鳥取県産業技術センター研究報告 No.14 (2011)

マイクロ水力発電システムの開発（第３報）
Development of a Micro Hydroelectric Generation System（3rd Report）

試作３号機の実証試験
Verification Tests on the Third Prototype of a Micro Hydroelectric Generation System

野嶋賢吾・角 力・柏木秀文＊・桑原豊彦・鈴木好明
Kengo Nojima, Tsutomu Sumi, Hidefumi Kashiwagi, Toyohiko Kuwahara and Yoshiaki Suzuki
機械素材研究所 生産システム科、* 現所属：(協）鳥取県鉄構工業会

マイクロ水力発電装置の試作 1 号機に対して耐久性と耐食性の向上および小型化を図った 3 号機を開発した。3 号機の 1 年間を超える実証試験を中山間地域の養魚場の敷地内で行い、発電した電力の変動および長期間の運転において発生する問題点について調査した。実証試験の結果、取水において混入した小枝が、水車とノズルのすき間に挟まり、ノズルを変形させ、損傷前の約 60%まで電力が低下するトラブルを経験したが、最大約 1 kW の電力を安定して得られることを確認した。

1.

はじめに

表１

3 号機の主な仕様

鳥取県産業技術センターでは、中山間地域の 1～5

項

目

1 号機

3 号機

m という低落差の農業用水等を発電対象にした、マ寸法

1000×1000×1000 mm

600×700×700 mm

イクロ水力発電システムの実用化を目指し、発電装

重量

約 100 kg

約 100 kg置を開発し 1）、2）、実証試験を行っている 3）、4）。

発電機

永久磁石式

永久磁石式多極（定格出力）（1.5 kW）（2 kW）

タイミングベルトカップリング（2.5 倍増速）

（直結）

SS400

SUS304

前報4）では、「導水式」の試作１号機を農業用水路等に設置できるよう改良した「はめ込み式」の 2

動力伝達号機を開発し、中山間地域の養魚場（小泉川養魚場：鳥取県倉吉市小泉）の排水路において実施した実証材質試験の結果について報告した。
本報では、1 号機に対して耐久性と耐食性の向上および小型化を図った 3 号機を開発し、同養魚場における 1 年間を超える実証試験を行い、発電した電力の変動および長期間の運転において発生する問題

3 号機に用いた永久磁石式多極発電機（40 極）（以下、多極発電機）の無負荷における回転数と電圧の関係を、1 号機に用いた発電機（8 極）と比較して図2 に示す。3 号機に用いた多極発電機は、1 号機に用点について調査した結果について報告する。

いた発電機に比べ低速回転においても高い電圧を出2.

実験方法力する。この発電機の諸特性と水車トルク特性を用2.1発電装置（試作 3 号機）いて、各出力に及ぼす増速比 Z の影響について計算

3 号機の主な仕様を 1 号機と対比して表 1 に、外観写真を図 1 に示す。3 号機には、1 号機と同一形状・寸法のクロスフロー水車を用いた。

した結果を図 3 に示す。水車と発電機との間に増速機を設けない Z=1.0 の場合は、増速機を設ける Z=1.5- 30 -以上の場合に比べ、最大電力値およびそれに対応すDC電力(W)る回転数領域が 10%程度小さくなることが予想され、効率面では不利となる。しかし、増速機を廃止することによる構造の簡素化および耐久性・保守性の向上による利点、ならびに増速機を用いた場合に容易

DC電流(A)に発生する 400 V を超す高い電圧に対する機器等の耐電圧を考慮すると、多極発電機を利用する場合、

1400
12001000800
Z = 1.0600
1.54002.02002.5010Z = 1.08
1.5
6 2.042.5

2

増速機なしの直結方式の方が有利と判断し、3 号機

0にはカップリングによる直結方式を採用した。

2.5600DC電圧(V)

3 号機の筐体および水車の材質については、耐食性向上のため、1 号機の SS400（軟鋼）から SUS3042.01.5Z = 1.0400200（オーステナイト系ステンレス鋼）に変更した。
003 号機の大きさについては、軽トラック・軽バン

200400600

水車回転数(rpm)に積載するため、1 号機比で約 30%小型化し、筐体
図３については軽量化している。ただし、増速機を廃止出力に及ぼす増速比の影響するため、3 号機には 1 号機より約 15 kg 重い多極発電機（25.5 kg）を採用したため、総重量は約 100 kg

2.2

実証場所

3 号機の実証試験を 2 号機と同様、ごみや水量ので、１号機と同等である。

管理が行われている中山間地域の養魚場において養図１3 号機の外観写真

殖池からの排水を利用して行った。試験期間は、点検のため試験を中断した延べ約 3 ヶ月間を除く、平成 22 年 1 月～現在（平成 23 年 12 月）である。導水は養殖池の排水を約 1 m3 の容積のコンクリート製の取水桝で集め、その水面から総落差で約 6 m 下方の 3 号機まで、主に塩ビ管（直径：200 mm、距離：

図１3 号機の外観写真

およびコストの軽減を図るため、3 号機の約 5 m 手

400

前の場所において塩ビ管からフレキシブルホース

350
3号機（SKY−HR350W）

DC電圧（V）

300
250（150 mm）による導水に切替え、3 号機に給水した。なお、このフレキシブルホースは、鳥取県産業

200技術センターが仕様設計を行い、ユーシー産業株式150

会社鳥取工場が製作したもので、従来品と比較し、

100

1号機
（PMS−1.5K−L）

5000

約 100 m）を用いて行った。配管設置に要する作業

250

500

750

1000 1250 1500

軽量で柔軟性に富み、かつ、耐紫外線に優れるという特徴を持つ。

回転数（rpm）

取水升の設置状況を図 4 に、3 号機およびフレキ

図２ 発電機の無負荷における回転数と電圧の関係

シブルホースの設置状況を図 5 に示す。

- 31 -

2.3実証試験の方法

実証試験では、3 号機の設置場所において発電機からの 3 相交流を整流器で直流に変換し、温水ヒータと白熱電球に電力を供給する実験を行った。温水タンクと白熱電球の設置状況を図 7 に示す。
白熱電球
図４取水升

フレキシブルホース

温水タンク

図７

図５

3.

3 号機およびフレキシブルホース

温水ヒータおよび白熱電球

結果と考察

電気負荷の抵抗値を変化させ発電装置の出力の実証場所における落差および流量を表 2 に示す。

回転数依存性を調査した結果を図 8 に示す。実証試

表中の落差は図 6 に示すとおりで、総落差について験を実施した養魚場では、1 年を通して安定した水はレベル測量を行い実測し、損失落差については管量が得られ、取水升がオーバーフローする状態で取内流に関する各種損失式

5）、6）から概算した。また、水できるため、最大約 1 kW の電力を安定して得ら流量については、ポータブル形超音波流量計れた。なお、同図の点線は、図 3 に示した計算結果（PORTAFLOW-C）を用いて実測した。

であるが、実験結果とおおむね良い一致が見られた。

表２

実証場所における落差と流量

総 落 差

6.0 m

損失落差

約 1.8 m

有効落差

約 4.2 m

量

水のパワー

800
400
012約 0.05 m3/s

10約 2 kW

DC電流(A)流

DC電力(W)

1200

8
642

DC電圧(V)

0400
300

Calc.
Exp.

200
100
00200

400

600

水車回転数(rpm)

図６

各種落差の関係

図８- 32 -養魚場における発電装置の出力の回転数依存性

図 9 に実証試験中に経験した 3 号機周辺の降雪の4.

おわりに様子を示す。発電機からの放熱のため、3 号機が雪試作 1 号機に対して、耐久性と耐食性の向上およに埋没することはなく、当初、中山間地域での運転び小型化を図った 3 号機を開発し、中山間地域の養において懸念していた凍結等によって生じる不具魚場において 1 年間を超える実証試験を行った。
3 号機は、約 4.2 m の有効落差、約 0.05 m3/s の流合は発生しなかった。
実証試験中、取水において混入した5～10×50～100L mm の小枝が水車とノズルのすき間に挟まり、量の実証場所において、最大約 1 kW の電力を、年間をとおして安定して出力した。

図 10 に示すとおりノズルが変形した（水車の損傷は発電効率に及ぼすノズルの影響は大きく、ノズル発生していない）。ノズルの変形量は 5 mm 程度であのわずかな変形が、電力の著しい低下（約 40%）をるが、この程度の変形でもノズルの密閉性は損なわ招いた。ノズル形状を最適化することにより効率改れ、損傷前の約 60%にまで電力が低下した。

善が期待できると考える。
今後の検討課題としたい。

取水において小枝の他に落ち葉の混入も見られたが、同時に大量に混入することはなく、水車とノズ

謝辞

ルのすき間に詰まることはなかった。

本実証試験は、小泉川養魚場 代表 小椋勝美 様およびユーシー産業株式会社 鳥取工場長 新井征
一 様をはじめ従業員の方々の多大なご協力のもと実施した。ここに記して謝意を表する。

参考文献
1) 野嶋賢吾, 鈴木好明, 柏木秀文, 佐藤崇弘, 木村勝典; マイクロ水力発電システムに関する研究,
鳥取県産業技術センター研究報告, No.9, p.11-14，(2006).
2) 野嶋賢吾, 柏木秀文, 桑原豊彦; マイクロ水力発電システムの開発, 鳥取県産業技術センター研究報告 No.11, p.44-45, (2008).
図９

降雪時の様子3) 野嶋賢吾, 柏木秀文, 鈴木好明, 桑原豊彦, 今岡睦明, 菊井一樹; マイクロ水力発電システムの開発（第 1 報） 試作 1 号機の実証試験, 鳥取県
産業技術センター研究報告 No.12, p.37-41,(2010).
4) 野嶋賢吾, 角力, 鈴木好明 吉田裕亮, 桑原豊彦, 柏木秀文; マイクロ水力発電システムの開発（第 2 報） 試作 2 号機の実証試験, 鳥取県産業技術センター研究報告 No.13, p.34-37,(2011).
5) 吉野章男, 菊山功嗣, 宮田勝文, 山下新太郎; 流
体詳細工学演習, 共立出版株式会社, p.187-107.
6) 機械工学便覧 α 基礎編, 日本機械学会, p.69-75.
図１０

変形したノズル- 33 -