(57)【要約】【課題】簡単な構成で、設置する落差工の形状や落差にかかわらず設置が容易であり、用水路に流れる水の流量変化に対して柔軟に対応することができ、効率よく発電する水力発電装置を提供する。【解決手段】取水胴２８と、取水胴２８の下方に同軸に設けられた水絞り部５０と、回転スクリュウ６０と、回転スクリュウ６０に固定されたシャフト７０に連結された発電機７８とを備えた発電装置本体１１を有する。発電装置本体１１を保持した枠体２０と、枠体２０が固定された梁部材１８とを備える。取水胴２８の側面の上方端部に近い位置には、水路１２の上流側に突出する取水筒３０を備え、先端の開口部が水を取り込む取水口３２となり、他端の開口部が水を流し込む流入口３４となる。取水筒３０の、取水口３２と流入口３４の間に、下流側底面１４ｂに向かって開口する調整口３６と、調整口３６を開閉自在に閉じる閉鎖板３８を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側を水が上方から下方に向かって通過する取水胴と、前記取水胴の下方に同軸に設けられた水絞り部と、前記水絞り部の下方に設けられた回転スクリュウと、前記回転スクリュウに固定されたシャフトに連結された発電機とが設けられた発電装置本体を有し、
前記発電装置本体を保持した枠体と、前記枠体が固定された梁部材とを備え、
前記発電装置本体が固定された枠体を前記梁部材に固定した状態で、前記発電装置本体が、前記梁部材により水路の落差工に吊り下げられて固定され、
前記取水胴の側面の上方端部に近い位置には、前記水路の上流側に突出する取水用通水路が設けられ、先端の開口部は前記水路の上流に対向して上流から流れる水を取り込む取水口となり前記落差工の上流側水路底面に達して載置され、他端の開口部は前記取水胴に開口し水を流し込む流入口となり、前記取水用通水路の、前記取水口と前記流入口の間には、前記落差工の下流側水路底面に向かって開口する調整口と、前記調整口を開閉自在に閉じる閉鎖板と、前記閉鎖板の開閉を行う開閉保持装置が設けられていることを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記閉鎖板は、前記調整口の前記取水口に近い縁部にヒンジ部材で片持ち状態で取り付けられ、前記ヒンジ部材と反対側の端部に、ワイヤロープが取り付けられ、前記閉鎖板は前記下流側水路底面に向かって開き、前記閉鎖板の開閉を行う前記開閉保持装置は、前記ワイヤロープを巻き取るリールと、前記リールを回すハンドルと、前記リールの回転を止めるストッパが設けられている請求項１記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、農業用又は工業用水路等の比較的流量や落差が小さい水路や河川に設置される小形の水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、農業用又は工業用水路等の用水路に設置される小形の水力発電装置があった。例えば、特許文献１に開示されている水力発電装置は、農業用水路等の落差工の下流側水路底面に枠体を設置し、その枠体に対して水車や水力発電装置等の発電装置を上方から着脱自在に設けられたものである。この水力発電装置は、反動型水車ランナーベーンに立軸構造の回転軸が取り付けられ、回転軸に伝達機構を介して発電機が接続されている。その他、特許文献２に開示されているように、水路の落差工の下流底面に矩形の貯水槽を設置し、貯水槽の下方に固定羽根を設け、その上方に発電ユニットを設置した水力発電装置の構成も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２０８８３号公報
【特許文献２】特開２００４−１２４８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記背景技術の場合、用水路の落差工の底面に水力発電装置とその固定構造物を施工する構造であり、施工工事が面倒であり工数のかかるものであった。しかも、用水路の落差工は、その地形の勾配により千差万別であり、水力発電に利用可能な用水の落差を一定に設定することができないため、設置する構造物の大きさを設置場所に合わせて設計し施工しなければならず、設計や施工に工数が掛るものであった。さらに、用水路に流れる水の流量も一定にならず、流量変化に対して柔軟に対応できないものであり、増水時の大流量により導水管等の損傷が生じ易いものであった。その他、発電装置本体の設置に際して、設置個所により、完成品の発電装置本体を搬入できない場合もあった。
【０００５】
この発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、設置する落差工の形状や落差にかかわらず設置が容易であり、用水路に流れる水の流量変化に対して柔軟に対応することができ効率よく発電する水力発電装置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】
【０００６】
本発明は、内側を水が上方から下方に向かって通過する取水胴と、前記取水胴の下方に同軸に設けられた水絞り部と、前記水絞り部の下方に設けられた回転スクリュウと、前記回転スクリュウに固定されたシャフトに連結された発電機とが設けられた発電装置本体を有し、前記発電装置本体を保持した枠体と、前記枠体が固定された梁部材とを備え、前記発電装置本体が固定された枠体を前記梁部材に固定した状態で、前記発電装置本体が、前記梁部材により水路の落差工に吊り下げられて固定されている水力発電装置である。前記取水胴の側面の上方端部に近い位置には、前記水路の上流側に突出する取水用通水路が設けられ、先端の開口部は前記水路の上流に対向して上流から流れる水を取り込む取水口となり前記落差工の上流側底面に達して載置され、他端の開口部は前記取水胴に開口し水を流し込む流入口となる。前記取水用通水路の、前記取水口と前記流入口の間には、前記落差工の下流側底面に向かって開口する調整口と、前記調整口を開閉自在に閉じる閉鎖板と、前記閉鎖板の開閉を行う開閉保持装置が設けられている。この水力発電装置は、前記水路の上流から流れる水の量が多い時に前記閉鎖板を開いて余分な水を前記落差工の下流側底面に落とし、残された適量の水を発電装置本体に流して発電する。
【０００７】
前記閉鎖板は、前記調整口の前記取水口に近い縁部にヒンジ部材で片持ち状態で取り付けられ、前記ヒンジ部材と反対側の端部に、ワイヤロープが取り付けられ、前記閉鎖板は前記下流側水路底面に向かって開き、前記閉鎖板の開閉を行う前記開閉保持装置は、前記ワイヤロープを巻き取るリールと、前記リールを回すハンドルと、前記リールの回転を止めるストッパが設けられている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の水力発電装置は、発電装置本体が梁部材に吊り下げられて水路に設置されるので、施工に際して落差工の底面等に構造物を設置することなく水力発電装置の設置が可能であり、きわめて施工性が良い。落差工の大きさに関わらず施工することができる。また、水路の上流から流れる水の量が多い場合や発電装置本体の点検時には、水力発電装置に流入する水の量を減らして適正な量にすることができ、安全性やメンテナンス性が良好である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の一実施形態の水力発電装置の部分破断正面図である。
【図２】この発明の一実施形態の水力発電装置の左側面図である。
【図３】この発明の一実施形態の水力発電装置の部分破断平面図である。
【図４】この発明の一実施形態の水力発電装置の部分破断斜視図である。
【図５】この発明の一実施形態の水力発電装置の流入口を示す概略図である。
【図６】この発明の一実施形態の水力発電装置の取水筒を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図６はこの発明の一実施形態を示すもので、この実施形態の水力発電装置１０は、農業用又は工業用等の比較的流量や落差が小さい水路１２に設けられ、水路１２の、底面に高低差がある落差工１４に取り付けるものである。水路１２の左右一対の岸部１２ａは、落差工１４の両脇では下流に向かって下がる方向に傾斜している。
【００１１】
水路１２の一対の岸部１２ａの外側には、水力発電装置１０を取り付ける土台１６が各々設けられている。土台１６は、水路１２の岸部１２ａに沿って設けられ、水路１２の流れ方向に対して直交する断面形状は上端部１６ａがほぼ水平な台形状であり、上端部１６ａは水路１２に沿う方向にもほぼ水平に設けられている。左右一対の土台１６の上端部１６ａに、鋼材製の一対の梁部材１８が設けられ、梁部材１８は水路１２の流れ方向にほぼ直角に交差して一対の上端部１６ａに架け渡されている。
【００１２】
梁部材１８には、矩形に組み立てられた金属製の枠体２０がボルトで固定され、枠体２０内には、円筒状の発電装置本体１１が取り付けられている。枠体２０は、一対の梁部材１８の間にわずかなゆとりを有して嵌合される矩形の上枠部２０ａと、上枠部２０ａと同形の下枠部２０ｂと、上枠部２０ａと下枠部２０ｂの角部どうしを連結する４本の縦枠部２０ｃにより構成されている。上枠部２０ａの互いに平行な一対の辺には、一対の梁部材１８の間隔よりも長い取付枠２１が各々設けられている。枠体２０は、取付枠２１が一対の梁部材１８の上面に架け渡されてボルトなどで固定されることにより取り付けられ、梁部材１８から縦枠部２０ｃが下垂して所定位置に下枠部２０ｂが達している。
【００１３】
枠体２０の上枠部２０ａには、長板状の取付板２４が設けられている。取付板２４は、枠体２０の上枠部２０ａの、水路１２の流れ方向に対して平行な一対の辺に架け渡されて固定されている。取付板２４の中心には透孔が設けられ上下に貫通する軸受７２が取り付けられている。取付板２４の上面には、増速機７６が設けられ、増速機７６の上方には発電機７８が設けられている。増速機７６と発電機７８の周囲にはハウジング８０がボルトで取付板２４に固定されて設けられ、増速機７６と発電機７８は、ハウジング８０により固定されている。発電機７８の回転軸は、継ぎ手部材７４を介して増速機７６の回転軸に連結され、増速機７６の回転軸は、継ぎ手部材７５を介してシャフト７０に連結されている。シャフト７０は長い円柱状の棒体であり、取付板２４の軸受７２に保持されて貫通し、取付板２４の下方に延出し、枠体２０の４本の縦枠部２０ｃの中心を通過して下枠部２０ｂの少し下方に達している。ハウジング８０の外側にはカバー部材８１が取り付けられ、増速機７６と発電機７８は、カバー部材８１で覆われている。
【００１４】
枠体２０の内側には、取水胴２８が固定されている。取水胴２８は、上下に開口する円筒形であり、上端部は枠体２０の縦枠部２０ｃの途中に固定され、下端部は枠体２０の下枠部２０ｂに固定されている。
【００１５】
取水胴２８の側面の上方端部に近い位置には、水路１２の上流側に突出する取水用通水路である取水筒３０が設けられている。取水筒３０は四角筒形であり、先端の開口部は水路１２の上流に対向して水路１２を流れる水を取り込む取水口３２となり、落差工１４の上流側水路底面１４ａに達し、載置されている。他方の開口部は取水胴２８の側面に開口し取水胴２８に水を取り入れる流入口３４となる。取水口３２と流入口３４の間には、落差工１４の下流側水路底面１４ｂに向かって開口する調整口３６が設けられている。
【００１６】
調整口３６は矩形であり、調整口３６には調整口３６を開閉自在に閉じる閉鎖板３８と、閉鎖板３８の開閉を行う開閉保持装置４２が設けられている。閉鎖板３８は、調整口３６の取水口３２に近い縁部は、ヒンジ部材４０で片持ち状態で取り付けられている。閉鎖板３８の、取水筒３０内周面に位置する面で、ヒンジ部材４０と反対側の端部の中心には、適度な強度を有するワイヤロープ４４が取り付けられている。
【００１７】
閉鎖板３８の開閉を行う開閉保持装置４２は、取水筒３０の上面３０ａに小形の枠体３１を介して固定されている。開閉保持装置４２は、ワイヤロープ４４を巻き取るリール４６と、リール４６を回すハンドル４８と、リール４６の回転を止めるストッパ４６ａが設けられている。ワイヤロープ４４をリール４６に巻き取って短くすると、閉鎖板３８は調整口３６を閉鎖し、リール４６を回してワイヤロープ４４を所定の長さとなるように繰り出してストッパ４６ａで係止すると、閉鎖板３８はヒンジ部材４０を中心に回転して下方に開き所定の開口面積で開き状態を維持する。取水筒３０の上面３０ａには、開閉保持装置４２の近傍にワイヤロープ４４が挿通される透孔が設けられ、ワイヤロープ４４はこの透孔を通過して取水筒３０の中に入り、閉鎖板３８の開閉端に設けられた取付部３８ａに取り付けられている。
【００１８】
取水胴２８の下端部には、水絞り部５０が連続して固定されている。水絞り部５０は、下方に向かって細くなる円筒円錐台部５２と、円筒円錐台部５２の下端部に連続し下方に延出する円筒部５４が一体に設けられ、円筒円錐台部５２側である上端部は、取水胴２８の下端部に固定されている。
【００１９】
水絞り部５０の円筒円錐台部５２の内側には、取水胴２８の中心軸上に位置する水絞りドラム５６が設けられている。水絞りドラム５６は、取水胴２８に対して平行な中心軸を有し下方に向かって直径が大きくなる円錐部５６ａと、円錐部５６ａの下端の大径部に連続し取水胴２８に対して平行で前記大径部の直径と等しい直径の円柱部５６ｂが設けられている。円柱部５６ｂの直径は円筒円錐台部５２の一番細い内径よりも小さく、所定の水流が得られる空間が空けられている。水絞りドラム５６の中心軸には、シャフト７０が挿通される挿通部５６ｃが貫通して設けられている。水絞りドラム５６の円柱部５６ｂの側周面には、固定ガイドベーン５８が設けられている。固定ガイドベーン５８は、円柱部５６ｂと円筒円錐台部５２の間の空間を円筒円錐台部５２の円周に沿って放射方向に区切る複数枚の矩形の板であり、各固定ガイドベーン５８の一方の側縁部は水絞りドラム５６の円柱部５６ｂに固定され、この側縁部に対向する側縁部は円筒円錐台部５２の内周面に固定され、その他の一対の側縁部は円筒円錐台部５２の内側に露出している。各固定ガイドベーン５８の取付角度は、円筒円錐台部５２の中心軸方向に対して下方へ向かって時計回りに湾曲するように傾斜し、傾斜する角度は、円筒円錐台部５２の中心軸方向に対して２０°〜３０°、好ましくは２５°〜３５°程度の範囲であり、後述する回転スクリュウ６０の羽根部６４の上面に対してほぼ直角に向くように設けられている。なおここで直角とは、９０°前後の８０°〜１００°の範囲の角度を含む。
【００２０】
水絞り部５０の、円筒部５４の内側には、回転スクリュウ６０が回転可能に設けられている。回転スクリュウ６０の回転面に垂直な軸部６２が設けられ、軸部６２の側周面には複数枚の羽根部６４が設けられている。各羽根部６４は、軸部６２の軸方向に対して下方へ向かって反時計周りに移動する螺旋状に設けられ、複数枚が互いに平行に設けられている。軸部６２の中心には軸方向に貫通する挿通孔が設けられ、シャフト７０の中間部は、この挿通孔に回転自在に貫通して取り付けられている。
【００２１】
水絞り部５０の下端部には、保持筒６５が連続して固定されている。保持筒６５は水絞り部５０の円筒部５４と同じ直径であり、挿通方向は短く設けられている。保持筒６５の内周面には保持筒６５の中心を通過する保持部６８が一体に架け渡されて設けられ、保持部６８の中心には軸受部材８２が設けられ、シャフト７０の下端部は軸受部材８２に軸止され保持されている。
【００２２】
保持筒６５の下端部には、導水管６６が連続して固定されている。導水管６６は保持筒６５と同じ直径であり、挿通方向は保持筒６５よりも長く設けられ、落差工１４の下流側水路底面１４ｂに向かって開口している。
【００２３】
次に、この実施形態の水力発電装置１０の設置方法について説明する。水力発電装置１０を取り付ける水路１２は農業用又は工業用等に作られた比較的流量や落差が小さいものであり、コンクリートで形成され、水力発電装置１０の設置に適した落差工１４の両側に土台１６を形成する。土台１６の一対の上端部１６ａに、梁部材１８を架け渡して固定し、梁部材１８に枠体２０を、予め組み付けられた発電装置本体１１とともに固定して設置する。設置に際しては、水力発電装置１０を、落差工１４のある水路１２の側方で図示しないクレーンにより吊り下げて、一対の土台１６の上端部１６ａに梁部材１８を架け渡し、位置合わせをして、固定する。このとき、一対の梁部材１８は水路１２の流れ方向に対して交差し、取水筒３０は水路１２の上流に向かって突出し、取水筒３０の調整口３６のヒンジ部材４０付近が落差工１４の角部に対向するように位置決めする。
【００２４】
なお、水路１２の落差工１４近傍にクレーンを持っていけない場合は、発電装置本体１１を分解して現場に搬入し、現場で組み立てて土台１６に梁部材１８を設置し、梁部材１８に、枠体２０を組み付けて吊り下げ状態とし、この後、取水胴２８、発電機７８等の各部品を順次枠体２０内に組み付けて施工してもよい。
【００２５】
次に、水力発電装置１０の動作について説明する。水路１２を流れてきた水は、取水筒３０の取水口３２から取り入れられて流入口３４を通過して取水胴２８に流れ込む。取水胴２８に流れ込んだ水は垂直に落下し、水絞りドラム５６と水絞り部５０により流路が絞られ流速が増し、固定ガイドベーン５８により水は複数カ所に分かれた流路となり、固定ガイドベーン５８の延長線上に沿って流れ落ちる。流れ落ちる位置は、回転スクリュウ６０の羽根部６４の、軸部６２から離れた端部付近であり、流れ落ちる角度は、羽根部６４の上面に対してほぼ垂直となる。そして、回転スクリュウ６０の羽根部６４に水が落下すると、羽根部６４が押されて羽根部６４が軸部６２を中心に、上方から見て時計回りに回転する。回転スクリュウ６０の回転に伴い、シャフト７０が回転し、発電機７８で発電される。回転スクリュウ６０を通過した水は、保持筒６５と導水管６６を通過して落差工１４の下流側水路底面１４ｂに流れる。
【００２６】
また、水路１２の上流から流れてくる水の量が多すぎる場合は、開閉保持装置４２のハンドル４８を回転させてワイヤロープ４４を繰り出し、調整口３６に取り付けられた閉鎖板３８を下方に開き、調整口３６から水の一部を落差工１４の下流側水路底面１４ｂに直接流し、取水胴２８には残りの適量の水を流して発電に使用する。ワイヤロープ４４の長さを調節して開口の大きさを任意の大きさにし、調整口３６から流す水の量を調整する。水量調節は、ストッパ４６ａによりリール４６の回転を止め、閉鎖板３８を任意の位置で固定し、調整口３６から流す水の量を維持する。また、水力発電装置１０のメンテナンスをするときは、閉鎖板３８を全開にして、水を全部落差工１４の下流側水路底面１４ｂに直接流し、取水胴２８に流れないようにする。
【００２７】
この実施形態の水力発電装置１０によれば、簡単な構造でコンパクトな形状であり、水のエネルギーを効率よく回転エネルギーに変えて発電することができる。構造が簡単なため、安価で移動が容易であり、手軽に設置して使用することができる。発電装置本体１１が枠体２０に固定されて梁部材１８に吊り下げられて水路１２に設置されるので、施工性が良好である。また、発電装置本体１１は小形であり、落差工１４の大きさに関わらず、発電装置本体１１を設置することができる。水路１２の落差工１４からほぼ垂直に落下する水の流れを、水絞り部５０により流速を速めて効率が良い方向に変えて、回転スクリュウ６０の羽根部６４の最適な場所に最適な角度で水を当てることができ、発電効率が良好となり、水路１２を流れる水の量が少ない時でも確実に発電することができる。
【００２８】
水路１２を流れる水の量が多い時は、開閉保持装置４２のハンドル４８を回転させてワイヤロープ４４を繰り出すという簡単な操作で、調整口３６に取り付けられた閉鎖板３８を開いて、調整口３６から水の一部を落差工１４の下流側水路底面１４ｂに直接流し、取水胴２８には残りの適量の水を流して発電に使用することができる。適量の水の流れを使用して発電するため、大量の水が勢いよく流れ込むことで発生する故障や不具合を防ぐことができ、安全性を高めることができる。発電装置本体１１のメンテナンスをするときは、閉鎖板３８を全開にして水を全部落差工１４の下流側水路底面１４ｂに直接流し、取水胴２８に流れないようにすることができ、容易にメンテナンスを行うことができる。
【００２９】
なお、この実施形態の水力発電装置１０は、水路１２への取り付けは梁部材１８で吊り下げる以外に他の方法でもよい。例えば、枠体２０の下枠部２０ｂに脚部を設け、脚部で水路１２の落差工１４の下流側水路底面１４ｂの底部に固定してもよい。これは落差が小さい場合、例えば３．５ｍ以下を対象としてものであり、脚部で下流側水路底面１４ｂに固定することにより安定して取り付けることができる。また、取水筒３０の長さや形状は、地形に合わせて変更可能である。例えば、水路１２の段差が大きく、水力発電装置１０よりも高い位置から長い距離の傾斜面を水が流れてくる場合は、長い取水筒３０を水路１２の傾斜に沿って斜め上方に延出させて設け、上流で取水口３２から水を取り込んで取水筒３０の中を流して取水胴２８に流入させてもよい。これは落差が大きい場合、例えば５ｍ以上を対象としたものであり、水を確実に取水して効率よく発電に使用することができる。さらに、取水用通水路である取水筒３０は、上面が開口した水路でも良く、上流側の水流を取水胴に流し込むことができる流路であればよい。
【００３０】
なお、この発明の水力発電装置は、上記実施形態に限定されず、枠体の形状は適宜設定可能なものであり、吊り下げる梁部材の形状も適宜選択可能なものである。調整口の形状や閉鎖板、開閉保持装置の構造は、上記実施形態以外でもよく、確実に調整口の開閉を行い、水の重量に耐えて任意の開口の大きさを維持するものであればよい。モータ等で閉鎖板を開閉してもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  水力発電装置
１１  発電装置本体
１２  水路
１４  落差工
１４ａ  上流側水路底面
１４ｂ  下流側水路底面
１６  土台
１８  梁部材
２０  枠体
２８  取水胴
３０  取水筒
３２  取水口
３４  流入口
３６  調整口
３８  閉鎖板
４０  ヒンジ部材
４２  開閉保持装置
４４  ワイヤロープ
４６  リール
４８  ハンドル
５０  水絞り部
５６  水絞りドラム
５８  固定ガイドベーン
６０  回転スクリュウ
６６  導水管
７０  シャフト
７８  発電機
【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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