(57)【要約】【課題】風力と水力の運動エネルギーを有効に電気エネルギに変換して、発電効率を大幅に高めうるようにした風水力発電装置を提供する。【解決手段】風水力発電装置１は、一定方向に回転する水車４と、水車４の主軸１５に連係されて一定方向に回転する第１入力軸２３と、一定方向に回転する風車５と、風車の主軸２８に連係され、第１入力軸２３に対し逆回転するようになっている第２入力軸３１と、第１入力軸２３と第２入力軸３１とに連係され、それらが相対回転することにより発電するようになっている発電機６とを備える。【選択図】  図１
2018040301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流を受けて一定方向に回転する水車と、
前記水車の主軸に連係されて一定方向に回転する第１入力軸と、
風力を受けて一定方向に回転する風車と、
前記風車の主軸に連係され、前記第１入力軸に対し逆回転するようになっている第２入力軸と、
前記第１入力軸と第２入力軸とに連係され、それらが相対回転することにより発電するようになっている発電機とを備えることを特徴とする風水力発電装置。
【請求項２】
前記水車と風車を支持枠体に上下方向に並べて配設して、前記第１入力軸と第２入力軸とを上下方向に同軸をなすように対向させ、前記第１入力軸と第２入力軸との間に、前記第１入力軸と第２入力軸とのいずれか一方に連結され、磁束を発生する磁石を有する磁石ロータ、及びこの磁石ロータと対向して相対回転するように、前記第１入力軸と第２入力軸とのいずれか他方に連結され、コイルに起電力が発生するようになっている電機子ロータを有する前記発電機を配置したことを特徴とする請求項１に記載の風水力発電装置。
【請求項３】
前記水車は、先端部に水路の上流側を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する横軸水車、または上下方向の両端部に、縦主軸方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する縦軸水車であることを特徴とする請求項１または２に記載の風水力発電装置。
【請求項４】
前記水車は、水路の上流側と下流側に配置され、複数の揚力型ブレードよりなる前後１対のロータを備える横軸水車であり、前記両ロータの横主軸の回転力を、複数の伝動手段を介して、前記第１入力軸に伝達するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の風水力発電装置。
【請求項５】
前記水車を、水路の幅方向に複数設置し、各水車の主軸の回転力を、複数の伝動手段を介して、前記第１入力軸に伝達するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風水力発電装置。
【請求項６】
前記風車は、上下方向の両端部に縦主軸方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する縦軸風車、または先端部に風上方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する横軸風車であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の風水力発電装置。
【請求項７】
前記風車は、縦軸風車と、その上方に設けられた横軸風車との複合風車であり、前記縦軸風車の縦主軸と、前記横軸風車の横主軸に伝動手段を介して連係された上下方向の伝動軸とを互いに連結するとともに、前記縦主軸を前記第２入力軸に連結したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の風水力発電装置。
【請求項８】
前記水車と風車を、洋上に設置した浮体式構造物に取付けたことを特徴とする請求項１に記載の風水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば用水路や小川、洋上等に設置され、水力と風力を利用して、効率よく発電しうるようにした風水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な風力発電装置では、無風及び微風状態では、風車が起動せず、また低風速下では、発電効率が低いなど、風況に大きく左右される。
この問題に対処しうるものとして、水車の回転力を利用して風車の主軸を回転させ、無風及び低風速状態でも、風車を定常的に回転させて発電しうるようにした風力発電装置が提案されている(例えば特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２３９５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の風力発電装置は、発電機に接続された風車の主軸と、水車の回転軸とを、クラッチを介して連結し、風車の回転が水車の回転よりも遅くなる無風または低風速時には、クラッチを接続して、水車の回転力により風車を回転させて発電し、風速が増大して、風車の回転が水車の回転を上回った場合には、クラッチを切断して、風車のみにより発電するようになっているため、次のような問題がある。
すなわち、風速が増して、風車の回転が水車の回転を上回ったときに、クラッチを切断して風車のみにより発電するようにすると、風車により発電しているとき、水車は単に回転しているだけであり、水車の運動エネルギは電気エネルギに変換されず無駄となり、発電効率は低い。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、風力と水力の運動エネルギーを有効に電気エネルギに変換して、発電効率を大幅に高めうるようにした風水力ハイブリッドの発電装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の風水力発電装置によると、上記課題は次のようにして解決される。
（１）水流を受けて一定方向に回転する水車と、前記水車の主軸に連係されて一定方向に回転する第１入力軸と、風力を受けて一定方向に回転する風車と、前記風車の主軸に連係され、前記第１入力軸に対し逆回転するようになっている第２入力軸と、前記第１入力軸と第２入力軸とに連係され、それらが相対回転することにより発電するようになっている発電機とを備えるものとする。
【０００７】
このような構成によると、水車により回転させられる第１入力軸と、風車により回転させられる第２入力軸とを相対回転させて、発電機により発電するようになっているので、発電機の回転速度を倍速化して効率よく発電することができ、水車と風車の運動エネルギーを有効に電気エネルギに変換して、発電効率を大幅に高めることができる。
また、無風または微風状態で風車が回転しない場合でも、水流がある限り、水車の回転力により、発電機は回転させられるので、発電が停止されることはない。
さらに、水深が比較的浅く、幅が狭い用水路等に風水力発電装置を設置する場合、発電効率の小さな小型の水車しか使用できないことがあるが、この場合においても、風車の運動エネルギを併用して、発電効率を高めることができる。
【０００８】
(２)  前記(1)項において、前記水車と風車を支持枠体に上下方向に並べて配設して、前記第１入力軸と第２入力軸とを上下方向に同軸をなすように対向させ、前記第１入力軸と第２入力軸との間に、前記第１入力軸と第２入力軸とのいずれか一方に連結され、磁束を発生する磁石を有する磁石ロータ、及びこの磁石ロータと対向して相対回転するように、前記第１入力軸と第２入力軸とのいずれか他方に連結され、コイルに起電力が発生するようになっている電機子ロータを有する前記発電機を配置する。
【０００９】
このような構成によると、水車と風車及び発電機が上下方向に並び、風水力発電装置の横幅が小さくなるので、これを、例えば狭幅の用水路等にコンパクトに設置することができる。また、発電機の磁石ロータと電機子ロータも軸方向に対向して相対回転するので、発電機を小型化することができる。
【００１０】
(３)  前記(１)または(２)項において、前記水車を、先端部に水路の上流側を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する横軸水車、または上下方向の両端部に、縦主軸方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する縦軸水車とする。
【００１１】
このような構成によると、先端部に上流側を向く傾斜部が形成された揚力型ブレードを有する横軸水車、または上下方向の両端部に縦主軸方向を向く傾斜部が形成された揚力型ブレードを有する縦軸水車は、傾斜部が、ブレードの先端方向に向かって逃げようとする水流を受け止め、その反力により、回転方向の推力を増大させて効率よく回転するので、例え、流速の遅い水流であっても、高い発電効率を得ることができる。
【００１２】
(４)  前記(１)または(２)項において、前記水車は、水路の上流側と下流側に配置され、複数の揚力型ブレードよりなる前後１対のロータを備える横軸水車であり、前記両ロータの横主軸の回転力を、複数の伝動手段を介して、前記第１入力軸に伝達するようにする。
【００１３】
このような構成によると、前後１対のロータの回転力が合成されて第１入力軸に伝達されるので、第１入力軸に連結された磁石ロータまたは電機子ロータを、大きな回転トルクで回転させることができ、従って、発電容量の大きな発電機を駆動させて、発電量を増大させることが可能となる。
【００１４】
(５)  前記(１)〜(３)項のいずれかにおいて、前記水車を、水路の幅方向に複数設置し、各水車の主軸の回転力を、複数の伝動手段を介して、前記第１入力軸に伝達するようにする。
【００１５】
このような構成によると、幅方向の複数の水車の回転力が合成されて第１入力軸に伝達され、第１入力軸に連結された磁石ロータまたは電機子ロータを大きな回転トルクで回転させることができるので、発電容量の大きな発電機を使用して、発電量を増大させることが可能となる。
【００１６】
(６)  前記(１)〜(５)項のいずれかにおいて、前記風車を、上下方向の両端部に縦主軸方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する縦軸風車、または先端部に風上方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する横軸風車とする。
【００１７】
このような構成によると、上下方向の両端部に縦主軸方向を向く傾斜部が形成された揚力型ブレードを有する縦軸風車、または先端部に風上方向を向く傾斜部が形成された揚力型ブレードを有する横軸風車は、傾斜部が、ブレードの先端方向に向かって逃げようとする風を受け止め、その反力により回転方向の推力を増大させるとともに、傾斜部のコアンダ効果により、風車は効率よく回転するので、低風速下においても、効率よく発電することができる。
【００１８】
(７)  前記(１)〜(６)項のいずれかにおいて、前記風車を、縦軸風車と、その上方に設けられた横軸風車との複合風車よりなるものとし、前記縦軸風車の縦主軸と、前記横軸風車の横主軸に伝動手段を介して連係された上下方向の伝動軸とを互いに連結するとともに、前記縦主軸を前記第２入力軸に連結する。
【００１９】
このような構成によると、横軸風車は縦軸風車に比して起動性がよく、かつ横軸風車は、通常下方よりも風速が速くなる上方に設けられているので、横軸風車の回転効率は高く、この回転効率の高い横軸風車により、起動性に劣る縦軸風車がリードされて回転されるようになる。そのため、縦軸風車が起動して回転している間に、少しでも風況がよくなれば、縦軸風車は速やかに加速して横軸風車と共に回転するようになるので、効率よく発電することができる。
また、第２入力軸に連結された磁石ロータまたは電機子ロータは、縦軸風車と横軸風車とからなる複合風車の大きな回転トルクで回転させられるので、発電容量の大きな発電機を駆動させて、発電量を増大させることが可能となる。
【００２０】
(８)  前記(１)項において、前記水車と風車を、洋上に設置した浮体式構造物に取付ける。
【００２１】
このような構成によると、水車と風車を、洋上に設置した浮体式構造物に取付けた洋上の風水力発電装置は、洋上では陸地よりも安定した風力が得られるので、風車が効率よく回転して発電量が高まる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の風水力発電装置によると、風力と水力の運動エネルギーを有効に電気エネルギに変換して、発電効率を大幅に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る風水力発電装置の実施例１の一部切欠側面図である。
【図２】図１を左方から見た正面図である。
【図３】図１、図２における風車のロータの拡大平面図である。
【図４】図１のIV−IV線における拡大横断平面図である。
【図５】図２のV−V線における拡大横断平面図である。
【図６】発電機の拡大縦断面図である。
【図７】本発明に係る風水力発電装置の実施例２の一部切欠側面図である。
【図８】同じく、水車のロータの拡大平面図である。
【図９】図７のIX−IX線における拡大横断平面図である。
【図１０】本発明に係る風水力発電装置の実施例３を、水車を省略して示す一部切欠側面図である。
【図１１】本発明に係る風水力発電装置の実施例４を、水車を省略して示す一部切欠側面図である。
【図１２】本発明に係る風水力発電装置の実施例５を、風車を省略して示す一部切欠側面図である。
【図１３】本発明に係る風水力発電装置の実施例６を、風車を省略して示す正面図である。
【図１４】洋上に設置した本発明に係る風水力発電装置の実施例７の一部切欠側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１〜図６は、本発明に係る風水力発電装置の実施例１を示すもので、風水力発電装置１は、例えば農、工業用や飲料用の用水路２や、小川等に設置される比較的小型のものであり、支持枠体３に上下方向に並べて支持された横軸水車４と縦軸風車５、及びそれらの間に設けられた、例えば永久磁石式の三相交流発電機６(以下、発電機と略称する)を備えている。なお、以下の説明においては、用水路２の上流側(図１の左側)を前、下流側(図１の右側)を後とする。
【００２６】
支持枠体３は、用水路２内に設置されて横軸水車４を支持する水車支持枠７と、この水車支持枠７の上面に固定され、用水路２及び横軸水車４の上方において縦軸風車５を支持する風車支持枠８とからなっている。
【００２７】
水車支持枠７は、水路底に載置される平面視方形をなす底板７Ａと、その四隅部の上面に下端が結合された、上端部が用水路２の上方に突出する４本の支柱７Ｂと、各支柱７Ｂの上端に四隅部の下面が結合された方形をなす上面板７Ｃとからなり、上面板７Ｃの左右両側部の複数箇所が、正面視上向コ字状の用水路２の左右の上面に、固定具９、９により固定されている。図１に矢印で示すように、用水路２内を前方である上流側から下流側に向かって流れる水は、水車支持枠７内を抵抗なく通過しうるようになっている。なお、水車支持枠７の左右幅は、用水路２内において横振れしないように、その横幅とほぼ同等としてあり、また高さは、用水路２の水深や高さに合わせて最適となるようにして枠組みされている。
【００２８】
横軸水車４は、中空をなす前後方向の水車筐体１０と、その上面に設けた開口端１０Ａに、フランジ１１Ａを介して取付けられた下方に開口する軸筒１１と、水車筐体１０の前端に回転自在に支持された水平のプロペラ型水車ロータ１２とを備えている。水車ロータ１２は、ハブ１３と、その外周面に等間隔をもって取付けられた複数枚(実施例では４枚)の揚力型水車ブレード(以下、水車ブレードと略称する)１４とからなり、ハブ１３は、水車筐体１０の内部に回転自在に支持された前後方向の横主軸１５の前端突出部に固定されている。水車ロータ１２と横主軸１５は、図２で示す正面視において、時計方向に回転(右回転)するようになっている。
【００２９】
水車筐体１０は、その下面に固着された上下方向の支持杆１６の下端を、底板７Ａの上面により受支することにより、水車支持枠７内の中央部に配置されている。支持杆１６の左右寸法は、水流の抵抗とならないように極力細くされている(図２参照)。
【００３０】
図２に示すように、軸筒１１は、下端がその左右両側面に固定された左右１対の板状ブラケット１７、１７の上端部を、上面板７Ｃの下面に固定することにより、水車支持枠７内の中央部に、上下方向を向いて不動状態に保持されている。軸筒１１の上端部は、上面板７Ｃの中央部に設けた貫通孔１８を貫通して、若干上方に突出している。なお、軸筒１１は、前部の左右方向の厚さが厚く、後方に向かって漸次薄くなる、平面視魚形断面をなしており、軸筒１１を通過する水の流下速度が、コアンダ効果によって速くなるようにしてある。
【００３１】
図２に示すように、各水車ブレード１４の弦長は、正面視において基部側が小さく、先端部方向に向かって漸次大として、先端部の受水面積を大きくしてある。また、図１に示すように、各水車ブレード１４の先端部には、前方である上流方向に向かって円弧状に傾斜する傾斜部１４Ａが形成されている。
【００３２】
さらに、図５に示すように、水車ブレード１４の横断面の形状は、矢印Ｒで示す回転方向前側の翼厚が厚く、後端に向かって漸次薄くなっており、かつコアンダ効果を発揮するために、背面１４Ｂを円弧状に膨出させるとともに、水流を受ける前面１４Ｃを、回転方向後側に向かって傾斜する傾斜面としてある。
【００３３】
これにより、各水車ブレード１４の前面１４Ｃが水流を受けると、各水車ブレード１４には、揚力が生じ、水車ロータ１２は、回転方向Ｒへ作用する推力によって正面視時計方向に回転する。また、各水車ブレード１４の先端部には、上流方向に向かって傾斜する傾斜部１４Ａが設けられているため、回転方向後側に傾斜する前面１４Ｃに沿って先端部から遠心方向に逃げようとする水流は、傾斜部１４Ａにより受け止められ、その反力により回転方向の推力が増大し、水車ロータ１２の回転速度が高められる。従って、このような傾斜部１４Ａを有する水車ロータ１２においては、用水路２の水位が、水車ロータ１２の下半部が水没する程度の深さであっても、十分な回転速度が得られる。
【００３４】
図１に示すように、水車筐体１０内において、横主軸１５の後端部には、駆動傘歯車１９が固着され、この駆動傘歯車１９の上面に噛合する従動傘歯車２０には、軸筒１１の内部に、上下のスラスト軸受２１、２１によって回転自在に支持された上下方向を向く伝動軸２２の下端部が固着されている。なお、駆動傘歯車１９と従動傘歯車２０とにより伝動手段が形成され、この伝動手段を介して、横主軸１５の回転力が９０度偏向されて、伝動軸２２、及び後述する第１入力軸２３に伝達されるようになっている。
【００３５】
伝動軸２２の上端部は、軸筒１１の頂壁１１Ｂを貫通して上方に突出し、その上端は、フランジ１１Ａを介して、発電機６の後述する電機子ロータ３５に上端部が結合された上下方向の第１入力軸２３に連結されている。
【００３６】
縦軸風車５は、縦軸風車ロータ２４を備え、この縦軸風車ロータ２４は、水平面上において外径方向を向き、かつ一直線上に並ぶ１対の水平アーム２５、２５と、両水平アーム２５の外端部に上下方向の中央部の内面が固着された縦長の揚力型風車ブレード(以下風車ブレードと略称する)２６、２６と、外周面が両水平アーム２５の内端部に固着された円筒形のハブ軸２７とを備えている。水平アーム２５及び風車ブレード２６は、例えば繊維強化合成樹脂により形成されている。なお、水平アーム２５と風車ブレード２６とハブ軸２７とは、一体成形が可能である。
【００３７】
ハブ軸２７は、伝動軸２２と同軸をなす縦主軸２８の上部に、セレーション等により相対回転不能に結合され、縦軸風車ロータ２４と縦主軸２８とは一体的に回転する。風車支持枠８の上端部と中間部には、例えば平面視十字形をなす軸部支持杆２９、２９が設けられ、両軸部支持杆２９の中心部に圧嵌されたスラスト軸受３０、３０により、縦主軸２８の上端部と下部の２箇所が回転自在に支持されている。縦軸風車ロータ２４及び縦主軸２８は、平面視反時計方向、すなわち前述した水車ロータ１２側の伝動軸２２の回転方向とは逆方向に回転するようになっている。
【００３８】
縦主軸２８の下端は、フランジ２８Ａを介して、発電機６の後述する磁石ロータ３６に下端部が結合された第２入力軸３１に連結されている。
【００３９】
図３にも示すように、両風車ブレード２６における垂直方向を向く主部２６Ａの上下両端部には、内方、すなわち縦主軸２８方向に向かって円弧状に傾斜する内向き傾斜部２６Ｂ、２６Ｂが一体的に形成されている。風車ブレード２６の弦長は、縦軸風車ロータ２４の回転半径の２０〜５０％の長さとされ、受風面積は大きく設定されている。
【００４０】
また、風車ブレード２６における上下両端部を除く主部２６Ａの横断面形状は、図４に拡大して示すように、回転方向である前側の翼厚が厚く、後方に向かうに従って漸次薄くなる標準の揚力型ブレードに近いものとされている。
【００４１】
風車ブレード２６が回転すると、その内外の回転半径の差によって、内側面に比して外側面の周速度が大となり、外側面に沿って後方へ通過する気流の方が、内側面のそれよりも高速となる。
【００４２】
そのため、風車ブレード２６の後縁部において、外側面を通過する気流の圧力は、内側面を通過する気流よりも小さい負圧となり、風車ブレード２６の後縁部の外側面が、後方から前縁部方向に押されることにより、風車ブレード２６に回転方向の揚力(推力)が作用し、縦軸風車ロータ２４は平面視反時計方向に回転する。
【００４３】
また、風車ブレード２６の上下の端部に内向き傾斜部２６Ｂ、２６Ｂを形成してあるため、風車ブレード２６の回転に伴い、主部２６Ａの内外の側面に沿って上下方向へ流れようとする気流は、上下の内向き傾斜部２６Ｂ、２６Ｂの内面及び外面に沿って、斜め後方に向かって通過し、コアンダ効果により推力が増大する。従って、低風速下においても、縦軸風車ロータ２４は高い回転効率をもって回転する。
【００４４】
水車支持枠７の上面板７Ｃに固定された支持台３２に取り付けられている発電機６は、図６の拡大断面図に示すように、上下両端面が開口し、かつ両開口部がカバー３３、３３によって閉塞されたケーシング３４内に、電機子ロータ３５と磁石ロータ３６を収容して構成されている。ケーシング３４は、支持台３２の上面に固定されている。
【００４５】
電機子ロータ３５は、円板状のコイル保持板３５Ａと、その外周部に上向きに固着され、起電力を発生させる発電コイル３５Ｂとからなっている。電機子ロータ３５のコイル保持板３５Ａは、カバー３３に軸受３７を介して支持された上述の第１入力軸２３の上端部に、凹凸セレーション等をもって固定され、電機子ロータ３５と第１入力軸２３とは、平面視時計方向に一体的に回転するようになっている。なお、第１入力軸２３は、スラスト軸受２１により支持されている伝動軸２２に連結されているので、第１入力軸２３及び電機子ロータ３５が、自重により下方に移動することはない。
【００４６】
磁石ロータ３６は、電機子ロータ３５の上面と対向する円板状の磁石保持板３６Ａと、この磁石保持板３６Ａの外周部の下面より垂下する円筒形の内側ヨーク３６Ｂの外面に複数固着されたＮ極またはＳ極の内側永久磁石３６Ｃと、同じく、内側ヨーク３６Ｂと離間して対向する外側ヨーク３６Ｄの内面に、内側永久磁石３６Ｃと対向するように複数固着されたＳ極またはＮ極の複数の外側永久磁石３６Ｅとからなっている。
【００４７】
磁石ロータ３６の磁石保持板３６Ａは、ケーシング３４の上部に軸受３８、３８を介して支持された上述の第２入力軸３１の下端部に、セレーション等をもって固定され、磁石ロータ３６と第２入力軸３１とは、平面視反時計方向、すなわち電機子ロータ３５とは逆方向に一体的に回転する。なお、第２入力軸３１は、スラスト軸受３０により支持されている縦主軸２８に連結されているので、第２入力軸３１及び磁石ロータ３６が自重により下方に移動することはない。
【００４８】
内側永久磁石３６Ｃと外側永久磁石３６Ｅとの対向面間に形成された隙間には、電機子ロータ３５の発電コイル３５Ｂが挿入され、これにより発電機６は、ラジアルギャップ型のものとされている。すなわち、電機子ロータ３５と磁石ロータ３６とが相対回転すると、電機子ロータ３５側の発電コイル３５Ｂが、磁石ロータ３６における内側永久磁石３６Ｃと外側永久磁石３６Ｅとの間の磁束を切ることにより、発電コイル３５Ｂに起電力が発生するようになっている。なお、発生した起電力は、第１入力軸２３に設けたブラシ(図示略)を介して外部に取り出すことができる。
【００４９】
以上説明したように、実施例１の風水力発電装置１においては、用水路２内に横軸水車４を配置し、水流によって正面視時計方向に回転する水車ロータ１２の回転力を、上下方向の伝動軸２２及び第１入力軸２３に伝達して、発電機６の電機子ロータ３５を、平面視時計方向に回転させるとともに、用水路２の上方に配置した縦軸風車５における縦軸風車ロータ２４の縦主軸２８の回転力を、第１入力軸２３と同軸をなす第２入力軸３１に伝達して、発電機６の磁石ロータ３６を、電機子ロータ３５に対し逆回転となる平面視反時計方向に回転させて発電するようにしてあるので、水車と風車の運動エネルギーを有効に電気エネルギに変換することができ、発電効率が大幅に高まる。
【００５０】
すなわち、横軸水車４により回転させられる電機子ロータ３５と、縦軸風車５により回転させられる磁石ロータ３６とは、互いに逆方向に回転し、相対回転速度を倍速化して発電するので、電機子ロータのみが回転する一般的な発電機に比して、発電量を大幅に高めることができる。また、無風状態で縦軸風車ロータ２４が回転しない場合でも、水流がある限り横軸水車４の水車ロータ１２は、所定の回転速度で回転して、電機子ロータ３５を回転させるので、発電が停止されることはない。
【００５１】
また、水車ロータ１２の水車ブレード１４の先端部には、上流方向に向かって傾斜する傾斜部１４Ａが設けられ、遠心方向へ逃げようとする水流を受け止め、その反力により推力を増大させることにより、水車ロータ１２は効率よく回転するので、例え、流速の遅い水流であっても、発電効率を高めることができる。
【００５２】
縦軸風車５の風車ブレード２６についても、上下の端部に縦主軸２８方向に向かって傾斜する傾斜部２６Ｂを設けて、縦軸風車ロータ２４の回転効率を高めうるようになっているので、低風速下においても、効率よく発電することができる。なお、ブレーキ装置を設けて、縦軸風車５が定格回転数を超えて回転しないように制御することができる。
【００５３】
発電機６によって発電された電力は、図示しない蓄電池に蓄電されたのち、例えば用水路２に沿って設置された農業用構築物等の電源用として送電されるか、外部の交流負荷電力系統に直接送電される。
【実施例２】
【００５４】
図７〜図９は、本発明の実施例２に係る風水力発電装置３９を示す。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５５】
実施例２に係る風水力発電装置３９においては、実施例１に係る風水力発電装置１の横軸水車４に代えて、縦軸水車４０を用いたものである。
縦軸水車４０は、水車支持枠７内の中央部に配置され、平面視時計方向に回転するようになっている縦型水車ロータ４１を備えている。
【００５６】
この縦型水車ロータ４１は、外側方を向き、かつ上部と下部において一直線上に並ぶ１対ずつの水平アーム４２、４２と、各水平アーム４２の外端部に上下の端部の内面が固着された揚力型の縦型水車ブレード４３、４３と、外周面が上下の水平アーム４２の内端部に固着された上下１対の円筒形のハブ軸４４、４４とを備えている。
【００５７】
上下のハブ軸４４は、縦軸風車５の縦主軸２８と同軸をなす上下方向の縦主軸４５に、セレーション等により結合され、縦型水車ロータ４１と縦主軸４５は、縦軸風車ロータ２４とは逆方向、すなわち平面視時計方向に一体的に回転するようになっている。縦主軸４５の下端部は、水車支持枠７の底板７Ａの中央部に設けたスラスト軸受４６により、同じく上部は、上面板７Ｃの中央部に設けた軸受４７により、それぞれ回転自在に支持されている。縦主軸４５の上端部は、実施例１と同様、発電機６の第１入力軸２３に連結されている。
【００５８】
両縦型水車ブレード４３は、縦軸風車５の風車ブレード２６と同様の外形とされている。
すなわち、図８及び図９に示すように、縦型水車ブレード４３は、垂直方向を向く主部４３Ａの上下両端部に、内方、すなわち縦主軸４５方向に向かって円弧状に傾斜する内向き傾斜部４３Ｂ、４３Ｂが一体的に形成された外形をなしている。縦型水車ブレード４３の弦長は、縦型水車ロータ４１の回転半径の２０〜５０％の長さとされ、受水面積は大きく設定されている。
【００５９】
また、縦型水車ブレード４３における上下両端部を除く主部４３Ａの横断面形状は、回転方向である前側の翼厚が厚く、後方に向かうに従って漸次薄くなっている。
【００６０】
縦型水車ブレード４３が回転すると、その内外の回転半径の差によって、内側面に比して外側面の周速度が大となり、外側面に沿って後方へ通過する水流の方が、内側面のそれよりも高速となる。
【００６１】
そのため、縦型水車ブレード４３の後縁部において、外側面を通過する水流の圧力が、内側面を通過する水流よりも小さい負圧となり、縦型水車ブレード４３の後縁部の外側面が、後方から前縁部方向に押されることにより、縦型水車ブレード４３に回転方向の揚力(推力)が作用し、縦型水車ロータ４１は平面視時計方向に回転する。
【００６２】
また、縦型水車ブレード４３の上下の端部に内向き傾斜部４３Ｂ、４３Ｂを形成してあるため、縦型水車ブレード４３の回転に伴い、主部４３Ａの内外の側面に沿って上下方向へ流れようとする水流は、上下の内向き傾斜部４３Ｂ、４３Ｂの内面及び外面に沿って、斜め後方に向かって通過し、コアンダ効果により推力が増大するため、流速の遅い水流でも、縦型水車ロータ４１は高い回転効率をもって回転する。
【００６３】
実施例２に係る風水力発電装置３９においても、実施例１と同様の効果を奏することができる。
また、縦型水車ロータ４１を用いると、上下方向の縦主軸４５を、縦軸風車５の縦主軸２８と同軸に整合させて、発電機６に簡単に連結することができるので、横軸水車４に比して発電機６への動力伝達系を簡素化することができる。
【実施例３】
【００６４】
図１０は、本発明の実施例３に係る風水力発電装置４８の風車部分を示す。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００６５】
実施例３に係る風水力発電装置４８においては、実施例１及び実施例２に係る縦軸風車５に代えて、横軸風車４９を用いたものである。図示を省略した水車には、実施例１のような横軸水車４、実施例２のような縦軸水車４０、後述する実施例５のような横軸水車６１、または後述する実施例６のような複数の横軸水車４が使用される。
横軸風車４９は、横長の風車筐体５０と、それにより回転自在に支持されたプロペラ型の風車ロータ５１と、風車筐体５０に取付けられた方向舵５２とを備え、風車筐体５０は、風車支持枠８の上面に固定された支持体５３に、水平旋回可能に取り付けられている。
【００６６】
風車ロータ５１は、基本的に実施例１の水車ロータ１２と同じ形状をなし、ハブ５４の外周面に複数(例えば４〜５枚)の揚力型風車ブレード５５を取付けて構成されている。各風車ブレード５５の先端部には、風上である前方に向かって傾斜する傾斜部５５Ａが形成されている。なお、各風車ブレード５５の翼形は、風車ロータ５１が左側面視において時計方向に回転しうる断面形状とされている。
【００６７】
ハブ５４は、風車筐体５０内に回転自在に支持された横主軸５６の後部の突出端部に固着されている。横主軸５６の回転力は、駆動傘歯車５７Ａと、これに噛合する従動傘歯車５７Ｂとからなる伝動手段５７を介して、風車支持枠８に回転自在に支持された下方を向く伝動軸５８に伝達される。
【００６８】
伝動軸５８の下端は、上記第１実施例の縦主軸２８と同様、第２入力軸３１を介して、発電機６の磁石ロータ３６に連係されている。
横軸風車４９が矢印方向の風を受けると、方向舵５２により、風車筐体５０は、風車ロータ５１が風下を向くように旋回し、この状態で風車ロータ５１が側面視時計方向に回転すると、伝動軸５８は、伝動手段５７を介して、平面視反時計方向に回転させられる。この伝動軸５８の回転により、発電機６の磁石ロータ３６が平面視反時計方向、すなわち電機子ロータ３５とは逆方向に回転することにより、上記第１、第２実施例と同様に、発電効率が大幅に高まる。
【００６９】
しかも、プロペラ型の風車ロータ５１を有する横軸風車４９は、縦軸風車５に比して起動性がよく、微風でも効率よく回転することができ、かつ風車ロータ５１の各風車ブレード５５の先端部には、風上に向かって傾斜する傾斜部５５Ａが設けられ、実施例１の水車ロータ１２と同じ作用で、風車ロータ５１の回転効率が高められるので、効率よく発電することができる。
【実施例４】
【００７０】
図１１は、本発明の実施例４(請求項７に記載の発明)に係る風水力発電装置５９の風車部分を示す。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７１】
実施例４に係る風水力発電装置５９の風車は、実施例１及び２のような縦軸風車５と、実施例３のような横軸風車４９とを組み合わせた複合風車としたものである。なお、図示を省略した水車には、実施例１のような横軸水車４、実施例２のような縦軸水車４０、後述する実施例５のような横軸水車６１または、後述する実施例６のような複数の横軸水車４が使用される。
【００７２】
実施例４に係る風水力発電装置５９においては、縦軸風車５の縦主軸２８と、横軸風車４９の伝動軸５８とを、平面視反時計方向に回転するように連結し、縦軸風車５の縦主軸２８の下端を、第２入力軸３１の上端に連結して、発電機６の磁石ロータ３６を回転させるようにしたものである。
【００７３】
実施例４に係る風水力発電装置５９においても、発電機６の電機子ロータ３５と磁石ロータ３６とは、互いに逆方向に相対回転するので、上記各実施例と同様、発電効率が大幅に高まる。
また、横軸風車４９は縦軸風車５に比して起動性がよく、かつ横軸風車４９は、通常下方よりも風速が速くなる上方に設けられているので、横軸風車４９の回転効率は高く、この回転効率の高い横軸風車４９により、起動性に劣る縦軸風車５がリードされて回転されるようになる。そのため、縦軸風車５が起動して回転している間に、少しでも風況がよくなれば、縦軸風車５は速やかに加速して横軸風車４９と共に回転するようになるので、効率よく発電することができる。
【００７４】
さらに、第２入力軸３１及びそれに連結された磁石ロータ３６は、縦軸風車５と横軸風車４９とからなる複合風車の大きな回転トルクで回転させられるので、発電容量の大きな発電機６が使用可能となり、発電量を増大させることができる。
【実施例５】
【００７５】
図１２は、本発明の実施例５(請求項４に記載の発明)に係る風水力発電装置６０の水車部分を示す。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。図示を省略した上方の風車には、実施例１の縦軸風車５、実施例３の横軸風車４９、実施例４の縦軸風車５と横軸風車４９よりなる複合風車のいずれかが用いられる。
【００７６】
実施例５に係る風水力発電装置６０の横軸水車６１は、前後寸法を大とした円筒状の水車筐体６２と、その前後両端部に回転自在に支持された、実施例１と同様の前後１対の水車ロータ１２、１２とを備えている。用水路２の上流側である前方の水車ロータ１２は、実施例１と同様に正面視反時計方向に回転する。用水路２の下流側である後方の水車ロータ１２は、正面視時計方向に逆回転するように、水流を受ける水車ブレード１４の前面を、前方の水車ブレード１４の前面の傾斜面とは逆の傾斜面とされている。なお、水車筐体６２は、コアンダ効果により、後方の水車ロータ１２に向かう水の流下速度が速くなるように、前部から後部に向かって漸次小径とされている。
【００７７】
前後の水車ロータ１２、１２に連結された互いに同軸をなす横主軸１５、１５の回転力は、それぞれ、駆動傘歯車１９と従動傘歯車２０を介して、水車筐体６２に固定された軸筒６３内に回転自在に支持されている上下方向の第１伝動軸６４、６４に伝達されるようになっている。なお、両第１伝動軸６４は、共に平面視時計方向に回転するようになっている。軸筒６３は、その幅寸法が前部から後部に向かって漸次薄くなる、平面視魚形断面とされ、コアンダ効果により、水の流下速度が速くなるようにしてある。
【００７８】
両第１伝動軸６４の上端部には、それぞれ伝動歯車６５、６５が固定され、両伝動歯車６５は、それらの対向面間に配置された従動歯車６６に噛合させてある。従動歯車６６には、軸筒６３を貫通して上方に突出している第２伝動軸６７の下端部が固着されている。第２伝動軸６７の上端は、実施例１と同様、発電機６の電機子ロータ３５を回転させる第１入力軸２３の下端に連結されている。なお、駆動傘歯車１９と従動傘歯車２０、及び第１伝動軸６４と第２伝動軸６７は、本発明における伝動手段に相当する。
【００７９】
実施例５に係る風水力発電装置６０においても、電機子ロータ３５と磁石ロータ３６とは、互いに逆方向に相対回転するので、上記各実施例と同様、発電効率は大幅に高まる。
【００８０】
また、横軸水車６１は、用水路２の上流側と下流側に１対の水車ロータ１２、１２を有し、それら回転力が合成されて１本の第２伝動軸６７に伝達され、第１入力軸２３及びそれに連結された電機子ロータ３５を、大きな回転トルクで回転させることができるので、発電容量の大きな発電機６が使用可能となり、発電量を増大させることができる。特に、風車に、実施例４のような複合風車を用いて、磁石ロータ３６側の回転トルクも大とすると、より発電容量の大きな発電機６が使用可能となり、発電量を大幅に増大させることができる。
【実施例６】
【００８１】
図１３は、本発明の実施例６(請求項５に記載の発明)に係る風水力発電装置６８の水車部分の正面図である。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。図示を省略した上方の風車には、実施例１の縦軸風車５、実施例３の横軸風車４９、実施例４の縦軸風車５と横軸風車４９よりなる複合風車のいずれかが用いられる。
【００８２】
実施例６に係る風水力発電装置６８は、幅の広い用水路２に設置するものであり、水車支持枠７の横幅を、用水路２の幅と同等をなすように大とし、この水車支持枠７の上面板７Ｃに、実施例１と同様の２基の横軸水車４、４を、共に正面視時計方向に回転するように幅方向に並べて取付けてある。
【００８３】
水車ロータ１２、１２の回転力が伝達され、共に平面視時計方向に回転する上下方向の伝動軸２２、２２の上端部には、伝動プーリ６９、６９が取付けられている。発電機６の電機子ロータ３５に連結された第１入力軸２３の下部には、上下２個の従動プーリ７０、７０が取付けられ、互いに対向する両従動プーリ７０と左右の伝動プーリ６９、６９間には、伝動ベルト７１、７１が掛け回されている。なお、各プーリ６９，７０及び伝動ベルト７１は、滑り止めされる歯付プーリ及び歯付ベルトを使用するのが好ましい。
【００８４】
左右の伝動軸２２、２２の回転力が発電機６の電機子ロータ３５に伝達されると、電機子ロータ３５は、実施例１と同様に、平面視時計方向に回転させられ、電機子ロータ３５と磁石ロータ３６とが互いに逆方向に相対回転するので、発電効率が大幅に高まる。
【００８５】
また、左右の横軸水車４の回転力が合成されて第１入力軸２３に伝達され、電機子ロータ３５を大きな回転トルクで回転させることができるので、発電容量の大きな発電機６を使用して、発電量を増大させることができる。
【実施例７】
【００８６】
図１４は、本発明の実施例７に係る風水力発電装置７２を示すもので、洋上に設置して使用するものである。すなわち、潮流(海流)のある洋上に、海底にワイヤ７３により?留された３個以上のフロ−ト７４を有する浮体式構造物７５を浮かべ、この浮体式構造物７５に、実施例１と同様の横軸水車４と縦軸風車５を取付けることにより、浮体式の洋上風水力発電装置としたものである。
この実施例７に係る風水力発電装置７２においても、潮流によって回転させられる横軸水車４と、洋上風力によって回転させられる縦軸風車５とが相対回転して、発電機６により発電されるので、発電量を大幅に高めることができる。特に、洋上においては、陸地よりも安定した風力が得られるので、縦軸風車５が効率よく回転して発電量が高まる。なお、水車及び風車は、この実施例７のものに限定されるものではなく、実施例１〜６に記載されているものも使用してもよいことは勿論である。
【００８７】
本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、例えば次のような種々の変形や変更を施すことが可能である。
(１) 長寸とした縦主軸２８に縦軸風車５を上下複数設け、多段縦軸風車として回転トルクを増大させる。
【００８８】
(２) 図７に示す実施例２において、用水路２の水深が深い場合、長寸とした縦主軸４５に上下複数の縦軸水車４０を設け、多段縦軸水車として回転トルクを増大させる。
【００８９】
(３) 風車支持枠８を、用水路２の側方の陸地に設置し、それに、縦軸風車５や横軸風車４９を設ける。この場合は、水車と風車の上下方向の回転軸を、例えば互いに直交状に噛合するギヤ等の伝動手段を介して、２本の水平をなす伝動軸に相対回転するように連係し、両伝動軸を、それらの間に設けた発電機の電機子ロータと磁石ロータにそれぞれ連結すればよい。
【００９０】
(４) 図１３に示す実施例６において、横軸水車４に代わりに、実施例２のような縦軸水車４０を２基使用する。
【００９１】
(５) 図１３に示す実施例６において、水車支持枠７の上方に左右幅の大きな風車支持枠を立設し、この風車支持枠に、左右２基の風車を、各横軸水車４と対応するように設け、左右の横軸水車４の伝動軸２２と、左右の風車の縦主軸とを、左右２個の発電機６のそれぞれの電機子ロータ３５と磁石ロータ３６に個別に連結し、２個の発電機６により発電する。
【００９２】
(６) 用水路２内に挿入した水車支持枠７により水車を支持する代わりに、用水路２を跨ぐように設置された横架体によって水車を吊支する。
【００９３】
(７) 発電機６を、電機子ロータ３５と磁石ロータ３６とが軸方向に対向するアキシャルギャップ型のものとする。
【００９４】
(８) 磁石ロータ３６を第１入力軸２３に、電機子ロータ３５を第２入力軸３１に、それぞれ連結する。
【符号の説明】
【００９５】
１  風水力発電装置
２  用水路
３  支持枠体
４  横軸水車
５  縦軸風車
６  発電機
７  水車支持枠
７Ａ  底板
７Ｂ  支柱
７Ｃ  上面板
８  風車支持枠
９  固定具
１０  水車筐体
１０Ａ  開口端
１１  軸筒
１１Ａ  フランジ
１１Ｂ  頂壁
１２  水車ロータ
１３  ハブ
１４  揚力型水車ブレード
１４Ａ  傾斜部
１４Ｂ  背面
１４Ｃ  前面
１５  横主軸
１６  支持杆
１７  板状ブラケット
１８  貫通孔
１９  駆動傘歯車
２０  従動傘歯車
２１  スラスト軸受
２２  伝動軸
２３  第１入力軸
２４  縦軸風車ロータ
２５  水平アーム
２６  揚力型風車ブレード
２６Ａ  主部
２６Ｂ  内向き傾斜部
２７  ハブ軸
２８  縦主軸
２８Ａ  フランジ
２９  軸部支持杆
３０  軸受
３１  第２入力軸
３２  支持台
３３  カバー
３４  ケーシング
３５  電機子ロータ
３５Ａ  コイル保持板
３５Ｂ  発電コイル
３６  磁石ロータ
３６Ａ  磁石保持板
３６Ｂ  内側ヨーク
３６Ｃ  内側永久磁石
３６Ｄ  外側ヨーク
３６Ｅ  外側永久磁石
３７、３８  軸受
３９  風水力発電装置
４０  縦軸水車
４１  縦型水車ロータ
４２  水平アーム
４３  縦型水車ブレード
４４  ハブ軸
４５  縦主軸
４６  スラスト軸受
４７  軸受
４８  風水力発電装置
４９  横軸風車
５０  風車筐体
５１  風車ロータ
５２  方向舵
５３  支持体
５４  ハブ
５５  風車ブレード
５５Ａ  傾斜部
５６  横主軸
５７  伝動手段
５７Ａ  駆動傘歯車
５７Ｂ  従動傘歯車
５８  伝動軸
５９  風水力発電装置
６０  風水力発電装置
６１  横軸水車
６２  水車筐体
６３  軸筒
６４  第１伝動軸
６５  伝動歯車
６６  従動歯車
６７  第２伝動軸
６８  風水力発電装置
６９  伝動プーリ
７０  従動プーリ
７１  伝動ベルト
７２  洋上風水力発電装置
７３  ワイヤ
７４  フロート
７５  浮体式構造物
【図１】
2018040301.tif 000003
【図２】
2018040301.tif 000004
【図３】
2018040301.tif 000005
【図４】
2018040301.tif 000006
【図５】
2018040301.tif 000007
【図６】
2018040301.tif 000008
【図７】
2018040301.tif 000009
【図８】
2018040301.tif 000010
【図９】
2018040301.tif 000011
【図１０】
2018040301.tif 000012
【図１１】
2018040301.tif 000013
【図１２】
2018040301.tif 000014
【図１３】
2018040301.tif 000015
【図１４】
2018040301.tif 000016