JP5696296B1 - 中空羽根車およびそれを用いた発電装置 - Google Patents

Abstract

屋外運用に伴うメンテナンスコストの増加を抑制するという課題をかいけつするため、発電装置に、中空羽根車とベルト３４と発電機３０とを備える。中空羽根車は、第１の管１２と第２の管１４と環状体２０とを有している。第１の管１２および第２の管１４は、互いに端部が対向するように配置されている。環状体２０は、第１の管１２の端部および第２の管１４の端部に回転可能に支持されている。環状体２０は、矢印４０の方向に流れる水によって回転する。環状体２０の回転は、ベルト３４を介して発電機３０のシャフト３２に伝達される。

Description

本発明は、中空羽根車およびそれを用いた発電装置に関する。

再生可能エネルギーを用いた分散型独立電源の開発は、地球温暖化防止や放射能汚染防止を目的とした、化石燃料や原子力による電源の代替はもちろんのこと、大災害時の非常用電源を確保するためにも極めて重要である。とくに、地産池消エネルギーは地理的特徴を活かした地域資源を活用し、「自立」、「小規模」、「分散」、「多数」の電源が有機的に結合し連携していることが大切である。中でも、ＣＯ_２削減効果が最も大きい水力発電、特にマイクロ水力発電は、災害時に地形的に被災者が分散し孤立する可能性が高い地域・自治体に適した電力源であり、安定した小規模の自立電源が数多くあることが重要である。

特開２００３−１２０４９９号公報 特開２００６−０２２７４５号公報 特開２００８−０３１８５５号公報 特開２００９−１１４９７４号公報 特開２０１１−１３０６２３号公報 特開２０１２−１９３７３０号公報 特開２０１３−０５３５３９号公報

マイクロ水力発電は、その豊富なエネルギー賦存量にも関わらず、その開発・実運用が遅れている。特に、事業採算性の観点から、従来のマイクロ水力発電システムでは収益性（エネルギー収支比）に課題があり、改善が必要である。たとえば、マイクロ水力発電機の単位発電容量当たりの単価が高く初期投資の負荷が大きいこと、屋外使用時に、落ち葉・枯れ枝・土砂などを巻き込み、運転障害を引き起こすため設備稼働率が低下すること、保守・メンテナンスにかかる人件費が大きいこと、などの課題がある。

特に、山間部に設置されたマイクロ水力発電の運転では、水流中に含まれる小枝、木葉、小石、小動物の死体などが水車の回転する羽根に巻き込まれて流路を閉塞し、運転を停止させる深刻な問題が多発している。従来、水車の閉塞を防止するため、スクリーンやネットなどを水車上流の流路に敷設し、上記の水流中の異物を除去する対策がとられている。これにより一定の効果はもたらされるが、効率的な水車の運転を維持するためには、高い頻度で定期的にスクリーンやネットに捕捉された異物を取り除く作業が必要とされる。これに要する手間と人件費は小さくなく、マイクロ水力発電の有効な運用と普及の大きな障害となっている。

そこで、本発明は、流体による発電システムの屋外運用に伴うメンテナンスコストの増加を抑制することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、中空羽根車において、第１の端部から延びる第１の管と、前記第１の端部に回転可能に支持された環状体と、前記環状体の内面に取り付けられて前記第１の管を流れる流体によって前記環状体に回転力を付与する羽と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、発電装置において、第１の端部から延びる第１の管と、前記第１の端部に回転可能に支持された環状体と、前記環状体の内面に取り付けられて前記第１の管を流れる流体によって前記環状体に回転力を付与する羽と、を有する中空羽根車と、前記環状体の回転によって回転するシャフトを持つ発電機と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、流体による発電システムの屋外運用に伴うメンテナンスコストの増加を抑制することができる。

本発明に係る中空羽根車の一実施の形態を用いた発電装置の側面図である。 本発明に係る中空羽根車の一実施の形態の横断面図である。 本発明に係る中空羽根車の一実施の形態の管と環状体との結合部分の拡大断面図である。 本発明に係る中空羽根車の一実施の形態を用いた発電装置の斜視図である。 本発明に係る中空羽根車の一実施の形態の一変形例における環状体および羽根の縦断面を示す断面図である。 本発明に係る中空羽根車の一実施の形態の一変形例における環状体の横断面図である。 本発明に係る中空羽根車の一実施の形態における中空率に対する水車出力の変化の例を示すグラフである。

本発明に係る中空羽根車の一実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る中空羽根車の一実施の形態を用いた発電装置の側面図である。図２は、本実施の形態の中空羽根車の横断面図である。図３は、本実施の形態の中空羽根車の管と環状体との結合部分の拡大断面図である。図４は、本実施の形態の中空羽根車を用いた発電装置の斜視図である。

本実施の形態の発電装置は，円管内のプロペラ（羽根）を水流により駆動して発電機を回すマイクロ水力発電装置である。中空羽根車は、第１の管１２と第２の管１４と環状体２０とを有している。第１の管１２の一方の端部は、第２の管１４の一方の端部に対向して配置されている。第１の管１２と第２の管１４は、同軸に配置された同径の円管である。環状体２０は、第１の管１２および第２の管１４と同軸に配置された円管である。環状体２０の径は、第１の管１２および第２の管１４とほぼ同じである。

第１の管１２と第２の管１４と環状体２０とは、たとえば金属あるいは樹脂で形成されている。第１の管１２と第２の管１４と環状体２０は、たとえば小型・軽量でコストが安い直径２００ｍｍの硬質塩ビパイプである。第１の管１２と第２の管１４と環状体２０は、たとえば全長５００ｍｍ程度とする。

第１の管１２の端部には、フランジ１８が設けられている。環状体２０の端部には、フランジ２４が設けられている。第１の管１２の端部と環状体２０の端部とは、フランジ１８，２４が互いに引っかかるように対向し、ベアリング５０を介して結合されている。ベアリング５０は、水の流れの方向、すなわち軸方向の荷重、および半径方向の荷重に耐えられるものとする。第２の管１４の端部と環状体２０の他方の端部とも同様の構造で結合されている。したがって、環状体２０は、第１の管１２および第２の管１４の端部に、回転可能に支持されている。第１の管１２および第２の管１４は、たとえば地面、水底などに固定されている。

環状体２０の内面には、羽根２２が固定されている。羽根２２は、第１の管１２の内部を図１の矢印４０の方向に流れる水によって環状体２０に回転力を付与する。また、環状体２０の上流側の第１の管１２の内面には、内部を流れる水に旋回方向の運動量を与えるガイドベーン１６が固定されている。羽根２２およびガイドベーン１６は、たとえば金属製である。羽根２２およびガイドベーン１６は、水の流れを有効に活用するため、翼型であることが好ましい。

羽根２２は、たとえば図示しないボルトで環状体２０の内面に固定されている。ボルトは、たとえば１枚の羽根２２に対して２以上設ける。ボルトは、たとえば環状体２０の外面から内面に貫通する孔を通して羽根２２にねじ込まれる。羽根２２を、ボルトなどを用いて環状体２０に着脱可能に設けておくことにより、メンテナンスが容易でメンテナンスコストが小さくなる。

発電装置は、この中空羽根車と発電機３０とベルト３４とを有している。発電機３４は、シャフト３２の回転によって発電する。ベルト３４は、発電機３４のシャフト３２あるいはそのシャフト３２に取り付けられたボスに架け渡されている。ベルト３４は、中空羽根車の環状体２０の回転を発電機３０に伝達する。ベルト３４は、たとえば合成ゴム製である。あるいはベルト３４を、金属で形成してもよい。

中空羽根車は、たとえば流れを有する水中に沈められる。発電機３０は、たとえば水上に配置される。

このような発電装置では、図１の矢印４０の方向に流れる水が羽根２２にぶつかることによって環状体２０に回転力が与えられる。この回転力によって環状体２０は回転し、ベルト３４を動かす。ベルト３４を介して、環状体２０の運動エネルギーは伝達されて、発電機３０のシャフト３２が回転する。これにより発電機３０が発電して電気エネルギーに変換される。

水流を用いて発電する発電装置の場合、水が流れる管の中央に発電機を配置する方法が考えられる。しかし、このように管の中央に発電機を配置すると、回転する羽根を支持するボスが円管軸上に設置されており、水流が通過する円管断面の有効断面積は小さくなってしまう。このため、水流に混入した木の葉や小枝などの異物が流れてくると、狭い流路を閉塞したり、羽根に異物が引っかかったりする。

しかし、本実施の形態の発電装置は、環状体２０の内周に羽根２２を取付け、水が流れる第１の管１２および第２の管１４の端部に、羽根２２とともに回転する環状体２０を、ベアリング５０によって支持している。環状体２０の回転はベルト３４により発電機３０に伝えられる。発電機２０のシャフト３２およびそれに取り付けたボスなどを水流中以外の別の場所に移動することにより、円管の有効断面積が飛躍的に増大する。つまり、環状体２０、第１の管１２および第２の管１４の中央に発電機などを配置する必要がないため、上流から流れる異物を下流側に円滑に素通りさせることができる。したがって、羽根２２に異物が巻き込まれたり、異物によって流路が閉塞される可能性が低減される。また、エネルギー収支比が向上する。

つまり、水流中に含まれる小枝、木葉、小石、小動物の死体などが水車の回転する羽根に巻き込まれて流路を閉塞し、運転を停止させる可能性が低減される。また、水車の閉塞を防止するため、スクリーンやネットなどを水車上流の流路に敷設し、上記の水流中の異物を除去する対策を取らなくても、あるいは、高い頻度で定期的にスクリーンやネットに捕捉された異物を取り除く作業行わなくても、効率的な発電装置の運転を維持できる。

したがって、異物が多い水流中でも清水時と同様の運転を継続することができる。さらに水車上流にスクリーンやネットを設置しなくても、実質的に問題がない。落ち葉・ゴミ・土砂の除去作業等、日常の保守・メンテ作業が不要となるため、人件費・交換部品等の大幅削減が可能となる。すなわち，山間部の小規模河川での連続運転にも耐えうる、メンテナンスフリーのマイクロ水車であり、広域への普及が期待される。

よって、本実施の形態によれば、流体による発電システムの屋外運用に伴うメンテナンスコストの増加を抑制することができる。

小型・無閉塞水車である本実施の形態の中空羽根車および発電装置は、円管中の水流を駆動源とするため、河川を利用したマイクロ水力発電のみならず、上下水道、排水溝、農業用水路、工場内配管、ビル内配管・注水用配管等への設置が可能である。また、この中空羽根車を通過することにより水の圧力が低下するため、各種配管における減圧装置の代替品としても用いることができる。このような発電装置を多数、自立・分散型電源として配置しておくことにより、災害緊急時の電力確保と同時に、通常時の地域産業創生にも貢献できる。

また、設計がシンプルであり、規格化大量生産を行うことにより、コストダウンを図ることができる。さらに、外径が小さいため、軽量・低価格な硬質塩ビ管を水路に使用できる。そのため、山間部など機械使用が困難な場所でも人的パワーのみで工事が可能となり、建設コストの大幅削減につながる。

図５は、本実施の形態の一変形例における環状体および羽根の縦断面を示す断面図である。図６は、本実施の形態の一変形例における環状体の横断面図である。図６において、羽根２２の図示は省略した。

この変形例において、環状体２０は、内環状体４１および外環状体４２とからなっている。内環状体４１は、円筒状に形成されている。内環状体４１の内面には、羽根２２が固定されている。内環状体４１と羽根２２とは、たとえば３Ｄプリンターなどで一体成型されていてもよい。

外環状体４２は、内環状体４１の外面に対向する内面を持つ円筒状に形成されている。内環状体４１は、たとえば外環状体４２に形成された貫通孔を通る４本のボルト４３によって、外環状体４２に固定されている。したがって、内環状体４１と外環状体４２とは、羽根２２が水流から力を受けて生じる回転方向の力によって、一体となって回転する。

中空羽根車が配置される水流環境や、所望の発電量を考慮し、中空羽根車の羽根２２の大きさ、形状、環状体２０の径は適宜変更してもよい。中空羽根車と発電機との組み合わせを、典型的ないくつかの水流環境に対して最適化してユニット化しておけば、コストダウンを図ることができる。

また、水流環境に応じて様々な形状の中空羽根車を製造するには、製作コストを低減し、製作時間を短縮しておく方が好ましい。そこで、たとえば３Ｄプリンターを用いて、中空羽根車を製造すれば、安く、短時間で製造することができる。

図７は、本実施の形態における中空率に対する水車出力の変化の例を示すグラフである。ここで、中空率とは、環状体２０の内直径Ｄ１に対する羽根２２の内接円の直径Ｄ２の比（Ｄ２／Ｄ１）である。図５は、Ｄ１が１００ｍｍ、Ｄ２が０〜８０ｍｍ、有効落差６ｍ、流量０．０１ｍ^３／ｓでの試験結果である。

図７に示すように、水車出力は中空率の増加に伴い単調に減少する。これは、羽根２２の面積の減少に伴って中を流れる水のうち羽根２２にあたる量が減少するため、環状体２０を回転させる力が小さくなるためである。しかし、その低下は中空率が低い範囲では小さく、中空率が３０％程度以下では実質的に同程度である。また、中空率が６０％程度以下では、水車出力は最大値の５０％以上はあるため、実用上問題ないと考えられる。

ただし、中空率が小さくなると、異物が羽根２２に衝突したり、狭くなった流路が閉塞される可能性があるため、設置場所に応じて適宜変更する。たとえば、異物がほとんどない清流では中空率を０％にしてもよい。また、異物が多い流に設置する場合には、水車出力があまり低下しない範囲で中空率を大きくするとよい。

また、環状体２０の内径が８０ｍｍで、羽根２２の内接円の直径が２４ｍｍである中空羽根車と、回転軸にプロペラを取り付けた比較例の羽根車との比較実験を行った。この比較実験では、落ち葉などを含む異物が流れ落ちる用水路に、これらの２種類の水車を設置して、経過を観察した。その結果、比較例では、落ち葉で流路が閉塞する様子が観察され、短時間でその回転が乱れ、最終的には回転が停止した。一方、本実施の形態の羽根車では、異物は中空部を通過し、安定して回転が持続した。

なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。

たとえば、羽根２２は、巻き角度の合計が３６０度を超えるように形成してもよい。羽根２２として、それぞれの巻き角度が９０度以上のものを４枚設ける。ここで巻き角度とは、環状体２０の中心軸の周りの流路を羽根２２が塞ぐ角度である。羽根２２を４枚設けた場合、巻き角度を９０度以上とすると、羽根２２を環状体２０の軸方向に投影したときに隣り合う羽根２２の間に隙間が生じない。このため、羽根２２の内端が形成する円（内接円）よりも外側を流れる水流はすべて羽根２２にぶつかることになるため、水の流れをより有効に活用することができる。

ベルト３４によって動力を効率よく伝達するため、環状体２０および発電機３０のシャフト３２に歯車を設けてもよい。また、上述の実施の形態では、環状体２０の回転を一つのベルト３４のみを用いて発電機３０のシャフト３２に伝達しているが、間にギアを挿入するなどしてもよい。

また、第１の管１２、第２の管１４、環状体２０、ベルト３４および発電機３０を一体化（ユニット化）してもよい。この場合、第１の管１２、第２の管１４の環状体２０に対して反対側の端部を、規格化され、市場に多く出回っている管と容易に結合するようにしておくとよい。

上述の実施の形態では、環状体２０の下流側に第２の管１４を設けているが、環状体２０を上流側の第１の管１２だけで支持し、環状体２０の下流側の端部は、単に開放してもよい。また、第１の管１２、第２の管１４および環状体２０は、同軸からずれていて、あるいは径が異なっていても、環状体２０が回転可能であり、環状体２０の回転を発電機３０に伝達できれば、軸の配置および径は適宜選択してもよい。

さらに、発電機３０は軸を持っていなくてもよい。環状体２０の外面に磁石を配置し、環状体２０を囲むようにコイルを配置しておけば、環状体２０の回転により発電することができる。

ここでは、中空羽根車を用いて発電することとしているが、発電機３０をモータに代えることによって、外部の動力で中空羽根車２０を回転させてポンプとして機能させることもできる。

また、上述の実施の形態は、中空羽根車を水中に沈めることとしているが、ベアリング５０の水密性を確保できれば、地上に設置してもよい。羽根２２を介して環状体２０を回転させる媒体が水であるとして説明したが、他の流体であってもよい。

１２…第１の管、１４…第２の管、１６…ガイドベーン、１８…フランジ、２０…環状体、２２…羽根、２４…フランジ、３０…発電機、３２…シャフト、３４…ベルト、４１…内環状体、４２…外環状体、４３…ボルト、５０…ベアリング

Claims (8)

1. 第１の端部から延びる第１の管と、
   前記第１の端部に回転軸を中心に回転可能に支持された外環状体と、前記外環状体の内面に密接する外面を持ち前記外環状体に固定された内環状体と、を備えた環状体と、
   前記内環状体の内面から前記回転軸に向かって突出して前記回転軸方向の長さが前記内環状体より短く前記回転軸と前記内環状体の内面とが連通するように前記内環状体と一体成型されて前記第１の管を流れる流体によって前記環状体に回転力を付与する羽根と、
   前記環状体の回転によって発電する発電機と、
   を有することを特徴とする発電装置。
2. 前記外環状体と前記内環状体とはボルトで固定されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記羽根は内側が外側よりも幅が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
4. 第１の管の内面に前記回転軸と前記第１の管の内面とが連通するように形成されて前記流体の流れに旋回方向の運動量を与えるガイドベーンをさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記第１の端部に対向する第２の端部から延びる第２の管をさらに有し、
   前記第１の管および前記第２の管は円管であって、同軸に配置されていて、
   前記環状体は前記第２の端部にも回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発電装置。
6. 前記環状体の内直径に対する前記羽根の内接円の直径の比が０．６以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発電装置。
7. 前記発電機は、前記環状体に固定された永久磁石と前記環状体の外面に対向するコイルとを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の発電装置。
8. 第１の端部から延びる第１の管と、
   前記第１の端部に回転軸を中心に回転可能に支持された外環状体と、前記外環状体の内面に密接する外面を持ち前記外環状体に固定された内環状体と、を備えた環状体と、
   前記内環状体の内面から前記回転軸に向かって突出して前記回転軸方向の長さが前記内環状体より短く前記回転軸と前記内環状体の内面とが連通するように前記内環状体と一体成型されて前記第１の管を流れる流体によって前記環状体に回転力を付与する羽根と、
   を有することを特徴とする中空羽根車。

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