JP6020988B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電装置に関し、特に比較的小規模で設置が容易な簡易型の水力発電装置に関する。

２０１１年３月の東日本大震災に端を発した原子力発電所の事故に起因する全国的な電力不足への対応策が、現在の日本では強く求められている。この対応策の一つとして、安全で環境に優しい再生可能エネルギーに期待するところは大きいものがある。中でも、既に確立されている水力発電が見直されている。水力発電は、２４時間、３６５日稼働が可能で、比較的天候に左右され難い利点がある。その一方で、高低差が大きい程水の位置エネルギーを利用して発電能力が高まることから、ある程度の高低差が求められ、設置できる場所が限られる。

そこで、河川や用水路などでも設置可能な小規模の、発電量が１ｋＷ以下程度のいわゆるマイクロ水力発電が注目されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。特許文献１に開示された水力発電装置によると、水の落差を積極的に利用することなく、比較的小さな水流で水力発電を行うことができるとされている。

また、特許文献２に開示された小型水力発電機によると、河川中に水流に沿って単に沈めて発電を行うことが可能であり、自然を害することなく配設して安定使用することができ、水位の変動にも無関係に動作することが可能であるとされている。

特許第４０２２２４４号公報 実用新案登録第３１４３１８９号公報

しかしながら、一般的な水力発電設備は設置工事が極めて大掛かりな土木作業となり、これは小規模の水力発電であっても事情は変わらず、コンクリートの敷設などを含めた土木作業が必須となっていた。このため、設置のためのコスト負担が大きく、普及の妨げとなっていた。

この点、特許文献１及び特許文献２に開示された水力発電装置や小型水力発電機によれば、河川に比較的容易に設置することができ、設置コストの削減は図られるものと思われる。しかしながら、更に発電効率の高い小型の水力発電装置が求められている。

本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、高低差を要さず設置が容易であって、かつ発電効率の高い水力発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は河川などの水流中に配置される水力発電装置であって、水流中に、該水流Ｖと平行に配置される中空円筒状の導水管２と、前記導水管２の内部に、軸受３を介して水流Ｖと平行に軸支される回転軸４と、前記回転軸４に固定され、複数の羽根５を備える水車６と、前記回転軸４に固定されるスプロケット７と、前記スプロケット７にかけられるチェーン８と、前記チェーン８を介して前記スプロケット７の回転と連動される発電機９と、前記導水管２を固定する枠体１０と、前記枠体１０から突出され、前記発電機９を固定するためのアーム１１と、前記枠体１０を、水流中に配置した状態で流されないように固定するための固定手段１２と、を含んで構成され、前記枠体１０を水流中に水没させる一方、前記アーム１１に固定される前記発電機９が水面上に位置するように配置されており、前記枠体１０を、前記固定手段１２を介して河川岸に固定しており、前記スプロケット７は、その周囲と前記回転軸４との間に、複数の開口部７ｃを設けてなることを特徴とする。

また、本発明の水力発電装置において、前記固定手段１２が、河川岸に打ち込んだ楔１３に係止可能なワイヤー１４を備えてなることを特徴とする。

さらに、本発明の水力発電装置において、前記回転軸４に複数の前記水車６が固定され、各前記水車６が備える複数の前記羽根５が、前記回転軸４に対して一定のピッチで固定されていると共に、隣接する前記水車６間で、前記羽根５の取付位置をオフセットさせてなることを特徴とする。

また、本発明の水力発電装置において、前記羽根５の枚数が２〜５枚であることを特徴とする。

さらに、本発明の水力発電装置において、複数の前記導水管２が隣接して前記枠体１０に固定され、各前記導水管２の内部に軸支される前記回転軸４に固定される各前記スプロケット７が同一平面に配置され、共通の前記チェーン８を介して前記発電機９を駆動するように構成されてなることを特徴とする。

本発明の水力発電装置の構成によると、水力発電装置をユニット式として、予め工場などで組み上げた上で河川などの施工現場に輸送し、水没させた後に固定手段で固定できる。即ち、極めて施工が簡単で、大規模な土木工事などが不要となるため、設置コストを大幅に削減できる。

また、本発明の水力発電装置に係る固定手段がワイヤーを備えることによって、陸上の楔にワイヤーでもって固定できるので、枠体の固定作業が簡単に行える利点が得られる。

また、本発明の水力発電装置に係る水車の構成によると、水流の流れ方向に隣接する水車が備える各羽根がずれた状態で並ぶこととなる。即ち、水流を受ける羽根の取付位置を隣接する水車間で異ならせることにより、水流を効率よく受けることができるため、もって回転トルクを高めることができ、発電効率の向上を図ることができる。

さらに、本発明の水力発電装置に係る水車が備える羽根の枚数を２〜５枚とすることによって、水車の回転時におけるバランスがよく、効率よく水流を受けることができると共に、羽根の回転軸側の取付部分の強度も十分に確保することが可能となる。

また、本発明の水力発電装置における導水管が複数隣接して枠体に固定され、各導水管の内部に軸支される回転軸に固定される各スプロケットが同一平面に配置されることによって、複数の水車でチェーンを駆動することで回転トルクを増大させ、発電量を増やすことができる。特に河川の川幅等に応じて複数列の水車を配置すれば、水流を最大限に利用した水力発電が可能となる。

本発明の実施例１に係る水力発電装置を設置した状態を示す平面図である。 図１の水力発電装置の水平断面図である。 図１の水力発電装置を正面側から見た斜視図である 図１の水力発電装置を背面側から見た斜視図である。 図１の水力発電装置の正面図である。 図１の水力発電装置の側面から見た垂直断面図である。 図１の水力発電装置の背面図である。 本発明の実施例２に係る水力発電装置を示す正面図である。 図８の水力発電装置の側面から見た垂直断面図である。 本発明の実施例３に係る水力発電装置を示す背面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための水力発電装置を例示するものであって、本発明は水力発電装置を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施例１）

本発明の実施例１に係る水力発電装置１を図１〜図７に示す。これらの図において、図１は水力発電装置１を設置した状態を示す平面図、図２は水力発電装置１の水平断面図、図３は水力発電装置１を正面側から見た斜視図、図４は水力発電装置１を背面側から見た斜視図、図５は水力発電装置１の正面図、図６は水力発電装置１の側面から見た垂直断面図、図７は水力発電装置１の背面図である。

これらの図に示すように、例えば河川Ｒなどの水流中に配置される本実施例１に係る水力発電装置１は、水流中に、水流Ｖと平行に配置される中空円筒状の導水管２と、導水管２の内部に、軸受３を介して水流Ｖと平行に軸支される回転軸４と、回転軸４に固定され、複数の羽根５を備える水車６と、回転軸４に固定されるスプロケット７と、スプロケット７にかけられるチェーン８と、チェーン８を介してスプロケット７の回転と連動される発電機９と、導水管２を固定する枠体１０と、枠体１０から突出され、発電機９を固定するためのアーム１１と、枠体１０を、水流中に配置した状態で流されないように固定するための固定手段１２と、を含んで構成されている。

本実施例１に係る水力発電装置１では、図２及び図３に示すように、２本の中空円筒状の導水管２が、その長手方向を水流Ｖと平行となるようにして、かつ水流Ｖに対して直交する方向に２本並列の状態で枠体１０に固定されている。なお枠体１０は、後述する固定手段１２によって水流Ｖで流されることがないように河川岸に固定されるが、更に枠体１０を含む水力発電装置１の流出防止を図るためには、枠体１０自体にある程度の重量を持たせる、また必要に応じておもりや錨等を付加する、といった対策も有効である。

回転軸４は、その前端部及び後端部に配設された軸受３を介して、導水管２の内部に回転自在に配設されている。ここで、回転軸４はその軸心を導水管２の軸心と一致するようにして導水管２の内部に配設されている。つまり、回転軸４は水流Ｖと平行に回転自在に軸支されることとなる。

そして、この回転軸４には、複数の羽根５を備える水車６が複数固定されている。本実施例１に係る水力発電装置１では、図３、図５及び図６などに示すように、水車６は４枚の羽根５を備えており、かつこれら４枚の羽根５が回転軸４に対して一定のピッチで均等に配設されている。さらに、図２に示すように、一の回転軸４につき、回転軸４の軸心に沿って３つの水車６が固定されている。このとき、隣接する水車６、６間で、各々の水車６が備える羽根５の取付位置をオフセットさせた状態で各水車６が回転軸４に固定されている。即ち、図２等に示すように、回転軸４に固定されている水車６が備える羽根５の取付位置を、隣接する水車６、６間でオフセットさせることによって、水流Ｖの流れ方向に隣接する水車６、６が備える各羽根５がずれた状態で並ぶこととなる。水流Ｖを受ける羽根５の取付位置を隣接する水車６、６間で異ならせることにより、水流Ｖを効率よく受けることができるため、もって回転トルクを高めることができ、発電効率の向上を図ることができる。

なお、水車６に設けられる羽根５の枚数は限定されないが、特に２〜５枚の羽根５を回転軸４に対して一定のピッチで均等に配設されることが好ましい。水車６に配設される羽根５が１枚のみでは、効率よく水流Ｖを受けることができず、水車６の回転時のバランスも悪くなる。一方、羽根５が６枚以上配設された場合には、羽根５の１枚あたりのサイズが小さくなるため、効率よく水流Ｖを受けることができなくなる。さらに、羽根５の１枚あたりのサイズが小さくなることによって、羽根５の回転軸４側の取付部分の強度も十分に確保することが困難となる。そこで、好ましくは羽根５を２〜５枚設ける。

そして、図４及び図７に示すように、２本の回転軸４の後端側には、それぞれスプロケット７が固定され、かつこれらのスプロケット７、７が同一平面に配置されている。これらのスプロケット７、７には、後述する発電機９の回転軸１５に取り付けられた小スプロケット１６との間でチェーン８が架け渡され、スプロケット７、７の回転がチェーン８を介して発電機９に伝達されることとなる。なお、本実施例１の水力発電装置１に係るスプロケット７には、歯部７ａ及びボス部７ｂ以外の部分に開口部７ｃが多数設けられている。スプロケット７に開口部７ｃを多数設けることによって、導水管２内を流れる水流Ｖの妨げになりにくくなり、効率よく水流Ｖを導水管２外へ送出することができる。

導水管２が固定されている枠体１０には、図３、図４及び図６などに示すように、その上方に突出するアーム１１が設けられ、アーム１１の上端部に発電機９が固定されている。発電機９は公知の回転型の発電機が種々利用でき、特に限定されるものではないが、本実施例１の水力発電装置１に係る発電機９としては防水性を備えるものが好適である。例えば風力発電用の発電機のように、風雨に晒されても動作可能な発電機が種々開発されており、これらを好適に利用できる。そして、発電機９の回転軸１５に取り付けられた小スプロケットと、回転軸４、４に固定されているスプロケット７、７との間にチェーン８が架け渡され、回転軸４、４の回転力がチェーン８を介して発電機９へと伝達されることとなる。なお、スプロケット７、７と、小スプロケット１６とは、発電機９の回転数を増速するように、スプロケットの回転比を上げることが、発電効率を高める点で好ましい。また、チェーン８のテンションを一定に維持するために、スプロケット７と小スプロケット１６との間にテンションスプロケット１７を介在させておくことがより好ましい。

導水管２やアーム１１が取り付けられる枠体１０は、固定手段１２を備えている。固定手段１２は、枠体１０が水流Ｖで流されることがないように、河川岸などに枠体１０を固定することが可能であれば特に限定されない。例えば図１に示すように、河川Ｒの両岸にそれぞれ設置した楔１３に係止可能なワイヤー１４であってもよく、或いは鎖１９のような固定手段１２であってもよい。

さらに、本実施例１の水力発電装置１に係る枠体１０には、導水管２内に水流Ｖを効率的かつ積極的に導くためのガイド板１８が設けられている。ガイド板１８は、水流Ｖが流入してくる側に向かって末広がりとなるように先端側を広くしたハの字状に形成される。なお、河川などの水流中に水力発電装置１を設置する際、ガイド板１８の下辺１８ａは、川底に接するか、極力近付けるように位置させることが好ましい。これによって、導水管２の下方に水流Ｖが逃げる事態を回避でき、導水管２内に水流Ｖを効率的且つ積極的に導いて発電効率の向上を図ることができる。また、導水管２の下方に水流Ｖが逃げると、導水管２を含む水力発電装置１が浮き上がってしまい、安定的な発電を行うことが困難となる可能性もあるため、水力発電装置１を河川などの水流中に安定的に設置するためにも、ガイド板１８の下辺１８ａは川底に接するか、極力近付けるように位置させることが好ましい。

以上の構成からなる本実施例１の水力発電装置１によると、以下のようにして効率的に発電を行うことができる。まず、導水管２が固定された枠体１０を、河川Ｒの水流中に水没させ、固定手段１２であるワイヤー１４及び鎖１９によって河川Ｒの両岸に設置した楔１３にそれぞれ係止する。このとき、枠体１０から上方に突出するアーム１１に固定された発電機９は、水面上に位置するように配置されることとなる。

水流中に水没させた水力発電装置１に係る導水管２内には、ガイド板１８によって導かれる水流Ｖが流入する。すると、導水管２内に流入した水流Ｖによって水車６が回転し、水車６の回転が回転軸４を介してスプロケット７に伝達される。スプロケット７、７が回転すると、この回転がチェーン８を介して発電機９の回転軸１５に取り付けられた小スプロケット１６に伝達され、小スプロケット１６を回転させることによって発電機９の回転軸１５が回転し、発電機９で発電されることとなる。

なお、発電機９で発電した電力は、河川岸に設けられた蓄電装置２１に充電される。この電力は、例えば山間部の防犯灯や鳥獣被害対策用の電柵の電源、あるいは自家発電用や災害対策用等に利用できる。

以上のように、本実施例１に係る水力発電装置１によると、水力発電装置１をユニット式として、予め工場などで組み上げた上で河川Ｒなどの施工現場に輸送し、水没させた後に固定手段１２で固定できる。即ち、極めて施工が簡単で、大規模な土木工事などが不要となるため、設置コストを大幅に削減できる。

また、本実施例１の水力発電装置１に係る固定手段１２にワイヤー１４や鎖１９を適用することによって、河川岸の楔１３にワイヤー１４などで容易に固定できるので、枠体１０の固定作業が非常に簡単に行える。
（実施例２）

以上、本発明の実施例１に係る水力発電装置１について詳述したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の実施例２に係る水力発電装置１ａは、図８及び図９に示すように、水力発電装置１ａが備えるガイド板１８の前方に、流木片や落ち葉といった各種ゴミを除去するための一定の大きさの目をもった網２０が設置されている。この網２０をガイド板１８の前方に設置し、網２０によって導水管２の開口を覆うことによって、導水管２内へのゴミの流入を回避でき、発電効率の低下、水車６やスプロケット７などの損傷を容易に防止することができる。なお、網２０の形状は特に限定されず、平板状の網であっても水流中のゴミを除去することは可能である。しかし、図９に示すように、網２０の形状を、中心部がガイド板１８の前方に突出するように、ガイド板１８の下辺１８ａ及び上辺１８ｂからそれぞれ中心部に向かって先細り形状となるように傾斜させ、縦方向断面形状をくの字状とすることによって、各種ゴミが網２０に引っ掛かりにくくなり、導水管２内への水流Ｖの流入量の低下を防止することができる。なお、図示した網２０は、上下方向から中心部に向かって先細り形状となるように形成され、縦方向断面形状がくの字状をなしているが、例えば左右方向から中心部に向かって先細り形状となるように形成することによって、横方向断面形状がくの字状をなす網のような態様であってもよい。

なお、網２０における突出した中心部の角度αは３０度から１５０度の範囲とすることが好ましい。当該角度αが１５０度を超えると網２０は略平板状となり、各種ゴミが網１９を塞いでしまって導水管２内へ効率よく水流Ｖを導くことが困難となる。一方、角度αを３０度未満とすると、中心部がガイド板１８の前方に突出し過ぎてしまい、水力発電装置１ａの設置面積が増大することとなる。

また、実施例１の水力発電装置１では、一の回転軸４につき３つの水車６を固定していたが、回転軸４に固定される水車６の設置数は特に限定されず、水力発電装置の設置箇所に応じて適宜増減することが可能である。例えば図９に示すように、河川Ｒにおける水流Ｖの方向に十分な設置箇所を確保可能であれば、回転軸４を長めにし、この回転軸４の長さに応じて水車６を多数（図９では６つ）固定してもよい。水車６の数を増やすことによって、水流Ｖをより多くの羽根５で受けることができ、発電効率の更なる向上が図られる。
（実施例３）

上記の実施例１に係る水力発電装置１及び実施例２に係る水力発電装置１ａでは、いずれも導水管２が２本の態様であったが、本発明の水力発電装置に係る導水管２の本数、換言すれば水車６の列数はこれらに限定されない。例えば図１０に示す水力発電装置１ｂのように、河川Ｒの川幅や流量、要求されるトルクなどに応じて３本以上の導水管２を並列に設け、その内部に各々配設した回転軸４に水車６を設ける構成とすることもできる。ここで、各導水管２内に配設される回転軸４に固定されるスプロケット７が同一平面に配置されることによって、共通のチェーン８を介して発電機９を駆動することが可能となる。つまり、複数の水車６でチェーン８を駆動することで回転トルクを増大させ、発電量を増やすことができる。特に河川Ｒの川幅等に応じて複数列の水車６を配置すれば、水流Ｖを最大限に利用した水力発電が可能となる。

以上、本発明の水力発電装置の種々の実施例について詳述したが、本発明の水力発電装置は、更に他の実施形態でも実施可能である。例えば、本発明の水力発電装置を構成する枠体１０や回転軸４、水車６などの材質は特に限定されないが、耐水性、防錆性に優れたステンレス製とすることがより好ましい。また、導水管２の材質も特に限定されないが、硬質塩化ビニール製とすることがコスト面や設置の容易性などの観点からは好ましい。

また、何れの実施例においても、水車６には独立した複数の羽根５を配設しているが、これに代えて、連続した一定のねじれ角をもつ螺旋形状の羽根とすることも可能である。

本発明に係る水力発電装置は、マイクロ水力発電等に好適に利用できる。

１、１ａ、１ｂ…水力発電装置
２…導水管
３…軸受
４…回転軸
５…羽根
６…水車
７…スプロケット；７ａ…歯部；７ｂ…ボス部；７ｃ…開口部
８…チェーン
９…発電機
１０…枠体
１１…アーム
１２…固定手段
１３…楔
１４…ワイヤー
１５…発電機の回転軸
１６…小スプロケット
１７…テンションスプロケット
１８…ガイド板、１８ａ…ガイド板の下辺、１８ｂ…ガイド板の上辺
１９…鎖
２０…網
２１…蓄電装置
Ｒ…河川；Ｖ…水流

Claims (5)

1. 河川などの水流中に配置される水力発電装置(1)であって、
   水流中に、該水流(V)と平行に配置される中空円筒状の導水管(2)と、
   前記導水管(2)の内部に、軸受(3)を介して水流(V)と平行に軸支される回転軸(4)と、
   前記回転軸(4)に固定され、複数の羽根(5)を備える水車(6)と、
   前記回転軸(4)に固定されるスプロケット(7)と、
   前記スプロケット(7)にかけられるチェーン(8)と、
   前記チェーン(8)を介して前記スプロケット(7)の回転と連動される発電機(9)と、
   前記導水管(2)を固定する枠体(10)と、
   前記枠体(10)から突出され、前記発電機(9)を固定するためのアーム(11)と、
   前記枠体(10)を、水流中に配置した状態で流されないように固定するための固定手段(12)と、
   を含んで構成され、
   前記枠体(10)を水流中に水没させる一方、前記アーム(11)に固定される前記発電機(9)が水面上に位置するように配置されており、
   前記枠体(10)を、前記固定手段(12)を介して河川岸に固定しており、
   前記スプロケット(7)は、その周囲と前記回転軸(4)との間に、複数の開口部(7c)を設けてなることを特徴とする水力発電装置。
2. 請求項１に記載の水力発電装置であって、
   前記固定手段(12)が、河川岸に打ち込んだ楔(13)に係止可能なワイヤー(14)を備えてなることを特徴とする水力発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の水力発電装置であって、
   前記回転軸(4)に複数の前記水車(6)が固定され、
   各前記水車(6)が備える複数の前記羽根(5)が、前記回転軸(4)に対して一定のピッチで固定されていると共に、
   隣接する前記水車(6)間で、前記羽根(5)の取り付け位置をオフセットさせてなることを特徴とする水力発電装置。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の水力発電装置であって、
   前記羽根(5)の枚数が２〜５枚であることを特徴とする水力発電装置。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の水力発電装置であって、
   複数の前記導水管(2)が隣接して前記枠体(10)に固定され、
   各前記導水管(2)の内部に軸支される前記回転軸(4)に固定される各前記スプロケット(7)が同一平面に配置され、
   共通の前記チェーン(8)を介して前記発電機(9)を駆動するように構成されてなることを特徴とする水力発電装置。

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