JP2011140829A - Headrace for water power generation and hydroelectric method for mountainous area - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To produce flowing water contributing to water power generation with an intermediate capacity or lower, by taking water flowing down from a mountaintop area while possessing high kinetic energy, so as to lead the water with low flow-down resistance into a waterwheel for power generation. <P>SOLUTION: A headrace for water power generation takes the water from an upper section of the flowing water in a mountain dale etc., and leads the water inward as the flowing water necessary for the running of the waterwheel for the power generation, which is installed in a lower section. The headrace, which is at least partially arranged in an inclined state, leads the flowing water, taken by a sidlingly arranged section, into the waterwheel for the power generation after converting the flowing water to high-velocity flowing water from low-velocity flowing water. Additionally, the cross-sectional-direction inner periphery of the headrace is set to be decreased in inverse proportion to the flow velocity of the flowing water passing therethrough, so as to prevent the dispersion of the flowing water. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、山岳の上部の流水(例えば沢)を取水して下部に設置した発電用水車の運転に必要な流水として導入する水力発電用導水路に関する。   The present invention relates to a hydroelectric power generation conduit that takes in running water (for example, swamps) in the upper part of a mountain and introduces it as running water necessary for operation of a power generation turbine installed in the lower part.

現在、世界的な環境問題として、エネルギーの脱CO化が叫ばれ、クリーンエネルギーとしての新エネルギーの開発が急がれている。そのひとつとして、太陽光発電が実用化されつつある。ところが、太陽光発電方式は、広大な砂漠を擁する国には適するが日本には適さない。最も大きな理由は、この技術を展開する土地がないことである。これを日本で実施すれば、自然破壊や生活様式の大変化を招き、電力料金が高騰する。 Currently, as a global environmental problem, the de-CO 2 conversion of energy is screamed, and the development of new energy as clean energy is urgently needed. As one of them, photovoltaic power generation is being put into practical use. However, the solar power generation system is suitable for countries with vast deserts but not for Japan. The biggest reason is that there is no land to deploy this technology. If this is implemented in Japan, it will cause natural destruction and major changes in lifestyles, resulting in high electricity prices.

ところで、日本は広大な太平洋と日本海に挟まれた小島国であり、国土は80[%]が山林で平野はわずか20[%]である。日本は地球の自然運動サイクルの結果、海洋エネルギーに恵まれ、高湿、多雨の気候であり、水力発電には適した条件を備えている。このとこから、水力発電はクリーンエネルギーとして、太陽光、風力、潮力等による発電に比べて、注目すべきである。   By the way, Japan is a small island country sandwiched between the vast Pacific Ocean and the Sea of Japan. The land area is 80% and the forest is only 20%. Japan is blessed with marine energy as a result of the Earth's natural movement cycle, has a humid and rainy climate, and has suitable conditions for hydropower generation. From this point, hydroelectric power generation should be noted as clean energy compared to power generation by sunlight, wind power, tidal power, etc.

ここで、我が国の発電電力量を概観してみると、2009年度版のエネルギー経済統計要覧に記載の2007年度の総発電電力量は12000億[kWh]であり、その内訳は、
水力(7%) : 840億[kWh]
火力(70%) : 8400億[kWh]
原子力(22%) : 2640億[kWh]
その他(1%) : 120億[kWh]
となっている。火力や原子力は伸びているが、水力は発電量がほぼ一定となって伸びていない。その理由は、水力発電所の大規模な開発地点はすでに開発済みであり、中小規模の地点しか残されていないからである。
Here, when we look at the amount of power generated in Japan, the total amount of power generated in FY2007 described in the 2009 edition of the Energy Economic Statistics Manual is 120 billion [kWh].
Hydropower (7%): 84 billion [kWh]
Thermal power (70%): 840 billion [kWh]
Nuclear power (22%): 264 billion [kWh]
Others (1%): 12 billion [kWh]
It has become. Thermal power and nuclear power are growing, but hydropower is not growing because of almost constant power generation. The reason for this is that large-scale development sites for hydropower plants have already been developed, leaving only small and medium-sized sites.

このように、国土が狭小なため、日本では、水力発電用に適する大河がない。世界の大河としては、例えば、アメリカではミシシッピー河があり、その上流のミズーリ河と合わせると、その全長は約6019[km]、流域面積が約325万[km]である。また中国では揚子江があり、その全長は約6380[km]、流域面積は約117万[km]である。これらに対して、日本の全国土面積は約37万[km]であり、ミシシッピー河や揚子江の流域面積にも及ばない。日本で最大の河川である利根川でも、全長は約322[km]、流域面積は約17[km]である。 In this way, because the country is small, there is no large river suitable for hydropower generation in Japan. As a major river in the world, for example, there is the Mississippi River in the United States, and when combined with the Missouri River upstream, the total length is about 6019 [km] and the basin area is about 3.25 million [km 2 ]. There is Yangtze River in China, the total length is about 6380 [km], and the basin area is about 1.17 million [km 2 ]. On the other hand, the total land area of Japan is about 370,000 [km 2 ], which is less than the catchment area of the Mississippi River and the Yangtze River. The Tone River, the largest river in Japan, has a total length of about 322 [km] and a catchment area of about 17 [km 2 ].

水力発電に寄与する基本量は、「流域面積」と「降水量」の積である。直接には、「河川流量」および「落差」である。降水量の点では、日本は有利である。世界の先進国の降水量(1971〜2000年)の平均値は、平成21年度理科年表によると、
ロンドン: 750.6 [mm]
ベルリン: 570.7 [mm]
パリ : 647.6 [mm]
ローマ : 716.9 [mm]
東京 :1466.7 [mm]
である。このように、日本は降水量の点で他国を凌いでいる。
The basic amount that contributes to hydropower is the product of “basin area” and “precipitation”. Directly, it is “river flow” and “head”. Japan is advantageous in terms of precipitation. According to the 2009 science chronology, the average precipitation (1971-2000) in developed countries around the world
London: 750.6 [mm]
Berlin: 570.7 [mm]
Paris: 647.6 [mm]
Rome: 716.9 [mm]
Tokyo: 1466.7 [mm]
It is. In this way, Japan outperforms other countries in terms of precipitation.

現在用られている水力発電方式の分類法は幾つかあるが、取水法によれば、図1に示すように、(a)導水路発電方式、(b)ダム発電方式、(c)導水路ダム発電方式に分けられる(例えば、非特許文献1)。図1において、1は取水河川、2は取水堰、3は導水路、4は沈砂池、5は上水槽、6は水圧管、7は水力発電所、8は放水口、9は放流河川、10は貯水池、11はダム、12はサージタンクである。各水力発電用方式に共通している特徴は、取水堰2やダム11で水を貯めて、そこで取水河川の流水が持つ運動エネルギーを一旦ゼロとし、その取水堰2やダム11から放水口8までの落差による水圧、つまり位置エネルギーを使用することである。   There are several classification methods for hydropower generation that are currently in use. According to the intake method, as shown in Fig. 1, (a) waterway power generation method, (b) dam power generation method, (c) waterway It is divided into dam power generation methods (for example, Non-Patent Document 1). In FIG. 1, 1 is an intake river, 2 is an intake weir, 3 is a water conduit, 4 is a sand basin, 5 is a water tank, 6 is a hydraulic pipe, 7 is a hydroelectric power plant, 8 is a water outlet, 9 is a discharge river, 10 is a reservoir, 11 is a dam, and 12 is a surge tank. A common feature of each hydropower generation system is that the water is stored in the intake weir 2 and dam 11, where the kinetic energy of the water flowing in the intake river is once reduced to zero, and the outlet 8 from the intake weir 2 and dam 11 It is to use the water pressure by the head, that is, the potential energy.

ある地域で利用できる水力資源の量は、その地域の流域面積をSa[m]、平均標高をH[m]とし、年間平均降水量をR[m]とすれば、年間平均降水量のもつ位置エネルギーE[kJ]は、
E=Sa・R・g・H [kJ] (1)
で示される。gは重力加速度[m/s]である。1年間の秒数をT秒で表すと、
T=3600×24×365=31.536×10秒 (2)
となるので、位置エネルギーEを、1年間を通じて使用することにすれば、単位秒当たりに得られる電力W[kW]は、
W=(Sa・R・g・H)/(31.536×10)[kW] (3)
となる。これを電力量Eh[kWh]に直すと、
Eh=W・3600[kWh] (4)
となる。一国の所有する水資源エネルギーによる電力量は、電力量Eh[kWh]を国土全体に亘って積算すれば求めることができる。このようにして求めた水資源エネルギーは、「理論包蔵水力エネルギー」と呼ばれる。
The amount of hydropower resources that can be used in a certain area is that the average annual precipitation is Sa [m 2 ], the average altitude is H [m], and the annual average precipitation is R [m]. The potential energy E [kJ]
E = Sa · R · g · H [kJ] (1)
Indicated by g is the acceleration of gravity [m / s 2 ]. Expressing the number of seconds in a year in T seconds,
T = 3600 × 24 × 365 = 31.536 × 10 6 seconds (2)
Therefore, if the potential energy E is used throughout the year, the electric power W [kW] obtained per unit second is
W = (Sa · R · g · H) / (31.536 × 10 6 ) [kW] (3)
It becomes. When this is converted into the electric energy Eh [kWh],
Eh = W · 3600 [kWh] (4)
It becomes. The amount of power generated by water resources and energy owned by one country can be obtained by integrating the amount of power Eh [kWh] over the entire country. The water resource energy obtained in this way is called “theoretical embedded hydraulic energy”.

この理論包蔵水力エネルギーのうち、経済的に開発することが可能な水力エネルギーが「経済包蔵水力エネルギー」である。世界的(先進国が主)に経済包蔵水力エネルギーは、理論包蔵水力エネルギーの20[%]程度と言われている。しかし、我が国では、山岳が多いため、鉄砲水となって海に流出してしまう流量が多いので、より少ない10〜12[%]程度と言われている。これら理論包蔵水力エネルギーと経済包蔵水力エネルギーを正確に求めることは困難である。特に、現在の水力発電方式は、先述のように、我が国には適さない大河方式が採用されているため、両包蔵エネルギーとも低目に出ることは否めない。   Among these theoretically encapsulated hydroelectric energy, hydroelectric energy that can be economically developed is "economic encapsulated hydropower energy". Globally (mainly developed countries), economic-embedded hydroelectric energy is said to be about 20% of theoretically-embedded hydroelectric energy. However, in Japan, because there are many mountains, there are many flows that flow into the sea as flash floods, so it is said that it is about 10 to 12% less. It is difficult to accurately determine these theoretically encapsulated hydroelectric energy and economic encapsulated hydropower energy. In particular, the current hydropower generation method uses the Taiga method, which is not suitable for Japan, as described above, so it cannot be denied that both energies are low.

ここで、世界最大と言われている三峡ダムの例を挙げると、このダムは、揚子江中流域で重慶よりもかなり下流に位置する。発電緒元を示すと、ダムは堤高さが185[m]、堤頂長さが2309.47[m]である。ダム湖は、その長さが約570[km]、通常水位が標高175[m]、有効貯流量が2.215×1010[m]である。発電所は、その発電機1基の発電出力が70万[kW]、この発電機が26基あるので総発電出力が26×70=1820万[kW](さらに6基増設計画)、発電電力量が850億[kWh]である。 Here, to give an example of the Three Gorges Dam, which is said to be the largest in the world, this dam is located in the middle of the Yangtze River, well downstream of Chongqing. In terms of power generation specifications, the dam has a bank height of 185 [m] and a bank top length of 2309.47 [m]. The dam lake has a length of about 570 [km], a normal water level of 175 [m], and an effective storage volume of 2.215 × 10 10 [m 3 ]. The power plant has a generator output of 700,000 [kW], and there are 26 generators, so the total power output is 26 x 70 = 18.2 million [kW] (further 6 expansion plan), The amount is 85 billion [kWh].

これに対して、我が国最大の只見川発電所(電源開発)は、ダムは堤高さが157[m]、堤頂長さが480[m]である。ダム湖は、有効貯流量が4.58×10[m]である。発電所は、発電機4基で合計発電出力が56万[kW]に過ぎない。落差においては、同程度であるが、堤頂長さは約1/5、有効貯流量では2桁近くの差がある。 In contrast, the largest Tadami River power plant in Japan (power development) has a dam height of 157 m and a crest length of 480 m. The dam lake has an effective storage capacity of 4.58 × 10 8 [m 3 ]. The power plant has only 4 generators and a total power output of only 560,000 [kW]. The head is the same, but the length of the bank is about 1/5, and there is a difference of nearly two digits in the effective storage flow rate.

前述したように、日本の水力の発電電力量は、840億[kWh]であるので、これに対して三峡ダム1箇所で発電電力量が850億[kWh]であるから、日本の水力の発電電力量は数万〜10万[kWh]の小発電所を複数集めて三峡ダム1つ分に当たることがわかる。なお、ここで、落差150[m]の位置エネルギーがもつ理論速度V[m/s]は、自由落下でV=54.21[m/s]程度であることを記しておく。   As mentioned above, the amount of power generated by hydropower in Japan is 84 billion [kWh], so the amount of power generated at one location in the Three Gorges Dam is 85 billion [kWh]. It can be seen that the amount of electric power is equivalent to one Three Gorges Dam by collecting several tens of thousands to 100,000 [kWh] small power plants. It should be noted here that the theoretical velocity V [m / s] possessed by the potential energy of the drop 150 [m] is about V = 54.21 [m / s] in free fall.

吉川・垣本・八尾 著、「発電工学」、電気学会、2003年、3頁−25頁。Yoshikawa, Kakimoto, Yao, “Power Generation Engineering”, The Institute of Electrical Engineers, 2003, pp. 3-25.

図2は、日本の水力発電の特徴を図解したものである。20A,20Bは各々の地点の流域面積部分を示している。各流域面積部分は、いくつかの沢22があり、それらが集まって川23が作られている。国土が狭いために、川23は大河にならずに、海にそのまま流出してしまうのが大半である。しかし、水路式、ダム式、あるいは水路ダム式の水力発電に適するような取水地点24が存在すれば、そのような場所が水力発電所建設の適地とされてきたのである。なお、21は山である。ダムを建設すると、水没地域が発生するため、住民の移転や名所旧跡の喪失、水質汚染や生態系への影響等の問題が発生する。しかし、幸いなことに、日本では小規模に収まっている。ちなみに、三峡ダムの例では、2007年までに140万人、さらに2020年までに230万人の強制移転が必要とされている。   Figure 2 illustrates the characteristics of Japanese hydropower. Reference numerals 20A and 20B denote basin area portions of the respective points. In each basin area, there are several rivers 22 that are gathered to form a river 23. Because the country is small, most of the rivers 23 do not become large rivers, but flow into the sea as they are. However, if there is a water intake point 24 that is suitable for hydroelectric power generation of a waterway type, a dam type, or a waterway dam type, such a place has been regarded as a suitable site for the construction of a hydroelectric power plant. Reference numeral 21 denotes a mountain. When a dam is constructed, a submerged area occurs, which causes problems such as resettlement of residents, loss of historic sites, water pollution and impact on the ecosystem. Fortunately, it is small in Japan. By the way, in the case of the Three Gorges Dam, 1.4 million people are required to be relocated by 2007, and 2.3 million people by 2020.

山の形には種々あるが、富士山形で代表される形が多い。このような山は、山頂付近の傾斜は強く、急なところでは60度もあるが、30〜45度位が多い。そして、裾野に行くにしたがって緩やかになって行くのが通常である。これまでの発電所は、図2にあるように、山の裾野や裾野からも離れた地点24に作られていた。   There are various mountain shapes, but there are many shapes represented by Mount Fuji. Such a mountain has a strong slope near the summit, which is 60 degrees in a steep place, but is about 30 to 45 degrees. And usually it becomes gentler as it goes to the bottom. Until now, the power plant was built at the base of the mountain and at a point 24 away from the base as shown in FIG.

ここで、流水が、図3のように、川23から流速V[m/s]で始点A1の所より傾斜した導水路25を流下するものとする。このとき、川23の流水の持つエネルギーは損失なく流下水の運動エネルギーに変換されるものと仮定する(以下、この流下状態を理論流下状態と呼ぶ)。始点A1を通過した後の導水路25におけるt秒後の流水の速度V(t)[m/s]は、
V(t)=g・sinθ・t+V (5)
で表される。そのときの流水の導水路25に沿った下降走行距離x(t)は、
x(t)=1/2・t・g・sinθ+V・t (6)
で表される。
Here, as shown in FIG. 3, the flowing water flows down from the river 23 at a flow velocity V 0 [m / s] through a water conduit 25 inclined from the start point A1. At this time, it is assumed that the energy of the flowing water of the river 23 is converted into the kinetic energy of the flowing water without loss (hereinafter, this flowing state is referred to as a theoretical flowing state). The velocity V (t) [m / s] of flowing water after t seconds in the water conduit 25 after passing through the starting point A1 is
V (t) = g · sin θ · t + V 0 (5)
It is represented by The descending travel distance x (t) along the water conduit 25 at that time is:
x (t) = 1/2 · t 2 · g · sin θ + V 0 · t (6)
It is represented by

図3において、次の実験をすることにする。
(1)導水路25は、その幅をa[m]、深さをd[m]とし、始点A1での値はa=5[m]、d=1[m]とする。
(2)始点A1での流水の初期の流速をV=1[m/s]とする。
(3)導水路25の傾斜角度はθ=30度で一定とする。
(4)導水路25を流下する流水は、その流量Q[m/s]に変化がなく、流下するにつれて流速V[m/s]を増し、幅a[m]を一定とすると、深さd[m]が流速V[m/s]に逆比例して浅くなる(連結の原理)。
In FIG. 3, the following experiment will be conducted.
(1) The water conduit 25 has a width a [m], a depth d [m], and values at the starting point A1 are a = 5 [m] and d = 1 [m].
(2) The initial flow velocity of running water at the starting point A1 is set to V 0 = 1 [m / s].
(3) The inclination angle of the water conduit 25 is constant at θ = 30 degrees.
(4) The flowing water flowing down the water guide channel 25 has no change in the flow rate Q [m 3 / s], the flow velocity V [m / s] increases as it flows down, and the width a [m] is constant. The depth d [m] becomes shallower in inverse proportion to the flow velocity V [m / s] (the principle of connection).

図4がその計算結果である。xは当該経過時刻tでの導水路25に沿った始点A1からの距離、Sは当該距離x地点での流水の断面積(=a×d)、bは当該距離x地点での断面Sを正四角形としたときの1辺の距離(b=√(S))である。ここで、深さd[m]をみると、t=0の地点(始点A1)では1[m]であったものが1秒後には速度V=5.9[m/s]になるため、約17[cm]に急減している。10秒後には速度V=50[m/s]でd=2[cm]となっている。30秒後には速度V=150[m/s]近くに達しd=6.8[mm]となっている。このように、理論流下状態の計算ではあるが、山の頂上付近では傾斜が急であるため、流下する流水は大きな運動エネルギーをもっていることがわかる。しかし、実際の山では、雨流量が1cm前後となっているので、その大きな運動エネルギーは看過されてきた。   FIG. 4 shows the calculation result. x is a distance from the starting point A1 along the water conduit 25 at the elapsed time t, S is a cross-sectional area of running water at the distance x point (= a × d), and b is a cross-section S at the distance x point. This is the distance (b = √ (S)) of one side when it is a regular square. Here, looking at the depth d [m], the speed V = 5.9 [m / s] after 1 second from 1 [m] at the point of t = 0 (starting point A1). , Has dropped rapidly to about 17 [cm]. After 10 seconds, the velocity V = 50 [m / s] and d = 2 [cm]. After 30 seconds, the velocity reaches near V = 150 [m / s] and d = 6.8 [mm]. Thus, although it is calculation of the theoretical flow state, since the slope is steep near the top of the mountain, it can be seen that the flowing water has a large kinetic energy. However, in the actual mountain, the rain flow is around 1 cm, so the large kinetic energy has been overlooked.

山岳頂上部の高運動エネルギーをもつ流水は、石や岩と衝突して山肌をえぐり、その運動エネルギーを消失し、長い年月をかけて沢を形成する。このように沢の中での流水は、その流速が緩やかな緩流となるため、そのまま水力発電に利用するには不向きである。しかし、その運動エネルギーを消失しないような適当な処理を施せば、水力発電のための大きな運動エネルギー源となり得る可能性をもっている。   The flowing water with high kinetic energy at the top of the mountain collides with stones and rocks, goes over the mountain surface, loses its kinetic energy, and forms a stream over many years. In this way, the flowing water in the river is unsuitable for use in hydroelectric power generation as it is because the flow velocity is gentle and slow. However, if appropriate processing is performed so as not to lose the kinetic energy, it has the potential to become a large kinetic energy source for hydroelectric power generation.

本発明の目的は、上記したような大きな運動エネルギーを持っている山岳頂上部からの流下水を取水して流下抵抗少なく発電用水車に導入できるようにし、中容量以下の発電に資する流水を生成できるようにした水力発電用導水路を提供することである。   The purpose of the present invention is to take the flowing water from the top of the mountain having a large kinetic energy as described above so that it can be introduced into a power generation turbine with low flow resistance and generate flowing water that contributes to power generation of medium capacity or less. It is to provide a hydroelectric power conduit that is made possible.

上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明の水力発電用導水路は、山岳の上部の流水を取水して下部に設置した発電用水車の運転に必要な流水として導入する水力発電用導水路であって、少なくとも一部を傾斜配置し該傾斜配置部により前記取水した流水を低速流水から高速流水に変換してから前記発電用水車に導入することを特徴とする。
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の水力発電用導水路において、各部の横断面方向の内周は、そこを通過する前記流水の流速に逆比例して小さくなるように設定されていることを特徴とする。
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の水力発電用導水路において、下流に向かうにしたがって複数の流水を合流して1つの流水に集めるように形成されていることを特徴とする。
請求項4にかかる発明は、請求項1、2又は3に記載の水力発電用導水路において、床面が低摩擦抵抗性素材で形成され、側壁が水の染み出る親水性素材で形成されていることを特徴とする。
請求項5にかかる発明は、請求項1、2又は3に記載の水力発電用導水路において、地表から浮いた空中導水路を少なくとも一部に有することを特徴とする。
請求項6にかかる発明は、請求項1、2、3又は5に記載の水力発電用導水路において、前記山岳部の高所に降った雨水あるいは融雪水を集める集水路を設け、該集水路で集めた流水を前記上端に導入することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the hydroelectric power guide channel according to the first aspect of the present invention is a hydroelectric power generation channel that takes in running water in the upper part of the mountain and introduces it as running water necessary for operation of the power generating turbine installed in the lower part. It is a water conduit, wherein at least a part is inclined and the flowing water taken by the inclined arrangement portion is converted from low-speed flowing water to high-speed flowing water and then introduced into the power generation water turbine.
According to a second aspect of the present invention, in the hydroelectric power generation channel according to the first aspect, the inner periphery in the cross-sectional direction of each part is set to be inversely proportional to the flow velocity of the flowing water passing therethrough. It is characterized by.
The invention according to claim 3 is characterized in that, in the hydroelectric power generation channel according to claim 1 or 2, the plurality of running waters are merged and gathered into one running water as going downstream. To do.
According to a fourth aspect of the present invention, in the hydroelectric power generation channel according to the first, second or third aspect, the floor surface is formed of a low friction-resistant material and the side wall is formed of a hydrophilic material that oozes out water. It is characterized by being.
The invention according to claim 5 is characterized in that in the hydroelectric power generation channel according to claim 1, 2, or 3, at least a part of the aerial channel is floating from the ground surface.
The invention according to claim 6 is the hydroelectric power guide channel according to claim 1, 2, 3, or 5, wherein a water collecting channel for collecting rainwater or snowmelt water that has fallen at a high place in the mountain is provided, and the water collecting channel The running water collected in step 1 is introduced into the upper end.

本発明の水力発電用導水路によれば、山岳の上部(例えば沢)から取水した流水は、石や岩等により減速されることがないので、運動エネルギーをほとんど消失することなく流下して発電用水車に導入されるため、大きな電力が発電可能となる。このとき、水路の各部の横断面方向の濡縁の長さを、そこを通過する流水の流速に逆比例して小さくなるように設定することにより、導水路における流水の分散を防止し抵抗損失を少なくすることができる。本発明は、以下のような特色を有している。(i)日本の国土はほとんどが山岳部であるため、多くの都道府県においても本発明の水力発電用水路を利用した発電は適用可能である。(ii)ダムを必要としないので建設費が安価であると共に、地形的に恵まれれば、1つの沢(川)でその流域に2箇所以上の水力発電用水路を設置可能であり、日本全体で膨大な発電能力を発揮できる。(iii)山岳部の上部に建設できるため、下流の河川には殆ど影響を与えない。(iv)雨は無料であるために、運転費用が殆どかからない。(v)地域ごとに発電された電力の一部は、その地で消費することにより、ソフト・パス方式への移行が早まる。(vi)金融危機で地方に有効な投資が必要となっている現在、地方活性化としても有益な投資となる。(vii)この水力発電用水路は、日本のみならず山岳地帯を持つ国で利用可能であり、特に多雨で山岳地帯の多い東南アジアでは多くの需要が見込まれる。   According to the hydroelectric power guide channel of the present invention, since the water taken from the upper part of the mountain (for example, a swamp) is not decelerated by stones or rocks, the kinetic energy flows down almost without being lost. Since it is introduced into a water turbine, a large amount of power can be generated. At this time, by setting the length of the wet edge in the cross-sectional direction of each part of the water channel so as to be inversely proportional to the flow rate of the flowing water passing therethrough, the dispersion of the flowing water in the water channel is prevented and the resistance loss is reduced. Can be reduced. The present invention has the following features. (I) Since most of the country of Japan is mountainous, power generation using the hydroelectric power generation channel of the present invention can be applied in many prefectures. (Ii) Since dams are not required, construction costs are low, and if the land is blessed, it is possible to install two or more hydropower canals in one basin (river) in that basin. Power generation capability. (Iii) Since it can be constructed at the upper part of the mountainous area, it has little effect on the downstream river. (Iv) Since rain is free, there is almost no operating cost. (V) A portion of the power generated in each region is consumed in that region, so the transition to the soft path method is accelerated. (Vi) Currently, effective investment is required in rural areas due to the financial crisis. (Vii) This hydropower canal can be used not only in Japan but also in countries with mountainous areas, and a lot of demand is expected especially in Southeast Asia with heavy rain and mountainous areas.

従来の水力発電方式の説明図である。It is explanatory drawing of the conventional hydroelectric power generation system. 従来の発電用の取水の説明図である。It is explanatory drawing of the water intake for the conventional electric power generation. 傾斜角度θの導水路を流下する流水の説明図である。It is explanatory drawing of the flowing water which flows down the water conduit of inclination | tilt angle (theta). 図3において、導水路の傾斜角度θが30度である場合の各時刻tでの流速V、傾斜面に沿った距離x、流水深さd、流水断面積S、流水断面が正方形の場合の一辺の長さbのデータを示す説明図である。In FIG. 3, the flow velocity V at each time t when the inclination angle θ of the waterway is 30 degrees, the distance x along the inclined surface, the flowing water depth d, the flowing water cross-sectional area S, and the flowing water cross section are square. It is explanatory drawing which shows the data of the length b of one side. 図3において、導水路の傾斜角θが30度、45度、50度の場合の各時刻tでの流速V、傾斜面に沿った距離x、水平距離l、落差hのデータを示す説明図である。In FIG. 3, an explanatory diagram showing data of the flow velocity V at each time t, the distance x along the inclined surface, the horizontal distance l, and the drop h when the inclination angle θ of the waterway is 30 degrees, 45 degrees, and 50 degrees. It is. 流水の流量Qと流速Vから得られる発電電力Pのデータを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data of the electric power generation P obtained from the flow volume Q and the flow velocity V of flowing water. 本発明を実施する対象となる山岳部の地図である。It is a map of the mountain part used as the object which implements this invention. 図7におけるA1−A2間の断面図である。It is sectional drawing between A1-A2 in FIG. 図7におけるA2−A3間の断面図であるIt is sectional drawing between A2-A3 in FIG. 導水路を空中導水路とした場合の説明図である。It is explanatory drawing at the time of making a water conduit into an air conduit. ペルトン水車における2種のノズル径の流速Vと流量Qから得られる理論発電電力Pのデータを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the data of the theoretical electric power P obtained from the flow velocity V and the flow volume Q of 2 types of nozzle diameters in a Pelton turbine. 山岳部の保水の説明図である。It is explanatory drawing of the water retention of a mountainous part. 山岳頂上近くの雨水や融雪水を集水する集水路の説明図である。It is explanatory drawing of the water collection channel which collects rainwater and snowmelt water near the mountaintop.

まず、発電用水車に流入する流水の流量をQ[m/s]、水車に有効に作用する落差をh[m]とすると、理論発電電力P[kW]は、よく知られているように、
P=g・Q・h [kW] (7)
で表される。この理論発電電力Pは理論水力とも呼ばれている。(7)式は、発電用水車に導入される流水の速度をV[m/s]とすれば、
P=1/2・QV [kW] (8)
と書き換えられる。山岳頂上部での流水は流量Qは小さいが流速Vは大きくなる。平野部では流量Qは大きいが落差hは小さくなる。
First, assuming that the flow rate of flowing water flowing into the water turbine for power generation is Q [m 3 / s] and the head that effectively acts on the water turbine is h [m], the theoretical power generation power P [kW] seems to be well known. In addition,
P = g · Q · h [kW] (7)
It is represented by The theoretical generated power P is also called theoretical hydraulic power. If the velocity of flowing water introduced into the power generation turbine is V [m / s],
P = 1/2 · QV 2 [kW] (8)
It can be rewritten as The flowing water at the top of the mountain has a small flow rate Q but a large flow velocity V. In the plain, the flow rate Q is large, but the drop h is small.

従来のダム式発電方式では、山岳頂上部の流水のもつ大きな速度エネルギーを全く使用せずに、ダムに静水として蓄蔵していた。つまり、運動エネルギーを貯水池に捨てていたのである。日本のように、山岳部が多く平野部が少ない国土には、大きな速度Vを得ることができる山岳部の有する運動エネルギーを活用することなく破棄するような図1で説明した水力発電方式は、適していないのである。日本国内では、図1で説明した方式の水力発電方式の開発適地は残り少なくなり、今後は、水力以外の発電方式に頼らなくてはならないというのが、一般の認識である。   In the conventional dam type power generation method, the large velocity energy of the flowing water at the top of the mountain is not used at all, and it is stored in the dam as still water. In other words, kinetic energy was thrown into the reservoir. The hydroelectric power generation method explained in FIG. 1 that discards without using the kinetic energy of the mountainous part that can obtain a large speed V in the country with many mountainous parts and few plains like Japan, It is not suitable. In Japan, it is generally recognized that there is less space for development of the hydroelectric power generation method described in FIG. 1, and that it will be necessary to rely on power generation methods other than hydropower in the future.

このように、図1で説明した方式の水力発電方式の適地は少ないが、山岳頂上部の流水の速度エネルギーを活用する場合は、日本国中、水力発電所に適する地が多数存在する。山岳頂上部であるので、利用し得る流量は限られた値になるため、大容量発電所には適しないが、10万〜数千[kW]程度の中規模容量から小容量の発電所の適地は、広く分布して存在している。   Thus, although there are few suitable sites for the hydroelectric power generation method described in FIG. 1, there are many suitable sites for hydroelectric power stations throughout Japan when utilizing the velocity energy of the flowing water at the top of the mountain. Since it is at the top of the mountain, the flow rate that can be used is limited, so it is not suitable for large-capacity power plants, but it is suitable for medium- to small-capacity power plants of about 100,000 to several thousand [kW]. Suitable land is widely distributed.

山岳頂上部には、その傾斜角度が30度から45度、場所によっては50度にも達する沢が随所にある。傾斜角度θを30、45度、および50度としたとき、図3において、1秒経過ごとに流速V[m/s]、距離x[m]、距離l[m]、落差h[m]を求めたのが、図5である。距離l[m]は始点A1からの水平距離であり、落差h[m]は始点A1からの落差を示している。流水は、流下してくるにつれて流速が増し、その分だけ流下地点での流水断面積は減少していく。   There are many peaks at the top of the mountain, where the angle of inclination ranges from 30 to 45 degrees, and depending on the location, it can be as much as 50 degrees. When the inclination angle θ is 30, 45, and 50 degrees, in FIG. 3, the flow velocity V [m / s], the distance x [m], the distance l [m], and the drop h [m] every one second elapse. FIG. 5 shows the result obtained. The distance l [m] is a horizontal distance from the starting point A1, and the head h [m] indicates a head from the starting point A1. As the flowing water flows down, the flow velocity increases, and the flowing water cross-sectional area at the falling point decreases accordingly.

山岳頂上部の沢の高速な流水を用いて水力発電を実施する場合、どのくらいの理論発電電力P[kW]が得られるかが問題である。流量Q[m/s]で速度V[m/s]の流水から得られる理論発電電力P[kW]は、前述の式(8)で得られる。この式(8)から、Q,V,Pの関係を求めたのが、図6である。例えば、Q=10[m/s]、V=100[m/s]では、理論発電電力は、P=5万[kW]となる。これは、流水のもつ運動エネルギーが100「%」電気エネルギーに変換されるものとしての計算である。流水の流速Vも損失分は考慮されていない。したがって、実際の発電電力は、この30〜60「%]程度のものになると思われる。30「%」の発電電力をP30とすれば、P30=15000[kW]となり、60[%]では、P60=3万[kW]となる。 When hydroelectric power generation is performed using high-speed flowing water at the top of the mountain, the problem is how much theoretical power generation P [kW] can be obtained. The theoretical generated power P [kW] obtained from the flowing water at the flow rate Q [m 3 / s] and the speed V [m / s] is obtained by the above-described equation (8). FIG. 6 shows the relationship between Q, V, and P obtained from this equation (8). For example, when Q = 10 [m 3 / s] and V = 100 [m / s], the theoretical generated power is P = 50,000 [kW]. This is a calculation assuming that the kinetic energy of running water is converted to 100% electrical energy. The flow velocity V of the running water is not considered for the loss. Therefore, it is considered that the actual generated power is about 30 to 60 “%.” If the generated power of 30 “%” is P 30 , then P 30 = 15000 [kW], and 60 [%] Then, P 60 = 30,000 [kW].

日本国土に本発明による水力発電方式に適合するような山が幾つくらい存在するかは、明らかでない。いわゆる、山地、山脈地帯では、2000〜3000[m]の標高をもつ山が連なっている。そのような山岳部では、150〜200[m/s]を越すような速度の流水が得られる可能性がある。しかし、あまり高速の流水を扱うのは、技術的にも得策ではないので、適当な流速のところで一旦発電に利用し、その放水を下流で再度利用して発電を得る方が安全である。   It is not clear how many mountains exist in Japan that are compatible with the hydroelectric power generation system according to the present invention. In so-called mountains and mountain ranges, mountains with an altitude of 2000 to 3000 [m] are connected. In such a mountainous area, there is a possibility that flowing water having a speed exceeding 150 to 200 [m / s] can be obtained. However, since it is not technically a good idea to handle very high-speed flowing water, it is safer to use it for power generation at an appropriate flow velocity and then use the discharged water downstream to obtain power generation.

標高が1000[m]を越える高山は偏在しているが、500[m]前後の山は日本全国のあらゆる個所に存在している。「竹内正;日本山名総覧、白山書房」によると、日本の山の総数は18000となっている。この中には標高数[m]程度の丘も含まれているので、500[m]以上の山で水力発電に利用し得るものを、少なく見積もって8000とし、さらに標高500[m]の山で、発電用導水路として利用し得る個所が、その半分の250[m]と仮定する。この仮定によれば、落差250[m]から得られる自由落下の流速V[m/s]は、簡単な計算で、約70[m/s]と求められる。   Alpines with altitudes exceeding 1000 [m] are ubiquitous, but mountains around 500 [m] exist in all parts of Japan. According to “Takeuchi Tadashi; Nihonzan Name Directory, Hakusan Shobo”, the total number of Japanese mountains is 18,000. This includes hills with an altitude of about [m]. Therefore, the number of mountains that are 500 [m] or higher that can be used for hydropower generation is estimated to be 8000, and the altitude is 500 [m]. Then, it is assumed that the portion that can be used as a power generation conduit is 250 [m], which is half of that. According to this assumption, the flow velocity V [m / s] of the free fall obtained from the drop 250 [m] can be obtained as about 70 [m / s] by simple calculation.

標高が500[m]程度の山での流量を一定のQ=6[m/s]と仮定して、流速V=70[m/s]の条件で計算し、導水路下端に発電用水車を設置したとき得られる理論発電電力P[kW]を求めると、式(8)より、
P=1/2・QV=14700[kW]
となる。1つの山に沢や沢を形成できる個所が平均2個所あるとすると、1つの山で合計の理論発電電力Pm[kW]は、Pm=29400[kW]と2倍になる。日本全体では、これの8000倍が流水の仮想発電電力Ps[kW]となるので、
Ps=29400×8000=2.352×10[kW]
となる。
Assuming the flow rate at a mountain with an altitude of about 500 [m] as constant Q = 6 [m 3 / s], calculation is made under the condition of flow velocity V = 70 [m / s], When the theoretical generated power P [kW] obtained when the car is installed is obtained, from the equation (8),
P = 1/2 · QV 2 = 14700 [kW]
It becomes. Assuming that there are an average of two places where a mountain can be formed in one mountain, the total theoretical generated power Pm [kW] in one mountain doubles to Pm = 29400 [kW]. In Japan as a whole, 8000 times this is the virtual generated power Ps [kW] of running water,
Ps = 29400 × 8000 = 2.352 × 10 8 [kW]
It becomes.

この仮想発電電力Psを電力量Ws[kWh]にすると、
Ws=20603億[kWh]
となる。この電力量Wsは理論発電電力量に基づいたものであり、実際の総発電電力量Wt[kWh]は、
Wt=η・Ws
となる。ηは緒変換損失を含めた変換効率である。ηの値は不明であるが、0.3〜0.6くらいの間にあると思われる。よって、
Wt=6181〜12362億[kWh]
となる。
When this virtual generated power Ps is set to an electric energy Ws [kWh],
Ws = 20603 billion [kWh]
It becomes. This power amount Ws is based on the theoretical power generation amount, and the actual total power generation amount Wt [kWh] is
Wt = η · Ws
It becomes. η is the conversion efficiency including the conversion loss. The value of η is unknown, but it seems to be between 0.3 and 0.6. Therefore,
Wt = 6181-13262 billion [kWh]
It becomes.

日本の総発電電力量は段落0004で前述したように、約12000億[kWh]弱である。そのため、上記の実際の総発電電力量Wtは、水力発電を上手に使えば、悪くとも総発電電力量の約50[%]、良い場合は全電力需要を賄うことが可能となることを示している。なお、ここで用いた数値は、やや小さめの値を採用しているので、実際の総発電電力量Wtよりも大きな出力量を得る可能性もある。   As described above in paragraph 0004, the total amount of electricity generated in Japan is less than about 120 billion [kWh]. Therefore, the actual total power generation amount Wt mentioned above indicates that if hydropower generation is used well, it will be able to cover about 50% of the total power generation amount at best. ing. In addition, since the numerical value used here employs a slightly smaller value, there is a possibility that an output amount larger than the actual total generated power amount Wt may be obtained.

本発明の要点は、沢等のような山岳の上部を流下する流水の速度が石や岩等によって消失されないようにすることである。沢の流水は、勾配のある個所を下る時、速度を増加させながら下って行く。このことの理解が特に山岳地帯の流水の応用には重要な意味を持ってくる。図4で説明したように、傾斜角度θ=30度の導水路では、その導水路の幅aを5[m]に固定しておくと、始めにd=1[m]の深さだけあった水が、1秒後には約17[cm]の深さに減少してしまい、10秒後には約2[cm]の深さに減少し、しかも山岳地帯には、石や岩等がゴロゴロしているため、通常では深さの減少した流水がこれらに衝突して、運動エネルギーを消失し、沢は緩やかな流水となって、発電には利用できなくなってしまう。そこで本発明は、沢の流水を滑らかに流下させる導水路を形成して、そこに流水を導き、流水の運動エネルギーが消失することを防ぎ、大きな発電能力を発揮させるものである。   The main point of the present invention is to prevent the speed of flowing water flowing down the upper part of a mountain such as a river from being lost by stones or rocks. The swamp water goes down with increasing speed as it goes down the slope. This understanding is especially important for the application of running water in mountainous areas. As described with reference to FIG. 4, in the water conduit with the inclination angle θ = 30 degrees, if the width a of the water conduit is fixed to 5 [m], there is first a depth of d = 1 [m]. The water decreases to a depth of about 17 [cm] after 1 second and decreases to a depth of about 2 [cm] after 10 seconds. Therefore, the flowing water with reduced depth usually collides with these, and the kinetic energy is lost, and the flowing water becomes gentle flowing water and cannot be used for power generation. Therefore, the present invention forms a water conduit that smoothly flows a large amount of flowing water, guides the flowing water there, prevents the kinetic energy of the flowing water from disappearing, and exhibits a large power generation capacity.

本発明を実施する対象となる山岳部の沢およびそこに形成する導水路について説明する。図7は国土地理院発行の2万5千分の1の地図であり、米沢地区の天元台の一部を示したものである。この地区は、特別に高い山が存在することもなく、標高が1500[m]前後の山が点在している。目標とする沢は、渋川23Aの上流である。なお、天元台地区には、西隣の横川23B(長倉沢23C、座々沢23Dを含む)と、図7にはないが東側に同程度の沢が1本あり、横川23Bの西にはひとまわり大きな沢が存在している。また、渋川23Aより小さな沢が、4〜5箇所ある。渋川23Aは、図7の東南端より発し、沢としては緩やかな傾斜で東北方向へ流れている。渋川23Aから西の渓谷は下がって最上川へ流入し、渋川23Aより東の沢は羽黒川への下がっている。   A mountainous mountain stream and a water conduit formed there will be described. Figure 7 is a 1 / 5,000 map published by the Geospatial Information Authority of Japan, showing a part of the Tengendai in the Yonezawa area. This area is dotted with mountains with an altitude of around 1500 [m] without any special high mountains. The target river is upstream of Shibukawa 23A. In the Tengendai area, there is Yokokawa 23B (including Nagakurazawa 23C and Zazazawa 23D) next to the west, and one similar river on the east side that is not shown in FIG. 7, and west of Yokogawa 23B. There is a big swamp around. In addition, there are 4-5 spots that are smaller than Shibukawa 23A. Shibukawa 23A starts from the southeast end of FIG. 7 and flows toward Tohoku with a gentle slope. The west valley from Shibukawa 23A descends to the Mogami River, and the eastern stream from Shibukawa 23A descends to the Haguro River.

図7において、渋川23Aに沿って、始点A1(渋川23Aの源流点より数十m下流)からの落差が500[m]の地点にA2点があり、始点A1からの落差が1000[m]点の地点にA3点がある。なお、図7の等高線の間隔は50mであり、50mごとに太線で表示されている。始点A1で渋川23Aの沢の流水を取水して、このA1−A2−A3の地点間に導水路を形成してそこを流下させるとし、A2点の流速をVA2[m/s]、A3点の流速をVA3[m/s]とすると、
A2≒100[m/s]
A3≒140[m/s]
である。流量は不明であるが、Q=6[m/s]と仮定し、A1点での流水の初速をV=1[m/s]と仮定すれば、A2点、A3点での理論発電電力PA2,PA3は、式(8)や図6から、
A2=3万[kW]
A3=5.8万[kW]
となる。地点A3の上くまで林道等が設けられていて、これらは導水路建設用の機材の運搬に役立つ。
In FIG. 7, along the Shibukawa 23A, there is an A2 point at a point where the head from the start point A1 (several tens of meters downstream from the source point of the Shibukawa 23A) is 500 [m], and the head from the start point A1 is 1000 [m]. There is an A3 point at the point. The interval between the contour lines in FIG. 7 is 50 m, and each 50 m is displayed as a thick line. By intake of running water swamp Shibukawa 23A at the start point A1, the A1-A2-A3 between point to form a water conduit and to flow down therethrough, the flow rate of the A2 point V A2 [m / s], A3 If the flow velocity at the point is V A3 [m / s],
V A2 ≈ 100 [m / s]
V A3 ≈ 140 [m / s]
It is. The flow rate is unknown, but assuming that Q = 6 [m 3 / s] and the initial velocity of flowing water at point A1 is V 0 = 1 [m / s], the theory at points A2 and A3 The generated powers P A2 and P A3 are obtained from Equation (8) and FIG.
P A2 = 30,000 [kW]
P A3 = 58,000 [kW]
It becomes. Forest roads, etc. are provided up to the point A3, which are useful for transporting equipment for the construction of the waterway.

山岳高所より低所に高速流水を導く導水路を設けることが、本発明の目的である。原理的には、本来高速流水であるべき沢の流水の速度を遅らせている石や岩を除去した導水路を構築する。しかし、一般に、沢は図7に見えるように、屈折しながら下降していくのが普通である。流水は、屈折につれて速度損失が生じてくるので、高速流水を得るためには、屈折はできるだけ避けなければならない。そのために、導水路の構築法として次の3種が考えられる。(a).既存の沢を発電用高速流水用の導水路に改修する建設方式、(b).既存の沢の近くに屈折部が少なく直線に近い導水路を建設する方式、(c).流水の取水口から発電用導入口まで直線的に導水路を建設する方式、である。次に、各方式を具体的に述べる。   It is an object of the present invention to provide a water conduit that guides high-speed running water to a low place from a mountainous high place. In principle, the waterway will be constructed by removing the stones and rocks that have slowed the speed of the water that should be high-speed water. However, in general, as shown in FIG. 7, it is normal for the swamp to descend while being refracted. In flowing water, speed loss occurs with refraction, and refraction should be avoided as much as possible in order to obtain high-speed flowing water. For this purpose, the following three kinds of methods for constructing the water conduit can be considered. (a). (B) Construction method for renovating existing rivers to waterway for high-speed running water for power generation, (b) Construction method for waterway with few refracted parts and a straight line, (c) Water flow intake This is a method of constructing a water conduit straight from the power generation inlet. Next, each method will be specifically described.

<(a).既存の沢を発電用高速流水用の導水路に改修する建設方式>
沢が直線的に流下している場所だけに用いられる方式である。沢の石や岩石を撤去し、断面が長方形、台形、半円形等の露天の導水路をその沢に直接構築する。このとき、流水の断面積は、流速に逆比例して小さくなるので、これに対応するように導水路の各断面の大きさを設定する。つまり、各部の横断面方向の内周をそこを通過する流水の流速に逆比例して小さくなるようすることで、流水が分散しないようにし流下の際の抵抗損失を少なくする。また、半円形の導水路を除いては、床面を石畳、コンクリート、金属等の低摩擦抵抗材で形成して流下抵抗を減ずる。さらに、側壁(含:半円形)を水の染み出る石積や化学合成物等の親水性素材で形成することが望ましい。親水性素材を用いれば、導水路の途中に地下水の流入を図ることが可能となる。
<(A). Construction method to renovate an existing stream into a waterway for high-speed running water for power generation>
This method is used only in places where rivers flow straight down. The stones and rocks of the swamps will be removed, and an open water channel with a rectangular, trapezoidal, semicircular cross section, etc. will be built directly on the swamp. At this time, since the cross-sectional area of the flowing water decreases in inverse proportion to the flow velocity, the size of each cross section of the water conduit is set to correspond to this. That is, by reducing the inner circumference in the cross-sectional direction of each part in inverse proportion to the flow velocity of the flowing water passing therethrough, the flowing water does not disperse and the resistance loss at the time of flowing down is reduced. Also, except for the semicircular water conduit, the floor surface is made of low friction resistance material such as stone pavement, concrete, metal, etc. to reduce the flow resistance. Furthermore, it is desirable to form the side wall (including semicircular shape) with a hydrophilic material such as a masonry or chemical compound that exudes water. If a hydrophilic material is used, it becomes possible to plan the inflow of groundwater in the middle of a conduit.

<(b).既存の沢の近くに屈折部の少ない直線に近い導水路を建設する方式>
沢としては(a)のように直線的に流下する条件を満たすものは少ない。実際は図7に示したようにくねくねと屈折して流下していくのが通常である。この屈折の部分で流水の速度損失が大きくなるので、できる限り直線に近つけたい。沢の近くを通る直線経路が得られれば、沢と同じ流域面積で速度損失の少ない導水路を構築できる。その一例が、図7のA1−A2間の実線で示した導水路25Aである。この導水路25Aは、山肌に沿って形成されるので新たに掘削する必要があるが沢の石や岩石を除去する必要が少ない。この導水路25Aの構成法は、(a)で説明したのと同様に行う。図8にこのA1−A2間の断面を示した。A1点からA2点に掛けて順次降下しているので、始点A1で取水した流水を露天の導水路25AでA2点まで導くことができる。なお、このA1−A2間の導水路25Aは、必ずしも山肌に沿う必要はなく、一部を掘削しあるいは埋め立てて傾斜が一定な導水路とすることもできる。
<(B). A method of constructing a water conduit close to a straight line with few refracting parts near an existing stream>
As for the swamp, there are few things that satisfy the condition of flowing down linearly as in (a). In practice, it is normal that the light refracts and flows down as shown in FIG. Since the velocity loss of running water increases at this refraction, I want to get as close to a straight line as possible. If a straight path that passes near the swamp is obtained, it is possible to construct a conduit with the same basin area as the swollen and with less speed loss. One example is a water conduit 25A indicated by a solid line between A1 and A2 in FIG. Since this water conduit 25A is formed along the mountain surface, it is necessary to newly excavate, but there is little need to remove many stones and rocks. The construction method of the water conduit 25A is performed in the same manner as described in (a). FIG. 8 shows a cross section between A1 and A2. Since it descends sequentially from the A1 point to the A2 point, the flowing water taken at the starting point A1 can be led to the A2 point by the open water conduit 25A. The water conduit 25A between A1 and A2 does not necessarily have to follow the mountain surface, and a part of the water conduit can be excavated or reclaimed to have a constant inclination.

<(c).流水の取水口から、発電用水取入口まで直線的に導水路を建設する方式>
この方式は、導水路の出発点(取水口)と最終点(発電用水車への導入口)との間の経路を直線的に結ぶ方式であり、導水路中の流水の速度損失を最も小さくすることができる。図7のA2−A3間の導水路25Bがこれに相当する。本方式は(a)、(b)の方式と異なって、渓谷(沢)を通らず尾根越え(貫通)のルートとなるため、トンネル工事を必要とすることが多い。図9にA2−A3間の断面を示した。図9のA2−A3間の点線は、A2点とA3点を結んだ直線の導水路25Bであり、この導水路25Bよりも断面曲線(地表)26が上にある所では、導水路25Bは地中に埋められるトンネルとなる。なお、A2−A3間の導水路25Bは、直線に限られず、カテナリー(懸垂線)カーブを含む放物線形状であってもよい。
<(C). Method of constructing a water conduit straight from the intake of flowing water to the intake of power generation>
In this method, the route between the starting point (water intake) and the final point (inlet to the turbine for power generation) is connected linearly, and the velocity loss of running water in the water channel is minimized. can do. The water conduit 25B between A2 and A3 in FIG. 7 corresponds to this. Unlike the methods (a) and (b), this method is a route that crosses the ridge (penetration) without passing through the valleys, so tunnel construction is often required. FIG. 9 shows a cross section between A2 and A3. The dotted line between A2 and A3 in FIG. 9 is a straight water conduit 25B connecting the points A2 and A3. Where the cross-sectional curve (ground surface) 26 is above the water conduit 25B, the water conduit 25B is It becomes a tunnel buried in the ground. In addition, the water conduit 25B between A2-A3 is not restricted to a straight line, A parabola shape including a catenary (suspension line) curve may be sufficient.

以上の各方式(a)〜(c)において、その導水路の一部または全部として、図10に示すように、地表31から浮くように、支柱32により支持した空中導水路25Cを設置することができる。このとき、空中導水路25Cは地表31より高さh1だけ高くなるので、この空中導水路25Cを図9の点線A2〜A3の間の導水路25Bの露出部分に適用するときは、トンネル部分を減少させることができる。高さh1は設置場所の地質、傾斜角度、トンネル部の長さ、流水の流量等によって定められる。この空中導水路25Cの上端が取水口33になる場合は、その取水口33にフィルタ等(図示せず)を設置して、沢22からの流水を取り込むようにする。沢22の下流は始めの間は空中導水路25Cに流水が流れたため枯れ沢22Aとなっている。なお、空中導水管25Cを水管(パイプ)型とする場合は、その水管の上部の所々に小穴25Caを空けて大気を導入し、水管内部を大気圧に保つ。   In each of the above-described methods (a) to (c), as part or all of the water conduit, as shown in FIG. 10, an aerial water conduit 25 </ b> C supported by the support column 32 is installed so as to float from the ground surface 31. Can do. At this time, since the aerial conduit 25C is higher than the ground surface 31 by the height h1, when applying the aerial conduit 25C to the exposed portion of the conduit 25B between the dotted lines A2 to A3 in FIG. Can be reduced. The height h1 is determined by the geology of the installation location, the inclination angle, the length of the tunnel portion, the flow rate of running water, and the like. In the case where the upper end of the aerial conduit 25 </ b> C becomes the water intake 33, a filter or the like (not shown) is installed in the water intake 33 so that the flowing water from the river 22 is taken in. The downstream of the stream 22 is a withered stream 22A because flowing water has flowed into the air conduit 25C during the beginning. When the aerial conduit 25C is a water pipe (pipe) type, small holes 25Ca are opened in places above the water pipe to introduce the atmosphere, and the interior of the water pipe is maintained at atmospheric pressure.

山岳地帯では、導水路に流し得る流量Q[m/s]は、それほど大きな量にはならない。したがって、発電所で使用する発電用水車は、ペルトン水車系が主となる。ペルトン水車は、流量によりノズルの数が決められているが、最大で6個である。ノズルの直径を12[cm]と15[cm]とした場合、水車の挿入口の流水速度V[m/s]、流量Q[m/s]から、式(8)で求めた発電電力P[kW]を図11に示す。現在使用されているペルトン水車のノズル直径は10[cm]が普通であるが、ここでは目標値として12[cm]と15[cm]を掲げた。 In a mountainous area, the flow rate Q [m 3 / s] that can flow into the conduit is not so large. Therefore, the power generation turbine used in the power plant is mainly the Pelton turbine system. In the Pelton turbine, the number of nozzles is determined by the flow rate, but the maximum is six. When the nozzle diameter is 12 [cm] and 15 [cm], the generated power calculated by the equation (8) from the flow velocity V [m / s] and the flow rate Q [m 3 / s] at the insertion port of the water turbine P [kW] is shown in FIG. The nozzle diameter of a Pelton turbine currently used is normally 10 [cm], but here, 12 [cm] and 15 [cm] are listed as target values.

ここで示した発電電力P[kW]は、水車および発電機の効率を100[%]としたが、実際には、水車と発電機での損失があるため70〜80[%]くらいが発電電力となる。なお、図11の流量Q[m/s]自体は、本発明の導水路は流速V[m/s]に逆比例して断面積を絞っていくので、導水路の始点と終点において大略同一である。 The generated power P [kW] shown here is 100% for the efficiency of the turbine and the generator, but in reality, there is a loss between the turbine and the generator, so about 70 to 80% is generated. It becomes electric power. Note that the flow rate Q [m 3 / s] itself in FIG. 11 is almost the same at the start and end points of the water conduit because the water conduit of the present invention narrows the cross-sectional area in inverse proportion to the flow velocity V [m / s]. Are the same.

本発明を実施するに当たって問題となるのは、急斜面での作業に使用できる土木機械の開発であろう。山岳高所の急斜面で沢や沢状態の地帯において、目的を達成するような機械は、現時点では存在していないであろうから、これらの開発を行う必要がある。山岳地帯は荒れているが、特に頂上付近の荒廃はひどいといわれている。この荒れた急勾配の地を安定して登り、沢等に存在する石や岩石を取り出し処分する作業を安全に速やかに実行し得る機械が必要となる。日本の優れた技術開発力に期待する。   A problem in implementing the present invention will be the development of civil engineering machines that can be used for work on steep slopes. Since there is no machine that can achieve the purpose in a mountainous area with steep slopes in mountainous high places, it is necessary to develop these. Although the mountainous area is rough, it is said that the devastation near the top is particularly bad. There is a need for a machine that can stably and promptly perform the work of climbing the rough steep ground stably and taking out and disposing of rocks and rocks existing in the rivers. I look forward to Japan's outstanding technological development capabilities.

発電システムとしては、年間を通じて一定の出力を保ちえ得ることが要求される。乾期や雨期にかかわらず、一定の出力を発電し得るのが理想である。そのためには、荒廃の著しい山頂一体への恒常的な手入れを行い、山岳頂上部付近の保水量を増すことが重要である。特に山岳頂上から導水路の取水口付近までの保水量を高めることが発電効率向上に不可欠になる。   The power generation system is required to be able to maintain a constant output throughout the year. Ideally, a constant output can be generated regardless of the dry or rainy season. To that end, it is important to constantly maintain the mountaintops that are extremely desolated and increase the amount of water retained near the top of the mountains. In particular, increasing the amount of water retained from the top of the mountain to the vicinity of the intake of the conduit is essential for improving power generation efficiency.

当該土地の保水量に関係するものとして、図12に示したように、潅木や喬木等の潅喬木41、地表の枯れ葉層(腐葉土)42および土壌43がある(樹木の葉は省略している)。昔から、比較的低地山岳部の保水量増強のために採用されてきた有効な手段は植林であった。通常、植林の第1目的は木材生産であり、寧ろ保水は2次的な効果であった。そのため植林材木の切り出しが困難であった山岳上層部は、ほとんど自然状態に放置されてきたのが実情である。大きな保水量をもち木材としても優れた木を、積極的に植林することが必要である。林道の整備も伴って行わなければならない。また、樹木の葉も一時的な保水に役立つといわれている。   As shown in FIG. 12, there are irrigated trees 41 such as shrubs and oaks, dead leaf layers (humus soil) 42 and soil 43 on the surface of the land (the leaves of the trees are omitted). . For a long time, an effective method that has been adopted to increase the water retention capacity of relatively low mountainous areas has been afforestation. Usually, the primary purpose of afforestation was wood production, and rather water retention was a secondary effect. For this reason, the mountainous upper layer where it was difficult to cut out plantation timber has been left in its natural state. It is necessary to actively plant trees that have a large water holding capacity and are excellent as wood. It must be done with the maintenance of the forest road. Tree leaves are also said to be useful for temporary water retention.

山岳上部に落ち葉や枯れ葉があれば枯れ葉層42となり、落ち葉や枯れ葉の相互間にはかなりの水分が貯まり、それらは次第に発酵・腐敗して腐葉土となり、最後は土壌43になる。枯れ葉層42の保水力増強の組織的研究が重要である。枯れ葉層42の上や落ち葉相互間に保水剤を散布することにより、この層の保水力を高めることができる。保水剤は経年変化により土に還って行かなくてはならない。   If there are fallen leaves or dead leaves in the upper part of the mountain, it becomes a dead leaf layer 42, and a considerable amount of water is accumulated between the fallen leaves and dead leaves, and they gradually become fermented and decayed to become humus, and finally become soil 43. A systematic study of enhancing the water retention capacity of the dead leaf layer 42 is important. By spraying a water retention agent on the dead leaf layer 42 or between fallen leaves, the water retention capacity of this layer can be increased. Water retention agents must be returned to the soil due to aging.

最後は、土壌43そのものの改善である。土壌43の改善は植物の育成を主目的に、古くから行われてきた。しかし、近年は自然気象の変化によるものか、以前は想定していなかったような激しい降水が各所に発生し甚大な災害を起こしている。そのような災害を防ぐ手段として、土壌43の保水能力を高める研究が盛んになってきているが、できるだけ大きな保水力をもった土壌43で山岳上部を覆うことが望ましい。例えば、保水能力を従来の数百倍〜数千倍程度に増大させれば、中、低地の山岳であっても、ダムに相当する保水量を確保可能となる。以上のようにして山岳上部の保水力増強を行い、従来の山岳上部の保水量を数百倍から数千倍にすれば、本発明による安定した高出力の水力発電所の実現を容易にすることができる。   The last is improvement of the soil 43 itself. The improvement of the soil 43 has been performed for a long time with the main purpose of growing plants. However, in recent years, it has been caused by changes in natural weather, or severe precipitation has occurred in various places, which had never been expected before, causing a huge disaster. As a means for preventing such disasters, research for increasing the water retention capacity of the soil 43 has become active, but it is desirable to cover the upper part of the mountain with the soil 43 having as much water retention capacity as possible. For example, if the water retention capacity is increased to several hundred times to several thousand times that of the prior art, it is possible to secure a water retention amount corresponding to a dam even in the middle and low mountains. If the water retention capacity of the upper mountain area is increased as described above, and the water retention capacity of the conventional upper mountain area is increased from several hundred to several thousand times, it becomes easy to realize a stable and high-power hydropower plant according to the present invention. be able to.

現在、山岳頂上地帯に降った雨水や融雪水の一部が沢に流入しているが、残りは地下水となったり、山岳部を下って枯れ沢や河川に入ったりし、また、人間生活には利用されることなく、そのまま海に流出してしまっている。山岳頂上部の雨水や融雪水を出来るだけ有効に活用することも、本発明を一層、有効にする手段である。   Currently, some of the rainwater and snowmelt water that has fallen on the mountain tops flows into the swamp, but the rest becomes groundwater, falls down the mountains and enters the rivers and rivers, and is also used for human life. Has not been used and has flowed into the sea. Utilizing rainwater and snowmelt water at the top of the mountain as effectively as possible is also a means for making the present invention more effective.

そのためには、種々な手段が考えられるが、図13は比較的単純な方法によって、山岳頂上の雨水や融雪水を集水する具体的な例である。図13において、51は山岳頂上、52A〜52E山岳頂上51から下方に連なる尾根であり、25D〜25Fは尾根の間の沢に構築された本発明の発電用導水路を表している。尾根52C−52D間、尾根52E−52A間は、地形などの影響により沢が生成されることがなく、この間の山岳頂上51での雨水や融雪水は下流に向かって流失していると仮定している。   For this purpose, various means are conceivable. FIG. 13 is a specific example of collecting rainwater and snowmelt water on the mountaintop by a relatively simple method. In FIG. 13, 51 is a mountain top, and ridges extending downward from the mountain tops 52 </ b> A to 52 </ b> E, and 25 </ b> D to 25 </ b> F represent power generation conduits for power generation according to the present invention that are constructed between the ridges. It is assumed that there is no stream generated between the ridges 52C-52D and between the ridges 52E-52A due to the influence of topography and the like, and rainwater and snowmelt water on the mountaintop 51 during this period has been washed away downstream. ing.

このような場合に、地点Xから緩やかな勾配をもって下降し地点Yに至るように、山岳頂上51をほぼ一回りする環状集水路53を構築し、この環状集水路53を各導水路25D〜25Fの上部の取水口に接続しておけば、環状集水路53で集水した雨水や融雪水を各導水路25D〜25Fに分流させ、各導水路25D〜25Fの流量Qを増大させることができる。この環状集水路53の環内に、前記の保水力増強策が施してあれば、山岳頂上51の雨水や融雪水の有効利用は、ほとんど理想的状態まで高める事が可能となる。以上は理想的な場合の説明であり、実際の山容水態によっては、環状集水路が必ずしも閉じなくても、集水の目的を達成し得ればよい。   In such a case, an annular water collecting channel 53 that almost goes around the mountain top 51 is constructed so as to descend from the point X with a gentle gradient and reach the point Y, and this annular water collecting channel 53 is connected to each of the water conduits 25D to 25F. If it is connected to the upper water intake, the rainwater and snowmelt water collected in the annular catchment channel 53 can be diverted to the conduits 25D to 25F, and the flow rate Q of the conduits 25D to 25F can be increased. . If the water retention capacity enhancement measure is applied in the ring of the circular catchment channel 53, the effective use of rainwater and snowmelt water on the mountain top 51 can be increased to an almost ideal state. The above is an explanation of an ideal case, and depending on the actual mountain water condition, the purpose of collecting water may be achieved even if the annular collecting channel is not necessarily closed.

なお、下端の流水が発電用水車に導入されるようにした本流の導水路の上流部分には、複数の支流導水路を設けて、それらの各支流導水路の流水が本流の導水路に合流するようにしてもよい。このようにすれば、発電用水車に導入させる最終的な流水の流量Qを大きくすることができ、発電効率を高めることができる。   In addition, a plurality of tributary diversion channels are provided in the upstream part of the main diversion channel in which the water flow at the lower end is introduced into the power generation turbine, and the flow from each of these tributary diversion channels joins the main diversion channel. You may make it do. In this way, the final flow rate Q of the flowing water introduced into the power generation turbine can be increased, and the power generation efficiency can be increased.

1:取水河川、2:取水堰、3:導水路、4:沈砂池、5:上水槽、6:水圧管、7:水力発電所、8:放水口、9:放水河川、10:貯水池、11:ダム、12:サージタンク
20A,20B:流域面積部分、21:山、22:沢、22A:枯れ沢、23:川、23A:渋川、23B:横川、23C:長倉沢、23D:座々沢、24:取水地点、25:導水路、25A〜25F:導水路、25Ca:穴、26:地表
31:地表、32:支柱、33:取水口
41:樹木、41:枯れ葉層、42:土壌
51:山岳頂上、52A〜52E:尾根、53:環状集水路
1: Intake river, 2: Intake weir, 3: Inlet channel, 4: Sand basin, 5: Water tank, 6: Hydraulic pipe, 7: Hydroelectric power plant, 8: Outlet, 9: Outlet river, 10: Reservoir 11: Dam, 12: Surge tank 20A, 20B: Basin area part, 21: Mountain, 22: Sawa, 22A: Withering, 23: River, 23A: Shibukawa, 23B: Yokogawa, 23C: Nagakurazawa, 23D: Zaza Sawa, 24: intake point, 25: waterway, 25A-25F: waterway, 25Ca: hole, 26: surface 31: surface, 32: support, 33: water intake 41: tree, 41: dead leaf layer, 42: soil 51: mountain top, 52A-52E: ridge, 53: circular catchment

本発明の目的は、上記したような大きな運動エネルギーを持ち得る山岳頂上部からの流下水を取水して流下抵抗少なく発電用水車に導入できるようにし、中容量以下の発電に資する流水を生成できるようにした水力発電用導水路及び山岳部水力発電方法を提供することである。 The object of the present invention is to take in the flowing water from the top of the mountain that can have a large kinetic energy as described above, so that it can be introduced into a power generation turbine with low flow resistance, and can generate flowing water that contributes to power generation of medium capacity or less. It is intended to provide a hydroelectric power guide channel and a mountain hydropower generation method .

上記目的を達成するために、本発明の水力発電用導水路は、山岳の上部に設置され、等高線に垂直な方向に前記山岳部を流下する流水を取水する取水口と、前記山岳部に設置され、前記取水口から取水した前記流水を、速度損失が少なく流水の流速を増加させると共に流水断面積を減少させる導水路と、前記導水路内を流下することにより流速が増加した流水を前記山岳部に設置された水力発電所の発電用水車に導入する導入口と、を備えていることを特徴とする。
本発明の水力発電用導水路は、前記取水口から前記導入口まで、直線形状、屈曲部の少ない直線に近い形状、または、懸垂線カーブを含む放物線形状に形成されていることを特徴とする。
本発明の水力発電用導水路において、前記取水口は、前記山岳部の源流点または源流点より落差数十m下流の、沢底が整備され、流量が増加した沢の位置に設置されることを特徴とする。
本発明の水力発電用導水路において、前記山岳部の頂上付近を囲む等高線に沿って緩やかな勾配をもって下降する環状集水路または環状の一部をなす弧状集水路によって集水された流水は、前記取水口から上流の流水に加えられることを特徴とする。
本発明の水力発電用導水路において、前記流水を、前記山岳部に設置された前記導入口を経て、水力発電用水車運転用装置に接続することを特徴とする。
また、本発明の山岳部水力発電方法は、山岳部の源流点または源流点より落差数十m下流の、沢底が整備され、流量が増加した沢の位置に設置された取水口により、等高線に垂直な方向に山岳部を流下する流水を取水し、前記取水口から取水した流水を、直線形状、屈曲部の少ない直線に近い形状、または、懸垂線カーブを含む放物線形状に形成されている導水路を流下させて、速度損失が少なく流水の流速を増加させると共に流水断面積を減少させた流水を、前記山岳部に設置された導入口を経て、水力発電用水車運転装置に接続することを特徴とする。
また、本発明の山岳部水力発電方法において、前記山岳部の頂上付近を囲む等高線に沿って緩やかな勾配をもって下降する環状集水路または環状の一部をなす弧状集水路によって集水された流水は、前記取水口から上流の流水に加えられることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the hydroelectric power generation channel of the present invention is installed at the upper part of the mountain part, and has a water intake port for taking in the flowing water flowing down the mountain part in a direction perpendicular to the contour line, and the mountain part. The flowing water that is installed and taken from the intake port has a flow path that increases the flow velocity of the flowing water with a small speed loss and decreases the flowing water cross-sectional area, and the flowing water that has increased in flow speed by flowing down the flowing water passage. And an introduction port to be introduced into a power generation turbine of a hydroelectric power plant installed in a mountainous area .
The hydroelectric power guide channel of the present invention is characterized in that it is formed in a linear shape, a shape close to a straight line with few bent portions, or a parabolic shape including a catenary curve from the intake port to the inlet port. .
In the hydroelectric power generation channel according to the present invention, the intake port is installed at a source point of the mountainous part or at a position where a sunk bottom is maintained several tens of meters downstream from the source point and where the flow rate is increased. It is characterized by.
In the hydroelectric power conduit according to the present invention, the water collected by the annular catchment that descends with a gentle gradient along the contour line surrounding the vicinity of the top of the mountain part or the arc-shaped catchment that forms a part of the ring It is added to the running water upstream from the intake.
In the hydroelectric power guide channel according to the present invention, the running water is connected to the hydroelectric power generation turbine driving device through the introduction port installed in the mountain part.
Moreover, the mountainous hydropower generation method of the present invention has a contour line by means of a water intake installed at a headwater point in the mountainous part or at a headwater point where the head of the headwater is increased several tens of meters from the headwater point where the head is improved and the flow rate is increased. Water flowing down a mountain part in a direction perpendicular to the water is taken, and the water taken from the intake is formed into a linear shape, a shape close to a straight line with few bends, or a parabolic shape including a catenary curve. Connecting the running water with a reduced velocity loss and a reduced flow cross-sectional area to the hydroelectric turbine driving device via the inlet installed in the mountainous area by flowing down the waterway and increasing the flow velocity with low velocity loss It is characterized by.
Further, in the mountainous hydropower generation method of the present invention, the water flow collected by the circular waterway that descends with a gentle gradient along the contour line surrounding the vicinity of the top of the mountainous part or the arc-shaped waterway that forms a part of the ring is The water is added to running water upstream from the water intake.

本発明の水力発電用導水路によれば、山岳の上部(例えばこれまで利用されなかった沢)から取水した流水は、石や岩等により減速されることがないので、運動エネルギーをほとんど消失することなく流下して発電用水車に導入されるため、大きな電力が発電可能となる。このとき、水路の各部の横断面方向の濡縁の長さを、そこを通過する流水の流速に逆比例して小さくなるように設定することにより、導水路における流水の分散を防止し抵抗損失を少なくすることができる。本発明は、以下のような特色を有している。(i)日本の国土はほとんどが山岳部であるため、多くの都道府県においても本発明の水力発電用導水路を利用した発電は適用可能である。(ii)ダムを必要としないので建設費が安価であると共に、地形的に恵まれれば、1つの山に複数個の沢(川)が存在し、それぞれの沢(川)に対応した水力発電用水路を設置可能であり、日本全体で膨大な発電能力を発揮できる。(iii)山岳部の上部に建設できるため、下流の河川には殆ど影響を与えない。(iv)雨は無料であるために、運転費用が殆どかからない。(v)地域ごとに発電された電力の一部は、その地で消費することにより、ソフト・パス方式への移行が早まる。(vi)金融危機で地方に有効な投資が必要となっている現在、日本のみならず山岳地帯を持つ国で利用可能であり、特に多雨で山岳地帯が多い東南アジアでは多くの需要が見込まれる。 According to the hydroelectric power generation channel of the present invention, the water taken from the upper part of the mountain (for example, a stream that has not been used so far ) is not decelerated by stones or rocks, so that the kinetic energy is almost lost. Since it flows down and is introduced into the water turbine for power generation, large electric power can be generated. At this time, by setting the length of the wet edge in the cross-sectional direction of each part of the water channel so as to be inversely proportional to the flow rate of the flowing water passing therethrough, the dispersion of the flowing water in the water channel is prevented and the resistance loss is reduced. Can be reduced. The present invention has the following features. (I) Since most of Japan's national land is mountainous, power generation using the hydroelectric power conduit of the present invention can be applied in many prefectures. (Ii) Since no dam is required, construction costs are low, and if the land is blessed, there are multiple rivers in one mountain, and hydroelectric power channels corresponding to each river (river). Can be installed, and it can demonstrate enormous power generation capacity throughout Japan. (iii) Since it can be constructed at the upper part of the mountainous area, it has little effect on the downstream river. (iv) Since rain is free, there is almost no operating cost. (v) A portion of the power generated in each region is consumed in that region, so the transition to the soft path method is accelerated. (vi) Currently, effective investment is required in rural areas due to the financial crisis, and it can be used not only in Japan but also in countries with mountainous areas. Especially in Southeast Asia where there are many mountainous areas due to heavy rain, many demands are expected.

まず、発電用水車に流入する流水の流量をQ[m/s]、水車に有効に作用する落差をh[m]とすると、理論発電電力P [kW]は、よく知られているように、
eh gQh[kW] (7)
で表される。この理論発電電力P は理論水力とも呼ばれている。(7)式は、発電用水車に導入される流水の速度をV[m/s]とすれば、
eV =1/2・QV[kW] (8)
と書き換えられる。山岳頂上部での流水は流量Qは小さいが流速Vは大きくなる。平野部では流量Qは大きいが落差hは小さくなる。
First, assuming that the flow rate of the flowing water flowing into the power generation turbine is Q [m 3 / s] and the head that effectively acts on the turbine is h [m], the theoretical power generation power P e [kW] is well known. like,
P eh = gQh [kW] (7)
It is represented by This theory generated power P e is also referred to as the theory hydropower. If the velocity of flowing water introduced into the power generation turbine is V [m / s],
P eV = 1/2 · QV 2 [kW] (8)
It can be rewritten as The flowing water at the top of the mountain has a small flow rate Q but a large flow velocity V. In the plain, the flow rate Q is large, but the drop h is small.

山岳頂上部の高速な流水を用いて水力発電を実施する場合、どのくらいの理論発電電力P [kW]が得られるかが問題である。流量Q[m/s]で速度V[m/s]の流水から得られる理論発電電力P [kW]は、前述の式(8)で得られる。この式(8)から、Q,V,P の関係を求めたのが、図6である。例えば、Q=10[m/s]、V=100[m/s]では、理論発電電力は、P =5万[kW]となる。これは、流水のもつ運動エネルギーが100「%」電気エネルギーに変換されるものとしての計算である。流水の流速Vも損失分は考慮されていない。したがって、実際の発電電力は、この30〜60「%」程度のものになると思われる。30「%」の発電電力をP30とすれば、P30=1[kW]となり、60「%」では、P60=3万[kW]となる。 When hydroelectric power generation is performed using high-speed flowing water at the top of the mountain, how much theoretical power generation P e [kW] can be obtained is a problem. The theoretical generated power P e [kW] obtained from the flowing water at the flow rate Q [m 3 / s] and the speed V [m / s] is obtained by the above-described equation (8). From this equation (8), Q, V, that was obtained relation P e, diagrams 6. For example, when Q = 10 [m 3 / s] and V = 100 [m / s], the theoretical generated power is P e = 50,000 [kW]. This is a calculation assuming that the kinetic energy of running water is converted to 100% electrical energy. The flow velocity V of the running water is not considered for the loss. Therefore, the actual generated power is considered to be about 30 to 60 “%”. If the power generated by the 30 "%" and P 30, P 30 = 1 15,000 [kW], and the the 60 "%", and P 60 = 3 million in [kW].

標高が1000[m]を越える高山は偏在しているが、500[m]前後の山は日本全国のあらゆる個所に存在している。「竹内正;日本山名総覧、白山書房」によると、日本の山の総数は18000となっている。この中には標高数[m]程度の丘も含まれているので、500[m]以上の山で水力発電に利用し得るものを、少なく見積もって8000(正確には、500[m]以上の山が13098で、700[m]以上の山が7712である。)とし、さらに標高500[m]の山で、発電用導水路として利用し得る有効落差が、その半分の250〔m〕と仮定する。この仮定によれば、落差250[m]から得られる自由落下の流速V[m/s]は簡単な計算で、約70[m/s]と求められる。 Altitudes over 1000 [m] are unevenly distributed, but mountains around 500 [m] exist in all parts of Japan. According to “Takeuchi Tadashi; Nihonzan Name Directory, Hakusan Shobo”, the total number of Japanese mountains is 18,000. This includes hills at an altitude of several [m], so we estimate 8000 (accurately, 500 [m]) that can be used for hydropower generation in mountains over 500 [m]. The above-mentioned mountain is 13098, and the mountain above 700 [m] is 7712.) Further, at an altitude of 500 [m], the effective head that can be used as a power generation conduit is 250 [m ] Is assumed. According to this assumption, the flow velocity V [m / s] of free fall obtained from the drop 250 [m] can be obtained as about 70 [m / s] by simple calculation.

標高が500[m]程度の山での流量を一定の=6[m/s]と仮定して、流速V[m/s]の条件で計算し、導水路下端に発電用水車を設置したとき得られる理論発電電力P [kW]を求めると、式(8)より、
eV =1/2・QV=14700[kW]
となる。1つの山に沢や沢を形成できる個所が平均2個所あるとすると、1つの山で合計理論発電電力P[kW]は、P=29400[kW]と2倍になる。日本全体では、この8000倍が流水の仮想発電電力P[kW]となるので、
=29400×8000=2.352×10[kW]
となる。
Assuming that the flow rate at a mountain with an altitude of about 500 [m] is constant = 6 [m 3 / s], calculation is performed under the condition of flow velocity V [m / s], and a power generation turbine is installed at the lower end of the waterway The theoretically generated power P e [kW] obtained when
P eV = 1/2 · QV 2 = 14700 [kW]
It becomes. Assuming that there are an average of two places where a mountain can be formed in one mountain, the total theoretical generated power P m [kW] in one mountain is doubled to P m = 29400 [kW]. In Japan as a whole, this 8000 times is the virtual generated power P s [kW] of running water,
P s = 29400 × 8000 = 2.352 × 10 8 [kW]
It becomes.

この仮想発電電力Pを電力量Ws[kWh]にすると、
Ws=20603億[kWh]
となる。この電力量Wsは理論発電電力量に基づいたものであり、実際の総発電電力量W[kWh]は、
=η・Ws
となる。ηは変換損失を含めた変換効率である。ηの値は不明であるが、0.3〜0.6くらいの間にあると思われる。よって、
=6182〜12362億[kWh]
となる。
When this virtual generated power P s is set to the electric energy Ws [kWh],
Ws = 20603 billion [kWh]
It becomes. This electric power amount Ws is based on the theoretical electric power generation amount, and the actual total electric power generation amount W t [kWh] is
W t = η · Ws
It becomes. η is the conversion efficiency including various conversion losses. The value of η is unknown, but it seems to be between 0.3 and 0.6. Therefore,
W t = 6182-2123 billion [kWh]
It becomes.

以上の各方式(a)〜(c)において、その導水路の一部または全部として、図10に示すように、地表31から浮くように、支柱32により支持した空中導水路25Cを設置することができる。このとき、空中導水路25Cは地表31より高さh1だけ高くなるので、この空中導水路25Cを図9の点線A2〜A3の間の導水路25Bの露出部分に適用するときは、トンネル部分を減少させることができる。高さh1は設置場所の地質、傾斜角度、トンネル部の長さ、流水の流量等によって定められる。この空中導水路25Cの上端が取水口33になる場合は、その取水口33にフィルタ等(図示せず)を設置して、沢22からの流水を取り込むようにする。沢22の下流は始めの間は空中導水路25Cに流水が流れたため枯れ沢22Aとなっている。なお、空中導水管25Cを水管(パイプ)型とする場合は、その水管の上部の所々に小穴25Caを空けて大気を導入し、水管内部を大気圧に保つ。(いわゆる、「開渠式(かいきょしき)」の導水路を構成する。) In each of the above methods (a) to (c), as part or all of the water conduit, as shown in FIG. 10, an aerial water conduit 25 </ b> C supported by the support column 32 is installed so as to float from the ground surface 31. Can do. At this time, since the aerial conduit 25C is higher than the ground surface 31 by the height h1, when applying the aerial conduit 25C to the exposed portion of the conduit 25B between the dotted lines A2 to A3 in FIG. Can be reduced. The height h1 is determined by the geology of the installation location, the inclination angle, the length of the tunnel portion, the flow rate of running water, and the like. In the case where the upper end of the aerial conduit 25 </ b> C becomes the water intake 33, a filter or the like (not shown) is installed in the water intake 33 so that the flowing water from the river 22 is taken in. The downstream of the stream 22 is a withered stream 22A because flowing water has flowed into the air conduit 25C during the beginning. When the aerial conduit 25C is a water pipe (pipe) type, small holes 25Ca are opened in places above the water pipe to introduce the atmosphere, and the interior of the water pipe is maintained at atmospheric pressure. (This constitutes the so-called “Kaiyoshiki” waterway.)

山岳地帯では、導水路に流し得る流量Q[m/s]は、それほど大きな量にはならない。したがって、山岳部に設置される水力発電所で使用する発電用水車は、ペルトン水車系が主となる。ペルトン水車は、流量によりノズルの数が決められているが、最大で6個である。ノズルの直径を12[cm]と15[cm]とした場合、水車の導入口の流水速度V[m/s]、流量Q[m/s]から、式(8)で求めた発電電力P [kW]を図11に示す。現在使用されているペルトン水車のノズル直径は10[cm]程度が普通であるが、ここでは目標値として12[cm]と15[cm]を掲げた。 In the mountainous area, the flow rate Q [m 3 / s] that can flow into the conduit is not so large. Therefore, the power generation turbines used in hydroelectric power stations installed in mountainous areas are mainly Pelton turbines. In the Pelton turbine, the number of nozzles is determined by the flow rate, but the maximum is six. When the nozzle diameter is 12 [cm] and 15 [cm], the generated power calculated by the equation (8) from the flow velocity V [m / s] and the flow rate Q [m 3 / s] at the inlet of the water turbine P e [kW] is shown in FIG. The nozzle diameter of a Pelton turbine currently used is normally about 10 [cm], but here, 12 [cm] and 15 [cm] are listed as target values.

ここで示した発電電力P [kW]は、水車及び発電機の効率を100[%]としたが、実際は、水車と発電機での損失があるため70〜80[%]くらいが発電電力となる。なお、図11の流量Q[m/s]自体は、本発明の導水路は流速V[m/s]に逆比例して断面積を絞っていくので、導水路の始点終点において大略同一である。 The generated power P e [kW] shown here assumes the efficiency of the water turbine and the generator as 100 [%], but in reality, there is a loss in the water turbine and the generator, so about 70 to 80 [%] is generated power. It becomes. Note that the flow rate Q [m 3 / s] itself in FIG. 11 is substantially the same at the start and end points of the water channel because the water channel of the present invention narrows the cross-sectional area in inverse proportion to the flow velocity V [m / s]. It is.

Claims (6)

山岳の上部の流水を取水して下部に設置した発電用水車の運転に必要な流水として導入する水力発電用導水路であって、
少なくとも一部を傾斜配置し該傾斜配置部により前記取水した流水を低速流水から高速流水に変換してから前記発電用水車に導入することを特徴とする水力発電用導水路。
It is a hydroelectric power conduit that takes in running water from the upper part of the mountain and introduces it as running water necessary for the operation of the power turbine installed at the lower part.
A hydroelectric power guide channel, wherein at least a part of the hydroelectric power supply channel is inclined, and the water taken by the inclined arrangement portion is converted from low-speed flowing water to high-speed flowing water and then introduced into the power generation turbine.
請求項1に記載の水力発電用導水路において、
各部の横断面方向の内周は、そこを通過する前記流水の流速に逆比例して小さくなるように設定されていることを特徴とする水力発電用導水路。
The hydroelectric power conduit according to claim 1,
The hydroelectric power generation channel, wherein the inner periphery in the cross-sectional direction of each part is set to be inversely proportional to the flow velocity of the flowing water passing therethrough.
請求項1又は2に記載の水力発電用導水路において、
下流に向かうにしたがって複数の流水を合流して1つの流水に集めるように形成されていることを特徴とする水力発電用導水路。
The hydroelectric power guide channel according to claim 1 or 2,
A hydroelectric power guide channel, characterized in that a plurality of running waters are merged and gathered into one running water as it goes downstream.
請求項1、2又は3に記載の水力発電用導水路において、
床面が低摩擦抵抗性素材で形成され、側壁が水の染み出る親水性素材で形成されていることを特徴とする水力発電用導水路。
The hydroelectric power conduit according to claim 1, 2, or 3,
Hydroelectric power generation conduit characterized in that the floor surface is formed of a low friction resistant material and the side wall is formed of a hydrophilic material that exudes water.
請求項1、2又は3に記載の水力発電用導水路において、
地表から浮いた空中導水路を少なくとも一部に有することを特徴とする水力発電用導水路。
The hydroelectric power conduit according to claim 1, 2, or 3,
An aqueduct for hydropower generation, characterized by having at least a part of an aerial canal floating from the ground surface.
請求項1、2、3又は5に記載の水力発電用導水路において、
前記山岳部の高所に降った雨水あるいは融雪水を集める集水路を設け、該集水路で集めた流水を前記上端に導入することを特徴とする水力発電用導水路。
In the hydroelectric power guide channel according to claim 1, 2, 3, or 5,
A hydroelectric power guide channel, characterized in that a water collecting channel for collecting rainwater or snowmelt water that has fallen at a high place in the mountainous region is provided, and flowing water collected in the water collecting channel is introduced into the upper end.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4832871Y1 (en) * 1970-01-12 1973-10-05
JPS6097477A (en) * 1983-10-31 1985-05-31 Fujitsu Ltd Correcting system of misread character
JPS6149007A (en) * 1984-08-17 1986-03-10 Nishida Tekko Kk Water control valve device for underground dam
JPS62129409A (en) * 1985-11-30 1987-06-11 Yoshio Ogawa Gradually constructing method for structures in piping dam systems arranged over whole hanshin district
JP2001214424A (en) * 2000-02-03 2001-08-07 Norio Takei Construction method for dam and electricity generating method by hydraulic power
JP2005155334A (en) * 2003-11-20 2005-06-16 Hokuriku Regional Development Bureau Ministry Land Infrastructure & Transport Hydraulic energy recovering unit

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4832871Y1 (en) * 1970-01-12 1973-10-05
JPS6097477A (en) * 1983-10-31 1985-05-31 Fujitsu Ltd Correcting system of misread character
JPS6149007A (en) * 1984-08-17 1986-03-10 Nishida Tekko Kk Water control valve device for underground dam
JPS62129409A (en) * 1985-11-30 1987-06-11 Yoshio Ogawa Gradually constructing method for structures in piping dam systems arranged over whole hanshin district
JP2001214424A (en) * 2000-02-03 2001-08-07 Norio Takei Construction method for dam and electricity generating method by hydraulic power
JP2005155334A (en) * 2003-11-20 2005-06-16 Hokuriku Regional Development Bureau Ministry Land Infrastructure & Transport Hydraulic energy recovering unit

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