JP2020148126A - 小水力発電装置の集水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水流を集中させる集水装置を容易に設置することができる水力発電装置を提供する。【解決手段】水力発電装置１は、水力を回転力に変換する翼車８と、翼車８の回転により発電する発電機１０と、翼車８の上流側に設置されて翼車８に水路２の水を集水する集水装置２２とを備えている。翼車８および発電機１０は、固定部品６を介して水路２に固定されている。集水装置２２は、水路２の水を増速して翼車８に案内する集水板２４と、集水板２４を水路２に設置する集水板ガイド２６とを有している。集水板ガイド２６は、水路２の側壁２ｂの内面に設置されている。集水板ガイド２６が固定部品６の一部に固定されて、翼車８に対して水路２の上流側に配置されている。【選択図】図１

Description

この発明は、農業用水路、上下水道、工業用水路、小河川等の水路に設置される水力発電装置に関する。

水力発電装置は、流水が持つ運動エネルギーを、発電に利用するシステムである。この水力発電装置の中で小型のものは、農業用水等の水路に設置して利用されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の水力発電装置は、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。

特開２０１４−１５２６４５号公報

特許文献１は、プロペラの羽根の回転面積を枠部材の下流側開口部の面積以下とすることで、水流を効率的に受けて発電効率を上げている。枠部材の下流側開口部はプロペラの羽根の回転面積より大きく、枠部材が大形化しやすい。枠部材が大形化することで、枠部材が水流から受ける力は大きくなり、枠部材の設置コストが高くなる。

この発明は、上記課題を解消するものであり、その目的は、水流を集中させる集水装置を容易に設置す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、水力を回転力に変換する翼車と、この翼車の回転により発電する発電機と、前記翼車の上流側に設置されて前記翼車に水路の水を集水する集水装置とを備えた水力発電装置であって、前記翼車および前記発電機は固定部品を介して前記水路に固定され、前記集水装置は、前記水路の水を増速して前記翼車に案内する集水板と、前記集水板を前記水路に設置する集水板ガイドとを有し、前記集水板ガイドは前記水路の側面に設置され、前記集水板ガイドが前記固定部品の一部に固定されて前記翼車に対して前記水路の上流側に配置されている。

この構成によると、集水装置の固定に翼車および発電機の固定部品を利用することで、集水装置の設置を容易に行うことができる。また、集水板ガイドを水路の幅に合わせて固定することができるので、集水板による集水効果を最大限に利用できる。特に、流量が少ない場合、無駄なく集水することで、発電機の発電量を効率よく増加できる。

この発明において、前記固定部品は水路を跨ぐ部材を有しており、前記水路をまたぐ部材に、前記集水板ガイドが固定されていてもよい。この構成によれば、水路をまたぐ部材に集水板ガイドを固定することで、両側の水路側壁に設置される集水板ガイドを、水路の水の流れる方向で見て同一の位置に容易に設置できる。このため、設置作業が簡単になる。

この発明において、前記固定部品は水路の側壁に沿う部品を有しており、前記水路の側
壁に沿う部品に、前記集水板ガイドが固定されていてもよい。この構成によれば、水路の側壁に集水板ガイドを片側ずつ固定でき、水流のある水路への設置時に水の流れ方向にかかる集水板ガイドの負荷を軽減できる。

この発明において、さらに、水の流れ方向に前記集水板ガイドを移動可能とする可動機構を備え、前記固定部品、前記集水板ガイド、前記固定部品に前記集水板ガイドを支持する支持部品の少なくとも一つに、前記可動機構が設けられていてもよい。この構成によれば、固定部品と集水板ガイドとの間で、水の流れ方向に自由度を持たせることで、発電機と集水板ガイド間の水の流れ方向の距離を変えることができる。これにより、水量や流速に合わせて発電機に対する最適な位置に集水板ガイドおよび集水板を設置でき、発電量を効率よく増加させることができる。

この発明において、前記集水板は、前記翼車に水の流れ方向に対向する通水孔を有してもよい。この構成によれば、流水の流路断面が通水孔の面積に狭められるので、翼車を通過する水の流速が増加する。これにより、発電効率の向上を図ることができる。

この発明の水力発電装置によれば、水流を集中させる集水装置を水路に容易に設置することができる。

この発明の第１の実施形態に係る水力発電装置を示す正面図である。 同水力発電装置を示す側面図である。 同水力発電装置を示す平面図である。 図３の集水板ガイドの取り付け部を拡大して示す平面図である。 同水力発電装置の図３とは位置を変えた状態を示す平面図である。 図５の集水板ガイドの取り付け部を拡大して示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、同水力発電装置を水路に設置する状況を示す正面図である。 この発明の第２の実施形態に係る水力発電装置を示す側面図である。 図８の集水板ガイドの取り付け部を拡大して示す側面図である。 同水力発電装置の図８とは位置を変えた状態を示す側面図である。

〔第１の実施形態〕
この発明の第１の実施形態を図１ないし図８と共に説明する。
＜水力発電装置全体の概略構成＞
図１に示すように、この水力発電装置１は、水路２に設置され、水流による翼車の回転によって発電を行う。水路２は、農業用水路、工業用水路、小河川等であり、同図の例では水路壁がコンクリート等からなる底壁２ａおよび両側の側壁２ｂ，２ｂで構成されている。この水力発電装置１は、水力発電モジュール４と、この水力発電モジュール４を水路２に固定する固定部品６とを有している。

＜水力発電モジュールについて＞
水力発電モジュール４は、翼車８と、翼車８の回転により発電する発電機１０とを有している。つまり、翼車８および発電機１０が固定部品６を介して水路２に固定されている。発電機１０は、例えば永久磁石同期型である。翼車８は、通常は水路２の流水中に没する状態に設けられ、水力を回転力に変換する。翼車８は、回転軸心Ｏ１が水路２の水の流れ方向と平行なプロペラ型である。翼車８は、回転軸心Ｏ１の周囲に周方向に並んで放射状に延びる複数（図示の例では５枚）の翼８ａを有している。翼車８の向きは、正面が水
流の上手側に向けられ、図２に示すギヤボックス１２が背面に取り付けられている。

翼車８の回転軸（図示せず）は、ギヤボックス１２内の軸受（図示せず）により回転自在に支持されている。翼車８の回転は、ギヤボックス１２内の傘歯車等のギヤ列（図示せず）によって増速される。ギヤボックス１２の出力軸は、上下方向に延びる支柱１４内の伝達軸（図示せず）を介して発電機１０の入力軸（図示せず）に接続されている。

＜固定部品について＞
固定部品６は、図１に示す一対の固定具１６，１６と、水平支持材１８と、発電機台２０とを有する。固定具１６，１６は、水路２の両側壁２ｂ，２ｂの上端付近から上端部に渡って設置されている。固定具１６は、例えば、断面Ｌ形のアングルであり、その長手方向が水路２に沿って延びている。つまり、固定具１６が、固定部品６における水路２の側壁２ｂに沿う部品を構成する。ただし、固定具１６はこれに限定されない。一対の固定具１６，１６は、水路幅方向に対向するように両側壁２ｂ，２ｂに固定されている。固定具１６の水路２の側壁２ｂへの固定は、例えば、ボルト止めである。

水平支持材１８は、水路２の幅方向に延びる棒状部材であり、その両端が一対の固定具１６，１６に支持されている。つまり、水平支持材１８は、一対の固定具１６，１６により水路１の両側壁面１ｂの上端間に掛け渡される。このように、水平支持材１８が、固定部品６における水路２をまたぐ部材を構成する。この実施形態の水平支持材１８は、横断面形状が四角形の角パイプである。ただし、水平支持材１８は角パイプに限定されない。この実施形態では、水平支持材１８は、図３の取付金具１９を介して固定具１６にボルト連結されている。ただし、水平支持材１８の支持方法はこれに限定されない。

水平支持材１８の長手方向（水路２の幅方向）の中間付近に発電機台２０が固定され。この発電機台２０に発電機１０が支持されている。この実施形態では、発電機台２０は水平支持材１８に溶接により接合され、発電機１０は発電機台２０にボルト（図示せず）により着脱自在に取り付けられている。ただし、発電機１０および発電機台２０の取り付け方法はこれに限定されない。

＜集水装置について＞
水力発電装置１は、翼車８の上流側に設置された集水装置２２を備えている。集水装置２２は、水路２を流れる水を翼車８に集水する。図７（ｄ）に示すように、集水装置２２は、水路２の水を増速して翼車８に案内する集水板２４と、集水板２４を水路２に設置する集水板ガイド２６とを有している。集水板ガイド２６は、水路２の両側部に一対設置され、集水板２４を上下方向に移動可能に案内する。

＜集水板について＞
集水板２４は、例えば、鋼製、樹脂製、木製、コンクリート製等の矩形の板部材である。この実施形態では、集水板２４の高さは、水路２の深さよりも低く設定されている。集水板２４に、通水孔２４ａが形成されている。集水板２４は、水路２を遮断して水路２の流水を通水孔２４ａに集める。つまり、集水板２４により流水の流路断面が通水孔２４ａの面積に狭められるので、翼車８を通過する水の流速が増加する。これにより、発電効率の向上を図ることができる。なお、図１では、集水板２４が、２点鎖線により示されている。

この実施形態の通水孔２４ａは、丸孔からなる貫通孔であり、その直径は、翼車８の直径と同じか、あるいは翼車８の直径より大きい。また、通水孔２４ａは、集水板２４が水路２に設置された状態で、翼車８の回転軸心Ｏ１と同心となる位置に形成されている。換言すれば、翼車８および集水板２４が水路２に設置された状態において、翼車８に対して
同一の深さ位置で且つ同一の幅方向位置に、集水板２４の通水孔２４ａが位置する。

＜集水板ガイドについて＞
この実施形態の集水板ガイド２６は、図３に示すように、長手方向（上下方向）に垂直な断面、すなわち水平断面が凹形状のレール部材である。つまり、集水板ガイド２６は、上下方向に延びる案内溝２６ａを有する。案内溝２６ａは、水路２に向かって開口する。集水板ガイド２６は、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である。また、集水板ガイド２６は、溝形に曲げ加工した鋼板であってもよく、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。

各集水板ガイド２６，２６は、翼車８に対して水路２の上流側に配置され、水路２の側面に設置されている。つまり、水路２の両側の側壁２ｂ，２ｂに、集水板ガイド２６，２６が上下方向に沿ってそれぞれ設置されている。各集水板ガイド２６，２６の案内溝２６ａ，２６ａは、水路２の幅方向に対向している。図１に示すように、集水板ガイド２６は、水路２の深さよりも高くなるように設定されている。

図３に示すように、集水板ガイド２６，２６の案内溝２６ａ，２６ａに、集水板２４の両側縁部が案内される。これにより、集水板２４が、集水板ガイド２６，２６により上下に移動可能に案内される。

集水板ガイド２６は、固定部品６の一部に固定されている。この実施形態では、集水板ガイド２６は、固定部品６である水平支持材１８に固定されている。詳細には、集水板ガイド２６は、ガイド支持部品２８を介して水平支持材１８に固定されている。この実施形態では、ガイド支持部品２８が水平支持材１８に着脱自在にボルト連結され、集水板ガイド２６がガイド支持部品２８に着脱自在にボルト連結されている。

＜可動機構について＞
集水板ガイド２６は、固定部品６に対して水の流れ方向に移動可能に固定されている。つまり、水力発電装置１は、水の流れ方向に集水板ガイド２６を移動可能とする可動機構３０を備えている。以下に、この実施形態の可動機構３０の詳細を述べる。

ガイド支持部品２８は、水平支持材１８の上面に取り付けられている。詳細には、ガイド支持部品２８は、平板からなり、上下方向を向いた長円形の長孔３２が形成されている。長孔３２は、その長手方向が水の流れ方向に一致している。一方、水平支持材１８の上面に、上方を向いたねじ孔３４が形成されている。

つぎに、集水板ガイド２６の水平支持材１８への支持構造を説明する。水平支持材１８の上面にガイド支持部品２８を載置した状態で、ボルト３６を上方から長孔３２に挿通し、ねじ孔３４に締め付ける。さらに、集水板ガイド２６をガイド支持部品２８にボルト（図示せず）により連結する。以上により、集水板ガイド２６がガイド支持部品２８を介して水平支持材１８に支持される。なお、集水板ガイド２６とガイド支持部品２８の連結を、ガイド支持部品２８の水平支持材１８への連結よりも先に行ってもよい。

長孔３２は、水の流れ方向Ａ１に長手方向を有する長円形であるので、集水板ガイド２６は固定部品６に対して水の流れ方向に移動可能、つまり、位置が変更可能に固定される。図３，４は、集水板ガイド２６が固定部品６に対して水の流れ方向Ａ１の下流側に固定された状態を示す。一方、図５，６は、集水板ガイド２６が固定部品６に対して水の流れ方向Ａ１の上流側に固定された状態を示す。このように、水平支持材１８のねじ孔３４、ガイド支持部品２８の長孔３２およびボルト３６により、可動機構３０が構成されている。

＜水力発電装置の水路への設置手順について＞
図７を用いて、この実施形態の水力発電装置１の水路２への設置手順を説明する。図７（ａ）および（ｂ）に示すように、クレーン等を用いて、水力発電装置１を上方から水路２へ設置する。水力発電装置１が水路２へ設置された状態で（図７（ｃ））、ボルト、ナット（図示せず）のような締結手段により、固定具１６，１６を水路２の側壁２ｂに固定する。

つづいて、図７（ｄ）に示す集水板２４を水力発電装置１に設置する。具体的には、上方から集水板ガイド２６，２６の案内溝２６ａ，２６ａ（図３）に集水板２４の両側縁部を差し込む。これにより、集水板２４が、集水板ガイド２６，２６により下方に案内される。以上により、水力発電装置１が水路２に設置される。

＜作用効果＞
以上説明した水力発電装置１によれば、集水板２４の通水孔２４ａを通過した水が翼車８に集水されることによって、翼車８が回転する。この翼車８の回転により発電機１０が発電する。このとき、集水板２４により流水の流路断面が通水孔２４ａの面積に狭められるので、翼車８を通過する水の流速が増加する。したがって、発電効率を高めることができる。

また、集水装置２２の固定に、翼車８および発電機１０の固定部品６を利用することで、集水装置２２の設置を容易に行うことができる。さらに、集水板ガイド２６を水路２の幅に合わせて固定することができるので、集水板２４による集水効果を最大限に利用できる。特に、流量が少ない場合、無駄なく集水することで、発電機１０の発電量を効率よく増加できる。

集水板ガイド２６が、水路２をまたぐ部材である水平支持材１８に固定されている。これにより、水路２の側壁２ｂに設置される集水板ガイド２６を、水路２における水の流れ方向から見て、同一の位置に容易に設置できる。このため、設置作業が容易になる。

さらに、可動機構３０により、集水板ガイド２６が固定部品６の一つである水平支持材１８に対して水の流れ方向Ａ１に移動可能に支持されている。これにより、固定部品６と集水板ガイド２６との間で、水の流れ方向Ａ１に自由度を持たせることが可能となり、発電機１０と集水板ガイド２６間の水の流れ方向Ａ１の距離を変えることができる。これにより、水量や流速に合わせて発電機１０に対する最適な位置に集水板ガイド２６および集水板２４を設置でき、発電量を効率よく増加させることができる。

集水板２４は、翼車８に水の流れ方向に対向する通水孔２４ａを有している。これにより、流水の流路断面が通水孔２４ａの面積に狭められるので、翼車８を通過する水の流速が増加する。これにより、発電効率の向上を図ることができる。

〔第２の実施形態〕
この発明の第２の実施形態を図８ないし図１０と共に説明する。第２の実施形態において、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付して説明を省略する。第１の実施形態では、固定部品６における水路２をまたぐ部材である水平支持材１８に集水板ガイド２６が固定されているのに対し、第２の実施形態では、固定部品６における水路２の側壁２ｂに沿う部品である固定具１６に集水板ガイド２６が固定されている。

図８に示すように、集水板ガイド２６は、ガイド支持部品４０を介して固定具１６に固定されている。この実施形態では、ガイド支持部品４０が固定具１６に着脱自在にボルト
連結され、集水板ガイド２６がガイド支持部品４０に着脱自在にボルト連結されている。

＜可動機構について＞
図９に示すように、ガイド支持部品４０は、固定具１６の内側面（水路２を向く面）に取り付けられている。詳細には、ガイド支持部品４０は、平板からなり、水平方向（水路２の幅方向）を向いた長円形の長孔４２が形成されている。長孔４２は、その長手方向が水の流れ方向Ａ１に一致している。一方、固定具１６に、水平方向（水路２の幅方向）を向いたねじ孔４４が形成されている。

つぎに、集水板ガイド２６の固定具１６への支持構造を説明する。固定具１６の内側面にガイド支持部品４０を当接させた状態で、ボルト４６を水平方向（水路２の幅方向の内側）から長孔４２に挿通し、ねじ孔４４に締め付ける。さらに、集水板ガイド２６をガイド支持部品４０に連結する。集水板ガイド２６のガイド支持部品４０への連結は、ボルト連結であっても、溶接による接合であってもよい。以上により、集水板ガイド２６がガイド支持部品４０を介して固定具１６に支持される。なお、集水板ガイド２６とガイド支持部品４０の連結を、ガイド支持部品４０の固定具１６への連結よりも先に行ってもよい。

長孔４２は、水の流れ方向Ａ１に長手方向を有する長円形であるので、集水板ガイド２６は固定部品６に対して水の流れ方向に移動可能に固定される。図８は、集水板ガイド２６が固定部品６に対して水の流れ方向Ａ１の下流側に固定された状態を示している。一方、図１０は、集水板ガイド２６が固定部品６に対して水の流れ方向Ａ１の上流側に固定された状態を示している。このように、固定具１６のねじ孔４４、ガイド支持部品４０の長孔４２およびボルト４６により、可動機構５０（図９）が構成されている。

第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、水流を集中させる集水装置２２を水路２に容易に設置することができる。さらに、第２の実施形態によれば、水路２の側壁２ｂに沿う部品である固定具１６に集水板ガイド２６が固定されているので、水路２の側壁２ｂに集水板ガイド２６を片側ずつ固定できる。これにより、水流のある水路２への設置時に、水の流れ方向の大きな負荷が集水板ガイド２６にかかるのを軽減できる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記実施形態では、固定部品６およびガイド支持部品２８（４０）に可動機構３０（５０）が設けられていたが、可動機構３０（５０）は、固定部品６、集水板ガイド２６およびガイド支持部品２８（４０）の少なくとも一つに設けられていればよい。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 水力発電装置
２ 水路
６ 固定部品
８ 翼車
１０ 発電機
１６ 固定具（水路の側壁に沿う部品）
１８ 水平支持材（水路をまたぐ部材）
２２ 集水装置
２４ 集水板
２４ａ 通水孔
２６ 集水板ガイド
２８，４０ ガイド支持部品（支持部品）
３０、５０ 可動機構

Claims (5)

1. 水力を回転力に変換する翼車と、この翼車の回転により発電する発電機と、前記翼車の上流側に設置されて前記翼車に水路の水を集水する集水装置と、を備えた水力発電装置であって、
   前記翼車および前記発電機は、固定部品を介して前記水路に固定され、
   前記集水装置は、前記水路の水を増速して前記翼車に案内する集水板と、前記集水板を前記水路に設置する集水板ガイドとを有し、
   前記集水板ガイドは、前記水路の側面に設置され、
   前記集水板ガイドが前記固定部品の一部に固定されて、前記翼車に対して前記水路の上流側に配置されている水力発電装置。
2. 請求項１に記載の水力発電装置において、前記固定部品は水路を跨ぐ部材を有しており、
   前記水路をまたぐ部材に、前記集水板ガイドが固定されている水力発電装置。
3. 請求項１に記載の水力発電装置において、前記固定部品は、水路の側壁に沿う部品を有しており、
   前記水路の側壁に沿う部品に、前記集水板ガイドが固定されている水力発電装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の水力発電装置において、さらに、水の流れ方向に前記集水板ガイドを移動可能とする可動機構を備え、
   前記固定部品、前記集水板ガイド、前記固定部品に前記集水板ガイドを支持する支持部品の少なくとも一つに、前記可動機構が設けられている水力発電装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の水力発電装置において、前記集水板は、前記翼車に水の流れ方向に対向する通水孔を有する水力発電装置。
   

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