(57)【要約】【課題】新規な構造で水力をより有効に利用できる水力発電装置を提供する。【解決手段】水流がある水域に該水流を横切って前記水域を高水位区域と低水位区域とに隔てる堰体１１と、堰体１１に前記高水位区域と前記低水位区域とを連通するよう設けられる流路１２とを有する堰堤ユニット１と、シャフト２１と、シャフト２１の周面を螺旋状に旋回するように形成されている羽根２２とを有し、シャフト２１が堰体１１に流路１２を横切るように且つ羽根２２の一部分が水面上に露出するように設置されると、流路１２内における流体の流れに従って羽根２２が回転できるように設置構成される水車ユニット２と、水車ユニット２に連結されて水車ユニット２の回転に駆動されて発電する発電ユニット３と、を具える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流がある水域に該水流を横切って前記水域を前記水流の上流側となる高水位区域と前記水流の下流側となり水位が前記高水位区域より低くなる低水位区域とに隔てるように設けられる堰体と、前記堰体に前記高水位区域と前記低水位区域とを連通するよう設けられ前記高水位区域から前記水流をなす流体を前記低水位区域へ導く流路とを有するように構成される堰堤ユニットと、
所定の軸線に沿って設けられたシャフトと、前記軸線を螺旋状に旋回するように前記シャフトの周面に設けられた少なくとも１枚の羽根とを有し、前記シャフトが前記堰堤ユニットの前記堰体に前記流路を横切るように且つ前記羽根の一部分が前記流体の水面上に露出するように設置されると、前記流路内における前記流体の流れに従って前記羽根が前記軸線を中心に回転できるように設置構成される水車ユニットと、
前記水車ユニットに連結されて該水車ユニットの回転に駆動されて発電する発電ユニットと、を具えることを特徴とする、水力発電装置。
【請求項２】
前記羽根は、所定の弦巻線に沿って互いに連なって１つの螺旋を形成する複数の螺旋状リングからなり、隣り合う前記螺旋状リングの間に前記流体が通れる流体チャネルが画成されている、請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記螺旋状リングは、前記シャフトに連結されている連結端から前記シャフトから離れる方向に延伸すると共に前記流体の押圧を受けられるよう前記流体チャネルに面する面が前記軸線を中心とする径方向に対して傾斜するように形成された基壁板と、前記流体の押圧を受けられるよう前記基壁板の前記シャフトから離れた延伸端から前記軸線と略平行に延伸して形成された周壁板とを有する、請求項２に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記水車ユニットは前記羽根を複数有し、各前記羽根は、互いに前記軸線を中心とした周方向における間隔を置いてそれぞれ前記シャフトの周面を螺旋状に旋回するように形成されている、請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記水車ユニットは、それぞれ前記流体の押圧を受けられるように前記シャフトに連結されている複数の補助板を更に有し、前記複数の補助板は、互いに前記軸線を中心とした周方向における間隔を空けて配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水力発電装置。
【請求項６】
前記補助板は、前記流体の押圧を受けられるよう前記軸線を中心とする径方向に延伸する板面を有する、請求項５に記載の水力発電装置。
【請求項７】
前記シャフトは、前記軸線に沿って延伸するように形成され且つ回転不能に設けられた固定軸部と、内部に前記固定軸部が配置されるように円筒状に形成され、且つ前記軸線を中心に前記固定軸部に対して回転可能に設けられた回転筒部とを有し、
前記羽根は、前記回転筒部の外周面に連結されていて、
前記発電ユニットは、前記固定軸部の外周に設置されたステーターと、前記回転筒部の内周に前記ステーターと向かい合わせになるように設置されたローターを有する上に、前記羽根の前記回転により前記回転筒部が共に回転すると、前記ローターが前記ステーターに対して回転することで電力を生成するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の水力発電装置。
【請求項８】
前記堰堤ユニットは、前記水車ユニットの下方にて前記水域の水底に設けられる護床ブロックを更に有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の水力発電装置。
【請求項９】
各前記螺旋状リングにおいて前記基壁板と前記周壁板はそれぞれ中空板で構成されている、請求項３に記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関し、詳しくは水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電は、石油や石炭を燃焼させてエネルギーを得る火力発電と比べて、資源消費及び廃棄物の発生が共に少なく、環境への負荷が比較的低く永続的に利用可能な発電方法であり、また近年では、河川や海などに設けられる小規模な水力発電としてマイクロ水力発電も注目されている。水力発電は、一般に流体の動圧により水車を回転させて、その運動エネルギーを発電機により電気エネルギーに転換する。
【０００３】
水力発電装置の従来例としては、特許文献１が挙げられる。この従来の水力発電装置は、水面に浮かべるブイに回転軸を挿通する共に、ブイの周面にそれぞれ回転軸と平行に延伸する複数枚のブレードを配置して水車とした構造になっている。水流によってブレードが押されることでブイが回転すると、ブイの内部に設けられた発電機が駆動されて電力が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】台湾登録実用新案第Ｍ４７２７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、いかに水力を有効に利用して電力を得るかについてはより一層の効率の向上が望まれる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、河川流、海流、潮汐流等を含む水力を利用した発電において、新規な構造で水力をより有効に利用できる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】
上記目的を達成するための手段として、本発明は、以下の水力発電装置を提供する。
即ち、水流がある水域に該水流を横切って前記水域を前記水流の上流側となる高水位区域と前記水流の下流側となり水位が前記高水位区域より低くなる低水位区域とに隔てるように設けられる堰体と、前記堰体に前記高水位区域と前記低水位区域とを連通するよう設けられ前記高水位区域から前記水流をなす流体を前記低水位区域へ導く流路とを有するように構成される堰堤ユニットと、
所定の軸線を有するシャフトと、前記シャフトに前記軸線を囲んで前記シャフトの周面を螺旋状に旋回するように形成されている少なくとも１枚の羽根とを有し、前記シャフトが前記堰堤ユニットの前記堰体に前記流路を横切るように且つ前記羽根の一部分が前記流体の水面上に露出するように設置されると、前記流路内における前記流体の流れに従って前記羽根が前記軸線を中心に回転できるように設置構成される水車ユニットと、
前記水車ユニットに連結されて該水車ユニットの回転に駆動されて発電する発電ユニットと、を具えることを特徴とする、水力発電装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
上記手段によれば、シャフト及びシャフトを螺旋状に旋回するように形成されている少なくとも１枚の羽根を有する水車ユニットを具えることで、羽根の全長に渡って流体の動圧を受けられる上に、羽根の回転位置に関わらず常に羽根の一部が水没し流体の動圧を受けられるので、水力をより有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る水力発電装置の第１の実施形態を示す概要図である。
【図２】図１のＩ‐Ｉ線断面図である。
【図３】上記第１の実施形態における水車ユニットを示す断面図である。
【図４】本発明に係る水力発電装置の第２の実施形態における水車ユニットを示す断面図である。
【図５】上記第２の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る水力発電装置の第３の実施形態を示す概要図である。
【図７】本発明に係る水力発電装置の第４の実施形態を示す概要図である。
【図８】図７のＩＩ‐ＩＩ線断面図である。
【図９】上記第４の実施形態における水車ユニットを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態を説明する。なお、第２の実施形態以下、第１の実施形態と共通の構成については同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１、図２、図３には、本発明に係る水力発電装置の第１の実施形態が示されており、この内、図１は本実施形態を正面から見た概略図、図２は図１のＩ‐Ｉ線に沿った断面図、図３は後述する水車ユニット２を示す横断面上視図である。
【００１２】
本発明に係る水力発電装置（以下単に水力発電装置）は、主に図２に示されているように、河川流、海流、潮汐流といった水流がある河川や海洋等の水域９００に設けられる。本実施形態では、水域９００は底床９０１を有する。
【００１３】
水力発電装置は、堰堤ユニット１と、水車ユニット２と、発電ユニット３とを備える。以下、各ユニットを詳説する。
【００１４】
堰堤ユニット１は、図１及び図２に示されているように、水域９００にある水流を横切って該水域９００を水流の上流側となる高水位区域９０３と下流側となり水位が高水位区域９０３より低くなる低水位区域９０４とに隔てるように設けられる堰体１１と、堰体１１に高水位区域９０３と低水位区域９０４とを連通するよう設けられ高水位区域９０３から上記水流をなす流体９０２を低水位区域９０４へ導く流路１２とを有するように構成される。なお、図２において符号Ｆは流路１２に進入する流体９０２の流れ方向を示す。
【００１５】
水車ユニット２は、主に図１に示されているように、所定の軸線Ｌ上に設けられたシャフト２１と、軸線Ｌを螺旋状に旋回するようにシャフト２１の周面に設けられた１枚の羽根２２とを有する。そして、水車ユニット２は堰堤ユニット１に対して、シャフト２１が堰体１１に流路１２を横断するように（即ちシャフト２１の軸線Ｌが流体９０２の流れ方向Ｆと略直交し且つ略水平になるように）設置される。この設置状態において、流体９０２の水位が、羽根２２のシャフト２１より下方に来ている部分である下側部分２４の少なくとも一部分が流体９０２に水没する位置と、下側部分２４が水没すると共に羽根２２のシャフト２１より上方に来ている部分である上側部分２３の少なくとも一部分が流体９０２に水没しない位置との間にある状態、即ち、羽根２２の一部分が流体９０２の水面上に露出している状態になると、流路１２内における流体９０２の流れに従って羽根２２がシャフト２１と共に軸線Ｌを中心に回転する。
【００１６】
本実施形態における羽根２２の構造をより詳しく説明する。図１及び図３に主に示されているように、羽根２２は、軸線Ｌを取り巻きながら延伸する弦巻線に沿って互いに連なって１つの螺旋を形成する複数の螺旋状リング２５からなり、隣り合う螺旋状リング２５の間に流体９０２が通れる流体チャネル２０が画成されている。
【００１７】
各螺旋状リング２５は、シャフト２１に連結されている連結端からシャフト２１から離れる方向に延伸する基壁板２５１と、基壁板２５１の延伸端から軸線Ｌと略平行に延伸する周壁板２５２とを有する。基壁板２５１は、上記連結端がシャフト２１の周面を螺旋を描くように一周回しており、流体９０２の押圧を受けられるよう流体チャネル２０に面する面が軸線Ｌを中心とする径方向に対して傾斜するように形成されている。各螺旋状リング２５は、上述のように、軸線Ｌと交わる方向に延伸する１枚の基壁板２５１とその延伸端から軸線Ｌと略平行に延伸する１枚の周壁板２５２とから構成されているので、図３に示されるように、軸線Ｌに沿う方向における断面が略Ｌ字型を呈する。
【００１８】
発電ユニット３は、図１に示されるように、シャフト２１の両端にそれぞれ連結されるように堰体１１に配置されている２つの発電機３１を有する。各発電機３１は、シャフト２１の回転による運動エネルギーを電気エネルギーに変換できるように構成されている。なお、発電機３１は、直線運動型のものでも回転運動型のものでもよく、本発明においてその種類は限定されない。
【００１９】
更に、本実施形態において、堰堤ユニット１は、図２に示すように水車ユニット２の下方にて水域９００の水底である底床９０１に設けられる護床ブロック１３を更に有する。護床ブロック１３と水車ユニット２とは、護床ブロック１３の上端が水車ユニット２の羽根２２の下端に近接するよう配置され、これにより羽根２２と底床９０１との間の隙間が塞がれるので、流体９０２が羽根２２に当たらずに上記隙間を流れてしまうことが防がれる。また、流路１２内で羽根２２に当たった流体９０２の一部が下方に向かう水流となり底床９０１に当たるが、羽根２２の下方に護床ブロック１３が設けられていることにより、上記水流によって底床９０１が局所的に洗掘されてしまうことが防がれる。
【００２０】
以下、上記実施形態の水力発電装置の具体的な設置態様を説明する。
【００２１】
水域９００が河川である場合、堰体１１が河川の水流を横切るように設けられると、堰体１１にせき止められた又は流路１２内で水車ユニット２に阻まれた水が堰体１１の上流側に溜まることで、堰体１１の上流側の水位が更に上がり堰体１１の下流側との水位の差が大きくなり、堰体１１を隔てて上流側の高水位区域９０３（図２における右側、図３における下側）と下流側の低水位区域９０４（図２における左側、図３における上側）とが形成される。堰体１１の設置により、流路１２を流れる流体９０２の水流の速度は、河川の元々の水流よりも速められる。なお、水域９００が河川である場合には、堰体１１よりも上流側に例えば網場や柵といったスクリーン設備を設けて流路１２に流木や塵芥が入り込むことを防ぐようにすることが好ましい。
【００２２】
水域９００が海洋であって且つ利用する水流が潮汐流である場合、堰体１１は、海洋の一区域を区切るように設置され、潮の満ち干きによって水域９００に発生する潮汐流が堰体１１によって阻まれることで、堰体１１を隔てて水位差が発生する。例えば潮が満ちているときには、堰体１１を隔てて潮汐流の上流側となる上記区域外が高水位区域９０３となり、下流側となる上記区域内が低水位区域９０４となる。また、潮が引いているときには水流が逆向きになり、上記区域内に水が取り残されるので、上記区域内が高水位区域９０４となり、上記区域外が低水位区域９０４となる。これに合わせて、発電ユニット３は水車ユニット２がいずれの方向に回転しても発電できるように構成されていることが好ましい。
【００２３】
なお、羽根２２全体が水没すると羽根２２が回転しなくなるので、水域９００が海洋である場合、水車ユニット２の設置高さは、大潮時の最高水位においても羽根２２の一部分が流体９０２の水面上に露出するように調整される。また、水域９００が海洋である場合には、流路１２の両側に上述のスクリーン設備を設けることが好ましい。
【００２４】
以下、図２及び図３を参照して、流体９０２の流れに従って羽根２２が軸線Ｌを中心に回転する態様を詳説する。
【００２５】
流体９０２が流路１２内に流れ方向Ｆに沿って進入すると、シャフト２１の下側において羽根２２を形成する螺旋状リング２５の周壁板２５２の表側に流体９０２の一部が当たることで、当該周壁板２５２を流れ方向Ｆに推す推力Ｆ１が発生し、これにより羽根２２がシャフト２１と共に図２の符号Ｒで示した方向に回転するようになる。更に、周壁板２５２に当たってから又は直接流体チャネル２０に進入した流体９０２の一部が基壁板２５１の流体チャネル２０に面する面に当たることで、当該基壁板２５１を流れ方向Ｆに推す推力Ｆ２が発生する上に、流体チャネル２０に進入した流体９０２の一部が周壁板２５２の裏側に当たることで、当該周壁板２５２を流れ方向Ｆに推す推力Ｆ３が更に発生する。このように、流体９０２の動圧によって、シャフト２１の下側において羽根２２を流れ方向Ｆに推す力が複合的に発生しこれら推力により羽根２２をシャフト２１と共に回転させるので、水力を有効に利用して回転エネルギーを得て、これを発電ユニット３にて電気エネルギーに変換することができる。
【００２６】
なお、図示においては流路１２内の流体９０２の水位がシャフト２１の高さとほぼ同じになっている態様が描かれているが、これは好ましい例としての一態様に過ぎず、上述のように、低水位の場合には羽根２２のシャフト２１より下方に位置する部分である下側部分２４の少なくとも一部分が流体９０２に水没していれば羽根２２を回転させる推力が発生し、また、高水位であって羽根２２のシャフト２１より上方に位置する部分である上側部分２３まで水位が上がっても、上側部分２３の少なくとも一部分が水面上に露出していれば、流体９０２の動圧による推力は、流体９０２の動圧を全体に受ける下側部分２４の方が、流体９０２の動圧を一部だけが受ける上側部分２３よりも大きくなるので、羽根２２を回転方向Ｒに回す力を得ることができる。
【００２７】
上述のように、本実施形態によれば、シャフト２１に羽根２２が螺旋状に設けられていることにより、羽根２２がその長さ方向（軸線Ｌに沿う方向）全体で流体９０２の動圧を受けられ、且つ、羽根２２の回転位置に関わらず常に羽根２２の一部が水没しているので、常に流体９０２の動圧を受けられ、水力をより有効に利用できる。
【００２８】
（第２の実施形態）
図４及び図５には、本発明に係る水力発電装置の第２の実施形態が示されている。本実施形態では、上記第１の実施形態の構成に加えて、水車ユニット２は、それぞれ流体９０２の押圧を受けられるようにシャフト２１に連結されている複数の補助板２６を更に有する。
【００２９】
各補助板２６は、流体チャネル２０においてシャフト２１に連結されている連結端を有し、該連結端から螺旋状リング２５の周壁板２５２に近づくように延伸するよう形成されている。補助板２６の連結端はシャフト２１の周面における螺旋状リング２５の基壁板２５１に接する箇所から軸線Ｌと平行するように長く延伸しており、図５に示されているように、該連結端から延伸する補助板２６の板面２６１は流体９０２の押圧を受けられるよう軸線Ｌを中心とする径方向に延伸している。
【００３０】
また、各補助板２６は、互いに軸線Ｌを中心とした周方向における間隔Ａ（図５参照）を空けて配置されている。本実施形態では、複数の補助板２６のそれぞれの連結端がシャフト２１の周面において上記周方向における同一方向に向かって等間隔にずれていくように配置されることにより、複数の補助板２６全体がシャフト２１を螺旋状に取り巻くように構成されている。
【００３１】
上述のように更に補助板２６を有することにより、流体９０２が流体チャネル２０に進入すると、流体９０２が補助板２６の板面２６１に当たることで、補助板２６を流れ方向Ｆに推す推力Ｆ４が発生し、羽根２２を回転方向Ｒに回す力を補助することができる。
【００３２】
羽根２２の構成の一実施例として、図４及び図５に示されているように、それぞれシャフト２１を周回する３つの螺旋状リング２５により羽根２２を形成し、各螺旋状リング２５に３枚の補助板２６を上記間隔Ａが１３５度となるように配置した構成とすることができる。このように構成すれば、常に３〜４枚の補助板２６がシャフト２１より下方に来るようにできるので、流体９０２の押圧を確実に受けることができる。
【００３３】
（第３の実施形態）
図６には、本発明に係る水力発電装置の第３の実施形態が示されている。本実施形態は、羽根２２の形態が第１の実施形態と異なり、水車ユニット２は、板状の羽根２２を複数枚有し、該複数の羽根２２が、互いに軸線Ｌを中心とした周方向における間隔を置いてそれぞれシャフト２１の周面を螺旋状に旋回するように捩れた板状に形成されている。
【００３４】
一の実施例として、６枚の羽根２２を、隣接する羽根２２同士の上記周方向における間隔を６０°として、それぞれシャフト２１の周面を１２０°旋回するように構成することができる。しかしこれに限らず、羽根２２の枚数、間隔、旋回角度は実際の使用環境に応じて適宜変更されればよい。
【００３５】
本実施形態によっても、羽根２２のシャフト２１より下側に来る部分に常に流体９０２が流れ方向Ｆに向かって当たるように構成することができるので、上記各実施形態と同様に、水力を有効に利用できる。
【００３６】
（第４の実施形態）
図７〜図９には、本発明に係る水力発電装置の第４の実施形態が示されている。本実施形態は、水車ユニット２及び発電ユニット３の形態が第１の実施形態と異なる。
【００３７】
水車ユニット２のシャフト２１は、軸線Ｌに沿って延伸するように形成され、且つ回転しないように堰体１１に固定されて設けられた固定軸部２１１と、内部に固定軸部２１１が配置されるように円筒状に形成され、且つ軸線Ｌを中心に固定軸部２１１に対して回転できるように固定軸部２１１に軸支されて設けられた回転筒部２１２とを有し、羽根２２は回転筒部２１２の外周面に連結されている。
【００３８】
発電ユニット３は、図８及び図９に示されているように、固定軸部２１１の外周に設置された複数のステーター（固定子）３２と、回転筒部２１２の内周にそれぞれステーター３２と向かい合わせになるように設置された複数のローター（回転子）３３とを有する上に、羽根２２の回転により回転筒部２１２が共に回転すると、ローター３３がステーター３２に対して接触しないように回転することで電磁誘導等を利用して電力を生成するように構成されている。
【００３９】
また、本実施形態において、複数のステーター３２は軸線Ｌを取り巻くように設けられた界磁３２１を有し、一方、複数のローター３３は軸線Ｌを取り巻くように設けられた電機子巻線３３１を有する。界磁３２１としては、他励式、分巻式、直巻式、複巻式のものを用いることができる。
【００４０】
界磁３２及び電機子巻線３３１の数量は必要に応じて変更することができ、例えば３組の界磁３２１と１組の電機子巻線３３１とからなる３相２極として構成したり、１組の界磁３２１と３組の電機子巻線３３１とからなる単相６極として構成したり、或いは３組の界磁３２１と６組の電機子巻線３３１とからなる３相１２極として構成することもできる。
【００４１】
また、上記実施形態とは逆に、ステーター３２が電機子巻線を有し、ローター３３が界磁を有するようにして、スリップリング（図示せず）を介して電力を取り出すようにしてもよい。
【００４２】
本実施形態によれば、上記各実施形態においては堰体１１に配置した発電機３１を、水車ユニット３そのものに組み込むように構成されるので、堰体１１に発電機を設ける必要が無く、堰堤ユニット１の設計自由度が増す。
【００４３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４４】
例えば、上記第１、第２、第４の実施形態において、水車ユニット２は、羽根２２の周面（即ち周壁板２５２の外周面）にバケット状の部材（図示せず）を更に設けることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、河川流、海流等の水流を利用して電力を生成することができる水力発電装置として有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１  堰堤ユニット
１１  堰体
１２  流路
１３  護床ブロック
２  水車ユニット
２０  流体チャネル
２１  シャフト
２１１  固定軸部
２１２  回転筒部
２２  羽根
２３  上側部分
２４  下側部分
２５  螺旋状リング
２５１  基壁板
２５２  周壁板
２６  補助板
２６１  板面
３  発電ユニット
３１  発電機
３２  ステーター
３２１  界磁
３３  ローター
３３１  電機子巻線
９００  水域
９０１  底床
９０２  流体
９０３  高水位区域
９０４  低水位区域
Ｌ  軸線
【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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【図６】
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【図７】
2017125500.tif 000009
【図８】
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【図９】
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