JP2017120066A - 水流揚力回転発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水流による揚力を利用した構造が簡単で手軽に使用できる発電装置の提供。
【解決手段】前縁断面を丸く厚くし、後縁断面を薄くし、表面を凸状、裏面を凹状の曲面とする断面が湾曲した翼形羽根板を、水流と平行に設置した回転軸の中心に等角度で水流と平行に同方向に配置し、翼形羽根板に生じた揚力により回転軸を回転させ、回転軸に連動する発電機を動かして発電する水流揚力回転発電装置。
【選択図】図６

Description

本発明は、中小河川や用水路等の水流中に、断面が湾曲状の翼形羽根板を回転軸を中心に等角度で配置し、水流により生ずる揚力を利用し、翼型回転翼を回転して発電する水流揚力回転発電装置に関する。

水力を利用した発電といえば、ダムを建設する大規模な水力発電を想像する。しかし、こうした大型水力発電は、ダム建設の経済的負担が大きく、自然環境への影響等が生じ、更に、長期間に土砂がダム湖に堆積し使用不能となってしまい、最近ではダム建設の数は少なくなっている。火力発電では、経済的負担は大型水力発電の建設に比べ低いものの、化石燃料の輸入による我国の国際収支の悪化及び地球温暖化の原因のひとつであるＣＯ_２の発生等の課題がある。原子力発電では、化石燃料の代わりに核分裂による発生熱で蒸気を発生しているに過ぎないが、東日本大地震による原子炉の制御不能による核燃料及び原子炉容器のメルトダウン、それにともなう核分裂物質の拡散等のため、一部居住地域は使用不可となり、使用済核燃料の処理には多くの問題点を抱え、原子力反対論の声も高い。上記のように、各発電方法は一長一短があるが、電力がなければ現代生活は成り立たない。理想的には、電力は、各家庭や各事業所等において再生可能エネルギによる自給自足できる体系が望まれる。

東日本大震災による福島原発の影響により、必要電力供給量のなかで、原子力発電の割合を低下させるため、自然エネルギを用いた発電方法が多く提唱されている。主には、風力発電、太陽光発電がある。しかし、忘れてはならないものとして、我が国は、南北に狭く急峻な地形から河川の流れが速く、伝統的な水車による発電がある。この伝統的な水車では回転数も少なく発電効率も悪いため、もっと高回転の羽根車を利用した発電用の水車が開発されてきた。図１に水流を利用した発電装置の例を示す（非特許文献１及びネット上の中部電力の記載）。尚、図１（４）のベルトン水車は、高い水圧を利用した高落差の水力発電に適し、大型ダム用の水車として用いられている。

上記のような水車の原理を利用した水流利用発電装置に関する先行技術としては以下のような文献が見受けられる。

用水路を流れる水の動力を受けて無端軌道の周りに回転する複数の水流受部と、上方に位置する動力伝達部材及び水流受部を支持する支持部材とを備えた発電用水車（特許文献１）、複数のバケットに流入させた落下水流の運動エネルギ及び位置エネルギを利用して、その複数のバケットが付設されたコンベヤの巡回部を巡回させる落下水流利用の発電装置（特許文献２）、枠体を川流水の水面に浮かせた状態とし、コンベヤの下方側の巡回部外側に並ぶ複数のバケット内に川流水を流入させて、コンベヤを巡回させる川流水又は海流水利用の発電装置（特許文献３）等かなりの先行技術が見受けられる。

エンジニアリング設備、環境保護設備等の設計・製作している会社を永年運営している本願発明者は、大学等からの依頼を受けて、水流利用発電装置を開発するための揚水式の流水パイプラインを工場敷地内に準備し、その開発等の手助けをしてきた。その関係から、自然エネルギを利用した発電装置に興味を抱いていた。
そして、ヨットの例に見るように、順風より横風の方が推進力を生ずる可能性がある揚力を利用する風力発電方法を模索し、本願発明者は、構造が簡単な風力発電装置について特許出願をした(特願2015-242766)。

更に、揚力を利用する発電装置としては、風力によるものだけでなく、水力による発電装置もある。以下の式１に示すように、揚力は、流体の密度に比例する。水の密度は、空気の密度に比較し９９８／１．２≒８３０倍であり、それだけ揚力は大きくなり、回転数やトルクが飛躍的に大きくなり、また水流の方向は、常時変化する風向とは違い一定であり、安定した発電装置となることが予想された。

式１

そこで、水流による揚力を利用した発電方式について調査すると以下のような先行技術文献が見受けられた。
縦方向の軸を中心にして回転可能な回転体と、回転体に枢支軸を中心にして回転角度変更自在に立設された複数のブレード部とを備え、前記各ブレード部は、流体力による揚力が発生可能なように、左右方向に変形自在に設けられ、流体方位を検出するための流体方位検出手段と、前記流体方位検出手段によって検出された流体方位に基づいて、前記回転体にトルクが発生するように各ブレード部を所定の回転角度位置に姿勢変更させるブレード姿勢決定手段とを備えている流体エネルギを効率よく利用する高効率の発電装置(特許文献４)、水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼が配置され、該水平直線翼の周りを風または水流が通過する際に発生する揚力により、前記２枚以上の水平直線翼が前記水平軸を中心として回転することを特徴とする発電用水風車およびそれを用いた発電方法(特許文献５)、水中に配置されるタービン部の上方に設けられた交流発電機を有する水力発電装置において、タービン部は、水面付近の水流で駆動する揚力型タービンと、当該揚力型タービンを始動させる抗力型タービンとを備え、抗力型タービンの翼部は、揚力型タービンの翼部に対して逆回転するようになっている水力発電装置(特許文献６)等がある。

「風と水のエネルギ」 株式会社 旺文社 2004.4.10初版発行 パドル型風車モデによる風力発電機の最適化 黒星雄一氏著（インターネット上より検索）

特開２００８−２５３７７号公報 国際公開番号 ＷＯ ２００５/０６８８３１ 国際公開番号 WO ２００５/０６８８３０ 特開２００３−１５５９７２号公報 特開２００８−１７５１４７号公報 特開２００４−１１６２８９号公報

非特許文献１、２は小規模な水力発電を紹介するものであり、特許文献１から特許文献３は、水流の抗力や水の重力を利用する発電装置である。揚力を利用する発電装置として、特許文献４から特許文献６があるが、特許文献４は、回転軸とブレードが水流と垂直の関係にあるため、ブレードは、抗力も発生しやすいと思われ、また、特許文献５では、水流に対し水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼が配置されているが、揚力が効率よく生ずるか疑問がある。特許文献６は、構造が複雑であり、生産コストは高額となり、需要層が限定されると思われる。

本願発明者は、式１に示す揚力に注目し、水流による揚力を利用した構造が簡単で手軽に使用できる発電装置を提供するものである。

すなわち、第１発明は、前縁断面を丸く厚くし、後縁断面を薄くし、表面を凸状、裏面を凹状の曲面とする断面が湾曲した翼形羽根板を、水流と平行に設置した回転軸を中心に等角度で水流と平行に同方向に配置し、翼形羽根板に生じた揚力により回転軸を回転させ、回転軸に連動する発電機を動かして発電する水流揚力回転発電装置である。

本願の特徴は、水流に平行に回転軸を設置し、更に回転軸を中心として等角度に複数の翼形羽根板を流水に平行に同方向に配置し、回転軸も翼形羽根板も水流に対し平行であり、翼形羽根板は水流に対し回転軸を中心として、略垂直に回転することである。
図２は翼形羽根板２の断面概略図であり、図３は、翼形羽根板２の全体概略図である。前縁２１の断面を丸く厚くし、後縁２２の断面を薄くし、表面２３を凸状、裏面２４を凹状の曲面とする断面が湾曲した形状(以下、翼形羽根板の形状とする)とし、水流により揚力を発生するものである。尚、図２、図３は、翼形羽根板の概略図であり、この形状に限られるものではなく、揚力が発生しやすい形状であれば足りる。

水流とは、本願に係る発明である水流揚力回転発電装置（以下、本願装置とする）に向かう水の流れである。この水流に翼形羽根板２を水流と平行に置けば、翼形羽根板２には揚力が生ずる。図４に揚力の発生概略図を示す。図４(Ａ)は、表面２３を水流の上方に向けた状態であり、上方に向かう揚力が発生し、図４(Ｂ)は、表面２３を水流の下方に向けた状態であり、下方に向かう揚力いわゆるダウンフォースが発生する。
「水流と平行」としたのは、水流は一定方向に３次元的に流れてくるものであり、翼形羽根板の前縁と後縁を結ぶ線が、水流と同方向であることを表現するためである。回転軸の水流と平行も同意義である。

図５(Ａ)は、翼形羽根板２の表面２３が上方に向き、上方への揚力が発生し、図５(Ｂ)は、表面２３が下方に向き、下方への揚力が発生する。回転軸３を中心として、上方と下方への揚力により、回転軸３が回転する。

図６は、翼形羽根板２に発生した揚力による回転概略図である。図６において、水流は紙面の裏側から表側に流れてくる。翼形羽根板２の前縁２１は、紙面の裏側に向かいスポーク２８に取り付けられ、その表面は、スポーク２８の左側方向すなわち翼形羽根板２が同一方向となっている。
４枚の翼形羽根板２は、それぞれ、上向き、左向き、下向き、右向きの揚力が発生し、回転軸３が図６に示す矢印の方向に回転する。
なお、図６では、翼形羽根板を４枚としているが、この数に限定するものではなく、任意である。

続いて、第２発明は、前縁の横幅の長さを後縁のそれより長くし、翼形羽根板の両側面に側板をつけた翼形羽根板を使用する第１発明の水流揚力回転発電装置である。

流速は、水流の通路断面積が広い場所から狭い場所に移動することによって速くなる。すなわち流路が細くなれば流速は速くなる。前記式１に示すように、揚力は速度の２乗に比例する。そこで、前縁の横幅を広くし、後縁の横幅を狭くして、翼形羽根板２の表面の凸状、裏面の凹状の曲面を通過する水流の速度を上げ、揚力をより発生するものである。図７（Ａ）は、側板２９付きの翼形羽根板２の平面概略図であり、図７(Ｂ)は、同側面概略図である。側板２９は、抗力、はく離流を少なくするため、先端部、後端部が丸みを帯びた形としている。
なお、翼形羽根板２や側板２９は、ＦＲＰ、プラスチックあるいはカーボンファイバーなど比重が軽い材料を使用することが好ましく、翼形羽根板２はその中を空洞として全体の比重を水のそれに近いものとし、水中に留めるようにすることも、翼形羽根板２の回転直径効率を上げるための１つの手法である。

続いて、第３発明は、水流の流速又は回転軸の回転数により翼形羽根板の水流に対する仰角を変化させることができる第１発明又は第２発明の水流揚力回転発電装置である。

揚力は、流速の２乗に比例して変化し、流速が小さくなると揚力は急激に小さくなる。そこで、少しでも揚力を生じやすくするため、水流に対し翼形羽根板に仰角を付けるものである。仰角とは、水流の翼形羽根板２に流れてくる方向と翼形羽根板２のなす角度をいうものであり図８に示す。
仰角２７の絶対値が小さいときには揚力係数は略仰角に比例するため、揚力は増すが、絶対値が大きくなると、はく離流が生じ揚力は急激に減少する。仰角２７は、本願に係る装置の生産時に固定して付けることができるし、また翼形羽根板２の回転数あるいは流速によって自動的に調整することもできる。

続いて、第４発明は、水流の速さを増減するため、翼形羽根板の前方に水流調整板を設けた第１発明ないし第３発明の水流揚力回転発電装置である。

前述のように、すなわち流路が細くなれば流速は速くなり、揚力は流速の２乗に比例する。そこで、水流に向かう翼形羽根板の前方に、水流に対し調整板を設け、翼形羽根板に流れ込む水流の速度を調整するものである。水流調整板は、翼形羽根板の回転する直径の範囲（以下、回転直径とする）に水流が流れ込むようにするものであり、翼形羽根板の前方に、回転直径より大きく左右又は上下左右に水流調整板を広げあるいは狭め、翼形羽根板に向かう水流の速さを増したり、反対に回転直径より狭くして水流の速さを減ずるものである。

続いて、第５発明は、浮流物による破損を避けるため、翼形羽根板の前方に防御網を付けた第１発明ないし第４発明の水流揚力回転発電装置である。

本願装置が設置される中小河川や用水路等の水流には、ゴミや藻等の浮遊物が含まれ、これらが翼形羽根板にあたり、破損させる恐れがある。それを避けるため、防御網を翼形羽根板の前方に付けるものである。防御網を水流調整板の前につけるか、水流調整板と翼形羽根板の間に付けるかは、枠フレームとの組合せも関係し、任意である。

第１発明では、水流に対し平行な翼形羽根板の揚力を利用し、発電機に連動する回転軸を回転する構造が比較的簡単な発電装置を提供するものである。第２発明、第３発明は、翼形羽根板の揚力をより上げるためのものである。第４発明は、翼形羽根板の回転を調整するものであり、第５発明は、水流中の浮遊物により、翼形羽根板や、本願装置が破損されないためである。

図１は、発電用水車の概略図である。 図２は、翼形羽根板の断面概略図である。 図３は、翼形羽根板の全体概略図である。 図４は、水流による揚力発生の概略図である。 図５は、水流による翼形羽根板の揚力発生の概略図である。 図６は、翼形羽根板に発生した揚力による回転概略図である。 図７は、側板つき翼形羽根板の概略図である。 図８は、水流と仰角の概略図である。 図９は、水流から見た水流揚力回転発電装置の配置概略図を示す。 図１０は、水流揚力回転発電装置の平面の配置概略図を示す。済み

本願装置の実施例を以下に挙げる。

図９は、水流から見た水流揚力回転発電装置１の配置概略図である。水流調整板７、防御網８が枠フレーム５に固定され、更に回転軸３、回転軸に連動する発電機６も枠フレーム５に固定されている。図９では、発電機は水面下にあるが、防水性の発電機もありこれを用いる。

図１０は、水流揚力回転発電装置１の平面配置概略図である。図１０では、防御網８は、翼形羽根板２と水流調整板７の間に設けられている。しかし、防御網８を水流調整板７の前に設置することも可能である。

本願装置は、水流による揚力を利用するものであり、構造が簡単であり、生産コストも安価であることから、手軽に利用でき、需要が期待できる。

１ 水流揚力回転発電装置
２ 翼形羽根板 ２１ 前縁 ２２ 後縁 ２３ 表面 ２４ 裏面 ２５ 揚力 ２６ 抗力 ２７ 仰角 ２８ スポーク ２９ 側板
３ 回転軸
４ 方向舵
５ 枠フレーム
６ 発電機
７ 水流調整板
８ 防御網

Claims (5)

1. 前縁断面を丸く厚くし、後縁断面を薄くし、表面を凸状、裏面を凹状の曲面とする断面が湾曲した翼形羽根板を、水流と平行に設置した回転軸を中心に等角度で水流と平行に同方向に配置し、翼形羽根板に生じた揚力により回転軸を回転させ、回転軸に連動する発電機を動かして発電する水流揚力回転発電装置。
2. 前縁の横幅の長さを後縁のそれより長くし、翼形羽根板の両側面に側板をつけた翼形羽根板を使用する請求項１の水流揚力回転発電装置。
3. 水流の流速又は回転軸の回転数により翼形羽根板の水流に対する仰角を変化させることができる請求項１又は請求項２の水流揚力回転発電装置。
4. 水流の速さを増減するため、翼形羽根板の前方に水流調整板を設けた請求項１ないし請求項３の水流揚力回転発電装置。
5. 浮流物による破損を避けるため、翼形羽根板の前方に防御網を付けた請求項１ないし請求項４の水流揚力回転発電装置。