JP5918291B2 - 水車羽根型発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、河川水や海水等の水流を利用して水力発電を行う水車羽根型発電装置に関し、詳しくは、河川水や海水等の水流の利用効率を高めて、回転体の回転数の増大し、発電機の発電出力の向上を実現できるようにした水車羽根型発電装置に関する。
本願出願人は、先に河川水や海水等の水流を利用して水力発電を行う水車羽根型発電装置を提案し、特許を受けている(特許文献1)。
特許文献1の水車羽根型発電装置は、水流の流入、流出が可能な発電装置本体と、発電装置本体内で回転可能に軸支されるとともに水流の方向と直交する配置とした回転体と、回転体の外周で、この回転体の下側において開き上側において閉となる自動開閉可能状態に取り付けられた複数の羽根を備え、前記発電装置本体に流入する水流による力を開状態の羽根で受けて回転体を回転させる羽根群と、前記発電装置本体の水流入側の上端に一端を取り付け突出端を前記回転体に取り付けた羽根の近くまで臨ませた水流誘導用の斜め板と、前記回転体の回転による回転力の伝達により発電出力を得る発電機と、を備えるものである。
特許第4659917号公報
本発明は、上記特許文献1の水車羽根型発電装置の構成を前提とし、その改良構成に係るものであり、特に浮体で引っ張り浮かせた水車羽根型発電装置における水流誘導用の斜め板の位置、底板の長さ及び位置、斜め板の傾斜角度、回転体に対する配置等を厳密に検討して、水流の利用効率を高め、回転体の回転数の増大、すなわち、発電機の発電出力の向上を実現できる水車羽根型発電装置を提供することを課題とするものである。
本発明の水車羽根型発電装置は、浮体と、この浮体に取り付けられ、浮体による浮力で水中に浮ぶとともに、水流の流入、流出が可能な発電装置本体と、発電装置本体を水流中の定位置に係留する係留手段と、発電装置本体内で回転可能に軸支されるとともに水流の方向と直交する配置とした回転体と、回転体の外周で、この回転体の下側において開き上側において閉となる自動開閉可能状態に取り付けられた複数の羽根を備え、前記発電装置本体に流入する水流による力を開状態の羽根で受けて前記回転体を回転させる羽根群と、前記発電装置本体の水流入側の上端に一端を取り付け突出端を前記回転体に取り付けた羽根の近くまで臨ませた水流誘導用の斜め板と、前記回転体の回転による回転力の伝達により発電出力を得る発電機と、を有する水車羽根型発電装置であって、前記斜め板の傾斜角度を20度〜45度とし、斜め板の突出端の位置を前記回転体の軸中心相当位置を基準としてその上下に対して前記回転体の直径の±30%範囲としたことを最も主要な特徴とする。
請求項1乃至4記載の発明によれば、斜め板の傾斜角度を20度〜45度とし、斜め板の突出端の位置を前記回転体の軸中心相当位置を基準としてその上下に対して前記回転体の直径の±30%範囲とし、更には斜め板における水流入側の端部の形状を三角柱状、半円柱状、略半円柱又は平板形状のいずれかとする構成で、かつ、底面板を付加した構成とするとともに、斜め板の傾斜角度を20度〜45度とし、斜め板の突出端の位置を前記回転体の軸中心相当位置を基準としてその上下に対して前記回転体の直径の±30%範囲とし、更には斜め板における水流入側の端部の形状を三角柱状、半円柱状、略半円柱又は平板形状のいずれかとし、前記底面板を、基端側の水平部と、基端側の水平部が回転体の中心部より手前で終了するか(図13の構成)或いはこの水平部から前記斜め板の傾斜角度より大きい傾斜角度で下側に向かって斜めに突出させた傾斜部とを具備する構成(図12の構成)、又は基端側の水平部と、この水平部から前記回転体の半径の距離以上下側に垂下部により落としてから先端水平部を水平方向に突出させた先端突出部とを具備する構成として、これら各要素が水力発電用として適正化し、水流の力を効率良く利用して大きな発電出力を得ることが可能な水車羽根型発電装置を実現し提供することができる。
図1(a)は本発明の実施例に係る水車羽根型発電装置の概略構成を示す断面図である。図1(b)は本発明の実施例に係る水車羽根型発電装置の概略構成を示す断面図であるが、基底板を不要として発電装置本体を構成した状態の水車羽根型発電装置の概略構成を示す断面図である。 図2は本実施例に係る水車羽根型発電装置の概略構成を示す側面図である。 図3は本実施例に係る水車羽根型発電装置における回転体の側面図である。 図4は本実施例に係る水車羽根型発電装置における回転体の断面図である。 図5は本実施例に係る水車羽根型発電装置における羽根を示し、図5(a)は側面図、図5(b)は正面図である。 図6は本実施例に係る水車羽根型発電装置におけるドラム体を構成するトレーの斜視図である。 図7は本実施例に係る水車羽根型発電装置におけるドラム体の組立状態を示す部分斜視図である。 図8は本実施例に係る水車羽根型発電装置における羽根の3種の変形例を示す斜視図である。 図9は本実施例に関連する実験例の模型モデルの概略構成及び実験結果を示す図である。 図10は本実施例に係る水車羽根型発電装置における斜め板の水流の流入側の形状を三角形突出形状とした例を示す概略説明図である。 図11は本実施例に係る水車羽根型発電装置における斜め板の水流の流入側の形状を丸型状(半円柱状)とした例を示す概略説明図である。 図12は本発明の実施例の変形例に係る水車羽根型発電装置の概略構成を示す断面図である。 図13は本発明の実施例の更に変形例に係る水車羽根型発電装置の概略構成を示す断面図である。 図14は本発明の実施例の別の変形例に係る水車羽根型発電装置の概略構成を示す断面図である。
本発明は、浮体で引っ張り浮かせた水車羽根型発電装置における水流誘導用の斜め板の位置、底板の長さ及び位置、斜め板の傾斜角度、回転体に対する配置等を適正化して、水流の利用効率を高め、回転体の回転数の増大、すなわち、発電機の発電出力の向上を実現できる水車羽根型発電装置を提供するという目的を、浮体と、この浮体に取り付けられ、浮体による浮力で水中に浮かぶとともに、水流の流入、流出が可能な発電装置本体と、発電装置本体を水流中の定位置に係留する係留手段と、発電装置本体内で回転可能に軸支されるとともに水流の方向と直交する配置とした回転体と、回転体の外周で、この回転体の下側において開き上側において閉となる自動開閉可能状態に取り付けられた複数の羽根を備え、前記発電装置本体に流入する水流による力を開状態の羽根で受けて前記回転体を回転させる羽根群と、前記発電装置本体の水流入側の上端に一端を取り付け突出端を前記回転体に取り付けた羽根の近くまで臨ませた水流誘導用の斜め板と、前記斜め板の下方の流路に配置した底面板と、前記回転体の回転による回転力の伝達により発電出力を得る発電機と、を有する水車羽根型発電装置であって、前記斜め板の傾斜角度を20度〜45度とし、斜め板の突出端の位置を前記回転体の軸中心相当位置を基準として、その上下に対して前記回転体の直径の±30%範囲とし、前記底面板の位置は前記回転体の軸中心より下側で前記回転体の直径の3/4から6/4倍の下方位置とし、かつ、前記斜め板の設置部と重なる部分に設け、前記斜め板の水流入側における端部の形状を、三角柱状、半円柱状、略半円柱又は平板形状とした構成により実現した。
以下、本発明の実施例に係る水車羽根型発電装置について図面を参照して詳細に説明する。
本実施例に係る水車羽根型発電装置61は、図1、図2に示すように、海水中又は河川等の水中に配置され、浮力を生じさせる浮体51と、この浮体51により吊り下げ状態で支持され、前記浮体51による浮力で水中に浮ぶとともに、水流(海水の流れ又は河川水の流れ)の流入、流出が可能な中空直方体状の発電装置本体62と、発電装置本体62を水流中の定位置に係留する係留手段52と、発電装置本体62に取り付けた発電機30にチェーン34を介して発電のための回転力を伝達する回転軸4と、この回転軸4に固定された回転体1と、この回転体1の外周に所定間隔で設けられ、水の流れを受けて前記回転体1を回転させる複数の羽根10からなる羽根群とを備えている。
前記発電装置本体62は、浮体51により支持され、水中に浮く状態で海又は河川等の所定箇所に配置されるとともに、海又は河川等の水底に設置された所定の重量を有する錘体53と、発電装置本体62の底部とをロープ、チェーン等からなる連結材54とにより構成した係留手段52を用いることにより、所定箇所に係留され流失が防止されるように構成している。
前記浮体51及び水車羽根型発電装置61は、水流の流れの安定性を考慮し、例えば海水中に設置される場合、水面からの深さLが10m乃至50m等となるようにこれらの寸法、重量が設定されている。
前記回転体1は、図1乃至図4に示すように、外周が12面体に形成されたドラム体2と、このドラム体2の両側面にそれぞれ固定された側板3とからなっており、側板3の外径はドラム体2の外径より大きく形成されている。側板3は回転軸4に固定具5で固定されている。側板3のドラム体2より上方に突出した部分には12面体にそれぞれ対応して軸受6が固定されている。
前記回転体1には、図5に示す羽根10が複数取り付けられ羽根群を構成している。
前記羽根10は、短い長さのストッパ部11と、このストッパ部11より立ち上がった流体受け部12とからなり、支軸13に固定具14により固定されている。
前記支軸13の両端部は、相対向して配設された前記軸受6に回転自在に支承されている。
前記流体受け部12は、ストッパ部11が回転体1のドラム体2に当接して起立した時は、流体を多く受けるように、流体受け面側はR形状に窪んだ形状となっている。
また、前記流体受け部12は、図1に示すように、羽根10が倒れた場合、倒れる側の羽根10のストッパ部11と流体受け部12の下方部を覆う突出長を設定している。
図1(a)及び図2に示すように、前記羽根10が取付けられた回転体1の回転軸4は、発電装置本体62を構成する基底板20の両側に固定された側板21に軸受22を介して回転自在に支承されている。
また、両方の側板21上には、天板23が固定されている。すなわち、基底板20、側板21及び天板23で発電装置本体62の枠組みを構成している。
なお、図1(b)に示すように、発電装置本体62を構成する前記基底板20を不要として、発電装置本体62を天板23の両側に固定された各側板21をもって構成しても良い。この場合、前記連結材54は、係留手段52を用いて側板21の部分に連結されることになる。
前記天板23の前端部には、内側に斜め下方に傾けて(傾斜角度θ)配置した斜め板24を設けている。
ここで、前記斜め板24は、流れ方向Aの水流を回転軸4より下方の羽根10に向けて導く流れ方向変更機能を発揮するものである。
前記天板23上には、発電機30の入力軸31が回転軸4と平行になるように発電機30が設置されている。
前記回転軸4の一端部と入力軸31の一端部にはそれぞれ歯車32、33が配置されており、前記歯車32、33にはチェーン34が掛け渡されて、回転軸4の回転力がチェーン34を介して発電機30の入力軸31に伝達されるようになっている。
本実施例に係る水車羽根型発電装置61によれば、前記斜め板24が水の流れ方向Aに対して向流するように発電装置本体62を水中に配置することにより、斜め板24に向けて流入する水流は回転軸4より下方の羽根10(101〜105)の流体受け部12に当たり、これにより回転体1及び回転軸4は矢印B方向に回転駆動される。
前記回転軸4の回転力は、歯車32、チェーン34、歯車33を介して発電機30入力軸31に伝達され、これにより、発電機30による前記回転体1の回転に応じた発電出力を得ることができる。
本実施例に係る水車羽根型発電装置61において、前記羽根10の流体受け部12はストッパ部11より長くて重いので、回転軸4より上方の羽根10(107〜112)は自重により自然に傾倒する。
すなわち、羽根10が倒れると、羽根10の流体を受ける流体受け面積が著しく小さくなるので、復動側では抵抗が軽減する。
また、羽根10が倒れた場合、流体受け部12が次の羽根10のストッパ部11と流体受け部12の下方部を覆うので、流体受け部12がストッパ部11に当接する。この点からも復動側では羽根10の流体に対する抵抗は軽減される。
本実施例に係る水車羽根型発電装置61は、上記効果の他に次のような効果も得られる。
すなわち、前記斜め板24によって水は回転体1の下方側に流れるので、回転体1、羽根10等の中に水流中の泥、砂、ゴミ等が溜まらない。
また、回転体1は単純な形状よりなり、更にストッパ部11及び流体受け部12は同一部材で製作できるので、装置の大幅なコストダウンを図ることができる。
図6、図7は、前記ドラム体2の製作工程の一部を示すもので、ドラム体2を12個のトレー40で構成した例を示している。
前記トレー40は、四角形状のトレー底板41の短辺側における両側より側板3に固定させるように直角に折り曲げられた側板固定部42と、長辺側の両側より隣のトレー40に固定されるように斜め外側に傾斜して折り曲げられたトレー固定部43とが形成されている。
側板固定部42には、側板3にボルトとナットで固定する複数個のボルト挿入穴44と、支軸13が挿入される支軸挿入穴45が形成されている。
前記トレー固定部43にも隣接するトレー40同士をボルトとナットで固定する複数個のボルト挿入穴46が形成されている。
なお、図示しないが、側板3にはボルト挿入穴44に対応してボルト挿入穴が形成されている。また側板3に固定された軸受6は、トレー40を側板3に固定した場合、支軸挿入穴45に対応して形成されている。
次にドラム体2の組立について説明する。トレー40の側板固定部42のボルト挿入穴44と側板3のボルト挿入穴を合わせ、側板固定部42のボルト挿入穴44と側板3のボルト挿入穴にボルトを挿入してナットで固定する。
このようにして12個のトレー40を側板3に固定する。その後、隣接するトレー40同士のボルト挿入穴46にボルトを挿入してナットで固定する。
これにより、12個のトレー40が側板3に固定されると共に、トレー40同士が固定されて回転体1が構成される。
その後は、支軸13をトレー40の支軸挿入穴45に挿入した後、支軸13の両端部に軸受6を取付け、軸受6を側板3に固定する。
続いて図5に示すように、支軸13に羽根10を固定具14で固定する。
このように、ドラム体2は羽根10が取付けられる支軸13単位に形成された12個のトレー40よりなり、トレー40には側板3に固定される側板固定部42とトレー40同士を固定するトレー固定部43が形成されている。
すなわち、トレー40は、側板固定部42が側板3に、トレー固定部43同士が固定されるので、強度が増し、水圧にも十分に耐えられる。また、側板固定部42及びトレー固定部43は折り曲げて形成されるので、加工が簡単で安価に製作できる。
また前記トレー40と側板3及びトレー40同士は、ボルトとナットの結合で固定される。すなわち、ステンレスは溶接であると組成が変化して赤錆劣化するが、ボルトとナット結合であるので、酸化劣化しない。
図8は羽根10の3種の変形例を示す。既述した羽根10(図5参照)は、流体受け部12の流体受け面側がR形状に窪んだ形状となっている。
図8(a)は流体受け面側をV字形状に形成し、図8(b)は台形形状に形成したものである。このように形成しても、図5に示す場合と同様、水を多く受けるので好ましい。
図8(c)は流体受け部12の流体受け面側は直線の平面となっている。
この場合は、図5、図(a)、図(b)の羽根のような効果は得られないが、本装置の効果は得られる。
なお、上記実施例においては、ドラム体2を12面として12個の羽根10を設けたが、羽根10の数は特に限定されるものではない。またドラム体2は角型ではなく円形状に形成しても良い。
次に、本実施例に係る水車羽根型発電装置61に関連して行った水槽模型実験の一例について説明する。
図9は、斜め板24を一定の傾斜角度(θ=30度)とし、斜め板24の回転体1側の突出端の位置を回転体1の軸中心、軸中心より下、軸中心より上とし(軸中心の位置から±14mmの範囲)、羽根10を回転体1に対して45度の角度範囲で可動状態とした場合における合計3態様、5回ずつの回転体1の毎分あたりの回転数(rpm)の実験結果、及び各々の平均値を示すものである。なお、水の流速は約0.2m/sとした。
図9から明らかなように、羽根10を可動状態とし、斜め板24の回転体1側の突出端の位置を回転体1の軸中心より下とした場合が最も良い結果(37.8(rpm))が得られた。
また、斜め板24の回転体1側の突出端の位置を回転体1の軸中心として場合、及び軸中心より上とした場合も上述した場合と近似した結果が得られた。
なお、本実施例の水車羽根型発電装置61の回転体1、羽根10、天板23、斜め板24等の各要素と、各実験例に係るこれらに対応する各要素とは、当然に寸法が異なるが、説明の便宜上両者において対応する要素には同一の符号を付して示す。
本実施例の水車羽根型発電装置61においては、上記実験結果を踏まえ、前記斜め板24の傾斜角度θを20度〜45度とし、斜め板24の突出端の位置を前記回転体1の軸中心相当位置を基準として、その上下に対して前記回転体1の直径の±30%範囲に設定するものである。
また、本実施例の水車羽根型発電装置61においては、図10に示すように、前記斜め板24の水流の流入側の形状を三角形突出形状とするか、又は、図11に示すように、前記斜め板24の水流の流入側の形状を丸型状(半円柱状)とするものである。
更には、図示しないが、前記斜め板24の水流の流入側の形状を略半円柱又は平板形状とすることもできる。
このような実施例の水車羽根型発電装置61における斜め板24の傾斜角度θ、斜め板24の突出端の位置、斜め板24の水流の流入側の形状の上述した各設定によって、これら各要素が水力発電用として適正化し、水流の力を効率良く利用して大きな発電出力を得ることが可能な水車羽根型発電装置61を実現し提供することができる。
図12は、変形例に係る水車羽根型発電装置61Aを示すものであり、基本的構成は実施例の水車羽根型発電装置61と同様であるが、底面板72を前記斜め板24の下方に付加したことが特徴である。また、図13は、図12とは更に別の変形例に係る水車羽根型発電装置61Aを示すものである。
すなわち、変形例に係る水車羽根型発電装置61Aにおいては、前記底面板72を前記回転体1の軸中心より下側で前記回転体1の直径の3/4から6/4倍の下方位置とするとともに、前記斜め板24の設置部と上下で重なる部分に配置している。
前記底面板72は、基端側の水平部72aと、この水平部72aから前記斜め板24の傾斜角度θより大きい傾斜角度θ1(θ<θ1)で下側に向かって斜めに突出させた傾斜部72bとを具備する構成としている。
また、変形例に係る水車羽根型発電装置61Aにおいても、前記斜め板24の水流の流入側の形状を既述した実施例の場合と同様に構成することができる。
このような図12に示す変形例に係る水車羽根型発電装置61Aにおける斜め板24の傾斜角度θ、斜め板24の突出端の位置、斜め板24の水流の流入側の形状及び底面板72の配置・形状によって、これら各要素が水力発電用として適正化し、水流の力を効率良く利用して大きな発電出力を得ることが可能な水車羽根型発電装置61Aを実現し提供することができる。
図14は、別の変形例に係る水車羽根型発電装置61Bを示すものであり、基本的構成は前記実施例の水車羽根型発電装置61と同様であるが、底面板72Aを前記斜め板24の下方に付加し、かつ、底面板72Aの形状を図12に示す底面板72と異ならせたことが特徴である。
別の変形例に係る水車羽根型発電装置61Bにおいては、前記底面板72Aを前記回転体1の軸中心より下側で前記回転体1の直径の3/4から6/4倍の下方位置とするとともに、前記斜め板72の設置部と上下で重なる部分に配置している。
また、前記底面板72Aは、基端側の水平部72cと、この水平部72cから前記回転体1の半径の距離以上下側に垂下部72dにより落としてから先端水平部72eを水平方向に突出させた先端突出部73とを具備する構成としている。
このような図14に示す別の変形例に係る水車羽根型発電装置61Bにおける斜め板24の傾斜角度θ、斜め板24の突出端の位置、斜め板24の水流の流入側の形状及び底面板72Aの配置・形状によって、これら各要素が水力発電用として適正化し、水流の力を効率良く利用して大きな発電出力を得ることが可能な水車羽根型発電装置61Bを実現し提供することができる。
本発明の水車羽根型発電装置は、水流が生じている河川や、海流の流水力を期待できる海等における比較的小規模の水力発電装置として広範に適用可能である。
1 回転体
2 ドラム体
3 側板
4 回転軸
5 固定具
6 軸受
10 羽根
11 ストッパ部
12 流体受け部
13 支軸
14 固定具
20 基底板
21 側板
22 軸受
23 天板
24 斜め板
30 発電機
31 入力軸
32 歯車
33 歯車
34 チェーン
40 トレー
41 トレー底板
42 側板固定部
43 トレー固定部
44 ボルト挿入穴
45 支軸挿入穴
46 ボルト挿入穴
51 浮体
52 係留手段
53 錘体
54 連結材
61 水車羽根型発電装置
61A 水車羽根型発電装置
61B 水車羽根型発電装置
62 発電装置本体
72 底面板
72A 底面板
72a 水平部
72b 傾斜部
72c 水平部
72d 垂下部
72e 先端水平部
73 先端突出部

Claims (4)

  1. 浮体と、
    この浮体に取り付けられ、浮体による浮力で水中に浮かぶとともに、水流の流入、流出が可能な発電装置本体と、
    発電装置本体を水流中の定位置に係留する係留手段と、
    発電装置本体内で回転可能に軸支されるとともに水流の方向と直交する配置とした回転体と、
    回転体の外周で、この回転体の下側において開き上側において閉となる自動開閉可能状態に取り付けられた複数の羽根を備え、前記発電装置本体に流入する水流による力を開状態の羽根で受けて前記回転体を回転させる羽根群と、
    前記発電装置本体の水流入側の上端に一端を取り付け突出端を前記回転体に取り付けた羽根の近くまで臨ませた水流誘導用の斜め板と、
    前記斜め板の下方の流路に配置した底面板と、
    前記回転体の回転による回転力の伝達により発電出力を得る発電機と、
    を有する水車羽根型発電装置であって、
    前記斜め板の傾斜角度を20度〜45度とし、斜め板の突出端の位置を前記回転体の軸中心相当位置を基準として、その上下に対して前記回転体の直径の±30%範囲とし、前記底面板の位置は前記回転体の軸中心より下側で前記回転体の直径の3/4から6/4倍の下方位置とし、かつ、前記斜め板の設置部と重なる部分に設けたこと特徴とする水車羽根型発電装置。
  2. 前記底面板は、基端側の水平部と、この水平部が端部より回転体中心部より手前で終了しているか或いはこの水平部から前記斜め板の傾斜角度より大きい傾斜角度で下側に向かって斜めに突出させた傾斜部とを具備することを特徴とする請求項1記載の水車羽根型発電装置。
  3. 前記底面板は、基端側の水平部と、この水平部から前記回転体の半径の距離以上下側に垂下部により落としてから先端水平部を水平方向に突出させた先端突出部とを具備することを特徴とする請求項1記載の水車羽根型発電装置。
  4. 前記斜め板の水流入側の端部の形状は、三角柱状、半円柱状、略半円柱又は平板形状であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の水車羽根型発電装置。
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