JP2013151871A - 流水利用型小水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存用水路に容易に設置でき、また維持管理が軽減でき、さらに発電量を向上できる流水利用型小水力発電装置を提供する。
【解決手段】用水路に交差して設置され、橋げたとなる架台と、左右一対の回転可能なリング状ホイールと、該リング状ホイールに挟まれ外周側に所定の間隔で取り付けられる複数枚の円孤状の羽根とからなり、該リング状ホイールの内周側が空洞となっている水車と、リング状ホイールの外側で回転を支持する左右一対の支軸と、リング状ホイールの外側を囲んで両側面での形状がＬ字型に形成され、該Ｌ字型の角部で前記支軸を支えると共に、一端が架台に回動可能に取り付けられ、他端に前記水車を上下動させるワイヤが接続される水車フレームと、水車フレームの上に設けられ、水車の回転で発電を行なう発電機と、が備えられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、流水利用型小水力発電装置に係り、より詳しくは、用水路を流れる水を利用して効率よく発電することができる流水利用型小水力発電装置に関する。

特許文献１には、用水路に設置される簡易設置型流水式水力発電装置が示されている。この装置に使用される水車は、下掛け水車で、直径が約２ｍ、羽根が４〜８枚であり、用水路の平均流速が２ｍ／ｓ時、発電量（Ｗ）は、図１０によれば、水車の回転数が７ｒｐｍで約８００Ｗ（最大）が得られるとしている。

しかしながら、次のような問題がある。
（ａ）水車（３）は、回転軸（２１）が貫通している。そのため、多量のごみが回転軸（２１）に絡みつく場合があり、水の流れや水車（３）の回転を阻害し、発電量を低下させている。（ｂ）水車（３）は、羽根（２５）の後側に底板（２７）が設けられ、左右に側板（２９）が設けられて、羽根（２５）を含む流水を受ける部分がバケット状に形成されている。このため、バケットが水面の上から水面の下に回転して沈み込む時の抵抗が大きく、発電量を低下させている。（ｃ）水車（３）は、図７によれば、水車（３）は水車フレーム（５３）で囲まれており、水車（３）を水中に沈める場合、水車フレーム（５３）を傾けて水中に沈ませる。そのため、水車フレーム（５３）の前方側が、水車（３）の前方を横切るので、水車（３）に流れ込む水の流れを阻害し、発電量を低下させている。（ｄ）水車（３）は、図７によれば、組み立てた状態で、架台（４１）の下側に突出する。そのため、組み立てた状態ではトラックの荷台等に載せ置くことができず、水車（３）と架台（４１）を分解して運搬するか、もしくは、架台（４１）を持ち上げて支持する支持台（治具）が必要となる。

特開２００９−１２７４４７号公報

本発明の目的は、既存用水路に容易に設置でき、また維持管理が軽減でき、さらに発電量を向上できる流水利用型小水力発電装置を提供することにある。

本発明による流水利用型小水力発電装置は、用水路に交差して設置され、橋げたとなる架台と、左右一対の回転可能なリング状ホイールと、該リング状ホイールに挟まれ外周側に所定の間隔で取り付けられる複数枚の円孤状の羽根とからなり、該リング状ホイールの内周側が空洞となっている水車と、前記リング状ホイールの外側で回転を支持する左右一対の支軸と、前記リング状ホイールの外側を囲んで両側面での形状がＬ字型に形成され、該Ｌ字型の角部で前記支軸を支えると共に、一端が前記架台に回動可能に取り付けられ、他端に前記水車を上下動させるワイヤが接続される水車フレームと、前記水車フレームの上に設けられ、前記水車の回転で発電を行なう発電機と、が備えられることを特徴とする。

この構成によれば、従来に比較して、次のように改善される。（Ａ）水車の左右側はリング状ホイールであり、羽根は円弧上で左右側には側板がないので、流水が水車内で滞留することがなく側面から排出される。円孤状の羽根が入水する際、左右側からも水が流入して水車の回転が促進され、発電量が向上する。（Ｂ）水車の内周側が空洞になっているため、水車を流水に深くつけた際、水車内の羽根を越えた越流が、後方の羽根に作用して、水車の回転が促進され、発電量が向上する。従来の下掛け水車と異なり、水車を流水に深くつけることで発電量を向上させるので、水車を主軸ではなく両端の支軸で支え、水車フレームも流水の流れを妨げないようにＬ字型とした。

前記水車を、前記架台の内部に収納した状態から、前記架台の下側に抜け出した状態に上下動可能としたことを特徴とする。

本発明による流水利用型小水力発電装置によれば、（ａ）水車の回転を支持する左右一対の支軸を、リング状ホイールの外側に設け、支軸がリング状ホイールの中心を貫かず水車の内周側を空洞としたので、支軸が羽根を越えた水流の妨げとなることがなく発電量を向上できる。また、空洞なのでごみが支軸に絡みつくこともなく、使い勝手がよく維持管理が容易である。（ｂ）従来のバケット状の羽根から、側板や底板のない円弧状の羽根としたので、水の流れがスムーズで発電量を向上できる。（ｃ）羽根がリング状ホイールで挟まれる構造なので、水路幅に合わせて例えば幅広の２連の水車とすることが容易である。（ｄ）水車フレームを両側面での形状をＬ字型としたので、水車を流水に沈めた時、水車フレームが水車の前方の流れを遮ることがなく、発電量を向上できる。（ｅ）架台から水車をワイヤで上下動させる構造なので、既存用水路への水車の設置が容易である。

水車は、架台の内部に収納した状態から、架台の下側に抜け出した状態に上下動可能としたので、運搬が容易である。水車に荷重がかからないようにする支持台（治具）が必要ない。

本発明による流水利用型小水力発電装置の正面図である。 本発明による流水利用型小水力発電装置の右側面図である。 本発明による流水利用型小水力発電装置の平面図である。 水車の可動範囲を示す側面図である。 図４で搬送時の水車の位置を示す側面図である。 図４で水車を水中に巻き下ろした場合の側面図である。 図４で水車を水中に巻き下ろした場合の側面図である。

以下、図面を参照して、本発明による流水利用型小水力発電装置を説明する。

図１は、本発明による流水利用型小水力発電装置１００の正面図である。流水利用型小水力発電装置１００は、用水路１２に交差するように設置される。架台４は、橋げたとなるもので、用水路１２の左岸と右岸に掛け渡される。水車１が架台４から吊り下げられ、流水１１の中に羽根２を沈めることができる。このような構成は、既存農業用水路への設置が容易であり、もちろん撤去も容易である。本実施例では、水車１は２列構成とした。もちろん、水車を１列としてもよい。

図１では、１つの水車１の横幅が１ｍで、２列では横幅が２ｍとなる。本実施例では、用水路１２の幅は４ｍである。水車１の羽根２は、左右一対のリング状ホイール１５に挟まれるようにして取り付けられる。２列構成の水車は、リング状ホイール１５が中央で連結された形となる。左右一対の支軸１０は、リング状ホイール１５の外側でリング状ホイール１５の回転を支持するように設けられる。このため、支軸１０はリング状ホイール１５の内部を貫通せず、リング状ホイール１５の内周側は空洞となっている。水車１の内部が空洞なので、ごみがからみつくものがなく滞留もしない。水車フレーム３は、両側で支軸１０を支え、リング状ホイール１５の外側を囲んでいる。昇降装置８は、電動モータ９を含み水車１を昇降させる。この構成によれば、ごみ等によって発電が阻害されにくいので、点検整備等の維持管理を軽減できる。

図２は、流水利用型小水力発電装置１００の右側面図である。図２に示すように、水車フレーム３は、第１水車フレーム３ａと第２水車フレーム３ｂからなる（以下第１フレーム、第２フレームという）。第１フレーム３ａと第２フレーム３ｂは、リング状ホイール１５の外側を軸方向に延びており、両側面での形状は、Ｌ字型である。すなわち、両側面での第１フレーム３ａと第２フレーム３ｂのなす角度は略９０°である。そしてＬ字型の角部で支軸１０を支えている。昇降装置８からのワイヤ１３の一端は、第１フレーム３ａに支軸に近い側に連結される。電動モータ９を動かすと、両側のワイヤが動き、水車１を上下動させる。発電機１８は、第２フレーム３ｂの上に搭載されており、水車１の回転で発電を行なう。水車１から発電機１８への回転の伝達は、チェーン、ベルト又は歯車等で行なうことができる。第２フレーム３ｂの一端は、架台４の下部に回動可能に取り付けられる。ワイヤ１３を緩めると、水車フレーム３が架台４の下部を中心に回動され、水車１が下降し、水車１の羽根２を流水１１に沈めることができる。

図２に示すように、水車１の羽根２は、円弧状で、１２枚をリング状ホイール１５の外周側に所定の間隔で取り付けた。実験によれば、水車１が１列の場合、平均流速が２ｍ／ｓでは、羽根２が１６枚なら発電量が約８００Ｗで、羽根２が２４枚なら発電量が約９３０Ｗで、羽根２が１２枚なら発電量が約１０００Ｗであった。すなわち、羽根２を６枚、８枚、１２枚、１６枚、２４枚で比較試験を行なったが、水車１の直径が２ｍの場合、１２枚の場合が最も発電量が多かったので、羽根２の枚数は、１０〜１４枚とすることが好ましい。

図２に示すように、リング状ホイール１５は、外側リング１５ａと、内側リング１５ｂと、十字形の補強部材１５ｃからなる。外側リング１５ａが、水車１の外径となる。内側リング１５ｂは羽根２を固定する位置で決められ、外側リング１５ａと内側リング１５ｂの間に羽根２を配置した。リング状ホイール１５の側面には側板がなく、外側リング１５ａ。内側リング１５ｂ、補強部材１５ｃ以外は、開放状態となっている。また、内側リング１５ｂの内側は空洞である。羽根２の高さは約５０ｃｍである。電動モータ９は、制御盤１６より電気信号で操作できる。また、作業員が作業歩廊１４に入って手動ハンドルによる操作もできる。これに限らず、水位計などのセンサによる水路異常検知や発電電圧による水車回転異常検知（水車の過回転や回転停止の検知）を行なって、自動で又は遠隔から、電動モータ９を駆動する構成としてもよい。発電電圧と発電機の回転数は比例するため、水車の回転異常は、発電電圧で検知できる。

図３は、流水利用型小水力発電装置１００の平面図である。架台４が用水路１２の左岸と右岸に掛け渡される。作業歩廊１４は、架台４の上流側に設置される。水車１は、上流側が吊下ろされる。発電機１８は下流側に位置する。水車１は、２列としたので、それぞれに発電機１８が備えられる。左岸側に制御盤１６が設けられ、右岸側にバッテリー７を内蔵したバッテリー盤１７が設けられる。制御盤１６とバッテリー盤１７は、水車１が２列となり発電機１８が増えても共通に使用される。水車１が２列の場合、平均流速が２．０ｍ／ｓで、約２５００Ｗを越える発電量が得られる。

図４は、水車１の可動範囲を示す側面図である。昇降用のワイヤ１３で水車フレーム３を引き上げて、水車１を架台４の内部に収納できる。ワイヤ１３で水車フレーム３を下降させ、水車１の下半分を流水１１に沈めることができる。ワイヤ１３の巻き上げの上限は、水車が架台４の枠内に収容できるまで、ワイヤ１３の巻き下げの下限は、昇降軌道円周上の最下端までとすることができる。図４は、試験水路での例であるが、これに限られるものではなく、水路条件（水路天端から水面までの距離、水位変化の範囲条件など）に合わせて、滑車の取り付け位置や昇降回転の支点位置を変更することができる。試験水路の条件は、水路天端から水面までの距離が離れているので、この範囲の昇降が可能であれば、多くの水路に対応できる。

図５は、搬送時の水車１の位置を示す側面図である。図５に示すように、水車１は、架台４の内部に収納されるので、架台４と水車１を組み立てた状態で運搬できる。水車１が下側に突出していないので、水車１に荷重がかからない。

図６、７は、水車を水中に巻き下ろした場合の側面図である。図６は、第２フレームの角度が３０°の場合、図７は、第２フレームの角度が５０°の場合である。用水路１２の溝の深さを２．８ｍ、水位が１．２ｍとした場合、Ｄ１は６３ｃｍとなる。Ｄ２は８２ｃｍとなる。図６の場合、平均流速が２ｍ／ｓで、２列の水車の条件では、発電量が約２５５０Ｗであった。図７の場合、平均流速が２ｍ／ｓで、２列の水車の条件では、発電量が約２６５０Ｗであった。このように、水車１を水中に沈めることで発電量を向上させているため、水車を沈める深さが変化すると、発電量が変化してしまう。そのため、昇降装置８により、水位の変化に合わせて水車を沈める深さを調整し、発電量を一定に安定させることが重要となる。なお、図６、７に示すように、第１フレーム３ａは、第２フレーム３ｂに対して直角方向に延びているので、水車１の下側を流水に沈めても、第１フレーム３ａの先端が流水１１に沈むことはなく、水車１に入る流水１１の流れを乱すことがない。

本発明による流水利用型小水力発電装置は、農業用水路などを流れる水を利用して効率よく発電することができるので、地域の振興や活性化にも役立つ。

１ 水車
２ 羽根
３ 水車フレーム
３ａ 第１水車フレーム
３ｂ 第２水車フレーム
４ 架台
５ 従動側スプロケット
６ 駆動側スプロケット
７ バッテリー
８ 昇降装置
９ 電動モータ
１０ 支軸
１１ 流水
１２ 用水路
１３ ワイヤ
１４ 作業歩廊
１５ リング状ホイール
１５ａ 外側リング
１５ｂ 内側リング
１５ｃ 補強部材
１６ 制御盤
１７ バッテリー盤
１８ 発電機
１００ 流水利用型小水力発電装置

Claims (2)

1. 用水路に交差して設置され、橋げたとなる架台と、
   左右一対の回転可能なリング状ホイールと、該リング状ホイールに挟まれ外周側に所定の間隔で取り付けられる複数枚の円孤状の羽根とからなり、該リング状ホイールの内周側が空洞となっている水車と、
   前記リング状ホイールの外側で回転を支持する左右一対の支軸と、
   前記リング状ホイールの外側を囲んで両側面での形状がＬ字型に形成され、該Ｌ字型の角部で前記支軸を支えると共に、一端が前記架台に回動可能に取り付けられ、他端に前記水車を上下動させるワイヤが接続される水車フレームと、
   前記水車フレームの上に設けられ、前記水車の回転で発電を行なう発電機と、が備えられることを特徴とする流水利用型小水力発電装置。
   
2. 前記水車を、前記架台の内部に収納した状態から、前記架台の下側に抜け出した状態に上下動可能としたことを特徴とする請求項１に記載の流水利用型小水力発電装置。
   

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