JP5759603B1 - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置および撤去を容易に行うことができると共に、発電のために十分な落差を得られない場所であっても適切に発電することができる水力発電装置を提供すること。【解決手段】水力発電装置は、１つまたは２つ以上の水車駆動ポンプを有する揚水装置と、発電装置とを有する。揚水装置は、第１の高さから第１の落差で落下した水の水力を利用して、水の一部を第２の高さに揚水する。発電装置は、揚水された水が第２の高さから第２の落差で落下したときの水の水力を利用して発電する。第２の高さは、第１の高さより高く、第２の落差は、第１の落差より大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、小水力を利用して発電する水力発電装置に関する。

現在、発電方法として、原子力発電、火力発電、地熱発電、風力発電、太陽熱発電、水力発電などが知られている。そして、水力発電は、水が落下する際のエネルギーを利用している。

このような水力発電では、まず、水流を堰き止めてダムを築き、人工湖を造って水位を上昇させる。そして、重力によって水が高い所から低い所に落ちる際に生じるエネルギーを利用して、発電装置を駆動させることで発電する。

しかし、水位を上昇させるためのダムは、河川が流れる山間部にコンクリートを打設して、河川を堰き止めることで築かれているため、容易に設置および撤去することができなかった。そこで、容易に設置および撤去することができる小規模な水力発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の水力発電装置は、水路に設置される堰板と、堰板に形成された取水口と、その一端が取水口に連結され、上流側の水を下流側に導くための流路と、流路に設置された水車と、水車に連結された発電機とを有する。特許文献１に記載の水力発電装置では、水路に堰板を設置することにより落差を生じさせる。次いで、堰板に形成された取水口から流路を介して水が下流側に流れる。このとき、流路を流れる水が水車を回転させることで、発電機が駆動して発電する。

特開２００１−１５３０２１号公報

前述のとおり、特許文献１に記載の水力発電装置では、発電するために堰板で十分な落差を生じさせる必要がある。このため、堰板により水位を上昇させたとしても、発電するために十分な落差が得られない場所においては、特許文献１に記載の水力発電装置は、適切に発電をすることができない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、小水力を利用して発電する水力発電装置であって、設置および撤去を容易に行うことができると共に、発電のために十分な落差を得られない場所であっても適切に発電することができる水力発電装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、発電のために不十分な低落差しか得られない場所であっても、当該低落差から落下した水の水力を利用して、水の一部を発電するために十分な高落差まで揚水することで、適切に発電できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の水力発電装置に関する。

［１］１つまたは２つ以上の水車駆動ポンプを有し、第１の高さから第１の落差で落下した水の水力を利用して、前記水の一部を前記第１の高さより高い第２の高さに揚水する揚水装置と、揚水された前記水が前記第２の高さから前記第１の落差より大きい第２の落差で落下したときの前記水の水力を利用して発電する発電装置と、を有する、水力発電装置。
［２］前記揚水装置は、複数の前記水車駆動ポンプを有する、［１］に記載の水力発電装置。
［３］前記揚水装置は、前記第１の高さから前記第１の落差で落下した水の水力を利用して、前記水の一部を前記第１の高さより高い第３の高さに揚水する第１水車駆動ポンプと、前記第３の高さに揚水された前記水が前記第３の高さから前記第１の落差より大きい第３の落差で落下した水の水力を利用して、前記第３の落差で落下した前記水の一部を前記第３の高さより高い前記第２の高さに揚水する第２水車駆動ポンプと、を有する、［２］に記載の水力発電装置。
［４］前記揚水装置は、１つの前記水車駆動ポンプを有する、［１］に記載の水力発電装置。
［５］前記第１の落差は、前記発電装置が発電するために最低限必要な落差より小さい、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の水力発電装置。
［６］前記第１の落差は、２ｍ以上かつ６ｍ未満であり、前記第３の落差は、６ｍ以上かつ８０ｍ未満であり、前記第２の落差は、８０ｍ以上かつ２００ｍ以下である、［３］に記載の水力発電装置。
［７］前記第１の落差は、２ｍ以上かつ６ｍ未満であり、前記第２の落差は、６ｍ以上かつ８０ｍ以下である、［４］に記載の水力発電装置。

本発明に係る水力発電装置は、設置および撤去を容易に行うことができると共に、発電のために十分な落差を得られない場所であっても適切に発電することができる。したがって、本発明に係る水力発電装置は、必要とされる場所において必要な時期のみ配設されて、発電を行うことができる。

図１は、実施の形態１に係る水力発電装置の断面図である。 図２は、実施の形態１に係る発電装置の水力−電力変換特性を示すグラフである。 図３は、実施の形態２に係る水力発電装置の断面図である。 図４は、実施の形態２に係る発電装置の水力−電力変換特性を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る水力発電装置について説明する。

本発明に係る水力発電装置は、１０００ｋＷ以下の小水力発電を行う。たとえば、本発明に係る水力発電装置は、大規模停電が起きて、電気が復旧しない地域などで、簡易的な発電所として機能し、周囲の住居に電気を供給することができる。以下の実施の形態では、河川に設置する場合について説明するが、本発明に係る水力発電装置は、水が流れている流路に対しても応用することができる。流路の例には、一般河川や、砂防ダム、農業用水、上水道、下水道、工場循環水、工業用水などが含まれる。

［実施の形態１］
実施の形態１では、揚水装置が１つの水車駆動ポンプを有する水力発電装置について説明する。

（水力発電装置の構成）
図１は、実施の形態１に係る水力発電装置１００の断面図である。図１に示されるように、本実施の形態に係る水力発電装置１００は、河川に流れる水を堰き止める袋状の堰体１１０と、堰体１１０より河川の上流側の水を堰体１１０より河川の下流側に送る送水路１２０と、堰体１１０より河川の下流側に設けられた揚水装置１３０と、送水路１２０からの水を揚水装置１３０に導く第１導水路１４０と、揚水装置１３０より河川の下流側に設けられた発電装置１５０と、揚水装置１３０から揚水される水を発電装置１５０に導く第２導水路１６０とを有している。本実施の形態では、揚水装置１３０は、１つの水車駆動ポンプ１３１を有する。

この水力発電装置１００は、堰体１１０により河川を堰き止めて、水位を第１の高さｈ１まで上昇させる。次いで、第１の高さｈ１から第１の落差で落下した水の水力のみを利用して、揚水装置１３０により当該水の一部を第２の高さｈ２に揚水させる。次いで、第２の高さｈ２にある水を第２の落差で落下させることにより、発電装置１５０で発電を行う。第２の高さｈ２は、第１の高さｈ１より高く、第２の落差は、第１の落差より大きい。ここで、「第１の高さｈ１から第１の落差で落下させる」とは、図１に示されるように、落下前の水の水位（Ａ）と、落下後の水車駆動ポンプ１３１に流入するときの水の水位（Ｂ）との水位差により水を移動させることを意味する。また、「第２の高さｈ２から第２の落差で落下させる」とは、落下前の揚水された水の水位（Ｃ）と、落下後の発電装置１５０に流入するときの水の水位（Ｄ）との水位差により水を移動させることを意味する。さらに、第１の落差とは、第１の高さｈ１から落下した水の水力を利用して揚水する際に、水車駆動ポンプ１３１による揚水に実質的に寄与しうる、Ａ−Ｂ間の総落差から損失落差を差し引いた有効落差を意味する。また、第２の落差とは、第２の高さｈ２から落下した水の水力を利用して発電する際に、発電装置１５０による発電に実質的に寄与しうる、Ｃ−Ｄ間の総落差から損失落差を差し引いた有効落差を意味する。損失落差の例には、河川の勾配や導水管の摩擦などによる損失が含まれる。

堰体１１０は、河川を堰き止めて、水位を第１の高さｈ１に上昇させる。堰体１１０は、袋状に形成されており、内部に空気を入れる空気穴が形成されている。堰体１１０の上流側の面には、送水路１２０の上流端口１２１（取水口）が形成されている。また、堰体１１０の下流側の面には、送水路１２０の下流端口１２２が形成されている。第１の高さｈ１は、後述する水車駆動ポンプ１３１が第１の高さｈ１から第１の落差で落下した水を第２の高さｈ２に揚水するために最低限必要な高さより高ければ特に限定されない。第１の落差は、発電装置１５０が発電するために最低限必要な落差より小さくてもよいし、大きくてもよい。たとえば、第１の落差は、２ｍ以上かつ６ｍ未満である。

堰体１１０は、空気穴を介して内部に空気を入れることによって膨張して堰として機能する。逆に、堰体１１０は、空気穴を介して内部から空気を抜き出すことによって収縮する。空気穴が形成される位置は、特に限定されないが、堰体１１０の幅方向の端部に形成されていることが好ましい。これにより、堰体１１０は、その内部に川岸から簡単に空気を送り込まれることができる。

空気穴の数は、特に限定されず、幅方向の一方の端部に１つ形成されていてもよいし、幅方向の両端部に１つずつ形成されていてもよい。また、幅方向の両端部に複数個ずつ形成されていてもよい。空気穴が数多く形成されていれば、堰体１１０を設置および撤去する時間が短縮されうる。

堰体１１０へ空気を入れる方法は、特に限定されない。堰体１１０へ空気を入れる方法の例には、ブロアーにより空気を入れる方法や、ポンプにより空気を入れる方法などが含まれる。これにより、堰体１１０は、単純な装置で膨張され、簡単に河川に設置されうる。

堰体１１０に入れる空気の量は、特に限定されない。大量に堰体１１０内に空気を入れれば、第１の高さｈ１（水位）を上昇させることができ、結果的に、発電量を増大させることができる。逆に、空気の量を少なくすれば、第１の高さｈ１（水位）が低くなるため、発電量が低減する。すなわち、堰体１１０の内部の空気量を調整することによって、発電量が調整されうる。

堰体１１０から空気を抜く方法は、特に限定されず、空気穴を開放する方法や、吸引ポンプにより吸引する方法が含まれる。また、空気穴の開放および吸引ポンプによる吸引を併用してもよい。空気穴を開放すると、河川の水が堰体１１０を押し潰すように流れるため、堰体１１０から空気を効率よく抜くことができる。また、吸引ポンプによる吸引を併用することで、堰体１１０の内部から完全に空気を抜くことができる。撤去する際も、チェーンブロックなどで吊り上げるようにすれば、簡単に河川から撤去することができる。

膨張した堰体１１０の形状は、特に限定されず、設置される河川の形状に合わせて適宜設計されうる。たとえば、河川の幅方向の断面形状が台形状であった場合、膨張した堰体１１０の形状を台形柱状となるように形成すればよい。または、河川の幅方向の断面形状が半円状であった場合、膨張した堰体１１０の形状を半円柱状となるように形成すればよい。

堰体１１０の水の流れ方向の長さは、河川を堰き止めることができれば特に限定されない。当該長さは、河川の水の流量や流速に応じて、適宜設定されうる。

堰体１１０の断面積は、河川の断面積より大きく形成されていることが好ましい。堰体１１０の断面積が河川の断面積より大きく形成されていれば、堰体１１０が河川の形状より大きくなる。したがって、堰体１１０の内部に空気を入れると、堰体１１０は河川の底面および側面を押し付けるように膨張する。これにより、堰体１１０を杭などで固定することなく、河川を堰き止めることができる。

また、堰体１１０の内部の底面には、水の流れ方向に並んで重り（図示省略）が入っていてもよい。重りがあることで、堰体１１０の設置時に、堰体１１０が水面に水没するため、適切に堰体１１０を膨張させ、河川を堰き止めることができる。また、撤去の際に堰体１１０が河川の水によって流されることがない。一方、重りがない場合、設置する際に堰体１１０が河川に浮いてしまい、適切に設置できないおそれがある。

堰体１１０の素材は、特に限定されないが、耐久性および耐衝撃性の観点から、ゴム引布で構成されていることが好ましい。ゴム引布は、ゴムおよび基布を有している。ゴムの種類は、特に限定されず、クロロプレン系ゴム、ＥＰＤＭエラストマー、ポリウレタンなどが含まれる。また、基布の種類は、特に限定されず、綿織布、ナイロン平織布、ポリエステル平織布などが含まれる。さらにゴム引布の厚みおよびプライ数は、特に限定されず、厚みは２〜１５ｍｍ程度であればよく、プライ数は１〜３程度であればよい。

送水路１２０は、堰体１１０より河川の上流側の水を河川の下流側に送る。送水路１２０は、上流端口１２１が堰体１１０の上流側の面に形成されており、下流端口１２２が堰体１１０の下流側の面に形成されている。すなわち、送水路１２０は、水の流れ方向に堰体１１０を貫通して形成されている。送水路１２０の下流端口１２２は、第１導水路１４０の第１上流口１４１と、第１接続ジョイント１２３を介して接続されている。

堰体１１０における送水路１２０の上流端口１２１および下流端口１２２の位置は、特に限定されない。たとえば、上流端口１２１および下流端口１２２の中心位置は、堰体１１０の高さを「１」とした場合に、下端部から３／４程度の位置でればよい。これにより、例えば、洪水などで河川に材木などが流れてきた場合であっても、下流側にある揚水装置１３０（水車駆動ポンプ１３１）および発電装置１５０には、水しか流れ込まないため、揚水装置１３０および発電装置１５０が故障することがない。

送水路１２０の径は、揚水装置１３０（水車駆動ポンプ１３１）を駆動することができれば特に限定されない。送水路１２０の径は、上流端口１２１から下流端口１２２まで同一の太さでもよいし、上流端口１２１の径が下流端口１２２の径より小さくてもよいし、下流端口１２２の径が上流端口１２１の径より小さくてもよい。揚水装置１３０（水車駆動ポンプ１３１）による揚水高さおよび揚水量を増大させる観点からは、送水路１２０の径は、揚水装置１３０への水量が最大量となる径であることが好ましい。送水路１２０の径は、河川の水量や流速によって、適宜設計されうる。なお、送水路１２０の上流端口１２１には、ゴミが送水路１２０内に入り込むのを防ぐためにゴミよけ網などが取付けられていてもよい。

揚水装置１３０は、第１の高さｈ１から第１の落差で落下した水の水力を利用して、当該水の一部を第２の高さｈ２に揚水する。本実施の形態では、揚水装置１３０は、１つの水車駆動ポンプ１３１を有する。揚水装置１３０は、堰体１１０より河川の下流側に設けられ、かつ送水路１２０よりも低い位置に配設されている。第１の高さｈ１から落下した水が水車駆動ポンプ１３１の水車を回し、水車駆動ポンプ１３１が駆動される。また、第２の高さｈ２は、第１の高さｈ１よりも高く、かつ発電装置１５０の水の水力を利用した発電に最低限必要な高さよりも高い。第２の落差は、例えば、６ｍ以上かつ８０ｍ以下である。

水車駆動ポンプ１３１の種類は、上記の機能を発揮することができれば特に限定されない。水車駆動ポンプ１３１は、水車と、水車に接続されたポンプとを有している。水車に接続されるポンプの例には、遠心ポンプ、多段ポンプ、軸流ポンプ、斜流ポンプなどが含まれる。水車駆動ポンプ１３１の第１排水口１３２は、外部と連通している。揚水されなかった水は、第１排水口１３２から河川に排水される。

第１導水路１４０は、送水路１２０からの水を揚水装置１３０（水車駆動ポンプ１３１）に導く。より具体的には、第１導水路１４０は、送水路１２０からの水を水車駆動ポンプ１３１の水車に導く。第１導水路１４０は、送水路１２０の下流端口１２２と、水車駆動ポンプ１３１の第１流入口１３３とを繋いでいる。第１導水路１４０の第１上流口１４１は、送水路１２０の下流端口１２２と、第１接続ジョイント１２３を介して接続されている。また、前述のとおり、第１導水路１４０の第１下流口１４２は、水車駆動ポンプ１３１の第１流入口１３３と、第２接続ジョイント１３５を介して接続されている。これにより、水力発電装置１００を簡単に組み立てることができると共に、水車駆動ポンプ１３１に送られる水のロスをなくすことができる。

第１導水路１４０の第１上流口１４１および第１下流口１４２は、同一形状に形成されている。すなわち、送水路１２０の下流端口１２２および水車駆動ポンプ１３１の第１流入口１３３は、同一形状に形成されている。これにより、水力発電装置１００を組み立てる際に、第１導水路１４０の接続方向を間違えることがない。

第１導水路１４０の素材は特に限定されないが、耐久性および耐衝撃性の観点から、ゴム引布で構成されていることが好ましい。前述のとおり、ゴム引布は、ゴムと基布を有している。ゴムの素材は、特に限定されず、クロロプレン系ゴム、ＥＰＤＭエラストマー、ポリウレタンなどが含まれる。また、基布の素材は、特に限定されず、綿織布、ナイロン平織布、ポリエステル平織布などが含まれる。さらにゴム引布の厚みおよびプライ数は、特に限定されず、厚みは２〜１５ｍｍ程度であればよく、プライ数は１〜３程度であればよい。

なお、送水路１２０の下流端口１２２および第１導水路１４０の第１上流口１４１が接着されていてもよい。すなわち、堰体１１０および導水路１４０が一体に形成されていてもよい。これにより、さらに水力発電装置１００を簡単に組み立てることができると共に、水力発電装置１００の構成要素を減らすことができる。

発電装置１５０は、揚水装置１３０（水車駆動ポンプ１３１）により揚水された水が第２の高さｈ２から第２の落差で落下したときの当該水の水力を利用して発電する。これにより、発電装置１５０は、水力を電力に変換する。発電装置１５０は、揚水装置１３０より河川の下流側に設けられている。発電装置１５０の種類は、水力により発電することができれば、特に限定されない。発電装置１５０は、タービンと、タービンに接続された発電機とを有している発電装置が含まれる。このような発電装置１５０の種類の例には、フランシス型、プロペラ型、チューブラ型、ペルトン型、ターゴ型、クロスフロー型、開放ホイール型などが含まれる。発電装置１５０の種類は、流量および第２の落差に応じて適宜選択されうる。なお、発電装置１５０は、漏電防止の観点から、支持台１５１により支持されている。

発電装置１５０の第２流入口１５２は、第２導水路１６０の第２下流口１６２と、第３接続ジョイント１５４を介して接続されている。前述したような発電装置１５０の場合、第２導水路１６０の第２下流口１６２は、タービンに接続されている。発電装置１５０の第２排水口１５３は、外部と連通している。発電に使用された水は、第２排水口１５３から河川に排水される。このとき、水車駆動ポンプ１３１により揚水される水量と、発電装置１５０の第２排水口１５３から排出される水量とを同程度にすることにより、河川の水位が一定に保たれうる。

第２導水路１６０は、揚水装置１３０（水車駆動ポンプ１３１）により第２の高さｈ２に揚水される水を発電装置１５０に導く。第２導水路１６０は、水車駆動ポンプ１３１の揚水口１３４と発電装置１５０の第２流入口１５２をつないでいる。第２導水路１６０の第２上流口１６１は、水車駆動ポンプ１３１の揚水口１３４と、第４接続ジョイント１３６を介して接続されている。また、前述のとおり、第２導水路１６０の第２下流口１６２は、発電装置１５０の第２流入口１５２と、第３接続ジョイント１５４を介して接続されている。

第２導水路１６０の構成は、揚水装置１３０（水車駆動ポンプ１３１）により第２の高さｈ２に揚水される水を発電装置１５０に導くことができれば（発電装置１５０に導く水の水位を第２の高さｈ２にすることができれば）特に限定されない。本実施の形態では、第２導水路１６０は、水車駆動ポンプ１３１で揚水される水を第２の高さｈ２に導く揚水管１６３と、第２の高さｈ２まで導かれ、落下させる水を一時的に貯留するための水塔１６４と、水塔１６４内の水を発電装置１５０に導くための導水管１６５とを有する。

揚水管１６３は、水車駆動ポンプ１３１で揚水される水を第２の高さｈ２に導く。揚水管１６３の高さを変更することにより第２の高さｈ２を調整し、発電量を調整することができる。揚水管１６３の下方側開口部１６３ａ（第２導水路１６０の第２上流口１６１）は、水車駆動ポンプ１３１の揚水口１３４と、第４接続ジョイント１３６を介して接続されている。また、揚水管１６３の上方側開口部１６３ｂは、水塔１６４の第３流入口１６４ａと、第５接続ジョイント１６６を介して接続されている。

揚水管１６３の径は、上記の機能を発揮することができれば、特に限定されない。揚水管１６３の径は、河川の水量や流速に応じて、適宜設計されうる。また、揚水管１６３の素材は、特に限定されない。たとえば、揚水管１６３は、第１導水路１４０と同様の素材により構成される。

水塔１６４は、揚水管１６３を介して揚水された水を一時的に貯留する。貯留された水の水位は、第２の高さｈ２に相当する。本実施の形態では、水塔１６４は、その高さ方向において異なる位置に２つの開口部を有する。２つの開口部は、第３流入口１６４ａおよび第３排水口１６４ｂからなる。第３流入口１６４ａは、第３排水口１６４ｂよりも上流側かつ上方側に配置されている。第３流入口１６４ａは、揚水管１６３の上方側開口部１６３ｂと、第５接続ジョイント１６６を介して接続されている。また、第３排水口１６４ｂは、導水管１６５の第４流入口１６５ａと、第６接続ジョイント１６７を介して接続されている。これにより、第２導水路１６０を簡単に組み立てることができると共に、第２導水路１６０を通る水のロスをなくすことができる。また、水塔１６４上部は、外部に開口している。

また、水塔１６４は、高さ方向において異なる位置にさらに複数の開閉可能な開口部（図示省略）を有していてもよい。河川の流量の変化などに応じて、揚水管１６３を異なる高さの開口部につなぎ替えることにより、第２の高さｈ２を調整し、発電量が簡単に調整されうる。

水塔１６４の形状および高さは、上記の機能を発揮することができれば特に限定されない。本実施の形態では、水塔１６４の形状は、円筒形状である。水塔１６４の高さは、第２の高さｈ２に応じて適宜設定されうる。

水塔１６４の径は、上記の機能を発揮することができれば、特に限定されない。水塔１６４の径は、揚水される水の水量や流速に応じて、適宜設計されうる。また、水塔１６４の素材も、特に限定されない。水塔１６４の素材の例には、ステンレス鋼などが含まれる。

導水管１６５は、水塔１６４内の水を発電装置１５０に導く。導水管１６５の第４流入口１６５ａは、水塔１６４の第３排水口１６４ｂと、第６接続ジョイント１６７を介して接続されている。また、導水管１６５の第４排水口１６５ｂ（第２導水路１６０の第２下流口１６２）は、発電装置１５０の第２流入口１５２と、第３接続ジョイント１５４を介して接続されている。これにより、水力発電装置１００を簡単に組み立てることができると共に、発電装置１５０に送られる水のロスをなくすことができる。

導水管１６５の径は、上記の機能を発揮することができれば、特に限定されない。導水管１６５の径は、揚水された水の水量や流量によって、適宜設計されうる。また、導水管１６５の素材も、特に限定されない。たとえば、導水管１６５は、第１導水路１４０と同様の素材により構成される。

なお、第２導水路１６０は、水車駆動ポンプ１３１により過剰に揚水された水を放流するための放水管を別途有していてもよい。これにより、発電装置１５０に流入する水量が調節され、発電量が調整されうる。

以上のように、本実施の形態に係る水力発電装置１００は、シンプルな構成を採る。したがって、水力発電装置１００の設置、撤去およびメンテナンスは容易である。

（水力発電装置の水力発電特性）
次に、本実施の形態で使用する水力発電装置１００の水力発電特性について説明する。まず、本実施の形態で使用する発電装置１５０について説明する。本実施の形態では、発電装置１５０として、水中タービンおよび発電機を有する発電装置を使用する。図２は、発電装置１５０の水力−電力変換特性の一例を示すグラフである。図２において、横軸は、水の流量（ｍ^３／ｓ）を示し、縦軸は、水の有効落差（ｍ）を示している。実線は、水中タービンおよび発電機を有する発電装置１５０による発電に適用可能な、流量の範囲および有効落差の範囲を示している。また、破線は、水流および有効落差と、発電装置１５０による発電量との関係を示している。

図２から、この発電装置１５０は、流量が０．４０〜１０．００（ｍ^３／ｓ）の範囲内にあり、かつ有効落差が２．８〜２０．０（ｍ）の範囲内（実線で囲まれた範囲内）にある場合おいて、１０〜５００（ｋＷ）の電力を発電できることがわかる。

その一方で、発電装置１５０は、水の流量が発電のために十分であったとしても（０．４０〜１０．００（ｍ^３／ｓ））、有効落差が不十分なとき（２．８ｍより小さいとき）は発電することができないこともわかる（例えば、図２のＡ点参照）。そこで、本実施の形態に係る水力発電装置１００では、揚水装置１３０の水車駆動ポンプ１３１が、河川の水の一部を第１の高さｈ１から第２の高さｈ２に揚水する。これにより、発電に使用される水の流量は減少するものの、発電のために必要な有効落差は増大する（図２のＢ点参照）。結果として、水力発電装置１００は、適切に発電することができる。このとき、水車駆動ポンプ１３１は、第１の高さｈ１から第１の落差で落下する水の水力のみにより駆動される。このため、水力発電装置１００は、外部から化石燃料や電気などによるエネルギーを供給することなく、水を揚水し、発電に必要な落差を得ることができる。

本実施の形態に係る水力発電装置１００では、揚水装置１３０の水車駆動ポンプ１３１は、水の水力のみを利用して駆動されるため、外部からエネルギーを別途供給する必要がない。このため、本実施の形態に係る水力発電装置１００は、発電のために不十分な低落差しか得られない場所であっても、水力のみを利用して適切に発電することができる。また、前述のとおり、本実施の形態に係る水力発電装置１００では、水量および有効落差の調整が可能なため、発電装置１５０の選択の幅を広げることもできる。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る水力発電装置１００は、１）簡単に河川を堰き止めることができると共に、２）容易に設置および撤去を行うことができる。また、本実施の形態に係る水力発電装置１００は、３）揚水のために化石燃料や電気などにより、別途エネルギーを供給する必要がなく、４）発電のために十分な落差を得られない場所であったとしても、必要とされる場所において、必要な時期のみ水力発電装置を配設して、水力発電を行うことができる。

［実施の形態２］
実施の形態２では、揚水装置が２つの水車駆動ポンプを有する水力発電装置について説明する。

（水力発電装置の構成）
図３は、実施の形態２に係る水力発電装置２００の断面図である。図３に示されるように、本実施の形態に係る水力発電装置２００は、堰体１１０と、送水路１２０と、堰体１１０より河川の下流側に設けられた揚水装置２３０と、送水路１２０からの水を第１水車駆動ポンプ１３１に導く第１導水路１４０と、揚水装置２３０より河川の下流側に設けられた発電装置１５０と、揚水装置２３０から揚水される水を発電装置１５０に導く第２導水路１６０とを有している。本実施の形態では、揚水装置２３０は、２つの水車駆動ポンプ（第１水車駆動ポンプ１３１および第２水車駆動ポンプ２３１）と、第１水車駆動ポンプ１３１から揚水される水を第２水車駆動ポンプ２３１に導く第３導水路２６０とを有する。なお、実施の形態１に係る水力発電装置１００と同じ構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略する。

実施の形態２に係る水力発電装置２００は、堰体１１０により水位を第１の高さｈ１まで上昇させる。次いで、第１の高さｈ１から第１の落差で落下した水の水力のみを利用して、揚水装置２３０により当該水の一部を第２の高さｈ２に揚水させる。具体的には、第１の高さｈ１から第１の落差で落下した水の水力のみを利用して、第１水車駆動ポンプ１３１により当該水の一部を第３の高さｈ３に揚水させる。次いで、第３の高さｈ３にある水を第３の落差で落下した水の水力のみを利用して、第２水車駆動ポンプ２３１により当該水の一部を第２の高さｈ２に揚水させる。次いで、第２の高さｈ２にある水を第２の落差で落下させることにより、発電装置１５０で発電を行う。第２の高さｈ２は、第３の高さｈ３より高く、第３の高さｈ３は、第１の高さｈ１より高い。第２の落差は、第３の落差より大きく、第３の落差は、第１の落差より大きい。ここで、本実施の形態では、「第１の高さｈ１から第１の落差で落下させる」とは、図３に示されるように、落下前の水の水位（Ａ）と、落下後の第１水車駆動ポンプ１３１に流入するときの水の水位（Ｂ）との水位差により水を移動させることを意味する。また、「第３の高さｈ３から第３の落差で落下させる」とは、落下前の揚水された水の水位（Ｃ）と、落下後の第２水車駆動ポンプ２３１に流入するときの水の水位（Ｄ）との水位差により水を移動させることを意味する。また、「第２の高さｈ２から第２の落差で落下させる」とは、落下前の第２水車駆動ポンプ２３１により揚水された水の水位（Ｅ）と、落下後の発電装置１５０に流入するときの水の水位（Ｆ）との水位差により水を移動させることを意味する。さらに、第１の落差とは、第１の高さｈ１から落下した水の水力を利用して揚水する際に、第１水車駆動ポンプ１３１による揚水に実質的に寄与しうる、Ａ−Ｂ間の総落差から損失落差を差し引いた有効落差を意味する。また、第３の落差とは、第３の高さｈ３から落下した水の水力を利用して揚水する際に、第２水車駆動ポンプ２３１による揚水に実質的に寄与しうる、Ｃ−Ｄ間の総落差から損失落差を差し引いた有効落差を意味する。さらに、第２の落差とは、第２の高さｈ２から落下した水の水力を利用して発電する際に、発電装置１５０による発電に実質的に寄与しうる、Ｅ−Ｆ間の総落差から損失落差を差し引いた有効落差を意味する。

第１水車駆動ポンプ１３１は、第１の高さｈ１から第１の落差で落下した水の水力を利用して、当該水の一部を第３の高さｈ３に揚水すること以外は、実施の形態１における水車駆動ポンプ１３１と同様であるため、その説明を省略する。本実施の形態では、第１の落差は、例えば、２ｍ以上かつ６ｍ未満である。

第２水車駆動ポンプ２３１は、第３の高さｈ３から第３の落差で落下した水の水力を利用して、第３の落差から落下した水の一部を第２の高さｈ２に揚水する。第３の落差は、例えば、６ｍ以上かつ８０ｍ未満である。第２水車駆動ポンプ２３１は、第１水車駆動ポンプ１３１より河川の下流側に設けられている。第２水車駆動ポンプ２３１の種類は、上記の機能を発揮することができれば特に限定されない。第２水車駆動ポンプ２３１の種類は、例えば、第１水車駆動ポンプ１３１と同じである。第２水車駆動ポンプ２３１の第５排水口２３２は、外部と連通している。第２水車駆動ポンプ２３１で揚水されなかった水は、第５排水口２３２から河川に排水される。

第３導水路２６０は、第１水車駆動ポンプ１３１により第３の高さｈ３に揚水される水を第２水車駆動ポンプ２３１に導く。第３導水路２６０は、第１水車駆動ポンプ１３１の第１揚水口１３４と第２水車駆動ポンプ２３１の第５流入口２３３をつないでいる。第３導水路２６０の第３下流口２６２は、第２水車駆動ポンプ２３１の第５流入口２３３と、第７接続ジョイント２３５を介して接続されている。第３導水路２６０の第３上流口２６１は、第１水車駆動ポンプ１３１の第１揚水口１３４と、第４接続ジョイント１３６を介して接続されている。また、第３導水路２６０の第３下流口２６２は、第２水車駆動ポンプ２３１の第５流入口２３３と、第８接続ジョイント２３６を介して接続されている。

第３導水路２６０の構成は、第１水車駆動ポンプ１３１で第３の高さｈ３に揚水される水を第２水車駆動ポンプ２３１に導くことができれば（第２水車駆動ポンプ２３１に導く水の水位を第３の高さｈ３にすることができれば）特に限定されない。本実施の形態では、第２揚水管２６３と、第３の高さｈ３まで導かれ、落下させる水を一時的に貯留するための第２水塔２６４と、第２水塔２６４内の水を第２水車駆動ポンプ２３１に導くための第２導水管２６５とを有する。

第２揚水管２６３は、第１水車駆動ポンプ１３１で揚水される水を第３の高さｈ３に導く。第２揚水管２６３の高さを変更することにより第３の高さｈ３を調整し、発電量を調整することができる。第２揚水管２６３の第２下方側開口部２６３ａ（第３導水路２６０の第３上流口２６１）は、第１水車駆動ポンプ１３１の第１揚水口１３４と、第４接続ジョイント１３６を介して接続されている。また、第２揚水管２６３の第２上方側開口部２６３ｂは、第２水塔２６４の第６流入口２６４ａと、第９接続ジョイント２６６を介して接続されている。

第２揚水管２６３の径は、上記の機能を発揮することができれば、特に限定されない。第２揚水管２６３の径は、河川の水量や流速に応じて、適宜設計されうる。また、第２揚水管２６３の素材は、特に限定されない。たとえば、第２揚水管２６３は、第１導水路１４０と同様の素材により構成される。

第２水塔２６４は、第２揚水管２６３を介して揚水された水を一時的に貯留する。貯留された水の水位は、第３の高さｈ３に相当する。本実施の形態では、第２水塔２６４は、その高さ方向において異なる位置に２つの開口部を有する。２つの開口部は、第６流入口２６４ａおよび第６排水口２６４ｂからなる。第６流入口２６４ａは、第６排水口２６４ｂよりも上流側かつ上方側に配置されている。前述のとおり、第６流入口２６４ａは、第２揚水管２６３の第２上方側開口部２６３ｂと、第９接続ジョイント２６６を介して接続されている。また、第６排水口２６４ｂは、第２導水管２６５の第７流入口２６５ａと、第１０接続ジョイント２６７を介して接続されている。これにより、第３導水路２６０を簡単に組み立てることができると共に、第３導水路２６０を通る水のロスをなくすことができる。また、第２水塔２６４の上部は、外部に開口している。

また、第２水塔２６４は、高さ方向において異なる位置にさらに複数の開閉可能な開口部（図示省略）を有していてもよい。河川の流量の変化などに応じて、第２揚水管２６３を異なる高さの開口部につなぎ替えることにより、第３の高さｈ３を調整し、発電量が簡単に調整されうる。

第２水塔２６４の形状および高さは、上記の機能を発揮することができれば特に限定されない。本実施の形態では、第２水塔２６４の形状は、円筒形状である。第２水塔２６４の高さは、第３の高さｈ３に応じて適宜設定されうる。

第２水塔２６４の径は、上記の機能を発揮することができれば、特に限定されない。第２水塔２６４の径は、揚水される水の水量や流速に応じて、適宜設計されうる。また、第２水塔２６４の素材も、特に限定されない。第２水塔２６４の素材の例には、ステンレス鋼などが含まれる。

第２導水管２６５は、第２水塔２６４内の水を第２水車駆動ポンプ２３１に導く。第２導水管２６５の第７流入口２６５ａは、第２水塔２６４の第６排水口２６４ｂと、第１０接続ジョイント２６７を介して接続されている。また、第２導水管２６５の第７排水口２６５ｂ（第３導水路２６０の第３下流口２６２）は、第２水車駆動ポンプ２３１の第５流入口２３３と、第７接続ジョイント２３５を介して接続されている。これにより、水力発電装置２００を簡単に組み立てることができると共に、第２水車駆動ポンプ２３１に送られる水のロスをなくすことができる。

第２導水管２６５の径は、上記の機能を発揮することができれば、特に限定されない。第２導水管２６５の径は、揚水された水の水量や流量によって、適宜設計されうる。また、第２導水管２６５の素材も、特に限定されない。たとえば、第２導水管２６５は、第１導水路１４０と同様の素材により構成される。

なお、第３導水路２６０は、第１水車駆動ポンプ１３１により過剰に揚水された水を放流するための放水管を別途有していてもよい。これにより、第２水車駆動ポンプ２３１に流入する水量が調節され、発電量が調整されうる。

本実施の形態では、発電装置１５０は、第２水車駆動ポンプ２３１により揚水された水が第２の高さｈ２から第２の落差で落下したときの当該水の水力を利用して発電すること以外は、実施の形態１の発電装置１５０と同様であるため、その説明を省略する。本実施の形態では、第２の落差は、例えば、８０ｍ以上かつ２００ｍ以下である。

本実施の形態では、第２導水路１６０は、第２水車駆動ポンプ２３１の第２揚水口２３４と、発電装置１５０の第２流入口１５２とをつなぐ以外は、実施の形態１の第２導水路１６０と同様であるため、その説明を省略する。

以上のように、本実施の形態に係る水力発電装置２００は、河川の水を二段階で揚水し、発電のために十分な落差を得ることができる。したがって、水力発電装置２００は、適切に発電することができる。

（水力発電装置の水力発電特性）
次に、本実施の形態で使用する水力発電装置２００の水力発電特性について説明する。まず、本実施の形態で使用する発電装置１５０について説明する。本実施の形態では、発電装置１５０として、クロスフロー水車および発電機を有する発電装置を使用する。図４は、発電装置１５０の水力−電力変換特性の一例を示すグラフである。図４において、横軸は、水の流量（ｍ^３／ｓ）を示し、縦軸は、水の有効落差（ｍ）を示している。実線は、クロスフロー水車および発電機を有する発電装置１５０による発電に適用可能な、流量の範囲および有効落差の範囲を示している。また、破線は、水流および有効落差と、発電装置１５０による発電量との関係を示している。

図４から、この発電装置１５０は、流量が０．１０〜８．００（ｍ^３／ｓ）の範囲内にあり、かつ有効落差が５．０〜２００．０（ｍ）の範囲内（実線で囲まれた範囲内）にある場合おいて、１０〜１０００（ｋＷ）の電力を発電できることがわかる。

その一方で、発電装置１５０は、水の流量が発電のために十分であったとしても（０．１０〜８．００（ｍ^３／ｓ））、有効落差が不十分なとき（５．０ｍより小さいとき）は発電することができないこともわかる（例えば、図４のＡ点参照）。そこで、本実施の形態に係る水力発電装置２００では、第１水車駆動ポンプ１３１が、河川の水の一部を第１の高さｈ１から第３の高さｈ３に揚水する。これにより、発電に使用される水の流量は減少するものの、有効落差は増大する（図４のＢ点参照）。さらに本実施の形態に係る水力発電装置２００では、第２水車駆動ポンプ２３１が、第１水車駆動ポンプ１３１により揚水された水の一部を第３の高さｈ３から第２の高さｈ２に揚水する。これにより、発電に使用される水の流量は、さらに減少するものの、発電のために必要な有効落差は、さらに増大する（図４のＣ点参照）。水力発電装置２００では、河川の水の落差が小さい場合であっても、第１水車駆動ポンプ１３１によって第２水車駆動ポンプ２３１を駆動するための十分な高さをあらかじめ得ることができる。このため、本実施の形態に係る水力発電装置２００は、第２水車駆動ポンプ２３１によって、発電のために必要な落差を十分に得ることができ、適切に発電することができる。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る水力発電装置２００は、実施の形態１に係る水力発電装置１００の効果に加えて、さらに十分な落差を得て発電することができる。

なお、上記各実施の形態では、堰体１１０に空気を入れて膨張させる例を示した。しかし、堰体１１０には、堰体１１０を膨張させることができれば、空気以外の流体を入れてもよい。たとえば、空気以外の気体、または水などの液体が堰体１１０に入れられてもよい。

また、上記各実施の形態では、堰体１１０を有する水力発電装置１００、２００について説明したが、本発明に係る水力発電装置は、堰体１１０以外により揚水に必要な落差を形成してもよい。たとえば、コンクリートなどの堰堤により落差を形成してもよい。または、水力発電装置を設置する河川などにおいて、水車駆動ポンプによる揚水に必要な落差を有する段差などがあれば、堰体を有していなくてもよい。

また、上記実施の形態１では、水塔１６４を有する水力発電装置１００について説明したが、本発明に係る水力発電装置は、水塔１６４を有していなくてもよい。この場合、揚水された水は、発電装置１５０に第２流入口１５２から直接流入する。

また、上記実施の形態２では、第２水塔２６４を有する水力発電装置２００について説明したが、本発明に係る水力発電装置は、第２水塔２６４を有していなくてもよい。この場合、第２揚水管２６３の第２上方側開口部２６３ｂは、第２導水管２６５の第７流入口２６５ａに直接接続される。

また、上記各実施の形態では、河川を流れる水を１段階または２段階で揚水する場合について説明した。しかし、本発明に係る水力発電装置は、３段階以上で揚水してもよい。この場合、揚水装置は、３つ以上の水車駆動ポンプを有する。

また、送水路１２０および第１導水路１４０は兼用されていてもよい。具体的には、堰体１１０の上流側の面の上方に上流端口１２１を形成し、堰体１１０の下流側の面の下方に下流端口１２２を形成する。そして、下流端口１２２を（第１）水車駆動ポンプ１３１の第１流入口１３３に接続する。これにより、装置の構成要素を減らすことができる。

本発明に係る水力発電装置は、河川などの水の流路に簡単に設置することができると共に、撤去することができるため、小水力発電用の発電装置として有用である。たとえば、本発明に係る水力発電装置は、大規模停電が起きて、電気が復旧しない地域などで、簡易的な発電所として機能する。発電量が１０００ｋＷ以下であれば、本発明に係る水力発電装置は、そのまま電柱の配線に電気を流すことができ、周囲の住居に電気を供給することができる。

１００、２００ 水力発電装置
１１０ 堰体
１２０ 送水路
１２１ 上流端口
１２２ 下流端口
１２３ 第１接続ジョイント
１３０、２３０ 揚水装置
１３１ （第１）水車駆動ポンプ
１３２ 第１排水口
１３３ 第１流入口
１３４ （第１）揚水口
１３５ 第２接続ジョイント
１３６ 第４接続ジョイント
１４０ 第１導水路
１４１ 第１上流口
１４２ 第１下流口
１５０ 発電装置
１５１ 支持台
１５２ 第２流入口
１５３ 第２排水口
１５４ 第３接続ジョイント
１６０ 第２導水路
１６１ 第２上流口
１６２ 第２下流口
１６３ 揚水管
１６３ａ 下方側開口部
１６３ｂ 上方側開口部
１６４ 水塔
１６４ａ 第３流入口
１６４ｂ 第３排水口
１６５ 導水管
１６５ａ 第４流入口
１６５ｂ 第４排水口
１６６ 第５接続ジョイント
１６７ 第６接続ジョイント
２３１ 第２水車駆動ポンプ
２３２ 第５排水口
２３３ 第５流入口
２３４ 第２揚水口
２３５ 第７接続ジョイント
２３６ 第８接続ジョイント
２６０ 第３導水路
２６１ 第３上流口
２６２ 第３下流口
２６３ 第２揚水管
２６３ａ 第２下方側開口部
２６３ｂ 第２上方側開口部
２６４ 第２水塔
２６４ａ 第６流入口
２６４ｂ 第６排水口
２６５ 第２導水管
２６５ａ 第７流入口
２６５ｂ 第７排水口
２６６ 第９接続ジョイント
２６７ 第１０接続ジョイント
ｈ１ 第１の高さ
ｈ２ 第２の高さ
ｈ３ 第３の高さ

Claims (3)

1. 水が流れる流路に配置される水力発電装置であって、
   水車駆動ポンプを有し、前記流路の上流側において第１の高さから第１の落差で落下した水を取水し、前記水の水力を利用して、前記水の一部を前記第１の高さより高い第２の高さに揚水する揚水装置と、
   揚水された前記水が前記第２の高さから前記第１の落差より大きい第２の落差で落下したときの前記水の水力を利用して発電するとともに、落下した前記水を前記流路の下流側に排水する発電装置と、
   を有し、
   前記揚水装置は、
   前記第１の高さから前記第１の落差で落下した水の水力を利用して、前記水の一部を前記第１の高さより高い第３の高さに揚水する第１水車駆動ポンプと、
   前記第３の高さに揚水された前記水が前記第３の高さから前記第１の落差より大きい第３の落差で落下した水の水力を利用して、前記第３の落差で落下した前記水の一部を前記第３の高さより高い前記第２の高さに揚水する第２水車駆動ポンプと、
   を有する、
   水力発電装置。
2. 前記第１の落差は、前記発電装置が発電するために最低限必要な落差より小さい、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記第１の落差は、２ｍ以上かつ６ｍ未満であり、
   前記第３の落差は、６ｍ以上かつ８０ｍ未満であり、
   前記第２の落差は、８０ｍ以上かつ２００ｍ以下である、
   請求項１に記載の水力発電装置。

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