CN101542112A - 水力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的水力发电装置(1)，包括：具有从入水侧开口部(7a)向排水侧开口部(7b)贯通的流水通道(7c)而被淹没在流动的水中所使用的壳体部件(7)；具有多个叶片部(3a)的一对旋转翼(3)，所述多个叶片部(3a)分别与各旋转轴(2)固定为一体而布置在壳体部件(7)的流水通道(7c)内；设置在各旋转轴(2)一端的发电机(9)；设置在壳体部件(7)的入水侧开口部(7a)的、且其开口端面积向下游侧逐渐减小而形成水流增速部(7d)。

Description

水力发电装置
技术领域
本发明涉及一种设置于河流或人工水渠等的水力发电装置。
背景技术
在水渠的渠道中设置堤坝并利用所产生的水位的落差来进行小水力发电的水力发电装置已被人们广泛知晓(例如，“特开平11-30179号”)。
该水力发电装置通过将管道内设有水轮机的“L”字形导流管布置在堤坝的上游侧，利用由导流管内的水流而进行旋转的水轮机来驱动发电机。
但是，在这种利用水位的落差的水力发电装置中，为了在水渠的渠道形成高低位差而需要设置上述堤坝或“L”字形导流管，即有必要设置除了水轮机以外的用于发电的专用设备。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，本发明的目的在于提供一种即使不积极利用水位的落差等，也能用较小的水流来有效率地进行水力发电的水力发电装置。
为了达到上述目的，根据本发明的水力发电装置包含：具有从入水侧开口部向排水侧开口部贯通的贯通穴形成的流水通道而被淹没在流动的水中所使用的壳体部件；在所述被淹没的壳体部件的流水通道内分别以沿水深方向竖立的形态而设置的、且使其各自一端以浮出水面的状态下沿所述流水通道的宽度方向相隔间距而对向布置的一对旋转轴；分别与所述各旋转轴固定为一体、并布置于所述壳体部件流水通道内的具有多个叶片部的旋转翼；设置于所述各旋转轴的所述一端的发电机；设置在所述壳体部件的所述入水侧开口部、且其开口端的面积向下游侧逐渐减小而形成的水流增速部。
即，本发明根据设置在被淹没的壳体部件的入水侧开口部的水流增速部而增大水的流速，并可以利用提高了流速的水流来驱动连接于发电机的旋转翼，因此在水流缓慢的情况下也能有效率地进行发电。
因此，根据本发明可以提供无需积极利用水位的落差等，也能用较小的水流来有效地进行水力发电的水力发电装置。
附图说明
图1为示出根据本发明的第一实施例的水力发电装置的立体图；
图2为图1所示的水力发电装置的透视图；
图3为从上方看图1所示的水力发电装置的剖面图；
图4为从侧面看图1所示的水力发电装置的剖面图。
图5为示出图1的水力发电装置所具有的旋转翼的叶片部所产生的作用的俯视图；
图6为示出图5的叶片部结构的分解立体图；
图7为示出在图1的水力发电装置所具有的壳体部件的流水通道的宽度方向上的旋转翼的布置与水流流速变化的对应关系的示意图；
图8为示出在图1的水力发电装置所具有的壳体部件的水深方向上的旋转翼的布置与水流流速变化的对应关系的示意图；
图9为从上方看根据本发明第二实施例的水力发电装置的剖面图；
图10为从侧面看图9所示的水力发电装置的剖面图；
图11为从上方看根据本发明的第三实施例的水力发电装置的剖面图；
图12为示出图11的水力发电装置所具有的旋转翼的叶片部所产生的作用的俯视图；
图13为示出与图12的叶片部结构不同的另一种叶片部所产生的作用的俯视图；
图14为示出与图12及图13的叶片部结构不同的另一种叶片部所产生的作用的俯视图；
图15为示出与图12至图14的叶片部结构不同的其他叶片部所产生的作用的俯视图；
图16为示出根据本发明的第四实施例的水力发电装置的立体图；
图17为图16所示的水力发电装置的透视图；
图18为从上方看图16所示水力发电装置的剖面图；
图19为从正面看图16所示水力发电装置的剖面图；
图20为从侧面看图16所示水力发电装置的剖面图；
图21为示出根据本发明的第五实施例的水力发电装置的立体图；
图22为图21所示的水力发电装置的透视图；
图23为从上方看图21所示水力发电装置的剖面图；
图24为从正面看图21所示的水力发电装置的剖面图。
具体实施方式
下面基于附图说明用于实施本发明的最佳实施方式。
[第一实施方式]
图1为示出根据本发明的第一实施例的水力发电装置1的立体图，而且，图2为该水力发电装置1的透视图。另外，图3为从上方看水力发电装置1的剖面图，图4为从侧面看水力发电装置1的剖面图。进一步，图5为示出水力发电装置1所具有的旋转翼3的叶片部3a所产生的作用的俯视图，图6为示出叶片部3a结构的分解立体图。另外，图7为示出在水力发电装置1所具有的壳体部件7的流水通道7c的宽度方向上的旋转翼3的布置与水流流速的变化的对应关系的示意图。进一步，图8为示出在壳体部件7的流水通道7c的水深方向上的旋转翼3的布置与水流流速的变化的对应关系的示意图。
如图1至图4所示，本实施例中的水力发电装置1是利用河流或下水道等大致上在水平方向上流动的水流来进行发电的垂直轴型小水力发电装置，该水力发电装置1主要包含壳体部件7、一对旋转轴2及旋转翼3、增速机8、发电机9及漂浮部10。
如图1至图4所示，壳体部件7具有由从入水侧开口部7a向排水侧开口部7b贯通的贯通穴形成的流水通道7c而被淹没在流动的水中而使用。一对旋转轴2在被淹没的壳体部件7的水路7c内分别沿水深方向(垂直方向)竖立的形态而设置。另外，所述一对旋转轴2分别使其一端以浮出水面的状态沿流水通道7c的宽度方向相隔预定的间距而对向布置。
另外，一对旋转翼3通过轮毂6及连接轴5与各旋转轴2固定为一体的同时具有布置于壳体部件7的流水通道7c内的多个(例如四个)叶片部3a。即，四个叶片部3a通过向旋转轴2的径向(不同的四个方向)延伸的四个连接轴5经由轮毂6以等角度(相隔90°)固定于该旋转轴2。而且，各叶片部3a为了由通过不同翼面的水流来产生升力而形成流线型。
在固定有这种旋转翼3的上述各旋转轴2的一端上经由增速机8连接有发电机9。增速机8调节与旋转翼3一起旋转的旋转轴2的转速而向连接有负载电源的发电机9传递旋转轴2的驱动力。漂浮部10例如可以构成为中空结构而设置，以用于至少使增速机8及发电机9漂浮在水面上。即，该漂浮部10可以作为固定在置于河流或用水渠的河边(陆地上)等的物体上或者固定在以自身的浮力浮在水面上的其它物体上的构成部分而设置。
另外，如图1至图4所示，在壳体部件7的入水侧开口部7a设有以其开口端面积向下游侧逐渐减小的方式形成的水流增速部7d。即，该水流增速部7d通过逐渐缩小从入水侧开口部7a的开口端到流水通道7c的区间的水的流道，使管状的壳体部件7内成为压力管状态，从而根据伯努利定律没有极力增加损失压头(阻力)就将入水速度V1增加为流速V2。
另外，一方面，在壳体部件7的排水侧开口部7b设有以其开口面积从上游侧向开口端侧逐渐增加的方式形成的紊流抑制部7e。即，该紊流抑制部7e从壳体部件7的流水通道7c内将水的流速V2降低为流速V3，并且通过实现畅通的排水而抑制排水侧开口部7b的后方周围产生的紊流，由此降低损失压头(阻力)。
进一步，如图5及图6所示，旋转翼3具有刀片形状(旋翼型)的四个叶片部3a。如图6所示，叶片部3a通过用铝合金板等从外侧覆盖玻璃钢(FRP：FiberReinforced Plastics)制的框架3b，以此构成其表面的流面形状。另外，本实施例的叶片部3a是升力型的叶片部3a，如图5及图7所示，在壳体部件7的流水通道7c的宽度方向上，在该宽度方向的中央部受自上游侧流入的水流Wa、Wb时，由该水流Wa、Wb通过各翼面时的水流的路径长度之差来产生升力P1，并通过垂直于此时的法线方向分力P3的切线方向的分力P2来得到旋转翼3的旋转力。
即，如图3所示，水力发电装置1的叶片部3a形成为根据流经一对旋转翼3的旋转轴2之间的水流，布置在图中右侧的旋转翼3向箭头S2方向旋转，同时布置在图中左侧的旋转翼3向箭头S1方向旋转的形状。
在此，本实施例的叶片部3a形成为在壳体部件7的流水通道7c的宽度方向上，与在该宽度方向的中央部(主要是图3所示状态)受自上游侧(入水侧开口部7a)流入的水流的叶片部3a截面积相比，在流水通道7c的宽度方向的边缘侧受自上游侧流入的水流的叶片部3a截面积更小。
据此，如图3、图5及图7所示，在流速缓慢的流水通道7c的边缘侧使叶片部3a的截面积小的部位(狭窄的部位)承受水流，以此减小水的阻力，而在流速快的流水通道7c的中央部使叶片部3a的截面积大的部位(宽的部位)承受水流，以此得到大的升力，因此可以使旋转翼3有效率地旋转。
进一步，如图4及图8所示，本实施例的叶片部3a形成为在壳体部件的流水通道7c的水深方向(深度方向)上，与在该水深方向的中央部承受从上游侧流入的水流的叶片部3a的截面积相比，在水深方向的水面侧或水底侧承受从上游侧流入的水流的叶片部3a的截面积更小。
因此，如图4及图8所示，在流速缓慢的流水通道7c的水面侧或水底侧使叶片部3a的截面积小的部位(狭窄的部位)承受水流，以减小水的阻力，一方面，在流速快的流水通道7c的水深方向的中央部使叶片部3a的截面积大的部位(宽的部位)承受水流，以得到大的升力，从而可以使旋转翼3有效率地旋转。
如上所述，本实施例的水力发电装置1可以在抑制紊流发生的基础上使壳体部件7的流水通道7c内涌入提高了流速的水流，并且利用所述提高了流速的水流来如上所述地有效率地驱动连接于发电机9的旋转翼3。据此，根据本发明的水力发电装置1无需积极地利用水位的落差等，利用较小的水流也可以有效率地进行水力发电。
[第二实施方式]
图9及图10为用于说明根据本发明的第二实施例的示意图。图9相当于所述第一实施例中的图3，是从上方看水力发电装置1的剖面图，图10相当于所述第一实施例中的图4，是从侧面看水力发电装置1的剖面图。
本实施例与第一实施例相比，不同点在于在壳体部件7的入水侧开口部7a设有前方水量调节板8的同时在壳体部件7的排水侧开口部7b设有后方调整板9，其它结构与第一实施方式相同。因此，在本实施例中，针对前方水量调节板8及后方调整板9说明它们的特征及作用效果。
前方水量调节板8为了在壳体部件7的入水侧开口部7a中改变朝向入水侧的开口程度而以入水侧开口部7a的连接部为中心旋转自如地设置。因此，当水的流速高时减小前方水量调节板8的开口程度，而当水的流速低时增大前方水量调节板8的开口程度，以此可以调节流入壳体部件7的水量。
即，当水的流速高而需要抑制流入壳体部件7的水量时减小前方水量调节板8的开口程度，而当水的流速低而需要增加流入壳体部件7的水量时增大前方水量调节板8的开口程度。据此，可以将水力发电装置1中的发电量调节为适宜的大小。
如图9所示，由于壳体部件7具有水流增速部7d，因此排水侧开口部7b的水的流速V3有时会大于在壳体部件7的外侧流动的水的流速V4。因此，如果在壳体部件7内流动的水和在壳体部件7的外侧流动的水在排水侧开口部7b直接接触，则因为两者的速度差有时会产生紊流。
但是，如本实施例所示，由于在壳体部件7的排水侧开口部7b设置后方调整板9，从而在壳体部件7内流动的水和在壳体部件7的外侧流动的水在经过后方调整板9之后才会接触。据此，在排水侧开口部7b不会发生如上所述的内外侧水流直接接触的现象，因此即使在排水侧开口部7b中的水的流速V3大于在壳体部件7的外侧流动的水的流速V4的情况下也能抑制紊流的产生。
[第三实施方式]
下面，基于图11至图15说明本发明的第三实施例。在此，图11为从上方看根据本发明的第三实施例的水力发电装置21的剖面图，图12为示出水力发电装置21所具有的旋转翼23的阻力型叶片部23a所产生的作用的俯视图。另外，图13为示出升力·阻力并用型叶片部33所产生的作用的俯视图，图14为示出一部分结构不同于图13的叶片部33的升力·阻力并用型叶片部43所产生的作用的俯视图。进一步，图15为示出一部分结构不同于图13及图14的叶片部的升力·阻力并用型叶片部63所产生的作用的俯视图。另外，在图11至图15中，对与图1至图8所示的第一实施例的水力发电装置1中的结构相同的组成部分赋予相同的符号，并省略其说明。
如图11及图12所示，本实施例的水力发电装置21以旋转翼23替代了第一实施例的水力发电装置1所具有的旋转翼3。即，旋转翼23分别具有四个阻力型的叶片部23a。这些叶片部23a具有用来承受由水流产生的阻力的萨沃纽斯部(Savonius)(凹部)23b，通过萨沃纽斯部23b所受到的阻力Wk来使旋转翼23旋转。即，如图11所示，水力发电装置21的叶片部23a形成为流经一对旋转翼23的旋转轴2之间的水流，使配置在图中右侧的旋转翼23朝箭头S1方向旋转，并使配置在图中左侧的旋转翼23朝箭头S2方向旋转的形状。
在此，本实施例的叶片部23a在壳体部件7的流水通道7c的宽度方向上，与在该宽度方向的中央部承受从上游侧流入的水流的叶片部23a的截面积(构成萨沃纽斯部23b的部位的截面积)相比，在流水通道7c的宽度方向的边缘侧承受自上游侧流入的水流的叶片部23a的截面积更小。
据此，如图11及图12所示，在流速缓慢的流水通道7c的边缘侧使叶片部23a的截面积小的部位(狭窄的部位)承受水流，以减小水的阻力，一方面，在流速快的流水通道7c的中央部使截面积大的萨沃纽斯部23b承受水流(以得到大的阻力)，从而可以使旋转翼23有效率地旋转。
在此，如图13及图14所示，可以使用分别具有萨沃纽斯部33b、43b并分别具有可以产生升力的叶片形状的升力·阻力并用型叶片部33a、43a的旋转翼33、43来替代这种具有阻力型叶片部23a的旋转翼23。在使用这些旋转翼33、43的情况下流速缓慢的流水通道7c边缘侧也能通过萨沃纽斯部33b、43b得到旋转翼33、43的驱动力，由此可以改善起动时难以得到升力的旋转翼起动时的特性。另外，在图14所示的旋转翼43中，萨伏纽斯部43b比图13所示的旋转翼33的萨伏纽斯部33b距离旋转中心更靠外周侧而设置，因此可以得到更高的旋转力矩，从而旋转翼43能够得到更高的旋转力。
此外，如图15所示，也可以使用实心(内部塞满)材料作为叶片部的构成材料的同时还可以使用分别具备设有萨沃纽斯部63b且还包含设有贯通叶片部本体的两个贯通穴63c的升力·阻力并用型叶片部63a的旋转翼63替代所述旋转翼43。所述贯通穴63c在可以将流经内部的水流挤压孔的内壁面的压力作为转动旋转翼63的动力的方向被穿孔。此时，在所述升力·阻力并用型叶片部的效果的基础上还可以添加水流经贯通穴63c时得到的动力而作为旋转翼63的驱动力。
[第四实施方式]
接着，基于图16至图20说明根据本发明的第四实施例。在此，图16为根据本发明的第四实施例的水力发电装置51的立体图，图17为水力发电装置51的透视图。另外，图18为从上方看水力发电装置51的剖面图，图19为从正面看水力发电装置51的剖面图。进一步，图20为从侧面看水力发电装置51的剖面图。另外，在图16至图20中，对于与图1至图8中所示的第一实施例的水力发电装置1上的结构相同的组成部分赋予相同的符号，并省略其说明。
即，如图16至图20所示，本实施例的水力发电装置51具有壳体部件57及旋转翼53以用于替代第一实施例的水力发电装置1所具有的壳体部件7及旋转翼3等。
具有作为多个涡轮机(Turbine)翼的叶片部53a的旋转翼(涡轮机翼车)53形成为涡轮机形状。如图18及图19所示，水力发电装置51的叶片部53a形成为流经一对旋转翼53的旋转轴2之间的水流，使配置在图中右侧的旋转翼53朝箭头S1方向旋转，并使配置在图中左侧的旋转翼53朝箭头S2方向旋转的形状。
在此，如图18及图19所示，在使用涡轮机形状的旋转翼53的本实施例的水力发电装置51中，在壳体部件57设置有在壳体部件57的流水通道7c的宽度方向上抑制(限制)相对各旋转翼的旋转轴2位于更靠近边缘侧的水的流动的水流抑制部57f。具体来讲，水流抑制部57f为避免在涡轮机形状的旋转翼53上发生逆转而可以构成为覆盖各旋转翼53的一半部分的壁部(在壳体部件57的流水通道7c中，覆盖相对各旋转翼53的旋转轴2更靠近流水通道7c的边缘侧的叶片部的一半的壁部)。据此，可以适当地转动旋转翼53。
另外，所述涡轮机形状的旋转翼53形成为在壳体部件57的流水通道7c的水深方向上，与位于该水深方向的中央部的径向翼长相比，位于水深方向的水面侧或水底侧的径向翼长更短。
据此，如图19及图20所示，在壳体部件57中，在流速缓慢的流水通道7c的水面侧或水底侧使叶片部53a的翼长短的部位承受水流，以减小水的阻力，一方面，在流速快的流水通道7c的水深方向的中央部使叶片部53a的翼长长的部位承受水流，从而可以有效率地转动旋转翼3。
[第5实施方式]
本实施例是所述第四实施方式的变形实施例。在本实施例中使用横流型(cross-flow)旋转翼来代替所述涡轮机形的旋转翼53。图21至图24为简要示出具有横流型旋转翼的水力发电装置的组成的示意图。在此，对于类似或相同的组成部件使用相同的符号。
图21为示出本实施例的水力发电装置51的立体图，图22为水力发电装置51的透视图。另外，图23为从上方看水力发电装置51的剖面图，图24为从正面看水力发电装置51的剖面图。
在本实施例中，设置横流型的旋转翼54来代替涡轮机形的旋转翼53，叶片部54a形成为流经一对旋转翼54的旋转轴2之间的水流，使配置在图中右侧的旋转翼54朝箭头S1方向旋转，并使配置在图中左侧的旋转翼53朝箭头S2方向旋转的形状。
另外，如图23及图24所示，在壳体部件57上设置有在壳体部件57的流水通道7c的宽度方向上抑制(限制)相对各旋转翼的旋转轴2位于更靠近边缘侧的水的流动的水流抑制部57f。具体来讲，水流抑制部57f为避免在横流型的旋转翼54上发生逆转而可以构成为覆盖各旋转翼54的一半部分的壁部(在壳体部件57的流水通道7c内，覆盖相对各旋转翼54的旋转轴2更靠近流水通道7c的边缘侧的叶片部的一半的壁部)。据此，可以适当地转动旋转翼54。
以上，根据各实施例具体说明了本发明，但本发明并不限定于这些实施例，在不脱离本发明宗旨的范围内，可以进行各种变更。

Claims (11)

1、一种水力发电装置，其特征在于包含：
具有从入水侧开口部向排水侧开口部贯通的贯通穴形成的流水通道而被淹没在流动的水中所使用的壳体部件；
在所述被淹没的壳体部件的流水通道内分别沿水深方向竖立的形态而设置的、且使其各自一端以浮出水面的状态沿所述流水通道的宽度方向相隔间距而对向布置的一对旋转轴；
分别与所述各旋转轴固定为一体、并布置于所述壳体部件流水通道内的具有多个叶片部的旋转翼；
设置于所述各旋转轴的所述一端的发电机；
设置在所述壳体部件的所述入水侧开口部、且其开口端的面积向下游侧逐渐减小而形成的水流增速部。
2、根据权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于还包含设置在所述壳体部件的所述排水侧开口部、且其开口面积从上游侧向开口端侧逐渐增大而形成的紊流抑制部。
3、根据权利要求1或2所述的水力发电装置，其特征在于包含设置在所述壳体部件的所述入水侧开口部的用来调节流入所述壳体部件的水量的前方水量调节板。
4、根据权利要求3所述的水力发电装置，其特征在于所述前方水量调节板旋转自如地设置在所述入水侧开口部的连接部，以增减入水侧的开口面积。
5、根据权利要求1至4中的任意一项所述的水力发电装置，其特征在于包含设置在所述壳体部件的所述排水侧开口部的后方调整板，用来调整从所述壳体部件流出的水的流速。
6、根据权利要求1至5中的任意一项所述的水力发电装置，其特征在于所述叶片部形成为刀片形状，并且在所述壳体部件的流水通道的宽度方向上，与在该宽度方向的中央部受自上游侧流入的水流的所述叶片部的截面积相比，在所述宽度方向的边缘侧受自上游侧流入的水流的所述叶片部的截面积更小。
7、根据权利要求1至6中的任意一项所述的水力发电装置，其特征在于所述叶片部形成为刀片形状，并且在所述壳体部件的流水通道的水深方向上，与在该水深方向的中央部受自上游侧流入的水流的所述叶片部的截面积相比，在所述水深方向的水面侧或水底侧受自上游侧流入的水流的所述叶片部的截面积更小。
8、根据权利要求1至7中的任意一项所述的水力发电装置，其特征在于所述叶片部形成为刀片形状，并设有贯通于该叶片部本体的贯通穴。
9、根据权利要求1至5中的任意一项所述的水力发电装置，其特征在于具有所述叶片部的旋转翼形成为涡轮风扇形状，并且在所述壳体部件的流水通道的水深方向上，与该水深方向的中央部的径向翼长相比，所述水深方向的水面侧或水底侧的径向翼长更短。
10、根据权利要求1至5、以及9中的任意一项所述的水力发电装置，其特征在于具有所述叶片部的旋转翼形成为涡轮风扇形状，并且在所述壳体部件的流水通道的宽度方向还包含水流抑制部，以用于抑制相对所述各旋转翼的旋转轴位于更靠近边缘侧流水通道内的水的流动。
11、根据权利要求1至5中的任意一项所述的水力发电装置，其特征在于具有所述叶片部的旋转翼形成为横流型旋转翼。
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