JP5649187B2

JP5649187B2 - 水力発電装置

Info

Publication number: JP5649187B2
Application number: JP2011518582A
Authority: JP
Inventors: 裕士滝本; 貞夫谷口; 弘雄南
Original assignee: HOKURIKU SEIKI CO., LTD.; Toyama Prefecture
Current assignee: HOKURIKU SEIKI CO., LTD.; Toyama Prefecture
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: WO2010143709A1; JPWO2010143709A1

Description

この発明は、農業用水路等の比較的落差や流量の少ない河川やその他の水路に設置される小形の水力発電装置に関する。

従来、農業用水路等の用水路に取付ける小形の水力発電装置があった。例えば、特許文献１に開示されている水力発電装置は、農業用水路等の落差工に、水力発電装置を着脱自在に支承する枠体を設けたものである。枠体内には、反動型水車ランナーベーンに立軸構造の回転軸を、直接または伝達機構で連結してなる発電機が設置されている。さらに、停電や機器の故障等で、自動的に全開する駆動装置を備えたランナーベーン及びガイドベーンをケースに収容して、これらを一体ユニットとした水力発電装置である。

特開２００５−３２０８８３号公報

上記背景技術の場合、用水路の落差を利用して自然に流れ込む水流の中でランナーベーンが回転して発電するものであり、水流が効果的にランナーベーンに向かわず、しかもランナーベーンを経て水流を回転力に変換する効率も悪く、十分な発電効率が得られなかった。また、構造が複雑で高価であり、メンテナンスにも手間がかかるものであった。

この発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトな形状であり、効率良く水のエネルギーを回転エネルギーに変えて高い発電効率で発電することができる水力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、中心軸が垂直に設けられ内側を水が上方から下方に向かって通過する取水胴と、前記取水胴の下方に同軸に設けられた水絞り部と、前記水絞り部の内側に設けられ水を一定の方向に流す固定ガイド板と、前記固定ガイド板の下方に設けられ前記固定ガイド板から流れる水を受けて回転する回転スクリュウと、前記回転スクリュウの回転筒部に連結された発電機とが設けられ、前記水絞り部は、水絞り外筒と、この水絞り外筒内に同軸に設けられた水絞りドラムとを備え、前記固定ガイド板が前記水絞り外筒と前記水絞りドラムとの間の空間に固定され、前記水絞り部により流路の断面積が絞られ、前記固定ガイド板により水流が前記回転スクリュウのブレード面に対して直角方向に当たるように設けられている水力発電装置である。

さらに、前記水絞り部の下端部の直径は、前記回転スクリュウが取り付けられた下部水圧管の直径よりも小さく、前記水絞り部で絞られて流速が高められた水流が、前記下部水圧管の内壁に直接当たらないように設定されているものである。前記水絞り部には、前記固定ガイド板により区切られた入り口部の開口の一部を塞ぐ水流調整板が、開閉自在に設けられているものである。さらに、前記回転スクリュウの回転筒部の直径は、前記水絞りドラムの下端部の直径よりも小さく設定され、前記水絞り部で絞られて流速が高められた水流が、前記回転筒部の外壁に直接当たらないように設定されているものである。前記水絞り部は、下方に向かって直径が小さくなった水絞り外筒と、この水絞り外筒内に同軸に設けられ下方に向かって直径が大きくなる水絞りドラムとから成るものである。

前記回転スクリュウのブレードのリード角は、上流側よりも下流側の前記リード角が小さく設定されているものでも良い。さらに、前記回転スクリュウのブレードが曲面状に形成され、そのリード角は、上流側よりも下流側の前記リード角が連続的に小さく設定されているものでも良い。また、前記回転スクリュウの巻き付け長さは、前記回転筒部に対して、巻き付け角にして１００〜２００度の範囲で取り付けられているものである。

また、前記回転スクリュウが設けられた下部水圧管の流路は、下方に向かうに従い狭くなっているものでも良い。さらに、前記取水胴には、設置される水路の落差に対応して設けられる高さ調節用導水管が、垂直方向に連結して取り付けられるものでも良い。

本発明の水力発電装置は、コンパクトな形状であり、効率良く水流のエネルギーを回転エネルギーに変えて発電に利用することができ、構造も簡単であり、コストも安価なものである。さらに、高さ調節用導水管により、設置する用水路の落差に応じて、適切な状態で取り付けることができる。

この発明の一実施形態の水力発電装置の縦断面図である。この実施形態の水力発電装置の固定ガイド板と回転スクリュウを示す部分拡大断面図である。この実施形態の水力発電装置の水絞り部を示す縦断面図である。この実施形態の水力発電装置の水絞り部の入り口部の平面図（ａ）、水絞り部の正面図（ｂ）である。この実施形態の水力発電装置の水絞り部の出口部を示す底面図である。この実施形態の水力発電装置の水量調節板を示す部分斜視図である。この実施形態の水力発電装置の回転スクリュウの他の実施形態を示す正面図である。この実施形態の水力発電装置の回転スクリュウの他の実施形態を示す平面図（ａ）、斜視図（ｂ）、正面図（ｃ）である。この実施形態の水力発電装置の回転スクリュウのさらに他の実施形態を示す平面図（ａ）、斜視図（ｂ）、正面図（ｃ）である。この実施形態の水力発電装置の回転スクリュウのさらに他の実施形態を示す正面図である。

以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図６はこの発明の一実施形態を示すもので、この実施形態の水力発電装置１０は、垂直方向に長い矩形に形成され、取り付けられる水路に合わせて組まれる図示しない架台フレームに固定される。架台フレームに固定された水力発電装置１０は、農業用水等の水路に設置される。架台フレームの上方には、水平方向に開口した取水口部１１が設けられ、さらに取水口部１１に連通し、流路が直角に形成され垂直方向に中心軸を有した高さ調節用導水管１２が、落差Ｈに対応して取り付けられている。高さ調節用導水管１２の下方は、取水口部１１とは反対側に開口して、取水胴１４に連通している。取水胴１４は、その側方部分及び下方が開口し、その側方開口部が、高さ調節用導水管１２の下方の開口に一体的に取り付けられて連通している。これにより、取水口部１１から、下方の後述する回転スクリュウ２２までの垂直方向の流路を形成している。取水部１１の上端部には、高さ調節用導水管１２内に充満した水が排出されるオーバーフロー排出口１１ａが設けられている。

取水胴１４の下端開口部には、水絞り部１５が同軸に固定されている。水絞り部１５は、取水胴１４の下端部に大径部が固定された円錐台状の水絞り外筒１７を備えている。水絞り外筒１７の下端である小径部には、同軸に下部水圧管１８が取り付けられ、下部水圧管１８内に、後述する回転スクリュウ２２が同軸に設けられている。水絞り部１５の内側には、中心軸上に水絞りドラム１６が設けられている。水絞りドラム１６は、取水胴１４に対して同軸の中心軸を有し、下方に向かって直径が大きくなる円錐状に形成されている。円錐部の上方は、取水胴１４の内側に突出し、下端は回転スクリュウ２２の回転筒部２４に同軸に接続されている。

水絞り部１５の内側には、内周面に固定ガイド板２０が設けられている。固定ガイド板２０は、水絞り部１５内で、水絞りドラム１６と水絞り外筒１７の間の空間を、略放射方向に区切る１２枚の略台形状の板体であり、水絞りドラム１６と水絞り外筒１７間の空間を等間隔に１２区画に区切っている。各固定ガイド板２０の内側の側縁部は水絞りドラム１６の側面に固定され、この側縁部に対向する他方の側縁部が、水絞り外筒１７の内周面に固定され、その他の一対の側縁部は垂直方向上下に位置して、水絞り部１５の上下両側の空間に露出している。各固定ガイド板２０の取付角度は、水絞り部１５の中心軸方向に対して２０〜３５度程度の範囲で傾斜している。好ましくは２５〜３０度程度の範囲内で取り付ける。この傾斜方向は、下方へ向かって時計周りに進むように傾斜している。さらに、傾斜角度は、後述する回転スクリュウ２２の上面に対して、ほぼ直角に当接するように設けられている。なおここで直角とは、９０度前後の角度を含むものであり、９０度よりやや大きな角度が好ましい。

さらに、水絞り部１５の入り口部１５ａには、図３、図４、図６に示すように、水量調整板２１が９０度間隔で設けられている。水絞り部１５の入り口部１５ａは、図４（ａ）に示すように、１２枚の固定ガイド板２０により区切られて、水絞り部１５内で時計回りに水流が向かうように形成されており、１２区画に区切られた入り口部１５ａのうちの４区画を等間隔に閉鎖可能に水量調整板２１が取り付けられている。水量調整板２１は、入り口部１５ａの半径方向の回動軸によりに軸支され、中心側が水絞りドラム１６の側面に、外周側が水絞り外筒１７の内面に各々軸支されている。水量調整板２１の形状は、１２区画に区切られた入り口部１５ａの１区画分を塞ぐ台形状に形成されている。これにより、後述するように、水絞り部１５を通過する水量が少ないときに通過流量を段階的に調整することができる。水量調整板２１の不使用時には、取水胴１４の軸方向に立てて固定し、水流の抵抗にならないようにする。水量調整板２１を垂直に固定するために、水絞り外筒１７の周縁には、ボルトで固定する固定部材２１ａが取り付けられている。

水絞り部１５の下方には、４枚のブレード２２ａから成る回転スクリュウ２２が設けられている。水絞り部１５の下端部１５ｂの直径Ｄｏは、回転スクリュウ２２を収容した下部水圧管１８の直径Ｄｕよりも僅かに小さい（Ｄｕ＞Ｄｏ）。回転スクリュウ２２は、垂直に位置した円筒状の回転筒部２４の周囲に螺旋状に固定され、外周縁が下部水圧管１８と僅かに間隔を空けて囲まれている。回転スクリュウ２２の回転筒部２４は、水絞りドラム１６の下端部に対向し、回転筒部２４の直径Ｄｓは、水絞りドラム１６の下端部の直径ＤＬよりも僅かに小さい（ＤＬ＞Ｄｓ）。回転スクリュウ２２の４枚のブレード２２ａの、水平面に対する傾斜角度は、２０〜３５度、好ましくは２５〜３０度である。回転スクリュウ２２の各ブレード２２ａの回転筒部２４に対する巻き付け長さは、角度にして１００〜２００度である。回転筒部２４全長に亘りブレード２２ａが固定されているので、回転筒部２４の長さは、この巻き付け長さと傾斜角度により決まる。

回転スクリュウ２２が取り付けられた下部水圧管１８の下には、筒状の軸受け取付部材２６が設けられ、中心部に軸受け部２８が固定されている。さらに、回転スクリュウ２２の回転筒部２４には、シャフト２８が一体に連結されている。シャフト２８は回転スクリュウ２２の回転筒部２４を貫通して固定され、回転筒部２４の上方に垂直に延出し、水絞り部１５の水絞りドラム１６に同軸に形成された貫通孔に回転可能に挿通され、さらに上方に延出して図示しない架台フレームの上端部に達している。シャフト２８の上端部２８ａは、架台フレームの上端部に固定された図示しない軸受を介して発電機取付部３０に軸支されている。

シャフト２８の上端部２８ａは、カップリング３２に連結され、カップリング３２は、増速機３４に連結されている。さらに、増速機３４から別のシャフト３６が上方に延出して設けられ、シャフト３６はカップリング３８を経て発電機４０に連結されている。

シャフト２８の下端部２８ｂは、回転スクリュウ２２の回転筒部２４の下方に延出し、軸受け取付部材２６の軸受け２９に達している。軸受け取付部材２６は、図示しない架台フレームに保持されている。

次に、この実施形態の水力発電装置１０の使用方法について説明する。水力発電装置１０を取り付ける用水路４４は、一対の側壁部で両岸が保護され、一定の落差Ｈがある箇所であり、浅い第一底部４６が形成されている。第一底部４６の下流側にはほぼ垂直に下方へ向かう段部があり、さらに段部の下流側が、図示しない第二底部となっている。ここでの落差Ｈは、第一底部４６から段部の下流側の水面４８までの距離を言う。水力発電装置１０は用水路４４の段部付近に設置され、架台フレームの柱部を段部に接触するように置き、土台部を下流側の第二底部に設置する。このとき、高さ調節用導水管１２の上端の取水口部１１を、第一底部４６側に向けてセットする。

次に、水力発電装置１０の動作について説明する。用水路４４の第一底部４６を流れてきた水は、取水口部１１から流入し、高さ調節用導水管１２を垂直に落下し、水力発電装置１０の取水胴１４の中へ流れ込む。水は取水口部１１から流入し、高さ調節用導水管１２を垂直に落下し、取水胴１４内に流入する。取水胴１４の下端では、水絞り部１５の水絞りドラム１６と水絞り外筒１７により流路が絞られ、流速が増し、固定ガイド板２０により、流れの方向が規制され、固定ガイド板２０の延長線上に向かって流れ落ちる。流れ落ちる位置は、回転スクリュウ２２のブレード２２ａにほぼ垂直に当たる位置である。この時、水絞り部１５の入り口部１５ａと出口部１５ｂの面積比は、３：１〜４：１の間に設定されている。この傾向は、上記の範囲内で、水の落下速度が大きいほど、面積比を大きくして、絞り量を大きくすると良い。

取水胴１４から水絞り部１５により流速が高められた水は、回転スクリュウ２２のブレード２２ａに衝突する。これにより、ブレード２２ａが押されて回転スクリュウ２２が回転筒部２４を中心に、上方から見て時計回りに回転する。このとき、水絞り部１５の固定ガイド板２０により水流は１２箇所に分かれた流路となる。そして、下方に位置する回転スクリュウ２２の４枚のブレード２２ａは、表面で水絞り部１５からの水流を直角方向よりやや大きな角度で受けて、効果的に回転エネルギーに変換される。

また、水絞り部１５の下端部１５ｂの直径Ｄｏは、回転スクリュウ２２の下部水圧管１８の直径Ｄｕよりも僅かに小さい（Ｄｕ＞Ｄｏ）。これにより、水絞り部１５で絞られて流速が高められた水流が、下部水圧管１８の内壁に直接当たって無駄に減速されエネルギーを消費してしまうのを防ぎ、水流のエネルギーが確実に回転スクリュウ２２の回転に変換されるようにしている。同様に、回転スクリュウ２２の回転筒部２４の直径Ｄｓは、水絞りドラム１６の下端部の直径ＤＬよりも僅かに小さい（ＤＬ＞Ｄｓ）ので、水流が無駄に回転筒部２４に当たってエネルギーを消費せず、ブレード２２ａのより外側に当たり大きなトルクを発生させ、回転力に変換される。この水絞りドラム１６の直径ＤＬは、回転スクリュウ２２の回転筒部２４の直径Ｄｓに対して１２０〜１８０％の直径が好ましく、より好ましくは、１４０％程度が良い。

ここで、この水力発電装置１０が設置される好適な条件は、水量が０．２〜２ｍ^３、落差が１〜５ｍで、発電量が１〜１０ｋＷ程度である。また、このとき、一定量の落差で水を供給するため、常に取水胴１４から水をオーバーフローさせて発電する。上述の通り効果的に発電できる条件を、表１にまとめた。

この実施形態の水力発電装置１０によれば、簡単な構造でコンパクトな形状であり、水流のエネルギーを効率良く回転エネルギーに変えて発電することができる。構造が簡単なため、安価で移動が容易であり、またメンテナンスも簡単であり、手軽に使用することができる。高さ調節用導水管１２により、設置する用水路４４の落差に応じて、適切な状態で取り付けることができる。しかも、用水路４４の段差からほぼ垂直に落下する水の流れを、固定ガイド板２０により効率が良い方向に変え、回転スクリュウ２２に最適な角度で水を当てることができ、発電効率が高い。また用水路４４を流れる水の量が少ないときでも流速を速めて、効率的に発電することができる。さらに、水力発電装置１０は小形であるため、例えば落差が２メートル程度でも使用可能であり、省スペースなためいろいろな場所に取付けることができる。これにより、省スペースと、発電効率を上げるという、相反する効果を達成したものである。

なお、この発明の水力発電装置は、上記実施の形態に限定されるものではなく、図７、図８に示すように、回転スクリュウ２２のブレード２２ａのリード角を、水の流れる下流に向かって下流側部分を小さくしたものでも良い。例えば、回転スクリュウ２２は、図８に示すように、４枚のブレード２２ａの下流側約１／２〜１／３の折り線２２ｂで、回転スクリュウ２２の上方側はθ_１＝１５〜３５度のリード角にし、下方側はθ_２＝１０〜２０度のリード角に設定する。これにより、同じ流量・落差でもより高い発電量を記録した。

さらに、４枚のブレード２２ａのリード角を連続的に変化させても良く、図９に示すように、上方から下方にかけてブレード２２ａの傾斜が徐々に緩やかに変化するように、曲率半径Ｒの曲面を有したブレード２２ａでも良い。例えば、ブレード２２ａの中心の半径Ｒの方向が、回転スクリュウ２２の回転中心軸に対してθ度傾斜しているものである。ブレード２２ａの角度は、例えば上端側は１５〜３５度のリード角にし、下端側は１０〜２０度のリード角になるように上記角度θを設定すると良い。これにより、上記の場合と同様に、同じ流量・落差でもより高い発電量を記録した。

また、図１０に示すように、回転スクリュウ２２のブレード２２ａの幅や直径を上方から下方に向かって小さくなるようにして、下部水圧管１８内の流路が狭くなるようにしても良い。これにより、回転スクリュウ２２の下方に向かうに従い水流が早くなり、回転スクリュウ２２に対してより効率的に回転力を発生させ、より発電効率が高くなる。

その他、各部材の形状は適宜変更可能である。ガイド部材の形状は、上記以外に水の流れを適した方向に向けるものであれば良い。また、回転スクリュウの羽根部の形状や枚数、角度等も適宜変更可能である。

次に、この発明の水力発電装置を用いて発電した実施例について説明する。ここでは、流量が０．２２ｍ^３で、落差が３．２ｍの水路にこの水力発電装置を設置した場合の発電量について検証した。発電量は、電力計のメータの表示が３．８〜４．０ｋＷを示していた。

ここで、上記流量と落差の条件における水流の持つエネルギー（仕事率）は以下の式（１）で表される。
Ｐ（ｋＷ）＝ｇ・Ｑ・Ｈ（１）
ｇは重力加速度（ｍ／ｓ）、Ｑは単位時間あたりの流量（ｍ^３／ｓ）、Ｈ（ｍ）は落差である。式（１）より
Ｐ＝９．８×０．２２×３．２≒６．９（ｋＷ）（２）
以上の計算結果、及び電力計の表示による発電量が３．８〜４．０ｋＷであることから、発電効率は、
４．０／６．９≒０．５８＝５８％となった。
この発電効率は、この種の小型の水力発電装置としては、極めて高いものであり、この水力発電装置の性能の高さが確認された。

１０水力発電装置
１１取水口部
１２高さ調節用導水管
１４取水胴
１５水絞り部
１６水絞りドラム
１７水絞り外筒
１８下部水圧管
２０固定ガイド板
２２回転スクリュウ
２２ａブレード
２４回転筒部
２８シャフト
４０発電機

Claims

中心軸が垂直に設けられ内側を水が上方から下方に向かって通過する取水胴と、前記取水胴の下方に同軸に設けられた水絞り部と、前記水絞り部の内側に設けられ水を一定の方向に流す固定ガイド板と、前記固定ガイド板の下方に設けられ前記固定ガイド板から流れる水を受けて回転する回転スクリュウと、前記回転スクリュウの回転筒部に連結された発電機とが設けられ、前記水絞り部は、水絞り外筒と、この水絞り外筒内に同軸に設けられた水絞りドラムとを備え、前記固定ガイド板が前記水絞り外筒と前記水絞りドラムとの間の空間に固定され、前記水絞り部により流路の断面積が絞られ、前記固定ガイド板により水流が前記回転スクリュウのブレード面に対して直角方向に当たるように設けられ、前記水絞り部の下端部の直径は、前記回転スクリュウが取り付けられた下部水圧管の直径よりも小さく、前記水絞り部で絞られて流速が高められた水流が、前記下部水圧管の内壁に直接当たらないように設定されていることを特徴とする水力発電装置。
中心軸が垂直に設けられ内側を水が上方から下方に向かって通過する取水胴と、前記取水胴の下方に同軸に設けられた水絞り部と、前記水絞り部の内側に設けられ水を一定の方向に流す固定ガイド板と、前記固定ガイド板の下方に設けられ前記固定ガイド板から流れる水を受けて回転する回転スクリュウと、前記回転スクリュウの回転筒部に連結された発電機とが設けられ、前記水絞り部は、水絞り外筒と、この水絞り外筒内に同軸に設けられた水絞りドラムとを備え、前記固定ガイド板が前記水絞り外筒と前記水絞りドラムとの間の空間に固定され、前記水絞り部により流路の断面積が絞られ、前記固定ガイド板により水流が前記回転スクリュウのブレード面に対して直角方向に当たるように設けられ、前記水絞り部には、前記固定ガイド板により区切られた入り口部の開口の一部を塞ぐ水流調整板が、開閉自在に設けられていることを特徴とする水力発電装置。
中心軸が垂直に設けられ内側を水が上方から下方に向かって通過する取水胴と、前記取水胴の下方に同軸に設けられた水絞り部と、前記水絞り部の内側に設けられ水を一定の方向に流す固定ガイド板と、前記固定ガイド板の下方に設けられ前記固定ガイド板から流れる水を受けて回転する回転スクリュウと、前記回転スクリュウの回転筒部に連結された発電機とが設けられ、前記水絞り部は、水絞り外筒と、この水絞り外筒内に同軸に設けられた水絞りドラムとを備え、前記固定ガイド板が前記水絞り外筒と前記水絞りドラムとの間の空間に固定され、前記水絞り部により流路の断面積が絞られ、前記固定ガイド板により水流が前記回転スクリュウのブレード面に対して直角方向に当たるように設けられ、前記回転スクリュウの回転筒部の直径は、前記水絞りドラムの下端部の直径よりも小さく設定され、前記水絞り部で絞られて流速が高められた水流が、前記回転筒部の外壁に直接当たらないように設定されていることを特徴とする水力発電装置。
前記水絞り部は、下方に向かって直径が小さくなった水絞り外筒と、この水絞り外筒内に同軸に設けられ下方に向かって直径が大きくなる水絞りドラムとから成る請求項１記載の水力発電装置。
前記回転スクリュウのブレードのリード角は、上流側よりも下流側の前記リード角が小さく設定されている請求項１，２又は３記載の水力発電装置。
前記回転スクリュウのブレードが曲面状に形成され、そのリード角は、上流側よりも下流側の前記リード角が連続的に小さく設定されている請求項５記載の水力発電装置。
前記回転スクリュウの巻き付け長さは、前記回転筒部に対して、巻き付け角にして１００〜２００度の範囲で取り付けられている請求項１，２又は３記載の水力発電装置。
前記回転スクリュウが設けられた下部水圧管の流路は、下方に向かうに従い狭くなっている請求項１，２又は３記載の水力発電装置。
前記取水胴には、設置される水路の落差に対応して設けられる高さ調節用導水管が、垂直方向に連結して取り付けられる請求項１，２又は３記載の水力発電装置。