第1回全国小水力発電大会 2015.11.19 出羽水車と花笠水車の開発 マイクロ水力の 技術的課題 マイクロ水力発電ガイドブック H15 1,0 鶴岡工業高等専門学校 専攻科2年 伊藤 祐太 機械工学科5年 本間 拓瑠 創造工学科 本橋 元 鶴岡 ◆低落差用水車無し ◆水路のゴミ対策 ◆割高な周辺コスト kW 3 低落差用の水車が無い 流量 Q [ m /s ] 【出羽水車】 ・特徴 ・これまでの取組み （①実証試験，②減勢池底部の圧力） ・今年度の取組み(水車出力特性の一考察) 【花笠水車】 ・検討～実機設置 ・今年度の取組み （模型実験による水車出力特性試験） 系統連系コントローラ 系統連系コントローラ (5.1kW) 取水部 ごみ除去 ごみ除去 出羽水車の特徴 ―オープンクロスフロー型マイクロ水車― 00 水車は水流の中⇒土木工事費UP 水車は水流の中⇒土木工事費UP これまでの取組み① ―― 実証試験 ―― 効率よりも コスト＆メンテナンスを重視 ⇒ ケーシングを除去 ケーシング 水平移動式導水路 メ ン テ ナ ン ス 時 通常のクロスフロー水車 ● ゴミ対策が不要 ● 過負荷保護が不要 ● メンテナンス容易 ● 軽量・安価 ● 土木工事は基本的に不要 導水路 可動導水路の代わりに除塵スクリーンを設置 除塵スクリーン無し 1 これまでの取組み② ―― 減勢池底部の圧力分布―― 電気系統 ◆落差工は水流の作用で侵食される 発電機（永久磁石型アウターロータ） ◆落差工に水車を設置すると ? 水車が水流のエネルギーを吸収するので， 水路底の保護になる はず ? 水路底への水流の作用点が， 落差工設計時と異なる．その影響は不明 交直変換器（全波整流） パワー コンディショナ (3kW) （太陽電池用, DC→AC200V） 系統 系統連系： 住宅用太陽電池と同じ扱い 買電契約＋売電契約（売電単価０円） 震災後の電力供給に微力ながら貢献 実験装置 積算発電量 [kWh] 漏電遮断器（ELCB） 3,000 1.4 kW 2,000 1,000 0 4 5 6 月 7 透明ビニールチューブ 内径φ4 ◆底部と後方壁部に測定孔 （φ1mm，水路幅中央に10mm間隔） 内径φ1 減勢池底部の圧力分布を 模型実験により調査 下 流 側 ▲侵食された減勢池底部（鉄筋が見える） 結果（減勢池底部） 水車径 φ180 水流が測定孔に作用するように流量を調整 (10mm間隔) h/H 1.0 1.50 ℓ/s ◆結果は h / H で評価 上 流 側 α 2.42 ℓ/s 3.02 ℓ/s 0.5 水車あり 0.0 h H 0 水車なし x x x 水車なし： 水流作用点で h / H ≒１, 流量増で最大圧力微減 （流量が増⇒水深が深くなり底部への水流作用が弱まる／流入角が小さくなる） 10mm 水車あり： 水流作用点の圧力が約1/10に激減．圧力微増範囲が分散 ⇒水車設置は水路底（減勢池底部）の保護になる 2 今年度の取組み ――出羽水車の出力特性に関する一考察―― 水車の出力特性試験： 回転数，トルク ⇒ 水車動力 効率 流量，落差 ⇒ 流体エネルギー 0.8 } 流量は水路上流の堰により測定 従来の試験結果 効率 η (JIS B 8302) 0.4 流量 Q0 = K･Bw･hw3/2 0.2 K = K (hw ,Dw) Bw :水路幅 (=180mm) 0 0 1 2 3 4 無次元回転数 λ ( ) 羽根先端速度 ＝―――――― 基準流速 ①効率を過小評価，②周速比を過大評価 目的：水車に作用する水流を基準にして，出力特性を評価 hw 落差工上部から水流が水車に作用 トルクT [Nm] と 回転数 N [rpm] を測定 2πN 水車動力 P =T (―――) [W] 60 【水車が無い状態】 ピトー管による流速測定 } 流速分布の測定 ピトー管を水流厚さ方向に 移動 (0.5mm間隔) 【水車設置状態】 水車外周から水流上面まで の距離を測定 ⇒水車に作用する流速分布 から，実流量Q1を算出 ピトー管（φ1.3mm） の先端0.8 ピトー管：流速に応じた速度ヘッドHから，流速を求める細管 s [mm] 仮定 水流の中は大気圧 δ <15° Q1 δ Q0 = 0.1m 全流量Q0 =3.06 ℓ/s Vi =√2gH ピトー管 Dw Flow 流速分布 水車に作用する水流の測定 Q0 全流量の測定 0.6 流体エネルギーの基準点 (従来) 導 水 ①水流の一部は 路 落差工 水車に作用せず ②流速は加 速するはず 水車動力の測定 この面積が 流量になる 流速 Vi [m/s] 堰を用いて測定した流量 Q0 = 3.06 ℓ/s 流速分布から求めた流量Q1 = 3.49 ℓ/s 3 3．花笠水車 ー農業排水路用水車ー 実験結果および考察 2.43 ℓ/s 実験結果の一例 ℓ/s ℓ/s )Q1 4.15 ℓ/s )Q0 流量が多いと水流が厚くなり，水車 に作用しない余剰水量が生じる http://www.yamashin-kenso.co.jp/hanagasa/ ●検討～実機設置 無次元回転数 λ ①余剰水量がない場合，効率は変わらない ②余剰水量がある場合，効率は上昇する．この例では 0.47 ⇒ 0.75 ③λの最大値は概ね１ ⇒ 羽根に作用する流速≒羽根先端速度 ●今年度の取組み 検討～実機設置 検討～実機設置 排水路の特徴 1.51 0.86 排水路の特徴 ①水路が地面から深い （水田からの排水を受けるため） ②増水対応のため水路断面が 台形状 ⇒ 水路壁上部間隔が広い ③水路側壁はブロック積み ⇒ 荷重をかけられない ④水位が側壁を越えうる ⑤落差が小さい 水車 ①水路が地面から深い （水田からの排水を受けるため） ②増水対応のため水路断面が 台形状 ⇒ 水路壁上部間隔が広い ③水路側壁はブロック積み ⇒ 荷重をかけられない ④水位が側壁を越えうる ⑤落差が小さい ◆排水路で利用可能な水車が開発できれば設置可能点が増える ◆排水路で利用可能な水車が開発できれば設置可能点が増える ◆水路を跨ぐ架台は長スパンで羽根車に対して過大 ⇒出羽水車の利用は得策でない ◆水路を跨ぐ架台は長スパンで羽根車に対して過大 ⇒出羽水車の利用は得策でない 4 排水路用水車の条件 花笠水車設置イメージ 水車位置は落差工 （斜流入型水車） 下部の断面拡張部 B A 条件 ① 水車設置にともない水路断面 積が減少しない ② 流入するゴミの影響を受けない ③ 急な増水でも過負荷にならない 側壁 対応 落差工下部の断面拡張部に水車 設置（A） 水量少：曲面部から水車に流入 水量多：水車上方を通過し， 過負荷にならない 水車は開放型 ④ 増水時に人力で水車を退避可 ⑤ 設置・メンテナンス時に水流バ 水力発電装置を上方へ移動可（B） イパスが不要 ⑥ 地元鉄工所で製作・修理が可 シンプルな形状 2013.01.19 「花笠水車」設置 水車形状 設計条件 1) 落差工上部：水深h =0.2m 2) 落差工下部：水深0.2mまでは 水車が水面よりも上にある 3) 落差工下部：水深0.3mまでは 水車軸が水面よりも上にある 水路内の異物は 圧力差により 水路中央へ押し やる力が作用 水車直径 D 羽根半径 R 羽根の数 N 水車幅 800 mm 120 mm 12 80～120mm 水 流 平常時 増水時（上方に退避） 積雪時 5 排水路用水車の比較 水車 (63 rpm) 胸掛け オープンクロスフ ロー 出羽水車 増速 (Vベルトで3倍) 斜流入型 花笠水車 形状 発電機 (スカイ電子，HR-250) 整流器 バッテリー (24V) 水流の 水流の一部が貫流 作用 となり，水車下部 でもトルクに寄与 負荷 (LED投光器2灯) 運用上の不具合（約２年で各１回） 落差 ●整流器(ブリッジダイオード)が 誘導雷?により破損 ●夏の渇水時にバッテリー過放電 ◎機械的なトラブルは無し 設計流量に対して は大きくとれる 導水路に沿った流れ 端板がない側の斜 が水車下部まで作用 め上方から曲面導水 板に沿って水流が流 入 大きく取れる (水車最下点まで) 水車羽根からの流出 まで (落差が少し無 駄) 導水路 短い 今年度の取組み ―― 模型実験による水車出力特性試験 ―― 長くなり易い 短い曲面状 不明 効率 基準 劣る ゴミ 対策不要 (実績あ 対策必要 (導水路と羽 対策不要 (実績あ 出羽水車と花笠水車の開発 流量 トルク T Q 流量 Q 2 1 回転数 N ご清聴ありがとうございました ●測定するもの 回転数，トルク ⇒ 水車の動力 効率 流量，落差 ⇒ 流体エネルギー } ●実験パラメータ 水車と導水路の位置関係 流量 Q2 効率 η 流量 Q1 無次元回転数 λ 6
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