JP6499985B2 - 防災観測用情報配信ピコ水力発電システム - Google Patents
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Description
小型コンピュータ技術の発達に伴い、従来不可能であった無線通信や災害観測が手軽に実現でき、人工知能を持つような時代が到来した中で、人手に頼ってきた山間僻地や危険個所の防災観測、そして、これらと連動して住民や山間部を通る主要道路等への防災案内表示システムが可能と成っている。
山間僻地では、配電線が無く自然エネルギーに頼ることになるが、山地では山陰や木陰になる場所が多くて小型の太陽光発電は利用し難く、風力発電も不安定であると共に、成長する樹木の枝葉が回転体に緩衝するため実用性が低い。
また、災害用等、高い信頼性が求められる水力発電は発電を停止出来ないので、遠隔で発電状態を監視し水車停止時は現地メンテナンス迄の時間を賄う蓄電池残量等をリアルタイムに監視できる機能が必要であるが、発電と情報伝送機能を一体化した水力発電機システムは存在しない為、現場に導入し易い安価な製品の開発が必要となっている。
すなわち、台型ベースに天面水槽および排水路を確保し、該天面水槽には、円形器状内壁の中心に軸受け座を設け、落水口を開口したケーシングを埋設し、同ケーシングの遠心周壁回りに複数の誘導管路及び供給端を接続し、同各誘導管路の吸入口を、該ケーシングの遠心周壁周りの同じ向きに揃う接線近似遠心方向に向け、天面水槽に露出開口するよう配し、軸受け座には翼輪の主軸を回転自在に軸着した水車装置である。
この様な時代背景の中で、本発明が対象としている0.1kw程度の発電はピコ水力発電の分野と言われ、実用的視点での研究は進んでいない状況にある。
本発明が解決しようとする課題は、電気が通じていない山間であってもピコ水力発電と言われるごく僅かな電力を利用して小型コンピュータを作動して災害の予測を行い、また災害情報を安定して配信することが出来る水力発電システムを提供する。
気象観測、すなわち風向風速・雨量・気温・湿度・気圧の観測に要する電力は2w程度、河川水位を監視する為に小型IPカメラを組み合わせた場合で4w程度、通信器に5w程度、地震計/傾斜計等で2w程度、これらの情報収集と同時に水車を制御する小型コンピュータに2w、これらを合わせた15wに加え災害状況を示す表示器に15w程度を加えた30wを安定に供給する電力が必要となる。また積雪地域では機器に付着する雪を融かす為の融雪用電力として40w程度を加えた概ね70wが必要となる。
夏季の渇水時でも確保できる水量1〜2リットル/秒、落差約10mでピコ水車としての実用効率を40%程度又はそれ以上とした損失の少ない水車が必要である。
高効率の水車では、水の接触面積が最も少ない円形ノズルの噴流を放物曲線又は球曲線の凹面の中心で受ける方法が採用されている。 噴流を受ける凹面の移動速度は、噴流速度の概ね1/2で効率が高くなると考えられ、これはペルトン水車の型式に近似するものである。
水量が2リットル/秒と少ないことで水車羽の形状が小型になり水車直径も小さくできるので、低落差で比較的高回転が得られる利点もある。
想定以上の集中豪雨などで川床に損傷が生じると、取水部が破損し発電が停止するので、発電機に予め蓄電池を併設し、復旧に要する日数を考慮した電池容量を準備している。水車が停止した場合は、蓄電池容量との兼ね合いで融雪ヒータや観測項目を自動的に減らす方法も検討する。
そして、気象/地震/傾斜/画像/河川水位/等の観測項目の無線伝送が出来ない時間帯が生じた場合は計測データが欠落するので、小型コンピュータに取付けるメモリーカードに記録するようにしている。
したがって、電気が通じていない山間の地域であっても、本発明のシステムが作動して大きな災害を未然の防止することが出来、また災害が発生した際には迅速に対応することが可能である。
そして、水力発電装置が災害で故障したり破損した際でも、備えている蓄電池の電気を使用して気象観測機器などは作動して、それらの情報を配信することが出来る。
金型の製作仕様で耐久性を2万個とし、試験を兼ねた初期製作数量5000個を造り、低コストの水車が可能となった。
発電機の増速率を2倍に設定して水車の無効即回転の1/2が発電の最高効率として次の様に水車の直径を決めた。
落差10mの噴射速度は約14m/秒、水車の無効即回転数(無負荷回転)1500rpmを得る水車直径は(14m×60÷1500÷π≒0.178m )17.8cmとなるが、設計可能な最小直径が18cmで近似値として製作した。
発電効率は水車の無効即速度(無負荷速度)1500rpmの1/2付近で高い効率を示した。理論水力に対する発電量は次であった。
ノズル2個の場合、理論水力(9.8×0.0005×2×10m≒98)98wに対し41wの発電を行った。
ノズル4個の場合、理論水力(9.8×0.0005×4×10m≒196)196wに対し81wの発電を行った。
したがって、発電効率は、概ね41%を達成した。
夏季は渇水対策として2ノズル(1リットル/秒)で41wの発電を行う方法とした。
同図に示す本実施例では、噴射ノズル数の切り替えを手動で行ったが、自動切替も可能である。
次に、余剰電力が生じる場合、蓄電池が満杯になり発電電力が負荷電力を超え余剰電力が生じた場合は、自動的にダミー負荷に接続して余剰電力を消費することが出来る。
但し、地震データは設定震度を超えた場合に限り即時伝送する方法とした。
サーバーでは、開発制作した専用ソフトを用いて受信データをグラフに現し、IDとパスワードでリアルタイムに閲覧できるシステムとした。
また、閲覧PCで観測データのダウンロードを可能とし、個別に分析できるように配慮した。
2 発電機
3 ECU収納盤
4 蓄電池
5 排水管
6 止水弁
7 ストレナー
8 給水管
9 水圧計
10 噴射ノズル
11 噴射ノズル
12 噴射ノズル
13 噴射ノズル
14 噴射水
15 水車羽
16 給水
Claims (3)
- 山間などの僻地に配置して気象状況や河川の水位、地震を観測してその情報を配信するシステムにおいて、これらの情報観測及び配信に用いる電源として、小川から取水して10m程度の僅かな落差と水量約2リットル/秒で回転する水車にて稼動する発電機を備え、上記水車としてペルトン型式の水車を用い、水に混入する木の葉や砂利を取り除く除塵機能を備えた取水部を設け、該取水部は小川の河床に埋設すると共に取水部から取水した水を上記水車に供給する為に送水管を介して給水管と接続し、そして水車から流れ出る水の排水管を有し、該給水管に接続したノズル管の先端には水車羽に当たる複数の噴射ノズルを備え、また、水中に混ざっているゴミを取る為のストレナーを取付け、噴射ノズルから噴射する水流の勢いを知ると共にゴミ詰まりの有無を知る為の水圧計を設け、上記水車の回転軸に連結して稼動する発電機を有し、該発電機によって発生する電力にて、風向風速・雨量・気温・湿度・気圧などの気象状況の観測、河川水位を監視する為の小型IPカメラの作動、通信器の作動、地震計や傾斜計の作動、これらの情報収集と同時に水車を制御する小型コンピュータの作動、または観測地GPS位置のデータを無線でサーバーへ送る機能を備えたことを特徴とする防災観測用情報配信ピコ水力発電システム。
- 上記水車にて稼働する発電機にECU収納盤を取付け、そして余分な電力を蓄えることが出来る蓄電池を備えた請求項1記載の防災観測用情報配信ピコ水力発電システム。
- 渇水期などで水量が少ない時期に、複数の噴射ノズルの1/2を停止する為の止水弁を備えた請求項1、又は請求項2記載の防災観測用情報配信ピコ水力発電システム。
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