(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングを貫通して設けられた流路部を通る水の流れの力で羽根車を回転させ、羽根車から発電機に駆動力を伝えて発電を行う水力発電装置において、
前記ケーシング、及び当該ケーシング内側の流路部に回転中心軸を水の流れ方向と略直角となる向きとして配設される前記羽根車を少なくとも有して、所定の水路内における水路底部近傍に配設される水車部と、
前記発電機、及び当該発電機が取り付けられる支持部材を少なくとも有する、発電部と、
前記水車部のケーシングと発電部の支持部材とにそれぞれ連結されて配設され、前記水車部から上方に離れた所定箇所に発電部を位置させる中間連結体と、
前記水車部と発電部との間に回転可能に支持されて配設され、水車部の羽根車から発電部の発電機に駆動力を伝達する中間伝達軸と、
前記水路における前記水車部の流路部流入口位置での横断面の、少なくとも水車部と発電部との間の所定高さ位置より下側の領域で、且つ流路部流入口の範囲を除いた領域を、水路のより上流側部分に対し水密状態で閉塞する遮水壁部と、
前記水車部と発電部との間の前記中間伝達軸を取り囲んで、当該中間伝達軸のある内側中空部分への水以外の異物の進入を阻止可能な、中空の軸カバー部とを備え、
前記水路が、水路幅に対する水路深さが大きく設定され、且つ水量の変化が大きく水路内水位の変化も大きい開水路であり、
前記中間連結体が、前記水路の最大流量における水位より上側に前記発電部の発電機を位置させられる上下方向の大きさを有する部材で形成され、
前記遮水壁部が、前記水車部の流路部流入口の直上位置で、且つ前記水車部と発電部との間における所定高さ位置に、水が通過可能な開口部を設けられ、
前記軸カバー部が、周囲に空間を配置されて、前記遮水壁部と離隔させて配設され、
水路における水位が前記遮水壁部の開口部に達すると、開口部から水が溢流し、溢流した水は前記水車部と発電部の間で且つ軸カバー部の周囲の空間部分を通じて下流側に達することを
特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載の水力発電装置において、
前記中間連結体が、中空の略柱状に形成されて前記水車部と発電部との間に配設され、前記軸カバー部を兼ねることを
特徴とする水力発電装置。
【請求項３】
前記請求項１に記載の水力発電装置において、
前記遮水壁部が、少なくとも一部を前記発電部の支持部材に連結されて発電部を支持すると共に、下部を前記水車部のケーシングに連結されて、前記中間連結体を兼ねることを
特徴とする水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小規模の水路内に設けられて、流れる水により回転する羽根車で発電機を駆動する水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電は、これまで、ダムによる貯水等で得られる大量の水の落差を利用して発電を行う大規模のものが主流であった。しかしながら、従来、水力発電の適用対象外とされてきた、流れる水量の少ない小規模の河川や水路においても、近年、再生可能エネルギーへの注目の高まりを受け、こうした小規模の河川や水路に対応した、小型の水車を用いた水力発電装置が設置、活用されるようになっている。
【０００３】
こうした小型の水力発電装置としては、水車、すなわち羽根車の中心に位置する羽根車軸を垂直に支持し、流れる水の中に羽根車を位置させる一方、発電機や、羽根車軸から発電機まで駆動力を伝達する機構は、保守性等を考慮して水上に配設する、立軸形の構造を採用したものが増えている。このような水力発電装置の例として、特開２００７−１７７７９７号公報に開示されるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７７７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の水力発電装置は前記特許文献に例示される構成を有しており、このような小型の水力発電装置の使用に際しては、これを設置される水路が降水量の季節変化などに起因する水量の自然変動を生じるものである場合、発電出力に対するこうした水量の自然変動の影響を緩和するため、水路における水力発電装置の周囲を堰き止め、水路の水が原則として水力発電装置の内部水路を一旦通過するようにして、水力発電装置の前後に水位差を生じさせ、羽根車に達する水量を安定化すると共に、水力発電装置で水の落差分のエネルギーも用いるようにするのが一般的である。
【０００６】
水量の自然変動のある水路では、水路を流れて水力発電装置及びその周囲の堰き止め部に達する水量が、水力発電装置を通過可能な水量より増えることもあり得るため、水力発電装置より上流側の水位が過剰に高くなってあふれ出し、発電装置やその周囲に悪影響を与えないよう、水路の余分な水は発電装置周囲の堰き止め部における所定箇所で下流側へ溢流させるのが一般的である。こうした堰き止め部の溢流箇所については、従来の小型の水力発電装置の場合、発電機に水がかからないように発電機との位置関係を適切に設定する必要がある。
【０００７】
ここで、前記特許文献に示されるような小型の水力発電装置を、自然変動による水量の変化が大きい水路に適用することを考えると、従来同様に発電装置の設置位置を水路の底近くの低い位置とした場合、水路の大きさに比べて発電装置が小さいと、発電機に影響を与えない程度に低い溢流箇所から水が下流側に溢流しやすいことで、水路の水量が多い時でも装置前面側の水位が高くならず、水路における水の落差を発電において有効活用できないという問題がある。またこの場合、水路の水量が多い時には溢流する水量も多くなるため、堰き止め部より下流側の水位が上昇して、発電機が水に浸かる危険性も生じる。
【０００８】
この他、水路の水量が多くなった時に対応させて、小型の水力発電装置の設置位置を、水量が多くなり水路内の水位が高くなった場合でも発電機が水に浸かることのない程度に、水路の底から離れた高所とすることもできる。しかしながら、発電装置を高い位置に設置すると、装置前面側の水面位置と羽根車の位置が近くなるため、水路を堰き止めて生じさせた高い水位が、羽根車位置までの水の落差を大きくすることにつながらず、高水位を発電に有効利用できないことに加え、仮に水量の変動で水路の水位が極端に低くなった際には、装置設置位置を高くしたことで、発電装置の内部水路入口より水位が下となることも起こり得、発電装置の羽根車に水を導入できず、発電を行えない事態に陥る危険性がある。
【０００９】
これらを考慮すると、発電装置は水路の変化する水量のうち最大量に合わせた大きさとして用いるのが望ましく、水路での最大の水量時の水位に合わせて、水力発電装置を大型化すれば、水位の変化にも問題なく対応でき、水量が多い時に水を無駄なく発電に利用できると共に、発電機に水が接触することも防止できることとなる。しかしながら、前記特許文献に示されるような小型の水力発電装置をその構造はそのままに単純に大型化する場合、コストのかかる主要部品である羽根車や発電機もそのまま大型化することになるため、装置全体のコストが著しく上昇してしまうという課題を有していた。また、水路の水量が少なくなった際には、水が大型化した羽根車を十分に駆動させられず、発電装置が小型の場合と比べて発電効率の低下が避けられないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は前記課題を解消するためになされたもので、水量の変化が大きく最大水量時の水位が高くなる水路に対し、羽根車及び発電機を適切に配置して、羽根車と発電機双方の大型化を避けつつ、水路の水量変化に関わりなく効率よく発電を行え、且つ、発電機と水との接触も防止でき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】
【００１１】
本発明に係る水力発電装置は、ケーシングを貫通して設けられた流路部を通る水の流れの力で羽根車を回転させ、羽根車から発電機に駆動力を伝えて発電を行う水力発電装置において、前記ケーシング、及び当該ケーシング内側の流路部に回転中心軸を水の流れ方向と略直角となる向きとして配設される前記羽根車を少なくとも有して、所定の水路内における水路底部近傍に配設される水車部と、前記発電機、及び当該発電機が取り付けられる支持部材を少なくとも有する、発電部と、前記水車部のケーシングと発電部の支持部材とにそれぞれ連結されて配設され、前記水車部から上方に離れた所定箇所に発電部を位置させる中間連結体と、前記水車部と発電部との間に回転可能に支持されて配設され、水車部の羽根車から発電部の発電機に駆動力を伝達する中間伝達軸と、前記水路における前記水車部の流路部流入口位置での横断面の、少なくとも水車部と発電部との間の所定高さ位置より下側の領域で、且つ流路部流入口の範囲を除いた領域を、水路のより上流側部分に対し水密状態で閉塞する遮水壁部と、前記水車部と発電部との間の前記中間伝達軸を取り囲んで、当該中間伝達軸のある内側中空部分への水以外の異物の進入を阻止可能な、中空の軸カバー部とを備え、前記水路が、水路幅に対する水路深さが大きく設定され、且つ水量の変化が大きく水路内水位の変化も大きい開水路であり、前記中間連結体が、前記水路の最大流量における水位より上側に前記発電部の発電機を位置させられる上下方向の大きさを有する部材で形成され、前記遮水壁部が、前記水車部の流路部流入口の直上位置で、且つ前記水車部と発電部との間における所定高さ位置に、水が通過可能な開口部を設けられ、前記軸カバー部が、周囲に空間を配置されて、前記遮水壁部と離隔させて配設され、水路における水位が前記遮水壁部の開口部に達すると、開口部から水が溢流し、溢流した水は前記水車部と発電部の間で且つ軸カバー部の周囲の空間部分を通じて下流側に達するものである。
【００１２】
このように本発明によれば、羽根車を有する水車部と発電機を有する発電部とにそれぞれ連結する中間連結体を設けると共に、水車部の流路部流入口周囲に遮水壁部を設けて水路を一部閉塞し、水路の底部に近い位置に配置した水車部では水路の水量によらず水を羽根車に十分に到達可能とする一方、水路の最大流量時の水位より高い位置に発電機を配置して、発電機に水がかかりにくい状態とすることにより、水路を流れる水量が十分多く流路部流入口位置における水位が高くなった場合に、発電機に水が達しない状態を維持しつつ、大量の水とその十分な落差で羽根車を効率よく回転させられる。逆に、水路を流れる水量が少なく、装置上流側における水位が低くなった場合でも、水路の底部に近い位置の羽根車に問題なく水が到達して、羽根車を回転させられ、水位変化に関わりなく水で羽根車を適切に回転させて発電を有効に行える。
【００１３】
また、中間連結体が水車部と発電部とを離隔状態で一体に連結すると共に、中間伝達軸を介して羽根車から発電機に駆動力を伝えるようにすることで、中間連結体と中間伝達軸の大きさを適宜変化させれば、仮に水車部や発電部の大きさが一定でも様々な水路に対応可能な発電装置を製造でき、発電装置の製造に用いる水車部と発電部の種類を減らして汎用性を高められ、さらに水車部や発電部を少品種の大量生産により低コスト化可能なものにすれば、発電装置のコストを大幅に抑制できる。
【００１５】
加えて、水車部と発電部との間に中間伝達軸を覆う中空のカバー部を設け、中間伝達軸を外部から隔てることにより、水車部と発電部との間に溢流した水が通る場合に、水の中に異物があったとしても、カバー部がこれら水中の異物と中間伝達軸との衝突を防いで中間伝達軸の回転に支障を与えないようにすることができ、中間伝達軸で発電機に安定して回転を伝えられ、発電を問題なく行える。また、カバー部で中間伝達軸に異物を接触させないことから、水に異物が含まれていても問題なく、遮水壁部の溢流部分に異物防止用のスクリーン等を別途設ける必要もなく、スクリーン等への異物の集積が生じたりせず、メンテナンスの機会を減らせると共に、溢流部分への水のスムーズな流れを確保でき、水路の水位を適切な状態に維持して、安定した発電を行える。
【００１６】
また、本発明に係る水力発電装置は必要に応じて、前記中間連結体が、中空の略柱状に形成されて前記水車部と発電部との間に配設され、前記軸カバー部を兼ねるものである。
【００１７】
このように本発明によれば、中間連結体が中間伝達軸を覆う中空略柱状体とされて軸カバー部を兼ね、中間連結体が水車部と発電部との連結を維持しつつ中間伝達軸を外部から隔てることにより、水車部と発電部との間に溢流した水が通る場合に、中間連結体が水中の異物と中間伝達軸との衝突を防ぐことができ、発電部を適切に支持すると共に中間伝達軸の回転に支障を与えない構造が、中間連結体を用いて簡略に実現することとなり、発電装置全体のコストを抑えられる。
【００１８】
また、本発明に係る水力発電装置は必要に応じて、前記遮水壁部が、少なくとも一部を前記発電部の支持部材に連結されて発電部を支持すると共に、下部を前記水車部のケーシングに連結されて、前記中間連結体を兼ねるものである。
【００１９】
このように本発明によれば、遮水壁部が水車部と発電部との連結を維持して中間連結体を兼ね、遮水壁部で発電部を水車部から十分離隔した適切な位置に支持することにより、水車部と発電部の位置をそれぞれ保持して発電機に水がかからないようにする構造が、遮水壁部を用いて簡略に得られることとなり、発電装置全体のコストを抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る水力発電装置の正面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る水力発電装置の背面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る水力発電装置の右側面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における要部の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における通常水量時の水通過状態説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における水量増加時の水通過状態説明図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における流量調整状態の正面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る水力発電装置の概略斜視図である。
【図９】本発明の別の実施形態に係る水力発電装置の概略斜視図である。
【図１０】本発明のさらに別の実施形態に係る水力発電装置の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態に係る水力発電装置を前記図１ないし図７に基づいて説明する。
前記各図において本実施形態に係る水力発電装置１は、ケーシング１１及び羽根車１２を有して、水路９０内に配設される水車部１０と、発電機２１及びこの発電機の支持部材２２を有する発電部２０と、水車部１０と発電部２０とにそれぞれ連結されて配設される中間連結体３０と、水車部１０と発電部２０との間に回転可能に支持されて配設される中間伝達軸４０と、水車部１０の流路部流入口位置での水路９０横断面における所定領域を水路のより上流側部分に対し水密状態で閉塞する遮水壁部５０とを備える構成である。この水力発電装置１は、ケーシング１１の流路部１３を通る水の流れの力で羽根車１２を回転させ、羽根車１２から発電機２１に駆動力を伝えて発電を行うものである。
【００２２】
本実施形態の水力発電装置１が設けられる水路９０は、水路幅に対する水路深さが比較的大きく設定された水路で、且つ、水量の自然変動が大きく、水路内水位の変化も大きくなる水路であり、例えば、河川の堰等において魚道に付随する呼び水水路（魚道の流量が少ない場合、水の流れてくる方向に進もうとする性質のある魚を魚道に誘導するため、魚道脇に設けられて呼び水となる所定水量の水が流れる、魚道とは別の水路）などの水路が挙げられる。
【００２３】
前記水車部１０は、内側の流路部１３を取り囲む略箱状体として形成されるケーシング１１と、このケーシング１１内側の流路部１３に回転中心軸を水の流れ方向と略直角となる向きとして配設されるクロスフロー型の羽根車１２とを有して、水路９０内における底部近くに、ケーシング１１が一部又は全部水中に没した状態で配設される構成である。
【００２４】
この水車部１０は、ケーシング１１内の羽根車１２の回転中心軸が垂直向きとなっている立軸形であり、水の流れ方向に対し直交する横方向に羽根車１２を二つ並べた構造を有する。この水車部１０の水路９０内への設置状態において、ケーシング１１を前後に貫通する流路部１３に水が流れることで、二つ並んだ羽根車１２が水流を受けてそれぞれ回転する。
【００２５】
水は、ケーシング１１の流路部１３における前面側の開口（流入口１３ａ）から流入して、二つの羽根車１２をそれぞれ回転させた後、ケーシング１１の後面側の開口（流出口１３ｂ）から出ていくこととなる。
【００２６】
ケーシング１１の流路部１３における流入口近傍には、開口端からケーシング内側へ向かって徐々に流路を狭めて水の流速を増大させつつ、水を流路部１３中央に案内する縮小流路を生じさせる、上側案内板１７、下側案内板１８、及び左右の横案内板１９がそれぞれ流路部１３の上下左右の所定範囲に設けられる。これら各案内板が、横に並んだ二つの羽根車１２に対し、水の流れ方向のより上流側に位置する配置となって、一種のガイドベーンの役割を果している。
【００２７】
前記羽根車１２は、細長い板状の羽根をその長手方向が回転中心軸方向と平行になるようにして中心軸周りに多数配設されるクロスフロー型とされ、ケーシング１１内側の流路部１３に、その回転中心軸を水の流れ方向と略直角となる垂直向きとして配設される構成である。
【００２８】
そして、この羽根車１２の回転中心となる位置を貫通するようにして、羽根車軸１５が羽根車１２と一体に固定配設され、この羽根車軸１５が軸受を介してケーシング１１に支持されることで、羽根車１２はケーシング１１内側の流路部１３で回転可能とされる仕組みである。そして、羽根車軸１５は、水車部１０と発電部２０との間の中間連結体３０内で、中間伝達軸４０と連結されており、羽根車１２と羽根車軸１５、並びに中間伝達軸４０が一体に回転することとなる。
また、羽根車１２の外側近傍には、湾曲面を有する略板状体で形成される流量調整部１６が、羽根車１２の回転中心軸と同じ軸を中心として傾動可能に配設される。
【００２９】
前記流量調整部１６は、羽根車１２の回転作動する範囲の最外周部をなす仮想略円筒面に沿う湾曲面を有する略板状体で形成される構成である。この流量調整部１６は、外部から回転力を伝達されて傾動することにより、横案内板１９に覆われる流路部１３前面側の外方寄り位置から、羽根車１２の流路部１３中央に位置する部位までの範囲で移動し、流路部１３における最小断面積部分の開口幅を定義し、流路部１３を通過する水の流量及び水の羽根車１２内への流れ込み具合を調整できる仕組みである。
【００３０】
例えば、水路９０における水の流量が少ない場合、流量調整部１６を流路部中央、すなわち内方に傾動させ、流量調整部１６により流路部１３を閉じる範囲を大きくして、流量調整部１６のある流路部１３における最小断面積部分の開口幅を狭くすることで、流路部１３を通過する単位時間あたりの流量を制限して、水路９０の発電装置前面位置での水位を過度に下げないようにすることができる。
【００３１】
前記発電部２０は、発電機２１と、この発電機２１が取り付けられる略台状の支持部材２２とを有し、中間連結体３０に支持されて水車部１０から上方に離れた所定箇所に配設される構成である。この発電部２０では、水車部１０の各羽根車１２でそれぞれ駆動される発電機２１が横に二つ並べて設けられる。
【００３２】
羽根車１２を回転させた駆動力は、羽根車１２と一体に回転する中間伝達軸４０を介して発電部２０側に伝えられ、発電機２１には、中間伝達軸４０から直接、あるいは、ベルト等の伝動手段や減速又は増速機構を介して伝達される。この駆動力で各発電機２１を作動させ、発電を行う仕組みである。
【００３３】
水路９０における水位が上昇して、溢流した水が水車部１０の流路部１３以外の空間部分にも流れるような状況においても、この発電部２０の発電機２１は、水路９０にあらかじめ設定されている最大水位より上方となる位置に中間連結体３０で支持されて配設されていることで、水路９０内の水との接触が起こりにくい状態となっている。
【００３４】
前記中間連結体３０は、中空の略柱状体として形成され、水車部１０のケーシング１１と発電部２０の支持部材２２とにそれぞれ連結されて、水車部１０と発電部２０との間に介在する配置として配設され、水車部１０から上方に離れた所定箇所に発電部２０を位置させる構成である。そして、この中間連結体３０は、その上下方向の大きさにより、水路９０の最大流量における水位より上側に発電部２０の発電機２１を位置させることとなる。
【００３５】
また、中間連結体３０は、水車部１０と発電部２０との間で、これら水車部１０と発電部２０との離隔状態を維持しつつこれらを一体化する一方、水車部１０と発電部２０との間の中間伝達軸４０を中間連結体３０の中空部分に位置させるように配設されて、一種の軸カバー部として中間伝達軸４０を取り囲み、この中間伝達軸４０のある中空部分への水以外の異物の進入を阻止可能とされる。
【００３６】
前記遮水壁部５０は、略板状体として形成されて、水車部１０の流路部１３流入口位置で、下部を水車部１０のケーシング１１に取り付けられると共に上部を発電部２０の支持部材２２に取り付けられて、水路９０における水の流れ方向と直交して水路９０を横断する向きで、水路９０内に配設される構成である。
【００３７】
遮水壁部５０の、中間連結体３０の前面側（水の流れ方向の上流側）となる水路横断方向中央部で、且つ水車部１０と発電部２０との間における所定高さ位置には、水が通過可能な開口部５１が設けられ、また、水車部１０における流路部１３の流入口１３ａと重なる範囲も開口部分とされる構成である。こうして、遮水壁部５０は、開口部５１並びに流路部１３の流入口１３ａの範囲を除いた水路９０の底部寄り所定領域を、水路９０のより上流側部分に対し水密状態で閉塞する。そして、水力発電装置１における水車部１０と発電部２０との間の、中間連結体３０のある領域の前面側は、上部の開口部５１を除いて遮水壁部５０で覆われることとなる。
【００３８】
水路９０における水位が開口部５１より下であれば、流路部１３以外における水路下流側への水の通過を遮水壁部５０で規制できる仕組みであり、例えば、水路９０における水の流量が季節変化で少なくなる場合でも、水路における水力発電装置の前面位置と後面位置に所定の水位差を生じさせられ、水車部１０における流路部１３に適量の水が流れ、羽根車を回転させられることとなる。一方、水路９０における水位が開口部５１に達すると、開口部５１から水が溢流して上流側の水位が維持される仕組みである。
【００３９】
遮水壁部５０の開口部５１は、水車部１０と発電部２０間の、中間連結体３０を除いた空間部分に連通しており、水路９０の水が開口部５１から溢流する場合、開口部５１の下縁部を越えた水は、左右の中間連結体３０の各周囲を通って発電装置下流側に達する。
【００４０】
なお、遮水壁部５０においては、開口部５１が水車部１０と発電部２０との間の高さ範囲に設けられていれば、開口部５１の上方を含む遮水壁部上縁部が水車部１０と発電部２０との間の範囲より高い、すなわち、発電部２０以上の高さに位置していてもかまわない。
【００４１】
この他、遮水壁部５０の水を溢流させる箇所としては、開口部を設けない代わりに、遮水壁部５０上縁部のいずれかの部位を、水車部１０と発電部２０との間の高さ範囲に位置させるようにしてもよく、水路９０の大きさに伴い遮水壁部５０が水路横断方向に発電部２０を上回る大きさを有するものであれば、溢流させる箇所は発電部２０の下側から外れた側方の部位としてもかまわない。遮水壁部上縁部のうち水を溢流させる箇所として形成された部位以外の各部は、より高くしてもよく、発電部２０以上の高さに位置させることもできる。
【００４２】
本実施形態の水力発電装置では、中間連結体３０を設けることで装置設計の自由度が増すこととなる。すなわち、水路９０の水量や水位変化の大きさに合わせて、全体形状が大型の発電装置を適用しようとする場合に、単純に水車部や発電部を含む全体構造を一様に大型化したものを用いるのではなく、水車部１０は多種の装置間で共通化して種類を減らした中から、最適なものを選択するようにし、また、発電部２０の発電機２１は水量（落差）と羽根車１２との関係で導かれる予想出力に見合った汎用の製品を用いるようにする。そして、水路の水量と生じ得る水位に合わせて中間連結体３０を水車部１０と発電部２０間に介在させるようにすることで、全体として異なる大きさの発電装置が得られ、水路に応じて適切な発電が行える状態と発電機２１を水から離隔した状態を確保できる。多種多様な発電装置を提供するにあたり、共通した水車部を採用することで、水車部の少品種大量生産が可能となり、水車部のコストを抑制できる。さらに、発電機を汎用製品とすれば、選択の自由度が高く、条件に応じたものを適宜選択できるだけでなく、導入コストも抑えられる。こうして、装置全体として、水路等の状況に合わせて製作するのを、単純構造の中間連結体や遮水壁部のみとすることで、発電装置のコストの低減が図れることとなる。
【００４３】
次に、前記構成に基づく水力発電装置における発電時状態について説明する。前提として、水路９０における水力発電装置１の前面側周囲は遮水壁部５０で堰き止められて、水路９０の装置前面位置での水位が装置後面位置での水位より高い状態が生じるようにされているものとする。
【００４４】
水力発電装置１の通常の使用状態では、水路９０における装置前面位置の水位は、水力発電装置の流入口１３ａより上側に位置し、また、装置後面位置の水位は、流出口１３ｂ上縁より下側に位置しており（図５参照）、水路９０を流れる水が、遮水壁部５０での堰き止めを受けて、流入口１３ａ側から水車部１０におけるケーシング１１の流路部１３に流入し、各案内板間を通過して羽根車１２に達する。この水の、水路９０の装置前後における水位の差に基づく流れの作用で羽根車１２が回転する。この羽根車１２を回転させる駆動力が、羽根車軸１５及び中間伝達軸４０等を介して上方の発電部２０側に伝えられて発電機２１が作動し、発電が行われる。
【００４５】
こうして発電が行われる中、水路９０における水量の増加に基づいて装置前面位置で水位の上昇が生じ、水が遮水壁部５０上方の開口部５１下縁部を越える場合（図６参照）には、水の開口部５１からの溢流により水位が保持され、水位が過剰に上昇するのを抑えられる。溢流した水は水車部１０と発電部２０の間で且つ左右の中間連結体３０周囲の空間部分を通じて下流側に達するが、この溢流が発電機２１より下側で生じるため、水が発電機２１に達することはなく、発電機２１の作動に溢流した水の影響は及ばない。
【００４６】
水が水車部１０と発電部２０の間の空間部分を通過する際、中間伝達軸４０の近くを流れるものの、中間伝達軸４０は中間連結体３０の中空部分に収容された状態となっていることから、水の中に異物が含まれる場合でも、こうした異物が中間伝達軸４０に接触するようなことはなく、中間伝達軸４０の回転は妨げられることなく継続して、駆動力を発電部２０側へ問題なく伝達できる。
【００４７】
また水中の異物を流路部１３の直上の開口部５１を通じて下流側へ流して排除できることから、通常スクリーンが設けられる流路部１３前面側において、スクリーン前面に異物が滞留する状態になりにくい。すなわち、スクリーン前面には通常異物が滞留して流路部１３への水の流入に悪影響を与えるが、こうした異物を、流路部１３の上方で水が溢流する際に水と一緒に開口部５１を通過させられることとなり、こうした異物の滞留状態を緩和できる
【００４８】
なお、水車部１０の流路部１３において、水が羽根車１２を回転させながら流れて、そのまま流路部１３を通過しても、水路９０の装置前面位置での水位変化がほとんど生じない場合は、流量調整部１６を必要に応じ傾動させ、流路部１３におけるより外方に位置させるようにする。これにより、流路部１３に流入した水は、羽根車１２の流量調整部１６で覆われず開放されている前面部分に到達、進入でき、羽根車１２に力を与えてこれをスムーズに回転させることができる。
【００４９】
これに対し、水路９０を流れる水の流量が少なくなり、水がそのまま流路部１３を通過すると、装置前面位置での水位が下がり、水の落差も小さくなるような場合には、流量調整部１６を流路部１３の内方に傾動させて、流量調整部１６をより流路部中央に近付ける（図７参照）。これにより、流路部１３における二つの流量調整部１６の間の最小開口断面積部分は、流量調整部１６の傾動前より小さくなって、これを通過できる水の流量も減ることとなる。
【００５０】
こうして、流路部１３における水の下流側への移動を抑えられることで、装置前面位置の水位が過剰に低下するのを阻止できる。そして、水位の低下を抑えて水の落差を確保することで、流路部１３に流入して羽根車１２の流量調整部１６に覆われていない部分に到達した水は、水のエネルギーで確実に羽根車１２を回転させられ、無理なく発電を行える。
【００５１】
このように、本実施形態に係る水力発電装置においては、水車部１０と発電部２０とにそれぞれ連結する中間連結体３０を設けると共に、水車部１０の流路部流入口周囲に遮水壁部５０を設けて水路を一部閉塞し、水路の底部に近い位置に配置した水車部１０では水路の水量によらず水を羽根車１２に十分に到達可能とする一方、水路の最大流量時の水位より高い位置に発電機２１を配置して、発電機２１に水がかかりにくい状態とすることにより、水路を流れる水量が十分多く流路部流入口位置における水位が高くなった場合に、発電機２１に水が達しない状態を維持しつつ、大量の水とその十分な落差で羽根車１２を効率よく回転させられる。逆に、水路を流れる水量が少なく、装置上流側における水位が低くなった場合でも、水路の底部に近い位置の羽根車１２に問題なく水が到達して、羽根車１２を回転させられ、水位変化に関わりなく水で羽根車１２を適切に回転させて発電を有効に行える。また、中間連結体３０が水車部１０と発電部２０とを離隔状態で一体に連結すると共に、中間伝達軸４０を介して羽根車１２から発電機２１に駆動力を伝えるようにすることで、中間連結体３０と中間伝達軸４０の大きさを適宜変化させれば、水車部１０や発電部２０を変えることなく様々な水路に対応可能な発電装置を製造できる。
【００５２】
なお、前記実施形態に係る水力発電装置において、水車部１０と発電部との間に位置する中間連結体３０は中空の略柱状体とされて中間伝達軸４０を覆い、中間伝達軸４０への水中の異物の接触を防げる構成としているが、これに限らず、図８に示すように、中間連結体３１が水車部１０と発電部２０とを連結するのみで、中間伝達軸４０を覆わない簡略な形状とされる一方、中間伝達軸４０を覆うカバー部４１が別途設けられる構成とすることもできる。この場合、中間伝達軸４０を覆うカバー部４１は、発電部２０の荷重を一切支持せず、水中の異物との接触で変形、破損しない程度の必要最小限の強度とし、中間連結体より強度を下げることで部材としてのコストを抑えるのが好ましい。
【００５３】
また、前記実施形態に係る水力発電装置においては、中間連結体３０を中空の略柱状体として水車部１０と発電部２０との間に設ける構成としているが、これに限らず、図９に示すように、中間連結体３２を水車部１０と発電部２０との間から外れた箇所、例えば水車部１０と発電部２０との間の領域の側方となる箇所に設けて、羽根車１０と発電機２０を連結支持させる構成とすることもできる。この場合も、中間伝達軸４０の周囲には別途カバー部４１を設けて異物と接触しないようにするのが好ましい。この他、遮水壁部を一定の強度を有する部材とした上で水車部１０と発電部２０とに連結し、発電部２０の荷重の一部を遮水壁部でも負担するようにして、発電部２０の支持を中間連結体と遮水壁部とで分担する構造とすることもでき、支持力を分散することで、中間連結体としてより強度を抑えた低コストの部材を用いることができ、装置の製造コスト低減が図れる。
【００５４】
また、中間連結体として水車部１０と発電部２０とを連結する独立した部材を設けるのに代えて、図１０に示すように、装置の前面側に設ける遮水壁部５５の上部を発電部２０の支持部材２２と、下部を水車部１０とそれぞれ連結して水車部１０と発電部２０とを一体に連結させると共に、遮水壁部５５を、発電部２０を支持可能な強度のある構造として、遮水壁部５５を中間連結体としても用いる構成とすることもでき、部品点数を減らして装置全体のコストを抑えられることとなる。この場合も、中間伝達軸４０は別途設けたカバー部４１で覆われるようにして、異物と接触しないようにするのが好ましい。
【００５５】
また、前記実施形態に係る水力発電装置において、水車部１０はケーシング１１内に羽根車１２を二つ設け、これに合わせて発電部２０も発電機２１を二つ設ける構成としているが、これに限らず、水車部のケーシング内に羽根車を一つのみ設けると共に、発電部も前記羽根車で駆動される一つの発電機のみ設ける構成とすることもできる。羽根車を一つとすることで、水車部を小型化できると共に、少ない水量でも羽根車を効率よく回転させられ、こうして羽根車を一つとしたものを、選択使用可能な複数種類の水車部のうちの一つとして選択できるようにすれば、発電装置を適用可能な水路をさらに増やせることとなる。
【００５６】
さらに、前記実施形態に係る水力発電装置において、発電部２０は、支持部材２２上に二つの発電機２１を視認可能な状態で配設する構成としているが、これに限らず、箱状に形成した支持部材の内部スペースに発電機を収納して発電機を支持部材で保護しつつ支持する構成とすることもできる。この場合、発電機をはじめ、減速機等の発電機と共に用いる伝動機構や電気系統への、周囲からの影響、例えば、降水や、塵、生物との接触等による損傷や電気的不具合を回避できる。こうした発電部のレイアウトについては、河川や用水路をはじめとする発電装置の設置箇所の状況や発電機の形状等に応じて、適宜選択できる。
【符号の説明】
【００５７】
１                水力発電装置
１０              水車部
１１              ケーシング
１２              羽根車
１３              流路部
１３ａ            流入口
１３ｂ            流出口
１５              羽根車軸
１６              流量調整部
１７              上側案内板
１８              下側案内板
１９              横案内板
２０              発電部
２１              発電機
２２              支持部材
３０、３１、３２  中間連結体
４０              中間伝達軸
４１              カバー部
５０、５５        遮水壁部
５１              開口部
９０              水路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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