JP7421030B1 - 水力発電システム及び水力発電方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、このような発電方式の場合、水が持つすべての位置エネルギーを利用することができないため、効率化の余地が多くあった。
このような水力発電装置によれば、水が持っている位置エネルギーを、始点から終点まで回転エネルギーに変換して「線」で発電することができるため、より効率的かつ安定的な発電が可能となる。
このため、本発明の発明者は、特許文献1に記載の、水の流れを「線」で発電する水力発電装置について、その規模を拡張した発電システムを構築する必要がある、との考えに至った。
前記水車部は、前記水の流れによって回動する略筒形状の水車部本体と、前記水車部本体の回動軸を形成する軸部と、を有し、
前記水車部本体は、前記管状体の長さ方向に沿って、略同軸上に複数配置され、
前記軸部は、前記管状体の長さ方向の略全長に亘って延び、前記発電装置に接続され、
前記発電装置は、前記各水車部本体の回動に伴う前記軸部の回転動力を電力に変換する。
前記各単位管状体は、それぞれが略同軸上に配置され、
前記連結管は、前記長さ方向に沿った摺動により、前記間隙と前記管状体の外部空間とを連通する。
また、管状体の内部を流れる水量が少ない場合であっても、上記の通り、所定量の水を貯留して放水することにより、各水車部本体の回動動作、及びこれに伴う軸部へのトルクの伝達を確実に行わせることができる。
前記管状体は、前記既設の管状体と連通している。
前記管状体の内部に所定量の前記水を貯留する貯留工程と、貯留された前記水を下方に流す放水工程と、を有する。
以下、図1~図7を用いて、本実施形態に係る水力発電システムについて説明する。
なお、以下に示す実施形態は本発明の一例であり、本発明を以下の実施形態に限定するものではない。
また、これらの図において、符号Xは、本実施形態に係る水力発電システムを示し、以下では、既設の水力発電設備等を利用した水力発電システムについて説明する。
なお、図2は、図1におけるA方向から見た、水力発電システムXの拡大正面図であり、(a)にて管状体2の基端部側を示し、(b)にて管状体2の先端部側を示している。
また、一の単位管状体21には、一の水車部本体31が配置されている。
さらに、最下方の単位管状体21の先端部には、水Wの流れを制御する制水弁v1が設けられ、最上方の単位管状体21の基端部には、同様に水Wの流れを制御する副制水弁v2が設けられている。
なお、制水弁v1及び副制水弁v2は、遠隔にて開閉制御可能な電動弁であることが好ましいが、手動にて開閉を行うものであっても良い。
なお、連結管22の具体的な構成(摺動態様)については、図7を用いて後述する。
また、管状体2は、全体として、上方から下方に向かって、略一直線上に傾斜して、発電装置4まで延びている。
なお、単位管状体21や連結管22の肉厚は、例えば3mm~20mmとすることが好ましく、ステンレス等の金属素材により形成されることが好ましいが、塩化ビニール等のプラスチック素材を用いても良い。
また、水圧鉄管Mは、その長さ方向に所定の間隔を空けて設けられた支持ブロックbにより支持されている。
なお、図2(及び図10)において、水車部本体31を仮想的に点線の四角で示し、軸部32を仮想的に一点鎖線で示している。
また、軸部32は、管状体2の長さ方向の略全長に亘って延び、発電装置4に接続されている。
なお、水車部本体31のより具体的な構成は、図3~図5を用いて後述する。
なお、発電装置4のより具体的な構成については、水力発電方法の説明の中で、図11を用いて後述する。
なお、図3(a)は、水車部3の分解斜視図、図3(b)は、後述する主部31aの内部を示す斜視図である。
これにより、各水受け部sは、水Wの回転軸方向の流れを、主部31aを回動させる力に変換する。
なお、迎え角は、主部31aの全長において螺旋が一周するような角度に設定されていても良い。これにより、水Wの流れを効率的に主部31aの回動に生かすことができる。
また、軸部挿通部本体k1は、例えば、その内径と軸部構成体32aの外径とを略同一に構成されることで、軸部構成体32aが嵌め込まれる態様となり、主部31aと軸部構成体32aとが一体的に回転可能に構成されている。
さらに、軸部挿通部本体k1は、その全長が主部31aの全長よりも長く構成されることで、主部31aの両端から突出し、各軸受け部31bに当接することで(図7参照)、主部31aの軸方向のブレを防止している。
なお、軸受け部本体j1は、図7に示すように、転がり軸受とすることができる。
なお、各輪状体j3の外径は、単位管状体21の内径と略同一に構成されており、各輪状体j3の外周面が単位管状体21の内周面に当接した状態で、水車部本体31及び軸部32が組上げられる。
即ち、管状体2の中心軸と水車部本体31の回動軸とが一致している。
なお、図5において、軸受け部31bの図示は省略しているが、各軸受け部31b(各軸受け部本体j1)も、略同軸上に配置されている。
なお、図6において、管状体2の内部構成を点線にて示している。
即ち、一の単位管状体21に対して一の軸部構成体32aが設けられている。
また、各軸部構成体32aは、その端部が、各単位管状体21の間隙に突出する長さに構成されている。
ストッパー部p11には、連結管本体22aの先端部が嵌合する溝が設けられており、パッキンp12は、この溝により形成された対向する内周面に沿って、一対設けられている。
また、連結管本体22aにおける先端部側の内周面は、この傾斜に適合するように、基端部側から先端部側に向かうに伴って、中心に向かって傾斜するように構成されている。
そして、連結管本体22aに先端部方向に沿って、水密部22bの摩擦力を凌駕する力を加えることで、図7(b)に示すように、先端部側に摺動し、間隙と管状体2の外部空間とが連通する。
なお、上記した第二水密部p2及び連結管本体22aの傾斜により、図7(a)に示す閉状態においては、第二水密部p2が連結管本体22aの開口端に対してくさびの作用により水密性が担保され、図7(b)に示す開状態とする際には、接触面積が少ないことにより、一定の摺動性が担保されている。
以下、図8~図11を用いて、本実施形態に係る水力発電方法について説明する。
なお、図8及び図9は、図1におけるB方向から見た、水力発電システムXの拡大側面図であり、管状体2の開口端(水圧鉄管Mとの連通箇所)を点線丸にて示している。
なお、図8下部は、水力発電設備Zの内部の水車(フランシス水車等)に向かう、水圧鉄管Mの先端部であって、その開口端のみを断面にて示した部分拡大図である。
これにより、水圧鉄管Mの内部における水Wの単位時間当たりの流入量を、流出量よりも大きくし、貯水部1から流出した水Wが、水圧鉄管Mの内部に貯留されていく構成とすることができる
また、本実施形態における水力発電方法を実施するにあたり、制水弁v1を閉状態としておく。
そして、図9(b)に示す位置(管状体2の開口端)まで水Wが貯留されると、管状体2に水Wが流入する。
なお、このとき、水Wは、流出口dから流出しているため、既設の水力発電設備Zによる水力発電(発電工程)が実施される。
そして、本実施形態に係る水力発電方法では、最下方の単位管状体21から最上方の単位管状体21の内部まで水Wを貯留する。
そして、この水Wの流れでもって、各水車部本体31を一挙に回動させ、このトルクを軸部32に伝達させる。
なお、図11においては、軸部32を一点鎖線で仮想的に示している。
これにより、管状体2を流れる水Wは、河川Rへと放水される。
増速機41及び発電装置本体42は、例えば風力発電機等において広く用いられているような、中心軸の回動を利用した、一般的な増速機及び発電装置である。
なお、貫通箇所hについては、水密性及び軸部32の滑らかな回動動作を担保するために、転がり軸受け等の軸受けを設けておく。
また、上記の通り、これと並行して、水力発電設備Zによる発電工程も実施される。
本実施形態によれば、一の管状体2に複数の水車部本体31が設けられていることで、貯水部1から管状体2に流れる水Wを、効率的に軸部32の回転動力に変換することができ、水力発電システムXの大型化及び、これに伴う発電効率の向上に資する
なお、上述の実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。
これにより、管状体2の内部を流れる水量が少ない場合であっても、各水車部本体31の回動を軸部32のトルクに変換する変換効率の減少を、抑制することができる。
ダムDから直接管状体2を延ばす構成とした場合、ダムD自体が、貯水部1として機能する。
即ち、水力発電システムXを用いず、既設の水力発電設備Zや水圧鉄管Mのみで、水力発電方法(貯留工程、放水工程及び発電工程)を実施しても良い。
なお、この場合、各管状体2に対応して、増速機41や発電装置本体42も増設されることとなる。
即ち、例えばダムDの貯水量が少ない場合、最下方の管状体2の副制水弁v2を開状態とし、この管状体2のみでもって貯留工程や放水工程を実施し、対応する発電装置本体42による発電工程を実施することができる。
また、例えばダムDの貯水量が多い場合、最上方の管状体2以外の副制水弁v2を閉状態とし、図9(b)に示すように、最上方の管状体2のみでもって貯留工程や放水工程を実施し、対応する発電装置本体42による発電工程を実施することができる。
さらに、図9(b)に示す状態から、各管状体2の副制水弁v2を開状態とすることで、各管状体2を用いて、貯留工程や放水工程を実施し、それぞれに対応する発電装置本体42による発電工程を、一挙に実施することができる。
1 貯水部
2 管状体
21 単位管状体
22 連結管
3 水車部
31 水車部本体
32 軸部
4 発電装置
41 増速機
42 発電装置本体
5 支持部
51 脚部
52 基台部
53 固定リング
D ダム
M 水圧鉄管(既設の管状体)
Z 水力発電設備
W 水
Claims (5)
- 貯水部と、前記貯水部の水を下方に流すための管状体と、前記管状体の内部に配置された水車部と、前記管状体の先端部に配置される発電装置と、を備え、
前記水車部は、前記水の流れによって回動する略筒形状の水車部本体と、前記水車部本体の回動軸を形成する軸部と、を有し、
前記水車部本体は、前記管状体の長さ方向に沿って、略同軸上に複数配置され、
前記軸部は、前記管状体の長さ方向の略全長に亘って延び、前記発電装置に接続され、
前記発電装置は、前記各水車部本体の回動に伴う前記軸部の回転動力を電力に変換し、
前記管状体は、内部に前記水車部本体が配置され、前記長さ方向に所定の間隙を空けて設けられた複数の単位管状体と、前記間隙を覆うことで、前記各単位管状体同士を連結する連結管と、を有し、
前記各水車部本体の外周面及び内周面には、それぞれ、周方向に所定の間隔を空けて複数の水受け部が設けられ、
前記各水受け部は、前記各単位管状体の基端側から先端側に螺旋状に延びて設けられ、
前記各単位管状体及び前記各連結管は、それぞれが略同軸上に配置され、
最上方の前記単位管状体から最下方の前記単位管状体に亘って、複数の前記水車部本体が配置され、
前記水車部本体及び前記単位管状体の軸方向の長さは、前記連結管の軸方向の長さよりも長く構成され、
最上方の前記単位管状体の基端は、最上方の前記連結管よりも上方に位置している、水力発電システム。 - 前記連結管は、前記長さ方向に沿った摺動により、前記間隙と前記管状体の外部空間とを連通する、請求項1に記載の水力発電システム。
- 前記各水車部本体の回動軸は、前記管状体の中心軸よりも下方に配置されている、請求項1に記載の水力発電システム。
- 前記管状体の先端部には、前記水の流れを制御する制水弁が設けられている、請求項1に記載の水力発電システム。
- 請求項1に記載の水力発電システムを用いた水力発電方法であって、
前記各単位管状体において、最下方の前記単位管状体から最上方の前記単位管状体の内部まで前記水を貯留する貯留工程と、貯留された前記水を下方に流す放水工程と、を有する、水力発電方法。
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