JP5877395B2

JP5877395B2 - 水力発電装置

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Publication number: JP5877395B2
Application number: JP2011107842A
Authority: JP
Inventors: 上野　康男; 康男上野
Original assignee: 上野　康男; 康男上野
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: JP2012237268A

Description

本発明は、河川などで土木工事を必要とせずに簡便にまた、環境破壊を伴わずに設置可能な水力発電装置に関するものであり、また海上に設置して潮汐流を利用して発電することも出来る水力発電装置に関するものである。

化石燃料の燃焼によるＣＯ２の増加が問題とされる現在、自然エネルギーの利用が叫ばれているが太陽光発電は依然として設備コストが高く、天候や時間によって発電量が大きく変化し、その設備コストを償却するにはかなり良好な日照条件の場所を選んでも２０年程度掛かるものとされている。一方、風力発電は小型のものではなかなか採算が取れるような良い風況の場所を見つけるのは困難である上、風速の変動による出力変動が非常に大きく実際に使用するためには大きな容量のバッテリーを必要とするなどの不具合がある。

この点で河川の流れは比較的変動が少なく使いやすいが、これまでは小さなものでも水路の建設など設置工事を伴うものであり、少し大型のものではダムの建設を必要として、自然破壊の要因にもなっている。また、季節によっては川底が浅くなり充分な発電量が取れない状況もあるなどの理由で、普及には消極的な状態が続いている。一方海上での潮汐流の利用に関してはスクリュー型のものが提案されているが水中に発電機を設置するのでその耐水構造のために、回転軸部の摩擦損失が大きく発電効率を阻害しており、また長期間発電機内部に水が浸入するのを防止する事が困難な為実用化が進んでいない。

自然エネルギーの利用においては、コスト的な問題と環境に関する配慮が充分でない方式のものに対する評価は厳しいものであり、これらの欠点が改良されることが普及の為の必須条件である。

この改善策として、第１の方法として水車の架台に浮子を設けて水位に応じて上下可能に取付けるものや、第２の方法として垂直軸型の水車を風車とともに浮体上に取付けたものを水面上に浮かべて水中のアンカーに係留するもの及び、第３の方法としてフロートから斜め下方に向けた回転軸に水車を取付けて水流の速度に応じて水車の有効面積が変化するごとく構成したものなどがある。しかしながら第１及び第２の方法では水流の中でのアンカーや杭の埋め込み工事が必要であること及び、第２の方法では水中の流動物が水車に絡まり故障の原因となる大きな欠点持つ。第３の方法では設置の問題は解決されているが、水流が水車に与える左右不均等な力によってフロートの安定性が損なわれる欠点が残っている。

特開２００７−２０５３４２号公報特開２００８−０６３９６０号公報特開２００１−２８９１４５号公報

本発明が解決しようとする課題は水力発電装置の普及の障害となっている設置工事などによる自然破壊の要素を取り除き、任意の場所に適時容易に設置することが出来、安定性の高い水力発電装置を提供する事である。

本発明の水力発電装置が上記課題を解決するための第１の手段は、水面上にアウターローター型発電機のローターの回転面を略水平に配置し、該ローター部に複数のアームを設け、該各アームの先端部に浮力を有し翼弦が円周方向を向く翼部材を、その翼長が下方に向けて伸びるごとく設け、上記発電機の固定軸のローターより下の部分に水中に向けて断面が航空機の翼断面状のヒレ状部材を固着した水力発電装置を提供することにある。

本発明の水力発電装置が上記課題を解決するための第２の手段は、浮力を有する翼部材の上断面の前縁部を半径の大きな曲面に形成し、最大厚さ部分と後縁部との間を結ぶ面の一部を凹面状に形成した上記構造の水力発電装置を提供することにある。

本発明の水力発電装置が上記課題を解決するための第３の手段は、上記発電機の固定軸のローターより上部に上記ヒレ状部材の長手方向と交差する方向に左右に伸びる係留アームを固着し、該係留アームの先端部に係留索を取付けるごとくなした上記構造の水力発電装置を提供することにある。

本発明の水力発電装置が上記課題を解決するための第４の手段は、上記発電機の固定軸のローターより下の部分に水中に向けて固着したヒレ状部材の前下部に係留索を取付けるごとくなした上記構造の水力発電装置を提供することにある。

本発明の水力発電装置が上記課題を解決するための第５の手段は、浮力を有する翼部材の後縁部に翼弦後方に対して両方向に揺動可能な揺動ヒレ部材を取付けた水力発電装置を提供することにある。

本発明の第１の効果は水面に浮かべて設置することが出来ることのために河川においては水路の建設や水車本体の設置などの土木、建設工事が不要であり、自然破壊の要素を取り除き、任意の場所に適時容易に設置することが出来る上、海上においては海中に設置した送電線に接続して潮汐流を利用した発電が容易に出来る水力発電装置を提供する事である。

本発明の第２の効果は水面に浮かべて係留索によって設置する方式である為に橋桁からの係留、ヨットなどによる曳航のほか、２本の係留索の長さを変えることで、川岸から川の中央に斜めに係留することも可能である。

本発明の第３の効果は水面に浮かべて設置することで発電機が水面上にあるために発電機を密封式の耐水圧構造とする必要が無い。従って軸受部分のシール構造によって発生する大きな摩擦抵抗による回転力の損失の問題が無い為に、大幅な発電効率の向上に繋がる。

本発明の第４の効果は、河川や海洋の水位の変化に影響されることが無く常に水面上で安定した発電を続けることが出来る。

本発明の第５の効果は、構造的に浅い流れに設置することが出来る為に、比較的小さな河川でも設置できる上、回転半径を大きくすることで大きな川幅を有する河川に設置することで大きな発電量を容易に得ることが出来る。

本発明の第６の効果は、係留索を引くだけで容易に手元に引き寄せることが出来る為に保守、整備が容易であり、継続的に永く使用することが出来る。

本発明の第７の効果は、水中にある部分の構造が滑らかであり水流に混ざる流動物が引っかかることが原因となる故障の発生が無い。

上記のごとく本発明の水力発電装置はこれまでのものに見られない多くの効果を持つものである。

図１は水力発電装置の１実施方法を示した斜視図である。（実施例１）図２は水力発電装置の１実施方法を示した上面図である。（実施例１）図３は水力発電装置の１実施方法を示した側面図である。（実施例１）図４は水力発電装置の１実施方法を示した正面図である。（実施例１）図５は水力発電装置の１実施方法を示した部分上面図である。（実施例２）図６は水力発電装置の１実施方法を示した部分側面図である。（実施例２）

自然破壊の要素を取り除き、任意の場所に適時容易に設置することが出来る水力発電装置を、性能を損なわない範囲で可能な限り簡略化して実現した。

図１は、本発明装置の水力発電装置の１実施方法（実施例１）を示した斜視図であり、図２はその上面図、図３はその側面図、図４はその正面図である。図１〜４において、水面Ａ上にアウターロータータイプの発電機１を該発電機１のローター部２の回転面を略水平に配置し、該ローター部２に複数の回転アーム３を設け、該各回転アーム３の先端部に浮力を有し、翼弦Ｂが円周方向を向く翼部材４を、その翼長が下方に向けて伸びるごとく設け、上記発電機１の固定軸５のローター部２より下の部分に水中に向けて断面が航空機の翼断面状のヒレ状部材６を固着し、固定軸５のローター部２より上の部分には上記ヒレ状部材６の長手方向と交差する方向に左右に伸びる係留アーム７を固着している。該係留アーム７の先端部に係留索８を取付け、固定軸５の中央から発電した電力を送電する電気ケーブル９を引き出すごとくなした水力発電装置である。翼部材４とヒレ状部材６に働く浮力は発電機１を含む全体の重量を支えるのに充分なものであり、波浪や揺れによって発電装置が水没することがないように設定されている。図２に示すごとく浮力を有する翼部材４の上断面における前縁部１０を半径の大きな曲面に形成した厚い形状とし、最大厚さ部分と後縁部１２との間を結ぶ面１１の一部を凹面状に形成することで後縁部１２を薄い板状に形成することが望ましい。
係留索８及び電気ケーブル９は適宜まとめてその先端は陸上の係留ポイントに固定されるべきものである。必要に応じて中間部に図示しない浮部材を設けて係留索８及び電気ケーブル９の重量が発電装置に加わるのを防止する事が望ましい。図３に示すごとくヒレ部材の前下部に係留索１８を取付ける方式の場合は、係留アーム７、係留索８、電気ケーブル９は不要となり、係留索１８と同じ位置から電気ケーブル１９を引き出す方式とする。この方式は主に海上で潮汐流を利用して発電する場合に用いるものであり、予め海中に設置した送電ケーブルに接続して使用するものである。
回転アーム３及び翼部材４の数は図においては４個としているが３個以上であればその数を限定するものではない。また、発電機１のローター部２は回転磁極の為の増速機構を内蔵する構造のものであっても本発明の主旨を外れるものではない。

図５は本発明装置の水力発電装置の他の実施方法（実施例２）を示した部分上面図であり、図６は本発明装置の水力発電装置の他の実施方法（実施例２）を示した部分側面図である。図５及び図６において、翼部材４の後縁部１２には軸１３が設けられ、該軸１３に回動自在に嵌合わされたヒンジ１４を介して揺動ヒレ部材１５が設けられている。該揺動ヒレ部材１５は翼部材４に当たる水流によって任意に回動するものであり、翼部材４の周りの水流を滑らかにして回転アーム３に働く回転力を増加させる効果を有する。軸１３及びヒンジ１４の代わりに可撓性の素材で翼部材４と可動ヒレ１５を結合しても良いことは言うまでもない。
[作用]

上記実施方法１に示す本発明の水力発電装置の作用について説明する。本発明の水力発電装置はいわゆる揚力型とされるものであり、回転アーム３の先端に配置された翼部材４に水流によって生じる揚力によって回転するものであり、翼部材４の回転周速度は水流の速度より大きくなることが出来、そのために水流の抵抗によって回転するいわゆる抗力型に比べて高い水力効率を得ることが出来るものである。この揚力を有効に発生させるために翼部材４の前縁部１０を円筒状に形成した厚い形状とし、最大厚さ部分と後縁部１２との間を結ぶ面１１の一部を凹面状に形成することで後縁部１２を薄い板状に形成している。この断面形状により翼部材４の翼弦方向と水流の方向がなす広い迎角範囲において水流を翼部材４の後縁１２の方向に曲げることが出来る為、いわゆる失速状態を抑え大きな揚力を発生することが出来るので水車の水力効率を大幅に高めることが出来る。

実施方法１に示す本発明の水力発電装置は翼部材４とヒレ状部材６に働く浮力は発電機１を含む全体の重量を支えるのに充分なものであり、波浪や揺れによって発電装置が水没することがないように設定されている状態で水面に浮かべて設置することが出来ることのために水路の建設や水車本体の設置などの土木、建設工事が不要であり、自然破壊の要素を取り除き、任意の場所に適時容易に設置することが出来るものである。

また、係留アーム７の先端部に取付けた２本の係留索８により橋桁などからの係留及びヨットなどによる曳航が出来るだけでなく、係留索８の左右の長さを変えることでヒレ状部材６の流れに対する角度を調節することで凧揚げと同様の方法で川岸から河川の中央に向かって任意の位置に係留することが出来る。

また、水面に浮かべて設置することで発電機１が水面上にあるために発電機１を密封式の耐水圧構造とする必要が無い。水中でスクリューを回転させて発電する方式の水力発電装置もあるがこのような方式のものは発電機を密閉式の耐水圧構造とする必要があり、長期にわたって発電機への水の浸入を防止することは極めて困難な為に軸受部分のシール構造によって発生する大きな摩擦抵抗による回転力の損失の問題が大きい。本発明の発電装置はこのような密閉式の耐水圧構造である必要が無い為に、大幅な発電効率の向上に繋がる。

また、従来の水車は本体の設置位置や水路の形成などにおいて、河川の水位が変わると水流を有効に受けることが出来なくなり設置状態を変更する必要があったが本発明の風車は実施方法１に示すごとく水面上に浮かんだ状態であるので、河川の水位の変化に影響されることが無く常に水面上で安定した発電を続けることが出来る。従って、設置後の保守が容易であり、稼働率の向上に繋がる。

また、本発明の水車は回転アーム３の回転面が水平面である為に、回転軸が水流と並行なスクリュータイプのものに比べて浅い河川の流れでも回転半径を大きくすることで大きな川幅を有する河川に設置することで大きな発電量を容易に得ることが出来る。スクリュータイプのものでは直径を大きくする為にはそれ以上の深さを必要とするために浅い河川では大きな直径のものを設置することは出来ない。また、水流に直角な水平回転軸に板状の複数の羽根を有する羽根車の下側を水流に接するごとく設置して、水流を受ける抵抗型の水車においては水流のごく一部を利用することしか出来ず、多くの水流を利用しようとすれば巾広い水路の建設が必要となり、生態系への影響や常時水路の清掃が必要となるなどの課題が発生する。本発明は、このような課題を容易に解決することが出来るものである。因みに河川の巾と深さの比は１０倍以上のことが多いので本発明の効果は大きいものである。

また、作動中の水力発電装置は他の多くの機器と同様に定期的な保守点検が必要である。本は発明の水力発電装置は河川の底に土台を設けて固定的に設置するものではないので係留索を引くだけで容易に手元に引き寄せることが出来る為に保守、整備が容易であり、継続的に永く使用することが出来る。従って、河川の中央などの危険な場所での保守点検の作業を川岸などの安全な場所で行うことが出来、保守作業の効率化、コストダウンに繋がり、結果的に高度な保守、整備状態を維持することが出来る。

また、当然のことであるが本発明の水力発電装置は水中にある部分の構造が滑らかであり、水流に混ざる流動物が引っかかることが原因となる故障の発生が無い。これは実施状態での保守作業の軽減のために水力発電装置として極めて重要な事である。（特許文献２）に示すごとき方式の場合はこのような故障の発生の恐れが大きく、水中での保守作業が必要となり、実施が困難な例である。更に（特許文献２）に示すごとき方式の場合は平面状に形成された浮体はその形状から水流による大きな抵抗を受け、このことによる水流の乱れから、下部の水車に当たる有効な流れを大きく乱すことになり結果的に発電効率を阻害してしまうことを考慮していない。これに対して本案の水力発電装置は水中にあるヒレ部材は流れを乱さない流線型断面を形成しており、平面状の浮体との抵抗係数の比は１/１００にも及ぶ大きな差があり発電効率向上への効果は極めて大きい。

水面上に発電機を略水平に配置し、該ローター部に複数のアームを設け、該各アームの先端部に浮力を有し翼弦が円周方向を向く翼部材を、その翼長が下方に向けて伸びるごとく設け、発電機の固定軸の下部に断面が航空機の翼断面状のヒレ状部材を設けるごとくなした水力発電装置はこれまでの水力発電装置の多くの課題を排除して、河川及び海上設置によって水力利用の普及を促進することが出来る。

１発電機
２ローター部
３回転アーム
４翼部材
５固定軸
６ヒレ状部材
７係留アーム
８係留索
９電気ケーブル
１０前縁部
１１面
１２後縁部
１３軸
１４ヒンジ
１５揺動ヒレ部材
１８係留索
１９電気ケーブル

Claims

アウターローター型発電機のローター部の回転面が水面上に略水平に配置され、該ローター部に複数のアームが設けられ、該各アームの先端部に浮力を有し翼弦が円周方向を向き、上断面の前縁が半径の大きな曲面に形成され、最大厚さ部分と後縁部との間を結ぶ面の一部が凹面状に形成された翼部材が、その翼長が下方に向けて伸びるごとく設けられ、上記発電機の固定軸のローター部より下の部分に、水中に向けて上断面が航空機の翼断面状のヒレ状部材が固着され、上記発電機の固定軸のローター部より上部には上記ヒレ状部材の長手方向と交差する方向に左右に伸びる係留アームが固着されて、該係留アームの両先端部に係留索が取付けられたことを特徴とする水力発電装置。
アウターローター型発電機のローター部の回転面が水面上に略水平に配置され、該ローター部に複数のアームが設けられ、該各アームの先端部に浮力を有し翼弦が円周方向を向き、上断面の前縁が半径の大きな曲面に形成され、最大厚さ部分と後縁部との間を結ぶ面の一部が凹面状に形成された翼部材が、その翼長が下方に向けて伸びるごとく設けられ、上記発電機の固定軸のローター部より下の部分に、水中に向けて上断面が航空機の翼断面状のヒレ状部材が固着されて、該ヒレ状部材の前下部に係留索が取付けられたことを特徴とする水力発電装置。
浮力を有する翼部材の後縁部に翼弦後方に対して両方向に揺動可能な揺動ヒレ部材が取付けられたことを特徴とする請求項１及び請求項２記載の水力発電装置。