JP2014084733A - 軸流水車発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランナに流入する流水の速度を増大させると共に自己起動性を向上させることができる軸流水車発電装置を提供する。
【解決手段】実施の形態による軸流水車発電装置１０は、流水に浸漬されて流水により発電を行う。この軸流水車発電装置１０は、流水の主流方向Ｐに延びる外側筒状体１１と、少なくとも一部が外側筒状体１１の内側に設けられた内側筒状体１３と、外側筒状体１１の内側に配置され、内側筒状体１３に回転自在に設けられたランナ１４と、を備えている。このうちランナ１４は、主流方向Ｐに延びる回転軸線Ｘを中心にして流水により回転する。内側筒状体１３に、ランナ１４の回転により発電を行う発電機１５が内蔵されている。外側筒状体１１は、主流方向Ｐに徐々に拡大している。
【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、軸流水車発電装置に関する。

地球温暖化防止の観点から、再生可能エネルギの積極的利用が叫ばれて久しい。数ある再生可能エネルギの中でも水力は古くから積極的に開発、利用が進んでいる。しかし、その主流はダムを利用した大規模集中型発電であるため、新規開発に適した建設地は少なく、環境負荷への懸念から新規建造は困難な状況である。このような事情から、これまでの大規模集中型発電から、未開発の地点が豊富な中小規模分散型発電への転換が望まれている。中小規模分散型発電の一つとして、ダムのような大規模な施設を利用しない、超低落差水力を利用した発電方式が挙げられる。

超低落差水力の利用に適した水車として、水平軸揚力型ランナを有する軸流水車が挙げられる。この軸流水車は、ダリウス水車やサボニウス水車等の垂直軸の水車と比較して格段に高効率である。また、軸流水車は、近年の生産技術の進歩や新素材の開発等の技術革新により、製造コストも比較的安価なものとなっている。

このような水平軸揚力型ランナを有する軸流水車の場合、その出力は、流入する流速の３乗に比例する。このため、軸流水車の出力を増大させるためには、流速の速い地点への設置が望ましい。しかし、そのような地点は限られており、設置可能箇所の枯渇は時間の問題である。加えて、超低落差水力の規模の観点から、発電容量が１０ｋＷ以下のナノ／ピコ水車の適用が多くなることが予測される。このようなナノ／ピコ水車の場合、発電量に対して相対的に設備コストが大きくなってしまう。ナノ／ピコ水車への適用も念頭に入れると、超低落差大流量の地点へ設置する水車は、水力効率の改善はもちろん、製造、設置、維持コストを低く抑える必要がある。

このような出力向上を目的とした軸流水車が、特許文献１および２において提案されている。

特許第４００１４８５号公報 特開２００５−２４０７８６号公報

しかしながら、特許文献１においては、ランナの先端部に発電機の回転子が設置されている。このことにより、必然的にランナの慣性モーメントが大きくなる。また、永久磁石式発電機を利用する場合、発電機のコギングトルクの影響を大きく受けてしまう。このため、性能上、自己起動性に問題を有している。

特許文献２の発電装置は、潮汐発電を適用対象としている。しかしながら、当該発電装置においては、ランナは、ディフューザ管の下流側に設けられた直管部内に配置されている。このため、ディフューザ管の増速効果を十分に得られないという問題がある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ランナに流入する流水の速度を増大させると共に自己起動性を向上させることができる軸流水車発電装置を提供することを目的とする。

実施の形態による軸流水車発電装置は、流水に浸漬されて流水により発電を行う。この軸流水車発電装置は、流水の主流方向に延びる外側筒状体と、少なくとも一部が外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、外側筒状体の内側に配置され、内側筒状体に回転自在に設けられたランナと、を備えている。このうちランナは、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転する。内側筒状体に、ランナの回転により発電を行う発電機が内蔵されている。外側筒状体は、主流方向に徐々に拡大している。

図１は、水路に設置された、第１の実施の形態における軸流水車発電装置を示す断面図である。 図２は、図１の軸流水車発電装置を主流方向上流側から見た前面図である。 図３は、第２の実施の形態における軸流水車発電装置を示す図である。 図４は、図３の軸流水車発電装置の部分断面図である。 図５は、第２の実施の形態における軸流水車発電装置の変形例を示す図である。 図６は、第３の実施の形態における軸流水車発電装置を示す図である。 図７は、第４の実施の形態における軸流水車発電装置の部分断面図である。

（第１の実施の形態）
図１および図２を用いて、本発明の第１の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。軸流水車発電装置は、水路や河川に設置され得るものであり、流水に浸漬されて流水により発電を行うための装置である。

図１および図２に示すように、軸流水車発電装置１０は、流水の主流方向（後述する水路１における水の流れの方向）Ｐに延びるディフューザ管（外側筒状体）１１と、少なくとも一部がディフューザ管１１の内側に設けられた内筒（内側筒状体）１３と、を備えている。このうち、ディフューザ管１１は、主流方向Ｐに徐々に拡大している。

すなわち、ディフューザ管１１は、主流方向Ｐの上流側から下流側に向かって、外径が徐々に大きくなっている。また、ディフューザ管１１の内径は、同様に、上流側から下流側に向かって、徐々に大きくなっている。すなわち、ディフューザ管１１の内側には、管内流路１２が形成されており、管内流路１２の流路面積は、上流側から下流側に向かって徐々に増大している。なお、ディフューザ管１１の主流方向Ｐに沿った断面は、図１に示すように、全体的に、流線型形状を有していることが好ましい。このことにより、ディフューザ管１１の内面１１ａおよび外面１１ｂを沿う流れが剥離することを抑制することができる。

また、図１においては、内筒１３の全体が、ディフューザ管１１の内側に配置されている例を示している。しかしながら、このことに限られることはなく、内筒１３が、ディフューザ管１１の内側からディフューザ管１１の下流側に延出するようにしてもよい。なお、内筒１３は、管内流路１２を流れる流水が乱れることを抑制するために、全体的に流線型形状を有していることが好適である。

ここで、図１および図２においては、一例として、軸流水車発電装置１０が水路１に設置されている例を示している。この場合、水路１の両脇の地面２に設置台５が設置され、この設置台５に、固定部材６を介して内筒１３が固定されている。ディフューザ管１１は、例えばスポーク状の部材（図示せず）を介して内筒１３に固定されている。このようにして、軸流水車発電装置１０が、水路１の流水に浸漬されるようになっている。なお、固定部材５およびスポーク状の部材は、管内流路１２の流れが乱れることを防止するために、内筒１３の下流側に設けられていることが好適である。

内筒１３にランナ（水平軸揚力型ランナ）１４が回転自在に設けられている。ランナ１４は、全体的にディフューザ管１１の内側（すなわち、管内流路１２）に配置され、主流方向Ｐに延びる回転軸線Ｘを中心にして、管内流路１２を流れる流水により回転するようになっている。このようにして、ランナ１４は、流水が持つ運動エネルギを回転エネルギに変換する。なお、ランナ１４は、複数（ここでは２つ）のランナ羽根１４ａを有していることが好適である。

内筒１３には、発電機１５が内蔵されている。この発電機１５は、同様に内筒１３に内蔵された連結軸１６を介して、ランナ１４に連結されている。このようにして、ランナ１４の回転が連結軸１６を介して発電機１５に伝達され、発電機１５は、ランナ１４の回転により発電を行うように構成されている。

このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

水路１を内の流水に軸流水車発電装置１０が浸漬されると、流水の一部は、管内流路１２を流れる。この管内流路１２を流れる流水により、ランナ１４が回転する。

残りの流水は、ディフューザ管１１の外側において、主流方向Ｐに徐々に拡大するディフューザ管１１の外面１１ｂに沿って流れる。このことにより、ディフューザ管１１の外側の流水は、ランナ１４の回転軸線Ｘから遠ざかる方向に流れる。このため、ディフューザ管１１の外側の流水によって、ディフューザ管１１の出口側領域における管内流路１２の流水がディフューザ管１１の外側に引き寄せられて、管内流路１２の圧力が低下し、管内流路１２の入口側領域と出口側領域との間で、圧力差が増大する。この結果、管内流路１２を流れる流水の速度が増大し、ランナ１４の回転速度が上昇する。

ランナ１４が回転すると、内筒１３に内蔵された連結軸１６を介してランナ１４の回転が発電機１５に伝達される。このようにして、発電機１５により発電が行われる。

このように本実施の形態によれば、流水内に浸漬され、主流方向Ｐに徐々に拡大するディフューザ管１１の内側に形成された管内流路１２に、ランナ１４が配置されている。このことにより、上述したように、ディフューザ管１１の管内流路１２を流れる流水の速度を増大させることができる。すなわち、ランナ１４に流入する流水の速度が増大し、ランナ１４の回転速度を上昇させて、発電機１５により発電される電力量を増やすことができる。

また、本実施の形態によれば、ランナ１４は、内筒１３に回転自在に設けられ、当該内筒１３に発電機１５が内蔵されている。このことにより、ランナ１４の慣性モーメントが大きくなることを抑制でき、自己起動性を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図３および図４を用いて、本発明の第２の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

図３および図４に示す第２の実施の形態においては、水を噴出する噴出機構が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図３および図４において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図３および図４に示すように、軸流水車発電装置１０は、ディフューザ管１１の内面１１ａに設けられ、ディフューザ管１１の内側に向かって滑らかに膨出する膨出部２１と、水を噴出する噴出機構２２と、を更に備えている。このうち膨出部２１は、ランナ１４より上流側に配置されている。また、膨出部２１は、ディフューザ管１１の全周にわたって、すなわち環状に形成されていると共に、ディフューザ管１１と一体に形成されている。

噴出機構２２は、後述する噴出口２５に水を供給する取水管２３と、ディフューザ管１１の内部に設けられ、取水管２３に連通した空洞部２４と、ディフューザ管１１に設けられ、空洞部２４に連通した噴出口２５と、を有している。このうち、取水管２３は、ディフューザ管１１の内側（管内流路１２）を流れる流水よりも大きい位置エネルギを有する水を取り込み、取り込んだ水を、空洞部２４を介して噴出口２５に供給するようになっている。取水管２３は、ディフューザ管１１の上流側に延びて、軸流水車発電装置１０の上流側の流水を取り込むようにすることが好適である。例えば、図３に示すように、軸流水車発電装置１０の上流側に堰３が設けられている場合、取水管２３は、当該堰３を越えて流れる流水を取り込むように構成することができる。このことにより、取水管２３は、比較的大きな位置エネルギを有する水を取り込み、取り込んだ水を噴出口２５に供給することができる。

図４に示すように、噴出機構２２の空洞部２４は、ディフューザ管１１の上流部分において、比較的大きな容量を有するように形成されている。一方、噴出口２５は、流路面積が小さくなるように形成されている。このことにより、噴出口２５を通る水の流れが絞られる。また、空洞部２４内の水は、取水管２３から供給される水によって加圧される。すなわち、取水管２３は、上述したようにして位置エネルギが大きい水を取り込んで空洞部２４に供給するため、空洞部２４内の水は加圧される。このことにより、空洞部２４内で加圧された水は、噴出口２５を通って、膨出部２１の表面２１ａ（ディフューザ管１１の内側の面）に噴出されるようになっている。このような空洞部２４および噴出口２５は、ディフューザ管１１の全周にわたって、すなわち環状に形成されていると共に、ディフューザ管１１と一体に形成されている。

噴出機構２２の噴出口２５は、膨出部２１の上流側に配置されている。また、膨出部２１と噴出口２５とは、互いに近接している。そして、噴出口２５は、膨出部２１の表面２１ａに沿って主流方向Ｐに水を噴出するようになっている。

本実施の形態における軸流水車発電装置１０において、軸流水車発電装置１０の上流側に設けられた堰３から取水管２３に水が取り込まれると、取り込まれた水は空洞部２４に供給される。空洞部２４内の水は、加圧されて、噴出口２５から膨出部２１の表面２１ａに沿って主流方向Ｐに噴出される。

この場合、噴出口２５から噴出された水によって高速の噴流Ｑが形成される。この高速の噴流Ｑは、コアンダ効果によって、膨出部２１の表面２１ａに沿う流れとなる。膨出部２１の表面２１ａを流れた高速の噴流Ｑは、その後、ディフューザ管１１の内面１１ａに沿って流れる。このことにより、噴流Ｑが形成されている噴流領域において圧力が低下し、当該噴流領域と、当該噴流領域の周囲の周囲領域との間で圧力差が生じる。このため、この圧力差と、水の粘性とによって、周囲領域の流水が噴流領域に引き込まれ、管内流路１２を流れる流水の速度をより一層増大させることができる。

このように本実施の形態によれば、噴出機構２２は、ディフューザ管１１の内面１１ａに設けられた膨出部２１に沿って主流方向Ｐに水を噴出する噴出口２５を有している。このことにより、上述したように、管内流路１２を流れる流水の速度をより一層増大させ、ランナ１４に流入する流水の速度をより一層増大させることができる。このため、ランナ１４の回転速度をより一層上昇させて、発電機１５により発電される電力量をより一層増やすことができる。

また、本実施の形態のように、膨出部２１がランナ１４より上流側に配置されている。このことにより、ランナ１４に流入する流水の速度をより一層増大させることができる。

また、本実施の形態のように、膨出部２１および噴出口２５がディフューザ管１１の全周にわたって形成されている。このことにより、ディフューザ管１１の全周にわたって膨出部２１の表面２１ａに沿う噴流Ｑを形成することができ、管内流路１２を流れる流水の流速を全体的に増大させることができる。このため、ランナ１４に流入する流水の速度をより一層増大させることができる。

さらに、本実施の形態のように、軸流水車発電装置１０が設置されている水路１の流水を用いて、膨出部２１の表面２１ａに沿う噴流Ｑを形成することができる。このことにより、水路１を流れる流水の持つ運動エネルギを有効利用することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、軸流水車発電装置１０の上流側に堰３が設けられ、取水管２３が、当該堰３を越えて流れる流水を取り込むように構成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、取水管２３は、軸流水車発電装置１０が設置されている水路１よりも標高が高い位置にある他の水路やため池（いずれも図示せず）などの水を取り込むようにしても良い。この場合においても、空洞部２４内の水を加圧することができ、噴出口２５から水を噴出させることができる。

また、上述した本実施の形態においては、膨出部２１がランナ１４より上流側に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、膨出部２１は、ランナ１４より上流側に配置されていなくても良い。この場合においても、膨出部２１の表面２１ａに沿って形成される噴流Ｑによって、管内流路１２を流れる流水の速度を増大させることができる。

また、上述した本実施の形態においては、膨出部２１、空洞部２４および噴出口２５がディフューザ管１１の全周にわたって環状に形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、膨出部２１、空洞部２４および噴出口２５は、ディフューザ管１１の周方向の一部に形成されていても良い。この場合、膨出部２１と噴出口２５は、主流方向Ｐに沿って互いに近接して設けることが好ましく、このことにより、膨出部２１の表面２１ａに沿う噴流Ｑを形成することができ、管内流路１２を流れる流水の速度を増大させることができる。

さらに、上述した本実施の形態においては、膨出部２１、噴出機構２２の空洞部２４および噴出口２５が、ディフューザ管１１に一体に形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、膨出部２１、空洞部２４および噴出口２５が、ディフューザ管１１に対して取り外し可能になっていても良い。例えば、図５に示す形態においては、ディフューザ管１１は、ディフューザ管本体３１と、ディフューザ管本体３１の上流側に設けられ、ディフューザ管本体３１に対して取り外し可能な上流端部３２と、を有している。ディフューザ管本体３１と、上流端部３２とは、連結部材３３と図示しないボルト等を用いて互いに固定されている。なお、連結部材３３は、噴流Ｑを乱さないために、ディフューザ管１１の周方向の一部に設けることが好ましい。

図５に示す形態においては、上流端部３２に、上述した膨出部２１、空洞部２４および噴出口２５が、一体に形成されている。この場合、上流端部３２をディフューザ管本体３１から取り外すことにより、ディフューザ管本体３１から、膨出部２１、空洞部２４および噴出口２５を取り外すことができる。このことにより、軸流水車発電装置１０による発電を継続しながら、噴出機構２２のメンテナンスを行うことができる。

（第３の実施の形態）
次に、図６を用いて、本発明の第３の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

図６に示す第３の実施の形態においては、水を噴出する噴出機構の取水管にポンプが設けられている点が主に異なり、他の構成は、図３および図４に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図６において、図３および図４に示す第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

噴出機構２２は、取水管２３に設けられたポンプ（加圧駆動部）４１を更に有している。このポンプ４１により、取水管２３内の水が、加圧されて空洞部２４に供給されるようになっている。

なお、本実施の形態においては、取水管２３は、任意の位置の水を取り込むように構成されていればよい。すなわち、取水管２３は、ディフューザ管１１の内側（管内流路１２）を流れる流水よりも大きい位置エネルギを有する水を取り込む場合に限られることはなく、軸流水車発電装置１０の近傍領域（上流側、下流側に限られない近傍領域）の流水を取り込むようにすることができる。この場合であっても、取水管２３に設けられたポンプ４１により、取り込まれた水を加圧して空洞部２４に供給することができる。図６では、一例として、ディフューザ管１１の下流側から流水を取り込む例を示している。

このように本実施の形態によれば、噴出機構２２の取水管２３にポンプ４１が設けられている。このことにより、膨出部２１の表面２１ａに沿う噴流Ｑを形成するための水を、所望の位置エネルギを有する水に限られることはなく、任意の位置における水を使用することができる。このため、比較的大きい位置エネルギを有する水を確保することが困難な都市部の河川にも本実施の形態による軸流水車発電装置１０を適用することが可能となり、汎用性を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
次に、図７を用いて、本発明の第４の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

図７に示す第４の実施の形態においては、ディフューザ管の主流方向に沿った断面が、翼型形状を有している点が主に異なり、他の構成は、図３および図４に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図６において、図３および図４に示す第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図７に示すように、ディフューザ管１１の主流方向Ｐに沿った断面が、翼型形状を有している。より具体的には、ディフューザ管１１の内面１１ａが翼の負圧面（背側面）となり、ディフューザ管１１の外面１１ｂが、翼の圧力面となるように、ディフューザ管１１が形成されている。翼の負圧面において膨らんだ部分が、上述した膨出部２１となっている。この膨出部２１に、翼型形状の最大厚み部が存在している。

また、図７に示すように、本実施の形態による噴出機構２２の空洞部２４は、ディフューザ管１１の内部に上流側から下流側にわたって形成されている。この場合、ディフューザ管１１の質量を低減することができ、このことは、例えば、軸流水車発電装置１０の輸送時や設置時に好都合である。また、空洞部２４の容積を増大させることができ、空洞部２４内の水の量を多くすることができる。

このように本実施の形態によれば、ディフューザ管１１の主流方向Ｐに沿った断面が、翼型形状を有している。このことにより、膨出部２１の表面２１ａに沿って形成される噴流Ｑが剥離されることを抑制でき、噴流Ｑが形成されている噴流領域における圧力を、より一層効果的に低下させることができる。このため、管内流路１２を流れる流水の速度を増大させることができ、ランナ１４に流入する流水の速度をより一層増大させることができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による軸流水車発電装置は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１０ 軸流水車発電装置
１１ ディフューザ管
１１ａ 内面
１３ 内筒
１４ ランナ
１５ 発電機
２１ 膨出部
２１ａ 表面
２２ 噴出機構
２３ 取水管
２５ 噴出口
４１ ポンプ

Claims (8)

1. 流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、
   流水の主流方向に延びる外側筒状体と、
   少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、
   前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられたランナであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転するランナと、
   前記内側筒状体に内蔵され、前記ランナの回転により発電を行う発電機と、を備え、
   前記外側筒状体は、主流方向に徐々に拡大していることを特徴とする軸流水車発電装置。
2. 前記外側筒状体の内面に設けられ、当該外側筒状体の内側に向かって膨出する膨出部と、
   前記外側筒状体に設けられた噴出口を有し、水を噴出する噴出機構を更に備え、
   前記噴出機構の前記噴出口は、前記膨出部より上流側に配置され、前記膨出部の表面に沿って主流方向に水を噴出することを特徴とする請求項１に記載の軸流水車発電装置。
3. 前記膨出部は、前記ランナより上流側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の軸流水車発電装置。
4. 前記膨出部および前記噴出機構の前記噴出口は、前記外側筒状体の全周にわたって形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の軸流水車発電装置。
5. 前記膨出部および前記噴出機構の前記噴出口は、前記外側筒状体に対して取り外し可能になっていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の軸流水車発電装置。
6. 前記噴出機構は、前記外側筒状体の内側を流れる流水よりも大きい位置エネルギを有する水を取り込み、取り込んだ水を前記噴出口に供給する取水管を更に有していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の軸流水車発電装置。
7. 前記噴出機構は、水を前記噴出口に供給する取水管と、前記取水管に設けられ、前記取水管内の水を加圧する加圧駆動部と、を更に有していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の軸流水車発電装置。
8. 前記外側筒状体の主流方向に沿った断面は、翼型形状を有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の軸流水車発電装置。

Images