JP4803489B2 - サイホン式水車発電方法 - Google Patents

Description

この発明は、高い維持管理性と低コストの実現を図ることが出来る、自己サイホン形成機能を有する水車発電方法の改良に関する。

近年、地球温暖化現象の対策として、二酸化炭素等の温暖化ガスの排出を規制して、地球規模での環境保全が推進されている。温暖化ガスを排出する石油や石炭のような化石燃料と比べ、自然エネルギーを利用した、風力発電や水力発電、太陽光発電等は、温暖化ガスを排出しないため、これらの設備の設置が進められている。特に、水力発電は高効率で、安定した電力が得られることから利用が増している。中でも、設備費用の低コスト化が可能な小水力の水車発電装置が急増している。

そして、前記水車発電装置において、吸込側と吐出側との落差を利用したサイホン管式の水車発電装置は従来から使用されている。例えば、特許文献１に記載のサイホン型水力発電設備は、河川等に設けられた移動堰に、サイホン管、水車発電機、ドラフト管等を固定して設け、上流側の水をサイホン管で水車発電機に導き、水車発電機を回転させて発電している。また、特許文献２の考案では、一端をダムの貯水池の水中に開口させ、他端を貯水池の下方に配設した水車に連結してサイホン管となり得る導水管を形成し、導水管の貯水池側の開口部には、貯水池の水を導水管の頂部を越えて下方の水車に流入させるポンプを有するサイホン水車が記載されている。

しかしながら、特許文献１の発明では、サイホンを形成するための真空ポンプを配設しており、始動時には前記真空ポンプを駆動させてサイホン管内に水を吸引し、サイホン管の頂部に配設している満水監視装置で、サイホン管内の水位を監視し、サイホン管内に水が充満すれば真空ポンプを停止させて、サイホンの形成が完了する。そしてサイホンの原理によって上流側の水は下流側の水車発電機に流入して、発電するようにしているが、サイホンを形成するための真空ポンプ、満水監視装置、真空破壊弁等の付帯設備が必要であるという課題がある。

また、特許文献２の考案では、始動時のサイホン形成の際には、貯水池側の開口部に配設しているポンプを駆動して貯水池の水を汲み上げてサイホン管内を充満させ、サイホン形成が完了する。そして、貯水池の水はサイホンの原理によって下方の水車へと流入し、水車を回転させて、発電を行うようにしているが、この特許文献２の考案は従来の真空ポンプによるサイホン形成の代わりにポンプでサイホン形成を行うようにしている。そして、サイホン形成が完了すれば、ポンプは水車として機能し、発電を行うようにしている。また、水車発電機を別途サイホンの吐出側にも設けているので、設備費用や現地工事がコストアップとなり、発電を行うために、相当の落差が必要となるという課題や、ポンプの修理・メンテナンスを行う際には、導水管を分解して貯水池側のポンプ設備全体を抜き出す必要がある。このため、ポンプの点検・修理に多大な時間やコストが高くなるという課題もある。
特開２００３−２３２２７３号公報（段落番号００１１乃至段落番号００１４、図１） 実開昭６４−１３２７２号公報（実施例、図１）

本発明は、上述した従来のサイホン式水車発電装置の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、水車自身でサイホンを形成するため、真空ポンプ等の付帯装置が不用である。また、水車を貯水池側の吸込管内に配設することによって、ポンプと水車を別々に設置する必要が無く、水車の点検・修理が容易なサイホン式水車発電方法を提供することにある。

本願の請求項１に記載の発明は、高所側の水を低所側に導くサイホン管を設けたサイホン管式の水車装置で、運転起動時には水車をポンプとして水を吸引してサイホン形成を行い、サイホン形成後は水位差で発生する落差により水車として発電運転を行う発電方法において、前記水車装置はサイホン管、水車、発電機、サイホンブレーカーで構成され、サイホン管の吸込側のケーシングに没水状態で運転するように立軸の水車を配設し、ケーシングの上部に発電機架台を介して発電機を載置し、発電機と水車の主軸を連結して、発電機架台に水車の軸受箱と軸封装置を配設し、発電機架台、発電機、主軸、軸流ランナの主要部を一体でケーシング（１７）から上方に抜き出せる構造とすると共に、水車の軸封装置をラビリンスシールで構成し、ラビリンスシールに他端を貯水池に接続する注水管を連結し、サイホン形成時の負圧を利用してラビリンスシールに自己注水を行い外部からの空気流入を防止し、水車の発電運転時におけるサイホンを保持することを特徴としたサイホン式水車発電方法である。

本発明に係るサイホン式水車発電方法は、自己サイホン形成機能を有する水車発電装置とし、発電機・主軸・軸流ランナ等の主要部を一体でケーシングから上方へ容易に抜き出せる構造にしたので、サイホンを形成するための真空ポンプ等の設備が不要となるとともに、水車運転中には負圧になることを利用して、軸封装置に自己注水が行える。そして、低落差でも発電が可能である。また、主要部だけを一体で抜き出せるので、水車発電装置全体を取出すこと無く、容易に点検・修理を行うことが可能である。

本発明の実施の形態を図面に基づき詳述すると、図１はサイホン式水車発電装置の設置状態を示す概要図であって、水車１の吐出ケーシング２から突設させた複数のブラケット３・・・が貯水池Ａの水路床面４に吊設した支持架台５に支架してあり、貯水池Ａの放流堰６に沿って水車１を立設してある。支持架台５に支架した吐出ケーシング２の上部に発電機架台７が着脱自在に連結してあり、発電機架台７に発電機８が搭載してある。吐出ケーシング２の上部側壁に吐出管９が突設してあり、吐出管９に連結した吐出しエルボ１０が放流堰６の上方に配設してあり、吐出エルボ１０に接続した吐出管１１が、貯水池放流先Ｂ側の放流堰６に沿って垂下してある。水車１の吸込側を貯水池Ａの放流堰６の中間近傍に開口し、水車１に連結した吐出側の吐出管１１を水車１の吸込側より低い貯水池放流先Ｂの槽底近傍に開口してあり、水車１の吐出ケーシング２の吐出管９に連結した吐出エルボ１０と吐出管１１がサイホン管１２を形成してある。符号１３は吐出管１１に設けたサイホンブレーカーである。

図２は貯水池に設置した軸流型のケーシング１７の縦断面図であって、支持架台５に支架した吐出ケーシング２の下部に、貯水池Ａの処理水を流入させる吸込ベル１４と、流入した水流を案内する円筒状のガイドケーシング１５と、揚水させる円筒状の中間ケーシング１６が下方から上方に順次連結してあり、軸流型のケーシング１７を形成して貯水池Ａに設置してある。ケーシング１７は円筒状で製作が容易であり、鋼板製として重量を軽減してある。吸込ベル１４の下端の吸込口１４ａを拡開してあり、複数の支持板１８・・・が吸込ベル１４に止着してある。支持板１８・・・に支架したコーン状のハブ１９がガイドケーシング１５の内部に突設して、ハブ１９の上端部に設けた開口１９ａにセラミック等の水中軸受２０を嵌着してある。ハブ１９の下端部に細孔１９ｂが設けてあり、ハブ１９内部に水を侵入させて水中軸受２０を潤滑できるようにしてある。ハブ１９の上部側面から突設させた水流の案内用の複数のガイドベーン２１・・・をガイドケーシング１５の内周壁に止着してある。

図３は軸流ランナを嵌着した主軸を水車の発電機に連結して一体とした要部側面図であって、発電機架台７に載置した発電機８の駆動軸２２に軸継手２３を介して主軸２４が連結してある。発電機架台７に軸受箱２５とラビリンスシール２６が配設してあり、主軸２４が軸受箱２５に軸受され、ラビリンスシール２６に嵌挿してある。主軸２４の下端部に軸流ランナ２７を嵌着し、主軸２４の下端に軸スリーブ２８を外挿してナット２９で固定してある。図４は水車の縦断面図であって、発電機８の駆動軸２２に連結した主軸２４が吐出ケーシング２に垂下してあり、主軸２４の下端の軸スリーブ２８を吸込ベル１４に支架させたハブ１９の開口１９ａの水中軸受２０に軸支させて、主軸２４の下端部に嵌着した軸流ランナ２７をガイドケーシング１５の内部に配設させている。本発明の実施例では軸封装置としてラビリンスシールを使用しているが、メカニカルシール等の周知の技術を使用しても良い。

貯水池Ａに設置した水車１のガイドケーシング１５が水没していれば、発電機８を電源コードに接続して発電機８を電動機として作動させれば、ガイドケーシング１５に内設した軸流ランナ２７が回転し、ポンプとして貯水池Ａの水を吸上げることができる。吐出ケーシング２の上端部まで水位が上昇すれば、吸出管１１に流下する排水でサイホン作用が発生し、サイホン作用により吸込ベル１４に吸引された水流により軸流ランナ２７が回転し、主軸２４に連結した発電機８を駆動して発電が開始できる。タービンとして軸流ランナ２７を採用しているので、サイホン形成に真空ポンプ等の補機類が不用となる。貯水池Ａの水位が低下し、水車発電運転を停止させる場合には、サイホンブレーカー１３を開くことにより、大気がサイホン管１２内に流入して、サイホン形成を破壊し、吸込ベル１４からの吸引を停止させる。

図５は主軸の軸封装置の拡大図であって、ラビリンスシール２６に注水管３０が連結してあり、注水管３０の他端は貯水池Ａに接続して軸封装置３１を構成している。発電時に水車１内部のサイホン作用による負圧を利用して、軸封装置３１に吸引作用を発生させて貯水池Ａの水を注水するようにしてある。水車運転時に軸封装置３１の内部を負圧により吸引させて満水することで、外部からのサイホン管１２内への空気の流入を防止し、サイホンが維持可能となる。

発動機８を載置した発電機架台７を吐出しケーシング２の上部にボルト等で連結してあり、ボルト等を取外せば、図３に示す電動機８に連結した主軸２４を、図２に示す状態の、貯水池Ａに設置した軸流型のケーシング１７から上方に抜き出すことができる。主軸２４に止着した軸流ランナ２７等の主要部が発動機８を載置した発電機架台７とともに地上に抜出せるので、維持管理のための内部点検や清掃が容易となる。さらに、下水処理場の処理水の放流などによる低い落差を有効に利用でき、ＣＯ_２の発生の無いクリーンな再生可能エネルギーである水力発電が可能となる。また、本発明の水車１を複数台、貯水池Ａに設置しておくことにより、流量変動時の対応が可能となる。すなわち、流量増加時には全台、発電運転を行い、流量低下時には水量に対応させて、必要台数だけサイホン破壊すれば、水位の異常低下を防止しながら、発電運転を継続することもできる。

この発明に係わるサイホン式水車発電装置は、水車の出口側にサイホン管を配設して軸流ランナを採用したので、サイホン形成に真空ポンプ等の補機類が不用となるとともに、水車運転中の負圧により軸封装置を自己注水で満水にさせて、サイホン管への空気の流入を防止できる。そして、貯水池に設置した軸流型のケーシングから、主軸に止着した軸流ランナ等の主要部を発動機とともに地上に抜き出せるので、ランニングコスト及びイニシャルコストの両面から廉価なマイクロ水力発電の実現が可能となる。従って、下水処理場の処理水の放流などによる低い落差を有効に利用でき、ＣＯ_２の発生の無いクリーンな再生可能エネルギーである水力発電が可能なサイホン式水車発電装置となる。

この発明に係わるサイホン式水車発電装置の設置状態を示す概要図である。 同じく、貯水池に設置した軸流型のケーシングの縦断面図である。 同じく、軸流ランナを嵌着した主軸を水車の発電機に連結して一体とした要部側面図である。 同じく、水車の断面図である。 同じく、主軸の軸封装置の拡大図である。

１ 水車
８ 発電機
１２ サイホン管
１３ サイホンブレーカー
１７ ケーシング
２４ 主軸
２６ ラビリンスシール
２７ 軸流ランナ
３０ 注水管
３１ 軸封装置

Claims (1)

1. 高所側の水を低所側に導くサイホン管を設けた水車装置で、運転起動時には水車（１）をポンプとして水を吸引してサイホン形成を行い、サイホン形成後は水位差で発生する落差により水車（１）として発電運転を行う発電方法において、
   前記水車装置はサイホン管（１２）、水車（１）、発電機（８）、サイホンブレーカー（１３）で構成され、サイホン管（１２）の吸込側のケーシング（１７）に没水状態で運転するように立軸の水車（１）を配設し、ケーシング（１７）の上部に発電機架台（７）を介して発電機（８）を載置し、発電機（８）と水車（１）の主軸（２４）を連結して、発電機架台（７）に水車（１）の軸受箱（２５）と軸封装置（３１）を配設し、発電機架台（７）、発電機（８）、主軸（２４）、軸流ランナ（２７）の主要部を一体でケーシング（１７）から上方に抜き出せる構造とすると共に、水車（１）の軸封装置（３１）をラビリンスシール（２６）で構成し、ラビリンスシール（２６）に他端を貯水池（Ａ）に接続する注水管（３０）を連結し、サイホン形成時の負圧を利用してラビリンスシール（２６）に自己注水を行い外部からの空気流入を防止し、水車（１）の発電運転時におけるサイホンを保持することを特徴とするサイホン式水車発電方法。

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