(57)【要約】【課題】高い発電効率と安定な運転が可能な浮体式水車発電装置を提供する。【解決手段】バランスアームの端部のそれぞれに備えられた水車と発電機、水車にて発生する回転力を発電機に伝達する回転力伝達手段、そして流水路の両岸に固定され、バランスアームを揺動可能に支持する支持手段を含み、さらにバランスアームの発電機が備えられた側の端部に、回転下の水車と流水路を流れる水との接触により発生する水車の水中での浮き上がりもしくは沈降を自動的に制限する手段が設けられている浮体式水車発電装置。【選択図】図１
2017160806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バランスアーム、バランスアームの両端部もしくはその近傍のそれぞれに備えられた水車と発電機、流水路を流れる流水と水車との接触により水車にて発生する回転力を発電機に伝達する回転力伝達手段、そして流水路の両岸に直接もしくは間接的に固定され、バランスアームの支点もしくはその近傍にてバランスアームを揺動可能に支持する支持手段を含む浮体式水車発電装置であって、上記バランスアームの発電機が備えられた側の端部もしくはその近傍に、回転下の水車と流水路を流れる水との接触により発生する水車の水中での浮き上がりもしくは沈降を自動的に制限する手段が設けられていることを特徴とする浮体式水車発電装置。
【請求項２】
水車の水中での浮き上がりもしくは沈降を制限する手段が、一方の端部がバランスアームの発電機が備えられた側の端部もしくはその近傍に接続され、他方の端部が流水路の両岸に直接若しくは間接的に固定される伸縮制限手段である請求項１に記載の浮体式水車発電装置。
【請求項３】
上記の伸縮制限手段がエアシリンダもしくはコイルばねである請求項２に記載の浮体式水車発電装置。
【請求項４】
上記水車が、円筒状回転胴部、該回転胴部の両側面のそれぞれに固定された円盤状側面板、そして回転胴部の周面に均一に互いに間隔を介して固定された複数のブレードを含む請求項１乃至３のいずれかの項に記載の浮体式水車発電装置。
【請求項５】
上記水車の円筒状回転胴部が比重が１未満の合成樹脂材料から形成されている請求項４に記載の浮体式水車発電装置。
【請求項６】
上記合成樹脂材料が多孔質合成樹脂材料である請求項５に記載の浮体式水車発電装置。
【請求項７】
上記水車が、互いに共通の回転軸を持つように空間を介して並列配置された一対の水車ユニットから構成され、水車に発生する回転力を発電機に伝達する回転力伝達手段が、回転軸の水車ユニットの間の空間に位置する部位にて接続している請求項１に記載の浮体式水車発電装置。
【請求項８】
上記水車ユニットがいずれも、円筒状回転胴部、該回転胴部の両側面のそれぞれに固定された円盤状側面板、そして回転胴部の周面に互いに均一の間隔を介して固定された複数のブレードを含む請求項７に記載の浮体式水車発電装置。
【請求項９】
並列に配置された水車ユニットのブレードがいずれも、ブレードと流水との接触により水車ユニットの水中への沈降を引き起こす力が発生するように、水車ユニットの間の空間に向けて傾斜した構造にある請求項７もしくは８に記載の浮体式水車発電装置。
【請求項１０】
上記水車の円筒状回転胴部が比重が１未満の合成樹脂材料から形成されている請求項７乃至９のいずれかの項に記載の浮体式水車発電装置。
【請求項１１】
上記合成樹脂材料が多孔質合成樹脂材料である請求項１０に記載の浮体式水車発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮体式水車発電装置に関する。本発明は特に、高い発電効率と安定な運転が可能にされた浮体式水車発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に多大な負荷を掛けることのない電気エネルギーの供給源として太陽光エネルギーが注目され、太陽光エネルギーを受光して電力に変換する太陽光パネルの利用が進んでいる。また、風力により風車を回転させて電気エネルギーを得る風力発電も実用段階にある。そして、さらに小規模河川、農業用水、工業用水などの小規模の流水路を流れる水流のエネルギーを電力に変換することを意図した浮体式水車発電装置の利用が検討されている。
【０００３】
なかでも、太陽光パネルや風車を利用して電気エネルギーを得る手法は様々な技術的改良があったため、それらの利用は世界的にますます拡大しつつある。
【０００４】
その一方、小規模の流水路を流れる水流のエネルギーを電力に変換することを意図した浮体式水車発電装置についても検討が行われており、様々な構造の浮体式水車発電装置が提案されている。
【０００５】
特許文献１には、手軽かつ安価に数Ｋｗ程度の電力を供給することのできる水力発電装置として、支柱にアームを取り付け、一方の側の端部に水車を設置し、他方の側の端部には発電機を設置し、支柱を支点としてシーソーの原理で水車の浮力を補助すると共に、発電機を水から遠ざけた構成とした浮体式水車（浮き水車）水力発電装置が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、円筒形の胴体で密封された浮き機能を持ち、胴体の周囲に多数の羽根を保つ水車と、はねつき水車内部に、水車に取り付けられ、一定長さをもって支点の中心に揺動自在に支持されたアームと、水車の回転軸からチェーン等で連結されて増速して伝動される伝動手段と、アームの支点に対して水車と反対側に取り付けられた発電機と、発電機に近い位置に増減自在に設けられた錘とで構成された浮体式水車発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２６７３６９号公報
【特許文献２】特開２０１３−９６２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
背景技術に記載の公知技術から明らかなように、バランスアーム、バランスアームの両端部もしくはその近傍のそれぞれに備えられた水車と発電機、流水路を流れる流水と水車との接触により水車にて発生する回転力を発電機に伝達する回転力伝達手段、そして流水路の両岸に直接もしくは間接的に固定され、バランスアームの支点もしくはその近傍にてバランスアームを揺動可能に支持する支持手段を含む浮体式水車発電装置は既に知られている。しかしながら、公知の浮体式水車発電装置については、試験的な使用の例はあるかもしれないが、実用上の問題があって、その使用は拡大していない。
【０００９】
本発明の発明者は、公知の浮体式水車発電装置が実用に適さない理由を検討した。そして、その結果、特許文献１や特許文献２に開示されているような公知の浮体式水車発電装置は、発電可能な電気エネルギーが不充分で、かつその発電可能な電気エネルギーの供給も極めて不安定となるとの問題があることを見出した。
【００１０】
本発明の発明者は、公知の浮体式水車発電装置の使用における上記の問題、すなわち、発電可能な電気エネルギーが不充分で、かつその発電可能な電気エネルギーの供給も極めて不安定となるとの問題の発生の原因の究明を目的として、さらに検討した。そしてその検討の結果、上記の問題の主な理由として、浮体式水車発電装置の使用に際して、流水と接触して回転する浮体式水車が回転下にある羽根（ブレード）と流水との接触に際して羽根が水流から受ける抵抗により、浮体式水車が水面から浮き上がる傾向があり、このため、浮体式水車の運転途中において、羽根と水流との接触が不充分となる傾向があることが判明した。すなわち、この浮体式水車の水面からの過度の浮き上がりの発生により、発電可能な電気エネルギーが不充分となり、さらにその発電可能な電気エネルギーの供給も極めて不安定となりがちとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の発明者は更に、公知の浮体式水車発電装置の使用において発生する上記の問題点を解決する方法の検討を行い、その結果、浮体式水車の運転中に発生しやすい浮体式水車の過度の浮き上がり防止する方法として、バランスアームの浮体式水車設置位置とは反対側の端部もしくはその近傍（すなわち、発電機の近傍）に、回転下の水車と流水路を流れる水との接触により発生する水車の水中での浮き上がりを自動的に制限するためのエアシリンダーやコイルばねなどの昇降自動制限手段を設ける対策が有効であることを見出した。
【００１２】
また、本発明の発明者は、さらなる研究の結果、浮体式水車のブレードの設置角度を調整することにより、浮体式水車と流水との高い効率の接触が可能となり、発電効率が向上することを見出した。ただし、この場合には、公知の浮体式水車とは逆に、回転下にある浮体式水車が流水中に沈降する傾向があり、その浮体式水車の流水中への沈降が過度に進むと、逆に発電効率の低下が発生することも見出した。そして、この場合には、バランスアームの発電機の設置位置に設けた昇降制限手段は、回転下にある浮体式水車の過度の沈降を制限する機能を果たすため、安定な発電効率での浮体式水車の運転が実現することも見出した。
【００１３】
従って、本発明は、バランスアーム、バランスアームの両端部もしくはその近傍のそれぞれに備えられた水車と発電機、流水路を流れる流水と水車との接触により水車にて発生する回転力を発電機に伝達する回転力伝達手段、そして流水路の両岸に直接もしくは間接的に固定され、バランスアームの支点もしくはその近傍にてバランスアームを揺動可能に支持するた支持手段を含む浮体式水車発電装置であって、上記バランスアームの発電機が備えられた側の端部もしくはその近傍に、回転下の水車と流水路を流れる水との接触により発生する水車の水中での浮き上がりもしくは沈降を自動的に制限する手段が設けられていることを特徴とする浮体式水車発電装置にある。
【００１４】
本発明の浮体式水車発電装置の好ましい態様を以下に列記する。
（１）水車の水中での浮き上がりもしくは沈降を自動的に制限する手段が、一方の端部がバランスアームの発電機が備えられた側の端部もしくはその近傍に接続され、他方の端部が流水路の両岸に直接若しくは間接的に固定される伸縮自動制限手段である。
（２）上記の伸縮自動制限手段がエアシリンダもしくはコイルばねである。
（３）上記水車が、円筒状回転胴部、該回転胴部の両側面のそれぞれに固定された円盤状側面板、そして回転胴部の周面に均一に互いに間隔を介して固定された複数のブレードを含む。
（４）上記水車の円筒状回転胴部が比重が１未満の合成樹脂材料から形成されている。
（５）上記合成樹脂材料が発泡ポリスチロールなどの多孔質合成樹脂材料である。
【００１５】
（６）上記水車が、互いに共通の回転軸を持つように空間を介して並列配置された一対の水車ユニットから構成され、水車に発生する回転力を発電機に伝達する回転力伝達手段が、回転軸の水車ユニットの間の空間に位置する部位にて接続している。
（７）上記（６）の水車ユニットがいずれも、円筒状回転胴部、該回転胴部の両側面のそれぞれに固定された円盤状側面板、そして回転胴部の周面に互いに均一の間隔を介して固定された複数のブレードを含む。
（８）並列に配置された水車ユニットのブレードがいずれも、ブレードと流水との接触により水車ユニットの水中への沈降を引き起こす力が発生するように、水車ユニットの間の空間に向けて傾斜した構造にある。
【発明の効果】
【００１６】
小規模河川、農業用水、工業用水などの小規模の流水路を流れる水流のエネルギーを電力に変換することを可能にする浮体式水車発電装置として本発明の浮体式水車発電装置を利用することにより、高い発電効率が実現し、さらに安定な電力の供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の浮体式水車発電装置の一例の正面図である。
【図２】図１に示した浮体式水車発電装置の平面図である。
【図３】図１に示した浮体式水車発電装置の右側面図である。
【図４】図１に示した浮体式水車発電装置の部分拡大図である。
【図５】図４に拡大図として示した浮体式水車発電装置のバランスアーム支持手段の構成を示す平面図である。
【図６】本発明の浮体式水車発電装置を構成する浮体式水車の構造と配置例を示す斜視図である。
【図７】図６に示した浮体式水車の配置を正面図として示す図である。
【図８】図１に示した浮体式水車発電装置の部分拡大図であって、水車にて発生する回転力を発電機に伝達する回転力伝達手段の構成を示す図である。
【図９】図８に示した回転力伝達手段の平面図であって、回転力伝達手段の回転力伝達システムを図示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、添付図面の図１乃至９を参照して、本発明の浮体式水車発電装置の構成を説明する。
【００１９】
図１〜図３は、本発明の浮体式水車発電装置の構成例を説明する図面である。
【００２０】
図１〜図３に示されているように、本発明の浮体式水車発電装置１は、バランスアーム２、バランスアーム２の両端部もしくはその近傍のそれぞれに備えられた水車（浮体式水車）３と発電機４、流水路を流れる流水と水車３との接触により水車にて発生する回転力を発電機４に伝達する回転力伝達手段５、そして流水路の両岸に直接もしくは間接的に固定され、バランスアーム２の支点もしくはその近傍にてバランスアーム２を揺動可能に支持する支持手段６を含む浮体式水車発電装置であって、バランスアーム２の発電機が備えられた側の端部もしくはその近傍に、回転下の水車３と流水路を流れる水９との接触により発生する水車３の水中での浮き上がりもしくは沈降を自動的に制限する手段７（伸縮制限手段もしくは水車昇降自動調節手段、図１と図２にはその例としてエアシリンダーが示されている）が設けられていることを特徴とする。なお、図１において、８は流水路の岸部分を示し、９は流水路を流れる水（流水）を示す。
【００２１】
図１において、浮体式水車発電装置１は、流水路の両側の岸部分８に固定されて掛け渡されるＨ型鋼のような剛性の高い長尺支持体１０の上に組み立てられた支持枠体１１によりその全体が支持されている。支持枠体１１は通常、パイプ材料製枠体ユニットから構成され、パイプ材料製枠体ユニットの組立による支持枠体１１の製造は通常、浮体式水車発電装置の設置位置にて行われる。
【００２２】
また、図１において、水車３の位置や高さは、バランスアーム２の長さや、形状、支持手段６によるバランスアーム２の支持位置を調製することにより、設置対象の流水路における水面の高さを考慮して決定される。水車３は通常、その回転軸が水面より高い位置に、そしてその筒状胴部３ａの下面が水面に接するか、あるいは水面よりも低い位置にある（すなわち、若干の沈降状態にある）ように、その高さが調節される。
【００２３】
本発明の浮体式水車発電装置において、回転下の水車３と流水路を流れる水９との接触により発生する水車３の水中での浮き上がりもしくは沈降を自動的に制限する水車昇降自動調節手段７としては、エアシリンダーやコイルばねが一般的に用いられるが、その目的とする水車昇降自動調節の機能が実現されれば、その手段の具体的な構成に限定はない。
【００２４】
図４は、図１に示した浮体式水車発電装置の部分拡大図であり、バランスアーム２、バランスアーム支持手段６、水車３、そして水車昇降自動調節手段７のそれぞれの構成と連結関係をさらに詳しく説明する図である。
【００２５】
図５は、図４に拡大図として示した浮体式水車発電装置のバランスアーム支持手段１１の構成、そしてバランスアーム支持手段６とバランスアーム２及び支持枠体１２との接続状態とを示す平面図である。
【００２６】
図６は、本発明の浮体式水車発電装置を構成する水車（浮体式水車）の構造と配置例を示す斜視図である。この図６は、本発明の浮体式水車発電装置の浮体式水車の好ましい構成例を示す。その好ましい構成は、浮体式水車３が、円筒状回転胴部３ａ、該回転胴部３ａの両側面のそれぞれに固定された円盤状側面板３ｂ、そして回転胴部３ａの周面に均一に互いに間隔を介して固定された複数のブレード３ｃを含む。
【００２７】
水車の円筒状回転胴部は、水車本体の軽量化のために、比重が１未満の合成樹脂材料から形成されていることが好ましく、特に多孔質合成樹脂材料であることが好ましい。多孔質合成樹脂材料の例としては、発泡スチロールを挙げることができる。ただし、円筒状回転胴部は中空ドラムから構成されていてもよい。
【００２８】
円盤状側面板は金属製でもよいが、水車本体の軽量化のために、金属板と樹脂材料との積層板であることが好ましい。あるいは、円盤状側面板全体を樹脂材料製とすることもできる。
【００２９】
複数のブレードは通常、金属材料から製造されるが、同じく水車本体の軽量化のために、金属材料製のブレードに樹脂材料を積層させて構成することもできる。
【００３０】
水車（浮体式水車）は、予め一体として製造しても良いが、水車の搬送性を向上させるために、予め二分割、三分割、四分割などの分割構造とすることもできる。図６では、四分割構造とした水車が例示されており、その四分割構造の水車が結合された構造として示されている。ただし、水車の分割構造は、図６に示された構造に限定されるわけではない。
【００３１】
図５は、図４に拡大図として示した浮体式水車発電装置のバランスアーム支持手段６の構成を示す平面図であり、このバランスアーム支持手段６は、バランスアーム２を支持枠体１１に対して自由な回転が可能なように支持する。
【００３２】
本発明の浮体式水車発電装置を構成する水車（浮体式水車）として好ましい構成は、図６〜図９に示されているように、互いに共通の回転軸３ｄを持つように空間を介して並列配置された一対の水車ユニット３、４から構成され、水車に発生する回転力を発電機４に伝達する回転力伝達手段５（水車の回転軸３ｄに軸支された回転軸３ｄと第一のスプロケット５ｂとの結合手段、第一のスプロケット５ｂに、チェーン５ｃを介して連結している第二のスプロケット５ｄ、そして第三のスプロケット５ｅとから構成されている）が、回転軸３ｄの水車ユニットの間の空間に位置する部位にて接続している構成である。一対の浮き水車３、３と回転力伝達手段５とをこのような配置とすることにより、水車にて発生する回転エネルギーの発電機４への回転軸３ｄの一方の側に偏らない回転エネルギーを取り出し、発電機４に円滑に伝達することができる。
【００３３】
図６に示した並列に配置された一対の水車のブレードはいずれも、ブレードと流水との接触により水車ユニットの水中への沈降を引き起こす力が発生するように、図に示されているように水車ユニットの間の空間に向けて傾斜した構造にあることが好ましい。各水車のブレードをこのように配置することにより、回転下にある水車が非回転状態に比べて水中にて若干沈降するようになり、このため水車のブレードと水流との充分な接触が可能となり、従って、発生する電力エネルギーの増加が実現する。そして、このような回転下にある水車の水中への沈降は、バランスアーム２の発電機の位置する側の端部もしくはその近傍に備えられた水車昇降自動調節手段７により過度なレベルの沈降とはならず、このため円滑かつ安定な水車の回転が保証され、従って、発電機４にて発生する発電エネルギー（電力）の増加と高い安定性が実現する。
【符号の説明】
【００３４】
１  本発明の浮体式水車発電装置
２  バランスアーム
３  浮体式水車
４  発電機
５   回転力伝達手段
６  バランスアーム支持手段
７  水車昇降自動調節手段
８  流水路の岸部分
９  流水
１０  長尺支持体
１１  支持枠体                                                                                
【図１】
2017160806.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017160806.tif 000009
【図８】
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【図９】
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