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

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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