(57)【要約】【課題】用水路からより多くのエネルギーを得る。【解決手段】用水路からより多くのエネルギーを得ることを目的として、短区間または部分的に1000/1000から10/1000の水路床勾配を持った水路をエネルギー変換装置の上流側に設置または挿入する。【選択図】図１
2015004171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路の短区間または水路の一部に、流体エネルギーを増加させることを目的として、エネルギー変換装置の上流側に1000/1000から10/1000の水路床勾配を持った水路を設置または挿入した水路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水路に設置するエネルギー変換装置の上流側に、短区間または部分的に水路床勾配を大きくした水路を設けることで流速を上げて、エネルギー変換装置付近での水力エネルギーを増加させる水路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
用水路において砂だまりなどの急激な段差がある場所を除いて、最大流速が概ね２〜３m/sになるように設計されており、その水路床勾配は5/1000〜1/1000程度である。  用水路の流水を利用して、回転する羽根（以下タービンという）などのエネルギー変換装置によってエネルギーを得ようとする場合、流量と有効水頭の積が水力エネルギーに比例することから、落差や段差のある場所に限ってエネルギー変換装置を設置する方法がとられていた。また、流量が期待できる場所では、エネルギー変換装置を流れの中に投入し、エネルギーを得る方法がとられていた。
【０００３】
しかし、用水路で段差を利用してエネルギーを得ようとすると、効率よく作動するための十分な水頭を確保することができないため、効率よくエネルギーを得ることができなかった。また、流量が豊富な用水路の流速によってエネルギーを得ようとする場合、最大流速が用水路設計流速付近の２〜３m／sとなってしまい、これ以上の流速を期待することはできなかった。
【０００４】
また、既存の用水路にエネルギー変換装置を設置しようとする場合、水路の改造や装置設置用の土木工事期間中の数週間から数ヶ月間は水路を使用することができないため、迂回水路が必要であった。
【０００５】
落差が大きな用水路では、上流側から下流側に圧力管を設け、途中にタービンなどのエネルギー変換装置を設置することで、エネルギー変換装置の後流側に空気が入り込まないようにし、エネルギー変換効率をあげる方法がとられてきた。この方法では、圧力配管やエネルギー変換装置などの装備制限から有効落差が３m程度必要であった。
【０００６】
また、用水路に縦型クロスフロータービン等を設置する場合、タービン全体が水没してしまうことからタービンの回転抵抗が増加し、エネルギー変換効率が半減してしまう欠点があった。  また、横型クロスフロータービンでは流速が不十分なことからエネルギー変換効率が低いという欠点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2012-241602「水力発電装置」、特開2007-177797「小落差水力発電装置」
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】特になし
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
解決しようとする問題点は、一般的な用水路においてエネルギーを得ようとする場合、タービンなどのエネルギー変換装置を効率よく働かせるために必要な落差や流速を確保できないことが多く、一般的な用水路からあまり多くのエネルギーを得ることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、水流エネルギー増加させることを目的として、エネルギー変換装置の用水路上流側に1000/1000から10/1000の水路床勾配を持った水路（以下加速水路という）を設置して、エネルギー変換装置付近での流速を増加させることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明はタービンなどのエネルギー変換装置の用水路上流側に流速を上げるため水路床勾配を大きくした加速水路を設置または挿入し、この水路を通過する間、水が重力によって加速されることを利用して、エネルギー変換装置付近での流速を上げてより高いエネルギーを得ようとするものである。
【００１２】
例えば水路深さの10〜20％程度の床上げを水路に設け、その下流側に水路床勾配を1000/1000から10/1000にした水路を設置することでエネルギー変換装置付近での流速を上げて、エネルギーの量を上げることができる。
【００１３】
加速水路の長さによって流速が増加する傾向にあるが、水深や水路幅によって流れが乱れない程度にすることが要求される。
【００１４】
また、既存の水路に本発明の加速水路を挿入することが可能であり、工場での品質をそのままに設置できることや、設置時間が数時間以内と短かくすることができる特徴がある反面、加速距離を長くとることは水路のコスト高になる。
【００１５】
本発明の加速水路は新設水路に採用できるばかりでなく、既存のなだらかな傾斜を持った用水路に挿入することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は水を加速するための水路を既存のなだらかな水路にプロペラ型タービンを２機設置した例を示した説明図の水路断面図である。（実施例１）
【図２】図２は図１の説明図の横断面図である。（実施例1）
【図３】図３は水を加速するための水路を段差のある水路にプロペラ型タービンを２機設置した例を示した説明図の水路断面図である。（実施例２）
【図４】図４は図３の説明図の横断面図である。（実施例２）
【図５】図５は水を加速するための水路を既存のなだらかな水路にクロスフロー型タービンを設置した例を示した説明図の水路断面図である。（実施例３）
【図６】図６は図５の説明図の横断面図である。（実施例３）
【図７】図７は水を加速するための水路を段差のある水路にクロスフロー型タービンを設置した例を示した説明図の水路断面図である。（実施例４）
【図８】図８は図７の説明図の横断面図である。（実施例４）
【発明を実施するための形態】
【００１７】
用水路にエネルギー変換装置を設置しようとする場合、タービンなどのエネルギー変換装置の上流側に1000/1000から10/1000の水路床勾配を持った水路を設置することで、エネルギー変換装置設置付近での流速を上げて、より大きなエネルギー得ることを実現する。
【実施例】
【００１８】
図１と図２は、本発明装置の１実施例の水路断面図であって、１、２a、３は、図２と同様である。
【００１９】
図３と図４は、本発明装置の２実施例の水路断面図であって、１、２a、３は、図３と同様である。
【００２０】
図５と図６は、本発明装置の３実施例の水路断面図であって、１、２b、３は、図５と同様である。
【００２１】
図７と図８は、本発明装置の４実施例の水路断面図であって、１、２b、３は、図６と同様である。
【００２２】
タービン２aはプロペラ型、タービン2bはクロスフロー型のタービンをエネルギー変換装置とした実施例である。水流によってエネルギー変換装置は変わるため、その種類は問わない。本発明の主体は水路の実装方法にあるため、タービンなどのエネルギー変換装置および、これによって得られるエネルギーに関する説明は省略する。
【００２３】
用水路の流速を求める式としてマニングの式が一般に使用されている。
平均流速  Vは
【数１】
2015004171.tif 000003
【００２４】
流量  Qは
【数２】
2015004171.tif 000004
【００２５】
径深  Rは
【数３】
2015004171.tif 000005
【００２６】
ここで、
Ｑ：流量
Ｖ：平均流速
ｎ：粗度係数（水路壁面、底面の粗さをしめす値。）
Ｓ：潤辺（水路断面において、水が周囲の壁や底と接する長さ。）
Ａ：流積（水路における流水の断面積）
Ｒ：径深（水理学的平均水深ともいい、流積を潤辺で割った値）
Ｉ：動水勾配  ｈｆ/Ｌ  （ｈｆ：エネルギー損失      Ｌ：水路延長）で、等流では水路床勾配を用いる。
この式に示されるように、水路の流速は動水勾配の1/2乗に比例して増加するが、流速を上げるためには加速するための時間が必要となり、その間に移動する距離に相当する水路長が必要になる。
本発明によれば、水路床勾配を増加させ、加速するための距離をもった加速水路をタービンなどのエネルギー変換装置の上流側に設置することで流速を上げて、タービンなどのエネルギー変換装置付近でより大きなエネルギーを得ることができる。
【００２７】
水路の幅に対して水深が浅い場合には、水路床勾配とともに加速水路の幅を狭くすることで径深を大きくして流速を上げることができる。
【００２８】
冬の間水量が夏の半分程度になる水路では、水路の幅に対して水深が浅くなる傾向にある。このような場合には水路深さよりも同等または低い深さで幅を狭くした本発明の加速水路を設置することができる。これによって、水量が少ない冬の間は幅を狭くし径深を大きくして流速を上げることができる。この場合、水路流量が増加する夏には本発明の加速水路から既存の水路に水が溢れ出るものの、加速水路の深さが設置する水路よりも十分浅いため、水が水路の外に溢れ出ることはない。
【００２９】
段差の無い水路に水路床の底上げ板によって本発明の加速水路を設置しようとする場合、水量が増えて水があふれるのを防ぐために底上げ部に水門を設け開閉することができる。また，段差がある部分についても左右方向又は下方に開閉する水門を設けることで増水時対策あるいは保守対応が可能となり、従来の水路をそのまま利用することができる。
【００３０】
また既存水路に本発明の加速水路を挿入して、エネルギーを得ようとする場合、加速水路付近とその上流側の水路側壁を盛り上げることで、加速水路床高さを同様に盛り上げることができ、より大きなエネルギーを得ることができる。
【００３１】
本発明の加速水路による流速の増加は表層流れの状況、水の粘度などによっても影響されるが確実に流速を上げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
例えば、水路幅2m、水深1.4m、動水勾配が1/1000で設計された水路の流速は2.5m／s程度になる。この水路に本発明の水路床勾配40/1000、長さ5mの加速水路を設置すると、この下流付近で3.2m／sの流速が期待できる。流体エネルギーは流速の３乗に比例することから、加速水路の下流付近では約2倍増加したことになる。
実際には、流れが速くなり常流から射流域に入ると跳水が発生するため流速の増加度合いが低下する傾向がある。また、跳水が発生するとタービンなどのエネルギー変換装置のエネルギー変換効率も低下する傾向にある。これらから、流速を増加して水流のエネルギーを変換する場合には、水量、水路床勾配、水路区間長などを適正に調整することで高性能のエネルギー変換システムを設計することができる。
【００３３】
下流側の水がタービンなどのエネルギー変換装置付近に逆流したり，水位等によってタービンなどのエネルギー変換装置の効率が低下するのを避けるために、エネルギー変換装置付近から後流が流れた出た部分に緩やかな段差を水路に設けることも有効である。
【符号の説明】
【００３４】
１    水路
２a  プロペラ型タービン
２b  クロスフロー型タービン
３    加速水路
【図１】
2015004171.tif 000006
【図２】
2015004171.tif 000007
【図３】
2015004171.tif 000008
【図４】
2015004171.tif 000009
【図５】
2015004171.tif 000010
【図６】
2015004171.tif 000011
【図７】
2015004171.tif 000012
【図８】
2015004171.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月9日(2014.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー変換装置の上流側に接近して流速を上げる効果をもたらす水門や堰が存在しない開水路において、前記開水路に設置するエネルギー変換装置の上流側に、１０００／１０００から１０／１０００の範囲で設置する水路床よりも床勾配を大きくし、かつ水路幅を下流に向かって速度上昇に合わせて徐々に狭窄した形状を持たせることで、エネルギー変換装置付近での流体エネルギーを増加させることを特徴とした開水路。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、エネルギー変換装置の上流側に接近して流速を上げる効果をもたらす水門や堰が無い開水路において、前記開水路の水路床よりも床勾配を大きくし、表層の跳水等による減速が生じない十分な径深を確保するために水路幅を増速とともに狭くした開水路をエネルギー変換装置の上流側に連結して設けることで、水力エネルギーを増加させる開水路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】開水路において急激な落差がある場所や砂だまりのための段差部以外は一般的に最大流速が概ね２〜３ｍ／ｓになるように設計されて、その水路床勾配は１０／１０００未満である。
開水路の流水を利用して、回転する羽根（以下タービンという）などのエネルギー変換装置によってエネルギーを得ようとする場合、流量と有効水頭の積が水力エネルギーに比例することから、落差や段差のある場所にエネルギー変換装置を設置する方法がとられていた。また、流量が期待できる場所では、エネルギー変換装置を流れの中に投入しエネルギーを得る方法がとられていた。【０００３】しかし、開水路で段差を利用してエネルギーを得ようとすると、効率よく作動するための十分な水頭を確保することができないため、効率よくエネルギーを得ることができなかった。また、流量が豊富な用水路の流速によってエネルギーを得ようとする場合、農業用の開水路では最大流速が設計流速付近の２〜３ｍ／ｓとなってしまい、これ以上の流速を期待することはできなかった。このような開水路にエネルギー変換装置を設置しようとすると開水路の途中では、流速が減少し結果として、水が開水路から溢れやすくなり、落差工に設置する場合にも上流側では同様の状態となる。一方、下流側はタービンの背面側に空気が入り込むなど連続した流れの中でタービンを作動させることができず、結果として効率よくエネルギーを変換することができなかった。【０００４】また、既存の開水路にエネルギー変換装置を設置しようとする場合、水路の改造や装置設置用の土木工事期間中の数週間から数ヶ月間は水路を使用することができないため、迂回水路が必要であった。【０００５】落差が大きな開水路では、上流側から下流側に圧力管路を新たに設け、途中にタービンなどのエネルギー変換装置を設置することで、エネルギー変換装置の後流側に空気が入り込まないようにし、エネルギー変換効率をあげる方法がとられてきた。この方法では、圧力配管やエネルギー変換装置などの装備制限などから有効落差が３ｍ程度必要であった。【０００６】また、開水路に縦型クロスフロータービンを設置する場合、クロスフロータービン全体が水没してしまうことから回転抵抗が増大し、エネルギー変換効率が半減してしまう欠点があった。横型クロスフロータービンでは流速が遅くエネルギー変換効率が低いという欠点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−２４１６０２「水力発電装置」  特開２００７−１７７７９７「小落差水力発電装置」  特開２００５−１５５３３４「水力エネルギ回収ユニット」
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】特になし
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】解決しようとする問題点は、上流側に接近して水力エネルギーを上げる効果をもたらす水門や堰が無い開水路においてエネルギーを得ようとする場合、タービンなどのエネルギー変換装置を効率よく働かせるために必要な落差や流速を確保できないことが多く、一般的な開水路からあまり多くのエネルギーを得ることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】本発明は、エネルギー変換装置の上流側に接近して流速を上げる効果をもたらす水門や堰が無い開水路において、同一水路内で局所的に水流エネルギー増加させることを目的として、エネルギー変換装置の上流側に１０００／１０００から１０／１０００の範囲で水路床よりも床勾配を大きくし、表層の跳水等による減速が生じない十分な径深を確保するために水路幅を増速とともに狭窄した開水路（以下加速水路という）を連結して設置し、エネルギー変換装置付近での流速を増加させることを最も主要な特徴とする。
加速水路において、水路床勾配が１０００／１０００を超えると、開水路で増速すると水路床から水が離れたり、水路の開放側に溢れ出るなどすることから閉水路にする必要がでてくる。したがって、水路床勾配１０００／１０００が上限となる。また、通常の開水路設計速度である２ｍ／ｓ付近で設計されており、同一開水路でエネルギーを効率よく得るためにはタービンへの最小流入速度はおよそ２倍の４ｍ／ｓ程度が必要となる。ことから少なくとも局所的に１０／１０００の水路床勾配が要求されることになる。
【発明の効果】
【００１１】本発明はタービンなどのエネルギー変換装置の上流側に流速を上げるため局所的に水路床よりも床勾配を大きくし、表層の跳水等による減速が生じない十分な径深を確保するために水路幅を増速とともに狭くした開水路をエネルギー変換装置と連結して設置することで、この水路を通過する間、水が重力によって加速されることを利用して、エネルギー変換装置付近での流速を上げてより高いエネルギーを得ようとするものである。【００１２】例えば水路深さの１０〜２０％程度の床上げを行い下流側に加速水路を設置することでエネルギー変換装置付近でのエネルギーの量を大幅に上げることができる。本発明のエネルギー変換装置に連結された加速水路は既存のなだらかな傾斜を持った農業用開水路にも挿入することができるという利点がある。【００１３】加速水路の長さによって流速が増加する傾向にあるが、水深や水路幅によって流れが乱れない程度にすることが要求される。【００１４】また、既存の水路に本発明の加速水路を挿入することが可能であり、工場での品質をそのままに設置できることや、設置時間が数時間以内と短縮することができる特徴がある。【００１５】本発明の加速水路は新設水路に採用できるばかりでなく、既存のなだらかな傾斜を持った開水路に挿入することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は水を加速するための水路を既存のなだらかな水路にプロペラ型タービンを２機設置した例を示した説明図の水路断面図である。（実施例１）
【図２】図２は図１の説明図の横断面図である。（実施例１）
【図３】図３は水を加速するための水路を段差のある水路にプロペラ型タービンを２機設置した例を示した説明図の水路断面図である。（実施例２）
【図４】図４は図３の説明図の横断面図である。（実施例２）
【図５】図５は水を加速するための水路を既存のなだらかな水路にクロスフロー型タービンを設置した例を示した説明図の水路断面図である。（実施例３）
【図６】図６は図５の説明図の横断面図である。（実施例３）
【図７】図７は水を加速するための水路を段差のある水路にクロスフロー型タービンを設置した例を示した説明図の水路断面図である。（実施例４）
【図８】図８は図７の説明図の横断面図である。（実施例４）
【発明を実施するための形態】
【００１７】上流側に接近して水力エネルギーを上げる効果をもたらす水門や堰が無い開水路にエネルギー変換装置を設置しようとする場合、タービンなどのエネルギー変換装置の上流側に１０００／１０００から１０／１０００の範囲で水路床よりも床勾配を大きくし、表層の跳水等による減速が生じない十分な径深を確保するために水路幅を増速とともに狭くした開水路を設置することで、エネルギー変換装置設置付近での流速を上げて、より大きなエネルギー得ることを実現する。
【実施例】
【００１８】図１と図２は、本発明装置の１実施例の水路断面図であって、１、２ａ、３は、図２と同様である。【００１９】図３と図４は、本発明装置の２実施例の水路断面図であって、１、２ａ、３は、図３と同様である。【００２０】図５と図６は、本発明装置の３実施例の水路断面図であって、１、２ｂ、３は、図５と同様である。【００２１】図７と図８は、本発明装置の４実施例の水路断面図であって、１、２ｂ、３は、図６と同様である。【００２２】タービン２ａはプロペラ型、タービン２ｂはクロスフロー型のタービンをエネルギー変換装置とした実施例である。水流によってエネルギー変換装置は変わるため、その種類は問わない。本発明の主体は水路の実装方法にあるため、タービンなどのエネルギー変換装置および、これによって得られるエネルギーに関する説明は省略する。【００２３】用水路の流速を求める式としてマニングの式が一般に使用されている。
平均流速  Ｖは
【数１】
2015004171.tif 000014
【００２４】流量  Ｑは
【数２】
2015004171.tif 000015
【００２５】径深  Ｒは
【数３】
2015004171.tif 000016
【００２６】ここで、
Ｑ：流量
Ｖ：平均流速
ｎ：粗度係数（水路壁面、底面の粗さをしめす値。）
Ｓ：潤辺（水路断面において、水が周囲の壁や底と接する長さ。）
Ａ：流積（水路における流水の断面積）
Ｒ：径深（水理学的平均水深ともいい、流積を潤辺で割った値）
Ｉ：動水勾配ｈｆ／Ｌ（ｈｆ：エネルギー損失    Ｌ：水路延長）で、等流で              は水路床勾配を用いる。
この式に示されるように、水路の流速は動水勾配の１／２乗に比例して増加するが、流速を上げるためには加速するための時間が必要となり、その間に移動する距離に相当する水路長が必要になる。
本発明によれば、局所的に水路床よりも床勾配を大きくし、加速するための距離を持たせるとともに、表層の跳水等による減速が生じない十分な径深を確保するために水路幅を増速とともに狭くした加速水路をタービンなどのエネルギー変換装置の上流側に連結して設置することで流速を上げて、タービンなどのエネルギー変換装置付近でより大きなエネルギーを得ることができる。【００２７】水路の幅に対して水深が浅い場合には、水路床勾配とともに加速水路の幅を狭くすることで径深を大きくして流速を上げることができる。【００２８】冬の間水量が夏の半分程度になる水路では、水路の幅に対して水深が浅くなる傾向にある。このような場合には水路深さよりも同等または低い深さで幅を狭くした本発明の加速水路を設置することができる。これによって、水量が少ない冬の間は幅を狭くし径深を大きくして流速を上げることができる。この場合、水路流量が増加する夏には本発明の加速水路から既存の水路に水が溢れ出るものの、加速水路の深さが設置する水路よりも十分浅いため、水が水路の外に溢れ出ることはない。【００２９】段差の無い水路に水路床の底上げ板によって本発明の加速水路を設置しようとする場合、水量が増えて水があふれるのを防ぐために底上げ部に水門を設け開閉することができる。また，段差がある部分についても左右方向又は下方に開閉する水門を設けることで増水時対策あるいは保守対応が可能となり、従来の水路をそのまま利用することができる。【００３０】また既存水路に本発明の加速水路を挿入して、エネルギーを得ようとする場合、加速水路付近とその上流側の水路側壁を盛り上げることで、加速水路床高さを同様に盛り上げることができ、より大きなエネルギーを得ることができる。【００３１】本発明の加速水路による流速の増加は表層流れの状況、水の粘度などによっても影響されるが確実に流速を上げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】例えば、水路幅２ｍ、水深１．４ｍ、動水勾配が１／１０００で設計された水路の流速は２．５ｍ／ｓ程度になる。この水路に本発明の水路床勾配４０／１０００、長さ５ｍの加速水路を設置すると、この下流付近で３．２ｍ／ｓの流速が期待できる。流体エネルギーは流速の３乗に比例することから、加速水路の下流付近では約２倍増加したことになる。
実際には、流れが速くなり常流から射流域に入ると跳水が発生するため流速の増加度合いが低下する傾向がある。また、跳水が発生するとタービンなどのエネルギー変換装置のエネルギー変換効率も低下する傾向にある。これらから、流速を増加して水流のエネルギーを変換する場合には、水量、水路床勾配、水路幅の狭窄率、水路区間長などを適正に調整することで高性能のエネルギー変換システムを設計することができる。【００３３】下流側の水がタービンなどのエネルギー変換装置付近に逆流したり，水位等によってタービンなどのエネルギー変換装置の効率が低下するのを避けるために、エネルギー変換装置付近から後流が流れた出た部分に緩やかな段差を水路に設けることも有効である。
【符号の説明】
【００３４】１    水路
２ａ  プロペラ型タービン
２ｂ  クロスフロー型タービン
３    加速水路
【手続補正３】
【補正対象書類名】要約書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【要約】【要約】
【課題】開水路からより多くのエネルギーを得る。
【解決手段】
開水路に設置するエネルギー変換装置の上流側に連結して、１０００／１０００から１０／１０００の範囲で水路床よりも床勾配を大きくし、水路幅を増速とともに狭窄させた開水路を設ける。
【選択図】図１