(57)【要約】【課題】揚力型タービンの自己始動性を向上させることができるとともに、より安定した状態で水上を浮遊させることができる水力発電装置を提供すること。【解決手段】水中に配置されるタービン部１１と、当該タービン部１１の上方に設けられて水上に浮かぶとともに、公知の構造を有する交流発電機Ｇを有する上部構成体１２とを備えて水力発電装置１０が構成されている。タービン部１１は、水面付近の水流で駆動する揚力型タービン１５と、当該揚力型タービン１５を始動させる抗力型タービン１６とを備えている。抗力型タービン１６の翼部２５は、揚力型タービン１５の翼部２１に対して逆回転するようになっている。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に配置されたタービン部で発電機を駆動する水上浮遊型の水力発電装置であって、
前記タービン部は、水面付近の水流で駆動する揚力型タービンと、当該揚力型タービンを始動させる抗力型タービンとを備え、
前記揚力型タービンの翼部は、前記抗力型タービンの翼部に対して逆回転することを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記抗力型タービンの翼部は、前記揚力型タービンの翼部よりも下方位置で回転することを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
【請求項３】
水面に浮いて前記発電機が載る浮台と、この浮台に連なって前記発電機を覆うカバーとを更に備え、
前記カバーには、その内外間で換気を行う換気装置が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の水力発電装置。
【請求項４】
水面に浮いて前記発電機が載る浮台と、この浮台に連なって前記発電機を覆うカバーとを更に備え、
前記カバーは、透光性材料によって形成され、当該カバーの内側に、前記発電機で発生した電気により発光する発光体が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記各翼部が水底に接触することを回避するタービン保護手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水力発電装置に係り、更に詳しくは、水上を浮遊した状態で移動可能に設置される水上浮遊型の水力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水上浮遊型の水力発電装置としては、例えば、下記特許文献１に開示されたものがある。この水力発電装置は、水面に浮かぶ浮子の上に発電機が設けられており、風車及び水車の回転を併用して前記発電機を駆動するようになっている。ここで採用される風車及び水車は、風や水の流れで発生した羽根（翼部）の揚力によって当該羽根が回転する揚力型タービンである。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭５８−６４８６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記水力発電装置にあっては、風車及び水車が共に揚力型タービンであるため、自己始動性が悪いという不都合がある。また、前記水力発電装置は、水上を浮遊するものであるため、地上に固定して設置する場合に比べて不安定であり、特に、浮子の上方で風車が回転する構成となっていることから、装置全体の安定性が著しく悪化するという不都合もある。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、揚力型タービンの自己始動性を向上させることができるとともに、より安定した状態で水上を浮遊させることができる水力発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、水中に配置されたタービン部で発電機を駆動する水上浮遊型の水力発電装置であって、
前記タービン部は、水面付近の水流で駆動する揚力型タービンと、当該揚力型タービンを始動させる抗力型タービンとを備え、
前記揚力型タービンの翼部は、前記抗力型タービンの翼部に対して逆回転する、という構成を採っている。このような構成によれば、自己始動性の悪い揚力型タービンを、自己始動性の良好な抗力型タービンを使って始動させるため、電気エネルギー等を用いる特別な始動機を用いることなく、水流エネルギーのみで発電可能となる。また、タービン部が水中に配置されるため、水上に風力タービンを設けた場合よりも装置の安定性が向上する他、揚力型タービンの翼部と抗力型タービンの翼部とが逆回転するため、各翼部が同一方向に回転する場合に起こり得る装置の倒伏等を抑制し、より安定した状態で装置を水上に浮遊させることができる。更に、抗力型タービンよりも高い動力が得られる揚力型タービンが、水底側よりも高流速となる水面側で駆動されるため、水流エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができる。
【０００７】
本発明における抗力型タービンの翼部は、前記揚力型タービンの翼部よりも下方位置で回転する、という構成を採っている。このように構成することで、揚力型タービンと抗力型タービンとが同一高さ位置で回転する場合よりも、各タービンの回転半径を小さくすることが可能になり、装置全体の小径化によるスリム化を促進することができる。また、水中における装置の重量分布を上下方向に拡大することができ、この点からも、水中に浮遊する装置の安定性を一層向上させることができる。
【０００８】
また、水面に浮いて前記発電機が載る浮台と、この浮台に連なって前記発電機を覆うカバーとを更に備え、
前記カバーには、その内外間で換気を行う換気装置が設けられる、という構成を採用するとよい。このような構成によれば、水位の変化に拘らず、防水が必要な発電機等の電気機器類を常に水上に配置できる他、カバー内外間の空気の入れ替えを難なく行うことができ、発電機の駆動に伴う発熱によるカバー内部の温度上昇を抑制することができる。ここで、例えば、カバー外部に太陽電池を配置し、当該太陽電池により、換気装置を構成するファン等の駆動電力を確保すれば、発電機で発生した電気を換気装置に使わずに有効利用できる。
【０００９】
更に、水面に浮いて前記発電機が載る浮台と、この浮台に連なって前記発電機を覆うカバーとを更に備え、
前記カバーは、透光性材料によって形成され、当該カバーの内側に、前記発電機で発生した電気により発光する発光体が設けられる、という構成を併用することができる。このように構成することで、水力発電装置を、夜間等に有用な照明や装飾品として利用することもできる。しかも、発電機で発生した電気により発光体を発光させるため、発光体専用の電源等を不要とし、且つ、水流エネルギーをエネルギー源とした長時間の発光が可能になる。
【００１０】
また、前記各翼部が水底に接触することを回避するタービン保護手段を設けるとよい。これにより、水位が低下したときでも、翼部が水底に接触して破損する虞を回避することができる。
【００１１】
なお、本明細書において、「揚力型タービン」とは、水流により翼部に揚力を発生させ、当該揚力により翼部を回転させて回転動力を得るタービンを意味し、「抗力型タービン」とは、水流による翼部の抗力で当該翼部を回転させて回転動力を得るタービンを意味する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１には、本実施例に係る水力発電装置の概略縦断面図が示され、図２には、図１のＡ−Ａ線に沿う方向における前記水力発電装置の概略横断面図が示されている。これらの図において、水力発電装置１０は、河川に浮遊した状態で設置されて、当該河川の水流エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。この水力発電装置１０は、水中に配置されるタービン部１１と、当該タービン部１１の上方に設けられて水上に浮かぶとともに、公知の構造を有する交流発電機Ｇを有する上部構成体１２と、タービン部１１の外方となる水中領域に配置される支持部１３とを備えて構成されている。なお、この水力発電装置１０は、図示しないロープ等によって、川底Ｄ（水底）若しくは川岸等に係留されるようになっている。
【００１４】
前記タービン部１１は、二種類の垂直軸型タービンを組み合わせたハイブリットタイプとなっており、具体的には、水面付近の水流で駆動する揚力型タービン１５と、当該揚力型タービン１５を始動させる抗力型タービン１６と、川底Ｄ側となる下端側に位置するとともに、各タービン１５，１６を連結する歯車装置１８とを備えて構成されている。
【００１５】
前記揚力型タービン１５は、前記上部構成体１２と歯車装置１８との間で略鉛直方向に延びる内軸２０と、当該内軸２０の周りに設けられるとともに、周方向で略間隔となるように配置された三枚の翼部２１と、内軸２０と各翼部２１とを連結する連結片２２とを備えている。
【００１６】
前記内軸２０は、その軸線を中心とした回転を可能に保持されている。前記翼部２１は、図１に示されるように、その下端部分が内軸２０方向にやや湾曲する他は、上下方向に略直線状に延びる直線翼状をなすとともに、図２に示されるように、横断面形状が飛行機の翼の断面形状に近似する形状に設けられている。前記連結片２２は、図１に示されるように、略水平方向に延設されており、翼部２１の上下方向略中央と、内軸２０の大径部分とに固定されている。
【００１７】
このように構成された揚力型タービン１５は、水流で翼部２１に発生する揚力により、当該翼部２１が図２中反時計方向に回転し、これに連動して、内軸２０が同反時計方向に回転するようになっている。なお、翼部２１の形状としては、前記図示例の形状に限定されるものではなく、水流により翼部２１に揚力を発生させて内軸２０を回転できる限りにおいて、種々の形状を採用することができる。
【００１８】
前記抗力型タービン１６は、前記内軸２０の下側を内部に収容する中空の外軸２４と、当該外軸２４の周りに固定されるとともに、周方向で略間隔となるように配置された三枚の翼部２５とを備えている。
【００１９】
前記外軸２４は、内軸２０に対して略同一軸線上に配置されて略鉛直方向に延設されており、内軸２０と相対回転可能に設けられている。ここで、外軸２４の内壁部分と内軸２０との間には、軸受Ｂ及びシール材Ｓが適宜介装されている。前記翼部２５は、揚力型タービン１５の翼部２１よりも下方に位置しており、外軸２４の外周部分から径方向に延びる略平板状の基部領域２９と、この基部領域２９に連なるとともに、平面視で略半円弧状に湾曲する形状をなす湾曲板状のバケット面領域３０とにより構成されたパドル形となっている。このバケット面領域３０は、揚力型タービン１５の翼部２１に対して逆方向に回転可能な形状に設けられている。なお、特に限定されるものではないが、基部領域２９及びバケット面領域３０の厚みは、全域で略一定に設定されている。
【００２０】
このように構成された抗力型タービン１６は、翼部２５が受ける水圧によって、当該翼部２５が前記翼部２１と逆方向（図２中時計方向）に回転し、これに連動して、外軸２４が同時計方向に回転するようになっている。なお、翼部２５の形状としては、前記図示例の形状に限定されるものではなく、水流により翼部２５に抗力を発生させて外軸２４を回転できる限りにおいて、種々の形状を採用することができる。
【００２１】
前記歯車装置１８は、公知の遊星歯車機構によって構成され、内軸２０及び外軸２４が反対方向に回転できるように、これら内軸２０及び外軸２４を連結するようになっている。すなわち、歯車装置１８は、外軸２４の下端側に固定されて、当該外軸２４と一体回転する下端開放型の有底容器状をなす内歯車３２と、この内歯車３２に噛み合って当該内歯車３２の回転方向と同一方向に自転する平歯車状の遊星歯車３３と、内軸２０の下端側に固定されるとともに、遊星歯車３３に噛み合って当該遊星歯車３３と逆方向に自転する平歯車状の太陽歯車３４とを備えて構成されている。従って、揚力型タービン１５の翼部２１が回転していない初期状態で、抗力型タービン１６の翼部２５が回転し始めると、歯車装置１８を介して内軸２０が外軸２４に対して逆回転し、内軸２０に連なる翼部２１が正規の方向（図２中反時計方向）に回転することになる。そして、この翼部２１が回転すると、あらゆる向きの水流に対して翼部２１が揚力を受け、当該揚力で翼部２１の回転が加速される。このとき、抗力型タービン１６の翼部２５は、揚力型タービン１５の翼部２１と反対となる正規の方向（図２中時計方向）に依然回転した状態となる。
【００２２】
このような歯車装置１８は、有底容器状の歯車保護カバー３６によって周囲が囲まれた状態となっており、当該歯車保護カバー３６の外側の河川水との接触を回避できるようになっている。なお、歯車保護カバー３６の内壁部分と外軸２４との間にも、軸受Ｂ及びシール材Ｓが介装されている。
【００２３】
前記上部構成体１２は、揚力型タービン１５の翼部２１の近傍となる上方に位置するドーナツ状の浮台３８と、この浮台３８上に設置される発電機器類３９と、浮台３８の外周側に連なって発電機器類３９を覆う略ドーム状のカバー４０と、当該カバー４０の頂部付近に設けられるとともに、カバー４０の内外間で換気を行う換気装置４１と、カバー４０の内側に設けられた多数の発光体４２とを備えて構成されている。
【００２４】
前記浮台３８は、水に浮かぶ材料、例えば、発泡スチロール等により形成されており、その略中央に形成された貫通穴４４内を前記内軸２０が貫通するようになっている。なお、貫通穴４４の内壁と内軸２０との間にも、軸受Ｂ及びシール材Ｓが適宜介装されている。
【００２５】
前記発電機器類３９は、前記交流発電機Ｇと、当該交流発電機Ｇの回転軸Ｇ１及び内軸２０を連結し、当該内軸２０に対して回転軸Ｇ１を増速回転させる増速手段４６と、交流発電機Ｇで発生した電気を充電する公知の蓄電池４７と、この蓄電池４７の近傍に設けられて交流発電機Ｇを制御する制御装置４８とからなる。
【００２６】
前記増速手段４６は、浮台３８の貫通穴４４から上方に突出した内軸２０の上端部分に固定される大プーリ５０と、交流発電機Ｇの回転軸Ｇ１に固定されるとともに、大プーリ５０よりも小径となる小プーリ５１と、これら各プーリ５０，５１間に掛け回されるベルト５２とを備えている。なお、増速手段４６としては、本実施例の構造に限定されるものではなく、前述と同様の作用が得られる限りにおいて、歯車等を用いた構造としてもよい。また、増速手段４６を設けずに、交流発電機Ｇの回転軸Ｇ１を内軸２０に直結することも可能である。
【００２７】
前記制御装置４８は、交流発電機Ｇの出力電流を直流に整流し、当該出力電流をトランジスタ等により調整することで、水流速の変化に応じて発電量を操作できるようになっている。すなわち、水流速が小さいときには、交流発電機への負荷を軽減させるために出力電流を小さくし、水流速が大きいときには、交流発電機への負荷を増大させるために出力電流を大きくするようになっている。なお、交流発電機Ｇには、公知の自動電圧調整装置（ＡＶＲ）が付帯されており、水流速の相違に拘わらず発電機の出力電圧を常に一定に保った状態で、蓄電池への充電が行われ、これよって、蓄電池への良好な充電効率が得られることになる。
【００２８】
前記カバー４０は、透光性材料によって形成されており、当該カバー４０内の発光体４２の点灯により、上部構成体１２の部分を全体的に発光させることが可能となる。
【００２９】
前記換気装置４１は、カバー４０の内外間を連通する空気路５４が形成された通風部５５と、当該通風部５５の上方に設けられてカバー４０の内外間の換気を促進させるファン部５６と、当該ファン部５６を回転させる駆動部５７とを備えて構成されている。この駆動部５７は、周辺に配置された図示しない太陽光セルによって得られた電気によって駆動するようになっている。このような換気装置４１は、カバー４０の内気を外気と交換することにより、前記発電機器類３９の発熱によって上昇したカバー４０内の温度を下降させるように作動する。
【００３０】
前記発光体４２は、例えば、発光ダイオードによって構成されており、蓄電池４７に充電された電気によって発光する。
【００３１】
前記支持部１３は、浮台３８における下面側の外周に沿って固定された円環状の上側環状体５９と、当該上側環状体５９の下方に相対配置された円環状の下側環状体６０と、これら上下両側の環状体５９，６０間で上下方向に延びるとともに、各環状体５９，６０の周方向に略等間隔に設けられた四本の脚部６１と、これら脚部６１の間に着脱自在に張設された防護ネット６２とを備えて構成されている。
【００３２】
上側環状体５９及び下側環状体６０は、共に、中空のチューブ状部材を円環状に配置することによって形成されたものであり、図１に示されるように、それら環状体５９，６０の間に前記各翼部２１，２５が位置するようになっている。また、上側環状体５９の内側には、浮台３８の下面側に接触する上側円盤部材６３が固定される一方、下側環状体６０の内側には、前記歯車保護カバー３６が取り付けられた下側円盤部材６４が固定されている。なお、上側円盤部材６３の略中央では、前記内軸２０が貫通している一方、下側円盤部材６４の略中央では、前記外軸２４が貫通している。
【００３３】
前記脚部６１は、図１に示されるように、揚力型タービン１５の翼部２１の上端位置から抗力型タービン１６の翼部２５の下端位置までの上下幅よりも長く設定された中実棒状に設けられている。ここで、脚部６１の下端部分は、尖頭形状に設けられており、当該脚部６１が川底Ｄに接地したときに川底Ｄに引っ掛かり易くなっている。
【００３４】
このように構成された水力発電装置１０は、脚部６１の長さよりも深い水深の河川に設置されるときには、前述したように、図示しないロープ等によって川底Ｄや川岸に係留され、上部構成体１２が水面上に浮かんだ状態で装置１０全体が河川を浮遊した状態となる。このときには、水位に拘わらず、揚力型タービン１５の翼部２１が、水面付近の浅い水中に位置することになる。なお、脚部６１の長さよりも浅い水深の河川に水力発電装置１０が設置される場合には、脚部６１が川底Ｄに接地することで装置１０が自立可能になる。この際、脚部６１の下端部分が各翼部２１，２５よりも下方に突出し、しかも、抗力型タービン１６の翼部２５の下方位置に下側円盤部材６４が配置されているため、当該各翼部２１，２５が川底Ｄに接触することが回避される。従って、脚部６１及び下側円盤部材６４は、各翼部２１，２５が川底Ｄに接触するのを回避するタービン保護手段として機能する。
【００３５】
前記水力発電装置１０は、次のように作動する。すなわち、図１に示されるように、水力発電装置１０を河川に設置すると、河川の流れによって抗力型タービン１６の翼部２５が先ず低速で回転し、これによって、抗力型タービン１６に連結された揚力型タービン１５の翼部２１が回転し始める。そして、当該翼部２１が一旦回転すると、その翼形状から河川の流速よりも大きな周速で回転し、翼部２１が直結された内軸２０が高回転で回転することになる。そして、この内軸２０の回転に連動する交流発電機Ｇの回転軸Ｇ１が、増速手段４６で増速回転し、当該回転軸Ｇ１の回転によって発生した電気が制御装置４８等によって制御されながら蓄電池４６に充電される。なお、揚力型タービン１５の翼部２１に達しないような浅い水深の場合には、抗力型タービン１６の翼部２５の回転を動力として内軸２０が正規の方向に回転されることになり、この場合でも、発電及び充電可能である。
【００３６】
なお、換気装置４１は、発電中に自動若しくは手動で適宜作動し、発光体４２は、図示しないスイッチを投入することで発光し、このときには、上部構成体５９全体が照明体若しくは装飾体として機能することになる。
【００３７】
従って、このような実施形態によれば、水中にタービン部１１が配置されているため、水上の風の影響を受け難くすることができ、水上に風力タービンが設置されている場合に対し、安定して装置１０を河川に浮遊させることができるという効果を得る。特に、揚力型タービン１５の翼部２１と抗力型タービン１６の翼部２５とが反対方向に回転するため、各翼部２１，２５を同一方向に回転させた場合に生じ易い装置１０の倒伏を規制し、装置１０を必要最小限に係留することで、より安定して装置１０を浮遊させることができる。
【００３８】
また、抗力型タービン１６の翼部２５が揚力型タービン１５の翼部２１と異なる高さ位置（下方位置）で回転する構成となっているため、各翼部２１，２５の回転半径を必要最小限にすることができ、装置１０全体のスリム化を促進できる他、水中における重量分布を上下方向に拡大することができ、この点からも装置１０の安定性を高めることができる。
【００３９】
更に、水流で作動する抗力型タービン１６で、自己始動性の悪い揚力型タービン１５を始動させるため、当該揚力型タービン１５を始動させる電気始動機を別途設けすることなく、水流エネルギーを効果的に活用することができる。
【００４０】
また、垂直軸型のタービンが用いられているため、流れ方向の影響を受けずに、河川の流速に応じて各翼部２１，２５を回転させることができ、乱れ度の大きな中小河川においても安定した出力を発生させることができる。
【００４１】
更に、河川は、水面付近で流速が最も高くなり、川底Ｄ付近で淀み状態になるが、本実施例によれば、タービン部１１の略全域が水中にあれば、水位に拘わらず、揚力型タービン１５の翼部２１を水面付近に配置することができ、翼部２１を高速回転させることができる。
【００４２】
また、換気装置４１は、その駆動電力が前記太陽光セルから供給されるようになっているため、交流発電機Ｇで生成された電気を他の用途に有効に利用可能となる。
【００４３】
なお、前記実施例で説明した歯車装置１８は、特に限定されるものではないが、揚力型タービン１５の翼部２１と抗力型タービン１６の翼部２５との回転数が約１：４となるようにギア比を設定するとよい。これによれば、水流エネルギーに対する発電効率（エネルギー変換効率）をより高めることができる。
【００４４】
また、前記内軸２０の途中にクラッチ装置を設け、内軸２０と外軸２４との連結を任意に解除できるようにしてもよい。すなわち、揚力型タービン１５は、水流速よりも大きな周速で回転できるのに対し、抗力型タービン１６は、水流速よりも大きな周速で回転しないため、内軸２０と外軸２４とが連結された状態では、ある高回転域で抗力型タービン１６が揚力型タービン１５の負荷として作用する場合がある。従って、このような場合に、前記クラッチ装置で内軸２０と外軸２４との連結を解除すれば、前述した揚力型タービン１５の負荷を回避した運転が可能になる。
【００４５】
更に、装置１０全体の安定性が確保できる限りにおいて、揚力型タービン１５の翼部２１と抗力型タービン１６の翼部２５とを同一の高さ位置で回転する構成としてもよい。
【００４６】
また、前記実施例では、水力発電装置１０を河川に設置した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、水力発電装置を海中に設置して潮流でタービン部１１を駆動させることも可能である。
【００４７】
なお、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水面付近の水流で駆動する揚力型タービンと当該揚力型タービンに連結される抗力型タービンとを併用し、揚力型タービンの翼部と抗力型タービンの翼部とを反対方向に回転させるようにしたから、揚力型タービンの始動を水流エネルギーで行うことができ、限られた水流エネルギーを最大限に利用して発電を効率的に行うことができる他、より安定した姿勢で水上を浮遊させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る水力発電装置の概略縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う水力発電装置の概略横断面図。
【符号の説明】
１０　水力発電装置
１１　タービン部
１５　揚力型タービン
１６　抗力型タービン
２１　翼部
２５　翼部
３８　浮台
４０　カバー
４１　換気装置
４２　発光体
６１　脚部（タービン保護手段）
６４　下側円盤部材（タービン保護手段）
【図１】
2004116289.tif 000003
【図２】
2004116289.tif 000004