JP4756400B2 - 水車発電装置及び水車発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、用水路などを流れる水のエネルギを電気に変換する水車発電装置及び水車発電方法に関する。

従来のマイクロ水力発電装置は、水車が固定式で水量が計画水位より下がると発電しなかった。（非特許文献１参照。）。
また、流水の取り入れ口に木の葉などがつまりやすく効率を落としてしまうものもある。（非特許文献２参照。）。
（株）パワー社 小型水力発電機製作ガイドブック （株）パワー社 小型水力発電実践記

以上に述べた従来のマイクロ水力発電装置では、外部の影響を受けやすかった。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり年間を通して安定的に水のエネルギを電気に変換する水車発電装置及び水車発電方法を提供することを目的とする。

そして、本発明は上記課題を解決するために請求項１の発明による水車発電装置は、４台の水車本体は浮力体を内包させた水車と、ベアリングを具備した両側の円盤と、一端に前記水車が取着されたアームと、前記アームを設置する為の支持台と、２台の前記水車を１セットとして同時に連動するようにした連結手段と、前記２台の連結した水車を連動させる回転伝達手段と、出力軸の左右に配置した前記連結した１セットずつの前記水車を連動する回転伝達手段と、２種類の回転数を同時に発生可能とした回転手段と、低速回転出力軸と永久磁石発電機２９間の回転伝達手段と、高速回転出力軸と誘導発電機間の回転伝達手段として、連結軸と前記連結軸の両端に可動式のユニバーサルジョイントとを具備することを要旨とする。

請求項２の発明による水車発電装置は、請求項１記載の水車発電装置において、さらに、整流板と、前記水車の位置を調整可能とする弾性体とを具備することを要旨とする。

請求項３の発明による水車発電装置は、前記アームの他端には支持手段が取着されており、前記支持手段を支点として前記アームと前記支持台との間にて回動自在に支持されていることを要旨とする。

請求項４の発明による水車発電方法は、水流に対して発電用の水車を４台配置してこの水車の回転により発電を行う水車発電方法において、前記水流の流量増減に応じて前記水車位置を調整することを要旨とする。

請求項５の発明による水車発電方法は、水流に対して発電用の水車を４台設置してこの水車の回転により発電を行う水車発電方法において、前記水流の流量が減少して水車が着床した場合には、両側に設置されている円盤の回転が止まり前記水車に取着している羽の破損を防止し、前記水車を単独で回転させ発電し、前記水流の流量が増大した場合には、取付け架台に設置されている弾性体が、前記水車の浮上りを防止し、前記水車の両側に設置されている円盤が水流を逃がさない壁体の役目をしながら共に回転し発電を行うことを要旨とする。

請求項６の発明による水車発電方法は、前記水車が４台連動し発電を行う方法において、前記４台の水車によって変換された水のエネルギを回転伝達手段によって１箇所に集積され、前記集積されたエネルギで２種類の発電を行うため、２箇所に設置した出力軸と発電機間を連結した前記連結軸と前記連結軸の両端に可動式のユニバーサルジョイントを回転伝達手段として設置し発電を行うことを要旨とする。

請求項７の発明による水車発電方法は、前記２箇所に設置した出力軸を回転手段として発電方法を２段階方式とし、第１段階は、低速回転出力軸に、永久磁石発電機を連結し、降雪時の消雪と操作盤の電源や、誘導発電機の励磁電源に充て、第２段階は、高速回転出力軸に安定した電力を発電する前記誘導発電機を連結し発電を行うことを要旨とする。

水車本体が略上下動するので用水路に草や木が流れて来ても、乗り越えることが出来るので発電効率を落とすことなく発電できる。また単独発電が出来るので電力会社から電気を買う必要もないため、何処でも設置できる。場所と水量を選ばない、そして地球温暖化防止に積極的に貢献し、未来を担う子供たちへすばらしい自然を残す事が出来る。

日本全国で用水路の長さが、４０万キロメートル位あると言われているので、この装置を設置することによって、火力発電所が排出する二酸化炭素も少なくなり、２０２０年までの二酸化炭素排出量２５％削減に大きく寄与する。

以下に本発明の実施形態を、図１、図２を参照して説明する。本発明の実施形態にあたっては用水路３２に水車発電装置Ａを設置するようにしたものである。

水車発電装置Ａにおいては、４台の水車本体はベアリング付円盤１と水車２の自重を、最適発電を得るように発泡スチロールのような浮力体を内包させる。水車２の両側にベアリング付円盤１を設置し、水車本体１３ａにおいては、上流から見て左側にダブルプーリー４を軸１２に取着する。２本のアーム７の両端に支持台９を取着し軸１２を前記２本のアーム７の下端に取着されている支持台９に軸支する。水車本体１３ａは、上流から見て右側のアーム７の上端を支持台１４と、軸１５で取付け架台８に可回動に軸支されている。左側のアーム７の上端は、出力軸２４ａに取着されたトリプルプーリー１７と、取付け架台８へ取着された支持台９に可回動に軸支されている。水車本体１３ｂと１３ａとの違いは、上流から見て左側の軸２４ｂにダブルプーリー２３が取着されていることである。水車本体１３ｃと１３ｄは、上流から見て左側のアーム７の上端を軸２４ｃで、取付け架台８へ取着された支持台９に可回動に軸支され、シングルプーリー３を軸１２に取着した構成としたものである。

水車本体１３ａ，１３ｄを１セットとして連動させるために連結装置５が両側に設置されたアーム７に可回動に軸支されている。これと同じく、水車本体１３ｂ，１３ｃを１セットとして連動させるために連結装置５が両側に設置されたアーム７に可回動に軸支されている。連結された水車本体１３ａ、１３ｄ間と、水車本体１３ｂ、１３ｃ間をベルト１０によって連結され一体に可回転する。

トリプルプーリ１７とダブルプーリ２３は、ベルト２０によって連結されており、トリプルプーリ１７の両側の近傍に２種類の出力軸を設置するための取付け架台１８ａ、１８ｂが設置されている。出力軸２４ａの左側の取付け架台１８ａには、シングルプーリ１６が低速回転出力軸２１ａに取着され支持台９によって軸支されており、出力軸２４ａの右側の取付け架台１８ｂには、シングルプーリ２２が高速回転出力軸２１ｂに取着され支持台９によって軸支されており、トリプルプーリ１７とシングルプーリ１６は、ベルト２８によって連結されており、トリプルプーリ１７とシングルプーリ２２は、ベルト１９によって連結されている。

低速回転出力軸２１ａと永久磁石発電機２９間の回転手段と、高速回転出力軸２１ｂと誘導発電機３０間の回転手段として、図示しない数箇所に設置された支持台が、回転する連結軸２７を軸支し振動防止をする如く構成されており、連結軸２７と前記連結軸２７の両端に可動式のユニバーサルジョイント２５を設置する。

このような構成で、永久磁石発電機２９と誘導発電機３０によって２種類の発電が同時に行われることになる。

水量が減少し水車本体１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが着床した場合には、水車の上流側の近傍に設置され、水車の長さ程度であって、断面形状が上流側を低く、下流側を高くした略三角形状である整流板６により、整流板６を通過した水流が、水車に取着している羽根に効率よく供給される。水量が増大した場合には、取付け架台８に取着している支持台９を支点として可回動するアーム７の位置を調整するために、弾性体として浮き上がり防止スプリング２６を設置する。上流から見て右側は、軸１５によって軸支され、上流からみて左側は、出力軸２４ａ、軸２４ｂ、軸２４ｃによって軸支されており、このアーム７は浮き上がり防止スプリング２６と一体回動する如く構成されている。すなわち、アーム７と浮き上がり防止スプリング２６は取付け架台８に取着している支持台９を支点として可回動する。

このようにして、本発明に係る水車発電装置Ａが構成される。アーム７の先端に取り付けられた水車２は水力にて回転し、永久磁石発電機２９と誘導発電機３０によって２種類の発電が同時に行われる。すなわち、水車２の位置は発電に最適なエネルギが得られる位置に配置される。

用水路３２を流れる水の量は日々変化している。従って、水車２を固定しておくと、最適発電を行うことが困難になる。そこで、本発明にあっては、最適発電を得るために浮力体を内包させた水車２の位置を、変更調整することが出来る。アーム７の先端に軸支された水車２を、取付け架台８に取着している支持台９を支点として、水量の増減に応じて略上下動を行う。

水量が減少して水車本体１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、１３ｄが着床したときには、両側に設置されているベアリング付円盤１の回転が止まり、水車２に取着している羽の破損を防止し、水車２を単独で回転させて発電を行う。図１に示すように、円盤の径は水車の径より大きくしている。この時、整流板６を通過した水流が、水車２に取着している羽に水流を効率よく供給する。

水量が増大すると水車本体１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、１３ｄが上方へ上がる。このときに、流速も速くなり発電する力よりも上方へ上げる力が大きく働き、最適発電を行うことが困難になる。そこで、アーム７の位置を、浮き上がり防止スプリング２６によって制御することにより最適発電を行う位置に配置させることが出来る。

ベルト１０によって連動する水車本体１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、１３ｄが変換した水のエネルギは、出力軸２４ａ，軸２４ｂにベルト１１を介して伝達される。軸２４ｂに集積されたエネルギは、ダブルプーリ２３からトリプルプーリ１７へ、ベルト２０を介して伝達される。

常時は取付け架台１８ａに取着された支持台９に配置された低速回転出力軸２１ａと、永久磁石発電機２９が、連結軸２７と前記連結軸２７の両端に可動式のユニバーサルジョイント２５を設置し発電しており、取付け架台１８ｂに取着された支持台９に配置された高速回転出力軸２１ｂと、誘導発電機３０が、連結軸２７と前記連結軸２７の両端に可動式のユニバーサルジョイント２５を設置し発電しているが、図示しない格納倉庫によって、２種類の発電機が漏電や動物による食害から守る如く構成されており、台風や、地震などで水車発電装置Ａか、図示しない格納倉庫の基礎が異常な事態に陥って、最も必要なとき最適発電を得るために、両端に設置されている可動式のユニバーサルジョイント２５が最適な位置に移動する。

従来の水力発電方法においては、１種類の発電しか行われていなかった。そこで、本発明にあっては２段階方式とし、２種類の発電を行うことが出来る。第１段階は、取付け架台１８ａに取着された支持台９に軸支された低回転出力軸２１ａと、永久磁石発電機２９が、連結軸２７と前記連結軸２７の両端に可動式のユニバーサルジョイント２５を設置し発電を行い、この電力を用いて、本発電装置を覆うカバーを設置するため、降雪時の消雪及び本発電装置操作盤の電源及び誘導発電機の励磁電源に充て、第２段階は、取付け架台１８ａに取着された支持台９に軸支された高速回転出力軸２１ｂと誘導発電機３０が連結軸２７と前記連結軸２７の両端に可動式のユニバーサルジョイント２５を設置して発電を行う。

上述した本発明の実施形態では、回転伝達手段としてプーリとベルトを用いたものを使用しているが、水車の回転を確実に発電機に伝達可能なものであれば、これに限られることはなく、例えば、スプロケットとチェーンを用いた回転伝達装置も同様に用いることが出来る。

尚、本発明は上記実施形態に何等制限されるものではなく、必要に応じて各構成要素を適宜設計変更することが出来る。

以下、水力発電装置を用いた場合の具体的例について説明する。水車２のドラムの径を６８ｃｍ、πを３．１４１５９、シングルプーリ２２の径；５ｃｍを（変速比１）として、シングルプーリ１６；１０ｃｍ（変速比２）、トリプルプーリ１７；４０ｃｍ、５ｃｍ、４０ｃｍ（変速比８：１：８）、ダブルプーリ２３；４０ｃｍ、５ｃｍ（変速比８：１）、ダブルプーリ４；４０ｃｍ、４０ｃｍ（変速比８：８）、シングルプーリ３；４０ｃｍ（変速比８）として、ダブルプーリ４が１回転すると、トリプルプーリ１７が８回転し、シングルプーリ２２が６４回転し、シングルプーリ１６が３２回転する。水流の速度を７ｋｍ／ｈと仮定して、計算すると
水車２の回転数（毎分）；７０００÷π÷０．６８÷６０＝５４．６１２ｒｐｍ
シングルプーリ２２の回転数；５４．６１２×６４＝３４９５．１６８ｒｐｍ
シングルプーリ１６の回転数；５４．６１２×３２＝１７４７．５８４ｒｐｍ
上記の計算結果により特別な発電機ではなく、市販の廉価な発電機の使用を可能にした。

用水路における流水エネルギを利用した電力発生装置、方法であったが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、他の最良の実施形態例として、図３、図４に示す通り取付け架台８を延長することにより、河川にも利用可能であり、回転伝達装置と発電機を上流側から見て右側へ設置すれば、河川の両岸に設置することも出来る。

本発明の実施形態を示す水車発電装置Ａの基本構造斜視図 本発明全体斜視図 参考図、河川改修された所に設置した全体斜視図 参考図、河川の水の一部を取水して発電するように設置した全体斜視図 ユニバーサルジョイント２５の部品斜視図 ベアリングを円盤に配置した部品斜視図

１ ベアリング付円盤
２ 水車
３ シングルプーリ
４ ダブルプーリ
５ 連結装置
６ 整流板
７ アーム
８ 取付け架台
９ 支持台
１０ ベルト
１１ ベルト
１２ 軸
１３ａ 水車本体
１３ｂ 水車本体
１３ｃ 水車本体
１３ｄ 水車本体
１４ 支持台
１５ 軸
１６ シングルプーリ
１７ トリプルプーリ
１８ａ 取付け架台
１８ｂ 取付け架台
１９ ベルト
２０ ベルト
２１ａ 低速回転出力軸
２１ｂ 高速回転出力軸
２２ シングルプーリ
２３ ダブルプーリ
２４ａ 出力軸
２４ｂ 出力軸
２４ｃ 軸
２５ 可動式ユニバーサルジョイント
２６ 浮上がり防止スプリング
２７ 連結軸
２８ ベルト
２９ 永久磁石発電機
３０ 誘導発電機
３１ ベアリング
３２ 用水路

Claims (4)

1. 浮力体を内包させた４台の水車本体を用い、ベアリングを具備した水車両側の円盤と、一端に前記水車が取着されたアームと、前記アームを回動自在に支持する為の支持台と、２台の前記水車を１セットとして同時に連動するようにした連結手段とを有する水車発電装置において、前記２台の連結した水車を連動する回転伝達手段と、出力軸の左右に配置した連結した１セットずつの前記水車を連動する回転伝達手段と、２種類の回転数を同時に発生可能とした回転手段により、低速回転出力軸を介して永久磁石発電機に回転を伝動させ、高速回転出力軸を介して誘導発電機に回転を伝達することを特徴とする水車発電装置。
2. 前記ベアリングを具備した水車両側の円盤が、水車の径より大きくすることで、水量が減少して着床したときに、水車の羽の破損を防止し、水車の回転も可能であることを特徴とする請求項１に記載の水車発電装置。
3. 水量が増大した場合に、水車が上方へ上がることを制御するために、弾性体として浮き上がり防止スプリングをアームに具備したことを特徴とする請求項１または２に記載の水車発電装置。
4. 低速回転出力軸に連結された永久磁石発電機の電力を、本装置を覆うカバーの消雪及び本装置操作盤の電源及び誘導発電機の励磁電源として利用することを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の水車発電装置。
   
   

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