JP2006296056A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水道のような密閉導水路中に配置し、導水路中の水を汚染することなく、且つ十分な発電量を確保する。
【解決手段】 本発明にかかる発電装置は、回転軸を回転させる回転子と、この回転軸に設けられ、回転軸の回転を変速して伝達する増速用歯車と、増速用歯車により回転される回転子であって、内輪部及び外輪部である永久磁石を有する回転子と、回転子の内輪部及び外輪部が発生した磁界内に配置された誘電コイルと、この誘電コイルと回転子との間に配置され、磁界を透過可能に誘電コイルを防水する隔壁手段とを有する発電装置。
【選択図】 図１

Description

この発明は、水力発電装置に関し、より詳しくは、例えば工場や家庭等の水道管および河川等に設けた導水管などを流れる水流を利用して発電を行う水力発電装置に関する。

従来の水力発電装置は、大型・中型の水力発電施設では導水管を通じて水流を落下させる管路型水車を用い、小型の水力発電装置は一般的な水路に水車を設置し、いずれの場合も水車の一部は大気（空気）中に露出した、開放式周流形水車を用い回転している。さらに増速機を用いて低速軸より高速軸へと動力を伝達し、発電装置の磁界源もしくはコイルを回転させ発電している。

従来の大型・中型水力発電は、河川上流の渓谷や谷間に、流量の変化を調整するためにダム等の貯水池を設け、溜めた水をトンネル水路や圧力鉄管などによって下流に面した崖の上まで導き、そこから谷底に建設された水力発電所に水流を落として、管路型水車を使用して流水エネルギーを利用して発電している。

水力発電においては、高いところにある水を低いところに落とす水のエネルギーを利用して回転軸を廻すために、水車が利用されている。流水エネルギーを効率よく、そして大出力を生み出すために、高落差で水量の比較的少ないところでは横軸のペルトン水車、中落差の場合は横方向からの流水により回転する竪軸のフランシス水車、斜流水車、低落差で比較的流量の大きい場所では横方向からの流水で回転するプロペラ水車等が使用されている。

従来の小型水力発電は、河川の自然水流、用水路内水流、放水路放水端水流、低水位ダムの開水路に直接設置し、水流により上掛け水車、胸掛け水車、前掛け水車、下掛け水車を基本とした開放型周流形水車を用いて回転軸を廻し、増速機により回転数を増し発電する。

水車の回転数は、水車の径が小さくて落差が大きいもの以外は、発電装置で発電を起こすためにはその発電装置に応じた回転数が必要である。水車の落差が小さくしかも水車径が大きい場合には水車の回転数は非常に小さく、回転数を発電装置にあったものにするために増速機が必要になる。

従来の水力発電は、流水エネルギーにより水車を回転させ、回転軸を通して回転力を増速機に伝達し、より回転速度を増し、磁石とコイルを組み合わせた発電装置のどちらか一方を動かすとコイル内を通る磁束が変化するので、コイルに起電力が生じる。磁石を固定してコイルを動かすようにしたものがＤＣダイナモであり、その反対にコイルを固定して磁石を動かせるものがオルタネータと呼ばれている。

水力発電は、水車を回転させ、回転軸を通して密閉型水路の外へ回転力を伝達することにより、発電装置を機動して電気エネルギーを生み出している。また水道管等に従来より装備されている電磁開閉弁は、その多くが乾電池を駆動用電源として作動するものが多いが、発電容量は少ない。

従来考案された水力発電装置ついては、在来型水車と同様に開放周流形水車を使用している発電装置（例えば、特許文献１）、或いは水車軸と発電装置の回転子軸を同一とする発電装置（特許文献２、特許文献３、特許文献４）等が存在している。
特願平６−４９７９５号公報 特開平９−９５７１号公報 特開２００４−７６６３７号公報 特開２００４−３５８３２１号公報

一般に、水力発電装置は、導水管と水車と増速機と発電装置の各部門から成り立っている。導水管により水車に水を流し、水車によって流水エネルギーを回転エネルギーに変換し、回転軸を通して水路外部へ回転力を伝達し、さらに増速機により回転数を増し、発電装置の回転子の回転速度を上げ発電能力を高めている。このように水力発電するために、各部門の組み合わせにより構成されて、大規模な設備が必要となる。さらに設置場所等の地理的な環境の変化により、多岐多様な形状及び複雑なシステムが用いられている。

水力発電には各部門の組み合わせより構成されるので、各部門間の伝達エネルギーのロスが大きい。たとえば、水路内の水車の回転力を水路外の増速機に伝達するために、流水の漏水を防止するために回転軸の廻りに防水パッキンを施す必要があり、そのため、摩擦抵抗が発し、回転速度を上げるために、たくさんの流水量が必要となり、ダム等の貯水池が広範囲となり、新たに設置するのには莫大な費用が掛かり、また自然環境破壊を起こしかねない。

従来の開放型周流形水車を用いている水力発電装置は、水車の外径が大きくなり、また流水の飛散を防止し、排水口への管路を確保するために小型化することができない。

また、従来の水力発電装置は、水車と発電装置の位置を離すことによりコイルへの水掛かりを防ぎ、コイルの腐食と耐久性を持たせているので、装置の大きさや設備が大規模になってしまう。

一般に、飲用に供する水道管を用いて発電を行う場合、水道管内に雑菌等が侵入する恐れがあるため、水道管内に開放型周流形水車、あるいは回転軸を通した伝達を要する増速機を配置する発電装置を使用することは適当でない。また、水車軸と発電装置の回転子軸を同一とする発電装置を用いた場合には、水車の回転負荷が大きすぎると水道管の水圧が低下し、適切な給水が出来なくなるおそれがある。また、十分な発電量を得ることが出来ないという問題点があった。

本発明の小型水力発電装置は、小型化し流水の飛散の防止と雑菌の侵入を防止するために、回転手段である水車と、変速手段である増速機と、磁界発生部である誘導磁石を配した回転子手段である回転子を、密閉した水路内に設ける。誘導磁石部分は、隔壁手段であるケース（磁界を通す防水性の素材）で密閉し、その外部に電磁誘導手段であるコイルを設置するオルタネータ方式で電気を起こす。

請求項１の発明は、回転軸を回転させる回転手段（例えば、水車、羽根車など）と、前記回転軸に設けられ、前記回転軸の回転を変速して伝達する変速手段（例えば、増速ギアなど）と、前記変速手段により回転される回転子手段（例えば、回転子、ロータなど）であって、磁界発生部（例えば、永久磁石など）を有する回転子手段と、前記磁界発生部が発生した磁界内に配置された電磁誘導手段（例えば、コイルなど）と、前記電磁誘導手段と前記回転子手段との間に配置され、磁界を透過可能に前記電磁誘導手段を防水する隔壁手段（例えば、ケース、防水被膜など）と
を有することを特徴としている。

引用文献２・３・４のように、水道管等に発電装置を設ける場合、雑菌等の進入を防ぐためには、水車や回転軸等の水力発電装置が密閉されている必要がある。しかしながら、引用文献２・３・４のいずれにも増速部分がなく高出力は得られない。高電圧の誘起起電力を得る為には回転子の回転数を高める必要がある。そこで請求項１にかかる発明では、歯車等の変速手段を設けることによりバランスよく回転力を伝達し、回転速度を上げるために大小の歯車等を平行に組合わせて配置することにより、密閉されたスペースでエネルギーの損失を少なくし効率良くエネルギー伝達することができる。また、小スペースで効率よく伝達するために、水車の近くに誘導磁石を設置した回転子を防水と摩擦抵抗を少なくするために樹脂をコーティングして配置してもよい。

請求項２の発明は、請求項１に記載された発電装置であって、前記回転子手段は、同軸に配置された第１の磁界発生部および第２の磁界発生部を有し、前記電磁誘導手段は第１の磁界発生部および第２の磁界発生部の間に配置されている、ことを特徴としている。

発電装置の誘起起電力は１相当たりの磁束数に比例するので、限られた回転エネルギーを最大限に活用するために、発電装置の一つの回転軸の両端に、電磁誘導手段である誘電コイルを挟んで第１の磁界発生部及び第２の磁界発生部である内輪部と外輪部との二重に誘電磁石を設置することにより磁束数（磁力）を倍加する。

請求項３の発明は、回転軸を回転させる回転手段と、前記回転軸の一端に設けられた、前記回転軸の回転を変速して伝達する第１の変速手段と、前記第１の変速手段により回転される第１の回転子手段であって、それぞれが同軸に配置された第１の磁界発生部および第２の磁界発生部を有する第１の回転子手段と、前記第１の回転子手段の第１の磁界発生部および第２の磁界発生部の間に配置された第１の電磁誘導手段と、前記回転軸の他端に設けられた、前記回転軸の回転を増速して伝達する第２の変速手段と、前記第２の変速手段により回転される第２の回転子手段であって、それぞれが同軸に配置された第３の磁界発生部および第４の磁界発生部を有する第２の回転子手段と、前記第２の回転子手段の第３の磁界発生部および第４の磁界発生部の間に配置された第２の電磁誘導手段と、前記第１の電磁誘導手段と前記第１の回転子手段との間に配置され、磁界を透過可能に前記第１の電磁誘導手段を防水する第１の隔壁手段と、前記第２の電磁誘導手段と前記第２の回転子手段との間に配置され、磁界を透過可能に前記第２の電磁誘導手段を防水する第２の隔壁手段と、を有することを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、回転軸の両端にそれぞれ、変速手段、回転子手段、電磁誘導手段を設け、限られた回転運動でより多くの発電量を提供できることを特徴とする。

本発明によれば、水道のような密閉導水路中に配置し、導水路中の水を汚染することなく、且つ十分な発電量を確保することが出来る。

この発明の密閉式小型水力発電装置は、小口径の管水路においても発電できるように、水車と回転軸の増速部分と発電部分の誘電回転子とを密閉された空間にコンパクトに配置し、誘電回転子の磁力を強めることにより、少ない流水エネルギーをより大きな電気エネルギーへと誘導するものである。

本発明は、今までエネルギーとして活用していなかった水道や河川等の水を導水管を用いて敷地内に取り入れ、流水エネルギーを、水車と増速部分と発電装置をコンパクトにした密閉式小型水力発電装置を利用することにより、容易に電気エネルギーに変換することを可能にする。また水質を変えることなく、コンパクトな設備で、効率的に水力発電を行うものであり、地球環境の保全につながるものである。

以下に図面を参照しながら、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。
図１は、本実施の形態にかかる密閉式水力発電装置（以下、単に「発電装置」という）の透過平面図であって、発電装置を上方向より見下ろし、装置内部の配置を透視した様相を示している。

この発電装置１は、導水管１１内に配置され、導水管１１（流入口端を１１Ａ、排水口側端を１１Ｂとする）内を流れる水流を受けて回転する回転手段である水車１２と、この水車の回転軸の回転運動を伝達する変速手段である増速用歯車１３Ａ〜１３Ｃと、磁界発生部である誘電磁石１４Ａ（内輪部とも呼ぶ）と、同じく磁界発生部である誘電磁石１４Ｂ（外輪部とも呼ぶ）とを有する回転子手段である回転子１４と、誘電磁石１４Ａと誘電磁石１４Ｂとの間に配置された電磁誘導手段である誘電コイル１５とを有している。

水車１２の中心には回転軸Ｒが貫通して設けられており、水車１２の回転に伴って回転軸Ｒも回転するように支持されている。

また、回転子１４にも回転軸Ｒ２が設けられており、この回転軸Ｒ２は、増速用歯車１３Ａ〜１３Ｃによって回転駆動される。増速用歯車１３Ａ〜１３Ｃの代わりにベルト等で水車１２の回転軸と回転子１４とを連結してもよい。

図２は、発電装置１の透過立面図であって、横方向から見て装置内部の配置を透視した様相を示している。

図に示すように、発電装置１の左右を貫通して圧力水が流れる導水管１１内に、水車１２が配置され、ケースＣ内に、回転軸Ｒ及びＲ２が回転可能に取り付けられており、水車側歯車１３Ａ、増速用歯車１３Ｂ・１３Ｃ、内輪部と外輪部とに誘電磁石を設置した回転子１４、誘電コイル１５がケースＣ内に効率よく配置されている。

図３は、図１のａ−ａ’断面線に沿った、発電装置１の横断面図である。誘電コイル１５は防水隔壁１６で保護されている。防水隔壁１６は、ケースＣ内壁を延伸した内部隔壁であってもよいし、回転子１４及び／又は誘電コイル１５の表面を被覆するコーティング被膜などである。

図４は、図１のｂ−ｂ’断面線に沿った、発電装置１の断面図である。密閉式水力発電装置の中心線での縦断面を示す。一方向に流れる流水により回転する水車１２、水車と同軸に接着された水車側歯車１３Ａ、水車側歯車１３Ａにより回転する歯車１３Ｂ、歯車１３Ｂの回転を増速する歯車１３Ｃを示す。歯車１３Ｃは、回転子１４の回転軸Ｒ２に結合されており、歯車１３Ｃの回転に伴って、回転子１４が回転する。

図５は、図１のｃ−ｃ’断面線に沿った、発電装置１の断面図である。図５から、発電装置１の変速手段である増速機構（歯車１３Ａ〜１３Ｃ）の配置が明らかになる。

図６は、図１のｄ−ｄ’断面線に沿った、発電装置１の断面図である。本図より、回転子１４が有している誘電磁石１４Ａと誘電磁石１４Ｂ（外輪部とも呼ぶ）との間に誘電コイル１５が配置されていることがわかる。

［まとめ］
この発明にかかる密閉式小型水力発電装置は、管路内を流れる水のエネルギーを、水車で回転エネルギーに変換し、密閉された閉鎖空間で回転速度を増加し、発電を起こすために内輪部と外輪部とに誘電磁石を設置した回転子を回転する。誘電コイルとは、完全に防水隔壁で分離され、回転軸の両端は最小限のエネルギー損失だけで、従来のような回転軸の防水パッキン等が不必要になり摩擦損失が少なくなる。

［本発明の利点］
この発明の内輪部と外輪部との二重に誘電磁石を設置した回転子は、回転力については、内輪部か外輪部かのいずれか一重に誘電磁石を設置した回転子とほとんど変わらないが、磁力線の強さでは、倍以上のエネルギーを発することが出来る。発電装置においては、誘起起電力が従来の装置より倍以上に向上するものと思われる。また、モーターにおいては、少ない電気エネルギーで、より多くの回転エネルギーに変換できる。

密閉式水力発電装置の透過平面図 密閉式水力発電装置の透過立面図 図１のａ−ａ’断面線に沿った、密閉式水力発電装置の断面図 図１のｂ−ｂ’断面線に沿った、密閉式水力発電装置の断面図 図１のｃ−ｃ’断面線に沿った、密閉式水力発電装置の断面図 図１のｄ−ｄ’断面線に沿った、密閉式水力発電装置の断面図

符号の説明

１ … 発電装置
１１ … 導水管（流水路）
１２ … 水車
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ … 増速用歯車
１４ … 回転子
１４Ａ … 永久磁石（内輪部）
１４Ｂ … 永久磁石（外輪部）
１５ … 誘電コイル
１６ … 防水隔壁
Ｃ … ケース（ハウジング）
Ｒ、Ｒ２ … 回転軸

Claims (3)

1. 回転軸を回転させる回転手段と、
   前記回転軸に設けられ、前記回転軸の回転を変速して伝達する変速手段と、
   前記変速手段により回転される回転子手段であって、磁界発生部を有する回転子手段と、
   前記磁界発生部が発生した磁界内に配置された電磁誘導手段と、
   前記電磁誘導手段と前記回転子手段との間に配置され、磁界を透過可能に前記電磁誘導手段を防水する隔壁手段と
   を有することを特徴とする発電装置。
2. 前記回転子手段は、同軸に配置された第１の磁界発生部および第２の磁界発生部を有し、前記電磁誘導手段は第１の磁界発生部および第２の磁界発生部の間に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 回転軸を回転させる回転手段と、
   前記回転軸の一端に設けられた、前記回転軸の回転を変速して伝達する第１の変速手段と、
   前記第１の変速手段により回転される第１の回転子手段であって、それぞれが同軸に配置された第１の磁界発生部および第２の磁界発生部を有する第１の回転子手段と、
   前記第１の回転子手段の第１の磁界発生部および第２の磁界発生部の間に配置された第１の電磁誘導手段と、
   前記回転軸の他端に設けられた、前記回転軸の回転を増速して伝達する第２の変速手段と、
   前記第２の変速手段により回転される第２の回転子手段であって、それぞれが同軸に配置された第３の磁界発生部および第４の磁界発生部を有する第２の回転子手段と、
   前記第２の回転子手段の第３の磁界発生部および第４の磁界発生部の間に配置された第２の電磁誘導手段と
   前記第１の電磁誘導手段と前記第１の回転子手段との間に配置され、磁界を透過可能に前記第１の電磁誘導手段を防水する第１の隔壁手段と、
   前記第２の電磁誘導手段と前記第２の回転子手段との間に配置され、磁界を透過可能に前記第２の電磁誘導手段を防水する第２の隔壁手段と、
   を有することを特徴とする発電装置。

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