JP2007016765A

JP2007016765A - 水力発電システム

Info

Publication number: JP2007016765A
Application number: JP2005245659A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Suzuki; 重人鈴木
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】勾配を有するトンネルから排水される湧水を有効利用できる水力発電システムを提供すること。
【解決手段】水力発電システム１は、勾配αを有するトンネル２に沿って配され、トンネル２よりも低所へ延びてトンネル２からの湧水３を集めて流す流路４と、流路４の下端側に配された水力発電手段５とを備えている。流路４は、トンネル２に沿って配される傾斜管路６と、傾斜管路６の下端６ａと水力発電手段５とを接続する誘導管路７とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネルからの湧水等の排水を利用する水力発電システムに関する。

山岳地帯を通過する高速道路や自動車専用道路、一般道路では、車両の高速通行を確保するために、長いトンネルがしばしば施工される。
このようなトンネル内には、大量の湧水が流出する。そのため、トンネルの安全を確保するために、湧水をトンネル外に排出する必要がある。
通常、このような湧水は、特に使用されないまま下流側に排水されている。

しかしながら、例えば、延長約１０ｋｍにもわたる長大トンネルの場合、約１２トン／分にものぼる湧水量のトンネルがある。近年、省エネルギー等の観点から、資源を有効に利用することが叫ばれており、このような大量の湧水についても何らかの有効活用を図る手段が求められている。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、勾配を有するトンネルから排水される湧水を有効利用できる水力発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る水力発電システムは、勾配を有するトンネルに沿って少なくとも一部が配され、前記トンネルよりも低所へ延びて前記トンネルからの排水を集めて流す流路と、
前記流路の下端側に配された水力発電手段とを備えていることを特徴とする。

この水力発電システムは、流路の一部がトンネルに沿って勾配を有して配されているので、流路を流れる排水に位置エネルギー及びこれに基づく運動エネルギーを与えることができる。従って、このエネルギーを用いて水力発電手段を駆動して発電することができる。

また、本発明に係る水力発電システムは、前記水力発電システムであって、前記流路が、前記トンネルに沿って配される傾斜管路と、該傾斜管路の下端と前記水力発電手段とを接続する誘導管路とを備えていることを特徴とする。
この水力発電システムは、傾斜管路を、例えば、湧水等の排水を効率よく集め、かつ流す管路とし、誘導管路を、湧水等のエネルギーを効率よく伝達する管路とすることによって、排水が有するエネルギーを好適に水力発電手段に伝達することができる。

また、本発明に係る水力発電システムは、前記水力発電システムであって、前記流路が、内部で前記傾斜管路を水没させた状態で配する流路本管を備え、前記傾斜管路の上端が開口し、かつ、側面が水密構造となっていることを特徴とする。
この水力発電システムは、傾斜管路が流路本管内で水没しているので、傾斜管路内全体に排水を充填することができる。従って、傾斜管路の上端を取水地点とすることができ、傾斜管路内の水の全体ヘッドを水力発電手段に有効利用することができる。

また、本発明に係る水力発電システムは、前記水力発電システムであって、前記傾斜管路が、前記流路本管の途中から下流側に配されていることを特徴とする。
この水力発電システムは、流路本管に対する傾斜管路の上端の位置によって、傾斜管路に流れる排水のヘッドと流量とを変化させることができ、発電に必要なヘッドと流量とを調整することができる。

本発明によれば、各種トンネルのメンテナンス用の電源として、現状の電力系と併用することができ、湧水等の排水の有効活用を図ることができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１を参照して説明する。
本実施形態に係る水力発電システム１は、高所２ａと低所２ｂとの間で勾配αを有するトンネル２に沿って配され、トンネル２よりも低所へ延びてトンネル２からの湧水３を集めて排水するために流す流路４と、流路４の下端側に配された水力発電手段５とを備えている。

流路４は、トンネル２に沿って配される傾斜管路６と、傾斜管路６の下端６ａと水力発電手段５とを接続する誘導管路７とを備えている。
傾斜管路６は、トンネル２の全長にわたって配されている。そのため、傾斜管路６の勾配は、トンネル２の勾配と略同一となっている。

傾斜管路６の管壁には、トンネル２の高所２ａ側から湧水３を管路内に集めるための不図示の水抜き孔が、所定の配置で形成されている。
誘導管路７は、傾斜管路６の下端６ａに一端７ａが接続され、下流側の他端７ｂがそこから略鉛直下方に延びて配されている。誘導管路７の長さは、トンネル２の低所２ｂに対して水力発電手段５の配設位置が所定の標高差となるように規定されている。

水力発電手段５は、水車８と、この水車８に連結された回転軸１０と、回転軸１０の回転力によって電気エネルギーを発生させる発電機１１とを備えている。
水車８は、誘導管路７の他端７ｂの近傍の途中で、誘導管路７を流れる湧水３が水車８に当たってこれを回転させることが可能な位置に配されている。発電機１１は、不図示の電源と接続されている。

次に、本実施形態に係る水力発電システム１の作用・効果について説明する。
まず、トンネル２から湧き出た湧水３は、傾斜管路６に配された不図示の水抜き孔から傾斜管路６内に取り込まれる。そして、その位置における湧水３の位置エネルギーが傾斜管路６の勾配によって運動エネルギーに変換され、取り込まれた湧水３が下流側に流れる。傾斜管路６内を流れる湧水３がトンネル２の低所２ｂ側に流れるにつれて、流量が増大するのにともない、その運動エネルギーも増大する。

このようなエネルギーを有する湧水３が、傾斜管路６から誘導管路７に導入され、誘導管路７の高さ分のエネルギーがさらに追加されて水車８に当たってこれを回転させる。
こうして、水車８に接続された回転軸１０が回転し、発電機１１によって電力が生じる。
なお、水車８を回転させた後の湧水３は、誘導管路７の他端７ｂから排水される。

この水力発電システム１によれば、流路４の傾斜管路６がトンネル２に沿って勾配を有して配されているので、流路４を流れる排水に位置エネルギー及びこれに基づく運動エネルギーを与えることができる。従って、このエネルギーを用いて水力発電手段５を駆動して発電することができる。

例えば、高所２ａと低所２ｂとの勾配を２％としたトンネルに適用した場合、この間における水の落差は約２００ｍにも及ぶ。この場合、湧水量１２トン／分に対して、トータル発電効率を５０％とした場合、約２００ｋＷの発電量を得ることができる。

また、流路が傾斜管路６と誘導管路７とを備えているので、傾斜管路６を、例えば、湧水３等の排水を効率よく集め、かつ流す管路とし、誘導管路７を、湧水３等のエネルギーを効率よく伝達する管路として、それぞれ好適な管路を設置することができる。そして、湧水３が有するエネルギーを好適に水力発電手段に伝達することができる。

従って、得られた電力を図示しない電源に供給することにより、湧水３を有効利用することができる。
例えば、高速道路等では、トンネル２を含めて種々のメンテナンス作業が行われるが、これに必要な電力を確保する必要がある。また、トンネル２の照明装置や道路端の照明装置、サービスエリアやパーキングエリア内の設備等にも電力が必要である。通常、これらの設備への電力供給は、商用電力を利用している。しかし、上述のようにして得られた電力を併用することによって、商用電力の使用量を減らすことができる。従って、湧水３をクリーンエネルギーとして利用することができ、かつ、二酸化炭素排出量の削減につなげることができる。

また、積雪地帯を通る高速道路の場合には、得られた電力を融雪設備に利用することもできる。
この場合、湧水の温度が外気温度よりも高温のため、加熱ヒータ等によって融雪用の水を加熱する必要がなく、湧水をそのまま利用することができる。その分、融雪設備の消費電力を低減させることができる。

次に、第２の実施形態について図２及び図３を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る水力発電システム２０の流路２１が、内部で傾斜管路２３を湧水３に水没させた状態で配する流路本管２５を備えているとした点である。

この場合、傾斜管路２３の上端２３ａのみが開口し、かつ、側面が水密構造となっている。
傾斜管路２３は、流路本管２５の途中から下流側に配されている。例えば、トンネル２の高所２ａと低所２ｂとの標高差を約２００ｍとした場合、傾斜管路２３の上端２３ａと下端２３ｂとの標高差は、その中間の１００ｍとなる。

流路本管２５は、略Ｕ字溝形状となっており、上記第１の実施形態における傾斜管路２３のように、管壁には、トンネル２の高所２ａ側から湧水３を管路内に集めるための不図示の水抜き孔が、所定の配置で形成されている。

次に、本実施形態に係る水力発電システム２０の作用・効果について説明する。
トンネル２から湧き出た湧水３は、流路本管２５に配された不図示の水抜き孔から流路本管２５内に取り込まれる。そして、取り込まれた湧水３は流路本管２５内を下流側に流れ、その一部が傾斜管路２３内に取り込まれる。
この際、傾斜管路２３が、流路本管２５内で水没するように配されているので、傾斜管路２３の上端が取水地点となって、傾斜管路２３の全体が水圧管路となる。

この水力発電システム２０によれば、傾斜管路２３が流路本管２５内で水没しているので、傾斜管路２３内全体に湧水３による排水を充填することができる。従って、例えば、傾斜管路２３の径を１ｍ、流量を１トン／secとした場合、損失ヘッドとして７〜８ｍ程度を考慮することによって、傾斜管路２３内の水の全体ヘッドを水力発電手段に有効利用することができる。

また、流路本管２５に対する傾斜管路２３の上端２３ａの位置を、より上流側又はより下流側に移動させることによって、傾斜管路２３に流れる湧水３のヘッドと流量とを変化させることができ、発電に必要なヘッドと流量とを調整することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、トンネル２の断面は略円形となっているので、図４に示すように、トンネル２５内の道路２６の下方に形成された空間部２７内の底部を流路本管２８とする流路３０としてもよい。また、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、流路本管３１が、例えば、トンネル３２の道路２６下方のケーブル３３類が挿通されるエリア３５以外の場所３６に配設されていてもよい。
この場合、流路３７がトンネル３２内に形成されるので、トンネル３２内のスペースを有効利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る水力発電システムの構成を示す概略図である。本発明の第２の実施形態に係る水力発電システムの構成を示す概略図である。図２のI-I断面図である。本発明の他の実施形態に係る水力発電システムにおいて、（ａ）図２のI-I位置に相当する位置における断面図である。本発明の他の実施形態に係る水力発電システムにおいて、（ａ）図２のI-I位置に相当する位置における断面図、（ｂ）II-II位置に相当する位置における断面図である。

符号の説明

１，２０水力発電システム
４，２１流路
５水力発電手段
６，２３傾斜管路
７誘導管路
２５流路本管

Claims

勾配を有するトンネルに沿って少なくとも一部が配され、前記トンネルの低所側に延びて前記トンネルからの排水を集めて流す流路と、
前記流路の下端側に配された水力発電手段とを備えていることを特徴とする水力発電システム。
前記流路が、前記トンネルに沿って配される傾斜管路と、
該傾斜管路の下端と前記水力発電手段とを接続する誘導管路とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の水力発電システム。
前記流路が、内部で前記傾斜管路を水没させた状態で配する流路本管を備え、
前記傾斜管路の上端が開口し、かつ、側面が水密構造となっていることを特徴とする請求項２に記載の水力発電システム。
前記傾斜管路が、前記流路本管の途中から下流側に配されていることを特徴とする請求項３に記載の水力発電システム。