JP6778974B1 - 小水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流速の大きい水面付近の水流を利用しつつ、水流が水車に当たる角度を調整し、水車に誘導される水の流速を弱めることなく、水路内の水量に応じた効率的な発電を可能とする。【解決手段】上流側に位置する第一導水路２０と、下流側に位置する第二導水路３０と、これら導水路の最下流にあって水流に対して直交する方向に回転軸を有する水車４０と、第二導水路３０を上流方向又は下流方向に移動可能とする横移動装置５０と、水車４０を鉛直方向に移動可能とする縦移動装置６０とを備えることによって、水路内の水量に応じた効率的な発電を可能にしている。【選択図】図１

Description

本発明は、小水力発電装置に関する。

従来から、田園地帯に設けられる用水路等において、水路内の水流を利用する小水力発電が広く行われている。しかし、小水力発電装置が設置される水路内に流れる水量は、非灌漑期、灌漑期、代掻期等の時期や場所によって大きく増減するため、最適な発電効率を維持することが困難であった。そこで、水路内の水量の増減に対応できる小水力発電装置が提案されている。

このような小水力発電装置に関する従来技術として、特許文献１には、水車（タービン装置）と、昇降装置と、流量調整装置を備える構成が提案されており、流量調整装置によって水位を調整し、水車を上下移動することによって水位に合せて効率的な発電ができるとされている。また、特許文献２には、水車（タービン装置）と、水位調整ゲートを備える構成が提案されており、水位調整ゲートを回動制御することにより、水流が水車に当たる角度を調整するとされている。

特許６１６８９０２号公報 特許６２８２２３６号公報

開水路において、底面付近は流速が小さく、水面付近は流速が大きいことが知られている。このため、開水路において効率的な小水力発電を行うためには、水面付近の水流を利用することが重要である。しかしながら、特許文献１の小水力発電装置は、水面付近の水流を利用しておらず、流量調整装置によって水車に誘導される水の流速が弱まるものであるため、水路内の流速を有効に利用しているとは言い難い。また、特許文献２の小水力発電装置は、流速の大きい水面付近の水流を利用しているものの、水位調整ゲートによって水車に誘導される水の流速が弱まるものであるため、特許文献２についても水路内の流速を有効に利用しているとは言い難い。

特許文献１及び特許文献２の小水力発電装置は、水車、及び、流量調整装置又は水位調整ゲートの位置を調整することにより、水車に誘導される水流の角度を変更することが可能であるとされている。しかしながら、特許文献１及び特許文献２は、水車に誘導される水流と水車との水平方向の位置関係を調整することができないため、水流が水車の中心付近に当たり、流速を有効に利用することができないおそれがある。また、特許文献１及び特許文献２の小水力発電装置は、水路内の水流の全流量を利用するものであり、稼働時において、塵芥の放出や魚道の確保等が困難である。

本発明に係る小水力発電装置は、上記課題を解決するためになされたものであり、流速の大きい水面付近の水流を利用しつつ、水流が水車に当たる角度を調整し、水車に誘導される水の流速を弱めることなく、水路内の水量に応じた効率的な発電を可能とするものである。

本発明に係る小水力発電装置は、上流側に位置する第一導水路と、下流側に位置する第二導水路と、これら導水路の最下流にあって水流に対して直交する方向に回転軸を有する水車と、第二導水路を上流方向又は下流方向に移動可能とする横移動装置と、水車を鉛直方向に移動可能とする縦移動装置と、を備え、第二導水路は、水車へ水流を放出し、横移動装置は、第二導水路を移動させることで、第二導水路及び水車を水平方向に離隔又は接近させることを可能としたことを特徴とする。

本発明に係る小水力発電装置において、第二導水路、水車、横移動装置、及び縦移動装置は、一体として形成され、一体として形成されたこれらの基部は、地面に設置可能であることが好ましい。

本発明に係る小水力発電装置は、横移動装置及び縦移動装置によって第二導水路及び水車の各々を移動させることができるため、流速の大きい水面付近の水流を利用しつつ、水流が水車に当たる角度を調整し、水車に誘導される水の流速を弱めることなく、水路内の水量に応じた効率的な発電を行うことが可能となる。

本発明に係る小水力発電装置の一例を示す側面図である。 本例の小水力発電装置を示す正面図である。 本例の小水力発電装置における第二導水路及び横移動装置を示す側面図である。 本例の小水力発電装置における水車及び縦移動装置を示す側面図である。 本例の小水力発電装置における第二導水路を上流方向に移動させた状態を示す概略断面図である。 本例の小水力発電装置における第二導水路を下流方向に移動させた状態を示す概略断面図である。 本例の小水力発電装置における水車を上方向に移動させた状態を示す概略断面図である。 本例の小水力発電装置における水車を下方向に移動させた状態を示す概略断面図である。

本発明を実施するための形態について図を参照しながら説明する。以下においては、小水力発電装置の構造及び小水力発電装置の状態を例に挙げて、本発明に係る小水力発電装置を説明する。

１．小水力発電装置の構造
本発明に係る小水力発電装置の構造について説明する。図１は、本発明に係る小水力発電装置の一例を示す側面図である。図２は、本例の小水力発電装置を示す正面図である。図３は、本例の小水力発電装置における第二導水路及び横移動装置を示す側面図である。図４は、本例の小水力発電装置における水車及び縦移動装置を示す側面図である。

図１に示すように、本例の小水力発電装置は、上流側に位置する第一導水路２０と、下流側に位置する第二導水路３０と、連続するこれら導水路の最下流にあって水流に対して直交する方向に回転軸を有する水車４０と、第二導水路３０を上流方向又は下流方向に移動可能とする横移動装置５０と、水車４０を鉛直方向に移動可能とする縦移動装置６０とを備え、第一導水路２０は水流を第二導水路３０へ誘導し、第二導水路３０は水流を水車４０へ誘導する構成となっている。

水路に堰やゲート等の構造物を設けると、水路内の水流はこれらによって妨げられることとなるが、本例の小水力発電装置において、第一導水路２０及び第二導水路３０には、これらの構造物は設けられない構成となっている。これにより、第一導水路２０及び第二導水路３０において流速を弱めることなく、水車４０に水流を誘導することが可能となる。また、第一導水路２０及び第二導水路３０から水車４０に誘導され、発電に利用される水流は、流速の大きい水面付近の水流８１であるため、流速を利用した効率の良い発電を行うことができる。

本例の小水力発電装置において、第二導水路３０の水面付近の水流８１は、第二導水路３０から放出された後、水車４０に当たり、発電に利用されるが、底面付近の水流８２は、第二導水路３０から放出された後、水車４０に当たることなく、水車の下方を流れることとなる。このように、本例の小水力発電装置は、水路内の一部の流量を利用するものであり、全流量を利用するものではないため、小水力発電装置の稼働時においても、塵芥の放出や魚道の確保等が可能となる。なお、本例の小水力発電装置において、第二導水路３０の底面付近の水流８２は発電に利用されない構成となっているが、本発明に係る小水力発電装置においては、設置状態や発電環境等に応じて底面付近の水流を発電に利用してもよく、水路内の全流量を発電に利用してもよい。

図１及び図２に示すように、本例の小水力発電装置において、第二導水路３０及び横移動装置５０は、後述する車輪３１及びレール５１、後述するラック３２及びピニオン５４において固定され、水車４０及び縦移動装置６０は、後述する水車４０の中心部４１及び昇降部６３において固定される。また、横移動装置５０及び縦移動装置６０は、横移動装置５０のレール５１を有するフレーム、及び、縦移動装置６０の支柱において、支持部材により接合された構造となっている。このように、第二導水路３０、水車４０、横移動装置５０、及び縦移動装置６０は、一体として形成されており、一体として形成されたこれらの基部７０は、地面７１に設置される。

基部７０は、水路１０の外側の地面７１に設置されるため、水路の内側を工事することが困難な場合であっても、本発明に係る小水力発電装置を水路に設置することが容易となる。また、本発明を適用することで、小水力発電装置を導入する際のコストを節減することが可能となる。

本例の小水力発電装置において、第一導水路２０は、導水路１０の底面に底部２１を設けることにより形成され、第二導水路３０は、導水路１０の内側に設けられる構成となっているが、本発明に係る小水力発電装置においては、本例の構成に限定されず、第一導水路２０は、導水路１０と分離して設けられるものであってもよく、また、第二導水路３０は、導水路１０の内側に設けられなくともよい。

図３に示すように、本例の小水力発電装置において、第二導水路３０は、車輪３１、ラック３２及び連結部３３を備え、横移動装置５０は、レール５１、ハンドル５２、軸棒５３及びピニオン５４を備える。

車輪３１がレール５１上で転動可能に設置され、ラック３２及びピニオン５４が噛み合うことによって、第二導水路３０及び横移動装置５０は固定される。ハンドル５２を回転させることで、軸棒５３により回転力がピニオン５４に伝達され、ピニオン５４及びラック３２は、ラック・アンド・ピニオン機構として機能する。これにより、横移動装置５０は、第二導水路３０を上流方向又は下流方向に移動させることが可能となる。また、第二導水路３０は、連結部３３を第一導水路２０の内側に配置することによって、第一導水路２０から第二導水路３０へ水流を誘導することが容易となる。

本例の小水力発電装置において、横移動装置５０は、ラック・アンド・ピニオン機構によって第二導水路３０を上流方向又は下流方向に移動可能とする構成となっているが、本発明に係る小水力発電装置においては、本例の構成に限定されず、横移動装置５０は、例えばハンドル５２の回転運動を第二導水路３０の往復運動に変換するクランク機構等によって第二導水路３０を上流方向又は下流方向に移動可能とする構成であってもよい。

図２及び図４に示すように、本例の小水力発電装置において、水車４０は、中心部４１及び羽根４２を備え、縦移動装置６０は、モータ６１、吊部６２、昇降部６３、錘６４、チェーン６５、及び発電機６６を備える。

水車４０及び縦移動装置６０は、回転軸と軸受からなる中心部４１及び昇降部６３において固定される。モータ６１を回転させることで、吊部６２によって吊り下げられた昇降部６３は、鉛直方向への移動が可能となり、これによって、縦移動装置６０は、水車４０を鉛直方向に移動させることが可能となる。また、縦移動装置６０は、錘６４を備えるため、吊部６２は、昇降部６３及び水車４０を安定して吊り下げることができる。水流が羽根４２に当たることで、水車４０が回転し、水車４０の回転力がチェーン６５によって発電機６６に伝達されることにより、本例の小水力発電装置は発電が可能となる。

本例の小水力発電装置において、横移動装置５０及び縦移動装置６０は、それぞれ個別に作動する構成となっているが、本発明に係る小水力発電装置においては、横移動装置５０及び縦移動装置６０は、連動する構成としてもよく、また、水路内の水量及び流速に応じて、自動的に、横移動装置５０及び縦移動装置６０を作動させ、第二導水路３０及び水車４０を移動させる構成としてもよい。

２．小水力発電装置の状態
本発明に係る小水力発電装置の状態について説明する。図５は、本例の小水力発電装置における第二導水路を上流方向に移動させた状態を示す概略断面図である。図６は、本例の小水力発電装置における第二導水路を下流方向に移動させた状態を示す概略断面図である。図７は、本例の小水力発電装置における水車を上方向に移動させた状態を示す概略断面図である。図８は、本例の小水力発電装置における水車を下方向に移動させた状態を示す概略断面図である。

図５及び図６に示すように、本例の小水力発電装置において、第二導水路３０は、横移動装置５０によって、上流方向又は下流方向に移動可能となる。第二導水路３０を上流方向に移動（上昇）させることによって、第二導水路３０及び水車４０を水平方向に離隔させることができるため、水路内を流れる水量が増加した場合であっても、水流８０が水車４０の羽根４２に当たる角度を調節することができ、発電効率を高めることが可能となる。また、第二導水路３０を下流方向に移動（下降）させることによって、第二導水路３０及び水車４０を水平方向に接近させることができるため、水路内を流れる水量が減少した場合であっても、水流８０が水車４０の羽根４２に当たる角度を調整することができ、発電効率を高めることが可能となる。

小水力発電装置において、水流が水車の中心付近に当たると、回転力が弱まり発電効率が低くなる。本例の小水力発電装置においては、第二導水路３０を上流方向又は下流方向に移動することによって、水流８０が水車４０の羽根４２に当たる角度を調整することができるだけでなく、水流８０と水車４０との水平方向の位置関係も調整することができるため、水流８０を水車４０の中心部４１付近に当てることなく、流速を有効に利用した発電が可能となる。

図７及び図８に示すように、本例の小水力発電装置において、水車４０は、縦移動装置６０によって、鉛直方向に移動可能となる。水車４０を上方向に移動（上昇）させることによって、第二導水路３０及び水車４０を鉛直方向に離隔させることができるため、水路内を流れる水量が増加した場合であっても、水流８０が水車４０の羽根４２に当たる角度を調節することができ、発電効率を高めることが可能となる。また、水車４０を下方向に移動（下降）させることによって、第二導水路３０及び水車４０を鉛直方向に接近させることができるため、水路内を流れる水量が減少した場合であっても、水流８０が水車４０の羽根４２に当たる角度を調整することができ、発電効率を高めることが可能となる。

水路内を流れる水量が増加し、水路内の水位が高くなると、水車４０の羽根４２が水面に接触し、発電効率が低下する場合がある。こうした場合に、縦移動装置６０によって水車４０を上方向に移動させることで、羽根４２を水面に接触させることなく発電を行うことが可能となる。

図５ないし図８において、第二導水路３０又は水車４０の一方のみを移動させた状態を示しているが、本例の小水力発電装置においては、第二導水路３０及び水車４０の両方を移動させ、水路内の水量及び流速に応じた最適な位置関係とすることで、発電効率をより高めることができる。水平方向の位置関係については、横移動装置５０により、第二導水路３０及び水車４０の距離を、第二導水路内の水位と同程度に設定すると、高い発電効率を得ることが可能となる。

通常、用水路等の水路に小水力発電装置を導入する場合、水路内の最大流量に合わせた強度の水車を設計する必要がある。一方、本例の小水力発電装置においては、水路内の水量の増減に応じて、第二導水路３０及び水車４０を移動させることが可能であり、水量が多い時期又は場所においては、第二導水路３０を上流側へ移動させ、又は水車４０を上方向へ移動させることで、水車４０に当たる流量を調整することが可能である。これにより、本例の小水力発電装置は、水路内の最大流量に合わせた水車を個別に設計する必要がなく、様々な環境の水路において、汎用的に導入することができる。

１０ 導水路
２０ 第一導水路
２１ 底部
３０ 第二導水路
３１ 車輪
３２ ラック
３３ 連結部
４０ 水車
４１ 中心部
４２ 羽根
５０ 横移動装置
５１ レール
５２ ハンドル
５３ 軸棒
５４ ピニオン
６０ 縦移動装置
６１ モータ
６２ 吊部
６３ 昇降部
６４ 錘
６５ チェーン
６６ 発電機
７０ 基部
７１ 地面
８０ 水流
８１ 水面付近の水流
８２ 底面付近の水流

Claims (2)

1. 上流側に位置する第一導水路と、
   下流側に位置する第二導水路と、
   これら導水路の最下流にあって水流に対して直交する方向に回転軸を有する水車と、
   前記第二導水路を上流方向又は下流方向に移動可能とする横移動装置と、
   前記水車を鉛直方向に移動可能とする縦移動装置と、
   を備える小水力発電装置であって、
   前記第二導水路は、前記水車へ水流を放出し、
   前記横移動装置は、前記第二導水路を移動させることで、前記第二導水路及び前記水車を水平方向に離隔又は接近させることを可能としたことを特徴とする小水力発電装置。
2. 前記第二導水路、前記水車、前記横移動装置、及び前記縦移動装置は、一体として形成され、一体として形成されたこれらの基部は、地面に設置可能であることを特徴とする請求項１記載の小水力発電装置。

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