(57)【要約】【課題】既存の水路に簡易に取り付けることができる水力発電装置およびその設置方法を提供する。【解決手段】本実施形態における水力発電装置１は、水槽１１と、タービン１２と、支持部材１５とを備える。水槽１１は、水路２から導かれた水を上方から流入させる流入口１１ａと、流入口１１ａに導かれた水を流入口１１ａより下方から流出させる流出口１１ｂとを備える。タービン１２は、水槽１１の内部に配置された、ほぼ鉛直方向の回転軸を中心に水槽１１内で発生した渦により発電機を回転させる。支持部材１５は、少なくとも水槽１１およびタービン１２を水路２に支持する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路から導かれた水を上方から流入させる流入口と、前記流入口に導かれた水を前記流入口より下方から流出させる流出口とを備えた水槽と、
前記水槽の内部に配置された、ほぼ鉛直方向の回転軸を中心に前記水槽内で発生した渦により発電機を回転させるタービンと、
少なくとも前記水槽および前記タービンを前記水路に支持する支持部材と、
を備えたことを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記支持部材は、前記水槽および前記タービンを上方から支持する懸架部材と、前記水路の流れに対してほぼ垂直方向に前記水路の両岸に渡された前記懸架部材を、前記水路で固定する水路側支持部材と、を有する請求項１記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記水槽の外形底面は、前記水路内の水面よりも上方に位置する請求項１または２記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記流入口に接続され、前記水路から前記水槽へ水流の少なくとも一部を導く導水路をさらに備えた請求項１〜３のいずれか一項記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記導水路は、前記水槽へ水を導く導水位置と、前記水槽へ水を導かない非導水位置との間で移動する請求項４記載の水力発電装置。
【請求項６】
前記水槽は、前記流出口の他に、前記水槽に流入した前記水または前記水以外の異物をオーバーフローさせるオーバーフロー口をさらに備えた請求項１〜５のいずれか一項記載の水力発電装置。
【請求項７】
水路から導かれた水を上方から流入させる流入口と、前記流入口に導かれた水を前記流入口より下方から流出させる流出口とを備えた水槽と、前記水槽の内部に配置された、ほぼ鉛直方向の回転軸を中心に前記水槽内で発生した渦により発電機を回転させるタービンと、を準備する工程と、
少なくとも前記水槽および前記タービンを前記水路に支持する工程と、
を備えることを特徴とする水力発電装置の設置方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛直方向に回転軸を有するタービンを備えた水力発電装置およびその設置方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料などを用いる枯渇性エネルギーに対して、再生可能エネルギーが注目されている。この再生可能エネルギーは、枯渇性エネルギーが環境に与える影響に関する課題を解決すべく、各地で設置および検討が進められている。
【０００３】
再生可能エネルギーの１つに、水力発電がある。例えば、特許文献１には、小型水力発電装置に関する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示された技術は、水路に形成された水槽内に流入された水で渦を発生させ、この渦のエネルギーをタービンで取り出して発電するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００８／１４１３４９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された水力発電装置は、水路そのものの形状が、渦を発生させるための水槽として構築されたものである。このため、既存の水路に水力発電装置を設置するためには、多大な土木工事作業や建設費用を要してしまう。ゆえに、特許文献１の水力発電装置は、小型で発電効率に優れているにも係わらず、既存の水路に設置することが促進されにくいという課題があった。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、既存の水路に簡易に取り付けることができる水力発電装置およびその設置方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る水力発電装置は、上述した課題を解決するために、水路から導かれた水を上方から流入させる流入口と、前記流入口に導かれた水を前記流入口より下方から流出させる流出口とを備えた水槽と、前記水槽の内部に配置された、ほぼ鉛直方向の回転軸を中心に前記水槽内で発生した渦により発電機を回転させるタービンと、少なくとも前記水槽および前記タービンを前記水路に支持する支持部材と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る水力発電装置の設置方法は、水路から導かれた水を上方から流入させる流入口と、前記流入口に導かれた水を前記流入口より下方から流出させる流出口とを備えた水槽と、前記水槽の内部に配置された、ほぼ鉛直方向の回転軸を中心に前記水槽内で発生した渦により発電機を回転させるタービンと、を準備する工程と、少なくとも前記水槽および前記タービンを前記水路に支持する工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る水力発電装置およびその設置方法においては、既存の水路に簡易に取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る水力発電装置の一実施形態を示す概略的な平面図。
【図２】本発明に係る水力発電装置の一実施形態を示す概略的な縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る水力発電装置およびその設置方法の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る水力発電装置の一実施形態を示す概略的な平面図である。
【００１４】
図２は、本発明に係る水力発電装置の一実施形態を示す概略的な縦断面図である。
【００１５】
水力発電装置１は、種々の水路２に設置される。水路２は、河川などの一定の水流を有するものであって、地形により形成されたものや、用水路、排水路、放水路などの人工的に造られた構造物である。水路２は、図２に示すように、上段２ａと下段２ｂとの間に所要の落差を有する。例えば、水路２は、０．５ｍ〜２．０ｍの落差を有することが好ましい。例えば、水路２には、農工業用排水路の勾配調整のために設けられた段差を利用することができる。
【００１６】
水力発電装置１は、水槽１１と、タービン１２と、支持部材１５とを主に有する。
【００１７】
水槽１１は、平面視（横断面の形状、内周の形状）がほぼ円形状を有する容器である。水槽１１は、上方が開放されてもよく、一部または全体が覆われていてもよい。水槽１１は、ほぼ正円形状や、トロコイド曲線形状（流入口１１ａから円周方向に沿って、次第に内径が小さくなる形状）であることが好ましい。水槽１１は、例えば、コルゲート鋼材、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、現場打ちコンクリート工法、ステンレスにより構成することができる。図２に例示するように、水槽１１は、流出口１１ｂに向けて径がすぼまったすり鉢状にすることにより、傾斜を利用して水槽１１内に流入した異物を水路２に排出しやすくするという利点もある。なお、水槽１１の製法や材料に応じて、水槽１１の底部をすり鉢状にしてもよいし、水平にしてもよい。
【００１８】
水槽１１は、図２に示すように、外形の底面１１ｄが水路２の下段２ｂの水面よりも上方に位置することが好ましい。これにより、水槽１１が水路２内（水槽１１の外側）の水流の水平方向の力を受けない構造となり、水路２や支持部材１５、水槽１１の構造強度を低減することができ、また水力発電装置１全体の信頼性・耐久性を向上させることができる。
【００１９】
水槽１１は、図２に示すように、流入口１１ａと、流出口１１ｂと、オーバーフロー口１１ｃとを有する。
【００２０】
流入口１１ａは、水路２から導かれた水を水槽１１内に流入させるため、水槽１１の上方に設けられる。具体的には、流入口１１ａは、水槽１１において、水路２の上段２ａの水位とほぼ同一となる位置またはそれより低い位置に設けられる。流入口１１ａは、水槽１１内において、外周に沿った水流が発生する位置および形状で設けられるのが好ましい。
【００２１】
流出口１１ｂは、流入口１１ａに導かれた水を流入口１１ａより下方、すなわち水槽１１の底部から水路２の下段２ｂに流出させる。具体的には、流出口１１ｂは、タービン１２のシャフト１３（回転軸）の下方（直下）に設けられる。また、流出口１１ｂに排水管を設け、流出口１１ｂから離れた箇所から水路２に水を戻してもよい。
【００２２】
オーバーフロー口１１ｃは、水槽１１に流入した水または水以外の異物を水路２にオーバーフローさせる。水以外の異物は、水流内の浮遊ごみや、魚などの生物である。オーバーフロー口１１ｃは、水槽１１内に設定された基準高さより高い位置に設けられる。基準高さには、例えば設計された運転時の水位高さや、ブレード１４の上端を適用することができる。基準高さは、水力発電装置１が設計通りに運転可能な水量を維持するために設定され得る。
【００２３】
水槽１１には、導水路１７が設けられる。導水路１７は、流入口１１ａを介して水槽１１に接続され、水路２の水流の一部を水槽１１へと導く。導水路１７は、可動式である。具体的には、導水路１７は、水槽１１へ水を導くことが可能な導水位置（図２において実線で示す導水路１７の位置）と、水槽１１へ水を導かない非導水位置（図２における点線で示す導水路１７の位置）との間で、導水路１７の入口側開口１７ａを移動することができる。導水位置は、例えば入口側開口１７ａの少なくとも一部が水中にある位置である。非導水位置は、例えば、入口側開口１７ａの全部が水中にない位置や、入口側開口１７ａが水面に浮かんだ位置である。導水路１７は、例えばカウンターウェイトを設けることにより稼動する。この場合、導水路１７の入口側開口１７ａ側が所定の支点を軸に回動するよう、所要の位置に所要の重量のカウンターウェイトが設けられる。
【００２４】
なお、入口側開口１７ａが変動する水路２の水位に応じて、導水路１７から水槽１１に常に導水できるよう、導水路１７に所要の浮力を与える浮きを設けてもよい。また、導水路１７は、側溝などの流量の小さい水路においては、水路内の水流の一部のみならず全部を水槽１１へ導くようにしてもよい。この場合、図１に示すように、入口側開口１７ａをラッパ状に広げることにより、所要の水量を効率よく集水することができる。さらに、異物を不要に水槽１１へ導くことを防ぐため、入口側開口１７ａに網などのフィルタを設けてもよい。フィルタがほぼ平面状に設けられる場合には、フィルタ角度には水路２内の水流に対して垂直ではなく、所要の傾斜が設けられることが好ましい。フィルタに異物が衝突した場合、フィルタの傾斜により異物を上方または下方に逃がし、導水路１７や水槽１１に直に衝撃を与えることを防ぐことができる。
また、所要の水量以上の水が入口側開口１７ａへ流入した場合に、その水が導水路１７に集水されることなく好適に越流するのが好ましい。このため、導水路１７は上方が開放されており、かつ水槽１１に向かうにつれて側壁がなだらかに高くなるように構成されてもよい。これにより、入口側開口１７ａ側で不要な水を好適に越流させることができる。
さらに、導水路１７の水流方向に対する断面形状は、出口側開口１７ｂに向かうにつれて縦長に形成されるのが好ましい。これにより、出口側開口１７ｂから水槽１１に流れ込む水流を水槽の壁面に沿うように流すことができ、渦の形成に作用させることができる。これに伴い、水槽１１の流入口１１ａも縦長に形成される。
【００２５】
タービン１２は、水槽１１の内部に配置される。タービン１２は、シャフト１３と、ブレード１４とを有する。タービン１２は、水槽１１内で発生した渦の運動エネルギーをブレード１４で受け、ほぼ鉛直方向を回転軸とするシャフト１３を中心に回転する。タービン１２は、シャフト１３を介して発電機を回転させる。本実施形態においては、タービン１２は倍速装置１８と接続されており、間接的に発電機を回転させる。シャフト１３と発電機とを直結せずに遊星ギアなどのギアを介して接続したり、プーリーとベルトとを介して接続したりし、かつ電磁クラッチを設けることにより、水力発電装置１を電力需要に合わせて運用できる。
【００２６】
なお、シャフト１３は、水槽１１内の水位より上方に形成されることにより濡れにくく、渦からシャフト１３に作用する力が偏向しにくい。このため、ベアリングなどの軸受部材は、安価な汎用品であっても十分な強度と耐久性が期待できる。
シャフト１３およびブレード１４は、例えば、鉄（スチール）やステンレスなどにより構成することができる。水力発電装置１を排水路に設置する場合には、さらに腐食性のある排水にも対応可能なように、シャフト１３、ブレード１４などにメッキ加工などで耐食性を付与することが好ましい。
【００２７】
支持部材１５は、少なくとも水槽１１およびタービン１２を水路２に支持する。支持部材１５は、懸架部材１５ａと水路側支持部材１５ｂとを有する。懸架部材１５ａは、水槽１１およびタービン１２のシャフト１３を上方から支持する。水槽１１は、懸架部材１５ａに対してボルトや溶接により固定されて支持される。また、水路側支持部材１５ｂは、例えば水路２の流れに対して垂直方向に水路２の両岸に渡された懸架部材１５ａを、水路２の外側で固定する。
このとき、水槽１１と水路２の上段２ａとの距離が、例えば水槽１１の直径の１．５倍以上であるのが好ましい。１．５倍以上とすることで、例えば上段２ａから落下した流石や流木が直接水槽１１に当たることを避けることができ、水槽１１などを破損させることがない。
また、支持部材１５は、増水時など水位が変動する場合、水槽１１、導水路１７などの構造物の高さを変動させるのが好ましい。例えば、支持部材１５は、ジャッキなどの昇降装置により水槽１１などを一体として上昇または下降させる。これにより、増水時には水路２自身の水の流れを妨げることを防止することができる。
【００２８】
なお、水槽１１の寸法や水槽１１への流入量および流出量（流入口１１ａおよび流出口１１ｂ、導水路１７の入口側開口１７ａ、出口側開口１７ｂの開口面積）は、水力発電装置１の設置場所の地形や水量、発電量などの各種条件に応じて適宜好適に設計される。
【００２９】
本実施形態における水力発電装置１は、水槽１１およびタービン１２が支持部材１５で懸架されて水路２に支持される。これにより、従来水力発電の普及を妨げていた要因の１つであった、水力発電装置１の設置作業を簡易なものとすることができる。すなわち、従来用いられていた、新たに水力発電用に水路を設け装置を設置する方法や、遠距離に亘る導水工事による大高低差を形成する方法を用いることなく、簡易な作業で水力発電装置１を設置することができる。また、本実施形態における水力発電装置１は、水槽１１が水路２の構造そのものに対して別体として形成されているため、新規に水路を構築する場合のみならず、既存の水路に対しても据付が可能である。
【００３０】
さらに、水力発電装置１は、水路２の幅員の一部のみを使用し、かつ上方開放型の水槽１１などの簡素な装置構造により稼働する。これにより、水路２の水量に応じた設計が容易であるとともに、非常時などの万一の場合においても、水路２の全てを塞いでしまうことを回避することができる。また、水路２そのものの構造を変更することで水槽１１を設けることはしないため、水力発電装置１を水路２から取り外すことにより、水路２を元の状態にすることができる。
【００３１】
また、水力発電装置１は可動式の導水路１７を備えるため、発電の際（導水時）には導水位置で水を水槽１１に導くことができる。一方、水槽１１やタービン１２の点検時など、発電を行わない際（非導水時）には、導水路１７を非導水位置に移動することにより、水槽１１への水の流入を停止できる。これにより、導水を行わない際には、大がかりな構造を用いて水路２の本流を止める必要がなく、簡易な操作で導水・非導水を制御することができる。
【００３２】
さらにまた、本実施形態における水力発電装置１は、流出口１１ｂと併せてオーバーフロー口１１ｃを備える。これにより、水流内の異物（浮遊ごみ）は、渦の遠心力が作用することによりオーバーフロー口１１ｃから排除される。また、水槽１１に沈む異物は、流出口１１ｂから排出させることができる。また、ブレード１４の一部とシャフト１３とを水槽１１の水面より上方に位置するように構成することにより、水槽１１内に流れ込んだロープなどの長尺状のごみが巻きつく事態も低減することができる。このような水力発電装置１は、ごみ耐性をも向上させることができ、水力発電装置１の管理作業を軽減できる。
【００３３】
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。
【符号の説明】
【００３４】
１  水力発電装置
２  水路
１１  水槽
１１ａ  流入口
１１ｂ  流出口
１１ｃ  オーバーフロー口
１２  タービン
１３  シャフト
１４  ブレード
１５  支持部材
１７  導水路
１８  倍速装置
【図１】
2014156858.tif 000003
【図２】
2014156858.tif 000004