(57)【要約】【課題】水車運転時におけるキャビテーションの発生及び下流側の環境に対する不所望な影響を抑制できる水力発電システムを提供する。【解決手段】実施の形態による水力発電システム１は、上池からの水が流入するカバー内に配置され、前記カバー内に流入する水によって回転するランナ１３と、ランナ１３から流出する水を、その下流側端部１４Ｄから放水領域１００に放出する吸出し管１４と、を有する水力機械１０と、放水領域１００内に設けられ、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄを囲い且つ当該下流側端部１４Ｄからの水を貯水する貯水槽２０と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上池からの水が流入するカバー内に配置され、前記カバー内に流入する水によって回転するランナと、前記ランナから流出する水を、その下流側端部から放水領域に放出する吸出し管と、を有する水力機械と、
前記放水領域内に設けられ、前記吸出し管の下流側端部を囲い且つ当該下流側端部からの水を貯水する貯水槽と、を備える、ことを特徴とする水力発電システム。
【請求項２】
前記貯水槽は、前記放水領域の底面から立ち上がる壁部を有し、
前記壁部には、前記貯水槽の内部から前記放水領域における前記貯水槽の外部に貫通するゲートが形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の水力発電システム。
【請求項３】
前記吸出し管の下流側端部を水が放出される方向に前記壁部に投影した投影領域から、前記ゲートが離れて形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の水力発電システム。
【請求項４】
前記ゲートは、複数形成されている、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の水力発電システム。
【請求項５】
前記ゲートの開度を調節する開度調節装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の水力発電システム。
【請求項６】
前記ゲート内に配置され、前記ゲートを流れる水によって駆動する低水位側水車をさらに備える、ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の水力発電システム。
【請求項７】
前記貯水槽は、前記放水領域の底面から立ち上がる壁部を有し、
前記壁部の基端部の外側面には、当該外側面から張り出して且つ横方向に延びる受け部が設けられている、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、水力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の抑制及びカーボンフットプリントの低減のためには、グリーンエネルギー或いは再生可能エネルギーを利用して電力を得ることが望ましい。近年、風力や太陽光が注目されているが、水力発電は、その安定性、信頼性、及び高効率であることから、その地位を従前から確立している。水力発電は、十分に発展してきたものと考えられているが、解決されることが期待された幾つかの問題点が残っている。この問題点には、例えば、キャビテーションの除去、圧力変動の抑制、運転範囲の拡大、及び好適な環境性能の確保が含まれる。このうち、水力機械の水車運転時の運転範囲の拡大は、電力網上の電力の適切な管理における迅速且つ正確な電力調節のために特に重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２０７３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水力発電は、水力機械において水を媒体として電力を生成するが、運転中に、気泡、いわゆるキャビテーションが発生した際に問題が生じる。詳しくは、ランナの作動時に、ランナ羽根において流れに沿った大きい圧力勾配が生じると、ランナ羽根の下流側の負圧面近傍に圧力降下が生じて、キャビテーションが生じる場合がある。キャビテーションは、ランナ羽根等を壊食し、水力機械の寿命を短命化し、さらには運転効率を低下させ得る。またキャビテーションは、深刻な圧力変動及び強い脈動を生じさせ、これにより水力機械が打ち付けられて騒音や振動が生じ、その結果、損傷が生じ得る。
【０００５】
また水力発電では、環境的な要因によっても、問題が生じる。すなわち、水力発電は、放出される水を利用するが、この水は、環境的な要因で、流速が不所望に早くなり且つ強い渦を伴う場合がある。このような水が、下流側の環境、すなわち下池等に不所望な影響を及ぼす場合がある。
【０００６】
さらに他の問題は、水力機械の設計時に生じる。すなわち、火力発電や原子力発電におけるタービンとは異なり、水力機械は、川等の自然の特性が反映される多様な運転条件において、運転される。そのため、設計点（最高効率時の運転条件）と非設計点との設定が、設計上の困難性を生じさせ、実際に使用した場合に、良好な発電効率を得られない場合がある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、水車運転時におけるキャビテーションの発生及び下流側の環境に対する不所望な影響を抑制できる水力発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施の形態に係る水力発電システムは、水力機械と、貯水槽と、を備える。水力機械は、上池からの水が流入するカバー内に配置され、前記カバー内に流入する水によって回転するランナと、前記ランナから流出する水を、その下流側端部から放水領域に放出する吸出し管と、を有する。貯水槽は、前記放水領域内に設けられ、前記吸出し管の下流側端部を囲い且つ当該下流側端部からの水を貯水するようになっている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水車運転時におけるキャビテーションの発生及び下流側の環境に対する不所望な影響を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態に係る水力発電システムを側方から見た概略図である。
【図２】図１に示す水力発電システムを上方から見た概略図である。
【図３】図１に示す水力発電システムのランナを示した図である。
【図４】第２の実施の形態に係る水力発電システムを上方から見た概略図である。
【図５】第３の実施の形態に係る水力発電システムを側方から見た概略図である。
【図６】図５に示す水力発電システムを上方から見た概略図である。
【図７】第４の実施の形態に係る水力発電システムを側方から見た概略図である。
【図８】図７に示す水力発電システムを上方から見た概略図である。
【図９】第５の実施の形態に係る水力発電システムを側方から見た概略図である。
【図１０】図９に示す水力発電システムを上方から見た概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の各実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水力発電システム１を側方から見た概略図であり、図２は、水力発電システム１を上方から見た概略図である。図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る水力発電システム１は、水力機械１０と、放水領域１００に設けられた貯水槽２０と、を備えている。
【００１３】
本実施の形態における水力機械１０は、一例としてフランシス水車であり、図３に示すように、渦巻き状のケーシング１１と、ケーシング１１の内周側において間隔を空けて配置された上カバー１２Ｕ及び下カバー１２Ｄと、上カバー１２Ｕ及び下カバー１２Ｄ内に配置され、これらカバー１２Ｕ，１２Ｄ内に流入する水によって回転するランナ１３と、ランナ１３から流出する水をその下流側端部１４Ｄから放水領域１００に放出する吸出し管１４（図１参照）と、を有している。
【００１４】
この水力機械１０では、図示しない上池から導かれた水が鉄管を通ってケーシング１１に導かれ、その後、水は、上カバー１２Ｕ及び下カバー１２Ｄ内、すなわちランナ１３へ流入する。ランナ１３は、通過する水の圧力エネルギーにより回転し、図示しない軸を介して連結する発電機を駆動し、これにより、発電機において発電が行われる。一方、ランナ１３から流出する水は、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄから放水領域１００に放出される。
【００１５】
放水領域１００は、例えば、人工的に作られたダムであり、水力機械１０から放出された水を貯水した後、河川に放出するようになっている。ここで、図示の例では、吸出し管１４が、放水領域１００の底面１００Ｂの外周縁から立ち上がる内壁面１００Ｃにて開口している。これにより、吸出し管１４は、水平方向に沿って、水を下流側端部１４Ｄから放水領域１００に放出するようになっている。なお、放水領域１００は、上述のようなダムに限定されるものではなく、例えば、人工的に作られた放水路や、河川であってあってもよい。
【００１６】
本実施の形態における貯水槽２０は、放水領域１００の底面から立ち上がる壁部２１を有し、図２に示すように、壁部２１の両側端部を放水領域１００の内壁面１００Ｃに結合させて、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄを囲むように構成されている。これにより、貯水槽２０は、放水領域１００の内壁面１００Ｃの一部と協働して、水を貯水可能な貯水空間２２を画成している。なお、貯水槽２０の壁部２１は、上述のような形態に限定されるものでなく、連続したループ状に形成されていてもよく、この場合、吸出し管１４を壁部２１から開口させてもよい。
【００１７】
図１に示すように、壁部２１の高さは、下流側端部１４Ｄの上端の高さよりも高く、且つ、放水領域１００における貯水槽２０の外部に想定されている通常の水位よりも高く設定されている。また本実施の形態では、壁部２１に、一つのゲート２３が形成されている。ゲート２３は、貯水槽２０の内部から放水領域１００における貯水槽２０の外部に貫通する。図示の例において、ゲート２３の開口面積は、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄの開口面積よりも小さくなっている。これにより、貯水槽２０に水が貯水された際に、ゲート２３を介して貯水槽２０の内部から外部へ流れる水の流量は、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄからその外部へ放出される水の流量よりも小さくなる。
【００１８】
本実施の形態の作用について説明すると、水車運転を行う場合、図１の矢印αに示すように、上池から導かれた水が鉄管を通ってケーシング１１に導かれる。その後、水は、上カバー１２Ｕ及び下カバー１２Ｄ内、すなわちランナ１３へ流入する。ランナ１３は、通過する水の圧力エネルギーにより回転し、図示しない軸を介して連結する発電機を駆動する。一方、ランナ１３から流出する水は、図１及び図２の矢印βに示すように、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄから放水領域１００に放出される。
【００１９】
吸出し管１４の下流側端部１４Ｄから放水領域１００に放出される水は、まず、貯水槽２０に放出される。このとき、本実施の形態では、ゲート２３を介して貯水槽２０の内部から外部へ流れる水の流量が、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄからその外部へ流出する水の流量よりも小さくなる。これにより、図１の矢印γに示すように、貯水槽２０に貯水される水の水位が上昇する。このような貯水槽２０の水位の上昇は、下流側からランナ１３へ作用する追加的な静圧を生成する。これにより、水力機械１０内におけるランナ１３の周辺の圧力を増加させ、キャビテーションの発生を抑制でき、水力機械１０の寿命を長期化させることができる。
【００２０】
また、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄから放出される水の流速が不所望に早かったり、当該水が強い渦を伴ったりする場合であっても、このような水は、放水領域１００における貯水槽２０の外部に放出される前に貯水槽２０に一旦貯水されることによって、その流速が低減されるか、又は、強い渦が抑制される。これにより、放水領域１００に対して不所望な影響を与え得る流れが、放水領域１００に放出されることが防止される。
【００２１】
したがって、本実施の形態によれば、水車運転時におけるキャビテーションの発生及び下流側の環境に対する不所望な影響を抑制できることになる。
【００２２】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。図４は、第２の実施の形態に係る水力発電システム２を上方から見た概略図である。本実施の形態における上述の第１の実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００２３】
第１の実施の形態では、貯水槽２０の壁部２１に一つのゲート２３が形成されたが、本実施の形態では、壁部２１に複数（図示の例では、２つ）のゲート２３Ａ，２３Ｂが形成されている。
【００２４】
本実施の形態では、図４に示すように、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄを水が放出される方向に壁部２１に投影した投影領域ＰＴに対して、ゲート２３Ａ，２３Ｂが離れて形成されている。詳しくは、図示の例において、一方のゲート２３Ａは、投影領域ＰＴから横方向の一方側に離れて配置され、他方のゲート２３Ｂは、投影領域ＰＴから横方向の他方側に離れて配置されている。また本実施の形態においても、ゲート２３Ａ，２３Ｂを介して貯水槽２０の内部から外部へ流れる水の流量が、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄからその外部へ放出される水の流量よりも小さくなるように、ゲート２３Ａ，２３Ｂが設計されている。
【００２５】
本実施の形態の作用について説明すると、ゲート２３Ａ，２３Ｂが、壁部２１に対して吸出し管１４の下流側端部１４Ｄを投影した投影領域ＰＴから離れているので、水車運転時に下流側端部１４Ｄから放出された水が、真っ直ぐに且つ直接的に放水領域１００における貯水槽２０の外部に流れないようになる。すなわち、下流側端部１４Ｄから放出された水は、矢印ηに示すよう、壁部２１の対向する領域（投影領域）を迂回するように、貯水槽２０の外部へ流れる。これにより、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄから放出される水の流速を効果的に低減できるとともに、当該水に含まれる渦を効果的に抑制できる。
【００２６】
したがって、このような第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、とりわけ、下流側の環境に対する不所望な影響を充分に抑制できる。
【００２７】
（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について説明する。図５は、第３の実施の形態に係る水力発電システム３を側方から見た概略図であり、図６は、水力発電システム３を上方から見た概略図である。本実施の形態における上述の第１の実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００２８】
第１の実施の形態では、貯水槽２０の壁部２１に一つのゲート２３が形成されたが、本実施の形態では、このようなゲート２３が壁部２１に形成されていない。この場合、貯水槽２０に貯水された水は、壁部２１の頂部から放水領域１００における貯水槽２０の外部に流れることになる。
【００２９】
本実施の形態において、壁部２１は、図５に示すように、縦断面視で、上方に向いた先端が鋭角となる略三角形状に形成されている。このような壁部２１の断面形状は、一般的なダムを形成する壁部と同様の断面形状となっている。また本実施の形態においては、壁部２１の基端部の外側面に、当該外側面から張り出して且つ横方向に延びる受け部２５が設けられている。この受け部２５は、本実施の形態において、壁部２１の一方の側端部から他方の側端部にかけて連続して延びている。
【００３０】
本実施の形態の作用について説明すると、水車運転時に吸出し管１４の下流側端部１４Ｄから放水領域１００に放出される水は、貯水槽２０に放出される。このとき、本実施の形態では、壁部２１の頂部に至るまで、図５の矢印γ１に示すように、貯水槽２０の水の水位が上昇する。ここで、下流側からランナ１３へ作用する追加的な静圧が生成される。そして、貯水槽２０の水の水位が、壁部２１の頂部を越えると、図５及び図６の矢印γ２に示すように、水が放水領域１００における貯水槽２０の外部へ下方に向けて流出する。
【００３１】
壁部２１の頂部を越えて貯水槽２０の外部へ流れた水は、受け部２５に向けて流れる。これにより、下方に向けて流れる水の影響によって生じ得る、放水領域１００の底面の致命的な浸食や壁部２１の崩壊を防止することができる。
【００３２】
また、この実施の形態においても、下流側端部１４Ｄから放出された水は、真っ直ぐに且つ直接的に放水領域１００における貯水槽２０の外部に流れない。これにより、吸出し管１４の下流側端部１４Ｄから放出される水の流速を効果的に低減できるとともに、当該水に含まれる渦を効果的に抑制できる。
【００３３】
したがって、このような第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、とりわけ、下流側の環境に対する不所望な影響を充分に抑制できる。また、貯水槽２０に貯水される水の水位は、下流側端部１４Ｄから放出される水の影響によらず、一定の水位となるため、水位の管理を容易に行うことができる。
【００３４】
（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態について説明する。図７は、第４の実施の形態に係る水力発電システム４を側方から見た概略図であり、図８は、水力発電システム４を上方から見た概略図である。本実施の形態における上述の第１の実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態においては、第１の実施の形態で説明した壁部２１のゲート２３の開度を調節する開度調節装置２６が設けられている。本実施の形態における開度調節装置２６は、一例として、図８に示すように、互いに接近及び離間してゲート２３を開閉させる一対の開閉部材を有するが、開度調節部材２６は、バタフライバルブ等であってもよい。
【００３６】
開度調節装置２６は、制御装置２７によって操作されるようになっている。図７には、ケーシング１１に供給する水を貯水する上池２００が示されている。制御装置２７には、上池２００の水位を検出する図示しない水位検出器が接続されている。
【００３７】
本実施の形態の作用について説明すると、開度調節装置２６が設けられることによって、ゲート２３を介して貯水槽２０の内部から外部へ流れる水の流量を調節することができる。これにより、貯水槽２０に貯水された水の水位を調節することができる。そのため、下流側からランナ１３へ作用する追加的な静圧の大きさを調節することができ、キャビテーションの発生を効果的に抑制できる。
【００３８】
一方で、上池２００の水位に応じて、貯水槽２０に貯水された水の水位を調節することができる。これにより、上池２００と貯水槽２０との間の水位の差（落差）Ｈを、水力機械１０の設計点、すなわち最高効率点の条件に常に合うように調節することが可能となる。
【００３９】
したがって、このような第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、とりわけ、キャビテーションの発生を効果的に抑制できる。また、環境的な要因で上池２００の水位が大きく変動した場合であっても、上池２００と貯水槽２０との間の水位の差を細かく調節することができるため、水力機械１０を設計点または設計点近傍で運転させることができる。そのため、環境的な要因によって、水力機械１０の運転効率が低下することを防止できる。このことは、水力機械１０の運転範囲を拡大させなくても、環境的な要因による運転効率の低下の問題を解消することができることを意味する。
【００４０】
（第５の実施の形態）
次に第５の実施の形態について説明する。図９は、第５の実施の形態に係る水力発電システム５を側方から見た概略図であり、図１０は、水力発電システム５を上方から見た概略図である。本実施の形態における上述の第１の実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態では、貯水槽２０の壁部２１に複数（図示の例では、４つ）のゲート３３Ａ〜３３Ｄが形成されている。そして、各ゲート３３Ａ〜３３Ｄ内には、ゲートを流れる水によって駆動する低水位側水車４０Ａ〜４０Ｄが配置されている。
【００４２】
本実施の形態の作用について説明すると、本実施の形態では、貯水槽２０と放水領域１００における貯水槽２０の外部との間の水位の差（落差）を利用して、低水位側水車４０Ａ〜４０Ｄが駆動される。
【００４３】
このような第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、とりわけ、貯水槽２０と放水領域１００における貯水槽２０の外部との間で生じる水力損失を最小化し、且つシステム全体で生成可能な電力を増加させることができる。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４５】
例えば、上述の各実施の形態では、水力機械１０がフランシス水車であるが、その型式は特に限定されるものではない。水力機械１０は、水が充填されるカバー（上カバー及び下カバーや、ディスチャージリング、水管等）にランナが配置され、ランナがカバー内に流入した水によって回転する装置であればよく、例えば、カプラン水車、軸流水車、斜流水車、ポンプ水車等であっても構わない。
【符号の説明】
【００４６】
１，２，３，４，５…水力発電システム、１０…水力機械、１１…ケーシング、１２Ｕ…上カバー、１２Ｄ…下カバー、１３…ランナ、１４…吸出し管、１４Ｄ…下流側端部、２０…貯水槽、２１…壁部、２２…貯水空間、２３，２３Ａ，２３Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ…ゲート、２５…受け部、２６…開度調節装置、２７…制御装置、４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ…低水位側水車、１００…放水領域、１００Ｃ…内壁面、１００Ｂ…底面、２００…上池、ＰＴ…投影領域。
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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