(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の発電用水車と前記第１の発電用水車に発電用の水を導く導水管と前記第１の発電用水車を収容する建屋とを備える本体水力発電所の発電以外の目的に用いられる水を利用して発電する小水力発電システムであって、
前記建屋の敷地内で前記導水管から分岐し、少なくとも前記第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑、又は封水する水を流す分岐水路と、
前記分岐水路の前記第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑、又は封水する部分より上流に位置するように前記分岐水路に設けられた第２の発電用水車と、
前記第２の発電用水車により駆動されて発電する発電機と、
を備え、
前記分岐水路を流れる水の圧力を設定する水圧設定設備が、前記第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑、又は封水する部分より上流で且つ前記第２の発電用水車より下流に位置するように前記分岐水路に設けられており、
前記水圧設定設備は、前記分岐水路の分岐位置よりも高い位置に設けられた、大気に連通する貯水槽である、小水力発電システム。
【請求項２】
前記第２の発電用水車は前記水力発電所の敷地内に位置する、請求項１に記載の小水力発電システム。
【請求項３】
前記第２の発電用水車は前記建屋の敷地内に設けられている、請求項１又は２に記載の小水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小規模な水流を利用した小水力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然を破壊することなく環境に配慮した再生可能エネルギーとして、中小河川、用水路等の様々な水流を利用して小規模な発電を行う小水力発電が注目されている。例えば、特許文献１では水力発電所等の冷却水放水路内の水流を利用して発電する小水力発電システムに関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−４３１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記小水力発電システムの設置場所は、既存の発電所等の冷却水放水路内に限定されている。
【０００５】
一方、一般に、ダムや大規模な水源を利用して発電を行う水力発電所では、発電用の水が流れる水圧管（導水管）から分岐して水を引き、この水を発電所の機械設備等の冷却水、潤滑油冷却水、封水、水車の水中軸受用冷却剤、雑用水等の発電以外の目的に利用した後、放水口から河川に戻している。しかしながら、これらの水は水圧鉄管から分岐して取水しているため、それぞれの目的以上の水エネルギーを持っている。また、特定の目的（用途）においては、この水エネルギーを減圧器によって水圧を低下させることによって減少させて、当該水をそれぞれの目的に利用している。
【０００６】
そこで、本発明は、導水管から分岐して発電以外の目的に用いられる水を有効利用して発電する小水力発電システムを提供することを第１の目的としている。
【０００７】
また、本発明は、導水管から分岐して発電以外の特定の目的に用いられる水を有効利用して発電するとともに当該水の圧力を低下させる減圧器を省略し又は軽減することが可能な小水力発電システムを提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明のある態様に係る小水力発電システムは、  第１の発電用水車と前記第１の発電用水車に発電用の水を導く導水管と前記第１の発電用水車を収容する建屋とを備える本体水力発電所の発電以外の目的に用いられる水を利用して発電する小水力発電システムであって、前記建屋の敷地内で前記導水管から分岐し、少なくとも前記第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑、又は封水する水を流す分岐水路と、
前記分岐水路の前記第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑、又は封水する部分より上流に位置するように前記分岐水路に設けられた第２の発電用水車と、前記第２の発電用水車により駆動されて発電する発電機と、を備え、前記分岐水路を流れる水の圧力を設定する水圧設定設備が、前記第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑、又は封水する部分より上流で且つ前記第２の発電用水車より下流に位置するように前記分岐水路に設けられており、前記水圧設定設備は、前記分岐水路の分岐位置よりも高い位置に設けられた、大気に連通する貯水槽である。ここで、「建屋の敷地」とは、建屋を設けるための土地を意味する（例えば、広辞苑第五版（１９９８年１１月１１日発行）参照）。従って、「建屋の敷地内で分岐する」とは、平面視において、建屋が占める土地の中で分岐することを意味し、建屋の内部で分岐する態様、建屋の地下で分岐する態様、及び建屋の屋上又は建屋の上空で分岐する態様を含む。
【０００９】
上記構成により、従来、分岐水路を流れて第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑又は封水する水の水頭（水力エネルギー：位置エネルギー及び運動エネルギー）は廃棄又は浪費されていたが、これを発電に有効利用できる。特に、第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑又は封水する水は、本体水力発電所の発電以外の目的に用いられる水に占める割合が大きいので、有効利用効果が大きい。そして、第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑又は封水する水は、一般に、軸受けが受ける水圧を軽減するための水圧設定設備（減圧器、大気に連通する貯水槽等）によって減圧されるが、第２の発電用水車を分岐水路の第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑又は封水する部分より上流に設けると、第２の発電用水車を駆動することによって分岐水路を流れる水の圧力が低下するので、水圧設定設備を省略し又は水圧設定設備の負担を軽減することができる。さらに、分岐水路は、建屋の敷地内で導水管から分岐するので、分岐水路を流れて第２の発電用水車を駆動する水は、最大で導水管を流れて第１の発電用水車を駆動する水の水頭に近い水頭を有することになるので、発電への有効利用効果が大きくなるとともに水圧設定設備の負担の軽減効果が大きくなる（水圧設定設備の省略も含む）。また、上記構成により、第２の発電用水車の下流に位置する水圧設定設備に加わる水圧が減るので、水圧設定設備の負担が軽減される。さらに上記構成により、貯水槽が設けられる位置を低くし、あるいは貯水槽からオーバフローする水の量を低減することができる。
【００１０】
上記第２の発電用水車は前記水力発電所の敷地内に位置してもよい。ここで「水力発電所の敷地」とは、水力発電所を設けるための土地又は水力発電所が占める土地を意味する（例えば、広辞苑第五版（１９９８年１１月１１日発行）参照）。
【００１１】
上記構成により、分岐水路を流れて第２の発電用水車を駆動する水は、ほぼ、導水管を流れて第１の発電用水車を駆動する水の水頭に近い水頭を有することになるので、発電への有効利用効果が大きくなるとともに水圧設定設備の負担の軽減効果が大きくなる（水圧設定設備の省略も含む）。
【００１２】
上記第２の発電用水車は前記建屋の敷地内に設けられていてもよい。この構成により、より大きな発電への有効利用効果と水圧設定設備の負担の軽減効果が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、以上に説明した構成を有し、導水管から分岐して発電以外の目的に用いられる水を有効利用して発電する小水力発電システムを提供できるという効果を奏する。
【００１８】
また、本発明は、導水管から分岐して発電以外の特定の目的に用いられる水を有効利用して発電するとともに当該水の圧力を低下させる水圧設定設備を省略し又は軽減することが可能な小水力発電システムを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る小水力発電システムを設置する本体水力発電所の構成を示す概略図である。
【図２】図１の本体水力発電所における小水力発電システムを説明するための概略図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。
【図５】本発明の実施の形態４に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。
【図６】本発明の実施の形態５に係る小水力発電システムを設置する本体水力発電所の構成を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。
【図８】本発明の実施の形態６に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る小水力発電システムを設置する本体水力発電所の構成を示す概略図である。以下では、本実施の形態に係る小水力発電システムと区別するために本体水力発電所１００と称する。図１に示す本体水力発電所１００は、例えばダムや大規模な水源を利用して発電を行う一般的な水力発電所とする。本体水力発電所１００は、ダム式、水路式、及びダム水路式のいずれであってもよい。なお、ダム式は河川の自然流で発電する自流式、揚水で発電する揚水式、及び両者を併用する自流揚水併用式のいずれであってもよい。また、本体水力発電所１００は、図１では、例えば地上に建設された地上式発電所であるが、これらを地下空間に収めた地下式発電所であってもよい。１はサージタンク、２は水圧管、３は本体水力発電所１００の建屋（以下では、本体建屋と称する）、４は放水路を示している。なお、水圧管は、発電用水を発電用水車に導く導水管の別称である。導水管は、ダム式、水路式、ダム水路式の別、及び地上式、地下式の別を問わず、発電用水を発電用水車に導く管路をいう。また、建屋３は、地上に設けられた家屋で構成されるものと、地下に設けられた地下空間で構成されるものと、両者を併用するものとを含む。
【００２２】
サージタンク１は、例えば、図示しない圧力導水路と水圧管２との接合部に設けられる施設であり、水圧管２の始点に設けられる水槽である。サージタンク１は省略される場合もある。
【００２３】
水圧管２は、サージタンク１から本体建屋３内の発電用水車に水を導く導水管である。サージタンク１に溜められた水は、これより本体建屋３まで至る急斜面を水圧管２によって導かれる。水圧管２は高い水圧が加わるため、ここでは耐性のある鋼鉄製の水圧鉄管とする。その他、水圧管２はコンクリート製や耐候性、耐熱性等に優れた繊維強化プラスチック製等であってもよい。
【００２４】
本体建屋３は、後述する第１の発電用水車及び発電機の他に、補機類、制御装置等を収容している。ここでは一般的な屋内式建屋とするが、水車発電機を屋外に設置した屋外式建屋であってもよい。
【００２５】
放水路４は、発電に利用した水や、本体建屋３内の機械設備等の冷却水、封水、水車の水中軸受用冷却剤、雑用水等として利用した水を放水口に導く水路で、放水口から水を河川に排出する。
【００２６】
本実施の形態に係る小水力発電システムは、図１の本体水力発電所１００において発電以外の目的に用いられる水を利用して発電する。
【００２７】
本発明者は、本体水力発電所１００における水力エネルギーの有効利用を図るために、発電所敷地内（構内）において最も効果の期待できる小水力発電システムの設置場所について検討した。そして、従来、分岐水路を流れて第１の発電用水車の軸受けを冷却、潤滑又は封水する水の水頭（位置エネルギー及び運動エネルギー）は廃棄又は浪費（例えば減圧器によって浪費）されていた点に着目した。
【００２８】
そこで、本体建屋３内の水車発電機近傍の分岐水路に小水力発電システムを設置すれば、水力エネルギーを効率的に有効活用できるという知見を得るに至った。具体的な設置位置について以下に説明する。
【００２９】
図２は、図１の本体水力発電所１００の本体建屋３内における小水力発電システムを説明するための概略図である。図２に示すように、本体建屋３内には、水圧管２の下端部と、一次分岐水路５と、二次分岐水路５ａと、第１の発電用水車６と、発電機７と、ストレーナ８、減圧器９、小水力発電システム１０が設置されている。
【００３０】
一次分岐水路５は、水圧管２の途中から分岐された配管（水路）であり、第１の発電用水車６の軸受けを冷却、潤滑、又は封水する水を流す。ここで、重要なことは、一次分岐水路５が、本体建屋３の敷地内で水圧管２から分岐する点である。これにより、一次分岐水路５を流れて第２の発電用水車を駆動する水は、水圧管２を流れて第１の発電用水車６を駆動する水の水頭に近い水頭を有することになるからである。第１の発電用水車６の軸受け６ａには、軸受けを潤滑油によって潤滑するとともに水によって冷却する油潤滑タイプと、軸受けを水によって潤滑するとともに冷却する水中軸受けタイプと、軸受けを発電用水で潤滑するとともに当該潤滑用の発電用水を封止用の水で封止する封水タイプと、がある。これら３つのタイプの軸受けは周知であるので、その詳しい説明を省略する。一次分岐水路５が流す水は、第１の発電用水車６の軸受け６ａの上述のタイプに応じて、冷却、潤滑及び冷却、又は封水に用いられる。なお、一次分岐水路５の第１の発電用水車６の軸受け６ａを冷却する部分とは、軸受け６ａを潤滑する潤滑油を冷却する部分、軸受け６ａ自体を冷却する部分、又は発電用水を封止用の水で封水する封水部分、又はこれらの全ての部分を含む。一次分岐水路５は、その途中に設置されたストレーナ８と減圧器９とを経た後、更に分岐される。具体的には、一次分岐水路５からは、例えば、発電機７の軸受け７ａの冷却（又は潤滑及び冷却）等に用いる水を流す二次分岐水路５ａが第１の発電用水車６の軸受け６ａを冷却、潤滑、又は封水する部分より分岐している。
【００３１】
第１の発電用水車６は、その出力軸が発電機７に直結されるとともに羽根部が水圧管２に接続され、水圧管２から流れてくる水の水力エネルギーを回転エネルギーに変換する。
【００３２】
発電機７は、水車６から伝達されてきた回転エネルギーで電気を発生させる。発電機７には、ここでは二次分岐水路５ａを通じて発電機７の軸受け７ａを冷却する冷却水が供給される。発電機７に供給された冷却水は、その後、放水路４を通じて本体建屋３外に放出される。（図２において点線で示した経路）。尚、第１の発電用水車６及び発電機７は水圧管２に対して各一台設置されているが、複数台の発電用水車及び発電機が設置されてもよい。
【００３３】
ストレーナ８は、一次分岐水路５に設置され、配管中を流れる水から塵芥を除去する。ここでは、一次分岐水路５において第１の発電用水車６の軸受け６ａを冷却、潤滑、又は封水する部分及び減圧器９よりも上流に設置されている。
【００３４】
減圧器９は、一次分岐水路５に設置され、その水圧を減圧して調整（設定）する。ここで、減圧器９は、例えば圧力調整弁、開閉弁、減圧装置等により構成される。ここでは一次分岐水路５において第１の発電用水車６の軸受け６ａを冷却、潤滑、又は封水する部分よりも上流に設置されている。なお、小水力発電システム１０を設けたことにより、減圧器９を省略してもよい。
【００３５】
小水力発電システム１０は、第２の発電用水車１１と、第２の発電用水車１１により駆動されて発電する発電機１２とを備える。第２の発電用水車１１及び発電機１２は公知のものを用いることができるので、その説明を省略する。本実施形態では、小水力発電システム１０は、例えば水車と発電機が一体になった公知の水車発電機ユニットを備えた小水力発電システムとする。小水力発電システム１０の定格発電電力は任意であり、特にいわゆる小電力には限定されない。
【００３６】
小水力発電システム１０の第２の発電用水車１１は、一次分岐水路５における第１の発電用水車６の軸受け６ａを冷却、潤滑、又は封水する部分より上流部分に設けられる。
【００３７】
上記構成により、従来、分岐水路を流れて第１の発電用水車６の軸受け６ａを冷却、潤滑、又は封水する水の水頭を発電に有効利用できる。特に、第１の発電用水車６の軸受け６ａを冷却、潤滑、又は封水する水は、本体水力発電所１００の発電以外の目的に用いられる水に占める割合が大きいので、有効利用効果が大きい。
【００３８】
そして、小水力発電システム１０を一次分岐水路５の第１の発電用水車６の軸受け６ａを冷却、潤滑、又は封水する部分より上流に設けると、小水力発電システム１０を駆動することによって一次分岐水路５を流れる水の圧力が低下するので、当該軸受け６ａが受ける水圧を軽減するための減圧器９の負担を軽減し又は減圧器９を省略することができる。
【００３９】
更に、小水力発電システム１０を、一次分岐水路５の本体発電所１００の第１の発電用水車６を収容する本体建屋３の敷地内に位置する部分に設けると、一次分岐水路５を流れて小水力発電システム１０を駆動する水は、水圧管２を流れて第１の発電用水車６を駆動する水の水頭に近い水頭を有することになるので、発電への有効利用効果が大きくなるとともに減圧器９の負担の軽減効果が大きくなる（減圧器９の省略を含む）。
【００４０】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図３を用いて説明する。尚、実施の形態１と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。
【００４１】
図３は、本発明の実施の形態２に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。本実施の形態は、実施の形態１と比較すると、分岐水路５ａが、第１の発電用水車６の軸受け６ａを少なくとも冷却、潤滑、又は封水する水のみを流すものである点が異なる。本実施の形態では、その他の水は放水口４を通じて排水されている。これ以外の点は実施の形態１と同様である。
【００４２】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、図４を用いて説明する。尚、実施の形態１と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。
【００４３】
図４は、本発明の実施の形態３に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。本実施の形態は、実施の形態１と比較すると、小水力発電システム１０が一次分岐水路５において、減圧器９の上流且つストレーナ９の下流に設置している点が異なる。これ以外の点は実施の形態１と同様である。
【００４４】
このような構成であっても、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【００４５】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図５を用いて説明する。尚、実施の形態１と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。
【００４６】
図５は、本発明の実施の形態４に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。本実施の形態は、実施の形態３と比較すると、一次分岐水路５の一部が建屋３外に敷設され、本体建屋３外の一次分岐水路５に小水力発電システム１０を設置する点が異なる。本実施の形態では水力発電所１００の敷地内に建設された小屋２０の中に小水力発電システム１０を設置している。これ以外の点は実施の形態１と同様である。
【００４７】
本体水力発電所１００の本体建屋３内は導水管２、第１の発電用水車６及びその発電機７等の既存設備が整備されており、十分なスペースを確保できない場合及びその他の事情がある場合は本実施の形態のように小水力発電システム１０を建屋外に設けることが有用となる。但し、この場合であっても、第２の発電用水車１１が、本体水力発電所１００の敷地内に位置しているので、一次分岐水路５を流れて第２の発電用水車１１を駆動する水は、ほぼ、水圧管２を流れて第１の発電用水車６を駆動する水の水頭に近い水頭を有することになるので、発電への有効利用効果が大きくなるとともに減圧器９の負担の軽減効果が大きくなる）。
【００４８】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について、図６及び図７を用いて説明する。尚、実施の形態１と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。
【００４９】
図６は、本発明の実施の形態５に係る小水力発電システムを設置する本体水力発電所の構成を示す概略図である。図６に示すように、本体水力発電所１００の敷地内にはサージタンク１、水圧管２、建屋３、小屋２０、貯水槽１３が設置されている。
【００５０】
図７は、本発明の実施の形態５に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。本実施の形態は、実施の形態４と比較すると、一次分岐水路５の一部が建屋３外に敷設され、建屋３外の一次分岐水路５に小水力発電システム１０を設置する点は共通するが、分岐水路５における小水力発電システム１０の第２の発電用水車１１の下流に貯水槽１３が設けられている点が異なる。貯水槽１３は、大気に連通するように構成されている。
【００５１】
本実施の形態では貯水槽１３は水力発電所１００の敷地内に設置される。貯水槽１３は、適宜な高さの位置に設置される。これにより、既存の一時分岐水路５を利用しつつ発電目的以外に利用される水の圧力を調整（設定）することができる。
【００５２】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６について、図８を用いて説明する。尚、実施の形態１と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。
【００５３】
図８は、本発明の実施の形態６に係る小水力発電システムを説明するための概略図である。本実施の形態は、実施の形態５と比較すると、一次分岐水路５の一部が建屋３外に敷設され、建屋３外の一次分岐水路５に小水力発電システム１０を設置する点、及び分岐水路５の分岐位置よりも高い位置に貯水槽１３が設けられている点は共通するが、小水力発電システム１０を水力発電所の敷地内に設置された既存の貯水槽１３の手前（直ぐ上流位置）に設置する点が異なる。これにより、既存設備を利用しつつ小水力発電システム１０を設置することができる。
【００５４】
なお、実施の形態１乃至６は、互いに相手を排除しない限り、組み合わせてもよい。
【００５５】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、本体の水力発電所に設置する小水力発電システムとして有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１  サージタンク
２  水圧管
３  本体建屋
４  放水路
５  一次分岐水路
５ａ  二次分岐水路
６  第１の発電用水車
６ａ  軸受け
７  発電機
８  ストレーナ
９  減圧器
１０  小水力発電システム
１１  第２の発電用水車
１２  第２の発電機
１００  本体水力発電所
【図１】
0005506896.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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