(57)【要約】【課題】小規模から中、大規模地域単位の電力を賄うことができる安価で環境に優しい水力発電装置を提供する。【解決手段】水力発電装置１０は、貯留水１１がオーバーフローして河川１２に流れ込むダム璧１３と、この下部に２つが並列する貯留水１１取り入れ用の取水口１４、１４ａと、これのそれぞれから並列して河川１２の下方に傾斜する流水１５通過用の水路１６、１６ａと、これのそれぞれに１又は複数が連続して備える水車１７と、これの近傍に取り付けて水車１７と連結させる発電機２２を有し、ダム璧１３頂部から貯留水１１を河川１２に放出させながら取水口１４、１４ａからの貯留水１１を流速のある略一定水量の流水１５とすると共に、これで水車１７を回転させて発電機２２を可動させ、しかも、水路１６、１６ａの終端から排出される流水１５を河川１２に還元させている。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ダム底より３ｍ以上の高さから貯留水がオーバーフローして河川に流れ込むダム璧と、該ダム璧の下部に前記ダム底あたりを底辺とする１〜１．５ｍ角からなる２つが並列する前記貯留水取り入れ用の取水口と、該取水口のそれぞれから並列して前記河川の下方に２０〜３０度の角度で傾斜する凹状深さが１．５〜２ｍの流水通過用の水路と、該水路のそれぞれに１又は等間隔を設けて複数が連続して取り付けられる前記水路の高さの略２倍の直径を備える水車と、前記水路のそれぞれに設ける前記水車の近傍に前記水路の側壁頂部間をブリッジ状に取り付けて前記水車と連結させる発電機を有し、前記ダム璧頂部から前記貯留水を前記河川に放出させながら前記取水口からの前記貯留水を流速のある略一定水量の前記流水とすると共に、該流水で前記水車を回転させて前記発電機を可動させ、しかも、前記水路の終端から排出される前記流水を前記河川に還元させていることを特徴とする水車発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の水車発電装置において、前記取水口のそれぞれに前記貯留水の流入を堰き止めるためのシャッターが設けられていることを特徴とする水車発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水車発電装置において、前記水路が前記河川の流れに沿って蛇行、前記河川の川岸に沿った山の尾根や谷を伝って直線状、又はこれらの両方を含んで設けられていることを特徴とする水車発電装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、山野や、谷川等に流れる比較的小規模の河川を利用して簡単な設備で小規模から中、大規模までの発電が可能な水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から発電装置には、大型ダムによる高い水の落差を利用した水力発電装置や、石油、石炭、天然ガス等の燃料を熱源とする大型タービンの回転を利用した火力発電装置や、核燃料の核分裂エネルギーを利用した原子力発電装置が存在している。
【０００３】
しかしながら、従来の大型ダムによる高い水の落差を利用する水力発電装置は、設置場所が山中に集中せざるを得ない大型のダムの建設に費用が掛かると共に、需要先までの送電距離が長くなってそこで得られる電力量が少なくなり、電力コストの上昇を抑えることが難しくなっている。また、大型のダムの建設は、自然環境を大きく破壊することとなり、自然保護の観点からは大きく逆行することとなっている。
【０００４】
また、従来の石油、石炭、天然ガス等の燃料を熱源とする大型タービンの回転を利用した火力発電装置は、石油や、石炭や、天然ガス等の燃焼により大気中に排出される炭酸ガスが地球温暖化を促進することとなり、世界規模で取り組まれている地球温暖化防止の取り組みに逆行することとなっている。
【０００５】
更に、従来の核燃料の核分裂エネルギーを利用した原子力発電装置は、核物質に対する地震等の自然災害に対処する防災手立ての確立が充分でなく安全性に問題を残している現状となっている。
【０００６】
そこで、発電装置には、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換できることを利用したソーラー発電装置や、風の風力エネルギーを風車による回転エネルギーに変換させるのを利用した風力発電装置等のようなクリーンな自然エネルギーを利用する発電装置が存在している。
【０００７】
また、従来の発電装置には、小規模発電を目的とした小さな滝から落下する水による水車の回転エネルギーを利用する水力発電装置や、給水管や、配水管等の水パイプ内を流れる流水による水車の回転エネルギーを利用する水力発電装置等が開示されている(例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１２７３３４号公報
【特許文献２】実用新案登録第３１１７５１２号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述したような従来のソーラー発電装置や、風力発電装置や、水力発電装置は、いまだ解決すべき次のような問題がある。
（１）ソーラー発電装置のための太陽光や、風力発電装置のための風力といった自然エネルギーを利用する発電装置は、エネルギーを得るのが完全に天候状態に左右されるので、大、中規模の電力を得ようとするには不安がある。また、ソーラー発電装置や、風力発電装置は、装置自体が高額である上に、発電効率が天候に左右され、得られる電力が高価なものとなっている。
（２）特開２０１１−１２７３３４号公報、実用新案登録第３１１７５１２号公報等で開示される小規模の電力を得ようとする水力発電装置は、日本における豊富に存在する水をエネルギーとして利用し、比較的安価で環境に優しい発電装置であるものの、個人的な使用を目的としているので、大きな規模の電力を得ようとする場合には不向きとなっている。また、特開２０１１−１２７３３４号公報で開示される水力発電装置は、滝といった特別な場所で得られるエネルギーを利用するものであり、限られた場所での個人的な使用に限定されている。
【００１０】
本考案は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、小規模から中、大規模地域単位の電力を賄うことができる安価で環境に優しい水力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的に沿う本考案に係る水力発電装置は、ダム底より３ｍ以上の高さから貯留水がオーバーフローして河川に流れ込むダム璧と、ダム璧の下部にダム底あたりを底辺とする１〜１．５ｍ角からなる２つが並列する貯留水取り入れ用の取水口と、取水口のそれぞれから並列して河川の下方に２０〜３０度の角度で傾斜する凹状深さが１．５〜２ｍの流水通過用の水路と、水路のそれぞれに１又は等間隔を設けて複数が連続して取り付けられる水路の高さの略２倍の直径を備える水車と、水路のそれぞれに設ける水車の近傍に水路の側壁頂部間をブリッジ状に取り付けて水車と連結させる発電機を有し、ダム璧頂部から貯留水を河川に放出させながら取水口からの貯留水を流速のある略一定水量の流水とすると共に、流水で水車を回転させて発電機を可動させ、しかも、水路の終端から排出される流水を河川に還元させている。
【００１２】
ここで、上記の水力発電装置は、取水口のそれぞれに貯留水の流入を堰き止めるためのシャッターが設けられているのがよい。
【００１３】
また、上記の水力発電装置は、水路が河川の流れに沿って蛇行、河川の川岸に沿った山の尾根や谷を伝って直線状、又はこれらの両方を含んで設けられているのがよい。
【考案の効果】
【００１４】
上記本考案の水力発電装置は、ダム底より３ｍ以上の高さから貯留水がオーバーフローして河川に流れ込むダム璧と、ダム璧の下部にダム底あたりを底辺とする１〜１．５ｍ角からなる２つが並列する貯留水取り入れ用の取水口と、取水口のそれぞれから並列して河川の下方に２０〜３０度の角度で傾斜する凹状深さが１．５〜２ｍの流水通過用の水路と、水路のそれぞれに１又は等間隔を設けて複数が連続して取り付けられる水路の高さの略２倍の直径を備える水車と、水路のそれぞれに設ける水車の近傍に水路の側壁頂部間をブリッジ状に取り付けて水車と連結させる発電機を有し、ダム璧頂部から貯留水を河川に放出させながら取水口からの貯留水を流速のある略一定水量の流水とすると共に、流水で水車を回転させて発電機を可動させ、しかも、水路の終端から排出される流水を河川に還元させているので、貯留水がダム璧からオーバーフローさせた状態での取水口からの取り入れであり、貯留水の高さによって水路に高い流速と略一定水量の流水を供給でき、連接する水車であっても効率よく回転させて発電させることができる。また、水車の設置個数は、河川の水量で容易に選定でき、貯留水のダム璧からのオーバーフローが無くならない限りは、水車を増設できるので、河川の水量に合わせて小規模から中、大規模地域単位の電力を賄うことができる発電が可能となる。更には、設置場所は、需要地域の近隣に設けることが可能であると共に、ダム自体を、小型にでき、しかも、水路を通過した流水は、水質を汚すことなく元の河川に還元させているので、自然環境へ影響を及ぼすことは全くなく安心して設けることができる。
【００１５】
特に、上記の水力発電装置は、取水口のそれぞれに貯留水の流入を堰き止めるためのシャッターが設けられているので、並列する水路の一方のシャッターを閉めることで、給電を停止させることなく、設備装置等のメンテナンスを行うことができる。また、貯留水が減少した場合には、一方のシャッターを閉めることで、流速と水量を減少させることなく効率よく発電を続けることができる。
【００１６】
また、特に、上記の水力発電装置は、水路が河川の流れに沿って蛇行させたり、河川の川岸に沿った山の尾根や谷を伝って直線状に設けられているので、狭い場所で適切な高低差がとれ、狭い場所に多くの水車を設置できると共に、水路を通過した流水を河川に容易に還元させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本考案の一実施の形態に係る水力発電装置の説明図である。
【考案を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照しながら、本考案の一実施の形態に係る水力発電装置を説明する。ここに、図１は、本考案の一実施の形態に係る水力発電装置の概念的な斜視説明図である。
【００１９】
図１に示すように、本考案の一実施の形態に係る水力発電装置１０は、日本の至る所に存在する山間の比較的小さな河川を利用して水車を回転させ小規模から中、大規模までの発電を可能とすることができる装置である。この水力発電装置１０は、ダム内部のダム底より３ｍ以上の高さの上端からダム内部に蓄えられた貯留水１１がオーバーフローして河川１２に流れ込むダム壁１３を有している。このダム壁１３は、特に、形状や、大きさ、厚み等を限定するものではないが、元々の河川１２の形状、周囲の谷や山間の形状、この河川１２に流れる水量等の条件に合わせて水圧に耐えると共に、後述する発電のための水エネルギーを取り入れることができる最適な形状や、大きさ、厚み等を決定するのが好ましい。
【００２０】
なお、ダム壁１３は、ダム底からの高さがあまりにも大きくなりすぎると、この水力発電装置１０を設置させる場所の選定が難しくなり、設置場所が限られ、設置のためのコストが高くなる。また、ダム壁１３は、ダム底からの高さがあまりにも大きくなりすぎると、ダム壁１３内に貯留水１１を蓄えて貯留水１１をダム壁１３の上端からオーバーフローさせるのに時間が掛かると共に、天候によってはオーバーフローさせることができなくなる。従って、ダム壁１３は、ダム内部のダム底より３ｍ以上で、５ｍ以下ぐらいにするのが好ましい。
【００２１】
また、上記の水力発電装置１０は、ダム壁１３の下部にダム底あたりが丁度底辺となるような１辺が１ｍ〜１．５ｍの四角形からなる貯留水１１を取り入れるための２つの取水口１４、１４ａをダム壁１３を貫通させて有している。また、この水力発電装置１０は、上記の２つの取水口１４、１４ａをそれぞれが横方向に並列するようにさせて設けている。そして、更に、この水力発電装置１０は、取水口１４、１４ａのそれぞれから並列して河川１２の下方に向かって２０〜３０度の角度で傾斜する凹状形状で、その深さが１．５〜２ｍからなる２つの水路１６、１６ａを有している。この水路１６、１６ａは、それぞれの取水口１４、１４ａから取り込まれる貯留水１１を流水１５とし、この流水１５を通過させるために設けられている。
【００２２】
なお、ダム壁１３内の貯留水１１をそれぞれの取水口１４、１４ａから取り込んだ流水１５には、取水口１４、１４ａの中心部で、（貯留水１１の高さ）−（取水口１４、１４ａの高さ×１／２）の落差、即ち、少なくとも、２．５ｍ（３−（１×１／２）＝２．５）〜２．２５ｍ（３−（１．５×１／２）＝２．２５）の落差による流速が掛かることとなるが、ダム壁１３のダム底からの高さが３ｍを下まわる貯留水１１では、落差が低くなり、水路１６、１６ａを流れる流水１５の流速が遅くなり、後述する発電のための所望する水エネルギーを得ることができなくなる。
【００２３】
また、取水口１４、１４ａの大きさは、１辺が１ｍを下まわる場合には、水路１６、１６ａを流れる流水１５の流量が少なくなり、後述する発電のための所望する水エネルギーを得ることができなくなる。一方、取水口１４、１４ａの大きさは、１辺が１．５ｍを超える場合には、取水口１４、１４ａから取り込まれるダム内部の貯留水１１の供給が追いつけなくなり、水路１６、１６ａを流れる流水１５の流速が遅くなって、後述する発電のための所望する水エネルギーを得ることができなくなる。更に、水路１６、１６ａの近隣には、水路１６、１６ａに沿って、車両が通れるような通路を設けるのが好ましい。この通路によって、後述する水車１７や、発電機２２のメンテナンスを容易に行うことができる。
【００２４】
また、上記の水力発電装置１０は、水路１６、１６ａのそれぞれに１、又は等間隔を設けて複数が取り付けられる水車１７を有している。この水車１７は、水路１６、１６ａの高さの略２倍の直径寸法を備え、横軸方式の回転軸１８を水路１６、１６ａの側壁頂部１９の両側に設ける軸受２０で支持するようにしてブリッジ状に取り付けている。そして、この水車１７は、略下半分部分が水路１６、１６ａの凹状部分内に収められるようにして、水路１６、１６ａ内を通過する流水１５によって回転翼２１を強力に回転させ、流水１５の水エネルギーを回転エネルギーに効率的に変換させている。
【００２５】
なお、一般的に、水車には、回転軸を縦軸として回転翼を回転させる方式と、回転軸を横軸として回転翼を回転させる方式のものがある。上記の水力発電装置１０の水車１７の回転軸１８の形式は、その方式を限定するものではないが、水車１７のメンテナンスが容易という観点から横軸方式が好ましく、この方式を採用している。また、前記の水路１６、１６ａの河川１２の下方に向かって傾斜する角度は、２０度を下まわる場合には、水路１６、１６ａを流れる流水１５の流速が遅くなって、水路１６、１６ａに設ける水車１７を回転させるための水エネルギーが確保できなくなる。特に、水路１６、１６ａに水車１７を、等間隔を設けて複数設ける場合には、水路１６、１６ａ全体を一定の流速にすることが難しくなる。一方、前記の水路１６、１６ａの河川１２の下方に向かって傾斜する角度は、３０度を超える場合には、水路１６、１６ａに水車１７を、等間隔を設けて複数設けることができる地形のある場所を確保するのが難しくなる。
【００２６】
更に、上記の水力発電装置１０は、水路１６、１６ａのそれぞれに設ける水車１７の近傍に、水路１６、１６ａの側壁頂部１９間をブリッジ状に取り付けて設ける発電機２２を有している。そして、水力発電装置１０は、発電機２２の軸心２３と、水車１７の横軸方式の回転軸１８との間をＶベルトや、チェーン等で水路１６、１６ａの延設方向に対して略並行になるように連結させて水車１７の回転エネルギーを発電機２２に伝達させて発電を行っている。この発電は、水路１６、１６ａを通過する水エネルギーによって発生した水車１７の回転エネルギーで発電機２２を回転させ、これで電気エネルギーを得るという構図になっている。この発電機２２は、水路１６、１６ａのそれぞれに設ける水車１７の近傍に設けている。あるいは、水路１６、１６ａのそれぞれに設ける水車１７が複数からなる場合には、その中間点辺りに設けている。また、発電機２２は、１つの発電機２２を１つの水車１７で稼動させてもよく、１つの発電機２２を複数の水車１７で稼動させてもよい。なお、発電機２２には、防水カバー等の防水対策設備を施し、冠水からの保護をすることが好ましい。
【００２７】
上記の水力発電装置１０は、ダム壁１３頂部から貯留水１１をオーバーフローさせて河川１２に放出させながら、取水口１４、１４ａからの貯留水１１を流速のある略一定水量の流水１５としている。これと共に、水力発電装置１０は、流水１５で水車１７を回転させて発電機２２を可動させている。しかも、水力発電装置１０は、水路１６、１６ａの終端から排出される流水１５を河川１２に還元させている。この水力発電装置１０は、需要地に比較的近隣で豊富に得られる水を用い、簡単な設備と、全く環境に悪影響を及ぼさない水車１７で発電機２２を可動させて発電を行っているので、環境を損なわないようにしてクリーンで、安価な小規模から中、大規模地域単位の電気エネルギーを容易に賄うことができる。
【００２８】
上記の水力発電装置１０においては、ダム壁１３を貫通させて設ける取水口１４、１４ａのそれぞれに、ダム壁１３内部に蓄えられた貯留水１１の水路１６、１６ａへの流入を堰き止めるためのシャッター（図示せず）が設けられているのがよい。このシャッターによって、水力発電装置１０は、一方のシャッターを開放して発電を行い給電を継続させながら、他方のシャッターを閉じることで、他方側の設備装置等のメンテナンスを容易に行うことができる、また、このシャッターによって、水力発電装置１０は、ダム壁１３内部の貯留水１１が減少して両方の水路１６、１６ａへの供給ができなくなった場合には、いずれか一方のシャッターを閉じることで、他方側の水路１６、１６ａの流水１５の流速と水量を減少させること発電を効率よく継続させることができる。
【００２９】
また、上記の水力発電装置１０においては、水路１６、１６ａが河川１２の流れに沿って蛇行させて設けられているのがよい。又は、上記の水力発電装置１０においては、水路１６、１６ａが河川１２の川岸に沿った山の尾根や谷を伝って直線状に設けられているのがよい。あるいは、上記の水力発電装置１０においては、水路１６、１６ａがこれらの河川１２の流れに沿って蛇行や、河川１２の川岸に沿った山の尾根や谷を伝って直線状の両方を含んで設けられているがよい。このような水路１６、１６ａによって、水力発電装置１０は、水路１６、１６ａを狭い場所に適切な高低差をとって設けることができ、狭い場所に多くの水車１７を設置できると共に、水路１６、１６ａを通過した流水１５を元の河川１２に容易に還元させることができ、クリーンな電気エネルギーを容易に得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本考案の水力発電装置は、日本国内に豊富に存在する安全で、クリーンな水資源を利用して、環境を汚染しない電力を、水路に設ける水車の数によって、小規模地域から中、大規模地域単位までに供給できる水力発電装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１０：水力発電装置、１１：貯留水、１２：河川、１３：ダム壁、１４、１４ａ：取水口、１５：流水、１６、１６ａ：水路、１７：水車、１８：回転軸、１９：側壁頂部、２０：軸受、２１：回転翼、２２：発電機、２３：軸心
【図１】
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