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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6016007
(24)【登録日】2016年10月7日
(45)【発行日】2016年10月26日
(54)【発明の名称】マイクロ水力発電システム
(51)【国際特許分類】
F03B 13/06 20060101AFI20161013BHJP
F03B 17/06 20060101ALI20161013BHJP
【ＦＩ】
F03B13/06
F03B17/06
【請求項の数】9
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2012-45935(P2012-45935)
(22)【出願日】2012年2月15日
(65)【公開番号】特開2012-193730(P2012-193730A)
(43)【公開日】2012年10月11日
【審査請求日】2015年2月13日
(31)【優先権主張番号】特願2011-43654(P2011-43654)
(32)【優先日】2011年3月1日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】511054422
【氏名又は名称】桜井 孝幸
(74)【代理人】
【識別番号】100147740
【弁理士】
【氏名又は名称】保坂 俊
(72)【発明者】
【氏名】桜井 孝幸
【審査官】
新井 浩士
(56)【参考文献】
【文献】
実開昭５６−１３６１６８（ＪＰ，Ｕ）
【文献】
米国特許第０６０５１８９２（ＵＳ，Ａ）
【文献】
特開昭５８−１３１３７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０７−３３６９６７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０３Ｂ １３／０６
Ｆ０３Ｂ １７／０６
Ｈ０２Ｋ ２１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水を貯留する貯水槽と、前記貯水槽の下方に配置され、一端が前記貯水槽に連通し他端に向かって下降している導水管と、一端が該導水管の前記他端に連通しており、他端に向かって上昇している復水管と、前記導水管の途中に設けられ、該導水管を流れる水流を利用して発電する複数の発電ユニットと、前記復水管の前記他端に接続されており、該復水管内の水を前記貯水槽内に排出するポンプと、前記複数の発電ユニットに接続されており、該複数の発電ユニットからの電力によって充電されると共に前記ポンプに電力を供給する電源装置とを備えており、前記ポンプが前記復水管内の水を排出することによって生じる吸引力により、該復水管及び前記導水管内に一様な吸引流を発生させ、前記導水管を流れる前記水流を形成するように構成されているマイクロ水力発電システムであって、
前記複数の発電ユニットの各々は、前記水流によって回転するように構成された水車羽根を有する水車部と、該水車羽根の回転力を電気に変換する発電機部とを備えており、
前記発電機部は、複数の第１の極性の永久磁石を有する回転磁石板と、該複数の第１の極性の永久磁石の一部に対向し静止している複数の第１の極性の永久磁石と、一端が前記回転磁石板の前記Ｃ永久磁石の一部に対向し静止している複数の磁心付コイルと、該複数の磁心付コイルの他端に対向し静止している複数の第２の極性の永久磁石を備えており、該静止している複数の第１の極性の永久磁石によってコギングトルクを減少させるように構成されていることを特徴とするマイクロ水力発電システム。
【請求項2】
水を貯留する貯水槽と、前記貯水槽の下方に配置され、一端が前記貯水槽に連通し他端に向かって下降している導水管と、一端が該導水管の前記他端に連通しており、他端に向かって上昇している復水管と、前記導水管の途中に設けられ、該導水管を流れる水流を利用して発電する複数の発電ユニットと、前記復水管の前記他端に接続されており、該復水管内の水を前記貯水槽内に排出するポンプと、前記複数の発電ユニットに接続されており、該複数の発電ユニットからの電力によって充電されると共に前記ポンプに電力を供給する電源装置とを備えており、前記ポンプが前記復水管内の水を排出することによって生じる吸引力により、該復水管及び前記導水管内に一様な吸引流を発生させ、前記導水管を流れる前記水流を形成するように構成されているマイクロ水力発電システムであって、前記ポンプは、前記復水管内の水面と前記貯水槽内の水面との高さの差だけ前記復水管内の水を揚水するように構成されており、
前記複数の発電ユニットの各々は、前記水流によって回転するように構成された水車羽根を有する水車部と、該水車羽根の回転力を電気に変換する発電機部とを備えており、
前記発電機部は、複数の第１の極性の永久磁石を有する回転磁石板と、該複数の第１の極性の永久磁石の一部に対向し静止している複数の第１の極性の永久磁石と、一端が前記回転磁石板の前記Ｃ永久磁石の一部に対向し静止している複数の磁心付コイルと、該複数の磁心付コイルの他端に対向し静止している複数の第２の極性の永久磁石を備えており、該静止している複数の第１の極性の永久磁石によってコギングトルクを減少させるように構成されていることを特徴とするマイクロ水力発電システム。
前記複数の発電ユニットの各々は、前記水流によって回転するように構成された水車羽根を有する水車部と、該水車羽根の回転力を電気に変換する発電機部とを備えており、
前記発電機部は、複数の第１の極性の永久磁石を有する回転磁石板と、該複数の第１の極性の永久磁石の一部に対向し静止している複数の第１の極性の永久磁石と、一端が前記回転磁石板の前記Ｃ永久磁石の一部に対向し静止している複数の磁心付コイルと、該複数の磁心付コイルの他端に対向し静止している複数の第２の極性の永久磁石を備えており、該静止している複数の第１の極性の永久磁石によってコギングトルクを減少させるように構成されていることを特徴とするマイクロ水力発電システム。
【請求項3】
前記静止している複数の第１の極性の永久磁石と前記静止している複数の磁心付コイルは交互に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のマイクロ水力発電システム。
【請求項4】
前記回転磁石板に配置された永久磁石の数は、前記静止している第１の極性の永久磁石の数と前記静止している磁芯付コイルの数との和に等しいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロ水力発電システム。
【請求項5】
前記電源装置は、前記複数の発電ユニットによって生成された電力を充電可能な蓄電池を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ水力発電システム。
【請求項6】
前記発電ユニットは導水管内の水流により回転する水車羽根の回転力を電力に変換する機構であり、前記水車羽根は導水管の側壁に取り付けられたハウジング内に設置され、前記水車羽根の一部は導水管内に突出して、導水管内の水流により回転駆動するように構成され、ハウジング内部は導水管の水流により負圧になっていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ水力発電システム。
【請求項7】
前記発電ユニットは導水管内の水流により回転する水車羽根の回転力を電力に変換する機構であり、前記導水管の内側に突出した突出部を設け、当該突出部の下流側に水車羽根が前記導水管内に配置されており、前記突出部によって偏移された水流によって水車羽根が回転駆動するように構成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロ水力発電システム。
【請求項8】
前記水車羽根は回転シャフトの回りに４５°の等角度間隔で８枚の羽根で構成されていることを特徴とする、請求項６または７に記載のマイクロ水力発電システム。
【請求項9】
前記導水管は、傾斜部、垂直部、水平部の組合せから構成されている屈曲管路であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の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】
本発明は、小規模の水力発電システムに係り、特に、上方に設けた貯水槽から落下し配管を通過する水流を利用して発電を行う揚水式のマイクロ水力発電システムに関する。【背景技術】
【0002】
一般に、水力発電システムは、高所から水を落下させて、落下水の速度衝撃と、水の重力圧力とにより水車を回転させ、水車の軸回転力を発電機に伝達して発電を行う構成を有している。水車を回転した後の落下水は、位置エネルギを失っているため、放水される。【0003】
近年、建築物に設けられた水道管、工場の給水管や排水管等の流水路を流れる流水の水力を利用する小規模の発電システムが提案され、注目されている（例えば、特許文献１）。【0004】
特許文献１に記載の発電システムは、建築物の外部に設けられている上水道管に接続されるポンプと、建築物の屋上に設置された屋上貯水槽と、ポンプと屋上貯水槽とを接続する水路と、屋上貯水槽から建築物の任意の位置に上水を導く水路と、水路の途中に設けた複数の発電機とを備えている。ポンプにより汲み上げた水が建築物内で使用される際に、屋上貯水槽からの落水により発電が行われる。【0005】
また、この発電システムでは、発電機が発電した電気を蓄える蓄電装置を設けている。得られた電気エネルギを建築物で消費される電気エネルギの一部に充当することで、省電力化が図れ、建築物の維持コストを低減することが可能となる。【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００５−２７３４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献１に記載の発電システムにおいては、ポンプの駆動に商用電源を利用しているため、地震等の災害時に停電した場合は継続的に発電することができなかった。また、ポンプが建築物の地下に配置されているため、水を屋上貯水槽に汲み上げるために大量のエネルギが必要であった。さらに、建築物内で水を使用する際は、屋上貯水槽からの落水により発電が可能となるが、水を使用していないときには発電することができなかった。さらにまた、建築物内で使用された後の水は、排水として排出されるのみであり、全く再利用できないものであった。【0008】
従って、本発明は従来技術の上述した問題点を解消するものであり、本発明の目的は、停電時に、ある程度継続的に発電して電力を供給することができ、かつ水を循環利用できるマイクロ水力発電システムを提供することにある。【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明によれば、マイクロ水力発電システムは、水を貯留する貯水槽と、貯水槽の下方に配置され、一端が貯水槽に連通し他端に向かって下降している導水管と、一端が導水管の他端に連通しており、他端に向かって上昇している復水管と、導水管の途中に設けられ、導水管を流れる水流を利用して発電する複数の発電ユニットと、復水管の他端に接続されており、復水管内の水を貯水槽内に排出するポンプと、複数の発電ユニットに接続されており、複数の発電ユニットからの電力によって充電されると共にポンプに電力を供給する電源装置とを備えている。特に本発明によれば、ポンプが復水管内の水を排出することによって生じる吸引力により、復水管及び導水管内に一様な吸引流を発生させ、導水管を流れる上述の水流を形成するように構成されている。【0010】
このように、復水管内の水をポンプが排出することによってあたかも生じる空隙に吸引される力により、復水管及び導水管内の水が動き、この復水管及び導水管内の水は、サイホンの原理によって平衡状態に復帰するまで、減圧状態で一様な吸引流となって管内を循環する。このため、比較的に小さいエネルギで循環水流を形成することができ、また、ポンプによって生じた負圧に吸引されて水が管内を循環するため、発電ユニットにおいては、水流によって回転する水車羽根の回転を阻害しない真空に近い空間を形成することができる。その結果、貯水槽の水を用い、非常に少ないエネルギ消費で効率的に発電を行い、その発電後の水を貯水槽に戻して循環利用するマイクロ発電システムとして、災害時の非常用電源はもちろんのこと、エネルギ変換過程を、シンプルでコンパクトにパッケージングすることにより、スマートコミニティにおける地域分散型発電装置として、用途に応じた必要量の電気を供給できると共に、高度なメンテナンス技能を必要としない、装置組立を地域別企業が施行し周期保守点検を実施する装置として、より多くの人々がエネルギ供給過程に参加することを可能となる。【0011】
ポンプは、復水管内の水面と貯水槽内の水面との高さの差だけ復水管内の水を揚水するように構成されていることが好ましい。このように、復水管内の水面と貯水槽内の水面とが、逆サイホンの原理により、同一平面内にあって平衡状態を保っており、ポンプは、わずかな高さだけ揚水すれば良い。このため、ポンプによって消費されるエネルギ量は非常に少ない。【0012】
複数の発電ユニットの各々は、水流によって回転するように構成された水車羽根を有する水車部と、水車羽根の回転力を電気に変換する発電機部とを備えていることも好ましい。水車羽根は、水流の有する運動エネルギを効率良く受け取って、回転運動に変換することができるように構成されている。【0013】
この場合、発電機部は、複数の第１の極性の永久磁石を有する回転磁石板と、これら複数の第１の極性の永久磁石の一部に対向し静止している複数の第１の極性の永久磁石と、一端が回転磁石板のＣ永久磁石の一部に対向し静止している複数の磁心付コイルと、複数の磁心付コイルの他端に対向し静止している複数の第２の極性の永久磁石とを備えており、回転磁石板の複数の第１の極性の永久磁石によるコギングトルクを減少させるように構成されていることがより好ましい。発電機部が、コギングトルクを減少させて永久磁石による回転抵抗をできるだけ低減させるように構成されているため、回転運動をより効率良く電力に変換することが可能となる。【0014】
電源装置は、複数の発電ユニットによって生成された電力を充電可能な蓄電池を備えていることも好ましい。【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、貯水槽の水面より高い位置に設置されているポンプで配管中の水を汲み上げ貯水槽に戻し、循環水流を形成することで、比較的に小さいエネルギで循環水流を形成することができ、より効率的に発電することができる。また、地震等の災害時に商用電源を利用できない場合、発電することができる。さらに、水を循環利用でき、コストを削減することができる。【0016】
また、本発明は、流体の流動を電気エネルギに変換するものであり、大掛かりな工事が不要であり環境にやさしく、スマートグリッドにおける地域分散形発電システムとして、小容量の電力を必要とする用途に対応でき、安全性に優れており、かつ管理が容易にできる。また、本発明のマイクロ水力発電システムは、コンパクトであり、建築物の上部（例えば、屋上）等にも容易に設置することができる。【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の一実施形態として、マイクロ水力発電システムの構成を概略的に示す図である。
【図7】本発明の他の実施形態として、マイクロ水力発電システムの構成を概略的に示す図である。
【図8】導水管の構造及び発電ユニットの配置の一例を示す図である。
【図9】導水管の構造及び発電ユニットの配置の他の例を示す図である。
【図10】導水管の構造及び発電ユニットの配置のさらに他の例を示す図である。
【図11】導水管の構造及び発電ユニットの配置のまたさらに他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明に係るマイクロ水力発電システムの実施形態を、図を参照して説明する。【0019】
図１は本発明の一実施形態として、マイクロ水力発電システムの構成を概略的に示している。【0020】
同図に示すように、本実施形態のマイクロ水力発電システムは、システムの上方に設けられ、内部に水１１が貯留されている貯水槽１０と、一端がこの貯水槽１０の底面近傍に連通しており、他端に向かって下降している導水管１２と、一端がこの導水管１２の最低位にある他端に連通しており他端に向かってほぼ垂直に上昇している復水管１３と、この復水管１３の最上位である他端に弁１４ａを介して接続されている揚水ポンプ１４と、導水管１２の途中に設けられておりそれぞれがユニット化されている複数の発電ユニット１５と、これら発電ユニット１５及び揚水ポンプ１４に電気的に接続された電源装置１６と、初期時に貯水槽１０に水１１を供給する給水管１７と、復水管１３の他端に設けられており、最初に復水管１３に水が導入された時のみ開いて残留空気及び水を外部に排出する水抜き弁１８とを備えている。【0021】
貯水槽１０は、循環する例えば水道水等の水１１をその内部に貯留するためのものであり、その初期時の水１１として、給水管１７を介して水道水等が供給され貯留される。この貯水槽１０の貯留容量は、システム全体の発電量に基づいて定められる。【0022】
導水管１２は、貯水槽１０の下方に配置されており、その上端である一端から斜めに直線状に下降して最低位の他端となっている。導水管１２の長さは、必要とされる数の発電ユニット１５が組み込みできる長さに設定されている。導水管１２のこの他端には、復水管１３の最低位にあるその一端が連通しており、この復水管１３はその最高位にある他端に向かってほぼ垂直に上昇している。導水管１２及び復水管１３はその全長に渡って貯水槽１０以外には水密状態に保たれている。導水管１２の径は必要とされる流量が得られるように設定されるが、復水管１３の径は導水管１２の径より大きく設定されている。【0023】
揚水ポンプ１４は、復水管１３の上端に接続され、復水管１３内に上昇している水１１を汲み上げて貯水槽１０に戻し、循環水流を形成するものである。この揚水ポンプ１４としては、例えばエフ・オー・ケー（ＦＯＫ）株式会社の循環型ポンプＨＢ−１５００が適用可能である。このポンプは、最大揚水量が３５〜４０ｍ３／Ｈ、消費電力が１２７〜１６５Ｗ、最大揚程が２５ｃｍ、最大揚程時の揚水量が３０〜３５ｍ３／Ｈの仕様を有するものである。この揚水ポンプ１４は、自吸式ポンプであり、運転前にこの揚水ポンプ１４にのみ呼び水をすることにより、運転が始まった後はポンプ自身の力でその吸込管の空気を排出して揚水することができる。【0024】
本実施形態においては、揚水ポンプ１４が復水管１３の上方の水面よりやや高い位置に設置されており、揚水すべき高さが非常に低くなるように設定されている。復水管１３内の水面と貯水槽１０内の水面とは、揚水ポンプ１４を作動させていない状態では、逆サイホンの原理により、同一平面内にあって平衡状態を保っている。従って、揚水ポンプ１４は、わずかな高さのみ、例えば高さＨ＝１０〜２０ｃｍだけ揚水することにより、復水管１３の上部の水１１を貯水槽１０内に排出する。この復水管１３内の水１１を揚水ポンプ１４が排出することによってあたかも生じる空隙に吸引される力により、復水管１３及び導水管１２内の水が動き、循環が行われる。【0025】
復水管１３及び導水管１２内の水は、サイホンの原理によって平衡状態に復帰するまで、減圧状態で一様な吸引流となって管内を循環する。なお、揚水ポンプ１４の排出流量を調整することで、導水管１２内の水流の速度を変化させて発電量を調整することができる。【0026】
複数の発電ユニット１５は、導水管１２の途中に順次設けられ、この導水管１２内の水流を利用して発電するものである。各発電ユニット１５は、導水管１２内の水流をできるだけ効率良くとらえて回転するように構成された水車部と、この水車部に連結されており、水車部の回転力を電力に変換する発電機部とを有する。各発電ユニット１５の構成については、詳細に後述する。本実施形態においては、３つの発電ユニット１５が導水管１２に沿って設けられている。この発電ユニットの数は、必要とする発電量に基づいて設定される。【0027】
電源装置１６は、充電回路と、充放電可能な蓄電池とから主として構成されており、複数の発電ユニット１５によって発電された電力をこの蓄電池に充電すると共に、この蓄電池の出力電力を揚水ポンプ１４の駆動に使用し、さらに外部に出力するように構成されている。電源装置１６の充電用電力として、複数の発電ユニット１５からの電力に加えて、太陽光発電システム及び／又は風力発電システムからの電力をも利用することが可能である。電源装置１６を商用電源に直接接続しても良い。深夜電力等経済的なエネルギを利用して蓄電池に充電し、運転する際に、蓄電池により揚水ポンプ１４を駆動するようにしても良い。【0028】
図２は本実施形態における発電ユニット１５の構成を概略的に示しており、図３はこの発電ユニット１５における水車部２０の構成を概略的に示しており、図４はこの水車部２０における各水車羽根の構造を説明している。【0029】
図２に示すように、発電ユニット１５は、水車部２０と、回転シャフト２１ａがこの水車部２０の回転シャフト２０ａに連結されており、水車部２０の発生した回転力を電力に変換する発電機部２１とを備えている。【0030】
水車部２０は、上述した回転シャフト２０ａと、ハウジング２０ｂと、このハウジング２０ｂの互いに対向する側壁内側に設けられ、上述の回転シャフト２０ａを回動自在に支持する１対のベアリング部材（シールベアリング）２０ｃと、回転シャフト２０ａに同軸に固着された水車羽根２０ｄとを備えている。水車羽根２０ｄは、その一部が導水管１２内に突出しており、その内部を流れる水流１１ａによって回転駆動されるように構成されている。この水流１１ａは、揚水ポンプ１４の作動によって生じた負圧に水が吸引されることによって導水管１２内に生じる。しかも、粘性がなく非圧縮性であり定常の流れとなっているため、ベルヌーイの定理が成立する流れとなって循環する。【0031】
図３に示すように、この導水管１２内を流れるベルヌーイの定理が成立する同一流線上の水流１１ａにより、水車部２０におけるハウジング２０ｂの内部２０ｅに負圧が発生し、この内部２０ｅがより真空に近くなることから、水車羽根２０ｄの回転抵抗が減少する。【0032】
図４に示すように、本実施形態においては、回転シャフト２０ａの回りに４５°の等角度間隔で８枚の水車羽根２０ｄ１〜２０ｄ８が設けられており、これら水車羽根２０ｄ１〜２０ｄ８の各々は、適度の曲率半径を有する断面を有する平板状の軽量の金属材料又は樹脂材料から構成されている。図４に示すごとく、１つの水車羽根２０ｄ１の導水管１２内の水流１１ａに対する受圧面積が最大となった際に他の１つの水車羽根２０ｄ３がハウジング２０ｂから導水管１２内に突出するように構成されており、これによって水車羽根２０ｄは水流１１ａの有する運動エネルギを効率良く受け取って、回転運動に変換することができる。【0034】
図５に示すように、発電機部２１は、水車部２０の回転シャフト２０ａに連結された回転シャフト２１ａと、この回転シャフト２１ａに固着されており、これと同軸に回転する回転磁石板２１ｂとを備えている。この回転磁石板２１ｂには、Ｓ極のみが表面に現れるように軸の周囲方向に４５°の等間隔で配置された８つの永久磁石２１ｃ１〜２１ｃ８が設けられている。【0035】
この回転磁石板２１ｂの永久磁石２１ｃ１〜２１ｃ８に一端が対向するように複数の磁心２１ｄ１〜２１ｄ４が設けられている。ただし、これら複数の磁心２１ｄ１〜２１ｄ４は、固定部２１ｅに固定されて静止している。本実施形態において、複数の磁心２１ｄ１〜２１ｄ４は軸の周囲方向に９０°の等間隔で配置された４つの磁心２１ｄ１〜２１ｄ４から構成されている。これら複数の磁心２１ｄ１〜２１ｄ４には、複数のコイル２１ｆ１〜２１ｆ４がそれぞれ巻回されている。さらに、回転磁石板２１ｂの永久磁石に対向しＳ極のみが表面に現れる４つの永久磁石２１ｇ１〜２１ｇ４が固定部２１ｅに固定されて静止して設けられている。これら４つの永久磁石２１ｇ１〜２１ｇ４は軸の周囲方向に９０°の等間隔で配置されており、４つの磁心２１ｄ１〜２１ｄ４間にそれぞれ設けられている。従って、回転磁石板２１ｂの４５°の等間隔で配置された８つの永久磁石２１ｃ１〜２１ｃ８に対向して、４つの磁心２１ｄ１〜２１ｄ４と４つの永久磁石２１ｇ１〜２１ｇ４とが交互に４５°の等間隔で静止して配置されていることとなる。【0036】
さらに、本実施形態の発電機部２１においては、４つの磁心２１ｄ１〜２１ｄ４の他端に対向してＮ極のみが表面に現れるように軸の周囲方向に９０°の等間隔で配置された４つの永久磁石２１ｈ１〜２１ｈ４が設けられている。ただし、これら４つの永久磁石２１ｈ１〜２１ｈ４は、固定部２１ｅに固定されて静止している。４つの磁心２１ｄ１〜２１ｄ４及び４つのコイル２１ｆ１〜２１ｆ４は、それぞれの一端が回転磁石板２１ｂの８つの永久磁石２１ｃ１〜２１ｃ８に対向し、それぞれの他端が１つおきに４つの永久磁石２１ｈ１〜２１ｈ４に対向するように軸の周囲方向に９０°の等間隔でかつ軸に平行に配置されており、各コイル２１ｆ１〜２１ｆ４から得られる起電力が合成されて発電機出力となるように接続がなされている。【0037】
この発電機部２１は、コギングトルクを減少させて永久磁石による回転抵抗をできるだけ低減させた発電機であり、その原理は例えば国際公開第ＷＯ２００３／０５６６８８号公報に開示されている。以下、本実施形態の発電機部２１の作用の概略を説明する。【0038】
回転磁石板２１ｂの８つの永久磁石２１ｃ１〜２１ｃ８が回転することによって、４つの磁心２１ｄ１〜２１ｄ４に印加される磁極が交互に変化し、この磁心を軸方向に横切る磁束の方向が交互に反転することで４つのコイル２１ｆ１〜２１ｆ４に継続的に起電力が発生する。【0039】
図６は発電機部２１の断面の一部を模式的に示しており、４つの磁心２１ｄ１〜２１ｄ４と４つの永久磁石２１ｇ１〜２１ｇ４と４つの永久磁石２１h1〜２１h4は静止しており、回転磁石板２１ｂの永久磁石２１ｃ１〜２１ｃ８は回転により移動している。回転磁石板２１ｂの永久磁石２１ｃ１〜２１ｃ８の回転移動方向（下から上方向）が矢印で示されている。
【0040】
図６に示した状態では、回転磁石板２１ｂの永久磁石２１ｃ１、２１ｃ３、２１ｃ５及び２１ｃ７が磁心２１ｄ１〜２１ｄ４の一端にそれぞれ正対しており、これら磁心２１ｄ１〜２１ｄ４に最大の引力が印加されている。一方、回転磁石板２１ｂの永久磁石２１ｃ２、２１ｃ４、２１ｃ６及び２１ｃ８が永久磁石２１ｇ１〜２１ｇ４にそれぞれ正対しており、回転磁石板２１ｂには永久磁石２１ｇ１〜２１ｇ４から最大の反発力が印加されている。【0041】
回転磁石板２１ｂがこの状態から回転する際に、永久磁石２１ｇ１〜２１ｇ４からの反発力及び次の永久磁石２１ｃ２、２１ｃ４、２１ｃ６及び２１ｃ８と磁心２１ｄ１〜２１ｄ４との吸引力により、回転シャフト２１ａに印加される引力であるコギングトルクが減少することになる。同様のことが、回転磁石板２１ｂの他の永久磁石と磁心との間においても発生する。言い換えると、回転シャフト２１ａに印加されるコギングトルクの最大値は減少しないが、永久磁石２１ｃ１〜２１ｃ８が磁心２１ｄ１〜２１ｄ４に強い引力で引かれる時間が短くなる。【0042】
このように、本実施形態の発電機部２１によれば、回転シャフト２１ａに印加されるコギングトルクの最大値は変動しないが、コギングトルクが回転シャフト２１ａに強く影響を与える時間が短くなるので、コギングトルクの周期が半分になることと相まって、その回転シャフト２１ａの回転抵抗が減少し、回転がスムーズとなる。なお、本実施形態における永久磁石及び磁心の数は、上述した値に限定されるものではない。【0043】
以上説明したように、本実施形態においては、復水管１３内の水面と貯水槽１０内の水面とが、逆サイホンの原理により、同一平面内にあって平衡状態を保っており（揚水ポンプ１４を作動させていない状態）、揚水ポンプ１４により揚水すべき高さが非常に低くなるように設定されているため、揚水ポンプ１４は、わずかな高さのみ、例えば高さＨ＝１０〜２０ｃｍだけ揚水すれば良い。このため、揚水ポンプ１４によって消費されるエネルギ量は非常に少ない。復水管１３内の水１１を揚水ポンプ１４が排出することによってあたかも生じる空隙に吸引される力により、復水管１３及び導水管１２内の水が動き、この復水管１３及び導水管１２内の水は、サイホンの原理によって平衡状態に復帰するまで、減圧状態で一様な吸引流となって管内を循環する。即ち、粘性がなく非圧縮性であり定常の流れであるため、ベルヌーイの定理が成立する流れとなって循環する。このため、比較的に小さいエネルギで循環水流を形成することができ、また、揚水ポンプ１４によって生じた負圧に吸引されて水が管内を循環するため、発電ユニット１５における水車部２０では、水車羽根２０ｄの回転を阻害しない真空に近い空間を形成することができる。また、水車羽根２０ｄは、水流１１ａの有する運動エネルギを効率良く受け取って、回転運動に変換することができるように構成されている。さらに、発電ユニット１５における発電機部２１が、コギングトルクを減少させて永久磁石による回転抵抗をできるだけ低減させるように構成されている。【0044】
その結果、本実施形態のマイクロ水力発電システムは、貯水槽１０の水を用い、非常に少ないエネルギ消費で効率的に発電を行い、その発電後の水を貯水槽１０に戻して循環利用するマイクロ発電システムとして、災害時の非常用電源はもちろんのこと、エネルギ変換過程を、シンプルでコンパクトにパッケージングすることにより、スマートコミニティにおける地域分散型発電装置として、用途に応じた必要量の電気を供給できると共に、高度なメンテナンス技能を必要としない、装置組立を地域別企業が施行し周期保守点検を実施する装置として、より多くの人々がエネルギ供給過程に参加することを可能となる。【0045】
また、太陽光や深夜電力など、他の様々なマイクロエネルギと併用することで、自然エネルギを背景とした製品として息の長い利用が期待される。さらに、本実施形態のマイクロ発電システムは、システム全体の規模を拡大しても有効であり、より大きな水資源の活用により、大規模発電への応用も可能である。さらに、本実施形態のマイクロ発電システムは、水を循環利用しているためコストを削減することも可能である。【0046】
図７は本発明の他の実施形態として、マイクロ水力発電システムの構成を概略的に示している。【0047】
本実施形態のマイクロ水力発電システムは、復水管１３と貯水槽１０との間に吐出量調整ポンプ１９が追加されていることを除いて、図１の実施形態におけるマイクロ水力発電システムの場合と、全く同じ構成を有している。従って、図７において、図１と同じ構成要素には同一の参照番号が付されている。【0048】
吐出量調整ポンプ１９は、揚水ポンプ１４によって排出された水に適切な流れを与えるために吐出量調整を行うためのものであり、吐出量と水管内に発生する自然な水流との調整を行う役割を有している。吐出量の調整により適切な水流（吸引力と押す力（落ちてくる力）とのバランスのとれた水流）が発生すると、導水管１２の途中に設けた発電ユニット１５における水車部２０において、水車羽根２０ｄの回転を阻害しない真空に近い空間を形成することができる。【0049】
本実施形態におけるその他の作用効果は図１の実施形態の場合と同様である。【0050】
図８は上述した実施形態の一変更態様として、導水管の構造及び発電ユニットの配置の一例を示している。【0051】
本変更態様においては、前述の実施形態の場合と同様の発電ユニット８５が７つ、導水管８２に沿って設けられている。導水管８２の形態及び発電ユニット８５の配置以外の構成は、上述した実施形態におけるマイクロ水力発電システムの場合と同様であり、従って詳細な説明は省略する。【0052】
導水管８２は、貯水槽１０の直下の垂直部８２ａと、これに続く第１の水平部８２ｂと、これに続く第１の傾斜部８２ｃと、これに続く第２の水平部８２ｄと、これに続く第２の傾斜部８２ｅと、これに続く第３の水平部８２ｆとを有する屈曲管路である。導水管８２の第１の水平部８２ｂ、第１の傾斜部８２ｃ及び第２の傾斜部８２ｅにはそれぞれ２つの発電ユニット８５が、第２の水平部８５ｄには１つの発電ユニット８５が配置されている。導水管８２の第１の傾斜部８２ｃ及び第２の傾斜部８２ｅにも発電ユニット８５を配置することにより、その配置場所をより多く確保することができる。【0053】
導水管８２全体の長さは、必要とされる発電ユニット８５を組み込める程度に適宜に設計される。また、導水管８２の太さは、発電量に応じた水流量に基づいて設計される。【0054】
図９は上述した実施形態の他の変更態様として、導水管の構造及び発電ユニットの配置の一例を示している。【0055】
本変更態様においては、前述の実施形態の場合と同様の発電ユニット９５が６つ、導水管９２に沿って設けられている。導水管９２の形態及び発電ユニット９５の配置以外の構成は、上述した実施形態におけるマイクロ水力発電システムの場合と同様であり、従って詳細な説明は省略する。【0056】
導水管９２は、貯水槽１０の直下の第１の垂直部９２ａと、これに続く第１の水平部９２ｂと、これに続く第２の垂直部９２ｃと、これに続く第２の水平部９２ｄと、これに続く第３の垂直部９２ｅと、これに続く第３の水平部９２ｆと、これに続く第４の垂直部９２ｇと、これに続く第４の水平部９２ｈとを有する屈曲管路である。導水管９２の第１の水平部９２ｂ、第２の水平部９２ｄ及び第３の水平部９２ｆにはそれぞれ２つの発電ユニット９５が配置されている。【0057】
導水管９２全体の長さは、必要とされる発電ユニット９５を組み込める程度に適宜に設計される。また、導水管９２の太さは、発電量に応じた水流量に基づいて設計される。【0058】
図１０は上述した実施形態のさらに他の変更態様として、導水管の構造及び発電ユニットの配置の一例を示している。【0059】
本変更態様においては、前述の実施形態の場合と同様の発電ユニット１０５が８つ、導水管１０２に沿って設けられている。導水管１０２の形態及び発電ユニット１０５及び１１５の配置以外の構成は、上述した実施形態におけるマイクロ水力発電システムの場合と同様であり、従って詳細な説明は省略する。【0060】
導水管１０２は、貯水槽１０の直下の垂直部１０２ａと、これに続く単一の長い傾斜部１０２ｂと、これに続く単一の水平部１０２ｃとを有する屈曲管路である。導水管１０２の傾斜部１０２ｂには４つの発電ユニット１０５が配置されており、水平部１０２ｃには４つの発電ユニット１１５が配置されている。各発電ユニット１１５の構成については、次の図１１の変更態様において説明する。【0061】
導水管１０２全体の長さは、必要とされる発電ユニット１０５及び１１５を組み込める程度に適宜に設計される。また、導水管１０２の太さは、発電量に応じた水流量に基づいて設計される。【0062】
図１１は上述した実施形態のまたさらに他の変更態様として、導水管の構造及び発電ユニットの配置の一例を示しており、図１２は図１１の変更態様の発電ユニットにおける水車部の構成を概略的に示しており、図１３は図１２のＡ−Ａ線断面を示している。【0063】
本変更態様においては、前述の実施形態の場合と異なる構造の発電ユニット１１５が導水管１１２に沿って６つ設けられている。導水管１１２の形態並びに発電ユニット１１５の構成及び配置以外の構成は、上述した実施形態におけるマイクロ水力発電システムの場合と同様であり、従って詳細な説明は省略する。【0064】
導水管１１２は、貯水槽１０の直下の第１の垂直部１１２ａと、これに続くコ字状の第１の水平部１１２ｂと、これに続く第１の傾斜部１１２ｃと、これに続くコ字状の第２の水平部１１２ｄと、これに続く第２の傾斜部１１２ｅと、これに続くコ字状の第３の水平部１１２ｆと、これに続く第２の垂直部１１２ｇと、これに続く第４の水平部１１２ｈとを有する３次元屈曲管路である。導水管１１２の第１の水平部１１２ｂ、第２の水平部１１２ｄ及び第３の水平部１１２ｆにはそれぞれ２つの発電ユニット１１５が配置されている。導水管１１２を３次元屈曲管路にすることで、発電ユニット１１５を配置する場所を多く確保することができる。【0065】
導水管１１２全体の長さは、必要とされる発電ユニット１１５を組み込める程度に適宜に設計される。また、導水管１１２の太さは、発電量に応じた水流量に基づいて設計される。【0066】
図１３に示すように、発電ユニット１１５は、水車部１２０と、回転シャフト２１ａがこの水車部１２０の回転シャフト１２０ａに連結されており、水車部１２０の発生した回転力を電力に変換する発電機部２１とを備えている。本変更態様においては、発電ユニット１１５の特に水車部１２０の構成が前述の実施形態の場合と異なっているが、発電機部２１自体の構成は前述の実施形態の場合と同様である。【0067】
水車部１２０は、上述した回転シャフト１２０ａと、この回転シャフト１２０ａに同軸に固着された水車羽根１２０ｄとを備えている。この水車部１２０の回転シャフト１２０ａは、導水管１１２の底面壁を貫通しており、発電機部２１の回転シャフト２１ａに同軸に連結されている。水車羽根１２０ｄは、その全体が導水管１１２の底面に沿って設けられており、図１２に示すように、導水管１１２の内部を流れ、その内壁から突出している突出部１１９によって偏移された水流１１ａによって回転駆動されるように構成されている。この水流１１ａは、揚水ポンプ１４の作動によって生じた負圧に水が吸引されることによって導水管１１２内に生じる。【0068】
水車羽根１２０ｄは、図１２に示すように、回転シャフト１２０ａの回りに４５°の等角度間隔で８枚の水車羽根が設けられており、これら水車羽根の各々は、適度の曲率半径を有する断面を有する平板状の軽量の金属材料又は樹脂材料から構成されている。【0069】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。【産業上の利用可能性】
【0070】
本発明は、スマートグリッドにおける地域分散形発電システムとして、小容量の電力を必要とする用途に対応できる流体の流動を電気エネルギに変換する発電システムに利用できる。【符号の説明】
【0071】
１０ 貯水槽１１ 水
１１ａ 水流
１２、８２、９２、１０２、１１２ 導水管
１３ 復水管
１４ 揚水ポンプ
１４ａ 弁
１５、８５、９５、１０５、１１５ 発電ユニット
１６ 電源装置
１７ 給水管
１８ 水抜き弁
１９ 吐出量調整ポンプ
２０、１２０ 水車部
２１ 発電機部
２０ａ、２１ａ、１２０ａ 回転シャフト
２０ｂ ハウジング
２０ｃ ベアリング部材
２０ｄ、２０ｄ１〜２０ｄ８、１２０ｄ 水車羽根
２０ｅ 内部
２１ｂ 回転磁石板
２１ｂ１〜２１ｂ３、２１ｃ１〜２１ｃ３ 永久磁石
２１ｃ 固定磁石板
２１ｄ、２１ｄ１〜２１ｄ３ 磁心
２１ｅ コイル
８２ａ、１０２ａ 垂直部
８２ｂ、９２ｂ、１１２ｂ 第１の水平部
８２ｃ、１１２ｃ 第１の傾斜部
８２ｄ、９２ｄ、１１２ｄ 第２の水平部
８２ｅ、１１２ｅ 第２の傾斜部
８２ｆ、９２ｆ、１１２ｆ 第３の水平部
９２ａ、１１２ａ 第１の垂直部
９２ｃ、１１２ｇ 第２の垂直部
９２ｅ 第３の垂直部
９２ｇ 第４の垂直部
９２ｈ、１１２ｈ 第４の水平部
１０２ｂ 傾斜部
１０２ｃ 水平部
１１９ 突出部