JP4022244B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、河川や人工的な水路などに設置される水力発電装置に関する。

水路の途中に堰（せき）を設けたことで生じる水の落差を利用し、小水力発電を行える水力発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この水力発電装置は、水車が流路内に設置されたＬ字型のドラフトチューブを堰板の上流側に配置することで、ドラフトチューブ内の水流にて回転する水車を介して発電機を駆動するように構成されている。
特開平１１−３０１７９号公報

しかしながら、このような水の落差を利用する方式の水力発電装置では、水路の途中に段差が形成されるように上記の堰板やＬ字型のドラフトチューブなどを設置すること、すなわち、水車の設置以外に発電のための専用の設備を敷設することが必要となる。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、水の落差などを積極的に利用せずとも、比較的小さな水流で効率的に水力発電を行える水力発電装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る水力発電装置は、中空構造の浮き部と、前記浮き部の底部側に設けられていると共に、入水側開口部から排水側開口部へ向かって貫通する貫通穴で形成された水路を有し、流れの生じている水中に水没させて用いるケーシング部材と、前記水没させたケーシング部材の水路内にそれぞれ水深方向に起立した姿勢で設けられていると共に、各々の一端部を前記浮き部を介して水面から浮上させた状態でかつ前記水路の幅方向に間隔を空けて対向配置された一対の回転軸と、前記各回転軸とそれぞれ一体的に固定されていると共に前記ケーシング部材の水路内に配置された複数の羽根部を各々有する一対の回転翼と、前記各回転軸の前記一端部側に設けられた発電機と、前記ケーシング部材の前記入水側開口部に設けられ、その開口端の面積を下流側に向かって徐々に減少させるように形成された水流増速部と、を具備することを特徴とする。

すなわち、本発明では、水没させたケーシング部材の入水側開口部に設けた水流増速部により、水の流速を増大させこの流速を高めた水流で、発電機につながる回転翼を駆動できるので、水流が緩やかであっても効率良く発電を行うことができる。

したがって、本発明によれば、水の落差などを積極的に利用せずとも、比較的小さな水流で効率的に水力発電を行える水力発電装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る水力発電装置１を示す斜視図であり、また、図２は、この水力発電装置１の透視図である。また、図３は、水力発電装置１を平面方向からみた断面図であり、図４は、水力発電装置１を側面方向からみた断面図である。さらに、図５は、水力発電装置１が備える回転翼３の羽根部３ａに生じる作用を示す平面図であり、図６は、羽根部３ａの構造を示す分解斜視図である。また、図７は、水力発電装置１が備えるケーシング部材７の水路７ｃの幅方向における回転翼３の配置と水流の流速の変化との対応関係を示す図である。さらに、図８は、ケーシング部材７の水路７ｃの水深方向における回転翼３の配置と水流の流速の変化との対応関係を示す図である。

図１〜図４に示すように、本実施形態の水力発電装置１は、河川や下水道など、ほぼ水平方向に流動する水流を利用して発電を行う垂直軸型小水力発電装置であって、ケーシング部材７と、一対の回転軸２及び回転翼３と、増速機８と、発電機９と、浮き部１０とから主に構成される。

ケーシング部材７は、図１〜図４に示すように、入水側開口部７ａから排水側開口部７ｂへ向かって貫通する貫通穴で形成された水路７ｃを有し、流れの生じている水中に水没させて用いられる。一対の回転軸２は、水没させたケーシング部材７の水路７ｃ内にそれぞれ水深方向（鉛直方向）に起立した姿勢で設けられている。また、これらの回転軸２は、各々の一端部を水面から浮上させた状態でかつ水路７ｃの幅方向に所定の間隔を空けて対向配置されている。

また、一対の回転翼３は、ハブ６及び連結シャフト５を介して各回転軸２と一体的に固定されていると共にケーシング部材７の水路７ｃ内に配置された複数（四つ）の羽根部３ａを有する。つまり、各々四つの羽根部３ａは、回転軸２の径方向に（異なる４方向に）延びる四本の連結シャフト５によりハブ６を介して当該回転軸２に等角度（９０°間隔）で固定されている。また、各羽根部３ａは、相異なる翼面を通過する水流により揚力が発生するように流線型で形成されている。

このような回転翼３の固定された上記各回転軸２の一端部側には、増速機８を介して発電機９が接続されている。増速機８は、回転翼３と共に回転する回転軸２の回転数を調整して、負荷電源の接続される発電機９に回転軸２の駆動力を伝達する。浮き部１０は、例えば中空構造で構成されており、少なくとも増速機８及び発電機９を水面上に浮上させるために設けられている。つまり、この浮き部１０は、例えば河川や用水路の川縁（陸上）などに置かれた構造物に対して固定したり、また、水面上に自身の浮上力で浮上している他の構造物に対して固定するための構成部分として設けられている。

また、図１〜図４に示すように、ケーシング部材７の入水側開口部７ａには、その開口端の面積を下流側に向かって徐々に減少させるように形成された水流増速部７ｄが設けられている。つまり、この水流増速部７ｄは、入水側開口部７ａの開口端から水路７ｃに到達するまでの過程で水の流路を狭めて行くことで、管状のケーシング部材７内を圧力管状態としベルヌーイの法則に基づき、損失水頭（抵抗）を極力増加させることなく、入水速度Ｖ１を流速Ｖ２に増加させる。

また、一方で、ケーシング部材７の排水側開口部７ｂには、その上流側から開口端側に向かって開口面積を徐々に増大させるように形成された乱流抑制部７ｅが設けられている。すなわち、この乱流抑制部７ｅは、ケーシング部材７の水路７ｃ内から水の流速Ｖ２を流速Ｖ３に低下させつつスムーズな排水を実現することで、排水側開口部７ｂの後方部周辺に生じ得る乱流の発生を抑制し、これにより損失水頭（抵抗）を低減させる。

さらに、図５及び図６に示すように、回転翼３は、ブレード形（ジャイロミル形）の４枚の羽根部３ａを有する。羽根部３ａは、図６に示すように、例えばＦＲＰ製のフレーム３ｂを外側からアルミ合金板などで覆うことにより表面の流面形状が構成される。また、この実施形態の羽根部３ａは、揚力型であって、図５及び図７に示すように、ケーシング部材７の水路７ｃの幅方向において、その幅方向の中央部で上流側からの水流Ｗａ、Ｗｂを受ける際に、この水流Ｗａ、Ｗｂが各翼面を通過する際の水流の径路長の差で、揚力Ｐ１が生じ、この場合の法線方向の分力Ｐ３に対して直交する接線方向の分力Ｐ２により、回転翼３の回転力を得る。

つまり、水力発電装置１は、図３に示すように、一対の回転翼３の回転軸２間を通過する水流により、図中右側に配置される回転翼３が矢印Ｓ２方向に回転し、かつ図中左側に配置される回転翼３が矢印Ｓ１方向に回転する形状にて、羽根部３ａが形成されている。

ここで、本実施形態の羽根部３ａは、ケーシング部材７の水路７ｃの幅方向において、その幅方向の中央部で（主に図３に示す状態で）、上流側（入水側開口部７ａ）からの水流を受ける羽根部３ａの断面積よりも、水路７ｃの幅方向の縁側で上流側からの水流を受ける羽根部３ａの断面積が、小さくなるように形成されている。

これにより、図３、図５及び図７に示すように、流速の遅い水路７ｃの縁側では、羽根部３ａの断面積の小さい部位（細い部位）で水流を受けるようにして水の抗力を低減し、一方、流速の早い水路７ｃの中央部では、羽根部３ａの断面積の大きい部位（太い部位）で水流を受けるようにして高い揚力を得ることで、回転翼３を効率的に回転させることができる。

さらに、本実施形態の羽根部３ａは、図４、図８に示すように、ケーシング部材の水路７ｃの水深方向（深さ方向）において、その水深方向の中央部で上流側からの水流を受ける羽根部３ａの断面積よりも、水深方向の水面側又は水底側で、上流側からの水流を受ける羽根部３ａの断面積が、小さくなるように形成されている。

したがって、図４、図８に示すように、流速の遅い水路７ｃの水面側又は水底側では、羽根部３ａの断面積の小さい部位（細い部位）で水流を受けるようにして水の抗力を低減し、一方、流速の早い水路７ｃの水深方向の中央部では、羽根部３ａの断面積の大きい部位（太い部位）で水流を受けるようにして高い揚力を得ることで、回転翼３を効率的に回転させることができる。

このように本実施形態に係る水力発電装置１では、乱流の発生を抑制したうえでケーシング部材７の水路７ｃ内に流速を上昇させた水流を取り込み、しかもこの流速を上昇させた水流を利用し、発電機９につながる回転翼３を上記のように効率的に駆動させることができる。これにより、水力発電装置１によれば、水の落差などを積極的に利用せずとも、比較的小さな水流で効率的に水力発電を行うことができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施形態を図９〜図１３に基づき説明する。ここで、図９は、本発明の第２の実施形態に係る水力発電装置２１を平面方向からみた断面図であり、図１０は、水力発電装置２１が備える回転翼２３の抗力型の羽根部２３ａに生じる作用を示す平面図である。また、図１１は、揚力・抗力併用型の羽根部３３に生じる作用を示す平面図であり、図１２は、図１１の羽根部３３と一部構造の異なる揚力・抗力併用型の羽根部４３に生じる作用を示す平面図である。さらに、図１３は、図１１及び図１２の羽根部と一部構造の異なる揚力・抗力併用型の羽根部６３に生じる作用を示す平面図である。なお、図９〜図１３において、図１〜図８に示した第１の実施形態の水力発電装置１に設けられていたものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。

図９及び図１０に示すように、この実施形態の水力発電装置２１は、第１の実施形態の水力発電装置１が備えていた回転翼３に代えて回転翼２３を備えて構成される。すなわち、この回転翼２３は、抗力型の羽根部２３ａを各々４枚ずつ有する。これらの羽根部２３ａは、水流による抗力を受ける止めるサボニウス部（凹部）２３ｂを有し、サボニウス部２３ｂが受ける抗力Ｗｋにより、回転翼２３を回転させる。つまり、水力発電装置２１は、図９に示すように、一対の回転翼２３の回転軸２間を通過する水流により、図中右側に配置される回転翼２３が矢印Ｓ１方向に回転し、かつ図中左側に配置される回転翼２３が矢印Ｓ２方向に回転する形状にて、羽根部２３ａが形成されている。

ここで、本実施形態の羽根部２３ａは、ケーシング部材７の水路７ｃの幅方向において、その幅方向の中央部で上流側からの水流を受ける羽根部２３ａの断面積（サボニウス部２３ｂを構成する部位の断面積）よりも、水路７ｃの幅方向の縁側で上流側からの水流を受ける羽根部３ａの断面積が、小さくなるように形成されている。

これにより、図９及び図１０に示すように、流速の遅い水路７ｃの縁側では、羽根部２３ａの断面積の小さい部位（細い部位）で水流を受けるようにして水の抗力を低減し、一方、流速の早い水路７ｃの中央部では、断面積を大きくしたサボニウス部２３ｂで水流を受けるように（高い抗力を得るように）することで、回転翼２３を効率的に回転させることができる。

ここで、このような抗力型の羽根部２３ａを有する回転翼２３に代えて、図１１及び図１２に示すように、サボニウス部３３ｂ、４３ｂをそれぞれ備える一方で、揚力を発生し得る羽根形状を持つ揚力・抗力併用型の羽根部３３ａ、４３ａをそれぞれ有する回転翼３３、４３を適用してもよい。これらの回転翼３３、４３を適用した場合、流速の遅い水路７ｃの縁側でも、サボニウス部３３ｂ、４３ｂにより、回転翼３３、４３の駆動力を得ることができるので、揚力が得られ難い回転翼の起動時の特性を改善することができる。また、図１２に示す回転翼４３では、サボニウス部４３ｂが、図１１に示す回転翼３３のサボニウス部３３ｂよりも、回転中心から外周側に設けられているため、より高い回転モーメントを得ることができ、これにより、回転翼４３は、より高い回転力を得ることができる。

また、これに代えて、図１３に示すように、羽根部の構成材料として中実の（中身の詰まった）素材を適用すると共に、サボニウス部６３ｂを設け、さらに羽根部本体を貫通する例えば２つの貫通穴６３ｃを穿孔した揚力・抗力併用型の羽根部６３ａをそれぞれ備えた回転翼６３を適用することもできる。この貫通穴６３ｃは、内部を通る水流が穴内の内壁面を押す押圧力によって回転翼６３を回転させる動力を作用させる向きに穿孔されている。この場合、上述した揚力・抗力併用型の効果に加え、貫通穴６３ｃを水が通過する際に得られる動力を回転翼６３の駆動力として付与することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施形態を図１４〜図１８に基づき説明する。ここで、図１４は、本発明の第３の実施形態に係る水力発電装置５１を示す斜視図であり、図１５は、水力発電装置５１の透視図である。また、図１６は、水力発電装置５１を平面方向からみた断面図であり、図１７は、水力発電装置５１を正面方向からみた断面図である。さらに、図１８は、水力発電装置５１を側面方向からみた断面図である。なお、図１４〜図１８において、図１〜図８に示した第１の実施形態の水力発電装置１に設けられていたものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。

すなわち、この実施形態に係る水力発電装置５１は、図１４〜図１８に示すように、第１の実施形態の水力発電装置１が備えていたケーシング部材７、回転翼３などに代えて、ケーシング部材５７及び回転翼５３を備えて構成される。

複数のタービン翼としての羽根部５３ａを有する回転翼（タービン翼車）５３は、タービンファン形に形成されている。水力発電装置５１は、図１６及び図１７に示すように、一対の回転翼５３の回転軸２間を通過する水流により、図中右側に配置される回転翼５３が矢印Ｓ１方向に回転し、かつ図中左側に配置される回転翼５３が矢印Ｓ２方向に回転する形状にて、羽根部５３ａが形成されている。

ここで、タービンファン形の回転翼５３を適用する本実施形態の水力発電装置５１では、図１６及び図１７に示すように、ケーシング部材５７の水路７ｃの幅方向において、当該各回転翼の回転軸２よりも縁側に位置する水路内の水の流れを抑制（規制）する水流抑制部５７ｆがケーシング部材５７に設けられている。具体的には、水流抑制部５７ｆは、タービンファン形の回転翼５３に逆方向の回転が生じないように、個々の回転翼５３の半分を覆う壁部（ケーシング部材５７の流路７ｃ内において、個々の回転翼５３の回転軸２よりも、流路７ｃの縁側にある羽根部半分を覆う壁部）として構成されている。これにより、回転翼５３を好適に回転させることができる。

また、このタービンファン形の回転翼５３は、ケーシング部材５７の水路７ｃの水深方向において、その水深方向の中央部における径方向の翼長よりも、水深方向の水面側又は水底側における径方向の翼長が、短くなるように形成されている。

これにより、図１７及び図１８に示すように、ケーシング部材５７内において、流速の遅い水路７ｃの水面側又は水底側では、羽根部５３ａの翼長を短くした部位で水流を受けるようにして水の抗力を低減し、一方、流速の早い水路７ｃの水深方向の中央部では、羽根部５３ａの翼長の長い部位で水流を受けるようにすることで、効率的に回転翼３を回転させることができる。

以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本発明の第１の実施形態に係る水力発電装置を示す斜視図。 図１に示す水力発電装置の透視図。 図１に示す水力発電装置を平面方向からみた断面図。 図１に示す水力発電装置を側面方向からみた断面図。 図１の水力発電装置が備える回転翼の羽根部に生じる作用を示す平面図。 図５の羽根部の構造を示す分解斜視図。 図１の水力発電装置が備えるケーシング部材の水路の幅方向における回転翼の配置と水流の流速の変化との対応関係を示す図。 図１の水力発電装置が備えるケーシング部材の水路の水深方向における回転翼の配置と水流の流速の変化との対応関係を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る水力発電装置を平面方向からみた断面図。 図９の水力発電装置が備える回転翼の羽根部に生じる作用を示す平面図。 図１０の羽根部と構造の異なる他の羽根部に生じる作用を示す平面図。 図１０及び図１１の羽根部と構造の異なる他の羽根部に生じる作用を示す平面図。 図１０〜図１２の羽根部と構造の異なる他の羽根部に生じる作用を示す平面図。 本発明の第３の実施形態に係る水力発電装置を示す斜視図。 図１４に示す水力発電装置の透視図。 図１４に示す水力発電装置を平面方向からみた断面図。 図１４に示す水力発電装置を正面方向からみた断面図。 図１４に示す水力発電装置を側面方向からみた断面図。

符号の説明

１，２１，５１…水力発電装置、２…回転軸、３，２３，３３，４３，５３，６３…回転翼、３ａ，２３ａ，３３ａ，５３ａ，６３ａ…羽根部、７，５７…ケーシング部材、７ａ…入水側開口部、７ｂ…排水側開口部、７ｃ…水路、７ｄ…水流増速部、７ｅ…乱流抑制部、５７ｆ…水流抑制部、６３ｃ…貫通穴。

Claims (7)

1. 中空構造の浮き部と、
   前記浮き部の底部側に設けられていると共に、入水側開口部から排水側開口部へ向かって貫通する貫通穴で形成された水路を有し、流れの生じている水中に水没させて用いるケーシング部材と、
   前記水没させたケーシング部材の水路内にそれぞれ水深方向に起立した姿勢で設けられていると共に、各々の一端部を前記浮き部を介して水面から浮上させた状態でかつ前記水路の幅方向に間隔を空けて対向配置された一対の回転軸と、
   前記各回転軸とそれぞれ一体的に固定されていると共に前記ケーシング部材の水路内に配置された複数の羽根部を各々有する一対の回転翼と、
   前記各回転軸の前記一端部側に設けられた発電機と、
   前記ケーシング部材の前記入水側開口部に設けられ、その開口端の面積を下流側に向かって徐々に減少させるように形成された水流増速部と、
   を具備することを特徴とする水力発電装置。
2. 前記ケーシング部材の前記排水側開口部に設けられ、その上流側から開口端側に向かって開口面積を徐々に増大させるように形成された乱流抑制部をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
3. 前記一対の回転翼を構成するそれぞれの前記羽根部は、前記ケーシング部材の水路の幅方向において、その幅方向の縁側に位置するときに生じる揚力よりも、前記幅方向の中央部に位置するときに生じる揚力のほうが、大きくなるように構成されていると共に、羽根形状がブレード形に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水力発電装置。
4. 前記一対の回転翼を構成するそれぞれの前記羽根部は、当該各羽根部の水深方向の中央部分に作用する抗力よりも、当該各羽根部の水深方向の水面側又は水底側の構成部分に作用する抗力のほうが、小さくなるように構成されていると共に、羽根形状がブレード形に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の水力発電装置。
5. 前記羽根部は、ブレード形に形成され、かつ当該羽根部本体を貫通する貫通穴が穿孔されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
6. 前記羽根部を有する回転翼は、前記ケーシング部材の水路の水深方向において、その水深方向の中央部における径方向の翼長よりも、前記水深方向の水面側又は水底側における径方向の翼長が、短いことを特徴とする１又は２記載の水力発電装置。
7. 前記羽根部を有する回転翼は、前記ケーシング部材の水路の幅方向において、当該各回転翼の回転軸よりも縁側に位置する水路内の水の流れを抑制する水流抑制部をさらに具備することを特徴とする請求項１、２及び６のうちのいずれか１項に記載の水力発電装置。

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