(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
用水路に設置される発電用の下掛水車であって、ハブの中心軸を流路と直角な方向に設定し、ハブの外周にボルト等の取付具で固定されるアームを突設し、アームの先端に取付金具によって上流側が凹に彎曲したブレードをボルト等で取り付け、取付具を調整してハブに対するアームの前後量を変更することでブレードの俯仰姿勢を変更するとともに、取付金具をアームに対して回転することでブレードのヘリカル角を調整することを特徴とする下掛水車装置。
【請求項２】
水車の両側に水を水車に導く集水ガイドを岸から延ばすとともに、ブレードのヘリカル上手側に位置する集水ガイドは水車の前方に終端させ、プレートのヘリカル下手側に位置する集水ガイドは水車に重合する位置で終端させた請求項１の下掛水車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、用水路に設置される発電用の下掛水車装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の地球温暖化に対処するため、各国とも、温室ガス削減に取り組んでいる。この目的の下、省エネはもちろんであるが、化石エネルギーから自然エネルギー、再生可能エネルギーへのシフトが図られている。我が国には多数の河川が存在しており、特に、稲作を行う平野部では維持管理されている用水路の総延長は約２６万ｋｍもあり、これを発電エネルギーとして利用しない理由はない。ただ、農業用の用水路は流速もそれほど早くなく（総じて１ｍ／ｓ以下）、利用できる速度エネルギーが小さく、これを利用する下掛水車では発電量が小さいという欠点を有している。また、季節（時期）或いは場所によっては水面から水路壁の上面までの余剰高さがあまりない場合もあり、発電設備を設けたために水が溢れ出たりしたのでは意味をなさない。
【０００３】
このような用水路を利用するのにもっとも適したものは水車であり、中でも、水位の変動も来さず、ほとんど土木工事も必要なく、製作や据付けも容易という特徴を有するものとして従来から存在している下掛水車が適している。しかし、用水路に単に下掛水車を浸けただけでは、速度エネルギーが小さいこともあって大した発電量を得られないのは上記したとおりである。この点で、用水路に発電用の下掛水車を設置した例は従来はほとんど見られなかった。しかし、新エネルギーの需要が高まる現在では、用水路に発電用の下掛水車を設置する例も散見され（所謂、マイクロ発電）、この場合において少しでも下掛水車の効率をアップする方法が下記特許文献１及び２等で図られている。
【０００４】
特許文献１に見られるのは、ドラムに下流側に下るハ形のブレードを中間に溝を設けて二列に構成したものであり、ブレードが斜めに形成されていることから、ブレードに作用した水が溝に流れ込んで水の淀みが少ないし、溝を流れる水流の勢いでドラムの回転力を高めるとしている。しかし、ドラムが却って水の抵抗になるし、溝を流れる水流程度ではブレードには大して作用せず、ドラムの回転力は高められない。特記文献２に見られるのは、ブレードのハ形を互い違いにしたものであり、これによってブレードの枚数を減らすことができ、脈動を減らして安定した回転が得られるとしている。しかし、斜めのブレードを抜け出た水が次のブレードに作用する水の流れを阻害し、却って回転力を落とすことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１７４４８０号公報
【特許文献２】特開２００９−１１４９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ブレードの形状や取付け方法を工夫するとともに、わずかな付帯設備を設けることで、水車の性能を大幅にアップさせることはできないかという課題に取り組んだものであり、鋭意研究した結果、一定の成果を挙げることに成功したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、用水路に設置される発電用の下掛水車であって、ハブの中心軸を流路と直角な方向に設定し、ハブの外周にボルト等の取付具で固定されるアームを突設し、アームの先端に取付金具によって上流側が凹に彎曲したブレードをボルト等で取り付け、取付具を調整してハブに対するアームの前後量を変更することでブレードの俯仰姿勢を変更するとともに、取付金具をアームに対して回転することでブレードのヘリカル角を調整することを特徴とする下掛水車装置を提供したものである。
【０００８】
また、本発明は以上の水車において、請求項２に記載した、水車の両側に水を水車に導く集水ガイドを岸から延ばすとともに、ブレードのヘリカル上手側に位置する集水ガイドは水車の前方に終端させ、ブレードのヘリカル下手側に位置する集水ガイドは水車に重合する位置で終端させた構成を提供したものである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項1の発明によると、ブレードにヘリカルが付いているため、ブレードが入水するときに水を叩き付けることで発生する抵抗を減らせることができるとともに、離水するときにブレードに付着している水を持ち上げる生ずることて逆トルクを減らせることができ、結果として、回転数及びトルクを上昇させ、発電量を増大させる。また、特に、入水するときの騒音静粛な回転にできる。請求項２の構成によると、速度エネルギー顆高まるとともに、位置エネルギーも獲得でき、特に、ブレードにヘリカルがあることに関連して集水ガイドも特殊の配置に琶一なり、この両者の相乗効果で非常に大きな発電量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】下掛水車の斜視図である。
【図２】下掛水車の側面図である。
【図３】下掛水車の側面図である。
【図４】下掛水車の側面図である。
【図５】下掛水車と附帯設備との関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は下掛水車に擬した実験用下掛水車の斜視図、図２、図３は側面図（図１の方がブレードのヘリカル角が大きい）、図４もヘリカルがないブレードの側面図であるが、この下掛水車（以下、水車）は軸（図示省略）を通す孔１があいたハブ２を有し、ハブ２の外周にボルト等の取付具３で固定されるアーム４を突設し、アーム４に上流側が凹に彎曲したブレード５を取り付けたものである。本例の水車はブレード５を単列でヘリカルを付けたものにしたのである。
【００１２】
ブレード５の取付けは、アーム４の先端に取付金具６を取り付け、取付金具６にブレード５をボルト等で取り付けたものである。本発明では、ブレード５が流路と直角な方向から傾いたヘリカルを有している。この場合、取付金具６をアーム４に対して回転させることでブレード５のヘリカル角θを調整することができるようにしている。また、取付具３を調整してハブ２に対するアーム４の前後量を変更することでブレード４の俯仰姿勢を変更することもできるようにしている。具体的には、ハブ２の中心とブレード５の内端５ａとを結ぶ線Ｌに対してブレード５の外端５ｂが回転方向の上手側にあるか下手側にあるかによってブレード５の俯仰姿勢が変わり（図４）、前者は仰向き姿勢、後者は俯き姿勢ということにした。
【００１３】
次に、本発明者は、以下の諸元を有する実験用水車を製作し、これを水をポンプで循環させて水流を起こす人工水路に浸けて種々の条件の下で実験を行ってみた。実験は水車を回して発電機を駆動し、その発電量（Ｗ）を調べた、５分間連続して発電させ、その平均値を採用した。
【００１４】
水車（ブレードの外縁）の直径        ５００ｍｍ
ブレードの幅                        ２００ｍｍ
ブレードの丈                        １４０ｍｍ
ブレードの曲率半径                  １２０ｍｍ
ブレードの枚数                      １２
水路の幅                            ３９５ｍｍ
集水ガイドの幅員                    ９７．５ｍｍ
【００１５】
表１はブレード５の水深と人工水路の流速を変えた場合であるが、実際の河川では水位が増すと流速が早くなることと同じにしたものである。一般に水車は、１）流速が大きく、水深が小さい場合は、流量も少なく、速度エネルギーも小さい。２）一方、流速が大きく、水深も大きい場合は、流量が多く、速度エネルギーも非常に大きい。３）さらに、流速が小さく、水深が大きい場合は、流量が少なく、速度エネルギーは非常に小さい。
【表１】
0005763562.tif 000002
※  Ａ→Ｃほど水深、流速の値を大きくした
※  Ｂ′はＢの条件をやや落したもの
※  Ｄ、Ｅは流速を１ｍ／ｓ以下にして水深を深くしたもの
※  Ｅはヘリカルなしのもの
【００１６】
１）の場合，ブレードの先端に少し水が作用することになる。ブレードの背面では抗力を受けるが、水深が小さいため、この抗力も小さい。したがって、流速の低下が抑えられ、効率はよい（４０〜４５％）。ただし、発電用水車には、増速装置（発電機が作動するには高速回転を要するため）や発電機自体の抵抗といった種々の固定した機械損失があり、エネルギー自体が小さい場合は見かけ上高効率になるとは限らない。
【００１７】
２）の場合は１）に比べてより多くの水がブレードに作用するが、これに伴ってブレードの背面抗力も大きくなる。また、水深が深くなることは水路に対する抵抗も大きくなるので、水車上流側の水位上昇率も大きくなり、上流側流速を下げることになる。さらに、負荷を大きくして行くと、回転数が下がって行くことになる。したがって、効率は１）に比べて小さくなる（２５〜３２％）。ただし、速度エネルギー自体は非常には大きいので発電量は大きい。
【００１８】
３）の場合、ブレード全体が水没しても流速が小さいため、流れが阻害され難く、効率は非常によくなる（４８〜６７％）。しかし、速度エネルギーが非常に小さいので発電量は小さい。
【００１９】
表２は以上の人工水路でヘリカル角３０°の水車を回転させ、実際に発電して発電量（Ｗ）を測定したものである。
集水ガイドなし（θ＝３０°）
【表２】
0005763562.tif 000003
※  ａ：ヘリカルなし、仰向き姿勢
※  ｂ：ヘリカルなし、俯き姿勢
※  ｃ：ヘリカルあり、仰向き姿勢
※  ｄ：ヘリカルあり、俯き姿勢
【００２０】
後記するが、単にブレードにヘリカルを付けただけや俯き姿勢にしただけでは発電量はそれほど上がらない。そこで、何らかの効果的な手段ということで思い付いたのが従来でも見られた用水の水を水車に導く集水ガイド（以下、ガイドという）である。図４がその模式図であるが、岸から水車に向けて二つのガイド７、８を設けることである。このうち、ガイド７はヘリカルの上手側に設けるもので、水車の手前で終端させている。一方、ガイド８はヘリカルの下流側に設けるものであるが、ガイド７と同じような配置をしたのでは却ってよくないことがわかった。
【００２１】
このガイド８は、水車と重合する位置で終端させるのがよいことがわかった。こうすることで、ブレード５にヘリカルがついていることにより、ヘリカルに沿って流れた水にガイド８で導かれた水が追い打ちをかけ、この部分に流れる水を加速させるのではないかと思っている。なお、発電機はハブ２の中心を通る軸９にプーリ１０を取り付け、プー１０から増速装置（発電機はある程度の高速で回転させなければ発電しないから）、発電機へと動力を伝えている（いずも図示省略）。
【００２２】
そこで，人工水路に以上のような形態のガイドを付けて実験したのが表３である。
集水ガイドあり（θ＝３０°）
【表３】
0005763562.tif 000004
※  空白は計測できなかったもの
【００２３】
以上の結果からヘリカルの有無、俯仰姿勢、ガイドの有無を検討してみる。
１．ヘリカル
仰向き姿勢、俯き姿勢、ガイドの有無にかかわらず、ヘリカルがあるものの方がないものよりも総じて発電量が高い。その傾向はＣやＤで目立ち、水深が比較的深いものの方により大きな効果がある。これは、ヘリカルを付けることで、上記した入水時のブレードによる水叩きの抵抗、離水時の水付着による逆トルクをともに小さくすることから当然の理といえる。また、ブレードが円筒体を割ったような彎曲していることもこれに寄与する。この測定結果における数値が一番高いのはガイドがあって俯き姿勢のとき、二番目が同じく仰向き姿勢のときである。この結果、ヘリカルを有するものの優位性が判明した。なお、ヘリカル角θもある程度重要ではあり、あまり小さいとヘリカルがないものと同様になるし、あまり大きいとトルクが減少するが、極端でなければあまり変わらない。発明者によると、１５〜４０°が適し、中でも、２０〜３０°の範囲で最適な角度があると思っている。
【００２４】
２．俯仰姿勢
ヘリカルの有無、ガイドの有無にかかわらず、俯き姿勢の方が仰向き姿勢のものよりも総じて発電量が高い。その傾向はＢで顕著であり、水深は中位の場合である。俯き姿勢をとることの優位性は上記したヘリカルが付いているものと同じである。この実験で、一番数値が高いのはヘリカルがあってガイドのあるものである。この結果、ブレードは俯き姿勢で取り付けるのが有利であることがわかった。
【００２５】
３．集水ガイド
ガイドがあるものはないものに比べて発電量がかなりアップしている。特に、流速の遅いＤにおいて違いの顕著さが目立つ。その違いはブレードに作用する力を水深×流速3 に比例するとすれば、ガイドがあるものはないものに比べて２〜３倍になっている。また、発電量の絶対値も大きく、流速もある程度速く、水深もある程度確保されたＢ′ではほぼ二桁の発電量を出していることからも明らかである。これは、ヘリカル、俯仰姿勢、ガイドの有無といった要素が単に加算されただけではなく、互いに相乗効果を果たしているからである。
【００２６】
例えば、発電量のもっとも違うＤ−ａとＢ′−ｄとでは水深×流速3 の違いは３．９であるのに対して発電量の違いは７．８にもなっているし、また、本発明者が実験してみた結果であるが、Ｂ′−ｄに対応するガイドあり（ただし、両方のガイドともに左右対称で水車の前方で終端している）のもので（ただし、ヘリカルは付いていない）１／２．８５も発電量が低くくなっていたことを確認しており、これからもいえることでもある。このガイドの有無は一番大きな要素であることには変わりはなく、農業用水は流速が１ｍ／ｓ前後のものが大半であるから、農業用水に発電用の水車を設置する場合は、ガイドを設けることが非常に有意義であることがわかる。
【００２７】
４．その他
予想されたことであるが、発電量の大きい水車にするためには、やはり、流速の速い用水路に設置することである。この点で、水車を設置する用水路の選定が重要であり、仮に、遅い流速の用水路に水車を設置しなければならないときには、ブレードにヘリカルを付け、俯き姿勢にすることはもちろんであるが、ガイドを設けることは非常に重要である。本発明におけるガイドは非常に簡単であって、永久的な工事は必要としないし、増水時等には簡単に取り外せるのも大きな特徴である。
【符号の説明】
【００２８】
１    孔
２    ハブ
３    取付具
４    アーム
５    ブレード
５ａ      〃  の内端
５ｂ      〃  の外端
６    取付金具
７    集水ガイド
８    集水ガイド
９    軸
１０  プーリ
【図１】
0005763562.tif 000005
【図２】
0005763562.tif 000006
【図３】
0005763562.tif 000007
【図４】
0005763562.tif 000008
【図５】
0005763562.tif 000009