JP2017008927A - 垂直軸型水力発電装置、垂直軸型水力発電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】十分な出力特性を確保しながらも、水流の影響で発生する加振力（疲労荷重）を小さく抑えることができ、しかも、構造体の質量と装置全体の設置コストを最小限に抑えることのできる、従来にはない垂直軸型水力発電装置を提供する。【解決手段】垂直軸型水力発電装置１００は、水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機５０と、発電機５０に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸２０と、垂直回転軸２０の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレード１３とを備える。複数のブレード１３は、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成され、かつ、当該複数のブレード１３を底面側から見たときに、５枚以下のブレード数で構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、垂直軸型水力発電装置および垂直軸型水力発電ユニットに関するものである。

従来から、水車が備えるブレードを水流によって回転運動させ、この回転運動を発電機に伝達することで電力を発生させる水力発電装置が知られている。従来の小型の水力発電装置には、水路を堰き止めて発電する「落差式」や、水流の抗力で発電する「サボニウス型」の水車が多く用いられてきた（例えば、下記特許文献１参照）。しかし、これらの水車を既存の水路に設置しようとする場合には、水路から水が溢れ出ないようにするための大掛かりな水路改造工事等が必要となるため、水力発電装置の設置場所には多くの制約が存在していた。また、水車の特性上、水路を流れるゴミが水車に堆積してしまうため、除塵装置と多額のメンテナンス費用も必要となる。つまり、従来の水力発電装置には、多大な初期コストと維持コストが必要となるなど、経済合理性の観点からその普及を阻害する要因が存在していた。

上述した従来の水力発電装置に存在する課題を解決する手法として、近年、揚力特性を利用した垂直軸型水力発電装置の実現が検討されている。この垂直軸型水力発電装置は、水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、発電機に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸と、この垂直回転軸の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレードと、を備える装置であって、複数のブレードが水流に対して垂直方向に配置された形式を有することから、従来技術で必要であった除塵装置や多額のメンテナンス費用が不要となるメリットを備えるものである。

特開２００３−１０６２４７号公報

しかしながら、垂直軸型水力発電装置が想定する垂直方向に配置されるブレードは、風力発電には多く用いられているが、水力発電装置への普及は進んでいないのが現状である。なぜなら、風車に利用される風（空気）とは異なり、水車に利用される水流（水）は、空気の約８００倍の密度を持つため、ブレードに定常的に加わる水流からの荷重が非常に大きくなるという課題が存在している。すなわち、発電効率を向上させるためにブレードの出力を大きくしようとすると、たとえ一定流速の流水から力を受ける場合であっても、水車全体には非常に大きな荷重が加わり、振動に基づく疲労荷重の影響も大なるものがある。特に、垂直軸型水力発電装置の場合、水路を流れる流水中に配置されるブレードは、片持ち梁の構造となるため、水流からの大荷重と加振による疲労荷重に耐え得るためには、強固な構造体が必要となる。つまり、既存の垂直軸型水力発電装置には、従来の他形式の水力発電装置には存在しない形式上のメリットがあるものの、垂直軸型水力発電ユニットとして、仕様によっては設置コストを増大化させる虞があった。

本発明は、上述した従来技術に存在する課題の存在に鑑みて成されたものであり、その目的は、十分な出力特性を確保しながらも、水流の影響で発生する加振力（疲労荷重）を小さく抑えることができ、しかも、構造体の質量と装置全体の設置コストを最小限に抑えることのできる、従来にはない垂直軸型水力発電装置を提供することにある。

本発明に係る垂直軸型水力発電装置は、水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、前記発電機に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸と、前記垂直回転軸の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレードと、を備える垂直軸型水力発電装置であって、前記複数のブレードは、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成され、かつ、当該複数のブレードを底面側から見たときに、５枚以下のブレード数で構成されることを特徴とするものである。

本発明によれば、十分な出力特性を確保しながらも、水流の影響で発生する加振力（疲労荷重）を小さく抑えることができ、しかも、構造体の質量と装置全体の設置コストを最小限に抑えることのできる、従来にはない垂直軸型水力発電装置を提供することができる。

本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニットの全体構成を示す外観斜視図である。 本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置に適用可能な翼型形状を例示する図である。 水車が有する複数のブレードの位置角（ｄｅｇ）に対する加振力（Ｎ）の様子を示したグラフ図であり、図３中の分図（ａ）はブレード枚数が２枚の場合の結果を示し、図３中の分図（ｂ）はブレード枚数が５枚の場合の結果を示している。 ブレード枚数が２枚〜９枚の間で１枚ずつ増加させたときに、垂直回転軸に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）の変化を示したグラフ図である。 ブレード枚数が２枚〜９枚の間で１枚ずつ増加させたときの設置コストの影響について検証した結果を示すグラフ図である。 ブレード枚数が偶数の場合と奇数の場合とで、垂直回転軸に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）が示す異なる変化傾向を示したグラフ図である。 本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置が取り得る外観形状の具体的な構成例を示す図である。 本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置が取り得る外観形状の具体的な構成例を示す図である。 本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置が取り得る外観形状の具体的な構成例を示す図である。 本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置が取り得る外観形状の具体的な構成例を示す図である。 本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置が取り得る外観形状の具体的な構成例を示す図である。 本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置が取り得る外観形状の具体的な構成例を示す図である。 本実施形態に係るブレード単体の詳細な構造を示す図であり、図中の分図（ａ）は１枚のブレードの側面視を、分図（ｂ）は１枚のブレードの上面視を示している。 １枚のブレードが１回転する際に作用する荷重の変動状況を示した図である。 ブレードのコーナー部に発生する応力の疲労限度に対する安全率と、出力利用率を示したグラフ図であり、横軸に隅アール部のブレード全長に対する割合が、左縦軸に疲労限度に対する安全率が、右縦軸に出力利用率が示されている。 図１５で示したグラフ図を拡大したグラフ図であって、図１５における左縦軸の疲労限度に対する安全率が０〜４の範囲である場合が示されている。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

まず、本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニット１００の全体構成例について説明を行う。ここで、図１は、本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニットの全体構成を示す外観斜視図であり、図２は、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置に適用可能な翼型形状を例示する図である。

本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０は、ブレード１３によって構成される水車１１を水流によって回転運動させ、当該回転運動を発電機５０に伝達することで電力を発生させる装置である。具体的な構成としては、図１にて示すように、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０は、水流により回転する水車１１と、水車１１が設置される垂直回転軸２０と、垂直回転軸２０を回転可能に支持する軸受を備える軸受サポート部３０と、垂直回転軸２０の回転駆動力により電力を発生する発電機５０と、を有して構成される。そして、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０は、例えば用水路に設置される。

また、垂直軸型水力発電ユニット１００としては、回転部材である水車１１や垂直回転軸２０を支持し、垂直軸型水力発電装置１０の固定設置を行うための支持体６０が垂直回転軸２０や軸受サポート部３０を取り囲むように設置されており、この支持体６０には、用水路等に架け渡されるブリッジ部６１が接続されている。支持体６０とブリッジ部６１とが、例えば用水路の両岸に設けられた基礎部６２に対して固定設置されることで、本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニット１００の設置が行われている。

図１で例示する水車１１は、当該水車を構成する複数のブレード１３が垂直回転軸２０の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設されたものであり、図１では３枚のブレード１３が設置された場合が例示されている。これら３枚のブレード１３は、それぞれが略コ字形からなる外観形状を有して構成されており、略コ字形の開放部が垂直回転軸２０に対して向くように設置されている。また、略コ字形の縦棒部が鉛直方向に延びて形成されるとともに、その横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成されている。このように直線翼として形成される鉛直方向に延びた略コ字形の縦棒部が、水車１１の羽根部として機能する。すなわち、本実施形態に係る水車１１は、図１に示すように、３枚のブレード１３が水中に配置されて水流からの力（水のスラスト力）を受けることで、翼型形状からなる直線翼としてのブレード１２が水流を受けて揚力を発生し、水車１１の中心（垂直回転軸２０）を中心軸として回転するようになっている。

なお、ブレード１３が有する横断面形状の翼型形状については、図２で例示するように、あらゆる形式の翼型形状を採用することができる。例えば、図２中の分図（ａ）で示すような、ＮＡＳＡ（アメリカ航空宇宙局：National Aeronautics and Space Administration）の前身であるＮＡＣＡ（アメリカ航空諮問委員会：National Advisory Committee for Aeronautics）が定義した「ＮＡＣＡ００１８」なる翼型を採用しても良いし、図２中の分図（ｂ）で示すような、東海大学で開発された「ＴＷＴ１２０１３−０５−ＢＡ６４２」なる翼型を採用しても良い。

垂直回転軸２０は、上述したように、その下端側に３枚のブレード１３が設置され、ブレード１３の作用によって発生する回転力を受けることで、回転運動する部材である。垂直回転軸２０と３枚のブレード１３とは、例えばボルトおよびナット等のような公知の締結手段によって、確実に締結固定がなされている。そして、垂直回転軸２０は、軸受サポート部３０に備えられる軸受により回転可能に支持される。

垂直回転軸２０の回転は、軸受サポート部３０によって支持され、発電機５０に伝達され、発電機５０が電力を発生させることとなる。なお、本実施形態に係る発電機５０は、発電機５０の備える不図示の入力軸が、垂直回転軸２０と同軸となるように設置されている。ただし、発電機５０と垂直回転軸２０とが遊星歯車や減速器を使用して接続される形態の場合には、発電機５０の備える不図示の入力軸は、垂直回転軸２０と同軸で配置されていなくとも良い。そして、発電された電力は、不図示の送電手段によって、電力消費地や蓄電手段等へと送電される。

以上、本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニット１００の全体構成例についての説明を行った。次に、上述した垂直軸型水力発電ユニット１００に基づき、発明者らが行った実験結果について説明する。以下で説明する実験結果は、十分な出力特性を確保しながらも、水流の影響で発生する加振力（疲労荷重）を小さく抑えることができ、しかも、構造体の質量と装置全体の設置コストを最小限に抑えることのできる、従来にはない垂直軸型水力発電装置１０および垂直軸型水力発電ユニット１００を得るために、発明者らが初めて着想して検討し、得られた成果である。

まず、発明者らは、垂直軸型水力発電装置１０および垂直軸型水力発電ユニット１００で課題となる影響のうち、水流のスラスト力によって水車１１のブレード１３に発生する加振力（疲労荷重）の影響について着目した。そして、発明者らは、単一流管理論より、直線翼からなるブレード１３を有する水車１１のロータ特性（疲労荷重特性）を解析し、図３で示す結果を得た。ここで、図３は、水車１１が有する複数のブレード１３の位置角（ｄｅｇ）に対する加振力（Ｎ）の様子を示したグラフ図であり、図３中の分図（ａ）はブレード枚数が２枚の場合の結果を示し、図３中の分図（ｂ）はブレード枚数が５枚の場合の結果を示している。

図３中の分図（ａ）で示す通り、ブレード枚数が２枚の場合では、各ブレード１３に加わる加振力（Ｎ）の変動が非常に大きく、また、これら２枚のブレード１３に加わる加振力（Ｎ）の合計値についても、符号αで示す矢印幅の通り、非常に大きな振幅変動を有するものであった。

一方、ブレード枚数が５枚の場合では、図３中の分図（ｂ）で示す通り、各ブレード１３に加わる加振力（Ｎ）の変動は比較的小さく、また、これら５枚のブレード１３に加わる加振力（Ｎ）の合計値についても、加振力（Ｎ）を互いに打ち消し合うことで、符号βで示す矢印幅の通り、非常に小さな振幅変動を有するものとなることが確認できた。

以上の結果から分かることとして、ブレード枚数が２枚の水車１１の場合、水車１回転あたりの荷重振幅は、約３５０Ｎ強であるのに対し、ブレード枚数が５枚の水車１１の場合、水車１回転あたりの荷重振幅は、約５０Ｎ弱であり、両者の荷重振幅には約７倍もの開きが存在していた。したがって、垂直軸型水力発電装置１０においては、ブレード１３の枚数が多いほど、水車１１のブレード１３に発生する加振力（疲労荷重）が小さくなるのではないか、との仮説を見出すことができる。

そこで次に、発明者らは、ブレード枚数の違いが、垂直回転軸２０に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）にどのような違いをもたらすのかについての検証を行った。その結果を、図４に示す。ここで、図４は、ブレード枚数が２枚〜９枚の間で１枚ずつ増加させたときに、垂直回転軸２０に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）の変化を示したグラフ図である。

図４で示すように、ブレード枚数が２枚から３枚、４枚、５枚まで増加するにつれ、垂直回転軸２０に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）は暫時減少して行くことが確認できた。ただし、ブレード枚数が６枚のときは、５枚の場合に比べて曲げモーメント（Ｎ・ｍ）が僅かに増加することが確認できた。さらに、ブレード枚数が６枚以上となると、垂直回転軸２０に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）は、あまり変化せず、ブレード枚数の増加による曲げモーメント（Ｎ・ｍ）への影響が減少して行くことが確認できた。ただし、ブレード枚数が６枚以上の場合の曲げモーメント（Ｎ・ｍ）についても、ブレード枚数が２枚のときと比較すると曲げモーメント（Ｎ・ｍ）が大きく抑えられており、ブレード枚数を少なくとも３枚以上とすることで、垂直回転軸２０に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）を大幅に減少させることが可能であることを確認できた。

続いて、発明者らは、垂直軸型水力発電装置１０および垂直軸型水力発電ユニット１００の普及を阻害するもう一つの要因である設置コストの影響について、検証することとした。その結果を、図５に示す。ここで、図５は、ブレード枚数が２枚〜９枚の間で１枚ずつ増加させたときの設置コストの影響について検証した結果を示すグラフ図である。なお、図５において示すグラフ図には、説明の便宜のために、図４で示した垂直回転軸２０に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）の変化を示したグラフについても併記することとした。

まず、発明者らは、ブレード枚数を少なくとも３枚以上とすることで、垂直回転軸２０に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）を減少させることが可能となるとの知見から、曲げモーメント（Ｎ・ｍ）の減少によって、垂直軸型水力発電装置１０全体の水車メカ質量を減少させることができるのでは、との着想を得た。ここで、「水車メカ質量」とは、図１で示した部材のうち、ブレード部分（１１，１３）とブリッジ部分（６０，６１）とを除いた垂直軸型水力発電装置単体での質量を示している。これは、ブレード枚数の増加に伴い、垂直回転軸２０であるシャフトの直径を小さくできるため、単体の質量で示すことができる。そして、疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）を考慮した上で、垂直軸型水力発電装置単体での質量を設計検討した結果、図５中の分図（ａ）で示すように、ブレード枚数毎の水車メカ質量の値を得た。ここで、図５中の分図（ａ）では、水車メカ質量が絶対値である質量比で示してあるが、この図から明らかな通り、ブレード枚数が３枚以上の場合には、ブレード枚数が２枚のときと比較して、水車メカ質量を大きく減少させることが可能であることが明らかとなった。この水車メカ質量の質量比傾向は、疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）の数値傾向と非常に合致しており、発明者らの予想通りの結果となった。

上記の結果を得て、発明者らは、ブリッジ部分（６０，６１）で定義される「ブリッジ質量」についての検討も行った。そして、疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）を考慮した上で、ブリッジ部分（６０，６１）で定義される「ブリッジ質量」を設計検討した結果、図５中の分図（ｂ）で示すように、ブレード枚数毎のブリッジ質量の値を得た。ここで、図５中の分図（ｂ）では、ブリッジ質量が絶対値である質量比で示してあるが、この図から明らかな通り、「ブリッジ質量」についても「水車メカ質量」の場合と同様に、ブレード枚数が３枚以上の場合には、ブレード枚数が２枚のときと比較して、ブリッジ質量を大きく減少させることが可能であることが明らかとなった。このブリッジ質量の質量比傾向についても、疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）の数値傾向と非常に合致しており、発明者らの予想通りの結果となった。

以上説明したように、ブレード枚数が３枚以上の場合には、ブレード枚数が２枚のときと比較して、「水車メカ質量」と「ブリッジ質量」を大きく減少させることが可能であることが明らかとなった。これら「水車メカ質量」と「ブリッジ質量」を大きく減少させることで、当然に設置コストの削減効果が得られるはずである。ただし、ブレード枚数を増加させることは、ブレード作成費用を増加させることにもつながるものである。そこで、発明者らは、ブレード枚数が２枚〜９枚の間で１枚ずつ増加させたときのブレード製造コストの増加影響について検証した。その結果を示すグラフ図が、図５中の分図（ｃ）である。

ここで、水車１１を構成するブレード１３については、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック：carbon-fiber-reinforced plastic）等の非常に高価な素材を用いて製造されるため、ブレード枚数の増加はそのまま製造コストの増加に比例的に影響を及ぼすこととなる。その結果が、図５中の分図（ｃ）に示されており、ブレード枚数の増加は、ブレードを合算した水車全体のコストを比例的に増加させることが明らかである。

そして、上述した「水車メカ質量」と「ブリッジ質量」に基づくコスト影響と、ブレード枚数の増加に基づくコスト影響とを合算した装置全体のコスト影響を、図５中の分図（ｄ）に示す。図５中の分図（ｄ）からも明らかな通り、ブレード部分（１１，１３）と水車メカ部分（２０，３０，５０）、およびブリッジ部分（６０，６１）の合計コストを確認した結果、ブレード枚数が３枚、４枚、５枚の場合についてはコストが抑制されており、この設置コストで垂直軸型水力発電ユニット１００を導入できれば、経済合理性の観点からも採算が合い、これまで導入できなかった身近な水路に対して本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニット１００を導入できることが明らかとなった。一方、ブレード枚数が２枚、６枚〜９枚の場合についてはコストが大きく上昇してしまい、設置コストの面から経済合理性に合わないことが明らかとなった。なお、ブレード枚数が１０枚以上の場合については、６枚〜９枚の場合と同様に、ブレード製造コストが増加することが明らかなので、１０枚以上についても設置コストの面から経済合理性に合致しない。

以上説明した発明者による検証から、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０については、水車１１を構成するブレード１３の枚数を３枚〜５枚のブレード数で構成することによって、最適な垂直軸型水力発電ユニット１００が得られることが明らかとなった。すなわち、水車１１を構成するブレード１３の枚数が３枚〜５枚である垂直軸型水力発電装置１０を導入することで、十分な出力特性を確保しながらも、水流の影響で発生する加振力（疲労荷重）を小さく抑えることができ、しかも、構造体の質量と装置全体の設置コストを最小限に抑えることのできる、従来にはない垂直軸型水力発電ユニット１００を提供することができることとなる。なお、図３〜図５を用いて説明した発明者らによる単一流管理論を用いた検証内容については、少なくとも垂直軸型水力発電装置の分野ではこれまでに無い全く新しい着想に基づくものであり、発明者らが新規に行い、得ることのできた研究成果であることを付言しておく。

さて、上述した新規な研究成果を得た発明者らは、水車１１を構成するブレード１３の枚数を３枚〜５枚とするという条件について、さらに最適化することができないかを検証・検討した。その際、図４で示したブレード枚数毎の垂直回転軸２０に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）の変化を示したグラフ図を再度検証することとした。その結果、図６で示すように、このブレード枚数毎の曲げモーメント（Ｎ・ｍ）の変化点については、ブレード枚数が偶数の場合と奇数の場合とで異なる傾向を示すことを確認することができた。ここで、図６は、ブレード枚数が偶数の場合と奇数の場合とで、垂直回転軸に作用する疲労特性としての曲げモーメント（Ｎ・ｍ）が示す異なる変化傾向を示したグラフ図である。

すなわち、図６中の符号ｘで示すように、ブレード枚数が偶数の場合の曲げモーメント（Ｎ・ｍ）値を仮想線ｘで結ぶと、図６中の符号ｙで示すように、ブレード枚数が奇数の場合の曲げモーメント（Ｎ・ｍ）値を仮想線ｙで結んだ場合の方が、偶数の仮想線ｘの場合に比べて曲げモーメント（Ｎ・ｍ）の値が小さくなる傾向があることが分かる。この事実についての明確な理論説明は未だ不十分ではあるが、発明者らが考えるに、ブレード枚数が偶数の場合、垂直回転軸２０の周囲を対向して各ブレード１３が配置されることになるので、水流に対してブレードが重畳する箇所が生じることとなる。その結果、ブレードの機能を減少させてブレード枚数の増加効果を相殺する作用が働くことで、ブレード枚数が奇数の場合に比べてブレード枚数が偶数の場合の方が、曲げモーメント（Ｎ・ｍ）が増加してしまう傾向を有することになるのではないかと考えている。

なお、図６中の符号ｘおよびｙで示す仮想線は、例えば、点列の近似曲線を計算する手段としての最小二条法などの周知の手法を用いて描くことができる。

以上説明した図６を用いた仮説に基づけば、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０については、水車１１を構成するブレード１３の枚数を奇数枚、すなわち、３枚又は５枚のブレード数で構成することによって、最適な垂直軸型水力発電ユニット１００が得られることとなる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明した。なお、上述した本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０を具体的に例示する構成例として、図７〜図１２を示す。ここで、図７〜図１２は、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０が取り得る外観形状の具体的な構成例を示す図である。なお、図７および図１０は、水車１１を構成するブレード１３の枚数が３枚の場合の垂直軸型水力発電装置１０を示しており、図８および図１１は、水車１１を構成するブレード１３の枚数が４枚の場合の垂直軸型水力発電装置１０を示しており、図９および図１２は、水車１１を構成するブレード１３の枚数が５枚の場合の垂直軸型水力発電装置１０を示している。

そして、図７〜図１２で示す垂直軸型水力発電装置１０において、複数のブレード１３によって構成される水車１１のソリディティは、０．１〜０．２９となるように構成されている。ここで、ソリディティとは、翼の回転面積に対する全翼面積の比として示される指標であり、以下の数式（１）であらわされるものである。
ソリディティ（ρ）＝ｎ×Ｃ／（２πｒ） ・・・ （１）
ただし、ｎ＝翼枚数、Ｃ＝翼弦長（ｍ）、ｒ＝水車半径 とする。

上記の事実は、ソリディティが、０．１〜０．２９となるように構成することで、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０および垂直軸型水力発電ユニット１００を得られることも示している。すなわち、ソリディティが０．１〜０．２９であり、かつ、ブレード１３の枚数を３枚〜５枚とすることで、十分な出力特性を確保しながらも、水流の影響で発生する加振力（疲労荷重）を小さく抑えることができ、しかも、構造体の質量と装置全体の設置コストを最小限に抑えることのできる、従来にはない垂直軸型水力発電装置１０および垂直軸型水力発電ユニット１００を提供することができる。

以上、図３〜図６を用いて説明した発明事項は、水流のスラスト力によって水車１１のブレード１３に発生する加振力（疲労荷重）の影響について着目するとともに、「水車メカ質量」と「ブリッジ質量」に基づくコスト影響と、ブレード枚数の増加に基づくコスト影響とを合算した装置全体のコスト影響を考慮することで導き出されたものであった。かかる発明事項によって、発明者らは、垂直軸型水力発電装置１０の好適な構成条件についての新たな知見を得るに至った。この知見を踏まえ、発明者らは、新たな観点に基づく研究を進めることで、さらに最適化された垂直軸型水力発電装置の構成条件を見出すことに成功した。そこで、次に、図１３〜図１６を用いることで、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０の別の新たな構成条件についての説明を行う。

ここで、図１３は、本実施形態に係るブレード単体の詳細な構造を示す図であり、図中の分図（ａ）は１枚のブレードの側面視を、分図（ｂ）は１枚のブレードの上面視を示している。また、図１４は、１枚のブレードが１回転する際に作用する荷重の変動状況を示した図である。さらに、図１５は、ブレードのコーナー部（隅アール部）に発生する応力の疲労限度に対する安全率と、出力利用率を示したグラフ図であり、横軸に隅アール部のブレード全長に対する割合が、左縦軸に疲労限度に対する安全率が、右縦軸に出力利用率が示されている。またさらに、図１６は、図１５で示したグラフ図を拡大したグラフ図であって、図１５における左縦軸の疲労限度に対する安全率が０〜４の範囲である場合が示されている。なお、図１５および図１６において、横軸に示された隅アール部１３ｂのブレード全長Ｌに対する割合については、１枚のブレードが有する上下一対の隅アール部１３ｂのうち、いずれか一方の隅アール部１３ｂの曲率半径の寸法Ｒに基づき算出された割合である。

さて、発明者らは、図３〜図６を用いて説明した発明事項を満足するとともに、図７〜図１２で示すように、水車１１のソリディティが０．１〜０．２９となるように構成された垂直軸型水力発電装置１０を実際に水流中で運用すると、ブレード１３に対する水流からの力が非常に大きく、ブレード強度を考慮したブレード設計が必要であることを再認識した。特に、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０については、図１３に示すように、１枚のブレード１３は、鉛直方向に延びて形成されたブレード直線部１３ａと、垂直回転軸２０から水平方向に延びて形成される上下一対のブレードアーム部１３ｃと、１つのブレード直線部１３ａと２つのブレードアーム部１３ｃとの接続部に形成された上下一対の隅アール部１３ｂとによって構成されている。つまり、水流からの力が、ブレード直線部１３ａと上下一対の隅アール部１３ｂとに作用することで、水車１１の回転運動が行われることになる。そしてこの際、１枚のブレード１３において応力が最大となる箇所が、隅アール部１３ｂとなることが知られている。すなわち、隅アール部１３ｂが小さい、もしくは無いと、ブレード１３の強度は低下して最悪の場合には水車１１が破壊されることとなり、一方、隅アール部１３ｂが大きいと、揚力を発生するブレード直線部１３ａの長さが小さくなって発電効率を低下させてしまうこととなる。したがって、ブレード１３の強度の観点と、発電効率の観点から、最適化されたブレード形状を提案できれば、さらに好ましい垂直軸型水力発電装置１０を得ることが可能となる。

以上の着想に基づき、発明者らは、最適なブレード形状を得るための研究を行った。まず、水車１１のソリディティが０．１〜０．２９となる範囲で水車１１を構成するブレード１３の枚数を増加させると、ブレード１枚当たりの翼弦長、翼厚が小さくなるので、ブレード１３の強度は低下することとなる。ここで、図１４に示すように、水車１１が回転しているときに、水車１１を構成する１枚のブレード１３には、１回転中に複雑に変動する荷重が作用することとなる。特に、接線方向荷重Ｆｔに比べて、半径方向荷重Ｆｎは、ブレード１３の１回転中で大きく変動することが分かる。また、応力集中係数は、隅アール部１３ｂの曲率半径Ｒの寸法によって変化する。そこで、発明者らは鋭意研究した結果、数値解析によって、各翼枚数（２枚〜１０枚）において、隅アール部１３ｂの大きさを変化させた場合にブレード１３に発生する応力振幅を算出し、疲労強度に対する安全率を算出した。なお、この数値解析では、ブレード１３を構成する材料として、強度、製造性に優れたダクタイル鋳鉄、合金、複合樹脂等を想定し、繰り返し回数１０^９回における疲労強度が７５〜１８０ＭＰａとして算出を行った。また、上述したように、隅アール部１３ｂを大きくするとブレード１３の有効な直線部分であるブレード直線部１３ａが減少してブレードとしての性能が低下し、発電効率が低下することとなる。そこで、発明者らは、各翼枚数（２枚〜１０枚）ごとでの隅アール部１３ｂの曲率半径Ｒの寸法によって変化するブレード１３の出力利用率を算出した。これらの算出結果をまとめたのが、図１５および図１６である。なお、本実施形態では、ブレード１３に形成された上下一対の隅アール部１３ｂのそれぞれの曲率半径Ｒの寸法は、同一の値である場合を想定している。したがって、ブレード１３に形成された上下一対の隅アール部１３ｂのそれぞれの曲率半径は「Ｒ」であり、図１５および図１６において、横軸に示された隅アール部１３ｂのブレード全長Ｌに対する割合については、１枚のブレードが有する上下一対の隅アール部１３ｂのうち、いずれか一方の１つの隅アール部１３ｂの曲率半径の寸法Ｒに基づき算出された割合が示されている。

図１５および図１６から、まずは、隅アール部１３ｂの曲率半径Ｒの下限値を検証する。図１６に示すように、２枚〜１０枚いずれの翼枚数においても、ブレード全長に対する１つの隅アール部１３ｂの占める割合が０％近傍に近付くと、応力集中によって安全率が極端に低下することが明らかである。そこで、ブレード全長に対して１つの隅アール部１３ｂが占める割合は、１％以上である必要があると判断することができる。よって、１つの隅アール部１３ｂの曲率半径をＲ、上下一対の隅アール部１３ｂを含むブレード１３全体の長さをＬ、としたときに、最低限必要な安全率を確保する観点から、以下の不等式（２）を満足する必要があると言える。
０．０１Ｌ≦Ｒ ・・・ （２）

次に、隅アール部１３ｂの曲率半径Ｒの上限値を検証する。図１５および図１６の右縦軸で示された出力利用率に着目すると、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０は揚力式の水車１１であり、従来から小型の水力発電装置に用いられてきた「サボニウス型」等の水流の抗力で発電する形式の水車よりも、より高い発電効率が求められる。そこで、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０の出力利用率に関しては、水車１１が一定の設備能力を確保すべきことを考慮して、最低でも出力利用率６０％以上の性能を確保する必要がある。そして、出力利用率６０％の場合のブレード全長に対して１つの隅アール部１３ｂが占める割合を図１６のグラフ図から読み取ると、２０％であると判断することができる。よって、１つの隅アール部１３ｂの曲率半径をＲ、上下一対の隅アール部１３ｂを含むブレード１３全体の長さをＬ、としたときに、最低限確保すべき出力利用率の観点から見た場合の１つの隅アール部１３ｂの曲率半径Ｒの上限値は、以下の不等式（３）を満足する必要があると言える。
Ｒ≦０．２０Ｌ ・・・ （３）

よって、上記２つの不等式（２）および（３）を満足する１つの隅アール部１３ｂの曲率半径Ｒの条件は、以下の不等式（４）として示すことができる。
０．０１Ｌ≦Ｒ≦０．２０Ｌ ・・・ （４）

なお、上記の検証では、最低限確保すべき垂直軸型水力発電装置１０の出力利用率として、６０％以上の性能を確保することを条件としたが、現実には、より高い出力利用率が求められることを考慮する必要がある。そこで、発明者らは、経済効率性や顧客の要求仕様等も考慮して、出力利用率７０％を性能確保の目標値とした。そして、出力利用率７０％の場合のブレード全長に対する１つの隅アール部１３ｂの占める割合を図１６のグラフ図から読み取ると、１５％であると判断することができる。よって、１つの隅アール部１３ｂの曲率半径をＲ、上下一対の隅アール部１３ｂを含むブレード１３全体の長さをＬ、としたときに、最低限確保すべき出力利用率の観点から見た場合の１つの隅アール部１３ｂの曲率半径Ｒの上限値は、以下の不等式（５）を満足する必要があると言える。
Ｒ≦０．１５Ｌ ・・・ （５）

よって、不等式（２）および（５）を満足する１つの隅アール部１３ｂの曲率半径Ｒの条件は、以下の不等式（６）として示すことができる。
０．０１Ｌ≦Ｒ≦０．１５Ｌ ・・・ （６）

つまり、本発明の取り得る条件範囲として、上記不等式（４）を採用することができるが、より高い出力利用率が求められることを考慮すると、上記不等式（６）の条件を採用した垂直軸型水力発電装置１０を構成することが、より好ましいと言うことができる。

以上、隅アール部１３ｂの曲率半径Ｒの上下限値について、検討を行った。次に、発明者らは、さらに別の観点を導入することで、ブレードの枚数についての検討を行った。すなわち、材料の疲労限度に対する安全率は、水車と同等の設計要件を有する風力発電の安全規格であるＩＥＣ６１４００−２の規定から、最低でも安全率１．２５以上を確保する必要があるとすることができる。この安全率１．２５を示す線が、図１５および図１６において示されている。そして、安全率１．２５以上を満足しつつ、上記不等式（４）および（６）を満足するブレードの枚数は、６枚以下であると判断することができる。ただし、ブレード枚数が６枚の場合には、ブレード全長に対して１つの隅アール部１３ｂの占める割合が１０％を下回る辺りから極端な安全率の低下を示すことが、図１６からも明らかである。そこで、ブレード枚数については、５枚以下であることが好ましいと結論付けることができる。なお、この結論は、図３〜図６を用いて説明した発明事項、すなわち、水流のスラスト力によって水車１１のブレード１３に発生する加振力（疲労荷重）の影響について着目するとともに、「水車メカ質量」と「ブリッジ質量」に基づくコスト影響と、ブレード枚数の増加に基づくコスト影響とを合算した装置全体のコスト影響を考慮することで導き出されたブレード枚数（３枚〜５枚）とも重なり合うものであり、この検証実験の確かさが改めて確認できた。

以上、図３〜図１６を用いて説明した発明者らの研究によって得られた知見をまとめると、以下の通りとなる。

すなわち、本発明に係る垂直軸型水力発電装置は、水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、発電機に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸と、垂直回転軸の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレードと、を備える垂直軸型水力発電装置であって、複数のブレードは、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成され、かつ、当該複数のブレードを底面側から見たときに、５枚以下のブレード数で構成されることを特徴とするものである。

また、本発明に係る垂直軸型水力発電装置では、複数のブレードを底面側から見たときに、３枚〜５枚のブレード数で構成することが好適である。

また、本発明に係る垂直軸型水力発電装置において、複数のブレードは、鉛直方向に延びたいずれか一方の端部に曲線形状からなる隅アール部を備えており、隅アール部の曲率半径をＲ、隅アール部を含むブレード全体の長さをＬ、としたときに、
０．０１Ｌ≦Ｒ≦０．２０Ｌ
なる不等式が成り立つように構成することができる。

さらに、本発明に係る垂直軸型水力発電装置では、不等式が、
０．０１Ｌ≦Ｒ≦０．１５Ｌ
となるように構成することができる。

またさらに、本発明に係る垂直軸型水力発電装置において、ブレードは、鉛直方向に延びた上下両端部のそれぞれに曲線形状からなる２つの隅アール部を備えており、当該２つの隅アール部が同一の寸法で形成されていることとすることができる。

さらにまた、本発明に係る垂直軸型水力発電装置では、複数のブレードのソリディティが、０．１〜０．２９となるように構成することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、上述した実施形態では、垂直回転軸２０の周囲に設置される複数のブレード１３は、それぞれが水車１１の鉛直方向の全長にわたって延びて形成される直線翼として構成されていた。ただし、本発明に係る複数のブレードは、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成され、かつ、当該複数のブレードを底面側から見たときに、５枚以下のブレード数で構成されるものであれば良い。つまり、例えばブレードの長さを水車１１の鉛直方向の全長に対して約半分の長さとしておき、上下二段のブレードを設けるようにした形式の水車としても良い。ただし、複数のブレードを底面側から見たときに、５枚以下のブレード数で構成されるように構成されている必要があることは言うまでもない。

また例えば、本実施形態を説明した図１４〜図１６では、ブレード１３に形成された上下一対の隅アール部１３ｂのそれぞれの曲率半径Ｒの寸法を、上下で同一の値であるとして説明した。しかしながら、本発明の範囲は、上述した本実施形態の範囲には限定されない。すなわち、本発明のブレードにおいて、隅アール部のそれぞれの曲率半径Ｒの寸法を、垂直軸型水力発電装置の設置環境に応じてブレードの上下で異なるように構成することもできる。例えば、水路の水面側の流速が速く、水路の底面側が水路底面との抵抗により流速が遅い場合には、ブレードの上方側の強度を向上すべく上側の隅アール部の曲率半径Ｒの寸法を大きくし、ブレードの下側の隅アール部の曲率半径Ｒの寸法を上側よりも小さくする構成を採用することができる。なお、このような垂直軸型水力発電装置の設置環境は、水路の材質（例えば、コンクリートであるか土であるかなど）や水路内の表面状態などの設置環境に依存して変化することが分かっており、設置環境に応じて隅アール部の寸法条件を決定すれば良い。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０ 垂直軸型水力発電装置、１１ 水車、１３ ブレード、１３ａ ブレード直線部、１３ｂ 隅アール部、１３ｃ ブレードアーム部、２０ 垂直回転軸、３０ 軸受サポート部、５０ 発電機、６０ 支持体、６１ ブリッジ部、６２ 基礎部、１００ 垂直軸型水力発電ユニット。

Claims (7)

1. 水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、
   前記発電機に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸と、
   前記垂直回転軸の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレードと、
   を備える垂直軸型水力発電装置であって、
   前記複数のブレードは、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成され、かつ、当該複数のブレードを底面側から見たときに、５枚以下のブレード数で構成されることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
2. 請求項１に記載の垂直軸型水力発電装置において、
   前記複数のブレードを底面側から見たときに、３枚〜５枚のブレード数で構成されることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の垂直軸型水力発電装置において、
   前記複数のブレードは、鉛直方向に延びたいずれか一方の端部に曲線形状からなる隅アール部を備えており、
   前記隅アール部の曲率半径をＲ、
   前記隅アール部を含む前記ブレード全体の長さをＬ、
   としたときに、
   ０．０１Ｌ≦Ｒ≦０．２０Ｌ
   なる不等式が成り立つように構成されていることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
4. 請求項３に記載の垂直軸型水力発電装置において、
   前記不等式が、
   ０．０１Ｌ≦Ｒ≦０．１５Ｌ
   となるように構成されていることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直軸型水力発電装置において、
   前記ブレードは、鉛直方向に延びた上下両端部のそれぞれに曲線形状からなる２つの隅アール部を備えており、当該２つの隅アール部が同一の寸法で形成されていることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の垂直軸型水力発電装置において、
   前記複数のブレードのソリディティが、０．１〜０．２９となるように構成されていることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の垂直軸型水力発電装置と、
   前記垂直軸型水力発電装置の固定設置の際に支持を行う支持体と、
   前記支持体に接続されるブリッジ部と、
   を有し、
   前記ブリッジ部が、設置箇所に設けられた基礎部に対して固定設置されることで取り付けが行われることを特徴とする垂直軸型水力発電ユニット。

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