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(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】P2024057672
(43)【公開日】2024-04-25
(54)【発明の名称】浮力発電装置および浮力発電方法
(51)【国際特許分類】
F03B 13/08 20060101AFI20240418BHJP
F03B 17/02 20060101ALI20240418BHJP
【ＦＩ】
F03B13/08
F03B17/02
【審査請求】有
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022164462
(22)【出願日】2022-10-13
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2023-08-02
(71)【出願人】
【識別番号】519448588
【氏名又は名称】藤崎 早苗男
(71)【出願人】
【識別番号】521057040
【氏名又は名称】藤崎 伊知子
(74)【代理人】
【識別番号】100096703
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 俊之
(72)【発明者】
【氏名】藤崎 早苗男
【テーマコード（参考）】
3H074
【Ｆターム（参考）】
3H074AA10
3H074AA12
3H074BB09
3H074CC03
3H074CC28
3H074CC32
(57)【要約】
【課題】従来の水力発電所のような大規模な設備を必要とすることなく、より簡易な設備で河川等の水を利用して電力を発生させることができる発電装置および発電方法を提供する。
【解決手段】水を貯えることが可能な貯槽と、前記貯槽に水を導入する導入口と、前記貯槽から外部に水を排出する排出口と、前記排出口を開閉する開閉機構と、前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体と、前記浮揚体の上下運動を電気に変換する発電機と、を有する浮力発電装置およびこれを利用した浮力発電方法。
【選択図】 図１
【解決手段】水を貯えることが可能な貯槽と、前記貯槽に水を導入する導入口と、前記貯槽から外部に水を排出する排出口と、前記排出口を開閉する開閉機構と、前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体と、前記浮揚体の上下運動を電気に変換する発電機と、を有する浮力発電装置およびこれを利用した浮力発電方法。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水を貯えることが可能な貯槽と、
前記貯槽に水を導入する導入口と、
前記貯槽から外部に水を排出する排出口と、
前記排出口を開閉する開閉機構と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体と、
前記浮揚体の上下運動を電気に変換する発電機と、を有する浮力発電装置。
前記貯槽に水を導入する導入口と、
前記貯槽から外部に水を排出する排出口と、
前記排出口を開閉する開閉機構と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体と、
前記浮揚体の上下運動を電気に変換する発電機と、を有する浮力発電装置。
【請求項2】
前記排出口は、前記導入口よりも低い位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項3】
前記開閉機構は、前記排出口の開閉を所定の周期で繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項4】
前記開閉機構は、遮水壁を水平方向に回転させることにより前記排出口の開閉を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項5】
前記発電機は、ラックアンドピニオンギアにより前記浮揚体の上下運動を電気に変換することを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項6】
前記浮揚体は、繊維強化プラスチックで形成されて内部に空洞を有することを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項7】
前記導入口と前記浮揚体との間および前記排出口と前記浮揚体との間に前記水を下方に案内する案内壁を設けることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項8】
水を貯えることが可能な貯槽に導入口から水を導入する工程と、
開閉機構により前記導入口よりも低い位置に設けられた排出口を開放することで前記貯槽から外部に水を排出する工程と、
前記開閉機構により前記排出口を閉鎖する工程と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体が上下運動する工程と、
前記浮揚体の上下運動を発電機により電気に変換する工程と、を有する浮力発電方法。
開閉機構により前記導入口よりも低い位置に設けられた排出口を開放することで前記貯槽から外部に水を排出する工程と、
前記開閉機構により前記排出口を閉鎖する工程と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体が上下運動する工程と、
前記浮揚体の上下運動を発電機により電気に変換する工程と、を有する浮力発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、浮力発電装置および浮力発電方法に関する。
【背景技術】
【0002】
河川等の水流を利用して水車を回転させることにより電力を発生させる水力発電が従来より利用されている。
【0003】
また、比較的大きな電力を発電するには、非特許文献１に示すようにダム等の大型の建造物が建造される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】https://www.tepco.co.jp/rp/business/hydroelectric_power/mechanism/
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
水車を回転させる場合、全ての水流を無駄なく水車の回転エネルギーに変換することは困難であるという問題があった。また、ダムを建造する場合、大きな高低差を確保しつつ大型の建造物を建造する必要があるため、建造できる場所が限られるという問題があった。
【0006】
本発明は、比較的大きな電力を効率よく発電することができ、ダム等と比較して建造する場所の制約が少ない浮力発電装置および浮力発電方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、水を貯えることが可能な貯槽と、前記貯槽に水を導入する導入口と、前記貯槽から外部に水を排出する排出口と、前記排出口を開閉する開閉機構と、前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体と、前記浮揚体の上下運動を電気に変換する発電機と、を有する浮力発電装置を提供する。
上記のように構成された浮力発電装置では、浮揚体を貯槽に上下動可能に配置した状態で水を導入口から貯槽に導入する。貯槽に水が貯えられるにつれて、貯槽の水位は上昇し、浮揚体は水の浮力により上昇運動する。貯槽内の水が一定量まで増加した時点で排出口の開閉機構を開き、排出口から水を外部に排出する。貯槽の水が外部に排出されるにつれて、貯槽の水位は下降し、浮揚体は重力により下降運動する。貯槽内の水が一定量まで減少した時点で排出口の開閉機構を閉める。これにより、貯槽内の水位は再度増加し、浮揚体は上昇する。このような浮揚体の上下運動を発電機により電気に変換する。
上記のように構成された浮力発電装置では、浮揚体を貯槽に上下動可能に配置した状態で水を導入口から貯槽に導入する。貯槽に水が貯えられるにつれて、貯槽の水位は上昇し、浮揚体は水の浮力により上昇運動する。貯槽内の水が一定量まで増加した時点で排出口の開閉機構を開き、排出口から水を外部に排出する。貯槽の水が外部に排出されるにつれて、貯槽の水位は下降し、浮揚体は重力により下降運動する。貯槽内の水が一定量まで減少した時点で排出口の開閉機構を閉める。これにより、貯槽内の水位は再度増加し、浮揚体は上昇する。このような浮揚体の上下運動を発電機により電気に変換する。
【0008】
前記構成において、前記排出口は、前記導入口よりも低い位置に設けられる構成としてもよい。
上記のように構成された浮力発電装置では、排出口が導入口よりも低い位置に設けられていることで、排出口の開閉機構が開放されているときには、導入口から排出口へ向かって重力により水流が形成される。
上記のように構成された浮力発電装置では、排出口が導入口よりも低い位置に設けられていることで、排出口の開閉機構が開放されているときには、導入口から排出口へ向かって重力により水流が形成される。
【0009】
前記構成において、前記開閉機構は、前記排出口の開閉を所定の周期で繰り返す構成としてもよい。
上記のように構成された浮力発電装置では、開閉機構により排出口の開閉が所定の周期で繰り返される。つまり、浮揚体の上下運動が所定の周期で連続的に繰り返されることで発電が継続される。
上記のように構成された浮力発電装置では、開閉機構により排出口の開閉が所定の周期で繰り返される。つまり、浮揚体の上下運動が所定の周期で連続的に繰り返されることで発電が継続される。
【0010】
前記構成において、前記開閉機構は、遮水壁を水平方向に回転させることにより前記排出口の開閉を切り換える構成としてもよい。
上記のように構成された浮力発電装置では、遮水壁の回転方向を水平方向にすることで、排出口の開閉の負荷を最小限としている。
上記のように構成された浮力発電装置では、遮水壁の回転方向を水平方向にすることで、排出口の開閉の負荷を最小限としている。
【0011】
前記構成において、前記発電機は、ラックアンドピニオンギアにより前記浮揚体の上下運動を電気に変換する構成としてもよい。
上記のように構成された浮力発電装置では、ラックアンドピニオンギアにより浮揚体の上下運動を回転運動に変換し、回転運動を発電機により電気エネルギーに変換する。
上記のように構成された浮力発電装置では、ラックアンドピニオンギアにより浮揚体の上下運動を回転運動に変換し、回転運動を発電機により電気エネルギーに変換する。
【0012】
前記構成において、前記浮揚体は、繊維強化プラスチックで形成されて内部に空洞を有する構成としてもよい。
上記のように構成された浮力発電装置では、浮揚体を繊維強化プラスチックで内部を空洞に構成することで、浮揚体を軽量化しつつ浮揚体の耐久性を確保する。
上記のように構成された浮力発電装置では、浮揚体を繊維強化プラスチックで内部を空洞に構成することで、浮揚体を軽量化しつつ浮揚体の耐久性を確保する。
【0013】
前記構成において、前記導入口と前記浮揚体との間および前記排出口と前記浮揚体との間に前記水を下方に案内する案内壁を設ける構成としてもよい。
上記のように構成された浮力発電装置では、案内壁により導入口と浮揚体との間および排出口と浮揚体との間を一部遮断する。水を下方に案内することで、水流が浮揚体に直接影響することを防ぐ。
上記のように構成された浮力発電装置では、案内壁により導入口と浮揚体との間および排出口と浮揚体との間を一部遮断する。水を下方に案内することで、水流が浮揚体に直接影響することを防ぐ。
【0014】
前記浮力発電装置を浮力発電方法として実施することも可能である。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、水流で水車を直接回転させるのではなく、貯槽に貯えた水で浮揚体を上下運動させることで、水のエネルギーを効率的に使用して発電をすることができる。また、水流量が多く見込まれる設置場所において比較的大きな装置を建造する場合であっても、建造する場所の制約が比較的少ない。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の浮力発電装置の全体構成を示す一部断面図である。
【図2】浮力発電装置の全体構成を示す平面図である。
【図3】ラックが固定された浮揚体の上下運動を発電機に伝達する構成を示す平面図である。
【図4】ラックが貯槽に固定された状態で浮揚体の上下運動を発電機に伝達する構成を示す平面図である。
【図5】水位が低下した状態を示す浮力発電装置の一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、一例として示す図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の浮力発電装置１の全体構成を示す一部断面図である。貯槽１０を断面で表示し、その他の構成部品の配置を概略的に示す。図２は、本発明の浮力発電装置１の全体構成を示す平面図である。本発明の浮力発電装置１は、河川等の水を利用して電力を発生させる装置である。従来の水力発電におけるダムのような大きな高低差を設ける必要はなく、２～３ｍ程度の高低差を確保できれば浮力発電装置１を設置することが可能である。例えば、浮力発電装置１は、ある程度の流速と水量がある河川に設置することができるのはもちろんのこと、河川の水を農業用水として農地へ引き込むために設置された井堰等を利用することもできる。
【0018】
図１に示すように、浮力発電装置１は、主要な構成として、水を貯えることが可能な貯槽１０と、外部から貯槽１０に水を導入する導入口２０と、貯槽１０から外部に水を排出する排出口３０と、排出口３０を開閉する開閉機構４０と、貯槽１０に配置された浮揚体５０と、電気を発生させる発電機６０、７０、８０とを有する。
【0019】
貯槽１０は、コンクリート等で形成された水を貯えるための容器である。本実施例においては、貯槽１０の内寸の幅を１７ｍ、長さを２０ｍとし、貯槽１０の底面からの深さを５．５ｍとしている。貯槽１０の中央部分は浮揚体５０を配置するため、矩形状に上方に開口している。排出口３０は、導入口２０よりも低い位置に設けられている。本実施例においては、導入口２０の底面と排出口３０の底面との高低差は２．５ｍとしている。高低差を設けることにより、導入口２０と排出口３０がともに開放された状態では、ポンプ等を使用しなくても導入口２０から排出口３０へと水が流れる。なお、図面においては、網点が水を表している。
【0020】
導入口２０と浮揚体５０との間には、上方から下方に延びる案内壁１１が形成される。案内壁１１は、貯槽１０の上部を幅方向に閉鎖することで、貯槽１０の下部に水の流路を形成する。これにより、導入口２０から貯槽１０に導入された水は、案内壁１１により浮揚体５０の下方に案内される。浮揚体５０と排出口３０の間にも、上方から下方に延びる案内壁１２が形成される。案内壁１２は、貯槽１０の上部を幅方向に閉鎖することで、貯槽１０の下部に水の流路を形成する。貯槽１０に導入された水は、案内壁１１により貯槽１０の下方を通過して外部に排出される。
【0021】
浮揚体５０は、貯槽１０に対して上下動可能に配置される。浮揚体５０は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で内部に空洞を有するように形成されている。内部に空洞を設けることで浮揚体５０の密度は水の密度と比較して十分に小さく、浮揚体５０が水に浮く構造を実現する。貯槽１０の水量が増加し水面が上昇すると、水に対する浮揚体５０の浮力により浮揚体５０は上方に移動する。貯槽１０の水量が減少し水面が下降すると、浮揚体５０は重力により下方に移動する。本実施例においては、浮揚体５０は、平面視で縦が１５ｍ、横が１５ｍ、高さが３ｍの立方体形状を有する。
【0022】
導入口２０は４つに分割されている。各導入口２０には、浮力発電装置１のメンテナンス時や増水時に導入口２０を閉鎖するための開閉機構２１が設けられる。発電時には、開閉機構２１は常時開放されており、導入口２０から貯槽１０に常に一定量の水が流入する。導入口２０には、補助的な発電装置として、発電機８０が設けられる。発電機８０は、浮力を利用せずに水流により回転運動を発生させて電気を発生させる装置である。各導入口２０には、回転軸８１が鉛直方向に配置された回転機構が配置されている。各回転機構は、回転軸８１を中心に４５°間隔で配置された８枚の回転翼８２を有する。導入口２０から流入した水が回転翼８２を水平方向に押すことにより、回転翼８２は回転軸８１を中心に水平方向に回転する。回転軸８１の上端には、かさ歯車８３が設けられている。鉛直方向に配置された回転軸８１の回転運動を、かさ歯車８３により水平方向を回転軸とした回転運動に変換する。その回転運動が発電機８０の入力軸に伝達される。発電機８０は、回転運動を電気エネルギーに変換する。発電機８０の構造は、回転運動を電気エネルギーに変換する一般的な発電機と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【0023】
排出口３０は５つに分割されている。各排出口３０には、浮力発電装置１のメンテナンス時や増水時に排出口３０を閉鎖するための開閉機構３１が設けられる。発電時には、開閉機構３１は常時開放されている。また、各排出口３０には、開閉機構４０が設けられる。各開閉機構４０は、回転軸４１、回転機構４２、モーター４３により構成される。回転軸４１は鉛直方向に配置され、回転軸４１を中心に回転機構４２が水平方向に回転する。回転機構４２は、図２に示すように、上面視において円形の外形形状を有する。円形の回転機構４２の中心線に該当する位置に遮水壁４２Ａが形成されている。つまり、遮水壁４２Ａは、中心軸４１の位置を通過しつつ回転機構４２を横断するように形成される。各回転機構４２の左右両側には貯槽１０の垂直壁１３が形成されている。遮水壁４２Ａが水流に対して垂直の回転位置（図２の位置）で停止したときに、垂直壁１３と遮水壁４２Ａにより排出口３０が閉鎖される（閉鎖状態）。遮水壁４２Ａが上記以外の位置にあるときには、水が排出口３０から外部へ流出する（開放状態）。遮水壁４２Ａの壁面が水流に対して平行な位置で停止したときに最も壁面の抵抗が小さくなり排出口３０からの流量が最大となる。
【0024】
モーター４３の動作を制御することにより、開閉機構４０、つまり遮水壁４２Ａの回転位置を決定し、排出口３０の開閉を切り換える。最初に、遮水壁４２Ａを水流に対して垂直な位置で停止した閉鎖状態に配置することで、排出口３０を閉鎖して貯槽１０の水位を上昇させる。貯槽１０の水位が所定の高さまで上昇した時点で、回転扉４２を水流に対して平行な開放状態まで回転させて停止させる。これにより、貯槽１０の水位は下降し始める。貯槽１０の水位が所定の高さまで下降した時点で、再度回転扉４２を水流に対して垂直な閉鎖状態まで回転させて停止させる。排出口３０を導入口２０よりも低い位置に設置するとともに、排出口３０の開口面積を導入口２０の開口面積よりも十分に大きく設定する。導入口２０を開放し続けながら、開閉機構４０により排出口３０の開閉を所定の周期で繰り返すことにより、貯槽１０の水位の上昇と下降を所定の周期で繰り返すことができる。なお、導入口２０に設けた発電機８０で発生させた電力を使用してモーター４３を駆動してもよい。
【0025】
本実施例においては、幅が１７ｍ、長さが２０ｍの貯槽１０に対して２．５ｍの高低差で水位の上昇と下降を繰り返すことを想定する。このとき、貯槽１０の水位を２．５ｍ上昇させるのに必要な体積は１７×２０×２．５＝８５０ｍ３である。水の流速を１ｍ／ｓとし、６０秒間で水位を２．５ｍ上昇させると仮定すると、導入口２０の開口面積は８５０÷６０＝１４．１７ｍ２必要ということになる。例えば、幅１．６５ｍ、高さ２．１５ｍの導入口２０を４つ設置すると、１．６５×２．１５×４＝１４．１９ｍ２の開口面積を確保することができる。
【0026】
上昇した貯槽１０の水位を３０秒間で元の水位まで下降させることを考える。水位上昇時の６０秒間に増加した水に加えて水位下降時の３０秒間に導入される水も排出する必要がある。そのため、排出すべき水の体積は、８５０×１．５＝１２７５ｍ３である。この水を３０秒で排出するための排出口３０の開口面積は１２７５÷３０＝４２．５ｍ２ということになる。例えば、幅３．１ｍ、高さ２．８ｍの排出口３０を５つ設置すると、３．１×２．８×５＝４３．４ｍ２の開口面積を確保することができる。なお、上述した水の増減量や開口面積の計算はあくまで一例であり、水の流速等に応じて導入口２０の開口面積、排出口３０の開口面積、開閉機構４０の開閉タイミング等を最適に設定すればよい。
【0027】
浮揚体５０と発電機６０、７０との間には、ラックアンドピニオンギア６１、７１が設けられている。ラックアンドピニオンギア６１、７１により浮揚体５０の上下運動を回転運動に変換し、発電機６０、７０が運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機６０は、浮揚体５０にラックを固定し、浮揚体５０とともにラックが上下動する例を示す。発電機７０は、貯槽１０にラックを固定し、浮揚体５０とともにピニオンが上下動する例を示す。貯槽１０にラックを固定する場合、浮揚体５０とラックとの間には浮揚体５０の上下運動を円滑にするためのローラー９０が設けられる。浮揚体５０にラックを固定する場合、貯槽１０にガイド９１を固定し、浮揚体５０とガイド９１との間に浮揚体５０の上下運動を円滑にするためのローラー９０が設けられる。
【0028】
図３は、浮揚体５０の上下運動を発電機６０に伝達する構成を概略的に示す平面図である。ラックアンドピニオンギア６１は、平板状の棒に直線状に歯車が形成されたラック６１Ａと、円盤状のプレートに円形状に歯車が形成されたピニオン６１Ｂとにより構成される。発電機６０においては、浮揚体５０にラック６１Ａが固定されており、取付部６２を介して貯槽１０にピニオン６１Ｂが回転可能に配置されている。ピニオン６１Ｂの両端には、ピニオン６１Ｂと同軸上に配置され、ピニオン６１Ｂと一体に回転する２つの大径歯車６３が形成されている。大径歯車６３は、ピニオン６１Ｂよりも外径が大きく、ピニオン６１Ｂよりも歯数が多い。２つの大径歯車６３は、それぞれ発電機６０の入力軸に形成された小径歯車６４と係合する（噛み合う）。小径歯車６４の出力軸は増速機構６５を介して発電機６０に接続されている。発電機６０は、発電機６０を制御するための制御盤６６に接続されている。
【0029】
上記のように構成された発電機６０において、貯槽１０の水位の上昇および下降に伴い浮揚体５０が上下方向に移動すると、ラック６１Ａが浮揚体５０とともに上下方向に移動する。ラック６１Ａの上下方向の直線運動に伴い、ラック６１Ａと係合したピニオン６１Ｂが回転運動する。また、ピニオン６１Ｂと同軸上に形成された２つの大径歯車６３がピニオン６１Ｂとともに回転運動する。大径歯車６３と係合した小径歯車６４は増速されながら回転運動する。小径歯車６４の回転運動は、増速機構６５でさらに増速されて発電機６０に伝達される。この回転運動を発電機６０は電気エネルギーに変換する。制御盤６６は、発電量の管理や発電機６０の保護等を行う。発電機６０の構造は、回転運動を電気エネルギーに変換する一般的な発電機と同様であるので、詳細な説明は省略する。発電機６０に切換機構等を設けることにより、浮揚体５０が上昇するときに加えて、浮揚体５０が下降するときにも発電をする構成とすることもできる。
【0030】
図４は、浮揚体５０の上下運動を発電機７０に伝達する構成を概略的に示す平面図である。ラックアンドピニオンギア７１は、平板状の棒に直線状に歯車が形成されたラック７１Ａと、円盤状のプレートに円形状に歯車が形成されたピニオン７１Ｂとにより構成される。発電機７０においては、貯槽１０にラック７１Ａが固定されており、取付部７２を介して浮揚体５０にピニオン７１Ｂが回転可能に配置されている。ピニオン７１Ｂの両端には、ピニオン７１Ｂと同軸上に配置され、ピニオン７１Ｂと一体に回転する２つの大径歯車７３が形成されている。大径歯車７３は、ピニオン７１Ｂよりも外径が大きく、ピニオン７１Ｂよりも歯数が多い。２つの大径歯車７３は、それぞれ発電機７０の入力軸に形成された小径歯車７４と係合する。小径歯車７４の出力軸は増速機構７５を介して発電機７０に接続されている。発電機７０は、発電機７０を制御するための制御盤７６に接続されている。
【0031】
上記のように構成された発電機７０において、貯槽１０の水位の上昇および下降に伴い浮揚体５０が上下方向に移動すると、浮揚体５０に配置されたピニオン７１Ｂがラック７１Ａに係合しながら回転する。これにより、ピニオン７１Ｂとともに浮揚体５０がラック７１Ａに沿って上下方向に移動する。ピニオン７１Ｂの回転に伴い、ピニオン７１Ｂと同軸上に形成された２つの大径歯車７３がピニオン７１Ｂとともに回転運動する。大径歯車７３と係合した小径歯車７４は増速されながら回転運動する。小径歯車７４の回転運動は、増速機構７５でさらに増速されて発電機７０に伝達される。この回転運動を発電機７０は電気エネルギーに変換する。制御盤７６は、発電量の管理や発電機７０の保護等を行う。発電機７０の構造は、回転運動を電気エネルギーに変換する一般的な発電機と同様であるので、詳細な説明は省略する。発電機７０に切換機構等を設けることにより、浮揚体５０が上昇するときに加えて、浮揚体５０が下降するときにも発電をする構成とすることもできる。
【0032】
図５は、水位が低下した状態を示す浮力発電装置１の一部断面図である。貯槽１０を断面で表示し、その他の構成部品の配置を概略的に示す。図５では、開閉機構４０の遮断壁４２Ａが水流に対して平行に配置されることで、排出口３０を開放する。導入口２０より貯槽に導入される水量よりも排出口３０から外部に排出される水量の方が多いため、貯槽１０の水位は低下する。水位の低下に伴い、浮揚体５０は下方に移動する。ここで、発電機６０においては、ラック６１Ａが浮揚体５０と一体に下降している。一方、発電機７０においては、貯槽１０に固定されたラック７１Ａに対してピニオン７１Ａが浮揚体５０と一体に下降している。なお、図５に示す状態からさらに水位を低下させてもよい。
【0033】
以上のように構成された浮力発電装置においては、導入口は常に開放しつつ排出口の開閉機構を開閉するだけで貯槽の水の水位を変化させることができる。これにより、貯槽に配置された浮揚体を上下運動させ、浮揚体の上下運動を回転運動に変換してそれを発電機により電気エネルギーに変換することができる。排出口を導入口よりも低い位置に設けることで、ポンプ等の動力源を使用しなくても水を導入口から排出口へ向かって流すことができる。導入口から排出口への水流を形成するために高低差を設けているが、従来の水力発電のような大きな高低差は必要ない。導入口から導入した水は排出口から排出されるので、既存の農業用水用の井堰を利用して本発明の浮力発電装置を設置することも可能である。開閉機構によって排出口の開閉を所定の周期で繰り返すことで、浮揚体の上下運動を連続的に繰り返すことができる。つまり、発電を継続的に行うことができる。開閉機構において遮水壁の回転方向を水平方向にすることで、排出口の開閉の負荷を最小限とすることができる。ラックアンドピニオンギアを使用することで、浮揚体の上下運動を効率的に回転運動に変換し、発電機に伝達することができる。浮揚体を繊維強化プラスチックで形成し、内部に空洞を有する構成とすることで、浮揚体の耐久性を確保しつつ十分な浮力を得ることができる。導入口と浮揚体との間および排出口と浮揚体との間に水を下方に案内する案内壁を設けることで、導入口と浮揚体との間および排出口と浮揚体との間を一部遮断する。これにより、導入口から流入した水平方向の水流が浮揚体に直接作用することを防ぐ。また、排出口から外部へ排出される水平方向の水流が浮揚体に直接作用することを防ぐ。
【0034】
浮揚体５０の上昇に伴い発生する浮力を概略的に計算する。浮揚体の底面積Ｓを１５ｍ×１５ｍとする。浮揚体のうち水に沈んでいる部分の高さＨを２．５ｍとする。また、水の密度ρを９９７ｋｇ／ｍ３、重力加速度ｇを９．８１とする。この場合の浮力Ｆは、Ｆ＝Ｓ×Ｈ×ρ×ｇ＝１５×１５×２．５×９９７×９．８１≒５５００ｋＮとなる。ここで、水位の上下動の移動距離Ｌを２．５ｍとすると、浮力により増加するエネルギーＵは、Ｕ＝Ｆ×Ｌ＝５５００×２．５≒１３７５０ｋＪとなる。ピニオンが６０秒で浮揚体５０を上昇させるとすると、浮揚体５０が上昇するときの１秒あたりの仕事、すなわち動力Ｐは、Ｐ＝Ｕ÷６０≒２２９ｋＷとなる。浮力により生じた動力をラックアンドピニオンギア６１、７１により回転運動に変換し、増速機構６５、７５で回転運動を増速し、発電機６０、７０へと伝達する。発電機６０、７０は、増速された回転運動を電気エネルギーに変換する。なお、浮揚体５０が６０秒間で上昇し３０秒間で下降するサイクルを繰り返すと想定すると、浮揚体５０が上昇する時の運動により２４時間で得られる電力量は、２２９×２／３×２４＝３６６４ｋＷｈ、３６５日で１３３７３６０ｋＷｈ（≒１．３４ＧＷｈ）となる。上記出力および電力量の計算はあくまで概算であるが、浮揚体５０の体積や上昇時間、水の流速、上下運動のタイミング等を変化させることにより、さらに出力や電力量を上昇させることも可能である。また、浮揚体５０が下降する際にも発電を行うことで、さらに多くの電力を得ることができる。
【0035】
前記実施例において記載した貯槽１０や浮揚体５０等の大きさは例示に過ぎない。水位上昇時に浮揚体５０が水に沈む高さも同様である。これらは前記実施例において示したものに限られず、浮力発電装置を設定する場所や必要とされる出力等の様々な条件に応じて適宜設定すればよい。貯槽１０の形状等も適宜変更可能である。例えば、案内壁１１、１２を設けずに貯槽を形成したり、案内壁をさらに追加して貯槽を形成したりすることも可能である。
【0036】
導入口２０の数や大きさ、排出口３０の数や大きさ、導入口２０と排出口３０の高低差は例示に過ぎない。これらは前記実施例において示したものに限られず、浮力発電装置を設定する場所や必要とされる出力等の様々な条件に応じて適宜設定すればよい。ただし、開閉機構の開閉時の負荷を考慮すると、導入口や排出口はそれぞれ複数設けることが好ましい。浮揚体を水に沈める深さも適宜設定可能である。
【0037】
前記実施例において、排出口３０の開閉機構４０は、円形上の回転機構４２の中心線の位置に遮水壁４２Ａを配置する構造を有する。しかしながら、開閉機構の構造はこれに限られない。排出口３０を開閉することができる構造である限り、様々な構造を採用可能である。例えば、円形上の回転機構４２の弧の一部を覆う遮水壁を設けてもよい。回転せずに平行移動することで排出口を開閉する構造も採用可能である。
【0038】
前記実施例において、発電機の数や配置は例示に過ぎない。また、必ずしも発電機６０と発電機７０の両方を使用する必要はなく、いずれか一方のみを使用してもよい。導入口に設けた発電機８０を省略することも可能であるし、導入口以外の場所に発電機８０と同様の発電機を追加で設置することも可能である。
【0039】
前記実施例において、浮揚体５０の上昇運動を電気に変換する構成を開示したが、本発明の構成はこれに限られない。浮揚体５０の上昇運動に加えて下降運動を発電機により電気に変換することも可能である。上昇運動または下降運動のいずれか一方のみを電気に変換する場合も、上下方向の運動を電気に変換することに含まれる。
【0040】
前記実施例において、浮揚体５０を鉛直方向に上下運動させる構成を開示したが、浮揚体５０の上下運動は、必ずしも鉛直方向に限られない。浮揚体５０が上方に移動しつつ水平方向に移動する場合であっても、浮揚体５０が浮力を利用して上方に移動する限り、本発明に含まれる。
【0041】
前記実施例において、ラックアンドピニオンギアを用いて浮揚体の上下運動を回転運動に変換して電気を発生させる構成を開示したが、本発明の構成はこれに限られない。浮揚体の上下運動を電気に変換する構成である限り本発明に含まれる。当然のことながら、上下運動を一旦回転運動に変換してから回転運動を電気に変換する構成も、浮揚体の上下運動を電気に変換する構成に含まれる。
【0042】
なお、本発明は前記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・前記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって前記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が前記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。
・前記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって前記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が前記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。
【符号の説明】
【0043】
１…浮力発電装置、１０…貯槽、１１…案内壁、１２…案内壁、２０…導入口、２１…開閉機構、３０…排出口、３１…開閉機構、４０…開閉機構、４１…回転軸、４２…回転機構、４３…モーター、５０…浮揚体、６０…発電機、６１…ラックアンドピニオンギア、７０…発電機、７１…ラックアンドピニオンギア、８０…発電機、９０…ローラー、９１…ガイド。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2023-01-20
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水を貯えることが可能な貯槽と、
前記貯槽に水を導入する導入口と、
前記貯槽から外部に水を排出する排出口と、
前記排出口を開閉する開閉機構と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体と、
前記浮揚体の上下運動を電気に変換する発電機と、を有し、
前記排出口の面積が前記導入口の面積よりも大きいことを特徴とする浮力発電装置。
前記貯槽に水を導入する導入口と、
前記貯槽から外部に水を排出する排出口と、
前記排出口を開閉する開閉機構と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体と、
前記浮揚体の上下運動を電気に変換する発電機と、を有し、
前記排出口の面積が前記導入口の面積よりも大きいことを特徴とする浮力発電装置。
【請求項2】
前記排出口は、前記導入口よりも低い位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項3】
前記開閉機構は、前記排出口の開閉を所定の周期で繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項4】
前記開閉機構は、遮水壁を水平方向に回転させることにより前記排出口の開閉を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項5】
前記発電機は、ラックアンドピニオンギアにより前記浮揚体の上下運動を電気に変換することを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項6】
前記浮揚体は、繊維強化プラスチックで形成されて内部に空洞を有することを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項7】
前記導入口と前記浮揚体との間および前記排出口と前記浮揚体との間に前記水を下方に案内する案内壁を設けることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項8】
水を貯えることが可能な貯槽に導入口から水を導入する工程と、
開閉機構により前記導入口よりも低い位置に設けられた排出口を開放することで前記貯槽から外部に水を排出する工程と、
前記開閉機構により前記排出口を閉鎖する工程と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体が上下運動する工程と、
前記浮揚体の上下運動を発電機により電気に変換する工程と、を有し、
前記排出口の面積が前記導入口の面積よりも大きいことを特徴とする浮力発電方法。
開閉機構により前記導入口よりも低い位置に設けられた排出口を開放することで前記貯槽から外部に水を排出する工程と、
前記開閉機構により前記排出口を閉鎖する工程と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体が上下運動する工程と、
前記浮揚体の上下運動を発電機により電気に変換する工程と、を有し、
前記排出口の面積が前記導入口の面積よりも大きいことを特徴とする浮力発電方法。
【手続補正書】
【提出日】2023-03-27
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水を貯えることが可能な貯槽と、
前記貯槽に水を導入する導入口と、
前記貯槽から外部に水を排出する排出口と、
前記排出口を開閉する開閉機構と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体と、
前記浮揚体の上下運動を電気に変換する発電機と、を有し、
前記排出口の面積が前記導入口の面積よりも大きく、
発電時に前記導入口が常時開放されて前記導入口から前記貯槽に常に一定量の水が流入することを特徴とする浮力発電装置。
前記貯槽に水を導入する導入口と、
前記貯槽から外部に水を排出する排出口と、
前記排出口を開閉する開閉機構と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体と、
前記浮揚体の上下運動を電気に変換する発電機と、を有し、
前記排出口の面積が前記導入口の面積よりも大きく、
発電時に前記導入口が常時開放されて前記導入口から前記貯槽に常に一定量の水が流入することを特徴とする浮力発電装置。
【請求項2】
前記排出口は、前記導入口よりも低い位置に設けられ、前記導入口から前記排出口に水平方向の水流を形成することを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項3】
前記開閉機構は、前記排出口の開閉を所定の周期で繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項4】
前記開閉機構は、上面視で円形の外形形状を有し、前記円形の中心線に該当する位置に遮水壁が形成されており、
前記遮水壁を水平方向に回転させることにより前記排出口の開閉を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
前記遮水壁を水平方向に回転させることにより前記排出口の開閉を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項5】
前記発電機は、ラックアンドピニオンギアにより前記浮揚体の上下運動を電気に変換することを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項6】
前記浮揚体は、繊維強化プラスチックで形成されて内部に空洞を有することを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項7】
前記導入口と前記浮揚体との間および前記排出口と前記浮揚体との間に前記水を下方に案内する案内壁を設けることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
【請求項8】
水を貯えることが可能な貯槽に導入口から水を導入する工程と、
開閉機構により前記導入口よりも低い位置に設けられた排出口を開放することで前記貯槽から外部に水を排出する工程と、
前記開閉機構により前記排出口を閉鎖する工程と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体が上下運動する工程と、
前記浮揚体の上下運動を発電機により電気に変換する工程と、を有し、
前記排出口の面積が前記導入口の面積よりも大きく、
発電時に前記導入口が常時開放されて前記導入口から前記貯槽に常に一定量の水が流入することを特徴とする浮力発電方法。
開閉機構により前記導入口よりも低い位置に設けられた排出口を開放することで前記貯槽から外部に水を排出する工程と、
前記開閉機構により前記排出口を閉鎖する工程と、
前記貯槽に上下動可能に配置された浮揚体が上下運動する工程と、
前記浮揚体の上下運動を発電機により電気に変換する工程と、を有し、
前記排出口の面積が前記導入口の面積よりも大きく、
発電時に前記導入口が常時開放されて前記導入口から前記貯槽に常に一定量の水が流入することを特徴とする浮力発電方法。