(57)【要約】【課題】設置場所の地形的な制約が少なく、しかもその建設工事が容易かつ低コストであり、さらに自然環境及び自然景観を損なうことも少ない小型水力発電ユニットの提供を目的とするものである。【解決手段】水源Ａの略直下に配設され、下方に貯水部１０を有するタンク３と、このタンク３の上方に配設される水力発電用の水車４と、水源Ａ及びタンク３間に連通し、水車４に水源Ａの水を導く落水管５と、タンク３及び外界間に連通する通気管６と、一端１７側が貯水部１０まで垂下し、他端１８側が地面に沿って貯水部１０の水位より低水位位置Ｄまで延びるサイホン放水管７と、この水車４の回転運動を電力に変換する発電機構８と、タンク３等を収納する地下構造体２とを備える小型水力発電ユニット１である。【選択図】　図１
2004084586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水源の略直下に配設され、下方に貯水部を有するタンクと、
このタンクの上方に配設される水力発電用の水車と、
水源及びタンク間に連通し、水車に水源の水を導く落水管と、
タンク及び外界間に連通する通気管と、
一端側が貯水部まで垂下し、他端側が地面に沿って貯水部の水位より低水位位置まで延びるサイホン放水管と、
この水車の回転運動を電力に変換する発電機構と
を備える小型水力発電ユニット。
【請求項２】
上端壁が地上に露出する筒状の地下構造体を備え、
この地下構造体の内部に上記タンク、落水管、通気管、サイホン放水管の一端側及び発電機構が配設されている請求項１に記載の小型水力発電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に小規模分散型発電基地として好適な小型水力発電ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日では、電気自動車の早急なる普及が予想され、これに伴ってガソリンスタンドに変わる電気スタンドの設置が急務となっている。また、この電気スタンドは、比較的大電流を必要とし、全国に略均一に分散して設置される必要がある。そのため、電気スタンドに電力を供給する発電施設としては、電力送給ロスを低減する観点から、各地域に小規模の施設を設置するのが好ましい。一方、地球の温暖化防止等のため、二酸化炭素を排出せずかつ安全な水力発電が見直されている。
【０００３】
従来の一般的な水力発電としては、ダム式、水路式及びダム水路式がある。このダム式水力発電は、例えば河川等に発電水源として巨大なダムが建設され、このダムの水面より所定の水位差を有する下方位置に発電装置が配置され、上記ダムから落水管を通して導いた水が上記発電装置に供給されており、巨大ダムの貯留水のもつ位置エネルギーを上記発電装置において電気エネルギーに変換して取り出すように構成されている。また、水路式水力発電は、比較的流れが速く、流量も多い河川を堰き止めて取水し、河川に沿って下流に導き、河川の勾配による落差を利用して発電するよう構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の水力発電は、河川に巨大なダムや水路を建設し、また落水管、水路及び発電装置を川岸に建設する必要があることから、１）ダム等の建設に数年の工期を要する、２）その建設費用が巨額である、３）広大な地域が水没しダム周辺の自然環境が悪化する、４）上記落水管、発電装置等が地上に建設されるところからその周辺の自然景観が損なわれる等の不都合がある。
【０００５】
また、上記従来の水力発電装置は、地上設置が前提となっていることから、水力発地形、つまり急峻な山間地形や大河川地形であることが要求され、設置自由度が非常に低いという不都合もある。そのため、上記従来の水力発電装置によれば、上述の小規模施設を日本全国に分散して設置することは不可能である。
【０００６】
本発明はこれらの不都合に鑑みてなされたものであり、設置場所の地形的な制約が少なく、しかもその建設工事が容易かつ低コストであり、さらに自然環境及び自然景観を損なうことも少ない小型水力発電ユニットの提供を目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた発明は、（ａ）水源（河川、湖沼等）の略直下に配設され、下方に貯水部を有するタンクと、（ｂ）このタンクの上方に配設される水力発電用の水車と、（ｃ）水源及びタンク間に連通し、水車に水源の水を導く落水管と、（ｄ）タンク及び外界（地上又は水源上）間に連通する通気管と、（ｅ）一端側が貯水部まで垂下し、他端側が地面に沿って貯水部の水位より低水位位置まで延びるサイホン放水管と、（ｆ）この水車の回転運動を電力に変換する発電機構とを備える小型水力発電ユニットである。
【０００８】
当該小型水力発電ユニットによれば、水源の直下に配設されるタンク内の水車に落水管を介して水源の水を導くことで水車に回転運動を付与し、この水車の回転運動を発電機構により電力に変換することができる。このとき、タンク内の圧力は通気管により原則として大気圧とされていることから、水車位置を基準とする水源水位に相当する有効水頭を発電に利用することができる。また、タンク内の上方に水車が配設されることから、浸漬による水車の回転阻害が防止され、上記有効水頭を効率的に利用した発電が実現される。
【０００９】
一方、水車を回転した後の水はタンク内の下方に有する貯水部に貯留される。この貯水部の水は、サイホン効果によりサイホン放水管を介して低水位位置に放出され、所定の水位に維持される。このように、落水管を介して水源から落下する水をサイホン放水管を介して排出することで、定常的な発電が可能となる。
【００１０】
従って、当該小型水力発電ユニットによれば、水車、発電機構、落水管等の主構成要素を水源直下に埋設すればよく、従来の水力発電装置のように巨大なダム等を建設する必要がないことから、１）容易にかつ低コストで設置することができ、ひいては電力の低価格供給が可能となる、２）水力発地形の制約を受けず、例えば比較的緩やかな流れの水源等にも設置することができる、３）当該小型水力発電ユニットの設置に起因する周辺環境の破壊、周辺景観の改変が可及的に少ない、等の利点がある。
【００１１】
当該小型水力発電ユニットは、（ｇ）上端壁が地上に露出する筒状の地下構造体を備え、この地下構造体の内部に上記タンク、落水管、通気管、サイホン放水管の一端側及び発電機構を配設するとよい。当該手段によれば、小型水力発電ユニットの主構成要素が筒状の地下構造体の内部に配設され、筒状の地下構造体の上端壁が地上（水源の底面上も含む）に露出しているため、当該小型水力発電ユニットの設置がより容易になり、さらに地下構造体における地上の露出部分に出入口を形成しておけば、各構成要素のメンテナンスが容易になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しつつ本発明の実施の形態を詳説する。図１は本発明の一実施形態に係る小型水力発電ユニットを示す概略構成図、図２は図１の小型水力発電ユニットと異なる形態の小型水力発電ユニットを示す概略構成図である。
【００１３】
図１の小型水力発電ユニット１は、取水のための水源Ａの略直下に配設され、この水源Ａの有効水頭を利用して発電するものである。当該小型水力発電ユニット１は、具体的には、地下構造体２、タンク３、水車４、落水管５、通気管６、サイホン放水管７及び発電機構８を備えている。
【００１４】
水源Ａとしては、急勾配の流れを堰き止めたダム、大河川などである必要がなく、比較的流れの緩やかな河川Ｂを比較例小さな止水堰Ｃで堰き止めることで形成されたものでよい。なお、水源Ａは、上記河川Ｂに限定されず、例えば湖沼等も可能である。また、止水堰Ｃは、河川Ｂ周辺の景観維持、環境改変の抑制、設置工事の容易化及び低コスト化等の観点から、一般的なコンクリート製の止水堰ではなく、例えばゴム製の止水堰とされている。
【００１５】
地下構造体２は、水源Ａの略直下又は水源Ａの岸部直下に埋設構築され、内部にタンク３、発電機構８等を収納するための空間が構成されている。この地下構造体２の形成材料としては、特に限定されないが、土圧、土中での腐食等を考慮するとコンクリート、特に鉄筋コンクリートが好ましい。
【００１６】
タンク３は、密閉室状のものであり、地下構造体２内に配設されている。このタンク３は、上方に水車収容部９を有し、下方に貯水部１０を有している。このタンク３の形成材料としては、特に限定されず、例えば金属、プラスチック等が用いられ、強度、防食等に優れる銅合金、ステンレス鋼等が好ましい。
【００１７】
水車４は、タンク３の水車収容部９に回動自在に軸支されている。この水車４の出力軸は、水車収容部９の側壁に貫通し、地下構造体２内に突出している。水車４の型式としては、水力発電用であれば特に限定されるものではなく、例えばペルトン水車等の衝撃水車やフランシス水車、斜流水車、プロペラ水車等の反動水車などが用いられる。当該小型水力発電ユニット１は、発電使用後の水を後述するサイホン放水管７で排出する関係上、あまり落差が取れないため、斜流水車又はプロペラ水車が好ましい。
【００１８】
落水管５は、鉛直方向に向けて配設される管体であり、水源Ａとタンク３との間に連通し、水源Ａの水を落下させて水車４に導くものである。この落水管５の上端には取水口１１を有し、下端にはノズル１２を有し、ノズル１２寄りの位置には止水用のバルブ１３を有している。この取水口１１は、水源Ａの底部に開口している。ノズル１２は、水車４近傍に配設されており、水車４の型式に合わせて噴射水が水車４を回転するよう位置決めされている。
【００１９】
通気管６は、鉛直方向に向けて配設され、タンク３と外界との間に連通する管体である。この通気管６の上端１４は、水源Ａ水上又は水源Ａ近傍の地上に開口し、下端１５はタンク３内上方に開口している。また、通気管６の中間部には、開閉用のバルブ１６を有している。このバルブ１６を開けることで、タンク３内の圧力が大気圧に調整されている。
【００２０】
サイホン放水管７は、貯水部１０に貯留する水をサイホン効果を利用して貯水部１０よりも低水位の位置Ｄに排出する所定径の管体である。このサイホン放水管７は、一端１７側が貯水部１０まで垂下し、他端１８側が地面に沿って低水位位置Ｄまで延びている。このサイホン放水管７の一端１７は貯水部１０の底部水中に開口し、他端１８は低水位位置Ｄの水中に開口している。この他端１８には止水用のバルブ１９を有している。また、サイホン放水管７の最頂部（屈曲部分）には、開閉用のバルブ２１を有する排気管２０が連結されており、サイホン放水管７内の空気を排出可能に構成されている。
【００２１】
発電機構８は、水車４の回転運動を電力に変換するものであり、地下構造体２内に配設されている。この発電機構８は、具体的には、水車４の出力軸に連結される増速機２２、この増速機２２に連結される発電機２３などを備えている。この発電機２３としては、突極形の回転磁界形同期発電機等の公知のものが用いられる。
【００２２】
次に、当該小型水力発電ユニット１を用いた発電準備動作及び発電動作について説明する。発電準備動作としては、バルブ１３を閉止して落水管５を止水し、通気管６のバルブ１６を開放し、サイホン放水管７のバルブ１９を閉止した状態で、バルブ２１を開けて排気管２０からサイホン放水管７内に水を投入し、サイホン放水管７内の空気を排気管２０から排出しつつ水で充填する。サイホン放水管７内の水の充填が完了後、排気管２０のバルブ２１を閉止する。このとき、タンク３内の圧力は大気圧に保持されている。
【００２３】
発電動作としては、落水管５のバルブ１３を開けて水源Ａの水を落水させ、ノズル１２から水車４に噴射する。これにより、水車４が回転駆動され、発電機構８により電気エネルギーに変換され、図示していない送電装置を介して所要の電力需要に供される。このとき、通気管６のバルブ１６が開けられ、タンク３内の圧力は大気圧に保持されているため、落水管５のノズル１２の高さ位置を基準とする水源Ａの有効水頭を発電に利用することができる。水車４の回転駆動に利用された水はタンク３の貯水部１０に貯留される。
【００２４】
上記発電動作のバルブ１３の開放と同時にサイホン放水管７のバルブ１９を開け、サイホン効果により貯水部１０に順次貯留される水をサイホン放水管７を介して低水位位置Ｄに放出する。このように落水管５から供給される水による水車４の回転駆動と、水車４を回転させた後に貯水部１０に貯留される水のサイホン効果による放出とが相互に連携して継続的に行われることで、水力発電による電力の連続的な取り出しが実現される。
【００２５】
この発電動作の定常状態において、サイホン放水管７による放出水量と上記落水管５による取水量とが同じになるようサイホン放水管７及び落水管５の管径、ノズル１２の圧力損失等を調整し、貯水部１０が所定の水位に調整されている。なお、貯水部１０の水位が定常水位より低下した場合、サイホン放水管７のバルブ１９を絞り、放出水量を低減することで、定常水位に調整する。一方、貯水部１０の水位が定常水位より上昇した場合、（１）落水管５のバルブ１３を絞り、取水量を低減することや、（２）通気管６のバルブ１６を閉止し、タンク３内の増水によりタンク３内の圧力を上昇させて、サイホン放水管７による放出水量を高め、かつ、落水管５による取水量を低下することで、定常水位に調整する。
【００２６】
当該小型水力発電ユニット１によれば、上述のように水車４等が水源Ａの略直下に配設され、水源Ａの有効水頭を利用して発電することができる。また、当該小型水力発電ユニット１によれば、水車、発電機構、落水管等の主構成要素を水源直下に埋設すればよく、従来の水力発電装置のように巨大なダム等を建設する必要がないことから、１）容易にかつ低コストで設置することができ、ひいては電力の低価格供給が可能となる、２）水力発地形の制約を受けず、例えば比較的緩やかな流れの水源等にも設置することができる、３）当該小型水力発電ユニットの設置に起因する周辺環境の破壊、周辺景観の改変が可及的に少ない、等の利点がある。
【００２７】
図２の小型水力発電ユニット３１は、地下構造体３２、タンク３、水車４、落水管５、通気管６、サイホン放水管７及び発電機構８を備えている。このタンク３、水車４、落水管５、通気管６、サイホン放水管７及び発電機構８は、上記小型水力発電ユニット１と同様であるため、同一番号を付して説明を省略する。従って、当該小型水力発電ユニット３１も、上記図１の小型水力発電ユニット１と同様に、ノズル１２の高さ位置を基準とする水源Ａの有効水頭を利用して発電することができる。
【００２８】
当該小型水力発電ユニット３１の地下構造体３２は、水源Ａの底部から地下方向に埋設された筒状体である。この地下構造体の上端壁３３は、地上に露出し、水源Ａの底面を構成している。そのため、まず地下構造体３２の上端壁３３以外の部分を形成することで、タンク３、水車４、落水管５、通気管６、サイホン放水管７及び発電機構８の設置が容易になる。また、上端壁３３に開閉可能な出入口を設けておけば、水車４等のメンテナンスが容易になる。
【００２９】
最後に、当該小型水力発電ユニット１、３１の有効水頭及び発電出力について考察する。当該小型水力発電ユニット１、３１において、使用後にタンク３内に貯留した水は、エネルギー負荷を必要としないサイホン効果を利用し、サイホン放水管７を介して排出される。そのため、サイホン放水管７の最頂部と一端１７との鉛直距離は１０ｍ未満に制限される。また、このサイホン放水管７の最頂部等は、地下５ｍ程度であれば容易に埋設することができる。従って、当該水力発電ユニット１、３１の有効水頭（有効落差）としては１５ｍ程度は十分可能である。
【００３０】
一方、当該小型水力発電ユニット１、３１の発電出力Ｐとしては、有効落差を１５ｍ、流量を５ｍ３／ｓ、水車効率を０．８５、発電機効率を０．９３として計算すると、
Ｐ＝９．８×１５×５×０．８５×０．９３
＝５８１ｋＷ
となる。従って、当該小型水力発電ユニット１は、小規模発電施設として十分な発電量を得ることができる。
【００３１】
なお、本発明の小型水力発電ユニットは上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、筒状の地下構造体の上部を地上又は水源Ａ上に突設するよう構成することも可能であり、水車４等のメンテナンス性がさらに向上する。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の小型水力発電ユニットによれば、設置場所の地形的な制約が少なく、しかもその建設工事が容易かつ低コストであり、さらに自然環境及び自然景観を損なうことも低減される。そのため、全国各地域に分散して設置される小規模発電施設に好適であり、電力送給ロス及び二酸化炭素の排出を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る小型水力発電ユニットを示す概略構成図である。
【図２】図１の小型水力発電ユニットとは異なる形態の小型水力発電ユニットを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１　小型水力発電ユニット
２　地下構造体
３　タンク
４　水車
５　落水管
６　通気管
７　サイホン放水管
８　発電機構
９　水車収容部
１０　貯水部
１１　取水口
１２　ノズル
１３　バルブ
１４　上端
１５　下端
１６　バルブ
１７　一端
１８　他端
１９　バルブ
２０　排気管
２１　バルブ
２２　増速機
２３　発電機
３１　小型水力発電ユニット
３２　地下構造体
３３　上端壁
【図１】
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【図２】
2004084586.tif 000004