JP2003021041A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】堰や水門等の可動ゲートの上昇開門時において
も、発電を継続して行うことを可能とした水力発電装置
を提供する。 【解決手段】貯水域１９を開閉自在に仕切る昇降可能な
可動ゲート２の下流側表面に、軸流水車発電機４を設置
し、このとき、水車回転軸１０が水平になる如く構成し
て、貯水域１９の水を導水管３、３１を介して軸流水車
発電機４へ水を供給することにより、発電を継続しつつ
可動ゲートを上昇可能とした水力発電装置。

Description

【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
わり、特に取水堰や水門等からの維持放流を活用した水
力発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】河川や湖水等の貯水域を堰や水門により
せき止め、取水あるいは発電を行っているが、水路の下
流側に対して自然保護、灌漑用水の確保のために常時放
流が義務づけられる場合が多く、維持放流が行われてい
る。そして、この維持放流を有効に活用するために、こ
の維持放流の放流路に比較的小型の水力発電機を設置し
て発電を行うことが知られている。

【０００３】この維持放流を有効活用するものとして、
特開昭６３−２１９８８１号公報および特開２０００−
２７３８５３号公報記載の水力発電装置がある。これら
公報のいずれも、ダムや湖水等に固定的に建造された堰
堤を貯水域側から放流側に跨ぐように導水管が設けら
れ、この導水管の放流端に発電機を設置する構成が開示
されている。更に、これらの特許公開公報の導水管の堰
堤頂部や放流端には真空ポンプが接続されており、この
真空ポンプを用いたサイフォン効果を利用し、導水管を
介して発電機に流水を供給する構成が開示されている。

【０００４】また、この維持放流を有効活用できる他の
例として、特開昭５２−９８８４３号公報および特開昭
５８−１９５０７５号公報記載の水力発電装置がある。
特開昭５２−９８８４３号公報には、可動ゲートの近傍
であって、下流側に固定堰を建造し、この固定堰に設け
られた貫通孔に円筒水車発電機を設置した例が示されて
いる。また、特開昭５８−１９５０７５号公報には、可
動ゲート自体に貫通孔を設け、この貫通孔から導水管が
ゲート前面に垂直に設置されている。導水管下端には、
分割された放流管が基盤中に埋設されており、発電時に
は基盤表面の開口部と導水管下端を連結する構成となっ
ている。導水管中には水車並びに回転軸が設けられてお
り、この回転軸は導水管壁を貫通して上部に設置された
発電機に連結されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述したサイフォン効
果を利用した水力発電装置が開示されている特開昭６３
−２１９８８１号公報並びに特開２０００−２７３８５
３号公報のいずれも、発電機は固定的に建造された堰堤
に付帯的に設けられており、可動ゲート等への適用は困
難である。また、発電機をワイヤによって水中に吊り下
げる方式も開示されているが、構成が複雑になるのみな
らず、発電機の維持点検にも多くの困難を伴うことにな
る。

【０００６】更に、特開昭５２−９８８４３号公報の開
示によると、可動ゲートとは別個に発電機据付用の固定
堰を建造しなければならない。また、発電機は水車回転
軸と同軸的に構成されており、更に、水中に配置して発
電を行っている。このため、発電機本体を含め水中にて
作動させなければならず、複雑な構造とメンテナンスの
困難が予想される。また、特開昭５８−１９５０７５号
公報の方式によると、発電機は水車回転軸と同軸的に連
結されているが、導水管を曲設するとともにこの曲設部
にて水車回転軸を管外に導出し、同じく管外の発電機に
連結している。

【０００７】このような構成によると、構造の複雑さと
ともに、導水管途中から水密に回転軸を取出さなければ
ならなかった。更に、縦軸方式のため軸の支持構造上の
制約から、取水口が高位置に限定される。この結果、取
水口が高位置になるため、発電可能な状態としては、当
然貯水水位が取水口より上方の場合に制約されることに
なる。換言すれば、発電可能な状態での可動ゲート上昇
位置が制限されることになる。また、可動ゲートを上昇
させた状態では、可動ゲートに取着されている導水管と
基盤中に埋設されている放流管とは切離される構造であ
って、この場合には発電は停止しなければならなかっ
た。即ち、ゲートを開放しての放流を実行する際には、
取水口が貯水域水位の下方に位置しており、更に、発電
機も正常に機能していたとしても、構造上発電は停止し
なければならない。

【０００８】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、可動堰や可動水門等の可動ゲートの上昇開門時
においても発電を継続して行うことを可能とした水力発
電装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
になされた本願請求項１の発明は、貯水域を開閉自在に
仕切る昇降可能な可動ゲートと、この可動ゲートの下流
側表面に取着され、水車回転軸並びにこの水車回転軸の
回転が伝達される発電機軸が内装された軸流水車発電機
であって、前記水車回転軸と発電機軸が平行に配置され
た軸流水車発電機と、前記可動ゲートに取着され、前記
軸流水車発電機に前記貯水域からの流水を供給する導水
管と、前記軸流水車発電機に取着された放流管とを具備
し、前記軸流水車発電機、前記導水管及び前記放流管は
前記可動ゲートの開閉動作に従って昇降する如く構成さ
れていることを要旨とする。

【００１０】本願請求項２の発明では、前記水車回転軸
が水平になる如く、前記軸流水車発電機を配置したこと
を要旨とする。

【００１１】本願請求項３の発明では、前記導水管は、
前記可動ゲートを跨越する逆Ｕ字管であって、サイフォ
ンの原理により前記貯水域からの水流を前記軸流水車発
電機へ供給する如く構成されていることを要旨とする。

【００１２】本願請求項４の発明では、記導水管は、前
記可動ゲートを貫通して設けられていることを要旨とす
る。

【００１３】本願請求項５の発明では、前記可動ゲート
の下流側表面には作業員立入り部が設けられており、前
記軸流水車発電機は前記作業員立入り部に設置されてい
ることを要旨とする。

【００１４】本願請求項６の発明では、前記導水管の前
記貯水域内に開口した取水口位置は、前記軸流水車発電
機の水車回転軸に対して同一水平位置か下方になる如く
設定されていることを要旨とする。

【００１５】本願請求項７の発明では、前記軸流水車発
電機は、前記可動ゲートの下流側表面下端近傍に設置さ
れていることを要旨としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる水力発電装
置の実施形態について図面を参照して説明する。

【００１７】図１は本発明の第１の実施の形態に係わる
水力発電装置の概念図、図２は図１の斜視図で、図３は
図２の一部拡大斜視図である。

【００１８】図１に示すように、水力発電装置１は、ダ
ムや湖水の貯水域１９に設置された可動ゲート２を跨越
する導水管３と、この導水管３の下流側３ｂに配置され
た軸流水車発電機４とを有している。そして、この実施
の形態においては、可動ゲート２を跨越する導水管３に
はサイフォンの原理を利用して水流が供給されるように
なっている。導水管３に設けられた軸流水車発電機４
は、図２に示すように、複数台設置されている。可動ゲ
ート２は昇降可能な構成となっており、上昇させること
によって、ゲート下端と基盤部１８間に形成される開放
部から放流を行うことができる。

【００１９】さらに、図１〜図３に示すように、導水管
３は逆Ｕ字管をなし、導水管３の上流側３ａの取水口と
なる一端３ｃが貯水域１９中に没するように可動ゲート
２に沿って取付部材５により可動ゲート２に取付けられ
ている。また、導水管３の頂部には真空ポンプを適宜接
続し、防塵キャップ６ａ、弁体６ｂを有する真空ポンプ
接続孔６が設けられており、さらに、導水管３の下流側
３ｂに水を満たすための給水ポンプ７ａが設けられた給
水パイプ７が導水管３と平行に設けられている。給水ポ
ンプ７ａは固定的に給水パイプ７に設けられていても、
使用時のみ給水ポンプに接続して用いるようにしてもよ
い。

【００２０】なお、真空ポンプ接続孔６は、導水管３内
の真空を解除し適宜大気圧にするための通気孔を兼ねる
が、別個に通気孔を設けてもよい。

【００２１】図４は、軸流水車発電機４の断面図であ
る。図４に示すように、この軸流水車発電機４は導水管
３に連通し可動ゲート２に平行で水平に配置されたケー
シング管８の水路８ｉ内に設置された水車９と、この水
車９が同軸的に取り付けられ水車回転軸１０と、この水
車回転軸１０と平行に配置された発電機回転軸１１ａを
有し水路８ｉ外に配置された発電機１１と、発電機回転
軸１１ａと水車回転軸１０との間に変速機１２を介して
設けられ、カバー１３により水密的に覆われた動力伝達
装置１４とを有している。また、ケーシング管８の水路
８ｉの水車９の上流側近傍には、ケーシング管８を開閉
する開閉弁１５が設けられ、水車９の下流側には図１に
示すような放流管１６が設けられている。上記軸流水車
発電機４は、例えば、約３０ｋＷの発電能力を有し、水
車９の直径は約２５ｃｍ、ケーシング管８を流れる水量
は１ｍ^３／ｓ程度である。

【００２２】また、図１〜図３に示すように、軸流水車
発電機４は、可動ゲート２の前面下方に水平に設けられ
たメンテナンス通路１７に取り付けられている。即ち、
メンテナンス通路１７は作業員が立入り可能に設けられ
ている。このように、可動ゲート２の下端近傍前面に設
けられているメンテナンス通路１７に軸流水車発電機４
が設置されており、この軸流水車発電機４は可動ゲート
２の下端近傍に設置されることになる。また、軸流水車
発電機４が可動ゲート２に平行であることは、換言する
と水車回転軸９が水平になる如く配置されることを意味
する。

【００２３】このように、軸流水車発電機４を水車回転
軸１０が水平になる如く、可動ゲート２の下流側表面の
メンテナンス通路１７に設置し、更に、導水管３の取水
口となる一端３ｃの位置が可動ゲート２の下端近傍とな
るようにしたため、可動ゲート２を上昇させた場合にも
発電可能な有効落差が得られる。

【００２４】上記のように、導水管３を用いて軸流水車
発電機４に給水可能としたことにより、可動ゲート２が
下降し閉じている状態であっても、軸流水車発電機４を
介して維持放流を行うことができる。更に、軸流水車発
電機４を介しての維持放流のみでは不十分な場合には、
軸流水車発電機４にて発電を実行しつつ、可動ゲート２
を所定量上昇させ、基盤部１８と可動ゲート２間に形成
された開口部から放流を行うことができる。このよう
に、必要な放流は、軸流水車発電機４からの放流と可動
ゲート２を上昇させての放流が行われる。

【００２５】また、導水管３に連通するケーシング管８
を、可動ゲート２に平行に配置することにより、その全
長を据え付け台１７に載置できるので、据付け場所に制
約がなく、安定的に据付けができ、また、据付けおよび
メンテナンスが容易であり、さらに、水車回転軸９と発
電機回転軸１１ａとは平行に配置されているので軸流水
車発電機は小型（長さが短い）にでき、一層据え付けと
メンテナンスが容易となる。

【００２６】なお、導水管３に連通するケーシング管は
可動ゲート２に平行に配置する例で説明したが、水車回
転軸９と発電機回転軸１１ａとは平行に配置されている
ので、軸流水車発電機４は小型であり、ケーシング管８
を可動ゲート２に垂直に配置、すなわち、軸流水車発電
機４を可動ゲート２に垂直に配置してもよく、この場合
には更にメンテナンスを容易に行うことができる。

【００２７】次に本発明に係わる水車発電装置を用いた
発電について説明する。

【００２８】作業員又はメンテナンス要員は図１〜図３
に示すようなメンテナンス通路１７にて、図４に示すよ
うなケーシング管８に設けられた開閉弁１５を閉じる。
しかる後、給水ポンプ７ａを作動させて貯水域１９から
給水パイプ７を介して水を導水管３の下流側３ｂに充満
させた後、給水ポンプ７ａを停止させる。

【００２９】次に導水管３に設けられた真空ポンプ接続
孔６に真空ポンプ（図示せず）を接続して導水管３内を
減圧する。この真空ポンプによる真空引きにおいて、導
水管３内全体の容積が減じるため、速やかに導水管３内
を真空にすることができる。この真空に伴ない貯水域１
９の水は、導水管３の上流側３ａを上昇し、導水管３に
充満する。弁体６ｂを閉止状態にし、真空ポンプを停止
させる。さらに、開閉弁１５を開放してケーシング管８
の水路８ｉに送水し水車９を回転させて発電を行い、発
電を行った水は放流管１６から下流側に放流される。

【００３０】さらに、他のすべての発電装置についても
同様の手順により発電を行う。

【００３１】このような発電中に放水量の増加が必要な
場合において、導水管３を介して放流する水量では不足
するときには、可動ゲート２を上昇させて放流を行うこ
とができる。また、発電量を制御する場合には、水車９
を用いた軸流水車発電機４の特性を考慮して、弁体６ｂ
により水量を絞って発電量を制御することは行わず、複
数台のうちの一部の軸流水車発電機４を完全に停止させ
るようにして発電量を制御すると共に可動ゲート２を上
昇させ放流量を確保しながら発電量を制御することがで
きる。また、開閉弁１５を絞って放水量を制御しながら
発電を行うことができ、この場合、発電量はほぼ一定に
維持できる。

【００３２】所定発電時間経過後にメンテナンスを行う
が、作業員又はメンテナンス要員は弁体６ｂを開放し
て、通気孔を兼ねた真空ポンプ接続孔６を開け、これに
より導水管３内の真空を解除して大気圧にし、導水管３
の上流側３ａからの給水を速やかに停止させる。弁体６
ｂを閉止状態にして、水車９、変速機１２、動力伝達装
置１４および発電機１１など軸流水力発電機４のメンテ
ナンスを行う。

【００３３】導水管３に連通するケーシング管８を可動
ゲート２に平行に配置することによりメンテナンス通路
１７に軸流水車発電機４を載置でき、さらに、メンテナ
ンス要員は据付け台１７にて作業を行うことができるの
で、軸流水車発電機４の据付けおよびメンテナンスが容
易であり、さらに、水車回転軸９と発電機回転軸１１ａ
とは平行に配置されているので軸流水車発電機４は小型
にでき、一層据付けとメンテナンスが容易に行える。

【００３４】次に図５及び図６を用いて本発明に係わる
水力発電装置の第２の実施形態について説明する。図５
は本発明の第２の実施形態の概念図、図６は図５の斜視
図である。なお、上述した第１の実施形態と同一部分に
は同一符号を付して説明する。

【００３５】本実施形態は、上述した第１の実施形態が
逆Ｕ字管からなる導水管を用いるのに対して、可動ゲー
ト２には貫通孔２３が設けられている。この貫通孔２３
は、可動ゲート２の下端近傍に位置して設けられてい
る。この可動ゲート２に設けられた貫通孔２３には導水
管３１が嵌挿されており、この導水管３１に図４に示す
軸流水車発電機４が連結され、この軸流水車発電機４は
可動ゲート２の下流側表面のメンテナンス通路１７に設
置されている。

【００３６】さて、貫通孔２３に嵌挿された導水管３１
は、貯水域１９内に取水口として開口し、可動ゲート２
の前面にて軸流水車発電機４のケーシング管８に連結さ
れている。また、導水管３１とケーシング管８とは水平
方向に同位置になる如く配置してある。軸流水車発電機
４を可動ゲート２の下端近傍に配置してあることから、
導水管３１の取水口の位置も可動ゲート２の下端に位置
させることができる。この結果、可動ゲート２を上昇さ
せて下方から放流を実施する場合であっても、導水管３
１の取水口がゲート下端近傍に配置されているため、貯
水域１９の水面下方であれば、発電を継続することが可
能である。このことは、軸流水車発電機４を可動ゲート
２の下端近傍に配置し、水車回転軸１０を水平にすると
ともに、導水管３１とケーシング管８を水平同位置にし
たことにより、発電可能な状態での可動ゲート２の上昇
限界を大きくとることができることを意味する。

【００３７】また、導水管３１の貯水域１９内への取水
口の位置をケーシング管８と水平方向に同位置にするの
みならず、ケーシング管８より下方に開口するように構
成することも可能である。

【００３８】なお、この実施形態にあっては、図６に示
すように可動ゲート２の下流側表面の下端近傍に、２個
の軸流水車発電機４を設置してある。可動ゲート２の大
きさ等に応じて単一の可動ゲート２に併設する軸流水車
発電機４の数は任意に設定することが可能で、可動ゲー
ト２が複数併設されている場合には、各ゲート毎に軸流
水車発電機を１個又は複数設置することが可能である。

【００３９】本実施形態の水力発電装置２１は可動ゲー
ト２を貫通して貫通孔２３を設けることにより、新規に
可動ゲート２の工事を開始する時点で設置するのが好ま
しいが、強度等に問題が発生しない場合には、既設の可
動ゲートに加工を施すことも可能である。

【００４０】本実施形態もケーシング管８は可動ゲート
２に平行に配置することによりその全長をメンテナンス
通路１７に載置できるので、据付けおよびメンテナンス
が容易であり、さらに、水車回転軸９と発電機回転軸１
１ａとは平行に配置されているので水力発電装置は小型
にでき、安定的に据付けができ、一層据付けとメンテナ
ンスが容易となる。

【００４１】

【発明の効果】本発明に係わる水力発電装置によれば、
貯水域を開閉自在に仕切る昇降可能な可動ゲートの下流
側表面に、軸流水車発電機を水車回転軸が水平になる如
く設置したことにより、可動ゲートがゲート開のため上
昇状態にあっても、発電を継続して実施することができ
る。また、軸流水車発電機を可動ゲート前面下端近傍に
設置することにより、発電継続可能な状態でのゲート上
昇範囲を大きくとることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる水力発電装
置の断面図。

【図２】図２の斜視図。

【図３】図２の一部拡大斜視図。

【図４】本発明の実施形態に適用する水力発電機の一部
を断面で示す側面図。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係わる水力発電装
置断面図。

【図６】図５の斜視図。

【符号の説明】

１、２１ 水力発電装置 ２ 可動ゲート ３、３１ 導水管 ４ 軸流水力発電機 ８ ケーシング管 ９ 水車 １０ 水車回転軸 １１ 発電機 １６ 放流管 １７ メンテナンス通路 １８ 基盤 １９ 貯水域

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 貯水域を開閉自在に仕切る昇降可能な可
   動ゲートと、この可動ゲートの下流側表面に取着され、
   水車回転軸並びにこの水車回転軸の回転が伝達される発
   電機軸が内装された軸流水車発電機であって、前記水車
   回転軸と発電機軸が平行に配置された軸流水車発電機
   と、前記可動ゲートに取着され、前記軸流水車発電機に
   前記貯水域からの流水を供給する導水管と、前記軸流水
   車発電機に取着された放流管とを具備し、前記軸流水車
   発電機、前記導水管及び前記放流管は前記可動ゲートの
   開閉動作に従って昇降する如く構成されていることを特
   徴とする水力発電装置。
2. 【請求項２】 前記水車回転軸が水平になる如く、前記
   軸流水車発電機を配置したことを特徴とする請求項１記
   載の水力発電装置。
3. 【請求項３】 前記導水管は、前記可動ゲートを跨越す
   る逆Ｕ字管であって、サイフォンの原理により前記貯水
   域からの水流を前記軸流水車発電機へ供給する如く構成
   されていることを特徴とする請求項１及び２記載の水力
   発電装置。
4. 【請求項４】 前記導水管は、前記可動ゲートを貫通し
   て設けられていることを特徴とする請求項１及び２記載
   の水力発電装置。
5. 【請求項５】 前記可動ゲートの下流側表面には作業員
   立入り部が設けられており、前記軸流水車発電機は前記
   作業員立入り部に設置されていることを特徴とする請求
   項１乃至４記載の水力発電装置。
6. 【請求項６】 前記導水管の前記貯水域内に開口した取
   水口位置は、前記軸流水車発電機の水車回転軸に対して
   同一水平位置か下方になる如く設定されていることを特
   徴とする請求項１乃至５記載の水力発電装置。
7. 【請求項７】 前記軸流水車発電機は、前記可動ゲート
   の下流側表面下端近傍に設置されていることを特徴とす
   る請求項１乃至６記載の水力発電装置。