JP2024048515A - Power generation device and power generation method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydraulic generating device which converts energy of a liquid flowing in a pipe into electric power efficiently.
SOLUTION: A power generating device includes: a first water turbine 402a and a second water turbine 402b which are rotated by a dropping liquid; a guide mechanism 401 which guides the liquid to a space between a first rotary shaft 4021a of the first water turbine and a second rotary shaft 4021b of the second water turbine and causes the liquid to drop toward the first water turbine and the second water turbine; and a power generator 404 which generates power through rotation of the first water turbine and the second water turbine.
SELECTED DRAWING: Figure 4
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本発明は、発電装置および発電方法に関し、特に、配管内を流れる液体を利用して発電を行う発電装置および発電方法に関する。 The present invention relates to a power generation device and a power generation method, and in particular to a power generation device and a power generation method that generate electricity by using a liquid flowing inside a pipe.

近年、二酸化炭素の排出量を低減することが課題となっており、自然エネルギーを利用した再生可能エネルギーの利用が注目されている。特に、雨の多い日本では、比較的安定した電力を供給可能な水力発電は脱炭素化社会の実現には必要不可欠と考えられている。 In recent years, reducing carbon dioxide emissions has become an issue, and the use of renewable energy that utilizes natural energy has been attracting attention. In particular, in Japan, where there is a lot of rain, hydroelectric power generation, which can provide a relatively stable supply of electricity, is considered essential to realizing a decarbonized society.

水力発電は、ダムなどに大量の水を貯水し、大量の水と落差を利用して発電を行うものが一般的である。また、近年は河川や水路を流れる水を利用した、10,000KW以下の小水力発電が注目を浴びている。小水力発電の割合を拡大するためには、エネルギーの地産地消による効率的なインフラが整備されることが望まれる。 Hydroelectric power generation generally involves storing large amounts of water in dams and other structures, and using this large amount of water and the difference in elevation to generate electricity. In recent years, small-scale hydroelectric power generation of less than 10,000 kW, which uses water flowing through rivers and waterways, has been attracting attention. In order to increase the proportion of small-scale hydroelectric power generation, it is desirable to develop an efficient infrastructure that allows for local production and consumption of energy.

このような小水力発電システムの設置場所として、河川や水路の流水以外に、下水や工業廃水などを利用することが考えられる。このような排水は大量の水が扱われるが、これまでは再生エネルギーの発電に利用されることが無かった。 In addition to flowing water from rivers and waterways, sewage and industrial wastewater could be used as locations for installing such small hydroelectric power generation systems. This type of wastewater involves handling large amounts of water, but until now it has not been used to generate renewable energy.

小水力発電を効率的に行うための水力発電装置の一例として特許文献1が開示されている。特許文献1では、上下略一列に配置した交互に回転方向が異なる複数の水車と、各水車の上位から下位に至る円弧状の外周を受圧領域として連結してなる蛇行水路と、複数の水車の回転軸から回転力を取り出し出力する動力伝達手段を備えることで水車を小規模化しつつも発電効率を高めている。 Patent Document 1 discloses an example of a hydroelectric power generation device for efficient small-scale hydroelectric power generation. In this device, the turbines are arranged in a vertical line with alternating directions of rotation, and a meandering waterway is connected by an arc-shaped outer periphery from the upper to lower part of each turbine as a pressure-receiving area, and a power transmission means is provided to extract and output torque from the rotating shafts of the multiple turbines, thereby increasing the power generation efficiency while reducing the size of the turbines.

特開2013-170512号公報JP 2013-170512 A

しかしながら、前述の水力発電装置においては、河川における使用を想定しており、ある程度の水量を必要とするものである。また、下段の水車になるほど効率が低下していく傾向があり、落差を十分に活かした構成にはなっていない。また、配管などに設置して利用することは考慮されていない。 However, the hydroelectric power generation device mentioned above is designed for use in rivers and requires a certain amount of water. In addition, the efficiency tends to decrease as you go down the turbine, and the device is not designed to fully utilize the difference in head. In addition, no consideration has been given to installing it in pipes, etc.

本発明は上記課題に着眼しなされたものであり、ビル循環水や工業用水などが還流する配管などに設置し、落差を有効に利用して発電効率を高めた発電装置および発電方法を提供することを目的とする。 The present invention has been developed with the above-mentioned problem in mind, and aims to provide a power generation device and a power generation method that can be installed in piping where building circulating water or industrial water returns, and that effectively utilizes the difference in head to improve power generation efficiency.

上記課題を解決する為に本発明の水力発電装置は、落下する液体により回転する第1の水車および第2の水車と、前記第1の水車および前記第2の水車に対して前記第1の水車の第1の回転軸と前記第2の水車の第2の回転軸との間に前記液体を誘導し落下させるガイド機構と、前記第1の水車および前記第2の水車の回転により発電する発電機と、を具備することを特徴とする。 To solve the above problems, the hydroelectric power generation device of the present invention is characterized by comprising a first water turbine and a second water turbine that are rotated by falling liquid, a guide mechanism that guides the liquid between the first rotating shaft of the first water turbine and the second rotating shaft of the second water turbine and causes the liquid to fall between the first rotating shaft of the first water turbine and the second rotating shaft of the second water turbine, and a generator that generates electricity by the rotation of the first water turbine and the second water turbine.

さらに前記態様に加えて、前記第1の回転軸と第2の回転軸とは、平行であり、前記第1の回転軸と前記第2の回転軸とは、前記液体の落下方向に対して垂直であり、前記第1の回転軸と前記第2の回転軸との高低差は、前記第1の水車に備えられる複数の羽根の前記第1の水車の外周部における間隔よりも短く、前記第1の回転軸と前記第2の回転軸との前記高低差は、前記第2の水車に備えられる複数の羽根の前記第2の水車の外周部における間隔よりも短いことを特徴とする。 Furthermore, in addition to the above-mentioned aspect, the first rotation axis and the second rotation axis are parallel, the first rotation axis and the second rotation axis are perpendicular to the direction in which the liquid falls, the height difference between the first rotation axis and the second rotation axis is shorter than the distance between the multiple blades provided on the first water turbine at the outer periphery of the first water turbine, and the height difference between the first rotation axis and the second rotation axis is shorter than the distance between the multiple blades provided on the second water turbine at the outer periphery of the second water turbine.

さらに前記態様に加えて、前記第1の回転軸と前記第2の回転軸とは平行であり、前記第1の回転軸と前記第2の回転軸とは、前記液体の落下方向に対して垂直で、かつ、同じ高さに配置されることを特徴とする。 Furthermore, in addition to the above aspect, the first rotation axis and the second rotation axis are parallel, the first rotation axis and the second rotation axis are perpendicular to the falling direction of the liquid, and are arranged at the same height.

さらに前記態様に加えて、前記第1の水車は前記液体を受けるための第1の羽根を備え、前記第2の水車は前記液体を受けるための第2の羽根を備え、前記第1の羽根の前記液体を受ける第1の面は、前記第1の水車の半径方向に対して回転方向に傾斜しており、前記第2の羽根の前記液体を受ける第2の面は、前記第2の水車の半径方向に対して回転方向に傾斜していることを特徴とする。 Furthermore, in addition to the above-mentioned aspect, the first water turbine has a first blade for receiving the liquid, the second water turbine has a second blade for receiving the liquid, the first surface of the first blade for receiving the liquid is inclined in the rotational direction relative to the radial direction of the first water turbine, and the second surface of the second blade for receiving the liquid is inclined in the rotational direction relative to the radial direction of the second water turbine.

さらに前態様に加えて、前記第1の水車の外周部と前記第2の水車の外周部との間隔は、前記ガイド機構の水車側開口部の幅に対して1%以上の幅を有することを特徴とする。 Furthermore, in addition to the above aspect, the distance between the outer periphery of the first water wheel and the outer periphery of the second water wheel is 1% or more of the width of the water wheel side opening of the guide mechanism.

さらに前記態様に加えて、前記発電機に使用するモータは、コアレス構造のモータであり、前記モータのローターに配置される永久磁石は、ハルバッハ配列である、ことを特徴とする。 Furthermore, in addition to the above-mentioned aspect, the motor used in the generator is a motor with a coreless structure, and the permanent magnets arranged on the rotor of the motor are in a Halbach array.

さらに前記発電装置を垂直に配管されたパイプに設置し、前記パイプの上から下に前記液体を流し、前記発電装置により発電を行う発電方法である。 Furthermore, the power generation device is installed in a vertically arranged pipe, the liquid is caused to flow from the top to the bottom of the pipe, and electricity is generated by the power generation device.

本発明によれば、配管を流れる液体を用いて効率的に発電することができる。 According to the present invention, electricity can be generated efficiently using the liquid flowing through the pipes.

本発明の発電装置の設置状態の一例を示した図。FIG. 2 is a diagram showing an example of an installation state of a power generating device according to the present invention. 第1実施形態の発電装置の外形図(側面視)の一例。FIG. 2 is an example of an outline view (side view) of the power generating device according to the first embodiment. 第1実施形態の発電装置の外形図(上面視)の一例。FIG. 2 is an example of an outline view (top view) of the power generating device according to the first embodiment. 第1実施形態の発電装置の機能の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the functional configuration of the power generation device according to the first embodiment. 本発明の発電装置の水車の外形の一例を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an example of the external shape of a water turbine of the power generating device of the present invention. 本発明の発電装置の水車の羽根の取り付けの一例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an example of mounting blades of a water turbine of a power generating device according to the present invention. 水車の羽根に落下する液体が当たった場合に生じる力を説明するための図。A diagram to explain the forces that occur when falling liquid hits the blades of a water turbine. 水車の羽根を押す力が回転力になることを説明するための図。A diagram to explain how the force pushing against the blades of a water turbine becomes a rotational force. 水車取り付け位置の間隔を説明するための図。FIG. 13 is a diagram for explaining the spacing between the water turbine mounting positions. 水車に高低差を付けた場合の効果を示す図。A diagram showing the effect of creating a height difference in a water turbine. 第2実施形態の機能の構成を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram showing the functional configuration of a second embodiment.

<各実施形態共通:概要>
本発明の発電装置は、縦方向に設置された配管(垂直でなくてもよい)に設置し、配管内を流れる水などの液体の落下エネルギーを効率的に再生し発電を行う。
<Common to each embodiment: Overview>
The power generation device of the present invention is installed in a pipe installed in a vertical direction (it does not have to be vertical), and generates power by efficiently recovering the falling energy of a liquid such as water flowing inside the pipe.

発電装置は、配管内を落下する液体を2つの水車(第1の水車および第2の水車)で受け、その回転を利用して発電機に備えられているモータで発電を行う。液体は互いに向かい合う2つの水車の間を通過する。2つの水車は互いに異なる方向へ回転する。 The power generation device receives the liquid falling inside the pipes with two water wheels (a first water wheel and a second water wheel), and uses the rotation to generate electricity with a motor installed in the generator. The liquid passes between the two water wheels facing each other. The two water wheels rotate in different directions.

本発明において、液体は、例えば、水、薬液、又は、排水などでもよい。本発明においては、液体が上から下へ落下する場合のエネルギーを電力に変換する場合を例として説明するが、液体の移動方向は上から下への落下に限定されず、水車を回転させることが可能であればよい。 In the present invention, the liquid may be, for example, water, a chemical solution, or wastewater. In the present invention, an example is described in which the energy of a liquid falling from top to bottom is converted into electricity, but the direction of movement of the liquid is not limited to falling from top to bottom, and it is sufficient if it is possible to rotate a water wheel.

<各実施形態共通:設置状態>
図1は、本発明の発電装置が配管に設置されている状態の一例を示している。
<Common to each embodiment: Installation state>
FIG. 1 shows an example of a state in which a power generating device of the present invention is installed on a pipe.

本発明の発電装置101は、主パイプ102の上側と下側との間に設置されている。発電装置101の横には、副経路として副パイプ104が設けられており、バルブ103を経由して発電装置101を迂回するように接続されている。 The power generation device 101 of the present invention is installed between the upper and lower sides of the main pipe 102. A secondary pipe 104 is provided next to the power generation device 101 as a secondary route, and is connected to bypass the power generation device 101 via a valve 103.

通常使用時は、バルブ103は発電装置101側に設定され、発電装置101に液体を流すようにして発電を行うが、メンテナンス時は、バルブ103を切り替えて副経路に液体が流れるようにして行うようにしてもよい。 During normal use, the valve 103 is set on the power generation device 101 side, and power is generated by flowing liquid through the power generation device 101, but during maintenance, the valve 103 can be switched to allow liquid to flow through the secondary path.

図1のような副経路は必ずしも設ける必要はなく、メンテナンス時に水流を止められるようになっていればよいが、副経路を設けた方が、発電装置101を設置したシステムの稼働を停止することなくメンテナンスが行える利点がある。 It is not necessary to provide a secondary path like that shown in Figure 1, as long as the water flow can be stopped during maintenance, but providing a secondary path has the advantage that maintenance can be performed without stopping the operation of the system in which the power generation device 101 is installed.

発電装置101は例えば垂直に配管されたパイプに設置され、パイプの上から下に液体が流されることで、発電を行う。 The power generation device 101 is installed, for example, in a vertically arranged pipe, and electricity is generated by flowing liquid from the top to the bottom of the pipe.

なお、発電装置101は、主パイプ102直下に設置されることが望ましく、副パイプ104など迂回した経路に設置しない方が望ましい。これは、本発明の発電装置101が液体の落下エネルギーを利用するため、落下エネルギーに損失がないように設置されることが望ましいためである。 The power generation device 101 is preferably installed directly below the main pipe 102, and is preferably not installed on a detouring route such as the secondary pipe 104. This is because the power generation device 101 of the present invention utilizes the falling energy of the liquid, and it is therefore desirable to install it in a way that does not cause loss of the falling energy.

<第1実施形態共通:外形(側面視)>
図2は、第1実施形態の発電装置101を側面から見た図であり、各部を確認できるように、外装を透過で記載している。ガイド機構201は、主パイプ102内を落下してくる液体を水車202a、202bの羽根に誘導するための機構である。水車202aおよび202bは、ガイド機構201を介して落下してくる液体の落下エネルギーにより回転する。
<Common to the first embodiment: Outer shape (side view)>
2 is a side view of the power generation device 101 of the first embodiment, with the exterior shown in a see-through manner so that each part can be identified. The guide mechanism 201 is a mechanism for guiding the liquid falling inside the main pipe 102 to the blades of the water turbines 202a and 202b. The water turbines 202a and 202b rotate due to the falling energy of the liquid falling through the guide mechanism 201.

<第1実施形態共通:外形(上面視)>
図3は、第1実施形態の発電装置101を真上から見た図であり、内部を主パイプ102及び外装を透過で記載している。ガイド機構301が設置され、その開口部から水車302aと302bの羽根が見えている。モータ303aおよび303bは、水車302a、302bの回転により回転し、電力を発生する。破線304で示す円は、主パイプ102の径を示しており、この範囲から液体が落下してくることを意味している。
<Common to the first embodiment: Outer shape (top view)>
3 is a top view of the power generation device 101 of the first embodiment, with the main pipe 102 and exterior shown in transparent form. A guide mechanism 301 is installed, and the blades of the water wheels 302a and 302b can be seen through its opening. The motors 303a and 303b rotate with the rotation of the water wheels 302a and 302b, generating electricity. The circle indicated by the dashed line 304 indicates the diameter of the main pipe 102, and means that the liquid falls from this range.

<第1実施形態:構成>
図4は、第1実施形態の発電装置101の機能の構成を示すブロック図である。
First embodiment: configuration
FIG. 4 is a block diagram showing the functional configuration of the power generation device 101 according to the first embodiment.

第1実施形態の発電装置101は、ガイド機構401と、水車402aおよび402bと、増速器403aおよび403bと、発電機404aおよび404bと、変換器405を有している。水車402aは、回転軸4021aに、水車402bは、回転軸4021bに回転可能に設置されている。増幅器403aおよび発電機404aは水車402aに対応する。増幅器403bおよび発電機404bは水車402bに対応する。発電機404aは、上記図3のモータ303aを備える。発電機404bは、上記図3のモータ303bを備える。 The power generation device 101 of the first embodiment has a guide mechanism 401, water turbines 402a and 402b, speed increasers 403a and 403b, generators 404a and 404b, and a converter 405. The water turbine 402a is rotatably mounted on the rotating shaft 4021a, and the water turbine 402b is rotatably mounted on the rotating shaft 4021b. The amplifier 403a and the generator 404a correspond to the water turbine 402a. The amplifier 403b and the generator 404b correspond to the water turbine 402b. The generator 404a is equipped with the motor 303a in FIG. 3 above. The generator 404b is equipped with the motor 303b in FIG. 3 above.

<第1実施形態:構成:ガイド機構>
ガイド機構401は、主パイプ102内を落下してくる液体を、水車402aおよび402bが効率的に回転する位置に誘導するための機構である。
First embodiment: configuration: guide mechanism
The guide mechanism 401 is a mechanism for guiding the liquid falling inside the main pipe 102 to a position where the water wheels 402a and 402b rotate efficiently.

ガイド機構401の傾斜は、落下方向に対してなるべく緩い傾斜であることが望ましい。これは、落下する液体がガイド機構401の傾斜面に当たると落下エネルギーが失われて効率が低下するためである。この時傾斜が緩ければ失われるエネルギーも少なくなり、損失を抑えることができる。 It is desirable that the inclination of the guide mechanism 401 be as gentle as possible with respect to the direction of fall. This is because when the falling liquid hits the inclined surface of the guide mechanism 401, the falling energy is lost and efficiency decreases. In this case, if the inclination is gentle, less energy is lost and losses can be suppressed.

ここで、一般的な水力発電で得られるエネルギーについて説明する。 Here, we will explain the energy that can be obtained from typical hydroelectric power generation.

水力発電の出力P(kW)は以下の式で求められる。 Hydroelectric power output P (kW) can be calculated using the following formula:

Figure 2024048515000002
Figure 2024048515000002

一般的な水力発電機では、ηは水車効率で0.75~0.9、ηは発電機効率で0.82~0.92程度である。 In a typical hydroelectric generator, η t is the turbine efficiency, which is about 0.75 to 0.9, and η g is the generator efficiency, which is about 0.82 to 0.92.

Qは使用水量(m3/S)、Hは有効落差(m)である。 Q is the amount of water used (m3/S) and H e is the effective head (m).

上式からも解るように、水力発電機の出力は、有効落差が大きく影響する。有効落差は、実際の液体が落下する総落差に対して流路での損失が減算される。このため、流路での損失をなるべく少なくし、水車に対して直接落下するように構成することが望ましい。 As can be seen from the above formula, the output of a hydroelectric generator is greatly affected by the effective head. The effective head is the total head through which the actual liquid falls minus the losses in the flow path. For this reason, it is desirable to minimize losses in the flow path and configure the liquid to fall directly onto the turbine.

従って、本発明の発電装置101では落下するエネルギーを効率的に再生することを目的としており、なるべく流路での損失が抑えられるよう、ガイド機構401の傾斜角は落下方向に対して緩やかになるように構成することが望ましい。 The power generation device 101 of the present invention therefore aims to efficiently regenerate the falling energy, and it is desirable to configure the inclination angle of the guide mechanism 401 to be gentle with respect to the falling direction so as to minimize loss in the flow path.

<第1実施形態:構成 水車>
水車402aおよび402bは、複数の羽根を持ち、落下してくる液体を羽根で受けて、落下エネルギーを回転力に変換する。
<First embodiment: Water turbine>
The water wheels 402a and 402b have a plurality of blades, which receive the falling liquid and convert the falling energy into rotational force.

図5は、水車402a、402bの外形図であり、円筒形状である。水車402a、402bは、回転軸501と、側板503、複数の羽根502と、で構成される。回転軸に対して、側板が固定され、両側の側板に羽根が固定された構造となっている。羽根502は、回転軸方向に対して傾きを持って設置されており、傾きは固定であっても可変であっても構わない。可変とする場合は、回転速度に応じて最も効率的な傾きになるように制御すればよい。 Figure 5 shows the outline of the water wheels 402a and 402b, which are cylindrical in shape. The water wheels 402a and 402b are composed of a rotating shaft 501, a side plate 503, and multiple blades 502. The side plates are fixed to the rotating shaft, and the blades are fixed to the side plates on both sides. The blades 502 are installed with an inclination relative to the direction of the rotating shaft, and the inclination can be fixed or variable. If it is variable, it can be controlled so that the inclination is most efficient depending on the rotation speed.

<第1実施形態:構成 水車 羽根の取り付け角度>
図6は水車402a、402bの一部を拡大した図であり、側板503に対する羽根602の設置を示す図である。水車402a、402bには、水車402a、402bの外周部において図示Bの幅で等間隔に複数の羽根602が取り付けられている。
<First embodiment: configuration water turbine blade installation angle>
6 is an enlarged view of a portion of the water wheels 402a, 402b, and shows the installation of the blades 602 on the side plate 503. A plurality of blades 602 are attached to the water wheels 402a, 402b at equal intervals with a width of B shown in the figure on the outer periphery of the water wheels 402a, 402b.

水車402a、402bに備えられる羽根602における液体を受ける面は、回転軸601から外周へ向かう半径方向を示す破線603に対してθ°の傾きをもって回転方向に傾斜するように、設置されている。矢印605で示す落下する液体(水流)が羽根602に当たり、この衝突エネルギーにより矢印604で示す方向に水車402a、402bが回転する。 The surfaces of the blades 602 on the water wheels 402a and 402b that receive the liquid are set so as to be inclined in the direction of rotation at an inclination of θ° with respect to the dashed line 603, which indicates the radial direction from the rotation axis 601 toward the outer periphery. The falling liquid (water flow) indicated by the arrow 605 hits the blades 602, and the collision energy causes the water wheels 402a and 402b to rotate in the direction indicated by the arrow 604.

羽根602は、液体の落下エネルギーを効率よく回転に変換するために、水平に近い角度で液体を受けるように傾けられている。さらに液体は、羽根602に当たった後、水車402a、402bの外周方向に排出されるように傾きを調整されることが望ましい。これは、液体が水車402a、402bの内周側に落ちた場合、水車402a、402bの回転に対する損失になる可能性があるためである。 The blades 602 are inclined to receive the liquid at an angle close to horizontal in order to efficiently convert the falling energy of the liquid into rotation. Furthermore, it is desirable to adjust the inclination so that the liquid is discharged toward the outer periphery of the water wheels 402a, 402b after hitting the blades 602. This is because if the liquid falls on the inner periphery of the water wheels 402a, 402b, it may result in a loss of rotation of the water wheels 402a, 402b.

なお、羽根602は図示破線で示すように、湾曲を持った構造としてもよい。これは、回転により羽根602の位置が変わったとしても、液体をなるべく垂直近い角度で受けられるようにするためである。 The blades 602 may be curved as shown by the dashed lines. This is to ensure that the liquid is received at an angle as close to vertical as possible even if the position of the blades 602 changes due to rotation.

<第1実施形態:水車の回転力に関する説明>
ここで、本発明の発電装置101の水車402a、402bの回転力の考え方について説明しておく。
<First embodiment: explanation of the rotational force of the water turbine>
Here, the concept of the rotational forces of the water turbines 402a, 402b of the power generating device 101 of the present invention will be explained.

本発明の発電装置101では落下してくる液体を直接水車402a、402bの羽根602に当て、その衝撃力が主な回転力となる。従って、液体が当たる際の羽根602の角度が重要になる。 In the power generation device 101 of the present invention, the falling liquid hits the blades 602 of the water wheels 402a and 402b directly, and the impact force becomes the main rotational force. Therefore, the angle of the blades 602 when the liquid hits them is important.

液体が落下して水車402a、402bの羽根602に与える衝撃力は、以下の式で求めることができる。 The impact force exerted by the falling liquid on the blades 602 of the water wheels 402a and 402b can be calculated using the following formula:

Figure 2024048515000003
Figure 2024048515000003

この時、vは液体の落下速度が水車402a、402bの羽根602に当たることで減速した速度であり、Δtはその減速に要した時間である。mは液体の比重と流量から求まり、比重が大きいほどエネルギーが大きくなる。従って、液体が水の場合よりも、海水の場合のほうが大きなエネルギーが得られる。 At this time, v is the speed at which the liquid falls as it hits the blades 602 of the water wheels 402a and 402b, and Δt is the time it takes for the liquid to slow down. m is calculated from the specific gravity and flow rate of the liquid, and the higher the specific gravity, the greater the energy. Therefore, more energy can be obtained when the liquid is seawater than when it is water.

落下速度vは、水車402a、402bの羽根602に当たる際の速度であり、有効落差Heから求められる。 The falling velocity v is the velocity at which the water hits the blades 602 of the water turbines 402a and 402b, and is calculated from the effective head H e .

水車402a、402bが回転している場合はその速度を差し引いた落下速度vとする必要がある。 If the water wheels 402a and 402b are rotating, their speed must be subtracted from the falling velocity v.

図7は、羽根602に液体(水流)が当たった場合の羽根602に生じる力を示している。 Figure 7 shows the force acting on the blade 602 when liquid (water flow) hits the blade 602.

羽根602が水平に対して傾いている場合、落下エネルギーFは、羽根602を押す力Feと、羽根602の面方向に働く力Flとに分けられ、Flは損失となる。羽根602の水平に対する傾きをθaとした場合、羽根602を押す力Feは、以下の式で求められる。 When the blade 602 is inclined relative to the horizontal, the falling energy F is divided into a force Fe that pushes the blade 602 and a force Fl that acts in the surface direction of the blade 602, and Fl is a loss. If the inclination of the blade 602 relative to the horizontal is θa, the force Fe that pushes the blade 602 can be calculated using the following formula.

Figure 2024048515000004
Figure 2024048515000004

このことから、羽根602が水平の状態で水が当たる場合に水車402a、402bの羽根602が受ける力は最大となり、傾きが大きくなるほど損失が大きくなることがわかる。 This shows that the force that the blades 602 of the water wheels 402a and 402b receive is maximum when the blades 602 are horizontal and water hits them, and the greater the inclination, the greater the loss.

図8は、羽根602を押す力が回転力に変換される状態を示している。 Figure 8 shows how the force pushing the blade 602 is converted into a rotational force.

羽根602を押す力Feは、回転軸方向との傾きから、回転軸方向に働く力Fcと、その直交方向に働く力、すなわち回転力Ftとに分力される。 The force Fe pushing the blade 602 is divided into a force Fc acting in the direction of the rotation axis and a force acting perpendicular to the direction of the rotation axis, i.e., a rotational force Ft, due to the inclination of the force Fe with respect to the direction of the rotation axis.

回転軸方向に働く力Fcは損失となるが、Ftは以下の式で求められる。 The force Fc acting in the direction of the rotation axis is a loss, but Ft can be calculated using the following formula.

Figure 2024048515000005
Figure 2024048515000005

よって、液体が羽根602に当たる位置と回転軸の距離をFとすると水車に生じるトルクTは以下の式で表される。 Therefore, if the distance between the position where the liquid hits the blade 602 and the axis of rotation is F, the torque T generated in the water turbine is expressed by the following formula.

Figure 2024048515000006
Figure 2024048515000006

以上述べてきたように、水車402a、402bの羽根602はなるべく水平に近い角度で落下する液体が当たることが望ましく、また、羽根602の外側端部に当たるほど効率が良くなることがわかる。 As described above, it is desirable for the falling liquid to hit the blades 602 of the water wheels 402a and 402b at an angle as close to horizontal as possible, and it can be seen that the efficiency is improved when the liquid hits the outer ends of the blades 602.

<第1実施形態:構成 水車 水車の取り付け位置>
図9は水車902a、902bの取り付け位置に関する説明の図である。
<First embodiment: configuration water turbine water turbine installation position>
FIG. 9 is a diagram for explaining the mounting positions of the water wheels 902a and 902b.

図9は、2つの水車902a、902bの外径の間隔について示した図である。水車902a、902bの外径の間隔は、隙間を作らないように配置するよりも、間隔をあけて配置したほうが効率は良くなる。これは水車902a、902bの羽根902に当たり弾かれた液体は、水車902a、902bの外周に排出されるが、水車902a、902b間に隙間が無いと、一方の水車の羽根に当たった液体が他方の水車の回転に影響を及ぼす可能性がある。一度一方の水車の羽根903に当たった液体は、すでに落下エネルギーの大半を失っているため、高速で回転している他方の水車に対してはブレーキとして作用する場合がある。このため、水車902a、902b間に隙間を開けておき、排出された液体が隙間から落下するようにしておく。このようにすることで、お互いの水車902a、902bから排出された液体の干渉による効率の低下を防止できる。 Figure 9 shows the distance between the outer diameters of the two water wheels 902a and 902b. The efficiency is improved by arranging the water wheels 902a and 902b with a distance between them, rather than arranging them without a gap. The liquid that hits the blades 902 of the water wheels 902a and 902b and is repelled is discharged to the outer circumference of the water wheels 902a and 902b, but if there is no gap between the water wheels 902a and 902b, the liquid that hits the blades of one water wheel may affect the rotation of the other water wheel. Once the liquid hits the blades 903 of one water wheel, it has already lost most of its falling energy, so it may act as a brake on the other water wheel rotating at high speed. For this reason, a gap is left between the water wheels 902a and 902b so that the discharged liquid falls through the gap. In this way, it is possible to prevent a decrease in efficiency due to interference between the liquid discharged from each water wheel 902a and 902b.

図9に示すように隙間Sの幅は、羽根の傾きや数、流量によっても違いがあり適宜調整する必要があるが、ガイド機構901の開口部の幅Wに対して規定してもよい。隙間Sの幅は、ガイド機構901の開口部の幅Wに対して、少なくとも1%以上は確保しておくことが望ましい。 As shown in FIG. 9, the width of the gap S varies depending on the inclination and number of the blades and the flow rate, and needs to be adjusted appropriately, but it may be specified relative to the width W of the opening of the guide mechanism 901. It is desirable to ensure that the width of the gap S is at least 1% of the width W of the opening of the guide mechanism 901.

また、この隙間Sは広すぎると、水車の回転に寄与しない液体の量が増える。したがって隙間Sの幅は、ガイド機構901の開口部の幅Wに対して、50%を超えないことが望ましい。 Furthermore, if the gap S is too wide, the amount of liquid that does not contribute to the rotation of the water wheel will increase. Therefore, it is desirable for the width of the gap S to not exceed 50% of the width W of the opening of the guide mechanism 901.

図10は、水車1002a、1002bの回転軸1004a、1004bの高さに関する説明の図である。例えば、一方の水車の回転軸と他方の水車の回転軸とは平行でもよい。例えば、一方の水車の回転軸と他方の水車の回転軸とは液体の落下方向に対して垂直でもよい。水車1002a、1002bの回転軸1004a、1004bは同じ高さに設定してもよいが、図10の高低差Dに示すように差を設けてもよい。水車1002a、1002bの高低差Dは、図示水車1002a、1002bに設けられている複数の羽根1003の外周部における取り付け間隔Bよりも狭い範囲で設置することが望ましい。このようにすることで、水車1002a、1002bから排出される液体の位置が分散され、図10に示すように、隙間部分に落下してくる液体の流路を蛇行させる効果がある。 Figure 10 is an explanatory diagram regarding the height of the rotation axes 1004a, 1004b of the water wheels 1002a, 1002b. For example, the rotation axis of one water wheel and the rotation axis of the other water wheel may be parallel. For example, the rotation axis of one water wheel and the rotation axis of the other water wheel may be perpendicular to the direction in which the liquid falls. The rotation axes 1004a, 1004b of the water wheels 1002a, 1002b may be set to the same height, or a difference may be provided as shown by the height difference D in Figure 10. It is desirable to set the height difference D of the water wheels 1002a, 1002b in a range narrower than the mounting interval B on the outer periphery of the multiple blades 1003 provided on the water wheels 1002a, 1002b shown in the figure. In this way, the position of the liquid discharged from the water wheels 1002a, 1002b is dispersed, and as shown in Figure 10, the flow path of the liquid falling into the gap is made to meander.

ところで、隙間部分を落下してくる液体は、落下エネルギーを有しているが、一方の水車から排出される液体により流路を曲げられることになる。この液体が、他方の水車の羽根に当たることで、直接落下してきた液体とほぼ同等の効果で他方の水車の回転に寄与する。これにより、効率的に水車1002a、1002bを回転させることができる。 The liquid falling through the gap has falling energy, but the flow path is bent by the liquid discharged from one of the turbines. When this liquid hits the blades of the other turbine, it contributes to the rotation of the other turbine with almost the same effect as liquid that falls directly. This allows the turbines 1002a and 1002b to rotate efficiently.

<第1実施形態:構成 増速機>
増速機403aおよび403bは、水車402a、402bの回転数を増やすための構成である。例えば、ギアが考えられる。ギアとは歯車を組み合わせた伝動装置である。組み合わせた歯車の歯の数の比率で増速される。例えば、水車402a、402b側の歯車の歯の数を100とし、発電機404a、404b側の歯車の歯の数を20とした場合、回転数を5倍に増加することができる。
<First embodiment: configuration of speed increaser>
The speed increasers 403a and 403b are components for increasing the rotation speed of the water turbines 402a and 402b. For example, gears are considered. A gear is a transmission device made up of a combination of gears. The speed is increased in proportion to the number of teeth of the combined gears. For example, if the number of teeth of the gears on the water turbines 402a and 402b side is 100 and the number of teeth of the gears on the generators 404a and 404b side is 20, the rotation speed can be increased five-fold.

増速機403a、403bは上述のギアに限定されるものではない。例えば、伝動ベルトなどを用いてもよい。この場合、プーリの外径の比率で増速が可能である。一般的に発電機404a、404bは高回転のほうが発電効率は良いため増速機403a、403bを用いるが、増速機403a、403bは必須の構成ではなく無くてもよい。 The speed increasers 403a and 403b are not limited to the gears mentioned above. For example, a transmission belt or the like may be used. In this case, the speed can be increased by the ratio of the outer diameters of the pulleys. Generally, the generators 404a and 404b use speed increasers 403a and 403b because the power generation efficiency is better at higher speeds, but the speed increasers 403a and 403b are not essential components and may be omitted.

<第1実施形態:構成 発電機>
発電機404aおよび404bは、水車402a、402bにより生じた回転力を電力に変換するための構成である。発電機404a,404bはモータ303a,303bを用いて発電する。モータ303a,303bは一般的な電磁モータで構わないが、本発明の発電装置101には、特にコアレスモータとよばれるステータのコイルが突極固定子に巻線されない構成のモータ(コアレス構造のモータ)が好適である。コアレス構造のモータはコギングがなく慣性質量も低く抑えることが出来るため、回転に対する抵抗が少なく少量の液体でも簡単に回転させることが出来る。
<First embodiment: configuration of generator>
The generators 404a and 404b are configured to convert the rotational force generated by the water turbines 402a and 402b into electric power. The generators 404a and 404b generate electricity using the motors 303a and 303b. The motors 303a and 303b may be general electromagnetic motors, but for the power generating device 101 of the present invention, a motor (a motor with a coreless structure) in which the stator coil is not wound around a salient pole stator, which is called a coreless motor, is particularly suitable. A motor with a coreless structure has no cogging and can keep the inertial mass low, so there is little resistance to rotation and it can be easily rotated even with a small amount of liquid.

また、ローターに設置される永久磁石がハルバッハ配列の場合、さらに好適である。ハルバッハ配列は、永久磁石の配列により、片側に磁束密度を偏らせる方法である。内径側に磁束密度を偏らせることで、ステータに設置されたコイルにかかる磁束密度を通常よりも高めることができ、これにより発電効率が高まる。 It is even more preferable if the permanent magnets installed in the rotor are in a Halbach array. The Halbach array is a method of biasing the magnetic flux density to one side by arranging permanent magnets. By biasing the magnetic flux density to the inner diameter side, the magnetic flux density applied to the coil installed in the stator can be made higher than usual, thereby increasing the power generation efficiency.

<第1実施形態:構成 変換器>
変換器405はモータ303a、303bから出力される電力を、利用可能な電力に変換するための構成である。
First embodiment: Converter configuration
The converter 405 is configured to convert the electric power output from the motors 303a and 303b into usable electric power.

発電機404a、404b内のモータ303a、303bからは、回転数に応じた周波数の交流電力が出力されるが、利用用途に応じて電力の種類(交流か直流か)、電圧、交流の場合は周波数を合わせる必要がある。 The motors 303a and 303b in the generators 404a and 404b output AC power at a frequency that corresponds to the number of revolutions, but the type of power (AC or DC), voltage, and in the case of AC, the frequency must be adjusted according to the intended use.

本発明の発電装置101で発電された電力は様々な利用方法が考えられる。例えば、蓄電池に蓄電し、必要に応じて使用する場合が考えられる。また、家庭用の交流電力に変換して使用する場合も考えられる。また、商用電力網を経由して売電する場合も考えられる。 The electricity generated by the power generation device 101 of the present invention can be used in a variety of ways. For example, it can be stored in a storage battery and used as needed. It can also be converted into AC power for home use. It can also be sold via the commercial power grid.

蓄電する場合は、直流電源に変換して蓄電池に供給する。家庭用の交流電力として使用する場合は、電圧や周波数を家庭用交流電源に合わせて変換する。
売電する場合は、家庭用交流電源に変換し、パワーコンディショナーに供給するようにすればよい。
When storing electricity, it is converted to DC power and supplied to a storage battery, and when using it as AC power for home use, the voltage and frequency are converted to match those of home AC power sources.
When selling the electricity, it can be converted into household AC power and supplied to a power conditioner.

<第1実施形態:効果>
以上述べてきたように、第1実施形態の発電装置101によれば、例えば、工業廃水、ビル還流水、下水などの液体の配管に設置し、これまで活用されていなかった排水を用いて再生可能エネルギーである電力を生成し、様々な用途に利用できる。また、第1実施形態の発電装置101によれば、流量が安定しない場合でも効率的に電力を生成できるので様々な配管に設置が可能である。
<First embodiment: effect>
As described above, the power generation device 101 of the first embodiment can be installed in liquid piping such as industrial wastewater, building reflux water, and sewage, and can generate electricity, which is a renewable energy source, using wastewater that has not been utilized up until now, and can be used for various purposes. Moreover, the power generation device 101 of the first embodiment can generate electricity efficiently even when the flow rate is unstable, so it can be installed in various piping.

<第2実施形態>
<第2実施形態:概要>
第2実施形態の発電装置は、発電機が一つの構成であることが、第1実施形態の発電装置101と異なる点である。
Second Embodiment
<Second embodiment: overview>
The power generating apparatus of the second embodiment differs from the power generating apparatus 101 of the first embodiment in that the power generating apparatus of the second embodiment has a single generator.

<第2実施形態:構成>
図11は、第2実施形態の発電装置の機能の構成を示すブロック図である。
<Second embodiment: configuration>
FIG. 11 is a block diagram showing the functional configuration of the power generation device of the second embodiment.

第2実施形態の発電装置は、ガイド機構1101と、水車1102aおよび1102bと、増速機1103と、発電機1104と、変換器1105と、で構成される。 The power generation device of the second embodiment is composed of a guide mechanism 1101, water turbines 1102a and 1102b, a speed increaser 1103, a generator 1104, and a converter 1105.

以降、構成の詳細について説明するが、第1実施形態と同じ内容については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。 The details of the configuration will be explained below, but the same contents as in the first embodiment will be omitted and only the differences will be explained.

<第2実施形態:構成 増速機>
第2実施形態の増速機1103は、水車1102aおよび1102bの2つの水車の回転を一つのモータに伝動する。水車1102aと1102bは同じ回転数になるとは限らない。これは配管内を流れる液体の流れに偏りが出来た場合、液体が多く流れた方の水車の回転が速くなることが考えられる。このため、ギアで増速機1103を構成した場合、水車1102a、1102b側の歯車にはラチェット機構を設けることが好ましい。
<Second embodiment: configuration of speed increaser>
The speed increaser 1103 of the second embodiment transmits the rotation of two water turbines, 1102a and 1102b, to one motor. The water turbines 1102a and 1102b do not necessarily rotate at the same speed. This is because, if there is an imbalance in the flow of liquid in the piping, the water turbine through which more liquid flows will rotate faster. For this reason, when the speed increaser 1103 is configured with gears, it is preferable to provide a ratchet mechanism on the gears on the water turbines 1102a and 1102b side.

これにより、水車1102a、1102bの回転数が異なる場合は、速く回転した方の回転力が伝動されるのでスムーズに回転する。また、速く回転した方の水車には負荷がかかるため、回転速度が低下し、逆に遅く回っている方の水車は減速しないので、同じ回転速度になり、結果として両方の水車1102a、1102bの回転力が伝動されるようになる。 As a result, when the rotational speeds of the water wheels 1102a and 1102b are different, the rotational force of the faster rotating one is transmitted, allowing for smooth rotation. Also, the faster rotating water wheel is subjected to a load, causing its rotational speed to decrease, while the slower rotating water wheel does not slow down, resulting in the same rotational speed. As a result, the rotational forces of both water wheels 1102a and 1102b are transmitted.

<第2実施形態:効果>
以上説明したように、第2実施形態の発電装置は、発電機や変換器の回路構成を削減できるので、低コストに発電装置を提供できる。
<Second embodiment: effect>
As described above, the power generating device of the second embodiment can reduce the circuit configuration of the generator and converter, so that the power generating device can be provided at low cost.

発電機にはモータが用いられるため、本発明の発電装置の中では発電機が最も高価な構成要件といえる。従って、第2実施形態では、発電機の台数を削減することができ、大きなコスト削減が可能になり、本発明の発電装置の導入コストが低減され、設備投資の回収までの期間が大きく低減できるので、導入しやすいといった効果がある。 Because a motor is used for the generator, it can be said that the generator is the most expensive component of the power generation device of the present invention. Therefore, in the second embodiment, the number of generators can be reduced, which allows for significant cost reductions, reduces the introduction cost of the power generation device of the present invention, and significantly shortens the time until the capital investment is recovered, making it easier to introduce.

101 発電装置
102 主パイプ
103 バルブ
104 副パイプ
201、301、401 ガイド機構
202a、202b、302a、302b、402a、402b 水車
4021a、4021b、501、601 回転軸
303a、303b モータ
403a、403b 増速機
404a、404b 発電機
405 変換器
REFERENCE SIGNS LIST 101 Power generating device 102 Main pipe 103 Valve 104 Secondary pipe 201, 301, 401 Guide mechanism 202a, 202b, 302a, 302b, 402a, 402b Water turbine 4021a, 4021b, 501, 601 Rotating shaft 303a, 303b Motor 403a, 403b Speed increaser 404a, 404b Generator 405 Converter

Claims (7)

落下する液体により回転する第1の水車および第2の水車と、
前記第1の水車および前記第2の水車に対して前記第1の水車の第1の回転軸と前記第2の水車の第2の回転軸との間に前記液体を誘導し落下させるガイド機構と、
前記第1の水車および前記第2の水車の回転により発電する発電機と、
を具備する発電装置。
a first water wheel and a second water wheel rotated by a falling liquid;
a guide mechanism for guiding and dropping the liquid between a first rotation shaft of the first hydraulic turbine and a second rotation shaft of the second hydraulic turbine for the first hydraulic turbine and the second hydraulic turbine;
a generator that generates electricity by rotation of the first water turbine and the second water turbine;
A power generation device comprising:
前記第1の回転軸と前記第2の回転軸とは、平行であり、
前記第1の回転軸と前記第2の回転軸とは、前記液体の落下方向に対して垂直であり、
前記第1の回転軸と前記第2の回転軸との高低差は、前記第1の水車に備えられる複数の羽根の前記第1の水車の外周部における間隔よりも短く、
前記第1の回転軸と前記第2の回転軸との前記高低差は、前記第2の水車に備えられる複数の羽根の前記第2の水車の外周部における間隔よりも短い、
ことを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
the first rotation axis and the second rotation axis are parallel to each other,
the first rotation axis and the second rotation axis are perpendicular to a falling direction of the liquid,
A height difference between the first rotating shaft and the second rotating shaft is shorter than a distance between a plurality of blades provided on the first hydraulic turbine at an outer periphery of the first hydraulic turbine,
The height difference between the first rotating shaft and the second rotating shaft is shorter than the spacing between a plurality of blades provided on the second hydraulic turbine at the outer periphery of the second hydraulic turbine.
The power generating device according to claim 1 .
前記第1の回転軸と前記第2の回転軸とは平行であり、
前記第1の回転軸と前記第2の回転軸とは、前記液体の落下方向に対して垂直で、かつ、同じ高さに配置される、
ことを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
the first rotation axis and the second rotation axis are parallel;
The first rotation axis and the second rotation axis are arranged perpendicular to a falling direction of the liquid and at the same height.
The power generating device according to claim 1 .
前記第1の水車は前記液体を受けるための第1の羽根を備え、
前記第2の水車は前記液体を受けるための第2の羽根を備え、
前記第1の羽根の前記液体を受ける第1の面は、前記第1の水車の半径方向に対して回転方向に傾斜しており、
前記第2の羽根の前記液体を受ける第2の面は、前記第2の水車の半径方向に対して回転方向に傾斜している、
ことを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
the first water wheel having a first blade for receiving the liquid;
the second water wheel having a second blade for receiving the liquid;
a first surface of the first blade that receives the liquid is inclined in a rotational direction with respect to a radial direction of the first water turbine;
The second surface of the second blade that receives the liquid is inclined in a rotational direction with respect to a radial direction of the second water turbine.
The power generating device according to claim 1 .
前記第1の水車の外周部と前記第2の水車の外周部との間隔は、前記ガイド機構の水車側開口部の幅に対して1%以上の幅を有する、ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の発電装置。 The power generating device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the gap between the outer periphery of the first water turbine and the outer periphery of the second water turbine is 1% or more of the width of the water turbine side opening of the guide mechanism. 前記発電機に使用するモータは、コアレス構造のモータであり、
前記モータのローターに配置される永久磁石は、ハルバッハ配列である、
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の発電装置。
The motor used in the generator is a motor having a coreless structure,
The permanent magnets arranged on the rotor of the motor are in a Halbach array.
The power generating device according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の発電装置を垂直に配管されたパイプに設置し、
前記パイプの上から下に前記液体を流し、
前記発電装置により発電を行う、発電方法。
The power generating device according to any one of claims 1 to 4 is installed in a vertically arranged pipe,
Flowing the liquid from top to bottom of the pipe;
A power generation method, comprising generating power using the power generation device.
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