JP5114051B2 - 水力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、側溝を流れる水により発電するのに適した水力発電システムに関するものである。

特許文献１には、水流による発電装置が開示されている。この発電装置は、水流のある水面に浮かべるフロートと、フロートの前後方向に対して直交するようにフロートの上に回転自在に設けた回転軸と、回転軸の端部に設けた水車と、回転軸の回転を伝達する変速機構と、フロートの上に設けて変速機構に接続された発電機と、回転軸を介して水車を上下方向に移動させることができる昇降手段とからなる。
特開２００３−９７４０６号公報

道路の側溝を流れる水により発電するような水力発電システムが検討されている。側溝に流れる水の量は、時期だけでなく時間によっても比較的大きく変動する。このため、側溝を流れる水により発電するような水力発電システムを側溝に常設する場合には、安定した発電量を確保するため、あるいは、水車が側溝の底に干渉しないようにするために、水位の上下動に迅速に対応できるものが必要とされる。

特許文献１に記載の発電装置は、水位が上がったり下がったりした場合に、昇降手段を操作して水車の水中への沈み状態を調節するようになっている。しかしながら、水位の変化を随時確認して、昇降手段を操作し、水車の位置を適宜変えることは、側溝に設置するような簡易な発電システムでは採用することが難しく、またその操作も面倒である。

また、特許文献１に記載の発電装置を、側溝を流れる水により発電するような水力発電システムに適用した場合、オペレータが側溝の水位の変化に迅速に対応し、昇降手段により水車を上方に移動させなければ、水車が側溝の底に当接してしまうおそれがある。このような対応をオペレータに求めること、さらに、オペレータを用意することも、側溝に常設することを目的としているような簡易な発電システムでは難しい。

本発明の一態様は、側溝に投入可能な水力発電システムであって、側溝を流れる水により回転する水車と、水車の回転軸と接続され、水車の回転により発電する発電機と、発電機および／または水車を支持する支持部材と、支持部材の下部の左右に取り付けられた一対のフロートとを有する。一対のフロートの外側の面は側溝の側面と並行に配置可能な平面であり、内側の面は水車の方向に、ヘの字状に張り出している。この水力発電システムは、一対のフロートの間に水車が配置され、水車の下端は、一対のフロートの下端より上方に位置し、さらに、側溝を流れる水量が比較的多い場合には、一対のフロートの浮力により当該水力発電システムが水に浮き、側溝を流れる水量が比較的少ない場合には、一対のフロートの下端が当該水力発電システムの重量により側溝の底に接し、一対のフロートが当該水力発電システムを支持する。

この水力発電システムによれば、側溝を流れる水量が比較的多い場合には、一対のフロートの浮力により当該水力発電システムが水に浮く。したがって、一対のフロートの間に配置された水車の回転エネルギーにより、発電機において発電することができる。

一方、側溝を流れる水量が比較的少ない場合には、一対のフロートの下端が当該水力発電システムの重量により沈んで側溝の底に接する。このとき、水車の下端は、一対のフロートの下端より上方に位置しているため、水車の下端が側溝の底に接することなく、一対のフロートにより当該水力発電システムが支持される。したがって、この水力発電システムでは、オペレータなどが側溝の水位の変化に対応する操作および制御を行うことは不用であり、水位の変化に関わらず一対のフロートの間に配置された水車の回転エネルギーにより発電機は安定した電力を発生する。

しかも、側溝を流れる水量が比較的少ない場合には、一対のフロートの下端が当該水力発電システムの重量により側溝の底に接するため、フロートが沈んだ分だけ側溝の幅が擬似的に狭くなる。このため、一対のフロートの間に位置する水車の近傍の水深（水位）が上がり、水車の近傍の水嵩が増える。したがって、側溝を流れる水量が比較的少ない場合であっても、より多くの水を水車に接触させることができる。すなわち、側溝を流れる水量が比較的少ない場合であっても、発電効率が高く、良好な発電量を得ることが可能である。

このように、この水力発電システムによれば、側溝の水位により人手を用いて水車の位置を操作する必要が無く、側溝に常設して発電でき、安定した電力を得ることができる。

この水力発電システムによれば、一対のフロートは、支持部材に対して、それぞれ水平方向に旋回可能となるように、旋回軸を介して支持部材に取り付けられており、一対のフロートの先端の間隔が可変される。側溝の幅が比較的広い場合は、一対のフロートの先端の間隔を広げ、側溝を流れる水、特に水位が低いときの水を水車の方向に誘導し、より多くの水を水車に接触させることができる。したがって、発電量を増やすことが可能である。また、一対のフロートの先端の間隔を狭めることにより、幅の狭い側溝にも水力発電システムを設置できる。

また、側溝を流れる水を水車の方向に誘導し、より多くの水を水車に接触させ、発電量を増やすために、一対のフロートは、それらの内側の面の間隔が水車の重心近傍に向かって狭くなるように形成されており、水車の重心近傍を中心に旋回する。水車の重心近傍のフロートの間隔をほとんど変えずにフロートの先端の幅を広げることができ、また、フロートの後側が水車と干渉することも防止できる。したがって、側溝を流れる水を水車の方向に効率良く誘導することができる。

さらに、この水力発電システムによれば、支持部材は、水力発電システムを側溝の所定の位置に固定するための牽引部材に接続可能であることが好ましい。このようにすることにより、当該水力発電システムを、側溝の所定の位置に固定しておくことができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる水力発電システムの概略構成を縦断面図により示している。図２および図３は、図１の水力発電システムを上面図により示している。図２は、側溝の幅が比較的狭い場合の水力発電システムの使用状態を示している。図３は、側溝の幅が比較的広い場合の水力発電システムの使用状態を示している。

側溝２に投入可能な本例の水力発電システム１は、側溝２を流れる水Ｌにより回転する水車１０と、水車１０の回転軸１１と接続され、水車１０の回転により発電する発電機２０と、発電機２０を支持する支持部材３０と、支持部材３０の左右の下部３１ａおよび３１ｂにそれぞれ取り付けられた一対のフロート４０ａおよび４０ｂとを有している。

水車１０は、複数のアーム１２を有しており、アーム１２の先端には、水Ｌの力を受けるフィン１３が取り付けられている。水車１０の回転軸１１には、回転軸１１の回転を増速して発電機２０に伝達するための変速機２１を介して、発電機２０が接続されている。変速機２１としては、例えば、遊星ギアを用いることができる。なお、水車１０の構成は一例であり、水の流れを回転に変換できるものであれば良く、これらの図に示した構成に限られない。たとえば、フィン１３は板状の代わりに容器状であっても良い。また、アーム１２が外輪で繋がっているような構成であっても良い。さらに、水車１０の回転軸１１と発電機２０との間には、段階的に複数の変速機を設けてもよい。また、変速機２１は、遊星ギアに限定されるものではなく、発電機２０内に変速機が組み込まれたものを用いてもよい。さらに、変速機２１は、省略することも可能である。

支持部材３０は、発電機２０を支持するための部材または複数の部材を含む構造体であり、外形略矩形状の枠状に形成されている。本例では、支持部材３０の左上部３４ａに発電機２０が搭載されている。また、水力発電システム１の左右方向における重量的なバランスを取るために、支持部材３０を後方からみたときの左上部３４ａに発電機２０が搭載され、反対側の支持部材３０の右上部３４ｂにバランスウェイト８０が搭載されている。

また、この支持部材３０の先端部３２には、一対の牽引部材５０ａおよび５０ｂのそれぞれの一端５１ａおよび５１ｂを接続するための接続部３３が設けられている。牽引部材５０ａおよび５０ｂとしては、例えば、ロープ、ワイヤー、あるいはチェーンを用いることができる。

図２に示すように、一対の牽引部材５０ａおよび５０ｂの他端５２ａおよび５２ｂは、それぞれ、側溝２の両脇の路面などに設けられた取付具６０ａおよび６０ｂに接続することができる。これにより、水力発電システム１は、側溝２の所定の位置に実質的に設定され、水流では前後にほとんど動かず、水位により上下に動くようになる。なお、図３に示すように、一対の牽引部材５０ａおよび５０ｂの他端５２ａおよび５２ｂは、それぞれ、側溝２を構成する両方の壁面の内側（側面）に設けられた取付具７０ａおよび７０ｂに接続させてもよい。このようにしても、これにより、水力発電システム１を、側溝２の所定の位置に実質的に設定することができる。

支持部材３０の左下部３１ａおよび右下部３１ｂには、それぞれ、一対のフロート４０ａおよび４０ｂが取り付けられている。これらのフロート４０ａおよび４０ｂは、基本的には、側溝２の水Ｌの流れにより受ける力では変形しない材料および構成となっている。例えば、フロート４０ａおよび４０ｂは硬質のプラスチック、その他の樹脂などにより形成された中空の部材である。フロート４０ａおよび４０ｂは発泡スチロールのような多数の空隙を含む材料を含むものであっても良く、軽量鉄骨の骨組みと適当な強度を備えた不透水性のシートとの組み合わせであっても良い。

すなわち、これらフロート４０ａおよび４０ｂは、水力発電システム１に浮力を与える、浮き（いわゆるフロート）としての機能だけでなく、枠状の支持部材３０とともに水車１０および発電機２０を支持する部材としての機能も兼ねている構成であれば良い。フロート４０ａおよび４０ｂは、前後、下側および／または側面に、補強、ウェイト、整流板などを兼ねた部材が取り付けられていても良い。

一対のフロート４０ａおよび４０ｂは、側溝２を流れる水量が比較的多い場合には、これらの浮力により水力発電システム１を水Ｌに浮かせ、側溝２を流れる水量が比較的少ない場合には、これらのフロート４０ａおよび４０ｂの下端４９ａおよび４９ｂが水力発電システム１の重量により側溝２の底３に接して水力発電システム１を支持するように、その大きさ（体積、浮力）および重量が決定されている。なお、フロート４０ａおよび４０ｂは、互いに鏡像関係にある他は、同様の形状に形成されており、フロート４０ａの下端４９ａと、フロート４０ｂの下端４９ｂとは、バランスウェイト８０が設けられているため、実質的に同じ高さ（レベル）にある。

さらに、この発電システムでは、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの間に、水車１０が配置されるようになっている。すなわち、枠状の支持部材３０の中央の空間Ｓには、後側（側溝２の下流側）に寄せて、水車１０が配置されている。発電機２０は、枠状の支持部材３０に支持されているため、水車１０は、回転軸１１、変速機２１、および発電機２０を介して、支持部材３０に回転可能に支持されていることになる。水車１０の下端１９は、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの下端４９ａおよび４９ｂより上方に位置している。

なお、本例の支持部材３０は、発電機２０を支持するとともに、回転軸１１、変速機２１、および発電機２０を介して水車１０を支持するように構成されているが、支持部材３０は、発電機２０および／または水車１０を支持するものであればよい。また、支持部材３０は、枠状のものに限定されない。支持部材３０としては、例えば、平面略Ｕ字状のものを用いてもよい。また、このシステム１は、支持部材３０により、発電機２０を介して水車１０を支持しているが、水車１０を介して発電機２０を支持しても良く、水車１０および発電機２０をそれぞれ支持部材３０により支持しても良い。

また、一対のフロート４０ａおよび４０ｂは、支持部材３０に対して、それぞれ水平方向に旋回可能となるように、旋回軸（ピボット）４１ａおよび４１ｂを介して支持部材３０に取り付けられている。したがって、一対のフロート４０ａおよび４０ｂは、必要に応じて、これらの先端４２ａおよび４２ｂの間隔を変えることができる。

さらに、一対のフロート４０ａおよび４０ｂは、これらの内側の面４５ａおよび４５ｂの間隔が水車１０の重心Ｇ近傍に向かって狭くなるように形成されている。本例では、一対のフロート４０ａおよび４０ｂは、それらの内側の面４５ａおよび４５ｂが略「へ」の字状（略「Ｌ」字状）に重心Ｇに近い部分が内側に張り出した構成となっている。したがって、一対のフロート４０ａおよび４０ｂにより、側溝２を流れる水Ｌを前方から水車１０側に集めるように誘導することができ、後方へスムーズに排出できる。したがって、水車１０の部分で流速および水嵩を増し、効率好く水車１０を回転することができる。また、一対のフロート４０ａおよび４０ｂは、水車１０の重心Ｇ近傍を中心に水平方向へ旋回（ピボット）する。本例では、水車１０の回転軸１１と、各フロート４０ａおよび４０ｂの旋回軸４１ａおよび４１ｂとが、同一の鉛直面上に位置するように、フロート４０ａおよび４０ｂの旋回軸４１ａおよび４１ｂの位置が決められている。

したがって、図２に示すように、側溝２の幅が比較的狭い場合には、フロート４０ａおよび４０ｂの外側の面が側溝２と略並行になるように配置できる。一対のフロート４０ａおよび４０ｂは、それらの内側の面４５ａおよび４５ｂが略「へ」の字状（略「Ｌ」字状）となっているため、一対のフロート４０ａおよび４０ｂにより、側溝２を流れる水Ｌを水車１０側に誘導することができる。

一方、図３に示すように、側溝２の幅が比較的広い場合には、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの先端４２ａおよび４２ｂの間隔が広くなるように、一対のフロート４０ａおよび４０ｂを、実線の位置から二点鎖線の位置に移動させるとよい。このようにすることにより、側溝２の幅が比較的広い場合であっても、側溝２を流れる水Ｌを水車１０側に効率良く誘導することができる。しかも、それらの内側の面４５ａおよび４５ｂが略「へ」の字状（略「Ｌ」字状）となっているため、フロート４０ａおよび４０ｂを旋回させても、フロート４０ａおよび４０ｂの後端４４ａおよび４４ｂが水車１０に干渉し難い。

図４は、図１の水力発電システム１であって、側溝２の水量が比較的多い状態での水力発電システム１の使用状態を横断面図により示している。図５は、水力発電システム１であって、側溝２の水量が比較的少ない状態での水力発電システム１の使用状態を横断面図により示している。

図４に示すように、側溝２を流れる水量が比較的多い場合には、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの浮力により、水力発電システム１が水Ｌに浮く。したがって、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの間に配置された水車１０の回転により、発電機２０において発電することができる。

一方、図５に示すように、側溝２を流れる水量が比較的少ない場合には、水力発電システム１の重量により、一対のフロート４０ａおよび４０ｂが沈み、その下端４９ａおよび４９ｂが側溝２の底３に接する。このとき、水車１０の下端１９は、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの下端４９ａおよび４９ｂより上方に位置し、フロート４０ａおよび４０ｂは、水力発電システム１の重量を支持できる程度の強度を備えているため、水車１０の下端１９が側溝２の底３に接することなく、当該水力発電システム１が支持される。したがって、このような場合であっても、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの間に配置された水車１０の回転により、発電機２０において発電することができる。

しかも、側溝２を流れる水量が比較的少ない場合には、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの下端４９ａおよび４９ｂが水力発電システム１の重量により側溝２の底３に接するため、フロート４０ａおよび４０ｂが沈んだ分だけ側溝２の幅が擬似的に狭くなる。このため、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの間に位置する水車１０の近傍の水深が上がる（水嵩が増える）。また、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの間の流速が上がる。したがって、側溝２を流れる水量が比較的少ない場合であっても、より多くの水Ｌを水車１０のフィン１３に接触させることができる。すなわち、側溝２を流れる水量が比較的少ない場合であっても、水車１０を回し、良好な発電量が得られる。

発電機２０において発生した電力は、例えば、側溝２の脇の道路を照らす照明（街路灯）４に用いることができる。このようにすることにより、側溝２に水Ｌが流れている間は、半永久的に、照明４を点灯させることができる。なお、発電機２０において発生した電力の用途は、照明４の点灯に限定されるものではない。

以上のように、この水力発電システム１によれば、側溝２を流れる水量が比較的多い場合には、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの浮力により当該水力発電システム１が水Ｌに浮き、側溝２を流れる水量が比較的少ない場合には、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの下端４９ａおよび４９ｂが当該水力発電システム１の重量により側溝２の底３に接し、一対のフロート４０ａおよび４０ｂが当該水力発電システム１を支持する。したがって、側溝２を水位の変化により水車１０の位置を手作業で操作する必要はなく、水力発電システム１を側溝に常設しておくことができる。また、この水力発電システム１によれば、発電機２０において常に、比較的安定した発電量を得ることができる。

また、一対のフロート４０ａおよび４０ｂは、支持部材３０に対して、それぞれ水平方向に旋回可能となるように、旋回軸４１ａおよび４１ｂを介して支持部材３０に取り付けられており、一対のフロート４０ａおよび４０ｂの先端４２ａおよび４２ｂの間隔が可変される。このため、側溝２の幅が比較的広いような場合であっても、側溝２を流れる水Ｌを水車１０の方向に誘導し、より多くの水Ｌを水車１０に接触させ、発電量を増やすことができる。

本発明の一実施形態にかかる水力発電システムの概略構成を示す縦断面図。 図１の水力発電システムであって、側溝の幅が比較的狭い場合の使用状態を示す上面図。 図１の水力発電システムであって、側溝の幅が比較的広い場合の使用状態を示す上面図。 図１の水力発電システムであって、側溝の水量が比較的多い状態での水力発電システムを示す横断面図。 図１の水力発電システムであって、側溝の水量が比較的少ない状態での水力発電システムを示す横断面図。

符号の説明

１ 水力発電システム、 ２ 側溝
３ 側溝の底、 １０ 水車
１１ 水車の回転軸、 １９ 水車の下端
２０ 発電機、 ３０ 支持部材
４０ａ、４０ｂ フロート、 ４１ａ、４１ｂ フロートの旋回軸
４２ａ、４２ｂ フロートの先端、 ４５ａ、４５ｂ フロートの内側の面
４９ａ、４９ｂ フロートの下端
Ｇ 水車の重心

Claims (2)

1. 側溝に投入可能な水力発電システムであって、
   前記側溝を流れる水により回転する水車と、
   前記水車の回転軸と接続され、前記水車の回転により発電する発電機と、
   前記発電機および／または前記水車を支持する支持部材と、
   前記支持部材の下部の左右に取り付けられた一対のフロートであって、前記支持部材に対して、それぞれ水平方向に旋回可能となるように、旋回軸を介して前記支持部材に取り付けられた一対のフロートとを有し、
   前記一対のフロートの間に前記水車が配置され、前記水車の下端は、前記一対のフロートの下端より上方に位置し、
   前記一対のフロートの外側の面は前記側溝の側面と並行に配置可能な平面であり、内側の面は前記水車の方向に、ヘの字状に張り出し、前記内側の面の間隔は前記水車の重心近傍に向かって狭くなり、前記一対のフロートはそれぞれ前記水車の重心近傍を中心に旋回し、前記一対のフロートの先端の間隔が可変され、さらに、
   前記側溝を流れる水量が比較的多い場合には、前記一対のフロートの浮力により当該水力発電システムが水に浮き、前記側溝を流れる水量が比較的少ない場合には、前記一対のフロートの下端が当該水力発電システムの重量により前記側溝の底に接し、前記一対のフロートが当該水力発電システムを支持する、水力発電システム。
2. 請求項１において、前記支持部材は、当該水力発電システムを前記側溝の所定の位置に固定するための牽引部材に接続可能である、水力発電システム。

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