JPS6229769A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は河川などの水流を利用して水車により発電を行
う水力発電装置の改良に関するものである。

〔従来技術〕

本発明者等は、先に特願昭５９−１４０１２５号により
、水流中に浮遊させた水車を利用して発電を行う水力発
電装置を提案した。この水力発電装置は、水車を浮遊状
態にするため浅い河川でも使用することができ、また発
電機の反トルクを打ち消すためのフロートを兼ねた沖出
し機構を取り付けているため、発電装置を岸にいながら
自動的に河川中央へ移動させることができるなどの特長
がある。

ところで、上述のように水車を浮遊状態にする場合、回
転軸が水面より下方へ没入していると、回転軸の下方を
流れる水流と上方を流れる水流とが、水車に互いに反対
方向の回転力を与えることになるため、水流エネルギの
利用効率を低下させてしまう。このため水車はできるだ
け軽量で浮力の高いものがよいが、水車には発電機が連
結されているので、このような条件下に高い浮力を得る
ためには、水車自体を発泡材から製作するとか、空洞構
造にするなどの対策が必要になってくる。しかし、この
ような発泡材や空洞構造の場合には、構造強度との関係
を考慮する必要があるため、材料や構造の選択が制約さ
れるという問題がある。

また、上記沖出し機構により岸辺から河川中央に移動さ
せるとき、発電機は水流の小さな岸辺から速い河川中央
へ向かうほど次第に回転が速くなる変化を行う。ところ
が、発電機が発生する反トルクは、低回転域の高トルク
から高回転域の低トルクへリニアに変化するのではなく
、ある回転数を越えたところで急減するという特性があ
る。このため、岸辺で釣り合っていた沖出し機構のフロ
ートによる揚力と発電機の反トルクとは河川中央では釣
り合わず、水車を左右方向にローリングさせて水流エネ
ルギの利用効率を低下させることがある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、水車の材料などに関係なく大きな浮力
を与えると共に、安定な水車姿勢を維持させることがで
き、それによって水流エネルギの利用効率の高くする水
力発電装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

上記目的を達成する本発明は、発電機を連結した浮遊自
在の水車の支持部に、水流方向に斜め下方へ傾斜して水
中に没入する滑走板を浮力機構として段壁ると共に、こ
の滑走板を前記水車の回転軸方向にオフセット自在にし
、さらに前記水車より上流側へ延長させて設けたロッド
の前端側方に、前記発電機の反トルクを打ち消す方向の
分力と水流を横切る方向の分力とを有する揚力を発生す
る水中翼を取り付けたことを特徴とするものである。

〔実施例〕

以下、本発明を図に示す実施例により説明する。

第１図は、第２〜４図に示す本発明の実施例からなる発
電装置を川の中に係留させた状態を示している。この第
１図において、１は矢印Ａ方向に水が流れる川、２，３
は右岸と左岸、４は本発明による浮遊自在の水力発電装
置である。

水力発電装置４は、この例ではローブ１１を介して右岸
２に係留されている。

上記水力発電装置４は第２〜４図に示すように、発電機
５と、この発電機５を駆動する一対の水車６．６を左右
両側に取り付けている。発電機５は、外側の静止部を形
成するケーシング７の内側に図示しないステークを固定
し、さらにその内側に上記水車６，６の回転輪６ａ、６
ａに連結された図示しないロータを内設している。この
ケーシング７は水車６．６の支持部にもなっており、そ
の前端にロッド８を上流側へ延長するように固定してい
る。このロッド８の前端には、右岸２側の側方位置に水
中翼９が取り付けられている。また、ケーシング７に対
する固定側には、滑走板１０が水流方向に斜め下方に傾
斜して没するように取り付けられている。

水中翼９は、後述するように発電機４の反トルクを打ち
消すための鉛直方向の揚力分力と、用中央へ沖出しする
水平方向の揚力分力とを発生し、また滑走板１０は水車
６および発電機５を浮上させる浮力機構になっている。

上記水車６は、第５，６図に示すように、発泡スチロー
ルなどの発泡樹脂から成形された８個のユニ、ト羽根２
１．・・−−−−−、２１から組み立てられている。８
個のユニット羽根２１．・・−・・・・、２１は、回転
軸６ａの上において、両端をアルミニウム製のコーン状
の押さえ板２２．２３により把持され、かつ一方の押さ
え仮２３をナツト２４により軸方向に締め付けながら押
圧することにより固定されている。この締付けのため、
一方の押さえ板２２の方はピン２５により回転軸６ａに
動かないように固定されるが、他方の押さえ板２３は長
孔２７を介してビン２６に対し軸方向に可動となるよう
に係止されている。このように水車６の羽根を複数のユ
ニット羽根２１、−−−−−−・、２１で構成すると、
羽根の一部が損傷した場合でも、その損傷したユニット
羽根２１のみを取り替えればよいので、経済的なメンテ
ナンスをすることができる。

上記水中翼９は、第７図に示すように、右翼９ａと左翼
９ｂとが下側に凹状となるような山形に形成され、上記
ロッド８に対しステー１２を介してロッド８の側方、す
なわち係留されている右岸２側に位置するように取り付
けられている。この取付部分では、ステー１２にパイプ
１３が溶接され、このパイプ１３をロッド８に挿入して
締付バンド１５．１５で固定するようになっている。こ
のパイプ１３の両端にはスリット１４．１４が切り込ま
れることにより適度の可撓性が付与されており、この部
分を締付バンド１５で締め付けることにより強固な固定
ができるようになっている。また、パイプ１３の位置を
ロッド８に対し回転方向にずらせることにより、ステー
１２の水平方向に対する取付角度θを無段階に調整でき
るようになっている。

水中に没した水中翼９は、第８図に示すように、右翼９
ａと左翼９ｂに発生した揚力ＬＩ＋Ｌ２に基づき、ロッ
ド８の取付部に揚力りを伝達する。その鉛直方向の分力
Ｌｕは、発電機５の回転によって発生する反トルク、す
なわちロッド８の前端側を下方へ押し下げるようにする
反トルクを打ち消して釣り合い、また水平方向の分力Ｌ
ｓは、水流をはパ直角に横切って川の中央へ沖出しする
力となる。

すなわち、第８図において、右翼９ａに発生する揚力Ｌ
ｌはステー１２に平行な分力Ｌ　、　１と、これに直交
する分力Ｌ１　”とに分離し、左翼９ｂに発生する揚力
Ｌ２は、ステー１２に平行な分力Ｌ　、　ｌ　　と、こ
れに直交する分力Ｌ２　”とに分離することができる。

したがって、ステー１２を介してロッド８の取付部に与
えられる揚力りは、Ｌ＝Ｌ、°　＋Ｌ２゛になる。ステ
ー１２の水平方向に対する傾き角をθとすれば、上記Ｌ
ｕ　（！＝Ｌｓとは次の式で表される。

Ｌｕ　＝（Ｌｔ　’　＋Ｌｔ　’　）　ｓｉｎθＬｓ　
＝（Ｌｔ　’　＋Ｌｚ　’　）　ｃｏｓ　θこの式から
明らかなように、ステー１２の取付角θを調整すること
により、反トルクを打ち消すための分力Ｌｕおよび用中
央へ沖出しする分力Ｌｓを任意に調整することができる
。また、右翼９ａと左翼９ｂとの開き角αは１８０°よ
り小さい任意の角度にすることができるが、ステー１２
の取付角θが小さくなるとき、水中翼９が水面Ｗから極
端に突出することがないような大きさにすることが望ま
しい。

また、上述した水中翼９の機能から明らかであるように
、水力発電装置４を左岸３に係留するときは、締付バン
ド１５を緩めてパイプ１３をロッド８の反対側の側方へ
回動させて、水中翼９を左岸２側へ位置させるように固
定すればよい。

一方、上記滑走板１０は水流方向に対し斜め下方へ向け
て水中に没入することにより、上流からの水流を矢印Ａ
゛のように偏向させ、水車６および発電機５をより高く
浮上させる揚力Ｆを発生する。この揚力Ｆによる浮上に
より、水車６の回転軸６ａが常に水面Ｗより上方に保持
されるようになっている。このため、この滑走板１０に
より水車６の材料等には関係なく高い浮力を与えること
ができる。

また、この滑走板１０は水流を加速させる作用も行い、
水車６に回転力を与える水流の衝撃力を高めるようにし
ている。

この滑走板１０は上面に左右方向に渡した内パイプ１６
を固定し、この内パイプ１７にこれより短い外パイプ１
７を回動および摺動自在に嵌合し、その外パイプ１７の
両端を締付バンド１８．１８によって締め付けることに
より位置固定できるようになっている。また、外パイプ
１７の上面中央には、別のパイプ１９が交差するように
溶接され、このパイプ１９を支持用のロッド８に挿入可
能になっている。パイプ１９はロッド８に挿入した状態
で、両端を締付バンド２０．２０で締め付けて固定でき
るようになっている。上記パイプ１７と１９は、共に両
端にスリットを設けており、締付バンド１８．２０によ
る固定が確実になるようにしである。

このような滑走板１０の取付構造であるため、締付バン
ド１８を緩めて内パイプ１６の外パイプ１７に対する回
転位置を調整すれば、滑走板１０を矢印Ｂ方向に回動さ
せ、水面Ｗに対する傾き角（迎角）を調整することがで
きる。これによって、滑走板１０が発生する水車６等を
浮上させる揚力Ｆの大きさを調整することができる。ま
た、内パイプ１６の外パイプ１７に対する軸方向（横方
向）の位置を調整すれば、滑走板１０を矢印Ｃ方向（水
車６の回転軸方向）にオフセットさせることができる。

この滑走板１０のオフセットは、以下に説明するように
、発電機５の反トルクの変動に基づいて発生する水車６
や水中翼９の左右方向のローリングを抑制することがで
きる。

前述した〔従来技術〕の項で説明したように、発電機の
反トルクは、低回転域の高トルクから高回転域の低トル
クへリニアに変化するのではなく、ある回転数を越えた
ところで急減する特性がある。このため、発電機５の反
トルクが流速の遅い岸辺において水中翼９の揚力と釣り
合っていたとしても、流速の速い用中央では水中翼９の
揚力の方が大きくなり、翼の片側（右翼９ａ）が水面Ｗ
から大きく突出してしまうことになる。このようになる
と、第８図に図示する右翼９ａの揚力り、は実質的に消
失し、左翼９ｂの揚力Ｌ２だけになるため、矢印りで示
すようなローリングモーメントが発生し、これが水車６
を左右方向にローリングさせることになる。

この場合、滑走板１０を第３図に鎖線で示す１０°の位
置にオフセットさせると、ロッド８を中心とする右側半
分の滑走板１０の面積と左側半分の面積とは異なった大
きさになり、それによって右側半分の面積の揚力は左側
半分の面積の揚力よりも大きくなるため、上記り方向と
は反対方向のローリングモーメントが発生する。

したがって、この滑走板１０のオフセット量を調節すれ
ば、滑走板１０によるローリングモーメントを上記水中
翼９の左翼９ｂの揚力Ｌｔに基づくローリングモーメン
トと釣り合わせることができ、水車６，６を水平な正常
姿勢にすることができるようになる。

なお、上述した実施例では、滑走板１０が水車６，６の
上流側に配置されているが、これを第１０〜１２図の実
施例のように、発電機５のケーシング７の後方に延びる
ように固定したステー３０を介して、水車６．６の下流
側に配置するようにしてもよく、同様の効果を得ること
ができる。ただし、この下流配置の場合は、上流配置の
場合のように滑走板１０で加速した水流を水車６に作用
させることはできない。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明の水力発電装置は、発電機を連
結、した浮遊自在の水車の支持部に、水流方向に斜め下
方へ傾斜して水中に没入する滑走板を浮力機構として設
けると共に、この滑走板を前記水車の回転軸方向にオフ
セント自在にし、さらに前記水車より上流側へ延長させ
て設けたロッドの前端側方に、前記発電機の反トルクを
打ち消す方向の分力と水流を横切る方向の分力とを有す
る揚力を発生する水中翼を取り付ける構成にしたので、
上記滑走板によって水車の材料などに関係なく大きな浮
力を与えることができる。また、この滑走板をオフセン
ト自在にしたことにより、発電機の反トルクの大きさに
応じて左右方向のローリングを調節できるため、安定な
水車姿勢を維持させることができる。したがって、常に
最適の水流エネルギを利用するようにし、エネルギ利用
効率の高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水力発電装置を川に係留させた状態を
示す斜視図、第２図は本発明の実施例による水力発電装
置の側面図、第３図は同平面図、第４図は同正面図、第
５図は同装置の水車を第６図のＶ−Ｖ矢視で示す矢視図
、第６図は第５図のＶＩ−Ｖｌ矢視図、第７図は水中翼
の取付部を分解して示す斜視図、第８図は同水中翼に発
生する揚力等の説明図、第９図は滑走板の取付部を分解
して示す斜視図、第１０図は他の実施例による水力発電
装置の側面図、第１１図は同平面図、第１２図は同装置
の滑走板の部分の拡大斜視図である。 ５−発電機、　６・−・水車、　７・・・ケーシング（
水車の支持部）、　８・−・ロッド、　９−・水中翼、
　９ａ−右翼、　９ｂ−左翼、　１〇−滑走板。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）発電機を連結した浮遊自在の水車の支持部に、水
   流方向に斜め下方へ傾斜して水中に没入する滑走板を浮
   力機構として設けると共に、この滑走板を前記水車の回
   転軸方向にオフセット自在にし、さらに前記水車より上
   流側へ延長させて設けたロッドの前端側方に、前記発電
   機の反トルクを打ち消す方向の分力と水流を横切る方向
   の分力とを有する揚力を発生する水中翼を取り付けたこ
   とを特徴とする水力発電装置。
2. （２）滑走板を水車の上流側に配置した特許請求の範囲
   第１項記載の水力発電装置。
3. （３）滑走板を水車の下流側に配置した特許請求の範囲
   第１項記載の水力発電装置。