簡易設置型流水式水力発電装置
【課題】本願発明は、組み立て解体が容易で農業用水路に簡単に設置でき、実用に適した発電出力が得られる簡易設置型流水式水力発電装置を提供する。
【解決手段】農業用水路に設置される回転軸が水平の水平軸型水車と該水車に連設される発電機とからなり、前記水車の回転直径は略２ｍであって該水車は長辺方向が前記水平軸に平行となる６枚の長方形の平板状の羽根を備え、前記羽根の前記農業用水路に水没する深さは該羽根の短辺の長さに略一致し、前記羽根の先端部には該羽根の長辺全体が川上方向に直角に曲折された底板とともに両端部には川上方向に直角に曲折された略矩形の側板が備えられ、前記側板間の前記羽根の表面には複数の略矩形の仕切り板が略等間隔かつ該側板に平行に川上方向に突設され、前記羽根の長辺の長さは前記農業用水路の幅の略７５％であるとともに該羽根の短辺の長さは略０．４５ｍである、構成とした。
【解決手段】農業用水路に設置される回転軸が水平の水平軸型水車と該水車に連設される発電機とからなり、前記水車の回転直径は略２ｍであって該水車は長辺方向が前記水平軸に平行となる６枚の長方形の平板状の羽根を備え、前記羽根の前記農業用水路に水没する深さは該羽根の短辺の長さに略一致し、前記羽根の先端部には該羽根の長辺全体が川上方向に直角に曲折された底板とともに両端部には川上方向に直角に曲折された略矩形の側板が備えられ、前記側板間の前記羽根の表面には複数の略矩形の仕切り板が略等間隔かつ該側板に平行に川上方向に突設され、前記羽根の長辺の長さは前記農業用水路の幅の略７５％であるとともに該羽根の短辺の長さは略０．４５ｍである、構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、農業用水路に設置される簡易設置型流水式水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電に使用される水車には、水の落差の高い順に衝動水車、反動水車および重力水車が使用される。この内、落差の低い水路などに使用される水車は、重力水車の範疇に入り、開放型下掛け水車とも称されることがある。
【０００３】
この開放型下掛け水車（流水式水車）を水力発電に使用例が、インターネット上に開示されている(http://www2.tba.t-com.ne.jp/hmc/Turbine/ Turbine1.html)が、それには、「水車の直径は、だいたい４〜７ｍ程度と非常に大きく、マイクロ発電という言葉を使うのに抵抗感を覚えてしまいます。プレードの幅は設計流量に比例して大きくなります。最大級の水車としては、落差２ｍ、流量１０ｍ３／ｓ、出力１００ｋＷなどというものも作られています。この水車の幅は、確か１０ｍぐらいと聞いています。（中略）流量調整機能を持つ水車もあります。水車にすぐ上流側に流量調整ゲートを設置し、水量の変化に応じてゲート開度を調整し、常に最適な落差で運転する方法です。このゲートは下からせり上がってくる越流タイプのものです。つまり、流量が少なくすると、上流水位が下がりますが、この水位低下を検出して、ゲートが上昇させて水位を上げ、水車に流入する落差を一定に保つという制御です。また、水車に回転方向に流量を導く案内羽根も備え、効率を高める工夫をしています。総合効率は、他の水車より落ちますが、それでも６０％ぐらいを確保しています。このタイプの水車は、良く『古典水車』、『昔の水車』などと旨われていますが、現在の水車は、羽根の形も改良され、制御に関しては先端のテクノロジーを駆使しています。日本では、この様な本格的な水車発電装置は殆ど製造されていません。日本のものは昔の面影を残した水車に発電機を取り付け、２〜３ｋＷ程度の発電をする程度のものです。」と紹介されている。
【０００４】
一方で、農業基盤整備事業が整備された今日では、所定の規格を有する農業用水路がくまなく張り巡らされ、農業灌漑の普及に貢献している。このような水路幅が概ね４ｍ程度の規格化された農業用水路では、常に流量が１０ｍ３／ｓ程度の水量で、一定の水位を保つように規格化されて整備されている。しかしながら、この所定の規格の尿業容水路は、専ら農業灌漑に利用されるのみであって、それ以外の利用については、未整備であり、ましてや、当該農業用水路に簡易に設置される流水式水力発電装置に関する先行文献は見当たらず、そもそも水力発電を目的とした農業用水路の流速分布のデーターも見当たらない。
【非特許文献１】http://www2.tba.t-com.ne.jp/hmc/Turbine/ Turbine1.html
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、流量が１０ｍ３／ｓ程度ではあっても、水路幅が概ね４ｍ程度の上記規格化された農業用水路に、前述した〔非特許文献１〕に記載の水車の幅が１０ｍの流水式水車を使用することはできない。仮に、水車の幅を農業用水路に変更したとしても、水車の直径が４〜７ｍでは、現場で組み立てなければならず、設置に手間が掛かることになるとともに、このような費用対効果を検討した場合、実用に適した発電出力となるかどうかも不明である。
【０００６】
そこで、本願発明は、組み立て解体が容易で農業用水路に簡単に設置でき、実用に適した発電出力が得られる簡易設置型の流水式水力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、本願出願人は鋭意研究した結果、所定形状の羽根と枚数を備える水車により、上記目的を達成することができるとの知見を得た。
本願発明はこの知見に基づくものであって、本願請求項１に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、農業用水路に設置される回転軸が水平の水平軸型水車と該水車に連設される発電機とからなり、前記水車の回転直径は略２ｍであって該水車は長辺方向が前記水平軸に平行となる４枚、６枚または８枚の長方形の平板状の羽根を備え、前記羽根の前記農業用水路に水没する深さは該羽根の短辺の長さに略一致する、ことを特徴としている。
また、本願請求項２に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１に記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記羽根の先端部には該羽根の長辺全体が川上方向に直角に曲折された底板とともに両端部には川上方向に直角に曲折された略矩形の側板が備えられ、前記側板間の前記羽根の表面には複数の略矩形の仕切り板が略等間隔かつ該側板に平行に川上方向に突設されている、ことを特徴としている。
そして、本願請求項３に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１または請求項２に記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記水車の羽根は６枚であり、前記羽根の長辺の長さは前記農業用水路の幅の略７５％であり、前記羽根の短辺の長さは略０．４５ｍであり、前記底板および前記側板の川上方向への突出長さは略０．３０ｍであって、前記羽根を側面から見たときに前記仕切り板は該側板内に収まっている、ことを特徴としている。
前記水車の羽根は６枚であり、前記羽根の長辺の長さは前記農業用水路の幅の略７５％であるとともに該羽根の短辺の長さは略０．４５ｍである、ことを特徴としている。
さらに、本願請求項４に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１ないし請求項３に記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記水車は前記農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁に懸吊されるとともに該水平梁は該側壁に対して着脱可能であり、該水平梁は前記側壁の天端に対するレベルを調整する高さ調整具を備えている、ことを特徴としている。
また、本願請求項５に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１ないし請求項４に記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記水車の高さは水車の回転直径である略２ｍ、前記水車の前記農業用水路に平行な長さは２本の水平梁の外々間距離である略２．２５ｍ、前記水車の前記農業用水路に直交する幅は該農業用水路幅＋略０．６ｍである、ことを特徴としている。
そして、本願請求項６に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁の下部に、前記水車を平面的に囲繞して回動自在に軸支する矩形のフレームを渡設し、該矩形のフレームの該２本の水平梁に平行な一辺が該２本の水平梁の一方に回動自在に軸支されるとともに、該２本の水平梁に平行な他の一辺が該２本の水平梁の他方から縣吊されて、前記農業用水路に対する該水車の高さを所望の位置で固定可能とする、ことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本願発明は、水車の長方形の平板状の羽根を４枚、６枚または８枚の偶数枚としている。このため、水車はバランスよく滑らかに回転し、水車の回転中は常に複数の羽根が水中に在ることになる。さらに、羽根を６枚とした場合には、先行する羽根により発生する水の渦が後続する羽根に与える影響を最小限に抑え、水流の特性を大幅に低下させることがなく、かつ、羽根の水上側の表面には側板や仕切り板が突設されていて、効率よく水を保持するため、発電出力を大きくすることができる。
【０００９】
本願発明に係る水車の大きさを高さ略２ｍ×長さ略２．２５ｍ×幅（農業用水路幅＋略０．６ｍ）としている。多くの農業用水路幅が４ｍ程度であることから、多用される水車の大きさは、高さ略２ｍ×長さ略２．２５ｍ×幅略４．６ｍとなる。この寸法は、車両保安基準における貨物の制限寸法である横２．２ｍ×縦５．５ｍ×高さ２．３ｍ以内のサイズとなり、かつ、重量を２，０００ｋｇ以内とすることにより、普通トラックに載せて公道を運搬することができる。また、当該水車は２本の水平梁に懸吊されるとともに該水平梁は農業用水路の側壁に対して着脱可能であるため、
（１）普通トラックに載せて現地に運び、簡易クレーン車で短時間に農業用水路に設置できるとともに、取り外して搬出も短時間でできる。
（２）農業用水路および農業用水路保護フェンスをいじることなく設置でき、水力発電装置の固定に特別な加工を必要としない。
（３）現地における組み立てに際し、特別な加工を必要としないで、水車に発電機を接続するだけで、水力発電装置の設置が完了する。
【００１０】
水車の羽根の長辺の長さを農業用水路の幅の略７５％とし、羽根の短辺の長さを略０．４５ｍとし、さらに、羽根には底板や側板を備えているため、流水のエネルギーを有効に利用することができる。すなわち、羽根の長辺の長さは農業用水路の幅により決定されるが、水の粘性により農業用水路の側壁に接する部分では流速が最も小さく、中央部分が最も大きくなる。このため、羽根の長辺の長さを農業用水路の幅の略７５％とすることにより、流速の大きい部分を利用することになるとともに、羽根の左右にクリヤーエリアを設けることになるので、水車を通過した水流の運動エネルギーの回復が促進され、農業用水路に流れるごみ等が水車に絡みつくことがない。また、水車の羽根の短辺の長さは水没する深さに大きく影響するが、本願発明では、車両保安基準に適した水車の大きさとするべく水車も回転直径を略２ｍとしているため、水車の羽根の水没する深さを大きくすれば、水に突入する羽根と水面との接触角度が小さくなり、水との接触抵抗が増して、音と渦が発生し、却って水車を回転させる抗力が増加しない傾向にある一方で、水没する深さが浅ければ、水没する羽根の面積が小さくなり抗力が小さくなる。このため、羽根の短辺の長さを略０．４５ｍとすることにより、水車の回転直径を略２ｍとする制限内で水没する羽根の抗力を大きくすることができ、０．１ｍ程度上下する農業用水路の水位変動にも対応することができる。
【００１１】
水車を懸吊する２本の水平梁は農業用水路の側壁の天端に対するレベルを調整する高さ調整具を備えているため、農業用水路に設置する際の水車の羽根の水没深さを最適な状態とすることができる。なお、高さ調整具としては水平梁と農業用水路の側壁の天端との間にプレートを挿入しても良く、水平梁にレベル調整用ボルトを螺入してその先端を農業用水路の側壁の天端に当接させ、該レベル調整用ボルトの螺入長さを調整することにより、農業用水路の側壁の天端に対する水平梁の高さを調整するようにしても良い。
【００１２】
農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁の下部に水車を軸支する矩形のフレームを渡設し、この矩形のフレーム自体を回動自在として農業用水路に対する水車の高さを所望の位置で固定可能としているため、農業用水路の水位の如何に拘わらず、水車の羽根の水没深さを最適な状態とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、本願発明の実施例１および実施例２の構成および設置方法について、図１ないし図７に基づいて説明する。なお、図１は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の斜視図であり、図２は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の側面図であり、図３は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の正面図であり、図４は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の平面図であり、図５は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の農業用水路の取付け状況図であり、図６は、実施例１に係る２台の簡易設置型流水式水力発電装置を農業用水路に取付けた状況の斜視図であり、図７は、実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置の側面図である。
【００１４】
図１ないし図７において、符号１は実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置、符号２は実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置、符号３は水車、符号６は発電機、符号２０は回転体、符号２１は回転軸、符号２３はスポーク、符号２５は羽根、符号２７は底板、符号２９は側板、符号３１は仕切り板、符号３３はつなぎ棒、符号３５は大プーリー、符号４０は支持体、符号４１は水平梁、符号４３は水平補助梁、符号４５は懸吊材、符号４７は横架梁、符号４９は軸受け板、符号５１は高さ調整具、符号５３は矩形のフレーム、符号５３１は水平梁平行部材、符号５３２は水平梁直交部材、符号５５は揚重器、符号６１は発電機本体、符号６３は小プーリー、符号６５はベルト、符号６７は送電器、符号８０は農業用水路、符号８１は側壁、符号８３は流水、である。
【実施例１】
【００１５】
まず、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置１の構成について、図１ないし図６を基に説明する。
【００１６】
簡易設置型流水式水力発電装置１は、主に、水車３と発電機６とから構成され、さらに、水車３は、主に、回転体２０と回転体２０を支持する支持体４０とから構成されている。
【００１７】
水車３を構成する回転体２０は、円筒状の水平材である回転軸２１と、回転軸２１の両サイドから直交して放射状に延伸する６対のスポーク２３、２３、・・・と、それぞれの１対のスポーク２３の先端にその長辺方向を回転軸２１に平行となるように固着される長方形の平板の６枚の羽根２５、２５、・・・と、羽根２５の先端部に羽根２５の長辺が回転体２０の回転方向とは逆方向（すなわち川上方向）に折り曲げられたような状態で羽根２５に直交して固着される底板２７と、羽根２５の両端部にあって羽根２５を回転体２０の回転方向とは逆方向（すなわち川上方向）に折り曲げられたような状態で羽根２５に直交して固着される側板２９と、羽根２５の中間部に側板２９と同方向にかつ等間隔に固着される３枚の仕切り板３１、３１、・・・と、羽根２５の両端部にあって側板２９同士を連結するつなぎ棒３３と、回転軸２１の一端に回転軸２１に直交して固着されるリング状の大プーリー３５と、から構成されている。そして、回転体２０を構成する回転軸２１、６対のスポーク２３、２３、・・・、６枚の羽根２５、２５、・・・、側板２９、つなぎ棒３３および大プーリー３５は一体となって回転するようになっている。
【００１８】
実施例１では、回転体２０の回転直径は２ｍであって、この２ｍがそのまま簡易設置型流水式水力発電装置１の高さとなっている。そして、長方形の羽根２５の長辺の長さは農業用水路８０の幅である４ｍの７５％に相当する３ｍであり、長方形の羽根２５の短辺の長さは０．４５ｍとなっている。
また、羽根２５の先端部が直角に川上方向に曲折されたような底板２７は、その川上方向への突出長さが０．３０ｍであり、羽根２５の両端部が曲折されたような側板２９は、側面から見た形状が回転体２０の中心に向かってその幅が徐々に狭まった矩形に近い台形であって、台形の底辺の長さは底板２７の突出長さと同様の０．３０ｍである。また、側板２９と側板２９間の羽根２５の表面には等間隔に３枚の仕切り板３１、３１、・・・が側板２９の突設方向と同方向に突設されていて、側面から見た形状は回転体２０の中心に向かってその幅が徐々に広がった矩形に近い台形となっていて、羽根２５を側面から見たときに、すなわち、農業用水路８０の側壁８１から見たときに、仕切り板３１の形状は側板２９の形状よりも小さくて側板２９内に収まったようになっている。
【００１９】
水車３を構成する支持体４０は、農業用水路８０の両側壁８１、８１間に架け渡される１対の水平梁４１、４１と、水平梁４１から１対の懸吊材４５、４５を介して平行に懸吊される１対の水平補助梁４３、４３と、１対の水平補助梁４３、４３に直交して架け渡される１対の横架梁４７、４７と、１対の横架梁４７、４７の中央部から垂設される１対の軸受け板４９、４９と、から構成されている。そして、１対の軸受け板４９、４９により、回転軸２１の両端部が回動自在に軸支されて、回転体２０自体が回動自在となっている。
【００２０】
実施例１では農業用水路８０の幅を４ｍと想定していることから、水平梁４１の長さを４．６ｍとしている。この４．６ｍがそのまま簡易設置型流水式水力発電装置１の長さとなっている。そして、１対の水平梁４１、４１の外々間距離は２．２５ｍであり、簡易設置型流水式水力発電装置１の幅となっている。
【００２１】
発電機６は、発電機本体６１と、小プーリー６３、とから構成されていて、発電機本体６１は支持体４０に固着され、小プーリー６３はベルト６５を介して大プーリー３５の回転に連動するようになっている。
そして、発電機６が水車３と一体化されることにより、簡易設置型流水式水力発電装置１全体の高さ×長さ×幅は、２ｍ×４．６ｍ×２．２５ｍとなるとともに、簡易設置型流水式水力発電装置１自体の重量も２，０００ｋｇ以下となっている。
【００２２】
ここで、簡易設置型流水式水力発電装置１の設置例について順序を追って説明する。
（１）全体の高さ×長さ×幅が２ｍ×４．６ｍ×２．２５ｍで総重量が２，０００ｋｇの簡易設置型流水式水力発電装置１は、普通トラックに載せて現地まで運搬される。
（２）現地に搬入された簡易設置型流水式水力発電装置１は、小型クレーン車などで吊り下げられ、２本の水平梁４１、４１が農業用水路８０の両岸の側壁８１上に架け渡される。
（３）架け渡された２本の水平梁４１、４１は、羽根２５の流水８３に対する水没深さが羽根２５の短辺の長さに略一致するように高さ調整具５１によりレベル調整された後、側壁８１上に固定される。なお、２本の水平梁４１、４１の側壁８１に対する掛かり代は、略０．３ｍとなる。
【００２３】
以上の手順を経て、簡易設置型流水式水力発電装置１は農業用水路８０に設置され、羽根２５を介して流水８３の運動エネルギーを得て、回転体２０が連続して回転する。回転体２０の回転に伴い、大プーリー３５が回転し、大プーリー３５の回転がベルト６５を介して小プーリー６３に伝えられて、発電機６が稼動して発電される。
図６は、２台の簡易設置型流水式水力発電装置１を農業用水路８０に直列に設置した例を示していて、２台の簡易設置型流水式水力発電装置１で発電された電気は、送電器６７を介して所定の場所に送電される。なお、図６に示すように、同一の農業用水路に複数台の簡易設置型流水式水力発電装置１、１、・・・を設置する場合の簡易設置型流水式水力発電装置１の設置間隔は、簡易設置型流水式水力発電装置１を通過した流水８３の運動エネルギーが回復する必要があることから、最低限、設置する農業用水路幅の２．５倍の間隔が必要となる。具体的には、農業用水路幅が４ｍの場合、簡易設置型流水式水力発電装置１の設置間隔は１０ｍとなり、農業用水路の長さが１００ｍでは、１１台の簡易設置型流水式水力発電装置１の設置が可能になる。
【実施例２】
【００２４】
つぎに、実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置２の構成について説明するが、簡易設置型流水式水力発電装置２は簡易設置型流水式水力発電装置１と略同様の構成であり、異なるところは、水車３の軸支部分であるので、ここでは、主に、簡易設置型流水式水力発電装置２の軸支部分の構成とその作用について図７を基に説明する。
【００２５】
簡易設置型流水式水力発電装置の水車３は、平面的に見て矩形のフレーム５３に囲繞されていて、この矩形のフレーム５３は、１対の水平梁４１、４１のそれぞれに平行な１対の水平梁平行部材５３１、５３１と、１対の水平梁平行部材５３１、５３１の両端部に架け渡される１対の水平梁直交部材５３２、５３２とから構成されている。そして、水平梁直交部材５３２、５３２の中央部から垂設される１対の軸受け板により、回転軸２１の両端部が回動自在に軸支されて、回転体２０自体が回動自在となっている。
【００２６】
矩形のフレーム５３の下流側は回動自在に下流側に位置する水平梁４１に軸支されるとともに、矩形のフレーム５３の上流側は上流側に位置する水平梁４１に設置される揚重器５５からワイヤーロープを介して懸吊されていて、この揚重器５５によりワイヤーロープの出し入れが行われて、矩形のフレーム５３の回動角度を任意の角度で保持することができるようになっている。すなわち、この矩形のフレーム５３自体を任意の角度で保持することにより、回転体２０は農業用水路８０の水面に対する所望の高さとすることができるようになっている。
なお、この揚重器５５は水平梁４１の両端にそれぞれ１台ずつ設置されている。
【００２７】
このような構成により、水車３は、農業用水路の水位の如何に拘わらず、水車の羽根２５の水没深さを揚重器５５の操作により最適な状態とすることができる。
【００２８】
簡易設置型流水式水力発電装置２の設置例については、前述した、簡易設置型流水式水力発電装置１の設置例と同様であるので、その説明を省略する。
【００２９】
つぎに、簡易設置型流水式水力発電装置に対し、出願人が行った一連の予備実験について図８ないし図１０を基に説明する。なお、図８は、農業用水路の流速分布を示す図であり、図９は、簡易設置型流水式水力発電装置の回転数と発電出力との関係図であり、図１０は、発電機の回転数と発電出力との関係図である。
なお、これら一連の予備実験は平成１９年５月１１日に長野県松本市大字梓川梓地先所在の中信平二期農業水利事業者管内の矢崎放流工上流で行ったものである。
【００３０】
まず、農業用水路の流速分布について説明する。流速分布は水深０．１ｍと水深１．０ｍについて計測したが、水深の測定はロープの長さによるものであり、実際に計測した水深は場所により最大０．３ｍ程度変化し、また、水深１．０ｍではロープが流されて弛むため実際にはもっと浅い水深となる。
この計測結果を表１（流速計測：水深０．１ｍ）および表２（流速計測：水深１．０ｍ）に示すが、水深０．１ｍでは右岸から２．７７０ｍの位置で最大流速となりその値は２．２６０ｍ／ｓであった。また、水深１．０ｍでは右岸から２．７６２ｍの位置で最大流速となりその値は２．３２３ｍ／ｓであった。すなわち、流速は水深０．１ｍより１．０ｍのほうが若干高く、最大流速位置は農業用水路中心（右岸から２．０００ｍ）より０．２６ｍ〜０．２７ｍ左岸に寄っている。これは計測点上流で農業用水路が右に曲がっていることに拠るものと思料される。この表に基づいてグラフ化したものが図８である。
【表１】
【表２】
【００３１】
図８では、Ｘ軸を右岸からの距離（単位：ｍ）とし、Ｙ軸を流速（単位：ｍ／ｓ）としていて、黒丸が水深０．１ｍの場合を示し、白三角が水深１．０ｍの場合を示している。また、実線は右岸より２．５ｍをＶｍａｘとした１／７乗則分布線であり、点線は農業用水路中心をＶｍａｘとした１／７乗則分布線である。なお、１／７乗則分布は下記の式で与えられる。
図８に示すように、流速分布は、右岸より２．５ｍをＶｍａｘとした１／７乗則分布に近く、流速は水深が深い方（１．０ｍ）が若干高いが、農業用水路中央付近ではほとんど差がないといえる。
【数１】
【００３２】
つぎに、上記流速分布を参考にして、本願発明に係る簡易設置型流水式水力発電装置の最適基本仕様を検討するために行った予備実験について説明する。
この実験に使用した簡易設置型流水式水力発電装置の仕様は以下の通りである。
（１）形式：流水式小型水力発電機
（２）水車の形式：水平軸式抗力方水車
（ア）水車の回転直径：２ｍ
（イ）水車の幅：農業用水路の７５％
（ウ）水車の羽根の高さ：０．４５ｍ
（エ）水車の羽根の枚数：６枚
（３）水車の標準水没水深：０．４５ｍ
（４）水車の回転数：２０ｒｐｍ（流速２ｍ／ｓ時）
（５）発電機
名称：三相密閉型自励発電機１．５ＫＶＡ
連続定格出力：１．５ＫＶＡ（１５００ｒｐｍ時）
励磁方式：強力永久磁石
出力波：三相交流サイン波
１相定格出力電流：８．１Ａ
本体質量：９．８ｋｇｆ
無負荷時出力電圧：１５００ｒｐｍ（約１２０Ｖ）
（１相８Ａ時約１０２Ｖ）
５００ｒｐｍ（約４０Ａ）
２５０ｒｐｍ（約２０Ａ）
三相整流直流化後定格出力電流：約１４．１Ａ
（６）回転増速装置
二段増速装置 一段目：遊星歯車（３：１）
二段目：プーリー方式
（小プーリー直径７１ｍｍ）
（大プーリー直径１０００ｍｍ）
【００３３】
この簡易設置型流水式水力発電装置の回転数と発電出力の実験結果を表３（流速２．０８ｍ／ｓ時）および表４（流速２．３８ｍ／ｓ時）に示し、この表に基づいてグラフ化したものを図９に示す。
【表３】
【表４】
【００３４】
図９では、Ｘ軸を水車の回転数（単位：ｒｐｍ）とし、Ｙ軸を発電出力（単位：Ｗ）としていて、白丸が流速２．０８ｍ／ｓの場合を示し、黒三角が流速２．３８ｍ／ｓの場合を示している。また、図９における実線はηｎ（総合効率×有効羽根枚数）近似曲線である。
表３、表４および図９に示すように、流速２．０７ｍ／ｓで計測された最大電流は２１６Ｗ（回転数１７．２ｒｐｍ）となった。これを流速２．００ｍ／ｓに換算すると１４３Ｗとなる。なお、これ以上の電力を得るため電流を多く流しても、電圧が低下してしまい、電力が小さくなる。したがって、この電力が今回使用した発電機の（この回転における）能力の限界と判断できる。また、ηｎ（総合効率×有効羽根枚数）は平均１．４６３となる。
【００３５】
この簡易設置型流水式水力発電装置に使用した発電機の性能曲線を図１０に示す。
図１０では、Ｘ軸を水車の回転数（単位：ｒｐｍ）とし、Ｙ軸を発電出力（単位：Ｗ）としていて、この予備実験で得られた測定値を、流速２ｍ／ｓにおける回転数と出力との関係に修正してプロットしたものである。
この図１０により、流速２ｍ／ｓにおいて、水車の回転数が７．０７ｒｐｍのとき、発電出力は８００Ｗとなり、この値が流速２ｍ／ｓにおける本発電機の最高出力となる。なお、水車の回転数が７．０７ｒｐｍより低下すると、発電出力は急速に低下する。
【００３６】
上記予備実験の結果を検討し、本願発明に係る簡易設置型流水式水力発電装置を以下の基本仕様とした。
（１）形式：流水式小型水力発電機
（２）水車の形式：水平軸式抗力方水車
（ア）水車の回転直径：２ｍ
（イ）水車の幅：農業用水路の７５％
（ウ）水車の羽根の高さ：０．４５ｍ
（エ）水車の羽根の枚数：６枚
（３）水車の標準水没水深：０．４５ｍ
性能については、表５および図１０に示す。
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の斜視図であり、である。
【図２】図２は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の側面図である。
【図３】図３は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の正面図である。
【図４】図４は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の平面図である。
【図５】図５は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の農業用水路の取付け状況図である。
【図６】図６は、実施例１に係る２台の簡易設置型流水式水力発電装置を農業用水路に取付けた状況の斜視図である。
【図７】図７は、実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置の側面図である。
【図８】図８は、農業用水路の流速分布を示す図である。
【図９】図９は、簡易設置型流水式水力発電装置の回転数と発電出力との関係図である。
【図１０】図１０は、発電機の回転数と発電出力との関係図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置
２ 実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置
３ 水車
６ 発電機
２１ 回転軸
２５ 羽根
２７ 底板
２９ 側板
３１ 仕切り板
４１ 水平梁
５１ 高さ調整具
５３ 矩形のフレーム
８０ 農業用水路
８１ 側壁
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、農業用水路に設置される簡易設置型流水式水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電に使用される水車には、水の落差の高い順に衝動水車、反動水車および重力水車が使用される。この内、落差の低い水路などに使用される水車は、重力水車の範疇に入り、開放型下掛け水車とも称されることがある。
【０００３】
この開放型下掛け水車（流水式水車）を水力発電に使用例が、インターネット上に開示されている(http://www2.tba.t-com.ne.jp/hmc/Turbine/ Turbine1.html)が、それには、「水車の直径は、だいたい４〜７ｍ程度と非常に大きく、マイクロ発電という言葉を使うのに抵抗感を覚えてしまいます。プレードの幅は設計流量に比例して大きくなります。最大級の水車としては、落差２ｍ、流量１０ｍ３／ｓ、出力１００ｋＷなどというものも作られています。この水車の幅は、確か１０ｍぐらいと聞いています。（中略）流量調整機能を持つ水車もあります。水車にすぐ上流側に流量調整ゲートを設置し、水量の変化に応じてゲート開度を調整し、常に最適な落差で運転する方法です。このゲートは下からせり上がってくる越流タイプのものです。つまり、流量が少なくすると、上流水位が下がりますが、この水位低下を検出して、ゲートが上昇させて水位を上げ、水車に流入する落差を一定に保つという制御です。また、水車に回転方向に流量を導く案内羽根も備え、効率を高める工夫をしています。総合効率は、他の水車より落ちますが、それでも６０％ぐらいを確保しています。このタイプの水車は、良く『古典水車』、『昔の水車』などと旨われていますが、現在の水車は、羽根の形も改良され、制御に関しては先端のテクノロジーを駆使しています。日本では、この様な本格的な水車発電装置は殆ど製造されていません。日本のものは昔の面影を残した水車に発電機を取り付け、２〜３ｋＷ程度の発電をする程度のものです。」と紹介されている。
【０００４】
一方で、農業基盤整備事業が整備された今日では、所定の規格を有する農業用水路がくまなく張り巡らされ、農業灌漑の普及に貢献している。このような水路幅が概ね４ｍ程度の規格化された農業用水路では、常に流量が１０ｍ３／ｓ程度の水量で、一定の水位を保つように規格化されて整備されている。しかしながら、この所定の規格の尿業容水路は、専ら農業灌漑に利用されるのみであって、それ以外の利用については、未整備であり、ましてや、当該農業用水路に簡易に設置される流水式水力発電装置に関する先行文献は見当たらず、そもそも水力発電を目的とした農業用水路の流速分布のデーターも見当たらない。
【非特許文献１】http://www2.tba.t-com.ne.jp/hmc/Turbine/ Turbine1.html
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、流量が１０ｍ３／ｓ程度ではあっても、水路幅が概ね４ｍ程度の上記規格化された農業用水路に、前述した〔非特許文献１〕に記載の水車の幅が１０ｍの流水式水車を使用することはできない。仮に、水車の幅を農業用水路に変更したとしても、水車の直径が４〜７ｍでは、現場で組み立てなければならず、設置に手間が掛かることになるとともに、このような費用対効果を検討した場合、実用に適した発電出力となるかどうかも不明である。
【０００６】
そこで、本願発明は、組み立て解体が容易で農業用水路に簡単に設置でき、実用に適した発電出力が得られる簡易設置型の流水式水力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、本願出願人は鋭意研究した結果、所定形状の羽根と枚数を備える水車により、上記目的を達成することができるとの知見を得た。
本願発明はこの知見に基づくものであって、本願請求項１に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、農業用水路に設置される回転軸が水平の水平軸型水車と該水車に連設される発電機とからなり、前記水車の回転直径は略２ｍであって該水車は長辺方向が前記水平軸に平行となる４枚、６枚または８枚の長方形の平板状の羽根を備え、前記羽根の前記農業用水路に水没する深さは該羽根の短辺の長さに略一致する、ことを特徴としている。
また、本願請求項２に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１に記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記羽根の先端部には該羽根の長辺全体が川上方向に直角に曲折された底板とともに両端部には川上方向に直角に曲折された略矩形の側板が備えられ、前記側板間の前記羽根の表面には複数の略矩形の仕切り板が略等間隔かつ該側板に平行に川上方向に突設されている、ことを特徴としている。
そして、本願請求項３に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１または請求項２に記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記水車の羽根は６枚であり、前記羽根の長辺の長さは前記農業用水路の幅の略７５％であり、前記羽根の短辺の長さは略０．４５ｍであり、前記底板および前記側板の川上方向への突出長さは略０．３０ｍであって、前記羽根を側面から見たときに前記仕切り板は該側板内に収まっている、ことを特徴としている。
前記水車の羽根は６枚であり、前記羽根の長辺の長さは前記農業用水路の幅の略７５％であるとともに該羽根の短辺の長さは略０．４５ｍである、ことを特徴としている。
さらに、本願請求項４に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１ないし請求項３に記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記水車は前記農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁に懸吊されるとともに該水平梁は該側壁に対して着脱可能であり、該水平梁は前記側壁の天端に対するレベルを調整する高さ調整具を備えている、ことを特徴としている。
また、本願請求項５に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１ないし請求項４に記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記水車の高さは水車の回転直径である略２ｍ、前記水車の前記農業用水路に平行な長さは２本の水平梁の外々間距離である略２．２５ｍ、前記水車の前記農業用水路に直交する幅は該農業用水路幅＋略０．６ｍである、ことを特徴としている。
そして、本願請求項６に係る簡易設置型流水式水力発電装置は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の簡易設置型流水式水力発電装置であって、前記農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁の下部に、前記水車を平面的に囲繞して回動自在に軸支する矩形のフレームを渡設し、該矩形のフレームの該２本の水平梁に平行な一辺が該２本の水平梁の一方に回動自在に軸支されるとともに、該２本の水平梁に平行な他の一辺が該２本の水平梁の他方から縣吊されて、前記農業用水路に対する該水車の高さを所望の位置で固定可能とする、ことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本願発明は、水車の長方形の平板状の羽根を４枚、６枚または８枚の偶数枚としている。このため、水車はバランスよく滑らかに回転し、水車の回転中は常に複数の羽根が水中に在ることになる。さらに、羽根を６枚とした場合には、先行する羽根により発生する水の渦が後続する羽根に与える影響を最小限に抑え、水流の特性を大幅に低下させることがなく、かつ、羽根の水上側の表面には側板や仕切り板が突設されていて、効率よく水を保持するため、発電出力を大きくすることができる。
【０００９】
本願発明に係る水車の大きさを高さ略２ｍ×長さ略２．２５ｍ×幅（農業用水路幅＋略０．６ｍ）としている。多くの農業用水路幅が４ｍ程度であることから、多用される水車の大きさは、高さ略２ｍ×長さ略２．２５ｍ×幅略４．６ｍとなる。この寸法は、車両保安基準における貨物の制限寸法である横２．２ｍ×縦５．５ｍ×高さ２．３ｍ以内のサイズとなり、かつ、重量を２，０００ｋｇ以内とすることにより、普通トラックに載せて公道を運搬することができる。また、当該水車は２本の水平梁に懸吊されるとともに該水平梁は農業用水路の側壁に対して着脱可能であるため、
（１）普通トラックに載せて現地に運び、簡易クレーン車で短時間に農業用水路に設置できるとともに、取り外して搬出も短時間でできる。
（２）農業用水路および農業用水路保護フェンスをいじることなく設置でき、水力発電装置の固定に特別な加工を必要としない。
（３）現地における組み立てに際し、特別な加工を必要としないで、水車に発電機を接続するだけで、水力発電装置の設置が完了する。
【００１０】
水車の羽根の長辺の長さを農業用水路の幅の略７５％とし、羽根の短辺の長さを略０．４５ｍとし、さらに、羽根には底板や側板を備えているため、流水のエネルギーを有効に利用することができる。すなわち、羽根の長辺の長さは農業用水路の幅により決定されるが、水の粘性により農業用水路の側壁に接する部分では流速が最も小さく、中央部分が最も大きくなる。このため、羽根の長辺の長さを農業用水路の幅の略７５％とすることにより、流速の大きい部分を利用することになるとともに、羽根の左右にクリヤーエリアを設けることになるので、水車を通過した水流の運動エネルギーの回復が促進され、農業用水路に流れるごみ等が水車に絡みつくことがない。また、水車の羽根の短辺の長さは水没する深さに大きく影響するが、本願発明では、車両保安基準に適した水車の大きさとするべく水車も回転直径を略２ｍとしているため、水車の羽根の水没する深さを大きくすれば、水に突入する羽根と水面との接触角度が小さくなり、水との接触抵抗が増して、音と渦が発生し、却って水車を回転させる抗力が増加しない傾向にある一方で、水没する深さが浅ければ、水没する羽根の面積が小さくなり抗力が小さくなる。このため、羽根の短辺の長さを略０．４５ｍとすることにより、水車の回転直径を略２ｍとする制限内で水没する羽根の抗力を大きくすることができ、０．１ｍ程度上下する農業用水路の水位変動にも対応することができる。
【００１１】
水車を懸吊する２本の水平梁は農業用水路の側壁の天端に対するレベルを調整する高さ調整具を備えているため、農業用水路に設置する際の水車の羽根の水没深さを最適な状態とすることができる。なお、高さ調整具としては水平梁と農業用水路の側壁の天端との間にプレートを挿入しても良く、水平梁にレベル調整用ボルトを螺入してその先端を農業用水路の側壁の天端に当接させ、該レベル調整用ボルトの螺入長さを調整することにより、農業用水路の側壁の天端に対する水平梁の高さを調整するようにしても良い。
【００１２】
農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁の下部に水車を軸支する矩形のフレームを渡設し、この矩形のフレーム自体を回動自在として農業用水路に対する水車の高さを所望の位置で固定可能としているため、農業用水路の水位の如何に拘わらず、水車の羽根の水没深さを最適な状態とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、本願発明の実施例１および実施例２の構成および設置方法について、図１ないし図７に基づいて説明する。なお、図１は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の斜視図であり、図２は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の側面図であり、図３は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の正面図であり、図４は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の平面図であり、図５は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の農業用水路の取付け状況図であり、図６は、実施例１に係る２台の簡易設置型流水式水力発電装置を農業用水路に取付けた状況の斜視図であり、図７は、実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置の側面図である。
【００１４】
図１ないし図７において、符号１は実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置、符号２は実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置、符号３は水車、符号６は発電機、符号２０は回転体、符号２１は回転軸、符号２３はスポーク、符号２５は羽根、符号２７は底板、符号２９は側板、符号３１は仕切り板、符号３３はつなぎ棒、符号３５は大プーリー、符号４０は支持体、符号４１は水平梁、符号４３は水平補助梁、符号４５は懸吊材、符号４７は横架梁、符号４９は軸受け板、符号５１は高さ調整具、符号５３は矩形のフレーム、符号５３１は水平梁平行部材、符号５３２は水平梁直交部材、符号５５は揚重器、符号６１は発電機本体、符号６３は小プーリー、符号６５はベルト、符号６７は送電器、符号８０は農業用水路、符号８１は側壁、符号８３は流水、である。
【実施例１】
【００１５】
まず、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置１の構成について、図１ないし図６を基に説明する。
【００１６】
簡易設置型流水式水力発電装置１は、主に、水車３と発電機６とから構成され、さらに、水車３は、主に、回転体２０と回転体２０を支持する支持体４０とから構成されている。
【００１７】
水車３を構成する回転体２０は、円筒状の水平材である回転軸２１と、回転軸２１の両サイドから直交して放射状に延伸する６対のスポーク２３、２３、・・・と、それぞれの１対のスポーク２３の先端にその長辺方向を回転軸２１に平行となるように固着される長方形の平板の６枚の羽根２５、２５、・・・と、羽根２５の先端部に羽根２５の長辺が回転体２０の回転方向とは逆方向（すなわち川上方向）に折り曲げられたような状態で羽根２５に直交して固着される底板２７と、羽根２５の両端部にあって羽根２５を回転体２０の回転方向とは逆方向（すなわち川上方向）に折り曲げられたような状態で羽根２５に直交して固着される側板２９と、羽根２５の中間部に側板２９と同方向にかつ等間隔に固着される３枚の仕切り板３１、３１、・・・と、羽根２５の両端部にあって側板２９同士を連結するつなぎ棒３３と、回転軸２１の一端に回転軸２１に直交して固着されるリング状の大プーリー３５と、から構成されている。そして、回転体２０を構成する回転軸２１、６対のスポーク２３、２３、・・・、６枚の羽根２５、２５、・・・、側板２９、つなぎ棒３３および大プーリー３５は一体となって回転するようになっている。
【００１８】
実施例１では、回転体２０の回転直径は２ｍであって、この２ｍがそのまま簡易設置型流水式水力発電装置１の高さとなっている。そして、長方形の羽根２５の長辺の長さは農業用水路８０の幅である４ｍの７５％に相当する３ｍであり、長方形の羽根２５の短辺の長さは０．４５ｍとなっている。
また、羽根２５の先端部が直角に川上方向に曲折されたような底板２７は、その川上方向への突出長さが０．３０ｍであり、羽根２５の両端部が曲折されたような側板２９は、側面から見た形状が回転体２０の中心に向かってその幅が徐々に狭まった矩形に近い台形であって、台形の底辺の長さは底板２７の突出長さと同様の０．３０ｍである。また、側板２９と側板２９間の羽根２５の表面には等間隔に３枚の仕切り板３１、３１、・・・が側板２９の突設方向と同方向に突設されていて、側面から見た形状は回転体２０の中心に向かってその幅が徐々に広がった矩形に近い台形となっていて、羽根２５を側面から見たときに、すなわち、農業用水路８０の側壁８１から見たときに、仕切り板３１の形状は側板２９の形状よりも小さくて側板２９内に収まったようになっている。
【００１９】
水車３を構成する支持体４０は、農業用水路８０の両側壁８１、８１間に架け渡される１対の水平梁４１、４１と、水平梁４１から１対の懸吊材４５、４５を介して平行に懸吊される１対の水平補助梁４３、４３と、１対の水平補助梁４３、４３に直交して架け渡される１対の横架梁４７、４７と、１対の横架梁４７、４７の中央部から垂設される１対の軸受け板４９、４９と、から構成されている。そして、１対の軸受け板４９、４９により、回転軸２１の両端部が回動自在に軸支されて、回転体２０自体が回動自在となっている。
【００２０】
実施例１では農業用水路８０の幅を４ｍと想定していることから、水平梁４１の長さを４．６ｍとしている。この４．６ｍがそのまま簡易設置型流水式水力発電装置１の長さとなっている。そして、１対の水平梁４１、４１の外々間距離は２．２５ｍであり、簡易設置型流水式水力発電装置１の幅となっている。
【００２１】
発電機６は、発電機本体６１と、小プーリー６３、とから構成されていて、発電機本体６１は支持体４０に固着され、小プーリー６３はベルト６５を介して大プーリー３５の回転に連動するようになっている。
そして、発電機６が水車３と一体化されることにより、簡易設置型流水式水力発電装置１全体の高さ×長さ×幅は、２ｍ×４．６ｍ×２．２５ｍとなるとともに、簡易設置型流水式水力発電装置１自体の重量も２，０００ｋｇ以下となっている。
【００２２】
ここで、簡易設置型流水式水力発電装置１の設置例について順序を追って説明する。
（１）全体の高さ×長さ×幅が２ｍ×４．６ｍ×２．２５ｍで総重量が２，０００ｋｇの簡易設置型流水式水力発電装置１は、普通トラックに載せて現地まで運搬される。
（２）現地に搬入された簡易設置型流水式水力発電装置１は、小型クレーン車などで吊り下げられ、２本の水平梁４１、４１が農業用水路８０の両岸の側壁８１上に架け渡される。
（３）架け渡された２本の水平梁４１、４１は、羽根２５の流水８３に対する水没深さが羽根２５の短辺の長さに略一致するように高さ調整具５１によりレベル調整された後、側壁８１上に固定される。なお、２本の水平梁４１、４１の側壁８１に対する掛かり代は、略０．３ｍとなる。
【００２３】
以上の手順を経て、簡易設置型流水式水力発電装置１は農業用水路８０に設置され、羽根２５を介して流水８３の運動エネルギーを得て、回転体２０が連続して回転する。回転体２０の回転に伴い、大プーリー３５が回転し、大プーリー３５の回転がベルト６５を介して小プーリー６３に伝えられて、発電機６が稼動して発電される。
図６は、２台の簡易設置型流水式水力発電装置１を農業用水路８０に直列に設置した例を示していて、２台の簡易設置型流水式水力発電装置１で発電された電気は、送電器６７を介して所定の場所に送電される。なお、図６に示すように、同一の農業用水路に複数台の簡易設置型流水式水力発電装置１、１、・・・を設置する場合の簡易設置型流水式水力発電装置１の設置間隔は、簡易設置型流水式水力発電装置１を通過した流水８３の運動エネルギーが回復する必要があることから、最低限、設置する農業用水路幅の２．５倍の間隔が必要となる。具体的には、農業用水路幅が４ｍの場合、簡易設置型流水式水力発電装置１の設置間隔は１０ｍとなり、農業用水路の長さが１００ｍでは、１１台の簡易設置型流水式水力発電装置１の設置が可能になる。
【実施例２】
【００２４】
つぎに、実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置２の構成について説明するが、簡易設置型流水式水力発電装置２は簡易設置型流水式水力発電装置１と略同様の構成であり、異なるところは、水車３の軸支部分であるので、ここでは、主に、簡易設置型流水式水力発電装置２の軸支部分の構成とその作用について図７を基に説明する。
【００２５】
簡易設置型流水式水力発電装置の水車３は、平面的に見て矩形のフレーム５３に囲繞されていて、この矩形のフレーム５３は、１対の水平梁４１、４１のそれぞれに平行な１対の水平梁平行部材５３１、５３１と、１対の水平梁平行部材５３１、５３１の両端部に架け渡される１対の水平梁直交部材５３２、５３２とから構成されている。そして、水平梁直交部材５３２、５３２の中央部から垂設される１対の軸受け板により、回転軸２１の両端部が回動自在に軸支されて、回転体２０自体が回動自在となっている。
【００２６】
矩形のフレーム５３の下流側は回動自在に下流側に位置する水平梁４１に軸支されるとともに、矩形のフレーム５３の上流側は上流側に位置する水平梁４１に設置される揚重器５５からワイヤーロープを介して懸吊されていて、この揚重器５５によりワイヤーロープの出し入れが行われて、矩形のフレーム５３の回動角度を任意の角度で保持することができるようになっている。すなわち、この矩形のフレーム５３自体を任意の角度で保持することにより、回転体２０は農業用水路８０の水面に対する所望の高さとすることができるようになっている。
なお、この揚重器５５は水平梁４１の両端にそれぞれ１台ずつ設置されている。
【００２７】
このような構成により、水車３は、農業用水路の水位の如何に拘わらず、水車の羽根２５の水没深さを揚重器５５の操作により最適な状態とすることができる。
【００２８】
簡易設置型流水式水力発電装置２の設置例については、前述した、簡易設置型流水式水力発電装置１の設置例と同様であるので、その説明を省略する。
【００２９】
つぎに、簡易設置型流水式水力発電装置に対し、出願人が行った一連の予備実験について図８ないし図１０を基に説明する。なお、図８は、農業用水路の流速分布を示す図であり、図９は、簡易設置型流水式水力発電装置の回転数と発電出力との関係図であり、図１０は、発電機の回転数と発電出力との関係図である。
なお、これら一連の予備実験は平成１９年５月１１日に長野県松本市大字梓川梓地先所在の中信平二期農業水利事業者管内の矢崎放流工上流で行ったものである。
【００３０】
まず、農業用水路の流速分布について説明する。流速分布は水深０．１ｍと水深１．０ｍについて計測したが、水深の測定はロープの長さによるものであり、実際に計測した水深は場所により最大０．３ｍ程度変化し、また、水深１．０ｍではロープが流されて弛むため実際にはもっと浅い水深となる。
この計測結果を表１（流速計測：水深０．１ｍ）および表２（流速計測：水深１．０ｍ）に示すが、水深０．１ｍでは右岸から２．７７０ｍの位置で最大流速となりその値は２．２６０ｍ／ｓであった。また、水深１．０ｍでは右岸から２．７６２ｍの位置で最大流速となりその値は２．３２３ｍ／ｓであった。すなわち、流速は水深０．１ｍより１．０ｍのほうが若干高く、最大流速位置は農業用水路中心（右岸から２．０００ｍ）より０．２６ｍ〜０．２７ｍ左岸に寄っている。これは計測点上流で農業用水路が右に曲がっていることに拠るものと思料される。この表に基づいてグラフ化したものが図８である。
【表１】
【表２】
【００３１】
図８では、Ｘ軸を右岸からの距離（単位：ｍ）とし、Ｙ軸を流速（単位：ｍ／ｓ）としていて、黒丸が水深０．１ｍの場合を示し、白三角が水深１．０ｍの場合を示している。また、実線は右岸より２．５ｍをＶｍａｘとした１／７乗則分布線であり、点線は農業用水路中心をＶｍａｘとした１／７乗則分布線である。なお、１／７乗則分布は下記の式で与えられる。
図８に示すように、流速分布は、右岸より２．５ｍをＶｍａｘとした１／７乗則分布に近く、流速は水深が深い方（１．０ｍ）が若干高いが、農業用水路中央付近ではほとんど差がないといえる。
【数１】
【００３２】
つぎに、上記流速分布を参考にして、本願発明に係る簡易設置型流水式水力発電装置の最適基本仕様を検討するために行った予備実験について説明する。
この実験に使用した簡易設置型流水式水力発電装置の仕様は以下の通りである。
（１）形式：流水式小型水力発電機
（２）水車の形式：水平軸式抗力方水車
（ア）水車の回転直径：２ｍ
（イ）水車の幅：農業用水路の７５％
（ウ）水車の羽根の高さ：０．４５ｍ
（エ）水車の羽根の枚数：６枚
（３）水車の標準水没水深：０．４５ｍ
（４）水車の回転数：２０ｒｐｍ（流速２ｍ／ｓ時）
（５）発電機
名称：三相密閉型自励発電機１．５ＫＶＡ
連続定格出力：１．５ＫＶＡ（１５００ｒｐｍ時）
励磁方式：強力永久磁石
出力波：三相交流サイン波
１相定格出力電流：８．１Ａ
本体質量：９．８ｋｇｆ
無負荷時出力電圧：１５００ｒｐｍ（約１２０Ｖ）
（１相８Ａ時約１０２Ｖ）
５００ｒｐｍ（約４０Ａ）
２５０ｒｐｍ（約２０Ａ）
三相整流直流化後定格出力電流：約１４．１Ａ
（６）回転増速装置
二段増速装置 一段目：遊星歯車（３：１）
二段目：プーリー方式
（小プーリー直径７１ｍｍ）
（大プーリー直径１０００ｍｍ）
【００３３】
この簡易設置型流水式水力発電装置の回転数と発電出力の実験結果を表３（流速２．０８ｍ／ｓ時）および表４（流速２．３８ｍ／ｓ時）に示し、この表に基づいてグラフ化したものを図９に示す。
【表３】
【表４】
【００３４】
図９では、Ｘ軸を水車の回転数（単位：ｒｐｍ）とし、Ｙ軸を発電出力（単位：Ｗ）としていて、白丸が流速２．０８ｍ／ｓの場合を示し、黒三角が流速２．３８ｍ／ｓの場合を示している。また、図９における実線はηｎ（総合効率×有効羽根枚数）近似曲線である。
表３、表４および図９に示すように、流速２．０７ｍ／ｓで計測された最大電流は２１６Ｗ（回転数１７．２ｒｐｍ）となった。これを流速２．００ｍ／ｓに換算すると１４３Ｗとなる。なお、これ以上の電力を得るため電流を多く流しても、電圧が低下してしまい、電力が小さくなる。したがって、この電力が今回使用した発電機の（この回転における）能力の限界と判断できる。また、ηｎ（総合効率×有効羽根枚数）は平均１．４６３となる。
【００３５】
この簡易設置型流水式水力発電装置に使用した発電機の性能曲線を図１０に示す。
図１０では、Ｘ軸を水車の回転数（単位：ｒｐｍ）とし、Ｙ軸を発電出力（単位：Ｗ）としていて、この予備実験で得られた測定値を、流速２ｍ／ｓにおける回転数と出力との関係に修正してプロットしたものである。
この図１０により、流速２ｍ／ｓにおいて、水車の回転数が７．０７ｒｐｍのとき、発電出力は８００Ｗとなり、この値が流速２ｍ／ｓにおける本発電機の最高出力となる。なお、水車の回転数が７．０７ｒｐｍより低下すると、発電出力は急速に低下する。
【００３６】
上記予備実験の結果を検討し、本願発明に係る簡易設置型流水式水力発電装置を以下の基本仕様とした。
（１）形式：流水式小型水力発電機
（２）水車の形式：水平軸式抗力方水車
（ア）水車の回転直径：２ｍ
（イ）水車の幅：農業用水路の７５％
（ウ）水車の羽根の高さ：０．４５ｍ
（エ）水車の羽根の枚数：６枚
（３）水車の標準水没水深：０．４５ｍ
性能については、表５および図１０に示す。
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の斜視図であり、である。
【図２】図２は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の側面図である。
【図３】図３は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の正面図である。
【図４】図４は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の平面図である。
【図５】図５は、実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置の農業用水路の取付け状況図である。
【図６】図６は、実施例１に係る２台の簡易設置型流水式水力発電装置を農業用水路に取付けた状況の斜視図である。
【図７】図７は、実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置の側面図である。
【図８】図８は、農業用水路の流速分布を示す図である。
【図９】図９は、簡易設置型流水式水力発電装置の回転数と発電出力との関係図である。
【図１０】図１０は、発電機の回転数と発電出力との関係図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 実施例１に係る簡易設置型流水式水力発電装置
２ 実施例２に係る簡易設置型流水式水力発電装置
３ 水車
６ 発電機
２１ 回転軸
２５ 羽根
２７ 底板
２９ 側板
３１ 仕切り板
４１ 水平梁
５１ 高さ調整具
５３ 矩形のフレーム
８０ 農業用水路
８１ 側壁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
農業用水路に設置される回転軸が水平の水平軸型水車と該水車に連設される発電機とからなり、
前記水車の回転直径は略２ｍであって該水車は長辺方向が前記水平軸に平行となる４枚、６枚または８枚の長方形の平板状の羽根を備え、
前記羽根の前記農業用水路に水没する深さは該羽根の短辺の長さに略一致する、ことを特徴とする簡易設置型流水式小型水力発電装置。
【請求項２】
前記羽根の先端部には該羽根の長辺全体が川上方向に直角に曲折された底板とともに両端部には川上方向に直角に曲折された略矩形の側板が備えられ、
前記側板間の前記羽根の表面には複数の略矩形の仕切り板が略等間隔かつ該側板に平行に川上方向に突設されている、ことを特徴とする請求項１に記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【請求項３】
前記水車の羽根は６枚であり、
前記羽根の長辺の長さは前記農業用水路の幅の略７５％であり、
前記羽根の短辺の長さは略０．４５ｍであり、
前記底板および前記側板の川上方向への突出長さは略０．３０ｍであって、前記羽根を側面から見たときに前記仕切り板は該側板内に収まっている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【請求項４】
前記水車は前記農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁に懸吊されるとともに該水平梁は該側壁に対して着脱可能であり、該水平梁は前記側壁の天端に対するレベルを調整する高さ調整具を備えている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【請求項５】
前記水車の高さは水車の回転直径である略２ｍ、前記水車の前記農業用水路に平行な長さは２本の水平梁の外々間距離である略２．２５ｍ、前記水車の前記農業用水路に直交する幅は該農業用水路幅＋略０．６ｍである、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【請求項６】
前記農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁の下部に、前記水車を平面的に囲繞して回動自在に軸支する矩形のフレームを渡設し、
該矩形のフレームの該２本の水平梁に平行な一辺が該２本の水平梁の一方に回動自在に軸支されるとともに、該２本の水平梁に平行な他の一辺が該２本の水平梁の他方から縣吊されて、前記農業用水路に対する該水車の高さを所望の位置で固定可能とする、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【請求項１】
農業用水路に設置される回転軸が水平の水平軸型水車と該水車に連設される発電機とからなり、
前記水車の回転直径は略２ｍであって該水車は長辺方向が前記水平軸に平行となる４枚、６枚または８枚の長方形の平板状の羽根を備え、
前記羽根の前記農業用水路に水没する深さは該羽根の短辺の長さに略一致する、ことを特徴とする簡易設置型流水式小型水力発電装置。
【請求項２】
前記羽根の先端部には該羽根の長辺全体が川上方向に直角に曲折された底板とともに両端部には川上方向に直角に曲折された略矩形の側板が備えられ、
前記側板間の前記羽根の表面には複数の略矩形の仕切り板が略等間隔かつ該側板に平行に川上方向に突設されている、ことを特徴とする請求項１に記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【請求項３】
前記水車の羽根は６枚であり、
前記羽根の長辺の長さは前記農業用水路の幅の略７５％であり、
前記羽根の短辺の長さは略０．４５ｍであり、
前記底板および前記側板の川上方向への突出長さは略０．３０ｍであって、前記羽根を側面から見たときに前記仕切り板は該側板内に収まっている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【請求項４】
前記水車は前記農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁に懸吊されるとともに該水平梁は該側壁に対して着脱可能であり、該水平梁は前記側壁の天端に対するレベルを調整する高さ調整具を備えている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【請求項５】
前記水車の高さは水車の回転直径である略２ｍ、前記水車の前記農業用水路に平行な長さは２本の水平梁の外々間距離である略２．２５ｍ、前記水車の前記農業用水路に直交する幅は該農業用水路幅＋略０．６ｍである、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【請求項６】
前記農業用水路の左右の両側壁の天端に架設される２本の水平梁の下部に、前記水車を平面的に囲繞して回動自在に軸支する矩形のフレームを渡設し、
該矩形のフレームの該２本の水平梁に平行な一辺が該２本の水平梁の一方に回動自在に軸支されるとともに、該２本の水平梁に平行な他の一辺が該２本の水平梁の他方から縣吊されて、前記農業用水路に対する該水車の高さを所望の位置で固定可能とする、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の簡易設置型流水式水力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１２７４４７（Ｐ２００９−１２７４４７Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３００６０９（Ｐ２００７−３００６０９）
【出願日】平成１９年１１月２０日（２００７．１１．２０）
【特許番号】特許第４１５７５９０号（Ｐ４１５７５９０）
【特許公報発行日】平成２０年１０月１日（２００８．１０．１）
【出願人】（５０７３８３００２）株式会社シグナスミル (1)
【出願人】（５０７３８３０１３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２０日（２００７．１１．２０）
【特許番号】特許第４１５７５９０号（Ｐ４１５７５９０）
【特許公報発行日】平成２０年１０月１日（２００８．１０．１）
【出願人】（５０７３８３００２）株式会社シグナスミル (1)
【出願人】（５０７３８３０１３）
【Ｆターム（参考）】
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