(57)【要約】  【課題】  水流が激しく、水位の変動が大きい場合にも安定して電力を発生するとともに、効率よく発電を行うことのできる水力発電機を提供する。  【解決手段】  流水の上流側の水車１１と下流側の水車１２の２個の水車を備え、それらが発電室２１中の一つの発電機に接続されているとともに、各水車１１，１２の本体が、主軸が水流に略垂直な中空ドラム形となっている。水車の周囲に設ける羽根は、幅方向（水流に垂直な方向）に多数の仕切を設けておく。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮力装置により水車の下方の一部のみが流水に浸漬するようにし、その流水による水車の回転力を電力に変換する水力発電機において、
流水の上流側の水車と下流側の水車の少なくとも２個の水車を備え、それらが一つの発電機に接続されていることを特徴とする水力発電機。
【請求項２】
流水の上流側の水車と下流側の水車の少なくとも２個の水車を備え、それらが一つの発電機に接続されているとともに、各水車の本体が、主軸が水流に略垂直な中空ドラム形となっていることを特徴とする水力発電機。
【請求項３】
水車の水流に垂直な方向の長さ（幅）がその直径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の水力発電機。
【請求項４】
水車の周囲に設けられた羽根が、水流に垂直な方向に区分されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水力発電機。
【請求項５】
２個の水車が連結棒により連結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、川等の流水に設置して発電を行う水力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に対する負荷が問題となっている石油等の化石燃料や原子力を用いた発電に替わる、自然の力を利用した再生可能エネルギー発電の実用化が急がれている。
【０００３】
そのような発電の一つに水力発電があるが、水力発電には、ダム等による大きな水頭差（落差）を利用する落差型のものと、流水を利用する流水型のものがある。落差型はエネルギー密度が高いという利点があるが、大規模な設備が必要であったり、設置場所が限られるという欠点がある。それに対し、流水型はエネルギー密度は低いものの、設置場所を比較的自由に選ぶことができることから、消費地近傍で行う小規模発電に適している。
【０００４】
流水型には、用水路や河川に水車の下方の一部を浸漬する表面型と、水中に羽根車を浸漬する浸漬型とがあるが、浸漬型は相当の水深が必要であることと、装置のメンテナンスが容易ではないことから、簡易な小規模発電には表面型が適している。
【０００５】
流水・表面型の水力発電機で問題となるのは、水流の水面の高さが変化した場合である。水車（の回転軸）を一定の位置（高さ）に固定しておくと、水面が低くなった場合には流水が水車に全く触らず、発電が行われないこともあり得る。一方、水面が高くなった場合にも、水車が適切に回転しないという問題や、水車全体に大きな力がかかるため強固な固定設備が必要となるという問題がある。
【０００６】
そこで、水車を水面の変動に合わせて上下させる装置が種々考案されている（特許文献１、２等）。
【特許文献１】特開2002-364512号公報
【特許文献２】特開2004-052736号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の水力発電機では、水車に浮力装置を設け、水車の回転軸を、揺動可能なフレームや連結棒で保持することにより、水位の変化に対応している。
特許文献２に記載の水力発電機では、水車（ロータ）を発泡樹脂で作製することで水面上に浮くようにし、さらに、その回転軸を上下に長いスリットに収めることで水位変動による水車の上下動を吸収するようにしている。
【０００８】
しかし、これらの水力発電機はいずれも、水位の変動が激しい場合、それに対する追従性が充分ではなく、発電量の変動が激しいという問題点がある。また、発電効率の点からも改善すべき余地がある。
本発明が解決しようとする課題は、水流が激しく水位の変動が大きい場合にも安定した電力を発生するとともに、効率よく発電を行うことのできる水力発電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、浮力装置により水車の下方の一部のみが流水に浸漬するようにし、その流水による水車の回転力を電力に変換する水力発電機において、流水の上流側の水車と下流側の水車の少なくとも２個の水車を備え、それらが一つの発電機に接続されていることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで浮力装置は水車とは別に設けてもよいが、水車自体を浮力装置とすることも可能である。例えば、引用文献２のように水車を発泡樹脂で作製したり、或いは水車本体を内部が空洞のドラム形とする（この場合、主軸を水流に略垂直な方向にする）ことにより、水車は自らが浮力装置としても働く。
【００１１】
水車は、その幅（水流に垂直な方向の長さ）をできるだけ大きくしておく（できれば、その直径よりも長くしておく）ことが望ましい。これにより、水流のエネルギーをより多く電気エネルギーとして取り出すことができるようになる。
【００１２】
また、水車の周囲に設ける羽根は、幅方向（水流に垂直な方向）に複数に区分しておくことが望ましい。これは、水車の幅を広くした場合に特に有効である。こうすることにより、羽根に当たった水流を横に逃がすことなく、より効率の良い発電を行うことができるようになる。
【００１３】
２個（或いはそれ以上）の水車は互いに連結されることなく独立に設けられていてもよいが、２個の水車の回転軸を連結棒により連結しておくことが望ましい。もちろん、各回転軸は連結棒に対しては回転可能としておく。いずれの場合でも、水車の個数分だけ流水から取り出すエネルギーの量が増加するという効果とともに、水位の変動や水流の動きが激しい場合でも、少なくともいずれか一方が発電を継続する確率が高くなるため、総体としての発電量が安定するという効果が得られるが、特に後者のような構成とした場合、上流側の水車と下流側の水車を合わせたユニット全体の水面に対する位置が安定するため、水力発電機全体の発電量が更に安定するという効果が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る水力発電機では、２個以上の水車が一つの発電機に接続されているため、流水のエネルギーを効率よく電力に変換することができるとともに、総発電量を安定させることができる。また、それらの水車を水流の上流側と下流側に配置するものであるため、幅の狭い小川や流水路等にも設置することができる。そして、水車の幅を大きくしておくことにより、発電効率を更に上げることができる。
【００１５】
水車本体を中空ドラム形とすることで、別途浮力装置を設けることなく水車を水面上の安定した位置に置くことができるようになる。また、２個の水車を連結棒で連結することで、水車の水面に対する位置がより安定するようになり、発電機からより安定した電気が出力されるようになる。
【００１６】
水車の周囲に設けた羽根に、水流に垂直な方向に適宜間隔で仕切りを設けることにより、特に水車の幅が広い場合に、水を横に逃がすことなく、流水のエネルギーをより確実に捉えて発電に使うことができるようになる。これによっても発電効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の一実施例である水力発電機を図１〜図４により説明する。図１は本実施例の水力発電機全体の側面図、図２は水車と発電室の部分の正面図、図３は水車部分の斜視図である。
図１に示すように、本実施例の水力発電機は、流水の上流側（図１において左側）と下流側に配置される２個の水車１１，１２を備えている。以下、上流側を前方、下流側を後方と呼ぶこともある。図３(a)、(b)に示すように両水車１１，１２はいずれもドラム形となっており、内部は空洞である。各ドラム形水車１１，１２の左右両端面からは回転軸が突出し、その回転軸の根元（水車１１，１２の端面）には動力伝達用の歯車（駆動歯車）１３，１４が固定されている。左右の端面それぞれにおいて、前後の水車１１，１２の回転軸は略「ト」字形の連結棒１５により連結され、左右の連結棒１５は中央において後述の発電室２１に揺動可能に取り付けられている。また、左右の端面それぞれにおいて、前後水車１１，１２の端面の駆動歯車１３，１４と発電室２１の両端に設けられた歯車（従動歯車）２２の３個の歯車は歯付ベルト２３により掛け渡されている。
【００１８】
各水車１１，１２の周囲には、水車１１，１２の全幅に亘る長さを有する羽根１６が多数取り付けられている。羽根１６は水中にあるときに流水の上流側に向かって凹となるような断面形状を有するとともに、図３(a)に示すように、その幅方向に等間隔に（不等間隔であってもよい）設けられた仕切り１７により複数の区画に区切られている。また、両端には全周に亘る水止め１８が設けられている。図３(b)に示すように、仕切り１７を、水車１１、１２の全周を巡る円盤状としてもよい。
【００１９】
前後の水車１１，１２の中間の上部には、水車１１，１２と同じ幅（水流に垂直な方向の長さ）を持つ発電室２１が設けられており、その内部には、水車１１，１２の回転力を電力に変換するダイナモ（発電機）２４が収納されている。本実施例では、ダイナモ２４は左右両側に各１個設けられているが、前記同様の歯車と歯付ベルト等の適当な動力伝達手段を設けることにより、いずれか一方の端のみ、又は中央のみに１個のダイナモを設けるという機構を採用することも可能である。
【００２０】
発電室２１の両端からは前記ダイナモ２４の回転軸２５が外部に突出しており、そこに前述の従動歯車２２が固定され、歯付ベルト２３が掛け渡されている。また、その回転軸２５には更に、両水車を連結する連結棒１５の中心が揺動可能に取り付けられている。
【００２１】
流水の上流側には、これら２個の水車１１，１２及び発電室２１から成るユニットを全体として上下に移動可能に保持するための固定柱３１が立設されている。固定柱３１は、本水力発電機を設置する流路の幅が広い場合には水中に設けるが、流路の幅が狭い場合には両岸にまたがって設置してもよい。固定柱３１の上部に、前記水車・発電機ユニットの発電室２１をリンク機構３２で連結する。このリンク機構３２はパラレルリンク（平行四辺形リンク）を利用したもので、発電室２１を常に水平を保ちつつ固定柱３１に対して揺動可能となっており、これにより、水車１１，１２の高さを水位に追随して変化させる。
【００２２】
以上のような構成を有する本実施例の水力発電機は、次のように動作する。図１に示すように、通常は、ドラム形水車１１，１２自体の浮力により両水車１１，１２の下方の一部だけが水中に沈み、水中に沈んだ羽根１６に流水が当たることにより水車１１，１２に回転力が与えられる。このとき、各羽根１６は幅方向に仕切られているため、流水が横方向（幅方向）に逃げることなく、そのエネルギは効率よく水車１１，１２に伝えられる。各水車１１，１２の回転力は歯付ベルト２３によりダイナモ２４に伝えられ、ダイナモ２４はその回転力を電気に変換する。生成された電気は、リンク機構３２に沿って配線された電線３３を通じて外部に取り出される。
【００２３】
水位が上昇したときは、図４(a)に示すように、リンク機構３２により水車・発電室ユニットが全体として平行に上昇し、その水位に対する位置を保つ。
また、水面が激しく変動したときは、図４(b)に示すように、両水車１１，１２が発電室２１に対して揺動し、水面に対する位置を保持する。
【００２４】
これらの機構により、ダイナモ２４の発電量は水位の変化や水面の変動に影響を受けることなく、常に安定したものとなる。
【００２５】
上記実施例は、以下に述べるように各種変形を行うことができる。まず、図５に示すように、固定柱３１に昇降機構３４を設けてリンク機構３２を上下に昇降自在とし、設置個所の水位の大幅な変動にも対応させることができる。この場合、同図に示すように、下流側に固定柱３１を支えるための補強用支柱３５を設けておくことが望ましい。なお、図１の設備に同様の補強用支柱を設けてもよい。
【００２６】
また、図６に示すように、水車・発電室ユニットが２本の固定柱３１ａ、３１ｂ、リンク機構の２本のアーム３２ａ、３２ｂの間に来るようにし、リンク機構の両アーム３２ａ、３２ｂが互いに干渉しないように設定することにより、水車・発電室ユニットは固定柱３１ａ、３１ｂの上端以上の高さに上がることができるようになる。これにより、更に水位の変動が激しい場合でも発電を行うことができるようになる。
【００２７】
更に、図７に示すように、２本の水車１１，１２を固定する連結棒（図７では三角形の連結板となっている）４１の回転中心４２を、両水車１１，１２の中心を結ぶ線（一点鎖線）と同等またはそれよりも下に来るようにしてもよい。このようにすることにより、水流が激しくなって図８に示すように両水車が傾いたときでも、その動きが安定し、両水車１１，１２があばれることが少ない。なお、この場合、発電機室２１と上記回転中心４２を連結するための垂下連結棒４３を設け、連結板４１の三角形の上側の頂点に設けた従動歯車４４と発電機室２１内のダイナモの軸に取り付けられた歯車２２とを別途の歯付ベルト４５で連結する必要がある。また、図８に示すように、両水車１１，１２が傾いたときに連結板４１の上側の頂点の従動歯車４４が左右に移動するため、ダイナモの軸の歯車２２との距離が変化する。それを吸収するためのテンションプーリ４６も設ける必要がある。
【００２８】
図示しないが、固定柱３１の上流側には、上流から流れてくるゴミ等が水車１１，１２のところに来ないように、ゴミ除けの網を設けておくことが望ましい。
【００２９】
上記実施例では、説明の便宜のために水車１１，１２のみにより発電する構成としたが、図９に示すように、太陽電池５１又は／及び風車５２を設け、これらによる発電を付加的に行うようにしてもよい。これら太陽電池５１や風車５２は発電室２１に設けてもよいし、固定柱３１に設けてもよい。もちろん、双方に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例である水力発電機の側面図。
【図２】実施例の水力発電機の水車と発電室の部分の正面図。
【図３】実施例の水力発電機の水車の２つの態様のものの斜視図。
【図４】水位が上昇した場合の実施例の水力発電機の動きを示す説明図(a)、及び水面が激しく変動した場合の実施例の水力発電機の動きを示す説明図(b)。
【図５】固定柱を上下に昇降可能とした水力発電機の側面図。
【図６】水車・発電室ユニットが２本の固定柱の間に来るようにしたリンク機構の側面図。
【図７】両水車の連結棒の回転中心を、両水車の中心を結ぶ線よりも下にした実施例の水力発電機の側面図。
【図８】図７の実施例の水力発電機の、両水車が傾いた場合の側面図。
【図９】太陽電池及び風車を付加的に設けた水力発電機の実施例の側面図。
【符号の説明】
【００３１】
１１、１２…水車
１３、１４…歯車
１５…連結棒
１６…羽根
１７…仕切り
１８…水止め
２１…発電室
２２…従動歯車
２３…歯付ベルト
２４…ダイナモ（発電機）
２５…揺動軸
３１、３１ａ、３１ｂ…固定柱
３２…リンク機構
３２ａ、３２ｂ…リンク機構のアーム
３３…電線
３４…昇降機構
３５…補強用支柱
４１…連結板
４２…連結板の回転中心
４３…垂下連結棒
４４…従動歯車
４５…歯付ベルト
４６…テンションプーリ
５１…太陽電池
５２…風車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006132494.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006132494.tif 000008
【図７】
2006132494.tif 000009
【図８】
2006132494.tif 000010
【図９】
2006132494.tif 000011