(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力を受けるための複数枚の羽根が放射状に設けられた羽根車を有する水力タービンであって、
羽根車におけるそれぞれの羽根が、
羽根車の中心から外向きに設けられた第一フレームと、
第一フレームの外端から羽根車の回転方向後向きに設けられた第二フレームと、
その前端縁及び外端縁がそれぞれ第一フレーム及び第二フレームに固定された固定端縁とされる一方、その後端縁が自由端縁とされた可撓性面材と
で構成され、
羽根車が正方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が正方向側へ変位し、
羽根車が逆方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が逆方向側へ変位することにより、
羽根車が受ける水力の向きが反転した場合であっても羽根車が同じ向きで回転し続けるようにしたことを特徴とする水力タービン。
【請求項２】
水の流路を形成するための流路形成体を備え、
羽根車が、流路形成体における前記流路内に収容された請求項１記載の水力タービン。
【請求項３】
流路形成体の流路断面積Ｓ１に対する羽根の有効面積Ｓ２の比Ｓ２／Ｓ１が、０．５以上とされた請求項２記載の水力タービン。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか記載の水力タービンと、
羽根車の回転を電力に変換する発電機と
を備えた水力発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の水力発電装置を利用した波力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力により羽根車を回転させる水力タービンと、この水力タービンを利用した水力発電装置及び波力発電装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
水力タービンとしては、水力を受けるための複数枚の羽根が放射状に設けられた羽根車を有するものが知られている。しかし、従来の一般的な水力タービンにおける羽根車は、その羽根の形状や向きが予め固定されたものとなっており、羽根車が受ける水力（水流）の向きが反転すると、羽根車が回転する向きも反転するものとなっていた。このため、水面の上下動を利用して発電を行う波力発電装置など、水力の向きが反転する環境で上記の水力タービンを使用しようとすると、羽根車がいずれの向きに回転しても発電できるような機構を備える必要があるばかりか、羽根車の回転が反転する際に、発電効率が大きく低下するという問題があった。この発電効率の低下は、水力の反転周期が短くなればなるほど大きくなる。
【０００３】
このような実状に鑑みてか、これまでには、水力の向きが反転しても羽根車が同じ向きに回転し続けるような工夫が施された水力タービンも提案されている。例えば、羽根車におけるそれぞれの羽根を揺動可能な状態で支持することにより、羽根車が受ける水力の向きが反転した際に、それぞれの羽根の傾きが反転するようにした水力タービン（以下において、「揺動羽根式の水力タービン」と表記する。）が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２を参照）。しかし、揺動羽根式の水力タービンでは、羽根を揺動可能な状態で支持させるための機構や、羽根の揺動範囲を制限するための機構など、機械的な機構を別途設ける必要がある。加えて、これらの機械的な機構や羽根を形成する素材は、金属など、耐久性に優れた硬質素材に限定されてしまう。
【０００４】
このため、揺動羽根式の水力タービンは、コスト的に不利であるばかりか、羽根の軽量化や薄型化が難しく、必ずしも発電効率の低下を抑えることができるものとなっていない。というのも、上記の揺動羽根式の水力タービンにおいて、羽根が重いと、羽根の応答性が低下し、羽根車が受ける水力の向きが反転しても羽根の傾きがなかなか反転せず、その間、発電効率が低下することになる。加えて、羽根車を回転させるのに要するエネルギーが増大し、その分、発電効率が低下することにもなる。また、上記の揺動羽根式の水力タービンにおいて、羽根が厚いと、羽根車が回転しているときに羽根が水から受ける抵抗が増大し、やはり発電効率が低下する結果を招く。
【０００５】
また、これまでには、羽根車におけるそれぞれの羽根の断面形状に工夫を施すことにより、それに加えられる力の向きが反転しても羽根車が同じ向きで回転し続けるようにした、いわゆるウェルズタービンも提案されている（例えば特許文献３の第４図及び第５図を参照）。しかし、ウェルズタービンでは、それぞれの羽根における両面を両側へ膨出させた形状とする必要があるため、上記の揺動羽根式の水力タービン以上に、羽根が厚くなって重くなるという欠点がある。特に、羽根車が回転しているときに羽根が受ける抵抗は大きく、羽根車を水中に配する態様での使用には適していないと考えられる。実際、ウェルズタービンについては、波力発電装置に使用される場合であっても、水の流れで羽根車を直接的に回転させる例は見当たらず、水面の上下動により生じる空気の流れにより羽根車を回転させるものしか見当たらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５７−０８３６７０号公報
【特許文献２】特表２０１２−５２５５３６号公報
【特許文献３】特開平０１−１３００６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、羽根車が受ける水力の向きが反転した際の発電効率の低下を抑えるだけでなく、羽根車が同じ向きに回転し続けているときの発電効率の低下も抑えることができる水力タービンを提供するものである。また、単純な構造で、壊れにくく耐久性に優れ、コストを抑えることも可能な水力タービンを提供することも本発明の目的である。さらに、この水力タービンを利用した水力発電装置と波力発電装置を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、
水力を受けるための複数枚の羽根が放射状に設けられた羽根車を有する水力タービンであって、
羽根車におけるそれぞれの羽根が、
羽根車の中心から外向きに設けられた第一フレームと、
第一フレームの外端から羽根車の回転方向後向きに設けられた第二フレームと、
その前端縁及び外端縁がそれぞれ第一フレーム及び第二フレームに固定された固定端縁とされる一方、その後端縁が自由端縁とされた可撓性面材と
で構成され、
羽根車が正方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が正方向側へ変位し、
羽根車が逆方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が逆方向側へ変位することにより、
羽根車が受ける水力の向きが反転した場合であっても羽根車が同じ向きで回転し続けるようにしたことを特徴とする水力タービン
を提供することによって解決される。
【０００９】
ここで、可撓性面材における「前端縁」とは、羽根車の回転する向きを「前」とした場合の「前端縁」であり、可撓性面材における「後端縁」とは、羽根車が回転する向きを「前」とした場合（羽根車が回転する向きと反対向きを「後」とした場合）の「後端縁」である。また、「羽根車が正方向の水力を受けると、可撓性面材の後端縁側が正方向側へ変位し、羽根車が逆方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が逆方向側へ変位する」とは、それぞれの羽根における片面を「オモテ面」とし、オモテ面とは反対側の面を「ウラ面」と定義した場合に、羽根のオモテ面に水力（羽根のオモテ面側からウラ面側へ向かう向きの水力）が加えられた場合には、可撓性面材の後端縁がウラ面側へ変位（膨出）し、羽根のウラ面に水力（羽根のウラ面側からオモテ面側へ向かう向きの水力）が加えられた場合には、可撓性面材の後端縁がオモテ面側へ変位（膨出）することをいう。
【００１０】
これにより、羽根車は、それが受ける水力の向きが反転した場合であっても、羽根を構成する可撓性面材の後端縁側が変位（水力に押されて変位）するだけで、同じ向きで回転し続けることができる。このため、羽根車は、水力の向きが反転すると速やかに羽根の形状を変え、その回転速度を著しく低下させることなく、そのまま同じ方向へ回転し続けることができる。本発明の水力タービンは、羽根車の各羽根を構成する可撓性面材の形態が魚のヒレに似ていることから、「ヒレ型タービン」と呼ぶこともできる。また、それぞれの羽根は、可撓性面材とフレーム（第一フレーム及び第二フレーム）とからなる単純な構造となっており、その薄型化や軽量化が容易である。このため、羽根車の回転時にそれぞれの羽根が水から受ける抵抗を抑えることや、羽根車の回転に消費されるエネルギーを抑えることが可能となっている。したがって、本発明の水力タービンでは、優れた発電効率を発揮させることが可能である。
【００１１】
また、本発明の水力タービンは、羽根車の羽根が水力を受けた際にその可撓性面材に生じる変位によって羽根の形状を変えるという非常に原始的な原理を利用したものとなっているため、その製造が容易であるだけでなく、万が一破損した場合の修復も容易である。加えて、本発明の水力タービンでは、上述した揺動羽根式の水力タービンのように、羽根を揺動可能な状態で支持させるための機構や、羽根の揺動範囲を制限するための機構など、機械的な機構を別途設ける必要がなく、非常に単純な構造で実現できる。このように、本発明の水力タービンでは、製造コストやメンテナンスコストを抑えることが可能なものとなっている。
【００１２】
本発明の水力タービンにおいては、水の流路を形成するための流路形成体を備え、流路形成体における前記流路内に羽根車を収容した構造とすることも好ましい。これにより、効率的に水流を羽根車に導入することが可能になり、水力タービンの発電効率をさらに高めることが可能になる。また、流路形成体で羽根車を保護することも可能になる。
【００１３】
このとき、羽根車の羽根は、流路形成体で形成される水の流路の断面におけるできるだけ広い範囲を塞ぐように設けると好ましい。というのも、流路形成体の流路断面積（Ｓ１とする。）に対する羽根の有効面積（Ｓ２とする。）の比（Ｓ２／Ｓ１）を小さくしすぎると、羽根に加わる水力が小さくなり（羽根が存在しない隙間から水が流れていくようになり）、羽根車が回転しにくくなるからである。ここで、「流路断面積Ｓ１」とは、流路形成体の内部に形成された前記流路における羽根車が収容された箇所の断面積である。また、「有効面積Ｓ２」とは、前記流路に垂直な仮想平面に羽根車の羽根を等倍で投影したときにできる影の面積の合計である。比Ｓ２／Ｓ１は、通常、０．５以上とされる。比Ｓ２／Ｓ１は、０．６以上であると好ましく、０．７以上であるとより好ましく、０．８以上であるとさらに好ましく、０．９以上であると最適である。比Ｓ２／Ｓ１は、流路形成体が羽根車の回転に干渉せず、かつ機械的に実現可能な範囲でできるだけ１に近づけると好ましい。
【００１４】
また、上記課題は、上記の水力タービンと、羽根車の回転を電力に変換する発電機とを備えた水力発電装置を提供することによっても解決される。さらに、上記課題は、この水力発電装置を利用した波力発電装置を提供することによっても解決される。本発明の波力発電装置は、海や湖や河川など、波の発生する水域に設置することができる。本発明の波力発電装置を上記水域に設置する際には、波力発電装置を繋留し、荒天時でも波力発電装置が移動又は流失しないようにすると好ましい。また、本発明の波力発電装置を海に設置する場合には、各部材を塩害に強い仕様とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によって、羽根車が受ける水力の向きが反転した際の発電効率の低下を抑えるだけでなく、羽根車が同じ向きに回転し続けているときの発電効率の低下も抑えることができる水力タービンを提供することが可能になる。また、単純な構造で、壊れにくく耐久性に優れ、コストを抑えることも可能な水力タービンを提供することも可能になる。さらに、この水力タービンを利用した水力発電装置と波力発電装置を提供することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の水力タービンを利用した波力発電装置の好適な実施態様を示した鉛直断面図である。
【図２】本発明の水力タービンの好適な実施態様を示した平面図である。
【図３】本発明の水力タービンにおける羽根車１１０が正方向の水力を受けたときの状態と逆方向の水力を受けたときの状態を図２におけるＸ−Ｘ面で切断した状態を示した断面図である。
【図４】本発明の水力タービンの他の実施態様を示した平面図である。
【図５】実験１の実験方法を説明する図である。
【図６】実験２の実験方法を説明する図である。
【図７】実験３及び実験４の実験方法を説明する図である。
【図８】実験３及び実験４で使用したＡ１タイプ、Ａ２タイプ、Ｂ１タイプ、Ｃ１タイプ、Ｃ２タイプ及びＣ３タイプの羽根車を上面側から撮影した写真である。
【図９】実験３及び実験４で使用したＤ１タイプ、Ｅ１タイプ、Ｅ２タイプ及び揺動ウェルズタイプの羽根車を上面側から撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の水力タービンを利用した波力発電装置の好適な実施態様について図面を用いてより具体的に説明する。図１は、本発明の水力タービン１００を利用した波力発電装置の好適な実施態様を示した鉛直断面図である。図２は、本発明の水力タービン１００の好適な実施態様を示した平面図である。図３は、本発明の水力タービン１００における羽根車１１０が正方向Ａの水力ＦＡを受けたときの状態と逆方向Ｂの水力ＦＢを受けたときの状態を図２におけるＸ−Ｘ面で切断した状態を示した断面図である。図１〜３はいずれも、図示の便宜を考慮して模式的に示したものであり、各部の寸法は、実際のものとは異なっている。本実施態様の波力発電装置は、図１に示すように、水力タービン１００と、発電機２００と、フロート３００とを備えたものとなっている。以下、本実施態様の波力発電装置を構成する各要素について、詳しく説明する。
【００１８】
［水力タービン］
水力タービン１００は、図１に示すように、羽根車１１０と、流路形成体１２０とで構成されている。流路形成体１２０は、その内部に流路１２１が形成された円筒状のケーシングとなっており、この流路１２１の内部に羽根車１１０が収容されている。羽根車１１０の中心には、発電機２００の入力軸２１０が固定されており、羽根車１１０が水力を受けて回転すると、入力軸２１０も回転し、発電機２００で発電されるようになっている。入力軸２１０は、流路形成体１２０で形成される流路１２１の中心線と一致する向きに配されており、羽根車１１０は、その回転軸が流路１２１の中心線と一致する向きで配されている。
【００１９】
羽根車１１０は、図２に示すように、水力を受けるための複数枚の羽根１１１が放射状に設けられており、その中心には、入力軸２１０（図１）を挿入して固定するためのハブ１１２が設けられている。複数枚の羽根１１１は、通常、羽根車１１０の中心から見て回転対称となるように配される。それぞれの羽根１１１は、第一フレーム１１１ａと、第二フレーム１１１ｂと、可撓性面材１１１ｄとで構成されている。第一フレーム１１１ａは、羽根車１１０の中心から外向きに設けられており、第二フレーム１１１ｂは、第一フレーム１１１ａの外端から羽根車１１０の回転方向後向きに設けられている。
【００２０】
また、図２に示すように、可撓性面材１１１ｄの前端縁（図中の線分Ｐ１Ｐ２で表される縁部）は、第一フレーム１１１ａに固定された固定端縁となっており、可撓性面材１１１ｄの外端縁（図中の弧Ｐ２Ｐ３で表される縁部）は、第二フレーム１１１ｂに固定された固定端縁となっている。一方、可撓性面材１１１ｄの後端縁（図中の線分Ｐ２Ｐ３で表される縁部）は、何も固定されておらず、振らされた状態の自由端縁となっている。可撓性面材１１１ｄは、第一フレーム１１１ａ及び第二フレーム１１１ｂに対してある程度緊張した状態で固定されているものの、ヨットのマストとヤードに固定された帆のように、わずかに余裕を持った状態（わずかに弛んだ状態）で固定されている。
【００２１】
このため、図３（ａ）に示すように、羽根１１１が正方向Ａの水力ＦＡを受けると、この水力ＦＡによって可撓性面材１１１ｄの後端縁側が正方向Ａ側へ押されて変位する一方、図３（ｂ）に示すように、羽根１１１が逆方向Ｂの水力ＦＢを受けると、この水力ＦＢによって可撓性面材１１ｄの後端縁側が逆方向Ｂ側へ押されて変位するようになっている。換言すると、羽根車１１０が受ける水力の向きが反転すると、それぞれの羽根１１１の傾斜（その回転面に対する傾斜）が反転するようになっている。したがって、羽根１１１が正方向の水力ＦＡを受けた場合（図３（ａ）の場合）に可撓性面材１１１に加えられる力ｆＡの回転面に平行な成分ｆＡ’の向きと、羽根１１１が逆方向の水力ＦＢを受けた場合（図３（ｂ）の場合）に可撓性面材１１１に加えられる力ｆＢの回転面に平行な成分ｆＢ’の向きは、いずれも矢印Ｃの向きとなっており、図３（ａ）と図３（ｂ）のいずれの場合においても、羽根１１１は、矢印Ｃの向きに移動するようになっている。すなわち、羽根車１１０は、それが受ける水力の向きが反転した場合であっても矢印Ｃの向きに回転し続けるようになっている。
【００２２】
羽根車１１０における羽根１１１の枚数は、羽根車１１０の寸法などによっても異なり、特に限定されない。しかし、羽根１１１の枚数が少なすぎると、羽根１１１を三角形状など単純な形状とした場合に、上記の比Ｓ２／Ｓ１を大きく確保しにくくなるばかりか、羽根１１１に加わった水力を羽根車１１０の回転力へ効率的に変換できなくなるおそれもある。このため、羽根１１１の枚数は、通常、３枚以上とされる。羽根１１１の枚数は、４枚以上、５枚以上、６枚以上、７枚以上、８枚以上、９枚以上、１０枚以上と、増やせば増やすほど好ましい。しかし、羽根１１１の枚数を多くしすぎると、羽根車１１０が回転時に水から受ける抵抗が増大するばかりか、羽根車１１０の重量が増大して、羽根車１１０が回転しにくくなるおそれもある。また、各羽根１１１を構成する可撓性面材１１１ｄの変位量を確保しにくくなるおそれがある。このため、羽根１１１の枚数は、通常、５０枚以下とされる。本実施態様の波力発電装置のように、小型の水力発電装置に使用する水力タービン１００では、羽根車１１０の羽根枚数は、通常、４〜４０枚、好ましくは、８〜３０枚、より好ましくは、１０〜２５枚とされる。
【００２３】
それぞれの羽根１１１を構成する可撓性面材１１１ｄの形状は、羽根１１１の枚数などを考慮して適宜決定される。しかし、可撓性面材１１１ｄの形状を複雑にすると、コスト的に不利になる。このため、可撓性面材１１１ｄは、三角形状や、四角形状など、できるだけ単純な形状とすると好ましい。本実施態様の水力タービン１００においては、図２に示すように、それぞれの羽根を構成する可撓性面材１１１ｄを三角形状（三角形Ｐ１Ｐ２Ｐ３）としている。可撓性面材１１１ｄの外端縁（線Ｐ２Ｐ３）は、直線状としてもよいが、円弧状に湾曲させることも好ましい。この場合には、第二フレーム１１１ｄも円弧状に湾曲させる。これにより、羽根車１１０の外縁形状を、流路形成体１２０の内周形状に近づけて、上記の比Ｓ２／Ｓ１をより大きく確保することができる。同様に、上記の比Ｓ２／Ｓ１を大きく確保する観点からは、隣り合う羽根１１１の隙間は、隣り合う羽根１１１ｄ同士が干渉しない範囲でできるだけ小さくする（例えば１ｍｍ以下や０．５ｍｍ以下とする）ことが好ましい。
【００２４】
また、図４に示すように、それぞれの羽根１１１を構成する可撓性面材１１１ｄを四角形状とする場合には、可撓性面材１１ｄの内端縁（線Ｐ１Ｐ４）は、第一フレーム１１１ａの内端から回転方向後向きに設けた第三フレーム１１１ｃに縫い付けられた固定端縁とすると好ましい。図４は、本発明の水力タービン１００の他の実施態様を示した平面図である。図４の羽根車１１０は、その中心部に可撓性面材１１１ｄが存在しない中抜き型のものとなっているため、上記の比Ｓ２／Ｓ１を大きくする観点からは好ましくはないが、水の流速が速すぎて、可撓性面材１１１ｄが破損するなどの危険性があるような場合に好適に採用することができる。また、同様に、上記の比Ｓ２／Ｓ１を大きくする観点からは好ましくはないが、それぞれの羽根１１１を構成する可撓性面材の後端縁（図４における線Ｐ３Ｐ４）を切り欠いた構成も、水の流速が速すぎて、可撓性面材１１１ｄが破損するなどの危険性がある場合に好適に採用できる。
【００２５】
第一フレーム１１１ａなどのフレームに対して可撓性面材１１１ｄをわずかに余裕を持った状態（わずかに弛んだ状態）で固定することは既に述べた通りである。しかし、この弛みが小さすぎると、可撓性面材１１１ｄの変位量が小さくなりすぎて、羽根車１１０が受けた水力を羽根車１１０の回転力に効率的に変換できなくなるおそれがある。このため、可撓性面材１１１ｄの最大変位量（可撓性面材１１１ｄにおける最も変位する点の変位量）は、通常、羽根車１１０の半径（羽根１１１の長さ）に対して５％以上とする。実際に、可撓性面材１１１ｄの最大変位量を羽根車１１０の半径の５％未満とした場合には、羽根車１１０が回転しにくくなる現象が確認できた。可撓性面材１１１ｄの最大変位量は、羽根車１１０の半径に対して１０％以上とすると好ましく、１５％以上とするとさらに好ましい。一方、可撓性面材１１１ｄの弛みが大きすぎると、可撓性面材１１１ｄの変位量が大きくなりすぎて、羽根車１１０が回転する際に水から受ける抵抗が大きくなるおそれがある。このため、可撓性面材１１１ｄの最大変位量は、通常、羽根車１１０の半径に対して４０％以下とする。可撓性面材１１１ｄの最大変位量は、羽根車１１０の半径に対して３５％以下とすると好ましく、３０％以下とするとより好ましい。
【００２６】
可撓性面材１１１ｄの素材は、可撓性を有し、上記のように変位可能なものであれば特に限定されず、金属薄板（金属フィルムを含む）を含む各種の素材を使用することができる。しかし、可撓性面材１１１ｄの強度が低いと、長期の使用に耐え得なくなるので、ある程度の強度が必要である。また、加工容易性や、その重量が軽い事や、耐水性や、入手コストも、可撓性面材１１１ｄの素材として、重要な条件である。これらの条件を満たす素材としては、合成樹脂シートが挙げられる。なかでも、合成樹脂繊維からなる編織地を合成樹脂で被覆した防水布（いわゆるターポリンなど）は、優れた強靭性を発揮するために好ましい。また、合成樹脂シート以外でも、例えば、炭素繊維からなる織物なども、優れた強靭性を発揮するために好ましい。可撓性面材１１１ｄの素材として何を採用するかは、その交換頻度などを考慮して、適宜決定する。
【００２７】
流路形成体１２０は、図１に示すように、水の流路１２１を形成するためのものである。流路１２１の断面形状は、特に限定されず、四角形などの多角形などとしてもよいが、この場合には、必然的に、流路形成体１２０の内周面と羽根車１１０の外縁との間に大きな隙間が形成されるようになり、流路形成体１２０の流路断面積（Ｓ１）に対する羽根１１１の有効面積（Ｓ２）の比（Ｓ２／Ｓ１）を大きく設定することが困難になる。このため、流路１２１の断面形状は、真円形、又は真円形に近い形状とすると好ましく、羽根車は、その回転軸が前記流路の中心線に一致するように設けると好ましい。流路形成体１２０の素材は、特に限定されないが、厚めの塩化ビニル管などを使用すれば、非常に安価に製造できる。流路形成体１２０の内部には、水流の方向を案内するための案内羽根を設けるなどの工夫を施すこともできる。
【００２８】
流路形成体１２０の長さや内径（流路１２１の直径）は、水力タービン１００を設置する場所などによっても異なり、特に限定されず、条件に応じて適宜決定される。
【００２９】
［発電機］
発電機２００は、羽根車１１０の回転を電力に変換できるものであれば特に限定されず、各種の発電機を採用することができる。例えば、従来からある小型の発電機を耐水・耐塩仕様に改良したものなどを好適に採用することができる。
【００３０】
［フロート］
フロート３００は、水力タービン１００を水に浮いた状態とできる浮力を発生できるものであれば特に限定されない。しかし、水面の上下動に対するフロート３００の上下動の応答性を向上させるためには、フロート３００は、できるだけ浮力の大きなものとすることが好ましい。フロート３００の浮力は、フロート３００の比重を小さくしたり、フロート３００の体積を大きくしたりすることなどで大きくすることができる。フロート３００としては、発泡スチロールなどの軽量素材のほか、中空なタンクなどを使用することができる。
【００３１】
［動作原理］
続いて、図１に示す波力発電装置の動作原理について説明する。図１の状態で波が発生して水面が上下動すると、フロート３００も上下動する。フロート３００の上下動の幅（振幅）は、水面の上下動の幅（振幅）に略一致する。水力タービン１００は、フロート３００に対して一体化されているため、水力タービン１００の上下動の幅（振幅）も、水面の上下動の幅（振幅）に略一致することになる。すなわち、水力タービン１００の羽根車１１０は、水面（流路形成体１２０の外部の水面）の上下動に従って、大きな振幅で上下動することになる。ところが、深い場所になるにつれて（海底に近くなるにつれて）水の振幅が小さくなるため、水面が大きく上下動しても、深い場所の水はあまり上下動しない。このため、流路形成体１２０の外部の水と深い場所で繋がっている流路形成体１２０の内部の水は、小さい振幅でしか上下動しない。したがって、流路形成体１２０の内部（流路１２１）の水と水力タービン１００が、相対的に上下動することになり、流路１２１には見掛けの水流が発生することになる。この水流によって羽根車１１０が回転され、発電機２００によって発電が行われる。流路１２１の内部に発生する水流の向きは、波の上下動に従って反転するものの、水力タービン１００における羽根車１１０は、図３で説明したように、水流の向きが反転しても同じ方向で回り続けることができる。したがって、発電機２００は、特別な機構を設けなくても、安定して発電し続けることができる。
【００３２】
［用途］
本実施態様の波力発電装置は、海や湖や河川など、波の発生する水域に設置することができる。本実施態様の波力発電装置を設置する水域は、水力タービン１００を浮いた状態にできる程度の深さがあるのであれば、その水深を特に限定されない。というのも、本実施態様の波力発電装置は、水面に近い場所の水の振幅と深い場所の水の振幅との差を利用して発電を行うものであるが、この振幅の差は、水深にかかわらず発生するからである。したがって、水深の深い場所だけでなく、水深の浅い場所（陸地に近い場所）に波力発電装置を設置することも可能である。陸地に近い場所に波力発電装置を設置した場合には、送電線を短くして配線費用を抑えるだけでなく、波力発電装置の施工やメンテナンスを容易に行うことも可能になる。本発明の水力タービン１００は、構造が単純で小型化が容易なため、それを利用した波力発電装置は、水深の浅い場所でも好適に設置することができる。また、限られた面積に多数設置することもできる。本実施態様の波力発電装置を海岸などに多数設置すれば、海岸などに到達する波のエネルギーを  効率よく低コストで電気エネルギーに変換することができる。
【００３３】
［実験１］
本発明の水力タービンの回転性能を確認するため、以下の実験１を行った。図５は、実験１の実験方法を説明する図である。図５は、図示の便宜を考慮して模式的に示したものであり、各部の寸法は、実際のものとは異なっている。図５に示すように、谷口商会株式会社の敷地内にある人工川における水深約３０ｃｍの浅い場所に、本発明の水力タービン１００を設置した。水力タービン１００は、その流路形成体１２０が鉛直方向となる向きで設置した。流路形成体１２０には、塩化ビニル製の長い円筒状のケーシングを採用し、その下端部を水路底面に接触させた。羽根車１１０は、入力軸２１０の下端部近傍に固定し、入力軸２１０が鉛直方向となる向きで、流路形成体１２０の内部の流路１２１に挿入した。この状態で、人手によって入力軸２１０を上下方向にスライドさせ、羽根車１１０を流路１２１内で上下方向に往復動させてみた。すると、羽根車１１０は、上向きに移動させた場合（羽根車１１０に下向きの水力が加わる場合）と、下向きに移動させた場合（羽根車１１０に上向きの水力が加わる場合）とのいずれにおいても、同じ方向に回転することが目視により確認できた。
【００３４】
［実験２］
続いて、本発明の水力タービンを利用した波力発電装置の挙動を確認するため、以下の実験２を行った。図６は、実験２の実験方法を説明する図である。図６は、図示の便宜を考慮して模式的に示したものであり、各部の寸法は、実際のものとは異なっている。図６に示すように、谷口商会株式会社の敷地内にある人工川における水深約１ｍの深い場所に、本発明の水力タービン１００を設置した。流路形成体１２０が鉛直方向となる向きで水力タービン１００を設置することや、流路形成体１２０の素材や、入力軸２１０の下端部近傍に羽根車１１０を固定し流路形成体１２０の内部の流路１２１に挿入することは、上記の実験１と同様である。ただし、流路形成体１２０の上端部近傍の外周面にはフロート３００を固定し、水力タービン１００が水に浮いた状態となるように設置した。また、入力軸２１０は、ベアリング４００を用いて流路形成体１２０に対して固定した。このため、入力軸２１０は、流路形成体１２０に対して回転することは可能であるものの、流路形成体１２０に対して上下動することはできないようになっている。入力軸２１０の上端には、旗５００を取り付け、その回転を視認できるようにした。この状態で、水力タービン１００の近くの水面をベニヤ板で上下動させることにより、人為的に波を発生させ、入力軸２１０（旗５００）の挙動を観察した。
【００３５】
すると、入力軸２１０は、同じ方向に回転し続けることが確認できた。また、流路形成体１２０の内部を目視すると、流路形成体１２０の内部の水位と、流路形成体１２０の外部の水位とに、差が生じていることも確認できた。この原因は、流路形成体１２０の外部における水面に近い場所の水は、大きく上下動する一方、水深が深くなるにつれて（水底に近くなるにつれて）、水の振幅が小さくなることに起因している。すなわち、流路形成体１２０の内部の水の上下動は、人工川における深い場所の水の上下動に従うため、流路形成体１２０の内部と外部とで水面の高さに差が生じることとなる。このとき、フロート３００と、それが固定された流路形成体１２０や、流路形成体１２０の内部に収容された羽根車１１０は、流路形成体１２０の外部の水面に従って上下動する。したがって、羽根車１１０と、流路形成体１２０の内部（流路１２１）の水とが相対的に上下動して、流路１２１には見掛けの水流が発生し、この水流によって羽根車１１０が回転したと考えられる。この実験２によって、本発明の水力タービンを利用した波力発電装置は、実際の発電に使用できるものであることが確認できた。
【００３６】
［実験３］
続いて、本発明の水力タービン（実施例１．１〜１．８の水力タービン）と、揺動ウェルズ型の水力タービン（比較例１の水力タービン）とを用いた場合について、それぞれの平均出力を定量的に計測する実験３を行った。図７は、実験３の実験方法を説明する図である。図７に示すように、谷口商会株式会社の敷地内にある人工川に流路形成体１２０を設け、ポンプ６００で流路形成体１２０の下部から水を入れて、流路１２１に流速６５ｃｍ／ｓの水の流れを発生させ、流路形成体１２０の内部に配した羽根車１１０を回転させた。流路形成体１２０は、内径１００ｍｍの塩化ビニル製の長い円筒状のケーシングを採用した。また、出力軸２１０の上端部には、出力計測機７００（ユニパルス社製のトルクモニターＴＭ３００）を接続した。この状態で、出力軸２１０の上端部を指でつまんで負荷をかけ、出力計測機が示す出力（Ｗ）を測定した。その測定結果を下記表１に示す。
【００３７】
【表１】
0005645175.tif 000002
【００３８】
ただし、上記表１における実施例１．１〜１．７の水力タービンは、図７に示す羽根車１１０として、それぞれ図８におけるＡ１タイプ（正六角形型）と、Ｂ１タイプ（正八角形型）と、Ｃ１タイプ（正十二角形型）と、Ｃ２タイプ（正十二角形中抜き型）と、図９におけるＤ１タイプ（八方星状型）と、Ｅ１タイプ（十二方星状型）と、Ｅ２タイプ（十二方星状中抜き型）を用いたものである。正多角形型のものは、第一フレームが正多角形の各辺を構成するように配されており、星状型のものは、第一フレームと第二フレームが星状（あるいは風車状）に配されている。また、中抜き型のＣ２タイプとＥ２タイプは、羽根車の中心部近くに可撓性面材が設けられていない箇所を設けたものである。このＣ２タイプとＥ２タイプのものにおいては、各羽根を構成する可撓性面材の内端縁は、第一フレームの内端から回転方向後向きに設けた第三フレーム（長さ約１５ｍｍ）に縫い付けられた固定端縁となっている。実施例１．１〜１．７の水力タービンにおける羽根車の直径（最大直径）は９６ｍｍであり、各羽根を構成する可撓性面材は、厚さ５ｍｍのポリ塩化ビニル製のターポリンシートを三角形状又は台形状に裁断し、これを各フレームに縫い付けることによって設けた。
【００３９】
一方、上記表１における比較例１の水力タービンは、図７に示す羽根車１１０として、図９における揺動ウェルズタイプを用いたものである。この揺動ウェルズタイプの羽根車は、公知のウェルズタービンにおける羽根車をさらに高性能なものへと改良したものである。すなわち、公知のウェルズタービンは、羽根車における各羽根がハブに固定されて動かない状態となっているところ、比較例１の水力タービンにおける羽根車は、各羽根をハブに対して揺動可能な状態でねじ留めした。比較例１の水力タービンにおける羽根車は、硬質プラスチックによって作製し、その重量が６０ｇ、羽根の枚数が８枚、ハブ比（ローター半径／チップ半径）が約５８％、ソリディティ（翼弦長総和／円周）が約４７％、アスペクト比（翼弦長／翼長）が約６４％、翼厚比（翼厚／翼弦）が約４６％、羽根の揺動角度が片側１５〜３０°（上下合計で３０〜６０°）である。ちなみに、公知のウェルズタービンで用いられる羽根が揺動しない羽根車（固定ウェルズタイプの羽根車）は、流速６５ｃｍ／ｓ程度では回転しなかった。実験３の測定結果に対する評価は、以下の実験４の測定結果に対する評価の際に合わせて説明する。
【００４０】
［実験４］
また、図７と同じ実験方法で、Ａ１タイプの水力タービンにおける羽根車の可撓性面材の後端縁を弓型に切り欠いたＡ２タイプ（図８を参照）の水力タービン（実施例２．１）と、Ｃ１タイプの水力タービンにおける羽根車の後端縁を弓型に切り欠いたＣ３タイプ（図８を参照）の水力タービン（実施例２．２）についても、平均出力を測定した。可撓性面材の切欠の深さは３ｍｍである。ただし、実験４では、出力軸を軸支するベアリングの調整を行ったため、実験４の測定結果と実験３の測定結果は、単純には比較できないと考えられる。このため、上記表１で使用したＢ１タイプの水力タービン（実施例２．３）、Ｅ１タイプの水力タービン（実施例２．４）及び揺動ウェルズ型の水力タービン（比較例２）についても、同様の測定を行い、実験４の測定結果と実験３の測定結果とを相対的に比較できるようにした。下記表２に、実験４の測定結果を示す。
【００４１】
【表２】
0005645175.tif 000003
【００４２】
上記表１をみると、実施例１．１〜１．７の水力タービンの平均出力は、比較例１の水力タービンの平均出力の数倍以上となっていることが分かる。また、上記表２をみると、実施例２．１〜２．４の水力タービンの平均出力は、比較例２の水力タービンの平均出力の数倍以上となっていることが分かる。特に、Ｃ１タイプの羽根車を用いた実施例１．３の水力タービンの平均出力（４．４Ｗ）は、揺動ウェルズ型の羽根車を用いた比較例１の水力タービンの平均出力（０．２Ｗ）の２２倍となっている。このことから、本発明の水力タービンは、従来公知のウェルズタービン（比較例１及び比較例２の水力タービンよりもさらに平均出力が低い）よりも、発電効率の面で非常に有利なものであることが確認できた。
【００４３】
また、実施例１．１と実施例１．２と実施例１．３の平均出力の比較や、実施例１．５と実施例１．６の平均出力の比較や、実施例２．１と実施例２．２の平均出力の比較から、羽根車を構成する羽根の枚数が多くなるに従って、平均出力が大きくなることが分かった。さらに、実施例１．３と実施例１．４の平均出力の比較や、実施例１．６と実施例１．７の平均出力の比較から、中抜き型としない方が、平均出力が大きくなることも分かった。さらにまた、正多角形型の羽根車を用いた実施例１．１〜１．３の平均出力と、星状型の羽根車を用いた羽根車を用いた実施例１．５〜１．７の平均出力を比較すると、星状型の羽根車を用いた水力タービンよりも、正多角形型の羽根車を用いた水力タービンの方が、平均出力が高くなることが分かる。そして、実施例１．１と実施例２．１の平均出力の比較や、実施例１．３と実施例２．２の平均出力の比較から、各羽根を構成する可撓性面材を切り欠くことは平均出力を向上させる面で必ずしも有利に働かない（場合によっては不利に働く）ことも分かった。これらの結果は、いずれも、流路形成体の流路断面積Ｓ１に対する羽根の有効面積Ｓ２の比Ｓ２／Ｓ１を大きくした方が平均出力の向上に有利であることを示している。
【符号の説明】
【００４４】
１００    水力タービン
１１０    羽根車
１１１    羽根
１１１ａ  第一フレーム
１１１ｂ  第二フレーム
１１１ｃ  第三フレーム
１１１ｄ  可撓性面材
１１２    ハブ
１２０    流路形成体
１２１    流路
２００    発電機
２１０    入力軸
３００    フロート
３１０    支持梁
４００    ベアリング
５００    旗
６００    ポンプ
７００    出力計測機
Ａ    正方向
Ｂ    逆方向
Ｃ    羽根の移動方向（羽根車の回転方向）
ＦＡ  正方向の水力
ＦＢ  逆方向の水力
ｆＡ  正方向の水力によって可撓性面材に加えられる力
ｆＢ  逆方向の水力によって可撓性面材に加えられる力
ｆＡ’  正方向の水力によって可撓性面材に加えられる力の回転方向に平行な成分
ｆＢ’  逆方向の水力によって可撓性面材に加えられる力の回転方向に平行な成分
【図１】
0005645175.tif 000004
【図２】
0005645175.tif 000005
【図３】
0005645175.tif 000006
【図４】
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【図５】
0005645175.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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