JP3201185U - パドル型回転翼水流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】河川や用水路等の水流のエネルギにより回転するパドル型回転翼を利用して発電するパドル型回転翼水流発電装置を提供する。【解決手段】回転軸と、その回転軸に垂直で、回転軸を中心とする円周上に同一方向に均等角度に配置した複数のパドルでできたパドル型回転翼２１とで構成される回転機において、水流とは逆方向側には、水流の抗力を軽減するため、回転翼２１が回転する半円周上には、水流除４を付けた水流回転機５と回転軸の上方に発電機７を取り付けたパドル型回転翼水流発電装置と複数の水流回転機５をコンベアにて連結する連動式パドル型回転翼水流発電装置１１とするものである。【選択図】図８

Description

本考案は、水流のエネルギにより回転するパドル型回転翼を利用して発電する小水力発電装置に関する。

水力を利用した発電といえば、ダムを建設する大規模な水力発電を想像する。しかし、こうした大型水力発電は、ダム建設の経済的負担が極めて大きく、ダム建設に伴う人の移動、野生動物、自然環境への影響等が生じ、更に、長期間に土砂がダム湖に堆積し使用不能となってしまい、最近ではダム建設の数は少なくなっている。火力発電では、経済的負担は大型水力発電の建設に比べ低いものの、化石燃料の輸入による我国の国際収支の悪化及び地球温暖化の原因のひとつであるＣＯ_２の発生等の課題がある。原子力発電では、化石燃料の代わりに核分裂による発生熱で蒸気を発生しているに過ぎないが、東日本大地震による原子炉の制御不能による核燃料及び原子炉容器の溶解、それにともなう核分裂物質の拡散等のため、一部居住地域は使用不可となり、使用済核燃料の処理には多くの問題点を抱え、原子力発電は、トイレのないマンションとも言われている。上記のように、各発電方法は一長一短があるが、電力がなければ現代生活は成り立たない。理想的には、電力は、各家庭や各事業所等において再生可能燃料による燃料電池等により自給自足できる体系が望まれる。

東日本大震災による福島原発の影響により、必要電力供給量のなかで、原子力発電の割合を低下させるため、自然エネルギを用いた発電方法が多く提唱されている。主には、風力発電、太陽光発電がある。しかし、忘れてはならないものとして、我が国は、南北に狭く急峻な地形から河川の流れが速く、伝統的な水車による発電がある。この伝統的な水車では回転数も少なく発電効率も悪いため、もっと高回転の羽根車を利用した発電用の水車が開発されてきた。図１に水流を利用した発電装置の例を示す（非特許文献１及びネット上の中部電力の記載）。尚、図１（４）のベルトン水車は、高い水圧を利用した高落差の水力発電に適し、大型ダム用の水車として用いられている。

上記のような水車の原理を利用した水流利用発電装置に関する先行技術としては以下のような文献が見受けられる。

用水路を流れる水に下方の一部が浸るように立てて配置され、同一の方向に回転可能に配置された１対の水車と、水車に連接されて無端軌道をなし、水車を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材と、動力伝達部材に固定され、用水路を流れる水の動力を受けて無端軌道の周りに回転する複数の水流受部と、上方に位置する動力伝達部材及び水流受部を支持する支持部材とを備えた、従来の発電用水車よりも強い駆動トルクを得ることが可能な発電用水車（特許文献１）。

浮き台上に二つのドラムを配置し、該二つのドラム間に巡回ベルトを張架して、該巡回ベルトに羽根板を取付後、該羽根板が流水の力で巡回することでドラムが回転し、これが発電機に伝達され発電が行なわれる、既存の水車用水路を活用して流水発電を行なうのに好適な流水発電装置（特許文献２）。

導入口から筒枠内側に流入した落下水流を、筒枠内側の落下水流の通路に沿って配置されたコンベヤの一方の側の巡回部外側に並ぶ開口部が上方を向く複数のバケットのそれぞれに流入させる。そして、その複数のバケットに流入させた落下水流の運動エネルギ及び位置エネルギを利用して、その複数のバケットが付設されたコンベヤの巡回部を巡回させる。そして、そのコンベヤの巡回に伴って回転するコンベヤを支持する回転軸に連結された発電機を回転させて、その発電機から電力を発生させる落下水流利用の発電装置（特許文献３）。

枠体内側に、複数のバケットが並べて付設されたコンベヤを、回転軸を介して、略水平方向に向けてほぼ垂直面内をループ状に巡回可能に支持する。枠体は、川底から立設されたガイド棒周囲に上下方向に摺動自在に支持する。枠体には、気体の入ったフロートを付設して、枠体を川流水の水面に浮かせた状態とする。そして、コンベヤの下方側の巡回部外側に並ぶ複数のバケット内に川流水を流入させて、コンベヤを巡回させる。そして、コンベヤを支持する回転軸に連結された発電機を回転させる川流水又は海流水利用の発電装置（特許文献４）。

前記各先行技術は、ダムを必要としない、水流利用発電装置であり、河川や用水路等で利用される機会も多くあると思われる。特許文献１では、用水路を流れる水の動力を受けて無端軌道の周りに回転する複数の水流受部を備えるものであり、特許文献２では、巡回ベルトに羽根板を取着し、羽根板が流水の力で巡回して発電機に伝達され発電が行なわれるものであり、水流に向かい水流受部（羽根車）を設置し、巡回ベルトを回転するものである。また、特許文献３は、落下水流を複数のバスケットに流入させ、運動エネルギ及び位置エネルギを利用してコンベヤを巡回させるものであり、特許文献４は、コンベヤの下方側の巡回部外側に並ぶ複数のバケット内に川流水を流入させて、コンベヤを巡回させるものである。コンベヤを巡回させる方法として、水流に対し垂直に水流受部（羽根車）を設置する点においては、各特許文献ともに同じである。また、水流に向かい複数の水流受部（羽根車）を平行に設置した場合、水流から最前列の水流受部（羽根車）により水流のエネルギの殆どは消滅してしまい、２枚目、３枚目の水流受部（羽根車）が水流から受けるエネルギが有効であるか疑問が残る。

「風と水のエネルギ」 株式会社 旺文社 2004.4.10初版発行 パドル型風車モデによる風力発電機の最適化 黒星雄一氏著（インターネット上より検索）

特開２００８−２５３７７号公報 特開２００６−４６１５２号公報 国際公開番号 ＷＯ ２００５/０６８８３１ 国際公開番号 WO ２００５/０６８８３０

エンジニアリング設備、環境保護設備等の設計・製作している会社を永年運営している本願考案者は、大学等からの依頼を受けて、水流利用発電装置を開発するための揚水式の流水パイプラインを工場敷地内に準備し、その開発等の手助けをしてきた。それらの試作品を見て、これまでと異なる方式による水流利用発電装置がないか模索してきた。そして、各種の水流利用発電装置が考えられたが、風車で使用するパドル型の回転翼を水流中に設置し、その回転により発電する小水力発電装置を想いついた。尚、小水力発電とは、大型ダムを利用した発電ではなく、高低差による河川や用水の流れ、あるいは落下する水流を利用した発電方法をいうものとする。

本願が解決しようとする課題は、河川や用水路で利用できる、構造が複雑ではなく容易に製造できる小水力発電装置である。

すなわち、第１考案は、回転軸と、その回転軸に垂直で、回転軸を中心とする円周上に同一方向に均等角度に配置した複数のパドルでできたパドル型回転翼とで構成される回転機において、この回転機に水流の抗力を軽減するため、回転翼が回転する水流とは逆方向側の半円周上に水流除を付けた水流回転機と、水流回転機の回転軸に発電機を連結したパドル型回転翼水流発電装置である。

第１考案は、風速計をヒントにして考案したものである。風速計の１つとして、垂直な回転軸の周りに、３ないし４個の半球殻又は円錐殻の風杯に風が当たると、凸面よりも凹面の方が、空気抵抗が大きいために、凹面が押される方向に軸が回転し、この回転を数値や電気信号に変換して表示・出力することによって測定値を得るものがあり、この考えを応用するものである。半球殻又は円錐殻の風杯としているが、ここでは、パドル型回転翼とした。

風速計１３の例を図２に示す。パドル型回転翼２１は回転軸に垂直な回転軸を中心とする円周上に同一方向に均等角度で複数配置されている。同一方向とは、半球殻又は円錐殻のパドル型回転翼２１の開口部が水平方向で同じ向きに、換言すれば同じ回転方向に配置されていることである。均等角度とは、回転軸の周囲３６０度を均等に区切って配置されていることである。
風速計では、３ないし４個の風杯（本願では、パドル型回転翼とする）としているが、パドル型風車モデルによる風力発電機の最適化（非特許文献２）においては、 結論として、以下のように記載されている。
(1) 連続的に風を捉えることができ、かつ空気抵抗の小さい構造が理想的である。
(2) 風速３ ｍ/ｓ において最も発電効率及び出力の大きい翼枚数は8 枚であった。
(3) パドル型風車単体での出力は小さく、他の風車との複合利用が現実的である。
そこで、本考案については、回転軸の円周上に配置するパドル型回転翼の個数については限定することなく、本装置を設置する水流の状態に適合する個数とするため、複数とした。
パドル型回転翼を使用した風速計は、風向きがどのように変化しても、パドルの形状により使用できる。一方、水流では、１方向の向きしかない。本考案は、この相違点に注目してされたものである。
水流とは、水の流れをいい、流水とは、流れている水を表現するものと思われるが、ここでは、まとめて水流とした。水流は、速度と方向を有するベクトル量である。

図３は、水流によるパドル型回転翼２１の回転を示す概略図である。パドル型回転翼の開口部（凹部）は、面積が大きく水流の押す力がパドル型回転翼の内部で分散されるため、水流の方向にパドル型回転翼は押され（以下、水流の向きと同じ向きを順方向とし、水流と反対の方向を逆方向とする）、半球殻又は円錐殻の先端部（凸部）は水流の抗力はあるが、水流が開口部を押す力に比べ少ないため、回転軸２２を中心に回転する。しかし、抗力があるため、回転力は弱く発電機を回すための十分な回転力が発生しない恐れがある。

そこで、パドル型回転翼の逆方向側に、水流除４を付けることにより、抗力が低減でき回転力を増加することができる。図４は、水流除４をパドル型回転翼２１の逆方向側に付けた概略図である。実際には、水流除４は、図４のように水流に対し垂直の平板にするのではなく、パドル型回転翼が回転する円周上の逆方向側に半円周状としたものを使用する方が効果的であり、水流による水流除への負荷を低減することもできる。また、半円周状としたが、パドル型回転翼が効率よく回転すれば足り、必ずしも半円周を必要とするものではない。

第１考案において、回転軸を中心とする円周上に同一方向に均等角度に複数配置する回転翼をパドル型回転翼とし、回転軸と複数のパドル型回転翼とで構成されるものを回転機とし、この回転機に水流の抗力を軽減するため、回転翼が回転する逆方向側の半円周上に、水流除を付けたものを水流回転機と定義した。

続いて、第２考案は、回転軸の上下方向に、複数段のパドル型回転翼を付けた第１考案のパドル型回転翼水流発電装置である。

前述のように、回転軸を中心とする円周上に同一方向に均等角度に複数配置する回転翼をパドル型回転翼としたが、このパドル型回転翼を回転軸の上下方向に２段以上付けて、回転軸の回転力を向上させるものである。

図５に、回転軸２２の上下方向に、３段のパドル型回転翼２１を付けた回転機２を示す。図５では、４つの回転翼が付いているパドル型回転翼が回転軸の上下方向に沿って３段付けられている。しかし、図５は１例であって、回転翼の数及びパドル型回転翼の段数はこれらに限るものではなく、水流の速さや深さにより適宜決められる。更に、図５ではパドル型回転翼の大きさが、各段共に同じになっているが、水流の深さに応じ、変化させることもできる。但し、各段の回転翼の形状は同一である。

続いて、第３考案は、水流の浮遊物の回転機への衝突を避けるため、水流回転機の前方の水流浸漬部分には、浮流物除去用の網をつけた第１考案又は第２考案のいずれかのパドル型回転翼水流発電装置である。

水流中には、土砂だけでなく、枯木、水草等も含まれ、回転軸、パドル型回転翼及び水流除に衝突し、その動きを低下させたり、破損したりする場合がある。そこで、回転翼が回転する半円周上に水流除を付けた水流回転機の順方向前方に浮流物除去用の網をつけるものである。

続いて、第４考案は、第１考案又は第２考案の水流回転機を複数使用し、水流回転機の回転軸上方にループ状のコンベヤに連結し、回転軸の回転に伴って巡回するコンベヤ支持回転軸に発電機が取り付けられた連動式パドル型回転翼水流発電装置である。

第１考案又は第２考案は、パドル型回転翼が１段又は複数段であって、１つの回転軸により発電する装置である。パドル型回転翼をより大きくすることにより、回転力は増し、発電能力を向上することは可能である。しかし、第１考案又は第２考案のいずれかの流水回転機を複数平面上に配置し、複数の回転軸をコンベヤにて連結させることにより、各回転軸の回転力を合わせた合力をコンベアに伝達し、発電機の回転力をより高めて、発電能力を上げることも可能で有り、第４考案はこれを採用するものである。複数の水流回転機の回転軸をコンベヤにて連結して発電するため、連動式パドル型回転翼水流発電装置とした。尚、コンベヤ支持回転軸は、水流回転機の回転軸だけでなく発電機の回転軸にも使用される。

続いて、第５考案は、水流の浮遊物の衝突を避けるため、水流方向前方の水流浸漬部分には、浮流物除去用の網をつけた第４考案の連動式パドル型回転翼水流発電装置である。

第５考案は、第３考案と同じ目的であり、水流に浮遊する土砂、枯木、水草等により回転軸、パドル型回転翼及び水流除に衝突し、その動きを低下させたり、破損したりする場合があり、これを防ぐためである。

第１考案は、風向きと異なり、水流は１方向であることを利用し、パドル型回転翼と流水除を組み合わせた、比較的構造が簡単な発電装置であり、狭い河川や用水路での水流のエネルギを利用できる小水力発電装置を提供するものである。第２考案は、回転軸の回転力を上昇させ、発電能力を上げるものであり、第３考案は水流の浮遊物等による破損等を回避するためである。
第４考案は、複数の流水回転機をコンベアに連結させ、その合力にて発電機を回転することを目的とし、発電能力を向上させるものであり、第５考案は、第３考案と同じ目的とするものである。

図１は、水流を利用した発電装置の例を示す（非特許文献１及びネット上の中部電力の記載）。 図２は、風力計の参考図である。インターネット上から採用したものである。 図３は、水流によるパドル型回転翼の回転を示す概略図である。 図４は、水流除をパドル型回転翼の逆方向側に付けた概略図である。 図５は、回転軸の上下方向に、３段のパドル型回転翼を付けた回転機である。 図６は、パドル型回転翼水流発電装置の平面概略図である。 図７は、パドル型回転翼水流発電装置の背面概略図である。 図８は、連動式パドル型回転翼水流発電装置の平面概略図である。 図９は、連動式パドル型回転翼水流発電装置の背面概略図である。

本考案の代表的な実施例を以下に挙げる。

図６は、パドル型回転翼水流発電装置の平面概略図である。水流中には、最前列に浮流物除去用の網６が置かれ、その後方に回転軸２２にパドル型回転翼２１及び流水除４が付けられた水流回転機５が配置されている。流水により、パドル型回転翼２１は回転し、逆方向には流水除４があるため、流水のパドル型回転翼２１に対する抗力は低減し、効率よくパドル型回転翼２１は回転し、回転軸２２も回転する。架台８を貫通している回転軸２２は、架台上の発電機７に連結し、水流により発電される。

図７は、パドル型回転翼水流発電装置の背面概略図である。逆方向で前方にあるパドル型回転翼水流発電装置を見た概略図である。
浮流物除去用の網６及び水流回転機５が支柱８１により架台８と固定され水面下に設置されている。また、架台８上には、水流回転機の回転軸２２が架台８を貫通し、その回転軸と連結された発電機７が置かれている。水流除４は、水流の負荷もあることから、半円周状の自転車の泥除のような形状が適していると思われるが、この形状に限定するものではない。
架台８は、用水路の両側に架け橋となる支柱を渡して載せることもできるし、架台８に脚となる支柱をつけて水底に固定することもできるが、その方法は任意である。

連動式パドル型回転翼水流発電装置１１を図８及び図９以下に示す。図８は、連動式パドル型回転翼水流発電装置の平面概略図である。
３基の水流回転機５が、架台８を介し平面上に配置され、架台８上には、回転軸２２に固定されたコンベア支持回転軸３１が付けられ、コンベア支持回転軸３１にはループ状のコンベア３が連結し、更に水流回転機５の回転軸２２とは別にコンベア支持回転軸３１が載せられ、これに発電機７が連結されている。架台８の流水中の順方向前方には架台８に支持され浮流物除去用の網６が配置され、その後に、水流回転機５が配置されている。図８及び図９では、水流回転機の回転軸とは別にコンベア支持回転軸３１が載せられ、これに発電機７が連結されているが、複数の水流回転機の回転軸をコンベアで連結し、複数の水流回転機の内の１つの回転軸と直接に発電機とを連結する方法でもよい。

図９は、連動式パドル型回転翼水流発電装置１１の背面概略図である。逆方向で前方にある連動式パドル型回転翼水流発電装置１１を見た概略図である。
水流中には順方向前方から浮流物除去用の網６、次に水流除４、パドル型回転翼２１が配置されている。３基の水流回転機の回転力は、コンベアを介して発電機７に伝達し発電される。

図８及び図９では、回転軸２２の周りに４つの回転翼のある１段のパドル型回転翼が付いている水流回転機５を３基使用しているが、回転翼の数、パドル型回転翼２１の段数及び水流回転機５の数は任意であり、これらの図に限るものではなく、水流の速さ、河川や用水路の幅・深さで適宜決められる。
また、各図において、架台８、水流回転機５、浮流物除去用網６等を支える支柱のすべては記載されていないが、連動式を含むパドル型回転翼水流発電装置が水流により流されることなく、確実に設置できるように、河川や用水路の幅や深さにより適宜支柱を使用することとする。

本考案の小水力発電装置は、構造が簡単であり、廉価で製造可能である。更には、小さな河川や用水路でも使用でき、需要が期待される。

１ パドル型回転翼水流発電装置 １１ 連動式パドル型回転翼水流発電装置
１３ （パドル型回転翼を使用した）風速計
２ 回転機 ２１ パドル型回転翼 ２２ 回転軸
３ コンベア ３１ コンベア支持回転軸
４ 水流除
５ 水流回転機
６ 浮流物除去用の網
７ 発電機
８ 架台 ８１ 支柱

Claims (5)

1. 回転軸と、その回転軸に垂直で、回転軸を中心とする円周上に同一方向に均等角度に配置した複数のパドルでできたパドル型回転翼とで構成される回転機において、この回転機に水流の抗力を軽減するため、回転翼が回転する水流とは逆方向側の半円周上に水流除を付けた水流回転機と、水流回転機の回転軸に発電機を連結したパドル型回転翼水流発電装置。
2. 回転軸の上下方向に、複数段のパドル型回転翼を付けた請求項１のパドル型回転翼水流発電装置。
3. 水流の浮遊物の回転機への衝突を避けるため、水流方向前方の水流浸漬部分には、浮流物除去用の網をつけた請求項１又は請求項２のいずれかのパドル型回転翼水流発電装置。
4. 請求項１又は請求項２の水流回転機を複数使用し、水流回転機の回転軸上方にループ状のコンベヤに連結し、回転軸の回転に伴って巡回するコンベヤ支持回転軸に発電機が連結した連動式パドル型回転翼水流発電装置。
5. 水流の浮遊物の衝突を避けるため、水流方向前方の水流浸漬部分には、浮流物除去用の網をつけた請求項４の連動式パドル型回転翼水流発電装置。