JP2009127427A - 発電用水車および発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水深が１００ｍｍから２００ｍｍと浅く小水量の河川や農業用水、都市下水路を活用することができるうえ、増水時に押し流される等の事故を防止することができる発電用水車およびそれを用いた発電装置を提供する。
【解決手段】水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水車翼が配置された発電用水車であって、前記水平軸を固定する水車固定枠が、水平に配置された回転軸を中心として旋回するスイングアームであることを特徴とする発電用水車およびそれを用いた発電装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電用水車およびそれを用いた発電装置に関する。

具体的には、水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水車翼が配置された発電用水車およびそれを用いた発電装置に関する。

日本国内には農業用水路が４０万ｋｍ有りその他の用水路を加えると莫大な長さの水の流れが有り、その流水エネルギーの一部が発電用に用いられている。

しかし、農業用水路は季節により７ヶ月は水位が下がり水深は５００ｍｍ以下０若しくは５０ｍｍ程度になり、この状況下で用水路や下水路の有効活用が必要とされているが、一般的には効果的な発電は望めないため、水深の浅い状況でも効果的に発電できる方法が求められている。

小水力発電の分野において、従来は河川の水を貯め落差を作り直線翼水平軸型水車として製粉や揚水システムとして、千年以上の昔から広く一般に使用されている、これらの多くは、水車の製法技術に起因することで、木製の平板を水車翼にした、非常に効率の悪いものであった。

近年CO²の削減や、とりわけ自然エネルギーの活用が求められる中、旧来の方法に取り組むところも出てきた。しかしながら、簡単に作れる反面非常に効率の悪いものであり、改善が必要であった。

日本国内の河川の利用は無論のこと、特に管理された農業用水は40万ｋｍ現有し市街地における下水路の活用が期待される、しかしながら一般的な用水路は水深が浅く、流速も低いことから活用が難しい状況にある。

低水位、小水量では一般的には、溜池を造り落差をつけて発電するのが通常の考えであり、それに伴う土木工事など多額の費用が必要であり、採算性が悪く現実性に乏しい。

そこで例えば、下記特許文献１には、水車の回転抵抗を調整することにより上流側水位を調整可能にして底部に土砂や流芥が溜まることなく良好な流れを保持する水車式ゲート装置が提案されている。

しかし、この特許文献１に用いられている水車翼は従来の平板型であるため、回転推力が小さく、実用的でなかった。

また、水路は集中豪雨又一般的な雨によっても水位や流速が一挙に２倍から５倍に増水増速して水車が押し流されるという事故が発生することがあり、従来の技術では対応できなかった。

なお、固定された水車では、水門を設け水量調節を行わなければ、電力使用側の負荷電力の変動に対して、対応できなかった。
これは用水路の改造など土木工事を伴い実用的ではなかった。
特開２００３−２１３６５７号公報

そこで本発明は、水深が１００ｍｍから２００ｍｍと浅く小水量の河川や農業用水、都市下水路を活用することができるうえ、増水時に押し流される等の事故を防止することができる発電用水車およびそれを用いた発電装置を提供することを課題とする。

（１）水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水車翼が配置された発電用水車であって、前記水平軸を固定する水車固定枠が、水平に配置された回転軸を中心として旋回するスイングアームであることを特徴とする発電用水車
（２）前記スイングアームの最大旋回角Φmaxが常用位置から片側に４５度〜９０度であることを特徴とする（１）に記載の発電用水車。
（３）流水に対し水車がスイングすることで、発電量を調整し電力負荷の変動に対応することを特徴とする（１）または（２）に記載の発電用水車。
（４）前記水車翼が団扇型またはクロスフロー型であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の発電用水車。
（５）前記水車固定枠に発電機が一体として組み込まれていることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の発電用水車。
（６）（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の発電用水車を用いた発電装置であって、前記発電用水車を設置する水路の上流側の底部に、該底部に対する傾斜角θが１５度〜４０度の集水ガイドを設置することを特徴とする発電装置。
＜作用＞
（１）の発明によれば、水平軸を固定する水車固定枠を、水平に配置された回転軸を中心として旋回するスイングアームとすることにより、増水時に水圧によって水車固定枠がスイングして水の抵抗を回避することができるので水車が押し流される事故を防止することができる。
（２）の発明によれば、スイングアームの最大旋回角Φmaxを常用位置から片側に４５度〜９０度とすることにより、水量が通常の５倍程度に増水しても水車が押し流されることがない上、水車のメインテナンスを行う際に水車を水面上に引き上げて作業することができるので保守作業が容易である。
（３）の発明によれば、流水に対し水車がスイングすることで、発電量を調整し電力負荷の変動に対応することができる。
（４）の発明によれば、水車翼が団扇型またはクロスフロー型とすることにより汎用性のある水車を実現することができる。
（５）の発明によれば、水車固定枠に発電機が一体として組み込まれているので、あらかじめ工場にて発電機を水車固定枠に取り付けることができるので、現場での設置作業を容易にすることができる。
（６）の発明によれば、発電用水車を設置する水路の上流側の底部に、該底部に対する傾斜角θが１５度〜４０度の集水ガイドを設置することにより、少量の水を水路の中央に集めて発電効率を向上させることができる上、水圧により集水ガイドを水路の底に押し付けることにより集水ガイドが流水によって押し流されることを防止することができる。

本発明によれば、水深が１００ｍｍから２００ｍｍと浅く小水量の河川や農業用水、都市下水路を活用することができるうえ、増水時に押し流される等の事故を防止することができる発電用水車およびそれを用いた発電装置を提供することができ、具体的には下記のような産業上有用な著しい効果を奏する。
・ 増水時に水圧によって水車固定枠がスイングして水の抵抗を回避することができる。
・ 流水量が豊富な水路の場合は、発電水車を安全に作動させると同時に負荷側の電力使用量の変化に対応してスイングさせることで、発電量を増減する調整ができる。
3) 水量が通常の５倍程度に増水しても水車が押し流されることがない上、水車のメインテナンスを行う際に水車を水面上に引き上げて作業することができる。
4) 汎用性のある水車を実現することができる。
5) あらかじめ工場にて発電機を水車固定枠に取り付けることができるので、現場での設置作業を容易にすることができる。
6) 少量の水を水路の中央に集めて発電効率を向上させることができる上、水圧により集水ガイドを水路の底に押し付けることにより集水ガイドが流水によって押し流されることを防止することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図１乃至図３を用いて詳細に説明する。

図1乃至図３において、１は水車、２は発電機、３は固定架台、４は 水車固定枠（スイングアーム）、５は水路外基礎、６は回転軸、７は集水ガイド、８は水平軸、Φは水車固定枠の旋回角、Φmaxは水車固定枠の最大旋回角、θは集水ガイドの傾斜角を示し、同じ要素には同じ符号を用いることにより重複した説明を避ける。

図１は、従来の発電用水車を例示する図である。

図１に示す従来の発電用水車は、一般的な低水位、小水量での河川、用水により発電する水車であって、水を貯め落差を作り例えば直線翼水平軸型水車が用いられており、水平軸8を中心とする円周上に２枚以上の水車翼が配置された発電用水車を水路に設置し、水路を流れる水流エネルギーもしくは上掛け水の落下エネルギーによって水車を回転させて発電機２を駆動させて発電を行うことができ、上掛け水車の場合は設置場所が限定される、又は落差を確保する為遠距離の導水管の施工が必要となる。

しかし、水路は集中豪雨や夕立などの一般的な雨によっても水位や流速が一挙に２倍から５倍に増水増速し水車が押し流されて破壊される事故が発生することがあった。

図２は、本発明の発電用水車およびそれを用いた発電装置の実施形態を例示する図である。

本発明の発電用水車は、図１に示すように、水平軸８を中心とする円周上に２枚以上の水車翼が配置された発電用水車であって、前記水平軸８を固定する水車固定枠４が、水平に配置された回転軸６を中心として旋回するスイングアームであることを特徴とする。

この発明によれば、水平軸8を固定する水車固定枠４を、水平に配置された回転軸6を中心として旋回するスイングアームとすることにより、増水時に水圧によって水車固定枠が振り子のようにスイングして水の抵抗を回避することができるので水車が押し流される事故を防止することができる。

前記スイングアームの最大旋回角Φmaxは常用位置から片側に４５度〜９０度とすることが好ましい。

スイングアームの最大旋回角Φmaxを常用位置から片側に４５度〜９０度とすることにより、水量が通常の２倍〜５倍程度に増水しても水車が水圧によりスイングして水の衝撃を緩和することができるので押し流されることがない上、水車のメインテナンスを行う際に水車を水面上に引き上げて作業することができるので保守作業が容易である。

このΦmaxが４５度未満では、水路が通常の５倍程度に増水した場合水車を水の抵抗から回避できなくなる一方、Φmaxが９０度を越えても既に水車を水面上に引き上げられているのでそれ以上持ち上げる必要がないからである。

また、本発明に用いる水車翼は汎用性および翼性能の観点から、翼が曲面形状を有する団扇型、または、翼が直線状のクロスフロー型であることが好ましい。

また、図２に示すように、前記水車固定枠４に発電機２が一体として組み込まれていることにより、あらかじめ工場にて発電機２を水車固定枠４に取り付けることができるので、現場での設置作業を容易にすることができる。

なお、水車固定枠４は、回転軸６を介して固定架台３に回転自在に固定されており、この固定架台３は、水路外基礎５により地面に設置されている。

図３は、本発明に用いる流水ガイドの実施形態を例示する図であり、図３（a）は平面図、図３（b）は正面図である。

落差の少ない水路や、水量の少ない条件で発電する為には、堰を作り水をため落差と水流流速を増やすのが基本条件になるが、既存の水路を改築したり土木工事を行ったりすることは、費用や水利権など規制が多く現実には難しいのが実態である。

そこで、前述の発電用水車を用いた発電装置として、発電用水車を設置する水路の上流側の底部に、図３（c）のＡＢ断面における水路の底部に対する傾斜角θが１５度〜４０度の集水ガイドを設置することにより、少量の水を水路の中央に集めて発電効率を向上させることができる上、水圧により集水ガイドを水路の底に押し付けることにより集水ガイドが流水によって押し流される事故を防止することができる。

この方法によれば大幅な工事を行うのでは無く、鋼製のガイドを水路の底部に沈める事で解決することができ、平常時１００ｍｍ程度の水位を２００ｍｍにガイドでかさ上げできる。

水路は夕立や豪雨では短時間に増水し６００ｍｍの水位になることは希ではなく、平常時の流速は０．２〜０．５ｍ／secであるが増水時は２ｍ〜３ｍ／secの濁流になる。

この条件下では水力発電の装置、及び集水ガイドは破壊され押し流される事故になるので装置を引き上げなければならない。

そこで、集水ガイド7により、少ない水の流れを集水して使用し、且つ増水時に下水路や用水路の機能を阻害する事無く集水し流速を早めることのできる水路の底部に対する傾斜角が１５度〜４０度の集水ガイドを設置する。

集水ガイドの傾斜角が角度が１５度未満では、集水能力と水圧により集水ガイドを水路の底部に押し付ける力が不足する一方で、傾斜角が４５度を超えると増水時にガイドが流される可能性があるからである。

なお、増水時は流水が集水ガイド7を乗り越えるので支障はない。

図１および図２に示す本発明の発電用水車および発電装置を下記条件にて水流発電に適用したところ水深が１００ｍｍの水路にて効率よく発電することができ、本発明の効果が確認された。
＜実施条件＞
・ 水車の半径ｒ：１２００ｍｍ
・ 水車の浸漬深さ：３００ｍｍ
・ 直線翼枚数：８枚（クロスフロー型)
・ 翼弦長Ｌ：長辺２５０ｍｍ×短辺１５０ｍｍ
・ 翼最大幅Ｗ：８５ｍｍ
・ スイングアームの最大旋回角Φmax：６０度
・ 集水ガイドの傾斜角θ：３０度

従来の発電用水車を例示する図である。 本発明の発電用水車およびそれを用いた発電装置の実施形態を例示する図である。 本発明に用いる流水ガイドの実施形態を例示する図である。

符号の説明

１ 水車
２ 発電機
３ 固定架台
４ 水車固定枠（スイングアーム)
５ 水路外基礎
６ 回転軸
７ 集水ガイド
８ 水平軸
Φ 水車固定枠の旋回角
Φmax水車固定枠の最大旋回角
θ 集水ガイドの傾斜角

Claims (6)

1. 水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水車翼が配置された発電用水車であって、前記水平軸を固定する水車固定枠が、水平に配置された回転軸を中心として旋回するスイングアームであることを特徴とする発電用水車
2. 前記スイングアームの最大旋回角Φmaxが常用位置から片側に４５度〜９０度であることを特徴とする請求項１に記載の発電用水車。
3. 流水に対し水車がスイングすることで、発電量を調整し電力負荷の変動に対応することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電用水車。
4. 前記水車翼が団扇型またはクロスフロー型であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発電用水車。
5. 前記水車固定枠に発電機が一体として組み込まれていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発電用水車。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の発電用水車を用いた発電装置であって、前記発電用水車を設置する水路の上流側の底部に、該底部に対する傾斜角θが１５度〜４０度の集水ガイドを設置することを特徴とする発電装置。

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