JP7335845B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

この発明は、農業用水路または工業用水路等の用水路、上下水道、小河川などの開水路に設置される水力発電装置、特に、小規模な発電装置である小水力発電装置等の水力発電装置に関する。

水路に設置される水力発電装置は、流水のエネルギーを回転エネルギーに変換する水車、および回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電機を備え、必要に応じて、水車の回転速度を増速して発電機に伝達する増速機、および発電機を制御する制御装置が備えられる。
水車の発電効率は、水力発電の重要な課題であり、効率化して高出力化するために、例えば、固定案内羽根と回転羽根車からなるユニット軸流水車を同一軸線上に直列に配置し、複数台のユニット軸流水車の軸出力による発電を、提供するものがある（例えば、特許文献１）。

特開２００１－２２１１４１号公報

前記従来技術は、軸流水車を同一軸線上に直列に配置したものであり、その実施例とし
て、並列に配置した例も提示してある。この従来技術は、大量生産した水車を組合せることにより、製造能率が向上した水車を適用できるようにすると共に、水管内で水力損失も少ない水力発電装置の提供を目的にしている。

しかし、前記従来技術は、前述のように水管内での使用に関する発明であり、開水路での適用は想定されていない。即ち、開水路では水車を設置することに依って、これが堰として作用し、結果、水車前方（水車の上流側を言う）の水位上昇を起こすが、前記従来技術ではこのような水位上昇は想定していない。閉水路である水管では、水は全て流される。一方、開水路では、水位上昇による水路からの溢水が必ず問題となる。

この発明の目的は、開水路に設置される水車において、効率の良い発電が可能で、溢水を低減できる高効率の水力発電装置を提供することである。

この発明の水力発電装置は、水車が開水路に設置される水力発電装置であって、
２台以上の前記水車が前記水路の同一の横断面上で水路幅方向に並列に配置され、次式（１）によって示される前記流水の通過率が、２０～６０％未満である。
流水の通過率＝｛（水路断面積－水車翼面積）／（水路断面積）｝×１００
・・・（１）
ここで、「水路断面積」は、溢水を生じない最大水位における流水が流れる範囲の断面積（水車翼面積を含む）

一般に、等流速の用水路において、水車の発電量は、環境条件（流速、水位）で決まっており、高効率な発電量を得るには、水車構成品の見直しを検討していた(例えば、翼エネルギー損失、機械損失、電気・制御系の損失の向上)。
しかし、流水の通過率(以下、通過率)を適用した水車配置をすることで、発電効率が向上する。
例えば、(通過率が大きい水路で)水車1台を設置した発電量と、(通過率を狭め、発電量が高効率となるよう)複数台水車を並列に設置した場合、水車1台当たりの発電量を比べると後者の方が高くなる。
これは、通過率が大きい場合、水車近傍の速度エネルギーを発電量として活用するだけで、水車から離れた速度エネルギーは、発電量に活用されず、通過していき、効果的な速度エネルギーを取り出していない。
一方、水車が複数台となることで、水路断面の抵抗体(堰、ダム等に相当)として増加し、流水の前記式（１）で示される「通過率」が減少する。水車が抵抗体となるため、水流が堰き止められ、水車前方の位置エネルギーが増加する。結果、水車が受ける速度エネルギーが増加し、発電量が増加する。ただし、発電量の効率化は、水車が抵抗体(堰、ダム等に相当)となるため、水車前方の水位上昇とトレードオフである。水位上昇が超過すると溢水となるため、注意が必要となる。
以上、定常状態（流速、水位の変動は有るが、所定の範囲内で維持された状態）において、高効率な発電量を取得するには、通過率を制御することにより可能である。
試験の結果、前記通過率が２０～６０％未満であると、定常状態において、効率良く発電させることができることがわかった。
通過率が６０％以上の場合、発電量の効率化が図れなかった。流水の通過率が２０％未満であると、ボトルネック状態が発生し、水位が上昇傾向になるため、溢水を考慮すると好ましくない。

この発明において、前記各水車が、水車翼を前記水路内の流水に漬かる姿勢と漬からない姿勢とに昇降させる昇降機構を個別に有していてもよい。
水車を設置した場合、堰き止め効果により溢水のリスクも上昇するため、非定常状態
（集中豪雨等）となる水位上昇時の対処が必要である。
従来は、集中豪雨等で水位が急激に上昇した場合、水車を引き上げることで溢水を防いでおり、この時発電量は“０”となっていた。しかし、この発明では、２台以上の水車を並列で水路に設置しており、個別に昇降機構を有しているため、水位上昇の状況を見て、一部の水車翼を水路に漬かる状態に残し、継続して発電でき、機会損失を抑えられる。水位上昇を、上記の状況では堰として作用する水車を引き上げることにより低下させるため、非定常時も電気エネルギーを得ることができる。
例えば、３台の水車を並列に水路に設置する場合では、水車は個々に昇降機構を装備しているため、水位の上昇状況によって、引き上げる水車の調整（中央１台または、両サイド２台のみ引き上げ）が可能となり、より効率的に電気エネルギーを得ることができる。このように、水位上昇時に非常事態を回避しつつ発電できる。

この発明において、前記水路における前記水車が位置する前記横断面上に、水路断面を減少させる水路断面積調整用部材を設けてもよい。
水路断面積調整用部材を設けることで、通過率が好ましい範囲の中でも、より好ましい範囲に調整してより一層高効率とすることができる。

この発明において、流水式であって、水車翼がプロペラ形状であってもよい。

この発明の水力発電装置は、水車が開水路に設置される水力発電装置であって、２台以上の前記水車が前記水路の同一の横断面上で水路幅方向に並列に配置され、通過率を２０～６０％未満としたため、効率の良い発電が可能で、溢水を低減できる高効率の水力発電装置となる。

この発明の第１の実施形態に係る水力発電装置の正面図である。 同水力発電装置の平面図である。 同水力発電装置の片方の水車を引き上げた状態を示す正面図である。 同水力発電装置の側面図である。 同水力発電装置の水車を引き上げた状態を示す側面図である。 水力発電装置の通過率と発電比との関係例を示すグラフである。 この発明の他の実施形態に係る水力発電装置の平面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る水力発電装置の、中央の水車だけを引き上げた状態を示す正面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る水力発電装置の平面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る水力発電装置の正面図である。

この発明の第１の実施形態を図１～図６と共に説明する。この実施形態は、流水式の水力発電装置である。
図１において、水路１に、２台の水車２，２が水路１の同一の横断面上で水路幅方向に並列に配置されている。水路１は、開水路であり、農業用水路若しくは工業用水路等の用水路、上下水道、または小河川などからなる。水路１は、この例では底壁部１ａと両側の側壁部１ｂ，１ｂとがコンクリート壁等で構成され、横断面形状が矩形とされている。
なお、図2は断面図ではないが、側壁部１ｂ，１ｂにハッチングを施してある。

水路１に掛け渡して形鋼等からなる架設枠体３が設けられ、この架設枠体３と両側の側壁部１ｂ上とに渡って各水車２が設置されている。
図１において、各水車２は、架設枠体３上に設置された一対の軸受ユニット４，４に両端が支持された回転軸５に回動架台７が固定されていて、この回動架台７から垂下する垂下部材である支柱８の下端に、ギヤボックス９（図４参照）を介して水車翼１０が設けられている。水車翼１０は、プロペラ形状であって、放射状に延びる複数枚（図示の例では５枚）の羽根１０ａを有し、中心部の翼軸（図示せず）が前記ギヤボックス９に回転自在に支持されている。前記翼軸は、ギヤボックス９内の一対の傘歯車（図示せず）を介して支柱８内の回転伝達軸（図示せず）に回転伝達可能に連結されている。前記回転伝達軸の上端は、前記回動架台７に設置された発電機１１の入力軸に接続されており、水車翼１０の回転が前記回転伝達軸を介して発電機１１のロータ（図示せず）に伝達される。発電機１１のロータと前記回転伝達軸との間に増速機（図示せず）が介在していてもよい。発電機１１は、同期型または誘導型の交流発電機である。

各水車２，２に対して個別に昇降機構１２，１２が設けられており、これら昇降機構１２により、水車翼１０が水路１内の流水に漬かる定常姿勢（図１、図２、図４に示す姿勢）と漬からない退避姿勢（図３の左側部分、図５に示す姿勢）とに昇降させられる。
昇降機構１２は、ハンドル１２ａと、ハンドル１２ａの回転を減速する減速機１２ｂとを有し、減速機１２ｂの出力軸が、前記水車２および発電機１１を搭載した回転架台７に固定状態の前記回転軸５に連結されている。なお、昇降機構１２には、水車２を前記定常姿勢と前記退避姿勢とで姿勢固定するストッパ等の姿勢固定手段（図示せず）が設けられている。
水車２の昇降機構１２は、上記のように減速機１２ｂに連結した回転軸５に水車２の回転架台７が固定されており、ハンドル１２ａを回すと回転軸５を中心に水車２の位相が変化でき、水面Ｓから昇降できる（図１参照）。
昇降機構１２は、この実施形態ではハンドル１２ａの操作による手動式としたが、モータ等の駆動源を備えた駆動式としてもよい。

この実施形態の水力発電装置は、前記構成であって、次式（１）で示される通過率が、２０～６０％未満（２０％以上、６０％未満）とされている。
流水の通過率＝｛（水路断面積－水車翼面積）／（水路断面積）｝×１００
・・・（１）
ここで、「水路断面積」は、溢水を生じない最大水位における流水が流れる範囲の断面積（水車翼面積を含む）
通過率の範囲は、より好ましくは、２０～５０％、さらに好ましくは２０～３１％である。

上記構成の作用を、試験結果と共に説明する。
上記構成によると、水車２が開水路である水路１に設置される水力発電装置であって、２台以上の前記水車２が前記水路１の同一の横断面上で水路幅方向に並列に配置され、前記の式（１）で規定される通過率を２０～６０％未満としたため、開水路１に設置される水車において、以下の試験例から分かるように効率の良い発電が可能で、溢水を低減できる高効率の水力発電装置となる。
また、各水車２が、水車翼１０を水路１内の流水に漬かる姿勢と漬からない姿勢とに昇降させる昇降機構１２を個別に有しているため、水位上昇の状況を見て、一部の水車翼１０を水路１に漬かる状態に残し、継続して発電できる。すなわち、水位の上昇を、上記のような状況では堰として作用する水車２を引き上げることにより低下させるため、非定常時も電気エネルギーを得ることができ、機会損失を抑えられる。

以下、試験結果を説明する。
表１に、農業用水路Ａで、水車の実証試験を行った結果を示す。試験は、幅２．１ｍの水路１に前記構成の水車２である評価水車（翼径０．９ｍ）を１台投入し、水車２の運転条件を変えて諸データ（流速、水位、発電量）を採取した。

表１より、水車無しの水路（無負荷水路）に水車２を投入することで、流速が若干遅くなり、それに応じて水位は上昇したが、水車２の制御状態（最大回転速度状態、停止状態、最大発電状態）の違いによる差は殆ど無く、最大発電時の電力は３０７Ｗであった。この結果は、「課題を解決するための手段」の項で記述したように、効果的に流水のエネルギーを取り出している状態では無いことを示している。
なお、この時の前記式（１）で示される通過率は、６１％であった。

表２は、表１で試験した水路１で、評価水車を１台追加し、計２台を図１のように並列にして同様の評価を行った結果である。

表２に示すように、水車２の前記制御状態（最大回転速度状態、停止状態、最大発電状態）の違いによる差が認められ、水車無し水路に対して最大発電時で最も変化が大きく、水車前方の水位は０．１ｍ（＝０．８３ｍ－０．７３ｍ）上昇した。この時の水車１台当たりの発電電力は３５３Ｗで、通過率は２７％であった。流水通過率の減少により発電電力は増加し、１台投入時に対し、約１５％向上した。

このように、通過率を減少させることは発電量の向上に繋がるが、水路によっては、翼径が大きい水車で対応させようとすると、水路断面形状または水位の制約を受け、状況によっては、水車翼１０の上部が水面から露出してしまうため、通過率を小さくすることが難しい。故に、今回、実証試験をした農業用水Aでは、翼径１．００ｍ以下の比較的翼径が小さい水車２を２台以上投入して、通過率を減少させる構成を取ることが望ましい。

図６に、前記試験結果を、通過率と発電比の関係で示す。また、図７に透過率と発電効率の関係を示す。
ここで、発電比とは、発電量に変化がなく、通過率に寄与しない通過率６０％以上の発電量を基準とし、基準に対する通過率６０％未満の発電量の比率を定義する。同図に示すように、通過率６０％を変曲点として、通過率が上昇しても発電比は「１」に収束している。
通過率と発電比の関係は、通過率を減少させると、水車翼１０の堰き止め効果で増加した速度エネルギーが、水路１を狭められたために高められた流速を水車翼１０が受けて、発電量が増加する。
通過率を増加させると、水車翼１０の堰き止め効果が減少し、速度エネルギーが、水流が通過し易い空間（水路両サイド）へ流れ、発電量は減少する。通過率６０％以上の場合、水車翼１０の堰き止め効果の影響はなく、発電量の変化がない。そのため、通過率６０％以上の発電量を発電比１として、通過率と発電比の関係は図６に示す曲線となった。図６は、水路１に水車２を複数台並列に並べて、通過率を変化させた発電結果である。

通過率に関しては、０％では堰き止めたことと等価になり、溢水してしまうため適用できないことは勿論であるが、通過率が２０％を切るとボトルネック状態が発生し、水位が上昇傾向になるため溢水を考慮すると好ましくない。この範囲を図６に「溢水考慮範囲」として示す。
一方、発電比１以上である通過率は６０％未満程度までから発電量の向上が認められるため、２０％～６０％未満の範囲にあると効果が得られる（図６の(1) の高効率範囲）。通過率２０～５０％（図６の(2)の範囲）は、発電比増加が顕著に見られる。

例えば、表３に示すように通過率６１％の発電量３０７Ｗを発電比１とした場合、年間発電量は２６８９ｋＷｈである。通過率５０％の発電量３１６Ｗで発電比１.０３であり、年間発電量は２７６８ｋＷｈである。発電比の差異は僅かであるが、水車は、風車と比較して、エネルギー源である流量の変動が少なく、２４時間、比較的安定的なエネルギー供給をすることができる。そのため、通過率２０～５０％の範囲で僅かな発電比の増加であっても、年間発電量に換算すると大きなエネルギーを得ることができる。

また、通過率２０～５０％の範囲の中でも、好ましい範囲は、発電比が１．１以上となる通過率２０～３１％（図６(3) ）となり、略２５％で効果が大きくなる。
これは、流水が最適な通過率の範囲にあると、水車が「発電」の役割と、「堰き止め」による位置エネルギーを増加させる効果を発揮するためである。勿論、通過率を調整するために、例えば図８に示すように、水路壁に断面積減少用の水路断面積調整用部材２１を適用しても良い。水路断面積調整用部材２１は、例えば水車２と同じ横断面に配置したプレートとする。水路断面積調整用部材２１は、例えば水路１の底面から上縁に渡って設けるが、水路深さ方向の一部のみに設けてもよい。水路断面積調整用部材２１を固定状態に設けた場合は、前記式（１）の「水路断面積」は、水路断面積調整用部材２１を設けた断面、つまり水路断面積調整用部材２１によって狭まった断面積とする。水路断面積調整用部材２１を開閉または開度調整を可能とした場合は、平時の水路断面積調整用部材２１の使用状態における水路断面積を前記式（１）の「水路断面積」とする。

なお、発電比１は、水車２は抵抗体（堰）として作用するが、通過率が大きいため、「水の流れ」は容易に方向を変えられる（堰を避ける）状況での発電量であり、積極的に流水を水車２の回転に利用しない状況、すなわち流水のエネルギーから電気エネルギーへの変換率が最小の状態であり、具体的には、水車２を水路１に１台投入した通過率６１％、発電量３０７Ｗを指す。

図６に示すように、通過率が２０％を切ると発電量は得られるが、溢水が懸念されるため、適用できない。結果、効率の良い発電量が得られる通過率は２０％～６０％未満となる。

以上のように、前記構成とすることにより、定常状態の水路で、通過率を用いると高効率な水車形態を創出可能となる。

一方、この実施形態は、通過率を減少させると発電比が増加するため、通過率を減少させることは水位上昇とトレードオフとなる。そのため、集中豪雨等短時間に水位が上昇する非定常時においては、従来は水車を引き上げていたが（発電は“０”となる）、水路１に於ける水車２の配置構成を並列で２台以上とし、個々に昇降機構１２を装備しているため、発電の機会損失を抑えることが出来る。すなわち、２台の場合、１台は引き上げ、他の１台は発電させた状態にしておくことも出来るため、利用者にとっては都合が良い。

さらに、図８に示すように、水車２が３台並列で配置されている場合は、同図のように中央の水車２を引き上げるか、または、両サイドだけの水車２，２を引き上げることで、制御でき、発電の機会損失は一層減少する。

また、図１０に示すように、各水車２に装備している昇降機構１２をモータ２５等の駆動源で昇降させる構成とし、水位センサ２６と連携して水位が上限設定水位に達すると水車２の引き上げを行い、使用可能設定水位まで低下すると水車２を昇降させる制御装置２７を設ければ、水車２の昇降をタイミング良く制御が出来る。

なお、図９に示すように、水車２を水路幅方向に２台並列に配置した水車を、水流方向に複列に直列で設置してもよい。
この場合、水流方向の前後に水車２が位置するため、流速が低下する。そのため、水路条件によって発電量は異なるが、発電比と通過率の関係は、水路断面に対する通過率であるため、水流方向に１列のみとした場合と、個々の水車並列配列体において変わらない。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…水路
２…水車
３…架設枠体
４…軸受ユニット
５…回転軸
７…回動架台
８…支柱
９…ギヤボックス
１０…水車翼
１１…発電機
１２…昇降機構
１２ａ…ハンドル
２１…水路断面積調整用部材

Claims (3)

1. 水車が開水路である水路に設置される水力発電装置であって、
   ２台以上の前記水車が前記水路の同一の横断面上で水路幅方向に並列に配置され、次式（１）によって示される通過率が、２０～６０％未満であり、前記各水車が、水車翼を前記水路内の流水に漬かる姿勢と漬からない姿勢とに昇降させる昇降機構を個別に有し、前記各水車に装備している前記昇降機構を駆動源で昇降させる構成とし、水位センサと連携して水位が上限設定水位に達すると前記水車の引き上げを行い、使用可能設定水位まで低下すると前記水車翼が流水に漬かる姿勢に前記水車を昇降させる制御装置を備える水力発電装置。
   流水の通過率＝｛（水路断面積－水車翼面積）／（水路断面積）｝×１００
   ・・・（１）
   ここで、「水路断面積」は、溢水を生じない最大水位における流水が流れる範囲の断面積（水車翼面積を含む）
2. 請求項１に記載の水力発電装置において、前記水路における前記水車が位置する前記横断面上に、水路断面を減少させる水路断面積調整用部材を設けた水力発電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の水力発電装置において、流水式であって、水車翼がプロペラ形状である水力発電装置。
   

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