JP3182673U

JP3182673U - 水力発電システム

Info

Publication number: JP3182673U
Application number: JP2013000332U
Authority: JP
Inventors: 章柴崎
Original assignee: 章柴崎
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2023-01-24

Abstract

【課題】河川を流れる水量に応じて水車の位置を適正に調整することで、比較的安定して電力を得ることができる水力発電システムを提供する。
【解決手段】水力発電システム１００は、水車１により河川Ｒを流れる水の力を受けて回転する回転力を利用して発電装置３により発電する。水車１は、支持体２に支持されて、支持体２はワイヤ５ａに連結されており、ウインチ５によるワイヤ５ａの巻き上げによって持ち上げられる。制御装置６は、水位測定装置１４によって測定される河川Ｒの水面の高さに応じてウインチ５の巻き上げ又は巻き戻しの駆動を制御して、支持体２を上下移動させ水車１の上下方向の位置を調整する。
【選択図】図１

Description

本考案は、河川を流れる水を利用して発電する水力発電システムに関する。

産業の発展や生活等のために電力は必須であり、現状では火力発電や原子力発電により大容量の電力を発生させている。近年、地球温暖化対策への取り組みが求められたり、原子力発電の安全性等が議論されたりしており、風力発電や太陽光発電や水力発電等の再生可能エネルギーを利用した発電が見直されている。

風力発電には、無風時においては電力が得られないという欠点があり、太陽光発電には、雨天時の発電量が晴天時のそれに比べて大幅に低下するという欠点がある。それに対し、川には水が比較的安定して流れるために、川を流れる水を利用する水力発電は、比較的安定して電力を得ることができるという利点がある。

河川を流れる水を利用して水力発電を行うシステムとして、河川における落差が大きい部分を流れる水のエネルギーを水車により機械的動力に変換し、その動力を電力に変換するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

落差の大きい部分がなくても、河川に水車を設置し、流水のエネルギーを水車により機械的動力に変換し、更に電力に変換するという水力発電システムも提案されている（例えば、特許文献２参照）。そして、この特許文献２のシステムは、回動可能なアームに浮きを装着すると共にこのアームに水車を吊持することで、河川の水量の増減による水面の位置の変化に連動した浮きの動きに水車が追随し、また、洪水などで水量が急増した場合には、ウインチ装置を作動させてワイヤを巻き上げることにより、水車を水面から上方に引き上げるように構成されている。

特開２０１１−１２７３３４号公報特開２００３−１０６２４７号公報

一般的に、河川に設置した水車による水力発電システムにおいては、河川を流れる水の量が多いと水車は流水のエネルギーを十分な大きさの機械的動力に変換することができる。しかしながら、水車は河川に一度設置されると実質的に固定された状態で維持されるため、例えば晴天の日が続き河川を流れる水の量が少なくなって水位が下がると水車の羽根は流水の力を十分に受けられなくなり、河川を流れる水の量が多いときと比べて水車は小さな機械的動力しか得られず発電する電力量は少なくなる。また、河川が増水したときは、川底から離れるほど川底からの摩擦が小さくなるために浅い部分の水ほど流れる速度は速くなるのであるが、水車の位置が固定であると増水による流水のエネルギーを有効に取り込むことができない。

そのため、特許文献２の水力発電システムによれば、浮きを利用して水面からの水車の位置を自動調整しており、水車を河川に固定して設置した場合と比べると安定した電力量で発電することができる。

しかしながら、浮きを利用して水車の位置を自動調整しようとすると、水車を浮かせるためには浮きが大容量のものとなって装置が大型化するばかりか、水流が速いときには浮きが水流によって押し上げられ、水車が水流によって有効に回転できる位置レベルを超えて持ち上がってしまい、水流が速いにも係らず十分な発電を行うことができないという問題点がある。

上記点に鑑みて、本考案は、河川を流れる水量に応じて水車の位置を適正に調整可能にすることで、比較的安定して電力を得ることができる水力発電システムを提供することを目的とする。

本考案による水力発電システムは、河川を流れる水の力を受けて回転する水車と、前記水車の回転力を利用して発電する発電装置と、前記水車を支持する支持体と、前記河川の水面の高さを測定する水位測定装置と、前記支持体を上下方向に移動させる駆動機構と、前記水位測定装置により測定された前記高さに基づいて前記水車の上下方向の位置を調整可能なように前記駆動装置の上下方向の移動を制御する制御装置と、を備える。

さらに、河川の両岸にそれぞれ支持柱を設けて、前記支持体を前記支持柱の間に架設すると共に、前記支持体によって支持される前記水車を前記河川の幅方向に沿って複数配置してもよい。このとき、複数配置された前記水車を複数にグループ分けして、グループ毎に前記発電装置を設けてもよい。

また、前記駆動装置は、前記支持柱に沿って上下方向に前記支持体を昇降させる。一方、前記支持体は前記支持柱に回動自在に支持されて、前記駆動装置は、前記支持体を前記回動の軸を支点に揺動させることで、前記支持体を上下方向に移動させてもよい。

また、前記水車に導入する水流を速めるために、前記水車の導入側には、前記河川の上流側を広く且つ下流側を狭くする堰を設けるとよい。

前記発電装置の発電量を向上させるのに、前記水車の回転力を増速器を介して前記発電装置に伝達するとよい。

前記発電装置によって得られた電力を、電力の供給先に送る送電装置をさらに備えてもよい。さらに、前記発電装置によって得られた電力を蓄積する蓄電装置を備えてもよい。

本考案によれば、水位測定装置により河川の水面の高さを測定した結果に基づき水車の上下方向の位置を調整するために、そのときの水量に応じた最大の発電量を得ることができる。しかも、測定した河川の水位レベルが渇水時及び増水時のそれぞれの危険レベルであるときは、制御装置により駆動機構を動作させて自動的に水車を引き上げることができ、水車を有効に保護することができる。

本考案の第１の実施の形態に係る水力発電システムの概略を側面から模式的に示す図である。図１における水力発電システムを平面から模式的に示す図である。本考案の第２の実施の形態に係る水力発電システムの要部の概略を側面から模式的に示す図である。本考案の第３の実施の形態に係る水力発電システムの要部の概略を側面から模式的に示す図である。本考案の第４の実施の形態に係る水力発電システムの要部の概略を側面から模式的に示す図である。第１乃至第４の実施の形態における共通した動作の手順を示すフローチャートである。

以下に、本考案の実施の形態に係る水力発電システム１００の構成を説明する。図１は、本考案の第１の実施の形態に係る水力発電システム１００の概略を模式的に示し、図２は図１の平面図である。水力発電システム１００は、河川Ｒを流れる水を利用して発電するシステムであって、河川Ｒを跨って設置される。

一対の支持柱４は河川Ｒの両岸にそれぞれ設置されて、支持柱４には、支持柱４に沿って上下に移動可能な環状の支持フレーム４ａが取り付けられている。そして、支持柱４の間に架設される支持体２は、その両端が支持フレーム４ａによって支持されている。

一対の支持柱４のそれぞれの上部にはワイヤ５ａを巻き上げ及び巻き戻しするウインチ５が固定されており、ワイヤ５ａは支持フレーム４ａに連結されている。したがって、ウインチ５が巻き上げ又は巻き戻し動作を行うことで支持フレーム４ａは支持柱４を上下に摺動して、支持体２を河川の水面に対する上下の位置を調整することができる。

支持体２は両端の側板２ａと天板２ｂとから成り、一対の側板２ａには回転軸９が架け渡されており、回転軸９には複数の水車１が装着される。水車１は、本実施例では水流に対向する羽根１ａを円周面に等間隔で備えた開放周流型の水車１（図４の側面図参照）を示しているが、プロペラ水車やフランシス水車など水力発電に使用される種々のタイプのものが使用できる。

支持体２の天板２ｂの上面には発電装置３を設置しており、この発電装置３の入力軸側には増速器１３が取り付けられている。河川Ｒの水流による水車１の回転力は、回転軸９に装着したスプロケット１０ａからローラーチェーン１２を介してスプロケット１０ｂに伝達される。増速器１３は、スプロケット１０ｂと同軸に設けられており、水車１の回転力を増速して発電装置３に伝達し、発電装置３は、増速器１３で増速された水車１の回転力を利用して発電を行う。このとき、天板２ｂに穿設した開口２５を通してローラーチェーン１２による無端軌道が形成されるが、スプロケット１０ａ及びローラーチェーン１２は河川Ｒの水から防御するために密閉カバーにより保護するのが好ましい。

制御装置６は、水位測定装置１４からの測定信号Ｌの入力により河川Ｒの水位レベルを検出し、これに基づきウインチ５の巻き上げ動作又は巻き戻し動作を制御することで支持フレーム４ａを上下に摺動移動させて、水車１を河川Ｒの水中に配置する高さ位置を調節している。水位測定装置１４としては、ステンレス製ダイアフラムを使用した圧力式の水位センサや電極式水位センサなどが好適であり、水中に浸漬されている保護ケース１５内に収納されて水流から保護されている。

水位測定装置１４から河川Ｒの水位レベルを検出するには、制御装置６には河川Ｒの平均的な水位が基準レベルデータとしてインプットされており、任意に設定した例えば、１０分若しくは３０分毎の一定時間間隔にて測定信号Ｌを取り込み、その都度、現時点での水位レベルを基準レベルからのプラス又はマイナスのデータで検出する。そして、制御装置６は、今回検出した水位レベルと、前回にウインチ５を駆動したときの水位レベルとの差が予め設定されている所定値を超えていると、現時点での水位レベルに応じた水車２の適切な上下方向での配置レベルを演算し、演算結果に応じて両方のウインチ５に駆動信号を同期して出力する。具体的には、制御装置６は、河川Ｒの増水を検知すると水車２が増水量に応じて川底から引き上げるようウインチ５に巻き上げの駆動信号を出力し、逆の場合には減水量に応じて川底方向に引き下ろすようウインチ５に巻き戻しの駆動信号を出力する。

これにより、水車１が流れる水の力を最も効果的に受けて回転できるように、河川Ｒの水量に応じて水車１の高さ位置を任意に設定することができる。例えば、水車１が開放周流型水車の場合には、水車１を配置する高さ位置は、水車１の回転軸が水中に浸漬しておらず、且つその下端の円周部は川底からの摩擦が小さく速度が速い水流を効果的に受けて回転することができる範囲内に配置するのがよい。そのため、制御装置６には水車１の直径寸法のデータがインプットされていて、水位測定装置１４により測定された水位の高さに応じて、制御装置６は、測定した水位が前回にウインチ５を駆動したときの水位レベルとの差が予め設定されている所定値を超えて増水したときには、ウインチ５に巻き上げの駆動信号を出力して支持体２及び水車１の引き上げ制御を行って、水車１が最も有効に回転することができる位置まで持ち上げる。また、測定した水位が水車１の下端の円周部が流れる水の力を効果的に受けて回転できる位置に浸漬していない状態にまで渇水したときは、ウインチ５に巻き戻しの駆動信号を出力して支持体２及び水車１の引き下し制御を行う。

一方、制御装置６は、このように水車１を河川Ｒの水流を効果的に受けて回転できるようにその高さ位置を調節するだけでなく、渇水により水車１が稼働できない場合や、逆に洪水などで水量が大量に増加した場合には、水車１を故障や破損から回避するために、水車１をそのときの河川Ｒの水位より十分高い位置まで引き上げることで水車１を保護する。水車１における複数の羽根１ａが河川Ｒを流れる水の力を受けることができない高さは、水車１の構造や羽根１ａの大きさ及び形状等によって決定される。

この場合、制御装置６は、予めインプットされている水車１の直径寸法から判断して水位測定装置１４により測定した水位レベルが危険レベルに達したことを検知すると支持体２及び水車１を持ち上げるが、特に増水時においては上限位置まで持ち上げることになる。これに加えて、手動のスイッチ操作や外部の監視機器からの有線又は無線により送られてくる信号により支持体２及び水車１を上限位置まで持ち上げる制御を行うようにすると、水車１の保護が一層確実となる。

そして、この水力発電システム１００では、水車１をより効果的に回転させるために、水車１への水流の導入側には河川の上流側Ｒを広く且つ下流側を狭くする堰２０を設けている。また、水車１への水流の導入側には、水車１を破損する恐れがある流木や大型のごみなど水車１に衝突すると破損しかねない異物の流入を阻止すべく、河川Ｒの幅方向に沿ってネット２１を配置することが好ましい。このようなネット２１は、水車１を包み込むように個別に配置してもよい。

支持体２及び水車１を上下方向に移動させる駆動機構は、ウインチ５によるワイヤ５ａの巻き上げに限定されるものではなく、支持柱４にラックを形成し、このラックにピニオンを噛み合わせてピニオンを回転駆動させることで支持体２を上下動させるラック・アンド・ピニオン機構を用いてもよい。また、別の例としては、支持柱４に螺旋状のスクリュー刃を形成すると共に環状の支持フレーム４ａの内側面にスクリュー刃と噛み合うめねじを形成し、支持柱４を回転駆動させることで支持体２を上下動させるスクリュー機構を用いることもできる。

送電装置７は、発電装置３からの電力線２２と電気的に接続されており、発電装置３によって得られた電力を電力供給先に送る。電力供給先は、例えば水力発電システム１００の周囲の住宅や農業設備である。送電装置７は、電力の供給先とは外部電力線２３によって電気的に接続されており、外部電力線２３を介して電力を供給先に送電する。

蓄電装置８は、送電装置７と同様に、電力線２２と電気的に接続されて、発電装置３から伝達された電力を蓄積する。蓄電装置８に蓄積される電力は、図示されていないが、水力発電システム１００の始動時における制御装置６やウインチ５の駆動モータによって使用されて、発電開始後は、発電装置３で発電された電力によって制御装置６やウインチ５の駆動モータの電源を賄うことができる。また、蓄電装置８は送電装置７と電気的に接続されており、蓄電装置８に蓄積される電力を送電装置７によって住宅や農業設備等の電力の供給先に送る。

本考案の実施の形態に係る水力発電システム１００を適用する河川Ｒの川幅が例えば１５ｍ以上であるとすると、水車１は川幅に沿って６基以上を配置するが、図３の第２の実施の形態で示されているように、複数の水車１を複数個ずつにグループ分けをして、グループ毎に支持体２を設けて、支持体２ごとに発電装置３、回転軸９、スプロケット１０ａ、スプロケット１０ｂ、ローラーチェーン１２及び増速装置１３を設けてもよい。この場合、各支持体２は共通して支持フレーム４ａに支持されて、ウインチ５の駆動で同時に上下動するように構成される。

また、農業用の用水路などの小規模河川においては、一台の水車１により本考案に係る水力発電システム１００を構成するが、このとき好適な例を図４の第３の実施の形態で示す。図４（ａ）は、１本の支持柱４により支持体２を支持する構成を示しており、図１及び図３に示す構成と同様に支持柱４に沿って上下に移動可能な環状の支持フレーム４ａによって支持体２を支持し、支持体２の両側板２ａに架け渡される回転軸９に水車１が取り付けられる。

そして、図１及び図３に示す構成と同様に、支持柱４の上部にはワイヤ５ａを巻き上げ及び巻き戻しするウインチ５が固定されており、ワイヤ５ａは支持フレーム４ａに連結されて、ウインチ５が巻き上げ又は巻き戻し動作を行うことで支持フレーム４ａは支持柱４を上下に摺動して、支持体２を河川の水面に対する上下の位置を調整する。

しかし、図４に示す実施の形態では、支持柱４には発電装置３が載置される固定台１６が装着されて、発電装置３は支持フレーム４ａの上下動に伴う水車１の移動に係らず位置が固定されている。したがって、この例では、水車１の回転力を増速装置１３に伝達するローラーチェーン１２が張架されるスプロケット１０ａ及びスプロケット１０ｂの間にはさらに中間スプロケット１０ｃを設けて、このスプロケット１０ｃは図４（ｂ）に示すように、ローラーチェーン１２の移送方向とは直交する方向（図示の矢印方向）に任意に移動自在な構成としている。これにより、支持フレーム４ａが上昇する距離に応じてスプロケット１０ｃを水平方向に張り出すように移動させることで、スプロケット１０ａとスプロケット１０ｂとの間の距離を調整できるために発電装置３の位置を固定しておくことができる。

図５に示す第４の実施の形態では、支持体２を上下方向に移動させるのに、支持体２を直接鉛直方向で上下に持ち上げず回転により持ち上げている。図５はこの構成を側断面にて示すもので、支持体２を揺動させることで水車１の高さ位置を調整している。図５において、図１と同一の機能物には同一の符号を付しているが、開放周流型の水車１を回動自在に支持している支持体２は、軸３１を支点にして揺動自在に軸支されており、軸３１は、両岸に設置される一対の支持柱４に装架されている。そして、支持体２の天板３ｂの上面に発電装置３を設置して、発電装置３の入力軸側に増速器１３を取り付け、河川Ｒの水流による水車１の回転力をスプロケット１０ａからローラーチェーン１２を介してスプロケット１０ｂに伝達し、スプロケット１０ｂと同軸の増速器１３で増速された水車１の回転力を利用して発電装置３により発電を行う構成は図１と同様である。

支持体２の両側板２ａの下端部はワイヤ５ａが取り付けられており、河川Ｒの両岸にそれぞれ固定して設置される一対のウィンチ５が同期してワイヤ５ａを巻き上げ又は巻き戻しすることにより、支持体２は軸３１を支点に揺動することができ、支持体２の揺動により水車１の高さ位置が調整される。

次に、本考案の実施の形態に係る水力発電システム１００の動作を説明する。図６は、図１及び図３乃至図５の各実施の形態の水力発電システム１００に共通している動作手順を示すフローチャートである。上述の通り、水力発電システム１００では、制御装置６は河川Ｒの水面の高さを測定する（Ｓ１）。制御装置６が水位測定装置１５によって測定する高さは水位であるので、図５のステップＳ１では、「水位を測定する」と表現されている。次に、制御装置６は、測定した水面の高さが水車１によって河川Ｒを流れる水の力を受けることができる高さであるか否かを判定する（Ｓ２）。水車１における複数の羽根１ａが河川Ｒを流れる水の力を受けることができる高さは、流水によりこの羽根１ａが回転することができる高さである。そのため、図５のステップＳ２では、「水位は流水により羽根が回転可能な高さか？」と表現されている。

測定した水面の高さが水車１の羽根１ａが河川Ｒを流れる水の力を受けることができる高さである場合（Ｓ２でＹｅｓ）、制御装置６は、測定した高さをもとに、水車１が河川Ｒを流れる水の力を受けることができるように、水車１の高さ位置を制御する（Ｓ３）。例えば、水力発電システム１００の稼働開始前においては、水車１は上限の高さ位置に支持体２に保持されており、制御装置６はウインチ５を巻き戻しして、水車１の下端の円周部が浸漬する一方、その回転軸９が浸漬しない位置にまで支持体２を下降させる。この場合、図４で示す実施態様においては、制御装置６は、ウインチ５を巻き戻して水車１の下端の円周部が浸漬して、その回転軸９が浸漬しない位置にまで支持体２を図で反時計回りに揺動させる。

他方、ステップＳ２において、水位測定装置１４（図１）によって測定した水面の高さが、水車１の複数の羽根１ａが河川Ｒを流れる水の力を受けることができない高さである場合（Ｓ２でＮｏ）、すなわち、水位が、水車１が河川Ｒを流れる水により回転不可能な高さである場合、又は水量の増水で水車１が故障する危険がある場合には、制御装置６は、水車１を上限の高さ位置にまで移動させる（Ｓ４）。

制御装置６が、ステップＳ３での制御により、水車１の複数の羽根１ａが河川Ｒを流れる水の力を受けることができる位置に設定すると、水車１は流水の力を受けて回転軸９が回転しスプロケット１０ａも回転する。ローラーチェーン１２は、スプロケット１０ａの回転をスプロケット１０ｂから増速器１３に伝達し、発電装置３は増速器１３からの増速された回転力を利用して発電する（Ｓ５）。

送電装置７は、発電装置３によって得られた電力の一部を、外部電力線を介して住宅や農業設備等の電力の供給先に送る（Ｓ６）。蓄電装置８は、発電装置３によって得られた電力の一部を蓄積する（Ｓ７）。発電装置３によって得られた電力の一部は、この水力発電システム１００の駆動電源に使用される。

上述した動作説明は水力発電システム１００の動作を簡単に説明したものであって、実際には上記各ステップが繰り返し行われる。

上述したように、本考案に係る水力発電システム１００では、制御装置６は河川Ｒの水面の高さを水位測定装置１４によって測定し、測定した高さをもとに、水車１の複数の羽根１ａが河川Ｒを流れる水の力を受けることができるように、水車１の高さ位置を制御する。したがって、水力発電システム１００は、河川Ｒを流れる水の量が少なくなって水位が下がっても、水車１が河川Ｒを流れる水の力を受けることができない程度に水位が下がらなければ、水位が下がる前と略同程度に発電することができる。逆に、河川Ｒを流れる水の量が増えて水位が上がったときは、それに応じて川底から離れることで水車１の複数の羽根１ａが河川Ｒのより速い水流を受けるようにすることでより効果的に発電することができる。言い換えると、水力発電システム１００は、河川Ｒを流れるそのときの水量に応じた最大の発電量を得ることができる。

加えて、水力発電システム１００では、制御装置６によって測定された水位が、水車１の複数の羽根１ａが河川Ｒを流れる水の力を受けることができない高さである場合、又は増水により水車１が破損や故障の危険がある場合には、制御装置６は水車１を持ち上げることで水車１の羽根１ａが川底に接触して破損したり、増水により破損や故障することから保護することができる。

さらに、水力発電システム１００は、発電装置３によって得られた電力を、送電装置７によって住宅や農業設備等の電力の供給先に送るために、水力発電システム１００から送られた電力を用いれば、電力会社からの電力の消費を少なくすることができる。また、電力会社による発電能力が低下した場合であっても、水力発電システム１００が電力の供給先に電力を供給することにより、供給先における電力需要量を確保できる可能性を高くすることができる。

さらにまた、水力発電システム１００は、発電装置３によって得られた電力を蓄電装置８によって蓄積することで、蓄積された電力を用いれば、電力会社からの電力の消費を少なくすることができる。また、電力会社による発電能力が低下した場合であっても、水力発電システム１００の蓄電装置８に蓄積された電力を用いることにより、電力の供給先における電力需要量を確保できる可能性を高くすることができる。

なお、本考案は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態は本考案の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、変形例を本考案の範囲から排除するものではない。

本考案は、河川を流れる水を利用して発電する水力発電システムに関するので、産業上の利用可能性を有する。

１水車
２支持体
３発電装置
４支持柱
５駆動機構（ウインチ）
６制御装置
７送電装置
８蓄電装置
１３増速器
１４水位測定装置
２０堰
１００水力発電システム
Ｒ河川

Claims

河川を流れる水の力を受けて回転する水車と、
前記水車の回転力を利用して発電する発電装置と、
前記水車を支持する支持体と、
前記河川の水面の高さを測定する水位測定装置と、
前記支持体を上下方向に移動させる駆動機構と、
前記水位測定装置により測定された前記高さに基づいて前記水車の上下方向の位置を調整可能なように前記駆動装置の上下方向の移動を制御する制御装置と、
を備える水力発電システム。
河川の両岸にそれぞれ支持柱を設けて、前記支持体を前記支持柱の間に架設すると共に、前記支持体によって支持される前記水車を前記河川の幅方向に沿って複数配置したことを特徴とする請求項１に記載の水力発電システム。
複数配置された前記水車を複数にグループ分けして、グループ毎に前記発電装置を設けたことを特徴とする請求項２に記載の水力発電システム。
前記駆動装置は、前記支持柱に沿って上下方向に前記支持体を昇降させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の水力発電システム。
前記支持体は前記支持柱に回動自在に支持されて、前記駆動装置は、前記支持体を前記回動の軸を支点に揺動させることで、前記支持体を上下方向に移動させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の水力発電システム。
前記水車の水流の導入側にあって、前記河川の上流側を広く且つ下流側を狭くする堰をさらに備える請求項１乃至５の何れかに記載の水力発電システム。
前記水車の回転力は、増速器を介して前記発電装置に伝達されることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の水力発電システム。
前記発電装置によって得られた電力を、電力の供給先に送る送電装置をさらに備える請求項１乃至７の何れかに記載の水力発電システム。
前記発電装置によって得られた電力を蓄積する蓄電装置をさらに備える請求項１乃至８の何れかに記載の水力発電システム。