JP4705086B2

JP4705086B2 - 水力発電装置

Info

Publication number: JP4705086B2
Application number: JP2007288232A
Authority: JP
Inventors: 通博大江
Original assignee: 通博大江
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2027-11-06
Also published as: JP2009114937A

Description

本発明は、用水路や排水溝等の側辺部に連続的な立ち上がり壁を有する人工水路の流水を利用し発電する小型の水力発電装置に関する。

近年、埋蔵資源エネルギーの枯渇問題や排出される二酸化炭素等による地球環境の悪化の問題等から、環境に優しい自然エネルギーである水力、風力、太陽光エネルギー等の利用技術が注目されている。水力利用に関しては以前からダム方式での水力発電により利用されて来ているが、ダム方式では莫大な建設費を要すると共にダムの土砂等による堆積物問題やダム建設に伴う自然環境破壊の問題等があり、今後の新設は容易ではない。そのため、小型の水力発電装置が注目され、用水路や排水溝等の側辺部に連続的な立ち上がり壁を有する人工水路の流水エネルギーを利用した小型水力発電装置の提案が既になされて来ているが、注目が最近からであることと、用水路等は両側辺部に連続的な立ち上がり壁を有すると共にゴミや植物等の漂流物もあるため、効率的に流水エネルギーを利用することは現実的には容易ではなく、提案の数は余り多くない。既提案の例としては、例えば、特許文献１に見られる様に昔ながらの下掛け水車の課題点の改善に着眼したものもあるが、例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６に見られる様に落差部を利用した方法が主流である。しかし、特許文献１の例では受水部がカップ状で余り効率が良いとは言えず装置も複雑で発電能力の割には大掛かりになると共に水車の回転を阻害する漂流物等の処理対応が容易でないという課題点がある。一方、落差部を利用した方法では、落差部が無ければ設置が困難であり、落差部は余り多くなく設置場所が限定されると共に提案されている方法の多くが落差部を装置に合う様に改造工事が必要になると共に装置が発電能力の割には大掛かりになりがちであるという課題点がある。

この様なことから、用水路等の側辺部に連続的な立ち上がり壁を有する人工水路の流水エネルギーを利用する場合において、平坦部にも容易に設置出来て、装置が大掛かりにならず、水車の回転を阻害するゴミや植物等の漂流物への対応も容易に出来て流水エネルギー利用効率が良好な水力発電装置が望まれている。
特開２００２−１１５６４２号公報特開平７−２３６２５５号公報特開２００３−２６９３１５号公報特開２００４−１２４８２９号公報特開２００５−３２０８８３号公報特開２００７−６４１４１号公報

本発明が解決しようとする問題点は、用水路等の側辺部に連続的な立ち上がり壁を有する人工水路の流水エネルギーを利用する場合において、両側辺部に連続的な立ち上がり壁を有すると共にゴミや植物等の漂流物もあるという難題を踏まえて、平坦部にも容易に設置出来て、装置が大掛かりにならず、水車の回転を阻害する植物等の漂流物への対応も容易に出来て流水エネルギー利用効率が良好な水力発電装置を提供することにある。

前述の課題を解決するため、本発明者が用水路のみならず河川等にも広範囲に活用出来る水力発電装置として既特許出願（特願２００７−１６３２９４号）している水力発電装置を基に、用水路等において水力発電装置と用水路等の側辺部の立ち上がり壁との隙間部の流水を簡便に且つ効果的に遮断する手段を組み込むことにより、用水路等の人工水路の平坦部においてより効力を発揮出来る水力発電装置とし、以下を特徴とする。

本発明の水力発電装置は、水流に対し直交方向で且つ水面に対し平行方向の軸方向をなす回転軸を有すると共に該回転軸の両端部を回転自在に支持された形態をした衝動水車（３０）を具有し、且つ、最も水上側に配設される部位で本装置の水車の回転に障害となる漂流物の流入を防止するための板状長尺部材を約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列し且つ水流に対し約３０〜６０度の範囲の傾斜角度をなして配設された筋状スクリーン部位と、該部位の下流で水車の水上側に配設される部位で水車の流水に面する領域で流水の水力が当該水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水の直接の流入を遮断すると共に其の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするための板状導水部材が傾斜して配設された導水部位と、水車の回転力を伝達して発電出来る発電機とを備え、用水路等の底部又は立ち上がり壁部に固設出来る手段を具有していることを特徴とする水力発電装置を用いて、更に、該水力発電装置の上流側の両側の用水路等の立ち上がり壁部と水力発電装置本体との隙間を遮水する為に高さが水車の回転軸から上部回転高さの範囲を目処とした隙間部の遮水部材が付設されていることを特徴とする。

そして、付加して、前記筋状スクリーン部位と導水部位とがユニット化され着脱可能な形態をなしていることを特徴とする

更に付加して、前記遮水部材が水力発電装置本体側を回転軸として回動可能な形態をなしていることを特徴とする。

また、形態を変えて、前記遮水部材の断面形状が三角形状若しくは少なくとも三角形の二辺の形状をなし且つ水上側の辺が底辺から約４０〜７０度の開角をなしている形態であることを特徴とする。

本発明によれば、用水路等の側辺部に連続的な立ち上がり壁を有する人工水路の流水エネルギーを利用する場合において、両側辺部に連続的な立ち上がり壁を有すると共に植物等の漂流物もあるという難題を解決し、平坦部にも容易に設置出来て、装置が大掛かりにならず、しかも、水車の回転を阻害する植物等の漂流物への対応も容易に出来て流水エネルギー利用のロスが低減出来て発電効率が良好であり、更には、用水路等の幅が多少変化しても容易に設置対応出来るとともに装置の着脱が容易な水力発電装置を提供することが出来る様になる。

以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１と図２は本発明装置の遮水部材が回動可能な形態をなしている場合の例の説明図である。図３と図４は遮水部材の断面形状が三角形状をなしている場合の例の説明図である。図５は遮水部材部を拡大した説明図である。図６は本発明装置に用いる水車の形状例の説明図である。

先ず、本発明装置１の実施例として遮水部材以外の共通する装置本体部について説明する。
本発明装置１は、装置本体部の主要部として、図２、図４、図６に示す様に、水流に対し直交方向で且つ水面に対し平行方向の軸方向をなす回転軸３１を有すると共に該回転軸の両端部を回転自在に支持された形態をした衝動水車（３０）を具有し、且つ、最も水上側に配設される部位で該装置に障害となる漂流物の流入を防止するための板状長尺部材１１を、図１（Ｂ）、図３（Ｆ）に示す様に、垂直方向又は水平方向に間隔ｄが約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列し、且つ、図１（Ａ）、図４（Ｈ）に示す様に、水流に対し傾斜角θが約３０〜６０度の範囲の傾斜角度をなして配設された筋状スクリーン部位１０と、図２（Ｄ）、図４（Ｈ）に示す様に、該部位の下流で水車の水上側に配設される部位で水車の流水に面する領域で流水の水力が当該水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水の直接の流入を遮断すると共に其の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするための板状導水部材２１が傾斜して配設された導水部位２０と、用水路の立ち上がり壁部天端より高い位置に配設された発電機４０とを備え、装置の骨格をなす骨格部材５１と板状部材５２からなり、図１（Ｂ）、図３（Ｆ）に示す様に、本装置を用水路等の底部７１又は立ち上がり壁部７２に固設出来る手段を具有していることを特徴とする水力発電装置を用いる。尚、前記筋状スクリーン部位と導水部位とがユニット化され着脱可能な形態をなすことに関しては、本発明の目的を達成出来る形態なら限定されないので、説明は省略する。

［第１実施形態］
第１実施形態として、本発明装置１は、装置本体部が前述の特徴を有し、更に、図１、図２に示す様に、装置本体部の上流側の両側の用水路の立ち上がり壁部と装置本体部との隙間を遮水する為の遮水部材として、高さが水車の回転軸から上部回転高さの範囲を目処とし、装置本体側を回転軸として遮水板１１１が回動可能な形態をなしていることを特徴とする遮水部材Ａ１１０が配設されている。

［第２実施形態］
第２実施形態として、本発明装置１は、同じく装置本体部は前述の特徴を有し、更に、図３、図４に示す様に、装置本体部の上流側の両側の用水路の立ち上がり壁部と装置本体部との隙間を遮水する為の遮水部材として、高さが水車の回転軸から上部回転高さの範囲を目処とし、断面形状が三角形状若しくは少なくとも三角形の二辺の形状をなし且つ水上側の辺が底辺から約４０〜７０度の開角をなしている遮水機能部材１２１を有する形態であることを特徴とする遮水部材Ｂ１２０が配設されている。

以下、主要な部位・部材等について特記すべきことを記載する。
筋状スクリーン部位１０は、スクリーンの筋状形態が水車軸に対し平行方向の場合には、図１、図２に示す様に、板状長尺部材１１をほぼ均等間隔で平行に配列し且つ中央部から両側に約３０〜６０度の範囲の角度をなした形態で中央部を保持補強部材１２に両端部を骨格部材５１に固設した形態をなしている。そして、スクリーンの筋状形態が水車軸に対して直交方向の場合には、図３、図４に示す様に、板状長尺部材１１をほぼ均等間隔で平行に配列して上下端部を保持補強部材１２により形態保持され上端部を骨格部材５１に傾斜して固設し、底部および側部を薄板状部材５２で囲った形態をなしている。また、筋状スクリーン部位１０、骨格部材５１、薄板状部材５２の材質としては、ステンレス又は非鉄金属材、合金材もしくは高強度で耐久性を有するエンジニアリングプラスチック及びＦＲＰやＣＦＲＰ等のプラスチック複合材等が考えられ好ましいが、その他、本発明の目的を達成出来る材質であれば限定されない。尚、骨格部材５１の断面形状は□型が好ましいがＬ型やＨ型でも用いることが出来る。また、筋状スクリーン部位１０の傾斜形態は、第１実施形態および第２実施形態で分別限定はされずどちらのケースでも選択出来る。

導水部位２０は、図２（Ｄ）、図４（Ｈ）に示す様に、外周部は薄板状部材５２により角筒状形態をなし、内部に板状導水部材２１が傾斜して配設された形態をなしている。そして、板状導水部材２１は傾斜角度を約３０〜６０度の範囲を目処として配設される。また、水車３１の下部前方に導水補助部材２２を配設して水車の回転力を向上させる様にすることも好ましい。また、材質としては、前記薄板状部材５２の材質に準じたものが用いられる。尚、上部は板状長尺部材をほぼ等間隔で平行に配設してスクリーン状にしても良い。

衝動水車３０は、図２（Ｄ）、図４（Ｈ）、図６に示す様に、主要部が、回転軸３１と長尺薄板状長尺部材で断面形状が水力を効果的に回転力に変換出来うる彎曲又は屈曲形状をした羽根部材３２と羽根部材３２を両端で支持する円盤状部材３３からなり、図２（Ｃ）、図４（Ｇ）に示す様に、骨格部材５１に軸受部材を介して回転可能な状態で留め付けられている。そして、外周部は薄板状部材５２により角筒状形態をなしている。そして、羽根部材３２の枚数は８〜２０枚程度の範囲とし、軸からの間隙寸法は回転半径の約１／３〜１／２の寸法を目処とした形態が好ましい。また、図６（Ｄ）に示す様に、羽根部材３２の内側に接する様に円筒状部材３４を配設した形態でも良い。そして、材質としては、ステンレス又は非鉄金属材、合金材等が考えられ好ましいが、その他、本発明の目的を達成出来る材質であれば限定されない。

発電機４０は、本発明の目的を達成出来るものなら限定されない。そして、水車３０の回転力を伝達する回転力伝達機構としては、図１に示す様に、例えば、歯車６１と無端チェーンまたは歯車ベルト等６２を組み合わせた機構が考えられ好ましいが、水車の回転力を円滑に発電機に伝達出来る機構なら限定されない。また、歯車６１と発電機４０の間には、増速機６３、被動軸６４、軸受６５、クラッチ、カップリング等が適宜配設される。

遮水部材Ａ１１０は、図１に示す様に、主要部が、遮水板１１１及び回動可能とするヒンジ機構部材１１２からなっている。尚、本例は一例であり遮水板が回動可能な形態である限り限定されない。そして、図１（Ｂ）、図５（Ａ）に示す様に、遮水板１１１に開口部１１３を設け背面にスライド板１１４とスライドさせるためのガイド部材１１５とを付設して流量調整および漂流物処理の容易化を図ることも好ましい。また、バネ材等を用いて遮水板１１１と立ち上がり壁部７２との圧着を確実にする様にすることも好ましい。そして、材質としては、前記薄板状部材５２の材質に準じたものが用いられる。

遮水部材Ｂ１２０は、図３、図４、図５（Ｂ）に示す様に、主要部が、遮水機能部材１２１と形状保持するための補強部材１２４からなっている。尚、本例は一例であり遮水部材の断面形状が三角形状若しくは少なくとも三角形の二辺の形状をなし且つ水上側の辺が底辺から約４０〜７０度の開角をなしている形態である限り限定されない。そして、スライド出来るスライド板１２２とスライドさせるためのガイド部材１２３とを付設して流量調整を容易化を図ることも好ましい。また、材質としては、前記遮水部材Ａ１１０の材質に準じたものが用いられる。そして、両側部には遮水機能を向上させるために弾性部材を付設することも好ましい。また、固定方法としては、例えば、前記弾性部材の反発力を利用する方法や、装置本体部側にボルト等で留め付けられる様にする方法が考えられるが、本発明の目的を達成出来る方法であれば限定されない。

装置の固設方法としては、出来るだけ用水路等の底部７１及び立ち上がり壁部７２等を損傷させない固定方法が好ましく、例えば、図１（Ｂ）、図３（Ｆ）に示す様に、用水路等の立ち上がり壁部７２と上部にある骨格部材５１との間に調整部材８３を充填し骨格部材５１に固定用突起部材８１を付設してボルト等８２で押し付け固定する方法が考えられるが、その他、本発明の目的を達成出来る方法であれば限定されない。

本発明装置の遮水部材が回動可能な形態をなしている場合の例の説明図である。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図である。図１と同じ例の説明図である。（Ｃ）は側面図であり、（Ｄ）は側断面図である。本発明装置の遮水部材の断面形状が三角形状なしている場合の例の説明図である。（Ｅ）は平面図であり、（Ｆ）は正面図である。図３と同じ例の説明図である。（Ｇ）は側面図であり、（Ｈ）は側断面図である。遮水部材部を拡大した説明図である。（Ａ）は遮水部材Ａの場合の拡大した平面図であり、（Ｂ）は遮水部材Ｂの場合の拡大した側断面図であ本発明装置に用いる水車の形状例の説明図である。（Ａ）は一形態例の断面図であり、（Ｂ）（Ｃ）は正面図である。（Ｄ）は他の形態例の断面図である。

１；本発明の水力発電装置
１０；筋状スクリーン部位
１１；板状長尺部材
１２；保持補強部材
２０；導水部位
２１；板状導水部材
２２；導水補助部材
３０；衝動水車
３１；回転軸
３２；羽根部材
３３；円盤状部材
３４；円筒状部材
４０；発電機
５１；骨格部材
５２；板状部材
６１；歯車
６２；無端チェーンまたは歯車ベルト等
６３；増速機
６４；被動軸
６５；軸受
７１；用水路等の底部
７２；用水路等の立ち上がり壁部
８１；固定用突起部材
８２；ボルト等
８３；調整部材
１１０；遮水部材Ａ
１１１；遮水板
１１２；ヒンジ機構部材
１１３；開口部
１１４；スライド板
１１５；ガイド部材
１２０；遮水部材Ｂ
１２１；遮水機能部材
１２２；スライド板
１２３；ガイド部材
１２４；補強部材

Claims

水流に対し直交方向で且つ水面に対し平行方向の軸方向をなす回転軸を有すると共に該回転軸の両端部を回転自在に支持された形態をした衝動水車（３０）を具有し、且つ、最も水上側に配設される部位で本装置の水車の回転に障害となる漂流物の流入を防止するための板状長尺部材を約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列し且つ水流に対し約３０〜６０度の範囲の傾斜角度をなして配設された筋状スクリーン部位と、該部位の下流で水車の水上側に配設される部位で水車の流水に面する領域で流水の水力が当該水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水の直接の流入を遮断すると共に其の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするための板状導水部材が傾斜して配設された導水部位と、水車の回転力を伝達して発電出来る発電機とを備え、用水路等の底部又は立ち上がり壁部に固設出来る手段を具有していることを特徴とする水力発電装置を用いて、更に、該水力発電装置の上流側の両側の用水路等の立ち上がり壁部と水力発電装置本体との隙間を遮水する為に高さが水車の回転軸から上部回転高さの範囲を目処とした隙間部の遮水部材が付設されていることを特徴とする水力発電装置。
前記筋状スクリーン部位と導水部位とがユニット化され着脱可能な形態をなしていることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
前記遮水部材が水力発電装置本体側を回転軸として回動可能な形態をなしていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水力発電装置。
前記遮水部材の断面形状が三角形状若しくは少なくとも三角形の二辺の形状をなし且つ水上側の辺が底辺から約４０〜７０度の開角をなしている形態であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水力発電装置。