JP5217025B2

JP5217025B2 - 水力発電装置

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Publication number: JP5217025B2
Application number: JP2012027886A
Authority: JP
Inventors: 納長尾
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2012-02-12
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2032-02-12
Also published as: JP2013032766A

Description

本発明は、大小様々な河川の水流エネルギーを利用して発電することが可能な水力発電装置の改良に関する。

河川の水流エネルギーを利用した水力発電装置は、特許文献等で種々散見される中、本発明者は、実用新案登録第３１６０００２号に係る水力発電装置を既に提案している。この水力発電装置１０は、図１５に示すように、川床に上下の段差のある自然河川の下段部の川床に河川の両岸に連なって設置されるもので、河川上段部の水流をその天井面上に流して導水路となすために同装置の天井部を河川上段部の川床と同一平面にして設置されている。

そして、前記水力発電装置１０は、落水部２０、水車２５、発電室３０および落水誘導ブロック壁３５により構成されている。落水部２０は、底部中央に落水路２１を有し、この落水路２１に向けてＶ字型、より的確には逆ハの字状に落水斜面２２が形成されている。水車２５は落水斜面２２下に設置されており、落水斜面２２からの落水を受けて回転し、その回転運動を発電室３０に伝達するものである。

発電室３０は、側面にメンテナンスなどのための出入口を有するものとされ、落水部２０の上流側に連設され、水車２５の回転運動を伝達して発電する発電装置を備えている。また、落水誘導ブロック壁３５は、落水を水車２５に誘導するもので、落水部２０の下流側に連設されており、その下部には落水路２１と連通する放水路３６が形成されている。

前記水力発電装置１０によると、河川の水流すべてが落水部２０に入り、落水斜面２２により水流が集中させられ、それにより水流が強められて水車２５に運ばれることで、水車２５を回転させる。これにより、水流のエネルギーが回転運動に変換され、水車２５の回転運動が発電室３０内の水車２５の回転軸に配設された動輪(駆動輪)(図示せず。)を回転させ、この回転運動が回転伝達ベルト(図示せず。)を経て発電機(図示せず。)の回転軸に配設された動輪(従動輪)に伝わり、発電機を作動させることとなる。これで、河川の水量が少ない場合でも水流のほぼ１００％を発電に利用することができる。

しかしながら、特許文献１の技術は、水量が少ない場合でも発電に利用できるとはいえ、河川の水量に依存するところが大きく、少ない水量では水車に充分な回転力を付与できず、その結果、発電量の低下を招くという課題があることが判明した。

実用新案登録第３１６０００２号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、河川の水量に左右されることなく、水車に常時充分な回転力を付与し、少ない水量の下でも安定的な発電を行える水力発電装置を提供することを目的としている。

本発明の水力発電装置は、川床に上下の段差のある河川または用水路の下段部に設置される水力発電装置であって、前記上段側からの流水を集中させながら落水する落水部と、前記落水部の下端に連設され前記落水を水車に落下させる落水路と、前記落水路に連設され同落水路からの同落水を下流に放水する放水路とを有し、前記落水部は、想定上限水位と想定下限水位とにより規定される貯水領域を有し、前記落水路は、前記水車の上方に駆動源を具える水量調整板を有し、前記駆動源は、前記水量調整板を水平方向に進退自在に駆動するものとされ、前記貯水領域の貯水量は、前記水量調整板により前記落水路の開口幅を調整することにより、想定上限水位と想定下限水位との間で調整されることを特徴とする。

本発明の水力発電装置においては、落水路が片側または両側に水量調整板を有するものとされる。

また、本発明の水力発電装置においては、落水部と落水路と放水路との組が、複数組川幅方向に並列配置されてもよい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、対向配置された一対の水車を落水路に有し、前記落水路の前記対向配置された一対の水車の中間部上方に落水を分流させる分流板を有し、前記分流板に対向配置された一対の水量調整板を前記落水路に有するようにされてもよい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、上段側に連設され流水を落水部に導水する導水路を有するようにされてもよい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、落水部の上部にゴミ捕捉部材が配設されてなるのが好ましい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、ゴミ捕捉部材の上方に落水部を閉塞する閉塞板が配設されてなるのが好ましい。その場合、閉塞板が川岸の一方に配設されてもよく、閉塞板が川岸の両方に配設されてもよく、あるいは閉塞板が導水路の下方に配設されてもよい。閉塞板が導水路の下方に配設されるときには、閉塞板が二重とされてなるのがさらに好ましい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、水量調整板が弁とされてなるのが好ましい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、対向配置された一対の水車を落水路に有し、前記落水路の前記対向配置された一対の水車の上方において落水を分流させ、前記分流された分流路のそれぞれに弁を介装してなるようにされてもよい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、弁が電動弁とされてなるのが好ましい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、落水路の川の流れに直交方向の幅が、水量調整板の駆動源が川幅内に配設されるよう調整されてなるのが好ましい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、想定上限水位を検出する上限水位センサと、想定下限水位を検出する下限センサと、前記上限水位センサおよび下限センサからの信号に応答して水量調整板の駆動源を制御するコンピュータとを備えてなるのが好ましい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、水車の回転軸に駆動輪が配設され、前記動輪が発電機の回転軸に配設された前記駆動輪より小径の従動輪とベルト掛けされてなるのが好ましい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、駆動源が手動操作可能とされてもよい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、導水路に開口を有する魚道が付設されてもよい。その場合、魚道の導水路側の開口部下部が、導水路底面より下方とされてなるのが好ましい。

さらに、本発明の水力発電装置においては、導水路に開口を有する取水路が付設されてもよい。その場合、取水路の導水路側の開口部下部が、導水路底面より下方とされてなるのが好ましい。

本発明は、前記の如く構成されているので、段差を有する河川や用水路の落差を利用して水量が少ない場合でも安定した発電がなし得るという優れた効果が得られる。

本発明の実施形態１に係る水力発電装置の概略図である。同実施形態の変形例の概略図である。本発明の実施形態２に係る水力発電装置の概略図である。本発明の実施形態３に係る水力発電装置の要部概略図である。同実施形態の変形例の要部概略図である。本発明の実施形態４に係る水力発電装置の要部概略図である。本発明の実施形態５に係る水力発電装置の要部概略図である。本発明の実施形態６に係る水力発電装置の要部断面図である。同概略平面図である。本発明の実施形態７に係る水力発電装置のフロー図である。同実施形態の変形例のフロー図である。本発明の実施形態８に係る水力発電装置の平面図である。同正面図である。本発明の変形例の概略図である。特許文献１の提案に係る水力発電装置の概略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

実施形態１
図１に、本発明の実施形態１に係る水力発電装置を概略図で示す。なお、水力発電装置１０の全体構造は従来技術に準ずるので、同一符号を付して同装置の図示説明は省略する。図中、符号２０は落水部、符号２１は落水路、符号２２は落水斜面、符号２５は水車、符号３０は発電室、符号３１は発電室内の動輪(駆動輪)、符号３２は回転伝達ベルト、符号３３は発電機をそれぞれ示す。

本実施形態の水力発電装置１０の特徴は、落水斜面２２と落水路２１との境目に水量調整板４１を配設したところにある。水量調整板４１は、落水路２１の開口を河川の両岸から開閉するもので、駆動源４２によって水平方向にスライドし、そのスライド量も可変となっている。水量調整板４１は、また、その開閉量の調整により、落水部２０における想定上限水位と想定下限水位とにより規定される貯水領域に貯水することができ、その貯水量と水車２５への放水量を調整することで、水車２５への常時の放水が可能となる。特に河川の水量が少ない場合には、水量調整板４１を閉塞方向に作動させることで、落水部２０の貯水量を増加させることができる。

貯水量が増加すれば水面が上昇し、それにともなって圧力水頭も上昇するので、水車２５に伝達されるエネルギーが増大する。その結果、発電量が増大する。それ故、落水部２０の水位を可能なかぎり高水位としながら、入水量と落水量との均衡を保つようにすることが高出力発電を行うためのキーポイントとであり、本実施形態ではそうなるよう水量調整板４１の開度の調整がなされる。

なお、水量調整板４１は、その一方を所望開閉量で停止させておき、他方だけを作動させることも可能である。これを発展させて、図２に示すように、水量調整板４１を片側だけとすることも可能である。
また、本実施形態では水車２５が一基の場合につき説明したが、設置間隔を狭めにした一対の水車２５，２５に適用することも可能である。さらに、本実施形態は、用水路にも適用することができる。

落水斜面２２には、落水部２０の前記想定上限水位を検知する上限水位センサ４３と前記想定下限水位を検知する下限水位センサ４４がそれぞれ配置され、これら水位センサ４３，４４と水量調整板４１の駆動源４２とはコンピュータ４５に接続されている。このコンピュータ４５は、落水部２０での各水位センサ４３，４４による貯水量の水位変化に応じて、水量調整板４１の開閉動作を自動的に制御するものである。
なお、上限水位センサ４３と下限水位センサ４４の配置間隔は任意に設定され、配置間隔の広狭により、コンピュータ４５を介した水量調整板４１を動かす駆動源４２の作動の時間的間隔が決定される。

本実施形態によると、いま、水量調整板４１を所定量閉じて(または開けて)、開いた落水路２１の開口から放水して水車２５を回転させている状態で、水量調整板４１を狭めていくと、放水量よりも河川からの落水量が多くなり、やがて落水部２０の貯水領域に貯水され、貯水量が増加する。この状態が継続されると、落水部２０の貯水量は、水車２５への放水を継続しつつ漸増していき、その水位が上限水位センサ４３に達すると、上限水位センサ４３がこれを検知する。すると、コンピュータ４５が駆動源４２を作動させ、水量調整板４１を開放方向にスライドさせる。これにより、水車２５への放水量が増加し、落水部２０における貯水領域の貯水量が低下する。そして、貯水量の水位が下限水位センサ４４に達したときには、下限水位センサ４４がこれを検知し、コンピュータ４５は再び駆動源４２を作動させ、今度は水量調整板４１を閉塞方向に作動させる。

以上のような一連の動作中、水車２５には河川の流量に左右されずに放水が行われているので、安定した発電が可能となる。なお、コンピュータ制御を行わない場合は、駆動源４２を手動操作可能とし、落水部２０における貯水領域の貯水量を目視し、駆動源４２を手動操作することで、水車２５への継続的な放水が可能となり、コンピュータ制御の場合と同様に安定した発電が可能となる。

実施形態２
図３に、本発明の実施形態２を示す。実施形態１と異なる構成は、適用される水車２５を一対とし、これらを適度な間隔を保ったうえで配設し、落水路２１の開口中央に、この落水路２１を横切る分流板４６を設置したことにある。そして、水量調整板４１，４１は、分流板４６により分けられた落水路２１の分流開口４７，４７を、分流板４６に対して両岸から水平方向にそれぞれ進退させてスライド開閉させ、落水部２０の貯水量と水車２５への放水量を分流調整するものである。これにより、分流開口４７，４７のそれぞれから一対の水車２５，２５のそれぞれに、水量調整板４１，４１の開閉量に応じた放水をロスなく的確に行うことができる。

なお、水量調整板４１についても、その一方を所望開閉量で停止させておき、他方だけを作動させることが可能である。その他の構成および作用は実施形態１と同様とされている。また、本実施形態も用水路に適用可能である。

実施形態３
図４に、本発明の実施形態３に係る水力発電装置１０の要部を示す。実施形態３は実施形態１を改変してなるものであって、落水路２１の川の流れに直交方向の幅を調整し、駆動源４２を含む水量調整板４１が川幅内に収まるようにしてなるものである。なお、川幅にゆとりがあれば、水量調整板４１は片側のみとすることもできる(図５参照)。

本実施形態はかかる構成とされているところから、川岸に対する土木工事が不要または僅少となり、施工コストが著しく低減されるとともに、施工期間も著しく短縮される。
なお、実施形態３のその余の構成および作用は実施形態１と同様とされている。

実施形態４
図６に、本発明の実施形態４に係る水力発電装置１０の要部を示す。実施形態４は実施形態１を改変してなるものであって、落水部２０にゴミなどを取るゴミ捕捉網板６と、大雨などの際や保守・点検の際に落水部２０を閉塞する閉塞板８を設けてなるものである。
図６に示すように、ゴミ捕捉網板６は、落水部２０の上部に形成された段部２０ａに配設され、閉塞板８は、ゴミ捕捉網板６の上方に配設される。

閉塞板８は、図６に示すように、川岸の一側に配設され、一方の川岸から他方の川岸に対して進退するようにされている。なお、閉塞板８を進退させる機構については特に限定はないが、例えば、図６に概略的に示すように、閉塞板８の進退範囲に亘ってレールＲを敷設し、閉塞板８がそのレールＲ上を走行するようにしてもよい。
本実施形態はかかる構成とされているところから、落水路２１に木片などのゴミが落下するのが防止される。また、大雨などの際に多量の水が水車２５に落水して水車２５が破損することも防止される。

実施形態５
図７に、本発明の実施形態５に係る水力発電装置１０の要部を示す。実施形態５は実施形態４を改変してなるものであって、閉塞板８を川の両岸に進退自在に設置してなるものである。

本実施形態はかかる構成とされているところから、大雨などの際に落水部２０の閉塞が迅速になし得る。また、個々の閉塞板８の長さを短くできるので、川岸に平坦部が少ない場所にも閉塞板８を配設することができる。

実施形態６
図８よび図９に、本発明の実施形態６に係る水力発電装置１０の要部を示す。実施形態６は実施形態４を改変してなるものであって、閉塞板８を発電室３０の天井部３０ａに設置し、川の流れ方向に沿って閉塞板８を進退させるものである。なお、閉塞板８を進退させる機構は、例えば水量調整板４１を進退させる駆動源４２と同種のものとされる。
本実施形態はかかる構成とされているところから、閉塞板８を設けるための川岸に対する特段の土木工事が不要となり、施工期間の短縮および施工コストの低減が図られる。また、閉塞板８の進退量が実施形態４，５に比して著しく少ないので、より迅速な開閉がなし得る。

なお、図８に二点鎖線で示すように、発電室３０の屋上にも閉塞板８Ａを進退自在に設けて閉塞板８を二重とし、大雨などの際や保守・点検の際に落水部２０を完全に閉塞できるようにされてもよい。

実施形態７
図１０に、本発明の実施形態７に係る水力発電装置１０をフロー図で示す。実施形態７は、実施形態１を改変してなるものであって、水量調整板４１を電動仕切弁Ｖとして落水路２１に介装したものである。図１０に示すように、電動仕切弁ＶのモータＭはコンピュータ４５に接続され、コンピュータ４５により弁Ｖの開閉動作が自動的になされるようにされている。

このように、本実施形態では水量調整板４１として電動仕切弁Ｖを落水路２１に介装しているので、実施形態１構成の簡素化が図られるとともに、耐圧性も向上する。

なお、実施形態７のその余の構成は、実施形態１と同様とされている。

本実施形態はかかる構成とされているので、構成の簡素化および操作の利便性が向上される。

また、本実施形態では弁Ｖを電動弁としているが、手動弁とすることもできる。

さらに、図１１に示すように、水車２５が二台とされている場合には、落水路２１を分岐させてその各々に電動弁Ｖまたは手動弁Ｖを介装するようにしてもよい。

実施形態８
図１２および図１３に、本発明の実施形態８に係る水力発電装置１０の要部を示す。実施形態８は実施形態６を改変してなるものであって、下段の下流側から発電室３０の屋上に連通する魚道６０および発電室３０の屋上から田んぼへの用水のための取水路７０を設けてなるものとされる。

魚道６０の発電室３０の屋上側（導水路側）の開口部には、魚道６０を遮断するための扉６１が昇降自在に設けられている。この場合、図１３に示すように、魚道６０の屋上側（導水路側）の開口部下部は、発電室３０の屋上、つまり導水路底面より下方とされるのが、水が確実に魚道６０に供給されるので好ましい。

取水路７０の発電室３０の屋上側（導水路側）の開口部には、取水路７０を遮断するための扉７１が昇降自在に設けられている。この場合、図１３に示すように、取水路７０の屋上側（導水路側）の開口部下部は、発電室３０の屋上、つまり導水路底面より下方とされるのが、水が確実に取水路７０に供給されるので好ましい。

なお、実施形態８のその余の構成は、実施形態６と同様とされている。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。

本実施形態では、導水路を形成する発電室３０の天井部３０ａが河川上段の川床と同一平面とされているが、天井部３０ａの位置は前記に限定されるものではなく、河川上段の川床より高くならないようにされていればよい。

また、実施形態１では、水量調整板４１は落水斜面２２と落水路２１との境目に配設されているが、水量調整板４１の配設位置は前記に限定されるものではなく、境目下方であって水車２５上方の適宜位置とされてもよい。

さらに、実施形態１では、落水斜面２２は直線状とされているが、落水斜面２２は曲線により形成されてもよい。

さらに、実施形態４では、ゴミ取りにゴミ捕捉網板６が用いられているが、ゴミ取りは前記に限定されるものではなく、適宜とでき、例えばゴミ捕捉格子とすることもできる。

さらに、本実施形態では、水力発電装置一基を河川や用水路の下段部に川幅いっぱいに配設するようにしているが、川幅が広い場合には、複数基を川幅方向に並列配置するようにしてもよい(図１４参照)。

本発明による水力発電装置では、全国的に無数にある、もともと段差のある河川の川床や勾配が充分で段差を作り出すことが可能な川床を主に利用することから、この水力発電装置が全国規模で適用されれば、電気エネルギーの自給はもちろんのこと、この水力発電装置の建設に携わる産業が活性化されるものと期待される。

６ゴミ捕捉網板
８，８Ａ閉塞板
１０水力発電装置
２０落水部
２０ａ段部
２１落水路
２２落水斜面
２５水車
３０発電室
３０ａ天井部
３３発電機
３５誘導ブロック壁
３６放水路
４１水量調整板
４２駆動源
４３上限水位センサ
４４下限水位センサ
４５コンピュータ
４６分流板
４７分流開口
６０魚道
６１扉
７０取水路
７１扉
Ｒレール
Ｖ弁、電動弁

Claims

川床に上下の段差のある河川または用水路の下段部に設置される水力発電装置であって、
前記上段側からの流水を集中させながら落水する落水部と、前記落水部の下端に連設され前記落水を水車に落下させる落水路と、前記落水路に連設され同落水路からの同落水を下流に放水する放水路とを有し、
前記落水部は、想定上限水位と想定下限水位とにより規定される貯水領域を有し、
前記落水路は、前記水車の上方に駆動源を具える水量調整板を有し、
前記駆動源は、前記水量調整板を水平方向に進退自在に駆動するものとされ、
前記貯水領域の貯水量は、前記水量調整板により前記落水路の開口幅を調整することにより、想定上限水位と想定下限水位との間で調整される
ことを特徴とする水力発電装置。
落水路が片側または両側に水量調整板を有してなることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
落水部と落水路と放水路との組が、複数組川幅方向に並列配置されてなることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
対向配置された一対の水車を落水路に有し、
前記落水路の前記対向配置された一対の水車の中間部上方に落水を分流させる分流板を有し、
前記分流板に対向配置された一対の水量調整板を前記落水路に有してなる
ことを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
上段側に連設され流水を落水部に導水する導水路を有することを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
落水部の上部にゴミ捕捉部材が配設されてなることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
ゴミ捕捉部材の上方に落水部を閉塞する閉塞板が進退自在に配設されてなることを特徴とする請求項６記載の水力発電装置。
閉塞板が川岸の一方または両方に配設されてなることを特徴とする請求項７記載の水力発電装置。
閉塞板が導水路の下方に配設されてなることを特徴とする請求項７記載の水力発電装置。
閉塞板が二重とされてなることを特徴とする請求項９記載の水力発電装置。
水量調整板が弁とされてなることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
対向配置された一対の水車を落水路に有し、
前記落水路の前記対向配置された一対の水車の上方において落水を分流させ、
前記分流された分流路のそれぞれに弁を介装してなる
ことを特徴とする請求項１１記載の水力発電装置。
弁が電動弁とされてなることを特徴とする請求項１１または１２記載の水力発電装置。
落水路の川の流れに直交方向の幅が、水量調整板の駆動源が川幅内に配設されるよう調整されてなることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
想定上限水位を検出する上限水位センサと、想定下限水位を検出する下限センサと、前記上限水位センサおよび下限センサからの信号に応答して水量調整板の駆動源を制御するコンピュータとを備えてなることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
水車の回転軸に駆動輪が配設され、前記動輪が発電機の回転軸に配設された前記駆動輪より小径の従動輪とベルト掛けされてなることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
駆動源が手動操作可能とされてなることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
導水路に開口を有する魚道が付設されてなることを特徴とする請求項５記載の水力発電装置。
魚道の導水路側の開口部下部が、導水路底面より下方とされてなることを特徴とする請求項１８記載の水力発電装置。
導水路に開口を有する取水路が付設されてなることを特徴とする請求項５記載の水力発電装置。
取水路の導水路側の開口部下部が、導水路底面より下方とされてなることを特徴とする請求項２０記載の水力発電装置。