JP2017150348A

JP2017150348A - 防災観測用情報配信ピコ水力発電システム

Info

Publication number: JP2017150348A
Application number: JP2016031861A
Authority: JP
Inventors: 山田　忠幸; Tadayuki Yamada; 忠幸山田
Original assignee: Yamada Giken Co Ltd
Current assignee: Yamada Giken Co Ltd
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: JP6499985B2

Abstract

【課題】山間などの僻地に配置して気象状況や河川の水位、地震などを観測してその情報を配信する防災観測用情報配信ピコ水力発電システムの提供。【解決手段】僅かな落差で回転する水車にて稼動する発電機を備え、該発電機によって発生する電気を用いて気象状況の観測、河川水位を監視する為に小型ＩＰカメラの作動、通信器の作動、地震計／傾斜計の作動、これらの情報収集と同時に水車を制御する小型コンピュータの作動を行い、観測値ＧＰＳ位置のデータを無線でサーバーへ送る機能を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は電気が通じていない山間に災害が発生した場合、また災害で停電に成った場合に機能してその情報を配信することが出来るピコ水力発電システムに関するものである。

近年、地球温暖化の影響であろうか、世界のあちこちで大きな自然災害が発生している。このような災害を前以て予測してその情報を伝達したり、また災害が発生した際にその状況を知らせる為に、コンピュータが用いられている。
小型コンピュータ技術の発達に伴い、従来不可能であった無線通信や災害観測が手軽に実現でき、人工知能を持つような時代が到来した中で、人手に頼ってきた山間僻地や危険個所の防災観測、そして、これらと連動して住民や山間部を通る主要道路等への防災案内表示システムが可能と成っている。

人口が減少する状況において、小型コンピュータと通信技術に委ねる方向へと変化しつつあるが、これらの防災コンピュータシステムが動作するには100ｗ程度の安定した電源が必要となっている。
山間僻地では、配電線が無く自然エネルギーに頼ることになるが、山地では山陰や木陰になる場所が多くて小型の太陽光発電は利用し難く、風力発電も不安定であると共に、成長する樹木の枝葉が回転体に緩衝するため実用性が低い。

既存の２〜１０ｋｗの水力発電を適用しようとする場合、落差１０ｍで検討すると流量で５０リットル／秒以上が必要で、水利権の無い水量を確保できる小川に限られることや、必要以上の発電量に対する設備や施工コストも阻害要因となっている。
また、災害用等、高い信頼性が求められる水力発電は発電を停止出来ないので、遠隔で発電状態を監視し水車停止時は現地メンテナンス迄の時間を賄う蓄電池残量等をリアルタイムに監視できる機能が必要であるが、発電と情報伝送機能を一体化した水力発電機システムは存在しない為、現場に導入し易い安価な製品の開発が必要となっている。

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向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」

マイクロ水力発電と言われる概ね500ｋｗ未満１０ｋｗ以上の分野は、戦前戦中の水力発電が主流であった「水主火従」の時代には各地の電燈電源として多く用いられていたが、戦後の電力需要の増大で大規模な火力発電が建造され「火主水従」へと変わる中で、地方の小規模水力発電は寿命を迎え、電力会社の配電線の延長と共にその姿を消した。

近年になり、再生可能エネルギーとしてマイクロ水力発電が見直されてきたが、電力料金を基にコストメリットが成り立つのは概ね５０ｋｗ以上と言われている。
この様な時代背景の中で、本発明が対象としている0.1ｋｗ程度の発電はピコ水力発電の分野と言われ、実用的視点での研究は進んでいない状況にある。
本発明が解決しようとする課題は、電気が通じていない山間であってもピコ水力発電と言われるごく僅かな電力を利用して小型コンピュータを作動して災害の予測を行い、また災害情報を安定して配信することが出来る水力発電システムを提供する。

防災等に使う感知器や小型コンピュータと通信機器に必要な電力量は次の様である。
気象観測、すなわち風向風速・雨量・気温・湿度・気圧の観測に要する電力は２ｗ程度、河川水位を監視する為に小型ＩＰカメラを組み合わせた場合で４ｗ程度、通信器に５ｗ程度、地震計／傾斜計等で２ｗ程度、これらの情報収集と同時に水車を制御する小型コンピュータに２ｗ、これらを合わせた１５ｗに加え災害状況を示す表示器に１５ｗ程度を加えた３０ｗを安定に供給する電力が必要となる。また積雪地域では機器に付着する雪を融かす為の融雪用電力として４０ｗ程度を加えた概ね７０ｗが必要となる。

発電電圧は電子回路等に都合の良い直流１２ｖ、又は２４ｖを選択する方が良い。そして、発電容量は夏季と冬季で区別する方法とし、夏季は渇水対策で約１リットル／秒、冬期は融雪水で比較的水が多いので融雪電力に対応する２リットル／秒程度で発電することで、渇水期と豊水期を分けることが出来る。
夏季の渇水時でも確保できる水量１〜２リットル／秒、落差約１０ｍでピコ水車としての実用効率を４０％程度又はそれ以上とした損失の少ない水車が必要である。

小型水車でよく使われるクロスフロー型やプロペラ式等は、水量が少ない場合に水車と接する体積当たり面積が多く損失が増加する。高効率なピコ水力発電機の実現には、水の摩擦損失を最少にする工夫が必要であり、流水と接する面を出来る限り小さく滑らかにすることで高い効率が得られる。
高効率の水車では、水の接触面積が最も少ない円形ノズルの噴流を放物曲線又は球曲線の凹面の中心で受ける方法が採用されている。噴流を受ける凹面の移動速度は、噴流速度の概ね１／２で効率が高くなると考えられ、これはペルトン水車の型式に近似するものである。

従来のペルトン水車は小型でも３０ｍ以上の高い落差が必要とされ１０ｍ未満の場合は不適切と考えられていたが、水車の回転数に対する発電機の増速率を２倍程度とすれば増速伝達損失も比較的少なく、落差１０ｍ、水量約２リットル／秒で効率４０％を創れば概ね８０ｗの発電が可能となる。
水量が２リットル／秒と少ないことで水車羽の形状が小型になり水車直径も小さくできるので、低落差で比較的高回転が得られる利点もある。

一方、小川から約２リットル／秒を取水する場合、取水部や除塵に大掛かりな土木工事を避け、ピコ水力に見合った工夫が必要であり、また水に混入する木の葉や砂利を取り除く除塵機能を取水部で一体化することが望ましい。その一つの方法として、小川の河床を幅０．３〜０．５ｍ、深さ０．３〜０．５ｍ、長さ５ｍ程度堀り、直径約５ｃｍ・長さ約４ｍの土木用暗渠排水管(有孔管)を複数本入れて水車への送水管と直接接続する。土木用暗渠排水管は透水性の小石や砂利で埋設して取水を円滑にすると共に、洪水時に流れてくる岩石から取水部分を保護すると共に除塵機能を満足することが出来る。

水車への送水管は直径５ｃｍ程度のビニール管とし、２リットル／秒の水量で管内流速は約１ｍ／秒となり配管損失は比較的少なくて済む。
想定以上の集中豪雨などで川床に損傷が生じると、取水部が破損し発電が停止するので、発電機に予め蓄電池を併設し、復旧に要する日数を考慮した電池容量を準備している。水車が停止した場合は、蓄電池容量との兼ね合いで融雪ヒータや観測項目を自動的に減らす方法も検討する。
そして、気象/地震/傾斜/画像/河川水位/等の観測項目の無線伝送が出来ない時間帯が生じた場合は計測データが欠落するので、小型コンピュータに取付けるメモリーカードに記録するようにしている。

本発明の水力発電システムは、僅かな落差と水量で回転する水車を有し、この水車で稼働する発電機にて発生した電気を使用して気象観測を行い、河川水位を監視し、地震を感知し、そしてこれらの情報をコンピュータを介してサーバーに送信することが出来る。
したがって、電気が通じていない山間の地域であっても、本発明のシステムが作動して大きな災害を未然の防止することが出来、また災害が発生した際には迅速に対応することが可能である。
そして、水力発電装置が災害で故障したり破損した際でも、備えている蓄電池の電気を使用して気象観測機器などは作動して、それらの情報を配信することが出来る。

本発明に係るピコ水力発電機の正面図。本発明に係るピコ水力発電機の左側面図。本発明に係るピコ水力発電機の右側面図。水車室を示す詳細図。ＥＣＵ収納盤の電気回路図。図５の回路図に使われている各部品の名称。

図１、図２、図３は本発明に係るピコ水力発電装置を示す実施例であり、正面図、左側面図、及び右側面図を、そして図４は水車室の詳細図をそれぞれ示している。同図の１は水車室、２は発電機、３はＥＣＵ収納盤、４は蓄電池、５は排水管、８は給水管をそれぞれ表わし、上記水車室１に取付けている水車を給水管８から供給した水を噴射して回し、この水車の回転で発電機２が稼働して電気を発生し、該電気を利用して気象観測などを行い、各種情報を送信することが出来る。

すなわち、風向風速・雨量・気温・湿度・気圧の観測の電力として、河川水位を監視する為の小型ＩＰカメラの電源として、通信器の電源として、地震計／傾斜計等の電源として、そして、これらの情報収集と同時に水車を制御する小型コンピュータが作動する電源として消費される。

ところで、小川から水を取水する為に取水部を設けているが、該取水部は大掛かりな土木工事を避け川床を２０〜３０ｃｍ掘り下げ、除塵となる長さ約４ｍで直径約５０ｃｍの土木用暗渠排水管(有孔管)を並行に２本埋め合流継手を用いてＶＰ-５０Ａの送水管に直接接続している。これにより、取水と除塵機能を満足して水車まで導水することが出来、水車部の直前に止水バルブとストレナーを２組設け、送水管等の補修で侵入する塵対策とした。また、１組の止水バルブ（左止水弁６_１と右止水弁６_２）とストレナー（左ストレナー７_１と右ストレナー７_２）を水車ノズル２個にそれぞれ対応させ、水車ノズル４個を２組に分けて発電出来る方式としている。

次に、落差約１０ｍ、水量約２リットル／秒程度の条件でエネルギー損失を最小化する為に円形噴射ノズルを用い、ノズル1個の水量が約０．５リットル／秒になる直径７ｍｍ前後の４本の噴射ノズル１０，１１，１２，１３を水車軸に対して噴射力が偏心荷重にならないように配置している。すなわち、軸中心に均等４分割した位置に上記噴射ノズル１０，１１，１２，１３を配置し、渇水期は２つの噴射ノズルで発電する方法とした。

その為に、止水弁６として左止水弁６^１と右止水弁６^２を設けていて、対を成す一方の噴射ノズル１０，１２又は噴射ノズル１１，１３は停止し、他方の噴射ノズルから水を噴射することが出来るようにしている。同時に水中に混ざっているゴミを取る為のストレナー７として左ストレナー７^１と右ストレナー７^２を設けている。さらに、左水圧計９^１と右水圧計９^２が取付けられ、噴射ノズル１０，１１，１２，１３から噴射する水流の勢いを知ると共に、ゴミ詰まりの有無を知ることが出来る。

上記噴射ノズル１０，１１，１２，１３から噴射した水流を受ける水車羽１５，１５・・・は放物曲線又は球曲線の滑らかな凹面を形成し、羽根の軽量化を含め１．５ｍｍのステンレス板を精密金型でプレス成形する方法で傷の無い滑らかな面としている。金型の詳細は、凹面の中心に流入する噴射水が凹面から抜け出る理想角度は噴射流に対して同じ方向に戻る角度であるが、噴射水流と凹面から抜け出す水の干渉を考慮して噴射流に対して約１９°の流出角度とし、球曲凹面の直径は噴射ノズル径の約５倍の３４ｍｍとなるようにプレス成形している。
金型の製作仕様で耐久性を２万個とし、試験を兼ねた初期製作数量5000個を造り、低コストの水車が可能となった。

次に発電機の定格回転数1500ｒｐｍに近似させるために次のように水車径を求めた。
発電機の増速率を２倍に設定して水車の無効即回転の１／２が発電の最高効率として次の様に水車の直径を決めた。
落差１０ｍの噴射速度は約１４ｍ／秒、水車の無効即回転数（無負荷回転）1500ｒｐｍを得る水車直径は(14m×60÷1500÷π≒0.178m )17.8ｃｍとなるが、設計可能な最小直径が１８ｃｍで近似値として製作した。

そして、羽根枚数は６枚、８枚、１０枚、１２枚の４種類で試験したが１０枚が最も効率が良かった。
発電効率は水車の無効即速度（無負荷速度）1500ｒｐｍの１／２付近で高い効率を示した。理論水力に対する発電量は次であった。
ノズル２個の場合、理論水力(9.8×0.0005×2×10m≒98)９８ｗに対し４１ｗの発電を行った。
ノズル４個の場合、理論水力(9.8×0.0005×4×10m≒196)１９６ｗに対し８１ｗの発電を行った。
したがって、発電効率は、概ね４１％を達成した。

この水車を現地に適用する場合、水量が安定している冬季はノズル４個(２リットル／秒)に切替えて８１ｗを発電し、観測に要する電力３０ｗに機器の融雪に必要な電力４０ｗ程度を加えた約７０ｗを供給し、残りの電力を蓄電池の充電に充てる。
夏季は渇水対策として２ノズル(１リットル／秒)で４１ｗの発電を行う方法とした。
同図に示す本実施例では、噴射ノズル数の切り替えを手動で行ったが、自動切替も可能である。
次に、余剰電力が生じる場合、蓄電池が満杯になり発電電力が負荷電力を超え余剰電力が生じた場合は、自動的にダミー負荷に接続して余剰電力を消費することが出来る。

本実施例では、工場の試験装置で夏と冬を想定した運転を行い、機能の実証を行ったが、実際の現場では、積雪の荷重、特に沈降荷重に耐える構造が必要で、観測器を含む水車装置は荷重に耐える構造物で覆う必要はあるが、ピコ水力発電装置は高さ約1.4ｍ，平面積0.5ｍ^２程度と小型で、構造物も小規模で済むメリットがある。

図５はピコ水力発電装置の上に取付けたＥＣＵ収納盤の電気回路図を示している。水車の回転と共に稼働する発電機２にて発電した３相交流電力を全波整流すると共に、発電状態の監視と観測データの情報伝送、並びに、データの記録を行う。図６は図５に示すＥＣＵ収納盤の電気回路に用いられている各部品の名称を表している。

ＥＣＵ収納盤には、これらの機能を司るＣＰＵを備え、発電電圧信号・発電電流信号・回転数信号・蓄電池電圧・ＧＰＳ信号・発電機の回転信号・蓄電池電圧信号・ヒューズ切断信号Ｐ（１）/Ｐ（２）/Ｐ（３）/Ｐ（４）のデータ通信ポートに模擬入力した気象/地震/河川水位の各情報をＣＰＵが取りまとめ、ＦＯＭＡ無線通信器を経由して、ＩＰカメラの静止画像を含め１０分毎に専用のサーバーへ伝送した。
但し、地震データは設定震度を超えた場合に限り即時伝送する方法とした。
サーバーでは、開発制作した専用ソフトを用いて受信データをグラフに現し、ＩＤとパスワードでリアルタイムに閲覧できるシステムとした。
また、閲覧ＰＣで観測データのダウンロードを可能とし、個別に分析できるように配慮した。

１水車室
２発電機
３ＥＣＵ収納盤
４蓄電池
５排水管
６止水弁
７ストレナー
８給水管
９水圧計
10 噴射ノズル
11 噴射ノズル
12 噴射ノズル
13 噴射ノズル
14 噴射水
15 水車羽
16 給水

Claims

山間などの僻地に配置して気象状況や河川の水位、地震などを観測してその情報を配信するシステムにおいて、これらの情報観測及び配信等に用いる電源として、僅かな落差で回転する水車にて稼動する発電機を備え、該発電機によって発生する電気を用いたもので、上記水車としてペルトン型式の水車を用い、水が供給される給水管と該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当たる複数の噴射ノズルを備え、上記水車の回転軸に連結して稼動する発電機を有し、該発電機によって発生する電力にて、風向風速・雨量・気温・湿度・気圧などの気象状況の観測、河川水位を監視する為に小型ＩＰカメラの作動、通信器の作動、地震計／傾斜計の作動、これらの情報収集と同時に水車を制御する小型コンピュータの作動を行い、観測値ＧＰＳ位置のデータを無線でサーバーへ送る機能を備えたことを特徴とする防災観測用情報配信ピコ水力発電システム。
上記装置にＥＣＵ収納盤を取付け、そして余分な電力を蓄えることが出来る蓄電池を備えた請求項１記載の防災観測用情報配信ピコ水力発電システム。
渇水期などで水量が少ない時期に、複数の噴射ノズルの１／２を停止する為の止水弁を備えた請求項１、又は請求項２記載の防災観測用情報配信ピコ水力発電システム。