JP2020128708A

JP2020128708A - 水流発電機用昇降装置及び水流発電装置

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Publication number: JP2020128708A
Application number: JP2019020762A
Authority: JP
Inventors: 貴光冨山; Takamitsu Tomiyama; 勇樹林; Yuki Hayashi; 関　和市; Kazuichi Seki; 和市関
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: WO2020162071A1; JP7319054B2

Abstract

【課題】どのような設置環境であっても容易に設置を行うことができ、機械構造体の大型化をすることなく、水位の変動があった場合であっても変動後の水位に応じて水車が常に水面下に配置されるように水流発電機の位置を昇降させることができる水流発電機用昇降機構及び水流発電装置を提供する。【解決手段】水流を受けて回転駆動力を得る水車と、該水車を回転自在に支持する回転軸と、該回転軸に連結されて前記回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、を有する水流発電機を備え、前記水流発電機を吊下げる架台と、前記水流発電機と前記架台とを接続し、前記水流発電機を昇降可能に保持すると共に、前記回転軸の周方向に離れて位置する昇降機構を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水流発電機用昇降装置及び水流発電装置に関するものである。

従来、水車が水流を受けることによって回転駆動力を得て、当該回転駆動力を発電機に伝達することで電力を発生させる水流発電機が知られている。このような水流発電機は、水車が水流を適切に受けることで発電が効率良く行われるため、水車が常に水面下に配置されるように設置環境に応じて水流発電機の設置方法が設計されている。

また、用水路や河川の水流を用いて発電を行う場合には、天候などの環境的な要因によって水位が変動するため、水車が適切に水流を受けることができるように、水位が変動した場合に水流発電機の位置を変更することができる機構を備えることが知られている。このような水位の変動に追従することができる機構としては、種々の構造が知られているが、例えば、特許文献１に示すように、水位の上下動に伴って、水流発電機を昇降させる機構を支持櫓に設置している。

このような水流発電機によれば、水位の変動に伴って、水車を昇降させて常に水車が水面下に配置されるように構成することができるので、効率的に水流から受けた回転駆動力を発電機に伝達させて電力を発生することが可能となる。

特開２００７−２１１６５１号公報

しかし、従来の水流発電機によれば、設置環境に応じて水流発電機の設置方法を設計しているので、地表面から水面が遠い（水面が深い）場所に水流発電機を設置しようとすると、水車の回転を伝達する回転軸を長くするなど、機械構造体を設置環境毎に設計しなければならなかった。しかし、回転軸を長くすると、水車が水流を受けることから回転軸にモーメント荷重が加わり、当該モーメント荷重によって回転軸が曲がったり破損したりすることから、これを防止するために、回転軸の径を大きく設計する必要が生じ、回転軸の大型化に伴って、回転軸を支持するベアリングなどの支持部材も大型化し、装置全体が大型化してしまうという課題があった。

また、設置場所に応じて水流発電機を確実に設置するために、支持櫓などの構造物を設置場所に応じて、専用に設計しなければならなかった。

また、水位の変動に追従することができる機構についても、特許文献１に記載されているように、水流発電機を上下動させるために、水車のストローク量分だけ回転軸を長く設計する必要があり、上述したように装置全体が大型化してしまうという問題があった。さらに、発電機本体を固定し、回転軸のみを水位変動に伴って上下動させる構造も考えられるが、この場合、回転軸を上昇させた際に、それまで暴露していた回転軸の表面が水流発電機の軸受や他の部品と接触することで、水流発電機内部に異物や水滴が混入するため防塵・防水性が低下するという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、どのような設置環境であっても容易に設置を行うことができ、機械構造体の大型化をすることなく、水位の変動があった場合でも変動後の水位に応じて水車が常に水面下に配置されるように水流発電機の位置を昇降させることができる水流発電機用昇降装置及び水流発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明に係る水流発電機用昇降装置は、水流を受けて回転駆動力を得る水車と、該水車を回転自在に支持する回転軸と、該回転軸に連結されて前記回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、を有する水流発電機の水流発電機用昇降装置であって、前記水流発電機を吊下げる架台と、前記水流発電機を取り付けると共に、前記回転軸とは異なる案内軸を有する昇降機構を備え、前記昇降機構は、前記架台に対して取り付け位置を変更可能に取り付けられることを特徴とする。

本発明に係る水流発電機用昇降装置及び水流発電装置によれば、装置全体の大型化を招くことなく、また水流発電機自体に改良を加えることなく、様々な環境に応じて架台と昇降機構の組合せによって水流発電機の位置を任意に設定することができるので、安定した発電が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の斜視図。本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の正面図。本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の昇降機構の一部断面斜視図。本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の昇降機構の筺体の断面図。本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の動作を説明する図であって、（ａ）は、水流発電機が上方に位置する場合を示し、（ｂ）は水流発電機が下方に位置する場合を示す。本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の動作を説明する図であって、（ａ）は、水流発電機を上方に移動した場合を示し、（ｂ）は水流発電機を中央に移動した場合を示し、（ｃ）は水流発電機を下方に移動した場合を示す。本発明の第２の実施形態に係る水流発電装置の正面図。本発明の第３の実施形態に係る水流発電装置の正面図。

以下、本発明に係る水流発電装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の斜視図であり、図２は、本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の正面図であり、図３は、本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の昇降機構の一部断面斜視図であり、図４は、本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の昇降機構の筺体の断面図であり、図５は、本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の動作を説明する図であって、（ａ）は、水流発電機が上方に位置する場合を示し、（ｂ）は水流発電機が下方に位置する場合を示す図であり、図６は、本発明の第１の実施形態に係る水流発電装置の動作を説明する図であって、（ａ）は、水流発電機を上方に移動した場合を示し、（ｂ）は水流発電機を中央に移動した場合を示し、（ｃ）は水流発電機を下方に移動した場合を示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係る水流発電装置１は、水流発電機１０と、該水流発電機１０を吊下げるように昇降機構２０を介して取り付ける架台２とを備えている。架台２は、鋼管などを井桁状に組み付けて形成されている。本実施形態に係る水流発電装置１における架台２は、略水平に３本の水平鋼管２ａと当該水平鋼管２ａと略直交するように配置された２本の直交鋼管２ｂとからなっており、水流発電機１０の上方は、水流発電機１０が昇降機構２０によって上方に移動させた場合でも、水平鋼管２ａ及び直交鋼管２ｂと干渉しないように互いの鋼管間の距離を水流発電機１０の大きさよりも大きくなるように退避空間Ｓが形成されている。

水流発電機１０は、水流を受けて回転駆動力を得る水車１１と、一端に該水車１１を取り付けて当該水車１１を支持する回転軸１２と、該回転軸１２の他端に連結され回転軸１２の回転駆動力を受けて電力を発電する発電機１３とを備えている。水車１１には複数のブレード１１ａが所定の間隔で周方向に配置されている。なお、ブレード１１ａの形状は、従来周知の種々の形状を適用することができる。また、発電機１３は、回転軸１２の回転駆動力を受けて電力を発生させる部材であり、その構造は従来周知の種々の発電機の構造を採用することができ、例えば、回転軸１２と共に回転するコイルステータと、該コイルステータの外周面に対向するように配置された複数の磁石からなるマグネットロータとを有する構成などを採用することができる。

図２に示すように、水流発電機１０は、昇降機構２０の移動部材２１に取り付けられた発電機取付部１４に取り付けられており、移動部材２１の上下動に伴って後述する昇降方向に移動可能とされている。なお、架台２は、水平鋼管２ａ及び直交鋼管２ｂの他に、直交鋼管２ｂと略平行に延びて昇降機構２０に当接する補強部２ｃと昇降機構２０と水平鋼管２ａを連結するトラス補強部２ｄを有しており、昇降機構２０が受けるモーメント荷重に対して適切な剛性を有している。また、昇降機構２０の下端には、水位センサ５０が取り付けられており、本実施形態に係る水流発電装置１と水面との相対的な距離を検出可能となっている。この水位センサ５０は、従来周知の種々の構成を採用可能であり、接触式や非接触式の何れを採用しても構わない。

図３に示すように、本実施形態に係る水流発電装置１の昇降機構２０は、電動式直動アクチュエータを用いると好適であり、昇降機構２０は、長手方向に延設される筺体２２と、筺体２２に対して移動可能に組み付けられた移動部材２１と、移動部材２１に取り付けられたナット部材３１と該ナット部材３１を貫通するとともに周方向に回転自在に取り付けられたねじ軸３２と、から成る駆動装置であるボールねじ装置３０と、ねじ軸３２を回転可能に保持するモータ３３とを備えており、移動部材２１は、筺体２２の側壁２３の端部に取り付けられた案内装置である直線案内装置４０の移動ブロック４２及びボールねじ装置３０のナット部材３１に取り付けられて長手方向に往復移動可能に組み付けられている。図２に示すように、昇降機構２０は、水流発電機１０を昇降方向に昇降可能に保持している。さらに、直線案内装置４０の移動ブロック４２は、ボールねじ装置３０の駆動に伴って移動する移動部材２１に取り付けられて昇降方向に移動可能とされている。

図４に示すように、筺体２２は、長手方向に沿って延設されると共に、互いに対向する一対の側壁２３と、側壁２３の端部同士を連結する底壁２４とを有する概略断面コ字状に形成された部材であり、水流発電機１０を支える支持構造体としても十分な剛性を有している。また、側壁２３及び底壁２４にはそれぞれ肉抜きが形成されており、装置全体の軽量化を図ることができる。なお、筺体２２は、アルミニウム合金で構成されており、装置全体の軽量化を図ることができると共に、上述したような肉抜きや取付部２５といった複雑な構造も容易に形成することが可能となっている。

また、側壁２３の上下端には、それぞれ相手部材を取り付ける取付部２５が形成されている。取付部２５は、長手方向に沿って延びる断面略Ｔ字状の溝であり、拡径部２５ａと挿入部２５ｂとを有している。このような取付部２５は、拡径部２５ａにナットなどを組み付け、当該ナットに挿入部２５ｂから挿入したボルトを締結することで、相手部材を取り付けることができ、例えば図２に示すように、昇降機構２０と架台２とを取付金具３を介して組み付けることができる。なお、取付部２５は、長手方向に沿って形成されているので、拡径部２５ａの任意の位置にナットを移動することができ、昇降機構２０の取り付け位置も自由に設定することができる。

さらに、側壁２３の端部（図４における上端）には、直線案内装置４０が取り付けられており、側壁２３の端部に形成された取付部２５に長手方向に沿って延設された軌道部材４１が取り付けられ、該軌道部材４１には、軌道部材４１に対して往復運動可能に移動ブロック４２が組み付けられている。軌道部材４１と移動ブロック４２の間には複数の転動体が帯状の保持部材に保持されて循環しており、当該転動体によって荷重を負荷しながら移動ブロック４２が軌道部材４１に沿って円滑に移動可能に組み付けられている。なお、複数の転動体は、軌道部材４１の長手方向に沿った転動体転走溝と移動ブロック４２に形成された当該転動体転走溝に対応する負荷転動体転走溝から成る転動体転走路、移動ブロックの長手方向に沿って貫通する転動体戻し路及び転動体転走路と転動体戻し路の端部同士を連結する方向転換路からなる無限循環路内を転走する。

また、図３に示すように、ボールねじ装置３０は、外周面に所定のリードで螺旋状のねじ溝が形成されると共に、軸線方向に沿って延びて形成されたねじ軸３２と、該ねじ軸３２が貫通する貫通孔を備え、該貫通孔の内周面にねじ軸３２に形成されたねじ溝と対向する負荷転動体ねじ溝が形成されたナット部材３１と、ねじ溝と負荷転動体ねじ溝との間に複数の転動体を配列してねじ軸３２とナット部材３１とが螺合している。このように構成されたボールねじ装置３０は、ねじ軸３２がモータ３３によって回転力を受けることで、ナット部材３１との相対的な回転によってナット部材３１がねじ軸３２の軸線方向に沿って運動するように構成されている。

なお、ねじ軸３２は、筺体２２には長手方向に沿って取り付けられており、該ねじ軸３２の軸方向が昇降機構２０の昇降方向として構成されている。また、水流発電機１０の回転軸１２と昇降機構２０とは、回転軸１２の周方向に離れて位置するように互いに配置されている。なお、モータ３３は図示しない電源部及び制御装置に接続されており、水位センサ５０から得られた水位の状態に基づいて水車１１の位置が適切に水面下に位置するように、制御装置によって回転運動の制御が行われている。また、ねじ軸３２の回転は、モータ３３によって自動に回転させる場合と、ねじ軸３２の軸端などにハンドル等の操作部を取り付けて手動によって回転させる場合とを切り替えることができると好適である。

このように、ねじ軸３２を水位センサ５０によって取得した水位に応じて適切な位置に水流発電機１０を移動させるようにモータ３３によって回転させることで、水位の変動に追従して自動で水流発電機１０の位置を調整することができるので、水流発電機１０の発電効率を安定させることができる。

また、昇降機構２０が故障したり、緊急に水流発電機１０の位置を調整する必要が生じた場合などは、手動による操作も可能であることで、フレキシブルな対応をおこなうことができる。

また、ねじ軸３２は、モータ３３側の端部に図示しない保持部材によって保持されており、他端側は自由端とされている。したがって、案内軸となるねじ軸３２の水面側端部を自由端とすることで、水面から飛散する水滴などの影響によってねじ軸３２の回転運動に支障をきたすことがないように構成されている。

図５に示すように、本実施形態に係る水流発電装置１は、（ａ）に示すように昇降機構２０の移動部材２１を上方に移動させることで、退避空間Ｓを貫通するように発電機１３を配置することができるので、昇降機構２０のストロークを十分に活用して水車１１の位置を最も高い位置へ移動させることが可能となる。

また、図５（ｂ）に示すように、移動部材２１を昇降機構２０の下方に移動させることで、水流発電機１０の位置は最も下方とすることができ、水位センサ５０が検出する水位の状態によって水車１１が適切に水中に配置されるように水流発電機１０の位置を調整することが可能となる。

また、昇降機構２０は、上述したように長手方向に延びる溝状の取付部２５を有しているので、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、架台２に対して昇降方向に取付位置を変更可能に取り付けられている。このように昇降機構２０の取り付け位置を自在に調整することができるので、水流発電装置１の設置場所に応じて適切な深さに昇降機構２０を取り付けることができる。さらに、水流発電装置１の設置された場所の水位の変動が昇降機構２０のストロークを超えて大きく変動した場合には、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、水面高さに応じて昇降機構２０の取り付け位置を変更することで適切に水面下に水車１１が位置するように調整することができる。

［第２の実施形態］
以上、説明した第１の実施形態に係る水流発電装置１では、水流発電機１０を昇降機構２０の移動部材２１に取り付けた発電機取付部１４を介して取り付けた場合について説明を行った。次に説明する第２の実施形態に係る水流発電装置は、水流発電機の他の取り付け方法について説明を行うものである。なお、上述した第１の実施形態と同一又は類似する部材については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る水流発電装置の正面図である。

図７に示すように、本実施形態に係る水流発電装置１ａは、第１の実施形態に係る水流発電装置１に対して、水流発電機１０ａの取付方法が異なっている。本実施形態に係る水流発電機１０ａは、発電機１３ａのハウジングから取付腕部１５が一体に形成されており、該取付腕部１５を直接、昇降機構２０の移動部材２１に取り付けることができるように構成されている。

このように、発電機１３ａのハウジングに取付腕部１５を一体に形成することで、発電機取付部１４などの移動部材２１に発電機を取り付けるための部材が不要となり、部品点数の削減を図ることが可能となり、製造コストの低減を図ることができる。

［第３の実施形態］
以上、説明した第１及び第２の実施形態に係る水流発電装置では、昇降機構２０を水面に対して略直交する方向に配置した場合について説明を行った。次に説明する第３の実施形態に係る水流発電装置は、昇降機構の異なる取り付け形態について説明を行う。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る水流発電装置の正面図である。

図８に示すように、昇降機構２０が架台２に対して垂直方向から傾いて取り付けられている。昇降機構２０は、取付金具３ａを介して架台２に取り付けられているので、取付金具３ａを第１及び第２の実施形態に係る水流発電装置と異なり、所定の角度を有する形状とすることで、架台２に対して昇降機構２０を傾けて取り付けることが可能となる。

また、水流発電機１０は、発電機取付部１４ａを介して昇降機構２０の移動部材２１に取り付けられており、発電機取付部１４ａは、水面と略平行に配置される底面１４ｂと底面１４ｂから所定の角度傾いて立設する側面１４ｃとを有している。

このように昇降機構２０を取り付けることで、地表面Ｌから穴Ｈが斜めに形成された場合など、昇降機構２０を垂直方向に案内することができない場合でも、水流発電機１０を設置することができ、水面の変動に追従して水車１１の位置を適切に水面下に配置することができる。

なお、上述した実施形態においては、直線案内装置４０及びボールねじ装置３０をそれぞれ転動体を用いた循環構造を有する部材を用いた場合について説明を行ったが、直線案内装置及びボールねじ装置は、共に転動体を用いない滑り構造の要素部材を用いても構わない。また、ボールねじ装置は、移動部材を案内軸に沿って移動させることができれば、ボールねじ装置に限らず、例えばラック＆ピニオン機構を用いても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１，１ａ水流発電装置，２架台，１０水流発電機，１１水車，１２回転軸，１３発電機，２０昇降機構，２１移動部材，２２筺体，２３側壁，２４底壁，３２案内軸（ねじ軸）。

Claims

水流を受けて回転駆動力を得る水車と、
該水車を回転自在に支持する回転軸と、
該回転軸に連結されて前記回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、を有する水流発電機を備え、
前記水流発電機を吊下げる架台と、
前記水流発電機と前記架台とを接続し、前記水流発電機を昇降可能に保持すると共に、前記回転軸の周方向に離れて位置する昇降機構を備えることを特徴とする水流発電機用昇降装置。
請求項１に記載の水流発電機用昇降装置において
前記昇降機構は、前記水流発電機の昇降方向に移動可能な案内装置と、前記案内装置を昇降方向に駆動させる駆動装置と、前記案内装置と前記駆動装置が組み付けられる移動部材を有し、
前記移動部材に前記水流発電機が取り付けられることを特徴とする水流発電機用昇降装置。
請求項１又は２に記載の水流発電機用昇降装置において、
前記昇降機構は、前記架台に対して取り付け位置を昇降方向に変更可能に取り付けられることを特徴とする水流発電機用昇降装置。
請求項２に記載の水流発電機用昇降装置において、
前記駆動装置は、昇降方向に延びるねじ軸を有し、前記ねじ軸は、一端が支持部材によって固定され、他端が自由端に配置されることを特徴とする水流発電機用昇降装置。
請求項１から４の何れか１項に記載の水流発電機用昇降装置を備える水流発電装置。