JP6442656B1 - 水流を利用する水力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 河川の水流から効果的に発電する水力発電機を提供する。
【解決手段】 水平面に対し垂直に立設するブレード回転面を有するタービンにおいて、ブレードの回転方向は流れの上流側にブレードが下降する向きとし、ブレード回転面（７）が、水流の向き（５）に対し左右いずれかへ傾斜角（Ｐ）が概ね３０度以上概ね６０度以内となるよう傾け、ブレード面がブレード回転面（７）に対し傾斜角（Ｑ）の傾きとし、（Ｐ＋Ｑ）は概ね９０度以上、概ね１２０度以下の範囲とする。タービン軸（１）は水面上の空中に維持し、ブレード部のみが流水中に浸かる状態に設置する。
【選択図】図４

Description

本発明は河川の水流から効率的な発電を可能にする水力発電機に関する

現在の水力発電の大部分は水の位置エネルギーを利用する発電方法が採られているため、水位差を作る堰やダムが必要となり、新たな水力資源開発を難しくしている。

一方、河川の水流をそのまま発電に利用できる水力発電機も小規模なものが稼働しており、主にプロペラ型と開放形下掛水車型の２つのタイプに分けられる。プロペラ型は回転面が水流に垂直であるため出力性能に優れるが、付着する漂流物を自ら排する機能が弱いメンテナンス上のリスク（以下「漂流物リスク」）という。）が大きく、用水路や漂流物の比較的少ない海中などに限られている。また、開放形下掛水車型はプロペラ型に比べ漂流物リスクは比較的小さいものの、出力性能上の課題から発電に用いられることは少ない。

ダムや堰を必要としない一般河川の水流をそのまま利用できれば大きな発電資源となるが、通常の流速は緩く、増水時には多くの漂流物が流れるなど一般河川特有の性質が障害となり発電コストに優れた実用的な水力発電機の開発は進んでいない。

特開２０１５−１４０８０２公報

開放形下掛水車最大の課題である出力性能の低さは、主に▲１▼該水車のタービンの出力を生み出しているのが水流中の複数のブレードのうち水流に面した一部のブレード面（４）だけであって、該ブレード面以外は水流中にあってもタービンの出力にはあまり寄与しないこと、そして▲２▼ブレードに加わる水流の圧力がタービンの回転によって逃げる構造であること、が大きな理由と考えられる。したがって、開放形下掛水車を実用的な出力の水力発電機として用いるには、少なくとも水流に面したブレード面を十分大きくしなくてはならず、実現は難しい。

一方、開放形下掛水車の特性から漂流物リスクを減らすには水流に面したブレードが水流と同じ向きに回転することが効果的であることは明らかであり、この特性をうまく活用することが一般河川の水流を利用可能にする上でのカギになると考えられる。

請求項１に記載の水力発電機は、発電機（１０）を連結するタービン軸（１）にブレード回転面（７）が垂直になるよう複数の平面ブレードを放射状に、隣り合う各ブレード（２）が等間隔になるように配置され、ブレード回転面（７）は水平面に対し垂直になるよう立設し、タービンは流れの上流側にブレードが下降する向きに回転する水力発電機において、ブレード回転面（７）を水平面に平行な向きに回転してブレード回転面（７）が水流の向き（５）に対し左右いずれかへの傾斜角Ｐを概ね３０度以上概ね６０度以内とし、各ブレード面の向き（８）がブレード回転面（７）に対し傾斜角Ｑとなるよう傾け、（Ｐ＋Ｑ）が概ね９０度以上概ね１２０度以下の範囲とし、タービン軸（１）を水面上の空中に維持しブレード（２）が流水中に浸かるよう設置することを特徴とする。

水力発電機は、ブレードの水流の当たる側面（４）が凹になるよう曲面化することを特徴とする水力発電機である。

本案の水力発電機はシンプルな構造であるため低コストでの製造が可能になる。また一般河川の緩やかな水流からも効果的な発電が可能になるため、現在、ほとんど利用されていない河川の水流エネルギーを資源化できる。

水流のエネルギーを受け止めるブレード面の大きさを比較した模式図（ａ）一般的な開放形下掛水車 （ｂ）本発明に係る一実施形態のタービン 本発明に係る水力発電機のタービンの一例を示す斜視図 本発明に係る水力発電機のタービンの一例を示す平面図 水流とブレード回転面、ブレード回転面とブレードの傾斜角を説明する平面図 水流の当たる側面を凹面化したブレードを設けたタービンの一例を示す斜視図 本発明に係る水力発電機のタービンの支持構造の一例を示す斜視図

開放形下掛水車は、水流中にあるブレードであっても水流の当たる一部のブレード面で出力を生み出す一方、その背後に位置するブレード面では水流が弱くなるため出力を生み出し難く、むしろ水との摩擦で回転のブレーキとなっている可能性がある。したがって、一般河川の中下流域での毎秒１〜２ｍ程度の緩やか流れの中では、流水量に恵まれても現行の開放形下掛水車の構造では効果的な発電は難しいと考えられる。

開放形下掛水車はブレード回転面が水流と平行であることから出力はブレード単体の大きさに大きく左右される。これに対し、本案の水流発電機のタービンは水平面に対し垂直に立設するブレード回転面（７）を水平面に平行な向きに回転して水流の向き（５）に対し左右いずれかに傾く構造（以下「傾斜タービン」という。）とすることによって、水流がブレードに当たる範囲がブレード回転面（７）にまで及ぶため、水流中のブレード面のすべてにおいて出力を生み出すことが可能になる。（図１）

しかし、一般的な構造の開放形下掛水車を、そのままブレード回転面が水流の向きに傾斜させて設置しても、出力向上は期待できない。また、既に開放形下掛水車のブレード面がタービン軸の向き、水流の向きの何れに対しても傾斜させたタービン構造が提案されているが（先行技術文献参照）、前記課題の▲１▼又は▲２▼への積極的な対応は見られない。

本案の水力発電機は水流の向きとブレード回転面に一定の傾斜角Ｐを設け、さらに各ブレード面とブレード回転面（７）に一定の傾斜角Ｑを持たせることで、前記課題▲１▼に対しては水中のブレード面のすべてにおいて出力を生み出すことを可能にし、さらに課題▲２▼の開放形下掛水車の短所も大幅に改善する。

また、傾斜角Ｐが９０度を大きく下回ることで、水流中を回転するブレードは概ね水流の向きに沿って移動するため、ブレードに付着する漂流物は回転による自力排出機能が活きて、メンテナンスに要するコストを抑えることが可能である。

実際の水力発電機の設置に際しては、傾斜角Ｐが３０度以下となる場合、水流に面するブレード回転面が狭くなり過ぎて出力増大が制限される。また、傾斜角Ｐが６０度を上回る場合は漂流物リスクが大幅に上昇する可能性が高いため、通常の河川環境においては傾斜角Ｐを概ね４５度とする。

タービンに付けられたブレードは回転するに従い上流側から水中に下降し、水中でブレードがブレード回転面（７）の最下部を通過する際、（Ｐ＋Ｑ）が９０度の場合に水流はブレードに垂直に当たることになる。各ブレードに当たった水流（３）は、その後も河川の流れに従ってブレードの間をブレード回転面の上流側から下流側に通過することで、ブレード回転面周辺の水流は安定し、出力が最大化すると考えられる（図３参照）。

しかし（Ｐ＋Ｑ）が９０度を下回ると、最下部を通過するブレード表面に当たる水流はその後ブレード回転面の上流側に向かい易くなり、周囲のブレード間を上流側から下流側に流れる水流と干渉して乱れ出力低下を生む可能性があり、（Ｐ＋Ｑ）は概ね９０度以下にはならない水準とする。また、（Ｐ＋Ｑ）が１２０度を大きく上回る場合、一般的な開放形下掛水車の回転面を水流の向きに面するように傾けた状態に近くなり出力低下が見込まれるため、通常の河川環境下において（Ｐ＋Ｑ）は９０度以上１２０度以下の範囲とすることが出力の最大化には必要である。

ブレード数は、水流中に複数枚のブレードが浸ることがタービンの安定した回転を維持し易いことに留意する。また各ブレードの大きさは、下流側のブレードが上流側のブレードによる水流の陰に入ると、該水流の影となるブレード面は回転のブレーキとして作用する可能性もあるため（前記課題▲１▼）、少なくとも水流の陰になるブレード面の大きさが水流に面したブレード面の大きさを上回ることのないよう留意する。

本案の水力発電機のタービンは構造上、ブレード回転面の２分の１まで水面下に沈めることができるが、メンテナンス性や耐久性の観点から、タービン軸（１）は水中に浸からないよう空中に概ね水平に維持し、水流中にはブレードのみが浸かる状態に設置する。（図２）

水力発電機の設置には、河岸や河床に固定したタービン軸支持体（９）を設ける方法（図３）のほか、水位の変化などに対応するため該支持体を浮体構造にして水流中に係留する方法、あるいは橋梁からタービン全体を吊下げる構造も有効と考えられる。

１ タービン軸
２ ブレード
３ ブレードに当たる水流
４ 水流に当たるブレード面
５ 水流の向き
６ 水面
７ ブレード回転面
８ ブレード面の向き
９ タービン軸支持体
１０ 発電機

Claims (1)

1. 発電機を連結するタービン軸にブレード回転面が垂直になるよう複数の平面ブレードを放射状に、隣り合う各ブレードが等間隔になるように配置され、ブレード回転面は水平面に対し垂直になるよう立設し、タービンは流れの上流側にブレードが下降する向きに回転する水力発電機において、ブレード回転面を水平面に平行な向きに回転してブレード回転面が水流の向きに対し左右いずれかへの傾斜角Ｐを概ね３０度以上概ね６０度以内とし、各ブレード面の向きがブレード回転面に対し傾斜角Ｑとなるよう傾け、（Ｐ＋Ｑ）が概ね９０度以上概ね１２０度以下の範囲とし、水流の陰になるブレード面の大きさが水流に面したブレード面の大きさを上回ることがなく、タービン軸を水面上の空中に維持しブレードが流水中に浸かるよう設置することを特徴とする水力発電機。