(57)【要約】      （修正有）【課題】水路のいかなる場所にも簡単に設置でき、水路を流れる水流に応じて変化する発電量の有効活用を図れる水力発電装置を提供する。【解決手段】流水回転部１２０、発電用モーター１１０を備えた流水発電部と、整流回路２２０、定電圧電源回路２１０、バックアップバッテリー２４１、充電・放電制御回路２４０、負荷制御回路２５０、センサ検出回路２６０を備えた負荷制御部を有し、センサ２６１，２６２からの情報により負荷に電力を供給させる場合にセンサ検出回路及び負荷制御回路を介して負荷に電力を供給させ、負荷に十分な電力が流水発電部から供給される場合に負荷に電力を供給すると共に余剰電力を充放電制御回路でバックアップバッテリーに充電し、負荷への電力供給に必要な電力が流水発電部でまかなえない場合に、充放電制御回路により負荷への電力供給に際しての不足電力をバックアップバッテリーから負荷に供給する。【選択図】図２
0003190095.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
流路の流水により回転する流水回転部と、前記流水回転部の回転軸に結合され当該回転軸の回転に応じて発電する発電用モーターとを備えた流水発電部と、
前記流水発電部からの電流を整流する整流回路と、前記整流回路によって整流された電流に基づき一定電圧の電力を負荷に供給する定電圧電源回路と、流水発電部によって発電された電力を蓄えるバックアップバッテリーと、前記バックアップバッテリーの充放電を制御する充放電制御回路と、前記流水発電部によって発電された電力を用いて負荷を制御する負荷制御回路と、前記負荷を動作させるか否かの情報を検知するセンサと、前記センサからの情報に基づき前記負荷に電力を供給するか否かを動作するか否かの情報を前記負荷制御回路に伝えるセンサ検出回路を備えた負荷制御部を有し、
前記センサ及びセンサ検出回路からの情報により前記負荷に電力を供給させる必要が生じた際に、前記負荷制御回路を介して前記負荷に電力を供給させるにあたって、前記流水発電部から前記負荷に十分な電力が供給される場合に当該電力を負荷に電力を供給すると共に、この負荷への電力供給時に生じた余剰電力を前記充放電制御回路によって前記バックアップバッテリーに充電する一方、前記負荷への電力供給に必要な電力が前記流水発電部から得られる電力でまかなえない場合に、前記負荷への電力供給に際しての不足電力を前記充放電制御回路によってバックアップバッテリーから前記負荷に供給することを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記用水路は農業用水路であり、前記流水回転部はシャフトと当該シャフトの周囲に設けられたスクリュー状の羽根とからなり、前記センサは昼夜を識別する明暗センサからなり、当該明暗センサ及び前記センサ検出回路によって夜の時間帯であることを判断した場合に前記電力発電部から得られた電力や前記バックアップバッテリーに蓄えられた電力によって負荷としてのＬＥＤライトからなる電灯を点灯させることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は水力発電装置に関し、特に農業用水路などに設置して利用するのに適した小型の水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば農業用水路などに設置してその水の流れを利用して発電を行う水力発電装置はよく知られている（特許文献１及び特許文献２参照）。ここで、特許文献１に記載された水力発電装置は、水車の下側部分を水路に浸しこの水路を流れる水流を利用して水車を回転させて発電機で発電するようになっている。また、特許文献２に記載された水力発電装置は、農業用水路の途中に落差部分を設けてこの部分における水の落差に伴う水流を利用して発電機で発電するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３２３４４号公報
【特許文献２】特開２００５−３２０８８３号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の水力発電装置は、大がかりな水車を利用して発電をすると共に、この発電した電力を有効活用するための特別な電源装置を有していない。したがって、例えば農業用水路などの水路に設置するにあたって、設置作業が大変であると共に設置場所を容易に変更することができない。また、日々の天候の変化に応じて水路の水流も変化し、これに伴って水力発電装置で発電する発電量が変わってくるが、従来技術の水力発電装置は、せっかく発電した電力を有効利用するための構成を有していない。そのため、この変化する発電量に対してある時はその発電量が不足してしまい、対象となる負荷に必要な電力を供給できず、またある時はその発電量が余ってしまいこれを全て使い切れず無駄にしてしまうこともある。
【０００５】
また、特許文献２に記載の発電装置は、特許文献１に記載の発電装置の課題、すなわち水路を流れる水流に応じて変化する発電量の有効活用を図ることができないことに加えて、設置するにあたって水路の落差がある部分を利用することが必要である。そのため、設置コストの低減を少しでも図るためには、もともと水路の落差がある部分に水力発電装置を備えなければならず、設置場所の制限を受ける。一方、水路の途中に落差が無いか、もしくは落差がある場所とは別の場所に水力発電装置を設置する場合は、この水路の途中に落差構造を発電装置の設置場所にわざわざ設けなければならない。そのため、このような落差構造の施行作業に伴って水力発電装置の設置が非常にコスト高となることに加えて、その後発電装置の位置を簡単に変更することが困難となる。
【０００６】
本考案の目的は、水路のいかなる場所にも簡単に設置できかつ水路を流れる水流に応じて変化する発電量の有効活用を図ることが可能な水力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、請求項１に係る本考案は、
流路の流水により回転する流水回転部と、前記流水回転部の回転軸に結合され当該回転軸の回転に応じて発電する発電用モーターとを備えた流水発電部と、
前記流水発電部からの電流を整流する整流回路と、前記整流回路によって整流された電流に基づき一定電圧の電力を負荷に供給する定電圧電源回路と、流水発電部によって発電された電力を蓄えるバックアップバッテリーと、前記バックアップバッテリーの充放電を制御する充放電制御回路と、前記流水発電部によって発電された電力を用いて負荷を制御する負荷制御回路と、前記負荷を動作させるか否かの情報を検知するセンサと、前記センサからの情報に基づき前記負荷に電力を供給するか否かを動作するか否かの情報を前記負荷制御回路に伝えるセンサ検出回路を備えた負荷制御部を有し、
前記センサ及びセンサ検出回路からの情報により前記負荷に電力を供給させる必要が生じた際に、前記負荷制御回路を介して前記負荷に電力を供給させるにあたって、前記流水発電部から前記負荷に十分な電力が供給される場合に当該電力を負荷に電力を供給すると共に、この負荷への電力供給時に生じた余剰電力を前記充放電制御回路によって前記バックアップバッテリーに充電する一方、前記負荷への電力供給に必要な電力が前記流水発電部から得られる電力でまかなえない場合に、前記負荷への電力供給に際しての不足電力を前記充放電制御回路によってバックアップバッテリーから前記負荷に供給することを特徴とする水力発電装置である。
【０００８】
本考案の請求項１に係る水力発電装置によると、流水発電部の構成が単純であるので、この発電装置を水路のいかなる場所にも簡単に設置可能であり、かつ一旦設置した場所が適当でなければ水路の他の発電効率の良い場所に流水発電部を簡単に設置し直すことができ、水路を流れる水流に応じて変化する発電量の有効活用を図ることが可能となる。
【０００９】
また、負荷制御部に整流回路や定電圧電源回路、負荷制御回路に加えて充放電制御回路やバックアップバッテリー、負荷に電力を供給させるか否かを判断するセンサ及びセンサ検出回路を有しているので、必要なときにのみ必要な量の電力を負荷に供給することができかつ流路の流速の変化から影響を受けることなく常に一定の電力を負荷に供給することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る本考案は、請求項１に係る圧電装置において、
前記用水路は農業用水路であり、前記流水回転部はシャフトと当該シャフトの周囲に設けられたスクリュー状の羽根とからなり、前記センサは昼夜を識別する明暗センサからなり、当該明暗センサ及び前記センサ検出回路によって夜の時間帯であることを判断した場合に前記電力発電部から得られた電力や前記バックアップバッテリーに蓄えられた電力によって負荷としてのＬＥＤライトからなる電灯を点灯させることを特徴とする水力発電装置である。
【００１１】
本考案の請求項２に係る水力発電装置によると、流水発電部の構成が単純であるので、農業用水路のいかなる場所にも簡単に設置可能であり、かつ一旦設置した場所が適当でなければ農業用水路の他の発電効率の良い場所に流水発電部を簡単に設置し直すことができる。その結果、農業用水路を流れる水流に応じて変化する発電量の有効活用を図ることが可能となる。
【００１２】
また、負荷制御ユニット部に整流回路や定電圧電源回路、負荷制御回路に加えて充放電制御回路やバックアップバッテリー、負荷としてのＬＥＤライトを有する電灯を点灯させるか否かを明暗センサ及びセンサ検出回路によって容易に判断できるので、必要なときにのみ負荷としてのＬＥＤライトをからなる電灯を点灯させるための電力を供給することができ、かつ流路の流速の変化から影響を受けることなく常に一定の電力を負荷としてのＬＥＤライトからなる電灯に供給することができる。特にＬＥＤライトは消費電力が少ないので、流れる水量の少ない農業用水路においても小型の流水発電部を設置するだけで、昼間の間は農業用水路に設置した小型の流水発電部によって発電された電力をバックアップバッテリーに効率よく充電することができ、ＬＥＤライトからなる電灯を夜間常時点灯させることができ、例えば人通りの少ない農村部の農業用水路付近の小道における防犯などに役立てることができる。
【考案の効果】
【００１３】
本考案によると、水路のいかなる場所にも簡単に設置できかつ水路を流れる水流に応じて変化する発電量の有効活用を図ることが可能な水力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本考案の一実施形態である水力発電装置を農業用水路に設置した状態を示す説明図であり、水路を流れる水流の上流側から見た図（図１（ａ））及び水路を流れる水流に沿って見た図（図１（ｂ））である。
【図２】図１に示した水路の発電装置の負荷制御部の電気回路を分かり易く示すブロック図である。
【図３】図１に示した水路の発電装置の実際の使用態様の一例を示す説明図である。
【考案を実施するための形態】
【００１５】
以下、本考案の一実施形態に係る水力発電装置について図面に基づいて説明する。図１は、本考案の一実施形態である水力発電装置を農業用水路に設置した状態を示す説明図であり、水路を流れる水流の上流側から見た図（図１（ａ））及び水路を流れる水流に沿って見た図（図１（ｂ））である。また、図２は、図１に示した水路の発電装置の負荷制御部の電気回路を分かり易く示すブロック図である。
【００１６】
流水発電ユニット（流水発電部）１００は、図１及び図２の電力発電側ブロック図に示すように、発電モーター１１０と、発電モーター１１０に接続された発電用スクリュー羽根（流水回転部）１２０と、発電モーター１１０のみ流水の侵入を防止すると共に発電用スクリュー羽根全体が流水に浸された状態で水の流れに応じて発電用スクリュー羽根を回転させると共に発電モーター１１０を流水中に液密状態で浸されることを可能とするハウジング１３０と、ハウジング１３０を農業用水路の水路底部から一定距離離間しかつ発電用スクリュー羽根全体が流水に浸される高さにハウジング１３０を固定する支持台１４０とからなる。
【００１７】
発電モーター１１０は、図２に示すように、２０Ｈｚ乃至３００Ｈｚの交流式発電機をハウジング１３０に内蔵しており、発電用スクリュー羽根１２０の羽根支持シャフト１２１に接続されるモーターシャフト１１１を備えている。また、発電モーター１１０からは、このモーターの回転によって得られた電力を農業用水路の外部に取り出すための電力伝送ケーブル１５０が導出している。なお、電力伝送ケーブル１５０は水密性に優れかつハウジング１３０から電力伝送ケーブル１５０が導出される導出部分は液密状態でしっかりとシールされている。
【００１８】
発電用スクリュー羽根１２０は、その羽根支持シャフト１２１が、発電モーター１１０のモーターシャフト１１１と同芯に結合され、このシャフトと一体に回転する細長の羽根支持シャフト１２１と、羽根支持シャフト１２１の周囲に固定された螺旋状のプロペラ１２２からなる。
【００１９】
負荷制御ユニット（負荷制御部）２００は、図２の負荷制御ユニット側ブロック図に示すように、端子台２１０と、ヒューズ２０１と、サージアブソーバー２０２と、整流回路２２０と、定電圧電源回路２３０と、充電・放電制御回路２４０と、負荷制御回路２５０と、センサ検出回路２６０とを有している。そして、充電・放電制御回路２４０には、リチウムイオンバッテリー２４１が電気的に接続されると共に、発電供給切換スイッチ２４２と、ＵＳＢ電源出力端子２４３が備わっている。
【００２０】
端子台２１０は、発電モーター１１０から液密状態で導出した電力伝送ケーブル１５０の電気を短絡させることなく負荷制御ユニット内の各回路に伝える役目を果たしている。これによって、天候の変化による悪影響を受けることなく発電モーター１１０からの電力を負荷制御ユニット内に取り込むことができる。
【００２１】
ヒューズ２０１は、発電モーター１１０から負荷制御ユニット内に何らかの理由で多大な電流が流れ込んでこのユニット内の整流回路２２０、定電圧電源回路２３０、充電・放電制御回路２４０、負荷制御回路２５０、センサ検出回路２６０などに機能不全を生じさせるのを防止するためのものである。
【００２２】
サージアブソーバー２０２は、落雷等から負荷制御ユニット内の整流回路２２０、定電圧電源回路２３０、充電・放電制御回路２４０、負荷制御回路２５０、センサ検出回路２６０などを保護する回路である。
【００２３】
整流回路２２０は、発電モーター１１０から得られた交流を整流する回路であり、定電圧電源回路２３０は、整流回路２２０によって整流された電気の電圧を一定電圧にする回路である。
【００２４】
充電・放電制御回路２４０は、整流回路２２０から得られた一定電圧の電気を負荷制御回路２５０に流して負荷を作動させると共に、整流回路２２０によって一定電圧となるように整流された電気をリチウムイオンバッテリー（バックアップバッテリー）２４１に充電するか、リチウムイオンバッテリー２４１に充電された電力を用いてこのバッテリーから負荷制御回路２５０に電気を放電するかを、発電供給切換スイッチ２４２を介して行う回路である。なお、発電供給切換スイッチ２４２の切り換え信号は、充電・放電制御回路２４０が流水発電ユニット１００からの発電量を監視しながら行う。
【００２５】
負荷制御回路２５０は、流水発電部によって発電された電力を用いてＬＥＤライトを備えた図３に示す電灯７０（７１，７２・・・）としての負荷を適切に動作させるように制御する。負荷制御回路２５０には、センサ検出回路２６０が接続されると共に、センサ検出回路２６０には明暗センサ２６１及び人感センサ２６２が接続されている。
【００２６】
明暗センサ２６１及び人感センサ２６２は、いずれも負荷であるＬＥＤ電灯を動作させるか否かの情報を検知するセンサである。明暗センサ２６１にはいわゆる光センサが用いられ、昼の時間帯で周囲が明るいか夜の時間帯で周囲が暗いかを検知する。人感センサ２６２には、いわゆる人体検知センサが用いられ、このセンサの周囲に人がいるかいないかを検知する。
【００２７】
センサ検出回路２６０は、センサからの情報に基づき負荷を動作するか否かの情報を負荷制御回路２５０に伝える役目を果たしている。具体的には、明暗センサ２６１及びセンサ検出回路２６０によって現在時刻が夜の時間帯であることを判断すると共に、負荷制御回路２５０を介して負荷対象物であるＬＥＤ電灯を点灯させる。しかしながら、これに加えて人感センサ２６２及びセンサ検出回路２６０が人の存在を検知した場合、更なる条件としてＬＥＤ電灯を点灯させても良い。
【００２８】
この際、充電・放電制御回路２４０は、負荷の動作に十分な電力が流水発電ユニット１００から供給される場合にこの電力によって負荷を動作させると共に、この発電の際に生じた余剰電力を充電・放電制御回路を介してリチウムイオンバッテリー２４１に充電し、負荷の動作に必要な電力が流水発電から供給できない場合に、充電・放電制御回路によって負荷に供給する不足電力をリチウムイオンバッテリー２４１から流水発電ユニット１００からの電力に重畳して負荷に供給する。
【００２９】
続いて、上述の実施形態に係る水力発電装置の作用について説明する。図３は、図１に示した農業用水路の発電装置の実際の使用態様の一例を示す説明図である。図３において、農業用水路に設置した流水発電ユニット１００がこの水路の流速に応じて発電を行い、電力伝送ケーブルを介してＬＥＤ電球を備えた電灯７１の基端部に設けたボックス内の負荷制御ユニット２００（図３では図示せず）に電気を伝える。負荷制御ユニット２００において整流された後、定電圧となった電力は、明暗センサ２６１によって昼間であると判断されると、バックアップバッテリーの充電量が不足しているならば、このバッテリー２４１を充電するのに使用される。一方、明暗センサ２６１によって夜間であると判断されると、この電力は電灯７１及びこれに所定間隔隔てて道沿いに設けられた他の電灯（図３においては電灯７２のみ図示）を全て点灯する。各電灯７０にはＬＥＤ電球が使用されているため、その消費電力が極めて小さくて済むので、農業用水路の水の流れが一定しており流水発電ユニット１００から供給される電力がある程度あれば、流水発電ユニット１００によって発電した発電量だけで全ての電灯を点灯させることができる。
【００３０】
一方、農業用水路の水の流れが不十分でこの流れによる流水発電ユニットの発電量だけでは全ての電灯を点灯させることができない場合は、充電・放電制御回路を介してバックアップバッテリー２４１に充電された電力を流水発電ユニット１００の発電量に加えることで、夜間全ての電灯を点灯させる。本実施形態によると、このようにして農業用水路の水流の変化にかかわらず常に全ての電灯７０を点灯させることができるので、通常は木に囲まれて夜間真っ暗となって特に女性や子供、高齢者（図３におけるＨ参照）がこの小道を歩く際に不安感や恐怖心を与える道を安心して歩くことができるようにする。また、この小道が夜間全体的に明るくなることで防犯効果を高めることができる。
【００３１】
なお、上記説明では負荷制御ユニット２００がセンサとして明暗センサ２６１のみ有する場合について説明したが、図１に示す負荷制御ユニット２００に示すように、明暗センサ２６１に加えて人感センサ２６２からの検知信号を利用しても良い。具体的には、図３に示すＬＥＤ電球を備えた各電灯（図３においては例示的に２つの電灯のみ図示）の適当な部分に人感センサ２６２をそれぞれ設け、何れかの電灯７０（７１，７２・・・）の人感センサ２６２が人の存在を検知した時に全ての電灯が点灯するようにしても良い。このようにすることで、何れかの電灯が人の存在を検知した際に図３に示す小道の脇に設けた全ての電灯を点灯させることができ、人がこれから歩いて行こうとする小道の遠くまで鮮明な光を放つＬＥＤ電球を備えた電灯７０（７１，７２・・・）で明るくすることができ、通行人に安心感を与えることができる。
【００３２】
もしくは、各電灯７０（７１，７２）に設けた人感センサ２６２のいずれかのセンサが人の存在を検知した際、その電灯７１のみを点灯させるようにしても良い。具体的には、図３に示すように通行人が実線で示すように図中右側の位置を歩いているときは右側の電灯のみを点灯させてこの通行人の周囲を明るくすると共に、この通行人が二点鎖線で示すように図中左側の位置まで進んだ際に、図中右側の電灯７１の人感センサ２６２が人の存在を検知しなくなることで右側の電灯７１を消灯しかつ左側の電灯７２の人感センサ２６２がこの位置まで進んだ通行人を検知することで左側の電灯７２のみを点灯させてこの通行人の周囲を明るくするようにしても良い。これによって、使用する電力を少なくすることができ、流れの緩やかな農業用水路においても充分使用可能な水力発電装置とすることができる。
【００３３】
もしくは、適当な間隔で並んで設置された多数の電灯の内、両端の電灯に人感センサ２６２を備えて、図３のように小道の途中において特定のエリアが多数の木で囲まれ夜間極端に暗くなっている際に、この特定のエリアのいずれか一方の端の近くに通行人が近づいた場合、人感センサを介してこの特定のエリア内にある小道を全ての電灯を点灯させることで明るくし、防犯効果を高め通行人に安心感を与えるようにしても良い。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態に係る水力発電装置１によると、流水発電ユニット１００の構成が単純であるので農業用水路のいかなる場所にも簡単に設置可能でありかつ一旦設置した場所が適当でなければ農業用水路の他の発電効率の良い場所に流水発電ユニット１００を簡単に設置し直すことができ、農業用水路を流れる水流に応じて変化する発電量の有効活用を図ることが可能となる。
【００３５】
また、この水力発電装置１によると、負荷制御ユニット２００に整流回路２２０や定電圧電源回路２３０、負荷制御回路２５０に加えて充電・放電制御回路やバックアップバッテリー、負荷としてのＬＥＤライトを有する電灯を点灯させるか否かを明暗センサ２６１及びセンサ検出回路２６０によって容易に判断できるので、夜間人が通行する際のみ負荷としてのＬＥＤライトを有する電灯を点灯させるに必要な電力を供給することができる。その上、水力発電装置１は、流路の流速の変化から影響を受けることなく常に一定の電力を負荷としてのＬＥＤライトを有する電灯に供給することができる。特にＬＥＤライトは消費電力が少ないので、流れる水量の少ない農業用水路においても小型の流水発電部を設置するだけで、昼間の間は農業用水路に設置した小型の流水発電部によって発電された電力をバックアップバッテリー２４１に効率よく充電することができ、ＬＥＤライトを有した電灯７０（７１，７２・・・）を夜間常時点灯させることができ、図３に示すような人通りの少ない農村部の農業用水路付近の小道における防犯に役立てることができる。
【００３６】
なお、上述の実施形態においては、農業用水路に設置可能でＬＥＤを利用した街灯に付近の電線から電力の供給を受けることなく一旦設置後にほとんどコストかけることなく夜間人通りの少ない小道などの電灯（防犯灯）の電源として使用する場合について説明したが、本考案の利用対象は必ずしもこのような態様に限定されないことは言うまでもない。
【００３７】
具体的には、用水路の近くに民家や、店舗、工場等がある場合、この用水路に流水発電部を設置した水力発電装置を用いて、これら民家や、店舗、工場の夜間防犯用の照明の電源や不審者侵入等のセキュリティー装置の電源として用いても良い。また、昼間に外に電力を制御するようにした場合、これらの民家の玄関の門や、店舗や工場の入口のドアの開閉用電磁ロックに電力を供給するようにしても良い。この際、これら門やドアの付近に人感センサを設けて人の存在を検知した際にこれら門やドアを開けるようしても良い。
【００３８】
また、本考案に係る水力発電装置は、負荷制御部に様々な機能を持たせたため、電力発電部を小型化することができ、比較的小規模の水路の水流を利用して発電するに適するが、必ずしもこれに限定されず電力発電部を大型化しかつこれに対応する負荷制御部を有していれば、比較的大規模の水路や川の流れから大きな電力を発電することができ、この電力を用いて負荷の大きいものを作動させる場合などに有効に活用することが可能となる。
【符号の説明】
【００３９】
１    水力発電装置
７０（７１，７２・・・）    電灯
１００    流水発電ユニット（流水発電部）
１１０    発電モーター
１１１    モーターシャフト
１２０    発電用スクリュー羽根（流水回転部）
１２１    羽根支持シャフト
１２２    プロペラ
１３０    ハウジング
１４０    支持台
１５０    電力伝送ケーブル
２００    負荷制御ユニット（負荷制御部）
２０１    ヒューズ
２０２    サージアブソーバー
２１０    端子台
２２０    整流回路
２３０    定電圧電源回路
２４０    充電・放電制御回路
２４１    リチウムイオンバッテリー（バックアップバッテリー）
２４２    発電供給切換スイッチ
２４３    電源出力端子
２５０    負荷制御回路
２６０    センサ検出回路
２６１    明暗センサ
２６２    人感センサ
【図１】
0003190095.tif 000003
【図２】
0003190095.tif 000004
【図３】
0003190095.tif 000005