2023-38547 発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023038547

(43)【公開日】2023-03-17

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   E02B 9/00 20060101AFI20230310BHJP

   E03B 3/08 20060101ALI20230310BHJP

   F03B 13/02 20060101ALI20230310BHJP

【ＦＩ】

E02B9/00 A

E03B3/08 Z

F03B13/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021145330

(22)【出願日】2021-09-07

(71)【出願人】

【識別番号】520124442

【氏名又は名称】恒賀 健太郎

(71)【出願人】

【識別番号】520124453

【氏名又は名称】岡村 隆弘

(74)【代理人】

【識別番号】100147706

【弁理士】

【氏名又は名称】多田 裕司

(72)【発明者】

【氏名】恒賀 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】岡村 隆弘

【テーマコード（参考）】

3H074

【Ｆターム（参考）】

3H074AA10

3H074AA12

3H074BB30

3H074CC39

3H074CC47

(57)【要約】

【課題】サイホン管を用いることなく地下水を循環させることによって水力発電を行う発電システムを提供する。
【解決手段】発電システム１００を、被圧層における、比較的多くの地下水Ｗが賦存されている地下水多量位置１１２に対して流体的に連結された生産井１１０と、地下水Ｗが賦存されている量が比較的少ない地下水少量位置１２２に流体的に連結されている還元井１２０と、生産井１１０からの地下水Ｗの少なくとも一部を還元井１２０に導く水路１３０と、地下水Ｗの運動エネルギーを受けて発電を行う発電機１５０とで構成する。生産井１１０から地下水Ｗを汲み上げて地下水多量位置１１２の水位を下げるとともに、還元井１２０に少なくとも一部の地下水Ｗを供給して地下水少量位置１２２の水位を上げることにより、還元井１２０に供給した地下水Ｗを地下水多量位置１２２に戻す。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被圧層における、比較的多くの地下水が賦存されている地下水多量位置に対して流体的に連結された生産井と、
前記被圧層における、前記地下水が賦存されている量が比較的少ない地下水少量位置に流体的に連結されており、前記生産井よりも標高が低い位置に形成されている還元井と、
前記生産井から汲み上げられた前記地下水の少なくとも一部を前記還元井に導く水路と、
前記水路に配置され、前記地下水の運動エネルギーを受けて発電を行う発電機とを備える発電システムであって、
前記還元井が設けられた前記地下水少量位置における前記被圧層の上端から地表までの厚さが、前記生産井が設けられた前記地下水多量位置における前記被圧層の上端から地表までの厚さよりも厚く、かつ、前記地下水少量位置と前記地下水多量位置とが互いに水平方向に並んでいることにより、前記地下水少量位置の地層における圧力が前記地下水多量位置の地層における圧力よりも高くなっており、
前記生産井から前記地下水を汲み上げることによって前記地下水多量位置の水位を下げて前記地下水多量位置の地層における圧力を下げるとともに、前記還元井に少なくとも一部の前記地下水を供給することによって前記地下水少量位置の水位を上げて前記地下水少量位置の地層における圧力を上げることにより、
前記地下水多量位置の地層における圧力と前記地下水少量位置の地層における圧力との差によって水位を下げる動きをする前記地下水多量位置に前記還元井に供給した前記地下水を戻すようになっていることを特徴とする
発電システム。

【請求項2】

前記生産井および前記還元井は、それぞれ山の斜面に形成されており、
前記還元井の地表位置は、前記生産井の地表位置よりも標高が低い位置に設定されている
請求項１に記載の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水力による比較的小規模な発電量を生じさせる発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従前より、特許文献１に開示されているように、上部帯水層に形成された揚水井から、当該上部帯水層より下方にある下部帯水層に形成された注入井に対して、サイホン管を用いることによって地下水を流し、この地下水の流れで発電を行うシステムが開発されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－１８５７７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示された発電システムのように、揚水井の地下水をサイホン管で一時的に高い位置まで持ち上げてから、より低い位置にある注入井に戻すシステムの場合、例えば注入井の水位が下がってサイホン管における注入井側の端が地下水から露出してしまい、当該サイホン管内にエアが入ってしまうと、サイホン管内における地下水の流れが止まってしまい、発電も止まってしまうという問題があった。

【0005】

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、サイホン管を用いることなく地下水を循環させることによって水力発電を行う発電システムを提供することにある。

【0006】

本発明の一局面に従うと、
被圧層における、比較的多くの地下水が賦存されている地下水多量位置に対して流体的に連結された生産井と、
前記被圧層における、前記地下水が賦存されている量が比較的少ない地下水少量位置に流体的に連結されており、前記生産井よりも標高が低い位置に形成されている還元井と、
前記生産井から汲み上げられた前記地下水の少なくとも一部を前記還元井に導く水路と、
前記水路に配置され、前記地下水の運動エネルギーを受けて発電を行う発電機とを備える発電システムであって、
前記還元井が設けられた前記地下水少量位置における前記被圧層の上端から地表までの厚さが、前記生産井が設けられた前記地下水多量位置における前記被圧層の上端から地表までの厚さよりも厚く、かつ、前記地下水少量位置と前記地下水多量位置とが互いに水平方向に並んでいることにより、前記地下水少量位置の地層における圧力が前記地下水多量位置の地層における圧力よりも高くなっており、
前記生産井から前記地下水を汲み上げることによって前記地下水多量位置の水位を下げて前記地下水多量位置の地層における圧力を下げるとともに、前記還元井に少なくとも一部の前記地下水を供給することによって前記地下水少量位置の水位を上げて前記地下水少量位置の地層における圧力を上げることにより、
前記地下水多量位置の地層における圧力と前記地下水少量位置の地層における圧力との差によって水位を下げる動きをする前記地下水多量位置に前記還元井に供給した前記地下水を戻すようになっていることを特徴とする
発電システムが提供される。

【0007】

好適には、
前記生産井および前記還元井は、それぞれ山の斜面に形成されており、
前記還元井の地表位置は、前記生産井の地表位置よりも標高が低い位置に設定されている。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る発電システムによれば、被圧層において、比較的多くの地下水が賦存されている地下水多量位置と地下水が賦存されている量が比較的少ない地下水少量位置とを境界層を介して適切な距離で設定し、かつ、還元井を設けた地下水少量位置における被圧層の上端から地表までの厚さが生産井を設けた地下水多量位置における被圧層の上端から地表までの厚さより厚く、かつ、地下水少量位置と地下水多量位置とが互いに水平方向に並んでいるように設定する。これにより、被圧層の上端から表面までの厚さの違いによって、地下水少量位置における圧力が地下水多量位置における圧力よりも高い状態でそれぞれ平衡圧力になっている。なお、この平衡圧力の状態における、地下水多量位置および地下水少量位置における地下水の水位をそれぞれの平衡水位という。

【0009】

このような状態で、生産井から地下水を汲み上げることによって地下水多量位置の水位を当該地下水多量位置における平衡水位よりも下げて当該地下水多量位置における圧力を（地下水多量位置の）平衡圧力よりも下げるとともに、生産井から汲み上げた地下水の少なくとも一部を還元井に供給することによって地下水少量位置の水位を上げて当該地下水少量位置における圧力を（地下水少量位置の）平衡圧力よりも上げることにより、地下水多量位置における圧力および地下水少量位置における圧力とそれぞれの位置における平衡圧力との差によって還元井に供給した地下水が境界層を介して地下水多量位置に戻されるようになっているので、地下水多量位置と地下水少量位置との間で地下水が循環する作用を生じさせることができる。

【0010】

なお、ここでいう「水位」とは、「地下水位」のことであり、「地下水位」とは「被圧帯水層が受ける地下圧力」を意味している。

【0011】

これにより、サイホン管を用いることなく地下水を循環させることによって水力発電を行うことができる。

【0012】

また、単に、高い位置にある貯水池やダム等から低い位置にある河川や海等に水を放流して発電を行う水力発電とは異なり、生産井から汲み上げた地下水を還元井に戻すことで当該発電システムを設けた山等の全体の水分量を保つことができ、地層や地域の環境を大きく変化させることのない発電システムを供給できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明が適用された実施形態に係る発電システム１００の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

（発電システム１００の構成）
本発明が適用された実施形態に係る発電システム１００は、図１に示すように、大略、生産井１１０と、還元井１２０と、水路１３０と、発電機１４０と、揚水ポンプ１５０とを備えている。

【0015】

生産井１１０は、山間部等の斜面において比較的標高が高い地点から穿設された井戸であり、地下の地層の被圧層における、比較的多くの地下水Ｗが賦存されている地下水多量位置１１２に対して流体的に連結されている。なお、生産井１１０は、地上付近まで自然水位が確認される自噴井である。

【0016】

還元井１２０は、山間部等の斜面において生産井１１０よりも標高が低い地点から穿設された井戸であり、地下の地層の被圧層における、地下水Ｗが賦存されている量が比較的少なく外部から与えられた水が染み込むような吸水性が高い地層である地下水少量位置１２２に流体的に連結されている。

【0017】

つまり、還元井１２０の地表位置１２１は、生産井１１０の地表位置１１１よりも標高が低い位置に設定されている。また、還元井１２０の底１２３は、生産井１１０の底１１３よりも標高が低い位置に設定されている。

【0018】

水路１３０は、生産井１１０から汲み上げられた地下水Ｗの少なくとも一部を還元井１２０に導くものであり、生産井１１０や還元井１２０が設けられた山間部等の地表に形成された凹所であってもよいし、当該地表から所定の高さに設けられた水道管でもよいし、当該地表よりもやや低い位置に形成された暗渠であってもよい。

【0019】

発電機１４０は、水路１３０に配置されており、生産井１１０から汲み上げられた地下水Ｗが還元井１２０に向けて流れる際の運動エネルギーを受けて発電を行う機械であり、公知の水力発電用発電機が使用されている。

【0020】

揚水ポンプ１５０は、生産井１１０の近傍に配置されており、本実施形態に係る発電システム１００を起動させる際に、生産井１１０から地下水Ｗを汲み上げて地下水多量位置１１２の水位を下げることを目的として使用される。還元井１２０から生産井１１０への地下水Ｗの循環が成立した後は、当該揚水ポンプ１５０による地下水Ｗの汲み上げ動作が不要となるので、揚水ポンプ１５０の動作を停止させることになる。

【0021】

なお、揚水ポンプ１５０の動力は、電力であれば、商用電力や太陽光発電による電力を使用することができる。もちろん、電力以外にも内燃機関等の動力を使用するポンプを揚水ポンプ１５０として使用することも考えられる。

【0022】

（還元井１２０から生産井１１０への地下水Ｗの循環について）
次に、還元井１２０から生産井１１０への地下水Ｗの循環メカニズムについて、図１を用いて説明する。

【0023】

基本的な原理は、加圧層（難透水層）Ｃによって閉ざされた被圧層Ｂにおいて、比較的多くの地下水Ｗが賦存されている地下水多量位置１１２と、地下水Ｗが賦存されている量が比較的少ない地下水少量位置１２２とを境界層Ｄを介して適切な距離で設定する（実際には、そのような条件を満たす山等を調査によって探すことになる。）。

【0024】

ここで「境界層Ｄ」とは、上述のように地下水多量位置１１２と地下水少量位置１２２との間にあり、両位置１１２，１２２間での地下水Ｗの透過が可能で、かつ、地下水多量位置１１２と地下水少量位置１２２とが互いに異なる圧力で平衡圧力となるような性質を有する層である。

【0025】

そして、例えば山間部においては山頂から麓に行くほど被圧層Ｂの上端（つまり、加圧層Ｃの位置）から地表までの厚さ（つまり、不圧層Ａの厚さ）が厚くなることから、生産井１１０の地表位置１１１よりも標高が低い位置に還元井１２０の地表位置１２１を形成することにより、還元井１２０を設けた地下水少量位置１２２における被圧層Ｂの上端から地表までの厚さＨ１が生産井１１０を設けた地下水多量位置１１２における被圧層Ｂの上端から地表までの厚さＨ２より厚くなる。もちろん、上記のような被圧層の上端から地表までの厚さの条件が揃うのであれば、山間部でなくてもよい。なお、地下水多量位置１１２の被圧層Ｂと、地下水少量位置１２２の被圧層Ｂとは、互いに水平方向に並んでいるのが前提である。

【0026】

この被圧層Ｂの上端から地表までの厚さの違いによって、地下水少量位置１２２における圧力が地下水多量位置１１２における圧力よりも高い状態でそれぞれ平衡圧力になっている。

【0027】

また、この平衡圧力の状態における、地下水多量位置および地下水少量位置における地下水Ｗの水位をそれぞれの平衡水位という。

【0028】

このような状態で、生産井１１０から地下水Ｗを汲み上げることによって地下水多量位置１１２の水位（地下水多量位置１１２において地下水Ｗが受ける地下圧力）を当該地下水多量位置１１２における平衡水位よりも下げると、加圧層Ｃによって閉ざされた被圧層Ｂにある地下水多量位置１１２における圧力は平衡圧力よりも下がる。

【0029】

そして、生産井１１０から汲み上げた地下水Ｗの少なくとも一部を還元井１２０に供給する。これにより、地下水少量位置１２２の水位（地下水少量位置１２２において地下水Ｗが受ける地下圧力）を当該地下水少量位置１２２における平衡水位よりも上げると、加圧層Ｃによって閉ざされた被圧層Ｂにある地下水少量位置１２２における圧力は平衡圧力よりも上がることになる。

【0030】

これにより、地下水多量位置１１２における圧力および地下水少量位置１２２における圧力とそれぞれの位置における平衡圧力との差によって、還元井１２０に供給した地下水Ｗが、平衡圧力よりも高い状態の地下水少量位置１２２から境界層Ｄを介して平衡圧力よりも低い状態の地下水多量位置１１２に戻される。このようにして、地下水多量位置１１２と地下水少量位置１２２との間で地下水Ｗが循環する作用を生じさせることができる。

【0031】

本実施形態に係る発電システム１００は、地下水多量位置１１２と地下水少量位置１２２との間における、それぞれの位置での被圧層Ｂの上端（つまり、加圧層Ｃの位置）から地表までの厚さ（つまり、不圧層Ａの厚さ）に起因する平衡圧力の差、および、地下水多量位置１１２にある地下水Ｗを汲み上げるとともに、地下水少量位置１２２に当該地下水Ｗを戻すことによって生じる、それぞれの平衡圧力からの圧力差（地下水多量位置１１２における圧力は平衡圧力よりも低くなり、地下水少量位置１２２における圧力は平衡圧力よりも高くなる。）を利用して、地下水少量位置１２２から地下水多量位置１１２への地下水Ｗの流れを作り出して当該地下水Ｗを循環させることをポイントとしている。

【0032】

なお、還元井１２０に戻す地下水Ｗの量は、生産井１１０から汲み上げた地下水Ｗを１００％戻す訳ではなく、上述のような地下水Ｗの流れを利用して、生産井１１０から汲み上げた地下水Ｗの６０％から７０％を還元井１２０に戻すようになっている。なお、還元井１２０に戻さずに余った地下水Ｗは、他の表層水と同様に（例えば不圧層Ａに）地下還元される。

【0033】

（発電システム１００による発電の手順）
次に、上述した発電システム１００を用いて発電する手順を簡単に説明する。最初に適切な場所に生産井１１０および還元井１２０を設けた後、生産井１１０と還元井１２０との間に水路１３０を設ける。然る後、水路１３０に発電機１４０を配置するとともに、揚水ポンプ１５０を生産井１１０の近傍に配置することで発電システム１００が完成する。

【0034】

そして、最初に、揚水ポンプ１５０を稼働させることにより、生産井１１０から地下水Ｗを汲み上げていく。すると、生産井１１０が設けられた地下水多量位置１１２における地下水Ｗの水位が下がりだしていく。

【0035】

また、汲み上げた地下水Ｗを水路１３０に流して、当該地下水Ｗの運動エネルギーによって発電機１４０を動作させて発電するとともに、少なくとも一部の地下水Ｗを還元井１２０に戻す。

【0036】

すると、上述したように、生産井１１０から地下水Ｗを汲み上げることによって地下水多量位置１１２の水位が下げられており、かつ、還元井１２０に少なくとも一部の地下水Ｗが戻されて地下水少量位置１２２の水位が上がることにより、還元井１２０に供給した地下水Ｗが地下水少量位置１２２から地下水多量位置１１２に戻っていき、地下水Ｗの循環が始まる。

【0037】

地下水Ｗの循環が始まり、揚水ポンプ１５０による地下水Ｗの汲み上げ動作が不要になった時点で当該揚水ポンプ１５０の動作を停止する。

【0038】

以後は、地下水Ｗの循環により、生産井１１０から還元井１２０への水路１３０を通した地下水Ｗの流れが続くので、発電機１４０による発電を引き続き行うことができる。

【0039】

このように、本実施形態に係る発電システム１００によれば、サイホン管を用いることなく地下水Ｗを循環させることによって水力発電を行うことができる。

【0040】

また、単に、高い位置にある貯水池やダム等から低い位置にある河川や海等に水を放流して発電を行う水力発電とは異なり、生産井１１０から汲み上げた地下水Ｗを還元井１２０に戻すことで当該発電システム１００を設けた山等の全体の水分量を保つことができ、地層や地域の環境を大きく変化させることのない発電システム１００を供給できる。

【0041】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0042】

１００…発電システム
１１０…生産井、１１２…地下水多量位置
１２０…還元井、１２２…地下水少量位置
１３０…水路
１４０…発電機
１５０…揚水ポンプ
Ｗ…地下水、Ａ…不圧層、Ｂ…被圧層、Ｃ…加圧層、Ｄ…境界層

【図1】