JP4737992B2 - 水力発電装置 - Google Patents
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Description
現状、国内には1000kW以下の小規模発電が可能な上下水道や高低差のある河川水などの未使用水力資源が約24万kW存在する、と評価されている。また、東南アジアの未電化地域など外国における小水力発電装置の需要も計り知れない。
横軸プロペラ水車は、水路の中心に設けた回転軸の周囲に幾つかのプロペラブレードを植設して、水流により生じるプロペラ軸の回転運動を発電機に伝達して発電する。
しかし、小水力利用発電装置は、高額の投資では採算が取れず、また、高度な操業技術や保全技術の活用が望めないので、小出力に見合った低価格とメンテナンスの容易性が要請される。
これらはいずれも、内部が流体通路と連通するように設けられたケーシングの外周部にステータを設け、外周に永久磁石を設け内部に羽根車を同心的に固定したロータをステータの内側で回転するように設けて、水流によりロータが回転するとステータのコイルに電流が生じる構造を採用したものである。ロータが水中で回転して外周のステータコイルに非接触的に電流を誘起するので、壁を貫通する回転軸が存在せず複雑な軸封構造を用いる必要がない。
このような発電装置は、導水配管の途中にケーシングを挿入して固定するだけで簡単に小水力発電装置とすることができる。ただし、ロータの磁束が通過する壁に渦電流が発生すると効率の低下を招くことになる。
開示のプロペラブレードはロータ周縁に固設され、リングスラスタの中心軸付近が大きく開口しているため、発電装置として利用する場合はエネルギ回収効率が満足できる水準に達するようにすることが難しい。
回転子の回転を円滑にするセラミック製のラジアル軸受とスラスト軸受を回転子の外周と側面に作用するように備えることが好ましい。
軸受には水管中の水を上流側から取水して供給し、水潤滑軸受として使用することが好ましい。
なお、キャンに代えて、合成樹脂被覆を用いても良い。
また、水潤滑軸受を用いることにより、簡単で効果的な潤滑効果を得ることができる。さらに、翼車より上流に取水口を設けて軸受まで導水すると、上流の高圧水がガイドベーンやボス、翼車により圧力低下した下流の軸受部分に自然に流下して水中微粒子による摩耗の少ない水潤滑軸受となる。
なお、ゴミなどの粒子を排除するために取水口付近にフィルターを設けても良い。
さらに、絶縁性の耐水性キャンを介して永久磁石の磁束を作用させるようにしたり、水潤滑軸受によって回転子の動きを円滑化すると、より高効率な発電を行うことができ、シールなどの複雑な機構が要らないので保全性が向上すると共に、潤滑油などで水を汚染することが無いので浄水場や自然河川などにも利用ができる。
本発明の装置は、水車と発電機をコンパクトな一体構造とし、従来と比較して格段に簡単な機構を備えたもので著しく小型化でき、既往の水路でも直管部に装置を嵌装するだけで実用できる。
図1は本実施例の水力発電装置の一部切り欠き斜視図、図2は水力発電装置の断面図、図3は水車と発電機の構成を説明する概念的断面図、図4はボスの寸法に対応する性能曲線図である。
発電機部分1は、固定子2を収納した固定子ケーシングと回転子3からなる。上流配管4は、発電機部分1の上流に配置され水管中の水流を発電機の翼車に導く。下流配管5は、発電機部分1の下流に配置され発電機を通った後の水を水管に戻す。
固定子ケーシングは、前部フランジ13と後部フランジ14により円環形状に形成され、内部に環状空間16を構成し、内径面には電機子鉄心21の内径側がキャン15を介して挟持される環状開口がある。
キャン15は、絶縁性、耐水性を有し、渦電流損の非常に小さい材料で製作された鍔付きの円環状をした薄肉の帯で、電機子鉄心21の内径側を挟み込んで側面をOリングなどを介して環状開口を形成するフランジ13,14の鍔の側面に水密的に当接させて固定する。
固定子2は、電機子コイル22に電流を流したときに電機子鉄心21から発生する磁束が固定子ケーシングの径に直交する方向になるように配置される。
円環37の外周上に磁束の通路となるヨーク33が形成され、図3に示すようにヨーク外周に設けられた溝に複数の永久磁石34が貼付され、さらにその外周に薄肉の合成樹脂リング35が嵌装されて磁石の飛散と水濡れを防止している。永久磁石34には、磁石強度の強い希土類磁石などが用いられる。なお、円環37の外周に円周方向に溝を形成しこの溝にヨークと永久磁石を嵌装固定しても良い。
回転子3は、永久磁石34の列が固定子2の電機子鉄心21に対峙した状態で回転する。合成樹脂リング35とキャン15は薄くし、両者の間隙は狭くして、永久磁石34と固定子の電機子鉄心21を可能な限り接近するように配置して、磁束密度をできるだけ高くすることが好ましい。
軸受11,12の内周面にはセラミックが溶射されており、回転子2の円環37の円周面と相対しラジアル軸受として機能する。また、前方軸受11の後方面と後方軸受12の前方面にもセラミックが溶射されており、回転子2のヨーク33の側面と相対しスラスト軸受として機能する。なお、軸受は、セラミックを溶射する代りにセラミックソリッドで形成してもよいことは言うまでもない。
軸受11,12には水管を流れる水を供給して、水潤滑軸受として機能させることができる。セラミック製水潤滑軸受は、けい砂やアルミナ等の粒子が含まれるスラリーであっても、摩耗が極めて少なく十分に機能することが実験で確かめられている。なお、水流中に鉄分が含まれるときは、供給配管中にマグネットを設けて鉄粉を排除して給水する。水潤滑軸受とするときは、潤滑油を使わず、シールも不要になるので、水流を汚染する心配がなく、複雑なメンテナンスも要らない。
プロペラブレード31の内径側先端32は、環状に配置された固定子2の中心軸を中心とする円弧となって、円形の空間を形成している。
回転子3が回転すると、永久磁石34が形成する磁界が回転して近接して対峙する固定子2の電機子鉄心21に磁束変化を与え、これに伴って電機子コイル22に電圧を誘起して発電に至る。このとき、磁界が強く磁束変化が激しいほど大きな電圧が取り出せ、発電容量が大きくなる。
上流配管4の内周には適当数のガイドベーン42が等間隔に固定されている。ガイドベーン42は、プロペラブレード31の傾きと反対方向に傾いていて、プロペラブレードに入る水流をブレードの傾きに適合して、プロペラブレードを効率よく回転させる方向に案内する。
ガイドベーン42の内径側先端は流線型状のボス41に固定され、ボスが配管の中心軸上に固定されるようになっている。固定ボス41はプロペラブレード31の内径側先端32が形成する円形空間を適当な隙間tをもって貫通するように配置される。隙間tは、水の粘性などを考慮して運転の条件に従って最適な値を選択する。
そこで、比較的低落差の水流において、ボス径と管径の比によりエネルギー効率が変化する様子を調べた結果、適当な値があることが分かった。
図4は、ボス径rと水車径Rの比を横軸に取り、縦軸に水車効率と軸受の機械効率と発電効率を考慮した総合効率ηを、総合効率の最大値ηmaxで割った値をプロットしたグラフである。グラフは水車の回転数Nをパラメータとして作成されている。
このように、効率的エネルギー回収を図るには、設計回転数にしたがってボス径/管径を適当に選択する必要がある。
なお、上流配管4の側壁に流水の一部を取り出す分岐ノズル43が設けられている。また、図示しないが、ノズル43には、水中の鉄分を阻止するマグネットなどを備えることもできる。
上流側フランジ52には、軸受11,12に潤滑水を供給する給水ノズル51が設けられていて、上流配管の分岐ノズル43と配管で接続されている。上流で取水して給水ノズル51に供給される水の水圧は、発電機を通過して圧力低下した下流の水より十分高いので、特段のポンプが無くても軸受の水潤滑に使用することができる。
なお、取水された水はさらに分岐して、電機子コイル22の冷却水として使用するようにしても良い。
本実施例の水力発電装置は、従来市販のインライン型プロペラ水車式水力発電機と比較して長さが約半分程度の極めてコンパクトな装置にすることができる。
なお、上記実施例では、固定子のシールにキャンを用いたが、コイルが巻かれた固定子鉄心の全体を樹脂モールドなどにより絶縁性、耐水性を有し渦電流損が非常に小さい合成樹脂からなる被覆体で被覆しても良い。
11 前方軸受
12 後方軸受
13 前部フランジ
14 後部フランジ
15 キャン
16 環状空間
2 固定子
21 積層コア(電機子鉄心)
22 電機子コイル
3 回転子
31 プロペラブレード
32 プロペラブレードの内径側先端
33 ヨーク
34 永久磁石
35 合成樹脂リング
36 ブレードベース
37 円環
4 上流配管
41 ボス
42 ガイドベーン
43 分岐ノズル
44 上流側フランジ
45 下流側フランジ
5 下流配管
51 給水ノズル
52 上流側フランジ
53 下流側フランジ
Claims (5)
- 電機子鉄心と電機子コイルを備えた円環状の固定子を水管外側に設け、外周に永久磁石を備え内周に複数のプロペラブレードを有する翼車を備えた円環状の回転子を前記固定子の内側で前記永久磁石が前記電機子鉄心と対峙して回転するように設け、水管中の水流を管壁側に導くための固定ボスを水管の中心軸位置に固設し、複数のガイドベーンを前記固定ボスの外周と前記水管の内壁との間に固設したものであって、前記プロペラブレードの内側先端を結ぶ径が前記ボスの径より大きく、該プロペラブレードが該固定ボスの周に沿って回転することを特徴とする水力発電装置。
- 前記電機子鉄心の内側表面に絶縁性の耐水性キャンを水密に嵌めたことを特徴とする請求項1記載の水力発電装置。
- 前記固定子は全体を耐水性樹脂で鋳ぐるみしたことを特徴とする請求項1記載の水力発電装置。
- 前記円環状の回転子の側面と円周面に相対しスラスト方向およびラジアル方向の荷重を支える水潤滑軸受を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の水力発電装置。
- 前記プロペラブレードより上流位置に取水口を備え、該取水口と前記水潤滑軸受の間に水供給配管を備えて、前記水潤滑軸受に水を供給することを特徴とする請求項4記載の水力発電装置。
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