JP2013253577A

JP2013253577A - 水力発電装置

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Publication number: JP2013253577A
Application number: JP2012130648A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Suzuki; 鈴木政彦
Original assignee: Bellsion KK
Current assignee: Bellsion KK
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2032-06-08
Also published as: JP6026786B2

Abstract

【課題】本発明は、用水路や小川などに、容易に設置することができ、効率の良い発電をすることの出来る水力発電装置を提供する。
【解決手段】基盤２上に、流入口６より排出口７が大きなダクト８を形成し、その内部における発電水路８Ａの流入口６の直後に、水車11の横軸ロータ９を臨ませて設け、外部に設けた発電機15と、横軸ロータ９のロータ軸９Ｂ間に伝動手段13、14を連係し、横軸ロータ９のブレード10は、翼根から翼端へ次第に弦長を広くした逆テーパ状とし、ブレード10に当った流水が、発電水路８Ａの内側壁面に沿って排出するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、少水量の用水路や小川などに、容易に設置することができ、効率の良い発電をすることの出来る軽便な水力発電装置に関する。

小水路における水力発電装置において考慮すべき問題点は、水路が狭いこと、水量が少ないこと、並びに足場の悪い地域に設置されること等である。特許文献１には、ダクト内に水車を収容した発電装置が開示されている。

特開２０００−９０１２号公報

前記、特許文献１においては、一定の直径のダクト内に架設した支軸に、複数のスクリュを固定している。このスクリュはキャビテーションが生じ、水の流れが悪いので、ダクトの中は水流が流れにくくなり、発電効率は極めて劣る。
同時にダクトは、前後で同じ直径であるので、水流は、ダクトの後部になるに従って目づまり状となり水流が悪化する。
本発明は、設置が容易で、小水路で少水量の場所においても、効率良く回転して発電しうる水力発電装置を提供するものである。

本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１）基盤上に、流入口よりも排出口が大きなダクトを形成し、その内部における発電水路の流入口の直後に水車の横軸ロータを臨ませて設け、外部に設けた発電機と横軸ロータのロータ軸間に伝動手段を連係し、横軸ロータのブレードは、翼根から翼端へ次第に弦長を広くした逆テーパ状とし、ブレードに当った流水が、ダクトの内側壁面に沿って排出するようになっている水力発電装置。

（２）前記ブレードは、最大弦長部における前面が、回転方向に対して前縁から後縁へかけての傾斜角が０度〜６度としてなる前記（1）に記載の水力発電装置。

（３）前記ブレードの先端部分は、前方向へ傾斜する傾斜部を備え、ブレードの傾斜部に当った流水が、発電水路の内側壁面に沿って排出するようになっている前記（1）または（2）に記載の水力発電装置。

（４）前記水車は、横軸ロータと、そのロータ軸を支持する筐体とからなり、ダクトの上板に支持筒を介して水平に吊設されている前記（1）〜（3）のいずれかに記載の水力発電装置。

（５）前記ダクトの側壁より前の基盤が前方向へ延出し、その先端部に横条状に凸条を形成してある前記（1）〜（4）のいずれかに記載の水力発電装置。

（６）前記ダクトの側壁の後部は前部よりも低く設定されている前記（1）〜（5）のいずれかに記載の水力発電装置。

（７）前記ダクトの発電水路の流入口の前に、先の尖った防塵具が装着してある前記（1）〜（6）のいずれかに記載の水力発電装置。

（８）前記ダクトの発電水路は、平面視で台形の発電水路の前部に方形の発電水路を連設し、台形の発電水路と、方形の発電水路とにそれぞれロータを配設した前記（1）〜（7）のいずれかに記載の水力発電装置。

（９）前記水車は、筐体の内部に２本のロータ軸を直列として設け、その前後に、それぞれのブレードが正反対方向へ回転するロータを配設した前記（8）に記載の水力発電装置。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の水力発電装置は、水車を配置するダクト内の発電水路が、流入口は小で排出口は大としてあるので、流水は排出口の方へ拡散され、排出口の部分よりも流入口の方が水圧が高くなり、水圧の差で高速で通過するため、ロータは効果的に高速回転し、高い発電効率を得られる。
ダクトの側壁は、後部が側方張り出しているので、これを水路内に配設すると、ダクトの側壁後部が水流を堰き止める役割をして、水を前方へ押し返してダクトの流入口をあふれさせる。
ダクトに入ってブレードに当る水流は、ブレードを回転させ、その遠心力で回転方向の後方へ移動し、その反動でブレードを回転させるので、その周速は流速より速く、効果的に回転効率を高める。流出する水流は、後部の広がった側壁に沿って排出口へ、滑らかに流れる。

前記（2）に記載の水力発電装置は、最大弦長部分の前面の傾斜角度が６度より小なので、回転抵抗にならない。然し断面が翼型で回転により揚力を生じるので、高速回転をする。

前記（3）に記載の水力発電装置におけるブレードは、先端の傾斜部に当る水流は、遠心方向の後斜め方向へ流れて回転効率を高め、側壁面に沿って後部の広がった排出口へ高速で通過するので、流速を高め、回転効率を向上させる。

前記（4）に記載の水力発電装置は、ダクト内に水車が配設されているので、ダクトを水路底に沈設するだけで容易に設置することができる。

前記（5）に記載の水力発電装置は、基盤がダクト側壁よりも前方へ延出しているので、用水路などの底に設置すると、水圧が前部の基盤にかかり、浮き上がりが生じず、簡単な係留で装置全体を固定することができる。

前記（6）に記載の水力発電装置は、ダクトの側壁の後部が前部よりも低く設定されているので、水流は背丈の低い後部へと流れ、流塵も側壁の後部に寄って流したする。

前記（7）に記載の水力発電装置は、ダクトの前に、先の尖った防塵具が装着されているので、流れて来た塵は、防塵具に沿って流れ去ることとなる。

前記（8）に記載の水力発電装置では、ダクトの発電水路が、台形と方形の組合わせの形状として、それぞれにロータを配設してあるので、方形の発電水路から台形の発電水路へ入る流水は、後部の水圧の低い方へ高速で流れ、前後のロータを効率よく回転させ、発電機を高いトルクで回転させることができる。ブレードは捻れがなく、キャビテーションが生じないので、回転による水泡の発生及び水流の干渉が生じない。

前記（9）に記載の水力発電装置は、ダクト内において、水車の筐体の前後に配設した前後のロータを、それぞれ反対方向に回転させるようにしたので、発電機に対して強いトルクを得ることができ、併せて、発電機に回転力を伝える伝動軸に対する安定した負荷で回転させる。

本発明の水力発電装置の実施例１の一部縦断側面図である。図１における、II-II線横断平面図である。図１の正面図である。ブレードの最大弦長部の断面図である。水力発電装置の設置状態を示す一部横断平面図である。水力発電装置の実施例２の一部横断平面図である。水力発電装置の実施例３の一部横断平面図である。

以下本発明を、図面を参照して説明する。

図１、図２において、水力発電装置（以下単に発電装置という）１は、基盤２と上板３との間に、左右の側板４、５を、その後部（図における左方）を外側方向へ向けて拡げ、平面視で後広がりのテーパ状として、流入口６よりも排出口７の面積を大としたダクト８の内部に、前部の幅の狭い平面視台形の発電水路８Ａを形成して構成されている。

基盤２の上面における前縁部分には、横に長い凸条２Ａを形成してある。この凸条２Ａは、用水路の水底に基盤２を置いたとき、水流が乗上げることにより、基盤２の前部を下方へ押しつけるように作用する。

ダクト８における台形の発電水路８Ａには、前部にロータ９を備える水平の筐体11Ａを有する水車11を、垂直の支持筒12をもって上板３に吊設してある。
筐体11Ａの内部には、ロータ９のロータ軸９Ａが横架され、支持筒12の内部には、垂直の伝動軸12Ａが、軸受12Ｂをもって支持されている。

ロータ軸９Ａの基端部と伝動軸12Ａの下端とは、傘歯車からなる伝動手段13、14をもって連係され、ロータ９の回転力は、伝動軸12Ａに伝えられるようになっている。上板３の４隅には、用水路の岸などに係留するための吊具３Ａ、３Ａが固定されている。

伝動軸12Aの上端部は、上板３の上方に突出し、上板３の上に設けた発電機15の主軸15Ａとの間に、歯車からなる増速手段16Ａ、16Ｂが設けられている。発電機15と増速手段16Ａ、16Ｂは、開閉可能で水密性のある被蓋17で覆われている。

前記支持筒12は、図２に平面を示すように、前部は小テーパの円形断面で、後部へかけて細くして、全体として水滴形にしてある。
これによって、支持筒12の前部から当る水流は、コアンダ効果により、後方へ円滑に通過して乱流が生じることはない。

ロータ９は、ハブ９Ａの周囲に複数のブレード10を固定して形成されている。ブレード10は、正面視において、翼根から翼端へかけて次第に幅を広くし、最大弦長部10Ｂから先端を、前方向へ傾斜する傾斜部10Ａとしてある。

最大弦長部10Ｂにおける断面は、図４に示すように、前縁10Ｄが厚く、後縁10Ｅへかけて次第に薄くされ、水流を受ける前面10Ｃは、前縁10Ｄから後縁10Ｅへかけて、背面10Ｆ方向へ０度から６度の範囲で傾斜されている。

ブレード10の最大厚みは弦長の13％〜20％の範囲としてあり、揚力型であるので、傾斜度が０度ないしこれに近くても、回転速度は次第に高まる。従って傾斜部10Ａがな鋳物であっても回転効率は高い。

傾斜部10Ａの作用は、ロータ９の回転時に、遠心方向へ移動する水流を抑止させて、強い水流の力を受ける。
同時に、その水流は、傾斜部10Ａの前面を、翼端における回転する逆方向の斜め遠心方向へ抜けるので、反作用として回転力を高める。
回転と共に傾斜部10Ａの外方へ抜ける水流は、側壁４、５の傾斜した内壁面に沿って、円滑に排出口７へ流動する。

ロータ９の位置は、ブレード10の傾斜部10Ａが、ダクト８の流入口６から、やや内側に入った所に位置するように定められている。従って、ダクト８に入る水流は、このブレード10に当って、これを回転させて排出口７へ高速で通過する。

すなわち、ダクト８は、小さな流入口６に対して、排出口７が大きなトンネル状となっており、流入口６から水流が入るとき、ダクト８の中では、後部で水が拡散されて負圧となるので、流水は速度を高めて通過し、ロータ９を高速回転させることになる。

図２において、前方向から側板４、５に直進して当る水流は、側板４、５で抵抗を受けるので、流れが強ければ、逆流してダクト８の流入口６から発電水路８Ａに入り、流入口６の部分の水圧を高めて通過することとなり、側板４、５が集水板の作用をすることが確認されている。

一般的に、集水のために、漏斗状やラッパ状のガイドを設けることが行われているが、ロータ９の前に、そのような漏斗状やラッパ状のガイドを設けると、もし流入口に入った水流の半分しか、流出口７から通過させることが出来なければ、残りの半分は、漏斗状やラッパ状ガイドの中に留まることになり、その留まった水流は、実質的に流入口６を塞いでいることと同じことになる。

図２において、ダクト８の流入口６には、側面が側板４、５の延長線上になるように、ネット状或いは格子状で、先端の尖った防塵具18を装着してある。
図５に示すように、側板４、５の後端部が、用水路19の側壁19Ａ．19Ｂとの間に間隙20、20を開けて配置されていると、防塵具18に当って滑る塵は、この間隙20から流下する。

図５において、用水路19を流れる水は、間隙20から流下する水量よりも多いので、側板４、５によって堰止められた水は、水圧を高め、逆流して流入口６へ流入する。
そのため、流入口６付近の水圧は、排出口７付近の水圧よりも高くなり、ダクト８内の発電水路８Ａを高速で通過するので、ロータ９の回転速度は高められる。

ブレード10は、図４に示すように、全体として翼端部に捻れがないため、回転時にキャビテーションを起すことはなく、流入口６から染料を流しても、直線帯状となって乱れを生じることはない。翼端部が水を切っても乱流が生じないので、翼端部に水泡が生じることはない。このことは、目視によって確認することができた。

本発明の発電装置１の水流出力試験を、Ｔ国立大学で行った。
プロペラ翼５枚回転直径600ｍｍ
ダクト最大部直径1000ｍｍ
発電機の出力 24Ｖ 330ｗ（流速１．２ｍ／ｓ）
風路付造波回流水槽-幅1800ｍｍ、水面深さ1050ｍｍ
その流速毎の発電出力は、別表１の通りであった。

表１で示すように、流速0.５ｍ／ｓで発電しており、流速が２倍の１.0ｍ／ｓでは、８〜９倍の出力となっている。流速1.2ｍ／ｓでは、334〜338ｗの発電が認められた。
またダクトがない時でも、流速1.2ｍ／ｓで111ｗの発電をしており、これは、ダクトをつけることにより発電性能が約３倍も高くなったことを示している。

スクリュ型の従来の水力発電機では、同じ大きさで、発電開始流速は１ｍ／ｓであり、出力は流速４ｍ／ｓで100ｗである。
すなわち、本発明の発電装置１では、流速が1.2ｍ／ｓで100ｗも発電しうるのに対して、従来型では、４ｍ／ｓの流速がなければ発電することが出来ず、両者は比較の対照にならない。

図６は、水力発電装置の実施例２の要部横断平面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。この実施例２は、ダクト８の形状を、図２における台形の発電水路８Ａ部分の流入口６を、そのまま前方向に平行移動させて、方形の発電水路８Ｂ部分を形成したものである。

ロータ99、９は、１本のロータ軸９Ｂの前後に装着され、前部のロータ99は、方形の発電水路８Ｂの入水口66の直後に位置している。後部のロータ９は、台形の発電水路８Ａの流入口６の直後に位置している。この場合、前後のロータ９におけるブレート10が、前後で重ならないように、その位相を変位させてある。

発電水路８Ａ、８Ｂを通過する流水によって、ロータ99、９は回転させられるが、キヤビテーシヨンが生じないので、乱流が生じることはなく，直進して流れるので、前後のロータ99、９の回転による水流の干渉は生じない。またロータが２基あるので、回転トルクは約２倍となる。
従って、ロータ９を小型として、小水路に設置することができる。

図７は、水力発電装置の実施例３の一部縦断側面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例３では、図６に示したダクト８を使用して、前後のロータ99、９の回転方向を逆にして、その双方の回転力を伝動軸12に伝えるものである。

筐体11の中央部は、支持筒12をもって上板３に支持されている。筐体11の内部に、前後２本のロータ軸９Ｂ、９Ｃが直列に設けられ、その対向端部に、伝動軸12Ａの伝動手段14と連係された、傘歯車からなる伝動手段13、13が、固定されている。

前部のロータ軸９Ｃの先端部と、後部のロータ軸９Ｂの後端部に、それぞれロータ99、９を装着してあるので、両ロータ99、９は逆回転をする。
この場合、前部のロータ99におけるブレード10は、図４における前縁10Ｄが右側となり、前面10Ｃの傾斜方向も逆向き形となる。

そのため、発電水路８Ｂ、８Ａを通過する水流によって、前後のロータ99、９はそれぞれ逆方向に回転し、その回転力は、伝動軸12Ａを介して発電機15を２倍のトルクで回転させる。

流入口よりも排出口を大としたダクト内に、水車を配置してあるので、ダクト内を通過する水流の速度が大となって、水車を回転させて発電することとなり、小水路において効率の高い発電装置とすることができる。

１．水力発電装置
２．基盤
２Ａ．凸条
３．上板
３Ａ．吊具
４．５．側板
６．流入口
７．排出口
８．ダクト
８Ａ．台形発電水路
８Ｂ．方形発電水路
９．ロータ
９Ａ．ハブ
９Ｂ．ロータ軸
10.ブレード
10Ａ．傾斜部
10Ｂ．最大弦長部
10Ｃ．前面
10Ｄ．前縁
10Ｅ．後縁
10Ｆ．背面
11.水車
11Ａ．筐体
12．支持筒
12Ａ．伝動軸
13.14.伝動手段
15.発電機
15Ａ.主軸
16Ａ、16Ｂ.増速手段
17.被蓋
18．防塵具
19.用水路
19Ａ.19Ｂ.側壁

Claims

基盤上に、流入口よりも排出口が大きなダクトを形成し、その内部における発電水路の流入口の直後に水車の横軸ロータを臨ませて設け、外部に設けた発電機と横軸ロータのロータ軸間に伝動手段を連係し、横軸ロータのブレードは、翼根から翼端へ次第に弦長を広くした逆テーパ状とし、ブレードに当った流水が、発電水路の内側壁面に沿って排出するようになっていることを特徴とする水力発電装置。
前記ブレードは、最大弦長部における前面が、回転方向に対して前縁から後縁へかけての傾斜角が０度〜６度としてなることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
前記ブレードの先端部分は、前方向へ傾斜する傾斜部を備え、ブレードの傾斜部に当った流水が、発電水路の内側壁面に沿って排出するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電装置。
前記水車は、横軸ロータと、そのロータ軸を支持する筐体とからなり、ダクトの上板に支持筒を介して水平に吊設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水力発電装置。
前記ダクトの側壁より前の基盤が前方向へ延出し、その先端部に横条状に凸条を形成してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水力発電装置。
前記ダクトの側壁の後部は前部よりも低く設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の水力発電装置。
前記ダクトの発電水路の流入口の前に、先の尖った防塵具が装着してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の水力発電装置。
前記ダクトの発電水路は、平面視で台形の発電水路の前部に方形の発電水路を連設し、台形の発電水路と、方形の発電水路とにそれぞれロータを配設したことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の水力発電装置。
前記水車は、筐体の内部に２本のロータ軸を直列として設け、その前後に、それぞれのブレードが正反対方向へ回転するロータを配設したことを特徴とする請求項８に記載の水力発電装置。