JP6074833B2 - サイホン式マイクロ水力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、河川や貯水池に設置されるマイクロ水力発電設備に関し、サイホン効果を利用して管路に水を流すことによって生じる水流により水車を駆動させて発電を行う設備に関するものである。

近年、環境面に配慮した発電方法、発電装置等が検討されてきている。化石燃料を使用する火力発電はＣＯ_２の発生を介して温暖化に結びつく。また、ダムを必要とする大規模水力発電はダム建設に伴う環境破壊を引き起こすと共に、経済的な負担が極めて大きい。このため、現在は総発電量に占める水力発電の割合は低下している。また、原子力発電は、原子炉の稼動及び核廃棄物処理における安全対策に要する人的、経済的負担が大きい。また、太陽電池等の光エネルギーを利用するものは、発電効率が低い。

このため、自然エネルギーを利用した発電方法、例えば、風力や河川の流れを利用したマイクロ発電が見直されている。その中でも水車は小規模な発電装置の駆動源として自然環境保護の面で極めて優れたものであり、継続的にエネルギーを取得することができる。具体的には、貯水池、河川、農業用水路等では、常に所定の流量が維持されているため、水車を設置することにより安定したエネルギーを得ることが可能である。

このような身近に存在する水の位置エネルギーを利用して発電を行うことができるマイクロ水力発電設備として、例えば、高所の水を低所に導く吸い上げ管と、吸い上げ管によって生じる水の流れを回転運動に変換する変換装置と、この変換装置によって得られた回転運動を利用して発電を行う発電機とを備えたもの（特許文献１参照。）。水車に連結した吸出し管を高水位側の水を低水位側に導く放流堰に跨設して、吸出し管のサイホン作用により発電機に連動連結した水車を作動させるもの（特許文献２参照。）等が提案されている。

特開２００２−８９４２８号公報 特開２００８−８８８９６号公報

上述したいずれの設備も、吸水路にサイホンの作用を生じさせて高所から低所へと水を導くことができるので、身近に存在する貯水池等の水が有する位置エネルギーを利用して、小規模な施設で発電を行うことができる。すなわち、サイホン式の吸水路を持つ水車設備では、サイホンの効果を利用して水の流れを発生させることができるという利点がある。そこで、吸水路にいかにしてサイホン状態を形成するかが課題になるが、従来はサイホン管路頂部に溜まる空気をエジェクターや真空ポンプを用いて、また管路途中に気体排出装置を設置して配管中の空気を抜き出してサイホン状態を作っていた。

しかしながら、上記従来の方法でサイホンを形成する場合、吸込位置と吐出位置が比較的近接している必要があること、吐出位置を水没させる必要があること等、設置環境が限られてくる。また、配管中の空気を抜くため真空ポンプといった動力機器やエジェクターといった高価で複雑な補助機器の設置が不可欠になるという課題があった。 本発明は上記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、サイホンを形成する管路に溜まる空気を排出するための補助機器を不要にしてシステムの簡素化を図ることができ、吸込位置、吐出位置の状況や両者の距離などに影響を受けることなく簡単且つ安価に設置できるサイホン式マイクロ水力発電設備を提供することを目的とする。

このため本発明のサイホン式マイクロ水力発電設備は、吸水管側から貯水を吸込んで該吸水管側の吸水位置より低所に設けられた吐出管側に導くサイホン管水路と、該サイホン管水路に生じる水の流れを回転運動に変換し、この回転運動を利用して発電を行う発電機とを備えたサイホン式マイクロ水力発電設備において、前記サイホン管水路の最下部に止水用開閉弁を設け、該止水用開閉弁の吸水管側に導水管を分岐立設し、前記サイホン管水路の頂部に排気用開閉弁を設け、前記止水用開閉弁を閉じると共に該排気用開閉弁を開いた状態で、前記導水管の水位が貯水の吸込位置より高くなるまで呼水を貯留した後、前記排気用開閉弁を閉じ、前記止水用開閉弁を繰り返し開閉操作して流路内に非定常流を生じせしめながら前記サイホン管水路に水を流した後に前記止水用開閉弁を開き、サイホンの効果を利用して前記サイホン管水路に水を流通させることを第１の特徴とし、前記導水管が透明であることを第２の特徴とし、前記発電機がコアレス発電機であることを第３の特徴とする。

本発明によれば、以下の優れた効果がある。
（１）配管中の空気を抜くための真空ポンプやエジェクター等の補助機器が不要になり、設備全体の簡素化を図ることができ経済的である。
（２）吸込位置と吐出位置が低落差かつ水平方向に遠く、途中複雑な経路で流れるようなサイホン管水路では、管路頂部以外にも配管の屈曲部に空気溜まりができやすいが、弁の開閉操作のみで、この空気溜まりをなくし、サイホン管水路の流速を速くすることができて発電効率を高めることができる。
（３）発電途中においても、水流を止めることなく、開閉弁の意図的な操作により非定常流を自発的に発生させることで、導水管より管内の水柱分離した空気を強制的に排除して通水障害を防ぐことができる。また、管水路の下流側に呼び水を貯留する導水管を設けたので吐出側の管端部を水没させる必要もない。したがって、設置環境への自由度が増し、特別な機器を使用することなくサイホン現象を利用したマイクロ発電を効率的に行うことができる。さらに、流水配管路につきもののウォーターハンマー現象による流路の損傷が導水管に水が流れ込み水位が上昇することにより減圧されて発生しない。

本発明の第一の実施の形態に係るマイクロ水流発電設備の全体構成図である。 本発明に係る発電機を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第二の実施の形態に係るマイクロ水流発電設備の全体構成図である。 本発明の第三の実施の形態に係るマイクロ水流発電設備の全体構成図である。 本発明の第四の実施の形態に係るマイクロ水流発電設備の要部構成図である。 本発明の第五の実施の形態に係るマイクロ水流発電設備の全体構成図である。 本発明の第六の実施の形態に係るマイクロ水流発電設備の全体構成図である。 本発明の第七の実施の形態に係るマイクロ水流発電設備の全体構成図である。 本発明に係るマイクロ水流発電設備の施工例を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

以下、図１乃至図８を参照して、本発明に係るサイホン式マイクロ水流発電設備の実施の形態について説明する。尚、本発明が以下に記述する実施形態に限定されないことは言うまでもない。

［第一の実施の形態］
図１は本発明の一実施の形態に係るサイホン式マイクロ水力発電設備の全体構成図である。同図に示すように、この発電設備は、後述する水車２ａを備えた発電機２の吸込側に吸込管１を、吐出側に吐出管５をサイホン管水路６を介して段差を付けて接続して構成される。すなわち、高所に貯水された水Ｗ１を吸込んで低所に導くサイホン管水路６と、このサイホン管水路６に生じる水の流れを回転運動に変換し、この回転運動を利用して発電を行う発電機２とを備えている。ここで、吸込管１は、発電機２の吸込側から一旦吸込水位Ｈ１のＨＷＬ（ハイレベルウォーター；それ以上吸込水位Ｈ１が上昇しない水位）より高い位置を経由させた後に、その吸込管端部１ａを貯水池等の吸込水位Ｈ１の液面下に没するように屈曲させて構成されている。図中、１ｂは貯水Ｗ１の夾雑物を濾過するフィルターであり、本実施例では金網を使用している。

一方、サイホン管水路６の最下部となる吐出管５には第１の開閉弁４を設け、この第１の開閉弁４よりも吸水管側のサイホン管水路６から導水管３を分岐接続して立設する。そして、第１の開閉弁４を閉として、導水管３の水位が前記吸込位置Ｈ１より高くなるまで呼水Ｗ_２を注入して貯水する。その後、第１の開閉弁４を必要に応じて複数回開閉操作を繰り返えすことによって、非定常流を生じせしめながらサイホン管水路６に水を流して発電機２を稼動して発電するようにされている。すなわち、非定常流を生じさせることによってサイホン管水路６内の空気を導水管３から抜き出しながらサイホン管水路６内を水で満たしていく。そして、導水管３から空気が噴出しなくなり、サイホン管水路６内に水が充満したことを確認した後に第１の開閉弁４を最小限導水管３に水面が確認できるように第１の開閉弁の開度を調節する。したがって、導水管３は貯留水量と空気の排出具合が目視できる透明な材料により形成するのが良い。透明な導水管３使用時は排気される空気の邪魔にならない大きさのフロートを使用すると水位が認識しやすくなる。この場合、落水時サイホン管水路６にフロートが入らないようにするフロート止めを設けるのが良い。

サイホン状態の形成から発電機２の起動までの手順を詳述すると、まず、止水用の第１の弁４を閉、排気用の第２の弁７を開にする。次いで、導水管３に水を注入する（その際、水位は吸込水位Ｈ１のＨＷＬより高くする）。次いで、第２の弁７を閉、第１の弁４を開にすると吐出管５から水が抜けて導水管３内の水位が下がると同時に吸込管１から貯水を吸い込みサイホン管水路６内を水が流れ、管路の途中に設置された発電機２の水車２ａを回動させて発電機２が起動する。しかし、当初は、流路の屈曲部に空気溜まりができているので、第１の弁４を急開することにより、意図的に配管内に脈動を起こし、再び第１の弁４を開とする。この作業を繰り返すことにより、非定常流により流路内の空気溜まりは、導水管３より排出され、次第になくなり、サイホン管水路６の流速が早くなることで発電効率が上がる。また、導水管３は上端が開放され大気圧がかかっているため、この非定常流操作の際に流路に係る水圧を減衰することができる。すなわち、流水路管内に生じるウォーターハンマー現象を軽減することができる。尚、バスポンプ等を使用して導水管３に注水する場合は、配管中の空気は吸込管１から貯水中に排出されるので、第２の弁７は必ずしも必要なものでないが作業性向上のために設けることが望ましい。

図２に示すように、本実施形態において発電機２はコアレス発電機であり、円筒形のケーシング２ｂ内周面にコイル２ｃが配され、外周端部にフェライト磁石２ｄが取り付けられた水車２ａを軸支収納して構成されている。図中、２ｅは蓄電池等に発電した電力を出力するためのターミナルボックスである。尚、発電機２は、配管内の流水を受けられる位置であれば、サイホン管水路６と吐出管５の段差間又は吐出管５の任意箇所に設置されていればよく、その設置位置はとくに限定されない。

［第二の実施の形態］
次に、図３を参照して、本発明の第二の実施の形態について説明する。第二の実施の形態が第一の実施形態と異なるのは、サイホン管水路６と吐出管５の間に傾斜管路６ａを設けた点にある。この傾斜管路６ａにより流路の直角な屈曲部を減らすことで空気溜まりを減少することができる。

［第三の実施の形態］
図４は、前記傾斜管路６ａに発電機２を設置したものである。

［第四の実施の形態］
図５は、導水管３よりも吸水管側の吐出管５に発電機２を設置したものである。

［第五、第六の実施の形態］
図６は、導水管３よりも低所側の吐出管５に発電機２を設置したものである。ここで、図７に示すように、排気用開閉弁７の位置はサイホン管水路６の頂部であればどこでも良く任意に設定される。

［第七の実施の形態］
図９に示すように、導水管３の近くで取水できない場合、図８に示すように、サイホン管水路６の頂部付近に吸水開閉弁８を設けることができる。このとき、吸水側へ逆流しそうな場合には止水開閉弁９を設けても良い。

本実施の形態では、水車２ａの外周縁にフェライト磁石２ｄを備えたコアレス発電機を採用しているが、従来からの鉄心を用いた発電機でもよく、更に発電機を管路外に設置してもよい。また、水車の形式として、本実施例の軸流式以外に、ペルトン式、クロスフロー式、ターゴ式、フランシス式など、管径、水頭などの条件により適宜選択できる。

１ 吸込管
１ａ 吸込管端部
１ｂ 濾過フィルター（金網）
２ 発電機
２ａ 水車
２ｂ 発電機のケーシング
２ｃ コイル
２ｄ フェライト磁石
２ｅ ターミナルボックス
３ 導水管
４ 第１の弁（止水用開閉弁）
５ 吐出管
６ サイホン管水路
６ａ 傾斜管路
７ 第２の弁（排気用開閉弁）
８ 第３の弁（吸水開閉弁）
９ 第４の弁（止水開閉弁）
Ｗ_１ 貯水
Ｗ_２ 呼水

Claims (3)

1. 吸水管側から貯水を吸込んで該吸水管側の吸込位置より低所に設けられた吐出管側に導くサイホン管水路と、該サイホン管水路に生じる水の流れを回転運動に変換し、この回転運動を利用して発電を行う発電機とを備えたサイホン式マイクロ水力発電設備において、前記サイホン管水路の最下部に止水用開閉弁を設け、該止水用開閉弁の吸水管側に導水管を分岐立設し、前記サイホン管水路の頂部に排気用開閉弁を設け、前記止水用開閉弁を閉じると共に該排気用開閉弁を開いた状態で、前記導水管の水位が貯水の吸込位置より高くなるまで呼水を貯留した後、前記排気用開閉弁を閉じ、前記止水用開閉弁を繰り返し開閉操作して流路内に非定常流を生じせしめながら前記サイホン管水路に水を流した後に前記止水用開閉弁を開き、サイホンの効果を利用して前記サイホン管水路に水を流通させることを特徴とするサイホン式マイクロ水力発電設備。
2. 前記導水管が透明であることを特徴とする請求項１記載のサイホン式マイクロ水力発電設備。
3. 前記発電機がコアレス発電機であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のサイホン式マイクロ水力発電設備。

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