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【発明の名称】 水力発電装置
【発明者】 【氏名】平間 和夫

【氏名】関 和彦

【氏名】山本 公博

【氏名】佐藤 昌志

【氏名】中井 健司

【氏名】今野 久志

【氏名】佐藤 京

【氏名】小林 将

【氏名】三田村 浩

【氏名】逢坂 秀俊

【氏名】佐々木 康博

【氏名】氏平 増之
【要約】 【課題】携帯性に優れ、河川等の水流エネルギーを電気エネルギーに変換することができる発電装置を提供することを目的とする。

【解決手段】水力発電装置１０は、浮力を有するケース部３０と、複数の整流板４０−１〜４０−７と、可変板５０と、タービン６０−１〜６０−４と、発電部７０と、充電部８０と、ガイド９０とを備える。ケース部３０の形状は、流入口３１から流入口３２の方向に縮径して湾曲している。ケース部３０の内部を通過する水流により、タービン６０−１〜６０−４は回転し、発電部７０はその回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 水流を受けることにより発電する発電部と、前記発電部に連結され、前記発電部を下方に支持した状態で水に浮く浮力体とを具備することを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】 請求項１記載の水力発電装置において、前記発電部は、水流を受けて回転するタービンと、前記タービンの回転軸とともに回転する、磁極化されたロータと、前記ロータの周りに配置された出力用コイルとを具備することを特徴とする水力発電装置。
【請求項３】 請求項１記載の水力発電装置において、前記発電部を覆うように形成され、前記水流が内部に流入する流入口及び流入してきた前記水流が外部に流出する流出口が設けられたケース部を具備することを特徴とする水力発電装置。
【請求項４】 請求項３記載の水力発電装置において、前記ケース部は、前記流入口から前記流出口にかけて狭くなっていくように湾曲していることを特徴とする水力発電装置。
【請求項５】 水流を受けることにより発電する発電部と、前記発電部を覆うように形成され、前記水流が内部に流入する流入口及び流入してきた前記水流が外部に流出する流出口が設けられ、前記流入口から前記流出口にかけて狭くなっていくように湾曲し、前記発電部を支持した状態で水に浮くケース部とを具備することを特徴とする水力発電装置。
【請求項６】 請求項３又は５のいずれかに記載の水力発電装置において、前記ケース部の外部に旋回自在に取り付けられた第１の板と、前記ケース部の内部における前記流入口と前記発電部との間の位置に旋回自在に取り付けられた複数枚の第２の板と、前記第１の板と、前記複数枚の第２の板のうち少なくとも１枚の板とを、双方が同一方向に向くように連結する第１の連結手段と、前記複数枚の第２の板のすべてが同一の方向を向くように連結する第２の連結手段とを具備することを特徴とする水力発電装置。
【請求項７】 請求項３又は５のいずれかに記載の水力発電装置において、前記ケース部に一端が固定され、所定の固定物が有するレールに他端が挿入されるガイドを具備することを特徴とする水力発電装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、河川等の流水を用いた水力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、我が国には水力発電、火力発電、原子力発電といった大規模な発電所が設置されており、これらの発電所において発生した電力が送配電設備を介して広範囲の需要者に提供されている。その一方、需要者が置かれた状況によっては、これらの発電所からの電力を利用できない場合もあることから、エンジンと発電機により構成された自家発電用の発電装置が提供されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この自家発電用の発電装置は、比較的重く、そのため携帯性に優れたものではない。従って、利用者がキャンプ等にこの自家発電装置を持って行くには不便である。
【０００４】また、発電時にはエンジン駆動を伴うため、発生する騒音が大きいという問題や、ランニングコストがかさむという問題もある。そこで、河川等の流水を用いた簡便な水力発電装置があれば、携帯性、騒音及びコストの面で上記問題が解消され得る。
【０００５】本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、携帯性に優れ、河川等の水流エネルギーを電気エネルギーに変換することができる発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、水流を受けることにより発電する発電部と、前記発電部に連結され、前記発電部を下方に支持した状態で水に浮く浮力体とを具備することを特徴とする水力発電装置を提供するものである。
【０００７】請求項２記載の発明にあっては、請求項１記載の水力発電装置において、前記発電部は、水流を受けて回転するタービンと、前記タービンの回転軸とともに回転する、磁極化されたロータと、前記ロータの周りに配置された出力用コイルとを具備することを特徴とする水力発電装置を提供するものである。
【０００８】請求項３記載の発明にあっては、請求項１記載の水力発電装置において、前記発電部を覆うように形成され、前記水流が内部に流入する流入口及び流入してきた前記水流が外部に流出する流出口が設けられたケース部を具備することを特徴とする水力発電装置を提供するものである。
【０００９】請求項４記載の発明にあっては、請求項３記載の水力発電装置において、前記ケース部は、前記流入口から前記流出口にかけて狭くなっていくように湾曲していることを特徴とする水力発電装置を提供するものである。
【００１０】請求項５記載の発明にあっては、水流を受けることにより発電する発電部と、前記発電部を覆うように形成され、前記水流が内部に流入する流入口及び流入してきた前記水流が外部に流出する流出口が設けられ、前記流入口から前記流出口にかけて狭くなっていくように湾曲し、前記発電部を支持した状態で水に浮くケース部とを具備することを特徴とする水力発電装置を提供するものである。
【００１１】請求項６記載の発明にあっては、請求項３又は５のいずれかに記載水力発電装置において、前記ケース部の外部に旋回自在に固定された第１の板と、前記ケース部の内部における前記流入口と前記発電部との間の位置に旋回自在に取り付けられた複数枚の第２の板と、前記第１の板と、前記複数枚の第２の板のうち少なくとも１枚の板とを、双方が同一方向に向くように連結する第１の連結手段と、前記複数枚の第２の板のすべてが同一の方向を向くように連結する第２の連結手段とを具備することを特徴とする水力発電装置を提供するものである。
【００１２】請求項７記載の発明にあっては、請求項３又は５のいずれかに記載の水力発電装置において、前記ケース部に一端が固定され、所定の固定物が有するレールに他端が挿入されるガイドを具備することを特徴とする水力発電装置を提供するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】[１．構成]図１に、本発明の実施形態である水力発電装置１０の斜視図を示し、図２にこの水力発電装置１０の断面図を示す。
【００１４】図１に示すように、この水力発電装置１０は、ケース部３０と、整流板４０−１〜４０−７と、可変板５０と、タービン６０−１〜６０−４と、発電部７０と、充電部８０と、ガイド９０とを備える。この水力発電装置１０は、河川の水中に設置されて使用されるものである。
【００１５】ケース部３０は比重が１より小さい物質で作られており、その浮力により、この水力発電装置１０全体を河川の水面近傍に維持する。水力発電装置１０は、このケース部の流入口３１を河川の上流側に向けた姿勢で水中に置かれる。これにより、河川の水流は流入口３１から流入してケース部３０の内側を通り、下流側に向けられた流出口３２から流出する。
【００１６】なお、水力発電装置１０が水中に置かれるとき、タービン６０−１〜６０−４は水没し、タービン６０−１〜６０−４より上部にある充電部８０等は水面上に出ているのが望ましい。なぜならば、タービン６０−１〜６０−４は、できる限り多くの水流を受けることができるように完全に水没している方がよいし、また、充電部８０は漏電の危険性等を避けるべく水面上にでている方がよいからである。そこで、本実施形態におけるケース部３０は、この水力発電装置１０全体の重量を考慮し、上記のような半水没状態になるような浮力を有するように設計されている。
【００１７】ケース部３０の内面上部には、発電部７０を支持する支持棒２１が固定されている。また、ケース部３０の外面上部には、発電部７０で発生した電流により充電される充電部８０が、着脱可能に固定されている。
【００１８】このケース部３０の形状は、図２に示すように、流入口３１から流入口３２の方向に縮径して湾曲している。この湾曲形状により、ケース部３０内側の断面積（即ち、流路の断面積）は、上流側から下流側に進むに従って徐々に小さくなっている。そのため、ケース部３０の流入口３１から流入してきた水は、流速を上昇させながらケース部３０内を通過し、流出口３２から流出していく。
【００１９】発電部７０は円筒形状をなしており、支持棒２１によりケース部３０内部のほぼ中央に配置されている。この発電部７０には、流入口３１から流出口３２の方向へ向かう回転軸６１が挿通されている。この回転軸６１は、複数のタービン６０−１〜６０−４が固定されており、発電部７０を軸受けとして自在に回転することができる。
【００２０】次に発電部７０の内部の構成について説明する。図３は、発電部７０内部の構成を示す図である。発電部７０内の回転軸６１の内部には、Ｎ極とＳ極が交互４磁極のロータ７１が設けられている。また、発電部７０の内部には、出力用コイル７２が設けられており、この出力用コイル７２は導線２２に接続されている。この導線２２は支持棒２１の内部を通り、充電部８０に接続されている。
【００２１】このような構成において、複数のタービン６０−１〜６０−４が水流を受けて回転すると、回転軸６１及びその内部のロータ７１が回転する。そして、ロータ７１の各磁極による回転磁場が、出力用コイル７２上を通過する。すると、この出力用コイル７２には起電力が誘導される。そして、この起電力により、導線２２を介して充電部８０に電流が供給され、充電部８０によりバッテリ（図示略）の充電が行われる。
【００２２】整流板４０−１〜４０−７は比較的小さい板であり、流入口３１から流入してくる水流を整流するものである。
【００２３】図４（Ａ）は、一枚の整流板４０−１の形状を示す図であり、同図（Ｂ）は、各整流板４０−１〜４０−７を連結する連結棒４２を上から見た図である。同図に示すように、各整流板４０−１〜４０−７は、台形をなしており、その長底辺の端部に相当する２箇所にピン４１−１及び４１−２が各々起立している。各整流板４０−１〜４０−７は、これらのピン４１−１及び４１−２を、ケース部３０の流入口３１付近の天井及び床に設けられた穴（図示せず）に挿入することにより、ケース部３０に対して旋回自在に固定されている。
【００２４】また、各整流板４０−１〜４０−７の短底辺付近には、係合穴４５−１〜４５−７が設けられている。一方、同図（Ｂ）に示す連結棒４２には、各整流板４０−１〜４０−７の係合穴４５−１〜４５−７と係合する係合部４３−１〜４３−７が、等間隔で設けられている。
【００２５】同図４（Ｃ）は、整流板４０−１〜４０−７の係合穴４５と、連結棒４２の係合部４３とが係合している様子を、上から見た断面図である。全ての整流板４０−１〜４０−７が連結棒４２に連結されることにより、整流板４０−１〜４０−７の各々は常に同一の方向を向くことになる。
【００２６】図２において、可変板５０は、各整流板４０−１〜４０−７より大きい板である。この可変板５０は、流入口３１の中心に配置される整流板４０−４の下方のピン４１−４に固定されている。従って、整流板４０−４は、可変板５０と共に旋回し、他の整流板４０−１〜４０−３及び４０−５〜４０−７は、この整流板４０−４と連動して旋回する。このため、整流板４０−１〜４０−７は、常に可変板５０と同一の方向を向くことになる。
【００２７】図１において、ガイド９０は、支柱９２のレール９３に挿入されるためのものである。図５は、ガイド９０が、支柱９２のレール９３に挿入されている様子を上から見た図である。ガイド９０はＴ字形をなしており、その端部の一部にはボールベアリング９１が設けられている。
【００２８】支柱９２は、水底から垂直上方に起立して固定される。また、この支柱９２は水深より十分に長く、その上端は水面より上に位置している。レール９３は、柱９２の軸方向にわたって設けられている。
【００２９】このレール９３に、支柱９２上端から、ガイド９０が挿入される。ガイド９０と支柱９２との接触部分にはボールベアリング９１があるため、ガイド９０を有する水力発電装置１０は、支柱９２の軸方向に摺動可能である。
【００３０】[２．動作]次に水力発電装置１０を使用した動作例を図１及び図２を参照しながら説明する。
【００３１】まず、支柱９２が、河川の水底に対して、支柱９２下端を突き刺す等の方法により、垂直に固定される。このとき、水力発電装置１０のガイド９０がレール９３に挿入された状態のときに、ケース部３０の流入口３１が上流側を向き、流出口３２が下流側に向くように、レール９３の向きを考慮して支柱９２を固定する必要がある。
【００３２】次に、固定された支柱９２の上端から、レール部９３にガイド９０が挿入されて、この水力発電装置１０が半水没するように水面に浮かべられる。
【００３３】水力発電装置１０が水面に浮かべられると、水中で水流を受ける可変板５０は、最も水流抵抗が少ない状態、即ち、水流方向と平行な方向を向いた状態に維持される。そして、全ての整流板４０−１〜４０−７も可変板５０の動きに連動し、水流方向と平行な方向に向く。河川等の水流の向きは常に一定ではなく随時変化するものであるが、上述の可変板５０及び整流板４０−１〜４０−７の動作により、整流板４０−１〜４０−７は、水流の向きの変化に追随して常に水流の方向を向いている。
【００３４】ここで、一般に河川等の水流は微少な乱流も含むものであるが、この乱流を含む水流が各整流板４０−１〜４０−７の隙間を通過することにより、微少な乱流は一定方向に向く流れ（以下、整流と呼ぶ）に矯正される。微少な乱流はタービン６０の回転運動を非効率にし、発電レベルを不安定にするものであるが、整流板４０−１〜４０−７によってもたらされる整流により、タービン６０は効率よく回転し、発電レベルも一定となる。
【００３５】つまり、可変板５０が設けられている目的は、主たる水流の方向（即ち、微少な乱流を含みながらも全体として水が流れている方向）を検知し、一旦検知した後は、微少な乱流により整流板４０−１〜４０−７の各々の方向がぶれることがないよう、全て整流板４０−１〜４０−７の方向を一定の方向に安定的に維持することである。その目的を果たすべく、可変板５０は、水流に対して抵抗大となる、比較的大きい板なのである。
【００３６】一方、整流板４０−１〜４０−７は、微少な乱流を整流に矯正するに足る大きさがあればよく、流入してくる水流に対してなるべく抵抗小となるように、比較的小さい板なのである。
【００３７】そして、整流板４０−１〜４０−７により整流された水流は、上述のように、流出口３２に進むに従って徐々に加速しながら流出口３２より流出していく。従って、タービン６０−１〜６０−４は、加速された水流を受けて、より高速に回転する。
【００３８】タービン６０−１〜６０−４が回転すると、回転軸６１内のロータ７１も回転する。そして、ロータ７１の各磁極による回転磁場が、出力用コイル７２上を通過し、出力用コイル７２には起電力が誘導される。そして、この起電力により、導線２２を介して充電部８０に供給され、それにより、充電部８０は充電される。
【００３９】この充電部８０は着脱可能であるので、利用者は充電部８０をケース部３０から取り外して、河川とは離れた別の場所で電源として利用することもできる。
【００４０】また、利用者は、一端に充電部８０との接続部を有し、他端に電気機器用のコンセントを有する電源用コードを利用して、充電しながら電源として利用することもできる。即ち、充電部８０をケース部３０に固定したまま、充電部８０に電源用コードの一端を接続し、その他端に電気機器を接続して使用する。
【００４１】本実施形態においては、水力発電装置１０と支柱９２と支柱軸方向に摺動可能であるから、この水力発電装置１０は、水面の垂直方向の変化（例えば、水面の波による変化、及び、増水や渇水による変化）に対応して垂直方向に移動することが可能である。従って、この水力発電装置１０は、水面の素直方向の変化によって発電効率を左右されない。例えば、渇水時においてもタービン６０は常に水流を受けられるので発電可能である。
【００４２】また、一般に、河川等の水面近傍の水流は、水底近傍や水中のそれより速い。この水力発電装置１０は、ケース部３０の浮力により、常に水面近傍に位置しているので、水面近傍のより速い水流を利用することが可能であり、効率的な発電が実現できる。
【００４３】また、本実施例における水力発電装置１０は、比較的構造も簡単で、軽量な部材により製造可能である。従って、利用者が携帯することも可能である。
【００４４】[３．変形例][３−１．第一変形例]上述の実施形態では、ケース部３０が浮力を有しているが、そうではなくて、ケース部３０とは別に、浮力を有する浮力部を設けてもよい。
【００４５】図６は、浮力部１００を有する水力発電装置１０の構成を示す図である。同図に示すように、支持棒２１はケース部３０の天井を上方に突き抜けて固定されており、支持棒２１上端には、浮力部１００が固定されている。従って、浮力部１００は、発電部７０やケース部３０等を下方に支持した状態で水面に浮く。
【００４６】この浮力部１００の内部には充電部８０を収納する収納室（図示略）が設けられている。発電部７０に接続されている導線２２は、浮力部１００の内部を通って、充電部８０に接続されている。
【００４７】なお、前述の実施形態のようなケース部３０が浮力を有している（即ち、ケース部３０と浮力部とが一体となっている）形態では、タービン６０−１〜６０−４に水流をより多く受けさせて発電効率を向上させるために、このタービン６０−１〜６０−４が水面近傍に水没するようにケース部３０の浮力を厳密に調整する必要がある。一方、この第一変形例のようなケース部３０と浮力部１００とが別々に設けられている形態では、上述のような厳密な浮力の調整は必要ない。なぜなら、浮力部１００がほぼ完全に水面に浮いている場合を想定して、タービン６０−１〜６０−４が水面近傍に水没するように浮力部１００とタービン６０−１〜６０−４との間に適度な距離をとってさえいれば、浮力部１００の浮力をある程度大きくするだけでよいからである。
【００４８】[３−２．第二変形例]水力発電装置１０は、浮力を全く有していなくともよい。例えば、常に一定の流量を確保できるような大きな河川においては、橋桁等の土着物に、水力発電装置１０全体を水中に没するように固定すれば、タービン６０−１〜６０−４は一定の水流を受けて回転することが可能である。
【００４９】また、水力発電装置１０は浮力を有する必要がないため、装置自体を大型化することが容易であり、大規模な発電も可能である。
【００５０】[３−３．第三変形例]上述の実施形態では、ガイド９０を支柱９２のレール９３に挿入することにより、水力発電装置１０が上下方向に摺動可能となり、かつ、水力発電装置１０が下流に流出されることを防止していた。
【００５１】しかし、必ずしもそうである必要はなく、水力発電装置の固定方法は水力発電装置１０が上下方向に移動可能なように固定する方法なら何でもよい。例えば、橋桁等の土着物と水力発電装置１０とをロープで結びつけて固定してもよい。或いは、充電部８０に接続する電源コードのコンセント側を、所定の固定物に固定してもよい。そのようにしても、水力発電装置１０は、上下方向に移動可能であるし（但し、上下移動に伴って、左右方向にも多少移動することになるが）、下流に流されることもない。
【００５２】但し、上述の方法による場合、水力発電装置１０全体を所定の姿勢を一定に（即ち、水力発電装置１０の上下方向を一定に）安定させるために、ケース部３０の天井部分の部材の厚みを増してその部分の浮力を高めたり、或いは、ケース部３０の底部分におもりを付けたりする必要がある。
【００５３】[３−４．第四変形例]上述の実施形態では、タービン６０は、図１に示すようなスクリュー形をしているが、必ずしもそうである必要はなく、水流を受けて回転するような形状のものなら何でもよい。例えば、図７に示すような、螺旋形のものでもよい。
【００５４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる水力発電装置によれば、持ち運びやすく設置も簡単であり、河川等の水流エネルギーを電気エネルギーに変換して発電することが可能である。
【出願人】 【識別番号】５９５０６６２７２
【氏名又は名称】株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ北海道
【識別番号】５９９０１７２３２
【氏名又は名称】佐藤 昌志
【識別番号】５９９０１７２４３
【氏名又は名称】中井 健司
【識別番号】５９９０１７２５４
【氏名又は名称】今野 久志
【識別番号】５９９０１７２６５
【氏名又は名称】佐藤 京
【識別番号】５９９０１７２７６
【氏名又は名称】小林 将
【識別番号】５９９０１７２８７
【氏名又は名称】三田村 浩
【識別番号】５９９０１７２９８
【氏名又は名称】逢坂 秀俊
【識別番号】５９９０１７３０２
【氏名又は名称】佐々木 康博
【識別番号】５９７０１６０３３
【氏名又は名称】氏平 増之
【出願日】 平成１１年１１月１０日（１９９９．１１．１０）
【代理人】 【識別番号】１０００９８０８４
【弁理士】
【氏名又は名称】川▲崎▼ 研二
【公開番号】 特開２００１−１３２６０７（Ｐ２００１−１３２６０７Ａ）
【公開日】 平成１３年５月１８日（２００１．５．１８）
【出願番号】 特願平１１−３１９９８４