JP5288567B2 - 河川に設置する発電用水車 - Google Patents

Description

本発明は、小さな河川でも設置できる発電用水車に関するものである。

最近、大規模の水力発電に代わって沢、小川、用水といった小河川に設置される水力発電（以下、略して小川発電と称する）が注目を集めている。理由は大がかりな工事を必要とせず、わずかな付帯工事で設置できるからである。もちろん、一基あたりの発電量はわずかであるが、これを集めると相当の発電量が確保できる。例えば、水深０．２ｍ、幅０．６ｍ、流速０．４ｍ／ｓの小川で落差が１ｍの箇所に水車を据え付けて発電機を回すと、６０％のエネルギー変換効率で、０．２８ｋｗの電力が得られ、年間を通すと２，４５０ｋｗｈとなる。これは１ｋｗの太陽光発電の２．５倍程度になる（なお、一般家庭での年間消費電力量は５０００ｋｗｈ弱といわれている）。

このような小川発電も十分に利用価値があるので、下記特許文献１及び２を始めとして数多くのものが提案されている。いずれも小落差を利用して水車を回しており、特許文献１のものは上掛水車、特許文献２のものは下掛水車となっている。これら小川発電に要求されるものは、発電効率が良いこともさることながら、装置そのものが簡単で安価であること、施工のための工事が少なくて設置コストが安いこと、現場の状況に合わせて調整が容易であること、洪水や土砂草木に対して強いといったことである。いずれの特許文献のものも、それ相応の工夫をしてあるが、特別の現場工事を必要としたり、装置そのものが複雑であったりする。

特開２０００−１９９４７１号公報 特開２００４−２５１２６２号公報

本発明は、上記した小川発電に要求されるすべての条件をできるだけ充足するようにすることで、発電効率が高く、かつ、設置や維持のためのコストを安くできるようにしたものである。

以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、河川の落差個所に設置され、外周に羽根を取り付けた軸を有する発電用水車であり、軸の半分側の羽根の上を遮蔽するとともに、軸を地面に対して一端が上方に持ち上がるように傾斜させ、かつ、落水面とほぼ平行に沿うような向きにしたことを特徴とする発電用水車を提供するとともに、これにおいて、請求項２に記載した、軸の傾斜角は地面に対して１５〜７０°が適し、より適切には４０〜５５°である構成を提供する。

また、本発明は、以上の発電用水車において、請求項３に記載した、軸に沿って遮蔽を兼ねて羽根を収容するケーシングを設けた手段、請求項４に記載した、ケーシングの真下付近から羽根の回転方向下流側の水平までの一部又は全部を開放した手段、請求項５に記載した、落水を受ける側の羽根が水平より下方に傾いている手段を提供する。

一般に、発電用水車としては、流速が早くて流量が少ない場合には速度水頭による衝動水車が適し、流速は遅いが、流量が多いような場合には圧力水頭による反動水車が適しているといわれている。そこで、請求項１の発明、すなわち、軸を落水面とほぼ平行にして一端を持ち上げて傾斜させると、羽根の翼面に衝突した水が下位の羽根の表に当たって回転力の向上に寄与する良い影響を与える。つまり、衝動水車に加えて反動水車的な役割を果たして水車の回転効率（回転数）を上げるのである。

この場合、請求項３の手段によるケーシングを設けると、ケーシングの中を水が流下し、下位の羽根の表面により多くの水を衝突させることになる。一方で、この流下する水を何時までも滞らせるておくと、下位の羽根に対して悪い影響をも与えかねないので、請求項４の手段のようにケーシングの後半部分を開放してよい影響を与えた水を速やかに排出させる。

加えて、本発明は、軸、羽根及び場合によってはケーシングからなる簡単な構造をしているとともに、付帯設備としてこれらを支える架台のようなものを製作するだけでよく、また、取付けは現状の落差をそのまま利用すればよい。したがって、据付け、調整も簡単であり、全体のコストが安い。さらに、請求項２〜４の構成によれば、この水車の機能をそれぞれの目的の下に高めることができる。

本発明の発電用水車の設置例を示す正面図である。 上記設置例の側面図である。 上記設置例の平面図である。 発電用水車の一部を示す側面図である。 水車を示す正面図である。 ケーシングを軸と直交する面で切断した状態を示す端面図である。 水車の回転中におけるケーシング内の水の流れを示す正面視説明図である。 ガイド付のケーシングを軸に直交する面で切断した端面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１〜図３はそれぞれ本発明の発電用水車の設置例を示す正面図、側面図及び平面図、図４は発電用水車の一部を示す側面図、図５は軸と羽根との関係を示す側面図であるが、本発明の発電用水車は、河川ａ₁ の落差（滝となる部分）ａ₂ 個所に設置され、落差ａから落ちる落水ｂ₁ を受けて回転させられるもので、落水ｂ₁ の下に設けられる軸１と羽根（ランナ）２を有する。なお、以下の例では、羽根を収容するケーシング３を備えたもので説明する。

これにおいて、軸１は直状の棒体であり、落差ａ₂ の幅方向に向けられ、かつ、傾斜して設置される。本発明では、この軸１が傾斜角θ₁ で傾斜していることが不可欠の要件である。ただ、この傾斜角θ₁ は、衝動水車的な働きと反動水車的な働きの両方をさせるためにはあまり小さくてもよくないし、極端に大きすぎてもよくない（後述する実験で証明）。この点が単一の衝動水車や反動水車とは違う点である。

羽根２は軸１に取り付けられるものであるが、一本の軸１に複数枚設けられることが条件である。本例では、製作上の点から一枚の羽根２を４つに分割したものにしているが、連続したものにしてもよい。なお、羽根２を取り付ける間隔は適当でよい。さらに、本例では、羽根２を平板としているが、その表面（落水ｂ₁ を受ける面）を凹ませることは落落水ｂ₁ を受ける時間が長くなることから、通常の水車でも行われており、効果があると考えている。

後述するように、ケーシング３の上面の約半分は開口しており、この開口下において、傾斜角θ₁ で傾斜している軸１に対して羽根２は水平でもよいが、傾斜角θ₁ とは逆の傾斜をつけて下向きに取り付けられているのが好ましい。この羽根２の水平より下向きの角度をここでは突っ込み角θ₂ と称することにする。

ケーシング３は羽根２の外周を軸１に沿って設けられる円筒形をしたものである。ケーシング３が存在することで、上位の羽根２に衝突して翼面を滑り下りた水は下位に流れて行き、下位の羽根２に良い影響を与えることがある。

このケーシング３は固定されるものであり、河川ａ₁ の底等に適当な架台（図示省略）で設置されている。なお、ケーシング３は単なる筒であるが、上下端ではスポーク４を内方に張り出し、その中心でベアリング（図示省略）によって軸１を回転可能に軸支している。図６は軸１とケーシング３の断面図であるが、ケーシング３を断面で見た場合、その上面の半分、すなわち、円周の１／４を開口させてここを受水溝５としている（溝としたのは、ケーシングの軸芯に沿って溝状に形成されるからである）。したがって、落水ｂ₁ はこの受水溝５のみからケーシング３に落下し、他の半分では遮断される。

この場合、ケーシング３は受水溝５を除いて全部が閉鎖されるものよりも、少なくとも軸１の真下前後から回転方向（イ）下流側である水平までの一部若しくは全部を開口した排水溝６を有するものの方が総じて好ましい。なお、排水溝６の位置や幅については後述する。ただし、羽根２に衝突して翼面を滑り下りた水はケーシング３の下方に流下して当該羽根２や下位の羽根２に良い影響と悪い影響を与えることがあるのは上述した。

図７は落水ｂ₁ がケーシング３内を流下するときの概念的な説明図であるが、良い影響とは、羽根２の翼面に衝突した水が、当該羽根２や下位の羽根２の表面に当たって回転力を向上させることであり（Ａ）、悪い影響とは、当該羽根２や下位の羽根２の裏面に当たって回転力を減殺させることである（Ｂ）。いずれの影響、特に、良い影響を与えるためには、羽根２の外端とケーシング３の内周とはあまり隙間が大きいのは好ましくない。しかし、あまり隙間が小さいと、土砂や草木或いはゴミがこの隙間に詰まる虞がある。しかし、この草木等は受水溝５の上に適当な網目のスクリーン（図示省略）を設置することである程度解決できる。

図８はケーシング３を軸１に直交する面で切断した端面図であるが、ケーシング３の受水溝５の上側の前後には落水ｂ₁ を誘導するガイド７を設けている。このガイド７は一般的には平板からなり、このガイド７は上側ほど間隔が広い漏斗状のもので、広範囲の落水ｂ₁ を受水溝５に誘導する役目を果たすものである。この他、図１等において、Ｇは軸１の高い方の軸端等に取りつけられて軸１の回転によって駆動される発電機である。また、ａ₃ は落差ａ₂ 個所の底であり、ａ₄ は落差箇所の下流側の小川である。なお、ある程度まとまった発電量を確保するには、これら各発電機の電力を集電することはいうまでもないことである。

以下に、軸１の傾斜角θ₁ 、ケーシング３の有無及び排水溝６の位置と幅並びに羽根２の突っ込み角θ₂ をファクターとしてかきの実験を行ってみた。この実験は次のような仕様の装置で行った。

１）軸
長さ ：９５ｃｍ
傾斜角θ₁ ：０〜５５°
２）羽根
枚数 ：４
突っ込み角θ₂ ：０〜２０°
幅 ：７ｃｍ
外径ｄ ：１４ｃｍ（軸からの突出長さ：４．５ｃｍ）
軸方向への取付け長さ ：軸の中心を振り分けに４５ｃｍ
３）ケーシング
長さ ；９５ｃｍ
内径Ｄ ：１６．５ｃｍ
排水溝の位置及び幅 ：受水溝以外を閉鎖したものを閉鎖型、真下を過ぎて４５°から始まって水平までを開放したものを一部開放型、真下から水平までを開放したものを開放型と称する。
４）落水
落水の水量 ：４Ｌ／ｓｅｃ
落水の落下容量 ：３５×３ｃｍ
落水の落下長さ（θ₁ ＝４５°）：羽根の上端で９０ｃｍ、下端で１１６ｃｍ

以上の条件のそれぞれで何回か実験を行い、その高値と低値のそれぞれの平均値及び平均値の平均値を算出した。実験は軸を無負荷として、これに回転計を当ててその回転数（ＲＰＭ）を計測した。その結果が表１である。

（表１）

これを見ると、次のようなことがいえる。
まず、軸１の傾きであるが、これは本発明では不可欠な要件であることがわかる。理由は、軸１が傾いていないものは高い数値が得られてないからである。問題は、軸１の傾斜角θ₁ であるが、表１からは４０〜５５°が適していることがわかる。ただ、上記の角度が適しているものの、落水ｂ₁ の形態、すなわち、勢いよく飛び出す滝か、チョロチョロしか落ちない滝とでは１５〜７０°の範囲で変動するのではないかと予測している。

次に、ケーシング３の有無であるが、表１を見る限りではあった方が好ましい。理由は、ケーシング３が存在するものの方が総じて数値が高いからである。ただ、排水溝６の位置、幅については、開放型、中でも、一部開放型がもっとも好ましく、閉鎖型や開放型では数値の悪くなっているものもある。一方で、ケーシング３は必ずしもなくてもよい。理由は、ケーシング３のないものでも、結構数値が高いものがあり、ベストテンに入っているものがある位である。

最後に羽根２であるが、これは、突っ込み角θ₂ を有して（水平より下向き）その値が大きい方が総じて好ましいといえる。これらを総合すると、もっとも回転数の高いベストワンは実験番号２２のものであり、これは、通常の上掛水車（衝動水車）である実験番号１のものに比べて約１３７％の向上がみられた。

このことを含めて、軸１が特定の範囲の傾斜角θ₁ で傾いていてこれに取り付けられる羽根２が特定の範囲の突っ込み角θ₂ を有しており、かつ、一部開放型のケーシング３を有しているものが優れているといえる。

なお、軸１の傾斜角θ₁ は大きいほど総じて結果はよく、その反面で５５°を超えるものについては実験をしていないが、５５°のものでも羽根２に突っ込み角θ₂ を与えると、数値がかなり低下している（実験番号２６）。したがって、この角度を超えると羽根２の突っ込み角０₂ は小さい方がよいのではないかと考えている。以上、要するに、軸１と羽根２の傾き及びケーシング３の有無と排水溝６の位置、幅は密接な相関性を有していることがわかった。これらのベストを選択するのが本発明の目的であり、この実験結果から上述の傾向を把握できた。

さらに、実際では軸１に発電機Ｇを取り付けることから、軸１の抵抗は増す。したがって、より多くの水がケーシング３内に溜まり、圧力水頭的な要素が更に高まるのではないかと予想している（速度水頭は変わらない）。なお、落水ｂ₁ が羽根２の翼面を滑り下りるときに水が下方に向くように羽根２の傾きを水平より上方（突っ込み角０₂ がマイナス）にしたものを試してみたが、結果は表１の成績よりも悪かった。その原因は、上述した悪い影響が強く出たためと思われる。

１ 軸
２ 羽根
３ ケーシング
４ スポーク
５ 受水溝
６ 排水溝
７ ガイド

Claims (5)

1. 河川の落差個所に設置され、外周に羽根を取り付けた軸を有する発電用水車であり、軸の半分側の羽根の上を遮蔽するとともに、軸を地面に対して一端が上方に持ち上がるように傾斜させ、かつ、落水面とほぼ平行に沿うような向きにしたことを特徴とする発電用水車。
2. 軸の傾斜角は地面に対して１５〜７０°が適し、より適切には４０〜５５°である請求項１の発電用水車。
3. 軸に沿って遮蔽を兼ねて羽根を収容するケーシングを設けた請求項１又は２の発電用水車。
4. ケーシングの真下付近から羽根の回転方向下流側の水平までの一部又は全部を開放した請求項３の発電用水車。
5. 落水を受ける側の羽根が水平より下方に傾いている請求項１〜４いずれかの発電用水車。