JP5131610B2

JP5131610B2 - 水車発電装置

Info

Publication number: JP5131610B2
Application number: JP2011092021A
Authority: JP
Inventors: 正伊藤; 伊藤恵子
Original assignee: 正伊藤
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: JP2012225212A

Description

本発明は、川や用水路などを流れる水のエネルギーを電気に変換する水車発電装置に関する。

原子力発電が問題視されている今、化石燃料や原子力発電に変わる自然エネルギーによる発電の実用化が急がれている。

その為、沢山の小水力発電装置が考案されている。（特許文献１，２，３，４，５，等）参照。

特開２００２−３６４５１２号特開２００４−０５２７３６号特開２００６−１３２４９４号特開２００７−４０２１７号国際公開第２００５／０６８８３０号

特許文献１，２，３、４，５，に記載の水力発電では、発泡樹脂材や浮力装置を設け、揺動可能な取付け台や連結棒で保持し水位の変化に対応している。

しかし、これらの水力発電装置は水量が少ない場合、また発電効率の点からも改善すべき余地がある。
本発明が解決しようとする課題は、直線はもとよりカーブでも、水量に関係なく、川や用水路における流水のエネルギーを効率よく、発電に活用する水車発電装置を提供することである。

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水流に対して直角に発電用の水車を複数配置し、この水車の回転により発電を行う水車発電装置において、前記水車にフライホイールを具備し前記フライホイール同士の回転伝達手段として、支持部に略球形状の軸受けを内包し可回転及び可回動を可能とした連結棒を具備し、さらに複数の前記水車を、回動自在に連結支持することが出来る前記連結棒とを具備することにより、複数の水車本体をカーブになっている箇所にも配置して発電出来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、前記水車の外周面に植設されていて、ブレードに流水が浸入してから排出するまで、常に動いている状態を保つ略円筒形状のブレードとしたことを要旨とする。

請求項３の発明による水車発電装置は、請求項１記載の水車発電装置において、前記ブレードの付け根の中空部分と前記水車の中空部分に、浮力体を内包させた水車形状とし、流水を、効率よく捉えるようブレード間に補強板も具備し、さらに、前記水車が回動自在するために、支持手段を両端に取着したスイングバーを設け、前記支持手段を支点として回動自在に支持されることを要旨とする。

請求項４の発明による水車発電装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載した水車発電装置において、電気式角度検知器と回転数検出用小型発電機を具備することを要旨とする。

請求項５の発明による水車発電装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載した水車発電装置において、水車から得られる回転の回転数変換手段としてプーリーのプーリー幅を可変することにより、タイミングベルトのプーリーに掛かる位置が、プーリー内周から外周の範囲内で移動することで、回転数の変換が可能な回転数変換装置を具備することを要旨とする。

請求項６の発明による水車発電装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載した水車発電装置において、水車から得られる回転を出力するフライホールの軸に取着した回転数検出用小型発電機からの電気量に応じて電磁クラッチを操作することで、電磁クラッチを介して接続された発電機の稼動又は非稼働を操作することを要旨とする

請求項７の発明による水車発電装置は、請求項１〜６記載の水車発電装置において、水車が着床した場合に、ブレードの破損を防止し、前記水車を単独で回転させ発電するための水車の径より大きいベアリング付の円盤を具備することを要旨とする。

請求項８の発明による水車発電装置は、請求項１〜７記載の水車発電装置において、浮力のある安定板を水車の前方に具備することを要旨とする。

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。さらに水車同士及びフライホイール同士を回動自在に連結支持することにより今までの発明では成しえなかった、用水路等において、カーブしている箇所にも設置が出来る。

電気式角度検知器と回転数検出用小型発電機とを同時に併用することで、水車本体の状態を電気的に検知し、回転数変換装置と可変式の発電装置に電気信号を送り効率の良い発電をすることが出来る。例えば、水量に応じて発電機３０、若しくは、発電機３１を一定回転の状態で、回転数検出用小型発電機で得られた電気信号に応じて電磁クラッチを「入」「切」すれば、１台から１台ずつ増やしたり、１台ずつ減らすことも出来る。

先人の発明において効率を重視するあまり、水車の形状損失及びブレード先端部周辺の水流に対する考慮が不足しており、この損失が水車の出力を低下させている事を考慮されていなかった。例えば、水の粘性を考えると時計の回転に例えて、３時から６時まではプラスの圧力となり回転を生むが、６時から９時まではブレードから水が剥離する時、マイナスの圧力となり水車の回転を止めようと作用する。お風呂の中で水の入った洗面器を逆さにし、持ち上げようとするとなかなか持ち上がらない。これと同じような現象が効率を重視するため起きていると考えられる。本発明においてはブレード付け根の中空部分に浮力体を内包させることにより、６時から９時まではブレード付け根部分に水を排出させる為の浮力を発生させることができ、さらに、略円筒状をカットしたブレード（図５を参照）にすることで、流水自体に慣性（例えば、コマが回転し続けている時のような状態）を持たせ、質量を重く作用させることが出来ると共に、流水が常時回転しているので排出も容易にすることが出来る。

本発明の実施形態を示す水車発電装置の基本構造斜視図回転数変換装置の基本構造斜視図発電装置の全体斜視図回転数変換装置と発電装置の基本構造図水車の基本構造斜視図１１ａ，１１ｂ，１２の可動式の連結棒の部品構造斜視図安定板の部品斜視図ベアリングを円盤に配置した部品斜視図参考図、回転数変換装置と発電装置の全体斜視図参考図、回転数変換装置の移動状態斜視図

以下に本発明の実施形態を、図１、図２、図３、図４、図５、図７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６に水車発電装置を設置するようにしたものである。

水車発電装置においては、水車本体はベアリング付き円盤３９と水車の自重を、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中空ドラム４に内包させる。その外周面に植設されたブレードの付け根の中空部分３にも、浮力体を内包させる。水車の両側にベアリング付き円盤３９を配設し、水車本体Ａにおいては、上流から見て左側にフライホイール１０を軸５に取着する。２本のスイングバー８の両端には、支持台９を取着し軸５を前記２本の下端に取着されている支持台９に軸支する。上端は取付け架台７に取着された支持台９に可回動に軸３８によって軸支されている。水車本体Ｂは、上流から見て、左側のスイングバー８の上端は、軸３８に取着された出力側フライホイール１３と、取付け架台７へ取着された支持台９に可回動に軸支されている。複数の水車本体Ａは連結棒１１ａによって可回動に連結され，フライホイール１０同士も連結棒１１ｂによって可回動に連結されている。水車本体Ａ、Ｂ、の違いは、上流から見て左側のフライホイール１０と出力側フライホイール１３を連結棒１２によって可回動に連結し、回転を伝達出来る構成としたものである。あわせて出力側フライホイール１３に取着した軸３８の他端には、回転数検出用小型発電機１７が取着されており、上流から見て右側のスイングバー８には電気式角度検知器１６が設置されている。

支持台９に軸支されているプーリー１５へ、軸１４によって出力側フライホイール１３に集められた回転を伝達し、Ｖベルト１８により回転数を増速するＶプーリー１９に伝達する。ユニバーサルジョイント２０を介して軸２８ａに回転を伝達する。

ここで、図２を用いて回転数変換装置について説明する。プーリー２２ａと２２ｂ、２２ｃの構造はＶプーリーを中心で半分にカットした形状でプーリー２２ａの内径は円筒に加工してあり、プーリー２２ｂとプーリー２２ｃの内径にはスプライン加工が施されている。両側の支持台９に軸支されたスプライン軸２８ａと２８ｂに、プーリー２２ａは取着している。プーリー２２ｂとプーリー２２ｃはスプラインの部分を回動自在に摺動できる。サーボモータ２６に電気信号を送り右回転させることで、右ねじ加工されている移動用ナット２５が右回転をし，移動用ブラケット２９が図面上、右に移動する。そのためスプリング押さえカラー２７とプーリー２２ｂの間にあるスプリング２１がプーリー２２ｂを押し出す。この時、タイミングベルト２３はプーリー２２ｂと２２ａの隙間が狭くなるため外側へ押し出される。反対に、プーリー２２ａと２２ｃの隙間が広くなるので、タイミングベルト２３は，内側へ引き寄せられる形となる。この時、スプライン軸２８ｂの回転はプーリー１９に伝達された回転より高速回転する。この状態から、サーボモータ２６に左回転する信号を送り、移動用ナット２５介して移動用ブラケット２９を左側へ移動すると、図２のような状態となりスプライン軸２８ｂは低速回転をする。以上が回転数変換装置である。

ユニバーサルジョイント２０を介してスプライン軸２８ａに伝達された回転はタイミングベルト２３を介して、プーリー２２ａと２２ｂと、２２ａと２２ｃによって変換された回転をスプライン軸２８ｂに伝達する。

スプライン軸２８ｂに伝達された回転を，ユニバーサルジョイント２０を介して，支持台９に軸支されている軸３７に取着されたプーリー３６に伝達する。支持台９に軸支され、プーリー３４に取着されている軸４０へ、Ｖベルト３５により回転が伝達される。発電機３０と発電機３１へは、取付け台３３に配設された電磁クラッチ３２を介して回転を伝達する。

流水は、用水路の側壁の形によってはうねりを伴って流れてくる所もあり、また上流から木の葉や流木などが流れてくる場合もある。そのため水面を安定させる意味からも、さらに流木などを避ける為に図７のような浮力のある安定板を上流側の水車及び各々の水車に設置する。形状は状態によって変えても良い。

水量が減少して水車本体Ａ、Ｂが着床したときには、両側に配設されている水車の径より大きいベアリング付円盤３９の回転が止まり、水車に取着しているブレード２及び補強板１の破損を防止し、水車を単独で回転させて効率よく発電を行う。図示してある通り、ほとんどの支持台は、支持台９を使用する。このようにして、本発明に係る水車発電装置が構成される。

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、必要に応じて大きくしたり、小さくしたり、数を増やしたり、省いたり、組み合わせたり、地域性を考えたり、さらに、春夏秋冬を考えた場合や、川や用水路の状態によっては材質も変えたり各構成要素を適宜設計変更することが出来る。

以下、水車発電装置を用いた場合の具体的例について説明する。複数の連結された水車本体Ａと、水車本体Ｂに集積したエネルギーをフライホイール１０と出力側フライホイール１３を可回動式の連結棒１２によって連結し、プーリ１５とプーリー１９の径の違いにより、回転数の変換を図る。プーリ１５（８０ｃｍ）とプーリー１９（４ｃｍ）比率を（２０：１）とし、水車のドラムの径を６８ｃｍ、水流の速度を７ｋｍ／ｈと仮定して、計算すると
水車の回転数；７０００÷π÷０．６８÷６０＝５４．６１２ｒｐｍ
プーリ１９の回転数；５４．６１２×２０＝１０９２．２４ｒｐｍ
上記の計算結果により約１０９２回転の回転数が得られることが分かる。さらに、回転数変換装置のプーリー２２ａと２２ｂ、２２ａと２２ｂで作る最大径を３０ｃｍとし、最小径を５ｃｍとした場合、比率（６：１）とし、数値を計算すると
・最高回転数；１０９２×６=６５５２ｒｐｍ
・最低回転数；１０９２×１÷６=１８２ｒｐｍ
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．

さらに、最高回転数の６５５２ｒｐｍで発電する必要はなく、前記回転数変換装置を調整して、１５００ｒｐｍの回転で発電するとすれば、４倍のエネルギーがプーリー３６に集積する。この方法で複数の発電機で発電を行うことが出来る。

また、電気式角度検知器１６と回転数検出用小型発電機１７とを同時に併用することで、水車本体の状態（角度と回転数）を電気信号として検知し、図示しない電気的制御装置から、前記回転数変換装置と可変式の発電装置に電気信号を送り効率の良い発電をすることが出来る。例えば、時計の短針に例えて、スイングバー８が７時３０分の角度で、水車が５４回転とした場合、前記発電装置は３台の発電機を稼動させる。しかし、この状態で回転数検出用小型発電機１７の回転数が低い値を検出した時は、下流にゴミなどが詰まって上昇したと判断し、前記電気的制御装置から電気信号を送り、前記回転数変換装置を１５００ｒｐｍの回転に調整し、なおかつ前記発電装置にも電気信号を送り、２台若しくは１台で発電を行うようにすることが出来る。

大きな発電機を用いず、小型の発電機を多数使用することによって水量に応じた発電をすることが、本発明におけるテーマであり、最大の特徴である。

用水路における流水エネルギーを利用した水車発電装置や方法であったが、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、取付け架台７を延長することにより、河川にも利用可能であり、河川が、直線の状態であれば、回転伝達装置と発電装置等を上流側から見て右側へ配設すれば、河川の両岸に設置することもでき、さらに右側へカーブしている場所にも設置できる。

さらに沢山の水車発電装置を、用水路や河川に設置して、この水車発電装置に電気自動車が充電できるコンセントを設置することにより、電気スタンドを設置しなくても良く、また、発電した電力で水素を製造したり、軌道を敷いてリニアモーターカーを走らせる事も出来る。

１補強板
２ブレード
３中空部分（空気室）
４中空ドラム
５軸
６用水路
７取付架台
８スイングバー
９支持台
１０フライホイール
１１ａ連結棒
１１ｂ連結棒
１２連結棒
１３出力側フライホイール
１４軸
１５プーリー
１６電気式角度検知器
１７回転数検出用小型発電機
１８Ｖベルト
１９プーリー
２０ユニバーサルジョイント
２１スプリング
２２ａプーリー（という部品名にする）
２２ｂプーリー（という部品名にする、スプライン付）
２２ｃプーリー（という部品名にする、スプライン付）
２３タイミングベルト
２４取付架台
２５移動用ナット
２６サーボモータ
２７スプリング押さえカラー
２８ａスプライン軸（長さの約半分スプライン加工）
２８ｂスプライン軸（長さの約半分スプライン加工）
２９移動用ブラケット
３０発電機
３１発電機
３２電磁クラッチ
３３取付け台
３４Ｖプーリー
３５Ｖベルト
３６Ｖプーリー
３７軸
３８軸
３９ベアリング付き円盤
４０軸

Claims

水車からの回転を利用する発電装置であって、水車から得られる回転の回転数変換手段としてプーリーのプーリー幅を可変することにより、タイミングベルトのプーリーに掛かる位置が、プーリー内周から外周の範囲内で移動することで、回転数の変換が可能な回転数変換装置を具備し、接続された発電機の稼動又は非稼働を電磁クラッチにより操作する水車発電機において、水車と支持台を連結するスイングバーに設置された電気式角度検知器からの電気信号と、水車から得られる回転を出力するフライホールの軸に取着した回転数検出用小型発電機からの電気信号を併用して電磁クラッチを操作することを特徴とする水車発電装置。