(57)【要約】【課題】流体損失を大きく低減させ、発電効率を向上させることができる水力発電機を提供する。【解決手段】タービン水車６と、そのタービン水車６に連結される発電機２０を備えた水力発電装置１において、タービン水車６を複数備え、１つのタービン水車６の羽根１３を回転させた流体が、別のタービン水車６の羽根１３を回転させるように、複数のタービン水車６を配置した水力発電装置１とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン水車と、そのタービン水車に連結される発電機を備えた水力発電装置において、
上記タービン水車を複数備え、
１つのタービン水車の羽根を回転させた流体が、別のタービン水車の羽根を回転させるように、上記複数のタービン水車を配置したことを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記タービン水車の内の２つを、その２つのタービン水車の間を通過する前記流体が一方のタービン水車の羽根ともう一方のタービン水車の羽根に同時に当たるように、水平方向に並列配置したことを特徴とする、請求項１記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記タービン水車の内の２つを、その２つのタービン水車の間を通過する前記流体が一方のタービン水車の羽根に当たった後、もう一方のタービン水車の羽根に当たるように、非水平方向に配置したことを特徴とする、請求項１記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、発電は、主に、水力、火力および原子力によって行われている。最近、大都市を中心に、電力需要の増大が益々深刻化しているが、発電所の新たな建設には様々な制約がある。
【０００３】
例えば、原子力発電には、放射性物質の漏洩という環境汚染問題による建設地の住民の反対、事故対策および環境保護のための多額のコストが必要となる等の制約がある。また、火力発電には、原料となる石油の枯渇問題、および石油の燃焼によって発生する二酸化炭素による地球温暖化を防止しなければならないという制約がある。また、水力発電には、発電所建設に伴う森林伐採という環境問題、電力の供給量に比して多額のコストが必要となる等の制約がある。このため、現状では、発電所の増設という安易な手段によって、増大する電力需要をまかなうことはできない。
【０００４】
このように、各種発電所の増設に制約があるため、現状では、節電と発電の効率化という２つの手段が講じられている。ここで、水力発電の効率化に着目すると、かかる効率化を図る典型的な技術が、従来から知られている。
【０００５】
例えば、タービンの羽根車の部分とマグネットの部分とを一体化し、小型化を促進させた回転子を採用することによって、回転子の回転性を向上させると共に、流体損失の低減を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、水車ランナの上流側で環状の水路に複数個配置された案内羽根により直進する発電用水を周方向に旋回する予旋回流に変換させることによって、比速度の低い水車の効率を向上させる技術も、知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００３−２１０３８（要約書）
【特許文献２】
特開２００２−３６４５１０（要約書）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
発電効率の向上を図るには、回転するタービン水車の効率的な回転を確保することと同様、落下する流体の内、タービン水車の回転に寄与しない分（流体損失）の低減も重要である。しかし、上述の従来技術では、流体損失を十分に低減させることができない。
【０００９】
本発明は、上記の問題を解消すべくなされたもので、流体損失を大きく低減させ、発電効率を向上させることができる水力発電装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、タービン水車と、そのタービン水車に連結される発電機を備えた水力発電装置において、タービン水車を複数備え、１つのタービン水車の羽根を回転させた流体が、別のタービン水車の羽根を回転させるように、複数のタービン水車を配置した水力発電装置としている。このため、１つのタービン水車の羽根を回転させるための流体が、もう１つのタービン水車の羽根をも回転させることになる。
【００１１】
また、別の本発明は、先の発明において、タービン水車の内の２つを、その２つのタービン水車の間を通過する流体が一方のタービン水車の羽根ともう一方のタービン水車の羽根に同時に当たるように、水平方向に並列配置した水力発電装置としている。このため、一方のタービン水車ともう一方のタービン水車は、互いに対向する羽根の上に同時に落下する流体によって回転することになる。
【００１２】
また、別の本発明は、先の発明において、タービン水車の内の２つを、その２つのタービン水車の間を通過する流体が一方のタービン水車の羽根に当たった後、もう一方のタービン水車の羽根に当たるように、非水平方向に配置した水力発電装置としている。このため、一方のタービン水車を回した流体は、その下方に配置したもう一方のタービン水車の羽根を回転させることになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の水力発電装置の構造を透過的に示す側面図である。
【００１５】
この実施の形態の水力発電装置１は、水量調整フロート弁２と、２つの発電機格納部３と、２つの発電機格納部３の間に形成される流路４と、流路４を通る流体（この実施の形態では、水とする。）の圧力を調整する水圧調整弁５と、各発電機格納部３の下方に１つづつ配置されるタービン水車６と、各タービン水車６を回転させた水を集中排水させるための傾斜筒７と、傾斜筒７の下部に連結される排水管８とを備えている。
【００１６】
水量調整フロート弁２は、図１の矢印Ａで示す方向に上下動することによって、水力発電機１の本体上部と水量調整フロート弁２との隙間から本体内部に入れる水量を調整するためのフロート式の調整弁である。発電機格納部３は、水力発電機１における図１の左右両側に１つづつ備えられた、後述の発電機を格納するための部屋である。各発電機格納部３の上面は、流路４に水を集中できるように、漏斗形状を呈している。
【００１７】
流路４は、２つの発電機格納部３の間に形成され、かつ水力発電機１の略中心軸上にある流水経路である。水圧調整弁５は、図中の矢印Ｂで示す方向に上下動することによって、流路４の上方から流路４に流れ込む水の水圧を調整できる調整弁である。
【００１８】
タービン水車６は、各発電機格納部３の下方に１つづつ、互いに水平方向に並列に配置され、流路４を通過する水によって回転する。便宜上、図１において、左側のタービン水車を第１のタービン水車とし、右側のタービン水車を第２のタービン水車とする。第１のタービン水車６および第２のタービン水車６の回転は、各上方の発電機格納部３内の各発電機へと伝えられる。傾斜筒７は、第１のタービン水車６および第２のタービン水車６の下方に設けられ、第１のタービン水車６および第２のタービン水車６を回転させるために使われた水を、排水管８に集中させて排水できるように、漏斗形状を呈している。排水管８に流れ込んだ水は、排水口９から外部に排出される。
【００１９】
第１のタービン水車６および第２のタービン水車６は、それぞれ、円形の回転板１１と、その回転板１１より小さく、その回転板１１に同心円状に設けられた小回転板１２と、回転板１１の円周面上に放射状に設けられた羽根１３とを備えている。小回転板１２には、後述の発電機側の回転板との間で無端周回ベルト１４が掛けられている。
【００２０】
この実施の形態では、羽根１３は、回転板１１の円周面に、等間隔（４５度間隔）で８枚設けられている。ただし、羽根１３の枚数は、８枚に限定されない。また、図１では、第１のタービン水車６および第２のタービン水車６における、流路４の直下に位置する水平状態の羽根１３にのみ符号を記しているが、他の各７枚の羽根にも同じ符号を付されるものとする。さらに、図１では、流路４の直下に位置する水平状態の２つの羽根１３の間隔は実際よりも大きく示されているが、両方の羽根１３が互いに接触しない範囲で、かつ限りなく近接するように、第１のタービン水車６および第２のタービン水車６は水平方向に並列配置されている。
【００２１】
このように、羽根１３がほとんど隙間のない状態で対向するように、第１のタービン水車６および第２のタービン水車６を並列配置しているので、流路４から落下する水の損失を極めて少なくすることができる。したがって、発電効率を向上させることができる。
【００２２】
また、各発電機格納部３には、各１つの発電機２０が格納されている。発電機２０は、回転増幅装置２１と、その回転増幅装置２１において回転可能に備えられた回転板２２と、発電機本体２３と、その発電機本体２３において回転可能に備えられた回転板２４と、回転板２２と回転板２４との間に掛けられた無端周回ベルト２５とを備えている。回転板２２と小回転板１２との間では、無端周回ベルト１４が掛けられている。
【００２３】
したがって、第１のタービン水車６および第２のタービン水車６が回転すると、各小回転板１２の回転が、各無端周回ベルト１４を介して各回転板２２に伝達される。各回転板２２の直径は、各小回転板１２の直径よりも小さい。このため、各回転板２２の回転数は、各小回転板１２の回転数よりも多くなり、見かけ上、回転数が増幅されたことになる。各回転板２２の回転は、各無端周回ベルト２５を介して、各回転板２４に伝えられる。各回転板２４が回転すると、電磁誘導の法則を利用して、各発電機本体２３による発電が行われる。
【００２４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の水力発電装置について、説明する。なお、本発明の第２の実施の形態の水力発電装置において、先に述べた本発明の第１の実施の形態の水力発電装置と同じ部材については、同じ番号を付し、その説明を省略するものとする。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施の形態の水力発電装置の構造を透過的に示す側面図である。
【００２６】
この実施の形態の水力発電装置１は、第１の実施の形態の水力発電装置１と同様、２つのタービン水車６を備えている。ただし、この実施の形態の水力発電装置１における２つのタービン水車６の配置関係は、第１の実施の形態の水力発電装置１における２つのタービン水車６の配置関係と異なる。この実施の形態では、図中、左側上方に配置されるタービン水車６を、「第１のタービン水車６」とし、右側下方に配置されるタービン水車６を、「第２のタービン水車６ａ」とする。さらに、第２のタービン水車６ａを構成する部材は、その部材を示す番号に「ａ」を付して、第１のタービン水車６を構成する部材と区別する。
【００２７】
図２に示すように、第１のタービン水車６と第２のタービン水車６ａとは、第１のタービン水車６の羽根１３および第２のタービン水車６ａの羽根１３ａの両者が、流路４からの水の落下方向に垂直に当たる位置となるように、配置されている。このため、図２に示す流路４からの水は、回転板１１を時計にみたてた際に３時方向にある羽根１３に当たった後、その下方に位置する第２のタービン水車６ａの羽根１３ａ（回転板１１ａを時計にみたてた際に９時方向にある羽根１３ａ）に当たる。
【００２８】
図３は、３時方向の羽根１３と９時方向の羽根１３ａの位置関係を説明するための図である。この図の点線で示すように、３時方向の羽根１３と９時方向の羽根１３ａが上下方向に完全に重なるように配置されているので、流路４から落下する水は、３時方向の羽根１３に当たり、そのまま垂直に落下して、９時方向の羽根１３ａに当たる。このため、流路４を通過して落下させた水で、複数のタービン水車６，６ａの羽根１３，１３ａを回転させることができるので、流体損失を極めて少なくすることができる。したがって、発電効率を向上させることができる。なお、当然のことながら、第１のタービン水車６と第２のタービン水車６ａとは、互いに接触しない位置に配置される。
【００２９】
なお、３時方向の羽根１３と９時方向の羽根１３ａが図３に示す位置関係以外の位置関係となるように、第１のタービン水車６と第２のタービン水車６ａとを配置しても良い。
【００３０】
図４は、図３に示す位置関係と異なる位置関係にある羽根１３と羽根１３ａを示す図である。
【００３１】
この図の点線で示すように、羽根１３の先端と羽根１３ａの先端とだけが重なるように、第１のタービン水車６と第２のタービン水車６ａとを配置しても良い。このようにすると、第１のタービン水車６の水に対する回転抵抗が大きい場合であっても、３時方向の羽根１３に当たった水が、第２のタービン水車６ａ側（すなわち、図２の右側）にはねて、第２のタービン水車６ａの９時方向の羽根１３ａに当たることになり、流体損失を低減することができる。第１のタービン水車６と第２のタービン水車６ａとの間の左右の距離は、流路４からの水が羽根１３に当たり、図２中の右側にはねる程度によって、適宜変更できるようにするのが、望ましい。
【００３２】
以上、本発明の水力発電装置１の第１の実施の形態および第２の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態の水力発電装置１は、山を流れる川、あるいは海に設置され得る。
【００３３】
図５は、山を流れる川の水を利用して発電する際に、水力発電装置１を複数設置した一例を概念的に示す図である。
【００３４】
図５に示すように、水力発電装置１を山の上から下に向かって複数設置することによって、各設置箇所での発電が可能となる。水力発電装置１は、２つに限定されず、３つ以上を設置しても良い。
【００３５】
また、図５に示す山の頂上付近にある湖あるいは高地に位置する海岸から、ミネラル成分の含有率に富んだ水を、水力発電装置１の動力源に利用することもできる。この場合、発電と同時に、排水後のミネラル成分に富んだ水を山の麓あるいは山間地にある田畑の用水に利用することによって、作物の成長を高めたり、栄養価に富んだ作物を収穫することもできる。
【００３６】
また、先の説明した第１および第２の実施の形態における水力発電装置１は、タービン水車６を２つのみ備えた装置であったが、タービン水車６の数を３つ以上としても良い。例えば、タービン水車６を３つ備える場合には、２つのタービン水車６を第１の実施の形態に示すように、互いに水平方向に並列的に配置し、残る１つのタービン水車６を、第２の実施の形態に示すように、先の２つのタービン水車６の内いずれか一方のタービン水車６と上下方向の位置関係になるように配置しても良い。
【００３７】
また、本発明の水力発電装置１は、家庭用の発電装置に利用することもできる。水力発電装置１の本体上部から水を流して、タービン水車６を回転させ、発電機２０による発電を行うことにより、家庭の電力の一部あるいは全部をまかなうことも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、流体損失を大きく低減させ、発電効率を向上させることができる水力発電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の水力発電装置の構造を透過的に示す側面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の水力発電装置の構造を透過的に示す側面図である。
【図３】図２に示す３時方向の羽根と９時方向の羽根の位置関係を説明するための図である。
【図４】図３に示す３時方向の羽根と９時方向の羽根の位置関係と異なる位置関係を説明するための図である。
【図５】山を流れる川の水を利用して発電する際に、図１または図２に示す水力発電装置を複数設置した状況を概念的に示す図である。
【符号の説明】
１    水力発電装置
４    流路
６    タービン水車
６ａ  タービン水車
２０  発電機
１３  羽根
１３ａ羽根
【図１】
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【図２】
2004360536.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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