JP5736575B2 - Hydroelectric power generation system using running water - Google Patents
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Description
本発明は、身近に存在する河川や用水路等において、流水エネルギーを利用して発電する水力発電装置に関するものである。 The present invention relates to a hydroelectric power generation apparatus that generates power by using flowing water energy in rivers and irrigation canals that are close to each other.
地球温暖化対策への取り組みが求められる中、風力発電や水力発電及び太陽光発電などの再生可能エネルギーの利用による発電システムが見直されている。風力発電は、無風時にはその電力が得られず、太陽光発電は、雨天時には発電量が大幅に低下することから、常時安定した発電が得られないという欠点を有しているが、河川等の水流による水力エネルギーは、常時安定した発電が見込めるとともに、水があれば人工的に水流を造り出すことも可能であるなどの利点がある。 While efforts are being made to combat global warming, power generation systems using renewable energy such as wind power generation, hydroelectric power generation, and solar power generation are being reviewed. Wind power generation does not have that power when there is no wind, and solar power generation has the disadvantage that stable power generation cannot be obtained at all times because the amount of power generation is greatly reduced during rainy weather. Hydropower generated by water currents has the advantage that stable power generation can be expected at all times, and that water can be artificially created if water is available.
我々の身の回りにおいても、河川、上下水道、排水溝、農業用水路など様々な水の流れが存在している。水流は、空気よりもはるかに密度の高い流体である水の流れであり、風力と比較してそのエネルギー源としての利用価値が大きいにもかかわらず、これまで身近に存在する水流をエネルギー源として積極的に利用した水力発電は行われていなかった。 In our daily life, there are various water streams such as rivers, water and sewage systems, drains, and agricultural waterways. A water stream is a stream of water that is a much denser fluid than air, and it uses the water stream that is close to us as an energy source, even though it is more valuable as an energy source than wind power. There was no active hydropower generation.
従来の水力発電装置は、円形水車を利用して発電するものが主流であり、この円形水車による水力発電装置は、回転軸を中心に放射状にバケットや水受け板を配設した円形状の水車に水をかけ流す方法が一般的であり、水流をかけ流す落差を必要とし、大きな動力を得るためには水車の直径をかなり大きくする必要があり、安価にできない等の課題がある。 Conventional hydroelectric generators are mainly used to generate electricity using circular turbines. Hydroelectric generators using circular turbines are circular turbines in which buckets and water receiving plates are arranged radially around a rotating shaft. In general, a method of pouring water over the water is necessary, and a head for pouring the water flow is required, and in order to obtain large power, the diameter of the water turbine needs to be considerably increased, and there is a problem that it cannot be made inexpensive.
そこで、従来の円形水車の代わりに水流を利用したトラック形状の水車の水力発電装置として、前後2本の回転軸にスプロケットを固定し、チェーンを連繋し、このチェーンに複数の水受けランナーを取り付けて、水流の水力を受けた水受けランナーの移動により、スプロケットを駆動し、出力軸から動力を取り出して発電機等を回動せしめるようにした水流利用の発電装置が例えば特許文献1及び特許文献2に開示されている。
前記特許文献1及び特許文献2に開示されている技術は、チェーンを利用したトラック形水車に関するもので、チェーン自体の伸びやスプロケットの歯が痩せるなど、こまめなメンテナンスが必要である。また、チェーン自体の構造上連結部での遊動量(遊び代)を必要とすることから、駆動時に蛇行することが多く、精度が低いので機械効率が悪く、必要以上の動力を消費するという問題点がある。また、チェーンやスプロケットの摩耗に伴って粉塵が発生して、自然環境を悪化させる要因となっている。 The techniques disclosed in
また、回転軸を使用しているため、水受けランナーの幅を広くして多くの水流を受ける場合、回転軸が長くなり、回転軸にたわみが発生し、回転軸が振れを起こすため、回転軸から動力を取り出すことに支障をきたすという問題点がある。 In addition, since the rotating shaft is used, when the water runner is widened and receives a large amount of water, the rotating shaft becomes longer, the rotating shaft is deflected, and the rotating shaft shakes. There is a problem that the power is taken out from the shaft.
また、水受けランナーの数は多いほど、力は大きくなるが水受けランナー間の距離を水流速度に合わせて取り付けないと、後方の水受けランナーは前方の水受けランナーの陰になり水流力を受けず、水受けランナー間の水は死水状態となり、水受けランナーの動作の妨げとなる。したがって、発電装置は水流方向に長くなり、装置自体が大型になってしまう。 In addition, the greater the number of water runners, the greater the force, but if the distance between the water runners is not adjusted according to the water flow speed, the rear water runner will be behind the front water runner and generate water flow force. Without water, the water between the water receiving runners becomes dead water, which hinders the operation of the water receiving runners. Therefore, the power generation device becomes longer in the water flow direction, and the device itself becomes larger.
本発明は、このような事情に鑑みて創作されたものであり、身近に存在する水流をエネルギー源として発電を行うことができ、チェーンやスプロケット及び回転軸を使用せずに装置自体がコンパクトな水力発電装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been created in view of such circumstances, and can generate electricity using a water stream that is close to the energy source, and the device itself is compact without using a chain, a sprocket, and a rotating shaft. The object is to provide a hydroelectric generator.
本発明は上記目的を達成するために、本発明の請求項1に記載の流水利用式水力発電装置は、楕円形ガイドレールは楕円の長軸方向が流水面に対して平行で楕円の短軸方向が流水面に対して垂直になるように配設され、前記楕円形ガイドレールに案内される多数のキャリアが循環走行できるように連桿にて等間隔に連結され、前記キャリアは、前記楕円形ガイドレールに案内される複数組のガイドローラと、前記ガイドローラを支持するプレートと、そのプレートの所要位置に回転自在に付設された動力伝達ローラを有し、前記キャリアに水受けランナーが着脱可能に取り付けられて、楕円形の水車を構成し、前記キャリアと平行に前記動力伝達ローラがスクリューの羽根間に形成される凹部の側面に係合離脱するようにスクリューが配設され、水受けランナーが水流を受けて前記キャリアが前記楕円形ガイドレールに案内されて走行し、前記動力伝達ローラを介して前記スクリューが回転し、前記スクリューに連設された発電機を回転させて発電することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a hydroelectric power generation device using flowing water according to
次に、本発明の請求項2に記載の流水利用式水力発電装置は、水受けランナーの幅を広くしてより多くの水流を受ける場合に対応したもので、請求項1に記載の楕円形ガイドレール及びこの楕円形ガイドレールに案内され循環走行できるように連桿にて等間隔に連結されたキャリアを二組各々向え合わせに平行に配設し、対向する各々のキャリアが同期して各々の前記楕円形ガイドレールに案内されて走行されるように対向する各々のキャリアに水受けランナーを着脱可能に取り付けて連結し、楕円形の水車を構成し、各々の前記キャリアに動力伝達ローラが回転自在に付設され、各々の前記キャリアと平行に各々の前記動力伝達ローラがスクリューの羽根間に形成された凹部の側面に係合離脱するようにスクリューが各々配設され、水受けランナーが水流を受けて各々の前記キャリアが同期して各々の前記楕円形ガイドレールに案内されて走行し、各々の前記動力伝達ローラを介して各々の前記スクリューが回転し、少なくとも一つの前記スクリューに連設された発電機を回転させて発電することを特徴とするものである。Then, running water utilized hydropower device according to
また、本発明の請求項3に記載の流水利用式水力発電装置は、請求項1及び請求項2に記載の発明において、前記スクリューの羽根の外周部に歯車が形成され、その歯車が発電機の回転軸に取り付けられた歯車と噛み合い、発電機を回転させて発電することを特徴とするものである。 Further, according to a third aspect of the present invention, in the hydroelectric power generation apparatus using flowing water according to the first and second aspects, a gear is formed on the outer periphery of the blade of the screw, and the gear is a generator. And a gear mounted on the rotating shaft of the motor, and the generator is rotated to generate electric power.
また、本発明の請求項4に記載の流水利用式水力発電装置は、請求項1及び請求項2に記載の発明において、前記スクリューの羽根の外周部に歯車が形成され、その歯車がアウターロータ型発電機の回転子の外周部に形成された歯車と噛み合い、発電機を回転させて発電することを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a hydroelectric power generation apparatus using flowing water according to the first and second aspects, wherein a gear is formed on the outer periphery of the blade of the screw, and the gear is an outer rotor. It is characterized by meshing with a gear formed on the outer peripheral portion of the rotor of the type generator and generating electricity by rotating the generator.
また、本発明の請求項5に記載の流水利用式水力発電装置は、請求項1〜請求項4に記載の発明において、前記水受けランナーにスリット孔があり、そのスリット孔の位置が前後の水受けランナーと異なることを特徴とするものである。 Moreover, the flowing-water-use hydroelectric generator according to
請求項1ないし請求項2に係る発明によれば、身近に存在する水流をエネルギー源として発電を行うことができ、チェーンやスプロケット及び回転軸を使用せずに水力発電装置を提供することが可能であり、こまめなメンテナンスは不要であり、ガイドレールとガイドローラを使用しているため、摩耗も極力小さく自然環境を守れる。また、水受けランナーは着脱可能であるため、水受けランナー間の距離を簡単に変更でき、水流の流量、流速の変化に対応でき、効率よく発電することができる。 According to the first and second aspects of the present invention, it is possible to generate power using a water flow that is close to the energy source, and it is possible to provide a hydroelectric power generation device without using a chain, a sprocket, and a rotating shaft. It does not require frequent maintenance and uses guide rails and guide rollers to minimize wear and protect the natural environment. In addition, since the water receiving runners are detachable, the distance between the water receiving runners can be easily changed, and the water flow rate and the flow velocity can be changed, thereby efficiently generating power.
さらに請求項2に係る発明によれば、水受けランナーの幅を広くしてより多くの水流を受けることが可能で、発電機の出力を向上させることができる。 Furthermore, according to the invention which concerns on
また、請求項3ないし請求項4に係る発明によれば、発電機の着脱を簡単に行うことができる。さらにスクリューの羽根の外周部に形成された歯車の歯数より少ない歯数の歯車が発電機の回転軸に取り付けられている場合またはアウターロータ型発電機の回転子の外周部に形成されている場合、発電機を増速回転させることになり、発電機の出力を向上させることができる。 Moreover, according to the invention which concerns on
また、請求項5に係る発明によれば、水流の流量、流速の変化に対応して、水受けランナーを着脱する必要がなく、水受けランナー間に水の流れが発生し、水受けランナー間の水の死水状態を解消し、水受けランナーの動作を円滑にすることができ、装置自体を小型化することができる。 Moreover, according to the invention which concerns on
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態の流水利用式水力発電装置の概略構成を側面図により示し、図2は図1におけるA−Aの部分の矢印の方向からの断面図を示す。図3は図1における動力伝達部を拡大した平面図を示す。 FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a flowing-water-use hydroelectric generator according to this embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the direction of the arrow AA in FIG. FIG. 3 is an enlarged plan view of the power transmission unit in FIG.
図1ないし図3に示した本実施形態の流水利用式水力発電装置は、楕円形ガイドレール1と、この楕円形ガイドレールに案内される複数組のガイドローラ2aと、この複数組のガイドローラ2aを支持するプレート2b及びこのプレート2bに回転自在に付設された動力伝達ローラ2cを有するキャリア2と、このキャリアを多数個等間隔に連結する連桿3と、所要寸法のリードで形成されるスクリュー4と、発電機5と、水受けランナー6とによって基本構成されている。 1 to 3, the flowing-water-use hydroelectric generator of this embodiment includes an
前記楕円形ガイドレール1は、楕円の長軸方向が流水面に対して平行で楕円の短軸方向が流水面に対して垂直になるように配設され、前記楕円形ガイドレール1に案内される多数のキャリア2が循環走行できるように連桿3にて等間隔に連結され、前記キャリア2は、前記楕円形ガイドレール1に案内される複数組のガイドローラ2aと、これらのガイドローラ2aを支持するプレート2bと、そのプレート2bの所要位置に回転自在に付設された動力伝達ローラ2cを有し、これらの前記キャリア2に水受けランナー6が締結ボルト等によって着脱可能に取り付けられて、楕円形の水車が構成されている。なお、前記楕円形ガイドレール1は、図示されない支持部材によって支持され立設されている。 The
前記キャリア2と平行に、前記動力伝達ローラ2cが前記スクリュー4の羽根間に形成される凹部の側面に係合離脱するようにスクリュー4が配設され、前記スクリュー4の両端部は軸受支され、前記スクリュー4に発電機5が連設されている。前記動力伝達ローラ2cは外径面が凸形の円弧状のものを使用するが、スクリュー4の羽根の側面がスクリューの軸心線に対して直交している場合は、外径面が直線状のローラ(深溝玉軸受等)を使用してもよい。 Parallel to the
楕円形の水車の前記水受けランナー6が水流9を受けることにより、前記キャリア2が前記楕円形ガイドレール1に案内されて走行し、前記キャリア2の所要位置に付設された前記動力伝達ローラ2cが前記スクリュー4の羽根の側面に当接係合することにより、スクリュー4に回転力が付与され、前記スクリュー4が回転し、前記スクリュー4に連設された発電機5を回転させて発電することができる。 When the water receiving
さらに、例えば、前記スクリュー4のリード寸法が動力伝達ローラ2cの取付間ピッチの3分の1とした場合、楕円形の水車の水受けランナー6が動力伝達ローラ2cの取付間ピッチの距離だけ移動すれば、スクリュー4が3回転することになり、実質的に増速されて回転することになる。その結果、従来の増速部の構造を簡単にして増速することが行えることになる。 Further, for example, when the lead dimension of the
次に、図4は、流水利用式水力発電装置の他の実施形態の概略構成を正面図により示している。楕円形ガイドレールの最高位及び最低位に位置するキャリア及び水受けランナーのみを示し、それ以外のキャリア及び水受けランナーは省略してある。 Next, FIG. 4 is a front view showing a schematic configuration of another embodiment of the hydropower generator using flowing water. Only the carriers and water receiving runners located at the highest and lowest positions of the elliptical guide rail are shown, and the other carriers and water receiving runners are omitted.
図4に示した流水利用式水力発電装置は、水受けランナーの幅を広くしてより多くの水流を受ける場合に対応したもので、前記楕円形ガイドレール1及び前記連桿3にて等間隔に連結された多数の前記キャリア2と同じ仕様の楕円形ガイドレール11及び連桿13にて等間隔に連結された多数のキャリア12とを向え合わせに平行に配設し、対向する左右のキャリア2,12が同期して前記楕円形ガイドレール1,11に案内されて走行されるように対向する各々のキャリア2,12に水受けランナー16を締結ボルト等で着脱可能に取り付けて連結し、楕円形の水車が構成されている。 The flowing-water-use hydroelectric generator shown in FIG. 4 corresponds to a case where a water receiving runner is widened to receive a larger amount of water flow, and is equidistant between the
前記キャリア2,12と平行に、動力伝達ローラ2c,12cがスクリュー4,14の羽根間に形成される凹部の側面に係合離脱するようにスクリュー4,14が配設され、前記スクリュー4,14の両端部は軸受支され、前記スクリュー4,14に発電機が連設されている。 Parallel to the
楕円形の水車の前記水受けランナー16が水流を受けることにより、前記キャリア2,12が前記楕円形ガイドレール1,11に案内されて走行し、前記キャリア2,12の所要位置に付設された前記動力伝達ローラ2c,12cが前記スクリュー4,14の羽根の側面に当接係合することにより、前記スクリュー4,14に回転力が付与され、前記スクリュー4,14が回転し、前記スクリュー4,14に連設された発電機を回転させて発電することができる。 When the
発電機は、コアレス型発電機を採用しており、このコアレス型発電機は、ネオジウム磁石及び平角線を用いた巻線コイルで単相あるいは三相交流発電機として構成されている。勿論、水流や水量によっては、スクリュー4,14及び発電機の数を増減することができる。 The generator employs a coreless generator, and this coreless generator is configured as a single-phase or three-phase AC generator with a winding coil using a neodymium magnet and a rectangular wire. Of course, depending on the water flow and the amount of water, the number of
図5は、発電機を増速回転させる場合の動力伝達部を示す平面図であり、図6及び図7は、スクリューの羽根の外周部に歯車を形成した場合の動力伝達部を示す平面図である。 FIG. 5 is a plan view showing a power transmission unit when the generator is rotated at an increased speed, and FIGS. 6 and 7 are plan views showing the power transmission unit when a gear is formed on the outer periphery of the blade of the screw. It is.
図5に示すように、スクリュー14の端部に歯車18を取り付け、その歯車18が発電機15の回転軸に取り付けられた歯車28と噛み合い、発電機15を回転させて発電することができる。このスクリュー14の端部に歯車18を取り付ける場合、動力伝達ローラ2cがスクリューの羽根間の凹部の側面を係合離脱して通るため、歯車18の歯先径をスクリュー14の凹部の底径より大きくすると動力伝達ローラ2cと緩衝することになり、歯車18の歯先径はスクリュー14の凹部の底径よりも小さくしなければならない。したがって、発電機15の回転を増速する場合、スクリュー14の外径を大きくする必要がある。 As shown in FIG. 5, a
しかし、図6及び図7に示すようにスクリュー24の羽根の外周部に歯車8を形成することにより、スクリューの外径を大きくする必要がなくなり、小径のスクリューで大きな増速を得ることができる。ただし、図10及び図11に示すように、図5に示した動力伝達ローラ2cに比べて、図6及び図7に示した動力伝達ローラ22cは歯車8の歯たけの分だけ突出させてプレート22bに付設する必要がある。 However, as shown in FIGS. 6 and 7, by forming the
また、図6に示すように、スクリュー24の羽根の外周部に歯車8が形成され、その歯車8が発電機15の回転軸に取り付けられた歯車38と噛み合い、発電機15を回転させて発電することができる。これは、発電機15の着脱を簡単に行うことができ、スクリュー24の羽根の外周部に形成された歯車8の歯数より少ない歯数の歯車38が発電機の回転軸に取り付けられている場合、発電機15を増速回転させて発電させることが可能で、発電機の出力を向上させることができる。 Further, as shown in FIG. 6, a
また、図7に示すように、スクリュー24の羽根の外周部に歯車8が形成され、その歯車8がアウターロータ型発電機25の回転子の外周部に形成された歯車48と噛み合い、発電機25を回転させて発電することができる。これは、発電機25の着脱を簡単に行うことができ、スクリュー24の羽根の外周部に形成された歯車8の歯数より少ない歯数の歯車48がアウターロータ型発電機25の回転子の外周部に形成されている場合、発電機25を増速回転させて発電させることが可能で、発電機の出力を向上させることができる。 Further, as shown in FIG. 7, a
図8は、流水利用式水力発電装置のさらに他の実施形態の概略構成を正面図により示している。楕円形ガイドレールの最高位及び最低位に位置するキャリア及び水受けランナーのみを示し、それ以外のキャリア及び水受けランナーは省略してある。図9は、図8のB−Bの部分の矢印の方向からの断面図を示す。 FIG. 8 is a front view showing a schematic configuration of still another embodiment of the flowing-water-use hydroelectric generator. Only the carriers and water receiving runners located at the highest and lowest positions of the elliptical guide rail are shown, and the other carriers and water receiving runners are omitted. FIG. 9 shows a cross-sectional view of the portion BB in FIG. 8 from the direction of the arrow.
図8は、図4に示した流水利用式水力発電装置の水受けライナーにスリット孔がある場合を示している。水受けランナーの数は多いほど、力は大きくなるが水受けランナー間の距離を水流速度に合わせて取り付けないと、後方の水受けランナーは前方の水受けランナーの陰になり水流力を受けず、水受けランナー間の水は死水状態となり、水受けランナーの動作の妨げとなる。この問題を解消するために、水受けランナー26にはスリット孔26aがあり、水受けランナー36にはスリット孔36aがあり、前記スリット孔26a及び前記スリット孔36aの位置は図9に示すように前後の水受けランナーと異なるように構成されている。 FIG. 8 shows a case where there is a slit hole in the water receiving liner of the flowing-water-use hydroelectric generator shown in FIG. The greater the number of water runners, the greater the force, but if the distance between the water runners is not adjusted according to the water flow speed, the rear water runner will be behind the front water runner and will not receive water flow force. The water between the water receiving runners becomes dead water and hinders the operation of the water receiving runners. In order to solve this problem, the
図9に示すように水の流れは、スリット孔26a及びスリット孔36aを通って後方の水受けランナーへと流れることによって、水受けランナー間に水の流れが発生し、水受けランナー間の水の死水状態を解消し、水受けランナーの動作を円滑にすることができる。 As shown in FIG. 9, the flow of water flows to the rear water receiving runner through the
また、本発明の流水利用式水力発電装置は、構造がシンプルであり、楕円形ガイドレールをフレームに取り付けることにより、簡易クレーン付きのトラックに簡単に載せて現地に運ぶことができ、短時間に用水路等に設置でき、また、同様に除去することも簡単にできる。 In addition, the flowing-water-use hydroelectric generator of the present invention has a simple structure, and by mounting an elliptical guide rail to the frame, it can be easily placed on a truck with a simple crane and carried to the site in a short time. It can be installed in irrigation canals and can be easily removed as well.
さらに、図12に示すように本発明の流水利用式水力発電装置は、構造がシンプルであり、楕円形ガイトレールをフレーム30に取り付け、楕円形ガイドレールの長軸方向を地面と垂直方向になるように設置すれば、滝のような落差のある河川や水路等にも使用できる。 Furthermore, as shown in FIG. 12, the flowing-water-use hydroelectric generator of the present invention has a simple structure, and an elliptical guide rail is attached to the
1,11,21 楕円形ガイドレール
2,12,22,32 キャリア
2a,12a,22a,32a ガイドローラ
2b,12b,22b,32b プレート
2c,12c,22c,32c 動力伝達ローラ
3,13,23 連桿
4,14,24 スクリュー
5,15 発電機
6,16,26,36,46 水受けランナー
26a,36a スリット孔
8,18,28,38,48 歯車
9,29 水流
10,20,30 フレーム
19 水路
25 回転子の外周部に歯車が形成されたアウターロータ型発電機1,11,21
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