JP4995955B2 - 水力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、水流のエネルギーを利用して発電する水力発電システムに関する。

水流のエネルギーを利用して発電する水力発電システムは、自然のエネルギーを利用するものであって、燃料を燃やして二酸化炭素を排出する火力発電等の発電システムに比べて環境負荷が低い発電システムであるといった利点がある。特に、水流は我々の生活の周囲において様々な形態で存在し、それらを利用することで多くのエネルギーを取り出すことができるのではないかと期待されている。

ところで公知の水力発電システムとして、例えば下記特許文献１には、下水道管内を流れる下水のエネルギーを利用する発電システムが開示されている。また、下記特許文献２には、水平軸を中心とする円周上に水車翼が配置された水車であって、水車の水平軸が回転軸を中心にスイングする技術が開示されている。

特開２００３−２４７４８０号公報 特開２００９−１２７４２７号公報

しかしながら、上記特許文献に記載の技術は、水平軸を水流に対して垂直な方向に配置するとともに、少なくとも水平軸の下側にある（回転によって水平軸の下側となる）水車翼は水に浸され、他方は水に浸されていない必要があり、面積（体積）が不必要に大きくなってしまい、この結果エネルギー効率が低下してしまうといった課題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決し、より小面積で、エネルギー効率の良い水力発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する水力発電システムは、出力パイプケースと、出力パイプケース内に回転自在に配置され、内壁に翼を設けるともに回転中心に所定径の貫通孔を形成してなる回転筒と、回転筒の回転に基づき発電する発電装置と、を有する。

本発明によって、より小面積で、エネルギー効率の良い水力発電システムを提供することができる。

実施形態１に係る水力発電システムを側面から見た場合の概略図である。 実施形態１に係る水力発電システムを正面から見た場合の概略図である。 実施形態１に係る水力発電システムを側面から見た場合の断面概略図である。 実施形態１に係るスパイラル翼を斜めから見た場合のイメージ図である。 実施形態１に係る回転筒の回転機構のイメージ図である。 実施形態１に係る回転筒の前側開口部近傍における断面部分拡大図である。 実施形態２に係る水力発電システムを正面から見た場合の概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態の例示に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る水力発電システム（以下「本発電システム」という。）１を側面から見た場合の概略図であり、図２は、本発電システム１を正面から見た場合の概略図である。また図３は、本発電システム１の側面側から見た場合の断面図である。

本発電システム１は、これらの図が示すように、出力パイプケース２と、出力パイプケース１内に回転自在に配置され、内壁に翼３１回転中心に所定径の貫通孔３２を形成してなる回転筒３と、回転筒３の回転に基づき発電する発電装置４と、を有する。

出力パイプケース２は、本発電システム１の構造の主たる骨格を構成する部材であり、内部は中空であって、内部に回転筒３を収納することができる。出力パイプケースの材質としては、特に限定されず、金属や樹脂等様々な材質を採用することができるが、流されない程度の重量と錆等のつきにくいものであることが好ましく、例えばステンレス等が好適である。

なお出力パイプケース２は一対の開口部すなわち前側開口部２１及び後側開口部２２を有しており、前側開口部２１には、回転筒３の前側開口部３３に付された広口部３５を収納するための収納部２３が設けられている。このようにすることで回転筒３が出力パイプケース２から抜けてしまうことを防止するとともに回転を安定的に維持することができる。なお、後側開口部２２にも、前側開口部２１と同様、回転筒３の後側開口部３４に付された広口部３５を収納するための収納部２４を設けておくことが好ましい。出力パイプケース２の径は、本水力発電システムを配置する流れの水の深さ、必要とする電力量により適宜調整が可能である。また、本実施形態において、出力パイプケース２には、発電装置４を収納するための収納部２５も形成されている。

本実施形態にかかる回転筒３は一対の開口部すなわち前側開口部３３及び後側開口部３４を有し、出力パイプケース２の内部に収納され、出力パイプケース２内を回転することのできるものである。また本実施形態において回転筒３は、上述の通り内壁に翼３１を有しているとともに、回転中心に所定径の貫通孔３２が形成されている。回転筒３の径も、上記出力パイプケース２の径に応じて適宜調整可能であるが、回転の安定性を確保する観点から、出力パイプ２の内径より若干小さく形成し、隙間ができる限り少なくなるよう構成しておくことが好ましい。

本実施形態において、貫通孔３２の径としては、水流による抵抗を軽減し、十分に回転筒が回転可能となる程度あれば限定されないが、例えば回転筒３の内径を１とした場合、０．２以上０．６以下であることが好ましい。０．２以上とすることで、水流による抵抗の軽減の効果を図ることができるとともに、０．６以下とすることで、水流を翼３１に当て回転筒３を動かす力を充分受けることができるようになる。

本実施形態において翼３１は、上述の通り回転筒３の内壁に配置されている。翼３１の配置については適宜調節が可能であるが、一連のスパイラル翼であることは好ましい一態様である。ここでスパイラル翼とは、回転筒３の内壁に、らせん状に回転するよう配置される翼をいう。図４に、本実施形態に係るスパイラル翼を斜めから見た場合のイメージ図を示しておく。

本実施形態では、回転筒３の内壁に翼３１を形成することで、翼３１の全ての部分を水中に浸すことができるようになるため小面積化を図ることができ、エネルギー効率を向上させることができる。また、本実施形態の翼３１は、中心に貫通孔３２を有していることで、中心軸部材を配置する場合に比べ軽量化を図ることができるとともに、翼最前面にかかる負担（抵抗）を大幅に緩和し、翼３１にかかる抵抗を後段部分に分散させることができる。更に、スパイラル状とすることで、回転筒３に入る水の流れに渦巻成分を加えることができ、より力強く回転筒３を回すことが可能となり、水流の方向も安定化させることができるといった利点がある。また、本実施形態の翼３１には中心軸部材が設けられていないため、ゴミなどが引っかかるおそれも格段に少なくなるといった利点がある。

また本実施形態の回転筒３の外周には、発電装置４の回転軸４１を回転させるための回転機構３６が付されている。本実施形態において回転機構３６は歯が付された凸部を設けることで構成している。この部分のイメージ図を図５に示しておく。

また本実施形態の回転筒３の前側開口部３３近傍には、広口部３５が形成されている。なお広口部３５は、上記の通り出力パイプケース２の収納部２３に収納される。広口部３５を設けることで、前側開口部３３から流入する水により回転筒３及び翼に圧力が加わった場合でもこの部分で出力パイプケース２に支持され、抜け出てしまうことを防止することができる。なお、広口部３５は、上記の通り収納部２２に収納されるが、収納部２２の表面は可撓性の部材２３１で構成されていることが好ましい。可撓性の部材２３１としては、特に限定されるわけではないが、ゴムやポリマーフィルム等を採用することができる。可撓性の部材２３１は、水圧が加わった場合、回転筒３の広口部３５側に撓み、出力パイプケース２と回転筒３の隙間に水が浸入してしまうことを防止することができる。

また、本実施形態において、出力パイプケース２と回転筒３の間には、回転を滑らかにするため軸受５を設けておくことが好ましい。軸受５の構成としては特に限定されるわけではないが、ベアリングを好ましい一例としてあげることができる。この配置位置としては特に限定されるわけではないが、広口部３５と収納部２３の背面部３５１の間、広口部３５の側面部３５２と収納部２３の間、及び、回転筒３の本体部分３７と出力パイプケースの本体部分２６の間の少なくともいずれかに配置しておくことが好ましい。広口部３７と収納部２２の間に配置しておくことで、水圧が加わった場合でも回転筒３の回転を滑らかに保持することができ、広口部３５の側面部３７１と収納部２２の間に配置しておくことで回転筒３の回転中心がぶれてしまうことをより確実に達成することができ、回転筒３の本体部分３８と出力パイプケースの本体部分２４の間に配置しておくことで上記回転の精度をより高く確保することができるといった効果がある。この部分拡大図を図６に示しておく。なおこの関係は、後側開口部において同様に形成される収納部において同様である。

また発電装置４は、回転筒３の回転に基づき発電することのできるものであって、この機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、回転軸４１及びコイルを備えたローターと、このローターの周囲に配置される磁石とを有する発電機であることは好ましい一例である。この結果、回転筒３を回転させ、この回転に基づき回転軸４１を回転させることで発電させることができる。なお本実施形態において、回転軸４１には、歯車４２が固定されており、上記回転機構３６の歯と噛み合わされ、回転筒３の回転に応じて歯車４２及び回転軸４１が回転する。

なお本実施形態において、発電装置４は、一つであってもよいが複数設けられていることが好ましい。特に、複数発電装置４を設ける場合、回転筒３の回転中心に対し回転対称に配置されていることが好ましい。このように配置することで回転のバランスをとり、より安定した回転を得ることができるといった効果がある。

以上、本実施形態に係る水力発電システム１は、より小面積で、エネルギー効率の良い水力発電システムを提供することができる。具体的には、本水力発電システム１を流れのある水中に配置することで、この出力パイプケース２の中、特に回転筒３内の貫通孔３２に水が流れ、この流れが貫通孔３２内に配置された翼３１を回転させ、この翼３１の回転が回転筒３の回転となり、この回転筒３が回転することで発電装置４の回転軸４１を回転させ、発電することが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１とほぼ同様であるが、回転筒３内に設けられる翼が、実施形態１と異なる以外は実施形態１と同様である。したがって、本実施形態では異なる翼についてのみ説明することとし、それ以外の構成については省略する。図５に本実施形態に係る翼を正面から見た場合の図を示す。なお、本実施形態における水力発電システムを側面から見た場合の断面図は結果的に上記図３と同様になるため省略する。

本実施形態において翼３１は、回転筒３の内壁に、スパイラル状に配置される多数の翼３１を備えている。なお本実施形態では、上記実施形態１において既に述べたとおり、回転筒３の回転中心３２に貫通孔３３が形成されている。ここでスパイラル状とは、翼３１が配置されている位置を結んだ場合らせん状となっていることをいう。なお、翼３１の形状としては、断面が扁平となっていることが好ましく、扁平の場合、長辺方向はらせんに沿って配置されていることが好ましい。

本実施形態のように、翼３１をスパイラル状に配置することで、上記実施形態１と同様、翼３１の全ての部分を水中に浸すことができるようになるため小面積化を図ることができ、エネルギー効率を向上させることができる。また、本実施形態の翼３１は、中心に貫通孔３３を有しており、更に、上記実施形態１のスパイラル翼に比べ、更に軽量化、翼最前面にかかる負担（抵抗）の大幅な緩和を実現し、翼３１にかかる抵抗をより後段の翼に分散させることができる。更に、スパイラル状に配置することで、回転筒３に入る水の流れに渦巻成分を加えることができ、より力強く回転筒３を回すことが可能となり、水流の方向も安定化させることができるといった利点がある。特に、翼３１の断面が扁平の場合、長辺方向がらせんに沿って配置されていると、前段側の翼に当たった水の流れがらせんに沿って方向を変えるため安定的に渦巻き成分を発生させることができる。また、本実施形態の翼３１には中心軸部材が設けられていないため、ゴミなどが引っかかるおそれも格段に少なくなるといった利点がある。

なお、本実施形態のように、多数の翼３１は、回転筒３を正面（回転軸方向）から見た場合、できる限り重複せず均一に配置していることが好ましい。このようにすることで水流がいずれの翼にも均一に当たるようにし、効率向上を図ることができるといった利点がある。

以上、以上、本実施形態に係る水力発電システムは、より小面積で、エネルギー効率の良い水力発電システムを提供することができる。

本発明は、水力発電システムとして産業上の利用可能性がある。

１…水力発電システム、２…出力パイプケース、３…回転筒、４…発電装置

Claims (3)

1. 出力パイプケースと、
   前記出力パイプケース内に回転自在に配置され、内壁に翼が配置されるとともに、回転中心に所定径の貫通孔が形成されてなる回転筒と、
   前記回転筒の回転に基づき発電する発電装置と、を有し、
   前記回転筒の開口部には広口部が形成され、
   前記出力パイプケースの開口部には前記回転筒の前記広口部を収納するための収納部が設けられており、
   前記回転筒の広口部背面部と前記出力パイプケースの収納部の間に軸受が設けられており、更に、
   前記出力パイプケースの収納部の表面に、前記出力パイプケースの収納部と前記回転筒の広口部の隙間に水が浸入するのを防止する可撓性部材が設けられている水力発電システム。
2. 前記翼は一連のスパイラル翼を備える請求項１記載の水力発電システム。
3. 前記翼は、スパイラル状に配置される多数の翼を備える請求項１記載の水力発電システム。