JP2013241841A - 水力発電装置及びその設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 河川用水路等を流れる水の水流エネルギーを利用して発電を行う水力発電装置及びその設置方法に関し、設置等が容易で操作性に優れ、また設置場所を選ばないため利用価値が高く、加えてコンパクト化が図れて経済性にも優れた水力発電装置及びその設置方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 水面の上方に配置した架設部材４に本体部材６を取り付けて使用し、この本体部材の下部を通過する水流を利用して発電を行う水力発電装置であって、上記本体部材６を上記架設部材４に取り付けるための本体取付機構１４と、上記本体部材の下部に設けられ、水流を回転力に変換する水車８と、この水車８の回転力を上方に伝達する回転伝達機構１０と、上記本体部材の上部に設けられ、上記回転伝達機構により伝達された回転力を駆動原として空中で発電を行う発電機１２と、を有する構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、河川用水路等を流れる水の水流エネルギーを利用して発電を行う水力発電装置及びその設置方法に関する。

従来より、河川等の水流エネルギーを利用して発電を行う水力発電装置が開発されている。
例えば、特許文献１に記載の水力発電装置は、図１２に示すように、浮力を有するケース部１４０、複数の整流板１４１、向きを水流方向と平行に維持する可変板１４２、羽根車１４３〜１４６、発電部１４７、充電部１４８、及び支柱に挿入され支柱の軸方向に摺動可能なガイド１４９を備え、装置を水面に浮かべ、ケース部１４０を通過する水流により、羽根車を回転させ発電部１４７で電気エネルギーに変換するものである。

また特許文献２に記載の水力発電装置は、筒体の内部にプロペラにより回転させるモータ発電機を収容し、筒体に取水口と排水口を形成し、上記筒体を支持フレームに固定し懸架して水中に設置し、この支持フレームの昇降機構により筒体を昇降させるものである。
特許文献３には、流水発電設備に関し、本体内の水路にプロペラを有する発電機が設けられ、上記本体の浮力を調整するためにバラストタンク、水路に水を効率良く流すための集水板、及び本体を係留しておくためのスパッドを備えたものが記載されている。

特開２００１−１３２６０７号公報 実用新案登録第３１５７８４２号公報 特開昭５８−１５８３７８号公報

さて、上記特許文献１の水力発電装置は、水に浮かべて使用し支柱をガイド１４９が摺動するという形態であるため、一定の水量以上の場所での使用に制限され、また発電機を水中に没した状態で使用する形態であるため、発電機に防水措置を講じる必要があり、またケース部１４０内を通過する水流が発電部１４７の抵抗を受けるためこれを軽減する措置を講じる必要がある等、の問題がある。

特許文献２の水力発電装置についても、モータ発電機を水中で使用する構造であるため、上記特許文献１と同様な問題がある。特許文献３の流水発電設備についても同様であり、またこの流水発電設備は、バラストタンクの使用などにより規模が大きいため、設置等が大変であるという問題がある。
また、水力発電装置の設置条件は河川水路等によって多様であるため、従来は、発電効率を良い状態に保つための水路変更や複雑な構造物の設置等に多くの費用と時間を要していた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、設置等が容易で操作性に優れ、また設置場所を選ばないため利用価値が高く、加えてコンパクト化が図れて経済性にも優れた水力発電装置及びその設置方法を提供することを課題とする。

以上の技術的課題を解決するため、本発明に係る水力発電装置は、図１，８等に示すように、水面の上方に配置した架設部材４に本体部材６を取り付けて使用し、この本体部材の下部を通過する水流を利用して発電を行う水力発電装置であって、上記本体部材６を上記架設部材４に取り付けるための本体取付機構１４と、上記本体部材の下部に設けられ、水流を回転力に変換する水車８，１０８と、この水車の回転力を上方に伝達する回転伝達機構１０と、上記本体部材の上部に設けられ、上記回転伝達機構により伝達された回転力を駆動原として空中で発電を行う発電機１２と、を有する構成である。

本発明に係る水力発電装置は、上記本体取付機構１４に、上記本体部材６を傾け、その傾斜角度を変えて保持固定することが可能な角度調整部４８を設けた構成である。
本発明に係る水力発電装置は、上記角度調整部４８に、上記本体部材６を水平方向に向けて保持固定することが可能なチルトアップ部８０を設けた構成である。

本発明に係る水力発電装置は、上記本体取付機構１４に、上記角度調整部４８で調整された傾斜角度の状態で、上記本体部材６を回動させ、その方位を変えて保持固定することが可能な方位調整部４９を設けた構成である。
本発明に係る水力発電装置は、上記本体取付機構１４に、上記本体部材６を上記架設部材４に対して着脱可能に取り付けることが可能な本体設置部材４０を設けた構成である。

本発明に係る水力発電装置は、上記水車８として、回転軸の周囲に、この回転軸と平行な方向から水流を受けるねじれのついた羽根部材９を複数設けた形状の構成とした。

本発明に係る水力発電装置は、上記本体部材６の下部に、上記水車８の羽根部材９の先端部を覆う筒状のガイド部材３６を取り付け、このガイド部材を水流の下流側に向かうに従って径が小さくなるように形成し、この径の小さい小径部に上記水車８の羽根部材９を配置した構成である。
本発明に係る水力発電装置は、上記水車８の上流側に、上記水車８の前面を覆い、先端部から後方の環状部にかけて複数の格子材が配置された塵ガード部材３８を配置した構成である。

本発明に係る水力発電装置は、上記水車１０８として、回転軸の周囲に、この回転軸と交差する方向から水流を受ける水受け部材１０９を複数設けた形状の構成とした。

本発明に係る水力発電装置の設置方法は、上記架設部材４を水路に対して横向きに配置し、上記何れかに記載の水力発電装置を、この架設部材４に沿って一又は複数取り付けて設置することである。

本発明に係る水力発電装置の設置方法は、上記水路に段差部或いは堰を設け、上記段差部或いは堰から落下する水の勢いを利用できる位置に、上記水力発電装置の水車８，１０８を配置したことである。

本発明に係る水力発電装置の設置方法は、上記架設部材４の高さを可変とし、上記水力発電装置の水車８，１０８の高さを調整したことである。

本発明に係る水力発電装置によれば、本体部材を架設部材に取り付けるための本体取付機構と、本体部材の下部に設けられる水車と、この水車の回転力を上方に伝達する回転伝達機構と、本体部材の上部に設けられ空中（水面より上部）で発電を行う発電機と、を有する構成としたから、容易に設置が行え、水車、発電機等を一体化したコンパクト収納により水力発電装置の小型化、軽量化が図れるとともに、発電機に格別の防水を行うこともなく、また取り扱いが容易であり、河川用水路等の流れを利用して簡易に発電が行え、また設置場所を選ばないため利用価値が高いという効果を奏する。

本発明に係る水力発電装置によれば、本体部材を傾けその傾斜角度を変えて保持固定することが可能な角度調整部を設けた構成としたから、水流の角度に応じて簡単に水車の上下角度の調整が行えて水流エネルギーを効率よく発電に変換利用できるという効果がある。

本発明に係る水力発電装置によれば、角度調整部に、本体部材を水平方向に向けて保持固定することが可能なチルトアップ部を設けた構成としたから、ゴミ除去やメンテナンス及洪水等で水位が上昇したときの避難等が容易に行えるという効果がある。

本発明に係る水力発電装置によれば、本体取付機構に、角度調整部で調整された傾斜角度の状態で、本体部材を回動させその方位を変えて保持固定することが可能な方位調整部を設けた構成としたから、水流の向きに応じて簡単に水車の左右の向きの方位調整が行えて水流エネルギーを効率的に発電に利用できるという効果がある。

本発明に係る水力発電装置によれば、本体部材を架設部材に対して着脱可能に取り付けることが可能な本体設置部材を設けた構成としたから、装置の設置及び取り外しが簡単で取り扱いが容易であり、さらにメンテナンス及び保管や大水からの避難が容易に行えるという効果がある。

本発明に係る水力発電装置によれば、水車として、回転軸の周囲にねじれのついた羽根部材を複数設けた構成としたから、水車を回す水の流通が良好に行えて水車が効率よく回転するという効果がある。

本発明に係る水力発電装置によれば、本体部材の下部に、水車の羽根部材の先端部を覆う筒状のガイド部材を取り付け、このガイド部材の略中央部の径の小さい小径部に水車の羽根部材を配置した構成としたから、水流の流速が速められて水車の回転が速くなり、発電量が増すという効果がある。
本発明に係る水力発電装置によれば、水車の上流側に、水車の前面を覆い、先端部から後方の環状部にかけて複数の格子材が配置された塵ガード部材を配置した構成としたから、塵が良好に排除されて水車が支障なく回転し、また水車の破損等が防止できるという効果がある。

本発明に係る水力発電装置によれば、水車として、回転軸の周囲に水受け部材を複数設けた構成としたから、水量の多少にかかわらず水車が効果的に回転し、効率的な発電が行えるという効果がある。

本発明に係る水力発電装置の設置方法によれば、架設部材を水路の流れに対して横向きに配置し、水力発電装置を、この架設部材に沿って一又は複数取り付けた方法とすることで、上記水力発電装置の効果に加えて、簡単に発電電力を増加させることができるという効果がある。

本発明に係る水力発電装置の設置方法によれば、水路に段差部或いは堰を設け、段差部或いは堰から落下する水の勢いを利用できる位置に、水力発電装置の水車を配置した方法とすることで、水流の速度（運動エネルギー）に加えて水の落下による水流の加速速度（位置エネルギー）を有効に利用でき、水車の回転速度が高められて発電効率が上がり、発電電力が増加するという効果がある。

本発明に係る水力発電装置の設置方法によれば、架設部材の高さを可変とし、水力発電装置の水車の高さを調整したから、水流のエネルギーが効率よく利用でき、また良好な水流による効率的な発電が行えるという効果がある。

第一の実施の形態に係る水力発電装置の断面（本体部を除く）を示す図である。 第一の実施の形態に係る水力発電装置の部分断面を示す図であり、（ａ）は本体取付機構の近傍を、（ｂ）は方位固定部の近傍を示す。 水力発電装置を傾斜させた状態を示す側面図である。 水力発電装置をチルトアップさせた状態を示す側面図である。 第一の実施の形態に係り、水力発電装置にガイド部材及び塵ガード部材を取り付けた状態を示す図、及びガイド部材及び塵ガード部材を示す図である。 第一の実施の形態に係り、水力発電装置の設置方法を示す図である。 第一の実施の形態に係り、水力発電装置の他の設置方法を示す図である。 第二の実施の形態に係る水力発電装置の断面（本体部材を除く）を示す図である。 第二の実施の形態に係る水車（２形態）の断面を示す図であり、（ａ）は本体部材の一方側のみに水車を設けた形態を、（ｂ）は本体部材の両側にそれぞれ水車を設けた形態を示す。 水車の使用形態を示す図であり、（ａ）は水車の下部で水流を受ける下掛け、（ｂ）は水車の上部で水流を受ける上掛けの形態を示す。 第二の実施の形態に係り、水力発電装置の設置方法を示す図である。 従来例に係る水力発電装置を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第一の実施の形態に係る水力発電装置を示したものである。
上記水力発電装置２は、水面の上方に配置した架設部材４に取り付けて使用する。

上記水力発電装置２は、上下に長い本体部材６に水車８、回転伝達機構１０、発電機１２等が装備され、本体部材６の後側上部には本体部材６を架設部材４に取り付けるための本体取付機構１４が設けられている。上記本体部材６は軽量金属材（アルミニウム材等）又はステンレス材により形成されている。また、本体部材６の後側上部には、本体部と一体に操作レバー１６が取り付けられている。

上記水車８は、水車の回転軸１８が水流と平行な縦型の所謂プロペラ水車であり、この回転軸１８と平行な方向から水流を受ける。水車８は、本体部材６の下部前側に設けられた水車取付部１７に回転可能に配置されている。水車８は、回転軸１８の周囲に３枚からなるねじれのついたプロペラ状の羽根部材９が一定間隔をおいて形成され、水流を受けてこの水流のエネルギーを回転力に変換する。水車８の羽根部材９は、ここでは３枚としているが、これは２枚、或いは４，５枚、又はこれ以上の枚数を一定間隔をおいて設ける形態としてもよい。水車８は、アルミニウム等の軽合金、合成樹脂材、或いはマグネシウム合金材等からなる。

上記回転伝達機構１０は、水車８の回転力を上方の発電機１２に伝達する。回転伝達機構１０は、水車８の回転軸１８を延設した横軸の回転をこれと直交する縦軸へ伝達する一組のかさ歯車２２、及び縦軸の回転を上方に伝達する縦軸体２４からなる。この縦軸体２４の上端部は、軸継手２６を介して発電機１２の回転軸２８と連結されている。回転伝達機構１０は、本体部材６の内部に収納されている。回転伝達機構１０により、水車８の回転を水面の上方の発電機１２に伝達する。
上記かさ歯車２２は、歯数の割合を変えることで、横軸に対する縦軸の回転比率を変えることができる。この回転比率は、水流の流量及び流速に応じて適宜に設定すれば効率的な発電が行える。ここでは、かさ歯車２２の回転比率を１対２とし、水車８の回転に対して発電機１２を２倍回すようにしている。

本体部材６の上部には、パイプを直方体状に組んだ架台３０が配置され、この架台３０の上部には回転軸２８を下方向に向けた発電機１２が取り付けられている。この発電機１２の回転軸２８と、縦軸体２４とは軸継手２６によって機械的に連結する。
本体部材６の上部は、合成樹脂製のカバー部材３４が取り付けられ、発電機１２などがカバー部材３４の内部に収納されている。カバー部材３４の内部は、他に制御装置（図示せず）などが配置され、この制御装置から外部に向けて電力ケーブル等が延設されている。

上記発電機１２は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し電力を発生させるもので、ここでは交流発電機（単相又は三相、最大２００Ｖ）を用いている。この発電機１２は、水の流速に応じた発電量の電力を発生する。上記制御装置には、交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバーター、このＤＣ電圧を一定に保つ安定化装置、発電機からの出力電圧及び電流を測定する計測器等が配置されている。
上記発電機１２及び制御装置等は、空中で稼働させることとしているため、これらに格別の防水設備等の配慮はしなくてもよい。
水力発電装置２から、電力ケーブルによって直流で送られた電力は、外部に設けられたＤＣ／ＤＣコンバーターにより電圧を変換して蓄電器に充電し、或いはＤＣ／ＡＣコンバーターにより交流１００Ｖに変換して家庭における使用、或いは電力会社への供給に利用する。

本体部材６は、下部に水車８、中間部に回転伝達機構１０、また上部に発電機１２がそれぞれ装備され、本体部材６の上下間に一体的に構成されている。
また本体部材６の後側の中間部には、本体部材６を架設部材４に取り付けるための本体取付機構１４が設けられている。本体取付機構１４は、本体部材６を架設部材４に取り付けるための本体設置部材４０，４０、及び本体部材６の角度及び方位を調整するための調整部材４２を有している。
本体設置部材４０，４０は、一の本体設置部材４０及びこれと対称形状でかつ調整部材４２を挟む状態で向い合せに配置される他の本体設置部材４０から構成され、両本体設置部材は機能も同じである。

図２（ａ）に示すように、本体設置部材４０，４０は、調整部材４２を角度調整可能に軸支（横軸）し、また調整部材４２は本体部材６に設けた回動軸４６に軸支（縦軸）され、この調整部材４２に対して本体部材６は回動軸４６とともに方位調整可能に回動する。
本体設置部材４０は、架設部材４に上方から嵌めて取り付ける逆Ｕ字状の形状である。本体設置部材４０は、上下向きの締結部５０、この締結部５０の上端から前方横向きに形成される載置部５１、この載置部５１の端部から下方に向けて形成される保持部５２からなる。

本体設置部材４０には、締結部５０と載置部５１とが交差する部位に第一軸孔部５４が形成されている。保持部５２の下部近傍には、第一軸孔部５４を中心とした円を描く箇所に、所定間隔をおいて複数（ここでは５箇所）の角度調整孔部５８が設けられている。また、締結部５０には、締め付けのためのクランプ部５６を有する締結ネジ部５７が設けられている。

上記調整部材４２は、上下方向に形成される筒部６０、及びこの筒部６０の上部から後方に延設されるアーム部６２、筒部６０の下部から後方に突設される角度保持部６４を有している。調整部材４２のアーム部６２の先部には第二軸孔部６６が形成され、また角度保持部６４の先部には半円状の保持孔部６８が形成されている。

一方、本体部材６の後部側には、中央部から上部にかけて回動軸４６が取り付けられている。この場合、回動軸４６には予め調整部材４２の筒部６０が嵌め込まれ、この状態で回動軸４６は本体部材６に取り付けられる。
回動軸４６は、上端部を操作レバー１６とともに本体部材６に固定し、下端部は本体部材６に設けた支持部材６９により固定される。
これにより、調整部材４２の筒部６０と回動軸４６とは相対回動が可能となり、本体取付機構１４の調整部材４２を固定した場合、本体部材６は回動軸４６とともに回動し、本体部材６の方位を調整することができる。

調整部材４２の筒部６０の上部には、本体部材６の方位を所望する位置で固定するための方位固定部７０が設けられている。
この方位固定部７０は、図２（ｂ）に示すように、筒部６０に設けた締結部材７２（ここでは締結ボルト）及び回動軸４６との間に配置した摩擦体７３からなる。そして、本体部材６の方位を所定位置に向けた後、締結部材７２を工具等を用いて締める。この締結部材７２の締め付けにより摩擦体７３が押圧され、摩擦体７３が回動軸４６に圧着して回動が止められ、この位置で本体部材６の方位が保持固定される。
操作レバー１６は、主に本体部材６の方位を調整する場合に用いる。

上記調整部材４２は、本体設置部材４０，４０間に配置される。調整部材４２のアーム部６２は、両本体設置部材４０，４０間に介在させ、アーム部６２の第二軸孔部６６と本体設置部材４０，４０の第一軸孔部５４を合せ、各孔部にわたって横軸体７４を挿通し止着する。これにより、本体設置部材４０に対して調整部材４２が回動し、調整部材４２の角度（垂直面上）が変えられ、調整部材４２と一体の本体部材６の傾斜角度を調整することができる。

図３は、本体部材６の角度を変え、本体部材６を傾斜させて水車８に傾斜角度を持たせた状態を示したものである。
この場合、本体部材６を傾け調整部材４２を所定の角度に変えた状態で、本体設置部材４０の該当する角度調整孔部５８（５箇所の内の）から角度調整ピン７６を挿通し、これを調整部材４２の角度保持部６４の保持孔部６８に嵌めて通過させ、さらに他の本体設置部材４０の角度調整孔部５８に挿通させ、これを保持する。
これにより、角度調整ピン７６が角度保持部６４の保持孔部６８と係合し、調整部材４２の角度がこの位置で保持固定される。よって、調整部材４２と一体の本体部材６（水車等を装備）の角度を調整すれば、その所望する傾斜角度の位置で本体部材６とともに水車８が保持固定される。

通常、本体取付機構１４を本体部材６とともに架設部材４に取り付けた状態では、本体部材６は縦方向に向いた略垂直の状態となる。このとき、角度調整ピン７６は、本体部材６の傾斜角度が０度に該当する角度調整孔部５８（最左部）のポジションに装着されている。
そして角度調整ピン７６を抜くと、本体取付機構１４の本体設置部材４０に対して本体部材６は角度変更が可能となり、本体部材６の傾斜角度（垂直位置から）を変えることができ、所望する傾斜角度の位置で角度調整ピン７６を所定の角度調整孔部５８に差し込めば、これが角度保持部６４の保持孔部６８に係合し、この角度で固定される。このように、水流の傾斜角度等に応じて、水車８の上下角度を変えることができる。
なお、角度調整孔部５８の孔部の数を増やし、又孔部同士の間隔を狭くすることで角度の微調整が可能となる。

また、本体部材６を所定の角度位置で保持固定した状態で、本体部材６の方位を調整することができる。
この場合、方位固定部７０の締結部材７２を緩めると（工具等により）、本体設置部材４０（及び調整部材４２）に対して本体部材６が回動軸４６とともに回動可能となり、本体部材６（水車８等）の方位を左右に変えることができる。そして、操作レバー１６を操作して本体部材６を所望する方位に向け、この位置で締結部材７２を締付ける。これにより、本体部材６の方位が固定される。

本体設置部材４０の保持部５２の角度調整孔部５８と、調整部材４２の角度保持部６４及び角度調整ピン７６とにより、本体部材６の傾斜角度を調整する角度調整部４８が構成される。また、調整部材４２の筒部６０、本体部材６の回動軸４６及び方位固定部７０により、本体部材６の方位を調整する方位調整部４９が構成される。

図４は、水力発電装置２の本体部材６を略水平にチルトアップした状態を示すものである。チルトアップ状態を保持するため、ここでは支持棒８１を用いる。
この場合、調整部材４２の上部に支持部８２を設けて支持棒８１の一端部を揺動可能に支持し、本体設置部材４０の載置部５１と保持部５２との間に保持凹部７８を設け、支持棒８１の他端部を保持凹部７８に係合させて本体部材６を支持する。

そして、本体設置部材４０，４０に対して、調整部材４２とともに本体部材６の角度を変え、その傾斜角度が略水平の状態で、支持棒８１の他端部を本体設置部材４０の保持凹部７８に突入係合させる。これにより、本体部材６を略水平なチルトアップ状態で保持固定することができる。
本体設置部材４０に設けた保持凹部７８、支持棒８１及び支持部８２によりチルトアップ部８０を構成する。

図５は、水力発電装置２に、ガイド部材３６及び塵ガード部材３８を装着した状態を示したものである。このように、水力発電装置２の水車８の前面にガイド部材３６を配置して水流流速を高め、また塵ガード部材３８を配置して塵を排除することが有効である。
ガイド部材３６は円形筒状であり、水流の下流側に向かうに従って径を縮径して略中央部に径の小さい小径部８７を形成し、さらに下流側では径が次第に大きくなるように形成する。ガイド部材３６及び塵ガード部材３８は、ステンレス材或いは軽量金属材からなる。

ガイド部材３６は、本体部材６の下部に横に長い取付具９０を固定し（ここでは上下２箇所）、この取付具９０の各端部をそれぞれガイド部材３６の後縁部８８に固定してガイド部材３６を取り付ける。この際、ガイド部材３６によって水車８の羽根部材９の先端部を覆い、かつガイド部材３６の小径部８７に水車８の各羽根部材９の先端が配置される状態で取り付ける。
上記ガイド部材３６により、小径部８７では水流の流速が速まり、また整流が行われて水車８の回転効率が高まる。また、ガイド部材３６の下流側の径を大きくすることで、水車８を回した水が後方に迅速かつ良好に排除分散され、水車８を通過する水の流れが良好に保たれる。

また水車８の前面に、塵を排除し水車８を保護するための塵ガード部材３８を取り付ける。
この塵ガード部材３８は、全体が円錐状に形成され、頂部８４から底部の円形状の縁部８５にかけての斜面部に、複数（ここでは６本）の棒状の格子材８６が一定間隔で配置された形態である。この格子材８６の数は、６〜１２本が適当である。

塵ガード部材３８は、ガイド部材３６の上流側、又は水車８の前面に取り付ける。
塵ガード部材３８をガイド部材３６の上流側に取り付ける場合、塵ガード部材３８の縁部８５とガイド部材３６の前縁部８３同士を止着具８９等で接合する。
また、ガイド部材３６を用いない場合等、塵ガード部材３８を水車８の前面に取り付ける場合には、上記ガイド部材３６の取り付けと同様、取付具を用いて本体部材６に塵ガード部材３８を取り付ける。

塵ガード部材３８のアウトラインを円錐状にしたことで、上流から流れ着いた塵が、塵ガード部材３８の頂部８４に当たってもその場所に留まりにくくなり、速やかに後方に流され格子材８６に排除されて下流側に流れる。
他に、塵ガード部材３８としては、格子状（或いは網状）の材料を用いて水車８の前面を傾斜状に覆う形態としても良い。

さて、上記水力発電装置２は、河川、用水路（農工業）等の水面の上方に配置した架設部材４に取り付けて使用される。この場合、川幅等に応じて水力発電装置２を１台（１連）又は複数台（複数連）取り付ける。
上記架設部材４は、河川、用水路等の水路の両堤間にわたって横向きに架設する。この架設部材４としては、木製或いは鋼製の角材等を用いることができる。

架設部材４の両側は、堤に沿って角材８８（木材又は鋼材）等を配置固定し、又は堤に上記角材等を立設して、それぞれ基礎部を形成し、この基礎部に架設部材４の両端部をボルトナット等の止着具を用いて固定する。
また、鋼製等のパイプで組立てた架台（脚立状等）の上部に架設部材４を配置し、この架台を水路に配置し、架台を堤間で固定して架設部材４を設置するようにしてもよい。

河川、用水路等は、川幅の大小、傾斜の大小、或いは水量の多少等、様々であるが、上記水力発電装置２は、川幅に応じて２連、３連にし、また水流（水路）の傾斜及び向きに応じて水力発電装置２の配置角度及び方位を調整等し、水力エネルギーを効果的に集める。
水車８の角度及び方位は、水車８の回転軸１８の軸方向に水流が流れるよう、上記軸方向と水流の流れ方向とを一致させるのが効果的である。
また、例えば用水路などでは、水路の段差部等の下流側に水力発電装置２を配置し、また水路の中央部を残して両側を堰きとめ、この中央部に水流を集中させ、ここに水力発電装置２の水車８を配置するようにしてもよい。

架設部材４の高さは、架設部材４に水力発電装置２の本体部材６を取り付けた場合、下部の水車８が水流エネルギーを有効に取り込める位置に調整する。そして、本体部材６とともに水車８の角度及び方位を調整し、水車８の正面（回転軸方向）から水流を受ける状態に水車８を配置し、水車８を効果的に回す。
特に、水路に段差がある場所では水の落下位置の近傍に水車８を配置するのが効果的である。この場合、水流のエネルギーは、水流の速度（運動エネルギー）に加えて水の落下による水流の加速速度（位置エネルギー）を有効に利用できる。

水路に段差がない場合は、水路に直交（或いは交差）する状態で配置積層したブロック等或いは板材等の堰材を配置して堰を設けるようにしても良く、これにより水路の段差と同様な効果が得られる。
この段差或いは堰の高さは、水路の底面から２０ｃｍ以上、好ましくは（実用的には）３０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲とし、さらに１ｍ或いは数ｍの高さであってもよい。

この場合、段差（堰の高さ）が比較的低い場合（１ｍ以下程度）には、落下位置の直前（上流側）に水車８を配置するのが効果的であり、この落下直前の位置では、落下途中の整流された水流が水車８の回転に利用でき良好である。
段差等が高い場合（１ｍ以上）には、上記落下直前の位置でもよいが、落下位置の下流側に配置しても良い。この落下位置の下流側では、水路に落下した（落下直後は乱流）水がその後整流され、この整流された水流が利用でき良好である。
社内試験によれば、水路に堰材を配置して３０ｃｍの落差を設けた場合には、落差を設けない場合と比べて略２倍程度の出力の電力が得られている。

架設部材４は、原則的には水流と直交する方向に設置するが、地盤等の関係で直交する方向に架設できない場合には、水力発電装置２自体の方位を調整し、水流を水車８の正面（回転軸方向）から受けられるように水車８の向きを定める。
また、河川の水量に応じて架設部材４の高さを変えるようにし、流れが速くまた乱流が発生しにくい水面近傍の水流を利用するため、水面近くに水車８を水没させるのが良い。これにより、発電効率を高めることができる。

架設部材４の高さを変える場合、架設部材４の両側の基礎面（堤の上）に複数の角材等を階段状に積み上げることで、基礎の高さを変えることができる。また、基礎の箇所に形鋼等を用いてポールを立設し、このポールに所定間隔で取付孔部を設け、所定の高さ位置の取付孔部にボルト等を介在させて架設部材４を固定し、或いはポールに所定間隔で凹部を形成して、ブラケット等の止着具を必要な高さの上記凹部に取り付け、これに架設部材４を固定するようにしてもよい。

水力発電装置２の水車８は、この水車８の前方正面（回転軸方向）から水流を受ける状態が、最も効率よく水流エネルギーを利用できる。このため、水車８の角度を調整し、水車８の回転軸１８の軸方向と水流の流れ方向とを一致させる。
また例えば、水力発電装置２の制御装置に設けた電圧計等をチェックしながら、この水力発電装置２の角度及び方位を変えることで、最適なポジションを得ることができる。

図６は、上記水力発電装置の設置構造及び設置方法を示したものである。
ここでは、用水路９１に配置した架設部材４に、水力発電装置２を１台（１連）設置し、水路の水流９５を利用して発電を行う例を示している。用水路９１は、比較的水流の流速が速く、また水路に段差のある段差部９２の下流側では水の流速、及び水の落下を利用して発電を行うことができ、効果的である。

水力発電装置２の設置に際しては、用水路９１の両堤９４に沿って、それぞれ木製の角材９６等を配置しアンカーボルト等を用いて角材９６を堤９４の上部に固定する。そして、両堤９４の角材９６の上面部間に直交状態で架設部材４を架け渡し、架設部材４の両側をそれぞれ角材９６に固定する。
この場合、用水路の水量に応じて、架設部材４の高さを調節するのが効果的である。例えば、架設部材４の両側の堤の上に複数の角材９４等を階段状に積み上げ、高さを調整するようにしても良い。

通常、架設部材４は木製等の長尺材で断面は縦長の長方形状のものを用い、また角材９６との間には補強金具（直角定規形状）等を用いて固定するのがよい。
水力発電装置２は、本体取付機構１４の本体設置部材４０を架設部材４に嵌めて装着し、クランプ部５６を回して本体設置部材４０を架設部材４に圧着し固定する。このように、水力発電装置２は簡単にワンタッチで架設部材４に取り付けることができる。また水力発電装置２の脱着も容易で、増水時等の避難も迅速に行える。

また、段差部９２を利用した水路では水の落下位置の近傍（上流側等）に水車８を配置し、且つ落下する水流９５の角度に応じて、本体部材６を傾斜させ、水車８の軸方向から水流９５を受ける状態に水車８を傾ける。
なお、ここでは段差のある水路を利用しているが、水流の速度、水量等により段差のない水路であっても、水流（水路）の傾斜角度に応じて水力発電装置２を効果的な角度に傾斜させて使用する。
また、水量が少ない場合などでは、水路の中心部を残して水路の両側に堰を設け、水流を水路の中心部に集中させ、この中心部に水力発電装置２を配置して水車８を位置させるのも効果的である。

本体部材６の傾斜角度は、角度調整部４８を利用して調整する。また、方位調整部４９を利用して水力発電装置２の方位を調整する。このようにして、水力エネルギーを有効に利用し、水力発電装置２を効果的に稼働させる。
水力発電装置２を点検（メンテナンス）、塵取り、水量の増減等により使用しない場合には、本体部材６を水平状態にチルトアップして保存する。

図７は、上記水力発電装置の他の設置構造及び設置方法を示したものである。
ここでは、用水路９１に配置した架設部材４に、水力発電装置２を１台（１連）設置した例を示している。この用水路９１には段差がないため、高さ３０ｃｍの堰板（板材或いはブロック等）を配置して堰９３を形成し、水路の水を溜めて３０ｃｍ以上の水流９５の落差をつくり、水の落下を利用して発電を行う。この場合も、水の落下位置の近傍（上流側等）に水力発電装置２の水車８を配置する。

そして、用水路９１の水量等に応じて架設部材４の高さを決める。
水力発電装置２の設置に際しては、用水路９１の両堤９４に、それぞれ角材（又は形鋼等）を用いてポール９８を立設する。このポール９８には、所定間隔で取付孔部９９が設けられている。そして、必要な高さのポール９８の取付孔部９９を選択し、この位置で架設部材４に設けた孔部からボルト９７を挿通し、ポール９８の後側でナット等で止着し架設部材４を固定する。
このように、用水路の水流９５の水量等に応じて、架設部材４の高さを調節する。また、水力発電装置２の角度及び方位を調整し、効率的な発電を行う。

従って、上記第一の実施の形態によれば、水車、発電機等を一体化したコンパクト収納により水力発電装置の小型化、軽量化が図れるとともに、発電機及び制御装置等に格別の防水機能を持たせることもなく、設置も容易で取り扱いが簡単であり、河川水路等の多様な設置条件下においても簡易に発電が行え、また水流に応じて水車の角度及び方位の変更も簡単に行えて水流エネルギーを効率的に利用できる。
また、上記水力発電装置は、設置場所の条件に応じて水車の角度方位の調整が行えるため、設置場所（用水路、中小河川、工場排水路、工場ビルの循環水路、上下水道排水路、浄化槽循環水路等）を選ばず利用価値が高く、加えて水車等は耐久性、メンテナンス性に優れ長期間の使用が可能であり、低落差の水流であっても効果的に水流エネルギーを電気エネルギーに変えてその場で利用することも可能であり、また電力供給は風力、太陽光発電と比べても安定している。

図８は、第二の実施の形態に係る水力発電装置１０２を示したものである。
この水力発電装置１０２は、第一の実施の形態に係る水力発電装置２とは、水車及びその取り付け位置を除き、他の構成、作用及び設置方法等は同様であり、同一の符号を付してここでの詳細な説明は省略する。

上記水力発電装置１０２は、上下に長い本体部材６に水車１０８、回転伝達機構１０、発電機１２等が装備され、本体部材６の後側上部には本体部材６を架設部材４に取り付けるための本体取付機構１４が設けられている。
上記水車１０８は、水車の回転軸１１８が水流と交差する横型の所謂ペルトン水車であり、この回転軸１１８と交差（直交）する方向から水流を受ける。水車１０８は、本体部材６の下部側部に設けられた水車取付部１１７に回転可能に取り付けられている。

この水車１０８は、回転軸１１８、この回転軸１１８に軸着され四方にリブが配置されたホイール体１１９、このホイール体１１９の環状縁部１２０の周囲に配置された水受け部材１０９、及びホイール体１１９の左右部に取り付けられた中空円板状のサイド部材１１０，１１０を有している。水受け部材１０９は、矩形板を断面Ｌ状に屈曲して凹部１１１を形成した形状であり、環状縁部１２０の周囲に一定間隔をおいて１２枚配置されている。

水受け部材１０９は、環状縁部１２０に基端部が固定された状態で立設され、回転軸１１８と平行に配置されている。この水受け部材１０９は、その凹部１１１で水流を受け止める向きに配置する。
またサイド部材１１０，１１０は、ホイール体１１９の環状縁部１２０から水受け部材１０９の先端部までの範囲をカバーする形状である。そして、環状縁部１２０、水車１０８の隣り合う水受け部材１０９，１０９及びサイド部材１１０，１１０によりボックス状の水溜り部１１２が形成されている。水車１０８は、アルミニウム等の軽量金属、或いはステンレス材からなる。

上記水車１０８は、水受け部材１０９で水流を受け、また水受け部材１０９の凹部１１１で受けた水を逃げにくくし、さらに水溜り部１１２で受けた水を溜めて水車１０８の回転力を高め、この水流のエネルギーを回転力に変換する。
なお、水量が豊富な場合、或いは水流の流速が速い場所等では、サイド部材１１０，１１０を取り付けなくても、水受け部材１０９のみで水流のエネルギーを取り込むことができ、水車１０８は高い回転力が得られる。
水車１０８の水受け部材１０９の数は、ここでは１２枚としているが、これは６枚〜２４枚、或いはこれ以上の枚数を設ける形態としてもよい。また水受け部材１０９として、ここでは断面凹状の板材を用いているが、これは他に板材を皿形、或いは椀形に形成した形状であってもよい。

図９（ａ）（ｂ）に示すように、水車１０８には一連及び二連の取付形態があり、同図（ａ）は本体部材６の一方の側部のみに水車１０８を配置（一連）した形態、同図（ｂ）は本体部材６の両側部にそれぞれ水車１０８を配置（２連）した形態を示している。何れの形態についても、かさ歯車１２２を用いて水車１０８の回転軸１１８の回転を縦軸体２４に連結する。ここでは、かさ歯車１２２の回転比率を１対２とし、水車１０８の回転に対して発電機１２を２倍回すようにしている。この回転比率は他に、１対３〜５或いはそれ以上とすることができる。
図９（ｂ）の２連形態では、一方の水車１０８の回転軸１１８をかさ歯車１２２（横軸）を介して横軸体１２３に延設し、この横軸体１２３に他方の水車の回転軸１１８を連結し、かさ歯車１２２に伝える回転力を２倍に高めている。なお、水車１０８を２連配置した場合、水受け部材１０９の凹部１１１の向きは同じである。水車１０８は、ナット１２４により回転軸１１８に締結し着脱可能としている。

図１０（ａ）（ｂ）に示すように、水力発電装置１０２の水車１０８は、水車１０８の下部位置で水流を受ける下掛け（同図（ａ））、及び水車１０８の上部位置で水流を受ける上掛け（同図（ｂ））の使用が可能である。ここで、上掛けの場合の水車１０８の水受け部材１０９の凹部１１１の向きは、下掛けの場合とは逆向きとなる。
下掛けと上掛けとを使い分ける場合、例えば、水力発電装置１０２の水車１０８を回転軸１１８に着脱可能とし、回転軸１１８から脱着した水車１０８を裏返し（１８０度反転）このまま回転軸１１８に装着すれば、水受け部材１０９の凹部１１０の向きを逆向きに変えられる。

図１０（ａ）に示すように、水車１０８を下掛けで使用する場合には、水車１０８の下部側の水受け部材１０９で水流９５を受けることになり、比較的水量が少ない場所、或いは水流の落差が少ない場所等に用いると効果的である。
同図（ｂ）のように、水車１０８を上掛けで使用する場合には、水車１０８の上部側の水受け部材１０９で上方から落下する水流９５を受けることになり、水流の落差が大きい箇所で用いられる。また上掛けでは、上方の水受け部材１０９で受けた水を水溜り部１１２で溜めてその水の重量を利用し、また落下する水を下方の水受け部材１０９で受けてこれを利用し得ることから、流水エネルギー（位置エネルギー等）を最大限取得することができる。
水力発電装置１０２の水車１０８は、水受け部材１０９で水流を受けまたこの水を溜められる形態であることから、比較的水量が少なくまた水流の速度が遅い水路等にも適している。

図１１は、水力発電装置１０２の設置構造及び設置方法を示したものである。
水力発電装置１０２の設置に関しても、第一の実施の形態と同様、用水路９１等に配置した架設部材４に水力発電装置１０２を設置し、水路の水流９５を利用して発電を行う。ここでは、用水路９１の水路に段差のある段差部９２の下流側の水流、及び水の落下を利用して発電を行う。

水力発電装置１０２の設置に際しては、用水路９１の両堤９４に取り付けた角材９６間に直交状態で架設部材４を架け渡し両側を固定する。また、用水路の水量等に応じて、架設部材４の高さを調節する。水力発電装置１０２は、本体取付機構１４の本体設置部材４０を架設部材４に嵌めて装着し、クランプ部５６を回して固定する。

水路の段差部９２では、水の落下する位置の近傍（上流側等）に水車１０８を配置してもよいが、水力発電装置１０２の角度調整機能（角度調整部４８）を利用し、落下する水流の高い位置に水車１０８を配置するようにしても良い。水流の高い位置に水車１０８を配置した場合、水受け部材１０９（水溜り部１１２）に水が溜められ、また下方の水受け部材１０９も水流を受けることから、水の流速及び落差などが有効に利用（運動エネルギー及び位置エネルギー）でき効果的である。

また、段差のない水路であっても、水流（水路）の傾斜角度に応じて水力発電装置１０２を有効な角度に傾斜させて使用する。また、方位調整部４９を利用して水力発電装置１０２の方位を調整する。このように、水力発電装置１０２を効果的に稼働させ、水力エネルギーを有効に利用する。水力発電装置１０２を点検（メンテナンス）、塵取り、水量の増減等により使用しない場合には、本体部材６を水平状態にチルトアップして保存する。

従って、第二の実施の形態においても、第一の実施の形態と同様に、水力発電装置の小型化、軽量化が図れるとともに、発電機等に格別の防水機能を持たせることもなく、設置も容易で取り扱いが簡単で簡易に発電が行え、また水流に応じて水車の角度及び方位の変更も簡単に行えて水流エネルギーを効率的に利用でき、また利用価値が高く、水流が少なくまた流速が遅い場合であっても効果的に水流エネルギーを電気エネルギーに変えられる。

なお、水力発電装置２の本体部材６に取り付けられる水車８と、水力発電装置１０２に取り付けられる水車１０８とは、回転軸の向きが水流に対して９０度異なっているが、水力発電装置の本体部材６は方位調整機能（方位調整部４９）を利用すればその方位を９０度変えることができる。
このため、例えば、水力発電装置２の水車取付部の水車８を取り外し、替わりに水車１０８を取り付け、本体部材６の方位を９０度変えることにより、そのまま水車１０８を使用して発電機１２を稼働させることができる。これとは逆に、水力発電装置１０２の水車取付部に、水車１０８の替わりに水車８を取り付け、その方位を９０度変えることにより、そのまま水車８を使用して発電機１２を稼働させることができる。また、水力発電装置の角度調整機能（角度調整部４８）は、本体部材６の方位とは係わりなく有効に機能し、所望する角度に調整可能である。
このような上記水車８，１０８の使用形態により、水路等の水量、或いは段差等に応じて水車８と水車１０８とを使い分けることができ効果的である。

２，１０２ 水力発電装置
４ 架設部材
６ 本体部材
８，１０８ 水車
９ 羽根部材
１０ 回転伝達機構
１２ 発電機
１４ 本体取付機構
３６ ガイド部材
３８ 塵ガード部材
４０ 本体設置部材
４８ 角度調整部
４９ 方位調整部
８０ チルトアップ部
１０９ 水受け部材

Claims (12)

1. 水面の上方に配置した架設部材に本体部材を取り付けて使用し、この本体部材の下部を通過する水流を利用して発電を行う水力発電装置であって、
   上記本体部材を上記架設部材に取り付けるための本体取付機構と、
   上記本体部材の下部に設けられ、水流を回転力に変換する水車と、
   この水車の回転力を上方に伝達する回転伝達機構と、
   上記本体部材の上部に設けられ、上記回転伝達機構により伝達された回転力を駆動原として空中で発電を行う発電機と、を有することを特徴とする水力発電装置。
2. 上記本体取付機構に、上記本体部材を傾け、その傾斜角度を変えて保持固定することが可能な角度調整部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
3. 上記角度調整部に、上記本体部材を水平方向に向けて保持固定することが可能なチルトアップ部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の水力発電装置。
4. 上記本体取付機構に、上記角度調整部で調整された傾斜角度の状態で、上記本体部材を回動させ、その方位を変えて保持固定することが可能な方位調整部を設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の水力発電装置。
5. 上記本体取付機構に、上記本体部材を上記架設部材に対して着脱可能に取り付けることが可能な本体設置部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の水力発電装置。
6. 上記水車として、回転軸の周囲に、この回転軸と平行な方向から水流を受けるねじれのついた羽根部材を複数設けた形状としたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の水力発電装置。
7. 上記本体部材の下部に、上記水車の羽根部材の先端部を覆う筒状のガイド部材を取り付け、このガイド部材を水流の下流側に向かうに従って径が小さくなるように形成し、この径の小さい小径部に上記水車の羽根部材を配置したことを特徴とする請求項６記載の水力発電装置。
8. 上記水車の上流側に、上記水車の前面を覆い、先端部から後方の環状部にかけて複数の格子材が配置された塵ガード部材を配置したことを特徴とする請求項６又は７記載の水力発電装置。
9. 上記水車として、回転軸の周囲に、この回転軸と交差する方向から水流を受ける水受け部材を複数設けた形状としたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の水力発電装置。
10. 上記架設部材を水路に対して横向きに配置し、請求項１乃至９の何れかに記載の水力発電装置を、この架設部材に沿って一又は複数取り付けたことを特徴とする水力発電装置の設置方法。
11. 上記水路に段差部或いは堰を設け、上記段差部或いは堰から落下する水の勢いを利用できる位置に、上記水力発電装置の水車を配置したことを特徴とする請求項１０に記載の水力発電装置の設置方法。
12. 上記架設部材の高さを可変とし、上記水力発電装置の水車の高さを調整したことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の水力発電装置の設置方法。

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