JP2014134191A - 人工低落差式の水車発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的流速が速くかつ比較的大きな流量を持つ水路や河川に有効で、かつ簡単な構造で安価な水車発電設備を提供すること。
【解決手段】この設備は、川の水を一定方向に導くための２つの導水路壁と、川底から水面の方向になだらかに傾斜している上昇傾斜面と、上昇傾斜面の頂点から川底方向へ傾斜している下降傾斜面を有する堰と、堰の下降傾斜面に設けられ、入水口の横断面が四角形の形状をなしかつ軸方向に曲げられている、少なくとも１個の導水管と、導水管の前記出水口に接続されたプロペラ式水車発電機とから構成される。プロペラ式水車発電機は、前記川の水面と平行に設置されていると共に、川の平常時の水面よりも高い位置に設置され、堰付近における前記導水路壁の川底からの高さが前記堰の川底からの高さよりも高く、堰の前記下降傾斜面の傾斜角度が、前記上昇傾斜面の傾斜角度よりも大きくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、比較的流速が速くかつ比較的大きな流量を持つ、水路や河川に有効な、人工落差式の水車発電設備に関する。

水力発電方式は、大きく分ければ、河川の上流で川の流れを堰き止めるダム式（貯水式、揚水式、水路式など）と、自然の流れをそのまま利用する自流式にわけられる。
ダム式発電は、最も一般的な大型の水力発電方式であり、日本では阿賀野川水糸、天竜川水系などに特に多くの発電所が見受けられる。いずれも有効落差１０ｍ以上となっている。自然流式発電は、小川や農業用水路等で使用され、通常水車を利用して集会所などの特定の施設にのみ電力を供給する用途に用いられている（特許文献１及び２）。

特開２０１１−１２２５７７号公報 特開２００３−２６９３１５号公報

ダム式水力発電方式は、貯水池に大量の水を蓄え、高低差を利用して、高い水圧を得ることができるので、カプラン水車やフランシス水車等を用いて１万ボルトのような高圧電力を発生させることができるという利点がある。しかし、現在のダム式水力発電方式は、河川の上流側に巨大なコンクリート壁を設置するなど、巨大な建設費用を要するだけでなく、５０年後の設備撤去費用等を考慮すると、自然エネルギーの有効利用とは言い難いものがある。ダム自体は洪水の事前防止の役割もあるが、これにしても近年の堤防の整備により、ダムによってはその役割はすでにほとんどなくなって来ている。

一方、自流式発電は、大規模な設備を構築する必要がなく、用水路などをほぼ現状のまま利用して、小型の発電機によって発電する小規模発電が主体となっている。このような用水路発電においては、流速や流量が小さいため、揚力を利用した水車を利用して何千ボルトという高電圧を得ることが困難であり、対投資発電効率の面で課題が残されている。

したがって、本発明の目的は、比較的平坦な中流域の自然河川や人工的に建設された用水路であっても、流速が速くかつ流量が豊富なものがあることに着目し、そう言った個所に建設するのに適した、簡単な構造で安価に建設可能な人工落差式の水車発電設備を提供することにある。

本発明の一つの観点に係る人工落差式の水車発電設備は、川の流れ方向に沿って設けられた、川の水を一定方向に導くための２つの導水路壁と、川底から水面の方向になだらかに傾斜している上昇傾斜面と、該上昇傾斜面の頂点から川底方向へ傾斜している下降傾斜面を有する堰と、前記堰の下降傾斜面に設けられ、入水口の横断面が四角形の形状をなす少なくとも１個の導水管と、該導水管の前記出水口に接続されたプロペラ式水車発電機とから構成され、前記プロペラ式水車発電機は、前記川の水面と平行に設置され、かつ前記川の平常時の水面よりも高い位置に設置されていると共に、前記導水路壁の川底からの高さが前記堰の川底からの高さよりも高いことを特徴とする。

このような構造をとることにより、比較的流速が速くかつ比較的流量の豊富な川においては、水流が前記堰を乗り越えて、前記導水管に入り、その出水口に接続されたプロペラ式水車発電機のプロペラに対して比較的大きな水圧を与えることが出来るようになり、水車発電機の出力を高めることができる。

より好ましくは、上述の導水路壁は、上述の川の下流側先端部が、互いに交差する方向に内側に窄まっていることが望ましい。このように構成することで、川の流速を高められ、上述の堰の高さをより高くできるので、上述のプロペラ式水車発電機のプロペラにより高い水圧を加えることができる。

また、好ましくは、上述の導水路壁は、川の海面からの高度が上述の堰の最大高度と等しくなる地点よりも上流側に延びている
ことが望ましい。このように導水路壁を長く取ることで、川の水が導水路壁を乗り越えて逃げることがなくなるので、川の水量を発電に有効活用することができる。

さらに、前記導水路壁が狭くなるまでの区間に、前記前記プロペラ式水車発電機をバイパスする水の流れを形成するように設けられた少なくとも１個の水門と、該水門を開閉するための電動機と、川の水位を検出する水位検出器と、該水位検出器で検知された川の水位に応じて、前記水門の開度を自動的に開閉制御するための制御器とを設けることが一層好ましい。

川の水位に応じて水門を開閉制御することにより、大雨時に増水した川の水をより速く下流に流すことができる。また、水門を常時半開きの状態に保持することで、魚等が水門を通過して往来できるようになり、生態系に与える影響を最低限に抑えることができる。

本発明の人工落差式の水車発電設備は、河川の自然環境を大きく破壊することなく、河川の中流域に存在する膨大な水のエネルギーを２４時間最大限に有効利用することができる。また、本発明の設備は、従来からある堤防の内側に建設できる上、河川の流れを大きく阻害することがない上、万一巨大地震によって崩壊したとしても、水の流れは堤防によって阻止されるので、１年を通して常時何ら問題なく稼働させることができる。さらにまた、構造が非常に簡単であるため、建設費用が極めて安価である。

本発明に係る人工落差式の水車発電設備の原理説明図。 本発明に係る水車発電設備で使用する導水管の一構造例を示す図。 本発明に係る水車発電設備を河川に適用した実施例を示す図。 本発明に係る水車発電設備の堰と導水路壁の設置関係の説明図。

以下、図面を参照して、本発明について詳細に説明する。図１は、本発明に係る人工落差式の水車発電設備の原理説明図であって、本設備を水路や河川に設置した状態を断面図で示している。

符号１０は、導水管１１と、従来から小落差の水力発電等に利用されているプロペラ式水車発電機１２を備えた発電部であり、２０は、川の水流を上下方向にコントロールするための堰である。Ｔは堰２０の頂上部で、この頂上部Ｔを境に上昇傾斜面２１と下降傾斜面２２が形成されている。発電機１２の出力は電線等を介して陸地にある変電所（図示せず）に与えられる。

発電機を通過した水が出水口１４（図２を参照）から抵抗なく川に放出されるよう、プロペラ式水車発電機１２は、川の水面と平行で、川の平常時の水面よりも高い位置に設置することが望ましい。また、 堰の下降傾斜面２２の傾斜角度は、上昇傾斜面２１の傾斜角度よりも大きく取り、水が堰２０の頂上部Ｔから速い速度で落下するようにすることが望ましい。なお、上昇傾斜面の角度は水量や流速によって適宜設計することになるが、水量や流速が速い川では或る程度急な斜面にすることで、堰２０の建設費用を安価に抑えることができる。堰２０はコンクリートで形成され、通常は、水の流入方向の面が川底から緩やかに上方に傾斜した上昇傾斜面になっている。この上昇傾斜面２１は、想定される水面高さから（水量及び川の傾斜度で決められる）一定距離だけ上方に進んだ地点で下降傾斜面２２に連続している。

次に図２を参照する。発電部１０の導水管１１の入水口１３は、四角形をしており、下降傾斜面２２の面と密着するように配置され、下降傾斜面２２を一気に落下してくる水をすべて受け入れられるようにする。川幅が大きい場合には、複数台の導水管１１を連続配置するようにする（図３を参照）。入水口１２の高さＨや、発電部１０の出水口の径Ｒは、川の水量に応じて適切な大きさにする。

導水管１１を軸方向に弧を描くように曲げることで、最終的にプロペラ式発電機１２が水面と水平になるように配置する。このように配置することで、発電部の出水口の流れ抵抗を小さくできるので（水面よりも高い位置から水を放出できるので）、落差の小さな河川においても発電が容易になる。

次に、同じく図１を参照して、堰２０の作用について説明する。本発明で使用する水車は、カプラン水車のように揚力を用いるものではなく、ランナーにかかる抗力を用いる。抗力は、抗力係数Ｃ_Ｄ用いて、以下のような数式モデルで表されるのが一般的である。係数が異なるだけで揚力と同形式である。

次に図３を参照し、大規模河川での発電例について説明する。図３において、１０は発電部で、２０は前述した堰である。図３は、本発明に係る人工落差式の水車発電設備を大規模河川に適用した実施例を示す。川幅の広い河川の場合には、川幅に沿って２つの導水路壁３０を設け、前記２つの導水路壁３０間の幅を川の流れ方向の途中から狭くし、前述の導水管１１を最狭になった導水路壁３０間に設置する。このようにすることで川の水の流速（水量）を高めることができる。

ここで、図３は、発電部１０をの４基連結している例を示している。発電部１０の数は、川幅や水量に応じて１台から数台まで必要に応じて増やすことができる。なお、特に図示をしていないが、流木などによる発電部の損傷を防止するための柵（図示せず）を設ける必要があるが、堰の上昇傾斜面２１の傾斜開始部ちかくに設けることにより、柵の強度を一層高められると共に、柵の足部を固定するための余分なコンクリートを必要としないため、柵の設置コストも削減できる。

前に戻って、前記導水路壁３０間が狭くなるまでの区間には、前記発電部１０をバイパスする水の流れを形成するための少なくとも１個の水門（図示せず）を設けることが望ましい。また、水門を開閉するための電動機（図示せず）と、川の水位を検出する水位検出器（図示せず）と、該水位検出器で検知された川の水位に応じて、前記水門の開度を自動的に開閉制御するための制御器（図示せず）を設ける。

生態系を維持するため、水門は常時半開きの状態にしておくことが望ましい。また、水位検出器が、川の水が導水路壁を超えるような異常水位に近づいていることを検知した時には、制御器からの信号により少なくとも１個の水門を開方向に制御し、川の水位の急激な上昇を抑えることが望ましい。

最後に図４を参照し、導水路壁３０と堰２０の設置位置の関係について説明する。導水路壁３０は、海面から見た川面の高度が前記堰の最大高度と等しくなる地点よりも上流側に延びている。こうすることで、川を流れる水を河川敷に流すことなく、発電部１０に効果的に導くことができる。導水路壁３０は、川の上流側から下流側に行くほどそれらの壁の高さが増し、堰２０の頂上部Ｔ近くで最大の高さを持つように構成されている。こうすることで、壁の構築材料を最小化できる。台風などの異常水位の場合にも、川の流れが上流側で容易に導水路壁３０を越えて河川敷に流れるようになるので、川の水量を円滑に下流側に持っていくことができる。なお、洪水を防ぐため、導水路壁３０の最大高さは、堤防の高さの半分以下に抑えることが望ましい。

さらに、図３の例では、導水路壁３０が川の両岸一杯に設置されているが、水量の多い川では、導水路壁３０を河川敷から離して設置することで、異常流量を円滑に川下に流すことができる。また、川の流れが遮断されないので、生態系保存の観点からもそのような構造にすることが望ましい。

１０…発電部
１１…導水管
１２…プロペラ式発電機
２０…堰
２１…堰の上昇傾斜面
２２…堰の下降傾斜面
３０…導水路壁

Claims (5)

1. 川の流れ方向に沿って設けられた、川の水を一定方向に導くための２つの導水路壁と、
   川底から水面の方向になだらかに傾斜している上昇傾斜面と、該上昇傾斜面の頂点から川底方向へ傾斜している下降傾斜面を有する堰と、
   前記堰の下降傾斜面に設けられ、入水口の横断面が四角形の形状をなしかつ軸方向に曲げられている、少なくとも１個の導水管と、
   該導水管の前記出水口に接続されたプロペラ式水車発電機とから構成され、
   前記プロペラ式水車発電機は、前記川の水面と平行に設置されていると共に、前記川の平常時の水面よりも高い位置に設置され、
   前記堰付近における前記導水路壁の川底からの高さが前記堰の川底からの高さよりも高く、
   前記堰の前記下降傾斜面の傾斜角度が、前記上昇傾斜面の傾斜角度よりも大きいことを特徴とする
   人工落差式の水車発電設備。
2. 請求項１に記載の水車発電設備において、前記導水路壁は、川の下流側先端部が、互いに交差する方向に内側に窄まっていることを特徴とする人工落差式の水車発電設備。
3. 請求項１に記載の水車発電設備において、前記導水路壁は、海面から見た川面の高度が前記堰の最大高度と等しくなる地点よりも上流側に延びていることを特徴とする人工落差式の水車発電設備。
4. 請求項２又は３に記載の水車発電設備において、前記導水路壁が狭くなるまでの区間に設置され、前記水車をバイパスする水の流れを形成するための少なくとも１個の水門と、前記水門を開閉するための電動機と、川の水位を検出する水位検出器と、該水位検出器で検知された川の水位に応じて、前記水門の開度を自動的に開閉制御するための制御器とを有することを特徴とする人工落差式の水車発電設備。
5. 請求項４に記載の水車発電設備において、前記水門は常時半開きの状態にあって、前記水位検出器が、前記川の水が前記導水路壁を超えるような異常水位に近づいていることを検知した時に、前記制御器からの信号により前記少なくとも１個の水門を開方向に制御することを特徴とする人工落差式の水車発電設備。

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