JP2014134199A - 低流速河川用水力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】河川の自然水流、既設水路、河川堰などに設置し、流量や流速が小さい水流エネルギーを絞り部と落差円周隙間を形成する水路フリュームによって効率よく発電する開放周流形水車を利用した水力発電システムの提供を図る。
【解決手段】開放周流形水車と、発電装置と、該開放周流形水車と発電装置を配設するための水路フリュームとから成り、その水路フリュームには速度水頭を高めるための横絞り部と、開放周流形水車の下方位置に流路の縦方向を絞る縦絞り部とから構成され、該縦絞り凸部の上面には開放周流形水車の円周縁部に対応した円弧状凹部が形成され、開放周流形水車の前方から領域内に流入した水を略密閉状態で開放周流形水車の後方へと回転搬送し、該回転により発電装置を駆動して発電する手段を採る。
【選択図】図１

Description

本発明は水力発電装置に関し、詳しくは、河川の自然水流、既設水路、河川堰などに設置し、流量や流速が小さい河川でも、水路フリューム内に取り込まれた水流エネルギー（全水頭）を漏らさず利用すると共に、該水路フリュームに絞り部と落差円周隙間を形成することによって流速（速度水頭）を高め、効率よく発電する開放周流形水車を利用した水力発電システムに関する。

近年、埋蔵化石エネルギー資源の枯渇問題や、資源燃焼により排出される二酸化炭素等による地球環境の悪化の問題から、該二酸化炭素排出削減に向けて1997年12月に京都議定書が締結されたことや、2011年3月に発生した東日本大震災による福島原子力発電所の放射能漏れ発生事故以降、原子力発電に替わる水力、風力、太陽光等の自然エネルギーを利用した新エネルギー発電技術が注目されている。特に河川の水力利用の発電に関しては、従来からダム方式による大規模水力発電が利用されてきたが、従来のダム方式では莫大な建設費と工事日数を要すると共にダム建設時に発生する土砂等による堆積物の問題やダム建設に伴う周辺地域への自然環境破壊等の諸問題を残すものであったが、新エネルギー発電技術における小型水力発電に関しては、大規模なダムや水源を必要とせず、小さな水流エネルギーを利用して比較的簡単な工事で水力発電することが可能であることから、山間地、中小河川、農業用水路、上下水道施設、会社・工場、一般家庭などに設置をすることが可能であり、さらに小型水力発電を設置する必要未開発地は日本国中に無限にあるもので、将来的な小型水力発電を活用した電力の需要は原子力発電や火力発電に替わる新しい発電システムとして大いに期待されるところである。

現在においては、小型水力発電に関する運転ならびに設備における技術上の問題はほとんど解決されているものの、その実施にあたっての法的整備が殆ど手つかずの状態となっていたため、超小型の水力発電装置を除いて電気保安規制、水資源利用規制、主任技術者の選任義務等の法的規制が大型発電所と同等であることから、小型水力発電の発展・普及に大きな障害となっていたものであった。

資源エネルギー庁は、2007年3月の法改正で「新エネルギー」について将来的に着実な開発・導入ができるように、「電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法」を制定し、電気事業者が新エネルギー等を変換して得られる電気を利用ならびに買い取りすることを義務付けている。さらにこの新エネルギーに「農業用水等を利用する小規模な水力発電所（1000ｋｗ以下の水力発電所）」等の条項が追加されたことにより、農業用水路での小規模な発電についても、家庭用の風力発電や太陽光発電と同様に電気事業者への売電することが出来るようになったことと併せて、2010年12月の総合資源エネルギー調査会原子力安全・保安部会電力安全小委員会小型発電設備規制検討ワーキンググループがとりまとめた報告によれば、200ｋｗ未満の小規模発電設備に関して、保安規定・主任技術者・工事計画届出が一部または全部が不要となったことから、近年、新エネルギー発電における小型水力発電技術が一挙に見直されてきたものである。

このような現状に鑑み、上記の新エネルギー発電に係る水力発電技術が種々提案されている。例えば、水の落差などを利用せずとも比較的小さな水流で効率的に水力発電を行うことができる「水力発電装置」（特許文献１）が提案されている。

しかしながら、上記の「水力発電装置」の係る技術は、入水側開口部から排水側開口部へ向かって貫通する水路を有し、流れの生じている水中に水没させて用いるケーシング部材と、各回転軸とそれぞれ一体的に固定されかつケーシング部材の水路内に配置された複数の羽根部を有する一対の回転翼と、回転軸の一端部側に設けられた発電装置と、ケーシング部材の入水側開口部に設けられ、その開口端の面積を下流側に向かって徐々に減少させるように形成された水流増速部とを備える「水力発電装置」の提案であるが、該提案は、構造的に回転翼の羽根部の枚数が少ないため回転時の脈動が不安定になる可能性があると共に、金属板で形成されるケーシング部材が増水時の水圧によって破壊される可能性があるものである。また、回転方向が横回転するタイプの水車は、渇水時に一定の流速ならびに水量が得られないと充分な回転力ならびに変換エネルギーが得られない反面、増水時には回転翼の羽根部が全領域で水流をまともに受けることにより回転力に負の作用が働き回転力が小さくなると共に、電気系統や動力伝達系統が浸漬する可能性もあるもので、さらに流入異物が溜まり易く、整備・清掃のメンテナンスが頻繁に必要となるものであった。

また、河川等で流水を利用して発電する小規模水力発電に関し、堰や導水管等を伴う必要がないと共に水位変化への対応問題や水車の回転障害となる漂流物問題や土砂等の堆積問題等を解決出来て広範な場所で活用可能であり良好な発電が期待できる「水力発電装置」（特許文献２）が提案されている。

しかしながら、上記の「水力発電装置」の係る技術は、羽根が板状で水流に対し直交方向で且つ水面に対し直交方向の回転軸を有する水車と該水車の上流側に配設され流水の水力が水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするために水流に対して約３０〜６０度の範囲の角度をなして配設された板状導水部材とを具有し且つ前記水車と板状導水部材とが装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなして配設されているとともに、前記一対の水車と板状導水部材とを囲繞する角筒状部位を具有し、更に、前記板状導水部材の上流側に配設される部位で水車の回転に障害となる漂流物や魚等の流入を防止するために板状長尺部材を水流に対して約３０〜６０度の範囲の角度をなし且つ約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーン部位を具有し、水車の回転力を歯車による回転伝達機構で発電装置に伝達して発電する水力発電装置の提案であるが、該提案は、河川の流域内に水没させて発電する構造であることから、設置底面積に対して装置本体の高さが高いため増水時においては流され易く不安定な形状を形成しているものである。また構造的に回転翼の羽根部の枚数が少ないため回転時の脈動が不安定になる可能性があるものである。また、回転方向が横回転する水車は、渇水時に一定の流速ならびに水量が得られないと充分な回転力ならびに変換エネルギーが得られないと同時に、増水時には回転翼の羽根部が全領域で水流をまともに受けることにより回転力に負の作用が働き回転力が小さくなると共に、電気系統や動力伝達系統の浸漬や整備等のメンテナンスが容易でないものであった。

また、必要に応じ適宜の場所に容易に移動して設置でき且つ開水路の水位及び流水量の変動に大きく影響されることなく安定した出力を取得できる「開放周流形水車機構」（特許文献３）が提案されている。

しかしながら、上記の「開放周流形水車機構」の係る技術は、浮子の浮力によって浮子を除く開放周流形水車機構を開水路の水面上に浮上させ，二の浮子間に回転可能にして水車を配設し，前記浮子の浮力と浮子を除く開放周流形水車機構の重力との均衡を図って水車が開水路の水面から一定の水深に潜水させる開放周流形の水車機構であるが、該提案は、開放周流形水車を浮子の浮力によって河川や用水路の水面に浮遊させて発電する構造であることから、常に発電に必要な水流と水量が確保されなければならず、さらに装置自体を係留する大掛かりな設備工事ならびに付帯工事を必要とするものであり、設置される河川や用水路が限定されるものであった。

また、小河川などを対象に簡単な小規模工事で迅速に設置および移設可能となる上に、水源の水位の変動に影響されず、常時安定した出力を得ることができる「可搬型水車、およびそれを組み込んだ小型水力装置」（特許文献４）が提案されている。

しかしながら、上記の「可搬型水車、およびそれを組み込んだ小型水力装置」の係る技術は、狭幅水流を挟んで対峙する両岸夫々に設置可能な一対の定着台間に、該狭幅水流の直上または直下の何れかに配するよう、該水流に直交する水平状に横架可能な回転軸の両端側を夫々軸受けを介して軸着すると共に、該回転軸の水流に対応する中途適所に、同回転軸回り同心円上に複数の羽根板またはバケットを等角度間隔毎に配すると共に、同回転軸回りの各羽根板または各バケットよりも僅かに回転軸寄りとなる同心円上の所定間隔毎であって、各羽根板または各バケット左右巾の中央となる位置に、複数の慣性錘を互いに均衡するよう配した水車を一体化した上、該回転軸の水車と左右一対の定着台との間となる適所夫々に、回転力取り出し用の歯車を同心状に一体化した小型水力装置の提案であるが、該提案は、狭幅水流を挟んで対峙する両岸に一対の定着台を設置する現場工事を必要とするもので、高コストの工事費と工事日数を必要とすると共に、必要とされる流量・流速を得る手段が具体的に構成されていないため水車の回転力ならびに変換エネルギーの確保が充分にできるものではなかった。

また、組み立て解体が容易で農業用水路に簡単に設置でき実用に適した発電出力が得られる「簡易設置型流水式小型水力発電装置」（特許文献５）が提案されている。

しかしながら、上記の「可搬型水車、およびそれを組み込んだ小型水力装置」の係る技術は、農業用水路に設置される回転軸が水平の水平軸型水車と該水車に連設される発電装置とからなり、前記水車の回転直径は略２ｍであって該水車は長辺方向が前記水平軸に平行となる４枚、６枚または８枚の長方形の平板状の羽根を備え、前記羽根の前記農業用水路に水没する深さは該羽根の短辺の長さに略一致する簡易設置型流水式の小型水力発電装置の提案であるが、該提案は、農業用水路に設置される回転軸が水平軸型の水車と該水車に連設される発電装置で形成されていることから、設置する際には農業用水路や両岸が管理された水路壁工事が施工されている場所に限定されるもので、さらに水車の変換エネルギー効率が既存の水路の流量と流速に全面的に依存しているため一定の流量と流速を確保できる農業用水路に限定されるものである。また、装置自体が複雑であることから、流入異物が溜まり易く整備・清掃のメンテナンスが容易でないものであった。

また、底部に土砂や流芥が溜まることなく良好な流れを保持できる「水車式ゲート装置」（特許文献６）が提案されている。

しかしながら、上記の「水車式ゲート装置」の係る技術は、堤部間の底部に接近して横断方向に設置され水平軸心周りに回転自在に支持された回転体と、該回転体の外周部に一定角度ごとに略半径方向に突設された複数の翼体とを具備し、前記回転体下部の翼体に負荷される上流水の水圧により回転されて下流側に排水する水車形止水体を設け、前記水車形止水体の回転抵抗を調整して上流側水位を調整可能な水位調整手段を設けた水車式ゲート装置の提案であるが、該提案は、河口堰や河川の取水口遡上用魚道等のゲート装置が設置されている既存箇所に限定されるもので、さらに水車の変換エネルギー効率が水路の流量と流速に全面的に依存しているため、一定の流量と流速を確保できる農業用水路に限定されるものである。また、流入異物が溜まり易く整備・清掃のメンテナンスが容易でないものであった。

本出願人は、従来の河川の自然水流、河川堰、既設水路などの開水路に設置することができる開放周流形の水車に着目し、水路フリュームの上流取水口側に速度水頭を高めるための絞り部と最小限の落差円周隙間を設けることによって、流量や流速が小さい水流エネルギーを水路フリュームの構造によって効率よく吸収することができないものかとの着想の下、本発明における「低流速河川用水力発電システム」の提案に至るものである。

特開２００２７-１７７７９７号公報 特開２０１０-３１７９１号公報 特開２００２-２１３３４０号公報 実用新案登録第３１５８５６９号公報 特開２００９-１２７４４７号公報 特開２００３-２１３６５７号公報

本発明は上記問題点に鑑み、河川の自然水流、既設水路、河川堰などに設置し、流量や流速が小さい水流エネルギーを絞り部と落差円周隙間を形成する水路フリュームによって効率よく発電する開放周流形水車を利用した水力発電システムの提供を図るものである。

本発明の低流速河川用水力発電システムは、低流速河川において利用可能な水力発電システムであって、開放周流形水車と、発電装置と、前記開放周流形水車と前記発電装置を配設するための水路フリュームとから成り、前記開放周流形水車は円周縁部から中心までの２分の１から４分の３の範囲において羽根部と密接状態で流体動作領域を確保するための側部が形成され、該側部の略中心付近にはオーバーフロー用排出口が設けられ、前記水路フリュームには速度水頭を高めるための絞り部を有し、該絞り部は、前記開放周流形水車の前後方向位置に流路の幅を絞る横絞り部と、前記開放周流形水車の下方位置に流路の縦方向を絞る縦絞り部とから構成され、前記横絞り部は、前記開放周流形水車の前方から該開放周流形水車に向かうにつれて徐々に狭くなる前部横絞り部と、前記開放周流形水車の後方に向かうにつれて徐々に末広がり状に広がっていく後部横絞り部と、前記前部横絞り部と前記後部横絞り部を結ぶ平行部から構成され、前記縦絞り部は、前記開放周流形水車の前方から該開放周流形水車に向かうにつれて徐々に上方へ突出して狭くなる前部縦絞り部と、前記水車の後方に向かうにつれて徐々に下方へ下がって広がっていく後部縦絞り部と、前記前部縦絞り部最上端と、前記後部縦絞り部の最上端の間を結ぶ縦絞り凸部から構成され、該縦絞り凸部の上面には前記開放周流形水車の円周縁部に対応した円弧状凹部が形成され、該円弧状凹部の円弧の長さは前記水車の二枚の羽根部と側部で区画される一以上の領域の円弧よりも長い寸法とし、前記開放周流形水車の前方から前記領域内に流入した水を略密閉状態で開放周流形水車の後方へと回転搬送し、該回転により前記発電装置を駆動して発電する手段を採る。

また、本発明の低流速河川用水力発電システムは、前記水路フリュームの側部に迂回水路部が設けられている構成手段を採ることもできる。

また、本発明の低流速河川用水力発電システムは、前記水路フリュームの上流側または上流側と下流側に少なくとも一以上の延長水路フリュームを連結して絞り部を長尺なものとし、該絞り部の流路断面積の変化量を穏やかにして形状変化に伴う水頭損失ならびに整流を軽減させる手段を採る。

また、本発明の低流速河川用水力発電システムは、前記水路フリュームの上流側に漂流物流入防止手段を備えた手段を採る。

また、本発明の低流速河川用水力発電システムは、請求項１から請求項３のいずれかに記載の低流速河川用水力発電システムを、河川の上流から下流に掛けて複数設置し、これらの複数から得られた個々の発電力を集結して大きな発電力を得る手段を採る。

また、本発明は、前記水路フリュームが、河川の全福に形成されている構成手段を採ることもできる。

また、本発明は、前記水路フリュームが、河川の全福に形成されている構成手段を採用する場合において、増水時の迂回流路を備える構成手段も採ることができる。

本発明の低流速河川用水力発電システムによれば、水路フリュームに速度水頭を高めるための絞り部ならびに必要最小限の落差円周隙間を設けることによって、流量や流速が小さい水流エネルギーを効率よく吸収することができる優れた効果を奏する。

また、本発明の低流速河川用水力発電システムによれば、水路フリュームに縦絞り部ならびに必要最小限の落差円周隙間が設けられることによって、従来の堰や水門などの水の落差などを利用せずとも比較的小さな河川の水流で効率的に水力発電を行うことができる優れた効果を奏する。

また、本発明の低流速河川用水力発電システムによれば、水路フリュームの高さ形状と、開放周流形水車大きさと発電装置の取り付け位置を任意に仕様変更することによって河川の河岸の堰より高い位置に設定することができるため、電力系統や動力伝達系統が水没することがない構造とすることができる優れた効果を奏する。

また、本発明の低流速河川用水力発電システムによれば、開放周流形の水車を採用することによって水位変化への対応問題や水車の回転障害となる土砂や流芥等の堆積や漂流物問題を解決できると共に、広範な場所で設置が可能でありまた安定した水力発電ができる優れた効果を奏する。

また、本発明の請求項１から請求項４に係るいずれかの低流速河川用水力発電システムによれば、開放周流形水車と水路フリュームよって河川や水路に簡単に設置でき、さらに設置工事が短期間で施工できる優れた効果を奏する。

また、本発明の請求項５又は請求項６に係る低流速河川用水力発電システムによれば、河川の持つ全水頭を発電機を駆動するために用いることができるので、流速の遅い平野部などの河川でも大きな駆動力が得られると共に、請求項６に係る低流速河川用水力発電システムでは、増水時の迂回流路が設けられているため、オーバーフローすることもないという優れた効果を発揮する。

本発明の低流速河川用水力発電システムにおける実施形態を示す説明図である。（実施例１） 本発明に係る水路フリュームに迂回水路部が設けられた構成を示す説明図である。 本発明の低流速河川用水力発電システムにおける全体構成を示す分解斜視図である。 本発明に係る水路フリューム２０形体を示す説明図である。 本発明の低流速河川用水力発電システムにおける設置状態を示す説明図である。 本発明の低流速河川用水力発電システムに延長水路フリュームを連結した実施形態を示す説明図である。（実施例２） 本発明の低流速河川用水力発電システムに漂流物流入防止手段を備えた実施形態を示す説明図である。（実施例３） 本発明の低流速河川用水力発電システムを複数設置した実施形態を示す説明図である。 本発明の低流速河川用水力発電システムに安全カバーを装着した実施形態を示す説明図である。 本発明に係る水路フリュームを河川全幅に設ける構成を示す説明図である。 本発明に係る低流速河川用水力発電システムに迂回流路を設ける構成を示す説明図である。

本発明の低流速河川用水力発電システムは、河川の自然水流、既設水路、河川堰などに設置し、流量や流速が小さい水流エネルギーを絞り部と最小限の落差円周隙間を形成する水路フリュームによって効率よく発電する開放周流形水車を利用した水力発電システムとしたことを最大の特徴とするもので、以下、実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の低流速河川用水力発電システムにおける全体を示す説明図である。図１（a）は全体斜視図を示し、図１（b）は断面説明図を示す。
本発明の低流速河川用水力発電システム１０は、低流速河川において利用可能な水力発電システムであって、開放周流形水車３０と、発電装置５０と、水路フリューム２０とから構成されて、河川Ｒの自然水流、既設水路、河口堰などの開水路に設置し、流量や流速が小さい水流エネルギーを吸収して開放周流形水車３０を効率よく回転させる水力発電システムである。

図２は、本発明に係る水路フリューム２０に、迂回水路部２８が設けられた構成を示す説明図である。迂回水路部２８が設けられた構成では、増水時でも該迂回２８に水が流れ込むためオーバーフローすることなく、水路全体に設置可能となる。

図３は、本発明の低流速河川用水力発電システムにおける全体構成を示す分解斜視図であり、図４は本発明の低流速河川用水力発電システムにおける水路フリュームの絞り部の形状を示す説明図である。

水路フリューム２０は、河川Ｒの川底Ｕに設置又は河岸Ｓ側に係留されるコンクリート製の水路フリュームであって、上流側に速度水頭を高めるための絞り部２１を有して小さい水流エネルギーを吸収して開放周流形水車３０を効率よく回転させて発電するものである。また、該水路フリューム２０の上に開放周流形水車３０ならびに発電装置５０が取り付けられるため、フリューム単位で河川Ｒの川底Ｕ又は河岸Ｓ側のあらゆるところに容易に設置・係留できるものである。形状的には、例えば、長さ10ｍ、高さ2.75ｍ、幅1.5ｍの大きさで形成する。但し、該水路フリューム２０の寸法は、これらの数値や図示した水車の径と対比される長さに限定されるものではなく、絞り込みによる流体摩擦やオーバーフローを考慮した長さとし、可能な限り前方部を長尺とすることが望ましい。また、図５（ｃ）に示したように、該水路フリューム２０の底部に、川底Ｕに食い込むような楔型状等の突起部２７を設け、川底Ｕに安定して設置可能とすると共に、該水路リフューム２０の傾斜角度を調整して、位置水頭を増加させることが有効である。この場合、該突起部２７は、螺合部材や交換タイプとするなどにより、容易に高さ調整ができ、且つ強固な構造とすることが望ましい。そして、更に望ましくは、該突起部２７を水路フリューム２０の底部前後に設け、季節の変化等による増水時と減水時の水面ＳＬの水位変化に応じて高さ調整できるようにすることが有効である。さらになお、請求項６及び請求項７に係る水路フリューム２０は、河川への設置型ではなく河川の流れ方向の全福にかけて該水路フリューム２０と同構成となるように河川の川底Ｕ及び川岸Ｓを工事して形成するものである。

絞り部２１は、開放周流形水車３０の前後方向位置に流路の幅を絞る横絞り部２１aと、開放周流形水車３０の下方位置に流路の縦方向を絞る縦絞り部２２aとから構成され、小さい水流エネルギーを吸収して開放周流形水車３０を効率よく回転させる構造を有するものである。

横絞り部２１aは、開放周流形水車３０の前方から該開放周流形水車３０に向かうにつれて徐々に狭くなる前部横絞り部２１bと、開放周流形水車３０の後方に向かうにつれて徐々に末広がり状に広がっていく後部横絞り部２１cと、前部横絞り部２１bと後部横絞り部２１cを結ぶ平行部２５から構成されるものである。

縦絞り部２２aは、開放周流形水車３０の前方から該開放周流形水車３０に向かうにつれて徐々に上方へ突出して狭くなる前部縦絞り部２２bと、開放周流形水車３０の後方に向かうにつれて徐々に下方へ下がって広がっていく後部縦絞り部２２cと、前部縦絞り部２２bの最上端と、後部縦絞り部２２cの最上端の間を結ぶ縦絞り凸部２３から構成されるものである。

後部縦絞り凸部２３bは、円弧状凹部２４内に流入する水量を一定量確保するために設けられるもので、一定量の流量を確保できる河川Ｒに使用される場合は円弧状凹部２４の最大底辺位置と開放周流形水車３０の中心位置を結ぶ後方に接線状に底面部を延長して後部縦絞り凸部２３bを設けない仕様とすることも可能である。

円弧状凹部２４は、縦絞り凸部２３の上面には開放周流形水車３０の円周縁部３１に対応して形成され、該円弧状凹部２４の円弧の長さは開放周流形水車３０の二枚の羽根部３２と側部３３で区画される一以上の領域の円弧よりも長い最小限の寸法の落差円周隙間Ｔを有し、開放周流形水車３０の前方から領域内に流入した水流を略密閉状態で開放周流形水車３０の後方へと回転搬送し、該回転により発電装置５０を駆動して発電する形状を有するものである。

開放周流形水車３０は、円周縁部３１に複数の羽根部３２を具備し、回転軸３４を横向きにして水路フリューム２０の前部横絞り部２１bと後部横絞り部２１cを結ぶ平行部２５に取り付けられる。また、該開放周流形水車３０には、円周縁部から中心までの２分の１から４分の３の範囲において羽根部３２と密接状態で流体動作領域を確保するための側部３３が形成され、該側部３３の略中心付近にはオーバーフロー用排出口が設けられ、水車内の羽根部３２と側部３３の領域内に流入した流水を余すことなく略密閉状態で後方へと回転搬送し、該回転により発電装置５０を駆動して発電する開放周流型の下掛け水車である。形状的には、例えば、直径5.5ｍ、幅1.0ｍ、出力6.1ｋｗ、落差0〜50ｃｍの大きさで形成する。

発電装置５０は、発電機５１と調速機５２で構成され、発電機５１は、例えば、容量7.5ｋｗ、極数6極、電圧190Ｖの外部からの電源を必要としない防水型の永久磁石式同期発電機を使用すると共に、水流ならびに流速が減少した時の開放周流形水車３０の回転時の脈動が不安定になる現象を調整する調速機５２を介して取り付けられるものである。

落差円周隙間Ｔは、水路フリューム２０の上流側の水量と流速のエネルギー変換効率を上げるために水路フリューム２０の底面部に設けられる前部縦絞り凸部２３aと開放周流形水車３０の円周縁部３１と円弧状凹部２４によって形成されるものである。水流が前部縦絞り凸部２３aを超えることによって下向きの水流（落差）が生じて水流エネルギーが発生すると共に、落差円周隙間Ｔが設けられていることによって開放周流形水車３０の前方から領域内に流入した水を略密閉状態で開放周流形水車３０の後方へと回転搬送し、該回転により発電装置５０を効率よく駆動して発電するものである。

図４は、本発明に係る水路フリューム２０の形体を示す説明図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側方向から見た断面図である。図４（ｂ）は、側壁となる２面の平行部２５と、少なくとも２枚の羽根部３２と、円弧状凹部２４で囲まれた領域内の水量は略密閉状態で下流方向へと搬送され、該領域内の水量が有する全速度水頭を羽根部３２の駆動力に利用していることを示している。図５は、本発明の低流速河川用水力発電システムにおける設置状態を示す説明図であり、図５（a）は設置状態の縦断面図を示し、図５（b）は設置状態の平面図を示し、図５（c）は水路フリューム２０の底部に、突起部２７を設け、位置水頭を増加させて利用している状態を示している。本発明の低流速河川用水力発電システム１０は、水路フリューム２０の高さ形状と、開放周流形水車３０大きさと発電装置５０の取り付け位置を任意に仕様変更することによって河川Ｒの河岸Ｓの堰より高い位置に設定することができるため、電力系統や動力伝達系統が水没することがない構造とすることができるものである。また延長水路フリューム４０や漂流物流入防止手段６０を利用してその河川Ｒの水流の水量や流速の状態に合わせて設置することができるもので、アンカーボルトやフックによって川底や河岸Ｓに設置ならびに係留することができるものである。なお、図面上は河川Ｒの縁部に沿うように記載しているが、河川Ｒの流路を十分に確保できれば、河川Ｒの川幅に対してできるだけ本発明に係る低流速河川用水力発電システム１０の幅Ｈが締める割合を、幅Ｈ1より幅Ｈ2、更には幅Ｈ3へと大きくすることが有効である。

図６は、本発明の低流速河川用水力発電システムに延長水路フリュームを連結した実施形態を示す説明図である。
図６（a）は平面図を示す。
延長水路フリューム４０は、水路フリューム２０本体の上流側または上流側と下流側に、少なくとも一以上の延長した水路フリュームを連結して横絞り部２１aを長尺なものとし、該横絞り部２１aの流路断面積の変化量を穏やかにし、形状変化に伴う流速の水頭損失ならびに後方の乱流発生を軽減させる構造を有するものである。

図６（b）は側断面図を示す。
延長水路フリューム４０は、2.5〜5ｍのコンクリート製の延長フリュームで水路フリューム４０本体の上流側または上流側と下流側に少なくとも一以上の延長したフリュームを連結して縦絞り部２２aを長尺なものとし、該縦絞り部２２aの流路断面積の変化量を穏やかにして形状変化に伴う流速の水頭損失ならびに整流の後方発生を軽減させると共に、底面部の後部縦絞り凸部２３bの落差を利用して開放周流形水車３０の回転エネルギーを効率よく利用するものである。

図７は、本発明の低流速河川用水力発電システムに漂流物流入防止手段を備えた実施形態を示す説明図である。
図７（a）は、片側斜面形式を示し、図７（b）は両側斜面形式を示す。
漂流物流入防止手段６０は、水路フリューム２０の上流側に先端部が鋭角に突出した格子状の漂流物流入防止柵６１を備えるもので、例えば水路フリューム２０と同様なコンクリートブロックまたは金属製の網柵で形成されるもので、水路フリューム２０が河川Ｒの片側に設置される片側斜面形式と河川Ｒの中央に設置される両側斜面形式がある。

図８は、本発明の低流速河川用水力発電システムを複数設置した実施形態を示す説明図である。
低流速河川用水力発電システム１０を河川Ｒの上流から下流に掛けて流速が減退しない程度の略10ｍ間隔で複数設置し、これらの複数の低流速河川用水力発電システム１０から得られた個々の発電力を陸上の発電所Ｆに送電線Ｄで送電して大きな発電力を得るものである。

図９は、本発明の低流速河川用水力発電システムに安全カバーを装着した実施形態を示す説明図である。
人の体や異物が挟まる事のないように、開放周流形水車３０を覆うカバー７０を設けることが望ましい。また、このようなカバー７０で被覆しておけば、増水時に水位が水路フリューム２０の高さを超えた場合でも、開放周流形水車３０へ負担をかけることなく、破損防止にもなる。

図１０は、本発明の低流速河川用水力発電システムを、増水時の迂回流路分を残して最大限に大きく設置した状態を示す説明図である。図１０（a）は設置状態の縦断面図を示し、図１０（b）は設置状態の平面図を示している。係る構成は、図５に示した河川の全幅に対する本システムの幅Ｈ３相当する例示であり、河川全体の幅のうち、増水時の流路を確保した上で、その河川の持つ全水頭をできる限り利用するものである。係る構成が、設置型としてその河川の有する水流エネルギーを最大限利用し、大きな発電を可能とする態様である。

図１１は、本発明の水路フリューム２０を、河川の全福に形成した場合の構成を示す説明図である。図１１（a）は設置状態の縦断面図を示し、図１１（b）は設置状態の平面図を示している。係る構成は、川底Ｕ及び川岸Ｓの全体が前記水路フリュームの機能的形状と同構成となるように河川Ｒを工事して形成する。係る構成は、前記設置型とは異なり、側部流路や増水時用の迂回路部を持たず、その河川の有する全ての水流エネルギー（全水頭）を最大限利用し、大きな発電を可能とする態様である。なお、図１１（ｂ）に示した迂回流路Ｋは、増水時のオーバーフローを防止するために設けるものである。

本発明の低流速河川用水力発電システムは、河川の自然水流，既設水路、河川堰などに設置し、流量や流速が小さい水流エネルギーを絞り部と最小限の落差円周隙間を形成する水路フリュームによって効率よく発電することができることから、山間地、中小河川、農業用水路、上下水道施設、会社工場、一般家庭など従来設置されていない日本国中の水流が確保できるあらゆるところの設置が可能であり、本発明における低流速河川用水力発電システムの産業上の利用可能性は大とするものと解する。

１０ 低流速河川用水力発電システム
２０ 水路フリューム
２１ 絞り部
２１a 横絞り部
２１b 前部横絞り部
２１c 後部横絞り部
２２a 縦絞り部
２２b 前部縦絞り部
２２c 後部縦絞り部
２３ 縦絞り凸部
２３a 前部縦絞り凸部
２３b 後部縦絞り凸部
２４ 円弧状凹部
２５ 平行部
２６ 上流側先端部
２７ 突起部
２８ 迂回水路部
３０ 開放周流形水車
３１ 円周縁部
３２ 羽根部
３３ 側部
３４ 回転軸
４０ 延長水路フリューム
４１ 絞り部
４２ 上流側先端部
５０ 発電装置
５１ 発電機
５２ 調速機
６０ 漂流物流入防止手段
６１ 漂流物流入防止柵
７０ カバー
Ｒ 河川
Ｓ 川岸
ＳＬ 水面
Ｕ 川底
Ｈ 幅
Ｄ 送電線
Ｔ 落差円周隙間
Ｆ 発電所
Ｋ 迂回流路

Claims (7)

1. 低流速河川において利用可能な水力発電システムであって、
   開放周流形水車と、
   発電装置と、
   前記開放周流形水車と、
   前記発電装置を配設するための水路フリュームとから成り、
   前記開放周流形水車は、円周縁部から中心に向かう２分の１から４分の３の範囲において、羽根部と密接状態で流体動作領域を確保するための側部が形成され、
   該側部の略中心付近にはオーバーフロー用排出口が設けられ、
   前記水路フリュームには速度水頭を高めるための絞り部を有し、
   該絞り部は、
   前記開放周流形水車の前後方向位置に流路の幅を絞る横絞り部と、
   前記開放周流形水車の下方位置に流路の縦方向を絞る縦絞り部とから構成され、
   前記横絞り部は、
   前記開放周流形水車の前方から該開放周流形水車に向かうにつれて徐々に狭くなる前部横絞り部と、
   前記開放周流形水車の後方に向かうにつれて徐々に末広がり状に広がっていく後部横絞り部と、
   前記前部横絞り部と前記後部横絞り部を結ぶ平行部から構成され、
   前記縦絞り部は、
   前記開放周流形水車の前方から該開放周流形水車に向かうにつれて徐々に上方へ突出して狭くなる前部縦絞り部と、
   前記水車の後方に向かうにつれて徐々に下方へ下がって広がっていく後部縦絞り部と、
   前記前部縦絞り部最上端と、前記後部縦絞り部の最上端の間を結ぶ縦絞り凸部から構成され、
   該縦絞り凸部の上面には前記開放周流形水車の円周縁部に対応した円弧状凹部が形成され、
   該円弧状凹部の円弧の長さは前記水車の二枚の羽根部と側部で区画される一以上の領域の円弧よりも長い寸法とし、
   前記開放周流形水車の前方から前記領域内に流入した水を略密閉状態で開放周流形水車の後方へと回転搬送し、
   該回転により前記発電装置を駆動して発電することを特徴とする低流速河川用水力発電システム。
2. 前記水路フリュームの側部に迂回水路部が設けられていることを特徴とする前記請求項１に記載の低流速河川用水力発電システム。
3. 前記水路フリュームの上流側または上流側と下流側に少なくとも一以上の延長水路フリュームを連結して絞り部を長尺なものとし、該絞り部の流路断面積の変化量を穏やかにして形状変化に伴う水頭損失ならびに整流を軽減させたことを特徴とする前記請求項１又は請求項２に記載の低流速河川用水力発電システム。
4. 前記水路フリュームの上流側に漂流物流入防止手段を備えたことを特徴とする前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の低流速河川用水力発電システム。
5. 前記低流速河川用水力発電システムを、河川の上流から下流に掛けて複数設置し、これらの複数から得られた個々の発電力を集結して大きな発電力を得ることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の低流速河川用水力発電システム。
6. 前記水路フリュームが、河川の全福に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の低流速河川用水力発電システム
7. 増水時の迂回流路を備えることを特徴とする請求項６に記載の低流速河川用水力発電システム。