JP2012062877A - 流水利用式水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 身近に存在する河川や用水路等の水流をエネルギー源として発電を行うことができ、チェーンやスプロケット及び回転軸を使用せずに装置自体がコンパクトな水力発電装置を提供すること。
【解決手段】 楕円形ガイドレールに案内される多数のキャリアが循環走行できるように連桿にて等間隔に連結され、キャリアに水受けランナーが着脱可能に取り付けられ、各々のキャリアに動力伝達ローラが回転自在に付設され、この動力伝達ローラがスクリューの羽根間に形成される凹部の側面に係合離脱するようにスクリューが配設され、水受けランナーが水流を受けてキャリアが走行し、動力伝達ローラを介してスクリューが回転し、スクリューに連設された発電機を回転させて発電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、身近に存在する河川や用水路等において、流水エネルギーを利用して発電する水力発電装置に関するものである。

地球温暖化対策への取り組みが求められる中、風力発電や水力発電及び太陽光発電などの再生可能エネルギーの利用による発電システムが見直されている。風力発電は、無風時にはその電力が得られず、太陽光発電は、雨天時には発電量が大幅に低下することから、常時安定した発電が得られないという欠点を有しているが、河川等の水流による水力エネルギーは、常時安定した発電が見込めるとともに、水があれば人工的に水流を造り出すことも可能であるなどの利点がある。

我々の身の回りにおいても、河川、上下水道、排水溝、農業用水路など様々な水の流れが存在している。水流は、空気よりもはるかに密度の高い流体である水の流れであり、風力と比較してそのエネルギー源としての利用価値が大きいにもかかわらず、これまで身近に存在する水流をエネルギー源として積極的に利用した水力発電は行われていなかった。

従来の水力発電装置は、円形水車を利用して発電するものが主流であり、この円形水車による水力発電装置は、回転軸を中心に放射状にバケットや水受け板を配設した円形状の水車に水をかけ流す方法が一般的であり、水流をかけ流す落差を必要とし、大きな動力を得るためには水車の直径をかなり大きくする必要があり、安価にできない等の課題がある。

そこで、従来の円形水車の代わりに水流を利用したトラック形状の水車の水力発電装置として、前後２本の回転軸にスプロケットを固定し、チェーンを連繋し、このチェーンに複数の水受けランナーを取り付けて、水流の水力を受けた水受けランナーの移動により、スプロケットを駆動し、出力軸から動力を取り出して発電機等を回動せしめるようにした水流利用の発電装置が例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。
特開２０００−２７４３４２号公報 特開２００３−１３８３４号公報

前記特許文献１及び特許文献２に開示されている技術は、チェーンを利用したトラック形水車に関するもので、チェーン自体の伸びやスプロケットの歯が痩せるなど、こまめなメンテナンスが必要である。また、チェーン自体の構造上連結部での遊動量（遊び代）を必要とすることから、駆動時に蛇行することが多く、精度が低いので機械効率が悪く、必要以上の動力を消費するという問題点がある。また、チェーンやスプロケットの摩耗に伴って粉塵が発生して、自然環境を悪化させる要因となっている。

また、回転軸を使用しているため、水受けランナーの幅を広くして多くの水流を受ける場合、回転軸が長くなり、回転軸にたわみが発生し、回転軸が振れを起こすため、回転軸から動力を取り出すことに支障をきたすという問題点がある。

また、水受けランナーの数は多いほど、力は大きくなるが水受けランナー間の距離を水流速度に合わせて取り付けないと、後方の水受けランナーは前方の水受けランナーの陰になり水流力を受けず、水受けランナー間の水は死水状態となり、水受けランナーの動作の妨げとなる。したがって、発電装置は水流方向に長くなり、装置自体が大型になってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みて創作されたものであり、身近に存在する水流をエネルギー源として発電を行うことができ、チェーンやスプロケット及び回転軸を使用せずに装置自体がコンパクトな水力発電装置を提供することを目的とするものである。

本発明は上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の流水利用式水力発電装置は、楕円形ガイドレールは楕円の長軸方向が流水面に対して平行で楕円の短軸方向が流水面に対して垂直になるように配設され、前記楕円形ガイドレールに案内される多数のキャリアが循環走行できるように連桿にて等間隔に連結され、前記キャリアは、前記楕円形ガイドレールに案内される複数組のガイドローラと、前記ガイドローラを支持するプレートと、そのプレートの所要位置に回転自在に付設された動力伝達ローラを有し、前記キャリアに水受けランナーが着脱可能に取り付けられて、楕円形の水車を構成し、前記キャリアと平行に前記動力伝達ローラがスクリューの羽根間に形成される凹部の側面に係合離脱するようにスクリューが配設され、水受けランナーが水流を受けて前記キャリアが前記楕円形ガイドレールに案内されて走行し、前記動力伝達ローラを介して前記スクリューが回転し、前記スクリューに連設された発電機を回転させて発電することを特徴とするものである。

次に、本発明の請求項２に記載の流水利用式水力発電装置は、水受けランナーの幅を広くしてより多くの水流を受ける場合に対応したもので、前記楕円形ガイドレール及び前記連桿にて等間隔に連結された前記キャリアを二組各々向え合わせに平行に配設し、対向する各々のキャリアが同期して各々の前記楕円形ガイドレールに案内されて走行されるように対向する各々のキャリアに水受けランナーを着脱可能に取り付けて連結し、楕円形の水車を構成し、各々の前記キャリアに動力伝達ローラが回転自在に付設され、各々の前記キャリアと平行に各々の前記動力伝達ローラがスクリューの羽根間に形成された凹部の側面に係合離脱するようにスクリューが各々配設され、水受けランナーが水流を受けて各々の前記キャリアが同期して各々の前記楕円形ガイドレールに案内されて走行し、各々の前記動力伝達ローラを介して各々の前記スクリューが回転し、少なくとも一つの前記スクリューに連設された発電機を回転させて発電することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載の流水利用式水力発電装置は、請求項１及び請求項２に記載の発明において、前記スクリューの羽根の外周部に歯車が形成され、その歯車が発電機の回転軸に取り付けられた歯車と噛み合い、発電機を回転させて発電することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載の流水利用式水力発電装置は、請求項１及び請求項２に記載の発明において、前記スクリューの羽根の外周部に歯車が形成され、その歯車がアウターロータ型発電機の回転子の外周部に形成された歯車と噛み合い、発電機を回転させて発電することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載の流水利用式水力発電装置は、請求項１〜請求項４に記載の発明において、前記水受けランナーにスリット孔があり、そのスリット孔の位置が前後の水受けランナーと異なることを特徴とするものである。

請求項１ないし請求項２に係る発明によれば、身近に存在する水流をエネルギー源として発電を行うことができ、チェーンやスプロケット及び回転軸を使用せずに水力発電装置を提供することが可能であり、こまめなメンテナンスは不要であり、ガイドレールとガイドローラを使用しているため、摩耗も極力小さく自然環境を守れる。また、水受けランナーは着脱可能であるため、水受けランナー間の距離を簡単に変更でき、水流の流量、流速の変化に対応でき、効率よく発電することができる。

さらに請求項２に係る発明によれば、水受けランナーの幅を広くしてより多くの水流を受けることが可能で、発電機の出力を向上させることができる。

また、請求項３ないし請求項４に係る発明によれば、発電機の着脱を簡単に行うことができる。さらにスクリューの羽根の外周部に形成された歯車の歯数より少ない歯数の歯車が発電機の回転軸に取り付けられている場合またはアウターロータ型発電機の回転子の外周部に形成されている場合、発電機を増速回転させることになり、発電機の出力を向上させることができる。

また、請求項５に係る発明によれば、水流の流量、流速の変化に対応して、水受けランナーを着脱する必要がなく、水受けランナー間に水の流れが発生し、水受けランナー間の水の死水状態を解消し、水受けランナーの動作を円滑にすることができ、装置自体を小型化することができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態の流水利用式水力発電装置の概略構成を側面図により示し、図２は図１におけるＡ−Ａの部分の矢印の方向からの断面図を示す。図３は図１における動力伝達部を拡大した平面図を示す。

図１ないし図３に示した本実施形態の流水利用式水力発電装置は、楕円形ガイドレール１と、この楕円形ガイドレールに案内される複数組のガイドローラ２ａと、この複数組のガイドローラ２ａを支持するプレート２ｂ及びこのプレート２ｂに回転自在に付設された動力伝達ローラ２ｃを有するキャリア２と、このキャリアを多数個等間隔に連結する連桿３と、所要寸法のリードで形成されるスクリュー４と、発電機５と、水受けランナー６とによって基本構成されている。

前記楕円形ガイドレール１は、楕円の長軸方向が流水面に対して平行で楕円の短軸方向が流水面に対して垂直になるように配設され、前記楕円形ガイドレール１に案内される多数のキャリア２が循環走行できるように連桿３にて等間隔に連結され、前記キャリア２は、前記楕円形ガイドレール１に案内される複数組のガイドローラ２ａと、これらのガイドローラ２ａを支持するプレート２ｂと、そのプレート２ｂの所要位置に回転自在に付設された動力伝達ローラ２ｃを有し、これらの前記キャリア２に水受けランナー６が締結ボルト等によって着脱可能に取り付けられて、楕円形の水車が構成されている。なお、前記楕円形ガイドレール１は、図示されない支持部材によって支持され立設されている。

前記キャリア２と平行に、前記動力伝達ローラ２ｃが前記スクリュー４の羽根間に形成される凹部の側面に係合離脱するようにスクリュー４が配設され、前記スクリュー４の両端部は軸受支され、前記スクリュー４に発電機５が連設されている。前記動力伝達ローラ２ｃは外径面が凸形の円弧状のものを使用するが、スクリュー４の羽根の側面がスクリューの軸心線に対して直交している場合は、外径面が直線状のローラ（深溝玉軸受等）を使用してもよい。

楕円形の水車の前記水受けランナー６が水流９を受けることにより、前記キャリア２が前記楕円形ガイドレール１に案内されて走行し、前記キャリア２の所要位置に付設された前記動力伝達ローラ２ｃが前記スクリュー４の羽根の側面に当接係合することにより、スクリュー４に回転力が付与され、前記スクリュー４が回転し、前記スクリュー４に連設された発電機５を回転させて発電することができる。

さらに、例えば、前記スクリュー４のリード寸法が動力伝達ローラ２ｃの取付間ピッチの３分の１とした場合、楕円形の水車の水受けランナー６が動力伝達ローラ２ｃの取付間ピッチの距離だけ移動すれば、スクリュー４が３回転することになり、実質的に増速されて回転することになる。その結果、従来の増速部の構造を簡単にして増速することが行えることになる。

次に、図４は、流水利用式水力発電装置の他の実施形態の概略構成を正面図により示している。楕円形ガイドレールの最高位及び最低位に位置するキャリア及び水受けランナーのみを示し、それ以外のキャリア及び水受けランナーは省略してある。

図４に示した流水利用式水力発電装置は、水受けランナーの幅を広くしてより多くの水流を受ける場合に対応したもので、前記楕円形ガイドレール１及び前記連桿３にて等間隔に連結された多数の前記キャリア２と同じ仕様の楕円形ガイドレール１１及び連桿１３にて等間隔に連結された多数のキャリア１２とを向え合わせに平行に配設し、対向する左右のキャリア２，１２が同期して前記楕円形ガイドレール１，１１に案内されて走行されるように対向する各々のキャリア２，１２に水受けランナー１６を締結ボルト等で着脱可能に取り付けて連結し、楕円形の水車が構成されている。

前記キャリア２，１２と平行に、動力伝達ローラ２ｃ，１２ｃがスクリュー４，１４の羽根間に形成される凹部の側面に係合離脱するようにスクリュー４，１４が配設され、前記スクリュー４，１４の両端部は軸受支され、前記スクリュー４，１４に発電機が連設されている。

楕円形の水車の前記水受けランナー１６が水流を受けることにより、前記キャリア２，１２が前記楕円形ガイドレール１，１１に案内されて走行し、前記キャリア２，１２の所要位置に付設された前記動力伝達ローラ２ｃ，１２ｃが前記スクリュー４，１４の羽根の側面に当接係合することにより、前記スクリュー４，１４に回転力が付与され、前記スクリュー４，１４が回転し、前記スクリュー４，１４に連設された発電機を回転させて発電することができる。

発電機は、コアレス型発電機を採用しており、このコアレス型発電機は、ネオジウム磁石及び平角線を用いた巻線コイルで単相あるいは三相交流発電機として構成されている。勿論、水流や水量によっては、スクリュー４，１４及び発電機の数を増減することができる。

図５は、発電機を増速回転させる場合の動力伝達部を示す平面図であり、図６及び図７は、スクリューの羽根の外周部に歯車を形成した場合の動力伝達部を示す平面図である。

図５に示すように、スクリュー１４の端部に歯車１８を取り付け、その歯車１８が発電機１５の回転軸に取り付けられた歯車２８と噛み合い、発電機１５を回転させて発電することができる。このスクリュー１４の端部に歯車１８を取り付ける場合、動力伝達ローラ２ｃがスクリューの羽根間の凹部の側面を係合離脱して通るため、歯車１８の歯先径をスクリュー１４の凹部の底径より大きくすると動力伝達ローラ２ｃと緩衝することになり、歯車１８の歯先径はスクリュー１４の凹部の底径よりも小さくしなければならない。したがって、発電機１５の回転を増速する場合、スクリュー１４の外径を大きくする必要がある。

しかし、図６及び図７に示すようにスクリュー２４の羽根の外周部に歯車８を形成することにより、スクリューの外径を大きくする必要がなくなり、小径のスクリューで大きな増速を得ることができる。ただし、図１０及び図１１に示すように、図５に示した動力伝達ローラ２ｃに比べて、図６及び図７に示した動力伝達ローラ２２ｃは歯車８の歯たけの分だけ突出させてプレート２２ｂに付設する必要がある。

また、図６に示すように、スクリュー２４の羽根の外周部に歯車８が形成され、その歯車８が発電機１５の回転軸に取り付けられた歯車３８と噛み合い、発電機１５を回転させて発電することができる。これは、発電機１５の着脱を簡単に行うことができ、スクリュー２４の羽根の外周部に形成された歯車８の歯数より少ない歯数の歯車３８が発電機の回転軸に取り付けられている場合、発電機１５を増速回転させて発電させることが可能で、発電機の出力を向上させることができる。

また、図７に示すように、スクリュー２４の羽根の外周部に歯車８が形成され、その歯車８がアウターロータ型発電機２５の回転子の外周部に形成された歯車４８と噛み合い、発電機２５を回転させて発電することができる。これは、発電機２５の着脱を簡単に行うことができ、スクリュー２４の羽根の外周部に形成された歯車８の歯数より少ない歯数の歯車４８がアウターロータ型発電機２５の回転子の外周部に形成されている場合、発電機２５を増速回転させて発電させることが可能で、発電機の出力を向上させることができる。

図８は、流水利用式水力発電装置のさらに他の実施形態の概略構成を正面図により示している。楕円形ガイドレールの最高位及び最低位に位置するキャリア及び水受けランナーのみを示し、それ以外のキャリア及び水受けランナーは省略してある。図９は、図８のＢ−Ｂの部分の矢印の方向からの断面図を示す。

図８は、図４に示した流水利用式水力発電装置の水受けライナーにスリット孔がある場合を示している。水受けランナーの数は多いほど、力は大きくなるが水受けランナー間の距離を水流速度に合わせて取り付けないと、後方の水受けランナーは前方の水受けランナーの陰になり水流力を受けず、水受けランナー間の水は死水状態となり、水受けランナーの動作の妨げとなる。この問題を解消するために、水受けランナー２６にはスリット孔２６ａがあり、水受けランナー３６にはスリット孔３６ａがあり、前記スリット孔２６ａ及び前記スリット孔３６ａの位置は図９に示すように前後の水受けランナーと異なるように構成されている。

図９に示すように水の流れは、スリット孔２６ａ及びスリット孔３６ａを通って後方の水受けランナーへと流れることによって、水受けランナー間に水の流れが発生し、水受けランナー間の水の死水状態を解消し、水受けランナーの動作を円滑にすることができる。

また、本発明の流水利用式水力発電装置は、構造がシンプルであり、楕円形ガイドレールをフレームに取り付けることにより、簡易クレーン付きのトラックに簡単に載せて現地に運ぶことができ、短時間に用水路等に設置でき、また、同様に除去することも簡単にできる。

さらに、図１２に示すように本発明の流水利用式水力発電装置は、構造がシンプルであり、楕円形ガイトレールをフレーム３０に取り付け、楕円形ガイドレールの長軸方向を地面と垂直方向になるように設置すれば、滝のような落差のある河川や水路等にも使用できる。

本発明の流水利用式水力発電装置に係る実施形態の概略構成を示す側面図である。 図１におけるＡ−Ａ視断面図である。 図１における動力伝達部を拡大して示した平面図である。 流水利用式水力発電装置の他の実施形態を示す正面図であり、楕円形ガイドレールの最高位及び最低位に位置するキャリア及び水受けランナーのみを示し、それ以外のキャリア及び水受けランナーは省略してある。 発電機を増速回転させる場合の動力伝達部を示す平面図である。 スクリューの羽根の外周部に歯車を形成した場合の動力伝達部を示す平面図である。 スクリューの羽根の外周部及びアウターロータ型発電機の回転子の外周部に歯車を形成した場合の動力伝達部を示す平面図である。 流水利用式水力発電装置のさらに他の実施形態を示す正面図であり、楕円形ガイドレールの最高位及び最低位に位置するキャリア及び水受けランナーのみを示し、それ以外のキャリア及び水受けランナーは省略してある。 図８におけるＢ−Ｂ視断面図である。 スクリューと動力伝達ローラとの係合状態を示す断面図である。 羽根の外周部に歯車を形成したスクリューと動力伝達ローラとの係合状態を示す断面図である。 流水利用式水力発電装置の落差のある場所での実施形態を示す側面図である。

１，１１，２１ 楕円形ガイドレール
２，１２，２２，３２ キャリア
２ａ，１２ａ，２２ａ，３２ａ ガイドローラ
２ｂ，１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ プレート
２ｃ，１２ｃ，２２ｃ，３２ｃ 動力伝達ローラ
３，１３，２３ 連桿
４，１４，２４ スクリュー
５，１５ 発電機
６，１６，２６，３６，４６ 水受けランナー
２６ａ，３６ａ スリット孔
８，１８，２８，３８，４８ 歯車
９，２９ 水流
１０，２０，３０ フレーム
１９ 水路
２５ 回転子の外周部に歯車が形成されたアウターロータ型発電機

Claims (5)

1. 楕円形ガイドレールは楕円の長軸方向が流水面に対して平行で楕円の短軸方向が流水面に対して垂直になるように配設され、前記楕円形ガイドレールに案内される多数のキャリアが循環走行できるように連桿にて等間隔に連結され、前記キャリアは、前記楕円形ガイドレールに案内される複数組のガイドローラと、前記ガイドローラを支持するプレートと、そのプレートの所要位置に回転自在に付設された動力伝達ローラを有し、前記キャリアに水受けランナーが着脱可能に取り付けられて、楕円形の水車を構成し、前記キャリアと平行に前記動力伝達ローラがスクリューの羽根間に形成される凹部の側面に係合離脱するようにスクリューが配設され、水受けランナーが水流を受けて前記キャリアが前記楕円形ガイドレールに案内されて走行し、前記動力伝達ローラを介して前記スクリューが回転し、前記スクリューに連設された発電機を回転させて発電することを特徴とする流水利用式水力発電装置。
2. 前記楕円形ガイドレール及び前記連桿にて等間隔に連結された前記キャリアを二組各々向え合わせに平行に配設し、対向する各々のキャリアが同期して各々の前記楕円形ガイドレールに案内されて走行されるように対向する各々のキャリアに水受けランナーを着脱可能に取り付けて連結し、楕円形の水車を構成し、各々の前記キャリアの所要位置に動力伝達ローラが回転自在に付設され、各々の前記キャリアと平行に各々の前記動力伝達ローラがスクリューの羽根間に形成される凹部の側面に係合離脱するようにスクリューが各々配設され、水受けランナーが水流を受けて各々の前記キャリアが各々の前記楕円形ガイドレールに案内されて走行し、各々の前記動力伝達ローラを介して各々の前記スクリューが回転し、少なくとも一つの前記スクリューに連設された発電機を回転させて発電することを特徴とする流水利用式水力発電装置。
3. 前記スクリューの羽根の外周部に歯車が形成され、その歯車が発電機の回転軸に取り付けられた歯車と噛み合い、発電機を回転させて発電することを特徴とする請求項１ないし請求項２に記載の流水利用式水力発電装置。
4. 前記スクリューの羽根の外周部に歯車が形成され、その歯車がアウターロータ型発電機の回転子の外周部に形成された歯車と噛み合い、発電機を回転させて発電することを特徴とする請求項１ないし請求項２に記載の流水利用式水力発電装置。
5. 前記水受けランナーにスリット孔があり、そのスリット孔の位置が前後の水受けランナーと異なることを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の流水利用式水力発電装置。

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