JP2017048753A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水路に設置される水力発電装置であって、発電効率を向上できる水力発電装置を提供する。【解決手段】水力発電装置１０は、水路１の水流方向に対して垂直の水平軸３０周りに回転する水車２０と、水車２０の水平軸３０に連動し、水平軸３０の回転により発電する発電機２１と、水車２０の下方に配置された翼型プレート２２と、翼型プレート２２の両側面に配置され、翼型プレート２２の上流から下流まで延設された集水プレート２３とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、水路に設置される水力発電装置に関する。

一般的な水力発電では、ダムで川の水をせき止めて大きな落差を作り、その落差により落下して生まれた水流により発電機の水車を回して発電を行っている（特許文献１（図３）参照）。しかし、この水力発電では、ダムや発電所が必要であり、そのためには広大な場所と大規模な工事が必要であり莫大な費用がかかる。

特開２０１４−１６９５９０号公報（図３参照）

そこで、本発明者らは、例えば農業用水路等の既存の小さな水路に複数の小型水力発電装置を設置して、低コストの水力発電を実現することを考えている。水路は、自然の川に比べて比較的水量が安定しているため、水路を用いて発電を行うことは、電力の安定発電及び安定供給の点で適している。

しかしながら、その一方で水路は落差が小さく水量も少ないので、各々の水力発電装置の発電効率を上げることが求められる。

本出願はかかる点に鑑みてなされたものであり、水路に設置される水力発電装置であって、発電効率を向上できる水力発電装置を提供することをその目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、水力発電装置の水車の下方に翼型プレートを設置することにより、水力発電装置の発電効率が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は以下の態様を含む。
（１）水路に設置する水力発電装置であって、水路の水流方向に対して垂直の水平軸周りに回転する水車と、前記水車の水平軸に連動し、前記水車の回転により発電する発電機と、前記水車の下方に配置された翼型プレートと、を有する、水力発電装置。
（２）前記翼型プレートの両側面に配置され、上流の水流を集めて前記翼型プレート及び前記水車に導入する集水プレートを、さらに有する、（１）に記載の水力発電装置。
（３）前記集水プレートは、前記翼型プレートの上流から下流まで延設され、前記集水プレートの前記翼型プレートの上流側は、平面から見て幅方向の互いの間隔が下流側に向けて次第に狭くなるように形成され、前記集水プレートの前記翼型プレートの下流側は、互いの間隔が下流側に向けて次第に広くなるように形成されている、（２）に記載の水力発電装置。
（４）前記翼型プレートの末端から下流側に延設され、前記翼型プレートから下流側に向けて次第に下がるエッジプレートを、さらに有する、（１）〜（３）のいずれかに記載の水力発電装置。
（５）前記翼型プレートは、ジューコフスキー翼の形状を有する、（１）〜（４）のいずれかに記載の水力発電装置。
（６）前記翼型プレートの下面が平坦に形成されている、（１）〜（５）のいずれかに記載の水力発電装置。
（７）前記水車及び前記翼型プレートを昇降する昇降装置を、さらに有する、（１）〜（６）のいずれかに記載の水力発電装置。
（８）前記昇降装置は、前記水車及び前記翼型プレートを水路の水流から退避可能に構成されている、（７）に記載の水力発電装置。
（９）水路の水位を検出する水位センサと、前記水位センサに基づいて、前記昇降装置を制御し、前記水車及び前記翼型プレートを昇降する制御装置とを、さらに有する、（７）又は（８）に記載の水力発電装置。

本発明によれば、水路に設置される水力発電装置の発電効率を向上できる。

水力発電装置の構成の概略を示す斜視図である。 水車周りの構成の概略を示す斜視図である。 水力発電装置を側面から見た説明図である。 水車周りの構成を上面から見た説明図である。 （ａ）は、第１の翼型プレートの斜視図であり、（ｂ）は、その縦断面図である。 （ａ）は、第２の翼型プレートの斜視図であり、（ｂ）は、その縦断面図である。 水車周りの構成を側面から拡大して見た説明図である。 冬場の水力発電装置を側面から見た説明図である。 冬場の水車周りの構成を上面から見た説明図である。 冬場の水車周りの構成を側面から拡大して見た説明図である。 水車を上方に退避させた場合の水力発電装置の構成を示す説明図である。 水力発電装置の夏場の発電中の状態を示す説明図である。 水力発電装置の冬場の発電中の状態を示す説明図である。 エレベータ式の昇降装置の内籠を上に上げた状態を示す説明図である。 エレベータ式の昇降装置の内籠を下に下げた状態を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

図１は、水路１に水力発電装置１０を設置した様子を示す説明図である。図１の水力発電装置１０は、例えば水路１に沿って２つ並べて設置されている。なお、本明細書において、「水路」には、農業用水路、工業用水路などの用水路を含むすべての人工水路が含まれる。

＜水力発電装置の構成＞
例えば水力発電装置１０は、図１に示すように水車２０と、発電機２１と、翼型プレート２２と、集水プレート２３と、昇降装置２４と、固定装置２５と、水位センサ２６と、制御装置２７を備えている。

水車２０は、図２〜図４に示すように水路１の水流方向Ａに対して垂直の水平軸３０を有し、その水平軸３０周りに回転する。水車２０は、水平軸３０の中央に円板３１を有し、その円板３１の左右にそれぞれ複数の羽根３２が取り付けられている。羽根３２は、円板３１の水平軸３０周りに等間隔で放射状に設けられている。

発電機２１は、水車２０の水平軸３０に連動し、水平軸３０の回転により発電する。発電機２１と水車２０は、図示しないギアボックス等を備えた伝達機構を用いて連動している。

翼型プレート２２は、図３に示すように水車２０の下方に配置されている。翼型プレート２２は、例えばプレート保持部材４０により保持されており、プレート保持部材４０は、後述する水車２０を保持する水車保持部材６０に固定されている。翼型プレート２２は、プレート保持部材４０に対し着脱自在になっており、例えば２種類の翼型プレート２２を水量の異なる季節に応じて取り替えることができる。翼型プレート２２の着脱は、例えばネジ等の固定部材により行えるようになっている。

例えば第１の翼型プレート２２は、図５に示すようにジューコフスキー翼の形状を有している。ジューコフスキー翼は、上面が上に凸の所定の曲線形状を有し、下面も所定の曲線形状を有している。第２の翼型プレート２２は、図６に示すように上面がジューコフスキー翼と同じ曲線形状を有し、下面が平坦に形成されている。第１の翼型プレート２２と第２の翼型プレート２２は、プレート保持部材４０に対し着脱自在であり交換可能である。

図７に示すように翼型プレート２２は、水流方向Ａに水車２０の直径と同程度の長さに有している。翼型プレート２２は、水車２０の下に配置され、側面から見て、翼型プレート２２の上流側の端部が、水車２０の上流側の端部よりも少し上流側になるように配置されている。なお、翼型プレート２２は、水車２０の真下に配置され、側面から見て、翼型プレート２２の上流側の端部と水車２０の上流側の端部、及び翼型プレート２２の下流側の端部と水車２０の下流側の端部がほぼ同じ位置になるように配置されていてもよい。また翼型プレート２２は、幅方向（水流方向Ａの直角方向）に例えば水車２０とほぼ同じ長さ（円板３１の片側にある羽根３２の外側端部から円板３１のもう片側にある羽根３２の外側端部までの長さ）を有している。

また、翼型プレート２２は、水車２０との間隔を、水車２０側を通る水流の流速を効果的に上げることができる距離、例えば水車２０下端から８０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の距離、好ましくは１００ｍｍ程度の距離に設けられている。

図５に示すように第１の翼型プレート２２の下流側の末端には、当該末端から下流側に延設するエッジプレート５０が取り付けられている。エッジプレート５０は、翼型プレート２２から下流側に向けて次第に下に下がるように、上に凸に湾曲している。エッジプレート５０は、翼型プレート２２の上面の曲線から連続的に湾曲している。このエッジプレート５０は、翼型プレート２２の表面を通過し終えた水流の流路を急激に広げている。

図３に示すように集水プレート２３は、例えば略方形の板状に形成され、翼型プレート２２及び水車２０の両側面に配置されている。集水プレート２３は、翼型プレート２２及び水車２０の上流から下流にわたり延設されている。

図４に示すように集水プレート２３の翼型プレート２２より上流側の部分は、平面から見て左右の集水プレート２３同士の間隔（横幅）が下流側に向けて次第に狭くなるように湾曲して形成され、集水プレート２３の翼型プレート２２より下流側の部分は、左右の集水プレート２３同士の間隔が下流側に向けて次第に広くなるように形成されている。これにより、集水プレート２３は、翼型プレート２２や水車２０の上流側において広い範囲から水流を集めて翼型プレート２２や水車２２を通る水量を増加し、翼型プレート２２や水車２０の下流側において水流を開放して翼型プレート２２や水車２０を通る水流の流速を上げている。

集水プレート２３は、例えば季節に応じて２種類の集水プレートを取り替えることができる。例えば図３に示すように第１の集水プレート２３は、水量が多い季節用で水流方向Ａに比較的に短くて高さが高いものであり、図８〜図１０に示すように第２の集水プレート２３は、水量が少ない季節用で水流方向Ａに比較的長くて高さが低いものである。

昇降装置２４は、図１〜図３に示すように例えば水車２０を保持する水車保持部材６０と、水車保持部材６０を固定軸６１周りに回転させるシリンダ６２を有している。水車保持部材６０は、例えばＬ字型の形状を有し、一端側が水車２０の水平軸３０に接続され、他端側がシリンダ６２に接続され、途中にある固定軸６１周りに回転自在である。シリンダ６２は、エア、油圧或いは電力等により伸縮自在である。昇降装置２４は、シリンダ６２を伸縮させることにより水車保持部材６０を固定軸６１周りに回転させて、水車保持部材６０に保持された水車２０及び翼型プレート２２を昇降することができる。例えばシリンダ６２を短くすると、水車保持部材６０の水車２０側の端部が下に下がり、水車２０及び翼型プレート２２の位置が下がり、シリンダ６２を長くすると、水車保持部材６０の水車２０側の端部が上に上がり、水車２０及び翼型プレート２２の位置が上がる。図１１に示すように水車２０及び翼型プレート２２が最も上がったときには、水路１の水から退避できる。

図１に示すように固定装置２５は、例えば水路１の両側の側壁１ａに固定され、両側壁１ａにわたり敷設される天板７０と、天板７０に固定され、昇降装置２４を固定する枠体７１を備えている。

例えば天板７０は、水路１の上面を覆うように配置され、水車２０の上方の位置には方形の開口７０ａが形成されている。天板７０上には、例えば発電機２１及び制御装置２７が設置されている。

枠体７１は、例えば方形の枠状に形成され、この枠体７１には、昇降装置２４の固定軸６１とシリンダ６２が固定されている。また、例えば集水プレート２３もこの枠体７１に固定されている。

水位センサ２６は、例えば水車２０の下流側に設置されている。水位センサ２６には、例えば超音波式のセンサが用いられる。

制御装置２７は、例えば天板７０上に設置されている。制御装置２７は、いわゆるコンピュータであり、水力発電装置１０全体や、シリンダ６２や水位センサ２６等の各種装置の動作を制御できる。また制御装置２７は、水位センサ２６により検出された水位に基づいて、昇降装置２４を調整し、水車２０及び翼型プレート２２の高さを制御できる。この制御は、例えば予め算出されている水位、水車２０及び翼型プレート２２の位置（高さ）、及び発電効率との相関から、水位センサ２６の水位に応じて水車２０及び翼型プレート２２を発電効率が最大となる位置に動かすプログラムを実行することにより行うことができる。また、制御装置２７は、発電機２１で発電された電力を電柱Ｂを介して送電線等に送る動作を制御できる。

＜水力発電装置の発電プロセス＞
水路１において例えば夏場の水量が比較的多い時期には、図３に示すように翼型プレート２２に、ジューコフスキー翼形状の第１の翼型プレートが用いられる。また、相対的に長手方向に短く高さがある第１の集水プレート２３が用いられる。昇降装置２４のシリンダ６２により水車２０と翼型プレート２２が所定の高さに調整される。この水車２０及び翼型プレート２２の高さは、例えば水位センサ２６による検出される水路１の水位に基づいて、制御装置２７により適宜調整される。

図１２に示すように水路１の水流Ｃは、水車２０の上流において集水プレート２３で集められ水量を増し水位を上げて、水車２０及び翼型プレート２２に導入される。一方、水車２０と翼型プレート２２の下流側は、集水プレート２３が幅方向に広がり、さらにエッジプレート５０が下側に下がっているので、水車２０及び翼型プレート２２の下流側の水路が広がる。これにより、水流Ｃは、水車２０と翼型プレート２２に導入された後、下流側に向けて流速を増して流れる。

また、水流Ｃは、翼型プレート２２の上面を通過する際、翼形状の作用で局所的に流速を増す。これにより、翼型プレート２２の上面側の水車２０周辺の水流の速度が増し、水流Ｃが、より強い力で水車２０を回転させる。

水車２０は、羽根２３が水流を受けて回転し、その水車２０の水平軸３０の回転エネルギーが発電機２１に伝達され、発電機２１において電気エネルギーに変換されて発電する。発電機２１で発電された電力は、水力発電装置１の周囲に立設されている引き込み電柱を介して送電線に送られる。

水路１において例えば冬場の水量が比較的少ない時期には、図８に示すように翼型プレート２２に、ジューコフスキー翼の下面を平坦にした第２の翼型プレート２２が用いられる。また、相対的に長手方向に長く高さが低い第２の集水プレート２３が用いられる。昇降装置２４のシリンダ６２により水車２０と翼型プレート２２が所定の高さに調整される。例えば水車２０がより深く水中に入るように、翼型プレート２２の平坦な下面が水路１の底面１ｂに着くように水車２０と翼型プレート２２の高さが調整される。なお、この水車２０及び翼型プレート２２の高さは、例えば水位センサ２６による検出される水路１の水位に基づいて、制御装置２７により適宜調整されてもよい。

図１３に示すように水路１の水流Ｃは、水車２０の上流において集水プレート２３で集められ水量を増し水位を上げて、水車２０及び翼型プレート２２に導入される。一方、水車２０と翼型プレート２２の下流側は、集水プレート２３が幅方向に広がっており、水路が広がるので、水流Ｃは、水車２０と翼型プレート２２に導入された後、下流側に向けて流速を増して流れる。

また、水流Ｃは、翼型プレート２２の上面を通過する際、翼形状の作用で局所的に流速を増す。これにより、翼型プレート２２の上面側の水車２０周辺の水流の速度が増し、水流Ｃが、より強い力で水車２０を回転させる。こうして、水車２０の水平軸３０の回転エネルギーが発電機２１に伝達され、発電機２１において電気エネルギーに変換されて発電する。

また、水路１の水位が著しく上昇、或いは下降した場合には、図１１に示すように昇降装置２４により水車２０及び翼型プレート２２が上昇して水から退避し、発電が停止される。

本実施の形態によれば、水力発電装置１が、水車２０の下方に翼型プレート２２を備えているので、水流が、翼型プレート２２の上面を通過する際に局所的に流速を増す。これにより、翼型プレート２２の上面側の水車２０周辺の水流の速度が増し、水車２０がより速く回転するので、発電機２１の発電効率を向上できる。

また、翼型プレート２２の両側面に集水プレート２３が配置され、集水プレート２３は、翼型プレート２２の上流側が、平面から見て横幅が下流側に向けて次第に狭くなるように形成され、翼型プレート２２の下流側が、横幅が下流側に向けて次第に広くなるように形成されている。これにより、水路１の水流は、水車２０及び翼型プレート２２に向けて水量が増し水位が上がり、水車２０と翼型プレート２２に導入された後は、下流側に向けて流速を増して流れる。この結果、水車２０が効率的に回転し、発電機２１の発電効率が向上する。

また、翼型プレート２２の末端には、下流側に向けて次第に下がるエッジプレート５０が設けられているので、翼型プレート２２の上面の下流側において水路が広がる。これにより、翼型プレート２２の上面を通過する水流の流速が増し、水車２０が効率的に回転して、発電機２１の発電効率が向上する。

翼型プレート２２は、ジューコフスキー翼の形状を有するので、翼型プレート２２の上面において、水流の流速が理想的に増す。この結果、翼型プレート２２の上面側の水車２０近傍の水流の速度が効果的に増すので、水車２０が効率的に回転し、発電機２１の発電効率が向上する。

翼型プレート２２は、下面が曲線状に形成されているので、流量が少ない冬場において翼型プレート２２を水路１の底面１ｂに着けた状態で水車２０を回転させることができる。これにより、流量が少ない冬場においても水車２０により多くの水流を当てて発電を行うことができる。

水力発電装置１は、水車２０及び翼型プレート２２を昇降する昇降装置２４を有しているので、所望の高さに水車２０及び翼型プレート２２を配置することができる。これにより、水車２０を水流に対し最適な位置に調整して回転させることができるので、発電を効率的に行うことができる。

昇降装置２４は、水車２０及び翼型プレート２２を水路１の水流から退避可能に構成されているので、例えば台風や雷雨等で水量が増した時などに、水車２０及び翼型プレート２２を水路１内から退避させ、水車２０や翼型プレート２２の破損を防止できる。

水力発電装置１０は、水位センサ２６と、水位センサ２６に基づいて昇降装置２４を制御し、水車２０及び翼型プレート２２を昇降する制御装置２７を有するので、水路１の水位に応じて水車２０及び翼型プレート２２の高さを最適な調整して、発電効率を向上できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施の形態において、昇降装置２４は、シリンダ６２により水車保持部材６０を固定軸６１に回転させ、水車２０及び翼型プレート２２を固定軸６１周りに回動させて、水車２０及び翼型プレート２２を昇降するものであったが、他の機構、方式で水車２０及び翼型プレート２２を昇降するものであってもよい。

例えば図１４及び図１５に示すように昇降装置２４が、エレベータ式のものであってもよい。例えば昇降装置２４は、水車２０及び翼型プレート２２を保持する内籠９０と、内籠９０を外側から覆う外籠９１を有し、内籠９０を外籠９１に対し上下動させるものであってもよい。かかる場合、外籠９１は、例えば固定装置２５により水路１の両側壁１ｂに固定される。内籠９０は、例えば外籠９１の上下に延設されたラック１００に昇降自在に取り付けられた歯車１０１と、当該歯車１０１を回転させるためのモータ１０２を有し、モータ１０２を回転させることにより上下動できる。また、内籠９０にはバランスウエイト１０３が設けられており、内籠９０の昇降を助けている。がかかるモータ１０２の動作は、制御装置２７により制御される。また発電機２１は、内籠９０上に設けられていてもよいし、集水プレート２３は、内籠９０の下部に固定されていてもよい。そして、発電を行うときには、モータ１０２を回転させ、図１５に示すように内籠９０を水路１内に降ろし、水車２０及び翼型プレート２２を水流内の所望の高さに調整する。また、発電を行わない時には、モータ１０２を回転させ、図１４に示すように内籠９０を水路１の上方に上げ、水車２０及び翼型プレート２２を水路１内から退避させる。

その他、水車２０、翼型プレート２２、集水プレート２３、固定装置２５などの構成や配置も上記実施の形態のものに限られない。また、水力発電装置１を２つ並べて設置した例であったが、単独で設置してもよいし、３つ以上並べて設置してもよい。

本発明によれば、水路に設置される水力発電装置の発電効率を向上する際に有用である。

１ 水路
１０ 水力発電装置
２０ 水車
２１ 発電機
２２ 翼型プレート
２３ 集水プレート
２４ 昇降装置
２５ 固定装置
２６ 水位センサ
２７ 制御装置

Claims (9)

1. 水路に設置する水力発電装置であって、
   水路の水流方向に対して垂直の水平軸周りに回転する水車と、
   前記水車の水平軸に連動し、前記水車の回転により発電する発電機と、
   前記水車の下方に配置された翼型プレートと、を有する、水力発電装置。
2. 前記翼型プレートの両側面に配置され、上流の水流を集めて前記翼型プレート及び前記水車に導入する集水プレートを、さらに有する、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記集水プレートは、前記翼型プレートの上流から下流まで延設され、
   前記集水プレートの前記翼型プレートの上流側は、平面から見て幅方向の互いの間隔が下流側に向けて次第に狭くなるように形成され、前記集水プレートの前記翼型プレートの下流側は、互いの間隔が下流側に向けて次第に広くなるように形成されている、請求項２に記載の水力発電装置。
4. 前記翼型プレートの末端から下流側に延設され、前記翼型プレートから下流側に向けて次第に下がるエッジプレートを、さらに有する、請求項１〜３のいずれかに記載の水力発電装置。
5. 前記翼型プレートは、ジューコフスキー翼の形状を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の水力発電装置。
6. 前記翼型プレートの下面が平坦に形成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の水力発電装置。
7. 前記水車及び前記翼型プレートを昇降する昇降装置を、さらに有する、請求項１〜６のいずれかに記載の水力発電装置。
8. 前記昇降装置は、前記水車及び前記翼型プレートを水路の水流から退避可能に構成されている、請求項７に記載の水力発電装置。
9. 水路の水位を検出する水位センサと、
   前記水位センサに基づいて、前記昇降装置を制御し、前記水車及び前記翼型プレートを昇降する制御装置とを、さらに有する、請求項７又は８に記載の水力発電装置。