JP2017210960A - 水力発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜地の地形及び河川の水流を利用して水力発電を効率よく且つ安全に行うことができる水力発電設備を提供する。【解決手段】傾斜地に設置構成され河川の水流を利用して発電を行う水力発電設備であって、傾斜地の高い側である高地部に河川の水流をせき止めるように設けられる堰体１と、高地部よりも低い側である低地部に設けられ水流によって駆動され回転する回転ユニット３２と、回転ユニット３２の回転により発電する発電ユニット３３とを有する発電装置３と、堰体１でせき止めた水が流入して発電装置３の回転ユニット３２に流れるように堰体１から発電装置３まで延伸する水路２２を形成する導水管２と、導水管２から分岐して上方に延伸するように形成され、且つ、水路２２と外部とを連通する開放口４１を有し、該開放口４１が傾斜地の高地部よりも低くない位置に位置するように形成されるサージタンク４と、を具える。【選択図】図１

Description

本発明は、発電設備に関し、詳しくは水力発電設備に関する。

水力発電は、石油や石炭を燃焼させてエネルギーを得る火力発電と比べて、資源消費及び廃棄物の発生が共に少なく、環境への負荷が比較的低く永続的に利用可能な発電方法である。例えば河川勾配が比較的急な傾斜地においては、水路式発電として、河川の上流側から取水し、水路によって発電装置まで水を導き、発電装置のタービンを水流の運動エネルギーによって駆動して電気エネルギーに変える。また水力発電設備としては、特許文献１に示されているような、河川の上流側から導水管に導入した水を垂直に落下させて発電機を駆動してから、その河川の勾配を利用して下流側から排出するものもある。

台湾登録実用新案第Ｍ５２４８８２号公報

しかしながら、従来の水力発電設備では、特に山間部など河川において勾配が急な水域における水流の持つ運動エネルギーを存分に利用できているとは言えない。また、従来の水力発電設備を急流域に設置した場合、例えば発電装置の故障等のため導水管の水流が滞った際に、水撃作用で導水管が破損してしまう恐れもある。

そこで、本発明の目的は、傾斜地の地形及び河川の水流を利用して水力発電を効率よく且つ安全に行うことができる水力発電設備を提供することにある。

上記目的を達成するための手段として、本発明は、以下の水力発電設備を提供する。
即ち、河川のある傾斜地に設置構成され、前記河川の水流を利用して発電を行う水力発電設備であって、
前記傾斜地の高い側である高地部に前記河川の水流をせき止めるように設けられる堰体と、
前記傾斜地の前記高地部よりも低い側である低地部に設けられ、水流によって駆動され回転する回転ユニットと、前記回転ユニットの回転により発電する発電ユニットとを有する発電装置と、
前記堰体でせき止めた水が流入して前記発電装置の前記回転ユニットに流れるように前記堰体から前記発電装置まで延伸する水路を形成する導水管と、
前記堰体と前記発電装置との間で前記導水管から分岐して上方に延伸するように形成され、且つ、前記水路と外部とを連通する開放口を有し、該開放口が前記傾斜地の前記高地部よりも低くない位置に位置するように形成されるサージタンクと、
を具えることを特徴とする、水力発電設備を提供する。

上記手段によれば、傾斜地の高地部において堰体でせき止めた水を導水管で発電ユニットに導いてその水流を利用して発電を行うことができる。よって傾斜地の地形及び河川の水流を利用して水力発電を効率よく行うことができる。しかも、開放口が傾斜地の高地部よりも低くない位置に位置するように形成されたサージタンクが水路の途中に設けられているので、例えば発電ユニットの故障等で一時的に導水管内の圧力が高まっても、サージタンクにより圧力が逃がされる。よって導水管の破裂等を回避することができ、水力発電を安全に行うことができる。

本発明に係る水力発電設備の第１の実施形態を概略的に示す断面図である。 上記第１の実施形態を概略的に示す平面図である。 本発明に係る水力発電設備の第２の実施形態を概略的に示す平面図である。 本発明に係る水力発電設備が複数用いられた態様を概略的に示す断面図である。 本発明に係る水力発電設備が複数用いられた態様を概略的に示す平面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明に係る水力発電設備の第１の実施形態が、図１においては断面図で、図２においては平面図で示されている。

本発明に係る水力発電設備は、主に図１に示されているように、河川９１が流れる傾斜地８１に設置され、河川９１の水流を利用して発電を行うものであり、河川９１の水をせき止める堰体１と、水流により発電を行う発電装置３と、堰体１から水を発電装置３に流す導水管２と、発電装置３の異常などで導水管２の内圧が高まったときに水を逃がすためのサージタンク４と、発電装置３で用いた水を河川９１に戻す放水路５とを具える。

（堰体１）
堰体１は、例えば山間部など傾斜地８１における標高が高い側である高地部８１１に、河川９１の上流側９１１における水流をせき止めるように設けられ、せき止めた水を溜める空間を高地部８１１の地形と共に形成する。堰体１の高さは、河川９１の深さに応じて、１ｍ〜３０ｍが適宜である。

（発電装置３）
発電装置３は、河川９１の上流側９１１よりも下流側９１２において、傾斜地８１の高地部８１１から連続すると共に高地部８１１よりも低地部８１２に設置されている。発電装置３は、本実施形態では鉛直方向に延伸する所定の軸線Ｌに沿って延伸し、導水管２の堰体１側とは反対の末端側（後述する下流管部２４）と連通するように配置される管状のタービンケーシング３１と、タービンケーシング３１内に配置される回転ユニット３２と、回転ユニット３２に連結される発電ユニット３３とを有する。

回転ユニット３２は、タービンケーシング３１内に上記軸線Ｌに沿って設けられた回転軸３２１と、回転軸３２１に同軸に設けられたタービン翼３２２とを有する。なお、本実施形態においてタービンケーシング３１と回転ユニット３２とは反動式の軸流タービンとして構成される。しかしこれに限らず、タービンケーシング３１と回転ユニット３２とは、フランシス式、斜流式や貫流式の反動式タービン、衝動式タービン、或いは台湾実用新案登録第Ｍ５２６６２５号明細書に記載のタービンとして構成されてもよい。

発電ユニット３３は、回転軸３２１の末端に連結されていて、回転軸３２１の回転により発電する。発電ユニット３３としては、タービンの回転により発電できるものであれば従来技術の各種発電機を用いることができる。

（導水管２）
導水管２は、堰体１でせき止めた水が流入して発電装置３のタービンケーシング３１内に流れ込むように堰体１から発電装置３まで延伸する水路２２を形成する。具体的には、導水管２は、堰体１が有する取水口と連通して堰体１でせき止めた水が流入する上流水路２３０を形成する上流管部２３と、上流管部２３と連通するように堰体１に近接して設けられ、上流水路２３０から流入した水を一旦貯留して沈砂を行うための貯水空間２１０を有する沈砂池２１と、貯水空間２１０から水が流入して発電装置３のタービンケーシング３１に流れる下流水路２４０を形成する下流管部２４とを有する。

沈砂池２１は、上流管部２３と連通して上流水路２３０から貯水空間２１０に水を導入する流入口２１２と、下流管部２４と連通して貯水空間２１０から下流水路２４０に水を流出させる流出口２１３とを有する。本実施形態において、沈砂池２１は、流入口２１２と流出口２１３のそれぞれの水流方向（即ち図１においては左右方向）と直交する方向における断面積が、貯水空間２１０の水流方向と直交する方向における断面積よりも小さくなるように形成されている。また、流入口２１２と流出口２１３とは、それぞれ貯水空間２１０の底部（即ち沈砂池２１の池床）よりも高い位置に設けられ、且つ、平面図である図２に示されているように、水流方向から見て互いに重ならないようにずらして設けられている。沈砂池２１が上述のように構成されることにより、水が流入口２１２から貯水空間２１０に流入した時に水流が緩まるので、流入した水に含まれる砂等の不純物が貯水空間２１０の底部に沈降する。

なお、導水管２の上流管部２３及び下流管部２４は、例えば圧力配管用鋼管を用いることができるが、これに限らず、ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチック等の複合材料、コンクリート、セラミック等で構成される圧力管を用いることができる。また、本実施形態においては、図１に示されているように、下流管部２４は、水を勢いよく流すために、勾配が河川９１の川床の勾配よりもより急になるように配置されており、更に、下流管部２４の発電装置３に近い側の部分が、河川９１の川床における地中に埋設されている。このように導水管２の一部が埋設されることで、導水管２の埋設部分に土圧が外圧として加わり導水管２が内圧により押し広げられる作用と対抗するので、導水管２が内圧で破損することを防ぐことができる。また上述のように導水管２の一部が地中に埋設されることにより、河川９１に増水が起きても例えば川床の石が流されて導水管２に当たることを防ぐことができる。

（サージタンク４）
サージタンク４は、堰体１と発電装置３との間で導水管２の下流管部２４から分岐して上方に延伸するように形成され、且つ、水路２２と外部とを連通する開放口４１を有する。開放口４１はサージタンク４において傾斜地８１の高地部８１１よりも低くない位置に位置するように形成される。

本実施形態においては上述のように、導水管２の下流管部２４の発電装置３に近い側の部分が河川９１の川床における地中に埋設されているので、サージタンク４は、導水管２の下流管部２４における発電装置３に近接した箇所から上方に分岐して、即ち川床の地中から突き出て且つ先端が沈砂池２１の流出口２１３よりも高くなるまで延伸し、開放口４１はその先端に形成されている。

サージタンク４を上述のように具えることにより、例えば回転ユニット３２が故障してタービンケーシング３１における水流が滞ったり、発電装置３の修理のためにタービンケーシング３１における水流が止められたりして、導水管２の水流が急停止されることにより瞬間的に導水管２の内圧が高まっても、導水管２の水をサージタンク４に逃がして開放口４１より排出することができるので、導水管２の内圧を下げることができ、いわゆる水撃作用の発生を防ぐことができる。

（放水路５）
放水路５は、タービンケーシング３１内に流入してタービン翼３２２を通過した水を河川９１の下流側９１２に排出するためのものであり、図１に示されているようにタービンケーシング３１の下端からほぼ水平に河川９１まで延伸するよう形成されている。

本実施形態において、放水路５は、河川９１の川床における地中に埋設された管で構成されているが、これに限らず、暗渠として構成してもよい。

以下、上述の構成を具えた本発明に係る水力発電設備によって、河川９１の水流を利用して発電を行う過程を説明する。

堰体１でせき止められた水は、堰体１に設けられている取水口を経由して上流水路２３０に流入し、流入口２１２を経由して沈砂池２１の貯水空間２１０に流入する。貯水空間２１０に流入した水は一旦貯められて沈砂が行われる。なお、堰体１で水をせき止めらた際にも多少の沈砂がなされるので、河川９１の水質によっては、沈砂池２１を設けなくてもよい。

沈砂が行われて不純物が減少した水は流出口２１３を経由して下流水路２４０に流入し、更に発電装置３のタービンケーシング３１内に流入する。タービンケーシング３１内に流入した水によりタービン翼３２２が回転され、これに連動して回転軸３２１も回転し、発電ユニット３３において回転軸３２１の運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。そして、タービンケーシング３１を通過した水は放水路５を経由して再び河川９１に戻される。

また、上述の過程において、発電ユニット３の異常などで導水管２の水流が急に止められた場合には、導水管２から分岐するサージタンク４により水圧が逃がされる。

以上のように、本発明に係る水力発電設備によれば、傾斜地の地形及び河川の水流を利用して水力発電を効率よく行えるだけでなく、且つ水撃作用による事故を軽減して安全に発電することができる。

＜第２の実施形態＞
本発明に係る水力発電設備の第２の実施形態が、図３において平面図で示されている。第１の実施形態と同様であるが、導水管２の構成が異なっており、具体的には、導水管２は、堰体１と沈砂池２１とを連通する上流管部２３と、沈砂池２１と発電装置３を連通する下流管部２４とをそれぞれ２本ずつ有する。

２本の上流管部２３は、堰体１において異なる位置に設けられた２つの取水口と沈砂池２１において異なる位置に設けられた２つの流入口２１２をそれぞれ連通するように設けられている。

２本の下流管部２４は、沈砂池２１において異なる位置に設けられた２つの流出口２１２から延伸してから合流して１本となり発電装置３のタービンケーシング３１に繋がる。なお、本実施形態においてサージタンク４は２本の下流管部２４が合流して１本となった箇所から分岐している。

上記のように導水管２が上流管部２３と下流管部２４とをそれぞれ２本有することにより、より多くの水量を河川９１から分流して発電装置３に導くことができる。

なお、上流管部２３と下流管部２４との本数は２本に限らず、河川９１の規模に応じてより多くの本数を設けることも可能である。

＜第１及び第２の実施形態を複数組み合わせて用いる例＞
図４及び図５には、上述の第１及び第２の実施形態における水力発電設備を、傾斜地８１の河川９１において直列状に及び並列状に複数組み合わせて用いる実施例が示されている。なお、図４及び図５における符号６は各水力発電設備を示す。

傾斜地８１は、当実施例において説明の便宜のため図４に示されているように、標高が高い側から上段８２、中段８３、下段８４とに分けられる。また河川９１も、上段８２を流れる部分である上段部９２、中段８３を流れる部分であって上段部９２の下流側から連続する中段部９３、下段８４を流れる部分であって中段部９３の下流側から連続する下段部９４とに分けられる。

水力発電設備６は当実施例において図５から見て取れるように、河川９１の上段部９２に対応して１つ、中段部９３に対応して２つ、下段部９４に対応して２つの計５つ設けられる。そして、中段部９３における２つの水力発電設備６、下段部９４における２つの水力発電設備６はそれぞれ１つの堰体１を共有するように配置構成され、また、下段部９４における２つの水力発電設備６の内の１つとして上記第２の実施形態の水力発電設備６が用いられ、それ以外の４つの水力発電設備６として上記第１の実施形態の水力発電設備６が用いられる。

上述のように構成することにより、上段部９２の水力発電設備６で発電に用いた水が排出された後に中段部９３における２つの水力発電設備６の堰体１でせき止められ再び中段部９３における２つの水力発電設備６での発電に用いられ、中段部９３における２つの水力発電設備６での発電に用いられた水が排出された後に更に下段部９４における２つの水力発電設備６の堰体１でせき止められ再び下段部９４における２つの水力発電設備６での発電に用いられてから、河川９１に戻される。

一般に河川は下流側に向かうほど流量が増える。これに対応して、本発明に係る水力発電設備は、当実施例のように河川９１における流量の変化に応じて上流側から下流側に直列的に且つ並列的に複数設置することが可能である。これにより、傾斜地の地形及び河川の水流をより効率的に利用して水力発電を行うことができる。更に、河川９１の分岐に応じても、本流や支流に本発明に係る水力発電設備を複数設けることで、１本の河川９１の流域全体の水流を利用して水力発電を行えるようになる。

なお、上記実施例は具体例に過ぎない。例えば、河川９１を幾つの段に分けてそれぞれの段に水力発電設備６を幾つ設けるかは、実際の応用において適宜調整することが可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明は、特に山間部、丘陵部など勾配が急な河川が流れる傾斜地において、その河川の水流を利用して発電するための水力発電設備として有用である。

１ 堰体
２ 導水管
２１ 沈砂池
２１０ 貯水空間
２１２ 流入口
２１３ 流出口
２２ 水路
２３ 上流管部
２３０ 上流水路
２４ 下流管部
２４０ 下流水路
３ 発電装置
３１ タービンケーシング
３２ 回転ユニット
３２１ 回転軸
３２２ タービン翼
３３ 発電ユニット
４ サージタンク
４１ 開放口
５ 放水路
６ 水力発電設備
８１ 傾斜地
８２ 上段
８３ 中段
８４ 下段
８１１ 高地部
８１２ 低地部
９１ 河川
９１１ 上流側
９１２ 下流側
９２ 上段部
９３ 中段部
９４ 下段部

Claims (8)

1. 傾斜地に設置され、前記傾斜地における河川の水流を利用して発電を行う水力発電設備であって、
   前記傾斜地の高い側である高地部に前記河川の水流をせき止めるように設けられる堰体と、
   前記傾斜地の前記高地部よりも低い側である低地部に設けられ、水流によって駆動され回転する回転ユニットと、前記回転ユニットの回転により発電する発電ユニットとを有する発電装置と、
   前記堰体でせき止められた水が流入して前記発電装置の前記回転ユニットに流れるように前記堰体から前記発電装置まで延伸する水路を形成する導水管と、
   前記堰体と前記発電装置との間で前記導水管から分岐して上方に延伸するように形成され、且つ、前記水路と外部とを連通する開放口を有し、該開放口が前記傾斜地の前記高地部よりも低くない位置に位置するように形成されるサージタンクと、
   を具えることを特徴とする、水力発電設備。
2. 前記導水管は、前記水路に沈砂池が設けられ、前記水路に流入した水が該沈砂池を経由してから前記発電装置の前記回転ユニットに流れるように構成される、請求項１に記載の水力発電設備。
3. 前記沈砂池は流入した水を貯めておいて沈砂を行う貯水空間を有し、
   前記導水管は、前記堰体でせき止められた水が流入して前記貯水空間に流れるように形成される上流管部と、前記貯水空間から水が流入して前記発電装置の前記回転ユニットに流れるように形成される下流管部とを有し、
   前記沈砂池において前記上流管部と連通する流入口と、前記下流管部と連通する流出口とは、それぞれの水流方向と直交する方向における断面積が前記貯水空間の水流方向と直交する方向における断面積より小さく、且つ前記貯水空間の底部よりも高い位置に設けられる、請求項２に記載の水力発電設備。
4. 前記沈砂池は前記堰体に近接するように設けられ、前記サージタンクは前記発電装置に近接するように設けられる、請求項３に記載の水力発電設備。
5. 前記導水管は複数の前記上流管部と複数の前記下流管部とを有する、請求項４に記載の水力発電設備。
6. 前記下流管部は少なくともその一部が地中に埋設される、請求項４または請求項５に記載の水力発電設備。
7. 前記発電装置は、所定の軸線に沿って延伸し、且つ、前記導水管の前記下流管部と連通して前記貯水空間からの水を受けることができるよう設置された管状のタービンケーシングを更に有し、
   前記回転ユニットは、前記タービンケーシング内に前記軸線に沿って設けられた回転軸と、前記回転軸に同軸に設けられたタービン翼とを有し、前記発電ユニットは前記回転軸に連結されており、
   前記水路を経由して前記タービンケーシング内に流入した水によって前記タービン翼及び前記回転軸が回転する、請求項４に記載の水力発電設備。
8. 前記タービンケーシング内に流入して前記タービン翼を通過した水を前記河川の前記堰体が設けられた側よりも下流側に排出する放水路を更に具える、請求項７に記載の水力発電設備。

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