(57)【要約】【課題】渦を形成している水の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する水力発電装置において、渇水期における発電能力の低下を抑制する。【解決手段】本発明の水力発電装置１は、略円形状の底壁１０ｂと底壁１０ｂの縁部から上方に向かって伸びている円筒状の側壁１０ａとを有する貯水タンク１０と、貯水タンク１０内に設置された、発電機３０に接続されたタービン２０と、を有する。貯水タンク１０内に側壁１０ａの取水口１１から導入された水が、渦を形成しながら底壁１０ｂの排水口１２に向かって流れる。タービン２０の羽根部２０ｃが渦と接触することにより、タービンが回転させられて発電が行われる。排水口１２の口径を側壁１０ａの内径の１／３〜１／１２の範囲に設定すると、渇水期においても貯水タンク１０内の渦の上端の位置が大きく下降しないため、発電能力の低下が抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視において略円形状の底壁と、該底壁の縁部から上方に向かって伸びている円筒状の側壁と、を有しており、前記側壁には該側壁の接線方向に水を導入するための取水口が設けられており、前記底壁の略中央の位置には水を下方に排出するための円形の排水口が設けられている貯水タンクと、
前記排水口の中心軸上に回転自在に設けられており且つ上端が発電機に接続されているタービンシャフトと、該タービンシャフトに接続されており且つタービンシャフトの周方向に等間隔で設けられている複数の羽根部と、を有するタービンと、
を備えており、
前記貯水タンク内に前記取水口から導入された水が渦を形成しながら前記排水口に向かって流れ、前記タービンの羽根部が前記渦と接触することにより前記タービンが回転させられて発電が行われる水力発電装置であって、
前記排水口の口径が前記側壁の内径の１／３〜１／１２の範囲であることを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記貯水タンク内に、前記取水口から導入される水の量が減少したときに該貯水タンク内の水面を上昇させる水面上昇手段が設けられている、請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記水面上昇手段が、前記排水口に差し込まれる、水を通過させるための貫通孔を有する栓である、請求項２に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記水面上昇手段が、前記底壁上に前記側壁の内面に沿って配置される、略直角三角形の断面を有するドーナツリング状の底敷部材である、請求項２に記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記貯水タンクの底壁が前記取水口の下端より下方に存在し、
前記貯水タンク内に、前記取水口から導入される水の量が減少したときに前記取水口から下方に落下する水を前記側壁の接線方向に誘導する導水手段が設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項６】
前記導水手段が、前記取水口から導入される水を略水平方向に前記側壁の内面に沿って且つ前記取水口から離れるにつれて下方に案内するガイド部材である、請求項５に記載の水力発電装置。
【請求項７】
前記側壁の内径が５〜１０ｍの範囲であり、前記渦の上端と前記排水口との落差が０．７〜３ｍの範囲である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、渦を形成している水の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（ＷＯ２００４／０６１２９５Ａ２）に、渦を形成している水の回転エネルギーを利用して発電を行う水力発電装置が開示されている。この文献に記載されている水力発電装置の概略的な断面図を図９に示す。この水力発電装置１００は、水を蓄えるための貯水タンク１１０と、発電機１３０に接続されたタービン１２０とを必須要素として含んでいる。貯水タンク１１０の側壁１１０ａには、貯水タンク１１０内に導入される水を供給するための取水路１４０が接続されており、貯水タンク１１０の底壁１１０ｂには、略中央の位置に、貯水タンク１１０内の水を排出するための円形の排出口１１２が設けられている。貯水タンク１１０の底壁１１０ｂは、排出口１１２を通過した水を流出させるための放水路１５０の水面より距離Ｙだけ上方に設置されている。タービン１２０と連結された発電機１３０のシャフト１３０ａは、円形の排水口１１２の中心軸Ｘ上に配置されている。
【０００３】
取水路１４０から貯水タンク１１０に流入した水は、渦Ａを形成しながら排水口１１２へと流れ込み、排水口１１２を通過した後に距離Ｙだけ自由落下して放水路１５０へと放出される。このとき、渦Ａの中心領域に、上方に向かうにつれて拡径する空気柱Ｂが形成される。渦Ａの中心或いは空気柱Ｂの中心もまた、円形の排水口１１２の中心軸Ｘ上に存在する。渦Ａの周速度は、渦Ａの中心に近づくほど、また貯水タンク内の水面（渦の上端）からの落差が大きいほど大きくなる。渦Ａの周速度の大きい場所に、発電用の羽根部を有するタービン１２０を設置すると、タービン１２０が渦Ａから回転エネルギーを奪って回転し、さらに奪った回転エネルギーがタービン１２０と連結された発電機１３０によって電気エネルギーへと変換される。すなわち、この水力発電装置１００では、貯水タンク１１０に導入された水の位置エネルギーが、運動エネルギー（回転エネルギー）へ、さらには電気エネルギーへと変換される。
【０００４】
特許文献１には、貯水タンクに要求される条件として、以下の４条件が示されている。
１．貯水タンクは所望の渦の大きさよりも大きくなければならない。
２．渦の安定な形成のために底壁は可能な限り平坦で水平でなければならない。
３．底壁の略中央に可能な限り円形の排水口を設けなければならない。
４．排水口から排出される水は自由落下することができなければならない。
この文献にはまた、排水口の直径によって排出される水の量が決定されること、及び、排水口の直径が変更可能であることが示されている。
【０００５】
特許文献２（ＷＯ２００８／１４１３４９Ａ２）には、特許文献１に開示された水力発電装置の発電効率を向上させる方法が示されている。この文献に記載されている水力発電装置の概略的な平面図を図１０に示す。図９に示した水力発電装置の構成部材と同じ構成部材には同じ記号が付されている。この水力発電装置１００では、有底円筒状の貯水タンク１１０が用いられており、発電機１３０に連結されたタービン１２０が、貯水タンク側壁１１０ａの上縁に架け渡された支持部材１６０，１６１とこれらに取り付けられた取り付けプレート１６２によって吊り下げられている。取水路１４０の一方の側壁１４０ａは、貯水タンク側壁１１０ａの接線方向と一致する方向に伸びている。取水路１４０の他方の側壁１４０ｂと貯水タンク側壁１１０ａとの接合部には、取水路１４０を流れる水の方向を変更するための楔形要素１７１が設けられている。楔形要素１７１のタービン１２０と対向する面１７１ａは、貯水タンク側壁１１０ａの内面から連続して設けられ、凹面状に形成されている。取水路１４０にはまた、大型のごみが貯水タンク１１０に進入するのを排除するための目の粗い柵１７０が設置されている。
【０００６】
取水路１４０を流れる水のうち、一方の側壁１４０ａに接近して流れる水は、貯水タンク側壁１１０ａの接線方向から貯水タンク１１０内に流入し、側壁１１０ａの内面に沿って周方向に流れて渦を形成する。渦は、側壁１１０ａの接線方向に向かう水の流速が大きいほど形成されやすくなる。ところが、取水路１４０の他方の側壁１４０ｂに接近して流れる水は、楔形要素１７１が存在しない場合には、貯水タンク側壁１１０ａの内面に沿った水の流れと略直交する方向から貯水タンク１１０内に流入することになる。その結果、貯水タンク１１０の周方向への水の流れが妨害され、渦の対称性が崩れ、水力発電装置１００の発電効率が低下する。これに対し、楔形要素１７１が存在すると、貯水タンク側壁１１０ａの内面に沿って流れた水がさらに楔形要素１７１の凹面１７１ａに沿って流れるため、貯水タンク１１０の周方向への水の流れがより安定化する。また、取水路１４０の側壁１４０ｂに接近して流れる水は、楔形要素１７１によって誘導されて、貯水タンク側壁１１０ａの内面に沿った水の流れと略一致する方向から貯水タンク１１０内に流入するようになるため、貯水タンク１１０の周方向への水の流れを妨害しない。さらに、楔形要素１７１によって取水路１４０の断面積が減少するため、貯水タンク１１０に流入する水の流速が増し、貯水タンク１１０内で渦がさらに形成されやすくなる。その結果、渦の対称性が安定に保たれるようになり、水力発電装置１００の発電効率が上昇する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０６１２９５Ａ２
【特許文献２】ＷＯ２００８／１４１３４９Ａ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１及び特許文献２に開示されている水力発電装置は、比較的ゆっくりと流れる水資源を利用した小規模発電に適している。しかし、豊水期に当たる等の原因により水量が十分に確保される場合には問題がないが、渇水期に当たる等の原因により水量が減少した場合には、以下の３つの原因により発電能力が減少してしまうという問題があった。なお、「貯水タンク内の水面」とは、タンク内の水の渦の上端を意味する。
１．貯水タンク内の水面の位置が下降し、タンク内の水の落差が減少するため、渦の回転エネルギーが減少する。
２．貯水タンク内の水面の位置が下降し、タービンの羽根部のうちの渦内に侵入している部分の割合が減少するため、タービンの回転効率が低下する。
３．貯水タンク側壁の接線方向に向かう水の流速が減少するため、渦が発生しにくくなる。
【０００９】
日本の気候においては、冬の渇水期においてどの程度の発電量が確保できるのかによって発電サービスの限界が決定されるため、或いは水量によらずに安定した電力供給が期待されるため、上述の本質的な問題点に対する解決策が望まれる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、渦を形成している水の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する水力発電装置において、渇水期に当たる等の原因により水量が減少した場合でも装置の発電能力の低下を抑制することができる水力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明者は、鋭意検討した結果、水量が減少した場合でも貯水タンク内の水面の位置をできるだけ高い位置に保つことにより、さらには貯水タンクに導入される水の渦発生能力を向上させることにより、上記課題が解決されることを発見し、発明を完成させた。
【００１２】
したがって、本発明の水力発電装置は、平面視において略円形状の底壁と、該底壁の縁部から上方に向かって伸びている円筒状の側壁と、を有しており、上記側壁には該側壁の接線方向に水を導入するための取水口が設けられており、上記底壁の略中央の位置には水を下方に排出するための円形の排水口が設けられている貯水タンクと、上記排水口の中心軸上に回転自在に設けられており且つ上端が発電機に接続されているタービンシャフトと、該タービンシャフトに接続されており且つタービンシャフトの周方向に等間隔で設けられている複数の羽根部と、を有するタービンと、を備えており、上記貯水タンク内に上記取水口から導入された水が渦を形成しながら上記排水口に向かって流れ、上記タービンの羽根部が上記渦と接触することにより上記タービンが回転させられて発電が行われる水力発電装置であって、上記排水口の口径が上記側壁の内径の１／３〜１／１２の範囲、好ましくは１／５〜１／１２の範囲、顕著な渇水期間の場合に特に好ましいのは１／６〜１／１２の範囲であることを特徴とする。貯水タンク側壁の内径が側壁の高さによって変化する場合には、「側壁の内径」は平均値を意味する。
【００１３】
本発明の水力発電装置では、特許文献１からの知見と異なり、貯水タンクの底壁は平面視において略円形であれば平坦で水平である必要は無く、また、排水口から排出される水は自由落下することができるのが好ましいものの、自由落下が必須ではなく、貯水タンク内に水の渦が形成され、渦の中心領域に上方に向かうにつれて拡径する空気柱を有する渦流が形成されれば十分である。また、タービンの羽根部は、タービンシャフトに直接固定されていても良く、タービンシャフトに固定された接続部材を介してタービンシャフトに接続されていても良い。タービンの羽根部は、渦の周速度の大きい場所、すなわち渦流が重力で加速された位置に配置されるのが好ましく、貯水タンクの底壁近傍に配置されているのが好ましい。
【００１４】
貯水タンクの底壁に設けられた排水口の口径を、貯水タンクの側壁の内径の１／３〜１／１２の範囲に設定することにより、貯水タンク内の水面の位置を適正に保つことができる。貯水タンクから排出される水の量は排水口の面積に依存するが、排水口の口径が貯水タンクの側壁の内径の１／３より大きいと、排水口から排出される水の量が多くなり、渇水期には貯水タンク内の水面が下降して、装置の発電能力の低下が深刻になる。また、排水口の口径が貯水タンクの側壁の内径の１／１２より小さいと、排水口から排出される水の量が過度に少なくなり、したがって貯水タンク内の渦を平衡に保つためには取水口から導入される水の量を減少させなければならず、その結果装置の発電能力が低下する。上述したように、特許文献１には排水口の直径によって排出される水の量が決定されること及び排水口の直径が変更可能であることが示されているものの、どの程度の排水口の直径が適正であるのかが示されておらず、また排水口の直径を変更する方法についても記載されていない。
【００１５】
本発明の水力発電装置において、貯水タンク内に取水口から導入される水の量が減少したときに該貯水タンク内の水面を上昇させる水面上昇手段が設けられているのが好ましい。この水面上昇手段は、排水口の口径を上述の範囲に制限しない場合でも渇水期に装置の発電能力の低下を抑制する効果を有するが、排水口の口径を上述の範囲に制限すると、協働作用により装置の発電能力の低下を好適に抑制する。上記水面上昇手段は、水力発電装置の操業開始前に予め装置に組み込まれていても良く、取水口から導入される水の量が減少したときにのみ装置に追加されても良いが、水の量が減少したときにのみ装置に追加されるのが簡便で好ましい。このような好ましい水面上昇手段の好適な例としては、水の量が減少したときに上記排水口に差し込まれる水を通過させるための貫通孔を有する栓或いは上記底壁上に上記側壁の内面に沿って配置される略直角三角形の断面を有するドーナツリング状の底敷部材を挙げることができる。
【００１６】
本発明の水力発電装置において、貯水タンクの底壁が取水口の下端より下方に存在していると、取水口から導入される水の量が大幅に減少した場合には、水が貯水タンクの側壁の接線方向に向かって流れにくくなり、取水口から下方に落下するようになる。取水口から下方に落下した水は、渦の発生能力をほとんど有しないため、装置の発電能力が著しく低下する。しかしながら、上記貯水タンク内に上記取水口から導入される水の量が減少したときに上記取水口から下方に落下する水を上記側壁の接線方向に誘導する導水手段が設けられていると、取水口から導入される水の量が大幅に減少した場合でも、貯水タンク内で水の渦を適正に形成させることができる。この導水手段は、排水口の口径を上述の範囲に制限しない場合でも渇水期に装置の発電能力の低下を抑制する効果を有するが、排水口の口径を上述の範囲に制限すると、協働作用により装置の発電能力の低下を好適に抑制する。上記導水手段は、水力発電装置の操業開始前に予め装置に組み込まれていても良く、取水口から導入される水の量が減少したときにのみ装置に追加されても良い。導水手段の好適な例としては、上記取水口から導入される水を略水平方向に上記側壁の内面に沿って且つ上記取水口から離れるにつれて下方に案内するガイド部材を挙げることができる。
【００１７】
本発明の水力発電装置における貯水タンクの大きさには特に限定がないが、満水時の発電量は貯水タンク中の水の容積に比例する。上記側壁の内径が５〜１０ｍの範囲であり、上記渦の上端と上記排水口との落差が０．７〜３ｍの範囲であると、約０．０５〜２０ｍ３／秒の大幅な取水口からの水量の変化がある場合でも、約５〜４０ｋＷの発電を達成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の水力発電装置では、年間を通じて貯水タンク内の水面の位置を適正に保つことができ、渇水期に当たる等の原因により水量が減少した場合でも装置の発電能力の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の水力発電装置の概略図であり、（Ａ）は平面図を示しており、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図を示している。
【図２】図１に示した水力発電装置における貯水タンク、取水路及び放水路を示す概略図であり、（Ａ）は平面図を示しており、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図を示している。
【図３】図２に示した貯水タンク、取水路及び放水路に水を流した状態を示す概略図であり、（Ａ）は平面図を示しており、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図を示している。
【図４】本発明の別の実施形態の水力発電装置の概略的な断面図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態の水力発電装置の概略図であり、（Ａ）は平面図を示しており、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図を示している。
【図６】本発明のさらに別の実施形態の水力発電装置の概略図であり、（Ａ）は貯水タンク、取水路及び放水路の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、（Ｃ）は水力発電装置の断面図である。
【図７】取水路の変形例を示す概略的な平面図である。
【図８】取水路の別の変形例を示す概略的な平面図である。
【図９】従来の水力発電装置の概略的な断面図である。
【図１０】従来の別の水力発電装置の概略的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
第１実施形態
本発明の第１実施形態の水力発電装置について、図１〜３を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態の水力発電装置１の概略図である。理解の容易のため、図２には、水を流さない状態の、水力発電装置１における水を蓄えるための貯水タンク１０と、貯水タンク１０に水を導入するための取水路４０と、貯水タンク１０から排出された水を流出させるための放水路５０とを概略的に示し、図３には、水を流した状態の、貯水タンク１０、取水路４０及び放水路５０を概略的に示す。いずれの図においても、（Ａ）は平面図を示しており、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図を示している。
【００２２】
水力発電装置１は、水を蓄えるための貯水タンク１０と、発電機３０に接続されたタービン２０とを必須要素として含んでいる。図２に示すように、貯水タンク１０は、略円形の平坦で水平な底壁１０ｂと、底壁１０ｂの縁部から上方に向かって略垂直に伸びている円筒状の側壁１０ａとを有している。側壁１０ａの内径は５〜１０ｍの範囲に設定されており、側壁１０ａの高さは０．７〜３ｍの範囲に設定されている。側壁１０ａには側壁１０ａの接線方向に水を導入するための取水口１１が設けられており、底壁１０ｂの略中央の位置には水を下方に排出するための円形の排水口１２が設けられている。排出口１２の口径は、側壁１０ａの内径の１／３〜１／１２の範囲に設定されている。
【００２３】
取水口１１に接続されている取水路４０は、側壁１０ａの接線方向に水を導入可能なように配置されており、放水路５０は、排水口１２から排出された水を受容可能なように底壁１０ｂの下方に配置されている。また、取水路４０には、大型のごみが貯水タンク１０に進入するのを排除するための目の粗い柵７０が設置されている。
【００２４】
取水路４０から水を流すと、図３に示すように、貯水タンク１０内に取水口１１から側壁１０ａの接線方向に水が導入される。導入された水は、貯水タンク１０の側壁１０ａの内面に沿って周方向に流れ、渦Ａを形成しながら排水口１２に向かって流下し、排水口１２から放水路５０へと放出される。渦Ａの中心領域には、上方に向かうにつれて拡径する空気柱Ｂが形成される。渦Ａの中心或いは空気柱Ｂの中心は、円形の排水口１２の中心軸Ｃ上に存在する。取水路４０から導入される水量が多いほど、空気柱Ｂの径が小さくなる。
【００２５】
図１に示すように、貯水タンク１０内には、発電機３０に接続されたタービン２０が配置されている。タービン２０の回転軸に当たるタービンシャフト２０ａは、貯水タンク１０の側壁１０ａの上縁に架け渡された支持部材６０によって回転自在に支持されており、上端が発電機３０に接続されている。タービンシャフト２０ａは、排水口１２の中心軸Ｃ上に位置している。タービンシャフト２０ａには、貯水タンク１０の底壁１０ｂと略平行に配置された円板状の接続部材２０ｂが固定されており、接続部材２０ｂには４枚の矩形状の羽根部２０ｃがタービンシャフト２０ａの周方向に等間隔で固定されている。各羽根部２０ｃは、渦Ａの周速度の大きい場所に、すなわち渦Ａの空気柱Ｂに接近した位置に挿入されるように配置され、貯水タンク１０の底壁１０ｂの近傍まで伸びている。貯水タンク１０の側壁１０ａの内面とタービン２０の羽根部２０ｃとの間は十分に離れており、取水口１１から導入された水が渦Ａの形成前に直接タービン２０の羽根部２０ｃに衝突することがない。
【００２６】
取水路４０から貯水タンク１０内に導入され、渦Ａを形成している水は、タービン２０の羽根部２０ｃに対してタービン２０の周の接線方向から接触する。このとき、タービン２０が渦Ａから回転エネルギーを奪って回転し、さらに奪った回転エネルギーがタービンシャフト２０ａと連結された発電機３０によって電気エネルギーへと変換される。タービン２０の羽根部２０ｃと接触した水は、羽根部２０ｃに沿って下降し、排水口１２から放水路５０へと放出される。枯葉等の小型のごみは、水と共に放水路５０に放出されるため、貯水タンク１０内に進入しても問題が無い。本実施の形態では、排出口１２の口径が貯水タンク１０の側壁１０ａの内径の１／３〜１／１２の範囲に設定されているため、渇水期に取水路４０から導入される水量が減少しても、貯水タンク１０内の水面（渦Ａの上端）の位置が大幅に下降することが防止されている。
【００２７】
第２実施形態
本発明の第２実施形態の水力発電装置について、図４の断面図を用いて説明する。第１実施形態の水力発電装置における構成部材と同じ構成部材には同じ記号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００２８】
本実施形態の水力発電装置１は、水量減少時にのみ排水口１２に差し込まれる栓（水面上昇手段）８０を有している。図４における円のなかに、栓８０が拡大されて示されている。
【００２９】
栓８０は、水を通過させるための貫通孔８０ｂを有し、側面８０ａにはテーパーが形成されている。また、栓８０には水量増加時に栓８０を回収するための鎖８１が接続されている。水量減少時に貯水タンク側壁１０ａの上端から栓８０を貯水タンク１０内に落とすと、排水口１２を通過する水の流れによる吸引力によって栓８０が排水口１２内に収容される。貯水タンク１０から排出される水の量は排水口１２の面積に依存するが、排水口１２の面積より小さな面積の孔８０ｂを有する栓８０により、口径の小さな排水口を有する貯水タンクを用いた場合と同じ効果が得られる。貯水タンク１０から排出される水の量が減少すれば、貯水タンク１０内の水面を上昇させることができ、したがって水面と排水口１２との落差を増大させることができ、また、タービン２０の羽根部２０ｃのうちの渦内に侵入している部分の割合を増加させることができる。そのため、本実施の形態の水力発電装置１により、渇水期における装置１の発電効率の低下を効果的に抑制することができる。
【００３０】
第３実施形態
本発明の第３実施形態の水力発電装置について、図５の概略図を用いて説明する。第１実施形態の水力発電装置における構成部材と同じ構成部材には同じ記号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。図５の（Ａ）は平面図を示しており、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図を示している。
【００３１】
本実施形態の水力発電装置１は、水量減少時にのみ貯水タンク１０の底壁１０ｂ上に側壁１０ａの内面に沿って配置される底敷部材（水面上昇手段）８５を有している。
【００３２】
底敷部材８５は、比重が１より大きく柔軟性がある材料により形成されている。万一タービン２０の羽根部２０ｃに触れても羽根部２０ｃを損傷させることのないゴムのような材料で形成されているのが好ましい。底敷部材８５は円環を外縁から内縁に向けて切断した形状を有しており、切断面の形状は外縁から略垂直に伸びる辺を有する略直角三角形である。円環の外径は、貯水タンク１０の側壁１０ａの内径よりわずかに短く設定されている。また、底敷部材８５には、水量増加時に底敷部材８５を回収する際に係止具を引っ掛けるためのフック８６が取り付けられている。
【００３３】
水量減少時に貯水タンク１０の側壁１０ａの上端から底敷部材８５を貯水タンク１０内のタービン２０と衝突しない位置に落とすと、底壁１０ｂ上に到達した底敷部材８５は、渦の遠心力により側壁１０ａ側に押し付けられて、タービン２０の羽根部２０ｃと接触することなくドーナツリング状に押し広げられる。アルキメデスの原理によって底敷部材８５の体積の分だけ水が排除されるため、水面を上昇させることが可能となる。したがって水面と排水口１２との落差を増大させることができ、また、タービン２０の羽根部２０ｃのうちの渦内に侵入している部分の割合を増加させることができる。そのため、本実施の形態の水力発電装置１により、渇水期における装置１の発電効率の低下を効果的に抑制することができる。
【００３４】
第４実施形態
本発明の第４実施形態の水力発電装置について、図６の概略図を用いて説明する。第１実施形態の水力発電装置における構成部材と同じ構成部材には同じ記号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。図６の（Ａ）は水を流さない状態の貯水タンク１０、取水路４０及び放水路５０の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、（Ｃ）は水を流した状態の水力発電装置１の断面図である。
【００３５】
本実施の形態の水力発電装置１では、（Ａ）（Ｂ）に示すように、貯水タンク１０の底壁１０ｂが取水口１１の下端より下方に存在している。そして、貯水タンク１０の側壁１０ａの内面側に、取水口１１の下から側壁１０ａの内面に沿って略水平方向に伸びるガイド部材（導水手段）９０が設けられている。ガイド部材９０は、取水口１１から離れるにつれて下方に傾斜している。
【００３６】
ガイド部材９０が存在しない場合には、貯水タンク１０に取水路４０から導入される水の量が大幅に減少した場合には、水が貯水タンク１０の側壁１０ａの接線方向に向かって流れにくくなり、取水口１１から下方に落下するようになる。取水口１１から下方に落下した水は、渦の発生能力をほとんど有しないため、装置１の発電能力が著しく低下し、場合によっては発電が停止してしまう。しかしながら、ガイド部材９０が存在すると、（Ａ）（Ｂ）において矢印で示したように、取水口１１から下方に落下した水がガイド部材９０に案内されて、側壁１０ａの内面に沿って且つ取水口１１から離れるにつれて下方に案内されることになる。すなわち、取水口１１から導入された水は、再び側壁１０ａの接線方向に流れるようになり、渦の発生能力を回復する。その結果、（Ｃ）に示すように、取水路４０から導入される水の量が大幅に減少した場合でも、貯水タンク１０内に水の渦が形成されるようになり、渇水期における装置１の発電効率の低下或いは発電の停止を効果的に抑制することができる。
【００３７】
以上、本発明の４つの実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での変更が可能である。
【００３８】
例えば、上記実施の形態では、貯水タンク１０の側壁１０ａの接線方向から水を貯水タンク１０内に導入できるように、取水路４０の幅（取水路側壁間の距離）を比較的狭くしているが、幅の広い河川に本発明の水力発電装置１を設置する場合には、図７，８に示すように、河川３５の一部を分流して取水路４０を形成することができる。これらの図において、第１実施形態における構成部材と同じ構成部材には同じ記号が付されている。記号３６は水門を表している。水門３６の開閉によって取水路４０に流通させる水の量を調節することができるため、渇水期に水門３６によって取水路４０内の水量を増やすことにより、渇水期における発電効率の低下を効果的に抑制することができる。排水口からの排水は、河川３５に合流させればよい。また、図８に示すように、河川３５の一部を分流して取水路４０を形成する際に、取水路４０の一方の側壁４０ｂを、貯水タンク１０に接近するに連れて他方の側壁４０ａに近づくように傾斜させるのが好ましい。取水路４０を流れる水のうち、側壁４０ｂに接近して流れる水が、貯水タンク側壁１０ａの内面に沿った水の流れと略一致する方向から貯水タンク１０内に流入するようになるため、貯水タンク１０の周方向への水の流れが妨害されず、さらに、取水路４０の断面積が減少するため、貯水タンク１０に流入する水の流速が増し、貯水タンク１０内で渦がさらに形成されやすくなる。その結果、渦の対称性が安定に保たれるようになり、水力発電装置１の発電効率が上昇する。特許文献２に示されている楔形要素によっても同様の効果が得られる。
【００３９】
また、タービン２０の形状は各実施形態において示した形状に限定されず、例えばタービンシャフト２０ａに羽根部２０ｃが固定されているタービン２０を用いることもできる。さらに、貯水タンク１０の排水口１２の口径を電気信号により変化させる絞り機構を予め装置１に組み込むことにより、栓８０に代えることができる、また、ガイド部材９０を予め貯水タンク１０内に設けず、貯水タンク１０の上縁に係止可能な吊り下げ部材の先端にガイド部材９０を取り付けた構造体を準備し、水量が減少したときのみこの構造体を貯水タンク１０内に設置するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明により、渇水期に当たる等の原因により水量が減少した場合でも発電能力の低下が抑制された水力発電装置が提供される。
【符号の説明】
【００４１】
１    水力発電装置
１０  貯水タンク
１０ａ  側壁
１０ｂ  底壁
１１  取水口
１２  排水口
２０  タービン
２０ａ  タービンシャフト
２０ｃ  羽根部
３０  発電機
８０  栓（水面上昇手段）
８５  底敷部材（水面上昇手段）
９０  ガイド部材（導水手段）
Ａ  渦
Ｃ  排水口の中心軸
【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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