JP2017150347A - ペルトン式ピコ水力発電、水力外灯、及び路面外灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 坂道に沿って流れる小川の水を利用して回転するペルトン水車にて発電し、この電力を用いて路面などを照明する水力外灯の提供。【解決手段】 小川からの水をペルトン水車に供給する給水管１１を有し、該給水管１１に接続したノズル管９の先端には水車羽７に噴射するノズル１０を備え、ペルトン水車にて回転する発電機６から発生する電気にて点灯する照明器具１を備えている。【選択図】 図１

Description

本発明は低落差で稼働する小型のペルトン水車を利用して発電する水力発電機、及び該発電機を備えた水力外灯に関するものである。

山間地域にある集落は零細な農業が主で、若者は街へ出て戻らず人口減少が進む状況にある。そして、通勤・通学を支えるつづら折りの坂道には外灯が無くて夜間の歩行は危険な状態になり、農作業も早目に終わって日没までに自宅へ戻る必要があり、日が暮れてしまうと自動車に頼る状況にある。
電力会社が行う配電線は、麓から山地の集落までを一直線で最短距離に成るように行って送電する為、山間のつづら折りの道路には電力会社と契約する外路灯の設置が出来ない状態にある。

近年では自然エネルギーを利用した発電装置も多用され、例えば太陽光を用いた発電、風車を利用した発電、水路の流れを利用した発電など、身近なエネルギーにて発電が行われている。
ところが、山間地では日照時間が短く、特に周囲に大きな木々がある場所では日照時間は限られてしまい、太陽光発電は適していない。
また、山間地では安定して風が吹くことはなく、その為に風力発電は不安定となり利用し難い。

山間地の坂道では並行して小川が流れている場所が多く、この水の流れを利用して発電し、外灯を灯すことが考えられる。小川を流れる水量は限られ、その為に小型の水車でなくてはならない。従来においても小型水車を用いた発電装置は色々知られている。
例えば、特開２０１６−１４３６０号に係る「水車装置、およびそれを利用した小規模発電機」は、簡単に運搬、設置、利用、撤去および保管できる程度に十分に小型・軽量化し、構造が簡素で少量の水量であっても効率的に発電可能な上、耐久性に秀でたものである。

すなわち、台型ベースに天面水槽および排水路を確保し、該天面水槽には、円形器状内壁の中心に軸受け座を設け、落水口を開口したケーシングを埋設し、同ケーシングの遠心周壁回りに複数の誘導管路及び供給端を接続し、同各誘導管路の吸入口を、該ケーシングの遠心周壁周りの同じ向きに揃う接線近似遠心方向に向け、天面水槽に露出開口するよう配し、軸受け座には翼輪の主軸を回転自在に軸着した水車装置である。

特開２０１４−１１８８３１号に係る「水車装置、および水力発電装置」は、ケースの側壁部を排水側に先すぼまりの円錐台形状とし、内部に羽根車を配置し、ケースには、側壁部に羽根車の軌跡の接線方向から羽根車に水を供給する給水管を備え、小径側に羽根車の軸線に沿い水を排出する排水管を備えている。羽根車は円錐台形状の軸部材の周囲に排水管側にむけ回転軸からの距離が小さく構成した１２枚のブレードを備え、周縁が排水側壁部の内壁に近接した円錐台形の軌跡を描く。ブレードは、回転軸に対して４５°で傾斜し、かつ回転軸からの放射方向に対して４５°で傾斜するよう設けている。

特開２０１６−１４３６０号に係る「水車装置、およびそれを利用した小規模発電機」 特開２０１４−１１８８３１号に係る「水車装置、および水力発電装置」

このように比較的小型の水車は色々と知られている。しかし、従来の小型水車と言えども山間地の小川を流れる僅かな水を利用して回転し、この回転力にて発電機を回すことは容易でない。本発明が解決しようとする課題はこの問題点であって、小川を流れる水流にて水車を回して発電することが出来、この電力を用いて外灯を点灯することが出来るペルトン式ピコ水力発電外灯を提供する。

本発明に係る外灯は、山間地の坂道に並行して流れる小川の水を利用して発電するものであり、この電気を用いて外灯を灯すように構成している。ところで、外灯を灯すに必要な水の量は１秒当たり１リットル程度であり、この水量は家庭の水道蛇口から出る水の量に近い。
この約１リットル／秒の水を小川から細い配管で分岐して坂道に沿って導水し、落差約１．５ｍ毎に超小型の水力発電機とＬＥＤ照明を一体化して水力外灯を構成し、この外灯を坂道に沿って連続して配置することが出来る。

一般的な坂道の勾配は５％程度で、３５ｍ下れば１．５ｍの落差が得られるので、平均３５ｍ毎に水力外灯を設置することが出来る。
落差１．５ｍで水量１リットル／秒の理論エネルギーは１４．７ｗ、効率２５％で発電すれば約３．７ｗの電気エネルギー（電力）が得られ、ＬＥＤ照明を外路灯とすれば歩行に十分な灯りが得られる。

このように、小川から細い配管で水を引き、重量５〜１０ｋｇ程度の小型の水力外灯は、電圧１２ｖ以下で発電量５ｗ未満、感電や火災の心配が無く電気工事の資格も不要となり、取付け工事は水田の水管理に要する配管作業より簡単に行えるので高齢化した農業担い手でも作業でき、しかも工事に掛かる経済負担が軽く、電気料金無料の外灯が可能となる。もし、配管が破損して水が路面に流れ出ても水圧と流量が小さいので道路を壊すこともない。

ところで、上記水力外灯は下端部に垂直軸を有して水平面内で回転するペルトン式水車を配置し、上記垂直軸を中心として回転する回転体の周囲には複数の水車羽を取付けている。そして、小川から水を導く為の送水管を配置し、該送水管には供給管を接続して先端には上記水車羽に水を噴射するようにノズルを取付けている。そして、該ペルトン水車には発電機を取付け、発電機にて発生した電気で点灯する為の照明器具を設けている。

本発明の外灯はペルトン水車を組み込んで構成し、坂道に沿って流れる小川に配置した送水管から水を導き、ノズルから噴射する水を水車羽に当てることで、水車が回転して電気を発生する。この電気で照明器具を灯すことが出来、電力会社から電気を供給されない山間の坂道に外灯として使用出来る。
発電に必要な水の量は１秒当たり１リットル程度であり、この約１リットル／秒の水を小川から細い配管で分岐して坂道に沿って導水し、落差約１．５ｍ毎に超小型の水力発電機とＬＥＤ照明を一体化して構成した水力外灯を坂道に沿って連続して配置することが出来る。
また、この外灯は田畑に群がる害虫を駆除する為の誘蛾灯としての利用も可能である。

本発明に係る水力外灯を示す実施例で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。 ペルトン水車を示す具体例で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。 複数基の水力外灯を坂道に沿って配列した路面外灯の具体例。 図３のＡ部拡大図。

図１は本発明に係るペルトン式水力外灯を示す実施例で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図をそれぞれ表している。同図の１は照明器具、２は直管照明器具、３は垂直管、４は越流管、５は越流確認透明管、６はハブダイナモ発電機を示している。そして図２はペルトン水車を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図で、７は水車羽、８は水車ケーシング、９はノズル管、１０はノズルをそれぞれ表している。

本発明の水力外灯は小川の付近に配置され、小川から送水管１３を介して導いた水を供給管１１に供給し、該水は上記ノズル管９を流れてノズル１０から噴射することが出来る。そして、噴射した水は水車羽７，７・・・に当たって回転体１２は回転する。
そこで、回転体１２と直結している上記ハブダイナモ発電機６が稼働して電気を発生し、この電気にて上部に取付けられている照明器具１，１・・・が点灯することになる。

本発明の水力外灯は僅かな水のエネルギー、すなわち落差が約１．５ｍ、水量が約１リットル／秒で発電することが出来、発電機としては自転車用のハブダイナモ発電機６を利用し、ハブダイナモ発電機６と一体化する水車は、その構造が簡単でエネルギー損失が比較的少ないペルトン方式を選択して具体的な設計を行っている。

落差が１．５ｍのノズル噴射速度が約５ｍ／秒に対して、ペルトン水車の最大効率は水車速度の約１／２付近で回転することで効率的な発電となるので、周速２．５ｍ／秒で水車が４〜５回転／秒になる直径は１９９ｍｍ〜１５９ｍｍの範囲になり、構造的に可能な１９０ｍｍで製作した。
ペルトン水車の軸１８は垂直で水車羽７は水平に回転する構造とし、径が７ｍｍの４本のノズル１０，１０・・・を水平に均等配置し、噴射水量の合計は概ね０．８リットル／秒になった。これにより、理論エネルギーは約１１ｗになり、効率約が２５％で２．７ｗ程度の発電を確認し、ＬＥＤの照明器具１，１・・・を点灯することが出来た。

水車の回転数が設計値を超えないように、４本のノズル１０，１０・・・の上に４本の垂直管３，３・・・を設け、ノズル１０，１０・・・から１．５ｍ上で越流する越流管４に繋ぎ、流入圧力が上昇しても越流管４で１．５ｍを保つ構造とした。照明器具１，１・・・は、４本の垂直管３，３・・・の上端部に取付け、照明ポールの役割もする。

照明器具１は、自転車用ＬＥＤライト２個一組を２組と、１ｍの直管照明器具２としてＬＥＤライト1本を取付け、各照明器具１，１・・・、直管照明器具２にスイッチを取り付けて選択点灯を可能としている。自転車ライトは１個当たり０．２５ｗ程度で、４個点灯しても１ｗ、１ｍの直管照明器具２は１．５ｗ程度で，合計約２．５ｗの消費電力となり、発電量とバランスする。
磁石発電機のハブダイナモ発電機６は構造的に起動トルクが必用で、起動落差を繰り返し測定したところ平均８０ｃｍ、落差１ｍ以上あれば水力外灯として安定するが、明るさは落差にほぼ比例する。

図３は坂道に沿って４基の水力外灯を配置した実施例であり、図４は図３のＡ部拡大図である。すなわち、道路勾配でＨ＝１．５〜２ｍ毎の落差毎に水力外灯が配置されるが、水車毎に異なる配管長さで生じる配管損失の差や落差の違いは、水車毎に水量の違いとして現れる。
その違いは、落差１ｍのノズル噴射速度は約４．４ｍ、落差が１．５ｍではノズル噴射速度は約５．４ｍ、落差が２ｍでは約６．２ｍとなる。１．５ｍを基準にすると８１％〜１１４％の違いを生じ、落差１．５ｍの水量０．８リットルを基準にすると、約０．６５リットル〜０．９１リットル／秒の差が生じる。
そこで、落差２ｍの発電水量を基準に取水量約１．０リットル／秒で取水し、全ての水車の落差を２ｍ以下に設定して余り水は越流管４に分流して水車を安定させている。

同図の１６、１６・・・はスポット照明場所を示し、１基の水力外灯には複数のＬＥＤで構成した照明器具１，１・・・が取付けられ、これら各照明器具１，１・・・の向きを変えることで登坂道路の路面に沿ってスポット照明場所１６，１６・・・が帯状に繋がる。すなわち、一基の水力外灯にて長さＬｍの領域を照らすことが出来るようにしている。

小川からの水を導くに際して、送水管１３の先端には取水と除塵部分１７を取付け、取水は小川の河床を概ね幅３０ｃｍ，深さ３０ｃｍ、長さ５ｍの溝を掘り、その中に除塵機能を有する長さ約４ｍで直径約５０ｍｍの土木用暗渠排水管(有孔管)を透水する砂利で埋め、それに４０Ａの塩ビ管を直接接続して水車の給水管１１へ送水している。取水口から最初の水力外灯までの落差は、除塵部分の目詰りによる落差損失を１ｍ程度見込んで概ね３ｍとした。
除塵の目詰りが少ない状態では予定取水より多くなるので、全ての水車入り口に水量調整弁１５を設けて調整可能としている。

そして、水力外灯の水車から流出した水及び越流管４を流れた水は排水管１９から流出して下流に配置される水力外灯へ送水管１３を流れて導かれる。排水管１９の出口には調整水槽２０が設けられ、排水管１９から排出される水量が多い場合には送水管１３に併設された余水管１４を流れて下流の調整水槽１２に流入する。

ところで、本発明の水力外灯は坂道を照らす以外の利用方法として誘蛾灯としての利用が有る。 蛾や一部の甲虫・カメムシ類のように夜行性の昆虫類は、照明光源に誘引されるものが多く、昆虫が視覚で感じる光の波長域は、人間の可視光の範囲（400〜700nm）よりも紫外領域（250〜400nm）にずれていて、多くの昆虫は人間には見えない紫外線を「色」として認識している。夜行性の昆虫を誘引する光源のうち、相対的に紫外線を多く放射する光源の方が誘引力は高いと言われている。これら昆虫に対する誘引性の高い光源をＬＥＤで構成し水力外灯に併設するか、又は水力誘蛾灯として専用化することも可能である。

１ 照明器具
２ 直管照明器具
３ 垂直管
４ 越流管
５ 越流確認透明管
６ ハブダイナモ発電機
７ 水車羽
８ 水車ケーシング
９ ノズル管
10 ノズル
11 給水管
12 回転体
13 送水管
14 余水管
15 水量調整弁
16 スポット照明場所
17 取水と除塵部分
18 軸
19 排水管
20 調整水槽

Claims (7)

1. 僅かな落差で回転するペルトン水車を備えた発電機において、ペルトン水車には水が供給される給水管と該ペルトン水車から流れ出る水の排水管を有し、該給水管に接続したノズル管の先端には水車羽に噴射するノズルを備え、ペルトン水車の回転軸と連結して稼動する発電機を有す、さらに各ノズル管の入口には余分な水を流す垂直管を起立して設け、垂直管の上端部は越流管に接続したことを特徴とするペルトン式ピコ水力発電機。
2. 坂道に沿って流れる小川の水を利用して回転するペルトン水車にて発電し、この電力を用いて路面などを照明する水力外灯において、上記小川からの水をペルトン水車に供給する給水管を有し、該給水管に接続したノズル管の先端には水車羽に噴射するノズルを備え、ペルトン水車にて回転する発電機から発生する電気にて点灯する照明器具を備えたことを特徴とするペルトン式ピコ水力発電外灯。
3. 上記ノズル管から上方へ延びる垂直管を起立し、垂直管の上端部にて越流管と接続した請求項２記載のペルトン式ピコ水力発電外灯。
4. 上記照明器具を昆虫に対する誘引性の高いＬＥＤで構成して誘蛾灯として機能させた請求項２、又は請求項３記載のペルトン式ピコ水力発電外灯。
5. 坂道路面を照射する為に複数基の水力外灯を配列した路面外灯装置において、上記水力外灯は坂道に沿って流れる小川の水を利用して回転するペルトン水車にて稼動する発電機を備え、ペルトン水車は小川からの水が供給される給水管を有し、該給水管に接続したノズル管の先端には水車羽に噴射するノズルを備え、また上記発電機から発生する電気にて点灯する照明器具を備え、そして上方に位置する水力外灯の排水管から流れ出る水を下方に位置する水力外灯の供給管に供給する為に送水管にて接続したことを特徴とする路面外灯装置。
6. 水力外灯の水車入り口に水量調整弁を設けて流入する水量を調整可能とした請求項５記載の路面外灯装置。
7. ペルトン水車の排水管付近に調整水槽を設け、下方に位置する水力外灯の調整水槽と余水管にて接続した請求項５、又は請求項６記載の路面外灯装置。

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