JP2015094241A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 課題は、都市の生活循環水や小河川や農業用水など、水量が十分ではなく、かつ落差の小さい水源を動力源として利用し、異物が絡まず、機械的損失が少なく効率の良い小水力発電装置を提供することである。
【解決手段】 従来の小水力発電のように重力水車型やスクリュー型の回転機構を単純に使用するのではなく、スクリュー型の欠点である異物巻き込みや回転軸抵抗を回避する手段を用いて駆動効率を上げた発電装置によって課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生活循環水や雨水等の小水力を動力源とする水力発電装置に関する。

小河川の水を使用して、発電量１００ｋＷ未満の発電を目指す小水力発電の分野の技術がこれまで開発されている。従来の小水力発電に使用する水力は概ね小河川や渓流などの水を利用するものであるが、小河川の利用は水利権の法的問題もあり、普及の障壁になっていた。一方、商業ビルの冷却水など都市の生活循環水などを小水力発電に利用する試みはほとんどなかった。

小水力発電に都市の生活循環水などが利用されていなかった理由は、小河川などの水に比べ流水経路の落差が小さく、通常、小水力発電に使われる水車式やスクリュー式の水力駆動装置方式では、連続的な駆動が困難になるという理由もあった。

また、通常のスクリュー式の水力駆動装置方式では、都市の生活循環水や小河川などの水には異物が含まれていることもあり、スクリューに異物が絡まったり、スクリューの回転軸が抵抗となって、エネルギー変換効率はよくなかった。

このような従来技術の中、簡素な構造で安価に提供でき、生活の身近で供給できる都市の生活循環水や小河川や農業用水など落差の小さい水源を利用できる小水力発電装置の実現が望まれていた。

特願平６−２３０９１６号公報

特願２００１−３７２１５８号公報

課題は、都市の生活循環水や小河川や農業用水など、水量が十分ではなく、かつ落差の小さい水源を動力源として利用し、異物が絡まず、効率の良い小水力発電装置を提供することである。

従来の小水力発電のように重力水車型やスクリュー型の回転機構を単純に使用するのではなく、スクリュー型の欠点である異物巻き込みや回転軸抵抗を回避する手段を用いて駆動効率を上げた発電装置を得ることによって課題を解決する。

本発明によれば、都市の生活循環水や小河川や農業用水など、水量が十分ではなく、落差が小さく異物を含む水源を動力源として利用することができ、簡素な構造で安価に提供できる小水力発電装置として、太陽光発電や風力発電ではない安定したローカル補助電力を供給できるという極めて有用な効果がある。

本発明の装置の外観矢視図１である。 図１の一部を断面表示した内部矢視図である。 本発明の装置の外観矢視図２である。 図３の一部を省略した説明図１である。 図３の一部を省略した説明図２である。 図３の一部を省略した説明図３である。 図３の回転筒（２１）を断面表示した内部矢視図１である。 図３の回転筒（２１）を断面表示した内部矢視図２である。 「回転部」の一部を省略した上面図である。 実施例３の説明図である。 実施例４の説明図である。 図１１の一部を省略した上面図である。

第1の形態は、図２、図７、図８及び図９に示すように、螺旋羽根１（２３−１）、螺旋羽根２（２３−２）、螺旋羽根３（２３−３）及び螺旋羽根４（２３−４）が、羽根の外周を回転筒（２１）の内壁に接着させてそれぞれ左回り下がりに等間隔で取り付けられている。羽根の内周は回転筒（２１）の中心で互いに接触せず、図９の（Ｍ）の部分は円筒の中心軸方向に空洞になっている。螺旋羽根は、いわゆる「アルキメデスのスクリュー」としても知られる三次元螺旋形状の一部分であり、本形態では取り付け数を４葉として掲示しているが、単葉乃至３葉又は５葉以上の取り付け数の形態も選択できる。回転筒（２１）の上端部には回転筒（２１）と同径外周で中央部分に開口部を持つ平座金形状円盤のフックフランジ（２２）を形成し、フックフランジ（２２）の下面には図７及び図９に示すように下開き凹溝（Ｂ）を円周状に形成している。フックフランジ（２２）の上面には非磁性体（１５）を取り付け、その上部に複数の回転子永久磁石（１６）を円周状に等間隔で取り付けている。図２及び図４に示すように、回転筒（２１）、螺旋羽根１乃至螺旋羽根４、フックフランジ（２２）、非磁性体（１５）及び複数の回転子永久磁石（１６）は一体物として構成することができる。この一体物を「回転部」と称することにする。フックフランジ（２２）等を非磁性材料で構成する場合には非磁性体（１５）の取り付けを省略することもできる。

主軸円筒（１０）の下端部には回転筒（２１）と同径外周で中央部分に開口部を持つ平座金形状円盤の吊フランジ（１２）を形成し、吊フランジ（１２）の上面には図５に示すように上開き凹溝（Ａ）を円周状に形成している。主軸円筒（１０）の側面上に固定子コイル１（１４−１）と固定子コイル２（１４−２）を取り付けている。固定子コイルは空芯又は鉄芯入りなどの巻きコイルであり、本形態では２基を表示しているが、単基又は３基以上の形態も選択できる。主軸円筒（１０）の中間部に後述の目的に使用する環状突起（１３）を取り付け、主軸円筒（１０）の上端部には接続フランジ（１１）を形成している。図２及び図５に示すように、主軸円筒（１０）、吊フランジ（１２）、固定子コイル１（１４−１）と固定子コイル２（１４−２）、環状突起（１３）及び接続フランジ（１１）は一体物として構成することができる。この一体物を「主軸部」と称することにする。接続フランジ（１１）にはベント管（３０）を接続することができる。

相当複数の鋼球（２０）を図６に示すように主軸円筒（１０）の吊フランジ（１２）上面の上開き凹溝（Ａ）上に配置し、複数の鋼球（２０）は上開き凹溝（Ａ）に沿って転がることができる。「主軸部」と「回転部」を、各々の共通中心軸を同一鉛直軸に合わせ組み合せた状態を図２及び図８に示す。このとき、複数の鋼球（２０）は「回転部」のフックフランジ（２２）下面の下開き凹溝（Ｂ）に沿って転がることができ、「主軸部」が、接続フランジ（１１）に接続されたベント管（３０）を経て本装置の使用対象等に固定されているとき、「回転部」は、「主軸部」と同一鉛直軸を中心として相対的に円滑に回転することができる。前述の環状突起（１３）はフックフランジ（２２）上面に張り出し
、フックフランジ（２２）に接触せず、かつ、「回転部」の浮き上がりに抵抗することができる。「回転部」が円滑に回転するためには「主軸部」と「回転部」の各々の共通中心軸は同じ鉛直軸上に在ることが望ましいが、「回転部」の回転に障害が無ければ共通中心軸が鉛直軸に対して傾斜していても構わない。

すべての回転子永久磁石（１６）の界磁中心は前述の「主軸部」と「回転部」の共通中心軸に平行であって、磁石の同極をすべて同じ向きに揃えて配置するか、又は極の向きを交互に変えて偶数個配置するかのいずれかの手段を以って非磁性体（１５）上に配置して取り付ける。図３に示すように、固定子コイル１（１４−１）と固定子コイル２（１４−２）は、すべての回転子永久磁石（１６）の各々の界磁中心が各々のコイルの巻き芯の中心を通過するように主軸円筒（１０）の側面上に配置する。このとき、固定子コイル１（１４−１）及び固定子コイル２（１４−２）と回転子永久磁石（１６）との間隙は、固定子コイル１（１４−１）及び固定子コイル２（１４−２）の近傍を回転子永久磁石（１６）が通過するとき、適切に誘導起電力が発生する距離であるものとする。

図１及び図２に示すように、固定子コイル１（１４−１）と固定子コイル２（１４−２）は、周波数同期回路と整流回路等を具備して構成される誘導起電力制御部（３２）に電気回路によって接続され、誘導起電力制御部（３２）からは交流電流又は直流電流として本装置の用途へと取り出す手段に接続されている。

「主軸部」は、図３に示すように、ベント管（３０）に接続せず、本装置の用途対象等を接続フランジ（１１）に直接に接続して固定することも選択できる。

図１に示す本装置を、図１０に示すように複数ユニットにして集水タンク（３１）等に接続することも選択できる。

「回転部」を回転させるエネルギーは下記の水頭式が関与している。

第２の形態では、第1の形態における「回転部」に換えて、図１１及び図１２に示すように、回転筒２（２４）と底板（２５）との間に、回流翼板１（２６−１）、回流翼板２（２６−２）、回流翼板３（２６−３）、回流翼板４（２６−４）、回流翼板５（２６−５）及び回流翼板６（２６−６）の各片端部を、底板（２５）の中心からの放射方向に対し１５度乃至６０度の角度をつけて底板（２５）に取り付け、他の端部を回転筒２（２４）に取り付ける。回転筒２（２４）、回流翼板１（２６−１）乃至６（２６−６）、底板（２５）、フックフランジ（２２）、非磁性体（１５）及び複数の回転子永久磁石（１６）を一体物として構成した「回転部２」を用いることにする。フックフランジ（２２）等を非磁性材料で構成する場合には非磁性体（１５）の取り付けを省略することもできる。本形態では回流翼板の数は６葉を掲示しているが、２葉乃至５葉又は７葉以上の形態も選択できる。この「回転部２」を第1の形態における「回転部」と同様に「主軸部」と組み合せた構成を第２の形態とする。

第1の形態において、本装置の使用対象等に固定されているベント管（３０）を経由し、図２に示すように、段落番号（００１３）で述べた「主軸部」に、水（Ｗ１）が流入すると水（Ｗ１）は矢印で示すようにベント管（３０）と「主軸部」と「回転部」を通過する。このとき、「回転部」を通過する水は、螺旋羽根１（２３−１）、螺旋羽根２（２３−２）、螺旋羽根３（２３−３）及び螺旋羽根４（２３−４）に圧力を及ぼし、各螺旋羽根を取り付けている回転筒（２１）を、図４に示すように「回転部」を（Ｙ）軸を中心として右回り（時計回り）に回転させる力となる。このとき、通過する水（Ｗ１）に多少の異物が混入していたとしても、本装置の特長の一つである螺旋羽根の配置構造により「回転部」の中心部分には一般のスクリュー式のような軸心部や軸心支え部が無く空洞であるため、水に混入した異物にも抵抗を与えず、軸に絡むこともなく、装置外部に流出させる効果がある。

「回転部」は、フックフランジ（２２）下面の下開き凹溝（Ｂ）が、複数の鋼球（２０）を挟んで「主軸部」の吊フランジ（１２）上面の上開き凹溝（Ａ）と接触し、「主軸部」に吊り下げられているが、複数の鋼球（２０）が下開き凹溝（Ｂ）と上開き凹溝（Ａ）との間でベアリング球として転がるため、「回転部」は「主軸部」に対し円滑に回転することができる。極めて円滑に回転させるために、下開き凹溝（Ｂ）と上開き凹溝（Ａ）と複数の鋼球（２０）が接触する隙間にグリスなどの潤滑剤を充填させることも効果がある。本実施例で述べている複数の鋼球（２０）は、「主軸部」が「回転部」を支え、フックフランジ（２２）を吊フランジ（１２）に対し滑らかに回転させる目的の手段であって、複数の鋼球（２０）に換えて、円筒状や円盤状の転がり摩擦軽減体、磁石の斥力、潤滑物質、気体などを使用しても構わない。

「回転部」が回転すると、フックフランジ（２２）上面に取り付けている複数の回転子永久磁石（１６）の界磁も共に回転する。このとき、主軸円筒（１０）の中間部に取り付けた環状突起（１３）は、「回転部」が浮き上がって吊フランジ（１２）とフックフランジ（２２）とが離れることを防止する。環状突起（１３）とフックフランジ（２２）上面が接触した場合の摩擦軽減手段を用いても良い。

段落番号（００１５）で述べたように、すべての回転子永久磁石（１６）の界磁中心は前述の「主軸部」と「回転部」の共通中心軸に平行であって、磁石の同極をすべて同じ向きに揃えて配置するか、又は極の向きを交互に変えて偶数個配置するかのいずれかの手段を以って非磁性体（１５）上に配置するが、同極をすべて同じ向きに揃えて配置した場合と、極の向きを交互に変えて偶数個配置した場合では、後述する誘導起電力制御部（３２）の周波数同期回路と整流回路等の構成を変える場合がある。

すべての回転子永久磁石（１６）の界磁中心は、「主軸部」の主軸円筒（１０）の側面上に取り付けている固定子コイル１（１４−１）と固定子コイル２（１４−２）の各々のコイルの巻き芯の中心を通過するように配置されているので、すべての回転子永久磁石（１６）の界磁中心は「回転部」が回転を続ける間、連続的に固定子コイル１（１４−１）と固定子コイル２（１４−２）の各々のコイルの巻き芯の中心を通過する。

回転子永久磁石（１６）の界磁中心が順次固定子コイル１（１４−１）と固定子コイル２（１４−２）の各々のコイルの巻き芯の直近を通過すれば、ファラデーの電磁誘導法則により、固定子コイル１（１４−１）と固定子コイル２（１４−２）に次々と誘導起電力が発生し、当該電力は、電気回路によって各固定子コイルと接続された誘導起電力制御部（３２）に送られ、周波数同期回路と整流回路等で制御されて、交流電流又は直流電流として取り出す手段を以って電力需要用途に供することができる。

第1の形態において、「主軸部」にベント管（３０）を接続せず、本装置の用途対象等を接続フランジ（１１）に直接に接続して固定し、図３に示すように、水（Ｗ２）を直接「主軸部」に流入させ、段落番号（２２）から段落番号（２７）に記述した内容を実施する。

第1の形態において、図１に示す本装置を、図１０に示すように複数ユニットにして集水タンク（３１）等に接続し、段落番号（２１）から段落番号（２７）に記述した内容を実施する。

第２の形態において、「主軸部」を経由して「回転部２」に水が流入すると、水は一旦底板（２５）に当たるが、そこで放射状に飛散し、次に角度をつけて取り付けた各回流翼板に当たって、図１１の矢印で示すように底板（２５）の外周接線方向に放出される。この放出される水の反力により、「回転部２」は回転することができる。図１１においては時計回り方向である。「回転部２」を回転させ、段落番号（２３）から段落番号（２７）に記述した内容の中で「回転部」を「回転部２」と換えて実施する。

本発明によれば、水量が少ない渓流や農業用水、または都市の生活循環水などを動力源として利用するなどの手段により、発電機に接続するために必要な物理的エネルギー損失の少ない簡素な構造で安価に提供できる小水力発電装置として、太陽光発電や風力発電のような不安定な電力ではない安定したローカル補助電力を供給できるという極めて有用な効果があり、商業ビルの補助電源や、山間部の工事用電源、農業用、排水処理場での再生エネルギー利用など、産業上の利用可能性は極めて高い。

１０ 主軸円筒
１１ 接続フランジ
１２ 吊フランジ
１３ 環状突起
１４−１ 固定子コイル１
１４−２ 固定子コイル２
１５ 非磁性体
１６ 回転子永久磁石
２０ 鋼球
２１ 回転筒
２２ フックフランジ
２３−１ 螺旋羽根１
２３−２ 螺旋羽根２
２３−３ 螺旋羽根３
２３−４ 螺旋羽根４
２４ 回転筒２
２５ 底板
２６−１ 回流翼板１
２６−２ 回流翼板２
２６−３ 回流翼板３
２６−４ 回流翼板４
２６−５ 回流翼板５
２６−６ 回流翼板６
３０ ベント管
３１ 集水タンク
３２ 誘導起電力制御部
A 上開き凹溝
B 下開き凹溝

Claims (3)

1. 流体を通過又は衝突させることにより装置の一部を回転させる装置であって、円筒の内壁に、単数又は複数の螺旋羽根の外周を接着させ、かつ螺旋羽根の内周集合部分に空洞部分を形成して取り付け、当該円筒の片端部に平座金形状円盤を取り付け、当該平座金形状円盤に複数の永久磁石を取り付けた円筒型構造物１と、円筒型構造物１を他の平座金形状円盤部分で支えて円筒型構造物１の回転を容易にする手段を有する円筒型構造物２とによって構成することを特徴とする装置。
2. 流体を通過又は衝突させることにより装置の一部を回転させる装置であって、円盤上に複数の板羽根を取り付け、円盤側と反対側の板羽根の各端部に平座金形状円盤を取り付け、当該平座金形状円盤に複数の永久磁石を取り付けた構造物と、当該構造物を他の平座金形状円盤部分で支えて当該構造物の回転を容易にする手段を有する円筒型構造物とによって構成することを特徴とする装置。
3. 流体を通過又は衝突させることにより装置の一部を回転させる装置であって、平座金形状円盤を取り付けた構造物１と、構造物１を他の平座金形状円盤部分で支えて構造物１の回転を容易にする手段を有する構造物２とによって構成することを特徴とする装置。