JP4653036B2

JP4653036B2 - 水力発電装置

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Publication number: JP4653036B2
Application number: JP2006204246A
Authority: JP
Inventors: 通博大江
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: JP2008031879A

Description

本発明は、河川等の流水を直接的に利用し発電する小型の水力発電装置に関し、詳しくは、河川、用水路、発電所や工場や汚水処理場等の排水放流口下流部等の広範な場所に容易に設置可能であり、大掛かりな堰や導水設備を新設することもなく、水深の浅い場所にも設置可能であり、水量の増減にも容易に対応出来て、水力発電で問題となる漂流物による障害の問題を解消出来る小型の水力発電装置に関する。

近年、埋蔵資源エネルギーの枯渇問題や排出される二酸化炭素等による地球環境の悪化の問題等から、環境に優しい自然エネルギーである水力、風力、太陽光エネルギー等の利用技術が注目されている。水力利用に関しては以前からダム方式での水力発電により利用されて来ているが、ダム方式では莫大な建設費を要すると共にダムの土砂等による堆積物問題やダム建設に伴う自然環境破壊の問題等があり、今後の新設は容易ではない。そのため、小型の水力発電装置が注目されているが、しかし従来の小型の水力発電装置は、従来のダムを利用する発電方式のプロペラ水車やペルトン水車やフランシス水車等の方式の考えを踏襲したものが主流を占め、水流の落差確保と常時水車の回転領域を満水で流れる前提の方式であるために堰堤や導水設備等が必用であり、設備コストを増大させるだけでなく、水深の浅い条件の場所での直接の設置利用は困難である。また、一部には上掛け又は下掛け水車の技術を利用したものもあるが、この場合、流水が水車の回転領域を満水で流れる状態には適用困難であり、従来のものは河川等において大雨等により頻繁に生ずる前記条態への対応は考慮されておらず、堰堤や導水設備等を伴わなければ設置困難である。例えば、特許文献１、特許文献２の提案の様に限定された条件下での設置利用であると共に比較的大型で建設コストが高いものが多く、また、極小型のものでも、特許文献３、特許文献４等の提案の様に、多くが堰や導水設備等を伴う必用があり限定された条件下でしか設置利用が困難である。そして、河川等の流水を利用して発電しようとすれば、漂流物の問題や土砂の堆積問題等は回避出来ない問題であり、水力発電装置の直接の問題でないとしても、関連問題として総合的に解決しなければならない課題であると考えられる。

この様に、従来の小型水力発電装置は、堰堤や導水設備等を伴わなければ設置困難であり、極めて限定された条件の下でしか設置利用出来ず広範な場所での設置利用が困難であるという問題点や、設置後の対応策が充分に考慮されていないという問題点、例えば、ゴミや流木等の漂流物による流れの阻害や装置の故障の問題、土砂の堆積の問題、大雨等の異常増水時の問題等に対する対応策が充分に考慮されていないという問題点がある。
特開平５−２６１４７号公報特開２００３−２２２０６７号公報特開平７−２３６２５５号公報特開２００３−２６９３１５号公報

本発明が解決しようとする最も主要な問題点は、前述の従来の小型水力発電装置の問題点を鑑み、極めて限定された条件の下でしか設置利用出来ず広範な場所での設置利用が困難であるという問題点、および、ゴミや流木等の漂流物による流れの阻害や装置の故障の問題、土砂の堆積の問題、大雨等の異常増水時の問題等に対する対応策が充分に考慮されていないという問題点を解決することにある。

前述の課題を解決するため、本発明の水力発電装置は、水流に対し直交方向で且つ水面に対し平行方向の軸方向をなす回転軸を有するとともに該回転軸の両端部を回転自在に支持された形態の衝動水車を具有する水力発電装置であって、最も水上側に配設される部位で該装置に障害となる漂流物の流入を防止するための板状長尺部材を約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーンが水流に対し傾斜して配設された筋状スクリーン部位と、該部位の下流で水車の水上側に配設される部位で外周部が角筒状をなし且つ内部に水車の流水に面する領域で流水の水力が当該水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水の直接の流入を遮断すると共に其の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするための板状導水部材が傾斜して配設された導水部位と、水流に対し直交方向で且つ水面に対し平行方向の軸方向をなす回転軸を有し該回転軸の両端部を回転自在に支持された形態の水車が組み込まれると共に外周部が角筒状の形態をなす水車部位とを具有し、且つ、前記筋状スクリーン部位が、装置を水平にして用いる場合において、スクリーンの筋状形態が水車軸に対し直交方向の場合には水流に対し約３０〜５０度の範囲の傾斜角度をなし、スクリーンの筋状形態が水車軸に対し平行方向の場合には水流に対し約３０〜６０度の範囲の傾斜角度をなして配設され、水流が垂直方向であり装置を垂直にして用いる場合においては、水流に対し約４０〜８０度の範囲の傾斜角度をなして配設された形態であり、且つ、水車の回転力を発電機に伝達して発電出来る手段と河川等の水底部や堰堤等の下流近傍に固設出来る手段を具有していることを特徴とする。

付加して、前記導水部位の板状導水部材が、水流に対し約３０〜６０度の傾斜角度をなして配設された形態であることを特徴とする。

付加して、前記筋状スクリーン部位および導水部位ならびに水車部位がユニット化され且つ着脱可能な状態で連結された形態をなすことを特徴とする。

付加して、前述の水力発電装置で、増速機構と発電機を含む部位がユニット化された発電機部位ユニットが導水部位ユニットと水車部位ユニットの間または水車部位ユニットの上部に着脱可能な状態で連結された形態をなすことを特徴とする。

本発明によれば、従来の小型水力装置よりも設置条件が余り限定されず広範な場所に容易に設置が可能となる。そして、装置に障害となるゴミや流木等の漂流物の流入を防止出来ると共に堆積し難くなり増水時には漂流物が装置を越流して漂流物による装置の故障問題や流れの阻害問題が生じ難くなり、水力発電の課題点である漂流物による障害問題が解消される。しかも、堰等を特別設ける必用はないので土砂堆積の問題も惹起せず、不必要な増水分は装置上部を越流することができるので異常増水時の問題が解消される。更に、堰堤等の下流近傍への設置も容易であり、プロペラ式水車等の他の装置では困難な水深が浅い場所でも発電出来て、水量の増減にも容易に対応出来るので、河川等、各種用水路、発電所や工場や汚水処理場等の排水放流口下流部等の広範な場所広範な場所での設置利用が可能であり、水力という自然エネルギーの利用を通じて、埋蔵資源エネルギーの枯渇問題と排出される二酸化炭素等による地球環境悪化の問題の改善策の一助として貢献出来る様になる。

本発明を実施するための最良の形態としては、装置の設置場所等の設置条件を適宜勘案して河川等の水底部や堰堤等の下流近傍に容易に固設出来る適切な手段を具有し、筋状スクリーン部位、導水部位、水車部位をユニット化し、更に、発電機および増速機等を防水性能を有するものを用いると共に発電機部位もユニット化して、導水部位ユニットと水車部位ユニットの間または水車部位の上部に着脱可能に連結出来る様にした形態のものである。そして、装置を構成する部材としては、装置の目的を達成出来て長期の使用に耐え得る強度、耐水性、耐候性、耐衝撃性等を有するものであれば用いることが出来るが、例えば、ステンレス、防錆処理鋼材、アルミ合金、エンジニアリングプラスチィック等が好適であり、各部位等においては以下に記載することが勘案された形態のものである。

筋状スクリーン部位に関しては、スクリーンの筋状形態の水車軸に対し直交方向および平行方向についての選択は、水位の変化状況及び装置の両側のスペース等の設置条件を勘案し適宜選択されれば良く、例えば、冠水頻度が高く両側のスペースが限定されている場合は直交方向の筋状形態が好ましく、冠水状態が少なく水位の変化があり両側にスペースの余裕がある場合は平行方向の筋状形態が好ましい。そして、スクリーンの配設角度は、装置を略水平にして用いる場合は、スクリーンの筋状形態が水車軸に対し直交方向に筋状をなす場合には水流に対して約３０〜５０度の範囲の傾斜角をなした形態で、スクリーンの筋状形態が水車軸に対し平行方向に筋状をなす場合には水流に対して約３０〜６０度の範囲の傾斜角をなす様に配設された形態でありスクリーンの中央部から両側に均等角度をなした形態が好ましい。また、骨格部材と形態保持補強部材を適宜用いて形態保持を確実にすると共に底部と両側部は薄板状部材を用いて囲う様にした形態が好ましい。そして、水流が垂直方向であり装置を垂直にして用いる場合においては水流に対し約４０〜８０度の範囲の角度をなす様に配設された形態である。そして、スクリーンの板状長尺部材は、厚みは材質にも連関するが約２〜１０ｍｍを目処とした寸法が好ましく、幅は装置の規模等を勘案し適宜設定されて良い。また、板状長尺部材の配列間隔は約２０〜５０ｍｍの範囲で設定され、ほぼ均等間隔の配列が好ましい。

導水部位に関しては、外周部は薄板状部材により角筒状形態をなし、内部に板状導水部材が傾斜して配設された形態をなして、骨格部材と形態保持補強部材を適宜用いて形態保持を確実にした形態が好ましい。各部材の厚み及び各種寸法は用いる材質を勘案し適宜設定されれば良い。そして、板状導水部材は傾斜角度を約３０〜６０度の範囲を目処とし、約３０〜４５度の範囲とするのが好適である。また、水車の下部前方にも導水補助部材を配設して導水し水車の回転力を向上させる様にすることも好ましい。

水車部位に関しては、骨格部材に水車の回転軸の両端部を回転自在な状態で留め付け外周部は薄板状部材により角筒状形態をなしている。そして、水車は、少なくとも両端部に円盤状部材を配設し長尺薄板状部材で断面形状が水力を効果的に回転力に変換出来うる彎曲又は屈曲形状をした羽根を回転軸から軸からの間隙を設けて放射状に均等な間隔で円盤状部材に固設した形態の水車であれば限定されないが、羽根の枚数は８〜２０枚の範囲とするのが好ましく、軸からの間隙寸法は回転半径の約１／３〜１／２の寸法を目処とした形態のものが好ましい。また、装置の設置条件が冠水する頻度が少ない場合や垂直にして用いる場合には羽根の内側に接する様に円筒状部材を配設し円盤状部材と羽根に固設した形態の水車を用いることも好ましい。

発電機部位に関しては、主要部が、発電機、増速機、被動軸、軸受、クラッチ、カップリング等からなり、水車の回転力を効率的に伝達出来る回転力伝達機構を介在させ発電出来る様にした形態のものが用いられる。尚、発電機と増速機は一体型のものでも良く、その他のものも適宜一体化されたものでも良い。そして、発電機部位は確実に浸水しない位置に配設しても良いが、発電機、増速機等は防水性能を有したものを用いて水車部位に近接して骨格部材に固設して配設し外周部を薄板状部材により囲われた形態が好ましい。

前記回転力伝達機構は、例えば、歯車と無端チェーンもしくは歯車ベルト等を組み合わせた機構が考えられ好ましいが、水車の回転力を円滑に発電機に伝達出来る機構なら限定されない。また、回転力伝達機構の外部側には防護カバーが付設される。尚、防護カバーは水流抵抗が出来るだけ低減出来る様にした形状のものが好ましい。

各部位ユニットの着脱可能な連結方法としては、例えば、骨格部材にナット機能部を設けて、板状部材に穴を施した連結プレートとボルトを用いて連結することも好ましいが、着脱可能な連結方法なら限定されない。

河川等の水底部や堰堤等に固設する手段としては、各部位の骨格部材に跳ね出し部またはベースプレート部を設けてアンカーボルト穴を施し、河川等の水底部にあっては版状コンクリート基礎を設置し、堰堤等の下流近傍にあっては堰堤等の基礎部を利用し、利用出来ない場合はコンクリート基礎を設置して、アンカーボルトにより固設出来る様にした形態が好ましい。

本発明装置の実施例の説明として、図１、図２は本発明装置の１実施例の発電機部位を導水部位と水車部位の間に連結した例の説明図である。図３は発電機部位を水車部位の上部に連結した例の説明図である。図４は発電機部位を水車部位の上部に空間を設けて連結した例の説明図である。図５は装置を垂直にして用いる例の説明図である。図６は水車のの形態の説明図である。図７は筋状スクリーン部の図１〜図５に示す以外の形態例の説明図である。図８は装置を水平および垂直に用いた例の説明図である。尚、各部位ユニットの連結手段例の大半の図示及び水車の回転力伝達手段の外部側の防水カバー等は説明図では省略する。以下、図面を参照して本発明に係る水力発電装置を説明する。

本発明装置は、図１〜４に示す様に、筋状スクリーン部位１０、導水部位２０、水車部位３０、発電機部位４０が連結された形態をなし、アンカーボルト・ナット等７０により装置設置用基礎１に固設して用いられる。そして、本装置の各部位の連結形態は、主に、水流が水平方向の場合は、図１〜２に示す様に、発電機部位４０を水車部位３０の水上側に配設した形態、又は、図３に示す様に、発電機部位４０を水車部位３０の上部に配設した形態、又は、図４に示す様に、発電機部位４０を水車部位３０の上部で浸水の恐れがない距離を確保した位置に配設した形態のものが用いられ、水流が垂直方向の場合は、図５に示す様に、本発明装置の通常形態を９０度回転させ、本発明の目的を達成出来る様にその他骨格部材６０を追加して配設した形態のものが用いられる。そして、前記各部位がユニット化された形態が好ましく、各部位がユニット化された場合は、図２に示す様に、骨格部材１２、２２、３２、４７にナット機能部を設けて、例えば板状部材に穴を施した連結プレートとボルトを用いたユニット連結手段８０により各部位ユニットが連結される。また、各部位ユニットの設置または撤去時の吊り移動を容易にするために、図２（Ａ）に示す様に、ユニット吊り上げ用穴部９０を設けることが好適である。そして、設置使用例としては、例えば、図１（Ａ）に示す様に、河川等の水底部２に装置設置用基礎１を設け固設して用いられる。また、図１（Ｂ）に示す様に、堰堤部等３の下流近傍に堰堤部等３を利用し固設して用いられる。この例で、堰堤部等３の高さが低い場合は、本装置を斜めにした状態で固設して用いることも出来る。

筋状スクリーン部位１０は、スクリーンの筋状形態が水車軸に対して直交方向の場合には、図１〜２に示す様に、板状長尺部材１１をほぼ均等間隔で平行に配列して保持補強部材１４により形態保持された筋状スクリーンを骨格部材１２に傾斜して固設し、底部および側部を薄板状部材１３で囲った形態をなしている。そして、水流が水平方向で装置を水平にして用いる場合は、筋状スクリーンの傾斜角度は約３０〜５０度の範囲を目処とし設定される。また、この場合は、図６（Ｂ）に示す様に、側部は板状長尺部材１１を水平方向にしてほぼ均等間隔で平行に配列したスクリーン形態としても良い。そして、水流が垂直方向で装置を垂直にして用いる場合は、図５に示す様に、筋状スクリーンの傾斜角度は垂直方向に対して約４０〜８０度の範囲を目処とし設定される。また、この場合は、設置条件により前記底部に該当する部分を約３０度以内の範囲の角度を目処として外側に傾斜させた形態とすることも好ましい。そして、スクリーンの筋状形態が水車軸に対し平行方向の場合には、図６（Ｃ）〜（Ｅ）に示す様に、板状長尺部材１１をほぼ均等間隔で平行に配列し且つ中央部から両側に約３０〜６０度の範囲の角度をなした形態で保持補強部材１４により形態保持された筋状スクリーンを骨格部材１２に固設した形態をなしている。

導水部位２０は、図３〜５に示す様に、外周部は薄板状部材２３により角筒状形態をなし、内部に板状導水部材２１が傾斜して配設された形態をなし、骨格部材２２と形態保持補強部材２４を適宜用いて形態保持を確実にした形態をなしている。そして、板状導水部材２１は傾斜角度を約３０〜６０度の範囲を目処として配設される。また、図１に示す様に、水車３１の下部前方にも導水補助部材１００を配設して水車の回転力を向上させる様にすることも好ましい。

水車部位３０は、図１〜２に示す様に、水車３１を骨格部材３２に軸受３４を介して回転可能な状態で留め付け、外周部は薄板状部材３３により角筒状形態をなしている。そして、水車３１は、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す様に、少なくとも、両端部に円盤状部材３１ｃを配設し長尺薄板状部材で断面形状が水力を効果的に回転力に変換出来うる彎曲又は屈曲形状をした羽根３１ｂを回転軸から軸からの間隙を設けて放射状に均等な間隔で円盤状部材３１ｃに固設した形態をなしている。そして、羽根３１ｂの枚数は８〜２０枚の範囲とし、軸からの間隙寸法は回転半径の約１／３〜１／２の寸法を目処とした形態である。また、装置の設置条件が冠水する頻度が少ない場合や垂直にして用いる場合には、図７（Ｄ）に示す様に、羽根３１ｂの内側に接する様に円筒状部材３１ｄを配設し円盤状部材３１ｃと羽根３１ｂに固設した形態の水車３１を用いることも好ましい。

発電機部位４０は、図４に示す様に、主要部が発電機４１、増速機４２、被動軸４３、軸受４４、クラッチ４５、カップリング４６等からなり、水車３１の回転力を効率的に伝達出来る回転力伝達機構５０を介在させ発電出来る様にした形態のものが用いられる。そして、発電機部位４０は確実に浸水しない位置に配設しても良いが、発電機４１、増速機４２等を防水性能を有したものを用い、図１〜３に示す様に、水車部位３０に近接して骨格部材４７に固設して配設し外周部を薄板状部材４８により囲われた形態も好ましい。

回転力伝達機構５０は、図２〜３に示す様に、例えば、歯車５１と無端チェーンもしくは歯車ベルト等５２を組み合わせた機構が考えられ好ましいが、水車の回転力を円滑に発電機に伝達出来る機構なら限定されない。また、回転力伝達機構の外部側には防護カバーが付設される。尚、防護カバーは水流抵抗が出来るだけ低減出来る様にした形状のものが好ましい。

以上説明した様に、筋状スクリーン部位を具有することにより装置に障害となる漂流物の流入を防止することが出来るようになり、しかも、筋状スクリーンを傾斜させることにより漂流物の堆積を回避出来て、装置に障害となるゴミや流木等の漂流物の流入を防止出来ると共に堆積し難くなり増水時には漂流物が装置を越流して漂流物による装置の故障問題や流れの阻害問題が生じ難くなので水力発電の課題点である漂流物による障害問題が解消される。そして、導水部位を具有することにより水車の回転力が向上出来る様になる。更に、堰等を特別設ける必用はないので土砂堆積の問題も惹起せず、不必要な増水分は装置上部を越流することができるので異常増水時の問題が解消される。しかも、堰堤等の下流部近傍への設置も容易に出来ると共に、プロペラ水車等の他の装置では困難な水深が浅い場所でも発電出来て、水量の増減にも容易に対応出来るので、従来装置よりも設置条件が限定されず、河川等、各種用水路、発電所や工場や汚水処理場等の排水放流口下流部等の広範な場所での設置利用が容易に可能となる。

今後期待される燃料電池のための水素ガスを水の電気分解により製造することにも利用出来る。また、ポンプ設備を併設し水車の回転力をポンプに伝達することにより給水設備としても利用出来る。

本発明装置の１実施例の発電機部位を導水部位と水車部位の間に連結した例の説明図（Ａ）側面断面図（Ｂ）平面図図１と同じ例の説明図（Ｃ）側面図（Ｄ）正面図本発明装置の１実施例の発電機部位を水車部位の上部に連結した例の説明図（Ａ）側面断面図（Ｂ）側面図本発明装置の１実施例の発電機部位を水車部位の上部に空間を設けて連結した例の説明図（Ａ）側面断面図（Ｂ）平面図本発明装置の１実施例の装置を垂直にして用いる例の説明図の側面断面図水車の形態の説明図（Ａ）１形態例の側面断面図（Ｂ）（Ａ）の例の正面図（Ｃ）中間に側端部の円盤状部材と同じ部材を配設した例の正面図（Ｄ）（Ａ）の例に筒状部材を付加させた形態例の側面断面図筋状スクリーン部の図１〜図５に示す例以外の形態例の説明図（Ａ）図１〜図５に示す例と同じ正面図（Ｂ）図１〜図５に示す例の側部に水平方向の筋状スクリーンを付加させた例の側面図（Ｃ）図１〜図５に示す例以外の水平方向の筋状スクリーンを用いる場合の正面図（Ｄ）（Ｃ）の例の側面図（Ｅ）（Ｃ）の例の正面図装置を水平および垂直に用いた例の説明図（Ａ）河川等に装置を水平に用いた例の側面断面図（Ｂ）堰堤部等下流近傍に装置を垂直に用いた例の側面断面図

１；装置設置用基礎
２；河川等の水底部
３；堰堤部等
１０；筋状スクリーン部位
１１；板状長尺部材
１２；骨格部材
１３；薄板状部材
１４；形態保持補強部材
２０；導水部位
２１；板状導水部材
２２；骨格部材
２３；薄板状部材
２４；形態保持補強部材
３０；水車部位
３１；水車
３１ａ；回転軸
３１ｂ；羽根
３１ｃ；円盤状部材（羽根取付部材）
３１ｄ；円筒状部材
３２；骨格部材
３３；薄板状部材
３４；軸受
４０；発電機部位
４１；発電機
４２；増速機
４３；被動軸
４４；軸受
４５；クラッチ
４６；カップリング
４７；骨格部材
４８；薄板状部材
５０；回転力伝達機構
５１；歯車
５２；無端チェーンまたは歯車ベルト等
６０；その他骨格部材
７０；アンカーボルト・ナット
７１；アンカーボルト用穴
８０；ユニット連結手段
９０；ユニット吊り上げ用穴部
１００；導水補助部材

Claims

水流に対し直交方向で且つ水面に対し平行方向の軸方向をなす回転軸を有するとともに該回転軸の両端部を回転自在に支持された形態の衝動水車を具有する水力発電装置であって、
最も水上側に配設される部位で該装置に障害となる漂流物の流入を防止するための板状長尺部材を約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーンが水流に対し傾斜して配設された筋状スクリーン部位と、
該部位の下流で水車の水上側に配設される部位で外周部が角筒状をなし且つ内部に水車の流水に面する領域で流水の水力が当該水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水の直接の流入を遮断すると共に其の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするための板状導水部材が傾斜して配設された導水部位と、
水流に対し直交方向で且つ水面に対し平行方向の軸方向をなす回転軸を有し該回転軸の両端部を回転自在に支持された形態の水車が組み込まれると共に外周部が角筒状の形態をなす水車部位とを具有し、
且つ、前記筋状スクリーン部位が、装置を水平にして用いる場合において、スクリーンの筋状形態が水車軸に対し直交方向の場合には水流に対し約３０〜５０度の範囲の傾斜角度をなし、スクリーンの筋状形態が水車軸に対し平行方向の場合には水流に対し約３０〜６０度の範囲の傾斜角度をなして配設され、水流が垂直方向であり装置を垂直にして用いる場合においては、水流に対し約４０〜８０度の範囲の傾斜角度をなして配設された形態であり、
且つ、水車の回転力を発電機に伝達して発電出来る手段と河川等の水底部や堰堤等の下流近傍に固設出来る手段を具有していることを特徴とする水力発電装置。
前記導水部位の板状導水部材が、水流に対し約３０〜６０度の傾斜角度をなして配設された形態であることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
前記筋状スクリーン部位および導水部位ならびに水車部位がユニット化され且つ着脱可能な状態で連結された形態をなすことを特徴とする請求項２に記載の水力発電装置。
請求項３に記載の水力発電装置で、増速機構と発電機を含む部位がユニット化された発電機部位ユニットが導水部位ユニットと水車部位ユニットの間または水車部位ユニットの上部に着脱可能な状態で連結された形態をなすことを特徴とする水力発電装置。