JP3147950U - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流れてくるゴミ、草木を逃がし、スクリューの故障を防止し、急な増水、発電可能以上の流速において、スクリューの過剰回転を防止し、或いは発電を中止をするなど、スクリューへの負荷、流量に順応した水力発電装置を提供する。【解決手段】川に係留された船体と、前記船体に搭載した発電機２と、前記発電機の軸を水流１３ａにより回転させる複数の羽根４ａを有するスクリュー４とからなり、前記羽根が、所定以上の流速又は負荷のとき先端部ほど下流側に大きく湾曲する水力発電装置１の構成とした。【選択図】図４

Description

本考案は、水流に順応した水力発電装置に関する。

従来の水力発電用装置、特に船型に関して、特許文献１、２に記載の発明がある。特許文献１に記載の船型の水力発電装置は、水流１の岸２に、杭３とロープ４で船型の水上浮揚構造物６を繋留し、スクリュー７によって、発電機９を作動させることを特徴とする。
特開平１１−３７０３３号公報

また、特許文献２に記載のエネルギー回収装置は、流水の流れ（ １ ） に抗して係留された浮体（ １ ０ ） と、該浮体に取付けられ前記流れに沿って移動する複数の受圧羽根（ １ ２ ） を有するエネルギー回収装置（ ２ ０ ） とを備え、受圧羽根の移動によりエネルギーを回収することを特徴とする（請求項１）。また、前記エネルギー回収装置（ ２ ０ ） は、水平軸を中心に回転可能に支持された上流側及び下流側のスプロケット（ １ ４ ａ 、１ ４ ｂ ） と、該スプロケット間に架け渡されたエンドレスチェーン（ １ ６ ） と、上流側又は下流側のスプロケットの回転エネルギーを回収する動力装置（ １ ８ ） とを備え、前記複数の受圧羽根（ １ ２ ） は、エンドレスチェーンに沿って間隔を隔てて取付けられる、ことを特徴とする（請求項２）。さらに、前記受圧羽根（ １ ２ ） は、流水の流れ（ １ ） に直交するように延び、かつ流入した流れが上流側に流出するように受圧面が凹状に形成されている、ことを特徴とする。
特開２００４−２７０６７４号公報

しかし、特許文献１、２に記載の発明は、いずれも羽根に柔軟性がなく、流速が早い場合、ゴミ、草、流木などがスクリューに引っ掛かった場合など、羽根、スクリューが破損してしまう。また、豪雨、台風など川が予想以上増水した場合など、スクリューが過剰回転し、スクリューに破損を来すことがある。

そこで、本考案は、流れてくるゴミ、草木を逃がし、スクリューの故障を防止し、急な増水、発電可能以上の流速において、スクリューの過剰回転を防止し、或いは発電を中止をするなど、スクリューへの負荷、流量に順応した水力発電装置を提供することを目的とする。

本考案は、上記の課題を解決するために、発電機の軸を回転させる回転軸と、水流により回転し、前記回転軸を回転させる複数の羽根を有するスクリューからなる水力発電装置のスクリューであって、前記羽根が、所定以上の流速又は負荷のとき先端部ほど下流側に大きく湾曲することを特徴とするスクリューの構成、前記スクリューが、発電中止以上の流速、或いは負荷が所定以上のとき、水面上に引き上げられることを特徴とする前記スクリューの構成とした。

また、川に係留された船体と、前記船体に搭載した発電機と、前記発電機の軸を回転させる前記何れかに記載のスクリューと、からなることを特徴とする前記水力発電装置の構成、前記発電機を、前記船体に固定した支持部材に回転可能に固定した設置台に載せ、かつ、前記設置台と前記船体とをラインを介して固定し、前記設置台の回転幅を調節し、前記スクリューの浸水程度を調節することを特徴とする前記水力発電装置の構成とした。

また、前記船体後部に回転可能に設けた軸と、前記軸に固定され、水中に略垂直に挿入される管と、前記管の中を挿通する発電機の軸を回転させる第２回転軸と、前記スクリューにより回転し、前記第２回転軸をギアを介して回転させる回転軸と、前記第２回転軸の延長上に位置し、前記発電機を載せる設置台と、前記設置台底面と船体とに係止するバネとを設け、前記バネのバネ付勢によりスクリューを水中に位置させ、前記スクリューへの所定以上の水圧によってバネを圧縮させ、前記スクリューが水上に引き上がり、水圧が解消した後には前記バネ付勢により、前記スクリューが水中に戻ることにより、前記スクリューの昇降が自動で行われることを特徴とする前記記載の水力発電装置の構成とした。

さらに、前記船体後部に固定した固定部材と、前記固定部材に回転可能に設けた軸と、前記軸に固定され、前記発電機を載せる設置台と、前記設置台を貫通し、前記発電機の回転軸を中に通し、水中に挿入される管と、前記管の中を挿通する発電機の軸を回転させる第２回転軸と、前記スクリューにより回転し、前記第２回転軸をギアを介して回転させる回転軸と、前記設置台と前記固定部材とを船体外で連結する弾性体とを設け、前記弾性体の張力により、設置台を傾けスクリューを水中に位置させ、前記スクリューへの所定以上の負荷によって弾性体を伸ばしながら前記スクリューが水上に引き上がり、負荷が解消した後には前記弾性体の張力により、前記スクリューが水中に戻ることにより、前記スクリューの昇降が自動で行われることを特徴とする前記水力発電装置の構成とした。

前記弾性体の反固定部材側が、前記設置台側面に第２軸を介して回転可能に取り付けたバーに連結され、前記バーの反弾性体側は、前記設置台に設けたフックで固定・解除可能にしたことを特徴とする前記水力発電装置の構成とした。

川に係留された船体と、前記船体に搭載した発電機と、前記発電機の軸を回転させ、前記船体平面中央に位置する水車型の前記何れかに記載のスクリューと、からなることを特徴とする水力発電装置の構成、前記船体の川下側の側面下方に、川上方向が上で、川下方向が下に位置する板状のフィンを設け、流速に従って、船体後部が上下動してスクリューの浸水位置が変動することを特徴とする前記水力発電装置の構成、前記発電器と陸に設置した蓄電池とを川底地中に埋設され、又は船体上に立設した柱上部を通るケーブルで繋いだことを特徴とする前記何れかに記載の水力発電装置の構成とした。

本考案の水力発電装置は、上記構成であるから、次の効果を発揮する。第１に、羽根が柔軟な素材であり、所定負荷以上で川下側に反り、上流から流れてきたゴミ、草木を逃がし、スクリューの破損を防止する。さらに、所定以上の流速においても羽根が川下側に反り、流水を逃がし、スクリューの過剰回転、スクリュー、発電機の故障を防止する。

また、スクリューに負荷が掛かる場合において、スクリュー、回転軸が自動で引き上げられ、また上昇するため、スクリューの過剰回転、破損を低減する。

以下、添付図面に基づき、本考案である水力発電装置について詳細に説明する。

図１は、本考案である水力発電装置の平面模式図である。水力発電装置１は、川１３に係留された船体８と、船体８に搭載した発電機２と、発電機２の軸を回転軸３を介して回転させるスクリュー４とからなる。

船体８の係留は、川底に沈めたアンカー、川底に打ち込んだ杭などの固定具１０と、船体８をロープ９等で繋ぐことで可能である。その他に、川岸から川１３中央に係留しても、川１３に設置された橋、テトラポットなどの構造物、設置物にロープ９で繋ぎ係留してもよい。

発電機２は、船体８に立設した左右の支持部材６、６に渡され、回転可能な軸７に固定された設置台５上に設置されている。

設置台５は、船体８前後方向に回動する。これにより、回転軸３及びスクリュー４を昇降させることができる。設置台５が船体８前方に回転することで、回転軸３及びスクリュー４が水上に引き上げられる。設置台５の回転をモーター、手動の何れでも行うことができる。

なお、設置台５を使用せず、発電機２と軸７を直接固定してもよい。他方、設置台５を用いた場合は、ケースにより発電機２を覆うことができ、発電機２が風雨にさらされない。また、設置台５には、手動で設置台５を回転させることができるようレバー５ａが設けられている。発電を行わないときは、回転軸３及びスクリュー４を水上に引き上げ、船体８壁などに係止させることができる。

モーターによる軸７の回転制御は、水中に設置した流量計からの流量シグナル及び予め定められコンピューターに格納された単位時間当たりの所定流量とを比較し、比較結果に基づき予め定められた駆動をコンピューターで制御することで可能である。その結果、発電機２を載置する設置台５が回動し、回転軸３及びスクリュー４の昇降を、流速に応じて自動で行うことができる。

より具体的な軸７の回転駆動制御は、コンピューターに予め格納された流速以上のときは、回転軸３、スクリュー４を水上に引き上げる方向に回転させ、停止させる。一方、コンピューターに予め格納された速度より遅い流速の場合は、モーターを逆回転させ、回転軸３、スクリュー４を水中に沈め、停止する。

モーターとしては、一般的な回転モーターでよいが、ステッピングモーターなどを採用し、レバー５ａと連動させ設置台５を回転、或いは直接設置台５を上下させ回転軸３、スクリュー４を昇降させてもよい。

このようにして発電した電気は、川岸に設置した蓄電池１１に、発電機２と接続するケーブル１２を介して蓄電（図中破線）、或いは蓄電することなく電気機器の駆動源、売電に使用（図中一点鎖線、点線）することができる。なお、蓄電池１１は船体に搭載してもよい。さらに、前記モーターの駆動源として蓄電した蓄電池１１の電気を一部使用してもよい。蓄電池１１に蓄電する場合には、交流発電機である場合は、整流器を介して、直流電流に変換する。以下、同じ。

また、発電機２と陸に設置した蓄電池１１と繋ぐケーブル１２は、川底１３ｂの地中に埋設してもよいし、船体８上に立設した柱上部を通してもよい。このようにすることで、ゴミ、草木などの流下物が引っ掛かることがなく、また増水による負荷によって、ケーブル１２が破断することがない。実施例２においても同じ。

図２は、本考案である水力発電装置のスクリューの形態を示す図である。図２（Ａ）は図１Ａ−Ａ断面（スクリューの正面）、図２（Ｂ）は側面図、図２（Ｃ）は早い流速の場合に、羽根が川下側に湾曲している様子を示す側面図である。

スクリュー４は、図２に示すように、水流１３ａによって回転（一点鎖線矢印）する。側面図から明らかなように、水流を受けない状態においては、プロペラ型で、回転軸３に接続し、流水方向に対し面を傾けてある。

図２（Ｃ）で示されているように、早い所定以上の流速の場合においては、またゴミ、草木が引っ掛かった場合にスクリュー４への負荷が大きくなると、弾力性を有する羽根４ａは、先端部４ｂを川下側に向け大きく湾曲し、水流１３ａ、ゴミ、草木などを逃がす。

羽根４ａの素材としては、特に限定されないが、金属、樹脂、ゴムなどの弾性体などが好適である。羽根４ａに弾力性を付与するためには、羽根４ａの外周程薄く適宜設計することで、流水に順応した羽根４ａとすることができる。

加えて、図２（Ａ）に示す芯材４ｃを羽根４内部に埋設してもよい。芯材は、羽根４ａの先端部４ｂに向かうほど細く形成しても、複数本の芯材４ｃを中心が両サイドに向かうほど、短くしてもよい。

芯材４ｃには薄い金属板が採用できる。また、芯材４ｃとしては金属板に替え、或いは金属板と共にワイヤー、炭素繊維、グラスファイバーの内何れか１以上の繊維を埋設し、羽根４に弾力性を付与してもよい。前記繊維は、網状に編んでもよい。

図３は、本考案である水力発電装置の側面模式図であり、水流１３ａの流速に応じたスクリューの動きを示す。図３（Ａ）発電可能な通常流速の場合、図３（Ｂ）が早い流速の場合、図３（Ｃ）が発電不可能な程の流速の場合を示している。

図３（Ａ）では、スクリュー４が水中に沈められ、回転し、回転軸３、及び発電機２の軸を回転させ、発電している。図３（Ｂ）では、流速が早く、羽根４ａに負荷がかかり、川下側に大きく湾曲し、水流１３ａを逃がし、スクリュー４、発電機２の過剰回転を防ぎつつ、発電している。

図３（Ｃ）においては、レバー５ａを操作し、スクリューを水上に引き上げ、発電を中止している。レバー５ａは船体８などに固定することができる。これにより、スクリューの破損を防止することができる。増水前に予めスクリュー４を引き上げても、流速計に応じて、自動で引き上げてもよい。

図４は、本考案である水力発電装置の側面模式図（流木負荷）である。図４（Ａ）は、図３（Ａ）と同一である。図４（Ｂ）は、流木がスクリュー４に引っ掛かった場合を示している。流木１５と水圧の負荷により、羽根４ａが川下側に湾曲し、流木を逃がすことがもできる。また、図４（Ｃ）に示したように、スクリュー４が押し上げられ、流木１５を外し、流すこともできる。その後、スクリュー４の自重により、また水中に浸水し、発電を継続する。

図４（Ｃ）に示すように、スクリュー４、発電機２の破損の危険がある耐久性を越えるような流速、流木等の負荷の場合に、モーターを回転（点線矢印）させ自動で、或いはレバー５を押し下げ（点線矢印）手動で、軸７を支点にスクリュー４を水上に引き上げ（一点鎖線矢印）ることができる。即ち、本実施例の水力発電装置１は、水流１３ａに順応し、効率的に発電し、破損を低減することができる水力発電装置であるといえる。

図５は、本考案である水力発電装置の第２の形態の側面模式図である。図５（Ａ）は通常流速時、図５（Ｂ）は早い流速時、図５（Ｃ）は発電中止以上の流速、又はスクリューへゴミ、草木などが引っ掛かった場合の高い負荷時の様子を表している。船体８の係留、発電、蓄電、送電手法は、実施例１と同様である。

水力発電装置１ａは、川１３に係留された船体８と、船体８後部に回転可能に設けた軸７ａと、軸７ａに固定され、水中に略垂直に挿入される管３ｃと、管３ｃの中を挿通する発電機２の軸を回転させる第２回転軸３ｂと、スクリュー４により回転し、第２回転軸３ｂをギアを介して回転させる回転軸３と、第２回転軸３ｃの延長上に位置し、発電機２を載せる設置台５と、設置台５底面と船体８とに係止するバネ５ａとからなる。ギアは、ギアボックス３ａに収納され、ベベルギア、ウォームギヤなどにより、回転軸３の水平方向の回転を、第２回転軸３ｂの縦方向の回転に変換すればよい。

その結果、スクリュー４は、バネ５のバネ付勢により水中に位置（図５（Ａ））する。また、所定以上の流速においては、羽根４ａが川下に湾曲し、水流１３ａを逃がしている（図５（Ｂ））。

さらに、発電中止、スクリューの破損の危険がある高負荷の流速の場合は、スクリュー４への水圧によってバネ５ａが圧縮されつつ、スクリュー４が水上に引き上がる（図５（Ｃ））。従って、スクリュー４の昇降を自動で行うことができる。

図６は、本考案である水力発電装置の第３の形態の側面模式図である。図６（Ａ）が通常流速時、図６（Ｂ）が早い流速時、羽根４ａは川下側に湾曲している。図６（Ｃ）が発電中止以上の水流、或いは流木などの負荷時を示している。

図７は、本考案である水力発電装置の第３の形態のスクリュー浸水位置調整方法の説明図である。図７（Ａ）は、設置台５部分の平面図、図７（Ｂ）は弾性体５ｂを解除した時の側面模式図である。

本考案である水力発電装置１ｂは、船体８後部の船尾８ｂを挟み固定した固定部材１６と、固定部材１６に回転可能に設けた軸７ｂと、軸７ｂに固定され、発電機２を載せる設置台５と、設置台５を貫通し、発電機２の回転軸を中に通し、水中に挿入される管３ｃと、管３ｃの中を挿通する発電機２の軸を回転させる第２回転軸３ｂと、スクリュー４により回転し、第２回転軸３ｂをギアボックス３ａ中のギアを介して回転させる回転軸３と、設置台５と固定部材１６とを船体外で連結するゴム状又はバネ状の弾性体５ｂとを設けてなる。

その結果、弾性体５ｂの張力により、設置台５を傾けスクリュー４を水中に位置させ、スクリュー４への所定以上の負荷によって弾性体５ｂを伸ばしながらスクリュー４が水上に引き上がり、負荷が解消した後には弾性体５ｂの張力により、スクリュー４が水中に戻ることにより、スクリューの昇降が自動で行われる。

また、弾性体５ｂの反固定部材１６側が、設置台５側面に第２軸７ｃを介して回転可能に取り付けたバーに５ｄ連結され、バー５ｄの反弾性体５ｂ側は、設置台５に設けたフック５ｃで固定・解除可能になっている。設置台５の重心が川下側に位置するので、発電機２の重さにより、通常スクリュー４は水中に位置する。図７（Ｃ）に示すように、フック５ｃを解除することで、バー５ｄと設置台５の動きが切り離されより、軽い負荷で、スクリュー４が水上に持ち上げられる。スクリュー４の昇降を発電機２の重さ、設置台５での設置位置によっても調整することができる。

図８は本考案である水力発電装置の第３の形態の平面模式図、図９は本考案である水力発電装置の第４の形態の図８Ｂ−Ｂ断面模式図である。

本考案である水力発電装置１７は、川１３に係留された船体２０と、船体２０に搭載した発電機２と、発電機２の軸を回転させ、船体２０平面中央に位置する水車型のスクリュー１９とからなる。

船体２０の係留は、上述のように固定具１０、ロープ９等で行う。発電機２、蓄電池１１、ケーブル１２、発電、蓄電、送電手法は、実施例１と同様である。

船体２０は、左右フロート２０ａ、２０ｂと、それらを連結する前連結部材２０ｃ、後連結部材２０ｄからなる。スクリュー１９を左右フロート２０ａ、２０ｂの間に位置し、水流１３ａによって回転させる。

水車型のスクリュー１９は、左右フロート２０ａ、２０ｂにそれぞれ立設された左右支持部材６、６に渡され、回転可能に挿通する回転軸１８に挿通されている。回転軸１８が発電機２の軸を回転させる。

さらに、水力発電装置１７は、図８に示すように、船体２０の川下側の側面下方に、川上方向が上で、川下方向が下に位置する板状のフィン２１を設け、水流１３ａの流速に従って、船体２０の後部が上下動してスクリュー１９の浸水位置が自動に変動する。図９（Ｂ）に示すように、早い水流１３ａの場合は、スクリューの羽根１９ａ先端部１９ｂがわずかに浸水するようにすることができる。

これにより、スクリュー１９への水流１３ａの負荷が変動し、スクリューの過剰回転、破損を防止することができる。

なお、羽根１９ａは、川上側に開口した断面弧状が望ましい。さらに、その素材としては、実施例１と同様であり、負荷により、川下側に大きく湾曲し、水流１３ａを逃がすことが好ましく。その弾性力は、上記、素材、心材の選択、設計により適宜変更することができる。

本考案である水力発電装置の平面模式図である。 本考案である水力発電装置のスクリューの形態を示す図である。 本考案である水力発電装置の側面模式図である。 本考案である水力発電装置の側面模式図（流木負荷）である。 本考案である水力発電装置の第２の形態の側面模式図である。 本考案である水力発電装置の第３の形態の側面模式図である。 本考案である水力発電装置の第３の形態のスクリュー浸水位置調整方法の説明図である。 本考案である水力発電装置の第４の形態の平面模式図である。 本考案である水力発電装置の第４の形態の図８Ｂ−Ｂ断面模式図である。

符号の説明

１ 水力発電装置
１ａ 水力発電装置
１ｂ 水力発電装置
２ 発電機
３ 回転軸
３ａ ギアボックス
３ｂ 第２回転軸
３ｃ 管
４ スクリュー
４ａ 羽根
４ｂ 先端部
４ｃ 芯材
５ 設置台
５ａ バネ
５ｂ 弾性体
５ｃ フック
５ｄ バー
６ 支持部材
７ 軸
７ａ 軸
７ｂ 軸
７ｃ 第２軸
８ フロート
８ａ フロート
８ｂ 船尾
９ ロープ
１０ 固定具
１１ 蓄電池
１２ ケーブル
１３ 川
１３ａ 水流
１３ｂ 川底
１４ ライン
１５ 流木
１６ 固定部材
１７ 水力発電装置
１８ 回転軸
１９ スクリュー
１９ａ 羽根
１９ｂ 先端部
２０ 船体
２０ａ 左フロート
２０ｂ 右フロート
２０ｃ 前連結部材
２０ｄ 後連結部材
２１ フィン

Claims (10)

1. 発電機の軸を回転させる回転軸と、水流により回転し、前記回転軸を回転させる複数の羽根を有するスクリューからなる水力発電装置のスクリューであって、前記羽根が、所定以上の流速又は負荷のとき先端部ほど下流側に大きく湾曲することを特徴とするスクリュー。
2. 前記スクリューが、発電中止以上の流速、或いは負荷が所定以上のとき、水面上に引き上げられることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー。
3. 川に係留された船体と、前記船体に搭載した発電機と、前記発電機の軸を回転させる請求項１又は請求項２に記載のスクリューと、からなることを特徴とする水力発電装置。
4. 前記発電機を、前記船体に固定した支持部材に回転可能に固定した設置台に載せ、かつ、前記設置台と前記船体とをラインを介して固定し、前記設置台の回転幅を調節し、前記スクリューの浸水程度を調節することを特徴とする請求項３に記載の水力発電装置。
5. 前記船体後部に回転可能に設けた軸と、前記軸に固定され、水中に略垂直に挿入される管と、前記管の中を挿通する発電機の軸を回転させる第２回転軸と、前記スクリューにより回転し、前記第２回転軸をギアを介して回転させる回転軸と、前記第２回転軸の延長上に位置し、前記発電機を載せる設置台と、前記設置台底面と船体とに係止するバネとを設け、前記バネのバネ付勢によりスクリューを水中に位置させ、前記スクリューへの所定以上の水圧によってバネを圧縮させ、前記スクリューが水上に引き上がり、水圧が解消した後には前記バネ付勢により、前記スクリューが水中に戻ることにより、前記スクリューの昇降が自動で行われることを特徴とする請求項３に記載の水力発電装置。
6. 前記船体後部に固定した固定部材と、前記固定部材に回転可能に設けた軸と、前記軸に固定され、前記発電機を載せる設置台と、前記設置台を貫通し、前記発電機の回転軸を中に通し、水中に挿入される管と、前記管の中を挿通する発電機の軸を回転させる第２回転軸と、前記スクリューにより回転し、前記第２回転軸をギアを介して回転させる回転軸と、前記設置台と前記固定部材とを船体外で連結する弾性体とを設け、前記弾性体の張力により、設置台を傾けスクリューを水中に位置させ、前記スクリューへの所定以上の負荷によって弾性体を伸ばしながら前記スクリューが水上に引き上がり、負荷が解消した後には前記弾性体の張力により、前記スクリューが水中に戻ることにより、前記スクリューの昇降が自動で行われることを特徴とする請求項３に記載の水力発電装置。
7. 前記弾性体の反固定部材側が、前記設置台側面に第２軸を介して回転可能に取り付けたバーに連結され、前記バーの反弾性体側は、前記設置台に設けたフックで固定・解除可能にしたことを特徴とする請求項６に記載の水力発電装置。
8. 川に係留された船体と、前記船体に搭載した発電機と、前記発電機の軸を回転させ、前記船体平面中央に位置する水車型の請求項１又は請求項２に記載のスクリューと、からなることを特徴とする水力発電装置。
9. 前記船体の川下側の側面下方に、川上方向が上で、川下方向が下に位置する板状のフィンを設け、流速に従って、船体後部が上下動してスクリューの浸水位置が変動することを特徴とする請求項８に記載の水力発電装置。
10. 前記発電器と陸に設置した蓄電池とを川底地中に埋設され、又は船体上に立設した柱上部を通るケーブルで繋いだことを特徴とする請求項３〜請求項９の何れかに記載の水力発電装置。

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