JP2020153311A - 水力発電装置用集水装置および水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水流のエネルギーを無駄なく利用することができ発電効率を高めることができる水力発電装置用集水装置および水力発電装置を提供する。【解決手段】この水力発電装置用集水装置は、水路に浸かり水力を回転力に変換する水車翼２と、この水車翼２の回転により発電する発電機６とを備えた水力発電装置に用いられる。水力発電装置用集水装置は、水車翼２の上流側に設置されて水車翼２に水路の水を集水する。この集水装置５は、通水孔１２ａを有し水路の流水を通水孔１２ａに集める集水板１２を備え、この集水板１２の通水孔１２ａの面積が、水車翼２の外周縁部２ｂａを通る円Ｃｒの面積より小さい。また通水孔１２ａの形状を集水板１２の正面視で円形としている。【選択図】図４

Description

この発明は、水路に設置される水力発電装置用集水装置および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。

水流発電装置として、水路を流れる水流を受けて回転するプロペラより上流側に枠部材を備え、この枠部材の上流側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水流発電装置が提案されている（特許文献１）。この水流発電装置は、さらに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高めることを目的としている。しかしながら、プロペラより上流側にある枠部材の下流側開口部から流れる水流の一部は、プロペラの羽根が抵抗となるため、抵抗の小さいプロペラの羽根の回転半径より外側で、且つ下流側開口部より内側を通る。この範囲はプロペラの効率に寄与しない範囲であり、水流のエネルギーの一部を無駄にしている。

この発明の目的は、水流のエネルギーを無駄なく利用することができ発電効率を高めることができる水力発電装置用集水装置および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用集水装置は、水路に浸かり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を備えた水力発電装置に用いられ、前記水車翼の上流側に設置されて前記水車翼に前記水路の水を集水する水力発電装置用集水装置であって、
通水孔を有し前記水路の流水を前記通水孔に集める集水板を備え、この集水板の前記通水孔の面積が、前記水車翼の外周縁部を通る円の面積より小さい。

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、この水車翼の回転より発電機が発電する。通水孔から出る水流の流速は、集水板よりも上流を流れる水流の流速より速く、水車翼を効率的に回転することができる。特に、集水板の通水孔の面積が、水車翼の外周縁部を通る円の面積、いわゆる回転面積より小さいため、通水孔から出る水流の全てを水力発電装置の翼に当てることができ、水流のエネルギーを無駄なく利用することができ従来技術よりも発電効率を高めることができる。

前記通水孔の形状を前記集水板の正面視で円形としてもよい。通水孔の形状を概ね円形とすることで、水車翼を構成する複数枚のブレードのそれぞれが回転中に受ける水流のムラが小さくなり、ブレードにかかる繰り返し応力を小さくできる。このため、水車翼の寿命低下を抑えることができる。さらに水流のムラが小さくなることで、発電電力が安定する。

前記通水孔の中心と前記水車翼の回転中心とを一致させてもよい。この場合、各ブレードが回転中に受ける水流のムラを確実に小さくすることができ、ブレードにかかる繰り返し応力を確実に小さくできる。

前記通水孔の半径を前記水車翼の回転半径の０．７５倍〜０．９８倍にしてもよい。
前記「０．７５倍〜０．９８倍」とは、０．７５倍以上０．９８倍未満と同義である。
この場合、通水孔を通過する水流の量を十分に確保し、通水孔から出る水流の全てを水車翼に当てることができ、より効率良く水流のエネルギーを利用できる。通水孔の半径が水車翼の回転半径の０．７５倍未満の場合、水車翼にかかる疲労強度が大きくなり、出力電力が安定せず機械体への負担が大きい。

この発明の水力発電装置は、前記水車翼と、前記発電機と、この発明のいずれかに記載の水力発電装置用集水装置とを備えている。このため、この発明の水力発電装置用集水装置につき前述した各効果が得られる。

この発明の水力発電装置用集水装置は、水路に浸かり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を備えた水力発電装置に用いられ、前記水車翼の上流側に設置されて前記水車翼に前記水路の水を集水する水力発電装置用集水装置であって、通水孔を有し前記水路の流水を前記通水孔に集める集水板を備え、この集水板の前記通水孔の面積が、前記水車翼の外周縁部を通る円の面積より小さいため、水流のエネルギーを無駄なく利用することができ発電効率を高めることができる。

この発明の水力発電装置は、前記水車翼と、前記発電機と、この発明のいずれかに記載の水力発電装置用集水装置とを備えているため、水流のエネルギーを無駄なく利用することができ発電効率を高めることができる。

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正面図である。 同水力発電装置の側面図である。 同水力発電装置を水路の下流側から見た背面図である。 この発明の他の実施形態に係る水力発電装置用集水装置の図である。 同集水装置と水車翼との位置関係を示す図である。 通水孔の直径が水車翼の直径の０．９５倍の例を示す正面図である。 通水孔の直径が水車翼の直径の０．７５倍の例を示す正面図である。 通水孔と翼先端との距離に対する発電電力の比較を示す図である。 通水孔と翼先端との距離に対する発電電力の分散を示す図である。

［第１の実施形態］
この発明の実施形態に係る水力発電装置用集水装置および水力発電装置を図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４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について＞
図３および図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＞
水車翼２は、水路１（図１）の流水中に浸か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（回転中心）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。各ブレード２ｂの先端部は、上流側に向けて傾斜している。

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Ｇｂ内に収容されている。

＜発電機６＞
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〜図４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の中心Ｌ１と水車翼２の回転中心Ｌ２とは、集水板１２が水路１に設置された状態で一致するように配置される。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。

集水板１２の通水孔１２ａは、この集水板１２の正面視で円形の、つまり丸孔から成る貫通孔である。また通水孔１２ａの面積が、水車翼２における複数のブレード２ｂの外周縁部２ｂａを通る円Ｃｒの面積（回転面積）より小さく設定されている。具体的には、通水孔１２ａの半径を水車翼２の回転半径の０．７５倍以上０．９８倍未満にしている。通水孔１２ａの半径が水車翼２の回転半径の０．７５倍未満の場合、水車翼２にかかる疲労強度が大きくなり、出力電力が安定せず機械体への負担が大きい。図３に示すように、通水孔１２ａと翼先端との軸方向（流水の流れる方向と平行な方向）の距離ｘは、後述する発電電力（図９）およびその分散（図１０）を加味して、試験またはシミュレーション等により設定される。前記翼先端とは、ブレード２ｂの外周縁部２ｂａを意味する。

図１および図２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。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、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＞
以上説明した集水装置５および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の回転より発電機６が発電する。通水孔１２ａから出る水流の流速は、集水板１２よりも上流を流れる水流の流速より速く、水車翼２を効率的に回転することができる。特に、集水板１２の通水孔１２ａの面積が、水車翼２の外周縁部２ｂａを通る円Ｃｒの面積、いわゆる回転面積より小さいため、通水孔１２ａから出る水流の全てを水力発電装置の翼に当てることができ、水流のエネルギーを無駄なく利用することができ従来技術よりも発電効率を高めることができる。特に、通水孔１２ａの半径を水車翼２の回転半径の０．７５倍〜０．９８倍にしているため、通水孔１２ａを通過する水流の量を十分に確保し、通水孔１２ａから出る水流の全てを水車翼２に当てることができ、より効率良く水流のエネルギーを利用できる。

通水孔１２ａの形状を概ね円形とすることで、水車翼２を構成する複数枚のブレード２ｂのそれぞれが回転中に受ける水流のムラが小さくなり、ブレード２ｂにかかる繰り返し応力を小さくできる。このため、水車翼２の寿命低下を抑えることができる。さらに水流のムラが小さくなることで、発電電力が安定する。また通水孔１２ａの中心Ｌ１と水車翼２の回転中心Ｌ２とを一致させているため、各ブレード２ｂが回転中に受ける水流のムラを確実に小さくすることができ、ブレード２ｂにかかる繰り返し応力を確実に小さくできる。

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を容易に設置することができる。
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用集水装置５Ａの図である。図５（ａ）はこの集水装置５Ａの正面図、図５（ｂ）は同集水装置５Ａの側面図、図５（ｃ）は同集水装置５Ａの斜視図である。図６は前記集水装置５Ａと水車翼２との位置関係を示す図である。
この集水装置５Ａでは、集水板１２の外周縁部から上流側に延びる矩形枠状の枠部材１８が取り付けられている。枠部材１８における両側壁部１８ａ，１８ａは、上流側に向かうに従って互いに幅広となる方向に傾斜する。また枠部材１８における下側壁部１８ｂは、上流側に向かうに従って下方向に傾斜する。

さらに集水板１２の下流側の面のうち、通水孔１２ａの周縁部から下流側に円筒状に延びる筒状部材（排出管部）１４が取り付けられている。この筒状部材１４は水車翼２に干渉しない位置に配置される。このような枠部材１８により通水孔１２ａの上流側に流水を効率良く集め得る。また筒状部材１４により通水孔１２ａから出る水流の全てを水力発電装置の翼に効率良く当てることが可能となる。その他前述の実施形態と同様の作用効果を奏する。

図７は、前記集水装置５Ａにおいて、通水孔１２ａの直径が水車翼２の直径の０．９５倍の例を示す正面図である。図８は、前記集水装置５Ａにおいて、通水孔１２ａの直径が水車翼２の直径の０．７５倍の例を示す正面図である。
図９は、通水孔と翼先端との距離に対する発電電力の比較を示す図である。通水孔の直径が翼直径未満（グラフ中「１」未満の線）の場合と、通水孔の直径が翼直径以上（グラフ中「１」以上の線）の場合との、発電電力を比較している。通水孔径比（＝通水孔直径／翼直径）が「０．７５」の場合と「０．７４」の場合とで発電電力に差はない。

図１０は、通水孔と翼先端との距離に対する発電電力の分散を示す図である。
通水孔径比（＝通水孔直径／翼直径）が「１」に近い場合、発電電力の分散が小さい。すなわち、安定した発電電力が得られ、翼にかかる疲労荷重も小さく機械体への負荷も小さい。通水孔径比が「０．７５」と「０．７４」とは、発電電力の分散が大きく、通水孔径比「０．７４」は発電電力が最大となる通水孔と翼先端との距離で分散が大きい。すなわち発電電力が安定せず、翼にかかる疲労荷重が大きくなり機械体への負担が大きい。

集水板１２の通水孔１２ａは、丸孔だけに限定されるものではなく、例えば、楕円形であってもよい。また通水孔１２ａの中心Ｌ１と水車翼２の回転中心Ｌ２とは、不一致であってもよい。
集水板ガイド１３を無くし、集水板１２を水路１に固定的に設置してもよい。
枠部材１８がある集水装置５Ａにおいて、例えば、水路全体を遮断せずに流路途中に集水装置５Ａを設置してもよい。
枠部材１８がある集水装置５Ａにおいて、筒状部材１４を省略することも可能である。

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、２ｂａ…外周縁部、５…集水装置、６…発電機、１２…集水板、１２ａ…通水孔

Claims (5)

1. 水路に浸かり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を備えた水力発電装置に用いられ、前記水車翼の上流側に設置されて前記水車翼に前記水路の水を集水する水力発電装置用集水装置であって、
   通水孔を有し前記水路の流水を前記通水孔に集める集水板を備え、この集水板の前記通水孔の面積が、前記水車翼の外周縁部を通る円の面積より小さい水力発電装置用集水装置。
2. 請求項１に記載の水力発電装置用集水装置において、前記通水孔の形状を前記集水板の正面視で円形とする水力発電装置用集水装置。
3. 請求項２に記載の水力発電装置用集水装置において、前記通水孔の中心と前記水車翼の回転中心とを一致させた水力発電装置用集水装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の水力発電装置用集水装置において、前記通水孔の半径を前記水車翼の回転半径の０．７５倍〜０．９８倍にする水力発電装置用集水装置。
5. 前記水車翼と、前記発電機と、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用集水装置とを備えた水力発電装置。

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