JP5132558B2 - 水路を利用した利水設備及び利水方法 - Google Patents

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Description

本発明は、水路から水が溢れにくい水路を利用した利水設備に関する。
近年、水路(例えば、既設の農業用水路や灌漑用水路)を利用して、取水や発電などの利水を行う利水設備があり、例えば、水路に堰を設けて水位を上昇させてから取水を行い、或いは堰を設けて生じた水位差を利用して発電を行うものがある。かかる利水設備にあっては、従来、図3A,図3Bに示す如く、水路10を横断するように直線状の堰1を設けていた。
なお、これに関連する先行文献として、特開2003−269315号公報、特開2005−320883号公報などがある。
ところで、上記の水路を利用した利水設備では、取水効率若しくは発電効率を向上させるために堰の天端が高く設計されている。そのため、取水機や発電機などに不調が生じると、堰き止められた水量が増大して水が堰を越流し、水路から水が溢れやすくなる。特に、従来の利水設備の如く水路に直線状の堰を設けた場合には、堰の越流長が短いので、堰を越える水深が高くなり(越流長Bと水深hとの関係は、図3A,図3B及び後述の関係式:Q=CBh3/2を参照)、水路から水が溢れやすい。
例えば、図3A,図3Bに示す利水設備において、堰1の底部付近には、発電機3に連通する排出路4が設けられており、発電機3が順調に作動している通常時には、この排出路4を介して水が堰1の下流側に流出するようになっている。しかし、発電機3が不調となった非常時には、排出路4から水が流出せず、水の流れが堰1で堰き止められる。そして、堰き止められた水量が増大すると、水が堰1を越流し始める。その際、堰1を越える水深hが高くなってしまうと、水路10の側壁2から水が溢れやすくなる。そして、上記の通り、従来の水路10には直線状の堰1が設けられ、堰1の越流長Bが最短となっているため、堰1を越える水深hが高くなって、水路10の側壁2などから水が溢れやすいのである。
そこで、かかる従来の利水設備においては、水路10から水が溢れるのを防止すべく、水路10の側壁2を嵩上げしたり、或いは堰1にゲートを設けるなど、特別の設備を別途設けていた。しかし、そのような設備を設けると、コスト増を招いてしまう。また、たとえゲートなどの設備を設けたとしても、設備操作の対応が遅れたり、或いは設備不調の場合も懸念され、水路10から水が溢れる可能性を排除できない。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、特別の設備を設置することなく、利水設備の不調時に水路から水が溢れるのを防止することが可能な水路を利用した利水設備及び利水方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、水路に堰を設けて利水を行う水路を利用した利水設備であって、前記堰は、前記水路内を屈曲しながら横断するように設けられ、前記利水設備としての水力発電設備が、前記堰における、前記堰の側壁面に挟まれる箇所若しくは前記堰の側壁面と前記水路の側壁面とに挟まれる箇所に設けられ、前記堰の横断方向に沿った長さ及び前記堰の高さは、前記水力発電設備の不調により前記水路の水流が前記堰によって堰き止められた状態で前記堰を越流する水の水深が、前記水路の側壁の高さと前記堰の高さとの差よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする。
前記堰の平面形状は、クランク型、凹型、凸型、ラビリンス型のいずれかであることが好ましい。また、前記利水設備として、例えば水力発電設備を設けてもよい。
以上の構成によれば、従来の如く水路に直線状の堰を設けた場合と比べると、堰の越流長が長くなる。そのため、堰を越える水深が低くなって、水路から水が溢れにくくなる。従って、特別の設備を設置することなく、利水設備の不調時に水路から水が溢れるのを防止することが可能となる。
関連文献とのクロスリファレンス
本願は、2006年7月13日付けで出願した日本国特願2006−193056号に基づく優先権を主張する。この文献を本明細書に援用する。
本発明の実施形態における水路を利用した、堰の平面形状がクランク型の水力発電設備の概略を示す上方平面図である。 本発明の実施形態における水路を利用した、堰の平面形状が凹型の水力発電設備の概略を示す上方平面図である。 本発明の実施形態における水路を利用した、堰の平面形状が凸型の水力発電設備の概略を示す上方平面図である。 本発明の実施形態における水路を利用した、堰の平面形状がラビリンス型の水力発電設備の概略を示す上方平面図である。 水力発電設備の詳細を示す斜視図である。 従来技術における水力発電設備を説明するための上方平面図である。 図3AのV−V線矢視図である。
符号の説明
1、11〜14 堰
2 側壁
3 発電機
4 排出路
10 水路
100 水力発電設備
Q 堰を越えて流れる水の越流量
B 堰の越流長
h 堰を越える水深
以下、図1A〜図1D及び図2を参照しつつ、利水設備として水力発電設備を例に挙げながら本発明の実施形態について説明する。図1A〜図1Dは本実施形態における水力発電設備の概略を示す上方平面図、図2は水力発電設備の詳細を示す斜視図である。なお、図1A〜図1D及び図2において、図3A,図3Bと同一若しくは類似の箇所には同一の符号を付し、異なる箇所にのみ新たな符号を付している。
図1A〜図1Dに示す水力発電設備100a〜100dは、既設の水路10にそれぞれ平面形状の異なる堰11〜14を設け、これによって生じた水位差を利用して発電を行う設備であり、各堰11〜14には底部付近に排出路4が設けられ、さらにこの排出路4を介して発電機3が設けられている。発電機3としては、例えば、イームル工業株式会社製の水中タービン発電機が挙げられる。なお、図2の例では、排出路4を堰11と一体にコンクリートで構築し、排出路4の排出口4aとは反対側の端部に発電機3を設置することで、堰11、排出路4、及び発電機3を一体にユニット化した構成としている。
堰11〜14は、水路10内を屈曲しながら横断するように設けられ、その平面形状は、それぞれクランク型(図1A及び図2参照)、凹型(図1B参照)、凸型(図1C参照)、ラビリンス型(図1D参照)である。より具体的には、図1A及び図2に示すクランク型の場合、堰11は水路10内を2回屈曲している。一方、図1B及び図1Cに示す凹型若しくは凸型の場合には、それぞれ水路10の下流側若しくは上流側に向けて凸となるように構成されており、いずれも水路10内を最低4回以上屈曲している。また、図1Dに示すラビリンス型の場合には、水路10内を最低1回以上屈曲しW字状に構成されている。ただし、本発明において、堰の構成は図1A〜図1Dに示すものに限らず、要するに、堰が水路内を屈曲しながら横断するように設けられていればよい。また、排水路4の向きも図1A〜図1Dに示すものに限らず、適宜設定することが可能である。
以上のように、堰11〜14は、いずれの場合にも水路10内を屈曲しながら横断するように設けられているので、同一の水路10に直線状の堰1(従来技術の図3A,図3B参照)を設けた場合と比べると、各堰11〜14の越流長Ba〜dが長くなる。そのため、発電機3が不調となった非常時においても、従来の場合と比べると、堰11〜14を越える水深hが低くなり、水路10から水が溢れにくくなる。
すなわち、図1A〜図1D及び図2に示す水力発電設備において、堰1の底部付近には、前述したように発電機3に連通する排出路4が設けられており、発電機3が順調に作動している通常時には、この排出路4を介して水が堰1の下流側に流出するようになっている。しかし、発電機3が不調となった非常時には、排出路4から水が流出せず、水の流れが堰1で堰き止められる。そして、堰き止められた水量が増大すると、水が堰1を越流し始める。その際、堰11〜14を越えて流れる水の越流量をQとし、堰11〜14の越流長をBa〜d、堰11〜14を越える水深をhとすると、一般的に、Q=CBh3/2(Cは定数;約1.84)の関係にある(図3B参照)。かかる関係式において、越流量Qが一定の場合、上記のように越流長Ba〜dを長くしたときには、堰11〜14を越える水深hが低くなる。そして、水深hが低くなると、水路10の側壁2などから水が溢れにくくなる(図3B参照)。
そこで、本実施形態では、側壁2の高さと堰11〜14を越える水の高さとの差(=クリアランス)が十分に確保されるように水深hの最大値を設定し、次いで水深hがこの値以下となるように越流長Ba〜dを長くしておく。かかる場合には、たとえ水路10を流れる水が堰11〜14を越流したとしても、水路10の側壁2を越流することはないので、水路10から水が溢れにくくなる。そのため、図1A〜図1D及び図2に示す水力発電設備100a〜dにおいては、水路10の側壁2を嵩上げしたり、或いは堰11〜14にゲートを設けたり特別の設備を設置する必要がない。従って、以上の水力発電設備100a〜dによれば、特別の設備を設置することなく、利水設備の不調時に水路から水が溢れるのを防止することが可能となる。
ところで、水路10を流れる水は、屈曲する堰11〜14の側壁面によって絞り込まれながら下流側に流れる(図1A〜図1Dの矢印参照)。そのため、同一の水路10に直線状の堰1(図2参照)を設けた場合と比べると、各堰11〜14にはいずれも水位差が大きくなる箇所が生じる。従って、各堰11〜14のうち当該箇所に発電機3を設けておくことにより、発電効率を向上させることも可能となる。
なお、本発明の利水設備は、上述した水力発電設備に限定されるものではなく、例えば、発電機3及び排出路4の代わりに取水用ポンプを設けた取水設備を含むことは勿論である。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、水路を利用した利水設備において、特別の設備を設置することなく、利水設備の不調時に水路から水が溢れるのを防止することができる。

Claims (3)

  1. 水路に堰を設けて利水を行う水路を利用した利水設備であって、
    前記堰は、前記水路内を屈曲しながら横断するように設けられ、前記利水設備としての水力発電設備が、前記堰における、前記堰の側壁面に挟まれる箇所若しくは前記堰の側壁面と前記水路の側壁面とに挟まれる箇所に設けられ、前記堰の横断方向に沿った長さ及び前記堰の高さは、前記水力発電設備の不調により前記水路の水流が前記堰によって堰き止められた状態で前記堰を越流する水の水深が、前記水路の側壁の高さと前記堰の高さとの差よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする利水設備。
  2. 請求項1に記載の水路を利用した利水設備において、
    前記堰の平面形状は、クランク型、凹型、凸型、ラビリンス型のいずれかであることを特徴とする水路を利用した利水設備。
  3. 水路に堰を設けて利水を行う水路を利用し、前記堰を、前記水路内を屈曲しながら横断するように設ける水路を利用した利水方法であって、
    前記利水設備としての水力発電設備を、前記堰における、前記堰の側壁面に挟まれる箇所若しくは前記堰の側壁面と前記水路の側壁面とに挟まれる箇所に設け、前記堰の横断方向に沿った長さ及び前記堰の高さを、前記水力発電設備の不調により前記水路の水流が前記堰によって堰き止められた状態で前記堰を越流する水の水深が、前記水路の側壁の高さと前記堰の高さとの差よりも小さくなるように設定することを特徴とすることを特徴とする水路を利用した利水方法。
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