第31回

夏季研修会論文集

2010/08/21

開放周流形水車（木製水車）による発電
有限会社 シンク・フジイ

小村芳生

はじめに古来より揚水や粉ひきに使用されてきた水車が小規模な水力発電機として見直されてきている。特徴としては、小規模ながら安定した電力を得られ、再生可能なエネルギーとして環境への負荷が小さく、また比較的低コストで建設できることなどがあげられる。ここでは小規模水力発電用水車としての開放周流形水車（木製水車）を紹介する。

仁多郡奥出雲町横田鳥上小学校前

邑智郡川本町道の駅

松江市玉湯町城床ふるさと公園

背景
近年、地球温暖化対策として二酸化炭素排出削減を目的とした自然エネルギーによる発電が盛んである。利用される自然エネルギーとしては、太陽エネルギー、風力エネルギー、水力エネルギー、バイオマス、天然ガス、地熱などがある。
このうち民間で使用される小規模なものの多くは太陽光発電や風力発電であり、メーカー各社によって様々なソーラーパネルや風力発電機が提案されている。
一方、水力エネルギーに関しては局所的なエネルギーであり、ある程度の落差や水量がある場所においてのみ利用可能であることから、巨大なダムを除けば民間ではそれほど利用が進んでいない。
本来、水力発電は比重が大きくエネルギー密度の大きい水の流れを利用するため、小規模な発電機で大きな出力を得ることが可能である。また、水の流れは太陽光や風力エネルギーと比較すれば安定的なエネルギー源であり、再生可能エネルギーの利用として安価で有益な電源装置を供することができる。
（有）シンク・フジイでは山間部の道路防犯灯や公園トイレ、山岳トイレ等への電力供給源として水車による発電装置を検討していくことにした。

開放周流形水車の形式
古来より使用されてきたいわゆる「水車」は開放流水式水車と呼ばれる。
開放周流形水車として代表的なものは上掛け式水車と下掛け式水車がある。その他にも用途によって様々な水車がある。

胸掛け水車

1

胸掛け水車

箱水車

揚水水車

芋洗い水車

開放周流形水車による発電
一般に水力発電による出力計算は次の式で与えられる。
出力（Ｗ）＝水の流量（ｌ／ｓ）×水の落差（ｍ）×９．８（重力加速度）×η（発電効率）
一日あたりの発電量（Ｗｈ／ｄａｙ） ＝出力（Ｗ）×２４（ｈ／ｄａｙ）

各種水車の効率比較
水車の種類

方式有効落差（ｍ）

水車効率

開放周流形水車

上掛け式

３以下

０．６０〜０．６５

開放周流形水車

胸掛け式

３以下

０．４０〜０．５０

開放周流形水車

下掛け式

３以下

０．３０〜０．３５

開放周流形水車による発電量計算例

水車直径が 2.5 メートル、流量が 20 毎秒リットルの場合の発電量は、2.5 [m] ×

20 [l/s] ×

9.8 × 0.6 ＝ 294 W となる。

24 時間稼動させた場合の 1 日あたりの発電量[Wh/day]は、294 [W] ×

24 [h] ＝ 7056 [Wh]（約 7kWh/day） となる。

水車の直径（落差に比例）と水量に応じた期待出力[W]
水の流量

直径

直径
直径 2.0[m] 直径 2.5[m]

直径 4.0[m] 直径 6.0[m]

水車幅↓

[ｌ/s]

1.5[m]

１０88W

118W

147W

176W

226W352W

400mm

２０176W

226W

294W

352W

452W

705W

600mm

４０352W

452W

588W

704W

904W

1410W

900mm

６０529W

706W

882W

1058W

1356W

2117W

1200mm１００882W

1176W

1470W

1764W

2352W

3528W

1800mm

参考水車回転数

10〜15rpm

8〜12rpm

6〜10rpm

5〜8rpm4〜6rpm3〜4rpm3[m]・設置環境や原水条件などにより、上表の出力値[W]が、変動する場合がある（±15%程度）。
・水車の直径は、水の落差によって決まる。また、水車の直径＋50cm 程度の水の落差が必要となる。
・水車の幅は、水の流量によって決まる。
・上表出力値[W]に 24[h]をかけた値が、一日あたりの発電量[Wh/day]になる。

開放周流形水車施工例

2発電用上掛け水車

水車外観

発電システム概要

水車用発電機

制御盤とバッテリー

発電機水車発電による CO2 削減効果について水力などの自然エネルギーで発電した電気を利用すると、その分だけ CO2 の排出量が減ったとみなされる。これを CO2の削減効果という。 1kWｈ発電するのに、どれだけ CO2 を排出しているかを表す値として、「CO２排出係数」がある。
ただし、この排出係数の値は、発表している団体で異なるが、算出根拠を明示すればどの値を使っても良いことになっている。
0.555kg・CO2/kWh：環境省関連/地球温暖化対策推進に関する法律施行令第３条(H18 年 3 月 24 日)
0.339kg・CO2/kWh：東京電力（株） (H20 年報告用)

例えば、上掛け水車直径が 2.5 メートル、流量が 20 リットル毎秒の発電量は 294W となるが、この場合、年間発電電力は294（W） × 24（ｈ） × 365 ＝

CO2 の年間削減量は2575440（Wｈ）＝2575．440（ｋWh）(CO2 排出係数は 0.555kg・CO2/kWh とする)

2575.440 ×0.555 (kgCO2/kWh) ＝ 1429.3692(kg) ＝ 約 1.43 トン

これを原油に換算すると年間の原油削減量(リットル) ＝ 年間発電電力量(kWh) × 原油換算係数 (リットル/kWh)＝2575.440 (kWh) × 0.254 (リットル/kWh)＝654.16176 (リットル)
原油換算係数は 254 リットル/kWh」(NEDO「H19 年度地域新エネルギー等導入促進事業」の公募要要領より)ドラム缶で約 3.2 本

開放周流形水車を使用した発電の長所として以下の事項がある。
・再生可能エネルギーの利用であり、発電過程で CO2 が発生しない。
・日本の里山の風景に溶け込み、景観に悪影響を与えない。

3(ドラム缶１本は、200 リットル) となる。

・太陽光や風力に比べて発電が昼夜年間を通じて安定し、効率も良く出力変動も少ない。
・水車羽根への間伐材の使用、地元の業者による保守管理などにより地域の活性化や雇用創出につながる。
・CO2 削減により地球温暖化防止に貢献できる。
・日本古来の文化である水車とその製造技術が保存される。

短所として次の事項もある。
・設置場所が水の落差と流量のある場所に限られる。
・水利権による利害関係がつきまとう。
・河川によっては法的手続き（特に河川法）が煩雑になる場合がある。
・電気事業法において太陽光や風力に比べて不平等な扱いを受けている。
・水車に対する一般の認知度は低く、時代遅れの技術とみなす傾向がある。

ただし、市町村が管理する準用河川や普通河川から取水する農業用水路等に自ら発電施設を設置する場合や地権者の敷地内の湧き水から取水する場合は河川法による許可は必要ない。また、電気事業法における不平等（買い取りの不平等など）は現在（２０１０年）是正される方向で見直しが進んでいる。

おわりに
日本は森林資源に恵まれ木材を入手しやすく、雨量も多く、地形も水車を設置するのに適した場所が多かったことから、古来より水車は穀物の加工や小工場の原動力として活躍してきた。昭和になって内燃機関にその座を奪われ衰退してきた水車が、今、再生可能なエネルギーを利用した環境への負荷が小さい原動力であり、CO2 を削減する技術として見直されてきている。木製水車発電は小規模でも昼夜問わず安定的に動力を供給できることから山間部や公園の街灯や防犯灯への電力供給源として適しており、また、水車作製のための木材使用は、現在課題となっている山間部の木工技術の伝承、間伐材の利用、雇用創出にもつながる。
（有）シンク・フジイでは開放周流形水車を地域活性化の有効な手段として自治体等へ提案し、木製水車による発電を普及させることによって地域社会への貢献と CO2 の削減に努めていきたいと考えている。

参考資料
・小水力発電機製作ハンドブック ： 竹尾敬三 パワー社 １９９７・木製水車における出力計算の考え方 ： 株式会社イズミ HP・クラシカル調水力発電機, ： 堀 潤也, 青電舎 HP・小水力利用の基礎知識 ： 全国小水力利用推進協議会
・農業用水を利用した小水力発電 ： 全国土地改良事業団体連合会
・簡易な発電システムの開発・研究 ： 鈴木健太郎 武田紘一

MISE,機会知能システム学科

・水力発電の基礎知識 ： 株式会社ノースパワー, ノースパワーオンライン

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