JP2013023973A - トンネル工事における湧水利用発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル工事に特有の坑内湧水を利用して発電し、その電力をトンネル工事用の一部としてまかなうことにより、エネルギーの効率化及び省電力化を図る。
【解決手段】山岳トンネルの工事中に坑内で発生する湧水を利用して発電を行う水力発電装置１０を備え、発電した電力をトンネル工事用電力の一部として供給するようにする。この場合、トンネル工事中に回収された坑内湧水を浄化する濁水処理システム２を備え、前記水力発電装置１０は、前記濁水処理システム２で浄化された水を河川に放流する際の落差を利用して発電を行うように設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル工事中に坑内に溜まる湧水を利用して発電することにより、エネルギーの効率化及び省電力化を図ったトンネル工事における湧水利用発電システムに関する。

トンネル工事を進める上で電力の確保が必要不可欠となるが、この電力として、通常は商用電力が使用されていた。また、山岳地域などの商用電力の確保が困難な場合には発電機で発電した電力が使用されていた（例えば、下記特許文献１）。

特開２００８−１９０２１２号公報

しかしながら、商用電力を使用する場合には、停電や電力供給制限などの非常時には利用できなくなるおそれがあり、発電機で発電した電力を使用する場合には、燃料費等が嵩むとともに、有害ガスの排出や騒音の発生など環境問題を引き起こすことが懸念されていた。

一方、小電力水力発電として、トンネル工事現場に小型の水力発電装置を設置し、この水力発電装置に河川水を引き込んで発電を行う技術が従来より知られていたが、このような水力発電は水利権の問題が発生し、通常は自治体などの許認可が必要になるとともに、設備が大型化して広い設置スペースの確保が必要になるなど、実用化には数多くの課題を解決しなければならないのが現状であった。

ところで、トンネル工事では掘削に伴い坑内で多量の湧水が発生するが、この湧水はトンネル坑内で回収され、濁水処理設備で処理された後、河川に放流されているだけであり、有効利用されている状況にはない。

そこで本発明の主たる課題は、トンネル工事中にトンネル坑内に溜まる坑内湧水を利用して発電し、その電力をトンネル工事用の一部としてまかなうことにより、エネルギーの効率化及び省電力化を図ったトンネル工事における湧水利用発電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、山岳トンネルの工事中に坑内で発生する湧水を利用して発電を行う水力発電装置を備え、発電した電力をトンネル工事用電力の一部として供給するようにしたことを特徴とするトンネル工事における湧水利用発電システムが提供される。

上記請求項１記載の発明は、山岳トンネルの工事中に坑内で発生する湧水を利用して発電を行う水力発電装置を備え、この水力発電装置で発電した電力をトンネル工事用電力の一部として供給するようにしたものである。山岳トンネルの工事中は、トンネル内空面や切羽から坑内に多量の地下水が湧き出て、坑内湧水としてトンネル坑内に溜まるが、このトンネル工事に特有の坑内湧水を利用して発電を行う水力発電装置を備え、この水力発電装置によって得られた電力をトンネル工事用の一部としてまかなうことにより、エネルギーの効率化及び省電力化が図られるようになる。

請求項２に係る本発明として、トンネル工事中に回収された坑内湧水を浄化する濁水処理システムを備え、前記水力発電装置は、前記濁水処理システムで浄化された水を放流する際の落差を利用して発電を行うように設置してある請求項１記載のトンネル工事における湧水利用発電システムが提供される。

上記請求項２記載の発明では、トンネル工事中に回収された坑内湧水を浄化する濁水処理システムを備え、前記水力発電装置は、前記濁水処理システムで浄化された水を河川に放流する際の落差を利用して発電を行うように設置してある。

従って、前記濁水処理システムで処理された水を河川に放流する際の落差を利用して発電を行うように水力発電装置を設置したため、水力発電装置を通過する水に高い流速を与えることが可能になるため、水の落差エネルギーを有効活用できるとともに、省電力化が図れるようになる。なお、前記水力発電装置としては、特に特開２００９−２２１８８２号公報に開示されたものが好適に使用でき、これにより、コンパクトな形状でありながら、効率良く発電することができるようになる。

請求項３に係る本発明として、前記水力発電装置によって発電された発電量を表示するモニタが備えられている請求項１、２いずれかに記載のトンネル工事における湧水利用発電システムが提供される。

上記請求項３記載の発明では、水力発電装置によって発電された発電量を表示するモニタを備えることにより、発電システムの稼働状況が一目で把握できるなる。

以上詳説のとおり本発明によれば、トンネル工事中にトンネル坑内に溜まる坑内湧水を利用して発電し、その電力をトンネル工事用の一部としてまかなうことにより、エネルギーの効率化及び省電力化を図ることができるようになる。

本発明に係る発電システム１の構成図である。 水力発電装置１０の縦断面図である。 水力発電装置１０の横断面図である。 水力発電装置１０の使用状態を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

本発明に係るトンネル工事における湧水利用発電システム１（以下、発電システム１という。）は、トンネル工事中にトンネル内空面や切羽から周辺地山の地下水が湧き出てトンネル坑内に溜まった坑内湧水を利用して発電を行う水力発電装置１０が備えられている。

具体的に本発電システム１は、図１に示されるように、トンネル工事中に回収された坑内湧水を浄化する濁水処理システム２と、この濁水処理システム２で浄化された水を河川に放流する際の落差を利用して発電を行う水力発電装置１０とから構成されている。

前記濁水処理システム２は、坑内湧水に懸濁した粘土鉱物などの微細粒子を取り除き、河川等に放流できる程度の清水とするものである。詳細には図１に示されるように、トンネル坑内の坑内湧水は、床面に設けられた排水溝によって集約されたり、吸引機などによって床面に広がった坑内湧水を吸引したりして回収され、沈砂槽３に貯留される。この沈砂槽３では、前処理として砂などの不純物が沈降分離される。沈砂槽３を通過した処理水には、薬注ポンプなどによって凝集剤が注入されるとともに、中和のためのＣＯ_２ガスが混合された後、シックナー４に送られ、このシックナー４において前記凝集剤の凝結作用により凝結した微細粒子が沈降分離される。その後、上澄みの処理水だけが処理水槽５に送られ、必要に応じて濾過器７で更に微細粒子分が濾過された後、放流水槽６に貯留される。一方、シックナー４において沈降した汚泥分は、汚泥貯留槽４ａに送られ、フィルタープレス等の脱水機４ｂで固液分離された後、固体分が沈砂槽３へ戻される。

前記シックナー４の前段で注入される凝集剤としては、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、硫酸アルミニウム（硫酸バンド）などのアルミニウム塩系の無機凝集剤や高分子凝集剤などを適宜組み合わせて使用することができる。

前記水力発電装置１０に送られる放流水は、前記放流水槽６からの定常的な流下が可能なように、配管の傾斜角を調整したり、放流水槽６からの放流水量を調整するなどして、配管端末から常時水が流れるように調整することが好ましい。これにより安定した電力供給が可能となる。

前記水力発電装置１０は、濁水処理システム２で処理された放流水槽６の水を河川等に放流する際の落差を利用して発電を行うものであるので、低落差でも発電効率が良いものを使用することが望ましく、このような水力発電装置１０としては、例えば特開２００９−２２１８８２号公報に開示されたものが好適に使用できる。詳細については、同公報に譲るが、以下にその概略について図２〜図４に基づいて説明する。

前記水力発電装置１０は、垂直方向に長い矩形に組まれた架台フレーム１２が設けられている。架台フレーム１２は、後述する用水路４４の第二底部５２に設置される互いに平行な一対の土台部１２ａと、各土台部１２ａにほぼ垂直に立設される二対の柱部１２ｂと、二対の柱部１２ｂの上端を連結する上端部１２ｃが設けられている。柱部１２ｂの土台部１２ａに近い部分には、土台部１２ａに対して平行に保持部１２ｄが設けられている。柱部１２ｂの、上端部１２ｃに近い部分には、柱部１２ｂの長さを調整する図示しない構造が設けられてもよい。そして、土台部１２ａ、上端部１２ｃ、保持部１２ｄ付近には、図示しない横部材がそれぞれ柱部１２ｂの間にほぼ直角に交差して設けられ、四角形の箱形に組み立てられている。

架台フレーム１２の４本の柱部１２ｂの内側には、円筒形の取水胴１４が設けられている。取水胴１４は、軸方向が垂直に設けられて上下に開口し、上方に開口された上端縁部１４ａは、約半分程度の長さが、下方に斜めに切除されて切除部１４ｂが設けられている。取水胴１４の下端縁部１４ｃは略水平方向に位置して開口している。

取水胴１４の内側には、ガイド部材１５が固定されている。ガイド部材１５には、取水胴１４の中心軸上に位置する水絞りドラム１６が設けられている。水絞りドラム１６は、取水胴１４に対して平行な中心軸を有し下方に向かって直径が大きくなる円錐部１６ａと、円錐部１６ａの下端部に連続し取水胴１４に対して平行な円柱部１６ｂが設けられている。水絞りドラム１６の中心軸には、後述するシャフト２８が挿通される挿通部１８が垂直方向に設けられている。

水絞りドラム１６の円柱部１６ｂの側周面には、固定スクリュウ２０が設けられている。固定スクリュウ２０は水絞りドラム１６と取水胴１４の間の空間を取水胴１４の円周に沿って放射方向に区切る４枚の矩形の板体であり、水絞りドラム１６と取水胴１４の間の空間を等間隔に４区画に区切っている。各固定スクリュウ２０の一方の側縁部は水絞りドラム１６の円柱部１６ｂに固定され、この側縁部に対向する側縁部は取水胴１４の内周面に固定され、その他の一対の側縁部は取水胴１４の内側に露出している。各固定スクリュウ２０の取付角度は、取水胴１４の軸方向に対して下方へ向かって時計周りに湾曲するように傾斜し、傾斜する角度は、後述する回転スクリュウ２２の羽根部２６の上面に対して、ほぼ直角に向くように設けられている。なおここで直角とは、９０度前後の角度を含むものとする。また各固定スクリュウ２０は、厚み方向が、下方へ向かって僅かに湾曲されている。

ガイド部材１５の下方には、回転スクリュウ２２が設けられている。回転スクリュウ２２はほぼ垂直な軸部２４が設けられ、軸部２４の側周面には４枚の羽根部２６が設けられている。各羽根部２６は、軸部２４の軸方向に対して下方へ向かって反時計周りに移動する螺旋状に設けられ、４枚が互いに平行に設けられている。

回転スクリュウ２２の軸部２４には、シャフト２８が連結されている。シャフト２８は回転スクリュウ２２の軸部２４を貫通して固定され、軸部２４の上方にほぼ垂直に延出し、ガイド部材１５の水絞りドラム１６に形成された挿通部１８に回転可能に挿通され、さらに上方に延出して架台フレーム１２の上端部１２ｃに達している。シャフト２８の上端部２８ａは、架台フレーム１２の上端部１２ｃに固定された軸受３０に支持され、カップリング３２に連結されている。カップリング３２は、増速機３４に連結されている。さらに、増速機３４から別のシャフト３６が上方に延出して設けられ、シャフト３６はカップリング３８を経て発電機４０に連結されている。

シャフト２８の下端部２８ｂは、回転スクリュウ２２の軸部２４の下方に延出し、架台フレーム１２の保持部１２ｄに達している。そして、保持部１２ｄに固定されている軸受４２に回転可能に支持されている。

次に、この実施形態の水力発電装置１０の使用方法について図４に基づいて説明する。水力発電装置１０を取り付ける放流水槽６からの水路４４は、一対の側壁部４６で両岸が保護され、側壁部４６の間には浅い第一底部４８が形成されている。第一底部４８の下流側にはほぼ垂直に下方へ向かう段部５０が連続し、さらに段部５０には第一底部４８よりも深い第二底部５２が連続している。水力発電装置１０は水路４４の段部５０付近若しくは河川へ放流する際の放流口付近に設置され、架台フレーム１２の柱部１２ｂが段部５０にほぼ接触するように置き、土台部１２ａを第二底部５２に設置する。このとき、取水胴１４の切欠部１４ｂが第一底部４８に対向するようにセットし、切欠部１４ｂの下端部が第一底部４８とほぼ同じ高さとなるようにする。なお、架台フレーム１２の柱部１２ｂに高さ調節機能が設けられている場合、水路４４の段部５０に合わせて高さを調節する。

次に水力発電装置１０の動作について説明する。水路４４の第一底部４８を流れてきた水は段部５０で落下し、水力発電装置１０の取水胴１４の中へ切欠部１４ｂを通過して流れ込む。取水胴１４に流れ込んだ水は垂直に落下し、ガイド部材１５に当たり、ガイド部材１５の水絞りドラム１６と固定スクリュウ２０の間の空間に流れ、水絞りドラム１６の側周面と固定スクリュウ２０の延長線上に沿って流れ落ちる。流れ落ちる位置は、回転スクリュウ２２の羽根部２６の、軸部２４から離れた縁部付近であり、流れ落ちる角度は、羽根部２６の上面に対してほぼ直角となる。そして、回転スクリュウ２２の羽根部２６に水が落下すると、羽根部２６が押されて回転スクリュウ２２が軸部２４を中心に、上方から見て時計回りに回転する。このとき、ガイド部材１５の固定スクリュウ２０により水は４箇所に分かれた流路となり、ガイド部材１５の水絞りドラム１６は下方に向かって直径が大きくなる円錐形であり水の流路は取水胴１４の内周面に近い部分に狭められるため、水の流速は早められた状態で落下する。下方に位置する回転スクリュウ２２の羽根部２６も４枚設けられ、ガイド部材１５の４箇所から落下した水は確実に受けられ、回転スクリュウ２２の回転エネルギーに変換される。回転スクリュウ２２の回転に伴い、シャフト２８、３６が回転し、発電機４０で発電される。例えば、この実施形態のような発電機４０では、落差３ｍ以下の段部５０を有する水路４４で、３ｋｗの発電をすることができる。

この実施形態の水力発電装置１０によれば、簡単な構造でコンパクトな形状であり、水のエネルギーを効率良く回転エネルギーに変えて発電することができる。構造が簡単なため、安価で移動が容易であり、またメンテナンスも簡単であり、手軽に使用することができる。水路の段差からほぼ垂直に落下する水の流れを、ガイド部材１５により効率が良い方向に変え、回転スクリュウ２２の羽根部２６の最適な場所に最適な角度で水を当てることができる。これにより発電効率が良好であり、また水路４４を流れる水の量が少ないときでも流速を速めて確実に発電することができる。水力発電装置１０は小形であるため、段部５０の落差が２メートル程度でも使用可能であり、省スペースなためいろいろな場所に取付けることができる。省スペースと、発電効率が良好であるという、相反する効果を有するものである。

なお、この発明の水力発電装置は、上記実施の形態に限定されるものではなく、各部材の形状は適宜変更可能である。ガイド部材の形状は、上記以外に水の流れを適した方向に向けるものであれば良い。また、回転スクリュウの羽根部の形状や枚数、角度等も適宜変更可能である。

ところで、本発電システム１には、上記水力発電装置１０によって発電された発電量を表示するモニタを備えるようにすることが好ましい。発電量をモニタリングすることにより、発電システム１の稼働状況が一目で把握でき、工事全体の所要電力のうち、どの程度生産できているかを常時把握することができるようになる。前記モニタには、「現在の発電量（ｋＷｈ）」の他、この発電量をメータ化したもの、「総積算発電量（ｋＷｈ）」、「ＣＯ_２削減量（ｋｇ・ＣＯ_２）」、「現在の気温」、「日時」などを表示することができる。

１…トンネル工事における湧水利用発電システム（発電システム）、２…濁水処理システム、３…沈砂槽、４…シックナー、５…処理水槽、６…放流水槽、７…濾過器、８…汚泥貯留槽、９…脱水機、１０…水力発電装置、１２…架台フレーム、１４…取水胴、１５…ガイド部材、１６…水絞りドラム、１６ａ…円錐部、１６ｂ…円柱部、２０…固定スクリュウ、２２…回転スクリュウ、２４…軸部、２６…羽根部、２８…シャフト、４０…発電機

Claims (3)

1. 山岳トンネルの工事中に坑内で発生する湧水を利用して発電を行う水力発電装置を備え、発電した電力をトンネル工事用電力の一部として供給するようにしたことを特徴とするトンネル工事における湧水利用発電システム。
2. トンネル工事中に回収された坑内湧水を浄化する濁水処理システムを備え、前記水力発電装置は、前記濁水処理システムで浄化された水を河川に放流する際の落差を利用して発電を行うように設置してある請求項１記載のトンネル工事における湧水利用発電システム。
3. 前記水力発電装置によって発電された発電量を表示するモニタが備えられている請求項１、２いずれかに記載のトンネル工事における湧水利用発電システム。

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