JP3188131U - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自転羽根が無い単純な構造であるにもかかわらず、水の流れによって効率良く回転する羽根車を備えた水力発電装置を提供する。
【解決手段】羽根車１１０は、水平に配置された円筒と、その円筒の外周に巻き付けられた羽根と、その円筒の一方の端部からその円筒と同軸になるように伸びる上流回転軸１１３と、その円筒の他方の端部からその円筒と同軸となるように伸びる下流回転軸１１５とを有する。支柱３１０は、上流回転軸１１３を回転自在に保持する。支柱３３０は下流回転軸１１５を回転自在に保持する。ケース３００は、羽根車１１０の上に位置し、支柱３１０の上端と支柱３３０の上端とが底部に固定されており、発電機２００を内部に格納する。羽根車１１０が回転すると、その回転がスプロケット３３５とチェーン３４０とスプロケット３５５とを介して発電機２００の回転子に伝達され、発電機２００が発電する。
【選択図】図１

Description

本考案は、小型簡易な構造の水力発電装置に関する。

この種の水力発電装置は、例えば、特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示されている水力発電装置は、垂直に立設された中心軸を回転の中心として水平に回転する羽根車を備える。羽根車は、上部平板、下部平板、およびそれらの間に中心軸を中心として円形に配置された複数の自転羽根を有する。各自転羽根は、羽根車の水平回転に伴って中心軸の回りを一方の向きに３６０度公転するとき、水の流れを効率良く受けるように、公転の向きと逆の向きに１８０度自転する。自転羽根が水の流れを受けて公転するとき、羽根車が回転し、発電機が発電する。

登録実用新案第３１７７８０２号公報

しかし、特許文献１に記載の水力発電装置は、個々の自転羽根を公転の向きと逆の向きに自転させる機構が複雑である。
本考案の目的は、自転羽根が無い単純な構造であるにもかかわらず、水の流れによって効率良く回転する羽根車を備えた水力発電装置を提供することである。

上記の目的を達成すべく本考案の水力発電装置は、
水平に配置された円筒と、当該円筒の長手方向に流れる水を受けるとき当該円筒を回転させるように当該円筒の外周に巻き付けられた羽根と、当該円筒の一方の端部から当該円筒と同軸になるように伸びる第１の回転軸と、当該円筒の他方の端部から当該円筒と同軸となるように伸びる第２の回転軸とを有する羽根車と、
前記第１の回転軸を回転自在に保持する第１の軸受を備える第１の支柱と、
前記第２の回転軸を回転自在に保持する第２の軸受を備える第２の支柱と、
前記羽根車の上に位置し、前記第１の支柱の上端と前記第２の支柱の上端とが底部に固定されており、発電機を内部に格納するケースと、
前記第１の回転軸または前記第２の回転軸の回転を前記ケース内の発電機の回転子に伝達し、発電機を回転させる回転伝達部と、
を備えることを特徴とする。

好ましくは、本考案の水力発電装置は、
前記ケースの底部が上面に固定され、前記羽根車と前記第１の支柱と前記第２の支柱とを内部に格納し、前記羽根車の円筒の長手方向に水が流れることができるフレームを備えることを特徴とする。

好ましくは、本考案の水力発電装置は、
前記ケースが一方の面に固定され、前記羽根車と前記第１の支柱と前記第２の支柱とが他方の面の側に位置する平板状の受台を備えることを特徴とする。

本考案によれば、自転羽根が無い単純な構造であるにもかかわらず、水の流れによって効率良く回転する羽根車を備えた水力発電装置を提供することができる。

本考案の第１の実施形態に係る水力発電装置の構造の一例を示す断面図である。 図１のＡ断面図である。 発電装置と架台とを分離した状態で示す図である。 水力発電装置のフレームの構造の一例を示す斜視図である。 羽根車の構造の一例を示す斜視図である。 羽根車の構造の一例を示す図である。図（Ａ）は羽根車の正面図である。図（Ｂ）は羽根車の左側面図である。図（Ｃ）は図（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 羽根車を構成する円筒の長手方向の長さを４倍に拡張した仮想的な円筒を示す図である。図（Ａ）は仮想的な円筒の外観を示す図である。図（Ｂ）は仮想的な円筒の長手方向の長さ４Ｌと、羽根と円筒の外周との接触部分Ｘの長さと、円筒の底面の円周長との関係を示す図である。 分離された状態のケースと３本の支柱とを示す斜視図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図であり、ケースとその中に配置された２つの発電機とを示す。 本考案の第２の実施形態に係る水力発電装置の構造の一例を示す断面図である。 水位検知装置の内部構造の一例を示す図である。図（Ａ）は水位検知装置の断面図である。図（Ｂ）は図（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 水位検知装置が水位の上昇を検知する例を示す図である。図（Ａ）は初期状態を示す図である。図（Ｂ）は水位が上昇し、一方のセンサーが要素を検知し、もう一方のセンサーが要素を検知しなくなった状態を示す図である。図（Ｃ）はモータジャッキが伸びてフレームが上昇し、両方のセンサーが再度要素を検知した状態を示す図である。 水位検知装置が水位の下降を検知する例を示す図である。図（Ａ）は初期状態を示す図である。図（Ｂ）は水位が下降し、一方のセンサーが要素を検知し、もう一方のセンサーが要素を検知しなくなった状態を示す図である。図（Ｃ）はモータジャッキが縮んでフレームが下降し、両方のセンサーが再度要素を検知した状態を示す図である。 本考案の第３の実施形態に係る水力発電装置の構造の一例を示す断面図である。 川に設置された図１４の水力発電装置を上方から見た図である。

以下、図面を参照しつつ、本考案の実施形態に係る水力発電装置について詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

図１は、本考案の第１の実施形態に係る水力発電装置１０の構造の一例を示す。図２は、図１のＡ断面図である。
水力発電装置１０は、図３に示すように、発電装置１００と架台４００とで構成される。発電装置１００は、架台４００の上に配置される。
発電装置１００は、羽根車１１０と、発電機２００と、ケース３００とを有する。羽根車１１０は、ケースの下方で支柱３１０と支柱３３０によって回転自在に保持される。発電機２００はケース３００の中に設置される。

図４に示すように、架台４００は、直方体状のフレーム４１０と、脚となる４本のジャッキ４２０とで構成される。
フレーム４１０の上面４１１、底面４１２、左側面４１３、および右側面４１４は、方形状の部材が連結されて構成されており、頑丈な構造を有する。フレーム４１０の前面と背面は空いている。４つのジャッキ４２０がフレーム４１０の４隅に取り付けられている。
フレーム４１０は、図１と図４中に矢印で示すように、水が前面から背面に向けて流れるように川底５００等に設置される。ジャッキ４２０の接地部４２２は川底５００等に接する。フレーム４１０は、上部に設けられた手動ハンドル４２１を操作することにより、水平及び水位に対する高さを調整することができる。接地部４２２は、鍔（つば）と杭（くい）とを併用したタイプであるが、鍔のみのタイプ、杭のみのタイプであってもよい。
図１と図２に示すように、発電装置１００が架台４００に取り付けられた状態で、羽根車１１０はフレーム４１０の中に配置される。ジャッキ４２０の高さを調整して、羽根車１１０を水面５０１の下、すなわち水中に位置させると、羽根車１１０は水の流れを受けて回転する。この回転が発電機２００に伝えられ、発電機２００が発電する。

図５と図６は、羽根車１１０の構造の一例を示す。図５は、羽根車１１０の斜視図である。図６（Ａ）は羽根車１１０の正面図であり、図６（Ｂ）は羽根車１１０の左側面図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
羽根車１１０は、水平に配置される円筒１１１と、円筒１１１の外周に巻き付けられた４枚の羽根１１６と、４枚の羽根１１６に固定された外筒１１７とを有する。
円筒１１１は、一方の端部に円形の上流側板１１２を有し、他方の端部に円形の下流側板１１４を有する。上流側板１１２から円筒１１１と同軸になるように上流回転軸１１３が伸びる（すなわち、円筒１１１と上流回転軸１１３とは同軸である。）。同様に、下流側板１１４から円筒１１１と同軸になるように下流回転軸１１５が伸びる（すなわち、円筒１１１と下流回転軸１１５は同軸である。）。
羽根１１６の横断面は円弧形状である。羽根１１６は、円筒１１１の長手方向に流れる水を受けるとき円筒１１１を回転させるように円筒１１１の外周に巻き付けられている。図７（Ａ）は、円筒１１１の長手方向の長さをＬ、底面（上流側板１１２と下流側板１１４）の直径をＤとするとき、長手方向の長さが４Ｌに拡張された仮想的な円筒１５０を示す。羽根１１６と円筒１５０（すなわち、円筒１１１）の外周との接触部分Ｘが直線となり、長手方向に４Ｌ進むと円筒１５０の外周を１周するように、個々の羽根１１６は円筒１１１の外周に沿って巻きつけられる。
図７（Ｂ）は、長さ４Ｌと、接触部分Ｘの長さと、円筒１５０の底面の円周長との関係を示す。図７（Ｂ）の直角三角形の斜辺が接触部分Ｘに対応する。図７（Ｂ）から分かるように、接触部分Ｘが円筒１５０の軸方向となす角度（ねじれ角）ａは次の数式１で表すことができる。

なお、円筒１１１は、最大の長さがＬ（０°から９０°の位置まで）であり、Ｌ以下の任意の長さとすることができる。また、羽根１１６は、４枚に限らず、２枚以上であればよい。
外筒１１７は、内部が空洞であり、両側面が開いた円筒である。外筒１１７の内部に羽根１１６が配置される。外筒１１７と円筒１１１とは略同軸である。外筒１１７の内面は羽根１１６に溶接等の手段によって固定されている。外筒１１７は、羽根１１６とともに回転する。
羽根車１１０は、図５の左に示す矢印の向き（円筒１１１の長手方向）に水が流れると、図５の右に示す矢印の方向に回転する。

図８は、分離された状態のケース３００と支柱３１０と支柱３３０と支柱３５０とを示す。
ケース３００は、上面が開放された籠状の直方体であり、内部に発電機２００が設置される。ケース３００の底部は、フレーム４１０の上面４１１を構成する方形状の部材と適宜な位置でボルトとナット等を用いて連結される。フレーム４１０の内部に羽根車１１０と支柱３１０と支柱３３０とが格納される。
支柱３１０は、内部が空洞の円筒であり、上端にフランジ３１１を有する。支柱３１０の側面下部には円形の穴３１２と穴３１３とが空いている。図１に示すように、それらの穴３１２、３１３には軸受３１４が取り付けられる。
支柱３３０は、内部が空洞の円筒であり、上端にフランジ３３１を有する。支柱３３０の側面下部には円形の穴３３２と穴３３３とが空いている。図１に示すように、それらの穴３３２、３３３には、中間に空隙を有する軸受３３４が取り付けられる。軸受３３４の中間の空隙にはスプロケット３３５が配置される。
支柱３５０は、内部が空洞の円筒であり、下端にフランジ３５１を有する。支柱３５０の側面中央には円形の穴３５２と穴３５３とが空いている。図１に示すように、それらの穴３５２、３５３には、中間に空隙を有する軸受３５４が取り付けられる。軸受３５４の中間の空隙にはスプロケット３５５が配置される。
支柱３１０のフランジ３１１と正方形の固定板３３６は、ケース３００の上流側で底面を挟んでボルトとナット等を用いて固定される。これにより、支柱３１０はケース３００に取り付けられる。
支柱３３０のフランジ３３１と支柱３５０のフランジ３５１とは、ケース３００の下流側で底面を挟んでボルトとナット等を用いて固定される。これにより、支柱３３０と支柱３５０はケース３００に取り付けられる。

羽根車１１０の上流回転軸１１３と下流回転軸１１５は、それぞれ軸受３１４と軸受３３４によって回転自在に支持されている。軸受３１４と軸受３３４は、水中に位置するため、水の浸入を防止するシールが装着されている。また、軸受３５４は、回転軸２１０を回転自在に支持している。図９に示すように、回転軸２１０の発電機２００側の端部には歯車２１１が固定されている。
スプロケット３３５は、軸受３３４の空隙で下流回転軸１１５に固定されている。また、スプロケット３５５は軸受３５４の空隙で回転軸２１０に固定されている。スプロケット３３５とスプロケット３５５にはチェーン３４０が掛けられている。図８に示すように、ケース３００の底面において支柱３３０のフランジ３３１と支柱３５０のフランジ３５１とが向かい合う部分にはチェーン３４０が接触しない程度の穴３６３が開いている。
図９に示すように、ケース３００の底面の中央付近に設置された座３６１に２つの発電機２００が取り付けられる。発電機２００の回転子２０１の端部には歯車２０２が固定されている。歯車２０２と歯車２１１とは噛みあっている。
上述したスプロケット３３５と、チェーン３４０と、スプロケット３５５と、回転軸２１０と、歯車２１１と、歯車２０２とは回転伝達部を構成する。回転伝達部は、下流回転軸１１５の回転をケース３００内の発電機２００の回転子２０１に伝達する。このため、羽根車１１０が回転すると、その回転が２つの発電機２００に伝わって発電機２００が回転し、発電する。
なお、上記では、下流側の支柱３３０の下部にスプロケット３３５が配置される例を示したが、上流側の支柱３１０に配置された軸受３１４が中間に空隙を有し、スプロケット３３５は軸受３１４の空隙で上流回転軸１１３に固定される構成とすることもできる。この場合には、支柱３５０はケース３００内で支柱３１０の真上に位置し、スプロケット３３５とスプロケット３５５とが連動して上流回転軸１１３の回転を発電機２００の回転子２０１に伝達することになる。
また、発電機２００が１個である場合には、歯車２０２と歯車２１１を使用せず、発電機２００の回転子２０１を回転軸２１０に直結してもよい。
また、ケース３００は、上面に蓋を有していてもよい。

図１０は、本考案の第２の実施形態に係る水力発電装置２０の構造の一例を示す。
水力発電装置２０は、発電装置１００と架台４５０とで構成される。発電装置１００は第１の実施形態に係る水力発電装置１０のものと同一である。
架台４５０は、フレーム４１０と、脚となる４本のモータジャッキ４６０とで構成される。フレーム４１０は第１の実施形態に係る水力発電装置１０のものと同一である。架台４５０は、第１の実施形態に係る水力発電装置１０の架台４００と異なり、フレーム４１０の４隅に減速機モータ４６１の付いたモータジャッキ４６０を有する。また、フレーム４１０の左側面４１３または右側面４１４に、水位検知装置４７０が取り付けられている。水位検知装置４７０は水位５０１の上昇または下降を検知する。
ケース３００の底にはコントローラ４６５が設置されている。コントローラ４６５はバッテリー４６６と制御盤４６７とで構成される。２つの発電機２００で発電された電力の一部はコントローラ４６５に供給され、バッテリー４６６に蓄えられる。水位検知装置４７０が水位の上昇または下降を検知すると、コントローラ４６５は、減速機モータ４６１を制御し、モータジャッキ４６０を伸ばし、または縮めて、フレーム４１０とケース３００とを上昇または下降させる。
コントローラ４６５は、ケース３００が常に水面より上に位置するように制御する。

水位検知装置４７０は、図１１に示すように、中空のセンサー取付パイプ４７１の外周面上にセンサー４７２とセンサー４７３とが所定の間隔を空けて配置されている。センサー取付パイプ４７１の穴の中にはガイド４７６があり、水面５０１に応じてガイド４７６に沿ってフロート４７７が上下する。フロート４７７には、要素４７４と要素４７５とが取り付けられている。センサー４７２またはセンサー４７３は、要素４７４または要素４７５と略同じ高さになるとそれらを検知して検知信号を出力し、その検知信号をコントローラ４６５に送る。例えば、センサー４７２とセンサー４７３はリードスイッチで構成し、要素４７４と要素４７５は磁石で構成することができる。なお、このような構造の水位検知装置４７０として、例えば(公序良俗違反につき、不掲載）がある。

図１２は、水位検知装置４７０が水位の上昇を検知する例を示す。図１２（Ａ）に示す初期状態では、センサー４７２とセンサー４７３はそれぞれ要素４７４と要素４７５を検知し、検知信号を出力している。水位が上昇すると、センサー４７２とセンサー４７３は両方とも要素４７４と要素４７５を検知しなくなる。更に水位が上昇し、図１２（Ｂ）に示すように、センサー４７３が要素４７４を検知して検知信号を出力し、センサー４７２が何も検知せず、検知信号を出力しない状態になると、コントローラ４６５はモータジャッキ４６０が伸びるように減速機モータ４６１を制御する。このとき、フレーム４１０とケース３００は上昇する。図１２（Ｃ）に示すように、センサー４７２とセンサー４７３が再び要素４７４と要素４７５を検知すると、コントローラ４６５は減速機モータ４６１を止め、モータジャッキ４６０を停止させる。

図１３は、水位検知装置４７０が水位の下降を検知する例を示す。図１３（Ａ）に示す初期状態では、センサー４７２とセンサー４７３はそれぞれ要素４７４と要素４７５を検知し、検知信号を出力している。水位が下降すると、センサー４７２とセンサー４７３は両方とも要素４７４と要素４７５を検知しなくなる。更に水位が下降し、図１３（Ｂ）に示すように、センサー４７２が要素４７５を検知して検知信号を出力し、センサー４７３が何も検知せず、検知信号を出力しない状態になると、コントローラ４６５はモータジャッキ４６０が縮むように減速機モータ４６１を制御する。このとき、フレーム４１０とケース３００は下降する。図１３（Ｃ）に示すように、センサー４７２とセンサー４７３が再び要素４７４と要素４７５を検知すると、コントローラ４６５は減速機モータ４６１を止め、モータジャッキ４６０を停止させる。

図１４は、本考案の第３の実施形態に係る水力発電装置３０の構造の一例を示す。図１５は、川に設置された水力発電装置３０を上方から見た図である。
水力発電装置３０は、発電装置１００と受台４９０とで構成される。発電装置１００は第１の実施形態に係る水力発電装置１０のものと同一である。水力発電装置３０は、架台４００の代わりに受台４９０の上に発電装置１００が配置されている点が水力発電装置１０と異なる。
水力発電装置３０は、給水路、排水路、用水路等の水位の変化が小さい、または限定的な川５０２での使用に適する。
受台４９０は、平面状であり、方形状の部材が連結されて構成されている。受台４９０は、川５０２を跨いで配置され、川岸の地上面５０３にアンカー４９１で固定される。
発電装置１００は受台４９０の上に配置される。ケース３００が一方の面の側に位置し、羽根車１１０と支柱３１０と支柱３３０とが他方の面の側に位置する。ケース３００の底面と受台４９０の方形状の部材とは適宜な位置でボルトとナット等を用いて連結される。

以上説明したように、本考案によれば、自転羽根が無い単純な構造であるにもかかわらず、水の流れによって効率良く回転する羽根車を備えた水力発電装置を提供することができる。
また、水位の変化が限定的な小形の河川に発電装置を設置する場合には、簡易な構造の受台に発電装置を乗せ、その受台を川岸の地上面に固定するのみでよく、簡単に設置することができる。

１０、２０、３０…水力発電装置、１００…発電装置、１１０…羽根車、１１１…円筒、１１２…上流側板、１１３…上流回転軸、１１４…下流側板、１１５…下流回転軸、１１６…羽根、１１７…外筒、１５０…仮想的な円筒、２００…発電機、２０１…回転子、２０２…歯車、２１０…回転軸、２１１…歯車、３００…ケース、３１０…支柱、３１１…フランジ、３１２、３１３…穴、３１４…軸受、３３０…支柱、３３１…フランジ、３３２、３３３…穴、３３４…軸受、３３６…固定板、３３５…スプロケット、チェーン…３４０、３５０…支柱、３５１…フランジ、３５２、３５３…穴、３５４…軸受、３５５…スプロケット、３６１…座、３６３…穴、４００…架台、４１０…フレーム、４２０…ジャッキ、４２１…手動ハンドル、４２２…接地部、４５０…架台、４６０…モータジャッキ、４６１…減速機モータ、４６５…コントローラ、４６６…バッテリー、４６７…制御盤、４７０…水位検知装置、４７１…センサー取付パイプ、４７２、４７３…センサー、４７４、４７５…要素、４７６…ガイド、４７７…フロート、４９０…受台、４９１…アンカー、５００…川底、５０１…水面、５０２…川、５０３…川岸の地上面

水位検知装置４７０は、図１１に示すように、中空のセンサー取付パイプ４７１の外周面上にセンサー４７２とセンサー４７３とが所定の間隔を空けて配置されている。センサー取付パイプ４７１の穴の中にはガイド４７６があり、水面５０１に応じてガイド４７６に沿ってフロート４７７が上下する。フロート４７７には、要素４７４と要素４７５とが取り付けられている。センサー４７２またはセンサー４７３は、要素４７４または要素４７５と略同じ高さになるとそれらを検知して検知信号を出力し、その検知信号をコントローラ４６５に送る。例えば、センサー４７２とセンサー４７３はリードスイッチで構成し、要素４７４と要素４７５は磁石で構成することができる。

Claims (3)

1. 水平に配置された円筒と、当該円筒の長手方向に流れる水を受けるとき当該円筒を回転させるように当該円筒の外周に巻き付けられた羽根と、当該円筒の一方の端部から当該円筒と同軸になるように伸びる第１の回転軸と、当該円筒の他方の端部から当該円筒と同軸となるように伸びる第２の回転軸とを有する羽根車と、
   前記第１の回転軸を回転自在に保持する第１の軸受を備える第１の支柱と、
   前記第２の回転軸を回転自在に保持する第２の軸受を備える第２の支柱と、
   前記羽根車の上に位置し、前記第１の支柱の上端と前記第２の支柱の上端とが底部に固定されており、発電機を内部に格納するケースと、
   前記第１の回転軸または前記第２の回転軸の回転を前記ケース内の発電機の回転子に伝達し、発電機を回転させる回転伝達部と、
   を備えることを特徴とする水力発電装置。
2. 前記ケースの底部が上面に固定され、前記羽根車と前記第１の支柱と前記第２の支柱とを内部に格納し、前記羽根車の円筒の長手方向に水が流れることができるフレームを備えることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記ケースが一方の面に固定され、前記羽根車と前記第１の支柱と前記第２の支柱とが他方の面の側に位置する平板状の受台を備えることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。

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