(57)【要約】【課題】  取水口に対する空気吸込抑制部材の位置を厳密に設定したり、取水部の水位を管理したり、取水部へ導かれる水の流れを制御したりしなくても、消泡作用や水流調整作用を発揮することのできる水力発電方法を提供する。【解決手段】  取水部１０にある高水位の水をその水面下に設けた取水口１１から落水路２０に導入し、落水路２０を落下する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う水力発電方法において、取水部１０の水面Ｓにおける取水口１１の上側の渦Ｅの発生する位置に空気吸込抑制浮体５０を浮かべることにより、渦Ｅによって水面上の空気が取水口１１に吸い込まれないようにした。【選択図】図１
2015206313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取水部にある高水位の水をその水面下に設けた取水口から落水路に導入し、落水路を落下する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う水力発電方法であって、
取水部の水面における取水口上側の渦の発生する位置に空気吸込抑制浮体を浮かべることにより、前記渦によって水面上の空気が取水口に吸い込まれるのを抑制したことを特徴とする水力発電方法。
【請求項２】
空気吸込抑制浮体を、前記渦に伴って回転できる状態で設ける請求項１記載の水力発電方法。
【請求項３】
空気吸込抑制浮体における喫水部の直径を、前記渦の最大径よりも大きく設定する請求項１又は２記載の水力発電方法。
【請求項４】
取水部にある高水位の水をその水面下に設けた取水口から落水路に導入し、落水路を落下する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う水力発電設備であって、
取水部の水面における取水口上側に発生する渦によって水面上の空気が取水口に吸い込まれるのを抑制するための空気吸込抑制浮体を備えたことを特徴とする水力発電設備。
【請求項５】
取水部にある高水位の水をその水面下に設けた取水口から落水路に導入し、落水路を落下する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う際に、取水部の水面における取水口上側の渦の発生する位置に浮かべられ、前記渦によって水面上の空気が取水口に吸い込まれるのを抑制することを特徴とする空気吸込抑制浮体。
【請求項６】
水面下に配される部分が下細り状に形成された請求項５記載の空気吸込抑制浮体。
【請求項７】
水面下に配される部分が円錐状、角錐状又は半球状に形成された請求項６記載の空気吸込抑制浮体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、落下する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う水力発電方法と、この水力発電方法を実施する際に好適に用いることができる水力発電設備及び空気吸込抑制浮体とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、取水部にある高水位の水をその水面下に設けた取水口から落水路に導入し、落水路の下部に設けたプロペラなどの変換装置によって、落水路を落下する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する水力発電方法が知られている。近年には、電力供給の多様化や自然エネルギーを利用した発電が推進されるようになったことなどに呼応して、この水力発電方法を利用した低落差・小水力の小規模な水力発電設備も数多く施工されるようになってきている。
【０００３】
しかし、この水力発電方法で高効率に発電を行うことは、必ずしも容易ではなかった。というのも、この水力発電方法では、取水部の水面における取水口の上側に発生する渦によって、水面上の空気が気泡として水中に取り込まれ、その気泡が取水口から落水路へと吸い込まれて発電機の出力が落ちるという問題や、渦の発生によって取水口への水流が乱れ、プロペラなどの変換装置に水流が予定した角度で当たらないという問題があったからである。取水部の水面に発生した渦による空気の吸込みは、大型ダムなどを利用した高落差・大水力の大規模な水力発電設備ではそれ程大きな問題とならないものの、低落差・小水力の小規模な水力発電設備では発電効率を大きく低下させる原因となる。
【０００４】
このような実状に鑑みてか、これまでには、取水部の水中における取水口の上側となる位置に、空気の吸込みを抑制するための空気吸込抑制部材を設けることも提案されている。例えば、特許文献１の図２には、渦巻ケーシング３（取水部）の水中における下降水流管５（落水路）の上端側開口（取水口）の上側となる位置に空気吸込防止部材２６（空気吸込抑制部材）を設けた水力発電設備が提案されている。同文献には、空気吸込防止部材２６を設けることにより、空気を吸い込む原因となる渦の発生を抑制できる旨も記載されている（同文献の段落００３３〜００３９）。
【０００５】
しかし、特許文献１の水力発電設備は、渦巻ケーシング３の内部に形成される水の流路を空気吸込防止部材２６によって縮小することで、下降水流管６に向かう強い渦を安定的に発生させ、空気の吸込みを防止するものとなっていた（同文献の段落００３４）。このため、同文献の水力発電設備では、下降水流口５の上端開口に対する空気吸込防止部材２６の相対的な水平位置や上下位置を厳密に設定する必要があると考えられる。また、渦巻ケーシング３の水位を管理する必要や、所定の強さの渦が所定の向きで渦巻ケーシング３の内部に形成されるように開水路２から渦巻ケーシング３へ導かれる水の流れを制御する必要もあると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１７４６７８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、取水口に対する空気吸込抑制部材の位置を厳密に設定したり、取水部の水位を管理したり、取水部へ導かれる水の流れを制御したりしなくても、渦による取水口への空気の吸込みの抑制（消泡作用）や渦の発生による水流の乱れの抑制（水流調整）を発揮することのできる水力発電方法を提供するものである。また、この水力発電方法を実施するのに好適な水力発電設備を提供することも本発明の目的である。さらに、上記の水力発電方法や水力発電設備を実施する際に好適に用いることのできる空気吸込抑制浮体を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、取水部にある高水位の水をその水面下に設けた取水口から落水路に導入し、落水路を落下する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う水力発電方法であって、取水部の水面における取水口上側（取水口の真上となる場所のみに限定されず、取水口の真上となる場所から水平方向にずれた場所（取水口の斜め上方）をも含む。以下同じ。）の渦の発生する位置に空気吸込抑制浮体を浮かべることにより、前記渦によって水面上の空気が取水口に吸い込まれるのを抑制したことを特徴とする水力発電方法を提供することによって解決される。ここで、「空気吸込抑制浮体」は、その一部が水面上に表れるものに限定されない。「空気吸込抑制浮体」は、水面付近で浮遊した状態となり、後述する消泡作用や水流調整作用を発揮できるものであれば、その全体が水中となるものであってもよい。
【０００９】
本発明の水力発電方法は、渦の内側空間（渦の発生によって周囲の水面よりも下側に落ち込んだ状態となる空間部分）を空気吸込抑制浮体で埋めて、渦を形成する水が空気と接触しないようにすることにより、取水口への空気の吸込みを抑制するものとなっている。この空気吸込抑制浮体による空気吸込抑制効果は、渦の強さや向きと無関係に奏される。このため、取水部に導かれる水の流れを制御しなくても、取水口への空気の吸込みを抑制することが可能になる。また、本発明の水力発電方法では、空気吸込抑制浮体によって、取水口への水流を制御することができる。このため、渦の発生による水流の乱れによる発電効率の低下を防ぐことも可能になる。加えて、空気吸込抑制浮体は、水に浮いた状態で設けられるため、取水部の水位が変化したときには、その水位の変化に追従して、空気吸込抑制浮体の上下位置が自然と変化する。このため、取水口に対する空気吸込抑制部材の上下位置を厳密に設定しなくても、取水口への空気の吸込みを抑制することが可能になる。
【００１０】
本発明の水力発電方法において、空気吸込抑制浮体は、全体として水に浮くものであれば、その形態は、特に限定されない。空気吸込抑制浮体は、立体状としてもよいし、面状（板状又はシート状）としてもよい。面状の空気吸込抑制浮体であっても、取水部の水面における渦の発生する箇所を覆うことさえできれば、取水口への空気の吸込みを抑制することができる。空気吸込抑制浮体を立体状とする場合には、中実構造としてもよいし、中空構造としてもよい。ただし、前者の場合には、その素材は、密度（場所によって密度が異なる場合にはその平均）が１ｇ／ｃｍ３よりも小さいものを選択する。
【００１１】
空気吸込抑制浮体の下面は、平坦に形成してもよいが、この場合には、空気吸込抑制浮体の水平面積（下面の面積）を渦の面積よりもある程度広く確保する必要が生じ、空気吸込抑制浮体の大型化や施工面積の拡大を招き、空気吸込抑制浮体の施工作業が難しくなるおそれがある。このため、空気吸込抑制浮体における水面下（取水部における渦の形成されていない箇所の水面よりも低い位置）に配される部分は、下細り状に形成すると好ましい。より具体的には、円錐状、角錐状又は半球状に形成すると好ましい。渦は、その下側ほど径が小さくなるように形成されるが、空気吸込抑制浮体を下細り状に形成することによって、空気吸込抑制浮体の形状と渦の形状とを近づけ、渦を形成する水と空気吸込抑制浮体との間に隙間がより形成されにくくすることが可能になる。空気吸込抑制浮体における喫水部（取水部における渦の形成されていない箇所の水面と同じ高さになる部分）の直径は、取水部に発生する渦の最大径よりも大きく設定すると、取水口に空気がさらに吸い込まれにくくなるため好ましい。
【００１２】
空気吸込抑制浮体の設置態様は、取水部の水位の変化に追従して上下方向に移動できる状態に設けるのであれば特に限定されない。空気吸込抑制浮体は、水平方向に移動できない状態（例えば、上下方向の支持軸に対して上下動可能に支持させた状態）に設けてもよい。しかし、この場合には、支持軸を設けたり、その支持軸を固定したりする必要がある分、設備が複雑になる。このため、空気吸込抑制浮体は、水平方向にも移動できる状態で設けると好ましい。空気吸込抑制浮体が水平方向に移動できる状態とした場合には、空気吸込抑制浮体の水平位置が渦の発生場所とずれる可能性があるが、このような場合であっても、空気吸込抑制浮体が渦に巻き込まれて渦の発生する場所へ自然と移動するため、特に問題は生じない。
【００１３】
空気吸込抑制浮体は、回転できない状態で設けてもよいが、取水部に発生する前記渦に伴って回転できる状態で設けるとより好ましい。これにより、空気吸込抑制浮体を渦の位置で安定しやすくして、渦を形成する水と空気吸込抑制浮体との間に隙間が形成されにくくすることが可能になる。このため、空気が取水口へより吸い込まれにくくすることが可能になる。
【００１４】
また、上記課題は、取水部にある高水位の水をその水面下に設けた取水口から落水路に導入し、落水路を落下する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う水力発電設備であって、取水部の水面における取水口上側に発生する渦によって水面上の空気が取水口に吸い込まれるのを抑制するための空気吸込抑制浮体を備えたことを特徴とする水力発電設備を提供することによっても解決される。この水力発電設備は、上記の水力発電方法を実施する際に好適に用いることができるものとなっている。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によって、取水口に対する空気吸込抑制部材の位置を厳密に設定したり、取水部の水位を管理したり、取水部へ導かれる水の流れを制御したりしなくても、渦による取水口への空気の吸込みの抑制（消泡作用）や渦の発生による水流の乱れの抑制（水流調整）を発揮することのできる水力発電方法を提供することが可能になる。また、この水力発電方法を実施するのに好適な水力発電設備を提供することも可能になる。さらに、上記の水力発電方法や水力発電設備を実施する際に好適に用いることのできる空気吸込抑制浮体を提供することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る水力発電設備の好適な実施態様を示した図である。
【図２】本発明に係る空気吸込抑制浮体の好適な実施態様を示した一部破断斜視図である。
【図３】本発明に係る他の実施態様の空気吸込抑制浮体を示した一部破断斜視図である。
【図４】本発明に係るさらに別の実施態様の空気吸込抑制浮体を示した一部破断斜視図である。
【図５】本発明に係る水力発電設備で好適に使用できる除塵器を示した斜視図である。
【図６】本発明に係る水力発電設備の他の実施態様を示した図である。
【図７】スカート付きの空気吸込抑制浮体をその中心線を含む鉛直面で切断した状態を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る水力発電方法、水力発電設備及び空気吸込抑制浮体の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。
【００１８】
１．水力発電設備
図１は、本発明に係る水力発電設備の好適な実施態様を示した図である。本実施態様の水力発電設備は、図１に示すように、河川における段差部に設けられており、水中に取水口１１が設けられた取水部１０と、取水部１０にある高水位の水を取水口１１から導入して落下させるための落水路２０と、落水路２０を落下する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電装置３０と、取水部１０の水に浮かべられた空気吸込抑制浮体５０とを備えたものとなっている。本実施態様の水力発電設備において、取水部１０は、河川を流れるゴミなどを除去するための除塵器７０の内部における下流側部分に設けており、空気吸込抑制浮体５０も、除塵器７０の内部に収容した状態となっている。除塵器７０の上流側やその側方には、河川を流れる水が除塵器７０を通じて取水部１０へ効率的に流れ込むように河川の流れを制御するための集水板（図示省略）や、流木などの大きな浮遊物が除塵器７０へ衝突しないようにするための流木除け板（図示省略）などを設置してもよい。
【００１９】
１．１  空気吸込抑制浮体
空気吸込抑制浮体５０は、取水部１０の水面Ｓに浮かんだ状態に設けられる。この空気吸込抑制浮体５０は、取水部１０の水が取水口１１から落水路２０へ流れ出ることに起因して取水部１０の水面Ｓに発生する渦Ｅの内側空間（図１の破線部Ｅ１）を埋めるためのものとなっている。この空気吸込抑制浮体５０によって、内側空間Ｅ１に存在する空気（空気吸込抑制浮体５０がなければ内側空間Ｅ１に存在するはずの空気）が渦Ｅを形成する水と接触しないようにすることが可能になる。したがって、取水口１１へ空気が吸い込まれるのを抑制することが可能になる。また、空気吸込抑制浮体５０の下部によって、取水口１１へ流れ込む水流の向きを調整することができる。したがって、渦Ｅの発生による水流の乱れによる発電効率の低下を防ぐことが可能になる。
【００２０】
図２は、空気吸込抑制浮体５０の好適な実施態様を示した一部破断斜視図である。既に述べた通り、空気吸込抑制浮体５０の形態は、特に限定されないが、本実施態様の水力発電設備においては、図２に示すように、中実構造をなす立体状の部材を、空気吸込抑制浮体５０として用いている。この空気吸込抑制浮体５０において、その水面下に配される部分は、テーパー状（円錐状）に形成されており、下側に近づくにつれて径の細くなる下細り状に形成されている。渦Ｅは、図１に示すように、その下側ほど径が小さくなるように形成されるが、このように、空気吸込抑制浮体５０の下部を下細り状に形成することによって、空気吸込抑制浮体５０における水面Ｓの下に配される部分の形状を、渦Ｅの内側空間Ｅ１の形状に近づけ、渦Ｅを形成する水と空気吸込抑制浮体５０との間に隙間が形成されにくくすることが可能になる。よって、取水口１１に空気がより吸い込まれにくくすることが可能になる。また、空気吸込抑制浮体５０の真下に配された取水口１１に対して、取水部１０の水が鉛直方向に導入されやすくすることもできる。よって、渦Ｅの発生による水流の乱れによる発電効率の低下を防ぐことが可能になる。
【００２１】
空気吸込抑制浮体５０としては、図２に示すように、その下部（水面Ｓの下側に配される部分）が円錐状に形成されたものだけでなく、図３に示すように、その下部が多角錐状に形成されたものや、図４に示すように、その下部が球状（半球状）に形成されたものなども使用することが可能である。図３は、本発明に係る他の実施態様の空気吸込抑制浮体５０を示した一部破断斜視図である。図４は、本発明に係るさらに別の実施態様の空気吸込抑制浮体５０を示した一部破断斜視図である。これらの空気吸込抑制浮体５０も、その下部が先細り状となっており、渦Ｅの内側空間Ｅ１を埋めるもの、及び、取水口１１への水流を制御するものとして好適である。また、空気吸込抑制浮体５０は、図２〜４に示すように、立体状をなすものだけでなく、面状（シート状）とすることも可能である。シート状の空気吸込抑制浮体５０は、渦Ｅの形状に追従して変形できるため、それが水面下に沈み込まないようにさえ支持できれば、渦Ｅに空気が巻き込まれないようにすることが可能である。また、空気吸込抑制浮体５０の下部の外周面には、大小の凹凸が形成されていてもよい。ただし、空気吸込抑制浮体５０の下部に凹凸がありすぎると、水面上の空気が前記凹凸における凹んだ部分を通じて渦Ｅの内側空間Ｅ１に侵入しやすくなるおそれがあるので、空気吸込抑制浮体５０の下部に凹凸を形成する際には、内側空間Ｅ１が水面上の空間と連通しない範囲で形成する。
【００２２】
空気吸込抑制浮体５０の寸法は、渦Ｅの内側空間Ｅ１を埋めることができるのであれば特に限定されないが、空気吸込抑制浮体５０における喫水部の面積は、渦Ｅの最大面積（通常、渦Ｅの最上部の開口部分の面積）よりも大きく設定すると好ましい。本実施態様の水力発電設備のように、空気吸込抑制浮体５０を水平断面円形のものとする場合には、空気吸込抑制浮体５０の喫水部の直径Ｄ１（図１）を、渦Ｅの最大径Ｄ２（図１）よりも大きく設定すると好ましい。具体的には、最大径Ｄ２に対する直径Ｄ１の比Ｄ１／Ｄ２を、１．０１以上とすると好ましく、１．０５以上とするとより好ましく、１．１以上とするとさらに好ましい。これにより、渦Ｅを形成する水と空気吸込抑制浮体５０との間にさらに隙間が形成されにくくすることができる。ただし、比Ｄ１／Ｄ２を大きくしすぎると、空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度によっては、空気抑制浮体５０が渦Ｅの内側空間Ｅ１を完全に塞ぐ程度まで沈み込んだ状態とならず、渦Ｅの下端部付近に空間が形成されるおそれがある。このため、比Ｄ１／Ｄ２は、１．５以下とすると好ましい。
【００２３】
また、空気吸込抑制浮体５０の下細り状に形成された部分の開き角θ（当該下細り状に形成された部分（円錐部分）の底面の半径をｒとし、当該円錐部分の高さをｈとしたときに、２・ｔａｎ−１［ｒ／ｈ］で求められる角度θのこと。図１を参照。）は、対象とされる水力発電設備で形成される渦Ｅの形状を想定して適宜決定される。しかし、開き角θを小さくしすぎると、渦Ｅを形成する水と空気抑制浮体５０との間に隙間が形成されないようにするために、空気吸込抑制浮体５０の寸法を大きくする必要が生じる。また、空気吸込抑制浮体５０の安定性が低下したり、空気吸込抑制浮体５０の下部で取水口１１への水流を制御しにくくなるおそれもある。このため、開き角θは、通常、３０°以上とされる。開き角θは、４５°以上であると好ましく、６０°以上であるとより好ましい。一方、開き角θを大きくしすぎても、やはり、渦Ｅを形成する水と空気抑制浮体５０との間に隙間が形成されやすくなったり、空気吸込抑制浮体５０の下部で取水口１１への水流を制御しにくくなるおそれがある。このため、開き角θは、通常、１５０°以下とされる。開き角θは、１３５°以下であると好ましく、１２０°以下であるとより好ましい。本実施態様の水力発電設備において、開き角θは、１２０°としている。
【００２４】
空気吸込抑制浮体５０の素材は、全体として水に浮くものであれば特に限定されない。空気吸込抑制浮体５０の素材としては、発泡スチロールや発泡ウレタンなどの合成樹脂や、アルミニウムやステンレスなどの金属や、木などが例示される。ただし、金属のように密度が１ｇ／ｃｍ３よりも大きい素材の場合には、後述する見掛けの密度が１ｇ／ｃｍ３未満となるように、水に浮くように中空部や低密度部を設ける。空気吸込抑制浮体５０の表面には、耐水性や耐候性を高めるための各種表面処理を施すこともできる。
【００２５】
空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度（素材そのものの密度ではなく、空気吸込抑制浮体５０の全体重量（空気吸込抑制浮体５０に後述する錘を取り付ける場合には、その錘も含めた重量。）を空気吸込抑制浮体５０の全体の体積（空気吸込抑制浮体５０に後述する錘を取り付ける場合には、その錘も含めた体積。）で割った値。以下、同じ。）は、１ｇ／ｃｍ３未満であれば特に限定されない。しかし、空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度が小さすぎると、空気吸込抑制浮体５０が球形等の上下の区別のない形状である場合を除いて、空気吸込抑制浮体５０の安定性が悪くなり、渦Ｅの場所で激しく揺れ動くおそれがある。また、後述する空気吸込抑制浮体５０の喫水が浅くなり、空気吸込抑制浮体５０による消泡作用や水流調整作用が発揮されにくくなるおそれもある。このため、空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度は、ある程度、大きくした方が好ましい。空気吸込抑制浮体５０が上下の区別のある形状である場合には、空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度は、０．１ｇ／ｃｍ３以上とすると好ましく、０．２ｇ／ｃｍ３以上とするとより好ましく、０．２５ｇ／ｃｍ３以上とするとさらに好ましい。空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度を一定以上に保つため、あるいは、空気吸込抑制浮体５０が転覆しないようにするために、空気吸込抑制浮体５０の内部や外部に錘を設けてもよい。これに対し、空気吸込抑制浮体５０が上下の区別のない形状である場合には、空気吸込抑制浮体５０を軽くしても上記のような不具合は生じにくい。このため、空気吸込抑制浮体５０が上下の区別のない形状である場合には、空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度は、０．００１ｇ／ｃｍ３以上とすると好ましく、０．００５ｇ／ｃｍ３以上とするとより好ましく、０．０１ｇ／ｃｍ３以上とするとさらに好ましい。
【００２６】
一方、空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度を大きくしすぎると（１ｇ／ｃｍ３に近づけすぎると）、空気吸込抑制浮体の浮力が渦Ｅによる吸引力に負けてしまい、空気吸込抑制浮体５０の全体が水面下に沈下しやすくなるおそれがある。このため、空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度は、０．７ｇ／ｃｍ３以下とすると好ましい。空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度は、０．５ｇ／ｃｍ３以下とするとより好ましく、０．３ｇ／ｃｍ３以下とするとさらに好ましい。本実施態様の水力発電設備において、空気吸込抑制浮体５０は、発泡スチロールからなる主材料（密度約０．０２ｇ／ｃｍ３）の底部に錘として図示省略の金属製のボルトを取り付けたものとなっており、空気吸込抑制浮体５０の見掛けの密度は、約０．０４６ｇ／ｃｍ３となっている。
【００２７】
また、空気吸込抑制浮体５０の喫水（空気吸込抑制浮体５０の最下端から水面までの鉛直距離）は、特に限定されないが、空気吸込抑制浮体５０の喫水が浅すぎると、空気吸込抑制浮体５０による消泡作用や水流調整作用が発揮されにくくなるおそれがある。一方、空気吸込抑制浮体５０の喫水が深すぎると、取水部１０内から取水口１１へと流れを空気吸込抑制浮体５０が阻害して、取水口１１へ水が流れ込みにくくなったり、取水口１１へ流れ込む水の水位差が小さくなりすることにより、発電効率が低下するおそれがある。このため、空気吸込抑制浮体５０の喫水は、空気吸込抑制浮体５０による渦Ｅの抑制作用や消泡作用が阻害されない範囲でできるだけ浅くすると好ましい。空気吸込抑制浮体５０の喫水の具体的な値は、空気吸込抑制浮体５０の寸法・形状や、取水部１０の水深や、取水口１１の大きさや深さなどによっても異なるが、通常、取水部１０の水深に対して１〜９０％とされる。空気吸込抑制浮体５０の喫水は、取水部１０の水深に対して３〜７０％であると好ましく、５〜５０％であるとより好ましい。
【００２８】
ところで、本実施態様の水力発電設備において、空気吸込抑制浮体５０は、除塵器７０の天上面から下向きに突出するように設けた図示省略の支持柱に対して上下方向にスライド可能な状態で外挿した状態に設けている。このため、空気吸込抑制浮体５０は、取水部１０の水位の変化に追従してその上下位置が変化するするとともに、渦Ｅの水流の向きに従って回転することができるようになっている。このため、空気吸込抑制浮体５０は、取水部１０の水位にかかわらず、渦Ｅに追従してその上下位置を変化させ、その場所で安定した姿勢を維持することが可能となっている。ただし、空気吸込抑制浮体５０は、前記支柱によって水平方向への移動が規制された状態となっている。渦Ｅの発生する場所が取水口１１の真上から殆ど移動しない本実施態様の水力発電設備では、このように、空気吸込抑制浮体５０の水平方向への移動を規制しても特に問題は生じない。
【００２９】
これに対し、取水部１０に生じた水流や波などによって渦Ｅの発生場所が変わる可能性がある場合には、前記支持柱なども設けず、空気吸込抑制浮体５０の水平方向への移動も許容するようにすると好ましい。この場合でも、空気吸込抑制浮体５０は、除塵器７０の内側へ収容された状態となっているため、流失する心配はない。また、除塵器７０など、空気吸込抑制浮体５０を囲う部材を設けない場合には、鎖やロープなど、空気吸込抑制浮体５０の変位を許容する連結材を用いて、空気吸込抑制浮体５０を除塵器７０などの固定構造物と連結すると好ましい。これにより、空気吸込抑制浮体５０の上下方向及び水平方向への移動と回転を許容しながらも、空気吸込抑制浮体５０の移動を所定範囲内に納め、空気吸込抑制浮体５０が渦Ｅの発生箇所に移動しやすくするだけでなく、空気吸込抑制浮体５０の流失を防ぐことが可能になる。
【００３０】
１．２  取水部
取水部１０は、落水路２０に流す水を取水するための箇所となっている。取水部１０の水は、重力によって、その水中に設けられた取水口１１を通じて落水路２０へと自然と流れ出る。このため、取水口１１は、取水部１０の水面Ｓよりも下側となる位置に設けられる。本実施態様の水力発電設備において、取水口１１には、遮蔽スリーブ１１ａと、支持スリーブ１１ｂとを設けている。遮蔽スリーブ１１ａは、除塵器７０で除去できなかった土砂などが取水口１１に吸い込まれないようにするための部材となっている。このため、遮蔽スリーブ１１ａの周壁には、貫通孔などの開口部分は設けられていない。一方、支持スリーブ１１ｂは、取水部１０の水位が低下した場合であっても、空気吸込抑制浮体５０が取水口１１を塞がないように空気吸込抑制浮体５０を遮蔽スリーブ１１ａよりも高い位置で支持することで、取水部１０の水が取水口１１へ流れ込むことができるようにするための部材となっている。このため、支持スリーブ１１ｂの周壁には、貫通孔などの開口部分が設けられ、その内外へ水が移動できるようになっている。
【００３１】
１．３  落水路
落水路２０は、取水部１０の水を落下させる管路となっている。取水部１０の水の位置エネルギーが、この落水路２０によって運動エネルギーへと変換され、後述する発電装置３０で電気エネルギーへと変換される。このため、落水路２０の上下方向の長さ（取水部１０と排水路４０の高低差）は、長くした方が有利である。落水路２０の上下方向の具体的な長さは、水力発電設備の規模によっても異なるが、発電量が１ｋＷ程度の小規模な水力発電設備の場合、通常、０．５〜５ｍ程度とされる。また、落水路２０の内径も、水力発電設備の規模によっても異なるが、上記の小規模な水力発電設備の場合、通常、１５〜３５ｃｍ程度とされる。ところで、本実施態様の水力発電設備において、落水路２０は、上下方向（鉛直方向）に設置しているが、これに限定されない。落水路２０は、水平方向に対して傾斜した状態であれば、必ずしも上下方向に設置する必要はない。
【００３２】
１．４  発電装置
発電装置３０は、落水路２０を落下する水の運動エネルギーをプロペラなどの変換装置を通じて電気エネルギーに変換するためのものとなっている。落水路２０におけるどの場所に発電装置３０を設けるかは、発電装置３０の種類などによっても異なり、特に限定されない。また、発電装置３０は、従来用いられている水力用発電装置を含む各種の水力用発電装置を採用することができる。本実施態様の水力発電設備において、発電装置３０は、図１に示すように、その全体が水中（落水路２０の内部）に設置される水中設置型の水力発電装置を使用している。
【００３３】
１．５  除塵器
除塵器７０は、河川を流れる落ち葉や枝やゴミなどが取水部１０に流れ込まないようにするためのものとなっている。図５は、本発明に係る水力発電設備で好適に使用できる除塵器を示した斜視図である。本実施態様の水力発電設備において、除塵器７０は、特願２０１１−２６８６６５号の明細書等に記載されたものを用いている。具体的には、図５に示すように、河川の流れ方向に沿った領域をメッシュ状のスクリーン材で囲う籠状の除塵ボックス７１と、除塵ボックス７１におけるスクリーン材の内面に対して河川の流れ方向に所定間隔を隔てて固定された複数枚の案内板７２とで構成されたものを用いている。それぞれの案内板７２は、下流側を向くその基端縁がスクリーン材の内面に固定されて、上流側を向くその先端縁がその基端縁が固定された箇所のスクリーン材の内面から除塵ボックスの内側に浮き上がるように傾斜した状態に設けられている。
【００３４】
このように、除塵ボックス７１におけるスクリーン材の内面に案内板７２を傾斜して設けることにより、落ち葉や枝やゴミなどの浮遊物がスクリーン材に付着しないようにすることが可能になる。このため、メンテナンスをしなくても長期間に亘ってスクリーン材が詰まることなく、取水部１０に安定して水が流れ込むようにすることができる。このような現象が生じる理由は定かではないが、案内板７２を傾斜して設けたことにより、スクリーン材の外面付近に、除塵ボックスの内側から外側へ向かう水の流れが発生したことが原因であると考えられる。
【００３５】
２．  水力発電方法
以下、図１に示した水力発電設備を用いた水力発電方法について説明する。本実施態様の水力発電方法は、図１に示すように、取水部１０にある高水位の水をその水面下に設けた取水口１１から落水路２０に導入し、落水路２０を落下する水の運動エネルギーをプロペラなどの変換装置を通じて発電装置３０で電気エネルギーに変換することにより発電を行うものとなっている。取水部１０の水面Ｓにおける取水口１１の上側の渦Ｅの発生する場所には、空気吸込抑制浮体５０が浮かんだ状態に設けられており、渦Ｅの内側空間Ｅ１が空気吸込抑制浮体５０によって埋められた状態となっている。このため、渦Ｅの内側空間Ｅ１には、空気が存在する隙間が形成されないようになっており、渦Ｅに空気が巻き込まれないようになっている。したがって、水面上の空気が渦Ｅによって取水口１１に吸い込まれないようになっている。また、空気吸込抑制浮体５０の真下に配された取水口１１に対して、取水部１０の水が鉛直方向に導入されやすくなっている。したがって、渦Ｅの発生による水流の乱れによる発電効率の低下を防ぐことが可能になる。
【００３６】
本実施態様の水力発電方法では、取水部１０の水位が変化しても、空気吸込抑制浮体５０は、水位の変化に追従して上下位置が変化し、渦Ｅの内側空間Ｅ１を埋める位置から移動しないようになっている。このため、本実施態様の水力発電方法では、取水口１１に対する空気吸込抑制部材５０の位置を厳密に設定したり、取水部１０の水位を管理したり、取水部１０へ導かれる水の流れを制御したりしなくても、取水口１１への空気の吸込みの抑制や、渦Ｅの発生による水流の乱れに起因する発電効率の低下を防ぐことができるようになっている。
【００３７】
３．  他の実施態様
図６は、本発明に係る水力発電設備の他の実施態様を示した図である。図１で示した水力発電設備では、取水部１０における取水口１１の真上に渦Ｅが発生するようになっており、空気吸込抑制浮体５０も取水口１１の真上に配していたが、図６に示す水力発電設備では、落水路２０の上部が斜めになって（上下方向に対して傾斜して）おり、取水部１０における取水口１１の斜め上方に渦Ｅが発生するため、空気吸込抑制浮体５０も取水口１１の斜め上方に配している。また、図１で示した水力発電設備では、発電装置３０は、その全体が水中（落水路２０の内部）に設置されるものとなっていたが、図６に示す水力発電設備では、落水路２０を流れ落ちる水流によって回転するプロペラ３１と、プロペラ３１から伝達された回転力を電機エネルギーに変換する発電機３２とを備えたものとなっており、発電機３２が、落水路２０の外部に設置されたものとなっている。このように、本発明に係る水力発電設備は、その主旨を損なわない範囲で適宜変更を施すことができる。
【００３８】
図７は、スカート付きの空気吸込抑制浮体５０をその中心線を含む鉛直面で切断した状態を示した断面図である。図１や図６で示した水力発電設備では、空気吸込抑制浮体５０は、立体状のものとなっていたが、既に述べた通り、空気吸込抑制浮体５０は、面状（板状又はシート状）とすることもできる。また、空気吸込抑制浮体５０は、立体状のものと面状のものとを組み合わせたものとすることもできる。図７は、このような例を示したものである。図７の空気吸込抑制浮体５０は、立体状の部分（立体状浮体５１）と、面状の部分（面状浮体５２）とを組み合わせたものとなっている。面状浮体５２は、図示省略の固定機構によって立体状浮体５１に固定され、立体状浮体５１の周縁から下側にスカート状に垂れ下がった状態に設けられている。この空気吸込抑制浮体５０は、立体状浮体５１が渦Ｅの内側空間Ｅ１を埋めると同時に、面状浮体５２が渦Ｅの周辺の水面を覆うため、あるいは、水中に巻き込まれた空気が側方から空気吸込抑制浮体５０の下側に潜り込まないように面状浮体５２が防護壁となるため、この空気吸込抑制浮体５０を用いると、取水口１１への空気吸込抑制効果をさらに高めることができる。ここで、面状浮体５２は、可撓性を有するシート状の素材で形成しているが、これに限定されず、剛性を有する素材で形成してもよい。
【００３９】
４．  用途
以上では、河川における段差部に設置する場合を例に挙げて本発明に係る水力発電設備を説明したが、本発明の水力発電設備の施工箇所は、これに限定されない。例えば、本発明の水力発電設備は、河川や沼湖や貯水槽などの水源から引いた導水路に施工することもできる。
【符号の説明】
【００４０】
１０    取水部
１１    取水口
１１ａ  遮蔽スリーブ
１１ｂ  支持スリーブ
２０    落水路
３０    発電装置
３１    プロペラ
３２    発電機
５０    空気吸込抑制浮体
５１    立体状浮体
５２    面状浮体
７０    除塵器
７１    除塵ボックス
７２    案内板
Ｄ１  空気吸込抑制浮体における喫水部の直径
Ｄ２  渦の最大径
Ｅ    渦
Ｅ１  渦の内側空間
Ｓ    水面
θ    空気吸込抑制浮体の下細り状に形成された部分の開き角
【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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