JP2008151151A - 小落差水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短い工期で設置でき、メンテナンス性に優れ、発電コストも低減できる、小落差水力発電装置を提供する。
【解決手段】小落差水力発電装置は、越流堰３の越流側壁面３Ａに取り付けられる取水ボックス４と、取水ボックスの下方に配置されるハウジング５と、取水ボックスとハウジングに上下端を接続した伸縮自在な流水落下パイプ６と、ハウジング内に回転可能に収容された一対の水車７と、ハウジングの上部に取り付けられたフロート８と、フロートの上面に設置された発電機９と、水車の回転中心に取り付けられて当該水車の回転力を発電機に伝達する回転軸１０とからなり、越流堰３からの越流水を取水ボックス４の取水口４１で取水する。取水した越流水は流水落下パイプ６を通じてハウジング５の内水路５２に流入し、一対の水車７を回転させる。水車７の回転力が回転軸１０を介して発電機９に伝達され、発電が行われるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、越流堰または水門のゲート板によって形成される水位の小落差を利用して発電を行なう小落差水力発電装置に関する。

水力発電は、水を利用するだけなので、ＣＯ_２を排出せず、安全で、電力供給も安定しているが、水力発電というと、ダムをイメージするので、一般に発電コストが高く環境破壊という悪い印象が強い。しかしながら、ダムの代りに、越流堰や水門のゲート板によって形成される水位の小落差を利用して発電を行う小落差水力発電は、ダムを利用しないので、発電コストも低く抑えることができ、環境にも優しく、地球温暖化の防止にも大きく貢献するものである。

従来、この種の小落差水力発電を行う装置としては、例えば、特許文献１に開示された水力発電装置が知られている。この水力発電装置は、越流堰（４）によって形成される水位の小落差を利用して発電を行うものである。その発電の原理は、越流堰（４）上流の水面と下流の水面との水頭差に比例した水の位置エネルギーを、水車（６）と発電機（１２）によって電気エネルギーに変換するものである。

しかしながら、特許文献１に開示された水力発電装置にあっては、下記Ａ〜Ｃのような問題点がある。

Ａ． 水車（６）が越流堰（４）上流の深い水中に完全に水没していること、及び発電機（１２）も収納ケース（２０）に収納されて水車（６）と同様に越流堰（４）上流の水中に完全に水没していることから、水車（６）や発電機（１２）のメンテナンス性が良くない。

Ｂ． 越流堰（４）の下部に貫通する開口（５）を設ける必要がある。そのため、この水力発電装置を既設の越流堰に設置する場合は、既設の越流堰の下部に開口（５）を穿孔する工事や、その穿孔工事のために越流堰への流水を迂回させる迂回工事も必要になり、水力発電装置の設置に要する工期が長くなり、発電コストも高くならざるを得ない。

Ｃ． 越流堰の下部に開口（５）を形成するので、越流堰の強度が低下するおそれがあり、越流堰の使用寿命を短縮させる。このような不具合を防止するために、越流堰の補強工事を行えば、それだけ水力発電装置の設置工期が更に長くなり、発電コストも更に高くならざるを得ない。

以上の説明におけるカッコ内の符号は特許文献１で用いられている符号である。

特開平１１−３０１７９号公報

本発明は前記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、短い工期で設置でき、メンテナンス性に優れ、発電コストも低減できる、小落差水力発電装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、第一の本発明は、越流堰によって形成される水位の小落差を利用して発電を行なう小落差水力発電装置であって、前記越流堰の越流側壁面に取り付けられる取水ボックスと、前記取水ボックスの下方に配置されるハウジングと、前記取水ボックスと前記ハウジングに上下端を接続した伸縮自在な流水落下パイプと、前記ハウジング内に回転可能に収容された一対の水車と、前記ハウジングの上部に取り付けられたフロートと、前記フロートの上面に設置された発電機と、前記水車の回転中心に取り付けられて当該水車の回転力を前記発電機に伝達する回転軸と、を備えてなり、前記取水ボックスは、前記越流堰からの越流水を取水するための取水口と、この取水口と前記流水落下パイプの上端とを結ぶ内水路とを有し、前記ハウジングは、前記越流堰の下流に向けて開口した排水口と、この排水口と前記流水落下パイプの下端とを結ぶ内水路とを具備し、前記一対の水車は、前記ハウジングの内水路に位置し、その内水路幅方向に並べて設置され、当該ハウジングの内水路中心部を通過する水流によって回転し、前記発電機は、前記回転軸を介して伝達される前記水車の回転力によって発電を行うことを特徴とする。

前記流水落下パイプは、その一部に設けた蛇腹部によって上下方向に伸縮自在に形成されるとともに、その蛇腹部がフロートの上下動に応じて伸縮することにより、フロートとハウジングの位置変化を吸収するように構成することができる。

前記小落差水力発電装置は、更に、前記越流堰の上流側から流れてくる枯葉やゴミなどの異物を前記取水口の前方で左右に振り分けて流す異物振分け手段を有するものとしてもよい。

前記異物振分け手段は、船首のように先の尖った枠体を前記取水ボックスの上部に設け、この枠体で前記取水口を漏れなく囲んだ構造であって、その枠体の尖端が前記越流堰より上流に配置されるようにしてもよい。

また、第二の本発明は、水門のゲート板によって形成される水位の小落差を利用して発電を行なう小落差水力発電装置であって、前記小落差水力発電装置は、前記ゲート板の下流側壁面に近づけて設置したハウジングと、前記ハウジングと前記ゲート板との間に介挿されたプレート体と、前記ハウジング内に回転可能に収容された一対の水車と、前記水門の固定部に取り付けた発電機と、前記水車の回転中心に取り付けられて当該水車の回転力を前記発電機に伝達する回転軸と、を備えてなり、前記ハウジングは、前記ゲート板の開時に該ゲート板からの放流水を取水するための取水口と、前記ゲート板の下流に向けて開口した排水口と、前記取水口と前記排水口とを結ぶ内水路とを有し、前記プレート体は、前記ゲート板側から前記ハウジングの取水口に向かって貫通する流水取込孔を有し、この流水取込孔を通じて前記ゲート板からの放流水の一部を当該ハウジングの取水口へ流入させ、前記一対の水車は、前記ハウジングの内水路に位置し、その内水路幅方向に並べて設置され、当該ハウジングの内水路中心部を通過する水流によって回転し、前記発電機は、前記ゲート板前後いずれの水位よりも高い位置に設置され、前記回転軸を介して伝達される前記水車の回転力によって発電を行うことを特徴とする。

前記第二の本発明において、前記水門は、そのゲート板が上下方向にスライドして開閉し、前記ゲート板の開時に、該ゲート板下部の隙間から流出した放流水の一部が、発電用の水流として、前記プレート体の流水取込孔を通じて前記ハウジングの取水口に流入し取り込まれるように構成することができる。

前記水門はローラーゲートまたはスルースゲートからなるものとしてもよい。「ローラーゲート」とは、ゲート板の両側にローラーが付いたもので、それをワイヤロープなどによって垂直に持ち上げて上下に開閉する水門をいう。ローラーゲートは、ゲート板にローラーが付いているため、摩擦抵抗が少なく大きな水圧がかかる大規模な水路や河川にも利用できるほか、構造上、止水が容易で信頼性が高いため、河川構造物ではよく用いられている。「スルースゲート」とは、ローラーゲートのようなローラーがなく、単純にゲート板を上下に動かすだけで開閉する水門をいう。スルースゲートは、構造が簡単で故障し難く廉価である。

前記プレート体は、前記流水取込孔より低い位置に、前記ゲート板側から該ゲート板の下流に向かって貫通する汚泥排出孔を備え、前記ゲート板の開時に、前記水門の上流に沈殿し堆積している汚泥が、前記汚泥排出孔を通じて、当該水門の下流に排出されるように構成してもよい。

＜メンテナンス性の向上＞
第一の本発明では、フロートの上面に発電機が設置される構成を採用したため、発電機はフロートによって水上に浮上され、水中に完全に水没することはないから、発電機のメンテナンス性に優れる。これに加えて、第一の本発明では、越流堰の越流側壁面に取水ボックスが取り付けられ、その下方にハウジングが配置され、このハウジング内に水車が収容される構成を採用した。このため、水車は越流堰下流の浅い水中に配置されるから、水車のメンテナンス性もよい。

第二の本発明では、水門のゲート板によって形成される水位より高い位置にある当該水門の固定部に、発電機が設置される構成を採用した。このため、発電機は水上より高い位置にあり、水中に完全に水没することはないから、発電機のメンテナンス性に優れる。これに加えて、第二の本発明では、水門のゲート板の下流側壁面に近づけてハウジングが設置され、このハウジング内に水車が収容される構成を採用した。このため、水門のゲート板を閉じてしまえば、ゲート板下流への放流水はなくなり、ハウジングは完全に空気中に露出するから、水車のメンテナンス性もよい。

＜設置に要する工期の短縮と発電コストの低減＞
第一の本発明では、取水ボックスとハウジングとに予め流水落下パイプの上下端を接続しておけば、後は、取水ボックスを越流堰の越流側壁面に取り付けるだけで、小落差水力発電装置の設置が完了する。その設置に当たり従来のように越流堰に開口を穿孔する穿孔工事やそのための流水の迂回工事は不要であることから、小落差水力発電装置の設置に要する工期は短くて済むし、発電コストの低減も図れる。

第二の発明では、ゲート板の下流側壁面に近づけてハウジングを設置したり、そのハウジングとゲート板との間にプレート体を介挿したりする等、簡単な作業で小落差水力発電装置の設置が完了し、これもまた従来のような穿孔工事や迂回工事は不要であることから、小落差水力発電装置の設置に要する工期は短くて済むし、発電コストの低減も図れる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、請求項１に係る発明（第一の本発明）を適用した小落差水力発電装置の平面図、図２は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。

＜小落差水力発電装置の構成概要＞
本小落差水力発電装置１Ａは、工業用若しくは農業用その他の用途の水路２又は河川に設けられる既設または新設の越流堰３に設置され、越流堰３によって形成される水位の小落差を利用して発電を行なう小落差水力発電装置である。

本小落差水力発電装置１Ａは、越流堰３の越流側壁面３Ａに取り付けられる取水ボックス４と、取水ボックス４の下方に配置されるハウジング５と、取水ボックス４とハウジング５に上下端を接続した伸縮自在な流水落下パイプ６と、ハウジング５内に収容された一対の水車７と、ハウジング５の上部に取り付けられたフロート８と、フロート８の上面に設置された発電機９と、水車７の回転力を発電機９に伝達する回転軸１０と、越流堰３の上流側から流れてくる枯葉やゴミなどの異物を取水口４１の前方で左右に振り分けて流す異物振分け手段１１を備えて構成される。

前記取水ボックス４は、越流堰３を越えてくる流水、いわゆる越流水を取水するための取水口４１と、この取水口４１と前記流水落下パイプ６の上端６ｕとを結ぶ内水路４２とを有している。

前記ハウジング５は、越流堰３の下流に向けて開口した排水口５１と、この排水口５１と前記流水落下パイプ６の下端６ｄとを結ぶ内水路５２とを有している。

前記一対の水車７は、ハウジング５の内水路５２に位置し、その内水路５２幅方向に並べて設置され、当該ハウジング５の内水路５２中心部を通過する強い水流によって回転する。

前記発電機９は、回転軸１０を介して伝達される水車７の回転力によって発電を行うようになっている。また、この発電機９は、発電に必要な動力を発電機９に伝達するプーリー１２Ａやベルト１２Ｂ等の動力伝達手段１２と一緒に、発電ユニットボックス１３に収容されている。

＜取水ボックスの詳細構成＞
取水ボックス４は前板４Ａ、背板４Ｂ、左右の側板４Ｃおよび底板４Ｄからなるとともに、上面が開口した形状であって、そのボックスの上面開口を取水口４１とし、そのボックスの内側空間を内水路４２としたものである。

取水ボックス４の底板４Ｄには前記内水路４２に連通する接続パイプ４３が突出形成されており、この接続パイプ４３の開口端に前記流水落下パイプ６の上端６ｕが嵌め込まれることによって、流水落下パイプ６の上端６ｕは取水ボックス４の内水路４２に連通し、取水ボックス４の内水路４２は取水口４１と流水落下パイプ６の上端６ｕとを連通させるようになっている。

取水ボックス４の底板４Ｄには流水落下パイプ６の上端６ｕに向かって傾斜した下り勾配が付けられていて、取水口４１から内水路４２に流入した流水はその底板４Ｄの下り勾配によって効率よくスムーズに流水落下パイプ６の上端６ｕに集められるようになっている。

取水ボックス４の背板４Ｂには、越流堰３に向かってＬ字状に屈曲した設置板４４が設けられており、この設置板４４を越流堰３の上面に置いて、当該設置板４４の上から越流堰３の上面に向かってアンカーボルト等（図示省略）を打ち込むことによって、取水ボックス４は越流堰３の越流側壁面３Ａに取り付けられる。

取水ボックス４とその設置板４４は、例えば、アクリル等のプラスチック板、又はステンレスなどの金属板、若しくはＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics）やＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの高強度複合材料、その他の材料によって形成することができる。

＜ハウジングの詳細構成＞
ハウジング５は、左右の側板５Ａ、天板５Ｂおよび底板５Ｃからなるとともに、正面と背面の両面が開口したボックス形状であって、そのボックスの正面開口部を排水口５１とし、当該ボックスの内側空間を内水路５２としたものである。このハウジング５は図１のように越流堰３に近い下流の水面より少し沈んだ位置に配置して使用される。このハウジング５もまた取水ボックス４と同様の材料で形成することができる。

ハウジング５の背面開口部には接続パイプ５３が一体に突出形成されており、その接続パイプ５３の開口端に流水落下パイプ６の下端６ｄが嵌め込まれることによって、流水落下パイプ６の下端６ｄはハウジング５の内水路５２に連通し、ハウジング５の内水路５２は流水落下パイプ６の下端６ｄとハウジング５の排水口５１とを連通させるようになっている。

ハウジング５と発電ユニットボックス１３との間には連結筒１４があり、連結筒１４の下端がハウジング５の天板５Ｂに取り付けられ、連結筒１４の下端が発電ユニットボックス１３の底板１３Ａに取り付けられることで、ハウジング５と発電ユニットボックス１３とは一体化されている。

＜流水落下パイプの詳細構成＞
流水落下パイプ６は、その一部に設けた蛇腹部６１によって上下方向に伸縮自在に形成されるとともに、かかる蛇腹部６１がフロート８の上下動に応じて自在に伸縮することにより、フロート８およびハウジング５の上下方向の位置変化を吸収するようになっている。

例えば、雨等の影響により越流堰３上流の水位が上昇し、それに応じて越流堰３下流の水位も図２の状態より上昇すると、図２の位置に浮上しているフロート８もその水位上昇量に応じて上昇する。この際、フロート８からハウジング５を介して流水落下パイプ６までは一体に連結されているので、流水落下パイプ６にはそれ全体を下から突き上げる力が作用し、この突き上げ力によって流水落下パイプ６の蛇腹部６１は縮む。従って、越流堰３下流の水位が上昇しても、ハウジング５とフロート８は常に同じ位置、つまり、ハウジング５は水面より少し沈んだ位置、フロート８はその上部側が水面上に露出する位置に配置されることになる。

一方、越流堰３下流の水位が低下すると、それ応じてフロート８は下降し、ハウジング５も自重で下降する。この際、流水落下パイプ６にはハウジング５の自重による引き下げ力が作用し、この引き下げ力によって流水落下パイプ６の蛇腹部６１は伸びる。従って、越流堰３下流の水位が低下しても、ハウジング５とフロート６は前述通りの同じ位置に配置されることになる。

流水落下パイプ６の伸縮機構は上述の蛇腹部６１を利用する方式（蛇腹方式）に限定されない。例えば、流水落下パイプ６を途中で切断して２分割し、その分割したパイプ片をスライド可能に接合することで、流水落下パイプ６を伸縮可能とする方式（スライド方式）等、別の方式を採用することもできる。しかし、スライド方式は摺動部分に砂利やゴミ等の異物が詰まるおそれがあるので、そのおそれのない前述の蛇腹方式が好ましい。

以上説明した流水落下パイプ６のうち蛇腹部６１以外は、取水ボックス４と同様の材料で形成することができ、蛇腹部６１についてはゴム製又は金属製などの蛇腹チューブを適用することができるが、伸縮性に富むものが好ましい。

＜一対の水車の詳細構成＞
一対の水車７は、いずれも、その回転中心軸線がハウジング５の内水路５２の水深方向（鉛直方向）に沿うように配置されており、その外周部には放射状に配置された複数の羽根部７１を備え、これらの羽根部７１で水流を受けることによって当該水車７は回転する。

ところで、ハウジング５の内水路５２では中心部が最も強い水流となる。内水路５２の中心部より外側ではハウジング５の内壁と水流との摩擦抵抗などによって水流の運動エネルギーが減少するためである。このような内水路５２での水流の特性を考慮に入れて、本小落差水力発電装置１Ａでは、内水路５２中心部の両側に一対の水車７を対向させて配置し、それぞれの水車７の羽根部７１の先端側に内水路５２中心部の最も強い水流が当たるようにすることで、その強い水流を効率よく使用して大きなトルクが得られるようにしている。

＜フロートの詳細構成＞
フロート８は、たとえば空気の入った中空の浮きや発泡樹脂塊など、浮力のある素材からなり、ハウジング５の上部（本実施形態では連結筒１４の外周部）に一体に取り付けられて浮力を発生する。このフロートの浮力により、発電機９を含む発電ユニットボックス１３は水面上に常時浮上して露出するようになっている。なお、ハウジング５はフロート８の下面に配置されるので、水面上には露出せず、水面下に水没した形態で使用される。

フロート８にはその上下面間を貫通する装着孔８１が設けられている。この装着孔８１にハウジング５上部の連結筒１４を圧入等で差し込み固定することにより、フロート８は連結筒１４を介してハウジング５の上部に取り付けられる。なお、フロート８の取り付け方式はこれに限定されることはなく、他の方式を採用してもよい。

フロート８の底部には水底に向かって延びた４脚の足部８２（図２参照）が設けられている。これらの足部８２はいずれも同じ長さでハウジング５を越えて下方に長く延びており、越流堰３下流の水位が極端に低下した場合には、各足部８２がハウジング５より先に水底に着地することで、当該ハウジング５が水底に直接衝突することを防止するようになっている。

フロート８の形状や材質は特に限定されない。例えば、フロート８の形状は水流の抵抗を受け難い流線形にしてもよいし、ＣＦＲＰやＧＦＲＰ製のフロートやその他の材料からなるフロートを適用することができる。また、このフロート８は複数に分割されたものであってもよい。

＜発電機の詳細構成＞
発電機９は公知のものを適用することができ、その詳細説明は省略する。発電機９を収容する発電ユニットボックス１３は連結筒１４から切り離すことによってフロート８の上面から容易に取り外すことができ、発電機８のメンテナンスや交換の作業は、発電ユニットボックス１３を取り外した状態のボックス単位で行うこともできる。

＜回転軸の詳細構成＞
回転軸１０は一対の水車７に一つずつ設けられている。各回転軸１０は、それぞれの水車７の回転中心に一体に取り付けられて、ハウジング５の内水路５２の水深方向（鉛直方向）に起立した姿勢になっている。

各回転軸１０の上端は、ハウジング５の天板５Ｂに設けた軸受孔ＢＨ、連結筒１４の内側、および発電ユニットボックス１３の底板１３Ａに設けた軸受孔ＢＨを貫いて、発電ユニットボックス１３の内部に突出するように設けられている。また、各回転軸１０の下端はハウジング５の底板５Ｃに設けた軸受穴（図示省略）に回転可能に挿入してある。

そして、本小落差水力発電装置１Ａでは、前記のように発電ユニットボックス１３の内部に突出した各回転軸１０の上端と発電機９の駆動軸９１とを動力伝達手段１２で連結し、動力伝達手段１２を介して各回転軸１０の回転力を発電機９の駆動軸９１に伝達することで、その駆動軸９１を回転させて発電を行うようになっている。

なお、この回転軸１０を安定に支持するために、ハウジング５の天板５Ｂと底板５Ｃの軸受孔ＢＨ等にボールベアリング等を取り付けることもできる。

＜異物振分け手段の詳細＞
異物振分け手段１１は、船首の如く先の尖った枠体１５（図１参照）を取水ボックス４の上部に設け、この枠体１５で取水口４１を漏れなく囲んだ構造であって、枠体１５の尖端１５Ａが越流堰３より上流に配置されるようになっている。

越流堰３の上流から流れてくる異物や水流の表面水は、枠体１５の尖端１５Ａで左右に振り分けられた後、枠体１５の側枠１５Ｂに沿って流れて越流堰３を越える。取水口４１は枠体１５で囲まれていているので、越流堰３上流からの異物が取水口４１に直接流れ込むことはない。

また、越流堰３の上流には金網１６が設けられており、この金網１６は、枠体１５の下部に取り付けられて越流堰３上流の中間水付近に水没し、中間水に含まれている枯葉や小枝などの異物を捕獲する。

＜小落差水力発電装置の動作説明＞
次に、上記の如く構成された小落差水力発電装置１Ａの動作について図１と図２を基に説明する。

図１のように、越流堰３に向かって流れてくる水流のうち、中間水だけが、枠体１５の下を潜って金網１６を通過し、越流堰３を越えて、取水口４１に取り込まれる。表面水は、越流堰３前方に位置する枠体１５の尖端１５Ａで左右に振り分けられ、越流堰３の両隅付近を越えて下方に落下し、下流に流れていく。

以上のように取水口４１に取り込まれた流水は、水流落下パイプ６内を落下し、ハウジング５の内水路５２に流入し、内水路５２の水車７を回転させる。そうすると、その水車７の回転力が回転軸１０と動力伝達手段１２を介して発電機９の駆動軸９１に伝達され、駆動軸９１が回転駆動されることで、発電が行われる。水車７を抜けた水流はハウジング５の排水口５２から下流に流出する。

この発電の原理は、越流堰３での小落差、より詳細には有効落差Ｈ（越流堰３を越える直前の水平な水面から越流堰３を越えた直後の水平な水面までの高さ）に比例した水の位置エネルギーを電気エネルギーに変換するものであるため、単位時間当たりの取水量の変化が小さければ、その発電量は、有効落差Ｈに略比例したものとなる。有効落差Ｈが大きいほど発電量は大きくなる。

ところで、雨等の影響により水路２が増水した場合は、越流堰３上流の水位上昇に応じて越流堰３下流の水位も上昇するので、有効落差Ｈは、殆ど変化せず、略同じと考えることができる。有効落差Ｈはその落差を保ったまま上方にシフトするだけである。

本小落差水力発電装置１Ａでは、水路２が増水したら、前記のような有効落差Ｈの上方シフトと同じように、発電ユニットボックス１３、フロート８、ハウジング５が全体的に一体となって上昇するので、これらと有効落差Ｈとの位置関係は変化せず、よって同じ有効落差Ｈで発電をすることができ、水路２が増水しても発電量が大幅に変化するような不具合はない。このことは、増水した水路２が元の水量に戻ったり、元の水量より少なくなったりした場合も同様である。

以上説明した本実施形態の小落差水力発電装置１Ａによると、フロート８の上面に発電機９が設置される構成を採用したため、発電機９はフロート８によって水上に浮上され、水中に完全に水没することはないから、発電機９のメンテナンス性に優れる。これに加えて、本装置１Ａでは、越流堰３の越流側壁面３Ａに取水ボックス４が取り付けられ、その下方にハウジング５が配置され、このハウジング５内に水車７が収容される構成を採用した。このため、水車７は越流堰３下流の浅い水中に配置されるから、水車７のメンテナンス性もよい。

また、本実施形態の小落差水力発電装置１Ａでは、取水ボックス４とハウジング５とに予め流水落下パイプ６の上下端６ｕ、６ｄを接続しておけば、後は、取水ボックス４を越流堰３の越流側壁面３Ａに取り付けるだけで、小落差水力発電装置１Ａの設置が完了する。その設置に当たり従来のように越流堰３に開口を穿孔する穿孔工事やそのための流水の迂回工事は不要であることから、小落差水力発電装置１Ａの設置に要する工期は短くて済むし、発電コストの低減も図れる。

図３は、請求項５に係る発明（第二の本発明）を適用した小落差水力発電装置の平面図、図４は図３のＣ−Ｃ断面図、図５は図３のＤ−Ｄ断面図、図６は図４のＢ−Ｂ平面図である。

＜小落差水力発電装置の構成概要＞
本小落差水力発電装置１Ｂは、図３、図４のように工業用若しくは農業用その他の用途の水路２や河川に設けられる既設または新設の水門ＷＧに設置され、その水門ＷＧのゲート板Ｇによって形成される水位の小落差を利用して発電を行なう小落差水力発電装置である。特に、本小落差水力発電装置１Ｂは、水門ＷＧのゲート板ＧＰが上下方向にスライドして開閉する方式に適用されるものである。

本小落差水力発電装置１Ｂは、ゲート板ＧＰの下流側壁面ＰＳに近づけて設置したハウジング５と、ハウジング５とゲート板ＧＰとの間に介挿されたプレート体１７と、ハウジング５内に回転可能に収容された一対の水車７と、前記水門ＷＧの固定部１８に取り付けた発電機９と、水車７の回転力を発電機９に伝達する回転軸１０とを備えて構成される。

ハウジング５は、図４と図６に示すように、ゲート板ＧＰの開時に該ゲート板ＧＰからの放流水を取水するための取水口５３と、ゲート板ＧＰの下流に向けて開口した排水口５１と、取水口５３と排水口５１とを結ぶ内水路５２とを有する。

プレート体１７は、図４から図６に示すように、前記ゲート板ＧＰ側から前記ハウジング５の取水口５３に向かって貫通する流水取込孔１７Ａを有し、この流水取込孔１７Ａを通じてゲート板ＧＰからの放流水の一部を当該ハウジング５の取水口５３へ流入させるようになっている。

一対の水車７は、図４と図６に示すように、ハウジング５の内水路５２に位置し、その内水路５２幅方向に並べて設置され、ハウジング５の内水路５２中心部を通過する水流によって回転する。

発電機９は、図４と図５に示すように、ゲート板ＧＰ前後いずれの水位よりも高い位置に設置され、回転軸１０を介して伝達される水車７の回転力によって発電を行う。

＜ハウジングの詳細構成＞
ハウジング５は、左右の側板５Ａ、天板５Ｂおよび底板５Ｃからなるとともに（図４と図６を参照）、正面と背面の両面が開口したボックス形状であって、そのボックスの背面の開口を取水口５３とし、当該ボックスの正面の開口を排水口５１とし、さらに当該ボックスの内側空間を内水路５２としたものである。このハウジング５は、図４のように水門下流の水路の底に設けた基礎コンクリート１８に、アンカーボルト１９等で固定される。また、図４と図６に示すように、内水路５２の入口付近（取水口５３から内水路５２に所定量入った範囲）は、その開口面積が取水口５３から下流に向かって徐々に減少するように形成してある。これは、水の流路を狭めることで、内水路５２内を圧力管状態とし、ベルヌーイの法則に基づいて損失水頭（抵抗）を極力増加させることなく、水の流速を増加させ、増速した水流で水車７を効率よく回転させるようにしたものである。

＜プレート体の詳細構成＞
プレート体１７については、図４のようにハウジング５の正面に取り付けられることで、水門ＷＧのゲート板ＧＰとハウジング５との間に配置固定されるようにすることができる。また、水門ＷＧより下流の水路２の両側壁に前記プレート体１７を固定するための図示しない溝を設けるとともに、この溝にプレート体１７の両側部を嵌め込むことで、当該プレート体１７は、水門ＷＧのゲート板ＧＰとハウジング５との間に配置固定されるようにしてもよい。また、このプレート体１７は流水取込孔１７Ａを中心として２分割されたものであってもよい。

プレート体１７の流水取込孔１７Ａは、図５のように、プレート体１７の中央付近に開設される。また、この流水取込孔１７とは別に、当該プレート体１７には汚泥排出孔１７Ｂが設けられている。汚泥排出孔１７Ｂは、流水取込孔１７Ａの両側で、かつ、その流水取込孔１７Ａより少し低い位置に設けてある。

水門ＷＧ上流の水路２には時間の経過とともに汚泥が堆積するが、この堆積した汚泥は、水門ＷＧのゲート板ＧＰの開時に、前記プレート体１７の汚泥排出孔１７Ｂを通じて、当該水門ＷＧの下流にスムーズに排出される。

＜一対の水車の詳細構成＞
一対の水車７の詳細構成、すなわち、各水車７は、円周部に放射状に配置された複数の羽根部７１を備え、これらの羽根部７１で水流を受けて回転すること、および、内水路５２中心部の両側に一対の水車７を対向させて配置し、それぞれの水車７の羽根部７１の先端側に内水路５２中心部の最も強い水流が当たるようにしていることなどは、先に説明した実施形態の水車７と同様であり、その詳細説明は省略する。

＜発電機の詳細構成＞
発電機９は、図４と図５に示すように、発電に必要な動力を発電機に伝達するプーリー１２Ａやベルト１２Ｂ等の動力伝達手段１２と一緒に一つの発電ユニットボックス１３に収容して、水門ＷＧの固定部１８に取り付けられる。この固定部１８はゲート板ＧＰによって形成される水位より高い位置にあればよい。本小落差水力発電装置１Ｂでは、水門ＷＧの支柱Ｐに支持フレームＦを水平に取り付け、支持フレームＦの上に前記発電ユニットボックス１３を設置することで、発電機９は常に当該水位より高い位置に配置されるようにした。

＜回転軸の詳細構成＞
本小落差水力発電装置１Ｂでも回転軸１０は一対の水車７に対して一つずつ設けられている。各回転軸１０は、それぞれの水車７の回転中心に一体に取り付けられて、ハウジング５の内水路５２の水深方向（鉛直方向）に起立した姿勢になっている（図４と図５参照）。

各回転軸１０の上端は、図４のようにハウジング５の天板５Ｂを貫いて上方に長く延び、更に発電ユニットボックス１３の底板１３Ａを貫通して、発電ユニットボックス１３の内部に突出するように設けている。

そして、本小落差水力発電装置１Ｂでも、前記のように発電ユニットボックス１３の内部に突出した各回転軸１０の上端と発電機９の駆動軸とを動力伝達手段１２によって連結し、動力伝達手段１２を介して各回転軸１０の回転力を発電機９の駆動軸に伝達することで、その駆動軸を回転させて発電を行うようになっている。

＜小落差水力発電装置の動作説明＞
次に、上記の如く構成された小落差水力発電装置１Ｂの動作について図４と図６を基に説明する。

本小落差水力発電装置１Ｂによって発電を行うときは、水門ＷＧのゲート板ＧＰを図４の高さまで上昇して開とし、水門ＷＧからの放流を行う。このとき、プレート体１７の流水取込孔１７Ａは全開になっていて、ゲート板ＧＰ下部の隙間から流出した放流水の一部は、発電用の水流として、プレート体１７の流水取込孔１７Ａを通じてハウジングの取水口に流入し取り込まれる。取り込まれた流水はハウジング５の内水路５２を流れ、水車７を回転させる。この水車７の回転力が回転軸１０と動力伝達手段１２を介して発電機９の駆動軸９１に伝達され、当該駆動軸９１が回転駆動されることで、発電が行われる。なお、水車７を抜けた水流はハウジング５の排水口５２から下流に放流される。

この発電の原理は、水門ＷＧのゲート板ＧＰによって形成される小落差、より詳細には有効落差Ｈ（水門ＷＧ上流の水平な水面からハウジング５の取水口５３若しくはプレート体の流水取込口１７Ａの開口高さ）に比例した水の位置エネルギーを電気エネルギーに変換するものであるため、単位時間当たりの取水量の変化が小さければ、その発電量は、有効落差Ｈに略比例したものとなる。有効落差Ｈが大きいほど発電量は大きくなる。

水門ＷＧのゲート板ＧＰを図４の位置から水路２の底まで下降させると、プレート体１７の流水取込孔１７Ａはゲート板ＧＰによって塞がれ、ハウジング５の取水口５３は閉じられた状態になり、ハウジング５の内水路５２に流れ込む水流はなくなるので、水車７は回転せず、発電は行われなくなる。

再び水門ＷＧのゲート板ＧＰを図４の高さまで上昇させれば、発電が再開し、同じ電力が得られる。なお、発電を停止してから再開するまでの間に水門ＷＧ上流の水路２に汚泥が堆積した場合、この汚泥は、水門ＷＧのゲート板ＧＰの開時に、プレート体１７の汚泥排出孔１７Ｂから水門ＷＧの下流に排出される。

以上説明した本実施形態の小落差水力発電装置１Ｂによると、水門ＷＧのゲート板ＧＰによって形成される水位より高い位置にある当該水門ＷＧの固定部１８に、発電機９が設置される構成を採用した。このため、発電機９は水上より高い位置にあり、水中に完全に水没することはないから、発電機９のメンテナンス性に優れる。これに加えて本装置１Ｂでは、水門ＧＷのゲート板ＧＰの下流側壁面ＰＳに近づけてハウジング５が設置され、このハウジング５内に水車７が収容される構成を採用した。このため、水門ＷＧのゲート板ＧＰを閉じてしまえば、ゲート板ＧＰ下流への放流水はなくなり、ハウジング５は完全に空気中に露出するから、当該水車７のメンテナンス性もよい。

また、本小落差水力発電装置１Ｂでは、ゲート板ＧＰの下流側壁面ＰＳに近づけてハウジング５を設置したり、そのハウジング５とゲート板ＧＰとの間にプレート体１７を介挿したりする等、簡単な作業で小落差水力発電装置１Ｂの設置が完了し、これもまた従来のような穿孔工事や迂回工事は不要であることから、小落差水力発電装置１Ｂの設置に要する工期は短くて済むし、発電コストの低減も図れる。

請求項１に係る発明（第一の本発明）を適用した小落差水力発電装置の一部破断平面図。 図１のＢ−Ｂ線断面図。 請求項５に係る発明（第二の本発明）を適用した小落差水力発電装置の一部破段平面図。 図３のＣ−Ｃ断面図。 図３のＤ−Ｄ断面図。 図４のＢ−Ｂ平面図。

符号の説明

１ 小落差水力発電装置
２ 水路
３ 越流堰
３Ａ 越流側壁面
４ 取水ボックス
４Ａ 前板
４Ｂ 背板
４Ｃ 側板
４Ｄ 底板
４１ 取水口
４２ 内水路
４３ 接続パイプ
４４ 設置板
５ ハウジング
５Ａ 側板
５Ｂ 天板
５Ｃ 底板
５１ 排水口
５２ 内水路
６ 流水落下パイプ
６１ 蛇腹部
６ｕ 流水落下パイプの上端
６ｄ 流水落下パイプの下端
７ 水車
７１ 羽根部
８ フロート
８１ 装着孔
８２ 足部
９ 発電機
９１ 駆動軸
１０ 回転軸
１１ 異物振分け手段
１２Ａ プーリー
１２Ｂ ベルト
１２ 動力伝達手段
１３ 発電ユニットボックス
１３Ａ 底板
１４ 連結筒
１５ 枠体
１５Ａ 枠体の尖端
１５Ｂ 枠体の側枠
１６ 金網
１７ プレート体
１７Ａ 流水取込孔
１７Ｂ 汚泥排出孔
ＢＨ 軸受孔
ＧＰ ゲート板
Ｈ 有効落差（小落差）
ＰＳ ゲート板の下流側壁面
ＷＧ 水門

Claims (8)

1. 越流堰によって形成される水位の小落差を利用して発電を行なう小落差水力発電装置であって、
   前記越流堰の越流側壁面に取り付けられる取水ボックスと、
   前記取水ボックスの下方に配置されるハウジングと、
   前記取水ボックスと前記ハウジングに上下端を接続した伸縮自在な流水落下パイプと、
   前記ハウジング内に回転可能に収容された一対の水車と、
   前記ハウジングの上部に取り付けられたフロートと、
   前記フロートの上面に設置された発電機と、
   前記水車の回転中心に取り付けられて当該水車の回転力を前記発電機に伝達する回転軸と、を備えてなり、
   前記取水ボックスは、前記越流堰からの越流水を取水するための取水口と、この取水口と前記流水落下パイプの上端とを結ぶ内水路とを有し、
   前記ハウジングは、前記越流堰の下流に向けて開口した排水口と、この排水口と前記流水落下パイプの下端とを結ぶ内水路とを具備し、
   前記一対の水車は、前記ハウジングの内水路に位置し、その内水路幅方向に並べて設置され、当該ハウジングの内水路中心部を通過する水流によって回転し、
   前記発電機は、前記回転軸を介して伝達される前記水車の回転力によって発電を行うこと
   を特徴とする小落差水力発電装置。
2. 前記流水落下パイプは、その一部に設けた蛇腹部によって上下方向に伸縮自在に形成されるとともに、その蛇腹部がフロートの上下動に応じて伸縮することにより、フロートとハウジングの位置変化を吸収すること
   を特徴とする請求項１に記載の小落差水力発電装置。
3. 前記小落差水力発電装置は、更に、
   前記越流堰の上流側から流れてくる枯葉やゴミなどの異物を前記取水口の前方で左右に振り分けて流す異物振分け手段を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の小落差水力発電装置。
4. 前記異物振分け手段は、
   船首のように先の尖った枠体を前記取水ボックスの上部に設け、この枠体で前記取水口を漏れなく囲んだ構造であって、その枠体の尖端が前記越流堰より上流に配置されるようになっていること
   を特徴とする請求項３に記載の小落差水力発電装置。
5. 水門のゲート板によって形成される水位の小落差を利用して発電を行なう小落差水力発電装置であって、
   前記小落差水力発電装置は、
   前記ゲート板の下流側壁面に近づけて設置したハウジングと、
   前記ハウジングと前記ゲート板との間に介挿されたプレート体と、
   前記ハウジング内に回転可能に収容された一対の水車と、
   前記水門の固定部に取り付けた発電機と、
   前記水車の回転中心に取り付けられて当該水車の回転力を前記発電機に伝達する回転軸と、を備えてなり、
   前記ハウジングは、前記ゲート板の開時に該ゲート板からの放流水を取水するための取水口と、前記ゲート板の下流に向けて開口した排水口と、前記取水口と前記排水口とを結ぶ内水路とを有し、
   前記プレート体は、前記ゲート板側から前記ハウジングの取水口に向かって貫通する流水取込孔を有し、この流水取込孔を通じて前記ゲート板からの放流水の一部を当該ハウジングの取水口へ流入させ、
   前記一対の水車は、前記ハウジングの内水路に位置し、その内水路幅方向に並べて設置され、当該ハウジングの内水路中心部を通過する水流によって回転し、
   前記発電機は、前記ゲート板前後いずれの水位よりも高い位置に設置され、前記回転軸を介して伝達される前記水車の回転力によって発電を行うこと
   を特徴とする小落差水力発電装置。
6. 前記水門は、そのゲート板が上下方向にスライドして開閉し、
   前記ゲート板の開時に、該ゲート板下部の隙間から流出した放流水の一部が、発電用の水流として、前記プレート体の流水取込孔を通じて前記ハウジングの取水口に流入し取り込まれること
   を特徴とする請求項５に記載の小落差水力発電装置。
7. 前記水門はスルースゲートまたはローラーゲートからなること
   を特徴とする請求項５又は６に記載の小落差水力発電装置。
8. 前記プレート体は、前記流水取込孔より低い位置に、前記ゲート板側から該ゲート板の下流に向かって貫通する汚泥排出孔を備え、
   前記ゲート板の開時に、前記水門の上流に沈殿し堆積している汚泥が、前記汚泥排出孔を通じて、当該水門の下流に排出されること
   を特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の小落差水力発電装置。

Images