JP2014034923A - 水力発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水力発電装置1は、水面Ws下に配置される水車10と、水車10の回転により発電を行う発電機55と、水車10の回転中心に同軸配置される軸体31を有し、軸体31の回転を発電機55に伝達しつつ、軸体31を発電機55の回転軸方向に移動可能な運動案内部と、水位の変動に合わせて軸体31を上下方向に移動させる水車位置調整部60と、を備える。
【選択図】図1
Description
また、垂直軸型水力発電装置の全体が水面上に浮かんでいるため、水車を含む装置全体の姿勢が不安定になり、発電が不安定になりやすいという問題がある。また、装置全体の姿勢が不安定なので、メンテナンス性や信頼性に劣るという問題がある。
本発明に係る水力発電装置は、水面下に配置される水車と、前記水車の回転により発電を行う発電機と、前記水車の回転中心に同軸配置される軸体を有し、前記軸体の回転を前記発電機に伝達しつつ、前記軸体を前記発電機の回転軸方向に移動可能な運動案内部と、水位の変動に合わせて前記軸体を上下方向に移動させる水車位置調整部と、を備えることを特徴とする。
図2は、運動案内部30及び固定部50を示す図である。
垂直軸型水力発電装置1では、垂直軸型水車10が用水路Cの水面Wsよりも下方に配置される。つまり、垂直軸型水車10は、用水路Cにおいて水没するように配置される。また、垂直軸型水車10は、中心軸(回転中心)Aである回転軸13が鉛直方向を向くように配置される。そして、水上に露出した回転軸13には、発電機55が間接的に連結される。発電機55は、垂直軸型水車10の回転力(機械エネルギー)を電気エネルギーに変換する。つまり、用水路Cを流れる水Wの力を用いて発電を行う。
運動案内部30は、垂直軸型水車10の回転を発電機55に伝達しつつ、垂直軸型水車10を上下方向に移動可能である。
固定部50は、用水路Cの上方に配置されて垂直軸型水車10及び運動案内部30を支持すると共に後述する発電機55にて発電を行う。
水車位置調整部60は、水位(水面Ws)の変化に対応して、運動案内部30を作動させる。
垂直軸型水車10は、矩形板状又は帯板状をなし、鉛直方向に延びるブレード11を複数有する。また、垂直軸型水車10は、中心軸Aに沿って配置された回転軸13を有する。
複数のブレード11は、中心軸A回りに、周方向に均等に間隔をあけて配設される。各ブレード11は、両端に接続された一対のアーム12を介して、回転軸13の外周面に連結される。複数のブレード11は、水Wを受けると揚力を発生する形状に形成されている。この揚力によって、垂直軸型水車10(回転軸13)は、中心軸A回りに回転する。
垂直軸型水車10は、水の流れの方向に対して依存性がない。すなわち、どの方向からの水Wに対しても、垂直軸型水車10は、中心軸A回りに回転可能である。
運動案内部30は、回転軸13に一体的に形成されたスプライン軸(軸体)31と、スプライン軸31に配置された二つのスプラインナット(筒体)32,33と、スプラインナット32に嵌合する軸受34,35、スプラインナット33に嵌合する軸受36から構成される。軸受34,35,36は、スプラインナット32,33を固定部50に対して回転可能に支持する。
つまり、運動案内部30は、一つのスプライン軸31を共用する、二つのロータリーボールスプライン軸受40を備える。
図3(a)は、スプライン軸31及びスプラインナット32の内部構造等を示す図である。図3(b)は、スプラインナット32及び軸受34,35の内部構造等を示す図である。
その一方で、スプラインナット32の負荷転動体転走溝とスプライン軸31の転動体転走溝31Aとの間には複数のボール44が介在するので、スプラインナット32はスプライン軸31がその軸線の回りに回転するのを制限する。すなわち、スプラインナット32とスプライン軸31とは、互いの軸周りの相対回転が規制される。
これにより、スプライン軸31及びスプラインナット32が一体となって軸周りに回転することが可能である。スプラインナット32とスプライン軸31は、互いの軸周りの相対回転が規制された状態で、一体となって軸周りに回転する。つまり、スプライン軸31が軸周りに回転すると、スプラインナット32(33)も一体となって軸周りに回転する。
二つのスプラインナット32,33は、水面Wsよりも上方において鉛直方向に並んで配置される。そして、二つのスプラインナット32,33に対してスプライン軸31の上端側が挿通される。
軸受34,35は、一対のアンギュラ軸受である。軸受36は、ラジアル軸受である。一対のアンギュラ軸受34,35は固定部50の下方側に、ラジアル軸受36は固定部50の上方側に配設される。
そして、二つのスプラインナット32,33の間に発電機55が配置される。発電機55は、スプラインナット32,33に連結される。
スプラインナット32の外筒の両端には、それぞれフランジ32Fが設けられる。軸受34,35のボールが転走する走行溝は、それぞれフランジ32Fの近傍に形成される。
また、一対のアンギュラ軸受34,35の外輪同士の間には、円筒形の間座37が設けられる。
支持フレーム51は、用水路Cの両岸の間に架け渡されて、垂直軸型水車10と運動案内部30を支持する。そして、支持フレーム51の内部に発電機55が設けられる。
軸受35の外輪には、フランジ35Fが形成される。このフランジ35Fが支持板52の上面に当接し、ボルトにより支持板52に固定される。
ケーシング部53の中心孔53Hの内径は、軸受35の外輪のフランジ35Fの直径よりもやや大きい。したがって、中心孔53Hの下方側には、軸受35の外輪のフランジ35Fが収容される。
中心孔53Hの上方側には、スプラインナット33が軸受36を介して配置される。つまり、中心孔53Hの内周面に軸受36の外輪が嵌合配置される。
ケーシング部53の上端面には、リング部材54が配置される。リング部材54の一部がケーシング部53の中心孔53Hに嵌合しつつ、軸受36の外輪に当接する。そして、リング部材54フランジ54Fがケーシング部53の上端面に当接し、ボルトによりケーシング部53に固定される。
発電機55は、マグネットロータ56及びコイルステータ57を備える。マグネットロータ56は、二つのスプラインナット32,33の間に配置される。コイルステータ57は、固定部50のケーシング部53の内部に配置される。
マグネットロータ56は、スプライン軸31から僅かな隙間を隔てて配置される。このため、マグネットロータ56は、二つのスプラインナット32,33と一体となって中心軸A回りに回転する。
その一方で、マグネットロータ56は、スプライン軸31が上下方向に移動したとしても移動することなく、二つのスプラインナット32,33と一体となって固定部50に保持される。
コイルステータ57は、複数のコイル57Cを備える。複数のコイル57Cは、中心軸A回りに周方向均等に間隔をあけて配設される。各コイル57Cは、ケーシング部53の中心孔53Hの内周側に露出するように配置される。つまり、中心軸Aから各コイル57Cの表面までの距離は、中心孔53Hの半径とほぼ同一となるように設定される。
そして、マグネットロータ56がコイルステータ57に対して中心軸A回りに回転することにより、マグネットロータ56とコイルステータ57との間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。
連結板61の両端には、一対の電動シリンダ63のロッド63Aが連結される。
一対の電動シリンダ(リニアアクチュエータ)63は、それぞれ垂直方向に沿って、スプライン軸31の中心軸Aに対して対称に配置される。
一対の電動シリンダ63のシリンダ部63Bは、固定部50のリング部材54の上面に固定される。なお、一対の電動シリンダ63は、ブレーキ付きであり、シリンダ部63Bから突出したロッド63Aの位置(突出長)を保持可能である。
そして、水位センサ64からの検出結果に基づいて駆動制御部(不図示)が一対の電動シリンダ63を駆動制御することにより、スプライン軸31の位置を水位に合わせて上下動することができる。このような制御のサンプリング周波数は、例えば数分周期であればよい。
垂直軸型水車10は、用水路Cを流れる水Wを受けて中心軸A回りに回転する。垂直軸型水車10に連結したスプライン軸31も同様に中心軸A回りに回転する。これにより、スプライン軸31に配置した二つのスプラインナット32,33、さらに二つのスプラインナット32,33に挟持されたマグネットロータ56も同様に中心軸A回りに回転する。つまり、垂直軸型水車10、ロータリーボールスプライン軸受40及びマグネットロータ56は、一体となって中心軸A回りに回転する。
このように、ロータリーボールスプライン軸受40に連結された発電機55(マグネットロータ56)には、垂直軸型水車10の回転が伝達される。
水車位置調整部60が水面Wsの変化(水位の低下)を検出し、その変化に合わせて電動シリンダ63を制御するので、垂直軸型水車10及びスプライン軸31を水位の低下に合わせて用水路Cの下方に向かって移動させる。
一方、スプラインナット32,33及び発電機55は、水Wの水位が低くなったとしても、その位置姿勢は変わらずに維持する。つまり、スプライン軸31がスプラインナット32,33に対して移動するので、スプラインナット32,33及び発電機55の位置姿勢は変化しない。
このため、用水路Cを流れる水Wの水位が低くなったとしても、垂直軸型水力発電装置1では、垂直軸型水車10が水面Ws上に露出しないので、垂直軸型水車10は均等に水Wを受けて回転する。したがって、垂直軸型水車10が損傷等を受けることなく、効率的な発電を維持し続けることができる。
水車位置調整部60が水面Wsの変化(水位の上昇)を検出し、その変化に合わせて電動シリンダ63を制御するので、垂直軸型水車10及びスプライン軸31を水位の上昇に合わせて用水路Cの上方に向かって移動させる。
上述したように、スプラインナット32,33及び発電機55は、水Wの水位が高くなったとしても、その位置姿勢は変わらずに維持する。スプライン軸31がスプラインナット32,33がに対して移動するので、スプラインナット32,33及び発電機55の位置姿勢は変化しない。
このため、用水路Cを流れる水Wの水位が高くなったとしても、垂直軸型水力発電装置1では、垂直軸型水車10の水面Wsからの位置(水没深さ)が一定なので、垂直軸型水車10は均等に水Wを受けて効率的な発電を維持し続けることができる。
また、発電機55のマグネットロータ56を一対のスプラインナット32,33で挟持するので、マグネットロータ56をスプラインナット32,33に確実に連結することができる。
電動シリンダ63に代えて、他のリニアアクチュエータを用いていもよい。例えば、多段階式又は無段階式のエアシリンダを用いてもよい。例えば、回転モータとボールネジを組み合わせた直動機構を用いてもよい。このように、多種多様のリニアアクチュエータを用いることができるので、垂直軸型水車10の重量等に合わせて適切な水車位置調整部160を構築することができる。
図5は、水車位置調整部160を示す図である。
水車位置調整部160は、スプライン軸31の外周側に配置された円環形のフロート161及びスプライン軸131とフロート161の内周面の間に配置された軸受162から構成される。
軸受162の内輪は、垂直軸型水車10よりもやや上方において、スプライン軸31に対して固定される。軸受162には、例えば防水型のベアリングが用いられる。
また、円環形のフロート161が軸受162を介してスプライン軸31(垂直軸型水車10)に連結されているので、垂直軸型水車10の回転を阻害することなく、効率のよい発電を行うことができる。
また、発電機55が水位に合わせて上下しないのでメンテナンス性に優れる。また、発電機55に接続されるケーブル類も上下しないので、信頼性が向上する。
図6は、水車位置調整部260を示す図である。
水車位置調整部260は、スプライン軸31の上端外周面に形成されたラック261、
ラック261に噛合う一対のピニオンギア262、一対のピニオンギア262を回転させる一対の回転モータ263、一対の回転モータ263をラック261(スプライン軸31)に対して密着及び離間させる一対のリニアモータ264、用水路Cの水面Wsの位置(水位)を検出する水位センサ265、水位センサ265からの検出結果に基づいて回転モータ263及びリニアモータ264を駆動制御する駆動制御部(不図示)等を備える。
一対の回転モータ(回転アクチュエータ)263は、水平方向を向くようにして、固定部50のリング部材54の上面に配置される。
一対の回転モータ263とリング部材54の間には、一対のリニアモータ264が配置される。一対のリニアモータ264は、それぞれの回転モータ263に連結されたピニオンギア262をラック261に対して密着させたり、離間させたりするために用いられる。
なお、回転モータ263に連結されたピニオンギア262をラック261から離間させた際に、スプライン軸31の落下を防止する不図示の落下防止部が設けられる。
そして、水位に変化がある場合には、水位センサ265からの検出結果に基づいて駆動制御部(不図示)が一対のリニアモータ264を駆動して、回転モータ263に連結されたピニオンギア262をスプライン軸31に形成されたラック261に密着させる。さらに、駆動制御部が回転モータ263を駆動制御することにより、スプライン軸31の位置を水位に合わせて上下動することができる。
一方、水位に変化がない場合には、駆動制御部(不図示)が一対のリニアモータ264を駆動して、回転モータ263に連結されたピニオンギア262をスプライン軸31(ラック261)から離間させた状態を維持する。
このような制御のサンプリング周波数は、例えば数分周期であればよい。
Claims (6)
- 水面下に配置される水車と、
前記水車の回転により発電を行う発電機と、
前記水車の回転中心に同軸配置される軸体を有し、前記軸体の回転を前記発電機に伝達しつつ、前記軸体を前記発電機の回転軸方向に移動可能な運動案内部と、
水位の変動に合わせて前記軸体を上下方向に移動させる水車位置調整部と、
を備えることを特徴とする水力発電装置。 - 前記運動案内部は、
前記軸体に対して軸回りに回転不能に嵌合しつつ、前記軸体を前記軸方向に移動可能な筒体と、
前記筒体を水面よりも上方において回転可能に支持する軸受と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の水力発電装置。 - 前記発電機は、
前記筒体に連結される磁石部と、
前記磁石部の外周側を取り囲むコイル部と、
を備えることを特徴とする請求項2に記載の水力発電装置。 - 前記水車位置調整部は、前記運動案内部に対して軸受を介して連結されたリニアアクチュエータであることを特徴とする請求項1から3のうちいずれか一項に記載の水力発電装置。
- 前記水車位置調整部は、
前記運動案内部に形成されたラックと、
前記ラックに係合するピニオンと、
前記ピニオンを回転させる回転アクチュエータと、
を備えることを特徴とする請求項1から3のうちいずれか一項に記載の水力発電装置。 - 前記水車位置調整部は、前記運動案内部に対して軸受を介して連結された浮体であることを特徴とする請求項1から3のうちいずれか一項に記載の水力発電装置。
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