(57)【要約】【課題】水の落差が小さくても、水車ロータを効率よく回転させて、発電効率を向上させうるようにした安価な落差式水力発電装置を提供する。【解決手段】落差を利用して貯水槽２の貯留水を流出させる導水管３に設けられた発電ユニット４を、導水管内に配設されたロータ支持ケース９と、ロータ支持ケースに支持されたロータ軸１６と、ロータ軸に連係されて発電する発電機１４と、ロータ軸の下流側の端部に取付けられた複数のブレード１８よりなる水車ロータ１０と、ロータ支持ケースの外周面に放射方向に突出するようにして、かつ水車ロータの回転軸線に対し所定角度傾斜させて固着され、導水管内の水流を水車ロータを増速させる方向に偏向させうる複数の水流偏向板１１とを備えるものとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯水槽または水路に設けられ、前記貯水槽の貯留水または水路の流水を落差を利用して下方に流出させる導水管と、この導水管に設けられた発電ユニットとを備える落差式水力発電装置において、
前記発電ユニットは、前記導水管内に配設された、水流方向に長いロータ支持ケースと、
前記ロータ支持ケースに回転自在に支持された長手方向を向くロータ軸と、
前記ロータ軸に連係された発電機と、
前記ロータ軸の下流側の端部に取付けられ、水流を受けて一定方向に回転する複数のブレードを有する水車ロータと、
前記ロータ支持ケースの長手方向の外周面に放射方向に突出するようにして、かつ前記水車ロータの回転軸線に対し所定角度傾斜させて固着され、前記導水管内の水流を前記水車ロータを増速させる方向に偏向させうる複数の水流偏向板とを備えることを特徴とする落差式水力発電装置。
【請求項２】
前記水路は用水路であり、この用水路に、上流側の水流の水位を上昇させて下流側の水流との間に落差を形成する堰板を設置し、この堰板の上部に、前記導水管の上端部を、前記堰板の上部に形成された、前記水位を上昇させた上流側の水を下流側に流出させる導水孔と連通するように連結したことを特徴とする請求項１に記載の落差式水力発電装置。
【請求項３】
前記水流偏向板の先端部に、水流が遠心方向に流動するのを抑制する折曲部を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の落差式水力発電装置。
【請求項４】
前記水流偏向板を、水流が前記水車ロータを増速させる方向に湾曲して流れるように、曲面状に湾曲させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の落差式水力発電装置。
【請求項５】
前記ブレードの上流側の受水面を、基端部に向かって漸次傾斜角度が大となるように、回転方向の後方外側に向かって傾斜する傾斜面とするとともに、ブレードの弦長を基端部から先端部に向かって漸次大とし、かつブレードを、最大弦長部を基点とする先端部に上流方向に傾斜する傾斜部が形成された揚力型ブレードとし、前記水流偏向板の放射方向の突出寸法を、当該水流偏向板の先端部が前記最大弦長部付近まで延出する長さとしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の落差式水力発電装置。
【請求項６】
前記水流偏向板の枚数を、３〜１６枚とし、各水流偏向板の前記水車ロータの回転軸線に対する傾斜角度を、水流偏向板の枚数が多いほど小さく、枚数が少なくなるほど、４５度を超えない範囲内で大とするようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の落差式水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の落差が小さくても、効率よく発電しうるようにした落差式水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
落差式の水力発電装置は、水の落差が大きい程、位置エネルギを利用して発電効率を高めることができるが、大きな落差のある発電に適した場所は少ないため、その設置可能な場所は限られる。この問題に対処するためには、人工的に落差を形成することが考えられるが、このようにすると、大掛かりな土木工事等が必要となるので、水力発電装置の設置コストが増大する。
【０００３】
このような課題に鑑み、例えば特許文献１には、用水路に、落差を形成するための越流堰を構築し、越流堰からの越流水を、取水ボックス及びそれに連結した上下方向の流水落下パイプに流入させ、流水落下パイプ内の下部に設けた水車を回転させて、発電機を駆動するようにした落差式水力発電装置が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、上下方向を向く導水管(配管)の内周面に、導水管内に導入された水を旋回流として流下させるための螺旋リブを設け、旋回流を利用して、導水管内の中間部に収容した回転羽根を効率よく回転させ、発電効率を向上させるようにした落差式水力発電装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５１１５１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１８９８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されている水力発電装置においては、水路を掘削して掘り下げたり、用水路に、落差形成用のコンクリートを打設して、越流堰を構築しなければならないので、水力発電装置の設置コストが増大する。
【０００７】
特許文献２に記載されている水力発電装置は、水の落差エネルギに旋回エネルギが加わるので、落差をそれほど大としなくても、発電効率を高めることが可能である。
しかし、導水管の内周面に螺旋リブを形成するのは面倒であるため、導水管の製造コストが高くなり、水力発電装置全体のコストも増大する。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、水の落差が小さくても、水車ロータを効率よく回転させて、発電効率を向上させ、かつ土木工事等を不要として、水路に容易に落差を形成し、設置コストを低減させ、効率よく発電しうるようにした落差式水力発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の落差式水力発電装置によると、上記課題は次のようにして解決される。
（１）貯水槽または水路に設けられ、前記貯水槽の貯留水または水路の流水を落差を利用して下方に流出させる導水管と、この導水管に設けられた発電ユニットとを備える落差式水力発電装置において、前記発電ユニットは、前記導水管内に配設された、水流方向に長いロータ支持ケースと、前記ロータ支持ケースに回転自在に支持された長手方向を向くロータ軸と、前記ロータ軸に連係された発電機と、前記ロータ軸の下流側の端部に取付けられ、水流を受けて一定方向に回転する複数のブレードを有する水車ロータと、前記ロータ支持ケースの長手方向の外周面に放射方向に突出するようにして、かつ前記水車ロータの回転軸線に対し所定角度傾斜させて固着され、前記導水管内の水流を前記水車ロータを増速させる方向に偏向させうる複数の水流偏向板とを備えるものとする。
【００１０】
このような構成によると、導水管内を流れる水流は、発電ユニットのロータ支持ケースに傾斜させて固着された複数の水流偏向板により、水車ロータに向かって旋回するように偏向させられるため、その偏向水流によって各ブレードが増速方向に押される。これにより、各ブレードには、水の位置(落差)エネルギの外に旋回エネルギが加わり、水車ロータの回転数及びトルクは高められる。
従って、貯水槽の設置スペースや水路の深さ等により、水を流出させる導水管の高さが制限され、水の落差エネルギが小さい場合であっても、発電効率を向上させることができる。
また、従来のように、水流を旋回流とするための螺旋リブを導水管の内周面に設ける必要がないので、導水管の製造コストが低減され、安価な落差式水力発電装置を提供することができる。
【００１１】
(２)  前記(１)項において、前記水路は用水路であり、この用水路に、上流側の水流の水位を上昇させて下流側の水流との間に落差を形成する堰板を設置し、この堰板の上部に、前記導水管の上端部を、前記堰板の上部に形成された、前記水位を上昇させた上流側の水を下流側に流出させる導水孔と連通するように連結する。
【００１２】
このような構成によると、水の落差を形成することが困難な用水路であっても、堰板により水流を堰き止めて上流側の水位を上昇させ、用水路に落差を形成して発電しうるので、用水路を自然に流れる水流を利用して発電する水力発電に比して、発電効率は高い。
また、堰板により上流側の水位を上昇させて、用水路に落差を形成しうるので、用水路の流量が少なくて、水位が低くても、導水管内の水車ロータを効率よく回転させて、発電効率を高めることができる。
さらに、堰板により水流を堰き止めるだけで、用水路に落差を形成しうるので、コンクリート堰等を構築するための大がかりな土木工事は不要となり、落差式水力発電装置の設置コストを低減させることができる。
【００１３】
(３)  前記(１)または(２)項において、前記水流偏向板の先端部に、水流が遠心方向に流動するのを抑制する折曲部を形成する。
【００１４】
このような構成によると、複数の水流偏向板によって偏向された水流が遠心方向に流動するのが抑制され、水車ロータを増速させる方向に偏向される水量及び水勢が増大するので、水車ロータの回転数及びトルクを効率よく高めることができ、発電効率はより向上する。
【００１５】
(４)  前記(１)〜(３)項のいずれかにおいて、前記水流偏向板を、水流が水車ロータを増速させる方向に湾曲して流れるように、曲面状に湾曲させる。
【００１６】
このような構成によると、複数の水流偏向板により偏向される水流は、旋回流となり易いので、水車ロータの回転数及びトルクはさらに高められ、発電効率はさらに向上する。
【００１７】
(５)  前記(１)〜(４)項のいずれかにおいて、前記ブレードの上流側の受水面を、基端部に向かって漸次傾斜角度が大となるように、回転方向の後方外側に向かって傾斜する傾斜面とするとともに、ブレードの弦長を基端部から先端部に向かって漸次大とし、かつブレードを、最大弦長部を基点とする先端部に上流方向に傾斜する傾斜部が形成された揚力型ブレードとし、前記水流偏向板の放射方向の突出寸法を、当該水流偏向板の先端部が前記最大弦長部付近まで延出する長さとする。
【００１８】
このような構成によると、複数の水流偏向板を通過した後の偏向水流は、複数の揚力型ブレードにおける基端部から最大弦長部付近に至る傾斜面に広範囲に当たり、傾斜面に沿って流れる偏向水流の水勢及びコアンダ効果により、揚力型ブレードは回転方向に強く押され、回転方向と直交する揚力が大となることにより、水車ロータの回転数及びトルクが高められる。
【００１９】
また、揚力型ブレードの先端部には、上流方向に向かって傾斜する傾斜部が設けられ、ブレードの先端から遠心方向へ逃げようとする水流を、傾斜部が捕捉して、回転方向と逆方向の斜め遠心方向に流出させ、その反作用によりブレードの先端部を回転方向に押すので、水車ロータの回転効率が高まる。従って、水流偏向板と傾斜部との相乗効果により、水車ロータの回転数及びトルクが増大し、発電効率が向上する。
【００２０】
(６)  前記(１)〜(５)項のいずれかにおいて、前記水流偏向板の枚数を、３〜１６枚とし、各水流偏向板の前記水車ロータの回転軸線に対する傾斜角度を、水流偏向板の枚数が多いほど小さく、枚数が少なくなるほど、４５度を超えない範囲内で大とする。
【００２１】
このような構成によると、水流偏向板の枚数は、流速を低下させない範囲であり、かつ水流偏向板の枚数が多い場合でも、水流抵抗が増大して、水車ロータに向かう偏向水流の速さを低下させるのが抑制され、また、水流偏向板の枚数が少ない場合には、傾斜角度を大きくして、水流偏向効果を発揮させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の落差式水力発電装置によると、水の落差が小さくても、水車ロータを効率よく回転させて、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る落差式水力発電装置の実施例１の縦断側面図である。
【図２】図１のII−II線における拡大横断平面図である。
【図３】発電ユニットの要部の拡大側面図である。
【図４】ブレード単体の拡大平面図である。
【図５】図４のV−V線における横断面図である。
【図６】図４のVI−VI線における横断面図である。
【図７】図４のVII−VII線における横断面図である。
【図８】水流偏向板を湾曲させた変形例の要部の斜視図である。
【図９】本発明に係る落差式水力発電装置の実施例２の縦断側面図である。
【図１０】本発明に係る落差式水力発電装置の実施例３の縦断側面図である。
【図１１】本発明に係る落差式水力発電装置の実施例４の縦断側面図である。
【図１２】本発明に係る落差式水力発電装置の実施例５の縦断側面図である。
【図１３】発電ユニットの水車ロータを、抗力型水車ロータとした変形例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１〜図７は、本発明に係る落差式水力発電装置の実施例１を示すもので、落差式水力発電装置１は、図１に示すように、下部が漏斗状をなし、下面に排水孔２Ａを有する貯水槽２と、排水孔２Ａと連通するようにして、上流端が貯水槽２の下面に連結された逆向きＬ字状の導水管３と、導水管３の上部寄りに取付けられた発電ユニット４とを備えている。
【００２６】
導水管３は、垂直管部３Ａと、その下端に上向きエルボ状の上端がフランジを介して着脱可能に連結され、下面が地面Ｇに接地された水平管部３Ｂとからなり、発電ユニット４は、垂直管部３Ａに取り付けられている。貯水槽２の下端から水平管部３Ｂまでの水の落差は、落差式水力発電装置の設置スペース等を考慮して、例えば１〜３ｍとしてある。水平管部３Ｂの下端より流出する水は、図示しない水路を介して、用水路や河川等に送られる。
【００２７】
貯水槽２の上端の開口面には、比較的大きなごみ等が入り込むのを防止する金網を有する上蓋５が被せられている。また、垂直管部３Ａの上端部には、貯水槽２内に入り込んだ細かなごみ等を捕捉するためのフィルタ６が、着脱可能に取り付けられている。
【００２８】
貯水槽２には、例えば用水路、排水路、河川、湖沼、貯水池、ダム等から引き込まれた水が、給水管７を介して貯水されるようになっている。貯水槽２への給水量は、例えば給水管７の取水口に設けた流量調整用の仕切弁等(図示略)によって調節され、水力発電装置の稼働中においては、貯留水はほぼ満水状態に保たれるようになっている。
【００２９】
貯水槽２及び導水管３は、下端が地面Ｇにより支持され、上端が貯水槽２の漏斗状部の外周面に固定された複数(例えば３本以上)の垂直支持杆８により、安定的に保持されている。
【００３０】
発電ユニット４は、垂直管部３Ａの下流側寄りの中心部に配置された、水流方向(上下方向)に長い中空状のロータ支持ケース９と、ロータ支持ケース９の下端において平面視反時計方向に回転する水車ロータ１０と、水車ロータ１０の直上において、ロータ支持ケース９の長手方向(上下方向)の外周面に固定された複数(本実施例では８枚)の水流偏向板１１と、ロータ支持ケース９の上方寄りの右側面に左側端が固着され、垂直管部３Ａを貫通する右側部が、垂直管部３Ａの右側面に固着された取付ブラケット１２により支持された水平かつ中空状の伝動軸収容アーム１３と、取付ブラケット１２に取付けられ、水車ロータ１０に連係されて発電する発電機１４とを備えている。
【００３１】
図２に示すように、ロータ支持ケース９の上方寄りの外周面は、上記伝動軸収容アーム１３と、垂直管部３Ａの内面に固定された３本の水平のケース支持アーム１５とにより、垂直管部３Ａに安定よく支持されている。
なお、図示は省略するが、伝動軸収容アーム１３及びケース支持アーム１５は、上部の厚さが厚く、下方に向かって漸次薄くなる、側面視魚形断面を有しており、それらを通過する水流が、増速するようにしてある。
【００３２】
ロータ支持ケース９は、上部が大径で、下方に向かうに従って漸次小径となる、まぐろ状の形状を有し、上方よりロータ支持ケース９に向かって流れる水流は、ロータ支持ケース９の魚形状に沿って下方に速く流れ、水車ロータ１０における後述するブレード１８の基部付近を通過する水流の速度が高まるようになっている。
【００３３】
ロータ支持ケース９の内部には、下端部をロータ支持ケース１０の下端より突出させた上下方向(水流方向)を向くロータ軸１６が、図示しない軸受により、回転自在に支持して収容されている。
【００３４】
水車ロータ１０は、ロータ軸１６の下端部に固着されたハブ１７と、求心方向の基部が、ハブ１７に等間隔おきに固定された複数(本実施例では４枚)の揚力型ブレード(以下、ブレードと略称する)１８とを備えている。ハブ１７及びブレード１８は、例えば合成樹脂(繊維強化合成樹脂も含む)、アルミニウム(その合金も含む)等の軽金属、ステンレス鋼やチタン等の金属材料により形成されている。
【００３５】
ロータ軸１６の上端部は、伝動手段(回転軸線を直交させて噛合する２個の傘歯車)、及び伝動手段により伝動軸収容アーム１３内で回転させられる水平の伝動軸(いずれも図示略)を介して、発電機１４に連係され、ロータ軸１６が水車ロータ１０と共に平面視反時計方向に回転することにより、発電機１４が駆動されて発電するようになっている。
【００３６】
図４〜図７にも示すように、各ブレード１８は、先端部ほど受水面積が大となるように、弦長を、基部側から先端部方向に向かって漸次大とし、かつ先端部に、上流方向である上方に向かって傾斜する上向傾斜部１８Ａを形成して、水流の捕捉効果を大とすることにより、水車ロータ１０の回転効率が高められるようになっている。
【００３７】
ブレード１８の最大弦長部１８Ｂは、先端部付近に位置し、かつ最大弦長部１８Ｂを基点とする先端部に、上向傾斜部１８Ａが形成されている。上向傾斜部１８Ａは、先端に向かって先細とされ、かつ傾斜角度は、例えば３５度〜４５度とされている。
【００３８】
図５〜図７に示すように、ブレード１８の断面形状は、矢印で示す回転方向前側の厚さが厚く、後端に向かって漸次薄くしてあり、かつコアンダ効果を発揮させるために、下流側の面を円弧状に膨出させ、さらに、ブレード１８全体をロータ軸１６に対して所定角度ねじって、ピッチ角を形成することにより、受水面である上面を、回転方向の後方外側に向かって傾斜する傾斜面１８Ｃとしてある。傾斜面１８Ｃの傾斜角度(迎角)は、ブレード１８の先端部側が小さく、基端部に向かうにしたがって漸次大としてある。
【００３９】
これにより、各ブレード１８が上方より偏向水流を受けると、各ブレード１８には、矢印Ａ方向の揚力が生じ、回転方向へ作用する反力(推力)によって、水車ロータ１０は、平面視反時計方向に回転する。また、各ブレード１８の先端部には、上向傾斜部１８Ａが形成されているため、水車ロータ１０の回転時に、回転方向後側に傾斜する傾斜面１８Ｃに沿って基端部から遠心方向に流出しようとする水流の一部を、上向傾斜部１８Ａにより捕捉し、斜め遠心方向に流出させるので、その反作用によりブレード１８の回転方向の推力が増大し、水車ロータ１０の回転数及びトルクが高められる。
【００４０】
図３に拡大して示すように、前述した８枚の水流偏向板１１は、伝動軸収容アーム１３及びケース支持アーム１５と水車ロータ１０との間において、ロータ支持ケース９の上下方向の外周面に、放射方向に突出するように等間隔おきに、かつ水車ロータ１０の回転軸線に対し、水車ロータ１０を増速させる方向、すなわち水車ロータ１０の回転方向と反対方向に所定角度傾斜させて基端部が固着されている。各水流偏向板１１の軸方向(上下方向)の寸法は、例えばロータ支持ケース９の上下方向の長さのほぼ１／２とされ、また、放射方向への突出寸法は、例えば先端部がブレード１８の最大弦長部１８Ｂ付近まで延出する長さとしてある。なお、各水流偏向板１１の放射方向への突出寸法は、ブレード１８の先端まで延出する長さ、もしくは、先端を超える長さとすることもある。
【００４１】
水流偏向板１１の先端部には、水車ロータ１０の回転方向と逆方向に折曲された折曲部１１Ａが形成されている。なお、水流偏向板１１は、ロータ支持ケース９を合成樹脂等により成形する場合、それと一体成形することができる。
【００４２】
本実施例では、水車ロータ１０の回転軸線に対する各水流偏向板１１の傾斜角度を、ほぼ１０°としてあるが、この傾斜角度は、水流偏向板１１の枚数によって、例えば５°〜４５°の範囲内に設定される。すなわち、水流偏向板１１によって水流抵抗が増大し、水車ロータ１０に向かう偏向水流の速度が低下することがないように、水流偏向板１１の枚数が多いほど傾斜角度を小さくし、枚数が少なくなるにしたがって、傾斜角度を漸次大とするのが好ましい。傾斜角度を大きくすると、水流偏向効果は増すが、反対に水流抵抗が増大して、水車ロータ１０に向かう流速が小さくなるので、４５°を超えないようにするのがよい。なお、水流偏向板１１の枚数は、流速を低下させずに水流偏向効果を発揮させるために、水流の落差の大小に応じて、例えば３枚〜１６枚、好ましくは６枚〜１２枚とするのがよい。
【００４３】
実施例１の落差式水力発電装置のように、水車ロータ１０よりも上流側に位置するロータ支持ケース９の外周面に、放射方向に突出する複数の水流偏向板１１を、水車ロータ１０の回転軸線に対し、その回転方向と反対方向に傾斜させて固着してあると、図１及び図３の矢印で示すように、貯水槽２より流出した水流が、８枚の水流偏向板１１により水車ロータ１０を増速させる方向、すなわち水車ロータ６の回転方向と反対方向に旋回するように偏向させられる。
【００４４】
各水流偏向板１１を通過した後の偏向水流は、複数のブレード１８における基端部から最大弦長部１８Ｂ付近に広範囲に当たり、各ブレード１３に沿って流れる偏向水流の水勢及びコアンダ効果により、各ブレード１３に作用する回転方向の揚力が大となる。これにより、各ブレード１３は回転方向(平面視反時計方向)に強く押され、各ブレード１８には、水の落差エネルギの外に旋回エネルギが加わり、それらの相乗効果により、水車ロータ１０の回転数及びトルクが高められる。 
【００４５】
また、ブレード１８の先端部には、上流方向に向かって傾斜する上向傾斜部１８Ａを設けてある。そのため、ブレード１８の先端から遠心方向へ逃げようとする水流は、上向傾斜部１８Ａに捕捉されて、回転方向と逆方向の斜め遠心方向に流出し、その反作用により、ブレード１８の先端部は回転方向に押され、水車ロータ１０の回転効率が高められる。従って、貯水槽２の設置スペース等により、導水管３の高さが制限され、水の落差(位置)エネルギが小さい場合であっても、水流偏向板１１と上向傾斜部１８Ａとの相乗効果により、水車ロータ１０の回転数及びトルクを増大させて、発電効率を向上させることができる。
【００４６】
さらに、水流偏向板１１の先端部には、水車ロータ１０の回転方向と反対方向を向く折曲部１１Ａが形成されているため、各水流偏向板１１によって偏向された水流が遠心方向に流動するのが抑制され、水車ロータ１０の回転方向と反対方向に向かって偏向される水量及び水勢が増大する。その結果、複数のブレード１８における基端部から最大弦長部１８Ｂ付近に至る傾斜面１８Ｃが、コアンダ効果による揚力により回転方向に強く押され、水車ロータ１０の回転数及びトルクは大となり、発電効率はより向上する。
【００４７】
図８は、水流偏向板１１の変形例を示すもので、この例では、水流が水車ロータ１０の回転方向と反対方向に湾曲して流れるように、各水流偏向板１１を曲面状に湾曲させてある。このようにすると、各水流偏向板１１により水車ロータ１０の回転方向と反対方向に偏向された水流が、旋回流になり易くなるため、複数のブレード１８が回転方向に効果的に押され、水車ロータ１０の回転数及びトルクが高められる。
なお、各水流偏向板１１の先端部に形成してある折曲部１１Ａを省略し、単に板状をなす水流偏向板１１とすることもある。
【実施例２】
【００４８】
図９は、本発明に係る落差式水力発電装置の実施例２の縦断側面図である。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００４９】
実施例２の落差式水力発電装置は、実施例１と同様の発電ユニット４を、導水管３における水平管部３Ｂの下流側寄りに、ロータ支持ケース９を水平として配置したものである。
発電機１４は、ロータ支持ケース９の上面に取付けた上向きの伝動軸収容アーム１３の上面に、取付ブラケット１２を介して固定されている。
【００５０】
実施例２の落差式水力発電装置においても、水平管部３Ｂ内に流入した水流は、複数の水流偏向板１１により水車ロータ１０の回転方向と反対方向に旋回するように偏向され、この偏向水流によって、複数のブレード１８の傾斜面１８Ｃが、コアンダ効果による揚力により、回転方向に押されるので、水車ロータ１０の回転数及びトルクが高められる。従って、貯水槽２から水平管部３Ｂまでの水の落差を大きくできない場合であっても、発電効率を向上させることができる。
【実施例３】
【００５１】
図１０は、本発明に係る落差式水力発電装置の実施例３の縦断側面図である。なお、上述した実施例１及び２と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５２】
実施例３に係る落差式水力発電装置は、地面Ｇに設置された貯水槽２の外周面の下端部に、フィルタ６が装着された排水孔２Ａを設け、貯水槽２の下部に、上下方向に傾斜する落差の小さな導水管３の上流端を、排水孔２Ａと連通するように連結するとともに、導水管３の下流側の端部に、前記実施例２と同様の発電ユニット４を取付けたものである。
【００５３】
この実施例３の落差式水力発電装置においても、導水管３内を流れる水流は、複数の水流偏向板１１により水車ロータ１０の回転方向と反対方向に旋回するように偏向させられるため、複数のブレード１８の傾斜面１８Ｃが、コアンダ効果による揚力により、回転方向に押される。従って、落差が小さく、水の流速の遅い導水管３であっても、水車ロータ１０の回転数及びトルクが高められ、発電効率は向上する。
【実施例４】
【００５４】
図１１は、本発明に係る落差式水力発電装置の実施例４の縦断側面図で、落差式水力発電装置１を、例えば農業用の用水路１９に設置した例である。なお、上述した各実施例と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５５】
この実施例では、用水路１９に、水流を堰き止め、上流側の水位を上昇させて、下流側の水流との間に落差を形成するための堰板２０を設置し、堰板２０における下流側の側面(図の左側面)に、落差式水力発電装置１を取付けたものである。なお、堰板２０と落差式水力発電装置１とを予め一体的に結合し、それらをユニット化した状態で、用水路１９にクレーン等により吊り上げて設置しうるようにしてある。そのために、堰板２０の上端に固着された後述する堰板保持板２３の中央部には、クレーン等のフックを掛止して吊り上げ可能なアイボルト等の複数の吊上げ金具２１が取り付けられている。
【００５６】
堰板２０の上下寸法は、その下端が用水路１９の底面まで到達するように、用水路１９の深さとほぼ同寸に形成され、同じく幅寸法は、用水路１９とほぼ同じ幅に形成されている。
【００５７】
堰板２０の上端には、用水路１９を横切るように、その上面に横架され、複数の固定具２２、２２により固定された堰板保持板２３が、幅方向に並ぶ三角形の複数の補強板２３Ａをもって固着されており、堰板２０は、この堰板保持板２３と補強板２３Ａにより、用水路１９内に不動状態に保持されている。
【００５８】
堰板２０の上部寄りには、水位を上昇させた上流側の流水を、後述する導水管２８を介して下流側に流出させるための導水孔２４が設けられている。堰板２０における上流側の壁面の上部には、導水孔２４に異物が流入するのを防止するメッシュ状のフィルタ２５が、複数の保持具２６、２６により着脱可能に取り付けられている。
【００５９】
堰板２０の下端部には、その上流側の水位を調整するための通水孔２７が設けられ、堰板２０により堰き止められた上流側の水の一部を、通水孔２７を介して下流側に排水することにより、上流側の水位が上がりすぎて用水路１９より溢れるのを防止するようになっている。通水孔２７の大きさや個数は、用水路１９の深さや流量等によって適宜に決められる。なお、このような通水孔２７を設ける代わりに、堰板２０の下端を用水路１９の底面から離間させ、それらの間に形成される隙間を通水孔としてもよい。用水路１９の水量が少ないときには、このような通水孔２７を省略して、上流側の水流の全部を堰板２０により堰き止めるようにしてもよい。
【００６０】
堰板２０の下流側の壁面の上部には、用水路１９の水位を上昇させた上流側の流水を下流側に流出させるための導水管２８が、導水孔２４と連通するようにして取り付けられている。
導水管２８は、右端上部が用水路１９の上流方向に開口し、その開口端が導水孔２４と連通するようにフランジをもって堰板２０にボルト止めされた上側エルボ管部２８Ａと、この上側エルボ管部２８Ａの下向き開口と連続する垂直管部２８Ｂと、この垂直管部２８Ｂの下端にフランジを介して連結され、左端下部が用水路１９の下流方向に開口する下側エルボ管部２８Ｃとからなっている。
【００６１】
垂直管部２８Ｂの中間部には、発電ユニット４が、上記実施例１と同様に、ロータ支持ケース９を上下方向を向くように配置し、その下端の水車ロータ１０を、平面視反時計方向に回転するようにするとともに、複数の水流偏向板１１を水車ロータ１０の回転方向と反対方向に傾斜させて取り付けられている。なお、発電機１４は、水没しないように、下流側の水面から離間するようにしてある。
【００６２】
実施例４の落差式水力発電装置１においても、堰板２０により堰き止められた上流側の水が導水管２８に流入すると、水流は、発電ユニット４における複数の水流偏向板１１により、水車ロータ１０の回転方向と反対方向に旋回するように偏向させられる。
【００６３】
この偏向水流により、ブレード１８が、コアンダ効果による揚力により回転方向に押され、各ブレード１８には、水の落差エネルギの外に旋回エネルギが加わるため、導水管２８の上下寸法を大として水の落差をそれほど大としなくても、水車ロータ１０の回転数及びトルクが高められ、発電効率は向上する。
【００６４】
また、用水路１９のように、水の落差を形成することが困難な場合であっても、堰板２０により水流を堰き止めて上流側の水位を上昇させ、用水路１９に落差を形成して発電しうるので、用水路１９の自然に流れる水流を利用して発電する水力発電に比して、利用される水流のエネルギは大きく、発電効率は高い。
【００６５】
さらに、堰板２０により用水路１９を一部堰き止めて水位を上昇させ、落差を形成しうるので、用水路１９の水量が少なく、水位が低い場合であっても、導水管２８内の水車ロータ１０は効率よく回転し、発電効率を高めることができる。
また、堰板２０により用水路１９を堰き止めるだけで用水路１９に落差を形成しうるので、従来のようなコンクリート堰等を構築するための大がかりな土木工事は不要となり、落差式水力発電装置の設置コストを低減させることができる。
【００６６】
なお、実施例４においては、下側エルボ管部２８Ｃの下部を下流側に延長して、その延長部分に、発電ユニット４を、図９と同様の形態で設置することも可能である。この場合には、発電機１４を防水カバー等により覆うか、伝動軸収容アーム１３を上方に延長して、発電機１４を水面より離間させればよい。
【実施例５】
【００６７】
図１２は、本発明に係る落差式水力発電装置の実施例５の縦断側面図で、落差式水力発電装置１を用水路１９に設置した別の実施例である。なお、実施例４と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００６８】
この実施例では、上記実施例４と同様の堰板２０の上部に、用水路１９の下流方向に向かって下向きに傾斜する傾斜導水管２９を取付け、この傾斜導水管２９の中間部に、上記実施例と同様の発電ユニット４を、発電機１４が水没しないように設置したものである。
【００６９】
実施例５の落差式水力発電装置１においても、堰板２０により堰き止められた水が傾斜導水管２８に流入すると、水流は、発電ユニット４における複数の水流偏向板１１により、水車ロータ１０の回転方向と反対方向に旋回するように偏向させられるので、水の落差を大きくすることが困難な用水路１９に落差式水力発電装置１を設置した場合でも、水車ロータ１０の回転数及びトルクが高められ、発電効率を向上させることができる。
【００７０】
なお、実施例４及び実施例５に係わる落差式水力発電装置１においては、堰板２０によって用水路１９の水流を完全に堰き止めるものではなく、水位を上昇させた上流側の水は、導水管２８、２９及び通水孔２７を介して下流側に流れるので、下流側の水利権等に影響を及ぼすおそれはない。
【００７１】
実施例４及び実施例５において、用水路１９の水路幅が比較的大きい場合には、幅寸法を大とした堰板２０に、複数の落差式水力発電装置１を幅方向に並べて設置しうるので、より発電効率を高めることができる。
実施例４及び実施例５に係わる落差式水力発電装置１は、農業用の用水路１９の他に、上下水道や工業用水路、川幅の比較的小さな河川などにも設置することができる。
【００７２】
本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、例えば次のような種々の変形や変更を施すことが可能である。
上記各実施例では、水車ロータ１０のブレード１８の数を４枚としたが、これに限定されないことは勿論のこと、先端部に上向傾斜部１８Ａが形成されていない揚力型ブレードを備える水車ロータを用いた落差式水力発電装置にも、本発明を適用することができる。
【００７３】
また、図１３に示すように、複数の抗力型ブレード３０を備えるプロペラ型反動水車ロータ、すなわち抗力型水車ロータ３１を用いた水力発電装置にも、本発明を適用することができる。このような抗力型水車ロータ３１を用いた際には、水流偏向板１１を、水車ロータ３１の回転軸線に対し、水車ロータ３１を増速させる方向、すなわち水車ロータ３１の回転方向と同方向に傾斜させればよい。
このようにしても、水流偏向板１１により偏向された旋回水流によって抗力型ブレード３０は回転方向に押されるため、水車ロータ３１を増速させて、その回転数及びトルクを高めることができる。
【００７４】
上記各実施例では、発電機１４を、ロータ支持ケース９及び導水管３、２８の外部に設置しているが、ロータ支持ケース９の内部空間に発電機を収容し、発電した電力を、ケース支持アーム１５に挿通した電気配線を介して、外部に取り出すようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１  落差式水力発電装置
２  貯水槽
２Ａ  排水孔
３  導水管
３Ａ  垂直管部
３Ｂ  水平管部
４  発電ユニット
５  上蓋
６  フィルタ
７  給水管
８  垂直支持杆
９  ロータ支持ケース
１０  水車ロータ
１１  水流偏向板
１１Ａ  折曲部
１２  取付ブラケット
１３  伝動軸収容アーム
１４  発電機
１５  ケース支持アーム
１６  ロータ軸
１７  ハブ
１８  揚力型ブレード
１８Ａ  上向傾斜部
１８Ｂ  最大弦長部
１８Ｃ  傾斜面
１９  用水路
２０  堰板
２１  吊上げ金具
２２  固定具
２３  堰板保持板
２３Ａ  補強板
２４  導水孔
２５  フィルタ
２６  保持具
２７  通水孔
２８  導水管
２８Ａ  上側エルボ管部
２８Ｂ  垂直管部
２８Ｃ  下側エルボ管部
２９  傾斜導水管
３０  抗力型ブレード
３１  抗力型水車ロータ
Ｇ  地面
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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