JP6168902B2

JP6168902B2 - 小水力発電装置

Info

Publication number: JP6168902B2
Application number: JP2013162835A
Authority: JP
Inventors: 幸三野村
Original assignee: 水機工業株式会社
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: JP2015031229A

Description

本発明は小水力発電用の水力タービン装置及びこれを用いた発電装置に関する。

比較的落差が小さい小河川や用水路においても、その水の流れのエネルギーを用いた小水力発電が検討されている。
水の流れを回転力に変換するタービン装置としては、螺旋水車，プロペラ水車，クロスフロー水車，サイフォン式，上掛水車及び下掛水車等、多くの種類が検討されている。
しかし、螺旋水車やプロペラ水車等はある程度の水流勾配が必要であり、落差の小さい水路等には向かない。
特に水量の変化が大きい小河川や用水路においては水量の変化に対応できない。
また、下掛水車の例としては、実開昭６３−６３５８３号（特許文献１）に示すように水流案内路に沿って水流の方向とは直交する方向に回転軸を有し、円筒体等の外周面に回転軸と平行な羽根を外周廻りに等間隔に設けたものが一般的である。
しかし、このような回転軸と平行に複数の羽根を立設した水車構造では、水路の底部や水の流れを誘導する整流板と、羽根との間にゴミが引っ掛かりやすい問題がある。
また、水の流れが羽根の水平方向全長にわたって一度に当たるので、水の流れにより押し回された羽根の次の羽根が水に当たるまでに時間差ができるので、水車の回転に対して脈打つように水が順次羽根に当たることになる。
したがって、水車の回転力が必ずしも均一でないだけでなく、水が羽根に当たる音が脈打つために周囲に対して水しぶきや大きな音が発生してしまう問題もあった。
また、従来の水力発電装置にあっては、必要以上に水量が多い場合や洪水時等には安全対策としてバイパス水路を設ける必要があり、システム上の設置費用が高くなる問題もあった。

実開昭６３−６３５８３号公報

本発明は、構造が簡単で小水力を有効に活用でき、操業安定性に優れた小水力発電装置の提供を目的とする。

本発明に係る小水力発電装置は、水流に対して直交する方向であって且つ、水平に配置した回転軸を有するタービン装置と、水流を前記タービン装置に誘導する下流側が下になるように傾斜した導水路と、前記タービン装置を上下移動させるための昇降装置を備え、前記タービン装置は両端部の円盤状の側板と、当該両端部の側板の間をつないだ帯状の羽根形状からなる羽根部を前記回転軸廻りに複数有し、前記羽根部は隣接する羽根部間にて回転軸方向に投影した場合に重なり部が生じるように回転軸中心に対して所定のねじり角度だけねじりながら配置され、前記導水路は、前記水流の上流側から前記タービン装置の最下端に位置する羽根部より下流側まで延在したスロープ面に形成され、前記昇降装置は前記スロープ面の底面と、前記最下端に位置する羽根部との間隔を調整するためのものであることを特徴とする。
本発明に係る小水力発電装置は、水量の比較的少ない小河川や農業用水等の用水路に設置し、効率的に水力を電力に変換するものである。
例えば、農業用水路においては代掻の時期と非灌漑の時期では水量に大きな差がある。
また、農業用水路には草刈した後の草や農業資材，流木等の異物が流れてくる場合も多い。
そこで本発明においては、タービン装置を上下移動させるための昇降装置を備えた。
タービン装置は、回転軸の廻りに複数の羽根を有するが、水流が羽根に当たり回転力に変換する際に水量が増水し、回転軸が水中に位置するようになるとタービンには正回転の他に逆回転方向の水力が発生し、回転力の変換効率が低下してしまう。
この場合に本発明においては、タービン装置の昇降装置を備えているので上流側の水位を検知し、水位に合せて最も強い回転力が得られるようにタービン装置を上下移動させることができる。
また、これにより洪水時にはタービン装置を上昇させて一時的に退避させることができ、大きなゴミが流れてきて羽根に引っ掛かった場合にも一時的にタービン装置を上昇させることでゴミを下流側に流すことも可能になる。
本発明においてタービン装置に当たる流水の落差を大きくするために、導水路の上流側の水位を調整するための流量調整装置を有するようにしてもよい。

本発明において、タービン装置は回転軸廻りに複数の羽根部を回転軸を中心にして放射状に有し、羽根部は回転軸中心に対して所定のねじり角度だけねじりながら配置された帯状の羽根形状であってもよい。
このように帯状の羽根を、回転軸（回転体）の外周面に所定のねじり角度θだけねじりながら放射状に立設すると、羽根にもねじれが生じる。
なお、、羽根は帯状に形成されたものであれば必ずしも平板状でなくてもよく、水流を凹面で受けるように断面円弧形状でもよい。

このように帯状の羽根を所定の角度だけねじりながら回転軸の廻りに立設すると、従来の回転軸と水平方向に羽根を立設した水車では水流が一枚の羽根に同時に当たるために回転力が脈打つのに対して、ねじれた羽根では水流がタービンの一方の端部から順次、水平方向に移動しながら当たることになる。
よって、水流にゴミ等が混入していてもねじれた羽根のねじれ方向の隙間にゴミを押し流すようにタービンが回転するので、ゴミの引っ掛かりが少なくなる。
また、回転力に脈打ちが少なくなる。
水流に当たった羽根が回転により通り過ぎる前に次のねじれた羽根の一端側に水流が当たるのが好ましい。
よって、隣接する羽根部を回転軸方向に沿って投影した場合に重なり部が生じるように、ねじり角度θはタービン水車の幅をＷとし、回転軸廻りに立設する羽根の枚数をＮ枚とし、羽根部の外接円の半径をｒとすると、２πｒ／Ｎ＜Ｗtanθ＜（２πｒ／Ｎ）×３となるようにθを設定するのが好ましい。

本発明に係る小水力発電装置は、水量によってタービン装置を上下移動できるので、水位に合せて効率的な発電ができる。

水流がねじれた羽根に一方の端部から他方の端部に向けて順次当たるので、タービンの回転にムラが少なくなる。
さらには、流れてきたゴミがねじれた羽根によりスクリューのように下流側に押し出す作用もある。

本発明に係る小水力発電装置の構成例を示し、（ａ）は断面図，（ｂ）は斜視図である。小水力発電装置を下流側から見た図を示す。（ａ）はタービン装置の斜視図、（ｂ）はタービン（水車）の斜視図を示す。（ａ），（ｂ）は水位に応じてタービン装置を上下移動する説明図である。

本発明に係る小水力発電装置１００の例を図面に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されない。

図１及び図２は水路に設置した発電装置１００の例を示すが、まず図３に基づいてタービン装置１０の構造を説明する。
タービン装置１０は、回転軸１１を中心に有する円筒又は円柱部の外周面に回転軸方向に沿って図２（ａ）に示すように所定のねじり角度θだけ、ねじりながら帯状の羽根部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，・・・・を回転軸廻りに等間隔に立設してある。
本実施例では、Ｎ＝１２枚の羽根を３０°毎に等間隔に取り付けた例になっているが、枚数に制限はない。
水車の両端部は円盤状の側板１３を取り付けてある。
本実施例では、平板状の羽根をねじり角度θをタービンの幅をＷとし、Ｎ＝１２とし、羽根部の外接円半径ｒとすると、Ｗtanθ＝（２πｒ／１２）×２に設定した例になっている。
これにより、隣接する羽根が回転軸方向に沿って投影した場合に羽根軸方向全長の約半分が重なり合っている。
水流の当たり方が滑らかである。

本発明に係る水力発電装置は、水流の落差が比較的少なくてもよい。
図１，２に示した例は上流側の流水１に対して、下流２側に段差部が形成されるように下流側が下に位置するように傾斜させた導水路２０を設けてある。
図２に示すように用水路の側壁がＶ字状に傾斜し、発電装置との間をコンクリート壁１ａ等で止水してある。
また、導水路２０のスロープ面２０ａの底面とタービン装置１０の羽根部１２の下端との間の寸法を調整可能にするために、タービン装置１０を上下移動させるための昇降装置３０を有する。
昇降装置３０は、門構えの支柱３１に沿って外周部に螺旋溝を有する両側の支持シャフト３１の下端に水車軸１１を軸支してある。
上部に支持シャフトの螺旋溝にかみ合い、上下動させるギヤ装置３３ａを介して連結した駆動モータ３３により支持シャフトが上下動し、タービン装置１０が上下移動する。

図２に示すように水車軸１１は、プーリー１１ａ及びベルト５３を介して発電部５０に回転力が伝達される。
発電部５０には発電機５１を有し、水車の回転速度と発電機の回転子の回転速度を調整するためのギヤ部５２を介して回転連結されている。
本実施例では、この発電部５０もタービン装置と一体的に上下移動するようになっている。
発電された電力は、制御及び出力部６０を介して利用される。

導水路２０は、上流側と下流側にスロープ面２０ａで段差部を形成するためのものであると同時に、導水路２０の上流部に流量調整装置４０を設けることで、導水口の開口部Ｓの上下寸法が調整可能になっている。
流量調整装置４０は、門構えの支柱４１に螺旋溝を有するシャフト４２の下端にゲート板４０ａを取り付け、このゲート板４０ａが螺旋溝に歯合したギヤ装置４３ａを介して駆動モータ４３にて上下動する。
この流量調整装置４０は、水面計７０にてゲート板４０ａの高さが自動制御可能になっている。
これにより、図４に示すように水路３に流れる上流側の流水１の水位がゲート板４０ａにより所定の高さＨ_１になるように制御され、タービン装置の羽根部１２との間に最適な落差が生じるように開口部Ｓ_１の高さが調整される。
図４（ｂ）に示すように水量が増し、水位Ｈ_２が通常より高くなると、それに応じて開口部Ｓ_２の間隔を広くするとともにタービン装置１０を上昇させ、羽根部１２に当たる水量が最適になるように制御される。
また、羽根部１２にゴミが引っ掛かった場合にも一旦タービン装置１０を上昇させ、ゴミを下流側に流すこともできる。

１流水
２下流
３水路
１０タービン装置
１１水車軸
１２羽根部
１３側板
２０導水路
３０昇降装置
４０流水調整装置
５０発電部
６０制御及び出力部
１００小水力発電装置
Ｓ開口部

Claims

水流に対して直交する方向であって且つ、水平に配置した回転軸を有するタービン装置と、
水流を前記タービン装置に誘導する下流側が下になるように傾斜した導水路と、
前記タービン装置を上下移動させるための昇降装置を備え、
前記タービン装置は両端部の円盤状の側板と、当該両端部の側板の間をつないだ帯状の羽根形状からなる羽根部を前記回転軸廻りに複数有し、
前記羽根部は隣接する羽根部間にて回転軸方向に投影した場合に重なり部が生じるように回転軸中心に対して所定のねじり角度だけねじりながら配置され、
前記導水路は、前記水流の上流側から前記タービン装置の最下端に位置する羽根部より下流側まで延在したスロープ面に形成され、
前記昇降装置は前記スロープ面の底面と、前記最下端に位置する羽根部との間隔を調整するためのものであることを特徴とする小水力発電装置。
前記導水路の上流側に、水位を調整するための流量調整装置を有することを特徴とする請求項１記載の小水力発電装置。