水力旋转装置及发电机和建筑物落差发电系统.pdf

本发明提供水力旋转装置及发电机和建筑物落差发电系统。过去，建筑物内的排水流入下水管，被进行一次处理或者二次处理，但是浪费很多。此外，根据居住者的生活节奏，其流出的排水也是不固定的，早晚排水量多，白天少，因此不可能长时间利用这些排水。本发明的建筑物落差发电系统，包括可拆卸地安装在沿建筑物设置的竖管内的水力旋转装置，该水力旋转装置包括：双层圆管部，安装有具有多个节流部的内筒；以及水轮部，内部具有水轮，在使水轮绕支撑轴旋转的同时通过发电机将旋转动力转换成电输出，在落下高度约为3～5m时，用来作为发电动力，并且使用蓄电部蓄存电能，在必要时通过电控制部将所获得的电输送到建筑物内的电路中。

1.  一种水力旋转装置，其特征在于，所述装置包括：
双层圆管部，在外管内安装有内管部，所述内管部从上向下具有至少一个节流部，并且末端部分形成为喷嘴化的形式；
水轮体，其由水轮室和上下端部开口的筒状部组成，在所述水轮室的内部以可自由转动的方式安装有水轮，
其中，所述水轮体可拆卸地连接到所述圆管部的端部。

2.  根据权利要求1所述的水力旋转装置，其特征在于，所述圆管部的内管部至少具有三个节流部，以便在排水量小时也有水从喷嘴中流出。

3.  根据权利要求1或2所述的水力旋转装置，其特征在于，在所述圆管部的内管部的内表面设置有多个凸起，或者所述内表面形成为螺旋状。

4.  根据权利要求1所述的水力旋转装置，其特征在于，所述水轮体的水轮以连接在水轮体外部的支撑轴为中心旋转，并且其顶端具有至少一个接收部，以接收从所述喷嘴中流出的水。

5.  根据权利要求1或者4所述的水力旋转装置，其特征在于，所述水轮的接收部顶端呈圆形，或者顶端是裂开的。

6.  一种发电机，包括：
圆管部；
水轮体，其由水轮室和上下端部开口的筒状部组成，在所述水轮室的内部以可自由转动的方式安装有水轮；和
与所述水轮体连接的发电部，
其特征在于，
所述水轮包括：水轮本体、支撑轴和叶片部，所述圆管部流下的排水被所述叶片部接收而使所述支撑轴旋转，所连接的发电部的转子旋转，并通过永磁体的作用发电。

7.  一种建筑物落差发电系统，包括：
水力旋转装置，安装在沿建筑物的壁配置的排水管中，安装在竖排水管的任意位置；
发电机，利用从所述水力旋转装置的水轮部伸出的旋转支撑轴的旋转力进行发电；
蓄电部，蓄存所述发电部的电；
电控制部，使所述蓄电部的电与建筑物的电力系统连接，
其特征在于，所述水力旋转装置的筒状部的两端部具有接合机构，以使所述水力旋转装置与设置在竖排水管的切断端部的接合部牢固连接，所述水力旋转装置包括：双层圆管部，在外管内部安装有内管部，所述内管部从上向下具有至少一个节流部，且末端部形成为喷嘴化的形式；水轮体，其由水轮室和上下端部开口的筒状部组成，在所述水轮室的内部以可自由转动的方式安装有水轮，所述水轮体可拆卸地连接到所述圆管部端部，
所述发电机内的旋转轴与所述水轮部的旋转轴同轴连接，同时由该发电机所产生的电通过整流器或者从所述发电机直接提供给所述蓄电部，
所述电控制部由电力转换装置构成，该装置将来自蓄电部的电转换成与电力系统标准适合的电压、频率，且具有必要的保护功能。

8.  根据权利要求7所述的建筑物落差发电系统，其特征在于，在所述竖排水管上、在设置在所述筒状部的两端部的接合机构部附近，设置有绕过该筒状部的旁路用排水管，且在所述旁路用排水管内部设有可自由开关的闸板。

9.  根据权利要求7所述的建筑物落差发电系统，其特征在于，所述蓄电部包括二次电池或者双电荷层电容器。

10.  一种建筑物落差发电系统，其特征在于，所述系统是一种自发电系统，包括作为主电源系统的水力发电系统；以及作为副电源系统的太阳能发电系统、风力发电系统、利用燃料进行发电的燃料发电系统，
作为主电源系统的水力发电系统包括：水力旋转装置，安装在沿建筑物的壁配置的排水管中，位于竖排水管的任意位置；发电机，利用从所述水力旋转装置的水轮部伸出的旋转支撑轴的旋转力进行发电；蓄电部，蓄存所述发电部的电；电控制部，使所述蓄电部的电与建筑物的电力系统连接，
其中，所述水力旋转装置的筒状部两端具有接合机构，以使所述水力旋转装置与设置在竖排水管的切断端部的接合部牢固连接，所述水力旋转装置包括：双层圆管部，在外管内部安装有内管部，所述内管部从上向下具有至少一个节流部，且末端部形成为喷嘴的形式；水轮体，其由水轮室和上下端部开口的筒状部组成，在所述水轮室的内部以可自由转动的方式安装有水轮，所述水轮体可拆卸地连接到所述圆管部端部，
所述发电机为交流型发电机或者直流型发电机，发电机内的旋转轴与所述水轮部的旋转支撑轴共轴连接，同时由该发电机所产生的电通过整流器或者从所述发电机直接提供给所述蓄电部，
所述蓄电部由二次电池或者双电荷层电容器构成，
所述电控制部由电力转换装置构成，该电力转换装置将来自蓄电部的电转换成与电力系统标准适合的电压、频率，且具有必要的保护功能，此外，在所述主电源的充电能力降至80％以下时，具有切换成接收来自从电源的电力的功能，
所述副电源将从设置在建筑物上的太阳能发电机、风力发电机、燃料电池中的至少一种电源获得的电蓄存在第二蓄电池中。

水力旋转装置及发电机和建筑物落差发电系统
技术领域
本发明涉及一种新型的建筑物蓄电系统，该系统利用高层住宅等的排水管并且利用排到竖管中的流水的落差，由发电机进行发电，通过建筑物内的电控制器对所获得的电能进行有效利用。
背景技术
一直以来，建筑物内的排水分为厨房、浴室等场所使用自来水后形成的生活排水和厕所水等污水，并各自流入下水管以进行一次处理或者二次处理，但是从自来水的有效利用方面来说，浪费还是很多。
此外，根据居住者的生活节奏，其流出的排水也是不固定的，比如早上和晚上排水量多，白天少，因此不可能长时间利用这些排水。
另外，作为利用建筑物内的排水获得电能的装置，在特开平8-237997号“利用排水的发电装置”中公开了一种利用排水的发电装置。该装置特征在于，在建筑物的下部设置暂时贮留槽，该贮留槽与建筑物设置的雨水导水管以及各种排水管连接，临时聚集并贮留建筑物的排水，临时贮留槽的排水口通过截水阀与垂直向下设置的排水管的上端连通，在上述排水管的中途设有排水可以垂直向下通过的水轮室，同时在上述水轮室中设有由向下流过水轮室的排水旋转的水轮，上述水轮和发电机通过旋转传递装置连接。
此外，WO99/67531号“管路发电装置”中公开了一种管发电装置。该装置是一种安装在屋内外的上、下水管以及各种流体管上的水力发电装置。其中，为了将上水管和各种流体管内的水压和水流有效地传递给旋转叶片，通过对导水部的形状进行设置，以使导水部的水流和水压与设置在旋转轴上的旋转叶片的形状匹配，使水压和水流有效地传递给旋转叶片，从而有效地进行发电。
另一方面，在作为高层建筑物的大厦、都市宾馆或者办公楼等居住者较多的建筑物内所使用的自来水量非常大。此外，随着近年来的IT化，电力消耗也在增加，一幢建筑物内的水费和电费等管理费用也在增加。
为此，人们希望可以有效利用建筑物内所使用的生活排水进行发电并储蓄所获得的电，但是尚未开发出将从建筑物竖管内流出的排水转换成动力的装置。
发明内容
为了解决这些问题，本发明的发明人进行精心研究后发现：通过在竖管内部使用具有螺线形或者螺旋形叶片的附带挡板的水轮，并且与使用了固定于水轮下端的齿轮的旋转部进行组合，在落差约为3～5m时可用排水来作为发电动力，并开发出了一种新型建筑物落差发电系统，该系统使用蓄电部蓄存所获得的电能，在需要时通过电控制部将所获得的电输送到建筑物内的电路中。但是已知在该系统的使用过程中在除去附着在挡板上的附着物方面存在问题。
此外，由于通过齿轮将水轮的旋转力传递给旋转轴，所以传递效率低，导致发电能力降低。因此，人们希望进一步开发出一种可以有效利用较少的排水流量使水轮持续旋转，同时可以发电的建筑物落差发电系统。
此外，根据近年来由地震引起断电的实际情况，人们还希望开发出一种新型发电系统，这种发电系统不但可以利用排水进行发电，同时还可以将建筑物内设置的太阳能发电、风力发电、燃料发电等作为次发电系统而协调工作。
为了解决上述课题，本发明的发明人进一步研究后发现：在沿建筑物设置的竖管内可拆卸地安装水力旋转装置，该水力旋转装置包括：双层圆管部，其中安装有具有多个节流部的内管；以及水轮部，内部具有水轮，使上述水轮绕支撑轴旋转同时通过发电机将旋转动力转换成电能输出，在排水落差约为3～5m时用来作为发电动力，从而开发出了一种新型建筑物落差发电系统，该系统可以使用蓄电部蓄存所获得的电，在需要时通过电控制部将所获得的电输送到建筑物内的电路中。
也就是说，本发明的第一方面涉及一种水力旋转装置，该装置包括：双层圆管部，在外管内部安装有从上向下具有至少一个节流部并且末端部形成为喷嘴形式的内管部；水轮体，其由水轮室和上下端部开口的筒状部组成，在所述水轮室的内部以可自由转动的方式安装有水轮，所述水轮体可拆卸地连接到所述圆管部的端部。
本发明第二方面是根据本发明第一方面所述的水力旋转装置，其中上述圆管部的内管部优选地具有至少三个节流部，即使排水量小也可以从喷嘴中流出一定的水量。
本发明第三方面是根据本发明第一方面和第二方面所述的水力旋转装置，在上述圆管部的内管部的内表面设置有多个凸起，或者使所述内表面形成为堆积状。
本发明第四方面是根据本发明第一方面所述的水力旋转装置，上述水轮体的水轮是一种以连接在水轮体外部的支撑轴为中心旋转的水轮，并且其顶端具有至少一个接收部，以接收从上述喷嘴中流出的水。
本发明第五方面是根据本发明第一方面或者第四方面所述的水力旋转装置，上述水轮的接收部顶端大致呈圆形，或者顶端裂开。
本发明第六方面涉及一种发电机，该发电机包括：圆管部；水轮体，其由水轮室和上下端部开口的筒状部组成，在所述水轮室的内部以可自由转动的方式安装有水轮；与该水轮体连接的发电部，上述水轮包括：水轮本体；支撑轴和叶片部，在从上述圆管部流下的排水由叶片部接收并使支撑轴旋转时，使所连接的发电部的转子旋转，并通过永磁体的作用发电。
本发明第七方面涉及一种建筑物落差发电系统，该系统包括：水力旋转装置，安装在沿建筑物的壁配置的排水管中，位于竖排水管的任意位置；发电机，利用从上述水力旋转装置的水轮部伸出的旋转支撑轴的旋转力进行发电；蓄电部，蓄存上述发电部的电；电控制部，使上述蓄电部的电与建筑物的电力系统连接，其中，
上述水力旋转装置的筒状部的两端具有接合机构，以使上述水力旋转装置与设置在竖排水管的切断端部的接合部牢固连接，上述水力旋转装置包括：双层圆管部，在外管内部安装有自上而下具有至少一个节流部且末端部呈喷嘴化的内管部；水轮体，其由水轮室和上下端部开口的筒状部组成，在所述水轮室的内部以可自由转动的方式安装有水轮，所述水轮体可拆卸地连接到该圆管部的端部。
上述发电机内的旋转轴与上述水轮部的旋转轴共轴连接，同时由该发电机所产生的电通过整流器或者从上述发电机直接提供给上述蓄电部。
上述电控制部由电力转换装置构成，该电力转换装置将来自蓄电部的电转换成与电力系统标准适合的电压、频率等，且具有必要的保护功能。
根据本发明的第八方面，在根据本发明第七方面所述的建筑物落差发电系统中，在上述竖排水管上、在设置在上述筒部的两端部的接合机构附近，设置有绕过该筒的旁路用排水管，且在该旁路用排水管内部设有自由开关的闸板。
根据本发明的第九方面，上述蓄电部优选由二次电池或者双电荷层电容器构成。
本发明第十方面涉及一种建筑物落差发电系统，该系统是一种自发电系统，包括作为主电源系统的利用排水力的水力发电系统；以及作为副电源系统的太阳能发电系统、风力发电系统、利用燃料进行发电的燃料发电系统。
作为主电源系统的利用排水力的水力发电系统包括：水力旋转装置，在沿建筑物的壁配置的排水管中，主要安装在竖排水管的任意位置；发电机，利用从上述水力旋转装置的水轮部伸出的旋转支撑轴的旋转力进行发电；蓄电部，蓄存上述发电部的电；电控制部，使上述蓄电部的电与建筑物的电力系统连接。
其中，上述水力旋转装置的筒状部的两端部具有接合机构，以使上述水力旋转装置与设置在竖排水管的切断端部的接合部牢固连接。上述水力旋转装置包括：双层圆管部，在外管内部安装有自上而下具有至少一个节流部且末端部呈喷嘴化的内管部；水轮体，其由水轮室和上下端部开口的筒状部组成，在所述水轮室的内部以可自由转动的方式安装有水轮，所述水轮体可拆卸地连接到该圆管部端部。
上述发电机可以是交流型发电机或者直流型发电机，发电机内的旋转轴与上述水轮部的旋转轴共轴连接，同时由该发电机所产生的电能通过整流器或者从上述发电机直接提供给上述蓄电部。
同时，上述蓄电部由二次电池或者双电荷层电容器构成。而且，上述电控制部可由电力转换装置构成，该电力转换装置将来自蓄电部的电转换成与电力系统标准适合的电压、频率等，且具有必要的保护功能。此外，在上述主电源的充电能力降至80％以下时，具有切换成接收来自从电源的电力的功能。
另外，副电源将从设置在建筑物上的太阳能发电机、风力发电机、燃料电池中的至少一种电源获得的电蓄存在第二蓄电池中。
本系统因为每当建筑物内的生活排水流出竖管时可以发电，所以可以根据建筑物内自来水的使用量获得电力的新型系统，从而有助于大大削减建筑物自身的管理费用。
因为所获得的电可以以与通常的电力单独的方式蓄存在建筑物内部，所以在停电时可以通过电控制部进行供电。
此外，在蓄电部中蓄存的电由于可以作为例如建筑物内公共场所的走廊、停车场、室外电灯等的电力来使用，从而有助于电费的削减。
附图说明
图1所示的是本发明系统的外观说明图；
图2是图1的局部放大图；
图3a是用于说明本发明水力旋转装置的截面图；
图3b是用于说明本发明水力旋转装置的截面图；
图4a是用于说明本发明另一水力旋转装置的截面图；
图4b是用于说明本发明另一水力旋转装置的截面图；
图5a是用在本发明系统中的水轮的局部放大图；
图5b是用在本发明系统中的水轮的局部放大图；
图5c是用在本发明系统中的水轮的局部放大图；
图6所示的是本发明系统的配置说明图；
图7a用于说明图8中的电动机安装在水轮装置上的状态的立体图；
图7b用于说明图8中的电动机安装在水轮装置上的状态的立体图；
图8所示的是本发明的第二系统的外观说明图；
图9所示的是本发明的第二系统的配置说明图。
符号说明
1高层建筑物        2竖排水管        3旁路管
4集水斗            5横排水管        6接合部
7水力旋转装置      8双层圆管部      9节流部
10喷嘴             11内管部         12水轮
121水轮本体        122支撑轴        123叶片部
13水轮室           14上部筒状部     15下部筒状部
16水轮部           17发电部         18第一蓄电部
19电控制部         20电机           35风力发电部
36太阳能发电机     37燃料电池部     38第二蓄电部
具体实施方式
图1所示的是本发明系统的外观说明图。作为本发明对象的建筑物1是指居住者较多的大厦和办公楼等高层建筑物。这些建筑物按照以下方式设计，即每层使用后的生活排水由横管5从沿建筑物外壁配置的竖管2流出，集中到设于地下的集水斗4并流向下水管。
在本发明系统中，如图2所示，在竖管2的任意位置，优选地通过接合部6将水力旋转装置7按照每两层一个的方式安装到竖管2上，同时在这些接合部的外侧设置具有与竖管2相同内径的旁路管3。而在已经设有竖管的情况下，可以在任意位置进行切断，安装接合部6和这些旁路管3。
图3是用于说明安装在竖管2上的水力旋转装置7内部的截面图。虽然在图中未示出，但是在竖管2的端部，以与竖管外径相匹配的方式安装有竖管上部接合部和竖管下部接合部。这些接合部与设置在水力旋转装置7上端的上部筒接合部和下部筒接合部相匹配，且所述上部筒接合部和下部筒接合部以可拆卸的方式用例如螺钉固定连接到所述竖管上部接合部和竖管下部接合部上。
如图3所示，水力旋转装置7包括：双层圆管部8，在外管内安装有从上向下具有至少一个节流部9、并且末端部形成为喷嘴10的内管部11；以及水轮体16，其由水轮室13和上下端部开口的筒状部14、15组成。在所述水轮室13的内部以可自由转动的方式安装有水轮12，水轮体16可拆卸地连接到双层圆管部8的末端部。
双层圆管部8具有一体型结构，其中安装有自上而下具有至少一个节流部9并且末端形成为喷嘴10的内管部11；或者具有内管部11嵌入式结构。来自筒体上部的排水每次通过节流部9而使水量增加，对来自喷嘴10末端的水流进行调整，以持续地以一定的流量流动。
从上述喷嘴10流出的水通过水轮体16的上部圆筒部14，流到安装在水轮室13内的水轮12顶端部的碗形部，从而向下依次环绕水轮。
由于作为将水轮12的旋转动力输出到外部的机构，位于上述水轮的中心部的水轮支撑轴延伸到水轮室的外侧并进行旋转，所以可以由发电部17将在该水轮支撑轴上通过齿轮获得的旋转动力转换成电力输出。在本发明系统中，可以使用产生交流电的交流发电机和产生直流电的直流发电机。
在此情况下，交流发电机由于其内部不带有整流子，因而具有结构简单、寿命长的特点。但是，在将电力蓄存到电池中时，另外还需要将交流电转换成直流电的整流器。
另外，在直流发电机的情况下，虽然可以通过其内部带有的整流子转换成直流电，将电直接提供给电池，但是整流子由于进行机械接触而产生摩擦，所以需要定期的保养检查。
在本发明系统中，通过上述发电部所产生的电能由蓄电部18蓄存。而作为蓄电所使用的装置，除了众所周知的铅蓄电池之类的二次蓄电池以外，近年来使用的双电荷层电容器是一种具有非常大的容量的电容器，在本发明系统中作为优选的装置组装在系统中。
上述二次蓄电池和双电荷层电容器的电气特性差异在于：蓄电池的电压相对于所蓄存的电容量是基本固定的，而电容器的电压与蓄电容量成比例升高。
在作为上述蓄电部18的双电荷层电容器中所蓄存的电力，由于需要通过电控制部19转换成与系统电力适合的波形、电压、频率，以提供给建筑物内的泵、室外电灯等使用，所以通常需要使用将直流电转换成交流电的逆变器。
由于在日本将电力提供给系统方面存在系统连接规则，所以需要符合这些规则并同时得到电力公司的认可，才能将电力提供给系统。
在本发明系统的电控制部19中，除了具有上述逆变器功能外，还具有各种保护功能。
实施例1
图6是用来说明本发明系统的配置的图。在竖管2上接头接合的多个水力旋转装置7按照每两层设置一个的方式安装。来自各层的生活排水依次由竖管上部通过水力旋转装置7内部的水轮12，同时使水力旋转装置7的支撑轴旋转，以将旋转动力传递给各发电部17进行发电，所获得电能由与各发电部连接的相应蓄电部蓄存。
使用市场销售的电动机进行发电试验，在将5.5Ω的电阻作为负载32连接，并从直流电源31提供22.2W(直流电压12V，电流1.85A)电能的情况下，在负载32中可以获得22W(交流电压11V，电流2.0A)。在此情况下的永磁体转子21可以获得大约2000rpm的转速。也就是说，输入电能22.2W就可以获得稳定的22W的输出电力，同时使永磁体转子21旋转。另外，0.2W的电力损失是由环形磁路电枢24的铜损等引起的。因此，例如可以通过该旋转力驱动带式输送机等，而且可以通过负载提供照明等的电力。
图7a、7b所示的是使用上述电动机与水力旋转装置连接的发电机的立体图。该发电机包括：圆管部(图中未示出)；水轮体16，其由水轮室13和上下端部开口的筒状部14、15组成，在水轮室13的内部以自由转动的方式安装有水轮12；以及与水轮体16连接的电机20。上述水轮12包括水轮本体部121、支撑轴122以及叶片部123。如果从上述圆管部(图中未示出)流下的排水由叶片部123接收并且使支撑轴122旋转，则可以使所连接的电机的转子(图中未示出)旋转，同时通过永磁体的作用发电。
实施例2
图8所示的是本发明的第二系统的外观说明图。该第二系统是一种自发电系统，可以选择利用水力发电的系统作为主电源系统，而将利用太阳能、风力、和燃料进行发电的系统作为副电源系统。
作为利用水力进行发电的电源系统是这样一种发电系统，如实施例1所示，该系统包括：水力旋转装置，安装在沿建筑物的壁配置的排水管中，主要是安装在竖排水管的任意位置；发电部，利用从上述水力旋转装置的水轮部伸出的旋转支撑轴的旋转力进行发电；蓄电部，蓄存上述发电部的电能；电控制部，将上述蓄电部的电能与建筑物的电力系统连接。
其中，上述水力旋转装置的筒状部的两端部具有接合机构，以使上述水力旋转装置与设置在竖排水管的切断端部的接合部牢固连接。上述水力旋转装置包括：双层圆管部，在外管内部安装有自上而下具有至少一个节流部且末端部喷嘴化的内管部；水轮体，其由水轮室和上下端部开口的筒状部组成，在所述水轮室的内部以可自由转动的方式安装有水轮，所述水轮体可拆卸地连接到该圆管部端部。
上述发电机可以是交流型发电机或者直流型发电机，发电机内的旋转轴与上述水轮部的旋转轴同轴连接，同时由该发电机所产生的电通过整流器或者从上述发电机直接提供给上述蓄电部。蓄电部可由二次电池或者双电荷层电容器构成。
而且，上述电控制部由电力转换装置构成，该装置将来自蓄电部的电转换成与电力系统标准适合的电压、频率等，且具有必要的保护功能。此外，在上述主电源的充电能力降至80％以下时，具有切换成接收来自副电源的电力的功能。
另外，如图8和图9所示，副电源将从设置在建筑物上的风力发电机35、太阳能发电机36、燃料电池37中的至少一种电源中获得的电能蓄存在第二蓄电池中。当来自主电源的蓄电能力处于至少80％以上时，可以一直向别的系统供电，如向公共机构发电等。当第一蓄电池的充电能力降低时，通过所连接的电力转换装置将电力提供到建筑物中。
在本实施例中使用的风力发电机35由于设置在建筑物屋顶上，所以优选比通常设置在地上的风力发电机要小，且可以为至少提供0.15KW以上电力，优选可提供0.3KW以上的电力。
同样地，设置在建筑物屋顶上的太阳能发电机36由于也是利用屋顶的一部分进行设置，所以优选为具有可以设置在屋顶上的尺寸，且可以至少提供0.15KW以上的电力，优选为提供0.3KW的电力。
与上述风力发电机35、太阳能发电机36不同，在本系统中使用的燃料电池37优选为利用地下室等专用室进行设置的。而在本实施例中，以多个并联的方式使用价格便宜且充电能力强的Mg-O₂电池，以提供至少3KW以上，优选为5KW以上的电力。
另外，除了上述Mg-O₂电池以外，当然也可以使用市场上出售的电池作为燃料电池37，从成本和充电能力方面考虑可以适当选择使用。