JP4766392B2 - 自己サイホン形水車発電機 - Google Patents

Description

この発明は水車にサイホン状の吸出し管を連結し、サイホン作用を利用して水車を駆動させて発電する小水力発電装置の改良に関し、特に、始動時に吸出し管の頂部に停滞する空気を、排気ポンプを使用することなく自動的に排気する自己サイホン形水車発電機に関する。

従来、電気エネルギーを得る手段として、火力発電、原子力発電、及び水力発電が主に利用されている。火力発電、原子力発電は石油燃料や核燃料が必要であり、環境汚染の恐れもあり、限り有る資源を利用している。また、水力発電は大気汚染がなく、天候に左右されることが少ないが、ダムを利用する大規模な水力発電装置は大きな河川が必要であり、発電設備の建設費が膨大となっており、地域の環境を乱す恐れもある。近年、二酸化炭素等の温暖化ガスの排出を規制する地球規模での環境保全が推進されており、地球温暖化現象の対策として、環境汚染のない太陽光や風力を利用する太陽光発電や風力発電が開発されているが、気象条件に左右され、電力供給の安定性に問題がある。

環境汚染がなく気象条件に左右されない発電設備として、水道設備の送水管や、河川、貯水池の水の位置エネルギーを利用する、小水力の水車発電装置が見直されている。河川や貯水池の水位差を利用する小水力の水車発電装置としては、水車にサイホン状の吸出し管を連結し、吸出し管の排水側に給水する補助管からエジェクターを設けた分岐管を分岐して、吸出し管の頂部に連結した吸引管をエジェクターに連通させて、サイホン作用を発生させるサイホン式水車も、例えば、特許文献１に記載してあるように公知である。また、サイホン状の吸上げ管の吸込口と吐出し口に開閉弁を設け、吸上げ管の頂部に注水管を連結し、吸上げ管に給水して頂部の空気を排気する水力発電システムも、特許文献２に記載してあるように公知である。
特開平５−１５７０３８号公報（段落番号００１６乃至段落番号００２０、図２） 特開２００２−８９４２８号公報（段落番号００２０乃至段落番号００２４、図１）

上記従来の水の落差を利用してサイホン作用を発生させて発電する小水力発電装置は、未利用エネルギーやクリーンな自然エネルギーを有効活用でき、環境負荷への低減と電力使用量の削減に寄与するものであるが、サイホン作用を発生させるために、吸出し管やフレキシブルパイプの頂部に溜まる空気を排出する給水ポンプと満水させるための開閉弁と、これらの作動装置と水位検出装置等の付帯設備が必要となる。吸出し管の抽気にエジェクターを利用するサイホン式水車にあっては、抽気するための複雑な配管構造となり、煩雑な維持管理を必要とする。そして、水車を放水側に設置するための設置スペースを確保する必要があり、真空度を維持するのに上流側と下流側の落差に余裕を見込む必要もあり、エネルギーロスが生じている。この発明は、吸出し管の頂部に留まる空気をエジェクターの抽気作用を利用して簡単な構造で排出するもので、水位の変動に係わらず自動的に水車を再起動可能とする自己サイホン形水車発電機を提供する。

この発明の自己サイホン形水車発電機の要旨は、水車に連結した吸出し管を高水位側の水を低水位側に導く放流堰に跨設して、吸出し管のサイホン作用により発電機に連動連結した水車を作動させる水力発電装置において、高水位側に垂設した水車の上部に吸出し管を連結し、吸出し管の吐出口を低水位側に水没させて、吸気エジェクターを有するエジェクター管の始端部を放流堰に載置すると共に、エジェクター管の給水口を水車の軸流ランナの上方に連結し、後端部を低水位側に垂下して、吸出し管の管頂部に連結した抽気管をエジェクター管の吸気エジェクターに接続したもので、高水位側の水がエジェクター管の給水口に流入し、貯留水が放流堰を越流すれば、垂下した後端部が負圧となり、エジェクター管の吸気エジェクターに吸出し管の頂部に溜まる空気を吸引して吸出し管にサイホン作用を発生させて、発電機に連動連結した水車を駆動させることができる。運転中も水車に吸込まれる空気を吸出し管の管頂部から吸引して、吸出し管のサイホン作用を継続させることができる。高水位側の水を放流堰から無駄に排水することなく、動力回収が有効に行える。水面に浮遊する夾雑物は水車の吸込ベルへの混入が少なく、エジェクター管への夾雑物の吸込みを防止できる。

この発明に係わる自己サイホン形水車発電機は、サイホン状の吸出し管の頂部に留まる空気を併設するエジェクター管の抽気作用を利用するもので、高水位側の水がエジェクター管に流入すれば、エジェクター管を垂下する低水位側の落水で負圧が発生し、エジェクター管の吸気エジェクターで吸出し管の頂部の空気を排出して、吸出し管にサイホン作用を発生させて、発電機に連動連結した水車を作動させることができる。水車に水とともに吸込まれる空気もエジェクター管のエジェクター作用により、吸出し管の管頂部から空気を吸引し、水車の作動を継続できる。そして、高水位側の水位が低下して水車が停止しても、水位が上昇すれば、エジェクター管の吸気エジェクターに吸出し管に溜まる空気を吸引して、吸出し管のサイホン作用が発生して水車の自動運転が可能となる。水位の変動に係わらず自動的に水車の作動が可能となり、ポンプ及び開閉弁等の補機と、これらの作動装置と水位検知装置の付帯設備が不要となり、煩雑な維持管理を必要としない。なお、放水側に設置スペースがなくても、上流側に設置可能な条件が多く、メイン設備に影響を与えることなく、高水位側に水車を垂設できる。高水位側の貯水池に水車を垂設すれば、高水位側の貯水池と低水位側の放流水路に水位差が少なくても、低水位側に吸出し管の吐出口を水没させてサイホン作用を起すことができ、低落差で利用できる。

本発明の実施の形態を図面に基づき詳述すると、図１は自己サイホン形水車発電機の側面図であって、高水位側の貯水池Ａと低水位側の放流水路Ｂの間に貯留水を越流させて放水する放流堰１が配設してある。水車２を貯水池Ａに垂設して放流堰１を跨設させた吸出し管３の管頂部３ａを水車２に連結し、吸出し管３の垂下部３ｂを放流水路Ｂに垂設して連結した水車２と吸出し管３をサイホン管状に形成してある。水車２に連結した吸出し管３の垂下部３ｂを、水車２の吸込側より低い位置に垂下して、吐出口３ｃを水没させてある。高水位側の貯水池Ａに水車２を垂設すれば、高水位側の貯水池Ａと低水位側の放流水路Ｂに水位差が少なくても、低水位側に吸出し管３の吐出口３ｃを水没させてサイホン作用を起すことができ、管内を流れる流水で水車を作動させることができる。なお、高水位側の貯水池Ａと低水位側の放流水路Ｂは、水の位置エネルギーを利用できる水道設備の導水管、下水処理場の放流水路、或いは、河川等であってもよく、放流堰１は水路に設ける越流堰やゲートであっても良いものである。

図２は水車の縦断面図であって、貯水池Ａに垂設する水車２は、水流を案内する複数のガイドベーン４・・・を止着した円筒状のガイドケーシング５と、その下部に吸込口６ａを拡開した吸込ベル６が連結してあり、吸込口６ａから流入してくる流水を整流させる複数の静止羽根７・・・を吸込ベル６に止着してある。吸込ベル６の静止羽根７・・・に水中軸受８を嵌着したコーン状のハブ９が支架してある。ガイドケーシング５の上部に上昇してきた水を案内する中間ケーシング１０と、中間ケーシング１０の上部に上昇水を排出する吐出ケーシング１１を連結し、吐出ケーシング１１の上部側壁に吸込ベル６の吸込口６ａに流入した水を吸出し管３に排出する吐出口１１ａが突設してあり、水車２の形状を軸流型に形成してある。吸出ケーシング１１に設けたブラケット１２を支持架台１３に支架させて、水車２を貯留池Ａに垂設し、吸込ベル６の吸込口６ａを貯水池Ａの放流堰１の中間近傍に開口してある。吐出ケーシング１１の上部に載置した発電機架台１４に発電機１５が搭載してあり、発電機１５の駆動軸１６に吐出ケーシング１１の内部に垂下した主軸１７が軸継手１８を介して連結してある。垂下した主軸１７の下端を吸込ベル６の内部に支架した水中軸受８に軸支させて、主軸１７の下端部に嵌着した軸流ランナ１９をガイドケーシング５の内部に配設してある。

図１に示すように、放流堰１に跨設した吸出し管３の下方に併設したエジェクター管２７は始端部２７ａを放流堰１に載置して、図２に示す軸流ランナ１９の後方のガイドケーシング５にエジェクター管２７の給水口２７ｂを連結し、後端部２７ｃを放流水路Ｂに垂下させて下端を給水口２７ｂより低い位置に開口し、エジェクター管２７をサイホン状に形成してある。エジェクター管２７の吸気エジェクター２５に接続する抽気管２３は、吸出し管３の管頂部３ａに設けた逆止弁２６の吸込側に連結してある。

図３は吸出し管に設けた吸気エジェクターであって、エジェクター管２７に、先端部を縮少開口したノズル孔２１と、ノズル孔２１の開口部近傍の円筒管２２に連結した抽気管２３と、その後方の管径を縮小したディフューザー部２４とで吸気エジェクター２５を構成してある。吸気エジェクター２５は、エジェクター管２７に流れる流水をノズル孔２１から噴出させて圧力を減圧し、抽気管２３から空気を吸引して、ディフューザー部２４で空気を水に混合させる。

図１に示す自己サイホン形水車発電機は上記のように構成してあり、流入水が増加して貯水池Ａの水位が上昇してくると、水車２の吸込ベル６から流入してきた水はガイドケーシング５から中間ケーシング１０へと水位が上昇する。吐出口３ｃを水没させた吸出し管３の内圧が上昇し、吸出し管３の管頂部３ａの逆止弁２６が自動的に開放して空気を抽気管２３に流入させて大気に排出し、放流堰１の越流高さまで吐出ケーシング１１の内部の水を上昇させる。貯水池Ａの貯留水が放流堰１を越流し始めると、水車２のガイドケーシング５からエジェクター管２７の始端部２７ａに流入してきた水は、垂下した後端部２７ｃの排出口２７ｄから排出される。エジェクター管２７の垂下した後端部２７ｂは排出される水の重力により吸気エジェクター２５が負圧となり、吸出し管３の管頂部３ａに滞留する空気を吸引し、エジェクター管２７の後端部２７ｃから排出させる。同時に、水車２の内部も負圧となり、吐出ケーシング１１の内部の水が上昇して、水を吐出ケーシング２の吐出口１１ａから吸出し管３に流入して、垂下部３ｂの放流水路Ｂに水没させた吐出口３ｃから排出する。吸出し管３の垂下させた垂下部３ｂの液体移動によりサイホン作用を発生させて、水車の吸込ベル６に貯留水を吸引し、吸込ベル６に流入する水力により軸流ランナ１９を回転させて、主軸１７に連結した発電機１５を駆動して発電を行う。エジェクター管２７のエジェクター作用により、水車２の作動中に水とともに吸込まれる空気を、吸出し管３の管頂部３ａから吸気エジェクター２５に吸引し、吸出し管３のサイホン作用を継続させて、水車発電が継続できる。貯水池Ａの水位が吸込ベル６の吸込口６ａより下方に低下すると揚水は停止するが、水位が上昇して放流堰１を越流すれば、再び、軸流ランナ１９を回転させて発電機１５を駆動することができる。水車２内部の水をガイドケーシング５からエジェクター管２７に流入させることにより、高水位側の水を無駄に排水することなく、動力回収が有効に行える。水面に浮遊する夾雑物は水車２の吸込ベル６への混入が少なく、エジェクター管２７への夾雑物の吸込みを防止できる。なお、エジェクター管２７の給水口２７ｂを拡開してもよいもので、エジェクター管２７に流入する水の流速を早めることができ、エジェクター管２７の負圧によるエジェクター作用を高めることができる。

この発明に係わるサイホン式水車発電装置は、簡単な構造のエジェクターの抽気作用を利用して、水車に連結した吸出し管に滞留する空気を排出するもので、水位の変動に係わらず自動的に水車の起動が可能となり、環境汚染がなく気象条件に左右されない発電設備となるものである。従って、水道設備の送水管や、河川、貯水池等の水位差を利用する小水力の水車発電装置となるものである。

この発明に係わる自己サイホン形水車発電機の側面図である。 同じく、自己サイホン形水車発電機に用いる水車の縦断面図である。 同じく、エジェクター管に設けた吸気エジェクターの側面図である。

１ 放流堰
１ａ 貫通穴
２ 水車
３ 吸出し管
３ａ 管頂部
３ｃ 吐出口
１５ 発電機
１９ 軸流ランナ
２７ エジェクター管
２７ａ 始端部
２７ｂ 給水口
２７ｃ 後端部
２３ 抽気管
２５ 吸気エジェクター

Claims (1)

1. 水車（２）に連結した吸出し管（３）を高水位側の水を低水位側に導く放流堰（１）に跨設して、吸出し管（３）のサイホン作用により発電機（１５）に連動連結した水車（２）を作動させる水力発電装置において、高水位側に垂設した水車（２）の上部に吸出し管（３）を連結し、吸出し管（３）の吐出口（３ｃ）を低水位側に水没させて、吸気エジェクター（２５）を有するエジェクター管（２７）の始端部（２７ａ）を放流堰（１）に載置すると共に、エジェクター管（２７）の給水口（２７ｂ）を水車（２）の軸流ランナ（１９）の上方に連結し、後端部（２７ｃ）を低水位側に垂下して、吸出し管（３）の管頂部（３ａ）に連結した抽気管（２３）をエジェクター管（２７）の吸気エジェクター（２５）に接続したことを特徴とする自己サイホン形水車発電機。

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