JPWO2010086958A1 - 水力発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】比較的小さな水流でも効率的な発電が可能な水力発電装置を提供する。【解決手段】水力発電装置Ｐ１において、フロート１の底面に設けたケーシング２の水路２３内に、互いに逆回転する一対の水車３Ａ，３Ｂを設け、一方側の水車３Ａの回転軸４Ａを増速機５の入力軸に連結し、他方側の水車３Ｂの回転軸４Ｂを増速機５のギア本体に連結して、増速機５の入力軸とギア本体を同軸上で相対的に逆回転させることにより、増速比を倍増させた駆動力を増速機５の出力軸から発電機６に出力するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、河川や人工の用水路等に設置され、水の流れを利用して発電する水力発電装置に関する。
従来、水路の途中に堰を設けることにより、水の落差を利用して発電を行う水力発電装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この水力発電装置は、水の通路内に水車を設置したＬ字型のドラフトチューブを堰板の上流側に配置することにより、通路内を流れ落ちる水流によって水車を回転させ、その回転力を発電機に伝達して発電を行うように構成されている。
特開平１１−３０１７９号公報
しかしながら、このような水の落差を利用した水力発電装置の場合には、水路の途中に段差を形成するために、堰板やＬ字型のドラフトチューブ等を設置する必要がある。すなわち、水車の設置以外に発電のための専用の設備を敷設しなければならず、設置作業が面倒であり、発電コストも高くなるという問題があった。
そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、水の落差を利用せずに簡単に設置が可能な水力発電装置であって、特に、比較的小さな水流でも効率的な発電を行うことができる水力発電装置を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明は、水平方向に流れる水流を利用して発電する水力発電装置であって、水面に浮上させるフロートと、フロートの底面に設けられ、水中に沈めた状態で上流側の取水口から下流側の排水口に向かって貫通した水路を有するケーシングと、ケーシングの水路の幅方向に間隔を空けて対向配置され、水路の中心部を通過する水流によって互いに逆回転する一対の水車と、水深方向に起立した姿勢で各水車の回転中心に固定され、上端部がフロートを介して水面上に突出する一対の回転軸と、回転軸に連結され、入力された回転軸の回転を増速して出力する増速機と、フロートの上面に設置され、増速機を介して出力された駆動力によって発電する発電機と、を備え、一方側の回転軸が増速機の入力軸に連結され、他方側の回転軸が増速機のギア本体に連結されており、増速機の入力軸とギア本体を同軸上で相対的に逆回転させることにより、増速比を倍増させた駆動力を増速機の出力軸から発電機に出力するようにしたことを特徴とする。
本発明の水力発電装置において、増速機には遊星ギア機構を採用することができる。遊星ギア機構は、中心に配置されたサンギアと、サンギアの外周を取り囲むように設けられたリングギアと、サンギアとリングギアの間に配置されてサンギアの外歯とリングギアの内歯の両方に噛み合う複数個のプラネットギアと、プラネットギア同士を連結するプラネタリキャリアを備えて構成される。ここで、増速機に遊星ギア機構を採用した場合、回転軸と増速機と発電機の連結構造としては次のような構造が考えられる。
Ａ．定格電力が２００〜５００Ｗ程度の発電機（小型発電機）を使用する場合
一方側の回転軸がプラネタリキャリアに動力伝達機構を介して連結され、他方側の回転軸がリングギアに動力伝達機構を介して連結されており、プラネタリキャリアとリングギアを同軸上で相対的に逆回転させることで、プラネットギアからサンギアに伝達した駆動力を発電機に出力する構造であって、増速機の出力軸が発電機の回転子に直接連結されることにより、フロート上に垂直に配置された増速機の上方に発電機が垂直に載置されている構造
Ｂ．定格電力が５〜１０ＫＷ程度の発電機（中型発電機）を使用する場合
一方側の回転軸がプラネタリキャリアに動力伝達機構を介して連結され、他方側の回転軸がリングギアに動力伝達機構を介して連結されており、プラネタリキャリアとリングギアを同軸上で相対的に逆回転させることで、プラネットギアからサンギアに伝達した駆動力を発電機に出力する構造であって、増速機の出力軸が発電機の回転子に動力伝達機構を介して連結されることにより、フロート上に垂直に配置された増速機の側方に発電機が垂直に設置されている構造
Ｃ．定格電力が１００〜２００ＫＷ程度の発電機（大型発電機）を使用する場合
一方側の回転軸がプラネタリキャリアに動力伝達機構とベベルギア機構を介して連結され、他方側の回転軸がリングギアに動力伝達機構とベベルギア機構を介して連結され、増速機の出力軸が発電機の回転子に動力伝達機構を介して連結されることにより、フロート上に水平に配置された増速機の側方に発電機が水平に設置されている構造
また、本発明の水力発電装置において、動力伝達機構を構成する駆動チェーン又は駆動ベルトの外周に、ギア軸が長孔内を摺動する緩み止めギアを当接させることで駆動チェーン又は駆動ベルトの張力を調整する張力調整機構が設けられていても良い。
また、本発明の水力発電装置において、ケーシングの取水口側に、取水口の開口端の面積を上流側から下流側に向かって徐々に減少させる水流増速部が設けられていると、取水口から取り込まれた水流がケーシング内で圧縮され、加速した水流が水路内を通過するようになるので好ましい。
また、本発明の水力発電装置において、ケーシングの排水口側に、排水口の開口端の面積を上流側から下流側に向かって徐々に増大させる乱流抑制部が設けられていると、ケーシング内の水路から流れ出る水が乱流抑制部で解放され、排水口よりも下流側の周辺部に発生する乱流が抑制されるので好ましい。
なお、水車の形状としては、クロスフロー型やタービンファン型を採用することができる。クロスフロー型とは、回転軸に固定した上下の円盤間の円周方向に湾曲板状の羽根を複数枚並べて配置して、羽根と回転軸の間に水が通り抜ける隙間を設けたものである。このクロスフロー型の水車によれば、水が羽根と回転軸の間の隙間を確実に通り抜け、隙間を通り抜けた水が後方側の羽根を再度押して回転力を付与するので、流速１〜２．５ｍ／ｓｅｃ程度の比較的流れの遅い水流に設置する場合に好適である。これに対して、タービンファン型とは、回転軸に固定した本体の外周に螺旋状の溝を形成したものである。このタービンファン型の水車は、水が通り抜ける隙間が無く、クロスフロー型の水車に比べて強度が高いので、流速２．５ｍ／ｓｅｃ以上の流れの速い水流に設置する場合に好適である。
本発明の水力発電装置によれば、水流を加速させて水の運動エネルギーを高めるとともに、高めた運動エネルギーによって互いに逆回転する水車の回転を利用して増速機の入力軸とギア本体を同軸上で相対的に逆回転させることにより、増速比を倍増させた駆動力を増速機の出力軸から発電機に出力するようにした。このため、速度の遅い水流に設置する場合であっても、発電量を多くするために増速機のギア比を大きくしたり発電機の極数を増やしたりしなくても済み、装置の小型化とコストダウンを図れ、発電機の発電効率を大幅に向上させることができるという効果が得られる。
以下、本発明を実施するための形態（第１〜３実施形態）について、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態の水力発電装置を図１〜１０に示す。図１は同装置の外観を示す斜視図、図２と図３は同装置の内部構造を示す断面図、図４は同装置の主要部を示す斜視図、図５は同装置の動作原理を示す正面図、図６は同装置における増速機の拡大図、図７は同装置の上面図、図８〜１０は同装置の部分断面図である。
図１に示すように、本実施形態の水力発電装置Ｐ１は、河川または工業用水路や農業用水路等の人工水路に浮かべて設置され、ほぼ水平方向に流れる水の移動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するフロート型の流水式発電装置である。この水力発電装置Ｐ１は、フロート１と、ケーシング２と、水車３と、回転軸４と、増速機５と、発電機６を備えて大略構成されている。以下、各部の構造について詳細に説明する。
フロート１は、中空構造体からなり、少なくとも増速機５と発電機６を水面より上に設置するためのものである。このフロート１は河川や用水路の川縁（陸上）に置かれた構造物に固定するか、あるいは水上に設置されている他の構造物に固定するための構成部品として設けられている。この水力発電装置Ｐ１によれば、水面に浮上させたフロート１を構造物に固定するだけの簡単な作業で設置が完了するので、極めて低コストで設置することが可能である。
ケーシング２は、例えばアクリル等のプラスチック板やステンレス等の金属板を略方形管状に成形したものであり、フロート１の底面に固定されている。このケーシング２は流れの生じている水中に沈めた状態で設置され、水流の上流側に開口した取水口２１から下流側に開口した排水口２２に向かって貫通した水路２３を有している。このようにフロート１の底面に固定したケーシング２に取水口２１を設けたことにより、河川や用水路の水深や水位の変動に影響されず、常に水面付近（水の移動エネルギーが最大となる位置）に流れる水を取水口２１から取り込むことができる。
図２に示すように、ケーシング２の取水口２１側には水流増速部２４が設けられている。この水流増速部２４は、取水口２１の開口端の面積が上流側から下流側に向かって徐々に減少するように、テーパ状の整流板をケーシング２の本体に一体成形したものであり、取水口２１から水路２３に到達するまでの過程で水の通過面積を狭めて圧縮し、ケーシング２内を圧力管状態にする。これにより、ベルヌーイの定理によって損失水頭（摩擦抵抗）を最小限に軽減し、取水口２１から取り込まれる水の流速Ｖ１を流速Ｖ２に増加させ、加速した水流が水路２３内を通過するようになっている。
ケーシング２の排水口２２側には乱流抑制部２５が設けられている。この乱流抑制部２５は、排水口２２の開口端の面積が上流側から下流側に向かって徐々に増大するように、テーパ状の整流板をケーシング２本体に一体成形したものである。ケーシング２内の水路２３を流れる水の流速は水流増速部２４によってケーシング２の本体の外側を流れる水の流速よりも大きくなるため、両者が排水口２２付近で直接合流すると速度差に起因して乱流が発生する場合がある。そこで、ケーシング２内の水路２３から流れ出る水を乱流抑制部２５で解放し、流速Ｖ２を流速Ｖ３に低下させつつスムーズに排水することによって、排水口２２よりも下流側の周辺部に発生する乱流を抑制し、発電流量を調整できるようになっている。
ケーシング２内の水路２３には一対の水車３（３Ａ，３Ｂ）が収容されている。本実施形態の水車３は垂直軸型の２軸構造であり、一対の水車３Ａ，３Ｂが水路２３の幅方向に所定間隔を空けて対向配置され、水路２３を通過する水流によって互いに逆回転するように構成されている。水車３を回転させるために、各々の水車３Ａ，３Ｂの中心部には回転軸４（４Ａ，４Ｂ）が固定されている。図３に示すように、回転軸４はケーシング２の水路２３内で水深方向（鉛直方向）に起立した姿勢で設けられており、上端部がフロート１の貫通孔１１を突き抜けて水面上に突出し、下端部がケーシング２の底面の軸受４１によって回転可能に支持されている。
本実施形態において、水車３の形状はクロスフロー型を採用している。図４に詳細に示すように、このクロスフロー型の水車３は、水の圧力を直接受けて回転する抗力型の一種であり、上下の円盤３１，３１を回転軸４に固定し、その円盤３１，３１間に複数枚の湾曲板状の羽根３２，３２，…を円盤３１の円周方向に等間隔で並べて配置して、羽根３２と回転軸４の間に水が通り抜ける隙間３３を設けたものである。これにより、両方の水車３Ａ，３Ｂは一対の回転軸４Ａ，４Ｂ間を通過する水の圧力を複数枚の羽根３２，３２，…の湾曲面３２ａで受けて回転する。また、図２において、水路２３の中心部を通過する最大流速の水流が両水車３Ａ，３Ｂの最も内側の羽根３２，３２の先端部に衝突することによって、左側に配置された水車３Ａは回転軸４Ｂを中心にして矢印Ｓ１方向に回転し、右側に配置された水車３Ｂは回転軸４Ｂを中心にして矢印Ｓ２方向に回転するようになっている。
また、水車３の回転効率を考慮して、ケーシング２には水流規制部２６が設けられている。この水流規制部２６は、ケーシング２の水路２３の幅方向において、回転軸４とケーシング２の間を流れる水流を規制するようにケーシング２の壁面を湾曲状に成形したものである。より詳しくは、クロスフロー型の水車３に逆方向の回転が生じないように、ケーシング２の内部に個々の水車３Ａ，３Ｂの外側半分を覆う湾曲壁（言い換えれば、水路２３内において両側の回転軸４Ａ，４Ｂよりも外側に位置する複数枚の羽根３２，３２，…を囲んだ形状の湾曲壁）が設けられている。このため、水路２３内を流れる水の進路が湾曲壁に沿って規制され、これにより一対の水車３Ａ，３Ｂが効率良く回転し、大きな回転力を得ることができる。
上記のようにして一対の水車３Ａ，３Ｂが回転すると、その回転力はそれぞれの回転軸４Ａ，４Ｂから増速機５を介して発電機６に伝達される。ここで、本実施形態の水力発電装置Ｐ１は、水流を加速させて水の運動エネルギーを高めるとともに、高めた運動エネルギーによって互いに逆回転する２軸構造の水車３Ａ，３Ｂの回転力を効果的に利用することにより、増速機５の増速比を高くして発電機６の発電効率を向上させたことが特徴である。そのための構造として、一対の回転軸４Ａ，４Ｂにそれぞれ別々に増速機５を連結するのではなく、図４に示すように一対の回転軸４Ａ，４Ｂを一個の増速機５に連結するようにした。
図５において、増速機５は、入力軸５１に入力された回転軸４Ａ，４Ｂの回転数を増加して発電機６の定格回転数に調整し、その回転数の駆動力を出力軸５２から出力して発電機６に伝達する機能を有する。より詳細に説明すると、図６に示すように、本実施形態の増速機５は遊星ギア機構からなり、中心に配置されたサンギア５３と、サンギア５３の外周を取り囲むように設けられたリングギア５４と、サンギア５３とリングギア５４の間に配置されてサンギア５３の外歯とリングギア５４の内歯の両方に噛み合う複数個のプラネットギア５５，５５，…と、プラネットギア５５，５５同士を連結する上下のプラネタリキャリア５６，５６を備えて構成されている。また、入力軸５１はプラネタリキャリア５６に接続され、出力軸５２はサンギア５３に接続されている。
図５に戻って回転軸４と増速機５との関係を見ると、左側の回転軸４Ａが入力軸５１に連結され、右側の回転軸４Ｂがリングギア５４に連結されている。その連結構造として、本実施形態ではスプロケットとチェーンからなる動力伝達機構７を採用しており、左側の回転軸４Ａに装着したスプロケット７１と増速機５の入力軸５１に装着したスプロケット７１に駆動チェーン７２を掛け回して連結し、右側の回転軸４Ｂに装着したスプロケット７１とリングギア５４の下端に設けたギア部５４ａに駆動チェーン７２を掛け回して連結してある。なお、スプロケット７１とチェーン７２による動力伝達機構７に代えて、図示しないプーリとベルトによる動力伝達機構を採用しても良い。
また、回転軸４の駆動力を増速機５に確実に伝達するために、図７〜１０に示すように、すべての駆動チェーン７２に対して張力調整機構８が設けられている。この張力調整機構８は、緩み止めギア８１と長孔８２で構成されており、緩み止めギア８１のギア軸８１ａが長孔８２に嵌められている。このため、ギア軸８１ａを長孔８２内で摺動させて緩み止めギア８１を駆動チェーン７２の外周に圧接することにより、駆動チェーン７２の張力調整を容易に行える。
さらに、図５において、増速機５の出力軸５２を発電機６の回転子６１に直接連結することにより、増速機５と発電機６が接続されている。本実施形態では、図１に示したように、増速機５をフロート１の上面に垂直に設置し、その上方に発電機６を垂直に載置した構造になっている。また、増速機５の上に発電機６を載置する関係から、本実施形態の発電機６（６Ａ）は、定格電力が２００〜５００Ｗ程度の小型のものを使用している。したがって、この水力発電装置Ｐ１は、増速機５と発電機６からなる発電部品が水面よりも上に設置されるので、製造コストを安価にでき、しかもこれらの部品のメンテナンスを簡単に行うことができる。
本実施形態の水力発電装置Ｐ１は以上のように構成されており、ケーシング２内の水路２３を水流が通過すると、一対の水車３Ａ，３Ｂがそれぞれの回転軸４Ａ，４Ｂを中心にして互いに逆回転する。ここで、図５と図６に示したように、左側の回転軸４Ａは矢印Ｓ１方向に回転するが、このとき駆動チェーン７２を介して増速機５の入力軸５１が同じ方向に回転し、その回転が入力軸５１からプラネタリキャリア５６に伝達する。また、このとき右側の回転軸４Ｂは逆に矢印Ｓ２方向に回転するが、その回転は駆動チェーン７２を介して増速機５のリングギア５４に伝達する。これにより、増速機５ではプラネタリキャリア５６とリングギア５４が同軸上で相対的に逆回転し、プラネットギア５５からサンギア５３に伝達した駆動力が出力軸５２から発電機６の回転子６１に出力される。
したがって、本実施形態の水力発電装置Ｐ１によれば、速度の遅い水流に設置した場合であっても、プラネタリキャリア５６とリングギア５４の相対的な逆回転によって、増速機５の増速比が倍増し、出力軸５２から発電機６の回転子６１に出力される駆動力が極めて大きくなる。よって、発電量を多くするために増速機５のギア比を大きくしたり発電機６の極数を増やしたりしなくても済み、装置の小型化とコストダウンを図れ、発電機６の発電効率を大幅に向上させることができる。
［第２実施形態］
第２実施形態の水力発電装置を図１１〜１６に示す。図１１は同装置の主要部を示す斜視図、図１２は同装置の動作原理を示す正面図、図１３は同装置の上面図、図１４〜１６は同装置の部分断面図である。なお、本実施形態において、図１〜１０で説明した第１実施形態の水力発電装置Ｐ１と同一の構成については同一の符号を付与し、その詳細な説明を省略する。
図１１に示すように、本実施形態の水力発電装置Ｐ２は、第１実施形態の水力発電装置Ｐ１で使用した小型の発電機６（６Ａ）に代えて、定格電力が５〜１０ＫＷ程度の中型の発電機６（６Ｂ）を使用したものである。中型の発電機６Ｂを使用する場合、その重量はおよそ１００ｋｇを超えるため、第１実施形態のように増速機５の上に発電機６Ｂを載置するとその荷重によって増速機５に負荷が掛かり、ギアが回転しないか場合によってはギアが潰れて故障してしまい、回転軸４（４Ａ，４Ｂ）の回転力を発電機６に伝達できなくなる。
そこで、本実施形態では発電機６Ｂを増速機５に対して新たな動力伝達機構７によって連結するようにした。すなわち、図１１〜１６に示すように、増速機５の出力軸５２と発電機６Ｂの回転子６１にそれぞれスプロケット７３を装着し、両スプロケット７３，７３に駆動チェーン７４を掛け回して連結してある。これにより、増速機５がフロート１の上面に垂直に設置され、その増速機５の側方に発電機６Ｂを垂直に縦置きした構造になっている。なお、その他の構造は第１実施形態の水力発電装置Ｐ１と同様である。
このように、本実施形態の水力発電装置Ｐ２によれば、発電機６Ｂを増速機５の上に載せずに増速機５の側方に配置したことにより、発電機６Ｂの重みで増速機５が故障することはなく、回転軸４（４Ａ，４Ｂ）の回転力が増速機５を介して発電機６Ｂに確実に伝達される。したがって、第１実施形態と同様に、互いに逆回転する回転軸４Ａ，４Ｂの回転を利用することで増速機５による増速比が倍増するので、発電機６Ｂの発電効率を向上させることができる。
［第３実施形態］
第３実施形態の水力発電装置を図１７〜２２に示す。図１７は同装置の主要部を示す斜視図、図１８と図１９は同装置の動作原理を示す正面図と側面図、図２０は同装置の上面図、図２１と図２２は同装置の部分断面図である。なお、本実施形態において、図１〜１０で説明した第１実施形態の水力発電装置Ｐ１と同一の構成については同一の符号を付与し、その詳細な説明を省略する。
図１７に示すように、本実施形態の水力発電装置Ｐ３は、第１実施形態の水力発電装置Ｐ１で使用した小型の発電機６（６Ａ）に代えて、定格電力が１００〜２００ＫＷ程度の大型の発電機６（６Ｃ）を使用したものである。このような大型の発電機６Ｃは、通常その重量が１ｔを超えるものであり、中型の発電機６Ｂと同じく増速機５の上に載置することは勿論不可能である。しかも大型の発電機６Ｃは回転子６１に入力される回転が極めて高速であり、その高速回転に対応するために直径を小さくして軸方向に長くした形態のものが多い。
そこで、本実施形態では増速機５を回転軸４（４Ａ，４Ｂ）に対して動力伝達機構７とベベルギア機構９で連結し、発電機６Ｃを増速機５に対して動力伝達機構７で連結することにより、発電機６Ｃを横置きにした。
より詳細には、図１７〜２２に示すように、左側の回転軸４Ａに装着したスプロケット７１とベベルギア機構９の入力軸９１に装着したスプロケット７１に駆動チェーン７２を掛け回し、増速機５の入力軸５１に装着したスプロケット７１とベベルギア機構９の出力軸９２に装着したスプロケット７１に駆動チェーン７２を掛け回す。これにより、左側の回転軸４Ａと増速機５の入力軸５１が、傘歯車同士を垂直方向に噛み合わせてなる主動ギア９３と従動ギア９４を介して連結されている。
また、右側の回転軸４Ｂに装着したスプロケット７１ともう一つのベベルギア機構９の入力軸９１に装着したスプロケット７１に駆動チェーン７２を掛け回し、リングギア５４の下端のギア部５４ａに駆動チェーン７２を掛け回す。これにより、右側の回転軸４Ｂと増速機５のリングギア５４が、傘歯車同士を垂直方向に噛み合わせてなる主動ギア９３と従動ギア９４を介して連結されている。
更に、増速機５の出力軸５２に装着したスプロケット７３と発電機６Ｃの回転子６１に装着したスプロケット７３に駆動チェーン７４を掛け回して連結してある。これにより、増速機５はフロート１の上面に水平に設置され、その増速機５の側方に発電機６Ｃが回転子６１を水平方向に向けて配置した構造になっている。なお、その他の構造は第１実施形態の水力発電装置Ｐ１と同様である。
このように、本実施形態の水力発電装置Ｐ３によれば、左側の回転軸４Ａが矢印Ｓ１方向に回転すると、駆動チェーン７２からベベルギア９の入力軸９１に伝達された垂直軸の回転が主動ギア９３と従動ギア９４を介して水平軸の回転に変換される。そして、ベベルギア９の出力軸９２の回転が駆動チェーン７２を介して増速機５の入力軸５１からプラネタリキャリア５６に伝達する。また、右側の回転軸４Ｂが矢印Ｓ２方向に回転すると、駆動チェーン７２からベベルギア９の入力軸９１に伝達された垂直軸の回転が主動ギア９３と従動ギア９４を介して水平軸の回転に変換される。そして、ベベルギア９の出力軸９２の回転が駆動チェーン７２を介して増速機５のリングギア５４に伝達する。
これにより、増速機５ではプラネタリキャリア５６とリングギア５４が同軸上で相対的に逆回転し、プラネットギア５５からサンギア５３に伝達した駆動力が出力軸５２から発電機６の回転子６１に出力される。したがって、第１実施形態と同様に、互いに逆回転する回転軸４Ａ，４Ｂの回転を利用することで増速機５による増速比が倍増するので、発電機６Ｃの発電効率を向上させることができる。
以上説明した実施形態では水車３の形状としてクロスフロー型を採用したが、これに代えて、図２３に示すようなタービンファン型を採用することもできる。このタービンファン型の水車３（３Ｃ，３Ｄ）は、全体としてレモンのような略球状の本体３４を有し、水の通り抜けを良くするために本体３４の外周に螺旋状の溝３５を形成したものである。
なお、上述したクロスフロー型の水車３（３Ａ，３Ｂ）は、水が羽根３２と回転軸４の間の隙間３３を確実に通り抜け、隙間３３を通り抜けた水が後方側の羽根３２の湾曲面３２ａを再度押して回転力を付与するので、流速１〜２．５ｍ／ｓｅｃ程度の比較的流れの遅い水流に設置する場合に好適である。これに対して、流速２．５ｍ／ｓｅｃ以上の流れの速い水流に設置する場合には、その速い流れに耐え得るように、水が通り抜ける隙間を無くして全体の強度を高めたタービンファン型の水車３（３Ｃ，３Ｄ）を使用するのが好ましい。
本発明の水力発電装置は、水平方向に流れる水の移動エネルギーを利用して効率的な発電エネルギーを得ることができるため、次のような様々な利用ケースとその効果が考えられる。
（１）工場排水路での利用ケース
自然エネルギーの利用による省エネ効果、ＣＯ２対策
安定した発電による買電利用効果
（２）農業用水路での利用ケース
電気を利用していなかった場所への独立電源
（３）水処理施設や発電所放流渠での利用ケース
水路を有効利用した新たな産業の創出や都市活性化
ＰＰＰ事業やＰＦＩ事業なども含め、既存施設を有効に活用した新しい事業の創出など
第１実施形態の水力発電装置の外観を示す斜視図である。 図１の水力発電装置の内部構造を示す横断面図である。 図１の水力発電装置の内部構造を示す縦断面図である。 図１の水力発電装置の主要部を示す斜視図である。 図１の水力発電装置の動作原理を模式的に示す正面図である。 図５の水力発電装置における増速機の拡大図である。 図５の上面図である。 図５のＡ−Ａ線断面図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 図５のＣ−Ｃ線断面図である。 第２実施形態の水力発電装置の主要部を示す斜視図である。 図１１の水力発電装置の動作原理を模式的に示す正面図である。 図１２の上面図である。 図１２のＡ−Ａ線断面図である。 図１２のＢ−Ｂ線断面図である。 図１２のＣ−Ｃ線断面図である。 第３実施形態の水力発電装置の主要部を示す斜視図である。 図１７の水力発電装置の動作原理を模式的に示す正面図である。 図１７の水力発電装置の動作原理を模式的に示す側面図である。 図１８の上面図である。 図１８のＡ−Ａ線断面図である。 図１８のＢ−Ｂ線断面図である。 水力発電装置における水車の変形例を示す縦断面図である。
符号の説明
Ｐ１…第１実施形態の水力発電装置
Ｐ２…第２実施形態の水力発電装置
Ｐ３…第３実施形態の水力発電装置
１…フロート
１１…貫通孔
２…ケーシング
２１…取水口
２２…排水口
２３…水路
２４…水流増速部
２５…乱流抑制部
２６…水流規制部
３…水車
３１…円盤
３２…羽根
３３…隙間
３４…本体
３５…溝
４…回転軸
４１…軸受
５…増速機
５１…入力軸
５２…出力軸
５３…サンギア
５４…リングギア
５５…プラネットギア
５６…プラネタリキャリア
６…発電機
６１…回転子
７…動力伝達機構
７１…スプロケット
７２…駆動チェーン
７３…スプロケット
７４…駆動チェーン
８…張力調整機構
８１…緩み止めギア
８２…長孔
９…ベベルギア機構
９１…入力軸
９２…出力軸
９３…主動ギア
９４…従動ギア
本発明は、河川や人工の用水路等に設置され、水の流れを利用して発電する水力発電装置に関する。
従来、水路の途中に堰を設けることにより、水の落差を利用して発電を行う水力発電装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この水力発電装置は、水の通路内に水車を設置したＬ字型のドラフトチューブを堰板の上流側に配置することにより、通路内を流れ落ちる水流によって水車を回転させ、その回転力を発電機に伝達して発電を行うように構成されている。
特開平１１−３０１７９号公報
しかしながら、このような水の落差を利用した水力発電装置の場合には、水路の途中に段差を形成するために、堰板やＬ字型のドラフトチューブ等を設置する必要がある。すなわち、水車の設置以外に発電のための専用の設備を敷設しなければならず、設置作業が面倒であり、発電コストも高くなるという問題があった。
そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、水の落差を利用せずに簡単に設置が可能な水力発電装置であって、特に、比較的小さな水流でも効率的な発電を行うことができる水力発電装置を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明は、水平方向に流れる水流を利用して発電する水力発電装置であって、水面に浮上させるフロートと、フロートの底面に設けられ、水中に沈めた状態で上流側の取水口から下流側の排水口に向かって貫通した水路を有するケーシングと、ケーシングの水路内に流れる水流を水路の中心部に向けて規制する水流規制部と、ケーシングの水路の幅方向に間隔を空けて対向配置され、水路の中心部を通過する最大流速の水流の圧力を各々の羽根の先端部で直接受けて互いに逆回転する一対の抗力型の水車と、水深方向に起立した姿勢で各水車の回転中心に固定され、上端部がフロートを介して水面上に突出する一対の回転軸と、回転軸に連結され、入力された回転軸の回転を増速して出力する増速機と、フロートの上面に設置され、増速機を介して出力された駆動力によって発電する発電機と、を備え、一方側の回転軸が増速機の入力軸に連結され、他方側の回転軸が増速機のギア本体に連結されており、増速機の入力軸とギア本体を同軸上で相対的に逆回転させることにより、増速比を倍増させた駆動力を増速機の出力軸から発電機に出力するようにしたことを特徴とする。
本発明の水力発電装置において、増速機には遊星ギア機構を採用することができる。遊星ギア機構は、中心に配置されたサンギアと、サンギアの外周を取り囲むように設けられたリングギアと、サンギアとリングギアの間に配置されてサンギアの外歯とリングギアの内歯の両方に噛み合う複数個のプラネットギアと、プラネットギア同士を連結するプラネタリキャリアを備えて構成される。ここで、増速機に遊星ギア機構を採用した場合、回転軸と増速機と発電機の連結構造としては次のような構造が考えられる。
Ａ．定格電力が２００〜５００Ｗ程度の発電機（小型発電機）を使用する場合
一方側の回転軸がプラネタリキャリアに動力伝達機構を介して連結され、他方側の回転軸がリングギアに動力伝達機構を介して連結されており、プラネタリキャリアとリングギアを同軸上で相対的に逆回転させることで、プラネットギアからサンギアに伝達した駆動力を発電機に出力する構造であって、増速機の出力軸が発電機の回転子に直接連結されることにより、フロート上に垂直に配置された増速機の上方に発電機が垂直に載置されている構造
Ｂ．定格電力が５〜１０ＫＷ程度の発電機（中型発電機）を使用する場合
一方側の回転軸がプラネタリキャリアに動力伝達機構を介して連結され、他方側の回転軸がリングギアに動力伝達機構を介して連結されており、プラネタリキャリアとリングギアを同軸上で相対的に逆回転させることで、プラネットギアからサンギアに伝達した駆動力を発電機に出力する構造であって、増速機の出力軸が発電機の回転子に動力伝達機構を介して連結されることにより、フロート上に垂直に配置された増速機の側方に発電機が垂直に設置されている構造
Ｃ．定格電力が１００〜２００ＫＷ程度の発電機（大型発電機）を使用する場合
一方側の回転軸がプラネタリキャリアに動力伝達機構とベベルギア機構を介して連結され、他方側の回転軸がリングギアに動力伝達機構とベベルギア機構を介して連結され、増速機の出力軸が発電機の回転子に動力伝達機構を介して連結されることにより、フロート上に水平に配置された増速機の側方に発電機が水平に設置されている構造
また、本発明の水力発電装置において、動力伝達機構を構成する駆動チェーン又は駆動ベルトの外周に、ギア軸が長孔内を摺動する緩み止めギアを当接させることで駆動チェーン又は駆動ベルトの張力を調整する張力調整機構が設けられていても良い。
また、本発明の水力発電装置において、ケーシングの取水口側に、取水口の開口端の面積を上流側から下流側に向かって徐々に減少させる水流増速部が設けられていると、取水口から取り込まれた水流がケーシング内で圧縮され、加速した水流が水路内を通過するようになるので好ましい。
また、本発明の水力発電装置において、ケーシングの排水口側に、排水口の開口端の面積を上流側から下流側に向かって徐々に増大させる乱流抑制部が設けられていると、ケーシング内の水路から流れ出る水が乱流抑制部で解放され、排水口よりも下流側の周辺部に発生する乱流が抑制されるので好ましい。
なお、水車の形状としては、クロスフロー型やタービンファン型を採用することができる。クロスフロー型とは、回転軸に固定した上下の円盤間の円周方向に湾曲板状の羽根を複数枚並べて配置して、羽根と回転軸の間に水が通り抜ける隙間を設けたものである。このクロスフロー型の水車によれば、水が羽根と回転軸の間の隙間を確実に通り抜け、隙間を通り抜けた水が後方側の羽根を再度押して回転力を付与するので、流速１〜２．５ｍ／ｓｅｃ程度の比較的流れの遅い水流に設置する場合に好適である。これに対して、タービンファン型とは、回転軸に固定した本体の外周に螺旋状の溝を形成したものである。このタービンファン型の水車は、水が通り抜ける隙間が無く、クロスフロー型の水車に比べて強度が高いので、流速２．５ｍ／ｓｅｃ以上の流れの速い水流に設置する場合に好適である。
本発明の水力発電装置によれば、水流を加速させて水の運動エネルギーを高めるとともに、高めた運動エネルギーによって互いに逆回転する水車の回転を利用して増速機の入力軸とギア本体を同軸上で相対的に逆回転させることにより、増速比を倍増させた駆動力を増速機の出力軸から発電機に出力するようにした。このため、速度の遅い水流に設置する場合であっても、発電量を多くするために増速機のギア比を大きくしたり発電機の極数を増やしたりしなくても済み、装置の小型化とコストダウンを図れ、発電機の発電効率を大幅に向上させることができるという効果が得られる。
以下、本発明を実施するための形態（第１〜３実施形態）について、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態の水力発電装置を図１〜１０に示す。図１は同装置の外観を示す斜視図、図２と図３は同装置の内部構造を示す断面図、図４は同装置の主要部を示す斜視図、図５は同装置の動作原理を示す正面図、図６は同装置における増速機の拡大図、図７は同装置の上面図、図８〜１０は同装置の部分断面図である。
図１に示すように、本実施形態の水力発電装置Ｐ１は、河川または工業用水路や農業用水路等の人工水路に浮かべて設置され、ほぼ水平方向に流れる水の移動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するフロート型の流水式発電装置である。この水力発電装置Ｐ１は、フロート１と、ケーシング２と、水車３と、回転軸４と、増速機５と、発電機６を備えて大略構成されている。以下、各部の構造について詳細に説明する。
フロート１は、中空構造体からなり、少なくとも増速機５と発電機６を水面より上に設置するためのものである。このフロート１は河川や用水路の川縁（陸上）に置かれた構造物に固定するか、あるいは水上に設置されている他の構造物に固定するための構成部品として設けられている。この水力発電装置Ｐ１によれば、水面に浮上させたフロート１を構造物に固定するだけの簡単な作業で設置が完了するので、極めて低コストで設置することが可能である。
ケーシング２は、例えばアクリル等のプラスチック板やステンレス等の金属板を略方形管状に成形したものであり、フロート１の底面に固定されている。このケーシング２は流れの生じている水中に沈めた状態で設置され、水流の上流側に開口した取水口２１から下流側に開口した排水口２２に向かって貫通した水路２３を有している。このようにフロート１の底面に固定したケーシング２に取水口２１を設けたことにより、河川や用水路の水深や水位の変動に影響されず、常に水面付近（水の移動エネルギーが最大となる位置）に流れる水を取水口２１から取り込むことができる。
図２に示すように、ケーシング２の取水口２１側には水流増速部２４が設けられている。この水流増速部２４は、取水口２１の開口端の面積が上流側から下流側に向かって徐々に減少するように、テーパ状の整流板をケーシング２の本体に一体成形したものであり、取水口２１から水路２３に到達するまでの過程で水の通過面積を狭めて圧縮し、ケーシング２内を圧力管状態にする。これにより、ベルヌーイの定理によって損失水頭（摩擦抵抗）を最小限に軽減し、取水口２１から取り込まれる水の流速Ｖ１を流速Ｖ２に増加させ、加速した水流が水路２３内を通過するようになっている。
ケーシング２の排水口２２側には乱流抑制部２５が設けられている。この乱流抑制部２５は、排水口２２の開口端の面積が上流側から下流側に向かって徐々に増大するように、テーパ状の整流板をケーシング２本体に一体成形したものである。ケーシング２内の水路２３を流れる水の流速は水流増速部２４によってケーシング２の本体の外側を流れる水の流速よりも大きくなるため、両者が排水口２２付近で直接合流すると速度差に起因して乱流が発生する場合がある。そこで、ケーシング２内の水路２３から流れ出る水を乱流抑制部２５で解放し、流速Ｖ２を流速Ｖ３に低下させつつスムーズに排水することによって、排水口２２よりも下流側の周辺部に発生する乱流を抑制し、発電流量を調整できるようになっている。
ケーシング２内の水路２３には一対の水車３（３Ａ，３Ｂ）が収容されている。本実施形態の水車３は垂直軸型の２軸構造であり、一対の水車３Ａ，３Ｂが水路２３の幅方向に所定間隔を空けて対向配置され、水路２３を通過する水流によって互いに逆回転するように構成されている。水車３を回転させるために、各々の水車３Ａ，３Ｂの中心部には回転軸４（４Ａ，４Ｂ）が固定されている。図３に示すように、回転軸４はケーシング２の水路２３内で水深方向（鉛直方向）に起立した姿勢で設けられており、上端部がフロート１の貫通孔１１を突き抜けて水面上に突出し、下端部がケーシング２の底面の軸受４１によって回転可能に支持されている。
本実施形態において、水車３の形状はクロスフロー型を採用している。図４に詳細に示すように、このクロスフロー型の水車３は、水の圧力を直接受けて回転する抗力型の一種であり、上下の円盤３１，３１を回転軸４に固定し、その円盤３１，３１間に複数枚の湾曲板状の羽根３２，３２，…を円盤３１の円周方向に等間隔で並べて配置して、羽根３２と回転軸４の間に水が通り抜ける隙間３３を設けたものである。これにより、両方の水車３Ａ，３Ｂは一対の回転軸４Ａ，４Ｂ間を通過する水の圧力を複数枚の羽根３２，３２，…の湾曲面３２ａで受けて回転する。また、図２において、水路２３の中心部を通過する最大流速の水流が両水車３Ａ，３Ｂの最も内側の羽根３２，３２の先端部に衝突することによって、左側に配置された水車３Ａは回転軸４Ｂを中心にして矢印Ｓ１方向に回転し、右側に配置された水車３Ｂは回転軸４Ｂを中心にして矢印Ｓ２方向に回転するようになっている。
また、水車３の回転効率を考慮して、ケーシング２には水流規制部２６が設けられている。この水流規制部２６は、ケーシング２の水路２３の幅方向において、回転軸４とケーシング２の間を流れる水流を規制するようにケーシング２の壁面を湾曲状に成形したものである。より詳しくは、クロスフロー型の水車３に逆方向の回転が生じないように、ケーシング２の内部に個々の水車３Ａ，３Ｂの外側半分を覆う湾曲壁（言い換えれば、水路２３内において両側の回転軸４Ａ，４Ｂよりも外側に位置する複数枚の羽根３２，３２，…を囲んだ形状の湾曲壁）が設けられている。このため、水路２３内を流れる水の進路が湾曲壁に沿って規制され、これにより一対の水車３Ａ，３Ｂが効率良く回転し、大きな回転力を得ることができる。
上記のようにして一対の水車３Ａ，３Ｂが回転すると、その回転力はそれぞれの回転軸４Ａ，４Ｂから増速機５を介して発電機６に伝達される。ここで、本実施形態の水力発電装置Ｐ１は、水流を加速させて水の運動エネルギーを高めるとともに、高めた運動エネルギーによって互いに逆回転する２軸構造の水車３Ａ，３Ｂの回転力を効果的に利用することにより、増速機５の増速比を高くして発電機６の発電効率を向上させたことが特徴である。そのための構造として、一対の回転軸４Ａ，４Ｂにそれぞれ別々に増速機５を連結するのではなく、図４に示すように一対の回転軸４Ａ，４Ｂを一個の増速機５に連結するようにした。
図５において、増速機５は、入力軸５１に入力された回転軸４Ａ，４Ｂの回転数を増加して発電機６の定格回転数に調整し、その回転数の駆動力を出力軸５２から出力して発電機６に伝達する機能を有する。より詳細に説明すると、図６に示すように、本実施形態の増速機５は遊星ギア機構からなり、中心に配置されたサンギア５３と、サンギア５３の外周を取り囲むように設けられたリングギア５４と、サンギア５３とリングギア５４の間に配置されてサンギア５３の外歯とリングギア５４の内歯の両方に噛み合う複数個のプラネットギア５５，５５，…と、プラネットギア５５，５５同士を連結する上下のプラネタリキャリア５６，５６を備えて構成されている。また、入力軸５１はプラネタリキャリア５６に接続され、出力軸５２はサンギア５３に接続されている。
図５に戻って回転軸４と増速機５との関係を見ると、左側の回転軸４Ａが入力軸５１に連結され、右側の回転軸４Ｂがリングギア５４に連結されている。その連結構造として、本実施形態ではスプロケットとチェーンからなる動力伝達機構７を採用しており、左側の回転軸４Ａに装着したスプロケット７１と増速機５の入力軸５１に装着したスプロケット７１に駆動チェーン７２を掛け回して連結し、右側の回転軸４Ｂに装着したスプロケット７１とリングギア５４の下端に設けたギア部５４ａに駆動チェーン７２を掛け回して連結してある。なお、スプロケット７１とチェーン７２による動力伝達機構７に代えて、図示しないプーリとベルトによる動力伝達機構を採用しても良い。
また、回転軸４の駆動力を増速機５に確実に伝達するために、図７〜１０に示すように、すべての駆動チェーン７２に対して張力調整機構８が設けられている。この張力調整機構８は、緩み止めギア８１と長孔８２で構成されており、緩み止めギア８１のギア軸８１ａが長孔８２に嵌められている。このため、ギア軸８１ａを長孔８２内で摺動させて緩み止めギア８１を駆動チェーン７２の外周に圧接することにより、駆動チェーン７２の張力調整を容易に行える。
さらに、図５において、増速機５の出力軸５２を発電機６の回転子６１に直接連結することにより、増速機５と発電機６が接続されている。本実施形態では、図１に示したように、増速機５をフロート１の上面に垂直に設置し、その上方に発電機６を垂直に載置した構造になっている。また、増速機５の上に発電機６を載置する関係から、本実施形態の発電機６（６Ａ）は、定格電力が２００〜５００Ｗ程度の小型のものを使用している。したがって、この水力発電装置Ｐ１は、増速機５と発電機６からなる発電部品が水面よりも上に設置されるので、製造コストを安価にでき、しかもこれらの部品のメンテナンスを簡単に行うことができる。
本実施形態の水力発電装置Ｐ１は以上のように構成されており、ケーシング２内の水路２３を水流が通過すると、一対の水車３Ａ，３Ｂがそれぞれの回転軸４Ａ，４Ｂを中心にして互いに逆回転する。ここで、図５と図６に示したように、左側の回転軸４Ａは矢印Ｓ１方向に回転するが、このとき駆動チェーン７２を介して増速機５の入力軸５１が同じ方向に回転し、その回転が入力軸５１からプラネタリキャリア５６に伝達する。また、このとき右側の回転軸４Ｂは逆に矢印Ｓ２方向に回転するが、その回転は駆動チェーン７２を介して増速機５のリングギア５４に伝達する。これにより、増速機５ではプラネタリキャリア５６とリングギア５４が同軸上で相対的に逆回転し、プラネットギア５５からサンギア５３に伝達した駆動力が出力軸５２から発電機６の回転子６１に出力される。
したがって、本実施形態の水力発電装置Ｐ１によれば、速度の遅い水流に設置した場合であっても、プラネタリキャリア５６とリングギア５４の相対的な逆回転によって、増速機５の増速比が倍増し、出力軸５２から発電機６の回転子６１に出力される駆動力が極めて大きくなる。よって、発電量を多くするために増速機５のギア比を大きくしたり発電機６の極数を増やしたりしなくても済み、装置の小型化とコストダウンを図れ、発電機６の発電効率を大幅に向上させることができる。
［第２実施形態］
第２実施形態の水力発電装置を図１１〜１６に示す。図１１は同装置の主要部を示す斜視図、図１２は同装置の動作原理を示す正面図、図１３は同装置の上面図、図１４〜１６は同装置の部分断面図である。なお、本実施形態において、図１〜１０で説明した第１実施形態の水力発電装置Ｐ１と同一の構成については同一の符号を付与し、その詳細な説明を省略する。
図１１に示すように、本実施形態の水力発電装置Ｐ２は、第１実施形態の水力発電装置Ｐ１で使用した小型の発電機６（６Ａ）に代えて、定格電力が５〜１０ＫＷ程度の中型の発電機６（６Ｂ）を使用したものである。中型の発電機６Ｂを使用する場合、その重量はおよそ１００ｋｇを超えるため、第１実施形態のように増速機５の上に発電機６Ｂを載置するとその荷重によって増速機５に負荷が掛かり、ギアが回転しないか場合によってはギアが潰れて故障してしまい、回転軸４（４Ａ，４Ｂ）の回転力を発電機６に伝達できなくなる。
そこで、本実施形態では発電機６Ｂを増速機５に対して新たな動力伝達機構７によって連結するようにした。すなわち、図１１〜１６に示すように、増速機５の出力軸５２と発電機６Ｂの回転子６１にそれぞれスプロケット７３を装着し、両スプロケット７３，７３に駆動チェーン７４を掛け回して連結してある。これにより、増速機５がフロート１の上面に垂直に設置され、その増速機５の側方に発電機６Ｂを垂直に縦置きした構造になっている。なお、その他の構造は第１実施形態の水力発電装置Ｐ１と同様である。
このように、本実施形態の水力発電装置Ｐ２によれば、発電機６Ｂを増速機５の上に載せずに増速機５の側方に配置したことにより、発電機６Ｂの重みで増速機５が故障することはなく、回転軸４（４Ａ，４Ｂ）の回転力が増速機５を介して発電機６Ｂに確実に伝達される。したがって、第１実施形態と同様に、互いに逆回転する回転軸４Ａ，４Ｂの回転を利用することで増速機５による増速比が倍増するので、発電機６Ｂの発電効率を向上させることができる。
［第３実施形態］
第３実施形態の水力発電装置を図１７〜２２に示す。図１７は同装置の主要部を示す斜視図、図１８と図１９は同装置の動作原理を示す正面図と側面図、図２０は同装置の上面図、図２１と図２２は同装置の部分断面図である。なお、本実施形態において、図１〜１０で説明した第１実施形態の水力発電装置Ｐ１と同一の構成については同一の符号を付与し、その詳細な説明を省略する。
図１７に示すように、本実施形態の水力発電装置Ｐ３は、第１実施形態の水力発電装置Ｐ１で使用した小型の発電機６（６Ａ）に代えて、定格電力が１００〜２００ＫＷ程度の大型の発電機６（６Ｃ）を使用したものである。このような大型の発電機６Ｃは、通常その重量が１ｔを超えるものであり、中型の発電機６Ｂと同じく増速機５の上に載置することは勿論不可能である。しかも大型の発電機６Ｃは回転子６１に入力される回転が極めて高速であり、その高速回転に対応するために直径を小さくして軸方向に長くした形態のものが多い。
そこで、本実施形態では増速機５を回転軸４（４Ａ，４Ｂ）に対して動力伝達機構７とベベルギア機構９で連結し、発電機６Ｃを増速機５に対して動力伝達機構７で連結することにより、発電機６Ｃを横置きにした。
より詳細には、図１７〜２２に示すように、左側の回転軸４Ａに装着したスプロケット７１とベベルギア機構９の入力軸９１に装着したスプロケット７１に駆動チェーン７２を掛け回し、増速機５の入力軸５１に装着したスプロケット７１とベベルギア機構９の出力軸９２に装着したスプロケット７１に駆動チェーン７２を掛け回す。これにより、左側の回転軸４Ａと増速機５の入力軸５１が、傘歯車同士を垂直方向に噛み合わせてなる主動ギア９３と従動ギア９４を介して連結されている。
また、右側の回転軸４Ｂに装着したスプロケット７１ともう一つのベベルギア機構９の入力軸９１に装着したスプロケット７１に駆動チェーン７２を掛け回し、リングギア５４の下端のギア部５４ａに駆動チェーン７２を掛け回す。これにより、右側の回転軸４Ｂと増速機５のリングギア５４が、傘歯車同士を垂直方向に噛み合わせてなる主動ギア９３と従動ギア９４を介して連結されている。
更に、増速機５の出力軸５２に装着したスプロケット７３と発電機６Ｃの回転子６１に装着したスプロケット７３に駆動チェーン７４を掛け回して連結してある。これにより、増速機５はフロート１の上面に水平に設置され、その増速機５の側方に発電機６Ｃが回転子６１を水平方向に向けて配置した構造になっている。なお、その他の構造は第１実施形態の水力発電装置Ｐ１と同様である。
このように、本実施形態の水力発電装置Ｐ３によれば、左側の回転軸４Ａが矢印Ｓ１方向に回転すると、駆動チェーン７２からベベルギア９の入力軸９１に伝達された垂直軸の回転が主動ギア９３と従動ギア９４を介して水平軸の回転に変換される。そして、ベベルギア９の出力軸９２の回転が駆動チェーン７２を介して増速機５の入力軸５１からプラネタリキャリア５６に伝達する。また、右側の回転軸４Ｂが矢印Ｓ２方向に回転すると、駆動チェーン７２からベベルギア９の入力軸９１に伝達された垂直軸の回転が主動ギア９３と従動ギア９４を介して水平軸の回転に変換される。そして、ベベルギア９の出力軸９２の回転が駆動チェーン７２を介して増速機５のリングギア５４に伝達する。
これにより、増速機５ではプラネタリキャリア５６とリングギア５４が同軸上で相対的に逆回転し、プラネットギア５５からサンギア５３に伝達した駆動力が出力軸５２から発電機６の回転子６１に出力される。したがって、第１実施形態と同様に、互いに逆回転する回転軸４Ａ，４Ｂの回転を利用することで増速機５による増速比が倍増するので、発電機６Ｃの発電効率を向上させることができる。
以上説明した実施形態では水車３の形状としてクロスフロー型を採用したが、これに代えて、図２３に示すようなタービンファン型を採用することもできる。このタービンファン型の水車３（３Ｃ，３Ｄ）は、全体としてレモンのような略球状の本体３４を有し、水の通り抜けを良くするために本体３４の外周に螺旋状の溝３５を形成したものである。
なお、上述したクロスフロー型の水車３（３Ａ，３Ｂ）は、水が羽根３２と回転軸４の間の隙間３３を確実に通り抜け、隙間３３を通り抜けた水が後方側の羽根３２の湾曲面３２ａを再度押して回転力を付与するので、流速１〜２．５ｍ／ｓｅｃ程度の比較的流れの遅い水流に設置する場合に好適である。これに対して、流速２．５ｍ／ｓｅｃ以上の流れの速い水流に設置する場合には、その速い流れに耐え得るように、水が通り抜ける隙間を無くして全体の強度を高めたタービンファン型の水車３（３Ｃ，３Ｄ）を使用するのが好ましい。
本発明の水力発電装置は、水平方向に流れる水の移動エネルギーを利用して効率的な発電エネルギーを得ることができるため、次のような様々な利用ケースとその効果が考えられる。
（１）工場排水路での利用ケース
自然エネルギーの利用による省エネ効果、ＣＯ２対策
安定した発電による買電利用効果
（２）農業用水路での利用ケース
電気を利用していなかった場所への独立電源
（３）水処理施設や発電所放流渠での利用ケース
水路を有効利用した新たな産業の創出や都市活性化
ＰＰＰ事業やＰＦＩ事業なども含め、既存施設を有効に活用した新しい事業の創出など
第１実施形態の水力発電装置の外観を示す斜視図である。 図１の水力発電装置の内部構造を示す横断面図である。 図１の水力発電装置の内部構造を示す縦断面図である。 図１の水力発電装置の主要部を示す斜視図である。 図１の水力発電装置の動作原理を模式的に示す正面図である。 図５の水力発電装置における増速機の拡大図である。 図５の上面図である。 図５のＡ−Ａ線断面図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 図５のＣ−Ｃ線断面図である。 第２実施形態の水力発電装置の主要部を示す斜視図である。 図１１の水力発電装置の動作原理を模式的に示す正面図である。 図１２の上面図である。 図１２のＡ−Ａ線断面図である。 図１２のＢ−Ｂ線断面図である。 図１２のＣ−Ｃ線断面図である。 第３実施形態の水力発電装置の主要部を示す斜視図である。 図１７の水力発電装置の動作原理を模式的に示す正面図である。 図１７の水力発電装置の動作原理を模式的に示す側面図である。 図１８の上面図である。 図１８のＡ−Ａ線断面図である。 図１８のＢ−Ｂ線断面図である。 水力発電装置における水車の変形例を示す縦断面図である。
Ｐ１…第１実施形態の水力発電装置
Ｐ２…第２実施形態の水力発電装置
Ｐ３…第３実施形態の水力発電装置
１…フロート
１１…貫通孔
２…ケーシング
２１…取水口
２２…排水口
２３…水路
２４…水流増速部
２５…乱流抑制部
２６…水流規制部
３…水車
３１…円盤
３２…羽根
３３…隙間
３４…本体
３５…溝
４…回転軸
４１…軸受
５…増速機
５１…入力軸
５２…出力軸
５３…サンギア
５４…リングギア
５５…プラネットギア
５６…プラネタリキャリア
６…発電機
６１…回転子
７…動力伝達機構
７１…スプロケット
７２…駆動チェーン
７３…スプロケット
７４…駆動チェーン
８…張力調整機構
８１…緩み止めギア
８２…長孔
９…ベベルギア機構
９１…入力軸
９２…出力軸
９３…主動ギア
９４…従動ギア
上記の目的を達成するため、本発明は、水平方向に流れる水流を利用して発電する水力発電装置であって、水面に浮上させるフロートと、フロートの底面に設けられ、水中に沈めた状態で上流側の取水口から下流側の排水口に向かって貫通した水路を有するケーシングと、ケーシングの水路内に流れる水流を水路の中心部に向けて規制する水流規制部と、ケーシングの水路の幅方向に間隔を空けて対向配置され、水路の中心部を通過する最大流速の水流の圧力を各々の羽根の先端部で直接受けて互いに逆回転する一対の抗力型の水車と、水深方向に起立した姿勢で各水車の回転中心に固定され、上端部がフロートを介して水面上に突出する一対の回転軸と、回転軸に連結され、入力された回転軸の回転を増速して出力する増速機と、フロートの上面に設置され、増速機を介して出力された駆動力によって発電する発電機と、を備え、増速機が遊星ギア機構からなり、リングギアの下端に設けたギア部に対して動力伝達機構を介して一方側の回転軸が連結され、プラネタリキャリアに接続されギア部より外方に突出した入力軸に対して動力伝達機構を介して他方側の回転軸が連結されており、リングギアとプラネタリキャリアを同軸上で相対的に逆回転させることにより、プラネットギアからサンギアに伝達した駆動力を増速機の出力軸から発電機に出力することを特徴とする。
本発明の水力発電装置において、増速機には遊星ギア機構を採用している。遊星ギア機構は、中心に配置されたサンギアと、サンギアの外周を取り囲むように設けられたリングギアと、サンギアとリングギアの間に配置されてサンギアの外歯とリングギアの内歯の両方に噛み合う複数個のプラネットギアと、プラネットギア同士を連結するプラネタリキャリアを備えて構成される。ここで、増速機に遊星ギア機構を採用した場合、回転軸と増速機と発電機の連結構造としては次のような構造が考えられる。
Ａ．定格電力が２００〜５００Ｗ程度の発電機（小型発電機）を使用する場合
増速機の出力軸が発電機の回転子に直接連結されることにより、フロート上に垂直に配置された増速機の上方に発電機が垂直に載置されている構造
Ｂ．定格電力が５〜１０ＫＷ程度の発電機（中型発電機）を使用する場合
増速機の出力軸が発電機の回転子に動力伝達機構を介して連結されることにより、フロート上に垂直に配置された増速機の側方に発電機が垂直に設置されている構造
Ｃ．定格電力が１００〜２００ＫＷ程度の発電機（大型発電機）を使用する場合
一方側の回転軸が動力伝達機構とベベルギア機構を介してギア部に連結され、他方側の回転軸が動力伝達機構とベベルギア機構を介して入力軸に連結され、増速機の出力軸が発電機の回転子に動力伝達機構を介して連結されることにより、フロート上に水平に配置された増速機の側方に発電機が水平に設置されている構造

Claims (10)

  1. 水平方向に流れる水流を利用して発電する水力発電装置であって、
    水面に浮上させるフロートと、
    フロートの底面に設けられ、水中に沈めた状態で上流側の取水口から下流側の排水口に向かって貫通した水路を有するケーシングと、
    ケーシングの水路の幅方向に間隔を空けて対向配置され、水路の中心部を通過する水流によって互いに逆回転する一対の水車と、
    水深方向に起立した姿勢で各水車の回転中心に固定され、上端部がフロートを介して水面上に突出する一対の回転軸と、
    回転軸に連結され、入力された回転軸の回転を増速して出力する増速機と、
    フロートの上面に設置され、増速機を介して出力された駆動力によって発電する発電機と、を備え、
    一方側の回転軸が増速機の入力軸に連結され、他方側の回転軸が増速機のギア本体に連結されており、増速機の入力軸とギア本体を同軸上で相対的に逆回転させることにより、増速比を倍増させた駆動力を増速機の出力軸から発電機に出力するようにしたことを特徴とする水力発電装置。
  2. 増速機が遊星ギア機構からなり、一方側の回転軸がプラネタリキャリアに動力伝達機構を介して連結され、他方側の回転軸がリングギアに動力伝達機構を介して連結されており、プラネタリキャリアとリングギアを同軸上で相対的に逆回転させることで、プラネットギアからサンギアに伝達した駆動力を発電機に出力することを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
  3. 増速機の出力軸が発電機の回転子に直接連結されることにより、フロート上に垂直に配置された増速機の上方に発電機が垂直に載置されていることを特徴とする請求項２に記載の水力発電装置。
  4. 増速機の出力軸が発電機の回転子に動力伝達機構を介して連結されることにより、フロート上に垂直に配置された増速機の側方に発電機が垂直に設置されていることを特徴とする請求項２に記載の水力発電装置。
  5. 増速機が遊星ギア機構からなり、一方側の回転軸がプラネタリキャリアに動力伝達機構とベベルギア機構を介して連結され、他方側の回転軸がリングギアに動力伝達機構とベベルギア機構を介して連結され、増速機の出力軸が発電機の回転子に動力伝達機構を介して連結されることにより、フロート上に水平に配置された増速機の側方に発電機が水平に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
  6. 動力伝達機構を構成する駆動チェーン又は駆動ベルトの外周に、ギア軸が長孔内を摺動する緩み止めギアを当接させることで駆動チェーン又は駆動ベルトの張力を調整する張力調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水力発電装置。
  7. ケーシングの取水口側に、取水口の開口端の面積を上流側から下流側に向かって徐々に減少させる水流増速部が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水力発電装置。
  8. ケーシングの排水口側に、排水口の開口端の面積を上流側から下流側に向かって徐々に増大させる乱流抑制部が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水力発電装置。
  9. 水車の形状が、クロスフロー型であり、回転軸に固定した上下の円盤間の円周方向に湾曲板状の羽根を複数枚並べて配置して、羽根と回転軸の間に水が通り抜ける隙間を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の水力発電装置。
  10. 水車の形状が、タービンファン型であり、回転軸に固定した本体の外周に螺旋状の溝を形成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の水力発電装置。
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