JP5804884B2 - 水力発電装置用導水装置 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電装置用導水装置に関する。特に、水路の段差から落下される水の位置エネルギーを利用して、発電用水車を回転させることにより電気エネルギーに変換する水力発電装置用の導水装置の構造に関する。

小規模の電力を供給する水力発電所では、例えば、クロスフロー水車と呼ばれる発電用水車を使用している。クロスフロー水車は、入口管から流入され、ガイドベーンで流量が調整された水がケーシングで覆われたランナ（羽根車）の回転軸と交差する方向から流入されて、ランナを回転させることにより、回転軸に連結された発電機を駆動している。

クロスフロー水車は、流水がランナの上部から中心部へと流れ、中心部からランナの下部を通過して外部へと流れ落ちる構造となっている。クロスフロー水車は、ランナの上部と下部で回転させる力が２回作用するので、比較的効率がよく、流量の変動に伴う効率の変化も少ないことから、小規模の発電に適している、とされている。

一方、小規模の水力発電所で使用されるクロスフロー水車は、ケーシングで覆われているため、流水中の異物が溜まり易いという短所がある。又、整備や清掃のために、大規模な分解を必要とするため、保守費用が嵩むという短所がある。

こうしたことから、エネルギーの変換効率ではケーシング形の水車に劣るが、ケーシングを有しない開放型のクロスフロー水車を利用した水力発電装置が出現してきている。なお、開放型のクロスフロー水車が見直されている背景には、低速回転でも有効な電圧を確保できる発電機が開発されてきたことがある。

開放型のクロスフロー水車を利用した水力発電装置としては、水深が１０ｃｍから２０ｃｍと浅く小水量の河川、又は農業用水路及び都市下水路を活用でき、増水時に押し流されるなどの事故を防止できる水力発電装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１による水力発電装置は、水平軸を有するクロスフロー水車と、水路の両翼に設置された一対の固定架台と、これらの固定架台の上部に回転自在に支持され、水平軸と平行に配置された回転軸と、一端部が回転軸に固定され、他端部が水平軸に連結するスイングアームと、を備え、水路の流水量に対応してクロスフロー水車がスイングすることで、発電量を調整し電力負荷の変動に対応できる、としている。

又、開放型のクロスフロー水車を利用した水力発電装置としては、水量の増減に係わらず回転可能であり、浮遊ごみの障害を受けない、上方が開放された水路の段差部に設置された水力発電装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２による水力発電装置は、水路の段差部の上流側に設置された架台と、水路の段差部の壁面に近接配置されたクロスフロー水車と、架台とクロスフロー水車を連結する駆動機構と、備え、駆動機構に設けたハンドルを回転すると、クロスフロー水車を上下動でき、又は、クロスフロー水車を取り外すこともできる、としている。

特開２００９−１２７４２７号公報 特開２００６−５２６９１号公報

特許文献１による水力発電装置は、水路の流水量に対応して、発電量を調整し電力負荷の変動を抑制できるという利点はあるが、水路を流れる流量エネルギーを利用しているだけであり、水路の段差から落下される水の位置エネルギーを利用した、特許文献２による水力発電装置と比べて、エネルギーの利用効率が劣るという問題がある。

一方、特許文献２による水力発電装置は、特許文献１による水力発電装置と比べて、エネルギーの利用効率に優れているが、水路の段差部の上流側から水が流れている間は、発電機を含めた水車を保守・点検することが困難であると、いう問題がある。

特許文献２による水力発電装置は、発電機を含めた発電用水車を保守・点検するためには、上流側水路の水を下流側水路に迂回させるか、発電機を含めた発電用水車を架台から取り外す必要があり、保守性が劣るという問題がある。上流側水路の水を下流側水路に迂回させることなく、発電機を含めた発電用水車を保守・点検できる水力発電装置が求められている。そして、以上のことが本発明の課題といってよい。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、上流側水路の水を下流側水路に迂回させることなく、発電機を含めた発電用水車を保守・点検できる水力発電装置用導水装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上流側水路と下流側水路の間に段差を有する水路の下流側に配置される架台の下部に回転自在に支持された発電用水車に導水する水力発電装置において、架台に連結して、前記上流側水路からの流水を導水し、前記下流側水路に落下する流水で前記発電用水車を回転可能な樋状の導水装置本体を有する導水装置を備え、上流側水路からの流水を導水装置が導水可能な導水状態と、上流側水路からの流水を導水装置が導水することなく下流側水路に落下させる放水状態と、に変更可能に導水装置本体を構成することにより、これらの課題が解決できると考え、これに基づいて、以下のような新たな水力発電装置用導水装を発明するに至った。

（１）本発明による水力発電装置用導水装置は、上流側水路と下流側水路の間に段差を有する水路の下流側に配置される架台の下部に回転自在に支持された発電用水車に導水する水力発電装置用導水装置であって、前記架台に連結して、前記上流側水路からの流水を導水し、前記下流側水路に落下する流水で前記発電用水車を回転可能な樋状の導水装置本体を備え、前記導水装置本体は、前記上流側水路からの流水を導水する導水状態と、前記上流側水路からの流水を導水することなく、前記下流側水路に放水させる放水状態と、に変更可能に配置されている。

（２）前記導水装置本体は、前記上流側水路から離隔するように、前記水路の下流側に向かって移動自在に前記架台に連結していることが好ましい。

（３）前記発電用水車は、羽根車の周囲が開放された上掛け式のクロスフロー水車であることが好ましい。

（４）前記架台には、前記発電用水車からの回転が伝動される発電機が配置されていることが好ましい。

本発明による水力発電装置用導水装置は、上流側水路からの流水を導水する導水状態と、上流側水路からの流水を導水することなく、下流側水路に放水させる放水状態と、に変更可能に配置された樋状の導水装置本体を備えているので、導水装置本体が導水状態では、上流側水路からの流水を導水して発電用水車を回転できる。一方、導水装置本体が放水状態では、上流側水路の水を下流側水路に迂回させることなく、発電機を含めた発電用水車を容易に保守・点検できる。

本発明の一実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す斜視図である。 前記実施形態による水力発電装置用導水装置に備わる導水装置本体を支持する支持フレームの斜視図であり、支持フレームの一部の構成を斜視分解図で示している。 前記実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す平面図である。 前記実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す正面図である。 前記実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す左面図であり、上流側水路からの流水を導水装置本体が導水している状態図である。 前記実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す左面図であり、上流側水路からの流水を導水装置本体が導水することなく、下流側水路に放水させている状態図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
［水力発電装置用導水装置の構成］
最初に、本発明の一実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を説明する。図１は、本発明の一実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す斜視図である。図２は、前記実施形態による水力発電装置用導水装置に備わる導水装置本体を支持する支持フレームの斜視図であり、支持フレームの一部の構成を斜視分解図で示している。

図３は、前記実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す平面図である。図４は、前記実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す正面図である。図５は、前記実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す左面図であり、上流側水路からの流水を導水装置本体が導水している状態図である。

（全体構成）
図１及び図３から図５を参照すると、本発明の一実施形態による水力発電装置１０は、鉄骨で骨組みされた架台１、水力発電装置用導水装置（以下、導水装置と略称する）２、及び発電用水車３を備えている。架台１は、上流側水路ＵＳと下流側水路ＤＳの間に段差Ｄｆを有する水路の下流側に配置されている。

図１及び図３から図５を参照すると、導水装置２は、架台１に連結している。又、導水装置２は、上流側水路ＵＳからの流水を導水できる。発電用水車３は、架台１の下部に支持されている。発電用水車３は、導水装置２から落下する流水によって回転できる。又、架台１の下部には、発電機４を取り付けている（図４又は図５参照）。発電機４は、発電用水車３からの回転が伝動されて発電できる。

（架台の構成）
図１及び図３から図５を参照すると、下流側水路ＤＳは、方形状に突出し、略平行に延びる一対のコンクリート堤９１・９１を上部の両翼に設置している。架台１は、これらのコンクリート堤９１・９１に懸架されるように、設置されている。

図１及び図３から図５を参照すると、架台１は、上部フレーム１１、一組の対向する吊り下げフレーム１２・１３、及び一対一組（４つ）の補強フレーム１４で構成している。上部フレーム１１は、一対のコンクリート堤９１・９１に跨るように配置されている。一組の吊り下げフレーム１２・１３は、上端部が上部フレーム１１にねじで固定され、下部に発電用水車３を支持している。補強フレーム１４は、一端部が上部フレーム１１に固定され、他端部が一組の吊り下げフレーム１２・１３に固定されている。

（上部フレームの構成）
図１及び図３から図５を参照すると、上部フレーム１１は、一対のＣ形のチャンネル部材１１ａ・１１ａ、一対のＣ形のチャンネル部材１１ｂ・１１ｂ、複数の台座１１ｃ、及び一対のアングル部材１１ｄ・１１ｄで構成している。

図１及び図３から図５を参照すると、一対のチャンネル部材１１ａ・１１ａは、一対のコンクリート堤９１・９１の長手方向に沿って配置されている。一対のチャンネル部材１１ｂ・１１ｂは、これらの両端部が一対のチャンネル部材１１ａ・１１ａの中間部に溶接で接合され、井桁状に組まれている。

図１及び図３から図５を参照すると、複数の台座１１ｃは、適宜な間隔を設けて、一対のチャンネル部材１１ａ・１１ａの底面に溶接で接合されている。台座１１ｃには、コンクリート堤９１の上面に当接可能なボルト１１ｆを取り付けている。そして、ボルト１１ｆのねじ込み量を調整することにより、一対のコンクリート堤９１・９１に対する架台１の姿勢を調整できる。

図１及び図３から図５を参照すると、台座１１ｃには、更に、高さ調整可能なブラケット１１ｅを取り付けている。複数のブラケット１１ｅを一対のコンクリート堤９１・９１にねじ止めすることにより、上部フレーム１１を一対のコンクリート堤９１・９１に固定できる。なお、図１は、一部の台座１１ｃ及びブラケット１１ｅの図示を省略している。

図１及び図３から図５を参照すると、一対のアングル部材１１ｄ・１１ｄは、一対のチャンネル部材１１ｂ・１１ｂの間に配置されている。一対のアングル部材１１ｄ・１１ｄは、それらの両端面が一対のチャンネル部材１１ｂ・１１ｂに溶接で接合されている。そして、一対のアングル部材１１ｄ・１１ｄには、一組の吊り下げフレーム１２・１３の上端部がねじ止めで固定されている。

（一組の吊り下げフレームの構成）

図１及び図３から図５を参照すると、一組の吊り下げフレーム１２・１３は、水平状態に配置された一対のアングル部材１５・１５を中間部に溶接で接合している。これらのアングル部材１５・１５には、それらの一片に合成樹脂からなる帯状のスライド板１５ａを取り付けている。これらのアングル部材１５・１５は、導水装置２の底面を両側から支持している。そして、導水装置２は、一対のスライド板１５ａ・１５ａを滑動して、上流側水路ＵＳから離隔するように、水路の下流側に向かって移動できる（図６参照）。なお、一対のスライド板１５ａ・１５ａに複数のローラを取り付けて、導水装置２を滑動自在に移動できるように構成してもよい。

図４又は図５を参照すると、一組の吊り下げフレーム１２・１３の下部には、発電用水車３を取り付けている。又、一方の吊り下げフレーム１２の下部には、発電機４を取り付けている。なお、発電用水車３及び発電機４の構成は、後述する。

（水力発電装置用導水装置の構成）

図１及び図３から図５を参照すると、導水装置２は、導水装置本体２１、一対の側壁フレーム２２・２２、一対のＣ形チャンネル状の支持アーム２３・２３、及び支持フレーム２４で構成している。又、図２を参照すると、支持フレーム２４は、一対のローラ２４ｒ・２４ｒを両端部に備えている。

図１及び図３から図５を参照すると、導水装置本体２１は、所定の厚さを有する帯状の展開板が成形されて、方形の樋状の導水路２０を形成している。導水装置本体２１は、導水路２０の底壁２１ｃが水路の下流側に向かって下り傾斜するように配置されている。又、導水装置本体２１は、導水路２０を構成する一対の側壁２１ａ・２１ｂを有している。一対の側壁２１ａ・２１ｂは、上流側水路ＵＳから所定の流量が確保できる高さを有している。

図１及び図３から図５を参照すると、側壁フレーム２２は、隣接し合う側辺が袋状に折り曲げられ、所定の厚さを有する板金が成形されたモノコック構造に形成されている。そして、一対の側壁フレーム２２・２２は、それらの長辺が底壁２１ｃと所定の傾斜角度を確保するように、一対の側壁２１ａ・２１ｂに溶接で接合されている。つまり、導水装置本体２１と一対の側壁フレーム２２・２２は、一体となって移動できる。

図５を参照すると、一対の側壁フレーム２２・２２の長辺は、水平状態に配置されている。図４を参照すると、一対の側壁フレーム２２・２２は、スライド板１５ａを介して、一対のアングル部材１５・１５に支持されている。後述するように、上流側水路ＵＳとの接続を解除することにより、導水装置２を図５に示した状態から図６に示した状態に平行移動できる。

（支持フレームの構成）
図１から図３及び図５を参照すると、方形状に突出し、略平行に延びる一対のコンクリート堤８１・８１を上流側水路ＵＳから下流側水路ＤＳに向けて、水路の上部の両翼に設置している。支持フレーム２４は、一対のコンクリート堤８１・８１に跨るように配置されている。なお、一対のコンクリート堤８１・８１は、段差を設けて、一対のコンクリート堤９１・９１と一体に設置してもよく、別体で設置してもよい。

図２を参照すると、支持フレーム２４は、Ｃ形のチャンネル部材２４ａで構成されている。チャンネル部材２４ａは、一組のアングル部材２４ｂ・２４ｂを介して、一対のローラ２４ｒ・２４ｒを両端部の底面に取り付けている。

図２を参照すると、ローラ２４ｒは、中心部にベアリングを装着している。このベアリングにローラピン２４ｐが挿入されると共に、ローラピン２４ｐの両端部が一組のアングル部材２４ｂ・２４ｂに回転可能に支持されている。又、ローラピン２４ｐの両端部には、抜け止め用のピン２４ｑが圧入されている。そして、一対のローラ２４ｒ・２４ｒは、一対のコンクリート堤８１・８１上を転動できる。

図１を参照すると、支持フレーム２４は、一組の平板曲げ部材２４ｃ・２４ｃを中央部に溶接で固定している。一組の平板曲げ部材２４ｃ・２４ｃの一片は、下流側水路ＤＳに向かって突出しており、一対の支持アーム２３・２３の上端部がねじ止めされている（図５参照）。

一方、図１又は図５を参照すると、一対の支持アーム２３・２３の下端部は、導水路２０を構成する一対の側壁２１ａ・２１ｂがねじ止めされている。そして、導水装置本体２１は、一対の支持アーム２３・２３及び支持フレーム２４を一体にして移動できる。

このように、図１又は図５を参照すると、導水装置２は、その前部（上流側水路ＵＳ側）が一対の支持アーム２３・２３及び支持フレーム２４で一対のコンクリート堤８１・８１に懸架されると共に、その後部（下流側水路ＤＳ側）が架台１に設けた一対のアングル部材１５・１５で支持されている（図４参照）。

図２又は図３を参照すると、一対のコンクリート堤８１・８１には、それらの上面に固定ブラケット８２をそれぞれ固定している。固定ブラケット８２は、その立設片８２ａに切り欠き穴８２ｈを設けている（図２参照）。

一方、図２を参照すると、支持フレーム２４は、固定ブラケット８２に向かって突出した一対のボルト部材２４ｄ・２４ｄを両端部に保持している。なお、図２では、一方のボルト部材２４ｄのみを図示している。そして、一対のボルト部材２４ｄ・２４ｄが固定ブラケット８２の切り欠き穴８２ｈに挿入されると共に、ボルト部材２４ｄにナット（図示せず）を締結することにより、支持フレーム２４の移動が阻止される。つまり、導水装置２が下流側に平行移動することが阻止される（図６参照）。

（発電用水車の構成）
図１及び図３から図５を参照すると、発電用水車３は、一対の両翼円板３ａ・３ａ、中央円板３ｂ、複数の羽根３ｃ、及び回転軸３ｄで構成している。一対の両翼円板３ａ・３ａ及び中央円板３ｂは、所定の間隔を設けた配置されると共に、それらの中心部に回転軸３ｄを固定している。

図１及び図３から図５を参照すると、複数の羽根３ｃは、それらの両端縁が両翼円板３ａ及び中央円板３ｂに溶接で接合されていると共に、回転軸３ｄの中心から外方に向かって放射状に配置されている。

図１及び図３から図５を参照すると、回転軸３ｄの両端部は、一組の吊り下げフレーム１２・１３の下部に回転自在に支持されている。導水装置本体２１から流水が落下すると、発電用水車３を回転できる。

このように、実施形態による発電用水車３は、羽根車の周囲が開放された上掛け式のクロスフロー水車であり、前述したように、内部に空洞を有するので、比較的効率がよく、流量の変動に伴う効率の変化も少ないことから、小規模の発電に適している。

（発電機の構成）
図４又は図５を参照すると、回転軸３ｄは、大きい半径を有するスプロケット５ａを一方の端部に固定している。一方、発電機４は、その回転軸に小さい半径を有するスプロケット５ｂを固定している。これらのスプロケット５ａ・５ｂには、チェーン５ｃが巻き掛けされている。そして、発電機４は、発電用水車３からの回転が伝動されて発電できる。なお、スプロケット５ａ・５ｂ及びチェーン５ｃは、巻掛伝動装置５を構成している。又、巻掛伝動装置５を用いることなく、発電用水車３の回転軸３ｄを発電機４に直結してもよい。

図４又は図５を参照すると、発電機４及び巻掛伝動装置５は、箱状のカバー５０で覆われており、防水対策が施されている。

［水力発電装置用導水装置の作用］
次に、実施形態による導水装置２の作用及び効果を説明する。図６は、前記実施形態による水力発電装置用導水装置の構成を示す左面図であり、上流側水路からの流水を導水装置本体が導水することなく、下流側水路に放水させている状態図である。

図１及び図３から図５を参照すると、通常は、導水装置２の前部が上流側水路ＵＳに接続しており、上流側水路ＵＳからの流水を導水して、発電用水車３を回転できる。一方、発電機４を含めた発電用水車３を保守・点検する場合は、発電用水車３が停止していることが好ましい。そして、発電用水車３を停止する手順を以下に説明する。

最初に、図２を参照して、ボルト部材２４ｄに締結されたナット（図示せず）をボルト部材２４ｄから取り外すことにより、一対の固定ブラケット８２・８２と支持フレーム２４の結合を解除できる。

次に、導水装置２を下流側に移動させる。この場合、図５又は図６に示されるように、支持フレーム２４に設けた一対のローラ２４ｒ・２４ｒが一対のコンクリート堤８１・８１上を転動すると共に、図４に示されるように、導水装置２の底面が一対のスライド板１５ａ・１５ａを滑動するので、導水装置２の移動が容易である。

図６に示された状態まで導水装置２を下流側に移動させると、導水装置２は、上流側水路ＵＳからの流水を導水することなく、上流側水路ＵＳからの流水を下流側水路ＤＳに放水させる。これにより、発電用水車３を停止できるので、発電機４を含めた発電用水車３を容易に保守・点検できる。

このように、実施形態による導水装置２は、上流側水路ＵＳからの流水を導水する導水状態と、上流側水路ＵＳからの流水を導水することなく、下流側水路ＤＳに放水させる放水状態に変更可能に配置された樋状の導水装置本体２１を備えているので、導水装置本体２１が導水状態では、上流側水路ＵＳからの流水を導水して発電用水車３を回転できる。一方、放水状態では、上流側水路ＵＳの水を下流側水路ＤＳに迂回させることなく、発電機４を含めた発電用水車３を容易に保守・点検できる。

又、実施形態による発電用水車３は、羽根車の周囲が開放された上掛け式のクロスフロー水車を用いているので、比較的効率がよく、流量の変動に伴う効率の変化も少ないことから、小規模の発電に適している。更に、実施形態による発電用水車３は、ケーシングで覆われていないので、流水中の異物が溜まり難いという長所がある。又、整備や清掃のために、大規模な分解を必要とせず、保守費用が低減できるという利点がある。

本発明は、上流側水路と下流側水路の間に段差を有する水路に設置される、好適な水力発電装置用導水装置を開示したが、この場合、水路は、農業用水路であってもよく、コンクリートで囲われた小さな河川であってもよく、上流側水路は暗渠であってもよい。

又、本発明は、発電機を含めた発電用水車が容易に保守・点検できる水力発電装置用導水装置を開示したが、異常増水が予測される場合は、導水装置を下流側に移動して、上流側水路からの流水を下流側水路に放水させておくと、水力発電装置の損出を防止できる。

実施形態による水力発電装置は、小規模の電力を供給する水力発電所と比べて発電能力に劣る点は否めないが、水路の多い我国でにあっては、実施形態による水力発電装置を多数、設置することによって、クリーンな電気エネルギーを供給することに貢献できる。

１ 架台
２ 導水装置（水力発電装置用導水装置）
３ 発電用水車
１０ 水力発電装置
２１ 導水装置本体
ＤＳ 下流側水路
Ｄｆ 段差
ＵＳ 上流側水路

Claims (4)

1. 上流側水路と下流側水路の間に段差を有する水路の下流側に配置される架台の下部に回転自在に支持された発電用水車に導水する水力発電装置用導水装置であって、
   前記架台に連結して、前記上流側水路からの流水を導水し、前記下流側水路に落下する流水で前記発電用水車を回転可能な樋状の導水装置本体を備え、
   前記導水装置本体は、前記上流側水路からの流水を導水する導水状態と、前記上流側水路からの流水を導水することなく、前記下流側水路に放水させる放水状態と、に変更可能に配置されている水力発電装置用導水装置。
2. 前記導水装置本体は、前記上流側水路から離隔するように、前記水路の下流側に向かって移動自在に前記架台に連結している請求項１記載の水力発電装置用導水装置。
3. 前記発電用水車は、羽根車の周囲が開放された上掛け式のクロスフロー水車である請求項１又は２記載の水力発電装置用導水装置。
4. 前記架台には、前記発電用水車からの回転が伝動される発電機が配置されている請求項１から３のいずれかに記載の水力発電装置用導水装置。

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