水圧発電装置及び構造物の固定構造
【課題】 陸上の用地を確保するための手間と費用を削減することができる水圧発電装置を提供すること。
【解決手段】海底１３に構造物の固定構造１２により設けられ、内部に空洞１４ａを有する空洞体１４と、空洞体１４に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通管１６と、空洞体１４の壁部に挿通して設けられ、空洞体１４の内部と外部の海中とを連通する水管２３と、水管２３に連通するように設けられ、水車及びポンプとして機能する水車ポンプ１５と、水車ポンプ１５に連結され、発電機及び電動機として機能する発電電動機１８とを備える。
【解決手段】海底１３に構造物の固定構造１２により設けられ、内部に空洞１４ａを有する空洞体１４と、空洞体１４に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通管１６と、空洞体１４の壁部に挿通して設けられ、空洞体１４の内部と外部の海中とを連通する水管２３と、水管２３に連通するように設けられ、水車及びポンプとして機能する水車ポンプ１５と、水車ポンプ１５に連結され、発電機及び電動機として機能する発電電動機１８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電力消費地や、変電所等の電力施設から近い距離にある海底や水底又はその近くの水中に設けることができる水圧発電装置、及びこの水圧発電装置に使用することができる構造物の固定構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力需要のピークの時間帯に合わせて供給電力の増加を図る上で、揚水発電所は、有用なよく知られたものである。
【０００３】
しかし、揚水発電所の上部貯水池及び下部貯水池が、適切な高度差と距離にあることが必要であって、しかも、揚水発電所が、電力消費地や、変電所等の電力施設から近い距離にあるという適切な立地条件を満たすことが経済上望まれため、揚水発電所の適切な建設場所は、極めて限られている。従って、このような適切な立地条件を満たす新たな建設場所を確保することは、極めて困難な状況となっている。
【０００４】
従来の揚水発電設備の一例として、地下に設けられた地下水槽と、この地下水槽と海洋とを互いに連通する水路と、この水路に設けられた水車ポンプと、この水車ポンプに連結された発電電動機とを備えているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
この揚水発電設備によると、電力需要が旺盛な時間帯に海洋から海水を水路に通して地下水槽に落下させて、水車ポンプを水車として運転する。これによって、発電電動機を発電機として運転して発電することができ（発電運転）、この発電した電力によって電力需要の負荷の一部を賄うことができる。
【０００６】
そして、電力需要が少ない時間帯の夜間電力又は余剰電力を用いて発電電動機を電動機として運転すると共に、水車ポンプをポンプとして運転することによって、地下水槽に溜まっている海水を揚水して水路に通して海洋に排出する（排水運転）。これによって、発電運転の準備をすることができ、電力需要が旺盛な時間帯に発電運転をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２７８６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来の揚水発電設備は、沿岸に地下水槽を作ることが必要であって、しかも、このような地下水槽を必要とする揚水発電設備が、電力消費地や、変電所等の電力施設から近い距離にあることが経済上望まれるため、上記従来の揚水発電設備であっても、適切な立地条件を満たす新たな建設場所を確保することは、極めて困難であると言える。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、陸上の用地を確保するための手間と費用を削減することができる水圧発電装置及びそれに使用することができる構造物の固定構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る水圧発電装置は、海底や水底又はその近くに浮上しないように水中に固定手段により設けられ、内部に空洞を有する空洞体と、前記空洞体に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通部と、前記空洞体の壁部に設けられ、前記空洞体の内部と外部の水中とを連通する連通孔と、前記連通孔に連通するように設けられ、水車及びポンプとして機能する水車ポンプと、前記水車ポンプに連結され、発電機及び電動機として機能する発電電動機とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明に係る水圧発電装置によると、まず、空洞体の内部に海水又は水が収容されているときに、発電電動機を電動機として運転して、水車ポンプを回転させてポンプとして運転する。これによって、空洞体の内部の海水等を空洞体の外部の水中に排出することができ（排水運転）、このとき、大気中の空気が大気連通部を通って空洞体の内部に流入する。この空洞体の内部の圧力は、大気圧又はそれに近い圧力である。これで、この水圧発電装置を発電運転できる準備が整う。
【００１２】
次に、発電電動機を電動機から発電機としての運転に切り替えると共に、水車ポンプをポンプから水車としての運転に切り替える。しかる後に、空洞体の外部の水圧の掛った海水等の圧力水を、空洞体に設けられている連通孔に通して空洞体の内部に流入させる。このとき、連通孔を通る圧力水は、水車ポンプを回転させて、この水車ポンプが発電電動機を回転させて発電することができる（発電運転）。
【００１３】
ここで、空洞体の外部の水圧の掛った海水等の圧力水が、空洞体の連通孔を通る際に水車ポンプを回転させることができるのは、空洞体の内部の圧力（大気圧又はそれに近い圧力）と、空洞体の外部の海水等の水圧との圧力差によって、空洞体の外側の海水等が連通孔に流入するからである。
【００１４】
この発明に係る水圧発電装置において、前記固定手段は、前記空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止する構成を有し、前記空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記空洞体の重量に基づく重力方向の力が、それらに基づき鉛直上方向に働く力よりも大きくなるように形成されているものとするとよい。
【００１５】
このように、空洞体の内部の圧力が、大気圧又はそれに近い圧力となるようにして、空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止することによって、空洞体の外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び空洞体の重量に基づく重力方向の力が、それらに基づき鉛直上方向に働く力よりも大きくなるように空洞体を形成することができる。このように、空洞体を形成することによって、空洞体に働く重力方向の力を利用して空洞体を海底等に固定することができ、空洞体を海底等に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【００１６】
この発明に係る水圧発電装置において、前記空洞体は、海底や水底から間隔を隔てて配置され、前記固定手段は、海底や水底に設けられているアンカー用空洞体と、前記空洞体と前記アンカー用空洞体とを互いに連結する連結部と、前記空洞体の内部と前記アンカー用空洞体の内部とを連通し、又は前記アンカー用空洞体の内部と大気とを連通する第２大気連通部とを備え、前記アンカー用空洞体は、下側に向かう開口が形成され、前記開口を形成する開口縁部と、海底又は水底との間が封止され、更に、前記アンカー用空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記アンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、前記空洞体及び前記アンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように形成されているものとするとよい。
【００１７】
このように、アンカー用空洞体の内部の圧力が、大気圧又はそれに近い圧力となるようにして、アンカー用空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止することによって、アンカー用空洞体の外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及びアンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、空洞体及びアンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるようにアンカー用空洞体を形成すことができる。そして、このようにアンカー用空洞体を形成することによって、アンカー用空洞体に働く重力方向の力を利用して空洞体を海底等に固定することができ、空洞体を海底等に固定するための構造の簡単化を図ることができる。そして、複数の小さいアンカー用空洞体を使用して、それよりも大きい空洞体を海底等に固定するようにすることができる。これによって、空洞体を海底に直接に設置するために必要とされる広さの平坦な用地を確保できないときでも、空洞体をそのような海底に設置することができる。
【００１８】
この発明に係る水圧発電装置において、前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部に設けられているものとするとよい。
【００１９】
このようにすると、空洞体の内側は、大気圧又はそれに近い圧力であるので、水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方の耐圧性能を低減することができる。
【００２０】
この発明に係る水圧発電装置において、前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部の大気圧が掛る場所に設置されているもととするとよい。
【００２１】
このようにすると、この水車ポンプや発電電動機の耐圧性能を低減することができるし、これらの点検や修理を、大気圧の環境で行うことができ、作業性の向上を図ることができる。
【００２２】
この発明に係る水圧発電装置において、前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部に流入する海水又は水に浸からない空間に設けられているものとするとよい。
【００２３】
このようにすると、水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、海水や水と接触して腐食することを抑制することができる。
【００２４】
本発明に係る水圧発電装置は、海底や水底又はその近くに浮上しないように水中に固定手段により設けられ、内部に空洞を有する空洞体と、前記空洞体に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通部と、前記空洞体の壁部に設けられ、前記空洞体の内部と外部の水中とを連通する連通孔と、前記連通孔に連通するように設けられた水車ポンプと、前記水車ポンプに連結された発電電動機とを備え、前記水車ポンプは、水車及びポンプが別個に設けられ、又は水車及びポンプとして機能する水車ポンプであり、前記発電電動機は、発電機及び電動機が別個に設けられ、又は発電機及び電動機としての機能を有する発電電動機であることを特徴とするものである。
【００２５】
この発明に係る水圧発電装置によると、上記の水圧発電装置と同様に作用する。そして、水車ポンプは、水車及びポンプが別個に設けられたものとしてもよく、又は水車及びポンプとして機能する水車ポンプとしてもよい。また、発電電動機は、発電機及び電動機が別個に設けられたものとしてもよく、又は発電機及び電動機としての機能を有する発電電動機としてもよい。
【００２６】
本発明に係る構造物の固定構造は、海又は湖沼に配置される構造物を、海底又は水底に固定するための構造物の固定構造において、海底又は水底に設けられていて、前記構造物と一体に形成され、又は前記構造物と連結部を介して連結されたアンカー用空洞体と、前記アンカー用空洞体の内部と大気とを連通する大気連通部とを備え、前記アンカー用空洞体は、下側に向かう開口が形成され、前記開口を形成する開口縁部と、海底又は水底との間が封止され、前記アンカー用空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記アンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、前記構造物及び前記アンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように形成されていることを特徴とするものである。
【００２７】
この発明に係る構造物の固定構造によると、アンカー用空洞体の内部の圧力が、大気圧又はそれに近い圧力となるようにして、アンカー用空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止することによって、アンカー用空洞体の外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及びアンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、当該構造物及びアンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように、アンカー用空洞体を形成すことができる。このようにアンカー用空洞体を形成することによって、アンカー用空洞体に働く重力方向の力を利用して構造物を海底等に固定することができ、構造物を海底等に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【００２８】
この発明に係る構造物の固定構造において、前記アンカー用空洞体が設けられる前記海底又は水底は、前記アンカー用空洞体の前記開口縁部と、前記海底又は水底との間で、水圧による前記アンカー用空洞体内への水の噴発を防止するために、地盤改良されて固められているものとするとよい。
【００２９】
このようにすると、アンカー用空洞体の開口縁部と、海底又は水底との間で、水圧によるアンカー用空洞体内への水の噴発を防止することができる。これによって、アンカー用空洞体に働く重力方向の力を確実に確保することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る水圧発電装置によると、空洞体を海底や水底又はその近くの水中に固定して設ける構成としたので、この空洞体を設置するための用地を陸地で確保（買収等による確保）する必要がなく、その手間と費用の削減を図ることができる。
【００３１】
そして、このように空洞体を含む水圧発電装置を設置するための用地を陸地で確保する必要がないので、この水圧発電装置を、電力消費地や、変電所等の電力施設の近くに設置することが容易となり、電力の送電のための設備や、その設備の設置のための用地が少なくて済み、更に、送電による電力の損失の低減を図ることができる。
【００３２】
そして、発電の際に、海水等が大きな流速で連通孔を通って空洞体の内部に流入すると共に、空洞体の内部に収容されている空気が、大きな流速で大気連通部を通って大気中に放出されるが、この大きな流速で大気連通部を通るのは、密度が小さく流量係数が大きい空気であり、海水等ではないので、大気連通部の内径を小さくすることが可能であり、大気連通部の費用の低減を図ることができる。そして、密度が大きく流量係数が小さい海水等が大きな流速で連通孔を通るが、この連通孔の長さは、発電に使用される水圧の低下を抑制するように短縮することが可能であり、発電効率の向上を図ることができる。
【００３３】
更に、水圧発電装置は、海底に設けることができるので、風水害によって損傷する可能性が殆どなく、そのような損傷に対する修理に掛る手間や費用の削減を図ることができる。
【００３４】
本発明に係る構造物の固定構造は、アンカー用空洞体に働く水圧及びアンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、海や湖沼に配置される構造物をアンカー用空洞体から引き離そうとする力の鉛直上方向の力よりも大きくなるようにアンカー用空洞体が形成されている。このように、アンカー用空洞体を形成することによって、アンカー用空洞体に働く重力方向の力を利用して構造物を海底等に固定することができ、構造物を海底等に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の第１実施形態に係る水圧発電装置を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す水圧発電装置の空洞体を示す斜視図である。
【図３】図２に示す空洞体を構成する空洞部材を示す斜視図である。
【図４】図１に示す空洞体の封止構造を示す縦断面図である。
【図５】同発明の第２実施形態に係る水圧発電装置を示す縦断面図である。
【図６】同発明の第３実施形態に係る水圧発電装置を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係る水圧発電装置、及びそれに使用される構造物の固定構造の第１実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。この水圧発電装置１１は、図１に示すように、空洞体１４を、海底１３や水底又はその近くに浮上しないように水中に設けたものであり、この空洞体１４の内部の圧力ＰＴ１（大気圧又はそれに近い圧力）と、空洞体１４の外部の海水の水圧ＰＳ１との圧力差によって、水車ポンプ１５を回転させて発電することができるものである。
【００３７】
この水圧発電装置１１は、海底１３や水底又はその近くの水中に設けることができるものであるから、例えば電力消費地や、変電所等の電力施設から近い距離に設置することができる。
【００３８】
この水圧発電装置１１は、図１に示すように、空洞体１４と、大気連通管（大気連通部）１６と、連通孔１７と、水車ポンプ１５と、発電電動機１８とを備えており、構造物の固定構造１２によって海底１３に固定されている。
【００３９】
空洞体１４は、図２に示すように、例えば防水処理を施したコンクリート製であって、図３に示す略半円筒形状の空洞部材１９を軸方向に沿って複数接続した状態で、例えば約１００ｍの深さの海底１３に設置されている。そして、空洞体１４の両方の各端部の空洞部材２０は、一端部が閉塞部２０ａで閉じられている。また、略半円筒形状の空洞部材１９どうしの接続部２１は、シール部材で密封されている。この海底１３に設置された空洞体１４は、その内部に空洞１４ａが形成されている。
【００４０】
この空洞体１４を構成する空洞部材１９、２０は、例えばその半径Ｒが約５ｍであり、１つの空洞部材１９、２０の長さＬは、約２０ｍである。そして、このような空洞部材１９、２０を複数（例えば５つ）接続して空洞体１４が形成されている。ただし、空洞体１４は、図２及び図３に示す以外の形状及び大きさに形成してもよく、例えばドーム状に形成してもよい。
【００４１】
大気連通管１６は、例えば金属管であり、図１に示すように、その下端部が空洞体１４の頂部に結合し、その上端部が海面２２よりも上側に突き出ており、これによって、空洞体１４の内部と大気とを連通するようになっている。従って、空洞体１４の内部の圧力は、略大気圧ＰＴ１となっている。
【００４２】
連通孔１７は、図１に示すように、空洞体１４の側面壁部に貫通して設けられ、この連通孔１７には、水管２３が水密状態で装着されている。この水管２３は、空洞体１４の内部と外部の水中とを連通している。
【００４３】
水車ポンプ１５は、図１に示すように、水車及びポンプとして機能するものであり、水管２３の途中であって、空洞体１４の外部に設けられている。
【００４４】
発電電動機１８は、図１に示すように、発電機及び電動機として機能するものであり、水車ポンプ１５の回転軸に連結されている。この発電電動機１８は、空洞体１４の外部に設けられている。そして、この発電電動機１８には、ケーブル２４が接続している。このケーブル２４は、発電電動機１８が電動機として機能するときに、外部電力を発電電動機１８に供給することができる。そして、ケーブル２４は、発電電動機１８が発電機として機能するときに、発電電力を電力消費地や、変電所等の電力施設に送電することができる。
【００４５】
また、図１に示すように、水管２３の水車ポンプ１５よりも先端側には、電磁式遮蔽弁２５（開閉弁）が設けられている。この電磁式遮蔽弁２５によって水管２３を開閉することができる。この電磁式遮蔽弁２５には、ケーブル２６が接続しており、このケーブル２６は、地上から電磁式遮蔽弁２５を操作するための制御信号を送信するためのものである。
【００４６】
そして、水管２３の出入り両側の先端部には、ベルマウス２７、４１が取り付けられており、海水の流入及び流出をスムースに行えるようにしている。
【００４７】
次に、この空洞体１４を海底１３に固定している構造物の固定構造１２（固定手段）を、図４を参照して説明する。この構造物の固定構造１２は、空洞体１４が浮上しないように海底１３に固定することができ、しかも、この空洞体１４の下側に向かう開口の略長円形の開口縁部１４ｂと、海底１３との間を水密封止して、空洞体１４の内部を略大気圧ＰＴ１に保持することができる構成である。
【００４８】
図４に示すように、構造物の固定構造１２は、例えば海底１３にコンクリート製の基礎ブロック２８を設置し、この基礎ブロック２８上に、ガスケット、Ｏリング、パッキング等のシール部材２９を介して空洞体１４の下側開口縁部１４ｂをその上から圧接させた構造である。
【００４９】
ただし、構造物の固定構造１２は、上記以外の構成としてもよく、例えば海底１３が強固であれば、基礎ブロック２８を省略してもよい。また、ガスケットやＯリング等のシール部材２９を省略してもよい。
【００５０】
次に、図４を参照して、空洞体１４の下側開口を形成する開口縁部１４ｂが、シール部材２９を上から押し付けている力Ｆ１について説明する。今、空洞体１４の半径Ｒが約５ｍであり、この空洞体１４が設置されている海底１３の平均水深が１００ｍ（水圧ＰＳ１≒１００ｔｏｎ／ｍ２）とすると、空洞体１４の直線部分の長さ１ｍ当たり（単位長さ当たり）に働く水圧に基づく重力方向の力ＦＳ１は、
ＦＳ１＝水圧ＰＳ１×半径Ｒ×２×１
＝１００ｔｏｎ／ｍ２×５（ｍ）×２×１
＝１，０００ｔｏｎ ・・・・（１）
よって、空洞体１４の片側の開口縁部１４ｂ（直線部分の単位長さ当たり）に働く重力方向の力Ｆ１は、
Ｆ１＝（ＦＳ１＋重量ＷＫ１―ＦＮ１）／２
＝（１，０００ｔｏｎ＋ＷＫ１―ＦＮ１）／２・・・・（２）
ただし、ＦＳ１は、空洞体１４の直線部分の単位長さ当たりに働く水圧に基づく重力方向の力であり、ＷＫ１は、空洞体１４の単位長さ当たりの重量である。そして、ＦＮ１は、空洞体１４の単位長さ当たりに働く内圧（大気圧ＰＴ１）に基づく鉛直上方向の力である。
【００５１】
このように、空洞体１４の片側の開口縁部１４ｂ（直線部分の単位長さ当たり）に働く重力方向の力Ｆ１によって、空洞体１４の当該開口縁部１４ｂと、海底１３に設置された基礎ブロック２８との間にシール部材２９を強力に挟み込むことができ、この接続部の水密性を確保している。
【００５２】
また、この実施形態では、図４に示すように、空洞体１４の開口縁部１４ｂと、海底１３との間の接続部の水密性を確実なものとしたが、この接続部の水密性能をこれよりも低くしてもよい。つまり、この接続部から海水が空洞体１４の内部に少しずつ流入することがあっても、大気連通管１６から空気が排出されることによって、空洞体１４の内部圧力が上昇しない程度の海水の流入であるときは、空洞体１４に掛る重力方向の力は、殆ど低下しないからである。
【００５３】
しかし、海水が接続部から空洞体１４の内側に流入すると、その分だけ空洞体１４の容量（発電運転の際に、海水が流入することができる容量）が少なくなり、この容量は、発電可能な電力量に比例するので、発電可能な電力量が少なくなる。よって、この点を勘案して、空洞体１４の下側開口縁部１４ｂと、基礎ブロック２８（海底１３）との間の水密性能のレベルを決定する必要がある。
【００５４】
更に、空洞体１４は、図４に示すように、この空洞体１４の外面に働く水圧ＰＳ１、その内面に働く内圧ＰＴ１（大気圧又はそれに近い圧力）、及び空洞体１４の重量ＷＫ１に基づく重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１）が、それらに基づき空洞体１４に働く鉛直上方向の力ＦＮ１よりも大きくなるように空洞体１４が形成されている。よって、空洞体１４は、浮力によって浮き上がることがなく、海底１３に設置された空洞体１４は、安定した状態で長期間設置された状態を維持することができる。
【００５５】
次に、上記のように構成された水圧発電装置１１の作用を説明する。図１に示すこの水圧発電装置１１によると、まず、空洞体１４の内部に海水が収容されているときに、発電電動機１８を電動機として運転して、水車ポンプ１５を回転させてポンプとして運転する。このとき、電磁式遮蔽弁２５を開弁状態にする。これによって、空洞体１４の内部の海水を、水管２３（連通孔１７）に通して空洞体１４の外部の海中に排出することができ（排水運転）、このとき、大気中の空気が大気連通管１６を通って空洞体１４の内部に流入する。この空洞体１４の内部の圧力は、大気圧ＰＴ１又はそれに近い圧力である（図１に示す状態）。このとき、電磁式遮蔽弁２５を閉弁状態にする。これで、この水圧発電装置１１を発電運転できる準備が整う。
【００５６】
次に、発電電動機１８を電動機から発電機としての運転に切り替えると共に、水車ポンプ１５をポンプから水車としての運転に切り替える。しかる後に、電磁式遮蔽弁２５を開弁状態にして、空洞体１４の外部の水圧ＰＳ１の掛った海水の圧力水を、空洞体１４に設けられている水管２３（連通孔１７）に通して空洞体１４の内部に流入させる。このとき、水管２３を通って空洞体１４の内部に流入する圧力水は、水車ポンプ１５を回転させて、この水車ポンプ１５が発電電動機１８を回転させて発電することができる（発電運転）。
【００５７】
ここで、空洞体１４の外部の水圧ＰＳ１の掛った圧力水（海水）が、水管２３を通る際に水車ポンプ１５を回転させることができるのは、空洞体１４の内部の圧力（大気圧ＰＴ１又はそれに近い圧力）と、空洞体１４の外部の海水の水圧ＰＳ１との圧力差（ＰＳ１−ＰＴ１）によって、空洞体１４の外側の海水が水管２３を通って空洞体１４の内部に流入するからである。
【００５８】
また、上記の発電運転は、図１において、空洞体１４の内部の海水の水位がＨ２からＨ１となるまで行われ、上記の排水運転は、空洞体１４の内部の海水の水位がＨ１からＨ２となるまで行われる。そして、このＨ１からＨ２までの水位は、図示しない水位検出器によって検出され、水位がＨ２からＨ１、又はＨ１からＨ２となるまで自動で発電運転及び排水運転をすることができるようになっている。また、手動で発電運転及び排水運転をできるようにもなっている。
【００５９】
そして、図１に示す水圧発電装置１１によると、空洞体１４を海底１３に固定して設ける構成としたので、この空洞体１４を設置するための用地を陸地で確保（買収等による確保）する必要がなく、その手間と費用の削減を図ることができる。
【００６０】
このように、空洞体１４を含む水圧発電装置１１を設置するための用地を陸地で確保する必要がないので、この水圧発電装置１１を、電力消費地や、変電所等の電力施設の近くに設置することが容易となり、電力の送電のための設備や、その設備の設置のための用地が少なくて済み、更に、送電による電力の損失の低減を図ることができる。
【００６１】
そして、発電の際に、海水が大きな流速で水管２３を通って空洞体１４の内部に流入すると共に、空洞体１４の内部に収容されている空気が、大きな流速で大気連通管１６を通って大気中に放出されるが、この大きな流速で大気連通管１６を通るのは、密度が小さく流量係数が大きい空気であり、海水ではないので、大気連通管１６の管径を小さくすることが可能であり、大気連通管１６の費用の低減を図ることができる。そして、密度が大きく流量係数が小さい海水が大きな流速で水管２３を通るが、この水管２３の長さは、発電に使用される水圧の低下を抑制するように短縮することが可能であり、発電効率の向上を図ることができる。
【００６２】
更に、この水圧発電装置１１は、海底１３に設けることができるので、風水害によって損傷する可能性が殆どなく、そのような損傷に対する修理に掛る手間や費用の削減を図ることができる。そして、図１に示す大気連通管１６の上端開口部から海水が流入することを防止するために、この上端開口部を必要に応じて開閉できるように、開閉弁を設けることができる。
【００６３】
そして、図１に示すように、空洞体１４の内部の圧力ＰＴ１が、大気圧又はそれに近い圧力となるようにして、空洞体１４の下側に向かう開口の開口縁部１４ｂと、海底１３との間の接続部を水密封止することによって、単位長さの空洞体１４の外面に働く水圧ＰＳ１、その内面に働く内圧ＰＴ１、及び空洞体１４の単位長さ当たりの重量ＷＫ１に基づく重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１）が、それらに基づき鉛直上方向に働く力（大気圧ＰＴ１に基づく力）ＦＮ１よりも大きくなるように、空洞体１４が形成されている。このように空洞体１４を形成することによって、空洞体１４に働く重力方向の力を利用してこの空洞体１４を海底１３に固定することができ、空洞体１４を海底１３に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【００６４】
ただし、図１に示す空洞体１４は、重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１）が、鉛直上方向に働く力ＦＮ１よりも大きくなる形状であるので、いずれの水深位置の海底１３にこの空洞体１４を配置した場合でも、空洞体１４が海底１３から浮き上がることがなく、この重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ）によって、海底１３に安定した状態で設置することができる。
【００６５】
次に、本発明に係る水圧発電装置の第２実施形態を、図５を参照して説明する。この図５に示す第２実施形態の水圧発電装置３１と、図１に示す第１実施形態の水圧発電装置１１とが相違するところは、図１に示す第１実施形態では、空洞体１４の下側開口の周縁部１４ｂと海底１３との接続部を水密封止する構成としたのに対して、図５に示す第２実施形態では、空洞体３２とは別に複数のアンカー用空洞体３３を設け、これら複数のアンカー用空洞体３３を使用して空洞体３２を海底１３に固定する構成としたところである。
【００６６】
この図５に示す第２実施形態の水圧発電装置３１によると、複数の小さいアンカー用空洞体３３を使用して、それよりも大きい空洞体３２を海底１３に固定することができる。これによって、空洞体３２を海底１３に直接に設置するために必要とされる広さの平坦な用地を確保できないときでも、空洞体３２をそのような海底１３に設置することができる。
【００６７】
これ以外は、第１実施形態と同等であり、同等部分を同一の図面符号で示し、それらの詳細な説明を省略する。
【００６８】
この図５に示す空洞体３２は、例えば外形が回転楕円体の形状であり、内部に空洞３２ａが形成され、海底１３から間隔を隔てて水中に配置されている。この空洞体３２には、図１に示す第１実施形態と同様に、大気連通管１６、水管２３、水車ポンプ１５、及び発電電動機１８等が設けられている。勿論、空洞体３２の外形は、回転楕円体以外の形状としてもよい。
【００６９】
この図５に示す第２実施形態は、図１に示す第１実施形態と同様に排水運転及び発電運転を行うことができるので、それらの詳細な説明を省略する。
【００７０】
そして、構造物の固定構造３４（固定手段）は、図５に示すように、アンカー用空洞体３３と、連結部３５と、第２大気連通管（第２大気連通部）３５とを備えている。
【００７１】
図５に示す各アンカー用空洞体３３は、図１に示す第１実施形態の空洞体１４よりも小さい同等の形状であり、内部に空洞が形成されている。この実施形態では、アンカー用空洞体３３は、例えば３つ設けられている。この３つの各アンカー用空洞体３３は、図１及び図３に示す空洞体１４と同様に、アンカー用空洞体３３の単位長さ当たりの重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１）が、鉛直上方向に働く力ＦＮ１よりも大きくなる形状であり、いずれの水深位置の海底１３にこのアンカー用空洞体３３を配置した場合でも、このアンカー用空洞体３３が海底１３から浮き上がることがなく、この重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ−ＦＮ１）によって、海底１３に安定した状態で設置することができる。
【００７２】
そして、図５に示すように、アンカー用空洞体３３に対して働く単位長さ当たりの重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１−ＦＮ１）に、３つのアンカー用空洞体３３の合計長さＧＬを乗算して得られる力（ＦＳ１＋ＷＫ１−ＦＮ１）×ＧＬが、これら３つのアンカー用空洞体３３によって、空洞体３２に働く鉛直上方向の力に打ち克って、この空洞体３２を海底１３に引き留めておくことができる力となっている。
【００７３】
また、図５に示すＦＳ２は、空洞体３２の下面に掛る水圧ＰＳ２Ｂと、その上面に掛る水圧ＰＳ２Ａの差（ＰＳ２Ｂ−ＰＳ２Ａ）によって、この空洞体３２に働く鉛直上方向の力であり、ＷＫ２は、空洞体３２とその内部に収容されている海水の合計重量である。そして、ＦＮ２は、空洞体３２の内圧ＰＴ１に基づく鉛直上方向の力であり、空洞体３２の内部で打ち消し合って０である。
【００７４】
従って、３つのアンカー用空洞体３３に対して重量方向に働く力（ＦＳ１＋ＷＫ１−ＦＮ１）×ＧＬが、空洞体３２の鉛直上方向に働く力（ＦＳ２＋ＦＮ２−ＷＫ２）よりも大きくなるように、３つのアンカー用空洞体３３が形成されている。
【００７５】
ここで、ＦＳ１は、アンカー用空洞体３３の直線部分の単位長さ当たりに働く水圧に基づく重力方向の力であり、ＷＫ１は、アンカー用空洞体３３の単位長さ当たりの重量である。そして、ＦＮ１は、アンカー用空洞体３３の内圧（大気圧ＰＴ２）に基づく鉛直上方向の力であり、空洞体３２の内部、第２大気連通管３５、及びアンカー用空洞体３３の内部に収容されている海水の水圧によって生じる力である。
【００７６】
連結部３５は、空洞体３２と３つの各アンカー用空洞体３３とを互いに連結して、空洞体３２が浮き上がらないように、アンカー用空洞体３３に係留するためのものである。この実施形態では、図５に示すように、連結部３５は、第２大気連通管３５と共用しており、例えば金属管である。勿論、連結部３５は、第２大気連通管３５と共用せずに、別に設けてもよい。例えば連結部３５は、鎖やワイヤ等で形成し、第２大気連通管３５は、これとは別に設けてもよい。
【００７７】
第２大気連通管３５は、図５に示すように、空洞体３２の内部と、３つの各アンカー用空洞体３３の内部とを連通し、アンカー用空洞体３３の内部の圧力ＰＴ２が、空洞体３２の内部の圧力ＰＴ１と同程度の大気圧又はそれに近い圧力となるようにするものである。ここで、アンカー用空洞体３３の内部の圧力ＰＴ２が、空洞体３２の内部の圧力ＰＴ１よりも高くなっており、これは、空洞体３２の内部、第２大気連通管３５、及びアンカー用空洞体３３の内部に収容されている海水の水圧のためである。
【００７８】
ただし、この実施形態の第２大気連通管３５は、図５に示すように、空洞体３２の内部と、３つの各アンカー用空洞体３３の内部とを連通し、各アンカー用空洞体３３の内部を大気圧に近い圧力ＰＴ２となるようにしたが、これに代えて、第２大気連通管３５は、大気と、３つの各アンカー用空洞体３３の内部とを直接に連通するようにして、各アンカー用空洞体３３の内部を大気圧ＰＴ１となるようにしてもよい。
【００７９】
この図５に示す水圧発電装置３１によると、アンカー用空洞体３３の内部の圧力ＰＴ２が、大気圧に近い圧力となるようにして、アンカー用空洞体３３の下側に向かう開口の開口縁部１４ｂと、海底１３との間を水密封止することによって、アンカー用空洞体３３の外面に働く水圧ＰＳ１、その内面に働く内圧ＰＴ２、及びアンカー用空洞体３３の重量ＷＫ１に基づく重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１−ＦＮ１）が、空洞体３２及びアンカー用空洞体３３に働く鉛直上方向の力（ＦＳ２＋ＦＮ２−ＷＫ２）よりも大きくなるようにアンカー用空洞体３３が形成されている。このようにアンカー用空洞体３３を形成することによって、アンカー用空洞体３３に働く重力方向の力を利用して空洞体３２を海底１３に固定することができ、空洞体３２を海底１３に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【００８０】
次に、本発明に係る水圧発電装置の第３実施形態を、図６を参照して説明する。この図６に示す第３実施形態の水圧発電装置３８と、図１に示す第１実施形態の水圧発電装置１１とが相違するところは、以下に指摘するところである。
【００８１】
つまり、図１に示す第１実施形態では、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を空洞体１４の外部の海中に設けた構成としたのに対して、図６に示す第３実施形態では、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を空洞体１４の内部に設けた構成としたところが相違している。
【００８２】
この図６に示すようにすると、空洞体１４の内側は、大気圧ＰＴ１又はそれに近い圧力であるので、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５の耐圧性能を低減することができる。
【００８３】
ただし、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５の全てを空洞体１４の内部に設けたが、これに代えて、これらのうちの１つ又は２つを空洞体１４の内部に設けてもよい。
【００８４】
そして、図１に示す第１実施形態では、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を空洞体１４の外部の海中に設けて、海水に浸かる構成としたのに対して、図６に示す第３実施形態では、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を空洞体１４の内部に設け、この空洞体１４の内部に流入する海水に浸からない高さ位置（水位Ｈ１以上の高さ位置）に設けた構成としたところが相違している。
【００８５】
この図６に示すようにすると、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５が海水と接触して腐食することを抑制することができる。そして、発電電動機１８等を大気連通管の下端部よりも高い位置に配置することによって、空洞体１４内に流入する海水の水位が上昇しても、発電電動機１８等が海水に接触しないようにすることができる。
【００８６】
ただし、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５の全てを空洞体１４の内部に流入する海水に浸からない高さ位置に設けたが、これに代えて、これらのうちの１つ又は２つを空洞体１４の内部に流入する海水に浸からない高さ位置に設けてもよい。
【００８７】
そして、空洞体１４の内部に配置された水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５が水に浸からないようにするために、この水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を耐水性の容器内に収容してもよい。
【００８８】
これ以外は、第１実施形態と同等であり、同等部分を同一の図面符号で示し、それらの詳細な説明を省略する。
【００８９】
そして、上記各実施形態では、水車ポンプ１５は、水車及びポンプの両方の機能を有するものを採用したが、これに代えて、水車及びポンプを別個に設けてもよい。また、発電電動機１８は、発電機及び電動機の両方の機能を有するものを採用したが、これに代えて、発電機及び電動機を別個に設けてもよい。
【００９０】
更に、上記実施形態では、図１に示すように、水圧発電装置１１を海底１３に設けたが、これに代えて、湖沼や川の底に設けてもよい。
【００９１】
そして、上記各実施形態では、構造物の固定構造１２等を水圧発電装置１１等に適用した例を示したが、これ以外の構造物に適用することができる。この構造物として、例えば石油ガス生産リグや浮遊式原油生産貯蔵荷役設備を含む洋上生産基地を挙げることができる。また、水産物を養殖するための筏等を挙げることもできる。更に、海底や水底に配置される構造物を挙げることもできる。
【００９２】
また、上記各実施形態の大気連通管１６及び、第２大気連通管３５は、この水圧発電装置の点検や修理のための通路として使用できるようにしてもよい。
【００９３】
更に、図６に示す第３実施形態では、大気連通管１６の下端部は、空洞体１４の天井のうち、水車ポンプ１５及び発電電動機１８よりも低くなっている部分１４ｃに結合したが、これに代えて、空洞体１４の天井のうち、発電電動機１８及び水車ポンプ１５よりも高くなっている部分１４ｄに結合してもよい。
【００９４】
このようにすると、空洞体１４内の水位が上昇したときに、水車ポンプ１５及び発電電動機１８が設けられている空間１４ｅが、密閉された圧力空間とならずに略大気圧を維持することが可能である。これによって、この水車ポンプ１５や発電電動機１８の耐圧性能を低減することができるし、これらの点検や修理を、大気圧の環境で行うことができ、作業性の向上を図ることができる。
【００９５】
そして、上記各実施形態において、空洞体１４及びアンカー用空洞体３３が設けられる海底１３は、空洞体１４及びアンカー用空洞体３３の開口縁部１４ｂと、海底１３との間で、水圧による空洞体１４及びアンカー用空洞体３３内への海水の噴発を防止するために、地盤改良されて固められているものとするとよい。
【００９６】
この地盤改良は、例えば流動性を有する海底の土砂等に地盤硬化剤（セメント等）を混ぜ込むことによって行うことができる。
【００９７】
このようにすると、空洞体１４及びアンカー用空洞体３３の開口縁部１４ｂと、海底１３との間で、水圧による空洞体１４及びアンカー用空洞体３３内への水の噴発を防止することができる。これによって、空洞体１４及びアンカー用空洞体３３に働く重力方向の力を確実に確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように、本発明に係る水圧発電装置は、陸上の用地を確保するための手間と費用を削減することができる優れた効果を有し、このような水圧発電装置に適用するのに適している。そして、本発明に係る構造物の固定構造は、このような水圧発電装置に適用するのに適している。
【符号の説明】
【００９９】
１１ 水圧発電装置
１２ 構造物の固定構造
１３ 海底
１４ 空洞体
１４ａ 空洞
１４ｂ 開口縁部
１４ｃ、１４ｄ 天井の部分
１４ｅ 空洞体内の空間
１５ 水車ポンプ
１６ 大気連通管（大気連通部）
１７ 連通孔
１８ 発電電動機
１９、２０ 空洞部材
２０ａ 閉塞部
２１ 接続部
２２ 海面
２３ 水管
２４、２６ ケーブル
２５ 電磁式遮蔽弁（開閉弁）
２７、４１ ベルマウス
２８ 基礎ブロック
２９ シール部材
３１ 水圧発電装置
３２ 空洞体
３２ａ 空洞
３３ アンカー用空洞体
３４ 構造物の固定構造
３５ 連結部、第２大気連通管（第２大気連通部）
３８ 水圧発電装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電力消費地や、変電所等の電力施設から近い距離にある海底や水底又はその近くの水中に設けることができる水圧発電装置、及びこの水圧発電装置に使用することができる構造物の固定構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力需要のピークの時間帯に合わせて供給電力の増加を図る上で、揚水発電所は、有用なよく知られたものである。
【０００３】
しかし、揚水発電所の上部貯水池及び下部貯水池が、適切な高度差と距離にあることが必要であって、しかも、揚水発電所が、電力消費地や、変電所等の電力施設から近い距離にあるという適切な立地条件を満たすことが経済上望まれため、揚水発電所の適切な建設場所は、極めて限られている。従って、このような適切な立地条件を満たす新たな建設場所を確保することは、極めて困難な状況となっている。
【０００４】
従来の揚水発電設備の一例として、地下に設けられた地下水槽と、この地下水槽と海洋とを互いに連通する水路と、この水路に設けられた水車ポンプと、この水車ポンプに連結された発電電動機とを備えているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
この揚水発電設備によると、電力需要が旺盛な時間帯に海洋から海水を水路に通して地下水槽に落下させて、水車ポンプを水車として運転する。これによって、発電電動機を発電機として運転して発電することができ（発電運転）、この発電した電力によって電力需要の負荷の一部を賄うことができる。
【０００６】
そして、電力需要が少ない時間帯の夜間電力又は余剰電力を用いて発電電動機を電動機として運転すると共に、水車ポンプをポンプとして運転することによって、地下水槽に溜まっている海水を揚水して水路に通して海洋に排出する（排水運転）。これによって、発電運転の準備をすることができ、電力需要が旺盛な時間帯に発電運転をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２７８６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来の揚水発電設備は、沿岸に地下水槽を作ることが必要であって、しかも、このような地下水槽を必要とする揚水発電設備が、電力消費地や、変電所等の電力施設から近い距離にあることが経済上望まれるため、上記従来の揚水発電設備であっても、適切な立地条件を満たす新たな建設場所を確保することは、極めて困難であると言える。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、陸上の用地を確保するための手間と費用を削減することができる水圧発電装置及びそれに使用することができる構造物の固定構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る水圧発電装置は、海底や水底又はその近くに浮上しないように水中に固定手段により設けられ、内部に空洞を有する空洞体と、前記空洞体に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通部と、前記空洞体の壁部に設けられ、前記空洞体の内部と外部の水中とを連通する連通孔と、前記連通孔に連通するように設けられ、水車及びポンプとして機能する水車ポンプと、前記水車ポンプに連結され、発電機及び電動機として機能する発電電動機とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明に係る水圧発電装置によると、まず、空洞体の内部に海水又は水が収容されているときに、発電電動機を電動機として運転して、水車ポンプを回転させてポンプとして運転する。これによって、空洞体の内部の海水等を空洞体の外部の水中に排出することができ（排水運転）、このとき、大気中の空気が大気連通部を通って空洞体の内部に流入する。この空洞体の内部の圧力は、大気圧又はそれに近い圧力である。これで、この水圧発電装置を発電運転できる準備が整う。
【００１２】
次に、発電電動機を電動機から発電機としての運転に切り替えると共に、水車ポンプをポンプから水車としての運転に切り替える。しかる後に、空洞体の外部の水圧の掛った海水等の圧力水を、空洞体に設けられている連通孔に通して空洞体の内部に流入させる。このとき、連通孔を通る圧力水は、水車ポンプを回転させて、この水車ポンプが発電電動機を回転させて発電することができる（発電運転）。
【００１３】
ここで、空洞体の外部の水圧の掛った海水等の圧力水が、空洞体の連通孔を通る際に水車ポンプを回転させることができるのは、空洞体の内部の圧力（大気圧又はそれに近い圧力）と、空洞体の外部の海水等の水圧との圧力差によって、空洞体の外側の海水等が連通孔に流入するからである。
【００１４】
この発明に係る水圧発電装置において、前記固定手段は、前記空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止する構成を有し、前記空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記空洞体の重量に基づく重力方向の力が、それらに基づき鉛直上方向に働く力よりも大きくなるように形成されているものとするとよい。
【００１５】
このように、空洞体の内部の圧力が、大気圧又はそれに近い圧力となるようにして、空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止することによって、空洞体の外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び空洞体の重量に基づく重力方向の力が、それらに基づき鉛直上方向に働く力よりも大きくなるように空洞体を形成することができる。このように、空洞体を形成することによって、空洞体に働く重力方向の力を利用して空洞体を海底等に固定することができ、空洞体を海底等に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【００１６】
この発明に係る水圧発電装置において、前記空洞体は、海底や水底から間隔を隔てて配置され、前記固定手段は、海底や水底に設けられているアンカー用空洞体と、前記空洞体と前記アンカー用空洞体とを互いに連結する連結部と、前記空洞体の内部と前記アンカー用空洞体の内部とを連通し、又は前記アンカー用空洞体の内部と大気とを連通する第２大気連通部とを備え、前記アンカー用空洞体は、下側に向かう開口が形成され、前記開口を形成する開口縁部と、海底又は水底との間が封止され、更に、前記アンカー用空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記アンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、前記空洞体及び前記アンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように形成されているものとするとよい。
【００１７】
このように、アンカー用空洞体の内部の圧力が、大気圧又はそれに近い圧力となるようにして、アンカー用空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止することによって、アンカー用空洞体の外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及びアンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、空洞体及びアンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるようにアンカー用空洞体を形成すことができる。そして、このようにアンカー用空洞体を形成することによって、アンカー用空洞体に働く重力方向の力を利用して空洞体を海底等に固定することができ、空洞体を海底等に固定するための構造の簡単化を図ることができる。そして、複数の小さいアンカー用空洞体を使用して、それよりも大きい空洞体を海底等に固定するようにすることができる。これによって、空洞体を海底に直接に設置するために必要とされる広さの平坦な用地を確保できないときでも、空洞体をそのような海底に設置することができる。
【００１８】
この発明に係る水圧発電装置において、前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部に設けられているものとするとよい。
【００１９】
このようにすると、空洞体の内側は、大気圧又はそれに近い圧力であるので、水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方の耐圧性能を低減することができる。
【００２０】
この発明に係る水圧発電装置において、前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部の大気圧が掛る場所に設置されているもととするとよい。
【００２１】
このようにすると、この水車ポンプや発電電動機の耐圧性能を低減することができるし、これらの点検や修理を、大気圧の環境で行うことができ、作業性の向上を図ることができる。
【００２２】
この発明に係る水圧発電装置において、前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部に流入する海水又は水に浸からない空間に設けられているものとするとよい。
【００２３】
このようにすると、水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、海水や水と接触して腐食することを抑制することができる。
【００２４】
本発明に係る水圧発電装置は、海底や水底又はその近くに浮上しないように水中に固定手段により設けられ、内部に空洞を有する空洞体と、前記空洞体に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通部と、前記空洞体の壁部に設けられ、前記空洞体の内部と外部の水中とを連通する連通孔と、前記連通孔に連通するように設けられた水車ポンプと、前記水車ポンプに連結された発電電動機とを備え、前記水車ポンプは、水車及びポンプが別個に設けられ、又は水車及びポンプとして機能する水車ポンプであり、前記発電電動機は、発電機及び電動機が別個に設けられ、又は発電機及び電動機としての機能を有する発電電動機であることを特徴とするものである。
【００２５】
この発明に係る水圧発電装置によると、上記の水圧発電装置と同様に作用する。そして、水車ポンプは、水車及びポンプが別個に設けられたものとしてもよく、又は水車及びポンプとして機能する水車ポンプとしてもよい。また、発電電動機は、発電機及び電動機が別個に設けられたものとしてもよく、又は発電機及び電動機としての機能を有する発電電動機としてもよい。
【００２６】
本発明に係る構造物の固定構造は、海又は湖沼に配置される構造物を、海底又は水底に固定するための構造物の固定構造において、海底又は水底に設けられていて、前記構造物と一体に形成され、又は前記構造物と連結部を介して連結されたアンカー用空洞体と、前記アンカー用空洞体の内部と大気とを連通する大気連通部とを備え、前記アンカー用空洞体は、下側に向かう開口が形成され、前記開口を形成する開口縁部と、海底又は水底との間が封止され、前記アンカー用空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記アンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、前記構造物及び前記アンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように形成されていることを特徴とするものである。
【００２７】
この発明に係る構造物の固定構造によると、アンカー用空洞体の内部の圧力が、大気圧又はそれに近い圧力となるようにして、アンカー用空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止することによって、アンカー用空洞体の外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及びアンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、当該構造物及びアンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように、アンカー用空洞体を形成すことができる。このようにアンカー用空洞体を形成することによって、アンカー用空洞体に働く重力方向の力を利用して構造物を海底等に固定することができ、構造物を海底等に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【００２８】
この発明に係る構造物の固定構造において、前記アンカー用空洞体が設けられる前記海底又は水底は、前記アンカー用空洞体の前記開口縁部と、前記海底又は水底との間で、水圧による前記アンカー用空洞体内への水の噴発を防止するために、地盤改良されて固められているものとするとよい。
【００２９】
このようにすると、アンカー用空洞体の開口縁部と、海底又は水底との間で、水圧によるアンカー用空洞体内への水の噴発を防止することができる。これによって、アンカー用空洞体に働く重力方向の力を確実に確保することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る水圧発電装置によると、空洞体を海底や水底又はその近くの水中に固定して設ける構成としたので、この空洞体を設置するための用地を陸地で確保（買収等による確保）する必要がなく、その手間と費用の削減を図ることができる。
【００３１】
そして、このように空洞体を含む水圧発電装置を設置するための用地を陸地で確保する必要がないので、この水圧発電装置を、電力消費地や、変電所等の電力施設の近くに設置することが容易となり、電力の送電のための設備や、その設備の設置のための用地が少なくて済み、更に、送電による電力の損失の低減を図ることができる。
【００３２】
そして、発電の際に、海水等が大きな流速で連通孔を通って空洞体の内部に流入すると共に、空洞体の内部に収容されている空気が、大きな流速で大気連通部を通って大気中に放出されるが、この大きな流速で大気連通部を通るのは、密度が小さく流量係数が大きい空気であり、海水等ではないので、大気連通部の内径を小さくすることが可能であり、大気連通部の費用の低減を図ることができる。そして、密度が大きく流量係数が小さい海水等が大きな流速で連通孔を通るが、この連通孔の長さは、発電に使用される水圧の低下を抑制するように短縮することが可能であり、発電効率の向上を図ることができる。
【００３３】
更に、水圧発電装置は、海底に設けることができるので、風水害によって損傷する可能性が殆どなく、そのような損傷に対する修理に掛る手間や費用の削減を図ることができる。
【００３４】
本発明に係る構造物の固定構造は、アンカー用空洞体に働く水圧及びアンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、海や湖沼に配置される構造物をアンカー用空洞体から引き離そうとする力の鉛直上方向の力よりも大きくなるようにアンカー用空洞体が形成されている。このように、アンカー用空洞体を形成することによって、アンカー用空洞体に働く重力方向の力を利用して構造物を海底等に固定することができ、構造物を海底等に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の第１実施形態に係る水圧発電装置を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す水圧発電装置の空洞体を示す斜視図である。
【図３】図２に示す空洞体を構成する空洞部材を示す斜視図である。
【図４】図１に示す空洞体の封止構造を示す縦断面図である。
【図５】同発明の第２実施形態に係る水圧発電装置を示す縦断面図である。
【図６】同発明の第３実施形態に係る水圧発電装置を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係る水圧発電装置、及びそれに使用される構造物の固定構造の第１実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。この水圧発電装置１１は、図１に示すように、空洞体１４を、海底１３や水底又はその近くに浮上しないように水中に設けたものであり、この空洞体１４の内部の圧力ＰＴ１（大気圧又はそれに近い圧力）と、空洞体１４の外部の海水の水圧ＰＳ１との圧力差によって、水車ポンプ１５を回転させて発電することができるものである。
【００３７】
この水圧発電装置１１は、海底１３や水底又はその近くの水中に設けることができるものであるから、例えば電力消費地や、変電所等の電力施設から近い距離に設置することができる。
【００３８】
この水圧発電装置１１は、図１に示すように、空洞体１４と、大気連通管（大気連通部）１６と、連通孔１７と、水車ポンプ１５と、発電電動機１８とを備えており、構造物の固定構造１２によって海底１３に固定されている。
【００３９】
空洞体１４は、図２に示すように、例えば防水処理を施したコンクリート製であって、図３に示す略半円筒形状の空洞部材１９を軸方向に沿って複数接続した状態で、例えば約１００ｍの深さの海底１３に設置されている。そして、空洞体１４の両方の各端部の空洞部材２０は、一端部が閉塞部２０ａで閉じられている。また、略半円筒形状の空洞部材１９どうしの接続部２１は、シール部材で密封されている。この海底１３に設置された空洞体１４は、その内部に空洞１４ａが形成されている。
【００４０】
この空洞体１４を構成する空洞部材１９、２０は、例えばその半径Ｒが約５ｍであり、１つの空洞部材１９、２０の長さＬは、約２０ｍである。そして、このような空洞部材１９、２０を複数（例えば５つ）接続して空洞体１４が形成されている。ただし、空洞体１４は、図２及び図３に示す以外の形状及び大きさに形成してもよく、例えばドーム状に形成してもよい。
【００４１】
大気連通管１６は、例えば金属管であり、図１に示すように、その下端部が空洞体１４の頂部に結合し、その上端部が海面２２よりも上側に突き出ており、これによって、空洞体１４の内部と大気とを連通するようになっている。従って、空洞体１４の内部の圧力は、略大気圧ＰＴ１となっている。
【００４２】
連通孔１７は、図１に示すように、空洞体１４の側面壁部に貫通して設けられ、この連通孔１７には、水管２３が水密状態で装着されている。この水管２３は、空洞体１４の内部と外部の水中とを連通している。
【００４３】
水車ポンプ１５は、図１に示すように、水車及びポンプとして機能するものであり、水管２３の途中であって、空洞体１４の外部に設けられている。
【００４４】
発電電動機１８は、図１に示すように、発電機及び電動機として機能するものであり、水車ポンプ１５の回転軸に連結されている。この発電電動機１８は、空洞体１４の外部に設けられている。そして、この発電電動機１８には、ケーブル２４が接続している。このケーブル２４は、発電電動機１８が電動機として機能するときに、外部電力を発電電動機１８に供給することができる。そして、ケーブル２４は、発電電動機１８が発電機として機能するときに、発電電力を電力消費地や、変電所等の電力施設に送電することができる。
【００４５】
また、図１に示すように、水管２３の水車ポンプ１５よりも先端側には、電磁式遮蔽弁２５（開閉弁）が設けられている。この電磁式遮蔽弁２５によって水管２３を開閉することができる。この電磁式遮蔽弁２５には、ケーブル２６が接続しており、このケーブル２６は、地上から電磁式遮蔽弁２５を操作するための制御信号を送信するためのものである。
【００４６】
そして、水管２３の出入り両側の先端部には、ベルマウス２７、４１が取り付けられており、海水の流入及び流出をスムースに行えるようにしている。
【００４７】
次に、この空洞体１４を海底１３に固定している構造物の固定構造１２（固定手段）を、図４を参照して説明する。この構造物の固定構造１２は、空洞体１４が浮上しないように海底１３に固定することができ、しかも、この空洞体１４の下側に向かう開口の略長円形の開口縁部１４ｂと、海底１３との間を水密封止して、空洞体１４の内部を略大気圧ＰＴ１に保持することができる構成である。
【００４８】
図４に示すように、構造物の固定構造１２は、例えば海底１３にコンクリート製の基礎ブロック２８を設置し、この基礎ブロック２８上に、ガスケット、Ｏリング、パッキング等のシール部材２９を介して空洞体１４の下側開口縁部１４ｂをその上から圧接させた構造である。
【００４９】
ただし、構造物の固定構造１２は、上記以外の構成としてもよく、例えば海底１３が強固であれば、基礎ブロック２８を省略してもよい。また、ガスケットやＯリング等のシール部材２９を省略してもよい。
【００５０】
次に、図４を参照して、空洞体１４の下側開口を形成する開口縁部１４ｂが、シール部材２９を上から押し付けている力Ｆ１について説明する。今、空洞体１４の半径Ｒが約５ｍであり、この空洞体１４が設置されている海底１３の平均水深が１００ｍ（水圧ＰＳ１≒１００ｔｏｎ／ｍ２）とすると、空洞体１４の直線部分の長さ１ｍ当たり（単位長さ当たり）に働く水圧に基づく重力方向の力ＦＳ１は、
ＦＳ１＝水圧ＰＳ１×半径Ｒ×２×１
＝１００ｔｏｎ／ｍ２×５（ｍ）×２×１
＝１，０００ｔｏｎ ・・・・（１）
よって、空洞体１４の片側の開口縁部１４ｂ（直線部分の単位長さ当たり）に働く重力方向の力Ｆ１は、
Ｆ１＝（ＦＳ１＋重量ＷＫ１―ＦＮ１）／２
＝（１，０００ｔｏｎ＋ＷＫ１―ＦＮ１）／２・・・・（２）
ただし、ＦＳ１は、空洞体１４の直線部分の単位長さ当たりに働く水圧に基づく重力方向の力であり、ＷＫ１は、空洞体１４の単位長さ当たりの重量である。そして、ＦＮ１は、空洞体１４の単位長さ当たりに働く内圧（大気圧ＰＴ１）に基づく鉛直上方向の力である。
【００５１】
このように、空洞体１４の片側の開口縁部１４ｂ（直線部分の単位長さ当たり）に働く重力方向の力Ｆ１によって、空洞体１４の当該開口縁部１４ｂと、海底１３に設置された基礎ブロック２８との間にシール部材２９を強力に挟み込むことができ、この接続部の水密性を確保している。
【００５２】
また、この実施形態では、図４に示すように、空洞体１４の開口縁部１４ｂと、海底１３との間の接続部の水密性を確実なものとしたが、この接続部の水密性能をこれよりも低くしてもよい。つまり、この接続部から海水が空洞体１４の内部に少しずつ流入することがあっても、大気連通管１６から空気が排出されることによって、空洞体１４の内部圧力が上昇しない程度の海水の流入であるときは、空洞体１４に掛る重力方向の力は、殆ど低下しないからである。
【００５３】
しかし、海水が接続部から空洞体１４の内側に流入すると、その分だけ空洞体１４の容量（発電運転の際に、海水が流入することができる容量）が少なくなり、この容量は、発電可能な電力量に比例するので、発電可能な電力量が少なくなる。よって、この点を勘案して、空洞体１４の下側開口縁部１４ｂと、基礎ブロック２８（海底１３）との間の水密性能のレベルを決定する必要がある。
【００５４】
更に、空洞体１４は、図４に示すように、この空洞体１４の外面に働く水圧ＰＳ１、その内面に働く内圧ＰＴ１（大気圧又はそれに近い圧力）、及び空洞体１４の重量ＷＫ１に基づく重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１）が、それらに基づき空洞体１４に働く鉛直上方向の力ＦＮ１よりも大きくなるように空洞体１４が形成されている。よって、空洞体１４は、浮力によって浮き上がることがなく、海底１３に設置された空洞体１４は、安定した状態で長期間設置された状態を維持することができる。
【００５５】
次に、上記のように構成された水圧発電装置１１の作用を説明する。図１に示すこの水圧発電装置１１によると、まず、空洞体１４の内部に海水が収容されているときに、発電電動機１８を電動機として運転して、水車ポンプ１５を回転させてポンプとして運転する。このとき、電磁式遮蔽弁２５を開弁状態にする。これによって、空洞体１４の内部の海水を、水管２３（連通孔１７）に通して空洞体１４の外部の海中に排出することができ（排水運転）、このとき、大気中の空気が大気連通管１６を通って空洞体１４の内部に流入する。この空洞体１４の内部の圧力は、大気圧ＰＴ１又はそれに近い圧力である（図１に示す状態）。このとき、電磁式遮蔽弁２５を閉弁状態にする。これで、この水圧発電装置１１を発電運転できる準備が整う。
【００５６】
次に、発電電動機１８を電動機から発電機としての運転に切り替えると共に、水車ポンプ１５をポンプから水車としての運転に切り替える。しかる後に、電磁式遮蔽弁２５を開弁状態にして、空洞体１４の外部の水圧ＰＳ１の掛った海水の圧力水を、空洞体１４に設けられている水管２３（連通孔１７）に通して空洞体１４の内部に流入させる。このとき、水管２３を通って空洞体１４の内部に流入する圧力水は、水車ポンプ１５を回転させて、この水車ポンプ１５が発電電動機１８を回転させて発電することができる（発電運転）。
【００５７】
ここで、空洞体１４の外部の水圧ＰＳ１の掛った圧力水（海水）が、水管２３を通る際に水車ポンプ１５を回転させることができるのは、空洞体１４の内部の圧力（大気圧ＰＴ１又はそれに近い圧力）と、空洞体１４の外部の海水の水圧ＰＳ１との圧力差（ＰＳ１−ＰＴ１）によって、空洞体１４の外側の海水が水管２３を通って空洞体１４の内部に流入するからである。
【００５８】
また、上記の発電運転は、図１において、空洞体１４の内部の海水の水位がＨ２からＨ１となるまで行われ、上記の排水運転は、空洞体１４の内部の海水の水位がＨ１からＨ２となるまで行われる。そして、このＨ１からＨ２までの水位は、図示しない水位検出器によって検出され、水位がＨ２からＨ１、又はＨ１からＨ２となるまで自動で発電運転及び排水運転をすることができるようになっている。また、手動で発電運転及び排水運転をできるようにもなっている。
【００５９】
そして、図１に示す水圧発電装置１１によると、空洞体１４を海底１３に固定して設ける構成としたので、この空洞体１４を設置するための用地を陸地で確保（買収等による確保）する必要がなく、その手間と費用の削減を図ることができる。
【００６０】
このように、空洞体１４を含む水圧発電装置１１を設置するための用地を陸地で確保する必要がないので、この水圧発電装置１１を、電力消費地や、変電所等の電力施設の近くに設置することが容易となり、電力の送電のための設備や、その設備の設置のための用地が少なくて済み、更に、送電による電力の損失の低減を図ることができる。
【００６１】
そして、発電の際に、海水が大きな流速で水管２３を通って空洞体１４の内部に流入すると共に、空洞体１４の内部に収容されている空気が、大きな流速で大気連通管１６を通って大気中に放出されるが、この大きな流速で大気連通管１６を通るのは、密度が小さく流量係数が大きい空気であり、海水ではないので、大気連通管１６の管径を小さくすることが可能であり、大気連通管１６の費用の低減を図ることができる。そして、密度が大きく流量係数が小さい海水が大きな流速で水管２３を通るが、この水管２３の長さは、発電に使用される水圧の低下を抑制するように短縮することが可能であり、発電効率の向上を図ることができる。
【００６２】
更に、この水圧発電装置１１は、海底１３に設けることができるので、風水害によって損傷する可能性が殆どなく、そのような損傷に対する修理に掛る手間や費用の削減を図ることができる。そして、図１に示す大気連通管１６の上端開口部から海水が流入することを防止するために、この上端開口部を必要に応じて開閉できるように、開閉弁を設けることができる。
【００６３】
そして、図１に示すように、空洞体１４の内部の圧力ＰＴ１が、大気圧又はそれに近い圧力となるようにして、空洞体１４の下側に向かう開口の開口縁部１４ｂと、海底１３との間の接続部を水密封止することによって、単位長さの空洞体１４の外面に働く水圧ＰＳ１、その内面に働く内圧ＰＴ１、及び空洞体１４の単位長さ当たりの重量ＷＫ１に基づく重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１）が、それらに基づき鉛直上方向に働く力（大気圧ＰＴ１に基づく力）ＦＮ１よりも大きくなるように、空洞体１４が形成されている。このように空洞体１４を形成することによって、空洞体１４に働く重力方向の力を利用してこの空洞体１４を海底１３に固定することができ、空洞体１４を海底１３に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【００６４】
ただし、図１に示す空洞体１４は、重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１）が、鉛直上方向に働く力ＦＮ１よりも大きくなる形状であるので、いずれの水深位置の海底１３にこの空洞体１４を配置した場合でも、空洞体１４が海底１３から浮き上がることがなく、この重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ）によって、海底１３に安定した状態で設置することができる。
【００６５】
次に、本発明に係る水圧発電装置の第２実施形態を、図５を参照して説明する。この図５に示す第２実施形態の水圧発電装置３１と、図１に示す第１実施形態の水圧発電装置１１とが相違するところは、図１に示す第１実施形態では、空洞体１４の下側開口の周縁部１４ｂと海底１３との接続部を水密封止する構成としたのに対して、図５に示す第２実施形態では、空洞体３２とは別に複数のアンカー用空洞体３３を設け、これら複数のアンカー用空洞体３３を使用して空洞体３２を海底１３に固定する構成としたところである。
【００６６】
この図５に示す第２実施形態の水圧発電装置３１によると、複数の小さいアンカー用空洞体３３を使用して、それよりも大きい空洞体３２を海底１３に固定することができる。これによって、空洞体３２を海底１３に直接に設置するために必要とされる広さの平坦な用地を確保できないときでも、空洞体３２をそのような海底１３に設置することができる。
【００６７】
これ以外は、第１実施形態と同等であり、同等部分を同一の図面符号で示し、それらの詳細な説明を省略する。
【００６８】
この図５に示す空洞体３２は、例えば外形が回転楕円体の形状であり、内部に空洞３２ａが形成され、海底１３から間隔を隔てて水中に配置されている。この空洞体３２には、図１に示す第１実施形態と同様に、大気連通管１６、水管２３、水車ポンプ１５、及び発電電動機１８等が設けられている。勿論、空洞体３２の外形は、回転楕円体以外の形状としてもよい。
【００６９】
この図５に示す第２実施形態は、図１に示す第１実施形態と同様に排水運転及び発電運転を行うことができるので、それらの詳細な説明を省略する。
【００７０】
そして、構造物の固定構造３４（固定手段）は、図５に示すように、アンカー用空洞体３３と、連結部３５と、第２大気連通管（第２大気連通部）３５とを備えている。
【００７１】
図５に示す各アンカー用空洞体３３は、図１に示す第１実施形態の空洞体１４よりも小さい同等の形状であり、内部に空洞が形成されている。この実施形態では、アンカー用空洞体３３は、例えば３つ設けられている。この３つの各アンカー用空洞体３３は、図１及び図３に示す空洞体１４と同様に、アンカー用空洞体３３の単位長さ当たりの重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１）が、鉛直上方向に働く力ＦＮ１よりも大きくなる形状であり、いずれの水深位置の海底１３にこのアンカー用空洞体３３を配置した場合でも、このアンカー用空洞体３３が海底１３から浮き上がることがなく、この重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ−ＦＮ１）によって、海底１３に安定した状態で設置することができる。
【００７２】
そして、図５に示すように、アンカー用空洞体３３に対して働く単位長さ当たりの重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１−ＦＮ１）に、３つのアンカー用空洞体３３の合計長さＧＬを乗算して得られる力（ＦＳ１＋ＷＫ１−ＦＮ１）×ＧＬが、これら３つのアンカー用空洞体３３によって、空洞体３２に働く鉛直上方向の力に打ち克って、この空洞体３２を海底１３に引き留めておくことができる力となっている。
【００７３】
また、図５に示すＦＳ２は、空洞体３２の下面に掛る水圧ＰＳ２Ｂと、その上面に掛る水圧ＰＳ２Ａの差（ＰＳ２Ｂ−ＰＳ２Ａ）によって、この空洞体３２に働く鉛直上方向の力であり、ＷＫ２は、空洞体３２とその内部に収容されている海水の合計重量である。そして、ＦＮ２は、空洞体３２の内圧ＰＴ１に基づく鉛直上方向の力であり、空洞体３２の内部で打ち消し合って０である。
【００７４】
従って、３つのアンカー用空洞体３３に対して重量方向に働く力（ＦＳ１＋ＷＫ１−ＦＮ１）×ＧＬが、空洞体３２の鉛直上方向に働く力（ＦＳ２＋ＦＮ２−ＷＫ２）よりも大きくなるように、３つのアンカー用空洞体３３が形成されている。
【００７５】
ここで、ＦＳ１は、アンカー用空洞体３３の直線部分の単位長さ当たりに働く水圧に基づく重力方向の力であり、ＷＫ１は、アンカー用空洞体３３の単位長さ当たりの重量である。そして、ＦＮ１は、アンカー用空洞体３３の内圧（大気圧ＰＴ２）に基づく鉛直上方向の力であり、空洞体３２の内部、第２大気連通管３５、及びアンカー用空洞体３３の内部に収容されている海水の水圧によって生じる力である。
【００７６】
連結部３５は、空洞体３２と３つの各アンカー用空洞体３３とを互いに連結して、空洞体３２が浮き上がらないように、アンカー用空洞体３３に係留するためのものである。この実施形態では、図５に示すように、連結部３５は、第２大気連通管３５と共用しており、例えば金属管である。勿論、連結部３５は、第２大気連通管３５と共用せずに、別に設けてもよい。例えば連結部３５は、鎖やワイヤ等で形成し、第２大気連通管３５は、これとは別に設けてもよい。
【００７７】
第２大気連通管３５は、図５に示すように、空洞体３２の内部と、３つの各アンカー用空洞体３３の内部とを連通し、アンカー用空洞体３３の内部の圧力ＰＴ２が、空洞体３２の内部の圧力ＰＴ１と同程度の大気圧又はそれに近い圧力となるようにするものである。ここで、アンカー用空洞体３３の内部の圧力ＰＴ２が、空洞体３２の内部の圧力ＰＴ１よりも高くなっており、これは、空洞体３２の内部、第２大気連通管３５、及びアンカー用空洞体３３の内部に収容されている海水の水圧のためである。
【００７８】
ただし、この実施形態の第２大気連通管３５は、図５に示すように、空洞体３２の内部と、３つの各アンカー用空洞体３３の内部とを連通し、各アンカー用空洞体３３の内部を大気圧に近い圧力ＰＴ２となるようにしたが、これに代えて、第２大気連通管３５は、大気と、３つの各アンカー用空洞体３３の内部とを直接に連通するようにして、各アンカー用空洞体３３の内部を大気圧ＰＴ１となるようにしてもよい。
【００７９】
この図５に示す水圧発電装置３１によると、アンカー用空洞体３３の内部の圧力ＰＴ２が、大気圧に近い圧力となるようにして、アンカー用空洞体３３の下側に向かう開口の開口縁部１４ｂと、海底１３との間を水密封止することによって、アンカー用空洞体３３の外面に働く水圧ＰＳ１、その内面に働く内圧ＰＴ２、及びアンカー用空洞体３３の重量ＷＫ１に基づく重力方向の力（ＦＳ１＋ＷＫ１−ＦＮ１）が、空洞体３２及びアンカー用空洞体３３に働く鉛直上方向の力（ＦＳ２＋ＦＮ２−ＷＫ２）よりも大きくなるようにアンカー用空洞体３３が形成されている。このようにアンカー用空洞体３３を形成することによって、アンカー用空洞体３３に働く重力方向の力を利用して空洞体３２を海底１３に固定することができ、空洞体３２を海底１３に固定するための構造の簡単化を図ることができる。
【００８０】
次に、本発明に係る水圧発電装置の第３実施形態を、図６を参照して説明する。この図６に示す第３実施形態の水圧発電装置３８と、図１に示す第１実施形態の水圧発電装置１１とが相違するところは、以下に指摘するところである。
【００８１】
つまり、図１に示す第１実施形態では、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を空洞体１４の外部の海中に設けた構成としたのに対して、図６に示す第３実施形態では、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を空洞体１４の内部に設けた構成としたところが相違している。
【００８２】
この図６に示すようにすると、空洞体１４の内側は、大気圧ＰＴ１又はそれに近い圧力であるので、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５の耐圧性能を低減することができる。
【００８３】
ただし、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５の全てを空洞体１４の内部に設けたが、これに代えて、これらのうちの１つ又は２つを空洞体１４の内部に設けてもよい。
【００８４】
そして、図１に示す第１実施形態では、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を空洞体１４の外部の海中に設けて、海水に浸かる構成としたのに対して、図６に示す第３実施形態では、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を空洞体１４の内部に設け、この空洞体１４の内部に流入する海水に浸からない高さ位置（水位Ｈ１以上の高さ位置）に設けた構成としたところが相違している。
【００８５】
この図６に示すようにすると、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５が海水と接触して腐食することを抑制することができる。そして、発電電動機１８等を大気連通管の下端部よりも高い位置に配置することによって、空洞体１４内に流入する海水の水位が上昇しても、発電電動機１８等が海水に接触しないようにすることができる。
【００８６】
ただし、水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５の全てを空洞体１４の内部に流入する海水に浸からない高さ位置に設けたが、これに代えて、これらのうちの１つ又は２つを空洞体１４の内部に流入する海水に浸からない高さ位置に設けてもよい。
【００８７】
そして、空洞体１４の内部に配置された水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５が水に浸からないようにするために、この水車ポンプ１５、発電電動機１８、及び電磁式遮蔽弁２５を耐水性の容器内に収容してもよい。
【００８８】
これ以外は、第１実施形態と同等であり、同等部分を同一の図面符号で示し、それらの詳細な説明を省略する。
【００８９】
そして、上記各実施形態では、水車ポンプ１５は、水車及びポンプの両方の機能を有するものを採用したが、これに代えて、水車及びポンプを別個に設けてもよい。また、発電電動機１８は、発電機及び電動機の両方の機能を有するものを採用したが、これに代えて、発電機及び電動機を別個に設けてもよい。
【００９０】
更に、上記実施形態では、図１に示すように、水圧発電装置１１を海底１３に設けたが、これに代えて、湖沼や川の底に設けてもよい。
【００９１】
そして、上記各実施形態では、構造物の固定構造１２等を水圧発電装置１１等に適用した例を示したが、これ以外の構造物に適用することができる。この構造物として、例えば石油ガス生産リグや浮遊式原油生産貯蔵荷役設備を含む洋上生産基地を挙げることができる。また、水産物を養殖するための筏等を挙げることもできる。更に、海底や水底に配置される構造物を挙げることもできる。
【００９２】
また、上記各実施形態の大気連通管１６及び、第２大気連通管３５は、この水圧発電装置の点検や修理のための通路として使用できるようにしてもよい。
【００９３】
更に、図６に示す第３実施形態では、大気連通管１６の下端部は、空洞体１４の天井のうち、水車ポンプ１５及び発電電動機１８よりも低くなっている部分１４ｃに結合したが、これに代えて、空洞体１４の天井のうち、発電電動機１８及び水車ポンプ１５よりも高くなっている部分１４ｄに結合してもよい。
【００９４】
このようにすると、空洞体１４内の水位が上昇したときに、水車ポンプ１５及び発電電動機１８が設けられている空間１４ｅが、密閉された圧力空間とならずに略大気圧を維持することが可能である。これによって、この水車ポンプ１５や発電電動機１８の耐圧性能を低減することができるし、これらの点検や修理を、大気圧の環境で行うことができ、作業性の向上を図ることができる。
【００９５】
そして、上記各実施形態において、空洞体１４及びアンカー用空洞体３３が設けられる海底１３は、空洞体１４及びアンカー用空洞体３３の開口縁部１４ｂと、海底１３との間で、水圧による空洞体１４及びアンカー用空洞体３３内への海水の噴発を防止するために、地盤改良されて固められているものとするとよい。
【００９６】
この地盤改良は、例えば流動性を有する海底の土砂等に地盤硬化剤（セメント等）を混ぜ込むことによって行うことができる。
【００９７】
このようにすると、空洞体１４及びアンカー用空洞体３３の開口縁部１４ｂと、海底１３との間で、水圧による空洞体１４及びアンカー用空洞体３３内への水の噴発を防止することができる。これによって、空洞体１４及びアンカー用空洞体３３に働く重力方向の力を確実に確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように、本発明に係る水圧発電装置は、陸上の用地を確保するための手間と費用を削減することができる優れた効果を有し、このような水圧発電装置に適用するのに適している。そして、本発明に係る構造物の固定構造は、このような水圧発電装置に適用するのに適している。
【符号の説明】
【００９９】
１１ 水圧発電装置
１２ 構造物の固定構造
１３ 海底
１４ 空洞体
１４ａ 空洞
１４ｂ 開口縁部
１４ｃ、１４ｄ 天井の部分
１４ｅ 空洞体内の空間
１５ 水車ポンプ
１６ 大気連通管（大気連通部）
１７ 連通孔
１８ 発電電動機
１９、２０ 空洞部材
２０ａ 閉塞部
２１ 接続部
２２ 海面
２３ 水管
２４、２６ ケーブル
２５ 電磁式遮蔽弁（開閉弁）
２７、４１ ベルマウス
２８ 基礎ブロック
２９ シール部材
３１ 水圧発電装置
３２ 空洞体
３２ａ 空洞
３３ アンカー用空洞体
３４ 構造物の固定構造
３５ 連結部、第２大気連通管（第２大気連通部）
３８ 水圧発電装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底や水底又はその近くに浮上しないように水中に固定手段により設けられ、内部に空洞を有する空洞体と、
前記空洞体に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通部と、
前記空洞体の壁部に設けられ、前記空洞体の内部と外部の水中とを連通する連通孔と、
前記連通孔に連通するように設けられ、水車及びポンプとして機能する水車ポンプと、
前記水車ポンプに連結され、発電機及び電動機として機能する発電電動機とを備えることを特徴とする水圧発電装置。
【請求項２】
前記固定手段は、前記空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止する構成を有し、
前記空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記空洞体の重量に基づく重力方向の力が、それらに基づき鉛直上方向に働く力よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の水圧発電装置。
【請求項３】
前記空洞体は、海底や水底から間隔を隔てて配置され、
前記固定手段は、
海底や水底に設けられているアンカー用空洞体と、
前記空洞体と前記アンカー用空洞体とを互いに連結する連結部と、
前記空洞体の内部と前記アンカー用空洞体の内部とを連通し、又は前記アンカー用空洞体の内部と大気とを連通する第２大気連通部とを備え、
前記アンカー用空洞体は、下側に向かう開口が形成され、前記開口を形成する開口縁部と、海底又は水底との間が封止され、更に、
前記アンカー用空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記アンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、前記空洞体及び前記アンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の水圧発電装置。
【請求項４】
前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水圧発電装置。
【請求項５】
前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部の大気圧が掛る場所に設置されていることを特徴とする請求項４記載の水圧発電装置。
【請求項６】
前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部に流入する海水又は水に浸からない空間に設けられていることを特徴とする請求項４記載の水圧発電装置。
【請求項７】
海底や水底又はその近くに浮上しないように水中に固定手段により設けられ、内部に空洞を有する空洞体と、
前記空洞体に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通部と、
前記空洞体の壁部に設けられ、前記空洞体の内部と外部の水中とを連通する連通孔と、
前記連通孔に連通するように設けられた水車ポンプと、
前記水車ポンプに連結された発電電動機とを備え、
前記水車ポンプは、水車及びポンプが別個に設けられ、又は水車及びポンプとして機能する水車ポンプであり、
前記発電電動機は、発電機及び電動機が別個に設けられ、又は発電機及び電動機としての機能を有する発電電動機であることを特徴とする水圧発電装置。
【請求項８】
海又は湖沼に配置される構造物を、海底又は水底に固定するための構造物の固定構造において、
海底又は水底に設けられていて、前記構造物と一体に形成され、又は前記構造物と連結部を介して連結されたアンカー用空洞体と、
前記アンカー用空洞体の内部と大気とを連通する大気連通部とを備え、
前記アンカー用空洞体は、下側に向かう開口が形成され、前記開口を形成する開口縁部と、海底又は水底との間が封止され、
前記アンカー用空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記アンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、前記構造物及び前記アンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする構造物の固定構造。
【請求項９】
前記アンカー用空洞体が設けられる前記海底又は水底は、
前記アンカー用空洞体の前記開口縁部と、前記海底又は水底との間で、水圧による前記アンカー用空洞体内への水の噴発を防止するために、地盤改良されて固められていることを特徴とする請求項８記載の構造物の固定構造。
【請求項１】
海底や水底又はその近くに浮上しないように水中に固定手段により設けられ、内部に空洞を有する空洞体と、
前記空洞体に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通部と、
前記空洞体の壁部に設けられ、前記空洞体の内部と外部の水中とを連通する連通孔と、
前記連通孔に連通するように設けられ、水車及びポンプとして機能する水車ポンプと、
前記水車ポンプに連結され、発電機及び電動機として機能する発電電動機とを備えることを特徴とする水圧発電装置。
【請求項２】
前記固定手段は、前記空洞体の下側に向かう開口の開口縁部と、海底又は水底との間を封止する構成を有し、
前記空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記空洞体の重量に基づく重力方向の力が、それらに基づき鉛直上方向に働く力よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の水圧発電装置。
【請求項３】
前記空洞体は、海底や水底から間隔を隔てて配置され、
前記固定手段は、
海底や水底に設けられているアンカー用空洞体と、
前記空洞体と前記アンカー用空洞体とを互いに連結する連結部と、
前記空洞体の内部と前記アンカー用空洞体の内部とを連通し、又は前記アンカー用空洞体の内部と大気とを連通する第２大気連通部とを備え、
前記アンカー用空洞体は、下側に向かう開口が形成され、前記開口を形成する開口縁部と、海底又は水底との間が封止され、更に、
前記アンカー用空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記アンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、前記空洞体及び前記アンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の水圧発電装置。
【請求項４】
前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水圧発電装置。
【請求項５】
前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部の大気圧が掛る場所に設置されていることを特徴とする請求項４記載の水圧発電装置。
【請求項６】
前記水車ポンプ及び発電電動機のうちのいずれか一方又は両方が、前記空洞体の内部に流入する海水又は水に浸からない空間に設けられていることを特徴とする請求項４記載の水圧発電装置。
【請求項７】
海底や水底又はその近くに浮上しないように水中に固定手段により設けられ、内部に空洞を有する空洞体と、
前記空洞体に設けられ、その内部と大気とを連通する大気連通部と、
前記空洞体の壁部に設けられ、前記空洞体の内部と外部の水中とを連通する連通孔と、
前記連通孔に連通するように設けられた水車ポンプと、
前記水車ポンプに連結された発電電動機とを備え、
前記水車ポンプは、水車及びポンプが別個に設けられ、又は水車及びポンプとして機能する水車ポンプであり、
前記発電電動機は、発電機及び電動機が別個に設けられ、又は発電機及び電動機としての機能を有する発電電動機であることを特徴とする水圧発電装置。
【請求項８】
海又は湖沼に配置される構造物を、海底又は水底に固定するための構造物の固定構造において、
海底又は水底に設けられていて、前記構造物と一体に形成され、又は前記構造物と連結部を介して連結されたアンカー用空洞体と、
前記アンカー用空洞体の内部と大気とを連通する大気連通部とを備え、
前記アンカー用空洞体は、下側に向かう開口が形成され、前記開口を形成する開口縁部と、海底又は水底との間が封止され、
前記アンカー用空洞体は、その外面に働く水圧、その内面に働く内圧、及び前記アンカー用空洞体の重量に基づく重力方向の力が、前記構造物及び前記アンカー用空洞体に働く鉛直上方向の力よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする構造物の固定構造。
【請求項９】
前記アンカー用空洞体が設けられる前記海底又は水底は、
前記アンカー用空洞体の前記開口縁部と、前記海底又は水底との間で、水圧による前記アンカー用空洞体内への水の噴発を防止するために、地盤改良されて固められていることを特徴とする請求項８記載の構造物の固定構造。
【図２】
【図３】
【図４】
【図１】
【図５】
【図６】
【図３】
【図４】
【図１】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７９６１２（Ｐ２０１３−７９６１２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２０３９２（Ｐ２０１１−２２０３９２）
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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