JP7484941B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、水力発電装置に関する。特に、第１の発電機及び第２の発電機を備える水力発電装置に関する。

特許文献１には、水車の一方に位置する第１の発電機と、水車の他方に位置する第２の発電機と、を備える水力発電装置が開示されている。水力発電装置では、水が流れる水路の一方に第１の発電機が位置し、水路の他方に第２の発電機が位置する。

特開２００６－２９６０５６号公報

特許文献１の水力発電装置は、水路を跨ぐように配置される。そのため、当該水力発電装置では、水路の幅に応じて、駆動軸の長さが変更される。さらに、水力発電装置では、水路の両側に発電機を配置するためのスペースが必要となる。すなわち、特許文献１の水力発電装置では、レイアウトの自由度が低下する。本明細書では、第１の発電機及び第２の発電機を備える水力発電装置において、レイアウトの自由度を向上させる技術を提供する。

本明細書が開示する水力発電装置は、水路に配置される水車と、前記水車から一方に延びるとともに、前記水車と共に回転する駆動軸と、第１の発電機と、第２の発電機と、前記駆動軸の回転を、前記第１の発電機の入力軸と前記第２の発電機の入力軸とのそれぞれに伝達する伝達機構と、を備える。

上述した水力発電装置では、水車から一方に延びる駆動軸の回転を、伝達機構によって、第１の発電機の入力軸と第２の発電機の入力軸とのそれぞれに伝達する。これにより、水車の一方側に、第１の発電機と第２の発電機とを配置することができる。このように、本明細書が開示する水力発電装置は、レイアウトの自由度を向上させることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施形態の水力発電装置１０ａの平面図を示す。 第２実施形態の水力発電装置１０ｂの正面図を示す。 第３実施形態の水力発電装置１０ｃの正面図を示す。 第４実施形態の水力発電装置１０ｄの平面図を示す。 第５実施形態の水力発電装置１０ｅの平面図を示す。

本技術の一実施形態では、前記伝達機構は、前記駆動軸の回転を増速して、前記第１の発電機の入力軸と前記第２の発電機の入力軸とのそれぞれに伝達してもよい。このような構成によると、伝達機構は、駆動軸の回転を分配する機能と、回転を増速する機能と、を備えることができる。その結果、各機能を別々に備える構成に比して、水力発電装置のレイアウトの自由度を向上させることができる。

本技術の一実施形態では、前記伝達機構は、前記駆動軸に固定された少なくとも一つの駆動回転体と、前記第１の発電機の前記入力軸に固定されているとともに、前記少なくとも一つの駆動回転体に連結された第１の従動回転体と、前記第２の発電機の前記入力軸に固定されているとともに、前記少なくとも一つの駆動回転体に連結された第２の従動回転体とを有してもよい。このような構成によると、駆動回転体の回転を、第１の従動回転体を介して第１の発電機に伝達し、第２の従動回転体を介して第２の発電機に伝達することができる。

本技術の一実施形態では、前記少なくとも一つの駆動回転体は、前記第１の従動回転体と前記第２の従動回転体との両者に連結された共通回転体を含んでもよい。但し、別の実施形態では、少なくとも一つの駆動回転体は、共通回転体を含まなくてもよい。その場合、少なくとも一つの駆動回転体は、第１の従動回転体と連結する第１の駆動回転体と、第２の従動回転体と連結する第２の駆動回転体と、を備えてもよい。

本技術の一実施形態では、前記共通回転体は、かさ歯車であってもよい。但し、別の実施形態では、共通回転体は、平歯車であってもよいし、ベルトプーリーであってもよい。

本技術の一実施形態では、前記第１の発電機の前記入力軸及び前記第２の発電機の前記入力軸は、前記駆動軸に対してそれぞれ直交していてもよい。但し、別の実施形態では、第１の発電機の入力軸及び第２の発電機の入力軸は、駆動軸に対して傾斜していてもよい。

本技術の一実施形態では、前記第１の発電機の前記入力軸及び前記第２の発電機の前記入力軸は、同軸に配置されていてもよい。但し、別の実施形態では、第１の発電機の入力軸及び第２の発電機の入力軸は、互いにずれて位置してもよい。

本技術の一実施形態では、前記駆動軸側から見たときの前記第１の発電機の前記入力軸の回転方向と、前記駆動軸側から見たときの前記第２の発電機の前記入力軸の回転方向とは、互いに等しくてもよい。このような構成によると、第１の発電機及び第２の発電機を同じ発電機で構成することができる。その結果、水力発電装置の生産性を向上させることができる。

本技術の一実施形態では、前記駆動軸は、前記水車から鉛直方向に延びていてもよい。但し、別の実施形態では、駆動軸は、水車から水平方向に延びていてもよい。

本技術の一実施形態では、前記駆動軸は、前記水車から前記鉛直方向に沿って下方に延びており、前記第１の発電機及び前記第２の発電機は、前記水路よりも下方に位置してもよい。このような構成によると、例えば、第１の発電機及び第２の発電機の作動時に排出される異物が落下して水路に入ることを防止することができる。

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態の水力発電装置１０ａについて説明する。水力発電装置１０ａは、水車４ａと、第１の発電機４０と、第２の発電機５０と、増速機３０と、制御装置２０と、を備える。水力発電装置１０ａは、水車４ａの回転を、増速機３０を介して各発電機４０、５０に伝達することによって発電する。水力発電装置１０ａは、制御装置２０によって、各発電機４０、５０の動作を制御する。制御装置２０は、各発電機４０、５０が発電した電力を、電力系統（図示省略）に送信する。なお、図中座標軸におけるＺ軸方向正側は、鉛直方向における上方向を示し、Ｚ軸方向負側は、鉛直方向における下方向を示す。以下では、Ｚ軸方向正側を単に「上」と記載することがあり、Ｚ軸方向下側を単に「下」と記載することがある。

水車４ａは、水車４ａから一方に延びる駆動軸６を備える。駆動軸６は、水車４ａの中心に固定されるシャフトである。水車４ａは、水路２ａ内に配置される。水路２ａは、Ｙ軸方向正側（すなわち、図１の紙面上方）からＸ軸方向正側に（すなわち、図１の紙面右方）に向かって湾曲している。さらに、水路２ａは、段差５において、下方（すなわち、図１の紙面奥側）に屈曲している。矢印Ｄ１に示されるように、水路２ａ内の水は、Ｙ軸方向正側に流れる。その後、水路２ａ内の水は、段差５において水車４ａに向かって落ちる。さらに、矢印Ｄ２に示されるように、水路２ａ内の水は、水車４ａに向かって流れる。水路２ａ内の水は、水車４ａに設けられたガイドベーンに沿って水車４ａを通過して、矢印Ｄ３の方向に流れる。その結果、水車４ａが回転する。このように、水路２ａ内の水は、段差５で落下したエネルギーを、水車４ａの回転に変換する。水車４ａが回転すると、水車４ａの駆動軸６も共に回転する。駆動軸６は、増速機３０の駆動回転体３２に接続される。

増速機３０は、ケース３１と、駆動回転体３２と、第１の従動回転体３４と、第２の従動回転体３５と、を備える。ケース３１は、各回転体３２、３４及び３５を収容する。各回転体３２、３４、３５は、かさ歯車であり、斜面を有する。駆動回転体３２の斜面は、第１の従動回転体３４の斜面と当接する。これにより、駆動回転体３２の斜面の歯が、第１の従動回転体３４の斜面の歯と噛み合う。その結果、第１の従動回転体３４は、駆動回転体３２が固定される駆動軸６に対して直交して配置される。同様に、第２の従動回転体３５も、駆動軸６に対して直交して配置された状態で駆動回転体３２と噛み合う。このように、駆動回転体３２は、第１の従動回転体３４及び第２の従動回転体３５の両者に連結された共通回転体である。このため、水車４ａから延びる駆動軸６の回転は、１つの駆動回転体３２を介して、駆動軸６に直交対して配置される第１の従動回転体３４及び第２の従動回転体３５に伝達される。このように、一つの駆動回転体３２を介して二つの回転体３４、３５に駆動軸６の回転を伝達することによって、増速機３０のサイズを小さくすることができる。

図１に示されるように、駆動回転体３２は、駆動軸６によって、方向Ｒ０（すなわち、水車４ａ側から見て時計回り）に回転する。その結果、第１の従動回転体３４は方向Ｒ１（すなわち、駆動軸６側から見て時計回り）に回転し、第２の従動回転体３５は方向Ｒ２（すなわち、駆動軸６側から見て時計回り）に回転する。

第１の従動回転体３４及び第２の従動回転体３５は、ともに同一の歯数を有する。さらに、第１の従動回転体３４及び第２の従動回転体３５は同じ外径を有する。すなわち、第１の従動回転体３４及び第２の従動回転体３５は、同一のかさ歯車によって構成される。その結果、１つの駆動回転体３２と噛み合う第１の従動回転体３４の中心軸及び第２の従動回転体３５の中心軸は、互いに同軸に配置される。また、駆動回転体３２の歯数は、第１の従動回転体３４及び第２の従動回転体３５の歯数よりも多い。その結果、駆動回転体３２の回転数に対して、第１の従動回転体３４及び第２の従動回転体３５の回転数が多くなる。これにより、増速機３０は、第１の従動回転体３４及び第２の従動回転体３５の回転を増速する。

このように、増速機３０は、駆動軸６の回転を第１の従動回転体３４と第２の従動回転体３５とに分配して伝達するとともに、駆動軸６の回転を第１の従動回転体３４と第２の従動回転体３５とによって増速する。このように、増速機３０が２つの機能を備えることによって、水力発電装置１０ａのサイズを小さくすることができる。その結果、水力発電装置１０ａのレイアウトの自由度をより向上させることができる。

第１の発電機４０は、ケース４１と、第１の入力軸４６と、第１のモータ４８と、ベアリング４２、４３と、第１の入力ギア４４と、モータギア４５と、モータ軸４７と、を備える。ケース４１は、第１の発電機４０の各部品を収容する。第１の発電機４０の第１の入力軸４６は、ケース４１を貫通するシャフトである。第１の入力軸４６は、軸継手４１ｓを介して増速機３０の第１の従動回転体３４と接続される。その結果、第１の入力軸４６は、駆動軸６に対して直交して配置される。水車４ａの駆動軸６の方向Ｒ０の回転は、増速機３０の駆動回転体３２及び第１の従動回転体３４を介して、駆動軸６に直交する第１の発電機４０の第１の入力軸４６に、方向Ｒ１の回転として伝達される。

第１の入力軸４６には、ベアリング４２、４３と、第１の入力ギア４４と、が固定される。ベアリング４２、４３は、第１の入力軸４６を回転可能にケース４１に支持する。ベアリング４２、４３は、ともにいわゆるボールベアリングであり、それぞれ、複数個のボール４２ｂ、４３ｂを備える。

第１の入力ギア４４は、いわゆる、平歯車である。第１の入力ギア４４は、平歯車であるモータギア４５と互いに噛み合っている。モータギア４５は、モータ軸４７に固定される。これにより、第１の入力軸４６の回転が、モータ軸４７に伝達される。その結果、モータ軸４７に固定された磁石（図示省略）が回転し、第１のモータ４８が発電する。このように、第１の発電機４０は、水車４ａの回転を利用して発電する。

第２の発電機５０は、ケース５１と、第２の入力軸５６と、第２のモータ５８と、ベアリング５２、５３と、第２の入力ギア５４と、モータギア５５と、モータ軸５７と、を備える。ケース５１は、第２の発電機５０の各部品を収容する。第２の入力軸５６は、ケース５１を貫通するシャフトである。第２の入力軸５６は、軸継手５１ｓを介して第２の従動回転体３５と接続される。その結果、第２の入力軸５６は、駆動軸６に対して直交して配置される。水車４ａの駆動軸６の方向Ｒ０の回転は、増速機３０の駆動回転体３２及び第２の従動回転体３５を介して、駆動軸６に直交する第２の発電機５０の第２の入力軸５６に、方向Ｒ２の回転として伝達される。すなわち、第１の発電機４０の第１の入力軸４６が回転する方向Ｒ１と、第２の発電機５０の第２の入力軸５６が回転する方向Ｒ２とは、互いに駆動軸６側（すなわち、入力側）から見たときに、互いに等しくなる。このように、第２の発電機５０は、第１の発電機４０と同様の構成を有する。このため、各発電機４０、５０を、同一の発電機により構成することができる。その結果、水力発電装置１０ａの生産効率が向上する。

また、先に述べたように、第１の従動回転体３４の中心軸及び第２の従動回転体３５の中心軸は、同軸に配置されているため、第１の入力軸４６と第２の入力軸５６とは、同軸に配置される。

このように、本実施形態の水力発電装置１０ａでは、水車４ａから一方に延びる駆動軸６の回転を、増速機３０によって各発電機４０、５０に分配するとともに伝達する。これにより、レイアウトの自由度を向上させることができる。

（第２実施形態）
図２を参照して、第２実施形態の水力発電装置１０ｂについて説明する。図２は、水力発電装置１０ｂの正面図を示す。第２実施形態の水力発電装置１０ｂも、第１実施形態の水力発電装置１０ａと同様に、増速機３０と各発電機４０、５０とを備える。しかしながら、本実施形態の水力発電装置１０ｂは、第１実施形態の水力発電装置１０ａと比較して、各構成要素のレイアウトが変更されている。

水力発電装置１０ｂでは、水路２ｂが増速機３０の上方に位置する。水路２ｂでは、水Ｗ１が、Ｘ軸方向正側（すなわち、図２の紙面奥側から手前側に向かって）流れる。これにより、水車４ｂが駆動軸６とともに方向Ｒ０に回転する。その結果、増速機３０の駆動回転体３２も、方向Ｒ０に回転する。増速機３０は、駆動回転体３２の方向Ｒ２の回転を、各従動回転体３４、３５に分配して伝達する。これにより、各入力軸４６、５６が、それぞれ、方向Ｒ１、Ｒ２に回転する。このように、本実施形態の水力発電装置１０ｂも、水車４ｂから鉛直方向に延びる駆動軸６の回転を、増速機３０を利用して、各発電機４０、５０に伝達する。水力発電装置１０ｂを水路２ｂの下方に配置することで、水力発電装置１０ｂのレイアウトの自由度がより向上する。さらに、水力発電装置１０ｂが故障した場合に発生する異物が、水路２ｂに混入することを防止することができる。

（第３実施形態）
図３を参照して、第３実施形態の水力発電装置１０ｃについて説明する。第３実施形態の水力発電装置１０ｃも、前述した水力発電装置１０ａ、１０ｂと同様に、増速機３０と各発電機４０、５０とを備えるが、そのレイアウトが相違する。水力発電装置１０ｃは、水路２ｃが、水力発電装置１０ｃの下方に位置する。水路２ｃでは、水Ｗ１が、Ｘ軸方向正側（すなわち、図３の紙面奥側から手前側に向かって）流れる。これにより、水車４ｃが駆動軸６とともに方向Ｒ０に回転する。その結果、増速機３０の駆動回転体３２も、方向Ｒ０に回転する。増速機３０は、駆動回転体３２の方向Ｒ２の回転を、各従動回転体３４、３５に分配して伝達する。これにより、各入力軸４６、５６が、それぞれ、方向Ｒ１、Ｒ２に回転する。このように、本実施形態の水力発電装置１０ｂも、水車４ｂから鉛直方向に延びる駆動軸６の回転を、増速機３０を利用して、各発電機４０、５０に伝達する。水力発電装置１０ｂを水路２ｂの下方に配置することで、水力発電装置１０ｂのレイアウトの自由度がより向上する。第３実施形態の水力発電装置１０ｃのレイアウトを採用することによって、例えば、農業用水用の縦型水車発電機として、水力発電装置１０ｃを利用することができる。

（第４実施形態）
図４を参照して、第４実施形態の水力発電装置１０ｄについて説明する。第４実施形態の水力発電装置１０ｄは、第１実施形態の水車４ａに代えて、水車４ｄを備える。さらに、水力発電装置１０ｄは、第１実施形態の増速機３０に代えて増速機７０を備える。しかしながら、水力発電装置１０ｄは、これらの点を除くと、第１実施形態の水力発電装置１０ａと同様の構成を有する。

水車４ｄは、中心軸に対して、第１実施形態の水車４ａと逆向きに傾斜するガイドベーンを備える。そのため、水路２ａ内の水が矢印Ｄ２に沿って流れると、水車４ｄは、方向Ｒ３（すなわち、水車４ｄ側から見て反時計回り）に回転する。その結果、水車４ｄに固定される駆動軸６も、方向Ｒ３に回転する。駆動軸６は、増速機７０の駆動回転体７２に接続される。

増速機７０は、ケース７１と、駆動回転体７２と、第１の従動回転体７４と、第２の従動回転体７５と、を備える。ケース７１は、各回転体７２、７４，７５を収容する。第２実施形態の水力発電装置１０ｄでは、各回転体７２、７４、７５は、平歯車で構成される。駆動回転体７２は、駆動軸６に固定される。このため、駆動軸６が方向Ｒ３に回転すると、駆動回転体７２も方向Ｒ３に回転する。駆動回転体７２は、第１の従動回転体７４及び第２の従動回転体７５と、互いに噛み合っている。このため、駆動回転体７２が方向Ｒ３に回転すると、第１の従動回転体７４は、方向Ｒ３の反対方向である方向Ｒ１（すなわち、水車４ｄ側から見て時計回り）に回転し、第２の従動回転体７５は、方向Ｒ３の反対方向である方向Ｒ２（すなわち、水車４ｄ側から見て時計回り）に回転する。すなわち、各従動回転体７４、７５の回転する方向Ｒ１、Ｒ２は、互いに等しい。これにより、各発電機４０、５０を同一の発電機で構成することができる。

また、駆動回転体７２の歯数は、第１の従動回転体７４及び第２の従動回転体７５の歯数よりも多い。その結果、駆動回転体７２の回転数に対して、第１の従動回転体７４及び第２の従動回転体７５の回転数が多くなる。これにより、増速機７０は、第１の従動回転体７４及び第２の従動回転体７５の回転を増速する。

（第５実施形態）
図５を参照して、第５実施形態の水力発電装置１０ｅについて説明する。第５実施形態の水力発電装置１０ｅは、第１実施形態の増速機３０に代えて増速機８０を備える点を除くと、第１実施形態の水力発電装置１０ａと同様の構成を有する。

第５実施形態の増速機８０は、第１の駆動回転体８２と、第２の駆動回転体８３と、第１の従動回転体８４と、第２の従動回転体８５と、第１のベルト８６と、第２のベルト８８と、を備える。各回転体８２～８５は、ベルトプーリーで構成される。各駆動回転体８２、８３は、ともに駆動軸６に固定されている。第１のベルト８６は、第１の駆動回転体８２と第１の従動回転体８４とを連結する。これにより、第１の駆動回転体８２の回転が第１の従動回転体８４に伝達される。同様に、第２のベルト８８は、第２の駆動回転体８３と第２の従動回転体８５とを連結する。これにより、第２の駆動回転体８３の回転が第２の従動回転体８５に伝達される。

駆動軸６の方向Ｒ０（すなわち、水車４ａ側から見て時計回り）の回転は、方向Ｒ１（すなわち、水車４ａ側から見て時計回り）の回転として第１の従動回転体８４に伝達される。同様に、駆動軸６の方向Ｒ０の回転は、方向Ｒ２（すなわち、水車４ａ側から見て時計回り）の回転として第２の従動回転体８５に伝達される。すなわち、各従動回転体８４、８５の回転する方向Ｒ１、Ｒ２は、互いに等しい。これにより、各発電機４０、５０を同一の発電機で構成することができる。

また、各駆動回転体８２、８３の直径は、第１の従動回転体８４及び第２の従動回転体８５の直径よりも大きい。その結果、各駆動回転体８２、８３の回転数に対して、第１の従動回転体８４及び第２の従動回転体８５の回転数が多くなる。これにより、増速機８０は、第１の従動回転体８４及び第２の従動回転体８５の回転を増速する。

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。上記の実施形態の変形例を以下に列挙する。

（変形例１）第４実施形態の水力発電装置１０ｄは、駆動回転体７２と第１の従動回転体７４との間に、中間回転体を備えてもよい。その場合、水力発電装置１０ｄは、第１の発電機４０に代えて、第１の発電機４０と反対方向に回転することによって発電する発電機を備えてもよい。

（変形例２）上述した実施形態では、水力発電装置は、第１の発電機４０及び第２の発電機５０を備える。本変形例では、これに加え、さらに、第３の発電機、第４の発電機を備えてもよい。その場合、例えば、第３の発電機、第４の発電機は、水車から駆動軸６の反対方向に向かって延びる第２の駆動軸と接続されてもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ａ、２ｂ、２ｃ ：水路
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ ：水車
５ ：段差
６ ：駆動軸
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ ：水力発電装置
２０ ：制御装置
３０、７０、８０ ：増速機
３２、７２、 ：駆動回転体
３４、７４、８４ ：第１の従動回転体
３５、７５、８５ ：第２の従動回転体
４０ ：第１の発電機
４６ ：第１の入力軸
５０ ：第２の発電機
５６ ：第２の入力軸
８２ ：第１の駆動回転体
８３ ：第２の駆動回転体
８６ ：第１のベルト
８８ ：第２のベルト
Ｒ０～Ｒ３ ：方向
Ｗ１ ：水

Claims (7)

1. 水路に配置される水車と、
   前記水車から鉛直方向に沿って上方に延びるとともに、前記水車と共に回転する駆動軸と、
   第１の発電機と、
   第２の発電機と、
   前記駆動軸の回転を、前記第１の発電機の第１入力軸と前記第２の発電機の第２入力軸とのそれぞれに伝達する伝達機構と、
   を備え、
   前記第１入力軸及び前記第２入力軸は、前記伝達機構を介して互いに同軸に連結されているとともに、前記水路内で水が流れる方向と交差する第１方向に沿って前記水路を跨いで延びており、
   前記第１の発電機は、前記第１方向において前記水路よりも一方側に位置しており、
   前記第２の発電機は、前記第１方向において前記水路よりも他方側に位置している、
   水力発電装置。
2. 前記伝達機構は、前記駆動軸の回転を増速して、前記第１入力軸と前記第２入力軸とのそれぞれに伝達する、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記伝達機構は、
   前記駆動軸に固定された少なくとも一つの駆動回転体と、
   前記第１入力軸に固定されているとともに、前記少なくとも一つの駆動回転体に連結された第１の従動回転体と、
   前記第２入力軸に固定されているとともに、前記少なくとも一つの駆動回転体に連結された第２の従動回転体とを有する、請求項１に記載の水力発電装置。
4. 前記少なくとも一つの駆動回転体は、前記第１の従動回転体と前記第２の従動回転体との両者に連結された共通回転体を含む、請求項３に記載の水力発電装置。
5. 前記共通回転体は、かさ歯車である、請求項４に記載の水力発電装置。
6. 前記第１入力軸及び前記第２入力軸は、前記駆動軸に対してそれぞれ直交している、請求項３又は４に記載の水力発電装置。
7. 前記駆動軸側から見たときの前記第１入力軸の回転方向と、前記駆動軸側から見たときの前記第２入力軸の回転方向とは、互いに等しい、請求項３から６のいずれか一項に記載の水力発電装置。

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