JP2015025365A - 水流圧力による傾斜型回転動力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水車が効率よく水流圧を受け、流体力学的損失が少なく、少ない水流量でも回転し、十分な回転トルクが得られる動力発生装置を提供する。
【解決手段】回転軸５に固定された保持部６より放射状に複数の羽根固定軸７が組み付けられており、当該羽根固定軸の先端に羽根８が組み付けられた水車９を、水流面に対し傾斜させて設置することで、水流圧を受けた羽根８が上流から下流へ押し流され、下流に達した羽根８は水面上に移動し、水流圧を受けることなく上流方面に回転移動する。
【選択図】図１

Description

水流圧力による羽根の回転で動力を発生させる装置は、回転軸が水流面に対して平行型、回転軸が水流面に対し垂直型に大別される。本発明は、羽根と回転軸を水流面に対して傾斜させ回転させる動力発生装置及びこれを用いた水力発電装置に関するものである。

近年、温室効果ガスの排出削減を図るため再生可能な自然エネルギーを活用するニーズが高まっており、クリーンなエネルギーの供給源として様々な水力発電装置が開発されている。

しかし多くのものは水の落差を必要とするため、導水の設備にコストが掛かり、設置場所も制約される。また、工事全体に占める設備費の割合が高くなり、発電コストも高くなる。

大規模な水力発電設備の場合、自然破壊や生態系への影響の問題が多い。

有限会社シンク・フジイ「開放周流形水車（木製水車）による発電」ホームページより。 シンフォニアテクノロジー株式会社（旧神鋼電機）ホームページより。「リッター水力発電装置」

現状の水力発電装置の問題点は水流圧により羽根を回転させて動力を発生させるとき、水圧を受け回転力を発生させる面と同時にそれに伴う抵抗によるエネルギーロスが大きい。

装置を河川等に設置する場合ダム等の工事が必要であり、時間とコストが掛かる。

水流の落差を必要とする場合、設置場所が制約される。また自然の河川にそのまま設置するには水深の浅いところには対応できない。

機構部を水中に設置する場合、水の抵抗、保守管理、耐久性等に問題が多くコストも掛かる。

大型で大規模な設置と工事を行う場合、生態系を脅かす恐れがある。

上記課題を解決するために、本発明に係る動力発生装置は、以下の構成を備える。

架設フレームに回転可能に取り付けられた回転軸と、前記回転軸から放射線状に組み付けられた複数の羽根固定軸と、当該羽根固定軸に取り付けられた羽根を備えた水車を有することを特徴とする。前記水車が、水流面に対し水中と水上に傾斜させた状態で設置し、河川等の水中に入れることにより、水流圧を受けた複数の羽根が、上流から下流に押し流され回転軸を回転させる。下流に達した羽根は、回転軸が傾斜していることにより水面上に移動し、水圧を受けることなく上流方向に回転移動することにより効率よく回転軸が回転することを特徴とする。

前記架設フレームとそれを支える支柱フレームを上部で揺動可能に接合し、下部を開くことによって前記回転軸を任意の角度に傾斜して設置できることを特徴とする。自然の河川に適切な角度に架設フレームを傾斜させて設置し、スライドフレームと伸縮棒で高さ調節をするだけで回転動力を得ることができるため、ダムや堰等の工事を必要とせず設置コストを抑えられる。

本発明の動力発生装置は大型の設置であっても、川底から水面方向に垂直に固定された単数又は複数の固定支柱の上部から、水面方向に傾斜させた架設フレームが固定された支持装置を用いることにより、シンプルで最小限の工事で設置でき、生態系を脅かす可能性は低い。

水車の羽根の形状は、羽根固定軸の水平方向を０度とし回転軸上方を９０度とすると、羽根の上部と下部の辺が０度より大きく４５度より小さい範囲に傾斜して組み付けられており、水車を傾斜させて設置したとき、羽根の上部と下部は水面と川底に対しそれぞれほぼ平行状態になり、最小限の面積で羽根が水流圧を効率よく受ける。これにより水深の浅い河川への設置も可能になる。また、特別に水流の落差を必要とせず、自然の河川の流れを利用するため設置場所の確保が容易である。

水中にあるのはフレームの脚部と羽根のみで、機構部はすべて水上にあるため、水流の妨げによるエネルギーロスもなく劣化も少なく耐久性に優れ、メンテナンスも容易におこなえる。

また、水力発電装置においては、上述したいずれかの動力発生装置の回転軸が、発電機の回転子に接続されていることを特徴とする。

水面を基準に羽根を傾斜させ水中で上流から下流に至り水流圧をうけ回転力となる。下流に達した羽根は水面を基準に羽根の縦幅程度の移動で水上を上流に戻るため、水圧を受けることなくエネルギーロスが非常に小さい。

小型の可搬型は折り畳むことができるので、移動、保管に大変便利である。またシンプルな構造のため、軽量でコストも安くできる。

可搬型は自然の小川の流れで、工事を行わず、架設パネルと支柱を広げて水流に置くだけで稼働することができた。傾斜角度２５度で水深２５ｃｍでも問題なく回転した（羽根の広さ２７ｃｍ×１７ｃｍ）。水中にあるのはフレームの脚と羽根の部分だけで、羽根は水の流れに従って回転しているので草等を流してもゴミを掃く状態で草が絡むことはなかった。

水中にあるのは羽根とフレームの脚の部分だけで機構部は全て水上にあり、水による劣化がなく、耐久性、管理上も有利である。

回転軸が傾斜し、回転をしているので、羽根の位置が上下左右に移動し、後の羽根が先行の羽根の水流圧を妨げにくい。

稼働中、環境汚染をしない再生エネルギー装置であっても、ダム建設等により自然破壊がおこる。本発明の水力発電装置は自然の状態で設置できるため、自然破壊の可能性の恐れがない。

本発明の水力発電装置は水没させる部位が羽根とフレームの脚のみで、稼働する羽根に於いても自然の流れに従って動いているので生態系への悪影響がない。

太陽光発電装置等の老朽化により、処分される廃棄物の有害物質は今後膨大な量になる。本発明の水力発電装置はシンプルな構造であり、素材に有害物質を含まないため、部品処分等による環境汚染は非常に小さい。

傾斜型回転動力発生装置の側面図である。 傾斜型回転動力発生装置の正面図である。 動力発生装置の平面図である。 架設フレームと支柱の開閉動作を示す側面図である。 水車の正面図である。 浅く川幅の狭い場所への簡易設置例の側面図である。 深く川幅の広い場所への簡易設置例の側面図である。 深く川幅の狭い場所への簡易設置例の側面図である。 固定式大型水力発電装置の設置例の正面図である。 固定式大型水力発電装置の設置例の平面図である。 固定式大型水力発電装置の設置例の側面図である。 大型水力発電装置の水車の収納及び回転ストッパー使用時の側面図である。 回転ストッパーの斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る、水流圧力による傾斜型回転動力発生装置の実施形態について詳細に説明する。以下では動力発生装置の一例として水力発電装置を例示して説明する。また、可搬型の小型のもの、固定型の大型のものを例に説明する。

図１に示すように、傾斜型水力発電装置は、水車９の回転軸５が発電機１３の回転子（図示せず）に接続されている。或いは、回転軸５は発電機１３の回転子軸若しくはこれにカップリング等で接続されていてもよい。

水車９の構成について説明する。図３に示すように発電機１３から延設された回転軸５が、スライドフレーム４に回転可能に軸支されている。この回転軸５に固定された保持部６より放射状に複数の羽根固定軸７が組み付けられており、当該羽根固定軸７の先端に水流の圧力を受けて回転軸５と一体となって回転する羽根８が組み付けられている。

図２のように、傾斜型水力発電装置１は、回転軸５が水流面に対し傾斜して設置される。傾斜角度は、回転軸５が水面に垂直状態を０度とすると、１０度から９０度まで機能するが、２５度程度が望ましい。羽根固定軸７を長くして、羽根の縦幅を小さくすれば、１０度程度の傾斜でも機能するが、水流圧が少なくなり回転力が劣る。水面を基準に、羽根の上下移動が羽根の縦幅程度になる２５度程度に設置するのが、最も小さなモーメントで効率がよいと思われる。

図４で示すように、架設フレーム２と支柱フレーム３は任意の角度に開閉でき、開閉角度は角度固定バー１０により固定できる。また水車９の高さは水車９を備えたスライドフレーム４と伸縮棒１１により調整することができる。スライドフレーム４はスライドフレーム固定ツマミ４ａによって、伸縮棒１１は伸縮棒固定ツマミ１１ａによって、それぞれ任意の位置で固定できる。

図５に示すように水車９の羽根８の形状は先端部を上方に傾斜して形成される。羽根８は羽根固定軸７の水平方向を０度としたとき、２５度程度傾斜して組み付けられていることが望ましい。水車９を傾斜させて設置したとき、羽根８の上部と下部は水面と川底に対しそれぞれほぼ平行状態になり、浅い河川であっても最小限の面積で羽根８が水流圧を効率よく受け、上下の移動も少なくなる。また、羽根８は平面でもよいが、断面が湾曲した形状でもよい。

図６乃至図８は河川での可搬型の傾斜型水力発電機の設置例の側面図である。多様な設置条件であっても、水車９の設置角度、高さを任意で調節できるため設置場所を制約されない。たとえば図７で示すように、水深が深く川幅の広い河川の場合、岸側に支柱フレーム３を固定用杭１６で設置してもよい。

図９は大型で固定式の傾斜型水力発電装置の設置例である。上述した傾斜型水力発電装置は小型で可搬用に適した構造であったが、河川幅が広く、水深が２ｍを超えるような設置条件であれば水車９の直径が１０ｍを超える大型であってもよい。以下は大型水力発電装置に関する説明である。

大型となれば常設となり、シンプルで強力な支柱が必要となる。仮に水深１ｍ以上の河川に直径５ｍの水車９を設置する場合、河川の中央あたりに、水流方向に対し単数又は複数の、たとえば２本の固定支柱３ａが直列になるように、川底から水面方向に垂直に、直径５ｍの水車が回転可能な間隔で埋設されベース（基礎）１７で固定される。前記固定支柱３ａの上部から水面方向に、たとえば２５度に傾斜させた固定架設フレーム２ａを接合し、さらに補強アーム１５で固定された支持装置を設置する。
上記構成によれば、大型であっても最小限の工事で設置強度を維持することができる。また、水流に与える影響は支柱の径のみで極めて小さい。

設置位置は、河川の中央部でも岸側でもよいが、一般的に河川の中央部は水流が安定しているので、羽根８が水中に入る位置が河川の中央部になるように設置するのが好ましい。

水面と羽根８との距離はスライドフレーム４を上下にスライドさせることにより調節できる。スライド動作はモーター等によりワイヤーやギア等を用いて、自動或いは遠隔操作によっておこなうことができる。

回転を止めるにはスライドフレーム４により水車９を水上にあげればよい。しかし水上に上げた水車は水圧による回転力はなくなるが、風圧により完全な停止ができない可能性がある。制御装置等（図示せず）を付けてもよいが、水車９を引き上げた上部に図１３に示すような回転ストッパー１４を取り付けてもよい。

さらに大きな電力を得るには、水流方向に直列に複数の、たとえば１１本の固定支柱３ａを連結設置させ、同様に１０台の固定架設フレーム２ａを取り付ければよい。固定支柱３ａを連結することにより部材が減り設置コストが削減できる。このとき、架設フレーム２ａを、水流方向に直列に複数設置された固定支柱３ａのラインを中心に、左右対称に交互に設置してもよい。

本発明の大型の傾斜型水力発電装置であれば、ダム等の建設の必要がないので環境破壊がなく、また設置コストを抑えることができる。

自然の河川の流れに従って羽根の部分だけが水中を移動するので、生態系への影響も非常に少ない。

１ 傾斜型水力発電装置
２ 架設フレーム
２ａ 固定架設フレーム
３ 支柱フレーム
３ａ 固定支柱
４ スライドフレーム
４ａ スライドフレーム固定ツマミ
５ 回転軸
６ 保持部
７ 羽根固定軸
８ 羽根
９ 水車
１０ 角度固定バー
１１ 伸縮棒
１１ａ 伸縮棒固定ツマミ
１２ ベアリング
１３ 発電機
１４ 回転ストッパー
１５ 補強アーム
１６ 固定用杭
１７ ベース（基礎）
１８ 支持装置

Claims (6)

1. 架設フレームに回転可能に取り付けられた回転軸と、前記回転軸から放射状に組み付けられた複数の羽根固定軸と、当該羽根固定軸に取り付けられた羽根を備えた動力発生装置。
2. 前記回転軸が水流面に対し傾斜して設置されることを特徴とする請求項１記載の動力発生装置。
3. 前記架設フレームとそれを支える支柱フレームを上部で揺動可能に接合し、使用時は下部を開くことによって前記回転軸を任意の角度に傾斜して設置され、前記水車の高さを調節するスライドフレームと伸縮棒を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の動力発生装置
4. 水車の羽根の形状は、羽根固定軸の水平方向を０度とし回転軸上方を９０度とすると、羽根の上部と下部の辺が０度より大きく４５度より小さい範囲に傾斜して組み付けられており、水車を傾斜させ設置した際、羽根の上部と下部が水面と川底にそれぞれ平行となるよう組み付けられた請求項１乃至請求項３記載の動力発生装置。
5. 川底から水面方向に垂直に固定された単数又は複数の固定支柱の上部から、水面方向に傾斜させた架設フレームが固定されている請求項１記載の動力発生装置を設置するための支持装置。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれかの動力発生装置の回転軸が発電機に接続されていることを特徴とする水力発電装置。