(57)【要約】【課題】高い水圧を得られるダム式水力発電方式の利点と、大規模な設備を構築する必要のない自流式発電方式の利点を生かした、開放周流形水車を用いた段差式水車発電設備を提供すること【解決手段】川の流れ方向に沿って設けられた２つの導水路壁と、川底から水面方向になだらかに傾斜している上昇傾斜面と、該上昇傾斜面の頂点から川底方向へ傾斜している下降傾斜面を有する堰と、前記堰の下降傾斜面に、当該水車の外輪が隣接して配置された水車と、前記水車の回転速度に応じて発電する発電機とから成り、前記下降傾斜面が前記水車の外輪と相似形をなし、前記堰が前記川の水を堰き止めるようにして、前記導水路壁の一方から他方に連続して設けられている。【選択図】図１
2014118961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
川の流れ方向に沿って設けられた、川の水を一定方向に導くための２つの導水路壁と、
川底から水面方向になだらかに傾斜している上昇傾斜面と、該上昇傾斜面の頂点から川底方向へ傾斜している下降傾斜面を有する堰と、
前記堰の下降傾斜面に、当該水車の外輪が隣接して配置され、前記堰を超えて来る前記川の水によって受ける抗力によって回転させられる水車と、
前記水車の中心軸に接続された回転軸を有し、前記水車の回転速度に応じて発電する発電機とから成り、
前記下降傾斜面が前記水車の外輪と相似形をなし、前記堰が前記川の水を堰き止めるようにして、前記導水路壁の一方から他方に連続して設けられていることを特徴とした開放周流形水車を用いた段差式水車発電設備。
【請求項２】
請求項１に記載の段差式水車発電設備において、前記水車の半径が、前記下降傾斜面が形成される始点から、前記下降傾斜面が川底と水平になる終点までの垂直方向の高さよりも大きいことを特徴とする開放周流形水車を用いた段差式水車発電設備。
【請求項３】
それぞれが川幅に沿って設置され、川の流れ方向の途中から互いの幅が徐々に狭くなっている２つの導水路壁と、前記導水路壁が最狭になる地点に設けられた請求項１に記載の段差式水車発電設備と、前記導水路壁が狭くなるまでの区間に設置され、前記水車をバイパスする水の流れを形成するための少なくとも１個の水門と、前記水門を開閉するための電動機と、川の水位を検出する水位検出器と、該水位検出器で検知された川の水位に応じて、前記水門の開度を自動的に開閉制御するための制御器とを有することを特徴とする開放周流形水車を用いた段差式水車発電設備。
【請求項４】
請求項３に記載の段差式水車発電設備において、前記水門は常時半開きの状態にあって、前記水位検出器が、前記川の水が前記導水路壁を超えるような異常水位に近づいていることを検知した時に、前記制御器からの信号により前記少なくとも１個の水門を開方向に制御することを特徴とする開放周流形水車を用いた段差式水車発電設備。
【請求項５】
請求項１に記載の段差式水車発電設備において、前記堰と、前記水車と、前記発電機が一体に構成されていることを特徴とする開放周流形水車を用いた段差式水車発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、比較的水量の少ない導水路から水量の豊富な自然河川まで利用可能な、下掛け式の開放周流形水車を用いた段差式水車発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】  水力発電方式は、大きく分ければ、河川の上流で川の流れを堰き止めるダム式（貯水式、揚水式、水路式など）と、自然の流れをそのまま利用する自流式にわけられる。
ダム式発電は、最も一般的な大型の水力発電方式であり、日本では阿賀野川水系、天竜川水系などに特に多くの発電所が見受けられる。いずれも有効落差１０ｍ以上となっている。自然流式発電は、小川や農業用水路等で使用され、通常水車を利用して集会所などの特定の施設にのみ電力を供給する用途に用いられている（特許文献１及び２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２２５７７号公報
【特許文献２】特開２００３−２６９３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  ダム式水力発電方式は、貯水池に大量の水を蓄え、高低差を利用して、高い水圧を得ることができるので、カプラン水車やフランシス水車等を用いて１万ボルトのような高圧電力を発生させることができるという利点がある。しかし、現在のダム式水力発電方式は、河川の上流側に巨大なコンクリート壁を設置するなど、巨大な建設費用を要するだけでなく、５０年後の設備撤去費用等を考慮すると、自然エネルギーの有効利用とは言い難いものがある。ダム自体は洪水の事前防止の役割もあるが、これにしても近年の堤防の整備により、ダムによってはその役割はすでにほとんどなくなって来ている。【０００５】  一方、自流式発電は、大規模な設備を構築する必要がなく、用水路などをほぼ現状のまま利用して、小型の発電機によって発電する小規模発電が主体となっている。このような用水路発電においては、流速や流量が小さいため、カプラン水車などによって何千ボルトという高電圧を得ることが困難であり、発電効率の面で課題が残されている。【０００６】  したがって、本発明の目的は、高い水圧を得られるダム式水力発電方式の利点と、大規模な設備を構築する必要  のない自流式発電方式の利点を生かした、開放周流形水車を用いた段差式水車発電設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明の一つの観点に係る開放周流形水車を用いた段差式水車発電設備は、川の流れ方向に沿って設けられた、川の水を一定方向に導くための２つの導水路壁と、川底から水面方向になだらかに傾斜している上昇傾斜面と、該上昇傾斜面の頂点から川底方向へ傾斜している下降傾斜面を有する堰と、前記堰の下降傾斜面に、当該水車の外輪が隣接して配置され、前記堰を超えて来る前記川の水によって受ける抗力によって回転させられる水車と、前記水車の中心軸に接続された回転軸を有し、前記水車の回転速度に応じて発電する発電機とから成り、前記下降傾斜面が前記水車の外輪と相似形をなし、前記堰が前記川の水を堰き止めるようにして、前記導水路壁の一方から他方に連続して設けられていることを特徴とする。【０００８】  このように形成することで、水流が水車のランナーと最初に接触する時点からランナー面に垂直方向から当たるようになり、また、下降傾斜面に沿って流れる間も水流は水車のランナー面に垂直方向から与えられ、さらに、下降傾斜面を下った時点で水流は川底と並行に流れるようになるが、その時点では水車のランナー面は川底とほぼ垂直方向を向いているため、水流はこの時点においても水車のランナー面に垂直方向から与えられるようになり、水車の回転力を大きくすることができる。【０００９】  上述の構成を持つ段差式水車発電設備で使用する前記水車の半径は、前記堰の下降傾斜面が形成される始点から、前記下降傾斜面が川底と水平になる終点までの垂直方向の高さよりも大きいことが好ましい。【００１０】  このように水車を配置することで、水車のランナー面に水力を垂直方向から与え易くなり、水車の発電効率を高めることができる。【００１１】    上述の段差式水車発電設備を、一級河川のような川幅の広い河川に設置する場合には、川幅に沿って２つの導水路壁を設け、前記２つの導水路壁間の幅を川の流れ方向の途中から狭くし、前記水車を最狭になった導水路壁間に設置することが好ましい。この場合には、さらに、前記導水路壁が狭くなるまでの区間に設置され、前記水車をバイパスする水の流れを形成するための少なくとも１個の水門と、該水門を開閉するための電動機と、川の水位を検出する水位検出器と、該水位検出器で検知された川の水位に応じて、前記水門の開度を自動的に開閉制御するための制御器とを設けることが一層好ましい。【００１２】  川の水位に応じて水門を開閉制御することにより水車に供給される水量を定量に保持することが可能となり、水車のランナーに常に垂直の水力を加えることができ、水車の発電効率を最大近くに保つことが出来るようになる。
【発明の効果】
【００１３】  本発明の段差式水車発電設備は、河川の自然環境を大きく破壊することなく、河川の中流域のような一定の傾斜を持って、ある程度の水量を有して流れる川に、容易に建設することが可能である。また、本発明では、簡単な構造で河川の水の流れを水車のランナー面に最適に接触するようにコントロールできるので、従来構造の水車であっても、本発明の段差式水車発電設備の一部として取り込むことで、発電効率を大幅に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る段差式水車発電設備の原理説明図。
【図２】本発明に係る段差式水車発電設備を用水路に適用した実施態様１を示す図。
【図３】本発明に係る段差式水車発電設備を大規模河川に適用した実施態様２を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、図面を参照して、本発明について詳細に説明する。図１は、本発明に係る段差式水車発電設備の原理説明図であって、本設備を河川に設置した状態を断面図で示している。
【００１６】  符号１０は、従来から水力発電等に利用されているランナー型水車であり、２０は、川の水流を上下方向にコントロールするための堰である。１２は、水車１０の中心軸で、陸地に設置された軸受（図示せず）を介して、同じく陸地に設置された発電機（図２、図３を参照）の回転軸に接続されている。水車１０は、大まかには、中心軸１２、中心軸１２に放射状に取り付けられた複数個のランナー１４、及びランナー１４を支持する外輪１６から構成されている。
【００１７】  一方、符号２０は、水車１０に最適な水流を供給するための構造を有するコンクリート堰である。コンクリート堰２０は、水の流入方向の面が川底３０から緩やかに上方に傾斜した上昇傾斜面２２になっている。この上昇傾斜面２２は、想定される水面高さから（水量及び川の傾斜度で決められる）一定距離だけ上方に進んだ地点で下降傾斜面２４に連続している。下降傾斜面２４は、水車１０の外輪１６と隣接している。すなわち、両者は相似形になっている。水流を逃すことなくランナー１４の面に当てるため、ランナー１４の先端部と下降傾斜面２４の間隙は出来るだけ狭いことが望ましい。この下降傾斜面２４は、水車１０の中心軸１２から川底へ向う垂線と一致する位置において、川底３０と垂直な垂直面２６と接続している。
【００１８】  水車１０は、木製であっても良いが、軽量かつ耐久性を持たせるためには、ＳＵＳ３０４などのステンレス製であることが望ましい。さらに、水車１０の径は、大きな電力を得るために、流量の大きさに応じて大きくすることが望ましい。また、堰２０の材質は問わないが、工事の容易さやコストを考慮するとコンクリート製であることが望ましい。さらに、堰２０の頂点部分は、上昇してきた水流が滑らかに下降するように、上昇傾斜面２２と下降傾斜面２４が鋭角に接続しないことが重要である。例えば、断面が円形状であることが好ましい。
【００１９】  次に、同じく図１を参照して、堰２０の作用について説明する。本発明で使用する水車は、カプラン水車のように揚力を用いるものではなく、ランナーにかかる抗力を用いる。抗力は、抗力係数ＣＤ用いて、以下のような数式モデルで表されるのが一般的である。係数が異なるだけで揚力と同形式である。
【００２０】
【数式１】
2014118961.tif 000003
・  Ｄは、発生する抗力
・  ρは流体の密度
・  Ｖは物体と流体の相対速度
・  Ｓは物体の代表面積
・  ＣＤは、抗力係数
【００２１】  物体の相似比の二乗と流体の密度と流速の二乗に比例する。抗力係数ＣＤは、抗力を動圧１／２ρＶ２と代表面積Ｓで無次元化したもので、物体の形状・流体の粘性・流れの速さ（レイノルズ数）、マッハ数、そして迎え角によって変化する。抗力係数は、川の流速の場合には、迎え角の２乗に比例する。
【００２２】  従って、水車１０のランナーの受ける抗力は、水流の流速が一定であるとすると、ランナーの面積と水流がランナー面に当たる角度すなわち迎え角の大きさによってきまる。水車の大きさは、設置条件によって制限を受けるので、結局迎え角を常時９０度になるように設計することが重要となる。
【００２３】  図１では、日本においてもっとも一般的な河川の中流域水位である１ｍから５ｍの平均値である３ｍを例に取っている。上流からの水流は堰２０の上昇傾斜面２２に当たり、上昇傾斜面２２に沿って、その頂点Ｏに達する。水流はその後下降傾斜面に沿って流れる。すなわち、水流は、水車１０の外輪１６の接線方向に流れるので、水流５０のほとんどは、水車１０のランナー１４の面に垂直に当たり、最大の抗力を発生させる。この抗力によって水車１０は回転させられ、その中心軸に接続された発電機（図２または図３を参照）を回転させて発電する。なお、上流からの水流が堰２０によって完全に堰き止められたり、流速が落とされたりしないように、堰２０の頂点Ｏの川底からの高さは、流速に応じて調整することが好ましい。
【００２４】  次に図２を参照する。図２は、本発明に係る段差式水車発電設備を用水路に適用した実施態様１を示している。図２において、符号４および５は、用水路の側壁であり、水車１０は用水路の幅一杯に配置されている。発電所１３には、水車１０の回転軸と接続されたロータ軸を有する発電機が設けられている。従って、水車１０の回転に伴い、発電機（図示せず）のロータが回転し、その起電力は変電所１４においてより高圧に高められて、各家庭等に配電される。実際には、水車１０と発電機の間に、ロータの回転数を高めるためのギア装置が設けられている。
【００２５】  このような比較的小さな用水路に設置する段差式水車発電設備では、前記堰と、前記水車と、前記発電機を一体に構成することが望ましい。発電に必要な設備すべてを一体構造にすることで、工場で組立てた設備を大型トラック等で設置が必要されている用水路まで運び、クレーンで設置個所に位置決めするだけで、簡単に設備構築を行うことができる。このようにすれば、設備費用が安価になるだけでなく、用水路の流れを長期間にわたって遮断することもない。
【００２６】  次に図３を参照し、大規模河川での発電例について説明する。図３は、本発明に係る段差式水車発電設備を大規模河川に適用した実施態様２を示す。川幅の広い河川の場合には、川幅に沿って２つの導水路壁１０１、１０２を設け、前記２つの導水路壁１０１，１０２間の幅を川の流れ方向の途中から狭くし、前述の水車１０１を最狭になった導水路壁間に設置する。このようにすることで川の水の流速（水量）を高めることができる。
【００２７】  ここで、図３は、水車１０ａと１０ｂの２台連結している例を示している。水車の数は、川幅や水量に応じて１台から数台まで必要に応じて増やすことができる。図示の例では、水車１０ａと１０ｂ間に仕切りが設けられているが、これは整流のためのものであり、必ずしも必要としない。なお、特に図示をしていないが、２台の水車の軸は互いに機械的に接続されている。また、符号１２は、流木などによる水車の損傷を防止するための柵を示している。
【００２８】  前に戻って、前記導水路壁１０１，１０２間が狭くなるまでの区間には、前記水車１０ａ，１０ｂをバイパスする水の流れを形成するための少なくとも１個の水門が設けられている。また、水門を開閉するための電動機（図示せず）と、川の水位を検出する水位検出器１１と、該水位検出器１１で検知された川の水位に応じて、前記水門の開度を自動的に開閉制御するための制御器（図示せず）が設けられている。
【００２９】  水位検出器１１での検出水位が高くなると、その水位検出信号を受けて、制御器により電動機が制御され、水門が上方に引き上げられ、水車をパイパスする水路が形成される。これにより、平常時は水車へ供給される水流がある程度一定に保たれ、前述したように水車のランナーに直角に抗力が働くようになるため、常時発電効率を最大に維持できる。なお、台風などでの異常水位の場合にも水位検出器１１からの信号で水門は開かれるが、ほとんどの水流は、導水路壁１０１、１０２を超えて流れるようになっている。
【００３０】  導水路壁１０１、１０２は、川の上流側から下流側に行くほどそれらの壁の高さが増し、水車近くで最大の高さを持つように構成されている。こうすることで、壁の構築材料を最小にして、水車１０ａ，１０ｂへ与えられる力を最大にすることができると共に、台風などの異常水位の場合にも、川の流れが上流側で容易に導水路壁１０１、１０２を越えて河川敷に流れるようになるので、川の水量を円滑に下流側に持っていくことができる。なお、洪水を防ぐため、導水路壁１０１、１０２の最大高さは、堤防の高さの半分以下に抑えることが望ましい。
【００３１】  本発明で使用する堰２０は、通常は、河川底にコンクリートを流し込んで構築するが、小さな用水路などで使用する場合には、堰２０を予め作製した型枠に合成樹脂等を流し込んで作製することもできる。
【符号の説明】
【００３２】１０…水車
２０…堰
２２…堰の上昇傾斜面
２４…堰の下降傾斜面
【図１】
2014118961.tif 000004
【図２】
2014118961.tif 000005
【図３】
2014118961.tif 000006