(57)【要約】【課題】小型大出力化を図ると共に、水車が出力する機械エネルギーの定格を超えた増大を抑制することができる浮体型水力発電装置を提供する。【解決手段】水車２０を浮体後部１２の下面に取り付けることにより、流体が所定流速以下のときは、水車２０全体を水中に浸して作動させることができる。しかも、所定流速を超えると、浮体後部１２側が浮揚して水車２０の一部が水上に露出し始め、その後流速の増加に従ってさらに浮体後部１２側が浮揚して露出部分が大きくなるようにすることができる。つまり、所定流速を超えた後は、流速が大きくなるに従って、水車２０の水中部作動面積を減少させることにより出力の増大を抑制することができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水面上に係留にされていると共に、流速が大きくなるに従って、流れ方向の一端側が浮揚する浮体と、
前記浮体の前記浮揚する部分底面に取り付けられた水車と
を備えたことを特徴とする浮体型水力発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の浮体型水力発電装置であって、
前記浮体は、浮体姿勢に係わらず、一定位置に浮力中心がある浮体前部と、前記浮体前部に対して流れ方向の下流側に設けられる浮体後部とを有し、
前記浮体後部の下面側に前記水車が取り付けられている
ことを特徴とする浮体型水力発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の浮体型水力発電装置であって、
前記水車はサボニウス或いはクロスフロー型タービンである
ことを特徴とする浮体型水力発電装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の浮体型水力発電装置であって、
前記水車がスクリュー型であって発電機を伝動軸により駆動する
ことを特徴とする浮体型水力発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４何れか１項記載の浮体型水力発電装置であって、
前記水車を流れ方向に対して垂直方向に２個配置した
ことを特徴とする浮体型水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、浮体型水力発電装置に係わり、特に、河川の水流或いは潮流の持つ運動エネルギーを電力等の動力に変換する小規模発電装置で、ダムや取り込み水路等の土木構造物による水落差を作るのではなく、水流中に係留した浮体に水車を設置して発電する浮体型水力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
古くから双胴型ボートの左右中心面に下かけ式水車を設置した装置が主として東南アジア地域で知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した下かけ式水車は、水車を構成する水かきの一部しか水中に浸されていないため、大型にもかかわらす小出力である。また、下かけ式水車は、流速が大きくなるに従って、出力である機械エネルギーが増大する。このため、流速が所定流速を超えると、発電機の定格を超えた水車の出力である機械エネルギーが発電機に供給され、発電機が破損してしまう恐れがあった。
【０００４】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、小型大出力化を図ると共に、水車が出力する機械エネルギーの定格を超えた増大を抑制することができる浮体型水力発電装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、水面上に係留にされていると共に、流速が大きくなるに従って、流れ方向の一端側が浮揚する浮体と、前記浮体の前記浮揚する部分底面に取り付けられた水車とを備えたことを特徴とする浮体型水力発電装置に存する。
【０００６】
請求項１記載の発明によれば、浮体は、水面上に係留されていると共に、流速が大きくなるに従って、流れ方向の一端側が浮揚する。水車は浮体の浮揚する部分下面に取り付けられている。従って、水車を浮体の下面に取り付けることにより、流体が所定流速以下のときは、水車全体を水中に浸して作動させることができる。しかも、水車を浮揚する部分下面に取り付けることにより、所定流速を超えると、浮体の一端側の浮揚によって水車が水上に露出し始め、その後流速の増加に従ってさらに浮体の一端側が浮揚して露出部分が大きくなるようにすることができる。つまり、所定流速を超えた後は、流速が大きくなるに従って、水車の水中部作動面積を減少させることにより出力の増大を抑制することができる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の浮体型水力発電装置であって、前記浮体は、浮体姿勢に係わらず、一定位置に浮力中心がある浮体前部と、前記浮体前部に対して流れ方向の下流側に設けられる浮体後部とを有し、前記浮体後部の下面側に前記水車が取り付けられていることを特徴とする浮体型水力発電装置に存する。
【０００８】
請求項２記載の発明によれば、浮体が、浮体姿勢に係わらず、一定位置に浮力中心がある浮体前部と、浮体前部に対して流れ方向の下流側に設けられる浮体後部とから構成されている。そして、水車は浮体後部の下面側に取り付けられている。従って、水車設置位置と浮体前部又は後部重量から求められる係留点を適切に選ぶことにより、簡単に、所定流速を超えると、浮体の一端側である浮体後部の浮揚によって水車が水上に露出し始め、その後流速の増加に従ってさらに浮体後部が浮揚して露出部分が大きくなるようにすることができる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の浮体型水力発電装置であって、前記水車はサボニウス或いはクロスフロー型タービンであることを特徴とする浮体型水力発電装置に存する。
【００１０】
請求項３記載の発明によれば、サボニウス或いはクロスフロー型タービンの水車において、小型大出力化を図ると共に、水車が出力する機械エネルギーの定格を超えた増大を抑制することができる。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の浮体型水力発電装置であって、前記水車がスクリュー型であって発電機を伝動軸により駆動することを特徴とする浮体型水力発電装置に存する。
【００１２】
請求項４記載の発明によれば、スクリュー型であって発電機を伝動軸により駆動する水車において、小型大出力化を図ると共に、水車が出力する機械エネルギーの定格を超えた増大を抑制することができる。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４何れか１項記載の浮体型水力発電装置であって、前記水車を流れ方向に対して垂直方向に２個配置したことを特徴とする浮体型水力発電装置に存する。
【００１４】
請求項５記載の発明によれば、流れ方向に対して垂直方向に２個水車を配置することにより、各水車が持つ垂直方向荷重を相殺することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明の浮体型水力発電装置の側面図であり、（ｂ）は、天面図であり、（ｃ）は、正面図である。これらの図に示すように、浮体型水力発電装置は、水面上に係留されている浮体１０と、この浮体１０の下面に取り付けられた水車２０とから構成されている。
【００１６】
上記浮体１０は、流体の流れ方向Ｙ１に沿って円弧状の艇体底面形状を持つ双胴型であり、浮体姿勢に係わらず一定位置に浮力中心がある浮体前部１１と、この浮体前部１１の流れ方向Ｙ１下流側に設けられるおおむね平面状の底面を持つ浮体後部１２とから構成されている。水車２０は、上述した浮体後部１２の底面に取り付けられている。この水車２０は、図２に示す図１の簡略Ａ−Ａ線断面図に示すように、回転軸２１と、回転軸２１回りに設けられた断面略円弧上の翼２２とからなるサボニウス型の水車である。
【００１７】
また、図中３０はサボニウス型水車２０の回転軸速度を増速するための増速器とこれに直結した発電機である増速器発電機であり、４０はこの浮体１０の係留点である。この浮体１０は、例えば河川の両岸に築いた保留基点からケーブル等をＶ字状にして河川の中央の最流速位置に保留されている。
【００１８】
次に、上述した構成の浮体型水力発電装置の流速と浮体姿勢との関係について、図３を参照して以下説明する。
図３（ａ）は流速が所定流速よりも低い時、浮体型水力発電装置に働く力を示し、（ｂ）は流速が所定流速と等しい時、浮体型水力発電装置に働く力を示し、（ｃ）は流速が所定流速を超えた時、浮体型水力発電装置に働く力を示す。
【００１９】
この浮体１０の浮体姿勢は、水車２０に働く水の抵抗力である水車部抵抗Ｙ２が係留点４０廻りに作る頭下げモーメントＭ１と、係留点４０より下流側の各部重量（図中下方向矢印で示す力）が係留点４０廻りに作る頭上げモーメントＭ２との関係によって決まる。
【００２０】
つまり、同図（ａ）に示すように、流速が所定流速よりも低いときは、水車部抵抗Ｙ２が小さい。このため、浮体１０は、浮体後部１２側に傾いた状態で、水車部抵抗Ｙ２が係留点４０回りに作る頭下げモーメントＭ１と、浮体後部重量Ｙ３及び水車・増速器発電機重量Ｙ４が作る頭上げモーメントＭ２とが平衡状態となる。同図（ａ）に示す状態では、主として浮体後部１２が浮力を発生して全重量を支える。
【００２１】
一方、同図（ｂ）に示すように、流速が所定流速と等しくなると、水車部抵抗Ｙ２が大きくなり、これに伴って水車部抵抗Ｙ２が係留点４０回りに作る頭下げモーメントＭ１が大きくなる。このため、浮体１０は、同図（ａ）に示す状態に比べて浮体後部１２側が浮揚すると共に、浮体前部１１側が沈み、浮体後部１２が水面Ｈと略平行な状態で、水車部抵抗Ｙ２が係留点４０回りに作る頭下げモーメントＭ１と、浮体後部重量Ｙ３及び水車・増速器発電機重量Ｙ４が係留点４０回りに作る頭上げモーメントＭ２とが平衡状態となる。同図（ｂ）に示す状態では、主として浮体前部１１が浮力を発生して全重量を支える。
【００２２】
さらに、同図（ｃ）に示すように、流速が所定流速を超えると、水車部抵抗Ｙ２がさらに大きくなり、これに伴って水車部抵抗Ｙ２が係留点４０回りに作る頭下げモーメントＭ１がさらに大きくなる。このため、浮体１０は、同図（ｂ）に示す状態に比べて浮体後部１２側がさらに浮揚すると共に、浮体前部１１側がさらに沈み、浮体後部１２が水面上に浮揚した状態で、水車部抵抗Ｙ２が係留点４０回りに作る頭下げモーメントＭ１と、浮体後部重量Ｙ３及び水車・増速器発電機重量Ｙ４が係留点４０回りに作る頭上げモーメントＭ２とが平衡状態となる。同図（ｃ）に示す状態では、浮体前部１１が全重量を支える。
【００２３】
上記浮体前部１１は浮体姿勢に係わらず浮力中心が一定位置となるため、浮体後部１２側が浮揚しても係留点４０回りに浮体前部１１の頭下げモーメントＭ１が発生することがない。このため、わずかな水車部抵抗Ｙ２の増加であっても、大きく浮体後部１２を浮揚させることができる。
【００２４】
以上、図３についての説明から明らかなように、流速が所定速度よりも低い時には、浮体型水力発電装置は浮体後部１２側に傾いているため、水車２０全体を水中に浸して作動させることができる。一方、所定流速を超えると、浮体後部１２の浮揚によって水車２０が水上に露出し始め、その後流速の増加に従って浮体後部１２がさらに浮揚して露出部分が大きくなる。つまり、所定流速を超えた後は、流速が大きくなるに従って、水車２０の水中部作動面積を減少させることができる。
【００２５】
従って、図４に示すように、点線で示す従来では、所定流速（流速比１）を超えても、水車２０の出力が増大し続けるのに比べて、実線で示す本発明の浮体型水力発電装置によれば、所定流速を超えた後の水車２０の出力増大を抑えることができる。
【００２６】
また、上述した浮体前部１１の先端は図５に示すように先細りさせ、先端部分の浮力を減じて所定流速を超えると浮体後部１２の浮揚がより一層進むようにして、一層の出力増大を抑えることが考えられる。
【００２７】
なお、上述した実施形態では、水車２０としてサボニウス型を用いて説明していたが、例えば、クロスフロー型のタービンを用いたり、スクリュー型であって発電機を伝動軸により駆動するものを用いることも考えられる。
【００２８】
また、上述した実施形態では、水車２０の個数は単数であるが、例えば、流れ方向Ｙ１に対して垂直方向に２個水車２０を配置することも考えられる。この場合、各水車２０が持つ垂直方向荷重を相殺することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、水車を浮体の下面に取り付けることにより、流体が所定流速以下のときは、水車全体を水中に浸して作動させることができるので、小型大出力化を図ることができる。しかも、水車を浮揚する部分下面に取り付けることにより、所定流速を超えると、浮体の一端側の浮揚によって水車が水上に露出し始め、その後流速の増加に従ってさらに浮体の一端側が浮揚して露出部分が大きくなるようにすることができる。つまり、所定流速を超えた後は、流速が大きくなるに従って、水車の水中部作動面積を減少させることにより出力の増大を抑制することができるので、水車が出力する機械エネルギーの定格を超えた増大を抑制することができる浮体型水力発電装置を得ることができる。
【００３０】
請求項２記載の発明によれば、水車設置位置と浮体前部又は後部重量から求められる係留点を適切に選ぶことにより、簡単に、所定流速を超えると、浮体の一端側である浮体後部の浮揚によって水車が水上に露出し始め、その後流速の増加に従ってさらに浮体後部が浮揚して露出部分が大きくなるようにすることができるので、構成の簡略化を図った浮体型水力発電装置を得ることができる。
【００３１】
請求項３記載の発明によれば、サボニウス或いはクロスフロー型タービンの水車において、小型大出力化を図ると共に、水車が出力する機械エネルギーの定格を超えた増大を抑制することができる浮体型水力発電装置を得ることができる。
【００３２】
請求項４記載の発明によれば、スクリュー型であって発電機を伝動軸により駆動する水車において、小型大出力化を図ると共に、水車が出力する機械エネルギーの定格を超えた増大を抑制することができる浮体型水力発電装置を得ることができる。
【００３３】
請求項５記載の発明によれば、流れ方向に対して垂直方向に２個水車を配置することにより、各水車が持つ垂直方向荷重を相殺することができる浮体型水力発電装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の浮体型水力発電装置の側面図であり、（ｂ）は天面図であり、（ｃ）は正面図である。
【図２】図１に示す水車２０の簡略Ａ−Ａ線断面図である。
【図３】（ａ）は流速が所定流速よりも低い時、浮体型水力発電装置に働く力を示し、（ｂ）は流速が所定流速と等しいとき、浮体型水力発電装置に働く力を示し、（ｃ）は流速が所定流速を超えた時、浮体型水力発電装置に働く力を示す説明図である。
【図４】流速対所定流速比と水車２０の出力対定格出力比との関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）は図１の浮体型水力発電装置を構成する浮体前部１１の先端形状の天面図であり、（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
１０  浮体
１１  浮体前部
１２  浮体後部
２０  水車
【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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