JP2009144721A - 複数のエネルギー入力を有する水力発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、液体、空気及び電磁場を媒体とした複数のエネルギー入力を有する水力発電システムである。入力は以下の主に自然の力学的エネルギーを利用する。1)ポスト・ウォーターハンマーが主水圧管から解放されるときにもたらされる水噴射の力学的エネルギー、2)大量の高圧水噴射後に主水管内に形成される圧力差の真空吸引力、3)噴射の反動力、4)重力による位置水頭、5)サージ室に生じた圧縮空気圧、6)回転の慣性力、7)大気の圧力エネルギー、8)電動ポンプの圧力水頭。出力されるのは単一に集められた電気エネルギーである。本システムは閉鎖エネルギーループとエネルギーを追加するルートを有している。
【選択図】図11
Description
(A)使用するのは淡水であり、海抜0mでの淡水の密度は1000kg/m3である。比較的広い範囲でその他の液体を使用することも可能である。例えば海水の場合、その密度は1030kg/m3である。
PH=DmVWp
=1000kg/m3(12.66m/s)(1428m/s)
=18078480(kg・m/s2)(1/m2)
=18078480N/m2
水の圧力水頭をP/Wspで計算する。ここで、Pは圧力であり、その単位はN/m2、Wspは水の比重であり、その単位は9810n/m3である。
18078480Pa/Wsp
=18078480Pa/9810N/m3=1842m
この1842mの圧力水頭は、もともとの定常流のバルブ出口の速度水頭(Velocity Head)を大きく超えるものである。もともとの速度水頭はV2/2gで以下のように計算される。なお、ここでgは重力加速度=9.81m/s2である。
V2/2g=12.662/2(9.81)=8.17m
図11は本発明に係る水力発電システムの平面図である。次の構成と設備を備えている。
A)主貯水池:天然又は人工の水源を蓄える部分であって、水表面は高温を発散するのに十分な広さを有し、基準線(Datum)から少なくとも3mの位置水頭を有する。
B)すず型の取水口(2)。
C)始動/増圧発動機(3):主ポンプと(6)とボールバルブ(5)が必要とするスタート時の動力を供給すると共に、当該システムの出力電力が低下したときに、圧力エネルギーを増加させる電気エネルギー源を提供する。
D)主ポンプ(6):変速型のモータ(Variable Speed Motor)を備え、圧力を加えて主水圧管(9)に圧力水頭を形成させる。
E)テーパ管(7)。
F)ゲートバルブ(8):主水圧管に流れ込む水量を制御する。
G)2つの主水圧管(9−A及び9−B):1200mの長さ、1mの内径をそれぞれが有し、その終点が発電所内の約10mの高い位置にある。
H)圧力逃し弁(12):ポンプを保護するために、主ポンプ(6)の水頭より20m高く開放圧が設定され、水撃圧波がポンプ圧流にぶつかったときに、その衝撃により開かれ、余剰の圧力水を主水圧管から溢れさせ、主貯水池(1)に流入させる。
I)エアクッションサージ室(13−A及び13−B):高圧圧縮時に生じたサージにより溢れた水量を受け入れ、その後の低圧時に蓄えた水量を放出する。また、上端部に備えた単方向バルブ(4)により、空気が外に漏れることを防いで室内の気圧を形成し、圧力が低くなったときに室内に空気を流入させることができる。
J)単方向ボールバルブ(5):主水圧管の末端に連結され、堅固にバランス設計されている。
K)ペルトン・タービン(14):図2に示す。主発電機(15)に連結された軸を有する。主発電機(15)は、そのローターを一定速度に保つための慣性フライホイールを有する。
L)収縮反動ノズル(29):図8及び図9に示す。液圧室(30)と、空気室(29−a)と、排気孔(29−b)と、バネ(29−e)と、スチール合金の支柱(29−c)と、ガイドレール(29−d)とを備え、主ボールバルブ(5)に接続されている。
M)圧力室(30):ピストン(31)を有する。該ピストンは放出された噴射に伴って前後に移動し、高圧時には水を液圧管(34)に押し入れ、その後の拡大低圧時には、底部貯水池の水を吸入管(32)を介して圧力室に吸入する。また、逆流を制御する単方向バルブ(33)を有する。圧力室は海水を淡水化する設備に換えることができる。淡水化は浸透膜を使って行われる。
N)底部貯水池(17):発電所内に置かれている。底部貯水池は使われた水を受け入れるとともに、重力を利用して水を外部流水管(18)を経て主貯水池に引き入れる。
O)真空吸水管(19−A,19−B,19−C):真空吸水管は主水圧管が瞬間的に必要とする水を供給することによって管内の圧力を安定させる。また、単方向バルブ(20−A、20−B及び20−C)を備える。当該単方向バルブは主水圧管の下方に設けられて逆流を防止する。吸引される水の量は吸引力の大きさ、圧力の差、即ち、主貯水池の少なくとも3mの位置水頭と大気圧10.3mを足したものにより、これはエネルギー保存則に符合するものである。即ち、主水圧管の間の高圧エネルギーが突然運動エネルギーに転化されたときに低圧の真空が生じる。
P)補助ポンプ(24):次の水撃動作に必要な水量を主貯水池から取り込み主水圧管へ流す。
Q)補助ポンプ水圧管(25):補助ポンプと主水圧管を結び、その内径は主水圧管の半分である。
R)補助単方向ボールバルブ(26):主水圧管に流れ込む水量を調節する。その寸法と回転速度は主単方向ボールバルブ(5)と同じである。図10に示すように、補助単方向ボールバルブ(26)および主単方向ボールバルブ(5)は、相対的な動作位置を有している。補助単方向ボールバルブ(26)はその下流に配置された単方向バルブ(26−A)を備えており、これにより水撃圧の消失が防止される。
S)増圧ポンプ(27):周期的にシステムの圧力エネルギーを増加させる。これは、システムから出力される電気エネルギーが減少したとき、所定の電力に到達させるために運転される。その電源は、始動/増圧発動機(3)から供給される。このエネルギーラインは、エネルギー閉鎖ループ外のものである。
T)単方向バルブ(28):増圧管と主水圧管の間に設置されている。
U)給水管(21):図13に示すように、周辺の天然水源から水を主貯水池へ取り込み蒸発した水量を補う。
V)高位置貯水池(22):本システムの第二の実施形態に係る構成であり、図14に示されるように、位置水頭によって、もともとの主ポンプの圧力水頭を置換している。
W)電動ポンプ(23):第二の実施形態に係る構成であり、循環水を運んで高位置貯水池(22)に戻す。
図11で示しているように、まず水が主貯水池(1)から取水口(2)へ流れ出す。主ポンプ(6)から高い圧力水頭を受け、テーパ水圧管(7)へと流れてゲートバルブ(8)を通り、長さ約1200mの主水圧管(9)へとたどり着く。その間、水流は、圧力逃し弁(12)と二つのエアクッションサージ室(13−Aと13−B)を経由する。水流は主水圧管をさらに前に進み、単方向バルブ(20−A,20−B,20−C)を経由する。末端は単方向ボールバルブ(5−A及び5−B)であり、この末端は発電所内にある。電動単方向ボールバルブの開閉動作は、主水圧管内の高い水撃圧とポスト・ウォーターハンマーが解放された高運動エネルギーの水噴射を発生させる。水噴射は反動ノズルを経てペルトン水車発電ユニットに衝突し、電気エネルギーを発生させる。使用後の水は底部貯水池(17)へと下って行く。底部貯水池から、水は重力により外部流水管(18)を通り、もとの主貯水池へと流れ込む。これで、メイン閉鎖ループの循環ラインが完成する。
図2は、それぞれ一方向に回転する2つのボールバルブ(5−A及び5−B)を示している(わかりやすく示すために、反動ノズルは示していない)。図において横に置かれているのが、ペルトン水車発電ユニット(14)であり、該ユニットは主発電機(15)のロータに接続された垂直の軸を有している。
F=P×A
N=N/m2×m2
力=圧力×面積
高圧下では、水の体積圧縮率Rcの方程式は、Rc=−P/Evで表される。同式において、Pは加えられた圧力(単位はkPa)、Evは水の弾性率(Volume Modulus of Elasticity)であり、20℃で2.18×106kPaである。
Rc=−P/Ev
=−18148kPa/(2.18×106)kPa
=−0.0083
水温20℃とし、その圧力波の速度を1478m/sとする。この速度は、管の原料及びその厚さ(15cm)の影響により変化する。修正後の速度MWpの方程式は、以下のようになる。
MWp=Wp{1/[1+(Ev/E)(D/t)]}1/2
式において、Wpは水の圧力波速度であり、本例では、水温20℃で1478m/sである。また、Evは水の弾性率であり、約2.18×106kN/m2である。Eは管の原料の体積弾性率であり、スチールでは約207×106kN/m2である。これは水の100倍であり、水の圧縮できる体積量はスチールの100倍といえる。Dは管の内径であり、本例では1mである。tは管の厚みであり、本例では0.15mである。
MWp
=Wp{1/1+[(2.18×106)/(207×106)]×[1/0.15]}1/2
=1478{1/(1+0.07)}1/2
=1428.8m/s
即ち、ここで特定した水圧管及び温度における水の圧力波の速度は1428.8m/sである。
260mの圧力水頭のポンプを使用し、主水圧管の末端が開始位置より10m高く、主水圧管の内径が1mである場合の、水流のエネルギー方程式は以下のようになる。
260=v2/2g+HTL+10
式中、HTLは損失水頭であり、水の速度水頭の30.8倍である。
260=(1+30.8)v2/2g+10
v=12.66m/s
これは定常状態での流速で、その流量Qは、Q=12π/4(12.66m/s)=9.93m3/sとなる。
PH=DmVWp=(1000)(12.66)(1428)
=18087kPa
圧力水頭で表すと、18087/9.81=1842mになる。
Qinst=[(12)π/4](177m/s)=0.785(177)
=137m3/s
予測される流量曲線のグラフは、以下の方程式の曲線に近似する。同式において、Yは水の流量、Xは時間である。
Y=139(2.66X−1.77X2) (0<X<2の範囲)
図5はこのような関係を示している。
この水の流量の方程式から、予測される平均速度が以下のように得られる。
Vave =Q/A=118.43/0.785=150.86m/s
よって、T=0.25秒からT=1.25秒の間の平均速度水頭は、以下の通りとなる。
Vel 2/2g=150.862/19.62=1160m
この1秒間に放出される水噴射の仕事率は以下の通りとなる。
Hydrodynamic Power=QWspHave/1000 (単位はkW)
同式において、Qはこの1秒間の流量で単位はm3/s、Wspは水の比重で単位は9810N/m3、Haveは噴射水の平均水頭で単位はmである。従って、以下の通りとなる。
PowerT=0.25〜T=1.25
=118.43(9810)(1160)/1000
=1347680kw
=1347.68MW
KE=1/2MV2
式において、Mは水噴射の総質量で単位はkgであり、118.43m3の水は118430kgの質量を有する。また、水噴射の平均速度で単位はm/sであり、この例では150.86m/sである。従って、以下の通りとなる。
KE=1/2(118.430)(150.862)
=1347667kN・m
主ポンプ(6)が主水圧管の定常流を加圧し、260mの圧力水頭を有するのに必要な出力は以下の通りとなる。
Ppump=9.93(9810)(260)/1000=25.33MW
ポンプの効率を80%とすると、その総出力は31.66MWになる。
水噴射の反動力は、水撃と同じ大きさで方向が反対となる力であり、この力はいくつかの方法に利用できる。第一に、この力学エネルギーは圧力エネルギーに変換することができ、主水管(9)に圧力を加えることができ、システムの効率を激増させることができる。第二に、直線的に往復するスチール棒に加えることによって、回転プレートが発電機のロータに接続された部品を連続回転させて電気エネルギーを生じさせることができる。第三に、海水を淡水化するための圧力エネルギーに変換することができる。これは浸透膜を用いて行われる。
Q=Apipe×Vpipe=Achamber×Vchamber=20m3/s
水を主水圧管に注ぎ込む液圧管(34)は、内径が1mであり、その断面積は0.785m2であり、流速は25.4m/sである。円柱形の液圧室は、断面積が10m2(これは約3.5mの内径に相当する)、液圧室の流速が2m/sである。方程式は以下の通りとなる。
Q=0.785×25.4=10×2=20m3/s
V2 pipe/2g
=(Dcham/Dpipe)4V2 cham/2g
=(3.5/1)40.2≒30m
V2 CH/2g+PCH/Wsp+10=V2 pipe/2g+Ppipe/Wsp+Hloss
0.2m+177m+10m≒30+97.22m+2(30)
出力は、Power=QWspH/1000=20×9.81×30≒6MWとなる。
面積=力/圧力≒17700/8000≒2.2m2
脱塩タンクの内径は(2.2/0.785)1/2≒1.67mとなる。
システムにおける水は、蒸発により若干減少する。このため、周期的に周囲の天然の水源から水を取り、補充する必要がある(図13参照)。給水管(21)を経て、水は直接、主貯水池(1)に注入される。
図14は、本発明に係る水力発電システムの第2の実施形態を示している。即ち、本実施形態では、主ポンプ(6)によって施される圧力水頭が、高位置貯水池(22)の位置水頭によって置換され、位置水頭Zから下に流れる水の管との摩擦損失水頭を引いたものが主ポンプの圧力水頭に相当する。その他の構成及び機械の寸法、機能動作は前述した設計とほぼ同様である。
2 取水口
3 始動/増圧発電機
5 主単方向ボールバルブ
6 電動ポンプ
7 テーパ水圧管
8 ゲートバルブ
9 主水圧管
12 圧力逃し弁
13 サージ室
14,15 ペルトン・タービン発電機
17 底部貯水池
18 外部流水管
21 給水管
24 補助ポンプ
25 補助ポンプ水圧管
26 補助単方向ボールバルブ
27 増圧ポンプ
29 収縮反動ノズル
Claims (28)
- 水力発電システムであって、
地上に設置され、淡水又は海水からなる天然湖又は人工貯水池であり、基準線から少なくとも3mの位置水頭を有する主貯水池(1)と、
すず型の取水口(2)と、
下流の主水圧管(9)に圧力水頭を施し、そのモータが変速型モータである電動ポンプ(6)と、
テーパ水圧管(7)と、
主水圧管(9)に流れ込む液体を制御するゲートバルブ(8)と、
強靭で継ぎ目のないスチール合金の水圧管であって、その終点が発電所内の約10mの高い位置にあり、その直径が10cmから100cmであってもよく、その厚さが内径の約15%であり、その内表面のメッキは厚い平滑な合金の層を有し、その内表面はキャビテーション腐食により著しく破損した際、改めてメッキすることができ、該水圧管の中心線が基準線であり、間にある複数の伸縮継ぎ手により接続され、1200mの厚いスチール合金により製造された主水圧管(9)と、
電動ポンプ(6)を保護するために用いられ、水撃のぶつかりを防ぐために、開放された液体を主水圧管から主貯水池に流入させる圧力逃し弁(12)と、
高圧圧縮時に生じたサージにより溢れた水量を吸収し、その後の低圧時に蓄えた水量を放出し、上端部に小型の単方向バルブを有し、該小型の単方向バルブは、通常閉まっていて空気が外に漏れることを防いで圧縮された気体の圧力エネルギーを蓄積し、低圧時に開放されて大気圧の空気を取り込むことができるエアクッションサージ室(13−A及び13−B)と、
電動モータによって単方向に回転動作し、主水圧管の末端に連結され、構造がボールバルブのような構造であるが連続的に360°自転する機能を有するバルブであって、球状の開閉部材が同形状のバルブベースに組み合わされ、均等に密閉する十分な応力を有し、貫通孔によりボール表面が4つの部分に分けられ、そのうち2つの部分は、該バルブを開放するのに用いられ、他の2つの部分は該バルブを閉鎖するのに用いられ、ボールの回転面には回転トルクを増加させるためのコマ型の凹み孔があり、該バルブの高速閉鎖(Rapid Closure)時の時間が2L/Wpより小さく、主水圧管内に蓄積した運動エネルギー、圧力エネルギー及び弾性エネルギーを1400mの水撃圧力水頭に転換し、続いてバルブが再び開放され、圧力エネルギーを高い運動エネルギーの水噴射に再度変換してペルトン・タービン発電機に衝突させ、該バルブは4秒に一回転し、開放時に高水圧はもとの低流速に戻され、バルブ孔の直径は主水圧管の内径の2倍であり、堅固にバランス設計された単方向ボールバルブ(5)と、
バルブ(5)の下流に設置された収縮反動ノズル(29)と、
バケットで高運動エネルギーの水噴射を受け、その軸が主発電機(15)に連結されて電気エネルギーを生産し、該主発電機にはフライホイールが設けられて、機械エネルギーをロータに保存し、安定した回転速度を維持させ、発電機の出力は少なくとも50000kWであるペルトン・タービン発電機(14)(15)と、
発電所内に設置され、排水を受け入れる底部貯水池(17)と、
重力によって排水を輸送し、主貯水池(1)に戻す外部流水管(18)と、
主水圧管(9)と主貯水池(1)を結ぶ管であって、直径が主水圧管の直径と同じであり、水源は主貯水池であり、ポスト・ウォーターハンマーが解放されて大量の液体が噴射された後に低圧真空吸引力が形成され、圧力差は主貯水池の少なくとも3mの位置水頭に大気圧10.3mの水の圧力水頭を加えたものであり、甚大なキャビテーション腐食を防ぐために、この圧力差で液体を大量に吸い込み主水圧管に流入させ、水流が主水圧管の下部に置かれた単方向バルブ(20−A,20−B,20−C)によって制御される真空吸水管(19−A、19−B、19−C)と、
主貯水池(1)から液体を主水圧管に引き入れて、次の水撃圧に要する5mの圧力水頭を確保するための補助ポンプ(24)と、
補助ポンプ(24)と主水圧管(1)とをつなぎ、その内径が主水圧管の内径の半分である補助ポンプ水圧管(25)と、
主単方向ボールバルブ(5)と同じ寸法及び回転速度を有し、主貯水池から補助ポンプ水圧管を経て主水圧管に流れ込む水量を調節し、水撃圧の消失を防ぐために単方向バルブ(26−A)をその下流に有し、バルブ(5)とは相対する開閉動作位置を有する補助単方向ボールバルブ(26)と、
主ポンプ、ボールバルブなどに要する始動運動エネルギーを供給するために用いられ、閉鎖エネルギーループ以外から圧力エネルギーを増大させるエネルギーを入力する始動/増圧発電機(3)と、
周期的に閉鎖エネルギーループに入力される圧力エネルギーを増加させ、設計された電気エネルギー出力を維持する標準に到達させる増圧ポンプ(27)と、
蒸発によって水量が減少したときに、周辺の天然水源から引き入れた液体を加えることによって一定の位置水頭を保つための給水管(21)とを備えたことを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1に記載の水力発電システムにおいて、
主ボールバルブ(5)の高速閉鎖によって連続的に高い水撃圧を引き起こして、全主水圧管内の水流が有する運動エネルギー、圧力エネルギー及び弾性エネルギーを瞬時に高い圧力エネルギーに変換し、これらのうち、弾性エネルギーは液体分子間の固有の運動エネルギーより変換されたものであり、該高い圧力エネルギーの値は、流速と圧力波の速度の積に液体の密度を乗じたものであり、これはエネルギー保存則と水の物理的性質に基づくものであり、水の比重とその弾性係数Evは1476m/sの圧力波の速度を生じさせることができ、これにより少なくとも5mの定常流の速度水頭を1400mの圧力水頭に変換でき、その後、該バブルが再び全開にされ、圧力水頭が高運動エネルギーの水噴射に変換されて主水圧管から噴出しペルトン・タービン発電機に衝突して電気エネルギーを生じさせることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1に記載の水力発電システムにおいて、
大きな圧力差(Pressure Differential)の真空吸引力を有し、主水圧管(9)内の圧縮された液体が大量に噴出された際、上流には大きな真空吸引力が生じ、圧力差は主貯水池の少なくとも3mの位置水頭に大気圧の10.3mを加えたものであり、これにより、大量の液体が引き込まれ主水圧管に流入し、圧力の均衡が促され、同時に、大量の速い速度水頭を有する水が流れ込み、次の水撃動作を備える作用を奏し、この動作はエネルギー保存則に基づくものであり、水の圧力エネルギーが水の運動エネルギーに転換された際、圧力エネルギーがこれに伴い急激に低下し、ベンチュリ管(Venturi Tube)の絞り部で生じる現象のように、この急激な圧力の低下は液体の移動を引き起こし、主貯水池(1)から水を輸送して主水管(9)に流入させ、この輸送は電動ポンプのように作用するが、如何なる電力も使用しないことを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1に記載の水力発電システムにおいて、
前記補助ポンプのエネルギーは、電動モータからもたらされ、該補助ポンプは主貯水池から水を引き入れて主水圧管に流入させ、これらの間の水量と圧力エネルギーを次の水撃圧に応じたものとすることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1に記載の水力発電システムにおいて、
補助ポンプと主水圧管(9)とをつなぎ、その内径が主水圧管の内径の半分である補助管(25)を備えることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1に記載の水力発電システムにおいて、
前記補助単方向ボールバルブは、主単方向ボールバルブ(5)と、同じ寸法及び回転速度を有し、これら2つのバルブ(5)(26)の回転方式が、水撃圧が消失しないように、補助ボールバルブが主ボールバルブ(5)より少し前に開き、補助ボールバルブが主ボールバルブ(5)より前に全閉鎖するものであることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1に記載の水力発電システムにおいて、
前記収縮反動ノズル(29)は主ボールバルブ(5)の下流側に位置し、噴射の反動力でスチール棒を押し動かして仕事を施すことを特徴とする水力発電システム。 - 請求項7に記載の水力発電システムにおいて、
反動棒を更に備え、該反動棒はピストン(31)であり、該ピストンは液圧室(30)内に置かれ、その運動は圧力液を液圧管(34)に送り入れて仕事を施し、ノズルはスチール柱(29−c)に支持され、ガイドレール(29−d)に沿って往復運動し、ノズルには、力学的エネルギーを蓄積及び開放してノズルをもとの位置に押し戻すためのバネ(29−e)が設けられ、ノズルは空気が空気室(29−a)へ自由に出入りするための排気孔(29−b)を更に備えることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項8に記載の水力発電システムにおいて、
圧力室(30)は、真空低圧時に底部貯水池の水を圧力室に吸入するための吸水管(32)と、高圧時に圧力液を供給して仕事を行わせるための外を流れる液圧管(34)とを有し、これら2本の管(32及び34)が、それぞれ単方向バルブ(33及び35)によって制御されていることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項8に記載の水力発電システムにおいて、
液圧管(34)に生じる液圧を、主水圧管(9)への圧力エネルギー及び液体の増加に用いることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項7に記載の水力発電システムにおいて、
往復ピストン(31)が直線運動を行って部材を連続的に回転運動させ、該部材の回転プレートが発電機のロータに接続されて電力を生じさせることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項7に記載の水力発電システムにおいて、
ピストン棒は力学的エネルギーを海水を淡水化する圧力室に施し、圧力室は浸透膜により塩分を除去し、塩分を除去する膜は8000kPaの圧力を要することを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
単方向ボールバルブ(5)を直接、反動ノズルとして用いて、伸縮するノズルを用いないようにし、該部材は、上述した圧力室、ピストン、バネ、液圧管及びその単方向バルブ、真空吸入管及びその単方向バルブ、空気室、排気孔、並びにスチール合金柱及びガイドレールと同様の部分及び機能を有することを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1に記載の水力発電システムにおいて、
サージ室(13)の上端には、サージ室の上部において気体の圧力エネルギーを蓄積するための、通常閉まっている単方向バルブ(4)が設けられ、該気体の圧力エネルギーは高圧時の水の上昇により生じたものであり、この蓄積された圧力エネルギーは、次の低圧時に主水圧管内に解放される圧力源であり、この気体の圧力エネルギーは、液体と気体の界面で相互に働く力学的エネルギーを示し、この力学的エネルギーの生成は電気エネルギーを使用しないものであり、更に、サージ室内の圧力が外界の大気圧と比べてより低いときに、瞬間的に単方向バルブ(4)が開き、大気圧の空気によって室内の水位を下げ、電力を一切消費せずに水圧を主水圧管へ導くことを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1に記載の水力発電システムにおいて、
ペルトン・タービン発電機の発電容量は少なくとも50000kWであり、力学的エネルギーを蓄積及び開放するための慣性フライホイールを有し、該フライホイールは十分な質量を有することによって、回転子の設定速度のバランスを維持し、これにより、回転運動エネルギーが、フライホイールによりそのエネルギーを蓄積し、該エネルギーを回転子に開放することを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1に記載の水力発電システムにおいて、
主ポンプ(6)の圧力水頭は、130mから400m以上であり、そのモータの能力は主水圧管の定常流時に少なくとも5mの速度水頭を生じさせるのに十分であり、この速度水頭と動水勾配の圧力水頭は、共に該システムの最初の力学的エネルギーとなり、水撃圧を生じさせるのに用いられて該システムにエネルギーの変換をさせ、主ポンプに使用されるモータが変速型であることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項16のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
該システムは、複数エネルギーの入力を含み、一つにまとめられた電気エネルギーを出力するエネルギー変換ループを形成することを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項17のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
始動/増圧発電機(3)を有し、いかなる移動エネルギーシステムであっても、持続的に受ける摩擦力や重力の影響を受ければ、その運動エネルギー効果は徐々に減少するため、周期的にエネルギーを増強する必要があり、エネルギーループ以外に設置された増圧ポンプ(27)により、再度、エネルギーループのバランスをとることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項18のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
前記主水圧管(9)と相対する位置に、前記主水圧管と寸法、設備及び機能が一致する第二の主水圧管を備えたことを特徴とする水力発電システム。 - 請求項2乃至請求項19のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
2つの同じ単方向ボールバルブを有し、これらは交互に開閉する方式で、ポスト・ウォーターハンマー噴射の蓄積及び開放を交互に行い、発電機の動作を高効率に保つことを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項20のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
互いに変換可能な力学的エネルギーを備え、エネルギーは8種類の異なる形態で入力され、そのうち1種類のみが電気エネルギーを要するものであって(a)電動ポンプの圧力水頭であり、その他の7種類は自然界と物理的に生じた力学エネルギーとその変換された形態であって、(b)重力により生じた主貯水池及び底部貯水池の位置水頭であり、これは大気圧10.3mの圧力水頭と水の特有の重量からもたらされるものでもあるものと、(c)ポスト・ウォーターハンマーから変換された水噴射の速度水頭と、(d)大量の水噴射後に生じる圧力差による力であり、大量の水を高圧域から低圧域へと押し流し入れる真空吸引力と、(e)ニュートンの第3法則に従って、水噴射が主水圧管を飛び出す際に生じる反動力であって、水撃と同等で反対方向の反動力と、(f)高圧時にサージ室に蓄積された気体の圧力エネルギーと、(g)大気圧がサージ室の低圧の水に施す圧力エネルギーと、(h)発電機のロータが有する回転の慣性力とであることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項21のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
変換可能な総エネルギー/質量の入力は、エネルギーの出力にエネルギー/質量の損失を加えたものに等しく、変換可能なエネルギー/質量の入力は、重力により生じた主貯水池及び底部貯水池の位置水頭と、その圧力エネルギーの一部に液体分子間固有の運動エネルギーから変換された部分を含むポスト・ウォーターハンマーから転換された1200mの水噴射の速度水頭と、水噴射の反動力と、噴射後に主水圧管に生じ、大量の高圧水を低圧域に吸い込む真空吸引力と、水位が高い高圧時にサージ室に蓄積された気圧エネルギーと、回転子の動作時に生じる慣性力と、サージ室に流入し、下降する液表面に施される水10.3mの空気圧と、主ポンプ、補助ポンプ、周期的な増圧ポンプ及び単方向ボールバルブとに用いられる電気の機械エネルギーと、周期的に主貯水池に引き入れられる外界の水とを含み、
エネルギー出力は、少なくとも50MWの発電力を含み、
エネルギー/質量の損失は、摩擦損失水頭と、エネルギーが熱に変換され消耗される部分と、管壁の膨張により消耗されるエネルギーと、水分子の蒸発による消失とを含んで、
運用されるエネルギーと質量の使用平衡が表されることを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項22のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
「単一に集められた出力エネルギー」を有し、該「単一に集められた出力エネルギー」の値は、電気機械エネルギーの入力量より大きく、該エネルギー変換システムは、単一のエネルギー入力が自然界の風力であり出力が単一の電力である風力発電と比べて、複数のエネルギー入力を有し、その大部分が自然界の力学的エネルギーであり、これに1つの電気エネルギー入力が加わったものであり、該水力発電システムの総出力は、「単一に集められた電気エネルギー」であり、且つ、該水力発電システムは1つのエネルギー入力によるものではなく、複数のエネルギー入力によるものであって、単一に集められた電気エネルギーの総出力を生じるものであり、この電気エネルギーの出力量が1つの電動モータのエネルギー入力量より大きいことを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項23のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
1つの液体の閉鎖ループを有し、液体は地上の主貯水池(1)から主電動モーター(6)で圧力が施され、1200m長の主水圧管(9)に流入し、この間、圧力逃し弁(12)、サージ室(13−A及び13−B)、真空吸水管(19−A、19−B、19−C)及び増圧水圧管を経て、発電所内の高位置に置かれた末端の単方向バルブ(5)に流れ着き、継続的に回転するボールバルブ(5)は速い速度で流れる水柱を「高速閉鎖」の状態で全閉鎖し、水柱全体に含まれる運動エネルギーと圧力エネルギーを瞬間的に高い圧力エネルギーを有する水撃に変換し、続いて、バルブが全開されて高圧水が再び高い運動エネルギーの水噴射に変換され、主水圧管(9)から噴出されてペルトン・タービン発電機にぶつかって電気エネルギーを生産し、排水は底部貯水池(17)に下っていき、底部貯水池から液体が重力によって外部流水管(18)を経て主貯水池(1)に流れ戻って水循環が完成し、これを持続的に運転することを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項24のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
もう一つの液体の閉鎖ループを有し、単方向ボールバルブ(5)の全開時、大量の液体が主水圧管(9)から噴射されて真空吸引力が生じ、この吸引力が大量の液体を主貯水池(1)から真空吸水管(19−A、19−B及び19−C)を経て、主ポンプ及び上流の主水圧管を流れずに直接、主水圧管(9)に注ぎ入れ、該真空吸水管を経た液体に、液圧管(29)によってもたらされた圧力液及び補助ポンプによってもたらされた水が加わって、一緒にペルトン・タービン発電機へと噴出し、更に底部貯水池に達し、その後、重力によって主貯水池(1)まで戻ることによって二次閉鎖ループが完成し、循環を繰り返すことを特徴とする水力発電システム。 - 請求項1乃至請求項25のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
主ポンプ(6)の圧力水頭を、高位置貯水池(22)の位置水頭に替えるとともに、該高位置貯水池が山の斜面に設置され、位置水頭Zから水が下に流れるときの管との摩擦損失水頭を引いたものが主ポンプの圧力水頭に相当することを特徴とする水力発電システム。 - 請求項26に記載の水力発電システムにおいて、底部貯水池(17)の水を高位置貯水池(22)まで輸送して、水を循環させる電動ポンプ(23)を備えることを特徴とする水力発電システム。
- 請求項1乃至請求項27のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、使用する液体が、水銀、油などの水以外の液体であることを特徴とする水力発電システム。
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