JP2020051267A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水路の水を集水する装置の運搬および設置を容易に行うことができ、また製造コストの低減を図ることができる水力発電装置を提供する。【解決手段】この水力発電装置は、水路１に設置される水力発電装置であって、水力を回転力に変換する水車翼２と、水車翼２の回転により発電する発電機６と、水車翼２の上流側に設置され水車翼２に水路１の水を集水する集水装置５とを備える。集水装置５は、通水孔１２ａを有し水路１を遮断して水路１の流水を通水孔１２ａに集める集水板１２と、水路１の両側部に設置されて集水板１２を上下に移動可能に案内する集水板ガイド１３，１３とを有する。各集水板ガイド１３は、長手方向に垂直な断面が凹形状の案内溝１３ａを有するレール部材である。両集水板ガイド１３，１３の案内溝１３ａ，１３ａに、集水板１２の両側縁部が案内される。【選択図】図１

Description

この発明は、水路に設置される水力発電装置に関し、水車翼を通過する流速を増加させ、発電効率を高める技術に関する。

水力発電装置等として、例えば特許文献１〜３が提案されている。
特許文献１の水流発電装置は、水車より上流側に枠部材を備え、枠部材の上流側の開口部の上方に壁部を有することで水流を集中させ、弱い水流であっても十分な発電を行える。さらには、水車より上流側に位置する枠部材の上流側開口部から下流側開口部まで開口面積を狭めることでより水流を集中させることができる。

特許文献２は、図１７に示すように、用水路に配設して効率のよい発電効率が得られる水車の導水ダクトを提供することを目的とし、前後に貫通する導水路５０の底面５１を、中央縦断面において、前後の中央部分が、上方へ湾曲状に盛り上がり、最高部５１ａから後端へかけて次第に下降する弧曲面としている。

特許文献３は、入水側開口部に設けた水流増速部により流速を増大させることで、比較的小さな水流で効率的に発電可能としている。この特許文献３では、前記特許文献１と同様に、入水側開口部から水車による発電部手前までのケーシングを徐々に狭めることで流量を増加させている。

特開２０１４−１５２６４５号公報 特開２０１７−２５８３１号公報 特許第４０２２２４４号公報

特許文献１〜３は、いずれも、水力発電の水車翼に流入する流体の速度を増すことによって発電量を増大することを目的としている。しかし、これらの水流増速部は、曲面あるいは斜面を有することから製造コストが大きいという問題があった。この問題に加えて、これらの水流増速部は、三次元構造を有することから水路への運搬と設置が困難であった。
具体的に特許文献２における導水ダクトは曲面が多いため、製造コストが増大するのに加えて、導水ダクトを水路に固定する工事が困難であるという問題があった。特許文献３の形態では、流速の最も速い箇所、つまり流路中央の流速を利用するために水車を二台設置する費用があり、装置が大型化しやすく、狭い水路等への利用が困難である。

この発明の目的は、水路の水を集水する装置の運搬および設置を容易に行うことができ、また製造コストの低減を図ることができる水力発電装置を提供することである。

この発明の水力発電装置は、水路に設置される水力発電装置であって、水力を回転力に変換する水車翼と、この水車翼の回転により発電する発電機と、前記水車翼の上流側に設置され前記水車翼に前記水路の水を集水する集水装置と、を備えた水力発電装置において、
前記集水装置は、通水孔を有し前記水路を遮断して前記水路の流水を前記通水孔に集める集水板と、前記水路の両側部に設置されて前記集水板を上下に移動可能に案内する集水板ガイドと、を有する。

この構成によると、集水板の通水孔を通過した水を水車翼に集水することによって、水車翼が回転し、この水車翼の回転により発電機が発電する。この場合、集水板により流水の流路断面が通水孔の面積に狭められるため、水車翼を通過する水の流速が増加し、発電効率を高めることができる。
集水板ガイドを水路の両側部に設置したうえで、集水板を集水板ガイドに沿って挿入するだけで集水装置を設置することができる。このため、従来の三次元構造を有する水流増速部を水路に運搬し、例えばクレーン等を用いて水流に抗して水流増速部の位置決めをしつつ設置する場合に比べて、容易に集水装置を運搬および設置することができる。また集水板は、板状部材に通水孔等を形成するだけで製造することができる。集水板ガイドは、集水板を上下に移動可能に案内する案内溝を有するレール部材を準備しておき、各レール部材を水路の両側部に設置すれば足りる。これら集水板および集水板ガイドは、従来の三次元構造を有する水流増速部を製造する場合に比べて、構造を簡単化し製造コストの低減を図れる。

前記集水板は、前記通水孔の開口縁部から流水方向に延びる筒状の排出管部を有するものであってもよい。この場合、通水孔から流出した水は、排出管部によって拡散することなく水車翼に流れるため、水車翼を通過する水の流速が低下することがなく水車翼の回転効率が改善され、発電機による発電量が増大する。

前記集水板は、幅方向両端部の高さを幅方向中央部の高さよりも低くしたものであってもよい。
従来構造では、水流増速部を水路に設置すると、この水流増速部で水路を遮断する分、水車翼の上流側の水位が上昇し、水路から水が溢れるおそれが増すという問題が生じていた。
集水板の幅方向両端部の高さを低くすることで、水路の流量が急激に変化した場合においても、水路から水が溢れることを防止することができる。
機能面では、この発明の構成とは逆に集水板の幅方向中央部の高さを下げて水路壁側の高さを上げる方が水路中央部に水が集まるので流速が大きくなり、水車効率は上がると考えられる。
「集水板の幅方向両端部の高さを低くする」のは、機能面からの要求ではなく、水路から水が漏れる（漏水する）ことを防ぐのが主たる目的である。
「効率向上」には、「集水板の幅方向両端部を高くする」、「漏水防止」には「集水板の幅方向両端部を低くする」のが良い、と考えられる。本発明の構成では、「漏水防止」を重視して後者の「集水板の幅方向両端部を低くする」としている。

前記集水板は、この最大高さを、前記水路の深さよりも低くしたものであってもよい。この場合、水車翼の上流側の水路の水位が上昇しても、水が集水板を超えて流れるようになり、水路から水が溢れることを未然に防止することができる。

前記集水板は、上下に分割された複数の集水板分割体を有し、各集水板分割体が前記集水板ガイドに対し上下に移動可能に案内されるものであってもよい。このように集水板を複数の集水板分割体に分割することで、これら集水板分割体を、順次、集水板ガイドに安定して集水板を容易に設置することができる。分割された各集水板分割体は、例えば一枚の板部材から成る集水板よりも、製作および運搬が容易になり、その分、コスト低減を図れる。

この発明の水力発電装置は、水路に設置される水力発電装置であって、水力を回転力に変換する水車翼と、この水車翼の回転により発電する発電機と、前記水車翼の上流側に設置され前記水車翼に前記水路の水を集水する集水装置と、を備えた水力発電装置において、前記集水装置は、通水孔を有し前記水路を遮断して前記水路の流水を前記通水孔に集める集水板と、前記水路の両側部に設置されて前記集水板を上下に移動可能に案内する集水板ガイドと、を有する。このため、水路の水を集水する装置の運搬および設置を容易に行うことができ、また製造コストの低減を図ることができる。

この発明の実施形態に係る水力発電装置の斜視図である。 同水力発電装置を水路の上流側から見た図である。 同水力発電装置を水路の上方から見た平面図である。 同水力発電装置における集水板の組立前の状態を示す水路の上流側から見た図である。 この発明の他の実施形態に係る水力発電装置の斜視図である。 同水力発電装置における集水板の組立前の状態を示す水路の上流側から見た図である。 （Ａ）は排出管部を一体化した集水板の平面図、（Ｂ）は同集水板を水路の上流側から見た図、（Ｃ）は同集水板の斜視図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る水力発電装置の斜視図である。 同水力発電装置における集水板の設置前の状態を示す斜視図である。 同水力発電装置を水路の上流側から見た図である。 同水力発電装置における下段の集水板分割体の設置後の状態を示す斜視図である。 同水力発電装置を水路の上流側から見た図である。 同水力発電装置における下段および中段の集水板分割体の設置後の状態を示す斜視図である。 同水力発電装置を水路の上流側から見た図である。 同水力発電装置における下段および中段の集水板分割体の設置後、上段の集水板分割体の設置中の状態を示す斜視図である。 同水力発電装置を水路の上流側から見た図である。 従来例の水車の導水ダクトの断面図である。

［第１の実施形態］
この発明の一実施形態に係る水力発電装置を図１ないし図４と共に説明する。
＜水力発電装置全体の概略構成＞
図１〜図３に示すように、この水力発電装置は、例えば、河川、用水路等の流水のある水路１に設置され、水車翼２の回転を受けて発電を行う。水路１は、例えば、それぞれコンクリート等から成る底面部１ａおよび両側の側壁面部１ｂで構成される。各図の例では、底面部１ａに対して側壁面部１ｂが垂直になっているが、側壁面部１ｂは斜めになっていてもよい。また、底面部１ａと側壁面部１ｂの角部が図のような直角状でなく、底面部１ａと側壁面部１ｂとが曲面で繋がっていてもよい。水力発電装置は、水力発電モジュール３と、この水力発電モジュール３を支持する支持部材４と、後述する集水装置５とを備える。

＜水力発電モジュール３＞
図４に示すように、水力発電モジュール３は、水車翼２、およびこの水車翼２の回転により発電する発電機６を有する。水車翼２は、水路１の流水中に没する状態で設置され水力を回転力に変換する。水車翼２は、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。水車翼２は、回転軸心に設けられるハブ２ａと、このハブ２ａの外周面から半径方向外方に放射状に延びる複数（例えば５枚）のブレード２ｂとを有する。図３に示すように、各ブレード２ｂの先端部は、上流側に向けて傾斜している。

図４に示すように、ハブ２ａに同軸に回転軸（図示せず）が回転自在に支持され、この回転軸の回転は、例えば、互いに噛み合う一対の傘歯車等から成るギヤ部により増速され、且つ、回転軸心がハブ２ａの同軸方向から上下方向に変換される。これら回転軸およびギヤ部は、ギヤボックス内に収容されている。

発電機６は、例えば、永久磁石同期型、誘導型等の三相交流発電機、または単相交流の発電機である。発電機６の入力軸６ａが支持筒７内に延び、支持筒７内において、入力軸６ａの下端と動力伝達軸８の上端とが、図示外の回転連結具を介して同軸に連結されている。動力伝達軸８の軸心と前記回転軸の軸心とは互いに直交するように配置されている。動力伝達軸８は、支持筒７内の軸受（図示せず）により、この支持筒７に回転自在に支持されている。したがって、前記回転軸の回転が動力伝達軸８および入力軸６ａに伝達されることで、発電機６が発電する。

＜支持部材４＞
図１に示すように、支持部材４は、一対の固定具９，９と、水平支持材１０と、発電機台１１とを有する。水路１の側壁面部１ｂにおける上端付近から上端部に渡り、一対の固定具９，９が水路幅方向に互いに対向するように固定されている。各固定具９は、例えば、断面Ｌ形のアングル等から形成される。水平支持材１０は、一対の固定具９，９に支持される棒状部材であり、よって水平支持材１０は、一対の固定具９，９により水路１の両側壁面１ｂの上端間に掛け渡される。水平支持材１０の長手方向中間付近に発電機台１１が固定され、この発電機台１１に発電機６が支持されている。

＜集水装置５について＞
図１および図２に示すように、集水装置５は、水車翼２の上流側に設置され前記水車翼２に水路１の水を集水する。集水装置５は、集水板１２と、水路１の両側部に設置されて集水板１２を上下に移動可能に案内する集水板ガイド１３，１３とを有する。集水板１２は、例えば、鋼製、樹脂製、木製またはコンクリート製等の矩形状の板部材であり、通水孔１２ａを有し水路１を遮断して水路１の流水を通水孔１２ａに集める。つまり集水板１２により流水の流路断面が通水孔１２ａの面積により狭められるため、水車翼２を通過する水の流速が増加し、発電効率を高め得る。

集水板１２の通水孔１２ａは、水車翼２の直径相当あるいは水車翼２の直径より大きい直径の丸孔から成る貫通孔であり、また通水孔１２ａは、この集水板１２が水路１に設置された状態で水車翼２のハブ２ａに対し同心となる位置に形成される。換言すれば、集水板１２が水路１に設置された状態において、水路１の流水中に没する状態で設置された水車翼２に対し、水路１内において同一の深さ位置で且つ同一の幅方向位置に、集水板１２の通水孔１２ａが位置する。また集水板１２は、最大高さＨを、水路１の深さＨ１よりも低くしている。

図１および図３に示すように、各集水板ガイド１３は、長手方向に垂直な断面いわゆる水平断面が凹形状の案内溝１３ａを有するレール部材である。この集水板ガイド１３として、例えば、溝形鋼、凹断面形状の樹脂材またはコンクリート材等が適用される。その他、溝形に曲げ加工した鋼板、鋼材または樹脂材を凹断面形状に機械加工した部材であってもよい。両集水板ガイド１３，１３の案内溝１３ａ，１３ａが互いに水路幅方向に対向するように、水路１の両側の側壁面部１ｂに、集水板ガイド１３，１３が上下方向に沿ってそれぞれ設置される。図２に示すように、各集水板ガイド１３は、水路１の深さＨ１よりも高くなるように設定されている。図１および図３に示すように、両集水板ガイド１３，１３の案内溝１３ａ，１３ａに、集水板１２の両側縁部が案内される。よって図４および図２に示すように、集水板１２は、集水板ガイド１３，１３により上下に移動可能に案内される。

＜作用効果＞
以上説明した水力発電装置によれば、集水板１２の通水孔１２ａを通過した水を水車翼２に集水することによって、水車翼２が回転し、この水車翼２の回転により発電機６が発電する。この場合、集水板１２により流水の流路断面が通水孔１２ａの面積に狭められるため、水車翼２を通過する水の流速が増加し、発電効率を高めることができる。

集水板ガイド１３を水路１の両側部に設置したうえで、集水板１２を集水板ガイド１３，１３に沿って挿入するだけで集水装置５を設置することができる。このため、従来の三次元構造を有する水流増速部を水路に運搬し、例えばクレーン等を用いて水流に抗して水流増速部の位置決めをしつつ設置する場合に比べて、容易に集水装置５を運搬および設置することができる。また集水板１２は、板状部材に通水孔等を形成するだけで製造することができる。集水板ガイド１３は、集水板１２を上下に移動可能に案内する案内溝を有するレール部材を準備しておき、各レール部材を水路１の両側部に設置すれば足りる。これら集水板１２および集水板ガイド１３は、従来の三次元構造を有する水流増速部を製造する場合に比べて、構造を簡単化し製造コストの低減を図れる。
集水板１２は、この最大高さＨを、水路１の深さＨ１よりも低くしたため、水車翼２の上流側の水路１の水位が上昇しても、水が集水板１２を超えて流れるようになり、水路１から水が溢れることを未然に防止することができる。

＜他の実施形態について＞
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

図５は、他の実施形態に係る水力発電装置の斜視図であり、図６は同水力発電装置における集水板１２Ａの組立前の状態を示す水路の上流側から見た図である。図５および図６に示すように、集水板１２Ａは、幅方向両端部の高さを幅方向中央部の高さよりも低くしたものであってもよい。具体的には、集水板１２Ａの上端縁部と両側縁部との隅部１２Ａａを角面取り状に形成することで、集水板１２Ａの幅方向両端部の高さを低くしている。したがって、水路１の流量が急激に変化した場合においても、水路１から水が溢れることを防止することができる。

図７に示すように、集水板１２Ｂは、通水孔１２ａの開口縁部から流水方向に延びる円筒状の排出管部１４を有するものであってもよい。この排出管部１４は、集水板１２Ｂの矩形状の板部材と同一材料から一体形成されているが、矩形状の板部材に排出管部１４を接合してもよい。
図７の構成によると、通水孔１２ａから流出した水は、排出管部１４によって拡散することなく水車翼に流れるため、水車翼の回転効率が改善され、発電機による発電量が増大する。

図８〜図１６に示すように、集水板１２Ｃは、上下に分割された複数（この例では三枚）の集水板分割体１５，１６，１７を有し、各集水板分割体１５，１６，１７が集水板ガイド１３，１３に対し上下に移動可能に案内されるものであってもよい。図９および図１０に示すように、下段および中断の集水板分割体１５，１６は、略矩形板状であり、図１３および図１４に示すように、集水板ガイド１３，１３に設置された状態、つまり下段および中断の集水板分割体１５，１６が組み合わされた状態で通水孔１２ａが形成される。下段の集水板分割体１５の上端縁部に、通水孔１２ａの下半円を成す部分が形成され、中断の集水板分割体１６の下端縁部に、通水孔１２ａの上半円を成す部分が形成されている。

このように集水板１２Ｃを複数の集水板分割体１５，１６，１７に分割することで、図１１，図１２→図１３，図１４→図１５，図１６に順次示すように、これら集水板分割体１５，１６，１７を、順次、集水板ガイド１３，１３に安定して集水板１２Ｃを容易に設置することができる。分割された各集水板分割体１５，１６，１７は、例えば一枚の板部材から成る集水板よりも、製作および運搬が容易になり、その分、コスト低減を図れる。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示され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。この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…水路、２…水車翼、５…集水装置、６…発電機、１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…集水板、１２ａ…通水孔、１３…集水板ガイド、１４…排出管部、１５，１６，１７…集水板分割体

Claims (5)

1. 水路に設置される水力発電装置であって、水力を回転力に変換する水車翼と、この水車翼の回転により発電する発電機と、前記水車翼の上流側に設置され前記水車翼に前記水路の水を集水する集水装置と、を備えた水力発電装置において、
   前記集水装置は、通水孔を有し前記水路を遮断して前記水路の流水を前記通水孔に集める集水板と、前記水路の両側部に設置されて前記集水板を上下に移動可能に案内する集水板ガイドと、を有する水力発電装置。
2. 請求項１に記載の水力発電装置において、前記集水板は、前記通水孔の開口縁部から流水方向に延びる筒状の排出管部を有する水力発電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の水力発電装置において、前記集水板は、幅方向両端部の高さを幅方向中央部の高さよりも低くしたものである水力発電装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水力発電装置において、前記集水板は、この最大高さを、前記水路の深さよりも低くしたものである水力発電装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水力発電装置において、前記集水板は、上下に分割された複数の集水板分割体を有し、各集水板分割体が前記集水板ガイドに対し上下に移動可能に案内される水力発電装置。

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