(57)【要約】【課題】大きな運動エネルギーを持っている山岳頂上部からの流下水を取水して流下抵抗少なく発電用水車に導入できるようにし、中容量以下の発電に資する流水を生成できるようにする。【解決手段】山岳の沢等の流水の上部から取水して下部に設置した発電用水車の運転に必要な流水として導入する水力発電用導水路である。その導水路は、少なくとも一部を傾斜配置し、該傾斜配置部により前記取水した流水を低速流水から高速流水に変換してから前記発電用水車に導入する。また、導水路の横断面方向の内周は、そこを通過する前記流水の流速に逆比例して小さくなるように設定し、流水の分散を防止する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
山岳の上部の流水を取水して下部に設置した発電用水車の運転に必要な流水として導入する水力発電用導水路であって、
少なくとも一部を傾斜配置し該傾斜配置部により前記取水した流水を低速流水から高速流水に変換してから前記発電用水車に導入することを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項２】
請求項１に記載の水力発電用導水路において、
各部の横断面方向の内周は、そこを通過する前記流水の流速に逆比例して小さくなるように設定されていることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の水力発電用導水路において、
下流に向かうにしたがって複数の流水を合流して１つの流水に集めるように形成されていることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の水力発電用導水路において、
床面が低摩擦抵抗性素材で形成され、側壁が水の染み出る親水性素材で形成されていることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項５】
請求項１、２又は３に記載の水力発電用導水路において、
地表から浮いた空中導水路を少なくとも一部に有することを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項６】
請求項１、２、３又は５に記載の水力発電用導水路において、
前記山岳部の高所に降った雨水あるいは融雪水を集める集水路を設け、該集水路で集めた流水を前記上端に導入することを特徴とする水力発電用導水路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、山岳の上部の流水（例えば沢）を取水して下部に設置した発電用水車の運転に必要な流水として導入する水力発電用導水路に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、世界的な環境問題として、エネルギーの脱ＣＯ２化が叫ばれ、クリーンエネルギーとしての新エネルギーの開発が急がれている。そのひとつとして、太陽光発電が実用化されつつある。ところが、太陽光発電方式は、広大な砂漠を擁する国には適するが日本には適さない。最も大きな理由は、この技術を展開する土地がないことである。これを日本で実施すれば、自然破壊や生活様式の大変化を招き、電力料金が高騰する。
【０００３】
ところで、日本は広大な太平洋と日本海に挟まれた小島国であり、国土は８０[％]が山林で平野はわずか２０[％]である。日本は地球の自然運動サイクルの結果、海洋エネルギーに恵まれ、高湿、多雨の気候であり、水力発電には適した条件を備えている。このとこから、水力発電はクリーンエネルギーとして、太陽光、風力、潮力等による発電に比べて、注目すべきである。
【０００４】
ここで、我が国の発電電力量を概観してみると、２００９年度版のエネルギー経済統計要覧に記載の２００７年度の総発電電力量は１２０００億[ｋＷｈ]であり、その内訳は、
水力（７％）      ：    ８４０億[ｋＷｈ]
火力（７０％）    ：  ８４００億[ｋＷｈ]
原子力（２２％）  ：  ２６４０億[ｋＷｈ]
その他（１％）    ：    １２０億[ｋＷｈ]
となっている。火力や原子力は伸びているが、水力は発電量がほぼ一定となって伸びていない。その理由は、水力発電所の大規模な開発地点はすでに開発済みであり、中小規模の地点しか残されていないからである。
【０００５】
このように、国土が狭小なため、日本では、水力発電用に適する大河がない。世界の大河としては、例えば、アメリカではミシシッピー河があり、その上流のミズーリ河と合わせると、その全長は約６０１９[ｋｍ]、流域面積が約３２５万[ｋｍ２]である。また中国では揚子江があり、その全長は約６３８０[ｋｍ]、流域面積は約１１７万[ｋｍ２]である。これらに対して、日本の全国土面積は約３７万[ｋｍ２]であり、ミシシッピー河や揚子江の流域面積にも及ばない。日本で最大の河川である利根川でも、全長は約３２２[ｋｍ]、流域面積は約１７[ｋｍ２]である。
【０００６】
水力発電に寄与する基本量は、「流域面積」と「降水量」の積である。直接には、「河川流量」および「落差」である。降水量の点では、日本は有利である。世界の先進国の降水量（１９７１〜２０００年）の平均値は、平成２１年度理科年表によると、
ロンドン：  ７５０．６ [ｍｍ]
ベルリン：  ５７０．７ [ｍｍ]
パリ    ：  ６４７．６ [ｍｍ]
ローマ  ：  ７１６．９ [ｍｍ]
東京    ：１４６６．７ [ｍｍ]
である。このように、日本は降水量の点で他国を凌いでいる。
【０００７】
現在用られている水力発電方式の分類法は幾つかあるが、取水法によれば、図１に示すように、(a）導水路発電方式、(b）ダム発電方式、（c）導水路ダム発電方式に分けられる（例えば、非特許文献１）。図１において、１は取水河川、２は取水堰、３は導水路、４は沈砂池、５は上水槽、６は水圧管、７は水力発電所、８は放水口、９は放流河川、１０は貯水池、１１はダム、１２はサージタンクである。各水力発電用方式に共通している特徴は、取水堰２やダム１１で水を貯めて、そこで取水河川の流水が持つ運動エネルギーを一旦ゼロとし、その取水堰２やダム１１から放水口８までの落差による水圧、つまり位置エネルギーを使用することである。
【０００８】
ある地域で利用できる水力資源の量は、その地域の流域面積をＳａ[ｍ２]、平均標高をＨ[ｍ]とし、年間平均降水量をＲ[ｍ]とすれば、年間平均降水量のもつ位置エネルギーＥ[ｋＪ]は、
Ｅ＝Ｓａ・Ｒ・ｇ・Ｈ [ｋＪ]                                           （１）
で示される。ｇは重力加速度[ｍ／ｓ２]である。１年間の秒数をＴ秒で表すと、
Ｔ＝３６００×２４×３６５＝３１．５３６×１０６  秒                  （２）
となるので、位置エネルギーＥを、１年間を通じて使用することにすれば、単位秒当たりに得られる電力Ｗ[ｋＷ]は、
Ｗ＝（Ｓａ・Ｒ・ｇ・Ｈ）／（３１．５３６×１０６）[ｋＷ]              （３）
となる。これを電力量Ｅｈ[ｋＷｈ]に直すと、
Ｅｈ＝Ｗ・３６００[ｋＷｈ]                                            （４）
となる。一国の所有する水資源エネルギーによる電力量は、電力量Ｅｈ[ｋＷｈ]を国土全体に亘って積算すれば求めることができる。このようにして求めた水資源エネルギーは、「理論包蔵水力エネルギー」と呼ばれる。
【０００９】
この理論包蔵水力エネルギーのうち、経済的に開発することが可能な水力エネルギーが「経済包蔵水力エネルギー」である。世界的（先進国が主）に経済包蔵水力エネルギーは、理論包蔵水力エネルギーの２０[％]程度と言われている。しかし、我が国では、山岳が多いため、鉄砲水となって海に流出してしまう流量が多いので、より少ない１０〜１２[％]程度と言われている。これら理論包蔵水力エネルギーと経済包蔵水力エネルギーを正確に求めることは困難である。特に、現在の水力発電方式は、先述のように、我が国には適さない大河方式が採用されているため、両包蔵エネルギーとも低目に出ることは否めない。
【００１０】
ここで、世界最大と言われている三峡ダムの例を挙げると、このダムは、揚子江中流域で重慶よりもかなり下流に位置する。発電緒元を示すと、ダムは堤高さが１８５[ｍ]、堤頂長さが２３０９．４７[ｍ]である。ダム湖は、その長さが約５７０[ｋｍ]、通常水位が標高１７５[ｍ]、有効貯流量が２．２１５×１０１０[ｍ３]である。発電所は、その発電機１基の発電出力が７０万[ｋＷ]、この発電機が２６基あるので総発電出力が２６×７０＝１８２０万[ｋＷ]（さらに６基増設計画）、発電電力量が８５０億[ｋＷｈ]である。
【００１１】
これに対して、我が国最大の只見川発電所（電源開発）は、ダムは堤高さが１５７[ｍ]、堤頂長さが４８０[ｍ]である。ダム湖は、有効貯流量が４．５８×１０８[ｍ３]である。発電所は、発電機４基で合計発電出力が５６万[ｋＷ]に過ぎない。落差においては、同程度であるが、堤頂長さは約１／５、有効貯流量では２桁近くの差がある。
【００１２】
前述したように、日本の水力の発電電力量は、８４０億[ｋＷｈ]であるので、これに対して三峡ダム１箇所で発電電力量が８５０億[ｋＷｈ]であるから、日本の水力の発電電力量は数万〜１０万[ｋＷｈ]の小発電所を複数集めて三峡ダム１つ分に当たることがわかる。なお、ここで、落差１５０[ｍ]の位置エネルギーがもつ理論速度Ｖ[ｍ／ｓ]は、自由落下でＶ＝５４．２１[ｍ／ｓ]程度であることを記しておく。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】吉川・垣本・八尾  著、「発電工学」、電気学会、２００３年、３頁−２５頁。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図２は、日本の水力発電の特徴を図解したものである。２０Ａ，２０Ｂは各々の地点の流域面積部分を示している。各流域面積部分は、いくつかの沢２２があり、それらが集まって川２３が作られている。国土が狭いために、川２３は大河にならずに、海にそのまま流出してしまうのが大半である。しかし、水路式、ダム式、あるいは水路ダム式の水力発電に適するような取水地点２４が存在すれば、そのような場所が水力発電所建設の適地とされてきたのである。なお、２１は山である。ダムを建設すると、水没地域が発生するため、住民の移転や名所旧跡の喪失、水質汚染や生態系への影響等の問題が発生する。しかし、幸いなことに、日本では小規模に収まっている。ちなみに、三峡ダムの例では、２００７年までに１４０万人、さらに２０２０年までに２３０万人の強制移転が必要とされている。
【００１５】
山の形には種々あるが、富士山形で代表される形が多い。このような山は、山頂付近の傾斜は強く、急なところでは６０度もあるが、３０〜４５度位が多い。そして、裾野に行くにしたがって緩やかになって行くのが通常である。これまでの発電所は、図２にあるように、山の裾野や裾野からも離れた地点２４に作られていた。
【００１６】
ここで、流水が、図３のように、川２３から流速Ｖ０[ｍ／ｓ]で始点Ａ１の所より傾斜した導水路２５を流下するものとする。このとき、川２３の流水の持つエネルギーは損失なく流下水の運動エネルギーに変換されるものと仮定する（以下、この流下状態を理論流下状態と呼ぶ）。始点Ａ１を通過した後の導水路２５におけるｔ秒後の流水の速度Ｖ（ｔ）[ｍ／ｓ]は、
Ｖ（ｔ）＝ｇ・ｓｉｎθ・ｔ＋Ｖ０                                      （５）
で表される。そのときの流水の導水路２５に沿った下降走行距離ｘ（ｔ）は、
ｘ（ｔ）＝１／２・ｔ２・ｇ・ｓｉｎθ+Ｖ０・ｔ                        （６）
で表される。
【００１７】
図３において、次の実験をすることにする。
（１）導水路２５は、その幅をａ[ｍ]、深さをｄ[ｍ]とし、始点Ａ１での値はａ＝５[ｍ]、ｄ＝１[ｍ]とする。
（２）始点Ａ１での流水の初期の流速をＶ０＝１[ｍ/ｓ]とする。
（３）導水路２５の傾斜角度はθ＝３０度で一定とする。
（４）導水路２５を流下する流水は、その流量Ｑ[ｍ３／ｓ]に変化がなく、流下するにつれて流速Ｖ[ｍ/ｓ]を増し、幅ａ[ｍ]を一定とすると、深さｄ[ｍ]が流速Ｖ[ｍ/ｓ]に逆比例して浅くなる（連結の原理）。
【００１８】
図４がその計算結果である。ｘは当該経過時刻ｔでの導水路２５に沿った始点Ａ１からの距離、Ｓは当該距離ｘ地点での流水の断面積（＝ａ×ｄ）、ｂは当該距離ｘ地点での断面Ｓを正四角形としたときの１辺の距離（ｂ＝√（Ｓ））である。ここで、深さｄ[ｍ]をみると、ｔ＝０の地点（始点Ａ１）では１[ｍ]であったものが１秒後には速度Ｖ＝５．９[ｍ／ｓ]になるため、約１７[ｃｍ]に急減している。１０秒後には速度Ｖ＝５０[ｍ／ｓ]でｄ＝２[ｃｍ]となっている。３０秒後には速度Ｖ＝１５０[ｍ／ｓ]近くに達しｄ＝６.８[ｍｍ]となっている。このように、理論流下状態の計算ではあるが、山の頂上付近では傾斜が急であるため、流下する流水は大きな運動エネルギーをもっていることがわかる。しかし、実際の山では、雨流量が１ｃｍ前後となっているので、その大きな運動エネルギーは看過されてきた。
【００１９】
山岳頂上部の高運動エネルギーをもつ流水は、石や岩と衝突して山肌をえぐり、その運動エネルギーを消失し、長い年月をかけて沢を形成する。このように沢の中での流水は、その流速が緩やかな緩流となるため、そのまま水力発電に利用するには不向きである。しかし、その運動エネルギーを消失しないような適当な処理を施せば、水力発電のための大きな運動エネルギー源となり得る可能性をもっている。
【００２０】
本発明の目的は、上記したような大きな運動エネルギーを持っている山岳頂上部からの流下水を取水して流下抵抗少なく発電用水車に導入できるようにし、中容量以下の発電に資する流水を生成できるようにした水力発電用導水路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明の水力発電用導水路は、山岳の上部の流水を取水して下部に設置した発電用水車の運転に必要な流水として導入する水力発電用導水路であって、少なくとも一部を傾斜配置し該傾斜配置部により前記取水した流水を低速流水から高速流水に変換してから前記発電用水車に導入することを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の水力発電用導水路において、各部の横断面方向の内周は、そこを通過する前記流水の流速に逆比例して小さくなるように設定されていることを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載の水力発電用導水路において、下流に向かうにしたがって複数の流水を合流して１つの流水に集めるように形成されていることを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項１、２又は３に記載の水力発電用導水路において、床面が低摩擦抵抗性素材で形成され、側壁が水の染み出る親水性素材で形成されていることを特徴とする。
請求項５にかかる発明は、請求項１、２又は３に記載の水力発電用導水路において、地表から浮いた空中導水路を少なくとも一部に有することを特徴とする。
請求項６にかかる発明は、請求項１、２、３又は５に記載の水力発電用導水路において、前記山岳部の高所に降った雨水あるいは融雪水を集める集水路を設け、該集水路で集めた流水を前記上端に導入することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の水力発電用導水路によれば、山岳の上部（例えば沢）から取水した流水は、石や岩等により減速されることがないので、運動エネルギーをほとんど消失することなく流下して発電用水車に導入されるため、大きな電力が発電可能となる。このとき、水路の各部の横断面方向の濡縁の長さを、そこを通過する流水の流速に逆比例して小さくなるように設定することにより、導水路における流水の分散を防止し抵抗損失を少なくすることができる。本発明は、以下のような特色を有している。（ｉ）日本の国土はほとんどが山岳部であるため、多くの都道府県においても本発明の水力発電用水路を利用した発電は適用可能である。（ii）ダムを必要としないので建設費が安価であると共に、地形的に恵まれれば、１つの沢（川）でその流域に２箇所以上の水力発電用水路を設置可能であり、日本全体で膨大な発電能力を発揮できる。（iii）山岳部の上部に建設できるため、下流の河川には殆ど影響を与えない。（iv）雨は無料であるために、運転費用が殆どかからない。（v）地域ごとに発電された電力の一部は、その地で消費することにより、ソフト・パス方式への移行が早まる。（vi）金融危機で地方に有効な投資が必要となっている現在、地方活性化としても有益な投資となる。（vii）この水力発電用水路は、日本のみならず山岳地帯を持つ国で利用可能であり、特に多雨で山岳地帯の多い東南アジアでは多くの需要が見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の水力発電方式の説明図である。
【図２】従来の発電用の取水の説明図である。
【図３】傾斜角度θの導水路を流下する流水の説明図である。
【図４】図３において、導水路の傾斜角度θが３０度である場合の各時刻ｔでの流速Ｖ、傾斜面に沿った距離ｘ、流水深さｄ、流水断面積Ｓ、流水断面が正方形の場合の一辺の長さｂのデータを示す説明図である。
【図５】図３において、導水路の傾斜角θが３０度、４５度、５０度の場合の各時刻ｔでの流速Ｖ、傾斜面に沿った距離ｘ、水平距離ｌ、落差ｈのデータを示す説明図である。
【図６】流水の流量Ｑと流速Ｖから得られる発電電力Ｐのデータを示す説明図である。
【図７】本発明を実施する対象となる山岳部の地図である。
【図８】図７におけるＡ１−Ａ２間の断面図である。
【図９】図７におけるＡ２−Ａ３間の断面図である
【図１０】導水路を空中導水路とした場合の説明図である。
【図１１】ペルトン水車における２種のノズル径の流速Ｖと流量Ｑから得られる理論発電電力Ｐのデータを示す説明図である。
【図１２】山岳部の保水の説明図である。
【図１３】山岳頂上近くの雨水や融雪水を集水する集水路の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
まず、発電用水車に流入する流水の流量をＱ[ｍ３／ｓ]、水車に有効に作用する落差をｈ[ｍ]とすると、理論発電電力Ｐ[ｋＷ]は、よく知られているように、
Ｐ＝ｇ・Ｑ・ｈ [ｋＷ]                                              （７）
で表される。この理論発電電力Ｐは理論水力とも呼ばれている。（７）式は、発電用水車に導入される流水の速度をＶ[ｍ／ｓ]とすれば、
Ｐ＝１／２・ＱＶ２ [ｋＷ]                                          （８）
と書き換えられる。山岳頂上部での流水は流量Ｑは小さいが流速Ｖは大きくなる。平野部では流量Ｑは大きいが落差ｈは小さくなる。
【００２５】
従来のダム式発電方式では、山岳頂上部の流水のもつ大きな速度エネルギーを全く使用せずに、ダムに静水として蓄蔵していた。つまり、運動エネルギーを貯水池に捨てていたのである。日本のように、山岳部が多く平野部が少ない国土には、大きな速度Ｖを得ることができる山岳部の有する運動エネルギーを活用することなく破棄するような図１で説明した水力発電方式は、適していないのである。日本国内では、図１で説明した方式の水力発電方式の開発適地は残り少なくなり、今後は、水力以外の発電方式に頼らなくてはならないというのが、一般の認識である。
【００２６】
このように、図１で説明した方式の水力発電方式の適地は少ないが、山岳頂上部の流水の速度エネルギーを活用する場合は、日本国中、水力発電所に適する地が多数存在する。山岳頂上部であるので、利用し得る流量は限られた値になるため、大容量発電所には適しないが、１０万〜数千[ｋＷ]程度の中規模容量から小容量の発電所の適地は、広く分布して存在している。
【００２７】
山岳頂上部には、その傾斜角度が３０度から４５度、場所によっては５０度にも達する沢が随所にある。傾斜角度θを３０、４５度、および５０度としたとき、図３において、１秒経過ごとに流速Ｖ[ｍ／ｓ]、距離ｘ[ｍ]、距離ｌ[ｍ]、落差ｈ[ｍ]を求めたのが、図５である。距離ｌ[ｍ]は始点Ａ１からの水平距離であり、落差ｈ[ｍ]は始点Ａ１からの落差を示している。流水は、流下してくるにつれて流速が増し、その分だけ流下地点での流水断面積は減少していく。
【００２８】
山岳頂上部の沢の高速な流水を用いて水力発電を実施する場合、どのくらいの理論発電電力Ｐ[ｋＷ]が得られるかが問題である。流量Ｑ[ｍ３／ｓ]で速度Ｖ[ｍ／ｓ]の流水から得られる理論発電電力Ｐ[ｋＷ]は、前述の式（８）で得られる。この式（８）から、Ｑ，Ｖ，Ｐの関係を求めたのが、図６である。例えば、Ｑ＝１０[ｍ３／ｓ]、Ｖ＝１００[ｍ／ｓ]では、理論発電電力は、Ｐ＝５万[ｋＷ]となる。これは、流水のもつ運動エネルギーが１００「％」電気エネルギーに変換されるものとしての計算である。流水の流速Ｖも損失分は考慮されていない。したがって、実際の発電電力は、この３０〜６０「％]程度のものになると思われる。３０「％」の発電電力をＰ３０とすれば、Ｐ３０＝１５０００[ｋＷ]となり、６０[％]では、Ｐ６０＝３万[ｋＷ]となる。
【００２９】
日本国土に本発明による水力発電方式に適合するような山が幾つくらい存在するかは、明らかでない。いわゆる、山地、山脈地帯では、２０００〜３０００[ｍ]の標高をもつ山が連なっている。そのような山岳部では、１５０〜２００[ｍ／ｓ]を越すような速度の流水が得られる可能性がある。しかし、あまり高速の流水を扱うのは、技術的にも得策ではないので、適当な流速のところで一旦発電に利用し、その放水を下流で再度利用して発電を得る方が安全である。
【００３０】
標高が１０００[ｍ]を越える高山は偏在しているが、５００[ｍ]前後の山は日本全国のあらゆる個所に存在している。「竹内正；日本山名総覧、白山書房」によると、日本の山の総数は１８０００となっている。この中には標高数[ｍ]程度の丘も含まれているので、５００[ｍ]以上の山で水力発電に利用し得るものを、少なく見積もって８０００とし、さらに標高５００[ｍ]の山で、発電用導水路として利用し得る個所が、その半分の２５０[ｍ]と仮定する。この仮定によれば、落差２５０[ｍ]から得られる自由落下の流速Ｖ[ｍ／ｓ]は、簡単な計算で、約７０[ｍ／ｓ]と求められる。
【００３１】
標高が５００[ｍ]程度の山での流量を一定のＱ＝６[ｍ３／ｓ]と仮定して、流速Ｖ＝７０[ｍ／ｓ]の条件で計算し、導水路下端に発電用水車を設置したとき得られる理論発電電力Ｐ[ｋＷ]を求めると、式（８）より、
Ｐ＝１／２・ＱＶ２＝１４７００[ｋＷ]
となる。１つの山に沢や沢を形成できる個所が平均２個所あるとすると、１つの山で合計の理論発電電力Ｐｍ[ｋＷ]は、Ｐｍ＝２９４００[ｋＷ]と２倍になる。日本全体では、これの８０００倍が流水の仮想発電電力Ｐｓ[ｋＷ]となるので、
Ｐｓ＝２９４００×８０００＝２．３５２×１０８[ｋＷ]
となる。
【００３２】
この仮想発電電力Ｐｓを電力量Ｗｓ[ｋＷｈ]にすると、
Ｗｓ＝２０６０３億[ｋＷｈ]
となる。この電力量Ｗｓは理論発電電力量に基づいたものであり、実際の総発電電力量Ｗｔ[ｋＷｈ]は、
Ｗｔ＝η・Ｗｓ
となる。ηは緒変換損失を含めた変換効率である。ηの値は不明であるが、０．３〜０．６くらいの間にあると思われる。よって、
Ｗｔ＝６１８１〜１２３６２億[ｋＷｈ]
となる。
【００３３】
日本の総発電電力量は段落０００４で前述したように、約１２０００億[ｋＷｈ]弱である。そのため、上記の実際の総発電電力量Ｗｔは、水力発電を上手に使えば、悪くとも総発電電力量の約５０[％]、良い場合は全電力需要を賄うことが可能となることを示している。なお、ここで用いた数値は、やや小さめの値を採用しているので、実際の総発電電力量Ｗｔよりも大きな出力量を得る可能性もある。
【００３４】
本発明の要点は、沢等のような山岳の上部を流下する流水の速度が石や岩等によって消失されないようにすることである。沢の流水は、勾配のある個所を下る時、速度を増加させながら下って行く。このことの理解が特に山岳地帯の流水の応用には重要な意味を持ってくる。図４で説明したように、傾斜角度θ＝３０度の導水路では、その導水路の幅ａを５[ｍ]に固定しておくと、始めにｄ＝１[ｍ]の深さだけあった水が、１秒後には約１７[ｃｍ]の深さに減少してしまい、１０秒後には約２[ｃｍ]の深さに減少し、しかも山岳地帯には、石や岩等がゴロゴロしているため、通常では深さの減少した流水がこれらに衝突して、運動エネルギーを消失し、沢は緩やかな流水となって、発電には利用できなくなってしまう。そこで本発明は、沢の流水を滑らかに流下させる導水路を形成して、そこに流水を導き、流水の運動エネルギーが消失することを防ぎ、大きな発電能力を発揮させるものである。
【００３５】
本発明を実施する対象となる山岳部の沢およびそこに形成する導水路について説明する。図７は国土地理院発行の２万５千分の１の地図であり、米沢地区の天元台の一部を示したものである。この地区は、特別に高い山が存在することもなく、標高が１５００[ｍ]前後の山が点在している。目標とする沢は、渋川２３Ａの上流である。なお、天元台地区には、西隣の横川２３Ｂ（長倉沢２３Ｃ、座々沢２３Ｄを含む）と、図７にはないが東側に同程度の沢が１本あり、横川２３Ｂの西にはひとまわり大きな沢が存在している。また、渋川２３Ａより小さな沢が、４〜５箇所ある。渋川２３Ａは、図７の東南端より発し、沢としては緩やかな傾斜で東北方向へ流れている。渋川２３Ａから西の渓谷は下がって最上川へ流入し、渋川２３Ａより東の沢は羽黒川への下がっている。
【００３６】
図７において、渋川２３Ａに沿って、始点Ａ１（渋川２３Ａの源流点より数十ｍ下流）からの落差が５００[ｍ]の地点にＡ２点があり、始点Ａ１からの落差が１０００[ｍ]点の地点にＡ３点がある。なお、図７の等高線の間隔は５０ｍであり、５０ｍごとに太線で表示されている。始点Ａ１で渋川２３Ａの沢の流水を取水して、このＡ１−Ａ２−Ａ３の地点間に導水路を形成してそこを流下させるとし、Ａ２点の流速をＶＡ２[ｍ／s]、Ａ３点の流速をＶＡ３[ｍ／s]とすると、
ＶＡ２≒１００[ｍ／s]
ＶＡ３≒１４０[ｍ／s]
である。流量は不明であるが、Ｑ＝６[ｍ３／ｓ]と仮定し、Ａ１点での流水の初速をＶ０＝１[ｍ／s]と仮定すれば、Ａ２点、Ａ３点での理論発電電力ＰＡ２，ＰＡ３は、式（８）や図６から、
ＰＡ２＝３万[ｋＷ]
ＰＡ３＝５．８万[ｋＷ]
となる。地点Ａ３の上くまで林道等が設けられていて、これらは導水路建設用の機材の運搬に役立つ。
【００３７】
山岳高所より低所に高速流水を導く導水路を設けることが、本発明の目的である。原理的には、本来高速流水であるべき沢の流水の速度を遅らせている石や岩を除去した導水路を構築する。しかし、一般に、沢は図７に見えるように、屈折しながら下降していくのが普通である。流水は、屈折につれて速度損失が生じてくるので、高速流水を得るためには、屈折はできるだけ避けなければならない。そのために、導水路の構築法として次の３種が考えられる。(a)．既存の沢を発電用高速流水用の導水路に改修する建設方式、(b).既存の沢の近くに屈折部が少なく直線に近い導水路を建設する方式、(c).流水の取水口から発電用導入口まで直線的に導水路を建設する方式、である。次に、各方式を具体的に述べる。
【００３８】
＜(a)．既存の沢を発電用高速流水用の導水路に改修する建設方式＞
沢が直線的に流下している場所だけに用いられる方式である。沢の石や岩石を撤去し、断面が長方形、台形、半円形等の露天の導水路をその沢に直接構築する。このとき、流水の断面積は、流速に逆比例して小さくなるので、これに対応するように導水路の各断面の大きさを設定する。つまり、各部の横断面方向の内周をそこを通過する流水の流速に逆比例して小さくなるようすることで、流水が分散しないようにし流下の際の抵抗損失を少なくする。また、半円形の導水路を除いては、床面を石畳、コンクリート、金属等の低摩擦抵抗材で形成して流下抵抗を減ずる。さらに、側壁（含：半円形）を水の染み出る石積や化学合成物等の親水性素材で形成することが望ましい。親水性素材を用いれば、導水路の途中に地下水の流入を図ることが可能となる。
【００３９】
＜(b).既存の沢の近くに屈折部の少ない直線に近い導水路を建設する方式＞
沢としては(a)のように直線的に流下する条件を満たすものは少ない。実際は図７に示したようにくねくねと屈折して流下していくのが通常である。この屈折の部分で流水の速度損失が大きくなるので、できる限り直線に近つけたい。沢の近くを通る直線経路が得られれば、沢と同じ流域面積で速度損失の少ない導水路を構築できる。その一例が、図７のＡ１−Ａ２間の実線で示した導水路２５Ａである。この導水路２５Ａは、山肌に沿って形成されるので新たに掘削する必要があるが沢の石や岩石を除去する必要が少ない。この導水路２５Ａの構成法は、（a）で説明したのと同様に行う。図８にこのＡ１−Ａ２間の断面を示した。Ａ１点からＡ２点に掛けて順次降下しているので、始点Ａ１で取水した流水を露天の導水路２５ＡでＡ２点まで導くことができる。なお、このＡ１−Ａ２間の導水路２５Ａは、必ずしも山肌に沿う必要はなく、一部を掘削しあるいは埋め立てて傾斜が一定な導水路とすることもできる。
【００４０】
＜(c).流水の取水口から、発電用水取入口まで直線的に導水路を建設する方式＞
この方式は、導水路の出発点（取水口）と最終点（発電用水車への導入口）との間の経路を直線的に結ぶ方式であり、導水路中の流水の速度損失を最も小さくすることができる。図７のＡ２−Ａ３間の導水路２５Ｂがこれに相当する。本方式は(a)、(ｂ)の方式と異なって、渓谷（沢）を通らず尾根越え（貫通）のルートとなるため、トンネル工事を必要とすることが多い。図９にＡ２−Ａ３間の断面を示した。図９のＡ２−Ａ３間の点線は、Ａ２点とＡ３点を結んだ直線の導水路２５Ｂであり、この導水路２５Ｂよりも断面曲線（地表）２６が上にある所では、導水路２５Ｂは地中に埋められるトンネルとなる。なお、Ａ２−Ａ３間の導水路２５Ｂは、直線に限られず、カテナリー（懸垂線）カーブを含む放物線形状であってもよい。
【００４１】
以上の各方式（a）〜（c）において、その導水路の一部または全部として、図１０に示すように、地表３１から浮くように、支柱３２により支持した空中導水路２５Ｃを設置することができる。このとき、空中導水路２５Ｃは地表３１より高さｈ１だけ高くなるので、この空中導水路２５Ｃを図９の点線Ａ２〜Ａ３の間の導水路２５Ｂの露出部分に適用するときは、トンネル部分を減少させることができる。高さｈ１は設置場所の地質、傾斜角度、トンネル部の長さ、流水の流量等によって定められる。この空中導水路２５Ｃの上端が取水口３３になる場合は、その取水口３３にフィルタ等（図示せず）を設置して、沢２２からの流水を取り込むようにする。沢２２の下流は始めの間は空中導水路２５Ｃに流水が流れたため枯れ沢２２Ａとなっている。なお、空中導水管２５Ｃを水管（パイプ）型とする場合は、その水管の上部の所々に小穴２５Ｃａを空けて大気を導入し、水管内部を大気圧に保つ。
【００４２】
山岳地帯では、導水路に流し得る流量Ｑ[ｍ３／ｓ]は、それほど大きな量にはならない。したがって、発電所で使用する発電用水車は、ペルトン水車系が主となる。ペルトン水車は、流量によりノズルの数が決められているが、最大で６個である。ノズルの直径を１２[ｃｍ]と１５[ｃｍ]とした場合、水車の挿入口の流水速度Ｖ[ｍ／ｓ]、流量Ｑ[ｍ３／ｓ]から、式（８）で求めた発電電力Ｐ[ｋＷ]を図１１に示す。現在使用されているペルトン水車のノズル直径は１０[ｃｍ]が普通であるが、ここでは目標値として１２[ｃｍ]と１５[ｃｍ]を掲げた。
【００４３】
ここで示した発電電力Ｐ[ｋＷ]は、水車および発電機の効率を１００[％]としたが、実際には、水車と発電機での損失があるため７０〜８０[％]くらいが発電電力となる。なお、図１１の流量Ｑ[ｍ３／ｓ]自体は、本発明の導水路は流速Ｖ[ｍ／ｓ]に逆比例して断面積を絞っていくので、導水路の始点と終点において大略同一である。
【００４４】
本発明を実施するに当たって問題となるのは、急斜面での作業に使用できる土木機械の開発であろう。山岳高所の急斜面で沢や沢状態の地帯において、目的を達成するような機械は、現時点では存在していないであろうから、これらの開発を行う必要がある。山岳地帯は荒れているが、特に頂上付近の荒廃はひどいといわれている。この荒れた急勾配の地を安定して登り、沢等に存在する石や岩石を取り出し処分する作業を安全に速やかに実行し得る機械が必要となる。日本の優れた技術開発力に期待する。
【００４５】
発電システムとしては、年間を通じて一定の出力を保ちえ得ることが要求される。乾期や雨期にかかわらず、一定の出力を発電し得るのが理想である。そのためには、荒廃の著しい山頂一体への恒常的な手入れを行い、山岳頂上部付近の保水量を増すことが重要である。特に山岳頂上から導水路の取水口付近までの保水量を高めることが発電効率向上に不可欠になる。
【００４６】
当該土地の保水量に関係するものとして、図１２に示したように、潅木や喬木等の潅喬木４１、地表の枯れ葉層（腐葉土）４２および土壌４３がある（樹木の葉は省略している）。昔から、比較的低地山岳部の保水量増強のために採用されてきた有効な手段は植林であった。通常、植林の第１目的は木材生産であり、寧ろ保水は２次的な効果であった。そのため植林材木の切り出しが困難であった山岳上層部は、ほとんど自然状態に放置されてきたのが実情である。大きな保水量をもち木材としても優れた木を、積極的に植林することが必要である。林道の整備も伴って行わなければならない。また、樹木の葉も一時的な保水に役立つといわれている。      
【００４７】
山岳上部に落ち葉や枯れ葉があれば枯れ葉層４２となり、落ち葉や枯れ葉の相互間にはかなりの水分が貯まり、それらは次第に発酵・腐敗して腐葉土となり、最後は土壌４３になる。枯れ葉層４２の保水力増強の組織的研究が重要である。枯れ葉層４２の上や落ち葉相互間に保水剤を散布することにより、この層の保水力を高めることができる。保水剤は経年変化により土に還って行かなくてはならない。
【００４８】
最後は、土壌４３そのものの改善である。土壌４３の改善は植物の育成を主目的に、古くから行われてきた。しかし、近年は自然気象の変化によるものか、以前は想定していなかったような激しい降水が各所に発生し甚大な災害を起こしている。そのような災害を防ぐ手段として、土壌４３の保水能力を高める研究が盛んになってきているが、できるだけ大きな保水力をもった土壌４３で山岳上部を覆うことが望ましい。例えば、保水能力を従来の数百倍〜数千倍程度に増大させれば、中、低地の山岳であっても、ダムに相当する保水量を確保可能となる。以上のようにして山岳上部の保水力増強を行い、従来の山岳上部の保水量を数百倍から数千倍にすれば、本発明による安定した高出力の水力発電所の実現を容易にすることができる。
【００４９】
現在、山岳頂上地帯に降った雨水や融雪水の一部が沢に流入しているが、残りは地下水となったり、山岳部を下って枯れ沢や河川に入ったりし、また、人間生活には利用されることなく、そのまま海に流出してしまっている。山岳頂上部の雨水や融雪水を出来るだけ有効に活用することも、本発明を一層、有効にする手段である。
【００５０】
そのためには、種々な手段が考えられるが、図１３は比較的単純な方法によって、山岳頂上の雨水や融雪水を集水する具体的な例である。図１３において、５１は山岳頂上、５２Ａ〜５２Ｅ山岳頂上５１から下方に連なる尾根であり、２５Ｄ〜２５Ｆは尾根の間の沢に構築された本発明の発電用導水路を表している。尾根５２Ｃ−５２Ｄ間、尾根５２Ｅ−５２Ａ間は、地形などの影響により沢が生成されることがなく、この間の山岳頂上５１での雨水や融雪水は下流に向かって流失していると仮定している。
【００５１】
このような場合に、地点Ｘから緩やかな勾配をもって下降し地点Ｙに至るように、山岳頂上５１をほぼ一回りする環状集水路５３を構築し、この環状集水路５３を各導水路２５Ｄ〜２５Ｆの上部の取水口に接続しておけば、環状集水路５３で集水した雨水や融雪水を各導水路２５Ｄ〜２５Ｆに分流させ、各導水路２５Ｄ〜２５Ｆの流量Ｑを増大させることができる。この環状集水路５３の環内に、前記の保水力増強策が施してあれば、山岳頂上５１の雨水や融雪水の有効利用は、ほとんど理想的状態まで高める事が可能となる。以上は理想的な場合の説明であり、実際の山容水態によっては、環状集水路が必ずしも閉じなくても、集水の目的を達成し得ればよい。
【００５２】
なお、下端の流水が発電用水車に導入されるようにした本流の導水路の上流部分には、複数の支流導水路を設けて、それらの各支流導水路の流水が本流の導水路に合流するようにしてもよい。このようにすれば、発電用水車に導入させる最終的な流水の流量Ｑを大きくすることができ、発電効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１：取水河川、２：取水堰、３：導水路、４：沈砂池、５：上水槽、６：水圧管、７：水力発電所、８：放水口、９：放水河川、１０：貯水池、１１：ダム、１２：サージタンク
２０Ａ，２０Ｂ：流域面積部分、２１：山、２２：沢、２２Ａ：枯れ沢、２３：川、２３Ａ：渋川、２３Ｂ：横川、２３Ｃ：長倉沢、２３Ｄ：座々沢、２４：取水地点、２５：導水路、２５Ａ〜２５Ｆ：導水路、２５Ｃａ：穴、２６：地表
３１：地表、３２：支柱、３３：取水口
４１：樹木、４１：枯れ葉層、４２：土壌
５１：山岳頂上、５２Ａ〜５２Ｅ：尾根、５３：環状集水路
【図１】
2011140829.tif 000003
【図２】
2011140829.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2011140829.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011140829.tif 000009
【図８】
2011140829.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2011140829.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月2日(2010.8.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
山岳部の上部に設置され、等高線に垂直な方向に前記山岳部を流下する流水を取水する取水口と、
前記山岳部に設置され、前記取水口から取水した前記流水を、速度損失が少なく流水の流速を増加させると共に流水断面積を減少させる導水路と、
前記導水路内を流下することにより流速が増加した流水を前記山岳部に設置された水力発電所の発電用水車に導入する導入口と、
を備えていることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項２】
請求項１に記載の水力発電用導水路において、
前記導水路は、前記取水口から前記導入口まで、直線形状、屈曲部の少ない直線に近い形状、または、懸垂線カーブを含む放物線形状に形成されていることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項３】
請求項１に記載の水力発電用導水路において、
前記取水口は、前記山岳部の源流点または源流点より落差数十ｍ下流の、沢底が整備され、流量が増加した沢の位置に設置されることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項４】
請求項１に記載の水力発電用導水路において、
前記山岳部の頂上付近を囲む等高線に沿って緩やかな勾配をもって下降する環状集水路または環状の一部をなす弧状集水路によって集水された流水は、前記取水口から上流の流水に加えられることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項５】
請求項１に記載の水力発電用導水路において、
前記流水を、前記山岳部に設置された前記導入口を経て水力発電用水車運転用装置に接続することを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項６】
山岳部の源流点または源流点より落差数十ｍ下流の、沢底が整備され、流量が増加した沢の位置に設置された取水口により、等高線に垂直な方向に山岳部を流下する流水を取水し、
前記取水口から取水した流水を、直線形状、屈曲部の少ない直線に近い形状、または、懸垂線カーブを含む放物線形状に形成されている導水路を流下させて、速度損失が少なく流水の流速を増加させると共に流水断面積を減少させた流水を、前記山岳部に設置された導入口を経て水力発電用水車運転装置に接続することを特徴とする山岳部水力発電方法。
【請求項７】
請求項６に記載の山岳部水力発電方法において、
前記山岳部の頂上付近を囲む等高線に沿って緩やかな勾配をもって下降する環状集水路または環状の一部をなす弧状集水路によって集水された流水は、前記取水口から上流の流水に加えられることを特徴とする山岳部水力発電方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明の目的は、上記したような大きな運動エネルギーを持ち得る山岳頂上部からの流下水を取水して流下抵抗少なく発電用水車に導入できるようにし、中容量以下の発電に資する流水を生成できるようにした水力発電用導水路及び山岳部水力発電方法を提供することである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明の水力発電用導水路は、山岳部の上部に設置され、等高線に垂直な方向に前記山岳部を流下する流水を取水する取水口と、前記山岳部に設置され、前記取水口から取水した前記流水を、速度損失が少なく流水の流速を増加させると共に流水断面積を減少させる導水路と、前記導水路内を流下することにより流速が増加した流水を前記山岳部に設置された水力発電所の発電用水車に導入する導入口と、を備えていることを特徴とする。
本発明の水力発電用導水路は、前記取水口から前記導入口まで、直線形状、屈曲部の少ない直線に近い形状、または、懸垂線カーブを含む放物線形状に形成されていることを特徴とする。
本発明の水力発電用導水路において、前記取水口は、前記山岳部の源流点または源流点より落差数十ｍ下流の、沢底が整備され、流量が増加した沢の位置に設置されることを特徴とする。
本発明の水力発電用導水路において、前記山岳部の頂上付近を囲む等高線に沿って緩やかな勾配をもって下降する環状集水路または環状の一部をなす弧状集水路によって集水された流水は、前記取水口から上流の流水に加えられることを特徴とする。
本発明の水力発電用導水路において、前記流水を、前記山岳部に設置された前記導入口を経て、水力発電用水車運転用装置に接続することを特徴とする。
また、本発明の山岳部水力発電方法は、山岳部の源流点または源流点より落差数十ｍ下流の、沢底が整備され、流量が増加した沢の位置に設置された取水口により、等高線に垂直な方向に山岳部を流下する流水を取水し、前記取水口から取水した流水を、直線形状、屈曲部の少ない直線に近い形状、または、懸垂線カーブを含む放物線形状に形成されている導水路を流下させて、速度損失が少なく流水の流速を増加させると共に流水断面積を減少させた流水を、前記山岳部に設置された導入口を経て、水力発電用水車運転装置に接続することを特徴とする。
また、本発明の山岳部水力発電方法において、前記山岳部の頂上付近を囲む等高線に沿って緩やかな勾配をもって下降する環状集水路または環状の一部をなす弧状集水路によって集水された流水は、前記取水口から上流の流水に加えられることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明の水力発電用導水路によれば、山岳の上部（例えばこれまで利用されなかった沢）から取水した流水は、石や岩等により減速されることがないので、運動エネルギーをほとんど消失することなく流下して発電用水車に導入されるため、大きな電力が発電可能となる。このとき、水路の各部の横断面方向の濡縁の長さを、そこを通過する流水の流速に逆比例して小さくなるように設定することにより、導水路における流水の分散を防止し抵抗損失を少なくすることができる。本発明は、以下のような特色を有している。（ｉ）日本の国土はほとんどが山岳部であるため、多くの都道府県においても本発明の水力発電用導水路を利用した発電は適用可能である。（ii）ダムを必要としないので建設費が安価であると共に、地形的に恵まれれば、１つの山に複数個の沢（川）が存在し、それぞれの沢（川）に対応した水力発電用水路を設置可能であり、日本全体で膨大な発電能力を発揮できる。(iii)山岳部の上部に建設できるため、下流の河川には殆ど影響を与えない。(iv)雨は無料であるために、運転費用が殆どかからない。(v)地域ごとに発電された電力の一部は、その地で消費することにより、ソフト・パス方式への移行が早まる。(vi)金融危機で地方に有効な投資が必要となっている現在、日本のみならず山岳地帯を持つ国で利用可能であり、特に多雨で山岳地帯が多い東南アジアでは多くの需要が見込まれる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
まず、発電用水車に流入する流水の流量をＱ［ｍ３／ｓ］、水車に有効に作用する落差をｈ［ｍ］とすると、理論発電電力Ｐｅ［ｋＷ］は、よく知られているように、
Ｐｅｈ＝ｇＱｈ［ｋＷ］                                    （７）
で表される。この理論発電電力Ｐｅは理論水力とも呼ばれている。（７）式は、発電用水車に導入される流水の速度をＶ［ｍ／ｓ］とすれば、
ＰｅＶ＝１／２・ＱＶ２［ｋＷ］                            （８）
と書き換えられる。山岳頂上部での流水は流量Ｑは小さいが流速Ｖは大きくなる。平野部では流量Ｑは大きいが落差ｈは小さくなる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
山岳頂上部の高速な流水を用いて水力発電を実施する場合、どのくらいの理論発電電力Ｐｅ［ｋＷ］が得られるかが問題である。流量Ｑ［ｍ３／ｓ］で速度Ｖ［ｍ／ｓ］の流水から得られる理論発電電力Ｐｅ［ｋＷ］は、前述の式（８）で得られる。この式（８）から、Ｑ，Ｖ，Ｐｅの関係を求めたのが、図６である。例えば、Ｑ＝１０［ｍ３／ｓ］、Ｖ＝１００［ｍ／ｓ］では、理論発電電力は、Ｐｅ＝５万［ｋＷ］となる。これは、流水のもつ運動エネルギーが１００「％」電気エネルギーに変換されるものとしての計算である。流水の流速Ｖも損失分は考慮されていない。したがって、実際の発電電力は、この３０〜６０「％」程度のものになると思われる。３０「％」の発電電力をＰ３０とすれば、Ｐ３０＝１万５千［ｋＷ］となり、６０「％」では、Ｐ６０＝３万［ｋＷ］となる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
標高が１０００［ｍ］を越える高山は偏在しているが、５００［ｍ］前後の山は日本全国のあらゆる個所に存在している。「竹内正；日本山名総覧、白山書房」によると、日本の山の総数は１８０００となっている。この中には標高、数［ｍ］程度の丘も含まれているので、５００［ｍ］以上の山で水力発電に利用し得るものを、少なく見積もって８０００（正確には、５００［ｍ］以上の山が１３０９８で、７００［ｍ］以上の山が７７１２である。）とし、さらに標高５００［ｍ］の山で、発電用導水路として利用し得る有効落差が、その半分の２５０〔ｍ〕と仮定する。この仮定によれば、落差２５０［ｍ］から得られる自由落下の流速Ｖ［ｍ／ｓ］は簡単な計算で、約７０［ｍ／ｓ］と求められる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
標高が５００［ｍ］程度の山での流量を一定の＝６［ｍ３／ｓ］と仮定して、流速Ｖ［ｍ／ｓ］の条件で計算し、導水路下端に発電用水車を設置したとき得られる理論発電電力Ｐｅ［ｋＷ］を求めると、式（８）より、
ＰｅＶ＝１／２・ＱＶ２＝１４７００[ｋＷ］
となる。１つの山に沢や沢を形成できる個所が平均２個所あるとすると、1つの山で合計理論発電電力Ｐｍ［ｋＷ］は、Ｐｍ＝２９４００［ｋＷ］と２倍になる。日本全体では、この８０００倍が流水の仮想発電電力Ｐｓ［ｋＷ］となるので、
Ｐｓ＝２９４００×８０００＝２．３５２×１０８［ｋＷ］
となる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
この仮想発電電力Ｐｓを電力量Ｗｓ［ｋＷｈ］にすると、
Ｗｓ＝２０６０３億［ｋＷｈ］
となる。この電力量Ｗｓは理論発電電力量に基づいたものであり、実際の総発電電力量Ｗｔ［ｋＷｈ］は、
Ｗｔ＝η・Ｗｓ
となる。ηは諸変換損失を含めた変換効率である。ηの値は不明であるが、０．３〜０．６くらいの間にあると思われる。よって、
Ｗｔ＝６１８２〜１２３６２億［ｋＷｈ］
となる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
以上の各方式（ａ）〜（ｃ）において、その導水路の一部または全部として、図１０に示すように、地表３１から浮くように、支柱３２により支持した空中導水路２５Ｃを設置することができる。このとき、空中導水路２５Ｃは地表３１より高さｈ１だけ高くなるので、この空中導水路２５Ｃを図９の点線Ａ２〜Ａ３の間の導水路２５Ｂの露出部分に適用するときは、トンネル部分を減少させることができる。高さｈ１は設置場所の地質、傾斜角度、トンネル部の長さ、流水の流量等によって定められる。この空中導水路２５Ｃの上端が取水口３３になる場合は、その取水口３３にフィルタ等（図示せず）を設置して、沢２２からの流水を取り込むようにする。沢２２の下流は始めの間は空中導水路２５Ｃに流水が流れたため枯れ沢２２Ａとなっている。なお、空中導水管２５Ｃを水管（パイプ）型とする場合は、その水管の上部の所々に小穴２５Ｃａを空けて大気を導入し、水管内部を大気圧に保つ。（いわゆる、「開渠式（かいきょしき）」の導水路を構成する。）
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
山岳地帯では、導水路に流し得る流量Ｑ［ｍ３／ｓ］は、それほど大きな量にはならない。したがって、山岳部に設置される水力発電所で使用する発電用水車は、ペルトン水車系が主となる。ペルトン水車は、流量によりノズルの数が決められているが、最大で６個である。ノズルの直径を１２［ｃｍ］と１５［ｃｍ］とした場合、水車の導入口の流水速度Ｖ［ｍ／ｓ］、流量Ｑ［ｍ３／ｓ］から、式（８）で求めた発電電力Ｐｅ［ｋＷ］を図１１に示す。現在使用されているペルトン水車のノズル直径は１０［ｃｍ］程度が普通であるが、ここでは目標値として１２［ｃｍ］と１５［ｃｍ］を掲げた。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
ここで示した発電電力Ｐｅ［ｋＷ］は、水車及び発電機の効率を１００［％］としたが、実際は、水車と発電機での損失があるため７０〜８０［％］くらいが発電電力となる。なお、図１１の流量Ｑ［ｍ３／ｓ］自体は、本発明の導水路は流速Ｖ［ｍ／ｓ］に逆比例して断面積を絞っていくので、導水路の始点終点において大略同一である。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2011140829.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月27日(2010.10.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
山岳部の上部に設置され、等高線に垂直な方向に前記山岳部を流下する流水を堰き止めることなく取水する取水口と、
前記山岳部に設置され、前記取水口から取水した前記流水を、速度損失が少なく流水の流速を増加させると共に流水断面積を減少させる導水路と、
前記導水路内を流下することにより流速が増加した流水を前記山岳部に設置された水力発電所の発電用水車に導入する導入口と、
を備えていることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項２】
請求項１に記載の水力発電用導水路において、
前記導水路は、前記取水口から前記導入口まで、直線形状、屈曲部の少ない直線に近い形状、または、懸垂線カーブを含む放物線形状に形成されていることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項３】
請求項１に記載の水力発電用導水路において、
前記取水口は、前記山岳部の源流点または源流点より落差数十ｍ下流の、沢底が整備され、流量が増加した沢の位置に設置されることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項４】
請求項１に記載の水力発電用導水路において、
前記山岳部の頂上付近を囲む等高線に沿って緩やかな勾配をもって下降する環状集水路または環状の一部をなす弧状集水路によって集水された流水は、前記取水口から上流の流水に加えられることを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項５】
請求項１に記載の水力発電用導水路において、
前記流水を、前記山岳部に設置された前記導入口を経て水力発電用水車運転用装置に接続することを特徴とする水力発電用導水路。
【請求項６】
山岳部の源流点または源流点より落差数十ｍ下流の、沢底が整備され、流量が増加した沢の位置に設置された取水口により、等高線に垂直な方向に山岳部を流下する流水を堰き止めることなく取水し、
前記取水口から取水した流水を、直線形状、屈曲部の少ない直線に近い形状、または、懸垂線カーブを含む放物線形状に形成されている導水路を流下させて、速度損失が少なく流水の流速を増加させると共に流水断面積を減少させた流水を、前記山岳部に設置された導入口を経て水力発電用水車運転装置に接続することを特徴とする山岳部水力発電方法。
【請求項７】
請求項６に記載の山岳部水力発電方法において、
前記山岳部の頂上付近を囲む等高線に沿って緩やかな勾配をもって下降する環状集水路または環状の一部をなす弧状集水路によって集水された流水は、前記取水口から上流の流水に加えられることを特徴とする山岳部水力発電方法。