水源と農地が連携した農業用水利システムにおける自律型小水力発電システムの開発

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K07965
• Research Institution: National Agriculture and Food Research Organization
• Principal Investigator: 中矢 哲郎 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門, 上級研究員 (60414447)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 小水力 / パイプライン / 農業水利システム

Outline of Annual Research Achievements

水源から農地にいたる管水路系の農業用水利システムにおいて、配水槽方式パイプラインシステムにおける配水槽からの送水時の落差エネルギーに着目し、管水路における小水力発電の適用箇所の現地調査を行った。その結果、配水槽直下部の支線水路分岐地点に利水上の高圧力部が生じており，制水バルブ等で末端配水時に減圧制御を行っているため，この減圧分を小水力エネルギーとして利用できることがわかった。
そこで、高架水槽から幹線パイプラインを通じ，末端圃場に配水する支線水路における減圧部に小水力用発電装置を設置し，水利システム全体の配水状況を監視しながら制水バルブの制御により効率的に発電を行うシステムを考案した。
このシステムを検証するために，ポンプ，高架水槽，幹線，支線パイプライン，末端給水栓，を模擬した水理模型を制作し，実際に管水路対応型の発電水車を設置することで，小水力発電システムを構築した。発電水車は衝動型のシンプルな構造であったが高い効率で発電することができた。また模型上ではあるが，ポンプ，電動バルブ，発電装置，自動給水栓の自動制御を再現し，農業用水利用と発電利用を調整するためにパイプラインにおける制水弁が有効に作用することも確認した。
これらの発電利用可能なエネルギーを探索することが可能な，パイプラインシステムにおけるポンプの揚水から末端圃場までの一連の水の流れを解析できる水理解析モデルを作成した。本モデルは差分法による一次元の非定常流解析モデルを使用し，刻々と変化する水利用状況と発電に利用可能なエネルギーを解析可能になるようにした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

開水路，管水路系水利システムともに小水力発電として利用が見込まれる余剰エネルギーを発見し，それを利用するための発電システムの構築までは水理模型実験上ではあるが再現できている。しかし自律制御を行うための制御アルゴリズムをPLCに実装した監視制御システムの構築が遅れている状況にあるため，最終年度に優先的に取り組む必要がある。

Strategy for Future Research Activity

開水路，管水路系水利システムともに小水力発電として利用が見込まれる余剰エネルギーを発見し，それを利用するための発電システムの構築までは水理模型実験上ではあるが再現できている。自律制御を行うための制御アルゴリズムをPLCに実装した監視制御システムの構築が遅れている状況にあるため，最終年度に優先的に取り組む必要がある。平成28年度に開発した開水路を対象とした自律制御による発電用水を創出する発電システムと、管水路系を対象とした発電システムを統合することで開水路系，管水路系の双方に利用が可能な自律制御による発電用水の創出が可能なSCADAによる水・エネルギー管理システムを作成し，平成29年度で遅れていた研究進捗部分を補完する。最終年においては流水エネルギー利用、および管水路導水型の自律制御による小水力発電が可能な水・エネルギー管理システムに、既存の水管理システムからの情報と接続し農業水利システム全体における余剰エネルギーを抽出する機能を追加し、システム全体を完成させる。

Causes of Carryover

PLCとSCADAによる開水路，管水路系を対象とした，水・エネルギー監視制御システムの構築が遅れているため，その分の予算を次年度使用額とした。