JP6061180B2 - 下掛け水車用の羽根車および下掛け水車 - Google Patents

Description

本発明は、下掛け水車用の羽根車および下掛け水車に関する。

近年、自然エネルギが注目されており、特に、昼夜、年間を通じて安定した発電が可能であり、設備利用率が５０〜９０％と高く、太陽光発電と比較して５〜８倍の電力量を発電可能であり、出力変動が少なく、系統安定、電力品質に影響を与えない、太陽光発電と比較して設置面積が小さい等の観点から、環境配慮型の発電として小水力発電が注目されている（非特許文献１）。

小水力発電の規模は。世界的には各国統一されていないが、概ね「１０，０００ｋＷ以下」であるといわれている。さらに別の区分では１０００ｋｗ以下の発電をミニ水力発電とよび１００ｋｗ以下の発電をマイクロ水力発電と呼ぶこともある。

発電方式の分類では、小水力発電は、「流れ込み式」、または「水路式」となり、大規模ダム（貯水池式）、中規模ダム（調整池式）ではなく、河川の水を貯めること無く、そのまま利用する発電方式であり、一般河川、農業用水、砂防ダム、上下水道など、現在無駄に捨てられているエネルギを有効利用する発電である。

このような水力発電として、特許文献１および特許文献２には、下掛け水車を用いた発電形式が採用されている。

すなわち、特許文献１では、流量の少ない水路における発電効率を高めることを目的とした従来の下掛け水車装置として、特許文献１記載の発電用水車を例示する。この水車は、図１４に示すように、用水路を流れる水１０１に下方の一部が浸るように立てて配置され、同一の方向に回転可能に配置された１対の水車１１０、１２０と、水車１１０、１２０に連接されて無端軌道をなし、水車１１０、１２０を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材１３０と、動力伝達部材１３０に固定され、用水路を流れる水１０１の動力を受けて無端軌道の周りに回転する複数の水流受部１４０と、上方に位置する動力伝達部材１３０及び水流受部１４０を支持する支持部材と、を備えた構成を有する。

また、特許文献２では、流量の少ない水流の水力エネルギを有効活用することができるとともに、水流の淀みの発生を低減することができるようにすることを目的として、図１５に示す通り水路の横断方向かつ水平方向に延びる軸周りに回転自在に支持される回転体１１と、互いに間隔をおいて回転体２１１の軸方向の両側にそれぞれ設けられた一対のブレード２１２とを備えている下掛け水車用の羽根車２０２が開示されている。特許文献２において、各ブレード２１２は、互いに間隔をおいて回転体１１の周方向へ列設されるとともに、該回転体２１１の略半径方向に突設された複数の羽根１３を備えており、各羽根２１３は、回転体２１１の略最下位に位置した状態で、水路２１０の上流側の面が、回転体２１１の軸方向中央側になるほど、下流側に位置するように配設されている。

特許第３９９３２２０号公報 特開２００９−１７４４８０号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２の発電方式では、１０ｋｗの発電を目的としたものであり（小出力発電）、これらの装置を数１０ｋｗから数１００ｋｗの出力を行う装置とすることは非常に困難である。

さらに、特許文献２に記載の水車は、受水能力が低く、同一の水量・流速で十分な受水量を確保することができない。また、特許文献２に記載の水車をスケールアップしても従来の下掛け水車の製造コストよりも高くなり、また、現場で搬送するのも困難である。そのため数１０ｋｗから数１００ｋｗ規模の発電効率の高い、安価な発電可能な下掛け水車用の羽根車およびこれを用いた下掛け水車に対する要望がある。

したがって、本発明の課題は、小水力発電に適用可能なエネルギ変換効率の高い下掛け水車用の羽根車を提供することである。

本発明の他の課題は、このような下掛け水車用の羽根車を用いた下掛け水車を提供することである。

本発明は、上記課題に鑑みて創作されたものであり、下記項目に関するものである。
１ 水路の横断方向かつ水平方向に延びる軸周りに回転自在に支持される回転体と、
前記回転体の回転表面に設けられた複数対のブレードと、を備えた下掛け水車用の羽根車であって、
前記複数対のブレードは、前記回転体の水路の縦断面方向中心から外周面に亘って設けられ、前記水路から流れる水流を中心方向から外側方向へと変えなおかつ前記水路から流れる流速が速くなるに従って前記羽根車の沈み込み量が大きくなるような位相角度を有していることを特徴とする下掛け水車用の羽根車。

２ 前記羽根車の水に対する比重が０．０５から０．２であることを特徴とする１に記載の下掛け水車用の羽根車。

３ 前記複数対のブレードは５から２０度の位相角度を有することを特徴とする１または２に記載の下掛け用水車の羽根車。

４ 前記下掛け用水車は、前記回転体と、前記水路の縦断方向に複数に分割されたブレード部と、前記回転体の両外側面に設けられ、前記回転体の軸側から前記複数に分割されたブレード部側に延び前記回転体と前記複数のブレード部を挟持する挟持部材と、
前記複数に分割された各ブレード部を貫通させて前記両側の挟持部材を固定する固定手段と、
から構成されることを特徴とする１から３のいずれか１項に記載の下掛け水車用の羽根車。

５ 前記水路の縦断方向に複数に分割されたブレード部は、さらに前記水路の横断方向の中心で２分割されていることを特徴とする４に記載の下掛け水車用の羽根車。

６ 前記羽根車のブレードまたはブレードおよび回転体が発泡樹脂で構成されていることを特徴とする１から５のいずれか１項に記載の下掛け水車用の羽根車。

７ １から６のいずれか１項に記載の下掛け水車用の羽根車と、
前記羽根車を水路の横断方向かつ水平方向に回転自在に支持するリフタと、を備えた下掛け水車。

８ 前記リフタが、前記水路の両側の流れ方向に配置する１対の下部フレームと、前記１対の下部フレームの水路上流側に設けられ、前記１対のフレームを前記水路の幅方向で接続する固定フレームと、前記固定フレームから水路の流れ方向に延長され、前記水車の回転軸を垂直方向に移動可能に固定する二本の平行なフレームと、前記二本の平行なフレームの下流側の端部と接続された前記水車の回転軸とから構成されることを特徴とする７に記載の下掛け水車。

９ 前記固定フレームの一端の下部フレーム側は前記水車の回転軸からの回転力を増速するプーリーが固定され、前記固定フレームは、前記水車の回転に伴い回転自在に設けられていることを特徴とする８に記載の下掛け水車。

１１ 水車は、さらに外側面に内側から外側への流れを変更する羽根車が接続されていることを特徴する７から９のいずれか１項に記載の水車。

本発明によると、水路から流れる水の流速に応じて羽根車が高い効率で受水することが可能である。したがって、同じ流量・流速で同一サイズの羽根車と比較して高いエネルギを出力することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る下掛け水車用羽根車の一例を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る下掛け水車用図１に示す羽根車のブレードの位相角度を示す図面である。 （ａ）、（ｂ）は図１に示す本発明の第１実施形態に係る下掛け水車用羽根車の沈み込みを示す図面である。 図１に示す本発明の第１実施形態に係る下掛け水車用にかかる力を示す図面である。 （ａ）、（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る下掛け水車用の羽根車に適用する支持体を示す図面である。 （ａ）から（ｅ）は本発明の第１実施形態に係る下掛け水車用の羽根車の分解・組み立てを示す図面である。 本発明の第１実施形態に係る下掛け水車用羽根車の別の一例を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る下掛け水車の一例を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は図８に示す下掛け水車用のリフタの一例を示す図面である。 図８に示す下掛け水車の適用の一例を示す図面である。 図８に示す下掛け水車の適用の別の一例を示す図面である。 図７に示す羽根車を適用した下掛け水車の一例を示す図面である。 実施例で使用した羽根車を示す図面である。 従来技術の下掛け水車の一例を示す図面である。 従来技術の下掛け水車の一例を示す図面である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
まず、図１から図７に基づいて本発明の下掛け水車用の羽根車の説明をする。

図１に示す通り本発明の下掛け水車用の羽根車（以下、羽根車という）は、水路の横断方向かつ水平方向に延びる回転軸２の軸周りに回転自在に支持される回転体１と、回転体１の回転表面に設けられた複数対のブレード３Ａ（Ｒ，Ｌ）、３Ｂ（Ｒ，Ｌ）、３Ｃ（Ｒ，Ｌ）・・・を有する下掛け水車用の羽根車である。なお、本発明において、ブレードの枚数は、特に限定されるものではないが、好ましくは５から２０対、より好ましくは７から１５対のブレードが設けられる。

前記複数対のブレードは、回転体１の水路の縦断面方向中心から外周面に亘って設けられており、図１に示す通り水路から流れる水流を中心方向から外側方向へと変え、なおかつ水路から流れる流速が速くなるに従って前記羽根車の沈み込み量が大きくなるような位相角度を有している。

なお、本明細書において使用する用語位相角度とは、図２に示すように、回転体１の回転表面の幅方向（水路の縦断方向）に対する角度であり、羽根車を設置した際に上流側をプラスとし下流側をマイナスとした角度である。本発明においては、位相角度は、ブレードの枚数、羽根車全体のサイズなどに応じて適宜変化可能であるが一般には、５度から２０度である。

また、各対のブレード３Ａ，Ｂ、Ｃ・・（Ｒ，Ｌ）は、特許文献２の羽根群とは異なり回転体１の回転面幅方向に空間を設けていないことが特徴とである。このように、各対のブレード３Ａ，Ｂ、Ｃ・・（Ｒ，Ｌ）を特定することにより、本発明の羽根車において、水路上流から流れる水の流速が増加するのにしたがって沈み込み量Ｘが増加するようにブレードの位相角度が設定されている。

なお、本明細書において沈み込み量とは、羽根車が水中に水没した量（体積）を言う。この沈み込み量が増加するのにしたがって、羽根車の水の捕捉量、すなわち受水量が大きくなる。すなわち、沈み込み量が増加するのにしたがって流水のエネルギ捕捉量が増加する。

すなわち、本発明の羽根車は、羽根車の沈み込みによって図４に示すような慣性力（浮力）と逆の方向に力が加わるので、驚くべき効率で水車効率が増加するものと考えられる。

上記要件に加えて、本発明の羽根車の効率を上げる要因として羽根車全体の比重が挙げられる。本発明の羽根車において、羽根車の水に対する比重は、０．０５から０．２、好ましくは０．０５から０．１５である。このような比重を実現するために、本発明では、回転体１およびブレードを各々発泡樹脂で構成し、必要に応じて当該樹脂をコーティングすることが好ましい。特に、好ましい発泡樹脂として日本合成化学工業株式会社からからエフレタンの商品名で販売されているエフレタンが好ましい。

また、本発明の羽根車の効率を上げる他の要因として、ブレード３の外側面にアール部３ａを設けることが好ましい。図５に示すようにブレードの側面にアール部３ａを持たせることにより水の捕捉能力が増加する。このアール部３ａは、金属製、例えば鋼板やステンレス鋼板やなどの素材を用いるのが一般であり、ブレード３を保護する作用も有している。

このように構成した本発明の羽根車は、体積あたりの水の捕捉量（受水量）が流速に増加するので、同一条件で従来技術の羽根車と比較してエネルギ変換効率が非常に高い。そのため小水力発電用の水車に好適に適用可能である。

なお、以上本発明の羽根車について説明したが本発明の羽根車は、上記の説明に限定されるもではない。例えば、図６に示す通り、本発明の羽根車を分割して構成して現場で組み立て可能な構成にすることも可能である。

図６（ａ）に示す実施形態では、下掛け用水車の羽根車１０は、回転体１と、水路の縦断方向に複数に分割されたブレード部３’（図６（ｂ）参照）と、前記回転体の両外側面に設けられ、回転体１の軸２側から複数に分割されたブレード部３’側に延び回転体１と複数のブレード部３’を挟持する挟持部材４（図６（ｃ）参照）と、複数に分割された各ブレード部３’を貫通させて前記両側の挟持部材４を固定する図示しない固定手段、例えば貫通ボルトとから構成されている。

このように構成することによって、現地の据付のための輸送時は分割し、現地で組み立てることが可能となる。また、メンテナンス時である一対のブレードが破損した場合、当該破損したブレードを含むブレード部を交換することにより対応可能である。なお、図６（ａ）、（ｂ）に示す実施形態では、縦断方向に羽根車を分割したが、さらに、図６（ｄ）、（ｅ）に示す通りブレード部を横断方向に２分割することも可能である。

また、本発明の別の好ましい実施形態によると、図７に示す通り、本発明の羽根車１０は、羽根車１０の両側面にさらに他の羽根車１０’、１０”を設けて構成することも可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る下掛け水車を図８から図１２に基づいて説明する。
図８および図９に示す通り、本発明の下掛け水車は、図１から図６に記載の羽根車１０とリフタ２０とから構成されている。

本発明に適用可能なリフタ２０は、本発明の目的・効果を奏する限り特に限定されるものではないが、図９に示すようなリフタがリフタの構成が容易でありなおかつ本発明の下掛け用水車の羽根車の沈み込みに追従できる点で好ましい。

すなわち、図９に示すリフタは、水路の両側の流れ方向に配置する１対の下部フレーム２１Ａ，２１Ｂと、下部フレーム２１Ａ，２１Ｂの水路上流側に設けられ、下部フレームを水路の幅方向で接続する固定フレーム２２と、固定フレーム２２から水路の流れ方向に延長され、前記水車の回転軸を垂直方向に移動可能に固定する二本の平行なフレーム２３Ａ、２３Ｂと、二本の平行フレーム２３Ａ、２３Ｂの下流側の端部と接続された水車の回転軸２とから構成されている。

このように構成することにより、リフタ２０全体で水車１０を支持するとともに、固定フレーム２２、平行フレーム２３Ａ、２３Ｂよび水車１０（図８参照）の回転軸２により水車１０（図８参照）により水位・水車の沈み込みに応じて水車を垂直方向に移動することができる。

また図９（ｂ）に示す通り、回転軸２および固定フレーム２２の一方の側面にプーリ２４Ａ、２４Ｂを設けることにより、回転軸２の回転速度をプーリを介して増速することが可能である。

このように構成した本発明の下掛け水車は、図１０に示すように水路に設けることが可能である。また、図１１に示すように直列に複数の下掛け水車を配置することも可能である。

このように構成された本発明の下掛け水車は、水路内を流れる水の流速に追随して羽根車の沈み込み量を変化可能であるので、本発明の羽根車の性能を最大限に引き出すことが可能である。また、リフタの頂部に増水時に水車を引き上げる引き上げ手段を設けることにより不意の増水等に対処することも可能である。また、所望に応じて従来公知の除塵手段等を設けることも可能である。

また、図７に示す本発明の羽根車１０を適用する場合には、例えば図１２に示す通り、水路である河川の両岸に支柱２０Ａ、２０Ｂを設け、この支柱２０Ａと支柱２０Ｂを支持フレーム２０Ｃで結び、この支持フレームから羽根車１０を例えばワイヤ２０Ｄにより水中に懸架することにより適用可能である。

このように本発明の下掛け水車は、体積あたりの水の捕捉量（受水量）が流速に増加する羽根車を用いているので同一条件で従来技術の羽根車と比較してエネルギ変換効率が非常に高い小水力発電用の水車を構成することが可能である。

以下、本発明の実施例を図１３に基づいて説明する。
図１２に示すようなサイズの７対のブレードを有する下掛け用水車をＰＲ樹脂を用いて製作し（質量１．６ｋｇ）、実際に河川により流速と沈み込み量を測定した。

軸の両端をロープで結び成人男性２名により羽根車をささえ流速０．３４ｍ／ｓ、０．７６ｍ／ｓおよび１．９ｍ／ｓで着水させたところ、流速１．９ｍ／ｓでは、成人男性２名でも羽根車を保持できなかった。

流速０．３４ｍ／ｓでは、羽根車は２５％程度の沈み込みが起こり、１．９ｍ／ｓでは４０％程度の沈み込みが生じた。

流速０．７６ｍ／ｓ、の軸トルクを微調整デジタル式 トルクレンチアダプターＳＪ７５８３Ａを用いて測定したところ初期駆動トルク５９−６８、駆動トルク（着水後）９．２Ｎ／ｍ−９．４であった。

このことから、数式
Ｐｉ＝Ｍαｌ＝Ｑｖｌ［Ｊ］
Ｐｗ＝Ｐｉ／ｔ＝Ｑｖｌ／ｔ＝Ｑｖ^２［ｋｗ］
Ｐａ＝Ｑｖ^２＝Ｆｖ＝Ｆｒω＝τω＝２πｎτ／６０
τ＝６０Ｐａ／２πｎ［Ｎ／ｍ］
に基づいて計算したところ２６Ｗに相当する電力を発生可能と計算できる。

本発明の羽根車は、体積あたりの水の捕捉量（受水量）が流速に増加するので、同一条件で従来技術の羽根車と比較してエネルギ変換効率が非常に高い。そのため小水力発電用の水車に好適に適用可能である。

本発明の羽根車を分割構成することにより、現地の据付のための輸送時は分割し、現地で組み立てることが可能となる。また、メンテナンス時である一対のブレードが破損した場合、当該破損したブレードを含むブレード部を交換することにより対応可能である。

１ 回転体
２ 軸
３ ブレード
３ａ アール部
３’ ブレード部
１０ 羽根車
２０ リフタ

Claims (10)

1. 水路の横断方向かつ水平方向に延びる軸周りに回転自在に支持される回転体と、
   前記回転体の回転表面に設けられた複数対のブレードと、を備えた下掛け水車用の羽根車であって、
   前記複数対のブレードは、前記回転体の水路の縦断面方向中心から外周面に亘って設けられ、前記水路から流れる水流を中心方向から外側方向へと変えなおかつ前記水路から流れる流速が速くなるに従って前記羽根車の沈み込み量が大きくなるような位相角度を有していることを特徴とする下掛け水車用の羽根車。
2. 前記羽根車の水に対する比重が０．０５から０．２であることを特徴とする請求項１に記載の下掛け水車用の羽根車。
3. 前記複数対のブレードは５から２０度の位相角度を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の下掛け用水車の羽根車。
4. 前記下掛け用水車は、前記回転体と、前記水路の縦断方向に複数に分割されたブレード部と、前記回転体の両外側面に設けられ、前記回転体の軸側から前記複数に分割されたブレード部側に延び前記回転体と前記複数のブレード部を挟持する挟持部材と、
   前記複数に分割された各ブレード部を貫通させて前記両側の挟持部材を固定する固定手段と、
   から構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の下掛け水車用の羽根車。
5. 前記水路の縦断方向に複数に分割されたブレード部は、さらに前記水路の横断方向の中心で２分割されていることを特徴とする請求項４に記載の下掛け水車用の羽根車。
6. 前記羽根車のブレードまたはブレードおよび回転体が発泡樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の下掛け水車用の羽根車。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の下掛け水車用の羽根車と、
   前記羽根車を水路の横断方向かつ水平方向に回転自在に支持するリフタと、を
   備えた下掛け水車。
8. 前記リフタが、前記水路の両側の流れ方向に配置する１対の下部フレームと、前記１対の下部フレームの水路上流側に設けられ、前記１対のフレームを前記水路の幅方向で接続する固定フレームと、前記固定フレームから水路の流れ方向に延長され、前記水車の回転軸を垂直方向に移動可能に固定する二本の平行なフレームと、前記二本の平行なフレームの下流側の端部と接続された前記水車の回転軸とから構成されることを特徴とする請求項７に記載の下掛け水車。
9. 前記固定フレームの一端の下部フレーム側は前記水車の回転軸からの回転力を増速するプーリが固定され、前記固定フレームは、前記水車の回転に伴い回転自在に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の下掛け水車。
10. 水車は、さらに外側面に内側から外側への流れを変更する羽根車が接続されていることを特徴する請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の水車。