JP2014101782A

JP2014101782A - 水力発電装置

Info

Publication number: JP2014101782A
Application number: JP2012253240A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shimizu; 修清水
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2014-06-05

Abstract

【課題】装置の設置場所を可能な限り制約することなく、かつ高い発電効率を確保すること。
【解決手段】回転体２を回転させる駆動部３を、この回転体２の円周２ａよりも長い環状部材５を用いて構成する。この環状部材５は、回転体２の円周２ａに沿う懸架部７と、回転体２の円周２ａに沿わずに垂れ下った垂下部８とからなり、所定間隔ごとに水受け部６が設けられている。この水受け部６に、水源Ｓからの水Ｗを供給すると、垂下部８の長さに対応する位置エネルギーの分だけ、回転体２を一層効率良く回転させることができ、高い発電効率を確保することができる。また、回転体２の直径を変えることなく、垂下部８の長さを長くすることによって、発電量の増大を図ることができるため、設置場所が制約されにくく、従来型の水車が設置できない狭小なスペースでも、この水力発電装置を比較的容易に設置することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、砂防ダム（砂防堰堤、床固工等）や河川等の水源から供給された水によって、回転体を回転させて発電する水力発電装置に関する。

近年の原子力発電の安全性に対する不安や、火力発電に伴う二酸化炭素の排出及び燃料コスト増大の問題、太陽光発電、風力発電、地熱発電等における高い発電コストの問題等から、水車等の回転体を水力によって回転させて発電を行う水力発電が見直されつつある。この水力発電は、その装置構成が原子力発電や火力発電等の発電方式と比較して簡便であるとともに、発電コストや安全性の面で優れている。その反面、上記の各発電方式と比較して発電効率が若干低く、普及が遅れているのが現状である。

そこで、この発電効率をさらに向上すべく、種々の構成が提案されている。例えば、特許文献１の構成では、蓄水部に蓄えられた水が流出するのを極力抑制して、この水による水車の回転力を最大限に利用しようとしている。また、特許文献２の構成では、水受け板の取り付け角度を最適化して、できるだけ多くの水を受け入れられるようにしている。いずれの構成も、できるだけ長い時間、蓄水部に水が蓄えられた状態を維持して、この水の持つ位置エネルギーを無駄にすることなく、回転体の回転エネルギーに変換しようとしている点で共通している。

特開２０１２−２１５０号公報特開２０１２−１０７６０５号公報

水車による発電は、水を蓄えることができる蓄水部の最上段位置と、蓄水部からの排水位置との間の高低差に相当する水の位置エネルギーを回転体の回転エネルギーに変換することによってなされる。この位置エネルギーの大きさは前記高低差と、蓄水部に蓄えられた水の量によって決まる。特許文献１及び２に係る構成の水車は、従来型の水車（例えば、特許文献２の図２に記載のもの）と比較すると、蓄水部に蓄えることができる水の量が多いため、水車の大きさが同じであっても、より高い発電効率を確保することができる。

この従来型の水車において、さらに大きな位置エネルギーを得るためには、直径の大きな水車を用いて前記高低差をさらに大きくすればよい。しかしながら、水車を設置するためには、水平方向及び垂直方向の両方について、少なくともその直径分以上の広いスペースを確保しなければならず、その設置場所が制約されることが多い、という問題がある。

そこで、この発明は、装置の設置場所を可能な限り制約することなく、かつ高い発電効率を確保することを課題とする。

上記の課題を解決するため、この発明は、発電機に動力を伝達する回転軸と、この回転軸に設けられた回転体と、この回転体の円周に沿うように懸架され、水の自重によって回転駆動して前記回転体を前記回転軸周りに回転させる駆動部とを有し、前記駆動部は、前記回転体の円周よりも長い環状部材と、この環状部材に設けられ、前記水を受ける水受け部とを有し、前記環状部材は、前記回転体の円周に沿う懸架部と、前記回転体の円周に沿わずに垂れ下った垂下部とからなる水力発電装置を構成した。

このように構成することにより、最大で回転体の半径と垂下部の垂れ下りの長さとの合計分に対応する高低差を確保することができ、一般的な水車において、この水車（回転体）の直径分のみの高低差に対応する水の位置エネルギーを利用して発電を行った場合と比較して発電効率を大幅に向上することができる。しかも、必ずしも回転体の直径を大径化しなくても、垂下部の長さを長くすることのみによって発電効率の向上を図ることができる。このため、垂直方向へのスペースさえ確保できれば、水平方向にはそれほど広いスペースは必要ではなく、制約をあまり受けることなく比較的容易にこの水力発電装置を設置することができる。

前記水受け部は、前記環状部材に所定間隔ごとに設けられ、水の吐出に伴って、回転体を連続的に回転し得るようにしている。各水受け部には開口部が形成され、水の吐出口から排出位置までの間は、この開口部が上向きとなって水を溜めておくことができる一方で、前記排出位置から環状部材の最上部に至るまでの間は、この開口部が下向きとなって水が溜まらないようになっている。このように構成することで、水受け部に溜まった水の自重によって、回転体を一方向にスムーズに回転させることができ、この水の位置エネルギーを無駄なく回転体の回転エネルギーに変換することができる。この水受け部の容量、形状、個数等は、発電能力等の運転条件を考慮して適宜決めることができる。

前記構成においては、水源から前記水受け部まで前記水を送る管体を有し、前記水源の水面と、前記水受け部に前記水を吐出する吐出口との間に高低差があり、前記管体内の水の自重によって、前記水源から前記吐出口まで連続的に前記水が送られるようにするのが好ましい。

このようにすれば、前記水源から吐出口まで水を送るためにポンプ等の設備を設ける必要がない。このため、仮に自然災害等で電力会社等からの電力の供給が途絶えた場合でも、この水力発電装置を継続して使用することができ、災害時における信頼性や利便性が非常に高い。

前記各構成においては、前記水に、それよりも比重が大きい混入物を混入させるのが好ましい。

このような混入物（例えば、砂、泥、小石等）を水に混入させると、混入物がない水と比較して見掛け上の比重が大きくなる。この比重が大きくなると、水と前記混入物の持つ位置エネルギーの和が、水だけの場合の位置エネルギーよりも大きくなる。このため、回転体を一層効率的に回転させることができ、高い発電効率を確保することができる。この水として、砂防ダムに溜まった水や河川の水を用いるのが特に好ましい。砂防ダムや河川には多くの砂、泥、小石等が堆積しており、水とともに、この水よりも比重が大きい混入物（砂等）を容易に確保できるためである。

この発明は、回転体に、この回転体を回転させる駆動部を懸架し、この駆動部を構成する環状部材を前記回転体の円周よりも長くなるように構成した。このように構成することにより、環状部材の一部を前記回転体から垂れ下がった垂下部とし、この垂下部の長さに対応する位置エネルギーを回転体の回転エネルギーとして利用することができる。このため、前記回転体と同じ直径の従来型の水車の場合と比較して、発電効率の向上を図ることができる。

また、回転体の直径を変えることなく、前記垂下部の長さを長くすることのみによって、発電量の増大を図ることができる。このように、回転体の直径をあまり大きくしなくてもよいため、設置場所が制約されにくく、従来型の水車が設置できない狭い場所でもこの水力発電装置を設置し得る。

本願発明に係る水力発電装置の第一実施形態について、使用態様の一例を示す図砂防ダムからの取水状態を示す図であって、（ａ）は取水開始時、（ｂ）は取水と混入物の吸い込みがある程度進んだ状態排水から混入物を分別する工程を示す図第一実施形態について使用態様の他例を示す図本願発明に係る水力発電装置の第二実施形態の要部を示す図

本願発明に係る水力発電装置の第一実施形態を図１に示す。この水力発電装置は、発電機（図示せず）に動力を伝達する回転軸１と、この回転軸１に設けられた回転体２と、この回転体２の円周２ａに沿うように懸架され、水Ｗの自重によって回転駆動して回転体２を回転軸周りに回転させる駆動部３とを有している。この回転体２（回転軸１）は、枠体４によって保持されている。

この駆動部３は、回転体２の円周よりも長い環状部材５と、この環状部材５に設けられ、水Ｗを受ける水受け部６とを備えている。この環状部材５は、回転体２の円周２ａに沿う懸架部７と、回転体２の円周２ａに沿わずに垂れ下った垂下部８とからなる。この水受け部６は、環状部材５に所定間隔ごとに設けられている。各水受け部６の容量及び個数は、その水力発電装置に要求される発電能力等を考慮して適宜決めることができ、例えば、その容量を数百ミリリットル〜数百リットル程度、その個数を垂下部８の長さに対応して数個〜１００個程度とすることができる。また、水受け部６の形状は、スムーズに水Ｗを溜め、さらに排水できるのであれば特に限定されず、同図に示すように錘状にする他に、円筒状、立方体状等、種々の形状とすることができる。

水源Ｓから送られた水Ｗは、この水Ｗを吐出する吐出口９を通って水受け部６に供給される。そして、この水受け部６に溜まった水Ｗの持つ位置エネルギーが、回転体２の回転エネルギーに変換されてこの回転体２が回転する。この水受け部６の下端部付近に透孔を形成し、この水受け部６に溜まった水Ｗの一部が、その下側の水受け部６に流れ込むようにすることもできる。このようにすれば、吐出口９から吐出された水Ｗが吐出先の水受け部６から溢れ出るのを防止して、その水Ｗの持つ位置エネルギーを無駄なく回転体２の回転に利用することができるためである。この吐出口９の数は、同図に示すように複数としてもよいし、一箇所のみであってもよい。

この水源Ｓとして、山間部に設けられた防災用の砂防ダム（砂防堰堤等）や、河川、湖沼等を利用できる。この水源Ｓの水面よりも、水受け部６に水を吐出する吐出口９の方が低ければ、その水Ｗの自重によって、ポンプ等の設備がなくても水Ｗを送ることができる。このため、仮に自然災害等で電力会社等からの電力供給が途絶えた場合でも、この水力発電装置を継続して使用することができ、災害時における信頼性や利便性が非常に高い。

また、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、この水源Ｓとして砂防ダムの水を用いる場合、水の吸い込みとともにこの砂防ダムに溜まっている砂、泥、小石等の混入物Ｉも吸い込まれる。通常、この混入物Ｉは水Ｗよりも比重が大きいため、この混入物Ｉが混入した水Ｗの見掛け上の比重は、混入物Ｉが混入していない水Ｗの比重よりも実質的に大きくなる。このように見掛け上の比重が大きくなると、その位置エネルギーが実質的に大きくなり、回転体２を回転させる作用が高まる。このため、高い発電効率を確保することができる。水Ｗを吸引する管体１０（鋼管やホース等）の吸込口には網１１が取り付けられ、この網目を通ることができる混入物Ｉのみが、この管体１０に吸い込まれるようになっている。これにより、粗大な混入物Ｉによって管体１０が詰まるのを防止している。

この水力発電装置は、砂防ダム等の水源Ｓ付近に併設してもよいし、電力を消費する街中に設置してもよい。

水源Ｓに併設する場合は、水Ｗを水力発電装置に導くための管体１０を必要最小限設置すればよい。また、この水源Ｓは人家等から離れた山中のことが多く、この装置の稼働に伴う騒音や飛沫の飛散をあまり気にしなくてもよいというメリットがある。その一方で、水源Ｓと水Ｗの吐出口９との間の高低差を如何にして確保するか、という工夫が必要となる。

電力を消費する街中に設置する場合は、この装置から電気の使用場所までの電力線を必要最小限設置すればよいため、送電中の電気の損失が少なく、しかも、水源Ｓと吐出口９との高低差を確保しやすいというメリットがある。なお、この場合は、装置の稼働に伴う騒音や水の飛沫の周囲への影響を極力減らすため、ビル等の建築物内部にこの水力発電装置を設置するのが好ましい。

水源Ｓとして砂防ダムの水を用いる場合、図３に示すように、水受け部６から排水された水Ｗに混入している砂、泥、小石等の混入物Ｉをフィルタ等の分別装置１２で分別して、この分別した混入物Ｉをセメント工場等で再利用することもできる。このようにすれば、埋め立て処分等の必要がなくなり、コスト面でのメリットが大きい。

例えば、直径（駆動部３を案内する円周２ａの直径）が２メートルの回転体２を用い、垂下部８の垂れ下り長さを１０メートルとし（すなわち、上下方向の高低差は、回転体２の半径と前記垂れ下り長さの合計の１１メートル）、１メートル間隔で水受け部６を設けた環状部材５を駆動部３として用いて構成（本願構成）した場合と、これと同等の発電能力を有する水力発電装置を従来の円環状の水車で構成（従来構成）した場合と、について比較検討する。

本願構成において、最上部において水受け部６に水Ｗが供給され、最下部において排水されるとした場合、一つの水受け部６に給水される水Ｗの質量をｍとし、水Ｗの持つ位置エネルギーの全てが回転体２の回転エネルギーに変換されるとすると、環状部材５の半周分に設けられる水受け部６の個数は約１２個であることから、回転体２が半周する間に発生する回転エネルギーは約１３２ｍｇ（水受け部個数１２個×高低差１１メートル×ｍｇ）（ｇは重力加速度）となる。その一方で、これと同じ回転エネルギーを従来構成で発生させるには、直径が約９メートル（√（１３２ｍｇ÷３．１４÷２÷ｍｇ））の水車が必要となって、高低差は両構成で約２メートルしか変わらないものの、横幅は両構成で約７メートルも異なる。すなわち、従来構成に係る水車は、その設置場所に制約を受けやすいのに対し、本願構成に係る装置は、狭小なスペースにも比較的設置しやすい、というメリットがある。

この第一実施形態に係る水力発電装置の使用態様の他例を図４に示す。この水力発電装置を傾斜させつつ、河川Ｒの流れの中に環状部材５の半周程度を浸漬することによって、その流れを水受け部６で受けて、回転体２を回転させることができる。従来構成の水車は、ほぼその直径分だけ水面上に設置スペースを要するが、本願構成の水力発電装置は、水面に沿うように装置が設けられるので、例えば暗渠のように、上部に蓋が設けられたトンネル状の水路内にも容易に設置することができる。また、同じ装置を複数台併設することによって、発電効率を一層高めることができる。

本願発明に係る水力発電装置の第二実施形態の要部を図５に示す。この水力発電装置は、その基本構成は第一実施形態に係る水力発電装置とほぼ同じであるが、垂下部８の下端側に、補助回転体１３を設け、この補助回転体１３で垂下部８を案内するようにした点において異なっている。第一実施形態のように、垂下部８が単に回転体２から垂れ下がった状態であると、その長さや回転速度等によっては、この垂下部８に大きな揺れが生じ、回転体２の安定した回転状態を維持できない恐れがある。そこで、この補助回転体１３によって垂下部８を案内してその動きをある程度規制することによって、この垂下部８の揺れの発生を抑制することができる。このため、回転体２の安定した回転を維持することができるとともに、騒音や振動の発生を防止することができる。

この第二実施形態の構成は、上記の図３のように河川の流れの中に環状部材５を設けた態様にも適用できる。このようにすることによって、川下に流された水受け部６を補助回転体１３の回転に伴ってスムーズにその流れから引き上げて排水することができ、回転体２の安定した回転状態を維持し、発電効率の一層の向上を図ることができるためである。

上記の各実施形態に係る構成は、あくまでも例示であって、本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、適宜その構成を変更することができる。

１回転軸
２回転体
２ａ（回転体の）円周
３駆動部
４枠体
５環状部材
６水受け部
７懸架部
８垂下部
９吐出口
１０管体
１１網
１２分別装置
１３補助回転体
Ｗ水
Ｓ水源
Ｉ混入物
Ｒ河川

Claims

発電機に動力を伝達する回転軸（１）と、この回転軸（１）に設けられた回転体（２）と、この回転体（２）の円周（２ａ）に沿うように懸架され、水（Ｗ）の自重によって回転駆動して前記回転体（２）を前記回転軸周りに回転させる駆動部（３）とを有し、
前記駆動部（３）は、前記回転体（２）の円周（２ａ）よりも長い環状部材（５）と、この環状部材（５）に設けられ、前記水（Ｗ）を受ける水受け部（６）とを有し、前記環状部材（５）は、前記回転体（２）の円周（２ａ）に沿う懸架部（７）と、前記回転体（２）の円周（２ａ）に沿わずに垂れ下った垂下部（８）とからなる水力発電装置。
水源（Ｓ）から前記水受け部（６）まで前記水（Ｗ）を送る管体（１０）を有し、前記水源（Ｓ）の水面と、前記水受け部（６）に前記水（Ｗ）を吐出する吐出口（９）との間に高低差があり、前記管体（１０）内の水（Ｗ）の自重によって、前記水源（Ｓ）から前記吐出口（９）まで連続的に前記水（Ｗ）が送られるようにした請求項１に記載の水力発電装置。
前記水（Ｗ）に、それよりも比重が大きい混入物（Ｉ）を混入させた請求項１又は２に記載の水力発電装置。