JP5787787B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水力発電装置に関する。

用水路などの水路の中に羽根車が設置され、その水路を流れる水によって羽根車が回転して発電機が駆動する水力発電装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

このような水力発電装置において、農業用水路などの開放水路に設置するものは、大規模な工事を必要とせずに設置が容易である。このため、たとえば、季節に応じて水量が変化する水路において好適に用いられると共に、地域が停電した時に応急的に発電を行う場合に好適に用いられる。その他、都市部では、下水路などのように生活排水が流れる水路に、上記のような水力発電装置が設置される。

特開２０１１−２２０３１４号公報

農業用水路などの開放水路では、落葉、プラスチックごみ、水草などの漂流物が流水中に混在している。下水路においては、さらに多くの漂流物が流水中に混在している。このため、羽根車などの水中に設置される部分に流水中の漂流物が絡まって、羽根車の回転が妨げられ、羽根車を通過する流水量が低下する場合がある。また、羽根車に漂流物が蓄積され、その漂流物によって水路が塞がれた状態になったときには、水路の外部へ水が流出する場合がある。そして、これによって、水力発電装置では、効率的な発電が妨げられる場合がある。特に、クロスフロー水車などの場合では、多数の羽根が羽根車に設けられているので、上記のような不具合の発生が多い。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、効率的に発電を行うことができる水力発電装置を提供することである。

本実施形態の水力発電装置は、水路の上方において水路を横断するように支持部が設けられる。その支持部から下方に延びた支柱が、支持部に支持されている。その支柱に水中発電部が固定されている。水中発電部は、羽根車と発電機とを有し、羽根車の回転軸が前記水路を流れる流水の流れに沿っており、羽根車と発電機との回転軸が一軸で連結されている。水中発電部は、羽根車の回転方向に沿って周囲を筒状のダクトで覆われている。

本発明によれば、効率的に発電を行うことができる水力発電装置を提供することができる。

図１は、第１実施形態に係る水力発電装置を示す側面図である。 図２は、第１実施形態に係る水力発電装置を示す側面図である。 図３は、第１実施形態に係る水力発電装置を示す正面図である。 図４は、第１実施形態に係る水力発電装置を示す上面図である。 図５は、第２実施形態に係る水力発電装置を示す側面図である。 図６は、第２実施形態に係る水力発電装置を示す正面図である。 図７は、第３実施形態に係る水力発電装置を示す正面図である。 図８は、第３実施形態に係る水力発電装置を示す正面図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１，図２，図３，図４は、第１実施形態に係る水力発電装置を示す図である。図１および図２は、側面図であり、図１は、図２の一部について断面を示している。図３は、正面図であって、図１および図２に示した流水の流れ方向Ｗを視線としている。図４は、上面図である。図１から図３では、内部構造の一部について破線で示している。

水力発電装置１００は、図１〜図４に示すように、支持部１１０、支柱１２１、および、水中発電部２００を備え、流水が流れる水路１１に設置される。

以下より、水力発電装置１００を構成する各部について順次説明する。

支持部１１０は、図１〜図４に示すように、水路１１の上方において水路１１を横断するように設置されている。支持部１１０は、図４に示すように、平面形状が矩形状の支持板１１１を含み、支持板１１１は、流れ方向Ｗに対して長手方向が直交している。支持板１１１は、図３に示すように、面が水平になるように設置されており、長手方向の両端部のそれぞれにおいて、水路１１の両方の側壁２２のそれぞれに締結部材によって固定されている。また、支持板１１１は、長手方向の中央部分において、垂直方向に貫通した貫通孔が形成されている。支持板１１１は、その貫通孔に支柱１２１が挿入されており、支柱１２１を支持している。

支柱１２１は、図１〜図４に示すように、１本であって、水路１１の上方において支持部１１０の中央部で支持されている。支柱１２１は、支持部１１０から下方へ延在するように設けられている。支柱１２１は、円筒体であって、その中心軸が垂直方向に沿っている。支柱１２１は、下側部分において、水中発電部２００を支持している。支柱１２１は、上端部にフランジ１２１Ｆが形成されており、フランジ１２１Ｆの下面が、支持板１１１の上面に接している。支柱１２１のフランジ１２１Ｆは、ボルトなどの締結部材によって支持板１１１に固定されている。フランジ１２１Ｆの上面には、電力引出し部４００が設けられている。電力引き出し部４００は、支柱１２１の内部に設けられた配線（図示なし）を介して、水中発電部２００に電気的に接続されており、水中発電部２００の発電により得た電力を外部へ出力する。

水中発電部２００は、図１から図４に示すように、ケース２０２と、羽根車２０３（ランナ）と、ダクト２０４とを有しており、支柱１２１に支持されている。水中発電部２００は、図１から図３に示すように、水路１１の底部２１から離れるように、水路１１の内部に設置される。

水中発電部２００において、ケース２０２は、図１に示すように、支柱１２１が上部から下部へ向かって貫通しており、支柱１２１によって支持されている。ケース２０２は、支柱１２１が貫通した部分よりも上流側の部分が、円錐形状であって、流れ方向Ｗに沿って外径が大きくなるように形成されている。ケース２０２において、支柱１２１が貫通した部分は、円筒形状であって流れ方向Ｗにおいて同じ外径になるように形成されている。そして、ケース２０２において、支柱１２１が貫通した部分よりも下流側の部分は、円錐形状であって、流れ方向Ｗに沿って外径が小さくなるように形成されている。ケース２０２は、下流側の端部に羽根車２０３が設けられている。また、ケース２０２は、内部の収容空間に、発電機２２１を収容している。

水中発電部２００において、羽根車２０３は、図１に示すように、水路１１においてケース２０２よりも下流側に設けられている。羽根車２０３は、回転軸２０３Ｒが流水の流れ方向Ｗに沿っており、たとえば、２枚の羽根（ランナ羽根）が、その回転軸２０３Ｒの周りに設けられている。羽根車２０３は、回転軸２０３Ｒがケース２０２内の軸受（図示なし）に回転可能に支持されている。羽根車２０３は、回転軸２０３Ｒが発電機２２１の回転軸２２１Ｒと一軸に並んでおり、互いが直接的に連結されている。羽根車２０３は、水路１１を流れる水によって回転し、それによって発電機２２１の回転軸２２１Ｒが回転し、発電が行われる。つまり、水中発電部２００は、軸流水車の回転によって発電を行う。

水中発電部２００において、ダクト２０４は、図１に示すように、流れ方向Ｗに管路が沿うように設けられている。ダクト２０４は、下流部分において羽根車２０３の回転方向に沿って羽根車２０３を囲うと共に、上流部分においてケース２０２の周りを回転方向に沿って囲うように設けられている。ここでは、ダクト２０４は、上流部分よりも下流部分の方が、内径が小さくなるように形成されている。ダクト２０４は、上流部分において、支柱１２１が上側部分を貫通しており、下側部分の内面において支柱１２１の下端部に固定されている。

以上のように、本実施形態の水力発電装置１００は、水路１１の上方において水路１１を横断するように、支持部１１０が設置される。そして、その支持部１１０から下方に延びた支柱１２１が、その支持部１１０に支持されている。そして、その支柱１２１に水中発電部２００が支持されている。水中発電部２００は、羽根車２０３と発電機２２１とを有し、羽根車２０３の回転軸が水路１１を流れる流水の流れ方向Ｗに沿っており、羽根車２０３と発電機２２１との回転軸が一軸で連結されている（図１などを参照）。

このように、本実施形態では、支柱１２１が水中発電部２００を支持しており、水路１１の流水中には、水中発電部２００と支柱１２１以外には、存在しない。また、水中発電部２００は、羽根の枚数が少ない軸流水車が流水で回転することで発電が行われる。このため、流水中の漂流物が水力発電装置１００に絡まりにくい。そして、これに伴って、漂流物が水力発電装置１００で堆積されにくい。

したがって、本実施形態は、効率的に発電を行うことができる。

この他に、本実施形態では、支持部１１０と支柱１２１とを、水路１１の外部に設置し、流水が流れる水路１１の内部に設置しない。このため、水中での作業が不要である。また、一時的に流水を遮断する必要がなく、大規模な工事が不要である。したがって、本実施形態の水力発電装置１００は、容易に設置できる。

＜第２実施形態＞
図５，図６は、第２実施形態に係る水力発電装置を示す図である。図５は、図１と同様に、側面図であって、一部について断面を示している。図６は、図３と同様に、正面図であって、流水の流れ方向Ｗを視線としている。

本実施形態では、図５,図６に示すように、水力発電装置１００ｂにおいて、支柱１２１ｂの形態が、第１実施形態と異なっている。本実施形態は、この点、および、これに関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、この実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

支柱１２１ｂは、図５，図６に示すように、上側支柱部材１２２と、中間支柱部材１２３と、下側支柱部材１２４とを有する。支柱１２１ｂは、垂直方向において、上側支柱部材１２２と中間支柱部材１２３と下側支柱部材１２４とが順次並んでおり、それぞれが連結されている。

支柱１２１ｂにおいて、上側支柱部材１２２は、上端部と下端部とのそれぞれにフランジ１２２Ｆａ,１２２Ｆｂが形成されている。上側支柱部材１２２は、上端部のフランジ１２２Ｆａの下面が、支持板１１１の上面に接しており、締結部材によって支持板１１１に固定されている。また、上側支柱部材１２２は、下端部のフランジ１２２Ｆｂに中間支柱部材１２３が連結されている。

支柱１２１ｂにおいて、中間支柱部材１２３は、上端部と下端部とのそれぞれにフランジ１２３Ｆａ,１２３Ｆｂが形成されている。中間支柱部材１２３は、上端部のフランジ１２３Ｆａの上面が、上側支柱部材１２２の下端部に位置するフランジ１２２Ｆｂの下面に接しており、上側支柱部材１２２に固定されている。また、中間支柱部材１２３は、下端部のフランジ１２３Ｆｂに下側支柱部材１２４が連結されている。

支柱１２１ｂにおいて、下側支柱部材１２４は、上端部にフランジ１２４Ｆが形成されている。下側支柱部材１２４は、上端部のフランジ１２４Ｆの上面が、中間支柱部材１２３の下端部に位置するフランジ１２３Ｆｂの下面に接しており、中間支柱部材１２３に固定されている。また、下側支柱部材１２４は、フランジ１２４Ｆの下方において、水中発電部２００を支持している。

以上のように、本実施形態では、第１実施形態と同様に、水中発電部２００を支柱１２１で支持しており、水路１１の流水中には、水中発電部２００と支柱１２１以外には、存在しない。このため、流水中の漂流物が水力発電装置１００において絡まりにくい。そして、これに伴って、漂流物が水力発電装置１００で堆積されにくい。したがって、本実施形態は、効率的に発電を行うことができる。

本実施形態では、支柱１２１は、第１実施形態の場合と異なり、上側支柱部材１２２と、中間支柱部材１２３と、下側支柱部材１２４とを有する。つまり、本実施形態では、第１実施形態と異なり、上側支柱部材１２２と、中間支柱部材１２３と、下側支柱部材１２４との間は、着脱可能であって、支柱１２１を複数に分解できる。このため、中間支柱部材１２３の長さを、設置の環境に合わせて事前に調整することが容易である。つまり、中間支柱部材１２３を調整片として用いることができる。したがって、本実施形態は、最適な位置に水力発電装置１００を設置できるので、効率的に発電を行うことができる。

＜第３実施形態＞
図７，図８は、第３実施形態に係る水力発電装置を示す図である。図７，図８は、図３と同様に、正面図であって、流水の流れ方向Ｗを視線としている。

本実施形態では、図７,図８に示すように、水力発電装置１００ｃのうち、支持部１１０ｃの形態が、第３実施形態と異なっている。本実施形態は、この点、および、これに関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、この実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

支持部１１０ｃは、図７,図８に示すように、第１実施形態と同様に、水路１１の上方に設置される。支持部１１０ｃは、支持板１１１の他に、第１実施形態と異なり、ベース部１１２と、ガイド部１１３と、昇降機構３００とを有しており、水中発電部２００を吊って支持している。

支持板１１１は、水路１１を横断するように設けられている。支持板１１１は、下面において、水平方向の両端部に設けられたベース部１１２によって支持されている。支持板１１１は、垂直方向に貫通した貫通孔が形成されている。詳細については後述するが、支持板１１１の貫通孔は、昇降機構３００によって支柱１２１が上方に移動されたときに、支柱１２１が内部に移動する。

ベース部１１２は、水路１１の両方の側壁２２のそれぞれに設けられている。ベース部１１２は、側壁２２の上面から上方に延在した板状体を有し、下端部が水路１１の側壁２２に固定されている。また、ベース部１１２は、上端部において支持板１１１の側端部に連結されており、支持板１１１を上方で支持している。

ガイド部１１３は、水路１１の上方に設けられている。ガイド部１１３は、管状体であって、支持板１１１の下面において内部の管路が垂直方向に沿うように設けられている。また、ガイド部１１３は、管路が支持板１１１の貫通孔に連結して通るように、支持板１１１に固定されている。ガイド部１１３は、内部の管路に支柱１２１が挿入されており、昇降機構３００によって支柱１２１が昇降されたときに、垂直方向に沿って支柱１２１が移動するように、支柱１２１をガイドする。本実施形態では、ガイド部１１３の内部で支柱１２１が回転しないように、ガイド部１１３と支柱１２１が形成されている。たとえば、ガイド部１１３は、ガイド溝（図示なし）が内部において垂直方向に延びるように内側の表面に形成されており、支柱１２１は、凸状に突き出たガイドレール（図示なし）が垂直方向に延びるように外側の表面に形成されている。このため、ガイド部１１３のガイド溝に支柱１２１のガイドレールを嵌め込んで、ガイド部１１３に支柱１２１を挿入することで、ガイド部１１３の内部で支柱１２１が回転することを防止している。その他、支柱１２１およびガイド部１３１の内部について、水平方向の断面が円形でなく、角を含むように構成することで、支柱１２１の回転を規制してもよい。

昇降機構３００は、図７,図８に示すように、第１の滑車固定部３０１と、第２の滑車固定部３０２と、ワイヤ３０３と、巻取り部３０４とを有し、支柱１２１を昇降することによって水中発電部２００を昇降させる。

昇降機構３００のうち、第１の滑車固定部３０１は、支持板１１１において貫通孔が形成された部分を覆うように、支持板１１１の上面に設置されている。第１の滑車固定部３０１は、その上面に滑車３０１Ａが固定されている。この他に、第１の滑車固定部３０１の上面には、電力引出し部４００が設けられている。

昇降機構３００のうち、第２の滑車固定部３０２は、支持板１１１の上面において、水平方向の一方の端部に設置されており、上部に滑車３０２Ａが固定されている。

昇降機構３００のうち、ワイヤ３０３は、一方の端部が支柱１２１の上端部に固定されている。ワイヤ３０３は、第１の滑車固定部３０１に設けられた貫通孔を介して、第１の滑車固定部３０１に固定された滑車３０１Ａに掛けられると共に、第２の滑車固定部３０２に固定された滑車３０２Ａに掛けられている。そして、ワイヤ３０３は、他方の端部が、巻取り部３０４に連結されている。

昇降機構３００のうち、巻取り部３０４は、ベース部１１２の側部に設けられており、ワイヤ３０３の他方の端部が連結されている。巻取り部３０４は、図７において右側の矢印で示すように、ワイヤ３０３を巻き取ることによって、左側の矢印で示すように、支柱１２１に固定された水中発電部２００を上方に移動させる。また、巻取り部３０４は、図８において右側の矢印で示すように、ワイヤ３０３を巻き出すことによって、左側の矢印で示すように、支柱１２１に固定された水中発電部２００を下方に移動させる。巻取り部３０４は、たとえば、電動モータ（図示なし）を有し、その電動モータを駆動させることによって、ワイヤ３０３の巻取りおよび巻出し動作を行い、水中発電部２００の昇降動作が行なわれる。この他に、巻取り部３０４に巻取りハンドル（図示なし）を設置し、その巻取りハンドルを操作者が操作することで、上記の昇降動作が行なわれるように、巻取り部３０４を構成しても良い。

以上のように、本実施形態では、第１実施形態と同様に、水中発電部２００を支柱１２１で支持しており、水路１１の流水中には、水中発電部２００と支柱１２１以外は、存在しない。このため、流水中の漂流物が水力発電装置１００に絡まりにくい。そして、これに伴って、漂流物が水力発電装置１００で堆積されにくい。したがって、本実施形態は、効率的に発電を行うことができる。

この他に、本実施形態では、昇降機構３００を備え、昇降機構３００を用いて支柱１２１を昇降することによって、支柱１２１と共に水中発電部２００を上方および下方に移動できる。このため、水中発電部２００を水路の上方へ引き上げることで、流水中でメンテナンスなどの作業をする必要がなくなる。したがって、作業の効率化が実現されると共に、作業の安全性を向上することができる。

また、台風などの大雨のときに流水の流量が大きく増えたときには、水中発電部２００を水路の上方へ引き上げることによって、水中発電部２００が定格値を超えて過負荷状態になることを防止できる。そして、これと共に、水中発電部２００によって流れが堰き止められないので、水路１１の外部へ水が溢れ出すことを抑制でき、安全性を向上可能である。

なお、上記においては、支柱を昇降することによって水中発電部を昇降する場合について示したが、これに限らない。たとえば、支柱が支持板に固定された場合には、その支持板と共に支柱を昇降させることで、水中発電部を昇降させるように構成してもよい。

その他、本実施形態では、ワイヤの巻取りまたは巻出しによって水中発電部を昇降させる場合について示したが、これに限らない。さまざまな種類の昇降機構を用いて、水中発電部の昇降動作を行うように構成しても良い。
たとえば、ワイヤの他方の端部に、水中発電部２００と支柱１２１との合計の重量と釣り合う重量の釣り合い重りを、別途、設置してもよい。これにより、上記の昇降動作を容易に行うことができる。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…水路、２１…底部、２２…側壁、１００，１００ｂ，１００ｃ…水力発電装置、１１０…支持部、１１０ｃ…支持部、１１１…支持板、１１２…ベース部、１１３…ガイド部、１２１…支柱、１２１Ｆ…フランジ、１２１ｂ…支柱、１２２…上側支柱部材、１２２Ｆａ…フランジ、１２２Ｆｂ…フランジ、１２３…中間支柱部材、１２３Ｆａ…フランジ、１２３Ｆｂ…フランジ、１２４…下側支柱部材、１２４Ｆ…フランジ、２００…水中発電部、２０２…ケース、２０３…羽根車、２０３Ｒ…回転軸、２０４…ダクト、２２１…発電機、２２１Ｒ…回転軸、３００…昇降機構、３０１…滑車固定部、３０１Ａ…滑車、３０２…滑車固定部、３０２Ａ…滑車、３０３…ワイヤ、３０４…巻取り部

Claims (3)

1. 水路の上方において前記水路を横断するように設けられる支持部と、
   前記支持部に支持されており、前記支持部から下方に延びた支柱と、
   羽根車の回転軸が前記水路を流れる流水の流れに沿うと共に、前記羽根車と発電機との回転軸が一軸で連結され、前記羽根車の回転方向に沿って周囲を筒状のダクトで覆われており、前記支柱に固定されている水中発電部と、
   を備えることを特徴とする、
   水力発電装置。
2. 前記支柱は、
   前記支持部に支持される上側支柱部材と、
   前記上側支柱部材に着脱可能に連結される中間支柱部材と、
   前記中間支柱部材に着脱可能に連結され、前記水中発電部が固定された下側支柱部材と
   を有することを特徴とする、
   請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記支持部は、
   前記支柱を昇降することによって前記支柱と共に前記水中発電部を昇降する昇降機構
   を備えることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の水力発電装置。

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