JP2018035683A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 タービンと発電機を結ぶ駆動軸系において、発電機の位置を微調整することを可能にするように工夫した水力発電装置を提供すること。
【解決手段】 支点を介して揺動可能に設置された揺動体と、上記揺動体の先端に設けられ水流によって回転せられるタービンと、上記揺動体の基端に設けられた発電機と、上記揺動体内に設けられ上記タービンの回転を上記発電機に伝達する回転伝達機構と、上記タービンに設けられたフロートと、を具備し、上記搖動体は先端側のタービン側搖動体要素と基端側の発電機側搖動体要素が上記支点を境に相互になす角度（θ）を調整可能に連結された構成をなしていて、上記回転伝達機構は上記タービン側の駆動軸と上記発電機側の駆動軸との間にユニバーサルジョイントを介在させた構成をなしていて、上記角度（θ）の調整に上記回転駆動機構が追従可能に構成されているもの。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、小規模の水力発電装置に係り、特に、タービンと発電機を結ぶ駆動軸系において、発電機の位置を微調整することができるように工夫したものに関する。

小規模の水力発電装置の構成を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２、等がある。
特許文献１に記載された浮き水車式水力発電機は、川に設置されるものであり、主アームの先端側に水車が回転可能に設置されている。上記主アームの基端側には発電機が設置されており、上記水車の回転はギアとシャフトを介してこの発電機に伝達される。

また、上記川の幅方向両側にある土手には支柱がそれぞれ設置されていて、これら支柱間には支持部材が設置されている。上記主アームはこの支持部材に支持されており、主アームはその支持位置を支点に揺動可能に設置されている。

また、上記主アームの先端側には浮き材が設置されている。上記水車はこの浮き材によって浮上しており、上記川の水位に合わせて上下動されるようになっている。

また、特許文献２に記載された水力発電装置及びその設置方法でも、水力発電装置が河川、用水路等に設置されている。この水力発電装置は、本体部分の先端側に水車が設置されていて、この水車の回転が傘歯車と縦軸体と軸継手を介して、上記本体部分の基端側に設置された発電機に伝達される。

また、上記水力発電装置は、例えば、河川に設置された架設部材を支点として揺動可能に設置されており、上記水力発電装置には、上記水力発電装置を揺動させるための操作レバが取り付けられている。

特開２００８−２６７３６９号公報 特開２０１３−２４１８４１号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。
すなわち、特許文献１に記載された浮き水車式水力発電機、特許文献２に記載された水力発電装置の何れの場合にも、タービンの回転を発電機に伝達させるための駆動軸系が真っ直ぐに設けられているため、タービンの位置に対して発電機の位置は真っ直ぐな所定位置に一義的に決められてしまい、これを微調整することができないという問題があった。
なお、微調整の例としては、タービンの位置はそのままで発電機を少しでも液面から離間させたい場合、同じく、タービンの位置はそのままで周囲との関係で発電機の位置を変えたい場合、等の例が考えられる。

本発明は、このような点に基づいてなされたもので、その目的とするところは、タービンと発電機を結ぶ駆動軸系において、発電機の位置を微調整することを可能にする水力発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本発明の請求項１による水力発電装置は、支点を介して揺動可能に設置された揺動体と、上記揺動体の先端に設けられ水流によって回転せられるタービンと、上記揺動体の基端に設けられた発電機と、上記揺動体内に設けられ上記タービンの回転を上記発電機に伝達する回転伝達機構と、上記タービンに設けられたフロートと、を具備し、上記搖動体は先端側のタービン側搖動体要素と基端側の発電機側搖動体要素が上記支点を境に相互になす角度（θ）を調整可能に連結された構成をなしていて、上記回転伝達機構は上記タービン側の駆動軸と上記発電機側の駆動軸との間にユニバーサルジョイントを介在させた構成をなしていて、上記角度（θ）の調整に上記回転駆動機構が追従可能に構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項２による水力発電装置は、請求項１記載の水力発電装置において、上記支点は予想上昇水位の上に設けられていることを特徴とするものである。
また、請求項３による水力発電装置は、請求項１又は請求項２記載の水力発電装置において、上記発電機側揺動体要素には重錘が移動可能に設置されていることを特徴とするものである。
また、請求項４による水力発電装置は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の水力発電装置において、上記フロートは回転フロートであることを特徴とするものである。

以上述べたように本発明の請求項１による水力発電装置によると、支点を介して揺動可能に設置された揺動体と、上記揺動体の先端に設けられ水流によって回転せられるタービンと、上記揺動体の基端に設けられた発電機と、上記揺動体内に設けられ上記タービンの回転を上記発電機に伝達する回転伝達機構と、上記タービンに設けられたフロートと、を具備し、上記搖動体は先端側のタービン側搖動体要素と基端側の発電機側搖動体要素が上記支点を境に相互になす角度（θ）を調整可能に連結された構成をなしていて、上記回転伝達機構は上記タービン側の駆動軸と上記発電機側の駆動軸との間にユニバーサルジョイントを介在させた構成をなしていて、上記角度（θ）の調整に上記回転駆動機構が追従可能に構成されているので、上記フロートに対する上記発電機の位置を微調整することができる。
また、請求項２による水力発電装置によると、請求項１記載の水力発電装置において、上記支点は予想上昇水位の上に設けられているので、上記支点が確実に水位の上昇に影響されないようにすることができる。
また、請求項３による水力発電装置によると、請求項１又は請求項２記載の水力発電装置において、上記発電機側揺動体要素には重錘が移動可能に設置されているので、上記発電機側と上記タービン側のバランスを容易に調整することができる。
また、請求項４による水力発電装置によると、請求項１〜請求項３の何れかに記載の水力発電装置において、上記フロートは回転フロートであるので、上記フロートに対する水流の抵抗を軽減するとともに、上記フロートが上記水流の妨げにならないようにすることができる。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、水力発電装置の平面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、水力発電装置の側面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、水力発電装置の平面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、水力発電装置の側面図である。

以下、図１乃至図３を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。この第１の実施の形態による水力発電装置１は、河川３に設置されている。まず、揺動体５があり、この揺動体５は河川３の岸１７ａ、１７ｂに設置された支持部６ａ、６ｂによって揺動可能に支持されている。上記揺動体５には揺動中心筒体７があり、この揺動中心筒体７を挟んで両側には発電機支持筒９と、タービン支持筒１１がそれぞれ設置されている。上記揺動中心筒体７は、上記河川の幅方向に延長・配置されており、上記発電機支持筒９と上記タービン支持筒１１は、上記揺動中心筒体７に直交する方向に延長・配置されている。

また、上記揺動中心筒体７は、図３に示すように、外筒１３ａと、この外筒１３ａ内に相対的に回転可能に内装された内筒１３ｂと、から構成されている。上記発電機支持筒９は上記外筒１３ａ側に固着されており、上記タービン支持筒１１は上記内筒１３ｂ側に固着されている。
なお、上記発電機支持筒９と上記外筒１３ａとによって発電機側搖動体要素を構成し、上記タービン支持筒１１と上記内筒１３ｂとによってタービン側搖動体要素を構成している。
上記外筒１３ａには、図３に示すように、上記タービン支持筒１１によって貫通される切欠部１５ａが形成されている。また、上記内筒１３ｂには、図３に示すように、後述する回転伝達機構によって貫通される切欠部１５ｂ、１５ｃが形成されている。また、上記外筒１３ａの切欠部１５ａに対向する位置にも、回転伝達機構によって貫通される切欠部１５ｄが形成されている。また、図１及び図２に示すように、上記外筒１３ａの外周側には、外筒用ハンドル１３ｃが固着されている。

既に述べたように、上記外筒１３ａと上記内筒１３ｂは相対的に回転可能な構成になっており、上記発電機支持筒９と上記タービン支持筒１１とがなす角度（θ）を、後述するユニバーサルジョイントの可動範囲内で調整できるように構成されている。また、上記外筒１３ａの両端側には、図１に示すように、固定用ボルト１２、１２が螺合されている。これら固定用ボルト１２、１２を螺合して上記内筒１３ｂの外周面に当接させることにより、上記外筒１３ａと上記内筒１３ｂの回転方向の位置を固定する。それによって、上記発電機支持筒９と上記タービン支持筒１１がなす角度（θ）が固定される。
なお、上記発電機支持筒９と上記タービン支持筒１１がなす角度（θ）を調整する場合には、上記固定用ボルト１２、１２を緩めて行う。

上記内筒１３ｂの両端側は閉塞されていて、そこには軸部１４ａ、１４ｂが外側に突設されている。これら両軸部１４ａ、１４ｂは、前述した支持部６ａ、６ｂに内装された軸受１８ａ、１８ｂによって軸支されている。上記支持部６ａ、６ｂが河川３の岸１７ａ、１７ｂに設置されていることから、上記両軸部１４ａ、１４ｂは上記河川３の予想上昇水位の上に設けられていることになる。
また、上記外筒１３ａの両端は上記支持部６ａ、６ｂの内側端面に略当接する位置まで延長されている。

また、上記軸部１４ｂの先端側（図１中下端側）には、ハンドル１６が固着されている。また、上記支持部６ｂにはストッパ２０が設置されていて、上記ハンドル１６がこのストッパ２０に上方から当接することにより、搖動体５のそれ以上の揺動は規制される。

なお、既に説明した外筒用ハンドル１３ｃと上記ハンドル１６の使い方であるが、まず、上記発電機支持筒９と上記タービン支持筒１１がなす角度（θ）を調整する場合には、上記外筒用ハンドル１３ｃを使用する。すなわち、上記ハンドル１６を上記ストッパ２０上に載せた状態で、固定用ボルト１２、１２を緩め、上記外筒用ハンドル１３ｃを使用して外筒１３ａを回転させて、角度（θ）を調整する。角度（θ）を調整した後は上記固定ボルト１２、１２を締めて上記発電機支持筒９と上記タービン支持筒１１とを連結・固定する。
一方、揺動体５全体を揺動させる場合には上記ハンドル１６を使用する。その場合には、外筒１３ａと内筒１３ｂは固定用ボルト１２、１２によって一体化されている。

図２に示すように、上記発電機支持筒９の反揺動中心筒体７側端（図２中左上端）には発電機取付用ブラケット１９を介して発電機２１が設置されている。

また、上記タービン支持筒１１の反揺動中心筒体７側端（図２中右下端）には、タービン取付部２３を介して、タービン２５ａ、２５ｂが回転可能に設置されている。上記タービン２５ａ、２５ｂは、略円柱形状のタービン本体２７と、このタービン本体２７の外周側に等間隔で設置された複数枚（この第１の実施の形態の場合は８枚）の羽根２９から構成されている。
また、上記タービン取付部２３には、固定フロート３０が設置されている。この上記タービン２５ａ、２５ｂは、この固定フロート３０によって水面３ａに浮上しており、上記河川３の水面３ａの変動に追従して上下動する。

上記タービン取付部２３は、図３に示すように、中空の略円筒形状の部材で、その両端側（図３中紙面垂直方向両端側）には軸受３１、３１（一方の軸受３１は図示せず）が内装されている。これら軸受３１、３１を介して、タービン回転軸３３が回転可能に設置されており、このタービン回転軸３３の両端側（図３中紙面垂直方向両端側）に、上記タービン２５ａ、２５ｂが固着されている。

上記揺動体５内には回転伝達機構３４が内装されている。以下、この回転伝達機構３４の構成を説明する。まず、上記タービン取付部２３内において、上記タービン回転軸３１には、傘歯車３５が固着されている。上記タービン支持筒１１は、図３に示すように、中空の略円筒形状の部材であり、内部には、軸受３７、３７を介して、タービン側駆動軸３９が回転可能に設置されている。このタービン側駆動軸３９のタービン取付部２３側端（図３中右下端）には傘歯車４１が固着されている。この傘歯車４１は上記傘歯車３５と噛合されている。
また、上記タービン側駆動軸３９の反タービン取付部２３側端（図３中左上端）には、カップリング４０を介して、連結用駆動軸４２が連結されている。

また、上記揺動中心筒体７内には、ユニバーサルジョイント４３が設置されており、このユニバーサルジョイント４３を介して、上記連結用駆動軸４２に、別の連結用駆動軸４５が連結されている。上記ユニバーサルジョイント４３は、上記連結用駆動軸４２に固着された略コの字型の第１ヨーク４３ａと、上記連結用駆動軸４５に固着された略コの字型の第２ヨーク４３ｂと、これら第１ヨーク４３ａと第２ヨーク４３ｂとの間に設置された十字型連結部材４３ｃと、から構成されている。上記十字形連結部材４３ｃには、直交する２つの回動軸が設けられており、一方の回動軸によって上記第１ヨーク４３ａが上記十字形連結部材４３ｃに対して回動可能に設置されているとともに、他方の回動軸によって上記第２ヨーク４３ｂが上記十字形連結部材４３ｃに対して回動可能に設置されている。これにより、上記第１ヨーク４３ａと上記第２ヨーク４３ｂは、互いに直交する２つの軸に対して回動可能になっており、上記連結用駆動軸４２の回転を上記連結用駆動軸４５に伝達しつつ、上記連結用駆動軸４２と上記連結用駆動軸４５の角度、すなわち、上記発電機支持筒９と上記タービン支持筒１１がなす角度（θ）を変更できるように構成されている。

また、上記発電機支持筒９は、図３に示すように、中空の略円筒形状の部材であり、内部には、軸受４７、４７を介して、発電機側駆動軸４９が回転可能に設置されている。この発電機側駆動軸４９は上記連結用駆動軸４５とカップリング５１によって連結されている。また、上記発電機２１の出力軸５３と上記発電機側駆動軸４９とが、カップリング５５によって連結されている。
このように、上記回転伝達機構３４の上記タービン側駆動軸３９と上記発電機側駆動軸４９が、上記連結用駆動軸４２、上記ユニバーサルジョイント４３、上記連結用駆動軸４５を介して角度調整可能に連結されていることになる。

また、上記発電機支持筒９の外周側には、重錘５７が上記発電機支持筒９の長さ方向に沿って移動可能に設置されている。また、上記重錘５７の位置は、上記重錘５７を貫通し、上記発電機支持筒９の外周面に当接される固定用ボルト５９によって固定されるように構成されている。上記重錘５７の位置を調整することにより、タービン２５ａ、２５ｂの水面３ａに対する浸漬深さを調整する。

以上の構成を基に、その作用を説明する。
まず、初期設定を行う。
すなわち、発電機支持筒９とタービン支持筒１１とがなす角度（θ）を調整・設定する。勿論、真っ直ぐで問題ない場合には、θ＝１８０°に設定する。これに対して、発電機２１を少しでも液面３ａから離間させたい場合、或いは、周囲との関係で発電機２１の位置を変えたい場合、には固定用ボルト１２、１２を緩めて、ユニバーサルジョイント４３の可動範囲内で、角度（θ）を調整する。
具体的には、１８０°に対して、例えば、１５°以内で角度（θ）を小さくする。
なお、回転伝達機構３４のタービン側駆動軸３９側と発電機側駆動軸４９側がユニバーサルジョイント４３を介して連結されているので、上記角度（θ）が１８０°未満になっても、上記タービン２５ａ、２５ｂから上記発電機２１への駆動力の伝達が損なわれることはない。
次に、重錘５７の位置を調整・設定する。すなわち、液面３ａが同じでも、重錘５７の位置によって、タービン２５ａ、２５ｂの浸漬深さは変わる。そこで、水量、風向、等、様々な条件を考慮して、最も発電効率が良い浸漬深さが得られるような位置に重錘５７を固定する。

上記初期設定作業が終わった後、通常の発電動作が開始される。すなわち、河川３の水流によって、タービン２５ａ、２５ｂが回転される。これらタービン２５ａ、２５ｂによってタービン回転軸３３が回転され、このタービン回転軸３３の回転が傘歯車３５と傘歯車４１を介してタービン側駆動軸３９に伝達される。

上記タービン側駆動軸３９の回転は、カップリング４０、連結用駆動軸４２、及び、ユニバーサルジョイント４３を介して連結用駆動軸４５に伝達され、この連結用駆動軸４５の回転は、カップリング５１を介して発電機側駆動軸４９に伝達される。この発電機側駆動軸４９の回転は、カップリング５５を介して、発電機２１の出力軸５３に伝達され、上記発電機２１による発電が行われる。
このような一連の動作において、タービン取付部２３に設置された固定フロート３０によって、上記タービン２５ａ、２５ｂの高さが上記河川３の水面３ａの高さに追従する。
なお、ハンドル１６がストッパ２０に当接されることにより、上記揺動体５の図２中時計回り方向へのそれ以上の揺動が規制される。よって、水面３ａが極端に下がっても、上記タービン２５ａ、２５ｂが上記河川３の川底３ｂに接触することはない。

また、洪水が発生したような場合には、ハンドル１６によって上記揺動体５を手動で揺動させて、上記タービン２５ａ、２５ｂを河川３から引き上げる。

次に、この第１の実施の形態による効果について説明する。
まず、タービン２５ａ、２５ｂと発電機２１を結ぶ駆動軸系にユニバーサルジョイント４３を介在させているので、発電機２１の位置を微調整することができる。よって、タービン２５ａ、２５ｂの位置はそのままで発電機２１を少しでも液面３ａから離間させたい場合、同じく、タービン２５ａ、２５ｂの位置はそのままで周囲との関係で発電機２１の位置を変えたい場合、等に効果的に、且つ、容易に対応することができる。

また、回転伝達機構３４は搖動体５内に内装されているので、例えば、異物により回転伝達機構３４の機能が損なわれるようなこともない。

また、重錘５７が発電機支持筒９に沿って移動可能に設置されているので、この重錘５７の位置を調整することで、タービン２５ａ、２５ｂの河川３内への浸漬深さを調整することができ、それによって、水量、風向、等、様々な条件の下で最も発電効率の良い浸漬深さを提供することができる。

また、揺動中心筒体７にはハンドル１６が固着されているので、このハンドル１６を操作して、例えば、洪水時に上記タービン２５ａ、２５ｂを河川３内から退避させることができ、それによって、上記タービン２５ａ、２５ｂの損傷等を防止することができる。
また、ハンドル１６がストッパ２０に当接されることで、上記揺動体５の図２中時計回り方向へのそれ以上の揺動が規制されるので、水面３ａが極端に低下しても、上記タービン２５ａ、２５ｂが上記河川３の川底３ｂに接触して破損してしまうことはない。
また、上記ハンドル１６とは別に、外筒１３ａには外筒用ハンドル１３ｃが固着されているので、角度（θ）の調整も容易である。

また、支点部６ａ、６ｂは河川３の岸１７ａ、１７ｂの上に設けられているので、上記支点部６ａ、６ｂが洪水等の影響を受けることはない。

次に、図４及び図５を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。
この第２の実施の形態による水力発電装置７１の場合には、前記第１の実施の形態における固定フロート３０の代わりに、回転フロート７３、７３を採用している。これら回転フロート７３、７３は、図５に示すように、タービン回転軸３３の両端側に軸受７５、７５（図４中上側の回転フロート７３の軸受７５は図示せず）を介して回転可能に設けられている。
なお、その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、図中同一部分には同一符号を付して示しその説明を省略する。

この第２の実施の形態によると、前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができると共に、上記回転フロート７３、７３が回転することで、水流に対する抵抗を軽減することができ、それによって、タービン２５ａ、２５ｂの回転による発電効率を高めることができる。

なお、本発明は、前記第１、及び第２の実施の形態に限定されない。
タービンの形状、羽根の数等には、様々な場合が考えられる。
また、タービンの代わりに、プロペラ、水車等を使用してもよい。
また、各構成要素の数、形状、位置等には、様々な場合が考えられる。
その他、本願発明は図示した構成に限定されるものではなく、様々な変形が考えられる。

本発明は、例えば、小規模の水力発電装置に係り、特に、タービンと発電機を結ぶ駆動軸系において、発電機の位置を微調整することができるように工夫したものに関し、例えば、水路に設置される小型の水力発電装置に好適である。

１ 水力発電装置
５ 揺動体
６ａ 支持部（支点）
６ｂ 支持部（支点）
９ 発電機支持筒（発電機側搖動体要素の一部）
１１ タービン支持筒（タービン側搖動体要素の一部）
１３ａ 外筒（発電機側搖動体要素の一部）
１３ｂ 内筒（タービン側搖動体要素の一部）
２１ 発電機
２５ａ タービン
２５ｂ タービン
３０ 固定フロート
３４ 回転伝達機構
３９ 第１駆動軸（タービン側の駆動軸）
４９ 第２駆動軸（発電機側の駆動軸）
４３ ユニバーサルジョイント
５５ 重錘
７１ 水力発電装置
７３ 回転フロート

Claims (4)

1. 支点を介して揺動可能に設置された揺動体と、
   上記揺動体の先端に設けられ水流によって回転せられるタービンと、
   上記揺動体の基端に設けられた発電機と、
   上記揺動体内に設けられ上記タービンの回転を上記発電機に伝達する回転伝達機構と、
   上記タービンに設けられたフロートと、
   を具備し、
   上記搖動体は先端側のタービン側搖動体要素と基端側の発電機側搖動体要素が上記支点を境に相互になす角度（θ）を調整可能に連結された構成をなしていて、
   上記回転伝達機構は上記タービン側の駆動軸と上記発電機側の駆動軸との間にユニバーサルジョイントを介在させた構成をなしていて、
   上記角度（θ）の調整に上記回転駆動機構が追従可能に構成されていることを特徴とする水力発電装置。
2. 請求項１記載の水力発電装置において、
   上記支点は予想上昇水位の上に設けられていることを特徴とする水力発電装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の水力発電装置において、
   上記発電機側揺動体要素には重錘が移動可能に設置されていることを特徴とする水力発電装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れかに記載の水力発電装置において、
   上記フロートは回転フロートであることを特徴とする水力発電装置。

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