(57)【要約】【課題】水路の大きさに関わらず、容易に運搬、組立、設置を行うことができる水力発電装置を提供する。【解決手段】水力発電装置１は、水力を回転力に変換する翼車８と、この翼車８の回転により発電する発電機１０と、翼車８の上流側に設置されて翼車８に水路２の水を集水する集水装置２２とを備えている。集水装置２２は、水路２の水を増速して翼車８に案内する集水板ユニット２３と、集水板ユニット２３を翼車８に対して水路２の所定距離だけ上流側に配置する集水板ガイド２６とを有している。集水板ユニット２３は、水の流れ方向Ａ１と鉛直方向とで形成される平面Ｐで複数の集水板２４に分割され、この分割された集水板２４が集水板ガイド２６に沿って水路２に挿入されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力を回転力に変換する翼車と、この翼車の回転により発電する発電機と、前記翼車の上流側に設置されて前記翼車に水路の水を集水する集水装置と、を備えた水力発電装置であって、
前記集水装置は、前記水路の水を増速して前記翼車に案内する集水板ユニットと、前記集水板ユニットを翼車に対して水路の所定距離だけ上流側に配置する集水板ガイドとを有し、
前記集水板ユニットは、水の流れ方向と鉛直方向とで形成される平面で複数の集水板に分割され、この分割された集水板が前記集水板ガイドに沿って水路に挿入されている水力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水力発電装置において、前記集水板が鉛直方向に対して水の流れ方向。に傾斜するように、前記集水板ガイドが設置されている水力発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の水力発電装置において、前記集水板ガイドにおける水の流れ方向の下流側である後面に、筒状の案内孔が設けられている水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、農業用水路、上下水道、工業用水路、小河川等の水路に設置される水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電装置は、流水が持つ運動エネルギーを、発電に利用するシステムである。この水力発電装置の中で小型のものは、農業用水等の水路に設置して利用されている（例えば、特許文献１，２）。特許文献１の水力発電装置は、水車より上流側に枠部材を備え、枠部材の上流側の開口部の上方に壁部を有することで水流を集中させ、弱い水流であっても十分な発電を行える。さらには、水車より上流側に位置する枠部材の上流側開口部から下流側開口部まで開口面積を狭めることでより水流を集中させることができる。
【０００３】
特許文献２は、入水側開口部に設けた水流増速部により流速を増大させることで、比較的小さな水流で効率的に発電可能としている。特許文献１と同様に、入水側開口部から水車による発電部手前までのケーシングを徐々に狭めることで流量を増加させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１５２６４５号公報
【特許文献２】特許第４０２２２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、プロペラの羽根の回転面積を枠部材の下流側開口部の面積以下とすることで、水流を効率的に受けて発電効率を上げている。枠部材の下流側開口部はプロペラの羽根の回転面積より大きく、枠部材が大形化しやすい。枠部材が大形化することで、枠部材が水流から受ける力は大きくなり、枠部材の設置コストが高くなる。また、水路内に十分な水量がない場合、発電効率を十分に高めることができない。
【０００６】
特許文献２は、流速の最も速い箇所（＝水路中央）の流速を利用するために２台の水車が必要であり、装置が大形化しやすく、装置のコストが大きくなる。装置が大形化すると、狭い流路などへの利用が困難となる。
【０００７】
この発明は、上記課題を解消するものであり、その目的は、水路の大きさに関わらず、容易に運搬、組立、設置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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の水力発電装置は、水力を回転力に変換する翼車と、この翼車の回転により発電する発電機と、前記翼車の上流側に設置されて前記翼車に水路の水を集水する集水装置とを備えた水力発電装置であって、前記集水装置は、前記水路の水を増速して前記翼車に案内する集水板ユニットと、前記集水板ユニットを翼車に対して水路の所定距離だけ上流側に配置する集水板ガイドとを有し、前記集水板ユニットは、水の流れ方向と鉛直方向とで形成される平面で複数の集水板に分割され、この分割された集水板が前記集水板ガイドに沿って水路に挿入されている。
【０００９】
この構成によると、集水板ユニットが、流水の向きと鉛直方向とで形成される平面で複数の集水板に分割されている。これにより、水路幅が大きくなった場合でも集水板の大き
さを水路幅に合わせる必要がなく、運搬、組立、設置を容易に行うことができる。
【００１０】
この発明において、前記集水板が鉛直方向に対して水の流れ方向に傾斜するように、前記集水板ガイドが設置されていてもよい。この構成によれば、集水板に鉛直方向から流水の向きに角度がつく。これにより、水流により集水板を水路の底に押し付ける向きの力が加わり、集水板の設置が安定する。
【００１１】
この発明において、前記集水板ガイドにおける水の流れ方向の下流側である後面に、筒状の案内孔が設けられていてもよい。この構成によれば、集水板と翼車との距離が離れる場合でも、集水板の間を通る水の速度を維持して翼車の回転に効率的に利用できる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の水力発電装置によれば、集水板ユニットが、流水の向きと鉛直方向とで形成される平面で複数の集水板に分割されているので、水路幅が大きくなった場合でも集水板の大きさを水路幅に合わせる必要がなく、運搬、組立、設置を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る水力発電装置を水路に設置した状態を示す斜視図である。
【図２】図１の水力発電装置を示す正面図である。
【図３】同水力発電装置を図１によりも幅の大きな水路に設置した状態を示す斜視図である。
【図４】図３の水力発電装置を示す正面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、同水力発電装置の集水板ガイドに集水板を設置する状況を示す正面図である。
【図６】この発明の第２の実施形態に係る水力発電装置を水路に設置した状態を示す正面図である。
【図７】同水力発電装置を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔第１の実施形態〕
この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。
＜水力発電装置全体の概略構成＞
図１に示すように、この水力発電装置１は、水路２に設置され、水流による翼車の回転によって発電を行う。水路２は、農業用水路、工業用水路、小河川等であり、同図の例では水路壁がコンクリート等からなる底壁２ａおよび両側の側壁２ｂ，２ｂで構成されている。この水力発電装置１は、水力発電モジュール４と、この水力発電モジュール４を水路２に固定する固定部品６とを有している。
【００１５】
＜水力発電モジュールについて＞
水力発電モジュール４は、図２に示す翼車８と、翼車８の回転により発電する発電機１０とを有している。つまり、翼車８および発電機１０が固定部品６を介して水路２に固定されている。発電機１０は、例えば永久磁石同期型である。発電機１０は、ケース１１内に収納されており、このケース１１が固定部品６に固定されている。翼車８は、通常は水路２の流水中に没する状態に設けられ、水力を回転力に変換する。翼車８は、回転軸心Ｏ１が水路２の水の流れ方向と平行なプロペラ型である。翼車８は、回転軸心Ｏ１の周囲に周方向に並んで放射状に延びる複数（図示の例では５枚）の翼８ａを有している。翼車８の向きは、正面が水流の上手側に向けられ、ギヤボックス１２（図７）が背面に取り付けられている。
【００１６】
翼車８の回転軸（図示せず）は、ギヤボックス１２内の軸受（図示せず）により回転自在に支持されている。翼車８の回転は、ギヤボックス１２内の傘歯車等のギヤ列（図示せず）によって増速される。ギヤボックスの出力軸は、上下方向に延びる支柱１４内の伝達軸（図示せず）を介して発電機１０の入力軸（図示せず）に接続されている。
【００１７】
＜固定部品について＞
図１に示すように、固定部品６は、一対の固定具１６，１６と、一対の水平支持材１８，１８と、発電機台２０とを有する。水路２の側壁２ｂにおける上端付近から上端部に渡り、一対の固定具１６，１６が固定されている。一対の固定具１６，１６は、水路２の幅方向に互いに対向するように設けられている。各固定具１６は、例えば、断面Ｌ形のアングルである。ただし、固定具１６はこれに限定されない。固定具１６の水路２の側壁２ｂへの固定は、例えば、ボルト止めである。
【００１８】
水平支持材１８は、一対の固定具１６，１６に支持される棒状部材であり、水の流れ方向Ａ１である前後方向に並んで一対設けられている。つまり、各水平支持材１８は、一対の固定具９，９により水路２の両側壁２ｂの上端間に掛け渡されている。ここで、水の流れ方向Ａ１の上流側を前側とし、水の流れ方向Ａ１の下流側を後側とする。この実施形態の水平支持材１８は、横断面形状が四角形の角パイプである。ただし、水平支持材１８は角パイプに限定されない。水平支持材１８の固定具１６への固定は、例えば、ボルト止めである。
【００１９】
各水平支持材１８の長手方向（水路２の幅方向）の中間付近に発電機台２０が固定されている。この発電機台２０に、発電機１０が支持されている。つまり、発電機１０は、その前部と後部で各水平支持材１８，１８に支持されている。この実施形態では、発電機台２０は水平支持材１８にボルト連結され、発電機１０は発電機台２０にボルト（図示せず）により着脱自在に取り付けられている。ただし、発電機１０および発電機台２０の取り付け方法はこれに限定されない。
【００２０】
＜集水装置について＞
水力発電装置１は、翼車８の上流側に設置された集水装置２２を備えている。集水装置２２は、水路２を流れる水を翼車８に集水する。集水装置２２は、水路２の水を増速して翼車８に案内する複数の集水板２４を有する集水板ユニット２３と、集水板ユニット２３を水路２に設置する集水板ガイド２６とを有している。
【００２１】
＜集水板について＞
集水板ユニット２３は、水の流れ方向Ａ１と鉛直方向とで形成される平面Ｐで分割されており、分割された各集水板２４が集水板ガイド２６に沿って水路２に挿入されている。集水板２４は、例えば、鋼製、樹脂製、木製、コンクリート製等の矩形の板部材である。各集水板２４は、幅寸法および高さ寸法が同じ共通の部材である。ただし、各集水板２４の寸法が異なっていてもよい。この実施形態では、図２に示すように、水路２の各側壁２ｂ，２ｂから水路２の幅方向に２枚の集水板２４が配置されている。つまり、合計で４枚の集水板２４が設けられている。
【００２２】
内側の２枚の集水板２４，２４の間に、通水路２５が形成されている。集水板２４，２４の間の通水路２５を通る水が翼車８の周辺を通過するように、集水板２４，２４が設置されている。つまり、集水板２４は、水路２を遮断して水路２の水を通水路２５に集める。このように、集水板２４によって流水の流路断面が通水路２５の面積に狭められるので、翼車８を通過する水の流速が増加する。これにより、発電効率の向上を図ることができる。
【００２３】
通水路２５は、正面視、つまり、水の流れ方向Ａ１の上流側から見て、翼車８の全体が視認できる大きさに設定されている。この実施形態では、通水路２５の幅方向寸法は翼車８の幅方向寸法とほぼ同じであり、通水路２５の高さ方向寸法は水路２の高さとほぼ同じである。
【００２４】
＜集水板ガイドについて＞
集水板ガイド２６は、翼車８に対して水路２の上流側に配置されている。この実施形態の集水板ガイド２６は、ほぼ鉛直方向に延びる複数のガイド部材２８を有し、各ガイド部材２８が前側（上流側）の水平支持材１８に支持されている。ガイド部材２８は、例えば、板金製であり、この実施形態では、ボルト連結により水平支持材１８に着脱自在に取り付けられている。ただし、ガイド部材２８の材質、支持構造はこれに限定されない。
【００２５】
この実施形態では、集水板２４が鉛直方向に対して水の流れ方向Ａ１に傾斜するように、集水板ガイド２６のガイド部材２８が設置されている。詳細には、集水板２４が鉛直方向に対して水の流れ方向Ａ１の下流側に傾斜して延びている。傾斜角度θ（図７）は、鉛直方向から５〜６０度、好ましくは１０〜４５度、さらに好ましくは１０〜３０度であり、図示の例では、約１５度である。各集水板２４の上部に開口２７が形成されている。開口２７は、水量が多い場合に、水の一部を集水板２４の下流側に導く。この実施形態では、各集水板２４に矩形の開口２７が１つ設けられている。ただし、開口２７の数、形状はこれに限定されない。また、開口２７はなくてもよい。
【００２６】
ガイド部材２８は、各集水板２４の両側部に一対設置され、集水板２４を上下方向に移動可能に案内する。つまり、一対のガイド部材２８，２８で、１枚の集水板２４が設置される集水板収納空間２８ａが形成されている。この実施形態では、隣接する集水板２４，２４間のガイド部材２８は、１つのガイド部材２８で２つの集水板２４，２４の一側部を案内している。詳細には、各側壁２ｂ，２ｂから水路２の幅方向内側に等間隔に３枚のガイド部材２８が配置され、３枚のガイド部材２８で形成された２つの集水板収納空間２８ａに２枚の集水板２４が挿入されている。
【００２７】
各集水板２４は、前述のとおり、その両側縁部が集水板ガイド２６のガイド部材２８，２８により上下に移動可能に案内される。設置状態では、集水板２４は、ガイド部材２８，２８の間の集水板収納空間２８ａに収納され、ガイド部材２８，２８により集水板２４の幅方向への移動が規制される。
【００２８】
図３および図４は、図１および図２の水路２よりも水路幅Ｗが広い水路２に、この実施形態の集水装置２２を適用した例を示す。図３および図４の例では、水路２の各側壁２ｂ，２ｂから水路２の幅方向に３枚の集水板２４が配置されている。つまり、合計で６枚の集水板２４が設けられている。詳細には、各側壁２ｂ，２ｂから水路２の幅方向内側に等間隔に４枚のガイド部材２８が配置され、４枚のガイド部材２８で形成された３つの集水板収納空間２８ａに３枚の集水板２４が挿入されている。
【００２９】
このように、水路幅Ｗが変わっても、集水板２４の枚数を変更することで対応できるので、集水板２４の１枚あたりの大きさを変更する必要がない。これにより、集水板２４の運搬、組立、設置が容易である。
【００３０】
＜集水装置の水路への設置手順について＞
図５を用いて、この実施形態の集水装置２２の水路２への設置手順を説明する。まず、翼車８、発電機１０および集水板ガイド２６を、固定部品６を介して水路２に設置する。
【００３１】
つぎに、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、クレーン等を用いて、１枚の集水板２４を
上方から水路２へ設置する。具体的には、上方から集水板ガイド２６のガイド部材２８，２８に集水板２４の両側縁部を案内させながら、集水板収納空間２８ａに集水板２４を挿入する。他の集水板２４についても、同様の手順で水路２に設置される。
【００３２】
このように、この実施形態によれば、集水板２４を１枚ずつ設置することができる。また、幅の小さな集水板２４を集水板ガイド２６に沿わせるように設置することで、水が流れている中でも容易に集水板２４を設置することができる。
【００３３】
＜作用効果＞
図１に示す水力発電装置１によれば、集水板２４の通水路２５を通過した水が翼車８に集水されることによって、翼車８が回転する。この翼車８の回転により発電機１０が発電する。このとき、集水板２４により流水の流路断面が通水路２５の面積に狭められるので、翼車８を通過する水の流速が増加する。したがって、発電効率を高めることができる。
【００３４】
上記構成によれば、集水板ユニット２３が、水の流れ方向Ａ１向きと鉛直方向とで形成される平面Ｐで複数の集水板２４に分割されている。これにより、水路幅Ｗが大きくなった場合でも集水板２４の大きさを水路幅に合わせる必要がなく、運搬、組立、設置を容易に行うことができる。
【００３５】
また、集水板２４が鉛直方向に対して水の流れ方向Ａ１に傾斜するように、集水板ガイド２６が設置されている。これにより、集水板２４に鉛直方向から流水の向きに角度がつく。したがって、水流により集水板２４を水路２の底に押し付ける向きの力が加わり、集水板２４の設置が安定する。
【００３６】
〔第２の実施形態〕
この発明の第２の実施形態を図６ないし図７と共に説明する。第２の実施形態において、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付して説明を省略する。第２の実施形態では、図６に示すように、集水板２４に、通水孔３０が形成されている。
【００３７】
集水板２４は、水路２を遮断して水路２の流水を通水孔３０に集める。つまり、集水板２４により流水の流路断面が通水孔３０の面積に狭められるので、翼車８を通過する水の流速が増加する。これにより、発電効率の向上を図ることができる。
【００３８】
この実施形態の通水孔３０は、丸孔からなる貫通孔であり、その直径は、翼車８の直径と同じか、あるいは翼車８の直径より大きい。また、通水孔３０は、集水板２４が水路２に設置された状態で、翼車８の回転軸心Ｏ１と同心となる位置に形成されている。換言すれば、翼車８および集水板２４が水路２に設置された状態において、翼車８に対して同一の深さ位置で且つ同一の幅方向位置に、集水板２４の通水孔３０が位置する。
【００３９】
この実施形態では、水路２の幅方向全体に渡って、複数（この例では６枚）の集水板２４が配置されており、この複数の集水板２４に、通水孔３０が形成されている。詳細には、各集水板２４が、上半板２４ａと下半板２４ｂとを有し、上半板２４ａの下縁と下半板２４ｂの上縁とに切欠き部が形成されている。集水板２４の設置状態で、これらの切欠き部により通水孔３０が形成される。この実施形態では、各集水板２４を水路２に設置する際、まず下半板２４ｂを設置し、つづいて上半板２４ａを設置する。
【００４０】
さらに、図７に示すように、集水板ガイド２６における水の流れ方向Ａ１の下流側である後面に、案内孔３２が設けられている。この実施形態の案内孔３２は、円筒状のパイプ３６により形成されている。案内孔３２は、例えば、集水板ガイド２６に溶接で接合される。ただし、案内孔３２の固定方法はこれに限定されない。
【００４１】
案内孔３２は、通水孔３０と翼車８との間に配置されており、通水孔３０を通過した水を翼車８に案内する。案内孔３２の直径は、翼車８および通水孔３０の直径とほぼ同じに設定されている。また、案内孔３２は、集水板２４が水路２に設置された状態で、翼車８の回転軸心Ｏ１と同心となる位置に設けられている。換言すれば、翼車８および集水板２４が水路２に設置された状態において、翼車８に対して同一の深さ位置で且つ同一の幅方向位置に、案内孔３２が位置する。
【００４２】
この実施形態では、固定部材６と集水板ガイド２６との間に、複数の補強部材３４が架け渡されている。補強部材３４は、例えば、棒状の板材であり、その上端が固定部材６に連結され、下端が集水板ガイド２６の下部に連結されている。補強部材３４と固定部材６との連結および補強部材３４と集水板ガイド２６との連結は、例えば、ボルト連結である。ただし、補強部材３４の連結方法はこれに限定されない。補強部材３４で補強することにより、案内孔３２を集水板ガイド２６に設けた場合でも、集水板ガイド２６の支持が安定する。
【００４３】
＜作用効果＞
図６の水力発電装置１によれば、集水板２４の通水孔３０を通過した水が翼車８に集水されることによって、翼車８が回転する。この翼車８の回転により発電機１０が発電する。このとき、集水板２４により流水の流路断面が通水孔３０の面積に狭められるので、翼車８を通過する水の流速が増加する。したがって、発電効率を高めることができる。
【００４４】
第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、集水板２４を水路２に容易に設置することができる。さらに、第２の実施形態によれば、集水板ガイド２６の後面に案内孔３４が設けられている。これにより、集水板２４と翼車８との距離が離れる場合でも、案内孔３４により集水板２４の間を通る水の速度が維持される。したがって、速度の増加した水流を利用して翼車８を回転できる。
【００４５】
本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記実施形態では、集水板ガイド２６は、集水板２４が鉛直方向に対して水の流れ方向に傾斜するように設置されていたが、集水板２４が鉛直方向に延びるように集水板ガイド２６を設置してもよい。また、通水孔３０の直径が翼車８の直径より小さくてもよい。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１  水力発電装置
２  水路
８  翼車
１０  発電機
２２  集水装置
２３  集水板ユニット
２４  集水板
２６  集水板ガイド
３２  案内孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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