JP7011703B2 - 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。農業用水や水道用水、工業用水などの水路を利用した小型の水力発電装置において、回転翼やギア、軸受、オイルシールなどの交換メンテナンスのため、水力発電装置を水流から引き上げる必要がある。また、増水などの緊急時にも水力発電装置の破損を防止するため、水力発電装置を水流から引き上げる必要がある。従来は、水力発電装置を引き上げる際クレーン車を使用したり、引き上げるための大掛かりな引き上げ機構を使用していた（たとえば、特開２０１５－１４２１９号公報参照）。上述した文献に開示されている従来の水力発電装置は、プーリやワイヤ、錘などにより構成される引き上げ機構を備えている。

特開２０１５－１４２１９号公報

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、上記のような大掛かりな引き上げ機構を設置する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、上記のような引き上げ機構を設置すると、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。

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、水力発電装置を水流から引き上げる際に大掛かりな装置が不要であり、たとえば人力による作業などのように簡単に水流から引き上げることが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、棒状体とを備える。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。支持部は水路に設置可能である。棒状体は、支持部から突出するように、支持部に接続される。棒状体における支持部側の一方端部および支持部の一部のいずれかを中心部として、棒状体の一方端部と反対側に位置する他方端部を回転移動させることにより、第１状態と第２状態とを切り替えることが可能である。第１状態は、水力発電モジュールの回転翼が水路中の水面より下に位置する状態である。第２状態は、回転翼が水路中の水面より上に位置する状態である。

本発明によれば、大掛かりな装置を必要とせず、簡単に水流から引き上げることが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正面模式図である。 図４に示した水力発電装置の上面模式図である。 図４に示した水力発電装置の側面模式図である。 図４に示した水力発電装置を水路にの水面から引き上げた状態を説明するための正面模式図である。 図７に示した水力発電装置の側面模式図である。 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正面模式図である。 図９に示した水力発電装置の側面模式図である。 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正面模式図である。 図１１に示した水力発電装置の上面模式図である。 図１１に示した水力発電装置の側面模式図である。 図１１に示した領域ＸＩＶの拡大模式図である。 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正面模式図である。 図１５に示した水力発電装置の上面模式図である。 図１５に示した水力発電装置の側面模式図である。 図１５に示した領域ＸＶＩＩＩの拡大模式図である。 本発明の実施の形態５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３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３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３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、棒状体５ａ、５ｂと、制御装置とを備える。棒状体５ａ、５ｂを用いて、後述するように水力発電装置の水力発電モジュールを水路から引き上げることができる。なお詳細は後述する。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。

引き上げ棒としての棒状体５ａ、５ｂは、梁４ａ、４ｂにボルト１５を用いて固定されている。棒状体５ａは、梁４ａ、４ｂの一方の端部に接続されている。棒状体５ｂは、梁４ａ、４ｂの上記一方の端部と反対側の他方の端部に接続されている。棒状体５ａ、５ｂの延在方向は、梁４ａ、４ｂの延在方向と交差する方向であり、たとえば梁４ａ、４ｂと直交する方向である。

棒状体５ａ、５ｂは、梁４ａ、４ｂと接続部材を構成するボルト１５により着脱可能に接続されている。具体的には、梁４ａ、４ｂの両端部にボルト１５を通すための穴が形成されている。また、棒状体５ａ、５ｂにも、ボルト１５を通すための穴が形成されている。棒状体５ａ、５ｂの上記穴が梁４ａ、４ｂの上記穴と重なるように、棒状体５ａ、５ｂを梁４ａ、４ｂに対して位置決めする。図１～図３に示した水力発電装置では、棒状体５ａ、５ｂは梁４ａ、４ｂの下側の面に接するように配置されている。そして、棒状体５ａ、５ｂおよび梁４ａ、４ｂの穴にボルト１５を通す。その後、接続部材を構成するナットをボルト１５に固定することにより、ボルト１５を介して棒状体５ａ、５ｂを梁４ａ、４ｂに固定する。このようにして、棒状体５ａ、５ｂを梁４ａ、４ｂに着脱可能に接続する。なお、ボルト１５とナットとの結合を解除することで、棒状体５ａ、５ｂを梁４ａ、４ｂから取り外すことができる。このため、棒状体５ａ、５ｂは、後述するように水力発電装置を水路から引き上げるときだけ、梁４ａ、４ｂに接続される。

＜水力発電装置の引き上げ方法＞
図４～図８は、図１～図３に示した水力発電装置を水路から引き上げる方法を説明するための模式図である。図４～図８を用いて、水力発電装置を水路から引き上げる方法を説明する。

まず、図４～図６に示すように、水路において水力発電装置が所定の位置に配置される。このとき、水力発電モジュールの回転翼１は水路の水面４０より下に位置している（第１状態）。なお、水面４０の位置は時期によって変化するが、その都度、第１状態となるように調節が可能である。また、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。梁４ａ、４ｂの最端部は水路の壁部８の外周表面より外側に突出している。この梁４ａ、４ｂの最端部に、上述した棒状体５ａ、５ｂを接続する。棒状体５ａ、５ｂは、水路の水面４０に沿った方向、あるいは水路の壁部８の上部表面に沿った方向に延びるように配置されている。

次に、棒状体５ａ、５ｂの端部（梁４ａ、４ｂと接続された一方端部と反対側に位置する他方端部）を、図６の矢印１０に示す方向に持上げる。この結果、水力発電装置は、梁４ａ、４ｂが水路の壁部８と接触した部分を中心として回転する。棒状体５ａ、５ｂの長さを十分に長くしておくことで（たとえば３ｍ以上５ｍ以下）、棒状体５ａ、５ｂの他方端部を持上げる力は十分小さくできる。このため、棒状体５ａ、５ｂの他方端部を持上げる作業は１名～数名の作業員により実施することができる。

また、上述した構成では、棒状体５ａ、５ｂの他方端部を持ち上げるときの回転中心は梁４ａ、４ｂが水路の壁部８と接触した部分であったが、棒状体５ａ、５ｂにおいて梁４ａ側に位置する一方端部が回転中心となってもよい。

このように棒状体５ａ、５ｂの他方端部を矢印１０（図６参照）の方向に持上げることで、水力発電装置を矢印１０で示す方向に回転させることができる。この結果、棒状体５ａ、５ｂをほぼ９０°回転させると、図７および図８に示すように、水力発電装置を９０°回転させて、当該水力発電装置の水力発電モジュールを水路の水面から引き上げることができる。

なお、上述した水力発電装置は、梁４ａ、４ｂが水路の壁部８上に直接設置されていたが、異なる構成の水力発電装置に対しても上記棒状体５ａ、５ｂを適用してもよい。たとえば、水路の両側に水力発電装置用の基礎を別途形成し、当該基礎上に梁４ａ、４ｂなどが搭載されているような構成においても、同様に棒状体５ａ、５ｂを梁４ａ、４ｂに接続してもよい。この場合も、棒状体５ａ、５ｂの他方端部を持上げることで、水力発電装置の水力発電モジュールを水路から引き上げることができる。

また、図７および図８に示すように、回転翼１が下向きになるように水力発電装置を引き上げる場合を説明したが、引き上げたときの回転翼１の向き（水力発電装置の向き）は、メンテナンスのし易さなどを考慮して変更してもよい。たとえば、図３においてギヤボックス２から見て回転翼１が位置する側に伸びるように棒状体５ａ、５ｂを梁４ａ、４ｂに接続してもよい。この場合、棒状体において梁４ａ、４ｂから遠い側の端部を持ち上げることで、水力発電装置を水路から引き上げることができる。そして、引き上げた状態の水力発電装置では、回転翼１が上向きになっている。

＜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、棒状体５ａ、５ｂ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。支持部は水路に設置可能である。棒状体５ａ、５ｂは、支持部から突出するように、支持部に接続される。棒状体５ａ、５ｂにおける支持部側の一方端部および支持部の一部のいずれかを中心部として、棒状体５ａ、５ｂの一方端部と反対側に位置する他方端部を回転移動させることにより、第１状態と第２状態とを切り替えることが可能である。第１状態は、図４に示すように水力発電モジュールの回転翼１が水路中の水面より下に位置する状態である。第２状態は、図８に示すように回転翼１が水路中の水面より上に位置する状態である。

このようにすれば、棒状体５ａ、５ｂの他方端部を持ち上げて、梁４ａ、４ｂを中心として水力発電装置を回転させることができる。また、棒状体５ａ、５ｂの長さを十分長くすることで、回転中心と他方端部との距離を大きくできるので、てこの原理により比較的小さな力で水力発電装置を回転させることができる。したがって、滑車やロープなどを使った大掛かりな装置を用いることなく、人力により棒状体５ａ、５ｂの他方端部を持ち上げるといった作業により、短時間で容易に水力発電装置を水路から引き上げることができる。

たとえば、大雨などによる水路の水位上昇のため、水力発電装置を水流から引き上げる必要が生じた場合、本実施形態に係る水力発電装置ではクレーン車などを用いなくても水力発電装置を水流から引き上げることができる。また、引き上げ作業のための大掛かりな装置が不要であるため、水力発電装置の製造コストや設置コストを低減することができる。また、上述した引き揚げ作業は人力で行うことが可能であり、特に動力が不要であるため、水力発電装置の設置場所の自由度を大きくできる。

上記水力発電装置は、棒状体５ａ、５ｂを支持部に対して着脱可能に接続する接続部材（ボルト１５、ナット）をさらに備えていてもよい。この場合、水力発電装置を水路から引き上げるときだけ棒状体５ａ、５ｂを梁４ａ、４ｂに接続することができる。また、水路から水力発電装置を引き上げたときの回転翼１の向きを任意に変更するように、梁４ａ、４ｂに対する棒状体５ａ、５ｂの接続時の向きを適宜変更できる。

（実施の形態２）
＜水力発電装置の構成＞
図９および図１０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９および図１０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９は図４に対応し、図１０は図６に対応する。

図９および図１０に示した水力発電装置は、基本的には図１～図３に示した水力発電装置と同様の構造を備えるが、棒状体５ｃ、５ｄの形状が図１～図３に示した水力発電装置とは異なっている。図９および図１０に示した水力発電装置の棒状体５ｃ、５ｄは、側面からみた形状がＬ字形状となっている。具体的には、棒状体５ｄは、固定部６ａと延在部６ｂとを含む。固定部６ａは、図９および図１０に示すように回転翼１が水路の水面より下に位置する第１状態において、水路の水面に沿って延びるように配置されるとともに梁４ａ、４ｂに固定されている。延在部６ｂは、固定部６ａに接続され、固定部６ａの延びる方向と異なる方向に延びている。具体的には、延在部６ｂは水力発電モジュールの延びる方向に沿って延びている。

＜水力発電装置の引き上げ方法＞
図９および図１０に示す水力発電装置を水路から引き上げる方法は、基本的には図４～図８を用いて説明した方法と同様であるが、棒状体５ｃ、５ｄの延在部６ｂを図１０の矢印１０に示す方向へ倒す点が、図４～図８に示した引き上げ方法と異なっている。この場合、棒状体５ｃ、５ｄにおいて固定部６ａと延在部６ｂとの接続部に隣接する梁４ａを回転中心として、水力発電装置が回転する。この場合も、図４～図８に示した引き上げ方法と同様に、水力発電装置を容易に水路から引き上げることができる。

（実施の形態３）
＜水力発電装置の構成＞
図１１～図１４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～図１４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～図１３は図４～図６に対応する。

図１１～図１４に示した水力発電装置は、基本的には図１～図３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に固定装置９が接続されており、さらに固定装置９の端面と梁４ａの側面とを繋ぐように蝶番１１が配置されている点が図１～図３に示した水力発電装置とは異なっている。

固定装置９は、梁４ａ、４ｂの両端側において、梁４ａ、４ｂ間を繋ぐように配置されている。異なる観点から言えば、固定装置９は、梁４ａ、４ｂの延びる方向と交差する方向に延びるように配置されている。固定装置９はたとえば柱状の形状を有する。固定装置９は通常時には梁４ａ、４ｂにボルトなどの固定部材により固定されている。一方、後述するように水力発電装置を引き上げるときには、梁４ａ、４ｂに対して固定装置９を固定しているボルトは取り外される。また、固定装置９は、水路の壁部８の内周面に面する位置に配置される。図１４に示されるように、固定装置９はアンカボルト１２などの固定部材により水路の壁部８に固定されている。

蝶番１１は、固定装置９の端面と梁４ａの側面とを繋ぐように配置されている。蝶番１１は固定装置９の端面と梁４ａの側面とに固定されている。固定装置９が梁４ａ、４ｂに対してボルトにより固定されていない状態であれば、蝶番１１を中心として固定装置９の端面に対して梁４ａの側面が傾くように、水力発電装置を移動させる（回転させる）ことができる。

＜水力発電装置の引き上げ方法＞
図１１～図１４に示す水力発電装置を水路から引き上げる方法は、基本的には図４～図８を用いて説明した方法と同様であるが、予め固定装置９と梁４ａ、４ｂとを繋ぐボルトを取り外してから、棒状体５ａ、５ｂの他方端部を図１３の矢印１０に示す方向へ持上げる点、および水力発電装置を回転させるときの中心部が蝶番１１である点が、図４～図８に示した引き上げ方法と異なっている。つまり、上記水力発電装置において、水力発電装置を回転させる中心部は、水路に対して水力発電モジュールを回転可能に支持する支持部材（蝶番１１）を含んでいる。

この場合も、図４～図８に示した引き上げ方法と同様に、水力発電装置を容易に水路から引き上げることができる。また、固定装置９はアンカボルト１２により水路の壁部８に固定されているため、棒状体５ａ、５ｂの他方端部を持上げるときに回転中心である蝶番の位置がずれたりしない。このため、水力発電装置を水路から引き上げる作業を安全かつ確実に実施することができる。

（実施の形態４）
＜水力発電装置の構成＞
図１５～図１８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１５～図１８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１５～図１７は図４～図６に対応する。

図１５～図１８に示した水力発電装置は、基本的には図１～図３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が軸２１を含み、当該軸２１が軸受部２０により支持されている点、さらに棒状体５ａ、５ｂが水路の壁部の内周側に配置されている点、が図１～図３に示した水力発電装置とは異なっている。

軸２１は、梁４ａの延在方向に沿うように、梁４ａの両端部に接続されている。軸受部２０は軸２１を支持する。２つの軸受部２０は、梁４ａを挟むように配置されている。軸受部２０は水路の壁部８の上部表面上に固定されている。軸受部２０は、図１８に示すように、内輪２０ａ、転動体２０ｃ、外輪２０ｂ、および筐体２０ｄを含む。内輪２０ａは、環状の形状を有する。内輪２０ａの内周面は軸２１の外周面に接して固定されている。

内輪２０ａの外周側に外輪２０ｂが配置されている。外輪２０ｂと内輪２０ａとの間に複数の転動体２０ｃが配置されている。内輪２０ａ、外輪２０ｂ、および転動体２０ｃにより軸受が構成される。筐体２０ｄは軸受を保持する。具体的には、筐体２０ｄは外輪２０ｂの外周を囲むように配置される。筐体２０ｄは水路の壁部８の上部表面に固定されている。軸２１は軸受部２０により回転自在に支持されている。この結果、水力発電装置を水路から引き上げるときに、軸２１および梁４ａを中心として、後述するように水力発電装置を回転させることができる。

棒状体５ａ、５ｂは、水路の内周側において梁４ａ、４ｂに接続されている。棒状体５ａ、５ｂは水路の壁部８の内壁面に沿って延びるように配置されている。

なお、軸受部２０は、図１５などに示すように上流側の梁４ａに接続されているが、作業性などを考慮して下流側の梁４ｂに接続してもよい。

＜水力発電装置の引き上げ方法＞
図１５～図１８に示す水力発電装置を水路から引き上げる方法は、基本的には図４～図８を用いて説明した方法と同様であるが、水力発電装置を回転させるときの中心部が軸受部２０である点が、図４～図８に示した引き上げ方法と異なっている。つまり、上記水力発電装置において、水力発電装置を回転させる中心部は、水路に対して水力発電モジュールを回転可能に支持する支持部材（軸受部２０）を含んでいる。

この場合も、図４～図８に示した引き上げ方法と同様に、水力発電装置を容易に水路から引き上げることができる。また、軸受部２０はアンカボルトなどの固定部材により水路の壁部８に固定されているため、棒状体５ａ、５ｂの他方端部を持上げるときに回転中心である軸受部２０、軸２１および梁４ａの位置が水路に対してずれたりしない。このため、水力発電装置を水路から引き上げる作業を安全かつ確実に実施することができる。

（実施の形態５）
＜水力発電装置の構成＞
図１９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１９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１９は図１に対応する。

図１９に示した水力発電装置は、基本的には図１～図３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３に示した水力発電装置と異なる。図１９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３０が設置されている。このような構成によっても、図１～図３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。

１，３０ 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，５ｃ，５ｄ 棒状体、６ａ 固定部、６ｂ 延在部、８ 水路の壁部、９ 固定装置、１０ 矢印、１１ 蝶番、１２ アンカボルト、１５ ボルト、２０ 軸受部、２０ａ 内輪、２０ｂ 外輪、２０ｃ 転動体、２０ｄ 筐体、２１ 軸、４０ 水面。

Claims (5)

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を備え、前記支持部は水路に設置可能であって、さらに、
   前記支持部から突出するように、前記支持部に接続された棒状体を備え、
   前記支持部は、前記水路を横切るように延在しているとともに、両端部がそれぞれ前記水路の互いに対向する一対の壁部の上部表面上に配置されている梁を有し、
   前記棒状体は、前記梁の延在方向に交差する方向に延在しており、
   前記棒状体の一方端部は、前記梁の端部に接続されており、
   前記棒状体の前記一方端部および前記水路の前記壁部に接触している前記梁の部分のいずれかを中心部として、前記棒状体の前記一方端部と反対側に位置する他方端部を持ち上げて回転移動させることにより、前記水力発電モジュールの前記回転翼が前記水路中の水面より下に位置する第１状態から前記回転翼が前記水路中の水面より上に位置する第２状態へと切り替えることが可能であり、
   前記棒状体は、前記第１状態において、前記水路の前記水面に沿って直線状に延びている、水力発電装置。
2. 前記棒状体を前記支持部に対して着脱可能に接続する接続部材をさらに備える、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記中心部は、前記水路に対して前記水力発電モジュールを回転可能に支持する支持部材を含む、請求項１又は請求項２に記載の水力発電装置。
4. 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～請求項３のいずれか１項に記載の水力発電装置。
5. 前記回転翼は、垂直軸型の回転翼である、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の水力発電装置。

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