(57)【要約】【課題】巨額な建設費用をかけることもなく、従来ある水路を利用した小規模でかつ簡便な装置で電力を安定して得ることができ、周辺の自然景観も損なうことのないメンテナンス性に優れた水力発電ユニットを提供すること。【解決手段】水路にその下端が浸漬されて回転する水車１３と、水車の浸漬位置を上下動させて所定位置に固定支持させる水車位置設定機構１２と、回転する水車に付設された動力伝達機構を介して連結駆動される発電機１４と、を備えるように水力発電ユニット１０を構成する。【選択図】図１
2014101684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路にその下端が浸漬されて回転する水車と、
前記水車の浸漬位置を上下動させて所定位置に固定支持させる水車位置設定機構と、
回転する前記水車に付設された動力伝達機構を介して連結駆動される発電機と、
を備えたことを特徴とする水力発電ユニット。
【請求項２】
前記水車位置設定機構は前記発電機で発生する起電力が最大となるように制御装置を介して自動制御されることを特徴とする請求項１記載の水力発電ユニット。
【請求項３】
前記動力伝達機構は、前記水車外周縁に沿って円環状に配列された歯車に対向配置されて回転駆動する回転受動部を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の水力発電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、用水路や小河川などの水路に簡単に設置することができ、電力を環境に優しい自然力エネルギーの形で効率的に得ることのできる小規模の水力発電ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な水力発電装置は、河川に建設されたダムの水面より下方位置に発電装置を配置し、上記ダムから落水管を通して導いた水を発電装置に供給し、該ダム水の有する位置エネルギーを電気エネルギーに変換するようにしている。
また、容易に設置可能な小規模発電用として、例えば、特許文献１（特開２０１１−１２７３３４号公報）には、落差を有する高速流水中に設置された水車の回転軸に増速機を介して発電装置を設け、電圧安定装置及び蓄電器を接続した、山野の高速流水を利用した簡易水力発電装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２７３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら一方で、従来の水力発電装置においては、ダムの建設に数年の工期を要し且つその建設費用も巨額である。また、落水管や発電装置が地上に建設されるところから、その周辺の自然景観が損なわれる等の問題があった。
さらに、水力発電装置の建設地として、河川の流れが急で大きな水位差を必要とすることなどから水力発電装置の設置自由度が低いという問題もあった。特に、特許文献１の水車の回転軸に増速機を設けた簡易水力発電装置は、水車への水流を直接的に制御できないために、河川の増水などで流水量の変化が激しい場合に安定的に電力を取得できないという問題があった。
さらにまた、水車への水流による直接負荷が大きくなるために、水車のみならず発電機や動力伝達部などの付帯設備への負荷が過大となって、その耐用性やメンテナンス性の点でも問題があった。
本発明は、前記従来の課題を解決するためになされたもので、巨額な建設費用をかけることもなく、従来ある水路を利用した小規模でかつ簡便な装置で電力を安定して得ることができ、周辺の自然景観も損なうことのないメンテナンス性に優れた小規模の水力発電ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）前記従来の課題を解決する本発明の水力発電ユニットは、
水路にその下端が浸漬されて回転する水車と、
前記水車の浸漬位置を上下動させて所定位置に固定支持させる水車位置設定機構と、
回転する前記水車に付設された動力伝達機構を介して連結駆動される発電機と、
を備えたことを特徴とする。
【０００６】
（２）本発明の水力発電ユニットは、前記（１）において、
前記水車位置設定機構は、前記発電機で発生する起電力が最大となるように制御装置を介して自動制御されることを特徴とする請求項１記載の水力発電ユニット。
【０００７】
（３）本発明の水力発電ユニットは、前記（１）又は（２）の水力発電ユニットにおいて、
前記動力伝達機構は、前記水車外周縁に沿って円環状に配列された歯車に対向配置されて回転駆動する回転受動部を備えるように構成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水路にその下端が浸漬されて回転する水車と、前記水車の浸漬位置を上下動させて所定位置に固定支持させる水車位置設定機構と、回転する前記水車外周端に沿って円環状に配列された歯車などの動力伝達機構を介して連結駆動される発電機と、を備えるので、水車位置を変えることによって水量の変化に対応して発電量を安定かつ適正に確保することができるとともに、自然景観を損なうことのない小規模でかつ、耐用性やメンテナンス性に優れた小規模の水力発電ユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は実施例１に係る水力発電ユニットの概略正面図である。
【図２】図２は実施例１に係る水力発電ユニットの概略側面図である。
【図３】図３は実施例２に係る水力発電ユニットの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係る水力発電ユニットは、工場プラントの用水路や小河川などの水路にその下端が浸漬されて回転する羽根車状に形成された水車と、前記水車の浸漬位置を上下動させて所定位置に固定支持させる水車位置設定機構と、回転する前記水車に歯車、ベルト、チェーンなどの動力伝達機構を介して連結駆動される発電機と、を備えたことを特徴とする。
これによって、河川の増水などによる水量の急激な変化に対応して、水車の稼働位置を適切に調整して電力を安定的にかつ効率的に得ることができる。
また、発電機を水車に近接してユニットとして一体的に設けているので、地形的な制約を受けることが少ない小規模の水力発電ユニットとして小規模に設定できるとともに、簡単な構成によってその耐用性やメンテナンス性に優れたものとすることができる。
【００１１】
水力発電ユニットは、工場や河川などの用水路や排水路を流れる水面上にそのユニット枠体を簡易に設置することができる小規模な発電装置であり、水流により回転する動力部となる水車と、この水車の動力によって駆動される発電機などからその主要部が構成され、設置場所の地形的な制約を受けることが少なく、しかもその設置工程を容易にできる。
【００１２】
水車は、工場プラントの用水路や小河川などの水路にその下端が浸漬されて回転し、その略円環状に形成された羽根車の水平回転軸が水車位置設定機構を介して水面上の所定位置に固定支持されるとともに、上下方向に可動するようになっている。
【００１３】
水車位置設定機構は、水車の水路への浸漬位置を上下動させて所定位置に固定支持させる水車位置の設定機構であって、水車の水平回転軸を、ボールネジなどを備えたスライド部材を介してユニット枠体上で支持して上下方向にスライド移動させるとともに、所定位置で固定するようになっており、発電効率が最大となる水面上の所定位置に水車の水平回転軸を設定することができる。
また、このボールネジに連結するハンドルを手動で回転させることによっても水車の水平回転軸を上下動させることができる。
【００１４】
発電機としては、一定磁場の中で回転するコイルで構成される小型ダイナモなどの他に、例えば、直流電動機、交流発電機、直流の同期電動機、回転変流機などの形式のものを適用することができ、水流を受けて回転する水車に付設された歯車、ベルト、チェーンなどの動力伝達機構を介して連結駆動されるようになっている。
【００１５】
水車位置設定機構は、発電機で発生する起電力が常時最大となるように制御装置を介して自動制御することもできる。制御装置はコンピュータやシーケンサからなり、発電機で発生する起電力を測定するセンサと、水車位置設定機構の駆動系に接続されている。
これによって、例えば、発電機の出力端子に電圧計や電流計をセンサとして接続するとともに、水路上に配置した水車の水平回転軸の設定位置をその最高位置から最低位置に向かって下降させ、この電圧計や電流計により測定される電力量が最大となるように、水車の水平回転軸の位置を制御するようにする。
このように、河川の増水などで水路の水面の位置が変化しても、常時、発電効率が最大となるように、水路中に浸漬する水車の水平位置を設定することができる。
【００１６】
動力伝達機構は、前記水車外周端に沿って円環状に配列された歯車に対向配置されて回転駆動する回転受動部を備えることができる。
これによって、より簡単な構成で既存の設備にも適用することができ、水力発電ユニットを低コストで、用水路上や、小河川などに配置して利用することを可能にしている。
なお、歯車に変えて、ベルト、チェーンなどによって、前記水車の回転を発電機に伝達することもできる。
【００１７】
また、発電機に水車の回転力を伝えるための動力伝達機構として、水車の外周にリング状に配置されたゴム部分に当接して回転するローラ部を有するように構成することもできる。
さらに、回転する水車の外周囲に複数配置される磁石部に対向して回転磁石部を配置することによって、水車との間に機械的接触部分のない非接触状態でその回転力を発電機に伝えることも可能である。
【００１８】
＜実施例１＞
以下、本発明に係る実施例１について図面を参照して説明する。
図１は実施例１に係る水力発電ユニットの正面図であり、図２は同水力発電ユニットの側面図である。
図１及び図２に示すように、実施例１の水力発電ユニット１０は、工場用水などが流れる用水路Ｙの側溝部分にある水面Ｓ上に固定配置される枠状に形成されたユニット本体１１と、ユニット本体１１に配置される回転操作ハンドル１２ａやネジスライド部材などを備えた水車位置設定機構１２と、水車位置設定機構１２を介してその羽根先端が水面Ｓ下に浸漬されて回転する水車１３と、水路に浸漬されて回転する水車１３に、歯車やベルト、プーリーなどを有する動力伝達機構１４ａを介して連結駆動される発電機１４と、を備えて構成されている。
【００１９】
水力発電ユニット１０は、図１の概略正面図に示すように、高さ約１ｍ、横幅約１ｍ、水流方向の長さ約１ｍの立方体形状に形成された鉄枠のユニット本体１１の下端に、外径約１ｍ、幅約０．３ｍの円環状に形成された水車１３が取り付けられた小規模の発電装置である。ユニット本体１１は、両端がコンクリートブロックＣで形成された用水路などの水路内に設置されている。
ユニット本体１１の下端に取り付けられた水車１３は、水車位置設定機構１２を介して上下動可能になっており、動力伝達機構１４ａにより連結された発電機１４から発生する出力電圧値に応じて、水面Ｓからの配置位置を設定できるようになっている。
【００２０】
なお、ユニット本体１１の下端に取り付けられた水車１３の基準点（水平回転軸の軸芯）から水面Ｓまでの距離Ｄを検出するための距離センサ（図示しない）を設け、この距離Ｄが所定値（例えば、水面下に浸漬される水車１３の浸漬深さが水車外径の１５〜２０％）となるように、水車位置設定機構１２に付設した回転操作ハンドル１２ａを用いて設定するようにしてもよい。
これによって、水力発電ユニット１０を効率的かつ安定的に稼働させることができる。
【００２１】
動力伝達機構１４ａは、本実施例では一例として、水車１３の動力を発電機１４に伝達する機構として、歯車などで構成される増速ギアを用いたものを示しているが、ベルトやチェーンなどの手段を用いて水車１３の動力を発電機１４に伝達するなど、種々の形態のものも適用できる。
また、水車１３の外周にスプロケットを設け、スプロケットをチェーンで巻回し、水車１３の回転力を発電機１４に伝達するような実施形態を採ることも可能である。
【００２２】
＜実施例２＞
図３は、実施例２に係る水力発電ユニットの概略説明図である。図３に示すように、実施例２の水力発電ユニット２０は、比較的小規模な河川の用水路に固定配置されるユニット本体２１と、ユニット本体２１に配置されるモータ駆動部２２ａなどを備えた水車位置設定機構２２と、水車位置設定機構２２を介して水面Ｓ下に浸漬される水車２３と、回転する水車２３の外周縁に設けられた円環状の回転当接部２３ａに当接して、回転する歯車などを有する動力伝達部２７を介して連結駆動される発電機２４と、発電機２４で発生する出力電圧を測定する電圧計２５と、電圧計２５から測定される出力電圧に基づいて水車位置設定機構２２のモータ駆動部２２ａを制御する制御部２６とを備えている。
【００２３】
制御部２６はコンピュータ装置であって、これによって、水力発電ユニット１０の稼働時点における用水路内の水位に応じて、その発電機２４で発生する出力が最大となるように水車位置設定機構２２のモータ駆動部２２ａを自動制御することができる。
すなわち、発電機の出力端子に電圧計及び電流計をセンサとして接続するとともに、水車２３の水平回転軸の設定位置を最高位置（図３（ａ））から最低位置（図３（ｂ））まで下降させて、電圧計及び電流計により測定される電力量が最大となるように、水車の水平回転軸の上下位置を制御し、電力量が最大となる位置に水車の稼働位置を設定することができるのである。
【００２４】
水車２３は、その外周縁に円環状に形成された回転当接部２３ａを有しており、この回転当接部２３ａに歯車からなる動力伝達部２７が噛合して、水車２３の回転力が直接的に発電機２４に伝達されるようになっている。
なお、回転当接部２３ａは、河川などの水流により駆動される水車２３の外周縁又はその側縁に形成されており、このような回転当接部２３ａに当接して回転する動力伝達部２７は、対向する回転当接部２３ａに対して着脱駆動されるクラッチとしての機能も有している。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の水力発電ユニットは、既存の用水路や小河川などの水路に簡単に設置することができ、電力を環境に優しい自然力エネルギーの形で効率的に得ることのでき、産業上の利用可能性が極めて高い。
【符号の説明】
【００２６】
１０      実施例１の水力発電ユニット
１１      ユニット本体
１２      水車位置設定機構
１２ａ    回転操作ハンドル
１３      水車
１３ａ    回転軸
１４      発電機
１４ａ    動力伝達機構
２０      実施例２の水力発電ユニット
２１      ユニット本体
２２      水車位置設定機構
２２ａ    モータ駆動部
２３      水車
２３ａ    回転当接部
２４      発電機
２５      電圧計
２６      制御部
２７      動力伝達部
Ｃ      コンクリートブロック
Ｓ      水面
Ｙ      水路（用水路）
【図１】
2014101684.tif 000003
【図２】
2014101684.tif 000004
【図３】
2014101684.tif 000005