(57)【要約】【課題】水量変動の少ない水路に対して、大掛りな装置を用いなくともその水路幅を無駄なく有効活用して、電気エネルギーを生成する発電方法、発電装置、及び発電設備を提供する。【解決手段】流れる水を水槽に貯める第一工程と、当該水槽に所定水量以上の水が貯まることにより当該水槽が傾いて排水する第二工程と、当該水槽から水が排水されることにより当該水槽が逆方向に傾いて第一工程の状態に姿勢復帰する第三工程とからなり、当該第二工程における水槽の動作によって、電気エネルギーを生成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れる水を水槽に貯める第一工程と、当該水槽に所定水量以上の水が貯まることによって、当該水槽が傾いて排水する第二工程と、当該水槽から水が排水されることによって、当該水槽が逆方向に傾いて第一工程の状態に姿勢復帰する第三工程とからなり、前記第二工程における水槽の動作によって電気エネルギーを生成する発電方法。
【請求項２】
前記第二工程における水槽が傾く動作は、前記水槽に水が貯まることによる重心位置の移動によって生じるものである、請求項１に記載の発電方法。
【請求項３】
水路の幅方向において前記水槽を複数並べて、前記第一工程から前記第三工程までの繰り返し動作を、タイミングをずらして実施することにより、電気エネルギーの生成を行わせる請求項１又は２に記載の発電方法。
【請求項４】
水路に設けられた堰構造の下流側に前記水槽を設置し、該堰からの溢流を前記水槽中へ落し込んで行う請求項１に記載の発電方法。
【請求項５】
水を貯めることができる水槽部と、当該水槽部に所定水量以上の水が貯まることによって、当該水槽部が傾いて排水する動作を執り行う稼働部と、当該稼働部における前記排水方向への稼働を受けて作動する発電機と、を有することを特徴とする発電装置。
【請求項６】
前記稼働部は、油圧シリンダと、油圧配管と、油圧コントローラと、油圧モータと、増速用プラネタリギアとから構成され、前記水槽部が排水方向に傾くときの力を油圧シリンダにより受け、発生した油圧が前記油圧モータを駆動し、前記増速用プラネタリギアを介して前記油圧モータと接続された前記発電機を作動させるものである請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
前記稼働部は、扇型ギアと、ワンウェイクラッチ内蔵車軸と、フライホイールと、二段増速ギアとから構成され、前記水槽部が排水方向に傾く動作によって前記扇型ギアが前記フライホイールを回転させ、この回転によって前記発電機を作動させるものである請求項５に記載の発電装置。
【請求項８】
前記水槽部は、姿勢復帰用のウエイトを含むものである請求項５〜７のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１項に記載の発電装置が、水路の幅方向に複数設けられた、発電設備。
【請求項１０】
前記複数の発電装置を、タイミングをずらして繰り返し動作させることにより、電気エネルギーの生成を継続的に行う、請求項９に記載の発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川から取り込まれた農業用の灌漑水路のように、水量変動の少ない水路に対して、その水路幅を無駄なく有効活用して、電気エネルギーを生成する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
河川から取り込まれた農業用の灌漑水路に水車を配設し、水車の回転を利用することで発電を行う回転水車式小水力発電が知られている。例えば、特許文献１には、水平軸を中心とする円周上に複数の水平直線翼が配置された発電用水車を用い、前記水平直線翼の断面形状をレ型とし、該レ型の頂部から水流面に着水させることにより着水時の抵抗を低減するとともに、別途樋を設けて該樋からの落下水を前記レ型の凹部で受けさせて生じる反力によって、水車の回転力、すなわち水車の回転エネルギーを高めることで、発電効率を向上させるという提案が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９０３９６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、前記回転水車式小水力発電は、水車を水路幅全体に設置しようとすれば水車全体を大型化しなければならず、装置が大荷重となって水の流れエネルギーだけでは水車を回転させることができないという難点がある。そのため、水車は、従来汎用されていたような小型のもので対応しなければならず、したがって、水路を流れる水のうち多くは、水車の両脇を素通りすることとなる。よって、水路を流れる水エネルギーの全量に対する発電に関わる電気エネルギー量の比率（発電効率）はかなり低い。
【０００５】
また、別途に樋を設置しようとすれば、水路の流れ勾配が小さい故に相当離れた上流側から取水する必要があり、大掛りな付加設備を設ける必要があることから、発電装置全体が大掛りなものとなり実現性が乏しい。さらに、水路近辺から水をポンプアップするのでは、そのための消費電力によって相殺され、自然エネルギーの活用というそもそもの思想と整合しなくなる。
【０００６】
さらに、水車を回転させる構造は、水路に流れる流木等のごみの影響を受けやすく、例えば、大雨や台風の後では、上流から流れてくる藁や小枝等が絡まり、回転が停止するトラブルが頻発する。
【０００７】
本発明は上記の事情に着目してなされたものであって、その目的は、水量変動の少ない水路に対して、大掛りな装置を用いなくともその水路幅を無駄なく有効活用して、電気エネルギーを生成する発電方法、発電装置、及び発電設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、流れる水を水槽に貯める第一工程と、当該水槽に所定水量以上の水が貯まることにより当該水槽が傾いて排水する第二工程と、当該水槽から水が排水されることにより当該水槽が逆方向に傾いて第一工程の状態に姿勢復帰する第三工程とからなり、当該第二工程で生じた前記水槽の傾く動作によって、電気エネルギーを生成する発電方法である。
【０００９】
前記第二工程における水槽が傾く動作は、前記水槽に水が貯まることによる重心位置の移動によって生じるものであることが好ましい。
【００１０】
広幅の水路に本発明を適用するに際しては、水路の幅方向に前記水槽を複数並べて、前記第一工程から前記第三工程までの繰り返し動作を、タイミングをずらして実施することにより、電気エネルギーの生成を継続的に行わせることが好ましい。
【００１１】
本発明方法の各工程は、前記水槽に水を貯める工程をもって出発点としているから、この工程を適確に行う主旨で、当該水槽へ必要量の水をできるだけ多く、且つ、一気に投入する目的で水路に堰を設けておき、当該堰からの落下水を確実に受け入れるようにすることが好ましい。
【００１２】
本発明の前記各方法を実施する上で好適な装置としては、水を貯めることができる水槽部と、当該水槽部に所定水量以上の水が貯まることにより当該水槽部が傾いて排水する動作を執り行う稼動部と、当該稼働部における前記排水方向への稼働を受けて作動する発電機とを有する。
【００１３】
前記稼動部は、油圧シリンダと、油圧配管と、油圧コントローラと、油圧モータと、増速用プラネタリギアから構成され、当該水槽部が排水方向に傾くときの力を油圧シリンダにより受け、発生した油圧が前記油圧モータを駆動し、前記増速用プラネタリギアを介して油圧モータと接続された発電機を作動させるものであることが好ましい。
【００１４】
また、動力伝達経路、及び構成部品の高精度化や、動作方法の高性能化を図ることを考慮して、油圧方式から機械方式に変更してもよい。具体的には、前記稼動部は、扇型ギアと、ワンウェイクラッチ内蔵車軸と、フライホイールと、二段増速ギアとから構成され、前記水槽部が排水方向に傾く動作によって前記扇型ギアが前記フライホイールを回転させ、この回転によって発電機を作動させるようにしてもよい。
【００１５】
本発明の発電装置は、水槽の傾く動作を効率よく行う観点から、水槽部に、姿勢復帰用のウエイトを含むものであることが好ましい。
【００１６】
本発明の発電装置を有する発電設備は、発電総量、発電の継続性を向上させる観点から、水路の幅方向に複数設けられたものであることが好ましい。
【００１７】
本発明の発電設備は、前記複数の発電装置を、タイミングをずらして繰り返し動作させることにより、電気エネルギーの生成を継続的に行うものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、水槽に所定水量以上の水を貯めて、これを一気に排水するときの当該水槽が傾く動作を利用して発電する方法であることから、装置や諸部品の大型化を招くことなく、発電効率を向上させて小水量を高効率に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の発電装置の上面図。
【図２】動力伝達が油圧方式の場合の発電装置の側面図。
【図３】動力伝達が機械方式の場合の発電装置の側面図。
【図４】本発明の発電設備の上面図。
【図５】本発明の発電方法の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。
【００２１】
図１は、本発明の発電装置の上面図、図２は、動力伝達が油圧方式の場合の本発明の発電装置の側面図を示したものである。
【００２２】
本発明の発電装置は、水路を流れてくる水を受け入れて貯めることができる水槽部１を備えており、当該水槽部１は、所定水量以上の水が貯まると当該水槽部１が傾いて排水し、排水が完了すると当該水槽部１が排水する方向と反対方向に傾いて元の状態に姿勢復帰することができるように構成されている。
【００２３】
また、本発明の発電装置は、稼働部２と発電機３とを有している。稼働部２は、前記水槽部１に所定水量以上の水が貯まることにより、当該水槽部１が傾いて排水する動作を実行し、発電機３は、前記稼働部２における前記排水方向への稼働を受け、作動して発電を行う。
【００２４】
水槽部１は、農業用の灌漑水路１４で流れる水を貯めることができる水槽であり、前記水路の幅を無駄なく有効活用するために、前記水路の幅方向に対して、前記水槽が台座１３に挟まれる状態で設置されている。前記水槽の材質は特に制限されないが、耐久性を考慮すればステンレス製が望ましく、軽量化と余分な慣性力を低減することを考慮すれば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いることがより望ましい。
【００２５】
水槽が傾く動作については、水槽部１に所定水量以上の水が貯まると、当該水槽部１が傾いて排水し、排水が行われると、当該水槽部１が傾いて元の状態に姿勢復帰することができれば、特に制限はない。また、水槽部１には、前記姿勢復帰が行えることを考慮して、水槽保持軸１６を中心に、水の流れの上流側が重くなるように、姿勢復帰用のウエイト１２を設けることが望ましい。
【００２６】
稼動部２は、油圧シリンダ７と、油圧配管８と、油圧コントローラ９と、油圧モータ１０と、増速用プラネタリギア１１から構成される。
【００２７】
油圧シリンダ７は、油圧によってシリンダを往復運動させるもので、単動形、複動形、特殊形があるが、市販されているものを用いることで十分であり、特に限定されるものではない。
【００２８】
油圧配管８は、油圧動作を行う作動油を流す流路であり、材質は、鋼管、ステンレス鋼管、高圧用ゴムホース等の種類があり、一般には鋼管や高圧用ゴムホースが使用される。
【００２９】
作動油は、農業用灌漑水路に及ぼす環境への影響を配慮して、環境対応型難燃性作動油（例えば、日本クエーカー・ケミカル製のクイントルブリック８２２−２００）が好ましい。
【００３０】
油圧コントローラ９は、油圧を制御するための油圧制御弁であり、一般に圧力制御弁、流量制御弁、方向制御弁等各種あるが、市販されている制御弁を用いることで十分であり、特に限定されるものではない。
【００３１】
油圧モータ１０は、油圧によって駆動軸を回転させる市販のものであれば特に限定されるものではない。
【００３２】
増速用プラネタリギア１１は、太陽ギアを中心として、複数のプラネタリギアが自転しつつ、公転することで増速する市販のものであれば、特に限定されるものではない。
【００３３】
水槽部１が排水するときの力を油圧シリンダ７により受け、発生した油圧が油圧モータ１０を駆動し、増速用プラネタリギア１１を介して、当該油圧モータ１０と接続された発電機３により電力を得ることができる。
【００３４】
本発明装置における動力伝達経路、及び構成部品の高精度化や、動作方法の高性能化を図るために、動力伝達方法として、油圧シリンダや油圧配管等を用いる油圧方式から、ギアを用いる機械方式に変更しても良い。
【００３５】
図３は、動力伝達が機械方式の場合における、本発明の発電装置の側面図を示したものである。
具体的には、稼動部２は、扇型ギア４と、ワンウェイクラッチ内蔵車軸５と、フライホイール６と、二段増速ギア（図示せず）とから構成される。
【００３６】
扇型ギア４は、一般に動力伝達用に用いられる扇形状のギアであれば、特に制限されない。
【００３７】
ワンウェイクラッチ内蔵車軸５は、扇型ギア４、フライホイール６、二段増速ギアとを繋ぐ車軸であり、一般に、動力伝達用に用いられるラチェット型（回転方向が一方向に制限されている）の車軸であれば、特に制限されない。
【００３８】
フライホイール６は、回転する機構の動きを安定化させる働きを持つ機械要素であり、一般に、動力伝達用に用いられるフライホイールであれば、特に制限されない。
【００３９】
二段増速ギアは、一般に、動力伝達用に用いられる二段階で回転数を上げることができるギアであれば、特に制限されない。
【００４０】
前記扇型ギア４に伝えられた回転力が、ワンウェイクラッチ内蔵車軸５を通じて、フライホイール６を回転させる。そして、当該フライホイール６の回転力は、二段増速ギアによりさらに上昇することで、発電機３が駆動して電気エネルギーが生成する。
【００４１】
なお、本発明の発電装置において、大きさの違う個々の水路の幅に対応させることや、総発電量、及び発電の継続性を向上させる観点から、本発電装置をモジュール化した発電設備を構成することが好ましい。
【００４２】
図４は、本発明の発電設備の上面図を示したものである。具体的には、前記発電装置を水路の幅方向に複数設けた構成としている。この構成では、例えば、稼働部２にタイマー等の時間的な制御機構を付加することにより、前記複数の水槽のそれぞれの排水のタイミングをずらして繰り返し動作することが可能となり、電気エネルギーの生成を継続的に行うことができる。
【００４３】
次に、本発明の電気エネルギーを生成する発電方法を、図５の概略図に従って説明する。
【００４４】
本発明の発電方法は、以下の三つの工程からなる。
【００４５】
まず、第一工程において、農業用の灌漑水路等で流れる水が水槽に貯められる。ここで、流れる水の量や速さは、本発明を実施する上では特に関係ない。
【００４６】
次に、第二工程において、前記水槽に貯められた水が所定水量以上貯まると、当該水槽は傾いて排水する。すなわち、水槽の中の水量が次第に増えるに従い、水槽の重心位置は徐々に下流側に傾いていき、所定量以上の水量になると一気に排水する。
【００４７】
続いて、第三工程において、前記第二工程で排水した水槽が傾いて、第一工程の状態に姿勢復帰する。ここで、前記第三工程において水槽が傾くのは、前記第二工程で水槽に貯められた水が排水することに伴う重心位置の移動によって生じるものである。
【００４８】
そして、前記第二工程で生じた前記水槽が傾く動作によって、電気エネルギーを生成することが可能となる。
【００４９】
なお、本発明思想を発展させることにより、第三工程における水槽の傾き動作を活用して、さらなる電気エネルギー生成発明をなすことも可能である。
【００５０】
また、水路の幅方向において、水槽を複数並べて、前記第一工程から第三工程までの繰り返し動作を、タイミングをずらして実施することにより、電気エネルギーの発生を継続的に行わせることができる。
【００５１】
さらに、装置を設置する上での困難性やコスト面を考慮すると、水路に設けられた堰構造（図面では、落差設置用堰１５）の下流側に、前記水槽を設けて電気エネルギーの発生を行わせることが望ましい。
【符号の説明】
【００５２】
１  水槽部
２  稼働部
３  発電機
４  扇型ギア
５  ワンウェイクラッチ内蔵車軸
６  フライホイール
７  油圧シリンダ
８  油圧配管
９  油圧コントローラ
１０  油圧モータ
１１  増速用プラネタリギア
１２  ウエイト
１３  台座部
１４  農業用水路
１５  落差設置用堰
１６  水槽保持軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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