JP7241547B2 - 水力発電装置及び水力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば小規模の水流を有する管路等に設けられた水力発電装置及びこの水力発電装置を河川等の水路に設置して水力発電を行う水力発電システムに関する。

近年、再生可能エネルギーとして水力発電が見直されている。例えば、山間部の道路等に沿って流れる小規模河川や水路、谷間を流れる沢や小川等、小容量の水流を利用して発電する水力発電システムが提案されている。
例えば特許文献１に記載された発電システムでは、下水が流れる下水道管を下流側のマンホールに接続し、下水道管を流れる下水の水流でマンホール内に設置した水車を回転させている。水車の回転動力は発電機で電力に変換され、下水のエネルギーを電力として回収している。

また、特許文献２に記載されたＳ形チューブラ水車では、吸出し管の内部に管の軸方向に直角に回転する水車を設置し、水車の下流側の管路をＳ字型に形成している。管路をＳ字型に設定することで水車の回転軸を管路の外側に取り出して発電機に接続して水車の回転動力を電力に変換している。
また、特許文献３に記載された発電装置は、水道管内に設置した回転軸に水流で回転する羽根部を設けた水車部を備え、回転軸の回転を傘歯車を介して水道管の外部に設置した発電機に伝達して発電するようにしている。回転軸に設けた羽根部は螺旋状に配列されている。

特開２００３－２４７４８０号公報 特開平４－３６０７１号公報 特開２０１４－４３７９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発電システムは下水管の閉水路からマンホールの開水路へ水流が伝達される際に水車で発電する構成であるため、水流による力が逃げてしまい発電効率が悪かった。
特許文献２に記載されたチューブラ水車は配管内で水流に直交して配置された水車によって水流全体を受けているため、水流を水車の回転に変換する際の変換効率が悪かった。しかも、水車の下流側にＳ字型の管路を設置する必要があり、コスト高になる欠点があった。
特許文献３に記載された発電装置は水道管内に設置した羽根部の回転力を傘歯車を介して水道管の外部に取り出すため、回転力の変換効率が悪かった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、水流に対する発電効率が高く低コストの水力発電装置及び水力発電システムを提供することを目的とする。

本発明による水力発電装置は、内部に水を流す管路と、管路内に設けられていて、管路内の水流に略直交する方向に配設された回転軸と該回転軸を中心に周方向に配設された複数の羽根部とを備えた回転可能な水車と、管路の外側に設置されていて回転軸の回転を受けて発電する発電機と、を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、管路内を流れる水流が直交配置された水車の羽根部に当接して回転させることで回転軸も一体に回転し、回転軸の回転運動を発電機で電気に変換することができる。しかも、水車は管路内に設置されていて回転軸が水流に略直交する方向に配設されて管路の外部に設けた発電機に連結されているため、構造が簡単で水流と電気の変換効率が高い。

また、管路内の水車の上流側に、水流を回転軸の片側の羽根部に集中させる制御部材が設置されていることが好ましい。
管路内を流れる水流が、制御部材によってガイドされて水車の片側の羽根部に集中させられるため、水流によって水車が高速回転して回転効率が高くなる。

また、羽根部は、略半円状の周縁部と該周縁部の内側に凹曲面状に形成された凹曲面部とを有することが好ましい。
管路内で水流を水車の羽根部で受ける際、羽根部が凹曲面部を有するため水流を下流側に逃がすことなく効率的に受け止めて回転運動に変換することで水車を高速回転できる。

本発明による水力発電システムは、水路に設置されていて水流を堰き止める堰と、上述した水力発電装置と、を備えており、堰を貫通して配設された管路が水車を設けた下流側に向けて下り勾配で配設されていることを特徴とする。
本発明によれば、水路の水流が少なくても堰で堰き止めて管路に大量の水流を流すことができるため、水車で効率的に回転運動に変換することができる。

また、管路は、堰から下流側に向けて比較的緩やかな下り勾配に配設され、水車の直前で落差を大きくしてより急激な下り勾配に配設されていることが好ましい。
堰と水車の間では管路の下り勾配を比較的小さくして水流を溜めて、水車の直前で管路を急激な下り勾配にすることで水流を高速に切り換えて水車に流して回転運動に変換できる。

本発明による水力発電装置は、管路内を流れる水流が水車の羽根部に当たることで羽根部を回転軸を中心に回転させ、回転軸に連結された発電機によって発電することができる。しかも、発電用の水車は管路内で管路に略直交する方向に配設されているため効率よく回転して発電できる。

本発明による水力発電システムは、例えば水路の水流が小さくても堰で堰き止めることで水量を増大させて管路内に流すことによって水車を効率よく回転させて発電機で発電できる。しかも、大雨等で水路の水流が増大した場合には、水流が堰を乗り越えて管路の外側を水路に沿って流れるため、管路や水力発電装置に過大な負荷がかからない。

本発明の第一実施形態による水力発電装置の平面図である。 図１に示す管路内に水車を垂直に設置した水力発電装置の縦断面図である。 水車の羽根部の斜視図である。 水車を水平に設置した水力発電装置の変形例の縦断面図である。 谷間の河川に設けた堰に管路を設置した水力発電システムの要部斜視図である。 図５に示す谷間の堰に設置した水路を示す縦断面図である。 小河川に設置した堰と管路を示す側断面図である。 小河川が増水した場合の堰と管路を示す側断面図である。

以下、本発明の実施形態による水力発電装置１と水力発電システム１０について図１～図８を参照して説明する。
図１は管路２内に設置した水力発電装置１の平面図である。この水力発電装置１を本発明の第一実施形態として説明する。管路２は例えば河川や上下水道等の水流を管内に導入して流すものである。管路２内の下流側には発電用の水車３が設置されている。水車３は例えば管路２の略中心を通して上下方向に配設された回転軸４の周方向に例えば等間隔に複数枚、例えば６枚の羽根部５が設けられている。水車３は図１において反時計回りに回転可能とされている。回転軸４は図２に示すように管路２の下端近傍から上方に向けて略鉛直に延びており、管路２の上端を貫通して外側に設けられた発電機６に連結されている。

図２において、各羽根部５は正面視で略半円形状の周縁部５ａを有しており、周縁部５ａの内側部分が後方に凹んだ略スプーン状の凹曲面部５ｂに形成されている(図３参照)。しかも、羽根部５は周縁部５ａの回転軸４から最も離れた部分が、図１に示す平面視で、回転方向後方側に突出するように凹曲面状に湾曲して形成されている。
そのため、羽根部５が凹曲面部５ｂで水流を受け止めて凹曲面部５ｂに流入させることで、水流圧を逃がすことなく効率よく受け止めて回転軸４の回転力に変換できる。各羽根部５の回転によって水流が下流側に流れる。また、発電機６は回転軸４の回転速度を図示しない変速機等で増減調整する等して受けて回転動力を電力に変換することができる。

管路２において、水車３の上流側には水流を回転軸４に対して左右方向片側の羽根部５側に偏らせるための制御部材８が設置されている。図１に示す平面視で、制御部材８は回転軸４に沿って上下方向に亘ってブロック状に設置されており、平面視で管路２内に略三角形状に突出して頂部の稜線部８ａが最も突出形成されている。図２に示す管路２の縦断面視で、制御部材８は略半円部分を遮蔽して残りの略半円状の空間Ｄを形成している。
制御部材８の稜線部８ａは図２に破線で示すように略凹曲線状に湾曲形成されているが、稜線部８ａの形状は任意である。図１において、制御部材８の稜線部８ａに対して下流側面部８ｂは水車３の回転する羽根部５に干渉しないように間隙を開けて凹曲面状に形成されている。稜線部８ａに対して上流側ガイド８ｃは管路２内の水流がスムーズに空間Ｄに偏寄するようになだらかな傾斜面状に形成されている。

制御部材８の稜線部８ａは少なくとも回転軸４の片側の羽根部５が空間Ｄ内に位置して水流を直接受けることができるように形成されている。管路２内を水流が一様に流れていると水車３の回転効率が落ちてしまうが、制御部材８によって左右方向の半分の空間Ｄ内に水流を集めることで水車３を高速回転させるように制御できる。制御部材８の稜線部８ａが略凹曲線状に湾曲形成されているため、管路２の内壁と制御部材８の稜線部８ａで仕切られた空間Ｄ内で回転軸４を有する中心部付近に水流を集めて羽根部５及び回転軸４の回転速度を上昇させることができる。

本第一実施形態による水力発電装置１は上述した構成を備えているから、図１及び図２に示すように、管路２内を流れる水流は制御部材８によって空間Ｄに集められ、水車３の各羽根部５に受け止められる。水流を受け止める羽根部５は凹曲面部５ｂで水流が集合させられて大きな荷重を受けるため高速で反時計方向に回転し、回転軸４を介してその回転運動が発電機６で電力に変換させられる。水車３の複数の羽根部５は水流を受け止めて回転するため、下流側に水流を逃がしながら回転運動に変換できる。
しかも、水車３の複数の羽根部５を管路２内という閉流路内に設置したため、水流を効率よく水車３の回転運動に変換できる。発電機６で発電された電力は例えば周辺地域の住宅や各施設、街灯、信号灯等の電力設備に供給されて消費することができる。

上述のように本実施形態による水力発電装置１によれば、管路２内に水車３を設置して回転軸４を管路２に略直交する上側に取り出して発電機６に接続したため、簡単な構成で水車３の回転軸４を効率よく回転できる。また、水車３の羽根部５は略スプーン状の凹曲面部５ｂに形成されているため、水流を効率よく回転に変換できる。しかも、管路２内に制御部材８を設置して水流を水車３の片側の空間Ｄに集めて羽根部５で受け止めて高速回転させるため、発電機６で効率的に発電できる。

次に第一実施形態による水力発電装置１の変形例について図４により説明する。図４に示す例では、管路２に対して水車３を水平方向に設置している。即ち、水車３の回転軸４を管路２の略中心を通して水平方向に設置し、回転軸４の周りに複数枚の羽根部５を適宜間隔、例えば等間隔に設置した。回転軸４の一端部は管路２の外側に突出させて発電機６に連結した。しかも、管路２内で水車３の直前の上流側には、上面(下面でもよい)に制御部材８を設置して水流を下側に集めている。
そのため、本変形例による水力発電装置１では、管路２における制御部材８の下側の空間Ｄに水流が集められ、水車３の回転軸４の下側の羽根部５で水流を受けて高速回転させることができる。回転軸４の回転を発電機６で受けて効率よく発電することができる。

次に、上述した実施形態による水力発電装置１を例えば小河川１５に設置した水力発電システム１０について図５乃至図８により説明する。
図５及び図６において、例えば山等の斜面の途中に形成された道路１２の下側に略Ｖ字状に谷が形成されている。谷の片側の斜面に擁壁１３、反対側の斜面に段部１４が形成されている。谷の底部には例えば水量の小さい沢や小川等の小河川１５が形成されている。谷の底部の小河川１５には堰１７が設置され、水流が溜められる。堰１７は鉄筋コンクリート製でもよいし、土嚢を積み上げた構造でもよい。

そして、堰１７を貫通して水力発電装置１の管路２が設置されている。小河川１５の水流が小さくても堰１７の上流側で水を溜めることができるため、管路２内を流れる水流の流速と水量を発電に必要な量だけ確保できる。管路２の開口は堰１７の上流側に溜められる水の水面下に位置している。堰１７を貫通させる管路２は小河川１５の河床１５ａに近い下側に設置することが水量を確保する上で好ましいが、上側でもよい。なお、管路２の開口には流木やごみ等が流入することを阻止するネットや鉄格子等を設置してもよい。

図５において、谷底の小河川１５における堰１７の下流側の河床１５ａは例えば平均の傾斜角θ１で下り傾斜している。堰１７に連結した管路２は河床１５ａの傾斜角θ１より小さい下り傾斜角θ２で下流側に向けて下り傾斜している。管路２の傾斜角θ２は小さく設定して水流の流れを緩やかに設定することが好ましい。
なお、擁壁１３には管路２を支持するためのブラケット１８を取り付けてもよい。管路２をブラケット１８で支持することで小河川１５上の空中に支持できるため、管路２の傾斜角度θ２の調整が容易である。また、管路２の支持はブラケット１８に限定されるものではなく、鋼材や木材等の脚部を小河川１５の河床１５ａや擁壁１３等に設置して支持してもよい。

図７及び図８において、堰１７の下流側で、小河川１５の河床１５ａと管路２との落差が例えば３ｍ～５ｍの所定高低差になった位置で、管路２にベント管２ａを接続して急傾斜の傾斜管路２ｂを接続する。この傾斜管路２ｂ内には水車３が設置され、傾斜管路２ｂの上方向または水平方向の外部に回転軸４を引き出して発電機６を連結した水力発電装置１を設置した。急傾斜な傾斜管路２ｂ内に水車３を設置した。傾斜管路２ｂ内では水流が急激になるため、複数の羽根部５を介した水車３の回転速度をより高速に設定することができる。なお、ベント管２ａ及び傾斜管路２ｂも管路２に含まれる。

本第二実施形態による水力発電システム１０は上述した構成を備えており、小河川１５を流れる水流は通常小量であり、堰１７に溜められる。堰１７で溜められた水の水面が所定高さになると、水流が開口を通して管路２の下流側に流れる。管路２の水流は傾斜角度θ２の領域では緩やかに流れて、ベント管２ａを介して落差の大きい急傾斜の傾斜管路２ｂに高速に流れ落ちる。
すると、傾斜管路２ｂ内では、水力発電装置１における水車３の羽根部５が高速の水流を受けて高速で回転する。しかも、傾斜管路２ｂ内では、水流が水車３の上流側で制御部材８によって空間Ｄ内に絞られて集合するため、水車３の羽根部５が更に高速回転する。すると、水車３の回転軸４も高速で回転して傾斜管路２ｂの外部に設置された発電機６に伝達されて発電することができる。

一方、集中豪雨や降雨後の雨上がり等で小河川１５の水量が増大した場合には、図８に示すように、水流が堰１７を溢れて小河川１５を流れるため、管路２内の水流に悪影響を与えない。その際、管路２が洪水で流されないように小河川１５の水面より高い位置に設置することが好ましい。管路２を外れて小河川１５を流れる水流は水車３の回転に寄与しないため、管路２内の水流及び水量は変わらず、過大な水圧が水車３にかからない。そのため、水車３や発電機６の能力を設定し易い。

上述したように本実施形態による水力発電システム１０によれば、水流の小さい小河川１５においても、堰１７によって水流を溜めて管路２内に流して急傾斜の傾斜管路２ｂに設けた水力発電装置１で効率的に発電できる。しかも、小河川１５の水嵩が増えて増水した場合には堰１７を溢れて管路２とは別個に小河川１５を流れるため、管路２を含む水力発電装置１に悪影響を与えない。

なお、上述した各実施形態では、制御部材８の稜線部８ａを凹曲線状に形成して空間Ｄ内の中央、即ち水車３の回転軸４の片側の羽根部５に水流を集中させた。しかし、制御部材８を仕切る稜線部８ａの形状は凹曲線状に限定されるものではなく、例えば直線状に形成して空間Ｄを略半円状の断面形状にしてもよいし、凸曲線状に形成してもよい。水車３の回転軸４の片側の羽根部５に水流を集中することが好ましい。
また、小河川１５における堰１７の下流側の河床１５ａの勾配(傾斜角θ１)は管路２の勾配(傾斜角θ２)より急傾斜に設定されるとは限らない。河床１５ａの傾斜角θ１が管路２の傾斜角θ２と同程度またはより緩やか（θ１＞θ２）でもよい。

また、水車３の羽根部５についても、正面視略半円状に限定されるものではなく、適宜形状を採用できる。また、羽根部５の形状も略スプーン状等の凹曲面部５ｂに限定されることなく、例えば平板状に形成してもよい。この場合、凹曲面部５ｂを有する羽根部５よりも水流を受けて回転運動に変換する変換効率が低下する。
また、第二実施形態による水力発電システム１０において、傾斜管路２ｂ内に複数の水力発電装置１を設置してもよく、この場合、傾斜管路２ｂの流れに沿って複数の水車３を順次配設すればよい。
なお、本発明の第一実施形態による水力発電装置１及び第二実施形態による水力発電システム１０は、必ずしも山間部の谷に形成される小河川１５に限定されるものではない。例えば道路の側溝や上水道の管路、下水道の管路等にも適用できる。これら小河川１５を含む側溝、上下水土の管路等は水路に含まれる。

１ 水力発電装置
２ 管路
３ 水車
４ 回転軸
５ 羽根部
５ａ 周縁部
５ｂ 凹曲面部
６ 発電機
８ 制御部材
１０ 水力発電システム
１３ 擁壁
１５ 小河川
１５ａ 河床
１７ 堰

Claims (5)

1. 内部に水を流す管路と、
   前記管路内に設けられていて、前記管路内の水流に略直交する方向に配設された回転軸と該回転軸を中心に周方向に配設された複数の羽根部とを備えた回転可能な水車と、
   前記管路の外側に設置されていて前記回転軸の回転を受けて発電する発電機と、
   前記管路内の水車の上流側に設置されていて、水流を前記回転軸の片側の羽根部に集中させる制御部材と、
   を備えており、
   前記制御部材は、前記回転軸の軸方向から見た場合に前記管路に略三角形状に突出形成されており、
   前記制御部材の最も突出する頂部である綾線部は、前記回転軸の軸方向に沿って略凹曲線状に略湾曲形成されている、
   ことを特徴とする水力発電装置。
2. 前記羽根部は、略半円状の周縁部と該周縁部の内側に凹曲面状に形成された凹曲面部とを有する請求項１に記載された水力発電装置。
3. 水路に設置されていて水流を堰き止める堰と、
   請求項１または２に記載された前記水力発電装置と、を備えており、
   前記堰を貫通して配設された前記管路が前記水車を設けた下流側に向けて下り勾配で配設されていることを特徴とする水力発電システム。
4. 前記管路は、前記堰から下流側に向けて比較的緩やかな下り勾配に配設され、前記水車の直前で落差を大きくしてより急激な下り勾配に配設されている請求項３に記載された水力発電システム。
5. 水路に設置されていて水流を堰き止める堰と、
   内部に水を流す管路と、前記管路内に設けられていて、前記管路内の水流に略直交する方向に配設された回転軸と該回転軸を中心に周方向に配設された複数の羽根部とを備えた回転可能な水車と、前記管路の外側に設置されていて前記回転軸の回転を受けて発電する発電機と、前記管路内の水車の上流側に設置されていて、水流を前記回転軸の片側の羽根部に集中させる制御部材と、を備え、前記制御部材は、前記回転軸の軸方向から見た場合に前記管路に略三角形状に突出形成されている水力発電装置と、を備えており、
   前記堰を貫通して配設された前記管路が前記水車を設けた下流側に向けて下り勾配で配設されていることを特徴とする水力発電システム。

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