JP3037221B2

JP3037221B2 - 水力発電装置

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Publication number: JP3037221B2
Application number: JP9242902A
Authority: JP
Inventors: 忠義植本
Original assignee: 忠義植本
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1997-09-08
Publication date: 2000-04-24
Anticipated expiration: 2017-09-08
Also published as: JPH1181288A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、水力発電装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般的な水力発電装置は、例えば河
川に巨大なダムを建設し、該ダムを水源とするととも
に、該ダムの水面より所定の水位差をもった下方位置に
発電装置を配置し、上記ダムから落水管を通して導いた
水を上記発電装置に供給し、該水のもつ位置エネルギー
を上記発電装置において電気エネルギーに変換して取り
出すようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の水力発電装置においては、河川に巨大なダムを建
設し、また落水管及び発電装置を川岸に建設するもので
あることから、ダムの建設に数年の工期を要し且つその
建設費用が巨額であるとともに広大な地域が水没しダム
周辺の自然環境が悪化し、さらに上記落水管及び発電装
置が地上に建設されるところからその周辺の自然景観が
損なわれるとともに自然環境も悪化する等の問題があっ
た。

【０００４】さらに、発電装置の地上設置が前提となっ
ていることから、水力発電装置の建設地として、例えば
河川の流れ勾配が急で大きな水位差を確保し得る地形で
あること、及び発電装置の設置場所は水源よりも所定水
位差以上低位置であることが要求され、水力発電装置の
設置自由度が非常に低いという問題もあった。

【０００５】そこで本願発明は、設置場所の地形的な制
約を受けることが少なく、しかもその建設工事が容易且
つ低コストであり、さらに自然環境及び自然景観を損な
うことも少ない水力発電装置を提供せんとしてなされた
ものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願発明ではかかる課題
を解決するための具体的手段として次のような構成を採
用している。

【０００７】本願の第１の発明にかかる水力発電装置
は、図１又は図２に例示するように、河川、湖沼等の水
源３０の高水位部３１の略直下の土中に、水車１を内蔵
配置した密閉室状のタンク１３を設置するとともに、上
記高水位部３１と上記水車１との間を落水管４により所
要の水位差Ｈ₂を確保した状態で連通し、上記落水管４
を介して上記高水位部３１から落下供給される水Ｗの運
動エネルギーにより上記水車１を回転させ、該水車１の
回転力により発電機３を駆動して電力を取り出す如く構
成する一方、上記タンク１３の下部に設けた貯水部１５
と、上記水源３０の上記高水位部３１に対して下方に所
定の水位差Ｈ₁をもつ低水位部３２とを、上記タンク１
３側から地表近傍まで立ち上がった後、地表近傍に埋設
された状態で上記低水位部３２側まで降下して該低水位
部３２内に開放された放水管５により接続するととも
に、上記タンク１３には、該タンク１３の上記貯水部１
５内に貯留される貯留水Ｗ₀の水面位ｈ₀を上記水車１の
下方位置に設定維持して上記水車１を空気中に位置せし
めるべく上記タンク１３内の空気圧を、上記低水位部３
２の水面位ｈ₂と上記貯留水Ｗ₀の水面位ｈ₀との水位差
Ｈ₀に対応させて調整する空気圧調整手段Ｘを備え、上
記落水管４を介して上記タンク１３内に供給され上記水
車１を回転駆動させた後に上記タンク１３の上記貯水部
１５に貯留される上記貯留水Ｗ₀をサイホン効果を利用
して上記低水位部３２側に順次排出させるように構成し
たことを特徴としている。

【０００８】本願の第２の発明では、上記第１の発明に
かかる水力発電装置において、上記空気圧調整手段Ｘ
を、上記高水位部３１と上記タンク１３の貯水部１５と
の間を連通する連絡管６と、該連絡管６の中段部に設け
られて上記高水位部３１から供給される水Ｗに空気を混
合させる気水混合器８と、上記連絡管６の通路を開閉す
るバルブ２４とを備えた構成したことを特徴としてい
る。

【０００９】

【発明の効果】本願発明ではかかる構成とすることによ
り次のような効果が得られる。

【００１０】本願の第１の発明にかかる水力発電装
置によれば、上記高水位部３１から上記落水管４を介し
て落下供給される水Ｗが、上記高水位部３１と低水位部
３２との水位差Ｈ₁に相当する有効水頭をもつことか
ら、該水Ｗが上記水車１に供給されることで該水車１は
上記水Ｗの運動エネルギーを受けて回転駆動され、該水
車１の回転力により上記発電機３が回転駆動されること
で電力が発生される（発電作用）。

【００１１】この場合、上記水車１が内蔵配置された上
記タンク１３内の空気圧が上記空気圧調整手段Ｘにより
調整され、水車駆動後の貯留水Ｗ₀の水面位ｈ₀が上記水
車１より下方に位置していることから、該水車１は空気
中において回転駆動されることになり、例えば上記水車
１の一部が上記貯留水内に浸漬されている場合の如く該
貯留水の流動抵抗により上記水車１の回転が阻害される
ことなく（換言すれば、損失水頭を生じることなく）回
転駆動され、上記有効水頭の全てを有効に利用した効率
的な発電が実現される。

【００１２】一方、上記水車１を駆動した後の水Ｗは、
上記タンク１３の下部に設けた貯水部１５に貯留水Ｗ₀
として貯留される。この場合、上記タンク１３内の空気
圧が、上記空気圧調整手段Ｘにより上記低水位部３２の
水面位ｈ₂と上記貯留水Ｗ₀の水面位ｈ₀との水位差Ｈ₀に
対応させて調整されており、しかも上記貯水部１５と上
記低水位部３２とが上記放水管５を介して連通されてい
るので、上記貯留水Ｗ₀の水面位ｈ₀が、上記落水管４か
らの水Ｗの供給に伴って上昇し、その水面位ｈ₀が上記
空気圧調整手段Ｘにより設定された水面位を上回ると、
これら両水面位間の水位差により該貯留水Ｗ₀はサイホ
ン効果により上記放水管５を通って順次上記低水位部３
２側に放出され、上記貯留水Ｗ₀の水面位は常時維持さ
れることになる。

【００１３】以上のように、上記落水管４から供給され
る水Ｗによる上記水車１の回転駆動作用と、該水車１を
回転させた後に上記貯水部１５に貯留される貯留水Ｗ₀
のサイホン効果による放出作用とが相互に連携して継続
的に行われることで、水力発電による電力の連続的な取
り出しが実現されるものである。

【００１４】従って、本発明の水力発電装置によれば、
（イ）上記水車１、発電機３等の発電装置の主要部を
水源３０の下方の地中に埋設配置し、上記水源３０の水
Ｗを地中に配置した上記落水管４を介して上記水車１に
導いて発電する構成であることから、例えば従来一般的
な水力発電装置の如く巨大なダムを建設することなく、
簡易な止水堰１０の設置により所定の有効落差をもつ水
流を確保することができ、それだけ水力発電装置の建設
が工期的あるいは費用的に容易であり、延いては電力の
低価格供給が可能となる、（ロ）上記水車１、発電機
３等の発電装置の主要部が水源３０の下方の地中に埋設
配置される構成であることから、例えば従来のように発
電装置が地上に設置される場合に比して、該発電装置の
設置に起因する周辺環境の破壊、周辺景観の改変が可及
的に少なく、地球的な自然保護が強く叫ばれている昨今
の状況下において好適な水力発電装置を提供できる、
（ハ）地中に配置した上記タンク１３内の空気圧を上
記空気圧調整手段Ｘによって調整することで該タンク１
３内の貯留水Ｗ₀の水面位ｈ₀を所定値に維持するように
しているので、該タンク１３を介して連通する上記落水
管４と放水管５とが実質的に一連の通路となり、例えば
上記タンク１３の貯水部１５における貯留水Ｗ₀の水面
位ｈ₀が上記低水位部３２の水面位ｈ₂よりも高い場合は
勿論のこと、該低水位部３２の水面位ｈ₂よりも低い場
合であっても、上記放水管５のサイホン効果を利用して
上記タンク１３内の貯留水Ｗ₀を排水することができ、
この結果、上記水車１の地中への配置深さを任意に設定
することができ、水力発電装置の設置に際して、例えば
設置位置の地形等からの制約をほとんど受けることがな
く、それだけ水力発電装置の適用範囲が拡大される、
（ニ）上記放水管５は、地中に設置された上記タンク
１３から地表側に立ち上がった後、該地表に沿って低水
位部３２側まで埋設配置されるものであるため、該放水
管５の配置による周辺景観の阻害が皆無であるととも
に、例えば水源が流れ勾配が小さな河川であったとして
も、上記放水管５の地表側配置部分を川下側へ長く延ば
すことで発電に必要な有効落差を確保することができる
ことから、水源の形態に拘わらず水力発電を行うことが
可能であり、これらによっても水力発電装置の適用範囲
の拡大が図られる、等の有用な効果が奏せられるもので
ある。

【００１５】本願の第２の発明にかかる水力発電装
置によれば、上記第１の発明にかかる水力発電装置にお
いて、上記空気圧調整手段Ｘを、上記高水位部３１と上
記タンク１３の貯水部１５との間を連通する連絡管６
と、該連絡管６の中段部に設けられて上記高水位部３１
から供給される水Ｗに空気を混合させる気水混合器８
と、上記連絡管６の通路を開閉するバルブ２４とを備え
た構成しているので、水と空気の混合流体が、上記高水
位部３１とタンク１３との水頭差によって上記連絡管６
から該タンク１３内に供給されると、該混合流体は上記
タンク１３内において水と空気とに分離し、分離後の空
気は上記タンク１３の上部に、分離後の水は該タンク１
３の下部に、それぞれ別れて貯留され、空気溜り部分と
水溜り部分との容積比によって上記タンク１３内の空気
圧が調整される。

【００１６】従って、上記タンク１３の空気圧調整に格
別の外的動力を必要とせず、例えば上記空気圧調整手段
Ｘをモータあるいはエンジンを駆動源とするエアポンプ
機構で構成する場合に比して、装置の運転経費の低廉化
が図れることになる。

【００１７】また、かかるタンク１３の空気圧調整は、
水力発電装置の稼働準備作業において行われることが多
いが、かかる準備作業においては未だ電力供給がされて
いないのが通例であることを考慮すれば、電力供給がさ
れていない状況下においても適用できるということは、
それだけ本願発明の水力発電装置の設置自由度がさらに
高くなるということであり、それだけその適用範囲がさ
らに拡大されることになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本願発明を好適な実施形態
に基づいて具体的に説明する。

【００１９】第１の実施形態図１には、本願発明にかかる水力発電装置の第１の実施
形態にかかる水力発電装置Ｚ₁を示している。

【００２０】Ａ：構造の説明この水力発電装置Ｚ₁は、設置条件として、取水側の高
水位部と放水側の低水位部との間の水位差が比較的大き
く採れる設置条件下、具体的には、例えば河川３０を水
源とした場合、該河川３０が比較的急勾配の流れをも
ち、その上流側の高水位部３１と下流側の低水位部３２
との間の水位差が比較的大きいという条件下において好
適な水力発電装置であって、この実施形態においては、
図１に示すように、上記河川３０の上流側の適所に止水
堰１０を設置し、該止水堰１０の堰作用により水位が上
昇した部分を高水位部３１（水面位「ｈ₁」）として利
用し、また該高水位部３１より下流側で且つ上記高水位
部３１に対して所定以上の水位差をもつ部位を低水位部
３２（水面位「ｈ₂」）として利用し、上記低水位部３
２から取水した水の位置エネルギーを利用して後述の如
く発電するとともに、使用済みの水はこれを後述するよ
うにサイホン効果を利用して上記低水位部３２側に放水
することで連続的な発電を可能としている。

【００２１】尚、上記止水堰１０は、河川３０の景観維
持、環境改変の抑制、あるいは設置工事の容易且つ低コ
スト化等の観点から、従来一般的なコンクリート製の止
水堰とはせずに、例えばゴム製の止水堰としている。

【００２２】上記水力発電装置Ｚ₁は、上記河川３０の
略直下、例えば上記高水位部３１に対応する川岸部分の
直下の地下に、その内部を機械室１２とした所定大きさ
のコンクリート製の地下構造体１１を埋設構築するとと
もに、該地下構造体１１の機械室１２内には密閉室状の
タンク１３を配置している。また、このタンク１３は、
その上部を水車収容部１４、下部を貯水部１５とすると
ともに、上記水車収容部１４内には、例えばペルトン型
の水車１を配置している。そして、このタンク１３内の
水車１の出力軸は上記タンク１３の側壁を貫通して上記
機械室１２内に突出しているとともに、該出力軸には増
速機２を介して発電機３が連結されており、上記水車１
の回転力を受けて上記発電機３が回転駆動されることで
発電が行われるようになっている。また、上記タンク１
３の上面側にはバルブ２６を備え且つ該タンク１３の内
部と上記機械室１２とを選択的に連通可能とする通気管
１７が設けられている。

【００２３】一方、上記上記水車１の近傍と上記高水位
部３１との間には、地中を上下方向に向けて延びる所定
径の落水管４が埋設配置されており、該落水管４の上端
は取水口１９とされ上記高水位部３１の底部側に臨んで
開口している。また、落水管４の下端はノズル１８とさ
れ、上記水車１のバケットに対向配置されている。さら
に、上記落水管４の上記ノズル１８寄り位置には、止水
用のバルブ２１が取り付けられている。

【００２４】従って、上記バルブ２１を開弁させて上記
落水管４を介して上記高水位部３１側の水Ｗを上記ノズ
ル１８側に落下供給し且つこれを該ノズル１８から上記
水車１に向けて噴出させることで、上記水Ｗのもつ位置
エネルギーが上記水車１の運動エネルギーに変換され、
さらにこれが上記発電機３において電気エネルギーに変
換されることになる。

【００２５】一方、上記タンク１３の上記貯水部１５部
分には、次述の放水管５と連絡管６とが配設されてい
る。

【００２６】上記放水管５は、上記水車１の駆動作用を
為したのち上記貯水部１５側に溜った水Ｗをサイホン効
果を利用して上記低水位部３２側に排出させるものであ
って、所定径の管体で構成される。そして、この放水管
５は、その一端５ａを上記貯水部１５の底部に開口させ
るとともに、そのまま上記タンク１３及び上記地下構造
体１１を貫通して地表近くまで上下方向に向けて埋設配
置される。そして、地表近くにおいて屈曲した後、上記
河川３０の傾斜に沿う如く地表から所定深さ位置に埋設
されて上記高水位部３１側から上記低水位部３２側に延
び、その終端である他端５ｂは上記低水位部３２内に開
口するとともに止水用のバルブ２２が備えられている。
尚、この場合、上記放水管５の一端５ａの高さ位置は、
少なくとも上記貯水部１５における貯留水Ｗ₀の設定水
面位「ｈ₀」よりも下方に位置していることが必要なこ
とは言うまでもない。また、この実施形態においては、
この貯水部１５における貯留水Ｗ₀の設定水面位「ｈ₀」
を、上記低水位部３２の水面位「ｈ₂」よりも水位差
「Ｈ₀」だけ高い位置に設定している。

【００２７】さらに、上記放水管５の上記屈曲部分、即
ち、最高部には、バルブ２３を備えた排気管９が接続さ
れており、上記放水管５内の空気は該排気管９から大気
側に排出されることになる。

【００２８】上記連絡管６は、上記タンク１３内に空気
を送り込んで該タンク１３内の空気圧を調整するための
ものであって、上記タンク１３及び地下構造体１１の壁
面を貫通して、上記貯水部１５から上記高水位部３１に
向けて上下方向に埋設配置され、その下端６ａはほぼ上
記放水管５の一端５ａと同じ高さ位置において開口し、
またその上端６ｂは上記高水位部３１内に埋没状態で開
口している。また、この連絡管６は、その下端６ａ寄り
位置にバルブ２４を備えるとともに、その上端６ｂ寄り
位置には気水混合器８を備えている。上記気水混合器８
は、上記連絡管６の内部通路に連通する所定大きさの容
積部８ａと、該容積部８ａに連通して大気に開放される
とともにバルブ２５が介設された通気管７とで構成さ
れ、上記容積部８ａにおいて高水位部３１からの水Ｗと
上記通気管７からの空気とを混合させるものである。従
って、この実施形態のものにおいては、上記連絡管６と
上記気水混合器８及び上記バルブ２４によって特許請求
の範囲中の「空気圧調整手段Ｘ」が構成されている。

【００２９】尚、図１においては、作図の便宜上、上記
通気管７及び排気管９を長大に画いているが、これらは
ともにその開口端が大気に臨めば十分であり、従って、
地形に合わせて適宜長さ調整されるものである。

【００３０】Ｂ：装置の作動説明次に、上述の如き構成をもつ水力発電装置Ｚ₁を使用し
て水力発電を行う場合の作動等について説明する。

【００３１】Ｂ−１：稼働準備作業先ず、図１に示す如き水力発電装置Ｚ₁が建設された
後、これを実際に作動させて水力発電を行わしめるため
には、以下に述べる如き準備作業が必要となる。以下、
この稼働準備作業について説明する。

【００３２】先ず、各バルブの初期設定として、バルブ
２１とバルブ２２とバルブ２４とバルブ２６を共に閉弁
し、バルブ２３とバルブ２５はこれを共に開弁する。

【００３３】この初期設定の状態で、上記バルブ２１を
開弁し、上記高水位部３１側から水Ｗを上記タンク１３
内に供給し、該タンク１３内に水Ｗが所定量、例えば、
図１に示す水位差「Ｈ₀」の近くまで充填された時点で
上記バルブ２１とバルブ２６とを閉弁する。この場合、
当初から上記タンク１３内に存在していた空気は、上記
バルブ２６が開弁している間に上記通気管１７から排出
される。

【００３４】次に、上記排気管９から上記放水管５内に
水Ｗを投入し、該放水管５内に存在する空気を該水Ｗに
よって順次上記排気管９から排出させながら該放水管５
内に水Ｗを充填する。水Ｗの充填完了後、上記バルブ２
３を閉弁する。

【００３５】しかる後、上記連絡管６に設けた上記バル
ブ２４を開弁させるとともに、上記放水管５の他端５ｂ
に設けた上記バルブ２２を開弁する。すると、上記放水
管５の最高部と上記高水位部３１との水位差Ｈ₃に相当
する水頭圧で、上記高水位部３１側の水Ｗが上記連絡管
６を介して上記タンク１３内に導入されるが、この際、
上記気水混合器８において上記水Ｗに上記通気管７から
供給される空気が混合され、上記水Ｗは空気との混合流
体となって上記タンク１３内に導入される。このタンク
１３内に導入された混合流体は、該タンク１３内への導
入後、空気と水とに分離し、空気はその浮力によって上
記タンク１３の上部に次第に溜る。また、分離後の水Ｗ
は、上記タンク１３の下部側に溜るが、上記放水管５に
設けた上記バルブ２２が開弁していることから、順次こ
の放水管５を通って上記低水位部３２側に排出される。
従って、上記連絡管６から混合流体が連続的に供給され
るに従って、封入状態にある空気は上記タンク１３の上
部、即ち、上記水車収容部１４内に次第にその容積を増
大させながら貯留される。

【００３６】この場合における上記タンク１３の貯水部
１５側における貯留水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」と上記水車収
容部１４における空気圧と、上記低水位部３２の水面位
「ｈ₂」との相対関係は次のようになっている。即ち、
上記低水位部３２にかかる大気圧を「Ｐ₁」、上記水車
収容部１４の空気圧を「Ｐ₂」、上記低水位部３２の水
面位「ｈ₁」と上記貯水部１５内の貯留水Ｗ₀の水面位
「ｈ₀」との水位差を「Ｈ₀」、水Ｗの比重を「１」とす
ると、「Ｐ₁＝Ｈ₀＋Ｐ₂」となる。

【００３７】従って、目標とする上記貯留水Ｗ₀の水面
位「ｈ₀」と上記低水位部３２の水面位「ｈ₂」との水位
差が「Ｈ₀」となった時点において上記連絡管６に設け
た上記バルブ２４を閉弁することで、上記水車収容部１
４内の空気圧は、上記水位差「Ｈ₀」を維持し得るよう
に大気圧「Ｐ₁」よりも水位差「Ｈ₀」に相当する圧力だ
け低い圧力「Ｐ₂」に保持され、その時の上記水面位
「ｈ₀」は「設定水面位」とされる。また、この場合、
上記低水位部３２の水面位「ｈ₂」と上記貯水部１５内
の貯留水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」とは、上記水車収容部１４
内の空気圧と大気圧との相対関係に基づいて平衡状態に
ある。

【００３８】以上で、水力発電装置Ｚ₁の稼働準備作業
が完了する。

【００３９】Ｂ−２：発電作動上述の如くして稼働準備作業が完了すると、次に実際の
発電作動に移行する。

【００４０】発電作動は、上記落水管４に設けた上記バ
ルブ２１を開弁することで開始される。即ち、上記バル
ブ２１が開弁されると、上記高水位部３１側の水Ｗが上
記ノズル１８から上記水車１の各バケットに向けて順次
噴出され、この噴流水のもつ運動エネルギーを受けて上
記水車１が回転駆動され、さらにこの水車１の回転力が
上記増速機２を介して上記発電機３に増速して伝達され
ることで該発電機３が回転駆動され、該発電機３により
発電が行われる。この発電により生じた電力は、図示し
ない送電装置を介して地上側に取り出され、所要の電力
需要に供せられる。尚、この発電に供せられる上記水Ｗ
の運動エネルギーは、上記タンク１３を介して上記落水
管４と放水管５とが連通していることから、上記高水位
部３１の水面位「ｈ₁」と上記低水位部３２の水面位
「ｈ₂」との水位差「Ｈ₁」に基づく水頭圧となる。

【００４１】一方、上記落水管４のノズル１８から噴出
されて上記水車１を駆動した後の水、即ち「放流水」
は、上記タンク１３の貯水部１５側に溜る。この場合、
この放流水の貯留により上記貯留水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」
が上昇し、上記低水位部３２の水面位「ｈ₂」との間に
上記水位差「Ｈ₀」を越える水位差が生じるとともに、
上記水車収容部１４の容積の減少によってその空気圧も
上昇する。すると、この水位差の増加と上記空気圧の増
加とを受けて、上記貯留水Ｗ₀は上記設定水面位「ｈ₀」
を維持すべく順次サイホン効果により上記放水管５を通
して上記低水位部３２側に放出され、上記貯留水Ｗ₀の
水面位「ｈ₀」は上記ノズル１８からの水Ｗの噴出（即
ち、発電作動の継続）にも拘わらず常時一定に収束せし
められる。この結果、上記水車１が常時水車収容部１４
内、即ち、回転抵抗の少ない空気中において回転駆動さ
れ、損失水頭の少ない効率の良い発電が実現されるもの
である。

【００４２】尚、例えば、上記低水位部３２の水面位
「ｈ₂」と上記貯留水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」とを同一高さ
に設定した場合には、上記水車収容部１４内の空気圧
「Ｐ₂」は大気圧に設定されることになる。

【００４３】以上のように地下設置される水力発電装置
Ｚ₁においては、従来一般的な水力発電装置に比較し
て、次のような特有の効果が得られる。

【００４４】第１に、上記水車１、発電機３等の発電装
置の主要部を水源３０の下方の地中に埋設配置し、上記
水源３０の水Ｗを地中に配置した上記落水管４を介して
上記水車１に導いて発電する構成であることから、例え
ば従来一般的な水力発電装置の如く巨大なダムを建設す
ることなく、簡易な止水堰１０の設置により所定の有効
落差をもつ水流を確保することができ、それだけ水力発
電装置の建設が工期的あるいは費用的に容易であり、延
いては電力の低価格供給が可能となるものである。

【００４５】第２に、上記水車１、発電機３等の発電装
置の主要部が水源３０の下方の地中に埋設配置される構
成であることから、例えば従来のように発電装置が地上
に設置される場合に比して、該発電装置の設置に起因す
る周辺環境の破壊、周辺景観の低下が可及的に少なく、
地球的な自然保護が強く叫ばれている昨今の状況下にお
いて好適な水力発電装置を提供できることになる。

【００４６】第３に、地中に配置した上記タンク１３内
の空気圧を上記空気圧調整手段Ｘによって調整すること
で該タンク１３内の貯留水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」を設定水
面位に維持するようにしているので、該タンク１３を介
して連通する上記落水管４と放水管５とが実質的に一連
の通路となり、例えば上記タンク１３の貯水部１５にお
ける貯留水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」が上記低水位部３２の水
面位「ｈ₂」よりも高い場合は勿論のこと、該低水位部
３２の水面位「ｈ₂」よりも低い場合であっても、上記
放水管５のサイホン効果を利用して上記タンク１３内の
貯留水Ｗ₀を排水することができる。この結果、上記水
車１の地中への配置深さを任意に設定することができ、
水力発電装置の設置に際して、例えば設置位置の地形等
からの制約をほとんど受けることがなく、それだけ水力
発電装置の適用範囲が拡大されることになる。

【００４７】第４に、上記放水管５は、地中に設置され
た上記タンク１３から地表側に立ち上がった後、該地表
に沿って低水位部３２側まで埋設配置されるものである
ため、該放水管５の配置による周辺景観の阻害が皆無で
ある。さらに、例えば水源が、流れ勾配が小さな河川で
あったとしても、上記放水管５の地表側配置部分を川下
側へ長く延ばすことで発電に必要な有効落差「Ｈ₁」を
確保することができることから、水源の形態に拘わらず
水力発電を行うことが可能であり、これらによっても水
力発電装置の適用範囲の拡大が図られることになる。

【００４８】第５に、高水位部３１と低水位部３２とが
上記落水管４と放水管５を介して連通されており、例え
ば河川の増水により上記高水位部３１の水位が上昇して
も、これと同様に上記低水位部３２の水位も上昇し、発
電に関与する有効水頭はほとんど変化しないので、安定
した電力供給が可能となるものである。また、上記タン
ク１３及び水車１等の発電機構が地中に埋設配置されて
いるので、例えば河川が増水したような場合であっても
発電作用には何らの影響がなく、このことからも安定し
た電力供給が可能となるものである。

【００４９】第２の実施形態図２には、本願発明の第２の実施形態にかかる水力発電
装置Ｚ₂を示している。この実施形態の水力発電装置Ｚ₂
は、高水位部３１と低水位部３２との間の水位差Ｈ₁が
比較的小さい場合に好適な水力発電装置であって、上記
第１の実施形態における上記水力発電装置Ｚ₁とその基
本構成を同一とし、該第１の実施形態にかかる水力発電
装置Ｚ₁と異なる点は、上記高水位部３１と低水位部３
２との間の水位差「Ｈ₁」が小さく、従ってこの水位差
「Ｈ₁」の大きさに対応して上記地下構造体１１の設置
深さも地表近くに設定されている点、及び上記低水位部
３２の水面位「ｈ₂」よりも上記タンク１３内の貯留水
Ｗ₀の水面位「ｈ₀」が低く、これら両者間に大きな水位
差「Ｈ₀」が存在する点である。

【００５０】このような設定の水力発電装置Ｚ₂におい
ては、上記タンク１３の貯水部１５側における貯留水Ｗ
₀の水面位「ｈ₀」と上記水車収容部１４における空気圧
と、上記低水位部３２の水面位「ｈ₂」との相対関係は
次のようになっている。即ち、上記低水位部３２にかか
る大気圧を「Ｐ₁」、上記水車収容部１４の空気圧を
「Ｐ₂」、上記低水位部３２の水面位「ｈ₁」と上記貯水
部１５内の貯留水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」との水位差を「Ｈ
₀」、水Ｗの比重を「１」とすると、「Ｐ₁＋Ｈ₀＝Ｐ₂」
となる。

【００５１】従って、目標とする上記貯留水Ｗ₀の水面
位「ｈ₀」と上記低水位部３２の水面位「ｈ₂」との水位
差が「Ｈ₀」となった時点において上記連絡管６に設け
た上記バルブ２４を閉弁することで、上記水車収容部１
４内の空気圧は、上記水位差Ｈ₀を維持し得るように大
気圧「Ｐ₁」よりも水位差「Ｈ₀」に相当する圧力だけ高
い圧力「Ｐ₂」に保持され、その時の上記水面位「ｈ₀」
は「設定水面位」とされる。また、この場合、上記低
水位部３２の水面位「ｈ₂」と上記貯水部１５内の貯留
水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」とは、上記水車収容部１４内の空
気圧と大気圧との相対関係に基づいて平衡状態にある。

【００５２】このような状態下において上記バルブ２１
が開弁されて、発電作動が開始されると、上記高水位部
３１側の水Ｗが上記ノズル１８から上記水車１の各バケ
ットに向けて順次噴出され、この噴流水のもつ運動エネ
ルギーを受けて上記水車１が回転駆動され、さらにこの
水車１の回転力が上記増速機２を介して上記発電機３に
増速して伝達されることで該発電機３が回転駆動され、
該発電機３により発電が行われる。この発電により生じ
た電力は、図示しない送電装置を介して地上側に取り出
され、所要の電力需要に供せられる。尚、この発電に供
せられる上記水Ｗの運動エネルギーは、上記タンク１３
を介して上記落水管４と放水管５とが連通していること
から、上記高水位部３１の水面位「ｈ₁」と上記低水位
部３２の水面位「ｈ₂」との水位差「Ｈ₁」に基づく水頭
圧となる。

【００５３】一方、上記落水管４のノズル１８から噴出
されて上記水車１を駆動した後の水、即ち「放流水」
は、上記タンク１３の貯水部１５側に溜る。この場合、
この放流水の貯留により上記貯留水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」
が上昇し、上記低水位部３２の水面位「ｈ₂」との間の
水位差が、上記水位差「Ｈ₀」よりも減少するととも
に、上記水車収容部１４の容積の減少によってその空気
圧が上昇する。すると、この水位差の減少と上記空気圧
の増加とを受けて、上記貯留水Ｗ₀は上記設定水面位
「ｈ₀」を維持すべく順次サイホン効果により上記放水
管５を通して上記低水位部３２側に放出され、上記貯留
水Ｗ₀の水面位「ｈ₀」は上記ノズル１８からの水Ｗの噴
出（即ち、発電作動の継続）にも拘わらず常時一定に収
束せしめられる。

【００５４】この結果、上記水車１が常時水車収容部１
４内、即ち、回転抵抗の少ない空気中において回転駆動
され、損失水頭の少ない効率の良い発電が実現されるも
のである。

【００５５】尚、この第２の実施形態にかかる水力発電
装置Ｚ₂においても上記第１の実施形態にかかる水力発
電装置Ｚ₁と同様の効果が得られるものであり、従って
効果については上記第１の実施形態における該当箇所の
説明を援用することとし、ここでの説明は省略する。

【００５６】その他（１）上記各実施形態においては、水車１としてペル
トン型のものを使用しているが、本願発明は水車の形態
が限定されるものではなく、ペルトン型以外の各種形態
の水車を適用できることは勿論である。

【００５７】（２）上記各実施形態においては、単一
の水車１を備えた水力発電装置を例にとって説明してい
るが、本願発明はかかる水車１の設置個数に限定される
ものでなく、水車１の設置個数は所要の発電量、水源の
可能取水量等の各種の条件に合わせて適宜水車１の設置
個数を増減設定し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の第１の実施形態にかかる水力発電装
置の全体システム図である。

【図２】本願発明の第２の実施形態にかかる水力発電装
置の全体システム図である。

【符号の説明】

１は水車、２は増速機、３は発電機、４は落水管、５は
放水管、６は連絡管、７は通気管、８は気水混合器、９
は排気管、１０は止水堰、１１は地下構造体、１２は機
械室、１３はタンク、１４は水車収容部、１５は貯水
部、１７は通気管、１８はノズル、１９は取水口、２１
〜２６はバルブ、３０は河川、３１は高水位部、３２は
低水位部、Ｈ₀〜Ｈ₃は水位差、Ｘは空気圧調整手段、Ｚ
₁及びＺ₂は水力発電装置である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】河川、湖沼等の水源（３０）の高水位部
（３１）の略直下の土中に、水車（１）を内蔵配置した
密閉室状のタンク（１３）を設置するとともに、上記高
水位部（３１）と上記水車（１）との間を落水管（４）
により所要の水位差（Ｈ₂）を確保した状態で連通し、
上記落水管（４）を介して上記高水位部（３１）から落
下供給される水（Ｗ）の運動エネルギーにより上記水車
（１）を回転させ、該水車（１）の回転力により発電機
（３）を駆動して電力を取り出す如く構成する一方、上記タンク（１３）の下部に設けた貯水部（１５）と、
上記水源（３０）の上記高水位部（３１）に対して下方
に所定の水位差（Ｈ₁）をもつ低水位部（３２）とを、
上記タンク（１３）側から地表近傍まで立ち上がった
後、地表近傍に埋設された状態で上記低水位部（３２）
側まで降下して該低水位部（３２）内に開放された放水
管（５）により接続するとともに、上記タンク（１３）には、該タンク（１３）の上記貯水
部（１５）内に貯留される貯留水（Ｗ₀）の水面位
（ｈ₀）を上記水車（１）の下方位置に設定維持して上
記水車（１）を空気中に位置せしめるべく上記タンク
（１３）内の空気圧を、上記低水位部（３２）の水面位
（ｈ₂）と上記貯留水（Ｗ₀）の水面位（ｈ₀）との水位
差（Ｈ₀）に対応させて調整する空気圧調整手段（Ｘ）
を備え、上記落水管（４）を介して上記タンク（１３）内に供給
され上記水車（１）を回転駆動させた後に上記タンク
（１３）の上記貯水部（１５）に貯留される上記貯留水
（Ｗ₀）をサイホン効果を利用して上記低水位部（３
２）側に順次排出させるように構成されていることを特
徴とする水力発電装置。
【請求項２】請求項１において、上記空気圧調整手段（Ｘ）は、上記高水位部（３１）と
上記タンク（１３）の貯水部（１５）との間を連通する
連絡管（６）と、該連絡管（６）の中段部に設けられて
上記高水位部（３１）から供給される水（Ｗ）に空気を
混合させる気水混合器（８）と、上記連絡管（６）の通
路を開閉するバルブ（２４）とを備えた構成されたこと
を特徴とする水力発電装置。