JP6782378B1 - 幅が狭く低流速の水路において利用可能な水力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】流量や流速が小さい水路でも、水路フリューム内に取り込まれた水流エネルギー（全水頭）を漏らさず利用すると共に、効率よく発電する開放周流形水車を利用した水力発電システムを提供する。【解決手段】開放周流形水車と、発電装置と、前記開放周流形水車と、前記発電装置を配設するための水路フリュームとを備え、前記開放周流形水車のそれぞれの先端側の形状は、三角形状であり、前記水路フリュームの形状はV字構造であり、前記V字型構造の底部に、水流が早く流れるように溝部を設け、前記三角形状の頂部は、前記溝部の水流で前記羽根部の回転が推進するように前記溝部に近接していることを特徴とする水力発電システム。【選択図】図2

Description

本発明は水力発電装置に関し、詳しくは、既設水路などに設置し、流量や流速が小さい水路でも、水路フリューム内に取り込まれた水流エネルギー（全水頭）を漏らさず利用すると共に、該水路フリュームをV字形状とし、該V字底の下面に、水流が早く流れるように溝部を設けることにより流速（速度水頭）を高め、効率よく発電する開放周流形水車を利用した水力発電システムに関する。

近年、地球の温暖化が加速している、森林火災が多発し、大型台風や集中豪雨
による被害も毎年多くなり、海水に浸食され住むことが出来なくなっているところもあり。これ、みな人類が招いたことを知りながら元に戻すことができない。国連が中心になって二酸化炭素の削減計画を立て、多くの国々も会議に出席し建前論で賛成しているが、目標数値の実行となると、事情や理由をつけて先に伸ばしている。我が国も、2011年3月11日に発生した東日本大震災、それに伴う東京電力福島原子力発電所の電源喪失等による、原子炉燃料棒の水素爆発事故以来、電力を化石燃料に頼り削減目標は達成されてない、二酸化炭素削減は、今や人類共通の問題であり、ＣＯ2を発生させない電力が求められている。

河川の水力利用の発電に関しては、従来からダム方式による大規模水力発電が利用されてきたが、従来のダム方式では莫大な建設費と工事日数を要すると共にダム建設時に発生する土砂等による堆積物の問題やダム建設に伴う周辺地域への自然環境破壊等の諸問題を残すものであったが、新エネルギー発電技術における小型水力発電に関しては、大規模なダムや水源を必要とせず、小さな水流エネルギーを利用して比較的簡単な工事で水力発電することが可能であることから、山間地、中小河川、農業用水路、上下水道施設、会社・工場、一般家庭などに設置をすることが可能であり、さらに小型水力発電を設置する必要未開発地は日本国中に無限にあるもので、将来的な小型水力発電を活用した電力の需要は原子力発電や火力発電に替わる新しい発電システムとして大いに期待されるところである。

小型水力発電を活用することにより、電気の分散化に貢献し、地域の街に元気を与えたい、小型水力発電に携わる者がその地域住民、即ち、小型発電機を作るところからかかわっていきたい、地場産業が作る小型発電機を使用し、その地域に携わる者がその電気の消費者、この構図が安定したら、住民が地域に住み着き、格差社会からも解放され、そこには、生き生きしていた地域社会が戻ってくる、犯罪の少ない、住み良い街を作り、土地の文化を継承し、地域の祭り事が復活し、年寄りだけでなく、若者が継いで行ける社会が実現すれば人口増化にもつながるものである。
２０１７年度の再生可能エネルギー16％,その内水力は7.9％、小型水力発電を地域で行えば水力を伸ばすことができるとの思いから、幅が狭く低流速の水路において利用可能な水力発電システムを完成させた。

従来の技術として、例えば、水の落差などを利用せずとも比較的小さな水流で効率的に水力発電を行うことができる「水力発電装置」（特許文献１）が提案されている。しかしながら、この提案は、構造的に回転翼の羽根部の枚数が少ないため回転時の脈動が不安定になる可能性があると共に、金属板で形成されるケーシング部材が増水時の水圧によって破壊される可能性があるものである。また、回転方向が横回転するタイプの水車は、渇水時に一定の流速ならびに水量が得られないと充分な回転力ならびに変換エネルギーが得られない反面、増水時には回転翼の羽根部が全領域で水流をまともに受けることにより回転力に負の作用が働き回転力が小さくなると共に、電気系統や動力伝達系統が浸漬する可能性もあるもので、さらに流入異物が溜まり易く、整備・清掃のメンテナンスが頻繁に必要となるものであった。

また、小河川などを対象に簡単な小規模工事で迅速に設置および移設可能となる上に、水源の水位の変動に影響されず、常時安定した出力を得ることができる「可搬型水車、およびそれを組み込んだ小型水力装置」（特許文献2）が提案されている。しかしながら、該提案は、狭幅水流を挟んで対峙する両岸に一対の定着台を設置する現場工事を必要とするもので、高コストの工事費と工事日数を必要とすると共に、必要とされる流量・流速を得る手段が具体的に構成されていないため水車の回転力ならびに変換エネルギーの確保が充分にできるものではなかった。

従来の河川の自然水流、河川堰、既設水路などの開水路に設置することができる開放周流形の水車の構成と、水路フリュームの上流取水口側に速度水頭を高めるための絞り部を設けたものとして、「低流速河川用水力発電システム」（特許文献3）が紹介されている。しかしながら、この提案は水路での水量がある一定の流量がなければ著しく性能が低下するものであり、流路内の水量が少量の場合には不適であるという問題があった。

特開２００２-１７７７９７号公報 実用新案登録第３１５８５６９号公報 実用新案登録第３１７４４５７号

本発明は上記の課題を解決するため、既設水路などに設置し、流量や流速が小さい水路でも、水路フリューム内に取り込まれた水流エネルギー（全水頭）を漏らさず利用すると共に、該水路フリュームをV字形状とし、該V字底の下面に、水流が早く流れるように溝部を設けることにより流速（速度水頭）を高め、効率よく発電する開放周流形水車を利用した水力発電システムの提供を図るものである。

本発明は、幅が狭く低流速の水路において利用可能な水力発電システムであって、開放周流形水車と、発電装置と、前記開放周流形水車と、前記発電装置を配設するための水路フリュームとを備え、前記開放周流形水車のそれぞれの羽根の先端側の形状は、三角形状であり、前記水路フリュームの形状はV字構造であり、前記V字構造の底部に、水流が早く流れるように溝部を設け、前記三角形状の頂部は、前記溝部の水流で前記羽部の回転が推進するように前記溝部に近接していることを特徴とする水力発電システムである。

本発明は、河川や農業水路を流れる小規模水流の運動エネルギーを前記フリュームに取り入れ、開放周流形水車の羽根車の羽根を三角羽にしたことで、V字型水路、溝あり、と三角羽が一体となり、水の重力と自然流速で流れる水流を捉え、羽根車の回転数を効率よく上げることができる発電システムである。

本発明の水力発電システムは、近い将来、海流、潮流、河川の流れを捉え、前記発電装置で発電をするようになる、川に沈下橋があるように,台船も半ば沈めて使用する台船を造り、この台船に、前記水路フリュームを何列も搭載し、前記水路フリュームの数倍の取り入れ口を造り、押し寄せてきた水流の盛り上がり部を水力発電システムに取り入れ、一列に数台〜十数台の開放周流形水車と，発電装置を用い、発電する優れた発電システムである。

本発明に係わる低流速水路用水力発電システムの平面図である。 本発明に係わる低流速水路用水力発電システムの斜視図である。 水路フリュームと溝部と羽根車の断面図である。 水路フリュームと溝部と羽根車の説明図である。 羽根車の三角羽32の側面図、及び羽根一枚の五角形40の斜視図である。

本発明の低流速水路用水力発電システムは、幅が狭く低流速の水路において利用可能な水力発電システムであって、流量や流速が小さい水流エネルギーを開放周流形水車と、V字形状の水路フリュームと溝部を設けたことを特徴とし、低流速の水路において効率よく発電が可能な水力発電システムである。以下、実施例を図面に基づいて説明する。

図1は、本発明の低流速水路用水力発電システムの全体を示す平面図でもある。図２は全体斜視図を示し、図３（a）(b)は断面説明図を示す。
本発明の低流速水路用水力発電システムは、幅が狭く低流速の水路において利用可能な水力発電システムであって、開放周流形水車３０と、発電装置５０と、水路フリューム２０とを備え、前記開放周流形水車のそれぞれの羽根３１の先端側の形状は、三角形状であり、前記水路フリュームの形状はV字構造２１であり、前記V字構造の底部に、水流が早く流れるように溝部２２を設け、前記三角形状の頂部３２は、前記溝部２２の水流で前記根部３１の回転が推進するように前記溝部２２に近接していることを特徴とする、水力発電システムである。

例えば、水路の幅が1.5ｍである場合、水路フリュームの幅を1ｍとする。そうすると各寸法は下記のようにすればよい。
（事例１ 水路の幅が1.5ｍの場合）
水路フリューム 長さ 5ｍ、巾1ｍ、側壁の高さ0.5ｍ
溝 底に巾7.5cm、深さ1.5cmの溝
水車 直径1ｍ、巾0.5ｍ、羽根の枚数8枚
羽根車の三角羽根 羽根車の中心部は5cm、両端部は1cmの三角羽根を元の曲がりと同じように向け延ばしたもの。

水路フリュームの材質は硬質プラスチックスとし、軽量化するためパネルの中身に空気の層の入ったものを使用し、システム全体が軽量になり設置工事が簡便になるように考えればよいものであるが、硬質プラスチックで限定されるものではなく、FRP、CRP、木材など、使用目的に合った材質であれば良い。
水路フリュームの長さは陸上輸送で輸送が容易に行える5.5ｍ以下とすればよく、最大5.5ｍとする。
羽根車は製作時から先端が三角形のものを作成すればよく、製作時の羽根の形状は五角形４０とし、製作して、水車に取り付ける。五角形の寸法は水車の幅の寸法をベースにした長方形に羽根車の三角羽根の寸法となるが、上記の寸法に制限されるものではなく、本発明の目的に合致する寸法であれば良い。
羽根車の羽根の材質は硬質プラスチックが良いが、これに限定されるものではなく、FRP、CRP、木材など使用目的に合った材質であれば良い。

水路フリューム底部における溝部の寸法は水路フリュームの幅と比例して決めた数値に制限されるものではなく、概略、この寸法であれば良いものである。また、水車の羽根車の枚数は8枚としたが、この枚数に限定されるものではない。

本発明の小型水力発電システムは、ユニットの組み合わせ方式で組立てる、まず、1本の車軸にセットされた弾み車１５、水車３０、動輪９は、水路中心部には水車３０、片方の変形長方形には弾み車１５、もう一方には動輪９、それに付帯する増速用のプーリ１１、１２を介し、水路の蓋に取り付けた小型発電機５０までベルトを回し、発電システムを完成する。
小型発電機５０にはプラスチックの輪に鉄板を取り付けた弾み車１５を設け、水量の変動があっても発電が持続されるようにしている。

本発明の特徴である、羽根部の形状を三角形にしたこと、水路フリュームの底をV字型水車路にしたこと、V字型水路の底部に溝を設けたこと、のそれぞれについての実験結果を表１に示す。
実験は、水路の幅が２mの場合の実用装置の1/10を想定し、各部品の材質はプラスチックを用い、行った。

水路フリュームの底面はＶ字型だけでなく、更にＶ字の底部中心に巾１.５cm、深さ0.3cmの溝を水路の端から端まで一直線に設け、水流の導水の役割を作り、羽根車の形状を三角形にして、実験を行い、水車の回転数を測定した結果、101rpmとなった（実施例5）。一方、溝なしで、その他の条件は同じ場合には、81rpmとなった。（実施例4）

比較実験として、水路フリュームの底面が平であり、溝がなく、羽根車の羽根が通常のものの場合（比較例1）、水路フリュームの底が平であり、溝があり、羽根車の羽根が通常のものの場合（実施例１）、水路フリュームの底がV字型であり、溝がなく、羽根車の羽根が通常のものの場合（実施例2）、水路フリュームの底がV字型であり、溝があり、羽根車の羽根が通常のものの場合（実施例3）を行った。それぞれの水車の回転数を測定した結果を表１に示す。

従来の構成と形状である比較例１を100とすると、水力発電量の目安となる水車の回転数は表２のようになる。

表2で示されるように、本発明の実施例５は従来品の組み合わせに比して、水車の回転数ベースで273％のパワーアップとなることが実験結果で示されている。

9 動輪
10 小型水力発電システム
11 プーリa
12 プーリb
15 弾み車
20 水路フリューム
21 V字型構造
22 溝部
30 開放周流形水車
31 羽根車の三角羽
32 三角羽(先端側)
40 羽根車の五角形と三角羽の形状
50 小型水力発電機

Claims (1)

1. 幅が狭く低流速の水路において利用可能な水力発電システムであって、
   開放周流形水車と、
   発電装置と、
   前記開放周流形水車と、前記発電装置を配設するための水路フリュームとを備え、
   前記開放周流形水車のそれぞれの羽根の先端側の形状は、三角形状であり、
   前記水路フリュームの断面形状は、底部中心近傍まで傾斜面が形成されたV字構造であり、
   前記V字構造の底部中心に、水流が早く流れるように溝部を設け、
   前記三角形状の頂部は、前記溝部の水流で前記羽部の回転が推進するように前記溝部に近接していることを特徴とする水力発電システム。