装置が開示されている。また、特開Ｈ１１−０８１２８８号公報には、設置場所の制約が少ない装置が開示されている。
【特許文献１】特開Ｈ０５−１５７０３８号公報
【特許文献２】特開Ｈ０９−１３７４３７号公報
【特許文献３】特開Ｈ１１−０８１２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
水位差が１メートル以下の管路の流れになると、水車の効率が悪くなる。しかし、水車を使用しない管路式水力発電方法がなかった。
【０００４】
小水位差では、管路を流れる流水の力が小さく、エネルギーの質が低い。そのため、そのエネルギーを利用するのが難しかった。しかも、水車を利用した方法では、そのエネルギーの質を高くする方法がなかった。従来から、このエネルギーの質を高くして、そのエネルギーを利用する管路式水力発電方法がなかった。
【０００５】
小水位差では、管路を流れる流水の力が小さく、エネルギーの質が低い。そのため、流量の多い流れでも、エネルギー密度が低く、流れの量が持つエネルギーを利用するのが難しかった。従来から、このエネルギーの密度を高くして、その流量の多い流れが持つエネルギーを利用する管路式水力発電方法がなかった。
【０００６】
１メートル以下の小水位差になると水車の効率が悪くなる。しかし、水車を使用しない管路式水力発電システムがなかった。
【０００７】
小水位差では、管路を流れる流水の力が小さく、エネルギーの質が低い。そのため、そのエネルギーを利用するのが難しかった。しかも、水車を利用した方法では、そのエネルギーの質を高くする方法がなかった。従来から、このエネルギーの質を高くして、そのエネルギーを利用する管路式水力発電システムがなかった。
【０００８】
小水位差では、管路を流れる流水の力が小さく、エネルギーの質が低い。そのため、流量の多い流れでも、エネルギー密度が低く、流れの量が持つエネルギーを利用するのが難しかった。従来から、このエネルギーの密度を高くして、その流量の多い流れが持つエネルギーを利用する管路式水力発電システムがなかった。
【０００９】
本発明は、管路式水力発電方法、または、管路式水力発電システムがエネルギーの質、または、エネルギー密度を高くする機能を持つことにより、小水位差の場所でも利用できる方法、または、システムになる。このエネルギーの質、または、密度を高める機能を持つ管路式水力発電方法および管路式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】
【００１０】
（第１発明）
第１発明の管路式水力発電方法は、入り口側水位と出口側水位に水位差がある管路を流れる流水によって、発電する管路式水力発電方法において、前記管路の途中に配置され、シリンダと前記シリンダの内部の往復運動可能なピストンから構成され、前記管路を流れる流水を前記ピストンで遮断する構造にすることにより、前記ピストンの両面間に圧力差を発生させる方法を特徴とするとともに、前記シリンダの両端の接続口に切換弁が接続され、前記切換弁で前記ピストンの両面間の圧力差の方向を変えることにより、前記ピストンを往復運動させ、前記ピストンで発電機を駆動することを特徴とする。
【００１１】
（第３発明）
第３発明の管路式水力発電システムは、入り口側水位と出口側水位に水位差がある管路を流れる流水によって、発電する管路式水力発電システムにおいて、前記管路の途中に配置され、シリンダと前記シリンダの内部の往復運動可能なピストンから構成され、前記管路を流れる流水を前記ピストンで遮断する構造のシリンダ部と、前記ピストンを往復運動させるため、前記シリンダの両端の各接続口に切換弁が接続され、前記接続口の接続先を前記管路の入り口側、または、前記管路の出口側に切換える前記切換弁から構成される切換弁部と、前記ピストンにより駆動される発電機部とから構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、管路の途中にシリンダ部が配置されている。シリンダ部は、シリンダとその内部の往復運動可能なピストンから構成されている。そして、管路を流れる流水をピストンで遮断する構造になっている。この構造により、ピストンの両面間に圧力差が発生する。そして、ピストンの動く力は、この圧力差とピストンの断面積との積に比例する。このため、ピストンの断面積を大きくすると、ピストンの力が大きくなる。この特徴は、水位差を増幅する機能、または、エネルギー密度を高くする機能になる。また、エネルギーの質を高くする機能になる。このエネルギーの質を高くする機能を利用した方法により、小水位差で流れる流水の力が小さい管路で、大きいピストンの力で水力発電ができる。このように、エネルギーの質を高くして、そのエネルギーを利用する管路式水力発電方法になる。
【００１３】
本発明によれば、小水位差で流れの力が小さく、エネルギー密度の小さい管路の流れでも、ピストンの断面積を大きくすることにより、大きい力を取り出すことができる。また、管路を流れる流量が多くなれば、ピストンの動く速度が速くなる。この方法により、発電機を大きい力と速い速度で駆動できる。このことにより、小水位差でエネルギー密度の低い管路の流れでも、流量に比例したエネルギーを取り出すことができる。このように、エネルギーの密度を高くして、その流量の多い流れが持つエネルギーが利用できる管路式水力発電方法になる。
【００１４】
本発明によれば、管路の途中にシリンダ部が配置されている。シリンダ部は、シリンダとその内部の往復運動可能なピストンから構成されている。そして、管路を流れる流水をピストンで遮断する構造になっている。この構造により、ピストンの両面間に圧力差が発生する。そして、ピストンの動く力は、この圧力差とピストンの断面積との積に比例する。このため、ピストンの断面積を大きくすると、ピストンの力が大きくなる。この特徴は、水位差を増幅する機能、または、エネルギー密度を高くする機能になる。また、エネルギーの質を高くする機能になる。このエネルギーの質を高くする機能を利用した方法により、小水位差で流れる流水の力が小さい管路で、大きいピストンの力で水力発電ができる。このように、エネルギーの質を高くして、そのエネルギーを利用する管路式水力発電システムになる。
【００１５】
本発明によれば、小水位差で流れの力が小さく、エネルギー密度の小さい管路の流れでも、ピストンの断面積を大きくすることにより、大きい力を取り出すことができる。また、管路を流れる流量が多くなれば、ピストンの動く速度が速くなる。この方法により、発電機を大きい力と速い速度で駆動できる。このことにより、小水位差でエネルギー密度の低い管路の流れでも、流量に比例したエネルギーを取り出すことができる。このように、エネルギーの密度を高くして、その流量の多い流れが持つエネルギーが利用できる管路式水力発電システムになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の管路式水力発電方法の基本原理の特徴を図１により説明する。なお、図１は管路式水力発電方法の基本部分の原理と特徴を説明するための図であり、切換弁部、発電機部などは省略してある。
【００１７】
本発明の管路式水力発電方法の基本原理の特徴は、入り口側水位１Ａと出口側水位２Ａの間に水位差３Ａがある管路１０Ａの途中にシリンダ部１１Ａが配置されている。そのシリンダ部１１Ａは、シリンダ１２Ａとその内部の往復運動可能なピストン１３Ａから構成されている。そして、ピストン１３Ａにより、管路１０Ａの流れを遮断する構造になっている。この構造が本発明の管路式水力発電方法の特徴となる。
【００１８】
この構造により、ピストン１３Ａの両面間（入り口側水位１Ａ面側と出口側水位２Ａ面側の間）に圧力差が発生する。この圧力差の大きさは、水位差３Ａに比例する。また、ピストン１３Ａの動きを止めると、管路１０Ａの流れが止まる。管路１０Ａの流れが止まると、ピストン１３Ａの両面間の圧力差が最大になる。
【００１９】
そして、この圧力差により、ピストン１３Ａに水の流れと同方向の力が発生する。この力の大きさは、この圧力差とピストン１３Ａの断面積との積に比例する。これにより、ピストン１３Ａの動く力が、ピストン１３Ａの断面積により大きくできる。このことが、エネルギーの質、または、エネルギー密度を高める機能になる。
【００２０】
管路１０Ａの断面積を大きくすると、管路１０Ａを流れる流量が多くなる。それにより、ピストン１３Ａの動く速度が速くなる。
【００２１】
本発明の特徴は、管路１０Ａの途中に配置された、シリンダ部１１Ａの構造により、ピストン１３Ａの両面間に圧力差が発生する。そして、ピストン１３Ａが動く力は、ピストン１３Ａの断面積により大きくできる。このことが、エネルギーの密度、または、エネルギーの質を高める機能になる。また、管路１０Ａを流れる流量が多くなると、エネルギーの質を高める機能が働いた状態で、ピストン１３Ａの動く速度が速くなる。
【００２２】
本発明は、これらの特徴により、小水位差のエネルギーの質の低い流れでも、エネルギーの質を高めて発電機を駆動することができる。また、流れる流量が多くても、エネルギーの質を高めた状態で、そのエネルギーを取り出すことができる管路式水力発電方法になる。
【００２３】
また、図１では省略してある、ピストン１３Ａを往復運動させる切換弁部について簡単に説明する。シリンダ１２Ａの両端の一方に接続口Ａ１４Ａ、他の一方に接続口Ｂ１５Ａが形成されている。そして、接続口Ａ１４Ａは、3方切換弁を介して、入り口側管路１６Ａと出口側管路１７Ａに接続されている。また、接続口Ｂ１５Ａは、３方切換弁を介して、入り口側管路１６Ａと出口側管路１７Ａに接続されている。この３方切換弁は、接続口Ａ１４Ａと接続口Ｂ１５Ａを入り口側管路１６Ａ、または、出口側管路１７Ａのどちらかに接続する構造になっている。
【００２４】
この構造により、接続口Ａ１４Ａを３方切換弁により入り口側管路１６Ａに接続する。そして、接続口Ｂ１５Ａを３方切換弁により出口側管路１７Ａに接続する。これにより、ピストン１３Ａが入り口側管路１６Ａに接続された側から、出口側管路１７Ａに接続された側に動く。そして、センサー等で、ピストン１３Ａの位置を検知して、接続口Ａ１４Ａを３方切換弁により出口側管路１７Ａに接続する。そして、接続口Ｂ１５Ａを３方切換弁により入り口側管路１６Ａに接続する。これにより、ピストン１３Ａが反対方向に動く。このように、シリンダ１２Ａの両端の接続口の接続先を切換弁により切り換えることにより、ピストン１３Ａが往復運動をする。
【００２５】
また、本発明のサイホンを利用したサイホン管路式水力発電方法の基本原理の特徴を図２により説明する。なお、図２はサイホンを利用したサイホン管路式水力発電方法の基本部分の原理と特徴を説明するための図であり、切換弁部、発電機部などは省略してある。
【００２６】
本発明のサイホン管路式水力発電方法の基本原理の特徴は、入り口側水位１Ｂと出口側水位２Ｂの間に水位差３Ｂがあるサイホン管路１０Ｂの途中にシリンダ部１１Ｂが配置されている。そのシリンダ部１１Ｂは、シリンダ１２Ｂとその内部の往復運動可能なピストン１３Ｂから構成されている。そして、ピストン１３Ｂにより、サイホン管路１０Ｂの流れを遮断する構造になっている。この構造が本発明のサイホン管路式水力発電方法の特徴となる。
【００２７】
この構造により、ピストン１３Ｂの両面間（入り口側水位１Ｂ面側と出口側水位２Ｂ面側の間）に圧力差が発生する。この圧力差の大きさは、水位差３Ｂに比例する。また、ピストン１３Ｂの動きを止めると、サイホン管路１０Ｂの流れが止まる。サイホン管路１０Ｂの流れが止まると、ピストン１３Ｂの両面間の圧力差が最大になる。
【００２８】
そして、この圧力差により、ピストン１３Ｂに水の流れと同方向の力が発生する。この力の大きさは、この圧力差とピストン１３Ｂの断面積との積に比例する。これにより、ピストン１３Ｂの動く力が、ピストン１３Ｂの断面積により大きくできる。このことが、エネルギーの質、または、エネルギー密度を高める機能になる。
【００２９】
サイホン管路１０Ｂの断面積を大きくすると、サイホン管路１０Ｂを流れる流量が多くなる。それにより、ピストン１３Ｂの動く速度が速くなる。
【００３０】
本発明の特徴は、サイホン管路１０Ｂの途中に配置された、シリンダ部１１Ｂの構造により、ピストン１３Ｂの両面間に圧力差が発生する。そして、ピストン１３Ｂが動く力は、ピストン１３Ｂの断面積により大きくできる。このことが、エネルギーの密度、または、エネルギーの質を高める機能になる。また、サイホン管路１０Ｂを流れる流量が多くなると、エネルギーの質を高める機能が働いた状態で、ピストン１３Ｂの動く速度が速くなる。
【００３１】
本発明は、これらの特徴により、小水位差のエネルギーの質の低い流れでも、エネルギーの質を高めて発電機を駆動することができる。また、流れる流量が多くても、エネルギーの質を高めた状態で、そのエネルギーを取り出すことができるサイホン管路式水力発電方法になる。
【００３２】
また、図２では省略してある、ピストン１３Ｂを往復運動させる切換弁部について簡単に説明する。シリンダ１２Ｂの両端の一方に接続口Ａ１４Ｂ、他の一方に接続口Ｂ１５Ｂが形成されている。そして、接続口Ａ１４Ｂは、3方切換弁を介して、入り口側サイホン管路１６Ｂと出口側サイホン管路１７Ｂに接続されている。また、接続口Ｂ１５Ｂは、３方切換弁を介して、入り口側サイホン管路１６Ｂと出口側サイホン管路１７Ｂに接続されている。この３方切換弁は、接続口Ａ１４Ｂと接続口Ｂ１５Ｂを入り口側サイホン管路１６Ｂ、または、出口側サイホン管路１７Ｂのどちらかに接続する構造になっている。
【００３３】
この構造により、接続口Ａ１４Ｂを３方切換弁により入り口側サイホン管路１６Ｂに接続する。そして、接続口Ｂ１５Ｂを３方切換弁により出口側サイホン管路１７Ｂに接続する。これにより、ピストン１３Ｂが入り口側サイホン管路１６Ｂに接続された側から、出口側サイホン管路１７Ｂに接続された側に動く。そして、センサー等で、ピストン１３Ｂの位置を検知して、接続口Ａ１４Ｂを３方切換弁により出口側サイホン管路１７Ｂに接続する。そして、接続口Ｂ１５Ｂを３方切換弁により入り口側サイホン管路１６Ｂに接続する。これにより、ピストン１３Ｂが反対方向に動く。このように、シリンダ１２Ｂの両端の接続口の接続先を切換弁により切り換えることにより、ピストン１３Ｂが往復運動をする。
【００３４】
サイホンを利用することにより、入り口側水位１Ｂより高い位置に、サイホン管路１０Ｂの一部分、シリンダ部１１Ｂ、などが設置できる。また、図示していない切換弁部、発電機部、なども同様に設置できる。これにより、川の流れの部分の工事が簡単になり、設置工事が容易になる。
【００３５】
以上のように、本発明の管路式水力発電方法とサイホン管路式水力発電方法は基本原理と特徴が同等で、管路式水力発電方法にサイホン管路式水力発電方法が含まれる。
【実施例１】
【００３６】
図３は、実施例１の管路式水力発電システム１００Ａを説明するための図である。
【００３７】
実施例１の管路式水力発電システム１００Ａは、管路１１０Ａの入り口側水位１１１Ａと出口側水位１１２Ａの間に水位差１１３Ａがある。水はこの水位差１１３Ａにより、管路１１０Ａを入り口側から出口側に向かって流れている。管路１１０Ａの途中に切換弁部１２０Ａとシリンダ部１３０Ａが配置されている。
【００３８】
切換弁Ａ１２１Ａと切換弁Ｂ１２２Ａは、シリンダ１３１Ａの接続口Ａ１３５Ａに接続されている。また、切換弁Ｃ１２３Ａと切換弁Ｄ１２４Ａは、シリンダ１３１Ａの接続口Ｂ１３６Ａに接続されている。切換弁部１２０Ａを介してシリンダ１３１Ａが管路１１０Ａに接続されている。
【００３９】
そして、切換弁部１２０Ａは、シリンダ１３１Ａへ流れる流水の向きを切換えて、ピストン１３２Ａを往復運動させる働きをする。
【００４０】
シリンダ部１３０Ａは、シリンダ１３１Ａの内部にピストン１３２Ａが形成されている。そして、ピストン１３２Ａはピストン用軸１３７Ａとともに往復運動するように形成されている。
【００４１】
シリンダ１３１Ａの上部に真空ポンプＡ１５０Ａと真空ポンプＢ１５１Ａが取り付けられている。この２機の真空ポンプは、サイホンを利用した管路のとき、ピストンＡ面１３３Ａ側は真空ポンプＡ１５０Ａで、ピストンＢ面１３４Ａ側は真空ポンプＢ１５１Ａでシリンダ１３１Ａ内の空気抜きをして、サイホンが確実に作用するようにする。なお、サイホンを利用しない場合は空気抜き弁で代用できる。
【００４２】
ピストン１３２Ａは、切換弁Ａ１２１Ａと切換弁Ｄ１２４Ａが開くことにより、ピストンＡ面１３３Ａ側が入り口側水位１１１Ａ、ピストンＢ面１３４Ａ側が出口側水位１１２Ａに接続される。このことにより、ピストンＡ面１３３ＡがピストンＢ面１３４Ａより、圧力が高くなりピストン１３２Ａは、ピストンＢ面１３４Ａの方向へ移動する。
【００４３】
また、ピストン１３２Ａは、切換弁Ｂ１２２Ａと切換弁Ｃ１２３Ａが開くことにより、ピストンＡ面１３３Ａ側が出口側水位１１２Ａ、ピストンＢ面１３４Ａ側が入り口側水位１１１Ａに接続される。このことにより、ピストンＢ面１３４ＡがピストンＡ面１３３Ａより、圧力が高くなりピストン１３２Ａは、ピストンＡ面１３３Ａの方向へ移動する。
【００４４】
このように、切換弁Ａ１２１Ａと切換弁Ｄ１２４Ａの組と、切換弁Ｂ１２２Ａと切換弁Ｃ１２３Ａの組を交互に作動させることにより、ピストン１３２Ａが往復運動をする。
これらの切換弁の制御は、ピストン１３２Ａの位置をセンサーで検知して制御コントローラー（図３に図示していない）で、これらの切換弁をタイミング良く作動させて、ピストン１３２Ａを往復運動させている。
【００４５】
発電機部１４０Ａは、ピストン１３２Ａとともに往復運動をするピストン用軸１３７Ａから、連接棒１４２Ａと弾み車付歯車１４１Ａによって回転運動に変換して、弾み車付歯車１４１Ａにより発電機１４４Ａが回転する構造になる。
【００４６】
なお、図３の図面では、管路１１０Ａ、切換弁部１２０Ａ、シリンダ部１３０Ａ、発電機部１４０Ａの各位置関係、及び高さ関係は、表示していない。
【実施例２】
【００４７】
図４は、実施例２の管路式水力発電システム１００Ｂを説明するための図である。
【００４８】
実施例２の管路式水力発電システム１００Ｂは、管路１１０Ｂの入り口側水位１１１Ｂと出口側水位１１２Ｂの間に水位差１１３Ｂがある。水はこの水位差１１３Ｂにより、管路１１０Ｂを入り口側から出口側に向かって流れている。管路１１０Ｂの途中に切換弁部１２０Ｂとシリンダ部１３０Ｂが配置されている。
【００４９】
切換弁Ａ１２１Ｂと切換弁Ｂ１２２Ｂは、シリンダＡ１３１Ｂの接続口Ａ１３７Ｂに接続されている。また、切換弁Ｃ１２３Ｂと切換弁Ｄ１２４Ｂは、シリンダＢ１３２Ｂの接続口Ｂ１３８Ｂに接続されている。切換弁部１２０Ａを介してシリンダＡ１３１ＢとシリンダＢ１３２Ｂが管路１１０Ａに接続されている。
【００５０】
そして、切換弁部１２０Ｂは、シリンダ部１３０Ｂへ流れる流水の向きを切換えて、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂを往復運動させる働きをする。
【００５１】
シリンダ部１３０Ｂは、シリンダＡ１３１ＢとシリンダＢ１３２Ｂがあり、各シリンダの内部にピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂが形成されている。そして、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂは、ピストン連結ワイヤ１４１Ｂで連結されている。ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂは、連結ワイヤ１４１Ｂと滑車Ａ１４２Ｂと滑車Ｂ１４３Ｂとで往復運動可能に形成されている。
【００５２】
シリンダ部１３０ＢのピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂは、図３の実施例１のシリンダ部１３０Ａのピストン１３２Ａと異なり、実施例１のピストン１３２Ａを２つに分割して、そのピストンを連結した構造になっている。シリンダとピストンを分割することにより、ピストンの往復運動を容易に回転運動にして、取り出すことができる。
【００５３】
実施例１のピストン１３２Ａの両面のピストンＡ面１３３ＡとピストンＢ面１３４Ａは実施例２のピストンＡ１３３ＢのピストンＡ面１３５ＢとピストンＢ１３４ＢのピストンＢ面１３６Ｂは機能が同じになる。
【００５４】
ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂの作動は、実施例１のピストン１３２Ａと同じ原理で、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂを一体と考えて問題ない。
【００５５】
ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂの上部に真空ポンプＡ１６０Ｂと真空ポンプＢ１６１Ｂが取り付けられている。この２機の真空ポンプは、サイホンを利用した管路のとき、ピストンＡ面１３５Ｂ側は真空ポンプＡ１６０Ｂで、ピストンＢ面１３６Ｂ側は真空ポンプＢ１６１Ｂで空気抜きをして、サイホンが確実に作用するようにする。なお、サイホンを利用しない場合は空気抜き弁で代用できる。
【００５６】
シリンダＡ１３１Ｂ側の切換弁Ａ１２１Ｂと、シリンダＢ１３２Ｂ側の切換弁Ｄ１２４Ｂが開くことにより、ピストンＡ面１３５Ｂ側が入り口側水位１１１Ｂに、ピストンＢ面１３６Ｂ側が出口側水位１１２Ｂに接続される。このことにより、ピストンＡ面１３５ＢがピストンＢ面１３６Ｂより圧力が高くなる。この結果、ピストンＡ１３３Ｂは上昇して、ピストンＢ１３４Ｂは下降する。
【００５７】
また、シリンダＡ１３１Ｂ側の切換弁Ｂ１２２Ｂと、シリンダＢ１３２Ｂ側の切換弁Ｃ１２３Ｂが開くことにより、ピストンＡ面１３５Ｂ側が出口側水位１１２Ｂに、ピストンＢ面１３６Ｂ側が入り口側水位１１１Ｂに接続される。このことにより、ピストンＢ面１３６ＢがピストンＡ面１３５Ｂより圧力が高くなる。この結果、ピストンＢ１３４Ｂは上昇して、ピストンＡ１３３Ｂは下降する。
【００５８】
切換弁Ａ１２１Ｂと切換弁Ｄ１２４Ｂの組と、切換弁Ｂ１２２Ｂと切換弁Ｃ１２３Ｂの組を交互に作動させることにより、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂがピストン連結ワイヤ１４１Ｂとともに往復運動をする。これらの切換弁の制御は、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂの各位置をセンサーで検知して制御コントローラー（図３に図示していない）で、これらの切換弁をタイミング良く作動させて、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂを往復運動させている。
【００５９】
発電機部１４０Ａは、ピストン連結ワイヤ１４１Ｂにより滑車Ａ１４２Ｂと滑車Ｂ１４３Ｂが正逆回転する。滑車Ａ１４２Ｂに一方向クラッチＡ１４４Ｂと歯車Ａ１４８Ｂが取り付けられている。滑車Ｂ１４３Ｂに一方向クラッチＣ１４６Ｂと歯車Ｃ１５０Ｂが取り付けられている。この構造により、歯車Ａ１４８Ｂと歯車Ｃ１５０Ｂが一方向クラッチＡ１４４Ｂと一方向クラッチＣ１４６Ｂの機能により、歯車Ａ１４８Ｂは正回転のとき、歯車Ｃ１５０Ｂは逆回転のとき回転する。
【００６０】
また、歯車Ａ１４８Ｂと歯車Ｃ１５０Ｂに、各噛み合っている歯車Ｂ１４９Ｂと歯車Ｄ１５１Ｂは、それぞれ一方向クラッチＢ１４５Ｂと一方向クラッチＤ１４７Ｂを介して発電機駆動用軸１５２Ｂに取り付けられている。この構造により、発電機駆動用軸１５２Ｂが一方向に回転する。
【００６１】
発電機駆動用軸１５２Ｂは、弾み車１５３Ｂと発電機１５４Ｂを駆動する構造になっている。
【００６２】
なお、図４の図面では、管路１１０Ｂ、切換弁部１２０Ｂ、シリンダ部１３０Ｂ、発電機部１４０Ｂの各位置関係、及び高さ関係は、表示していない。
【００６３】
図５に本発明のサイホン管路式水力発電システム１００の設置概要図を示している。サイホンを利用して、入り口側水位１１１より高い位置に、サイホン管路式水力発電システム１００が配置できる。これにより、堤防の上１１５などにサイホン管路式水力発電システム１００を容易に設置する事ができる。このため、川の流れの部分の工事が簡単になり、設置工事が容易にできる。また、管路に可とう性のあるチューブを使用することにより携帯型管路式水力発電システムになる。
【００６４】
なお、図３の実施例１では、切換弁Ａ１２１Ａと切換弁Ｂ１２２Ａは３方弁にすると１個の弁で代替できる。また切換弁Ｃ１２３Ａと切換弁Ｄ１２４Ａも３方弁にすると１個の弁になる。図４の実施例２では、切換弁Ａ１２１Ｂと切換弁Ｂ１２２Ｂは３方弁にすると１個の弁で代替できる。また切換弁Ｃ１２３Ｂと切換弁Ｄ１２４Ｂも３方弁にすると１個の弁になる。
【００６５】
なお、請求項のピストンの両面間とは、図１では、ピストン１３Ａの入り口側水位１Ａ面側と出口側水位２Ａ面側の間、図２では、ピストン１３Ｂの入り口側水位１Ｂ面側と出口側水位２Ｂ面側の間、図３では、ピストン１３２ＡのピストンＡ面１３３ＡとピストンＢ面１３４Ａの間、図４では、ピストンＡ１３３ＢのピストンＡ面１３５ＢとピストンＢ１３４ＢのピストンＢ面１３６Ｂの間になる。
【００６６】
なお、請求項のシリンダの両端とは、図１では、接続口Ａ１４Ａと接続口Ｂ１５Ａになる。図２では、接続口Ａ１４Ｂと接続口Ｂ１５Ｂになる。図３の実施例１では、シリンダ１３１Ａの接続口Ａ１３５Ａと、接続口１３６Ａになる。また、図４の実施例２では、一端がシリンダＡ１３１Ｂの接続口Ａ１３７Ｂで、他の一端がシリンダＢ１３２Ｂの接続口１３８Ｂになる。
【００６７】
なお、本発明の明細書に記載される、エネルギーの密度とエネルギーの質について、位置エネルギーを例に説明する。位置エネルギーは重力加速度と質量と高さの積になる。このため、質量を２倍にして高さを半分にしても、位置エネルギーの大きさは変わらない。しかし、単位質量当りのエネルギーが小さくなる。このことを、本発明ではエネルギー密度が低いと表記している。また、本発明では高さの大きい位置エネルギーをエネルギーの質が高いと表記している。そして、エネルギーの密度が高いエネルギーをエネルギーの質が高いと表記している。他のエネルギーも同様に考える。
【００６８】
なお、エネルギーの質が高い方が、そのエネルギーを利用するのが容易になる。水車を例にとると、落差（水位差）が少なくなると、使用できる水車の種類が少なくなる。条件を考えなければ、エネルギーの質が高ければ、どの水車でもその水車に応じた効率でエネルギーを取り出すことができる。しかし、エネルギーの質が低くなると、水車により、効率良くエネルギーを取り出すことができなくなる。
【００６９】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。本実施例に記載されている水力発電機は、公知または周知のものを使用することができる。本実施例に記載されている管路式水力発電システムの各部は、錆びない部材が望ましく公知または周知の金属および合成樹脂部材を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の管路式水力発電方法の基本原理の特徴を説明するための図である。
【図２】本発明のサイホンを利用したサイホン管路式水力発電方法の基本原理の特徴を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例１である管路式水力発電システムを説明するための図である。
【図４】本発明の実施例２である管路式水力発電システムを説明するための図である。
【図５】本発明のサイホンを利用したサイホン管路式水力発電システムの設置概要図である。
【符号の説明】
【００７１】
１００・サイホン管路式水力発電システム １１１・・入り口側水位
１１２・・出口側水位 １１３・・水位差
１１４・・川底 １１５・・堤防の上
１Ａ・・・入り口側水位 １Ｂ・・・入り口側水位
２Ａ・・・出口側水位 ２Ｂ・・・出口側水位
３Ａ・・・水位差 ３Ｂ・・・水位差
１０Ａ・・管路 １０Ｂ・・サイホン管路
１１Ａ・・シリンダ部 １１Ｂ・・シリンダ部
１２Ａ・・シリンダ １２Ｂ・・シリンダ
１３Ａ・・ピストン １３Ｂ・・ピストン
１４Ａ・・接続口Ａ １４Ｂ・・接続口Ａ
１５Ａ・・接続口Ｂ １５Ｂ・・接続口Ｂ
１６Ａ・・入り口側管路 １６Ｂ・・入り口側サイホン管路
１７Ａ・・出口側管路 １７Ｂ・・出口側サイホン管路
１００Ａ・管路式水力発電システム １００Ｂ・管路式水力発電システム
１１０Ａ・管路 １１０Ｂ・管路
１１１Ａ・入り口側水位 １１１Ｂ・入り口側水位
１１２Ａ・出口側水位 １１２Ｂ・出口側水位
１１３Ａ・水位差 １１３Ｂ・水位差
１２０Ａ・切換弁部 １２０Ｂ・切換弁部
１２１Ａ・切換弁Ａ １２１Ｂ・切換弁Ａ
１２２Ａ・切換弁Ｂ １２２Ｂ・切換弁Ｂ
１２３Ａ・切換弁Ｃ １２３Ｂ・切換弁Ｃ
１２４Ａ・切換弁Ｄ １２４Ｂ・切換弁Ｄ
１３０Ａ・シリンダ部 １３０Ｂ・シリンダ部
１３１Ａ・シリンダ １３１Ｂ・シリンダＡ
１３２Ａ・ピストン １３２Ｂ・シリンダＢ
１３３Ａ・ピストンＡ面 １３３Ｂ・ピストンＡ
１３４Ａ・ピストンＢ面 １３４Ｂ・ピストンＢ
１３５Ａ・接続口Ａ １３５Ｂ・ピストンＡ面
１３６Ａ・接続口Ｂ １３６Ｂ・ピストンＢ面
１３７Ａ・ピストン用軸 １３７Ｂ・接続口Ａ
１４０Ａ・発電機部 １３８Ｂ・接続口Ｂ
１４１Ａ・弾み車付歯車 １４０Ｂ・発電機部
１４２Ａ・連接棒 １４１Ｂ・ピストン連結ワイヤ
１４３Ａ・発電機用歯車 １４２Ｂ・滑車Ａ
１４４Ａ・発電機 １４３Ｂ・滑車Ｂ
１５０Ａ・真空ポンプＡ １４４Ｂ・一方向クラッチＡ
１５１Ａ・真空ポンプＢ １４５Ｂ・一方向クラッチＢ
１４６Ｂ・一方向クラッチＣ
１４７Ｂ・一方向クラッチＤ
１４８Ｂ・歯車Ａ
１４９Ｂ・歯車Ｂ
１５０Ｂ・歯車Ｃ
１５１Ｂ・歯車Ｄ
１５２Ｂ・発電機駆動軸
１５３Ｂ・弾み車
１５４Ｂ・発電機
１６０Ｂ・真空ポンプＡ
１６１Ｂ・真空ポンプＢ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来利用できない小水位差の場所、たとえば、水位差が１メートル以下の管路の流れでも利用できる、管路式水力発電方法および管路式水力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、管路と水車の組み合わせで、効率の良い水力発電機が多数考案されている。たとえば、特開Ｈ０５−１５７０３８号公報には、設備の小型簡素化、及び、運転効率の高い装置が開示されている。特開Ｈ０９−１３７４３７号公報には、ダムを作らずに容易に建設できる装置が開示されている。また、特開Ｈ１１−０８１２８８号公報には、設置場所の制約が少ない装置が開示されている。
【特許文献１】特開Ｈ０５−１５７０３８号公報
【特許文献２】特開Ｈ０９−１３７４３７号公報
【特許文献３】特開Ｈ１１−０８１２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
水位差が１メートル以下の管路の流れになると、水車の効率が悪くなる。しかし、水車を使用しない管路式水力発電方法がなかった。
【０００４】
小水位差では、管路を流れる流水の力が小さく、エネルギーの質が低い。そのため、そのエネルギーを利用するのが難しかった。しかも、水車を利用した方法では、そのエネルギーの質を高くする方法がなかった。従来から、このエネルギーの質を高くして、そのエネルギーを利用する管路式水力発電方法がなかった。
【０００５】
小水位差では、管路を流れる流水の力が小さく、エネルギーの質が低い。そのため、流量の多い流れでも、エネルギー密度が低く、流れの量が持つエネルギーを利用するのが難しかった。従来から、このエネルギーの密度を高くして、その流量の多い流れが持つエネルギーを利用する管路式水力発電方法がなかった。
【０００６】
１メートル以下の小水位差になると水車の効率が悪くなる。しかし、水車を使用しない管路式水力発電システムがなかった。
【０００７】
小水位差では、管路を流れる流水の力が小さく、エネルギーの質が低い。そのため、そのエネルギーを利用するのが難しかった。しかも、水車を利用した方法では、そのエネルギーの質を高くする方法がなかった。従来から、このエネルギーの質を高くして、そのエネルギーを利用する管路式水力発電システムがなかった。
【０００８】
小水位差では、管路を流れる流水の力が小さく、エネルギーの質が低い。そのため、流量の多い流れでも、エネルギー密度が低く、流れの量が持つエネルギーを利用するのが難しかった。従来から、このエネルギーの密度を高くして、その流量の多い流れが持つエネルギーを利用する管路式水力発電システムがなかった。
【０００９】
本発明は、管路式水力発電方法、または、管路式水力発電システムがエネルギーの質、または、エネルギー密度を高くする機能を持つことにより、小水位差の場所でも利用できる方法、または、システムになる。このエネルギーの質、または、密度を高める機能を持つ管路式水力発電方法および管路式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】
【００１０】
（第１発明）
第１発明の管路式水力発電方法は、入り口側水位と出口側水位に水位差がある管路を流れる流水によって、発電する管路式水力発電方法において、前記管路の途中に配置され、シリンダと前記シリンダの内部の往復運動可能なピストンから構成され、前記管路を流れる流水を前記ピストンで遮断する構造にすることにより、前記ピストンの両面間に圧力差を発生させる方法を特徴とするとともに、前記シリンダの両端の接続口に切換弁が接続され、前記切換弁で前記ピストンの両面間の圧力差の方向を変えることにより、前記ピストンを往復運動させ、前記ピストンで発電機を駆動することを特徴とする。
【００１１】
（第３発明）
第３発明の管路式水力発電システムは、入り口側水位と出口側水位に水位差がある管路を流れる流水によって、発電する管路式水力発電システムにおいて、前記管路の途中に配置され、シリンダと前記シリンダの内部の往復運動可能なピストンから構成され、前記管路を流れる流水を前記ピストンで遮断する構造のシリンダ部と、前記ピストンを往復運動させるため、前記シリンダの両端の各接続口に切換弁が接続され、前記接続口の接続先を前記管路の入り口側、または、前記管路の出口側に切換える前記切換弁から構成される切換弁部と、前記ピストンにより駆動される発電機部とから構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、管路の途中にシリンダ部が配置されている。シリンダ部は、シリンダとその内部の往復運動可能なピストンから構成されている。そして、管路を流れる流水をピストンで遮断する構造になっている。この構造により、ピストンの両面間に圧力差が発生する。そして、ピストンの動く力は、この圧力差とピストンの断面積との積に比例する。このため、ピストンの断面積を大きくすると、ピストンの力が大きくなる。この特徴は、水位差を増幅する機能、または、エネルギー密度を高くする機能になる。また、エネルギーの質を高くする機能になる。このエネルギーの質を高くする機能を利用した方法により、小水位差で流れる流水の力が小さい管路で、大きいピストンの力で水力発電ができる。このように、エネルギーの質を高くして、そのエネルギーを利用する管路式水力発電方法になる。
【００１３】
本発明によれば、小水位差で流れの力が小さく、エネルギー密度の小さい管路の流れでも、ピストンの断面積を大きくすることにより、大きい力を取り出すことができる。また、管路を流れる流量が多くなれば、ピストンの動く速度が速くなる。この方法により、発電機を大きい力と速い速度で駆動できる。このことにより、小水位差でエネルギー密度の低い管路の流れでも、流量に比例したエネルギーを取り出すことができる。このように、エネルギーの密度を高くして、その流量の多い流れが持つエネルギーが利用できる管路式水力発電方法になる。
【００１４】
本発明によれば、管路の途中にシリンダ部が配置されている。シリンダ部は、シリンダとその内部の往復運動可能なピストンから構成されている。そして、管路を流れる流水をピストンで遮断する構造になっている。この構造により、ピストンの両面間に圧力差が発生する。そして、ピストンの動く力は、この圧力差とピストンの断面積との積に比例する。このため、ピストンの断面積を大きくすると、ピストンの力が大きくなる。この特徴は、水位差を増幅する機能、または、エネルギー密度を高くする機能になる。また、エネルギーの質を高くする機能になる。このエネルギーの質を高くする機能を利用した方法により、小水位差で流れる流水の力が小さい管路で、大きいピストンの力で水力発電ができる。このように、エネルギーの質を高くして、そのエネルギーを利用する管路式水力発電システムになる。
【００１５】
本発明によれば、小水位差で流れの力が小さく、エネルギー密度の小さい管路の流れでも、ピストンの断面積を大きくすることにより、大きい力を取り出すことができる。また、管路を流れる流量が多くなれば、ピストンの動く速度が速くなる。この方法により、発電機を大きい力と速い速度で駆動できる。このことにより、小水位差でエネルギー密度の低い管路の流れでも、流量に比例したエネルギーを取り出すことができる。このように、エネルギーの密度を高くして、その流量の多い流れが持つエネルギーが利用できる管路式水力発電システムになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の管路式水力発電方法の基本原理の特徴を図１により説明する。なお、図１は管路式水力発電方法の基本部分の原理と特徴を説明するための図であり、切換弁部、発電機部などは省略してある。
【００１７】
本発明の管路式水力発電方法の基本原理の特徴は、入り口側水位１Ａと出口側水位２Ａの間に水位差３Ａがある管路１０Ａの途中にシリンダ部１１Ａが配置されている。そのシリンダ部１１Ａは、シリンダ１２Ａとその内部の往復運動可能なピストン１３Ａから構成されている。そして、ピストン１３Ａにより、管路１０Ａの流れを遮断する構造になっている。この構造が本発明の管路式水力発電方法の特徴となる。
【００１８】
この構造により、ピストン１３Ａの両面間（入り口側水位１Ａ面側と出口側水位２Ａ面側の間）に圧力差が発生する。この圧力差の大きさは、水位差３Ａに比例する。また、ピストン１３Ａの動きを止めると、管路１０Ａの流れが止まる。管路１０Ａの流れが止まると、ピストン１３Ａの両面間の圧力差が最大になる。
【００１９】
そして、この圧力差により、ピストン１３Ａに水の流れと同方向の力が発生する。この力の大きさは、この圧力差とピストン１３Ａの断面積との積に比例する。これにより、ピストン１３Ａの動く力が、ピストン１３Ａの断面積により大きくできる。このことが、エネルギーの質、または、エネルギー密度を高める機能になる。
【００２０】
管路１０Ａの断面積を大きくすると、管路１０Ａを流れる流量が多くなる。それにより、ピストン１３Ａの動く速度が速くなる。
【００２１】
本発明の特徴は、管路１０Ａの途中に配置された、シリンダ部１１Ａの構造により、ピストン１３Ａの両面間に圧力差が発生する。そして、ピストン１３Ａが動く力は、ピストン１３Ａの断面積により大きくできる。このことが、エネルギーの密度、または、エネルギーの質を高める機能になる。また、管路１０Ａを流れる流量が多くなると、エネルギーの質を高める機能が働いた状態で、ピストン１３Ａの動く速度が速くなる。
【００２２】
本発明は、これらの特徴により、小水位差のエネルギーの質の低い流れでも、エネルギーの質を高めて発電機を駆動することができる。また、流れる流量が多くても、エネルギーの質を高めた状態で、そのエネルギーを取り出すことができる管路式水力発電方法になる。
【００２３】
また、図１では省略してある、ピストン１３Ａを往復運動させる切換弁部について簡単に説明する。シリンダ１２Ａの両端の一方に接続口Ａ１４Ａ、他の一方に接続口Ｂ１５Ａが形成されている。そして、接続口Ａ１４Ａは、3方切換弁を介して、入り口側管路１６Ａと出口側管路１７Ａに接続されている。また、接続口Ｂ１５Ａは、３方切換弁を介して、入り口側管路１６Ａと出口側管路１７Ａに接続されている。この３方切換弁は、接続口Ａ１４Ａと接続口Ｂ１５Ａを入り口側管路１６Ａ、または、出口側管路１７Ａのどちらかに接続する構造になっている。
【００２４】
この構造により、接続口Ａ１４Ａを３方切換弁により入り口側管路１６Ａに接続する。そして、接続口Ｂ１５Ａを３方切換弁により出口側管路１７Ａに接続する。これにより、ピストン１３Ａが入り口側管路１６Ａに接続された側から、出口側管路１７Ａに接続された側に動く。そして、センサー等で、ピストン１３Ａの位置を検知して、接続口Ａ１４Ａを３方切換弁により出口側管路１７Ａに接続する。そして、接続口Ｂ１５Ａを３方切換弁により入り口側管路１６Ａに接続する。これにより、ピストン１３Ａが反対方向に動く。このように、シリンダ１２Ａの両端の接続口の接続先を切換弁により切り換えることにより、ピストン１３Ａが往復運動をする。
【００２５】
また、本発明のサイホンを利用したサイホン管路式水力発電方法の基本原理の特徴を図２により説明する。なお、図２はサイホンを利用したサイホン管路式水力発電方法の基本部分の原理と特徴を説明するための図であり、切換弁部、発電機部などは省略してある。
【００２６】
本発明のサイホン管路式水力発電方法の基本原理の特徴は、入り口側水位１Ｂと出口側水位２Ｂの間に水位差３Ｂがあるサイホン管路１０Ｂの途中にシリンダ部１１Ｂが配置されている。そのシリンダ部１１Ｂは、シリンダ１２Ｂとその内部の往復運動可能なピストン１３Ｂから構成されている。そして、ピストン１３Ｂにより、サイホン管路１０Ｂの流れを遮断する構造になっている。この構造が本発明のサイホン管路式水力発電方法の特徴となる。
【００２７】
この構造により、ピストン１３Ｂの両面間（入り口側水位１Ｂ面側と出口側水位２Ｂ面側の間）に圧力差が発生する。この圧力差の大きさは、水位差３Ｂに比例する。また、ピストン１３Ｂの動きを止めると、サイホン管路１０Ｂの流れが止まる。サイホン管路１０Ｂの流れが止まると、ピストン１３Ｂの両面間の圧力差が最大になる。
【００２８】
そして、この圧力差により、ピストン１３Ｂに水の流れと同方向の力が発生する。この力の大きさは、この圧力差とピストン１３Ｂの断面積との積に比例する。これにより、ピストン１３Ｂの動く力が、ピストン１３Ｂの断面積により大きくできる。このことが、エネルギーの質、または、エネルギー密度を高める機能になる。
【００２９】
サイホン管路１０Ｂの断面積を大きくすると、サイホン管路１０Ｂを流れる流量が多くなる。それにより、ピストン１３Ｂの動く速度が速くなる。
【００３０】
本発明の特徴は、サイホン管路１０Ｂの途中に配置された、シリンダ部１１Ｂの構造により、ピストン１３Ｂの両面間に圧力差が発生する。そして、ピストン１３Ｂが動く力は、ピストン１３Ｂの断面積により大きくできる。このことが、エネルギーの密度、または、エネルギーの質を高める機能になる。また、サイホン管路１０Ｂを流れる流量が多くなると、エネルギーの質を高める機能が働いた状態で、ピストン１３Ｂの動く速度が速くなる。
【００３１】
本発明は、これらの特徴により、小水位差のエネルギーの質の低い流れでも、エネルギーの質を高めて発電機を駆動することができる。また、流れる流量が多くても、エネルギーの質を高めた状態で、そのエネルギーを取り出すことができるサイホン管路式水力発電方法になる。
【００３２】
また、図２では省略してある、ピストン１３Ｂを往復運動させる切換弁部について簡単に説明する。シリンダ１２Ｂの両端の一方に接続口Ａ１４Ｂ、他の一方に接続口Ｂ１５Ｂが形成されている。そして、接続口Ａ１４Ｂは、3方切換弁を介して、入り口側サイホン管路１６Ｂと出口側サイホン管路１７Ｂに接続されている。また、接続口Ｂ１５Ｂは、３方切換弁を介して、入り口側サイホン管路１６Ｂと出口側サイホン管路１７Ｂに接続されている。この３方切換弁は、接続口Ａ１４Ｂと接続口Ｂ１５Ｂを入り口側サイホン管路１６Ｂ、または、出口側サイホン管路１７Ｂのどちらかに接続する構造になっている。
【００３３】
この構造により、接続口Ａ１４Ｂを３方切換弁により入り口側サイホン管路１６Ｂに接続する。そして、接続口Ｂ１５Ｂを３方切換弁により出口側サイホン管路１７Ｂに接続する。これにより、ピストン１３Ｂが入り口側サイホン管路１６Ｂに接続された側から、出口側サイホン管路１７Ｂに接続された側に動く。そして、センサー等で、ピストン１３Ｂの位置を検知して、接続口Ａ１４Ｂを３方切換弁により出口側サイホン管路１７Ｂに接続する。そして、接続口Ｂ１５Ｂを３方切換弁により入り口側サイホン管路１６Ｂに接続する。これにより、ピストン１３Ｂが反対方向に動く。このように、シリンダ１２Ｂの両端の接続口の接続先を切換弁により切り換えることにより、ピストン１３Ｂが往復運動をする。
【００３４】
サイホンを利用することにより、入り口側水位１Ｂより高い位置に、サイホン管路１０Ｂの一部分、シリンダ部１１Ｂ、などが設置できる。また、図示していない切換弁部、発電機部、なども同様に設置できる。これにより、川の流れの部分の工事が簡単になり、設置工事が容易になる。
【００３５】
以上のように、本発明の管路式水力発電方法とサイホン管路式水力発電方法は基本原理と特徴が同等で、管路式水力発電方法にサイホン管路式水力発電方法が含まれる。
【実施例１】
【００３６】
図３は、実施例１の管路式水力発電システム１００Ａを説明するための図である。
【００３７】
実施例１の管路式水力発電システム１００Ａは、管路１１０Ａの入り口側水位１１１Ａと出口側水位１１２Ａの間に水位差１１３Ａがある。水はこの水位差１１３Ａにより、管路１１０Ａを入り口側から出口側に向かって流れている。管路１１０Ａの途中に切換弁部１２０Ａとシリンダ部１３０Ａが配置されている。
【００３８】
切換弁Ａ１２１Ａと切換弁Ｂ１２２Ａは、シリンダ１３１Ａの接続口Ａ１３５Ａに接続されている。また、切換弁Ｃ１２３Ａと切換弁Ｄ１２４Ａは、シリンダ１３１Ａの接続口Ｂ１３６Ａに接続されている。切換弁部１２０Ａを介してシリンダ１３１Ａが管路１１０Ａに接続されている。
【００３９】
そして、切換弁部１２０Ａは、シリンダ１３１Ａへ流れる流水の向きを切換えて、ピストン１３２Ａを往復運動させる働きをする。
【００４０】
シリンダ部１３０Ａは、シリンダ１３１Ａの内部にピストン１３２Ａが形成されている。そして、ピストン１３２Ａはピストン用軸１３７Ａとともに往復運動するように形成されている。
【００４１】
シリンダ１３１Ａの上部に真空ポンプＡ１５０Ａと真空ポンプＢ１５１Ａが取り付けられている。この２機の真空ポンプは、サイホンを利用した管路のとき、ピストンＡ面１３３Ａ側は真空ポンプＡ１５０Ａで、ピストンＢ面１３４Ａ側は真空ポンプＢ１５１Ａでシリンダ１３１Ａ内の空気抜きをして、サイホンが確実に作用するようにする。なお、サイホンを利用しない場合は空気抜き弁で代用できる。
【００４２】
ピストン１３２Ａは、切換弁Ａ１２１Ａと切換弁Ｄ１２４Ａが開くことにより、ピストンＡ面１３３Ａ側が入り口側水位１１１Ａ、ピストンＢ面１３４Ａ側が出口側水位１１２Ａに接続される。このことにより、ピストンＡ面１３３ＡがピストンＢ面１３４Ａより、圧力が高くなりピストン１３２Ａは、ピストンＢ面１３４Ａの方向へ移動する。
【００４３】
また、ピストン１３２Ａは、切換弁Ｂ１２２Ａと切換弁Ｃ１２３Ａが開くことにより、ピストンＡ面１３３Ａ側が出口側水位１１２Ａ、ピストンＢ面１３４Ａ側が入り口側水位１１１Ａに接続される。このことにより、ピストンＢ面１３４ＡがピストンＡ面１３３Ａより、圧力が高くなりピストン１３２Ａは、ピストンＡ面１３３Ａの方向へ移動する。
【００４４】
このように、切換弁Ａ１２１Ａと切換弁Ｄ１２４Ａの組と、切換弁Ｂ１２２Ａと切換弁Ｃ１２３Ａの組を交互に作動させることにより、ピストン１３２Ａが往復運動をする。
これらの切換弁の制御は、ピストン１３２Ａの位置をセンサーで検知して制御コントローラー（図３に図示していない）で、これらの切換弁をタイミング良く作動させて、ピストン１３２Ａを往復運動させている。
【００４５】
発電機部１４０Ａは、ピストン１３２Ａとともに往復運動をするピストン用軸１３７Ａから、連接棒１４２Ａと弾み車付歯車１４１Ａによって回転運動に変換して、弾み車付歯車１４１Ａにより発電機１４４Ａが回転する構造になる。
【００４６】
なお、図３の図面では、管路１１０Ａ、切換弁部１２０Ａ、シリンダ部１３０Ａ、発電機部１４０Ａの各位置関係、及び高さ関係は、表示していない。
【実施例２】
【００４７】
図４は、実施例２の管路式水力発電システム１００Ｂを説明するための図である。
【００４８】
実施例２の管路式水力発電システム１００Ｂは、管路１１０Ｂの入り口側水位１１１Ｂと出口側水位１１２Ｂの間に水位差１１３Ｂがある。水はこの水位差１１３Ｂにより、管路１１０Ｂを入り口側から出口側に向かって流れている。管路１１０Ｂの途中に切換弁部１２０Ｂとシリンダ部１３０Ｂが配置されている。
【００４９】
切換弁Ａ１２１Ｂと切換弁Ｂ１２２Ｂは、シリンダＡ１３１Ｂの接続口Ａ１３７Ｂに接続されている。また、切換弁Ｃ１２３Ｂと切換弁Ｄ１２４Ｂは、シリンダＢ１３２Ｂの接続口Ｂ１３８Ｂに接続されている。切換弁部１２０Ａを介してシリンダＡ１３１ＢとシリンダＢ１３２Ｂが管路１１０Ａに接続されている。
【００５０】
そして、切換弁部１２０Ｂは、シリンダ部１３０Ｂへ流れる流水の向きを切換えて、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂを往復運動させる働きをする。
【００５１】
シリンダ部１３０Ｂは、シリンダＡ１３１ＢとシリンダＢ１３２Ｂがあり、各シリンダの内部にピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂが形成されている。そして、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂは、ピストン連結ワイヤ１４１Ｂで連結されている。ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂは、連結ワイヤ１４１Ｂと滑車Ａ１４２Ｂと滑車Ｂ１４３Ｂとで往復運動可能に形成されている。
【００５２】
シリンダ部１３０ＢのピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂは、図３の実施例１のシリンダ部１３０Ａのピストン１３２Ａと異なり、実施例１のピストン１３２Ａを２つに分割して、そのピストンを連結した構造になっている。シリンダとピストンを分割することにより、ピストンの往復運動を容易に回転運動にして、取り出すことができる。
【００５３】
実施例１のピストン１３２Ａの両面のピストンＡ面１３３ＡとピストンＢ面１３４Ａは実施例２のピストンＡ１３３ＢのピストンＡ面１３５ＢとピストンＢ１３４ＢのピストンＢ面１３６Ｂは機能が同じになる。
【００５４】
ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂの作動は、実施例１のピストン１３２Ａと同じ原理で、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂを一体と考えて問題ない。
【００５５】
ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂの上部に真空ポンプＡ１６０Ｂと真空ポンプＢ１６１Ｂが取り付けられている。この２機の真空ポンプは、サイホンを利用した管路のとき、ピストンＡ面１３５Ｂ側は真空ポンプＡ１６０Ｂで、ピストンＢ面１３６Ｂ側は真空ポンプＢ１６１Ｂで空気抜きをして、サイホンが確実に作用するようにする。なお、サイホンを利用しない場合は空気抜き弁で代用できる。
【００５６】
シリンダＡ１３１Ｂ側の切換弁Ａ１２１Ｂと、シリンダＢ１３２Ｂ側の切換弁Ｄ１２４Ｂが開くことにより、ピストンＡ面１３５Ｂ側が入り口側水位１１１Ｂに、ピストンＢ面１３６Ｂ側が出口側水位１１２Ｂに接続される。このことにより、ピストンＡ面１３５ＢがピストンＢ面１３６Ｂより圧力が高くなる。この結果、ピストンＡ１３３Ｂは上昇して、ピストンＢ１３４Ｂは下降する。
【００５７】
また、シリンダＡ１３１Ｂ側の切換弁Ｂ１２２Ｂと、シリンダＢ１３２Ｂ側の切換弁Ｃ１２３Ｂが開くことにより、ピストンＡ面１３５Ｂ側が出口側水位１１２Ｂに、ピストンＢ面１３６Ｂ側が入り口側水位１１１Ｂに接続される。このことにより、ピストンＢ面１３６ＢがピストンＡ面１３５Ｂより圧力が高くなる。この結果、ピストンＢ１３４Ｂは上昇して、ピストンＡ１３３Ｂは下降する。
【００５８】
切換弁Ａ１２１Ｂと切換弁Ｄ１２４Ｂの組と、切換弁Ｂ１２２Ｂと切換弁Ｃ１２３Ｂの組を交互に作動させることにより、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂがピストン連結ワイヤ１４１Ｂとともに往復運動をする。これらの切換弁の制御は、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂの各位置をセンサーで検知して制御コントローラー（図３に図示していない）で、これらの切換弁をタイミング良く作動させて、ピストンＡ１３３ＢとピストンＢ１３４Ｂを往復運動させている。
【００５９】
発電機部１４０Ａは、ピストン連結ワイヤ１４１Ｂにより滑車Ａ１４２Ｂと滑車Ｂ１４３Ｂが正逆回転する。滑車Ａ１４２Ｂに一方向クラッチＡ１４４Ｂと歯車Ａ１４８Ｂが取り付けられている。滑車Ｂ１４３Ｂに一方向クラッチＣ１４６Ｂと歯車Ｃ１５０Ｂが取り付けられている。この構造により、歯車Ａ１４８Ｂと歯車Ｃ１５０Ｂが一方向クラッチＡ１４４Ｂと一方向クラッチＣ１４６Ｂの機能により、歯車Ａ１４８Ｂは正回転のとき、歯車Ｃ１５０Ｂは逆回転のとき回転する。
【００６０】
また、歯車Ａ１４８Ｂと歯車Ｃ１５０Ｂに、各噛み合っている歯車Ｂ１４９Ｂと歯車Ｄ１５１Ｂは、それぞれ一方向クラッチＢ１４５Ｂと一方向クラッチＤ１４７Ｂを介して発電機駆動用軸１５２Ｂに取り付けられている。この構造により、発電機駆動用軸１５２Ｂが一方向に回転する。
【００６１】
発電機駆動用軸１５２Ｂは、弾み車１５３Ｂと発電機１５４Ｂを駆動する構造になっている。
【００６２】
なお、図４の図面では、管路１１０Ｂ、切換弁部１２０Ｂ、シリンダ部１３０Ｂ、発電機部１４０Ｂの各位置関係、及び高さ関係は、表示していない。
【００６３】
図５に本発明のサイホン管路式水力発電システム１００の設置概要図を示している。サイホンを利用して、入り口側水位１１１より高い位置に、サイホン管路式水力発電システム１００が配置できる。これにより、堤防の上１１５などにサイホン管路式水力発電システム１００を容易に設置する事ができる。このため、川の流れの部分の工事が簡単になり、設置工事が容易にできる。また、管路に可とう性のあるチューブを使用することにより携帯型管路式水力発電システムになる。
【００６４】
なお、図３の実施例１では、切換弁Ａ１２１Ａと切換弁Ｂ１２２Ａは３方弁にすると１個の弁で代替できる。また切換弁Ｃ１２３Ａと切換弁Ｄ１２４Ａも３方弁にすると１個の弁になる。図４の実施例２では、切換弁Ａ１２１Ｂと切換弁Ｂ１２２Ｂは３方弁にすると１個の弁で代替できる。また切換弁Ｃ１２３Ｂと切換弁Ｄ１２４Ｂも３方弁にすると１個の弁になる。
【００６５】
なお、請求項のピストンの両面間とは、図１では、ピストン１３Ａの入り口側水位１Ａ面側と出口側水位２Ａ面側の間、図２では、ピストン１３Ｂの入り口側水位１Ｂ面側と出口側水位２Ｂ面側の間、図３では、ピストン１３２ＡのピストンＡ面１３３ＡとピストンＢ面１３４Ａの間、図４では、ピストンＡ１３３ＢのピストンＡ面１３５ＢとピストンＢ１３４ＢのピストンＢ面１３６Ｂの間になる。
【００６６】
なお、請求項のシリンダの両端とは、図１では、接続口Ａ１４Ａと接続口Ｂ１５Ａになる。図２では、接続口Ａ１４Ｂと接続口Ｂ１５Ｂになる。図３の実施例１では、シリンダ１３１Ａの接続口Ａ１３５Ａと、接続口１３６Ａになる。また、図４の実施例２では、一端がシリンダＡ１３１Ｂの接続口Ａ１３７Ｂで、他の一端がシリンダＢ１３２Ｂの接続口１３８Ｂになる。
【００６７】
なお、本発明の明細書に記載される、エネルギーの密度とエネルギーの質について、位置エネルギーを例に説明する。位置エネルギーは重力加速度と質量と高さの積になる。このため、質量を２倍にして高さを半分にしても、位置エネルギーの大きさは変わらない。しかし、単位質量当りのエネルギーが小さくなる。このことを、本発明ではエネルギー密度が低いと表記している。また、本発明では高さの大きい位置エネルギーをエネルギーの質が高いと表記している。そして、エネルギーの密度が高いエネルギーをエネルギーの質が高いと表記している。他のエネルギーも同様に考える。
【００６８】
なお、エネルギーの質が高い方が、そのエネルギーを利用するのが容易になる。水車を例にとると、落差（水位差）が少なくなると、使用できる水車の種類が少なくなる。条件を考えなければ、エネルギーの質が高ければ、どの水車でもその水車に応じた効率でエネルギーを取り出すことができる。しかし、エネルギーの質が低くなると、水車により、効率良くエネルギーを取り出すことができなくなる。
【００６９】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。本実施例に記載されている水力発電機は、公知または周知のものを使用することができる。本実施例に記載されている管路式水力発電システムの各部は、錆びない部材が望ましく公知または周知の金属および合成樹脂部材を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の管路式水力発電方法の基本原理の特徴を説明するための図である。
【図２】本発明のサイホンを利用したサイホン管路式水力発電方法の基本原理の特徴を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例１である管路式水力発電システムを説明するための図である。
【図４】本発明の実施例２である管路式水力発電システムを説明するための図である。
【図５】本発明のサイホンを利用したサイホン管路式水力発電システムの設置概要図である。
【符号の説明】
【００７１】
１００・サイホン管路式水力発電システム １１１・・入り口側水位
１１２・・出口側水位 １１３・・水位差
１１４・・川底 １１５・・堤防の上
１Ａ・・・入り口側水位 １Ｂ・・・入り口側水位
２Ａ・・・出口側水位 ２Ｂ・・・出口側水位
３Ａ・・・水位差 ３Ｂ・・・水位差
１０Ａ・・管路 １０Ｂ・・サイホン管路
１１Ａ・・シリンダ部 １１Ｂ・・シリンダ部
１２Ａ・・シリンダ １２Ｂ・・シリンダ
１３Ａ・・ピストン １３Ｂ・・ピストン
１４Ａ・・接続口Ａ １４Ｂ・・接続口Ａ
１５Ａ・・接続口Ｂ １５Ｂ・・接続口Ｂ
１６Ａ・・入り口側管路 １６Ｂ・・入り口側サイホン管路
１７Ａ・・出口側管路 １７Ｂ・・出口側サイホン管路
１００Ａ・管路式水力発電システム １００Ｂ・管路式水力発電システム
１１０Ａ・管路 １１０Ｂ・管路
１１１Ａ・入り口側水位 １１１Ｂ・入り口側水位
１１２Ａ・出口側水位 １１２Ｂ・出口側水位
１１３Ａ・水位差 １１３Ｂ・水位差
１２０Ａ・切換弁部 １２０Ｂ・切換弁部
１２１Ａ・切換弁Ａ １２１Ｂ・切換弁Ａ
１２２Ａ・切換弁Ｂ １２２Ｂ・切換弁Ｂ
１２３Ａ・切換弁Ｃ １２３Ｂ・切換弁Ｃ
１２４Ａ・切換弁Ｄ １２４Ｂ・切換弁Ｄ
１３０Ａ・シリンダ部 １３０Ｂ・シリンダ部
１３１Ａ・シリンダ １３１Ｂ・シリンダＡ
１３２Ａ・ピストン １３２Ｂ・シリンダＢ
１３３Ａ・ピストンＡ面 １３３Ｂ・ピストンＡ
１３４Ａ・ピストンＢ面 １３４Ｂ・ピストンＢ
１３５Ａ・接続口Ａ １３５Ｂ・ピストンＡ面
１３６Ａ・接続口Ｂ １３６Ｂ・ピストンＢ面
１３７Ａ・ピストン用軸 １３７Ｂ・接続口Ａ
１４０Ａ・発電機部 １３８Ｂ・接続口Ｂ
１４１Ａ・弾み車付歯車 １４０Ｂ・発電機部
１４２Ａ・連接棒 １４１Ｂ・ピストン連結ワイヤ
１４３Ａ・発電機用歯車 １４２Ｂ・滑車Ａ
１４４Ａ・発電機 １４３Ｂ・滑車Ｂ
１５０Ａ・真空ポンプＡ １４４Ｂ・一方向クラッチＡ
１５１Ａ・真空ポンプＢ １４５Ｂ・一方向クラッチＢ
１４６Ｂ・一方向クラッチＣ
１４７Ｂ・一方向クラッチＤ
１４８Ｂ・歯車Ａ
１４９Ｂ・歯車Ｂ
１５０Ｂ・歯車Ｃ
１５１Ｂ・歯車Ｄ
１５２Ｂ・発電機駆動軸
１５３Ｂ・弾み車
１５４Ｂ・発電機
１６０Ｂ・真空ポンプＡ
１６１Ｂ・真空ポンプＢ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入り口側水位と出口側水位に水位差がある管路を流れる流水によって、
発電する管路式水力発電方法において、
前記管路の途中に配置され、
シリンダと前記シリンダの内部の往復運動可能なピストンから構成され、
前記管路を流れる流水を前記ピストンで遮断する構造にすることにより、
前記ピストンの両面間に圧力差を発生させる方法を特徴とするとともに、
前記シリンダの両端の接続口に切換弁が接続され、
前記切換弁で前記ピストンの両面間の圧力差の方向を変えることにより、
前記ピストンを往復運動させ、前記ピストンで発電機を駆動する
ことを特徴とする管路式水力発電方法。
【請求項２】
前記管路が、サイホンを利用するサイホン管路になることを特徴とする、
請求項１に記載された管路式水力発電方法。
【請求項３】
入り口側水位と出口側水位に水位差がある管路を流れる流水によって、
発電する管路式水力発電システムにおいて、
前記管路の途中に配置され、
シリンダと前記シリンダの内部の往復運動可能なピストンから構成され、
前記管路を流れる流水を前記ピストンで遮断する構造のシリンダ部と、
前記ピストンを往復運動させるため、
前記シリンダの両端の各接続口に切換弁が接続され、
前記接続口の接続先を前記管路の入り口側、
または、前記管路の出口側に切換える前記切換弁から構成される切換弁部と、
前記ピストンにより駆動される発電機部と
から構成されることを特徴とする管路式水力発電システム。
【請求項４】
前記管路が、サイホンを利用するサイホン管路になることを特徴とする、
請求項３に記載された管路式水力発電システム。
【請求項１】
入り口側水位と出口側水位に水位差がある管路を流れる流水によって、
発電する管路式水力発電方法において、
前記管路の途中に配置され、
シリンダと前記シリンダの内部の往復運動可能なピストンから構成され、
前記管路を流れる流水を前記ピストンで遮断する構造にすることにより、
前記ピストンの両面間に圧力差を発生させる方法を特徴とするとともに、
前記シリンダの両端の接続口に切換弁が接続され、
前記切換弁で前記ピストンの両面間の圧力差の方向を変えることにより、
前記ピストンを往復運動させ、前記ピストンで発電機を駆動する
ことを特徴とする管路式水力発電方法。
【請求項２】
前記管路が、サイホンを利用するサイホン管路になることを特徴とする、
請求項１に記載された管路式水力発電方法。
【請求項３】
入り口側水位と出口側水位に水位差がある管路を流れる流水によって、
発電する管路式水力発電システムにおいて、
前記管路の途中に配置され、
シリンダと前記シリンダの内部の往復運動可能なピストンから構成され、
前記管路を流れる流水を前記ピストンで遮断する構造のシリンダ部と、
前記ピストンを往復運動させるため、
前記シリンダの両端の各接続口に切換弁が接続され、
前記接続口の接続先を前記管路の入り口側、
または、前記管路の出口側に切換える前記切換弁から構成される切換弁部と、
前記ピストンにより駆動される発電機部と
から構成されることを特徴とする管路式水力発電システム。
【請求項４】
前記管路が、サイホンを利用するサイホン管路になることを特徴とする、
請求項３に記載された管路式水力発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１３３６３２（Ｐ２００８−１３３６３２Ａ）
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１９４３０（Ｐ２００６−３１９４３０）
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（３９５０１９９９３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（３９５０１９９９３）
【Ｆターム（参考）】
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