水力発電装置
【課題】メンテナンスが容易でかつ上流側の水位の調整が可能であり、しかも、安定した発電量が得られる水力発電装置を提供する。
【解決手段】本発明の水力発電装置１は、水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ入水口８へと集水する集水板６と、入水口８から流入して垂直軸水車３の回転翼３３先端に作用する水流の通水断面積を増減可能な可動式ゲート５とを具備し、可動式ゲート５を開閉して通水断面積を増減させることにより、上流側の水位とオリフィス孔の開口面積を可変させて流量を調整したり、垂直軸水車３への通水を遮断して回転翼３３の動作を停止することができるようにした。
【解決手段】本発明の水力発電装置１は、水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ入水口８へと集水する集水板６と、入水口８から流入して垂直軸水車３の回転翼３３先端に作用する水流の通水断面積を増減可能な可動式ゲート５とを具備し、可動式ゲート５を開閉して通水断面積を増減させることにより、上流側の水位とオリフィス孔の開口面積を可変させて流量を調整したり、垂直軸水車３への通水を遮断して回転翼３３の動作を停止することができるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の流れを利用して発電可能な水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から本発明者は、河川や人工的な水路などに設置して水の流れを利用して発電する特許文献１に記載の水力発電装置を開発し、現在、小河川や一級河川に設置しはじめている。
【０００３】
この水力発電装置は、川の流れ等の小水力を利用して発電を行うため、効率的かつ低コストで水力発電が行える従来にない画期的なものであった。
【０００４】
しかしながら、この水力発電装置を実際に設置してみると新たな要改善点も出てきた。その要改善点は主に次の２つである。
【０００５】
その１つは、メンテナンスの問題である。この水力発電装置は、流れのある水路に設置することにより水力発電を行うため、一度設置をすると河川などの水が干上がらない限り水車は回転し続ける。自然的に発生している水の流れを利用して発電を行う点がこの水力発電装置のメリットであるが、性能を維持し続けるためには必ず定期的なメンテナンスは必要である。現時点ではまだメンテナンス時期が到来していないため、メンテナンスをした装置はないが、仮にメンテナンスを行うのであれば、水の流れを堰き止めるか、あるいはこの水力発電装置をクレーンなどで水路から引き上げて陸地で作業する必要があり、メンテナンスに手間がかかるという問題がある。
【０００６】
もう１つは、水位変動の問題である。かんがい期、非かんがい期、あるいは雨期や乾期などにより水路自体の流量変動がある。この水力発電装置は、河川、農水路等の水の流れがある場所に設置するので、ある程度水の流れは堰き止められてしまい、上流側と下流側の水位の変動も生じる。また、発電量は上流側の水位に左右されるので、水量が多くなる雨期と水量が少なくなる乾期とでは発電量に差が生じてしまい、安定した発電ができないという問題が生じうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１７７７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は前記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、メンテナンスが容易でかつ上流側の水位の調整が可能であり、しかも、安定した発電量が得られる水力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、流れのある水路に設置して発電を行う水力発電装置であって、前記水路の上流側に配置される入水口、下流側に配置される排水口、及び入水口から排水口に連通する流路を有するハウジングと、前記ハウジングの入水口の開口縁に設けられ、前記水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ前記入水口へと集水する集水板と、前記ハウジングの流路内に回転可能に支持された回転翼を有する垂直軸水車と、前記垂直軸水車の回転力を受けて発電する発電機と、前記入水口から流入して前記垂直軸水車の回転翼先端に作用する水流の通水断面積を増減可能な可動式ゲートと、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の水力発電装置において、前記可動式ゲートは、前記流路に直交する方向に開閉することにより通水断面積を増減する構造や、前記垂直軸水車の回転軸に取り付けられ、前記回転翼の外周に沿って開閉することにより通水断面積を増減する構造などが考えられる。
【００１１】
また、本発明の水力発電装置において、前記ハウジング内に立設され、前記入水口の開口面積を徐々に減少させて前記流路内の水の流れを増速させる増速板が設けられているとよい。
【００１２】
ここで、前記増速板は、垂直方向に引き上げ可能なスルースゲート、水平方向に開閉可能なスライドゲート、あるいは垂直軸を中心に回転可能な回転ゲートになっており、当該ゲートを開くことにより前記流路内の水を前記ハウジングに設けられた放流孔からハウジング外部に放流させるように構成されていてもよい。
【００１３】
また、前記集水板に開閉扉が設けられ、当該開閉扉を開くことにより前記水路の上流側の越流水を前記流路に通さずに下流側へと放流させるように構成されていてもよい。なお、前記垂直軸水車は、１軸の、あるいは対向配置された２軸のクロスフロー水車を採用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の水力発電装置においては、特に、水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ入水口へと集水する集水板と、入水口から流入して垂直軸水車の回転翼先端に作用する水流の通水断面積を増減可能な可動式ゲートとを具備するようにした。このため、可動式ゲートを開閉して通水断面積を増減させることにより、上流側の水位とオリフィス孔の開口面積を調整することが可能になる。したがって、発電効率を下げずに流量調整機能を発揮することができ、水路の水位変動に左右されることなく、常に安定した水力発電を行えるという効果がある。また、可動式ゲートを完全に閉じることにより垂直軸水車への通水を遮断し、回転翼の動作を停止させることができるので、メンテナンス作業を容易に行えるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る水力発電装置の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】図１の水力発電装置が備える垂直軸水車の構成を示す斜視図である。
【図４】図１の水力発電装置が備える垂直軸水車の構成を示す断面図である。
【図５】図１の水力発電装置の可動式ゲートの動作（開状態と閉状態）を示す平面図である。
【図６】図１の水力発電装置のオリフィス孔と垂直軸水車との関係を説明するための模式図である。
【図７】図２の水力発電装置を簡略図案化したものであり、流速、オリフィス孔の開口面積、有効水位差、流量の関係を説明するための図である。
【図８】図２の水力発電装置を簡略図案化したものであり、上流流量とオリフィス孔からの吐出流量と有効水位差の関係を説明する図である。
【図９】上流からの流量の変動が流速及び有効水位差の変動、発電量の変動の相関関係を説明する図である。
【図１０】一般的な水路の水位について説明する図である。
【図１１】上流からの流量Ｑａ、上流水位Ｈａ、オリフィス孔の開口面積がＡの場合に、有効水位Ｈ、流速Ｖ、オリフィス孔からの吐出流量Ｑｂであることを説明する図である。
【図１２】水路が増水したとき及び減水したときの水力発電装置の状態を説明する図である。
【図１３】減水時において、オリフィス孔の開口面積をＡ１からＡ２に変更した場合の上流水位の状態の変化を説明する図である。
【図１４】増水時において、オリフィス孔の開口面積をＡ１からＡ２に変更した場合の上流水位の変化を説明する図である。
【図１５】他の実施形態の集水板を使用して増水時に上流水位の調整をする際の説明図である。
【図１６】本発明の他の実施形態を示すもので、１軸の垂直軸水車を使用した水力発電装置の平面図である。
【図１７】本発明の他の実施形態を示すもので、（ａ）はギアと可動式ゲートの位置関係を示す平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。
【図１８】本発明の水力発電装置を幅の広い水路に設置した例を示す説明図である。
【図１９】本発明の水力発電装置を幅の狭い水路に設置した例を示す説明図である。
【図２０】本発明の水力発電装置を段差がなく幅の狭い水路に設置したときの集水板の機能を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２１】本発明の水力発電装置を段差のある幅の広い水路に設置したときの集水板の機能を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２２】本発明の水力発電装置を幅がより広い水路に設置したときの集水板の変形例を示す説明図である。
【図２３】本発明の水力発電装置における増速板の放流機能を説明する平面図である。
【図２４】本発明の水力発電装置における増速板の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る水力発電装置の一実施形態を示す平面図である。ただし、各構成を見やすくするために、発電機４、プーリー３２，４２、ベルト４３、駆動軸４１については一部省略して図示している。図２は、図１のＢ−Ｂ断面図である。ただし、各構成を明確にするために、ギア５４、可動式ゲート５、増速板７を省略して図示している。図３は、水力発電装置１が備える垂直軸水車３の構成を説明する断面図であるが、可動式ゲート５と垂直軸水車３の位置関係を明確にするために簡略化して図示している。図４は、水力発電装置１が備える垂直軸水車３の構成を説明するための斜視図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明の水力発電装置１は、入水口８と、排水口９と、入水口８から排水口９に連通する流路２５とを有するハウジング２を備え、流れのある水路の上流側に入水口８、下流側に排水口９が配置されるように設置して使用する。
【００１９】
水力発電装置１は、図２に示すように、ハウジング２の流路２５内に回転可能に支持された複数の回転翼３３，３３、…（以下単に「回転翼３３」と表記する）を有する垂直軸水車３と、垂直軸水車３の回転力を受けて発電する発電機４と、入水口８から流入し、かつ、垂直軸水車３の回転翼３３の先端に作用する水流の通水断面積Ａを増減可能な可動式ゲート５と、水路に沈めて設置した際に、水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ、その貯留した水を入水口８へと集水する集水板６と、を具備している。
【００２０】
ハウジング２は、天板２１、底板２２、２枚の側板２３，２３から構成され、上流側に開口した入水口８と下流側に開口した排水口９とを有している。天板２１には、２つの円弧状に形成したスライド溝２４が設けられており、このスライド溝２４に案内されて、可動式ゲート５が、歯形部５２（図３を参照）を挿入させた状態で、図中矢印方向に移動可能となるように構成されている。
【００２１】
ハウジング２内には入水口８から排水口９に連通する流路２５が形成されており、この流路２５内には、対向配置された垂直軸水車３，３が収容されている。本実施形態の垂直軸水車３は回転軸３１と複数の回転翼３３を有するクロスフロー水車であり、天板２１と底板２２に形成された軸受２６，２６によって回転軸３１が回転可能に支持されている（図４参照）。なお、本実施形態では垂直軸水車３，３にクロスフロー水車を使用しているが、垂直軸型の水車であれば他のものも適用可能である。
【００２２】
発電機４は、回転軸３１に取り付けられたプーリー３２と自身の駆動軸４１に取り付けられたプーリー４２とがベルト４３によって接続されており、垂直軸水車３の回転軸３１が回転すると、その回転力がベルト４３を介して駆動軸４１に伝達されて発電を行うようになっている。この発電機４は、各垂直軸水車３、３に１個ずつ取り付けられている。
【００２３】
可動式ゲート５は、２枚の扇形の門扉が軸を支点に回転する方式のセクターゲート（ラジアルゲート）である。このゲートは、垂直軸水車３の回転軸３１に回転可能に支持されるとともに、回転軸３１にベアリング５３，５３を介して取り付けられた扇形の本体部５１と、本体部５１に設けられた円弧状の歯形部５２とからなる。歯形部５２の上方部分の外周にはギア５４と噛み合わせるための歯形が形成されている。
【００２４】
集水板６は、入水口８の開口縁に一体又は別体として設けられており、水路を流れる上流側の水を堰き止めて貯留するためのものである。本発明の水力発電装置１においては、この集水板６により堰き止めた水を貯留しながら、貯留した水を入水口８からハウジング２の内部へと通水する。そのため、可動式ゲート５により調整された開口部分である通水断面積Ａがオリフィス孔となり、このオリフィス孔の開口面積と、集水板６により集水され上流側に貯水された水の水位Ｈにより、垂直軸水車３に作用する流量が決定される。
【００２５】
また、ハウジング２内には、図１に示すように対向配置された増速板７，７が設けられており、この増速板７，７によって入水口８の開口面積を徐々に減少させて流路２５内の水の流れを増速させるようになっている。本実施形態の増速板７，７は、引き上げ式のスルースゲートで構成されており、垂直方向に引き上げることにより底板２２との間に隙間ができ、この隙間から流路２５内の水を放流することができる。
【００２６】
次に、このように構成された水力発電装置１における可動式ゲート５の動作について図５を参照しながら説明する。図５は、水力発電装置１の動作を説明するための図であり、（ａ）は可動式ゲート５，５が開いた状態、（ｂ）は可動式ゲート５，５が閉じた状態を示している。なお、可動式ゲート５，５の状態を明確にするために、増速板７，７やその他の構成については図示を省略している。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、可動式ゲート５，５が全開状態の場合、このときの通水断面積、すなわちオリフィス孔の開口面積はＡである。以下、通水断面積Ａをオリフィス孔とし、このオリフィス孔の開口面積の状態をＡに数字を付記して表示することとする。
【００２８】
この状態から、図５（ｂ）に示す閉状態に変更するためには、２つのギア５４，５４を図５（ａ）に示す矢印方向に回転させればよい。すると、この回転に連動してギア５４，５４に噛み合わされた歯形部５２，５２がスライド溝５内で垂直軸水車３，３の外周に沿って中央部へと移動し、最後まで移動すると歯形部５２，５２の内側先端どうしが近接する。この状態が閉状態であり、この状態にすると、オリフィス孔の開口面積が略ゼロになり、垂直軸水車３，３への通水が遮断され、回転翼３３の回転動作を停止させることができる。この状態で垂直軸水車３，３のメンテナンス作業を行えば、水力発電装置１をクレーンなどにより陸に引き上げたりする必要がなくなるので、メンテナンス作業が容易に行えるようになる。メンテナンス作業が終了したら、ギア５４，５４を図５（ａ）に示す矢印と反対方向に回転させれば、可動式ゲート５，５を垂直軸水車３，３の外周に沿って外側（側板２３，２３側）方向へと移動させることができる。なお、可動式ゲート５の形態はこれに限らず、流路２５に直交する方向に移動して開閉し、その開閉によって通水断面積を増減する構造であってもよい。
【００２９】
本発明の水力発電装置１においては、上述したように可動式ゲート５，５を使用してオリフィス孔の開口面積を調整することができる。オリフィスの原理によれば、このオリフィス孔の開口面積が小さくなれば垂直軸水車３，３へ通水する流量が減少し、その結果、垂直軸水車３，３の回転力が低下することとなりそうであるが、本発明においてはそうはならない。その原理を図６に基づいて説明する。
【００３０】
図６は、水力発電装置１のオリフィス孔と垂直軸水車３，３との関係を説明するための模式図である。図６（ａ）はオリフィス孔の開口面積がＡ１、図６（ｂ）はオリフィス孔の開口面積がＡ２であることを表している。
【００３１】
図６（ａ）の状態では、垂直軸水車３，３に通水される水はオリフィス孔の開口面積Ａ１の開口部を通過する。この通過した水流のうち水流ａを両垂直軸水車３，３間の中心に導く回転翼は図６（ａ）に記載の回転翼３３ａである。他方、両垂直軸水車３，３の回転に最も寄与する回転翼は同図の３３ｂである。つまり、垂直軸水車３，３の回転力を左右するのは、この回転翼３３ｂの先端に直接衝突する水の流量である。
【００３２】
これに対して、図６（ｂ）の状態、すなわち可動式ゲート５，５を閉方向に移動させオリフィス孔の開口面積をＡ１よりも小さいＡ２とした場合には、この開口面積Ａ２の開口部を水流が通過する。この場合においても、オリフィス孔の開口面積が小さくなってはいるが、回転翼３３ｂの先端に直接流水する水の量にはほとんど変化はない。このように、本発明の水力発電装置１においては、オリフィス孔の開口面積を小さくしたとしても、垂直軸水車３，３の回転力にそれほど影響しないようにすることができる。これにより、上流側の水位を調整しながら安定した水力発電が行えるのであるが、その理由について図７〜図１５を参照しながら以下に説明する。
【００３３】
図１０を除く図７〜図１５は、いずれも、図２を簡略図案化したものである。集水板６により上流側の水を貯水し、その貯水した上流側の水位とオリフィス孔から流水する流量及び流速の関係を表している。
【００３４】
図７を例にとって説明すると、上流からの流量をＱ１、有効水位差Ｈ１、オリフィス孔から吐出される水流の流速Ｖ１、オリフィス孔の開口面積をＡ１、重力加速度ｇとすると、流速Ｖ１は、次式で表される。
【００３５】
【００３６】
なお、ここでは、ベナコントラクタによる断面収縮は除外して考えている。
仮に、オリフィス孔から吐出される流量が流量Ｑ１であったならば、この流量Ｑ１は次式で表される。
【００３７】
【００３８】
したがって、図７に示すように、上流からの流量とオリフィス孔からの吐出流量とがともにＱ１であったならば、オリフィス孔の開口面積を調整することにより、有効水位の調整が可能となる。
一方、上流からの流量に変化が生じた場合には、オリフィス孔の開口面積を調整することにより、有効水位差を一定とすることができる。
【００３９】
ところで、水路における水力発電において重要なのは、最大発電を求める場合には、上流からの流量とオリフィス孔から吐出される流量を同一流量にする必要があるということである。例えば、図８に示すように、仮に、上流からの流量Ｑ１、Ｑ３がオリフィス孔から吐出される流量Ｑ２、Ｑ４より少ない場合には、有効水位差Ｈ１、Ｈ２は減少する。一方、Ｑ１、Ｑ３の方が多ければ、有効水位差Ｈ１、Ｈ２は増加する。
【００４０】
水路の場合には、通年一定の水量というケースは少なく特に農業用水はかんがい期、非かんがい期の水量は約２〜５倍に変動するのが普通である。そして、この水量の変動が、オリフィス孔から吐出される水流の流速Ｖ及び有効水位差Ｈに影響を及ぼす。
【００４１】
上流からの流量の変動が流速Ｖ及び有効水位差Ｈの変動、そして発電量Ｗ＝ＱｇＨへの変動の相関関係を図９を参照して説明する。
【００４２】
通常時の発電量Ｗ１は、Ｗ１＝Ｑ５×ｇ×Ｈ３となる。一方、上流からの流量が減少すると、オリフィス孔の開口面積を調整できないとすると、Ｈ４及びＶ４の減少が起こる。
【００４３】
ここで、一般的な水路の水位について図１０を参照して説明する。本来の水路機能は、計画水量に対する水路断面形状や水路勾配が決定される。一般的に、計画する水路の目的及び条件を設定し、その条件を満たす水路断面を設計する。設計する目的水路の計画流量（最大、最小）、この計画水量（最大値）の水深Ｈｃを満たす。一般的には、ＨｂはＨａの８割水深としている。これは水理公式のマニング式及びクッター式により水路断面、水路勾配を決定していく。その際には、一般的には水路の流速速度は平均流速１．２ｍ／ｓｅｃ〜１．５ｍ／ｓｅｃ程度としている。同時に、この水路流速は下流にいくに従って早くなるように設計するのが常識である。この水路の機能を維持しつつ発電設備の併用が水路発電の重要な必須条件となる。
【００４４】
このことは何を意味するかについて、図１１を参照して説明する。この図１１は、上流からの流量Ｑａ、上流水位Ｈａ、オリフィス孔の開口面積がＡの場合に、有効水位Ｈ、流速Ｖ、オリフィス孔からの吐出流量Ｑｂであることを図案化したものである。上流水位であるＨａは、その水路機能を維持する最優先事項である。この水位が最大許容水深Ｈｂを越えてはならず、必要に応じて発電量を増加させる場合には、上流水路の嵩上げが必要になる。
【００４５】
次に、オリフィス孔の開口面積を調整しなかった時の水力発電装置の増水時及び減水時の状態について、図１２を参照して説明する。増水時においては、上流水位はＨｅとなるがＨｂを越える流量＋Ｑｃは集水板６を越流してしまい発電には使われないこととなる。したがって、増水時の上流水位ＨｅはＨｂを越えてはいけないこととなる。一方、減水時においては、上流水位Ｈｅは減少し、その結果、有効水位差Ｈも減少する。従って、発電量がＱａの減少とＨの減少の二重の減少により水力発電装置の発電効率を下げ、発電量自体の全体量を減少させる不利な状態となる。
【００４６】
このような減水時及び増水時において、本発明の水力発電装置ではオリフィス孔の開口面積を調整することにより上流水位の位置を変更可能なことを図１３及び図１４を参照して説明する。まずは、図１３に示すように減水時において、オリフィス孔の開口面積をＡ１からＡ２に変更した場合、理論発電量はそれぞれＷ１＝Ｑａ×ｇ×Ｈ１、Ｗ２＝Ｑａ×ｇ×Ｈ２となり、当然、Ｗ１＜Ｗ２の発電量が得られる。ここで、Ｗ２の発電量を得るのを可能にするのが、オリフィス孔の開口面積をＡ１からＡ２に変更できるからである。すなわち、この場合には、水路機能の維持可能な水位まで水面を上昇させるように、オリフィス孔からの吐出流量を少なくすればよい。すなわち、オリフィス孔の開口面積を小さくするように可動式ゲート５を閉方向に移動させればよい。Ｈ２を保てるオリフィス孔の開口面積Ａ２であれば、Ｗ２の発電量が得られる。
【００４７】
同様に、増水時の越流している流量＋Ｑｃを発電に使用できるようにオリフィス孔の開口面積を拡大できれば、発電量がアップする。この場合には、越流している流量＋Ｑｃが越流しないような水位になるように、オリフィス孔からの吐出流量を多くすればよい。すなわち、オリフィス孔の開口面積を大きくするように可動式ゲート５を開方向に移動させればよい。この場合の発電量は、Ｗ３＝Ｑａ×ｇ×Ｈ３、Ｗ４＝（Ｑａ＋Ｑｃ）×ｇ×Ｈ４である。このようにすれば、上流水位の越流も起こさず、最大発電量の向上に繋がる。
【００４８】
このように本発明の水力発電装置においては、可動式ゲートを開閉することによってオリフィス孔の開口面積を調整することができるので、水力発電の効率を下げずに発電量の増大と、流量調整機能を発揮することができる。さらに、可動式ゲートを完全に閉じることにより垂直軸水車へと流れる水を止水することができるので、メンテナンス作業も容易に行える。
【００４９】
なお、増水量が多く、オリフィス孔の開口面積を拡大しただけでは越流を止められない場合もある。そのような場合には、図１５に示したように集水板６に集水板流量調整開口部を設け、越流している水をこの開口部から下流側へと放流するような形態を採用することもできる。また、集水板６に開閉扉（図示略）を設けておき、水路の水位変動に応じて開閉扉の開き具合を調節し、水路の上流側の越流水を流路に通さずに下流側へと放流させるように構成されていてもよい。
【００５０】
上述した水力発電装置１では２軸の垂直軸水車３，３を採用したが、図１６に示すような構造の１軸の垂直軸水車３を採用することもできる。この図１６には、１軸の垂直軸水車３を採用した水力発電装置１において、可動式ゲート５の開状態と閉状態をそれぞれ図示しているが、前記水力発電装置１の構成と同じ機能、構成については同一の符号を付している。なお、構成、動作に関しては前記とほぼ同様であるので詳細な説明を省略する。
【００５１】
可動式ゲート５の開閉構造はこれに限定されるものではなく、例えば図１７のようにギアを下流側に配置する構造であってもよい。
【００５２】
この水力発電装置１において、可動式ゲート５は、前記実施形態と異なり本体５１の上板５５を半円形状にし、その周囲に歯形を形成している。そして、図１７（ａ）に示すように、この上板５５の一部と本体とが結合している。上板５５の歯形部分はギア５４と噛み合わされ、ギア５４を回転させると、上板５５が連動して回転し、前記実施形態と同様に、可動式ゲート５が開閉することとなる。
【００５３】
ギア５４を回転させる方法として、本実施形態では、ハンドル５７を使用する。すなわち、ギア５４の回転軸５６の上端にハンドル５７の先端を嵌合し、ハンドル５７の把持部５８を回転操作することによりギア５４を回転させるように構成している。
【００５４】
なお、本発明は上述した実施形態に限らず、発明の要旨を変更しない範囲内で以下のような各種の実施形態が考えられる。
【００５５】
例えば、水力発電装置１を設置する水路の状況に適応させて、集水板６の形態を変形することができる。図１８に示すように、この水力発電装置１を幅の広い水路に設置する場合には、集水板６の両端部を固定金具６１で水路の両壁に固定する。この場合、集水板６は、水路に流れる水を堰き止めて貯水する手段としてだけでなく、ハウジング２を水路に連結、固定する手段としても機能する。
【００５６】
これに対して、図１９に示すように、この水力発電装置１を幅の狭い水路に設置する場合には、ハウジング２の両端部を直接、固定金具６１で水路の両壁に固定する。この場合、ハウジング２の前面板２７が固定手段としての機能と集水板６としての機能を兼ねることになる。
【００５７】
また、図２０に示すように、段差がなく幅の狭い水路に設置した場合、集水板６は、水路に流れる水を堰き止めて貯水しつつ、上流側の水位を上昇させて水路内に落差を作り出す。これにより、落差によって生じる位置エネルギーをハウジング２内の垂直軸水車３に作用させる機能が発揮される。
【００５８】
また、図２１のような段差のある幅の広い水路の場合には、段差部分の下流側にハウジング２を設置すれば、段差部分を流れ落ちる水の落差を利用して、より大きなエネルギーを垂直軸水車３に作用させることができる。
【００５９】
さらに、幅がより広い水路に設置する場合には、図２２に示すように水路の段差部分に取水ボックス６２を設置して、この取水ボックス６２の取水口６２ａに集水板６を取り付けて、排水口６２ｂに水力発電装置１のハウジング２を取り付ければよい。この場合、集水板６は、水路の流れに対して直交する方向に向けた集水板６Ａとするか、又は水路の流れに対して所定角度で傾いた方向に向けた集水板６Ｂとする。これにより、集水板６は、上流側の水位を上昇させて落差を作り出すだけでなく、上流を流れる水を中央の取水ボックス６２へと集める機能を果たすことになる。
【００６０】
また、本発明の水力発電装置１において必須の構成ではないが、追加の機能として、以下のように増速板７に放流機能を持たせてもよい。
【００６１】
すなわち、図２３に示す水力発電装置１では、増速板７が引き上げ式のスルースゲートで構成されており、ハウジング２の両側の側板２３，２３に水が通り抜ける放流孔２８，２８が開設されている。これにより、図のように可動式ゲート５，５を閉じた状態で増速板７，７を垂直方向に引き上げることによって、流路２５内部の水が底板２２との間の隙間から放流孔２８を通り抜けてハウジング２の外部へと放流するようなっている。したがって、この水力発電装置１を水路に設置したままであっても、水路の水の流れを止めることなく、ハウジング２内部の垂直軸水車３や発電機４等の部品のメンテナンス作業を行うことができる。
【００６２】
また、増速板７の変形例として、図２４に示すような形態を採用することもできる。この増速板７は、回転式の開閉扉７１を備えた回転ゲートであり、増速板７の中央に開閉扉７１が設けられており、この開閉扉７１は垂直軸７２を中心に図の矢印方向に回転可能に支持されている。この構造の場合にも、可動式ゲート５，５を閉じた状態で、増速板７の開閉扉７１を回転させて開いた状態にすれば、流路５内部の水を放流孔２８からハウジング２の外部へと放流させることができる。なお、放流機能を有する増速板７の形態についてはこれに限らず、水平方向に開閉可能な片開き、又は両開きのスライドゲート（図示略）を採用してもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１…水力発電装置
２…ハウジング
２１…天板
２２…底板
２３…側板
２４…スライド溝
２５…流路
２６…軸受
２７…前面板
２８…放流孔
３…垂直軸水車
３１…回転軸
３２…プーリー
３３…回転翼
４…発電機
４１…駆動軸
４２…プーリー
４３…ベルト
５…可動式ゲート
５１…本体
５２…歯形部
５３…ベアリング
５４…ギア
５５…上板
５６…回転軸
５７…ハンドル
５８…把持部
６…集水板
６１…固定金具
６２…取水ボックス
７…増速板
７１…開閉扉
７２…垂直軸
８…入水口
９…排水口
Ａ…オリフィス孔（通水断面積）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の流れを利用して発電可能な水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から本発明者は、河川や人工的な水路などに設置して水の流れを利用して発電する特許文献１に記載の水力発電装置を開発し、現在、小河川や一級河川に設置しはじめている。
【０００３】
この水力発電装置は、川の流れ等の小水力を利用して発電を行うため、効率的かつ低コストで水力発電が行える従来にない画期的なものであった。
【０００４】
しかしながら、この水力発電装置を実際に設置してみると新たな要改善点も出てきた。その要改善点は主に次の２つである。
【０００５】
その１つは、メンテナンスの問題である。この水力発電装置は、流れのある水路に設置することにより水力発電を行うため、一度設置をすると河川などの水が干上がらない限り水車は回転し続ける。自然的に発生している水の流れを利用して発電を行う点がこの水力発電装置のメリットであるが、性能を維持し続けるためには必ず定期的なメンテナンスは必要である。現時点ではまだメンテナンス時期が到来していないため、メンテナンスをした装置はないが、仮にメンテナンスを行うのであれば、水の流れを堰き止めるか、あるいはこの水力発電装置をクレーンなどで水路から引き上げて陸地で作業する必要があり、メンテナンスに手間がかかるという問題がある。
【０００６】
もう１つは、水位変動の問題である。かんがい期、非かんがい期、あるいは雨期や乾期などにより水路自体の流量変動がある。この水力発電装置は、河川、農水路等の水の流れがある場所に設置するので、ある程度水の流れは堰き止められてしまい、上流側と下流側の水位の変動も生じる。また、発電量は上流側の水位に左右されるので、水量が多くなる雨期と水量が少なくなる乾期とでは発電量に差が生じてしまい、安定した発電ができないという問題が生じうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１７７７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は前記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、メンテナンスが容易でかつ上流側の水位の調整が可能であり、しかも、安定した発電量が得られる水力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、流れのある水路に設置して発電を行う水力発電装置であって、前記水路の上流側に配置される入水口、下流側に配置される排水口、及び入水口から排水口に連通する流路を有するハウジングと、前記ハウジングの入水口の開口縁に設けられ、前記水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ前記入水口へと集水する集水板と、前記ハウジングの流路内に回転可能に支持された回転翼を有する垂直軸水車と、前記垂直軸水車の回転力を受けて発電する発電機と、前記入水口から流入して前記垂直軸水車の回転翼先端に作用する水流の通水断面積を増減可能な可動式ゲートと、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の水力発電装置において、前記可動式ゲートは、前記流路に直交する方向に開閉することにより通水断面積を増減する構造や、前記垂直軸水車の回転軸に取り付けられ、前記回転翼の外周に沿って開閉することにより通水断面積を増減する構造などが考えられる。
【００１１】
また、本発明の水力発電装置において、前記ハウジング内に立設され、前記入水口の開口面積を徐々に減少させて前記流路内の水の流れを増速させる増速板が設けられているとよい。
【００１２】
ここで、前記増速板は、垂直方向に引き上げ可能なスルースゲート、水平方向に開閉可能なスライドゲート、あるいは垂直軸を中心に回転可能な回転ゲートになっており、当該ゲートを開くことにより前記流路内の水を前記ハウジングに設けられた放流孔からハウジング外部に放流させるように構成されていてもよい。
【００１３】
また、前記集水板に開閉扉が設けられ、当該開閉扉を開くことにより前記水路の上流側の越流水を前記流路に通さずに下流側へと放流させるように構成されていてもよい。なお、前記垂直軸水車は、１軸の、あるいは対向配置された２軸のクロスフロー水車を採用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の水力発電装置においては、特に、水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ入水口へと集水する集水板と、入水口から流入して垂直軸水車の回転翼先端に作用する水流の通水断面積を増減可能な可動式ゲートとを具備するようにした。このため、可動式ゲートを開閉して通水断面積を増減させることにより、上流側の水位とオリフィス孔の開口面積を調整することが可能になる。したがって、発電効率を下げずに流量調整機能を発揮することができ、水路の水位変動に左右されることなく、常に安定した水力発電を行えるという効果がある。また、可動式ゲートを完全に閉じることにより垂直軸水車への通水を遮断し、回転翼の動作を停止させることができるので、メンテナンス作業を容易に行えるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る水力発電装置の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】図１の水力発電装置が備える垂直軸水車の構成を示す斜視図である。
【図４】図１の水力発電装置が備える垂直軸水車の構成を示す断面図である。
【図５】図１の水力発電装置の可動式ゲートの動作（開状態と閉状態）を示す平面図である。
【図６】図１の水力発電装置のオリフィス孔と垂直軸水車との関係を説明するための模式図である。
【図７】図２の水力発電装置を簡略図案化したものであり、流速、オリフィス孔の開口面積、有効水位差、流量の関係を説明するための図である。
【図８】図２の水力発電装置を簡略図案化したものであり、上流流量とオリフィス孔からの吐出流量と有効水位差の関係を説明する図である。
【図９】上流からの流量の変動が流速及び有効水位差の変動、発電量の変動の相関関係を説明する図である。
【図１０】一般的な水路の水位について説明する図である。
【図１１】上流からの流量Ｑａ、上流水位Ｈａ、オリフィス孔の開口面積がＡの場合に、有効水位Ｈ、流速Ｖ、オリフィス孔からの吐出流量Ｑｂであることを説明する図である。
【図１２】水路が増水したとき及び減水したときの水力発電装置の状態を説明する図である。
【図１３】減水時において、オリフィス孔の開口面積をＡ１からＡ２に変更した場合の上流水位の状態の変化を説明する図である。
【図１４】増水時において、オリフィス孔の開口面積をＡ１からＡ２に変更した場合の上流水位の変化を説明する図である。
【図１５】他の実施形態の集水板を使用して増水時に上流水位の調整をする際の説明図である。
【図１６】本発明の他の実施形態を示すもので、１軸の垂直軸水車を使用した水力発電装置の平面図である。
【図１７】本発明の他の実施形態を示すもので、（ａ）はギアと可動式ゲートの位置関係を示す平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。
【図１８】本発明の水力発電装置を幅の広い水路に設置した例を示す説明図である。
【図１９】本発明の水力発電装置を幅の狭い水路に設置した例を示す説明図である。
【図２０】本発明の水力発電装置を段差がなく幅の狭い水路に設置したときの集水板の機能を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２１】本発明の水力発電装置を段差のある幅の広い水路に設置したときの集水板の機能を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２２】本発明の水力発電装置を幅がより広い水路に設置したときの集水板の変形例を示す説明図である。
【図２３】本発明の水力発電装置における増速板の放流機能を説明する平面図である。
【図２４】本発明の水力発電装置における増速板の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る水力発電装置の一実施形態を示す平面図である。ただし、各構成を見やすくするために、発電機４、プーリー３２，４２、ベルト４３、駆動軸４１については一部省略して図示している。図２は、図１のＢ−Ｂ断面図である。ただし、各構成を明確にするために、ギア５４、可動式ゲート５、増速板７を省略して図示している。図３は、水力発電装置１が備える垂直軸水車３の構成を説明する断面図であるが、可動式ゲート５と垂直軸水車３の位置関係を明確にするために簡略化して図示している。図４は、水力発電装置１が備える垂直軸水車３の構成を説明するための斜視図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明の水力発電装置１は、入水口８と、排水口９と、入水口８から排水口９に連通する流路２５とを有するハウジング２を備え、流れのある水路の上流側に入水口８、下流側に排水口９が配置されるように設置して使用する。
【００１９】
水力発電装置１は、図２に示すように、ハウジング２の流路２５内に回転可能に支持された複数の回転翼３３，３３、…（以下単に「回転翼３３」と表記する）を有する垂直軸水車３と、垂直軸水車３の回転力を受けて発電する発電機４と、入水口８から流入し、かつ、垂直軸水車３の回転翼３３の先端に作用する水流の通水断面積Ａを増減可能な可動式ゲート５と、水路に沈めて設置した際に、水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ、その貯留した水を入水口８へと集水する集水板６と、を具備している。
【００２０】
ハウジング２は、天板２１、底板２２、２枚の側板２３，２３から構成され、上流側に開口した入水口８と下流側に開口した排水口９とを有している。天板２１には、２つの円弧状に形成したスライド溝２４が設けられており、このスライド溝２４に案内されて、可動式ゲート５が、歯形部５２（図３を参照）を挿入させた状態で、図中矢印方向に移動可能となるように構成されている。
【００２１】
ハウジング２内には入水口８から排水口９に連通する流路２５が形成されており、この流路２５内には、対向配置された垂直軸水車３，３が収容されている。本実施形態の垂直軸水車３は回転軸３１と複数の回転翼３３を有するクロスフロー水車であり、天板２１と底板２２に形成された軸受２６，２６によって回転軸３１が回転可能に支持されている（図４参照）。なお、本実施形態では垂直軸水車３，３にクロスフロー水車を使用しているが、垂直軸型の水車であれば他のものも適用可能である。
【００２２】
発電機４は、回転軸３１に取り付けられたプーリー３２と自身の駆動軸４１に取り付けられたプーリー４２とがベルト４３によって接続されており、垂直軸水車３の回転軸３１が回転すると、その回転力がベルト４３を介して駆動軸４１に伝達されて発電を行うようになっている。この発電機４は、各垂直軸水車３、３に１個ずつ取り付けられている。
【００２３】
可動式ゲート５は、２枚の扇形の門扉が軸を支点に回転する方式のセクターゲート（ラジアルゲート）である。このゲートは、垂直軸水車３の回転軸３１に回転可能に支持されるとともに、回転軸３１にベアリング５３，５３を介して取り付けられた扇形の本体部５１と、本体部５１に設けられた円弧状の歯形部５２とからなる。歯形部５２の上方部分の外周にはギア５４と噛み合わせるための歯形が形成されている。
【００２４】
集水板６は、入水口８の開口縁に一体又は別体として設けられており、水路を流れる上流側の水を堰き止めて貯留するためのものである。本発明の水力発電装置１においては、この集水板６により堰き止めた水を貯留しながら、貯留した水を入水口８からハウジング２の内部へと通水する。そのため、可動式ゲート５により調整された開口部分である通水断面積Ａがオリフィス孔となり、このオリフィス孔の開口面積と、集水板６により集水され上流側に貯水された水の水位Ｈにより、垂直軸水車３に作用する流量が決定される。
【００２５】
また、ハウジング２内には、図１に示すように対向配置された増速板７，７が設けられており、この増速板７，７によって入水口８の開口面積を徐々に減少させて流路２５内の水の流れを増速させるようになっている。本実施形態の増速板７，７は、引き上げ式のスルースゲートで構成されており、垂直方向に引き上げることにより底板２２との間に隙間ができ、この隙間から流路２５内の水を放流することができる。
【００２６】
次に、このように構成された水力発電装置１における可動式ゲート５の動作について図５を参照しながら説明する。図５は、水力発電装置１の動作を説明するための図であり、（ａ）は可動式ゲート５，５が開いた状態、（ｂ）は可動式ゲート５，５が閉じた状態を示している。なお、可動式ゲート５，５の状態を明確にするために、増速板７，７やその他の構成については図示を省略している。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、可動式ゲート５，５が全開状態の場合、このときの通水断面積、すなわちオリフィス孔の開口面積はＡである。以下、通水断面積Ａをオリフィス孔とし、このオリフィス孔の開口面積の状態をＡに数字を付記して表示することとする。
【００２８】
この状態から、図５（ｂ）に示す閉状態に変更するためには、２つのギア５４，５４を図５（ａ）に示す矢印方向に回転させればよい。すると、この回転に連動してギア５４，５４に噛み合わされた歯形部５２，５２がスライド溝５内で垂直軸水車３，３の外周に沿って中央部へと移動し、最後まで移動すると歯形部５２，５２の内側先端どうしが近接する。この状態が閉状態であり、この状態にすると、オリフィス孔の開口面積が略ゼロになり、垂直軸水車３，３への通水が遮断され、回転翼３３の回転動作を停止させることができる。この状態で垂直軸水車３，３のメンテナンス作業を行えば、水力発電装置１をクレーンなどにより陸に引き上げたりする必要がなくなるので、メンテナンス作業が容易に行えるようになる。メンテナンス作業が終了したら、ギア５４，５４を図５（ａ）に示す矢印と反対方向に回転させれば、可動式ゲート５，５を垂直軸水車３，３の外周に沿って外側（側板２３，２３側）方向へと移動させることができる。なお、可動式ゲート５の形態はこれに限らず、流路２５に直交する方向に移動して開閉し、その開閉によって通水断面積を増減する構造であってもよい。
【００２９】
本発明の水力発電装置１においては、上述したように可動式ゲート５，５を使用してオリフィス孔の開口面積を調整することができる。オリフィスの原理によれば、このオリフィス孔の開口面積が小さくなれば垂直軸水車３，３へ通水する流量が減少し、その結果、垂直軸水車３，３の回転力が低下することとなりそうであるが、本発明においてはそうはならない。その原理を図６に基づいて説明する。
【００３０】
図６は、水力発電装置１のオリフィス孔と垂直軸水車３，３との関係を説明するための模式図である。図６（ａ）はオリフィス孔の開口面積がＡ１、図６（ｂ）はオリフィス孔の開口面積がＡ２であることを表している。
【００３１】
図６（ａ）の状態では、垂直軸水車３，３に通水される水はオリフィス孔の開口面積Ａ１の開口部を通過する。この通過した水流のうち水流ａを両垂直軸水車３，３間の中心に導く回転翼は図６（ａ）に記載の回転翼３３ａである。他方、両垂直軸水車３，３の回転に最も寄与する回転翼は同図の３３ｂである。つまり、垂直軸水車３，３の回転力を左右するのは、この回転翼３３ｂの先端に直接衝突する水の流量である。
【００３２】
これに対して、図６（ｂ）の状態、すなわち可動式ゲート５，５を閉方向に移動させオリフィス孔の開口面積をＡ１よりも小さいＡ２とした場合には、この開口面積Ａ２の開口部を水流が通過する。この場合においても、オリフィス孔の開口面積が小さくなってはいるが、回転翼３３ｂの先端に直接流水する水の量にはほとんど変化はない。このように、本発明の水力発電装置１においては、オリフィス孔の開口面積を小さくしたとしても、垂直軸水車３，３の回転力にそれほど影響しないようにすることができる。これにより、上流側の水位を調整しながら安定した水力発電が行えるのであるが、その理由について図７〜図１５を参照しながら以下に説明する。
【００３３】
図１０を除く図７〜図１５は、いずれも、図２を簡略図案化したものである。集水板６により上流側の水を貯水し、その貯水した上流側の水位とオリフィス孔から流水する流量及び流速の関係を表している。
【００３４】
図７を例にとって説明すると、上流からの流量をＱ１、有効水位差Ｈ１、オリフィス孔から吐出される水流の流速Ｖ１、オリフィス孔の開口面積をＡ１、重力加速度ｇとすると、流速Ｖ１は、次式で表される。
【００３５】
【００３６】
なお、ここでは、ベナコントラクタによる断面収縮は除外して考えている。
仮に、オリフィス孔から吐出される流量が流量Ｑ１であったならば、この流量Ｑ１は次式で表される。
【００３７】
【００３８】
したがって、図７に示すように、上流からの流量とオリフィス孔からの吐出流量とがともにＱ１であったならば、オリフィス孔の開口面積を調整することにより、有効水位の調整が可能となる。
一方、上流からの流量に変化が生じた場合には、オリフィス孔の開口面積を調整することにより、有効水位差を一定とすることができる。
【００３９】
ところで、水路における水力発電において重要なのは、最大発電を求める場合には、上流からの流量とオリフィス孔から吐出される流量を同一流量にする必要があるということである。例えば、図８に示すように、仮に、上流からの流量Ｑ１、Ｑ３がオリフィス孔から吐出される流量Ｑ２、Ｑ４より少ない場合には、有効水位差Ｈ１、Ｈ２は減少する。一方、Ｑ１、Ｑ３の方が多ければ、有効水位差Ｈ１、Ｈ２は増加する。
【００４０】
水路の場合には、通年一定の水量というケースは少なく特に農業用水はかんがい期、非かんがい期の水量は約２〜５倍に変動するのが普通である。そして、この水量の変動が、オリフィス孔から吐出される水流の流速Ｖ及び有効水位差Ｈに影響を及ぼす。
【００４１】
上流からの流量の変動が流速Ｖ及び有効水位差Ｈの変動、そして発電量Ｗ＝ＱｇＨへの変動の相関関係を図９を参照して説明する。
【００４２】
通常時の発電量Ｗ１は、Ｗ１＝Ｑ５×ｇ×Ｈ３となる。一方、上流からの流量が減少すると、オリフィス孔の開口面積を調整できないとすると、Ｈ４及びＶ４の減少が起こる。
【００４３】
ここで、一般的な水路の水位について図１０を参照して説明する。本来の水路機能は、計画水量に対する水路断面形状や水路勾配が決定される。一般的に、計画する水路の目的及び条件を設定し、その条件を満たす水路断面を設計する。設計する目的水路の計画流量（最大、最小）、この計画水量（最大値）の水深Ｈｃを満たす。一般的には、ＨｂはＨａの８割水深としている。これは水理公式のマニング式及びクッター式により水路断面、水路勾配を決定していく。その際には、一般的には水路の流速速度は平均流速１．２ｍ／ｓｅｃ〜１．５ｍ／ｓｅｃ程度としている。同時に、この水路流速は下流にいくに従って早くなるように設計するのが常識である。この水路の機能を維持しつつ発電設備の併用が水路発電の重要な必須条件となる。
【００４４】
このことは何を意味するかについて、図１１を参照して説明する。この図１１は、上流からの流量Ｑａ、上流水位Ｈａ、オリフィス孔の開口面積がＡの場合に、有効水位Ｈ、流速Ｖ、オリフィス孔からの吐出流量Ｑｂであることを図案化したものである。上流水位であるＨａは、その水路機能を維持する最優先事項である。この水位が最大許容水深Ｈｂを越えてはならず、必要に応じて発電量を増加させる場合には、上流水路の嵩上げが必要になる。
【００４５】
次に、オリフィス孔の開口面積を調整しなかった時の水力発電装置の増水時及び減水時の状態について、図１２を参照して説明する。増水時においては、上流水位はＨｅとなるがＨｂを越える流量＋Ｑｃは集水板６を越流してしまい発電には使われないこととなる。したがって、増水時の上流水位ＨｅはＨｂを越えてはいけないこととなる。一方、減水時においては、上流水位Ｈｅは減少し、その結果、有効水位差Ｈも減少する。従って、発電量がＱａの減少とＨの減少の二重の減少により水力発電装置の発電効率を下げ、発電量自体の全体量を減少させる不利な状態となる。
【００４６】
このような減水時及び増水時において、本発明の水力発電装置ではオリフィス孔の開口面積を調整することにより上流水位の位置を変更可能なことを図１３及び図１４を参照して説明する。まずは、図１３に示すように減水時において、オリフィス孔の開口面積をＡ１からＡ２に変更した場合、理論発電量はそれぞれＷ１＝Ｑａ×ｇ×Ｈ１、Ｗ２＝Ｑａ×ｇ×Ｈ２となり、当然、Ｗ１＜Ｗ２の発電量が得られる。ここで、Ｗ２の発電量を得るのを可能にするのが、オリフィス孔の開口面積をＡ１からＡ２に変更できるからである。すなわち、この場合には、水路機能の維持可能な水位まで水面を上昇させるように、オリフィス孔からの吐出流量を少なくすればよい。すなわち、オリフィス孔の開口面積を小さくするように可動式ゲート５を閉方向に移動させればよい。Ｈ２を保てるオリフィス孔の開口面積Ａ２であれば、Ｗ２の発電量が得られる。
【００４７】
同様に、増水時の越流している流量＋Ｑｃを発電に使用できるようにオリフィス孔の開口面積を拡大できれば、発電量がアップする。この場合には、越流している流量＋Ｑｃが越流しないような水位になるように、オリフィス孔からの吐出流量を多くすればよい。すなわち、オリフィス孔の開口面積を大きくするように可動式ゲート５を開方向に移動させればよい。この場合の発電量は、Ｗ３＝Ｑａ×ｇ×Ｈ３、Ｗ４＝（Ｑａ＋Ｑｃ）×ｇ×Ｈ４である。このようにすれば、上流水位の越流も起こさず、最大発電量の向上に繋がる。
【００４８】
このように本発明の水力発電装置においては、可動式ゲートを開閉することによってオリフィス孔の開口面積を調整することができるので、水力発電の効率を下げずに発電量の増大と、流量調整機能を発揮することができる。さらに、可動式ゲートを完全に閉じることにより垂直軸水車へと流れる水を止水することができるので、メンテナンス作業も容易に行える。
【００４９】
なお、増水量が多く、オリフィス孔の開口面積を拡大しただけでは越流を止められない場合もある。そのような場合には、図１５に示したように集水板６に集水板流量調整開口部を設け、越流している水をこの開口部から下流側へと放流するような形態を採用することもできる。また、集水板６に開閉扉（図示略）を設けておき、水路の水位変動に応じて開閉扉の開き具合を調節し、水路の上流側の越流水を流路に通さずに下流側へと放流させるように構成されていてもよい。
【００５０】
上述した水力発電装置１では２軸の垂直軸水車３，３を採用したが、図１６に示すような構造の１軸の垂直軸水車３を採用することもできる。この図１６には、１軸の垂直軸水車３を採用した水力発電装置１において、可動式ゲート５の開状態と閉状態をそれぞれ図示しているが、前記水力発電装置１の構成と同じ機能、構成については同一の符号を付している。なお、構成、動作に関しては前記とほぼ同様であるので詳細な説明を省略する。
【００５１】
可動式ゲート５の開閉構造はこれに限定されるものではなく、例えば図１７のようにギアを下流側に配置する構造であってもよい。
【００５２】
この水力発電装置１において、可動式ゲート５は、前記実施形態と異なり本体５１の上板５５を半円形状にし、その周囲に歯形を形成している。そして、図１７（ａ）に示すように、この上板５５の一部と本体とが結合している。上板５５の歯形部分はギア５４と噛み合わされ、ギア５４を回転させると、上板５５が連動して回転し、前記実施形態と同様に、可動式ゲート５が開閉することとなる。
【００５３】
ギア５４を回転させる方法として、本実施形態では、ハンドル５７を使用する。すなわち、ギア５４の回転軸５６の上端にハンドル５７の先端を嵌合し、ハンドル５７の把持部５８を回転操作することによりギア５４を回転させるように構成している。
【００５４】
なお、本発明は上述した実施形態に限らず、発明の要旨を変更しない範囲内で以下のような各種の実施形態が考えられる。
【００５５】
例えば、水力発電装置１を設置する水路の状況に適応させて、集水板６の形態を変形することができる。図１８に示すように、この水力発電装置１を幅の広い水路に設置する場合には、集水板６の両端部を固定金具６１で水路の両壁に固定する。この場合、集水板６は、水路に流れる水を堰き止めて貯水する手段としてだけでなく、ハウジング２を水路に連結、固定する手段としても機能する。
【００５６】
これに対して、図１９に示すように、この水力発電装置１を幅の狭い水路に設置する場合には、ハウジング２の両端部を直接、固定金具６１で水路の両壁に固定する。この場合、ハウジング２の前面板２７が固定手段としての機能と集水板６としての機能を兼ねることになる。
【００５７】
また、図２０に示すように、段差がなく幅の狭い水路に設置した場合、集水板６は、水路に流れる水を堰き止めて貯水しつつ、上流側の水位を上昇させて水路内に落差を作り出す。これにより、落差によって生じる位置エネルギーをハウジング２内の垂直軸水車３に作用させる機能が発揮される。
【００５８】
また、図２１のような段差のある幅の広い水路の場合には、段差部分の下流側にハウジング２を設置すれば、段差部分を流れ落ちる水の落差を利用して、より大きなエネルギーを垂直軸水車３に作用させることができる。
【００５９】
さらに、幅がより広い水路に設置する場合には、図２２に示すように水路の段差部分に取水ボックス６２を設置して、この取水ボックス６２の取水口６２ａに集水板６を取り付けて、排水口６２ｂに水力発電装置１のハウジング２を取り付ければよい。この場合、集水板６は、水路の流れに対して直交する方向に向けた集水板６Ａとするか、又は水路の流れに対して所定角度で傾いた方向に向けた集水板６Ｂとする。これにより、集水板６は、上流側の水位を上昇させて落差を作り出すだけでなく、上流を流れる水を中央の取水ボックス６２へと集める機能を果たすことになる。
【００６０】
また、本発明の水力発電装置１において必須の構成ではないが、追加の機能として、以下のように増速板７に放流機能を持たせてもよい。
【００６１】
すなわち、図２３に示す水力発電装置１では、増速板７が引き上げ式のスルースゲートで構成されており、ハウジング２の両側の側板２３，２３に水が通り抜ける放流孔２８，２８が開設されている。これにより、図のように可動式ゲート５，５を閉じた状態で増速板７，７を垂直方向に引き上げることによって、流路２５内部の水が底板２２との間の隙間から放流孔２８を通り抜けてハウジング２の外部へと放流するようなっている。したがって、この水力発電装置１を水路に設置したままであっても、水路の水の流れを止めることなく、ハウジング２内部の垂直軸水車３や発電機４等の部品のメンテナンス作業を行うことができる。
【００６２】
また、増速板７の変形例として、図２４に示すような形態を採用することもできる。この増速板７は、回転式の開閉扉７１を備えた回転ゲートであり、増速板７の中央に開閉扉７１が設けられており、この開閉扉７１は垂直軸７２を中心に図の矢印方向に回転可能に支持されている。この構造の場合にも、可動式ゲート５，５を閉じた状態で、増速板７の開閉扉７１を回転させて開いた状態にすれば、流路５内部の水を放流孔２８からハウジング２の外部へと放流させることができる。なお、放流機能を有する増速板７の形態についてはこれに限らず、水平方向に開閉可能な片開き、又は両開きのスライドゲート（図示略）を採用してもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１…水力発電装置
２…ハウジング
２１…天板
２２…底板
２３…側板
２４…スライド溝
２５…流路
２６…軸受
２７…前面板
２８…放流孔
３…垂直軸水車
３１…回転軸
３２…プーリー
３３…回転翼
４…発電機
４１…駆動軸
４２…プーリー
４３…ベルト
５…可動式ゲート
５１…本体
５２…歯形部
５３…ベアリング
５４…ギア
５５…上板
５６…回転軸
５７…ハンドル
５８…把持部
６…集水板
６１…固定金具
６２…取水ボックス
７…増速板
７１…開閉扉
７２…垂直軸
８…入水口
９…排水口
Ａ…オリフィス孔（通水断面積）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れのある水路に設置して発電を行う水力発電装置であって、
前記水路の上流側に配置される入水口、下流側に配置される排水口、及び入水口から排水口に連通する流路を有するハウジングと、
前記ハウジングの入水口の開口縁に設けられ、前記水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ前記入水口へと集水する集水板と、
前記ハウジングの流路内に回転可能に支持された回転翼を有する垂直軸水車と、
前記垂直軸水車の回転力を受けて発電する発電機と、
前記入水口から流入して前記垂直軸水車の回転翼先端に作用する水流の通水断面積を増減可能な可動式ゲートと、
を備えたことを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記可動式ゲートは、前記流路に直交する方向に開閉することにより通水断面積を増減する構成か、又は前記垂直軸水車の回転軸に取り付けられ、前記回転翼の外周に沿って開閉することにより通水断面積を増減する構成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。
【請求項３】
前記ハウジング内に立設され、前記入水口の開口面積を徐々に減少させて前記流路内の水の流れを増速させる増速板が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記増速板は、垂直方向に引き上げ可能なスルースゲート、水平方向に開閉可能なスライドゲート、あるいは垂直軸を中心に回転可能な回転ゲートになっており、当該ゲートを開くことにより前記流路内の水を前記ハウジングに設けられた放流孔からハウジング外部に放流可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記集水板に開閉扉が設けられ、当該開閉扉を開くことにより前記水路の上流側の越流水を前記流路に通さずに下流側へと放流可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項６】
前記垂直軸水車は、１軸の、あるいは対向配置された２軸のクロスフロー水車であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項１】
流れのある水路に設置して発電を行う水力発電装置であって、
前記水路の上流側に配置される入水口、下流側に配置される排水口、及び入水口から排水口に連通する流路を有するハウジングと、
前記ハウジングの入水口の開口縁に設けられ、前記水路を流れる水を堰き止めて貯留しつつ前記入水口へと集水する集水板と、
前記ハウジングの流路内に回転可能に支持された回転翼を有する垂直軸水車と、
前記垂直軸水車の回転力を受けて発電する発電機と、
前記入水口から流入して前記垂直軸水車の回転翼先端に作用する水流の通水断面積を増減可能な可動式ゲートと、
を備えたことを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記可動式ゲートは、前記流路に直交する方向に開閉することにより通水断面積を増減する構成か、又は前記垂直軸水車の回転軸に取り付けられ、前記回転翼の外周に沿って開閉することにより通水断面積を増減する構成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。
【請求項３】
前記ハウジング内に立設され、前記入水口の開口面積を徐々に減少させて前記流路内の水の流れを増速させる増速板が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記増速板は、垂直方向に引き上げ可能なスルースゲート、水平方向に開閉可能なスライドゲート、あるいは垂直軸を中心に回転可能な回転ゲートになっており、当該ゲートを開くことにより前記流路内の水を前記ハウジングに設けられた放流孔からハウジング外部に放流可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記集水板に開閉扉が設けられ、当該開閉扉を開くことにより前記水路の上流側の越流水を前記流路に通さずに下流側へと放流可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項６】
前記垂直軸水車は、１軸の、あるいは対向配置された２軸のクロスフロー水車であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１２−２４１６０２（Ｐ２０１２−２４１６０２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１８０９（Ｐ２０１１−１１１８０９）
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【特許番号】特許第４８１７４７１号（Ｐ４８１７４７１）
【特許公報発行日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（５１１１２１８０５）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【特許番号】特許第４８１７４７１号（Ｐ４８１７４７１）
【特許公報発行日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（５１１１２１８０５）
【Ｆターム（参考）】
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