JP2011140814A - 取水構造及び取水方法 - Google Patents

Abstract

【課題】河川法の規制取水量を逸脱することなく、水力発電に必要とされる量の水を無駄なく取水する。
【解決手段】水力発電に用いる水を取水するための取水構造１において、河川等からの水が貯留される貯水槽１００に設けられた放水口１０１から放水される水が落着し、落着した水を水力発電設備に導く第１の水路２０１を設け、第１の水路２０１よりも放水口１０１から水平方向に遠い位置に、放水口１０１から放水される水が落着し第１の水路２０１に並行する第２の水路２０２を設ける。より好ましくは、第１の水路２０１及び第２の水路２０２は、第１の水路２０１からの取水量が水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は放水口１０１から放水される水が第１の水路２０１にのみ落着し、第１の水路２０１からの取水量が目標取水量を超える場合は余分な水が第２の水路２０２に落着するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、取水構造及び取水方法に関し、とくに取水量を河川法の規制取水量の範囲内に制限しつつ水力発電に必要とされる量の水を無駄なく取水できるようにする技術に関する。

水力発電に必要な水の河川やダム等からの取水は、河川法の規制取水量の範囲内で行わなければならない。このため、水力発電所の取水設備には河川水位に応じてゲート開度を調節するための自動制御装置が一般的に設けられている。

特許文献１には、水力発電の水路に取水するための取水制御装置として、上部フロート、上止水弁体、下止水弁体および下部フロートをこの順で配置するシャフトからなるフロート弁組立と、取水源と本水路通路間に取水開口を形成する開口板を有し、前記フロート弁組立を、前記開口上側に上部フロート、上止水弁体が配置され下側に下止水弁体および下部フロートを配置する取水構造とを含み、上部フロートは取水源の水位に下部フロートが本水路の水位の影響を受け、本水路通路の水位が予め定めた一定水位間にあるときにのみ前記取水開口を開の状態にして取水状態を形成するように構成した取水制御装置が記載されている。

特開２００７−２７７８０８号公報

例えば水力発電所の渓流取水設備などでは、河川水位によってゲート開度を調節するための自動制御装置が設置されていない場合がある。このような取水設備では、出水などで河川水位が高くなるとゲート（放水口）から水の流入量が増加するため、河川法の規制取水量を逸脱しないようにゲート開度を小さく設定している。しかしゲート開度を小さく設定すると十分な量の河川水がある場合においても取水量が制限されてしまい、本来発電できたはずの電力量を逸してしまうことになる。

本発明はこのような背景に鑑みてなされたもので、河川法の規制取水量を逸脱することなく、水力発電に必要とされる量の水を無駄なく取水することが可能な取水構造及び取水方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の一つは、
水力発電に用いる水を取水するための取水構造であって、水力発電に用いる水を取水するための取水構造であって、
河川等からの水を放水する放水口から放水される水が落着し、落着した水を前記水力発電設備に導く第１の水路が設けられ、
前記第１の水路よりも前記放水口から水平方向に遠い位置に、前記放水口から放水される水が落着し前記第１の水路に並行する第２の水路が設けられていることとする。

本発明の上記取水構造にあっては、例えば降水量が多く放水口から放水される水の水勢が大きい場合には放水口から放水される水が第２の水路に落着し、降水量が少なく放水口から放水される水の水勢が小さい場合には放水口から放水される水は第１の水路に落着する。このように、放水口から放水される水の量に応じて、第１の水路（導水路）及び第２の水路（排水路）の夫々に対する放水口からの水の供給量が調節される。このため、ゲート開度の自動制御装置を設けることなく、水力発電に必要とされる量の水を無駄なく取水することができる。

また本発明のうちの一つは、上記取水構造であって、
前記放水口は河川等からの水が貯留される貯水槽に設けられ、
前記放水口から放水される水の水平方向の落着位置は前記貯水槽の水位に応じて変化し、
前記第１及び第２の水路は、
前記第１の水路からの取水量が前記水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は前記放水口から放水される水が前記第１の水路にのみ落着し、
前記第１の水路からの取水量が前記目標取水量を超える場合は余分な水が前記第２の水路に落着するように設けられていることとする。

本発明によれば、第１の水路からの取水量が水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は放水口から放水される水が第１の水路にのみ落着し、取水量が目標取水量を超える場合は余分な水が第２の水路に落着する。このため、ゲート開度の自動制御装置を設けることなく、河川法の規制取水量を逸脱せずに水力発電に必要とされる量の水を無駄なく取水することができる。

尚、前記第１及び第２の水路は、前記第１の水路と前記第２の水路の境界に沿って立設された隔壁を隔てて設けられる。このようにすることで、放水口から放水される水を第１の水路又は第２の水路のいずれかに落着させることができ、水力発電に必要とされる量の水を無駄なく取水することができる。

本発明のうちの他の一つでは、前記放水口からの放水量を調節するためのゲートを設け、
前記貯水槽の水位に応じて前記ゲートの開度を所定の値に設定することにより、前記第１の水路からの取水量が前記水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は前記放水口から放水される水が前記第１の水路にのみ落着し、取水量が前記目標取水量を超える場合は余分な水が前記第２の水路に落着するように設定することとする。

このように貯水槽の水位に応じてゲート開度を適切な値に設定することで、第１の水路からの取水量が水力発電に必要な目標取水量に満たない場合は放水口から放水される水をより確実に第１の水路にのみ落着させ、取水量が目標取水量を超える場合は余分な量の水をより確実に第２の水路に落着させるようにすることができる。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、河川法の規制取水量を逸脱することなく、水力発電に必要とされる量の水を無駄なく取水することができる。

取水構造１の概略的な構成を説明する図である。 取水構造１の概略的な構成を説明する図である。 取水構造１の外観斜視図である。 取水構造１の機能を決定する各種パラメータを示す図である。 取水構造１の機能を決定する各種パラメータを示す図である。 取水構造１の設計時等においてパラメータを設定する際の設定方法を説明するフローチャートである。 ゲート幅Ｂ、開度ａ、高さｚの組み合わせの一例を示す図である。 流量Ｑ及び流速Ｖの計算方法を示す図である。 水位ｈ−流量Ｑ−流速Ｖの関係を示すグラフである。 落下水脈線の計算方法を示す図である。 最大到達距離ｂｓを求める方法を示す図である。 取水構造１の他の実施形態を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１および図２に、実施形態として説明する取水構造１の概略的な構成を示している。同図において、符号１００は河川等からの水が貯留される貯水槽である。符号２０１は貯水槽１００に設けられた放水口１０１から放水される水が落着し、落着した水を水力発電設備に導く第１の水路（導水路）である。符号２０２は第１の水路２０１よりも放水口１０１から水平方向に遠い位置に設けられ、放水口１０１から放水される水が落着する第２の水路（排水路）である。符号１０２は放水口１０１の開度（ゲート開度、開口面積）を調節するための取水ゲートである。尚、第２の水路２０２は第１の水路２０１と第２の水路２０２の境界に沿って立設された所定形状の隔壁２０３を隔てて第１の水路２０１と隣接している。

貯水槽１００の水位（水面高さ）は季節や天気などの環境の変化に応じて変化する。例えば降水量が少ない時期には河川等からの水の流入量が減って水位が低下する。また梅雨時や台風シーズンなどの降水量が多い時期には河川等からの水の流入量が増して水位が上昇する。その結果、第１の水路２０１により取水される水力発電所の取水量も貯水槽１００の水位に応じて変化する。

本実施形態の取水構造１にあっては、第１の水路２０１からの取水量が水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は放水口１０１から放水される水が第１の水路２０１にのみ落着し（図１）、取水量が目標取水量を超える場合は余分な水が第２の水路２０２に落着する（図２）ように構成されている。尚、取水構造１がこのように機能するための取水構造１の構成を決定する各種パラメータの設定方法の詳細については後述する。

図３は取水構造１の外観斜視図である。渓流河川水を堰き止める取水堰１０３によって貯水槽１００が構成され、取水ゲート１０２の開度によって放水口１０１の面積が設定される放水口１０１が取水堰１０３の側面に設けられている。取水ゲート１０２のゲート開度は所定の値に固定されている。

このように、実施形態の取水構造１によれば、第１の水路２０１からの取水量が水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は放水口１０１から放水される水が第１の水路２０１にのみ落着し、取水量が目標取水量を超える場合は余分な水が第２の水路２０２に落着する。これによれば河川法の規制取水量を逸脱することなく、水力発電に必要とされる量の水を無駄なく取水することができる。

第１の水路２０１及び第２の水路２０２は、隔壁２０３を隔てて隣接して設けられる。このため、放水口１０１から放水される水を無駄なく落着させ、水力発電所へ効率よく取水することができる。

また取水構造１には、放水口１０１からの放水量を調節するための取水ゲート１０２が設けられており、貯水槽１００の水位に応じてゲート１０２の開度を所定の値に設定することにより、第１の水路２０１からの取水量が水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は放水口１０１から放水される水がより確実に第１の水路２０１にのみ落着し、取水量が目標取水量を超える場合は余分な水がより確実に第２の水路２０２に落着する。これによれば、第１の水路２０１からの取水量が水力発電に必要な目標取水量に満たない場合は放水口１０１から放水される水をより確実に第１の水路２０１にのみ落着させ、取水量が目標取水量を超える場合は余分な量の水をより確実に第２の水路２０２に落着させるようにすることができる。

＝パラメータの設定手順＝
図４Ａ及び図４Ｂに、前述した取水構造１の機能を決定する各種パラメータを示している。図４Ａに示すように、上記パラメータには、放水口１０１の開口部の水平方向の長さであるゲート幅Ｂ（ｍ）、放水口１０１の開口部下端から開口部上端までの高さであるゲート開度ａ（ｍ）、第１の水路２０１から放水口１０１の下端までの高さ（第２の水路２０２から放水口１０１の下端までの高さ）であるｚ（ｍ）、貯水槽１００の底面から水面までの高さであるｈ（ｍ）、第１の水路２０１の水路幅であるｗ１（ｍ）、第２の水路２０２の水路幅であるｗ２（ｍ）がある。尚、説明を簡単にするため、以下の説明では第１の水路２０１の水底の高さと第２の水路２０２の水底の高さとは一致しているものとする。

図５は取水構造１の設計時等において上記パラメータを設定する際の設定方法を説明するフローチャートである。以下、同図とともにパラメータの設定手順について説明する。尚、このフローチャートに従った設定手順の全部又は一部は、必要な情報を予めデータベースに登録しておくことで、情報処理装置（コンピュータ）に自動的に実施させることもできる。

取水構造１のパラメータの設定に際しては、まず与えられた予算や設置環境（設置スペースの確保等）の制約を満たすように、ゲート幅Ｂ、開度ａ、及び高さｚの組み合わせを設定する（Ｓ５０１）。Ｓ５０２では、Ｓ５０１で設定した組み合わせの１つを取得する。図６に所定の制約の下に設定したゲート幅Ｂ、開度ａ、高さｚの組み合わせの一例を示す。尚、情報処理装置を用いてパラメータの設定を行わせる場合には、上記組み合わせは例えばユーザの操作入力によって取得する。この場合、取得した組み合わせが制約を満たしているか否かの判断を情報処理装置に行わせてもよい。

次に貯水槽１００の水位がｈである時に放水口１０１から放流される水の流量Ｑを計算し、この流量Ｑに対応する流速Ｖを計算する（Ｓ５０３）。図７に流量Ｑ及び流速Ｖの計算方法を、図８に水位ｈ−流量Ｑ−流速Ｖの関係の一例を示す。

次にＳ５０３で求めたＱ−Ｖの関係から、流量Ｑが河川法で定められた規制取水量であるとき（例えば０．１（ｍ^３／ｓ））の流速Ｖｂを求める（図５のＳ５０４）。求められた流速Ｖｂに基づき、放水口１０１から放水される水の軌跡（以下、落下水脈線と称する。）を次式により求める（図５のＳ５０５、図９）。
ここでｘは放水口１０１の中央を原点としたときの水平方向の距離であり、ｙは原点からの垂直方向の距離である。また、ｔは水の原点到達時を基準とした時間、ｇは重力加速度である。

次に上式において、ｙ＝ｚのときのｘ（以下、このｘを最大到達距離ｂｓと称する。）を求め（図５のＳ５０６、図１０）、これを第１の水路２０１の水路幅ｗ１とする。

次に設置予算や設置スペースの確保等の観点から、決定された水路幅ｗ１で第１の水路２０１を実際に設置可能であるか否かを判断する（Ｓ５０７）。設置不可能な場合（Ｓ５０７：ＮＯ）はＳ５０１に戻る。設置可能な場合（Ｓ５０７：ＹＥＳ）はＳ５０８に進む。

次に取水構造１により発電を行う水力発電所の発電量を求めるべく、Ｓ５０３で説明した方法により、貯水槽１００の水位ｈが過去１０年間の平均水位であるときの取水量（流量Ｑ）を計算する（Ｓ５０８）。続いてこの取水量から水力発電所の年間発電量を計算する（Ｓ５０９）。

Ｓ５１０では、未処理の（Ｓ５０２で未だ選択していない）ゲート幅Ｂ、開度ａ、高さｚの組み合わせが残っているか否かを判断する。未処理の組み合わせが残っている場合（Ｓ５１０：ＹＥＳ）はＳ５０３に戻る。未処理の組み合わせが残っていない場合（Ｓ５１０：ＮＯ）はＳ５１１に進む。

Ｓ５１１では、年間発電量が最大のときのゲート幅Ｂ、開度ａ、高さｚの組み合わせを採用する。尚、以上に説明したＳ５０２〜Ｓ５０６の手順は、情報処理装置を用いて自動的に実施するようにしてもよい。

以上に説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、図１１に示すように、第２の水路２０２の一部を地下に埋設するようにしても良い。この場合、第１の水路２０１及び第２の水路２０２が水平方向に占有する空間を変えることなく、第２の水路２０２に貯水できる水量を増やすことができる。

１ 取水構造
１００ 貯水槽
１０１ 放水口
１０２ 取水ゲート
１０３ 取水堰
２０１ 第１の水路
２０２ 第２の水路
２０３ 隔壁

Claims (5)

1. 水力発電に用いる水を取水するための取水構造であって、
   河川等からの水を放水する放水口から放水される水が落着し、落着した水を前記水力発電設備に導く第１の水路が設けられ、
   前記第１の水路よりも前記放水口から水平方向に遠い位置に、前記放水口から放水される水が落着し前記第１の水路に並行する第２の水路が設けられている
   ことを特徴とする取水構造。
2. 請求項１に記載の取水構造であって、
   前記放水口は河川等からの水が貯留される貯水槽に設けられ、
   前記放水口から放水される水の水平方向の落着位置は前記貯水槽の水位に応じて変化し、
   前記第１及び第２の水路は、
   前記第１の水路からの取水量が前記水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は前記放水口から放水される水が前記第１の水路にのみ落着し、
   前記第１の水路からの取水量が前記目標取水量を超える場合は余分な水が前記第２の水路に落着するように設けられている
   ことを特徴とする取水構造。
3. 請求項１に記載の取水構造であって、
   前記第１及び第２の水路は、前記第１の水路と前記第２の水路の境界に沿って立設された隔壁を隔てて設けられていることを特徴とする取水構造。
4. 水力発電に用いる水を取水するための取水方法であって、
   河川等からの水を放水する放水口から放水される水が落着し、落着した水を前記水力発電設備に導く第１の水路を設け、
   前記第１の水路よりも前記放水口からの水平方向に遠い位置に、前記放水口から放水される水が落着し前記第１の水路に並行する第２の水路を設け、
   前記第１の水路からの取水量が前記水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は前記放水口から放水される水を前記第１の水路にのみ落着させ、
   取水量が前記目標取水量を超える場合は余分な水を前記第２の水路に落着させる
   ことを特徴とする取水方法。
5. 請求項４に記載の取水方法であって、
   前記放水口は河川等からの水が貯留される貯水槽に設けられ、
   前記放水口からの放水量を調節するためのゲートを設け、
   前記貯水槽の水位に応じて前記ゲートの開度を所定の値に設定することにより、前記第１の水路からの取水量が前記水力発電に必要とされる目標取水量に満たない場合は前記放水口から放水される水が前記第１の水路にのみ落着し、取水量が前記目標取水量を超える場合は余分な水が前記第２の水路に落着するように設定する
   ことを特徴とする取水方法。