JP6442095B1 - リニア水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】落差の少ない河川の横流水勢力を活用し、任意のスペースに対して所望の大きさの施設が可能な水力発電装置を提供する。
【解決手段】リニア水力発電装置100は、勾配を有した流水路10と、流水路10内に配置された複数の水車20と、水車20によって駆動される発電機30と、を有する。水車20は、回転軸21と、回転軸21の周方向に配置された複数のバケット23と、を有する。流水路10の水深D10は、バケット23が流水に浸水する深さD20の２倍以上である。水深D10を２倍とする意図は、バケット23が稼動所要水量分(流水路を通過する水量)の２倍にして、当該バケット23の水流妨害抵抗分をキャンセルすることにある。水流が少ない場合は、その分、流水路10の横幅を拡大して水流の流水勢力の不足分の流量を補う。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、リニア水力発電装置に関するものである。リニア水力発電装置は、例えば、河川、用水路等の、横流の水流の水勢力エネルギーを主として活用し、流水路の延在方向に間隔を置いて配置された複数の水車がそれぞれ、各発電機を駆動させるものである。言い換えれば、本発明に係るリニア水力発電装置は、複数の水車発電機を流水路の延在方向に間隔を置いて配置し、各水車発電機の電力を集積して総合電力を生産する、長列の連続水流発電装置である。

安全性（原子力発電等の危険発電を抑止する）、地球温暖化等の問題から、近年、地球環境にやさしい水力発電装置が必要視されてきた。従来の水力発電装置としては、ダム等の貯水エネルギーを利用し、当該貯水の落下により水車を回転させるものであった（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−１７２９４８号公報

しかしながら、このように、従来の水力発電装置は、位置エネルギーによる水力発電機一色であり、流水によって連続的に電力を発生させるために、流水の横流水流エネルギーを活用するものとは全く無関係であった。即ち、従来の水力発電装置は、主として高所からの水勢力の落下エネルギー（位置エネルギー）のみを利用したものである。このため、従来の水力発電装置には、水力発電装置の施設場所が高低差の大きなダム周辺等に制限されるという問題がある。また、こうした従来の水力発電装置の場合、主として高い発電能力を想定している。このため、従来の水力発電装置には、水力発電装置に要する設備が大型化するという問題もある。またこうした従来の水力発電装置は、山岳地域に施設するため、送電経路にも高電圧遠距離送電を必要とするという問題がある。

本発明の目的は、落差の少ない様々な場所の、任意のスペースに対して、所望の大きさの施設が可能な、水力発電装置を提供することである。

本発明に係るリニア水力発電装置は、勾配を有して流水が流れる流水路と、前記流水路内に、当該流水路の延在方向に間隔を置いて配置された複数の水車と、前記水車によってそれぞれ駆動される発電機と、を有し、前記水車は、前記流水路の幅方向に延在する回転軸と、前記回転軸の周方向に間隔を置いて配置された複数のバケットと、を有し、前記流水路の水深は、前記バケットが前記流水に浸水する深さの２倍以上確保し、又は、前記流水路を通過する水量は、前記バケットの水流妨害抵抗分の水量の２倍以上を確保することである。

本発明に係るリニア水力発電装置は、水流の水勢力と水量とを根源とする、流水の横流水流エネルギーを活用するものである。流水路の延在方向に間隔を置いて配置した複数の水車を、当該間隔で稼動させるために、バケットの下方に、当該バケットが水圧を受ける深さの２倍以上の深さの水量を確保し、当該水量の流水を水車の下方に遊水させることにより得られる水流エネルギーを活用し、又は、前記流水路を通過する水量は、前記バケットの水流妨害抵抗分の水量の２倍以上を確保し、当該バケットの周囲を流れる水流により得られる水流エネルギーを活用する。本発明に係るリニア水力発電装置によれば、水車を回転させることによる、当該水車のバケットの受圧抵抗によって水流全体の水勢力が減少しても、当該水勢力には、水車のバケットが流水に浸水する深さの２倍以上の水深を有する流水路において、水車下方に形成された遊水流勢力と、水車間の流水路と、当該流水路の勾配とにより、これらが合成水流勢力となることで、次々と水車を回転させることによって減少した水勢力は、次の水車に向かって流動する間に再び高まることになる。これにより、流水路に沿って配置された各発電機からは、その流水路、流量に応じた大小の均等な電力を取り出すことができる。

また、本発明に係るリニア水力発電装置によれば、バケットを有する、所望数の水車を使用することによって落差の少ない水流の水勢力を効率的に受けることができ、更に、河川、用水路等の「水量」と「水速度」のエネルギー（運動エネルギー）との相乗効果と、複数の発電機からの連続的な電力の集積とが相俟って、発電力を増大させることができる。従って、本発明に係るリニア水力発電装置によれば、落差の少ない様々な場所の、任意のスペースに対して、所望の大きさの施設が可能になる。

本発明に係るリニア水力発電装置において、前記バケットの受圧面は、前記回転軸の軸方向視で、流体の流れ方向に向かって半円筒形に湾曲した受圧面であることが好ましい。

本発明に係るリニア水力発電装置において、前記バケットは、前記回転軸の軸方向視で、当該バケットの先端部に直線形（平面状）の受圧面を有するものとすることができる。

本発明に係るリニア水力発電装置において、前記水車は、前記バケットから前記回転軸に向かって延在するバケット補助板を更に有するものとすることができる。

本発明に係るリニア水力発電装置において、前記水車は、前記バケットの幅方向両側に支持板を更に有し、前記支持板は、それぞれ、前記バケットの幅方向両側に固定されているものとすることができる。

本発明に係るリニア水力発電装置において、前記水車は、前記回転軸の周方向に隣接して配置された２つの前記バケットの間に、一方の前記バケットの径方向内側端部又はバケット補助板の径方向内側端部と、他方の前記バケットの径方向外側端部との間を延在する流水跳ね返し部を有するものとすることができる。

本発明に係るリニア水力発電装置において、前記流水跳ね返し部は、前記一方の前記バケットの前記径方向内側端部と、前記他方の前記バケットの前記径方向外側端部とに連結されており、前記回転軸の周方向に隣接して配置された２つのバケットの間に形成された、当該流水跳ね返し部に対応する隙間を閉じているものとすることができる。

本発明に係るリニア水力発電装置において、前記水車は、前記回転軸の周方向に延在して前記バケットの先端のそれぞれを一体に固定するバケット補強部を更に有することが好ましい。

本発明に係るリニア水力発電装置において、前記流水路は、流体の流入を遮断する流体流入遮断部を有するものとすることができる。

本発明によれば、落差の少ない様々な場所の、任意のスペースに対して、所望の大きさの施設が可能な、水力発電装置を提供することができる。従って、本発明によれば、大容量の電力供給から小容量の電力供給に至るまで幅広い範囲の設備が可能となる。

本発明の第１実施形態に係るリニア水力発電装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１をＢ−Ｂ断面方向から示す正面図である。 図２ＢのＣ−Ｃ断面図である。 図３ＡのＤ−Ｄ断面図である。 本発明の第２実施形態に係るリニア水力発電装置の平面図である。 本発明の第３実施形態に係るリニア水力発電装置を、図１のＢ−Ｂ断面相当の断面で示した図である。 本発明の変形例に係るリニア水力発電装置を、図３ＡのＤ−Ｄ断面相当の断面で示した図である。 図６ＡのＣ−Ｃ断面図である。 本発明に係るリニア水力発電装置の水車に適用可能なバケットの形態を、図２ＢのＣ−Ｃ断面相当の断面で示した図である。 本発明の他の変形例に係るリニア水力発電装置を、図１のＢ−Ｂ断面に相当する方向から示す正面図である。 図８ＡのＣ−Ｃ断面図である。 図８Ａに係るリニア水力発電装置の変形例であって、当該変形例を、図８ＡのＣ−Ｃ断面相当の断面で示す断面図である。 図８Ａに係るリニア水力発電装置の他の変形例であって、当該変形例を、図８ＡのＣ−Ｃ断面相当の断面で示す断面図である。 図８Ａに係るリニア水力発電装置の更なる変形例であって、当該変形例を、図８ＡのＣ−Ｃ断面相当の断面で示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の様々な実施形態に係るリニア水力発電装置について説明をする。

図１には、本発明の第１実施形態に係るリニア水力発電装置１００を示す。

図１中、符号１０は、水（流体）が流れる流水路である。流水路１０は、河川からの放流水等の水流の水勢力を取水し、当該水勢力を長距離にわたって保持しつつ、河川等からの水を流動させる。図１中、白抜き矢印は、水流方向を示す。本実施形態では、流水路１０は、図１に示す平面視（平面図）で、直線状に延在している。

また、本実施形態では、図２Ａに示すように、流水路１０は、勾配を有した流水路である。ここで、勾配は、水平面に対する傾き（角度）θを意味する。詳細には、流水路１０は、後述するように、水流の上流から下流に向かって角度θで下がっていくように施設されている。流水路１０の角度θは、例えば、１ｍｍｒａｄ(ミリラジアン)〜２ｍｍｒａｄ(ミリラジアン)とする。

また、本実施形態では、流水路１０は、図２Ｂの正面視で、断面Ｕ字（ｕ字）状の流水路である。詳細には、図２Ｂに示すように、流水路１０は、平板状の底壁１１と、底壁１１の幅方向両端から上向きに起立する２つの側壁１２とで区画された、コの字上向きの長方形トラフ型水路である。

更に、本実施形態では、流水路１０は、プレハブ工法式の流水路である。詳細には、図１に示すように、流水路１０は、少なくとも１つの流水路部材（流路部材）として製作され、当該部材を施設現場で組み立てることで形成される。例えば、図１の流水路１０は、１つの流水路部材として形成された流水路である。流水路部材は、例えば、金属、コンクリート等の材料で構成することができる。流水路１０は、複数の流水路部材として、互いに接続して組み立てられることにより、長距離にわたって延在させることができる。

符号２０は、流水路１０内に配置された水車である。図１等に示すように、流水路１０内には、複数の水車２０が流水路１０の延在方向に間隔を置いて配置されている。本実施形態では、１つの流水路１０内に、２つの水車２０が配置されている。但し、本発明によれば、大きな電力を取り出すことを目的にする場合、水車２０は、より多数であることが好ましい。

水車２０は、流水路１０の幅方向に延在する回転軸２１を有している。本実施形態では、回転軸２１は、ベアリング２２を介して流水路１０の側壁１２上に回転可能に支持されている。ベアリング２２は、側壁１２と一体に形成してもよい。水車２０は、流水路１０の幅方向に延在する幅Ｗ２０（以下、「水車幅Ｗ２０」ともいう。）を有している。また、図２Ａ等に示すように、水車２０は、直径Ｒ２０の外径を有している。２つの水車２０の間の間隔は、２つの回転軸２１の中心間の距離Ｌ２０（以下、「水車間ピッチ長さＬ２０」ともいう。）である。水車間ピッチ長さＬ２０は、角度θとの関係で設定することができる。例えば、水車間ピッチ長さＬ２０は、一定の流速に回復する長さとすることが望ましい。

また、水車２０は、複数のバケット２３を有している。図２Ｂに示すように、バケット２３は、回転軸２１の延在方向に延びるバケット幅Ｗ２３を有し、後述するように、水を受ける受圧面を有している。図３Ａに示すように、本実施形態では、回転軸２１の軸方向視で、１２個のバケット２３が回転軸２１の周方向に間隔を置いて配置されている。

本実施形態では、バケット２３は、それぞれ、図３Ａ等に示すように、軸方向視で、水の流れ方向に向かって湾曲した受圧面２４を有している。本実施形態では、湾曲した受圧面２４は、回転軸２１の軸方向視で、水の流れ方向に向かって半円筒形に湾曲した受圧面である。本実施形態では、湾曲した受圧面２４は、曲率半径ｒ２４で構成されている。

更に、本実施形態では、バケット２３は、図３Ａ等に示すように、軸方向視で、バケット２３の先端部（バケット２３の径方向外側端部）に直線形の受圧面２５を有している。詳細には、図３Ａに示すように、受圧面２５は、軸方向視で、湾曲した受圧面２４の先端から水車２０の最外径までの間を直線形とすることにより構成されている。直線形の受圧面２５は、それぞれ、バケット幅Ｗ２３にわたって延在する水掻き部として機能することで、流水路１０に沿った直進水流の水勢力を、湾曲した受圧面２４と共に受けて、水車２０の回転力に変換することができる。更に、直線形の受圧面２５は、それぞれ、後述のとおり、案内面として機能する。

図３Ｂに示すように、本実施形態では、水車２０は、水車２０が水を受ける受圧面積Ｓ２０を有している。水車２０の受圧面積Ｓ２０は、図３Ｂに示すように、水車２０の正面視で、バケット２３が最下点に達した時点での受圧面積である。詳細には、水車２０の受圧面積Ｓ２０は、水車２０が浸水した状態での水面Ｆからの水車２０の浸水深さＤ２０と、バケット幅Ｗ２３との積（Ｓ２０＝Ｄ２０×Ｗ２３）である。本実施形態では、水車２０の浸水深さＤ２０は、バケット２３の水車径方向長さＬ２３と等しい。また、本実施形態では、流水路１０の流路面積Ｓ１０は、流水路１０の水深Ｄ１０と、流水路１０の幅Ｗ１０（以下、「流水路幅Ｗ１０」ともいう。）との積（Ｓ１０＝Ｄ１０×Ｗ１０）である。本実施形態では、後述するように、流水路１０の水深Ｄ１０は、水車２０のバケット２３が流水に浸水する深さ、本実施形態では、水車２０の浸水深さＤ２０の２倍以上としている。

また、本実施形態では、流水路１０の水深Ｄ１０のうち、水面Ｆから水車２０の浸水深さＤ２０までの領域は、受圧水流層となる。本実施形態では、図３Ｂの一点鎖線で囲まれた領域で示すように、受圧水流層の流路面積Ｓ１０−２は、流水路幅Ｗ１０と水車２０の浸水深さＤ２０との積（Ｓ１０−２＝Ｗ１０×Ｄ２０）である。更に本実施形態では、水車２０の浸水深さＤ２０から流水路１０の底面１０ｆまでの領域は、水流の水勢力が水車２０の影響を受けない遊水流層となる。本実施形態では、水車２０の浸水深さＤ２０から流水路１０の底面１０ｆまでの、水深Ｄ１０に対する残部の深さ（以下、単に「残部深さ」ともいう。）をＤｆとすると、図３Ｂの破線で囲まれた領域で示すように、遊水流層の流路面積Ｓ１０−１は、流水路幅Ｗ１０と残部深さＤｆとの積（Ｓ１０−１＝Ｗ１０×Ｄｆ）である。即ち、本実施形態では、流水路１０の流路面積Ｓ１０は、受圧水流層の流路面積Ｓ１０−２と、遊水流層の流路面積Ｓ１０−１との和である。更に、流水路１０を流れる水のうち、遊水流層の流路面積Ｓ１０−１を通って下流に進む、遊水流層の体積（以下、「遊水流層体積」ともいう。）は、遊水流層の流路面積Ｓ１０−１と、流水路１０の延在方向の長さとの積である。この遊水流層体積分が、遊水流層の流路面積Ｓ１０−１が下流に進んだときの体積となって、水流勢力を増加させる。なお、流水路１０を流れる水のうち、受圧水流層の流路面積Ｓ１０−２を通って下流に進む、受圧水流層の体積（以下、「受圧水流層体積」ともいう。）は、受圧水流層の流路面積Ｓ１０−２と、流水路１０の延在方向の長さとの積である。なお、図３Ｂでは、一点差線で囲まれた領域及び破線で囲まれた領域は、他の部分の外形線との重複を避けるため、実際よりも、小さく表記されている。

更に、本実施形態では、水車２０は、バケット２３から回転軸２１に向かって延在するバケット補助板２７を更に有している。詳細には、バケット補助板２７は、図３Ａに示すように、軸方向視で、回転軸２１に向かって延在する直線形で構成されている。本実施形態では、バケット補助板２７は、バケット２３と一体に構成されている。図３Ａに示すように、バケット補助板２７の一方の面（湾曲した受圧面２４及び２５と同一の面）も、補助的な受圧面２６として機能させることができる。なお、本実施形態では、バケット補助板２７は、図３Ａに示すように、軸方向視で、回転軸２１との間に環状の隙間Ｓを形成している。隙間Ｓは、水面Ｆから飛沫を逃がす穴として機能する。また、隙間Ｓは、水車２０の回転中に当該水車２０が受ける空気（風）の抵抗を抑えることができる。これにより、隙間Ｓは、水車２０の効率的な回転動作を保証する機能も発揮させることができる。

また、本実施形態では、図３Ｂ等に示すように、水車２０は、バケット２３の幅方向両側に支持板２８を更に有している。２つの支持板２８は、それぞれ、バケット２３の幅方向両側に固定されている。本実施形態では、支持板２８は、それぞれ、円盤状の板部材である。本実施形態では、支持板２８は、それぞれ、バケット２３の幅方向端に溶接されている。また本実施形態では、図３Ｂに示すように、２つの支持板２８は、それぞれ、バケット補助板２７の幅方向両側に、バケット２３と同様、溶接等の方法により固定されている。なお、本実施形態では、水車２０の回転軸２１と支持板２８との間にベアリング２２を介在させているが、当該ベアリング２２は省略することができる。

加えて、図３Ａ等に示すように、本実施形態では、水車２０は、回転軸２１の周方向に延在してバケット２３の先端のそれぞれを一体に固定するバケット補強部２９を更に有している。バケット補強部２９としては、例えば、回転軸２１の周方向を周回する、ピアノ線又はスチール線が挙げられる。本実施形態では、図２Ｂに示すように、バケット補強部２９は、バケット幅Ｗ２３の中心の１箇所に設けられている。ただし、バケット補強部２９は、バケット幅Ｗ２３の方向に間隔を置いて複数設けることもできる。なお、本実施形態では、バケット補強部２９は、図３Ａに示すように、軸方向視で、円形としたが、バケット２３の先端を直線的に繋いだ多角形としてもよい。

また、図２Ｂに示すように、リニア水力発電装置１００は、水車２０によって駆動される発電機３０を有している。本実施形態では、発電機３０は、動力伝達装置４０を介して、水車２０の回転軸２１に駆動結合されている。動力伝達装置４０は、水車２０の回転力及び回転速度を発電機３０に伝達する。

本実施形態では、動力伝達装置４０は、ベルト式の動力伝達装置である。詳細には、動力伝達装置４０は、水車２０の回転軸２１に固定された入力プーリ４１と、発電機３０の入力回転軸に固定された出力プーリ４２と、これら入力プーリ４１及び出力プーリ４２の間に掛け渡されたＶベルト４３を有している。本実施形態では、入力プーリ４１及び出力プーリ４２を可変プーリとすることにより、発電機３０に入力される回転力及び回転速度を適宜変更できるようにしている。また、本発明によれば、水車２０の回転軸２１と入力プーリ４１との間及び出力プーリ４２と発電機３０の入力回転軸との間の少なくとも一方に、ロックアップ式のトルクコンバータ等の流体継手を介在させることができる。また、本発明によれば、動力伝達装置４０は、ベルト式の動力伝達装置に換えて、チェーン式の動力伝達装置とすることもできる。動力伝達装置４０をベルト式に代えてチェーン式とした場合、ベルト式に比べて動力伝達効率が向上する。特に、ギアチェーン式とした場合、ギアを変更することにより、発電機３０に入力される回転力及び回転速度を適宜変更できる。

図２Ａに示すように、本実施形態では、水車２０の直径Ｒ２０を１０００ｍｍとした場合、流水路１０の取水口１０ａの水速度Ｖは、３〜５ｍ／ｓとしている。また、本実施形態では、流水路１０の角度θは、１ｍｍｒａｄ(ミリラジアン)〜２ｍｍｒａｄ(ミリラジアン)とすることが好ましい。角度θがそれ以上あれば、水の流れを維持することができる。なお、角度θの数値は例示的なものである。本発明によれば、角度θの数値は適宜変更することができ、例えば、角度θは、１°〜２°でもよい。

なお、本実施形態において、流水路１０の長さ、大きさ、深さ（水深）、傾き等の、具体的な寸法、構造等は、流水路１０の「水量」、「水速度」、「発電計画（電力生産計画）」によって決定することができる。

また、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、本実施形態において、流水路１０の水深Ｄ１０は、水車２０の浸水深さＤ２０に対して２倍以上の水深が必要である。この場合、流水路１０の水深Ｄ１０のうち、水面Ｆから水車２０の浸水深さＤ２０までの領域は、水車２０が水勢力を受ける受圧水流層となり、水車２０の浸水深さＤ２０から流水路１０の底面１０ｆまでの領域は、水流の水勢力が水車２０の影響を受けない遊水流層となる。本実施形態では、流水路１０の水深Ｄ１０は、５５０ｍｍ、水車２０の浸水深さＤ２０は、２５０ｍｍ、残部深さＤｆは、３００ｍｍである。なお、これらの数値は例示的なものである。本発明によれば、これらの数値は適宜変更することができる。

図３Ａに示すように、本実施形態では、水車２０の直径Ｒ２０は、１０００ｍｍとしている。また、バケット２３の湾曲した受圧面２４の曲率半径Ｒ２４は、１２５ｍｍとしている。また、バケット２３の直線形の受圧面２５の延在長さＬ２５は、５０ｍｍとしている。更に、バケット補助板２７の水車径方向長さ（受圧面２６の長さ）Ｌ２７は、５０ｍｍとしている。また、図３Ｂに示すように、本実施形態において、水車幅Ｗ２０は、１０００ｍｍとしている。なお、これらの数値も例示的なものである。本発明によれば、これらの数値も適宜変更することができる。例えば、バケット２３は、１０個とすることができる。また、バケット幅Ｗ２３は、１尺（約３０３ｍｍ）以上とすることが好ましい。

なお、本実施形態において、水車２０の個数、配置間隔等、回転軸の軸方向長さ、大きさ（径）、形状等、バケット２３（湾曲した受圧面２４，直線形の受圧面２５）の数、大きさ（径方向長さ、軸方向幅）、形状等の、具体的な寸法、構造等も、流水路１０の「水量」、「水速度」、「発電計画（電力生産計画）」によって決定することができる。

また、本実施形態では、発電機３０の回転数は、２００〜３００ｒｐｍとしている。また、図１に示すように、本実施形態では、発電機３０は、水車２０の両側に接続されているが、少なくともいずれか一方の側にのみ、接続させることができる。また、図２Ｂに示すように、動力伝達装置４０において、入力プーリ４１及び出力プーリ４２のプーリ比は、３〜５としている。なお、これらの数値も例示的なものである。本発明によれば、これらの数値は適宜変更することができる。更に、発電機３０は、水車２０の回転軸２１に対して直結させ、或いは、ロックアップ式のトルクコンバータを介して間接的に連結させることができる。

なお、本実施形態において、発電機３０の個数、大きさ、出力電力、形状等の、具体的な寸法、構造等も、流水路１０の「水量」、「水速度」、「発電計画（電力生産計画）」によって決定することができる。

図３Ｂに示すように、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００では、流水路１０の流路面積Ｓ１０は、水車２０の受圧面積Ｓ２０の２倍以上としている。この「２倍以上」という数値は、適切な水勢力を得るために、実験的に求められた数値である。この場合、水車２０を回転させることによる、当該水車２０のバケット２３の受水抵抗（受圧抵抗）によって水流全体の水勢力が減少しても、当該水勢力には、次の水車２０に向かって流動する間に、流水路１０の勾配によって得られる水勢力と、直接水車２０の回転に直接関連しない水深部分の流水（遊水流層を通る流水）の水勢力とが合成される。このため、次々と水車２０を回転させることによって減少した水勢力は、次の水車２０に向かって流動する間に再び高まることになる。これにより、流水路１０に沿って配置された各発電機３０からは、その河川（流水路）、水量（流量）に応じた大小の均等な電力を取り出すことができる。

詳細には、図３Ｂに示すように、流水路１０の水深Ｄ１０は、水車２０が浸水した状態での水面Ｆからの水車２０の浸水深さＤ２０に対して２倍以上の水深である。この場合、水車２０の浸水深さＤ２０の２倍以上の水深Ｄ１０を有する流水路１０において、水車２０よりも下方の、水車２０に直接関連しない水深部分（本実施形態では、残部深さＤｆの領域の遊水流層）の水流の水勢力と、流水路１０に沿って流動中に流水路１０の勾配によって得られる水流の水勢力とが合成される。

また、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００によれば、バケット２３を有する、所望数の水車２０を使用することによって、水流の水勢力を効率的に受けることができ、更に、河川、用水路等の「水量」と「水速度」のエネルギー（運動エネルギー）との相乗効果と、複数の発電機からの連続的な電力の集積とが相俟って、発電力を増大させることができる。従って、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００によれば、河川、用水路等の「水量」、「水速度」、「発電計画（電力生産計画）」に応じて、例えば、流水路の長さ、大きさ、深さ（水深）、傾き等、水車の個数、配置間隔等、回転軸の軸方向長さ、大きさ（径）、形状等、バケット（受圧面）の数、大きさ（径方向長さ、軸方向幅）、形状等を、適宜、設定することにより、落差の少ない様々な場所の、任意のスペースに対して、所望の大きさの施設が可能になる。従って、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００によれば、大容量の電力供給から小容量の電力供給に至るまで幅広い範囲の設備が可能となる。

特に図３Ａに示すように、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００では、水車周辺水流体積ＶＬは、水車浸水体積（水勢力抵抗体積）ＶＷの５倍以上とすることができる。本実施形態では、図３Ａの破線で囲まれた領域で示すように、「水車周辺水流体積ＶＬ」とは、「１つの水車の周辺の水流体積のうち、当該水車の直径間における水流体積」をいう。また本実施形態では、図３Ａの一点鎖線で囲まれた領域で示すように、「水車浸水体積ＶＷ」とは、「流水路内の水に浸水している水車の体積」をいう。即ち、本実施形態では、「水車周辺水流体積ＶＬ」における、「流水路１０の延在方向の長さ」は、「水車２０の直径Ｒ２０」である。この場合、水車２０の水勢力抵抗分に関係なく、次の水車２０も連続的に駆動させることができる。本実施形態では、水車２０の間隔（水車間ピッチ長さＬ２０）が１ｍあれば、上流から下流にかけて配置された、複数の水車２０はそれぞれ、連続的かつ容易に回転する。なお、図３Ａでも、破線で囲まれた領域及び一点差線で囲まれた領域は、他の部分の外形線との重複を避けるため、実際よりも、小さく表記されている。

また、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００では、バケット２３の湾曲した受圧面２４は、図３Ａに示すように、軸方向視で、水の流れ方向に向かって半円筒形に湾曲した受圧面である。この場合、バケット２３の湾曲した受圧面２４が水流の水勢力をより効率的に受けることから、発電力をより増大させることができる。

また、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００では、バケット２３は、図３Ａに示すように、軸方向視で、当該バケット２３の先端部に直線形の受圧面２５を有している。この場合、バケット２３の入水直後に、バケット２３の直線形の受圧面２５が案内面として、バケット２３に水を、水流の流れに沿って効率的に導くことができることから、発電力をより増大させることができる。

また、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００では、水車２０は、バケット２３から水車２０の回転軸２１に向かって延在するバケット補助板２７を更に有している。この場合、バケット補助板２７の受圧面２６が、後述するように、バケット２３と共に水流の水勢力を受けることにより、発電力をより増大させることができる。

また、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００では、図３Ｂ等に示すように、水車２０は、バケット２３の幅方向両側に支持板（支持円板）２８を更に有し、２つの支持板２８は、それぞれ、バケット２３の幅方向両側に固定されている。この場合、水車２０全体の剛性が高まることから、水車２０の耐久性、ひいては、リニア水力発電装置１００全体の耐久性を向上させることができる。また、水車２０全体の剛性が高まることから、水車２０が構造的に安定する。これにより、水車２０がより効率的に回転することから、発電力をより増大させることができる。

また、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００では、図２Ｂ及び図３Ａ等に示すように、水車２０は、回転軸２１の周方向に延在してバケット２３の先端のそれぞれに固定されたバケット補強部２９を更に有している。この場合、水車２０全体の剛性が高まることから、水車２０の耐久性、ひいては、リニア水力発電装置１００全体の耐久性を向上させることができる。また、水車２０全体の剛性が高まることから、水車２０が構造的に安定する。これにより、水車２０がより効率的に回転することから、発電力をより増大させることができる。

また、図１に示すように、本実施形態に係るリニア水力発電装置１００では、流水路１０は、プレハブ工法式の流水路である。プレハブ工法式の流水路１０は、流水路を予め、少なくとも１つの流路部材として製作し、当該部材を施設現場で組み立てることにより形成することができる。この場合、流水路１０の組立て及び分解により、流水路１０の施設及び撤去が可能となる。特に、後述するように、流水路１０の取水口１０ａに水門等の、水の流入を阻止する流入阻止設備を配置すれば、台風、豪雨、異常気象等の状況下において、施設場所が災害区域に指定された場合、取水口の制御により、当該災害区域から容易かつ迅速に開放できるため、安全性も確保される。

次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係るリニア水力発電装置２００について説明をする。なお、以下の説明において、第１実施形態と実質的に同一の部分は同一の符号をもって、その説明を省略する。

本実施形態に係るリニア水力発電装置２００は、第１リニア水力発電装置２００Ａと、第２リニア水力発電装置２００Ｂとの、２つのリニア水力発電装置を有している。また、第１リニア水力発電装置２００Ａ及び第２リニア水力発電装置２００Ｂは、それぞれ、第１流水路１０Ａと第２流水路１０Ｂとの、２つの流水路で構成されている。本実施形態では、第１流水路１０Ａ及び第２流水路１０Ｂは、それぞれ、河川からの放流水等の水流の水勢力を取水した用水路である。本実施形態では、第１流水路１０Ａ及び第２流水路１０Ｂは、それぞれ、第１実施形態の流水路１０と同様、図４に示す平面視で、直線状に延在している。

本実施形態では、第１流水路１０Ａは、流水路幅Ｗ１０Ａが２０００ｍｍの用水路である。本実施形態では、第１流水路１０Ａは、水の流入を遮断する流体流入遮断部１５を有する。流体流入遮断部１５は、手動により、又は、電気制御等により、水の流入を断続させることができる。流体流入遮断部１５は、台風、豪雨、異常気象等の状況下において、施設場所が災害区域に指定された場合、第１流水路１０Ａを遮断することにより、第１リニア水力発電装置２００Ａの安全性を確保する。本実施形態では、流体流入遮断部１５は、第１流水路１０Ａの取水口１０ａに設けられた、開閉可能な水門である。また、本実施形態では、第１流水路１０Ａの取水口１０ａには、障害物排除設備１６が設けられている。障害物排除設備１６は、水車等に異物等を干渉させないための設備である。障害物排除設備１６としては、例えば、木材、石等の異物を捕捉する防護ネット等が挙げられる。

また、本実施形態では、第１流水路１０Ａ内には、同一の水車２０Ａが第１流水路１０Ａの延在方向に間隔を置いて複数配置されている。本実施形態では、水車２０Ａは、第１流水路１０Ａの延在方向における、水車間ピッチ長さＬ２０は、５０００ｍｍとしている。また、本実施形態では、水車２０Ａは、２２個のバケット２３を有した水車である。本実施形態では、水車２０Ａの直径Ｒ２０は、第１実施形態と同様、１０００ｍｍであるが、水車幅Ｗ２０は、１６００ｍｍである。更に、本実施形態では、第１流水路１０Ａの水深Ｄ１０Ａは、第１実施形態と同様、水車２０Ａが浸水した状態での水面Ｆからの水車２０の浸水深さＤ２０に対して２倍以上の水深であるが、本実施形態では、第１流水路１０Ａの水深Ｄ１０は、８００ｍｍである。

また、本実施形態では、第２流水路１０Ｂも、流水路幅Ｗ１０Ｂが２０００ｍｍの用水路である。本実施形態では、第２流水路１０Ｂの取水口１０ａにも、第１リニア水力発電装置２００Ａと同様、流体流入遮断部１５が設けられている。流体流入遮断部１５も、台風、豪雨、異常気象等の状況下において、施設場所が災害区域に指定された場合、第２流水路１０Ｂを遮断することにより、第２リニア水力発電装置２００Ｂの安全性を確保する。また、本実施形態では、第２流水路１０Ｂの取水口１０ａにも、障害物排除設備１６が設けられている。

更に、本実施形態では、第２流水路１０Ｂ内には、異なる水車２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ及び２０Ｅが第２流水路１０Ｂの延在方向に間隔を置いて複数配置されている。本実施形態では、水車２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ及び２０Ｅは、それぞれ、水車２０Ａと同様、２２個のバケット２３を有した水車である。本実施形態では、水車２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ及び２０Ｅの直径Ｒ２０は、第１実施形態と同様、１０００ｍｍであるが、水車幅Ｗ２０は、１２００ｍｍ、１０００ｍｍ、６００ｍｍ及び４００ｍｍである。特に、本実施形態では、水車２０Ｅは、間隔ＷＳで配置された２つの水車である。なお、本実施形態では、間隔ＷＳは、１０００ｍｍである。水車２０Ｅによれば、第２流水路１０Ｂの流水路幅Ｗ１０Ｂの中央の領域を有効に利用することができる。更に、本実施形態では、第２流水路１０Ｂの水深Ｄ１０Ｂも、第１実施形態と同様、水車２０Ａが浸水した状態での水面Ｆからの水車２０Ｂの浸水深さＤ２０に対して２倍以上の水深であるが、本実施形態では、第２流水路１０Ｂの水深Ｄ１０も、８００ｍｍである。なお、上記の数値は、例えば、各河川で実験した結果に基づく、例示的な数値である。

また、本実施形態は、同一流水路幅Ｗ１０Ｂの第２流水路１０Ｂに、異なる水車２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ及び２０Ｅを配置したものであるが、これらの水車２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ及び２０Ｅは、それぞれ、単独で使用することができる。例えば、水車２０Ｃは、中水量の河川用の水車として、１つの中水量河川（流水路）に間隔を置いて配置することができる。また、例えば、水車２０Ｄは、小水量の河川用の水車として、１つの小水量河川（流水路）に間隔を置いて配置することができる。即ち、本実施形態によれば、河川の水量に応じた、用水路に適した水車幅の水力発電装置を提供することができる。

なお、本実施形態では、第１リニア水力発電装置２００Ａは、各発電機３０に対応する集電盤５０を複数有している。第２リニア水力発電装置２００Ｂも、第１リニア水力発電装置２００Ａと同様、各発電機３０に対応する集電盤５０を複数有している。本実施形態では、発電機３０から取り出された電気はそれぞれ、各発電機３０に対応する集電盤５０で集電される。本実施形態では、第１リニア水力発電装置２００Ａ及び第２リニア水力発電装置２００Ｂで集電された電気は、簡易発電所に送られたのち、当該簡易発電所内の昇圧変圧器等を介して、送電線を通して各所に配電される。

また、本実施形態の変形例として、第２流水路１０Ｂは、図４の平面視で、流水路幅Ｗ１０Ｂを上流から下流に向かうに従って、流水路幅Ｗ１０Ｂが先細る流水路とすることができる。この場合、第２流水路１０Ｂの水速度は、上流から下流に向かって流水路幅Ｗ１０Ｂが狭くなるに従って速くなる。このため、流水路幅Ｗ１０Ｂが狭くなる場合、図４の第２流水路１０Ｂのように、上流から下流に向かうに従って、水車２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ及び２０Ｅを順次配置すれば、第２流水路１０Ｂと同様に、流水路に沿って配置された各発電機３０からは、均等に電力を取り出すことができる。

次に、図５を参照して、本発明の第３実施形態に係るリニア水力発電装置３００について説明をする。なお、以下の説明において、他の実施形態と実質的に同一の部分は同一の符号をもって、その説明を省略する。

本実施形態に係るリニア水力発電装置３００では、流水路１０内に配置される複数の水車として、水車６０を使用している。本実施形態では、水車６０は、２つの水車２０を流水路１０の幅方向に並列に配置したものである。本実施形態では、水車６０の回転軸６１は、２つの水車２０の回転軸２１を一体に構成した回転軸である。水車６０の回転軸６１は、流水路１０の底壁１１から起立する補強支柱１７に対してベアリング２２を介して回転可能に支持されている。これにより、水車６０は、回転軸６１の回転によって２つの水車２０を同時に一体的に回転させることができる。この場合、１つのバケット幅Ｗ２３（水車幅）を大きくすることなく、バケット２３の受圧面積Ｓ２３を大きく確保することができる。また、この場合、回転軸６１の長さ方向（流水路幅方向）中央部が補強支柱１７で支持されるため、回転軸２１に生じる撓み等を抑制することができる。なお、本実施形態では、バケット補助板２７は、回転軸６１とバケット２３とを連結している。本実施形態では、バケット補助板２７の隙間Ｓは、バケット補助板２７に形成された開口部として構成されている。水車６０のような複合式の水車は、例えば、流水路幅Ｗ１０が２ｍ以上の、水量の大きな流水路で使用することが好適である。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、本発明の変形例に係るリニア水力発電装置４００について説明をする。なお、以下の説明において、他の実施形態と実質的に同一の部分は同一の符号をもって、その説明を省略する。

本例に係るリニア水力発電装置４００は、流水路１０の水深Ｄ１０が浅く、当該流水路１０の水深Ｄ１０が、水車２０の浸水深さＤ２０に対して２倍以上の水深を確保できない場合を想定した例である。この例は、水流が少ない場合、その分だけ、流水路１０の横幅（水路幅Ｗ１０）を拡大して、水流の流水勢力の不足分の流量を補うものとする。

図６Ａ等に示すように、本例に係るリニア水力発電装置４００では、流水路の水深を大きく確保するのに代えて、流水路１０の側壁１２と水車７０との間の幅方向隙間ΔＳ７０を広く確保している。これにより、水量を増やして水勢力を確保している。流水路１０の流路面積Ｓ１０は、幅方向隙間ΔＳ７０を調整することにより、水車７０の受圧面積Ｓ７０の２倍以上とすることができる。即ち、流水路１０を通過する水量は、バケット２３の水流妨害抵抗分の水量の２倍以上とすることができる。この場合、流水路１０は、例えば、水深の浅い農業用水路に適用させることができる。

詳細には、流水路１０の底幅Ｗ１１は、流水路１０と水車７０との間の幅方向隙間ΔＳ７０を十分確保できる幅となっている。この場合、水車７０を回転させることによる、当該水車２０のバケット２３の受水抵抗によって水流全体の水勢力が減少しても、当該水勢力には、次の水車７０に向かって流動する間に、流水路１０の勾配によって得られる水勢力と、水車７０の両側で直接水車７０の回転に寄与しない水流（水車７０の受圧面積Ｓ７０が除かれた流路面積（Ｓ１０−Ｓ７０：受圧水流層の幅方向両側に隣接する遊水流層）を通る水流）の水勢力とが合成される。このため、次々と水車７０を回転させることによって減少した水勢力は、次の水車７０に向かって流動する間に再び高まることになる。これにより、本例に係るリニア水力発電装置４００においても、流水路１０に沿って配置された各発電機３０からは、その河川、水量に応じた大小の均等な電力を取り出すことができる。なお、本例では、水面Ｆの幅ＷＦとすると、流水路１０の流路面積Ｓ１０は、｛（水面Ｆの幅ＷＦ）＋（流水路１０の底幅Ｗ１１）｝×Ｄ１０／２である。また、本例では、水車７０の受圧面積Ｓ７０は、バケット２３の受圧面積Ｓ２３とバケット補助板２７の受圧面積Ｓ２７との和（Ｓ７０＝Ｓ２３＋Ｓ２７）である。

具体的には、流水路１０の水深Ｄ１０は、２３０ｍｍであり、水車７０の直径Ｒ７０は、６００ｍｍである。また、水車７０の水車幅Ｗ７０が２５０ｍｍであるのに対し、流水路１０の底幅Ｗ１１を４００ｍｍとしている。これにより、流水路１０の側壁１２と水車７０との間の幅方向隙間ΔＳ７０として、７５ｍｍが確保されている。水車７０の浸水深さＤ７０は、１８０ｍｍとしている。またバケット補助板２７の水車径方向長さＬ２７は、３０ｍｍである。このため、バケット２３の水車径方向長さＬ２３は、水車７０の浸水深さＤ７０からバケット補助板２７の水車径方向長さＬ２７を除算した１５０ｍｍである。なお、これらの数値は例示的なものである。本発明によれば、これらの数値は適宜変更することができる。

また、図６Ｂに示すように、本例では、水車７０のバケット２３は、１８個である。また、バケット２３の湾曲した受圧面２４は、それぞれ、図６Ｂに示すように、回転軸２１の軸方向視で、回転軸２１の周方向の水の流れ方向に向かって、水車２０のバケット２３の曲率半径よりも大きな曲率半径Ｒ２４で湾曲している。本例では、直線形の受圧面２５は省略されている。なお、本例で使用される水車は、水車７０に限定されるものではない。本例で使用される水車としては、例えば、上述の水車２０等を使用することができる。

ここで、図７を参照して、本発明に係るリニア水力発電装置の水車に適用可能なバケット２３の形態について説明をする。なお、以下の説明において、他の実施形態と実質的に同一の部分は同一の符号をもって、その説明を省略する。

図７は、バケット２３の受圧面の２つのバリエーションを１つの図面で示したものである。まず１つ目のバリエーションは、図７の符号２４´に示すように、回転軸２１の軸方向視で、水車２０の回転軸２１から放射状に延びる直線に対して、回転軸２１の周方向の水の流れ方向に向かって湾曲した受圧面２４´である。次いで、２つ目のバリエーションは、図７の符号２５´´に示すように、回転軸２１の軸方向視で、水車２０の回転軸２１から放射状に延びる直線に対して、回転軸２１の周方向の水の流れ方向に向かって窪んだ台形状の受圧面２５´である。本実施形態では、台形状の受圧面２５´は、直線で構成されている。このため、台形状の受圧面２５´の一部は、直線形の受圧面２５として機能する。

ところで、上述の各水車では、例えば、既に図３Ａを参照して説明したように、バケット補助板２７は、軸方向視で、回転軸２１との間に環状の隙間Ｓを形成している。バケット補助板２７は、互いの周方向の相互間に開口部Ａ２７を形成している。開口部Ａ２７がそれぞれ、隙間Ｓを外界に通じさせている。これにより、隙間Ｓは、水車２０を回転させたときに、水面Ｆから飛び散る飛沫を逃がす穴として機能する。

しかしながら、本願発明者は、試験・研究の結果、水流の水勢力が大きい場合、例えば、水速度Ｖが６ｍ／ｓ以上の場合、水車２０が回転方向に対して逆向きの抵抗を受け、回転速度が上昇しなくなってしまうことを認識するに至った。そして、本願発明者は、更に鋭意試験・研究の結果、水車２０の回転速度が上昇しない原因の１つは、当該水車２０のバケット２３から吐き出される水にあることを確かめた。

具体的には、水速度Ｖが６ｍ／ｓの場合、水車２０の下流側では、バケット２３から吐き出される水は多量の飛沫となって飛散する。特にバケット２３の浸水深さＤ２０が深い場合、例えば、バケット２３が２５０ｍｍ以上の場合、水車２０の下流側に飛散する飛沫量は大きい。またバケット２３の浸水深さＤ２０が深い場合、多量の飛沫が水車２０を一回りして当該水車２０の上流側上部に飛散する。このように水車２０の上流側上部に飛散した大量の飛沫は、当該水車２０の回転速度を抑制し、当該水車２０の回転速度が上昇することを妨げる。

この結果、水車２０の回転によれば、実際に、発電機３０の発電定格回転数としては十分な回転数（例えば、９０ｒｐｍ）が得られるものの、理想的には、それ以上の回転数（例えば、１５０ｒｐｍ）が得られると考えられる。

そこで、本願発明者は、回転軸２１の周方向に隣接して配置された２つのバケットの間に、一方のバケット（水車の回転方向に先行するバケット）の径方向内側端部と、他方のバケット（前記水車の回転方向に先行する前記バケットに対して後方のバケット）の径方向外側端部との間を延在する流水跳ね返し部を設けた。

図８Ａは、本発明の他の変形例に係るリニア水力発電装置５００を、図１のＢ−Ｂ断面に相当する方向から示す正面図である。また図８Ｂは、図８ＡのＣ−Ｃ断面図である。

図８Ａ等に示すように、本実施形態に係るリニア水力発電装置５００では、水車８０は、水車２０と同様、複数の長翼を有する長翼水車である。水車８０は、図８Ａ等に示すように、軸方向に間隔を置いて配置された２つの支持板２８の間に、回転軸２１の周方向に間隔を置いて配置された複数のバケット８３と、当該バケット８３の間に配置された流水跳ね返し部８７とを有している。また本実施形態では、動力伝達装置４０は、チェーン式の動力伝達装置である。詳細には、動力伝達装置４０は、水車８０の回転軸２１に固定された入力ギア８１１と、発電機３０の入力回転軸に固定された出力ギア８２２と、これら入力ギア８１１及び出力ギア８２２の間に掛け渡されたギアチェーン８３３を有している。

また図８Ｂに示すように、本実施形態では、水車８０は、８枚の長翼を有している。

図３Ａの水車２０等では、前記長翼は、バケット２３及びバケット補助板２７からなる。これに対し、本実施形態では、図８Ｂに示すように、前記長翼は、平板のバケット８３からなる。

本実施形態では、図８Ａに示すように、バケット８３は、バケット２３と同様、軸方向に延びるバケット幅Ｗ８３を有している。図８Ａに示すように、バケット８３の幅方向側端は、それぞれ、バケット２３と同様、支持板２８に対して溶接等の方法によって固定されている。これにより、本実施形態では、バケット８３は、バケット２３と同様、２つの支持板２８の軸方向間を閉じている。

更に本実施形態では、バケット８３は、図８Ｂに示すように、所定の水車径方向長さＬ８３を有している。本実施形態では、バケット８３の径方向内側端部８３ａは、回転軸２１に近い位置に配置されている。特に本実施形態では、バケット８３の径方向内側端部８３ａのうち、回転軸２１に最も近い部分を、バケット８３の径方向内側端８３ｅ１とする。また本実施形態では、バケット８３の径方向外側端部８３ｂは、水車８０の径方向外側の位置に配置されている。特に本実施形態では、バケット８３の径方向外側端部８３ｂのうち、最も水車８０の径方向外側の部分（先端）を、バケット８３の径方向外側端８３ｅ２とする。

バケット８３は、図８Ｂに示すように、軸方向視で、回転軸２１との間に環状の隙間（車内空洞部）Ｓを形成している。バケット８３の径方向内側端８３ｅ１は、周方向に互いに隣り合うバケット８３の径方向内側端８３ｅ１の間に隙間Ａ８３を形成する。隙間Ａ８３は、水車２０の開口部Ａ２７に相当する。

これに対し、本実施形態では、水車８０は、隣接して配置された２つのバケット８３の間に、流水跳ね返し部８７を有している。本実施形態では、図８Ａに示すように、流水跳ね返し部８７は、バケット８３と同様、軸方向に延びる流水跳ね返し部幅Ｗ８７を有している。流水跳ね返し部８７の幅方向側端は、それぞれ、バケット８３と同様、支持板２８に対して溶接等の方法によって固定されている。これにより、本実施形態では、流水跳ね返し部８７は、バケット８３と共に、２つの支持板２８の軸方向間を閉じている。

また本実施形態では、流水跳ね返し部８７は、図８Ｂに示すように、隣接して配置された２つのバケット８３のうち、一方のバケット８３の径方向内側端部８３ａと、他方のバケット８３の径方向外側端部８３ｂとの間を延在している。本実施形態では、一方のバケット８３の径方向内側端部８３ａに近い部分が流水跳ね返し部８７の径方向内側端部８７ａであり、他方のバケット８３の径方向外側端部８３ｂに近い部分が流水跳ね返し部８７の径方向外側端部８７ｂである。

本実施形態では、上述のように、流水跳ね返し部８７の径方向内側端部８７ａが一方のバケット８３の径方向内側端部８３ａに向かって延在していると共に、流水跳ね返し部８７の径方向外側端部８７ｂが他方のバケット８３の径方向外側端部８３ｂに向かって延在している。これにより、流水跳ね返し部８７は、図８Ｂに示す軸方向視で、当該流水跳ね返し部８７に対応する隙間Ａ８３の、少なくとも一部を閉じることができる。なお、言い換えれば、流水跳ね返し部８７は、図８Ｂに示す軸方向視で、外界に対して車内空洞部Ｓを部分的に閉じることができる。これにより、流水路１０の水が、図８Ｂに示す軸方向視で、回転軸２１の径方向外側から車内空洞部Ｓに進入することを抑制することができる。

本発明によれば、流水跳ね返し部８７は、当該流水跳ね返し部８７の径方向内側端部８７ａを、一方のバケット８３の径方向内側端部８３ａに連結することができる。また流水跳ね返し部８７は、当該流水跳ね返し部８７の径方向外側端部８７ｂを、他方のバケット８３の径方向外側端部８３ｂに連結することができる。本実施形態では、流水跳ね返し部８７は、一方のバケット８３の径方向内側端部８３ａと、他方のバケット８３の径方向外側端部８３ｂとに連結されており、図８Ｂに示す軸方向視で、回転軸２１の周方向に隣接して配置された２つのバケットの間に形成された、当該流水跳ね返し部８７に対応する隙間Ａ８３を閉じている。これにより、流水路１０の水が、図８Ｂに示す軸方向視で、回転軸２１の径方向外側から車内空洞部Ｓに進入することを阻止することができる。

更に流水跳ね返し部８７の幅方向側端は、それぞれ、バケット８３と同様、支持板２８に対して連結されている。これにより、流水跳ね返し部８７は、周方向に配置された複数の隙間Ａ８３をそれぞれ、図８Ｂに示す軸方向視で、完全に閉じることができる。言い換えれば、流水跳ね返し部８７は、車内空洞部Ｓ全体を周方向に閉じられた閉空間とすることができる。これにより、流水路１０の水が車内空洞部Ｓに進入することをほぼ完全に阻止することができる。

本実施形態では、動力伝達装置４０は、チェーン式の動力伝達装置である。詳細には、動力伝達装置４０は、水車８０の回転軸２１に固定された入力ギア８１１と、発電機３０の入力回転軸に固定された出力ギア８２２と、これら入力ギア８１１及び出力ギア８２２の間に掛け渡されたギアチェーン８３３を有している。

次に、図８Ｂ等を参照して、水車８０の動作について説明する。図８Ｂにおいて、図面左側は流水路１０の上流側であり、図面右側は流水路１０の下流流側である。

図８Ｂにおいて、水車８０は、位置Ａのバケット８３が上流からの水を受ける。このとき、位置Ａのバケット８３が当該バケット８３の受圧面８４で受けた水勢力は、水車８０を図面に対して反時計回りに回転させる。その一方で、位置Ａのバケット８３が受けた水の一部は、当該バケット８３の受圧面８４に沿って車内空洞部Ｓに向かって案内される。

しかしながら、本実施形態では、位置Ａのバケット８３によって車内空洞部Ｓに向かって案内された水は、位置Ａと位置Ｈとの間の流水跳ね返し部８７によって塞き止められることによって、車内空洞部Ｓに進入することがない。また位置Ａのバケット８３よりも下流に位置する位置Ｂのバケット８３との間は、水面Ｆよりも下の位置にある。しかしながら、位置Ａのバケット８３と位置Ｂのバケット８３との間の水は、位置Ａと位置Ｂとの間の流水跳ね返し部８７によって塞き止められることによって、車内空洞部Ｓに進入することがない。

位置Ｂのバケット８３も同様であり、またバケット８３が位置Ｃにあるときも、位置Ｂ及び位置Ｃの間では、流水跳ね返し部８７が車内空洞部Ｓへの水の進入を阻止しつつ、当該水を下流側に吐き出させる。また、位置Ｃ及び位置Ｄの間では、流水跳ね返し部８７が車内空洞部Ｓへの水の進入を阻止しつつ、当該水を下流側に吐き出させる。特に、位置Ｃ及び位置Ｄの間に移動したバケット８３及び流水跳ね返し部８７の間に溜まった水は、水車８０の回転（いわゆる遠心力）により径方向外側に放水される。

更に水車８０が回転し、バケット８３が位置Ｄ、Ｅ，Ｆ、Ｈに進む場合も、同様で、残った水は、流水跳ね返し部８７によって、車内空洞部Ｓに進入することがなく、水車８０の回転により径方向外側に放水される。

本実施形態に係るリニア水力発電装置５００は、流水跳ね返し部８７を設けた水車８０を用いたことにより、次のような効果を奏する。

（１）流水路１０の水流勢力（水速度Ｖ、流水路１０の水量）を大きく確保することにより、大電力を得ることができる。
（２）バケット８３からの不要水流勢力が車内空洞部Ｓに進入することによって生じ得る回転抵抗が抑制され、水車８０の回転速度の低下を抑えることができる。このため、本実施形態によれば、より大きな電力を得ることができる。
（３）バケット８３から吐き出される水の抵抗が抑制される。このため、本実施形態によれば、より大きな電力を得ることができる。
（４）流水跳ね返し部８７が水車８０に進入する水勢力を跳ね返すことによって得られる反動力によって、水車８０の回転速度・回転トルクを上昇させることができる。このため、本実施形態によれば、より大きな電力を得ることができる。
（５）水車８０内への水流勢力の浸入を防止しつつ、当該水車８０を空洞化させることができる。このため、本実施形態によれば、水車８０の軽量化を図ることができる。
（６）バケット８３（長翼）の強度を向上させることができる。即ち、流水跳ね返し部８７は、バケット８３の補強材として機能する。このため、本実施形態によれば、バケット８３の強度、ひいては、水車８０の強度を向上させることができる。言い換えれば、本実施形態によれば、リニア水力発電装置の耐久性を向上させることができる。

本実施形態に係るリニア水力発電装置５００によれば、回転軸２１の周方向に隣接して配置された２つのバケット８３の間に、流水跳ね返し部８７を設けた水車８０を用いたことにより、ペルトン水車に匹敵する発電効率に優れた発電装置を得ることができる。従って、本実施形態に係るリニア水力発電装置５００によれば、ダム等の大きな落差を利用することなく、高低差の小さい用水路等においても、効率良く大きな電力を得ることができる。

特に本実施形態では、流水跳ね返し部８７は、一方のバケット８３の径方向内側端部８３ａと、他方のバケット８３の径方向外側端部８３ｂとに連結されている。この場合、バケット８３の強度をより向上させることができる。特に本実施形態では、流水跳ね返し部８７は、一方のバケット８３の径方向内側端部８３ａと、他方のバケット８３の径方向外側端部８３ｂとに連結されている。この場合、バケット８３の径方向内側端部８３ａ及び径方向外側端部８３ｂのいずれにおいても、水勢力によって生じ得る変形が抑制される。

また本実施形態では、バケット８３の径方向内側端部８３ａは、図８Ｂに示すように、それぞれ、軸方向視で、回転軸２１に向かって径方向内側に凸の湾曲面である。本実施形態では、バケット８３の径方向内側端部８３ａは、軸方向視で、曲率半径Ｒ８７で構成されている。この場合、バケット８３の径方向内側端部８３ａと、流水跳ね返し部８７の径方向内側端部８７ａとの間が滑らかに繋がることにより、水の放出をよりスムースに行うことができる。なお、本実施形態では、バケット８３及び流水跳ね返し部８７は、別体で構成されており、例えば、溶接等の手段を用いて接続されている。但し、本発明によれば、バケット８３及び流水跳ね返し部８７は、例えば、一枚の板材に対してプレス加工等を行うことによって形成された一体成形物とすることも可能である。

なお、図８Ａを参照すれば、本実施形態では、流水路１０の規格は、次のとおりである。水深Ｄ１０は５００ｍｍである。水車８０の浸水深さＤ８０は２５０ｍｍである。また本実施形態は、水速度Ｖが２ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓ未満の流水路での使用に適している。

また本実施形態では、水車８０の規格は、次のとおりである。水車８０は、８枚の長翼を有している。前記長翼は、平板のバケット８３である。水車８０の直径Ｒ８０は、１０００ｍｍである。水車幅Ｗ８０は１０００ｍｍである。バケット幅Ｗ８３は１尺（約３０３ｍｍ）以上とすることが好ましい。また図８Ｂを参照すれば、バケット８３の水車径方向長さＬ８３は、２５０ｍｍである。更に図８Ｂを参照すれば、流水跳ね返し部８７の長さＬ８７は、軸方向視で３５０ｍｍである。またバケット８３の径方向内側端部８３ａの曲率半径Ｒ８７は、軸方向視の曲率半径であり、当該半径は適宜設定することができる。なお、本実施形態では、バケット８３と流水跳ね返し部８７とのなす角度αは、７５度である。

また図８Ａを参照すれば、本実施形態では、動力伝達装置４０の規格は、次のとおりである。入力ギア８１１のギア数Ｇ１は６５ピッチである。出力ギア８２２のギア数Ｇ２は１３ピッチである。即ち、本実施形態では、入力ギア８１１と出力ギア８２２とのギア比は５：１である。本実施形態では、上述した規格の流水路１０の下、これらの条件に従って使用することにより、発電機３０の回転数として、発電機の定格回転数＝２００〜３００ｒｐｍを確保することができる。また本実施形態によれば、図８Ａに示す水車８０の回転トルクは５５０×９．８Ｎｍ（５５０ｋｇｆ）を得ることができる。

図９Ａは、図８Ａ及び図８Ｂに係るリニア水力発電装置の変形例であって、当該変形例を、図８ＡのＣ−Ｃ断面相当の断面で示す断面図である。

本実施形態では、流水路１０及び水車８０の規格は、図８Ａ及び図８Ｂに示したリニア水力発電装置と同様である。

本実施形態では、動力伝達装置４０の規格は、次のとおりである。本実施形態では、図８Ａの動力伝達装置４０において、入力ギア８１１を小径化している。本実施形態では、入力ギア８１１のギア数Ｇ１は３９ピッチであり、出力ギア８２２のギア数Ｇ２は１３ピッチである。即ち、本実施形態では、入力ギア８１１と出力ギア８２２とのギア比は３：１である。本実施形態では、上述した規格の流水路１０の下、これらの条件に従って使用することにより、発電機３０の回転数として、１５０ｒｐｍ以上を確保することができる。また本実施形態によれば、図９Ａに示す水車８０の水車８０の回転トルクは４５０×９．８Ｎｍ（４５０ｋｇｆ）を得ることができる。

また本発明に係るリニア水力発電装置によれば、流水路１０の水速度Ｖに応じて、水車８０の長翼の翼数を変更することが好ましい。具体例としては、水車８０の長翼の翼数は、水速度Ｖの上昇に従って減少させることが好ましい。

図９Ｂは、図８Ａに係るリニア水力発電装置の他の変形例であって、当該変形例を、図８ＡのＣ−Ｃ断面相当の断面で示す断面図である。

本実施形態では、流水路１０の規格は、基本的に、図８Ａ等のリニア水力発電装置と同様であるが、本実施形態は、水速度Ｖが５ｍ／ｓ以上の流水路での使用に適しているである。

また本実施形態では、水車８０の規格は、次のとおりである。水車８０は、６枚の長翼を有している。前記長翼は、図８Ａ等のリニア水力発電装置と同様、平板のバケット８３からなる。水車８０の直径Ｒ８０、水車幅Ｗ８０及びバケット幅Ｗ８３は図８Ａ等のリニア水力発電装置と同様である。バケット８３の水車径方向長さＬ８３は、２５０ｍｍである。流水跳ね返し部８７の長さＬ８７は、軸方向視で４３０ｍｍである。またバケット８３の径方向内側端部８３ａの曲率半径Ｒ８７は、軸方向視の曲率半径であり、当該半径は適宜設定することができる。

また本実施形態では、動力伝達装置４０の規格は、図９Ａの動力伝達装置４０と同様である。入力ギア８１１のギア数Ｇ１は３９ピッチである。出力ギア８２２のギア数Ｇ２は１３ピッチである。即ち、本実施形態では、入力ギア８１１と出力ギア８２２とのギア比は３：１である。本実施形態では、上述した規格の流水路１０の下、これらの条件に従って使用することにより、発電機３０の回転数として、発電機の定格回転数＝２５０ｒｐｍ以上を確保することができる。また本実施形態によれば、図９Ｂに示す水車８０の回転トルクは２５０×９．８Ｎｍ（２５０ｋｇｆ）を得ることができる。

図１０は、図８Ａに係るリニア水力発電装置の更なる変形例であって、当該変形例を、図８ＡのＣ−Ｃ断面相当の断面で示す断面図である。

本発明に従えば、流水跳ね返し部８７は、図３Ａ等の水車２０に適用することができる。図１０の実施形態では、流水跳ね返し部８７の径方向内側端部８７ａは、図１０に示す軸方向視で、回転軸２１の径方向に沿って、バケット２３とバケット補助板２７との連結部分とバケット補助板２７の径方向内側端部２７ａとの間のいずれかの位置に配置することができる。本実施形態では、流水跳ね返し部８７の径方向内側端部８７ａは、バケット補助板２７の径方向内側端部２７ａに連結されている。特に本実施形態では、流水跳ね返し部８７の径方向内側端８７ｅ１は、バケット補助板２７の径方向内側端と一致している。なお、「バケット２３とバケット補助板２７との連結部分」は、水車２０をバケット２３単体で見た場合、当該バケット２３の径方向内側端部２３ａに相当する。また、当該連結部分は、水車２０をバケット補助板２７単体で見た場合、当該バケット補助板２７の径方向外側端部２７ｂに相当する。

これに対し、流水跳ね返し部８７の他方が連結される、「他方のバケットの径方向外側端部」は、バケット２３のうち、直線形の受圧面２５を有する部分とすることができる。本実施形態では、流水跳ね返し部８７の径方向外側端部８７ｂは、バケット２３の径方向外側端部（先端部）２３ｂに連結されている。この場合、流水跳ね返し部８７は、図１０に示すように軸方向視で、受圧面２５を形作る直線と一致するように延在させることが好ましい。また本実施形態では、流水跳ね返し部８７の径方向外側端８７ｅ２は、バケット２３の径方向外側端（先端）と一致している。

本実施形態では、バケット２３及び流水跳ね返し部８７は、例えば、一枚の板材に対してプレス加工等を行うことによって形作られている。即ち、本実施形態では、バケット２３及び流水跳ね返し部８７は、一体成形物である。

上述したところは、本発明の数種の実施形態を開示したにすぎず、特許請求の範囲に従えば、様々な変更が可能となる。例えば、上述の各実施形態において、各流水路は、図１等の平面視で示すように、直線状であることが好ましいが、本発明によれば、各流水路は、曲線状とすることもできる。また上述の各実施形態では、前記水車の長翼は、バケットのみ、又は、バケット及びバケット補助板のいずれか一方で構成することができる。上述した各実施形態に係るリニア水力発電装置の各構成、例えば、水車の長翼及びバケットの各構成、並びに、上述した変形例に係るリニア水力発電装置の各構成、例えば、水車の長翼及びバケットの各構成は、それぞれ、互いに適宜に置き換えて、又は、組み合わせて使用することができる。更に本発明は、上述のとおり、水車の直径は、適宜変更することができる。特に、水車の直径を小さくすれば、水車の回転速度を大きく得ることができる。

１０：流水路， １１：底壁， １２：側壁， １５：水門， １６：障害物排除設備， １７：補強支柱， ２０：水車， ２０Ａ〜２０Ｅ：水車， ７０：水車， ８０：水車， ２１：回転軸， ２２：ベアリング， ２３：バケット， ２３ａ：バケットの径方向内側端部， ２３ｂ：バケットの径方向外側端部， ２４：受圧面， ２４´：受圧面， ２５：受圧面， ２５´：受圧面， ２６：受圧面， ２７：バケット補強板， ２７ａ：バケット補強板の径方向内側端部， ２７ｂ：バケット補強板の径方向外側端部， ２８：支持板， ２９：バケット補強部， ３０：発電機， ４０：動力伝達装置， ５０：集電盤， ６０：水車， ７０：水車， ８０：水車， ８３：バケット， ８３ａ：バケットの径方向内側端部， ８３ｂ：バケットの径方向外側端部， ８４：受圧面， ８７：流水跳ね返し部， ８７ａ：流水跳ね返し部の径方向内側端部， ８７ｂ：流水跳ね返し部の径方向外側端部，１００：リニア水力発電装置， ２００：リニア水力発電装置， ３００：リニア水力発電装置， ４００：リニア水力発電装置， ５００：リニア水力発電装置， Ｄ１０：流水路の水深， Ｄ２０：水車の浸水深さ， Ｄ８０：水車の浸水深さ， Ｄｆ：残部深さ， Ｌ２０：水車間ピッチ長さ（水車の間の間隔）， Ｌ２３：バケットの水車径方向長さ， Ｌ８３：バケットの水車径方向長さ， Ｌ２５：直線形の受圧面の延在長さ， Ｌ２７：バケット補助板の水車径方向長さ， Ｒ８７：流水跳ね返し部の径方向内側端部の曲率半径， Ｌ８７：流水跳ね返し部の水車径方向長さ， Ｒ２４：バケットの曲率半径， Ｓ１０：流路面積， Ｓ１０−１：遊水流層の流路面積， Ｓ１０−２：受圧水流層の流路面積， Ｓ２０：水車の受圧面積， Ｓ２３：バケットの受圧面積， Ｓ２７：バケット補強板の受圧面積， Ｓ７０：水車の受圧面積， ＶＬ：水車周辺水流体積， ＶＷ：水車浸水体積， Ｗ１０：流水路幅， Ｗ１０Ａ：第１流水路の流水路幅， Ｗ１０Ｂ：第２流水路の流水路幅， Ｗ２０：水車幅， Ｗ２３：バケット幅， ＷＦ：水面幅

Claims (6)

1. 勾配を有して流水が流れる流水路と、
   前記流水路内に、当該流水路の延在方向に間隔を置いて配置された複数の水車と、
   前記水車によって駆動される発電機と、を有し、
   前記水車は、
   前記流水路の幅方向に延在する回転軸と、
   前記回転軸の周方向に間隔を置いて配置された複数のバケットと、
   を有し、
   前記流水路の水深は、前記バケットが前記流水に浸水する深さの２倍以上であり、
   又は、
   前記流水路を通過する水量は、前記バケットの水流妨害抵抗分の水量の２倍以上である、リニア水力発電装置において、
   前記水車は、前記バケットの幅方向両側に支持板を更に有し、
   前記支持板は、それぞれ、前記バケットの幅方向両側に固定されており、
   更に、前記水車は、前記回転軸の周方向に隣接して配置された２つのバケットの間に、一方の前記バケットの径方向内側端部又は前記バケットから前記回転軸に向かって延在するバケット補助板の径方向内側端部と、他方の前記バケットの径方向外側端部との間を延在する流水跳ね返し部を有している、リニア水力発電装置。
2. 前記バケットの受圧面は、前記回転軸の軸方向視で、流体の流れ方向に向かって半円筒形に湾曲した受圧面である、請求項１に記載のリニア水力発電装置。
3. 前記バケットは、前記回転軸の軸方向視で、当該バケットの先端部に直線形の受圧面を有する、請求項１又は２に記載のリニア水力発電装置。
4. 前記流水跳ね返し部は、前記一方の前記バケットの前記径方向内側端部と、前記他方の前記バケットの前記径方向外側端部とに連結されており、前記回転軸の周方向に隣接して配置された２つのバケットの間に形成された、当該流水跳ね返し部に対応する隙間を閉じている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニア水力発電装置。
5. 前記水車は、前記回転軸の周方向に延在して前記バケットの先端のそれぞれを一体に固定するバケット補強部を更に有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニア水力発電装置。
6. 前記流水路は、流体の流入を遮断する流体流入遮断部を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリニア水力発電装置。

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