JP2008025377A - 発電用水車 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の発電用水車よりも強い駆動トルクを得ることが可能な発電用水車を提供する。
【解決手段】用水路を流れる水１０１に下方の一部が浸るように立てて配置され、同一の方向に回転可能に配置された１対の水車１１０、１２０と、水車１１０、１２０に連接されて無端軌道をなし、水車１１０、１２０を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材１３０と、動力伝達部材１３０に固定され、用水路を流れる水１０１の動力を受けて無端軌道の周りに回転する複数の水流受部１４０と、上方に位置する動力伝達部材１３０及び水流受部１４０を支持する支持部材１５０と、を備えた構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、用水路、小規模な河川等で用いる発電用水車に関する。

近年、石油の高騰と共に発電方法、発電装置等が見直され始め、それと共に、ＣＯ_２の発生、自然破壊等のない、環境面を考慮した発電方法、発電装置等が検討されてきている。化石燃料を使用する火力発電は、ＣＯ_２の発生を介して温暖化等の環境破壊に結びつく。また、ダムを必要とする水力発電は、ダム建設に伴う環境破壊を引き起こすと共に、経済的に極めて負担が大きい。そのため、近年は、水力発電の発生総電力に占める割合が低下している。

また、原子力発電は、安全性、廃棄物の処理等の安全性に関連する負担が大きい。また、太陽電池等の光エネルギーを利用するものは、装置の発電効率が低く、発生するエネルギーに対する製造に要するエネルギーの比率が十分高くなく、自然環境保全に大きくに寄与するものとはいい難い。その一方で、核融合を用いた発電等の新たな大規模な発電方法は、まだその可能性が見えない。

そのため、近年、風力発電が見直されてきたが、風は必ずしも一定の風向及び風速を維持するとは限らず、エネルギーの貯蔵、利用方法等に工夫を要する。ここで、水車は、現在では目にすることが少なくなったが、小規模な水車発電としても活躍し、自然環境保持の面ではきわめて優れた動力源であり、かつ継続的にエネルギーを取得することを可能とする。具体的には、小川、農業用水等では、所定の季節において所定の流量を維持しているため、その間、安定したエネルギーを得ることが可能である。また、農業用水の供給が計画的に行われる地域が増え、それに伴い、１年を通して一定の流量を安定的に確保できる地域も増えている。

しかしながら、従来の発電用水車では、駆動トルクが弱いため、発電規模が小さく、実用的な電力が得難いという問題を有していた。そのため、一部を除いて殆ど使用されていないのが現状である。

以上の現状に鑑み、本発明の目的は、従来の発電用水車よりも強い駆動トルクを得ることが可能な発電用水車を提供する。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、同一の方向に回転可能に配置された１対の水車と、前記１対の水車に連接されて無端軌道をなし、前記１対の水車を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材と、前記動力伝達部材に固定され、水の動力を受けて前記無端軌道の周りに回転する複数の水流受部と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発電用水車において、前記水流受部が、内部に前記水が入り込むバケツからなることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発電用水車において、前記バケツが、少なくとも、前記無端軌道に対して遠端となる部分に回転可能な１つ以上の回転部材を有することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の発電用水車において、前記水流受部が、前記水の動力を受けることができる板状の部材からなることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、同一の方向に回転可能に配置された１対の水車と、１対の水車に連接されて無端軌道をなし、１対の水車を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材と、動力伝達部材に固定され、水の動力を受けて無端軌道の周りに回転する複数の水流受部と、を備えるため、水の動力を受けて回転する１対の水車と水流受部とからのトルクを加算することができ、従来の発電用水車よりも強い駆動トルクを得ることが可能な発電用水車を実現することができる。

請求項２に係る発明によれば、上記請求項１の効果に加えて、水流受部が、内部に水が入り込むバケツからなるため、水の動力を十分に利用することができる。

請求項３に係る発明によれば、上記請求項２の効果に加えて、バケツが、少なくとも、無端軌道に対して遠端となる部分に回転可能な１つ以上の回転部材を有するため、用水路との接触によるエネルギーの損失、磨耗等の不利益を抑制又は防止することができる。

請求項４に係る発明によれば、上記請求項１の効果に加えて、水流受部が、水の動力を受けることができる板状の部材からなるため、水流受部を軽量に構成することができ、もって装置を簡易に構成することができる。

以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明による発電用水車の一実施例を模式的に示す斜視図である。発電用水車１は、図１に示すように、用水路を流れる水１０１に下方の一部が浸るように立てて配置され、同一の方向に回転可能に配置された１対の水車１１０、１２０と、水車１１０、１２０に連接されて無端軌道をなし、水車１１０、１２０を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材１３０と、動力伝達部材１３０に固定され、用水路を流れる水１０１の動力を受けて無端軌道の周りに回転する複数の水流受部１４０と、上方に位置する動力伝達部材１３０及び水流受部１４０を支持する支持部材１５０と、を備えた構成を有する。図１には、説明の都合上、用水路を流れる水１０１、用水路の底１０２、及び水１０１の表面１０３を示し、用水路の壁を省略して示した。

水車１１０、１２０は、図示しない発電機を駆動する回転軸１１１と、水の動力を受けて回転軸１１１の周りに回転する羽根１１２と、回転軸１１１との間に羽根１１２を固定する周枠部材１１３とを備える。回転軸１１１は、機械的強度、耐久性等の強い、例えば金属からなる。羽根１１２は、例えば、板状の形状を有し、木材、樹脂、軽合金等の比重の小さい材料からなる。周枠部材１１３は、円形の外周を有する１つ以上の輪からなり、動力伝達部材１３０との噛み合わせを十分に確保するために、凹凸、フック等の所定の形状を外周面上に有するのでもよい。図１には、周枠部材１１３が円形の外周を有する２つの輪から構成される例が示されている。

動力伝達部材１３０は、例えば、ベルト状の無端軌道の形状を有し、水車１１０、１２０を回転させることができる程度に摩擦係数が大きく、機械的強度の強い、硬質ゴム等の樹脂からなる。ただし、動力伝達部材１３０は、ロープ状、ワイヤー状、チェーン状等の所定の形状を有する複数の部材で構成されるのでもよい。図１には、動力伝達部材１３０が２本のロープから構成され、各ロープがそれぞれ異なる周枠部材１１３と連接される例が示されている。また、動力伝達部材１３０は、周枠部材１１３との十分な噛み合わせを確保するために、周枠部材１１３の外周の表面形状に応じた凹凸等の所定の形状を表面に有するのでもよい。さらに、動力伝達部材１３０の材質は、樹脂のみに限定されず、樹脂と繊維等からなる複合部材でもよく、動力伝達部材１３０がチェーン等の形状を有する場合は、金属であってもよい。

水流受部１４０は、例えば、直方体等の所定の形状を有するバケツからなる。バケツ１４０は、口を上にして用水路を流れる水１０１に入り込み、口から内部に水を受け、水１０１の流れる方向、即ち図１に矢印で示す方向に移動するように動力伝達部材１３０に取り付けられる。バケツ１４０は、動力伝達部材１３０に取り付けられたときに外周寄りになる部分が、口から底に向けて一部除去された形状を有するのでもよい。これによって、バケツ内の空気による浮力の影響を抑制できる。バケツ１４０の動力伝達部材１３０への取り付けは、接着剤、ネジ、紐、その他の固定用の常套部材を用いて行われる。

図２は、用水路内における発電用水車の各構成部の様子を示す、用水路に沿った面についての断面図（ａ）、用水路を横切る方向の断面図（ｂ）、及び斜視図（ｃ）である。水流受部１４０は、図２に示すように、無端軌道に対して遠端となる部分、即ち、用水路内を移動するときに用水路の底１０２側となる面に、回転可能な、ローラー、キャスター等の１つ以上の回転部材１４１を有するのでもよい。このように構成することによって、水流受部１４０の重量によって動力伝達部材１３０が垂れ下がり、用水路１０４の底１０２と接触して水車１１０、１２０の回転の妨げ、磨耗等を生じさせることを抑制できる。同様に、水流受部１４０は、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、用水路１０４の側面側となる面に、回転可能な、ローラー、キャスター等の１つ以上の回転部材１４２を有するのでもよい。

支持部材１５０は、図１に示すように、動力伝達部材１３０、水流受部１４０、又は動力伝達部材１３０と水流受部１４０を支持し、滑らせる支持体１５１と、支持体１５１を保持する座部１５２と、座部１５２を支持することによって、支持体１５１を適切な位置に保持する脚部１５３とを有する。ただし、所定の場合は、座部１５２を省いて、脚部１５３を支持体１５１に直接設けるのでもよい。このように構成することによって、上方で、水流受部１４０が自重によって動力伝達部材１３０を撓ませること、水流受部１４０が回転してしまうこと等を防止できる。

以下、図１を参照し、本発明による発電用水車の動作について説明する。ここで、発電用水車は、予め、例えば水をせき止めて用水路内に設置されているものとする。また、一方の水車１１０の回転軸１１１に、回転の動力が伝達される態様で図示しない発電機が接続されているものとする。まず、発電機を無負荷状態にしておき、用水路内に水を流し込み、水車１１０、１２０の羽根１１２と、用水路内の水流受部１４０とに水の動力を印加する。これによって、水車１１０、１２０が回転し始めると共に、用水路内の水流受部１４０が回転部材を介して用水路内を矢印の方向に移動し、上方に位置する水流受部１４０が支持部材１５０上を水の流れの方向と逆方向に移動し、動力伝達部材１３０を介して、水車１１０、１２０及び水流受部１４０が一体となって回転する。次に、用水路内の水流受部１４０が水１０１から出る前に次の水流受部１４０が水１０１に入り、水車１１０、１２０の回転に加え、水流受部１４０の無端軌道上の回転も持続する。そして、水車１１０、１２０と、水流受部１４０とから得られる回転力（トルク）を加算したものが、水車１１０の回転軸１１１を介して発電機に駆動トルクとして伝達される。発電機は、無負荷状態であるため、容易に回転し始め、次第に回転速度が上昇する。水車１１０の回転軸１１１の回転数が流速と水量に応じた所定値以上になったとき、発電機から電流を取り出し、所謂負荷状態で運転する。

上記のように構成することによって、従来、ごく一部分しか利用できていなかった用水路内を流れる水の水力エネルギーを有効利用することができ、発電機に伝達される駆動トルクを強くすることができる。その結果、本発明による発電用水車を用いることによって、従来よりも発電電力を増加させることができる。すなわち、水車を２台にした場合の水力エネルギーの利用のみならず、水車間を流れる水の水力エネルギーも利用可能となり、従来の単一の水車を用いる構成に比較して、数倍〜数十倍のトルク値を得ることが可能となった。本発明による発電用水車を利用することによって、多数存在する農業用水路を始め、他の用水路、小規模河川等の水力エネルギーを有効活用できる。

上記では、水流受部がバケツからなる構成について説明したが、本発明は、水流受部が他の部材によって構成されるものについても同様に適用される。図３は、水流受部が平板からなる構成の発電用水車の一実施例を模式的に示す斜視図である。図３において、図１に示す構成部と同様のものには同一の番号を付し、その説明を省略する。図３に示す構成では、平板状の水流受部２４０、２４１外周側が水流受部保持部材２３１に固定されている。

ここで、平板状の水流受部２４０、２４１は、例えば、木材、樹脂、軽合金等の比重の小さい材料によって構成されるのでもよい。また、平板状の水流受部２４０、２４１が用水路内で水１０１を受けたときに流れの方向に倒れないように、例えば、所定の平板２４１の流れの下流側の面に支持部材２４２が設けられるのでもよい。支持部材２４２は、例えば、Ｌ字状の形状を有し、機械的に強固で軽いポリカーボネート等からなる部材によって構成される。図４は、図２に対応する図であり、用水路内における、図３に示す発電用水車の各構成部の様子を示す説明図である。このように構成することによって、水流受部２４０、２４１を軽くすることができ、浮力の作用も得て、水流受部２４０、２４１の自重による動力伝達部材１３０の垂れ下がりを図４に示すように抑制できる。その結果、上記で説明した支持部材、回転部材等を省くことが可能となる。

本発明による発電用水車の一実施例を模式的に示す斜視図である。 用水路内における発電用水車の各構成部の様子を示す、用水路に沿った面についての断面図（ａ）、用水路を横切る方向の断面図（ｂ）、及び斜視図（ｃ）である。 水流受部が平板からなる構成の発電用水車の一実施例を模式的に示す斜視図である。 図２に対応する図であり、用水路内における、図３に示す発電用水車の各構成部の様子を示す説明図である。

符号の説明

１、２ 発電用水車
１０１ 用水路を流れる水
１０２ 用水路の底
１０３ 水の表面
１０４ 用水路
１１０、１２０ 水車
１１１ 回転軸
１１２ 羽根
１１３ 周枠部材
１３０ 動力伝達部材
１４０、２４０、２４１ 水流受部
１４１、１４２ 回転部材
１５０ 支持部材
１５１ 支持体
１５２ 座部
１５３ 脚部
２３１ 水流受部保持部材
２４２ 支持部材

そのため、近年、風力発電が見直されてきたが、風は必ずしも一定の風向及び風速を維持するとは限らず、エネルギーの貯蔵、利用方法等に工夫を要する。ここで、水車は、現在では目にすることが少なくなったが、小規模な水車発電機としても活躍し、自然環境保持の面ではきわめて優れた動力源であり、かつ継続的にエネルギーを取得することを可能とする。具体的には、小川、農業用水路等では、所定の季節において所定の流量を維持しているため、その間、安定したエネルギーを得ることが可能である。また、農業用水の供給が計画的に行われる地域が増え、それに伴い、１年を通して一定の流量を安定的に確保できる地域も増えている。

しかしながら、従来の発電用水車では、駆動トルクが弱いため、発電規模が小さく、用水路、小規模な河川等を流れる流量の少ない水流の水力エネルギーを有効活用しての実用的な電力が得難いという問題を有していた。そのため、一部を除いて殆ど使用されていないのが現状である。

以上の現状に鑑み、本発明の目的は、用水路、小規模な河川等を流れる流量の少ない水流の水力エネルギーを有効活用して従来の発電用水車よりも強い駆動トルクを得ることが可能な発電用水車を提供する。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、外周側に河川の水流を受けて同一の方向に回転可能に配置された１対の水車と、前記１対の水車に連接されて無端軌道をなし、前記１対の水車を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材と、前記動力伝達部材に固定され、水の動力を受けて前記無端軌道の周りに回転する複数の水流受部と、を備えたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発電用水車において、前記バケツが、少なくとも、前記無端軌道に対して遠端となる部分に１つ以上の回転部材を有し、前記回転部材が配置される用水路の側壁又は底面と接触した場合に回転することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、外周側に河川の水流を受けて同一の方向に回転可能に配置された１対の水車と、１対の水車に連接されて無端軌道をなし、１対の水車を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材と、動力伝達部材に固定され、水の動力を受けて無端軌道の周りに回転する複数の水流受部と、を備えるため、水の動力を受けて回転する１対の水車と水流受部とからのトルクを加算することができ、用水路、小規模な河川等を流れる流量の少ない水流の水力エネルギーを有効活用して従来の発電用水車よりも強い駆動トルクを得ることが可能な発電用水車を実現することができる。

請求項３に係る発明によれば、上記請求項２の効果に加えて、バケツが、少なくとも、無端軌道に対して遠端となる部分に１つ以上の回転部材を有し、回転部材が配置される用水路の側壁又は底面と接触した場合に回転するため、用水路との接触によるエネルギーの損失、磨耗等の不利益を抑制又は防止することができる。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、外周側に河川の水流を受けて同一の方向に回転可能に配置された１対の水車と、前記１対の水車に連接されて無端軌道をなし、前記１対の水車を一体として同一の方向に回転可能にする１対の環状の動力伝達部材と、前記１対の動力伝達部材に固定され、水の動力を受けて前記無端軌道の周りに回転する複数の水流受部とを備え、前記各水車が、発電機を駆動する回転軸と、外周に設けられた１対の環状の周枠部材と、一端が前記回転軸に固定され他端が２箇所で対応する前記周枠部材に固定され水流を受けて前記回転軸を軸として回転する複数の羽根とを有し、前記回転軸が金属からなり、前記各羽根が木材、樹脂及び軽合金を含む比重の小さい材料のいずれか１つ以上からなり、前記各動力伝達部材が対応する前記周枠部材に連接されることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発電用水車において、前記水流受部が、内部に前記水が入り込む直方体状のバケツからなることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、外周側に河川の水流を受けて同一の方向に回転可能に配置された１対の水車と、前記１対の水車に連接されて無端軌道をなし、前記１対の水車を一体として同一の方向に回転可能にする１対の環状の動力伝達部材と、前記１対の動力伝達部材に固定され、水の動力を受けて前記無端軌道の周りに回転する複数の水流受部とを備え、前記各水車が、発電機を駆動する回転軸と、外周に設けられた１対の環状の周枠部材と、一端が前記回転軸に固定され他端が２箇所で対応する前記周枠部材に固定され水流を受けて前記回転軸を軸として回転する複数の羽根とを有し、前記回転軸が金属からなり、前記各羽根が木材、樹脂及び軽合金を含む比重の小さい材料のいずれか１つ以上からなり、前記各動力伝達部材が対応する前記周枠部材に連接されるため、水の動力を受けて回転する１対の水車と水流受部とからのトルクを加算することができ、用水路、小規模な河川等を流れる流量の少ない水流の水力エネルギーを有効活用して従来の発電用水車よりも強い駆動トルクを得ることが可能な発電用水車を実現することができる。

請求項２に係る発明によれば、上記請求項１の効果に加えて、水流受部が、内部に水が入り込む直方体状のバケツからなるため、水の動力を十分に利用することができる。

Claims (4)

1. 同一の方向に回転可能に配置された１対の水車と、
   前記１対の水車に連接されて無端軌道をなし、前記１対の水車を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材と、
   前記動力伝達部材に固定され、水の動力を受けて前記無端軌道の周りに回転する複数の水流受部と、を備えたことを特徴とする発電用水車。
2. 前記水流受部が、内部に前記水が入り込むバケツからなることを特徴とする請求項１に記載の発電用水車。
3. 前記バケツが、少なくとも、前記無端軌道に対して遠端となる部分に回転可能な１つ以上の回転部材を有することを特徴とする請求項２に記載の発電用水車。
4. 前記水流受部が、前記水の動力を受けることができる板状の部材からなることを特徴とする請求項１に記載の発電用水車。

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