JP2016014370A - 水流圧力による傾斜型回転動力発生装置 - Google Patents
水流圧力による傾斜型回転動力発生装置 Download PDFInfo
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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
【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水流圧力による傾斜型回転動力発生装置(以下、「動力発生装置」という)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。また、流水中に設置される水没型プロペラ発電装置(特許文献1参照)が提案されているが、水深の浅い河川等では適切に利用することができない。
さらに、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。
さらに、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、該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、該羽根固定軸に取り付けられた羽根を備え、該羽根に外力を与えることで前記回転軸を回転させて動力を発生させる動力発生装置であって、前記回転軸が、水流面に対して傾斜され、複数の前記羽根のうちの最下部側に位置する一部に水流が当てられて水車として作動するように設置されてい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。
本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、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ことができる。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。
本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、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。
本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、水車の羽根の形状は、羽根固定軸の水平方向を0度とし回転軸の上方を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、羽根の上部と下部の辺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ようにすることができる。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。
さらに、本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、双胴船型に両側のフロートを連結するフレームが、前記架設フレームとして設けられ、該両側のフロートの間を流れる水流の流れ方向に、複数の前記水車が並べられて配され、流れの前後の水車同士の回転方向が反対となるように該前後の水車の回転軸が交互に反対に傾斜されていることを特徴とすることができる。これによれば、水量が変化し易い河川などの水面の高さ(水深)が変化した場合でも、喫水線の高さは同じであり、水車の羽根が水中に入る深さの程度が変化しないため、安定的な回転動力を得ることができる。
また、以上の動力発生装置について、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、以上の動力発生装置について、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ことができる。
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。
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2及び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乃至図11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。
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。
図12に示すように、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。
次に、本発明に係る他の形態例について、図14〜16に基づいて説明する。なお、以上に説明した構成と同等の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
本形態例の動力発生装置では、双胴船型に両側のフロート20、20を連結するフレームが、架設フレーム2として設けられ、その両側のフロート20、20の間を流れる水流の流れ方向に、複数の水車9が並べられて配され、流れの前後の水車9同士の回転方向が反対となるように前後の水車9の回転軸5が交互に反対に傾斜されている。なお、フロート20内部は空洞になっており、一対のフロート20が平行に配されていることで、底の無い船(双胴船)の形態に構成されている。
架設フレーム2は、門型或いはアーチ状に形成されて各端が各フロート20に固定されていることで水車を支持できる合理的な形態になっている。水車9の回転軸5は、前述した傾斜角度のように、喫水線30を基準として例えば25度程度に傾斜させた状態に設置されるとよい。
また、発電機13が、架設フレーム2上に配設され、回転軸5が連結された形態になっている。そして、各発電機13は、電線(図示せず)で接続され、基地に配置したコントローラ(図示せず)に送電されるように構成できる。
また、各フロート20の外側面で長手方向の中央部には、一対のフロート20、20による浮上状態を安定させるように安定翼22が設けられている。さらに、一対のフロート20、20の前部には両者を接続するようにバンパー21が、喫水線30とほぼ同じ高さで水面に沿う高さとなるように配設されている。このバンパー21によれば、ゴミが、一対のフロート20、20の間に進入することを阻止できる。
この動力発生装置は、船舶を係留する要領で、河川等の水流のある場所に設置することができる浮上式の水流発電機として用いられる。なお、水車9の回転を止めるときは、水車9を水面上に引き上げればよく、基地に配置したコントローラで操作できるように、前述した実施例(図12参照)のような構成を備えればよい。また、河川等の水流の水位が下がった場合や、水流が想定以上に速い場合などにも、水車9を引き上げることで、水車9の羽根8が河川等の底に接触しないように調整することや、水流が水車9の羽根8に当たって作用する押圧力を緩和するように調整できる。
なお、各フロート20には、その下面に、水車9の羽根8の最下部より下方に延びる脚23を設けてもよい(図16参照)。河川等の水流の水位が下がった場合、その脚23が河川等の底に接地し、水車9の羽根8が河川等の底に接触して破損することを防止できる。この脚23の形態は、柱状でも良いし、フロート20の長手方向(水流方向)に沿って配された板状でもよい。
これによれば、水量が変化し易い河川などの水面の高さ(水深)が変化した場合でも、フロート20が水面に浮いた状態であればそのフロート20の喫水線30は変化せず、水車9の羽根8が水中に入る深さの程度が変化しないため、安定的な回転動力を得ることができる。また、複数の水車9を設置した形態となっているため、高い出力の動力を発生させることができる。さらに、複数の水車9が、その回転が左右交互になるように配置されているため、安定的な回転動力を得ることができる。従って、これを発電装置として用いれば、安定的でより高出力の電力を発生させることができる。
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
20 フロート
21 バンパー
22 安定翼
23 脚
30 喫水線
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
20 フロート
21 バンパー
22 安定翼
23 脚
30 喫水線
Claims (6)
- 架設フレームに回転可能に取り付けられた回転軸と、該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、該羽根固定軸に取り付けられた羽根を備え、該羽根に外力を与えることで前記回転軸を回転させて動力を発生させる水流圧力による傾斜型回転動力発生装置であって、前記回転軸が、水流面に対して傾斜され、複数の前記羽根のうちの最下部側に位置する一部に水流が当てられて水車として作動するように設置されていることを特徴とする動力発生装置。
- 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記載の動力発生装置。
- 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前記架設フレームが固定されていることを特徴とする請求項1記載の動力発生装置。
- 前記水車の前記羽根形状は、前記羽根固定軸の水平方向を0度として前記回転方向の上方を90度とすると、該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、該水車を傾斜させ設置した際、該羽根の上部と下部の辺が水面と川底にそれぞれ平行となるように組み付けられたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の動力発生装置。
- 双胴船型に両側のフロートを連結するフレームが、前記架設フレームとして設けられ、該両側のフロートの間を流れる水流の流れ方向に、複数の前記水車が並べられて配され、流れの前後の水車同士の回転方向が反対となるように該前後の水車の回転軸が交互に反対に傾斜されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の動力発生装置。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014137587A JP2016014370A (ja) | 2014-07-03 | 2014-07-03 | 水流圧力による傾斜型回転動力発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014137587A JP2016014370A (ja) | 2014-07-03 | 2014-07-03 | 水流圧力による傾斜型回転動力発生装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016014370A true JP2016014370A (ja) | 2016-01-28 |
Family
ID=55230739
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014137587A Pending JP2016014370A (ja) | 2014-07-03 | 2014-07-03 | 水流圧力による傾斜型回転動力発生装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2016014370A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106762353A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-05-31 | 浙江腾荣环保科技有限公司 | 一种塔吊式发电装置 |
-
2014
- 2014-07-03 JP JP2014137587A patent/JP2016014370A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN106762353A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-05-31 | 浙江腾荣环保科技有限公司 | 一种塔吊式发电装置 |
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