JP4531036B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置に関するものであり、特に、軸方向の流体の流れにより回転する発電用回転翼を用いた発電装置に関するものである。

従来より、発電所などの専門施設での大規模な発電とは別に、身近な自然のエネルギーを有効に利用して、小規模ながらも発電を行いたいという要望がある。特に、水や風などの流体は、時を選ばず至るところで得られるエネルギー源であることから、流体を利用して発電を行うための種々の回転翼及び発電装置が提案されている。例えば、河川や用水路等の水流を利用した発電装置として、図６に例示するようなプロペラ型の回転翼を用いた発電装置１００が実施されている（例えば、非特許文献１参照）。この装置は、全体が水中に浸漬され、プロペラを上流側に向けた状態で、装置を組み付けた架台（図示しない）を川底等の水路床に固定して使用される。

自然エネルギー推進市民フォーラム編，「だれでもできるベランダ太陽光発電 身近な自然エネルギー入門」，合同出版株式会社，１９９９年１月，ｐ．８６

しかしながら、上記の発電装置１００は、水中を流れる落ち葉などのゴミが回転軸に絡まって回転が停止し易いため、ゴミ取り用のフェンスや網等を設置する必要があった。また、フェンス等に引掛かったゴミを取り除いたり、フェンス等を通過して回転軸に絡みついたゴミを取り除くメンテナンスが頻繁に必要であり、その作業が煩雑であるという問題があった。また、水路床への架台の固定は容易なものではなく、水路床がコンクリート打ちされている場合などは、大掛かりな作業となることもあった。加えて、いったん水路に発電装置を設置してしまうと、大雨による増水に備えて取り外すなどの対応が困難であり、装置が流されたり、損傷を受けたりすることがあった。

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、メンテナンス作業の負担を低減できる発電用回転翼を用いた発電装置の提供を課題とするものである。更に、設置や取り外しの容易な発電装置の提供を課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明の発電装置に用いる発電用回転翼は、「軸方向を流体の流れ方向に略一致させる軸部と、該軸部に螺旋状に設けられ流体の上流側から下流側に向かって拡径する翼部とを」具備している。

「流体」は、液体の意であり、河川や用水路等を流下する水、浄水場や廃水処理施設内を配送される液体等を例示することができる。

「翼部」は一つまたは複数を設けることができる。ここで、翼部の形状の「螺旋状」とは、平面的な渦巻き形ではなく、軸方向に延びつつ周方向に巻回する形状を指している。

螺旋状の翼部が「流体の上流側から下流側に向かって拡径する」とは、一条の翼部が、上流側で軸心近くを始端とし、軸心から翼部の外縁までの長さが終端に向かって徐々に増加するように、軸部を巻回している形状を指している。かかる形状は、例えば、翼部が軸部の表面から突設される高さ自体を変化させることにより形成することができる。或いは、翼部が軸部の表面から突出される高さは一定とし、軸部自体を上流側から下流側に向かって拡径させることにより形成することができる。或いは、軸部を上流側から下流側に向かって拡径させつつ、翼部が軸部の表面から突出される高さを増加させても構わない。

上記の構成により、流体中をゴミやホコリ等の異物が流れてきても、流れ方向に沿って螺旋状に延びる翼部に次々と当たり流体と共に軸方向に押されて行くため、異物が軸心側に回り込むことが防止される。しかも、螺旋状の翼部は、下流側ほど大径であるため、異物は外へ外へと押されて行くこととなる。更に、翼部の大径である部分ほど、周速は速くなるため、翼部の下流側の端部では、異物は跳ね飛ばされるように翼部から離れて行く。

従って、上記構成によれば、プロペラ型の回転翼のように、羽根と羽根との間隙から異物が軸心側に回り込んで軸部に絡みつくことを、有効に抑制することができる。これにより、異物除けのフェンス等を設けなくても、長期にわたって発電用回転翼を回転させ続けることができ、フェンス等に引掛かった異物を取り除く煩雑なメンテナンス作業を要しないものとなる。また、軸部に絡みついた異物を取り除くメンテナンス作業の頻度も、著しく低減させることができる。

また、プロペラ型の回転翼の場合は、羽根と羽根との間隙を通過して羽根に当たらなかった流体は、エネルギー源として使用されずに流れ去ってしまうこととなる。これに対し、本発明では、例えば、翼部が一つの場合は軸部周りに一周以上の螺旋状とし、翼部がｎ個の場合は、それぞれが軸部周りに１／ｎ周以上巻回される螺旋状とすることにより、上流側で翼部に当たらなかった流体は、拡径しつつ軸方向に連続する螺旋状の翼部に、下流側で当たり易い。更に、プロペラ型の回転翼の場合、軸心に近い部分の流体は、羽根の回転に対してほとんど寄与しないのに対し、本発明の翼部は、始端を軸心のごく近くに設定することにより、軸心に近い部分の流体も、翼部の回転に利用することが可能となる。従って、上記構成によれば、発電用回転翼の回転のために、流体のエネルギーを有効に利用することが可能となる。

更に、本発明の発電装置に用いる発電用回転翼は、上記構成に加え、「前記軸部は、流体の上流側から下流側に向かって拡径する略円錐形に形成された円錐形部を更に具備し、前記翼部は前記円錐形部に設けられている」ものとすることができる。

「円錐形部」は、軸部の他の部分とは別体で形成された後に一体化されるものであっても良いし、円錐形部を含む軸部全体が最初から一体的に形成されるものであっても良い。また、円錐形部は、中実であっても中空であっても良い。更には、メッシュ材やパンチング材を用いて円錐形部を構成させても構わない。

上記の構成により、円錐形部を設けて軸部自体を上流側から下流側に向かって拡径させることにより、翼部が軸部の表面から突設される高さを抑えつつ、翼部が軸心から突設される高さを、上流から下流に向かって増加させることができる。一般的に、翼部が軸部の表面から突出される高さが大きいほど、翼部の根元に異物が引掛かり易いものとなるが、本発明ではこれが抑制されることにより、より効果的に異物を排除しつつ、発電用回転翼を回転させ続けることができる。

次に、本発明にかかる発電装置は、「軸方向を水流の流れ方向に略一致させる軸部、及び、該軸部の一端側に螺旋状に設けられ水流の上流側から下流側に向かって拡径する翼部を有する発電用回転翼と、前記軸部において前記翼部の端部から１００ｃｍ〜２００ｃｍ伸びている回転軸の翼部側とは反対側の端部に固定され、前記翼部の回転に伴う前記軸部の回転が入力されて電力を出力する水中には浸漬されない発電機と、前記回転軸に対して略直角に延び、前記発電機を片持ち状に支持するアーム部とを具備し、前記アーム部は、長手方向に相対的にスライドする棒状部材によって長さ調整可能に構成されている」ものである。

「発電機」は、回転エネルギーを電力に変換するものであれば特に限定されない。例えば、磁場の変化によりコイルに起電力を生じさせる電磁誘導方式の発電機として、磁石を回転させる回転界磁型発電機や、コイルを回転させる回転電機子型発電機を使用することができる。また、直流発電機であっても、交流発電機であっても構わない。なお、発電用回転翼の軸部の回転の発電機への入力は、軸部を発電機の入力軸と直接接続しても良いし、軸部の回転を伝達する適宜の伝達機構を介して行っても良い。

「アーム部」の形状や材質は、発電機や発電用回転翼の重量を支持できるだけの剛性を有する構成であれば、特に限定されない。例えば、中実または中空で、四角形または円形の断面形状を有する長尺の棒状の金属、木材、樹脂等の材料を使用して構成させることができる。或いは、断面がコ字形やＬ字形の長尺の棒状の材料を使用することもできる。なお、アーム部は、発電機に直接取り付けられて発電機を支持するものであっても、適宜の連結用の部材を介して発電機を支持するものであっても良い。また、アーム部は、長手方向に相対的にスライド可能な複数の棒状部材によって構成させ、長さを調整できる。

上記の構成により、異物が絡まり難く、煩雑なメンテナンス作業を要しない上述の発電用回転翼を、アーム部により発電機を介して片持ち支持することができる。これにより、液体に浸漬された発電用回転翼を、離れた位置から支持することが可能となる。また、流路内に入ることなく、発電装置を容易に流路内に設置し、容易に流路から取り外すことができる。例えば、河川を流れる水や溝状の配液路を流れる液体の中に発電用回転翼を浸漬し、これを護岸壁や配液路の側壁に固定したアーム部によって支持することができる。

以上のように、本発明の効果として、メンテナンス作業の負担を低減できる発電用回転翼を用いた発電装置を提供することができる。また、設置や取り外しの容易な発電装置を提供することができる。

以下、本発明の最良の一実施形態である発電用回転翼、及び、該発電用回転翼を用いた発電装置について、図１乃至図５に基づいて説明する。本実施形態では、河川や用水路等の水流によって発電を行う水力発電用回転翼及び水力発電装置に、本発明を適用した場合を例示する。ここで、図１は本実施形態の発電装置の全体構成を示す斜視図であり、図２は本実施形態の発電用回転翼の翼部の一条を説明する側面図であり、図３は本実施形態の発電用回転翼を（ａ）下流側から見た正面図、及び（ｂ）上流側から見た斜視図であり、図４は他の実施形態の発電用回転翼を（ａ）下流側から見た正面図、及び（ｂ）上流側から見た斜視図であり、図５は他の実施形態の軸部の側面図である。

本実施形態の発電装置１０は、図１に示すように、軸方向を流体の流れ方向に略一致させる軸部５、及び、軸部５に螺旋状に設けられ流体の上流側から下流側に向かって拡径する翼部６を有する本実施形態の発電用回転翼１と、翼部６の回転に伴う軸部５の回転が入力されて電力を出力する発電機１１と、発電機１１を片持ち状に支持するアーム部１５とを具備している。更に、本実施形態の発電用回転翼１の軸部５は、上流側から下流側に向かって拡径する略円錐形に形成された円錐形部５ｂを具備している。

より詳細に説明すると、軸部５は直径４〜６ｍｍのステンレス製の丸棒状の回転軸５ａと、木材で底面の直径が３．５〜４．５ｃｍ、高さ（軸方向の長さ）が約１０ｃｍの円錐形に形成された円錐形部５ｂとで構成され、円錐形部５ｂは、その頂点から底面の中心に向かって回転軸５ａを挿通させて、回転軸５ａに接着固定されている。そして、回転軸５ａは、円錐形部５ｂの頂点から外方に向かって、更に１００〜２００ｃｍ伸びている。

翼部６は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態では三つ（三条）が設けられ、それぞれ円錐形部５ｂの上流側の端部を始端とし、軸方向に延びつつ円錐形部５ｂの外周面に沿って巻回され、円錐形部５ｂの底面の周縁（下流側の端部）で終端となるように設けられている。ここで、構成を分かり易くするため、三条の翼部６の内の一条のみを図２に示したように、本実施形態の翼部６は、円錐形部５ｂの外周面に沿って、軸部５周りにそれぞれ約一周巻回されている。また、軸心から翼部６の外縁までの長さは、始端Ａから終端Ｂまで徐々に増加するように設定されると共に、翼部６が円錐形部５ｂの表面から突出する高さも、始端Ａから終端Ｂまで徐々に増加するように設定されている。

このような翼部６は、例えば、一枚の板材を渦巻き状に切断した上で、その渦巻き状の板材を厚さ方向に引き伸ばし、円錐形部５ｂの外周面に螺旋状に設けた溝に嵌め込んで接着することにより、形成することができる。なお、本実施形態では、約１ｍｍ厚さのアルミニウム板を用いて、翼部を形成している。また、円錐形部５ｂの表面から突出する翼部６の高さは、始端では１〜２ｍｍ、終端では約４〜６ｃｍの設定とされている。

本実施形態のように、翼部６を複数設ける場合は、軸対称となるように設けることが望ましい。すなわち、複数の翼部６が軸心に対して等角度間隔となるように取り付けられることが望ましい。本実施形態では、三条の翼部６が、軸心に対して約１２０°間隔となるように取り付けられている（図３（ａ）参照）。

発電機１１は、本実施形態では、円板部１１ａの回転により磁石（図示しない）が回転し、ケーシング１１ｂの内周面に設けられた複数のコイル（図示しない）中に誘導起電力が生じる回転界磁型の交流発電機１１を使用している。そして、発電用回転翼１の回転軸５ａの円錐形部５ｂ側とは反対側の端部が、円板部１１ａに固定された略コ字形の伝達部２１に固定されており、回転軸５ａの回転に伴い、伝達部２１を介して円板部１１ａが回転する構成とされている。

ケーシング１１ｂからは、金属製のアーム部１５が一方向に延びるように取り付けられている。本実施形態のアーム部１５は、相対的にスライド可能な二本の棒状の部材によって、１００〜２００ｃｍの範囲で長さが調整できる構成とされている。また、アーム部１５は、回転軸５ａと略直角を構成するように取り付けられている。

上記のような構成の本実施形態の発電装置１０は、次のように使用することができる。まず、河川や用水路等を流れる水中に、円錐形部５ｂの頂点側が水流の上流側となるように円錐形部５ｂ及び翼部６を浸漬し、その状態で、アーム部１５の発電機１１側とは反対側の端部を、河川の護岸壁や用水路の側壁等に固定する。これにより、発電機１１を介して、発電用回転翼１が、離れた位置すなわち河川や用水路の外部から、片持ち状に支持される。なお、本実施形態の発電用回転翼１は、水深が１５ｃｍ程度あれば、水中に浸漬させることができる。

水中に浸漬された発電用回転翼１に水流が当たると、軸方向及び周方向に長さ成分を有する翼部６が水流を受け、翼部６と、翼部６が取り付けられている円錐形部５ｂと、円錐形部５ｂと接着固定された回転軸５ａとが一体的に回転する。この回転に伴い、伝達部２１を介して発電機１１の円板部１１ａが回転し、発電機１１から電力が出力される。本実施形態では、水流の速度が約１．３ｍ／秒以上であれば、発電用回転翼１を回転させることができ、２〜４Ｗの発電を行うことができる。出力された電力は、交流のまま使用しても、直流に変換して使用しても良く、また、バッテリーに蓄電してから使用することもできる。

実際に、本実施形態の発電装置１０と、螺旋状の翼部６の代わりに三枚羽根のプロペラを軸部５に取り付けた対照例の発電装置とを、同一の河川に並設して発電を行った。なお、対照例の発電装置のプロペラの寸法は、回転による軌跡によって形成される円の直径が、本実施形態の翼部６の終端における回転軌跡の円の直径と同一となるように設定した。また、ゴミ除け用のフェンス等は、設置しなかった。

その結果、対照例の発電装置では、使用開始後わずか１〜２時間程度で、プロペラの取り付け部分の軸部に落ち葉が絡まってプロペラの回転が停止し、それ以上の発電を行うことはできなかった。これに対し、本実施形態の発電装置１０は、２週間〜１ケ月以上ゴミが絡まることなく発電用回転翼１が回転し続け、メンテナンスフリーで連続的に発電を行うことができた。

上記のように、本実施形態の発電用回転翼１によれば、水中を流れる落ち葉等の異物は、軸方向に螺旋状に連続する翼部６に、水流と共に次々と当たって軸方向に押されて行くため、異物が軸心側に回り込むことが防止される。しかも、螺旋状の翼部６は、下流側ほど大径となる構成であるため、異物は外へ外へと押されて行くこととなる。更に、大径の部分ほど周速が速いため、翼部６の下流側の端部では、異物は跳ね飛ばされるように翼部６から離れることとなる。これにより、プロペラ型の回転翼のように、羽根と羽根との間隙から異物が軸心側に回り込み軸部に絡みついてしまうことを、有効に抑制することができるため、異物除けのフェンス等を設ける必要がなく、フェンスに引掛かった異物を取り除く煩雑なメンテナンス作業を要しないものとなる。また、軸部５に絡みついた異物を取り除くメンテナンス作業の頻度も、著しく低減させることができる。

また、プロペラ型の回転翼の場合、羽根と羽根との間を通過し、羽根に当たらなかった水流は、エネルギー源として使用されない。これに対し、本実施形態の発電用回転翼１では、三条の翼部６が軸心に対して等角度間隔で設けられると共に、それぞれの翼部６が軸部５周りに１／３周以上（具体的には約一周）巻回されているため、上流側で翼部６に当たらなかった水流は、拡径しつつ連続する螺旋状の翼部６に下流側で当たり易い。これにより、水流を有効に利用して発電用回転翼１を回転させ、効率良く発電を行うことができる。

更に、プロペラ型の場合は、軸心近くに当たる水流が、羽根の回転に寄与する度合いは小さい。これに対し、本実施形態の翼部６は、始端における軸心からの距離は回転軸５ａの半径に等しく、軸心のごく近くを始端とする螺旋状の構成であるため、軸心に近い部分に当たる水流も有効に利用して、発電用回転翼１を回転させることができる。このことからも、水流を有効に利用して、効率良く発電を行うことができる。

更に、円錐形部５ｂが設けられて軸部５自体が上流側から下流側に向かって拡径されていることにより、翼部６が軸部５の表面から突設される高さを抑えつつ、翼部６が軸心から突設される高さを、上流から下流に向かって増加させることができ、より効果的に異物を排除しつつ、発電用回転翼１を回転させ続けることができる。

また、発電機１１を介して、アーム部１５で発電用回転翼１を片持ち支持することにより、水流中に浸漬された発電用回転翼１を、離れた位置から簡易に支持することができる。これにより、水中に入ることなく、発電装置１０を容易に流路内に設置することができ、従来の発電装置１００のように川床に固定する等の大掛かりで面倒な作業を要しないものとなる。また、水中に入ることなく、容易に流路から発電装置１０を取り外すことができるため、増水によって装置が流されたり損傷を受ける恐れがあるという、従来の問題を回避することができる。加えて、従来の発電装置１００より小型化することが可能であるため、河川等の設置場所まで、容易に運搬し携帯することができる。

更に、発電用回転翼１は水流に対して斜め上方から挿し込まれることとなるが、上述のように、翼部６が設けられている円錐形部５ｂの軸方向の長さに対して、回転軸５ａがかなり長い寸法設定とされているため、水流の方向と発電用回転翼１の軸方向とを略一致させることができる。また、回転軸５ａがかなり長いことから、護岸壁等における支持位置と水流との間の高低差が大きくても、水中に発電用回転翼１を浸漬することができる。

加えて、アーム部１５は回転軸５ａと略直角をなす構成であるため、アーム部１５の長さをほぼ最短として、発電機１１や発電用回転翼１の重量を支持することができ、アーム部１５の端部を護岸壁等に固定するために必要な力をほぼ最小とすることができる。

また、従来の発電装置１００のように、装置全体を水中に浸漬するものに比べ、水深が浅い水流を利用して発電を行うことができ、設置可能な水流の範囲が広いものとなる。また、従来の発電装置１００とは異なり、発電機１１は水中に浸漬させない構成であるため、防水のためのシーリングや防錆対策を従来品ほど考慮する必要がなく、発電装置１０を簡易に製造することができる。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記では、翼部６が三条設けられる発電用回転翼１を例示したが、翼部６の数はこれに限定されない。例えば、翼部６を一条とすることにより、簡易な構成の発電用回転翼とすることができる。また、複数を設けることとすれば、上述のように翼部を軸対称の構成とすることができるため、高速で回転しても振動を生じることなく、バランス良く安定的に回転する発電用回転翼となる。なお、翼部の数が多ければ、水流の流速が同一でも、より大きな回転力を得ることができるが、同時に水流との摩擦抵抗も増加するため、二〜五条の設定とすることが望ましい。例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、二条の翼部６が軸対称に設けられると共に、それぞれの翼部６が軸部５周りに１／２周以上巻回されている発電用回転翼２とすることができる。

また、翼部６を円錐形部５ｂに取り付ける場合を例示したが、これに限定されず、回転軸５ａのみで軸部５を構成させ、翼部６を回転軸５ａに直接取り付けても良い。

また、図５（ａ）に例示するように、軸部５を、円錐形部５ｂの下流側の端部から、更に円柱状に延設された円柱部５ｃを備える構成とし、円錐形部５ｂから円柱部５ｃにかけて翼部６が巻回される構成とすることもできる。これにより、軸部５の重量の増加を防止しつつ、翼部６の数や巻回される周回数を増加させることが可能となる。

更に、図５（ｂ），（ｃ）に例示するように、軸部５を、下流側の端部に流線形や半球形等のノーズ部５ｄを備える構成とすることができる。これにより、軸部５の下流端で負圧となって流体が軸心方向に引き付けられたり、渦が生じて水流に乱れが生じることを抑制することができる。

本実施形態の発電装置の全体構成を示す斜視図である。 本実施形態の発電用回転翼の翼部の一条を説明する側面図である。 本実施形態の発電用回転翼を（ａ）下流側から見た正面図、及び（ｂ）上流側から見た斜視図である。 他の実施形態の発電用回転翼を（ａ）下流側から見た正面図、及び（ｂ）上流側から見た斜視図である。 他の実施形態の軸部の側面図である。 従来の発電装置の全体構成を示す斜視図である。

符号の説明

１，２ 発電用回転翼
５ 軸部
５ａ 回転軸（軸部）
５ｂ 円錐形部（軸部）
６ 翼部
１０ 発電装置
１１ 発電機
１１ａ 円板部（発電機）
１１ｂ ケーシング（発電機）
１５ アーム部
２１ 伝達部

Claims (1)

1. 軸方向を水流の流れ方向に略一致させる軸部、及び、該軸部の一端側に螺旋状に設けられ水流の上流側から下流側に向かって拡径する翼部を有する発電用回転翼と、
   前記軸部において前記翼部の端部から１００ｃｍ〜２００ｃｍ伸びている回転軸の翼部側とは反対側の端部に固定され、前記翼部の回転に伴う前記軸部の回転が入力されて電力を出力する水中には浸漬されない発電機と、
   前記回転軸に対して略直角に延び、前記発電機を片持ち状に支持するアーム部とを具備し、
   前記アーム部は、長手方向に相対的にスライドする棒状部材によって長さ調整可能に構成されている
   ことを特徴とする発電装置。

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