(57)【要約】【課題】既存の水路、発電所の放水路、河川等に簡単な基礎を作るのみで、従来、利用されていなかった水路、放水路、低落差の河川等を流れる水を電気として取り出すことが可能な水車発電装置を提供する。【解決手段】一定の流量に調整可能な吸込口２ａを具備し、この吸込口２ａから既存の水路、発電所の放水路、低落差の河川等を流れる水を取り入れて、制御機器を用いることなく一定の流量の水を水車ランナ（水車７の回転羽根７ａの部分）に導水する構造とする。また、吸込口２ａを少なくとも上下方向に調整可能な第１の機構部（定位置調整器１）と、水車全体を上下動させて水深を調整可能な第２の機構部（上下動用モータ，上下動用手動ハンドル１４）とを備えることで、水流の形状や水深に応じて、取り入れる水力エネルギーを調整できるようにする。更に、流路の両側の基礎上に固設可能で且つ水車全体を上下動自在に支持可能な支持フレーム１６を備え、様々な場所に簡便に据付できるようにする。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流水を発電用のエネルギーとして利用可能な水車発電装置であって、一定の流量に調整可能な吸込口を持ち、この吸込口から前記流水を取り入れて水車ランナに導水する構造を有することを特徴とする定水量開放型水車発電装置。
【請求項２】
前記流水が、既存の水路、発電所の放水路、河川のいずれかを流れる水を含む請求項１に記載の定水量開放型水車発電装置。
【請求項３】
前記吸込口の位置を水面に対して上下方向に調整可能な調整機構を備え、前記調整機構により前記吸込口からの水量を調整することによって前記一定の流量の水を導水するようになっている請求項２に記載の定水量開放型水車発電装置。
【請求項４】
前記調整機構は、前記吸込口を少なくとも上下方向に調整可能な第１の機構部と、水車全体を上下動させて水深を調整可能な第２の機構部とを有する請求項３に記載の定水量開放型水車発電装置。
【請求項５】
既存の水路、発電所の放水路、低落差の河川を設置場所として含み、流路の両側の基礎上に固設可能で且つ水車全体を上下動自在に支持可能な支持フレームを有し、前記支持フレームを前記基礎上に載置し前記水車全体を下降させて水中の所定の位置に水車部を埋設することで前記設置場所に設置される構造となっている請求項１乃至４のいずれかに記載の定水量開放型水車発電装置。
【請求項６】
前記水車ランナに前記吸込口から取り入れた流水を一定の角度で回転羽根に入れるノズルを有する請求項１乃至５のいずれかに記載の定水量開放型水車発電装置。
【請求項７】
前記吸込口からの水が導水される水車に発電機が取り付けられており、前記発電機が規定回転となるように増速する増速機構を有する請求項１乃至６のいずれかに記載の定水量開放型水車発電装置。
【請求項８】
前記発電機の負荷の変動を抑制する手段として、前記負荷の増減に応じてダミーロードを減増させるダミーロードガバナを用いた請求項１乃至７のいずれかに記載の定水量開放型水車発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水車発電装置に関し、特に、既存の水路、発電所の放水路、河川等に簡単な基礎を作るのみで、従来、利用されていなかった水路、放水路、河川水を電気として取り出させるようにした定水量開放型水車発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水車発電機は、位置の高い場所にある水を位置の低い場所に設置した水車発電機に導き、その位置エネルギーを水車により回転運動エネルギーに変え、水車の回転を発電機に伝え、電気を発生させるものである。一般的に、水車発電機は、エネルギーの変換方式の違いから、いわゆる衝動水車と反動水車とに大別される。衝動水車は、圧力水頭を速度水頭に変えた流水をランナ（羽根車）に作用させる構造の水車を言い、高落差（一般的に２００〜１８００ｍ）で水量の比較的少ないところに用いられるペルトン水車などがある。一方、反動水車は、圧力水頭をもつ流水をランナに作用させる構造の水車を言い、比較的広範囲の落差（一般的に４０〜６００ｍ程度）の水力発電に使用されるフランシス水車や、低落差（一般的に８０ｍ以下）で大水量の場合に適するプロペラ水車などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような水車発電機は、例えば、ダムを建設し、ダムの落差を利用して電気を発生させるものや、山腹や山の上に貯水池を作り、導水管にて低い位置にある水車発電機まで水を導いて発電させるものであった。その建設費は、数十億円以上になり発電機能力も大きく、また、発電設備も水位計、導水管、開閉バルブ、緊急遮断弁、水車ガバナ、発電機及び水車軸受給油装置、制御盤、発電機盤、配電盤等大規模なものばかりであった。そのため、その装置は大規模ゆえ大量の水が使用されていた。そして、使用された水はそのまま流されており、発電用として再利用されるということはなかった。また、農業用水路は、主たる川より汲み上げられ、電気を使ったポンプにより田地、田畑を潤し、余った水は、また、電気を使ったポンプにより、川に戻されており、発電用のエネルギーとして利用されていなかった。また、位置エネルギーの低い河川水も全く利用されていなかった。
【０００４】
このように、従来は、数多く存在する既存の水路、発電所の放水路、低落差の河川などの水は、発電用のエネルギーとして利用されていなかった。その理由としては、発電所の放水路、農業用水路、河川の水力エネルギーは、流水の形状や据付場所が様々であること、高価な制御機器を必要とし、最適な水車がなかっことなどが挙げられる。そのため、上記のような水力エネルギーは未利用なエネルギーとなっていた。
【０００５】
本発明は、上述のような事情により成されたものであり、本発明の目的は、既存の水路、発電所の放水路、河川等に簡単な基礎を作るのみで、従来、利用されていなかった水路、放水路、低落差の河川等を流れる水を電気として取り出すことが可能な水車発電装置を提供することにある。より詳しくは、本発明の目的は、発電所等で使用した水の再利用を可能とし、また用水路で使われる電気を、用水路の水で発電し還元可能とすること。そして、位置エネルギーの低い水で発電させること。そして、技術的には、既存の水路、放水路、河川を改造することなく設置可能とすること。そして、水車制御装置が簡便で低コストであること。更に、導水管、バルブ、制御装置、水位計、配電盤を省略し、ガバナは、簡易で低コストのガバナにすること。電気的には保護協調の少ない配電にすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水車発電装置に関するものであり、本発明の上記目的は、流水を発電用のエネルギーとして利用可能な水車発電装置であって、一定の流量に調整可能な吸込口を持ち、この吸込口から前記流水を取り入れて水車ランナに導水する構造を有することによって達成される。
【０００７】
さらに、前記流水が、既存の水路、発電所の放水路、河川のいずれかを流れる水を含むこと；前記吸込口の位置を水面に対して上下方向に調整可能な調整機構を備え、前記調整機構により前記吸込口からの水量を調整することによって前記一定の流量の水を導水すること；前記調整機構は、前記吸込口を少なくとも上下方向に調整可能な第１の機構部と、水車全体を上下動させて水深を調整可能な第２の機構部とを有すること；既存の水路、発電所の放水路、低落差の河川を設置場所として含み、流路の両側の基礎上に固設可能で且つ水車全体を上下動自在に支持可能な支持フレームを有し、前記支持フレームを前記基礎上に載置し前記水車全体を下降させて水中の所定の位置に水車部を埋設することで前記設置場所に設置される構造となっていること；前記水車ランナに前記吸込口から取り入れた流水を一定の角度で回転羽根に入れるノズルを有すること；前記吸込口からの水が導水される水車に発電機が取り付けられており、前記発電機が規定回転となるように増速する増速機構を有すること；前記発電機の負荷の変動を抑制する手段として、前記負荷の増減に応じてダミーロードを減増させるダミーロードガバナを用いること；により、それぞれ一層効果的に達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の水車発電装置は、簡単な基礎を作るのみで既存の水路、発電所の放水路、河川等に設置して、それらの場所を流れる水のエネルギーを利用できるようにしている。そして、高価な制御機器を用いることなく、吸込口から水車ランナへと導水する水量を一定にし、余分な水量は側面、上面から逃がし、水車の出力変動を防止する構造としている。以下に説明する実施の形態では、水車ランナに導水する水量を一定にするため、水を取り入れる吸込口を少なくとも上下方向に調整可能な第１の機構と、設置時や水深の変化時に水車の全体を上下動させて水深を調整可能な第２の機構とを備えている。
【０００９】
そして、水量（水力エネルギー）の変動要素の一つである「水流の形状」に対しては、上記第１の機構により吸込口の位置を合わせることで、水流の形状に応じて取り入れる水力エネルギーを調整し、上記変動要素の一つである「水深」に対しては、上記第２の機構により水車の全体を上下動させて水深を調整することで、水深に応じて取り入れる水力エネルギーを調整すると共に水車の出力変動を防止し、更に、様々な場所に簡便に据付して発電することを可能としている。また、発電機の回転速度は、増速機構を用いて規定回転となるようにし、発電機にかかる負荷の変動に対しては、低コストのダミーロードガバナを用いる等により、水車発電機の低価格化を図っている。
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１〜図３は、本発明における定水量開放型水車発電装置の構造の一例を示すもので、図１は正面図、図２は図１を矢印Ｘ方向から見た側面図、図３は図２中の水車発電機本体部Ａを矢印Ｙ方向から見た背面図をそれぞれ示している。先ず、取り入れる水を一定の流量に調整する調整機構について説明する。
【００１２】
本発明の水車発電装置は、図２に示すように、定流量ガイド２とその吸込口２ａを水面に対して垂直方向に上下させる定位置調整器１を介して、導水パイプ（上部パイプ３，下部パイプ４）が設けられており、導水パイプは、中間にて伸縮できる構造となっている。さらに、下部パイプ４の端部にはノズル５が配置されており、水車ランナ（水車７の回転羽根７ａの部分）に最適に水が流入する構造として、常に効率良く水力エネルギーを回収できるようにしている。
【００１３】
図４は、吸込口２ａの位置調整に係る機構部の構造を示しており、本例では、同図に示すように、定流量ガイド２の上部は、定位置調整器１の軸で軸支されると共に、下部パイプ４は傾動自在に軸支されている。そして、定位置調整器１の操作（本例では操作部１ａの手動操作）により、水流の形状や流速に応じて、定流量ガイド２を上下させて吸込口２ａの位置を調整することによって、一定の流量の水を吸込口２ａから取り入れて水車ランナへと導水する構造としている。さらに、吸込口２ａを有する定流量ガイド２の位置は、水の流れに対して前後方向に調整可能となっており、設置環境に応じて定流量ガイド２の長さを可変できるようになっている。また、ノズル５は、吸込口２ａからの水を整流すると共に、水車７の回転羽根７ａの部分に流水が一定の角度で入るような形状に形成されており、吸込口２ａの上下，前後の動作にかかわらず、その角度が固定された状態となるように下部パイプ４に連結されている。
【００１４】
上記の吸込口２ａの上下の調整は、水車の過回転、不足回転を防止し、一定回転を保持するガバナの役割を果たしている。このような吸込口２ａの上下の位置調整機構を備えることにより、保護協調の装置は不要となり、制御盤、配電盤、バルブ、緊急遮断弁、開閉バルブ、水位計、導水管は不要となる。
【００１５】
次に、水車７と発電機１２側の構成について説明する。
【００１６】
図３中の一部断面構造図に示すように、水車７は開放型水車であり、フレーム６は水車用軸受９を介して組み立てられ、フレーム６の片側に配置された下部ギヤ１１は、伝達軸８を通して発電機１２側の上部ギヤ１０と繋がっている。下部ギヤ１１は増速ギヤであり、プーリに変えることもある。上部ギヤ１０には発電機１２があり、増速機構（本例では、下部ギヤ１１，伝達軸８，上部ギヤ１０）によって規定の増速比により発電機１２を増速して、発電機１２が規定回転となるようにしている。
【００１７】
そして、発電機１２とギヤ部（８，１０，１１）が収容される部分は密閉構造となっており、水流を被っても、中に浸水しないようにしている。
【００１８】
上記のように、水車７は開放型水車とし、水車７の軸受部９には水潤滑で可能なカーボン軸受を使用することで、給油装置は不要となる。そして、発電機１２は、落差、水量が常に一定なので、負荷の変動のみ考慮すれば良い。負荷に対する変動は、ダミーロードガバナ（模擬負荷の抵抗値の調整による水車の調速制御装置）を使用することにより簡便に行える。そして、本実施の形態では、ダミーロードと発電機容量と同じものとし、発電機の負荷の変動を抑制する手段としては、負荷の増減に応じてダミーロードを減増させるダミーロードガバナのみを使用している。
【００１９】
上記の水車発電装置は、簡便に据え付けができるようにするため、図１のように、流路の両側の基礎ａ１，ａ２上に固設可能で且つ水車全体（図２中の水車発電機本体部Ａ）を上下動自在に支持可能な支持フレーム１６に、水車全体を上下動させるための上下動用モータ１３及び上下動用手動ハンドル１４を前述の第２の機構として取り付け、両堤防に固定する構造としている。
【００２０】
ところで、既存の水路、発電所の放水路、河川の水力エネルギーは、流水の形状や据付場所が様々である。そこで、本実施の形態では、例えば図１中に示すように、流路の両側の基礎ａ１，ａ２の上に支持フレーム１６を載置して基礎用ボルト１７で固定した後、ボルト、ナット１５を緩めた状態で上下動用手動ハンドル１４を操作して水車全体を下降させて、水車の回転上昇速度を徐々に上げながら起動すると共に水深が適切な位置となるように調整して水車部を水中に埋設し、その後、ボルト、ナット１５を締めて水車全体を支持フレーム１６に固定する。更に定位置調整器１の操作部１ａを操作して、水流の形状に応じて定流量ガイド２の吸込口２ａの位置を調整することで、吸込口２ａから取り入れる水が一定の流量となるようにして、設置を完了する。このように、本発明の水車発電装置は、既存の水路、発電所の放水路、河川等の様々な場所に簡便に据付できる構造となっている。
【００２１】
なお、上述した実施の形態においては、支持フレーム１６は、固定の長さを有するものを図示して説明したが、既存の水路、発電所の放水路、河川の幅に応じて長さを調節できるように、伸縮自在な構成とするようにしても良い。また、流路の両側の基礎の上に支持フレーム１６を載置して一台の水車発電装置を固設する場合を例として説明したが、流路の幅に応じて複数台の水車発電装置を連設するようにしても良い。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の定水量開放型水車発電装置によれば、位置エネルギーの低い河川や既存の水路を流れる水を吸込口から取り入れて、一定の流量の水を水車ランナに導水する構造としているので、数多く存在する発電所の放水路、用水路、低落差河川等のエネルギーを利用することが可能となる。更に、定量吸込口の調整機構による上下の調整によって水車ランナに導水する水量を一定に調整し得るようにしているので、保護協調の装置は不要となり、高価な制御機器を用いることなく流量を一定にすることができる。また、流路の両側の基礎上に固設可能で且つ水車全体を上下動自在に支持可能な支持フレームを設けているので、様々な場所に簡便に設置することが可能となる。
【００２３】
また、化石エネルギーの節約とその節約に匹敵する地球温暖化防止、炭酸ガス抑制が可能となる。そして、エネルギー源は太陽エネルギーであり、再生可能なエネルギーであるため永久にエネルギー供給が可能であり、長期的な観点から、エネルギーの莫大な社会貢献をするという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る定水量開放型水車発電装置の正面図である。
【図２】本発明に係る定水量開放型水車発電装置の側面図である。
【図３】本発明に係る定水量開放型水車発電装置の背面図である。
【図４】本発明に係る吸込口の位置調整機構の構造の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
１　定位置調整器
１ａ　操作部
２　定流量ガイド
２ａ　吸込口
３　上部パイプ
４　下部パイプ
５　ノズル
６　フレーム
７　開放型水車
７ａ　回転羽根
８　伝達軸
９　水車用軸受
１０　上部ギヤ
１１　下部ギヤ
１２　発電機
１３　上下動用モータ
１４　上下動用手動ハンドル
１５　上下時緩めるボルト、ナット
１６　支持フレーム
１７　基礎用ボルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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