特開 2024-85391 シーソー型水力発電装置

(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】P2024085391

(43)【公開日】2024-06-26

(54)【発明の名称】シーソー型水力発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03B 17/06 20060101AFI20240619BHJP

【ＦＩ】

F03B17/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023206101

(22)【出願日】2023-12-06

(31)【優先権主張番号】111147962

(32)【優先日】2022-12-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(71)【出願人】

【識別番号】501468703

【氏名又は名称】陳 世 雄

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】陳世雄

【テーマコード（参考）】

3H074

【Ｆターム（参考）】

3H074AA12

3H074AA18

3H074BB10

3H074CC50

(57)【要約】

【課題】シーソー型水力発電装置を提供する。
【解決手段】シーソー型水力発電装置は、長尺箱体と、水車発電機ユニットと、支点構造と、リフト機構と、を含み、長尺箱体は、収容チャンバと、収容チャンバを第１チャンバと第２チャンバとに仕切る仕切板とを備え、仕切板の下方に第１チャンバと第２チャンバとを連通する水流路が設けられ、水車発電機ユニットは、水流路内に配置される羽根車と、羽根車に連結される発電機とを備え、支点構造は長尺箱体の下方かつ中間に配置され、リフト機構は支点構造の両側に配置され、長尺箱体に付勢力を加えると、長尺箱体は支点構造を中心として傾き、リフト機構によって長尺箱体を交互にリフトアップすることにより、作動流体は水流路を往復流動し、羽根車を回転駆動して発電機によって電力を生成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に作動流体（ＷＦ）が充填されるシーソー型水力発電装置であって、
前記作動流体（ＷＦ）を充填するための収容チャンバ（１１）と、前記収容チャンバ（１１）を第１チャンバ（１３）と第２チャンバ（１４）とに仕切る仕切板（１２）とを備え、前記仕切板（１２）の下方に前記第１チャンバ（１３）と前記第２チャンバ（１４）とを連通する水流路（１５）が設けられる長尺箱体（１０）と、
前記水流路（１５）内に配置される羽根車（２２）と、前記羽根車（２２）に連結される発電機（２１）とを備える水車発電機ユニット（２０）と、
前記長尺箱体（１０）の下方かつ中間に配置される支点構造（３０）と、
前記支点構造（３０）の両側に配置されるリフト機構（４０）と、を含み、
前記長尺箱体（１０）に付勢力を加えると、前記長尺箱体（１０）は前記支点構造（３０）を中心として傾き、前記リフト機構（４０）によって前記長尺箱体（１０）を交互にリフトアップすることにより、前記作動流体（ＷＦ）は前記水流路（１５）を往復流動し、前記羽根車（２２）を回転駆動して前記発電機（２１）によって電力を生成する、シーソー型水力発電装置。

【請求項2】

前記長尺箱体（１０）の上方に配置され、前記長尺箱体（１０）に連結される吊上機構（５０、５０Ａ）をさらに含む、請求項１に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項3】

前記吊上機構（５０）は、第１滑車群（５１）と第２滑車群（５５）とを含み、前記第１滑車群（５１）及び前記第２滑車群（５５）は、それぞれ前記長尺箱体（１０）の角部の上方に配置され、互いに対応している、請求項２に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項4】

前記第１滑車群（５１）は、定滑車（５１１）と、複数の動滑車（５１２）と、第１モータ（５１３）と、ロープ（５１４）とを含み、前記長尺箱体（１０）には第１チャンバ引張点（１６）が設けられ、前記定滑車（５１１）は、上部プラットフォーム（ＵＰ）に固定され、前記第１モータ（５１３）は、前記ロープ（５１４）の巻き付けによって前記定滑車（５１１）と前記複数の動滑車（５１２）の各々とに連結され、前記複数の動滑車（５１２）のうち１つは、前記第１チャンバ引張点（１６）に連結される、請求項３に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項5】

前記第２滑車群（５５）は、定滑車（５５１）と、複数の動滑車（５５２）と、第２モータ（５５３）と、ロープ（５５４）とを含み、前記長尺箱体（１０）には第２チャンバ引張点（１７）が設けられ、前記第２滑車群（５５）の前記定滑車（５５１）は、別の上部プラットフォーム（ＵＰ）に固定され、前記第２モータ（５５３）は、前記第２滑車群（５５）の前記ロープ（５５４）の巻き付けによって前記第２滑車群（５５）の前記定滑車（５５１）と前記複数の動滑車（５５２）の各々とに連結され、前記第２滑車群（５５）の前記複数の動滑車（５５２）のうち１つは、前記第２チャンバ引張点（１７）に連結される、請求項３又は請求項４に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項6】

前記吊上機構（５０Ａ）は、モータ（５６）とワイヤロープ（５７）とを含み、前記長尺箱体（１０）には第１チャンバ引張点（１６）と第２チャンバ引張点（１７）とが設けられ、前記モータ（５６）は、前記長尺箱体（１０）の上方に固定配置され、前記ワイヤロープ（５７）の中間部は前記モータ（５６）に巻き付けられ、前記ワイヤロープ（５７）の両端は、それぞれ前記第１チャンバ引張点（１６）と前記第２チャンバ引張点（１７）とに連結される、請求項２に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項7】

前記水車発電機ユニット（２０）によって生成された電力にケーブルを介して電気的に接続される電力伝達システム（６０）をさらに含む、請求項２に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項8】

前記電力伝達システム（６０）は、主に整流器（６１）と、インバータ（６２）と、昇圧装置（６３）と、電力網（６４）と、コンデンサケース（６６）と、速度制御器（６７）とを含み、
電流は前記整流器（６１）を経由して２つの経路に分かれ、前記２つの経路のうち一方の経路を流れる前記電流は、前記インバータ（６２）を経由して、前記昇圧装置（６３）によって昇圧されて電力が前記電力網（６４）に送られ、前記２つの経路のうち他方の経路は、まず前記コンデンサケース（６６）を経由し、次に前記速度制御器（６７）を経由して、前記吊上機構（５０、５０Ａ）に連結される、請求項７に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項9】

前記整流器（６１）と前記インバータ（６２）との間に接続されるコンデンサ（６５）をさらに含む、請求項８に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項10】

前記リフト機構（４０）が一対のばね（４１、４２）であり、各前記ばね（４１、４２）が前記支点構造（３０）の両側にそれぞれ設けられる、請求項１に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項11】

前記リフト機構（４０）が水の浮力である、請求項１に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項12】

前記仕切板（１２）は、前記第１チャンバ（１３）と前記第２チャンバ（１４）の容積が等しくなるように、前記収容チャンバ（１１）の中間位置に位置する、請求項１に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項13】

前記支点構造（３０）は、前記仕切板（１２）の直下に対応して形成されている、請求項１２に記載のシーソー型水力発電装置。

【請求項14】

前記支点構造（３０）は、支持台（３１）と、アングルプレート（３２）と、軸受（３３）とを含み、前記支持台（３１）は、下部プラットフォーム（ＤＰ）に固定され、前記アングルプレート（３２）は、前記長尺箱体（１０）の底面に固定され、前記軸受（３３）を介して前記支持台（３１）に連結される、請求項１３に記載のシーソー型水力発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水力発電装置に関し、特にシーソー型水力発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

地球温暖化や石油埋蔵量の制限により、環境への影響が比較的低い再生エネルギーは、太陽光、風力、水力、海流などの天然資源の無尽蔵な特性を利用した発電が盛んになり、研究課題となっている。

【0003】

しかしながら、太陽光や風力では発電は可能であるが、天候の影響を受け、安定して持続的に発電することはできない。また、太陽光発電の熱電変換効率や光電変換効率は、効果的に向上しておらず、出力できる電力は限られている。さらに、風力発電は風場の制約、配置の難しさ、運転中に発生する高い騒音など、克服すべき問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

これに鑑み、本発明者は、上記の従来技術の欠陥に対し、鋭意研究を重ねると共に学理の運用を組み合わせ、上記問題点を解決することに努めた結果、本発明者の改良の目標となった。

【0005】

本発明は、天候や地域の制約を受けることなく、継続的に発電を行うことができるシーソー型水力発電装置を提供することを目的の１つとする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明に係るシーソー型水力発電装置は、内部に作動流体が充填され、長尺箱体と、水車発電機ユニットと、支点構造と、リフト機構と、を含み、前記長尺箱体は、収容チャンバと、前記収容チャンバを第１チャンバと第２チャンバとに仕切る仕切板とを備え、前記仕切板の下方に前記第１チャンバと前記第２チャンバとを連通する水流路が設けられ、前記水車発電機ユニットは、前記水流路内に配置される羽根車と、前記羽根車に連結される発電機とを備え、前記支点構造は前記長尺箱体の下方かつ中間に配置され、前記リフト機構は前記支点構造の両側に配置され、前記長尺箱体に付勢力を加えると、前記長尺箱体は前記支点構造を中心として傾き、前記リフト機構によって前記長尺箱体を交互にリフトアップすることにより、前記作動流体は前記水流路を往復流動し、前記羽根車を回転駆動して前記発電機によって電力を生成する。

【発明の効果】

【0007】

本発明の利点は次の通りである。
（１）比較的小さな力で、長尺箱体を傾けて左右方向に揺動を発生させ、作動流体によって羽根車及び発電機を回転駆動して電力を生成させることができる。
（２）発電機によって生成された電力の一部を吊上機構に供給して長尺箱体を揺動駆動し、残りの電力を外部電源として供給することで、全体の正味出力は持続可能な発電となる。
（３）本発明の装置は、陸上のどこにでも配置でき、水槽に配置することもできる。
（４）本発明の装置は波と水力発電の概念を結合する再生エネルギー設備であり、天候の影響を受けず、一日中２４時間絶えず発電することができる。
（５）速度制御器によって揺動の幅（又は角度）及び周波数を調節することで、実際の需要に応じて電力を生成することができる。
（６）発電機によって生成された電力は、蓄電装置で蓄えておくことができ、他の時間帯や特別な需要、特にオフグリッドの時間帯に使用することができる。
（７）構造が簡単で、小さな力で長尺箱体を傾けることができる。
（８）主な重量は支点構造によって全部又は大部分が支えられているので、長尺箱体が片側に傾いても、大きな力は必要ない。
（９）弾性力や水の浮力によって支えられているので、重い側を持ち上げるのに大きな力は必要ない。
（１０）吊上機構の配置により、省力化効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明に係るシーソー型水力発電装置の組合せ断面図である。

【図2】本発明に係るシーソー型水力発電装置の応力状態を説明するための断面図である。

【図3】本発明に係る電力伝達システムのブロック図である。

【図4】本発明に係るシーソー型水力発電装置の使用状態を示す断面図（その１）である。

【図5】本発明に係るシーソー型水力発電装置の使用状態を示す断面図（その２）である。

【図6】本発明の他の実施形態を示す組合せ断面図である。

【図7】本発明の別の実施形態を示す組合せ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の詳細な説明及び技術内容について、図面を参照しながら以下に説明するが、図面は、参照及び説明のみを提供するものであり、本発明を限定するものではない

【0010】

図１に示すように、本発明に係るシーソー型水力発電装置は、長尺箱体１０と、水車発電機ユニット２０と、支点構造３０、リフト機構４０とを含む。

【0011】

長尺箱体１０は、断面が矩形、楕円形、円形又はその他の幾何形状であってもよく、収容チャンバ１１を備える。収容チャンバ１１内には、第１チャンバ１３と第２チャンバ１４とに仕切る仕切板１２が設けられ、仕切板１２の下方には、第１チャンバ１３と第２チャンバ１４とを連通する水流路１５が設けられる。ここで、仕切板１２は、収容チャンバ１１の中間位置に位置することにより、第１チャンバ１３と第２チャンバ１４の容積を等しくさせる。また、長尺箱体１０の上部の両角部には、第１チャンバ引張点１６と第２チャンバ引張点１７がそれぞれ設けられている。

【0012】

水車発電機ユニット２０は、主に発電機２１と、発電機２１に連結される羽根車２２とを備え、羽根車２２は、水流路１５内に配置され、複数のタービン翼（Ｔｕｒｂｉｎｅ）を有し、羽根車２２の回転によって発電機２１を駆動して電力を生成させる。

【0013】

支点構造３０は、長尺箱体１０の下方に配置され、長尺箱体１０の中間に位置し、上記仕切板１２の直下に形成されている。支点構造３０は、主に支持台３１と、アングルプレート３２と、軸受３３とを含む。支持台３１は、下部プラットフォームＤＰに固定され、アングルプレート３２は、長尺箱体１０の底面に固定され、軸受３３を介して支持台３１に連結される。

【0014】

本実施形態において、リフト機構４０は、支点構造３０の両側にそれぞれ設けられた一対のばね４１、４２である。なお、リフト機構４０は、油圧装置、空気圧装置、又は他の付勢装置であってもよい。

【0015】

一実施形態において、本発明に係るシーソー型水力発電装置は、長尺箱体１０の上方に配置され、長尺箱体１０に連結される吊上機構５０（Ｌｉｆｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）をさらに含む。吊上機構５０は省力機構であり、動滑車の配置により、長尺箱体１０を引き上げる吊上力を作動流体ＷＦの重量よりもはるかに小さくすることができるので、小さなエネルギーで長尺箱体１０を持ち上げて傾けて作動流体ＷＦを流動させることができ、消費エネルギーは少ないが高いエネルギーを発生する機構である。

【0016】

吊上機構５０は、主に第１滑車群５１と第２滑車群５５とを含み、第１滑車群５１は、長尺箱体１０の左上方に配置され、主に定滑車５１１と、２つの動滑車５１２と、第１モータ５１３と、ロープ５１４とを含む。定滑車５１１は上部プラットフォームＵＰに固定され、第１モータ５１３はロープ５１４の巻き付けによって定滑車５１１と各動滑車５１２とに連結され、一方の動滑車５１２は長尺箱体１０の第１チャンバ引張点１６に連結されることにより、省力効果を達成する。

【0017】

同様に、第２滑車群５５は長尺箱体１０の右上方に配置され、主に定滑車５５１と、２つの動滑車５５２と、第２モータ５５３と、ロープ５５４とを含む。定滑車５５１は上部プラットフォームＵＰに固定され、第２モータ５５３はロープ５５４の巻き付けによって定滑車５５１と各動滑車５５２とに連結され、一方の動滑車５５２は長尺箱体１０の第２チャンバ引張点１７に連結される。

【0018】

なお、動滑車５１２、５５２の数は、より優れた省力効果を達成するために、図示の２つに限定されず、３つ以上であってもよい。

【0019】

図２に示す符号を説明すると、ＣＧ１は左側箱体（即ち、長尺箱体の左側部分）の重心位置、ＣＧＷ１は左側作動流体の重心位置、Ｌ１は第１チャンバ引張点から支点（即ち、支点構造）までのフォースアーム、ＬＢ１左側箱体の重心から支点までのフォースアーム、ＬＦ１は第１滑車群の長尺箱体に対する引張力、ＬＦ１１は第１モータの引張力、ＬＳ１は左側ばね（即ち、長尺箱体の左側部分をリフトアップするばね）から支点までのフォースアーム、ＬＷ１左の作動流体の重心から支点までのフォースアーム、ＳＦ１は左側ばねの付勢力、ＷＢ１は左側箱体の重力、ＷＷ１は左側作動流体（即ち、長尺箱体の左側部分における作動流体）の重力、ＣＧ２は右側箱体（即ち、長尺箱体の右側部分）の重心位置、ＣＧＷ２は右側作動流体（即ち、長尺箱体の右側部分における作動流体）の重心位置、Ｌ２は第２チャンバ引張点から支点までのフォースアーム、ＬＢ２右側箱体の重心から支点までのフォースアーム、ＬＦ２は第２滑車群の長尺箱体に対する引張力、ＬＦ２２は第２モータの引張力、ＬＳ２は右側ばね（即ち、長尺箱体の右側部分をリフトアップするばね）から支点までのフォースアーム、ＬＷ２は右側作動流体の重心から支点までのフォースアーム、ＳＦ２は右側ばねの付勢力、ＷＢ２右側箱体の重力、ＷＷ２は右側作動流体の重力、Ｗは支持重力である。

【0020】

左側箱体、右側箱体などの力、フォースアーム、トルク及び傾斜方向の関係は以下の通りである。

【表1】

【表2】

【0021】

全体のトルク（Ｔｏｒｑｕｅ、時計回りが正となり、反時計回りが負となる）は、Ｔ＝（－ＷＢ１×ＬＢ１－ＷＷ１×ＬＷ１＋ＳＦ１×ＬＳ１＋ＬＦ１×Ｌ１）＋（ＷＢ２×ＬＢ２＋ＷＷ２×ＬＷ２－ＳＦ２×ＬＳ２－ＬＦ２×Ｌ２）である。

【0022】

Ｔ＞０の場合は、時計回りに回転する傾向があり、Ｔ＜０の場合は、反時計回りに回転する傾向がある。

【0023】

前述した各パラメータにおいて、ＷＢ１及びＷＢ２は固定値であり、その他のパラメータＷＷ１、ＷＷ２、ＳＦ１、ＳＦ２、ＬＦ１及びＬＦ２は変動値である。図２に示すように、作動流体ＷＦが右側に傾くとき、右側の作動流体ＷＦが重くなり、ＷＷ２＞ＷＷ１となるが、これに対し、ばねのリフトアップ力はＳＦ２＞ＳＦ１となり、反時計回りに回転する傾向があるため、ばねの仕様と寸法を適切に選択しさえすれば、長尺箱体１０を反時計方向に回転させることは比較的容易である。したがって、ＬＦ２が必要とする付勢力を低下させることができるので、作動流体ＷＦ全体の重量が右側に偏っているものの、反時計方向の回転の要求を達成することは比較的容易であり、さらに作動流体ＷＦを第１チャンバ１３内に傾動させる。作動流体ＷＦは、流れの過程で水流路１５を通過し、羽根車２２を回転駆動して発電機２１によって電力を出力する。

【0024】

図３に示すように、一実施形態において、本発明に係るシーソー型水力装置は電力伝達システム６０をさらに含む。上記水車発電機ユニット２０の発電機２１によって生成された電力は、ケーブルを介して電力伝達システム６０に電気的に接続される。電力伝達システム６０は、主に整流器６１と、インバータ６２と、昇圧装置６３と、電力網６４と、コンデンサケース６６と、速度制御器６７とを含む。電流は整流器６１を経由して２つの経路に分かれ、一方の経路は、順次にインバータ６２を経由した後、次に昇圧装置６３を経由して昇圧した後、電力を電力網６４に送る。ここで、エネルギー貯蔵と電圧安定化の機能を実現するために、整流器６１とインバータ６２との間にコンデンサ６５を増設してもよい。他方の経路は、まずコンデンサケース６６を経由し、次に速度制御器６７を経由した後、上記吊上機構５０に連結される。速度制御器６７により、吊上機構５０の上昇、降下の速度を調整し、即ち、長尺箱体１０の傾斜角度及び周波数を制御でき、さらに水の流量及び発電量を制御することができる。

【0025】

図４及び図５に示すように、作動する際に、長尺箱体１０の左側が最高位置にあるとき、長尺箱体１０の右側が最低位置にあり、作動流体ＷＦは第２チャンバ１４内に蓄積され、第２滑車群５５は、上向きの付勢力ＬＦ２（図２に示す）を加えるべきであるが、実際には、ＬＦ２２＝１／４ＬＦ２である力ＬＦ２２を出力するだけでよい。これは、ばねの付勢力ＳＦ２＞ＳＦ１であるので、ＬＦ２は相対的に小さくなり、実際の付勢力であるＬＦ２２はさらに小さくなる。

【0026】

長尺箱体１０が水平状態にあるとき、第１チャンバ１３と第２チャンバ１４内の作動流体ＷＦは等しく、ばねの付勢力ＳＦ２＝ＳＦ１、比較的小さい力であるＬＦ２２で長尺箱体１０を反時計方向に回転させ続けることができる。作動流体ＷＦが第１チャンバ１３に流入し続けるとき、第１チャンバ１３内の作動流体ＷＦの重量は小さいＬＦ２２力の作用で、長尺箱体１０を他の傾斜方向（図５に示す）に回転させ続けることができる。長尺箱体１０の左側が最低位置にあり、長尺箱体１０の右側が最高位置にあるとき、付勢力は左側にあり、吊上力ＬＦ１（図２に示す）は長尺箱体１０を時計回り方向に回転させて水平状態にすることができ、その後、初期状態に戻り、このように繰り返して傾けて揺動させ続ける。

【0027】

本発明に係るシーソー型水力装置は、上記実施形態に加えて、本実施形態において、図６に示すように、吊上機構５０の第１滑車群５１及び第２滑車群５５を水槽８の上方に固定配置し、長尺箱体１０、水車発電機ユニット２０及び支点構造３０を水槽８内に配置し、水槽８の内に水８１を注入してもよい。長尺箱体１０が図６に示すような場合、第２チャンバ１４内の作動流体ＷＦが最も多くなり、重量が最も大きくなり、水８１の中に没水する容積が最も大きくなるので、第２チャンバ１４側の箱体が発生する上向きの浮力ＳＦ２＞第１チャンバ１３側の箱体が発生する上向きの浮力ＳＦ１、即ち水の浮力（即ちリフトアップ機構）によって上記実施形態の各ばね４１、４２を置き換える。その作動方式と原理は上記実施形態と同じであるため、ここでは説明を省略する。なお、上記水槽８を湖や海に置き換えても同様の効果が得られる。

【0028】

図７を参照すると、本実施形態の吊上機構５０Ａは、主にモータ５６とワイヤロープ５７とを含む。モータ５６は、長尺箱体１０及び水槽８の上方に固定配置され、ワイヤロープ５７の中間部はモータ５６に巻き付けられ、ワイヤロープ５７の両端は、それぞれ第１チャンバ引張点１６と第２チャンバ引張点１７とに連結される。モータ５６の正逆回転により長尺箱体１０を駆動して傾斜揺動を繰り返し発生させる。

【0029】

以上をまとめると、本発明に係るシーソー型水力発電装置は、意図した用途を達成し、従来の欠陥を解決することができ、産業上の利用可能性、新規性及び進歩性を有し、特許出願要件に完全に適合するので、特許法に基づいて出願し、発明者の権利を保障するため、何卒ご審理の上、速やかに特許査定賜りますようお願いする次第である。

【符号の説明】

【0030】

１０：長尺箱体
１１：収容チャンバ
１２：仕切板
１３：第１チャンバ
１４：第２チャンバ
１５：水流路
１６：第１チャンバ引張点
１７：第２チャンバ引張点
２０：水車発電機ユニット
２１：発電機
２２：羽根車
３０：支点構造
３１：支持台
３２：アングルプレート
３３：軸受
４０：リフト機構
４１、４２：ばね
５０、５０Ａ：吊上機構
５１：第１滑車群
５１１：定滑車
５１２：動滑車
５１３：第１モータ
５１４：ロープ
５５：第２滑車群
５５１：定滑車
５５２：動滑車
５５３：第２モータ
５５４：ロープ
５６：モータ
５７：ワイヤロープ
６０：電力伝達システム
６１：整流器
６２：インバータ
６３：昇圧装置
６４：電力網
６５：コンデンサ
６６：コンデンサケース
６７：速度制御器
８：水槽
８１：水
ＤＰ：下部プラットフォーム
ＵＰ：上部プラットフォーム
ＷＦ：作動流体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】