JP2013053539A

JP2013053539A - 水力発電装置

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Publication number: JP2013053539A
Application number: JP2011191223A
Authority: JP
Inventors: Yukio Habe; 行雄羽部
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】高所から落下する水の位置エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができ、しかも、マイクロ水力発電に利用する際に装置の設置面積を抑えることもできる水力発電システムを提供すること。
【解決手段】通水ケーシングＣの最上位置の取付スペース21の上部に水流を導入する導入路22、最下位置の取付スペース21の下側に当該ケーシング内の水流を外部に流す排水路23を配設すると共に、前記取付スペース21・21…間の通水を可能にする連通路24を、水車11の横軸12を挟んで取付スペース21の前後何れか一方寄りに上から下へと交互に蛇行する如く形成して、各々の取付スペース21に内装された各水車11・11…が交互に反対方向へ回転するように構成する一方、
前記取付スペース21に、内装された水車11の羽根11aに近接する内壁面21aを形成すると共に、取付スペース21に設置された各横軸12を、発電機Ｇに連繋して構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、水力発電装置の改良、詳しくは、引力によって山間地等の高所から落下する水を効率的に電気エネルギーへと変換することができ、また、水路を流れる水量を調節する必要がなく、しかも、小規模なマイクロ水力発電に利用する際に設置面積を小さく抑えることもできる水力発電装置に関するものである。

周知のとおり、自然エネルギー(再生可能エネルギー)を利用する電力供給システムの一つに水の位置エネルギーを利用して発電を行う水力発電がある。そして、この水力発電に関しては、化石燃料を利用する火力発電や核燃料を利用する原子力発電と共に代表的な発電システムとして日本国内でも昔から利用されている。

また、水力発電の原理についても簡単に説明しておくと、水力発電では高所から低所へと落下させた水の流動または自由落下によって水車を回転させ(位置エネルギーから機械エネルギーへの変換)、その水車の回転を発電機の駆動源として発電が行われる(機械エネルギーから電気エネルギーへの変換)。

このように、水力発電は水車と発電機を用いて水の位置エネルギーを電気エネルギーに変換するものであるが、その具体的な手法は数多く存在し、その中でも特に複数の水車を用いる方法として、傾斜地を流れる水路や川を利用して所定間隔で設置した水車を回転させる技術が知られている(特許文献１〜３参照)

しかしながら、上記従来の水車の羽根を下側から押して水車を回転させる方式では、水路の水位が低いと羽根に加わる力が非常に小さくなって充分な発電量を得られなくなる問題があり、また逆に、水位が高すぎると水車が回転せずに損壊する危険が高まるため、水路の水位をこまめに調節する必要があった。

また、水力発電には、ダムや河川を利用する大規模なものだけでなく、自然の滝や高層ビル等の落下水流を利用する小規模なもの(「マイクロ水力発電」と呼ばれる）も存在するが、上記のように傾斜した水路を利用する方法では、装置を設置するために広大な面積が必要となるため、敷地が限定される高層ビル等での利用に向かなかった。

一方、従来においては、高所から落下させた水を上から掛けて水車を回転させる技術も公知となっているが(特許文献４,５参照)、単に上から水を掛けるだけでは羽根間に溜まった水が、羽根間に入ってから水車が90°回転した時点で自然に流れ落ちてしまうため、水の位置エネルギーを効率的に取り出すことができなかった。

特開昭５６−１５４１６６号公報特開昭６２−１１３８６５号公報特開２００２−１５５８４７号公報特開２０１１−１２７３３４号公報特開２０００−１２００５３号公報

そこで本発明は、上記の如き問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、引力によって高所から落下する水の位置エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができ、また水路を流れる水量をこまめに調節する手間も不要で、しかも、マイクロ水力発電に利用する際に装置の設置面積を抑えることもできる水力発電システムを提供することにある。

本発明者が上記課題を解決するために採用した手段は次のとおりである。

即ち、本発明は、上下方向に複数の取付スペース21・21…が連通状態に形成された通水ケーシングＣの各スペースに対して、取付スペース21に設置された横軸12を中心として、外周に多数の羽根11aを有する水車11が回転可能に内装された縦置型のマルチ水車装置１から水力発電装置を構成し、更に
最上位置の取付スペース21の上部に水流を導入する導入路22、最下位置の取付スペース21の下側に当該ケーシング内の水流を外部に流す排水路23を配設すると共に、前記取付スペース21・21…間の通水を可能にする連通路24を、水車11の横軸12を挟んで取付スペース21の前後何れか一方寄りに上から下へと交互に蛇行する如く形成して、各々の取付スペース21に内装された各水車11・11…が交互に反対方向へ回転するように構成する一方、
前記取付スペース21に、内装された水車11の羽根11aに近接する内壁面21aを形成すると共に、取付スペース21に設置された各横軸12を、発電機Ｇに連繋して構成したことにより、
前記通水ケーシングＣの導入路22に通水したとき、取付スペース21・21…や連通路24・24…を経由して排水路23から外部に放出される当該水流Ｗが、取付スペース21内の前記各水車11と共に前記横軸12を回転せしめ、前記発電機Ｇを駆動可能とした点に特徴がある。

また、上記通水ケーシングＣ内に形成された水路２のうち、導入路22と連通路24に関しては、下方の水車11に斜め下方向に水流Ｗを送り出すためのスロープＳを設けることによって、スロープＳから流れ落ちる水を水車11の羽根11aに斜め上から勢い良く当てて、水車の回転をより促進することができる。

そしてまた、上記通水ケーシングＣ内には、排水路23を水平または下向きに傾斜した方向に設けることもできる。また、通水ケーシングＣ内に複数の水路２を形成して、複数のマルチ水車装置１が並設することにより、発電量を増大することもできる。

本発明では、通水ケーシング内に形成された、水車の羽根に近接する内壁面を有する各取付スペースに、複数の水車を上下方向に配置すると共に、水車の取付スペース間の連通路を、取付スペースの一方寄りに上から下へと交互に蛇行するように形成して、各水車が交互に反対方向へ回転するように構成したことにより、水車の羽根間に溜まった水を、下側から排出されるまで取付スペースの内壁と羽根の間で保持することができるため、従来よりも長い間、水車の回転運動に水の位置エネルギーを利用することができる。

もう少し具体的に説明すると、従来の水車では、水車が90°回転すると羽根間に溜まった水が流れ落ちてしまったが、本発明では、水を外枠と羽根の間に保持した状態で水車を150°近く回転させることができるため、水の位置エネルギーをより効率的に機械エネルギー(ひいては電気エネルギー)へと変換することが可能となる。

また本発明では、水車の取付スペース間の連通路を上から下へと交互に蛇行するように設けたことにより、上側の水車から排出された水を一段下の水車の回転にそのまま利用することができるため、エネルギーの変換効率を損なわずに複数の水車を用いて大きな電力を得ることができる。

また更に、本発明では、水力発電装置をマイクロ水力発電に利用する際に、通水ケーシングと発電機の設置場所を確保すれば足りるため、装置の設置面積を小さく抑えることができる。また本発明では、水路内の水を無駄なく利用できるだけでなく、連通路の配置によって水車の逆回転も防止できるため、こまめな水量調節の手間も不要となる。

したがって、本発明により、エネルギーの変換効率に優れるだけでなく、マイクロ水力発電への利用や装置の保守・管理の点でもメリットの大きい水力発電システムを提供できることから、本発明の実用的利用価値は頗る高い。

本発明の実施例１における水力発電装置を表わす縦断面図である。本発明の実施例１における水力発電装置を表わす全体概略図である。本発明の実施例１における水力発電装置の使用状態を表わす状態説明図である。本発明の実施例２における水力発電装置を表す縦断面図である。本発明の実施例３における水力発電装置を表す縦断面図である。

『実施例１』
本発明の実施例１について、図１から図４に基いて説明する。なお同図において、符号１で指示するものは、マルチ水車装置であり、符号２で指示するものは、水路である。

まず実施例１では、外周に多数の羽根11a・11a…を備えた横軸の水車11が上下方向に複数配置されて成る縦置型のマルチ水車装置１を、通水ケーシングＣ内に連通状態に形成された取付スペース21・21…に内装して水力発電装置を構成している(図１参照)。

また、上記マルチ水車装置１については、取付スペース21内に設置した横軸12を中心として水車11が回転するように取り付けている。そして、この水車11と共に回転する横軸12は発電機Ｇ・Ｇ…に駆動源として連繋している(図２参照)。

そしてまた、上記通水ケーシングＣ内の水路２については、最上位置の取付スペース21の上部に水流を導入する導入路22を設けると共に、最下位置の取付スペース21の下側にケーシング内の水流を外部に流す排水路23を配設している。

また更に、上記通水ケーシング内の水路２については、取付スペース21・21…間の通水を可能にする連通路24を、水車11の横軸12を挟んで取付スペースＳの前後何れか一方寄りに上から下へと交互に蛇行するように形成している。

また、上記通水ケーシングＣの取付スペース21内には、水車11の羽根11aに近接する内壁面21aを形成している。なお本実施例では、この取付スペース21の内壁面21aを形成する手段として、角パイプ内に所定形状の一対の内壁材を固定する方法を採用している。

そして、上記のように水力発電システムを構成したことにより、通水ケーシングＣの導入路22に通水した際、図３に示すように、導入した水流Ｗを取付スペース21・21…および連通路24・24…を経由させながら落下させることができる。また、この水流Ｗは最終的に排水路23から外部に放出される。

また、上記水路２において、連通路24・24…を所定の位置に形成したことにより、水流Ｗが各取付スペース21を通る際、取付スペース21の下側の連通路24から排出される水流Ｗによって一段下の水車11を逆方向に回転させることができ、内装された各水車11・11…を交互に反対方向へ回転させることができる。

そして、上記のように取付スペース21の中を流れる水流Ｗによって各水車11を回転させることで、各横軸12を連繋した発電機Ｇも同時に駆動させることができるため、通水ケーシングＣ内に設置された水車11の台数分の発電を同時に行うことができる。

なお、実施例１では、マルチ水車装置１の各横軸12・12…を一つおきにギア13を介して発電機Ｇに連結することにより、これらの横軸12の回転方向を反転させて全ての横軸12・12…の回転方向を揃えているため、同一タイプの発電機Ｇを使用することができる。

また、上記発電を行う際には、取付スペース21の内壁面21aと水車11の羽根11a・11aの間に水を保持した状態で、水が羽根11a・11a間に入ってから水車11を150°近く回転させることができるため、従来よりも水の持つ位置エネルギーを水車11の回転に効率良く利用することができる。

そして更に、本実施例では、上記通水ケーシングＣ内に形成された水路２の内、導入路22と連通路24に、下方の水車11に斜め下方向に水流Ｗを送り出すためのスロープＳを設けて、このスロープＳから流れ落ちる水を水車11の羽根11aに斜め上から勢い良く当てることで、水車の回転をより促進している。

『実施例２』
次に、本発明の実施例２について、図４に基いて以下に説明する。この実施例２では、山岳地域に建設されたダム貯水池Ｔの近くに縦穴を掘削して設けると共に、この縦穴内に通水ケーシングＣ及びマルチ水車装置１を設けて大規模な水力発電システムを構成している。

また本実施例では、上記通水ケーシングＣの下部に、通水ケーシングＣから排出され水流Ｗを外に逃がすための排水路23を水平方向に設けている。なお、この排水路23は、厳密に水平方向に設ける必要はなく、下向きに傾斜した方向に設けても問題ない。

そしてまた、本実施例では、上記通水ケーシングＣ内の取付スペース21の内壁面21aを形成する手段として、パイプ材の内側に湾曲した板状のガイドフレームＦ・Ｆ…を左右交互に取り付ける方法を採用している。

『実施例３』
次に、本発明の実施例３について、図５に基いて以下に説明する。この実施例３では、通水ケーシングＣ内に三本の鉛直方向の水路２・２…を形成し、これらの水路２・２…内の取付スペース21・21…にそれぞれマルチ水車装置１・１…を並設している。

そしてこれにより、共通の通水ケーシングＣ内で複数のマルチ水車装置１・１…を同時に稼働させることができるため、水車11の設置台数を大幅に増やすことができ、水路２に大きな落差を確保できない場合でも、発電量の増大を図ることができる。また、この水力発電システムは発電工場としても利用することができる。

また本実施例では、上記通水ケーシングＣ内に、複数の鉛直方向の水路２・２…から排出される水流Ｗをケーシング外に流すための共通の排水路23を設けており、この水平方向に設けられた一本の排水路23によって排水処理が容易に行えるようにしている。

本発明は、概ね上記のように構成されるが、記載した実施例にのみ限定されるものではなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、マルチ水車装置１における水車11の大きさや数、また羽根11aのサイズや形状は、自由に変更することができる。

また、マルチ水車装置１の横軸12についても、全ての横軸12をギア13を用いずに発電機Ｇに直接連結することも可能であるが、その場合には、反対方向の回転で発電を行う２種類の発電機Ｇを用いる必要がある。

そしてまた、通水ケーシング内の水路２に関しても、マルチ水車装置１の水車11の形状に応じて、導入路22や排水路23、連通路24の広さを変更することができ、例えば、水車11の羽根11aを大きく設計する場合には、その分、導入路22や排水路23、連通路24を広げて対応することができる。

他方また、水力発電システムの規模に関しても、通水ケーシングＣ内の水路２の落差が数百メートルの大規模なものから、数メートル程度の小規模なものにまで利用することができ、上記何れのものも本発明の技術的範囲に属する。

最近では、化石燃料の枯渇や二酸化炭素による地球温暖化の問題によって、再生可能エネルギーへの注目が高まっている。また、再生可能エネルギーを利用した発電システムの中でも、水力発電は太陽光発電や風力発電に比べて安定供給が容易であるため、将来のエネルギー戦略に不可欠な電力系統として期待が大きい。

そのような中で、本発明の水力発電装置は、水の位置エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が高く、また保守管理も容易で、マイクロ水力発電にも対応できる有用な技術であるため、その産業上の利用価値は非常に高い。

１マルチ水車装置
11 水車
11a 羽根
12 横軸
13 ギア
２水路
21 取付スペース
21a 内壁面
22 導入路
23 排水路
24 連通路
Ｃ通水ケーシング
Ｇ発電機
Ｗ水流
Ｓスロープ
Ｔダム貯水地
Ｆガイドフレーム

Claims

上下方向に複数の取付スペース(21・21…)が連通状態に形成された通水ケーシング(Ｃ)の各スペースに対して、取付スペース(21)内に設置された横軸(12)を中心として、外周に多数の羽根(11a)を有する水車(11)が回転可能に内装された縦置型のマルチ水車装置(１)であって、
最上位置の取付スペース(21)の上部には水流を導入する導入路(22)、最下位置の取付スペース(21)の下側には当該ケーシング内の水流を外部に流す排水路(23)が配設されており、かつ、前記取付スペース(21・21…)間の通水を可能にする連通路(24)は、水車(11)の横軸(12)を挟んで取付スペース(21)の前後何れか一方寄りに上から下へと交互に蛇行する如く形成されて、各々の取付スペース(21)に内装された各水車(11・11…)が交互に反対方向へ回転するように構成されている一方、
前記取付スペース(21)には、内装された水車(11)の羽根(11a)に近接する内壁面(21a)が形成されると共に、取付スペース(21)に設置された各横軸(12)が、発電機(Ｇ)に連繋されて構成されており、
前記通水ケーシング(Ｃ)の導入路(22)に通水したとき、取付スペース(21・21…)や連通路(24・24…)を経由して排水路(23)から外部に放出される当該水流(Ｗ)が、取付スペース(21)内の前記各水車(11)と共に前記横軸(12)を回転せしめ、前記発電機(Ｇ)を駆動させて発電することを特徴とする水力発電装置。
通水ケーシング(Ｃ)内に形成された水路(２)のうち、導入路(22)と連通路(24)に、下方の水車(11)に斜め下方向に水流(Ｗ)を送り出すためのスロープ(Ｓ)が設けられていることを特徴とする請求項１記載の水力発電システム。
通水ケーシング(Ｃ)内に排水路(23)が、水平または下向きに傾斜した方向に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電システム。
通水ケーシング(Ｃ)内に複数のマルチ水車装置(１)が並設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の水力発電システム。