JP6607555B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水などの液体の流れの中に配置されて発電する発電装置に関する。

発電装置として、溝などを流れる水の力を用いるものがある。

たとえば、水の流れに浸漬させた翼にフラッタ現象を生起させ、流れを横切るように動く往復並進運動を抽出し、電力に変換する方法がある。特許文献１に記載された方法では、フラッタ現象を生起させるために必要な値の質量付加を、前記往復並進運動を回転体の往復回転運動に変換させ、その回転慣性モーメントによって行っている。

また、非特許文献１に記載された方法では、水の流れに浸漬させた翼をクランク機構（直動＆回転）の先端に取り付け、流れを横切るように動く往復並進運動を得る。発電機を同一方向に回転させる。翼の向きはクランクレバーの角度によって定まる。すなわち、水流の下流側に立って上から見た場合、翼が右側に搖動した位置はクランクの上死点であり、翼は水流に対して平行になる。

特許第５２７８９００号公報

細谷、外２名、「着脱が容易な二次元往復振動翼装置の回転ムラに関する実験的研究」、日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集、２０１３年、社団法人日本機械学会

フラッタ現象では、ピッチング振動する翼の向きと流れを横切る往復並進運動とは、位相が９０度ずれている。すなわち、水流の下流側に立って上から見た場合、翼が右側に搖動した位置で、翼は水流に対して左側に傾く。ピッチング振動をさせるための捩じり振動系が必要であり、機構が複雑かつ激流で破損しやすい。また、固有振動数が一意に決まるため、水流の変化に追従するのが困難と予想される。共振現象も懸念される。

クランク機構を用いた場合、機構が複雑になる。また風雨に晒される屋外使用を想定すると、直動部分に回転ベアリングを用いると潤滑の問題があり、樹脂系などの滑り部材を用いると寿命の問題がある。

そこで、本発明は、水などの液体の流れの中に配置されて発電する発電装置において、単純な機構で発電できるようにすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、液体の流れの中に配置されて発電する発電装置において、前記液体の流れに垂直に延びたシャフトと、前記シャフトの軸を中心に回動可能に前記シャフトを支持する支持体と、前記シャフトに固定されて前記シャフトに向かって前記シャフトの両側に前記液体の流れを分離させる流体分離体と、前記シャフトの回動によって発電する発電機と、を有し、前記流体分離体は、前記シャフトから前記液体の流れの方向に離間して配置されて前記液体の流れを遮る方向に拡がる板状部材を備えることを特徴とする。
また、本発明は、液体の流れの中に配置されて発電する発電装置において、前記液体の流れに垂直に延びたシャフトと、前記シャフトの軸を中心に回動可能に前記シャフトを支持する支持体と、前記シャフトに固定されて前記シャフトに向かって前記シャフトの両側に前記液体の流れを分離させる流体分離体と、前記流体分離体の前記液体の流れを横切る方向の往復運動によって発電する発電手段と、を有し、前記流体分離体は、前記シャフトから前記液体の流れの方向に離間して配置されて前記液体の流れを遮る方向に拡がる板状部材を備えることを特徴とする。

本発明によれば、水などの液体の流れの中に配置されて発電する発電装置において、単純な機構で発電できる。

本発明に係る発電装置の第１の実施の形態の斜視図である。 本発明に係る発電装置の第１の実施の形態の側面図である。 本発明に係る発電装置の第１の実施の形態の正面図である。 本発明に係る発電装置の第１の実施の形態の設置状態を示す斜視図である。 本発明に係る発電装置の第２の実施の形態の斜視図である。 本発明に係る発電装置の第３の実施の形態の斜視図である。

本発明に係る発電装置のいくつかの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
［第１の実施の形態］

図１は、本発明に係る発電装置の第１の実施の形態の斜視図である。図２は、本実施の形態の発電装置の側面図である。図３は、本実施の形態の発電装置の正面図である。

本実施の形態の発電装置１０は、支持体２０とシャフト３０と翼体４０と発電機６０とを有している。支持体２０は、たとえば下部フレーム２１と上部フレーム２２と支柱２３とシャフト下端支持体２８と発電機支持フレーム下梁２４と発電機支持フレーム上枠２５と発電機支持フレーム柱２９と発電機支持梁２６とを有している。

下部フレーム２１および上部フレーム２２は、たとえば４本のアルミニウム製の棒を長方形に結合した枠体である。下部フレーム２１および上部フレーム２２は、同じ大きさの長方形に形成され、それぞれの４つの頂点を支柱２３によって結合されている。下部フレーム２１と上部フレーム２２と支柱２３によって、直方体のフレーム構造が形成されている。

下部フレーム２２には、短辺に平行な長梁１９が固定されている。この長梁１９と下部フレーム２２の一方の短辺との間には、２本の平行な短梁２７が架け渡されている。シャフト下端支持体２８は、これらの短梁２７で支持されている。シャフト下端支持体２８は、たとえばアルミニウム製の板に、シャフト３０を回動可能に支持するベアリングなどを固定したものである。ここで回動とは、軸を中心とした所定の角度範囲内の回転運動のことである。シャフト３０は、軸を中心として１回転以上の回転が可能に支持されていてもよい。

上部フレーム２２には、短辺に平行な２本の発電機支持フレーム下梁２４が固定されている。発電機支持フレーム上枠２５は、発電機支持フレーム下梁２４に平行な長辺を持つ長方形に形成されている。発電機支持フレーム上枠２５の４つの頂点は、発電機支持フレーム下梁２４の端部に固定された４本の発電機支持フレーム柱２９によって支持されている。発電機支持フレーム上枠２５の２本の長辺の間には、短辺に平行な２本の発電機支持梁２６が架け渡されている。

発電機支持フレーム下梁２４の中央部には、シャフト上端支持棒１８が架け渡されている。シャフト上端支持棒１８の途中には、貫通孔が形成されたシャフト上端支持体１７が固定されている。

シャフト３０は、４本の支柱２３に平行にシャフト下端支持体２８からシャフト上端支持体１７を通過して延びている。シャフト３０の上端は、シャフト上端支持体１７を少し飛び出している。シャフト３０の上端は、円板５０の中心に固定されている。

このように、支持体２０は、シャフト３０をその軸を中心に回動できるように支持している。

シャフト３０には、軸方向の異なる位置に２本の翼体支持棒３２，３４が固定されている。翼体支持棒３２，３４の一方の端部には支柱２３に平行な翼体支持支柱３６が固定されている。翼体支持棒３２の翼体支持支柱３６とは反対側の端部は、シャフト３０を挟んで反対側まで延びている。

翼体支持支柱３６には、翼体４０が固定されている。翼体４０は、翼体支持支柱３６からシャフト３０に向かって一旦幅が広くなり、幅が最大となる最大幅広部からシャフト３０に向かって幅が小さくなっている。

図３は発電装置１０を発電機６０の設置してある方向から見た正面図である。上部フレーム２２のシャフト３０に近い方の短辺には、バネ支持体７０およびバネ７２がそれぞれ２つずつ固定されている。バネ支持体７０およびバネ７２は、上部フレーム２２の長辺に平行に発電装置１０を見た時に、上部フレーム２２の長辺と平行な位置にある場合の翼体支持棒３２を挟んで向かい合うように対称に設けられている。

発電機６０は、発電機支持梁２６に固定されている。発電機６０の回転軸と円板５０の側面との間には、ベルト６２が掛けられている。このベルト６２によって円板５０の回動が発電機６０の回転軸に伝達され、発電機６０は発電する。

図４は、本実施の形態の発電装置の設置状態を示す斜視図である。

発電装置１０は、たとえば溝８０などの水路に設置される。つまり、溝８０中の水の流れの中に、発電装置１０は配置される。発電装置１０は、シャフト３０が水の流れの方向９０に垂直になるように、たとえばシャフト３０が鉛直方向に延びるように設置される。また、翼体４０は、その全体が水に沈むように配置される。円板５０および発電機６０は水に濡れない位置になるように配置しておく。

溝８０中を水が流れると、翼体４０によって、翼体４０の両側に水の流れが分離される。水流が分離されると、それぞれの流量の差により、翼体４０に左右いずれかに向く揚力が発生する。その結果、翼体４０は、水平方向に力を受けて、水の流れの方向９０を横切る方向９２に左右に振動する。翼体４０の動きにより、翼体支持棒３２はシャフト３０を中心とした弧を描くように振動する。つまり、翼体支持棒３２および翼体４０は往復旋回運動を行う。翼体４０の向きは翼体支持棒３２の角度によって定まる。すなわち、水流の下流側に立って上から見た場合、翼体４０が右側に搖動した位置で、翼体４０は水流に対して右側に傾いている。

翼体支持棒３２の動きにより、シャフト３０は回動運動を行う。シャフト３０の回動運動は、円板５０およびベルト６２を介して発電機６０に伝達される。したがって、発電機６０は、シャフト３０の回動によって発電する。

このように本実施の形態の発電装置１０において、翼体４０および翼体支持棒３２の運動は、回転機構のみで可能となっている。このため、発電装置１０の全体の機構が簡素である。つまり、単純な機構で発電できる。その結果、防水対策が容易になる。また、バネ７２の影響が小さい場合には、固有振動は生じない。

また、翼体支持棒３２の振動により、翼体４０とは反対側の端部がバネ７２に接触すると、そのバネ７２の復元力によって、翼体支持棒３２の動きを反転させる方向に力が働く。なお、バネ７２の影響が大きい場合には、ガタのある振動系となる。
［第２の実施の形態］

図５は、本発明に係る発電装置の第２の実施の形態の斜視図である。

本実施の形態の発電装置１０は、第１の実施の形態の発電装置（図１など参照）に流路形成板９０を追加したものである。流路形成板９０は、下部フレーム２１と上部フレーム２２と支柱２３とで形成される直方体の２つの側面を覆うものである。

このような発電装置１０であれば、流路が広い場合であっても、発電装置１０の翼体４０の近傍における流れを安定させ、発電効率を向上させることができる。
［第３の実施の形態］

図６は、本発明に係る発電装置の第３の実施の形態の斜視図である。

本実施の形態の発電装置１０は、第１の実施の形態の発電装置（図１など参照）の翼体４０の代わりに邪魔板４１を用いたものである。このような邪魔板４１を用いた場合であっても、水流は、邪魔板４１の両側に分離する。

その結果、翼体４０は、水平方向に力を受けて、水の流れの方向９０を横切る方向９２に左右に振動する。翼体４０の動きにより、翼体支持棒３２はシャフト３０を中心とした弧を描くように振動する。翼体支持棒３２の動きにより、シャフト３０は回動運動を行う。シャフト３０の回動運動は、円板５０およびベルト６２を介して発電機６０に伝達される。したがって、発電機６０は、シャフト３０の回動によって発電する。

本実施の形態と同等の発電装置を用いて試験を行い、発電することが確認された。この試験は、幅が５０ｃｍ、深さが５０ｃｍの水路に発電装置を沈めて行った。この水路に２ｍ/secで水を流したところ、シャフト３０が約３０度の範囲で往復回動運動をし、発電機６０が発電した。この試験の際、邪魔板４１で左右に分離された水流のそれぞれに、渦が形成されていることが確認された。

１０…発電装置、１７…シャフト上端支持体、１８…シャフト上端支持棒、１９…長梁、２０…支持体、２１…下部フレーム、２２…上部フレーム、２３…支柱、２４…発電機支持フレーム下梁、２５…発電機支持フレーム上枠、２６…発電機支持梁、２７…短梁、２８…シャフト下端支持体、２９…発電機支持フレーム柱、３０…シャフト、３２…翼体支持棒、３４…翼体支持棒、３６…翼体支持支柱、４０…翼体、４１…邪魔板、５０…円板、６０…発電機、６２…ベルト、７０…バネ支持体、７２…バネ、８０…溝、９０…流路形成板

Claims (5)

1. 液体の流れの中に配置されて発電する発電装置において、
   前記液体の流れに垂直に延びたシャフトと、
   前記シャフトの軸を中心に回動可能に前記シャフトを支持する支持体と、
   前記シャフトに固定されて前記シャフトに向かって前記シャフトの両側に前記液体の流れを分離させる流体分離体と、
   前記シャフトの回動によって発電する発電機と、
   を有し、
   前記流体分離体は、前記シャフトから前記液体の流れの方向に離間して配置されて前記液体の流れを遮る方向に拡がる板状部材を備える
   ことを特徴とする発電装置。
2. 前記流体分離体を挟んで前記流体の流れおよび前記シャフトに平行に設けられた流路形成板を有することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記流体分離体は前記シャフトに垂直に延びる前記シャフトに固定された支持棒で支持されていて、
   前記支持棒に接触することにより前記シャフトの回動範囲を制限するストッパーをさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
4. 前記ストッパーは、前記支持棒の移動方向に沿って伸縮するばね部材を備えることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
5. 液体の流れの中に配置されて発電する発電装置において、
   前記液体の流れに垂直に延びたシャフトと、
   前記シャフトの軸を中心に回動可能に前記シャフトを支持する支持体と、
   前記シャフトに固定されて前記シャフトに向かって前記シャフトの両側に前記液体の流れを分離させる流体分離体と、
   前記流体分離体の前記液体の流れを横切る方向の往復運動によって発電する発電手段と、
   を有し、
   前記流体分離体は、前記シャフトから前記液体の流れの方向に離間して配置されて前記液体の流れを遮る方向に拡がる板状部材を備える
   ことを特徴とする発電装置。
   

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