JP6762728B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

この発明は水力発電装置に関し、より特定的には水路に設置される水力発電装置に関する。

従来、水路に設置される水力発電装置が知られている（たとえば、実願昭６０−６８４７８号（実開昭６１−１８４８７８号）のマイクロフィルム参照）。上述した文献に開示されている従来の水力発電装置は、水路を流れる水流によって流されないようにするために、水路両端上面に打ち込まれたアンカボルトに固定されている。これは、農業用水や水道用水、農業用水などの水路に設置される小型の水力発電装置において、水流によって水力発電装置が流されないようにするために水力発電装置を水路へ確実に固定する必要があるためである。

実願昭６０−６８４７８号（実開昭６１−１８４８７８号）のマイクロフィルム

しかし、上述した水路に設置するような小型の水力発電装置では、このようなアンカボルトを打ち込む工事や水路の壁面を加工する工事などを行うことはコストの増大要因となる。すなわち、上述のような水路を利用した小型の水力発電装置は発電量が小さい。そのため、上記のようなアンカボルトを打ち込む工事を行うと、発電量に対して水力発電装置の設置費用が過大になってしまう。

また、上記のようにアンカボルトを利用して水力発電装置を固定する場合、アンカボルトを打ち込んだ場所にしか水力発電装置を設置することができない。そのため、水路の流量などの条件変化に応じて水力発電装置の設置場所を変更するといった対応を簡単に行うことが難しかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、設置のための水路周辺の工事が不要で、設置場所も容易かつ安価に変更可能な水力発電装置を提供することである。

この発明に従った水力発電装置は、水力発電モジュールと、支持部と、固定部とを備える。水力発電モジュールは、回転翼と、当該回転翼の回転により発電する発電機とを含む。支持部は水力発電モジュールを支持する。固定部は支持部を水路に固定する。固定部は、水路の壁面を押圧することにより支持部を水路に固定するボルトを含む。

本発明によれば、設置のための水路周辺の工事が不要で、容易かつ安価に設置場所を変更可能な水力発電装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る水力発電装置の正面模式図である。 図１に示した水力発電装置の上面模式図である。 図１に示した水力発電装置の側面模式図である。 図１の領域ＩＶの拡大模式図である。 図１に示した水力発電装置を水路に設置した状態を説明するための模式図である。 図５の領域ＶＩの拡大模式図である。 本発明の実施の形態１に係る水力発電装置の変形例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２に係る水力発電装置を説明するための模式図である。 図８に示した水力発電装置の第１の変形例を説明するための模式図である。 図８に示した水力発電装置の第２の変形例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態３に係る水力発電装置を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態４に係る水力発電装置を説明するための模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
＜水力発電装置の構成＞
図１〜図４は、本実施形態に係る水力発電装置を説明するための模式図である。図１〜図４に基づき、本実施形態に係る水力発電装置の構成を説明する。

図１〜図４に示す水力発電装置は、流水が持つ運動エネルギーを発電に利用し、既存の農業用水や水道用水、工業用水などの水路に設置する小型で軽量なシステムである。図１〜図４に示すように、水力発電装置は、回転翼１を含む水力発電モジュールと、梁４を含む支持部と、ボルト５ａを含む固定部と、制御装置とを備える。水力発電モジュールは、回転翼１と、ギヤボックス２と、発電機３とを含む。回転翼１は、水平軸型のプロペラ式回転翼である。ギヤボックス２は回転翼１に接続されている。発電機３は、支柱を介してギヤボックス２と接続されている。回転翼１が水流により回転すると、ギヤボックス２および支柱を介して当該回転翼１の回転が発電機３に伝えられる。発電機３は回転翼１の回転により発電する。

制御装置は、発電機３の出力および回転翼１を制御する。ここで、発電機３より取り出す最大電力は、水流の流速により変化する。このため、制御装置は、水流の流速、あるいは回転翼１の回転速度、あるいは発電機３の発電電圧を計測し、発電機３より取り出す電力が最大となる最適な電流値を決定する。そして、制御装置は発電機３の電流量と最適値が一致するように、水力発電モジュールを制御する。

支持部は水力発電モジュールを支持する。支持部は２本の梁４ａ，４ｂと、架台４ｃと、支柱４ｄと、ベース板４ｅとを含む。２本の梁４ａ、４ｂはたがいに平行に並ぶように配置されている。２本の梁４ａ，４ｂの中央部において、２本の梁４ａ，４ｂを繋ぐように架台４ｃが配置されている。架台４ｃは梁４ａ，４ｂに固定されている。架台４ｃの上部表面には２本の支柱４ｄが間隔を隔てて配置されている。２本の支柱４ｄは、それぞれ架台４ｃの端部に配置されている。また、支柱４ｄは梁４ａ，４ｂと平面視において重なる位置に配置されている。２本の支柱４ｄの間を繋ぐようにベース板４ｅが配置されている。ベース板４ｅに発電機３が固定されている。発電機３は架台４ｃとベース板４ｅとの間に配置されている。水力発電モジュールの支柱の一端は、架台４ｃの下部表面に接続されている。

固定部は、ボルト５ａと、２つのＬ字アングル７と、ナット６ａとを含む。Ｌ字アングル７は、図２に示すように２つの梁４ａ、４ｂの端部において、これらの梁４ａ、４ｂを繋ぐように配置されている。Ｌ字アングル７には、ボルト５ａ，５ｂを挿通させるためのボルト穴が形成されている。Ｌ字アングル７は、ボルト穴に通されたボルト５ｂとナット６ｂとを用いて梁４ａ、４ｂに接続されている。また、Ｌ字アングル７のボルト穴に通されたボルト５ａは、後述するように水路の壁面を押圧する。ボルト５ａは梁４ａ，４ｂの延びる方向に沿って延びるように配置されている。ボルト５ａは１つのＬ字アングル７に対して複数設置されていてもよい。たとえば、図３に示すようにボルト５ａは１つのＬ字アングル７に４つ設置されている。ボルト５ａにはそれぞれナット６ａが接続されている。ナット６ａによりボルト５ａはＬ字アングル７に固定される。具体的には、２つのナット６ａのうちの一方はＬ字アングル７に固定されている。固定方法としては溶接法など任意の方法を用いることができる。

そして、ボルト５ａの先端が後述するように水路の壁面を押圧することにより、梁４ａ、４ｂは水路に対して位置決めおよび固定される。

＜水力発電装置の水路への設置＞
図５および図６は、図１〜図４に示した水力発電装置を水路に設置した状態を説明するための模式図である。図５および図６を用いて、水力発電装置を水路に設置する方法を説明する。

まず、水路において水力発電装置を所定の位置に配置する。このとき、水力発電装置の梁４ａ，４ｂの端部が水路の壁部８の上部表面に接している。また、壁部８の内周表面に対向する位置に、Ｌ字アングル７およびボルト５ａが配置される。このとき、ボルト５ａは予め壁部８の内周表面に接触しないように後退させておく。

次に、ボルト５ａを回転させることで、壁部８の表面にボルト５ａの先端部を押し付ける。また、２つのナット６ａのうちＬ字アングル７に溶接されていないナット６ａをボルト５ａに対して締め付けることで、ボルト５ａの緩みを防ぐこともできる。このようにして、水力発電装置を水路に固定することができる。

＜水力発電装置の動作＞
水路に固定された水力発電装置では、水路を流れる水の流れにより回転翼が回転する。回転翼において発生した回転エネルギーは、ギヤボックス２や支柱の内部に配置された回転軸などを介して発電機３に伝達される。発電機３では伝達された回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機３で発生した電気エネルギーは、出力配線などにより外部へ出力される。

＜特徴的な構成及び作用効果＞
上述した水力発電装置は、水力発電モジュールと、支持部（梁４ａ，４ｂ、架台４ｃ、支柱４ｄ、ベース板４ｅ）と、固定部（Ｌ字アングル７、ボルト５ａ、ナット６ｂ）とを備える。水力発電モジュールは、回転翼１と、当該回転翼１の回転により発電する発電機３とを含む。支持部は水力発電モジュールを支持する。固定部は支持部を水路に固定する。固定部は、水路の壁面（壁部８の表面）を押圧することにより支持部を水路に固定するボルト５ａを含む。

このようにすれば、水路の壁部８の表面をボルト５ａにより押圧することで発生する、ボルト５ａと壁部８の表面との間の摩擦力で、水力発電装置の支持部に含まれる梁４ａ，４ｂを水路に固定できる。また、当該摩擦力により、水力発電装置が水路の流水から受ける力を支えることができる。つまり、アンカボルトの取付といった工事を行うことなく、低コストで水路に水力発電装置を設置することができる。

また、水力発電装置を水路へ設置する際は、上述したような簡単な工程により設置作業を行うことができる。このため、水路における水力発電装置の設置場所の変更も容易に行うことができる。また、上記のように設置作業が容易であるため、災害発生時などの緊急時に、応急的に水路の任意の位置に水力発電装置を設置することができる。

ここで、農業用水などの用水路に設置する水力発電装置は比較的小型軽量であるため、従来のようなアンカボルトなどを用いることなく上述のようなボルト５ａの押圧による摩擦力でも十分に水路への固定を行うことができる。そのため、水路における水力発電装置の設置場所の選択に関して、大きな自由度を得ることができる。また、このように工事が不要で取り付けが容易なため、発電効率が最も良い水路の場所を選択して水力発電装置を設置することができる。

＜水力発電装置の変形例＞
図７は、図１〜図４に示した水力発電装置の変形例を説明するための模式図である。図７を用いて、図１〜図４に示した水力発電装置の変形例を説明する。なお、図７は図６に対応する。

図７に示した水力発電装置は、基本的には図１〜図４に示した水力発電装置と同様の構造を備えるが、固定部を構成するＬ字アングル７の構造が図１〜図４に示した水力発電装置とは異なっている。すなわち、図７に示した水力発電装置では、固定部に含まれるベース部材としてのＬ字アングル７に、ボルト５ａを挿通する単なる開口部ではなくねじ穴７ａが形成されている。ボルト５ａは当該ねじ穴７ａにねじ込まれることでＬ字アングル７と接続される。また、ナット６ａはボルト５ａの緩みを防止するためボルト５ａに接続されている。このような構成によっても、図１〜図４に示した水力発電装置と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
＜水力発電装置の構成＞
図８は、本実施形態に係る水力発電装置を説明するための模式図である。図８を用いて、本実施形態に係る水力発電装置を説明する。なお、図８は図６に対応する。

図８に示した水力発電装置は、基本的には図１〜図４に示した水力発電装置と同様の構造を備えるが、固定部を構成するボルト５ａの先端部と水路の壁部８の表面との間に板状部材９が配置されている点が図１〜図４に示した水力発電装置とは異なっている。板状部材９としては、板状であれば任意の材料を用いることができる。たとえば板状部材９として鉄板を用いてもよい。

＜水力発電装置の水路への設置＞
図８に示す水力発電装置を水路へ設置する方法は、基本的には図５および図６を用いて説明した設置方法と同様であるが、ボルト５ａを回転させて水路の壁部８に向けて押し付けるときに、板状部材９をボルト５ａと壁部８との間に配置しておく。板状部材９の配置方法としては、任意の方法を採用できる。たとえば、粘着テープなどの仮固定部材で板状部材９を壁部８またはボルト５ａの先端に刈り止めしてもよい。このようにしてボルト５ａを水路の壁部８に向けて押圧することで、水力発電装置を水路に固定することができる。

＜特徴的な構成および作用効果＞
上記水力発電装置において、固定部は、ボルト５ａの先端側に配置され、ボルト５ａと水路の壁面（壁部８の表面）との間に位置する板状部材９を含んでいる。この場合、ボルト５ａの先端部が直接水路の壁面に接触する場合より、当該壁面において押圧される領域の面積を広くすることができる。つまり当該領域における接触面圧を低減できる。このため、壁面において狭い面積に過大な応力が加えられることにより壁面が破損するといった問題の発生を抑制できる。

また、壁部８の表面の広い面積で水力発電装置が水路に接続されるので、より強固に水力発電装置を水路へ固定できる。

＜水力発電装置の変形例＞
図９および図１０は、図８に示した水力発電装置の変形例を説明するための模式図である。図９および図１０を用いて、図８に示した水力発電装置の変形例を説明する。なお、図９および図１０は図８に対応する。

図９に示した水力発電装置は、基本的には図８に示した水力発電装置と同様の構造を備えるが、板状部材９の形状が図８に示した水力発電装置と異なっている。すなわち、図９に示した板状部材９には、ボルト５ａの先端部と接する段差部９ａが形成されている。段差部９ａは、板状部材９の厚肉部９ｂと薄肉部９ｃとの境界部に形成される。

この場合、図８に示した水力発電装置と同様の効果を得られるとともに、ボルト５ａの先端部と板状部材９との接触部を段差部９ａとすることで、ボルト５ａと板状部材９との相対的な位置がずれることを防止できる。また、水力発電装置の設置作業を行う場合、あるいはボルト５ａが水路の壁面を押圧した状態から緩んでしまった場合などに、板状部材９の段差部９ａがボルト５ａの先端に引っかかることで、板状部材９がボルト５ａから外れて落下するといった問題の発生を抑制できる。

図１０に示した水力発電装置は、基本的には図８に示した水力発電装置と同様の構造を備えるが、板状部材９の形状が図８に示した水力発電装置と異なっている。すなわち、図１０に示した板状部材９には、ボルト５ａの先端部が挿入される凹部９ｄが形成されている。なお、凹部９ｄに代えて、板状部材９を貫通する貫通穴を形成してもよい。また、凹部９ｄまたは貫通穴の内面に、ボルト５ａと接続するためのネジ溝を形成してもよい。

この場合、ボルト５ａの先端部と板状部材９との接触部を凹部９ｄとすることで、ボルト５ａと板状部材９との相対的な位置が容易にずれないようにすることができる。また、水力発電装置の設置作業を行う場合などに、板状部材９の凹部９ｄにボルト５ａの先端が挿入された状態となっていることで、板状部材９がボルト５ａから外れて落下するといった問題の発生を抑制できる。

（実施の形態３）
＜水力発電装置の構成＞
図１１は、本実施形態に係る水力発電装置を説明するための模式図である。図１１を用いて、本実施形態に係る水力発電装置を説明する。なお、図１１は図２に対応する。

図１１に示した水力発電装置は、基本的には図１〜図４に示した水力発電装置と同様の構造を備えるが、支持部を構成する梁４ａ、４ｂと固定部を構成するＬ字アングル７との接続部の構成が図１〜図４に示した水力発電装置とは異なっている。具体的には、梁４ａ、４ｂに長穴１０が形成されている。Ｌ字アングル７と梁４ａ、４ｂとを接続するボルト５ｂは、当該長穴１０に通された状態で梁４ａ、４ｂに固定されている。長穴１０におけるボルト５ｂの位置を変更することで、Ｌ字アングル７の梁４ａ、４ｂに対する位置を変更することができる。つまり、Ｌ字アングル７は梁４ａ，４ｂに対して変位可能に接続されている。

＜特徴的な構成および作用効果＞
上述した水力発電装置において、Ｌ字アングル７を含む固定部は、梁４ａ、４ｂを含む支持部に対して変位可能に接続されている。この場合、支持部における固定部の位置を容易に変更できる。そのため、様々な幅の水路に対して、水力発電装置を設置することができる。

なお、上述した長穴１０を用いた構成とは別の構成により、梁４ａ、４ｂに対するＬ字アングル７の位置を変更してもよい。たとえば、ボルト５ｂを通す穴を梁４ａ、４ｂの延在方向に沿って複数個形成しておき、ボルト５ｂを通す穴を変えることで梁４ａ、４ｂに対するＬ字アングル７の位置を変更してもよい。あるいは、Ｌ字アングル７においてボルト５ｂを通す穴を、長穴としてもよい。あるいは、Ｌ字アングル７において、ボルト５ｂを通す穴を、梁４ａ、４ｂの延在方向に沿って複数個形成しておいてもよい。

（実施の形態４）
＜水力発電装置の構成＞
図１２は、本実施形態に係る水力発電装置を説明するための模式図である。図１２を用いて、本実施形態に係る水力発電装置を説明する。なお、図１２は図１に対応する。

図１２に示した水力発電装置は、基本的には図１〜図４に示した水力発電装置と同様の構造を備えるが、回転翼の形状が図１〜図４に示した水力発電装置と異なる。図１２に示した水力発電装置では、水平軸型のプロペラ式回転翼に代えて垂直軸型の回転翼２０が設置されている。このような構成によっても、図１〜図４に示した水力発電装置と同様の効果を得ることができる。

なお、上述した水力発電装置では、回転翼の形式については任意の形式を採用することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

この発明は、特に用水路などに設置される小型の水力発電装置に好適に適用される。

１，２０ 回転翼、２ ギヤボックス、３ 発電機、４，４ａ，４ｂ 梁、４ｃ 架台、４ｄ 支柱、４ｅ ベース板、５ａ，５ｂ ボルト、６ａ，６ｂ ナット、７ Ｌ字アングル、７ａ ねじ穴、８ 水路の壁部、９ 板状部材、９ａ 段差部、９ｂ 厚肉部、９ｃ 薄肉部、９ｄ 凹部、１０ 長穴。

Claims (7)

1. 回転翼と、前記回転翼の回転により発電する発電機とを含む水力発電モジュールと、
   前記水力発電モジュールを支持する支持部と、
   前記支持部を水路に固定する固定部とを備え、
   前記支持部は、前記水路を横切るように前記水路上に配置された梁を含み、
   前記固定部は、前記水路の壁面を押圧することにより前記支持部を前記水路に固定するボルトと、前記ボルトを挿通するねじ穴が形成され、前記梁に接続されているＬ字アングルとを含み、
   前記固定部は、前記支持部に対して変位可能に接続されている、水力発電装置。
2. 前記ボルトに接続されたナットとを含む、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記固定部は、前記ボルトの先端側に配置され、前記ボルトと前記水路の壁面との間に位置する板状部材を含む、請求項１または２に記載の水力発電装置。
4. 回転翼と、前記回転翼の回転により発電する発電機とを含む水力発電モジュールと、
   前記水力発電モジュールを支持する支持部と、
   前記支持部を水路に固定する固定部とを備え、
   前記固定部は、前記水路の壁面を押圧することにより前記支持部を前記水路に固定するボルトと、前記ボルトの先端側に配置され、前記ボルトと前記水路の壁面との間に位置する板状部材とを含み、
   前記板状部材には、前記ボルトの先端部と接する段差部が形成されており、
   前記固定部は、前記支持部に対して変位可能に接続されている、水力発電装置。
5. 回転翼と、前記回転翼の回転により発電する発電機とを含む水力発電モジュールと、
   前記水力発電モジュールを支持する支持部と、
   前記支持部を水路に固定する固定部とを備え、
   前記固定部は、前記水路の壁面を押圧することにより前記支持部を前記水路に固定するボルトと、前記ボルトの先端側に配置され、前記ボルトと前記水路の壁面との間に位置する板状部材とを含み、
   前記板状部材には、前記ボルトの先端部が挿入される凹部が形成されており、
   前記固定部は、前記支持部に対して変位可能に接続されている、水力発電装置。
6. 前記回転翼は、水平軸型のプロペラ式回転翼である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水力発電装置。
7. 前記回転翼は、垂直軸型の回転翼である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水力発電装置。