JP4856134B2

JP4856134B2 - 水力発電装置

Info

Publication number: JP4856134B2
Application number: JP2008196245A
Authority: JP
Inventors: 通博大江
Original assignee: 通博大江
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: JP2010031791A

Description

本発明は、河川等で流水を利用し発電する小規模水力発電に関し、詳しくは、堰や導水管等を伴う必要がないと共に水位変化への対応問題や水車の回転障害となる漂流物問題や土砂等の堆積問題等を解決出来て広範な場所で活用可能であり良好な発電が期待出来る小型水力発電装置に関する。

近年、埋蔵化石エネルギー資源の枯渇問題や燃焼により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大規模水力発電により利用されて来ているが、従来の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て来ている。しかし、従来の小型の水力発電装置は従来のダムを利用する発電方式の考えを踏襲し小型化したものが多い。そして、例えば、特許文献１、特許文献２等の提案の様な場合では導水管を伴うことが不可欠であり、特許文献３、特許文献４、特許文献５等の提案の様な場合には堰堤や導水設備や段差等を伴わなければ設置困難であり、従来の多くの小型水力発電装置は、堰堤や導水管等を伴う必要があり極めて限定された条件の下でしか設置利用出来ないという問題点がある。

そして、河川等において広範な場所で流水を利用して発電しようとすると、前述の問題点だけでなく、ゴミや流木等の漂流物や魚等の流入による水車の回転障害や流れの阻害や装置故障等の問題、及び、水位の変化や大雨等の異常増水時の対応問題等を解決する必要がある。また、プロペラ方式の水車の場合には、羽根（ブレード）の回転領域を流水で満たされてなくてはその能力を充分発揮出来ないと共に流速が小さい時にはエネルギー変換効率は著しく低下するという問題点があり、河川等では一般的に流速が低速であり水位の変化も大きく、導水管等を伴わずにプロペラ方式の水車を利用することは困難である。そして、羽根部が板状のランナー方式の水車の場合には、羽根（ランナー）の枚数が少ない時には回転時の脈動が顕著になるという問題点があると共に水車が全領域で水流を受けると回転力としては負の作用が働く部分が生じるため得られる回転力は小さくなるという問題点があり其れらを解決出来る対策が必要である。また、横軸ランナー方式の水車の場合には、増水時を含めて考えると、水車の回転軸に近接させて発電機を配設すれば水流の大きな抵抗体となる恐れがあるので、抵抗体とならない様に上部に配設すれば、水車の回転力を発電機に伝達するためには無端チェーンやベルト等を用いた伝達方法が主となるため歯車同士による伝達方法より回転力の伝達ロスが大きくなることは避け難いという問題点が生じる。この様に、河川等で流水を利用して良好な小規模発電を可能とするためには、多くの問題点を解決する必要がある。
特開２００２−２９５３５６号公報特開２００３−２２２０６７号公報特開平７−２３６２５５号公報特開２００３−２６９３１５号公報特開２００５−３２０８８３号公報

本発明が解決しようとする問題点は、河川および用水路等で流水エネルギーを利用して小規模発電する場合において、課題点である水位変化への対応問題と水車の回転障害となる漂流物等への対応問題および土砂等の堆積物問題であると共に、羽根部が板状のランナー方式の水車の問題点である羽根の枚数が少ない時には回転時の脈動が顕著になるという問題点および水車が全領域で水流を受けると回転力としては負の作用が働く部分が生じるため得られる回転力は小さくなるという問題点ならびに水車の回転力を発電機に伝達するためには無端チェーンやベルト等を用いた伝達方法の場合には回転力の伝達ロスが大きくなることは避け難いという問題点であり、其れらの問題点を解決して広範な場所で活用可能であり良好な発電が期待出来る小型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、本発明の水力発電装置は、羽根が板状であり且つ６枚以上を有するとともに該羽根が水車の中心側に流水が流入し通過出来る間隙を有する様に配設されていて更には水流に対し直交方向で且つ水面に対し直交方向の回転軸を有する衝動水車と該水車の上流側に配設され流水の水力が水車の回転力に有効に働かない約半分の領域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に水流に対して約３０〜６０度の範囲の角度をなして配設された板状導水部材とを具有し且つ前記水車と板状導水部材とが装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなして配設されているとともに、前記一対の水車と板状導水部材とを囲繞する角筒状部位を具有し、更に、前記板状導水部材の上流側に配設される部位で水車の回転に障害となる漂流物や魚等の流入を防止するために板状長尺部材を水流に対して約３０〜６０度の範囲の角度をなし且つ約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーン部位を具有し、水車の回転力を歯車による回転伝達機構で発電機に伝達して発電出来る様にしていることを最も主要な特徴とする。

付加して、前記角筒状部位の下流側開口部近傍の両側に、前記開口部への外部側流水の回り込みを抑制するため、下流方向に向かい外側へ開角が約３０〜８０度の範囲の角度をなして突出させた下流側流水誘導部材が付設されていることを特徴とする。

本発明によれば、河川および用水路等で流水エネルギーを利用して小規模発電する場合において、水位変化への対応問題も容易に解決出来るだけでなく様々な水深条件や水流条件の広範な場所でも活用可能であり、水車の回転障害となる漂流物等への対応問題も容易に解決出来、堰や導水管等を伴う必要が無いので土砂等の堆積物問題も解決出来るので、広範な場所で活用可能な小型水力発電装置が提供出来る様になる。

そして、羽根部が板状のランナー方式の水車の場合での羽根の枚数が少ない時には回転時の脈動が顕著になるという問題点は水車を一対として用いることにより解決出来、更に、水車が全領域で水流を受けると回転力としては負の作用が働く部分が生じるため得られる回転力は小さくなるという問題点は流水の水力が水車の回転力に有効に働かない約半分の領域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ことにより解決出来て水車の回転力を高めることが出来、更には、水車の回転力の発電機への伝達方法として歯車を用いることが出来るので回転力の伝達ロスが少なくなり、付加して、下流側流水誘導部位を付設することにより水車の回転力に悪影響を及ぼす外部側流水の水車後方への回り込みが抑制出来て水車の回転力の向上が期待出来るため、良好な発電が期待出来る小型水力発電装置が提供出来る様になる。

更には、流水の同じ領域の水力エネルギーを電力変換利用する場合に、一つの水車にするよりも水車を一対として用いることにより、装置の水流方向においてコンパクト化が図れる小型水力発電装置が提供出来る様になる。

以下、本発明の実施の形態例を図を参照して説明する。
図１〜６は本発明装置の一形態例の説明図である。図１、図２は平面断面図及び平面図、図３は正面図、図４は側面図、図５、図６は側面断面図である。図７、図８は非防水型発電機を用いる場合等で発電機が冠水しない様にする場合の例の説明図である。図７は正面図、図８は側面断面図である。図９は本発明装置に用いる水車の形状例の説明図である。

［実施例１］
本発明の実施の一形態例を図を参照して説明する。本発明装置１は、図１〜図６に示す様に、形態保持のために骨格部材６１により骨格形成されていて、装置本体の主要部としては、羽根１２が板状であり且つ６枚以上を有するとともに該羽根が水車の中心側に流水が流入し通過出来る間隙を有する様に配設されていて更には水流に対し直交方向で且つ水面に対し直交方向の回転軸１１を有する図９に詳細を示す衝動水車１０と水車の上流側に配設され流水の水力が水車の回転力に有効に働かない約半分の領域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に水流に対して傾斜角θ１が約３０〜６０度の範囲の角度をなして配設された板状導水部材２１とを具有し且つ水車１０と板状導水部材２１とが装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなして配設されていると共に、一対の水車１０と板状導水部材２１とを囲繞する角筒状部位３０を具有し、更に、板状導水部材２１の上流側に配設される部位で水車の回転に障害となる漂流物や魚等の流入を防止するために板状長尺部材４１を水流に対して傾斜角θ２が約３０〜６０度の範囲の角度をなし且つ約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーン部位を具有し、水車１０の回転力を歯車７２による回転伝達機構で発電機７１に伝達して発電出来る様にしている。そして、流水エネルギーを水車の回転力としてより有効に変換させるために、角筒状部位３０の下流側開口部近傍の両側に前記開口部への外部側流水の回り込みを抑制するために下流方向に向かい外側へ開角θ３が約３０〜８０度の範囲の角度をなして突出させた下流側流水誘導部材５１が付設されている。また、流水エネルギーを回転力として更により有効に変換させるために、付加して、図１（Ａ）に示す様に、一対の水車の中間部から後方に向けて水車の外周に沿い僅少の間隔を確保して湾曲状をした水流制御補助部材８１を一対の水車軸を結ぶ線から後方に各々の水車軸心角度として約１０〜３０度の範囲を目処として適宜配設することが好ましい。

そして、本装置の設置方法としては、河川等に設置する場合には、例えば、装置基礎９０を介して水底地盤等１００に固設される。尚、装置基礎９０は必要に応じて基礎杭の打設を伴う場合もある。また、装置基礎９０を省略して基礎杭に直結固定する方法でも良く、本発明の目的を達成出来る方法であれば限定されない。そして、床及び側壁を伴う様な用水路等に設置する場合には、図にての説明は省略するが、筋状スクリーン部位と用水路の側壁の間隙部は漂流物と導水を勘案した遮水部材で遮水し、下流側流水誘導部材と装置基礎は省略される。

尚、発電機７１は耐候性や防水等の対応策として必要に応じて板状部材６２で適宜囲繞される。そして、筋状スクリーン部位の形態は、図７、図８に示す様な縦方向の筋状形態もあり、適宜選択し用いられて良く、実施例２の場合も同様である。また、水車の下部円盤状部材１３と角筒状部位３０の床部との隙間に土砂等の入り込みによる回転力への悪影響を回避するために、図１（Ａ）、図５、図６に示す様に、水車部位から上流側に向けて床面を嵩上げする傾斜部を伴う床面嵩上げ部材８２を適宜付設することが好ましい。

［実施例２］
次に、本発明の実施の他の形態例として、非防水型発電機を用いる場合等で発電機が冠水しない様にする場合の例を説明する。本発明装置１は、図７、図８に示す様に、骨格部材６１と水車１０の回転軸１１を延長して、角筒状部位３０と発電機７１の間に空間を設けて発電機が冠水しない位置に配設される。尚、前記空間の間隔寸法は与条件により適宜設定されて良い。

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。
水車部位１０に関しては、図９に示す様に、主要部が、回転軸１１と板状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１２と羽根１２を両端で支持する円盤状部材１３からなり、図５に示す様に、骨格部材６１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、羽根１２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、一対の羽根１２の回転位相位置を図１（Ａ）においては対称位置に表示しているが、実際には調整して対称位置からずらして脈動の影響を低減させる。また、水車の規模が大きくなる場合は中間部にも円盤状部材１３が適宜配設されて良い。そして、材質としては、例えば、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及び耐食性を有するエンジニアリングプラスチック又は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、防錆処理が施された鉄鋼でも良く、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。そして、他の部位・部材の材質に関しても、与条件を勘案し前述の材質の中から適切なものを適宜選択して用いられる。

板状導水部材２１に関しては、板状部材からなり、端部が角筒状部位３０に連結固定される。また、必要に応じて、水流への悪影響を及ぼさない様に配慮して適宜形態保持補強がなされてよい。そして、角筒状部位３０に関しては、板状部材からなり、外部を骨格部材６１で形態保持補強がなされる。そして、筋状スクリーン部位に関しては、例えば、図１、図４、図７、図８に示す様に、形態保持のため板状長尺部材４１の端部および中間部に形状保持補強部材４２が適宜配設される。そして、下流側流水誘導部材５１に関しては、突出寸法は大きければ効果的であるが装置規模および与条件を勘案して適宜設定されて良く限定はされない。また、図１、図５に示す様に、下流側流水誘導部材５１の形態保持のために下部および中間部に出来るだけ水流抵抗とならない様な断面形状をした形態保持補強部材５２が付設される。

発電機７１に関しては、発電出力規模およびその他の与条件等を勘案し適切なものが適宜選定され用いられて良く、本発明の目的を達成出来るものなら限定されないが、発電効率の向上の観点から永久磁石式同期発電機が好ましいとともに防水型発電機が好ましい。そして、歯車７２に関しても、装置規模および回転数等の与条件を勘案し適切なものが適宜選定され用いられて良い。

本発明装置の一形態例の説明図である。（Ａ）図３に示すＡ−Ａ位置の平面断面図（Ｂ）図３に示すＢ−Ｂ位置の平面断面図図１と同じ例の説明図である。（Ｃ）図３に示すＣ−Ｃ位置の平面断面図（Ｄ）平面図図１と同じ例の説明図であり、正面図である。図１と同じ例の説明図であり、側面図である。図１と同じ例の説明図であり、図１に示すＥ−Ｅ位置の側面断面図である。図１と同じ例の説明図であり、図１に示すＦ−Ｆ位置の側面断面図である。非防水型発電機を用いる場合等で発電機が冠水しない様にする場合の例の説明図であり、正面図である。図７と同じ例の説明図であり、側面断面図である。本発明装置に用いる水車の形状例の説明図である。（Ｇ）１形態例の平面断面図（Ｉ）Ｇの形態例の正面図（Ｊ）端部の円盤状部材と同じ部材を中間部にも配設した例の正面図

１；本発明の水力発電装置
１０；水車
１１；回転軸
１２；羽根
１３；円盤状部材
１４；円筒状部材
２１；板状導水部材
３０；角筒状部位
４１；スクリーン部位の板状長尺部材
４２；スクリーン部位の形態保持補強部材
５１；下流側流水誘導部材
５２；下流側流水誘導部材の形態保持補強部材
６１；骨格部材
６２；板状部材
７１；発電機
７２；歯車
８１；水流制御補助部材
８２；床面嵩上げ部材
９０；装置基礎
１００；水底地盤等

Claims

羽根が板状であり且つ６枚以上を有するとともに該羽根が水車の中心側に流水が流入し通過出来る間隙を有する様に配設されていて更には水流に対し直交方向で且つ水面に対し直交方向の回転軸を有する衝動水車と該水車の上流側に配設され流水の水力が水車の回転力に有効に働かない約半分の領域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に水流に対して約３０〜６０度の範囲の角度をなして配設された板状導水部材とを具有し且つ前記水車と板状導水部材とが装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなして配設されているとともに、前記一対の水車と板状導水部材とを囲繞する角筒状部位を具有し、更に、前記板状導水部材の上流側に配設される部位で水車の回転に障害となる漂流物や魚等の流入を防止するために板状長尺部材を水流に対して約３０〜６０度の範囲の角度をなし且つ約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーン部位を具有し、水車の回転力を歯車による回転伝達機構で発電機に伝達して発電出来る様にしていることを特徴とする水力発電装置。
前記角筒状部位の下流側開口部近傍の両側に、前記開口部への外部側流水の回り込みを抑制するため、下流方向に向かい外側へ開角が約３０〜８０度の範囲の角度をなして突出させた下流側流水誘導部材が付設され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。