JP6061151B2 - 水車を利用した水力発電構造物 - Google Patents

Description

本発明は土木技術分野に関し、詳しくは、水力発電のための構造物に関する。

海の潮力、河川の水力などは環境汚染の殆どない清浄エネルギー源であることから、これを効率的に活用するための研究が持続的に試みられて来た。

特に、河川の場合、所定方向に向かって持続的に水が流れることによって、水車（発電用プロペラ）を所定方向に回転させながら発電作業をすることができるので、海の潮力発電に比べて発電設備の製作及び運用が簡便であるという長所がある。

従来、河川の水力発電は、河川にダムを構築し、そのダムの落差によって発生する水の位置エネルギーを水車の運動エネルギーに変化する方式を使って来た。

しかし、このような従来の方式は、ダムを施工する手間と費用が掛かり、またダムの貯留部による水没地域が発生する等の問題が指摘されて来た。

本発明は上記のような問題点を解決するために導出されたもので、ダムを前提にしないながらも、河川の水力を効率的に電気エネルギーに変換することができるようにする水車を利用した水力発電構造物を提示することをその目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は水の流れの中の一部を阻んで発電用流路ａを形成するように設置された流路遮断部材２００と、鉛直方向に形成された回転軸１１０と、回転軸１１０を中心に放射状構造に設置された複数の回転羽根１２０と、を含む水車１００と、を含み、回転軸１１０の一側に形成される回転羽根１２０は流路遮断部材２００の下流側に位置し、回転軸１１０の他側に形成される回転羽根１２０は発電用流路ａに露出されるように位置し、流路遮断部材２００とともに発電用流路ａを形成するように、回転軸１１０の他側には流量増大部材３００が設置されることを特徴とする水力発電構造物を提示する。

流路遮断部材２００及び流量増大部材３００は、相互間隔が水車１００の設置位置に向かって漸進に狭くなるように設置されることが好ましい。

流路遮断部材２００及び流量増大部材３００は、内側に向かって突出した湾曲された構造であることが好ましい。

水車１００の他側には外側杭４００ａが設置され、流量増大部材３００は外側杭４００ａに設置されることが好ましい。

外側杭４００ａは、上流側及び下流側端部が尖っている流線形構造に形成されることが好ましい。

流路遮断部材２００は上流側端部が尖っている流線形構造に形成され、流量増大部材３００は一対が流路遮断部材２００の左右に設置され、流路遮断部材２００と一対の流量増大部材３００との間に形成された一対の発電用流路ａにはそれぞれ水車１００が設置されることが好ましい。

流路遮断部材２００の下流側端部は下流側を向けて凹まれるように湾曲された構造であることが好ましい。

外側杭４００ａは複数設置され、複数の外側杭４００ａの上部には地上から延長されたデッキ４１０が設置されることが好ましい。

デッキ４１０の上部には、回転軸１１０に連結された発電装置４２０が設置されることが好ましい。

水車１００の下部領域には堰ｂが形成されることが好ましい。

堰ｂは上流側傾斜が険しく、下流側傾斜が緩く形成されることが好ましい。

一対の流量増大部材３００の間には複数の流路遮断部材２００が設置され、複数の流路遮断部材２００の間には内側杭４００ｂが設置され、発電用流路ａは流路遮断部材２００と内側杭４００ｂとの間の領域及び流量増大部材３００と流路遮断部材２００との間の領域に形成され、複数の発電用流路ａにはそれぞれ水車１００が設置されることが好ましい。

内側杭４００ｂは、上流側及び下流側端部が尖っている流線形構造に形成されることが好ましい。

流路遮断部材２００は、流線形断面構造に形成された杭部２００ａと、水車１００の回転軸１１０の一側に形成された回転羽根１２０が収納されるように、杭部２００ａの一側または両側に形成された水車収納溝２０１と、を含むことが好ましい。

本発明はダムを前提にしないながらも、河川の水力を効率的に電気エネルギーに変換することができるようにする水車を利用した水力発電構造物を提示する。

図１〜図９は本発明の実施例を示したものである。
水力発電構造物の第１実施例の平面図である。 回転羽根の斜視図である。 回転羽根の縦断面図である。 水力発電構造物の第２実施例の平面図である。 水力発電構造物の第３実施例の平面図である。 水力発電構造物の第３実施例の正面図である。 水力発電構造物の第３実施例の側面図である。 水力発電構造物の第４実施例の平面図である。 水力発電構造物の第５実施例の平面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について詳しく説明する。

図１の以下に示すように、本発明による水力発電用水車１００は、大体鉛直方向に形成された回転軸１１０と、回転軸１１０を中心に放射状構造に設置された複数の回転羽根１２０と、を含んで構成される。

即ち、一般的な水車の回転軸が水平方向（水の流れ方向）に向かって形成されるに比べて、本発明による水車の場合には回転軸１１０が鉛直方向（水の流れ方向に対して垂直方向）に形成されることに特徴がある。

このような構成を有する場合、水平方向回転軸の構成を有する一般の水車に比べて、回転羽根１２０と水との接触面積を増大させることができ、これによって水力による発電効率を向上させることができるという効果を得ることができる。

しかし、このような構成は、回転羽根１２０の中の一部は水の流れによって正方向に駆動されるが、他の一部は水の流れに対して逆方向に駆動されるので、回転を妨害する虞があるという問題がある。

これを解決するためには、図１に示すように、流路遮断部材２００によって水の流れの中の一部を阻んで発電用流路ａを形成することによって逆方向回転による妨害を最小化することができる。

即ち、回転軸１１０の一側に形成された回転羽根１２０は流路遮断部材２００の下流側に位置させ、回転軸１１０の他側に形成された回転羽根１２０は発電用流路ａに露出されるように位置するように上記水車１００を設置する場合、鉛直方向回転軸１１０の構造を有しながらも水の流れによって水車１００が回転することができるようになる。

また、複数の回転羽根１２０の縦断面が所定方向に向かって湾曲するように形成された構造（発電用流路ａに露出される回転羽根１２０の縦断面が下流側に向かって突出された構造）を有する場合、発電用流路ａに露出される回転羽根１２０は水の抵抗を多く受け、反対側の回転羽根１２０は流線形になって水の抵抗を少なく受けるようになるので、円滑に回転することができるという効果がある（図１、２）。

回転羽根１２０の横断面の面積が外側端部に向かって漸進に減少するように形成されることが渦流の発生などを減らすことができるという側面で好ましい。

回転羽根１２０の内部に水の浸透が防止された中空部１２１が形成される場合、その中空部１２１に含有された空気の浮力によって、回転羽根１２０が軽くなり、それによって水力による水車１００の回転をさらに促進することができるという長所がある。

以下、上述した水力発電用水車１００を利用した水力発電構造物の実施例について説明する。

流路遮断部材２００とともに発電用流路ａを形成するように、回転軸１１０の他側に流量増大部材３００が設置される場合、水の流れを発電用流路ａに集中させて発電効率をさらに向上させることができる（図４）。

流路遮断部材２００及び流量増大部材３００は、相互間隔が水車１００の設置位置に向かって漸進に狭くなるように設置される場合、上述した効果をさらに大きく得ることができる（図４）。

このような流路遮断部材２００及び流量増大部材３００が内側に向かって突出した湾曲された構造を有する場合、発電用流路ａでさらに安定的な流量及び流速を増進することができる。

流量増大部材３００は、流路遮断部材２００に比べてより大きい規模を有することが好ましい。このためには水車１００の他側にまず外側杭４００ａを設置し、これを基礎として板状構造などの流量増大部材３００を設置することが施工の便宜性の面で好ましい。

流量増大部材３００の施工の基準になる外側杭４００ａは、一般的な円形断面の構造を有することもできるが、外側杭４００ａの上流側及び下流側端部が尖っている流線形構造に形成される場合、施工が簡便で、発電用流路で水の流れに対する妨害を最小化することができるという長所がある。

図５に示すように、流路遮断部材２００の上流側端部が尖っている流線形構造に形成され、流量増大部材３００は一対が流路遮断部材２００の左右に設置され、流路遮断部材２００と一対の流量増大部材３００との間に形成される一対の発電用流路ａにはそれぞれ水車１００が設置された構造を有する場合、効率的に一対の発電用流路ａを形成し、これらそれぞれに水車１００に設置することができるので、投資された手間及び費用に比べて発電効率をさらに向上させることができるという効果を得ることができる。

ここで、流路遮断部材２００の下流側端部は下流側に向かって凹まれるように湾曲された構造を有することが回転羽根１２０の逆方向駆動による水の抵抗を最小化することができるという面で好ましい。

複数の流量増大部材３００を設置するために、複数の外側杭４００ａを設置し、その複数の外側杭４００ａの上部に地上から延長されたデッキ４１０を設置する場合、水力発電構造物の施工及び維持管理が容易であるという長所がある（図６、７）。

このようなデッキ４１０の上部には回転軸１１０に連結された発電装置４２０を設置することが発電装置４２０の設置及び維持管理を容易にすることができるという面で有利である（図６、７）。

水車１００の下部領域には堰（ｗｅｉｒ）ｂが形成されることで、これを以上の水の流れの負荷が水車１０に集中されるようにすることが好ましい（図６、７）。

具体的に、堰ｂは上流側傾斜が険しく、下流側傾斜が緩く形成されることが最も効率的である。

さらに、図８に示すように、一対の流量増大部材３００の間には複数の流路遮断部材２００が設置され、複数の流路遮断部材２００の間には内側杭４００ｂが設置され、発電用流路ａは流路遮断部材２００と内側杭４００ｂとの間の領域及び流量増大部材３００と流路遮断部材２００との間の領域に形成され、複数の発電用流路ａにはそれぞれ水車１００が設置された構造を有する場合、投資された手間及び費用に比べて発電効率を向上させることができるという効果をさらに大きく得ることができる。

ここで、内側杭４００ｂも上述した外側杭４００ａと同様に上流側及び下流側端部が尖っている流線形構造に形成される場合、施工が簡便で、発電用流路で水の流れに対する妨害を最小化することができるという長所がある。

水力発電構造物の規模が小さい場合、流路遮断部材２００は流線形断面構造に形成された杭部２００ａと、水車１００の回転軸１１０の一側に形成された上記回転羽根１２０が収納されるように、杭部２００ａの一側または両側に形成された水車収納溝２０１と、を含む構造を有することができる（図９）。

このような流路遮断部材２００は、前述した杭４００ａ、４００ｂと事実上同じ方式によって施工されることができ、流路遮断部材２００を施工した後その水車収納溝２０１に水車１００を設置すれば良いので、簡単な施工によって経済的に小規模水力発電構造物を形成することができるという長所がある。

以上は本発明によって具現されることができる好ましい実施例の一部について説明したのに過ぎず、周知のように、本発明の範囲は上記の実施例に限定して解釈してはならないものであり、上記で説明された本発明の技術的思想は全部本発明の範囲に含まれるものと理解すべきである。

ａ：発電用流路
ｂ：堰
１００：水車
１１０：回転軸
１２１：中空部
２００：流路遮断部材
３００：流量増大部材
４００ａ：外側杭
４００ｂ：内側杭
４１０：デッキ
４２０：発電装置

Claims (14)

1. 水の流れの中の一部を阻んで発電用流路（ａ）を形成するように設置された流路遮断部材（２００）と、
   鉛直方向に形成された回転軸（１１０）と、前記回転軸（１１０）を中心に放射状構造に設置された複数の回転羽根（１２０）と、を含む水車（１００）と、を含み、
   前記回転軸（１１０）の一側に形成される前記回転羽根（１２０）は前記流路遮断部材（２００）の下流側に位置し、前記回転軸（１１０）の他側に形成される前記回転羽根（１２０）は前記発電用流路（ａ）に露出されるように位置し、
   前記流路遮断部材（２００）とともに前記発電用流路（ａ）を形成するように、前記回転軸（１１０）の前記他側には流量増大部材（３００）が設置されることを特徴とする水力発電構造物。
   
   
   
   
2. 前記流路遮断部材（２００）及び前記流量増大部材（３００）は、相互間隔が前記水車（１００）の設置位置に向かって漸進に狭くなるように設置されることを特徴とする請求項１に記載の水力発電構造物。
3. 前記流路遮断部材（２００）及び前記流量増大部材（３００）は、内側に向かって突出した湾曲された構造であることを特徴とする請求項２に記載の水力発電構造物。
4. 前記水車（１００）の他側には外側杭（４００ａ）が設置され、前記流量増大部材（３００）は前記外側杭（４００ａ）に設置されることを特徴とする請求項２に記載の水力発電構造物。
5. 前記外側杭（４００ａ）は、上流側及び下流側端部が尖っている流線形構造に形成されることを特徴とする請求項４に記載の水力発電構造物。
6. 前記流路遮断部材（２００）は上流側端部が尖っている流線形構造に形成され、
   前記流量増大部材（３００）は一対が前記流路遮断部材（２００）の左右に設置され、
   前記流路遮断部材（２００）と一対の流量増大部材（３００）との間に形成された一対の前記発電用流路（ａ）にはそれぞれ前記水車（１００）が設置されることを特徴とする請求項４に記載の水力発電構造物。
7. 前記流路遮断部材（２００）の下流側端部は下流側を向けて凹まれるように湾曲された構造であることを特徴とする請求項６に記載の水力発電構造物。
8. 前記外側杭（４００ａ）は複数設置され、
   前記複数の外側杭（４００ａ）の上部には地上で延長されたデッキ（４１０）が設置されることを特徴とする請求項６に記載の水力発電構造物。
9. 前記デッキ（４１０）の上部には、前記回転軸（１１０）に連結された発電装置（４２０）が設置されることを特徴とする請求項８に記載の水力発電構造物。
10. 前記水車（１００）の下部領域には堰（ｂ）が形成されることを特徴とする請求項８に記載の水力発電構造物。
11. 前記堰（ｂ）は上流側傾斜が険しく、下流側傾斜が緩く形成されることを特徴とする請求項１０に記載の水力発電構造物。
12. 前記一対の流量増大部材（３００）の間には複数の前記流路遮断部材（２００）が設置され、
    前記複数の流路遮断部材（２００）の間には内側杭（４００ｂ）が設置され、
    前記発電用流路（ａ）は前記流路遮断部材（２００）と内側杭（４００ｂ）との間の領域及び前記流量増大部材（３００）と流路遮断部材（２００）との間の領域に形成され、 前記複数の発電用流路（ａ）にはそれぞれ前記水車（１００）が設置されることを特徴とする請求項６に記載の水力発電構造物。
13. 前記内側杭（４００ｂ）は、上流側及び下流側端部が尖っている流線形構造に形成されることを特徴とする請求項１２に記載の水力発電構造物。
14. 前記流路遮断部材（２００）は、
    流線形断面構造に形成された杭部（２００ａ）と、
    前記水車（１００）の回転軸（１１０）の一側に形成された前記回転羽根（１２０）が収納されるように、前記杭部（２００ａ）の一側または両側に形成された水車収納溝（２０１）と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の水力発電構造物。

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