JP2018076841A - 軸流水車発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水路の水量が十分でない場合でも、流水の流速および水車翼の受水面積を十分に確保して、効率良く発電することができる軸流水車発電装置を提供する。【解決手段】軸流水車発電装置１は、水車翼３、発電機４、ケーシング５、および塞ぎ材６を備える。水車翼３は、流水中に没する状態で支持装置７に回転自在に支持され、回転軸心が流水の流れる方向と平行なプロペラ型である。発電機４は、水車翼３の回転を受けて発電を行う。ケーシング５は、水車翼３の外周を囲み上流側および下流側が開口した筒状である。塞ぎ材６は、ケーシング５の外周面と水路２の底面および側壁面との間を塞ぐ。【選択図】図１

Description

この発明は、小さな河川や用水路等の水路に設けられる小出力の水力発電装置に適した軸流水車発電装置に関する。

小出力の水力発電装置として、例えば特許文献１〜３が提案されている。

特許文献１の軸流水車発電装置は、水車翼（同文献では「ランナ」）の周囲にケーシングを設け、このケーシングの開口面積を上流側から下流側に向けて徐々に大きくすることで、ケーシングの入口部における流体の流速を増大させる。なお、水車翼はケーシングの入口部に設けられている。また、ケーシングの下流端部に半径方向外側に延びる延長片を設けることにより、延長片の下流側領域に渦を発生させて、ケーシング内の圧力を下げ、ケーシング内を流れる流体の流速を増大させる。この提案の基本的な考え方は、流体が水であるか空気であるかの違いを除けば、特許文献４の「風増速装置およびそれを用いた風力発電装置の風増速装置」と同じある。

特許文献２の水流発電装置は、水車翼（同文献では「プロペラ」）よりも上流側に枠部材を備え、この枠部材の上流側の開口部の上方に壁部を設けることで、水車翼に水流を集中させ、弱い水流であっても十分に発電可能としている。また、枠部材の上流側の開口部の面積を下流側の開口部の面積よりも大きくすることで、さらに水車翼に水流を集中させる。

特許文献３の水力発電装置は、水深方向に起立した姿勢の回転軸にそれぞれ取り付けられた一対の水車翼（同文献では「回転翼」）を有し、これら水車翼を水流で回転させて発電する形態である。一対の水車翼の周囲にケーシング部材を有し、このケーシング部材の入水側開口部に設けられた水流増速部により流水を増速させる。この水力発電装置では、水路を流れる流水のうち最も流速が速い水路中央を流れる流水を利用して一対の水車翼を回転させるため、比較的小さな水流で効率的に発電が可能である。また、特許文献２と同様に、ケーシング部材の開口面積を入水側開口部から水車翼による発電部手前まで徐々に狭くすることで、発電部を流れる流水の流速を増加させている。

特開２０１４−１４５３４７号公報 特開２０１４−１５２６４５号公報 特許第４０２２２４４号公報 特開２００２−２１３３４３号公報

流水を利用して発電する水力発電装置の出力は、流水の流速の３乗に比例する。水車翼の回転軸心と流水の流れる方向とが互いに平行である軸流水車発電装置の場合、出力は水車翼の受水面積に比例する。そのため、流水の流速および水車翼の受水面積を十分に確保することが、発電量および発電効率を向上させるために重要である。なお、翼面積は、水車翼を流水の流れる方向と垂直な平面に投影したときの面積である。また、受水面積は、回転軸心を中心に水車翼を回転させてできる円を、流水の流れる方向と垂直な平面に投影したときの面積のうち、水没している部分の面積である。

特許文献１の軸流水車発電装置は、特許文献４に開示されている風力発電装置の技術と同様に、上流側が狭く下流側が広いケーシングによりケーシング内の圧力を下げ、上流側の水をケーシング内に引き込むことで、ケーシングの入口部の流速を増速させる。しかし、軸流水車発電装置の場合、周囲の空気を自由に利用できる風力発電機と異なり、限られた水路内の水しか利用できない。このため、水路に十分な水量がなければ、ケーシング全体を水没させておくことができず、増速効果が得られない。低い水位で増速効果を得るためには水車翼を小さくしなければならず、水車翼の受水面積が小さくなり発電効率が悪くなる。つまり、水路サイズが大きくても、水位に合わせて装置全体を小さくする必要があり、水路サイズに対する発電効率が落ちる。

特許文献２の水流発電機は、水車翼よりも上流側に枠部材を設けると共に、枠部材の上流側の開口部の上方に壁部を設けることにより、水車翼よりも高い水位を流れる水を水車翼に集中させるようにしている。しかし、水路の水位が十分でない場合、開口部の上方に設けた壁部の効果が得られず、上流側の開口部の開口面積を下流側の開口部の開口面積より大きくする構造では、水路の底面を流れる水を上昇させるため、流速を効率的に増速させられない。
また、特許文献２の水流発電機は、枠部材の上流側の開口部の開口面積を下流側の開口部の開口面積をより大きくすることで水流を集中させる。この構成で、水流を水車翼により一層集中させる場合、枠部材の下流側の開口面積と同等か、または小さい水車翼でなければ、枠部材で集中させた流水を効果的に利用できない。このため、水路の大きさに対して水車翼の受水面積が小さく、発電効率が悪い。

特許文献３の水力発電装置は、流速が速い水路中央を流れる流水を利用するために、水車翼が並列に２つ配置される。しかし、限られた水路幅内に２つの水車翼を配置しなければならないため、１つずつの水車翼の受水面積は小さくなる。また、ケーシング部材に上流側から下流側へ向けて開口面積を徐々に減少させた水流増速部が設けられており、この水流増速部よりも下流側に水車翼が配置されるため、各水車翼の受水面積がより一層小さくなりやすい。このため、水路サイズに対する発電効率が落ちる。一方で、水車翼を２台設置するため、装置全体は大型化しやすく、狭い水路等への利用が困難である。

この発明の目的は、水路の水量が十分でない場合でも、流水の流速および水車翼の受水面積を十分に確保して、効率良く発電することができる軸流水車発電装置を提供することである。

この発明の軸流水車発電装置は、流水のある水路に設置され、この水路を流れる流水により発電を行う軸流水車発電装置であって、前記流水中に没する状態で支持装置に回転自在に支持され、回転軸心が前記流水の流れる方向と平行なプロペラ型の水車翼と、この水車翼の回転を受けて発電を行う発電機と、前記水車翼の外周を囲み上流側および下流側が開口した筒状のケーシングと、このケーシングの外周面と前記水路の底面および側壁面との間を塞ぐ塞ぎ材とを有することを特徴とする。

この構成によると、水車翼の外周を囲む筒状のケーシングと、このケーシングの外周面と水路の底面および側壁面との間を塞ぐ塞ぎ材とを有するため、水路内の流水をケーシングの内周に形成される流路へ集中させることができる。水車翼の周囲に筒状のケーシングを設けることで、集中させた流水の流れを整流して水車翼に効果的に当てることができ、発電効率が高まる。

詳しくは、水路の水位が塞ぎ板の上端の高さよりも低い場合、水路を流れる流水のすべてがケーシングの内周に形成される流路に集められる。これにより、ケーシング内の流路を流水が高い水位で、かつ速い流速で流れる。この高い水位かつ速い流速の流水によって水車翼が勢いよく回転させられ、その水車翼の回転を受けて発電機が発電を行う。このように、塞ぎ材によって水路の水流をケーシング内の流路に集めることにより、水路の水量が十分でない場合でも、ケーシング内の流路の水位を高く保ち、つまり水車翼の受水面積を広く保ち、かつ速い流速を得ることができるため、効率良く発電することができる。

この発明において、前記塞ぎ材の上端の高さは前記水路の上端の高さよりも低いのがよい。
水路の水位が一定高さ以下である場合は、水路を流れる水のすべてがケーシング内の流路に流れ込み、水位が一定高さを超えると、一部の水が塞ぎ材を越えて下流側に流れる。塞ぎ材の上端の高さを水路の上端の高さよりも低くしておくことで、一部の水が塞ぎ材を越えても、水路から水が溢れることを防止できる。

前記水路の底面から前記塞ぎ材の上端までの高さが、前記水路の底面から上端までの高さの８０％ないし９０％の範囲内であるのが好ましい。
水路の底面から上端までの高さに対する水路の底面から塞ぎ材の上端までの高さの比率が上記範囲内とすることで、水路の深さに対して比較的直径が大きい水車翼を設けることができ、受水面積を十分な広さに確保できる。水路が用水路である場合、上流側で水量をある程度管理することができるので、水路の水位が塞ぎ材の上端を大きく越えることは殆ど無い。このため、塞ぎ材の上端の高さが上記範囲内であっても、水路から水が溢れる心配はない。

この発明において、前記ケーシングの内周に形成される流路は、前記流水の流れる方向と垂直な断面の形状が円形であるとよい。
回転軸心が前記流水の流れる方向と平行なプロペラ型の水車翼も、流水の流れる方向と垂直な平面に投影した形状が円形であるので、ケーシング内の流路の断面形状も円形とすることで、ケーシングの内周面と水車翼との隙間を狭くすることができる。これにより、ケーシング内の流路を流れる流水の多くが水車翼を回転させることに関与し、発電効率が向上する。

前記ケーシング内の前記流路は、前記流水の流れる方向の上流側から下流側へ行くに従い、前記流水の流れる方向と垂直な断面の面積が広くなっていてもよい。
ケーシング内の流路が上記形状であると、水路の水位が十分でない場合も、ケーシング下部の傾斜により流速が増大する。これにより、水位が十分でない場合でも効率良く発電できる。

この発明において、前記塞ぎ材は、前記水路の底面および側壁面の両方またはいずれか一方に対する遠近方向に伸縮可能であるとよい。
塞ぎ材が伸縮可能であると、水路の幅および深さに合わせて塞ぎ材の水路幅方向および水路深さ方向の寸法を調整することができる。このため、幅、深さ等のサイズの異なる水路や、同じ水路におけるサイズが異なる箇所に、共通の塞ぎ材を使用することができる。

前記塞ぎ材は、前記ケーシングの外周に接するケーシング側部分と、前記水路の側壁面または底面に接する水路側部分とを有し、前記ケーシング側部分と前記水路側部分との間に弾性要素が介在する構成であってもよい。前記塞ぎ材は、前記水路の底面および側壁面との接触部分に弾性部材が設けられていてもよい。
いずれの場合も、水路の幅および深さに合わせて塞ぎ材の水路幅方向および水路深さ方向の寸法を調整することができる。

この発明の軸流水車発電装置は、流水のある水路に設置され、この水路を流れる流水により発電を行う軸流水車発電装置であって、前記流水中に没する状態で支持装置に回転自在に支持され、回転軸心が前記流水の流れる方向と平行なプロペラ型の水車翼と、この水車翼の回転を受けて発電を行う発電機と、前記水車翼の外周を囲み上流側および下流側が開口した筒状のケーシングと、このケーシングの外周面と前記水路の底面および側壁面との間を塞ぐ塞ぎ材とを有するため、水路の水量が十分でない場合でも、流水の流速および水車翼の受水面積を十分に確保して、効率良く発電することができる。

この発明の一実施形態に係る軸流水車発電装置の斜視図である。 同軸流水車発電装置を水路の上流側から見た図である。 同軸流水車発電装置を上方から見た図である。 同軸流水車発電装置の横断面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 図４のVI−VI断面図である。 この発明の異なる実施形態に係る軸流水車発電装置を水路の上流側から見た図である。 この発明のさらに異なる実施形態に係る軸流水車発電装置を水路の上流側から見た図である。 この発明のさらに異なる実施形態に係る軸流水車発電装置の斜視図である。 同軸流水車発電装置を水路の上流側から見た図である。 同軸流水車発電装置を上方から見た図である。

［第１の実施形態］
この発明の一実施形態に係る軸流水車発電装置を図１〜図６と共に説明する。
図１はこの軸流水車発電装置の斜視図、図２は同軸流水車発電装置を水路の上流側から見た図、図３は同軸流水車発電装置を上方から見た図、図４は同軸流水車発電装置の横断面図である。

この軸流水車発電装置１は、流水のある水路２に設置され、水路２を流れる流水により発電を行う。軸流水車発電装置１が設置される水路２は、例えば比較的小さな河川、用水路等である。水路２は、それぞれコンクリート等からなる底面部２ａ、および両側の側壁面部２ｂで構成される。図の例では、底面部２ａに対して側壁面部２ｂが垂直になっているが、側壁面部２ｂは斜めになっていてもよい。また、底面部２ａと側壁面部２ｂの角部が図のような直角状でなく、底面部２ａと側壁面部２ｂとが曲面で繋がっていてもよい。

軸流水車発電装置１は、水路２の流水中に没する状態で設けられる水車翼３と、この水車翼３の回転を受けて発電を行う発電機４と、水車翼３の外周を囲み流側および下流側が開口した筒状のケーシング５と、このケーシング５の外周面と水路２の底面部２ａおよび側壁面部２ｂとの間を塞ぐ塞ぎ材６とを有する。

図４に示すように、水車翼３は、回転軸心Ｏが流水の流れる方向と平行なプロペラ型である。具体的には、流水の流れる方向と平行な回転軸３ａにハブ３ｂが取り付けられ、このハブ３ｂの周面に複数（例えば５つ）のブレード３ｃが放射方向に向けて取り付けられている。ブレード３ｃの先端部３ｃａは、上流側に向けて傾斜している。

水車翼３の回転軸３ａは、支持装置７によって、水路２内の所定の位置に回転自在に支持されている。支持装置７は、水路２の両側壁面２ｂの上端間に架け渡された２本の棒状の水平支持材１０と、この２本の水平支持材１０の上に載置された支持プレート１１と、この支持プレート１１に固定された上下方向の上支持筒１２と、この上支持筒１２の下端に接合された下支持筒１３と、この下支持筒１３の下端に続く水車翼支持ケース１４とを有する。また、水車翼支持ケース１４の下面とケーシング５の内周面の下部との間に、上下方向に長い支持板１５が設けられている。

支持プレート１１と上支持筒１２とは、溶接等により互いに固定される。上支持筒１２と下支持筒１３とは、例えば、それぞれの接合部に設けられたフランジ１２ａ，１３ａ同士がボルト（図示せず）等により接合される。下支持筒１３は、ケーシング５の上部を上下に貫通して設けられている。下支持筒１３とケーシング５との間に隙間が生じないようにしてある。図の例では、下支持筒１３と水車翼支持ケース１４とが一体に形成されているが、両者は別体であってもよい。

図４のＶ−Ｖ断面図である図５に示すように、使用時に流水中に没する下支持筒１３の外形は、流体抵抗が小さい魚形の断面形状をしている。また、図４のVI−VI断面図である図６に示すように、支持板１５の外形も、流体抵抗が小さい魚形の断面形状をしている。

図４に示すように、水車翼支持ケース１４内に、２つの軸受１６，１７を介して、水車翼３の回転軸３ａが回転自在に支持されている。回転軸３ａの上流側端は水車翼支持ケース１４の外に突出しており、その突出部分にハブ３ｂが取り付けられている。

前記上支持筒１２の上に、発電機４が設置されている。発電機４の入力軸２０が、上支持筒１２内に延びている。一方、水車翼３の回転軸３ａの下流側端は、下支持筒１３内に設けられた動力伝達軸２１の下端に、伝動機構２２を介して伝動可能に連結されている。伝動機構２２は、例えば一対の傘歯車２３，２４からなる。そして、動力伝達軸２１の上端と発電機４の入力軸２０の下端とが、回転連結具２５を介して連結されている。なお、動力伝達軸２１は、軸受２６，２７を介して下支持筒１３に回転自在に支持されている。

ケーシング５は、図２のように円筒状をしており、内周に流水の流れる方向と垂直な断面の形状が円形の流路３０が形成されている。ケーシング５は、例えば鋼板等の板材からなり、以下のように支持される。すなわち、前記２本の水平支持材１０の各底面間に一対の棒状材３１が設けられ、これら一対の棒状材３１からそれぞれ水路幅方向の内側かつ下向きに斜め材３２が延ばされ、これら斜め材３２の下端にケーシング５の外周面が結合されている。これにより、ケーシング５は、下端が水路２の底面部２ａに近く、かつ水路幅方向の位置が水路２の両側壁面部２ｂのほぼ中央となるように配置される。図４に示すように、上記のように配置されたケーシング５の内周の上流側端に、水車翼３のハブ３ｂおよびブレード３ｃが位置している。

塞ぎ材６は、例えば鋼板等の平板状の板材からなり、ケーシング５の外周面の下流側端に接合されている。図２に示すように、塞ぎ材６の下端縁は水路２の底面に接し、かつ側端縁は水路２の側壁面に接している。これにより、ケーシング５の外周面と水路２の底面および側壁面との間が塞がれる。塞ぎ材６の上端の高さは、水路２の上端の高さよりも低くしてある。具体的には、水路２の底面から塞ぎ材６の上端までの高さｈは、水路２の底面から上端までの高さＨの８０％ないし９０％の範囲内としてある。

この軸流水車発電装置１の作用について説明する。
この構成によると、水車翼３の外周を囲む筒状のケーシング５と、このケーシング５の外周面と水路２の底面および側壁面との間を塞ぐ塞ぎ材６とを有するため、水路２内の流水をケーシング５の内周に形成される流路３０へ集中させることができる。水車翼３の周囲に筒状のケーシング５を設けることで、集中させた流水の流れを整流して水車翼３に効果的に当てることができ、発電効率が高まる。

詳しくは、水路２の水位が塞ぎ板６の上端の高さよりも低い場合、水路２を流れる流水のすべてがケーシング５の内周に形成される流路３０に集められる。これにより、流路３０を流水が高い水位で、かつ速い流速で流れる。この高い水位かつ速い流速の流水によって水車翼３が勢いよく回転させられ、その水車翼３の回転を受けて発電機４が発電を行う。

このように、塞ぎ材６によって水路２の水流をケーシング５の流路３０に集めることにより、水路２の水量が十分でない場合でも、流路３０の水位を高く保ち、つまり水車翼３の受水面積が広く保たれ、かつ速い流速を得ることができる。図２に一点鎖線で示す円３４の面積が受水面積である。また、ケーシング５の流路３０の断面形状を円形とすることで、ケーシング５の内周面と水車翼３との隙間を狭くすることができる。これにより、流路３０を流れる流水の多くが水車翼３を回転させることに関与し、発電効率が向上する。

水路２の水位が一定高さを超えると、一部の水が塞ぎ材６を越えて下流側に流れる。塞ぎ材６の上端の高さｈが水路２の上端の高さＨよりも低いので、一部の水が塞ぎ材６を越えても、水路２から水が溢れることはない。塞ぎ材６の上端の高さｈを水路２の上端の高さＨの８０％ないし９０％の範囲内とすることで、水路２の深さに対して比較的直径が大きい水車翼３を設けることができ、翼面積を十分な広さに確保できる。水路２が用水路である場合、上流側で水量をある程度管理することができるので、水路２の水位が塞ぎ材６の上端を大きく越えることは殆ど無い。このため、塞ぎ材６の上端の高さｈが上記範囲内であっても、水路２から水が溢れる心配はない。

図２に示す塞ぎ板６は１枚の板材からなっているが、図７または図８に示すように、塞ぎ材６を、水路２の底面および側壁面の両方またはいずれか一方に対する遠近方向に伸縮可能に構成してもよい。

図７に示す塞ぎ材６は、ケーシング５の外周に接するケーシング側部分６ａと、水路２の両側壁面部２ｂにそれぞれ接する２つの水路側部分６ｂとを有し、ケーシング側部分６ａと水路側部分６ｂとの間に弾性要素６ｃを介在させた構成である。この場合、塞ぎ材６が水路幅方向に伸縮可能となり、水路２の幅に合わせて塞ぎ材６の水路幅方向の寸法を調整することができる。このため、幅、深さ等のサイズの異なる水路２や、同じ水路２におけるサイズが異なる箇所に、共通の塞ぎ材６を使用することができる。

ケーシング５の外周に接するケーシング側部分と、水路２の底面部２ａに接する水路側部分とを有し、ケーシング側部分と水路側部分との間に弾性要素を介在させた構成とすれば、塞ぎ材６が水路深さ方向に伸縮可能となる（図示せず）。

図８に示す塞ぎ材６は、水路２の底面部２ａおよび側壁面部２ｂとの接触部分に弾性部材６ｄを設けた構成である。この場合、塞ぎ材６が水路幅方向および深さ方向に伸縮可能となり、水路２の幅および深さに合わせて塞ぎ材６の水路幅方向および水路深さ方向の寸法を調整することができる。

［第２の実施形態］
図９〜図１１はこの発明の異なる実施形態を示す。この軸流水車発電装置１は、ケーシング５の形状を、内部の流路３０が上流側から下流側へ行くに従い流水の流れる方向と垂直な断面の面積が広くなるに変更している。他は第１の実施形態と同じである。

ケーシング５の流路３０が上流側から下流側へ行くに従い開口面積が広くなる形状であると、水路２の水位が十分でない場合も、ケーシング５の下部の傾斜により流速が増大する。これにより、水位が十分でない場合でも効率良く発電できる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…軸流水車発電装置
２…水路
２ａ…底面部
２ｂ…側壁面部
３…水車翼
４…発電機
５…ケーシング
６…塞ぎ材
６ａ…ケーシング側部分
６ｂ…水路側部分
６ｃ…弾性要素
６ｄ…弾性部材
７…支持装置
３０…流路
Ｈ…水路の底面から上端までの高さ
Ｏ…回転軸心
ｈ…水路の底面から前記塞ぎ材の上端までの高さ

Claims (8)

1. 流水のある水路に設置され、この水路を流れる流水により発電を行う軸流水車発電装置であって、
   前記流水中に没する状態で支持装置に回転自在に支持され、回転軸心が前記流水の流れる方向と平行なプロペラ型の水車翼と、この水車翼の回転を受けて発電を行う発電機と、前記水車翼の外周を囲み上流側および下流側が開口した筒状のケーシングと、このケーシングの外周面と前記水路の底面および側壁面との間を塞ぐ塞ぎ材とを有することを特徴とする軸流水車発電装置。
2. 請求項１に記載の軸流水車発電装置において、前記塞ぎ材の上端の高さが前記水路の上端の高さよりも低い軸流水車発電装置。
3. 請求項２に記載の軸流水車発電装置において、前記水路の底面から前記塞ぎ材の上端までの高さが、前記水路の底面から上端までの高さの８０％ないし９０％の範囲内である軸流水車発電装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軸流水車発電装置において、前記ケーシングの内周に形成される流路は、前記流水の流れる方向と垂直な断面の形状が円形である軸流水車発電装置。
5. 請求項４に記載の軸流水車発電装置において、前記ケーシング内の前記流路は、前記流水の流れる方向の上流側から下流側へ行くに従い、前記流水の流れる方向と垂直な断面の面積が広くなる軸流水車発電装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の軸流水車発電装置において、前記塞ぎ材は、前記水路の底面および側壁面の両方またはいずれか一方に対する遠近方向に伸縮可能である軸流水車発電装置。
7. 請求項６に記載の軸流水車発電装置において、前記塞ぎ材は、前記ケーシングの外周に接するケーシング側部分と、前記水路の側壁面または底面に接する水路側部分とを有し、前記ケーシング側部分と前記水路側部分との間に弾性要素が介在する軸流水車発電装置。
8. 請求項６に記載の軸流水車発電装置において、前記塞ぎ材は、前記水路の底面および側壁面との接触部分に弾性部材が設けられている軸流水車発電装置。

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