(57)【要約】【課題】入水、離水時の損失を抑制したランナ形状を有する開水路用水車およびこの水車を搭載した発電装置を提供する。【解決手段】開水路用水車のランナが入水あるいは離水する際の損失を少なくするため、ランナの先端部を鋭角的な山形とし、ランナ後部の裾を広くした構造とする。これより、入水時にはランナ先端部から入水するため、水から受ける抵抗を極力少なくするとともに、水がランナ先端部から速やかに背面へ浸漬し、入水後は流水の圧力をランナ全体で受けることができる。また離水の際には、ランナ先端部より空気が直ちに流入するため、ランナ間に水を巻き込むことはなく後方へ滑らかに排出される。したがって、回転数およびトルクが増加し、水車効率が従来の水車と比較して向上する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸線の周りに回転可能に構成された回転部材と、該回転部材に固定され、前記回転軸線の周りに放射状に配置された複数のランナと、を具備し、
前記ランナは、前記回転方向の先端部において前記回転軸線の方向の両側に所定角度で折り曲げた形状であり、前記先端部が内周側から外周側へ伸びる稜線を構成し、前記回転軸線の方向の両側の一対の板状部分が前記先端部から前記回転方向の後方へ向けてそれぞれ斜めに延在することにより、前記回転方向の後方に向けて前記回転軸線の方向の両側に拡がった形状とされた板状体で構成されていることを特徴とする開水路用水車。
【請求項２】
前記一対の板状部分は、前記回転軸線の方向の両側において前記先端部から前記回転方向の後端部へ向けて斜めに設置された平板状にそれぞれ構成されていることを特徴とする請求項１に記載の開水路用水車。
【請求項３】
前記一対の板状部分は、前記回転軸線の方向の両側において前記先端部から前記回転方向の後端部へ向けて相互に内側へ凹んだ凹曲面状にそれぞれ構成されていることを特徴とする請求項１に記載の開水路用水車。
【請求項４】
前記回転部材は、前記ランナに対して前記回転軸線の方向の両側に並列された一対の回転板であり、前記回転軸線の方向の両側に延在する前記一対の板状部分の前記回転方向の後端部が前記一対の回転板にそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の開水路用水車。
【請求項５】
前記回転軸線の周りに放射状に配置された前記複数のランナからなるランナ群が、前記回転部材を介して前記回転軸線の方向に複数組配列されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の開水路用水車。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の開水路用水車と、前記開水路用水車を前記回転軸線の周りに回転可能に軸支するフレームと、該フレームに取り付けられ、前記開水路用水車の前記回転軸線の方向の両側に配置された一対の浮体と、前記開水路用水車と前記フレームの間に連結され、前記開水路用水車の回転力を入力とする発電機と、を具備することを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の開水路用水車を、開水路中において、前記回転軸線が水流方向と交差するとともに水面に沿って配置される姿勢で、前記複数のランナのうちの一部が水没する位置に設置し、前記開水路用水車を前記開水路の水流により回転駆動して回転力を取り出すことを特徴とする開水路用水車の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は開水路用水車、発電装置、及び、開水路用水車の使用方法に係り、特に、マイクロ水力発電用水車として好適なランナ形状を有する水車構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
未利用の中小水力を有効活用する水力発電に使用される水車は、大規模水力発電と同様に獲得できる落差および水量によりペルトン、フランシス、プロペラ、チューブラー、クロスフローなどの各水車から選定される。これらは管路用水車であり、河川にダム、取水口、導水路、水圧管などを設置する必要があり、設備コストの制約を受ける。
【０００３】
これに対して、開水路用水車は設置に伴う大規模工事を必要とせず、建設費を抑えることができるため比較的容易に設置することができる。開水路用水車としては、上掛け水車、下掛け水車などが古くから用いられており、水面下に水没させて使用する垂直軸型のダリウス水車なども開発されている。河川の他に、海流、潮流などを利用した発電用水車としては、プロペラ、サボニウス、ジャイロミル、倉掛全流向、セールキャノピーなどの各種水車形状が提案されている。
【０００４】
水路工事を伴わず、河川、用水などの超低落差による流れを積極的に利用して発電する観点から、下掛け水車に代表される水車形状が想定される。しかし、水流から受ける力の方向がランナ角度により分散され、またランナ間への水の巻き込みが生じるため、回転数およびトルクが減少して水車効率が悪化し、水流の運動エネルギーを効率よく回収することが難しい。この点は以下の特許文献１及び２に記載された水車も同様であり、入水時及び離水時に受ける回転抵抗により水流エネルギーの回収効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９９４２７号公報
【特許文献２】特開２００９−２２２０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
下掛け水車などに代表される水流を利用した水車の多くは、複数の平板形ランナまたは樋形ランナを２つの回転円板間に、水車の回転軸方向または回転軸方向に対して任意の角度で配置した構造を採用する。この種の水車を河川の水面に対して半水没させて機械エネルギーを得る場合、ランナが入水する方向と水流の方向が直交するため、回転方向に対してランナ背面が完全に水で満たされるまで負のトルクが生じる。次に、ランナが半回転して離水する際は、ランナの前面または背面の水が速やかに排出されないため、ランナ間に水を巻き込み，流水のエネルギーが巻き込んだ水の回転エネルギーとして失われる。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、入水時と離水時の抵抗を低減することにより、水流のエネルギーを効率よく回収することのできる開水路用水車の構造を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
斯かる実情に鑑み、本発明者は、入水するランナの背面に素早く水を回り込ませて負のトルクを減少させ、同時に離水状態にあるランナ間の水を速やかに排出するランナ形状とすれば、回転数およびトルクが向上し、損失が少なく効率の高い水車を実現できるという着想を得た。
【０００９】
このようなランナ形状を有する水車は、流水の運動エネルギーを積極的に利用するための発電用水車とすることが効果的であり、さらに発電機を含めた一体型の浮体式発電装置とすることにより、河川等に係留して使用できるなど設置が極めて容易となる。
【００１０】
本発明では、以下のようなランナ形状の水車とすることで前記課題を解決する。すなわち、ランナの先端部を山形にすることにより，入水時に水から受ける抵抗を極力少なくし、ランナ先端の背面から速やかに水が浸入する。入水後は水の圧力をランナ全体で受けるためランナ後部の裾を広くした構造とする。この様なランナ形状とすることにより、離水の際にはランナ先端部より空気が直ちに流入するため、ランナ間に水を巻き込むことはなく後方へ排出されるため、回転数およびトルクが増加し、水車効率が従来の水車と比較して向上する。
【００１１】
本発明に係る開水路用水車は、回転軸線の周りに回転可能に構成された回転部材と、該回転部材に固定され、前記回転軸線の周りに放射状に配置された複数のランナとを具備し、前記ランナは、前記回転方向の先端部において前記回転軸線の方向の両側に所定角度で折り曲げた形状であり、前記先端部が内周側から外周側へ伸びる稜線を構成し、前記回転軸線の方向の両側の一対の板状部分が前記先端部から前記回転方向の後方へ向けてそれぞれ斜めに延在することにより、前記回転方向の後方に向けて前記回転軸線の方向の両側に拡がった形状とされた板状体で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、ランナの入水時には、稜線を構成する先端部から水中に導入されることで水面に与える押圧力の方向が回転方向以外に分散されるため単位時間当たりの水の飛散量が少なくなり、また、ランナの先端部の内周側と外周側の少なくとも一方から早期にランナの背面上に水が流入するために負圧による抵抗も抑制されることから、入水時の回転抵抗を低減できる。また、ランナの離水時には、稜線を構成する先端部から水上に導出されることで水の巻き上げ方向が回転方向に対して分散されるため単位時間当たりの水の飛散量が少なくなり、また、ランナの先端部の内周側と外周側の少なくとも一方から早期にランナの背面下に空気が導入されるために負圧による抵抗も抑制されることから、離水時の回転抵抗も低減できる。
【００１３】
本発明において、前記一対の板状部分は、前記回転軸線の方向の両側において前記先端部から前記回転方向の後端部へ向けて斜めに設置された平板状にそれぞれ構成されていることが好ましい。これによれば、回転軸線の方向の両側に延在する板状部分がいずれも平板状に構成されることにより、ランナを容易かつ安価に製造できるとともに、ランナの剛性を高めやすくなる。
【００１４】
本発明において、前記一対の板状部分は、前記回転軸線の方向の両側において前記先端部から前記回転方向の後端部へ向けて相互に内側へ凹んだ凹曲面状にそれぞれ構成されていることが好ましい。これによれば、ランナの回転方向への投影面積や回転方向の形成範囲を変えずに、ランナの先端部の角度を小さくすることができるため、ランナの入水時及び離水時の回転抵抗をさらに低減できる。
【００１５】
本発明において、前記回転部材は、前記ランナに対して前記回転軸線の方向の両側に並列された一対の回転板であり、前記回転軸線の方向の両側に延在する前記一対の板状部分の前記回転方向の後端部が前記一対の回転板にそれぞれ取り付けられていることが好ましい。複数のランナの固定構造は、回転方向や回転軸線の方向に伸びる枠材や枠板などの種々の回転部材を介して取り付けた構造とすることも可能であるが、一対の板状部分の後端部を回転軸線の方向の両側に並列された一対の回転板にそれぞれ取り付けることによって水車構造の簡易化や軽量化、製造コストの低減などを図ることができる。
【００１６】
本発明において、前記回転軸線の周りに放射状に配置された前記複数のランナからなるランナ群が、前記回転部材を介して前記回転軸線の方向に複数組配列されることが好ましい。これによれば、簡易な構造で回収できるエネルギー量を容易に増加させることが可能になる。
【００１７】
次に、本発明に係る発電装置は、上記のいずれか一項に記載の開水路用水車と、前記開水路用水車を前記回転軸線の周りに回転可能に軸支するフレームと、該フレームに取り付けられ、前記開水路用水車の前記回転軸線の方向の両側に配置された一対の浮体と、前記開水路用水車と前記フレームの間に連結され、前記開水路用水車の回転力を入力とする発電機と、を具備することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る開水路用水車の使用方法は、上記のいずれか一項に記載の開水路用水車を、開水路中において、前記回転軸線が水流方向と交差（好ましくは直交）するとともに水面に沿って配置される姿勢で、前記複数のランナのうちの一部が水没する位置に設置し、前記開水路用水車を前記開水路の水流により回転駆動して回転力を取り出すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、入水時と離水時の抵抗を低減することにより、水流のエネルギーを効率よく回収することのできる開水路用水車を実現できるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】平板形ランナを示す斜視図である。
【図２】三角形ランナを示す斜視図である。
【図３】山形ランナを示す斜視図である。
【図４】平板形水車（平板形ランナを組み付けた水車）を示す斜視図である。
【図５】三角形水車（三角形ランナを組み付けた水車）を示す斜視図である。
【図６】山形水車（山形ランナを組み付けた水車）を示す斜視図である。
【図７】入水時における三角形および山形水車のランナ位置を示す説明図である。
【図８】離水時における三角形および山形水車のランナ位置を示す説明図である。
【図９】ランナ取り付け位置変更（中間）による入水時における三角形および山形水車のランナ位置を示す説明図である。
【図１０】ランナ取り付け位置変更（中間）による離水時における三角形および山形水車のランナ位置を示す説明図である。
【図１１】ランナ取り付け位置変更（後方）による入水時における三角形および山形水車のランナ位置を示す説明図である。
【図１２】ランナ取り付け位置変更（後方）による離水時における三角形および山形水車のランナ位置を示す説明図である。
【図１３】浮体式発電装置（山形水車）を示す斜視図である。
【図１４】連結した山形水車（３連結）を示す斜視図である。
【図１５】実地試験の様子（平板形水車）を示す写真である。
【図１６】実地試験の様子（三角形水車）を示す写真である。
【図１７】三角形水車および平板形水車における発電出力及び回転数の負荷電流に対する依存性を示すグラフである。
【図１８】山形水車および三角形水車における発電出力及び回転数の負荷電流に対する依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
図１は、従来下掛け水車に使用されてきたランナ形状の１つで、平板形ランナを示す斜視図である。図２および図３は、本発明による２つのランナ形状を示す。図２に示すランナは長方形の平板を中心線上で任意の角度に折り曲げた形状とし、折り曲げた稜線部分を先端部３とした。これを三角形ランナと呼称する。また図３に示すランナは、任意の曲率半径で湾曲させた２枚の板（板状部分）を先端部３で接続し、この先端部３を上記三角形ランナよりも鋭角的形状とした。これを山形ランナと呼称する。ランナの進行方向（回転方向）２に対して、３がランナ先端部、４がランナ後端部となる。
【００２３】
これらのランナを回転円板に接続し、さらに回転円板に発電機を取り付けた水車をそれぞれ図４〜図６に示す。図４〜図６の水車をそれぞれ平板形水車、三角形水車、山形水車と呼称する。図４〜図６において、各ランナの後端部４ａ，４ｂは回転円板５ａ，５ｂにそれぞれ接続され、複数のランナで構成される水車とする。
【００２４】
複数のランナは、水車の回転軸線の周りに放射状に配置される。このとき、ランナの先端部３は水車の回転方向の前方に配置され、後端部４ａ，４ｂは水車の回転方向の後方に配置される。ランナは上述のように先端部３を稜線として二つに折り曲げられた一対の板状部分を備え、これらの板状部分の後端部４ａ，４ｂの内周側から外周側に至る全体が回転円板５ａ，５ｂの相互に対向する内面上において密接した状態で固定されている。また、ランナの一対の板状部分の間に形成された三角柱状の空間は、水車の内周側に開放されているとともに、水車の外周側にも開放されている。
【００２５】
また、水車の回転円板５ａ，５ｂの外側に２つの発電機６ａ，６ｂをそれぞれ取り付ける。発電機を取り付けた水車は発電機の回転軸７ａ，７ｂにおいて後述する浮体に固定され，水車の下部を水面下に水没させる。水流の方向８に対して各水車は２の方向に回転する。
【００２６】
図４において、回転しているランナが水面と接するとき、ランナは水を押し広げて水中に侵入するため回転方向に対して負のトルクが生じる。その後ランナの背面が水で満たされ、ランナと水面の成す角によって水流からの圧力を受けて回転方向のトルクが発生する。また、離水時には、ランナの背面にある水が負圧によって回転方向と反対の力が生じるとともに、後方ランナの前面で水が押し出されるため、負のトルクが発生する。さらに、水車のランナ間に水が巻き込まれるため水車効率は低下する。
【００２７】
これに対して、図５および図６に示した水車の入水時および離水時のランナが受けるトルクは次のとおりである。図７は入水時におけるランナ先端部３の位置をａ−ａ′、ｂ−ｂ′、ｃ−ｃ′の順に示している。ランナ先端部３が入水する際はａ−ａ′の位置で水中に侵入するが、ランナ先端部が鋭角的な形状であるため水面から受ける抵抗は小さく、回転方向に対する負のトルクは抑制される。ランナ先端部３がｂ−ｂ′の位置ではランナ先端部３の内周側からランナ背面に流水が侵入し、次いでｃ−ｃ′の位置に到達後は水流からの圧力を受け回転力を得る。また、図８は離水時におけるランナ先端部３の位置をａ−ａ′，ｂ−ｂ′，ｃ−ｃ′の順に示している。ランナ先端部３がａ−ａ′の位置でランナが水流から受けるトルクは最大となる。これ以降は水面上にランナ先端部３が上昇し（ｂ−ｂ′の位置）、空気がランナ先端部３の内周側からランナ背面に侵入するためランナ背面に負圧が生じにくく、ランナ間の水は速やかに後方に排出される（ｃ−ｃ′の位置）。したがって、図５および図６に示す三角形水車と山形水車は、平板形水車と比較して回転数とトルクが増加して水車効率が向上する。さらにランナ先端部３がより鋭角的な山形水車は三角形水車より回転数とトルクとも上回る。
【００２８】
本明細書において「鋭角的」とは、ランナ先端部３の両側に延在する板状部分の間の角度が必ずしも鋭角（９０度未満）であることを意味せず、ランナ先端部３がランナ全体から見て稜線とみなし得る程度の小さな曲率半径で曲折していることを意味する。上記角度は特に限定されず、回転軸線の周りに放射状に配置されるランナの数、水車の半径と幅の寸法関係などに応じて異なるが、６０度〜１２０度の範囲内であることが好ましく、８０度〜１００度の範囲内であることが望ましい。なお、本実施形態の山形ランナの上記角度は、ランナ先端部３の両側に延在する板状部分が相互に凹曲面状に構成されることにより、本実施形態の三角形ランナの上記角度よりも小さくなっている。
【００２９】
図７および図８に対して、ランナ位置を水車側面からの投影図上において回転方向の後方に移動させた２種類の水車の入水時および離水時の様子をそれぞれ図９と図１０、図１１と図１２に示す。図９ならびに図１０に示す水車は、ランナ先端部３と後端部４の中央を結ぶ中心線ｏ−ｏ′を回転円板５の半径方向と一致させた水車であり、また図１１ならびに図１２に示す水車は、ランナを図９（図１０）よりさらに後方に移動させて配置した水車である。
【００３０】
図７において、ランナ先端部３がａ−ａ′の位置で入水し、ｃ−ｃ′の位置まで移動する間において、水面下にあるランナ面が水流より受ける力はランナの回転方向と逆向きとなるため、負のトルクが生じる。これに対して図９では、ランナ位置を回転方向の後方に移動させることにより、ランナ先端部３が入水する際の水面とランナ先端部（ａ−ａ′）のなす角が小さくなり、負のトルクはほとんど生じない。また、図１０では、図８との比較において、ランナの移動方向（例えば図１０のランナ後端部４の外側位置ｄ〜ｅ〜ｆおよび内側位置ｄ′〜ｅ′〜ｆ）に対してランナが流水から受ける回転方向の分力が増加し、さらに同一の回転位置において水面下にあるランナの浸漬面積が拡大することによってトルクが増加する。
【００３１】
次に、図１１ではランナ先端部３の位置ａ−ａ′において、ランナ先端部３が水面と平行して入水するため、入水時において水車には負のトルクが発生しない。一方、図１２に示すように、ランナが離水する際のランナ後端部４の位置ｄ−ｄ′においてランナ後端部はまだ水面下にあり、ｄ−ｄ′の位置から後端部４の内周側部分が水面上に出るまで流水から受ける力は負のトルクとして作用する。また、例えば、ランナ後端部４のｅ−ｅ′の位置において、ランナ前面の内側には水が存在するためランナ間の水の巻き込みによって損失が生じる。ここで、図１１及び図１２に示す水車では、入水時においてランナの先端部３の外周側からランナ背面上に水が流入し、離水時においてランナの先端部３の内周側からランナ背面下に空気が導入される。なお、入水時における水の流入と離水時における空気の導入がランナの先端部３の内周側と外周側のいずれの側から先に生ずるかは、入水時と離水時における先端部３と水面との間の角度に依存する。また、先端部３の内周側と外周側から同時に水が流入し、或いは、空気が導入される場合も考えられる。
【００３２】
上記のように、水車の回転軸線の周りのランナの位置及び角度には或る程度の自由度がある。例えば、図９に示すように、ランナの先端部３と後端部４の間の中心線ｏ−ｏ′が水車の半径方向と一致している場合に対して、図１１に示すように、ランナの先端部３が半径方向と一致するまでの範囲内でランナを回転方向の後方へ移動させてもよく、また、図８に示すように、ランナの後端部４が水車の半径方向と一致するまでの範囲内でランナを回転方向の前方へ移動させてもよい。このとき、上記中心線ｏ−ｏ′並びにランナの先端部３及び後端部４は水車の半径方向と平行となるが、角度差を有していてもよい。一般的には、上記中心線ｏ−ｏ′と水車の半径方向との角度差は４５度未満であればよいが、水車効率を高める上で、２５度以内であれば好ましく、１０度以内であればさらに好ましい。また、ランナの先端部３と後端部４との間の回転方向の間隔（ランナの長さ）は種々に設定できるが、当該間隔が水車の半径方向のランナの位置に対して相対的に過大になった場合、ランナの先端部３と水車の半径方向との角度差、或いは、ランナの後端部４と水車の半径方向との角度差が大きくなることにより、却って水流による負のトルクが増加するなど回転抵抗の低減されにくくなるので、上記間隔を制限するために、先端部３及び後端部４の幅方向と、水車の半径方向との角度差は０〜４５度の範囲内であることが好ましく、特に、水車効率を高める上で２０〜３５度の範囲内であることが望ましい。いずれにしても、本実施形態では、ランナの先端部３が回転方向の前方に配置され、後端部４が回転方向の後方に配置されていればよい。
【００３３】
上述のランナの位置及び姿勢と水車の作用効果との関係は、水車が設置される開水路の水面の相対的位置関係によっても変化する。水車に対する水面位置は、回転軸線の高さ以下であって、少なくともランナの一部が水没する位置であればよい。特に、ランナの回転方向の投影面積の全体を有効に利用するためには、水面位置は、図７〜図１２に示すように回転軸線の下方を通過するランナの全体が水没する位置にあることが好ましい。また、水車を開水路上に設置しやすくし、メンテナンス等も容易にするためには、水面位置が回転軸線よりも下方に配置されるように水車を設置することが望ましい。
【００３４】
本実施形態のランナは、長方形の板材を二つに折り曲げた形状であって、折り曲げの稜線を先端部３とし、両端部を後端部４ａ，４ｂとした形状を有する板状体である。しかし、本発明のランナは、このような形状に限定されず、回転方向の先端部３が稜線となり、一対の板状部分が回転方向の後方へ斜めに向かい、全体として両側に広がった形状となっていればよい。したがって、先端部３と後端部４ａ，４ｂが相互に平行でなくてもよく、一対の板状部分のそれぞれの両側縁が相互に平行でなくても構わない。
【００３５】
図１３に、２つの船形浮体１１ａ，１１ｂを連結金具１２ａと１２ｂで結び、浮体１１ａと１１ｂの間に水車１０を配置し、回転円板５ａ，５ｂに発電機６ａ，６ｂの本体を回転軸線の方向の両側においてそれぞれ固定し、発電機６ａ，６ｂの回転軸を浮体１１ａ，１１ｂに取り付けたフレーム（連結金具）１２ａ，１２ｂを介して設置された水車連結部（軸受）１３ａと１３ｂで固定した浮体式発電装置を示す。同図において、連結金具１２ａの両側に係留用フック１４ａと１４ｂを設け、ここにワイヤー等の係留材を結んで河川等の水流に係留することで、極めて簡単に発電を行うことが可能である。電気的な出力は、水車の両側に連結された発電機の出力端子から供給される。より多くの電力が必要な場合は、図１４のように同型の水車構造（放射状に配置された複数のランナ）を回転円板５ａ，５ｂを介して軸方向に連結し、水車の機械的な出力を増加させることで実現できる。なお、図示の水車１０は山形ランナを用いているが、三角形ランナを用いてもよい。
【００３６】
水車に直結して使用する発電機出力は、水の流速に依存する。河川等における水の流速は数ｍ／ｓ程度であり、水の運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するには、定格回転数が低い多極型発電機あるいは定格回転数は高くも増速機等を内蔵する発電機が必要となる。なお、発電機と水車の間に別体の増速機構を介在させてもよい。
【実施例１】
【００３７】
３種類の水車を搭載した浮体式発電装置の出力特性を評価するため、農業用水の流水を使って２度にわたる実地試験を実施した。１回目の実地試験においては流速２.０ｍ／ｓの条件で、三角形水車と平板形水車を用いた発電装置の出力を比較した。平板形水車の実地試験の様子を図１５に、三角形水車の実地試験の様子を図１６にそれぞれ示す。平板形はランナ間の水の巻き込みが激しく、水車上部や前部に多量の水を跳ね上げている。これに対して三角形水車では、水が滑らかに後方に排出されている。２種類の水車の特性を図１７に示す。三角形水車は平板形より、負荷電流の増加に対する回転数の低下が少なく、１.４７倍となる大きな出力が得られた。また、２回目の実地試験では流速１.８ｍ/ｓの条件で、山形水車と三角形水車の比較を行った。その特性を図１８に示す。山形水車は三角形水車より、最大出力の比較で１.２４倍、回転数も負荷電流の測定範囲で全て高い値となった。
【００３８】
なお、図１７に示すデータは、発電機の特性にも影響される出力特性をそのまま示すものであるが、本願発明者は上記発電装置の総合効率を求めるとともに、発電機の特性を測定し、その測定結果を上記出力特性と併用することにより、各実施例の水車効率を導出した。その結果、本実施形態の三角形水車は、負荷電流のほぼ全領域にわたり、従来の平板形水車に比べて高い総合効率及び水車効率を示すことが確認された。以上より、山形水車、三角形水車は河川等の流水からエネルギーを回収する水車として、平板形水車より優位であると考えられ、特に、山形水車の出力特性が最も優れると判断される。
【００３９】
以上述べたように、本実施形態では、２枚の回転円板の間に、長方形の平板を中心線上で任意の角度に折り曲げた三角形ランナまたは任意の曲率半径で湾曲させた２枚の板を接続して先端部が鋭角的かつランナ後部の裾が広がった山型のランナを、回転軸に対して放射状に複数個配置した水車としたので、水の運動エネルギーを効率よく回転運動に変換できる。
【００４０】
特に、上記に記載のランナ形状を有する水車は、水車が回転する際の円筒容積の半分または半分以下を水没させて使用する下掛け水車の一種であり、この水車の回転軸に発電機を組み付け、これを２つの船形浮体間に固定することにより、流水の運動エネルギーを効率よく回収して発電できる。
【００４１】
また、上記の水車を最小単位として、これと同型の複数の水車を回転円板を介して連結することにより発電規模を調整することが可能になる。
【００４２】
尚、本発明の開水路用水車、発電装置、及び、開水路用水車の使用方法は、上述の図示例にのみ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において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、浮体１１ａ，１１ｂによって水車１０を開水路の水面に対して一定の高さ位置に設置し、水車１０を半水没状態とすることにより、開水路の水流エネルギーを回転エネルギーとして回収するようにしているが、本発明の開水路用水車は、浮体を用いることなく、開水路の岸や水路底面上に固定されたフレームに対して回転可能に取り付けることにより、上記と同様の半水没状態となるように構成しても構わない。
【００４３】
また、上記実施形態では、水車１０において一対の回転円板５ａ，５ｂの間に放射状に配置された複数のランナが固定されているが、本発明の一対の回転板は円形である必要はなく、回転軸線の方向の両側に配置され、ランナを固定可能な形状であればよい。また、本発明の回転部材は、上記一対の回転板に限らず、結果として、上記複数のランナを回転軸線の周りに放射状に固定し、回転軸線の周りに回転可能に構成するものであればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の水車は、設置工事がほとんど必要ないため、中小河川、農業用水、工業用水、山間部の渓流などで利用することができ、照明電源、通信用電源、災害時などの非常用電源、鳥獣害対策農業用電源など、独立型電源としてその用途は広い。また海流・潮流などを利用すれば大規模発電も可能となる。特に、本発明の水車は、マイクロ水力発電用水車として好適であり、回転方向に対する損失を抑制したランナ形状を有することで、水流エネルギーを効率的に回収することができるため、落差が少なく、集水設備や管路構造のない場所であっても、自然エネルギーを有効にかつ安定して取り出すことが可能になる。
【符号の説明】
【００４５】
１  ランナ
２  ランナの進行方向（回転方向）
３  ランナ先端部
４，４ａ，４ｂ  ランナ後端部
５，５ａ，５ｂ  回転円板
６ａ，６ｂ  発電機
７ａ，７ｂ  発電機軸
８  水流の方向
９  水面
１０  水車
１１ａ，１１ｂ  浮体（船形）
１２ａ，１２ｂ  浮体連結金具（フレーム）
１３ａ，１３ｂ  水車連結部（発電機軸受）
１４ａ，１４ｂ  浮体式発電装置係留フック
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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