JP2009221882A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな形状であり、効率良く水のエネルギーを回転エネルギーに変えて高い発電効率で発電することができる水力発電装置を提供する。
【解決手段】軸方向が垂直に設けられ内側を水が下に向かって通過する円筒形の取水胴１４と、取水胴１４の内側に設けられ水を一定の方向に流すガイド部材１５と、ガイド部材１５の下方に設けられガイド部１５材から流される水を受けて回転する回転スクリュウ２２を備える。ガイド部材２２には、取水胴１４の中心軸上に位置し下方に向かって直径が大きくなる水絞りドラム１６と、水絞りドラム１６と取水胴１４の間の空間を取水胴１４の円周に沿って区切る固定スクリュウ２０を備える。固定スクリュウ２０の取付角度は、取水胴１４の軸方向に対して傾斜し、回転スクリュウ２２の水を受ける面に対して交差する角度である。
【選択図】図１

Description

この発明は、農業用水路等の比較的流量の少ない水路に設置される小形の水力発電装置に関する。

従来、農業用水路等の用水路に取付ける小形の水力発電装置があった。例えば、特許文献１に開示されている農業用水路等の落差工に設置する水力発電装置は、農業用水路等に落差工を形成して、水力発電装置を着脱自在に支承する枠体を設け、枠体内に、反動型水車ランナーベーンに立体構造の回転軸を直接または伝達機構で連結してなる発電機を備えたものである。さらに、停電や機器の故障等に自動的に全開する駆動装置を備えたランナーベーン及びガイドベーンをケースに収容して、これらを一体ユニットとした水力発電装置を水路に設置したものである。
特開２００５−３２０８８３号公報

上記背景技術の場合、用水路の落差を利用して自然に流れ込む水の中でランナーベーンが回転して発電するものであり、ガイドベーンにより整流された水が効果的にランナーベーンに向かわず、しかもランナーベーンにより水流を回転力に変換する効率も悪く、十分な発電効率が得られなかった。また、構造が複雑で高価であり、メンテナンスにも手間がかかるものであった。

この発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトな形状であり、効率良く水のエネルギーを回転エネルギーに変えて高い発電効率で発電することができる水力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、中心軸が垂直に設けられ内側を水が下に向かって通過する円筒形の取水胴と、前記取水胴の内側に設けられ水を一定の方向に流すガイド部材と、前記ガイド部材の下方に設けられ前記ガイド部材から流される水を受けて回転する回転スクリュウと、前記回転スクリュウの軸部に連結された発電機が設けられている水力発電装置である。前記ガイド部材には、前記取水胴の中心軸上に位置し下方に向かって直径が大きくなる水絞りドラムと、前記水絞りドラムと前記取水胴の間の空間を前記取水胴の円周に沿って区切る固定スクリュウが設けられ、前記固定スクリュウの取付角度は、前記取水胴の軸方向に対して傾斜し前記回転スクリュウの水を受ける面に対して交差する角度に設けられている。

また、前記回転スクリュウは、垂直な軸部と前記軸部の側面をらせん状に回る羽根部が設けられ、前記ガイド部材の前記水絞りドラムは、前記取水胴に対して平行な中心軸を有し下方に向かって直径が大きくなる円錐部と、前記円錐部の下端部に連続し前記取水胴に対して平行な円柱部が設けられ、前記固定スクリュは前記円柱部の側周面に一体に設けられ、前記固定スクリュウの角度は、前記回転スクリュウの前記羽根部の上面に対して直角方向に設けられている。なおここで直角とは、９０度付近の角度を含むものとする。また前記固定スクリュウは、厚み方向が、下方へ向かって僅かに彎曲されている。

また、前記取水胴の外側には前記取水胴を支持する架台フレームが設けられ、前記架台フレームの上部には前記発電機が取り付けられている。前記発電機は前記回転スクリュウとの間がシャフトで連結されている。

また、前記水力発電装置は用水路の段差に設けられ、前記取水胴の開口された上端縁部は、前記用水路の段差の上流の水面の高さに設置され、前記上端縁部の、前記用水路の段差の上流に対向する部分は、段差の上流の底部の高さに切り欠かれている。

本発明の水力発電装置は、コンパクトな形状であり、効率良く水のエネルギーを回転エネルギーに変えて発電することができ、しかも構造も簡単であり、コストも安価なものである。

以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図３はこの発明の一実施形態を示すもので、この実施形態の水力発電装置１０は、垂直方向に長い矩形に組まれた架台フレーム１２が設けられている。架台フレーム１２は、後述する用水路４４の第二底部５２に設置される互いに平行な一対の土台部１２ａと、各土台部１２ａにほぼ垂直に立設される二対の柱部１２ｂと、二対の柱部１２ｂの上端を連結する上端部１２ｃが設けられている。柱部１２ｂの土台部１２ａに近い部分には、土台部１２ａに対して平行に保持部１２ｄが設けられている。柱部１２ｂの、上端部１２ｃに近い部分には、柱部１２ｂの長さを調整する図示しない構造が設けられてもよい。そして、土台部１２ａ、上端部１２ｃ、保持部１２ｄ付近には、図示しない横部材がそれぞれ柱部１２ｂの間にほぼ直角に交差して設けられ、四角形の箱形に組み立てられている。

架台フレーム１２の４本の柱部１２ｂの内側には、円筒形の取水胴１４が設けられている。取水胴１４は、軸方向が垂直に設けられて上下に開口し、上方に開口された上端縁部１４ａは、約半分程度の長さが、下方に斜めに切除されて切除部１４ｂが設けられている。取水胴１４の下端縁部１４ｃは略水平方向に位置して開口している。

取水胴１４の内側には、ガイド部材１５が固定されている。ガイド部材１５には、取水胴１４の中心軸上に位置する水絞りドラム１６が設けられている。水絞りドラム１６は、取水胴１４に対して平行な中心軸を有し下方に向かって直径が大きくなる円錐部１６ａと、円錐部１６ａの下端部に連続し取水胴１４に対して平行な円柱部１６ｂが設けられている。水絞りドラム１６の中心軸には、後述するシャフト２８が挿通される挿通部１８が垂直方向に設けられている。

水絞りドラム１６の円柱部１６ｂの側周面には、固定スクリュウ２０が設けられている。固定スクリュウ２０は水絞りドラム１６と取水胴１４の間の空間を取水胴１４の円周に沿って放射方向に区切る４枚の矩形の板体であり、水絞りドラム１６と取水胴１４の間の空間を等間隔に４区画に区切っている。各固定スクリュウ２０の一方の側縁部は水絞りドラム１６の円柱部１６ｂに固定され、この側縁部に対向する側縁部は取水胴１４の内周面に固定され、その他の一対の側縁部は取水胴１４の内側に露出している。各固定スクリュウ２０の取付角度は、取水胴１４の軸方向に対して下方へ向かって時計周りに湾曲するように傾斜し、傾斜する角度は、後述する回転スクリュウ２２の羽根部２６の上面に対して、ほぼ直角に向くように設けられている。なおここで直角とは、９０度前後の角度を含むものとする。また各固定スクリュウ２０は、厚み方向が、下方へ向かって僅かに湾曲されている。

ガイド部材１５の下方には、回転スクリュウ２２が設けられている。回転スクリュウ２２はほぼ垂直な軸部２４が設けられ、軸部２４の側周面には４枚の羽根部２６が設けられている。各羽根部２６は、軸部２４の軸方向に対して下方へ向かって反時計周りに移動する螺旋状に設けられ、４枚が互いに平行に設けられている。

回転スクリュウ２２の軸部２４には、シャフト２８が連結されている。シャフト２８は回転スクリュウ２２の軸部２４を貫通して固定され、軸部２４の上方にほぼ垂直に延出し、ガイド部材１５の水絞りドラム１６に形成された透孔１８に回転可能に挿通され、さらに上方に延出して架台フレーム１２の上端部１２ｃに達している。シャフト２８の上端部２８ａは、架台フレーム１２の上端部１２ｃに固定された軸受３０に支持され、カップリング３２に連結されている。カップリング３２は、増速機３４に連結されている。さらに、増速機３４から別のシャフト３６が上方に延出して設けられ、シャフト３６はカップリング３８を経て発電機４０に連結されている。

シャフト２８の下端部２８ｂは、回転スクリュウ２２の軸部２４の下方に延出し、架台フレーム１２の保持部１２ｄに達している。そして、保持部１２ｄに固定されている軸受４２に回転可能に支持されている。

次に、この実施形態の水力発電装置１０の使用方法について図３に基づいて説明する。水力発電装置１０を取り付ける用水路４４は、一対の側壁部４６で両岸が保護され、側壁部４６の間には浅い第一底部４８が形成されている。第一底部４８の下流側にはほぼ垂直に下方へ向かう段部５０が連続し、さらに段部５０には第一底部４８よりも深い第二底部５２が連続している。水力発電装置１０は用水路４４の段部５０付近に設置され、架台フレーム１２の柱部１２ｂが段部５０にほぼ接触するように置き、土台部１２ａを第二底部５２に設置する。このとき、取水胴１４の切欠部１４ｂが第一底部４８に対向するようにセットし、切欠部１４ｂの下端部が第一底部４８とほぼ同じ高さとなるようにする。なお、架台フレーム１２の柱部１２ｂに高さ調節機能が設けられている場合、用水路４４の段部５０に合わせて高さを調節する。

次に水力発電装置１０の動作について説明する。用水路４４の第一底部４８を流れてきた水は段部５０で落下し、水力発電装置１０の取水胴１４の中へ切欠部１４ｂを通過して流れ込む。取水胴１４に流れ込んだ水は垂直に落下し、ガイド部材１５に当たり、ガイド部材１５の水絞りドラム１６と固定スクリュウ２０の間の空間に流れ、水絞りドラム１６の側周面と固定スクリュウ２０の延長線上に沿って流れ落ちる。流れ落ちる位置は、回転スクリュウ２２の羽根部２６の、軸部２４から離れた縁部付近であり、流れ落ちる角度は、羽根部２６の上面に対してほぼ直角となる。そして、回転スクリュウ２２の羽根部２６に水が落下すると、羽根部２６が押されて回転スクリュウ２２が軸部２４を中心に、上方から見て時計回りに回転する。このとき、ガイド部材１５の固定スクリュウ２０により水は４箇所に分かれた流路となり、ガイド部材１５の水絞りドラム１６は下方に向かって直径が大きくなる円錐形であり水の流路は取水胴１４の内周面に近い部分に狭められるため、水の流速は早められた状態で落下する。下方に位置する回転スクリュウ２２の羽根部２６も４枚設けられ、ガイド部材１５の４箇所から落下した水は確実に受けられ、回転スクリュウ２２の回転エネルギーに変換される。回転スクリュウ２２の回転に伴い、シャフト２８、３６が回転し、発電機４０で発電される。例えば、この実施形態のような発電機０４では、落差３ｍ以下の段部５０を有する用水路４４で、３ｋｗの発電をすることができる。

この実施形態の水力発電装置１０によれば、簡単な構造でコンパクトな形状であり、水のエネルギーを効率良く回転エネルギーに変えて発電することができる。構造が簡単なため、安価で移動が容易であり、またメンテナンスも簡単であり、手軽に使用することができる。用水路の段差からほぼ垂直に落下する水の流れを、ガイド部材１５により効率が良い方向に変え、回転スクリュウ２２の羽根部２６の最適な場所に最適な角度で水を当てることができる。これにより発電効率が良好であり、また用水路４４を流れる水の量が少ないときでも流速を速めて確実に発電することができる。水力発電装置１０は小形であるため、段部５０の落差が２メートル程度でも使用可能であり、省スペースなためいろいろな場所に取付けることができる。省スペースと、発電効率が良好であるという、相反する効果を有するものである。

なお、この発明の水力発電装置は、上記実施の形態に限定されるものではなく、各部材の形状は適宜変更可能である。ガイド部材の形状は、上記以外に水の流れを適した方向に向けるものであれば良い。また、回転スクリュウの羽根部の形状や枚数、角度等も適宜変更可能である。

この発明の一実施形態の水力発電装置の縦断面図である。 この実施形態の水力発電装置の取水胴とガイド部材を示す平面図である。 この実施形態の水力発電装置の使用状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ 水力発電装置
１２ 架台フレーム
１４ 取水胴
１５ ガイド部材
１６ 水絞りドラム
１６ａ 円錐部
１６ｂ 円柱部
２０ 固定スクリュウ
２２ 回転スクリュウ
２４ 軸部
２６ 羽根部
２８ シャフト
４０ 発電機

Claims (4)

1. 中心軸が垂直に設けられ内側を水が下に向かって通過する円筒形の取水胴と、前記取水胴の内側に設けられ水を一定の方向に流すガイド部材と、前記ガイド部材の下方に設けられ前記ガイド部材から流れる水を受けて回転する回転スクリュウと、前記回転スクリュウの軸部に連結された発電機が設けられ、前記ガイド部材には、前記取水胴の中心軸上に位置し下方に向かって直径が大きくなる水絞りドラムと、前記水絞りドラムと前記取水胴の間の空間を前記取水胴の円周に沿って区切る固定スクリュウが設けられ、前記固定スクリュウの取付角度は、前記取水胴の軸方向に対して傾斜し前記回転スクリュウの水を受ける面に対して交差する角度に設けられていることを特徴とする水力発電装置。
2. 前記回転スクリュウは、垂直な軸部と前記軸部の側面をらせん状に回る羽根部が設けられ、前記ガイド部材の前記水絞りドラムは、前記取水胴に対して平行な中心軸を有し下方に向かって直径が大きくなる円錐部と、前記円錐部の下端部に連続し前記取水胴に対して平行な円柱部が設けられ、前記固定スクリュは前記円柱部の側周面に一体に設けられ、前記固定スクリュウの角度は、前記回転スクリュウの前記羽根部の上面に対して直角方向に設けられていることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
3. 前記取水胴の外側には前記取水胴を支持する架台フレームが設けられ、前記架台フレームの上部には前記発電機が取り付けられ、前記発電機は前記回転スクリュウとの間がシャフトで連結されていることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
4. 前記水力発電装置は用水路の段差に設けられ、前記取水胴の開口された上端縁部は、前記用水路の段差の上流の水面の高さに設置され、前記上端縁部の、前記用水路の段差の上流に対向する部分は、段差の上流の底部の高さに切り欠かれていることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
   

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