JP2019112967A

JP2019112967A - 水力発電装置

Info

Publication number: JP2019112967A
Application number: JP2017245163A
Authority: JP
Inventors: 康司立石; Yasushi Tateishi
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-07-11

Abstract

【課題】人力等により水力発電装置を水路から容易に引き上げ可能にすると共に、計画した場所に容易に且つ確実に設置することができる水力発電装置を提供する。【解決手段】この水力発電装置は、水路に渡って架設された架設フレーム５と、架設フレーム５の水路幅方向に並ぶ複数の水力発電モジュール３，３とを備える。各水力発電モジュール３が水力を回転力に変換する翼車２および翼車２の回転により発電する発電機６を有する。各水力発電モジュール３を架設フレーム５に対し、翼車２の下端が水路の水面より下に位置する水没姿勢と、翼車２の全体が水路の水面より上に位置する待機姿勢とに渡ってそれぞれ独立して回転可能に支持する個別回転支持手段１１を有する。個別回転支持手段１１により、水力発電装置を水路から引き上げる場合、水力発電モジュール３，３を一個毎に引き上げ可能である。【選択図】図１

Description

この発明は、水路に設置される水力発電装置に関する。

水力発電装置は、流水が持つ運動エネルギーを、発電に利用するシステムである。この水力発電装置の中で小型ものは、農業用水等の水路に設置され利用されているが、先ずi)設置のために、水路に投入しなければならない。また、ii)メンテナンスのため、回転翼またはギヤ、オイルシール等の交換の際、水力発電装置を水路から引き上げる必要がある。さらに、iii)増水等の緊急時にも水力発電装置に異常が生じることを防止するため、水路から引き上げる必要がある。
従来は水力発電装置を水路から引き上げる際、クレーン車、または、大掛かりな引き上げ機構を使用していた。
また、近年、発電力を増加させるため、水力発電装置を並列に二台設置する例も出てきた（特許文献１）。

特開２０１５−１４２１９号公報

水路に適用される水力発電装置は、通常、水路に翼を水没させ発電しているが、上述の如く、ii)、iii)の非定常時には、水力発電装置を水路から引き上げる必要がある。特に、iii)の緊急時には、迅速に水力発電装置を水路から引き上げる必要がある。しかしながら、従来は、クレーン車等を使用し、多人数で作業し対応していた。

また、i)の水力発電装置の設置の際も、水路は比較的速い流速があり、クレーン車で水力発電装置を水路に投入すると、最初に水没する翼が流速により下流側に流され、水力発電装置全体が下流側に流される、流速により水力発電装置が振動する等、所定の場所に設置することが難しかった。もちろん、この作業も多人数で対応していた。
特に、水力発電装置を二台設置する場合、その質量が増加し、二台の水力発電装置を水路から引き上げるための装置が大型化するか、あるいは二台の水力発電装置を水路から引き上げるための力が非常に大きくなり引き上げが困難かまたは多大な時間を要する課題が生じ、解決が必要であった。

この発明の目的は、人力等により水力発電装置を水路から容易に引き上げ可能にすると共に、計画した場所に容易に且つ確実に設置することができる水力発電装置を提供することである。

この発明の水力発電装置は、水路に渡って架設された架設フレームと、この架設フレームの水路幅方向に並ぶ複数の水力発電モジュールとを備え、各水力発電モジュールが水力を回転力に変換する翼車およびこの翼車の回転により発電する発電機を有する水力発電装置において、
前記各水力発電モジュールを前記架設フレームに対し、前記翼車の下端が前記水路の水面より下に位置する水没姿勢と、前記翼車の全体が前記水路の水面より上に位置する待機姿勢とに渡ってそれぞれ独立して回転可能に支持する個別回転支持手段を有する。
前記「水路」の水面は、定められた高さにあるとする。

この構成によると、この水力発電装置の設置作業時には、複数の水力発電モジュールを架設フレームに設置した状態で、各水力発電モジュールをそれぞれ待機姿勢にした状態で水路に設置することができる。この場合、水路の流速に抗うことなく水力発電装置を容易に設置することができる。なお水路に渡って架設された架設フレームに対し、各水力発電モジュールをそれぞれ別々に設置することも可能である。この場合、各水力発電モジュールを引き上げ機構等で別々に引き上げて設置することができるため、水力発電装置を二台同時に設置する従来例よりも、引き上げ機構等の小型化を図り設置する時間の短縮を図ることができる。その後、水没姿勢において、翼車の回転により発電機は発電する。
これらのように水力発電装置を、計画した場所に容易に且つ確実に設置することができる。また一台のみの水力発電モジュールを設置する場合よりも発電力を増加させることができる。

この水力発電装置の使用時には、各水力発電モジュールを水没姿勢と待機姿勢とに渡ってそれぞれ独立して回転可能に支持する個別回転支持手段を有するため、この水力発電装置を水路から引き上げる場合、水力発電モジュールを個別回転支持手段により一個毎に引き上げることが可能となる。このため、二台の水力発電装置を水路から同時に引き上げる従来例に比べて、引き上げに要する力を分散化することができる。これにより、人力等により水力発電装置を水路から容易に引き上げることができる。また従来例よりも引き上げに要する時間を短縮することができる。また水力発電モジュールを一個毎に引き上げることが可能となるため、各水力発電モジュールを別々にメンテナンスすることも可能である。
前記「人力等」とは、人力のみ使用する場合、および人力と共に小型の引き上げ機構等も使用する場合を含む。

前記各水力発電モジュールをそれぞれ支持する複数の架台を有し、前記架設フレームに対し、前記個別回転支持手段を介して各架台が回転可能に支持されていてもよい。この場合、各架台を回転することで、各水力発電モジュールを水没姿勢と待機姿勢とに渡って変化することができる。

前記前記架設フレームに対し、前記各水力発電モジュールをそれぞれ独立して回転させる複数の操作手段を各架台に備えてもよい。この場合、各操作手段を人力等により操作することで、各架台を独立して回転することができる。

前記個別回転支持手段が蝶番であってもよい。この場合、水力発電モジュールを回転させる回転軸等を省けるため、水力発電装置全体の軽量化およびコンパクト化を図ることができる。これにより、水力発電装置の搬送、設置、引き上げ等の容易化を図れる。また製造コストの低減を図ることができる。

前記架設フレームは、この架設フレームを前記水路に固定する固定具を含んでもよい。この場合、計画した場所に架設フレームを着脱自在に設置することができる。

この発明の水力発電装置は、水路に渡って架設された架設フレームと、この架設フレームの水路幅方向に並ぶ複数の水力発電モジュールとを備え、各水力発電モジュールが水力を回転力に変換する翼車およびこの翼車の回転により発電する発電機を有する水力発電装置において、前記各水力発電モジュールを前記架設フレームに対し、前記翼車の下端が前記水路の水面より下に位置する水没姿勢と、前記翼車の全体が前記水路の水面より上に位置する待機姿勢とに渡ってそれぞれ独立して回転可能に支持する個別回転支持手段を有する。このため、人力等により水力発電装置を水路から容易に引き上げ可能にすると共に、計画した場所に容易に且つ確実に設置することができる。

この発明の実施形態に係る水力発電装置の水没姿勢の斜視図である。同水力発電装置の水没姿勢の正面図である。同水力発電装置の水没姿勢の側面図である。同水力発電装置の水没姿勢の平面図である。同水力発電装置の一方の水力発電モジュールを待機姿勢にした斜視図である。同水力発電装置の一方の水力発電モジュールを待機姿勢にした正面図である。同水力発電装置の一方の水力発電モジュールを待機姿勢にした側面図である。同水力発電装置の一方の水力発電モジュールを待機姿勢にした平面図である。同水力発電装置の待機姿勢の斜視図である。同水力発電装置の待機姿勢の正面図である。同水力発電装置の待機姿勢の側面図である。同水力発電装置の待機姿勢の平面図である。

この発明の実施形態に係る水力発電装置を図１ないし図１２と共に説明する。
＜水力発電装置全体の概略構成について＞
図２に示すように、この水力発電装置は、例えば、河川、用水路等の流水のある水路１に設置され、翼車２の回転を受けて発電を行う。水路１は、例えば、それぞれコンクリート等から成る底面部１ａおよび両側の側壁面部１ｂで構成される。
図１に示すように、この水力発電装置は、複数（この例では二台）の水力発電モジュール３，３と、これらの水力発電モジュール３，３を支持する支持装置４とを備える。先ず、水力発電モジュール３について説明し、以下、支持装置４、水力発電装置の設置および引き上げ、作用効果について順次説明する。

＜水力発電モジュール３について＞
二台の水力発電モジュール３，３は、後述する支持装置４における架設フレーム５の水路幅方向に所定間隔を空けて平行に並ぶように支持されている。これら水力発電モジュール３，３は同一構造であるため、一方の水力発電モジュール３についてのみ符号を付して説明し、他方の水力発電モジュール３については、一方の水力発電モジュール３と同一の符号を付して説明を省略する。

水力発電モジュール３は、翼車２、およびこの翼車２の回転により発電する発電機６を有する。
図２および図３に示すように、翼車２は、水路１の流水中に没する状態で設けられ水力を回転力に変換する。翼車２は、回転軸心Ｌ１が流水の流れる方向と平行なプロペラ型である。翼車２は、前記回転軸心Ｌ１に設けられるハブ２ａと、このハブ２ａの外周面から半径方向外方に放射状に延びる複数（例えば５枚）のブレード２ｂとを有する。各ブレード２ｂの先端部は、上流側に向けて傾斜している。

図３に示すように、ハブ２ａに同軸に翼軸２ｃが取り付けられ、この翼軸２ｃは、図示外の軸受により回転自在に支持される。翼軸２ｃの回転は、互いに噛み合う一対の傘歯車等から成るギヤ部（図示せず）により増速される。翼軸２ｃ、前記軸受および前記ギヤ部は、ギヤボックス７に収容されている。なおギヤボックス７内には、グリースが封入されている。

一方、発電機６の入力軸（図示せず）が支持筒８内に延びている。支持筒８内において、前記入力軸の下端と動力伝達軸９の上端とが、図示外の回転連結具を介して同軸に連結されている。動力伝達軸９の軸心と翼軸２ｃの軸心とが互いに直交するように配置されている。また動力伝達軸９は、支持筒８内の軸受（図示せず）により、この支持筒８に回転自在に支持されている。したがって、翼軸２ｃの回転が動力伝達軸９および前記入力軸に伝達されることで、発電機６が発電する。

＜支持装置４について＞
図１および図４に示すように、支持装置４は、架設フレーム５、複数（この例では二つ）の架台１０、個別回転支持手段１１、発電機台１２、複数（この例では二つ）の操作手段１３，１３およびかんぬき構造１４を有する。架設フレーム５は、一対の梁１５，１５と、フレーム本体１６と、複数の固定具１７とを有する。

図２および図３に示すように、水路１に渡って架設されたフレーム本体１６に対し、個別回転支持手段１１を介して各架台１０が回転可能に支持されている。各架台１０に、発電機台１２，１２を介して水力発電モジュール３，３がそれぞれ支持されている。したがって、各水力発電モジュール３は、架設フレーム５に対し、翼車２の下端が水路１の水面より下に位置する水没姿勢と、翼車２の全体が水路１の水面より上に位置する待機姿勢（図９〜図１２等）とに渡って回転可能に支持されている。

図１および図２に示すように、水路１の両側の側壁面部１ｂにおける上端付近から上端部に渡り複数（この例では二つ）の固定具１７，１７が固定されている。各固定具１７は、側壁面部１ｂの側面に沿う立板固定部と、この立板固定部に繋がり側壁面部１ｂの上端面に沿う水平固定板部とで断面Ｌ形状に形成されている。二つの固定具１７，１７は、流水の流れる方向Ａ１（以下、「流水方向Ａ１」と言う）に平行に設けられている。各固定具１７および後述する各梁１５は、例えば、断面Ｌ形のアングル等から形成される。

図１および図４に示すように、一対の梁１５，１５は、前記流水方向Ａ１にそれぞれ平行に設けられ、フレーム本体１６により互いに連結されている。フレーム本体１６は、例えば、角筒形状で水路の幅方向に平行に延びる。このフレーム本体１６の長手方向両端部には、この水力発電装置を後述するクレーン等によりスリンガ（図示せず）で吊り上げるための吊りボルト１８，１８が設けられている。図１および図２に示すように、各梁１５は、立板部と、この立板部に繋がる水平板部とで断面Ｌ形状に形成されている。図１および図４に示すように、各梁１５の水平板部の上面における長手方向中間部に、フレーム本体１６の長手方向両端部が支持され、ブラケット等により固定されている。各側壁面部１ｂに並ぶ固定具１７に対して、各梁１５の水平板部が複数のボルトにより固定されている。

架台１０は、架台基端部１０ａと、二つの架台支持部１０ｂ，１０ｂとを有する。架台基端部１０ａは、角筒形状で水路１（図２）の幅方向に平行に延びる。架台基端部１０ａには、各架台支持部１０ｂの長手方向一端部がそれぞれ連結されている。これら架台支持部１０ｂ，１０ｂは、架台基端部１０ａの長手方向に直交する方向に延び、互いに一定間隔を隔てて平行に配置されている。二つの架台支持部１０ｂ，１０ｂに発電機台１２，１２が支持された状態で固定されている。この発電機台１２に発電機６が支持されている。

図１および図２に示すように、この例の個別回転支持手段１１は蝶番であり、フレーム本体１６に、前記蝶番の一方の蝶番片１１ａが連結され、架台基端部１０ａに、前記蝶番の他方の蝶番片１１ｂが連結されている。したがって、この蝶番の軸を回転軸心として、フレーム本体１６に対し、架台１０および水力発電モジュール３が前記水没姿勢と前記待機姿勢とに渡って、前記回転軸心回りに回転可能に構成される。

各操作手段１３は、架設フレーム５に対し、架台１０を人力で回転する棒状部材である。この操作手段１３は、架台基端部１０ａの一側面部に着脱自在に固定されている。操作手段１３は、架台基端部１０ａの一側面部から前記回転軸心に平行に延びる回転軸部１３ａと、この回転軸部１３ａの先端に繋がり前記回転軸心に直交する方向に延びる操作部１３ｂとを有する。操作部１３ｂは把持する等して操作可能である。回転軸部１３ａの基端には取付フランジが付設され、この取付フランジが架台基端部１０ａの一側面部に着脱自在である。

図５および図８に示すように、かんぬき構造１４は、各架台１０を水没姿勢・待機姿勢の両姿勢で保持する第１，第２のかんぬき部品１９，２０を含む。各架台支持部１０ｂに第１のかんぬき部品１９，１９がそれぞれ平行に固定され、フレーム本体１６に第２のかんぬき部品２０が設けられている。各第１のかんぬき部品１９の両端部に嵌合穴１９ａ，１９ｂがそれぞれ形成されている。第２のかんぬき部品２０は、かんぬき部品本体２０ａと、このかんぬき部品本体２０ａにスライド可能に支持された棒２０ｂとを有する。この棒２０ｂを第１のかんぬき部品１９の一方の嵌合穴１９ｂに嵌合することにより水没姿勢を維持する。また棒２０ｂを第１のかんぬき部品１９の他方の嵌合穴１９ａに嵌合することにより待機姿勢を維持する。

＜水力発電装置の設置過程＞
図９〜図１２に示すように、水力発電装置を待機姿勢の荷姿で目的地である水路まで運搬する。運搬時には、水力発電モジュールを待機姿勢にし、第２のかんぬき部品２０の棒２０ｂを第１のかんぬき部品１９の嵌合穴１９ａに嵌合することにより待機姿勢を維持する。
水力発電装置を目的地まで到着させた後、この水力発電装置から固定具１７を離脱した準組立体を、図示外のクレーン等によりスリンガ（図示せず）で吊り上げ、各ブレード２ｂを略水平状態に維持しながら、予め水路に設置してある固定具１７の上方に移動する。

その後、前記準組立体を降下させて固定具１７と梁１５とを複数のボルトにより固定する。次に、図５〜図８に示すように、水力発電装置から前記スリンガを取り外した後、一方の操作手段１３の操作部１３ｂを把持しつつ第２のかんぬき部品２０の棒２０ｂをスライドさせ第１のかんぬき部品１９の嵌合穴１９ａから抜き、一方（この例では図６左側）の水力発電モジュール３および架台１０をこの架台１０に固定された操作手段１３により回転させる。これにより図６左側の翼車２を水路に水没させる。

その後、図６左側の翼車２が水没姿勢を保つように操作手段１３を支持し、図８に示すように、第２のかんぬき部品２０の棒２０ｂをスライドさせ第１のかんぬき部品１９の嵌合穴１９ａに差し込むことにより水没姿勢を維持する。
次に、図１に示すように、他方の水力発電モジュール３についても前記と同様に待機姿勢から水没姿勢に変化させ、この水没姿勢を維持する。この水没姿勢において、翼車２の回転により発電機６は発電する。

＜引き上げ時＞
図５〜図８に示すように、緊急時またはメンテナンス時においてこの水力発電装置を水路から引き上げる場合、水力発電モジュール３を一個毎に引き上げる。具体的に、引き上げ対象の水力発電モジュール３につき、この水力発電モジュール３の架台１０に繋がる操作手段１３を支持し、第２のかんぬき部品２０の棒２０ｂをスライドさせ、第１のかんぬき部品１９の嵌合穴１９ｂから抜き、前記操作手段１３により架台１０を前記と逆向きに回転させて翼車２を水路から引き上げる。次に前記操作手段１３を支持しつつ、第２のかんぬき部品２０の棒２０ｂをスライドさせ、第１のかんぬき部品１９の嵌合穴１９ｂに差し込む。これにより、水路の流速に阻害されることなく所望のメンテナンス等を行うことができる。

＜作用効果＞
以上説明した水力発電装置によれば、この水力発電装置の設置作業時には、複数の水力発電モジュール３，３を架設フレーム５に設置した状態で、各水力発電モジュール３をそれぞれ待機姿勢にした状態で水路１に設置することができる。この場合、水路１の流速に抗うことなく水力発電装置を容易に設置することができる。したがって、水力発電装置を、計画した場所に容易に且つ確実に設置することができる。また一台のみの水力発電モジュールを設置する場合よりも発電力を増加させることができる。

この水力発電装置の使用時には、各水力発電モジュール３を水没姿勢と待機姿勢とに渡ってそれぞれ独立して回転可能に支持する個別回転支持手段１１を有するため、この水力発電装置を水路１から引き上げる場合、水力発電モジュール３，３を個別回転支持手段１１により一個毎に引き上げることが可能となる。このため、二台の水力発電装置を水路から同時に引き上げる従来例に比べて、引き上げに要する力を分散化することができる。これにより、人力等により水力発電装置を水路１から容易に引き上げることができる。また従来例よりも引き上げに要する時間を短縮することができる。また水力発電モジュール３，３を一個毎に引き上げることが可能となるため、各水力発電モジュール３を別々にメンテナンスすることも可能である。

＜他の実施形態＞
架設フレームに三台以上の水力発電モジュールを設置することも可能である。
水路に渡って架設された架設フレームに対し、各水力発電モジュールをそれぞれ別々に設置することも可能である。この場合、各水力発電モジュールを引き上げ機構等で別々に引き上げて設置することができるため、水力発電装置を二台同時に設置する従来例よりも、引き上げ機構等の小型化を図り設置する時間の短縮を図ることができる。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…水路
２…翼車
３…水力発電モジュール
５…架設フレーム
６…発電機
１０…架台
１１…個別回転支持手段
１３…操作手段
１７…固定具

Claims

水路に渡って架設された架設フレームと、この架設フレームの水路幅方向に並ぶ複数の水力発電モジュールとを備え、各水力発電モジュールが水力を回転力に変換する翼車およびこの翼車の回転により発電する発電機を有する水力発電装置において、
前記各水力発電モジュールを前記架設フレームに対し、前記翼車の下端が前記水路の水面より下に位置する水没姿勢と、前記翼車の全体が前記水路の水面より上に位置する待機姿勢とに渡ってそれぞれ独立して回転可能に支持する個別回転支持手段を有する水力発電装置。
請求項１に記載の水力発電装置において、前記各水力発電モジュールをそれぞれ支持する複数の架台を有し、前記架設フレームに対し、前記個別回転支持手段を介して各架台が回転可能に支持されている水力発電装置。
請求項２に記載の水力発電装置において、前記前記架設フレームに対し、前記各水力発電モジュールをそれぞれ独立して回転させる複数の操作手段を各架台に備えた水力発電装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水力発電装置において、前記個別回転支持手段が蝶番である水力発電装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水力発電装置において、前記架設フレームは、この架設フレームを前記水路に固定する固定具を含む水力発電装置。