太陽熱を揚水に利用した水力発電方式の研究

太陽熱を揚水に利用した水力発電方式の研究

著者 池尻 忠夫, 牧野 拓児, 小倉 武, 山田 悟

雑誌名 福井大学工学部研究報告

巻 34

号 1

ページ 107‑114

発行年 1986‑03

URL http://hdl.handle.net/10098/4294

第34巻 第1号 昭 和61年3月

太陽熱を揚水に利用し た水力発電方式の研究

池尻忠夫・ 牧 野 拓 児 " 小 倉 武 山 山 田 悟 山

A Study of Water Power Generation System  Using Solar Energy for the Pumping‑Up 

Tadao  IKEJIRI

， 

Takuji MAKINO

， 

Takeshi OGURA and Satoru YAMADA  (Received Jan 15

，

1986) 

Water power generation system which uses  solar energy  for  the  pumping up is  presented.  Solar engine  is  drived  by the  solar  energy

， 

pump is  operated by the  solar en‑

gine and water  is  pumped up by operating the pump. 

Water  is  used to power  generation immediately or after  storage  in the  tank for  a while. 

This  device was ascertained  in the model  experiment. 

As  the  solar  engine

， 

stirling one was used.  Three  leaves  rotary pump and pelton trubine were manufactured  on trial.  Moreover

， 

tachogenerator

， 

etc.  were used as  the  generator. 

The generation of electric power  is  possible  in the  experiments.  But

， 

because of hand‑made of pump and wa‑

ter  turbine

， 

the  individual  efficiency in those equip‑

ment is  low.  Thus  the  total  efficiency also  is  low. 

However

， 

the higher value of efficiency can be derived  by improving  those  fab工ications.

It  is  effective  to request the  solar energy as  the  power  source  in pumping up power generation system from  the present experiment.  Present method  is  superior one  in water power  generation for  the  small  output or the  middling one. 

市 電気工学科 "  北陸電気工事 川 豊 田 工 機

108 

1 緒 言

従来場7j<fr.よる水力発電方式としてはオフピーク時の電力を利用してポンプで揚水，貯水し，ピ ー ク 負 荷 時 な ど に 発 電 す る 揚 水 発 電 方 式 が あ る 。 し か し な が ら ， こ の ポ ン プ の 動 力 源 は オ フ ピ ー ク 時の電力によるものであるため水力発電所の存在がなくては行われえない。

し た が っ て ， 本 研 究 に お い て は ポ ン プ の 動 力 源 と し て こ れ を 太 陽 熱 に 求 め ， 乙 の 太 陽 熱 lとよりソ

ーラ機関(太陽エネルギを利用して動力を発生するもので， ζこではスターリングエンジンを使用

する)を作動させ，ポンプを駆動する乙とにより揚水巻行い，乙の揚て!てを直かに，または一時タン ク に 楊 水 ， 貯 水 し ， 発 電 に 利 用 す る 乙 と を 考 え ， 乙 れ を 模 型 実 験 に よ っ て 検 討 し て み た

P

なお， ζ の 場 合 水 は 揚 水 ， 流 下 水 を 巡 還 し て 使 用 す る こ と が 可 能 な た め ， 従 来 の 水 力 発 電 所 に お け る よ う な ダ ム の 建 設 は 一 般 に 必 要 で な く ， 平 地 に お い て 発 電 が 容 易 と な り ， 特 に 河 川 の 流 域 ， 湖 沼 の 近 傍 な ど で は 有 効 か と 思 わ れ る 。 一 方 安 価 で 性 能 の よ い 集 熱 装 置 の 開 発 が 問 題 で ， さ ら に 揚 水 量 の 増 大 の た め の ソ ー ラ 機 関 お よ び ポ ン プ の 出 力 の 増 大 ， 揚 水 タ ン ク の 建 設 な ど が 重 要 な 課 題 と な る 。 さ ら に 日照時間は 1日 の 限 ら れ た 時 間 の み で あ る こ と も 本 質 的 な 問 題 点 で あ っ て 曇 天 時 の 対 策 と 併 せ て 考 える必要があろう。

し か し な が ら ， 太 陽 エ ネ ル ギ は 豊 富 な 反 両 ， 山 岳 に 恵 ま れ な い 平 坦 な 地 域 で の 電 力 の 供 給 に は 十 分役立つものと考えられる。

2 ソ ー ラ 機 関 と 揚 水 ポ ン プ

太 陽 エ ネ ル ギ を 利 用 し て 動 力 を 発 生 し よ う と す る 試 み は 相 当 古 く か ら あ り 今 日 ま で に も 数 多 く の ア イ デ ィ ア が 発 表 さ れ て い る が ， 要 す る に 熱 を 供 給 す る 熱 源 と し て 集 熱 し た 太 陽 エ ネ ル ギ を 利 用 す る 点 が 特 徴 で あ る 。 そ し て 数 百kW以 下 の 中 小 型 ソ ー ラ 機 関 と し て は ス タ ー リ ン グ エ ン ジ ン が 加 熱 効 率 が 良 い 点 ， コ ン パ ク ト な 点 ， 分 散 し た 補 機 が い ら ず 一 体 に ま と ま る 点 で 最 も 優 れ て い る と 考 え られる。特tr.数十kW以下の小型エンジンとなるとスターリングエンジンの独壇場となりうると考え ら れ る 。 こ の 出 力 付 近 で 競 合 す る 相 手 と し て は 光 電 変 換 素 子 に よ る 太 陽 電 池 が あ る が ， そ れ の 効 率 が15悦 以 下 で ， か っ 高 価 と 考 え ら れ る の で40%の 効 率 が 期 待 さ れ る ス タ ー リ ン グ エ ン ジ ン の 方 が 優 位になることは十分考えられる。

今 回 実 験 に 用 い た ス タ ー リ ン グ エ ン ジ ン は ， 直 径50cm位 の 放 物 面 反 射 鏡 で 集 め た 太 陽 光 をWク ラ ン ク の 串 型 デ ィ ス プ レ ー サ エ ン ジ ン の 先 端 付 近 に 集 光 し ， そ の 直 下 に あ る 空 冷 ひ れ っ き ク ー ラ と の聞で出力を出すものである。 Table.1はその主要目壱， Fig.1はその外観を示す。

揚 水 発 電 用 と し て 使 用 さ れ て い る ポ ン プ に は ， 従 来 ボ リ ュ ー ト ポ ン プ ， タ ー ピ ン ポ ン プ ， 軸 流 ポ ン プ な ど が あ る が ， 本 研 究 で は ス タ ー リ ン グ エ ン ジ ン の 出 力 が 小 さ い 乙 と ， 高 い 揚 樫が欲しいことなどから容積式のポンプを用いることにした。

回 転 ポ ン プ は 原 理 的 に は 往 復 ポ ン プ と と も に 容 積 式 水 力 機 械 に 包 含 さ れ る も の で ， 往 復 ポ ン プ と 回 転 ポ ン プ の 差 異 は 前 者 のピストンに相当するものが回転運動する回転子であること，

前者では弁がポンプ作用としては不可欠のものであったが，

後 者 で は 弁 を 使 用 す る 必 要 が な い と い う 点 で あ り ， ま た 運 転

Tab

ユ

e.l Principa

ユ

item of  mode

ユ

‑4 engine  (80

ユ

ar engine Co.LTD) 

Type of engi問 ds岡Wk指ew田cerf側 町tynptne el 

i 

￨  Ir官 官rdiameter  19.8mm  of  cylinder 

species ot gas  Air  ぬ.teof rotation  2000 rpm 

Shaft motive  pαNer  4W 

特 性 か ら み る と 回 転 ポ ン プ は 往 復 ポンプ に 比 し て 吐 水 量の変動が少いという利 点 が あ る。ま た 容 積 式 の 回 転 ポ ン プ 陀 は 歯車 式ポンプが一般ではあるが，少しでも 流量を多くするために3葉 ロ ー タ リ ポ ン プ を 試 作 す る

ζとにした。ζれは 精 度 を 上 げ れ ば一回 転 ご と に 一 定 量の水を送る乙とが 可 能 で あ る 。 し か し 回 転 さ せ る た め に 側 壁 と ロ ー タ の 聞 に 隙 聞 を 持 た せ な け れ ば な ら な い。ま た ロ ー タ と ロ ー タ の 問 で は 力 の 伝 達 が 十 分 で な い か ら 外 部K歯 車 を 用 い て 回 転 さ せ て や ら ね ば な ら な い。以 上 の 点 を 考 察 し 本 研 究 で は 次 の 値 を 決 め た 。 外 部 ギ ア の 直 得21mm， ロ ー タ の 直 径21.2mm，ロータの 厚さ 10mmとした。 乙 れ よ り 吐 出 量 の 理 論 値 は 1200

rpml[おいて 38.4cm³/ sとなる。Fig.21ζ3葉ロー

d e   n h  

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タ リ ポ ン プ の 設 計 図 を 示 す 。 実 際 で は 最 高 揚 程208cmであった。

とζろ で ， 発 生 電 力 の 増 大 を 目 指 す た め に は 揚 水 ポ ン プ の 直 列 運 転 に よ る 高 揚 程 の 確 保 が 必 要 と な る 。 直 列 運 転 お よ び そ の 変 形 時 の 結 合 様 式 を 示 す と F ig.3のようである。

工

...J 

Unit:m m  

(a) Series operation 

Fig.2 A P

ユ

an of 3 leaves 

rotary pump  Fig.3 Combination 81yle of pumps 

(b) M吋ificationof seri田 operation

3 水 車 お よ び 発 電 機

理 論 水 力 は 流 入 の 水 量Qお よ び 有 効 落 差Hの 積 に 比 例 す る か ら ， 同 一 の 出 力 を 出 す に 少 い 水 量 で も よ い 水 車 の 大 き さ は 落 差 の 大 き い も の 程 小 柄 な 水 車 で よ い 乙 と に な る 。

ペル ト ン 水 車 は 高 落 差 用 と し て 主 に 採 用 さ れ る が ， い ま の 場 合 流 量 が 少 く て も よ い こ と ， 負 荷 変 動K対 し 効 率 が あ ま り 変 ら な い 乙 と ， 構 造 が 比 較 的 簡 単 で 取 扱 い 陀 も 便 利 で あ る 乙 と な ど の 理 由 か ら 実 験 児 用 い る と と に し た 。 な お 個 の ラ ン ナ に 対 し て 複 数 個 の ノ ズ ル を 取 り 付 け た た め 立 軸 型 とした。 試作水車の図をFig.41[示す。

発 電 機 と し て は 定 格6V， 6 Wの も の お よ びDCタコジェネレタ T8252 N 30 E 1 7V /1000 rpm 

110 

I r ‑ ‑ i  

官 目 的 事

配 耕 一 ￨ 事

Buck~t

10

・

Mat~rial : aluminium  Unit  :mm 

Fig.4  Manufactured water turbine  Sto悶gl?tank of  watl?r 

Solar mergy 

Fig.5 Pumping‑up power genera tion system used  so

ユ

ar energy.(A rOw of series pump system) 

を用いた。

いまポンプの直列運転の場合を放物面鏡使用時について示すとFig.5のようになる。

4 実 験 結 果 と そ の 考 察

三葉ポンプを l基スターリングエンジン(放物面反射鏡使用)に接続した時の揚程，ポンプ効率十 スターリングエンジンの回転数などの特性を示すとFig . 6 ， Fi g. 7のようになる。乙れらの結果で は直列運転を行うととにより，ポンプ数が増えるにつれ揚程は増大するが，ポンプ数民は必ずしも 比例しない乙とがわかった。

また水車の回転数，効率，発電機出力，流量に対する発電機出力，流量に対する全効率などを示 するFig.8‑‑Fig.13のようになるo

以上の結果からスターリンク'エンジン駆動による揚水ポンプの作動での水車回転，電力発生は可 能 で あ っ た が そ の 効 率 は 極 め て 小 さ い 。 乙 れ は ポ ン プ ， 水 車 な ど す べ て 手 作 り の た め ， そ れ ら 単 独 の効率が悪く，このような低い値となったものと考えられる。乙れらは改良する乙とによってさら

140ト仏01

120ト120

100ト100

Lift  in the modification 

tt'of series白peration 1反羽

さ!

80ト80

噛::."

E 

￡  c1α泊

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咽 巴 Q.  IE 

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zω~60t o  1.回

〉、 I~

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凶

20ト20

o 0  10  20  30  40  F[ux  Qp (cm3fsec) 

o  ^{20  40  60} 

Lift  H (cm) 

Fig.6  Lift and effciency vs. 

f1ux in pump  (Pump is  connected to  stir1ing  engine) 

Fig.7  Rate of rotation vs. 

1ift  in pump (Pump is  connected to s七ir

ユ

ing engine. sOle opera tion ) 

Ea

﹄

~

~o ⁰ 

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柄 (、Z喧、‑d  

a 2z  2 

ち

o  10  15  20  25  3C 

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ち

c o‑ ‑ a s‑ o g nz

o  10  15  20  25 

Load resistanctt  of generator R (.n.)  Load resistance of gttnerator R (.n) 

Fig.8  Ra七e of rota七ion of water  Fig.9  Effciency of water  七ubine vs.  load resistance  turbine  vs.

ユ

oad

of generator.(F1ux in a  resistance  of generator  nozz1e  i s 36 crrf / s) 

に良好な値がえられるものと推察される。

放 物 面 鏡 の 代 れ と フ レ ネ ル レ ン ズ (41.3 x 53.3 cm) を 用 い 太 陽 光 を 集 光 す る 方 式 は 既 に 我 固 に お い て 採 用 さ れ て お り ， フ レ ネ ル レ ン ズ 系 の 外 観 を 示 す とFig.14の よ う で あ る 。 ま た 直 列 運 転 時 の その方式の概略を図示すると Fig.15のようである。なお，乙の時の実験』とおいても十分ポンプに よ る 揚 水 は 可 能 で あ っ た 。 た だ し 現 在 の と と ろ フ レ ネ ル レ ン ズ は 予 想 外K集光率と透過率が低く，

ま だ 大 い に 改 善 さ れ る 必 要 が あ る 。 し た が っ て ス タ ー リ ン グ エ ン ジ ン の シ リ ン ダ ー ヘ ッ ド は 太 陽 光

112 

10  15  20  25  Load r何 回anceR (n) 

Fig .10  e r a  ^十b o  r  v  s 

白) n u

nn 

凸)司LNg七s 

f ‑

・ 工

os 

凸U

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、

Load resislance  IOn 

町1 5fl  o 

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o  コa. 

き02

20fl 

O  7 0 ω 9 0   110  Flux Qw (cm'/sec) 

Fig .12 Ou tpu t of genera tOr vs. 

flux in water turbine 

100 

の 反 射 を 防 ぐ た め黒色塗 料 な どの被 膜 塗布 を 行 っ た が充分でなく ，シ リ ン ダ ー ヘ ッ ド に 丸 い ガ ラスをか ぶ せ， そ の 外 陀真 空を 隔 て て 透 明 耐熱 ガ ラ ス を さ ら に 設 け る な ど の 必 要 が あ る

J )

数 基 の ポンプの 直 列 運 転 の 時 の実 験 装 置 の 模 様 を 示すとFig.16の よ う で あ る。た だ し ， 乙 の図は 室 内 の 実 験 の 時 の も の で 太陽 光の 代 り に ブンゼンパー ナ を 使 用 し た と き の も の で あ る。

と こ ろ で ， 乙 の発 電 方 式 の 実用 化 を考える場合 児 特 に 発 生 出 力 を 増 大 さ せ る た め に は揚 程を上げると ともに流量を 増 大 さ せ る こ と が重 要 であ る 。 流量を 増 大 さ せ る た め に は ス タ ー リ ン グ エンジンの 出 力 が ま だ 小 さ い の でポ ン プ 単 基 で の 流 量 は あ ま り 期 待 で き な い こ と も あ っ て ， 多 機 の ポン プ で連 合 運 動 を行

110  Flux Ow(cm'/sec) 

Fig.11  Total  effieiency vs. flux  in water turbine 

1 

E 12

∞ 

_{Load resistance} 

20n 15凡 10n  5n 

03 

@E

‑a

bz

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主 恥O

EQ

‑3

2︒ @ 一

F同区

O  70  60  90  Flux らぜ (cm/sec)

100  110  50  60 

Fig.13 Rate of rotation vs. flux  in water turbine 

Fig .14  Fresne

ユユ

enseand  stirling engine 

Storage tank of water 

j  t 

，ーー ̲̲̲J 

.  . 

t 

・̲̲̲ J  

Fig.15 Purnping‑up power genera tion  system used fresnel

ユ

ense. (A rOw of series purnp system) 

Fig.16  Experimenta

ユ

apparatus

っ て 揚 程 だ け で な く 流 量 を も 増 大 さ せ た 場 合 を 試 み た 。 乙 の 時 の 連 合 運 転 時 の 揚 水 系 お よ び 発 電 系 の図を示すと Fig.17のようである。

乙 乙 で 貯 水 タ ン ク は 支 持 物 お よ び タ ン ク 自 体 の 強 度 な ど を 考 慮 し て 比 較 的 小 型 の タ ン ク を 多 く 設 置し， 互 い に 連 絡 す る 方 式 を 採 用 す る ζと に し た 。 す な わ ち，直 径 ポ ン プ 系 は 2‑‑3系 統 (1系 統 はポンプ3基 ) で 同 時 運 転 し た。

5 結 昌

本 実 験 児 よ り 揚 水 発 電 方 式 の動 力 源 と し て 乙 れ を太 陽 熱K求 め る と と は 有 効 で あ る と 考 え た。 太 陽熱によ る 動 力 化 の 候 補 エンジンに は い わ ゆ る ラ ンキン サ イ ク ル 機 関 ， ガ ス タービン，スターリン

Fig.17  Purnping‑up power generation system used 

so

ユ

ar energy.(Many rows  of series p日np system) 

114 

グエンジンの3者が考えられ，そのうちM W以 上 の 大 出 力 機 関 と し て は 蒸 気 タ ー ビ ン 機 関 が 向 い て おり，特に南方砂漠地方のように水の無い場所にはガスタービン機関が向いている。しかし数百kW 以下の中小型ソーラ機関としては他の 2者に比ベスターリングエンジンが熱効率のよい点，コンパ クトな点，分散した補機がいらず一体にまとまる点で最もすぐれていると考えられる。特に数十kW 以下の小型エンジンとなるとスターリングエンジンの独壇場となりうると思われ，大出力は無理と

しても中小出力の水力発電を行う場合には本方式はかなり有効な方法となろう。

なお，最近ソーラ機関の代りに太陽電池を用い，伸，はほとんど同様の発電方式が米国において示 されている

P

番 考 文 献

1)池尻忠夫他1名 ， 特 許 公 開 59 ‑ 96487. 

2) 一色尚次， 、スターリングエンジンの開発、 p..1l9(1982)工業調査会.

3)  R. Ra且akumar"IEEE Trans.  Power App.& Syst.  Pas‑l02

， 

502 (1983).