開放型貫流水車に関する研究（曲面状流路を用いた水流変動の抑制効果）

摘要

これまで，水力発電は大規模集中型方式によって日本の電力の安定供給を支えてきた．しかしながら，環境負荷や建設適地の減少から新設が困難な状況である．そこで近年，大規模集中型に対して，環境への負荷が小さく，低コストで導入可能な自然エネルギーを利用した地域分散型方式が注目を集めている．太陽光や風力に比べ，小水力はほとhど普及していないのが現状であるが，エネルギー密度が高く，安定して電力を供給できる点で優れている．また，日本には約1400地点，合計33万kWの未利用包蔵水力エネルギー［1］が存在するとされている．この調査は落差1.5m以上かつ10kW以上のポテンシャルを対象としており，調査対象外のいわゆるナノ·ピコ水力と言われる10kW未満の地点を含めるとさらに多くの未開発包蔵水力が存在すると考えられる．著者らはこの未開発包蔵水力の利活用を目指し，流れに置くだけで発電可能な滝用水車の研究を進めてきた．本水車は，農業用水路などの落差工に設置し，落下水でランナを回転させて発電する．これまでランナ形状［2］やランナへの導水方法［3］に関する研究がなされてきた．導水方法については変流量時の水流落下位置の変化を防止するために，水流を平板に衝突させて偏向する平板制御と曲板に水流を沿わせて偏向する曲面流路制御の2つが検討されている．その結果，平板制御よりも曲面流路制御の方が高い水車効率が得られることが明らかにされた．しかし，曲面流路制御時の水流自由表面のスパン方向には，遠心力不安定性による波状変形が生じることがわかっている．この水流断面形状の変形は水車効率の低下を招くと考えられる．その抑制方法の一つに曲面流路の曲率半径の拡大があるが，流路長の増大により水流速度が減少し，水車出力の低下を招く［4］．そこで，何らかの方法により水流の変形を抑制することで，水車効率の向上及び，幅広い流量条件で水車運転が可能になると予想される．ここでは曲面流路の偏向角度に着目し，その角度を小さくすることで水流自由表面の変形を抑制することを試みた．具体的には，偏向角度による水流状況の違いを評価するとともに水車性能への影響を評価した．