WO2014024645A1

WO2014024645A1 - 水力発電装置

Info

Publication number: WO2014024645A1
Application number: PCT/JP2013/069277
Authority: WO
Inventors: 彰博寺町; 浅生　利之; 智幸会田; 隆咲山; 圭介早坂
Original assignee: Thk株式会社
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2014-02-13
Also published as: TWI602990B; EP2910771A1; EP2910771A4; CN104685206B; JP5696105B2; JP2014034923A; CN104685206A; TW201408872A

Abstract

　水力発電装置（１）は、水面（Ｗｓ）下に配置される水車（１０）と、水車（１０）の回転により発電を行う発電機（５５）と、水車（１０）の回転中心（Ａ）に同軸配置される軸体（３１）を有し、軸体（３１）の回転を発電機（５５）に伝達しつつ、軸体（３１）を発電機（５５）の回転軸方向に移動可能な運動案内部（３０）と、水位（Ｗｓ）の変動に合わせて軸体（３１）を上下方向に移動させる水車位置調整部（６０）と、を備える。

Description

水力発電装置

　本発明は、水力発電装置に関する。
　本願は、２０１２年８月８日に、日本に出願された特願２０１２－１７６５００号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　垂直軸型水車（貫流水車）を用いた発電装置では、水位（水面）が上下に変化したとしても、水車（羽部）を常に水面下に配置する（水没させる）必要がある。水車の一部が水面上に露出すると、水車にかかる負荷が不均一となって、水車に不具合が生じるおそれがある。

　そこで、水面上に浮かせた浮上体に発電機を固定し、浮上体の底面側（下方側）に水車を配置することにより、垂直軸型水車を常に水面下に配置する技術が提案されている（特許文献１）。

実公平１－１０４４６号公報

　しかしながら、従来の技術では、発電機を含む垂直軸型水力発電装置の全体を浮上体で支持するため、十分な浮力が得られる大型の浮上体が必要となる。このため、装置が大型化してしまうという問題がある。また、垂直軸型水力発電装置の全体が水面上に浮かんでいるため、水車を含む装置全体の姿勢が不安定になり、発電が不安定になりやすいという問題がある。さらに、装置全体の姿勢が不安定なので、メンテナンス性や信頼性に劣るという問題がある。

　本発明は、装置を大型化させることなく、水車を確実に水面下に配置することができる水力発電装置を提案することを目的とする。

　本発明に係る水力発電装置の第一実施態様は、水面下に配置される水車と、前記水車の回転により発電を行う発電機と、前記水車の回転中心に同軸配置される軸体を有し、前記軸体の回転を前記発電機に伝達しつつ、前記軸体を前記発電機の回転軸方向に移動可能な運動案内部と、水位の変動に合わせて前記軸体を上下方向に移動させる水車位置調整部と、を備える。

　本発明に係る水力発電装置の第二実施態様は、第一実施態様において、前記運動案内部は、前記軸体に対して軸回りに回転不能に嵌合しつつ、前記軸体を前記軸方向に移動可能な筒体と、前記筒体を水面よりも上方において回転可能に支持する軸受と、を備える。

　本発明に係る水力発電装置の第三実施態様は、第二実施態様において、前記発電機は、前記筒体に連結される磁石部と、前記磁石部の外周側を取り囲むコイル部と、を備える。

　本発明に係る水力発電装置の第四実施態様は、第一から第三実施態様のいずれかにおいて、前記水車位置調整部は、前記運動案内部に対して軸受を介して連結されたリニアアクチュエータである。

　本発明に係る水力発電装置の第五実施態様は、第一から第三実施態様のいずれかにおいて、前記水車位置調整部は、前記運動案内部に形成されたラックと、前記ラックに係合するピニオンと、前記ピニオンを回転させる回転アクチュエータと、を備える。

　本発明に係る水力発電装置の第六実施態様は、第一から第三実施態様のいずれかにおいて、前記水車位置調整部は、前記運動案内部に対して軸受を介して連結された浮体である。

　本発明に係る水力発電装置は、装置を大型化させることなく、水車を確実に水面下に配置することができる。

本発明の実施形態に係る垂直軸型水力発電装置の概略構成を示す図である。運動案内部及び固定部を示す図である。ロータリーボールスプライン軸受の詳細構成を示す図であって、スプライン軸及びスプラインナット等を示す図である。ロータリーボールスプライン軸受の詳細構成を示す図であって、一対のアンギュラ軸受等を示す図である。水位が上下に変化した際の垂直軸型水力発電装置の動作を示す図であって、用水路を流れる水の水位が低い場合を示す図である。水位が上下に変化した際の垂直軸型水力発電装置の動作を示す図であって、用水路を流れる水の水位が高い場合を示す図である。水車位置調整部の第一変形例を示す図である。水車位置調整部の第二変形例を示す図である。

　図１は、本発明の実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１の概略構成を示す図である。
　図２は、運動案内部３０及び固定部５０を示す図である。

　垂直軸型水力発電装置１は、例えば、農業、工業、水道等に用いられる用水路Ｃに設置される。
　垂直軸型水力発電装置１では、垂直軸型水車１０が用水路Ｃの水面Ｗｓよりも下方に配置される。垂直軸型水車１０は、用水路Ｃにおいて水没するように配置される。
　垂直軸型水車１０は、回転軸１３の中心軸（回転中心）Ａが鉛直方向を向くように配置される。回転軸１３のうち、水上に露出した部位には、発電機５５が間接的に連結される。
　発電機５５は、垂直軸型水車１０の回転力（機械エネルギー）を電気エネルギーに変換する。発電機５５は、用水路Ｃを流れる水Ｗの力を用いて発電を行う。

　垂直軸型水力発電装置１は、垂直軸型水車１０、運動案内部３０、固定部５０及び水車位置調整部６０を備える。
　運動案内部３０は、垂直軸型水車１０の回転を発電機５５に伝達しつつ、垂直軸型水車１０を上下方向に移動可能である。
　固定部５０は、用水路Ｃの上方に配置されて、垂直軸型水車１０及び運動案内部３０を支持すると共に、発電機５５にて発電を行う。
　水車位置調整部６０は、水位（水面Ｗｓ）の変化に対応して、運動案内部３０を作動させる。

　垂直軸型水車１０は、所謂ジャイロミル型風車である。垂直軸型水車１０は、矩形板状又は帯板状をなし、鉛直方向に延びるブレード１１を複数有する。垂直軸型水車１０は、中心軸Ａに沿って配置された回転軸１３を有する。
　複数のブレード１１は、中心軸Ａ回りに、周方向に均等に間隔をあけて配設される。各ブレード１１は、両端に接続された一対のアーム１２を介して、回転軸１３の外周面に連結される。複数のブレード１１は、水Ｗを受けると揚力を発生する形状に形成されている。この揚力によって、垂直軸型水車１０（回転軸１３）は、中心軸Ａ回りに回転する。
　垂直軸型水車１０は、水の流れの方向に対して依存性がない。どの方向からの水Ｗに対しても、垂直軸型水車１０は、中心軸Ａ回りに回転可能である。

　運動案内部３０は、垂直軸型水車１０と共に回転しつつ、垂直軸型水車１０を中心軸Ａ方向に移動可能である。運動案内部３０は、垂直軸型水車１０の回転を発電機５５に伝達しつつ、垂直軸型水車１０を水位（水面Ｗｓ）の変化に対応して上下方向に移動可能にする。
　運動案内部３０は、スプライン軸３１、スプラインナット３２，３３及び軸受３６を備える。
　スプライン軸（軸体）３１は、回転軸１３に一体的に形成される。スプラインナット（筒体）３２，３３は、スプライン軸３１に配置される。軸受３６は、スプラインナット３３に嵌合する。
　軸受３４，３５，３６は、スプラインナット３２，３３を固定部５０に対して回転可能に支持する。運動案内部３０は、一つのスプライン軸３１を共用している二つのロータリーボールスプライン軸受４０を備える。

　図３Ａは、ロータリーボールスプライン軸受４０の詳細構成を示す図であって、スプライン軸３１及びスプラインナット３２等を示す図である。
　図３Ｂは、ロータリーボールスプライン軸受４０の詳細構成を示す図であって、一対のアンギュラ軸受３４，３５等を示す図である。

　図３Ａに示すように、スプライン軸３１の外周面には、その延在方向に沿って延びる転動体転走溝３１Ａが複数形成される。複数の転動体転走溝３１Ａは、少なくともスプラインナット３２に対応する位置に形成される。複数の転動体転走溝３１Ａは、互いに周方向に間隔を開け配置される。
　転動体転走溝３１Ａには、スプラインナット３２の複数のボール４４が転動可能に配置される。転動体転走溝３１Ａは、ボール４４に対する機械的強度を確保するために焼き入れが施されている。

　スプラインナット３２は、外筒４３、複数のボール４４及び保持器４５を備える。外筒４３は、スプライン軸３１に遊嵌される。複数のボール４４は、スプライン軸３１と外筒４３との間に転がり運動可能に介在する。保持器４５は、外筒４３に組み込まれて、ボール循環路に配置された複数のボール４４を整列させる。

　外筒４３の内周面には、スプライン軸３１の転動体転走溝３１Ａに対向して、その延在方向に延びる複数条の負荷転動体転走溝が形成される。外筒４３の軸線方向の両端には、外筒４３に保持器４５を組み付けるための止め輪４６が夫々設けられている。

　ボール循環路は、負荷転動体転走路、一対の方向転換路４７及び戻し通路（無負荷転動体転走路）４８から構成される。ボール循環路は、扁平した環状又はサーキット状をなす。
　負荷転動体転走路は、スプライン軸３１の転動体転走溝３１Ａと外筒４３の負荷転動体転走溝とから構成される。一対の方向転換路４７は、保持器４５に形成される。戻し通路４８は、保持器４５と外筒４３との間に形成される。

　スプラインナット３２に対するスプライン軸３１の相対的な直線運動に伴い、ボール４４が負荷転動体転走路を転がり運動する。
　ボール４４は、負荷転動体転走溝の一端まで転がると、保持器４５により転動体転走溝３１Ａから掬い上げられる。ボール４４は、Ｕ字状の方向転換路４７を経由した後、向きを変えて負荷転動体転走溝と平行に延びる戻し通路４８に入る。
　ボール４４は、戻し通路４８を通過すると、反対側の方向転換路４７を経由した後、再び転動体転走溝３１Ａに戻される。
　戻し通路４８は、保持器４５と外筒４３との間に形成されているので、戻し通路４８においてボール４４が転動体転走溝３１Ａに接触しない。

　スプラインナット３２とスプライン軸３１は、相対的に直線移動可能である。
　その一方で、スプラインナット３２の負荷転動体転走溝とスプライン軸３１の転動体転走溝３１Ａとの間には複数のボール４４が介在するので、スプラインナット３２はスプライン軸３１がその軸線の回りに回転するのを制限する。
　スプラインナット３２とスプライン軸３１とは、互いの軸周りの相対回転が規制される。

　図３Ｂに示すように、外筒４３の外周面の両端側には、軸受３４，３５が設けられる。これにより、スプライン軸３１及びスプラインナット３２が一体となって軸周りに回転することが可能である。
　スプラインナット３２とスプライン軸３１は、互いの軸周りの相対回転が規制された状態で、一体となって軸周りに回転する。スプライン軸３１が軸周りに回転すると、スプラインナット３２（３３）も一体となって軸周りに回転する。

　図１及び図２に示すように、運動案内部３０の軸受３４，３５，３６は、固定部５０に対して固定される。軸受３４，３５，３６は、一つのスプライン軸３１を共用している二つのロータリーボールスプライン軸受４０を、固定部５０に対して回転可能に支持する。
　二つのスプラインナット３２，３３は、水面Ｗｓよりも上方において、鉛直方向に並んで配置される。二つのスプラインナット３２，３３に対してスプライン軸３１の上端側が挿通される。
　軸受３４，３５は、一対のアンギュラ軸受である。軸受３６は、ラジアル軸受である。一対のアンギュラ軸受３４，３５は固定部５０の下方側に、ラジアル軸受３６は固定部５０の上方側に、配設される。
　二つのスプラインナット３２，３３の間に発電機５５が配置される。発電機５５は、スプラインナット３２，３３に連結される。

　一対のアンギュラ軸受３４，３５は、内輪を有していない。スプラインナット３２の外筒の外周面に、アンギュラ軸受３４，３５のボールが転走する走行溝が直接形成される。
　スプラインナット３２の外筒の両端には、それぞれフランジ３２Ｆが設けられる。軸受３４，３５のボールが転走する走行溝は、それぞれフランジ３２Ｆの近傍に形成される。
　一対のアンギュラ軸受３４，３５の外輪同士の間には、円筒形の間座３７が設けられる。

　ラジアル軸受３６は、スプラインナット３３の外筒に嵌合する。スプラインナット３３の外筒の一端（下端）には、フランジ３３Ｆが設けられる。このフランジ３３Ｆにラジアル軸受３６の内輪が当接する。

　固定部５０は、支持フレーム５１及び発電機５５等を備える。支持フレーム５１は、用水路Ｃの両岸の間に架け渡される。支持フレーム５１は、垂直軸型水車１０と運動案内部３０を支持する。
　支持フレーム５１の内部に発電機５５が設けられる。

　支持フレーム５１は、支持板５２、円筒形のケーシング部５３及びリング部材５４を備える。
　支持板５２は、用水路Ｃの両岸の間に架け渡される。円筒形のケーシング部５３は、支持板５２の上面に配置される。リング部材５４は、ケーシング部５３の上端面に配置される。

　支持板５２には、円形の貫通孔５２Ａが垂直方向に沿って形成される。貫通孔５２Ａには、スプラインナット３２が軸受３４，３５を介して配置される。貫通孔５２Ａは、スプラインナット３２とほぼ同一長さを有しており、この貫通孔５２Ａの内周面に軸受３４，３５の外輪が嵌合配置される。貫通孔５２Ａの下方側に軸受３４が、上方側に軸受３５が、配置される。
　軸受３５の外輪には、フランジ３５Ｆが形成される。このフランジ３５Ｆが支持板５２の上面に当接し、ボルトにより支持板５２に固定される。

　ケーシング部５３は、支持板５２の貫通孔５２Ａの中心軸に同軸配置される。
　ケーシング部５３の中心孔５３Ｈの内径は、軸受３５の外輪のフランジ３５Ｆの直径よりもやや大きい。したがって、中心孔５３Ｈの下方側には、軸受３５の外輪のフランジ３５Ｆが収容される。
　中心孔５３Ｈの上方側には、スプラインナット３３が軸受３６を介して配置される。中心孔５３Ｈの内周面に軸受３６の外輪が嵌合配置される。
　ケーシング部５３の上端面には、リング部材５４が配置される。リング部材５４の一部がケーシング部５３の中心孔５３Ｈに嵌合しつつ、軸受３６の外輪に当接する。リング部材５４フランジ５４Ｆがケーシング部５３の上端面に当接し、ボルトによりケーシング部５３に固定される。

　発電機５５は、スプライン軸３１の回転によって得られる回転力（機械エネルギー）を電気エネルギーに変換して電力を発電する。
　発電機５５は、マグネットロータ５６及びコイルステータ５７等を備える。マグネットロータ５６は、二つのスプラインナット３２，３３の間に配置される。コイルステータ５７は、固定部５０のケーシング部５３の内部に配置される。

　マグネットロータ（磁石部）５６は、二つのスプラインナット３２，３３の端面同士の間に挟持される。
　マグネットロータ５６は、二つのスプラインナット３２，３３の間に挟持される場合に限らない。例えば、マグネットロータ５６は、フランジ３２Ｆ，３３Ｆに対してボルト等の締結手段を用いて結合される場合であってもよい。
　マグネットロータ５６は、スプライン軸３１から僅かな隙間を隔てて配置される。このため、マグネットロータ５６は、二つのスプラインナット３２，３３と一体となって中心軸Ａ回りに回転する。
　その一方で、マグネットロータ５６は、スプライン軸３１が上下方向に移動したとしても移動することなく、二つのスプラインナット３２，３３と一体となって固定部５０に保持される。

　マグネットロータ５６は、複数の磁石５６Ｍ等を備える。複数の磁石５６Ｍは、中心軸Ａ回りの周方向に均等に間隔をあけて配設される。各磁石５６Ｍは、支持部材５６Ｓにより、外周側に露出するように保持される。支持部材５６Ｓが二つのスプラインナット３２，３３の端面同士の間に挟持される。

　コイルステータ（コイル部）５７は、ケーシング部５３の内部に配置される。コイルステータ５７は、マグネットロータ５６の外周側に僅かな隙間を隔てて、マグネットロータ５６を取り囲むように配置される。
　コイルステータ５７は、複数のコイル５７Ｃ等を備える。複数のコイル５７Ｃは、中心軸Ａ回りに周方向均等に間隔をあけて配設される。各コイル５７Ｃは、ケーシング部５３の中心孔５３Ｈの内周側に露出するように配置される。中心軸Ａから各コイル５７Ｃの表面までの距離は、中心孔５３Ｈの半径とほぼ同一となるように設定される。

　垂直軸型水車１０が水Ｗを受けてスプライン軸３１を中心軸Ａ回りに回転させると、スプライン軸３１に連結された二つのスプラインナット３２，３３が中心軸Ａ回りに回転する。マグネットロータ５６も、二つのスプラインナット３２，３３と一体となって、中心軸Ａ回りに回転する。
　マグネットロータ５６がコイルステータ５７に対して中心軸Ａ回りに回転することにより、マグネットロータ５６とコイルステータ５７との間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。

　水車位置調整部６０は、スプライン軸３１の上端に、連結板６１、一対の電動シリンダ６３、水位センサ６４及び駆動制御部（不図示）等を備える。
　連結板６１は、軸受６２を介して水平に配置される。一対の電動シリンダ６３は、連結板６１と固定部５０の間に配置される。水位センサ６４は、用水路Ｃの水面Ｗｓの位置（水位）を検出する。駆動制御部は、水位センサ６４からの検出結果に基づいて一対の電動シリンダ６３を駆動制御する。

　スプライン軸３１の上端には、軸受６２が嵌合し、さらに板形の連結板６１が軸受６２を介して連結される。このため、連結板６１は、スプライン軸３１が回転したとしても、回転することはない。
　連結板６１の両端には、一対の電動シリンダ６３のロッド６３Ａが連結される。
　一対の電動シリンダ（リニアアクチュエータ）６３は、それぞれ垂直方向に沿って、スプライン軸３１の中心軸Ａに対して対称に配置される。
　一対の電動シリンダ６３のシリンダ部６３Ｂは、固定部５０のリング部材５４の上面に固定される。一対の電動シリンダ６３は、ブレーキ付きであり、シリンダ部６３Ｂから突出したロッド６３Ａの位置（突出長）を保持可能である。

　水位センサ６４は、地上から水面Ｗｓの位置をレーザ光を用いて検出する光学式センサである。光学式センサに代えて、用水路Ｃの底面に配置して、水Ｗの水圧から水面Ｗｓの位置を計測する圧力センサを用いてもよい。
　水位センサ６４からの検出結果に基づいて駆動制御部（不図示）が一対の電動シリンダ６３を駆動制御することにより、スプライン軸３１の位置を水位に合わせて上下動することができる。このような制御のサンプリング周波数は、例えば数分周期であればよい。

　図４Ａは、水位（水面Ｗｓ）が上下に変化した際の垂直軸型水力発電装置１の動作を示す図であって、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が低い場合を示す図である。
　図４Ｂは、水位（水面Ｗｓ）が上下に変化した際の垂直軸型水力発電装置１の動作を示す図であって、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が高い場合を示す図である。

　垂直軸型水力発電装置１では、垂直軸型水車１０が水面Ｗｓよりも下方に位置する。垂直軸型水車１０は完全に水没する。
　このため、スプライン軸３１も下端側は水没する。その一方で、水車位置調整部６０により垂直軸型水車１０に連結されたスプライン軸３１を上下させるので、スプライン軸３１の上端側は常に水面Ｗｓよりも上方に位置する（図１参照）。
　垂直軸型水車１０は、用水路Ｃを流れる水Ｗを受けて中心軸Ａ回りに回転する。垂直軸型水車１０に連結したスプライン軸３１も中心軸Ａ回りに回転する。
　これにより、スプライン軸３１に配置した二つのスプラインナット３２，３３が中心軸Ａ回りに回転する。さらに、二つのスプラインナット３２，３３に挟持されたマグネットロータ５６も中心軸Ａ回りに回転する。
　垂直軸型水車１０、ロータリーボールスプライン軸受４０及びマグネットロータ５６は、一体となって中心軸Ａ回りに回転する。このように、ロータリーボールスプライン軸受４０に連結された発電機５５（マグネットロータ５６）には、垂直軸型水車１０の回転が伝達される。

　図４Ａに示すように、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が低くなった場合には、垂直軸型水力発電装置１では、水車位置調整部６０により運動案内部３０が作動して、垂直軸型水車１０を水位に合わせて下方に移動させる。水Ｗの水位が低くなると、垂直軸型水車１０、スプライン軸３１、連結板６１及び電動シリンダ６３のロッド６３Ａが一体となって下方に移動する。
　水車位置調整部６０が水面Ｗｓの変化（水位の低下）を検出し、その変化に合わせて電動シリンダ６３を制御するので、垂直軸型水車１０及びスプライン軸３１を水位の低下に合わせて用水路Ｃの下方に向かって移動させる。
　一方、スプラインナット３２，３３及び発電機５５は、水Ｗの水位が低くなったとしても、その位置姿勢は変わらずに維持する。スプライン軸３１がスプラインナット３２，３３に対して移動するので、スプラインナット３２，３３及び発電機５５の位置姿勢は変化しない。
　このため、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が低くなったとしても、垂直軸型水力発電装置１では、垂直軸型水車１０が水面Ｗｓ上に露出しないので、垂直軸型水車１０は均等に水Ｗを受けて回転する。したがって、垂直軸型水車１０が損傷等を受けることなく、効率的な発電を維持し続けることができる。

　図４Ｂに示すように、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が高くなった場合には、垂直軸型水力発電装置１では、水車位置調整部６０により運動案内部３０が作動して、垂直軸型水車１０を水位に合わせて上方に移動させる。水Ｗの水位が高くなると、垂直軸型水車１０、スプライン軸３１、連結板６１及び電動シリンダ６３のロッド６３Ａが一体となって上方に移動する。
　水車位置調整部６０が水面Ｗｓの変化（水位の上昇）を検出し、その変化に合わせて電動シリンダ６３を制御するので、垂直軸型水車１０及びスプライン軸３１を水位の上昇に合わせて用水路Ｃの上方に向かって移動させる。
　上述したように、スプラインナット３２，３３及び発電機５５は、水Ｗの水位が高くなったとしても、その位置姿勢は変わらずに維持する。スプライン軸３１がスプラインナット３２，３３がに対して移動するので、スプラインナット３２，３３及び発電機５５の位置姿勢は変化しない。
　このため、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が高くなったとしても、垂直軸型水力発電装置１では、垂直軸型水車１０の水面Ｗｓからの位置（水没深さ）が一定なので、垂直軸型水車１０は均等に水Ｗを受けて効率的な発電を維持し続けることができる。

　以上説明したように、垂直軸型水力発電装置１は、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が上下に変化したとしても、水車位置調整部６０により運動案内部３０が作動するので、垂直軸型水車１０を常に水没させておくことができる。このため、垂直軸型水車１０が水面Ｗｓ上に露出して、不均一な水力を受けて損傷する事態を確実に回避できる。そして、垂直軸型水車１０を常に水没させておくことにより、垂直軸型水車１０が均等に水Ｗを受けて回転するので、効率的な発電を維持し続けることができる。

　垂直軸型水力発電装置１は、運動案内部３０がロータリーボールスプライン軸受４０を有するので、垂直軸型水車１０を水面Ｗｓの変動に合わせて円滑に上下移動させることができる。
　垂直軸型水車１０の回転を確実に発電機５５に伝達することができ、効率的な発電を維持し続けることができる。

　発電機５５のマグネットロータ５６を運動案内部３０（ロータリーボールスプライン軸受４０）のスプラインナット３２，３３に連結したので、垂直軸型水車１０の回転を確実に発電機５５に伝達することができる。
　発電機５５のマグネットロータ５６を一対のスプラインナット３２，３３で挟持するので、マグネットロータ５６をスプラインナット３２，３３に確実に連結することができる。

　水車位置調整部６０は、運動案内部３０（スプライン軸３１）に対して電動シリンダ６３を連結したので、水位の変動に合わせて垂直軸型水車１０を能動的、かつ、確実に水没させることができる。水車位置調整部６０が固定部５０に配置されるので、メンテナンス性に優れる。
　電動シリンダ６３に代えて、他のリニアアクチュエータを用いていもよい。例えば、多段階式又は無段階式のエアシリンダを用いてもよい。例えば、回転モータとボールネジを組み合わせた直動機構を用いてもよい。
　このように、多種多様のリニアアクチュエータを用いることができるので、垂直軸型水車１０の重量等に合わせて適切な水車位置調整部１６０を構築することができる。

　次に、水車位置調整部の第一変形例について説明する。
　図５は、水車位置調整部の第一変形例（水車位置調整部１６０）を示す図である。
　水車位置調整部１６０は、スプライン軸３１の外周側に配置された円環形のフロート１６１及びスプライン軸１３１とフロート１６１の内周面の間に配置された軸受１６２から構成される。
　軸受１６２の内輪は、垂直軸型水車１０よりもやや上方において、スプライン軸３１に対して固定される。軸受１６２には、例えば防水型のベアリングが用いられる。

　フロート（浮体）１６１は、例えば、発砲スチロール等の合成樹脂素材からなり、水面Ｗｓに浮く低密度部材である。フロート１６１は、その浮力により、スプライン軸３１の上端側を水面Ｗｓよりも上方に露出させる。
　フロート１６１の形状、浮力等は、スプライン軸３１の上端側を水没させない範囲で適宜変更可能である。したがって、フロート１６１は、発砲スチロールで形成する場合に限らず、浮き輪のような袋体であってもよい。金属材料により形成したタンク形状の部材であってよい。

　このように、フロート１６１は、その浮力により、スプライン軸３１の上端側を水面Ｗｓよりも上方に露出させるので、水位（水面Ｗｓ）が上下に変化したとしても、スプライン軸３１の下端側に連結された垂直軸型水車１０は常に水没した状態となる。

　フロート１６１は、スプライン軸３１に対して中心軸Ａ周りに軸受１６２を介して回転可能に接続されるので、スプライン軸３１が中心軸Ａ周りに回転したとしても、フロート１６１は回転しない。このため、フロート１６１の存在により、垂直軸型水車１０の回転が阻害されることはない。したがって、発電機５５は、損失を受けることなく良好に回転する垂直軸型水車１０からの回転力（機械エネルギー）を受けて、発電を行うことができる。よって、垂直軸型水力発電装置１は、効率のよい発電を行うことができる。

　水車位置調整部１６０は、運動案内部３０（スプライン軸３１）に対して軸受１６２を介してフロート１６１を連結したので、水位の変動に合わせて垂直軸型水車１０を確実に水没させることができる。
　円環形のフロート１６１が軸受１６２を介してスプライン軸３１（垂直軸型水車１０）に連結されているので、垂直軸型水車１０の回転を阻害することなく、効率のよい発電を行うことができる。
　発電機５５が水位に合わせて上下しないのでメンテナンス性に優れる。発電機５５に接続されるケーブル類も上下しないので、信頼性が向上する。

　次に、水車位置調整部の第二変形例について説明する。
　図６は、水車位置調整部の第二変形例（水車位置調整部２６０）を示す図である。
　水車位置調整部２６０は、ラック２６１、一対のピニオンギア２６２、一対の回転モータ２６３、一対のリニアモータ２６４、水位センサ２６５及び駆動制御部（不図示）等を備える。
　ラック２６１は、スプライン軸３１の上端外周面に形成される。一対のピニオンギア２６２は、ラック２６１に噛合う。一対の回転モータ２６３は、一対のピニオンギア２６２を回転させる。一対のリニアモータ２６４は、一対の回転モータ２６３をラック２６１（スプライン軸３１）に対して密着及び離間させる。水位センサ２６５は、用水路Ｃの水面Ｗｓの位置（水位）を検出する。駆動制御部は、水位センサ２６５からの検出結果に基づいて回転モータ２６３及びリニアモータ２６４を駆動制御する。

　ラック２６１は、スプライン軸３１の上端外周面の全面（全周）に形成される。ラック２６１は、スプライン軸３１のほぼ上端から下方に向けて、スプライン軸３１の上下移動距離に対応する長さ（範囲）に形成される。
　一対のピニオンギア２６２は、それぞれ回転軸が水平方向を向き、スプライン軸３１の中心軸Ａに対して対称に配置される。
　一対の回転モータ（回転アクチュエータ）２６３は、水平方向を向くようにして、固定部５０のリング部材５４の上面に配置される。
　一対のリニアモータ２６４は、一対の回転モータ２６３とリング部材５４の間に配置される。一対のリニアモータ２６４は、それぞれの回転モータ２６３に連結されたピニオンギア２６２をラック２６１に対して密着させたり、離間させたりするために用いられる。
　回転モータ２６３に連結されたピニオンギア２６２をラック２６１から離間させた際に、スプライン軸３１の落下を防止する不図示の落下防止部が設けられる。

　水位センサ２６５は、水位センサ１６４と同様に、地上から水面Ｗｓの位置をレーザ光を用いて検出する光学式センサである。光学式センサに代えて、用水路Ｃの底面に配置して、水Ｗの水圧から水面Ｗｓの位置を計測する圧力センサを用いてもよい。
　水位に変化がある場合には、水位センサ２６５からの検出結果に基づいて駆動制御部（不図示）が一対のリニアモータ２６４を駆動して、回転モータ２６３に連結されたピニオンギア２６２をスプライン軸３１に形成されたラック２６１に密着させる。駆動制御部が回転モータ２６３を駆動制御することにより、スプライン軸３１の位置を水位に合わせて上下動することができる。
　一方、水位に変化がない場合には、駆動制御部（不図示）が一対のリニアモータ２６４を駆動して、回転モータ２６３に連結されたピニオンギア２６２をスプライン軸３１（ラック２６１）から離間させた状態を維持する。このような制御のサンプリング周波数は、例えば数分周期であればよい。

　水車位置調整部２６０は、運動案内部３０（スプライン軸３１）に対してラックアンドピニオン機構を連結したので、水位の変動に合わせて垂直軸型水車１０を能動的、かつ、確実に水没させることができる。水車位置調整部２６０が固定部５０に配置されるので、メンテナンス性に優れる。

　水車位置調整部の他の変形例として、スプライン軸３１の上端にアイボルトを締結し、このアイボルトにクレーン等を連結して、スプライン軸３１を上下移動させてもよい。

　上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

　垂直軸型水車１０は、ジャイロミル型に限らない。直線翼型、ダリウス型、サボニウス型、パドル型、クロスフロー型、Ｓ型ロータ型等であってもよい。

　ロータリーボールスプライン軸受４０のうち、スプライン軸及びスプラインナットについては変更可能である。例えば、スプライン軸及びスプラインナットに代えて、フェザーキーやセレーション、すべりスプラインを用いてもよい。

　ロータリーボールスプライン軸受４０は、いわゆるエンドキャップ形式のボールスプライン軸受であってもよい。

　回転軸１３とスプライン軸３１を一本の軸部材で形成する場合について説明したが、これに限らない。回転軸１３とスプライン軸３１を別個の軸部材で形成し、これら複数の軸部材を溶接する場合であってもよい。

　スプラインナット３２に対してアンギュラ軸受３４，３５を直接組み込むのと同様に、スプラインナット３３に対してラジアル軸受３６を直接組み込んでもよい。

　軸受６２は、スラスト軸受に限らず、アンギュラ軸受であってもよい。

　１　垂直軸型水力発電装置　　１０　垂直軸型水車（水車）　　１３　回転軸　　３０　運動案内部　　３１　スプライン軸（軸体）　　３２，３３　スプラインナット（筒体）　　３４，３５　アンギュラ軸受　　３６　ラジアル軸受　　４０　ロータリーボールスプライン軸受　　５５　発電機　　５６　マグネットロータ（磁石部）　　５７　コイルステータ（コイル部）　　６０　水車位置調整部　　６１　フロート（浮体）　　６２　軸受　　１６０　水車位置調整部　　１６２　軸受　　１６３　電動シリンダ（リニアアクチュエータ）　　２６０　水車位置調整部　　２６１　ラック　　２６２　ピニオンギア　　２６３　回転モータ（回転アクチュエータ）　　Ａ　中心軸（回転中心）　　Ｃ　用水路　　Ｗ　水　　Ｗｓ　水面、水位　

Claims

　水面下に配置される水車と、
　前記水車の回転により発電を行う発電機と、
　前記水車の回転中心に同軸配置される軸体を有し、前記軸体の回転を前記発電機に伝達しつつ、前記軸体を前記発電機の回転軸方向に移動可能な運動案内部と、
　水位の変動に合わせて前記軸体を上下方向に移動させる水車位置調整部と、を備える水力発電装置。
　前記運動案内部は、
　前記軸体に対して軸回りに回転不能に嵌合しつつ、前記軸体を前記軸方向に移動可能な筒体と、
　前記筒体を水面よりも上方において回転可能に支持する軸受と、
を備える請求項１に記載の水力発電装置。
　前記発電機は、
　前記筒体に連結される磁石部と、
　前記磁石部の外周側を取り囲むコイル部と、
を備える請求項２に記載の水力発電装置。
　前記水車位置調整部は、前記運動案内部に対して軸受を介して連結されたリニアアクチュエータである請求項１から３のうちいずれか一項に記載の水力発電装置。
　前記水車位置調整部は、
　前記運動案内部に形成されたラックと、
　前記ラックに係合するピニオンと、
　前記ピニオンを回転させる回転アクチュエータと、
を備える請求項１から３のうちいずれか一項に記載の水力発電装置。
　前記水車位置調整部は、前記運動案内部に対して軸受を介して連結された浮体である請求項１から３のうちいずれか一項に記載の水力発電装置。