水力発電プロジェクト向け水車設計

水力発電用水車設計
水力エネルギーアイコン水力エネルギーとは、流れる水の運動エネルギーを機械エネルギーまたは電気エネルギーに変換する技術であり、流れる水のエネルギーを実用的な仕事に変換するために使用された最も初期の装置の1つが水車設計です。
水車の設計は時代とともに進化し、垂直に設置されたもの、水平に設置されたもの、複雑な滑車や歯車が取り付けられたものなど様々ですが、いずれも同じ機能を果たすように設計されています。それは、「流れる水の直線運動を回転運動に変換し、回転軸を介して接続されたあらゆる機械を駆動する」ことです。

典型的な水車設計
初期の水車設計は非常に原始的でシンプルな機械であり、垂直な木製の車輪に、円周上に均等に固定された木製の羽根またはバケツが取り付けられ、それらすべてが水平な軸で支えられ、その下を流れる水の力が車輪を羽根に接線方向に押し付ける仕組みになっていた。
これらの垂直水車は、古代ギリシャ人やエジプト人が考案した水平水車に比べてはるかに優れていました。なぜなら、流れる水の運動量をより効率的に動力に変換できたからです。その後、水車に滑車と歯車が取り付けられ、回転軸の方向を水平から垂直に変更することで、石臼を動かしたり、木材を切断したり、鉱石を砕いたり、プレス加工や切断を行ったりすることが可能になりました。

水車の設計の種類
水車（ウォーターミル、または単にウォーターホイールとも呼ばれる）のほとんどは、水平軸を中心に回転する垂直に取り付けられた車輪で構成されており、これらのタイプの水車は、車輪の軸に対する水の供給方法によって分類されます。ご想像のとおり、水車は比較的大きな機械で、回転速度は低く、摩擦による損失やバケットへの水の不完全な充填などにより効率が低くなっています。
水が水車の羽根車や羽根車に押し付けられることで車軸にトルクが発生しますが、水車を異なる位置から羽根車や羽根車に当てることで、回転速度と効率を向上させることができます。最も一般的な水車の設計は、「下掛け水車」と「上掛け水車」の2種類です。

アンダーショット水車設計
アンダーショット式水車、別名「ストリームホイール」は、古代ギリシャ人やローマ人が設計した水車の中で最も一般的に使用されたタイプであり、最もシンプルで安価で、製造も容易なタイプである。
このタイプの水車設計では、水車は流れの速い川に直接設置され、上から支えられます。水の流れによって、水車の下部にある水中羽根に押し付けられる力が働き、水の流れの方向に対して一方向にのみ回転します。
このタイプの水車は、一般的に、自然な傾斜のない平坦な土地や、水の流れが十分に速い場所で使用されます。他の水車設計と比較すると、このタイプの設計は非常に非効率的で、水が持つ位置エネルギーのうち、実際に水車を回転させるために使われるのはわずか20%程度です。また、水のエネルギーは水車を回転させるために一度だけ使用され、その後は残りの水とともに流れ去ってしまいます。
下掛け水車のもう一つの欠点は、大量の水を高速で流す必要があることです。そのため、下掛け水車は通常、川岸に設置されます。小川や渓流では、流れる水に十分な位置エネルギーがないためです。
下掛け水車の効率をわずかに向上させる方法の一つは、川の水の一部を狭い水路または導水路に導流し、導流した水の100%を水車の回転に利用することです。これを実現するには、水が側面から漏れないように、下掛け水車を狭くし、水路内に非常に正確に収まるようにするか、羽根の数またはサイズを増やす必要があります。

オーバーショット水車設計
オーバーショット式水車は、最も一般的な水車設計です。オーバーショット式水車は、バケツや小さな区画を使って水を受け止め、貯めるため、アンダーショット式水車よりも構造と設計が複雑です。
これらのバケツには、水車の上部から流れ込む水が満たされます。満水になったバケツの水の重力によって水車は中心軸を中心に回転し、反対側の空のバケツは軽くなります。
このタイプの水車は、重力と水そのものの力を利用して出力を向上させるため、オーバーショット式水車はアンダーショット式水車よりもはるかに効率的です。これは、水のほぼすべてとその重量が動力生成に利用されるためです。ただし、これまでと同様に、水のエネルギーは水車を回転させるために一度だけ使用され、その後は残りの水とともに流れ去ってしまいます。
上掛け式水車は、川や小川の上に吊り下げられ、一般的に丘の斜面に建設されます。そのため、上部から水が供給され、落差（上部の水面と下部の川や小川との垂直距離）は5～20メートルと低くなります。小さなダムや堰を建設して、水の流れを誘導し、水車の頂上まで水の速度を上げてエネルギーを増やすことができますが、水車を回転させるのは水の速度ではなく、水の量です。

一般的に、上掛け式水車は、水の重力によって水車を回転させるための落差を最大限に確保するため、できるだけ大きく作られます。しかし、水車と水の重量が大きくなるため、直径の大きな水車は構造が複雑になり、建設費用も高額になります。
個々のバケツに水が満たされると、水の重力によって水車は水の流れの方向に回転します。回転角度が水車の底に近づくにつれて、バケツ内の水は下の川や小川に流れ出ますが、後ろで回転するバケツの重さによって水車は回転速度を維持します。空になったバケツは回転する水車の周りを回り続け、再び頂上まで上がって水が満たされる準備が整うと、このサイクルが繰り返されます。オーバーショット式水車の欠点の1つは、水が水車を流れる際に一度しか利用されないことです。

ピッチバック式水車設計
ピッチバック式水車は、従来のオーバーショット式水車の改良型で、水の重力を利用して水車を回転させるだけでなく、下部を流れる廃水の流れも利用して推進力を得ます。このタイプの水車は、低落差給水システムを採用しており、上部のペントラフから水車の上部付近に水が供給されます。
オーバーショット水車は、水を直接水車の上に流し込むことで水の流れと同じ方向に回転させるのに対し、ピッチバック水車は、漏斗を通して水を垂直下向きに送り込み、下のバケツに流し込むことで、水車が上部の水の流れとは逆方向に回転する。
前述のオーバーショット水車と同様に、バケツ内の水の重力によって水車は回転しますが、反時計回りに回転します。回転角度が水車の底部に近づくと、バケツ内に溜まった水が下へ流れ出ます。空になったバケツが水車に取り付けられると、以前と同様に水車と共に回転を続け、再び最上部まで上がって水が満たされる準備が整うと、このサイクルが繰り返されます。
今回の違いは、回転するバケツから排出された廃水が、他に流れ場がないため、回転する水車の方向に流れていく点です。これは、下掛け水車の原理と似ています。したがって、ピッチバック水車の主な利点は、水車のエネルギーを上下2回利用して、水車を中央軸を中心に回転させることができる点にあります。
その結果、流入する水の重力と、上からバケットに送り込まれる水の力（圧力）、そして下から流れてくる廃水がバケットに押し付ける力によって駆動されるため、水車の効率は大幅に向上し、水のエネルギーの80%以上が利用される。ただし、ピッチバック式水車の欠点は、水車の真上にシュートやペントラフを備えたやや複雑な給水設備が必要となることである。

ブレストショット水車デザイン
胸掛け式水車は、垂直に取り付けられた水車の設計の一つで、水は車軸の高さの約半分、またはそれより少し上の位置からバケットに入り、下部から車輪の回転方向に向かって流れ出ます。一般的に、胸掛け式水車は、オーバーショット式やピッチバック式水車を上から駆動させるのに十分な水頭が得られない場合に使用されます。
ここでの欠点は、水の重力によるエネルギーが回転の約4分の1にしか利用されないことである。以前は回転の半分に利用されていたのとは対照的だ。この低い揚程を克服するために、水車のバケツを広くして、水から必要な量のポテンシャルエネルギーを取り出すようにした。
胸掛け式水車は、水車の回転に水の重力をほぼ同じように利用しますが、水位の高さが一般的な上掛け式水車の約半分であるため、バケットに溜まる水の量を増やすために、バケットの幅は従来の水車設計よりもかなり広くなっています。このタイプの設計の欠点は、各バケットが運ぶ水の幅と重量が増加することです。ピッチバック式設計と同様に、胸掛け式水車は、水車が水中に設置されるように設計されているため、下流に流れていく廃水が水車の回転を助けるため、水のエネルギーを2倍利用します。

水車を使って発電する
歴史的に、水車は小麦粉や穀物の製粉など、様々な機械作業に利用されてきました。しかし、水車は発電にも利用でき、水力発電システムと呼ばれています。発電機を水車の回転軸に直接接続するか、駆動ベルトやプーリーを使って間接的に接続することで、水車は太陽エネルギーとは異なり、24時間連続で発電することができます。水車が適切に設計されていれば、小型または「マイクロ」水力発電システムでも、一般家庭の照明や電気機器に電力を供給するのに十分な電力を発電することが可能です。
比較的低速で最適な出力を発揮するように設計された水車発電機を探しましょう。小規模なプロジェクトであれば、小型の直流モーターや自動車用オルタネーターを低速発電機として使用できますが、これらはより高速で動作するように設計されているため、何らかのギアが必要になる場合があります。風力タービン発電機は、低速で高出力動作するように設計されているため、水車発電機として理想的です。
自宅や庭の近くに、比較的流れの速い川や小川があれば、小規模水力発電システムは、風力発電や太陽光発電といった他の再生可能エネルギー源よりも景観への影響が少ないため、より良い選択肢となる可能性があります。また、風力発電や太陽光発電と同様に、地域の電力網に接続された小規模水車発電システムであれば、発電した電力のうち使用しなかった分を電力会社に売電することも可能です。
次の水力発電に関するチュートリアルでは、水力発電用の水車設計に取り付けることができるさまざまな種類のタービンについて見ていきます。水車の設計や水の力を使って自家発電する方法、利用可能なさまざまな水車設計に関する水力エネルギー情報、または水力エネルギーの利点と欠点について詳しく知りたい場合は、ここをクリックして、発電に使用できる水車の原理と構造に関する書籍をAmazonで今すぐご注文ください。