(57)【要約】【課題】開渠水路の流水を利用する水力発電装置に関して、発電効率が高く、装置の寸法及び重量が小さく、建設コスト及び運転保守コストが低い水車を提供する。【解決手段】プロペラ翼２と内部にこのプロペラ翼２を有する出口断面積が入口断面積の２倍から4倍の拡大管状のケーシング１と発電機３を有し、前記プロペラ翼２と前記発電機３が同じ軸４で結ばれている水力発電装置の水車を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流水出口断面積が流水入口断面積の２倍から４倍の拡大管形状のケーシング、プロペラ翼及び発電機を有し、前記拡大管の内部に前記プロペラ翼があり、前記プロペラ翼と前記発電機が軸で結ばれていることを特徴とする水力発電装置の水車。
【請求項２】
前記ケーシング内の流水の主流速度が前記入口断面における流水の主流速度と前記出口断面における流水の主流速度の平均の値になる位置又はその近傍に、前記プロペラ翼を設置することを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置の水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電装置に用いるプロペラ翼の水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の開渠水路では、実用的な水力発電が行われていなかった。
【０００３】
理由は、開渠水路で使用される水車としては、揚水を目的にした垂直型（クロスフロー型とも呼ぶ）水車が知られているが、この垂直型水車には、発電効率が低い、流水に接する個所は装置の一部であるため、装置全体の寸法及び重量が大きい、建設コスト及び設備保守コストが高い問題があり、このため、現在運転されている水力発電装置の水車と比較して経済的に極度に劣っており、実用できなかったことにあった。
【０００４】
流水の運動エネルギーを回転エネルギーに変換し、更に、電気エネルギーに変換することは、風車における気流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換し、更に、電気エネルギーに変換することに類似している。
【０００５】
しかし、水車にはケーシングが必要であるが、風車にはケーシングが無い。その他の分野においても、参考となるケーシングの公知例は見当たらない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】平凡社、世界大百科事典、１９８８年４月２８日初版発行、１４−５４９、水車
【非特許文献２】風力発電入門（改定版）清水幸丸著、パワー社、２００５年２月１５日発行、７５−９２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決する課題は、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率（＝発電効率）が高く、並びに、装置の寸法及び重量が小さく、建設コスト及び運転保守コストが低い水力発電装置の水車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発電効率を高くする水車を提供する課題は、流水の運動エネルギーを高効率で回収できる構造のケーシングと、回収した流水の運動エネルギーを回転エネルギーに変換する効率が高いプロペラ翼と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が高い発電機を使用することで解決される。
【０００９】
流水の運動エネルギーを高効率で回収できる構造のケーシングは、拡大管の形状で、出口断面積が入口断面積の約３倍であり、プロペラ翼を流水流速が入口流速と出口流速の平均値になる位置近傍に設置することで得られる。
【００１０】
流水の運動エネルギーを回転エネルギーに変換する高効率のプロペラ翼は、運転中の風車のプロペラ翼と同様に、翼弦線の方向の角度が、流水の相対流入角から翼の迎角を減じた角度に一致する形状にすることで得られる。
【００１１】
また、本発明の装置の寸法及び重量が小さく、建設コスト及び運転保守コストが低い水力発電装置の水車を提供する課題は、プロペラ翼を採用し、プロペラの全体が開渠水路内の流水に水没することで解決される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による水力発電装置の水車の提供によって、発電効率が高く、製品の寸法及び重量が小さく、建設コスト及び設備保守コストが低くなるので、開渠水路内の流水を利用する水力発電が実用的になる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例による開渠水路に設置する水力発電装置の水車の構成を示す概略図。
【図２】本発明の実施例による開渠水路に設置する水力発電装置の水車のプロペラ翼の概略図。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施例による開渠水路に設置する水力発電装置の水車の構成を示す概略図である。この水力発電装置の水車の主な構成は、ケーシング１、プロペラ翼２、軸４、支持材５である。プロペラ翼２と発電機３は、軸４で結ばれている。発電機３はケーシング内に設置されても、ケーシング外に設置されてもよい。
【００１５】
ケーシング１の出口ｏにおける断面積Ａｏは、入口ｉにおける断面積Ａｉの２倍から４倍にする。プロペラ翼２が設置される位置は、流水流速が入口ｉにおける流速Ｕｉと出口ｏにおける流速Ｕｏの平均流速Ｕｍ＝（Ｕｉ＋Ｕｏ）／２になる位置が好ましい。
【００１６】
設計計算では、出口断面積Ａｏが入口断面積Ａｉの３倍のとき、流水の運動エネルギーの回収率が最大（＝電気エネルギーの理論出力）になるが、２から４倍であれば、３倍のときの運動エネルギー回収率の９０％から９９％が得られる。
【００１７】
流水の運動エネルギーを回収して得られる電気エネルギーの理論出力Ｐｗは、式（１）に示すように、ケーシングの入口と出口における流水の運動エネルギーの差と流量ρ・Ｑで表される。ケーシング１内を流れる流量に変化がないことから、ケーシング入口ｉ、プロペラ翼設置個所ｍ、ケーシング出口ｏにおいては、式（２）に示すように、連続の式の関係が成り立つ。
【００１８】
電気エネルギー理論出力の式（１）をケーシングの出口断面積Ａｏに対する入口断面積Ａｉの比をａとし、この入口／出口断面積比a、ケーシング入口流速Ｕｉ（＝開渠水路内流水の流速）、流量Ｑを用いて書き換えると、式（５）のようになる。
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【００１９】
式（５）の電気エネルギー理論出力は、式（６）に示すように、開渠水路内の流水の運動エネルギーと、式（７）のケーシンングの入口／出口断面積比aにより変動する部分に分けて表わすことができる。
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【００２０】
表１に、入口／出口断面積比aとＫ値の関係を示す。ａ＝０．３３のとき、Ｋ値が最大になり、水車の電気エネルギー理論出力Ｐｗが最大になる。  
【００２１】
入口／出口断面積比aを小さくすると、ケーシング出口面積Ａｏが大きくなるので、発電出力に対して装置寸法及び重量が大きい、建設コスト及び設備保守コストが高くなる。
【００２２】
したがって、電気エネルギー理論出力と装置寸法と装置コスト等を考慮した実用的な水車が得られる入口／出口断面積比aがあり、０．２５から０．５が実用範囲となる。ａ値が０．２５のときのＫ値は０．５８６になり、流水の運動エネルギーの回収率は最高値０．５９３の９９％になる。このとき、出口断面積Ａｏが入口断面積Ａｉの４倍になる。ａ値が０．５のとき、Ｋ値は０．５６３になり、流水の運動エネルギーの回収率は最高値の９５％になる。このとき、出口断面積Ａｏが入口断面積Ａｉの２倍になる。
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【００２３】
図２は、本発明の実施例による開渠水路に設置する水力発電装置の水車のプロペラ翼の概略図である。高効率で流水の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するプロペラ翼は、風車の翼の形状と同じように、翼弦線の方向と流水の相対流入方向が一致することにより得られる。詳しくは、翼の形状により迎角を設定する必要があり、少しずれ、一致しない。
【００２４】
翼弦線の方向が、流水の相対流入角に一致するようにすると、翼弦線の方向は軸から遠くになるにしたがい、プロペラ軸の周方向に近づく。
【００２５】
本発明の一実施例になる開渠の水路に設置する水力発電装置の水車の仕様の一例はつぎのようになる。ケーシング１は入口口径が２００ｍｍ、出口口径が３５０ｍｍで、長さが４５０ｍｍの拡大管形状とする。このケーシング内部の入口から１５０ｍｍの位置にプロペラ翼２を配置し、出口近傍に発電機３を配置する。発電機には、直流用の発電機を使用し、最高使用電圧は３０Ｖ、発電容量は５０Ｗとする。このプロペラ翼とこの発電機が軸で結ばれる。
【００２６】
本発明の一実施例になる水力発電装置の水車を、流水にともなって大気がケーシング１内の入らないようにするため、水深が３５０ｍｍ以上ある水路に、流水の方向と軸方向が一致するように設置する。
【００２７】
なお、ケーシング１の入口に流水の流入の案内となる直管を設置してもよい。また、ケーシング１の出口に流水の排出の案内となる直管を設置してもよい。入口及び出口の流水の案内となる直管を設置すると、ケーシング１内の流水の流れが滑らかになり、発電効率が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の一実施例になる水力発電装置の水車は、開渠水路内の流水中に浸漬すると発電することが可能になることから、移動可能な水力発電装置になる。
また、本発明の一実施例になる水力発電装置の水車は、ケーシンク入口を水配管に接続することにより、発電装置することも可能である。
【００２９】
したがって、本発明の一実施例になる水力発電装置の水車は、緊急時の発電設備として使用できる。
【００３０】
ない、このとき、感電事故を発生しないように、水車の発電電圧は３０Ｖにすることが好ましい。商用電力の１００Ｖ又は２００Ｖにするときは、変圧器を使用する。
【符号の説明】
【００３１】
１：ケーシング、２：プロペラ翼、３：発電機、４：軸、５：軸受け、６：支持材、７：水路底、８：水面
ｉ：ケーシング入口、ｍ：ケーシング内プロペラ翼設置位置、ｏ：ケーシング出口
【図１】
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【図２】
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