JP2010112194A - 小型水力発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水流の落差を利用して十分な発電出力を得ることができ、しかも容易に設置することができる小型水力発電装置を提供するものである。
【解決手段】小型水力発電機2を収容して内部に固定する筒状のシュラウド4を備え、シュラウド4は、流水FWの上流US側に配置されて流水FWを取り入れる取水口41と、流水FWの下流DS側に配置されて流水FWを排出する排水口42とを備え、排水口42には、可撓性を有する排水ダクト5が連結されていることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

この発明は、小型水力発電装置に関するものである。
従来から、河川の水流を利用して発電を行う小型水力発電装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。特に、発電所などの大規模な発電とは別に、河川や用水路等の身近な自然エネルギーを有効に利用するための携帯型水力発電装置が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
これらの水力発電装置は、持ち運びが可能な小型の水力発電機を用いている。水力発電機は架台等に固定された状態で河川等に沈められ、プロペラスクリューを河川等の上流側に向けた状態で水底等に配置して使用される。
特開2008−99373号公報 特開2008−144646号公報
しかしながら、上記従来の小型水力発電装置は、河川や用水路等の落差を利用することが困難であるという課題がある。
従来の小型水力発電装置において河川や用水路等の水流の落差を利用する場合には、例えば、河川に設けられた堤防や自然の滝等、落差の途中や下方側に水力発電機を設置する必要がある。このとき、水力発電機のプロペラスクリューを落流の上流側に向けて配置しなければならない。しかし、堤防や滝等は、傾斜が急峻であったり、障害物が存在したり、発電機本体を設置する場所が確保できない場合等が多く、水力発電機を安定的に配置することは困難である。
そのため、従来の水力発電装置では、比較的平坦な水底に発電機本体を配置して流水の流速を利用して発電を行っていた。このような場所では、水力発電機を容易かつ安定的に設置できる反面、河川や用水路等の落差を利用することが困難である。したがって、上記従来の水力発電装置では、十分な発電出力を得ることが困難であった。
そこで、この発明は、流水の落差を利用して十分な発電出力を得ることができ、しかも容易に設置することができる小型水力発電装置を提供するものである。
上記の課題を解決するために、本発明の小型水力発電装置は、流水により回転するプロペラスクリューが連結された小型水力発電機を備えた小型水力発電装置であって、前記小型水力発電機を収容して内部に固定する筒状のシュラウドを備え、前記シュラウドは、前記流水の上流側に配置されて前記流水を取り入れる取水口と、前記流水の下流側に配置されて前記流水を排出する排水口とを備え、前記排水口には、可撓性を有する排水ダクトが連結されていることを特徴とする。
このように構成することで、河川や用水路等の堤防や滝等、落差がある箇所において、小型水力発電機を落差がある箇所の上流側の比較的平坦な水底に設置しておき、排水ダクトを落差がある箇所の下方側へ垂らすように設置することができる。
ここで、小型水力発電機は、筒状のシュラウドに収容されている。そのため、小型発電機を回避するように通過する流水を減少させ、プロペラスクリューを効率よく回転させるができる。
また、排水ダクトを落差がある箇所の下方側へ垂らすように設置することで、落差を利用してシュラウドを通過する流水の流速を増加させることができる。これにより、小型水力発電機の発電出力を大幅に上昇させることができる。
また、河川や用水路等の落差を利用する場合であっても、小型水力発電機を落差がある箇所の上流側の比較的平坦な水底に設置することができるので、小型水力発電機を容易に設置することができる。
また、本発明の小型水力発電装置は、前記シュラウドは、前記取水口が拡径されていることを特徴とする。
このように構成することで、シュラウドの内部に取り入れる流水を増加させ、シュラウド内部の流水の流速を上昇させることができる。これにより、プロペラスクリューの回転数を上昇させ、発電出力を上昇させることができる。
また、本発明の小型水力発電装置は、前記プロペラスクリューは、プロペラ翼の翼面が前記シュラウドの前記取水口に対向するように前記小型水力発電機の前記取水口側に設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、流水が取水口からプロペラスクリューの回転軸と略平行に流入し、プロペラスクリューを効率よく回転させることができる。これにより、プロペラスクリューの回転数を上昇させ、発電出力を上昇させることができる。
また、本発明の小型水力発電装置は、前記小型水力発電機は、前記取水口側に設けられた第1ハウジングと、前記第1ハウジングの前記排水口側に設けられた第2ハウジングとを備え、前記第2ハウジングは、頂点を前記プロペラスクリューの回転軸方向の前記排水口側に向けた円錐状の形状に形成され、前記第2ハウジングの前記回転軸方向の寸法が、前記第1ハウジングの前記回転軸方向の寸法よりも大きいことを特徴とする。
このように構成することで、プロペラスクリューの下流側の第2ハウジングの周囲を通過する流水の圧力損失を低減することができる。これにより、流水の流速を上昇させ、発電出力を上昇させることができる。
また、本発明の小型水力発電装置は、前記シュラウドには、前記シュラウドを水底に支持する支持部が設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、シュラウドを水底から所定の高さに安定的に設置することができる。したがって、シュラウドを水底に直接設置する場合と比較して、シュラウドに流入する流水の流速を上昇させ、発電出力を上昇させることができる。
本発明の小型水力発電装置によれば、河川や用水路等の落差を利用して十分な発電出力を得ることができ、しかも小型水力発電機を容易に水底に設置することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態の小型水力発電装置は、河川や用水路等の身近な自然エネルギーを有効に利用するために用いられる可搬の水力発電装置である。なお、以下の各図面では、部材毎に縮尺を適宜変更している。
図1は、本実施形態の小型水力発電装置1の全体構成を示す断面図である。
図1に示すように、小型水力発電装置1は、主に、小型水力発電機2と、プロペラスクリュー3と、シュラウド4と、排水ダクト5と、後述する電源回路部(図1では図示省略)と、により構成されている。
小型水力発電機2は、防水性のカバー(ハウジング)20を備え、プロペラスクリュー3のシャフト31(回転軸)を回転自在に軸支している。
カバー20は、例えば金属材料や樹脂材料等、耐水性及び耐久性の高い材料により形成され、内部に水分が入り込まないように防水性を備えた構造を有している。
シャフト31は、小型水力発電機2の上流US側に向けてカバー20から突出するように設けられている。カバー20から突出したシャフト31にはプロペラスクリュー3が連結され、流水FWにより回転するように構成されている。
シャフト31とカバー20との間は、例えばオイルシール等により防水対策が施されている。
シュラウド4は筒状の形状に形成され、流水FWを取り入れる取水口41と、取り入れた流水FWを排出する排水口42と、を備えている。取水口41は流水FWの上流US側に配置され、排水口42は流水FWの下流DS側に配置される。
シュラウド4は、取水口41がプロペラスクリュー3の下流DS側のシュラウド4の内径や排水口42の内径よりも拡径されている。これにより、シュラウド4はプロペラスクリュー3の上流US側の内径が、取水口41に近づくほど徐々に拡大する朝顔形の形状を有している。
シュラウド4の内部には小型水力発電機2が収容され、排水口42には排水ダクト5が連結されている。
排水ダクト5は可撓性を有する管であり、例えば、ポリプロピレン等の樹脂材料や防水布製の主材をスパイラルワイヤや補強リング等の補強材(図示略)により補強することにより形成されている。補強材は必ずしも必要としないが、排水ダクト5の径を一定に保ち流水FWの圧力損失を低減する上で備えることが好ましい。
排水ダクト5は、可搬性を考慮して例えば伸縮自在の蛇腹状に設けられ、シュラウド4及び排水ダクト5に設けられた着脱自在の継ぎ手(図示略)等を介してシュラウド4の排水口42に連結されている。
排水ダクト5の長さは、利用する落差HDの高さHや、落差の上流US側に小型水力発電機2を安全に設置するために必要な長さ等を考慮して適宜決定する。
小型水力発電機2は、シュラウド4の内壁に固定された複数のリブ43によってシュラウド4の内部に固定され、プロペラスクリュー3が上流US側(取水口41側)になるように配置されている。
小型水力発電機2は、軸支するプロペラスクリュー3のシャフト(回転軸)31の中心線CLがシュラウド4の中心線と略一致して、プロペラ翼32の翼面32aがシュラウド4の取水口41に対向するように固定されている。
シュラウド4には、シュラウド4の外周面に固定され、シュラウド4を水底BWに支持するフレーム(支持部)6が固定されている。
フレーム6はシュラウド4の下方側から水底BW方向に延びる脚部61を備えている。
脚部61はシュラウド4の取水口41側と排水口42側とを支持するように複数設けられ、下方側には底板部62が設けられている。
図2は、小型水力発電機2の断面図である。
図2に示すように、小型水力発電機2のカバー20は、プロペラスクリュー3側(取水口41側)に設けられた第1カバー(第1ハウジング)21と、第1カバー21のプロペラスクリュー3と反対側(排水口42側)に設けられた第2カバー(第2ハウジング)22とにより構成されている。
第1カバー21は椀状の形状に形成され、端面にはOリング7が配置されるリング溝23が設けられている。
Oリング7は、第1カバー21の端面のリング溝23と第2カバー22の端面との間で圧縮され、第1カバー21と第2カバー22との連結部分を密閉している。
第2カバー22は、略円錐形の形状に形成され、頂点22aをシャフト31の中心線CL方向のプロペラスクリュー3と反対側に向けた状態で、第1カバー21に複数のボルト8により一体的に連結されている。
第2カバー22は、プロペラスクリュー3のシャフト31の中心線CL方向の寸法L2が、第1カバー21の同方向の寸法L1よりも大きく、流水FWの下流DS方向に延びるように形成されている。
第1カバー21の底部21bには開口21aが形成され、開口21aの周囲には複数のボルト9により円筒状のボス部24が固定されている。第1カバー21の開口21a及びボス部24にはプロペラスクリュー3のシャフト31が挿通されている。
第1カバー21の開口21aにはオイルシール25が設けられ、シャフト31の周囲からのカバー20内部への水の浸入を防止している。
第1カバー21には、リード線10を挿通するための開口21cが形成されている。開口21cは、リード線10を挿通させた防水用のシール材11により密閉されている。
ボス部24は内部に一対のベアリング24bを備え、プロペラスクリュー3のシャフト31を回転自在に軸支している。
また、ボス部24の第2カバー22側の端部の周囲にはフランジ部24aが設けられ、フランジ部24aには、円環状に設けられ複数のティース26aを備えたステータコア26がボルト12によって固定されている。ティース26aは、円環状のステータコア26の周方向に等間隔に設けられ、ステータコア26に放射状に設けられている。
ステータコア26は、磁性材料からなる金属板をシャフト31の中心線CL方向に積層して形成されている。各ティース26aには、絶縁材により形成され断面形状がL字状のインシュレータ27を介してコイル28が巻装されている。コイル28は、U相、V相、W相それぞれに設けられている。コイル28はそれぞれ出力線(図示略)に接続され、出力線はリード線10を通して後述する電源回路部に接続されている。このように、ボス部24に固定されたステータコア26と、ステータコア26のティース26aに巻装されたコイル28とによってステータSが構成されている。
シャフト31のプロペラスクリュー3が固定された端部と反対側の端部には、有底円筒状のヨーク29が複数のボルト13により固定されている。ヨーク29はステータSの外側にステータSを前面から覆うように設けられている。また、ヨーク29は、シャフト31の径方向の寸法が大きくシャフト31の軸方向の寸法が小さい扁平した形状に設けられている。ヨーク29の内側面には、ティース26に対向するようにマグネット29aが固定されている。
マグネット29aは、ヨーク29の周方向に等間隔で、かつティース26aと対向するように配設されている。また、マグネット29aは、ヨーク29の周方向に磁極が順番になるように複数設けられている。
このように、複数のマグネット29aを備えたヨーク29とシャフト31とにより、ロータRが構成されている。すなわち、本実施形態の小型水力発電機2は、ステータSの外側にロータRが配置されたアウタロータ型の発電機である。
図3(a)及び図3(b)は、本実施形態の小型水力発電装置の電源回路部14の模式図である。図3(a)は、DC/DCコンバータ方式を用いる場合の一例を示し、図3(b)はショート型レギュレート方式を用いる場合の一例を示している。
本実施形態の小型水力発電装置1は、例えば図3(a)示す電源回路部14Aまたは図3(b)に示す電源回路部14Bを備えている。
図3(a)に示すように、電源回路部14Aは、ダイオードを用いた全波整流回路(ブリッジ回路)15Aと、平滑コンデンサ16と、DC/DCコンバータ17とを備えている。電源回路部14Aは、小型水力発電機2からリード線10を通して引き出された3本の出力線10a,10b,10cに接続されている。
電源回路部14Aは、小型水力発電機2からの交流出力を全波整流回路15A及び平滑コンデンサ16により直流に変換し、DC/DCコンバータ17により出力を一定電圧とする。
図3(b)に示すように、電源回路部14Bは、ダイオードを用いた全波整流回路15Bと、平滑コンデンサ16と、サイリスタ18aと、サイリスタゲート駆動回路18bとを備えている。小型水力発電機2からリード線10を通して引き出された3本の出力線10a,10b,10cは、それぞれサイリスタ18aを介してグランド(GND)に接続されている。
電源回路部14Bは、小型水力発電機2からの交流出力を全波整流回路15B及び平滑コンデンサ16により直流に変換する。そして、サイリスタゲート駆動回路18bは、整流後の電圧Vcが所定値に達したらゲート信号を出力しサイリスタ18aをONにする。するとコイル28がサイリスタ18aとダイオードを介して短絡(ショート)し、電圧が低下する。これを繰り返すことで、直流出力電圧を一定にする。
次に、本実施形態の作用について説明する。
図1に示す小型水力発電装置1を用い、例えば河川の流水FWの落差HDを利用して発電する場合には、まず、河岸に電源回路部14を設置する。次いで、シュラウド4を河川の上流US側に取水口41を向けた状態で流水FW中に沈め、フレーム6の脚部61に設けられた底板部62を水底BWに安定させ、小型水力発電機2を流水FW中に設置する。そして、排水ダクト5を落差HDがある箇所の下方側へ垂らすように設置する。
河川の水底BWに設置されたシュラウド4の取水口41には流水FWが流入する。取水口41からシュラウド4の内部に流入した流水FWは、小型水力発電機2のプロペラスクリュー3を回転させて、排水口42から排出される。
シュラウド4の排水口42から排出された流水FWは、排水ダクト5の内部を流れ、落差HDを有する箇所の下方側に排出される。
小型水力発電機2は、プロペラスクリュー3の回転により発電し、リード線10内の出力線10a,10b,10cを介して電流を電源回路部14に供給する。
電源回路部14は、小型水力発電機2により得られた電流を所定の電圧の電流に変換する。
このように、本実施形態の小型水力発電装置1によれば、河川や用水路等の身近な自然エネルギーを有効に利用して発電することができる。
ここで、本実施形態の小型水力発電装置1は、シュラウド4の排水口42に可撓性を有する排水ダクト5が連結されている。
そのため、排水ダクト5を落差HDがある箇所の下方側へ垂らすように設置することで、河川の滝や堤防等の流水FWの落差HDを利用して発電することができる。すなわち、流水FWの落差HDを利用してシュラウド4を通過する流水FWの流速を増加させることができる。これにより、シュラウド4や排水ダクト5がない場合と比較して、小型水力発電機2の発電出力を大幅に上昇させることができる。
また、排水ダクト5を落差HDがある箇所の下方側へ垂らすように設置することで、流水FWの落差HDを利用して発電する場合であっても、小型水力発電機2を落差HDがある箇所の上流US側の比較的平坦な水底BWに設置することができる。これにより、従来のように、傾斜が急峻であったり障害物が存在したりする、河川や用水路の落差がある箇所の下方側に小型水力発電機を設置する場合と比較して、小型水力発電機2の設置を格段に容易にすることができる。
加えて、可撓性を有する排水ダクト5をシュラウド4の下流側に流すように配置することで排水ダクトの設置を容易にすることができる。さらに、排水ダクト5が流水FWから受ける力によりシュラウド4の取水口41の向きを上流US側に正しく向けることができる。
また、小型水力発電装置1は、小型水力発電機2を収容して内部に固定する筒状のシュラウド4を備えている。
そのため、小型水力発電機2を回避するように通過する流水FWを減少させ、プロペラスクリュー3を効率よく回転させることができる。これにより、小型水力発電機2の発電出力を大幅に上昇させることができる。
また、シュラウド4の取水口41が朝顔形の形状に拡径されている。
そのため、シュラウド4の内部に取り入れられる流水FWが増加して、シュラウド4内部の流水FWの流速が上昇する。これにより、プロペラスクリュー3の回転数を上昇させ、小型水力発電機2の発電出力を上昇させることができる。
また、プロペラスクリュー3が小型水力発電機2よりもシュラウド4の取水口41側に設けられ、プロペラ翼32の翼面32aがシュラウド4の取水口41に対向するように配置されている。
そのため、シュラウド4に流入する流水FWは、プロペラスクリュー3のシャフト31と略平行になる。これにより、プロペラスクリュー3を効率よく回転させて回転数を上昇させ、小型水力発電機2の発電出力を上昇させることができる。
また、小型水力発電機2のカバー20が第1カバー21と第2カバー22とにより構成され、頂点22aをシャフト31と平行な方向の排水口42側に向いている。また、円錐状の形状に形成された第2カバー22のシャフト31方向の寸法L2が、第1カバー21のシャフト31方向の寸法L1よりも大きくなっている。
そのため、プロペラスクリュー3の下流DS側の第2カバー22の周囲を通過する流水FWの圧力損失を低減することができる。これにより、流水FWの流速を上昇させ、小型水力発電機2の発電出力を上昇させることができる。
また、シュラウド4には、シュラウド4を水底BWに支持するフレーム6が設けられている。
そのため、シュラウド4を水底BWから所定の高さに安定的に設置することができる。これにより、シュラウド4を水底BWに直接設置する場合と比較して、シュラウド4に流入する流水FWの流速を上昇させ、小型水力発電機2の発電出力を上昇させることができる。
また、本実施形態の小型水力発電機2は、ステータSの外側にロータRが配置されたアウタロータ型の発電機であり、ヨーク29はシャフト31の径方向の寸法が大きくシャフト31の軸方向の寸法が小さい扁平した形状に設けられている。そのため、小型水力発電機2の極数を増加させることが可能となる。このように、小型水力発電機2の極数を増加させることで、プロペラスクリュー3の回転が低速であっても、より高い発電効率を実現することができる。
以上説明したように、本実施形態の小型水力発電装置1によれば、河川や用水路等の落差HDを利用して十分な発電出力を得ることができ、しかも河川や用水路等の水底BWに小型水力発電機2を容易に設置することができる。
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、電源回路部は、上述の実施の形態で説明したものに限られず、所定の電圧に達したらコイル出力を開放するオープンレギュレータ方式や、3相出力から100Vの単相交流を直接出力するサイクロコンバータ方式等を採用することができる。
また、シュラウドのフレームには、底板部を設けずに各々の脚部の長さを調整可能としてもよい。これにより、シュラウドを河川の水底に設置する際に、川石や砂などによる河川の水底の凹凸に合わせて脚部の長さを調整し、シュラウドを水流の方向に合わせて安定的に配置することが可能になる。
本発明の実施形態に係る小型水力発電装置の全体構成を示す断面図である。 図1に示す小型水力発電装置の小型水力発電機の断面図である。 図1に示す小型水力発電装置の電源回路部を示す模式図である。
符号の説明
1 小型水力発電装置
2 小型水力発電機
3 プロペラスクリュー
4 シュラウド
5 排水ダクト
6 フレーム(支持部)
21 第1カバー(第1ハウジング)
22 第2カバー(第2ハウジング)
22a 頂点
31 シャフト(回転軸)
32 プロペラ翼
32a 翼面
41 取水口
42 排水口
BW 水底
DS 下流
FW 流水
L1 寸法
L2 寸法
US 上流

Claims (5)

  1. 流水により回転するプロペラスクリューが連結された小型水力発電機を備えた小型水力発電装置であって、
    前記小型水力発電機を収容して内部に固定する筒状のシュラウドを備え、
    前記シュラウドは、前記流水の上流側に配置されて前記流水を取り入れる取水口と、前記流水の下流側に配置されて前記流水を排出する排水口とを備え、
    前記排水口には、可撓性を有する排水ダクトが連結されていることを特徴とする小型水力発電装置。
  2. 前記シュラウドは、前記取水口が拡径されていることを特徴とする請求項1記載の小型水力発電装置。
  3. 前記プロペラスクリューは、プロペラ翼の翼面が前記シュラウドの前記取水口に対向するように前記小型水力発電機の前記取水口側に設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の小型水力発電装置。
  4. 前記小型水力発電機は、前記取水口側に設けられた第1ハウジングと、前記第1ハウジングの前記排水口側に設けられた第2ハウジングとを備え、
    前記第2ハウジングは、頂点を前記プロペラスクリューの回転軸方向の前記排水口側に向けた円錐状の形状に形成され、
    前記第2ハウジングの前記回転軸方向の寸法が、前記第1ハウジングの前記回転軸方向の寸法よりも大きいことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の小型水力発電装置。
  5. 前記シュラウドには、前記シュラウドを水底に支持する支持部が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の小型水力発電装置。
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