JP2008298009A - 水車発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水車の安定した高速回転を実現でき、発電効率の高い水車発電装置及びそれに適した水車羽根を提供することである。
【解決手段】 水圧ノズルの高水圧により水車を回転させ、該水車の回転により発電機を駆動させて発電する水車発電装置において、水車羽根の先端の中心部分が切り欠かれていることを特徴とする水車羽根を用いた水車と、該水車の回転軸と同軸に設けられたフライホールと、該水車を回転させるための水圧ノズルとが設けられた水密性の水車容器と、該水車容器内の水車から流下した水を水圧ノズルに送水するための送水ポンプ及び送水配管と、該水車の回転軸に連結された発電機とからなることを特徴とする水車発電装置とするものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水車の羽根及び水車を用いた発電装置に関するものである。

水車を用いた発電装置として、例えば、実開平3-7677号公報記載の揚水式自家用発電装置が開示されている。この揚水式自家用発電装置では貯水槽と受水槽とを水圧管で接続し、水圧管の途中に水車を設け、貯水槽から水圧管を介して受水漕に落下させる際に水車を回転させて、落下する水のエネルギーを利用して発電を行っている。また、受水漕に落下した水は揚水ポンブにより再び貯水槽に戻され、水を循環して使用するものである。

この発電装置では、揚水ポンプの電源はすべて一般電源を使用することから、運転コストを低減するために、特開２００３−２５４２１８号公報などが開示されている。

これは、水を受けることにより回転する水車と、この水車に連結された発電機とを備えた水力発電装置において、水車から落下する水を回収する水槽と、水槽の水を圧送するボンプと、このポンプにより圧送された水を水車に導く導水管とを備えた水循環部と、水車から発電機への回転伝達経路に設けた回転取出部の回転をボンブに伝達する動力伝達機構を備えたものである。
実開平3-7677号公報 特開２００３−２５４２１８号公報

上記のような水車を用いた発電装置においては、水をを循環させて資源を有効利用することができるとともに、発電にかかる運転コストを低減することを可能とするものである。

水車による発電においては、水車をいかに早く安定して回転させることができるかどうかが重要である。

そのために、供給される水を受ける面積を大きくすることが考えられるが、水車の羽根を大きくすると、水車の重量が増えてしまい逆効果である。

また、供給する水圧を上げることも考えられるが、これもポンプの電力が必要であり、発電効率が低下してしまう問題がある。

本発明の課題は、水車の安定した高速回転を実現でき、発電効率の高い水車発電装置及びそれに適した水車羽根を提供することである。

前記の問題を解決するために、本発明では、水車羽根の先端の中心部分が切り欠かれていることを特徴とする水車羽根とするものである。

該水車羽根は、先端の中心部分が切りかかれている形状であれば良く、羽根の中心部分は深く切り込まれて噴射される水が一部通過するようになっており、両サイド部分と底部はそのまま水を受けるような形状であれば良く、Ｖ字形状やＵ字形状など、半円形状、楕円形状、四角形状、あるいは多角形状に切りかかれたものでも良い。

先端の中央部分が切りかかれていることにより、高圧で噴射された水が羽根に当たって飛び散ってしまうことによる損失を最小限にできる。

切り欠きがない場合には、最初の羽根に高圧水が当たると、水車は回転力を得ることとなるが、このとき、同時に、多くの水は周囲に飛び散ってしまう。すなわち、飛び散った水には十分にエネルギーが残っているまま、周囲に飛び散り、損失してしまうのである。

この損失していたエネルギーを次の羽根に伝達することができれば、エネルギー損失を水車の回転力に変えることができ、発電効率を大幅に向上させることができる。

羽根の先端の中央部が切り欠かれていると、周囲へ飛び散る水の量が少なくなり、その切り欠き部分を噴射された水の一部が通過して、その羽根の後方の次の羽根に水を噴射させることができる。これにより、最初の羽根と、次の羽根に、また、噴射圧力によっては、さらに次の羽根にも当たることになる。

このような羽根では、高圧の噴射にも効果的に対応でき、しかも、羽根の間隔を狭くしても、問題なく噴射、回転させることができるので、高出力の水車を実現できる。

また、本発明では、水圧ノズルの高水圧により水車を回転させ、該水車の回転により発電機を駆動させて発電する水車発電装置において、前記の水車羽根を用いた水車と、該水車の回転軸と同軸に設けられたフライホールと、該水車を回転させるための水圧ノズルとが設けられた水密性の水車容器と、該水車容器内の水車から流下した水を水圧ノズルに送水するための送水ポンプ及び送水配管と、該水車の回転軸に連結された発電機とからなることを特徴とする水車発電装置とするものである。

該水車の回転軸には、水車とフライホイールが設けられており、該水車は、前記の切り欠きを有する羽根を複数枚取り付けた水車であればいずれでも良く、円筒の外周面に複数の切り欠き羽根を放射状に取り付け、該羽根の側部を円板で挟んだ形状の水車としても良い。

また、水車とともにフライホイールを取り付け、水車の回転を安定させる。該フライホイールは、回転軸に取り付けられるものであれば良く、鋼板製の円板やリングなどでも良い。慣性力を十分に発揮できるように、十分な重量と成るものが良い。

該水圧ノズルは、水車羽根に高圧水を噴射できる先端が絞られたノズルであり、水車羽根の面に、的確に噴射でき、安定して均等に噴射できるものが良い。ノズル径は、水車羽根の大きさに応じて適時設計することができる。

該水車容器は、水車の回転軸を水平に回転支持でき、かつ、水車から飛び散り、落下する水を受けることができ、外部へ水が漏洩することを防止できるように、水密性とする。底部に水を溜める水槽を設けても良い。また、水を浄化する浄化設備を併設しても良い。

該送水ポンプは、水車容器の底部に溜まる水を取水配管で取出し、前記の水圧ノズルに圧送するものであり、水車容器の外部に設けられ、市販される送水ポンプを使用することができる。

水車容器の底部に接続される取水配管の取り入れ口には、先端にゴミなどを除去する網やフィルターを設けると良い。

該発電機は、水車の回転軸からプーリーなどで接続され、水車の回転力を発電機に伝達し、発電されるものであり、市販される発電機が使用できる。水車の回転が高速になるので、プーリーなどの変速手段により、減速して発電機に対応した回転数として使用すると良い。また、発電機は、送水ポンプの電源に使用できる発電機を用いる。

該発電機で発電した電気を送水ポンプの電源として使用することで、運転コストを大幅に削減でき、かつ、十分な電力を確保できる。適時、蓄電池に充電するようにしても良い。この蓄電池で送水ポンプを駆動するようにしても良い。

出力を増やす場合には、適時、回転軸に複数の水車とフライホイールを増設することができ、また、複数の回転軸に水車とフライホイールを設け、複数の回転軸を同期させて回転力を取り出すようにしたり、バックアップ用などとして、２組の回転軸の回転力の伝達を切り替え可能としてもよい。

また、本発明では、前記の水圧ノズルは、その噴射方向が前記の水車の切り欠き羽根の面に対して垂直となるように設けられていることを特徴とするものである。

従来の水車の羽根に水圧ノズルで水を噴射する場合には、より多くの羽根に水が当たるようにするために、羽根の角度をやや鋭角にし、羽根同士の間隔は、なるべく狭くして羽根枚数を増やすようにしているが、鋭角にするために水圧のエネルギーを十分に受けることができないという問題がある。

羽根の枚数を増やすためには、間隔を狭くし、羽根の角度を調整する必要があり、回転力を高めるためには、羽根に垂直に水を当てる必要から羽根同士の間隔を広げなければならなかった。

本発明の羽根は、先端の中央部が切りかかれているために、羽根の間隔を狭くしても、角度を鋭角にする必要はなく、羽根に垂直に水圧ノズルを当てることができ、水圧を十分に回転力に変換することができ、エネルギー効率が非常に良い。

本発明では、以下のような効果を奏する。

１）先端の中央が切りかかれた水車羽根であるため、羽根に噴射された水の飛び散りが少なく、噴射エネルギーが水車に効率良く伝達される。

２）羽根同士の間隔を狭くでき、羽根の枚数をふやすことができ、高出力の水車を実現できる。

３）水車とフライホイールを回転軸に設けたので、慣性力を利用した安定した回転力を実現できる。

４）水密性の水車容器を用いることにより、水車から飛び散ったり、落下する水を外部に損失することなく、安全にかつ確実に循環利用できる。

次に本発明を実施するための一実施例について図面を参照して説明する。

図１は本発明による水車の一実施例を示す図である。（１）は、側面図であり、（２）は正面図であり、（３）は、一枚の羽根の外観図である。

本実施例の羽根３は、羽根３の先端中央部３ａが切り欠かれており、切り欠き部の形状はＶ字形状を採用した。

回転軸２に円筒状の水車芯部５が取り付けられ、該芯部５に放射状にＶ字羽根３が９枚固定されており、該Ｖ字羽根３の両側部に円板４が取り付けられている。

該Ｖ字羽根の取り付け角度は、放射方向よりも若干、逆回転方向に傾けて取り付けられている。

図２は、本発明による水車発電機の一実施例を示す図である。
本実施例では、前記のＶ字羽根を用いた水車を４台、フライホイールを４台用いた水車発電機である。

水車１とフライホイール１０が取り付けられた回転軸２と、水車１を回転させるための水圧ノズル１４が設けられた水車容器１１と、水車容器１１の回転軸２に接続される発電機１３と、該水圧ノズル１４に送水するための送水ポンプ１５が設けられたポンプ容器１６とで構成されている。

該水車容器１１は、水密性に構成されており、底部に循環用の水１７が充填されている。水量は、約１トンとした。

該回転軸２は、水車容器１１内に水平に設けられ、水車１が２台に対してその両側にフライホイール１０が１台づつで２台が設けられ、水車２台とフライホイール２台を１セットとし、本実施例では、２セット設けられている。

該水圧ノズル１４は、各水車１の上部に設けられ、Ｖ字水車羽根３に対して垂直に噴射した水が当たるように設けられおり、水車容器１１の底部の水１７を取水配管１９から取水し、送水ポンプ１５によって送水配管１８により水が供給される。取水配管１９の取水口には、ゴミ等の混入を防ぐための金網２０が設けられている。

このように構成された水車発電装置は、以下に示すような手順で作動する。

１）外部電源による送水ポンプ始動
最初に、送水ポンプを外部電源により駆動する。本送水ポンプは、３相交流電源の荏原製スクリュー式渦巻きポンプを使用した。電源容量は、３．７ｋｗのものを２基使用した。
外部電源は、一般の３相交流電源を用いた。交流発電機を用いても良い。
外部電源を接続し、送水ポンプ１５を始動させる。

２）送水
送水ポンプ１５の吐出量は、毎分４００リットルとした。
水車容器１１の底部に貯留した水１７を取水配管１９から取水する。金網２０により、ゴミなどが除去される。
取水した水は、送水ポンプ１５の始動により、送水配管１８を通水し、水圧ノズル１４に圧送される。

３）水圧ノズル噴射
圧送された水は、水圧ノズル１４により、管径が絞られて、高圧水を水車１のＶ字羽根３に噴射する。ノズル１４の噴出圧力は、１０ｋｇ／ｃｍ2程度である。

４）水車駆動
噴射された水により、水車１が回転する。羽根３の先端中央部がＶ字状に切りかかれているため、噴射された水は、最初の羽根３の切り欠き部以外の部分に当たり、水車１の回転力に変換され、Ｖ字部３ａを通過した水は、次のＶ字羽根３に噴射され、Ｖ字の切り欠き以外の部分に当たり水車１の回転力に変換される。

このように、Ｖ字の切り欠き部３ａがあるため、羽根３に当たった水の周囲への飛び散りを最小限に抑えられ、かつ、複数の羽根３に噴射させるので効率よく、水の噴射エネルギーを水車１の回転力に効果的に変換できる。

切り欠きがない場合では、羽根に当たった水は、周囲に飛び散り、十分に噴射のエネルギーを水車の回転力に変換できずに損失してしまう。また、すべての噴射力を１枚の羽根に受けることになり、羽根の微妙な取付状態にもシビアに影響され、水車の歪みや損傷の原因ともなる。切り欠き部があると、噴射水の流れは中心に誘導され、安定した流れができ、噴射力を安定して受けることができる。

５）回転数調整
水車１の回転により、回転軸２が回転し、水車容器１１の外部に取り付けられたプーリー１２により、回転数が調整される。
回転軸２は、ポンプ１５の始動後、数分で毎分１３００回転程度となる。

６）発電機駆動
プーリー１２により、発電機１３に適した回転（毎分９００回転）に変換されて発電機１３を駆動させる。
該発電機１３は、デンヨー（株）製の三相交流発電機を使用した。出力は、２００Ｖ、１０００ｋｗである。

７）発電機からの電源による送水ポンプ駆動
発電機１３で発電された電力は、蓄電池（図示しない）などに蓄電されるとともに、前記の送水ポンプ１５の電源としても供給される。このときに、送水ポンプ１５の電源を外部電源から本発電機１３からの電源に切り替える。電力が不足する場合には、外部電源と共用しても良い。

以上のように、本発明の水車発電装置は、水車容器１１内の水を循環して使用するため、水資源を無駄にしない。水車容器内に駆動部が格納されているので、設置が容易であり、騒音も少ない。また、水を使用するが、外部に飛び散ることもない。

水車とフライホイールを適時に増設することにより、用途に応じて出力を変更することができる。

例えば、ゴルフ場の電源として使用する場合には、本実施例の装置を２基設置（バックアップ用を含む）することで、４００〜５００ｋｗの電力を十分に供給することを可能とするものである。

本発明の水車発電装置は、比較的小型であり、始動時の電源を内燃機関を用いた小型発電機で対応することができ、分解して輸送することも可能であるため、地震などの被災地や工事現場、離島などでの電力確保などに使用することも可能である。

本発明の水車羽根の実施例を示す図である。 本発明の水車発電装置の実施例を示す図である。

符号の説明

１ 水車
２ 回転軸
３ Ｖ字羽根
３ａ 切り欠き部
４ 側板
５ 水車芯部
１０ フライホイール
１１ 水車容器
１２ プーリー
１３ 発電機
１４ 水圧ノズル
１５ 送水ポンプ
１６ ポンプ容器
１７ 水
１８ 送水配管
１９ 取水配管
２０ 金網

Claims (3)

1. 先端の中央部分が切り欠かれていることを特徴とする水車羽根。
2. 水圧ノズルの高水圧により水車を回転させ、該水車の回転により発電機を駆動させて発電する水車発電装置において、
   前記の請求項１に記載の水車羽根を用いた水車と、該水車の回転軸と同軸に設けられたフライホールと、該水車を回転させるための水圧ノズルとが設けられた水密性の水車容器と、
   該水車容器内の水車から流下した水を水圧ノズルに送水するための送水ポンプ及び送水配管と、
   該水車の回転軸に連結された発電機とからなることを特徴とする水車発電装置。
3. 前記の水圧ノズルは、その噴射方向が前記の水車の切り欠き羽根の面に対して垂直となるように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の水車発電装置。