JP2003269318A - エネルギー吸収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】風・水力エネルギー吸収装置を河川等の非一様
な流れへ適用できるようにする。 【解決手段】ブレードピッチ角を確定するために、ブレ
ード駆動索の変型抑制板等によりブレード軸の位置設定
する方法やブレードピッチ角制御ハンドルの位置設定に
ハンドル結合索を用いる方法等、その他課題に対しても
具体的解決手段を発明した。また、直線的配置の装置か
ら、折れ線的あるいは曲線的配置の装置を発明した。本
装置により、従来の水力発電のように流れを集中してエ
ネルギー密度を高めずとも、たとえば川幅にわたって当
装置を設置することにより流れ幅全体の全エネルギーを
吸収できる。また、海流のような流れの集中が困難な場
合にも本装置で流れのエネルギーを吸収できる。また、
本装置に動力を付加することによりポンプとして機能す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、流れの持つエネル
ギーを吸収する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術の課題およびその解決手段】特開平１０−
０６１５９８に示されている風・水力エネルギー吸収装
置（以下、当該装置１と呼ぶ）が実用時遭遇する以下の
諸課題への対応技術が必要である。

【０００３】河川等の流れには流下物がある。これら
が、当該装置１に絡まって、ブレード２の動きを阻害し
たり、あるいは、衝突して当該装置を破損等する。した
がって、流下物を当該装置に至る前に取り除く手立てが
必要である。そのために、当該装置前面に金網３等を設
置し流下物が当該装置に至ることが無いようにする。金
網は、流れ方向に対し角度をつけて設置することにより
流下物が金網に留まり流れを阻害することを防ぐことが
できる。金網を多段に設置し上流側から目の粗さを細か
くすることにより流れを阻害することなく大から小まで
の流下物は当該装置に至らない。

【０００４】当該装置では多数のブレード２をチェーン
等の駆動索４（以下チェーンで代表する）で結ぶが、当
該装置が大きくなると、ブレードやチェーン自身の重量
のためチェーンが撓む。チェーンの撓みはブレード方向
転換回転部分２１でチェーンと、チェーンと噛み合うス
プロケット（以下、主スプロケット５という）との噛み
合わせが悪くなり、チェーンから主スプロケットへの力
の伝達効率が低下する。したがって、チェーンと主スプ
ロケットとの位置関係を適切に保つための工夫が必要で
ある。 この撓みは、チェーン側面に、あるいはブレー
ド下側軸２０に荷重受ベアリング６を設置し、荷重受板
７等の上を滑動させることにより抑制できる。あるい
は、チェーン位置決めスプロケット８の設置によっても
撓みを抑制可能である。さらに、ブレード内に発泡材９
等の浮力を得られる材料を詰めるなどしてブレード自身
に浮力をつける事によりチェーンの撓みを軽減する。実
用上は、これらの方法を単独利用ないし併用する。

【０００５】当該装置の性能はブレードピッチ角（ブレ
ードの翼弦と流れ方向との成す角）で決まるため、所要
のピッチ角が確実に設定できなければならない。ブレー
ドは流れの方向に押し流されるため、流れのない状態で
設定されたピッチ角度とは異なった値になる。流れが変
動のない一様流の場合は、ピッチ角を安定して決められ
るので、ブレードが押し流されチェーン４に発生する張
力によりブレードピッチ角を確定する方法をとることに
より当該装置は簡略化できるメリットがある。しかしな
がら、多くの流れは変動するため、上記張力も変動しブ
レードの位置が確定せず、結果としてブレードのピッチ
角も確定しない。流れが変動する場合は、チェーンある
いはブレード上側軸１０、下側軸２０を変形抑制板１１
で支えるか、上記０００４のスプロケット８を当該目的
にも利用してチェーン位置を決める。変形抑制板を利用
する場合は、チェーンとブレードの軸１０，２０とが摺
動するため磨耗が起こる。磨耗を極力少なくするため
に、変形抑制板自身をチェーンの動きと並行して回転で
きる可動板１２を設置する、あるいはブレードの軸にベ
アリング１８を装着しベアリングと変形抑制板との摩擦
を少なくする。あるいは、変形抑制板およびブレード軸
に永久磁石等による磁気的反発力を付与して非接触とし
摩擦そのものをなくす。なお、変形抑制板はチェーンの
波打ちを抑制する効果をもたせるだけの場合とブレード
の発生する力を受け止める場合とがある。

【０００６】ブレードが発生する力はチェーン４が受け
る。この受けた力を、主スプロケット５に直接伝達する
方法と、チェーン変形抑制板１１と装置躯体３７を結合
板３８により結合することにより荷重を躯体に伝達する
方法とがある。前者の場合、荷重は主スプロケット軸１
３に集中する。後者の場合は装置躯体へ荷重を分散でき
る。

【０００７】当該装置の性能を最大限に引き出すために
は、ピッチ角を最適に設定できる必要がある。そのため
には上流側と下流側とのピッチ角を独立に設定できる、
あるいは、一般に流れの速さは場所によって異なるた
め、部分的に異なったピッチ角を設定できればより高い
当該装置の性能を引き出すことができる。そのために、
ピッチ角制御用ハンドル１６の位置を決めるコの字型の
ハンドルガイド溝１４あるいは二枚の板から成るハンド
ルガイド板１７（以下、ガイド板で代表する）を二分割
あるいは二分割以上の多分割にし分割各部を独立に動か
すことができるようにする。二分割の場合、ブレードが
方向転換する部分でハンドルガイド板１７を分割し、弾
性板１５で互いを連接し、ピッチ角制御用ハンドルが分
割されたガイド板間を滑らかに移動できるようにする。
弾性板は分割されたガイド板の一方側では固定され、他
方側では滑動する。あるいは、弾性板の代わりに一方が
他方のガイド板の中を動くようにテレスコピックな配置
とする。また、部分的にピッチ角を設定するためにガイ
ド板を必要な部分で分割し、二分割の場合と同様に、互
いを弾性板で連接することにより、分割された各ガイド
板は独立に動かすことができる。

【０００８】ピッチ角制御用ハンドル１６とハンドルガ
イド板１７との摺動部の磨耗を極力少なくする必要があ
る。上記０００５の可動板１２と同様に、ハンドルガイ
ド板自身がハンドルと同方向に移動・回転する可動板を
設置する、あるいは上記０００５と同様にハンドル１６
とハンドルガイド板１７とを磁力の反発力を利用して非
接触とする。あるいは、ハンドルにベアリング１８等を
つけて摺動時の摩擦力を極力小さくする。ブレードの軸
１０、２０をブレードの圧力中心位置に設置すればピッ
チ角制御用ハンドル１６に加わるモーメントは小さくで
きる。この場合、摺動による摩擦は小さいのでベアリン
グを省略することもでき、また、磁力を利用する場合の
必要な磁力は小さくてよい。

【０００９】当該装置において、ブレードピッチ角制御
用のガイド板１７を用いればブレードの大きなピッチ角
（ブレード翼弦が流れ方向と並行の時、ピッチ角を０度
とする）はほぼ確定できるが0度付近では各ブレードの
角度設定精度が悪くなる。このことは、ブレードの発生
する力を０にしてブレードの運動を停止しようとするこ
とを難しくする。従って、ピッチ角0度付近でのピッチ
角確定が確実にできる必要がある。そのために、ピッチ
角制御用ハンドル１６をチェーン等のハンドル結合索１
９（以下チェーンで代表）で結合することにより全ブレ
ードのピッチ角を確定できる。チェーン１９はブレード
の駆動索４と同様に、ガイド板あるいはチェーン用スプ
ロケットを用いて位置決めを行う。

【００１０】ブレード方向転換回転部２１は流れに対し
順行する部分と逆行する部分がある。これにより、流れ
の状態が複雑化し当該装置の性能を落とす。性能低下を
抑えるために回転部の水流とブレード並進部２２の水流
との仕切り板２３を設置する。また、回転部を筐体２４
と仕切り板で囲むことにより回転部水流の順行・逆行を
無くすことができ、当該装置の性能低下を抑えることが
できる。

【００１１】当該装置を深度のある海や河川に設置する
場合、大規模な設置工事や環境改変を要しては、実用上
の大きな支障となるため、設置方法が容易でなければな
らない。そのために、当該装置が流されないように海
底、河川底４３に錘２５あるいは碇を設置、あるいは岸
から牽引する。また、装置を適切な深度に設置するため
にフロート２６の浮力により装置を浮かべることにより
当該装置を必要な場所に設置する。

【００１２】一般に、装置が大きくなるほど装置製造、
設置さらにその後の保守に必要なライフサイクルコスト
は増大するので、可能な限り装置は小型にすることが望
ましい。当該装置の性能は流れの速さの３乗に比例する
ため、流れを増速すれば装置はより小型化できる。簡易
な方法で増速するために、流れを集める集水板２７を当
該装置の前面に設置する。あるいは、流れに落差をつけ
流れを加速するために、当該装置前面に堰あるいは河底
にランブ２８を設ける。なお、これらは流れの速度分布
状況に応じ、当該装置全前面に対し設置するか、部分前
面に設置する。

【００１３】川などの流れは、一様流ではない。当該装
置のブレードの出力を最大限に引き出すには、可能な限
り一様流に近い流れの中で稼動することが望ましい。そ
のためには、流れを整流する必要がある。流れの波打ち
等変動を抑制するために当該装置の上流側に丸棒等で組
んだ整流格子２９あるいは多数枚の翼等で構成された整
流板３０を設置する。請求項１の金網には、流下物除去
とともに整流格子としての機能を付加できる。流れの状
況に応じ整流板等は当該装置の全前面にわたって設置す
るか、部分的前面に設置する。

【００１４】潮流等の自然の流れは多くの場合、幅方
向、深さ方向に流速は同じではないため、当該装置を左
右あるいは上下あるいは左右上下に当該装置を並置した
多連装置３９にすることにより流れのエネルギーを効率
よく吸収できる。これら並置した装置全体と同じサイズ
の当該装置も実現可能であるが、維持管理の点からはよ
り小型の当該装置の並置方式が望ましい。並置の形態と
しては、各当該装置が独立している場合と、主スプロケ
ット軸をフレキシブルシャフト３１等で連結してより大
きな回転力を得る場合とがある。

【００１５】河川等自然の流れは流速や流れの方向が一
定しないので、水車の回転数も変動する。回転数の変動
は発電される電圧の変動となるため、水車の回転数は一
定していることが望ましい。当該装置では、ピッチ角を
固定した場合、回転数が低下するとブレードの有効迎角
が増すためブレードの発生する力の増加により回転数を
増し、逆に回転数が増加すると迎角が減って発生力が小
さくなり回転数が減少する働きがあるため、ある程度の
自動調整機能を有するが、この性質だけで回転数を保持
できない場合には、回転数の変動を回転数計で、あるい
は電圧変動を電圧計で計測し、回転数あるいは電圧が低
下したらブレードピッチ角を増し、逆の場合はピッチ角
を減らすように、例えば、電圧定格値との差分を補償す
るフィードバック自動制御系を当該装置に組み込む。当
該装置のピッチ角制御は、ピッチ角制御用ハンドルガイ
ド溝１４を移動することにより行われるが、自動制御系
の一例として、１４をウオームギヤ４９を介しモータ５
０と連結する。このモータを回転数あるいは電圧の増減
に応じ、逆転あるいは正転してピッチ角を変更する。な
お、モータの動力は、当該装置の発電機から直接の電力
を得るか、発電系統に組込まれた蓄電器から電力を供給
する等により得る。

【００１６】潮流のように順流れ方向４０が逆流れ方向
４１に変わってもブレードを負ピッチ角状態３２（ブレ
ード進行方向４２を鏡像軸とした順流れ４０時のブレー
ドの鏡像位置）にすることにより当該装置の回転方向を
一定にできる。流れの方向を、たとえば風見鶏のような
流れ方向検出具４８により検出具の回転量をポテンショ
で電力信号に変換し信号をブレードピッチ角の制御系に
入力、あるいは検出具の発生するトルクによりラック・
ピニオン４７等を用いてピッチ角制御用ハンドルガイド
溝１４を動かしてピッチ角を負角にする。これにより、
流れの方向が逆転しても回転方向を変えずに当該装置を
運転できる。

【００１７】ブレードの発生する力は主スプロケット軸
１３に伝達される。当軸と発電機３３とをフレキシブル
シャフト３１で接合することにより、発電機設置の柔軟
性を得る。

【００１８】主スプロケット５とは別にブレード駆動索
の任意の位置にスプロケットを設置し当スプロケット軸
から動力を取り出すことにより発電機設置の自由度が増
す。また、当スプロケットを複数設置することにより動
力取り出し口を増やすことができる。請求項３の位置決
め用スプロケット８にこの機能を分担させることが可能
である。

【００１９】当該装置を持ち上げられるようにしたスラ
イド溝を有した架台３４を設置することにより、河川等
の増水時の緊急避難や保守点検作業が容易に行うことが
できる。あるいは、当該装置を垂直な装置回転軸３５周
りに回転・上下滑動できるようにすることにより、河川
の増水時等に当該装置を流れ方向に移動し、かつ水面上
に当該装置を持ち上げることができ、過大な荷重負荷を
回避できる。また、垂直軸が川岸にある場合は、当該装
置を川岸に接岸して緊急避難ができる。また、保守点検
時にも川岸に当該装置を接岸させることにより作業が容
易になる。また、正規の状態に当該装置を設置するに
は、外部動力を付加してブレードを駆動することにより
推力を発生させ装置を上流へ移動することもできる（請
求項２２の機能を利用）。

【００２０】当該装置にフロート３６を設置することに
より当該装置が浮かび上がるので容易に当該装置を移動
できる。また、常時はフロートを収縮させておき、必要
時に空気等を注入してフロート機能を持たせるか、必要
時にフロートを装着し当該装置を浮かすことにより当該
装置の回転や移動等を容易に行うことができる。また、
フロートの設置により水面が上下しても当該装置と水面
との位置関係を常に一定にすることができる。また、水
面から適度な深さに当該装置を浮かせることができ、川
底付近の遅い流れを避けることができる。フロート３６
を当該装置の底部に設置し、常時はフロートを収縮させ
ておき必要時にフロートを膨らませることにより当該装
置を容易に水面上に浮かび上がらせることができ保守点
検等が容易になる。また、フロート３６を回転自由にす
ることにより当該装置が回転した場合にフロートを当該
装置と並行にでき、過大な水圧回避や回転時に必要なス
ペースを小さくする。

【００２１】当該装置が大型化した場合、主スプロケッ
ト５も大型になり、重量増等のため製造あるいは取扱い
が容易ではなくなる。大型の主スプロケットの代わりに
ブレード駆動索を多数枚の小径の分散スプロケット４５
で受け、それらの回転力を主スプロケット軸１３にチェ
ーン４４等で伝達する。

【００２２】当該装置の基本配置は図１のように直線的
であるが、図２０のように折れ線的あるいは曲線的な非
平面配置をすることにより河川等の非一様な流れへの適
用が可能である。

【００２３】当該装置の構体４６をテレスコピックに伸
縮可能な鞘金具４６等を用いた構造（図２１）とするこ
とにより、任意幅の流れに対応できる。

【００２４】主スプロケット軸１３に外部動力を付加し
ブレードを駆動することにより当該装置をポンプとして
利用する。大容量の矩形のポンプを構成できる。

【発明の実施の形態】当該装置が自然の流れの中で遭遇
する課題に対し、従来技術で対応できる方法を案出・適
用し、実用的な矩形の水車を実現した。

【００２５】

【実施例】図１は、特開平１０−０６１５９８ 風・水
力エネルギーの吸収装置（当該装置）に本発明を適用し
た１実施例である。なお、以上では水平設置をもとに記
述をしているが、本発明を用いた当該装置は、垂直設置
でも利用できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明した諸項を当該装置の設置場所
（河川流、潮流、海流、風）の状況に応じ選択適用する
ことにより、これまでに実用化されていない矩形の風・
水車が実現できる。従来の水力発電は、ダム等により水
力エネルギーの集中を行い、エネルギー密度の高い流れ
を利用する方式であったが、矩形の水車を用いることに
よりエネルギー密度の低い流れを集中することなく、そ
のエネルギーを吸収することができる。

【００２７】

【図面の簡単な説明】

【図１】当該装置に本発明を実施した説明図である。
（実施例１）

【図２】当該装置の説明図である。

【図３】ブレード駆動索の鉛直方向の撓みをベアリング
を用いて抑える本発明を実施した説明図である。（実施
例２）

【図４】スプロケットを用いてブレード駆動索等の位置
設定を行う本発明を実施した説明図である。（実施例
３）

【図５】ブレードに浮力を持たせて駆動索の撓みを緩和
する本発明を実施した説明図である。（実施例４）

【図６】ブレード等の位置確定のために変形抑制板でブ
レード軸を流れ方向に拘束する本発明を実施した説明図
である。（実施例５）

【図７】図６の変形抑制板とブレード軸との摩擦力軽減
のために変形抑制板が回転する本発明を実施した説明図
である。（実施例６）

【図８】図６の変形抑制板とブレード軸との摩擦力軽減
のためにブレード軸にベアリングを備えた本発明を実施
した説明図である。（実施例７）

【図９】ブレードの発生する力を、当該装置の躯体に流
す本発明を実施した説明図である。（実施例８）

【図１０】上流側と下流側とで異なったブレードピッチ
角を設定できる本発明を実施した説明図、およびピッチ
角制御系の説明図である。（実施例９）

【図１１】ブレードピッチ角設定用ハンドルとハンドル
ガイド板との摩擦力を軽減するためにハンドルにベアリ
ングを備えた本発明を実施した説明図である。（実施例
１０）

【図１２】ブレードピッチ角を確実に設定するためにピ
ッチ角制御用ハンドルをチェーン等結合索で繋ぐ本発明
を実施した説明図である。（実施例１１）

【図１３】ブレード方向転換回転部分の流れをブレード
が並進運動する部分と分離する仕切板を設ける本発明を
実施した説明図である。（実施例１２）

【図１４】海上等に当該装置を固定するために海底等に
沈めた錘により当該装置を固定する本発明を実施した説
明図である。（実施例１３）

【図１５】複数の当該装置を連接した本発明を実施した
説明図である。（実施例１４）

【図１６】流れの方向が逆転してもブレードの回転方向
を不変とする本発明を実施した説明図である。（実施例
１５）

【図１７】発電機設置の自由度を得るためにフレキシブ
ルシャフトを用いた本発明を実施した説明図である。
（実施例１６）

【図１８】固定軸周りに当該装置を回転運動、上下運動
できる本発明を実施した説明図である。（実施例１７）

【図１９】主スプロケットの機能を小径の分散スプロケ
ットで実現する本発明を実施した説明図である。（実施
例１８）

【図２０】非平面配置の本発明を実施した説明図であ
る。（実施例１９）

【図２１】構体を伸縮可能なテレスコピック構造とした
本発明を実施した説明図である。（実施例２０）

【符号の説明】

１ 特開平１０−０６１５９８による風・水力エネルギ
ーの吸収装置（当該装置） ２ ブレード ３ 金網 ４ ブレード駆動索 ５ 主スプロケット ６ 荷重受ベアリング ７ 荷重受板 ８ 位置決め用スプロケット ９ 発泡材 １０ ブレード上側軸 １１ 変形抑制板 １２ 可動板 １３ 主スプロケット軸 １４ ピッチ角制御用ハンドルガイド溝 １５ 分割されたガイド板当を連接する弾性板 １６ ピッチ角制御用ハンドル １７ ピッチ角制御用ハンドルガイド板 １８ ベアリング １９ ピッチ角制御用ハンドル結合索 ２０ ブレード下側軸 ２１ ブレード方向転換回転部 ２２ ブレード並進部 ２３ 仕切り板 ２４ 当該装置の筐体 ２５ 錘 ２６ フロート ２７ 流れ加速用の集水板 ２８ 流れ加速用のランプ ２９ 整流格子 ３０ 整流板 ３１ フレキシブルシャフト ３２ ブレードの負ピッチ角状態 ３３ 発電機 ３４ スライド溝を有した架台 ３５ 装置回転軸 ３６ フロート ３７ 装置躯体 ３８ 結合板 ３９ 多連装置 ４０ 順流れ方向 ４１ 逆流れ方向 ４２ ブレード進行方向 ４３ 海底、河川底 ４４ チェーン ４５ 分散スプロケット ４６ 鞘金具 ４７ ラック・ピニオン ４８ 流れ方向検出具 ４９ ウオームギア ５０ モータ

【００２８】

Claims (22)

【特許請求の範囲】 特開平１０−０６１５９８による風・水力エネルギーの
吸収・発生装置を以下で当該装置と呼ぶ。
1. 【請求項１】 金網等を上流側に設置し流下する異物を
   分別する装置を備えた当該装置
2. 【請求項２】 ブレードおよびブレード駆動索の重量に
   よる駆動索の撓みを、駆動索側面等にベアリングを付け
   るか、あるいはスプロケットあるいはブレードの浮力を
   利用して撓みを抑止した当該装置
3. 【請求項３】 駆動索の流れ方向への変形を流れの力に
   よる駆動索の張力により抑制する、あるいは駆動索の流
   れ方向への変形抑制板あるいは変形抑制用スプロケット
   あるいは回転する変形抑制板あるいはベアリング等滑動
   車をブレード軸に着けるか、あるいは駆動索と変形抑制
   板とを電磁力で反発させ非接触とする手立てを備えた当
   該装置
4. 【請求項４】 ブレードの発生する力を請求項３の方法
   を介して装置躯体に伝達するようにした当該装置
5. 【請求項５】 ブレードピッチ角を制御するハンドルの
   ガイド溝あるいはガイド板を二分割し上流側と下流側と
   で独立に制御可能な、あるいは更に分割数を増やして局
   所的にブレードピッチ角を可変とした当該装置
6. 【請求項６】 ブレードのピッチ角を制御するハンドル
   の回転するガイド板、あるいはハンドルとガイド板とを
   電磁力で反発させ非接触とする手立て、あるいはベアリ
   ング等滑動車付きハンドルを備えた当該装置
7. 【請求項７】 ブレードのピッチ角を制御するハンドル
   を結合索で連結し結合索の位置制御でブレードのピッチ
   角制御を行う当該装置
8. 【請求項８】 ブレード並進部とブレード回転部との仕
   切り板を設けた、あるいは筐体と仕切り板とを備えた当
   該装置
9. 【請求項９】 錘あるいは碇あるいは岸等からの牽引索
   で流下を止め、かつフロートにより流れの中に浮かべて
   設置できる当該装置
10. 【請求項１０】 流れの取入口に対し出口面積を小さく
    することにより流れを増速する流路面積を可変とする装
    置あるいは堰あるいは加速ランプを備えた、あるいはこ
    れらを組み合わせ当該装置の全前面あるいは部分的前面
    に備えた当該装置
11. 【請求項１１】 整流格子あるいは整流板により乱れた
    流れを整流する装置を当該装置の全前面あるいは部分的
    前面に備えた当該装置
12. 【請求項１２】 当該装置を上下あるいは左右あるいは
    上下左右多段に並置した当該装置
13. 【請求項１３】 ピッチ角制御により回転数を一定に保
    つようにした当該装置
14. 【請求項１４】 流れの方向が逆転しても回転方向が変
    わらない当該装置
15. 【請求項１５】 発電機と水車とをフレキシブルシャフ
    トで結合した当該装置
16. 【請求項１６】 ブレード駆動索の任意の場所にスプロ
    ケット等を設置し動力を取り出す当該装置
17. 【請求項１７】 上方にスライドして持ち上げられる架
    台を有する、あるいは垂直回転軸周りに回転できる当該
    装置
18. 【請求項１８】 固定あるいは回転可能なフロートを有
    するあるいは必要時にフロートを設置できる、あるいは
    必要時に空気等によりフロートを膨らますことができる
    請求項１７，１８の当該装置
19. 【請求項１９】 ブレードの発生する力を多数枚のスプ
    ロケットで受ける当該装置
20. 【請求項２０】 非平面に配置された当該装置
21. 【請求項２１】 装置幅を任意に変更可能な当該装置
22. 【請求項２２】 外部動力によりブレードを駆動し、ポ
    ンプとして機能させる上記請求項を適用した当該装置