JP4641894B2 - 発電用流路 - Google Patents

Description

本発明は、水等の流体を用いて発電をするための発電用流路に関するものである。

従来から、流体が落下するときの運動エネルギを用いた発電が実施されている。たとえば、図１４および図１５に示すように、水力発電においては、横方向流路１と横方向流路１の端部に接続されたジョイント部２と、ジョイント部２の下方に接続された縦方向流路部３とを備えた水路が用いられている。

この水路においては、縦方向流路３内に水車発電機１００が設けられており、縦方向流路３内を落下する水の運動エネルギを利用して水車発電機１００において電気が生成されている。このような水路においては、ジョイント部２に何ら部材が設けられていない場合には、ジョイント部２で渦が発生し、その発生した渦から分離した気泡が縦方向流路３内に流入し、水車発電機１００に達すると、水車発電機１００に異常な振動が発生し、発電に支障をきたすという不都合が生じてしまう。
特開２００３−３４３４１３号公報

前述のような渦の発生を防止するために、図１４に示すように、ジョイント部２内において横方向流路１内を流れてくる水を縦方向流路３内へスムーズに導くための平板４が斜めに設けられているか、または、図１５に示すように、ジョイント部２内に図１５において奥行き方向に延びる桁５が複数設けられていても、ジョイント部２内で渦が発生することを防止し、水車発電機１００の損傷を防止することが可能である。

しかしながら、水車発電機１００の点検等のために、水車発電機１００を縦方向流路３内から取出す必要がある。この場合、横方向流路１、ジョイント部２、および縦方向流路３が、コンクリート構造物であり、一体的に設けられたものであれば、縦方向流路３の方向に沿って水車発電機１００をクレーン等で引上げて、ジョイント部２から上方へ水車発電機１００を取出す必要がある。したがって、図１４に示すように、ジョイント部２において、水車発電機１００の取出し経路を完全に塞ぐように平板４が設けられていると、水車発電機１００をクレーン等で引上げるためには、平板４をジョイント部２から取外すか、または、平板２をヒンジ２ａまわりに回転させて取出し経路を開放する必要がある。そのため、水車発電機１００の取出しのための作業時間が長くかかってしまうという問題が生じる。また、その問題は、図１５に示すような桁５を用いる場合にも同様に生じ、桁５をジョイント部２から取外す等の作業が必要である。つまり、従来のようなジョイント部２内の渦発生防止手段を用いる場合には、水車発電機１００の点検等のための取出しにかなりの手間がかかってしまう。

本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、渦から分離した気泡に起因する水車発電機の異常振動の発生を防止しながら、水車発電機を取出してメンテナンスすることが容易な発電用流路を提供することである。

本発明の発電用流路は、流体が横方向に流れる横方向流路と、流体が縦方向に落下する縦方向流路とを備えている。横方向流路と縦方向流路とは、ジョイント部によって接続されている。ジョイント部では、横方向流路から縦方向流路へ水が導かれる。ジョイント部内の縦方向流路の上方の領域以外の領域には、横方向流路を流れる流体の流れを整えて渦の発生を抑制しながら流体を縦方向流路へ導く渦発生抑制部材が設けられている。

上記の構成によれば、ジョイント部内での渦の発生に起因する水車発電機の損傷を抑止しながら、水車発電機のメンテナンスを容易にすることができる。

また、前述の渦発生抑制部材が平板であれば、従来から用いられている簡単な構造の部材でジョイント部内での渦の発生を抑制することができる。

また、平板が横方向流路内を流れる流体の表面に対して所定の傾斜を有していれば、渦の発生を効率的に抑制することができる。

以下、図１〜図１３を参照して、本発明の実施の形態の発電用流路を説明する。
図１〜図５に示すように、本発明の実施の形態の発電用流路は、水１０が横方向に流れる横方向流路１を備えている。横方向流路１の一方端にはコーナー部としてのジョイント部２が接続されている。また、ジョイント部２の下方には縦方向流路部３が取り付けられている。なお、横方向流路１、ジョイント部２、および縦方向流路３は、いずれも鉄筋コンクリート造の構造物であり、一体的に構成されているものであるが、便宜的に３つの部分に分けてその説明がなされている。

なお、横方向流路１とは、ほぼ水平方向に延びる流路であって、縦方向流路３に水が流れ込む流路であれば、いかなるものであってもよい。また、縦方向流路３とは、水が落下し、落下する水の運動エネルギで水車発電機による発電が可能な流路であれば、鉛直方向に延びる流路以外に、鉛直方向に対して所定の角度だけ傾斜している流路であってもよい。

ジョイント部２においては、横方向流路１内を横方向に沿って流れる水１０が縦方向流路３へ導かれる。縦方向流路３内には水車発電機１００が挿入されている。また、ジョイント部２内の縦方向流路３の領域の上方以外の領域には、ジョイント部２内での渦発生を抑制する部材として平板６が設けられている。平板６は、横方向流路１内を流れる水１０の表面（水面）に対して約３０度から４５度傾いている。平板６は、横方向流路１およびジョイント部２の内側面に固定されている。

なお、本実施の形態においては、渦発生抑制部材として平板６を用いているが、渦の発生を抑制することが可能な部材であれば、その形状および材質はいかなるものであってもよい。

上記のような構造であれば、縦方向流路３が延びる方向に沿って水車発電機１００を取出すときに、縦方向流路３の上方には何ら部材が設けられていないため、クレーン等で水車発電機１００をクレーン等で吊り上げて容易に縦方向流路３内から取出すことができる。その結果、水車発電機１００のメンテナンスが容易になる。

本願の発明者らは、上述のような従来の平板４とは異なる位置に設けられた平板６によっても、ジョイント部２内において渦が発生しないことを実験によって確認している。その実験結果が図６〜図１１に示されている。実験は、実際の発電用流路の１／１０の模型を用いて行なわれている。

また、実験で用いられた模型の横方向流路１、ジョイント部２、および縦方向流路３は、それぞれ、透明の部材で構成されている。実験では、水１０の中にナイロン製のパーティクルを混ぜて、発電用流路の模型に流し、発電用流路にレーザ光線を照射し、外部から発電用水路内の様子を写真撮影した。

なお、時間当たりの写真撮影回数は、１秒間に２０回である。この方法によれば、レーザ光線は直進するため、その反射光を連続して複数回写真撮影することによって、水１０中のパテーティクルの動きを画像化することができる。したがって、図６〜図１１には、１秒間に２０回の回数で写真撮影された結果から推定されたパーティクルの所定時間内での移動の軌跡が矢印によって示されている。

図６は、ジョイント部２内に何ら部材が設けられていない場合の実験結果を示す図であり、図７は、ジョイント部２内の縦方向流路３の上方の領域の全体を覆う平板４が設けられている場合の実験結果を示す図であり、図８は、複数の桁５が設けられている場合の実験結果を示す図である。

一方、図９は、本実施の形態の平板６と横方向流路１内の水面とのなす角度が３０度の場合の実験結果を示す図である。また、図１０は、本実施の形態の平板６と横方向流路１内の水面とのなす角度が４５度である場合の実験結果を示す図である。また、図１１は、本実施の形態の平板６と横方向流路１内の水面とのなす角度が４５度であるが、図１０に比較して、ジョイント部２の側面から平板６の先端までの距離Ｌが大きい場合の実験結果を示す図である。

前述のような実験の結果から、図１４および図１５を用いて示す従来の発電用流路のように、ジョイント部２内の縦方向流路３の上方に平板４が設けられている必要はなく、図１に示すように、縦方向流路３の上方の領域以外の部分であって、横方向流路１とジョイント部２との接合部の近傍のみに平板６が設けられていても、ジョイント部２内での渦の発生が防止されていることが分かる。

したがって、このような構造の発電用流路によれば、水車発電機１００のメンテナンスが容易に行なえるという効果と発電の支障となる渦から分離した気泡による水車発電機１００の異常な振動を防止することができるという効果の双方を得ることができる。また、実験結果から平板６と水面とがなす角度θは、少なくとも３０度から４５度の間の角度であれば、渦の発生がほぼ抑制されていることが確かめられたことになる。また、本実施の形態においては、平板という簡単な構造の渦発生抑制部材が用いられているため、低コストで渦発生を抑制しながら、水車発電機１００のメンテナンスを容易にすることができる。

また、本発明者らは、図１２に示す平板６と水面とがなす角度θ、平板６の一方端からジョイント部２の側面までの距離Ｌ、および平板６の一方端から横方向流路１の底面までの距離Ｈを変えた場合に、渦の発生状態がどのように変化するかを実験した。その実験結果が表１に示されている。

この実験で発生した渦の状態は、図１３に示すように、（Ａ）〜（Ｅ）のような５つの状態がある。５つの状態とは、渦が小さい状態、渦が中ぐらいの状態、渦が大きい状態、渦から気泡が分離し始めたときの状態、渦から分離した気泡が縦方向流路内に流入（混入）している状態である。

なお、この実験によって変更したパラメータは、図１２および表１に示されているように、前述した図１２に示す平板６と水面とがなす角度θ、平板６の一方端からジョイント部２の側面までの距離Ｌ、および平板６の一方端から横方向流路１の底面までの距離Ｈのみである。なお、横方向流路１の底面から水面までの高さは、２００ｍｍであり、縦方向流路３の径は１８０ｍｍである。すなわち、この実験では、前述のように、実際の発電用流路の約１０分の１のスケールの模型が使用されている。

表１から分かるように、横方向流路１の底面と平板６の下端との間の距離Ｈが１３５ｍｍより小さければ、渦は全く発生しないことが分かる。また、横方向流路１の底面と平板６の下端との間の距離Ｈが１３５ｍｍ以上になれば、平板６の一方端からジョイント部２の側面までの距離Ｌが大きくなるにしたがって、徐々に小さい渦が発生し易くなり、その距離Ｈが最も大きな１７５ｍｍになると、気泡が分離して縦方向流路３内に混入する渦が発生する。また、ジョイント部２の内側面と平板６の一方端との間の距離Ｌが表に示す範囲内で大きいほど、渦が発生し難いことも分かる。

以上、要するに、発電用水路に応じて、前述した図１２に示す平板６と水面とがなす角度θ、平板６の一方端からジョイント部２の側面までの距離Ｌ、および平板６の一方端から横方向流路１の底面までの距離Ｈを適切な値に設定すれば、縦方向流路３の上方の領域以外の領域のみに平板６が設けられていても、渦の発生を防止することができることが分かる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態の発電用流路の縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図１のＶ−Ｖ線断面図である。 ジョイント部内に何ら部材が設けられていない場合の実験結果を示す図である。 従来のジョイント部内の縦方向流路の上方の領域の全体を覆う平板が設けられている場合の実験結果を示す図である。 従来の複数の桁が設けられている場合の実験結果を示す図である。 実施の形態の平板と横方向流路内の水面とのなす角度が３０度の場合の実験結果を示す図である。 実施の形態の平板と横方向流路内の水面とのなす角度が４５度である場合の実験結果を示す図である。 実施の形態の平板と横方向流路内の水面とのなす角度が４５度であるが、図１０に比較して、ジョイント部２の側面から平板６の先端までの距離Ｌが大きい場合の実験結果を示す図である。 実験に用いた発電用流路の各寸法を示す図である。 渦の評価の尺度を説明するための図である。 従来の発電用流路の一の例を示す図である。 従来の発電用流路の他の例を示す図である。

符号の説明

１ 横方向流路、２ ジョイント部、３ 縦方向流路、４，６ 平板、５ 桁、１０ 水、１００ 水車発電機。

Claims (4)

1. 流体が横方向に流れる横方向流路と、
   前記横方向に流れる流体が縦方向に落下する縦方向流路と、
   前記縦方向流路内に挿入され、前記縦方向に落下する流体の運動エネルギで発電が可能な水車発電機と、
   前記横方向流路と前記縦方向流路とを接続し、前記横方向流路から前記縦方向流路へ前記流体を導くジョイント部と、
   前記ジョイント部内の前記縦方向流路の上方の領域以外の領域に前記横方向に流れる流体の表面の上側から下側へ至るように設けられ、前記横方向に流れる流体の流れを整えて、渦の発生を抑制しながら、前記流体を前記縦方向流路へ導く渦発生抑制部材とを備えた、発電用流路。
2. 前記渦発生抑制部材は平板である、請求項１に記載の発電用流路。
3. 前記平板は、前記横方向流路内を流れる流体の表面に対して所定の傾斜を有している、請求項２に記載の発電用流路。
4. 前記平板は、前記横方向流路内を流れる流体の表面に対して３０度から４５度傾いている、請求項３に記載の発電用流路。

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