(57)【要約】【課題】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、安定した発電が得られる水力発電装置を提案する。【解決手段】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５３と、水位Ｗｓの変動に合わせて水車１０を上下移動させつつ、水車１０の回転を発電機５３に伝達する水車位置調整部２０と、を備える。【選択図】図１
2014015904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
水位の変動に合わせて前記水車を上下移動させつつ前記水車の回転を前記発電機に伝達する水車位置調整部と、
を備えることを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記水車位置調整部は、
前記水車の回転中心に同軸配置される筒形部材と、
前記筒形部材の上端部の外周側に連結される浮体と、
前記筒形部材の回転を前記発電機に伝達しつつ、前記筒形部材の軸方向への移動を可能にする運動案内機構と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記運動案内機構は、
前記筒形部材の内部に軸方向に沿って配置されたスプライン軸及び前記筒形部材の内壁に嵌合するスプラインナットを有するボールスプライン軸受であることを特徴とする請求項２に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記浮体は環状形状であり、
前記筒形部材に対して軸受を介して回転可能に連結されることを特徴とする請求項２又は３に記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記筒形部材は、内部への浸水を防止する底蓋を有することを特徴とする請求項２から４のうちいずれか一項に記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実公平１−１０４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。また、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。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る水力発電装置は、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、水位の変動に合わせて前記水車を上下移動させつつ前記水車の回転を前記発電機に伝達する水車位置調整部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、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が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】垂直軸型水力発電装置の概略構成を示す図である。
【図２】ボールスプライン軸受の詳細構成を示す図である。
【図３】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る。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明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。
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に設置されることができる。
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。つまり、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。また、垂直軸型水車１０は、中心軸（回転中心）Ａである回転軸が鉛直方向を向くように配置される。そして、水上に露出した回転軸の端部には、発電機５３が連結される。発電機５３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。つまり、用水路Ｃを流れる水Ｗの力を用いて発電を行う。
【００１１】
垂直軸型水力発電装置１は、垂直軸型水車１０と、水車位置調整部２０と、固定部５０と、から構成される。
水車位置調整部２０は、垂直軸型水車１０の回転を発電機５３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させる。
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及び水車位置調整部２０を支持すると共に後述する発電機５３にて発電を行う。
【００１２】
垂直軸型水車１０は、所謂ジャイロミル型風車であるが、これに限定されない。
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。複数のブレード１１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、後述するパイプ２１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は、中心軸Ａに沿って配置したパイプ２１を中心軸Ａに回りに回転させる。
なお、垂直軸型水車１０は、水の流れに対して依存性がない。すなわち、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。
【００１３】
水車位置調整部２０は、パイプ２１、フロート２４及びボールスプライン軸受４０と、等から構成される。
パイプ（筒形部材）２１は、垂直軸型水車１０の中心軸Ａに沿って配置された筒状部材である。
パイプ２１の下端部２１Ｂの外周側には、垂直軸型水車１０が接続される。パイプ２１の上端部２１Ａは、水面Ｗｓから上方に向けて突出する。後述するように、パイプ２１の上端部２１Ａは、常に水上に露出する。
パイプ２１の下端には、パイプ２１の内部への水Ｗの侵入（浸水）を防止する底蓋２２が設けられる。なお、パイプ２１の上端に、上蓋を設けてもよい。
そして、パイプ２１の直径（内径）は、ボールスプライン軸受４０（スプラインナット４２）がその内周面に嵌合等により固定される大きさに設定される。
【００１４】
パイプ２１の上端部２１Ａの外周側には、円環形のフロート２４が接続される。
フロート（浮体）２４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２４は、その浮力により、パイプ２１の上端部２１Ａを水面Ｗｓよりも上方に露出させる。フロート２４の形状、浮力等は、パイプ２１の上端部２１Ａ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２４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。また、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。
【００１５】
このように、フロート２４は、その浮力により、パイプ２１の上端部２１Ａ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、パイプ２１の下端部２１Ｂ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。
【００１６】
また、フロート２４の内周面とパイプ２１の外周面の間には、軸受２５が配置される。軸受２５には、例えば防水型のベアリングが用いられる。
つまり、フロート２４は、パイプ２１に対して中心軸Ａ周りに軸受２５を介して回転可能に接続される。言い換えれば、パイプ２１が中心軸Ａ周りに回転したとしても、フロート２４は回転しないようにパイプ２１に接続される。
このため、フロート２４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。
【００１７】
ボールスプライン軸受（運動案内機構）４０は、垂直軸型水車１０（パイプ２１）と共に回転しつつ、垂直軸型水車１０（パイプ２１）を中心軸Ａ方向に移動可能にする。つまり、垂直軸型水車１０の回転を発電機５３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。
【００１８】
図２は、ボールスプライン軸受４０の詳細構成を示す図である。
ボールスプライン軸受４０は、スプライン軸４１及びスプラインナット４２等から構成される。
スプラインナット４２とスプライン軸４１は、相対的に直線移動可能である。
【００１９】
図２に示すように、スプライン軸４１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４１Ａが複数形成される。これらの転動体転走溝４１Ａは、少なくともスプラインナット４２に対応する位置に形成されており、互いに周方向に間隔を開け配置される。転動体転走溝４１Ａには、スプラインナット４２のボール４４が転動可能に配置されることから、これらボール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る。
【００２０】
スプラインナット４２は、スプライン軸４１に遊嵌された円筒状の外筒４３と、スプライン軸４１と外筒４３との間に転がり運動可能に介在される複数のボール４４と、外筒４３に組み込まれて複数のボール４４を扁平した環状又はサーキット状をなすボール循環路に整列する保持器４５と、を備える。
【００２１】
外筒４３の内周面には、スプライン軸４１の転動体転走溝４１Ａ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。
【００２２】
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から構成されて、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４１の転動体転走溝４１Ａ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４２に対するスプライン軸４１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。負荷転動体転走溝の一端まで転がったボール４４は、保持器４５により転動体転走溝４１Ａから掬い上げられ、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。戻し通路４８を通過したボール４４は、反対側の方向転換路４７を経由した後、再び転動体転走溝４１Ａ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４１Ａに接触しない。
なお、スプライン軸４１の下端には、スプラインナット４２がスプライン軸４１から抜け落ちないように、抜け止め４９が設けられる。
【００２３】
スプラインナット４２の負荷転動体転走溝とスプライン軸４１の転動体転走溝４１Ａ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４２はスプライン軸４１がその軸線の回りに回転するのを制限する。すなわち、スプラインナット４２とスプライン軸４１とは、互いの軸周りの相対回転が規制される。
言い換えれば、スプラインナット４２が軸周りに回転すると、スプライン軸４１も一体となって軸周りに回転する。
【００２４】
図１に戻り、ボールスプライン軸受４０のスプラインナット４２は、パイプ２１の内周面に対して嵌合して固定される。スプラインナット４２は、パイプ２１の内周面に嵌合する場合に限らず、ボルト等の締結手段を用いて固定する場合であってもよい。
スプラインナット４２は、パイプ２１の長手方向（上下方向）のほぼ中央に配置するように固定される。
一方、ボールスプライン軸受４０のスプライン軸４１は、下端側がスプラインナット４２に挿通され、上端側がパイプ２１の上端部２１Ａよりも上方に向けて突出する。つまり、スプライン軸４１の上端側は、パイプ２１よりも上方に露出する。そして、スプライン軸４１の上端には、発電機５３が連結される。
【００２５】
固定部５０は、支持フレーム５１、軸受５２、発電機５３、カップリング５４等から構成される。
支持フレーム５１は、用水路Ｃの両岸の間に架け渡されて、垂直軸型水車１０と水車位置調整部２０を支持する。支持フレーム５１は、ボールスプライン軸受４０のスプライン軸４１の上端部を軸受５２を介して回転可能に支持する。具体的には、支持フレーム５１は、円筒形のケーシング部５１Ａを有する。ケーシング部５１Ａの内部にスプライン軸４１の上端部が挿入される。ケーシング部５１Ａとスプライン軸４１の上端部の間に軸受５２が配置される。
【００２６】
軸受５２は、スプライン軸４１の中心軸Ａの方向に互いに離間するラジアル軸受５２Ａと一対のアンギュラ軸受５２Ｂ，５２Ｃを有する。
ラジアル軸受５２Ａは、スプライン軸４１の上端部のうち、発電機５３に近い上方側に配置される。一対のアンギュラ軸受５２Ｂ，５２Ｃは、スプライン軸４１の上端部のうち、垂直軸型水車１０に近い下方側に配設される。
【００２７】
ケーシング部５１Ａの上部には、発電機５３が固定される。発電機５３は、カップリング５４を介してスプライン軸４１の上端に連結される。
【００２８】
図３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る。図３（ａ）は、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が低い場合を示す図、図３（ｂ）は、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。
【００２９】
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。つまり、垂直軸型水車１０は完全に水没する。このため、パイプ２１も下端部２１Ｂが水没するが、上端部２１Ａはフロート２４が連結されているので常に水面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に連結したパイプ２１も同様に中心軸Ａ回りに回転する。これにより、パイプ２１の内周面に嵌合配置したボールスプライン軸受４０も同様に中心軸Ａ回りに回転する。つまり、垂直軸型水車１０、パイプ２１及びボールスプライン軸受４０は、一体となって中心軸Ａ回りに回転する。
そして、ボールスプライン軸受４０に連結された発電機５３には、カップリング５４を介して垂直軸型水車１０の回転が伝達される。このとき、フロート２４は、パイプ２１に対して軸受２５を介して連結されているので、パイプ２１が中心軸Ａ周りに回転したとしても、フロート２４は回転せずに水面Wｓ上で浮かんでいる。このため、フロート２４が垂直軸型水車１０の回転を阻害することはない。したがって、発電機５３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。つまり、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。
【００３０】
そして、図３（ａ）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２０が自動的に作動して、垂直軸型水車１０を水位に合わせて下方に移動させる。
すなわち、水Ｗの水位が低くなると、垂直軸型水車１０、パイプ２１、フロート２４及びスプラインナット４２が一体となって下方に移動する。フロート２４は、常に水面Wｓ上に浮かぶため、垂直軸型水車１０、パイプ２１及びスプラインナット４２が水位の低下に合わせて、用水路Ｃの下方に向かって移動する。
一方、スプライン軸４１及び発電機５３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。つまり、スプラインナット４２がスプライン軸４１に対して移動するので、スプライン軸４１及び発電機５３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。
【００３１】
また、図３（ｂ）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２０が自動的に作動して、垂直軸型水車１０を水位に合わせて上方に移動させる。
すなわち、水Ｗの水位が高くなると、垂直軸型水車１０、パイプ２１、フロート２４及びスプラインナット４２が一体となって上方に移動する。フロート２４は、常に水面Wｓ上に浮かぶため、垂直軸型水車１０、パイプ２１及びスプラインナット４２が水位の上昇に合わせて、用水路Ｃの上方に向かって移動する。
上述したように、スプライン軸４１及び発電機５３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。スプラインナット４２がスプライン軸４１に対して移動するので、スプライン軸４１及び発電機５３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。
【００３２】
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２０が自動的に作動して、垂直軸型水車１０を常に水没させることができる。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を常に水没させることにより、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。
【００３３】
また、垂直軸型水力発電装置１は、水車位置調整部２０により垂直軸型水車１０のみを水位に合わせて上下させている。つまり、水車位置調整部２０は、重量物である発電機５３を水面Ｗｓ上で支持するものではない。このため、フロート２４を従来に比べて小型化することができる。したがって、垂直軸型水力発電装置１を大型化させることなく、垂直軸型水車１０を確実に水面Ｗｓよりも下方に配置することができる。
【００３４】
また、発電機５３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。また、発電機５３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。
【００３５】
また、円環形のフロート２４が軸受２５を介してパイプ２１に（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。
【００３６】
水車位置調整部２０は、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。
そして、ボールスプライン軸受４０を収容するパイプ２１は、内部への水Ｗの侵入（浸水）を防止する底蓋２２を有しているので、ボールスプライン軸受４０を超期間に亘って円滑に動作させることができる。
【００３７】
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。
【００３８】
水車位置調整部２０がボールスプライン軸受４０を有する場合について説明したが、これに限らない。
水車位置調整部２０は、パイプ２１（垂直軸型水車１０）の回転を発電機５３に伝達しつつ、軸方向への移動を可能にする機構を有していればよい。したがって、ボールスプライン軸受４０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。
【００３９】
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。
【符号の説明】
【００４０】
１…垂直軸型水力発電装置、  １０…垂直軸型水車、  ２０…水車位置調整部、  ２１…パイプ（筒形部材）、  ２１Ａ…上端部、  ２２…底蓋、  ２４…フロート（浮体）、  ２５…軸受、  ４０…ボールスプライン軸受（運動案内機構）、  ４１…スプライン軸、  ４２…スプラインナット、  ５３…発電機、  Ａ…中心軸（回転中心）、  Ｃ…用水路、  Ｗ…水、  Ｗｓ…水面
【図１】
2014015904.tif 000003
【図２】
2014015904.tif 000004
【図３】
2014015904.tif 000005