JP2013015089A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】落差の少ない河川でも、水車の羽根部を効果的に押圧して発電効率を向上させることができる水力発電装置を得る。
【解決手段】第一流水路４８は鉛直方向に対して傾斜しているため、小さい落差で大きな水車２２を回すことができる。また、側面視で、側壁１００の上斜辺１００Ａは、底板１０２に最も近づいた羽根部７２における基部７２Ｂと重なる。これにより、第一流水路４８を流れる水は、羽根部７２の基部７２Ｂより回転軸７０側には流れない。このため、落差の少ない河川でも、水車２２の羽根部７２を効果的に押圧して発電効率を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、流れる水の力を利用して電力を発生する水力発電装置に関する。

特許文献１には、流れる水の力（水力）を利用して電力を発生する発電設備が記載されている。そして、この発電設備には、流れる水に押圧されることで回転軸回りに回転する水車と、この水車に流れる水を導く流水路とが設けられている。

詳細には、水車の外周側には、板状の羽根部が設けられ、この羽根部が水に押されることで水車が回るようになっている。また、流水路は水平方向に延びて設けられ、この流水路の側壁の上端部に水車の回転軸が支持されている。

特開昭５３−６４８５０号公報

従来の構成では、流水路の側壁の上端部に水車の回転軸が支持されているため、流水路を流れる水量が多いときは、回転軸に対して羽根部を支持する支持部材が水に浸かる。これが抵抗となることで水車の回転速度が遅くなって発電効率が低下してしまうことが考えられる。

本発明の課題は、落差の少ない河川でも、水車の羽根部を効果的に押圧して発電効率を向上させることである。

本発明の請求項１に係る水力発電装置は、流れる水に当って押圧される複数個の羽根部を外周側に備えると共に、前記羽根部が流れる水に押圧されることで回転軸回りに回転する水車と、前記水車の回転に伴い電力を発生する発電機と、前記羽根部に水を導くと共に、傾斜して設けられ、前記羽根部における基部よりも前記回転軸側に水が流れないように深さが決められた凹状の第一流水路と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、水車の羽根部に水を導く第一流水路は、傾斜して設けられ、羽根部における基部よりも回転軸側に水が流れないように深さが決められた凹状に形成されている。このため、落差の少ない河川でも、水車の羽根部を効果的に押圧して発電効率を向上させることができる。

本発明の請求項２に係る水力発電装置は、請求項１記載において、前記第一流水路は、第一側壁と、前記水車を挟んで第一側壁の反対側に設けられる第二側壁と、前記第一側壁の底辺と前記第二側壁の底辺とを連結させる底板と、を備え、前記第一側壁及び前記第二側壁の少なくとも一方の上斜辺は、前記回転軸の軸方向から見て最も前記底板に近づいた前記羽根部の前記基部と重なる又は前記羽根部と交差することを特徴とする。

上記構成によれば、第一側壁及び第二側壁の少なくとも一方の上斜辺は、回転軸の軸方向から見て最も底板に近づいた羽根部の基部と重なる又は羽根部と交差するように設けられている。このため、効果的に、羽根部における基部よりも回転軸側に水が流れるのが抑制される。

これにより、羽根部の基部より回転軸側に備えられた水車を構成する部材と水とが当ることで水車が回転するのを妨げるような抵抗の発生が抑制される。このため、水車の羽根部を効果的に押圧して発電効率を向上させることができる。

本発明の請求項３に係る水力発電装置は、請求項１又は２に記載において、前記第一流水路に並列して設けられる第二流水路と、流れる水を前記第一流水路及び前記第二流水路に導く導入流水路と、前記第一流水路の流入口に設けられ、前記導入流水路から前記第一流水路に流れ込む水の量を調整する第一調整部材と、前記第二流水路の流入口に設けられ、前記導入流水路から前記第二流水路に流れ込む水の量を調整する第二調整部材と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、第一流水路及び第二流水路を設け、夫々の流入口に第一調整部材及び第二調整部材を設置することで、導入流水路に導かれた水から必要な水量だけを第一流水路に流すことができる。

本発明の請求項４に係る水力発電装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載において、前記導入流水路の導入口には、前記導入流水路の導入口を開閉して前記導入流水路に流れ込む水の量を調整する第三調整部材が設けられ、平面視にて、前記導入口の導入面は、前記第一流水路の長手方向に対して傾斜していることを特徴とする。

上記構成によれば、導入流水路の導入口を開閉して導入流水路に流れ込む水の量を調整する第三調整部材を設けることで、適量の水が導入流水路に導かれる。

また、平面視にて、導入口の導入面は、第一流水路の長手方向に対して傾斜しているため、第三調整部材で堰き止められた異物が傾斜方向に流れる。これにより、第三調整部材で堰き止められた状態で異物が滞留するのを抑制することができる。

本発明の請求項５に係る水力発電装置は、請求項１〜４の何れか１項に記載において、前記回転軸の軸方向から見て前記羽根部には、押圧する水を取り込むように凹部が設けられることを特徴とする。

上記構成によれば、羽根部には、押圧する水を取り込むように凹部が設けられているため、水車の回転軸に大きなトルクを生じさせることができる。

本発明によれば、落差の少ない河川でも、羽根部を効果的に押圧して発電効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る水力発電装置を示した斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る水力発電装置を示した斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る水力発電装置を示した側面図である。 本発明の第１実施形態に係る水力発電装置を示した平面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第１実施形態に係る水力発電装置に用いられた水車の羽根部及び第一流路の側壁を示した側面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第１実施形態に係る水力発電装置に用いられた調整部材を示した斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第１実施形態に係る水力発電装置に用いられた調整部材を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る水力発電装置に用いられた水車の羽根部及び第一流路の側壁を示した側面図である。 本発明の第３実施形態に係る水力発電装置に用いられた水車の羽根部及び第一流路の側壁を示した側面図である。

本発明の第１実施形態に係る水力発電装置の一例について図１〜図７に従って説明する。なお、図中の矢印ＵＰは、鉛直方向上方を示す。

（全体構成）
図１、図２に示されるように、本実施形態に係る水力発電装置１０は、河川１２の一方の土手１４に接するように設置されている。

河川１２における水の流れは、川上から川下への方向（矢印Ａ方向：以下流水方向と記載する。）にながれており、河川１２には、落差による水の力（運動エネルギー）を利用するためにダム１６が設けられている。これにより、本実施形態では、一例として４〜５ｍ（図１に示すＢ寸法）の落差が生じるようになっている。

（水力発電装置）
水力発電装置１０は、所謂ユニット化されており、水が流れる水路部２０と、流れる水の力を受けて回転する水車２２を備える水車部２４と、水車２２の回転により電力を生じさせる発電部２６とを備えている。

<水車部>
先ず、水車部２４について説明する。

図１、図２、図３に示されるように、水車部２４に備えられた水車２２は、強化プラスチック等で作成され、ダム１６に対して川下側に配置されている。そして、図４に示されるように、川上から川下に向って水車２２が回転するように、水車２２の回転軸７０は、平面視で（鉛直方向上方から見て）、流水方向に対して直交する方向に延びている。

さらに、水車２２には、流れる水に当って押圧される複数個の羽根部７２が外周側に所定間隔で備えられ、この羽根部７２は、羽根部７２を支持する輪板部材７８によって回転軸７０に支持されている。この構成により、羽根部７２が流れる水に押圧されることで水車２２は回転軸７０回りに回転するようになっている。

図３に示されるように、羽根部７２には、回転軸７０の軸方向から見る側面視で（平面視において流水方向に対して直交する方向から見て）、押圧する水を取り込むように凹部７４が設けられている。具体的には、板部材を折り曲げて形成された羽根部７２には、水に押圧された状態で、川下側に凸となる屈曲部７２Ａが側面視で中央側に形成されている。このように、屈曲部７２Ａを羽根部７２に設けることで、押圧する水を取り込むように凹部７４が形成されるようになっている。

また、図１、図２に示されるように、水車部２４には、水車２２の回転軸７０を回転可能に支持する支持フレーム７６が設けられている。具体的には、支持フレーム７６は、水車２２を挟むように２個設けられている。そして、支持フレーム７６の基端部（下端部）は後述する排出部３２の底板９４に固定され、支持フレーム７６の先端部（上端側）で回転軸７０を支持するようになっている。

<発電部>
次に、発電部２６について説明する。

図１、図４に示されるように、水車２２の回転軸７０には、発電部２６を構成する発電機８０が固定されている。具体的には、水車２２を挟んで、外側に延びる回転軸７０の先端側に発電機８０が夫々固定され、回転軸７０が回転することで、この発電機８０が電力を生じさせるようになっている。

さらに、発電機８０によって生じた電力を外部に伝達する電線（図示省略）が設けられている。

<水路>
次に、水路部２０について説明する。

水路部２０には、ダム１６に対して川上側に設けられると共に、河川の水を水力発電装置１０に導く導入部２８と、ダム１６の壁面１６Ａに設けられた傾斜部３０と、ダム１６に対して川下側に設けられると共に、傾斜部３０を流れてきた水を河川に排出する排出部３２とが設けられている。

図１、図２、図４に示されるように、導入部２８には、土手１４側に設置されて流水方向に延びる側壁３４と、側壁３４に対して対向して設置される側壁３６と、側壁３４の底辺と側壁３６の底辺とを連結させる底板３８とを備えた導入流水路４０がコンクリートにより形成されて設けられている。

さらに、導入流水路４０の川上側の端部には、河川１２を流れる水を受け入れる導入口４２が設けられている。

平面視で（鉛直方向上方から見て）、導入口４２の導入面４２Ａは、流水方向（後述する第一流水路４８の長手方向と同一方向）に対して傾斜（本実施形態では、一例として傾斜角度は４５度）している（図４参照）。さらに、図２に示されるように、導入口４２には、導入口４２を開閉して導入流水路４０に流れ込む水の量を調整する第三調整部材の一例としての調整部材５２が設けられている。

この調整部材５２は、流れる水が通過する複数個のルーバー４４と、ルーバー４４と図示せぬ機構で連結されてルーバー４４の開閉度合いを調整するハンドル４６とを備えている。

図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示されるように、ハンドル４６を矢印に示すように正逆方向に回転させることで、ルーバー４４が回転移動して、ルーバー４４が開放（図６（Ａ）参照）又は閉止（図６（Ｃ）参照）するようになっている。

一方、図３に示されるように、導入部２８に対して川下側に設けられた傾斜部３０は、側面視で、鉛直方向に対して一例として４５度傾斜している。さらに、図４に示されるように、傾斜部３０には、水車２２に水を導く第一流水路４８が、平面視で流水方向に延びて設けられている。また、第一流水路４８の隣り（並列して）には、第一流水路４８に沿って延びると共に、水車２２とは異なる場所に水を導く第二流水路５０が設けられている。

なお、第一流水路４８及び第二流水路５０の構成、並びに第一流水路４８と水車２２の羽根部７２との関係については、詳細を後述する。

図４に示されるように、第一流水路４８の流入口には、導入流水路４０から第一流水路４８に流れ込む水量を調整する第一調整部材５４が設けられている。同様に、第二流水路５０の流入口には、導入流水路４０から第二流水路５０に流れ込む水量を調整する第二調整部材５６が設けられている。

図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示されるように、第一調整部材５４には、上下動可能に支持されて、第一流水路４８の流入口を拡大又は縮小する開閉板５８と、ボールネジ機構を含む駆動機構６０を介して開閉板５８に連結されて開閉板５８を上下動させるハンドル６２とが備えられている。

同様に、第二調整部材５６には、上下動可能に支持されて、第二流水路５０の流入口を拡大又は縮小する開閉板６４と、ボールネジ機構を含む駆動機構６６を介して開閉板６４に連結されて開閉板６４を上下動させるハンドル６８とが備えられている。

この構成により、図７（Ａ）に示されるように、第一流水路４８と第二流水路５０とを流れる水量を同等にする場合には、ハンドル６２及びハンドル６８を回して開閉板５８及び開閉板６４を移動させ、第一流水路４８の流入口の開口面積と第二流水路５０の流入口の開口面積とを同じくする。

これに対しいて、第７（Ｂ）に示されるように、第一流水路４８に流れる水量を第二流水路５０に流れる水量に対して少なくする場合には、第一調整部材５４及び第二調整部材５６を用いて、第一流水路４８の流入口の開口面積を第二流水路５０の流入口の開口面積に比べて狭くする。

一方、図７（Ｃ）に示されるように、第一流水路４８に流れる水量を第二流水路５０に流れる水量に対して多くする場合には、第一調整部材５４及び第二調整部材５６を用いて、第一流水路４８の流入口の開口面積を第二流水路５０の流入口の開口面積に比べて広くする。

図１に示されるように、傾斜部３０に対して川下側に設けられた排出部３２には、第一流水路４８及び第二流水路５０を流れてきた水が合流する排出流水路８８がコンクリートで形成されて設けられている。

排出流水路８８は、土手１４側に設置されて流水方向に延びる側壁９０と、側壁９０に対して対向して設置される側壁９２と、側壁９０の底辺と側壁９２の底辺とを連結させる底板９４とを備えている。

（要部構成）
次に、第一流水路４８及び第二流水路５０の構成、並びに第一流水路４８と水車２２の羽根部７２との関係について説明する。

図４に示されるように、コンクリートで形成される第一流水路４８は、土手１４側に設置されて流水方向に延びる第一側壁の一例としての側壁９８と、側壁９８に対して対向して配置されると共に第二流水路５０との間に設けられる第二側壁の一例としての側壁１００と、側壁９８の底辺と側壁１００の底辺とを連結させる底板１０２とを備えている。

さらに、コンクリートで形成されると共に第一流水路４８の隣りに（並列して）配置された第二流水路５０は、第一流水路４８との間に設けられる側壁１００と、側壁１００に対して対向して配置される側壁１０４と、側壁１００の底辺と側壁１０４の底辺とを連結させる底板１０６とを備えている。

そして、側壁９８は、導入流水路４０を構成する側壁３４と、排出流水路８８を構成する側壁９０との間に設けられ、側壁３４と側壁９０とを連結させる。また、側壁１０４は、導入流水路４０を構成する側壁３６と、排出流水路８８を構成する側壁９２との間に設けられ、側壁３６と側壁９２とを連結させている。

さらに、底板１０２及び底板１０６は、導入流水路４０を構成する底板３８と、排出流水路８８を構成する底板９４との間に設けられ、底板３８と底板９４とを連結させている。

ここで、図３、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示されるように、側面視（本実施形態では、回転軸７０の軸方向から見たものと同一矢視）で、側壁１００の上斜辺１００Ａは、底板１０２に最も近づいた羽根部７２における基部７２Ｂ（回転軸７０側の端部）と重なるようになっている。
（作用・効果）
次に、作用・効果について説明する。

図２、図４に示されるように、河川１２を流れる水は、導入口４２に設けられたルーバー４４を通って導入流水路４０に導かれる。ここで、導入流水路４０に導かれる水量については、ハンドル４６を正逆方向に回転させてルーバー４４の位置を調整することで変更される（図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）参照）。

また、導入流水路４０に導かれた水は、第一調整部材５４又は第二調整部材５６を通って、第一流水路４８又は第二流水路５０へ流れ込む。ここで、第一流水路４８に流れ込む水量については、ハンドル６２及びハンドル６８を回して開閉板５８及び開閉板６４を上下動させて第一流水路４８の流入口の開口面積及び第二流水路５０の流入口の開口面積を変えることで変更される（図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）参照）。

図３、図５に示されるように、第一流水路４８に流れ込んだ水は、鉛直方向に対して４５度傾斜した第一流水路４８に沿って斜めに流れる。

そして、第一流水路４８を流れる水が、水車２２に備えられた羽根部７２を押圧する。これにより、水車２２が回転軸７０回り（図中矢印Ｂ方向）に回転する。

ここで、側面視で、側壁１００の上斜辺１００Ａは、底板１０２に最も近づいた羽根部７２における基部７２Ｂと重なるようになっている。このため、第一流水路４８を流れる水は、羽根部７２の基部７２Ｂより回転軸７０側には流れない。このため、基部７２Ｂより回転軸７０側に備えられた水車２２を構成する部材と流れる水とが当ることで生じる抵抗（水車２２が回転するのを妨げるような抵抗）の発生が抑制される。

また、水車２２が回転することで、水車２２の回転軸７０の先端側に固定された発電機８０が、電力を発生させる。

一方、第一流水路４８及び第二流水路５０を流れた水は、排出流水路８８で合流して河川１２に戻される。

以上説明したように、第一流水路４８は鉛直方向に対して傾斜しているため、同じ落差で傾斜していない場合と比して、大きな水車２２を回すことができる。換言すれば、小さい落差で大きな水車２２を回すことができる。

また、第一流水路４８を流れる水は、羽根部７２の基部７２Ｂより回転軸７０側には流れない。このため、基部７２Ｂより回転軸７０側に備えられた水車２２を構成する部材と流れる水とが当ることで生じる抵抗（水車２２が回転するのを妨げるような抵抗）の発生を抑制することができる。

また、水車２２が回転するのを妨げるような抵抗の発生を抑制することで、効果的に発電機８０が電力を発生させることができる。つまり、落差の少ない河川でも、水車２２の羽根部７２を効果的に押圧して発電効率を向上させることができる。

また、第一流水路４８及び第二流水路５０を設け、夫々の流入口に第一調整部材５４及び第二調整部材５６を設置することで、導入流水路４０に導かれた水から必要な水量だけを第一流水路４８に流すことができる。

また、導入流水路４０の導入口４２を開閉して導入流水路４０に流れ込む水の量を調整する調整部材５２を設けることで、適量の水を導入流水路４０に導くことができる。

また、平面視で導入口４２の導入面４２Ｃを流水方向に対して傾斜させることで、ルーバー４４で堰き止められた異物が傾斜方向（図４に示す矢印Ｃ）に流れる。これにより、ルーバー４４で堰き止められた状態で異物が滞留するのを抑制することができる（図４参照）。

また、羽根部７２には、押圧する水を取り込むように凹部７４が設けられているため、凹部が設けられていない構成と比して、回転軸７０に大きなトルクを生じさせることができる。

次ぎに、本発明の水力発電装置の第２実施形態を図８に従って説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図８に示されるように、本実施形態では、側壁１００の上斜辺１００Ｂは、回転軸７０の軸方向から見て最も底板１０２に近づいた羽根部７２と交差すようになっている。

次ぎに、本発明の水力発電装置の第３実施形態を図９に従って説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図９に示されるように、本実施形態では、第１実施形態と違い第一流路１１０の下端側は、水車２２の下端よりも下方に延びている。これにより、排出流水路を流れる水が羽根部７２に当らない。このため、羽根部７２の回転を妨げるような抵抗をさらに減らすことができる。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では特に言及しなかったが、各流水路についは、工場内で夫々製造し、現場で夫々の流水路を組み立てるプレキャスト工法を用いてもよい。

また、上記実施形態では、水力発電装置１０を土手１４に接するように設けたが、水力発電装置１０を土手１４に接しないように配置してもよく、また、川幅方向に複数個の水力発電装置１０を並べて配置してもよい。

また、上記実施形態では、特に言及しなかったが、隣り合う羽根部７２の基部７２Ｂを連結させる板状の遮蔽板を設けて、隣り合う羽根部７２の間から回転軸７０側に水が浸入するのを抑制してもよい。

また、上記実施形態では、特に言及しなかったが、平面視で側壁１００と水車２２との距離及び側壁９８と水車２２との距離を小さくして、流れる水が水車２２の外側に回り込むのを抑制してもよい。

１０ 水力発電装置
２２ 水車
４０ 導入流水路
４２ 導入口
４２Ａ 導入面
４８ 第一流水路
５０ 第二流水路
５２ 調整部材（第三調整部材の一例）
５４ 第一調整部材
５６ 第二調整部材
７２ 羽根部
７２Ｂ 基部
７４ 凹部
８０ 発電機
９８ 側壁（第一側壁の一例）
１００ 側壁（第二側壁の一例）
１００Ａ 上斜辺
１００Ｂ 上斜辺
１０２ 底板

Claims (5)

1. 流れる水に当って押圧される複数個の羽根部を外周側に備えると共に、前記羽根部が流れる水に押圧されることで回転軸回りに回転する水車と、
   前記水車の回転に伴い電力を発生する発電機と、
   前記羽根部に水を導くと共に、傾斜して設けられ、前記羽根部における基部よりも前記回転軸側に水が流れないように深さが決められた凹状の第一流水路と、
   を備える水力発電装置。
2. 前記第一流水路は、第一側壁と、前記水車を挟んで第一側壁の反対側に設けられる第二側壁と、前記第一側壁の底辺と前記第二側壁の底辺とを連結させる底板と、を備え、
   前記第一側壁及び前記第二側壁の少なくとも一方の上斜辺は、前記回転軸の軸方向から見て最も前記底板に近づいた前記羽根部の前記基部と重なる又は前記羽根部と交差する請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記第一流水路に並列して設けられる第二流水路と、
   流れる水を前記第一流水路及び前記第二流水路に導く導入流水路と、
   前記第一流水路の流入口に設けられ、前記導入流水路から前記第一流水路に流れ込む水の量を調整する第一調整部材と、
   前記第二流水路の流入口に設けられ、前記導入流水路から前記第二流水路に流れ込む水の量を調整する第二調整部材と、
   を備える請求項１又は２に記載の水力発電装置。
4. 前記導入流水路の導入口には、前記導入流水路の導入口を開閉して前記導入流水路に流れ込む水の量を調整する第三調整部材が設けられ、
   平面視にて、前記導入口の導入面は、前記第一流水路の長手方向に対して傾斜している請求項１〜３の何れか１項に記載の水力発電装置。
5. 前記回転軸の軸方向から見て前記羽根部には、押圧する水を取り込むように凹部が設けられる請求項１〜４の何れか１項に記載の水力発電装置。

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