JP6078364B2 - 水流発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、河川、用水路、クリークなど、水の流れのある場所に容易かつ簡便に設置でき、水流をより効率的に活用して発電機を回転させて発電を行なう水流発電装置に関する。

近年の化石燃料（石油や天然ガス）の価格高騰、環境保護意識の高まりを背景に、化石燃料を用いた火力発電以外の発電装置の普及が求められている。特に、再生可能エネルギーによる発電装置の普及が求められている。再生可能エネルギーによる発電の例として、太陽光発電、水力発電、風力発電、潮力発電、海流発電、波力発電、バイオマス発電、地熱発電などがある。これらは、いずれも自然環境に存在する熱源や動力源を用いて発電機を回すことで、電力を発生させる。

これら再生可能エネルギーを用いた発電は、化石燃料と異なり、有限資源を枯渇させることが無く、バイオマス発電を除けば、燃料の燃焼による二酸化炭素発生も生じない。このため、再生可能エネルギーによる発電装置は、環境への負荷が少なく、近年の環境保護意識の高まりに対応できる。

加えて、火力発電に代わる発電装置として、原子力発電が従来から普及しているが、事故や維持コストなどの問題点が明らかになるにつれて、原子力発電に代わる再生可能エネルギーを用いる発電装置が求められている。

このような状況で、わが国においては、国家プロジェクトや様々なプロジェクトによって風力発電装置や太陽光発電装置の設置や普及が進んでいる。風力発電装置は、風の強い山間部に設置されたり、洋上に設置されたりしており、少ないながらも一定の電力を供給するに至っている。しかしながら、風力発電装置は、非常に大掛かりであってコストも高い。加えて、発電後の電力の送電などの難しさもあり、資本力のある企業や電力会社などに、風力発電の参入が限られている現状がある。

太陽光発電は、太陽光発電パネルの普及に伴って、大型太陽光発電システムと家庭用太陽光発電の両面で普及が進んでいる。太陽光発電装置も、再生可能エネルギーである太陽光を用いるだけであるので、環境負荷が少なく、資源枯渇の心配を生じさせない。しかしながら、大型太陽光発電システムを設置するには、大きな資本や技術を必要とするので、普及にはネックが多い。一方、家庭用太陽光発電は、個々の家庭や事業場に普及させやすいが、発電量は小さく、家庭で必要とする電力程度しかまかなえない問題がある。

他の潮力発電や海流発電は、まだ実験段階であったり試作段階であったりして、普及するにはかなりの時間と技術解決を必要とする。

これらのように、太陽光発電、風力発電、潮力発電、海流発電などの再生可能エネルギーを用いる発電装置は、資本力、設備投資、発電量などの問題を有している。このため、再生可能エネルギーを用いる発電装置であって、これら問題の少ない発電装置の導入と普及が求められている。

ここで、再生可能エネルギーとして、我が国は多くの水資源を有している。当然ながら、昔から水力発電が発達しており、火力発電や原子力発電が主流になってその割合を減らしているものの、水力発電装置は、今もって現役として稼動している。このような水力発電装置は、大型の河川に設置されたダムに貯留された水の落差による落下を利用して、発電機を回転させる。この発電機の回転によって、水力発電装置は、発電を行なう。

一方で、このような大型の水力発電装置は、ダムあるいは人工的に作られた落差を利用した水の落下を必要とする。このため、大型の水力発電装置は、設置に大掛かりな工事および予算を必要とする。また、ダムの建設や人工的な河川落差の建設を必要とすることで、周囲への環境問題を生じさせることにもなる。このため、新規に大型の水力発電装置を建設することには、困難がある。

一方、一般河川において、自然の落差が存在することがある。このような自然の落差のある場所を活用した小型の水力発電装置の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。あるいは、落差は存在しないが、水流のある場所での水力発電の技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−１１２１９４号公報 特開２００７−１７７７９７号公報

特許文献１は、小型水力発電機２を収容して内部に固定する筒状のシュラウド４を備え、シュラウド４は、流水ＦＷの上流ＵＳ側に配置されて流水ＦＷを取り入れる取水口４１と、流水ＦＷの下流ＤＳ側に配置されて流水ＦＷを排出する排水口４２とを備え、排水口４２には、可撓性を有する排水ダクト５が連結されていることを特徴とする、小型水力発電装置を開示する。特許文献１の発電装置は、河川に存在する（あるいは形成された）落差に、設置して落差での水流と水圧を用いて、羽根車を回転させて発電する。

しかしながら、特許文献１は、自然にあるいは人工的に河川に落差が形成されている場所にしか設置できない問題がある。大型あるいは中型で、かなりの電力をまかなうための発電装置であれば、このような落差のある河川や、人工的に落差を形成することも費用対効果としては可能である。しかし、自然の落差がある河川は、多くなく、落差のあるのは河川の上流などの発電装置の設置が困難である場所が多い。もちろん、河川の上流は周囲の自然環境の保全が、河川の下流よりも考慮されなければならないことが多い。当然に、河川の上流に、特許文献１のような落差を利用した発電装置を設置する場合には、どうしても小型にならざるを得ない。河川の上流の幅は非常に小さいことが多いからである。

また、発電された電気を必要とする家屋や建造物は、河川の下流に集中していることが多く、河川の上流で発電した電気を、下流まで送電する必要があり、送電ロスなどを考慮すると、設置による発電効果が低くなってしまう。

一方、河川の中流や下流において、河川に人工的に落差を作ることは、工事許可の難しさはもちろんのこと、環境問題も生じる。このため、特許文献１に開示されるような河川の落差を利用した発電装置は、設置される場所が限定される問題を有している。

特許文献２は、本発明の水力発電装置１は、入水側開口部７ａから排水側開口部７ｂへ向かって貫通する水路７ｃを有し、流れの生じている水中に水没させて用いるケーシング部材７と、各回転軸２とそれぞれ一体的に固定されかつケーシング部材７の水路７ｃ内に配置された複数の羽根部３ａを有する一対の回転翼３と、回転軸２の一端部側に設けられた発電機９と、ケーシング部材７の入水側開口部７ａに設けられ、その開口端の面積を下流側に向かって徐々に減少させるように形成された水流増速部７ｄとを備える水力発電装置を開示する。

特許文献２は、特許文献１の技術と異なり、落差を必要とせず水流のある場所において発電を行なえる。

しかしながら、水流のみで発電する場合には、発電機への回転力を与える羽根車の回転力の強さが必要となる。特に、特許文献２の水力発電装置の羽根車は、広い面積で、水流の圧力を垂直に受ける形態を有している。加えて、河川の中で水流を取り込むケーシングの内部に羽根車が入っているので、水流の水圧が上がりきれない状態で、羽根車が回らなければならない。このような結果、特許文献２に開示される水力発電装置は、十分な水圧と水流を有する河川にしか設置できない。もちろん、小型の河川にも設置は可能であるが、費用対効果および設置コストや設置の手間と発電との関連効果が低くなってしまう問題もある。

もちろん、水流や水圧の強い河川に設置するためには、設置コストや工事コストも高くなる問題もある。加えて、河川管理は、県や国などの公共団体により行われていることが多く、工事許可を得ることに時間を要する問題も多い。

以上のように、従来技術の水力発電装置は、次のような問題を有している。
（問題１）設置できる河川の種類や河川の場所が限定される。
（問題２）設置コスト、工事コストが大きくなったり、発電装置も大掛かりとなって発電装置の製造コストも大きくなったりしやすい。
（問題３）発電場所と消費場所との遠隔性により、発電と消費との効率関係が悪くなる。
（問題４）大型の河川を対象とせざるを得ないので、設置許可を得ることが難しいことも多く、機動的かつフレキシブルに設置することができない。
（問題５）強い水流や水圧のある河川でなければ、設置しても十分な発電が見込めない。

一方で、日本はもちろんのこと様々な国においては、小型の河川も多数ある。また河川だけでなく、農業用水路やクリークなど、人口の用水路も多数ある。特に、我が国においては、就農人口の減少や、耕作放棄の増加によって、農業用水路やクリークが、そのまま放置されていることが多い。一方で、このような農業用水路やクリークには、水利権がそのままになっていることも多く、用水路としての有効活用が求められている。当然ながら、水利権がそのままであれば、公共団体の管理下ではないので、公共団体の許可を得ることなく、水力発電装置を設置することもできる。

もちろん、水利権は、許可水利権と慣行水利権とがあり、慣行水利権の場合には、官公庁に使用許可を取る必要がある。この場合には、公共団体の許可を得て、水力発電装置を設置する必要がある。以下も同じである。

また、このような用水路は、大型河川と異なり、その周囲に集落が点在していることが多い。集落には電柱、電線、変圧器などの、その集落に対応して電力を供給するための設備も備わっている。このため、用水路であって、このような集落の付近において水力発電装置が設置されれば、発電場所と消費場所とが近接している。この結果、送電ロス、送電コストも低減できる。

もちろん、用水路には常に水が流れており、晴天時しか稼動できない太陽光発電よりも、効率的である。このように、小型河川や用水路など、設置が容易であり、周囲に比較的小規模の集落が存在する場所に水力発電装置が設置されれば、当該集落に必要な電力を容易にまかなえるメリットもある。

本発明は、上記課題に鑑み、小型の河川や用水路などの様々な場所に容易かつフレキシブルに設置でき、弱い水流であっても十分な発電を行なえる、水流発電装置を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明の水流発電装置は、水流ある水路中に設置されて水流を利用して発電を行なう水流発電装置であって、水路を流れる水流を受けて回転するプロペラと、プロペラを水中に固定する支持部材と、プロペラの回転を受けて電気を生成する発電機と、プロペラに対して、水路の上流側に設けられ、プロペラに水流を集中させる枠部材と、を備え、枠部材は、水路の上流側の上流開口部と、水路の下流側の下流開口部と、を有し、枠部材は、水路の水中において、プロペラよりも高い位置であって上流開口部の上方に壁部を有し、支持部材は、プロペラの回転軸に繋がると共に、プロペラと所定距離離れた位置に設けられる第２プロペラを更に備え、プロペラと第２プロペラは、それぞれの回転軸となる回転支持部材によって接続されると共に、回転支持部材は、水流方向に沿っており、支持部材は、回転支持部材の所定位置から、水流の略垂直方向に立設していると共に、支持部材の上部は、発電機を設置し、支持部材は、プロペラと第２プロペラとの間において、回転支持部材と接続される。

本発明の水流発電装置は、小型河川、農業用水路、工業用水路、クリーク、一般用水路など、小型の河川や様々な用水路に、容易に設置できる。特に、強い水流や水圧を有していない河川や用水路でも、設置可能であると共に必要な電力を発電できる。あるいは落差などが設けられていない河川や用水路でも、設置可能であると共に必要な電力を発電できる。特に、これら用水路は、農業用や工業用として使用されていることもあるが、既に使用されていないこともある。但し、いずれの場合であっても、水利権はある特定の個人や法人に所属していることがあり、公共団体の許認可を得て設置する必要はない。

これらのことが相まって、様々な場所にフレキシブルかつ機動的に設置することが可能である。結果として、本発明の水流発電装置は、様々な場所に普及することになり、普及度に伴ったコスト低減が可能となる。

加えて、小規模の電力を必要とする発電に適切に対応できるので、この点でも普及が促進される。

また、場所や地形を選ばずに設置が容易であることから、集落の近くに設置することも可能である。特に、小型河川や用水路に沿ったある地点に集落が発達していることが多く、本発明の水流発電装置は、当該集落の近辺の河川や用水路に設置することができる。この結果、発電場所と消費場所とが近くなり、送電ロスや送電コストが低減する。特に、再生可能エネルギーを用いる発電装置は、小規模発電を様々な消費地の近くに、多くかつフレキシブルに設置することが望まれる。この点でも、本発明の水流発電装置は、このような要望に対応できる。

本発明の実施の形態１における水流発電装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１における水流発電装置が河川もしくは用水路に設置されている状態を示す模式図である。 本発明の実施の形態１における水流発電装置が、河川もしくは用水路に設置されている状態を示す模式図である。 図２の設置状態を拡大した状態を示す模式図である。 本発明の実施の形態２における水流発電装置の一部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２における水流発電装置の一部を上から示す上面図である。 本発明の実施の形態２における水流発電装置が設置された水路を上から見た模式図である。

本発明の第１の発明に係る水流発電装置は、水流ある水路中に設置されて水流を利用して発電を行なう水流発電装置であって、水路を流れる水流を受けて回転するプロペラと、プロペラを水中に固定する支持部材と、プロペラの回転を受けて電気を生成する発電機と、プロペラに対して、水路の上流側に設けられ、プロペラに水流を集中させる枠部材と、を備え、枠部材は、水路の上流側の上流開口部と、水路の下流側の下流開口部と、を有し、枠部材は、水路の水中において、プロペラよりも高い位置であって上流開口部の上方に壁部を有する。

この構成により、水路における水流を、効率的にプロペラに集中させることができ、水流や水圧の弱い水路等や、小型の水路等においても、強い回転力を発電機に与えることができる。結果として、小型河川、農業用水路、工業用水路、クリークなど、様々な場所において、簡便な装置と設置コストにより発電を行なうことができる。

本発明の第２の発明に係る水流発電装置では、第１の発明に加えて、上流開口部の面積は、下流開口部の面積よりも大きい。

この構成により、水流発電装置は、上流開口部でより多くの水量を集めた上で、水圧および水流を上げた状態で、プロペラを回転させることができる。

本発明の第３の発明に係る水流発電装置では、第１又は第２の発明に加えて、下流開口部は、プロペラよりも、水路の上流に位置する。

この構成により、枠部材によって集中された水流が、十分な力を持ってプロペラに衝突する。結果として、プロペラの回転量が増加して発電効率が上がる。

本発明の第４の発明に係る水流発電装置では、第１から第３のいずれの発明に加えて、上流開口部の底面は、水路の底面の少なくとも一部に接触して設置される。

この構成により、水流発電装置は、水路を流れる多くの水流を、枠部材に流入させることができる。特に、水底を流れる水もとらえることで、より効率的に枠部材に水流を取り込める。

本発明の第５の発明に係る水流発電装置では、第１から第４のいずれかの発明に加えて、枠部材は、水中において上方に位置する上部材と、上部材に対向し、水中において下方に位置する下部材と、上部材と下部材とを接続して、水中における側面に位置する第１側面部材と第２側面部材との組み合わせで構成され、上部材および下部材の少なくとも一方は、上流開口部から下流開口部に向けて、開口面積を狭めるように斜めになっている。

この構成により、水流発電装置は、枠部材により多くの水量を集めて、プロペラに強い水流と水圧を付与して、効率的に発電することが可能となる。

本発明の第６の発明に係る水流発電装置では、第５の発明に加えて、第１側面部材および第２側面部材の少なくとも一方は、上流開口部から下流開口部に向けて、開口面積を狭めるように斜めになっている。

この構成により、水流発電装置は、水路の表層を流れる水流に落差を与えるようにしてプロペラに水流を集中させることができる。あるいは、水流発電装置は、水路の底面付近を流れる水流を上昇させるようにして、プロペラに水流を集中させることができる。

本発明の第７の発明に係る水流発電装置では、第１から第６の発明に加えて、プロペラは複数の羽根を有しており、複数の羽根のそれぞれは、水路における水流に対して、略垂直に立設する。

この構成により、水流によってプロペラが回転しても、プロペラは遠心力によって、水路を流れてくる水草やごみなどを、自身に絡ませることを減少させることができる。特に、河川や水路は、様々な水草やごみが流れていることが多いが、このような問題に、水流発電装置は対処できる。

本発明の第８の発明に係る水流発電装置では、第７の発明に加えて、水流に対して略垂直に立設する複数の羽根のそれぞれは、水流を略垂直にその表面に受ける。

この構成により、プロペラは、水草やごみなどをからませることなく、確実に回転できる。

本発明の第９の発明に係る水流発電装置では、第７又は第８の発明に加えて、複数の羽根のそれぞれは、水流方向に沿って傾きを有した状態で、羽根の立設軸が、水流に対して略垂直である。

この構成により、プロペラの回転力がより高くなる。

本発明の第１０の発明に係る水流発電装置では、第７から第９のいずれかの発明に加えて、プロペラの有する複数の羽根のそれぞれは、回転軸を中心に、水流に対して略垂直方向に延伸しており、複数の羽根のそれぞれが形成する回転面積は、下流開口部の面積以下である。

この構成により、枠部材によって集中された水流を、プロペラは全て効率的に受けることができる。

本発明の第１１の発明に係る水流発電装置では、第１から第１０のいずれかの発明に加えて、支持部材は、プロペラの回転軸に繋がると共に、プロペラと所定距離離れた位置に設けられる第２プロペラを更に備える。

この構成により、２箇所のプロペラによるスパイラル水流が生じ、それぞれのプロペラの回転力が高まり、発電効率が高まる。

本発明の第１２の発明に係る水流発電装置では、第１１の発明に加えて、第２プロペラは、プロペラに対して、水路における下流側に位置する。

この構成により、二つのプロペラによるスパイラル水流を生じさせやすくなる。

本発明の第１３の発明に係る水流発電装置では、第１１又は第１２の発明に加えて、プロペラと第２プロペラは、それぞれの回転軸となる回転支持部材によって接続されると共に、回転支持部材は、水流方向に沿っており、支持部材は、回転支持部材の所定位置から、水流の略垂直方向に立設していると共に、支持部材の上部は、発電機を設置し、支持部材は、プロペラと第２プロペラとの間において、回転支持部材と接続される。

この構成により、発電機には、より強い力が加わり、発電効率が上がる。

本発明の第１４の発明に係る水流発電装置では、第１３の発明に加えて、プロペラと前記第２プロペラとのそれぞれは、逆回転方向に回転する。

この構成により、プロペラと第２プロペラとの間で、強いスパイラル流が生じ、プロペラと第２プロペラのそれぞれでの回転数および回転力が増加する。結果として発電機での発電能力が増加する。

本発明の第１５の発明に係る水流発電装置では、第１から第１４のいずれかの発明に加えて、水路において、枠部材の側面に対向する領域を、充填材で充填する。

本発明の第１６の発明に係る水流発電装置では、第１から第１５のいずれかの発明に加えて、水路において、枠部材の底面に対向する領域を、充填材で充填する。

これらの構成により、水位の低い水路であっても、水位を上昇させた上で、枠部材に多くの水量を集めることができる。結果として、水流発電装置の発電効率が高くなる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）

（全体概要）
まず、実施の形態１における水流発電装置の全体概要について説明する。なお、本明細書で水路とは、河川、農業用水路、工業用水路、クリークなど、自然もしくは人工的に形成された水流を有する様々な流路を示す。すなわち、水路との用語は、特段の限定を意図したものではなく、本発明の水流発電装置が設置可能な水流のある通路を意図したものである。

図１は、本発明の実施の形態１における水流発電装置の斜視図である。図１は、水路１００に水流発電装置１が、設置された状態を示している。水路１００は、上述の通り様々な流水のある通路の一つである。図１で示される水路１００は、例えば農業用水路である。農業用水路のような水路１００は、我が国のみならず各国に多数存在する。また、このような水路１００は、使用されている場合もあるし使用されずに放棄されている場合もある。しかしながら、いずれの場合も、水路１００の水利権は、個人や法人に所属していることが多く、公共団体の管理下にある場合に比べれば、水利権の所有者との交渉が容易で、水流発電装置１を設置しやすい。

また、水路１００は、農業や工業など、何らかの産業や生活の目的のために人工的に作られていることも多く、水路１００に沿ったある場所には、集落が存在することが多い。また、水路１００が自然の河川である場合にも、周囲に集落が存在することが多い。これら集落は、当然ながら、電気の消費地である。すなわち、水流発電装置１は、後述の通り非常に簡便かつ小型にできるので、水路１００の様々な場所に（あるいは、水路の様々な種類に応じて）設置できる。この結果、実施の形態１の水流発電装置１は、電力の消費地に近い場所で、電力を発生できる。

水流発電装置１は、水流のある水路１００の水中に設置されて、水流を利用して発電を行なう。このため、水流発電装置１は、プロペラ２、支持部材４、発電機５、枠部材６と、を備える。

プロペラ２は、水路１００を流れる水流を受けて回転する。支持部材４は、プロペラ２を水路１００の水中に固定する。ここで、支持部材４は、プロペラ２を直接支持してもよいし、プロペラ２の回転軸となる回転支持部材３を支持することで、間接的にプロペラ２を水中に固定しても良い。

また、プロペラ２の回転は、回転支持部材３および支持部材４を介して発電機５に伝達される。発電機５は、この伝達された回転によって、電気を発生させる。発電機５が発生させた電気は、図１には示していないが、電気的な導電機構を用いて、必要な消費地や電力を必要とする電気機器に送電される。

枠部材６は、プロペラ２の上流側に位置して設けられ、水流を集中させるように、水流に沿った方向に仕切りを設けるように形成される。枠部材６は、水路１００の上流側で開口して水流を内部に取り込む上流開口部６１と、水路１００の下流側で開口して内部に取り込まれた水流をプロペラ２に向けて吐き出す下流開口部６２を有する。この結果、水路１００を流れる水流が、枠部材６内部に集中することになり、集中した水流が、プロペラ２に集中して衝突するようになる。

また、枠部材６は、水路１００の水中において、プロペラ２よりも高い位置であって、上流開口部６１の上側に壁部７を備える。この壁部７によって、水路１００の表層や上層を流れる水も、枠部材６が形成する内部空間８に取り込まれやすくなる。多くの水流が、内部空間８に取り込まれるようになれば、プロペラ２に到達する水流の速度、圧力、量が高まり、プロペラ２の回転量が増加しやすくなる。加えて、壁部７によって、水路１００の水中において、仮想的な落差が形成されることになる。この仮想的な落差も、プロペラ２の回転量を増加させる。

このように、実施の形態１における水流発電装置１は、簡便な構造でありながら、小型の水路１００であったり水流や水圧の弱い水路１００であったりしても、十分な回転を生じさせて、発電を行なうことができる。

次に各部の詳細と発電機能について説明する。

（プロペラ）
プロペラ２は、水流を受けて回転する。回転においては回転軸となる回転支持部材３を基準に回転する。図１に示されるように、プロペラ２には枠部材６が集中させた水流が衝突して、この衝突する水流によって、プロペラ２は、強い回転を生じさせる。

プロペラ２は、複数の羽根２１を有しており、複数の羽根２１のそれぞれは、水路１００の水流方向に対して、略垂直に立設する。図１では、プロペラ２は、３枚の羽根２１を有している。３枚の羽根２１のそれぞれは、図１に示されるように、水流方向に沿って広い面積となる面を形成しているのではなく、水流に略垂直方向に面を形成している。従来技術で説明した特許文献２のように、水流方向に沿って広い面積となる面を形成している場合と異なる。

このため、プロペラ２は、３枚の羽根２１によって、水流に垂直方向に延伸する回転半径を形成する。言い換えれば、プロペラ２は、３枚の羽根２１によって、水流の流れを正面から広い回転半径の範囲で受けるようになる。このように、プロペラ２が、水流の流れを正面から広い回転半径の範囲で受けることで、水流の流れを広い範囲でうけつつ回転できるようになる。このような回転は、特許文献２のように、水流方向に沿って形成される面で回転する場合よりも、強い回転力を生み出す。このような強い回転力は、当然ながら、発電機５での発電効率を向上させる。

また、複数の羽根２１が、水流に対して略垂直に立設することで、水流に対して略垂直面で、広い回転半径で回転する。すなわち、プロペラ２の羽根２１の回転軌道は、水流方向において、狭い範囲に収まる。一方で、水流に略垂直方向においては、広い範囲で回転する。これらの結果、プロペラ２は、回転において十分な遠心力を生じさせる。特に、複数の羽根２１のそれぞれは、水流を、略垂直にその表面に受けるので、回転力が上がると同時に、遠心力を生じさせる。

水路１００は、農業用水路や生活用水路などであったり小型河川であったりする。これらの水路１００は、様々なごみ、落ち葉、水草などが流れていることが多い。このため、プロペラ２には、通常であれば、このようなごみ、落ち葉、水草が絡まってしまうことも多い。しかしながら、上述の通り、プロペラ２は、水流に略垂直方向に立設する複数の羽根２１を有しているので、その遠心力によって、これらのごみ、落ち葉、水草が絡まりにくくなる。

ごみ、落ち葉、水草などがからみにくければ、水流発電装置１が稼動中に、プロペラ２がその回転力を落としたり、回転を停止させたりすることが少なくなる。当然、メンテナンスや掃除なども少なくて済み、維持コストも低減できる。特に、水流発電装置１が設置されるのは、水路や小型河川の付近にある集落であることが想定される。このため、様々な場所に設置されることが想定される上、設置される場所には一般の民間人のみが居住しており、メンテナンスを専門に行える技術者が近隣にいるとは限らない。この点でも、メンテナンスや維持に掛かる手間や回数が少なくなることは、非常に好ましい。

複数の羽根２１のそれぞれは、水流方向に沿って傾きを有していることも好適である。傾きを有した状態であるが、羽根２１のそれぞれの立設軸は、水流に対して略垂直である。水流方向に沿って傾きを有していることで、羽根２１は、水流を表面から受けつつも容易に回転できるようになる。結果として、プロペラ２の回転力、回転数が増加する。

また、複数の羽根２１のそれぞれは、回転軸である回転支持部材３を中心に、放射状に延伸している。この延伸によって、複数の羽根２１のそれぞれは、その長さによる回転半径をもって回転する。結果として、羽根２１が回転することで、羽根２１の回転面積が形成される。

ここで、この複数の羽根２１による回転面積は、枠部材６の下流開口部６２の開口面積以下であることが好適である。枠部材６は、水路１００を流れる水流を集中させる。水流が集中することで、水路１００をそのまま流れる水流の速度と圧力よりも、枠部材６の内部空間８を流れる水流の速度と圧力は大きくなる。この増加した速度と圧力を持つ水流を、効率的にプロペラ２が受けることが、プロペラ２の回転力増加にとって好適である。

このため、羽根２１による回転面積が、下流開口部６２の開口面積以下であることが、枠部材６によって集中された水流をプロペラ２が効率的に受けることに繋がる。結果として、プロペラ２の回転力が増加するので、発電効率が向上する。

（支持部材と発電機）
プロペラ２は、回転軸となる回転支持部材３に接続されている。回転支持部材３は、プロペラ２の回転軸を形成するので、水流に沿った方向に設けられる。言い換えれば、水流に沿った方向で、プロペラ２が水流を受けることができるように、回転支持部材３は、プロペラ２を水中で固定できる。

回転支持部材３は、更に水中から垂直方向に水上に設置される発電機５などの部材に向けて延伸する支持部材４と接続される。支持部材４は、回転支持部材３を介して、プロペラ２を水中に固定する。同時に、回転支持部材３がプロペラ２から受ける回転力を、発電機５に伝達する。また、更に、支持部材４は、発電機５を水上に固定する。加えて、支持部材４は、枠部材６の一部となったり枠部材６と接続されたりすることで、枠部材６も水中に固定できる。

このように、支持部材４は、水流発電装置１の水中に備えられる要素を固定する役割、水流発電装置１の水上に備えられる要素を固定する役割、およびプロペラ２の回転を発電機５に伝達させる役割を実現する。

発電機５は、プロペラ２から伝達された回転力を用いて電気を発生させる。発電機５そのものは、市販の発電機や公知技術によって設計された発電機であればよい。特に、プロペラ２の回転力に合わせた発電機が選択されれば良く、プロペラ２の回転力とこれに対応した発電機５の発電能力によって、発電機５での発電量が決定される。

なお、図１では、発電機５は、水上に設置されるように表されているが、水上でなくとも、支持部材４の構造によって、水路１００の脇の地上に設置されることでもよい。地上に設置されることで、発電機５の耐久性向上や水流による事故防止が図られるからである。また、発電機５は、その周囲が防水能力を有する囲いで覆われていることも好適である。

以上のように、プロペラ２の回転が発電機５に伝達されて、発電機５での発電が実現される。

（枠部材）
枠部材６は、水路１００における水流を、プロペラ２に集中させる。水流をプロペラ２に集中させることで、プロペラ２の回転力や回転数を増加させる。このため、枠部材６は、水路１００においてプロペラ２の上流に設置される。

水路１００は、河川、農業用水路、工業用水路、クリーク、生活用水路など、様々な形態を有している。これらの形態を有する水路は、大型河川や落差のある河川など、そもそも水流の速度や圧力が強いことは少ない。速度も水圧も弱い水路であることが多い。

このような速度や水圧が弱い水路１００では、プロペラ２だけでは、十分な水流の速度や圧力を受けることが難しい。十分な速度や圧力を受けることができない場合には、当然ながらプロペラ２の回転力が上がらず、水流発電装置１は、十分な電力を生じさせることができない。

枠部材６は、このような水路１００の特性に対応した問題を解消し、十分な速度と圧力を有する水流を、プロペラ２に与えることができる。枠部材６は、図１に示されるように、水路１００の水流に沿った方向に板部材が形成されて、水流に沿った方向に内部空間８を形成する。具体的には、水中において上方に位置する上部材６３、上部材６３に対向しつつ水中において下方に位置する下部材６４、上部材６３と下部材６４とを接続して水中における側面に位置する第１側面部材６５と第２側面部材６６を、枠部材６は、有する。

言い換えれば、これら上部材６３、下部材６４、第１側面部材６５および第２側面部材６６によって、枠部材６が形成される。これら上部材６３、下部材６４、第１側面部材６５および第２側面部材６６により、水流に沿った上流と下流は、開口が生じる。この開口が、上流開口部６１と下流開口部６２となる。

このようにして、枠部材６は、水路１００において上流から流れてくる水流を、上流開口部６１で周囲を囲まれた内部空間８に取り込む。すなわち内部空間８に水流を集中させる。内部空間８に取り込まれた水流を、枠部材６は、下流開口部６２を通じて排出する。この排出先に、プロペラ２が位置し、プロペラ２は、この下流開口部６２から排出される水流を受けて回転する。

ここで、上流開口部６１の面積は、下流開口部６２の面積よりも大きい。この結果、内部空間８に取り込まれた水流は流束を絞りながら下流開口部６２に到達できる。すなわち、上流開口部６１から下流開口部６２に進むにつれて、水流はその速度と圧力を増加させることができる。結果として、水路１００の通常の水流よりも高い速度と圧力を有する水流を、プロペラ２は、下流開口部６２から受けることができる。

また、上流開口部６１の面積が大きいことで、水路１００を流れる水流をより多く、内部空間８に取り込むことができる。多くの水流を取り込むことができれば、枠部材６は、下流開口部６２からより多くの水流を排出でき、プロペラ２を強く回転させることができる。

このため、プロペラ２は、下流開口部６２よりも下流側に位置することが好ましい。下流側に位置することで、下流開口部６２から排出される水流を、プロペラ２は、直接的に受けることができる。

また、上部材６３および下部材６４の少なくとも一方が、上流開口部６１から下流開口部６２に向けて、開口面積を狭めるように斜めになっていることも好適である。このように斜めになりつつ開口面積を狭めていくことで、枠部材６は、大きく開いた上流開口部６１が取り込んだ水流を、次第に流束を上げながら、下流開口部６２に移動させることができる。結果として、速度と圧力を上げた状態にして、水流を下流開口部６２から排出させることができる。

あるいは、第１側面部材６５および第２側面部材６６の少なくとも一方が、上流開口部６１から下流開口部６２に向けて、開口面積を狭めるように斜めになっていることも好適である。このように斜めになりつつ開口面積を狭めていくことで、枠部材６は、大きく開いた上流開口部６１が取り込んだ水流を、次第に流束を上げながら、下流開口部６２に移動させることができる。結果として、速度と圧力を上げた状態にして、水流を下流開口部６２から排出させることができる。

また、上部材６３、下部材６４、第１側面部材６５および第２側面部材６６のそれぞれが、上流開口部６１から下流開口部６２に向けて、開口面積を狭めるように斜めになっていることも好適である。この場合には、内部空間８が、上流開口部６１から下流開口部６２にかけて徐々に狭くなっていく。この構造によって、枠部材６は、水流の速度と圧力を増加させて、下流開口部６２から、水流を排出できる。プロペラ２は、この増加させられた速度と圧力を有する水流によって、回転数と回転量を増加させて回転できる。

また、枠部材６は、水路１００の水中において、上流開口部６１の上方に壁部７を有することも好適である。壁部７は、水路１００の上層を流れる水流に衝突して、この水流を内部空間８に取り込むことができる。特に壁部７は、水路１００の上層に設けられて、上層を流れる水流を内部空間８に取り込むので、一種の落差を生じさせることができる。すなわち、内部空間８には、上層を流れる水流が、落差を持って落ちてくるようになる。この落差によって、内部空間８に集中する水流の水圧が更に増加する。当然ながら、プロペラ２の回転量を増加させることができる。

また、壁部７が、水路１００の上層に設けられることで、水路１００を流れる水流をより多く内部空間８に取り込むことができる。この結果、内部空間８に集中する水量が多くなって、プロペラ２に与える水量が多くなる。当然に、プロペラ２は、その回転量と回転数を増加させることができる。

また、上流開口部６１の底面は、水路１００の底面の少なくとも一部に接触して設置されることも好適である。この場合も、水路１００の底面付近を流れる水流を、効率的に内部空間８に取り込むことができる。この結果、内部空間８に取り込まれる水量が多くなって、プロペラ２の回転量と回転数が増加する。

以上のように、枠部材６および枠部材６の種々のオプションによって、プロペラ２に付与される水量、水圧、水流の速度を増加させることができる。そのままでは弱い水流でしかない水路１００であっても、十分な発電を、水流発電装置１は、行なうことができる。

（設置状態の説明）
水流発電装置１は、図１に示されるような構造を有して水路１００に設置される。水路１００での設置方法は、様々である。

図２は、本発明の実施の形態１における水流発電装置が河川もしくは用水路に設置されている状態を示す模式図である。水路１００は、例えば土手１１０から落ち窪んだ場所に形成されている。水路１００が河川である場合にも、このように土手１１０から落ち窪んだ場所であることもあるし、土手１１０から落ち窪んだ場所に用水路が形成されることもある。

このような水路１００の両側や片側が土手１１０などによって高さが盛り上がっている場合には、支柱１１によって、水流発電装置１が設置される。支柱１１は、土手１１０と対岸を結ぶように取り付けられる。この支柱１１を軸として、水流発電装置１が設置される。この場合には、水流発電装置１の支持部材４などが、しっかりと固定されることになり、水流によって設置位置がずれたり、流されたりすることも無くなる。

また、支柱１１は、支持部材４に繋がるなどで、水流発電装置１を一体的に土手１１０やその対岸に固定できる。この固定によって、水路１００の水中に、プロペラ２や枠部材６をしっかりと固定できる。

図３は、本発明の実施の形態１における水流発電装置が、河川もしくは用水路に設置されている状態を示す模式図である。図３は、図２の状態を、水路１０の下流側から見た状態を示している。図３の矢印は、水流の方向を示している。

図２で説明したように、土手１１０とその対岸に渡されるように設置された支柱１１に、水流発電装置１が設置されている。このような設置により、水流発電装置１は、十分な強度で固定される。

図３では、枠部材６の下流開口部６２に堰２０が備わっている状態を示している。堰２０が下流開口部６２に備えられることで、水路１００が非常に浅い場合でも、内部空間８における水深を確保することができる。あるいは、堰２０の開閉によって、枠部材６の内部空間８に取り込む水量を調整することもできる。

このように、堰２０によって、水深の浅い水路１００においても、内部空間８での水路の深さと水量を確保することができる。あるいは、内部空間８へ取り込まれる水量を確保することもできる。もちろん、堰２０は、水路の側面に設けられる枠部材６と相まって、プロペラ２が設置される内部空間８の水深を深くすることもできる。水深が浅い水路１００においては、枠部材６に加えて、堰２０も活用することで、水深を確保することができる。

水流発電装置１は、工場で製造されて、設置場所に運搬されて設置される。このため、設置される場所（水路１００）に運搬されて、水路１００での水量や圧力が分かることもある。このため、予め堰２０が設けられていることで、設置場所に応じたプロペラ２への水流の付与を調整できる。

もちろん、同じ設置場所であっても、季節や日によって水量が変化することもある。あるいは必要とする発電量が変化することもある。このような場合にも、堰２０が設けられていることは、フレキシブルな対応を実現できる。

図４は、図２の設置状態を拡大した状態を示す模式図である。

図４に示されるように、土手１１０と対岸に渡された支柱１１に、水流発電装置１が取り付けられる。この取り付けによって、水流発電装置１は、しっかりと水路１００に固定される。加えて、プロペラ２が、水路１００の水中に確実に固定されるようになる。また、図４に示されるように、下流開口部６２に堰２０が設けられている。堰２０の上流側にプロペラ２が設けられている。なお、図４では、枠部材６が長めに設けられており、枠部材６によって形成される内部空間８中に、プロペラ２が設けられる。

このように、土手１１０のある水路１００においては、土手１１０を活用した取り付けが行われる。このように取り付けられた水流発電装置１は、十分な発電を行なうことができる。

以上、実施の形態１における水流発電装置１は、小型河川や用水路などの、様々な場所にあると共に集落にも近い水路１００に容易に設置でき、弱い水流の水路１００においても十分な発電を行なうことができる。

（実施の形態２）

次に、実施の形態２について説明する。

（第２プロペラ）
図５は、本発明の実施の形態２における水流発電装置の一部を示す斜視図である。図５に示される水流発電装置１は、プロペラ２の回転軸である回転支持部材３につながると共に、プロペラ２と所定距離離れた位置に、第２プロペラ３０を備える。すなわち、図５に示される水流発電装置１は、２つのプロペラを備える。

第２プロペラ３０も、プロペラ２と同様に、複数の羽根３１を有している。複数の羽根３１は、実施の形態１で説明した羽根２１と同様に、水流に対して略垂直に延伸していることが好ましい。このことにより、遠心力が働いて、ごみなどがからみにくい上、水流による回転量や回転数を増加させることも可能となる。

第２プロペラ３０は、プロペラ２に対して、水路１００での下流側に設置されることが好ましい。また、プロペラ２と第２プロペラ３０とは、同じ回転支持部材３に接続され、同じ回転軸で回転することが好ましい。

図６は、本発明の実施の形態２における水流発電装置の一部を上から示す上面図である。図５と同じものを、上から見た状態を示している。第２プロペラ３０は、図６から明らかな通り、水路１００において、プロペラ２よりも下流側にある。すなわち、２つのプロペラは、水路１００の水流に沿って、上流と下流とに対になって設けられている。

このように水流に沿って対になることで、プロペラ２と第２プロペラ３０との間に、スパイラルな渦流が生じる。このスパイラルな渦流が、プロペラ２と第２プロペラ３０とを、強い力で回転させる。強い力で回転すれば、当然ながら、回転力を受けて発電する発電機５の発電効率が高まる。もちろん、スパイラルな渦流によるだけでなく、プロペラが２つであることで、当然ながら回転量も多くなり、発電機５での発電量が増加する。

プロペラ２と第２プロペラ３０は、同じ回転軸となる回転支持部材３に接続されて、水流方向に沿っている。この結果、プロペラ２と第２プロペラ３０との回転が、回転支持部材３に伝達される。さらに回転支持部材３は、支持部材４に接続しているので、回転を支持部材４に伝達する。支持部材４の上部に発電機５が設置されているので、発電機５は、支持部材４が伝達する回転を受けて、電気を発生させる。

このとき、支持部材４は、プロペラ２と第２プロペラ３０との間において、回転支持部材３と接続されることが好ましい。このように接続されることで、プロペラ２と第２プロペラ３０との回転による負荷バランスが保たれやすくなる。もちろん、水流発電装置１の耐久性向上にも繋がる。

以上のように、プロペラが対となって設けられることで、水流発電装置１は、より高い発電効率で発電を行なえる。

ここで、プロペラ２と第２プロペラ３０のそれぞれの回転方向が逆向きであることも好適である。プロペラ２と第２プロペラ３０のそれぞれの回転方向が逆向きであることで、プロペラ２と第２プロペラ３０との間のスパイラル的な水流および水圧が向上して、プロペラ２と第２プロペラ３０の回転力が増加するからである。回転力が増加すれば、プロペラ２と第２プロペラ３０の回転で発電する発電機５での発電能力が増加するようになる。

なお、第２プロペラ３０以外に第３プロペラや第４プロペラなどが設けられても良い。これらは、水路１００の構造、水路１００での水流の状況、発電機５との対応性、必要発電量、水流発電装置１全体の大きさや強度との相性によって定められれば良い。

（水路の充填）
水流発電装置１は、水路１００に設置される。枠部材６やプロペラ２などの工夫で、本来的には水流の弱い水路１００であっても、十分な水圧や速度をプロペラ２に与えることで、発電を行なう。しかしながら、水路１００によっては、水深が非常に浅かったり、季節や気候環境によって、水深が大きく変化して水深が浅くなったりすることもある。

水深が浅いと、プロペラ２が十分に水中に浸からなかったり、枠部材６や壁部７が水中に十分に浸からなかったりする問題もある。この場合には、実施の形態１、２で説明した水流発電装置１の種々の工夫があっても、十分な発電が難しい可能性も生じる。このような場合には、水路１００の水位を人為的に上げることが必要となる。

図７は、本発明の実施の形態２における水流発電装置が設置された水路を上から見た模式図である。水路１００は、ある幅を有しており、当然にある水位を有している。図１に示されるように、水路１００の水中に、プロペラ２、枠部材６、壁部７が沈んだ状態で設置されることが好ましい。しかし、図７に示される水路１００が、上述のように水位が低い状態であったり、水位が低くなることが発生する状態であったりすることもある。

このような場合に対応して、枠部材６の側面に対向する領域を、充填材５０で充填することも好適である。図７では、枠部材６の両側面における水路１００の岸の両方が、充填材５０で充填されている。この充填によって、当然に枠部材６における位置での水位が上昇する。上昇すれば、当然プロペラ２、枠部材６、壁部７が沈んだ状態で設置されるようになりやすい。

もちろん、一方の岸にのみ充填材５０が充填されてもよい。この場合にも、充填材５０によって、水位が上昇することになる。結果としてプロペラ２、枠部材６、壁部７が沈んだ状態で設置される。

あるいは、水路１００において、枠部材６の底面に対向する領域となる水底が、充填材５０で充填されても良い。この場合にも、水流発電装置１の位置において水位が上がりやすくなるので、プロペラ２、枠部材６、壁部７が沈んだ状態で設置される。

以上の様に、充填材５０の充填によって、水流発電装置１の設置位置での水位を相対的に上昇させることができ、プロペラ２、枠部材６、壁部７が沈んだ状態で設置されることができるようになる。当然に、発電能力が向上する。

充填材５０としては、樹脂やセメントなどの人工物が用いられてもよいし、土砂や土などの天然物が持ちられても良い。あるいは、水路１００の岸を護岸工事する際に、図７のように突出させることで、充填材５０での充填と同じ効果を生じさせても良い。

以上、実施の形態２における水流発電装置１は、種々の工夫で、更なる発電能力の向上や水路１００の環境変化へ対応した発電を実現する。

なお、実施の形態１〜２で説明された水流発電装置は、本発明の趣旨を説明する一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での変形や改造を含む。

１ 水流発電装置
２ プロペラ
３ 回転支持部材
４ 支持部材
５ 発電機
６ 枠部材
６１ 上流開口部
６２ 下流開口部
６３ 上部材
６４ 下部材
６５ 第１側面部材
６６ 第２側面部材
７ 壁部
８ 内部空間
１１ 支柱
３０ 第２プロペラ
５０ 充填部材
１００ 水路
１１０ 土手

Claims (14)

1. 水流のある水路中に設置されて水流を利用して発電を行なう水流発電装置であって、
   水路を流れる水流を受けて回転するプロペラと、
   前記プロペラを水中に固定する支持部材と、
   前記プロペラの回転を受けて電気を生成する発電機と、
   前記プロペラに対して、前記水路の上流側に設けられ、前記プロペラに水流を集中させる枠部材と、を備え、
   前記枠部材は、前記水路の上流側の上流開口部と、前記水路の下流側の下流開口部と、を有し、
   前記枠部材は、前記水路の水中において、前記プロペラよりも高い位置であって前記上流開口部の上方に壁部を有し、
   前記支持部材は、前記プロペラの回転軸に繋がると共に、前記プロペラと所定距離離れた位置に設けられる第２プロペラを更に備え、
   前記プロペラと前記第２プロペラは、それぞれの回転軸となる回転支持部材によって接続されると共に、前記回転支持部材は、前記水流方向に沿っており、
   前記支持部材は、前記回転支持部材の所定位置から、前記水流の略垂直方向に立設していると共に、前記支持部材の上部は、前記発電機を設置し、
   前記支持部材は、前記プロペラと前記第２プロペラとの間において、前記回転支持部材と接続される、水流発電装置。
2. 前記上流開口部の面積は、前記下流開口部の面積よりも大きい、請求項１記載の水流発電装置。
3. 前記下流開口部は、前記プロペラよりも、前記水路の上流に位置する、請求項１又は２記載の水流発電装置。
4. 前記上流開口部の底面は、前記水路の底面の少なくとも一部に接触して設置される、請求項１から３のいずれか記載の水流発電装置。
5. 前記枠部材は、前記水中において上方に位置する上部材と、
   前記上部材に対向し、前記水中において下方に位置する下部材と、
   前記上部材と前記下部材とを接続して、前記水中における側面に位置する第１側面部材と第２側面部材との組み合わせで構成され、
   前記上部材および前記下部材の少なくとも一方は、前記上流開口部から前記下流開口部に向けて、開口面積を狭めるように斜めになっている、請求項１から４のいずれか記載の水流発電装置。
6. 前記第１側面部材および前記第２側面部材の少なくとも一方は、前記上流開口部から前記下流開口部に向けて、開口面積を狭めるように斜めになっている、請求項５記載の水流発電装置。
7. 前記プロペラは複数の羽根を有しており、前記複数の羽根のそれぞれは、前記水路における水流に対して、略垂直に立設する、請求項１から６のいずれか記載の水流発電装置。
8. 前記水流に対して略垂直に立設する前記複数の羽根のそれぞれは、前記水流を略垂直にその表面に受ける、請求項７記載の水流発電装置。
9. 前記複数の羽根のそれぞれは、前記水流方向に沿って傾きを有した状態で、前記羽根の立設軸が、前記水流に対して略垂直である、請求項７又は８記載の水流発電装置。
10. 前記プロペラの有する前記複数の羽根のそれぞれは、回転軸を中心に、前記水流に対して略垂直方向に延伸しており、
    前記複数の羽根のそれぞれが形成する回転面積は、前記下流開口部の面積以下である、請求項７から９のいずれか記載の水流発電装置。
11. 前記第２プロペラは、前記プロペラに対して、前記水路における下流側に位置する、請求項１記載の水流発電装置。
12. 前記プロペラと前記第２プロペラとのそれぞれは、逆回転方向に回転する、請求項１１記載の水流発電装置。
13. 前記水路において、前記枠部材の側面に対向する領域を、充填材で充填する、請求項１から１２のいずれか記載の水流発電装置。
14. 前記水路において、前記枠部材の底面に対向する領域を、充填材で充填する、請求項１から１３のいずれか記載の水流発電装置。