JP2021148038A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも水没姿勢から待機姿勢への水車の操作を容易に行うことができ、構造を簡単化することができる水力発電装置を提供する。【解決手段】水力発電装置は、水車２および発電機８を有する水力発電モジュール３と、水力発電モジュール３を支持する支持機構４とを備える。支持機構４は、水路１の両側部に渡って架設され且つ回転自在に支持された回転梁１４と、回転梁１４に固定され水力発電モジュール３を支持する架台６とを有する。回転梁１４は回転装置１５に接続され回転装置１５により、水車２の下端が水路１の水面より下に位置する水没姿勢と水車２の全体が水路１の水面より上に位置する待機姿勢とに渡って上下に回転可能である。回転装置１５は、水車２を水没姿勢から待機姿勢に引き上げるときの引き上げ方向が水路１の上流側であり、支持機構４は、水車２を水没姿勢に維持する姿勢維持機構部２１を有する。【選択図】図１

Description

この発明は、農業用水路、上下水道、工業用水路、小河川等の水路に設置される水力発電装置に係り、特にその水路からの引き上げのための機構に関する。

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のものは、農業用水等の水路に設置して利用されている（例えば、特許文献１）。このような水路に設置された水力発電装置は、増水等の緊急時に、溢水または水力発電装置の損傷を防止するために、水路から引き上げる必要がある。また、メンテナンス時に回転翼またはギヤ、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。

従来の引き上げ機構は、回転梁に水車が取り付けられ、ギヤを使った回転装置で手動もしくはモータにより自動で引き上げを行う（特願２０１８−１４６０８２、特願２０１８−１５４３７９）。また、従来は、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、回転梁を回転させ回転翼５０を下流から上流に向けて水没させた後、水車を機械的に固定するため、回転梁に取り付けられた固定装置を非回転部品に固定用ボルトで固定する。

特開２０１５−１４２１９号公報

従来の引き上げ機構は、回転梁に取り付けられた水車を用水路の下流方向に回転させ引き上げていた。これは、特に手動の場合、前記下流方向に回転させた方が、回転初期に水流が引き上げ方向にアシストし、引き上げが容易化されるというメリットがあったためである。しかし、現状は減速機を介してモータにより水車を引き上げるため、水車の引き上げが容易化されるという効果度は当初より小さくなっている。

一方、従来方法の課題は、水車を下流方向に回転させ引き上げるが故に発電（水車の水没姿勢）時に、前記水没姿勢を維持するための固定具（水流による水車の持ち上げを抑える機構）が必要である。さらに、水車の水没姿勢から待機姿勢への移行時に前記固定具の解除が容易ではない。すなわち、固定具には、常に水流による水車を持ち上げる力が作用しているため、固定具の解除の際、水車に対し一旦押し下げ方向に力を加え、例えば、ボルト等の固定具に作用する力をキャンセルし、操作を行わなければならず、解除操作が複雑になると共に、別途専用装置の設置も必要となっていた。また、固定具が水路内に設けられる場合もあり、解除操作の際、安全に十分配慮する必要があった。

従来例を図１１および図１２に示すが、下流から上流に向け水車５０を水没させた後の回転梁５１に取り付けられた固定装置５２と非回転部品５３との固定用ボルト５４の締結は、人的作業を必要としていた。この固定用ボルト５４の締結は、固定する位置が水路脇のフェンスから遠いため、作業者がフェンス内に入り作業していた。この作業は煩雑であり、増水時などの緊急時に作業者がフェンス内に入って作業しなければならないという課題があった。その結果、回転装置５５にモータを取り付け自動化しても、固定用ボルト５４を締結するのに人的作業が必要なため完全な自動化ができなかった。

この発明の目的は、少なくとも水没姿勢から待機姿勢への水車の操作を容易に行うことができ、構造を簡単化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、水車、およびこの水車の回転により発電する発電機を有する水力発電モジュールと、この水力発電モジュールを支持する支持機構とを備えた水力発電装置であって、
前記支持機構は、水路の両側部に渡って架設され且つ回転自在に支持された回転梁と、この回転梁に固定され前記水力発電モジュールを支持する架台とを有し、前記回転梁は回転装置に接続されこの回転装置により、前記水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水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上下に回転可能であり、
前記回転装置は、前記水車を前記水没姿勢から前記待機姿勢に引き上げるときの引き上げ方向が前記水路の上流側であり、前記支持機構は、前記水車を前記水没姿勢に維持する姿勢維持機構部を有する。

この構成によると、回転装置により水車を上流から下流に向けて水没姿勢にしたとき、回転梁は、水力発電モジュールの自重が作用し水車が水流からのスラスト力を受けるため、常に所定方向回りの回転トルクを受ける。回転装置は、水車を待機姿勢から水没姿勢に引き下げるときの引き下げ方向が水路の下流側であるため、上流から下流へ向かう水の流れを利用して常に水車を姿勢維持機構部で水没姿勢に維持させることができる。上流から下流へ向かう水の流れつまり自然エネルギーを利用して水車を水没姿勢に維持させるため、姿勢維持機構部の構造を簡単化できコスト低減を図ることができる。

水車を水没姿勢から待機姿勢に移行するとき、水流に抗して引き上げる必要があるが、姿勢維持機構部により水車の水没姿勢維持の解除をする操作は無いため、従来のような固定具に作用する力を一旦キャンセルし操作する等の複雑な解除操作を行うことなく容易に姿勢変更を行うことができる。複雑な解除操作を行う必要がなくなるため、人的作業を不要とすることが可能となり水車の引き上げ・引き下げ作業の完全な自動化が可能となる。また水車を引き上げる引き上げ方向を上流側とすることで、待機姿勢時に水車の翼が上方向を向くため、翼の交換等のメンテナンスが容易となる。

前記姿勢維持機構部は、前記回転梁または前記架台に設けられ非回転部品に対し当接離隔可能に構成されてもよい。この場合、姿勢維持機構部が非回転部品に対し当接した状態で、水車を水没姿勢に維持する回転トルクが回転梁に作用する。このため、姿勢維持機構部の構造を簡単化することができる。また固定用ボルト等の締結・離脱作業が不要となり、水車の引き上げ・引き下げ作業を簡単化することができる。

前記非回転部品は、水路壁上面またはこの水路壁上面に固定された部品であってもよい。この場合、既存の水路壁上面またはこの水路壁上面に固定された部品を、非回転部品として利用することができ、姿勢維持機構部の構造を簡単化し得る。

前記姿勢維持機構部は、前記非回転部品に対する当接部に、着脱可能な部材が設けられていてもよい。姿勢維持機構部は、非回転部品に接触し押し付けられた状態ではあるが、流速の変動が大きい水路では、振動が発生し、非回転部品に対する当接部で摩耗が生ずることがある。そのため、姿勢維持機構部は、非回転部品に対する当接部に、着脱可能な部材が設けられていれば、当接部で摩耗が発生しても容易に交換することができる。

前記着脱可能な部材がゴムであってもよい。この場合、流速の変動に起因して姿勢維持機構部に振動が発生しても、ゴムの弾性により振動を抑制し得る。
前記非回転部品には、前記姿勢維持機構部の前記ゴムが当接する被当接部にゴムが設けられ、この被当接部に設けられるゴムの硬度が、前記当接部に設けられるゴムの硬度よりも低く設定されてもよい。この場合、姿勢維持機構部よりも固定側の非回転部品の劣化が相対的に先行するため、劣化状況も見易く、管理し易い。

この発明の水力発電装置は、水車、およびこの水車の回転により発電する発電機を有する水力発電モジュールと、この水力発電モジュールを支持する支持機構とを備えた水力発電装置であって、前記支持機構は、水路の両側部に渡って架設され且つ回転自在に支持された回転梁と、この回転梁に固定され前記水力発電モジュールを支持する架台とを有し、前記回転梁は回転装置に接続されこの回転装置により、前記水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水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上下に回転可能であり、前記回転装置は、前記水車を前記水没姿勢から前記待機姿勢に引き上げるときの引き上げ方向が前記水路の上流側であり、前記支持機構は、前記水車を前記水没姿勢に維持する姿勢維持機構部を有する。このため、少なくとも水没姿勢から待機姿勢への水車の操作を容易に行うことができ、構造を簡単化することができる。

この発明の実施形態に係る水力発電装置の水没姿勢を示す斜視図である。 図１のII部分の拡大斜視図である。 同水力発電装置の水没姿勢の側面図である。 同水力発電装置を水路に設置した状態で水没姿勢の斜視図である。 同水力発電装置を水路に設置した状態で、かつ引き上げ途中の姿勢で示す斜視図である。 同水力発電装置の待機姿勢の斜視図である。 同水力発電装置の姿勢維持機構部を部分的に拡大して示す図である。 この発明の他の実施形態に係る水力発電装置の水没姿勢を示す斜視図である。 同水力発電装置の待機姿勢を示す斜視図である。 従来の水力発電装置の待機姿勢、引き下げ途中の姿勢、および水没姿勢を示す側面図である。 従来の水力発電装置の水没姿勢を示す斜視図である。 図１１のＸII部分の拡大斜視図である。

［第１の実施形態］
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７と共に説明する。
＜水力発電装置全体の概略構成＞
図１および図４に示すように、この水力発電装置は、水路１に設置され、水流による水車２の回転によって発電を行う。水路１は、農業用水路、工業用水路、小河川等であり、同図の例では水路壁がコンクリート等からなる底壁部１ａおよび両側の側壁部１ｂ，１ｂで構成されている。この水力発電装置は、水力発電モジュール３と、この水力発電モジュール３を水路１に支持する支持機構４と、水力発電モジュール３の姿勢を変更する回転装置１５とを備える。

支持機構４は、一対の水路固定体１１，１１と、水路１の両側部に渡って架設され且つ回転自在に支持された回転梁１４と、この回転梁１４に固定された架台６と、翼Ａを水没姿勢に維持する姿勢維持機構部２１とを有する。

一対の水路固定体１１，１１は、水路１の両側部である両肩にそれぞれ設置されている。これら水路固定体１１，１１にベアリングユニット１３，１３が設置され、回転梁１４は、ベアリングユニット１３，１３に長手方向の両端で回転自在に支持されている。架台６は、回転梁１４の長手方向中間付近に接合されて水力発電モジュール３を支持する。回転梁１４は、回転装置１５に接続されこの回転装置１５により、翼Ａの下端が水路１の水面Ｓより下に位置する水没姿勢と翼Ａの全体が水路１の水面Ｓより上に位置する待機姿勢とに渡って上下に回転可能である。

＜水路固定体１１＞
水路固定体１１は、水路壁の側壁部１ｂの上面から内側面に沿って設置された下向きでＬ形の断面形状の固定梁等と、回転装置受け台１７とを有する。水路固定体１１の回転装置受け台１７に一方のベアリングユニット１３が設置されている。水路１の両側の水路固定体１１，１１は、繋ぎ材１２で相互に接続されている。

＜水力発電モジュール３について＞
図１に示すように、水力発電モジュール３は、水車２およびこの水車２の回転により発電する発電機８を有する。発電機８は、例えば永久磁石同期型である。
水車２は、通常は水路１の流水中に没する状態に設けられ、水力を回転力に変換する。翼Ａは、回転軸心Ｏ１が水路１の水流の流れる方向と平行なプロペラ型であり、前記回転軸心Ｏ１の周囲に放射状に延びる複数枚（図示の例では５枚）の羽根２ａを有している。
翼Ａの向きは、正面が水流の上手側に向けられ、ギヤボックス９が背面に位置する。

翼Ａの回転軸（図示せず）は、ギヤボックス９に設置された軸受（図示せず）により回転自在に支持される。翼Ａの回転は、ギヤボックス９内の互いに噛み合う傘歯車等のギヤ列（図示せず）によって増速される。ギヤボックス９の出力軸は、上下方向に延びる支柱１０内の伝達軸（図示せず）を介して発電機８の入力軸（図示せず）に接続されている。

＜回転梁１４について＞
図１および図２に示すように、回転梁１４の長手方向の一端は、回転装置１５にカップリング１６によって連結されている。回転梁１４は、断面四角形の角パイプで構成され、両端に図示外の形状対応部品が取り付けられている。回転梁１４は、前記形状対応部品を介してベアリングユニット１３に回転自在に支持され、カップリング１６に連結されている。ベアリングユニット１３は、ピロー形等の軸箱内に玉軸受等の転がり軸受を備えた構成であって、調心機能を有している。カップリング１６は、接続する両軸の多少の傾きを吸収可能な構成のもの、例えばチェーンカップリングが好ましい。

＜架台６について＞
図１に示すように、架台６は、回転梁１４の側面に片持ち状に延びて取り付けられた枠組体状の架台である。架台６は、回転梁１４の側面にそれぞれ基端が溶接等で接合された２本の平行な片持ちフレーム材１８，１８と、これら片持ちフレーム材１８，１８間に掛け渡した設置板１９と、設置板１９上に取付けられた発電機台２０とを有する。２本の片持ちフレーム材１８，１８は、それぞれアングル材等からなり、互いに内向きでかつ上向きに設けられている。各片持ちフレーム材１８は、基端が回転梁１４の平面からなる側面に溶接等で接合されている。
発電機８は、設置板１９上に取付けられた発電機台２０により、出力軸が設置板１９に垂直な方向に設置されている。前記出力軸から延びる支柱１０は、設置板１９の下方に取り付けられている。

＜回転装置１５について＞
図２および図３に示すように、回転装置１５は、回転装置受け台１７上に設置された減速機１５ｂと、この減速機１５ｂの入力軸（図示せず）に設けられた手回し用のハンドル１５ｃとを有する。ハンドル１５ｃは正逆回転可能であり、減速機１５ｂはハンドル１５ｃの回転を減速して回転梁１４に伝達する。

＜回転装置１５および姿勢維持機構部２１＞
図４〜図６に示すように、回転装置１５は、水車２を水没姿勢（図４）から待機姿勢（図６）に引き上げるときの引き上げ方向が水路１の上流側である。待機姿勢（図６）から回転装置１５のハンドル１５ｃを回転させ、水車２を上流から下流に向けて９０°姿勢変更することで水没姿勢（図４）となる。

回転梁１４は、水車２が水流からのスラスト力を受け、また水力発電モジュール３の自重Ｆ１(図３)が作用するため、常に所定方向回りＡ１（図３）の回転トルクを受ける。そのため、図１、図２および図４に示すように、水没姿勢時は回転梁１４に取り付けられている姿勢維持機構部２１が、非回転部品である回転装置受け台１７に接触し、水流および自重により押し付けられていることから、これ以上回転することができない。このため、水力発電モジュール３は固定される。換言すれば、姿勢維持機構部２１により水車２を水没姿勢に維持する。

姿勢維持機構部２１は、この例では回転梁１４の長手方向一端に設けられ、回転装置受け台１７の上面（被当接部）に対し当接離隔可能に構成されている。この例の姿勢維持機構部２１は、略Ｌ字形状に形成された二つのアーム部２１ａ，２１ａと、各アーム部２１ａに着脱可能に設けられた取り換え用部品（着脱可能な部材）２１ｂを有する。回転梁１４の長手方向一端における二側面に、二つのアーム部２１ａ，２１ａの内側面がそれぞれ当接した状態で、姿勢維持機構部２１が回転梁１４に固定されている。

姿勢維持機構部２１は、回転装置受け台１７に対する当接部に、取り換え用部品２１ｂが設けられている。具体的には、各アーム部２１ａの外側面における先端部に、それぞれ直方体状の取り換え用部品２１ｂがボルト２１ｃにより着脱可能に固定されている。各取り換え用部品２１ｂは、それぞれ弾性変形な弾性体（例えば、ゴム）であり回転装置受け台１７の上面に当接可能である。

一方（図２手前側）のアーム部２１ａに固定された取り換え用部品２１ｂは、前記水没姿勢において回転装置受け台１７に当接し、水没姿勢以外の水車の引き上げ途中または引き下げ途中、待機姿勢時には回転装置受け台１７から離隔する。他方（図２奥側）のアーム部２１ａに固定された取り換え用部品２１ｂは、前記待機姿勢において回転装置受け台１７に当接し、待機姿勢以外の水車の引き下げ途中または引き上げ途中、水没姿勢時には回転装置受け台１７から離隔する。

さらに回転装置受け台１７には、取り換え用部品２１ｂである前記ゴムが当接する被当接部にゴム１７ａを付設してもよい。但し、固定側である被当接部に設けられるゴム１７ａの硬度が、回転側である姿勢維持機構部２１のゴムの硬度よりも低く設定されている。この場合、姿勢維持機構部２１よりも固定側の非回転部品の劣化が相対的に先行するため、劣化状況も見易く、管理し易い。

＜作用効果＞
以上説明した水力発電装置によれば、回転梁１４は、水車２が水流からのスラスト力を受けるため、常に所定方向回りの回転トルクを受ける。そのため、水没姿勢時は回転梁１４に取り付けられている姿勢維持機構部２１が回転装置受け台１７に接触し、水流および自重により押し付けられていることから、これ以上回転することができない。このため、姿勢維持機構部２１により水車２を水没姿勢に維持することができる。上流から下流へ向かう水の流れつまり自然エネルギーを利用して水車２を水没姿勢に維持させるため、姿勢維持機構部２１の構造を簡単化できコスト低減を図ることができる。

水車２を水没姿勢から待機姿勢に移行するとき、水流に抗して引き上げる必要があるが、姿勢維持機構部２１により水車２の水没姿勢から待機姿勢への移行は、従来のような固定具に作用する力を一旦キャンセルし操作する等の複雑な解除操作を行うことなく容易に行うことができる。複雑な解除操作を行う必要がなくなるため、人的作業を不要とすることが可能となり水車２の引き上げ・引き下げ作業の完全な自動化が可能となる。また水車２を引き上げる引き上げ方向が上流側とすることで、待機姿勢時に翼Ａの羽根２ａが上方向を向くため、羽根２ａの交換等のメンテナンスが容易となる。

姿勢維持機構部２１は、非回転部品に接触し押し付けられた状態ではあるが、流速の変動が大きい水路１では、振動が発生し、非回転部品に対する当接部で摩耗が生ずることがある。そのため、姿勢維持機構部２１は、非回転部品に対する当接部に、着脱可能な部材が設けられていれば、当接部で摩耗が発生しても容易に交換することができる。
前記着脱可能な部材がゴムである場合、流速の変動に起因して姿勢維持機構部２１に振動が発生しても、ゴムの弾性により振動を抑制し得る。

＜他の実施形態について＞
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

図８および図９に示すように、姿勢維持機構部２１Ａが架台６に取り付けられてもよい。この姿勢維持機構部２１Ａは、非回転部品である水路壁上面１ｂａに対し当接離隔可能に構成されている。姿勢維持機構部２１Ａは、例えば、断面四角形の角パイプ等から成る。架台６の片持ちフレーム材１８，１８における先端部の下面に姿勢維持機構部２１Ａが固定され、姿勢維持機構部２１Ａは、水路幅方向に延び回転梁１４に平行に配置される。
この構成においても、前述の実施形態と同様の作用効果を奏する。なお、この姿勢維持機構部２１Ａにおいて、水路壁上面１ｂａに対する当接部に、ゴムが着脱可能に固定されていてもよい。さらに水路壁上面１ｂａにおける、前記ゴムが当接する被当接部にゴムを付設してもよい。

回転装置１５の手回し用のハンドル１５ｃに代えて、モータを適用してもよい。すなわち、回転装置１５は、正逆回転可能な電動のモータと、このモータの回転を減速する前記減速機１５ｂとを有する構成としてもよい。この場合、水車２の引き上げ・引き下げ作業の自動化を推進することができる。

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…水車、３…水力発電モジュール、４…支持機構、６…架台、８…発電機、１４…回転梁、１５…回転装置、１７…回転装置受け台（非回転部品）、２１…姿勢維持機構部

Claims (6)

1. 水車、およびこの水車の回転により発電する発電機を有する水力発電モジュールと、この水力発電モジュールを支持する支持機構とを備えた水力発電装置であって、
   前記支持機構は、水路の両側部に渡って架設され且つ回転自在に支持された回転梁と、この回転梁に固定され前記水力発電モジュールを支持する架台とを有し、前記回転梁は回転装置に接続されこの回転装置により、前記水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水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上下に回転可能であり、
   前記回転装置は、前記水車を前記水没姿勢から前記待機姿勢に引き上げるときの引き上げ方向が前記水路の上流側であり、前記支持機構は、前記水車を前記水没姿勢に維持する姿勢維持機構部を有する水力発電装置。
2. 請求項１に記載の水力発電装置において、前記姿勢維持機構部は、前記回転梁または前記架台に設けられ非回転部品に対し当接離隔可能に構成される水力発電装置。
3. 請求項２に記載の水力発電装置において、前記非回転部品は、水路壁上面またはこの水路壁上面に固定された部品である水力発電装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の水力発電装置において、前記姿勢維持機構部は、前記非回転部品に対する当接部に、着脱可能な部材が設けられている水力発電装置。
5. 請求項４に記載の水力発電装置において、前記着脱可能な部材がゴムである水力発電装置。
6. 請求項５に記載の水力発電装置において、前記非回転部品には、前記姿勢維持機構部の前記ゴムが当接する被当接部にゴムが設けられ、この被当接部に設けられるゴムの硬度が、前記当接部に設けられるゴムの硬度よりも低く設定された水力発電装置。
   

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