JP2015151914A - 流水発電装置 - Google Patents

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博尚 久保
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Abstract

【課題】使用者の作業負担を増やすことなく、プロペラに対するゴミや浮遊物等の異物の付着を防止すること。【解決手段】水流によってプロペラ(12a、13a)を回転させることで、プロペラの回転エネルギーを電力に変換する流水発電装置(1)を、プロペラの少なくとも一部分を水面上に露出させ、プロペラの残りの部分を水面下に水没させるようにプロペラを支持する支持部(11)を備える構成にし、プロペラのブレード(35、45)を空中から水中への突入と水中から空中へ脱出を交互に繰り返させてプロペラから異物(54)を離れ易くした。【選択図】図1

Description

本発明は、河川や用水路等の比較的低速な水流からエネルギーを取り出す流水発電装置に関する。
従来、この種の流水発電装置として、河川の水流によってプロペラを回転させることで、水流からエネルギーを取り出す流水発電装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の流水発電装置は、河川に係留されたフロートの浮力により浮遊しており、フロートの下部に設けたプロペラを常時水面下に位置付けている。河川の水流によってプロペラが回転されると、このプロペラの回転が発電機まで伝達されて電気的エネルギーとして取り出される。また、プロペラの前方にはメッシュ状の防護カバーが配置され、防護カバーによって水流内の異物がプロペラ側に侵入することが防止されている。
特開2013−117222号公報
一般に河川や用水路等に設置される流水発電装置においては、水流によって運ばれるゴミや浮遊物がプロペラに付着すると、発電能力の低下、作動不良、損傷等の不具合が発生という問題がある。上記した特許文献1に記載の流水発電装置では、プロペラの前方に配置された防護カバーで、ゴミや浮遊物がプロペラに付着することが防止されるが、メッシュ状の網目にゴミや浮遊物が詰まることでプロペラに向かう水流が妨げられてしまう。このため、定期的に防護カバーを交換しなければならず、使用者にとって手間がかかり、作業負担が多くなっていた。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、使用者の作業負担を増やすことなく、プロペラに対するゴミや浮遊物等の異物の付着を防止することができる流水発電装置を提供することを目的とする。
本発明の流水発電装置は、水流によってプロペラを回転させることで、前記プロペラの回転エネルギーを電力に変換する流水発電装置であって、前記プロペラの少なくとも一部分を水面上に露出させ、前記プロペラの残りの部分を水面下に水没させるように前記プロペラを支持する支持部を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、プロペラが回転することによって、空中から水中へのブレードの突入と水中から空中へのブレードの脱出が交互に繰り返される。ブレードが水中にあるときには、ブレードにゴミや浮遊物等の異物が付着しても、異物の重さによってブレードのエッジを滑って異物がプロペラから離れ易くなる。また、ブレードが水面から出るときには、ブレードに付着した異物だけが水中に引き止められて、ブレードから異物が離れ易くなる。また、ブレードが空中にあるときには、異物に重力が働いてブレードから水面に落下し易くなる。また、空中には異物が存在しないため、ブレードに新たな異物が付着することがない。また、ブレードが水面に突入するときには、水面の抵抗によってブレードに付着した異物が離れ易くなる。さらに、プロペラが1回転する間にブレードが水面から脱出して水面に再び突入することで、異物に振動が加わってブレードから異物が離れ易くなる。このように、プロペラ全体が水没する構成と比較して、プロペラから異物が離れ易くなり、異物の付着に起因した発電能力の低下、作動不良、損傷等の不具合が防止される。さらに、プロペラから自動的に異物が離れるため、作業者の作業負担が増えることもない。
また本発明の上記流水発電装置において、前記プロペラの複数枚のブレードには、当該各ブレードの回転方向の前側のエッジに接触した異物を、前記プロペラの中心から離れる方向に移動させるようにスキューが設けられる。この構成によれば、ブレードの前側のエッジに接触した異物が、プロペラから離れる方向に移動されるため、プロペラに異物が引っ掛かり難くなる。
また本発明の上記流水発電装置において、前記支持部には、一対の前記プロペラが対向するように支持されており、水流によって一方の前記プロペラと他方の前記プロペラが逆回転する。この構成によれば、一方のプロペラの少なくとも一部分が空中に露出することで生じる発電能力の低下分が他方のプロペラで回収され、装置全体として発電能力の低下を抑えることができる。
また本発明の上記流水発電装置において、前記支持部は、水面で浮遊するフロートを有し、当該フロートの浮力により前記プロペラの少なくとも一部分が水面上に露出する。この構成によれば、水面から底までの深さに関わらず、簡易な構成でプロペラの少なくとも一部分を水面上に露出させることができる。
また本発明の上記流水発電装置において、前記フロートは、前記プロペラを挟んで対向する一対のフロート板であり、前記一対のフロート板の対向面の間隔が、前記一対のフロート板の先端から後端に向かって狭くなるように形成されている。この構成によれば、一対のフロート板の対向面でプロペラに向かう水流を速めて、流水発電装置の発電能力を向上させることができる。
本発明によれば、プロペラの少なくとも一部分を水面上に露出させ、プロペラの残りの部分を水面下に水没させたことで、プロペラから異物が離れ易くなり、異物の付着に起因した発電能力の低下、作動不良、損傷等の不具合を防止できる。さらに、プロペラから自動的に異物が離れるため、作業者の作業負担が増えることもない。
本実施の形態に係る流水発電装置の斜視図である。 本実施の形態に係る流水発電装置の正面図及び側面図である。 本実施の形態に係るプロペラの動作遷移図である。 本実施の形態に係るプロペラに接触した異物の動きを示す図である。 本実施の形態の他の一例に係るプロペラに接触した異物の動きを示す図である。 本実施の形態に係る流水発電装置の動作説明図である。
以下、添付図面を参照して本実施の形態に係る流水発電装置について説明する。図1は、本実施の形態に係る流水発電装置の斜視図である。図2は、本実施の形態に係る流水発電装置の正面図及び側面図である。なお、以下の説明では、前後一対のプロペラ式発電ユニットを備えた流水発電装置について説明するが、単一のプロペラ式発電ユニットを備えた流水発電装置でもよい。
図1及び図2に示す流水発電装置1は、河川の水流を利用した小水力発電装置であり、前後一対のプロペラ式発電ユニット12、13によって水流からエネルギーを取り出すように構成されている。流水発電装置1は、プロペラ式発電ユニット12、13を左右一対のフロート板21付きの支持部11に支持させて、一対のフロート板21の浮力によってプロペラ12a、13aの上半部を水面49上に露出させている。一対のフロート板21は、樹脂性の中空フロートであり、プロペラ12a、13aの左右両側方、すなわちプロペラ12a、13aの回転軸方向に沿って、直立姿勢で平行に配置されている。一対のフロート板21は、左右対称に形成されており、流水発電装置1に対して左右均等に浮力を生じさせている。
また、一対のフロート板21は、前後方向に長く形成されており、下半部を水没させた状態で水面49に浮いている。この一対のフロート板21の水没した下半部によって、プロペラ12a、13aに水流を導く水路が形成される。一対のフロート板21の先端部にはアンカー22が設けられ、アンカー22にロープ23を繋ぐことで流水発電装置1が川岸等に係留されている。一対のフロート板21の上部は連結板24で連結されており、連結板24の下面には前後一対のプロペラ式発電ユニット12、13が固定されている。また、一対のフロート板21の上部には、連結板24の上方を覆うようにアーチ状の屋根25が取り付けられている。
プロペラ式発電ユニット12、13の円筒状のケース12d、13dは前後方向に延在しており、ユニット個別の吊り下げステー12e、13eを介して連結板24の下面に連結されている。ケース12dの前端には、上流側で水流を受けるプロペラ12aが回転可能に支持されており、ケース13dの後端には、下流側で水流を受けるプロペラ13aが回転可能に支持されている。ケース12d、13d内には、回転軸方向に延在するシャフト12b、13bが収容されている。プロペラ12a、13aは、このシャフト12b、13bを通じて、ケース12d、13d内に収容された発電機12c、13cに連結されている。
プロペラ12a、13aは、シャフト12b、13bに固定されたプロペラボス34、44の外周面に複数枚のブレード35、45を設けて構成される。また、プロペラ12a、13aのプロペラボス34、44からはシャフト12b、13bの先端部分が突出しており、この先端部分にはプロペラキャップ12f、13fが取り付けられている。なお、詳細は後述するが、前側のプロペラ12aと後側のプロペラ13aは、互いに表裏反転した状態でシャフト12b、13bに取り付けられている。
このように構成された流水発電装置1が河川に浮かべられると、水流によって前後一対のプロペラ12a、13aが回転して、プロペラ式発電ユニット12、13のシャフト12b、13bを介して発電機12c、13cに回転エネルギーが伝達される。発電機12c、13cでは、プロペラ12a、13aの回転エネルギーが電力に変換されて不図示の二次電池に充電される。これにより、流水発電装置1は、比較的流れの緩やかな河川の水流からエネルギーを取り出すことを可能にしている。ところで、河川ではゴミや浮遊物等の異物も運ばれてくるため、これら異物がプロペラ12a、13aに付着すると、流水発電装置1の発電能力の低下や作動不良等の原因となる。
このため、本実施の形態の流水発電装置1では、一対のフロート板21の浮力によって、プロペラ12a、13aの上半部を水面49上に露出させ、プロペラ12a、13aの下半部を水面49下に水没させることで、プロペラ12a、13aから異物を自動的に離脱させるようにしている。さらに、プロペラ12a、13aのブレード35、45として、スキュー付きのブレードを用いることで、プロペラ12a、13aに異物を引っかかり難くしている。以下、図3から図5を参照して、プロペラ12a、13aから異物を離脱させる構造について詳細に説明する。
図3は、本実施の形態に係るプロペラの動作遷移図である。図4は、本実施の形態に係るプロペラに接触した異物の動きを示す図である。図5は、本実施の形態の他の一例に係るプロペラに接触した異物の動きを示す図である。なお、図3から図5においては、前側のプロペラを例示して説明するが、後側のプロペラも同様の構成である。
図3Aに示すように、プロペラ12aのブレード35が水中にあるときには、木の枝等の比較的重い異物54がブレード35に付着し難くなっている。すなわち、異物54には下向きに重力が作用するため、異物54がブレード35のエッジ36に接しても、異物54がブレード35のエッジ36を滑ってプロペラ12aの中心から離れる方向に移動する。このように、比較的重い異物54がブレード35に接しても、水中でブレード35から異物54が離れやすくなっている。一方で、比較的軽い異物54がブレード35に接した場合には、ブレード35から異物54が離れ難く、異物54を付着させたままブレード35が移動する。
図3Bに示すように、プロペラ12aのブレード35が水中から空中に脱出するときには、異物54に水がまとわり付くことで、異物54が水面49から出ることが阻害される。すなわち、異物54に付着した水によって質量が増加し、水面49付近で異物54を水中に引き止める力が大きくなる。異物54だけが水面49付近で引き止められることで、ブレード35から異物54が引き離される。このように、水中でブレード35に異物54が付着していても、水面49から異物54が出る瞬間にブレード35から異物54が離れ易くなっている。特に、プロペラ12aが高速で回転している場合に異物54が離れ易い。
図3Cに示すように、プロペラ12aのブレード35が空中にあるときには、異物54に作用する重力によって、異物54が水面49に落下し易くなっている。また、ブレード35が水中を移動する場合と異なり、ブレード35が空中を移動する場合にはブレード35に新たな異物54が付着することがない。異物54が一定の割合で水中を流れるとした場合には、空中では異物54に遭遇しないため、プロペラ12aが完全に水没している場合と比較して異物54との遭遇率が半分になる。このように、ブレード35が空中を移動することで、ブレード35から異物54が離れ易く、さらにブレード35に対する新たな異物54の付着が防止される。
図3Dに示すように、プロペラ12aのブレード35が空中から水中に突入するときには、水面49の抵抗を異物54が受けることで、水中に異物54が入ることが阻害される。すなわち、異物54が水面49に衝突することによって、異物54に加わる衝撃によってブレード35から異物54が引き離される。このように、空中でブレード35に異物54が付着していても、水面49に異物54が衝突する瞬間にブレード35から異物54が離れ易くなっている。さらに、プロペラ12aが回転している間に、図3Aから図3Dの動作が繰り返し実施されることで、異物54に振動が加わってブレード35から異物54が離れ易くなっている。
さらに、図4Aに示す本実施の形態に係るプロペラ12aのブレード35では、回転方向の前側のエッジ36に設けられたスキューにより、水中でも異物54が付着し難くなっている。スキューは、前側のエッジ36に接触した異物54を、プロペラ12aの中心から離れる方向に移動させるように形成されている。例えば、図4Bに示すエッジ36の位置Pでは、エッジ36の移動によって形成された水の流れにより、異物54がベクトルVの力を受ける。ベクトルVのエッジ36の接線方向の分力Fがプロペラ12aの外側を向くため、異物54はエッジ36に沿ってプロペラ12aから離れる方向に移動する。
図4Cに示すエッジ36の位置Pでは、エッジ36の移動によって形成された水の流れにより、異物54がベクトルVの力を受ける。ベクトルVのエッジ36の接線方向の分力Fがプロペラ12aの外側を向くため、異物54はエッジ36に沿ってプロペラ12aから離れる方向に移動する。同様に、図4Dに示すエッジ36の位置Pでは、エッジ36の移動によって形成された水の流れにより、異物54がベクトルVの力を受ける。ベクトルVのエッジ36の接線方向の分力Fがプロペラ12aの外側を向くため、異物54はエッジ36に沿ってプロペラ12aから離れる方向に移動する。
このように、本実施の形態に係るスキュー付きのブレード35では、エッジ36のどの位置に異物54が接触しても、プロペラ12aから逃げる方向に異物54が動き易くなっている。特に、重力が小さな水中を浮遊している異物54でも、ブレード35のエッジ36に接触した異物54が、プロペラ12aの回転による流れを受けてエッジ36の傾きに沿ってプロペラ12aの外側に向けて導かれる。よって、水中であっても、ブレード35から異物54が離れ易くなっている。
これに対して、図5Aに示す本実施の形態の他の一例に係るプロペラ51のブレード52では、回転方向の前側のエッジ53が凸状に形成されている。本実施の形態の他の一例に係るブレード52では、エッジ53に形成された凸形状によって、異物54が接触するエッジ53の位置によっては異物54がブレード52から離れ難くなっている。例えば、図5Bに示すエッジ53の位置Pでは、エッジ53の移動によって形成された水の流れにより、異物54がベクトルVの力を受ける。ベクトルVのエッジ53の接線方向の分力Fがプロペラ51の外側を向くため、異物54はエッジ53に沿ってプロペラ51から離れる方向に移動する。
しかしながら、図5Cに示すエッジ53の位置Pでは、エッジ53の移動によって形成された水の流れにより、異物54がベクトルVの力を受ける。ベクトルVは、エッジ53の接線方向の分力を有さないため、異物54はエッジ53の位置Pから移動することがない。また、図5Dに示すエッジ53の位置Pでは、エッジ53の移動によって形成された水の流れにより、異物54がベクトルVの力を受ける。ベクトルVのエッジ53の接線方向の分力Fがプロペラ51の内側を向くため、異物54はエッジ53に沿ってプロペラ51の中心に向かって移動する。
このように、本実施の形態の他の一例に係るブレード52では、エッジ53の位置Pを境に異物54の移動する方向が変化する。すなわち、位置Pよりもプロペラ51の外側では、ブレード52のエッジ53に接触した異物54がプロペラ51から逃げる方向に動き易くなっている。位置Pよりもプロペラ51の内側では、ブレード52のエッジ53に接触した異物54がプロペラ51に向かう方向に動き易くなり、ブレード52に異物54が付着し易くなっている。よって、ブレード52に付着した異物54が流水発電装置の発電能力の低下や作動不良等の原因になる。
なお、本実施の形態の他の一例に係るプロペラ51では、スキューを設けていない分だけ本実施の形態に係るプロペラ12aよりも異物54の付着防止効果が劣るが、プロペラが完全に水面49下に位置付けられる構成と比較して異物54の付着効果を得ることは可能である。
ここで、図6を参照して、本実施の形態に係る流水発電装置の動作について簡単に説明する。図6は、本実施の形態に係る流水発電装置の動作説明図である。なお、図6は、一対のフロート板からアーチ状の屋根を取り外した状態を示している。
図6に示すように、流水発電装置1は、プロペラ12a、13aを半没水にしたため、各プロペラ12a、13aが水流から得られる回転エネルギーが、プロペラ12a、13aを完没水にした構成よりも少ない。このため、本実施の形態に係る流水発電装置1では、一対のプロペラ12a、13aを前後方向に対向させて配置し、前側のプロペラ12aで生じる発電能力の低下分を後側のプロペラ13aで回収するようにしている。前側のプロペラ12a及び後側のプロペラ13aは水流を受けることで互いに逆向きに回転するように、表裏反転した状態でシャフト12b、13b(図2参照)に対して取り付けられている。
また、一対のフロート板21は、水流をプロペラ12a、13aに導くようにプロペラ12a、13aを挟んで対向している。一対のフロート板21の対向面29の間隔は、フロート板21の先端から後端に向かって狭くなるように形成されている。これにより、一対のフロート板21の対向面29を狭めることでプロペラ12a、13aに向かう水流を速めて、流水発電装置1の発電能力を向上させている。一対のフロート板21の先端側から入った水流は、一対のフロート板21によって加速されて前側のプロペラ12aを回転させる。前側のプロペラ12aの回転エネルギーは発電機12c(図2参照)に伝達され、発電機12cにおいて電気的エネルギーに変換される。
前側のプロペラ12aの後方には、前側のプロペラ12aの回転によって回転流が形成され、回転流によって後側のプロペラ13aが逆向きに回転される。後側のプロペラ13aの回転エネルギーは発電機13cに伝達され、発電機13cにおいて電気的エネルギーに変換される。後側のプロペラ13aでは、前側のプロペラ12aで形成される回転流中のエネルギーを回収して、流水発電装置1の発電効率を向上させている。
以上のように、本実施の形態に係る流水発電装置1は、プロペラ12a、13aが回転することによって、空中から水中へのブレード35、45の突入と水中から空中へのブレード35、45の脱出が交互に繰り返される。ブレード35、45が水中にあるときには、ブレード35、45に異物54が付着しても、異物54の重さによってブレード35、45のエッジ36、46を滑って異物54がプロペラ12a、13aから離れ易くなる。また、ブレード35、45が水面49から出るときには、ブレード35、45に付着した異物54だけが水中に引き止められて、ブレード35、45から異物54が離れ易くなる。また、ブレード35、45が空中にあるときには、異物54に重力が働いてブレード35、45から水面49に落下し易くなる。また、空中には異物54が存在しないため、ブレード35、45に新たな異物54が付着することがない。また、ブレード35、45が水面49に突入するときには、水面49の抵抗によってブレード35、45に付着した異物54が離れ易くなる。さらに、プロペラ12a、13aの1回転する間にブレード35、45が水面49から脱出して水面49に再び突入することで、異物に振動が加わってブレード35、45から異物54が離れ易くなる。このように、プロペラ12a、13a全体が水没する構成と比較して、プロペラ12a、13aから異物54が離れ易くなり、異物54の付着に起因した発電能力の低下、作動不良、損傷等の不具合が防止される。さらに、プロペラ12a、13aから自動的に異物54が離れるため、作業者の作業負担が増えることもない。
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施の形態では、前後一対のプロペラを有する流水発電装置を例示したが、この構成に限定されない。流水発電装置は、単一のプロペラを有していてもよいし、さらに3つ以上のプロペラを有する構成でもよい。
また、本実施の形態では、プロペラの上半部を水面上に露出させ、プロペラの下半部を水面下に水没させる構成としたが、この構成に限定されない。プロペラの少なくとも一部分を水面上に露出させ、プロペラの残りの部分を水面下に水没させる構成であればよい。この構成であっても、プロペラの水面上に露出した一部分において、空中と水中を交互に移動してプロペラから異物が離れ易くなる。
また、本実施の形態では、フロートの浮力によってプロペラの上半部が水面上に露出する構成としたが、この構成に限定されない。プロペラの少なくとも一部分が水面上に露出する構成であればよく、例えば、川底や川岸に設置した支持フレーム等でプロペラが支えられる構成でもよい。
また、本実施の形態では、フロートとして一対のフロート板を例示したが、この構成に限定されない。フロートは、水面に浮遊可能な構成であればよく、例えば、プロペラの回転軸回りの周壁を有する筒状に形成されてもよい。この場合、筒状のフロートの内径を小さくすることで流速を速めることができる。
また、本実施の形態では、プロペラのブレードにスキューが設けられる構成について説明したが、この構成に限定されない。スキューが設けられていないブレードであっても、例えば、図5に示すようにプロペラの上半部を水面上に露出させることで、プロペラに対する異物の付着を防止できる。
また、本実施の形態では、流水発電装置が河川や用水路等に設置される構成としたが、この構成に限定されない。流水発電装置は、水の流れが生じる場所に設置されればよく、海、下水、工場の排水路等に設置されてもよい。
以上説明したように、本発明は、使用者の作業負担を増やすことなく、プロペラに対するゴミや浮遊物等の異物の付着を防止できるという効果を有し、特に、河川や用水路等に設置される流水発電装置に有用である。
1 流水発電装置
11 支持部
12a、13a プロペラ
12c、13c 発電機
21 フロート板
29 対向面
35、45 ブレード
36 エッジ
49 水面
54 異物

Claims (5)

  1. 水流によってプロペラを回転させることで、前記プロペラの回転エネルギーを電力に変換する流水発電装置であって、
    前記プロペラの少なくとも一部分を水面上に露出させ、前記プロペラの残りの部分を水面下に水没させるように前記プロペラを支持する支持部を備えたことを特徴とする流水発電装置。
  2. 前記プロペラの複数枚のブレードには、当該各ブレードの回転方向の前側のエッジに接触した異物を、前記プロペラの中心から離れる方向に移動させるようにスキューが設けられることを特徴とする請求項1に記載の流水発電装置。
  3. 前記支持部には、一対の前記プロペラが対向するように支持されており、水流によって一方の前記プロペラと他方の前記プロペラが逆回転することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の流水発電装置。
  4. 前記支持部は、水面で浮遊するフロートを有し、当該フロートの浮力により前記プロペラの少なくとも一部分が水面上に露出することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の流水発電装置。
  5. 前記フロートは、前記プロペラを挟んで対向する一対のフロート板であり、前記一対のフロート板の対向面の間隔が、前記一対のフロート板の先端から後端に向かって狭くなるように形成されていることを特徴とする請求項4に記載の流水発電装置。
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