JP3165106U - 川底に設置するのに適した水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】川底に固定して、安定した電力の供給が可能な水力発電装置を提供する。【解決手段】鉛直回転板１２の径方向に沿って延び、減速機を含む複数の自転伝達軸１６と、前記鉛直回転板１２の外周上にて水平方向に延びるべく該鉛直回転板１２に取り付けられた複数の自転羽根軸と、該自転羽根軸の周りに前記第２ベベルギヤと噛合して水平に設けた第１ベベルギヤと、前記自転羽根軸に固定されかつ前記鉛直回転板１２に対して垂直な面を具備する複数の自転羽根１１とを有し、前記鉛直回転板１２が一方の向きに３６０度回転するとき、前記自転羽根１１が前記自転羽根軸の周りに同じ向きに１８０度回転し、前記自転羽根１１の前記鉛直回転板１２に対する垂直面が、川底に近い位置において川の流れを受ける角度とすべく前記自転伝達軸１６内の減速機及びベベルギヤが設けられる。【選択図】図１

Description

本考案は、小型簡易な構造であって、例えば個人用、家庭用に適した水力発電装置に関するものである。

従来のこの種の技術は、次のようになっている。
特許文献１には、水力発電のタービン部分が弾性材料を用いてねじり帯板状に作られている螺旋タービンブレードであって、この比重を流体と同程度にしてあり、これを放流することにより生じる回転エネルギーを河岸や橋脚等に係留した発電装置に導き電力を得る水力発電装置が開示されている。
特許文献２には、発電機と、水流中で所定場所に浮動状態で位置決めされて前記発電機をその水流に浮かせる浮体と、前記浮体に上下方向に巻き付けられるとともにその浮体の周囲を連続的に移動可能にその浮体に支持されて、前記水流の前後方向に延在するように配置される環状部材と、前記環状部材に支持されるとともに前記水流により附勢される複数のブレードと、前記浮体の周囲での前記環状部材の移動を前記発電機に伝動する伝動機構とを具えてなる浮上水力発電装置が開示されている。
特許文献３には、流れがある河川にあって、複数の船等の浮台を設定間隙を介して川幅方向に平行設置し、設定間隙を離間した浮台間を回転軸で接続して軸支し、回転軸に締結した水車を各浮台の間隙の水流に接水させ、前記回転軸を軸支する浮台に備えた発電機に水車による回転を伝達して発電できるようにし、発電時には浮台を河川における一定位置に係留できるようにした浮台型水力発電装置が開示されている。

特開２０１０−１０６８２３号公報 特開２００８−０１４１５４号公報 特開平１１−２０８５７６号公報

従来の技術は、川に浮かせるという発想のものであった。
本考案の目的は、川底に固定して、安定した電力の供給が可能な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べく本考案は、次の構成を提供する。かっこ内の数字は、図面中の対応する構成要素の符号である。
（１）請求項１に係る水力発電装置は、実施例１に対応し、
川底に設置する脚を有するフレーム(50)と、
該フレーム(50)に固定した発電機(21)と、
該発電機(21)を駆動し、該発電機(21)が連結される端の他端に第６ベベルギア(19b)を有する回転駆動軸(22)と、
該回転駆動軸(22)の回転を水平な軸回りの回転に変換すべく、前記第６ベベルギア(19b)と噛合する第５ベベルギア(19a)を有し、前記フレーム（50)に水平に取り付けられた水平軸(23)と、
該水平軸(23)に固定されかつ該水平軸(23)を中心とする鉛直回転板(12)と、
該鉛直回転板(12)の近傍の前記水平軸(23)に固定して設けた第４ベベルギア(14)と、
該鉛直回転板(12)の径方向に沿って延び該鉛直回転板(12)に取り付けられ、減速機を含む複数の自転伝達軸(16)と、
該自転伝達軸(16)の内側端にて前記第４ベベルギヤ(14)と噛合して設けた第３ベベルギヤ(17a)と、
前記自転伝達軸(16)の外側端に設けた第２ベベルギヤ(14b)と、
前記鉛直回転板(12)の外周上にて水平方向に延びるべく該鉛直回転板(12)に取り付けられた複数の自転羽根軸(11c)と、
該自転羽根軸(11c)の周りに前記第２ベベルギヤ（14b)と噛合して水平に設けた第１ベベルギヤ(14a)と、
前記自転羽根軸(11c)に固定されかつ前記鉛直回転板(12)に対して垂直な面を具備する複数の自転羽根(11)と
を有し、
前記鉛直回転板(12)が一方の向きに３６０度回転するとき、前記自転羽根(11)が前記自転羽根軸(11c)の周りに同じ向きに１８０度回転し、前記自転羽根(11)の前記鉛直回転板（12)に対する垂直面が、川底に近い位置において川の流れを受ける角度とすべく前記自転伝達軸(16)内の減速機及び第１〜第４ベベルギヤ(14a、14b、17a、17b)が設けられることを特徴とする。

（２）請求項２に係る水力発電装置は、第２の実施例に対応し、
上述した水力発電装置であって、
前記フレームは、水位感知部と、該水位感知部の感知した水位にしたがって装置全体の川底に対する高さを変更するジャッキモータとをさらに有し、
水位の変化にしたがって川底に対する水力発電装置の高さを自動的に調整することを特徴とする。

本考案は、上述の構成を有するので、次のような作用効果を有する。
請求項１に係る水力発電装置は、次の通り動作する。
自転羽根が川の流れを受けることにより、川底に近い（低い）位置にある自転羽根が押されて鉛直回転板が回転する。
鉛直回転板の回転力は第４ベベルギヤから第３ベベルギヤを介して自転伝達軸(16)へ伝達され、第２ベベルギヤが第１ベベルギヤ上を転動し、自転羽根を回転させる。鉛直回転板が一方の向きに３６０度回転すると、自転羽根が反対の向きに１８０度回転するように、減速機及び第１〜第４ベベルギヤの歯数が設定されている。
また、自転羽根の前記鉛直回転板に対する垂直面は、該自転羽根がもっとも低い位置に降りているときに、川の流れをよく受けるように調整されている。したがって、自転羽根が高い位置にあるときには、川の流れを受けにくい角度になっている。
鉛直回転板の回転は、水平軸を回転させ、ベベルギア５及び６の働きにより発電機の回転駆動軸を駆動し、発電する。

請求項２に係る水力発電装置は、次の通り動作する。
水位感知部が水位又はその変化を検知する。それにしたがってジャッキモータが装置全体の高さを自動的に変更し、自転羽根が高い位置において、水没しないように調整する。これにより自転羽根が川の流れの向きに逆らって戻る動作において、川の流れの抵抗を受けにくくする。このことは、発電効率を上げるように作用する。

請求項１及び２のいずれの水力発電装置も、水位によらずに安定して動作する。従って、安定した発電ひいては安定した電力が得られる。

小型で簡易な構造であるので、浅い川であって、川底がしっかりした場所であれば、簡単に設置できる。従って、個人用、家庭用の小規模な用途に好適である。

図１は、本考案の水力発電装置１の外観斜視図である（実施例１）。 図２は、図１の水力発電装置１の水平軸を含む縦断面図である（実施例１）。 図３は、図２のＡ−Ａ断面図である（実施例１）。 図４は、回転状態（起点）を示す図である（実施例１）。 図５は、回転状態（起点から鉛直回転板が４５度回転した状態）を示す図である（実施例１）。 図６は、回転状態（起点から鉛直回転板が９０度回転した状態）を示す図である（実施例１）。 図７は、使用状態（流下物通過防止ネットを使用した状態）を示す図である（実施例１）。 図８は、図７のＢ矢視図である（実施例１）。 図９は、ジャッキモータタイプの説明図である（実施例２）。 図１０は、図９の水位感知部の詳細説明図である（実施例２）。

本考案は、川底に設置したフレームに、鉛直回転板を水平軸回りに回転できるよう固定して、該鉛直回転板の周縁に複数の自転羽根を設けて、前記鉛直回転板の回転と前記自転羽根との回転とを減速機を介して連結することによって、川の流れのエネルギーを取り出すべき箇所では自転羽根の向きが流れの向きに垂直な向きとなり、川の流れに逆らって自転羽根が戻るべき箇所では自転羽根の向きが流れの向きに平行な向きとなるよう（このとき鉛直回転板が２回転する間に自転羽根が１回転する）減速機の減速比を調整して、鉛直回転板を効率よく回転させ、その回転のエネルギーを用いて発電させる水力発電装置である。
以下、実施例を示した図面を参照しつつ、本考案の実施形態の詳細を説明する。

図１は、本考案の水力発電装置１の実施例１の外観斜視図である。図２は、図１の水力発電装置１の中心軸を含む縦断面図である。

図１及び図２を参照しつつ説明する。水平な設置場所に設置されたフレーム５０に発電機２１が収容されている。フレーム５０は、櫓（やぐら）を組むようにし、頑丈な構造を有するものである。フレーム５０の脚となる部分は高さ及び水平の調整を可能とするジャッキ５１であり、上部に設けられた手動ハンドル５３を操作することにより、長さを調整する。川底に接する接地部５２は、図１の下に示すように、鍔（つば）状のタイプＢ、杭（くい）状のタイプＣ、鍔と杭とを併用したタイプＡなどの中からその土質に合ったものを選択する。

発電機２１の回転駆動軸２２は、フレーム５０の上部のベアリングケース２０とさらに内蔵するベアリング２０ａ、２０ａで支持され、発電機２１の下方へ突出し鉛直方向に延びている。回転駆動軸２２が回転することにより発電機２１において発電が行われ電力が取り出されるが、発電機の出力部については図示を省略している。また、発電機２１は、電気を扱う部分であるので、漏電や、感電の防止のため、防水を万全にするのが望ましい。好ましくは河川の増水の際に、水没しても動作に支障がないほどの防水処理を施す。

鉛直方向に延びる回転駆動軸２２の下端にはギヤボックス１９が設けられる。ギヤボックス１９の内部には、互いに噛み合わさるベベルギア（傘歯車）１９ａ、１９ｂが設けられる。ベベルギア１９ｂは、回転駆動軸２２の下端に固定される。ベベルギア１９ａは、水平に置かれた回転軸である水平軸２３の端に固定される。水平軸２３は、ベアリングケース１８そしてその中に設けられたベアリング１８ａにより支持される。ベアリングケースの内部にＸをつけて表示してあるのがベアリングである（以下、同じ）。水平軸２３のほぼ中央にそれと垂直に鉛直回転板１２が固定されている。鉛直回転板１２は、外周が多角形または円形の平板形状であり、水平軸２３と同心である。図示の例では、鉛直回転板１２の中心部分が水平軸２３に固定されている。

一方、回転駆動軸２２の上部、すなわち発電機２１との間の部分には、回転駆動軸２２を支持するベアリング２０ａ、２０ａと、これらのベアリング２０ａ、２０ａを内蔵するベアリングケース２０が設けられる。ベアリングケース２０は、回転駆動軸２２に沿って鉛直方向に延びた形状であって図示の例では円筒形である。ベアリングケース２０は、回転駆動軸２２と同軸である。

ベアリングケース２０の下端には、第６ベベルギヤ１９ｂが設けられている。第６ベベルギヤ１９ｂは傘歯車であり、回転駆動軸と同軸であって軸を鉛直として設けられている。

第６ベベルギヤ１９ｂと噛合する第５ベベルギヤ１９ａは、軸を水平として設けられた傘歯車であり、水平軸２３と同軸であり、軸を水平として設けられている。水平軸２３はベアリングケース１８、それに内包されるベアリング１８ａ、１８ａにより支持される。水平軸２３の中央近くには、該水平軸２３に固定されて第４ベベルギア１７ｂが設けられている。第４ベベルギア１７ｂは、第３ベベルギア１７ｂと噛み合わさる。第３ベベルギヤ１７ａは、鉛直回転板１２の径方向に沿って延びる自転伝達軸１６の内側端に設けられている。自転伝達軸１６は、鉛直回転板１２の中心近くに取り付けたベアリングケース１５に内蔵されるベアリング１５ａにより支持されている。従って、自転伝達軸１６はその軸周りに回転可能である。自転伝達軸１６の途中に減速機１６ａを介する。減速機１６ａの両端では、ギヤ比が適切に調整されて回転数が調整されるので、異なる回転数が得られる。ここでは、減速機１６ａを含んでその両端に回転を伝える機構を自転伝達軸１６と呼ぶこととする。

自転伝達軸１６の外側端には、傘歯車である第２ベベルギヤ１４ｂが前記鉛直回転板の径方向を軸として設けられている。

第２ベベルギヤ１４ｂと噛合する第１ベベルギヤ１４ａは、前記鉛直回転板に対して垂直な方向を軸として設けられた傘歯車である。第１ベベルギヤ１４ａは、自転羽根軸１１ｃの周りに設けられる。自転羽根軸１１ｃは、鉛直回転板１２の外周上に設けられ、鉛直回転板に対して垂直な方向に延びている。自転羽根軸１１ｃは、鉛直回転板１２の外周に取付られたベアリングケース１３に内蔵されたベアリング１３ａにより支持されている。従って、自転羽根軸１１ｃはその軸周りに回転可能である。

自転羽根軸１１ｃには、前記鉛直回転板１２に対して垂直方向に立設した面を具備する自転羽根１１が固定されている。図示の例では、自転羽根１１は右羽根１１ａと左羽根１１ｂからなり、それぞれ自転羽根軸１１ｃの右端、左端に取り付けられている。自転羽根１１は、自転羽根軸１１ｃと共に回転する。ここで、右、左は、川に設置する際に、上流側に立って下流方向を向いたときに右になるのを右とし、左になるのを左としている。

図１及び図２の例では、自転羽根１１が鉛直回転板１２の外周上の４箇所に９０度毎に設けられている。水平軸方向から観たこれら４箇所の自転羽根１１が水平面となす角度は、それぞれ異なっており、順次４５度ずつずれた角度に設置されている。図３に示すように、最も川底に近い位置（低い位置）において、川の流れに対して自転羽根の面が垂直となって流れのエネルギーを受けやすい角度であり、最も川底から遠い位置（高い位置）において、川の流れに対して自転羽根の面が平行となって流れのエネルギーを受けにくい角度となる。そして、その他の位置においてはそれらの中間の角度となる。

他の例として、自転羽根１１を、４箇所ではなく、６箇所または８箇所に等角度間隔で設けてもよい。６箇所の場合は、各自転羽根の角度が順次３０度、８箇所の場合は、各自転羽根の角度が順次２２．５度ずつずれた角度で設置される。

各自転羽根１１は、自転羽根軸１１ｃ周りに自転しつつ鉛直回転板１２の回転に伴って回転駆動軸２２周りに公転も行う。各自転羽根１１は、鉛直回転板が一方の向きに一周（３６０度回転）する間に、同じ向きに半周（１８０度回転）だけ自転する。斯かる自転羽根１１の自転及び公転を実現するように第１〜第４ベベルギヤの歯数及び減速機１６ａの減速比が設定されている。ベベルギアの歯数の調整だけで、減速機を使わずに必要な減速比を実現することも可能である。

図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図３の図では、煩雑を避けるため発電機２１、回転駆動軸２２、ベアリングケース２０を描くのを省略してある。後述する図４，５，６，７，９においても同様である。尚、説明の便宜上、図１及び図２に示した符号と同一の符号を用いる。本考案に係る水力発電装置は、次の通り動作する。

複数設けられた自転羽根１１のうち川底に近い側（低い側）の自転羽根１１がより多く川の流れを受けることにより、鉛直回転板１２が回転する（図３で左側が川の上流であるとすると、左回りの方向）。
鉛直回転板１２の回転力は、図２の第４ベベルギヤ１７ｂから第３ベベルギヤ１７ａを介して自転伝達軸１６へ伝達され、第２ベベルギヤ１４ｂが第１ベベルギヤ１４ａを転動し、自転羽根１１は自転（鉛直回転板の回転と同じ方向）する。このように鉛直回転板１２が左回転する場合は、自転羽根１１は左回転する。
自転羽根１１の自転は鉛直回転板１２の回転に連動する。鉛直回転板１２が左回りに３６０度回転すると、自転羽根１１が同じ左回りに１８０度回転するように第１〜第４ベベルギヤ１７ａ、１７ｂ、１４ａ、１４ｂの歯数及び減速機１６の減速比が設定されている。図３には、ある時点における４箇所の自転羽根１１の各々の角度が示されているが、これは１箇所の自転羽根１１が公転する際の角度変化でもある。
鉛直回転板１２の回転により、ベベルギア１９ａ、ベベルギア１９ｂを介して、発電機２１の回転駆動軸２２を駆動し、発電する。

図４は、回転状態（起点）を示す図である。図５は、回転状態（起点から鉛直回転板が４５度回転した状態）を示す図である。図６は、回転状態（起点から鉛直回転板が９０度回転した状態）を示す図である。川の水位は、川底に近い自転羽根が浸る位置から装置全体が浸かる位置までの間で本装置を運転可能である。水位に関係なく鉛直回転板が回転する。
図４，５，６において、左側が川の上流とする。図の左に描いた矢印は水の流れの向きを表す。図４を起点とする。図５においては、起点から鉛直回転板１２が４５度左回転している。このとき、複数設けられた自転羽根１１はすべて２２．５度左回転している。図６は、起点から鉛直回転板１２が９０度左回転した状態を示している。このとき、自転羽根は、さらに２２．５度左回転し、起点状態からは４５度左回転している。これにより、鉛直回転が回転してどの状態にあっても、自転羽根１１は、最も低い位置において、流れの力をよく受ける角度にあり、最も高い位置において、流れの影響を受けにくい角度にある状態を保つことができる。

図７は、使用状態（流下物通過防止ネットを使用した状態）を示す図である。図８は、図７のＢ矢視図である。本考案にかかる水力発電装置１に上流から流れてくるゴミ、魚などが紛れ込むことで、装置の運転に支障があることが考えられる。それを防止するために、流下物除去装置６０を水力発電装置１を設置する上流側に設ける。流下物除去装置６０は、水の抵抗をなるべくおさえるべく空隙を多く設けた柵状の装置の中央に金網からなる流下物通過防止ネット６１を設けて川底に固定する。接地する部分においては、水力発電装置１の接地部５２と同様の鍔状または杭状の部材を設けて川底にしっかりと固定する。

実施例２は、実施例１とほぼ同じ構造を有するが、さらに水位感知部８０とジャッキモータ７１とを設けて川の水位変動に合わせて装置が上下するものとした。図９は、ジャッキモータタイプ（実施例２）の説明図である。図１０は、図９の水位感知部８０の詳細説明図である。図１０（ｂ）は、水位感知部８０を横からみた図であり、図１０（ａ）は、（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。ジャッキ５１には、手動ハンドル５３の代わりにジャッキモータ７１が設けられ、コントローラ９０の制御のもとにジャッキを動作させる。水位感知部８０の構造は、次のようなものである。フレーム５０の外壁にセンサー取り付けパイプ８１を設置する。そのセンサー取り付けパイプ８１の中心にはガイド８２（フロート８３が水位の変化に応じて上下する際の案内棒）に沿って上下するフロート８３（水位と同じ位置にある浮き）が装着される。センサー取り付けパイプ８１の外壁には近接スイッチ８５（または近接センサ）を取り付ける。フロート８３は水位の変動によって上下し、その側壁には各スイッチ又はセンサーが動きを感知する要素を取り付けている。近接スイッチ８５（又は近接センサ）により感知された信号は、コントローラ９０に送られ、ジャッキモータ７１を駆動し、水位に合わせるよう装置を上下する。装置に対する水位は、図９の水位１、水位２、水位３の位置に近接スイッチ又は近接センサを取り付け、適宜位置を選択することもできる。水位感知部８０は、山本電気工業（株）製のフロート式レベルスイッチ（ＹＦ−ＲＳシリーズ）を用いることもできる。

ここでは、水位に基づく制御をコントローラ９０がすることとしたが、発電機２１の出力を管理してそれをコントローラ９０にフィードバックすることにより、発電効率のよい高さに装置全体を保つこととする、より複雑な管理をする他の実施例も可能である。

自宅の敷地内に設ける自家用発電機、キャンプ地において用いる小型発電機などに用いることができる。また、川幅いっぱいに複数個を設けて、地域発電に利用することも可能である。

１ 水力発電装置
１１ 自転羽根
１１ａ 右羽根
１１ｂ 左羽根
１１ｃ 自転羽根軸
１２ 鉛直回転板
１３ ベアリングケース
１３ａ ベアリング
１４ａ 第１ベベルギヤ
１４ｂ 第２ベベルギヤ
１５ ベアリングケース
１５ａ ベアリング
１６ 自転伝達軸
１６ａ 減速機
１７ａ 第３ベベルギヤ
１７ｂ 第４ベベルギヤ
１８ ベアリングケース
１８ａ ベアリング
１９ ギヤボックス
１９ａ 第５ベベルギア
１９ｂ 第６ベベルギア
２０ ベアリングケース
２０ａ ベアリング
２１ 発電機
２２ 回転駆動軸
２３ 水平軸
５０ フレーム
５１ ジャッキ
５２ 接地部
５３ ハンドル
６０ 流下物除去装置
６１ 流下物通過防止ネット
６２ 接地部
８０ 水位感知部
８１ センサー取り付けパイプ
８２ ガイド
８３ フロート
８４ 要素
８５ 近接スイッチ
９０ コントローラ

Claims (2)

1. 川底に設置する脚を有するフレーム(50)と、
   該フレーム(50)に固定した発電機(21)と、
   該発電機(21)を駆動し、該発電機(21)が連結される端の他端に第６ベベルギア(19b)を有する回転駆動軸(22)と、
   該回転駆動軸(22)の回転を水平な軸回りの回転に変換すべく、前記第６ベベルギア(19b)と噛合する第５ベベルギア(19a)を有し、前記フレーム（50)に水平に取り付けられた水平軸(23)と、
   該水平軸(23)に固定されかつ該水平軸(23)を中心とする鉛直回転板(12)と、
   該鉛直回転板(12)の近傍の前記水平軸(23)に固定して設けた第４ベベルギア(14)と、
   該鉛直回転板(12)の径方向に沿って延び該鉛直回転板(12)に取り付けられ、減速機を含む複数の自転伝達軸(16)と、
   該自転伝達軸(16)の内側端にて前記第４ベベルギヤ(14)と噛合して設けた第３ベベルギヤ(17a)と、
   前記自転伝達軸(16)の外側端に設けた第２ベベルギヤ(14b)と、
   前記鉛直回転板(12)の外周上にて水平方向に延びるべく該鉛直回転板(12)に取り付けられた複数の自転羽根軸(11c)と、
   該自転羽根軸(11c)の周りに前記第２ベベルギヤ（14b)と噛合して水平に設けた第１ベベルギヤ(14a)と、
   前記自転羽根軸(11c)に固定されかつ前記鉛直回転板(12)に対して垂直な面を具備する複数の自転羽根(11)と
   を有し、
   前記鉛直回転板(12)が一方の向きに３６０度回転するとき、前記自転羽根(11)が前記自転羽根軸(11c)の周りに同じ向きに１８０度回転し、前記自転羽根(11)の前記鉛直回転板（12)に対する垂直面が、川底に近い位置において川の流れを受ける角度とすべく前記自転伝達軸(16)内の減速機及び第１〜第４ベベルギヤ(14a、14b、17a、17b)が設けられることを特徴とする水力発電装置。
2. 請求項１に記載した水力発電装置であって、
   前記フレームは、水位感知部と、該水位感知部の感知した水位にしたがって装置全体の川底に対する高さを変更するジャッキモータとをさらに有し、
   水位の変化にしたがって川底に対する水力発電装置の高さを自動的に調整することを特徴とする水力発電装置。

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