WO2014167738A1 - 水力発電装置 - Google Patents

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WO2014167738A1
WO2014167738A1 PCT/JP2013/067224 JP2013067224W WO2014167738A1 WO 2014167738 A1 WO2014167738 A1 WO 2014167738A1 JP 2013067224 W JP2013067224 W JP 2013067224W WO 2014167738 A1 WO2014167738 A1 WO 2014167738A1
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WO
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water
turbine
water flow
cylindrical space
drive
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Application number
PCT/JP2013/067224
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English (en)
French (fr)
Inventor
正夫 金井
Original Assignee
Kanai Masao
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B7/00—Water wheels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to a hydroelectric generator that rotates a driving turbine by a water flow falling in a cylindrical space and obtains electric power from a generator that is linked to a rotating shaft that rotates together with the driving turbine.
  • hydroelectric generators Conventionally, various types of hydroelectric generators have been proposed according to the conditions, usage, scale, etc. of the installation location.
  • Each of such hydroelectric power generation apparatuses rotates a water turbine using the potential energy of water falling from a high place to a low place, and generates electric power using this rotational force as a drive source of the generator.
  • the degree of attention has been increasing.
  • a water turbine is provided in the middle of a water channel using a sloping ground or a water channel using a river, and the water flow hits a part below the center of the water turbine. It was set and the torque of the turbine was transmitted to the generator.
  • a type that converts mechanical energy, which is the rotational force of a water turbine, into electrical energy by a generator is widely known (see, for example, Patent Document 1).
  • the present invention has been made by paying attention to the problems of the conventional techniques as described above, and efficiently converts the potential energy of the falling water into electric energy to increase the power generation efficiency, and the installation space is also increased.
  • An object of the present invention is to provide a hydroelectric power generation apparatus that can be kept small, can be simplified in configuration, and can reduce costs.
  • the gist of the present invention for achieving the object described above resides in the inventions of the following items. [1] In a cylindrical space where water is received from above and dropped downward, a drive water turbine attached to a rotating shaft disposed along a center line extending in the vertical direction in the cylindrical space is provided, and the inside of the cylindrical space is provided.
  • the drive turbine is provided with a plurality of water flow blades arranged in a circumferential direction around the rotation axis and extending obliquely upward in the same direction as the rotation direction along the inner circumferential surface of the cylindrical space,
  • a plurality of the driving water wheels are arranged in series on the rotating shaft in the cylindrical space and arranged in a plurality of upper and lower stages,
  • an introduction part is provided for dropping water flowing from the outside along the inner peripheral surface of the cylindrical space over the entire circumferential direction,
  • the water flow that collides with the water blade of the upper driving water wheel and falls after rotating the driving water wheel is changed to the water blade of the lower driving water wheel.
  • a hydroelectric generator comprising a rectifying means for converting into a linear
  • the rectifying means is a narrow member that is fixed in a state of projecting from the inner peripheral surface of the cylindrical space and extends in a shape that is linearly or bent in the vertical direction along the inner peripheral surface,
  • the driving water turbine includes a ring-shaped inner wheel supported by the rotating shaft, an outer wheel that is spaced apart from the inner wheel and extends along the inner circumferential surface of the cylindrical space, and each of the water flow blades.
  • the hydroelectric generator according to [1], [2] or [3] above, wherein each of the water flow blades is fixed between the inner wheel and the outer wheel.
  • the introduction portion receives the water flowing in along the center line in the cylindrical space, and then overflows in the entire circumferential direction, and the overflowing water with the overflow portion serving as a top portion [1], [2], [3], characterized by comprising a truncated cone-shaped slope portion that flows down obliquely in the direction and drops along the inner peripheral surface of the cylindrical space. ] Or the hydroelectric generator according to [4].
  • each water flow of the second and subsequent driving turbines (21) is normally. It is not possible to make the wing (24) collide with the fixed angle again.
  • the rectifying means (30) is provided on the inner peripheral surface (12) of the cylindrical space between the upper and lower sides of each drive turbine (21), it collides with the water flow blade (24) of the upper drive turbine (21).
  • the water flow after rotating the drive water turbine (21) is a straight water flow that collides at an angle with the inclined surface on the front side of the water flow blade (24) of the lower drive water turbine (21) by the rectifying means (30). (Hereinafter referred to as “straight laminar flow”).
  • the rectifying means (30) is provided between the introduction portion (13) and the uppermost driving water turbine (21) in the inner peripheral surface (12) of the cylindrical space. ).
  • the rectifying means (30) can be applied to the water that first collides with the driving turbine (21) through the introduction portion (13) without relying only on the action of the introduction portion (13) itself or normal attraction. The effect can be exerted, and it can be surely converted to a straight laminar flow.
  • the shape of the rectifying means (30) is not particularly limited, such as a plate shape, a bowl shape, or a tubular shape. That is, the rectifying means (30) can change the flow direction of the water falling from above to the direction of the water flow blade (24) with a high rotational efficiency and not excessively reducing the force in the direction of falling after the collision. Furthermore, the specific configuration is not particularly limited as long as it can be converted into a linear laminar flow of a linear flow.
  • the rectifying means (30) is fixed in a state of protruding from the inner peripheral surface (12) of the cylindrical space, and extends in a shape that is linearly or halfway bent along the inner peripheral surface (12) in the vertical direction. It consists of a narrow member.
  • Such rectifying means (30) are arranged so as to be arranged at equal intervals in the circumferential direction by the same number as the number of water flow blades (24) of the driving water turbine (21). With such a simple configuration, the above-described direction change of the water flow and linear rectification can be easily realized.
  • the driving turbine (21) is separated from the ring-shaped inner wheel (23) supported by the rotating shaft (20) and the outer side of the inner wheel (23).
  • the outer wheel (25) along the inner peripheral surface (12) of the cylindrical space, and the water flow blades (24).
  • the water flow blades (24) are connected to the inner wheel (23) and the outer wheel (25). ) To be fixed between. According to such a driving water turbine (21), it is possible to efficiently receive and rotate the water flow.
  • the introduction portion (13) includes an overflow portion (131) for receiving water flowing in along the center line in the cylindrical space and then overflowing in the entire circumferential direction.
  • a frusto-conical slope portion (135) that causes the overflowed water to flow obliquely downward over the entire circumferential direction and drop along the inner peripheral surface (12) of the cylindrical space. It is good to comprise so that.
  • the potential energy of water introduced into the cylindrical space and falling is efficiently converted into electric energy to increase the power generation efficiency, and the installation space can be kept small.
  • the configuration can be simplified, and the cost can be reduced.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line BB in FIG.
  • FIG. 1 show an embodiment of the present invention.
  • the cylindrical tank 11 which comprises the principal part of the hydroelectric generator 10 is comprised by the vertical cylindrical shape.
  • a rotating shaft 20 is disposed along a center line extending in the vertical direction, and a plurality of driving water turbines 21, 21,. It has been.
  • a discharge portion 14 is provided for flowing the water flow falling in the cylindrical space to the outside.
  • a lower portion of the discharge portion 14 is a housing portion 15 into which a water flow does not enter, and a speed increaser 40 connected to the lower end side of the rotary shaft 20 is disposed.
  • the output shaft of the speed increaser 40 is connected to a generator 42 installed outside the cylindrical space, for example, via a continuously variable transmission 41.
  • the introduction unit 13 receives the water flowing in along the center line in the cylindrical space, and then overflows in the entire circumferential direction.
  • the overflow unit 131 overflows in the circumferential direction.
  • a frustoconical slope portion 135 that flows down obliquely downward and drops along the inner peripheral surface 12 of the cylindrical space.
  • the overflow part 131 has a water inlet 133 passing through the top of the outer frame 132 having a truncated cone shape, and a receiving part 136 surrounded by a flange at the top of the slope part 135 at the lower end of the water inlet 133. It is arranged so as to face the inside.
  • the slope portion 135 is formed in a truncated cone shape that is inclined downward toward the outer peripheral side from the receiving portion 136, and the outer peripheral edge thereof is disposed at a position separated from the inner peripheral surface 12. Further, on the back side of the outer frame 132 positioned above the slope portion 135, a flange-shaped surrounding portion 137 is provided so as to protrude downward so as to surround and separate the upper end of the outer periphery of the receiving portion 136. According to the introduction part 13 having such a structure, as will be described in detail later, even water that has flowed in from outside can be dropped along the inner peripheral surface 12 of the cylindrical space over the entire circumferential direction. . Of course, the specific configuration of the introduction unit 13 is not limited to that shown in FIG.
  • the discharge portion 14 connects the outer peripheral edge of the truncated conical cover-shaped bottom frame 141 to the inner peripheral surface 12 of the cylindrical space, and is provided with a water outlet 142 communicating with the inside of the cylindrical space at one end of the outer peripheral edge.
  • It consists of A bearing 16 on the lower end side of the rotary shaft 20 is attached below the top of the bottom frame 141.
  • the bearing 16 supports a frame 17 that supports the bearing 16 from four directions while supporting the bottom frame 141 from below.
  • It is also connected to the inner peripheral surface 12 via
  • a bearing 18 on the upper end side of the rotary shaft 20 is also provided below the introduction portion 13, and this bearing 18 is attached to the inner peripheral surface 12 via a frame 19 that supports the outer periphery from four directions. It is connected.
  • the rotating shaft 20 is disposed in a state extending in the vertical direction (vertical direction).
  • the rotary shaft 20 is rotatably supported by the upper and lower bearings 16 and 18 described above.
  • driving water turbines 21 are attached in a plurality of stages along the vertical direction.
  • a lower end portion of the rotary shaft 20 further extends downward from the bearing 16 and is connected to the speed increaser 40 so that power can be transmitted.
  • the speed increaser 40 can increase the number of rotations of the rotary shaft 20 and transmit it to the generator 42, and the details of the configuration are common and will be omitted.
  • the driving water turbine 21 is connected to a rotating shaft 20 and supported at the tip of a frame 22 extending in four directions, and along the outer peripheral surface of the wheel 23. And a plurality of water flow blades 24, 24,.
  • the water flow blades 24 are arranged along the inner circumferential surface 12 of the cylindrical space in a circumferential direction centering on the rotary shaft 20.
  • Each of the water flow blades 24 has a rectangular flat plate shape, and the surface side is inclined at a predetermined angle obliquely upward in the same direction as the rotation direction so that the water flow from above collides with the flat surface side and rotates.
  • the specific configuration of the driving water turbine 21 is not limited to the illustrated one, and other configuration examples will be described later.
  • Outer end edges facing the inner peripheral surface 12 of both end edges of the water flow blades 24 are arranged with a gap enough to allow rotation of each water flow blade 24 between the inner peripheral surfaces 12. .
  • Specific dimensions such as the length and width of each hydrofoil 24 and the number arranged in the circumferential direction are design matters that can be appropriately determined.
  • the driving turbines 21 are arranged so as to be lined up at equal intervals in five upper and lower stages, and all the driving turbines 21 are configured in the same shape.
  • the driving turbines 21 are not limited to the upper and lower five stages, and may be arranged in the upper and lower two to four stages, or the upper and lower six stages depending on the height and dimensions of the cylindrical tank 11. Further, the shape of the driving water turbine 21 for each stage is not necessarily the same, and may be configured somewhat differently. Regardless of the stage number or shape of the driving turbine 21, a clearance is provided between the upper and lower driving turbines 21 for arranging the rectifying means 30 described below.
  • the rectifying means 30 is provided along the inner peripheral surface 12 of the cylindrical space not only between the upper and lower drive turbines 21 but also between the introduction portion 13 and the uppermost drive turbine 21. ing.
  • the rectifying means 30 converts the water flow falling from the upper side into a linear water flow that collides with a fixed angle facing the inclined surface on the front side of the water flow blade 24 of the lower drive water turbine 21.
  • the rectifying means 30 is made of, for example, a narrow plate-like member extending linearly in the vertical direction, and a flange (not shown) having one side edge bent is attached to the inner peripheral surface 12. Thus, the other end edge is fixed in a state protruding from the inner peripheral surface 12 to the rotating shaft 20 side.
  • the rectifying means 30 shown in FIGS. 1 and 2 is formed in a narrow plate shape extending straight in the vertical direction, and the lower end thereof is an acute angle from above with respect to the inclined surface on the front side of the water flow blade 24 of the lower drive turbine 21. Are arranged so as to face each other at a certain angle.
  • the rectifying means 30 on the lower side of the introduction part 13 and the rectifying means 30 between the rotary shafts 20 have the same basic configuration but have different vertical lengths. That is, the former is formed longer than the latter.
  • the rectifying means 30 on the lower side of the introduction part 13 mainly converts the water flow falling from the slope part 135 into a linear water flow. Further, the rectifying means 30 between the rotary shafts 20 particularly causes the water flow falling after colliding with the inclined surface on the front side of the water vane 24 of the upper driving turbine 21 to rotate the driving turbine 21 to the lower side. It is converted into a linear water flow that collides with the inclined surface on the front side of the water flow blade 24 of the driving water turbine 21 at a constant angle that intersects at an acute angle from above.
  • the water flow after colliding with the inclined surface on the front side of the water flow blade 24 and rotating the driving water turbine 21 is opposite to the rotation direction of the driving water turbine 21 at the moment of collision with the inclined surface of the water flow blade 24.
  • it may appear to be directly below the water flow blade 24 or in the direction of rotation.
  • the specific shape and arrangement of the rectifying means 30 are not limited to those illustrated.
  • a mounting flange is provided only on one side edge (not shown), but a flange is also provided on the other side edge as in the rectifying means 30A shown in FIG. May be.
  • the flange on the other side edge serves to retain water until it falls from the lower end by preventing the water falling along the rectifying means 30A from flowing out sideways in the middle of the other side edge. .
  • the flange on the other end edge is projected from the upper side in a direction to receive the water flow falling obliquely downward in the direction opposite to the rotation direction.
  • the rectifying means 30B, 30C, and 30D shown in FIGS. the rectifying means 30 is provided so as to protrude toward the rotary shaft 20 at a substantially right angle from the inner peripheral surface 12 so that the side surface thereof is along the radial direction.
  • the rectifying means 30 does not necessarily protrude from the inner peripheral surface 12 at a substantially right angle.
  • the rectifying means 30 protrudes in a state where it is inclined at an acute angle less than a right angle in the same direction in which the flange on the other end protrudes. You may do it.
  • the water flow is easily collected by the centrifugal force along a corner where one side edge of the rectifying means 30 intersects the inner peripheral surface 12 at an acute angle, and the linear laminar flow can be converged more densely.
  • the rectifying means 30 shown in FIGS. 1 and 2 is fixed to the inner peripheral surface 12 so as to extend straight in the vertical direction. However, as in the example shown in FIG. It may be fixed in a state extending obliquely so as to intersect at an acute angle. In this case, the lower end of the rectifying means 30B is a little wider than the fixed angle at which the lower end of the rectifying means 30 intersects the acute angle with respect to the inclined surface on the front side of the water flow blade 24 of the lower drive water turbine 21. It will be opposite to meet at. Further, like the rectifying means 30C shown in FIG. 7 and the rectifying means 30D shown in FIG. 8, they may be formed so as to be bent in the rotational direction of the rotary shaft 20 from the middle (for example, the lower end side).
  • the same number as the number of the water flow blades 24 of the driving water turbine 21 may be arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the number of water flow blades 24 of the rectifying means 30 and the driving water turbine 21 need not be the same.
  • the number of the rectifying means 30 is larger than that of the water flow blades 24 and these numbers fall within a predetermined ratio. It is good to set to.
  • the number of the rectifying means 30 and the water flow blades 24 is the same, but these numbers are also design matters that can be appropriately determined.
  • each rectifying means 30 in the vertical direction is set so as not to interfere with the upper and lower drive turbines 21.
  • the obliquely extending portion is formed on the inner peripheral surface 12. It will be bent so that it will be twisted slightly.
  • the generator 42 that converts the rotational energy of the rotary shaft 20 into electric energy is connected to the rotary shaft 20 via the speed increaser 40 and the continuously variable transmission 41 as described above.
  • the generator 42 mechanically rotates a power generation coil in a permanent magnet and generates electricity by electromagnetic induction generated at this time, and the details of the configuration are general and will be omitted. Further, the generator 42 may be installed so that all or a part of its configuration is accommodated in the accommodating portion 15 at the lowermost portion of the cylindrical tank 11.
  • the generator 42 may be provided with a storage battery (not shown), for example, so that the generated electrical energy can be stored.
  • FIG. 9 is a perspective view showing the driving turbine 21
  • FIG. 10 is a perspective view showing a driving turbine 21 ⁇ / b> A that is a modification of the driving turbine 21.
  • the driving turbine 21A is provided with flanges by bending both side edges of the water flow blade 24 in the same direction. The flange is bent upward to receive water, and serves to prevent water falling on the water flow blade 24 from falling off from both side edges.
  • a driving turbine 21B shown in FIG. 11 is formed by fixing a ring-shaped outer wheel 25 wider than the inner wheel 23 along the outer edge of each hydrofoil 24 in the driving turbine 21. With such an outer wheel 25, water falling from above can be received efficiently and reliably and rotated. Moreover, you may arrange
  • the water used in the hydroelectric generator 10 may be derived from natural rivers, waterfalls, or the like, but may be used by circulating a certain amount of water secured in advance. In any case, water from the outside flows into the cylindrical space from the introduction portion 13 at the top of the cylindrical tank 11. Although water flows in from the water inlet 133 in the introduction part 13, at this time, for example, it may be ejected from a nozzle to generate a swirling flow. In FIG. 1, the water flow from the water inlet 133 overflows between the lower end side outer periphery of the water inlet 133 and the upper end inner periphery of the receiving portion 136 after being received in the receiving portion 136.
  • the water flow that has overflowed in the introduction part 13 further flows so as to descend between the upper end side outer periphery of the receiving part 136 and the lower end side inner periphery of the surrounding part 137.
  • the water flow is evenly distributed in the entire circumferential direction of 360 degrees in a plan view, and flows downward along the outer peripheral surface of the slope portion 135 in a diagonally downward direction without spreading horizontally.
  • the water that has flowed into the introduction portion 13 from the outside can be dropped from the upper end of the cylindrical space of the cylindrical tank 11 along the inner peripheral surface 12 in the entire circumferential direction.
  • an electric pump capable of adjusting the amount of water supplied is driven to send water to the water inlet 133, and the electric power at this time is generated by the hydroelectric generator 10. It is good to use a part of the generated power as it is.
  • the water flow that has passed through the introduction portion 13 falls along the inner peripheral surface 12 of the cylindrical tank 11, but is converted into a straight laminar flow that is a straight water flow by the rectifying means 30 below the introduction portion 13. .
  • the water that first collides with the driving turbine 21 via the introducing portion 13 is surely converted into a linear laminar flow without relying only on the operation of the introducing portion 13 itself or normal attraction.
  • This straight laminar flow collides with the inclined surface on the front side of each water flow blade 24 in the uppermost driving turbine 21 at a constant angle that intersects at an acute angle from above.
  • the constant angle is a linear direction in which the water flow blade 24 can be efficiently rotated and the force in the direction of dropping after the collision with the water flow blade 24 is not excessively reduced.
  • the inclined surface of the water flow blade 24 is 60 degrees with respect to the horizontal direction, an angle that intersects with the inclined surface at 45 degrees is suitable.
  • the inclination angle of the water flow blade 24 and the angle at which the straight laminar flow intersects with this inclination angle are design items that can be determined as appropriate. It is verified that the angle at which the straight laminar flow intersects the inclination angle of the water flow blade 24 is, for example, in the range of 30 to 60 degrees.
  • the angle at which the straight laminar flow intersects the inclination angle of the water flow blade 24 is a right angle, a large force can be applied to the water flow blade 24, but the momentum of the water flow going downward is reduced thereafter. Therefore, it is not suitable for rotational driving of the rotary shaft 20 having a plurality of stages.
  • the rectifying means 30 are arranged so as to be arranged at equal intervals in the circumferential direction by the same number as the number of the water flow blades 24 of the driving turbine 21. Therefore, the turbulent flow immediately after colliding with each water flow blade 24 is rectified in the process of falling between the respective rectifying means 30, and distributed to all of the water flow blades 24 as a straight water flow directed downward from above, and A linear water flow collides with each water flow blade 24 at the constant angle with good rotation efficiency.
  • the rectifying means 30 having such a simple configuration, the above-described direction change of the water flow and linear rectification can be easily realized.
  • a rotational force can be applied only to the one-stage driving water turbine 21, but the driving water turbine 21 is arranged in a plurality of upper and lower stages in series.
  • the rectifying means 30 between the driving turbines 21, the amount of water of 1000 t can be repeatedly used for the second and third driving turbines 21 a plurality of times. That is, if, for example, 1 kwh of electric power is generated with a constant amount of water, 1 kwh ⁇ X stages of electric power can be generated by setting the drive turbine 21 to a plurality of stages (X stages).
  • the rotational force of the rotating shaft 20 can be increased by the number of the plurality of stages of driving turbines 21 as compared with the case where the driving turbine 21 has only one stage, and a larger power generation amount can be obtained.
  • the rotating shaft 20 is rotated by the rotation of the driving turbines 21 in a plurality of stages, and the rotational speed is increased by the speed increaser 40 in the accommodating portion 15 of the cylindrical tank 11. Further, the continuously variable transmission 41 converts the rotational speed to be suitable for the generator 42 and drives the generator 42. Thereby, the rotational energy of the rotating shaft 20 is converted into electric energy, but the generated electric power may be stored in a storage battery or the like, or used as a power source for the electric pump described above.
  • the water that has dropped to the lowest level of the cylindrical tank 11 is discharged to the outside from the water outlet 142 of the discharge unit 14. The discharged water may be circulated again by driving the electric pump to the water inlet 133 of the introduction unit 13.
  • the hydroelectric generator 10 has a relatively simple configuration and can be manufactured at low cost.
  • the cylindrical tank 11 which is a main part is a vertical type extending in the vertical direction, it can be installed if there is a space corresponding to the bottom area of the cylindrical tank 11, and can be installed on the rooftop of the building or outdoors. Can be installed at a place.
  • the size of the cylindrical tank 11 can be applied from a small one having a height of several meters to a large one.
  • the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings.
  • the specific configuration is not limited to these embodiments, and the present invention can be modified or added without departing from the scope of the present invention.
  • the driving turbines 21 of all stages have the same configuration, but may be configured to be different as necessary.
  • the shape, the number, the angle, and the like of the water flow blades 24 can be changed as appropriate.
  • the configuration of the introducing portion 13 is not limited to the illustrated one, and any water can be dropped from the outside along the inner circumferential surface 12 of the cylindrical space over the entire circumferential direction. good.
  • the all-round direction does not mean that it is continuous without a 360 ° gap, but includes a case where the entire circumference is dropped so as to be arranged at a predetermined interval along the entire circumference.
  • the shape, number, angle, etc. of the rectifying means 30 can be changed as appropriate. For example, you may comprise so that the flow velocity of the falling water may be accelerated by constricting the lower end side of the rectification
  • straightening means 30 may be comprised in a tubular cross section using a pipe material etc., without being restricted to a flat form or a bowl-like structure.
  • the water outlet 142 in the discharge part 14 may be provided not in the direction of the outer peripheral edge of the bottom frame 141 but in the downward direction so as to pass through the storage part 15. In this case, it protrudes to the outside from a proper position of the accommodating portion 15.
  • the power transmission mechanism from the rotary shaft 20 to the generator 42 is not limited to the gears such as the speed increaser 40 engaged with each other.
  • a pulley fixed to the lower end side of the rotary shaft 20 and the generator 42 may be appropriately configured by a pulley attached to the input shaft 42 and a belt spanned between both pulleys.
  • hydroelectric power generation apparatus of the present invention in addition to installing so as to guide water from natural rivers, waterfalls, etc., in vacant lots and dead spaces between apartment buildings and buildings such as condominiums, public housing etc. in the city center
  • apartment buildings and buildings such as condominiums, public housing etc.
  • it can be used widely by utilizing various spaces such as circulating a certain amount of water secured in advance.
  • high-efficiency power can be obtained even in inconvenient places such as mountains and remote islands.
  • Such a hydroelectric power generation device is not affected by the weather unlike conventional clean energy solar power generation and wind power generation, and can realize stable power generation, and its industrial utility value is extremely high. high.

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Abstract

　落下する水の位置エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換して発電効率が高まり、しかも、設置スペースも小さく抑えることができると共に、構成も簡易化することが可能となり、コストを低減することができる水力発電装置である。円筒空間内の中心線に沿って配された回転軸（２０）に上下複数段に駆動水車（２１）を取り付け、円筒空間内を落下する水流により各駆動水車（２１）を回転させる。駆動水車（２１）は、円筒空間の内周面（１２）に沿って回転方向と同方向の斜め上方に延びる複数の水流翼（２４）を備える。各駆動水車（２１）の上下間に、上側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）に衝突し該駆動水車（２１）を回転させた後、該回転方向と逆方向の斜め下方に落下する水流を、下側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線状の水流に転換する整流手段（３０）を設けた。

Description

水力発電装置
　本発明は、円筒空間内を落下する水流により駆動水車を回転させ、該駆動水車と共に回転する回転軸に連動する発電機から電力を得る水力発電装置に関する。
　従来より、設置場所の条件や用途、規模等に応じて、様々なタイプの水力発電装置が提案されている。このような水力発電装置は、何れも高所から低所へ落下する水の位置エネルギーを利用して水車を回転させ、この回転力を発電機の駆動源として発電を行うものである。特に最近では、自然エネルギーを利用したクリーンな発電装置として以前に増して注目度も高まっている。
　この種の水力発電装置としては、具体的には例えば、斜地を流れる水路や川を利用した流水路の途中に水車を設けて、この水車の中央より下方の一部に水流が当たるように設定して、水車の回転力を発電機に伝達していた。このように、水車の回転力である機械エネルギーを、発電機によって電気エネルギーへと変換するタイプのものが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１３－１５０８９号公報
　しかしながら、前述した特許文献１に記載されたような水力発電装置では、水車の全周方向における一部にしか水流が衝突しないため、水流から得られるエネルギーの割合が低く、発電効率も低いという問題点があった。特に、水路の水位が低いと水車に加わる力が非常に小さくなり、必要な発電量を得られない虞もあった。
　また、前述したように、傾斜した水路にて水平な回転軸周りに回転する水車を利用した水力発電装置では、装置を設置するために比較的広いスペースが必要であり、スペースが限定される場所には設置することが難しいという問題があった。さらに、大容量の電力を得るためには、装置全体の規模が大型となり構造も複雑化し、コストが嵩むと共に、より広い設置スペースが必要となり、設置する場所が極めて限定されるという問題があった。
　本発明は、前述したような従来の技術が有する問題点に着目してなされたものであり、落下する水の位置エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換して発電効率が高まり、しかも、設置スペースも小さく抑えることができると共に、構成も簡易化することが可能となり、コストを低減することができる水力発電装置を提供することを目的としている。
　前述した目的を達成するための本発明の要旨とするところは、以下の各項の発明に存する。
　［１］上方より水を受け入れ下方へ落下させる円筒空間内にて、該円筒空間内の縦方向に延びる中心線に沿って配された回転軸に取り付けた駆動水車を備え、前記円筒空間内を落下する水流により前記駆動水車を回転させ、該駆動水車と共に回転する回転軸に連動する発電機から電力を得る水力発電装置において、
　前記駆動水車は、前記回転軸を中心とした円周方向に並び、前記円筒空間の内周面に沿って回転方向と同方向の斜め上方に延びる複数の水流翼を備えて成り、
　前記駆動水車の複数を、前記円筒空間内にて前記回転軸上に直列に並べて上下複数段に配置し、
　前記円筒空間内にて前記各駆動水車の最上段より上方に、外部より流入する水を前記円筒空間の内周面に沿って全周方向に亘り落下させる導入部を設け、
　前記各駆動水車の上下間における前記円筒空間の内周面に沿って、上側の駆動水車の水流翼に衝突し該駆動水車を回転させた後に落下する水流を、下側の駆動水車の水流翼における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線状の水流に転換する整流手段を設けたことを特徴とする水力発電装置。
　［２］前記導入部と最上段の駆動水車との間にも、前記円筒空間の内周面に沿って前記整流手段を設けたことを特徴とする前述の［１］に記載の水力発電装置。
　［３］前記整流手段は、前記円筒空間の内周面より突出する状態に固定され、該内周面に沿って上下方向に直線状あるいは途中屈曲した形状に延びる細幅状の部材からなり、
　前記駆動水車の水流翼の数と同じ数が円周方向に等間隔に並ぶように配置されたことを特徴とする前述の［１］または［２］に記載の水力発電装置。
　［４］前記駆動水車は、前記回転軸に支持されたリング状の内ホイールと、該内ホイールの外側に離隔して配され前記円筒空間の内周面に沿う外ホイールと、前記各水流翼とを備え、
　前記各水流翼を前記内ホイールと前記外ホイールとの間に固定してなることを特徴とする前述の［１］，［２］または［３］に記載の水力発電装置。
　［５］前記導入部は、前記円筒空間内の中心線に沿って流入した水を受け入れた後、全周方向に溢れ出させるオーバーフロー部と、該オーバーフロー部を頂部として溢れ出した水を全周方向に亘り斜め下方へ流下させ、前記円筒空間の内周面に沿って落下させる円錐台状のスロープ部と、を備えてなることを特徴とする前述の［１］，［２］，［３］または［４］に記載の水力発電装置。
　次に、作用を説明する。
　前記［１］に記載の水力発電装置（１０）によれば、円筒空間内には、その上方にある導入部（１３）より外部から水が流入する。導入部（１３）に流入した水は、円筒空間の内周面（１２）に沿って全周方向に亘り落下する。この水流が最上段の駆動水車（２１）にある各水流翼（２４）の表側の傾斜面に一定角度で衝突すると、駆動水車（２１）に対して回転力を与えることができ、該駆動水車（２１）は水流翼（２４）が斜め上方に延びる方向と同方向に回転する。
　最上段の駆動水車（２１）に衝突した後の水流は、水流翼（２４）の回転方向と逆方向に向かう流れとなるため、通常だと２段目以降の駆動水車（２１）の各水流翼（２４）に対して、再び前記一定角度で衝突させることはできない。しかし、各駆動水車（２１）の上下間における円筒空間の内周面（１２）に、整流手段（３０）を設けたことにより、上側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）に衝突し該駆動水車（２１）を回転させた後の水流は、整流手段（３０）により下側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）における表側の傾斜面に一定角度で衝突する直線状の水流（以下「直線層流」とする）に転換される。
　これにより、最上段の駆動水車（２１）だけでなく、２段目さらに３段目以降の駆動水車（２１）の各水流翼（２４）に対しても、上からの水流を常に一定角度で衝突させることが可能となり、複数段の駆動水車（２１）毎に効率良く回転力を与えることができる。よって、通常であれば、１段の駆動水車（２１）だけしか回転力を付与できないが、駆動水車（２１）を直列に上下複数段に配置し、各駆動水車（２１）間に整流手段（３０）を設けたことにより、２段目さらに３段目以降の駆動水車（２１）に対しても、繰り返し一定量の水を複数回利用することができる。
　また、前記［２］に記載したように、前記整流手段（３０）は、前記導入部（１３）と最上段の駆動水車（２１）との間にも、前記円筒空間の内周面（１２）に沿って設けると良い。これにより、前記導入部（１３）を経て最初に駆動水車（２１）に衝突する水に対しても、導入部（１３）自体の作用や通常の引力だけに頼ることなく、整流手段（３０）の効果を及ぼすことができ、確実に直線層流に転換することができる。
　前記整流手段（３０）としては、板状、樋状、あるいは管状等と、その形態は特に限定されるものではない。すなわち、整流手段（３０）は、上方から落下する水の流れる方向を水流翼（２４）に対して回転効率が良く、しかも、衝突後に落下する方向への力も過度に減殺されない方向へと転換でき、さらに、直線状な流れの直線層流に転換することができるものであれば、その具体的な構成を特に問うものではない。
　ただし、具体的には例えば前記［３］に記載したように構成すると良い。すなわち、前記整流手段（３０）は、前記円筒空間の内周面（１２）より突出する状態に固定され、該内周面（１２）に沿って上下方向に直線状あるいは途中屈曲した形状に延びる細幅状の部材から構成する。このような整流手段（３０）を、前記駆動水車（２１）の水流翼（２４）の数と同じ数だけ円周方向に等間隔に並ぶように配置する。このような簡易な構成により、前述した水流の方向転換と直線状な整流とを容易に実現することができる。
　また、前記［４］に記載したように、前記駆動水車（２１）は、回転軸（２０）に支持されたリング状の内ホイール（２３）と、該内ホイール（２３）の外側に離隔して配され前記円筒空間の内周面（１２）に沿う外ホイール（２５）と、前記各水流翼（２４）とを備え、各水流翼（２４）を内ホイール（２３）と外ホイール（２５）との間に固定して構成すると良い。このような駆動水車（２１）によれば、効率良く水流を受け止めて回転させることができる。
　さらに、前記［５］に記載したように、前記導入部（１３）は、円筒空間内の中心線に沿って流入した水を受け入れた後、全周方向に溢れ出させるオーバーフロー部（１３１）と、該オーバーフロー部（１３１）を頂部として溢れ出した水を全周方向に亘り斜め下方へ流下させ、円筒空間の内周面（１２）に沿って落下させる円錐台状のスロープ部（１３５）と、を備えるように構成すると良い。このような導入部（１３）により、円筒空間内に勢いよく水を流入させても、内周面（１２）の一部に偏ることなく満遍なく水を内周面（１２）に沿って落下させることができる。
　本発明に係る水力発電装置によれば、円筒空間内に導入されて落下する水の位置エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換して発電効率が高まり、しかも、設置スペースも小さく抑えることもできると共に、構成も簡易化することが可能となり、コストを低減することが可能となる。
本発明の実施の形態に係る水力発電装置の内部構造を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の内部構造を示す斜視図である。 図１のＡ－Ａ線断面図である。 図１のＢ－Ｂ線断面図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の他の構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の他の構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の他の構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の他の構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の駆動水車を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の駆動水車の他の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の駆動水車の他の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の駆動水車の他の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の作用を示す説明図である。
　以下、図面に基づき、本発明を代表する実施の形態を説明する。
　図１～図１３は、本発明の実施の形態を示している。
　図１に示すように、水力発電装置１０の主要部を成す円筒槽１１は、縦型の円筒形状に構成されている。この円筒槽１１の内部である円筒空間内には、縦方向に延びる中心線に沿って回転軸２０が配されており、回転軸２０には上下に並ぶ複数の駆動水車２１，２１…が取り付けられている。
　円筒槽１１の最上部、すなわち円筒空間内にて各駆動水車２１の最上段より上方には、外部より流入する水を前記円筒空間の内周面１２に沿って全周方向に亘り落下させる導入部１３が設けられている。一方、円筒槽１１の最下部、すなわち円筒空間内にて各駆動水車２１の最下段より下方には、円筒空間内を落下した水流を外部に流す排出部１４が設けられている。また、排出部１４の下方は、水流が浸入しない収容部１５となっており、回転軸２０の下端側に連結される増速機４０が配設されている。この増速機４０の出力軸は、例えば無段変速機４１を介して、円筒空間外に設置された発電機４２に連結されている。
　導入部１３は、円筒空間内の中心線に沿って流入した水を受け入れた後、全周方向に溢れ出させるオーバーフロー部１３１と、該オーバーフロー部１３１を頂部として溢れ出した水を全周方向に亘り斜め下方へ流下させ、前記円筒空間の内周面１２に沿って落下させる円錐台形のスロープ部１３５と、を備えてなる。詳しく言えば、オーバーフロー部１３１は、円錐台形カバー状の外枠１３２の頂部に水流入口１３３を貫通させ、該水流入口１３３の下端を、スロープ部１３５の頂部にてフランジに囲まれた受け部１３６内を臨むように配設してなる。
　スロープ部１３５は、前記受け部１３６より外周側に向けて下方へ傾斜した円錐台形に形成され、その外周縁は、前記内周面１２より離隔した位置に配されている。また、スロープ部１３５の上方に位置する外枠１３２の裏側には、前記受け部１３６の外周上端側を囲むように離隔して覆うフランジ状の囲み部１３７が下向きに突設されている。このような構造の導入部１３によれば、詳しくは後述するが、外部より勢い良く流入した水であっても、円筒空間の内周面１２に沿って全周方向に亘り落下させることができる。もちろん、導入部１３の具体的な構成は、このような図１に示したものに限られることはない。
　一方、排出部１４は、円錐台形カバー状の底枠１４１の外周縁を前記円筒空間の内周面１２に接続し、該外周縁の一端に、前記円筒空間内に連通した水流出口１４２を設けて成る。底枠１４１の頂部の下側には、回転軸２０の下端側の軸受け１６が取り付けられており、この軸受け１６は、底枠１４１を下方より支えると共に軸受け１６を４方向より支持するフレーム１７を介して前記内周面１２にも接続されている。また、前記導入部１３の下方にも、回転軸２０の上端側の軸受け１８が設けられており、この軸受け１８は、その外周を４方向より支持するフレーム１９を介して前記内周面１２に接続されている。
　円筒槽１１の円筒空間内の中心線に沿って、回転軸２０は縦方向（鉛直方向）に延びる状態に配設されている。この回転軸２０は、前述した上下の軸受け１６，１８によって回転可能に軸支されている。回転軸２０の途中には、駆動水車２１が上下に並んで複数段に取り付けられている。回転軸２０の下端部は、前記軸受け１６より下方へさらに延出し、前記増速機４０に対して動力伝達可能に連結されている。なお、増速機４０は、回転軸２０の回転数を増加させて、発電機４２へ伝えることができるものであり、その構成の詳細は一般的であるので省略する。
　図１、図２に示すように、前記駆動水車２１は、回転軸２０に連結されて４方向に延びるフレーム２２の先端に支持されたリング状のホイール２３と、このホイール２３の外周面に沿って等間隔に取り付けられた複数の水流翼２４，２４…から成る。各水流翼２４は、前記回転軸２０を中心とした円周方向に並び、円筒空間の内周面１２に沿うように配されている。
　各水流翼２４は、矩形の平板形状であり、その平坦な表面側に上方からの水流が衝突して回転するように、該表面側が回転方向と同方向となる斜め上方に所定角度で傾斜するように設定されている。なお、駆動水車２１の具体的な構成は図示したものに限定されるわけではなく、他の構成例については後述する。
　水流翼２４の両側端縁のうち前記内周面１２に対向する外側端縁は、前記内周面１２との間に各水流翼２４の回転を許容する程度の隙間を空けて配されている。各水流翼２４の具体的な長さや横幅等の寸法、それに円周方向に並ぶ数は、それぞれ適宜定め得る設計事項である。また、本実施の形態では、駆動水車２１を上下５段に等間隔で並ぶように配設されており、各駆動水車２１は全て同じ形状に構成されている。
　各駆動水車２１は上下５段に限られるものではなく、円筒槽１１の高さや寸法に応じて、上下２段～４段、もしくは上下６段以上に配設しても良い。また、各段毎の駆動水車２１の形状も必ずしも同じとする必要はなく、多少異なる構成としても良い。駆動水車２１が何れの段数や形状であっても、上下の駆動水車２１の間には、次述する整流手段３０を配設するためのクリアランスが設けられている。
　本実施の形態では、上下の駆動水車２１の間のほか、前記導入部１３と最上段の駆動水車２１との間にも、前記円筒空間の内周面１２に沿って整流手段３０が設けられている。整流手段３０は、上側から落下してきた水流を、下側の駆動水車２１の水流翼２４における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線状の水流に転換するものである。整流手段３０は、具体的には例えば、上下方向に直線状に延びる細幅な板状部材からなり、その一側端縁を屈曲させたフランジ（図示せず）を前記内周面１２に取り付けて、他側端縁が内周面１２より回転軸２０側に突出する状態に固定される。
　図１、図２に示した整流手段３０は、鉛直方向に真っ直ぐ延びる細幅板状に形成され、その下端が下側の駆動水車２１の水流翼２４の表側の傾斜面に対して上方より鋭角に交わる一定角度で対向するように配されている。導入部１３の下側にある整流手段３０と、各回転軸２０間にある整流手段３０とでは、基本的な構成は共通するが上下方向の長さが異なる。すなわち、前者は後者よりも長く形成されている。
　導入部１３の下側にある整流手段３０は、前記スロープ部１３５から落下してきた水流を主に直線状の水流に転換するものである。また、各回転軸２０間にある整流手段３０は、特に、上側の駆動水車２１の水流翼２４の表側の傾斜面に衝突し該駆動水車２１を回転させた後に落下する水流を、下側の駆動水車２１の水流翼２４における表側の傾斜面に上方より鋭角に交わる一定角度で衝突する直線状の水流に転換するものである。
　ここで、水流翼２４の表側の傾斜面に衝突し、該駆動水車２１を回転させた後の水流は、水流翼２４の傾斜面に衝突した瞬間には、駆動水車２１の回転方向と逆方向の斜め下方に向かおうとするが、駆動水車２１の回転速度によっては、水流翼２４より鉛直な真下、あるいは回転方向に向かうように見えることもあり得る。
　前記整流手段３０の具体的な形状や配置は図示したものに限定されるわけではない。例えば、前記整流手段３０では、その一側端縁にだけ取り付け用のフランジを設けているが（図示せず）、図５に示す整流手段３０Ａのように、他側端縁にもフランジを設けても良い。かかる他側端縁のフランジは、整流手段３０Ａに沿って落下する水が他側端縁より途中で側方に抜け出ることを防いで、下端より落下するまで水を保持する役目を果たすものである。
　すなわち、他側端縁のフランジは、上側から回転方向と逆方向の斜め下方に落下する水流を受け止める方向に突設されている。図６～図８に示す整流手段３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄについても同様である。また、図４に示すように、整流手段３０は、その側面が半径方向に沿うように、前記内周面１２より略直角に回転軸２０側に向けて突設されている。
　ただし、整流手段３０は、前記内周面１２より必ずしも略直角に突設する必要はなく、例えば、他端側のフランジが突出する方向の同じ方向に直角未満の鋭角に傾けた状態で突設しても良い。この場合、整流手段３０の一側端縁が鋭角に内周面１２と交わる隅に沿って水流が遠心力によりまとまりやすくなり、直線層流をより密に収束させることができる。図６～図８に示す整流手段３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄについても同様である。
　また、図１、図２に示した整流手段３０は、鉛直方向に真っ直ぐ延びる状態で前記内周面１２に固定されているが、図６に示す例のように、整流手段３０Ｂを、鉛直方向に対して鋭角に交差するよう斜めに延びる状態に固定しても良い。この場合、整流手段３０Ｂの下端は、下側の駆動水車２１の水流翼２４における表側の傾斜面に対して、前記整流手段３０の下端が鋭角に交わる一定角度よりも、直角未満のやや広い角度で交わるように対向することになる。さらに、図７に示す整流手段３０Ｃや、図８に示す整流手段３０Ｄのように、それぞれ途中（例えば下端側）から回転軸２０の回転方向に向けて屈曲するように形成しても良い。
　このように整流手段３０には様々なバリエーションが考えられるが、何れの場合も、前記駆動水車２１の水流翼２４の数と同じ数だけ円周方向に等間隔に並ぶように配置すると良い。もちろん、整流手段３０と駆動水車２１の水流翼２４の数は同じである必要はなく、例えば、整流手段３０の数は水流翼２４よりも多くして、これらの数を所定の比率に収まる範囲に設定すると良い。このように、図示した例では、整流手段３０と水流翼２４とは同じ数であるが、これらの数も適宜定め得る設計事項である。
　また、各整流手段３０の鉛直方向における長さは、上下の駆動水車２１に干渉しないように設定されている。なお、図６～図８に示すように、各整流手段３０の全部または一部が、鉛直方向に対して鋭角に交差するよう斜めに延びる場合には、斜めに延びる部位は内周面１２に沿わせるように多少捻るように湾曲させることになる。
　前記回転軸２０の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機４２は、前述したように増速機４０や無段変速機４１を介して回転軸２０に連結されている。この発電機４２は、発電コイルを永久磁石の中で機械的に回転させ、この時に生じる電磁誘導で電気を発生させるものであり、その構成の詳細は一般的であるので省略する。また、発電機４２は、その構成の全部または一部を、円筒槽１１の最下方にある収容部１５に収めるように設置しても良い。なお、発電機４２には、発電した電気エネルギーを蓄電できるよう、例えば蓄電池（図示せず）を併設してもよい。
　次に、駆動水車２１の別の構成例について説明する。　
　図９は、前記駆動水車２１を示す斜視図であり、図１０は、前記駆動水車２１の変形例である駆動水車２１Ａを示す斜視図である。駆動水車２１Ａは、水流翼２４の両側端縁をそれぞれ同じ向きに折曲してフランジを設けたものである。このフランジは、水を受ける上方に向かって折曲されており、水流翼２４上に落下した水が両側端縁より抜け落ちることを防ぐ役目を果たすものである。
　図１１に示す駆動水車２１Ｂは、前記駆動水車２１における各水流翼２４の外側端縁に沿って、内側の内ホイール２３よりも幅広なリング状の外ホイール２５を固定して成るものである。このような外ホイール２５によって、上方から落下する水を効率良く確実に受け止めて回転することができる。また、図１２に示す駆動水車２１Ｃのように、内ホイール２３と外ホイール２５の高さ幅を同一に揃えても良い。
　次に、本実施の形態に係る水力発電装置１０の作用について説明する。　
　水力発電装置１０で利用する水は、自然の川や滝等から導くようにしても良いが、予め確保した一定量の水を循環させて使用しても良い。何れにせよ外部からの水は、円筒槽１１の最上方にある導入部１３から円筒空間内に流入させる。導入部１３にある水流入口１３３より水は流入するが、この時に例えばノズルより噴射させて旋回流を生じさせても良い。この水流入口１３３からの水流は、図１において、受け部１３６内に受け入れられた後、水流入口１３３の下端側外周と受け部１３６の上端側内周との間をオーバーフローする。
　導入部１３内でオーバーフローした水流は、さらに受け部１３６の上端側外周と囲み部１３７の下端側内周との間を下るように流れる。このような過程で水流は、平面視で３６０度の全周方向に均等に分配され、かつ水平に広がることなく斜め下方へ向かいスロープ部１３５の外周面に沿って流下する。これにより、導入部１３に外部より流入した水は、円筒槽１１の円筒空間の上端より内周面１２に沿って全周方向に亘り落下させることができる。なお、一定量の水を循環させて使用する場合、送水量を調整可能な電動ポンプを駆動して水流入口１３３に水を送ることになるが、この時の電力は本水力発電装置１０により発電した電力の一部をそのまま利用すると良い。
　前記導入部１３を経た水流は、円筒槽１１の内周面１２に沿って落下するが、導入部１３の下側にある整流手段３０によって、直線状の水流である直線層流に転換される。このように、導入部１３を経て最初に駆動水車２１に衝突する水も、導入部１３自体の作用や通常の引力だけに頼ることなく、確実に直線層流に転換される。この直線層流が、最上段の駆動水車２１にある各水流翼２４の表側の傾斜面に対して上方より鋭角に交わる一定角度で衝突する。これにより、駆動水車２１に対して回転力を与えることができ、該駆動水車２１は水流翼２４が斜め上方に延びる方向と同方向に回転する。すなわち、図１において回転軸２０は、上方から見て時計回りの方向に回転することになる。
　最上段の駆動水車２１に衝突した後の水流は、水流翼２４の回転方向と逆方向に向かう流れとなるため、通常だと２段目以降の駆動水車２１の各水流翼２４に対して、再び前記一定角度で衝突させることはできない。しかし、各駆動水車２１の上下間における円筒空間の内周面１２に、整流手段３０を設けたことにより、図１３に示すように、上側の駆動水車２１の水流翼２４に衝突し該駆動水車２１を回転させた後の水流は、該回転方向と逆方向の斜め下方に落下しようとするところを、整流手段３０により下側の駆動水車２１の水流翼２４における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線層流に転換される。
　このように、最上段の駆動水車２１だけでなく、２段目さらに３段目以降の駆動水車２１の各水流翼２４に対しても、上からの水流を常に一定角度で衝突させることが可能となり、複数段の駆動水車２１毎に効率良く回転力を与えることができる。ここで一定角度とは、水流翼２４を効率良く回転させることができ、かつ、水流翼２４との衝突後に落下する方向への力も過度に減殺されない直線状の方向である。例えば、水流翼２４の傾斜面が水平方向に対して６０度の場合には、この傾斜面に対して４５度に交わる角度が適している。
　もちろん、水流翼２４の傾斜角や、この傾斜角に対する直線層流が交わる角度は、適宜定め得る設計事項であり、発明者らの各種実験により、水流翼２４の傾斜面は例えば４５～６０度の範囲が最適であり、水流翼２４の傾斜角に直線層流が交わる角度は例えば３０～６０度の範囲が最適であることが検証されている。ここで、直線層流が水流翼２４の傾斜角に交わる角度が仮に直角となる場合には、水流翼２４に対しては大きな力を付与できるが、その後下方に向かう水流の勢いは減殺されてしまうため、複数段ある回転軸２０の回転駆動には適さない。
　特に、前記整流手段３０は、駆動水車２１の水流翼２４の数と同じ数だけ円周方向に等間隔に並ぶように配置されている。従って、各水流翼２４に衝突した直後の乱流は、各整流手段３０間を落下する過程で整流されて、各水流翼２４の全てに対して上方より下方に向かう直線水流として分配され、かつ直線的な水流が回転効率の良い前記一定角度で各水流翼２４に衝突することになる。このような簡易な構成の整流手段３０により、前述した水流の方向転換と直線状な整流とを容易に実現することができる。
　これにより、通常の一段だけの水車であれば、例えば１０００ｔの水量の水を落下させた場合、１段の駆動水車２１だけにしか回転力を付与できないが、駆動水車２１を直列に上下複数段に配置し、各駆動水車２１間に整流手段３０を設けたことにより、２段目さらに３段目以降の駆動水車２１に対しても、繰り返し１０００ｔの水量を複数回利用できる。すなわち、一定の水量で例えば１ｋｗｈの電力が発生するとしたら、駆動水車２１を複数段（Ｘ段）としたことにより、１ｋｗｈ×Ｘ段の電力を発電できることになる。このように駆動水車２１が１段だけの場合に比べ、複数段の駆動水車２１の数分だけ、回転軸２０の回転力を増大させることができ、より大きな発電量を得ることができる。
　複数段の駆動水車２１の回転により回転軸２０が回転し、円筒槽１１の収容部１５にある増速機４０により回転数が増加される。さらに、無段変速機４１により、発電機４２に適した回転数に変換されて発電機４２を駆動させる。これにより、回転軸２０の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されるが、発電された電力は、蓄電池等に蓄電したり、前述した電動ポンプの電源として使用しても良い。なお、円筒槽１１の最下段まで落下した水は、排出部１４の水流出口１４２から外部に排出される。この排出された水は、電動ポンプを駆動して再び導入部１３の水流入口１３３に送り循環させても良い。
　このように、本水力発電装置１０は、比較的簡易な構成であり、安価に製造することができる。また、主要部である円筒槽１１は上下方向に延びる縦型であるため、円筒槽１１の底面積に相当するスペースがあれば設置することが可能であり、ビルの屋上や屋外等と様々な場所に設置することができる。また、円筒槽１１の大きさに関しても、高さ数メートル程度の小規模なものから大規模なものまで適用することができる。
　以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。例えば、前記実施の形態では、全ての段の駆動水車２１を同一の構成としたが、必要に応じて異なるように構成しても良い。また、水流翼２４の形状や枚数、角度等も適宜変更可能である。また、導入部１３の構成も、図示したものに限定されることはなく、外部より流入する水を円筒空間の内周面１２に沿って全周方向に亘り落下させることができるものであれば良い。ここで全周方向とは、３６０度隙間なく連なる意味ではなく、全周に亘り所定間隔を空けて並ぶように落下させるものも含む。
　また、整流手段３０の形状や枚数、角度等も適宜変更可能である。例えば、整流手段３０の下端側をノズル状に窄めることにより、落下する水の流速が加速されるように構成しても良い。また、整流手段３０は、平板状ないし樋状の構成に限られることなく、パイプ材等を用いて管状断面に構成しても良い。また、前記排出部１４にある水流出口１４２は、底枠１４１の外周縁の側方に向けてではなく、前記収容部１５を通るように下方に向けて設けても良い。この場合、収容部１５の適所より外部に突出させることになる。
　さらに、回転軸２０から発電機４２への動力伝達機構は、前記増速機４０等の歯車同士が係合するものに限らず、例えば回転軸２０の下端側に固定されたプーリと、発電機４２の入力軸に取り付けられたプーリと、両プーリ間に架け渡されたベルト等によって適宜構成しても良い。
　本発明の水力発電装置においては、自然の川や滝等から水を導くように設置するほか、都心部のマンション、公営住宅等のような集合建築物やビルの間の空き地やデッドスペース等においても、予め確保した一定量の水を循環させて使用する等、様々なスペースを活用して幅広く利用することができる。もちろん、山間部や離島等の交通の不便な地でも、高効率の電力を得ることができる。
　このような水力発電装置は、従来のクリーンエネルギーである太陽光発電や風力発電のように天候の影響を受けることはなく、安定した発電を実現することができ、その産業上の利用価値は極めて高い。
　１０…水力発電装置
　１１…円筒槽
　１２…内周面
　１３…導入部
　１４…排出部
　１５…収容部
　１６…軸受け
　１８…軸受け
　２０…回転軸
　２１…駆動水車
　２２…フレーム
　２３…ホイール
　２４…水流翼
　２５…外ホイール
　３０…整流手段
　４０…増速機
　４１…無段変速機
　４２…発電機
　１３１…オーバーフロー部
　１３３…水流入口
　１３５…スロープ部
　１３６…受け部
　１４１…底枠
　１４２…水流出口

Claims (5)

  1. 　上方より水を受け入れ下方へ落下させる円筒空間内にて、該円筒空間内の縦方向に延びる中心線に沿って配された回転軸（２０）に取り付けた駆動水車（２１）を備え、前記円筒空間内を落下する水流により前記駆動水車（２１）を回転させ、該駆動水車（２１）と共に回転する回転軸（２０）に連動する発電機（４２）から電力を得る水力発電装置（１０）において、
    　前記駆動水車（２１）は、前記回転軸（２０）を中心とした円周方向に並び、前記円筒空間の内周面（１２）に沿って回転方向と同方向の斜め上方に延びる複数の水流翼（２４）を備えて成り、
    　前記駆動水車（２１）の複数を、前記円筒空間内にて前記回転軸（２０）上に直列に並べて上下複数段に配置し、
    　前記円筒空間内にて前記各駆動水車（２１）の最上段より上方に、外部より流入する水を前記円筒空間の内周面（１２）に沿って全周方向に亘り落下させる導入部（１３）を設け、
    　前記各駆動水車（２１）の上下間における前記円筒空間の内周面（１２）に沿って、上側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）に衝突し該駆動水車（２１）を回転させた後に落下する水流を、下側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線状の水流に転換する整流手段（３０）を設けたことを特徴とする水力発電装置（１０）。
  2. 　前記導入部（１３）と最上段の駆動水車（２１）との間にも、前記円筒空間の内周面（１２）に沿って前記整流手段（３０）を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置（１０）。
  3. 　前記整流手段（３０）は、前記円筒空間の内周面（１２）より突出する状態に固定され、該内周面（１２）に沿って上下方向に直線状あるいは途中屈曲した形状に延びる細幅状の部材からなり、
    　前記駆動水車（２１）の水流翼（２４）の数と同じ数が円周方向に等間隔に並ぶように配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電装置（１０）。
  4. 　前記駆動水車（２１）は、前記回転軸（２０）に支持されたリング状の内ホイール（２３）と、該内ホイール（２３）の外側に離隔して配され前記円筒空間の内周面（１２）に沿う外ホイール（２５）と、前記各水流翼（２４）とを備え、
    　前記各水流翼（２４）を前記内ホイール（２３）と前記外ホイール（２５）との間に固定してなることを特徴とする請求項１，２または３に記載の水力発電装置（１０）。
  5. 　前記導入部（１３）は、前記円筒空間内の中心線に沿って流入した水を受け入れた後、全周方向に溢れ出させるオーバーフロー部（１３１）と、該オーバーフロー部（１３１）を頂部として溢れ出した水を全周方向に亘り斜め下方へ流下させ、前記円筒空間の内周面（１２）に沿って落下させる円錐台状のスロープ部（１３５）と、を備えてなることを特徴とする請求項１，２，３または４に記載の水力発電装置（１０）。
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