JP2007064141A - 低落差小水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水路が通水状態である場合でも設置工事や設置後の浚渫作業が容易な低落差小水力発電装置を提供する。
【解決手段】 落差部１２を境にして上流側１４と下流側１６が形成された水路１０に配置され、上流側１４から水を取り込む導水路２６と該導水路２６内に配設された水車２８と該水車２８に連結された発電機３２と導水路２６に取り込んだ水を下流側１６に放水する放水路６８とを備えており、導水路２６と水車２８と発電機３２とを一体的に組み込んだ上流側モジュール２２を上流側１４に配設し、放水路６８を組み込んだ下流側モジュール２４を上流側モジュール２２に懸垂させて下流側１６に配設した。
【選択図】 図１

Description

本発明は小水力発電装置に係り、特に下水処理場の排水路や農業用水路などに配置される低落差小水力発電装置に関する。

下水処理場の排水路や農業用水路などに大量に流れる水の動エネルギを利用して低落差の小水力発電を行うことが試みられている（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
水路中に落差部がある場合に、この落差部を利用した低落差小水力発電装置も知られている。図７はこの種の落差部を利用した低落差小水力発電装置の一例を示す側断面図である。上流側１と下流側２は２ｍ程度の落差Ｈを有しており、落差部３を有する水路に低落差小水力発電装置４が配置されている。低落差小水力発電装置４は、上流側１の水を取水口５Ａから取り込む導水路５と、該導水路５内に配設された水車６と、該水車６にギア機構７を介して連結された発電機８と、導水路５に取り込んだ水を下流側２に放水する放水路９とによって構成されている。導水路５を流れる水の動エネルギによって水車６を回転させ、発電機８を駆動する。この低落差小水力発電装置４は、取水口５Ａのある上流側１と放水口９Ａのある下流側２までがサイフォンを形成しており、落差Ｈを利用して導水路５内に水を高速に流すことができる。このため、特許文献１や特許文献２などに記載された平坦な水路に配置する低落差小水力発電装置に比べて落差を確保することが容易であり、簡単な設備構成で出力を比較的大きくすることができる利点がある。
特開平１１−３０１７９号公報 特開２００１−１５３０２１号公報

一般的にこの種の低落差小水力発電装置では、発電規模が数ｋＷと小さい場合が多く、ｋＷ当りの建設費が割高になる傾向がある。このような背景から、その設置工事は仮設バイパス水路を設けるなどの大規模な土木工事をすることなく、既設の水路に水を流した通水状態で行い、できるだけ建設費を低く抑える試みがなされている。このような試みとして、例えば装置構成品を一体化して工場で製作し、現地での設置作業をできるだけ少なくする一体化工法が考えられる。しかしながら、このような一体化工法は、製作した一体化装置がかなりの長大物となる。したがって、設置工事は軽減されるものの、工場から現地までの運搬作業に手間を要する。また、一体化されているため、下流側の放水路を点検する場合に装置全体を吊り上げる必要があり、維持管理作業に手間を要する。

また、この種の低落差小水力発電装置では特に下流側に砂などの沈殿物が堆積し易い。堆積した沈殿物によって放水口が閉塞すると発電機能が失われるか又は低下する。したがって、下流側に堆積した沈殿物を除去する浚渫作業が不可欠である。水路が通水状態でこのような浚渫作業を実施する場合には、放水口自体が障害物となり、浚渫作業の能率を低下させるという問題点があった。
本発明の目的は上記従来技術の問題点を改善し、水路が通水状態である場合でも設置工事や設置後の浚渫作業が容易な低落差小水力発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る低落差小水力発電装置は、落差部を境にして上流側と下流側が形成された水路に配置され、前記上流側からの水を取り込む導水路と該導水路内に配設された水車と該水車に連結された発電機と前記導水路に取り込んだ水を前記下流側に放水する放水路とを備えた低落差小水力発電装置において、前記導水路と水車と発電機とを一体的に組み込んだ上流側モジュールを前記上流側に配設し、前記放水路を組み込んだ下流側モジュールを前記上流側モジュールに懸垂させて前記下流側に配設したことを特徴とする。
上記構成の低落差小水力発電装置は、前記放水路の放水口に開度を調整可能な背圧板が付設されたことが望ましい。

本発明に係る低落差小水力発電装置を水路に設置する場合には、予め工場で組み立てた上流側モジュールと下流側モジュールとを現地に運び込むことになるが、各モジュールは適度な大きさにコンパクトに組み立てられているので、運搬作業が容易であり、車輌への積載効率も向上する。また、設置現場では、上流側モジュールを据付た後に、上流側モジュールに下流側モジュールを懸垂させることによって容易に当該低落差小水力発電装置を組み立てることができる。また、各モジュールは適度な大きさにコンパクトに組み立てられているので、設置作業が容易である。

また、本発明の低落差小水力発電装置では下流側モジュールを上流側モジュールに懸垂させた構造であるから、下流側モジュールに組み込んだ放水路を下流側の水路の底面から浮かした位置に容易にすることができる。このため、下流側に砂などの沈殿物が堆積した場合でも、沈殿物によって放水口が閉塞する可能性が低く、沈殿物の浚渫作業が比較的し易い。また、本格的な浚渫作業を実施する場合でも、下流側モジュールのみを上流側モジュールから切り離すことができる。このため、装置の心臓部である上流側モジュールを現位置の状態にしたままで、本格的な浚渫作業を容易に実施できる。
また、放水路の放水口に開度を調整可能な背圧板を付設することによって、装置の起動時間を短くできるとともに、キャビテーションが生じ難くなる。

図１は本発明に係る低落差小水力発電装置の実施形態を示す側断面図、図２は同実施形態の平面図、図３は図２のＡ−Ａ矢視図である。水路１０は例えば下水処理場の排水路や農業用水路であり、落差部１２を境として上流側１４と下流側１６が形成されている。なお、符号１８はグランドレベル（地表面）を示している。この水路１０の落差部１２が存在する位置に低落差小水力発電装置２０が配置されている。低落差小水力発電装置２０は上流側１４に配設された上流側モジュール２２と、下流側１６に配設された下流側モジュール２４に分割されている。

上流側モジュール２２は、上流側１４から水を取り込む導水路２６と導水路２６内に配設された水車２８と水車２８に連結された発電機３２とを一体的に組み込んだものである。すなわち、上流側モジュール２２は、４本の支柱３４を上部梁３６Ａ，３６Ｂと下部梁３８とによって連結した枠体を有し、この枠体内に導水路２６を固定してある。導水路２６の先端部は取水口４０とされ、この取水口４０から上流側１４の水を取り込む。取水口４０の両脇にはフランジ４２、上部にはフランジ４４が設けられ、これらのフランジ４２，４４は導水路２６の外面から張り出した補強リブ４６，４８によって補強されている。導水路２６内にはダリウス型の水車２８が配設され、主軸５０はカップリング５２を介して上方のギア機構３０に連結している。ギア機構３０では水車２８の主軸５０の回転数と回転方向を変換して発電機３２の主軸５４に伝達し、主軸５４の回転によって発電機３２での発電が行われる。

一対の上部梁３６Ａの適所に２箇所ずつ、合計４個の吊り上げ用のアイボルト５８が取付けられている。また、一対の上部梁３６Ａの両端はグランドレベル（地表面）１８まで延びており、グランドレベル（地表面）１８に設けた基礎５６に上部梁３６Ａの両端をアンカーボルトで固定することによって、上流側モジュール２２が水路１０の上流側１４に固定される。

この上流側モジュール２２の固定によって、取水口４０の両脇に設けたフランジ４２の内、図２において下側に示したフランジ４２の端部は水路１０の一方の側壁に接する。また、図２において上側に示したフランジ４２の端部と水路１０の他方の側壁との間には隙間が生じる。したがって、この隙間に堰板５９を取付ける。取水口４０の上部に設けたフランジ４４と堰板５９の上端高さを揃えることによって、これらの上端部が堰として機能し、取水口４０における水面高さを確保する。

図１に示した上流側モジュール２２の右端側の支柱３４，３４間には導水路２６の右端部が開口している。また、この右端側の支柱３４，３４間には図４に示したようにアングル部材６０が掛け渡されている。また、各支柱３４の下端にも支柱３４の幅内にアングル部材６１が固定されている。

下流側モジュール２４は４本の支柱６２を上部梁６４Ａ，６４Ｂと下部梁６６とによって連結した枠体を有し、この枠体内にＳ字状の放水路６８を一体的に組み込んだものである。放水路６８の左端部は開口しており、前記導水路２６の右端部開口と連結される。放水路６８の右端部は下流側１６に開口した放水口７０とされる。

放水口７０にはヒンジ７２を支点として回動自在な背圧板７４が取付けられている。背圧板７４の外面には一端がピン部７６を支点として回動自在な調整棒７８が取付けてあり、この調整棒７８の中間が水面よりも上方の上部梁６４Ａに取付けた調整部８０に係合している。この調整部８０で調整棒７８の固定位置を変化させることによって背圧板７４がヒンジ７２を支点として回動し、放水口７０の開度を調整することができる。調整部８０には開度表示板８１が固定されている。

すなわち、調整棒７８を上方に引き上げて固定すると背圧板７４が開き放水口７０の開度が大きくなる。逆に調整棒７８を下方に引き下げて固定すると背圧板７４が閉じ放水口７０の開度が小さくなる。したがって、操作員は水面よりも上方位置において、開度表示板８１を見ながら水面下の放水口７０の開度を何時でも自在に調整することができる。

一対の上部梁６４Ａの適所に２箇所ずつ、合計４個の吊り上げ用のアイボルトが取付けられている。また、左端側の上部梁６４Ａには図５に示したようにアングル部材８４が取付けられている。また、左端側の各支柱６２の中間にも支柱６２の幅内にアングル部材８６が固定されている。前記した上流側モジュール２２の右端側に設けられたアングル部材６０と上記のアングル部材８４とを噛み合せると、前記した上流側モジュール２２の右端側に設けられたアングル部材６１と上記のアングル部材８４が噛み合う。したがって、これらのアングル部材を相互に噛み合せることによって、下流側モジュール２４を上流側モジュール２２に懸垂させることができる。下流側モジュール２４を懸垂させた際の下流側モジュール２４の姿勢を鉛直に保つために、左端側の各支柱６２の下端には図１に示したように突起片８８が取付けられ、突起片８８の先端を落差部１２の壁面に当接させる。

図６は下流側モジュール２４を上流側モジュール２２に懸垂させる際の導水路２６の右端部開口と放水路６８の左端部開口との連結構造を示した斜視図である。導水路２６の右端部開口の上面端部は一定幅で切除され、その奥側がパッキンを貼り付けた上シール面９０とされる。両側面には上記の上面端部が切除された部分から下面に向けて斜めに進むテーパ面９２と、このテーパ面９２と直角に交叉する三角形状の突起面９４が形成されている。これらのテーパ面９２や突起面９４にはパッキンが貼り付けられている。両テーパ面９２の下端を繋ぐ下面が下シール面９６とされる。この下シール面９６にもパッキンが貼り付けられている。

一方、放水路６８の左端部開口には導水路２６の右端部開口の形状に合わせて上シール面１００、テーパ面１０２、突起面１０４及び下シール面１０６が形成されている。したがって、導水路２６の右端部開口の上方で放水路６８の左端部開口を平面的に位置合わせした後に、放水路６８の左端部開口を徐々に下げていくと、両者の上シール面９０，１００、テーパ面９２，１０２、突起面９４，１０４及び下シール面９６，１０６がそれぞれフィットし、水密性が確保される。この放水路６８の左端部開口を導水路２６の右端部開口に合わせる操作は、実際には放水路６８を一体的に組み込んだ下流側モジュール２４を後述するように上流側モジュール２２に懸垂させる時に自動的に実行される。

本実施形態に係る低落差小水力発電装置２０を水路１０に設置する場合には、予め工場で組み立てた上流側モジュール２２と下流側モジュール２４とを現地に運び込む。この運搬作業の際には、各モジュールに取付けられた吊り上げ用のアイボルト５８、８２を利用できるので、便利である。また、各モジュールは適度な大きさにコンパクトに組み立てられているので、運搬作業が容易である。

設置現場では、まず、上流側モジュール２２を基礎５６上に据付固定する。次に、上流側モジュール２２に下流側モジュール２４を懸垂させる。この懸垂作業は上流側モジュール２２の右端側の支柱３４，３４に取付けたアングル部材６０，６１に対して、下流側モジュール２４の左端側の支柱６２，６２に取付けたアングル部材８４，８６をそれぞれ噛み合わせることによって実現する。すなわち、起重機によって吊り上げた下流側モジュール２４の左端側を上流側モジュール２２の右端側に対して平面的に位置合わせした後に、起重機によって下流側モジュール２４を徐々に下げることによって各アングル部材を噛み合わせる。その結果、下流側モジュール２４の荷重が各アングル部材を介して上流側モジュール２２に移行し、上流側モジュール２２に下流側モジュール２４が懸垂される。この懸垂状態では、下流側モジュール２４の左端側の下端に取付けた突起片８８の先端が落差部１２の壁面に当接することによって、下流側モジュール２４の姿勢を鉛直に保つ。また、上流側モジュール２２における導水路２６の取付け位置及び下流側モジュール２４における放水路６８の取付け位置は、上流側モジュール２２に下流側モジュール２４を正しく懸垂させた時に、放水路６８の左端部開口が導水路２６の右端部開口にフィットして水密性が確保されるように予め設定されている。したがって、上記の懸垂操作によって放水路６８の左端部開口と導水路２６の右端部開口の連結が自動的に実行される。

上記の上流側モジュール２２の据付作業や下流側モジュール２４の懸垂作業の際には、起重機による吊り上げに各モジュールに取付けられた吊り上げ用のアイボルト５８、８２を利用できるので、便利である。また、各モジュールは適度な大きさにコンパクトに組み立てられているので、作業が容易である。

上流側モジュール２２の据付と下流側モジュール２４の懸垂が終了すると、最後に堰板５９を取付けることによって一連の作業が完了する。水路１０を流れる水量に応じて放水口７０に設けた背圧板７４の開度を調整した上で、低落差小水力発電装置２０の運転を開始する。なお、背圧板７４を全開にして出力を最大にしても上流側１４の水量が多く、取水口４０からの水の取り込み量を超える時には、余剰分の水は堰板５９を溢流し、導水路２６をバイパスして下流側１６に流れ込む。

本実施形態の低落差小水力発電装置２０では下流側モジュール２４を上流側モジュール２２に懸垂させた構造であるから、下流側モジュール２４に組み込んだ放水路６８を下流側１６の水路の底面から浮かした位置に容易にすることができる。このため、下流側１６に砂などの沈殿物が堆積した場合でも、沈殿物によって放水口７０が閉塞する可能性が低く、沈殿物の浚渫作業が比較的し易い。また、本格的な浚渫作業を実施するために下流側モジュール２４を取り外す場合でも、下流側モジュール２４のみを吊り上げて、上流側モジュール２２から切り離すことができる。このため、装置の心臓部である上流側モジュール２２を現位置の状態にしたままで、本格的な浚渫作業を容易に実施できる。

また、操作員は水面よりも上方位置において調整棒７８を操作し、背圧板７４の起伏角度を変えることによって、水面下の放水口７０の開度を何時でも自在に調整することができる。このため、上流側１４の水量が少ない場合でも、放水口７０の開度を絞ることによって、導水路２６内を常に満水状態に調整することができる。このため、起動時間を短くすることができる。また、導水路２６内を満水状態に調整することによって、水車２８が配置された導水路２６内がプラス圧に維持され、水車翼に対するキャビテーション作用が発生し難くなる。

本発明に係る低落差小水力発電装置の実施形態を示す側断面図である。 同実施形態の平面図である。 図２のＡ−Ａ矢視図である。 上流側モジュールの右端部の構造を示す部分斜視図である。 下流側モジュールの上部の構造を示す部分斜視図である。 導水路２６の右端部開口と放水路６８の左端部開口との連結構造を示した斜視図である。 従来技術に係る落差部を利用した低落差小水力発電装置の一例を示す側断面図である。

符号の説明

１０………水路、１２………落差部、１４………上流側、１６………下流側、１８………グランドレベル、２０………低落差小水力発電装置、２２………上流側モジュール、２４………下流側モジュール、２６………導水路、２８………水車、３０………ギア機構、３２………発電機、３４………支柱、３６Ａ，３６Ｂ………上部梁、３８………下部梁、４０………取水口、４２，４４………フランジ、４６，４８………補強リブ、５２………カップリング、５６………基礎、５８………アイボルト、５９………堰板、６０，６１………アングル部材、６２………支柱、６４Ａ，６４Ｂ………上部梁、６６………下部梁、６８………放水路、７０………放水口、７２………ヒンジ、７４………背圧板、７６………ピン部、７８………調整棒、８０………調整部、８１………開度表示板、８２………アイボルト、８４，８６………アングル部材、９０，１００………上シール面、９２，１０２………テーパ面、９４，１０４………突起面、９６，１０６………下シール面。

Claims (2)

1. 落差部を境にして上流側と下流側が形成された水路に配置され、前記上流側から水を取り込む導水路と該導水路内に配設された水車と該水車に連結された発電機と前記導水路に取り込んだ水を前記下流側に放水する放水路とを備えた低落差小水力発電装置において、前記導水路と水車と発電機とを一体的に組み込んだ上流側モジュールを前記上流側に配設し、前記放水路を組み込んだ下流側モジュールを前記上流側モジュールに懸垂させて前記下流側に配設したことを特徴とする低落差小水力発電装置。
2. 前記放水路の放水口に開度を調整可能な背圧板が付設されたことを特徴とする請求項１に記載の低落差小水力発電装置。

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