JP4287172B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由落下により得られる水の力だけでなく、流水に勢いをつけた結果得られる水の力をも用いた全く新しいタイプの水力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水力発電装置としては、例えば、水力発電所に設けられるものであって、ダム堤体部を主要部とする水槽と、水槽から取水口を通じて排出される発電に用いられる流水を水車まで導く水圧管路と、水圧管路における流水により回転する水車と、水車により駆動する発電機とを備えるものが開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
土木学会編，「土木工学ハンドブックII」，第四版，技報堂出版，１９９３年１１月２０日，ｐ．１６７０
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、地球温暖化防止に関して締結された京都議定書等を契機として、水力発電に関する新たな需要が喚起されてきている。
しかしながら、従来の水力発電装置では、水圧管路において取水口から水車まで十分な発電を行うための落差が必要であり、このような落差は、通常急峻な地形を利用したダム等の建設により相当の資金、資材、労働力の投入があってはじめて確保されるものであり、新たな水力発電装置の建設でもってかかる需要に応えることは事実上非常に困難である。
そこで、本発明の課題は、従来の水力発電設備を用いたまま発電量をアップさせることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る水力発電装置は、
エアーが混入しないように水頭差を設けた管路により水を導いて水車を回転させることで発電機を駆動して発電する水力発電装置において、
前記水車の下流側に前記管路内に連通する真空室を設け、
この真空室に真空吸引ポンプを接続し、
前記真空室の下流側に当該真空室内のほぼ真空な領域を確保するための排水を行う排水ポンプを設け、
前記真空吸引ポンプ及び前記排水ポンプにより、前記水車の下流側から前記管路内の水に真空吸引力を作用させて前記水車を増速回転させる、ことを特徴とする。
【０００６】
このような水力発電装置によれば、従来の水力発電設備により確保された水頭差によるだけでなく、水車の下流側から真空吸引ポンプで管路内の水に真空吸引力を作用させることにより水車を増速回転させられるので、従来の水力発電設備を用いたまま発電量がアップすることとなる。
【０００７】
このような技術的手段において、真空吸引ポンプが発揮する機能を担保することとして、より確実に発電量がアップするようにする観点からすれば、水車の下流側に管路内に連通する真空室を設け、この真空室に真空吸引ポンプを接続したものであることが好ましい。
【０００８】
ここで、真空室としては、管路の内部に連通するものであり、流水に勢いをつけて水車を回転させ得るものであれば、どのような構造を用いているかなどの別を問わず、配備する箇所数も適宜選定して差し支えない。
【０００９】
ただし、真空室及び真空吸引ポンプが発揮する機能を担保することとして、より確実に発電量がアップするようにする観点からすれば、真空室は、管路のうち水車の下流側から上方に突出するよう管路に取り付けられるものであり、真空吸引ポンプは、真空室の内部に水を保持しながら、余りの部分をほぼ真空に維持するものであることが好ましい。
【００１０】
この場合において、真空室及び真空吸引ポンプが発揮する機能を担保することとして、発電量のアップ効果がより一層確実に得られるようにする観点からすれば、真空室の下流側もしくは真空室の内部に真空室内のほぼ真空な領域を確保するための排水を行う排水ポンプを設けたものであることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
なお、ここでは、水力発電装置が揚水式発電所において用いられる場合について説明するが、これに限られるものではなく、流込み式発電所、調整池式発電所、貯水式発電所その他の発電所において用いられる場合でも、以下の説明が妥当する。
【００１３】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る水力発電装置の全体構成を示す図（図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図）、図２は同水力発電装置の部分構成を示すブロック図である。
【００１４】
なお、これらの図において、符号２１は、発電に用いられた流水が放流されることとなる下部貯留池、を示している。
【００１５】
本実施の形態において、水力発電装置は、図１に示すように、水頭差を設けた管路２により水槽としての上部貯水池１からの水を導いて水車３を回転させることにより発電機（図示外）を駆動して発電するものであり、水車３の下流側から管路２の内部を真空吸引して水車を増速回転させる真空吸引ポンプ５を設けたものとして構成されている。
【００１６】
具体的には、この水力発電装置は、同図に示すように、揚水式発電所に設けられるものであって、上部貯水池１と、導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂからなる管路２と、水車３と、発電機と、真空室４と、真空吸引ポンプ５と、排水ポンプ６とを備えるものとして構成されている。
【００１７】
すなわち、水力発電装置は、同図に示すように、上部貯水池１と、導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂからなる管路２と、水車３と、発電機とからなる従来の水力発電設備に、新たな構成要素として、真空室４と、真空吸引ポンプ５と、排水ポンプ６とを付加してなるものであり、従来の水力発電設備を用いている。
【００１８】
以下、これらの各構成要素についてさらに詳細に説明する。
【００１９】
（１）上部貯水池１
上部貯水池１は、図１に示すように、導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂからなる管路２に対して発電に用いられる水を排出させる排出口１ａが設けられるものとして構成されている。
【００２０】
ここで、この排出口１ａは、上部貯水池１における貯留水の水面から渦流が発生しない程度の深度において配設されている（図１参照）。換言すれば、この排出口１ａは、後記する真空吸引ポンプ５の発揮する機能を妨げない程度の深度において配設されている。
【００２１】
すなわち、このような排出口１ａによれば、発電に用いられる流水を排出するに際して管路２の内部にエアーが混入する事態が有効に回避されることとなり、これにより、発電量のアップ効果が減殺されないこととなる。
【００２２】
（２）導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂ
導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂからなる管路２は、図１に示すように、排出口１ａからの発電に用いられる流水であってエアーが混入しないよう上流側端部から取り込まれたものを下流側端部まで導く機能を果たすものとして構成されている。
【００２３】
具体的には、この導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂは、後記する真空吸引ポンプ５の発揮する機能を妨げない程度の密閉状態にあるものとして構成されている。
【００２４】
すなわち、このような導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂによれば、発電に用いられる流水を通過させるに際して管路２の外部からエアーが混入する事態が有効に回避されることとなり、発電量のアップ効果が減殺されないこととなる。
【００２５】
（３）水車３
水車３は、図２に示すように、水圧管路２ｂにおける発電に用いられる流水により回転されるものとして構成されている。
【００２６】
具体的には、この水車３は、図示しないが、複数存在しており、同じく複数存在している発電機を均等な速度で駆動させる歯車列を有している。これにより、水車３が複数存在する場合において、得られた水の力を各水車３に均等に振り向けて効率的な発電を実現させることが可能となっている。
【００２７】
（４）発電機
発電機は、図示しないが、水車３により駆動されるものとして構成されている。
【００２８】
具体的には、この発電機は、図示しないが、複数の各水車３に対応して複数存在しており、複数の各水車３とともに効率的な発電を実現に資するものとして構成されている。
【００２９】
（５）真空室４
真空室４は、図２に示すように、導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂの内部に連通口４ａを通じて連通するものとして構成されている。
【００３０】
そして、この真空室４は、同図に示すように、水圧管路２ｂのうち水車３の下流側から上方に突出するよう水圧管路２ｂに対して取り付けられるものとして構成されている。
【００３１】
本実施の形態における真空室４としては、水圧管路２ｂのうち水車３の下流側から上方に突出する態様で設けられるものであれば、形状の別や広さを問わないが、少なくとも真空吸引ポンプ５の機能を妨げないことが必要となる。
【００３２】
すなわち、この真空室４は、同図に示すように、内部に水を保持しながら、余りの部分を真空又はこれに近い状態（ここでは、真空状態における水頭が１０．５となる場合において水頭が８．５以上となる場合をいう。以下同じ）に維持できる程度に、水圧管路２ｂのうち水車３の下流側から上方に突出している。
【００３３】
（６）真空吸引ポンプ５
真空吸引ポンプ５は、図２に示すように、真空室４の内部に水を保持しながら、余りの部分を真空又はこれに近い状態に維持する機能を果たすものとして構成されている。
【００３４】
具体的には、この真空吸引ポンプ５は、同図に示すように、真空室４の内部で保持される流水に係る水面よりも高い位置に配設され、吸引口を通じて真空室４の内部に連通するものとして構成されている。
【００３５】
（７）排水ポンプ６
排水ポンプ６は、図２に示すように、管路２のうち真空室４の下流側において配設され、流水を下流方向に吸引して真空室４の内部のほぼ真空な領域を確保するための排水を行うものであり、吸引力の調節が可能であるものとして構成されている。
【００３６】
本実施の形態において、同図に示すように、真空吸引ポンプ５の他に、排水ポンプ６を配設することとした理由は、真空吸引ポンプ５のみでは、真空室内の水位が過度に上昇して真空室４の内部のほぼ真空な領域を確保できなくなる場合も少なくないと考えられるためである。
【００３７】
つまり、このような排水ポンプ６によれば、流水として用いられる水を過度に吸引してしまう事態は回避され、真空吸引ポンプ５が発揮する機能が担保されることとなり、これにより、より確実に発電量がアップすることとなる。
【００３８】
次に、図１及び図２を用いて、本実施の形態に係る水力発電装置の作用について、説明する。
【００３９】
まず、上部貯水池１に貯留される発電に用いられる水が、連続的に排出口１ａから排出されると同時に、排出口１ａを通じて上部貯水池１に連通する導水トンネル２ａの上流側端部から管路２の内部に取り込まれる。取り込まれた水は、水圧管路２ｂの落差により流水となって水車３を回転させる。
【００４０】
このとき、上部貯水池１の排出口１ａが上部貯水池１における貯留水の水面から渦流が発生しない程度の深度で配設されていることから、導水トンネル２ａの内部にエアーが混入することはない。
【００４１】
このような状態において、真空吸引ポンプ５及び排水ポンプ６がこれらの稼働を開始する。
【００４２】
すると、真空室４の内部に水が保持され、同時に余りの部分は真空又はこれに近い状態に維持される。
【００４３】
このような状態において、さらに上部貯水池１の水面が大気圧によって押され、水が排出口１ａを通じて導水トンネル２ａの上流側端部から管路２の内部に取り込まれると、取り込まれた水は、大気圧によって押されたことに加え、導水トンネル２ａの上流側端部と水圧管路２ｂの下流側端部との落差により流水となって水車３を増速回転させる。
【００４４】
すなわち、真空室４及び真空吸引ポンプ５により上部貯水池１における水面に対して大気圧が載荷重として働いており、しかも、真空室４が水圧管路２ｂのうち水車３の下流側に設けられていることから、管路２における流水は、単に落差によるのみならず、大気圧により、導水トンネル２ａの上流側端部から勢いを増大させて水車３を増速回転させることとなる。
【００４５】
その結果、落差による水の力に加えて、流水に勢いをつけた結果増大することとなる水の力もが用いられて水力発電が行われることとなる。
【００４６】
したがって、このような水力発電装置によれば、従来の水力発電装置により確保された落差によるだけでなく、真空室４及び真空吸引ポンプ５により流水に勢いをつけて大きな水の力として水力発電を行うことができるので、新たなダムやトンネルを作製しなくても、水力発電所の発電容量をアップできることとなる。
また、このような水力発電装置は、大きな水頭差を必要としないため、小規模な水力発電に有効となる。
【００４７】
ここで、真空室４及び真空吸引ポンプ５により上部貯水池１における水面に対して大気圧が載荷重として働くという機能に関し、模型（水頭差；Ｈ＝０．５ｍ，管路（サクションホース）の内径；φ＝１６ｍｍ）を使った実験を行って調べたところ、以下に示すような結果が得られた。
すなわち、自由落下のみによる場合においては、流量が１７リットル／ｍｉｎであるのに対して、さらに真空吸引ポンプを加重した場合においては、流量が３８リットル／ｍｉｎであるという結果が得られた。
このような実験結果によれば、真空吸引ポンプを加重した場合において管路における流水が水車に衝突するに際しては、自由落下のみによる場合における水の力に比して、約２倍以上という大きな水の力を発揮していることを確認した。
【００４８】
図３は本発明の第２の実施の形態に係る水力発電装置の部分構成を示すブロック図である。本実施例の第１の実施例と異なるところは、連通孔４ａを連通管４ｂとし、真空室４内部に排水ポンプ６を設けたことである。真空室４は、図３に示すように、導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂの内部に連通管４ｂを通じて連通している。また真空室４内部の排水ポンプ６は導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂの内部に連通管４ｃを通じて連通している。排水ポンプ６の上部には排水孔７が設けられている。
排水孔７より流入した真空室４内の水は、連通管４ｃより導水トンネル２ａ及び水圧管路２ｂの内部に放出される。
【００４９】
本実施例によれば、真空室４内部に設けられた排水ポンプ６により、真空室４内の水位を一定に保つことができるので、第１の実施の形態と同様に、真空室４及び真空吸引ポンプ５により流水に勢いをつけて大きな水の力として水力発電を行うことができるので、水力発電所の発電容量をアップできる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る水力発電装置によれば、水車の下流側から管路内の水に真空吸引力を作用させて水車を増速回転させる真空吸引ポンプを設けたため、従来の水力発電設備を用いたまま発電量がアップすることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る水力発電装置の全体構成を示す図（図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図）である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る水力発電装置の部分構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る水力発電装置の部分構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 上部貯水池
１ａ 排出口
２ 管路
２ａ 導水トンネル
２ｂ 水圧管路
３ 水車
４ 真空室
４ａ 連通口
４ｂ、４ｃ 連通管
５ 真空吸引ポンプ
６ 排水ポンプ
７ 排水孔
２１ 下部貯留池

Claims (1)

1. エアーが混入しないように水頭差を設けた管路により水を導いて水車を回転させることで発電機を駆動して発電する水力発電装置において、
   前記水車の下流側に前記管路内に連通する真空室を設け、
   この真空室に真空吸引ポンプを接続し、
   前記管路の、前記真空室の下流側に当該真空室内のほぼ真空な領域を確保するための排水を行う排水ポンプを設け、
   前記真空室は、前記水車と前記排水ポンプの間の前記管路に配置されると共に、その管路から上方に突出する構成であり、
   前記真空吸引ポンプは、真空室の内部に水を保持しながら、余りの部分をほぼ真空に維持するものであり、
   前記真空吸引ポンプ及び前記排水ポンプにより、前記水車の下流側から前記管路内の水に真空吸引力を作用させて前記水車を増速回転させる、ことを特徴とする水力発電装置。

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