特許 7537945 雨水利用発電システム

(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】

(24)【登録日】2024-08-13

(45)【発行日】2024-08-21

(54)【発明の名称】雨水利用発電システム

(51)【国際特許分類】

   F03B 13/08 20060101AFI20240814BHJP

   E03B 11/12 20060101ALI20240814BHJP

   E03B 3/03 20060101ALI20240814BHJP

   E02B 9/00 20060101ALI20240814BHJP

【ＦＩ】

F03B13/08

E03B11/12

E03B3/03 Z

E02B9/00 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020142321

(22)【出願日】2020-08-26

(65)【公開番号】P2022038038

(43)【公開日】2022-03-10

【審査請求日】2023-06-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(72)【発明者】

【氏名】小島 啓輔

(72)【発明者】

【氏名】隅倉 光博

(72)【発明者】

【氏名】渡部 陽介

(72)【発明者】

【氏名】平野 尭将

【審査官】所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１５５６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２５７００５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｂ １３／０８

Ｅ０３Ｂ １１／１２

Ｅ０３Ｂ ３／０３

Ｅ０２Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

建物の上部に降り注いだ雨水を利用して発電を行う雨水利用発電システムであって、
複数の建物の上部に降り注いだ雨水を、前記複数の建物のうちいずれか１つの第１建物の上部に設けられた雨水貯留部に集約管路を経由して集約する雨水集約設備と、
前記雨水貯留部より下方に設けられ、前記雨水貯留部から自然流下させた雨水の水力を利用して発電する水力発電機と、
を備え、
前記雨水貯留部は、前記複数の建物のうち少なくとも前記第１建物を除いた他の第２建物の上部よりも低い位置に配置されており、
前記第２建物の上部と前記第１建物の前記雨水貯留部とに接続される前記集約管路は、
前記第２建物において上部から下部に配管された第１縦管と、
前記第２建物と前記第１建物との間で地表面又は地下を通過する横管と、
前記第１建物において下部から前記雨水貯留部に鉛直上方に向かって配管された第２縦管と、
を有し、
前記水力発電機は、前記第１建物に設置されていることを特徴とする雨水利用発電システム。

【請求項2】

前記第１建物の上部、および前記第２建物の上部は、それぞれの屋上であることを特徴とする請求項１に記載の雨水利用発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、雨水利用発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、利用する規模が小規模であっても風力や太陽光などの自然の力を利用した発電が行われている。そして、近年では、自然の力を利用した発電のうち建物に降り注いだ雨水を利用し、この雨水を建物上部から落下させて建物下部に設置される発電機で発電する方法（小水力発電）も行われている。
このような建物に降り注いだ雨水を利用する発電で使用される動力源、すなわち水車について様々提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平８－２３７９９７号公報

【文献】登録実用新案第３１７１０４４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、従来のような雨水を利用した発電方法では、以下のような問題があった。
一般的に水力発電による発電出力は、水の有する位置エネルギーを運動エネルギーに変換させてエネルギーを得ている。一方、建物としては建物の高さ（落差）が高く、かつ敷地面積（雨が降る面積）を大きくして流量を増大できる建物はほとんど存在しないという現状がある。すなわち、建物高さ（落差）もしくは敷地面積（流量）のどちらかが不十分なため、得られる発電出力が小さいことから小水力発電設備を設置できない建物が多く、実現が難しいという問題があった。

【0005】

一方、小水力発電では、発電に関わる設備の設置面積が小さくて済むことが利点である。ところが、建物の外側に設置する場合には、建物との調和を考慮し、景観を損ねないようにする必要があり、その点で改善の余地があった。

【0006】

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、雨水のもつエネルギーを有効的に利用した発電を行うことができるうえ、建物の景観を良好にできる雨水利用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】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明に係る雨水利用発電システムは、建物の上部に降り注いだ雨水を利用して発電を行う雨水利用発電システムであって、複数の建物の上部に降り注いだ雨水を、前記複数の建物のうちいずれか１つの第１建物の上部に設けられた雨水貯留部に集約管路を経由して集約する雨水集約設備と、前記雨水貯留部より下方に設けられ、前記雨水貯留部から自然流下させた雨水の水力を利用して発電する水力発電機と、を備え、前記雨水貯留部は、前記複数の建物のうち少なくともの前記第１建物を除いた他の第２建物の上部よりも低い位置に配置されていることを特徴としている。

【0008】

本発明では、複数の建物の上部に降り注いだ雨水を第１建物の上部に設けられる雨水貯留部に集約管路を通過させて集約し、雨水貯留部に貯留された雨水を自然流下させて水力発電機により発電することができる。このように本発明では、小水力発電に使用する雨水の流量を増大させることで、雨水のもつエネルギーを有効利用することができ、小水力発電による発電出力を増大させることができる。
また、本発明では、第１建物の上部に設けられる雨水貯留部が第２建物の上部よりも低い高さであるので、集約管路を使用して第２建物に降り注いだ雨水を第１建物の雨水貯留部に流入させる際に水頭差を利用した集約を行うことができる。このように本発明では、高さが低い建物であっても複数の建物に降り注いだ雨水を集約して発電出力を増大できるので、十分な発電量を確保することができる。

【0009】

また、本発明では、水頭差を利用した集約管路は建物内、あるいは建物に沿わせて配置することができ、第１建物と第２建物との間の管路も例えば地上又は地下に配管することが可能となるため、建物との調和を考慮した良好な景観を実現できる。
さらに、発電設備も複数の建物のうち１箇所の建物の近傍のみに配置することができることから、個々の建物に発電設備を設置する必要がなく、建物との調和を考慮した良好な景観を実現できる。

【0010】

また、本発明に係る雨水利用発電システムは、前記第１建物は、前記第２建物より高さが低く設定されていることが好ましい。

【0011】

この場合には、第１建物が他の第２建物よりも低い高さであるので、第１建物の上部に雨水貯留部を設置することができる。そして、集約管路を使用して第２建物の雨水を雨水貯留部に流入させる際に水頭差を利用した集約を行うことができる。つまり、第１建物と第２建物との距離が大きく離れていても無動力で効率よく雨水を第１建物の雨水貯留部に集約させることができる。

【0012】

また、本発明に係る雨水利用発電システムは、前記第２建物の上部と前記第１建物の前記雨水貯留部とに接続される前記集約管路は、前記第２建物において上部から下部に配管された第１縦管と、前記第２建物と前記第１建物との間で地表面又は地下を通過する横管と、前記第１建物において下部から前記雨水貯留部に配管された第２縦管と、を有することを特徴としてもよい。

【0013】

この場合には、第１建物と第２建物との間に設置される集約管路が地表面又は地下を通過する構成となるので、建物との調和を考慮した配置計画を行うことができ、建物の景観を損なうことを抑制できる。

【発明の効果】

【0014】

本発明の雨水利用発電システムによれば、雨水のもつエネルギーを有効的に利用した発電を行うことができるうえ、建物の景観を良好にできる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１実施形態による雨水利用発電システムの概略構成を示す斜視図である。

【図2】図１に示す雨水利用発電システムにおいて、無降雨時の状態を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態による雨水利用発電システムについて、図面に基づいて説明する。

【0017】

本実施形態による雨水利用発電システム１は、図１に示すように、一対の建物２、３の上部２ａ、３ａに降り注いだ雨水Ｗを利用して発電を行うものである。一方の低層建物２（第１建物）の高さは、他方の高層建物３（第２建物）より低くなっている。本実施形態では、建物２、３の上部２ａ、３ａは最上階の屋上部分となっている。ここで、雨水Ｗにおいて、低層建物２の上部２ａに降り注いだ雨水を符号Ｗ２とし、高層建物３の上部３ａに降り注いだ雨水を符号Ｗ３として、以下説明する。

【0018】

雨水利用発電システム１は、低層建物２の上部２ａ及び高層建物３の上部３ａに降り注いだ雨水Ｗ２、Ｗ３を、低層建物２の上部２ａに設けられた雨水貯留部６に集約管路７を経由して集約する雨水集約設備４と、雨水貯留部６より下方に設けられ、雨水貯留部６から 自然流下させた雨水Ｗの水力を利用して発電する水力発電機５と、を備えている。高層建物３に降り注いだ雨水Ｗ３は、集約管路７を経由して高層建物３の上部３ａから雨水貯留部６に送水される。

【0019】

雨水貯留部６は、低層建物２の上部２ａに設置又は構築される鋼製やコンクリート製の貯留槽である。雨水貯留部６では、低層建物２の上部２ａで集積される雨水Ｗ２及び高層建物３の上部３ａで集積される雨水Ｗ３が例えば各建物２、３の屋上に設けられるルーフドレイン（図示省略）によって集約されて貯水される。雨水貯留部６は、低層建物２と高層建物３から雨水Ｗ２、Ｗ３が送り込まれる流入口と、水力発電機５に向けて雨水Ｗを排出する排水口と、を有している。

【0020】

集約管路７は、例えば鋼管が採用され、高層建物３の上部３ａから雨水貯留部６まで接続されている。集約管路７は、高層建物３内において上部３ａから下部３ｂまで延在して鉛直方向に配管された第１縦管７１と、高層建物３と低層建物２との間で地表面又は地下を通過させて略水平方向に配管された横管７２と、低層建物２内において下部２ｂから上部２ａの雨水貯留部６まで延在して鉛直方向に配管された第２縦管７３と、を有している。横管７２は、上流側端部７２ａが第１縦管７１の下端に連結され、下流側端部７２ｂが第２縦管７３の下端に連結されている。第１縦管７１が低層建物２より高い高層建物３に設けられているので、第１縦管７１の上端部の雨水流入部７１ａは、第２縦管７３の雨水流出部７３ａ（雨水貯留部６の流入口）よりも高い位置となる。

【0021】

雨水貯留部６の排水口には、低層建物２内において上部２ａから下部２ｂまで鉛直方向に延在する排水管８が接続されている。排水管８の下部における管途中には、排水された雨水Ｗが水力発電機５の水車を回転させるように接続されている。つまり水力発電機５は、雨水貯留部６の排出口の鉛直方向の下方に設けられている。排水管８は、水力発電機５よりもさらに先まで延び、適宜な排水箇所で発電後の雨水Ｗが排出される。なお、水力発電機５は、雨水貯留部６の排出口の高さより下方の位置であればよく、排出口の直下である必要はない。

【0022】

図２に示すように、無降雨時には、第１縦管７１内の第１水頭７１ｃと、第２縦管７３の雨水流出部７３ａとが同じ高さとなり、集約管路７における雨水Ｗ３の移動が停止される。

【0023】

一方、降雨時において、図１に示すように、高層建物３の上部３ａに降り注いで集積された雨水Ｗ３は、集約管路７の第１縦管７１の雨水流入部７１ａと、第２縦管７３の雨水流出部７３ａとの水頭差により、無動力により高層建物３の上部３ａから雨水貯留部６へ移動する。低層建物２の上部２ａに降り注いで集積された雨水Ｗ２は、不図示のルーフドレインにより雨水貯留部６へ送られる。このように低層建物２と高層建物３の両方に降り注いだ雨水Ｗ２、Ｗ３が雨水貯留部６に集約される。
そして、雨水貯留部６に貯水されている雨水Ｗは、排水管８から自然流下して水力発電機５の水車を回転させて発電することができる。

【0024】

ここで、水力発電機５における発電機出力の一例を示す。例えば、高層建物３の敷地寸法が６０ｍ×６０ｍで高さが３０ｍであり、低層建物２の敷地寸法が９０ｍ×１２０ｍで高さが１５ｍであるとする。この場合において、有効落差Ｈ（ｍ）から流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）の雨水を自然流下させたときの発電機出力Ｐ（ｋＷ）は、９．８×Ｈ×Ｑ×σの式で求められる。ここで、σは水車効率及び発電機効率である。時間当たりの降水量を１０ｍｍ／ｈとすると、発電出力Ｐは５．８８σｋＷとなる。
そして、高層建物３と低層建物２のそれぞれが単独で発電する場合（各建物２、３のそれぞれに排水管と水力発電機を設けた場合）には、高層建物３の発電出力が２．９４σｋＷとなり、低層建物２の発電出力が４．４１σｋＷとなる。

【0025】

このように、高層建物３によって得られる発電出力が小さい場合には、高層建物３においては小水力発電設備を設置することは採算が合わないことが考えられる。すなわち、高層建物３のみでは発電ができず、低層建物２のみの発電となる。したがって、本実施形態のように高層建物３の流量を低層建物２に移動させて発電することで得られる発電出力の方が大きくなる。

【0026】

次に、上述した雨水利用発電システム１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態では、図１に示すように、雨水集約設備４において、低層建物２及び高層建物３の上部２ａ、３ａに降り注いだ雨水Ｗ２、Ｗ３を低層建物２の上部２ａに設けられる雨水貯留部６に集約管路７を通過させて集約する。さらに雨水利用発電システム１では、雨水貯留部６に貯留された雨水Ｗを自然流下させて水力発電機５により発電することができる。このように、小水力発電に使用する雨水の流量を増大させることで、雨水のもつエネルギーを有効利用することができ、小水力発電による発電出力を増大させることができる。

【0027】

また、本実施形態では、低層建物２の上部２ａに設けられる雨水貯留部６が高層建物３の上部３ａよりも低い高さであるので、集約管路７を使用して高層建物３に降り注いだ雨水Ｗ３を低層建物２の雨水貯留部６に流入させる際に水頭差を利用した集約を行うことができる。このように本実施形態では、高さが低い建物（低層建物２）や発電に十分な量の流量を確保できない（降雨面積が狭い）建物（高層建物３）であっても各建物２、３に降り注いだ雨水Ｗ２、Ｗ３を集約して発電出力を増大できるので、十分な発電量を確保することができる。

【0028】

また、本実施形態では、水頭差を利用した集約管路７は建物内、あるいは建物に沿わせて配置することができ、低層建物２と高層建物３との間の管路も地上又は地下に配管することが可能となるため、建物との調和を考慮した良好な景観を実現できる。
さらに、発電設備も複数の建物のうち低層建物２の近傍のみに配置することができることから、個々の建物に発電設備を設置する必要がなく、建物との調和を考慮した良好な景観を実現できる。

【0029】

また、本実施形態では、雨水貯留部６が設けられる低層建物２が高層建物３よりも低い高さであるので、低層建物２の上部２ａに雨水貯留部６を設置することができる。そして、集約管路７を使用して高層建物３の雨水Ｗ３を雨水貯留部６に流入させる際に水頭差を利用した集約を行うことができる。つまり、低層建物２と高層建物３との距離が大きく離れていても無動力で効率よく雨水Ｗ３を低層建物２の雨水貯留部６に集約させることができる。

【0030】

さらに、本実施形態では、建物２、３同士の間に設置される集約管路７が地表面又は地下を通過する構成となるので、建物との調和を考慮した配置計画を行うことができ、建物の景観を損なうことを抑制できる。

【0031】

上述のように本実施形態による雨水利用発電システムでは、雨水のもつエネルギーを有効的に利用した発電を行うことができるうえ、建物の景観を良好にできる。

【0032】

以上、本発明による雨水利用発電システムの実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【0033】

例えば、本実施形態では、２つの建物（低層建物２、高層建物３）を対象としているが、複数の建物の上部に降り注ぐ雨水を集約管路７、７Ａを通じて１つの建物の雨水貯留部６に集約する構成あればよく、３つ以上の建物を集約管路で接続する構成であってもかまわない。

【0034】

また、本実施形態では、複数の建物のうち少なくとも１つの第１建物（低層建物２）が他の第２建物（高層建物３）より高さが低く設定され、雨水貯留部６が第１建物に設けられた構成とし、この場合には第２建物の雨水を無動力で集約管路７に流通させて第１建物に移動させることができるが、複数の建物の高さに高低差をもたせた構成であることに限定されることはない。要は、雨水貯留部６の高さの複数の建物の上部よりも低い位置に配置されていればよいのであって、複数の建物が同じ高さであってもかまわない。

【0035】

また、実施形態では、低層建物２と高層建物３との間に配管される集約管路７の横管７２が地表面又は地下を通過する構成としているが、この位置の配管であることに制限されることはなく、例えば景観的に問題なければ人や車両が下方を走行可能な地上からの高さに設けられていてもよい。

【0036】

さらに、雨水貯留部６の形状、大きさ（容量）は、複数の建物から集約する雨水の水量等の条件に応じて適宜設定することができる。
また、雨水貯留部６の設置位置は、建物（本実施形態では低層建物２）の屋上（上部）に配置した一例としているが、この位置に限定されることはなく、例えば低層建物２の最上階の建物内の上部に雨水貯留部６が設けられていてもよい。

【0037】

また、上述した雨水利用発電システム１、１Ａは、既設の建物に対して後付けにより設けてもよいし、新設の建物に予め集約管路や雨水貯留部を組み込んで構築するものであってもかまわない。

【0038】

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

【符号の説明】

【0039】

１、１Ａ 雨水利用発電システム
２ 低層建物（第１建物）
２ａ 上部
３ 高層建物（第２建物）
３ａ 上部
４ 雨水集約設備
５ 水力発電機
６ 雨水貯留部
７、７Ａ 集約管路
８ 排水管
７１ 第１縦管
７２ 横管
７３ 第２縦管
Ｗ、Ｗ２、Ｗ３ 雨水

【図1】

【図2】