JP5606699B2 - 水中発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、河川や海中に配設する水中発電装置の原理、構造に関する。

従来の水力発電機は水流の落差を利用して、その水流により水車を回転させて発電させる方式であった。又、それらの水中水力発電機は単方向性のもので水流の向きに回転翼を対向させてその主軸を回転させ、その機械エネルギーを電気エネルギーに変えるものが一般的である。又、水面上に浮かせて水流に対向させるものもあるが、その方法は波の大小による上下方向の力を電気エネルギーに変えるものではない。
特開平８−２１０２３７号公報 特開２００４−３５３６４６号公報 特開平９−２５６９４１号公報

本発明は、上記の欠点をなくす為に、水中発電機を自然の川の中、又は、海中で、海水の波の上下運動及び潮流の向きに対して、単方位、双方向又は全方向に対応できるものであり、水流の大きな落差に頼らず、効率的に発電を行える装置を提供するものである。

水流の落差を利用する水力発電装置では、ダム等の大型の専用設備及び莫大な費用が必要となる。

上記目的を達成する為に、本発明に係る水中発電装置は、入水側開口部から水流誘導板により効率的な水路を有し、流れの生じている水中にその水流誘導板を水平方向、垂直方向又は、それぞれを組み合わせ、水流増速器として配設し、その受水口（空洞）を持つ羽根部の回転軸に水中発電機を取り付けて発電させるものである。

つまり、上記羽根部と、前記各回転軸の一端部に設けられた水中発電機と、該羽根部の受水口（空洞）に水流が誘導される水流誘導板又は水流増速器で構成されたものである。

即ち、本発明は、水没させた回転翼部の羽根部の受水口（空洞）側に流水を誘導するようにし、該羽根部の回転移動方向側は、対向水流による抵抗が少ない流線形及び／又は鋭角状にしたものである。入水誘導式水流増速器を採用し、水の流速を増大させ、この流速を高めた水流で、水中発電機につながる回転翼部を駆動するのであり、回転軸の法線の単方位、双方位又は全方位からの流水に対応できるものである。

上記目的を達成する為に、本発明は、無尽蔵にある自然エネルギーを利用して発電するもので、波の上下運動を力に変える事、又、水流による水圧をより加圧してその高エネルギーを電気エネルギーに変えるものである。

請求項１に記載の発明は、入水側の幅を広角、且つその幅員を大きくして、回転翼部方向に徐々にその幅員を小さくした板間隔をもつ二枚の水平誘導板間に配設された羽根部を有する回転翼部において、該回転翼部の回転軸の法線方向からの単方位、双方位を含む全方位（３６０度）までの水流に対応できる水中発電装置であって、前記羽根部は、その回転移動方向と反対側に水流を取り込む奥行きを有する空洞を備える一方、前記回転翼部の外周側における前記水平誘導板間に、この水平誘導板と接合固定して入水側から前記回転翼部方向へと徐々にその開口面積を狭める水路を形成する垂直誘導板が、前記回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に複数枚配置され、この水路を流れる水流の誘導先が、前記羽根部の空洞に向けられている事を特徴とする水中発電装置である。
又、上記水流増速器の形状は円筒形状のものでも良く、形状を特定するものではない。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の水中発電装置において、前記水平誘導板の間に水流の出入り口を形成する固定式の双方向性垂直誘導壁を配置した事を特徴とする水中発電装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の水中発電装置において、前記水平誘導板の間の中心部で、前記回転翼部が位置する部分の該水平誘導板を円状に切り抜くとともに、該切り抜き範囲を、前記回転翼部の軸受け板にてカバーし固定する事を特徴とする水中発電装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項３記載の水中発電装置において、前記回転翼部の軸受け板に、その開閉を制御出来る排水口を設ける事を特徴とする水中発電装置であり、該回転翼部側から排水口より排出された排水は図示されていないが、更に外部に排出できるものである。又、上記排水機能は上記回転軸受け板に設ける代わりに前記水流増速器の水平誘導板側に設ける事もできるものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の水中発電装置において、前記羽根部の回転移動方向側は鋭角及び／又は流線形になっている事を特徴とする水中発電装置である。又、上記羽根部の回転移動方向側が回転して戻ってくる場合でも、該垂直誘導板及び水流増幅器の水流の誘導先は、該羽根部の回転移動方向側には誘導されない構造となっている事を特徴とするものである。

又、上記記載の水平誘導板及び垂直誘導板というのは、上記回転翼部の回転軸が垂直方向に配置されている場合のことであり、詳しくは、水平誘導板は該回転軸の法線方向の面を意味するものであり、又、垂直誘導板は該回転軸と同方向、即ち、該回転軸の法線方向と９０度の角度を成す方向を意味するものである。

上記の発明は、回転翼部の回転軸を垂直又は、水平方向若しくは垂直及び水平方向に回転させるように２機を組み合わせ、配設することにより、あらゆる方向からの流水に対応できる水中発電装置である。

又、全方位からの水流を水流増速器により、増速させた水流を、羽根部の受水口（空洞）に取り込み加圧して、発電機に繋がる回転翼部を効率的に駆動させることができる非常に効率的な発電を行う事ができる水中発電装置である。

以下に本発明の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態の水中発電装置１は河川や海水で略水平方向に移動する水流を利用して発電を行う水中発電装置であって、回転翼部（４、５、６、７）、回転軸３及び水流増速器８と、発電機２とから主に構成される。図１は回転翼部（４、５、６、７）と水流増速部８Ｕを組み合わせ、発電機に接続したものである。

（ａ）は水流増速器及び回転翼部４の設置が１段のものであり、（ｂ）は複数の水流増速器８（水流増速部８Ｕ）及び回転翼部４を３段にしたものであるが、用途に応じて、回転翼部５，６又は７を採用出来るものとし、又、それ以外の回転翼部を設置しても良い。上記複数の水流増速器８（水流増速部８Ｕ）及び該回転翼部の設置を幾段にするかは、必要な供給電力に応じて決めれば良い。

又、回転軸３は、水没させた回転翼部４の水路内に鉛直方向に起立した姿勢で設けているが、この回転軸３の一端部を水面部から浮上させて発電機２を取り付けても良いし、又、回転軸３を水平方向で稼動する場合には、該回転軸３の接続はギアを介して鉛直方向に変えて水中発電機１を配設しても良い。

このように回転翼部４が取り付けられた上記回転軸３の一端部側には、発電機２が接続されている。水流増速器８は、水流が緩やかな場所でも、加圧して、羽根部（４ａ〜ｆ）の受水口（空洞）に送水する為に非常に役立つものである。

図２において、各羽根部（４ａ〜ｆ）は、回転軸３に固定されていると共に回転翼部（４、５，６，７）は少なくとも３個以上の羽根部を有するものとする。

又、図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、前記の水中発電装置１に採用できる４種類の回転翼部（４，５，６，７）を示すものである。これら全ての羽根部（４ａ〜ｆ、５ａ〜ｆ、６ａ〜ｆ、７ａ〜ｆ）は受水のための、空洞を有し、その回転翼の点線は、その奥行きを示している。回転翼部（４、５、６、７）において、その羽根部（４ａ〜ｆ、５ａ〜ｆ、６ａ〜ｆ、７ａ〜ｆ）の回転移動方向側は流線形及び／又は鋭角にして、損失水頭（抵抗）を少なくしている。又、受水圧力が非常に高い場合は、受水圧を下げる為、受水口の背面に排水口を設け、水圧又はプログラム制御により、自動的にその排水口を制御し、発電機２の回転軸３の回転数を制御し、高い受水圧力に対応しても良い。

図３は、流水を羽根部方向に誘導する水平誘導板２０ａ，ｂを示す図である。図（ａ）は、水平誘導板２０ａ、ｂの斜視図である。図（ｂ）は該水平誘導板２０ａ、ｂを横から視た図である。図に示すように、二枚の水平誘導板２０ａ、ｂを対とし、該水平誘導板２０ａ，ｂは円形状のもので、その中心付近は水平状で、その側面方向に傾斜を持たせ広角にし、全方向（３６０度）方向に対応出来るようにしている。

図４は、垂直誘導板３０（ａ〜ｌ）を示す斜視図である。これは水平方向の水流の向きを誘導するもので、その全ての水路は羽根部の受水口（空洞）に向けられているものであり、前記回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に複数の垂直誘導板３０（ａ〜ｌ）を配置し、全方向（３６０度）方向からの水流に対応できるようにしている。

図５は上記の水平誘導板２０ａ、ｂと垂直誘導板３０（ａ〜ｌ）を組み合わせた水流増速部８Ｕを横から視た図である。図からも解るように、入水側は開口面積を大きくし、中心部へ向って徐々に開口面積を小さくし、水流を増速したもので、これも当然、全方向（３６０度）方向の水流に対応できる。

図６は、上記の水流増速器８及び水流増速部８Ｕの斜視図である。（ａ）は該水流増速器８の単独のものであり、（ｂ）は水流増速器８を前記回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に１２個配設した全方向（３６０度）に対応できるものである。

又、図（ａ）、（ｂ）に示すように、上記水流増速器８は、回転翼部（４、５、６、７）への入水口側が、その開口面積を下流側に向かって徐々にその開口面積を減少させるように形成されているので、回転翼の受水口（空洞）に高い水圧が加わるようにしている。つまり、水流増速器８内を圧力管状態とし、水流速度を増加させているものである。

図７は上記水流増速部８Ｕ（３６０度対応）と回転翼部４を組み合わせた部分の透視、斜視図である。図８は該回転翼部４と水流の関係を示したものである。（ａ）は従来型の回転翼部４と水流との対応関係を示した図であり、（ｂ）は回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に１２枚の垂直誘導板（３６０度対応）配設し、その中央に該回転翼部４を配設した場合、該回転翼４と水流の関係を上部から視た図である。

流速の速い水流を受ける羽根部の空洞（点線は奥行きを示す）にてその流水を一時的に貯水して、その圧力により、回転力を増すものである。（ｂ）図に示すように、上記羽根部の回転移動方向側は、受水の圧力を直接的には受けない構造となっており、且つ、該羽根部の回転移動方向側は鋭角及び／又は流線形になっている事により、対向水圧を低減している。

図９は水流と前記水平誘導板２０ａ、ｂ及び回転翼部４との関係を横方向から視た図である、（ａ）は、該水平誘導板２０ａ、ｂがない場合の回転翼部４と水流方向を示したものであり、（ｂ）は水流と該水平誘導板２０ａ、ｂと回転翼部４を配設した場合の水流との関係を示したものである。

上記図８の（ｂ）に示す１２枚の垂直誘導板（３０ａ〜ｌ）と図９の（ｂ）に示す水平誘導板２０ａ、ｂの効果を持ち合わせたものが水流増速器８及び水流増速部８Ｕである。

図１０は、上記水流増速部８Ｕの中心部に、上記回転翼部４を設置した横から視た透視図である。この場合、該回転翼部４の回転軸３は、水平方向に設置されたもので、それに発電機２が接続されることになる。これは、図に示すように、波の上下運動及び水流（水平方向）の往復移動のある場所に適するものである。又、入水側と排水側は分離されているものではなく、併用している。

図１１は、上記回転翼部４を取り囲むように回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に配設された１２枚の垂直誘導板３０（ａ〜ｌ）と水流との関係を上部から視た図である。これは、図に示すように入水口側、排水口側の区別はなく共用しているもので、前記回転軸３の法線方向からの水流に対して、全方向（３６０度方向）に対応できる構造となっている。又、羽根部（４ａ〜ｆ）の受水口の回転移動方向側が回転して戻って来る場合、図８（ｂ）でも示しているように、該回転移動方向側に水流は誘導されない構造となっている。

以下に本発明の実施形態の二例を図面に基づいて説明する。

図１２は、水流双方向性対応の回転翼部４と双方向性垂直誘導板（４１ａ〜ｆ）及び双方向性誘導壁（４０ａ、ｂ）に対する水流との関係を上部から視た図である。図に示す様に入水口側、排水口側の区別はなく併用しているものである。双方向性垂直誘導壁（４０ａ、ｂ）は、回転翼部の羽根部の回転移動方向側が回転して戻って来る場合でも、該回転移動方向側に水流は誘導されない構造となっている。当然の事ながら、上記双方向性垂直誘導板（４１ａ〜ｆ）及び双方向性垂直誘導壁（４０ａ、ｂ）に替えて、前記水流増速器８を配設しても良い。

以下に本発明の実施形態の三例を図面に基づいて説明する。

図１３は、二枚を対とした円形状の中心部を切り抜いたドーナッツ板状の水平誘導板２００ａ，ｂの図である。（ａ）は、その斜視図である。（ｂ）該水平誘導板を横から視た図である。図に示すように、実施形態の一例のように、入水側の二枚の誘導板の幅員を変えているものではない。

図１４は、垂直誘導板３００（ａ〜ｌ）を示す斜視図である。個々の該垂直誘導板３００（ａ〜ｌ）は、長方形のもので、該垂直誘導板を回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に配置し、その中心部に回転翼部を配置するものである。

図１５は上記、図１３及び１４に示す水平誘導板及び垂直誘導板を組み合わせた水流増速器８０Ｕの斜視図である。図からも解るように、全方位３６０度方向の水流に対応できる。

図１６は上記、水流増速器の中心部を、円形状である回転翼部４の軸受板５０にてカバーを行い固定している水流増速部８１Ｕの斜視図である。この水流増速部８１Ｕは回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に水流増幅器８０を１２個配設した全方向（３６０度）に対応できるものである。

図１７に示す水流増速部８２Ｕは、図１５のドーナッツ状の平面板を用いた水流増速部８１Ｕの、中央部分の切り抜き部分に、円形状である回転翼部の軸受け板のカバーを設け、該回転翼部の軸受け板に、制御出来る排水口を設けているもので、その排水口の開閉度を水流の水圧により制御するものである。

又、放射状に配置した水流増速部８２Ｕの中央部に回転翼部を設置しており、誘導された水流が、該回転翼部４の羽根部（４ａ〜ｆ）に水圧を加えて、該回転翼部４を駆動し、その回転軸３を回転させる為、該羽根部（４ａ〜ｆ）に加わる水流による水圧を出来る限り安定を保つように制御できる排水口の開閉を行なうものである。

図１８は上記の排水口開閉を制御する軸受け板６０の図面である。（ａ）は軸受け板のカバーに制御用の排水口開閉板を取り付けていない状態の図である。（ｂ）は該軸受板のカバーに取り付ける該排水用開閉板６１の図である。（ｃ）は該排水口開閉板６１を全開した図である。（ｄ）は半開の図面である。（ｅ）は全閉の図である。（ｆ）は制御できる排水口の開閉はヒンジ６３を用いているものである。

これらは水圧によってその開閉度を決めるものである。その開閉は回転軸３の回転する力を利用しても良いし、別に開閉用モーターにより行なっても良い。当然の事ながら、手動で行なう事も出来るものとする。

又、上記排水制御は上記回転軸受板ではなく、上記水流増速器の水平誘導板部分に設ける事もできるものとする。

図１９の（ａ）は上記水流増速部８０Ｕと回転翼部４の関係を示す図であり、（ｂ）は水流増速部８２Ｕ及び該回転翼部の軸受け板６０に設けている制御可能の排水口と回転翼の関係を示すもので排水口全閉の図である。

本発明の第一の実施形態に係る水中発電装置で、水流増速部と回転翼部を単独及び三段に重ねたものを横から視た図 図１に示す水中発電装置に採用される回転翼部の斜視図 図１の水力発電装置が備える水平誘導板を示した図 図１の水力発電装置が備える垂直誘導板（１２枚）を回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に配置した斜視図 第一の実施形態に係る水中発電機の水流増速部を横方向から視た図 第一の実施形態に係る水中発電機の水流増速器及び水流増速部の斜視図 図１の水力発電装置が備える回転翼部の周囲に回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に１２個の水流増速器を配設した回転翼部分の透視、斜視図。 本発明の第一の実施形態に係る垂直誘導板と回転翼部の羽根部に対する水流との対応関係を上部から視た図 本発明の第一の実施形態に係る水平誘導板と回転翼部の羽根部に対する水流との対応関係を横から視た図 回転翼部と回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に配置した１２個の水流増速器を組み合わせ、その回転翼部の回転軸を水平にして設置した場合の水流の入水、排水の関係を示した図。 １２枚の垂直誘導板を回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に配設し、その中心に回転翼部を配置した時の入水及び排水の関係を上部から視た図 本発明の第二の実施形態に係る水力発電装置の水流双方向性対応の回転翼部４と双方向性垂直誘導板及び双方向性誘導壁に対する水流との関係を上部から視た図。 本発明の第三の実施形態に係る水中発電装置の水平誘導板を示した斜視及び横から視た図。 本発明、第三実施形態の回転軸の軸芯から偏芯させて垂直誘導板１２枚を放射状に配置した斜視図。 本発明、第三実施形態の円形状水平誘導板の中心部を切り抜いたドーナッツ状の誘導板を用いた水流増速部を示した斜視図。 本発明、第三実施形態の円形状水平誘導板で、中央切り抜き部分を回転軸受板でカバーした水流増速部を示した斜視図。 本発明、第三実施形態で、回転軸受け板に排水開閉板を制御出来る排水口を設けた水流増速部を示した斜視図。 本発明、第三実施形態で、排水開閉板及び排水開閉板を取り付けた回転軸受け板を示した上部からの図。 本発明の水流増速器及び回転軸受板に取り付けた排水開閉板と回転翼の関係配置を示した上部からの図。

１、水中発電装置
２、発電機
３、回転軸
４、５、６、７ 回転翼部
４ａ〜ｆ、５ａ〜ｆ、６ａ〜ｆ、７ａ〜ｆ 羽根部
８、水流増速器
８Ｕ、水流増幅部
９、９ａ 軸受
２０ａ、２０ｂ、水平誘導板
３０（ａ〜ｌ） 垂直誘導板
４０ａ、４０ｂ 双方向性垂直誘導壁
４１ａ〜ｆ 双方向性垂直誘導板
５０、第三実施形態の軸受板
６０、第三実施形態の排水口を設けた回転軸受け版
６１、第三実施形態の排水口開閉板
６２、第三実施形態のヒンジを用いた排水口開閉板
６３、第三実施形態の排水口開閉板のヒンジ
８０、水流増速器
８０Ｕ、水流増速部
２００（ａ、ｂ）、第三実施形態の水平誘導板
３００（ａ〜ｌ）、第三実施形態の垂直誘導板
８１Ｕ、第三実施形態の回転軸受板を設けた水流増速部
８２Ｕ、第三実施形態の回転軸受板に排水口を設けた水流増速部

Claims (5)

1. 入水側の幅を広角、且つその幅員を大きくして、回転翼部方向に徐々にその幅員を小さくした板間隔をもつ二枚の水平誘導板間に配設された羽根部を有する回転翼部において、該回転翼部の回転軸の法線方向からの単方位、双方位を含む全方位（３６０度）までの水流に対応できる水中発電装置であって、
   前記羽根部は、その回転移動方向と反対側に水流を取り込む奥行きを有する空洞を備える一方、前記回転翼部の外周側における前記水平誘導板間に、この水平誘導板と接合固定して入水側から前記回転翼部方向へと徐々にその開口面積を狭める水路を形成する垂直誘導板が、前記回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に複数枚配置され、
   この水路を流れる水流の誘導先が、前記羽根部の空洞に向けられていることを特徴とする水中発電装置。
2. 請求項１記載の水中発電装置において、前記水平誘導板の間に水流の出入り口を形成する固定式の双方向性垂直誘導壁を配置した事を特徴とする水中発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の水中発電装置において、前記水平誘導板の間の中心部で、前記回転翼部が位置する部分の該水平誘導板を円状に切り抜くとともに、該切り抜き範囲を、前記回転翼部の軸受け板にてカバーし固定する事を特徴とする水中発電装置。
4. 請求項３記載の水中発電装置において、前記回転翼部の軸受け板に、その開閉を制御出来る排水口を設ける事を特徴とする水中発電装置。
5. 請求項１又は２に記載の水中発電装置において、前記羽根部の回転移動方向側は鋭角及び／又は流線形になっている事を特徴とする水中発電装置。
   

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